(57)【要約】【課題】高発熱電子部品から発生した熱の吸熱性能を向上させる電子部品の冷却装置を得ることを目的とする。【解決手段】冷却すべき発熱体２に対接させて熱を奪う吸熱部のプレート状フィン４ａに対して垂直に流入ノズルを配し、且つプレート状フィン４ａの１部の形状を略Ｖ字か略Ｕ字形状とする。また、発熱体２に対接する受熱板厚さと前記発熱体長さの適度な寸法比を選択する事で冷却装置の吸熱部性能を高めた構成とし、高発熱電子部品の冷却を効率的に行う事が可能となった。【選択図】図２
2007180505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から発熱した熱を受熱する受熱部と、前記受熱部から冷媒を流入して前記受熱部の熱を含んだ前記冷媒の熱を外部に放熱する放熱部と、前記受熱部及び前記放熱部の間で前記冷媒をポンプにて循環させる循環路と、を有する冷却装置であって、
前記受熱部の内部に配置され前記発熱体から発熱した熱を受熱する複数のプレート状のフィンと、
前記複数のプレート状のフィンの中央部に冷媒を流入する流入ノズルと、
前記流入した冷媒の流入方向と垂直方向に前記複数のプレート状のフィンの両側に冷媒を流出する流出ノズルと、を具備し、
前記流入ノズルを介して前記複数のプレート状のフィンの中央部に流入した冷媒は、前記プレート状のフィンの間に入込み、前記プレート状のフィンの間の底部に当接して流入方向と垂直方向に向きを変え、前記フィンに受熱された熱を吸収して、前記プレート状のフィンの間を通って、前記複数のプレート状のフィンの両側から前記流出ノズルを介して流出されることを特徴とする電子部品の冷却装置。
【請求項２】
前記流入ノズルが、前記複数のプレート状フィンの長手方向の中央近傍に配されている事を特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却装置。
【請求項３】
前記流入ノズルの幅は、前記複数のプレート状のフィンの配置幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却装置。
【請求項４】
前記流入ノズルは、前記プレート状のフィンの底部に対して略垂直であることを特徴とする請求項２記載の電子部品の冷却装置。
【請求項５】
前記プレート状のフィンの中央部に略Ｖ字形状、略Ｕ字形状、または略台形形状のうち、一つの形状の切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の電子部品の冷却装置。
【請求項６】
前記受熱部の複数の前記プレート状のフィンを有し発熱体に対接する受熱板の厚みｈと前記発熱体長さＬ２の寸法比（Ｔ＝ｈ／Ｌ２）が０．１〜０．５の範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の電子部品の冷却装置。
【請求項７】
前記カバーの長さは前記プレート状フィンの長さと同等以上であることを特徴とする請求項１記載の電子部品の冷却装置。
【請求項８】
冷媒を循環するための閉循環路に放熱部と受熱部を含む受熱ユニットとポンプが設けられ、前記受熱ユニットが発熱電子部品（以下、発熱体）に対接されて前記受熱ユニット内部の冷媒との熱交換作用で前記発熱体から熱を奪い、前記ポンプにより冷媒は前記閉循環路を循環移送され、前記放熱部から放熱を行う冷却装置であって、前記受熱ユニットは冷媒が流入する流入口と前記発熱体の熱を受熱し冷媒に伝熱する前記受熱部と冷媒の流出口を有し、前記受熱部は前記発熱体の熱を受熱する受熱板と前記受熱板で受熱した熱を冷媒に伝熱する複数のプレート状のフィンと前記フィンを覆うカバーとを有し、前記カバーは前記フィンの両端側が開放され前記複数のフィンと対向する面に前記受熱ユニットの流入口と連接される流入ノズルを有することを特徴とする電子部品の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）等の発熱する半導体、またはその他の発熱部を有する電子部品を冷却するのに用いられる電子部品の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器においては半導体等の電子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作の為に、それぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内に如何に保つかが大きな問題となってきている。特に、ＭＰＵの高集積化、高周波数化はめざましく、動作の安定性、また動作寿命の確保などの点からも放熱対策が重要な問題となっている。
【０００３】
しかし、従来のようにヒートシンクとファンを組み合わせた空冷方式では高発熱量の電子部品に対しては能力不足の場合が多くなりつつある。そこで、例えば（特許文献１）に示すような冷媒を循環させる、より能力の高い高効率の冷却装置が提案されている。
【０００４】
一般に、ＭＰＵ等の高発熱量の発熱体を冷却するには、受熱部で吸収した熱を広い面積を有する放熱部から空気へ放熱する方法が採られている。
【０００５】
ここで（特許文献１）に示される従来の技術を図９、図１０を用いて説明する。
【０００６】
