JP2019179832A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化できる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１は、発熱部品Ｈと下面が接触するとともに内部に冷媒が流通する第１冷媒流路１１を有するコールドプレートと、冷却用のフィン２１と、前記冷媒が流通する第２冷媒流路２２と、を有するラジエータ２０と、第１冷媒流路１１及び第２冷媒流路２２に接続され、冷媒を循環させるポンプ３０と、を備える。ラジエータ２０は、コールドプレート上に配置され、ポンプ３０は、ラジエータ２０に隣接して配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却装置に関する。

従来の冷却装置は特許文献１に開示されている。電子部品冷却装置はヒートシンク、ラジエータ及び電動ポンプを備える。ヒートシンクは、冷却されるべき電子部品が装着される電子部品装着面と、冷媒として液体が流れる冷媒流路とを備えている。ラジエータは、冷媒が流れる液体流路を有し、液体流路が空冷されて冷媒が冷却される。電動ポンプは、冷媒に移動エネルギーを与え、ヒートシンクとラジエータとの間で冷媒を循環させる。

特開２００４−３０４０７６号公報

しかしながら、上記特許文献に開示された冷却装置は、ヒートシンク、ラジエータ及び電動ポンプがパイプを介して接続されており、冷却装置全体が大型化する問題があった。

本発明は、小型化できる冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の例示的な冷却装置は、コールドプレートと、ラジエータと、ポンプと、を備える。コールドプレートは、発熱部品と下面が接触するとともに内部に冷媒が流通する第１冷媒流路を有する。ラジエータは、冷却用のフィンと、前記冷媒が流通する第２冷媒流路と、を有する。ポンプは、前記第１冷媒流路及び前記第２冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる。前記ラジエータは、前記コールドプレート上に配置され、前記ポンプは、前記ラジエータに隣接して配置される。

例示的な本発明によれば、小型化した冷却装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置の斜視図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置の上面図である。 図２中のＡ−Ａ線断面斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置のコールドプレートの上壁部を示す底面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置のコールドプレートの底壁部を示す上面図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置の断面斜視図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置のコールドプレートの上壁部を示す底面図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置の斜視図である。 図９は、本発明の第４実施形態に係る冷却装置の第２冷媒流路の断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本願では、コールドプレート１０に対して、ラジエータ２０が配置されている方向を「上側」、ラジエータ２０が配置されている方向の反対側を「下側」、とそれぞれ称する。また、本願では、コールドプレート１０に対してラジエータ２０が配置されている方向を「上下方向」と称し、「上下方向」と直交する方向を「水平方向」と称して、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、これは、あくまで説明の便宜のために上下方向および水平方向を定義したものであって、本発明に係る冷却装置１の製造時および使用時の向きを限定するものではない。

また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、本願において「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

＜第１実施形態＞
（１．冷却装置の構成）
本発明の例示的な一実施形態の冷却装置について説明する。図１、図２は本発明の実施形態に係る冷却装置１の斜視図及び上面図である。また、図３は図２中のＡ−Ａ線断面斜視図である。

冷却装置１はコールドプレート１０、ラジエータ２０及びポンプ３０を有する。ラジエータ２０及びポンプ３０はコールドプレート１０上に配置される。ラジエータ２０の下面はコールドプレート１０の上面と接する。ポンプ３０はラジエータ２０と隣接して配置される。

コールドプレート１０は、銅又はアルミニウム等の熱伝導性の高い金属から成り、底壁部１２、上壁部１３及び側壁部１４を有する。本実施形態において、コールドプレート１０は、上面視において矩形である。すなわち、底壁部１２及び上壁部１３は上面視において水平方向に拡がる矩形の板状である。なお、本実施形態の底壁部１２及び上壁部１３は上面視において四角形であるがこの限りではなく、例えば、上面視において複数の角を有する多角形、または円形であってもよい。底壁部１２の下面には発熱部品Ｈが接触する。

側壁部１４は、底壁部１２及び上壁部１３の周縁を連結する。側壁部１４は、底壁部１２の周縁から上方に延びる第１側壁部１４ａと、上壁部１３の周縁から下方に延びる第２側壁部１４ｂと、を有する。第１側壁部１４ａの上面と第２側壁部１４ｂの下面とが接合される。

