JP2011187598A - 液冷ジャケット - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにする。
【解決手段】 搭載面に冷却すべき発熱体１４が搭載され、冷却液が上記搭載面の内側に沿って流れて発熱体を冷却する液冷ジャケット１０において、上記液冷ジャケットの内部空間が、その中間高さで上記搭載面とほぼ平行に延びる仕切り部材１３により、上下二層に分割されていて、下方空間に冷却液のための流入口１１ａが設けられ、上方空間に冷却液のための流出口１１ｂが設けられ、上記仕切り部材が分散配置された複数個の貫通孔１３ｂを備えており、上記流入口から上記下方空間に導入された冷却液が、上記仕切り部材の各貫通孔を通って、上記上方空間内に流入して、上記上方空間内で上記搭載面の内側を流れることにより、上記搭載面に搭載された発熱体を冷却し、上記流出口から排出されるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば複数のＬＥＤ素子等の発熱体を冷却するための液冷ジャケットに関するものである。

近年、半導体デバイスの消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って半導体デバイスの発熱量が増大している。このため、半導体デバイスを効率的に冷却するために、高性能の冷却システムの需要が高まっている。
さらに、半導体デバイスの高密度化も進んでおり、高密度集積回路における消費電力も加速度的に上昇し、発熱量と共に、発熱密度も急激に増大している。
このような半導体デバイスや高密度集積回路においては、従来使用されているような半導体デバイスのための冷却システム、即ち例えばペルチェ素子による強制吸熱や、ヒートシンク及び冷却ファンによる強制空冷では、冷却能力に限界がある。従って、より高い冷却能力を有する液冷システムも実用化されてきている。

光半導体を利用したＬＥＤ素子においても、発光光度の向上に伴って、従来の表示用途から照明用途への、用途が拡大するにつれて、大電力化の道を辿っている。
ＬＥＤ素子における大電力化の最大の問題点は、発光効率が向上したとはいえ、未だなお投入電力の大部分が熱に変換されてしまい、ＬＥＤ素子自体からの発熱によって、ＬＥＤ素子の発光効率が低下し、寿命が短くなってしまうということである。

特に大電力ＬＥＤ素子においては、チップ当たり数Ｗにもなる発熱に耐え得るようなパッケージ及び放熱構造が要求されており、熱伝導性に優れたメタルコア液冷ジャケットやセラミック液冷ジャケットを利用したものが実用化されている。
特にセラミック液冷ジャケットの場合には、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上すると共に、絶縁性を有するためにメタルコア液冷ジャケットの場合のような絶縁層が不要であるという二つの大きな利点により、注目されている。
このような大電力ＬＥＤ素子においても、高い冷却性能を有する液冷システムは、ＬＥＤ素子の冷却のために有効である。

また、ＬＥＤ素子を利用した照明は、従来の白熱灯や蛍光灯，放電灯と比較して長寿命で所謂メンテナンスフリーであることから、交換に手間のかかる高所，局所用照明の代替候補として非常に注目を集めている。例えば大電力の高所照明としては、運動競技場や体育館等に設置されるスタジアム照明がある。
このようなスタジアム照明等においては、安定した高出力の照明が求められるため、従来は水銀灯等の放電灯が使用されている。このような放電灯の代替照明とするためには、１チップのＬＥＤ素子では非常に困難であるので、一般的には、複数チップを一つのパッケージとしたＬＥＤモジュールや、さらに複数パッケージを一つに纏めたＬＥＤユニットが使用される。

しかしながら、ＬＥＤ素子は、動作温度によって発光光度や寿命が決まるため、上述したＬＥＤモジュールやＬＥＤユニットにおいては、一つ一つのＬＥＤチップの温度を均一に保持することにより、発光光度や寿命のバラツキを抑えることが必須条件である。従って、このような大電力のＬＥＤ照明においても、発光光度や寿命のバラツキを抑えるために、高い冷却性能を有する液冷システムが有効である。

