液冷ジャケット
【課題】 低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供する。
【解決手段】 偏平な中空直方体状の液冷ジャケットから構成されていて、この液冷ジャケットの搭載面に冷却すべき発熱体が搭載され、この液冷ジャケットの搭載面の内側に複数のインナーフィンが分散配置されており、上記液冷ジャケットの内に導入される冷却液が上記搭載面の内側に沿って各インナーフィンの間を流れることにより、上記搭載面に搭載された発熱体を冷却する液冷ジャケットにおいて、上記液冷ジャケットの内部における冷却液の流速分布が各インナーフィンによる流体抵抗に基づいて上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように、各インナーフィンが上記液冷ジャケットの搭載面内側に配置されるように、液冷ジャケット１０を構成する。
【解決手段】 偏平な中空直方体状の液冷ジャケットから構成されていて、この液冷ジャケットの搭載面に冷却すべき発熱体が搭載され、この液冷ジャケットの搭載面の内側に複数のインナーフィンが分散配置されており、上記液冷ジャケットの内に導入される冷却液が上記搭載面の内側に沿って各インナーフィンの間を流れることにより、上記搭載面に搭載された発熱体を冷却する液冷ジャケットにおいて、上記液冷ジャケットの内部における冷却液の流速分布が各インナーフィンによる流体抵抗に基づいて上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように、各インナーフィンが上記液冷ジャケットの搭載面内側に配置されるように、液冷ジャケット１０を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば複数のＬＥＤ素子等の発熱体を冷却するための液冷ジャケットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って半導体デバイスの発熱量が増大している。このため、半導体デバイスを効率的に冷却するために、高性能の冷却システムの需要が高まっている。
さらに、半導体デバイスの高密度化も進んでおり、高密度集積回路における消費電力も加速度的に上昇し、発熱量と共に、発熱密度も急激に増大している。
このような半導体デバイスや高密度集積回路においては、従来使用されているような半導体デバイスのための冷却システム、即ち例えばペルチェ素子による強制吸熱や、ヒートシンク及び冷却ファンによる強制空冷では、冷却能力に限界がある。従って、より高い冷却能力を有する液冷システムも実用化されてきている。
【０００３】
光半導体を利用したＬＥＤ素子においても、発光光度の向上に伴って、従来の表示用途から照明用途への、用途が拡大するにつれて、大電力化の道を辿っている。
ＬＥＤ素子における大電力化の最大の問題点は、発光効率が向上したとはいえ、未だなお投入電力の大部分が熱に変換されてしまい、ＬＥＤ素子自体からの発熱によって、ＬＥＤ素子の発光効率が低下し、寿命が短くなってしまうということである。
【０００４】
特に大電力ＬＥＤ素子においては、チップ当たり数Ｗにもなる発熱に耐え得るようなパッケージ及び放熱構造が要求されており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板を利用したものが実用化されている。
特にセラミック基板の場合には、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上すると共に、絶縁性を有するためにメタルコア基板の場合のような絶縁層が不要であるという二つの大きな利点により、注目されている。
このような大電力ＬＥＤ素子においても、高い冷却性能を有する液冷システムは、ＬＥＤ素子の冷却のために有効である。
【０００５】
また、ＬＥＤ素子を利用した照明は、従来の白熱灯や蛍光灯，放電灯と比較して長寿命で所謂メンテナンスフリーであることから、交換に手間のかかる高所，局所用照明の代替候補として非常に注目を集めている。例えば大電力の高所照明としては、運動競技場や体育館等に設置されるスタジアム照明がある。
このようなスタジアム照明等においては、安定した高出力の照明が求められるため、従来は水銀灯等の放電灯が使用されている。このような放電灯の代替照明とするためには、１チップのＬＥＤ素子では非常に困難であるので、一般的には、複数チップを一つのパッケージとしたＬＥＤモジュールや、さらに複数パッケージを一つに纏めたＬＥＤユニットが使用される。
【０００６】
しかしながら、ＬＥＤ素子は、動作温度によって発光光度や寿命が決まるため、上述したＬＥＤモジュールやＬＥＤユニットにおいては、一つ一つのＬＥＤチップの温度を均一に保持することにより、発光光度や寿命のバラツキを抑えることが必須条件である。従って、このような大電力のＬＥＤ照明においても、発光光度や寿命のバラツキを抑えるために、高い冷却性能を有する液冷システムが有効である。
【０００７】
このような液冷システムとしては、例えば特許文献１による水冷式ヒートシンクが知られている。
特許文献１には、内部に冷却水用流路が形成された偏平なチューブと、該チューブの内面に密着するようにチューブ内に挿入されたインナーフィンと、前記冷却水用流路に連通するように前記チューブの両端部に接続された冷却水出入口と、を備え、前記チューブの両端部は前記冷却水出入口の接続部を残してそれぞれ潰された後にさらに折曲されて閉塞されていることを特徴とする水冷式ヒートシンクが開示されている。
さらに、このヒートシンクは、好ましくは前記チューブの外側平坦面に受熱板が設けられ、該受熱板は被冷却体と密着可能なように形成されている。
このような構成の水冷式ヒートシンクにおいては、出入口が設けられたジャケット内部に熱交換のためのインナーフィンが設けられ、ジャケット外側を偏平とすることで熱源を設置する受熱面とした構造を有している。
【０００８】
また、特許文献２には、偏平なヒートシンク本体の内部にインナーフィンが介装され、内部に冷却液が流通すると共に、ヒートシンク本体の平坦な外搭載面の一部に複数の電子部品が接触固定される複数の取り付け面を有する液冷ヒートシンクにおいて、第一の取り付け面に取り付ける電子部品の発熱量が第二の取り付け面のそれより大であるとき、または前記発熱量が同一で第一の取り付け面が冷却液の下流側に位置し、第二の取り付け面がその上流側に位置するとき、前記第一の取り付け面の直下の前記インナーフィンの伝熱性が第二の取り付け面のインナーフィンのそれより大になるように構成した液冷ヒートシンクが開示されている。
【０００９】
このような構成の液冷ヒートシンクにおいては、より発熱量の大きな加熱体または下流側に位置する加熱体の伝熱性を向上させるために、対応するインナーフィンの伝熱面積を大とし、あるいはその直下を流通する冷却液の流量または流速を大きくする。これにより、ヒートシンクの搭載面の互いに離間して複数の電子部品を配置するものにおいて、各電子部品の容量等に基づいて、ヒートシンクの最適設計が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１２８９３５号公報
【特許文献２】特開２００８−１７１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、発熱体から冷媒としての液体への等価熱伝達率（冷媒と接する部分の総搭載面積ではなく、包絡断面積で熱量を割ったもの。以下、単に熱伝達率という）を向上させるためには、冷却装置内の冷媒の流路構造を最適化することが重要である。
【００１２】
しかしながら、特許文献１による水冷式シートシンクにおいては、偏平なチューブから構成されていることから、あまり薄型に構成することは困難である。また、受熱板の大きさが、特にチューブの幅方向に関して制限されることから、熱伝達率も制限されることになると共に、コンピュータのＭＰＵ等よりも大型の電子部品や多数の電子部品が並んで実装される場合には、対応することが困難である。
【００１３】
これに対して、特許文献２による液冷ヒートシンクにおいては、冷却すべき発熱体に合わせてインナーフィンの配置密度を変化させることにより、流路が最適設計され、熱伝達率を向上させている。しかしながら、複数の発熱体の配置状態に対応して、個別にインナーフィンが配置されている。従って、このような液冷ヒートシンクは自由度がなく、汎用性に乏しい。このため、発熱源の配置を変更する場合には、そのままでは、対応することができず、新たにインナーフィンによる流路を再度設計し直さなければならず、時間及びコストがかかってしまう。
【００１４】
本発明は、以上の点から、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明の第一の態様は、発熱体が搭載される搭載面と、上記搭載面の下方に形成される内部空間と、上記内部空間に分散配置される複数のインナーフィンと、を備える液冷ジャケットであり、上記インナーフィンが、その流体抵抗に基づいて上記内部空間における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されている。
【００１６】
この第一の態様では、流入口から液冷ジャケットの内部空間に導入された冷却液が、この内部空間内にて流出口に向かって流れ、流出口から流出する。
