JP6922612B2

JP6922612B2 - クーリングプレート、及び情報処理装置

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Publication number: JP6922612B2
Application number: JP2017186497A
Authority: JP
Inventors: 俊一菊池; 昌久岩切; 中村　直章; 直章中村; 松村　貴由; 貴由松村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: US20190093964A1; JP2019062110A; US10443957B2

Description

本願は、クーリングプレート、及び情報処理装置に関する。

電子機器には、各種の発熱体が備わっている。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。発熱体の過熱を防
止するため、発熱体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。冷却機構としては、例えば、空冷方式や水冷方式が挙げられる（例えば、特許文献１−３を参照）。

特開２００３−６０１４５号公報特開２００６−３１０４８５号公報特開２０００−２６０９１６号公報

冷媒が内部を流通するクーリングプレートでは、クーリングプレートに接触している発熱体の熱がクーリングプレートの部材を介して冷媒へ伝達される。よって、発熱体の熱が効率的に除去されるためには、クーリングプレートを形成する部材と冷媒との接触面積を可及的に拡大することが望まれる。しかし、クーリングプレート内の接触面積の拡大を、クーリングプレートの内面の微細化によって実現しようとする場合、製造技術の都合で十分な微細化が実現できない可能性や、製造コストの上昇といった懸念事項が生じ得る。

そこで、クーリングプレート内の接触面積を拡大させる方策として、例えば、波板等の板状部材を複数段積層した内部構造を採ることも考えられる。しかし、クーリングプレート内を流通する冷媒の温度は、上流側から下流側へ至るにつれて発熱体の熱で徐々に上昇する。よって、波板等の板状部材を複数段積層した内部構造のクーリングプレートでは、発熱体に接する面内における冷却能力に部分的な偏りが生じ得る。したがって、波板等の板状部材を複数段積層した内部構造のクーリングプレートであっても、冷却能力が十分に発揮されない場合があり得る。

そこで、本発明は、冷却能力を向上させる技術を提供することを課題とする。

１つの態様では、クーリングプレートは、発熱体に取り付けられるプレートと、プレートの板面に沿って交互に配列される冷媒の送り流路および戻り流路と、プレートの内部において送り流路および戻り流路よりも発熱体側に複数段で形成されており、隣り合う送り流路と戻り流路とを各段で並列に連通する複数の冷媒流路と、を備える。

１つの側面として、冷却能力を向上させることができる。

図１は、実施形態に係るシステムボードを示した図である。図２は、クーリングプレートの外観を簡略化して示した図である。図３は、クーリングプレートの内部構造を分解して示した図である。図４は、プレートの断面構造の概略図である。図５は、プレートの内部構造の全体像を表した図である。図６は、冷媒流路の第１変形例を示した図である。図７は、冷媒流路の第２変形例を示した図である。図８は、冷媒流路の第３変形例を示した図である。図９は、比較例１を示した図である。図１０は、上述したクーリングプレートに相当する実施形態と各比較例の熱抵抗低減効果を示したグラフである。図１１は、冷媒流路をプレートの板面に直交する方向から図示した第１の図である。図１２は、図１１に示した冷媒流路の形態を補足して示す図である。図１３は、冷媒流路をプレートの板面に直交する方向から図示した第２の図である。図１４は、冷媒流路をプレートの板面に直交する方向から図示した第３の図である。

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、実施形態に係るシステムボード（本願でいう「情報処理装置」の一例である）を示した図である。システムボード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に搭載可能な電子部品である。システムボード１は、システムボード１が搭載される電子機器に設けられているスロットに差し込み可能なフレーム２と、フレーム２内に固定された配線基板３とを備える。フレーム２の手前側（非差込方向側）の両端には、システムボード１をスロットに係合するためのレバー４が設けられている。また、フレーム２の手前側の中央部分には冷媒出入口５が設けられている。また、フレーム２の差込方向側にはコネクタ６が設けられている。

