JP6939481B2

JP6939481B2 - 冷却ジャケット及び電子機器

Info

Publication number: JP6939481B2
Application number: JP2017230608A
Authority: JP
Inventors: 敬三竹村; 杰魏; 鈴木　真純; 真純鈴木; 亨匡青木; 光隆山田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: JP2019102598A; US10499542B2; US20190166720A1

Description

本願は、冷却ジャケット及び電子機器に関する。

電子機器には、各種の発熱部品が備わっている。例えば、電子機器の一種であるサーバやスーパーコンピュータ、パーソナルコンピュータには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の発熱体が用いられる。発熱部品の過熱
を防止するため、発熱部品が用いられている電子機器には、各種の冷却機構が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−２２３０１９号公報

電子機器の発熱部品を液冷方式の冷却機構で効果的に冷却するには、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品とを可及的に接近させるべく、冷却ジャケットの発熱部品と接する部位を薄肉化することが考えられる。しかし、冷却ジャケットの発熱部品と接する部位を薄くすると、冷却ジャケットが強度不足になる可能性がある。

そこで、本願は、冷却ジャケットの発熱部品と接する部位の厚みを維持しながら、冷媒が流通する部位と発熱部品とを接近させることが可能な冷却ジャケット及び電子機器を開示する。

本願で開示する冷却ジャケットは、発熱部品に接する部位を形成するベースと、ベースの表面に形成される筋状の溝と、ベースの表面と同一平面において、筋状の溝が形成する各フィンの上端に接触し且つ筋状の溝全体を覆う状態でベースに接合されるカバーと、を備え、溝は、溝の端部に向かって溝を浅くする曲面状の底面を溝の両端に有する。

一つの側面では、本発明は、冷却ジャケットの発熱体と接する部位の厚みを維持しながら、冷媒が流通する部位と発熱体とを接近させることが可能である。

図１は、実施形態に係る冷却ジャケットを示した図である。図２は、図１において符号Ａ−Ａで示す線で冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図３は、図１及び図２において符号Ｂ−Ｂで示す線で冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図４は、図１及び図２において符号Ｃ−Ｃで示す線で冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図５は、分解した状態の冷却ジャケットを示した斜視図である。図６は、冷却ジャケットを用いた電子機器の一例を示した図である。図７は、分解した状態の比較例を示した斜視図である。図８は、図１において符号Ａ−Ａで示す線に相当する部位で比較例の冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図９は、図８において符号Ｂ’−Ｂ’で示す線で比較例の冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図１０は、図８において符号Ｃ’−Ｃ’で示す線で比較例の冷却ジャケットを切断した場合の断面図である。図１１は、ベースの変形を示した図である。図１２は、冷却ジャケットの改変例を示した第１の図である。図１３は、冷却ジャケットの改変例を示した第２の図である。図１４は、溝の加工方法の一例を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る冷却ジャケットを示した図である。冷却ジャケット１は、サーバ、スーパーコンピュータ、その他各種の電子機器の発熱部品に取り付け可能な冷却用の部品である。冷却ジャケット１を取り付ける発熱部品としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、その他各種の発熱部品が
挙げられる。

冷却ジャケット１は、発熱部品に接する部位を形成するベース２と、ベース２に接合されるカバー３とを有する。ベース２は、発熱部品の表面に取り付け可能な板状の部材である。ベース２の四隅には取付穴１０が設けられている。また、カバー３は、ベース２の表面に接合される板状の部材である。カバー３の表面には、液体の冷媒が流通する流入口４と流出口５が設けられている。流入口４と流出口５には、冷媒を冷却しながら循環させる装置の冷媒配管が接続される。流入口４から冷却ジャケット１内に流入した冷媒は、冷却ジャケット１内を通過して流出口５から流出する。発熱部品の熱を効率的に除去するため、ベース２とカバー３は、熱伝導性に優れる素材で形成される。ベース２とカバー３の素材に適用可能な素材としては、例えば、銅やアルミニウムが挙げられる。

図２は、図１において符号Ａ−Ａで示す線で冷却ジャケット１を切断した場合の断面図である。また、図３は、図１及び図２において符号Ｂ−Ｂで示す線で冷却ジャケット１を切断した場合の断面図である。また、図４は、図１及び図２において符号Ｃ−Ｃで示す線で冷却ジャケット１を切断した場合の断面図である。

