JP2017069522A

JP2017069522A - Cold plate

Info

Publication number: JP2017069522A
Application number: JP2015196958A
Authority: JP
Inventors: ジェラルドカブサオ; Gerald Kabsao; 川原　洋司; Yoji Kawahara; 洋司川原; 将宗松田; Masamune Matsuda; 益子　耕一; Koichi Masuko; 耕一益子
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-04-06

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold plate capable of enhancing the heat dissipation efficiency or the cooling efficiency without increasing the size.SOLUTION: A base plate 1 has a lower surface which receives heat from a heating element. A plurality of fins 2 are provided at predetermined intervals in the direction of paper for the base plate 1. A lid 7 is attached to the base plate 1 so as to cover the plurality of fins 2, and includes an inflow section 9 into which the cooling liquid flows, and an outflow section 10 from which the cooling liquid flows out, respectively. A plurality of cross pins 3a, 3b penetrate the plurality of fins 2 so as to traverse a plurality of flow paths 5 and are provided, at predetermined intervals, in the flow direction of the cooling liquid flowing through the flow path 5.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、サーバなどに搭載されるＣＰＵなどの発熱体を冷却するコールドプレートに関するものである。 The present invention relates to a cold plate for cooling a heating element such as a CPU mounted on a server or the like.

従来、サーバなどの電子機器は、性能が向上するに伴い、使用されるＣＰＵなどの発熱量が増大している。例えばＣＰＵを冷却するために、空冷ファン方式のヒートシンクを備えたコールドプレートに対して、冷却限界という問題から液冷方式のコールドプレートを用いて冷却する方式が採用されている。液冷方式としては、例えば発熱体から熱を受ける受熱部と、熱を発散させる放熱部とを通る循環流路が設けられたコールドプレートに、ポンプによって冷却液を強制的に循環させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。 2. Description of the Related Art Conventionally, as the performance of electronic devices such as servers has improved, the amount of heat generated by a CPU or the like used has increased. For example, in order to cool the CPU, a cooling system using a liquid cooling type cold plate is adopted for a cold plate provided with an air cooling fan type heat sink because of the problem of cooling limit. As a liquid cooling method, for example, a technology for forcibly circulating a cooling liquid by a pump in a cold plate provided with a circulation channel that passes through a heat receiving part that receives heat from a heating element and a heat radiating part that dissipates heat is known. (For example, refer to Patent Document 1).

特許文献１に記載されているコールドプレートは、複数のフィンを備えて放熱部が構成されている。複数のフィンは、平行に並べて配置されており、複数のフィンの間に流体を流すことで冷却効率を高めている。 The cold plate described in Patent Document 1 includes a plurality of fins and a heat radiating portion. The plurality of fins are arranged side by side in parallel, and the cooling efficiency is enhanced by flowing a fluid between the plurality of fins.

特開２０１０−８０４５５号公報JP 2010-80455 A

しかしながら、ＣＰＵあるいは記憶素子などの電子機器の動作速度が向上しており、それに伴って消費電力が増大し、発熱量が更に増大している。冷却器を大容量化すれば、電子機器の発熱量に対応した冷却を行うことができるが、冷却器を大容量化すると冷却器だけでなく、その冷却器を備えている電子装置も大型化してしまう不都合がある。このような事情を背景に、電子機器のための冷却器を、大型化することなく冷却効率を向上させることが求められているのが実情である。 However, the operation speed of electronic devices such as CPUs and storage elements has been improved, and accordingly, power consumption has increased and the amount of heat generation has further increased. If the capacity of the cooler is increased, cooling corresponding to the amount of heat generated by the electronic equipment can be performed. However, if the capacity of the cooler is increased, not only the cooler but also the electronic device equipped with the cooler is increased in size. There is an inconvenience. Against this background, the actual situation is that it is required to improve the cooling efficiency without increasing the size of the cooler for electronic equipment.

本発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであって、放熱効率もしくは冷却効率を更に高めることができるコールドプレートを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and an object of the present invention is to provide a cold plate that can further increase the heat dissipation efficiency or the cooling efficiency.