このような液冷システムとしては、例えば特許文献１による水冷式ヒートシンクが知られている。
特許文献１には、偏平形状のタンクの内部に流通する冷却液により、タンクの偏平な外面（受熱面）に取り付けられた発熱体を冷却する水冷式ヒートシンクであって、タンクの内部に前記受熱面に沿うように仕切り部材が設けられ、この仕切り部材により冷却液が折り返しながら流通可能な冷却液流路が層状に形成されていることを特徴とする水冷式ヒートシンクが開示されている。
この水冷式ヒートシンクにおいては、タンク内部が仕切り部材により二層に分割されており、冷却液がこの二層を折り返して流通することにより、受熱面における均熱化が図られている。

また、特許文献２には、複数個の発熱素子が搭載面にほぼ放射状に配設され、内部に形成された冷媒流路に冷却媒体を流すことにより、前記発熱素子に対する冷却を行なうヒートシンクを備えた発熱素子用冷却装置において、ヒートシンクが前記冷媒流路に形成された冷媒流入口からの冷却媒体の導入を行なう冷媒導入室と、前記冷媒流路に形成され前記冷媒導入室からの冷媒を前記発熱素子が配設された個所の裏面に接触させる冷媒接触室と、を有しており、前記冷媒導入室とこれに隣接する冷媒接触室との間に前記冷却媒体を前記裏面に向けて噴出させるための噴出口が形成されていることを特徴とする、発熱素子用冷却装置が開示されている。

このような構成の発熱素子用冷却装置においては、冷媒導入室に導入された冷却媒体が、中央噴出口から噴出されて第一の冷媒接触室内で発熱素子の裏面側に衝突して冷却を行なう。同様にして、冷却媒体は、第二の冷媒接触室，第三の冷媒接触室で冷却を行なう。
ここで、周辺噴出口は中央噴出口を中心にして放射状に広がるように形成されており、過渡的にもほぼ同じ程度の温度に均一に冷却されるので、各発熱素子に大きな引っ張り熱応力が発生することはない。

特開２００７−１８４３４９号公報 特開２００３−０５１６８９号公報

ところで、発熱体から冷媒としての液体への等価熱伝達率（冷媒と接する部分の総搭載面積ではなく、包絡断面積で熱量を割ったもの。以下、単に熱伝達率という）を向上させるためには、冷却装置内の冷媒の流路構造を最適化することが重要であり、さらに簡単な構成で安価に提供され得ることが、実用化において要求される。

しかしながら、特許文献１による水冷式シートシンクにおいては、構造は単純であり、低コストで提供され得るが、単純な構成のためにインナーフィンを挿入する等の追加手段を備えなければ、熱伝達率の向上は望めない。
また、発熱体から受熱した冷却液が受熱面に沿って流れて再び折り返しているので、冷却効率が損なわれることになってしまう。

これに対して、特許文献２による冷却装置においては、熱電率効率の向上を追求するあまり、冷媒の流路が複雑な構造となってしまい、流路における圧力損失が増大してしまう。従って、必要な流量を確保することが困難になると共に、製造コストが大幅に高くなってしまう。さらに、発熱源の配置を変更する場合には、冷媒の流路を再度設計し直さなければならず、時間及びコストがかかってしまう。

本発明は、以上の点から、冷却すべき発熱源の搭載位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体を均一に冷却できる技術を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明の第一の態様は、発熱体が搭載される搭載面と、上記搭載面とほぼ平行に延びる仕切り部材により上下二層の空間に分割され、上記搭載面下方で冷却液の流路となる内部空間と、上記仕切り部材により分割された下方空間に設けられる流入口と、上記仕切り部材により分割された上方空間に設けられる流出口と、上記仕切り部材に分散配置された複数個の貫通孔と、を備える。

この第一の態様では、内部空間のうち下方空間に導入された冷却液が、この下方空間から仕切り部材の各貫通孔を介して上方空間内に流入し、上方空間内を流れて流出する。
その際、上記上方空間内を流れることにより、上記搭載面そしてこの搭載面に搭載された発熱体を冷却する。
従って、内部空間の上方空間内では、分散配置された各貫通孔から流入する冷却液が全体に亘って導入される。これにより、上方空間内の全体に亘って新たな冷却液によって冷却が行なわれるので、上方空間の全体に亘って効率よく冷却されることになる。
このようにして、液冷ジャケットの内部空間に仕切り部材を配置するだけの簡単な構成により、発熱体が効率よく冷却されることになる。

