JP2010022711A - 放熱用水枕 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の高い冷却用水枕を提供する。
【解決手段】冷却装置１００に、内部の空洞部に放射状に冷却フィン１０５を配して冷却水を循環させる空洞部を有する水枕１０１と、空洞部で冷却水を渦状に循環させるインペラ１０２と、インペラ１０２を駆動するモータ１０３と、排水口ｂから排出された冷却水を給水口ａに供給する冷却水循環器１０４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物が発する熱を冷却する放熱用水枕に関する。

近年、半導体集積技術の向上により、集積回路等の高密度化が可能になり、演算装置などに使用される集積回路等の高機能化が進んでいる。一方、集積回路等の発熱量は従来に比べて増大している。この発熱を冷却するための冷却装置が広く利用されているが、さらに、冷却効率の高い冷却装置への要求が高まっている。冷却効率を高めるためは、水冷方式の冷却装置が有効であるが、より冷却効率の高い放熱用水枕が求められている。

上記技術に関連し、例えば、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化でき、構造が簡単な接触型液冷受熱ポンプで受熱する発熱電子部品の冷却装置が知られている。また、発熱体と冷却用ポンプとの位置決めを容易に行うことできる冷却装置が知られている。

また、ヒートシンクに対して冷却液を叩きつけて衝突噴流を生じさせ、液流を早くすることにより、熱伝達率を高くして冷却性能を向上させる液冷システムが知られている。
特開２００４−２８５８８８号公報 特開２００５−３１７７９７号公報 特開２００６−０３９６６３号公報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、冷却効率の高い冷却用水枕を提供することである。

上記課題を解決するために、本水枕は、発熱体に接して該発熱体から熱を吸収し、内部を循環する冷却液により放熱する放熱用水枕において、前記内部に前記冷却液を流入させる流入口と、前記内部から前記冷却液を流出させる流出口と、前記冷却液を循環させる前記内部の空洞部を構成する第１の平面上に放射状に配された複数の冷却フィンと、前記第１の平面と平行または略平行に向い合う第２の平面に配され前記冷却液を渦状に循環させるインペラと、を備える。

本水枕によると、冷却液を循環させる内部の空洞部を構成する第１の平面上に放射状に冷却フィンを配し、第１の平面と平行または略平行に向い合う第２の平面に配されインペラが空洞部に充填された冷却液を渦状に循環させるので、渦状に循環する冷却水が冷却フィンに対して垂直または垂直に近い入射角度で当たるようになる。したがって、冷却フィンに対してより高速に冷却水を当てることができるので、対流熱伝達の効率を向上して冷却効率を高めることが可能となる。

以上に説明したように、開示の放熱用水枕により、水枕が適用されえる装置の冷却効率を高くすることが可能となる。

以下、実施形態の一例について、図１〜図７に基づいて説明する。
図１は、本実施例に係る冷却装置１００の構成例を示す図である。
図１に示す冷却装置１００は、内部に冷却水を循環させる空洞部を有する水枕１０１と、空洞部で冷却水を渦状に循環させるインペラ１０と２、インペラ１０２を駆動するモータ１０３と、排水口ｂから排出された冷却水を給水口ａに供給する冷却水循環器１０４と、を備える。

水枕１０１は、熱伝導率の高い例えば銅などで構成される直方体である。そして、内部には直方体の空洞部を有し、冷却水を給水口ａから供給し排水口ｂから排水することが可能となっている。

また、水枕１０１内部の空洞部における上面ｃの中心部にはインペラ１０２が備わり、モータ１０３によりインペラ１０２を回転すると、空洞内部の冷却水を渦状に循環させることが可能となっている。

また、水枕１０１内部の空洞部における下面ｄには、インペラ１０２が位置する付近を中心に放射状に配された冷却用フィン１０５が備わり、接触部ｅから伝わる発熱体１０６の熱は、冷却フィン１０５を介して冷却水に放熱される。

冷却水循環器１０４は、例えば、給水口ａ方向に冷却水を循環させるポンプと、一定容量の冷却水を貯蔵するリザーバタンクと、排水口ｂから排出される冷却水を冷却するラジエータと、を備える。

以上の構成において、本実施例では冷却水を使用する場合を示すが、これに限定する趣旨ではなく、必要に応じて種々の冷却液を使用してもよい。また、本実施例では水枕１０１および内部の空洞部の形状直方体の場合を示すが、これに限定する趣旨ではなく、発熱体１０６の形状や冷却装置１００の配置環境等に応じて適宜最適な形状を決定すればよい。

