JP2017162853A - 液冷式冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、固形物である不純物をより小さな圧力損失で効率良く分離することを目的とするものである。
【解決手段】不純物分離部４は、流入流路４ａ、主流路４ｂ及び副流路４ｃを有している。主流路４ｂは、流入流路４ａに流入した冷却水を流入流路４ａの中心軸に対して屈曲させてフィン領域流路３側へ流す。副流路４ｃは、流入流路４ａの中心軸から主流路４ｂとは反対側へ弧を描くように曲げられている。また、副流路４ｃは、流入流路４ａの中心軸から外れた位置で行き止まりとなっている。副流路４ｃの行き止まりとなっている部分には、重力方向に窪んだ不純物捕集部４ｄが設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＣＰＵ、ＬＳＩ又はパワー半導体素子等の発熱体を冷却液により冷却する液冷式冷却器に関するものである。

近年、ＣＰＵ、ＬＳＩ及びパワー半導体素子等の発熱素子の発熱密度が増大し高温になることから、空冷式冷却器よりも放熱性能が高い水冷式冷却器が用いられることが多くなってきている。また、水冷式冷却器に求められる放熱性能も、年々高まっている。

水冷式冷却器内には、複数の放熱フィンを有する放熱体が設けられている。このような水冷式冷却器の放熱性能は、放熱体の単位体積当たりの放熱面積が大きい程高くなる。放熱体の単位体積当たりの放熱面積を大きくするためには、隣り合う放熱フィン同士の隙間の距離（以降、フィン間隙間距離と呼ぶ）を小さくすればよい。

しかしながら、冷却水に混入した金属片及びプラスチック片等の不純物が放熱フィンに引っかかって目詰まりを起こすことを防ぐため、フィン間隙間距離には下限値が設けられている場合があり、この場合、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積の向上には限界がある。

冷却水に不純物が混入している状況で放熱フィンの目詰まりを防ぎ、しかもフィン間隙間距離を小さくするには、冷却水が放熱フィンに接する領域に流入する前に冷却水から不純物を分離する方法が有効である。冷却水から不純物を分離するには、目の細かいフィルターに冷却水を通過させたり、サイクロン式紛体分離機構に冷却水を通過させたりする方法が一般的である。しかし、いずれの方法も不純物分離部の圧力損失が高いため、冷却水を循環させるためにより多くのエネルギーを投入しなければならない欠点がある。

これに対して、従来の湿分分離器では、圧力損失を最小限に抑えて冷媒（空気）から不純物（湿分）を効果的に分離するために、複数の曲部により冷媒を蛇行させるように形成された流路に複数の不純物回収ポケットが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−７８８７４号公報

上記のような従来の湿分分離器では、曲部及び回収ポケットが冷媒の流れに対する障害物となり、圧力損失を十分に抑制することができない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、固形物である不純物をより小さな圧力損失で効率良く分離することができる液冷式冷却器を得ることを目的とする。

この発明に係る液冷式冷却器は、冷却液が流されるフィン領域流路が形成されているウォータージャケット、フィン領域流路内に配置される複数の放熱フィンを有しており、発熱体に熱的に接続される放熱体、及びフィン領域流路の上流に配置されており、フィン領域流路に流入する冷却液から不純物を分離する不純物分離部を備え、不純物分離部は、冷却液が流入する流入流路と、流入流路に流入した冷却液を流入流路の中心軸に対して屈曲させてフィン領域流路側へ流す主流路と、流入流路の中心軸から弧を描くように曲げられている副流路とを有しており、副流路は、流入流路の中心軸から外れた位置で行き止まりとなっており、副流路の行き止まりとなっている部分には、重力方向に窪んだ不純物捕集部が設けられている。