また、本発明の第二の態様は、上記貫通孔が、上記上方空間内における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されている。

この第二の態様では、各貫通孔の配置に基づいて、液冷ジャケットの上方空間内における冷却液の流速分布が制御され、液冷ジャケットの上方空間内の全体に亘って均一に冷却が行なわれる。従って、液冷ジャケットの搭載面そして発熱体が均一の温度に冷却され、温度のバラツキが最小化される。
また、発熱体の配置が変更された場合には、この発熱体の新たな配置に対応して、各貫通孔の位置を変更した新たな仕切り部材を用意することによって、上記搭載面に搭載される発熱体の任意の配置に容易に対応することが可能である。

また、本発明の第三の態様は、上記貫通孔が、上記仕切り部材の各貫通孔を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記上方空間内の流速分布が一定になるように配置される。

この第三の態様では、各貫通孔の位置における冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、液冷ジャケットの上方空間内における冷却液の流速分布を求めて、この冷却液の流速分布が一定になるように、計算シミュレーションによって各貫通孔の位置が容易に且つ最適に決定され得る。

また、本発明の第四の態様は、上記内部空間の形状が、立方体状に形成され、上記流入口が、上記内部空間の一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記内部空間の他の角部付近に設けられ、各貫通孔が、それぞれ上記流入口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口からの距離に応じて、距離の対数関数の逆数に比例して密度が増大するように設けられている。

さらに、本発明の第五の態様は、上記内部空間の形状が、立方体状に形成され、上記流入口が、上記内部空間の一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記内部空間の他の角部付近に設けられていて、各貫通孔が、上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上に低い密度で設けられ、上記流出口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上に高い密度で設けられ、上記流入口と流出口の中間領域では、この流入口を中心とする同心円上で、流入口からの距離に応じて、距離の対数関数の逆数に比例して密度が増大するように設けられている。

この第四及び第五の態様では、上記仕切り部材に設けられる各貫通孔が、上記冷却液の流入口を中心とする同心円の周方向に関して配置され、さらに上記流入口から離れるに従って距離の対数関数に比例して減少する流速を補完するように、距離の対数関数の逆数に比例して密度が高くなるように配置される。従って、上記液冷ジャケットの上方空間においては、全体に亘って流速密度が等しくなるので、上記液冷ジャケットの搭載面における冷却効率が全面に亘って均等になる。

以上のように、本発明によれば、冷却すべき発熱源の搭載位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体を均一に冷却できる技術が提供され得ることになる。

本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示す概略斜視図である。である。 図１の液冷ジャケットにおけるベースプレートを外した状態の（Ａ）概略斜視図及び（Ｂ）断面図である。 図２の液冷ジャケットの内部構成を下方から見た断面図である。 図１の液冷ジャケットを使用した冷却システムの構成例を示すブロック図である。 本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示す図４と同様の平面図である。 貫通孔を原点とする冷却液の一次元の流速分布を示すグラフである。 貫通孔を原点とする冷却液の二次元の流速分布を示すグラフである。 複数の貫通孔における冷却液の二次元の流速分布を重ね合わせた例を示すグラフである。 図５の液冷ジャケットにおける（Ａ）流入口に近い領域の貫通孔，（Ｂ）中間領域の貫通孔，（Ｃ）流入口から遠い領域の貫通孔及び（Ｄ）全貫通孔による冷却液の流速分布をそれぞれ示すグラフである。 本発明による液冷ジャケットの第三の実施形態の構成を示す図４と同様の断面図である。 図１，図５及び図１０の液冷ジャケットの検証実験における発熱源の温度と個数との関係を示すグラフである。 本発明による液冷ジャケットの第四の実施形態の構成を示す図４と同様の断面図である。 図１２の液冷ジャケットにおける全体の冷却液の流速分布を示すグラフである。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１３を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１は、本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示している。
図１において、液冷ジャケット１０は、偏平な液冷ジャケットを構成する上方が開放したコンテナ１１と、コンテナ１１の開放した上端を液密的に閉じるベースプレート１２と、コンテナ１１内で上記ベースプレートとほぼ平行に延びる仕切り部材としてのインナープレート１３と、から構成されている。

