(57)【要約】【課題】放熱効率あるいは冷却効率を大型化することなく向上させることができるコールドプレートを提供する。【解決手段】ベースプレート１は、下面が発熱体から熱を受ける。複数のフィン２は、ベースプレート１に対して紙面方向に所定の間隔を離して設けられる。蓋体７は、複数のフィン２を覆うようにベースプレート１に取り付けられるとともに、冷却液が流入される流入部９、および冷却液が流出される流出部１０をそれぞれ備える。複数のクロスピン３ａ，３ｂは、流路５の複数を横切るように複数のフィン２を貫通し、かつ冷却液が流路５を流れる流動方向に沿って所定の間隔を離して設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から熱を受けるベースプレートと、前記ベースプレートに所定の間隔を離して設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを覆うように前記ベースプレートに取り付けられるとともに、冷却液が流入される流入部、および前記冷却液が流出される流出部がそれぞれ設けられた蓋体とを有し、前記複数のフィンの間が前記冷却液が流れる流路とされたコールドプレートにおいて、
前記流路の複数を横切るように複数の前記フィンを貫通し、かつ前記冷却液が前記流路を流れる流動方向に沿って所定の間隔を離して設けられた複数のクロスピンを備えていることを特徴とするコールドプレート。
【請求項２】
前記複数のクロスピンは、前記フィンの高さ方向での位置を交互に変えて千鳥配列されていることを特徴とする請求項１に記載のコールドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーバなどに搭載されるＣＰＵなどの発熱体を冷却するコールドプレートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、サーバなどの電子機器は、性能が向上するに伴い、使用されるＣＰＵなどの発熱量が増大している。例えばＣＰＵを冷却するために、空冷ファン方式のヒートシンクを備えたコールドプレートに対して、冷却限界という問題から液冷方式のコールドプレートを用いて冷却する方式が採用されている。液冷方式としては、例えば発熱体から熱を受ける受熱部と、熱を発散させる放熱部とを通る循環流路が設けられたコールドプレートに、ポンプによって冷却液を強制的に循環させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されているコールドプレートは、複数のフィンを備えて放熱部が構成されている。複数のフィンは、平行に並べて配置されており、複数のフィンの間に流体を流すことで冷却効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８０４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＣＰＵあるいは記憶素子などの電子機器の動作速度が向上しており、それに伴って消費電力が増大し、発熱量が更に増大している。冷却器を大容量化すれば、電子機器の発熱量に対応した冷却を行うことができるが、冷却器を大容量化すると冷却器だけでなく、その冷却器を備えている電子装置も大型化してしまう不都合がある。このような事情を背景に、電子機器のための冷却器を、大型化することなく冷却効率を向上させることが求められているのが実情である。
【０００６】
本発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであって、放熱効率もしくは冷却効率を更に高めることができるコールドプレー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】