図２は、図１に示した水枕１０１のＡ−Ａ’を下面ｄに平行な平面で切断した断面図である。
図２に示すように、空洞部の下面ｄには、複数の冷却フィン１０５が放射状（または略放射状）に配され、水枕１０１に固定されている。そして、図示しないインペラ１０２を矢印ｘの方向に回転させると、空洞部に満たされる冷却水は矢印ｘに示す方向に渦状の循環をする。

すると、冷却水は、冷却フィン１０５に対して垂直または垂直に近い入射角で当たる。すなわち、冷却水は、冷却フィン１０５に対して最も速い速度で衝突する。その結果、より効率よく対流熱伝達を行なうことが可能となる。

また、冷却フィン１０５に衝突した冷却水は、冷却フィン１０５に沿って矢印ｙの方向に流れ、放射状外周までいくとｙ’方向に循環し、インペラ１０２の回転に応じてまた渦状に循環するので、冷却水の渦状の循環をスムーズに行なうことが可能となる。その結果、冷却フィン１０５に対してより速い速度で冷却液を当てることができるので、冷却水への高い放熱効果を得ることができる。

なお、図２は冷却フィン１０５の数を限定しないのは当然であり、冷却装置１００のサイズや形状等に応じて適宜決定すればよい。
ここで、図２には、直線状の冷却フィン１０５が下面ｄに放射状に配される場合を示したが、例えば、図３に示すように、放射状に配された冷却フィン１０５を、冷却水の循環方向に沿ってしなやかにカーブを描く形状（円弧または略円弧）を有してもよい。

これにより、冷却フィン１０５に衝突した冷却水は、よりスムーズに冷却フィン１０５に沿って矢印ｚの方向に流れるので、冷却水の渦状の循環をよりスムーズに行なうことが可能となる。その結果、冷却フィン１０５に対してより速い速度で冷却液を当てることができるので、冷却水への高い放熱効果を得ることができる。

図４は、水枕１０１の下面ｄと冷却フィン１０５とに直交する平面による冷却フィン１０５の断面図（例えば、図２に示したＢ−Ｂ’の断面図）を示す図である。
図４に示すように、冷却フィン１０５は、下面ｄに対して垂直な状態から冷却水の循環方向にやや傾いた状態で固定されている。すなわち、冷却水が渦状循環により直接当たる側の冷却フィン１０５と下面ｄとは仰角αを成している状態で固定されている。

これにより、上面ｃに備わるインペラ１０２の回転により渦状に循環する冷却水が冷却フィン１０５の面に垂直、または垂直に近い入射角で当たるようになる。すなわち、冷却水が冷却フィン１０５に対して最も速い速度で衝突するようになる。その結果、対流熱伝達の効率が向上するので、水枕１０１はより高い放熱効果を得ることが可能となる。

なお、上述した仰角αは、水枕１０１の空洞部のサイズや冷却フィン１０５の高さ等を考慮して適宜決定すればよい。また、本実施例に係る水枕１０１では、図４に示したように冷却フィン１０５を下面ｄに固定する場合を示したが、冷却フィン１０５を下面ｄに直交するように固定してもよいのは当然である。

以上の説明では、冷却フィン１０５に帯状かつ平板の形状を有するものを使用した場合について説明したが、以下に説明する形状のものであってもよい。
図５および図６は、本実施例に係る冷却フィン１０５の変形例を示す図である。

図５には、下面ｄに固定された冷却フィン５０１の側面図と、この側面図に対してＣ−Ｃ’で切断した場合の上面図、Ｄ−Ｄ’（放射状中心側）で切断した場合の側面図、およびＥ−Ｅ’（放射状外周側）で切断した場合の側面図と、を示している。

図５に示す側面から見ると、冷却フィン５０１は長方形を成す。また、下面ｄと平行な平面で冷却フィン５０１のＣ−Ｃ’を切断した断面は、一定の厚みを有する直線を成す。
また、下面ｄと直交する平面で冷却フィン５０１のＤ−Ｄ’およびＥ−Ｅ’を切断した断面は、下面ｄと仰角を成す側が凹状となる円弧または略円弧状に緩やかな曲面を有する形状を成す。これにより、冷却フィン５０１に向かってくる冷却水の水流を確実に捕らえ、冷却フィン５０１の根本まで冷却水が回り込むようにすることができるので、冷却フィン５０１から冷却水への熱の伝導効率が向上する。その結果、冷却効率を向上することが可能となる。

図６には、図５と同様に、下面ｄに固定された冷却フィン６０１の側面図、Ｆ−Ｆ’で切断した場合の上面図、Ｇ−Ｇ’（放射状中心側）で切断した場合の側面図、Ｈ−Ｈ’（放射状外周側）で切断した場合の側面図を示している。