そして、冷却液は、上記内部空間内で液冷ジャケットの搭載面の内側を流れることにより、上記搭載面そしてこの搭載面に搭載された発熱体を冷却する。
【００１７】
ここで、液冷ジャケットの内部空間内では、分散配置されたインナーフィンは、それぞれ冷却液に対して流体抵抗として作用する。これにより、各インナーフィンの配置に基づいて、液冷ジャケットの内部空間内における冷却液の流速分布が制御され、液冷ジャケットの内部空間内の全体に亘って均一に冷却が行なわれる。従って、液冷ジャケットの搭載面そして発熱体が均一の温度に冷却され、温度のバラツキが最小化される。
【００１８】
本発明の第二の態様による液冷ジャケットは、各インナーフィンの位置が、上記流入口を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記内部空間内の流速分布が一定になるように決定される。
【００１９】
この第二の態様では、各インナーフィンの位置における冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、液冷ジャケットの内部空間内における冷却液の流速分布を求めて、この冷却液の流速分布が各インナーフィンによる流体抵抗によって全体に亘って一定になるように、計算シミュレーションによって各インナーフィンの位置が容易に且つ最適に決定され得る。
【００２０】
本発明の第三の態様による液冷ジャケットは、上記流入口が、上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、それぞれ上記流入口または流出口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口または流出口からの距離に応じて、距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられている。
【００２１】
本発明の第四の態様による液冷ジャケットは、上記流入口が、上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上で流入口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられ、上記流出口に近い領域にてこの流出口を中心とする同心円上で流出口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられている。
【００２２】
この第三及び第四の態様では、上記仕切り部材に設けられる各貫通孔が、上記冷却液の流入口を中心とする同心円の周方向に関して配置され、さらに上記流入口から離れるに従って距離の対数関数に比例して減少する流速を補完するように、距離の対数関数の逆数に比例して密度が高くなるように配置される。従って、上記液冷ジャケットの内部空間においては、各インナーフィンによる流体抵抗によって、全体に亘って流速密度が等しくなるので、上記液冷ジャケットの搭載面における冷却効率が全面に亘って均等になる。
【００２３】
本発明の第五の態様による液冷ジャケットは、上記流出口が、上記液冷ジャケットの流入口とは対角方向の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、上記流入口と流出口の中間領域にて上記流入口と流出口を通る直線上で最も密度が高くなりこの直線から外れるに従って密度が低くなるように配置されている。
この第五の態様では、流入口と流出口を結ぶ直線の中間点から垂直な方向に関して、当該直線上で最も冷却液の流速が速く、この直線から外れるに従って流速が低くなるので、このような流速の分布に対応して、流速が速い部分ほど高い密度で各インナーフィンが配置される。これにより、各インナーフィンによる流体抵抗によって、流速が速い部分ほどより流体抵抗が大きくなるので、上記中間領域における流速が均一になる。
【００２４】
本発明の第六の態様による液冷ジャケットは、上記搭載面が、上記液冷ジャケットの他の部分と別体に構成され、この他の部分に対して着脱可能に取り付けられている。
この第六の態様では、内側にインナーフィンが配置される液冷ジャケットの搭載面が液冷ジャケットの他の部分と別体に構成されているので、発熱体の配置が変更された場合には、この発熱体の新たな配置に対応して各インナーフィンの配置をした新たな搭載面と交換することによって、上記搭載面に搭載される発熱体の任意の配置に容易に対応することが可能である。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明によれば、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載される搭載面全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットが提供され得ることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示す分解斜視図である。である。
【図２】図１の液冷ジャケットにおけるベースプレートを外した状態の概略斜視図である。
【図３】図１の液冷ジャケットにおけるベースプレートを下方から見た底面図である。
【図４】図１の液冷ジャケットを使用した冷却システムの構成例を示すブロック図である。
【図５】流入口を原点とする冷却液の一次元の流速分布を示すグラフである。
【図６】流入口を原点とする冷却液の二次元の流速分布を示すグラフである。
【図７】流入口及び流出口を原点とする冷却液の二次元の流速分布を重ね合わせたグラフである。
【図８】図１の液冷ジャケットにおける（Ａ）流入口に近い領域のインナーフィン，（Ｂ）流出口に近い領域のインナーフィン及び（Ｃ）全インナーフィンによる冷却液の流速分布をそれぞれ示すグラフである。
【図９】図１の液冷ジャケットに対する第一の比較例の構成を示す図３と同様の底面図である。
【図１０】図１の液冷ジャケットに対する第二の比較例の構成を示す図３と同様の底面図である。
【図１１】図１の液冷ジャケットと図９及び図１０の比較例の検証実験における発熱源の温度と個数との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図１３】図１２の液冷ジャケットにおける全体の冷却液の流速分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１３を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示している。
図１において、液冷ジャケット１０は、例えば大光量，大電力のＬＥＤ照明用のものであって、偏平な液冷ジャケットを構成する上方が開放したコンテナ１１と、コンテナ１１の開放した上端を液密的に閉じるベースプレート１２と、から構成されている。
【００２９】
上記コンテナ１１は、図１においてＸＹ方向に偏平で、且つＺ方向上方に開放した中空直方体状に形成されている。
上記コンテナ１１は、ベースプレート１２そして後述する流入口，流出口との密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等から構成されている。
図２に示すように、上記コンテナ１１は、その一つの角部に流入口１１ａを備えていると共に、当該角部と対角方向に位置する他の角部に流出口１１ｂを備えている。
ここで、上記コンテナ１１は、図３の底面図に示すように、外形１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形の形状を有しており、例えば厚さ１ｍｍのアルミニウムから構成されている。
【００３０】
また、上記コンテナ１１は、その高さが３〜１０ｍｍ程度に選定されている。
ここで、高さがこれより低すぎると、内部を流れる冷却液に対する流体抵抗が大きくなって、圧力損失が増大し、冷却効率が低下してしまう。
これに対して、高さがこれより高すぎると、コンテナ１１内の容量が過度に大きくなって、冷却液の流速が著しく低下して、流出口まで発熱体を冷却するのに十分な勢いの噴流が届かず、冷却効果が低下してしまうと共に、取り付けスペースが大きくなってしまう。
【００３１】
上記ベースプレート１２は、平板状に形成されており、コンテナ１１の開放した上面に密着して閉じるように、その大きさ及び形状が選定されている。
また、上記ベースプレート１２は、その上面には、冷却すべき複数個の発熱源１３が搭載されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、発熱源１３からの熱を拡散すると共に、冷却液に熱を効率よく伝達する、という二つの役割を担っている。このため、上記ベースプレート１２は、その厚さが例えば０．５〜３ｍｍ程度に選定されている。さらに、上記ベースプレート１２は、種々の金属材料から構成され、熱伝導率と加工性の観点からアルミニウムまたは銅が好適である。
【００３２】
上記ベースプレート１２は、より具体的には１ｍｍ厚のアルミニウム板から構成されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、その周縁が上記コンテナ１１の周縁に対して、接着あるいは溶接等により、液密的に取り付けられる。
さらに、上記ベースプレート１２は、その下面に、後述するように分散配置された複数個のインナーフィン１４を備えている。
