CN102136461A

CN102136461A - 液体冷却式散热器

Info

Publication number: CN102136461A
Application number: CN2010106118282A
Authority: CN
Inventors: 石井美里; 安达昭夫
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-07-27
Also published as: JP2011134979A

Abstract

本发明涉及液体冷却式散热器，散热器主体由高热传导性材料构成，呈扁平体，在其上面与发热体结合，在该散热器主体内部形成冷却液体流入的流入集管，冷却液体流出的流出集管，以及由以规定间隔平行配设的多个散热片形成的多个冷却液体流通通道，在由所述散热片形成的冷却液体流通通道的两端，所述流入集管与流出集管连通并结合，在所述流入集管和流出集管的与所述冷却液体流通通道相对的端面壁的中央部，设置有冷却液体的流入口和流出口。提供能使得散热器内部多个并列的冷却液体流通通道的冷却液体的流通通过的流量均一，能使得散热器整体的冷却效果均一的液体冷却式散热器。

Description

液体冷却式散热器

技术领域

本发明涉及为了冷却电力用半导体元件等的发热体、与其结合使用的液体冷却式散热器。

背景技术

在电力变换装置等使用的半导体元件以及复合半导体元件构成的模块形半导体元件因大容量化及高速化产生大的损耗热，为了提高元件可靠性以及延长寿命，必须抑制元件温度上升，将元件温度保持在规定温度以内。

为此，一般，容量特别大的半导体元件或模块形半导体元件等的发热体在其上结合以水或盐水那样的冷却液体冷却的液体冷却式散热器，进行冷却。

图6表示从专利文献1等公知的液体冷却式散热器的现有例。在该图中，(a)是表示与成为发热体的模块形半导体元件50结合状态的散热器60的立体图，(b)是表示散热器60的平面截面图。

散热器60由以铜或铝等高热传导性材料构成的主体61以及与该主体两端结合的冷却液体的流入集管64及流出集管65构成。散热器主体61呈扁平长方体，在其外表面载置模块形半导体元件50等的发热体热结合，在散热器主体61的内部，如图6(b)所示，形成多个散热片62。各散热片62互相隔开适当的间隔平行配置，在这些散热片之间，形成平行的多个冷却液体流通通道63(63a，63b，63c，63d，63e，63f，63g)。并且，冷却液体流通通道63的两端与流入集管64及流出集管65连通。在流入集管64的与冷却液体流通通道63平行的端面壁的一端，设有用于从外部供给冷却液体的冷却液体入口64a，在流出集管65的与冷却液体流通通道63平行的端面壁的一端，设有用于向外部排出冷却液体的冷却液体出口65a。

在外部的没有图示的液体冷却装置被冷却的液体通过冷却液体入口64a供给散热器60。供给散热器60的冷却液体如图6(b)实线箭头所示，从流入集管64分散到形成在散热片之间的各冷却液体流通通道63流动，再集流到流出集管65，从冷却液体出口65a排出，回到冷却装置。

发热体(模块形半导体元件)50产生的热从散热器主体61扩散到多个散热片62，传递到流过冷却液体流通通道63的冷却液体，能良好地散热。

按照这种带散热片的散热器，通过散热片，散热器主体61的和冷却液体的热交换面积A扩大到10～50倍左右，因此，如下式(1)所示，能大幅度降低散热器主体61的热阻R。由此，如下式(2)所示，能抑制发热体50的温度上升ΔT到低的程度：

R＝1/(h×A×η)(1)

ΔT＝R×Q (2)

在(1)式和(2)式中，R表示热阻(K/W)，h表示传热系数(W/m²K)，A表示热交换面积(m²)，η表示散热片效率，ΔT表示发热体温度上升(K)，Q表示发热体的产生热量(W)。