冷却ジャケット１は、ベース２の表面に形成された筋状の溝６を内部に有する。溝６は、ベース２の中央部に設けられており、ベース２の端部には至っていない。カバー３は、板状の部材であり、ベース２の表面に形成された筋状の溝６を覆うような状態でベース２の表面に接合されている。そして、カバー３には、溝６の一端側の部分において全ての溝６を覆う位置に形成される窪み状の冷媒供給部７（本願でいう「冷媒供給部」の一例である）が、ベース２との接合面に設けられている。また、カバー３には、溝６の他端側の部分において全ての溝６を覆う位置に形成される窪み状の冷媒排出部８（本願でいう「冷媒排出部」の一例である）が、ベース２との接合面に設けられている。冷媒供給部７は、流入口４を通じて冷却ジャケット１の外部の冷媒配管と連通する。また、冷媒排出部８は、流出口５を通じて冷却ジャケット１の外部の冷媒配管と連通する。溝６は、溝６の端部に向かって溝６を徐々に浅くする曲面状の底面６Ｂを溝６の両端に有する。

ベース２は、上述したように、板状の部材の表面に溝６を筋状に設けたものである。よって、ベース２には、図３や図４に図示されるように、筋状の溝６によってフィン９が形成される。溝６をベース２の表面に設けることでフィン９が形成されているので、フィン
９の上端面は、ベース２の表面と同一平面に存在する。そして、ベース２の表面に接合されるカバー３の接合面は、冷媒供給部７と冷媒排出部８が設けられている部位を除いて平坦であるため、カバー３がベース２に接合されると、カバー３の接合面のうち冷媒供給部７と冷媒排出部８とに挟まれる部分が、ベース２の表面と同一平面にある各フィン９の上端に接触することになる。この結果、冷却ジャケット１内において、冷媒供給部７から溝６を経由しないで冷媒排出部８へ至る経路は形成されないことになり、冷媒供給部７に流入した冷媒は不可避的に溝６を通過して冷媒排出部８へ至ることになる。

よって、上記内部構造の冷却ジャケット１において、流入口４を通じて冷却ジャケット１内に流入した冷媒は、まず、冷媒供給部７に入る。冷媒供給部７が溝６の一端側の部分において全ての溝６を覆う位置に形成されているため、冷媒供給部７に入った冷媒は、各溝６へ分流される。溝６は曲面状の底面６Ｂを端部に有しているため、冷媒供給部７から溝６へ流れ込んだ冷媒は、曲面状の底面６Ｂに沿ってスムーズに進路変更する。そして、冷媒排出部８が溝６の他端側の部分において全ての溝６を覆う位置に形成されているため、各溝６に分流した冷媒は、冷媒排出部８で再び合流する。溝６は曲面状の底面６Ｂを端部に有しているため、溝６を流れる冷媒は、溝６の端部で曲面状の底面６Ｂに沿って進路変更し、溝６から冷媒排出部８へスムーズに流れる。冷媒排出部８で合流した各溝６からの冷媒は、流出口５を通じて冷却ジャケット１の外の冷媒配管へ流出する。

冷却ジャケット１の内部では冷媒が上記のように流れるため、冷却ジャケット１が取り付けられている発熱部品の熱は、発熱部品に接する部位を形成するベース２を通じて冷媒へ伝達される。よって、発熱部品よりも低温の冷媒が流入口４から冷却ジャケット１内に連続的に流入し続ければ、冷却ジャケット１が取り付けられている発熱部品は、継続的に冷却されることになる。

図５は、分解した状態の冷却ジャケット１を示した斜視図である。冷却ジャケット１に用いられているベース２は、図５に示されるように、板状の部材の表面に溝６を筋状に設けたものである。よって、フィン９の上端面は、ベース２の表面と同一平面に存在する。したがって、カバー３がベース２に接合されると、カバー３の接合面のうち冷媒供給部７と冷媒排出部８とに挟まれる部分が、ベース２の表面と同一平面にある各フィン９の上端に接触することになる。