【００３３】
上記発熱源１３は、冷却すべき任意の発熱源、例えばＬＥＤモジュールであって、図示の場合、上記ベースプレート１２の上面において、等間隔で縦７個×横７個、計４９個配置されている。
【００３４】
上記各インナーフィン１４は、上記ベースプレート１２の下面に立設されており、角柱，円柱等のピンとして形成されている。尚、角柱状と円柱状では、円柱状のピンが、流体抵抗が低いので、好ましい。
そして、各インナーフィン１４は、ベースプレート１２の下面に上端が接合されると共に、下端がコンテナ１１の底面に密着するように、その長さが選定されている。
また、各インナーフィン１４は、ベースプレート１２からの熱伝導性及びベースプレートとの接合性を確保することができるように、ベースプレート１２と同じ材料、例えば銅またはアルミニウム等の金属から構成されている。
【００３５】
さらに、各インナーフィン１４は、図３に示すように上記ベースプレート１２の下面に配置されている。
即ち、図３において、ベースプレート１２の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに近い領域Ａでは、インナーフィン１４は、流入口１１ａまたは流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａまたは流出口１１ｂからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
これは、流入口１１ａの近傍の冷却液の流速が速い領域で、より多量のインナーフィン１４を設けて、流速を抑えるためである。
【００３６】
また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い領域Ｂ即ち、流入口１１ａ及び流出口１１ｂが配置されていない角部に近い領域では、各インナーフィン１４は、領域Ａよりは密度が小さく、かつ上記角部からの距離が短くなるにつれて、距離の対数関数的に微増するように、配置されている。
これは、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから離れていることから、冷却液の流速が低いので、インナーフィン１４を少なくして、より多量の冷却液が流れるようにするためであると同時に、最も流入口１１ａ及び流出口１１ｂから離れている角部では、逆にインナーフィン１４の数を多くして、熱交換のための面積を稼ぐためである。
これに対して、上記二カ所の領域Ｂを結ぶ対角線上の領域Ｃでは、各インナーフィン１４は、流入口１１ａと流出口１１ｂを結ぶ直線上で最も密度が高く、この直線から外れるに従って密度が低くなるように、配置されている。
これは、上記直線上で、流入口１１ａから流出口１１ｂに向かって真っ直ぐに流れる冷却液が最も速い流速で通過するので、この流速を抑制するためである。
【００３７】
ここで、上記流入口１１ａ及び流出口１１ｂは、上記コンテナ１１に対して密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等のパイプから構成されており、その直径は例えば５〜１０ｍｍ程度である。
さらに、上記流入口１１ａは、上記コンテナ１１の一つの角部において、下方から上記コンテナ１１の底面に連結されており、上記コンテナ１１の内部空間に開口している。
これに対して、上記流出口１１ｂは、上記コンテナ１１の対角方向の他の角部において、下方から上記コンテナ１１の底面に連結されており、同様に上記コンテナ１１の内部空間に開口している。
これにより、上記流入口１１ａから上記コンテナ１１の内部空間へ、そして各インナーフィン１４の間を通って、上記流出口１１ｂから外部へと続く冷却液の密閉された流路が形成されることになる。
【００３８】
本発明による液冷ジャケット１０は以上のように構成されており、以下のように組み立てられる。
即ち、まず上記コンテナ１１の底面に対して、接着，溶接等により流入口１１ａ及び流出口１１ｂが液密的に取り付けられる。
続いて、上記コンテナ１１に、前もって複数個のインナーフィン１４が取り付けられたベースプレート１２が載置され、その周縁が上記コンテナ１１の開放した上端の周縁に対して液密的に取り付けられる。
尚、ベースプレート１２上への発熱源１３の取り付けは、ベースプレートのコンテナ１１への取り付け後が好ましい。
【００３９】
このようにして組み立てられた液冷ジャケット１０を使用する場合、図４に示す公知の構成の冷却システム２０に、液冷ジャケット１０を組み込んで使用される。
図４の冷却システム２０において、液冷ジャケット１０の流出口１１ｂから、順次に放熱部２１，リザーブタンク２２，ポンプ２３を介して流入口１１ａに戻る冷却液の流路が構成される。
これにより、液冷ジャケット１０において発熱源１３から受熱した冷却液は、図４にて矢印で示すように、流出口１１ｂから放熱部２１に持ち来たされ、放熱部２１でラジエータ２１ａ内を流れる際に冷却ファン２１ｂにより放熱が行なわれ、冷却液が冷却される。
その後、冷却液は、リザーブタンク２２内に貯蔵される。そして、ポンプ２３の作動によりリザーブタンク２２からくみ上げられた冷却液は、再び液冷ジャケット１０の流入口１１ａから液冷ジャケット１０内に導入され、発熱源１３の冷却が行なわれる。
【００４０】
次に、上記液冷ジャケット１０内における冷却液による冷却について詳細に説明する。
上記流入口１１ａから上記液冷ジャケット１０の内部空間内に導入された冷却液は、この内部空間内を拡散しながら、流出口１１ｂに向かって流れ、その際ベースプレート１２に沿って流れることにより、ベースプレート１２から受熱して、ベースプレート１２を冷却する。
その後、上記内部空間から流出口１１ｂを介して流出する冷却液は、前述した冷却システム２０により放熱部２１で冷却され、リザーブタンク２２内に貯蔵された後、ポンプ２３により再び液冷ジャケット１０内に導入される。
【００４１】
この場合、上記液冷ジャケット１０の内部空間内では、上記ベースプレート１２の下面に、前述したように複数個のインナーフィン１４が分散配置されている。このため、冷却液は、これらのインナーフィン１４により流体抵抗を受けて、以下のように内部空間内を流れることになる。
【００４２】
即ち、一般に、流入口から流入する冷却液に関して、流入口からの距離ｒの位置における冷却液の流速Ｖは、
【数１】
なる円筒座標系の拡散方程式の解により与えられる。ここで、Ｃは積分定数（任意の値）である。
この式による冷却液の流速分布は、一次元では、図５に示すように、また二次元では、図６に示すように、距離ｒが大きくなるにつれて、距離の対数関数に従って減少している。
これに対して、流出口では、同様に流速が与えられるが、流速ベクトルは、流入口の場合と逆向き、即ち流出口に向いている。
従って、複数個の流入口が存在する場合には、各流入口に関する上記式による冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、例えば図８に示すような二次元の流速分布が得られる。
【００４３】
このような流速分布を液冷ジャケット１０について考察すると、流入口１１ａ及び流出口１１ｂに関して、上記式による冷却液の流速分布が得られることになる。
従って、液冷ジャケット３０の内部空間における冷却液の流速分布は、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを原点とした拡散方程式の解の和として表すことができる。
即ち、流入口１１ａ及び流出口１１からの距離をそれぞれｒ１，ｒ２とすると、液冷ジャケットの任意の位置における流速分布Ｖは、
【数２】
で与えられる。
従って、この流速分布Ｖが、液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２の全体に亘って均一となるように、各インナーフィン１４を配置すればよい。
即ち、流速が速い部分においては、その速さに対応して、より多くのインナーフィン１４を配置し、流速が遅い部分においては、同様にその速さに対応して、より少ないインナーフィン１４を配置すればよい。
【００４４】
ところで、前述したように、領域Ａにおいては、各インナーフィン１４は、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されているので、この同心円の周方向に関しては、冷却液の流速はほぼ均一である。また、同心円の半径方向に関しては、流入口１１ａからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
ここで、流入口１１ａに近い領域Ａにおける内部空間内の冷却液の流速分布は、図８（Ａ）に示すように、また流出口１１ｂに近い領域Ａにおける内部空間内の冷却液の流速分布は、図８（Ｂ）に示すようになっている。従って、領域Ａにおける冷却液の流速分布は、これらの流速分布を重ね合わせることにより、図８（Ｃ）に示すようになっている。
このため、上記流速分布Ｖの対数関数により与えられる流速分布を補完するように、流速が速い部分にはより多くのインナーフィン１４が配置されることにより、内部空間内における冷却液の流速分布が均一になる。
【００４５】
図９は、図１に示した液冷ジャケット１０の効果を検証するための第一の比較例の構成を示している。
