JP2019160831A - クーリングプレート及び情報処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】クーリングプレートの冷却効率を向上させることを目的とする。【解決手段】クーリングプレートは、冷却面を備える本体部と、前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、を備える。【選択図】図5

Description

本発明は、クーリングプレート及び情報処理装置に関する。
従来、液体循環路に組み込まれたアスピレータに、熱源から熱を奪う蒸発器から延びる蒸気管が接続された冷却装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。熱源から熱を奪う蒸発器は、クーリングプレート等と称されることがあり、内部の液体が熱源の熱によって熱せられて核沸騰し、液体から気体へ相変化する際の潜熱によって冷却効果を発揮する。
特開2014−183107号公報
ところで、昨今の情報処理装置では、熱源となるCPU(Central Processing Unit)のサイズが縮小されたり、GPU(Graphics Processing Unit)が実装されたりするようになっており、発熱密度が増加している。このような状況に対処すべく、クーリングプレート自体にも冷却効率の向上が求められている。
1つの側面では、本明細書開示の発明は、クーリングプレートの冷却効率を向上させることを目的とする。
1つの態様では、クーリングプレートは、冷却面を備える本体部と、前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、を備える。
また、別の態様では、情報処理装置は、基板に実装された電子部品と、前記電子部品を冷却するクーリングプレートを備え、前記クーリングプレートは、前記電子部品を冷却する冷却面を備える本体部と、前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、を備える。
本明細書開示の発明によれば、クーリングプレートの冷却効率を向上させることができる。
図1は実施形態の情報処理装置の概略構成を示す説明図である。 図2(A)は基板に実装されたクーリングプレートを示す平面図であり、図2(B)は基板に実装されたクーリングプレートを示す側面図である。 図3は実施形態のクーリングプレートにおける流路の配置を模式的に示す説明図である。 図4は実施形態のクーリングプレートの内部を示す説明図である。 図5は実施形態のクーリングプレートの断面図である。 図6は第3流路の内部を示す説明図である。 図7(A)は比較例の第3流路における冷媒の流れを示す説明図であり、図7(B)は実施形態の第3流路における冷媒の流れを示す説明図である。 図8(A)は減圧前の冷媒の様子を示す説明図であり、図8(B)は減圧した後の冷媒の様子を示す説明図であり、図8(C)はさらに減圧した後の冷媒の様子を示す説明図である。 図9は実施形態における冷媒の飽和水蒸気曲線である。 図10(A)は突出部の一例を示す説明図であり、図10(B)は突出部の他の例を示す説明図である。 図11は気泡が破裂する様子を示す説明図である。 図12は気泡排出流路の配置を示す説明図である。 図13は第3流路が第2流路に合流する流路端部と、気泡排出流路との位置関係を示す説明図である。 図14は第3流路を上下方向に沿って配置した状態を示す説明図である。 図15は縮径維持部を示す説明図である。 図16は第1流路に設けられた縮径部を示す説明図である。 図17は複数の縮径部を備えた例を示す説明図である。 図18は縮径部としてテーパ部を備えた例を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。
(第1実施形態)
図1、図2(A)及び図2(B)を参照すると、実施形態の情報処理装置100は、フレーム101に設置された基板102を有する。基板102には、パッケージ基板(PKG基板)103が実装されている。PKG基板103には、熱源であり、冷却対象となるCPU104が実装されている。CPU104は、冷却対象の一例である。CPU104には、クーリングプレート1が設置されている。クーリングプレート1には、冷媒の流入管105と排出管106が設けられている。流入管105からは、温度の低い冷媒W(低温水)がクーリングプレート1内に流入する。排出管106からは、CPU104を冷却した後の冷媒W(高温水)が排出される。流入管105及び排出管106は、分配部107を介して循環経路108と接続されている。循環経路108には、冷媒Wを冷却するチラー109と、冷媒Wをクーリングプレート1に向かって吐出するポンプ110が設けられている。チラー109によって冷却された冷媒Wは、ポンプ110によってクーリングプレート1に向かって吐出される。なお、本実施形態の情報処理装置100は、システムボードであるが、他の装置としてもよい。また、CPU104は、電子部品の一例であり、発熱する電子部品であれば、クーリングプレート1による冷却対象とすることができる。さらに、本実施形態では、冷媒Wとして水を用いているが、エタノール等の他の冷媒を用いてもよい。
