JP2005166789A

JP2005166789A - 放熱器

Info

Publication number: JP2005166789A
Application number: JP2003401368A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Konosu; 直広鴻巣; Masato Takahashi; 正人高橋; Atsushi Yanase; 淳梁瀬
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】放熱器内部での熱拡散量を増やし、冷却性能を向上させる。
【解決手段】上下３層の上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４を備え、下部放熱板４の給水口１０から上部放熱板２の上部水路６、中間放熱板３の連通口９及び下部放熱板４の下部水路１２を経て下部放熱板４の排水口１１に流れる冷却水により、受熱端部１ａにおいて上部放熱板２の上面に接合された発熱体７を冷却する放熱器１において、受熱端部１ａの端面と上部水路６、連通口９及び下部水路１２との間の端面壁１ｂの壁厚ｔを発熱体７の壁厚方向の接合代ｓと同じかそれ以上の大きさに定める。これにより、放熱板積層方向（Ｙ方向）の伝熱路の断面積が増え、この方向の熱放散が良好になって冷却性能が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体デバイスなどの発熱体の冷却に用いる水冷式の放熱器に関する。

半導体デバイス冷却用の水冷式放熱器については、例えば特許文献１に記載されているが、この種の放熱器の他の従来例について図７により説明する。図７は高出力のレーザーダイオード（以下、「ＬＤ」と記す。）アレイ用の放熱器を示し、図７の（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は同じくＤに沿う平面図である。ＬＤアレイは、発熱密度が数十〜数百Ｗ／ｃｍ²程度と大きく、その温度上昇によりレーザー出力、効率、発信波長、素子寿命等が大きな影響を受ける一方、大きさは例えば長さが１０ｍｍ、幅が１〜１．５ｍｍ程度で放熱器との接触面積が小さく、空冷式では温度上昇が低減しきれないため、ＬＤアレイ放熱器は内部に水路を設けた水冷式となっている。

すなわち、図７において、放熱器１は所定の左右幅（図７（Ａ）の紙面に垂直な方向の幅）と前後長さ（図７（Ａ）の左右方向）の長さを有する上下３層に積層された上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４を備えている。放熱器１の上記左右幅は例えば１１ｍｍ、前後長さは例えば２０ｍｍである。上部放熱板２の下面には、冷却水の給水口５と、この給水口５から給水された冷却水を放熱器１の前後一方側（図７では左側）の受熱端部１ａに向かって流す上部水路６とが溝状に形成されている。放熱体（ＬＤアレイ）７は放熱器１の受熱端部１ａにおいて上部放熱板２の上面に、その長手方向が受熱端部１ａの端面に沿うように接合されている。

次に、中間放熱板３には、上部放熱板２の給水口５と重なる貫通穴からなる給水口８と、受熱端部１ａ側において上部水路６と重なる横長方形の貫通穴からなる連通口９とが設けられている。また、下部放熱板４には、中間放熱板３の給水口８と重なる貫通穴からなる給水口１０と、冷却水を排水する貫通穴からなる排水口１１とが設けられ、下部放熱板４の上面には、中間放熱板３の連通口９を通過した冷却水を排水口１１に向かって流す下部水路１２が溝状に形成されている。このような放熱器１において、図７（Ａ）に矢印で示すように、給水口１０，８，５から上部水路６、連通口９及び下部水路１２を経て排水口１１に流れる冷却水により発熱体７を冷却する。

ＷＯ００／１１９２２号公報

図７に示した放熱器１において、従来は発熱体７の真下部分を冷却するために上部水路６を受熱端部１ａ側にできるだけ寄せ、端面壁１ｂの壁厚ｔをできるだけ薄くしている。一方、発熱体７から上部放熱板２に伝えられた熱は、前後方向（Ｘ方向）と放熱板積層方向（Ｙ方向）に拡散されるが、上部水路６に接する上部放熱板２の板厚ｈ及び壁厚ｔが薄いため、従来はＸ方向及びＹ方向のいずれの方向にも熱拡散量が小さく、発熱体７の出力が大きくなると熱放散量が不足して温度上昇が大きくなるという問題があった。

この発明の課題は、放熱器内部での熱拡散量を増やし、十分な冷却性能が得られるようにすることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、所定の左右幅と前後長さを有する上下３層に積層された上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板を備え、前記上部放熱板の下面に、冷却水の給水口と、この給水口から給水された前記冷却水を前記各放熱板の前後一方側の受熱端部に向かって流す上部水路とが溝状に形成されるとともに、前記受熱端部において前記上部放熱板の上面に発熱体が接合され、前記中間放熱板に、前記上部放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記受熱端部側において前記上部水路と重なる貫通穴からなる連通口とが設けられ、前記下部放熱板に、前記中間放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記冷却水を排水する貫通穴からなる排水口とが設けられるとともに、前記下部放熱板の上面に前記中間放熱板の連通口を通過した前記冷却水を前記排水口に向かって流す下部水路が溝状に形成され、前記給水口から前記上部水路、前記連通口及び前記下部水路を経て前記排水口に流れる前記冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、前記受熱端部の端面と前記上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚を前記発熱体の前記壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めるものとする（請求項１）。

