JP2005294768A

JP2005294768A - 放熱器

Info

Publication number: JP2005294768A
Application number: JP2004111659A
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: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】冷却水路断面積を拡大し、放熱器内部での冷却水の圧力損失を低減させる。
【解決手段】一端を受熱端部とする上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４が上下３層に積層され、下部放熱板４には他端に排水孔５が設けられ、かつ排水孔５と受熱端部との間に給水孔６が設けられるとともに、上面に給水孔６から受熱端部に達する下部水路７が溝状に形成され、下部放熱板４の給水孔６から下部水路７、中間放熱板３の連通孔１０及び上部放熱板２の上部水路１２を通って中間放熱板３の排水孔９及び下部放熱板４の排水孔５に流れる冷却水により発熱体１５を冷却する放熱器１において、下部放熱板４の上面にバイパス水路１９を溝状に形成するとともに、このバイパス水路１９と上部水路２とを連通させるバイパス孔２０を中間放熱板３に設け、下部水路７から上部水路２に流入させた冷却水の一部をバイパス水路１９を通して排水孔５に流すようにする。
【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や特許文献２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３及び図４により説明する。ここで、図３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す縦断面図、図４の（Ａ）は図３の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。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が、大きさが例えば長さが１０ｍｍ、幅が１〜１．５ｍｍ程度で放熱器との接触面積が小さい。そのため、空冷式では温度上昇を抑えきれないため、ＬＤアレイ放熱器は内部に水路を設けた水冷式になっている。

図３及び図４において、放熱器１は一端（図の左端）をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４が上下３層に積層されて構成されている。放熱器１の左右幅は例えば１１ｍｍ、前後長さは例えば２０ｍｍ程度である。下部放熱板２には他端（図の右端）に排水孔５が設けられ、かつこの排水孔５と受熱端部（図の左端）との中間に給水孔６が設けられるとともに、上面に給水孔６から受熱端部に達する下部水路７が溝状に形成されている。下部放熱板４の受熱端部には、下部水路７中に突出するように、多数の放熱フィン８が櫛歯状に形成されている。

中間放熱板３には排水孔５に通じるように排水孔９が設けられるとともに、受熱端部に下部水路７と重なるように多数の小穴からなる連通孔１０が設けられている。更に、中間放熱板３の下面には、下部水路７と対向するように水路１１が溝状に形成され、流路断面積の拡大が図られている。上部放熱板２には連通孔１０と排水孔９とに跨るように上部水路１２が溝状に形成され、受熱端部には上部水路１２中に突出するように、多数の放熱フィン１３が下部放熱板４の放熱フィン８に通じるように櫛歯状に形成されている。

なお、各放熱板２〜４の水路２，１１，７内には整流と補強を兼ねて、各一対のリブ２ａ〜４ａが形成されている。また、各放熱板２〜４には、後述するように多数の放熱器１を積層する場合に締付ボルトを通すボルト穴１４が共通にあけられている。上部放熱板２の受熱端部上面には、発熱体（ＬＤ）１５がはんだ付け等の手段により気密かつ熱伝導良好な状態に接合される。

図３において、冷却水は矢印で示すように、給水孔６から下部水路７、連通孔１０及び上部水路１２を通って排水孔９，５に向かって流れ、発熱体１５はこの冷却水により冷却される。各放熱板２〜４は熱伝導が良好な金属材料、例えば銅（Ｃｕ）で製作されており、発熱体１５で発生した熱は上部放熱板２で受熱され、板厚方向に熱伝導して放熱フィン１３に導かれる。この熱はまた、放熱フィン１３から中間放熱板３における連通孔間の隔壁１６を介して下部放熱板４の放熱フィン８に熱伝導する。
ＷＯ００／１１９２２号公報特開平８−１３９４７９号公報

この種の放熱板１において、冷却効率を高めるためには流路断面積をできるだけ拡大し、冷却水の圧力損失をなるべく小さくすることが肝要である。その場合、図３及び図４に示した放熱器１においては、上部放熱板２における受熱端部（図の左端）から排水孔側（同右端）に至るまでの流路１２が長く、この間の圧力損失が大きい。そこで、この点を改善するために、図４の（Ｂ）及び（Ｃ）に二点鎖線で示すように、中間放熱板３に水路１１の近くから排水孔９に達するＵ字状の窓穴１７を上部水路１２の輪郭に合わせてくり抜き、中間放熱板３の板厚分だけ上部水路１２の流路断面積を増やすようにしたものが提案されている。窓穴１７は開口面積が大きいほど圧力損失が減少するので、水路１１に干渉しない範囲で最大限に開口させている。

