JP3771233B2 - 液冷ジャケット - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の冷却に用いられる液冷システムにおいて、発熱体に取り付ける液冷ジャケットに関するものである。

従来、電子機器の冷却に用いられる液冷ジャケットは発熱体の熱を冷却液に効率良く伝える必要がある。

そこで、従来の液冷ジャケット内部の流路は、一例として、図１８に示すように、蛇行状になっているものがあった。これはジャケット１３０１内部の流路１３０２を蛇行させ、冷却液の流れ１３０３がジャケット１３０１に極力接触するようにしたものである。これはジャケット１３０１内部の流路長を極力長くすることで、冷却液とジャケット内部壁面の接触面積を増やし、発熱体からの熱を効率良く冷却液に伝えようとする方法である。

また、別の例として、図１９に示すように、冷却液の流れ１４０１を複数の流れ１４０３ａ〜１４０３ｆに分配するものがあった。これは流路パスを複数もつことで、流路抵抗を低下させ、尚且つ冷却液と放熱フィン１４０２の接触面積を増やして効率良く熱を伝えようとする方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、冷却液出入口が並んで配置されている方が配管上利便性に優れているため、冷却液出入口を並んで配置したものがあった。これは、図２０に示すように、並んだ放熱フィン１５０１の中央に仕切り１５０２を設け、冷却液の流れ１４０１をＵターンさせることで出入口を並んで配置する方法である（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３４０７２７号公報 特開２００２−１７０９１５号公報

しかしながら、図１８に示す様な蛇行状の流路では、流路長が長くなるほど流路抵抗が増大し、圧損が大きくなってしまうという問題があった。

また、図１９に示す様な、冷却液の流れを複数の流れに分配する流路では、冷却液を放熱フィン間に均一に流すことは困難という問題があった。詳しくは、液流には直進性があるため、入口近くにある放熱フィンには冷却液が流れにくくなるという問題があり、図１９に示すように流速１４０３ａから１４０３ｆにばらつきが生じることになる。これによって熱伝達率の低下が起こり、発熱体の熱を効率良く冷却液に伝えることができなくなる。

また、図２０に示す様な構造においても、放熱フィン間の液流１５０３ａから１５０３ｃにばらつきが生じるという問題がある。詳しくは、出入口に近い流速１５０３ｂが一番速く他の１５０３ａや１５０３ｃは流速が低下する。これによって熱伝達率の低下が起こり、発熱体の熱を効率良く冷却液に伝えることができなくなる。

また、前記説明した何れの従来技術においても、より多くの接触面積を確保しようとしてジャケットサイズを大きくしても、中心の発熱体からの距離が遠くなるため、熱伝導効率向上が困難であるという問題がある。詳しくは、従来は、図２１に示すようにベース３０１により水平方向に熱を広げて、各放熱フィン３０２に熱を伝えている。ところが重量や高さの関係からベース厚ｔ１には制限があり、実際は厚くても７ｍｍ程度となるため、熱の広がり３０３は発熱体１０３周囲にとどまってしまい、端の放熱フィン３０２ａまで熱を伝えることができない。即ちジャケットサイズが大きくなるほど、端の放熱フィンの冷却効果は低下する。

本発明の目的は、熱伝達効率が良く、更に拡張性や組立性に優れた液冷ジャケットを提供することにある。

本発明による液冷ジャケットは、発熱体に接合するベースと、ベースに対して垂直に立っている柱と、柱に取り付けられ、ベースと平行に配置された複数の放熱フィンと、複数の放熱フィンの間を所定の幅で埋める仕切りと、柱および放熱フィンを囲みベースと接合し、仕切りにより冷却液の流れが分けられる位置に冷却液の入口および出口が取り付けられたケースとを備え、複数の放熱フィンは、その厚みに比べて狭い間隔で配置されるものである。