図９において、液冷ジャケット３０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、ベースプレート１２におけるインナーフィン１４の配置のみが異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図９において、ベースプレート１２の下面には、インナーフィン１４がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ１５個ずつ等間隔で並んで配置されている。
個々のインナーフィン１４は、図１の液冷ジャケット１０におけるインナーフィン１４と同じ構成である。
【００４６】
これに対して、図１０は、図１に示した液冷ジャケット１０の効果を検証するための第二の比較例の構成を示している。
図１０において、液冷ジャケット４０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、ベースプレート１２におけるインナーフィン１４が省略されている点でのみ異なる構成になっている。
【００４７】
次に、前述した図１，図９及び図１０に示した液冷ジャケット１０，３０，４０について、その冷却効果について検証実験を行なった結果を示す。
検証実験において、共通条件として、コンテナ１１の大きさを１５０×１５０×６ｍｍとし、コンテナ１１，ベースプレート１２を厚さ１ｍｍのアルミニウムにより構成した。また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを６ｍｍ径のパイプにより構成した。
ベースプレート１２上には、発熱源１３として、５ｍｍ角，出力４ＷのセラミックヒーターをＸ方向及びＹ方向に７個ずつ、計４９個並べて取り付けた。
【００４８】
さらに、冷却システム２０として、水冷デスクトップパソコン用の輸送能力４００ｍｌ／分のポンプを使用し、水冷デスクトップパソコン用の１２０ｍｍ角のラジエータ（最大放熱能力１８０Ｗ）及び１２０ｍｍ角の軸流ファンをそれぞれ二連として、使用した。
また、冷却液として、プロピレングリコールを主成分としたＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を使用した。
【００４９】
このような共通条件のもとで、冷却液を室温（２５℃）で冷却システム２０に循環させたとき、発熱源であるセラミックヒーターの定常状態における温度を熱電対により測定、各セラミックヒーターの温度バラツキを評価した。
即ち、図１１に示すように、横軸にセラミックヒーターの温度を、縦軸にセラミックヒーターの個数をとって、各発熱源の温度分布をグラフ化した。
このようなグラフによれば、グラフの山が急峻で、且つ山のピークが低温側であるほど、冷却能力が高いことになる。
【００５０】
図１１のグラフによれば、液冷ジャケット１０では、グラフの山が２６℃と十分に低く、温度分布も３３℃から４８℃まで所謂すそ野が狭く、十分な冷却効果が観察された。
これに対して、液冷ジャケット３０（比較例１）では、グラフの山は４５℃，４７℃と高温側であり、温度分布も３９℃から４８℃と高温側に広がっており、液冷ジャケット１０と比較して、冷却能力が低いことが分かる。
また、液冷ジャケット４０では、グラフの山は５０℃と非常に高く、温度分布も３９℃から５２℃と高温まで広がっており、液冷ジャケット１０の冷却能力がより明白に実証された。
【００５１】
図１２は、本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示している。
図１２において、液冷ジャケット５０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、流出口１１ｂの位置が、流入口１１ａに対して対角方向ではなく、隣接する角部に在って、これに対応して、インナーフィン５１が配置されている点で異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図１２において、液冷ジャケット１０の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに近い領域Ａでは、図１の液冷ジャケット１０の場合と同様に、インナーフィン５１は、流入口１１ａまたは流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａまたは流出口１１ｂからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
【００５２】
また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い領域Ｂでは、図１の液冷ジャケット１０の場合と同様に、インナーフィン５１は、領域Ａよりも低い密度で、角部からの距離が短くなるにつれて、距離の対数関数的に微増するように、配置されている。
これに対して、流入口１１ａと流出口１１ｂの真ん中で液冷ジャケット１０の内部空間を二分割する直線上の領域Ｃでは、各インナーフィン５１は、流入口１１ａと流出口１１ｂを結ぶ直線上で最も密度が高く、この直線から外れるに従って密度が低くなるように、配置されている。
【００５３】
このような構成の液冷ジャケット５０によれば、図５に示した液冷ジャケット３０と同様に作用すると共に、インナーフィン５１の上述した配置によって、即ち領域Ａ，Ｂ及びＣに配置された各インナーフィン５１によって、液冷ジャケット５０の上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図１３に示すように、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い端縁付近においても、十分な流速が得られることになり、上方空間Ｓ２全体でほぼ均一な流速分布が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述した実施形態においては、ベースプレート１２は、コンテナ１１の周縁の上面に載置されるようになっているが、これに限らず、接着，溶接等の接合方法に対応して、あるいはベースプレート１２に搭載される発熱源１３の固定方法等に対応して、任意の取り付け方法が可能である。例えば、ベースプレート１２は、コンテナ１１の内側面に固定されていてもよい。
また、上述した実施形態においては、液冷ジャケットはＸＹ方向に関してほぼ正方形に形成されているが、これに限らず長方形あるいは他の任意の形状に形成されていてもよいことは明らかである。
【００５５】
さらに、上述した実施形態においては、各インナーフィン１４，５１は、整列して配置されているが、これに限らず、各インナーフィン１４，５１は整列していなくても、所定の密度で配置されていればよい。
尚、各インナーフィン１４，５１は、好ましくはコンテナ１１の内壁面とは所定の間隔、例えばコンテナ１１の一辺の内法の２〜５％程度、上述した実施形態では２〜３ｍｍ程度の間隔をもって設けられる。
【００５６】
このようにして、本発明によれば、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０，３０，４０，５０ 液冷ジャケット
１１ コンテナ
１１ａ 流入口
１１ｂ 流出口
１２ ベースプレート
１３ 発熱源
１４ インナーフィン
２０ 冷却システム
２１ 放熱部
２１ａ ラジエータ
２１ｂ 冷却ファン
２２ リザーブタンク
２３ ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば複数のＬＥＤ素子等の発熱体を冷却するための液冷ジャケットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って半導体デバイスの発熱量が増大している。このため、半導体デバイスを効率的に冷却するために、高性能の冷却システムの需要が高まっている。
さらに、半導体デバイスの高密度化も進んでおり、高密度集積回路における消費電力も加速度的に上昇し、発熱量と共に、発熱密度も急激に増大している。
このような半導体デバイスや高密度集積回路においては、従来使用されているような半導体デバイスのための冷却システム、即ち例えばペルチェ素子による強制吸熱や、ヒートシンク及び冷却ファンによる強制空冷では、冷却能力に限界がある。従って、より高い冷却能力を有する液冷システムも実用化されてきている。
【０００３】
光半導体を利用したＬＥＤ素子においても、発光光度の向上に伴って、従来の表示用途から照明用途への、用途が拡大するにつれて、大電力化の道を辿っている。
ＬＥＤ素子における大電力化の最大の問題点は、発光効率が向上したとはいえ、未だなお投入電力の大部分が熱に変換されてしまい、ＬＥＤ素子自体からの発熱によって、ＬＥＤ素子の発光効率が低下し、寿命が短くなってしまうということである。
【０００４】
特に大電力ＬＥＤ素子においては、チップ当たり数Ｗにもなる発熱に耐え得るようなパッケージ及び放熱構造が要求されており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板を利用したものが実用化されている。
特にセラミック基板の場合には、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上すると共に、絶縁性を有するためにメタルコア基板の場合のような絶縁層が不要であるという二つの大きな利点により、注目されている。
