CN104064536A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

冷却器包括基板（3）、散热片（4）、冷却剂排出通路（14）和冷却剂供给通路（12）。冷却剂供给通路包括将冷却剂供给通路分割成多个分割供给通路（121，122）的供给通路分隔部（21）。供给通路分隔部在冷却剂供给通路内在冷却剂流动方向上延伸。第一冷却剂供给口（81）从沿着基板的一侧向第一分割供给通路供给冷却剂，第一分割供给通路是分割供给通路中的至少一个分割供给通路。第二冷却剂供给口（82）从沿着基板的另一侧向第二分割供给通路供给冷却剂，第二分割供给通路是分割供给通路中的至少一个分割供给通路。冷却剂喷嘴朝向散热片喷出冷却剂。冷却剂喷嘴包括与第一分割供给通路连通的冷却剂喷嘴和与第二分割供给通路连通的冷却剂喷嘴。

Description

冷却器

技术领域

本发明涉及一种冷却器。更加具体地，本发明涉及一种碰撞射流式冷却器，在该碰撞射流式冷却器中，冷却对象诸如半导体芯片被附接到基板的一个表面，并且使得冷却剂撞击在基板的另一个表面上。

背景技术

用于冷却半导体芯片或者电子元件的冷却器类型是已知的，其中冷却对象诸如半导体芯片被附接到冷却器的基板的一个表面，并且冷却剂被朝向基板的另一个表面，即基板的与该一个表面相反的相反表面喷出。使得喷出的冷却剂在基板的另一个表面上撞击的这种类型的冷却器有时被称为碰撞射流式冷却器。在本说明书中，附接冷却对象诸如半导体芯片的位置被称作“基板”。进而，为了描述方便起见，冷却对象所附接的表面即该“一个表面”被称作基板的正表面，并且是“另一个表面”的与该“一个表面”相反的表面被称作反表面。

在例如日本专利申请公报No.2011-166113（JP2011-166113A）中描述了碰撞射流式冷却器的一个实例。在JP2011-166113A中描述的冷却器中，壳体的侧壁与基板对应。冷却器具有分隔板，所述分隔板被设置成面对基板的反表面，并且将壳体内侧的空间分割成面对基板的空间和与基板隔开的空间。冷却剂被从外侧供给到从基板的反表面隔开的空间中。即，这个空间自身形成冷却剂供给通路。附带说一句，在壳体中被形成为将冷却剂供给到基板的开口被称作冷却剂供给口。设置了从分隔板朝向基板的反表面喷出冷却剂的冷却剂喷嘴。冷却剂喷嘴具有从更靠近冷却剂供给口的一侧到远离冷却剂供给口的一侧延长的开口。可替代地，冷却器具有从靠近冷却剂供给口的一侧到远离冷却剂供给口的一侧并排地设置的多个冷却剂喷嘴。在被分隔板分割的空间中，面对基板的空间设有在壳体的壁表面中形成的冷却剂排出开口。冷却剂排出开口在壳体的侧壁之一中形成，所述侧壁面对设有冷却剂供给口的侧壁。从冷却剂喷嘴喷出的冷却剂在基板的反表面上碰撞，并且然后朝向排出开口流动。即，在分隔板和基板之间的空间形成冷却剂排出通路。附带说一句，在JP2011-166113A中描述的冷却器中，基板的反表面设有多个散热片。

进而，在例如日本专利申请公报No.5-3274（JP5-3274A）中描述了碰撞射流式冷却器的另一个实例。在这个冷却器中，设置用于分离布置在基板上的半导体元件的分隔部件，从而形成半导体元件冷却腔室。冷却剂喷嘴经由对冷却介质进行冷却的冷却介质供给部件而被附接到元件冷却腔室，并且每一个元件被独立地冷却，从而使得在元件之间的温差是小的。

发明内容

冷却剂喷嘴具有在冷却剂的流动方向上延长的开口。可替代地，冷却器具有设置在流动方向上的多个冷却剂喷嘴。然后，经由冷却剂喷嘴或者多个喷嘴，冷却剂从冷却剂供给通路移动到冷却剂排出通路。因此，在冷却剂供给通路中，冷却剂流率从上游侧到下游侧降低，而在冷却剂排出通路中，冷却剂流率从上游侧到下游侧增加。

