JP5263701B2

JP5263701B2 - プラズマシンセティックジェットを用いた冷却装置

Info

Publication number: JP5263701B2
Application number: JP2010169119A
Authority: JP
Inventors: 加久治小河原
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP4617463B2; JP2006302918A; JP2010239165A

Description

本発明は、冷却装置に関し、特にヒートシンクに取り付けられたコンピュータのＣＰＵ等の冷却に好適な冷却装置に関する。

コンピュータの作動速度は主にＣＰＵのクロック周波数で決定されるが、最近ではコンピュータの処理速度を高める傾向が進み、そのためＣＰＵのクロック周波数が数ギガヘルツにも達する。ＣＰＵのクロック周波数が高くなるに従って、ＣＰＵの発熱量が増加するため、ＣＰＵの冷却能力を高める必要がある。
ＣＰＵの冷却装置は、図４に示されるようにＣＰＵ外周に熱が伝わるように熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを付設し、特にヒートシンクの外側にフィンの部分を形成して熱伝達を行う伝熱面積を増大させ、側方から送風を行い熱交換により冷却することが一般的である。

冷却装置の冷却能力を高めるためには、伝熱面積を増大させること、ファン等の強制対流により熱伝達率を高めることが必要である。伝熱面積を増やすには、フィン１枚あたりの面積を大きくし、また、枚数を増やすことが上げられる。
しかしながら、ＣＰＵの寸法は小さいものであり、コンパクトな構成のコンピュータにおいてＣＰＵを実装する空間も限られたものであるため、ヒートシンク、フィンもそれほど大きくできないという制約がある。また、枚数を増やすと、フィンの間隔が小さくなり、空気抵抗が増して同じ送風力では流れが弱まり、それでも流れを弱めないためには、送風力を高める、すなわち送風機の動力を大きくする必要があり、結局冷却効率を全体として高めるには限度があった。

ＣＰＵ等の冷却装置について従来の技術として、次のようなものがある。

特許文献１は、ＣＰＵ等の発熱素子を冷却するために、フィンが形成されたヒートシンクに送風機から供給される空気を案内する整流体を設けることを開示している。
特許文献２は、ＣＰＵ等の発熱素子を冷却するためのヒートシンクの放熱効率を高めるために、銅材料のプレートの上にアルミニウム材料のプレートをクラッドし、上側からの切り起こしによって、先端のみにアルミニウム材料からなる部分を有する銅材料からなるスカイブフィンを形成することを開示している。

特許文献１における整流体によっても、ヒートシンク内での空気のよどみはある程度防止されるが、ヒートシンク全体の冷却効率を十分に高められるものではなく、特許文献２においても、フィンの材質により冷却効率がある程度上げられるということであり、やはり十分なものではない。
一方、翼体、平板等に沿った流れ制御について、プラズマシンセティックジェットアクチュエータ（ＰＳＪＡ）が最近注目されており、次のような文献に開示されている。

非特許文献１は、プラズマシンセティックジェットアクチュエータ（ＰＳＪＡ）により、航空機の翼周りの剥離を抑制し、高揚力を維持しながら抗力を低減することを開示している。しかしながら、この技術をＣＰＵ等の冷却装置に適用することは試みられていなかった。

特開２００３−１６３３１７号公報特開２００１−３５２０２０号公報

日本機会学会論文集（Ｂ編）、６９巻第６８６号，ｐｐ２２３７−２２４２、２００３年１０月、同７０巻７００号，ｐｐ５０−５６

従来のコンピュータのＣＰＵのように小さい寸法で多量の熱を発生する部分の冷却装置では、冷却装置の寸法をそれほど大きくせず、あるいはファンの動力をそれほど大きくせずに、効率よく冷却することが困難であるというのが実情であり、フィンの間隔を狭くして冷却面積を大きくすることによっても、ヒートシンクのフィン面での空気の流速が低下することにより、結果としてそれほど冷却効率は上げられなかった。そのため、比較的小さい寸法のフィンが形成されたヒートシンクでも冷却効率が高い冷却装置が望まれていた。