上記の課題を解決するために、本発明は、発熱体から熱を受けるベースプレートと、前記ベースプレートに所定の間隔を離して設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンを覆うように前記ベースプレートに取り付けられるとともに、冷却液が流入される流入部、および前記冷却液が流出される流出部がそれぞれ設けられた蓋体とを有し、前記複数のフィンの間が前記冷却液が流れる流路とされたコールドプレートにおいて、前記流路の複数を横切るように複数の前記フィンを貫通し、かつ前記冷却液が前記流路を流れる流動方向に沿って所定の間隔を離して設けられた複数のクロスピンを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明では、前記複数のクロスピンは、前記フィンの高さ方向での位置を交互に変えて千鳥配列されていてよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、流入部から供給された冷却液が、フィン同士の間に形成されている流路を通って流れ、その際にフィンから熱を奪い、その後、流出部から外部に流出する。その場合、フィンが平板状であることにより流路が直線状の流路であっても、流路の途中をクロスピンが横切っているので、冷却液はそのクロスピンによって流れが乱され、乱流となる。そのため、冷却液とフィンとの間の熱伝達率が増大し、コールドプレートの全体として放熱効率あるいは冷却効率を向上させることができる。また、クロスピンは流路を横切るようにフィンを貫通させて設けられるので、ベースプレートや蓋体を外側に張り出させる部材の付加がなく、全体としての構成が大型化することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態であるコールドプレートに使用されるベースプレートを示す平面図である。
【図２】図１に示したベースプレートを用いたコールドプレートを示す断面図である。
【図３】図１に示したベースプレートに用いられるクロスピンの作用を説明する図である。
【図４】図２に示したコールドプレートを用いて冷却液の流量に対する熱抵抗、および冷却液の圧力の低下を実験して求めた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて実施形態を説明する。図１は、一実施形態であるコールドプレートに使用されるベースプレート１を示す。図１に示すように、ベースプレート１は、複数のフィン２、および複数のクロスピン３ａ，３ｂを備えている。
【００１２】
ベースプレート１は、例えば横長矩形の板状をなし、熱伝導性の高い材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料により形成されている。ベースプレート１の裏面には、ＣＰＵなどの発熱体が接触される。
【００１３】
各フィン２は、薄くかつ細長い板状に形成され、長手方向をベースプレート１の長手方向に沿わした姿勢でベースプレート１の表面４に立設されている。また、各フィン２は、ベースプレート１の短手方向に向けて所定の間隔を離して配置されている。各フィン２の間は、冷却液が流れる流路５を形成している。各フィン２は、熱伝導性の高い材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料により形成されている。なお、各フィン２をベースプレート１と一体に形成してもよい。一体に形成する場合は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などの金属板の表面を削り起こすことで形成することができる。
【００１４】
クロスピン３ａ，３ｂは、各フィン２の配列幅Ｋとほぼ同じ長さの中実の棒状で作られており、流路５の複数を横切るように各フィン２を貫通して取り付けられている。そして、各クロスピン３ａ，３ｂは、冷却液が流路５を流れる流動方向に沿って所定間隔を離して配置されている。
【００１５】
各クロスピン３ａ，３ｂは、例えば熱伝導性の高い材料、一例としてはベースプレート１と同様の金属材料により作られている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂをプラスチック材料などの非金属材料で作ってもよい。また、各クロスピン３ａ，３ｂが流路５を横切る配置としては、冷却液が流れる方向（冷却液の流線方向）に対して直交、または所定の角度で交差する方向での配置を含む。
【００１６】
また、各クロスピン３ａ，３ｂと冷却液との間で熱交換が生じるから、各クロスピン３ａ，３ｂは各フィン２を貫通するとともに、その貫通部分で各フィン２に密着していることが熱伝達の点で好ましい。
【００１７】