上記の課題を解決するために、本発明は、発熱体から熱を受けるベースプレートと、前記ベースプレートに所定の間隔を離して設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを覆うように前記ベースプレートに取り付けられるとともに、冷却液が流入される流入部、および前記冷却液が流出される流出部がそれぞれ設けられた蓋体とを有し、前記複数のフィンの間が前記冷却液が流れる流路とされたコールドプレートにおいて、前記流路の複数を横切るように複数の前記フィンを貫通し、かつ前記冷却液が前記流路を流れる流動方向に沿って所定の間隔を離して設けられた複数のクロスピンを備えていることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a base plate that receives heat from a heating element, a plurality of fins provided on the base plate at a predetermined interval, and a base plate that covers the plurality of fins. A flow path through which the cooling liquid flows between the plurality of fins, and an inflow part into which the cooling liquid flows in and a lid body provided with an outflow part through which the cooling liquid flows out. In the cold plate, a plurality of cross pins that pass through the plurality of fins so as to cross the plurality of the flow paths and are spaced apart from each other along a flow direction in which the coolant flows in the flow paths. It is characterized by having.

本発明では、前記複数のクロスピンは、前記フィンの高さ方向での位置を交互に変えて千鳥配列されていてよい。 In the present invention, the plurality of cross pins may be staggered by alternately changing the positions of the fins in the height direction.

本発明によれば、流入部から供給された冷却液が、フィン同士の間に形成されている流路を通って流れ、その際にフィンから熱を奪い、その後、流出部から外部に流出する。その場合、フィンが平板状であることにより流路が直線状の流路であっても、流路の途中をクロスピンが横切っているので、冷却液はそのクロスピンによって流れが乱され、乱流となる。そのため、冷却液とフィンとの間の熱伝達率が増大し、コールドプレートの全体として放熱効率あるいは冷却効率を向上させることができる。また、クロスピンは流路を横切るようにフィンを貫通させて設けられるので、ベースプレートや蓋体を外側に張り出させる部材の付加がなく、全体としての構成が大型化することがない。 According to the present invention, the coolant supplied from the inflow portion flows through the flow path formed between the fins, and at that time, heat is taken from the fins, and then flows out from the outflow portion to the outside. . In that case, even if the fins are flat and the flow path is a straight flow path, since the cross pin crosses the middle of the flow path, the flow of the coolant is disturbed by the cross pin, Become. Therefore, the heat transfer coefficient between the cooling liquid and the fins is increased, and the heat dissipation efficiency or the cooling efficiency can be improved as a whole of the cold plate. Moreover, since the cross pin is provided by penetrating the fin so as to cross the flow path, there is no addition of a member for projecting the base plate or the cover body outward, and the overall configuration does not increase.

本発明の一実施形態であるコールドプレートに使用されるベースプレートを示す平面図である。It is a top view which shows the base plate used for the cold plate which is one Embodiment of this invention. 図１に示したベースプレートを用いたコールドプレートを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cold plate using the base plate shown in FIG. 図１に示したベースプレートに用いられるクロスピンの作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the cross pin used for the baseplate shown in FIG. 図２に示したコールドプレートを用いて冷却液の流量に対する熱抵抗、および冷却液の圧力の低下を実験して求めた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated | required by experimenting the thermal resistance with respect to the flow volume of a cooling fluid, and the fall of the pressure of a cooling fluid using the cold plate shown in FIG.

以下、図面を用いて実施形態を説明する。図１は、一実施形態であるコールドプレートに使用されるベースプレート１を示す。図１に示すように、ベースプレート１は、複数のフィン２、および複数のクロスピン３ａ，３ｂを備えている。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a base plate 1 used for a cold plate according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the base plate 1 includes a plurality of fins 2 and a plurality of cross pins 3a and 3b.

ベースプレート１は、例えば横長矩形の板状をなし、熱伝導性の高い材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料により形成されている。ベースプレート１の裏面には、ＣＰＵなどの発熱体が接触される。 The base plate 1 has a horizontally long rectangular plate shape, for example, and is formed of a material having high thermal conductivity, for example, a metal material such as copper, aluminum, and an aluminum alloy. A heating element such as a CPU is brought into contact with the back surface of the base plate 1.

各フィン２は、薄くかつ細長い板状に形成され、長手方向をベースプレート１の長手方向に沿わした姿勢でベースプレート１の表面４に立設されている。また、各フィン２は、ベースプレート１の短手方向に向けて所定の間隔を離して配置されている。各フィン２の間は、冷却液が流れる流路５を形成している。各フィン２は、熱伝導性の高い材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料により形成されている。なお、各フィン２をベースプレート１と一体に形成してもよい。一体に形成する場合は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などの金属板の表面を削り起こすことで形成することができる。 Each fin 2 is formed in a thin and elongated plate shape, and is erected on the surface 4 of the base plate 1 in a posture in which the longitudinal direction is along the longitudinal direction of the base plate 1. In addition, the fins 2 are arranged at predetermined intervals in the short direction of the base plate 1. Between each fin 2, the flow path 5 through which a cooling fluid flows is formed. Each fin 2 is made of a material having high thermal conductivity, for example, a metal material such as copper, aluminum, and an aluminum alloy. Each fin 2 may be formed integrally with the base plate 1. When forming integrally, it can form by shaving up the surface of metal plates, such as aluminum, aluminum alloy, and copper.