この発明の液冷式冷却器は、冷却液を流入流路の中心軸に対して屈曲させてフィン領域流路側へ流す主流路と、流入流路の中心軸から弧を描くように曲げられている副流路とが不純物分離部に設けられており、副流路は、流入流路の中心軸から外れた位置で行き止まりとなっており、副流路の行き止まりとなっている部分には、重力方向に窪んだ不純物捕集部が設けられているので、固形物である不純物をより小さな圧力損失で効率良く分離することができる。

この発明の実施の形態１による水冷式冷却器を示す分解斜視図である。 図１のウォータージャケットを示す平面図である。 図２の不純物分離部を拡大して示す平面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態２による水冷式冷却器の不純物分離部を示す平面図である。 この発明の実施の形態３による水冷式冷却器の不純物分離部を示す斜視図である。 図６の不純物分離部を示す平面図である。 図７の不純物分離部を示す右側面図である。 この発明の実施の形態４による水冷式冷却器の不純物分離部を示す平面図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態４による水冷式冷却器の不純物分離部を示す分解斜視図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水冷式冷却器を示す分解斜視図である。図において、実施の形態１の水冷式冷却器は、直方体状のウォータージャケット１と、ウォータージャケット１に組み合わされる放熱体２とを有している。ウォータージャケット１は、冷却液である冷却水が流されるフィン領域流路３と、フィン領域流路３に流入する冷却水からゴミ又は異物等の不純物を分離する不純物分離部４とを有している。

フィン領域流路３は、矩形の凹部であり、上端が開口している。不純物分離部４は、フィン領域流路３の上流に配置されている。実施の形態１では、不純物分離部４がウォータージャケット１に一体に形成されている。

放熱体２は、発熱素子（ＣＰＵ、ＬＳＩ又はパワー半導体素子等）等の発熱体（図示せず）に熱的に接続される。また、放熱体２は、ウォータージャケット１の上面に重ねられる矩形の天板５と、天板５に下面に設けられている複数の放熱フィン６とを有している。放熱フィン６は、天板５をウォータージャケット１の上面に重ねることによりフィン領域流路３内に配置され、発熱体の熱を冷却水に排熱させる。

ウォータージャケット１には、不純物分離部４に流入する冷却水を案内する入口パイプ７と、フィン領域流路３から流出する冷却水を案内する出口パイプ８とが接続されている。入口パイプ７及び出口パイプ８は、ウォータージャケット１の同じ側面に接続されており、かつ互いに平行に配置されている。また、入口パイプ７及び出口パイプ８は、ウォータージャケット１に一体に形成しても、別体で構成してもよい。

図２は図１のウォータージャケット１を示す平面図、図３は図２の不純物分離部４を拡大して示す平面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図であり、実線矢印は冷却水の流れを示しており、破線矢印は不純物の流れを示している。

不純物分離部４は、流入流路４ａ、主流路４ｂ及び副流路４ｃを有している。流入流路４ａには、入口パイプ７からの冷却水が流入する。冷却水は、入口パイプ７内及び流入流路４ａ内を直線的に流れる。

主流路４ｂは、流入流路４ａに流入した冷却水を流入流路４ａの中心軸に対して直角又はほぼ直角に屈曲させてフィン領域流路３側へ流す。即ち、主流路４ｂの入口の中心軸は、流入流路４ａの中心軸に対して直角又はほぼ直角である。実施の形態１では、主流路４ｂは、流入流路４ａの側壁とフィン領域流路３との間に設けられている孔である。主流路４ｂの径は、流入流路４ａの径よりも小さい。

副流路４ｃの入口の中心軸は、流入流路４ａの中心軸の延長上に配置されている。即ち、副流路４ｃは、流入流路４ａの中心軸とほぼ同一直線上に繋がっている。また、副流路４ｃは、流入流路４ａの中心軸から主流路４ｂとは反対側へ緩やかなカーブ、即ち弧を描くように曲げられている。

さらに、副流路４ｃは、流入流路４ａの中心軸から外れた位置で行き止まりとなっている。副流路４ｃの行き止まりとなっている部分には、重力方向に窪んだ凹部である不純物捕集部４ｄが設けられている。