各クロスピン３ａ，３ｂの断面の輪郭形状としては、円形に限らず、例えば楕円形、三角形、正方形や矩形を含む四角形、および五角以上の多角形としてもよいが、円形であれば冷却液の流動に対する抵抗が小さくなるので、断面形状を円形とすることが最も好ましい。さらに、各クロスピン３ａ，３ｂは、中実の棒形状に限らず、中空の棒状体であってもよい。
【００１８】
図２は、図１に示したベースプレート１を備えたコールドプレート６を示す断面図である。ベースプレート１には、蓋体７が取り付けられている。蓋体７は、下側を開放した箱状をしており、複数のフィン２を覆うようにベースプレート１に一体的に取り付けられる。蓋体７の長手方向でのそれぞれの端部における上面８には、冷却液が流入される流入部９、および冷却液が流出される流出部１０がそれぞれ設けられている。
【００１９】
蓋体７の材料としては、ベースプレート１と同様に、熱伝導性の高い金属材料、例えば銅、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属材料で形成される。蓋体７は、四方を取り囲む側壁１５がベースプレート１の表面４に、例えばろう付けもしくは焼結されることでベースプレート１との間の内部の空間部１１を密閉する。なお、蓋体７の内壁面（前記上面８とは反対側の面）に、各フィン２の上端縁１２がろう付けや焼結などの手段で固着され、冷却液が流れる流路５の各々を画定している。なお、蓋体７の内壁面と各フィン２の上端縁１２とは必ずしも固着もしくは密着させなくてもよいが、フィン２の上端縁１２を蓋体７の内壁面に固着すれば、蓋体７がフィン２によってベースプレート１に連結されるので、内圧が上昇した場合に蓋体７が膨らむことを防止もしくは抑制することができる。
【００２０】
各フィン２を側面から視た輪郭形状（側面視輪郭形状）は、ベースプレート１側が長辺となる台形となっている。なお、各フィン２の側面視輪郭形状としては、台形に限らず、単に矩形状であってもよい。
【００２１】
ベースプレート１と蓋体７とで形成される空間部１１は、各フィン２の長手方向での両側に、第１の空間部１３、および第２の空間部１４を備える。第１の空間部１３は、各流路５に向けて冷却液を分配するための空間あるいはヘッダーとなる。第２の空間部１４は、各流路５から流出した冷却液を合流させるための空間もしくはヘッダーとなる。流入部９は、外部から第１の空間部１３に冷却水を導入する。また、流出部１０は、第２の空間部１４から外部に冷却水を導出する。なお、流入部９、および流出部１０は、共に蓋体７の上面８に形成されているが、例えば蓋体７の側壁１５に形成してもよいし、いずれか一方を上面８に他方を側壁１５に設けてもよい。
【００２２】
各クロスピン３ａ，３ｂの断面での輪郭外形は、フィン２の高さ未満の長さを直径とする円形になっている。また、各クロスピン３ａ，３ｂは、フィン２の高さ内で、高さ方向に交互に位置を変えた千鳥配列になっている。なお、図２では、クロスピン３ａ，３ｂの数を７個として記載しているが、必ずしも７個でなくてもよく、少なくとも２個以上あればよい。また、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じピッチＰで配列されているが、互いに異なるピッチで配列されてもよい。
【００２３】
図３は、図１に示したコールドプレート６の作用を説明する図である。図３に示すように、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じ直径Ｄで作られており、千鳥配列で配置されている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂは、同じ直径に限定されることはなく、互いに異なる直径にしてもよい。
【００２４】
図３は、流路５の上流側から冷却液１６が、例えば層流で流れてくると仮定している図である。流路５の内部には、冷却液１６の流動方向（流線方向）に沿って順に、例えば下方寄りに配置されたクロスピン３ａと、上方寄りに配置されたクロスピン３ｂとが千鳥配列で露呈されている。したがって、上流側から層流で流れてくる冷却液１６はクロスピン３ａによって流れが遮られるので冷却液１６はクロスピン３ａを超えて流れることにより乱流となり、クロスピン３ａの下流側で渦流１７ａとなる。
【００２５】