クロスピン３ａ，３ｂは、各フィン２の配列幅Ｋとほぼ同じ長さの中実の棒状で作られており、流路５の複数を横切るように各フィン２を貫通して取り付けられている。そして、各クロスピン３ａ，３ｂは、冷却液が流路５を流れる流動方向に沿って所定間隔を離して配置されている。 The cross pins 3a and 3b are made of solid rods having a length substantially the same as the arrangement width K of the fins 2 and are attached through the fins 2 so as to cross a plurality of the flow paths 5. The cross pins 3 a and 3 b are arranged at a predetermined interval along the flow direction in which the coolant flows through the flow path 5.

各クロスピン３ａ，３ｂは、例えば熱伝導性の高い材料、一例としてはベースプレート１と同様の金属材料により作られている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂをプラスチック材料などの非金属材料で作ってもよい。また、各クロスピン３ａ，３ｂが流路５を横切る配置としては、冷却液が流れる方向（冷却液の流線方向）に対して直交、または所定の角度で交差する方向での配置を含む。 Each cross pin 3a, 3b is made of, for example, a material having high thermal conductivity, for example, a metal material similar to that of the base plate 1. Each cross pin 3a, 3b may be made of a non-metallic material such as a plastic material. Further, the arrangement in which each cross pin 3a, 3b crosses the flow path 5 includes an arrangement in a direction orthogonal to the direction in which the coolant flows (streamline direction of the coolant) or at a predetermined angle.

また、各クロスピン３ａ，３ｂと冷却液との間で熱交換が生じるから、各クロスピン３ａ，３ｂは各フィン２を貫通するとともに、その貫通部分で各フィン２に密着していることが熱伝達の点で好ましい。 In addition, since heat exchange occurs between the cross pins 3a and 3b and the coolant, the cross pins 3a and 3b penetrate the fins 2 and are in close contact with the fins 2 at the penetrating portions. This is preferable.

各クロスピン３ａ，３ｂの断面の輪郭形状としては、円形に限らず、例えば楕円形、三角形、正方形や矩形を含む四角形、および五角以上の多角形としてもよいが、円形であれば冷却液の流動に対する抵抗が小さくなるので、断面形状を円形とすることが最も好ましい。さらに、各クロスピン３ａ，３ｂは、中実の棒形状に限らず、中空の棒状体であってもよい。 The contour shape of the cross-section of each cross pin 3a, 3b is not limited to a circle, and may be, for example, an ellipse, a triangle, a square including a square or a rectangle, and a polygon having five or more corners. It is most preferable that the cross-sectional shape is circular. Furthermore, each cross pin 3a, 3b is not limited to a solid rod shape, and may be a hollow rod-like body.

図２は、図１に示したベースプレート１を備えたコールドプレート６を示す断面図である。ベースプレート１には、蓋体７が取り付けられている。蓋体７は、下側を開放した箱状をしており、複数のフィン２を覆うようにベースプレート１に一体的に取り付けられる。蓋体７の長手方向でのそれぞれの端部における上面８には、冷却液が流入される流入部９、および冷却液が流出される流出部１０がそれぞれ設けられている。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cold plate 6 including the base plate 1 shown in FIG. A lid 7 is attached to the base plate 1. The lid 7 has a box shape with the lower side opened, and is integrally attached to the base plate 1 so as to cover the plurality of fins 2. The upper surface 8 at each end in the longitudinal direction of the lid 7 is provided with an inflow portion 9 into which the coolant flows and an outflow portion 10 from which the coolant flows out.