図３に示すように、底壁部１２、上壁部１３及び側壁部１４で囲まれる内部空間には直方体状の第１冷媒流路１１が形成される。また、上壁部１３には上下方向に貫通する流入口１３ａ及び後述の流出口１３ｂが設けられる。流入口１３ａを介して第１冷媒流路１１に流入した冷媒は流出口１３ｂを介して第１冷媒流路１１から流出する。すなわち、コールドプレート１０が、板状の底壁部１２と、底壁部１２の上面を覆う上壁部１３と、底壁部１２及び上壁部１３の周縁を連結する側壁部１４と、を有し、第１冷媒流路１１は、底壁部１２、上壁部１３及び側壁部１４で囲まれる内部空間に形成される。本実施形態において冷媒は液体であり、例えばエチレングリコール水溶液またはプロピレングリコール水溶液のような不凍液や純水等が使用される。

ラジエータ２０は冷却用の複数のフィン２１及び第２冷媒流路２２を有する。フィン２１は平板状に形成され、上壁部１３の上面から起立してコールドプレート１０の水平方向に延びる。本実施形態において、コールドプレート１０は、長手方向Ｘと短手方向Ｙとを有し、複数のフィン２１は、短手方向Ｙに延びる。

フィン２１の下端は上壁部１３の上面と接する。これにより、上壁部１３からフィン２１への熱伝導性が向上する。なお、フィン２１と上壁部１３とは別部材であっても同一部材であってもよい。本実施形態において、フィン２１は上壁部１３とは別部材である。フィン２１の下端は、例えば上壁部１３の上面に溶接によって接合される。

フィン２１が上壁部１３と同一部材である場合、例えば、フィン２１は上壁部１３の上面を切削加工して形成される。なお、フィン２１と上壁部１３とが別部材の場合、上述のコールドプレート１０と同様に、フィン２１は銅又はアルミニウム等の熱伝導性の高い金属であることが好ましい。フィン２１が、コールドプレート１０と同様な熱伝導性の高い金属で形成されることで、コールドプレート１０からの熱を効率よくフィン２１へ伝達することができる。

また、複数のフィン２１は、コールドプレート１０の長手方向Ｘに等間隔で平行に配列される。上壁部１３の角部には上面視において矩形に形成された設置領域２１ａが設けられる。設置領域２１ａには、ポンプ３０が配置される。また、設置領域２１ａにポンプ３０を設置した状態において、ポンプ３０の上端は設置領域２１ａ以外の領域に配置されたフィン２１の上端よりも低い。

本実施形態において、設置領域２１ａにはフィン２１の一部が配置される。設置領域２１ａに配置されるフィン２１の上下方向の高さは、設置領域２１ａ以外の領域のフィン２１の上下方向の高さよりも低く形成される。設置領域２１ａにおいて、ポンプ３０はフィン２１を介してコールドプレート１０上に配置される。ポンプ３０の下面と上壁部１３の上面との間にはフィン２１で仕切られた気体流路２１ｂが形成され、気体流路２１ｂにも冷却風が送風される。これにより、設置領域２１ａにおいてラジエータ２０の冷却性能を向上することができる。なお、設置領域２１ａの形状はポンプ３０の形状に応じて変更してもよい。また、設置領域２１ａにはフィン２１が配置されなくてもよい。その場合、ポンプ３０の下面は、上壁部１３の上面と接触する。

第２冷媒流路２２は直方体状の筒状部２３の内部に円柱状に形成される。筒状部２３はコールドプレート１０の上方に配置され、コールドプレート１０の上壁部１３と一体に形成される。このため、第２冷媒流路２２の一部が上壁部１３と同一部材により形成される。第２冷媒流路２２の一端は流入口１３ａと連通し、第２冷媒流路２２の他端は後述するポンプ３０の吐出口３１ｂと連通する。また、筒状部２３の上面及び側面はフィン２１と接しており、フィン２１を介して第２冷媒流路２２を流通する冷媒が効率良く冷却される。

第２冷媒流路２２を流れる冷媒は、フィン２１の間を流れる空気が筒状部２３にあたることで冷却される。本実施形態において、第２冷媒流路２２はフィン２１の配列方向（長手方向Ｘ）に対して傾斜し、水平方向に延びる。これにより、第２冷媒流路２２の流路を長く形成することができ、冷媒の第２冷媒流路２２を流通する時間が長くなる。従って、冷媒はより長い時間、筒状部２３の内部で冷却される。このため、冷媒をより効率良く冷却することができる。

例えば、本実施形態における、ポンプ３０は遠心型ポンプであり、直方体状の筐体３１内部に冷媒の流路３１ｄを有する。流路３１ｄには羽根車（不図示）が配置される。筐体３１の下面には吸込口３１ａが形成される。筐体３１の側面には外方に突出して流路３１ｄと連通する吐出口３１ｂが開口する。

ポンプ３０の羽根車は上下方向に延びる中心軸を中心に回転可能に支持され、モータの回転軸と連結される。モータの駆動により羽根車が回転し、吸込口３１ａから流入した冷媒が吐出口３１ｂから吐出される。