さらに、クロスピン３ｂは、流路５を流れる冷却液１６のうちの、上流寄りの冷却液１６を下流側で乱流に遷移させて、例えば渦流１７ｂを誘起させる。図３には、このような渦流１７ａ，１７ｂを所定の一つの流路５についてのみ示しているが、クロスピン３ａ，３ｂは各フィン２を厚さ方向に貫通し、各流路５を横切っているから、渦流１７ａ，１７ｂは各流路５の内部で発生している。しかも渦流１７ａ，１７ｂは、クロスピン３ａ，３ｂの千鳥配列よりフィン２の高さ方向にずれた位置で交互に発生する。
【００２６】
このように、冷却液１６は、クロスピン３ａ，３ｂにより強制的に乱流とされて流路５内を流れる。つまり、クロスピン３ａ，３ｂは、流路５内でクロスピン３ａ，３ｂの間を縫うように冷却液１６を蛇行状に流し、蛇行状に流しながら乱流、例えば渦流１７ａ，１７ｂを誘起させる。このため、各フィン２と冷却液１６との間の熱伝達率が大きくなる。なお、図３では、一つの流路５について説明しているが、残りの他の流路５についても同様の熱伝達が行われることになる。
【００２７】
乱流の大きさは、レイノルズ数が大きくなるほど大きくなることが知られている。レイノルズ数を求める（１）式は以下の通りである。（１）式から分かるように、乱流の大きさは、流路５の断面平均流速Ｕ、またはクロスピン３ａ，３ｂの直径Ｄに比例する。
Ｒｅ＝（Ｕ×Ｄ）／ｖ           …（１）
ただし、Ｄはクロスピン３ａ，３ｂの直径、Ｕは流路５の断面平均流速、ｖは動粘性係数、Ｒｅはレイノルズ数を示す。
【００２８】
対流熱伝達による熱抵抗は、以下の（２）式により求められる。
Ｒｈ＝１／（Ａｈ・ｈ）          …（２）
ただし、Ｒｈは対流熱伝達による熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、ｈは熱伝達率(Ｗ／ｍ２・Ｋ)、Ａｈは熱伝達面の面積（ｍ２）をそれぞれ表す。
【００２９】
強制対流の熱伝達率を計算するために必要な数式を以下の（３）式および（４）式に示す。
Ｎｕ＝Ｆｕｎｃ（Ｒｅ，Ｐｒ）        …（３）
Ｈ＝（λ・Ｎｕ）／Ｌ            …（４）
ただし、Ｎｕはヌセルト数、Ｐｒは流体のプラントル数、Ｒｅはレイノルズ数、λは冷却液の熱伝導率（Ｗ／ｍ・ｋ）、Ｈは熱伝達率（Ｗ／ｍ２・Ｋ）、Ｌは物体（フィン２）の代表長さ（ｍ）をそれぞれ表す。
【００３０】
レイノルズ数は、前述した（１）式より求められる。このように、強制対流による熱伝達率は、例えば
（ａ）冷却液が接するクロスピン３などの形状を明確にする、
（ｂ）冷却液の流速を求める、
（ｃ）レイノルズ数（Ｒｅ）を求める、
（ｄ）ヌセルト数（Ｎｕ）を求める、
などの手順を経て求めることが可能となる。
【実施例】
【００３１】
図４は、冷却液１６の流量(Flow rate)に対する冷却性能の指標である熱抵抗（Thermal resistance）、および冷却液１６の圧力の低下（Pressure drop）をプロットしたグラフである。図４では、熱抵抗を、クロスピン３ａ，３ｂが設けられたコールドプレート６を用いて実験した結果をプロットした線（実線）２０と、クロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレートを用いて実験した結果をプロットした線（破線）２１とで示し、圧力の低下を線で繋いでいない「○」印（クロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレート）と、「□」印（クロスピン３ａ，３ｂを用いたコールドプレート６）で示している。熱抵抗は、熱源として用いたヒータの単位出力（１Ｗ）当たりの、ヒータによって加熱されている箇所とコールドプレートから流出する冷却液との温度差で表している。圧力の低下は、流入部９の圧力と流出部１０の圧力との差として求めた。
【００３２】
ここで、図４の結果を求めるための実験に使用したコールドプレート６の具体的な形状を示す。図１に示した長さＬ１は、ベースプレート１の長手方向の長さを表しており、１１４ｍｍとしている。長さＬ２は、各フィン２の長手方向の長さを表し、７９．４ｍｍとしている。長さＬ３は、ベースプレート１の一端１８から各フィン２の一端１９までの長さを表し、１７．３ｍｍとしている。長さＬ４は、蓋体７の取り付け幅を表し、２．４ｍｍとしている。配列幅Ｋは、各フィン２が配列されている領域の幅面を表し、３７．４ｍｍとしている。幅Ｗは、前記配列幅Ｋと、蓋体７のベースプレート１に対する接合部の厚さ（長さＬ４×２）とを加算した長さを表し、４２ｍｍとしている。なお、各クロスピン３ａ，３ｂの長さも前記配列幅Ｋと同じ長さとしている。各フィン２は、厚みが０．５ｍｍ、間隔（流路５の幅）が０．４ｍｍとなっている。