つぎに、図3乃至図6を参照してクーリングプレート1について詳細に説明する。図3は実施形態のクーリングプレート1における流路の配置を模式的に示す説明図である。図4はクーリングプレート1の内部の様子を分かりやすく示すために、本体部2から天板部5を分離し、図3におけるA−A線に相当する位置で断面とした状態を示している。図5は、図3におけるA−A線断面図である。図6は第3流路8の内部を示す説明図である。
図3や図4を参照すると、金属製のクーリングプレート1は、本体部2と、本体部2と一体とされる天板部5を備える。本体部2の一面は、冷却面2aとされている。冷却面2aは、冷却対象であるCPU104に接触させ、CPU104との間で熱交換が行われる面である。本実施形態のクーリングプレート1は、銅製であるが、他の素材によって形成することもできる。天板部5は、例えば、拡散接合により本体部2と接合することができる。
本体部2の内部には、ポンプ110によって吐出された冷媒Wが流入する第1流路3と、ポンプ110側へ冷媒Wを排出する第2流路4が設けられている。第1流路3と第2流路4は、平行に設けられ、それぞれ同一方向に延びており、図3における矢示で示すように冷媒Wが同一方向に流れるように設けられている。第1流路3と第2流路4は、図3において矢示で示す流れ方向と直行する方向に交互に配列されている。
天板部5における上流部には、第1流路3毎に冷媒流入孔6が設けられている。各第1流路3には、冷媒流入孔6を通じて、冷媒Wの流入管105と繋がっている冷媒分配管7から冷媒Wが流入する。第1流路3には、温度の低い冷媒W(低温水)が流れ、第2流路4には、CPU104を冷却した後の冷媒W(高温水)が流れる。
隣り合う第1流路3と第2流路4とは、第3流路8で接続されている。第3流路8は、マイクロチャンネルであり、本体部2内において、第1流路3や第2流路4よりも冷却面2aに近い側に設けられている。クーリングプレート1をCPU上に設置する場合、第3流路8は、第1流路3及び第2流路4の下側に設けられる。第3流路8の第1端部8aは、第1流路3内に位置している。第3流路8の第2端部8bは、第2流路4内に位置している。第1端部8aは、第1流路3内に開口し、第3流路8の入口となっている。第2端部8bは、第2流路4内に開口し、第3流路8の出口である。第2端部8bは、第3流路8が第2流路4と合流する流路端部に相当する。
第3流路8は、第1流路3や第2流路4における冷媒Wの流れ方向に沿って複数設けられている。このため、第1流路3内には、冷媒Wの流れ方向に沿って第1端部8aの列が形成されている。また、第2流路4内には、冷媒Wの流れ方向に沿って第2端部8bの列が形成されている。
図5を参照すると、各第3流路8には、第3流路8の流路径を狭める縮径部9が設けられている。本実施形態の縮径部9は、第3流路8の内周壁を第3流路8の中心部に向かって突出させた突出部9aによって形成されている。
第3流路8内に縮径部9が設けられていると、図6に示すように、冷媒Wが縮径部9を通過することで冷媒W内に気泡Wbが生じる。すなわち、冷媒Wが沸騰状態となる。冷媒Wは、沸騰状態となるときに潜熱により周囲から熱を奪うため冷媒Wの温度が低下し、冷却効率が高まる。
ここで、図7(A)乃至図10を参照して縮径部9の作用について説明する。図7(A)は、比較例の流路80内を流通する冷媒Wの様子を模式的に表している。流路80の流路径が一定であるため、ポンプ110の吐出量が一定である等、冷媒Wを流通させる条件が一定である場合には、流路80内を流通する冷媒Wの流速は一定であり、流路80内の冷媒の圧力も一定である。
これに対し、図7(B)で示す第3流路8のように縮径部9が設けられていると、縮径部9の上流側であるa点における冷媒Wの流速と比較して、縮径部9上のb点における流速が速くなる。b点は、縮径部9において最も流路径が狭い点であり、b点を通過した直後の流速が最も速い。
冷媒Wの流速が速くなると、式1に示すベルヌーイの定理、式2に示す流量一定の法則より、冷媒Wの圧力は低下する。
ρUa/2+ρgh+Pa=ρUb/2+ρgh+Pb 式1
Aa×Ua=Ab×Ub 式2
Ua:a点における冷媒流速、Ub:b点における冷媒流速
Pa:a点における冷媒圧力、Pb:b点における冷媒圧力
Aa:a点における流路面積、Ab:b点における流路面積
ρ :冷媒密度
g :重力加速度
h :位置水頭