図６に示す側面から見ると、冷却フィン６０１は長方形を成す。また、下面ｄと平行な平面で冷却フィン６０１のＦ−Ｆ’を切断した断面は、一定の厚みを揺する直線を成す。
また、下面ｄと直交する平面で冷却フィン６０１のＧ−Ｇ’を切断した断面は、図５と同様に、下面ｄと仰角を成す側が凹状となる円弧または略円弧状に緩やかな曲面を有する形状を成す。一方、下面ｄと直交する平面で冷却フィン６０１のＨ−Ｈ’を切断した断面は、下面ｄと仰角を成す平板状の形状を成す。すなわち、放射状の中心側から外周側にかけてなだらかに円弧または略円弧状の曲面から平板状へと移行する形状を有する。

なお、図５および図６に示した冷却フィン１０５は、図３に示したように、Ｃ−Ｃ’断面やＦ−Ｆ’断面が円弧はたは略円弧状となる形状を有していてもよい。また、図５および図６に示した側面において、中心部から外周部にかけて高さｈが高くなる形状であってもよい。また、Ｈ−Ｈ’断面は、半径の大きい円弧または略円弧であってもよい。

以上の説明において、冷却装置１００に備わる冷却フィン１０５は、全て下面ｄからの高さ（例えば、図５や図６に示すｈ、以下、単に「高さ」という）が一定の場合について説明したが、一定の規則にしたがって高さが異なる冷却フィン１０５を使用してもよい。

図７は、本実施例に係る冷却フィン１０５の変形例を示す図である。
図７に示す冷却フィン７０１は、高さが異なる３つの冷却フィンを使用している場合の例を示している。冷却フィン７０１は、冷却水の渦状循環方向に高さが「小」の冷却フィン７０１ａ、高さが「中」の冷却フィン７０１ｂ、高さが「大」の冷却フィン７０１ｃの順に繰り返し配置されている。

これにより、冷却水がそれぞれの冷却フィン１０５に当たる時の水圧や水量のバラツキを抑えることができる。
また、冷却フィン７０１がある程度密集しても、各冷却フィン７０１に対して、渦状に循環する冷却水が直接あたるので、冷却フィン７０１から冷却水への熱の伝導効率が向上する。その結果、冷却効率を向上することが可能となる。

なお、図７には、高さの異なる３枚の冷却フィン７０１を、使用しているが、枚数を限定する趣旨ではない。また、冷却水の渦状循環方向に、高さが「小」、「中」、「大」の順に配置しているが、これに限定する趣旨ではない。必要に応じて適切な高さの冷却フィン７０１を、適切な順序で配置すればよい。

図２および図３に示したように、冷却フィン１０５を空洞部の下面ｄに放射状（または略放射状）に配し、上面ｃのインペラ１０２により冷却水を渦状に循環させると、何れの冷却フィン１０５も全ての位置で冷却水が垂直または垂直に近い状態で当たることになる。すなわち、冷却フィン１０５に対して最も速い速度で冷却水が衝突することになるので、対流熱伝達の効率が向上し高い冷却効率を得ることが可能となる。

また、図３に示したように、放射状に配された冷却フィン１０５に、冷却水の循環方向に沿ってしなやかにカーブを描く形状（円弧または略円弧）を持たせることにより、冷却フィン１０５に衝突後の冷却水が放射状の外周によりスムーズに導かれるので、空洞内部における冷却液の渦状の循環をよりスムーズに行なうことが可能となる。その結果、冷却フィン１０５に当たる時の冷却液の速度が向上するので、冷却効率を向上させることが可能となる。

さらに、図４に示したように、冷却フィン１０５を、冷却水が渦状循環により直接当たる側の冷却フィン１０５と下面ｄとが仰角αを成す状態で固定することにより、冷却フィン１０５の面に対して垂直に冷却水が当たるので、冷却フィン１０５の何れの位置の面に対しても、最も速い速度で冷却水が衝突しする。その結果、対流熱伝達の効率を向上することが可能となり、より高い冷却効率を得ることが可能となる。