配線基板３には、ＣＰＵ７（本願でいう「発熱体」の一例である）が実装されている。ＣＰＵ７は、各種の演算処理を行う電子部品である。よって、ＣＰＵ７は、演算処理量に応じた量の熱を発生する。そこで、システムボード１には、ＣＰＵ７を冷却するクーリングプレート８が設けられている。クーリングプレート８は、内部を冷媒が流通する板状の部材であり、ＣＰＵ７の表面に固定されている。クーリングプレート８は、冷媒配管９を介して冷媒出入口５に接続されている。

図２は、クーリングプレート８の外観を簡略化して示した図である。また、図３は、クーリングプレート８の内部構造を分解して示した図である。図３では３つの部材が図示されているが、クーリングプレート８はこれらの部材を組み合わせたものに限定されない。クーリングプレート８は、伝熱性に優れる金属製の素材で一体形成されたものであってもよいし、或いは、２以上の部材を組み合わせたものであってもよい。

クーリングプレート８は、ＣＰＵ７の表面に取り付けられる矩形のプレート１１を有する。また、クーリングプレート８は、プレート１１の縁に設けられており、冷媒配管９に連通する第１ヘッダ１０を有する。プレート１１の内部には、穴１２を通じて第１ヘッダ１０に連通する第２ヘッダ１３が設けられている。第２ヘッダ１３は、プレート１１の板面に沿って延在する冷媒流路である。第２ヘッダ１３は、互いに平行な状態でプレート１１内に配列されており、プレート１１の板面に沿って交互に冷媒の送り流路および戻り流
路を形成する。よって、複数の第２ヘッダ１３に連通する第１ヘッダ１０は、各第２ヘッダ１３を流れる冷媒が分岐または合流するヘッダとして機能する。

また、プレート１１には、穴１４を通じて第２ヘッダ１３と連通しており、隣り合う第２ヘッダ１３同士を繋ぐ冷媒流路１５が設けられている。そして、第２ヘッダ１３には、穴１４が複数設けられている。よって、第２ヘッダ１３は、各穴１４を通過する冷媒が分岐または合流するヘッダとして機能する。

図４は、プレート１１の断面構造の概略図である。図４では、互いに平行に設けられた複数の第２ヘッダ１３のうち、冷媒流路１５の一端側に連通する方に符号「１３ａ」を付し、冷媒流路１５の他端側に連通する方に符号「１３ｂ」を付している。冷媒流路１５は、プレート１１の内部において、第２ヘッダ１３（１３ａ，１３ｂ）よりもＣＰＵ７側に形成されている。冷媒流路１５は、クーリングプレート８の板面に沿って延在する微細な冷媒流路である。冷媒流路１５は、プレート１１の内部において、ＣＰＵ７側から順に複数段形成されている。各冷媒流路１５の両端部にある冷媒の出入口は、穴１４を通じて第２ヘッダ１３ａ，１３ｂに連通する。よって、冷媒は、各冷媒流路１５を並列に通過する。

図５は、プレート１１の内部構造の全体像を表した図である。図５では、クーリングプレート８に設けられた２つの第１ヘッダ１０のうち、一方の第１ヘッダ１０に連通する方に符号「１０ａ」を付し、他方の第１ヘッダ１０に連通する方に符号「１０ｂ」を付している。

例えば、冷媒配管９から第１ヘッダ１０ａに冷媒が流入し、第１ヘッダ１０ｂから冷媒配管９へ冷媒が流出するように冷媒がクーリングプレート８内を流通する場合、冷媒配管９から第１ヘッダ１０ａに流入した冷媒は第２ヘッダ１３ａを通じて各穴１４へ流れる。そして、冷媒流路１５から穴１４を通過した冷媒は第２ヘッダ１３ｂを通じて第１ヘッダ１０ｂへ流れる。

また、例えば、冷媒配管９から第１ヘッダ１０ｂに冷媒が流入し、第１ヘッダ１０ａから冷媒配管９へ冷媒が流出するように冷媒がクーリングプレート８を流通する場合、冷媒配管９から第１ヘッダ１０ｂに流入した冷媒は第２ヘッダ１３ｂを通じて各穴１４へ流れる。そして、冷媒流路１５から穴１４を通過した冷媒は第２ヘッダ１３ａを通じて第１ヘッダ１０ａへ流れる。