ポンプ３０の吸込口３１ａと上壁部１３に開口する流出口１３ｂとは上下方向に接続される。これにより、冷媒の流通を円滑にしてポンプ３０の消費電力を低減することができる。また、ポンプ３０がコールドプレート１０上に配置されて、吐出口３１ｂが筒状部２３と連結される。これにより、ポンプ３０は、ラジエータ２０に隣接して配置される。従って、コールドプレート１０、ラジエータ２０及びポンプ３０を一体化して冷却装置１全体を小型化することができる。

さらに、コールドプレート１０、ラジエータ２０及びポンプ３０が直接接続され、それぞれを連結するパイプ等の部材を削減することができる。これにより、冷却装置１を、発熱部品Ｈを有する実機へ容易に取り付けることができる。

ポンプ３０は、設置領域２１ａに配置される。すなわち、ポンプ３０は上壁部１３上の角部に配置される。これにより、第２冷媒流路２２の流路をより長く形成することができる。また、本実施形態において、矢印Ｄ（図２参照）に示すように、設置領域２１ａの短手方向Ｙの反対側に送風機（不図示）が配置され、からラジエータ２０の側面に短手方向Ｙに流通する冷却風が送風される。

すなわち、冷却風の流れ方向において、フィン２１の下流側にポンプ３０が配置される。これにより、冷却風が直接接触するフィン２１の表面積が大きくなる。これにより、ラジエータ２０の冷却性能が向上する。また、フィン２１が短手方向Ｙに延びることにより、長手方向Ｘに延びる場合と比較して冷却風が直接接触するフィン２１の表面積を大きくすることができる。

図４は上壁部１３の底面図であり、図５は底壁部１２の上面図である。なお、図５において上壁部１３に設けられる流入口１３ａ及び流出口１３ｂを破線で示す。上壁部１３は、上下方向に貫通する流入口１３ａ及び流出口１３ｂを有する。流入口１３ａ及び流出口１３ｂは、第１冷媒流路と連通し、冷媒が流れる通路である。第１冷媒流路１１の内部にはブレード１２ａが設けられる。ブレード１２ａは底壁部１２の上面に設けられる。また、底壁部１２には、流入口１３ａ及び流出口１３ｂの直下にブレード１２ａの非形成領域が短手方向Ｙに延びて設けられる。

ブレード１２ａはコールドプレート１０の長手方向Ｘに延びて短手方向Ｙに等間隔で平行に複数並んで配置される。

流入口１３ａから第１冷媒流路１１内に流入した冷媒は底壁部１２上を短手方向に広がり、ブレード１２ａ間を流通する。ブレード１２ａ間を流通する冷媒は第１冷媒流路１１全体に広がり、流出口１３ｂから流出する。これにより、コールドプレート１０の下面全体が冷媒により冷却される。

冷媒は、ブレード１２ａを介して流入口１３ａから流出口１３ｂへ第１冷媒流路１１内を流通する。底壁部１２にはブレード１２ａの流出口１３ｂ側の端部の配置に応じて第１領域１２ｂ及び第２領域１２ｃが設けられる。第１領域１２ｂでは、ブレード１２ａの端部がブレード１２ａの並列方向（短手方向Ｙ）に平行に並ぶ。第２領域１２ｃでは、ブレード１２ａの端部がブレード１２ａの並列方向（短手方向Ｙ）に交差する方向に並ぶ。

第１領域１２ｂにおいてブレード１２ａの各端部は流出口１３ｂの中心からの距離が略同一の位置に配置されることが好ましい。これにより、第１領域１２ｂから流出口１３ｂに流入する冷媒の流通を円滑にすることができる。

底壁部１２の下面には発熱部品Ｈが接触する（図３参照）。このとき、発熱部品Ｈは、第１冷媒流路１１と上下方向に対向する底壁部１２の下面に配置されることが好ましい。発熱部品Ｈと第１冷媒流路１１とが上下方向に対向して配置されることで、発熱部品Ｈから発せられる熱を効率よく第１冷媒流路１１を流通する冷媒へ伝達することができる。

また、発熱部品Ｈは、ブレード１２ａが配置される領域の下方に位置することがより好ましい。つまり、発熱部品Ｈは、ブレード１２ａが延びる長手方向Ｘのブレード１２ａの幅の内側、かつブレード１２ａが配列される短手方向Ｙのブレード１２ａの配列幅の内側に位置する。当該領域と重なる位置に発熱部品Ｈを配置することで、発熱部品Ｈをより効率よく冷却することができる。