図９（ａ）は、従来の冷却装置の構成図、図９（ｂ）は、従来の冷却装置の受熱部構造を示す図である。通常、このような冷却装置は、図９（ａ）に示すように発熱体２から熱を除去する受熱部１と受熱部１で熱を受け取った冷媒を輸送する流路８と冷媒を動かすポンプ１３および冷媒から熱を放熱する放熱部１１から構成されている。その主な冷却原理は、同図のように発熱体２で発生した熱が、受熱部１の内部へ伝わり内部に循環する冷媒と熱交換することにより冷媒の温度が上昇する。次に、その冷媒がポンプ１３により流路８を通って放熱部１１へ輸送され、放熱部１１の温度を高める。次に高温となった放熱部１１の表面へ放熱部搭載のファン１０から空気が送られ熱交換されることで空気中へ放散される方法が採られている。
【０００７】
近年では、電子部品の小型化（製造プロセスの細線化）に伴い発熱体その物のサイズも小さくなる傾向にあり、単位面積当たりの熱密度は、増加の一途をたどっている。そのため、冷却装置の冷却性能は、受熱部と放熱部の両方の性能で決定されるが、特に受熱部の高性能化が大きな課題となっている。これは、例えば１００Ｗの熱を発生する面積１００平方ｍｍの発熱体を仮に冷却できていた冷却装置でも、発熱面積が、電子部品製造プロセスの細線化によって５０平方ｍｍへ減少した場合には熱密度が２倍になるため吸熱性能の不足が発生し、同じ冷却装置では冷却できない事を意味している。
【０００８】
また、前記した図９（ａ）の様な冷媒が循環する方式の受熱部では、図９（ｂ）のような構造が採用されており、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミなど）の中を冷媒が循環する管路をもうける事で性能を高める工夫がされている。しかし、この場合でも熱が、受熱部内部で金属から冷媒へ熱交換される効率は、管路の内壁の面積に大きく依存するため、単純に管路を受熱部内部に配するだけでは、受熱面積が少なく十分な性能が得られ無い場合が多い。そして、今後の発熱体サイズの縮小で更に性能不足が顕著になると考えられる。
【０００９】
そこで、受熱部の吸熱性能を更に高める方法として、考案された他の従来の技術が、図１０（ａ）従来の他の冷却装置の受熱部の斜視図、図１０（ｂ）従来の他の冷却装置の受熱部の側面流線図に示す様な受熱部にプレート状フィン４ａを平行に配置した方式である。この方式の場合、同図のように受熱板３の上に多数のプレート状フィン４ａが、ある間隔で立設された構造となっており、図９（ｂ）に比べ遙かに大きな熱交換面積が確保されるため、より高い吸熱性能が得られる構成として提案されている。
【特許文献１】特開平１０−２１３３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、半導体等の電子部品では、更なる高性能化の進展等によって益々発熱が大きくなるか、または、熱密度が上昇するという傾向にある事は前記した通りであり、図９の従来の冷却装置を用いた場合では、十分な冷却を行う事が困難な場合も出て来ている。これらの問題に対応することを考慮して考案されたのが図１０（ａ）に示す受熱部であり、高性能を確保するためプレート状フィン４ａの枚数を増やし、より多くの熱交換面積を確保する構造が採用されている。この場合、図１０（ｂ）のように冷媒は、流入口５からフィン間を通って流出口６へ抜ける流れが形成される構成となっている。
【００１１】
しかし、この構成でも、ある枚数まではプレート状フィン４ａを増やす事で熱交換面積を増やし性能を向上させる事はできるが、ある枚数以上では性能が逆に低下するという問題が出てくる。これは、フィン枚数が多くなる事で、フィン間隔が狭くなり冷媒の圧力損失が増加するため逆に冷媒流量が減少し、性能も低下するためである。つまり、熱交換面積増と冷媒流量確保とは互いに相殺関係にあり、適度な条件を選択するしかないのが現状である。
【００１２】
また、フィン枚数を増やす方法で、更に高い性能を確保するには、フィン枚数増加に伴う圧力損失の急激な増加分を考慮したポンプの出力増が求められる事になりポンプの大型化は避けられず、装置全体を大型化してしまうという別の問題もあった。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するもので、発熱体から発生した熱を効率的に吸熱させるための受熱部の最大性能を引き出し、冷却性能に優れた電子部品の冷却装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の冷却装置は、発熱体から発熱した熱を受熱する受熱部と、前記受熱部から冷媒を流入して前記受熱部の熱を含んだ前記冷媒の熱を外部に放熱する放熱部と、前記受熱部及び前記放熱部の間で前記冷媒をポンプにて循環させる循環路と、を有する冷却装置であって、前記受熱部の内部に配置され前記発熱体から発熱した熱を受熱する複数のプレート状のフィンと、前記複数のプレート状のフィンの中央部に冷媒を流入する流入ノズルと、前記流入した冷媒の流入方向と垂直方向に前記複数のプレート状のフィンの両側に冷媒を流出する流出ノズルと、を具備し、前記流入ノズルを介して前記複数のプレート状のフィンの中央部に流入した冷媒は、前記プレート状のフィンの間に入り込み、前記プレート状のフィンの間の底部に当接して流入方向と垂直方向に向きを変え、前記フィンに受熱された熱を吸収して、前記プレート状のフィンの間を通って、前記複数のプレート状のフィンの両側から前記流出ノズルを介して流出されることを特徴とする。
【００１５】
