JP4551261B2 - 冷却ジャケット - Google Patents

Description

本発明は、発熱をその内部に流れる液体冷媒に伝達する冷却ジャケットに関し、特に、例えばデスクトップ型のパーソナルコンピュータやサーバ、更には、ノート型のパーソナルコンピュータ等、その内部に発熱素子である半導体集積回路素子を搭載した各種の電子機器において、当該発熱素子の効率的な冷却を可能にする液冷システムにおいて使用される冷却ジャケットに関する。

従来、デスクトップ型のパーソナルコンピュータやサーバ、更には、ノート型のパーソナルコンピュータ等の電子機器では、その筐体の内部に、発熱体である、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される半導体集積回路素子を備えており、そのため、通常、当該発熱素子の正常な動作を確保するため、冷却が必要とされている。かかる冷却を実現するため、従来、一般的には、ヒートシンクと呼ばれるフィンを一体に形成した伝熱体を当該発熱素子に熱的に接続して取り付け、それに冷却風を送るファンを備えた、所謂、空冷式の冷却システムにより行われていた。

しかしながら、近年、上記発熱素子である半導体集積回路素子の小型化及び高集積化、更には、その高機能化に伴って、発熱素子における発熱が増大すると共に、発熱部位の局所化なども生じており、そのためにも、従来の空冷式の冷却システムに代えて、例えば、水等の冷媒を用いた、冷却効率の高い液冷式の冷却システムが注目され、かつ、採用されてきている。

上述した電子機器において用いられ、冷却効率の高い液冷式の冷却システムとしては、例えば、以下の特許文献等によっても知られるように、一般に、発熱体であるＣＰＵの表面に、所謂、受熱又は冷却ジャケットと呼ばれる部材を直接に搭載し、他方、この受熱ジャケットの内部に形成された流路内に液体冷媒を通流させる。即ち、ＣＰＵからの発熱を上記ジャケット内を流れる冷媒に伝達し、もって、発熱体を高効率で冷却するものである。なお、かかる液冷式の冷却システムでは、通常、上記冷却ジャケットを受熱部としてヒートサイクルが形成されており、具体的には、上記液体冷媒をサイクル内に循環させるための循環ポンプ、上記液体冷媒の熱を外部に放熱するための放熱部であるラジエータ、更には、必要に応じ、サイクルの一部に設けられた液体冷媒を貯留するための冷媒タンクを備えており、そして、これらを、例えば、金属製のチューブやゴムなどの弾性体からなるチューブを介して接続している。
特開平６−２６６４７４号公報 特開平７−１４２８８６号公報

ところで、上記従来技術により知られる、システム内に液体冷媒を積極的に循環する液冷システムでは、発熱体からの熱を液体冷媒に伝熱する冷却ジャケットは、銅やアルミニウム等の金属製の筐体内に液体冷媒の流路を形成し、又は、金属板に金属パイプを溶接した構造が一般的であった。しかしながら、近年、特に著しい発熱素子における発熱量の増大に伴って、その冷却能力を向上することが強く求められており、例えば、ラジエータでは、更に、電動ファンを取り付けて強制的に放熱を促すことが行われているが、しかしながら、冷却ジャケットの伝熱の向上については、必ずしも十分な改良が行われてはいなかった。

すなわち、上記からも明らかなように、従来の冷却ジャケットでは、ラジエータで放熱されて冷却された液体冷媒が、その金属筐体内に形成された流路内に流れ込む。その際、冷却ジャケットのベース部（発熱素子の表面に接触する金属板部分）では、発熱体である、例えばＬＳＩからの熱を拡散して液体冷媒へ伝熱することとなるが、しかしながら、従来の構造になる冷却ジャケットでは、当該ベース部は、単に、金属平板に液体冷媒との接液面積を拡大するための複数の壁部を形成しているだけで、熱は、金属平板の平面方向には拡散するが、しかしながら、垂直方向（すなわち壁部内）には広がり難い構造であった。即ち、従来の冷却ジャケットでは、当該ベース部において、壁部によって接液面積を拡大しても、壁部から液体冷媒に効率よく熱が伝達されず、熱抵抗が大きなものとなってしまった。そのため、冷却ジャケットにより、必ずしも十分な冷却能力を得ることが出来ないという問題点が指摘されていた。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて成されたものであり、具体的には、発熱素子からの熱の伝達を改良して、その熱抵抗を低減し、もって、冷却能力に優れた冷却ジャケットを提供することを目的とする。

