JP4617463B2 - CPU cooling device using plasma synthetic jet - Google Patents
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Description
本発明は、冷却装置に関し、特にコンピュータのCPUの冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device, and more particularly to a cooling device for a CPU of a computer.
コンピュータの作動速度は主にCPUのクロック周波数で決定されるが、最近ではコンピュータの処理速度を高める傾向が進み、そのためCPUのクロック周波数が数ギガヘルツにも達する。CPUのクロック周波数が高くなるに従って、CPUの発熱量が増加するため、CPUの冷却能力を高める必要がある。
CPUの冷却装置は、図4に示されるようにCPU外周に熱が伝わるように熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを付設し、特にヒートシンクの外側にフィンの部分を形成して熱伝達を行う伝熱面積を増大させ、側方から送風を行い熱交換により冷却することが一般的である。
The operating speed of a computer is mainly determined by the clock frequency of the CPU, but recently, there is a tendency to increase the processing speed of the computer, and therefore the clock frequency of the CPU reaches several gigahertz. As the CPU clock frequency increases, the amount of heat generated by the CPU increases. Therefore, it is necessary to increase the cooling capacity of the CPU.
As shown in FIG. 4, the CPU cooling device is provided with a heat sink made of a material having a high thermal conductivity so that heat is transmitted to the outer periphery of the CPU, and in particular, a fin portion is formed outside the heat sink to transfer heat. It is common to increase the heat transfer area, blow air from the side and cool by heat exchange.
冷却装置の冷却能力を高めるためには、伝熱面積を増大させること、ファン等の強制対流により熱伝達率を高めることが必要である。伝熱面積を増やすには、フィン1枚あたりの面積を大きくし、また、枚数を増やすことが上げられる。
しかしながら、CPUの寸法は小さいものであり、コンパクトな構成のコンピュータにおいてCPUを実装する空間も限られたものであるため、ヒートシンク、フィンもそれほど大きくできないという制約がある。また、枚数を増やすと、フィンの間隔が小さくなり、空気抵抗が増して同じ送風力では流れが弱まり、それでも流れを弱めないためには、送風力を高める、すなわち送風機の動力を大きくする必要があり、結局冷却効率を全体として高めるには限度があった。
In order to increase the cooling capacity of the cooling device, it is necessary to increase the heat transfer area by increasing the heat transfer area and by forced convection of a fan or the like. In order to increase the heat transfer area, it is possible to increase the area per fin and increase the number.
However, since the size of the CPU is small and the space for mounting the CPU in a computer having a compact configuration is limited, there is a restriction that the heat sink and fins cannot be so large. In addition, when the number of sheets is increased, the gap between the fins decreases, the air resistance increases, and the flow becomes weaker with the same blowing force. After all, there was a limit to improving the cooling efficiency as a whole.
CPU等の冷却装置について従来の技術として、次のようなものがある。
特許文献1は、CPU等の発熱素子を冷却するために、フィンが形成されたヒートシンクに送風機から供給される空気を案内する整流体を設けることを開示している。
特許文献2は、CPU等の発熱素子を冷却するためのヒートシンクの放熱効率を高めるために、銅材料のプレートの上にアルミニウム材料のプレートをクラッドし、上側からの切り起こしによって、先端のみにアルミニウム材料からなる部分を有する銅材料からなるスカイブフィンを形成することを開示している。
Patent Document 1 discloses providing a rectifier for guiding air supplied from a blower to a heat sink in which fins are formed in order to cool a heat generating element such as a CPU.
In
特許文献1における整流体によっても、ヒートシンク内での空気のよどみはある程度防止されるが、ヒートシンク全体の冷却効率を十分に高められるものではなく、特許文献2においても、フィンの材質により冷却効率がある程度上げられるということであり、やはり十分なものではない。
一方、翼体、平板等に沿った流れ制御について、プラズマシンセティックジェットアクチュエータ(PSJA)が最近注目されており、次のような文献に開示されている。
The rectifying body in Patent Document 1 also prevents air stagnation in the heat sink to some extent, but it does not sufficiently increase the cooling efficiency of the entire heat sink. Also in
On the other hand, a plasma synthetic jet actuator (PSJA) has recently attracted attention for flow control along a wing body, a flat plate, and the like, and is disclosed in the following documents.
従来のコンピュータのCPUのように小さい寸法で多量の熱を発生する部分の冷却装置では、冷却装置の寸法をそれほど大きくせず、あるいはファンの動力をそれほど大きくせずに、効率よく冷却することが困難であるというのが実情であり、フィンの間隔を狭くして冷却面積を大きくすることによっても、ヒートシンクのフィン面での空気の流速が低下することにより、結果としてそれほど冷却効率は上げられなかった。そのため、比較的小さい寸法のフィンが形成されたヒートシンクでも冷却効率が高い冷却装置が望まれていた。 In a cooling device for a part that generates a large amount of heat with a small size like a CPU of a conventional computer, the cooling device can be efficiently cooled without increasing the size of the cooling device or increasing the power of the fan so much. The reality is that it is difficult, and even if the cooling area is increased by narrowing the gap between the fins, the air flow velocity at the fin surface of the heat sink will decrease, and as a result, the cooling efficiency will not increase that much. It was. Therefore, a cooling device with high cooling efficiency is desired even with a heat sink in which fins having relatively small dimensions are formed.