次に、本発明の冷却装置は、前記受熱部の流入ノズルが、前記複数のプレート状フィンの長手方向の中央近傍に配されている事を特徴とする。
【００１６】
そして、本発明の冷却装置は、前記受熱部の流入ノズルの幅は、前記複数のプレート状フィンの配置幅と同じであることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記受熱部の流入ノズルは、前記プレート状のフィンの底部に対して略垂直である事を特徴とする。
【００１８】
そして、前記受熱部内部における受熱部の流入ノズル近傍の前記プレート状のフィンの１部が略Ｖ字形状か、略Ｕ字形状、または台形状に切りかかれている事を特徴とする。
【００１９】
また、前記受熱部の複数の前記プレート状フィンを接合し発熱体に対接する受熱板の厚みｈと前記発熱体長さＬ２の寸法比（Ｔ＝ｈ／Ｌ２）が０．１〜０．５の範囲である事を特徴とする。
【００２０】
加えて前記カバーの長さは前記プレート状フィンの長さと同等以上であることを特徴とする。
【００２１】
また、冷媒を循環するための閉循環路に放熱部と受熱部を含む受熱ユニットとポンプが設けられ、前記受熱ユニットが発熱電子部品（以下、発熱体）に対接されて前記受熱ユニット内部の冷媒との熱交換作用で前記発熱体から熱を奪い、前記ポンプにより冷媒は前記閉循環路を循環移送され、前記放熱部から放熱を行う冷却装置であって、前記受熱ユニットは冷媒が流入する受熱ユニットの流入口と前記発熱体の熱を受熱し冷媒に伝熱する前記受熱部と冷媒の流出口を有し、前記受熱部は前記発熱体の熱を受熱する受熱板と前記受熱板で受熱した熱を冷媒に伝熱する複数のプレート状のフィンと前記フィンを覆い、前記フィンの両端部が開放され前記フィンの上方に前記受熱ユニットの流入口と連接される受熱部の流入ノズルを形成するカバーを有することを特徴とする。
【００２２】
以上のように本実施の形態の冷却装置は、受熱部に複数のプレート状フィンとそのフィンを覆うカバーを有し、受熱部内部への最適な冷媒流入ノズルの位置と方向を選択し、前記プレート状フィン形状を一部変更する事でフィン内に発生する淀み領域を防止することができる。更に発熱体と前記受熱部の受熱板のサイズが近い場合には受熱板厚みｈと発熱体長さＬの適度な寸法比範囲を採用する事で受熱部の最大吸熱性能を引き出し、冷却性能に優れた電子部品の冷却装置を提供する事が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
請求項１に記載の発明は、発熱体から発熱した熱を受熱する受熱部と、前記受熱部から冷媒を流入して前記受熱部の熱を含んだ前記冷媒の熱を外部に放熱する放熱部と、前記受熱部及び前記放熱部の間で前記冷媒をポンプにて循環させる循環路と、を有する冷却装置であって、前記受熱部の内部に配置され前記発熱体から発熱した熱を受熱する複数のプレート状のフィンと、前記複数のプレート状のフィンの中央部に冷媒を流入する流入ノズルと、流入した冷媒の流入方向と垂直方向に前記複数のプレート状のフィンの両側に冷媒を流出する流出ノズルと、を具備し、流入ノズルを介して前記複数のプレート状のフィンの中央部に流入した冷媒は、前記プレート状のフィンの間に入り込み、前記プレート状のフィンの間の底部に当接して流入方向と垂直方向に向きを変え、前記フィンに受熱された熱を吸収して、前記プレート状のフィンの間を通って、前記複数のプレート状のフィンの両側から前記流出ノズルを介して流出することで、流入冷媒の熱交換を行うフィン間へ確実に誘導することができる。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、流入ノズルをプレート状フィンの長手方向の中央近傍に配する事で、流路が左右に分岐させる。これにより、流路長が約半分に短縮され大幅に圧力損失が低減するため、吸熱に寄与する流量が増加し、結果的に受熱部の吸熱特性を高める事ができる。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記受熱部の流入ノズルの幅が、前記複数のプレート状フィンの配置幅と同じであることにより、全てのプレート状フィンに均等に冷媒を導くことができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、前記受熱部の冷媒流入ノズルは、前記プレート状のフィンの底部に対して略垂直である事により冷媒の本流を発熱体直上近傍の最も温度の高い部分へ誘導し吸熱特性を高める事ができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、受熱部内部における冷媒流入ノズル近傍のプレート状フィンの１部が略Ｖ字形状か、略Ｕ字形状、または台形状に切りかく事で、フィンの熱交換面積を増やすためにプレート状フィンの高さを高くした場合でも、発熱体直上近傍まで冷媒を運ぶ事が可能となり、更に高い吸熱特性を得る事ができる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、受熱部の複数のプレート状フィンを接合し発熱体に対接する受熱板の厚みｈと前記発熱体長さＬ２の寸法比（Ｔ＝ｈ／Ｌ２）が０．１〜０．５の範囲である事で、発熱体に接触する金属部分の熱抵抗を可能な限り小さくし、更に高い吸熱特性を得る事ができる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、前記カバーの長さは前記プレート状フィンの長さと同等以上である事で、流入する冷媒を積極的に高温部へ導くことがきで、熱交換の効率を高める事ができる。