さらに、発熱部品Ｈは、流入口１３ａと流出口１３ｂとを結ぶ線と重なる位置に配置されることがより好ましい。ラジエータ２０で冷却された冷媒は、流入口１３ａと流出口１３ｂとを結ぶ線の周辺において流速が最も速い。このため、当該線上に発熱部品Ｈを配置することで、発熱部品Ｈをより効率よく冷却することができる。

（２．冷却装置の動作）
コールドプレート１０の底壁部１２の下面にＣＰＵ等の冷却されるべき発熱部品を接触させてポンプ３０を駆動する。これにより、第１冷媒流路１１及び第２冷媒流路２２を冷媒が循環する。発熱部品の発熱はコールドプレート１０の底壁部１２に伝達される。底壁部１２に伝達された熱は上壁部１３を介してフィン２１に伝達されるとともに、第１冷媒流路１１及び第２冷媒流路２２を流通する冷媒を介してフィン２１に伝達される。これにより、フィン２１を介して放熱が行われ、発熱部品の温度上昇を抑制することができる。

また、ラジエータ２０の側方に送風機（不図示）を配置して矢印Ｄに示すようにフィン２１の延びる方向（短手方向Ｙ）に冷却風を送風することにより、フィン２１からの放熱を促し、ラジエータ２０の冷却性能がより向上する。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態の冷却装置１の断面斜視図であり、図７は上壁部１３の底面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図５に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第２実施形態では上壁部１３の下面に複数のリブ１３ｃが配置される点が第１実施形態とは異なる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

リブ１３ｃは、上壁部１３の下面から下方に向かって突出する。また、本実施形態において、リブ１３ｃは、コールドプレート１０の長手方向Ｘに延びて短手方向Ｙに等間隔で平行に複数並んで配置される。リブ１３ｃの間隔はブレード１２ａの間隔よりも広い。また、ブレード１２ａとリブ１３ｃとの間には上下方向の隙間が形成される。

リブ１３ｃは、第１冷媒流路１１の空間に収容される部位である。これにより、上壁部１３は冷媒と接触する表面積が広くなる。このため、底壁部１２に伝達された発熱部品による熱が、より効率よくフィン２１側へ伝達される。

流入口１３ａ及び流出口１３ｂは、リブ１３ｃと重なる位置に配置される。さらに、流入口１３ａ及び流出口１３ｂは、リブ１３ｃが長手方向Ｘに延びる一方側と他方側に分かれて配置される。リブ１３ｃが長手方向Ｘに延びる一方側と他方側に分かれて配置されることで、冷媒が流れる方向に対してリブ１３ｃの冷媒と接触する表面積を広くすることができる。これにより、冷媒からリブ１３ｃへ効率よく熱が伝達される。さらに、流入口１３ａと流出口１３ｂとは、短手方向Ｙに対して離れた位置に配置されることが好ましい。

なお、リブ１３ｃは１本のみ配置されてもよいし、上壁部１３の下面の一部分のみに配置されてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８は第３実施形態の冷却装置１の側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図５に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第３実施形態ではラジエータ２０が板状のベース部２４を有する点が第１実施形態とは異なる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

ベース部２４の上面に複数のフィン２１及び筒状部２３が設けられる。フィン２１の下端は、ベース部２４の上面と接する。また、ベース部２４の下面及び上壁部１３の上面は平坦に形成され、ベース部２４と上壁部１３とが接合される。すなわち、ラジエータ２０は、下面が上壁部１３の上面と接触する板状のベース部２４を有し、フィン２１の下端が、ベース部２４の上面と接する。これにより、ラジエータ２０とコールドプレート１０とを別部材で形成することにより、フィン２１の取付け作業が容易になる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図９は第４実施形態の冷却装置１の第２冷媒流路２２の断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図５に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第４実施形態では第２冷媒流路２２が、上壁部１３と異なる部材により形成されている点が第１実施形態とは異なる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

第２冷媒流路は中空のパイプ２５から成る。パイプ２５の断面が扁平に形成され、パイプ２５の断面における長径Ｌの一端と上壁部１３の上面との距離Ｗ１が、長径Ｌの他端と上壁部１３の上面との距離Ｗ２と異なる。パイプ２５の長径Ｌ１と上壁部１３の上面との距離が短い側から長い側に向かって矢印Ｄ方向に冷却風を送風することにより、冷却風が直接接触するパイプ２５の表面積が大きくなる。また、冷却風がパイプ２５上を円滑に流通する。従って、ラジエータ２０の冷却性能がより向上する。本実施形態において、パイプ２５の下端は上壁部１３の上面と接するが、パイプ２５の下端は上壁部１３の上面と隙間を介して対向してもよい。