蓋体７の材料としては、ベースプレート１と同様に、熱伝導性の高い金属材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料で形成される。蓋体７は、四方を取り囲む側壁１５がベースプレート１の表面４に、例えばろう付けもしくは焼結されることでベースプレート１との間の内部の空間部１１を密閉する。なお、蓋体７の内壁面（前記上面８とは反対側の面）に、各フィン２の上端縁１２がろう付けや焼結などの手段で固着され、冷却液が流れる流路５の各々を画定している。なお、蓋体７の内壁面と各フィン２の上端縁１２とは必ずしも固着もしくは密着させなくてもよいが、フィン２の上端縁１２を蓋体７の内壁面に固着すれば、蓋体７がフィン２によってベースプレート１に連結されるので、内圧が上昇した場合に蓋体７が膨らむことを防止もしくは抑制することができる。 As a material of the lid body 7, similarly to the base plate 1, it is formed of a metal material having high thermal conductivity, for example, a metal material such as copper, aluminum, and an aluminum alloy. The lid body 7 seals the internal space 11 between the side plate 15 and the base plate 1 by, for example, brazing or sintering the side wall 15 surrounding the four sides to the surface 4 of the base plate 1. Note that each of the flow paths 5 through which the coolant flows, with the upper end edges 12 of the fins 2 fixed to the inner wall surface (the surface opposite to the upper surface 8) of the lid 7 by means of brazing or sintering. Is defined. Note that the inner wall surface of the lid body 7 and the upper edge 12 of each fin 2 do not necessarily have to be fixed or in close contact, but if the upper edge 12 of the fin 2 is fixed to the inner wall surface of the lid body 7, the lid body 7. Is connected to the base plate 1 by the fins 2, it is possible to prevent or suppress the lid body 7 from expanding when the internal pressure increases.

各フィン２を側面から視た輪郭形状（側面視輪郭形状）は、ベースプレート１側が長辺となる台形となっている。なお、各フィン２の側面視輪郭形状としては、台形に限らず、単に矩形状であってもよい。 The contour shape (contour shape when viewed from the side) of each fin 2 is a trapezoid having a long side on the base plate 1 side. In addition, as a side view outline shape of each fin 2, not only a trapezoid but a rectangular shape may be sufficient.

ベースプレート１と蓋体７とで形成される空間部１１は、各フィン２の長手方向での両側に、第１の空間部１３、および第２の空間部１４を備える。第１の空間部１３は、各流路５に向けて冷却液を分配するための空間あるいはヘッダーとなる。第２の空間部１４は、各流路５から流出した冷却液を合流させるための空間もしくはヘッダーとなる。流入部９は、外部から第１の空間部１３に冷却水を導入する。また、流出部１０は、第２の空間部１４から外部に冷却水を導出する。なお、流入部９、および流出部１０は、共に蓋体７の上面８に形成されているが、例えば蓋体７の側壁１５に形成してもよいし、いずれか一方を上面８に他方を側壁１５に設けてもよい。 The space portion 11 formed by the base plate 1 and the lid body 7 includes a first space portion 13 and a second space portion 14 on both sides in the longitudinal direction of each fin 2. The first space portion 13 serves as a space or header for distributing the coolant toward each flow path 5. The second space portion 14 serves as a space or header for joining the coolant that has flowed out from the respective flow paths 5. The inflow part 9 introduces cooling water into the first space part 13 from the outside. In addition, the outflow portion 10 leads the cooling water from the second space portion 14 to the outside. The inflow portion 9 and the outflow portion 10 are both formed on the upper surface 8 of the lid body 7. However, the inflow portion 9 and the outflow portion 10 may be formed on the side wall 15 of the lid body 7. It may be provided on the side wall 15.

各クロスピン３ａ，３ｂの断面での輪郭外形は、フィン２の高さ未満の長さを直径とする円形になっている。また、各クロスピン３ａ，３ｂは、フィン２の高さ内で、高さ方向に交互に位置を変えた千鳥配列になっている。なお、図２では、クロスピン３ａ，３ｂの数を７個として記載しているが、必ずしも７個でなくてもよく、少なくとも２個以上あればよい。また、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じピッチＰで配列されているが、互いに異なるピッチで配列されてもよい。 The contour outline in the cross section of each cross pin 3a, 3b is circular with the length less than the height of the fin 2 as a diameter. Further, the cross pins 3a and 3b are arranged in a staggered arrangement in which the positions are alternately changed in the height direction within the height of the fins 2. In FIG. 2, the number of cross pins 3 a and 3 b is described as seven. However, the number is not necessarily seven, and it is sufficient that there are at least two or more. The cross pins 3a and 3b are arranged at the same pitch P, but may be arranged at different pitches.

図３は、図１に示したコールドプレート６の作用を説明する図である。図３に示すように、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じ直径Ｄで作られており、千鳥配列で配置されている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じ直径に限定されることはなく、互いに異なる直径にしてもよい。 FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the cold plate 6 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the cross pins 3a and 3b are made with the same diameter D, and are arranged in a staggered arrangement. The cross pins 3a and 3b are not limited to the same diameter, and may have different diameters.