上記コンテナ１１は、図１においてＸＹ方向に偏平で、且つＺ方向上方に開放した中空直方体状に形成されている。
上記コンテナ１１は、ベースプレート１２，インナープレート１３そして後述する流入口，流出口との密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等から構成されている。
図２に示すように、上記コンテナ１１は、その一つの角部に流入口１１ａを備えていると共に、当該角部と対角方向に位置する他の角部に流出口１１ｂを備えている。
ここで、上記コンテナ１１は、図３の平面図に示すように、外形１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形の形状を有しており、例えば厚さ１ｍｍのアルミニウムから構成されている。

また、上記コンテナ１１は、その高さが３〜１０ｍｍ程度に選定されている。
ここで、高さがこれより低すぎると、内部を流れる冷却液に対する流体抵抗が大きくなって、圧力損失が増大し、冷却効率が低下してしまう。
これに対して、高さがこれより高すぎると、コンテナ１１内の容量が過度に大きくなって、冷却液の流速が著しく低下して、流出口まで発熱体を冷却するのに十分な勢いの噴流が届かず、冷却効果が低下してしまうと共に、取り付けスペースが大きくなってしまう。

上記ベースプレート１２は、平板状に形成されており、コンテナ１１の開放した上面に密着して閉じるように、その大きさ及び形状が選定されている。
また、上記ベースプレート１２は、その上面には、冷却すべき複数個の発熱源１４が搭載されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、発熱源１４からの熱を拡散すると共に、冷却液に熱を効率よく伝達する、という二つの役割を担っている。このため、上記ベースプレート１２は、その厚さが例えば０．５〜３ｍｍ程度に選定されている。さらに、上記ベースプレート１２は、種々の金属材料から構成され、熱伝導率と加工性の観点からアルミニウムまたは銅が好適である。

上記ベースプレート１２は、より具体的には１ｍｍ厚のアルミニウム板から構成されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、その周縁が上記コンテナ１１の周縁に対して、接着あるいは溶接等により、液密的に取り付けられる。

上記発熱源１４は、冷却すべき任意の発熱源、例えばＬＥＤモジュールであって、図示の場合、上記ベースプレート１２の上面において、等間隔で縦７個×横７個、計４９個配置されている。

上記インナープレート１３は、平板状に形成されており、コンテナ１１の内部にて、Ｚ方向の中間高さに配置されている。
また、上記インナープレート１３は、図２（Ａ）に示すように、その周縁が支持部材１３ａにより上記コンテナ１１の底面に対して支持され、固定されている。

さらに、上記インナープレート１３は、コンテナ１１及び流入口，流出口との液密性を確保することができるように、これらの材料との密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等から構成されている。

また、上記インナープレート１３は、その周縁が上記コンテナ１１の内側壁に対して接着あるいは溶接等により、液密的に取り付けられる。
これにより、上記インナープレート１３は、上記コンテナ１１の内部空間を上下二層に、即ち下方空間Ｓ１と上方空間Ｓ２とに液密的に分割する。

上記インナープレート１３は、さらに複数個の貫通孔１３ｂを備えている。
これらの貫通孔１３ｂは、上記インナープレート１３により分割された下方空間Ｓ１と上方空間Ｓ２とを連通し、下方空間Ｓ１から上方空間Ｓ２への冷却液の通過を許すようになっている。
各貫通孔１３ｂは、直径２〜５ｍｍ程度、好ましくは３ｍｍに選定されており、図示の場合、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ１３個ずつ等間隔で並んで配置されている。
これにより、各貫通孔１３ｂを通って、上記コンテナ１１の上方空間Ｓ２内に適正な冷却液の流れが形成される。