在JP2011-166113A中公开的冷却器中，分隔板平行于基板，并且冷却剂供给通路和冷却剂排出通路中的每一个的流动路径截面面积，即，在与冷却剂流动方向正交的每一个流路的截面上的流动路径面积在冷却剂流动方向上是恒定的。在冷却剂供给通路中，因为流率从上游侧到下游侧降低并且流动路径截面面积是恒定的，所以冷却剂的压力向下游降低。在冷却剂排出通路中，因为流率从上游侧到下游侧增加并且流动路径截面面积是恒定的，所以冷却剂的压力向下游增加。如果在冷却剂供给通路和冷却剂排出通路中的每一个内的压力分布在冷却剂流动方向上是不均匀的，则使其在基板上碰撞的冷却剂的压力或者流动速度变得不均匀，从而使得用于附接到基板的冷却对象的冷却能力是非均匀的。

在如在JP5-3274A中描述的技术中那样将冷却腔室分离以用于每一个元件的情形中，类似于在JP2011-166113A中描述的情形，在冷却剂流动方向上压力分布也是不均匀的，因为冷却剂的压力在冷却剂供给通路的下游侧处降低或者在冷却剂排出通路的下游侧处增加。

本发明提供一种能够均匀地对冷却对象进行冷却的碰撞射流式冷却器。

根据本发明一个方面的一种冷却器包括：

基板，所述基板被构造成允许冷却对象被附接到所述基板的一个表面；

散热片，所述散热片被附接到所述基板的与所述一个表面相反的相反表面，所述散热片包括多个散热片，所述多个散热片彼此平行地布置，使得所述散热片的平坦表面彼此面对；

冷却剂排出通路，所述冷却剂排出通路与被限定在所述多个散热片之间的空间连通，并且被设置成与所述散热片相邻；

冷却剂供给通路，所述冷却剂供给通路被设置在所述基板的所述相反表面的一侧处，并且所述冷却剂供给通路与所述散热片隔着所述冷却剂排出通路设置，所述冷却剂供给通路沿着所述基板延伸，所述冷却剂供给通路包括：

供给通路分隔部，所述供给通路分隔部被构造成将所述冷却剂供给通路分割成多个分割供给通路，所述供给通路分隔部在所述冷却剂供给通路内沿着冷却剂流动方向延伸；

第一冷却剂供给口，所述第一冷却剂供给口被构造成从沿着所述基板的一侧向第一分割供给通路供给冷却剂，所述第一分割供给通路是所述多个分割供给通路中的至少一个分割供给通路；

第二冷却剂供给口，所述第二冷却剂供给口被构造成从沿着所述基板的另一侧向第二分割供给通路供给冷却剂，所述第二分割供给通路是所述多个分割供给通路中的至少一个分割供给通路；和

冷却剂喷嘴，所述冷却剂喷嘴被构造成朝向所述散热片喷出冷却剂，所述冷却剂喷嘴包括与所述第一分割供给通路连通的冷却剂喷嘴以及与所述第二分割供给通路连通的冷却剂喷嘴。

根据这个构造，因为冷却剂供给通路被供给通路分隔部分隔成第一和第二分割供给通路，并且冷却剂被从一侧和从另一侧供给到该第一和第二分割供给通路，所以能够使得冷却剂在冷却剂供给通路中在两个方向上流动。冷却剂的压力在第一和第二分割供给通路中的每一个分割供给通路的下游侧处下降。然而，第一分割供给通路的压力下降的下游侧与第二分割供给通路的上游侧相邻地定位，在第二分割供给通路中，冷却剂在与在第一分割供给通路中冷却剂流动的方向相反的方向上流动。因此，在作为整体的冷却剂供给通路中，使得冷却剂的压力分布沿着冷却剂供给通路的延伸方向是均匀的。因此，冷却对象能够被均匀地冷却。