（１）本発明によれば、液冷ジャケット内部の冷却液流は、複数流路を確保しているため、流路抵抗が低く、かつ冷却液の出入口の大きさは、並んだ放熱フィンの高さとほぼ同じにすることにより、各放熱フィン間の流速を均一にすることができる。

（２）本発明によれば、各放熱フィンに熱を伝える柱は太く、その高さは発熱体と接触しているベースから近距離にすることができるため、熱伝導効率が高い。

（３）本発明によれば、放熱フィン間に設けられた仕切りにより冷却液の順路はＵターンするので冷却液出入口を並んで配置でき、配管上利便性に優れている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１により、本発明の液冷ジャケットが適用される電子機器の構成を説明する。図１は、本発明の液冷ジャケットが適用される電子機器の斜視図であり、電子機器の例としてデスクトップ型パーソナルコンピュータの例を示している。

図１において、筐体１０１の内部の底面付近にはマザーボード１０２があり、その上には発熱体であるＣＰＵ１０３、チップセット１０４、メモリ１０５が搭載されている。また、外部記憶装置として、ＨＤＤ１０６、ＦＤＤ１０７、ＣＤ−ＲＯＭドライブ１０８が搭載されている。ＣＰＵ１０３には本発明による液冷ジャケット１３１が取り付けられている。

この液冷ジャケット１３１は銅あるいはアルミといった伝熱性に優れた金属からできている。

ＣＰＵ１０３との接触面はサーマルコンパウンド、もしくは高熱伝導性シリコンゴムなどを挟んで圧着しており、ＣＰＵ１０３で発生する熱が液冷ジャケット１３１に効率良く伝わる構造になっている。また、液冷ジャケット１３１の内部にはポンプ１３２により冷却液が流れており、熱が冷却液に伝わる構造になっている。

筐体１０１の背面外部には、放熱部であるヒートシンク１３５が配置されており、ヒートシンク１３５はベース１３５ａおよびフィン１３５ｂから構成され、ベース１３５ａの内部には冷却液が流れており、冷却液の熱がベース１３５ａ全体に伝わる構造になっている。なお、ベース１３５ａには一定の液量を保持する機構も具備されている。即ち、ベース１３５ａは冷却液のリザーブタンクとしても機能している。

フィン１３５ｂは筐体背面側を向くにように配置されている。つまり、フィン１３５ｂにファン１１３の風が当たるようになっている。

筐体１０１の背面に取り付けられたファン１１３は、ヒートシンク１３５と対面で配置されており、ファン１１３の風は直接フィン１３５ｂに当たるようになっている。より詳しくは、ファン１１３は、軸流ファンであり筐体１０１の内部側が吸気側、ヒートシンク１３５側が排気側となっている。ファン１１３の隣には電源１０９がある。

チューブ１３３および金属管１３４は、液冷ジャケット１３１とヒートシンク１３５を繋ぎ、内部に冷却液を流すことで液冷ジャケット１３１とヒートシンク１３５の熱輸送路となっている。

全体の配管は、金属管１３４を主体としており、部分的にゴム性のチューブ１３３を用いている。このチューブ１３３は曲げることができるため、ＣＰＵ１０３の交換等のメンテナンスが容易になる。つまりファン１１３やヒートシンク１３５を外すこと無く、液冷ジャケット１３１をＣＰＵ１０３から外すことが可能である。また、チューブ１３３以外の配管を金属管１３４とすることで水分透過を抑制している。

冷却液の流れる順路は、ポンプ１３２−液冷ジャケット１３１−ヒートシンク１３５−再びポンプ１３２という順路である。このようにポンプ１３２により冷却液を流す方向はヒートシンク１３５通過後の冷却液を吸い込み、液冷ジャケット１３１に排出するようにしている。これによりポンプ１３２には冷却後の冷却液が流れ、ポンプ１３２の加熱を防いでいる。

