(57)【要約】【課題】液冷ユニットの冷却能力を向上させる。【解決手段】液冷ユニットは、内部に液体の流路を形成する複数の内壁面を有し、外壁面を高発熱密度部品に密接させる容器と、高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる内壁面に立設された第１フィンと、高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる内壁面に立設され、第１フィンの表面積よりも大きい表面積を有する第２フィンとを備える。【選択図】図２
2011187523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体の流路を形成する複数の内壁面を有し、外壁面を高発熱密度部品に密接させる容器と、
前記高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる前記内壁面に立設された第１フィンと、
前記高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる前記内壁面に立設され、前記第１フィンの表面積よりも大きい表面積を有する第２フィンと
を備える液冷ユニット。
【請求項２】
前記第１フィンと前記第２フィンは、前記高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる前記内壁面に対向する前記内壁面に当接している
請求項１に記載の液冷ユニット。
【請求項３】
前記第２フィンは、前記第１フィンの設置位置より、前記高発熱密度部品の放熱量が高くなる位置に対応する位置に設けられている
請求項１または請求項２に記載の液冷ユニット。
【請求項４】
前記高発熱密度部品はマルチコア型のＣＰＵであり、
前記第２フィンが立設される前記内壁面の位置は、前記ＣＰＵ内の各コアの位置に対応する
請求項３に記載の液冷ユニット。
【請求項５】
前記第２フィンの第２断面積は、前記第２フィンが立設される前記内壁面の位置の裏面の位置における前記高発熱密度部品の発熱密度の大きさに対応する
請求項３または請求項４に記載の液冷ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液冷方式を用いて回路パッケージを冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置に搭載されたＬＳＩ（Large Scale Integration）などの高発熱密度部品を冷却する技術として、液冷方式が知られている。かかる技術に関連する技術として、高発熱密度部品に、内部に中空部を有するクーリングプレートを接着し、該中空部に冷媒を通すことによって冷却を行うものがある。また、このクーリングプレート中空部の高発熱密度部品側の壁面は複数のフィンが設けられており、冷媒がフィンに伝わった高発熱密度部品からの熱を吸熱することで、冷却を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２４１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の高発熱密度部品では、その部品の特定の領域が他の領域に比べ発熱量が高いものが見受けられるようになってきた。放熱量を高くするには、その単位領域あたりのフィンの総表面積を大きくして、冷媒との接触面積を大きくした方が良い。このため、この発熱量が高い領域（高発熱領域）は、他の領域より、フィンの数を多くする事が考えられる。
【０００５】
しかしながら、フィンの数を多くすることは、フィンの間の空間が狭くなることとなり、クーリングプレート内における冷却水に対するフィンの流体抵抗が高くなる。これに対し、上記流体抵抗を低くするためにフィンの断面積を小さくすると、フィンの伝導面積が小さくなってしまう。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、部分的に発熱量の高い高発熱密度部品に対しても、装置の規模を大型化すること無く冷却を行うことが可能な液冷ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、液冷ユニットは、内部に液体の流路を形成する複数の内壁面を有し、外壁面を高発熱密度部品に密接させる容器と、前記高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる前記内壁面に立設された第１フィンと、前記高発熱密度部品が密接される外壁面の対向面となる前記内壁面に立設され、前記第１フィンの表面積よりも大きい表面積を有する第２フィンとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