図３は、流路５の上流側から冷却液１６が、例えば層流で流れてくると仮定している図である。流路５の内部には、冷却液１６の流動方向（流線方向）に沿って順に、例えば下方寄りに配置されたクロスピン３ａと、上方寄りに配置されたクロスピン３ｂとが千鳥配列で露呈されている。したがって、上流側から層流で流れてくる冷却液１６はクロスピン３ａによって流れが遮られるので冷却液１６はクロスピン３ａを超えて流れることにより乱流となり、クロスピン３ａの下流側で渦流１７ａとなる。 FIG. 3 is a diagram on the assumption that the coolant 16 flows, for example, in a laminar flow from the upstream side of the flow path 5. In the flow path 5, for example, a cross pin 3 a disposed on the lower side and a cross pin 3 b disposed on the upper side are exposed in a staggered arrangement in order along the flow direction (streamline direction) of the coolant 16. ing. Accordingly, the coolant 16 flowing in a laminar flow from the upstream side is blocked by the cross pin 3a, so that the coolant 16 becomes a turbulent flow by flowing over the cross pin 3a, and becomes a vortex flow 17a on the downstream side of the cross pin 3a.

さらに、クロスピン３ｂは、流路５を流れる冷却液１６のうちの、上流寄りの冷却液１６を下流側で乱流に遷移させて、例えば渦流１７ｂを誘起させる。図３には、このような渦流１７ａ，１７ｂを所定の一つの流路５についてのみ示しているが、クロスピン３ａ，３ｂは各フィン２を厚さ方向に貫通し、各流路５を横切っているから、渦流１７ａ，１７ｂは各流路５の内部で発生している。しかも渦流１７ａ，１７ｂは、クロスピン３ａ，３ｂの千鳥配列よりフィン２の高さ方向にずれた位置で交互に発生する。 Further, the cross pin 3b causes the upstream coolant 16 of the coolant 16 flowing in the flow path 5 to transition to the turbulent flow on the downstream side to induce, for example, a vortex 17b. In FIG. 3, such vortex flows 17 a and 17 b are shown for only one predetermined flow path 5, but the cross pins 3 a and 3 b penetrate the fins 2 in the thickness direction and cross the flow paths 5. Therefore, the vortex flows 17 a and 17 b are generated inside each flow path 5. Moreover, the vortex flows 17a and 17b are alternately generated at positions shifted in the height direction of the fins 2 from the staggered arrangement of the cross pins 3a and 3b.

このように、冷却液１６は、クロスピン３ａ，３ｂにより強制的に乱流とされて流路５内を流れる。つまり、クロスピン３ａ，３ｂは、流路５内でクロスピン３ａ，３ｂの間を縫うように冷却液１６を蛇行状に流し、蛇行状に流しながら乱流、例えば渦流１７ａ，１７ｂを誘起させる。このため、各フィン２と冷却液１６との間の熱伝達率が大きくなる。なお、図３では、一つの流路５について説明しているが、残りの他の流路５についても同様の熱伝達が行われることになる。 Thus, the coolant 16 is forced to be turbulent by the cross pins 3a and 3b and flows in the flow path 5. That is, the cross pins 3a and 3b cause the cooling liquid 16 to flow in a meandering manner so as to sew between the cross pins 3a and 3b in the flow path 5 and induce turbulent flow, for example, vortex flows 17a and 17b while flowing in a meandering manner. For this reason, the heat transfer coefficient between each fin 2 and the coolant 16 is increased. In FIG. 3, one flow path 5 is described, but the same heat transfer is performed for the remaining other flow paths 5.

乱流の大きさは、レイノルズ数が大きくなるほど大きくなることが知られている。レイノルズ数を求める（１）式は以下の通りである。（１）式から分かるように、乱流の大きさは、流路５の断面平均流速Ｕ、またはクロスピン３ａ，３ｂの直径Ｄに比例する。
Ｒ_ｅ＝（Ｕ×Ｄ）／ｖ …（１）
ただし、Ｄはクロスピン３ａ，３ｂの直径、Ｕは流路５の断面平均流速、ｖは動粘性係数、Ｒ_ｅはレイノルズ数を示す。 It is known that the magnitude of turbulence increases as the Reynolds number increases. Equation (1) for obtaining the Reynolds number is as follows. As can be seen from the equation (1), the magnitude of the turbulent flow is proportional to the cross-sectional average flow velocity U of the flow path 5 or the diameter D of the cross pins 3a and 3b.
R _e = (U × D) / v (1)
However, D is the cross pin 3a, 3b of the diameter, U is sectional average velocity of the flow path 5, v is kinematic viscosity, and _{R e} indicates a Reynolds number.