【专利文献1】日本特开2008-103400号公报

在这种现有的液体冷却式散热器中，在流入集管64的与冷却液体流通通道63平行的端面壁，设有冷却液体流入口64a，在流出集管65的与冷却液体流通通道63平行的端面壁，设有冷却液体流出口65a，因此，从流入口64a经流入集管64-各冷却液体流通通道63-流出集管65至流出口65a的冷却液体流通通道的长度因各冷却液体流通通道63的位置而变化，流通通过各冷却液体流通通道63的冷却液体的流体阻力产生差异。因此，越靠近流入口64a及流出口65a的冷却液体流通通道63，流通通过冷却液体的流量越大，离开流入口64a及流出口65a越远的冷却液体流通通道63，流通通过冷却液体的流量越小，成为如图6(b)虚线箭头所示那样的流量分布。虚线箭头用长度表示流量大小，长度越长表示流量越大。

流通通过散热器主体61的冷却液体流量大的、靠近流入口64a及流出口65a的在图示右端部的冷却液体流通通道63a具有的冷却效果大，流通通过散热器主体61的冷却液体流量小的、离开流入口64a及流出口65a远的在图示左端部的冷却液体流通通道63g具有的冷却效果小。这样，散热器内多个并列的冷却液体流通通道的冷却液体的流量分布不均一场合，散热器表面各位置的冷却效果产生差异，存在不能使得散热器整体的冷却效果均一的问题。

发明内容

本发明就是鉴于现有技术所存在的问题而提出来的，本发明的课题在于，提供能使得散热器内部多个并列的冷却液体流通通道的冷却液体的流通通过的流量分布均一，能使得散热器整体的冷却效果均一的液体冷却式散热器。

为了解决所述课题，本发明提出一种液体冷却式散热器，散热器主体由高热传导性材料构成，呈扁平体，在其上面与发热体结合，在该散热器主体内部形成冷却液体流入的流入集管，冷却液体流出的流出集管，以及由以规定间隔平行配设的多个散热片形成的多个冷却液体流通通道，在由所述散热片形成的冷却液体流通通道的两端，连通结合所述流入集管及流出集管，其特征在于：在所述流入集管和流出集管的与所述冷却液体流通通道相对的端面壁的中央部，设有冷却液体的流入口及流出口。

在本发明中，可以闭塞所述多个冷却液体流通通道之中的、与设在所述冷却液体流入集管的冷却液体流入口相对的中央部附近的冷却液体流通通道。

又，可以在所述冷却液体流入集管的中央部附近，与冷却液体流通通道相对，设有液流控制机构，将冷却液体的液流从中央向侧方导向。该液流控制机构也可以设有多个。

再有，在本发明中，也可以设有多个开口分散设置的液流控制板，作为所述的冷却液体的液流控制机构。并且，所述开口的开口面积，可以设为随着从中央向着两端部，具有越大的开口面积。

下面说明本发明的效果。

本发明提出一种液体冷却式散热器，散热器主体由高热传导性材料构成，呈扁平体，在其上面与发热体结合，在该散热器主体内部形成冷却液体流入的流入集管，冷却液体流出的流出集管，以及由以规定间隔平行配设的多个散热片形成的多个冷却液体流通通道，在由所述散热片形成的冷却液体流通通道的两端，连通结合所述流入集管及流出集管，在所述流入集管和流出集管的与所述冷却液体流通通道相对的端面壁的中央部，设有冷却液体的流入口及流出口，因此，从所述冷却液体流入口通过多个冷却液体流通通道到冷却液体流出口的多个并列流通通道的长度差变小，得到均等化，流过各冷却液体流通通道的冷却液体的流量均等化，差异小，因此，能减小散热器位置的冷却效果的偏差，提高散热器整体的冷却效果的均一性。

附图说明

图1表示本发明第一实施例的液体冷却式散热器的构成，其中，(a)是外观立体图，(b)是平面截面图。

图2是表示本发明第二实施例的液体冷却式散热器构成的平面截面图。

图3是表示本发明第三实施例的液体冷却式散热器构成的平面截面图。

图4是表示本发明第四实施例的液体冷却式散热器构成的平面截面图。

图5表示本发明第五实施例的液体冷却式散热器的构成，其中，(a)是平面截面图，(b)是在此使用的流动控制板的侧面图。

图6表示以往的液体冷却式散热器的构成，其中，(a)是立体图，(b)是平面截面图。

符号说明

10 模块形半导体元件(发热体)