【００３０】
請求項８に記載の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に放熱部と受熱部を含む受熱ユニットとポンプが設けられ、前記受熱ユニットが発熱電子部品（以下、発熱体）に対接されて前記受熱ユニット内部の冷媒との熱交換作用で前記発熱体から熱を奪い、前記ポンプにより冷媒は前記閉循環路を循環移送され、前記放熱部から放熱を行う冷却装置であって、前記受熱ユニットは冷媒が流入する受熱ユニットの流入口と前記発熱体の熱を受熱し冷媒に伝熱する前記受熱部と冷媒の流出口を有し、前記受熱部は前記発熱体の熱を受熱する受熱板と前記受熱板で受熱した熱を冷媒に伝熱する複数のプレート状のフィンと前記フィンを覆い、前記フィンの両端部が開放され前記フィンの上方に前記受熱ユニットの流入口と連接される受熱部の流入ノズルを形成するカバーを有することで、流入冷媒の熱交換を行うフィン間へ確実に誘導することができる。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、（ａ）本発明の実施の形態１における冷却装置をパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）筐体内に配置した場合の斜視図、図１（ｂ）は、受熱ユニットの拡大構造図である。図１（ａ）において、１６は、ＰＣ筐体であり、その中に電源ユニット１５，マザーボード２０などのＰＣ部品と共に本発明の冷却装置が配置されている。本発明の冷却装置は、受熱部１を含む受熱ユニット１８と放熱部１１、および冷媒を循環させるポンプ１３の３つの主要部品とそれらを接続する流路８から構成されている。実際の冷却では、まず冷媒が、ポンプ１３から送り出され流路８を通って流入口５から受熱を行う受熱ユニット１８へ流入する。受熱ユニット１８は、発熱体ソケット１７に装着された発熱体２（図２（ｂ）参照）に対接しており、受熱ユニット１８の内部には、受熱を行う図１（ｂ）に示すような受熱部１が中央に配されている。受熱ユニット１８は、入口側流路８につながる流入口５がユニットカバー１９の上部１９ａに、そして出口側流路８につながる流出口６が同ユニットカバー１９の側壁１９ｂに設けられている。また、受熱部１は、ユニットカバー１９の底部１９ｃに液密に取り付けられている。ここでの図１（ｂ）は、受熱ユニット１８からユニットカバー１９の一部を取り除いた状態での斜視図である。
【００３３】
冷媒は、受熱部１の略平行に配置された複数のプレート状フィン４ａの中央部へ流入ノズル９を介して流入し、流線７ａ，７ｂの様に左右に分岐した後、流出口６へ向かう。この時、冷媒は、発熱体２からの熱で高温になったフィン間を通る際に熱を受け取り、発熱体２を冷却することになる。次に熱を受け取った冷媒は、受熱ユニット１８の流出口６から矢印の方向に流路８を通って放熱部１１へ流入し放熱部１１の温度を高める。そして、放熱部搭載のファン１０からの空気が高温となった放熱部１１の表面へ送られ熱交換されることで、熱が、空気中へ放散される。
【００３４】
次に、図２および図３を用いて、受熱部１のより詳細な構造と特性について説明する。図２（ａ）は、本発明の実施の形態１における冷却装置の受熱部の斜視図、図２（ｂ）は、受熱部の側面流線図である。図２（ａ）において、１は、受熱部１の全体を表している。２は、発熱体であり（図２（ｂ）参照）、３は、発熱体２と接触し熱を吸収する受熱板で、熱抵抗の少ない例えば、銅、アルミニュウム等の材料が用いられ、厚みはユニットカバー１９より厚く、ユニットカバーの底部より突出している。このことで発熱体２に取り付ける位置が明確になり、発熱体２を取り付けるのが容易になる。５は、冷媒が受熱部１へ流入するための流入口であり、一端は流路８につながる。４ａは、受熱板３上に配されたプレート状フィンで、例えば、銅、アルミニュウム等の高伝熱性の材料が用いられ、複数枚が略並行に所定の間隔をもって配置されている。１２は、プレート状フィン４ａを覆う受熱部カバーで、プレー状フィン４ａのｚ方向長さより長く、プレート状フィン４ａの両端側に受熱部カバー１２で流路が形成される。受熱部カバー１２のプレート状フィン４ａに沿う方向（Ｚ方向）の両端は開放されて冷媒の流出口６ａ，６ｂを形成する。受熱部カバー１２の上部でプレート状フィン４ａの長手方向の中央近傍に冷媒が流入する流入ノズル９が搭載されている。９は、流入口５から流入した冷媒を各プレート状フィン４ａに分配するために受熱部カバー１２に搭載された流入ノズルで、一端は流入口５につながっている。流入ノズル９の幅（Ｘ方向）は複数のプレー状フィン４ａの配置幅と略同じで、受熱部カバー１２上部に略垂直に搭載されている。流入ノズル９は本実施の形態では、別体で製作し受熱部カバー１２に搭載したが、受熱部カバー１２と一体で製作してもよい。
【００３５】
また、破線で示した１８は、図１で示した受熱ユニット１８を略して示したものである。ユニットカバー１９の底部１９ｃには開口部が形成され、受熱部１の受熱板３がユニットカバー１９の底部の開口部に挿入され、ロウ付、圧接、溶着等で液密に取り付けられる。ここで発熱体２としては、ＩＣ、ＬＳＩ、ＭＰＵ等の半導体やトランジスタ等の発熱する電子部品である。