ここで、上記流入口１１ａ及び流出口１１ｂは、上記コンテナ１１に対して密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等のパイプから構成されており、その直径は例えば５〜１０ｍｍ程度である。
さらに、上記流入口１１ａは、上記コンテナ１１の一つの角部において、下方から上記コンテナ１１の底面に開口しており、上記コンテナ１１の下方空間Ｓ１に開口している。
これに対して、上記流出口１１ｂは、上記コンテナ１１の対角方向の他の角部において、下方から上記コンテナ１１の底面を介して、上記コンテナ１１の上方空間Ｓ２に開口している。
ここで、図示の場合には、インナープレート１３は、上記流出口１１ｂを回避するために、切欠き部１３ｃを備えており、支持部材１３ａは、この切欠き部１３ｃに対応して形成されている。従って、上方空間Ｓ２は、この切欠き部１３ｃの領域で、流出口１１ｂが開口するコンテナ１１の底面まで拡張されている。
これにより、上記流入口１１ａから上記コンテナ１１の下方空間Ｓ１へ、そして各貫通孔１３ａを介して上記コンテナ１１の上方空間Ｓ２へ、その後上記流出口１１ｂから外部へと続く冷却液の密閉された流路が成されることになる。

本発明による液冷ジャケット１０は以上のように構成されており、以下のように組み立てられる。
即ち、まず上記コンテナ１１の底面に対して、接着，溶接等により流入口１１ａ及び流出口１１ｂが液密的に取り付けられる。
続いて、上記コンテナ１１内にて、上記支持部材１３ａにより上記インナープレート１３が、その中間高さに保持され固定される。その際、上記インナープレート１３の周縁は、上記コンテナ１１の内側壁に対して接着，溶接等により液密的に取り付けられる。
その後、上記コンテナ１１にベースプレート１２が載置され、その周縁が上記コンテナ１１の開放した上端の周縁に対して液密的に取り付けられる。
尚、ベースプレート１２上への発熱源１４の取り付けは、ベースプレートのコンテナ１１への取り付け後が好ましい。

このようにして組み立てられた液冷ジャケット１０を使用する場合、図４に示す公知の構成の冷却システム２０に、液冷ジャケット１０を組み込んで使用される。
図４の冷却システム２０において、液冷ジャケット１０の流出口１１ｂから、順次に放熱部２１，リザーブタンク２２，ポンプ２３を介して流入口１１ａに戻る冷却液の流路が構成される。
これにより、液冷ジャケット１０において発熱源１４から受熱した冷却液は、図４にて矢印で示すように、流出口１１ｂから放熱部２１に持ち来たされ、放熱部２１でラジエータ２１ａ内を流れる際に冷却ファン２１ｂにより放熱が行なわれ、冷却液が冷却される。
その後、冷却液は、リザーブタンク２２内に貯蔵される。そして、ポンプ２３の作動によりリザーブタンク２２からくみ上げられた冷却液は、再び液冷ジャケット１０の流入口１１ａから液冷ジャケット１０内に導入され、発熱源１４の冷却が行なわれる。

次に、上記液冷ジャケット１０内における冷却液による冷却について詳細に説明する。
上記流入口１１ａから上記液冷ジャケット１０の下方空間Ｓ１内に導入された冷却液は、この下方空間Ｓ１内を流れる。
そして、上記液冷ジャケット１０内において、上記インナープレート１３の各貫通孔１３ｂを通って、冷却液は上記液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２内に流入する。
これにより、上記上方空間Ｓ２内では、各貫通孔１３ｂを通って流入した冷却液が、拡散しながら全体として流出口１１ｂに向かって流れ、その際ベースプレート１２に沿って流れることにより、ベースプレート１２から受熱して、ベースプレート１２を冷却する。
その後、上記上方空間Ｓ２から流出口１１ｂを介して流出する冷却液は、前述した冷却システム２０により放熱部２１で冷却され、リザーブタンク２２内に貯蔵された後、ポンプ２３により再び液冷ジャケット１０内に導入される。