この出願に開示された技術によれば、部分的に発熱量の高い高発熱密度部品に対しても、装置の規模を大型化すること無く冷却を行うことが可能な液冷ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の液冷ユニットの設置方法を示す分解斜視図である。
【図２】実施の形態１の液冷ユニットを示す水平断面図である。
【図３】実施の形態１の回路パッケージ上の発熱密度分布を示す図である。
【図４】実施の形態１の液冷ユニットを示す垂直断面図である。
【図５】比較例の液冷ユニットを示す水平断面図である。
【図６】比較例の液冷ユニットを示す垂直断面図である。
【図７】実施の形態２の液冷ユニットを示す水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
＜実施の形態１＞
以下、本発明の適用例である液冷ユニットについて説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１の液冷ユニットを示す分解斜視図である。３２は、高発熱密度部品の一種である回路パッケージで、基板３１上に設けられている。液冷ユニット３５は、この回路パッケージ３２の上平面部に密接される。また、液冷ユニット３５は、液冷ユニット３５の下壁と側壁を形成して下壁の外壁面が回路パッケージ３２の上平面部に密接する容器５５と、容器５５の上に接合されて液冷ユニット３５の上壁を形成する蓋部５６を有する。また、蓋部５６は、開口である流入口５８と流出口５９を有する。この流入口５８には配管３４ａが接続される。流出口５９には配管３４ｂが接続される。更に液冷ユニット３５は、容器５５の下壁の内壁面上に立設される円柱状の複数のピンフィン５７ａ，５７ｂとを有する。
【００１３】
配管３４ａは、図示しない外部の放熱装置により冷却された冷却水を液冷ユニット３５の流入口５８へ供給するものである。流入口５８を介して液冷ユニット３５内へ流入した冷却水は、ピンフィン５７ａ，５７ｂの間を流れて流出口５９を介して配管３４ｂへ流出する。この際、冷却水はピンフィン５７ａ，５７ｂの熱を吸収することになる。配管３４ｂは、流出口５９から流出した冷却水を放熱装置へ還流させる。放熱装置は、配管３４ｂからの冷却水を冷却して配管３４ａへ供給する。これにより、冷却水は、放熱装置と配管３４ａと液冷ユニット３５と配管３４ｂの経路とを循環する。放熱装置は例えば、冷水チラーである。なお、流入口５８および流出口５９は、それぞれ複数設けられても良い。流入口５８は、蓋部５６の中央に設けられていても良い。
【００１４】
液冷ユニット３５は、固定部材３８ａ（本実施の形態では、ボルト）と固定板３８ｂ（本実施の形態では、ナット）により基板３１に取り付けられる。即ち、固定部材３８ａの下部は容器５５と基板３１とを貫き、基板３１の下に位置する固定部材３８ｂに固定される。固定部材３８ａは、本体にコイルバネを通した上で、容器５５を貫通させている。また、このコイルバネの直径は、容器５５の固定部材３８ａの頭の部分の直径より小さく、容器５５の固定部材３８ａ用の貫通穴より小さく形成されている。このため、この弾性体は容器５５に下向きの力を与えることになる。これにより、固定部材３８ａと固定部材３８ｂは、容器５５とチップ部品３２と基板３１を挟み付けて固定する。回路パッケージ３２の上平面部と液冷ユニット３５の下平面部とは、グリース等を介して接する。なお、回路パッケージ３２は、回路動作に伴って発熱し、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのＬＳＩである。
【００１５】
容器は例えば、容器５５と蓋部５６である。容器の内壁面は例えば、容器５５の下壁の内壁面である。容器の内壁面に対向する内壁面は例えば、蓋部５６の内壁面である。第１フィンは例えば、ピンフィン５７ａである。第２フィンは例えば、ピンフィン５７ｂである。
【００１６】