【００３６】
受熱部１では、前記した通り冷媒が、流入口５から流入ノズル９に流入し、流入ノズル９内で各プレート状フィン４ａへ分配される。流入ノズル９は、プレート状フィン４ａの長手方向（ｚ方向）のほぼ中央に配されており、フィン間に流入した冷媒は、プレート状フィン４ａの長手方向中央部から左右に分岐し、流線７ａ，７ｂに示すような経路を通って、受熱部カバー１２の２ヶ所の流出口６ａ，６ｂから流出するルートを取る。このフィン間を冷媒が通過する際に熱交換が行われ、発熱体の冷却が行われる。
【００３７】
なお、図２で使用した座標系は、ｘ方向がプレート状フィン４ａの配置幅方向、ｙ方向は、プレート状フィン４ａへ冷媒が流入して来る方向、ｚ方向は、プレート状フィン４ａの長手方向を表しており、以後の説明には全て同じ座標系を使って説明する。
【００３８】
一般に発熱体２に対接した受熱部１では、熱が、発熱体２と受熱板３の接触面（以下、受熱面）から吸熱されフィンに伝わり、フィン間を流れる冷媒との熱交換で熱が奪われることによって発熱体２の冷却を行う。しかし、発熱体２のサイズは、近年の小型化、低コスト化に伴って縮小の一途をたどっており、仮に発熱量自体がほとんど変化しなくとも、発熱体２からの熱密度（単位面積当たりの発熱量）は、サイズとは逆に急激に増加する事になる。この点は、前記した通りで大幅な吸熱性能の低下を意味しており、その理由を示したのが、図１１である。このグラフは、同じ冷却装置を使用し、発熱量を固定して発熱サイズを変化させた場合の熱抵抗の変化を実験的に求めて表したグラフである。横軸は、発熱体２のサイズ（面積Ｓ：ｍｍ2）を表し、縦軸は、発熱体サイズを１００ｍｍ2とした場合の冷却装置の熱抵抗Ｒ０とサイズが縮小した場合の熱抵抗Ｒ１の比をとった規格化熱抵抗比（Ｒ１／Ｒ０）を表している。また、上部横軸には各サイズを将来実現するために必要な半導体プロセスの最小線幅の世代例も付記している。同グラフより、発熱サイズが縮小すると熱抵抗も急激に悪化してくることがわかる。これは、前記した通り発熱サイズの縮小に伴う熱密度の増加が原因であり、実質的な冷却装置の吸熱性能の低下を意味している。さらに、ここで示した最小線幅の世代交代は、通常２年〜３年で行われており、その間の半導体素子数の増加を考慮しても、一世代で約７０％までサイズが縮小すると言われている。そして、この世代交代による熱密度の増加に対応するだけの吸熱性能を現実的に確保する事が困難に成りつつあるという事が大きく顕在化して来ている。
【００３９】
したがって、この問題に対して受熱部の高性能化が急務であることは言うまでもないが、そのためには、前記した通り受熱部の大きな熱交換面積を確保しつつ、大きな冷媒流量を確保するため、圧力損失を低減することが必要となる。
【００４０】
そこで、本発明は、構造のプレート状フィンの上方から発熱体中心に向けて垂直に冷媒を流入させる方式を採用する事によって、大きな熱交換面積と圧力損失の低減による大流量の両方を確保し、吸熱性能に優れた冷却装置を実現した。
【００４１】
前記した通り、図２（ｂ）は、流入ノズル９からプレート状フィン上部のほぼ中央へ冷媒が流入する事で、冷媒の流線（７ａ、７ｂ）が左右の分離した流れを形成できる事を示したものである。この構成の場合、図２（ａ）のように流入ノズル９と流出口６ａ、６ｂのそれぞれの断面積（斜線部）が同じとすると、従来の図１０（ａ）の様に一方向へ抜ける場合の流線７ｃに比べてフィン間を通る流線７ａ、７ｂの長さは、左右に分岐するため約半分になる点と流出口の面積が二倍になるため、圧力損失がほぼ半分となる大幅な低減を実現する事ができるのである。これに伴い大幅な流量増をもたらす効果がある。
【００４２】
さらに、ここで、実施の形態１の圧力損失低減効果の一例を実測値を示しながら説明する。図３（ａ）は、従来例の受熱部と本発明の実施の形態１における受熱部を用いて、一定流量Ｑに対して発生する圧力損失Ｐの低減効果を比較したグラフで、図２（ａ）と同様に流量と圧力損失の関係を各受熱部毎に表したものであり、Ａ線が図１０に示した従来の受熱部を、Ｂ線が図２に示した実施の形態１の場合を表している。同図より従来例、本実施の形態１の場合の各受熱部を用い、流量Ｑａ（２．８Ｌ／ｍｉｎ）を流した時の圧力損失は、それぞれＰａ（３８ｋｐａ）、Ｐｂ（２１ｋｐａ）である。従来例のＰａに対して実施の形態１は、フィン上部中央からの流入によって圧力損失Ｐｂが５５％（Ｐｂ／Ｐａ＝０．５５）まで減少することが確認できた。したがって、これらの受熱部に同一の性能（発生圧力）Ｐａを有するポンプを用いると、流量はＡ線の従来例に対して、Ｂ線に交差するポイントまで増加することになる。すなわち、流量の増加率は、Ｂ線の実施の形態１の場合３９％増（Ｑｂ／Ｑａ＝３．９／２．８）となり、かなりの流量増となる。しかし、ポンプからの発生圧力が、流量に対して一定ではないため前記した通りには、流量は増加しない。その点を示したのが図３（ｂ）である。
【００４３】
図３（ｂ）は、同一ポンプを用いた場合の受熱部の圧力Ｐと流量Ｑの関係を表したグラフであり、図３（ａ）のグラフにポンプのＰ−Ｑカーブ（Ｄ線）を付加した物になっている。同図より、ポンプを用いた場合の各受熱部の動作点が、ポンプのＰ−Ｑカーブ（Ｄ線）と各圧力損失のカーブが交差する点で表されている。つまり、受熱部の流量の増加率は、Ｂ線の場合３２％増（Ｑｂ´／Ｑａ´＝３．７／２．８）となり、ポンプのＰ−Ｑカーブが一定でないため、図３（ａ）で示したほど流量の増加はない。しかし、この３２％の流量増が大きな性能増加を可能とする。