20 液体冷却式散热器

21 散热器主体

22 散热片

23(23a～23g) 冷却液体流通通道

24 冷却液体流入集管

25 冷却液体流出集管

28、28a～28d 冷却液体的流动控制机构

具体实施方式

下面，针对本发明的实施方式，就图示的实施例进行说明。在以下实施例中，虽然对构成要素，种类，组合，位置，形状，数量，相对配置等作了各种限定，但是，这些仅仅是举例，本发明并不局限于此。

[第一实施例]

图1表示本发明第一实施例，图1表示本发明第一实施例的液体冷却式散热器的构成，其中，(a)是表示外观的立体图，(b)是表示内部构成的平面截面图。

在图1中，符号10是作为发热体的模块形半导体元件，其结合在由铜或铝那样的高热传导性材料构成的呈扁平的长方体状的散热器20表面。散热器20设有散热器主体21，在其内部由隔开间隔平行地设置的多个散热片22，形成多个冷却液体流通通道23(23a～23g)。在散热器主体21的两端，冷却液体流入的流入集管24以及冷却液体流出的流出集管25分别与冷却液体流通通道23连通结合。在流入集管24以及流出集管25的与冷却液体流通通道23相对的壁面24a、25a的中央，分别设有冷却液体流入口24b及冷却液体流出口25b。

再有，在散热器主体21的内部，如图1(b)所示，由互相隔开规定间隔平行地设置的多个散热片22，形成与所述流入集管24及流出集管25连通的多个冷却液体流通通道23。

这样，在本发明中，在与散热器主体21两端结合的冷却液体的流入集管24以及流出集管25的与冷却液体流通通道相对的端面壁24a、25a的中央部，分别设有冷却液体流入口24b及冷却液体流出口25b，因此，从冷却液体流入口24b到冷却液体流出口25b的各冷却液体流通通道23a～23g的长度大致相等。因此，从冷却液体流入口24b供给的冷却液体C如图1(b)实线箭头所示，从流入集管24向各冷却液体流通通道23a～23g分流，再次集流到流出集管25，从冷却液体流出口25b向外部流出。

各冷却液体流通通道23a～23g的从冷却液体流入口24b到冷却液体流出口25b的长度大致均等，但不能完全相等，位于中央的冷却液体流通通道23d稍短，随着朝向两侧，相对变长。各冷却液体流通通道的流体阻力与其长度成正比，因此，各冷却液体流通通道23a～23g的冷却液体的流量如图1(b)虚线箭头所示，差别很小，位于中央的冷却液体流通通道23d的流量大，随着朝向两侧而变小，但大致均等。因此，散热器20整体的冷却效果得到均一化。

表示流量的虚线箭头用长度表示流量大小，长度长表示流量大，长度短表示流量小。在以下其他实施例中也相同。

[第二实施例]

图2表示本发明第二实施例。该第二实施例系在所述第一实施例中，抑制位于中央的冷却液体流通通道23d的流量大，使得流通通过各冷却液体流通通道的冷却液体流量更均等。

第二实施例如图2所示，闭塞体闭塞散热器主体21内部的与冷却液体流入口24b及冷却液体流出口25b相对附近的中央部的冷却液体流通通道23d，将该闭塞体作为冷却液体的流动控制机构28。因此，从冷却液体流入集管24向着中央的冷却液体流通通道23d的冷却液体分散供给两侧的冷却液体流通通道，因此，剩余的冷却液体流通通道23a～23c以及23e～23g的流量增加，流量分布如图2虚线箭头所示得到均一化。

因此，与第一实施例相比，散热器整体的冷却效果能提高均一性。

[第三实施例]