次に、図２〜図７により、本発明の液冷ジャケットの構造について説明する。図２は本発明の液冷ジャケットの分解図、図３は本発明の放熱フィンへの熱伝導を説明するための説明図、図４は本発明の柱にヒートパイプを用いた例を説明するための説明図、図５は本発明の冷却液の流れを説明するための説明図、図６は本発明の入口および出口の口径を小さくしたいときの形状を説明するための説明図、図７は本発明の入口および出口の口径を小さくしたいときの別の形状を説明するための説明図である。

まず、構成要素について説明すると、図２に示すように、発熱体１０３に接合するベース２０１と、そのベース２０１に対して垂直に立っている柱２０２と、その柱２０２にベース２０１と平行に取り付けられている放熱フィン２０３と、その放熱フィン２０３の間を所定の幅で埋める仕切り２０４と、柱２０２および放熱フィン２０３を囲み、ベース２０１と接合し、かつ冷却液の入口２０６および出口２０７が設けられたケース２０５で構成されている。

ベース２０１は発熱体１０３と高い平面度で接触しており、また、柱２０２を垂直に保持する役目と、ケース２０５と共に水密を確保する役目をしている。また、熱を効率良く柱２０２に伝えるため、銅のような熱伝導率の高い材質を使うと良い。なお、ベース２０１は柱２０２と一体構造となっていても良いし、柱２０２がベース２０１を貫通して、直接発熱体１０３と柱２０２が接触している構造でも良い。この場合ベース２０１の熱伝導率はさほど重要ではなくなるため、安価な材料を使うことができる。

柱２０２は発熱体１０３の熱を垂直方向に伝え、更に、放熱フィン２０３に熱を伝えている。従来技術では、前述したように、図２１の熱の広がり３０３に示すベース２０１により水平方向に熱を広げて、各放熱フィン３０２に熱を伝えている。ところが重量や高さの関係からベース厚には制限があり、実際は厚くても７ｍｍ程度となるため熱抵抗が高く、熱の広がり３０３は発熱体１０３周囲にとどまってしまい、端の平板３０２ａまで熱を伝えることができない。

一方、本実施の形態では、図３に示すように、各放熱フィン２０３への熱伝導は柱２０２が担っており、この柱２０２は円柱形状で直径ｒ１が約３０ｍｍと太さがあり熱抵抗が低い。更に柱２０２の頭頂部においても、柱２０２の高さは、冷却液の入口２０６および出口２０７の口径ほどの高さで十分冷却が行えるため、例えば、入口２０６および出口２０７の口径が、内径７φ、外形９φの場合は、１０ｍｍ程度の高さも良く、発熱体１０３からの距離が近いため、発熱体１０３の熱４０１が十分に伝わる。

なお、更に冷却能力を向上させるため、図４に示すように、柱２０２にヒートパイプ２０９を用いても良く、ヒートパイプ２０９の機能を有していれば、図４に示した構造以外のものも可能である。

放熱フィン２０３は柱２０２に取り付けられており、ベース２０１と平行な位置関係となっている。また、放熱フィン２０３は柱２０２の同心円状の形状になっており、柱２０２からの熱を冷却液に伝える役目をしている。なお、更に冷却液との熱伝達率を向上させるため、放熱フィン２０３の表面上に突起や開口等を設けても良い。

なお、この実施の形態では、柱２０２は円形形状、放熱フィン２０３は、柱２０２の同心円状の形状としているが、柱２０２および放熱フィン２０３の形状はこれに限らず、他の形状であっても良い。

また、本実施の形態の放熱フィン２０３は空冷用のフィンとは異なる設計にする必要がある。詳しく説明すると、空気と液体の熱容量はかなり異なり、例えば、水は空気に比べて８９倍の熱容量がある。即ち液体である冷却液は空気よりも熱を奪う能力に優れているため、空冷用に比べてフィンを小型にすることができる。

しかし、液冷用のフィンとしての注意すべき点は、フィンの熱伝導能力が低いと、冷却液に熱を奪われてフィン端の温度がすぐに低下してしまう。その結果、フィン端の温度が低いままになってしまい、フィン端まで、熱が伝わりにくくなり、冷却能力が低下してしまう。即ち、液冷用のフィンは高い熱伝導能力が要求される。