进而，在根据本发明的一个方面的冷却器中，基板可以在相反表面上具有朝向冷却剂排出通路弯曲的弯曲表面。弯曲表面可以被构造成将冷却剂引导到冷却剂排出通路。

根据前面的构造，从喷嘴朝向基板喷出的冷却剂在沿着弯曲表面弯曲时被朝向冷却剂排出通路引导。因此，冷却剂在相邻的散热片之间顺利地流动。由此，冷却剂在基板的反表面上的碰撞能够得到缓解或者在冷却剂在反表面上碰撞之后发生的冷却剂流的湍流能够受到抑制，从而能够减小冷却剂的压力损失。

附图说明

将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：

图1示出根据本发明的实施例的冷却器的透视图；

图2A示出已经移除了冷却器的壳体的顶板的冷却器的截面视图；

图2B示出沿着图2A的线B-B截取的冷却器的截面视图；

图2C示出沿着图2A的线C-C截取的冷却器的截面视图；

图3示出图2B所示冷却器的部分III的放大视图；并且

图4示出图2C所示冷却器的部分IV的放大视图。

具体实施方式

将在下文中参考附图描述本发明的实施例。图1是冷却器2的透视图。应该指出，在图1中，构件被示意为部分地剖切从而能够看到冷却器2的内部结构。阴影示意剖切表面。首先，参考图1、2A、2B和2C，将描述冷却器2。

冷却器2是对冷却对象92a、92b和92c诸如半导体芯片进行冷却的装置。冷却对象92a到92c经由还用作散热器的电绝缘板91而被附接到基板3的正表面3a。基板3形成壳体7的侧壁。在这里应该指出“正表面3a”是在区别基板3的两个相反的平坦表面时为了方便起见的表达。在本说明书中，基板3的、将被冷却器2冷却的冷却对象所附接的一个表面，即，面对壳体7的外侧的表面被称作“正表面3a”，并且与该一个表面相反的相反表面，即，面对冷却器2的壳体7的内侧的表面被称作“反表面3b”。冷却器2使冷却剂穿过壳体7的内侧，并且具体地，基板3的反表面侧，从而对冷却对象进行冷却。冷却剂优选地是水或者防冻液体，但是还可以是气体诸如空气。附带说一句，虽然在图中，这个实施例的冷却器2被设置成使得基板3面向下，但是基板3还能够被设置成面向上。

多个散热片4被附接到基板3的反表面3b。散热片4彼此平行地布置，使得它们的平坦表面彼此面对。散热片4的定向与在以后描述的冷却剂的流动方向正交。

冷却器2的壳体7基本是长方体，并且其除了散热片4以外的内部空间形成冷却剂的流动路径。在壳体7内侧设置分隔板5，该分隔板5将内部空间分割成面对基板3的反表面3b的空间和与基板3间隔开的空间。这个分隔板5与基板3平行地设置。然后，冷却剂供给通路12形成在分隔板5和壳体7的与基板3相对的侧壁之间。此外，冷却剂排出通路14形成于在基板3和分隔板5之间的空间中。将在以后详细描述冷却剂供给通路12和冷却剂排出通路14。

冷却器2具有被设置在冷却剂供给通路12内的多个供给通路分隔部21。供给通路分隔部21在冷却剂供给通路12内沿着冷却剂流动方向延伸，并且将冷却剂供给通路12分割成多个通路。冷却剂供给通路12被分离成第一分割供给通路121和第二分割供给通路122。第一分割供给通路121和第二分割供给通路122相互交替地并置。供给通路分隔部21分隔冷却剂供给通路12，使得被供给通路分隔部21分割的分割供给通路与基板3平行地并排地铺设。进而，如在图2A中所示，供给通路分隔部21在图2A中的左右方向上延伸，并且其在纵向方向上的两个端部紧密地附着到壳体7的侧壁的内表面。进而，如在图2C中所示，供给通路分隔部21紧密地附着到分隔板5的反表面，并且紧密地附着到面对分隔板5的壳体7的侧壁的内表面。因为以该方式布置供给通路分隔部21，所以冷却剂供给通路12的该多个分割部分，即，第一分割供给通路121和第二分割供给通路122被形成为不允许冷却剂从一个分割供给通路流动到另一个分割供给通路。