請求項１の発明においては、放熱器における受熱端部の端面と上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚（図７におけるｔ）を発熱体の壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めることにより、放熱板積層方向（同Ｙ方向）の伝熱路の断面積（伝熱断面積）が増え、この方向の熱放散が良好になる。

請求項１の発明において、前記上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板に、前記端面壁から前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィンを互いに重なるようにそれぞれ形成するとよい（請求項２）。これにより、上下に重なる放熱フィンによっても放熱板積層方向の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散がより良好になる。

請求項１又は請求項２の発明において、前記上部放熱板の上部水路における前記受熱端部側の天井面に、前記端面壁に向かって下降する傾斜面を形成するとよい（請求項３）。これにより、上部放熱板の発熱体直下から前後方向に向かう伝熱断面積が増え、この方向の熱拡散が良好になる。

請求項３の発明において、前記上部放熱板の傾斜面と対向する前記中間放熱板の上面に、前記連通口に向かって前記上部放熱板の傾斜面よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面を形成するとよい（請求項４）。これにより、上記した上部放熱板の傾斜面を大きくとって前後方向の伝熱断面積を増やしながら、上部放熱板の上部水路から中間放熱板の連通口に向かう水路断面積を確保し、かつ中間放熱板の傾斜面の傾斜角を上部放熱板の傾斜面より小さくすることにより、前記した水路断面積を連通口側に近づくほど小さくし、冷却水の流速を次第に大きくして放熱板から冷却水への熱伝達量を大きくすることができる。

請求項１又は請求項２の発明において、前記中間放熱板の上面に、前記給水口から前記連通口側に向かって上昇する傾斜面を形成するとよい（請求項５）。これにより、給水口から上部水路に直角に向きを変える部分での水路断面積の急縮小による圧力損失を低減し、この部分における流量の減少を抑えることができる。

請求項１又は請求項２の発明において、前記中間放熱板の下面に、前記下部放熱板の下部水路と前記排水口とを連通する連通水路を形成するとよい（請求項６）。これにより、下部水路から排水口に直角に向きを変える部分での水路断面積の急拡大による圧力損失を低減し、この部分における流量の減少を抑えることができる。

請求項６の発明において、前記連通水路の天井面に、前記受熱端部側から前記排水口側に向かって上昇する傾斜面を形成するとよい（請求項７）。これにより、下部水路から連通水路に至る水路断面積を徐々に拡大し、この部分での流れの剥離を低減して流量の減少を抑えることができる。

請求項１〜請求項７のいずれの発明においても、前記給水口、連通口、排水口、各水路及び放熱フィンの角部に丸みをつけるのがよい（請求項８）。これにより、角部での流れの剥離による渦の発生を減少させ、この部分での流量の減少を抑えることができる。

この発明によれば、放熱器の伝熱断面積を拡大して放熱器内での熱拡散を良好にし、加えて放熱器内の冷却水路の流体抵抗を減らして冷却水量を増やし、放熱器の冷却性能を大幅に高めることができる。

以下、図１〜図６に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。

図１はこの発明の実施例１を示すもので、図１の（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は同じくＤ線に沿う平面図である。図１において、放熱器１は上下３層に積層された上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４を備え、各放熱板２〜４は熱伝導率の良好な材料、例えば銅、銅-タングステン合金、アルミなどの金属からなり、半田接合などにより互いに機械的、熱的に一体に接合されている。冷却水は図１（Ａ）に示すように、給水口１０，８，５から上部水路６、連通口９及び下部水路１２を経て排水口１１に流れ、放熱器１の受熱端部１ａにおいて上部放熱板２の上面に接合された発熱体（ＬＤアレイ）７を冷却する。

図１において、図７の従来例との相違は、放熱器１における受熱端部１ａの端面と上部水路１、連通口９及び下部水路１２との間の端面壁１ｂの壁厚ｔが、発熱体７の壁厚方向の接合代ｓと同じかそれ以上の大きさ（ｓ≦ｔ）に定められている点である。これにより、放熱板積層方向（Ｙ方向）の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散が良好になっている。次に、図１において、上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４に、端面壁１ｂから前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィン２ａ、３ａ及び４ａが互いに上下に重なるようにそれぞれ形成されている。各放熱フィン２ａ，３ａ，４ａ同士も互いに一体に接合されている。これらの放熱フィン２ａ，３ａ，４ａにより放熱板積層方向の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散が一層良好になる。

図２はこの発明の実施例２を示すもので、図２の（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はその平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は同じくＤに沿う平面図である。図２において、実施例１との相違は、まず上部放熱板２の上部水路６における受熱端部側の天井面に、端面壁１ｂに向かって下降する傾斜面１３が形成されている点である。これにより、上部放熱板２の発熱体直下から前後方向（Ｘ方向）に向かう伝熱断面積が増え、この方向の熱拡散が良好になっている。