この場合、上記液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２内では、上記インナープレート１３に分散配置された複数個の貫通孔１３ｂから新しい冷却液が流入するので、ベースプレート１２の全面に亘って高い冷却効率で冷却が行なわれ、各発熱源１４が効率よく冷却されることになる。
ここで、上記液冷ジャケット１０を構成するコンテナ１１内の中間高さに、複数個の貫通孔１３ｂを備えたインナープレート１３を配置することにより、上記上方空間Ｓ２では、複数の流入口を配置したと同様の効果が得られ、全体として高い冷却効率の冷却が行なわれ得ることになる。

図５は、本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示している。
図５において、液冷ジャケット３０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、インナープレート１３における貫通孔の配置のみが異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図５において、インナープレート１３の流入口１１ａに近い領域Ａでは、貫通孔３１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されていると共に、その配置密度が低くなっている。これは、流入口１１ａの近傍に多量の貫通孔３１を設けると、各貫通孔３１から直接流出口１１ｂに向かって直線的に冷却液が流れてしまい、周囲への冷却液の拡散が十分に行なわれなくなってしまうからである。

また、流入口１１ａから遠い領域Ｃでは、貫通孔３１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されていると共に、その配置密度が高くなっている。これは、流入口１１ａから離れていることから、積極的に貫通孔３１を多く設けることによって、より多量の冷却液が流れるようにするためである。
これに対して、上記領域Ａ及びＣの中間領域Ｂでは、貫通孔３１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａからの距離に応じて、その距離の対数関数の逆数に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が増大するように、配置されている。

このような構成の液冷ジャケット３０によれば、図１に示した液冷ジャケット１０と同様に作用すると共に、貫通孔３１の上述した配置によって、以下のように上方空間Ｓ２内で冷却液が流れる。
即ち、一般に、流入口から流入する冷却液に関して、流入口からの距離ｒの位置における冷却液の流速Ｖは、

なる拡散方程式の解により与えられる。ここで、Ｃは積分定数である。
この式による冷却液の流速分布は、一次元では、図６に示すように、また二次元では、図７に示すように、距離ｒが大きくなるにつれて、距離の対数関数に従って低減している。
従って、複数個の流入口が存在する場合には、各流入口に関する上記式による冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、例えば図８に示すような二次元の流速分布が得られる。

このような流速分布を液冷ジャケット３０について考察すると、各貫通孔３１を流入口として、各貫通孔３１に関して、上記式による冷却液の流速分布が得られることになる。
従って、液冷ジャケット３０の上方空間Ｓ２における冷却液の流速分布は、各貫通孔３１を原点とした拡散方程式の解の和として表すことができる。
即ち、流入口１１ａから任意の貫通孔３１までの距離をそれぞれｒ_０１〜ｒ_０ｎとし、各貫通孔３１からの距離をそれぞれｒ_１〜ｒ_ｎとすると、液冷ジャケットの任意の位置における流速分布Ｖは、

で与えられる。ここで、Ａは比例定数である。
従って、この流速分布Ｖが、液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２の全体に亘って均一となるように、各貫通孔３１を配置すればよい。

ところで、前述したように、各貫通孔３１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されているので、この同心円の周方向に関しては、冷却液の流速はほぼ均一である。また、同心円の半径方向に関しては、流入口１１ａからの距離に応じて、その距離の対数関数の逆数に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が増大するように、配置されている。従って、上記流速分布Ｖの対数関数に基づいた変化を補完するように、即ち流速分布が均一になるように、各貫通孔３１が配置されることになる。
即ち、流入口１１ａに近い領域Ａに配置された貫通孔３１による上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図９（Ａ）に示すように、領域Ａではほぼ均一な流速分布となっている。また、中間領域Ｂに配置された貫通孔３１による上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図９（Ｂ）に示すように、領域Ｂではほぼ均一な流速分布となっている。さらに、流入口１１ａから遠い領域Ｃに配置された貫通孔３１による上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図９（Ｃ）に示すように、領域Ｃでほぼ均一な流速分布となっている。
従って、これらの領域Ａ，Ｂ及びＣに配置された貫通孔３１による冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、図９（Ｄ）に示すように、上方空間Ｓ２全体に亘ってほぼ均一な流速分布が得られることになる。