ここで、縮径部9が設けられていることによって、Aa>Abの関係が成り立つため、Pa>Pbの関係が成立する。
図8(A)は減圧前の冷媒Wの様子を示し、図8(B)は減圧した後の冷媒Wの様子を示す。また、図8(C)はさらに減圧した後の冷媒Wの様子を示す説明図である。図8(B)に示すように冷媒Wが減圧されると冷媒W中に気泡Wbが生じて冷却効果が発揮され、図8(C)に示すようにさらに減圧されると、気泡Wbが成長し、冷却効率がさらに高まる。
図9を参照すると、冷媒Wである水の飽和水蒸気曲線が示されている。水は、大気圧(1atm、101.325kPa)環境下では、100℃で沸騰するが、圧力を低下させることで、沸騰する温度を下げることができる。そこで、本実施形態では、縮径部9を設けることで圧力Pbを低下させ、沸騰する温度を低下させる。Pbをどの程度低下させるかは、冷却対象であるCPU104の作動温度を考慮して決定する。CPU104の作動温度が60℃前後であるとすると、圧力Pbが概ね20kPa以下となるようにa点とb点の流路径を決定する。なお、冷媒Wとして水以外を採用する場合は、その冷媒Wの飽和水蒸気曲線に基づいて、圧力Pbが飽和水蒸気圧を下回るように、適宜、a点とb点の流路径を設定する。
本実施形態のクーリングプレート1は、冷却面2aに近い位置に設けられている第3流路8内に縮径部9を設け、第3流路8内で気泡Wbを発生させることで、第3流路8内で冷媒Wの温度を低くし、冷却効率を向上させている。
(変形例)
ここで、図10(A)を参照し、縮径部9の変形例である縮径部90について説明する。図6等に示した例における縮径部9は、第3流路8を断面としたときに、冷却面2aに近い側から第3流路8の中心側に向かって突出部9aを突出させるとともに、これと対抗する側からも突出部9aを突出させている。これに対し、図10(A)に示す縮径部90では、冷却面2aから離れた側から第3流路8の中心部に向かって突出部90aを突出させている。縮径部90の流路径を縮径部9の流路径と一致させる場合、突出部90aの突出量は、突出部9aの突出量よりも多くなる。このような形態とすると、冷却面2a側の肉厚が薄くなり、熱抵抗が小さくなるため、冷却効率が向上する。
次に、図10(B)を参照し、縮径部9のさらなる変形例である縮径部91について説明する。図10(B)に示す縮径部91では、冷却面2aに近い側から第3流路8の中心部に向かって突出部91aを突出させている。縮径部91の流路径を縮径部9の流路径と一致させる場合、突出部91aの突出量は、突出部9aの突出量よりも多くなる。このような形態とすると、発生した気泡Wbが冷却面2aから離れた側に集まりやすくなる。気泡Wbは、熱交換の効率を低下させるため、仮に、気泡Wbが冷却面2aに近い側に集まると、冷却効率が低下することが考えられる。そこで、冷却面2aに近い側に突出部91aを設けることで気泡Wbを冷却面2aから離れた側に集め、冷却効率を向上させることができる。
縮径部9、90、91のいずれの形態を採用するかは、クーリングプレート1の設置環境等に応じて適宜選択することができる。
(第2実施形態)
つぎに、図11乃至図14を参照して、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。
まず、図11を参照して、第3流路8内での気泡Wbの振る舞いについて説明する。冷媒Wは、縮径部9を通過すると、直後に気泡Wbを発生させる。このため、縮径部9の直後から縮径部9の下流の所定の範囲までは、気泡Wbが発生したことによる冷却効果を享受することができる。しかしながら、縮径部9の下流側では、流路径が復帰している。このため、縮径部9の下流側では圧力が復帰して高くなる。この結果、気泡Wbが圧壊し、破裂気泡Wbbとなる。気泡Wbが圧壊し、破裂気泡Wbbとなる現象は、凝縮であり、冷媒Wの温度は上昇する。縮径部9を通過することで発生した気泡Wbは、冷媒Wの流れに乗って縮径部9から離れた位置で圧壊するが、冷媒Wの流速によっては、冷却効果を得たい縮径部9の下流近傍で圧壊することが想定される。例えば、冷媒Wの流速が遅い場合は、気泡Wbが冷却効果を得たい縮径部9の下流近傍から離れるのに時間がかかり、縮径部9の下流近傍で圧壊し、冷媒Wの温度を上昇させることが想定される。
そこで、このような破裂気泡Wbbによる温度上昇対策として、図12に示すような気泡排出流路10を設けることが考えられる。気泡排出流路10は、縮径部9の下流近傍に設けられ、発生した気泡Wbを直ちに第3流路8から排出する。気泡排出流路10は、気泡Wbの浮力を利用して、気泡Wbを第3流路8から排出する。図12に示す気泡排出流路10は、第3流路8から垂直方向に延びているが、気泡Wbがその浮力によって上昇することができる流路となっていれば、必ずしも垂直方向に延びていることは要せず、例えば、斜め上方に延びていてもよい。