如在图2B中所示，与分隔板5相比更远离基板3的空间，即，冷却剂供给通路12设有第一冷却剂供给口81和第二冷却剂供给口82。与分隔板5相比更靠近基板3的空间，即，冷却剂排出通路14设有冷却剂排出开口9。第一冷却剂供给口81、第二冷却剂供给口82和冷却剂排出开口9设置在壳体7的彼此面对的两个侧壁中。进而，第一分割供给通路121和第二分割供给通路122，即，冷却剂供给通路12的该多个分割部分分别设有第一冷却剂供给口81和第二冷却剂供给口82。第一冷却剂供给口81和第二冷却剂供给口82被形成为相互交替并且关于冷却剂流动方向彼此相对。第一冷却剂供给口81被形成为用于第一分割供给通路121，并且第二冷却剂供给口82被形成为用于第二分割供给通路122。在图2A所示实例中，与中央第一分割供给通路121对应的第一冷却剂供给口81形成在壳体7的左侧壁和右侧壁之一即右侧壁中，并且与上和下第二分割供给通路122对应的第二冷却剂供给口82形成在壳体7的另一个侧壁即左侧壁中。因此，能够经由该两侧之一，即，右侧向第一分割供给通路121，即，该两组分割供给通路之一供给冷却剂，并且能够经由另一侧，即，左侧向另一组分割供给通路，即，第二分割供给通路122供给冷却剂。因此，如由图1和图2A中的粗线箭头示出地，冷却剂在第一分割供给通路121中从右侧流动到左侧，并且冷却剂在每一个第二分割供给通路122中从左侧流动到右侧。因此，冷却剂在相互交替地设置的第一分割供给通路121和第二分割供给通路122中流动的方向彼此相反。因此，在第一分割供给通路121中的冷却剂流的下游侧（或者上游侧）和在每一个第二分割供给通路122中的冷却剂流的上游侧（或者下游侧）相互靠近。

进而，如在图2B中所示，冷却剂排出开口9被设置在壳体7的左侧壁和右侧壁之一，即，右侧壁中。因此，在冷却剂排出开口9中，冷却剂在图中从左向右流动。

进而，冷却剂喷嘴6从分隔板5朝向基板3延伸。如在图2A中所示，每一个冷却剂喷嘴6具有沿着冷却剂的流动延长的开口，换言之，流动路径。从冷却剂供给口81、82供给的冷却剂通过冷却剂供给通路12，并且通过冷却剂喷嘴6，并且然后移动到冷却剂排出通路14中。最后，冷却剂经由冷却剂排出开口9而被排出。冷却剂喷嘴6包括与第一分割供给通路121连通的冷却剂喷嘴6以及与第二分割供给通路122连通的冷却剂喷嘴6。

如在图2C中所示，每一个冷却剂排出通路14被形成为具有方U形状截面的凹槽，并且每一个方U形凹槽面对多个散热片4。即，每一个冷却剂排出通路14与被限定在散热片4之间的空间连通。进而，每一个冷却剂喷嘴6的远端6a与散热片4的上端4a接触。

进而，冷却器2还包括设置在基板3的反表面上的多个引导部31。图3示出图2B所示部分III的放大视图。图4示出图2C所示部分IV的放大视图。如在图3和图4中所示，引导部31是用于使得冷却剂顺利地流动的结构，并且被设置在面对冷却剂排出通路14的位置处，并且具有弯曲表面32，该弯曲表面32从基板3的反表面朝向冷却剂排出通路14弯曲。弯曲表面32沿着与散热片4的平坦表面正交的方向弯曲地从基板3的反表面延伸，并且还沿着与散热片4的平坦表面平行的方向弯曲地从散热片4的平坦表面延伸。因此，弯曲表面32在图2B所示截面视图和图2C所示截面视图这两者中弯曲。进而，弯曲表面32光滑地并且连续地连结散热片4的平坦表面。在图2B所示截面视图，即，沿着冷却剂在冷却剂供给通路12中的流动方向截取的截面视图中，从喷嘴喷出的冷却剂如由图3中的粗线箭头示出地沿着两个相邻散热片4的彼此面对的表面之一流动，并且随着接近基板3该冷却剂沿着弯曲表面32弯曲。然后，在紧邻基板3处，冷却剂与基板3平行地流动。在这之后，冷却剂沿着该两个相邻散热片4的彼此面对的表面之另一个的弯曲表面32弯曲，并且朝向冷却剂排出通路14移动。因此，在沿着冷却剂在冷却剂供给通路12中的流动方向截取的截面视图中，冷却剂在基板3上碰撞并且然后在沿着弯曲表面32弯曲的同时远离基板3地移动。因此，冷却剂在基板3的反表面上的碰撞得到缓解，并且冷却剂流的湍流减弱。