具体的には、一般的に空冷用の放熱フィンは、熱を放出するのに多くの空気を必要とするため、放熱フィンの厚みに比べて放熱フィン間を広く取る場合が多いが、本実施の形態での、液冷の場合は逆に放熱フィン間を狭くし、放熱フィンを厚くしてフィン自身の熱伝導能力を高める方が良い。本実施の形態の場合は、水冷用として、放熱フィンの厚さに対して放熱フィンの間隔を狭くし、例えば、放熱フィン２０３の厚みは２ｍｍであり、フィン間の隙間は１ｍｍとしている。

放熱フィン２０３には、図２に示すように、各放熱フィン２０３間を所定の幅で埋める仕切り２０４が設けられている。この仕切り２０４は、図２に示す冷却液２０８の流路を形成するためのものである。これにより液流はＵターンするため、入口２０６と出口２０７は平行して配置することができ、配管上の利便性を向上させることができる。なお、Ｕターンさせる必要が無ければ、仕切り２０４を省略して、入口２０６と出口２０７を反対に配置しても良い。

入口２０６と出口２０７は、冷却液を放熱フィン２０３間に均等に流す役目をしている。本実施の形態では、図５に示すように入口２０６と出口２０７の大きさを、各放熱フィン２０３の高さとほぼ等しくしている。これにより、ジャケットに入って来た冷却液２０８から、各放熱フィン２０３間を流れる冷却液２０８ａを均一にすることができる。

ここでもしジャケットと接続するチューブ等の都合で口径を小さくしたい場合は、図６に示すように、入口２０６および出口２０７の形状を、チューブ１３３の差込部分以降をテーパー状にすれば良い。また、図７に示すように、入口２０６および出口２０７を放熱フィン２０３に対して角度を付けて配置し、入口２０６および出口２０７と放熱フィン２０３の間を斜めの壁で接続するようにしても良い。

次に、図８〜図１０により、本発明の液冷ジャケットにおいて、組立性を考慮した例について説明する。図８および図９は本発明の組立性を考慮した液冷ジャケットの構造を説明するための説明図、図１０は液冷ジャケットの仕切りの形状を説明するための説明図である。

図８に示すように、ベース２０１と柱２０２および放熱フィン２０３は回転旋盤加工で一体成形され、かつ、ベース２０１淵周囲にはネジ切り加工７０１がされている。一方ケース２０５にも対応するネジ切り加工がされている。

また、ケース２０５には、図９に示すように、冷却液の入口２０６と出口２０７の間には仕切り２０４が挟まる溝８０１が設けてある。

なお、仕切り２０４は、図１０に示す形状をしており、放熱フィン２０３にはめられるよう、溝９０１がある。また、仕切り２０４は、図９の矢印８０２に示すように放熱フィン２０３にはまった状態でスライド移動するようになっている。

なお、この仕切り２０４の熱膨張率を放熱フィン２０３の熱膨張率と異なる値にすることにより、組み立て時には、容易に仕切り２０４と放熱フィン２０３とを動かせるように仕切りの溝９０１を加工し、実際の冷却時には、冷却液の熱により、仕切りの溝が狭まり、仕切り２０４と放熱フィン２０３とが完全に密着するようにしても良い。

本実施の形態での液冷ジャケットの組立手順としては、まず、仕切り２０４を放熱フィン２０３にはめ込む。次に、ケース２０５をベース２０１に置き、このとき仕切り２０４は溝８０１の間にはまるようにする。その後はケース２０５を回転させてベース２０１にねじ込むだけで良い。このときねじ切り加工７０１は、テーパー状とすることで、容易に水密を取ることができる。