本発明は、このような従来技術における課題を解決するものであり、本発明によるプラズマシンセティックジェットを用いた冷却装置は、一方の側に発熱素子が取り付けられるベースと、該ベースの他方の側から突出するように一体的に形成された複数のフィンとを有し導電性材料からなるヒートシンクを備える冷却装置において、前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿って間に絶縁体を介在して電極が取り付けられ、前記電極の後端側縁辺が前記フィンの面に対して５０〜１２０ミクロンの段差を有しており、前記電極と前記フィンとの間に交流電圧を印加してプラズマシンセティックジェット作用による前記フィンの面に沿った空気流を生ぜしめるための駆動回路を備えているものである。

前記交流電圧は０．５〜１．２０ｋＨｚの周波数で、電圧が７００〜１０００Ｖであるのが好ましく、また、前記電極はアルミニウムからなり前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿ってこれを周回するように取り付けられ、前記絶縁体はポリイミドテープからなるものであるのが好ましい。

本発明では、冷却装置のヒートシンクにおけるフィンの先端の縁辺に沿って絶縁体を介在させてアノード電極を設け、カソード（フィン）との間に交流電圧を印加するＰＳＪＡを適用することにより、各フィン毎の放熱効率を維持しつつフィンの間隔を狭め、フィンの枚数、すなわち放熱面積を増大させて、ヒートシンク全体の冷却効率を高めることができる。

ＰＳＪＡの構成を示す図である。（ａ）本発明の実施例による冷却装置を示す断面図である。（ｂ）１枚のフィンの斜視図で示したものである。（ｃ）１枚のフィンの先端側部分の拡大した断面図である。ＰＳＪＡの駆動回路の例を示す図である。従来のフィンが形成されたヒートシンクを有する冷却装置の断面図である。

（基本技術の説明）
本発明は、フィンが形成されたヒートシンクにおける冷却効率を高めるために、近年注目されている翼面剥離制御に有効な流体制御デバイスとしてのプラズマシンセティックジェットアクチュエータ（ＰＳＪＡ）の技術手法を用いるものであり、まずＰＳＪＡについて説明する。

ＰＳＪＡは、絶縁体を挟んだ電極間に交流電圧を印加することによって、電極近傍の空気に電気流体力学効果が生じ、その結果として噴流が誘起されることを利用した電気的な流体デバイス制御である。
ＰＳＪＡによる作用は例えば図１（ａ）に断面図で示されるような形状の電極構造で生ずる。翼体１等の壁面に設けられた中心の針状の電極２はニクロムメッキ線とし、間に絶縁体３を介在させてこの先端を取り囲むワッシャ状の電極４との間に電圧７５０Ｖ、周波数０．５〜１．２０ｋＨｚの交流電圧を印加すると、針状電極から放射状に青紫色の発光を伴う数本の放電路が生じ、それとともに３次元的な渦流が誘起される。渦流は線香の煙などで可視化されるが、流速としては数ｃｍ／ｓのオーダーである。

電極構造として、翼体１等の壁面に固体絶縁体５で隔てられた２本の細いストリップ６，７を設置した場合についても確認されている。ストリップはアルミニウムテープ、銅テープ等、絶縁体としてカプトン（登録商標）等のポリイミドテープを用いた電極に１／０ｋＶ、周波数０．５〜１．２０ｋＨｚの交流電圧を印加すると、壁面に沿って特定の方向性をもった噴流が誘起される。
このようにＰＳＪＡによる作用が実際に確認されており、そのような作用が生ずるメカニズムについては、エネルギー密度の勾配に比例する誘電力が重要な要素であると考えられ、この考えに応じたシミュレーション等により検討されているが、いまだ厳密に解明されているとは言えない。

ＰＳＪＡによる作用はすでに確認されており、航空機の翼面に設置し、剥離を抑制することについて検討が進められてはいるが、冷却装置のフィンに設置することには困難な点があり、特にコンピュータのＣＰＵ等の冷却の場合に適用する具体的な試みはなされていない。

本発明では、ＰＳＪＡをフィンの形成されたヒートシンクを用いたＣＰＵ等の冷却装置に適用して冷却効率を高めるものである。ＰＳＪＡを適用したＣＰＵの放熱用ヒートシンクは図２（ａ）のような構成であり、ＣＰＵ１１がヒートシンク１２のベース１３に取り付けられ、ベース１３と一体的に複数の薄板状のフィン１４が形成されており、フィン１４はＰＳＪＡにおけるカソード電極となる。各々のフィン１４の先端の縁辺に沿って絶縁体１５を介してアノード電極１６が設けられる。