次に、冷却ジャケット１の構造的な強度について解説する。

図６は、冷却ジャケット１を用いた電子機器の一例を示した図である。電子機器５０は、発熱部品５１を実装したプリント基板５２や、その他各種の電子部品を有する電子機器である。電子機器５０の具体例としては、例えば、サーバ、パーソナルコンピュータ、通信装置、その他各種の電子機器が挙げられる。このような電子機器５０において、冷却ジャケット１は、例えば、プリント基板５２に実装されている発熱部品５１に取り付けられる。発熱部品５１としては、例えば、ＣＰＵやＧＰＵ等の半導体パッケージが挙げられる。冷却ジャケット１は、ベース２の四隅にある取付穴１０に挿通されるネジ５４によって固定される。ネジ５４は、プリント基板５２の発熱部品５１とは反対側の面に裏打ちされている裏板５３のネジ孔に螺合する。

また、冷却ジャケット１は、上面から見るとベース２よりも小さいプリント基板５２に載っている。よって、ベース２の四隅は、プリント基板５２から発熱部品５１の厚さ分だけ浮き上がった状態になっている。そして、ベース２の四隅は、ネジ５４に挿通されているバネ５５によってプリント基板５２側へ押圧されている。このため、ベース２には、図５において符号「Ｍ１」や符号「Ｍ２」で示したような、ベース２を撓ませる方向に作用する荷重が加わることになる。

冷却ジャケット１が上記のような取付状態に好適であることを検証するため、ここで、比較例について説明する。図７は、分解した状態の比較例を示した斜視図である。比較例の外観は、図１に示した冷却ジャケット１の外観と概ね同じであるため、図示を省略する。比較例の冷却ジャケット１０１は、冷却ジャケット１と同様、板状のベース１０２及びカバー１０３を有する。ベース１０２の四隅には、冷却ジャケット１０１を発熱部品５１に取り付けるための取付穴１１０が設けられている。また、カバー１０３の表面には、冷媒配管を繋ぐための流入口１０４と流出口１０５が設けられている。ベース１０２には、ベース２に設けられている溝６のような溝は設けられていない。そして、ベース１０２の表面には、フィン１０９が立設されている。

図８は、図１において符号Ａ−Ａで示す線に相当する部位で比較例の冷却ジャケット１０１を切断した場合の断面図である。また、図９は、図８において符号Ｂ’−Ｂ’で示す線で比較例の冷却ジャケット１０１を切断した場合の断面図である。また、図１０は、図８において符号Ｃ’−Ｃ’で示す線で比較例の冷却ジャケット１０１を切断した場合の断面図である。

冷却ジャケット１０１では、図８乃至１０に示されるように、中空のカバー１０３の内部空間でフィン１０９が立設される構造となっている。よって、このような構造の冷却ジャケット１０１において、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品とを可及的に接近させるには、ベース１０２全体を薄くすることになる。ベース１０２全体を薄くすると、以下のような理由により、冷却ジャケット１０１が強度不足に陥る可能性がある。

図１１は、ベースの変形を示した図である。図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）は比較例のベース１０２に相当し、図１１（Ｃ）は実施形態のベース２に相当する。図１１（Ａ）は、比較的厚肉のベース１０２を図示している。一方、図１１（Ｂ）は、薄肉化したベース１０２を示している。冷却ジャケット１０１において、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品とを可及的に接近させるべく、ベース１０２を薄肉化すると、ベース１０２全体が薄くなる。よって、冷却ジャケット１０１をネジ５４で発熱部品５１に固定することにより、ベース１０２の四隅がバネ５５に押圧されると、全体的に薄いベース１０２は、例えば、図１１（Ｂ）に示すように変形する。

この点、実施形態の冷却ジャケット１であれば、ベース２全体を薄くするのではなく、ベース２に溝６を設けることで、液体の冷媒が流通する部位である溝６と発熱部品５１とを接近させているので、ベース２全体は薄肉化されない。すなわち、溝６と発熱部品５１とを接近させてもベース２全体の厚みは維持される。よって、例えば、ベース２の四隅がバネ５５に押圧されても、図１１（Ｃ）に示すように、ベース２は容易に変形しない。そして、冷却効率に関しては、溝６と発熱部品５１との間の距離が接近することにより、ベース２における熱抵抗が低減するため、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品５１との間の距離がベース２全体の厚みと同程度のものに比べて冷却効率が向上する。試算によると、冷却ジャケット１や発熱部品５１の形態にもよるが、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品５１との間の距離が３ｍｍから１ｍｍへ薄肉化すると、ベース２における熱抵抗が約２０乃至７０％程度も低減できることが確認されている。