【００４４】
なお、本実施の形態１で使用したポンプの最大締め切り圧力は、４２ｋｐａである。また、受熱部のプレート状フィン形状の立設寸法は、図２で示す形状でＸ，Ｙ，Ｚ方向が１２×５×１２ｍｍであり、フィン間寸法は０．２ｍｍである。一般に受熱部の性能を高めるには、受熱部のフィン数を増やしより多くの熱交換面積を確保しつつ多くの冷媒流量をフィン間に導く必要がある、しかし、フィン熱交換面積増加と流量増の関係は互いを相殺するトレードオフの関係にあることは前記した通りである。そこで、本発明による方法を用いれば、この相殺関係を打破することができ、高い吸熱性能を実現することが可能となるのである。
【００４５】
次に図４（ａ）は、本発明の実施の形態１における受熱部と流入ノズルの位置関係を表す側面流線図、図４（ｂ）は、本発明の実施の形態１における受熱部に対し一定流量Ｑを流した時の流入ノズル位置による熱抵抗への影響を表すグラフである。
【００４６】
図４（ｂ）より、横軸は、流入ノズル９のフィン長手方向（ｚ方向）流入位置Ｚ１とフィン４ａが立設した受熱板２の長さＬ１の比（Ｚ１／Ｌ１）を表し、縦軸は、流入ノズル位置が中央（Ｚ１／Ｌ１＝０．５）の場合の  熱抵抗Ｒ０．５と各流入ノズル位置での熱抵抗Ｒｘとの比である規格化熱抵抗比（Ｒｘ／Ｒ０．５）を表している。同図より、流入ノズル位置が中央（Ｚ１／Ｌ１＝０．５）の場合は、左右への流量は同じで、熱抵抗比は最大の１．０を示している。また、位置が偏ると熱抵抗比は低下する事が分かる。つまり、片側に偏ると流路長が短くなった方の圧力損失が低下し流量は増加するが、逆に圧力損失が増加した方の流量は急激に減少するため、総合吸熱性能は、低下する。したがって、この図より中央流入が最大性能を引き出せる位置である事を示していると言える。
【００４７】
なお、流入ノズル９のｘ方向の流入幅は、各フィン間へ均等に冷媒が流入することを考慮するとプレート状フィン４ａのｘ方向配置幅Ｗと同じであることが望ましい。
【００４８】
また、実際に受熱部１を受熱ユニット１８に搭載する場合は、受熱部１の受熱板３が突出可能な穴をユニットカバー１９にあらかじめあけておき、その部分に受熱部１をはめ込み固定する方法を採用すれば比較的低コストで受熱ユニット１８を製作することが可能である。
【００４９】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における冷却装置の実施例である。図５（ａ）は、本発明の実施の形態２における他の受熱部の斜視図、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２における他の受熱部の側面流線図である。図５（ａ）の構成は、図２（ａ）とほぼ同様の構成であり、異なる点は、受熱板３上に配されたプレート状フィン４ｂの形状が、中央に略Ｖ字型の切りかき形状を有する事である。
【００５０】
本発明の実施の形態２のように略Ｖ字型の切りかきを有するプレート状フィン４ｂの上部から発熱体中心に向けて垂直に冷媒を流入させる方式を採用する事によって、実施の形態１と同様に大きな熱交換面積と圧力損失低減による大流量の両方を確保できるため吸熱性能に優れた冷却装置を実現する事ができるのである。
【００５１】
図５（ｂ）は、前記プレート状フィンに略Ｖ字型の切りかきを入れた場合の側面流線図である。図２（ｂ）で説明した同様の性能向上の特徴を有している。特に、フィン高さを高くしてフィンの熱交換面積を増加させた場合でも、このようなプレート状フィン４ａの上部の切りかき幅が広いＶ字構造を採用する事で中央から流入される冷媒を発熱体直上近傍まで導く事が可能となり、より大きな熱交換面積が確保し易くなるため、実施の形態１よりもさらに高い吸熱性能を実現する事ができるのである。
【００５２】
通常、図２（ａ）に示すような構造で更に高い性能を得る事を目指して単にフィン高さを高くし、より多くの熱交換面積を確保しようとした場合などは、受熱部の側面流線図が、図６（ａ）の、本発明の実施の形態１および２における他の受熱部内の側面流線図に示すように、最も高い熱交換が期待できるフィン根元まで届かない状態となる。すなわち、同図の様に略Ｖ字型の切りかき形状を持たない状態でフィン高さＨをある高さ以上にすると、冷媒流入方向の圧力損失が増加するため流線が本来、冷やすべき発熱体直上まで到達せず、その手前で曲がり発熱体直上近傍に淀み領域１４を形成し易くなる。この淀み領域１４は、熱の授受が少なく性能低下の原因となるため可能な限りその発生を押さえる事が必要である。そこで、フィン高さを高くして大きな熱交換面積を確保しながらこの淀み領域１４の発生を防止し、且つ高い性能を実現する方法が、本発明の実施の形態２に示すような略Ｖ字型の切りかき形状をプレート状フィンの中央部に形成する方法なのである。なお、この略Ｖ字形状は略Ｕ字形状でも、ほぼ同じ効果が得られる。また、図５（ｂ）の略Ｖ字形状の底部と受熱板３との高さｙ１は、小さい方が望ましい。理由は、ポンプ圧力に余裕があればｙ１を大きくすると、より広いフィン面積を確保できるようになるが、それでも、より大きなポンプサイズが必要になる可能性があるため現実的な選択では無い。また、この場合の流入ノズル９の流入形状は、圧損が少なくＶ字型の切りかき部へ十分な流量が確保できれば、Ｖ溝があるため必ずしもｘ方向の流入幅は、フィンのｘ方向配置幅Ｗと同じである必要はない。