（３．その他）
上記実施形態は、本発明の例示にすぎない。実施形態の構成は、本発明の技術的思想を超えない範囲で適宜変更されてもよい。また、実施形態は、可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。

上記実施形態では遠心型のポンプ３０を用いたが、ダイヤフラム型、カスケード型等のポンプを用いてもよい。また、コールドプレート１０は上面視において矩形に形成したが、円形や平行四辺形等の四角形でもよい。

１・・・冷却装置、１０・・・コールドプレート、１１・・・第１冷媒流路、１２・・・底壁部、１２ａ・・・ブレード、１２ｂ・・・第１領域、１２ｃ・・・第２領域、１３・・・上壁部、１３ａ・・・流入口、１３ｂ・・・流出口、１３ｃ・・・リブ、１４・・・側壁部、１４ａ・・・第１側壁部、１４ｂ・・・第２側壁部、２０・・・ラジエータ、２１・・・フィン、２１ａ・・・設置領域、２１ｂ・・・気体流路、２２・・・第２冷媒流路、２３・・・筒状部、２４・・・ベース部、２５・・・パイプ、３０・・・ポンプ、３１・・・筐体、３１ａ・・・吸込口、３１ｂ・・・吐出口、３１ｄ・・・流路、Ｄ・・・矢印、Ｌ・・・長径、Ｈ・・・発熱部品、距離・・・Ｗ１、Ｗ２、Ｘ・・・長手方向、Ｙ・・・短手方向

Claims (12)

1. 発熱部品と下面が接触するとともに内部に冷媒が流通する第１冷媒流路を有するコールドプレートと、
   冷却用のフィンと、前記冷媒が流通する第２冷媒流路と、を有するラジエータと、
   前記第１冷媒流路及び前記第２冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させるポンプと、を備え、
   前記ラジエータは、前記コールドプレート上に配置され、
   前記ポンプは、前記ラジエータに隣接して配置される、冷却装置。
2. 前記ポンプは、前記フィンを介して前記コールドプレート上に配置される、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記フィンと前記コールドプレートとは、別部材で形成され、
   前記フィンの下端が、前記コールドプレートの上面と接する、請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記コールドプレートが、板状の底壁部と、前記底壁部の上面を覆う上壁部と、前記底壁部及び前記上壁部の周縁を連結する側壁部と、を有し、
   前記第１冷媒流路は、前記底壁部、前記上壁部及び前記側壁部で囲まれる内部空間に形成され、
   前記フィンの下端が、前記上壁部の上面と接する、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記第２冷媒流路の一部が、前記上壁部と同一部材により形成される、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記コールドプレートが、板状の底壁部と、前記底壁部の上面を覆う上壁部と、前記底壁部及び前記上壁部の周縁を連結する側壁部と、を有し、
   前記第１冷媒流路は、前記底壁部、前記上壁部及び前記側壁部で囲まれた内部空間に形成され、
   前記ラジエータは、前記上壁部の上面と下面が接触する板状のベース部を有し、
   前記フィンの下端が、前記ベース部の上面と接する、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記上壁部の下面に、下方に向かって突出するリブが配置される、請求項４〜請求項６のいずれかに記載の冷却装置。
8. 前記ポンプは、前記上壁部上の角部に配置される、請求項４〜請求項７のいずれかに記載の冷却装置。
9. 前記コールドプレートが、上面視において矩形に形成され、
   前記フィンが、前記コールドプレートの短手方向に延びる、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の冷却装置。
10. 前記第２冷媒流路が、前記フィンの配列方向に対して傾斜する方向に延びる、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の冷却装置。
11. 前記第２冷媒流路が中空のパイプから成り、
    前記パイプの断面が、扁平に形成され、
    前記パイプの断面における長径の一端と前記コールドプレート上面との距離が、前記長径の他端と前記コールドプレート上面との距離と異なる、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の冷却装置。
12. 前記コールドプレートは、前記第１冷媒流路の一端側に配置されて前記第１冷媒流路に冷媒が流入する流入口と、前記第１冷媒流路の他端側に配置されて前記第１冷媒流路から冷媒が流出する流出口と、前記第１冷媒流路内に並列に配置される複数のブレードと、を有し、
    前記冷媒は、前記ブレードを介して前記流入口から前記流出口へ前記第１冷媒流路内を流通し、
    複数の前記ブレードの前記流出口側の端部が、前記ブレードの並列方向に平行に並ぶ第１領域と、
    複数の前記ブレードの前記流出口側の端部が、前記ブレードの並列方向に交差する方向に並ぶ第２領域と、を有する、請求項１〜請求項１１に記載の冷却装置。