また、ベース２は、板状の部材の表面に溝６を筋状に設けたものである。よって、図４において符号「Ｍ１」で示されるように、各溝６の長手方向におけるベース２の端部においてベース２を撓ませる方向に作用する荷重がベース２に加わった場合、フィン９は、構造的には当該荷重に耐える部位として機能することができる。一方、図４において符号「Ｍ２」で示されるように、各溝６の短手方向におけるベース２の端部においてベース２を撓ませる方向に作用する荷重がベース２に加わった場合、フィン９は、構造的には当該荷
重に耐える部位として機能することができない。したがって、ベース２は、単体で捉えた場合、各溝６の短手方向におけるベース２の端部においてベース２を撓ませる方向に作用する荷重に対する強度が比較的弱いと言える。

しかし、ベース２にはカバー３が接合されている。カバー３には冷媒供給部７と冷媒排出部８が設けられているものの、図２において符号Ｍ及び符号Ｓで示す厚肉の部位は、各溝６の短手方向に沿ってカバー３の一端から他端まで延在している。よって、図４において符号「Ｍ３」で示すように、各溝６の短手方向におけるカバー３の端部においてカバー３を撓ませる方向に作用する荷重がカバー３に加わった場合、図２において符号Ｍ及び符号Ｓで示す厚肉の部位は、構造的には当該荷重に耐える部位として機能することができる。

したがって、ベース２にカバー３を接合した冷却ジャケット１は、発熱部品５１への実装時に求められる強度を十分に発揮することができる。

なお、冷却ジャケット１は、例えば、以下のように改変することもできる。

図１２は、冷却ジャケット１の改変例を示した第１の図である。冷却ジャケット１は、例えば、図１２に示されるように、流入口４や流出口５、冷媒供給部７、冷媒排出部８の位置と大きさを適宜変更したものであってもよい。流入口４や流出口５、冷媒供給部７、冷媒排出部８の位置と大きさを適宜変更しても、ベース２全体を薄肉化することなく、液体の冷媒が流通する部位と発熱部品５１とを接近させることができる。

図１３は、冷却ジャケット１の改変例を示した第２の図である。図１３において符号３で示すカバーは、上記実施形態に相当する。一方、図１３において符号３Ａと符号３Ｂで示すカバーは、上記実施形態に係るカバー３の改変例である。

カバー３は、例えば、図１３に示すカバー３Ａのように、冷媒供給部７Ａと冷媒排出部８Ａの両方を溝６の一端側に配置し、溝６の他端側に冷媒中継部１１を配置したものに改変してもよい。このようなカバー３Ａをベース２に接合した冷却ジャケット１の場合、流入口４Ａから冷媒供給部７Ａに流入した冷媒は、複数ある溝６の片側半分に分流してから冷媒中継部１１で合流し、その後、他の溝６に分流してから冷媒排出部８Ａで合流し、流出口５Ａから流出するという経路を辿る。

また、カバー３は、例えば、図１３に示すカバー３Ｂのように、溝６の両端において全ての溝６を覆う位置に形成される窪み状の二つの冷媒排出部８Ｂ，８Ｂとは別に、溝６の中央部において全ての溝６を覆う位置に形成される窪み状の冷媒供給部７Ｂを配置したものに改変してもよい。カバー３Ｂをベース２に接合した冷却ジャケット１の場合、流入口４Ｂから冷媒供給部７Ｂに流入した冷媒は、溝６の中央部において全ての溝６に分流する。溝６に分流した冷媒は、溝６の一端側へ向かう流れと他端側へ向かう流れの２方向に分かれる。そして、溝６の一端側と他端側へ向かって流れた各冷媒は、冷媒排出部８Ｂ，８Ｂで合流し、流出口５Ｂ，５Ｂから流出するという経路を辿る。

冷却ジャケット１は、カバー３の代わりに上記のようなカバー３Ａやカバー３Ｂをベース２に接合したものであっても、カバー３を接合したものと同様、冷媒が流通する部位と発熱部品５１とを接近させつつベース２の厚みを維持することができる。

図１４は、溝６の加工方法の一例を示した図である。溝６は、例えば、ベース２の原材料となる平らな板材に円盤状のソー５６で切り込みを入れることにより形成可能である。溝６をソー５６で形成した場合、溝６は、ソー５６の半径と同じ一定の曲率半径を持つ曲
面状の底面６Ｂを溝６の両端に有することになる。溝６の両端に曲面状の底面６Ｂが形成されることにより、溝６に流出入する冷媒のスムーズな流れが実現される。