対流熱伝達による熱抵抗は、以下の（２）式により求められる。
Ｒ_ｈ＝１／（Ａ_ｈ・ｈ） …（２）
ただし、Ｒ_ｈは対流熱伝達による熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、ｈは熱伝達率(Ｗ／ｍ^２・Ｋ)、Ａ_ｈは熱伝達面の面積（ｍ^２）をそれぞれ表す。 The thermal resistance due to convective heat transfer is determined by the following equation (2).
R _h = 1 / (A _h · h) (2)
However, _Rh represents the thermal resistance (K / W) by convective heat transfer, h represents the heat transfer coefficient (W / m ² · K), and A _h represents the area (m ² ) of the heat transfer surface.

強制対流の熱伝達率を計算するために必要な数式を以下の（３）式および（４）式に示す。
Ｎ_ｕ＝Ｆ_ｕｎｃ（Ｒ_ｅ，Ｐ_ｒ） …（３）
Ｈ＝（λ・Ｎ_ｕ）／Ｌ …（４）
ただし、Ｎ_ｕはヌセルト数、Ｐ_ｒは流体のプラントル数、Ｒ_ｅはレイノルズ数、λは冷却液の熱伝導率（Ｗ／ｍ・ｋ）、Ｈは熱伝達率（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）、Ｌは物体（フィン２）の代表長さ（ｍ）をそれぞれ表す。 Formulas necessary for calculating the heat transfer coefficient of forced convection are shown in the following formulas (3) and (4).
N _u = F _unc (R _e , P _r ) (3)
H = (λ · N _u ) / L (4)
However, _{N u} is the Nusselt number, _{P r} is the Prandtl number of the fluid, _{R e} is the Reynolds number, lambda is the thermal conductivity of the coolant (W / m · k), H is the heat transfer coefficient (W ^{/ m} 2 · K ) And L represent the representative length (m) of the object (fin 2).

レイノルズ数は、前述した（１）式より求められる。このように、強制対流による熱伝達率は、例えば
（ａ）冷却液が接するクロスピン３などの形状を明確にする、
（ｂ）冷却液の流速を求める、
（ｃ）レイノルズ数（Ｒ_ｅ）を求める、
（ｄ）ヌセルト数（Ｎ_ｕ）を求める、
などの手順を経て求めることが可能となる。 The Reynolds number is obtained from the above-described equation (1). Thus, the heat transfer coefficient by forced convection clarifies the shape of the cross pin 3 etc. with which (a) the coolant contacts, for example,
(B) obtaining the flow rate of the coolant;
(C) obtaining the Reynolds number (R _e ),
(D) obtaining the Nusselt number (N _u ),
It becomes possible to obtain through a procedure such as.

図４は、冷却液１６の流量(Flow rate)に対する冷却性能の指標である熱抵抗（Thermal resistance）、および冷却液１６の圧力の低下（Pressure drop）をプロットしたグラフである。図４では、熱抵抗を、クロスピン３ａ，３ｂが設けられたコールドプレート６を用いて実験した結果をプロットした線（実線）２０と、クロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレートを用いて実験した結果をプロットした線（破線）２１とで示し、圧力の低下を線で繋いでいない「○」印（クロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレート）と、「□」印（クロスピン３ａ，３ｂを用いたコールドプレート６）で示している。熱抵抗は、熱源として用いたヒータの単位出力（１Ｗ）当たりの、ヒータによって加熱されている箇所とコールドプレートから流出する冷却液との温度差で表している。圧力の低下は、流入部９の圧力と流出部１０の圧力との差として求めた。 FIG. 4 is a graph plotting thermal resistance, which is an index of cooling performance, with respect to the flow rate of the coolant 16 and pressure drop of the coolant 16. In FIG. 4, the results of the experiment using the cold plate 6 without the cross pins 3a and 3b and the results of the experiment using the cold plate without the cross pins 3a and 3b are plotted. Plotted line (broken line) 21, “○” mark (cold plate without cross pins 3 a, 3 b) not connecting pressure drop with line, “□” mark (cold plate using cross pins 3 a, 3 b) 6). The thermal resistance is represented by a temperature difference between a portion heated by the heater and a coolant flowing out from the cold plate per unit output (1 W) of the heater used as a heat source. The decrease in pressure was determined as the difference between the pressure at the inflow portion 9 and the pressure at the outflow portion 10.