また、図２において、上部放熱板２の傾斜面１３と対向する中間放熱板３の上面に、連通口９に向かって傾斜面１３よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面１４が形成されている。これにより、上部放熱板２に傾斜面１３を形成して伝熱断面積を増やしながら、中間放熱板側を逃がして、上部水路６から中間放熱板３の連通口９に向かう水路断面積を確保することができる。またその場合に、中間放熱板３の傾斜面１４の傾斜角を上部放熱板２の傾斜面１３より小さくすることにより、上記した水路断面積を連通口側に近づくほど小さくし、冷却水の流速を次第に大きくして放熱器１から冷却水への熱伝達量を大きくすることができる。なお、中間放熱板３の傾斜面１４の裏側にも傾斜面１５が形成され、連通口９から下部水路１２に向かう水路断面積が徐々に拡大するようにされている。

図３〜図６はこの発明の実施例３を示すもので、図３は放熱板の縦断面図、図４の（Ａ）は上部放熱板の平面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図、図５の（Ａ）は中間放熱板の平面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図、図６の（Ａ）は下部放熱板の平面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図ある。実施例３の実施例２との相違は、まず図３及び図５において、中間放熱板３の上面に、給水口８から連通口側に向かって上昇する傾斜面１６が形成されている点である。これにより、給水口１０，６，５から上部水路６に直角に向きを変える部分で、水路断面積の急縮小による圧力損失が低減する。

次に、図３及び図５において、中間放熱板３の下面に、下部放熱板４の下部水路１２と排水口１１とを連通する連通水路１７が形成されている点である。これにより、下部水路１２から排水口１１に直角に向きを変える部分で、水路断面積の急拡大による圧力損失が低減される。また、連通水路１６の天井面に、受熱端部側から排水口側に向かって上昇する傾斜面１８が形成されている。これにより、下部水路１２から連通水路１６に至る水路断面積が徐々に拡大され、この部分での流れの剥離による流量の減少が緩和される。更に、給水口８、連通口９、排水口１１、各水路６，１２，１６及び放熱フィン２ａ，２ａ，４ａの角部に丸みがつけられている。これにより、角部での流れの剥離による渦の発生が低減し、この部分での流量の減少が緩和されている。

この発明の実施例１を示し、（Ａ）は放熱器の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は（Ａ）の矢印Ｄに沿う平面図である。この発明の実施例２を示し、（Ａ）は放熱器の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は（Ａ）の矢印Ｄに沿う平面図である。この発明の実施例３を示す放熱器の縦断面図である。図３における上部放熱板を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。図３における中間放熱板を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。図３における下部放熱板を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。従来例を示し、（Ａ）は放熱器の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃに沿う平面図、（Ｄ）は（Ａ）の矢印Ｄに沿う平面図である。

符号の説明

１放熱器
１ａ受熱端部
１ａ端面壁
２上部放熱板
２ａフィン
３中間放熱板
３ａフィン
４下部放熱板
４ａフィン
５給水口
６上部水路
７発熱体
８給水口
９連通口
１０給水口
１１排水口
１２下部水路
１３傾斜面
１４傾斜面
１６傾斜面
１７連通水路
１８傾斜面

Claims

所定の左右幅と前後長さを有する上下３層に積層された上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板を備え、
前記上部放熱板の下面に、冷却水の給水口と、この給水口から給水された前記冷却水を前記各放熱板の前後一方側の受熱端部に向かって流す上部水路とが溝状に形成されるとともに、前記受熱端部において前記上部放熱板の上面に発熱体が接合され、
前記中間放熱板に、前記上部放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記受熱端部側において前記上部水路と重なる貫通穴からなる連通口とが設けられ、
前記下部放熱板に、前記中間放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記冷却水を排水する貫通穴からなる排水口とが設けられるとともに、前記下部放熱板の上面に前記中間放熱板の連通口を通過した前記冷却水を前記排水口に向かって流す下部水路が溝状に形成され、
前記給水口から前記上部水路、前記連通口及び前記下部水路を経て前記排水口に流れる前記冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、
前記受熱端部の端面と前記上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚を前記発熱体の前記壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めたことを特徴とする放熱器。
前記上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板に、前記端面壁から前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィンを互いに上下に重なるようにそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１記載の放熱器。
前記上部放熱板の上部水路における前記受熱端部側の天井面に、前記端面壁に向かって下降する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放熱板。
前記上部放熱板の傾斜面と対向する前記中間放熱板の上面に、前記連通口に向かって前記上部放熱板の傾斜面よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項３記載の放熱器。
前記中間放熱板の上面に、前記給水口から前記連通口側に向かって上昇する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放熱器。
前記中間放熱板の下面に、前記下部放熱板の下部水路と前記排水口とを連通する連通水路を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放熱器。
前記連通水路の天井面に、前記受熱端部側から前記排水口側に向かって上昇する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項６記載の放熱器。
前記給水口、連通口、排水口、各水路及び放熱フィンの角部に丸みをつけたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の放熱器。