なお、本願は、以下の付記的事項を含む。
（付記１）
発熱部品に接する部位を形成するベースと、
前記ベースの表面に形成される筋状の溝と、
前記ベースの表面と同一平面において、前記筋状の溝が形成する各フィンの上端に接触し且つ前記筋状の溝全体を覆う状態で前記ベースに接合されるカバーと、を備え、
前記溝は、前記溝の端部に向かって前記溝を浅くする曲面状の底面を前記溝の両端に有する、
冷却ジャケット。
（付記２）
前記カバーは、前記溝の一端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒供給部と、前記溝の他端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒排出部と、を有する、
付記１に記載の冷却ジャケット。
（付記３）
前記曲面状の底面は、一定の曲率半径の曲面である、
付記１または２に記載の冷却ジャケット。
（付記４）
前記ベースは、前記発熱部品に取り付けるための取付穴を隅に有する板状の部材である、
付記１から３の何れか一項に記載の冷却ジャケット。
（付記５）
発熱部品と、
前記発熱部品に取り付けられる冷却ジャケットと、を備え、
前記冷却ジャケットは、
発熱部品に接する部位を形成するベースと、
前記ベースの表面に形成される筋状の溝と、
前記ベースの表面と同一平面において、前記筋状の溝が形成する各フィンの上端に接触し且つ前記筋状の溝全体を覆う状態で前記ベースに接合されるカバーと、を有し、
前記溝は、前記溝の端部に向かって前記溝を浅くする曲面状の底面を前記溝の両端に有する、
電子機器。
（付記６）
前記カバーは、前記溝の一端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒供給部と、前記溝の他端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒排出部と、を有する、
付記５に記載の電子機器。
（付記７）
前記曲面状の底面は、一定の曲率半径の曲面である、
付記５または６に記載の電子機器。
（付記８）
前記ベースは、前記発熱部品に取り付けるための取付穴を隅に有する板状の部材である、
付記５から７の何れか一項に記載の電子機器。

１，１０１・・冷却ジャケット：２，１０２・・ベース：３，３Ａ，３Ｂ，１０３・・カ
バー：４，４Ａ，４Ｂ，１０４・・流入口：５，５Ａ，５Ｂ，１０５・・流出口：６・・溝：６Ｂ・・曲面状の底面：７，７Ａ，７Ｂ・・冷媒供給部：８，８Ａ，８Ｂ・・冷媒排出部：９，１０９・・フィン：１０，１１０・・取付穴：１１・・冷媒中継部：５０・・電子機器：５１・・発熱部品：５２・・プリント基板：５３・・裏板：５４・・ネジ：５５・・バネ：５６・・ソー

Claims

発熱部品に接する部位を形成するベースと、
前記ベースの表面に形成される筋状の溝と、
前記ベースの表面と同一平面において、前記筋状の溝が形成する各フィンの上端に接触し且つ前記筋状の溝全体を覆う状態で前記ベースに接合されるカバーと、を備え、
前記溝は、前記溝の端部に向かって前記溝を浅くする曲面状の底面を前記溝の両端に有する、
冷却ジャケット。
前記カバーは、前記溝の一端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒供給部と、前記溝の他端側の部分において全ての溝を覆う位置に形成される窪み状の冷媒排出部と、を有する、
請求項１に記載の冷却ジャケット。
前記曲面状の底面は、一定の曲率半径の曲面である、
請求項１または２に記載の冷却ジャケット。
前記ベースは、前記発熱部品に取り付けるための取付穴を隅に有する板状の部材である、
請求項１から３の何れか一項に記載の冷却ジャケット。
発熱部品と、
前記発熱部品に取り付けられる冷却ジャケットと、を備え、
前記冷却ジャケットは、
発熱部品に接する部位を形成するベースと、
前記ベースの表面に形成される筋状の溝と、
前記ベースの表面と同一平面において、前記筋状の溝が形成する各フィンの上端に接触し且つ前記筋状の溝全体を覆う状態で前記ベースに接合されるカバーと、を有し、
前記溝は、前記溝の端部に向かって前記溝を浅くする曲面状の底面を前記溝の両端に有する、
電子機器。