次に、図１１〜図１７により、本実施の形態の液冷ジャケットの他の構造について説明する。

図１１は本発明の液冷ジャケットを重ねて更なる性能向上を図った例を示した図、図１２は本発明の液冷ジャケットの上部に空冷ヒートシンクおよびファンを重ねて更なる性能向上を図った例を示した図、図１３は本発明の液冷ジャケットと一体になった空冷ヒートシンクにより更なる性能向上を図った例を示した図、図１４および図１５は本発明の液冷ジャケットの冷却液の入口および出口の配置を変えた例を示した図、図１６および１７は本発明の液冷ジャケットの放熱フィンに螺旋状の放熱フィンを用いた例を示した図である。

本実施の形態での液冷ジャケットは、発熱体の熱を垂直方向に伝導させるため、図１１に示すように、液冷ジャケットの上に更に液冷ジャケットを重ねて熱伝達効率を更に向上させることが可能である。詳しくは、発熱体１０３の熱を受けた柱２０２は、ケース２０５の天板１００１と接触しており、熱的に接続されている。従って発熱体１０３の熱は、矢印１００２に示すように上部ジャケットの柱２０２まで伝わる。これにより、発熱体１０３の熱は複数のジャケットにより冷却液に伝えられるため、熱伝達効率が更に向上する。

また、柱２０２とケース２０５の天板１００１を熱的に接続させることにより、図１２に示すように、空冷ヒートシンク１１０１およびファン１１０２を取り付けて更なる冷却能力の向上を図ることができる。

更に図１３に示すように、柱２０２は天板１００１を貫通し、空冷ヒートシンク１２０１と一体形状となっていても良い。

また、液冷ジャケットの入口２０６および出口２０７の向きについては、図１４および図１５に示すように、片側もしくは両側の出入口の方向を変えることもできる。

また、螺旋状の放熱フィンを用いることにより、仕切り２０４を用いずに冷却液をターンさせることもできる。

これは、図１６および図１７に示すように、螺旋状の放熱フィン１８０１を用いることにより、入口２０６により入ってくる冷却液を螺旋状に流し、上部の出口２０７から排出するものである。本実施の形態の場合、出口２０７の位置は、ケース２０５の上部であれば良く、例えば、図１６に示す２０７’の位置や、図１７に示すようにケース２０５の天面にあっても良い。

以上のように、本実施の形態では、発熱体１０３に接合するベース２０１と、ベース２０１に対して垂直に立っている柱２０２と、柱２０２に取り付けられ、ベース２０１と平行に配置された複数の放熱フィン２０３と、複数の放熱フィン２０３の間を所定の幅で埋める仕切り２０４と、柱２０２および放熱フィン２０３を囲みベース２０１と接合し、仕切り２０４に対して対称となる位置に冷却液の入口２０６および出口２０７が取り付けられたケース２０５とを備え、複数の放熱フィン２０３は、その厚みに比べて狭い間隔で配置されるようにしているので、液冷ジャケット内部の冷却液流は、複数流路を確保しているため、流路抵抗が低く、かつ冷却液の出入口の大きさは、並んだ放熱フィン２０３の高さとほぼ同じにすることにより、各放熱フィン２０３間の流速を均一にすることができる。