このような大電力ＬＥＤ素子においても、高い冷却性能を有する液冷システムは、ＬＥＤ素子の冷却のために有効である。
【０００５】
また、ＬＥＤ素子を利用した照明は、従来の白熱灯や蛍光灯，放電灯と比較して長寿命で所謂メンテナンスフリーであることから、交換に手間のかかる高所，局所用照明の代替候補として非常に注目を集めている。例えば大電力の高所照明としては、運動競技場や体育館等に設置されるスタジアム照明がある。
このようなスタジアム照明等においては、安定した高出力の照明が求められるため、従来は水銀灯等の放電灯が使用されている。このような放電灯の代替照明とするためには、１チップのＬＥＤ素子では非常に困難であるので、一般的には、複数チップを一つのパッケージとしたＬＥＤモジュールや、さらに複数パッケージを一つに纏めたＬＥＤユニットが使用される。
【０００６】
しかしながら、ＬＥＤ素子は、動作温度によって発光光度や寿命が決まるため、上述したＬＥＤモジュールやＬＥＤユニットにおいては、一つ一つのＬＥＤチップの温度を均一に保持することにより、発光光度や寿命のバラツキを抑えることが必須条件である。従って、このような大電力のＬＥＤ照明においても、発光光度や寿命のバラツキを抑えるために、高い冷却性能を有する液冷システムが有効である。
【０００７】
このような液冷システムとしては、例えば特許文献１による水冷式ヒートシンクが知られている。
特許文献１には、内部に冷却水用流路が形成された偏平なチューブと、該チューブの内面に密着するようにチューブ内に挿入されたインナーフィンと、前記冷却水用流路に連通するように前記チューブの両端部に接続された冷却水出入口と、を備え、前記チューブの両端部は前記冷却水出入口の接続部を残してそれぞれ潰された後にさらに折曲されて閉塞されていることを特徴とする水冷式ヒートシンクが開示されている。
さらに、このヒートシンクは、好ましくは前記チューブの外側平坦面に受熱板が設けられ、該受熱板は被冷却体と密着可能なように形成されている。
このような構成の水冷式ヒートシンクにおいては、出入口が設けられたジャケット内部に熱交換のためのインナーフィンが設けられ、ジャケット外側を偏平とすることで熱源を設置する受熱面とした構造を有している。
【０００８】
また、特許文献２には、偏平なヒートシンク本体の内部にインナーフィンが介装され、内部に冷却液が流通すると共に、ヒートシンク本体の平坦な外搭載面の一部に複数の電子部品が接触固定される複数の取り付け面を有する液冷ヒートシンクにおいて、第一の取り付け面に取り付ける電子部品の発熱量が第二の取り付け面のそれより大であるとき、または前記発熱量が同一で第一の取り付け面が冷却液の下流側に位置し、第二の取り付け面がその上流側に位置するとき、前記第一の取り付け面の直下の前記インナーフィンの伝熱性が第二の取り付け面のインナーフィンのそれより大になるように構成した液冷ヒートシンクが開示されている。
【０００９】
このような構成の液冷ヒートシンクにおいては、より発熱量の大きな加熱体または下流側に位置する加熱体の伝熱性を向上させるために、対応するインナーフィンの伝熱面積を大とし、あるいはその直下を流通する冷却液の流量または流速を大きくする。これにより、ヒートシンクの搭載面の互いに離間して複数の電子部品を配置するものにおいて、各電子部品の容量等に基づいて、ヒートシンクの最適設計が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１２８９３５号公報
【特許文献２】特開２００８−１７１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、発熱体から冷媒としての液体への等価熱伝達率（冷媒と接する部分の総搭載面積ではなく、包絡断面積で熱量を割ったもの。以下、単に熱伝達率という）を向上させるためには、冷却装置内の冷媒の流路構造を最適化することが重要である。
【００１２】
しかしながら、特許文献１による水冷式シートシンクにおいては、偏平なチューブから構成されていることから、あまり薄型に構成することは困難である。また、受熱板の大きさが、特にチューブの幅方向に関して制限されることから、熱伝達率も制限されることになると共に、コンピュータのＭＰＵ等よりも大型の電子部品や多数の電子部品が並んで実装される場合には、対応することが困難である。
【００１３】
これに対して、特許文献２による液冷ヒートシンクにおいては、冷却すべき発熱体に合わせてインナーフィンの配置密度を変化させることにより、流路が最適設計され、熱伝達率を向上させている。しかしながら、複数の発熱体の配置状態に対応して、個別にインナーフィンが配置されている。従って、このような液冷ヒートシンクは自由度がなく、汎用性に乏しい。このため、発熱源の配置を変更する場合には、そのままでは、対応することができず、新たにインナーフィンによる流路を再度設計し直さなければならず、時間及びコストがかかってしまう。
【００１４】
本発明は、以上の点から、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明の第一の態様は、発熱体が搭載される搭載面と、上記搭載面の下方に形成される内部空間と、上記内部空間に分散配置される複数のインナーフィンと、を備える液冷ジャケットであり、上記インナーフィンが、その流体抵抗に基づいて上記内部空間における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されている。
【００１６】
この第一の態様では、流入口から液冷ジャケットの内部空間に導入された冷却液が、この内部空間内にて流出口に向かって流れ、流出口から流出する。
そして、冷却液は、上記内部空間内で液冷ジャケットの搭載面の内側を流れることにより、上記搭載面そしてこの搭載面に搭載された発熱体を冷却する。
【００１７】
ここで、液冷ジャケットの内部空間内では、分散配置されたインナーフィンは、それぞれ冷却液に対して流体抵抗として作用する。これにより、各インナーフィンの配置に基づいて、液冷ジャケットの内部空間内における冷却液の流速分布が制御され、液冷ジャケットの内部空間内の全体に亘って均一に冷却が行なわれる。従って、液冷ジャケットの搭載面そして発熱体が均一の温度に冷却され、温度のバラツキが最小化される。
【００１８】
本発明の第二の態様による液冷ジャケットは、各インナーフィンの位置が、上記流入口を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記内部空間内の流速分布が一定になるように決定される。
【００１９】
この第二の態様では、各インナーフィンの位置における冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、液冷ジャケットの内部空間内における冷却液の流速分布を求めて、この冷却液の流速分布が各インナーフィンによる流体抵抗によって全体に亘って一定になるように、計算シミュレーションによって各インナーフィンの位置が容易に且つ最適に決定され得る。
【００２０】
本発明の第三の態様による液冷ジャケットは、上記流入口が、上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、それぞれ上記流入口または流出口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口または流出口からの距離に応じて、距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられている。
【００２１】
本発明の第四の態様による液冷ジャケットは、上記流入口が、上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、上記流出口が、上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上で流入口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられ、上記流出口に近い領域にてこの流出口を中心とする同心円上で流出口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられている。
【００２２】
この第三及び第四の態様では、上記仕切り部材に設けられる各貫通孔が、上記冷却液の流入口を中心とする同心円の周方向に関して配置され、さらに上記流入口から離れるに従って距離の対数関数に比例して減少する流速を補完するように、距離の対数関数の逆数に比例して密度が高くなるように配置される。従って、上記液冷ジャケットの内部空間においては、各インナーフィンによる流体抵抗によって、全体に亘って流速密度が等しくなるので、上記液冷ジャケットの搭載面における冷却効率が全面に亘って均等になる。
【００２３】
本発明の第五の態様による液冷ジャケットは、上記流出口が、上記液冷ジャケットの流入口とは対角方向の角部付近に設けられていて、上記インナーフィンが、上記流入口と流出口の中間領域にて上記流入口と流出口を通る直線上で最も密度が高くなりこの直線から外れるに従って密度が低くなるように配置されている。