以上の実施例１〜ｎを含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
発熱体に接して該発熱体から熱を吸収し、内部を循環する冷却液により放熱する放熱用水枕において、
前記内部に前記冷却液を流入させる流入口と、
前記内部から前記冷却液を流出させる流出口と、
前記冷却液を循環させる前記内部の空洞部を構成する第１の平面上に放射状に配された複数の冷却フィンと、
前記第１の平面と平行または略平行に向い合う第２の平面に配され前記冷却液を渦状に循環させるインペラと、
を備える放熱用水枕。
（付記２）
前記第１の平面上に放射状に配された冷却フィンは、それぞれ前記渦状に循環する冷却液の循環方向に曲線を成す円弧または略円弧の形状を有する、ことを特徴とする付記１に記載の放熱用水枕。
（付記３）
前記第１の平面上に放射状に配された冷却フィンは、該第１の平面と前記冷却フィンとが成す角であって前記渦状に循環する冷却液が直接当たる側の角が仰角を成す、ことを特徴とする付記１に記載の放熱用水枕。
（付記４）
前記第１の平面上に放射状に配された冷却フィンは、該冷却フィンと前記第１の平面とに直行する平面による断面であって前記渦状に循環する冷却液が直接当たる側が、凹状を成す円弧または略円弧の形状を有する、ことを特徴とする付記１に記載の放熱用水枕。
（付記５）
前記冷却フィンは、前記放射状の外周側ほど、前記円弧または略円弧の形状部は大きい円弧または略円弧若しくは平板状となる、ことを特徴とする付記４に記載の放熱用水枕。（付記６）
前記冷却フィンは、前記放射状の外周側ほど、前記第１の平面からの高さが高くなる、ことを特徴とする付記４に記載の放熱用水枕。
（付記７）
前記冷却フィンは、高さの異なる複数の冷却フィンの組の集合である、ことを特徴とする付記１に記載の放熱用水枕。
（付記８）
前記冷却フィンの高さは、前記渦状に循環する冷却液の循環方向にそって段階的に高くなるように配されている、ことを特徴とする付記７に記載の放熱用水枕。
（付記９）
発熱体に接して該発熱体から熱を吸収し、内部を循環する冷却液により放熱する放熱用水枕を有する冷却装置において、
前記内部に前記冷却液を流入させる流入口と、前記内部から前記冷却液を流出させる流出口と、前記冷却液を循環させる前記内部の空洞部であって該空洞部を構成する第１の平面上に放射状に配された複数の冷却フィンと該第１の平面と平行または略平行な向い合う第２の平面に配され前記冷却液を渦状に循環させるインペラとを有する空洞部と、を備える放熱用水枕と、
前記流入口に前記冷却液を流入させ、前記流出口から前記冷却液を流出させて、前記空洞部の前記冷却液を循環させるポンプと、
を備える冷却装置。

本実施例に係る冷却装置の構成例を示す図である。 図１に示した水枕のＡ−Ａ’を下面ｄに平行な平面で切断した断面図である。 図１に示した水枕の下面ｄに配置された冷却フィンの変形例を示す図である。 図１に示した水枕の下面ｄと冷却フィンとに直交する平面による冷却フィンの断面図を示す図である。 本実施例に係る冷却フィンの変形例を示す図である。 本実施例に係る冷却フィンの変形例を示す図である。 本実施例に係る冷却フィンの変形例を示す図である。

符号の説明

１００ 冷却装置
１０１ 水枕
１０２ インペラ
１０３ モータ
１０４ 冷却水循環器
１０５ 冷却フィン

Claims (5)

1. 発熱体に接して該発熱体から熱を吸収し、内部を循環する冷却液により放熱する放熱用水枕において、
   前記内部に前記冷却液を流入させる流入口と、
   前記内部から前記冷却液を流出させる流出口と、
   前記冷却液を循環させる前記内部の空洞部を構成する第１の平面上に放射状に配された複数の冷却フィンと、
   前記第１の平面と平行または略平行に向い合う第２の平面に配され前記冷却液を渦状に循環させるインペラと、
   を備える放熱用水枕。
2. 前記第１の平面上に放射状に配された冷却フィンは、それぞれ前記渦状に循環する冷却液の循環方向に曲線を成す円弧または略円弧の形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の放熱用水枕。
3. 前記第１の平面上に放射状に配された冷却フィンは、該第１の平面と前記冷却フィンとが成す角であって前記渦状に循環する冷却液が直接当たる側の角が仰角を成す、ことを特徴とする請求項１に記載の放熱用水枕。
4. 前記冷却フィンは、高さの異なる複数の冷却フィンの組の集合である、ことを特徴とする請求項１に記載の放熱用水枕。
5. 発熱体に接して該発熱体から熱を吸収し、内部を循環する冷却液により放熱する放熱用水枕を有する冷却装置において、
   前記内部に前記冷却液を流入させる流入口と、前記内部から前記冷却液を流出させる流出口と、前記冷却液を循環させる前記内部の空洞部であって該空洞部を構成する第１の平面上に放射状に配された複数の冷却フィンと該第１の平面と平行または略平行な向い合う第２の平面に配され前記冷却液を渦状に循環させるインペラとを有する空洞部と、を備える放熱用水枕と、
   前記流入口に前記冷却液を流入させ、前記流出口から前記冷却液を流出させて、前記空洞部の前記冷却液を循環させるポンプと、
   を備える冷却装置。