また、各放熱フィン２０３に熱を伝える柱２０２は太く、また高さは発熱体１０３と接触しているベース２０１から近距離とすることができるため、熱伝導効率が高い。

また、放熱フィン２０３間に設けられた仕切り２０４により冷却液の順路はＵターンするので冷却液出入口を並んで配置でき、配管上利便性に優れている。

本発明の液冷ジャケットが適用される電子機器の斜視図である。 本発明の液冷ジャケットの分解図である。 本発明の放熱フィンへの熱伝導を説明するための説明図である。 本発明の柱にヒートパイプを用いた例を説明するための説明図である。 本発明の冷却液の流れを説明するための説明図である。 本発明の入口および出口の口径を小さくしたいときの形状を説明するための説明図である。 本発明の入口および出口の口径を小さくしたいときの別の形状を説明するための説明図である。 本発明の組立性を考慮した液冷ジャケットの構造を説明するための説明図である。 本発明の組立性を考慮した液冷ジャケットの構造を説明するための説明図である。 液冷ジャケットの仕切りの形状を説明するための説明図である。 本発明の液冷ジャケットを重ねて更なる性能向上を図った例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットの上部に空冷ヒートシンクおよびファンを重ねて更なる性能向上を図った例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットと一体になった空冷ヒートシンクにより更なる性能向上を図った例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットの冷却液の入口および出口の配置を変えた例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットの冷却液の入口および出口の配置を変えた例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットの放熱フィンに螺旋状の放熱フィンを用いた例を示した図である。 本発明の液冷ジャケットの放熱フィンに螺旋状の放熱フィンを用いた例を示した図である。 従来の液冷ジャケットで流路が蛇行するものを示した図である。 従来の液冷ジャケットで流路が複数あるものを示した図である。 従来の液冷ジャケットで流路がＵターンするものを示した図である。 従来の液冷ジャケットの熱の伝わり方を示した図である。

符号の説明

１０１…筐体、１０２…マザーボード、１０３…ＣＰＵ（発熱体）、１０４…チップセット、１０５…メモリ、１０６…ＨＤＤ、１０７…ＦＤＤ、１０８…ＣＤ−ＲＯＭドライブ、１０９…電源、１１３…ファン、２０１…ベース、２０２…柱、２０３…放熱フィン、２０４…仕切り、２０５…ケース、２０６…冷却液入口、２０７…冷却液出口、２０９…ヒートパイプ、１３１…液冷ジャケット、１３２…ポンプ、１３３…チューブ、１３４…金属管、１３５…液冷システム用ヒートシンク、８０１…溝、９０１…溝、１００１…ケースの天板、１１０１…空冷ヒートシンク、１１０２…ファン、１２０１…空冷ヒートシンク。

Claims (5)

1. 発熱体に接合するベース部材と、
   前記ベース部材に対し垂直に設けられ垂直方向に熱を伝える柱状部材と、
   前記柱状部材に設けられ前記ベース部材に並行に積層配置される複数の放熱フィンと、
   前記ベース部材と接合して前記柱状部材と前記複数の放熱フィンを内包するケース部材と、
   前記ケース部材の外周部の周方向に設けられて、前記ケース部材の内部に冷却液を入れる液入口と前記ケース部材から冷却液を排出する液出口と、
   前記複数の放熱フィンの間に形成された冷却液の通流する液流路と、
   前記液入口と前記液出口との間の前記複数の放熱フィン間に設けられ、前記液入口から前記液出口への流れを形成する仕切り部材と、を備え、
   前記放熱フィンの厚みに比べて前記放熱フィン間を狭くし、
   冷却液が前記柱状部材を中心に前記液入口から前記液出口に通流するようにしたことを特徴とする液冷ジャケット。
2. 請求項１記載の液冷ジャケットにおいて、
   前記柱状部材は円柱形状であり、
   前記放熱フィンは前記柱状部材に対して同心円形状であることを特徴とする液冷ジャケット。
3. 請求項１または２記載の液冷ジャケットにおいて、
   前記液入口と前記液出口の口径は、前記積層配置される複数の放熱フィンの高さに等しいことを特徴とする液冷ジャケット。
4. 請求項１、２または３記載の液冷ジャケットにおいて、
   さらに、前記ケース部材の前記ベース部材と対向する前記ケース部材の上面に設けられた空冷ヒートシンクおよびファンを備え、
   前記柱状部材は前記ケース部材の天面に接触し、発熱体の発生熱が前記柱状部材を介して前記空冷ヒートシンクに伝わることを特徴とする液冷ジャケット。
5. 請求項４記載の液冷ジャケットにおいて、
   前記空冷ヒートシンクは、前記ケース部材を貫通して設けられた前記柱状部材に前記放熱フィンを接続する構成から成ることを特徴とする液冷ジャケット。

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