ここで、図４の結果を求めるための実験に使用したコールドプレート６の具体的な形状を示す。図１に示した長さＬ１は、ベースプレート１の長手方向の長さを表しており、１１４ｍｍとしている。長さＬ２は、各フィン２の長手方向の長さを表し、７９．４ｍｍとしている。長さＬ３は、ベースプレート１の一端１８から各フィン２の一端１９までの長さを表し、１７．３ｍｍとしている。長さＬ４は、蓋体７の取り付け幅を表し、２．４ｍｍとしている。配列幅Ｋは、各フィン２が配列されている領域の幅面を表し、３７．４ｍｍとしている。幅Ｗは、前記配列幅Ｋと、蓋体７のベースプレート１に対する接合部の厚さ（長さＬ４×２）とを加算した長さを表し、４２ｍｍとしている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂの長さも前記配列幅Ｋと同じ長さとしている。各フィン２は、厚みが０．５ｍｍ、間隔（流路５の幅）が０．４ｍｍとなっている。 Here, a specific shape of the cold plate 6 used in the experiment for obtaining the result of FIG. 4 is shown. The length L1 shown in FIG. 1 represents the length of the base plate 1 in the longitudinal direction, and is 114 mm. The length L2 represents the length of each fin 2 in the longitudinal direction, and is 79.4 mm. The length L3 represents the length from one end 18 of the base plate 1 to one end 19 of each fin 2, and is 17.3 mm. The length L4 represents the attachment width of the lid 7 and is 2.4 mm. The arrangement width K represents the width surface of the area where the fins 2 are arranged, and is 37.4 mm. The width W represents the length obtained by adding the arrangement width K and the thickness (length L4 × 2) of the joint portion of the lid 7 to the base plate 1 and is 42 mm. The lengths of the cross pins 3a and 3b are also the same as the arrangement width K. Each fin 2 has a thickness of 0.5 mm and an interval (width of the flow path 5) of 0.4 mm.

また、図２に示したように、クロスピン３ａ，３ｂは、ピッチＰを１０ｍｍ、個数を７個としている。図３において、厚みＴは、ベースプレート１の厚みを表し、３ｍｍとしている。クロスピン３ａ，３ｂの直径Ｄは、１．１ｍｍとしている。長さＦは、ベースプレート１の表面４に対して下方に配置されたクロスピン３ａの中心までの高さ方向の長さを表し、１．２ｍｍとしている。長さＥは、蓋体７の内壁面に対して上方に配置されたクロスピン３ｂの中心から蓋体７の内壁面までの高さ方向の長さを表し、１．２ｍｍとしている。高さＨは、表面４からフィン２の上端縁１２までの高さを表し、３．５ｍｍとしている。なお、高さＨは、各フィン２の高さと同じとしている。 Further, as shown in FIG. 2, the cross pins 3a and 3b have a pitch P of 10 mm and a number of seven. In FIG. 3, the thickness T represents the thickness of the base plate 1 and is 3 mm. The diameter D of the cross pins 3a and 3b is 1.1 mm. The length F represents the length in the height direction to the center of the cross pin 3 a disposed below the surface 4 of the base plate 1 and is 1.2 mm. The length E represents the length in the height direction from the center of the cross pin 3b disposed above the inner wall surface of the lid body 7 to the inner wall surface of the lid body 7, and is 1.2 mm. The height H represents the height from the surface 4 to the upper edge 12 of the fin 2 and is 3.5 mm. The height H is the same as the height of each fin 2.

さらに、ベースプレート１、蓋体７、各フィン２、および各クロスピン３ａ，３ｂなどは、すべて銅で作られており、ベースプレート１と蓋体７とはろう付けにより接合した。また、冷却液には水を用いた。さらに、発熱体としては、フィン２を配置した面積と同等のサイズであるＬＳＩを想定して電気ヒータを用いて実験を行った。 Furthermore, the base plate 1, the lid 7, the fins 2, and the cross pins 3a and 3b are all made of copper, and the base plate 1 and the lid 7 are joined by brazing. Moreover, water was used as the coolant. Further, an experiment was conducted using an electric heater assuming that the heating element is an LSI having a size equivalent to the area where the fins 2 are arranged.