図１０は、本発明による液冷ジャケットの第三の実施形態の構成を示している。
図１０において、液冷ジャケット４０は、図５に示した液冷ジャケット３０とほぼ同様の構成であり、インナープレート１３における貫通孔の配置のみが異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図１０において、インナープレート１３の流入口１１ａに近い領域Ａと流入口１１ａから遠い領域Ｃの中間領域Ｂにて、貫通孔３１は、図５に示した液冷ジャケット３０の場合よりも高い密度で配置されている。

このような構成の液冷ジャケット４０によれば、図１に示した液冷ジャケット３０と同様に作用し、上記液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２内では、上記インナープレート１３に分散配置された複数個の貫通孔１３ｂから新しい冷却液が流入するので、ベースプレート１２の全面に亘って高い冷却効率で冷却が行なわれ、各発熱源１４が効率よく冷却去れることになる。

次に、前述した図１，図５及び図１０に示した液冷ジャケット１０，３０，４０について、その冷却効果について検証実験を行なった結果を示す。
検証実験において、共通条件として、コンテナ１１の大きさを１５０×１５０×６ｍｍとし、コンテナ１１，ベースプレート１２及びインナープレート１３を厚さ１ｍｍのアルミニウムにより構成した。また、インナープレート１３の支持部材１３ａを２ｍｍ角のアルミニウム材から構成し、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを６ｍｍ径のパイプにより構成した。さらに、貫通孔１３ｂ，３１の直径を３ｍｍとした。
ベースプレート１２上には、発熱源１４として、５ｍｍ角，出力４ＷのセラミックヒーターをＸ方向及びＹ方向に７個ずつ、計４９個並べて取り付けた。

さらに、冷却システム２０として、水冷デスクトップパソコン用の輸送能力４００ｍｌ／分のポンプを使用し、水冷デスクトップパソコン用の１２０ｍｍ角のラジエータ（最大放熱能力１８０Ｗ）及び１２０ｍｍ角の軸流ファンをそれぞれ二連として、使用した。
また、冷却液として、プロピレングリコールを主成分としたＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を使用した。

このような共通条件のもとで、冷却液を室温（２５℃）で冷却システム２０に循環させたとき、発熱源であるセラミックヒーターの定常状態における温度を熱電対により測定、各セラミックヒーターの温度バラツキを評価した。
即ち、図１１に示すように、横軸にセラミックヒーターの温度を、縦軸にセラミックヒーターの個数をとって、各発熱源の温度分布をグラフ化した。
このようなグラフによれば、グラフの山が急峻で、且つ山のピークが低温側であるほど、冷却能力が高いことになる。

図１１のグラフによれば、液冷ジャケット１０では、グラフの山が４９℃とやや高めであり、温度分布も４０℃から５０℃まで広がっている。
これに対して、液冷ジャケット３０では、グラフの山は４３℃と低くなっており、温度分布も４０℃から４５℃と狭くなっており、液冷ジャケット１０と比較して、冷却能力が高いことが分かる。
また、液冷ジャケット４０では、グラフの山は４３℃と低いが、温度分布は３４℃から４５℃まで広がっており、過剰の貫通孔３１を設けたことによって、冷却液の流路が乱れて、セラミックヒーターの温度バラツキが拡大したと考えられる。

図１２は、本発明による液冷ジャケットの第四の実施形態の構成を示している。
図１２において、液冷ジャケット５０は、図５に示した液冷ジャケット３０とほぼ同様の構成であり、流出口１１ｂの位置が、流入口１１ａに対して対角方向ではなく、隣接する角部に在って、これに対応して、貫通孔５１が配置されている点で異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図１２において、インナープレート１３の流入口１１ａに近い領域Ａでは、図５の液冷ジャケット３０の場合と同様に、貫通孔５１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されていると共に、その配置密度が低くなっている。
また、中間領域Ｂでは、図５の液冷ジャケット３０の場合と同様に、貫通孔５１は、流入口１１ａを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａからの距離に応じて、その距離の対数関数の逆数に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が増大するように、配置されている。
これに対して、流入口１１ａから遠い領域Ｃでは、貫通孔５１は、非常に高い密度で配置されている。これは、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い端縁付近でも、積極的に貫通孔５１を設けることによって、冷却液が流れるようにするためである。