図２は、実施の形態１の液冷ユニットを示す水平断面図である。この水平断面図は、図１中の水平面ＡＢＣＤで切断された液冷ユニット３５の断面を示す。更にこの水平断面図は、液冷ユニット３５内に、回路パッケージ３２の上平面部に接する領域である回路パッケージ領域７１を示す。ピンフィン５７ｂは、容器５５の下壁の内壁面のうち、冷却対象たる回路パッケージ３２のホットスポットに密接する位置の裏面の位置に立設される。ホットスポットは、回路パッケージ３２の上平面部において発熱密度が他の部分より比較的高い部分である。水平面内においてピンフィン５７ａは、ピンフィン５７ｂの位置を除き、所定間隔で行列状に配置される。ピンフィン５７ａ，５７ｂは円柱形状である。但し、それらの形状は円柱形状に限られるものではない。また、全てのピンフィン５７ａの水平断面積および径は同一であり、全てのピンフィン５７ｂの水平断面積および径は同一となっているが、これらに限られる必要はない。但し、ピンフィン５７ｂの水平断面積は、ピンフィン５７ａの水平断面積より大きい。なお上述したが、ピンフィン５７ａ，５７ｂは、円柱形状に限られるものではない。例えば、平板状の第１プレートフィンおよび第２プレートフィンが設けられても良い。この場合も、第２プレートフィンの水平断面積は、第１プレートフィンの水平断面積より大きくする方が良い。
【００１７】
本実施の形態における回路パッケージ３２の上平面部における発熱密度の分布は不均一であることとする。回路パッケージ３２の上平面部内のホットスポットの発熱密度は、回路パッケージ３２の上平面部内の他の位置の発熱密度より高いこととする。このような不均一が発生する理由について補足する。例えば、回路パッケージ３２がＣＰＵである場合、実際の計算処理を行うコアの部分は発熱量が大きくなる。このため、マルチコア式ＣＰＵ等の場合、そのコアの領域が、他の領域に比べ発熱量が大きくなる。（以下、高発熱の領域をホットスポットと明記する。）上記したように、ホットスポットの位置はそれぞれ回路パッケージ３２内のコアの位置であり、複数のピンフィン５７ｂのそれぞれはコア上に設けられている。従ってピンフィン５７ｂの数は、ホットスポットの数およびコアの数に等しい。ピンフィン５７ｂの水平断面積または径は、ホットスポットの大きさ、またはホットスポットの発熱密度に基づく大きさを有する。所定位置は例えば、ホットスポットの位置やコアの位置である。
【００１８】
また、ホットスポットの位置や発熱密度は、計算やコンピュータシミュレーションによって予測して求めても良い。図３は、実施の形態１の回路パッケージ上の発熱密度分布を示す図である。この発熱密度分布は、コンピュータシミュレーションにより算出された回路パッケージ３２の上平面部内の位置毎の発熱密度を示す。この発熱密度分布において、複数の四角形のそれぞれの位置は、回路パッケージ３２上の位置を示し、複数の四角形のそれぞれの色は、その位置における発熱密度の高さを示す。ここで、白の四角形はその位置の発熱密度が所定しきい値以下であることを示し、黒の四角形はその位置の発熱密度が所定しきい値より高いことを示す。回路パッケージ３２の上平面部内の位置は、回路パッケージ領域７１内の位置に対応する。この例において、ピンフィン５７ｂは回路パッケージ領域７１内で黒の四角形で示された位置上に配置され、ピンフィン５７ａは回路パッケージ領域７１内で白の四角形で示された位置上に配置される。このように、位置による発熱密度の違いに応じて、断面積の異なる二種類のピンフィンであるピンフィン５７ａ，５７ｂを配置する様にすればよい。
【００１９】
図４は、実施の形態１の液冷ユニットを示す垂直断面図である。この垂直断面図は、図２中の線分ＥＦを通る垂直面で切断された液冷ユニット３５の断面を示す。全てのピンフィン５７ａ，５７ｂの下部は、容器５５の下壁の内壁面に接合されている。全てのピンフィン５７ａ，５７ｂの上部の先端である上端部は、蓋部５６の内壁面に当接して接合されている。ピンフィン５７ａ，５７ｂと容器５５との接合や、ピンフィン５７ａ，５７ｂと蓋部５６との接合方法は例えば溶接であり、融接やろう付けや半田付けである。
【００２０】
以下、実施の形態１の効果について比較例と比較しつつ説明する。
【００２１】
図５は、比較例の液冷ユニットを示す水平断面図である。比較例の液冷ユニット３５ｘの構成要素において、液冷ユニット３５の構成要素と同一符号は液冷ユニット３５に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。この水平断面図は、図１中の液冷ユニット３５の水平面ＡＢＣＤに対応する水平面で切断された液冷ユニット３５ｘの断面を示す。液冷ユニット３５ｘは、全てのピンフィン５７ａが同一の断面積を有するものである。また、ピンフィン５７ａは、水平面において所定間隔で行列状に配置される。
【００２２】
液冷ユニットの冷却能力を高めるためには、液冷ユニット内部と冷却水が接する面積である伝導面積が大きい方が良い。比較例の液冷ユニット３５ｘの伝導面積を増加させるためには、ピンフィン５７ａの数を多くすることが必要となる。ピンフィン５７ａの数を多くすると、ピンフィン５７ａの間の空間が狭くなり、液冷ユニット３５ｘ内の冷却水に対するピンフィン５７ａの流体抵抗が高くなる。これにより、ピンフィン５７ａから冷却水へ移動する熱量は小さくなり、液冷ユニット３５ｘの冷却能力は低くなる。更に上記流体抵抗を低くするためにピンフィン５７ａの径を小さくすると、ピンフィン５７ａの伝導面積が小さくなり、ピンフィン５７ａから冷却水へ移動する熱量は小さくなる。