図２（ｂ）は１枚のフィンの先端側を斜視図で示したものであるり。フィン１４はアルミニウム等の熱伝導性のよい材料でヒートシンクと一体的に形成され、フィンの先端部の縁辺に沿って、これを周回するように適切な接着剤により取り付けられた絶縁体１５はカプトン（登録商標）等のポリイミドによる材料の層であり、さらに絶縁体１５を周回するような形状のアルミニウム等の材料により形成されたアノード電極１６が適切な接着剤により取り付けられる。接着剤としては絶縁性を有するものを用いるのが好ましい。

図２（ａ），（ｂ）に示されるアノード電極１６はフィン１４の先端の縁辺を周回しており、アノード電極１６は、図２（ｃ）に断面で示されるように、先端が流線形で前方からの空気流が供給される場合の流れの乱れを少なくし、またその後端側縁辺の高さはフィン１４の面に対して５０〜１２０ミクロンの段差になるようにするのが好ましい。この段差はアノード電極１６とフィン１４との間に交流電圧を印加した際のＰＳＪＡの作用を得るために重要である。

図３はＰＳＪＡを駆動する駆動回路の例を示している。この駆動回路は例えば１２Ｖの入力側の電圧を１ｋＶに昇圧する変圧器２１の入力端子側にＦＥＴ等のスイッチングデバイス２２が接続されて構成され、入力電圧を約１ｋＨｚ、デューティ比５０％の方形波として、変圧器２１の出力側に約１ｋＨｚ、１ｋＶの交流が得られ、この交流の出力２４をカソード（フィン１４）に、出力２３をアノード電極１６に印加すると、ＰＳＪＡの作用として、電極の部分からフィンの面に沿った空気の流れが生ずる。

ＰＳＪＡの作用を得るために、かなり高い交流電圧を印加する必要があることから、ＣＰＵの冷却に際しては、電磁ノイズの影響を防止するためにＣＰＵの周囲を注意深くシールドするのが好ましい。
従来のヒートシンクではフィンの間隔を５ｍｍ程度より小さくすると、強制対流によっても放熱効率が低下するため、フィンの間隔が５ｍｍ程度になるという制約があったが、本発明によるＰＳＪＡを用いたヒートシンクによれば、フィンの間隔を２ｍｍ程度にしても放熱効率がそれほど低下せず、結果として放熱面積を大幅に増大させることができ、ヒートシンクの冷却能力を格段に高めることになる。

本発明による冷却装置は、複数枚のフィンを有するヒートシンクに取り付けられたＣＰＵ等の冷却において特に冷却効率をあげる上で有効であるが、これはＰＳＪＡの作用により冷却効率を上げるものであり、ヒートシンクに取り付けられる冷却の対象物としては特にＣＰＵに限られず、小型の発熱素子等を含む一般的なものでも同様に冷却効率を上げられるという意味で有用なものである。

１翼体
２電極
３絶縁体
４ワッシャ状の電極
５固体絶縁体
６、７ストリップ
１１ＣＰＵ
１２ヒートシンク
１３ベース
１４フィン
１５絶縁体
１６アノード電極
２１変圧器
２２スイッチングデバイス
２３出力
２４出力

Claims

一方の側に発熱素子が取り付けられるベースと、該ベースの他方の側から突出するように一体的に形成された複数のフィンとを有し導電性材料からなるヒートシンクを備える冷却装置において、前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿って間に絶縁体を介在して電極が取り付けられ、前記電極の後端側縁辺が前記フィンの面に対して５０〜１２０ミクロンの段差を有しており、前記電極と前記フィンとの間に交流電圧を印加してプラズマシンセティックジェット作用による前記フィンの面に沿った空気流を生ぜしめるための駆動回路を備えていることを特徴とする冷却装置。
前記交流電圧が０．５〜１．２０ｋＨｚの周波数で、電圧が７００〜１０００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記電極がアルミニウムからなり前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿ってこれを周回するように取り付けられ、前記絶縁体がポリイミドテープからなるものであることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の冷却装置。