この第五の態様では、流入口と流出口を結ぶ直線の中間点から垂直な方向に関して、当該直線上で最も冷却液の流速が速く、この直線から外れるに従って流速が低くなるので、このような流速の分布に対応して、流速が速い部分ほど高い密度で各インナーフィンが配置される。これにより、各インナーフィンによる流体抵抗によって、流速が速い部分ほどより流体抵抗が大きくなるので、上記中間領域における流速が均一になる。
【００２４】
本発明の第六の態様による液冷ジャケットは、上記搭載面が、上記液冷ジャケットの他の部分と別体に構成され、この他の部分に対して着脱可能に取り付けられている。
この第六の態様では、内側にインナーフィンが配置される液冷ジャケットの搭載面が液冷ジャケットの他の部分と別体に構成されているので、発熱体の配置が変更された場合には、この発熱体の新たな配置に対応して各インナーフィンの配置をした新たな搭載面と交換することによって、上記搭載面に搭載される発熱体の任意の配置に容易に対応することが可能である。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明によれば、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載される搭載面全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットが提供され得ることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示す分解斜視図である。である。
【図２】図１の液冷ジャケットにおけるベースプレートを外した状態の概略斜視図である。
【図３】図１の液冷ジャケットにおけるベースプレートを下方から見た底面図である。
【図４】図１の液冷ジャケットを使用した冷却システムの構成例を示すブロック図である。
【図５】流入口を原点とする冷却液の一次元の流速分布を示すグラフである。
【図６】流入口を原点とする冷却液の二次元の流速分布を示すグラフである。
【図７】流入口及び流出口を原点とする冷却液の二次元の流速分布を重ね合わせたグラフである。
【図８】図１の液冷ジャケットにおける（Ａ）流入口に近い領域のインナーフィン，（Ｂ）流出口に近い領域のインナーフィン及び（Ｃ）全インナーフィンによる冷却液の流速分布をそれぞれ示すグラフである。
【図９】図１の液冷ジャケットに対する第一の比較例の構成を示す図３と同様の底面図である。
【図１０】図１の液冷ジャケットに対する第二の比較例の構成を示す図３と同様の底面図である。
【図１１】図１の液冷ジャケットと図９及び図１０の比較例の検証実験における発熱源の温度と個数との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図１３】図１２の液冷ジャケットにおける全体の冷却液の流速分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１３を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明による液冷ジャケットの第一の実施形態の構成を示している。
図１において、液冷ジャケット１０は、例えば大光量，大電力のＬＥＤ照明用のものであって、偏平な液冷ジャケットを構成する上方が開放したコンテナ１１と、コンテナ１１の開放した上端を液密的に閉じるベースプレート１２と、から構成されている。
【００２９】
上記コンテナ１１は、図１においてＸＹ方向に偏平で、且つＺ方向上方に開放した中空直方体状に形成されている。
上記コンテナ１１は、ベースプレート１２そして後述する流入口，流出口との密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等から構成されている。
図２に示すように、上記コンテナ１１は、その一つの角部に流入口１１ａを備えていると共に、当該角部と対角方向に位置する他の角部に流出口１１ｂを備えている。
ここで、上記コンテナ１１は、図３の底面図に示すように、外形１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形の形状を有しており、例えば厚さ１ｍｍのアルミニウムから構成されている。
【００３０】
また、上記コンテナ１１は、その高さが３〜１０ｍｍ程度に選定されている。
ここで、高さがこれより低すぎると、内部を流れる冷却液に対する流体抵抗が大きくなって、圧力損失が増大し、冷却効率が低下してしまう。
これに対して、高さがこれより高すぎると、コンテナ１１内の容量が過度に大きくなって、冷却液の流速が著しく低下して、流出口まで発熱体を冷却するのに十分な勢いの噴流が届かず、冷却効果が低下してしまうと共に、取り付けスペースが大きくなってしまう。
【００３１】
上記ベースプレート１２は、平板状に形成されており、コンテナ１１の開放した上面に密着して閉じるように、その大きさ及び形状が選定されている。
また、上記ベースプレート１２は、その上面には、冷却すべき複数個の発熱源１３が搭載されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、発熱源１３からの熱を拡散すると共に、冷却液に熱を効率よく伝達する、という二つの役割を担っている。このため、上記ベースプレート１２は、その厚さが例えば０．５〜３ｍｍ程度に選定されている。さらに、上記ベースプレート１２は、種々の金属材料から構成され、熱伝導率と加工性の観点からアルミニウムまたは銅が好適である。
【００３２】
上記ベースプレート１２は、より具体的には１ｍｍ厚のアルミニウム板から構成されている。
ここで、上記ベースプレート１２は、その周縁が上記コンテナ１１の周縁に対して、接着あるいは溶接等により、液密的に取り付けられる。
さらに、上記ベースプレート１２は、その下面に、後述するように分散配置された複数個のインナーフィン１４を備えている。
【００３３】
上記発熱源１３は、冷却すべき任意の発熱源、例えばＬＥＤモジュールであって、図示の場合、上記ベースプレート１２の上面において、等間隔で縦７個×横７個、計４９個配置されている。
【００３４】
上記各インナーフィン１４は、上記ベースプレート１２の下面に立設されており、角柱，円柱等のピンとして形成されている。尚、角柱状と円柱状では、円柱状のピンが、流体抵抗が低いので、好ましい。
そして、各インナーフィン１４は、ベースプレート１２の下面に上端が接合されると共に、下端がコンテナ１１の底面に密着するように、その長さが選定されている。
また、各インナーフィン１４は、ベースプレート１２からの熱伝導性及びベースプレートとの接合性を確保することができるように、ベースプレート１２と同じ材料、例えば銅またはアルミニウム等の金属から構成されている。
【００３５】
さらに、各インナーフィン１４は、図３に示すように上記ベースプレート１２の下面に配置されている。
即ち、図３において、ベースプレート１２の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに近い領域Ａでは、インナーフィン１４は、流入口１１ａまたは流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａまたは流出口１１ｂからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
これは、流入口１１ａの近傍の冷却液の流速が速い領域で、より多量のインナーフィン１４を設けて、流速を抑えるためである。
【００３６】
また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い領域Ｂ即ち、流入口１１ａ及び流出口１１ｂが配置されていない角部に近い領域では、各インナーフィン１４は、領域Ａよりは密度が小さく、かつ上記角部からの距離が短くなるにつれて、距離の対数関数的に微増するように、配置されている。
これは、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから離れていることから、冷却液の流速が低いので、インナーフィン１４を少なくして、より多量の冷却液が流れるようにするためであると同時に、最も流入口１１ａ及び流出口１１ｂから離れている角部では、逆にインナーフィン１４の数を多くして、熱交換のための面積を稼ぐためである。
これに対して、上記二カ所の領域Ｂを結ぶ対角線上の領域Ｃでは、各インナーフィン１４は、流入口１１ａと流出口１１ｂを結ぶ直線上で最も密度が高く、この直線から外れるに従って密度が低くなるように、配置されている。
これは、上記直線上で、流入口１１ａから流出口１１ｂに向かって真っ直ぐに流れる冷却液が最も速い流速で通過するので、この流速を抑制するためである。
【００３７】
ここで、上記流入口１１ａ及び流出口１１ｂは、上記コンテナ１１に対して密着性を有する材料、例えば金属，プラスチック等のパイプから構成されており、その直径は例えば５〜１０ｍｍ程度である。
さらに、上記流入口１１ａは、上記コンテナ１１の一つの角部において、下方から上記コンテナ１１の底面に連結されており、上記コンテナ１１の内部空間に開口している。
これに対して、上記流出口１１ｂは、上記コンテナ１１の対角方向の他の角部において、下方から上記コンテナ１１の底面に連結されており、同様に上記コンテナ１１の内部空間に開口している。