つぎに、このような気泡排出流路10を組み込んだ実施形態について図13を参照しつつ説明する。図13を参照すると、気泡排出流路10は、第3流路8内に設けられた縮径部9と第3流路8が第2流路4に合流する流路端部である第2端部8bとの間に設けられている。このように気泡排出流路10を配置することで、冷媒Wが縮径部9を通過することで発生した気泡Wbは、即座に気泡排出流路10を通じて第2流路4へ排出される。第2流路4内には、CPU104の冷却に寄与した後の温度の高い冷媒Wが流通しているため、第2流路4へ排出された気泡Wbが第2流路4内で破裂気泡Wbbとなっても、冷却面2aにおける冷却効果を低下させることはない。
なお、図14に示すように第3流路8を縦置きとする場合は、発生した気泡Wbは、その浮力によって縮径部9から離れ、縮径部9の下流近傍で圧壊することがないので、格別の措置は要しない。
(第3実施形態)
つぎに、図15を参照しつつ、第3実施形態の縮径部19について説明する。第3実施形態の縮径部19は、流路径を縮径した後、第3流路8の下流側に向かって流路径の縮径状態を維持する縮径維持部19aによって形成されている。気泡Wbは、流路径が縮径することで冷媒Wの流速が速くなることに伴う圧力の低下によって生じるが、その後、流路径が拡大すると圧力が復帰して気泡Wbの圧壊が生じる。そこで、第3実施形態では、冷媒Wの圧力が復帰しないように流路径を維持することで気泡Wbの圧壊を抑制し、冷媒Wの温度上昇対策としている。
(第4実施形態)
つぎに、図16を参照しつつ、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、第1流路3に、第1流路3の流路径を狭める縮径部20を備える。第1流路3内で縮径部20を通過する冷媒Wに気泡Wbを発生させることで、第1流路3内の冷媒Wの温度を低下させることができる。温度が低下した冷媒Wは、第3流路8へ流入する。縮径部9が形成されている第3流路8内ではさらに冷媒Wの温度が低下するため、冷却効率が向上する。
縮径部20は、例えば、図16に示すように、より冷却したい領域Rの上流近傍に配置することができる。これにより、局所的に冷却効果を高めたいとの要求に応えることができる。
(第5実施形態)
つぎに、図17を参照しつつ、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、第3流路8の流れ方向に沿って、複数設けられた縮径部9、29を備えている。冷媒Wは、縮径部9、29を通過する度に気泡Wbを発生させ、温度を低下させる。これにより、冷却効率を向上させることができる。
(第6実施形態)
つぎに、図18を参照して、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、第3流路8の下流に向かうに従って第3流路の流路径を狭めるテーパ部39aを有する縮径部39を備えている。縮径部39は、テーパ部39aを備えることで、下流に向かうほど流路径を小さくしている。これに伴って、冷媒Wの速度が速まり、圧力が低下することで、気泡Wbが発生しやすくなる。この結果、冷却効率を向上させることができる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1) 冷却面を備える本体部と、
前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、
前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、
前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、
前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、
を備えたクーリングプレート。
(付記2) 前記縮径部と、前記第3流路が前記第2流路に合流する流路端部との間に、気泡排出流路を備えた付記1に記載のクーリングプレート。
(付記3) 前記縮径部は、前記第3流路の中心部に向かって突出した突出部である付記1又は2に記載のクーリングプレート。
(付記4) 前記縮径部は、前記第3流路の流れ方向に沿って、複数設けられた付記1乃至3のいずれか1項に記載のクーリングプレート。
(付記5) 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かって縮径状態を維持する縮径維持部である付記1又は2に記載のクーリングプレート。
(付記6) 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かうに従って前記第3流路の流路径を狭めるテーパ部を有する付記1又は2に記載のクーリングプレート。