图3表示本发明第三实施例。

在该第三实施例中，在冷却液体流入集管24内的冷却液体流入口24b和中央的冷却液体流通通道23d之间，设置一个将冷却液体流动从中央向两侧导向的控制突起28a，限制冷却液体向中央的冷却液体流通通道23d流入。

通过该控制突起28a，限制向通常流量多的中央的冷却液体流通通道23d的冷却液体的流入量，因此，该中央的冷却液体流通通道23d的流量减少，两侧的其他冷却液体流通通道的流量相对增加，整体的流通通道的流量分布如图3虚线箭头所示得到均一化。因此，进一步提高散热器20整体的冷却效果的均一性。

[第四实施例]

图4表示本发明第四实施例。

该第四实施例系在所述第三实施例中，由于液流的控制突起28a在中央只设置一个，两外侧的冷却液体流通通道23a及23g的流量增加很少，比其他冷却液体流通通道的流量小，为了改善这种状况，将控制突起28增加为三个，分散配置在冷却液体流入集管24内。

通过调整三个控制突起28a～28c的间隔，限制从冷却液体流入集管24直接流入冷却液体流通通道23b～23f的流量，能增加冷却液体向两侧的冷却液体流通通道23a及23g的流入量。由此，能如图4虚线箭头所示那样，使得流通通道整体的流量分布均一化，与第三实施例相比，能提高散热器20整体的冷却效果的均一性。

[第五实施例]

图5表示本发明第五实施例。

该第五实施例系设置一块液流控制板28d，以代替第四实施例的多个冷却液体的液流控制突起。

液流控制板28d如图5(b)所示，沿着长度方向分散设有开口面积不同的三种开口。中央开口28e是开口面积最小的开口，与其两侧邻接的开口28f，28g成为开口面积中间大小的开口。并且，两端开口28h，28i成为开口面积最大的开口。

通过将这种液流控制板28d设置在冷却液体流入集管24的冷却液体流入口24b和冷却液体流通通道23之间，冷却液体流入流量越是靠近中央的冷却液体流通通道越受限制而减小，越是靠近两侧的冷却液体流通通道越是相对增大，因此，如图5(a)的虚线箭头所示，能使得流通通道整体的流量分布均一。

由此，能使得散热器20的冷却效果全体均一。

上面参照附图说明了本发明的实施形态，但本发明并不局限于所述实施形态。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种液体冷却式散热器，其特征在于，具有由高热传导性材料构成的扁平体所形成的散热器主体，在该散热器主体上面结合有发热体，在散热器主体内部形成有：流入冷却液体的流入集管；流出冷却液体的流出集管；和由以规定间隔平行配设的多个散热片形成的多个冷却液体流通通道，在由所述散热片形成的冷却液体流通通道的两端，所述流入集管与所述流出集管连通并结合，其中

在所述流入集管和流出集管的与所述冷却液体流通通道相对的端面壁的中央部，设置有冷却液体的流入口和流出口。

2.如权利要求1所述的液体冷却式散热器，其特征在于：

闭塞所述多个冷却液体流通通道之中的、与设置在所述冷却液体流入集管的冷却液体流入口相对的中央部附近的冷却液体流通通道。

3.如权利要求1所述的液体冷却式散热器，其特征在于：

在所述冷却液体流入集管的中央部附近，与冷却液体流通通道相对地设置有将冷却液体的液流从中央导向侧方的液流控制机构。

4.如权利要求3所述的液体冷却式散热器，其特征在于：

设置有多个将所述冷却液体的液流从中央导向侧方的液流控制机构。

5.如权利要求1所述的液体冷却式散热器，其特征在于：

在所述冷却液体流入集管的冷却液体流入口和冷却液体流通通道之间，设置有对冷却液体进行控制的液流控制板，在该液流控制板上分散设置有多个开口。

6.如权利要求5所述的液体冷却式散热器，其特征在于：

所述冷却液体的液流控制板的多个开口，随着从中央向两端部靠近，其开口面积越大。