进而，如在图4中所示，每一个引导部31具有远端部分33，该远端部分33被形成为朝向相邻的冷却剂排出通路14突出。在图2C所示截面视图，即，与冷却剂在冷却剂供给通路12中的流动方向正交的截面中，已经从冷却剂喷嘴6流动到在散热片4之间的空间中的冷却剂在基板3的反表面上碰撞，沿着引导部31的弯曲表面32流动，并且然后如由图4中的粗线箭头示出地被从引导部的远端部分33朝向冷却剂排出通路14引导。因此，在冷却剂在基板3上碰撞之后冷却剂流的湍流能够减弱。

参考图1和图2B，将描述冷却剂在整个冷却器2中的流动。图1和图2B中的带有箭头的粗线示出冷却剂的液流。在图2B中，“Fin”示意冷却剂流入冷却器2中，并且“Fout”示意冷却剂流出冷却器2。从第一冷却剂供给口81供给的冷却剂在第一分割供给通路121中在图中从右侧朝向左侧流动。进而，从第二冷却剂供给口82供给的冷却剂在第二分割供给通路122中从左侧朝向右侧流动。供给到冷却剂供给通路12中的冷却剂，随着它在第一分割供给通路121和第二分割供给通路122中流动，经由冷却剂喷嘴6的细长开口朝向基板3改变它的流动方向。然后，该冷却剂强烈地从冷却剂喷嘴6朝向基板3的反表面3b喷出。朝向基板3的反表面3b喷出的冷却剂在散热片4之间流动，并且它受到引导部31的弯曲表面32引导，并且从引导部31的远端部分33朝向冷却剂排出通路14流动。在冷却剂排出通路14中，冷却剂朝向冷却剂排出开口9流动。最后，冷却剂从冷却剂排出开口9被排出。附带说一句，冷却剂管道（未示出）被连接到冷却剂供给口81、82和冷却剂排出开口9，并且冷却剂管道的远端被连接到罐和泵（均未示出）。通过使用罐、泵和冷却剂管道，冷却剂被输送到冷却器2并且被从冷却器2回收。

将描述冷却器2的优点。因为冷却器2设有沿着冷却剂供给通路12延长的冷却剂喷嘴6，所以移动到冷却剂排出通路14中的冷却剂的量朝向冷却剂供给通路12的下游端逐渐地增加。因此，在冷却剂供给通路12中的冷却剂的压力朝向冷却剂供给通路12的下游端逐渐地下降。在另一方面，冷却器2的冷却剂供给通路12被供给通路分隔部21分割成多个分割供给通路，即，第一分割供给通路121和第二分割供给通路122，并且冷却剂被从一个方向供给到第一分割供给通路121中，并且被从相反方向供给到第二分割供给通路122中。因此，能够使得冷却剂在该两个相反的方向上在冷却剂供给通路中流动。即，每一个第一分割供给通路121的下游侧与每一个第二分割供给通路122的上游侧相邻，并且每一个第二分割供给通路122的下游侧与每一个第一分割供给通路121的上游侧相邻。因此，虽然在每一个分割供给通路中的下游侧处冷却剂的压力下降，但是在一个分割供给通路中的下游侧处的低的冷却能力能够被在相邻的分割供给通路中的上游侧中流动的冷却剂补偿。因此，冷却对象能够被均匀地冷却。进而，因为引导部31的弯曲表面32朝向冷却剂排出通路14引导冷却剂，所以冷却剂能够顺利地在相邻的散热片4之间流动。因此，冷却剂在基板3的反表面3b上的碰撞能够得到缓解，并且冷却剂的压力损失能够减小。