これにより、上記流入口１１ａから上記コンテナ１１の内部空間へ、そして各インナーフィン１４の間を通って、上記流出口１１ｂから外部へと続く冷却液の密閉された流路が形成されることになる。
【００３８】
本発明による液冷ジャケット１０は以上のように構成されており、以下のように組み立てられる。
即ち、まず上記コンテナ１１の底面に対して、接着，溶接等により流入口１１ａ及び流出口１１ｂが液密的に取り付けられる。
続いて、上記コンテナ１１に、前もって複数個のインナーフィン１４が取り付けられたベースプレート１２が載置され、その周縁が上記コンテナ１１の開放した上端の周縁に対して液密的に取り付けられる。
尚、ベースプレート１２上への発熱源１３の取り付けは、ベースプレートのコンテナ１１への取り付け後が好ましい。
【００３９】
このようにして組み立てられた液冷ジャケット１０を使用する場合、図４に示す公知の構成の冷却システム２０に、液冷ジャケット１０を組み込んで使用される。
図４の冷却システム２０において、液冷ジャケット１０の流出口１１ｂから、順次に放熱部２１，リザーブタンク２２，ポンプ２３を介して流入口１１ａに戻る冷却液の流路が構成される。
これにより、液冷ジャケット１０において発熱源１３から受熱した冷却液は、図４にて矢印で示すように、流出口１１ｂから放熱部２１に持ち来たされ、放熱部２１でラジエータ２１ａ内を流れる際に冷却ファン２１ｂにより放熱が行なわれ、冷却液が冷却される。
その後、冷却液は、リザーブタンク２２内に貯蔵される。そして、ポンプ２３の作動によりリザーブタンク２２からくみ上げられた冷却液は、再び液冷ジャケット１０の流入口１１ａから液冷ジャケット１０内に導入され、発熱源１３の冷却が行なわれる。
【００４０】
次に、上記液冷ジャケット１０内における冷却液による冷却について詳細に説明する。
上記流入口１１ａから上記液冷ジャケット１０の内部空間内に導入された冷却液は、この内部空間内を拡散しながら、流出口１１ｂに向かって流れ、その際ベースプレート１２に沿って流れることにより、ベースプレート１２から受熱して、ベースプレート１２を冷却する。
その後、上記内部空間から流出口１１ｂを介して流出する冷却液は、前述した冷却システム２０により放熱部２１で冷却され、リザーブタンク２２内に貯蔵された後、ポンプ２３により再び液冷ジャケット１０内に導入される。
【００４１】
この場合、上記液冷ジャケット１０の内部空間内では、上記ベースプレート１２の下面に、前述したように複数個のインナーフィン１４が分散配置されている。このため、冷却液は、これらのインナーフィン１４により流体抵抗を受けて、以下のように内部空間内を流れることになる。
【００４２】
即ち、一般に、流入口から流入する冷却液に関して、流入口からの距離ｒの位置における冷却液の流速Ｖは、
【数１】
なる円筒座標系の拡散方程式の解により与えられる。ここで、Ｃは積分定数（任意の値）である。
この式による冷却液の流速分布は、一次元では、図５に示すように、また二次元では、図６に示すように、距離ｒが大きくなるにつれて、距離の対数関数に従って減少している。
これに対して、流出口では、同様に流速が与えられるが、流速ベクトルは、流入口の場合と逆向き、即ち流出口に向いている。
従って、複数個の流入口が存在する場合には、各流入口に関する上記式による冷却液の流速分布を重ね合わせることにより、例えば図８に示すような二次元の流速分布が得られる。
【００４３】
このような流速分布を液冷ジャケット１０について考察すると、流入口１１ａ及び流出口１１ｂに関して、上記式による冷却液の流速分布が得られることになる。
従って、液冷ジャケット３０の内部空間における冷却液の流速分布は、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを原点とした拡散方程式の解の和として表すことができる。
即ち、流入口１１ａ及び流出口１１からの距離をそれぞれｒ１，ｒ２とすると、液冷ジャケットの任意の位置における流速分布Ｖは、
【数２】
で与えられる。
従って、この流速分布Ｖが、液冷ジャケット１０の上方空間Ｓ２の全体に亘って均一となるように、各インナーフィン１４を配置すればよい。
即ち、流速が速い部分においては、その速さに対応して、より多くのインナーフィン１４を配置し、流速が遅い部分においては、同様にその速さに対応して、より少ないインナーフィン１４を配置すればよい。
【００４４】
ところで、前述したように、領域Ａにおいては、各インナーフィン１４は、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されているので、この同心円の周方向に関しては、冷却液の流速はほぼ均一である。また、同心円の半径方向に関しては、流入口１１ａからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
ここで、流入口１１ａに近い領域Ａにおける内部空間内の冷却液の流速分布は、図８（Ａ）に示すように、また流出口１１ｂに近い領域Ａにおける内部空間内の冷却液の流速分布は、図８（Ｂ）に示すようになっている。従って、領域Ａにおける冷却液の流速分布は、これらの流速分布を重ね合わせることにより、図８（Ｃ）に示すようになっている。
このため、上記流速分布Ｖの対数関数により与えられる流速分布を補完するように、流速が速い部分にはより多くのインナーフィン１４が配置されることにより、内部空間内における冷却液の流速分布が均一になる。
【００４５】
図９は、図１に示した液冷ジャケット１０の効果を検証するための第一の比較例の構成を示している。
図９において、液冷ジャケット３０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、ベースプレート１２におけるインナーフィン１４の配置のみが異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図９において、ベースプレート１２の下面には、インナーフィン１４がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ１５個ずつ等間隔で並んで配置されている。
個々のインナーフィン１４は、図１の液冷ジャケット１０におけるインナーフィン１４と同じ構成である。
【００４６】
これに対して、図１０は、図１に示した液冷ジャケット１０の効果を検証するための第二の比較例の構成を示している。
図１０において、液冷ジャケット４０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、ベースプレート１２におけるインナーフィン１４が省略されている点でのみ異なる構成になっている。
【００４７】
次に、前述した図１，図９及び図１０に示した液冷ジャケット１０，３０，４０について、その冷却効果について検証実験を行なった結果を示す。
検証実験において、共通条件として、コンテナ１１の大きさを１５０×１５０×６ｍｍとし、コンテナ１１，ベースプレート１２を厚さ１ｍｍのアルミニウムにより構成した。また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂを６ｍｍ径のパイプにより構成した。
ベースプレート１２上には、発熱源１３として、５ｍｍ角，出力４ＷのセラミックヒーターをＸ方向及びＹ方向に７個ずつ、計４９個並べて取り付けた。
【００４８】
さらに、冷却システム２０として、水冷デスクトップパソコン用の輸送能力４００ｍｌ／分のポンプを使用し、水冷デスクトップパソコン用の１２０ｍｍ角のラジエータ（最大放熱能力１８０Ｗ）及び１２０ｍｍ角の軸流ファンをそれぞれ二連として、使用した。
また、冷却液として、プロピレングリコールを主成分としたＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を使用した。
【００４９】
このような共通条件のもとで、冷却液を室温（２５℃）で冷却システム２０に循環させたとき、発熱源であるセラミックヒーターの定常状態における温度を熱電対により測定、各セラミックヒーターの温度バラツキを評価した。
即ち、図１１に示すように、横軸にセラミックヒーターの温度を、縦軸にセラミックヒーターの個数をとって、各発熱源の温度分布をグラフ化した。
このようなグラフによれば、グラフの山が急峻で、且つ山のピークが低温側であるほど、冷却能力が高いことになる。
【００５０】
図１１のグラフによれば、液冷ジャケット１０では、グラフの山が２６℃と十分に低く、温度分布も３３℃から４８℃まで所謂すそ野が狭く、十分な冷却効果が観察された。
これに対して、液冷ジャケット３０（比較例１）では、グラフの山は４５℃，４７℃と高温側であり、温度分布も３９℃から４８℃と高温側に広がっており、液冷ジャケット１０と比較して、冷却能力が低いことが分かる。
また、液冷ジャケット４０では、グラフの山は５０℃と非常に高く、温度分布も３９℃から５２℃と高温まで広がっており、液冷ジャケット１０の冷却能力がより明白に実証された。
【００５１】
図１２は、本発明による液冷ジャケットの第二の実施形態の構成を示している。
図１２において、液冷ジャケット５０は、図１に示した液冷ジャケット１０とほぼ同様の構成であり、流出口１１ｂの位置が、流入口１１ａに対して対角方向ではなく、隣接する角部に在って、これに対応して、インナーフィン５１が配置されている点で異なる構成になっている。従って、同じ構成要素には同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