【００２３】
一方、実施の形態１の液冷ユニット３５においてピンフィン５７ａより水平断面積の大きいピンフィン５７ｂは、ピンフィン５７ａより多くの熱量を移動させることができる。ピンフィン５７ｂが設けられることによってピンフィンの間の空間が狭くなることはないため、液冷ユニット３５内の流体抵抗が高くなることはない。更に液冷ユニット３５においてホットスポット上に水平断面積の大きいピンフィン５７ｂが設けられていることにより、液冷ユニット３５は、液冷ユニット３５ｘより多くの熱量を回路パッケージ３２から吸収することができる。
【００２４】
図６は、比較例の液冷ユニットを示す垂直断面図である。この垂直断面図は、図５中の線分ＥＦを通る垂直面で切断された液冷ユニット３５ｘの断面を示す。全てのピンフィン５７ａの下部は、容器５５の下壁の内壁面に接合されている。全てのピンフィン５７ａの上端部は、蓋部５６に当接していない。
【００２５】
液冷方式を用いる技術において、液冷ユニットの小型化や冷却能力の向上のために、液冷ユニット内の冷却水の液流量や圧力を増大させる場合がある。この場合、比較例の液冷ユニット３５ｘは、冷却水の圧力により膨張し、蓋部５６が上方へ変形する、あるいは液冷ユニット３５ｘが破損する場合がある。
【００２６】
一方、実施の形態１の液冷ユニット３５においては全てのピンフィン５７ａ，５７ｂの上端部が蓋部５６の内壁面に接合されていることにより、蓋部５６の変形が抑制され、液冷ユニット３５の耐圧性が液冷ユニット３５ｘの耐圧性より高くなる。従って、液冷ユニット３５の信頼性は液冷ユニット３５ｘの信頼性より高くなる。
【００２７】
更に実施の形態１の液冷ユニット３５における全てのピンフィン５７ａ，５７ｂの上端部は、蓋部５６の内壁面に接合されていることにより、ピンフィン５７ａ，５７ｂの熱を蓋部５６へ移動させることができると共に、蓋部５６の熱をピンフィン５７ａ，５７ｂへ移動させることができる。これにより液冷ユニット３５において、あるピンフィンの熱は他のピンフィンを介して冷却水へ移動することができる。従って、液冷ユニット３５は、液冷ユニット３５ｘより多くの熱量を回路パッケージ３２から冷却水へ移動させることができる。
【００２８】
＜実施の形態２＞
以下、実施の形態１の液冷ユニット３５の別の形態である液冷ユニット３５ｂについて説明する。
【００２９】
図７は、実施の形態２の液冷ユニットを示す水平断面図である。液冷ユニット３５ｘの構成要素において、液冷ユニット３５の構成要素と同一符号は液冷ユニット３５に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。この水平断面図は、図１中の液冷ユニット３５の水平面ＡＢＣＤに対応する水平面で切断された液冷ユニット３５ｂの断面を示す。液冷ユニット３５ｂにおけるピンフィン５７ａ，５７ｂの配置は、液冷ユニット３５におけるピンフィン５７ａ，５７ｂの配置と異なる。液冷ユニット３５と同様、液冷ユニット３５ｂにおいて、回路パッケージ３２はＣＰＵであり、ホットスポットの位置はそれぞれＣＰＵ内のコアの位置であり、ピンフィン５７ｂはそれぞれコア上に設けられている。この例において、コアの数、回路パッケージ３２上のホットスポットの数、およびピンフィン５７ｂの数は５である。このようにピンフィン５７ｂの位置を回路パッケージ３２のホットスポットの位置に合わせ、回路パッケージ３２の発熱密度分布に適した液冷ユニット３５ｂを設計することにより、回路パッケージ３２の冷却の効率を高めることができる。
【００３０】
なお、容器５５、蓋部５６、ピンフィン５７ａ，５７ｂは、材料として銅やアルミニウムなど、熱伝導率が冷却水より十分高い物質を用いることが望ましい。
【符号の説明】
【００３１】
３１  基板
３２  回路パッケージ
３４ａ，３４ｂ  配管
３５，３５ｂ  液冷ユニット
５５  容器
５６  蓋部
５７ａ，５７ｂ  ピンフィン
５８  流入口
５９  流出口
７１  回路パッケージ領域
【図１】
2011187523.tif 000003
【図２】
2011187523.tif 000004
【図３】
2011187523.tif 000005
【図４】
2011187523.tif 000006
【図５】
2011187523.tif 000007
【図６】
2011187523.tif 000008
【図７】
2011187523.tif 000009