(付記7) 前記第1流路は、前記第1流路の流路径を狭める縮径部を備えた付記1乃至6のいずれか1項に記載のクーリングプレート。
(付記8) 基板に実装された電子部品と、前記電子部品を冷却するクーリングプレートを備え、
前記クーリングプレートは、
前記電子部品を冷却する冷却面を備える本体部と、
前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、
前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、
前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、
前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、
を備えた情報処理装置。
(付記9) 前記縮径部と前記第3流路が前記第2流路に合流する流路端部との間に、気泡排出流路を備えた付記8に記載の情報処理装置。
(付記10) 前記縮径部は、前記第3流路の中心部に向かって突出した突出部である付記8又は9に記載の情報処理装置。
(付記11) 前記縮径部は、前記第3流路の流れ方向に沿って、複数設けられた付記8乃至10のいずれか1項に記載の情報処理装置。
(付記12) 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かって縮径状態を維持する縮径維持部である付記8又は9に記載の情報処理装置。
(付記13) 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かうに従って前記第3流路の流路径を狭めるテーパ部を有する付記8又は9に記載の情報処理装置。
(付記14) 前記第1流路は、前記第1流路の流路径を狭める縮径部を備えた付記8乃至13のいずれか1項に記載の情報処理装置。
1 クーリングプレート
2 本体部
2a 冷却面
3 第1流路
4 第2流路
8 第3流路
8a 第1端部
8b 第2端部
9、19、20、29、39 縮径部
9a 突出部
10 気泡排出流路
19a 縮径維持部
39a テーパ部
100 情報処理装置
101 フレーム
102 基板
103 パッケージ基板
104 CPU
109 チラー
110 ポンプ
W 冷媒
Wb 気泡
Wbb 破裂気泡

Claims (8)

  1. 冷却面を備える本体部と、
    前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、
    前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、
    前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、
    前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、
    を備えたクーリングプレート。
  2. 前記縮径部と、前記第3流路が前記第2流路に合流する流路端部との間に、気泡排出流路を備えた請求項1に記載のクーリングプレート。
  3. 前記縮径部は、前記第3流路の中心部に向かって突出した突出部である請求項1又は2に記載のクーリングプレート。
  4. 前記縮径部は、前記第3流路の流れ方向に沿って、複数設けられた請求項1乃至3のいずれか1項に記載のクーリングプレート。
  5. 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かって縮径状態を維持する縮径維持部である請求項1又は2に記載のクーリングプレート。
  6. 前記縮径部は、前記第3流路の下流側に向かうに従って前記第3流路の流路径を狭めるテーパ部を有する請求項1又は2に記載のクーリングプレート。
  7. 前記第1流路は、前記第1流路の流路径を狭める縮径部を備えた請求項1乃至6のいずれか1項に記載のクーリングプレート。
  8. 基板に実装された電子部品と、前記電子部品を冷却するクーリングプレートを備え、
    前記クーリングプレートは、
    前記電子部品を冷却する冷却面を備える本体部と、
    前記本体部内に形成され、ポンプ側から冷媒が流入する第1流路と、
    前記本体部内に形成され、ポンプ側へ冷媒を排出する第2流路と、
    前記本体部内において、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記冷却面側に設けられ、前記第1流路と前記第2流路とを接続する第3流路と、
    前記第3流路内に形成され、前記第3流路の流路径を狭める縮径部と、
    を備えた情報処理装置。
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