【００５３】
図６（ｂ）は、本発明の実施の形態１および２における他の受熱板近傍のフィン高さと規格化速度比の関係を示したグラフであり、略Ｖ字型の切りかき形状が有る場合と無い場合の効果を比較するために、横軸にプレート状フィンの高さＨ、縦軸に中央から流入する冷媒の流速Ｖ５と左右に分離した流線（７ａ、７ｂ）の発熱体直上近傍の流速Ｖ７（片側流出速度）との速度比（Ｒｖ＝Ｖ７／Ｖ５）を示したグラフである。ここで流出速度Ｖ７は、流入速度Ｖ５のちょうど半分の速度比率Ｒｖ＝０．５程度になっている事が望ましい。なぜなら、発熱体直上近傍の速度比率Ｒｖが、Ｒｖ＝０．５とは、上部流入ノズル断面積と片側流出口の断面積がほぼ同じ状態を表しており、Ｒｖ＝０．５以上では、流出速度は速くなるが圧力損失も増加し流量低下を招く、また、Ｒｖ＝０．５以下では出口側の流速が遅すぎてフィン表面での十分な熱伝達係数が得られず、いずれの場合も性能の低下につながってしまう可能性が高いからである。
【００５４】
また、ここでは、流入ノズル９と流出口６ａ，６ｂのｘ方向幅（長辺）は、図５（ａ）のプレート状フィン配置幅Ｗと同じと仮定し、流入ノズル９のｚ方向幅（短辺幅）を５ｍｍとし、プレート状フィン４ａの高さＨも５ｍｍとした場合を例に説明する。ここでＡ線は、Ｖ字形状有りをＢ線はＶ字形状無しを表している。明らかにＡ線（Ｖ字形状有り）の方がＢ線（Ｖ字形状無し）より大きなフィン高さまでＲｖ＝０．５近い流速比率を維持している事が分かる。フィン高さＨが２ｍｍ以下の場合、流速比率が急激に上昇しており、前記した通り圧力損失の増加による流量減少が原因の性能低下が予測される。Ｂ線の場合フィン高さが３ｍｍ程度から速度比の低下が見られるが、Ｖ字形状有りのＡ線の場合は、７ｍｍ程度まで大きな速度比の低下は見られない。
【００５５】
したがって、このグラフより流速比率Ｒｖ＝０．５に近いフィン高さは、２〜７ｍｍの範囲となり、Ｖ字形状がある場合の方が、より大きな熱交換面積が得られるフィン高さまで速度比率０．５近くを維持するができる事を意味している。
【００５６】
なお、切りかき形状は、本実施の形態２では略Ｖ字形状としたが、略Ｕ字形状、または、プレート状フィン４ａの上部の切りかき幅が広い略台形形状でも同様の効果が得られる。
【００５７】
さらに、ここで、実施の形態２の圧力損失低減効果の実測値の一例を図３でしめした実施の形態１の結果に重ねる形で説明する。図７（ａ）は、本発明の実施の形態１および２における受熱部の一例を用いて、一定流量Ｑに対する発生圧力損失Ｐの低減効果を比較したグラフで、図３（ａ）と同様に流量と圧力損失の関係を各受熱部毎に表したものであり、Ａ線が図１０に示した従来の受熱部を、Ｂ線が図２に示した実施の形態１の場合を、Ｃ線が図５に示した実施の形態２の場合を表している。同図より従来例、本実施の形態１、および２の場合の各受熱部を用い、流量Ｑａ（２．８Ｌ／ｍｉｎ）を流した時の圧力損失は、それぞれＰａ（３８ｋｐａ）、Ｐｂ（２１ｋｐａ）、Ｐｃ（１４ｋｐａ）である。従来例のＰａに対して実施の形態１は、フィン上部中央からの流入によって圧力損失Ｐｂが５５％（Ｐｂ／Ｐａ＝０．５５）まで減少、また、実施の形態２の場合、中央にＶ字形状の切りかきを有するため圧力損失が更に低下し３３％（Ｐｃ／Ｐａ＝０．３３）まで減少することが確認できた。したがって、これらの受熱部に同一の性能（発生圧力）Ｐａを有するポンプを用いると、理論的には、流量は、Ａ線の従来例に対して、Ｂ、Ｃの各線に交差するポイントまで増加することになる。すなわち、各流量の増加率は、Ｂ線の実施の形態１の場合３９％増（Ｑｂ／Ｑａ＝３．９／２．８）、Ｃ線の実施の形態２の場合７１％増（Ｑｃ／Ｑａ＝４．８／２．８）となり、かなりの流量増となる。
【００５８】
しかし、ポンプからの発生圧力は、流量に対して一定ではないため前記した通りには、流量は増加しない。その点を示したのが図７（ｂ）である。
【００５９】
図７（ｂ）は、同一ポンプを用いた場合の受熱部の圧力Ｐと流量Ｑの関係を表したグラフであり、図３（ｂ）と同様に図７（ａ）のグラフにポンプのＰ−Ｑカーブ（Ｄ線）を付加した物になっている。同図より、ポンプを用いた場合の各受熱部の動作点が、ポンプのＰ−Ｑカーブ（Ｄ線）と各圧力損失のカーブが交差する点で表されている。つまり、各受熱部の流量の増加率は、Ｂ線の場合３２％増（Ｑｂ´／Ｑａ´＝３．７／２．８）、Ｃ線の場合５３％増（Ｑｃ´／Ｑａ´＝４．３／２．８）となり、ポンプのＰ−Ｑカーブは、一定でないため、図７（ａ）で求めたほど流量の増加はない。しかし、この５３％の流量増は、実施の形態１よりも更に大きな性能増加を実現することができるのである。
【００６０】
なお、本実施の形態２で使用したポンプ仕様および受熱部のレート状フィン形状の立設寸法等は、本実施の形態１の場合と同じである。