本発明は、このような従来技術における課題を解決するものであり、CPUがベースに取り付けられており、前記ベースと一体的に形成された導電性材料からなる複数のフィンが一体的に形成されたヒートシンクを有する冷却装置であって、前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿って間に絶縁体を介在して電極が取り付けられ、前記電極の後端側縁辺が前記フィンの面に対して50〜120ミクロンの段差を有するものであって、該電極と前記フィンとの間に交流電圧を印加してプラズマシンセティックジェット作用による前記フィンの面に沿った空気流を生ぜしめるようにしたものである。
The present invention solves such a problem in the prior art. A CPU is attached to a base, and a plurality of fins made of a conductive material formed integrally with the base are integrally formed. A cooling device having a heat sink, wherein an electrode is attached along an edge of the tip of each of the plurality of fins with an insulator interposed therebetween, and a rear edge side edge of the electrode with respect to a surface of the fin 50-120 be one having a step of microns, which was set to give rise to air flow along the surface of the fin by the plasma synthetic jet action by applying an AC voltage between said fins and said electrode Te It is.
交流電圧は0.5〜1.20kHzの周波数で、電圧が700〜1000Vであるのが好ましく、また、前記電極はアルミニウムからなり複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿ってこれを周回するように取り付けられ、絶縁体はポリイミドテープからなるものであるのが好ましい。
電極の後端側縁辺はフィンの面に対して50〜120ミクロンの段差を有するのが好ましい。
The AC voltage is preferably at a frequency of 0.5 to 1.20 kHz, and the voltage is preferably 700 to 1000 V, and the electrode is made of aluminum and circulates along the edge of each tip of the plurality of fins. attached to, the insulator is preferably made of polyimide tape.
The rear edge of the electrode preferably has a step of 50 to 120 microns with respect to the fin surface.
本発明では、冷却装置のヒートシンクにおけるフィンの先端の縁辺に沿って絶縁体を介在させてアノード電極を設け、カソード(フィン)との間に交流電圧を印加するPSJAを適用することにより、各フィン毎の放熱効率を維持しつつフィンの間隔を狭め、フィンの枚数、すなわち放熱面積を増大させて、ヒートシンク全体の冷却効率を高めることができる。 In the present invention, an anode electrode is provided along the edge of the tip of the fin in the heat sink of the cooling device, and PSJA that applies an AC voltage to the cathode (fin) is applied to each fin. It is possible to increase the cooling efficiency of the entire heat sink by reducing the interval between the fins while maintaining the heat radiation efficiency of each, and increasing the number of fins, that is, the heat radiation area.
(基本技術の説明)
本発明は、フィンが形成されたヒートシンクにおける冷却効率を高めるために、近年注目されている翼面剥離制御に有効な流体制御デバイスとしてのプラズマシンセティックジェットアクチュエータ(PSJA)の技術手法を用いるものであり、まずPSJAについて説明する。
(Description of basic technology)
The present invention uses a technique of a plasma synthetic jet actuator (PSJA) as a fluid control device that has been attracting attention in recent years as an effective fluid control device in order to increase the cooling efficiency of a heat sink in which fins are formed. First, PSJA will be described.
PSJAは、絶縁体を挟んだ電極間に交流電圧を印加することによって、電極近傍の空気に電気流体力学効果が生じ、その結果として噴流が誘起されることを利用した電気的な流体デバイス制御である。
PSJAによる作用は例えば図1(a)に断面図で示されるような形状の電極構造で生ずる。翼体1等の壁面に設けられた中心の針状の電極2はニクロムメッキ線とし、間に絶縁体3を介在させてこの先端を取り囲むワッシャ状の電極4との間に電圧750V、周波数0.5〜1.20kHzの交流電圧を印加すると、針状電極から放射状に青紫色の発光を伴う数本の放電路が生じ、それとともに3次元的な渦流が誘起される。渦流は線香の煙などで可視化されるが、流速としては数cm/sのオーダーである。
PSJA is an electrical fluid device control that utilizes an electrohydrodynamic effect in the air in the vicinity of an electrode by applying an alternating voltage between electrodes sandwiching an insulator, and as a result a jet is induced. is there.
The effect of PSJA occurs, for example, in an electrode structure having a shape as shown in a sectional view in FIG. The central needle-
電極構造として、翼体1等の壁面に固体絶縁体5で隔てられた2本の細いストリップ6,7を設置した場合についても確認されている。ストリップはアルミニウムテープ、銅テープ等、絶縁体としてカプトンテープ等を用いた電極に1/0kV、周波数0.5〜1.20kHzの交流電圧を印加すると、壁面に沿って特定の方向性をもった噴流が誘起される。
このようにPSJAによる作用が実際に確認されており、そのような作用が生ずるメカニズムについては、エネルギー密度の勾配に比例する誘電力が重要な要素であると考えられ、この考えに応じたシミュレーション等により検討されているが、いまだ厳密に解明されているとは言えない。
As an electrode structure, it has been confirmed that two
In this way, the action by PSJA has been actually confirmed, and it is considered that the dielectric force proportional to the energy density gradient is an important factor for the mechanism of such action. However, it has not been clarified yet.