上記のように形成されるクーリングプレート８では、冷媒流路１５を通過する冷媒によって、ＣＰＵ７の熱の除去が行われる。すなわち、ＣＰＵ７の熱は、クーリングプレート８を形成する部材を経由し、各段の冷媒流路１５を流れる冷媒へ伝わる。そして、この冷媒流路１５が、第２ヘッダ１３がプレート１１の板面に沿って交互に形成する冷媒の送り流路と戻り流路とを各段で並列に連通するように形成されているので、上記のクーリングプレート８では、ＣＰＵ７に接する面内における冷却能力に部分的な偏りが生じにくい。したがって、上記のクーリングプレート８は、ＣＰＵ７に接する面内においてＣＰＵ７を全体的に均等に冷却することが可能であり、実効的な冷却能力が比較的高くなる。

ところで、冷媒流路１５は、下記変形例に示すように、プレート１１の内部において、ＣＰＵ７に近い段ほど断面積が大きくなるように形成してもよい。

図６は、冷媒流路１５の第１変形例を示した図である。図６に示す第１変形例では、ＣＰＵ７側から並列に５段の冷媒流路１５が図示されている。図６では、５段ある冷媒流路１５について、ＣＰＵ７側から順に符号「１５ａ」、「１５ｂ」、「１５ｃ」、「１５ｄ
」、「１５ｅ」を付している。図６に示す第１変形例では、冷媒流路１５の高さが各段で相違している。そして、各冷媒流路１５の高さは、冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次高くなっている。各冷媒流路１５の高さが、冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次高くなることにより、ＣＰＵ７に近い段ほど有効断面積の大きい冷媒流路が形成される。

各冷媒流路１５（１５ａ〜１５ｅ）が上記のように形成されている場合、各冷媒流路１５を通過する冷媒の流量は、冷媒流路１５の高さに応じた量となる。例えば、第２ヘッダ１３ａから流出して穴１４を通過した冷媒は、各冷媒流路１５のうち高さの比較的高い冷媒流路１５ａへは流れやすく、各冷媒流路１５のうち高さの比較的低い冷媒流路１５ｅへは流れにくい。したがって、各冷媒流路１５（１５ａ〜１５ｅ）が上記のように形成されている場合、ＣＰＵ７に近い段の冷媒流路１５にはＣＰＵ７から遠い段の冷媒流路１５と同程度またはより多くの冷媒が流れることになる。

図７は、冷媒流路１５の第２変形例を示した図である。図７に示す第２変形例も、図６に示した第１変形例と同様、ＣＰＵ７側から並列に５段の冷媒流路１５が図示されている。しかし、図７に示す冷媒流路１５の第２変形例では、冷媒流路１５の出入口部分の大きさが各段で相違している。そして、各冷媒流路１５の両端にある冷媒の出入口部分の大きさは、冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次大きくなっている。各冷媒流路１５の出入口部分の大きさが、冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次大きくなることにより、ＣＰＵ７に近い段ほど有効断面積の大きい冷媒流路が形成される。

各冷媒流路１５（１５ａ〜１５ｅ）が上記のように形成されている場合、各冷媒流路１５を通過する冷媒の流量は、冷媒流路１５の出入口部分の大きさに応じた量となる。例えば、第２ヘッダ１３ａから流出して穴１４を通過した冷媒は、各冷媒流路１５のうち出入口部分の大きさが比較的大きい冷媒流路１５ａへは流れやすく、各冷媒流路１５のうち出入口部分の大きさが比較的小さい冷媒流路１５ｅへは流れにくい。したがって、各冷媒流路１５（１５ａ〜１５ｅ）が上記のように形成されている場合、ＣＰＵ７に近い段の冷媒流路１５にはＣＰＵ７から遠い段の冷媒流路１５と同程度またはより多くの冷媒が流れることになる。

なお、各冷媒流路１５の形態は、図４に示したように各段共に同じ断面積の形態や、図６に示す第１変形例や、図７に示す第２変形例の形態に限定されるものではない。

各冷媒流路１５の形態は、例えば、図６に示す第１例と図７に示す第２例を組み合わせた形態となっていてもよい。すなわち、各冷媒流路１５の形態は、例えば、各冷媒流路１５の高さが冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次高くなっており、且つ、各冷媒流路１５の出入口部分の大きさが冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次大きくなっていてもよい。