虽然以上已经描述了本发明的一个实施例，但是前面的实施例并不限制本发明的具体形式或者构造。例如，前面的实施例具有如下构造，在该构造中，第一分割供给通路121和第二分割供给通路122相互交替并且彼此相邻地布置，使得冷却剂从一侧到另一侧的流动和冷却剂从另一侧到一侧的流动相互交替。然而，第一分割供给通路121和第二分割供给通路122并不是必要地需要相互交替地布置。例如，可以采用第一分割供给通路121和第二分割供给通路122以两个相同类型的分割供给通路为单位交替的构造。具有冷却剂朝向一侧流动的第一分割供给通路121和冷却剂朝向另一侧流动的第二分割供给通路122的这个构造能够均匀地对冷却对象进行冷却。因此，如果设置冷却剂流动方向彼此相反的第一分割供给通路121和第二分割供给通路122，则分割供给通路的布置顺序不被特别地限制。

虽然前面的实施例的冷却器2设有冷却剂喷嘴6，每个冷却剂喷嘴6均具有沿着冷却剂供给通路12的流动方向的细长的开口，但是本说明书公开的技术还能够应用于具有在流动方向上设置的多个冷却剂喷嘴而不是细长冷却剂喷嘴6的碰撞射流式冷却器。

虽然以上已经描述了本发明的具体实例，但是应该理解，这些实例仅仅是示意性的而非限制所附权利要求的范围。在权利要求中描述的技术包括对于以上示意的具体实例作出的各种变型和改变。在说明书或者附图中描述或者示意的技术元素能够独自地或者不限于在提交的权利要求中描述的组合地以两个或者更多个元素组合的方式实现它们的技术用途。进而，在说明书和附图中作为实例示意的技术能够同时地实现多个目的，并且仅这些目的之一的实现具有技术用途。

Claims (2)

1.一种冷却器，包括：

基板（3），所述基板（3）被构造成允许冷却对象（92a、92b、92c）被附接到所述基板（3）的一个表面；

散热片（4），所述散热片（4）被附接到所述基板（3）的与所述一个表面相反的相反表面，所述散热片（4）包括多个散热片（4），所述多个散热片彼此平行地布置，使得所述散热片（4）的平坦表面彼此面对；

冷却剂排出通路（14），所述冷却剂排出通路（14）与被限定在所述多个散热片（4）之间的空间连通，并且被设置成与所述散热片（4）相邻；

冷却剂供给通路（12），所述冷却剂供给通路（12）被设置在所述基板（3）的所述相反表面的一侧处，并且所述冷却剂供给通路（12）与所述散热片（4）隔着所述冷却剂排出通路（14）设置，所述冷却剂供给通路（12）沿着所述基板（3）延伸，所述冷却剂供给通路（12）包括：

供给通路分隔部（21），所述供给通路分隔部（21）被构造成将所述冷却剂供给通路（12）分割成多个分割供给通路（121、122），所述供给通路分隔部（21）在所述冷却剂供给通路（12）内沿着冷却剂流动方向延伸；

第一冷却剂供给口（81），所述第一冷却剂供给口（81）被构造成从沿着所述基板（3）的一侧向第一分割供给通路（121）供给冷却剂，所述第一分割供给通路（121）是所述多个分割供给通路中的至少一个分割供给通路；

第二冷却剂供给口（82），所述第二冷却剂供给口（82）被构造成从沿着所述基板（3）的另一侧向第二分割供给通路（122）供给冷却剂，所述第二分割供给通路（122）是所述多个分割供给通路中的至少一个分割供给通路；和

冷却剂喷嘴（6），所述冷却剂喷嘴（6）被构造成朝向所述散热片（4）喷出冷却剂，所述冷却剂喷嘴（6）包括与所述第一分割供给通路（121）连通的冷却剂喷嘴（6）以及与所述第二分割供给通路（122）连通的冷却剂喷嘴（6）。

2.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述基板（3）在所述相反表面上具有朝向所述冷却剂排出通路（14）弯曲的弯曲表面（32），并且，所述弯曲表面（32）被构造成将冷却剂引导到所述冷却剂排出通路（14）。