【００６１】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における受熱部内の側面流線図と発熱体幅と受熱板厚さの比と規格化熱抵抗の関係を表したグラフである。図８（ａ）の本発明の実施の形態３における受熱部内の側面流線図の構成は、図２（ａ）の場合と基本的には同じであるが、異なる点は前記受熱部の複数の前記プレート状フィン４ｃを接合し発熱体３に対接する受熱板３と前記発熱体２のサイズが比較的近い場合を表している。また、図８（ｂ）は、発熱体幅と受熱板厚さの比と規格化熱抵抗の関係を表したグラフであり、仮に発熱体２と受熱板３の幅がほぼ同じと仮定した場合、横軸に図８（ａ）の発熱体長さＬと受熱板厚さｈの寸法比（Ｔ＝ｈ／Ｌ２）を取り、縦軸にＴ＝０．５の時の熱抵抗Ｒ０．５と受熱板厚さｈを変化させた場合の熱抵抗Ｒとの比を表している。この図より、発熱体と受熱板のサイズが比較的近い場合、寸法比ＴがＴ＝０．５から徐々に下げて行くとＴ＝０．１近傍までは熱抵抗を小さくできる事が分かる。しかし、寸法比Ｔが、Ｔ＝０．１以下では事実上受熱板厚さｈが余りにも薄くなるため、構造上の強度を確保できなくなるため採用できない。  
【００６２】
したがって、前記した通り受熱板サイズと発熱体サイズが比較的近い場合は、寸法比ＴをＴ＝０．１〜０．５の範囲に保つ事で、低い熱抵抗（高い吸熱性能）を実現する事ができる。
【００６３】
以上のように本実施の形態の電子部品の冷却装置は、受熱部内部の発熱体に対接する面の反対側に突出する複数のプレート状フィンの中央部近傍に垂直の冷媒流入ノズルを配する事、そして前記プレート状フィンの１部が略Ｖ字形状か、または略Ｕ字形状にする事で淀み領域を防止しつつ、本流を発熱体直上近傍へ誘導する事ができるようになり、さらに、発熱体と前記受熱板のサイズが近い場合には受熱板厚みｈと発熱体長さＬ２の寸法比（Ｔ＝ｈ／Ｌ２）が、Ｔ＝０．１〜０．５の範囲を取る事で、発熱体に接触する金属部分の熱抵抗を可能な限り小さくする事ができ、更に高い吸熱特性を有する電子部品の冷却装置を実現する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の電子部品の冷却装置によれば、高い吸熱特性を有するので、特にＭＰＵ等の高集積化、高周波数化に伴う高発熱量の電子部品の冷却に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における冷却装置をＰＣ筐体内に配置した場合の斜視図、（ｂ）受熱ユニットの拡大構造図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における冷却装置の受熱部の斜視図、（ｂ）受熱部の側面流線図
【図３】（ａ）従来例の受熱部と本発明の実施の形態１における受熱部を用いて、一定流量Ｑに対して発生する圧力損失Ｐの低減効果を比較したグラフ、（ｂ）同一ポンプを用いた場合の受熱部の圧力Ｐと流量Ｑの関係を表したグラフ
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における受熱部と流入ノズルの位置関係を表す側面流線図、（ｂ）本発明の実施の形態１における受熱部に対し一定流量Ｑを流した時の流入ノズル位置による熱抵抗への影響を表すグラフ
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における他の受熱部の斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態２における他の受熱部の側面流線図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態１および２における他の受熱部内の側面流線図、（ｂ）本発明の実施の形態１および２における他の受熱板近傍のフィン高さと規格化速度比の関係を示したグラフ
【図７】（ａ）本発明の実施の形態１および２における受熱部の一例を用いて、一定流量Ｑに対する発生圧力損失Ｐの低減効果を比較したグラフ、（ｂ）同一ポンプを用いた場合の受熱部の圧力Ｐと流量Ｑの関係を表すグラフ
【図８】（ａ）本発明の実施の形態３における受熱部内の側面流線図、（ｂ）発熱体幅と受熱板厚さの比と規格化熱抵抗の関係を表したグラフ
【図９】（ａ）従来の冷却装置の構成図、（ｂ）従来の冷却装置の受熱部構造を示す図
【図１０】（ａ）従来の他の冷却装置の受熱部の斜視図、（ｂ）は、従来の他の冷却装置の受熱部の側面流線図
【図１１】発熱サイズを変化させた場合の規格化熱抵抗変化を表したグラフ
【符号の説明】
【００６６】
１    受熱部
２    発熱体
３    受熱板
４ａ    プレート状フィン
４ｂ    中央部カットのプレート状フィン
５    流入口
６、６ａ、６ｂ    流出口
７ａ、７ｂ、７ｃ    流線
８    流路
９    流入ノズル
１０    ファン
１１    放熱部
１２    受熱部カバー
１３    ポンプ
１４    淀み領域
１５    電源ユニット
１６    ＰＣ筐体
１７    発熱体ソケット
１８    受熱ユニット
１９    ユニットカバー
１９ａ    ユニットカバーの上部
１９ｂ    ユニットカバーの側壁
１９ｃ    ユニットカバーの底部
２０    マザーボード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007180505.tif 000010
【図９】
2007180505.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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