また、各冷媒流路１５の形態は、例えば、各冷媒流路１５の入口部分の大きさが冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次大きくなっており、各冷媒流路１５の出口部分の大きさが冷媒流路１５ａから冷媒流路１５ｅまで何れも同じであってもよい。また、各冷媒流路１５の形態は、例えば、各冷媒流路１５の出口部分の大きさが冷媒流路１５ｅ側から冷媒流路１５ａ側へ向かうにつれて漸次大きくなっており、各冷媒流路１５の入口部分の大きさが冷媒流路１５ａから冷媒流路１５ｅまで何れも同じであってもよい。

また、各冷媒流路１５の形態は、例えば、各冷媒流路１５の高さ及び出入口部分の大き
さが冷媒流路１５ａから冷媒流路１５ｅまで何れも同じである代わりに、ＣＰＵ７に近い段ほど有効断面積が大きくなるようにオリフィスその他の流量調整手段が各段に設けられていてもよい。

図８は、冷媒流路１５の第３変形例を示した図である。クーリングプレート８は、例えば、図８に示されるように、冷媒流路１５の段数が部位に応じて異なっていてもよいし、或いは、特定の部位にある冷媒流路１５の有効断面積が各段で互いに同じであってもよい。ＣＰＵ７の発熱量が部位毎に異なる場合、各部位の発熱量に応じた段数の冷媒流路１５を設ければ、ＣＰＵ７を全体的に均等な温度に冷却することも可能となる。

以下、上記実施形態や各変形例の効果について検証したので、その検証結果を以下に示す。本検証においては、比較対象として、冷媒流路１５を１段のみ有するもの（以下、「比較例」という）。本検証において、クーリングプレート８の横幅は約２０ｍｍ、クーリングプレート８の高さは約５ｍｍ、冷媒流路１５の高さは約０．５ｍｍ以下とした。

図９は、比較例を示した図である。比較例のクーリングプレート１０８も、上記クーリングプレート８と同様、配線基板１０３に実装されたＣＰＵ１０７の表面に取り付けられている。そして、クーリングプレート１０８の主要部分を形成するプレート１１１内に第２ヘッダ１１３ａ，１１３ｂや穴１１４、冷媒流路１１５が設けられている。

図１０は、上記実施形態（冷媒流路１５が３段のもの及び５段のものの２種類）、上記第１変形例、及び上記第２変形例と、比較例とについて、熱抵抗低減効果を示したグラフである。図１０のグラフを見ると判るように、発熱体から冷媒へ至る伝熱経路の熱抵抗は、比較例よりも実施形態や第１変形例、第２変形例の方が小さい。特に、図６に示した第１変形例は、比較例に比べて熱抵抗の低減効果が著しい。

本検証の結果より、プレート１１の内部において冷媒流路１５を複数段設けることで、１段のみ設ける場合よりもＣＰＵ７を効果的に冷却できることが確認された。また、本検証の結果より、プレート１１の内部においてＣＰＵ７に近い段の冷媒流路１５にＣＰＵ７から遠い段の冷媒流路１５と同程度またはより多くの冷媒が流れるようにすることで、ＣＰＵ７を効果的に冷却できることが確認された。

ところで、冷媒流路１５の形態について以下に補足する。

図１１は、冷媒流路１５をプレート１１の板面に直交する方向から図示した第１の図である。また、図１２は、図１１に示した冷媒流路１５の形態を補足して示す図である。冷媒流路１５は、例えば、図１１や図１２に示されるように、第２ヘッダ１３ａにある穴１４の１つと第２ヘッダ１３ｂにある穴１４の１つとを繋ぐ流路を形成するものであってもよい。

図１３は、冷媒流路１５をプレート１１の板面に直交する方向から図示した第２の図である。冷媒流路１５は、例えば、図１３に示されるように、第２ヘッダ１３ａにある穴１４のうち幾つかと第２ヘッダ１３ｂにある穴１４のうち幾つかとを一纏めにして繋ぐ流路を形成するものであってもよい。