【００３３】
また、図２に示したように、クロスピン３ａ，３ｂは、ピッチＰを１０ｍｍ、個数を７個としている。図３において、厚みＴは、ベースプレート１の厚みを表し、３ｍｍとしている。クロスピン３ａ，３ｂの直径Ｄは、１．１ｍｍとしている。長さＦは、ベースプレート１の表面４に対して下方に配置されたクロスピン３ａの中心までの高さ方向の長さを表し、１．２ｍｍとしている。長さＥは、蓋体７の内壁面に対して上方に配置されたクロスピン３ｂの中心から蓋体７の内壁面までの高さ方向の長さを表し、１．２ｍｍとしている。高さＨは、表面４からフィン２の上端縁１２までの高さを表し、３．５ｍｍとしている。なお、高さＨは、各フィン２の高さと同じとしている。
【００３４】
さらに、ベースプレート１、蓋体７、各フィン２、および各クロスピン３ａ，３ｂなどは、すべて銅で作られており、ベースプレート１と蓋体７とはろう付けにより接合した。また、冷却液には水を用いた。さらに、発熱体としては、フィン２を配置した面積と同等のサイズであるＬＳＩを想定して電気ヒータを用いて実験を行った。
【００３５】
実験での熱抵抗の測定方法は、電気ヒータをベースプレート１の下面中央部に接触させて、出力を１００Ｗ（ワット）に設定した。冷却液の流量を、０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度から［２．５Ｌ／ｍｉｎ］程度までの範囲で変化させ、所定の流量ごとに熱抵抗を求めた。その場合に測定した温度は、電気ヒータで加熱されている箇所の温度と、コールドプレートにおける前記流出部での冷却液の温度とである。これらの温度の差を電気ヒータの出力で割り算し、熱抵抗を求めた。
【００３６】
熱抵抗は、図４に示すように、クロスピン３ａ，３ｂが無いコールドプレートでは、流量が０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度のときに熱抵抗がほぼ０．０５［Ｋ／Ｗ］であり、流量が１．５［Ｌ／ｍｉｎ］を超えたあたりから熱抵抗が飽和していき、流量が２．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度ではほぼ０．０３［Ｋ／Ｗ］になった。
【００３７】
これに対し、クロスピン３ａ，３ｂを設けたコールドプレート６では、流量が０．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度のときに熱抵抗がほぼ０．０４５［Ｋ／Ｗ］になり、冷却液の流量の増大に従って熱抵抗が次第に低下し、流量が２．５［Ｌ／ｍｉｎ］程度ではほぼ０．０２６［Ｋ／Ｗ］程度まで下がることが認められた。つまり、両者を比較すると、クロスピン３を設けることにより、コールドプレート６の熱抵抗がほぼ０．００５［Ｋ／Ｗ］低下しており、前述したクロスピン３ａ，３ｂを設けることにより放熱効率もしくは冷却効率が向上することが認められる。
【００３８】
また、圧力の低下は、流量が増大するほど大きくなるが、クロスピン３ａ，３ｂを用いたコールドプレート６とクロスピン３ａ，３ｂの無いコールドプレートとにおける圧力の低下に相違は認められなかった。したがって、本発明によるコールドプレート６では、冷却液の供給圧力を特に高くすることなく、必要量の冷却液を流すことができ、この点でも放熱効率あるいは冷却効率が優れていると言い得る。
【００３９】
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…ベースプレート、  ２…フィン、  ３ａ，３ｂ…クロスピン、  ５…流路、  ６…コールドプレート、  ７…蓋体、  ９…流入部、  １０…流出部、  １６…冷却液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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