PSJAによる作用はすでに確認されており、航空機の翼面に設置し、剥離を抑制することについて検討が進められてはいるが、冷却装置のフィンに設置することには困難な点があり、特にコンピュータのCPU等の冷却の場合に適用する具体的な試みはなされていない。 Although the effect of PSJA has already been confirmed, and it has been studied to install on the wing surface of an aircraft and suppress separation, it is difficult to install on the fin of the cooling device, No specific attempt has been made to apply to the cooling of a computer CPU or the like.
本発明では、PSJAをフィンの形成されたヒートシンクを用いたCPU等の冷却装置に適用して冷却効率を高めるものである。PSJAを適用したCPUの放熱用ヒートシンクは図2(a)のような構成であり、CPU11がヒートシンク12のベース13に取り付けられ、ベース13と一体的に複数の薄板状のフィン14が形成されており、フィン14はPSJAにおけるカソード電極となる。各々のフィン14の先端の縁辺に沿って絶縁体15を介してアノード電極16が設けられる。
In the present invention, PSJA is applied to a cooling device such as a CPU using a heat sink in which fins are formed to increase the cooling efficiency. The heat dissipation heat sink of the CPU to which PSJA is applied has a configuration as shown in FIG. 2A. The CPU 11 is attached to the
図2(b)は1枚のフィンの先端側を斜視図で示したものであり。フィン14はアルミニウム等の熱伝導性のよい材料でヒートシンクと一体的に形成され、フィンの先端部の縁辺に沿って、これを周回するように適切な接着剤により取り付けられた絶縁体15はメルカプトン等の材料の層であり、さらに絶縁体15を周回するような形状のアルミニウム等の材料により形成されたアノード電極16が適切な接着剤により取り付けられる。接着剤としても絶縁性を有するものが好ましい。
FIG. 2B is a perspective view of the tip side of one fin. The
図2(a),(b)に示されるアノード電極16はフィン14の先端の縁辺を周回しており、アノード電極16は、図2(c)に断面で示されるように、先端が流線形で前方からの空気流が供給される場合の流れの乱れを少なくし、またその後端側縁辺の高さはフィン14の面に対して50〜120ミクロンの段差になるようにするのが好ましい。この段差はアノード電極16とフィン14との間に交流電圧を印加した際のPSJAの作用を得るために重要である。
The
図3はPSJAを駆動する駆動回路の例を示している。この駆動回路は例えば12Vの入力側の電圧を1kVに昇圧する変圧器21の入力端子側にFET等のスイッチングデバイス22が接続されて構成され、入力電圧を約1kHz、デューティ比50%の方形波として、変圧器21の出力側に約1kHz、1kVの交流が得られ、この交流の出力24をカソード(フィン14)に、出力23をアノード電極16に印加すると、PSJAの作用として、電極の部分からフィンの面に沿った空気の流れが生ずる。
FIG. 3 shows an example of a drive circuit for driving PSJA. This drive circuit is configured, for example, by connecting a
PSJAの作用を得るために、かなり高い交流電圧を印加する必要があることから、CPUの冷却に際しては、電磁ノイズの影響を防止するためにCPUの周囲を注意深くシールドするのが好ましい。
従来のヒートシンクではフィンの間隔を5mm程度より小さくすると、強制対流によっても放熱効率が低下するため、フィンの間隔が5mm程度になるという制約があったが、本発明によるPSJAを用いたヒートシンクによれば、フィンの間隔を2mm程度にしても放熱効率がそれほど低下せず、結果として放熱面積を大幅に増大させることができ、ヒートシンクの冷却能力を格段に高めることになる。
In order to obtain the effect of PSJA, it is necessary to apply a considerably high alternating voltage. Therefore, when cooling the CPU, it is preferable to carefully shield the periphery of the CPU in order to prevent the influence of electromagnetic noise.
In the conventional heat sink, if the fin spacing is smaller than about 5 mm, the heat dissipation efficiency is reduced even by forced convection, so there is a restriction that the fin spacing is about 5 mm. For example, even if the distance between the fins is about 2 mm, the heat radiation efficiency does not decrease so much, and as a result, the heat radiation area can be greatly increased, and the cooling capacity of the heat sink is greatly increased.
1 翼体
2 電極
3 絶縁体
4 ワッシャ状の電極
5 固体絶縁体
6、7 ストリップ
11 CPU
12 ヒートシンク
13 ベース
14 フィン
15 絶縁体
16 アノード電極
21 変圧器
22 スイッチングデバイス
23 出力
24 出力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12
Claims (3)
The electrode according to claim 1 or 2, wherein the electrode is made of aluminum and is attached so as to go around the edge of each of the plurality of fins, and the insulator is made of polyimide tape. The CPU cooling device according to any one of the above.
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