図１４は、冷媒流路１５をプレート１１の板面に直交する方向から図示した第３の図である。冷媒流路１５は、例えば、図１４に示されるように、第２ヘッダ１３ａにある穴１４と第２ヘッダ１３ｂにある穴１４とを一纏めにして繋ぐ流路を形成するものであってもよい。

クーリングプレート８は、冷媒流路１５の形態が図１１から図１４の何れに示される形態であっても、ＣＰＵ７を効果的に冷却することが可能である。

なお、本願は、以下の付記的事項を含む。
＜付記１＞
発熱体に取り付けられるプレートと、
前記プレートの板面に沿って交互に配列される冷媒の送り流路および戻り流路と、
前記プレートの内部において前記送り流路および戻り流路よりも前記発熱体側に複数段で形成されており、隣り合う前記送り流路と前記戻り流路とを各段で並列に連通する複数の冷媒流路と、を備える、
クーリングプレート。
＜付記２＞
前記複数の冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど断面積が大きい、
付記１に記載のクーリングプレート。
＜付記３＞
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど高さが高い、
付記１または２に記載のクーリングプレート。
＜付記４＞
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど出入口の大きさが大きい、
付記１から３の何れか一項に記載のクーリングプレート。
＜付記５＞
前記冷媒流路は、前記発熱体の部位によって段数が異なる、
付記１から４の何れか一項に記載のクーリングプレート。
＜付記６＞
発熱体と、
前記発熱体に取り付けられるプレート、前記プレートの板面に沿って交互に配列される冷媒の送り流路および戻り流路、及び、前記プレートの内部において前記送り流路および戻り流路よりも前記発熱体側に複数段で形成されており、隣り合う前記送り流路と前記戻り流路とを各段で並列に連通する複数の冷媒流路を有するクーリングプレートと、を備える、
情報処理装置。
＜付記７＞
前記複数の冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど断面積が大きい、
付記６に記載の情報処理装置。
＜付記８＞
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど高さが高い、
付記６または７に記載の情報処理装置。
＜付記９＞
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど出入口の大きさが大きい、
付記６から８の何れか一項に記載の情報処理装置。
＜付記１０＞
前記冷媒流路は、前記発熱体の部位によって段数が異なる、
付記６から９の何れか一項に記載の情報処理装置。

１・・システムボード：２・・フレーム：３，１０３・・配線基板：４・・レバー：５・・冷媒出入口：６・・コネクタ：７，１０７・・ＣＰＵ：８，１０８・・クーリングプレート：９・・冷媒配管：１０・・第１ヘッダ：１１，１１１・・プレート：１２，１４，１１４・・穴：１３，１３ａ，１３ｂ，１１３ａ，１１３ｂ・・第２ヘッダ：１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１１５・・冷媒流路

Claims

発熱体に取り付けられるプレートと、
前記プレートの板面に沿って交互に配列される冷媒の送り流路および戻り流路と、
前記プレートの内部において前記送り流路および戻り流路よりも前記発熱体側に複数段で形成されており、隣り合う前記送り流路と前記戻り流路とを各段で並列に連通する複数の冷媒流路と、を備え、
前記冷媒流路は、前記発熱体の部位によって段数が異なる、
クーリングプレート。
前記複数の冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど断面積が大きい、
請求項１に記載のクーリングプレート。
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど高さが高い、
請求項１または２に記載のクーリングプレート。
前記冷媒流路は、前記発熱体に近い段ほど出入口の大きさが大きい、
請求項１から３の何れか一項に記載のクーリングプレート。
発熱体と、
前記発熱体に取り付けられるプレート、前記プレートの板面に沿って交互に配列される冷媒の送り流路および戻り流路、及び、前記プレートの内部において前記送り流路および戻り流路よりも前記発熱体側に複数段で形成されており、隣り合う前記送り流路と前記戻り流路とを各段で並列に連通する複数の冷媒流路を有するクーリングプレートと、を備え、
前記冷媒流路は、前記発熱体の部位によって段数が異なる、
情報処理装置。