このような構成の液冷ジャケット５０によれば、図５に示した液冷ジャケット３０と同様に作用すると共に、貫通孔５１の上述した配置によって、即ち領域Ａ，Ｂ及びＣに配置された各貫通孔５１によって、液冷ジャケット５０の上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図１３に示すように、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い端縁付近においても、十分な流速が得られることになり、上方空間Ｓ２全体でほぼ均一な流速分布が得られる。

上述した実施形態においては、インナープレート１３は、流出口１１ｂを回避するために、切欠き部１３ｃを備えているが、これに限らず、インナープレート１３は、流出口１１ｂの取り付け方法に応じて、適宜に形成されてもよい。
また、上述した実施形態においては、ベースプレート１２は、コンテナ１１の周縁の上面に載置されるようになっているが、これに限らず、接着，溶接等の接合方法に対応して、あるいはベースプレート１２に搭載される発熱源１４の固定方法等に対応して、任意の取り付け方法が可能である。例えば、ベースプレート１２は、インナープレート１３と同様に、コンテナ１１の内側面に固定されていてもよい。
さらに、上述した実施形態においては、液冷ジャケットはＸＹ方向に関してほぼ正方形に形成されているが、これに限らず長方形あるいは他の任意の形状に形成されていてもよいことは明らかである。
なお、上述した実施形態においては、貫通穴５１の径は一定としたが、発熱源１４の総発熱量やポンプ２３の供給流量によって、任意の径とすることができる。また、第二および第四の実施形態において、均一な流速分布を形成する手段の補助として、貫通穴５１の径を変化させることもできる。

このようにして、本発明によれば、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供することができる。

１０，３０，４０，５０ 液冷ジャケット
１１ コンテナ
１１ａ 流入口
１１ｂ 流出口
１２ ベースプレート
１３ インナープレート
１３ａ 支持部材
１３ｂ 貫通孔
１４ 発熱源
１３ｃ 切欠き部
２０ 冷却システム
２１ 放熱部
２１ａ ラジエータ
２１ｂ 冷却ファン
２２ リザーブタンク
２３ ポンプ

Claims (5)

1. 発熱体が搭載される搭載面と、
   上記搭載面とほぼ平行に延びる仕切り部材により上下二層の空間に分割され、上記搭載面下方で冷却液の流路となる内部空間と、
   上記仕切り部材により分割された下方空間に設けられる流入口と、
   上記仕切り部材により分割された上方空間に設けられる流出口と、
   上記仕切り部材に分散配置された複数個の貫通孔と、を備えることを特徴とする液冷ジャケット。
2. 上記貫通孔が、
   上記上方空間内における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の液冷ジャケット。
3. 上記貫通孔が、
   上記仕切り部材の各貫通孔を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記上方空間内の流速分布が一定になるように配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の液冷ジャケット。
4. 上記内部空間の形状が、
   立方体状に形成され、
   上記流入口が、
   上記内部空間の一つの角部付近に設けられ、
   上記流出口が、
   上記内部空間の他の角部付近に設けられ、
   各貫通孔が、
   それぞれ上記流入口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口からの距離に応じて、距離の対数関数の逆数に比例して密度が増大するように設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の液冷ジャケット。
5. 上記内部空間の形状が、
   立方体状に形成され、
   上記流入口が、
   上記内部空間の一つの角部付近に設けられ、
   上記流出口が、
   上記内部空間の他の角部付近に設けられていて、
   各貫通孔が、
   上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上に低い密度で設けられ、上記流出口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上に高い密度で設けられ、上記流入口と流出口の中間領域では、この流入口を中心とする同心円上で、流入口からの距離に応じて、距離の対数関数の逆数に比例して密度が増大するように設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の液冷ジャケット。

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