上記目的は、筐体内に発熱素子を備えた電子機器の当該発熱素子の発熱をその内部に流れる液体冷媒に伝達して冷却する冷却ジャケットにおいて、前記冷却ジャケットは前記液体冷媒の流路を形成したベース部で構成され、前記ベース部は前記発熱素子と接触する伝熱面と、中央部に頂部を有する中実部と、この中実部と前記伝熱面に対して直角方向に延びた複数の壁部とを備えてなり、前記中実部の断面形状は前記伝熱面に対して平行方向及び前記伝熱面の中央から垂直方向に延長し、その幅が伝熱面の中心から離れるにしたがって徐々に小さくなるようにし、かつ、上記ベース部の上部からこのベース部の周囲を覆うようにカバー部を取り付けたことにより達成される。

また上記目的は、前記ベース部の壁部の間に設けられた液体冷媒の流路は略扇形に形成されていることにより達成される。

また上記目的は、前記カバー部の一部にガイド部を設け、このガイド部に前記液体冷媒を内部に流入するための流入管と、流入した前記液体冷媒を内部から外部に排出するための排出管を設けたことにより達成される。

以上に述べた本発明によれば、発熱素子からの熱の伝達を改良することにより、その熱抵抗を低減し、もって、冷却能力に優れた冷却ジャケットを提供するという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態になる冷却ジャケットの構成が、その展開斜視図により示されている。なお、この冷却ジャケットは、例えばデスクトップ型のパーソナルコンピュータやサーバ、又は、ノート型パーソナルコンピュータなど、筐体の内部に発熱する発熱素子（例えば、ＣＰＵ等）を備えた電子機器において、ここでは図示しないが、ラジエータ、駆動ポンプ、タンク等と共に、所謂、液冷システムの一部を構成するものである。なお、これらの構成部品は、金属製のチューブ等により接続され、そのサイクル内には、例えば、水やエチレングリコール等の液体冷媒が封入される。

この本発明になる冷却ジャケット１００は、図からも明らかなように、例えば、銅、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から形成されたベース部１１０と、当該ベース部１１０の上から、その周囲を取り囲むように取り付けられるカバー部１２０とから構成されている。なお、このベース部１１０は、その下面を、上記ＣＰＵに代表される発熱素子の表面に、例えば、伝熱性のグリース等を介して接触する伝熱面１１１とする。また、このベース部１１０は、その中央部に頂部１１２を有する中実（内側）部からなり、そして、上記伝熱面１１１に対して直角で、かつ、前記頂部１１２にも直角な方向に延びた、複数の壁部１１３、１１３を形成している。そして、図からも明らかなように、これら複数の壁部１１３の間には、略扇形状の流体通路１１４が、前記頂部１１２の方向に積層されて、多数が形成されている。

一方、上記のベース部１１０には、その上方から周囲を取り囲むように、外形略箱状に形成されたカバー部１２０が取り付けられる。なお、このカバー部１２０の一部（図の例では、下方のガイド部１２１の前後）には、液体冷媒を内部に流入するための流入管１２２と共に、それを外部へ排出するための排出管１２３が取り付けられている。なお、このカバー部１２０は、上記ベース部１１０に対して液密に取り付けられている。そのため、流入管１２２から流入した液体冷媒は、図に矢印で示すように、一方（図の右側）のガイド部１２１から、壁部１１３、１１３の間に形成された略扇形の流路１１４を通り、一旦、上記カバー部１２０の上部に集められる。その後、他方（図の左側）の壁部１１３、１１３の間に形成された略扇形の通路１１４を通ってガイド部１２１へ到り、そして、排出管１２３から外部へ排出されることとなる。

この時、添付の図２に示すように、上記ベース部１１０の伝熱面１１１には、例えば、伝熱性に優れたグリース１５０等を間に介在して、発熱体であるＬＳＩチップ３００が接触し、即ち、熱的に接続されており、そのため、この発熱体３００からの熱は、単に、上記ベース部１１０の伝熱面１１１に沿って横方向に拡散されるだけではなく、更には、ベース部１１０の頂部１１２への方向（垂直方向）にも拡散することが可能となる（図の破線の矢印を参照）。即ち、上述したベース部１１０の構造によれば、その伝熱面１１１に接触して配置される発熱体３００の熱を、等方的に、かつ、多方向に拡散することが可能となり、壁部１１３を介して壁間を通流する液体冷媒への熱伝達がより効果的に行われることとなる。そのため、当該ベース部１１０における熱抵抗を低下することが可能となり、もって、冷却ジャケット１００の効率を大幅に向上することが可能となる。