次に、動作について説明する。冷却水は、入口パイプ７から不純物分離部４に流入し、流入流路４ａを直進する。流入流路４ａを流れる冷却水の大部分は、直接主流路４ｂに流れ込み、フィン領域流路３を通って出口パイプ８へと導かれる。

一方、流入流路４ａを流れる冷却水の僅か一部は、副流路４ｃに流入した後、下流の緩やかなカーブに従って進み、行き止まりの位置で渦を巻き、副流路４ｃに流入した冷却水量と同じ量の冷却水が渦から主流路４ｂへと流出する。

冷却水に混入した密度の大きい金属片及びプラスチック等の不純物は、冷却水よりも重いため、大部分が慣性力によって副流路４ｃへと直進する。この後、不純物は、副流路４ｃの下流に進むにつれて、冷却水の渦に沿って渦を巻きつつ、重力方向へ落ちて行き、不純物捕集部４ｄに堆積する。

このような水冷式冷却器では、冷却水に混入した不純物が不純物捕集部４ｄに溜まるので、放熱フィン６間に不純物が詰まることを抑制できる。これにより、フィン間隙間距離を小さくして、放熱体２の単位体積当たりの放熱面積を大きくすることができる。

また、不純物分離部４の入口からフィン領域流路３までの経路において、冷却水の大部分に対しては屈曲する箇所を最低１箇所とすることができるので、圧力損失が小さい。即ち、固形物である不純物をより小さな圧力損失で効率良く分離することができる。

さらに、１箇所の不純物捕集部４ｄに不純物が集められるので、分離した不純物の取り出しを容易にすることができる。

実施の形態２．
次に、図５はこの発明の実施の形態２による水冷式冷却器の不純物分離部４を示す平面図である。実施の形態２の水冷式冷却器では、流入流路４ａに絞り部４ｅが設けられている。絞り部４ｅでは、その上流側及び下流側に隣り合う部分よりも流路断面積が狭くなっている。絞り部４ｅは、主流路４ｂと副流路４ｃとの分岐点の上流側に隣接して配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような水冷式冷却器では、絞り部４ｅで冷却水の流速が増加する。このため、主流路４ｂと副流路４ｃとの分岐点に侵入する不純物に働く慣性力は、絞り部４ｅの無い場合よりも大きくなる。これにより、不純物は、直線的に進み易くなり、副流路４ｃに侵入し易くなる。

従って、供給される冷却水量が少ない場合でも、不純物は十分な慣性力を得られ、不純物を効率的に副流路４ｃに誘導することができる。

実施の形態３．
次に、図６はこの発明の実施の形態３による水冷式冷却器の不純物分離部４を示す斜視図、図７は図６の不純物分離部４を示す平面図、図８は図７の不純物分離部４を示す右側面図である。なお、図６、７では主流路４ｂ及び副流路４ｃが周囲環境に開放されているが、実際には不純物分離部４の上部には天板（図示せず）が重ねられており、不純物分離部４の全ての流路は密閉されている。

実施の形態３では、ウォータージャケット１とは独立した不純物分離部４が用いられている。即ち、ウォータージャケット１と不純物分離部４とは、別体で構成されている。そして、主流路４ｂは、接続パイプ９を介してフィン領域流路３に接続されている。他の構成は、実施の形態１又は２と同様である。

このような水冷式冷却器では、不純物分離部４がウォータージャケット１から分離されているので、レイアウトの自由度を高くすることができる。例えば、ウォータージャケット１を設置するスペースに寸法の制約がある場合は、不純物分離部４をウォータージャケット１から離れた位置に配置し、接続パイプ９をウォータージャケット１のフィン領域流路３まで延長すればよい。

実施の形態４．
次に、図９はこの発明の実施の形態４による水冷式冷却器の不純物分離部４を示す平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。実施の形態４では、不純物捕集部４ｄに、重力方向に進むに従い流路断面積が狭くなる漏斗状の不純物逆流抑制部４ｆが設けられている。他の構成は、実施の形態３と同様である。