即ち、図１２において、液冷ジャケット１０の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに近い領域Ａでは、図１の液冷ジャケット１０の場合と同様に、インナーフィン５１は、流入口１１ａまたは流出口１１ｂを中心とする同心円上に配置されていると共に、流入口１１ａまたは流出口１１ｂからの距離に応じて、その距離の対数関数により与えられる流速に比例する密度で、即ち距離が長くなるにつれて密度が減少するように、配置されている。
【００５２】
また、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い領域Ｂでは、図１の液冷ジャケット１０の場合と同様に、インナーフィン５１は、領域Ａよりも低い密度で、角部からの距離が短くなるにつれて、距離の対数関数的に微増するように、配置されている。
これに対して、流入口１１ａと流出口１１ｂの真ん中で液冷ジャケット１０の内部空間を二分割する直線上の領域Ｃでは、各インナーフィン５１は、流入口１１ａと流出口１１ｂを結ぶ直線上で最も密度が高く、この直線から外れるに従って密度が低くなるように、配置されている。
【００５３】
このような構成の液冷ジャケット５０によれば、図５に示した液冷ジャケット３０と同様に作用すると共に、インナーフィン５１の上述した配置によって、即ち領域Ａ，Ｂ及びＣに配置された各インナーフィン５１によって、液冷ジャケット５０の上方空間Ｓ２の冷却液の流速分布は、図１３に示すように、流入口１１ａ及び流出口１１ｂから遠い端縁付近においても、十分な流速が得られることになり、上方空間Ｓ２全体でほぼ均一な流速分布が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述した実施形態においては、ベースプレート１２は、コンテナ１１の周縁の上面に載置されるようになっているが、これに限らず、接着，溶接等の接合方法に対応して、あるいはベースプレート１２に搭載される発熱源１３の固定方法等に対応して、任意の取り付け方法が可能である。例えば、ベースプレート１２は、コンテナ１１の内側面に固定されていてもよい。
また、上述した実施形態においては、液冷ジャケットはＸＹ方向に関してほぼ正方形に形成されているが、これに限らず長方形あるいは他の任意の形状に形成されていてもよいことは明らかである。
【００５５】
さらに、上述した実施形態においては、各インナーフィン１４，５１は、整列して配置されているが、これに限らず、各インナーフィン１４，５１は整列していなくても、所定の密度で配置されていればよい。
尚、各インナーフィン１４，５１は、好ましくはコンテナ１１の内壁面とは所定の間隔、例えばコンテナ１１の一辺の内法の２〜５％程度、上述した実施形態では２〜３ｍｍ程度の間隔をもって設けられる。
【００５６】
このようにして、本発明によれば、単純な構成により、低コストで、冷却すべき発熱源の位置によらずに、発熱源が搭載されるベースプレート全体が均一に冷却されるようにした液冷ジャケットを提供することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０，３０，４０，５０ 液冷ジャケット
１１ コンテナ
１１ａ 流入口
１１ｂ 流出口
１２ ベースプレート
１３ 発熱源
１４ インナーフィン
２０ 冷却システム
２１ 放熱部
２１ａ ラジエータ
２１ｂ 冷却ファン
２２ リザーブタンク
２３ ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が搭載される搭載面と、
上記搭載面の下方に形成される内部空間と、
上記内部空間に分散配置される複数のインナーフィンと、を備える液冷ジャケットであり、
上記インナーフィンが、
その流体抵抗に基づいて上記内部空間における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されていることを特徴とする、液冷ジャケット。
【請求項２】
各インナーフィンの位置が、
上記流入口を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記内部空間内の流速分布が一定になるように決定されることを特徴とする、請求項１に記載の液冷ジャケット。
【請求項３】
上記流入口が、
上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
それぞれ上記流入口または流出口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口または流出口からの距離に応じて、距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項４】
上記流入口が、
上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上で流入口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられ、
上記流出口に近い領域にてこの流出口を中心とする同心円上で流出口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項５】
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの流入口とは対角方向の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
上記流入口と流出口の中間領域にて上記流入口と流出口を通る直線上で最も密度が高くなりこの直線から外れるに従って密度が低くなるように配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の液冷ジャケット。
【請求項６】
上記搭載面が、
上記液冷ジャケットの他の部分と別体に構成され、この他の部分に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の液冷ジャケット。
【請求項１】
発熱体が搭載される搭載面と、
上記搭載面の下方に形成される内部空間と、
上記内部空間に分散配置される複数のインナーフィンと、を備える液冷ジャケットであり、
上記インナーフィンが、
その流体抵抗に基づいて上記内部空間における冷却液の流速分布が上記搭載面に平行な方向に関して全体に亘って一定になるように配置されていることを特徴とする、液冷ジャケット。
【請求項２】
各インナーフィンの位置が、
上記流入口を原点とする円筒座標系の拡散方程式により与えられる上記内部空間内の流速分布が一定になるように決定されることを特徴とする、請求項１に記載の液冷ジャケット。
【請求項３】
上記流入口が、
上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
それぞれ上記流入口または流出口を中心とする同心円上に配置されていると共に、上記流入口または流出口からの距離に応じて、距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項４】
上記流入口が、
上記液冷ジャケットの一つの角部付近に設けられ、
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの他の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
上記流入口に近い領域にてこの流入口を中心とする同心円上で流入口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられ、
上記流出口に近い領域にてこの流出口を中心とする同心円上で流出口からの距離に応じて距離の対数関数として与えられる流速に比例して密度が減少するように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項５】
上記流出口が、
上記液冷ジャケットの流入口とは対角方向の角部付近に設けられていて、
上記インナーフィンが、
上記流入口と流出口の中間領域にて上記流入口と流出口を通る直線上で最も密度が高くなりこの直線から外れるに従って密度が低くなるように配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の液冷ジャケット。
【請求項６】
上記搭載面が、
上記液冷ジャケットの他の部分と別体に構成され、この他の部分に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の液冷ジャケット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１８７５９９（Ｐ２０１１−１８７５９９Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５００７７（Ｐ２０１０−５００７７）
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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