実験での熱抵抗の測定方法は、電気ヒータをベースプレート１の下面中央部に接触させて、出力を１００Ｗ（ワット）に設定した。冷却液の流量を、０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度から［２．５Ｌ／ｍｉｎ］程度までの範囲で変化させ、所定の流量ごとに熱抵抗を求めた。その場合に測定した温度は、電気ヒータで加熱されている箇所の温度と、コールドプレートにおける前記流出部での冷却液の温度とである。これらの温度の差を電気ヒータの出力で割り算し、熱抵抗を求めた。 The measurement method of the thermal resistance in the experiment was such that the electric heater was brought into contact with the center of the lower surface of the base plate 1 and the output was set to 100 W (watts). The flow rate of the coolant was changed in a range from about 0.5 [L / min] to about [2.5 L / min], and the thermal resistance was obtained for each predetermined flow rate. The temperature measured in that case is the temperature of the portion heated by the electric heater and the temperature of the coolant at the outflow portion in the cold plate. The temperature difference was divided by the output of the electric heater to determine the thermal resistance.

熱抵抗は、図４に示すように、クロスピン３ａ，３ｂが無いコールドプレートでは、流量が０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度のときに熱抵抗がほぼ０．０５［Ｋ／Ｗ］であり、流量が１．５［Ｌ／ｍｉｎ］を超えたあたりから熱抵抗が飽和していき、流量が２．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度ではほぼ０．０３［Ｋ／Ｗ］になった。 As shown in FIG. 4, in the cold plate without the cross pins 3a and 3b, the thermal resistance is about 0.05 [K / W] when the flow rate is about 0.5 [L / min]. The thermal resistance was saturated when the flow rate exceeded 1.5 [L / min], and was about 0.03 [K / W] when the flow rate was about 2.5 [L / min].

これに対し、クロスピン３ａ，３ｂを設けたコールドプレート６では、流量が０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度のときに熱抵抗がほぼ０．０４５［Ｋ／Ｗ］になり、冷却液の流量の増大に従って熱抵抗が次第に低下し、流量が２．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度ではほぼ０．０２６［Ｋ／Ｗ］程度まで下がることが認められた。つまり、両者を比較すると、クロスピン３を設けることにより、コールドプレート６の熱抵抗がほぼ０．００５［Ｋ／Ｗ］低下しており、前述したクロスピン３ａ，３ｂを設けることにより放熱効率もしくは冷却効率が向上することが認められる。 On the other hand, in the cold plate 6 provided with the cross pins 3a and 3b, the thermal resistance is approximately 0.045 [K / W] when the flow rate is about 0.5 [L / min], and the flow rate of the coolant is reduced. It was recognized that the thermal resistance gradually decreased with the increase, and decreased to about 0.026 [K / W] when the flow rate was about 2.5 [L / min]. That is, comparing the two, the provision of the cross pin 3 reduces the thermal resistance of the cold plate 6 by approximately 0.005 [K / W], and the provision of the cross pins 3a and 3b described above provides a heat radiation efficiency or a cooling efficiency. Is seen to improve.

また、圧力の低下は、流量が増大するほど大きくなるが、クロスピン３ａ，３ｂを用いたコールドプレート６とクロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレートとにおける圧力の低下に相違は認められなかった。したがって、本発明によるコールドプレート６では、冷却液の供給圧力を特に高くすることなく、必要量の冷却液を流すことができ、この点でも放熱効率あるいは冷却効率が優れていると言い得る。 Further, the pressure drop increases as the flow rate increases, but no difference was found in the pressure drop between the cold plate 6 using the cross pins 3a and 3b and the cold plate without the cross pins 3a and 3b. Therefore, in the cold plate 6 according to the present invention, a necessary amount of cooling liquid can be flowed without particularly increasing the supply pressure of the cooling liquid, and it can be said that the heat dissipation efficiency or the cooling efficiency is excellent also in this respect.

以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。 While the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are made without departing from the spirit of the present invention.

１…ベースプレート、２…フィン、３ａ，３ｂ…クロスピン、５…流路、６…コールドプレート、７…蓋体、９…流入部、１０…流出部、１６…冷却液。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base plate, 2 ... Fin, 3a, 3b ... Cross pin, 5 ... Flow path, 6 ... Cold plate, 7 ... Lid body, 9 ... Inflow part, 10 ... Outflow part, 16 ... Coolant.

Claims

A base plate that receives heat from the heating element, a plurality of fins provided at a predetermined interval in the base plate, an inflow portion that is attached to the base plate so as to cover the plurality of fins, and into which a coolant flows. And a cold plate in which the cooling liquid flows out, and a cover body provided with each of the outflow portions, and the cooling liquid flows between the plurality of fins.
A plurality of cross pins provided through the plurality of fins so as to cross a plurality of the flow paths and spaced apart from each other along a flow direction in which the coolant flows through the flow paths. Characteristic cold plate.

The cold plate according to claim 1, wherein the plurality of cross pins are arranged in a staggered manner by alternately changing positions in the height direction of the fins.