このような水冷式冷却器では、副流路４ｃに流入した不純物が、不純物捕集部４ｄの重力方向へは流路のどの位置からでも進むことができるが、不純物捕集部４ｄから重力方向とは反対方向へは、不純物逆流抑制部４ｆの中央の狭い開口からしか進むことができないため、不純物捕集部４ｄに捕集された不純物の逆流が抑制される。このため、不純物がフィン領域流路３へ流れるのをより確実に防止することができる。

なお、実施の形態１、２のようにウォータージャケット１に一体に設けられている不純物分離部４に、実施の形態４の不純物逆流抑制部４ｆを設けてもよい。
また、実施の形態４では、漏斗状、即ち円錐状の不純物逆流抑制部４ｆを示したが、角錐状であってもよく、また不純物逆流抑制部４ｆの下端の開口は不純物逆流抑制部４ｆの中央から外れた位置にあってもよい。

実施の形態５．
次に、図１１はこの発明の実施の形態５による水冷式冷却器の不純物分離部４を示す分解斜視図である。実施の形態５では、不純物捕集部４ｄの底部に、開閉可能な蓋４ｇが設けられている。他の構成は、実施の形態３又は４と同様である。

このような水冷式冷却器では、蓋４ｇを蓋を開けることにより、不純物捕集部４ｄに捕集された不純物を容易に取り出し、冷却器外に排出することができる。

なお、実施の形態１、２のようにウォータージャケット１に一体に設けられている不純物分離部４に、実施の形態５の蓋４ｇを設けてもよい。
また、不純物捕集部４ｄの側面に蓋４ｇを設けてもよい。
さらに、主流路４ｂからフィン領域流路３までの経路は、必ずしも直線でなくてもよいが、圧力損失を抑えるためには、できるだけ経路を曲げないのが好適である。
さらにまた、液冷式冷却器の冷却対象は、発熱素子に限定されるものではない。
また、この発明は、水冷式冷却器以外の液冷式冷却器にも適用できる。即ち、冷却液は水に限定されるものではない。

１ ウォータージャケット、２ 放熱体、３ フィン領域流路、４ 不純物分離部、４ａ 流入流路、４ｂ 主流路、４ｃ 副流路、４ｄ 不純物捕集部、４ｅ 絞り部、４ｆ 不純物逆流抑制部、４ｇ 蓋、６ 放熱フィン、９ 接続パイプ。

Claims (5)

1. 冷却液が流されるフィン領域流路が形成されているウォータージャケット、
   前記フィン領域流路内に配置される複数の放熱フィンを有しており、発熱体に熱的に接続される放熱体、及び
   前記フィン領域流路の上流に配置されており、前記フィン領域流路に流入する冷却液から不純物を分離する不純物分離部
   を備え、
   前記不純物分離部は、冷却液が流入する流入流路と、前記流入流路に流入した冷却液を前記流入流路の中心軸に対して屈曲させて前記フィン領域流路側へ流す主流路と、前記流入流路の中心軸から弧を描くように曲げられている副流路とを有しており、
   前記副流路は、前記流入流路の中心軸から外れた位置で行き止まりとなっており、
   前記副流路の行き止まりとなっている部分には、重力方向に窪んだ不純物捕集部が設けられている液冷式冷却器。
2. 前記流入流路には絞り部が設けられている請求項１記載の液冷式冷却器。
3. 前記ウォータージャケットと前記不純物分離部とは、別体で構成されており、
   前記主流路は、接続パイプを介して前記フィン領域流路に接続されている請求項１又は請求項２に記載の液冷式冷却器。
4. 前記不純物捕集部には、重力方向に進むに従い流路断面積が狭くなる不純物逆流抑制部が設けられている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の液冷式冷却器。
5. 前記不純物捕集部の底部には、開閉可能な蓋が設けられている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の液冷式冷却器。

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