なお、上記の構成において、伝熱面からの等方的な熱の拡散および壁部の表面積をできるだけ大きくすることを考慮した場合、図２に示すように、ベース部の中実部（斜線部）の断面形状は、伝熱面１１１に対して、平行方向及び伝熱面の中央から垂直方向に延長し、かつ、その幅がそれぞれ伝熱面の中心から離れるにしたがって徐々に小さくなるようにするのが望ましい。しかしながら、より簡略化した形状（例えば、それぞれの幅が、伝熱面からの距離に応じて直線的に小さくなる（即ち、略三角形の流路１１４）、又は、変化せず等幅（方形の流路１１４））としてもよく、その場合にも、前記とほぼ同様な効果を得ることができる。

次に、添付の図３には、本発明の他の実施の形態になる冷却ジャケットの構成を示す。なお、この他の実施の形態では、上記図１に示した構造とは異なり、上記カバー部１２０の上方に流入管１２２を取り付け、液体冷媒をベース部１１０の頂部１１２から、その両側に形成した扇形の流路１１４に、液体冷媒を流す。

なお、ベース部１１０の両側に形成した扇形の流路１１４を通過した液体冷媒は、その後、カバー部１２０の両側に取り付けられた排出管１２３、１２３から、外部へ排出されることとなる（図中の矢印を参照）。なお、この他の実施の形態になる冷却ジャケットにおいても、上述の実施の形態と同様、上記のベース部１１０の構造によれば、その伝熱面１１１に接触して配置される発熱体３００の熱を、等方的に拡散する働きをする。そのため、当該ベース部１１０における熱抵抗を低下することが可能となり、もって、冷却ジャケット１００の効率を大幅に上昇することが可能となる。また、液体冷媒を上記とは反対の方向に流し、即ち、上記カバー部１２０の両側の下部からその上方に向けて流すことも可能であり、やはり、同様の効果を得ることができる。

また、ベース部の中実部（斜線部）の断面形状は、上記と同様に、伝熱面１１１に対して、平行方向及び伝熱面の中央から垂直方向に延長し、かつ、その幅がそれぞれ伝熱面の中心から離れるにしたがって徐々に小さくなるように（即ち、扇形の流路）にするのが望ましいが、しかし、より簡略化した形状（たとえば、それぞれの幅が、伝熱面からの距離に応じて直線的に小さくなる、または、変化せず等幅）であっても前記と同様な効果を得ることができることは言うまでもなかろう。

本発明の一実施の形態になる冷却ジャケットの全体構成を示す展開斜視図である。 上記冷却ジャケットにおける発熱体の熱拡散を説明するための図である。 本発明の他の実施の形態になる冷却ジャケットの全体構成を示す展開斜視図である。

符号の説明

１００ 冷却ジャケット
１１０ ベース部
１１１ 伝熱面
１１２ 頂部
１１３ 壁部
１１４ 流路
１２０ カバー部
１２１ ガイド部
１２２ 流入管
１２３ 排出管
３００ 発熱体

Claims (3)

1. 筐体内に発熱素子を備えた電子機器の当該発熱素子の発熱をその内部に流れる液体冷媒に伝達して冷却する冷却ジャケットにおいて、
   前記冷却ジャケットは前記液体冷媒の流路を形成したベース部で構成され、
   前記ベース部は前記発熱素子と接触する伝熱面と、中央部に頂部を有する中実部と、この中実部と前記伝熱面に対して直角方向に延びた複数の壁部とを備えてなり、
   前記中実部の断面形状は前記伝熱面に対して平行方向及び前記伝熱面の中央から垂直方向に延長し、その幅が伝熱面の中心から離れるにしたがって徐々に小さくなるようにし、
   かつ、上記ベース部の上部からこのベース部の周囲を覆うようにカバー部を取り付けたことを特徴とする冷却ジャケット。
2. 前記請求項１に記載した冷却ジャケットにおいて、
   前記ベース部の壁部の間に設けられた液体冷媒の流路は略扇形に形成されていることを特徴とする冷却ジャケット。
3. 請求項１記載の冷却ジャケットにおいて、
   前記カバー部の一部にガイド部を設け、このガイド部に前記液体冷媒を内部に流入するための流入管と、流入した前記液体冷媒を内部から外部に排出するための排出管を設けたことを特徴とする冷却ジャケット。

Images