一方、放熱器１の使用方法として、図５に示すように放熱器１を数十個積層したスタック構造として大出力化する場合がある。その場合、放熱器１を板厚方向に積層し、ボルト穴１４にボルト１８を通して強固に固定する。ところが、放熱器１の１点に大きな締付力が作用すると、ボルト穴１８を中心に放熱器１に大きな曲げ応力が発生し、放熱器１が反り返る恐れがある。このような変形が放熱器１に生じると、各放熱器１に取り付けた発熱体（ＬＤ）１５のレーザー光軸がずれたり、放熱器１の内部水路の歪による冷却水流量の変化から発熱体（ＬＤ）１５の温度上昇がばらついて性能が低下したりする不都合が生じる。

このような放熱器１の変形は、図４に示したように、中間放熱板３に大面積の窓穴１７をくり抜くことにより、放熱器１の強度が低下して一層大きくなる。その対策として、銅よりも強度が大きく、熱膨張率もＬＤに近いモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を中間放熱板３に使用することも試みられているが、それでも十分な曲げ強度が得らない。

そこで、この発明の課題は、放熱器の強度を低下させることなく、放熱器内部での冷却水の圧力損失を低減させることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、一端をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板が上下３層に積層され、前記下部放熱板には他端に排水孔が設けられ、かつこの排水孔と前記受熱端部との中間に給水孔が設けられるとともに、上面に前記給水孔から前記受熱端部に達する下部水路が溝状に形成され、前記中間放熱板には前記下部放熱板の排水孔に通じるように排水孔が設けられるとともに、前記受熱端部に前記下部水路と重なるように連通孔が設けられ、前記上部放熱板には下面に前記中間放熱板の連通孔と排水孔とに跨るように上部水路が溝状に形成されるとともに、前記受熱端部の上面に発熱体が接合され、前記給水孔から前記下部水路、前記連通孔及び前記上部水路を通して前記排水孔に流される冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、前記下部放熱板の上面に、前記給水孔の近傍から前記排水孔に達するバイパス水路を溝状に形成するとともに、このバイパス水路の前記給水孔の近傍と前記上部水路とを連通させるバイパス孔を前記中間放熱板に設け、前記下部水路から前記連通孔を通して前記上部水路に流入させた前記冷却水の一部を前記バイパス孔及びバイパス水路を通して前記排水孔に導くようにするものとする（請求項１）。

この発明によれば、下部放熱板に溝状のバイパス水路を設け、上部水路に流入した冷却水の一部をバイパス水路に分流させることにより、上部放熱板から排水孔に還流する冷却水の流路断面積を拡大して圧力損失を低減することができるとともに、中間放熱板には最小限の大きさのバイパス孔をあけるだけで済むので、中間放熱板の強度を損なうことがない。また、Ｍｏやタングステン等の硬度の高い材料を用いた場合でもプレスなどで比較的容易に加工することが可能なため、放熱器を低コストで提供することができる。

以下、図１及び図２に基づいて、ＬＤ冷却用放熱器におけるこの発明の実施の形態を説明する。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。ここで、図１は放熱器の縦断面図、図２の（Ａ）は図１の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。なお、図１は図２（Ｄ）に示したＩ−Ｉ線に沿って切断した断面である。

さて、図示実施の形態において、従来技術と相違するのは、下部放熱板４の上面に、給水孔６の近傍から排水孔５に達するバイパス水路１９が溝状に形成され、中間放熱板３にバイパス水路１９の給水孔６の近傍と上部水路１２とを連通させる左右一対のバイパス孔２０がハ字状に設けられている点である。バイパス孔２０は中間放熱板３の強度をなるべく損なわないようにできるだけ小さく、例えばプレス加工で打ち抜く場合には、幅は板厚と同じ程度、長さはその数倍程度の大きさにする。バイパス水路１９の深さは、圧力損失低減の必要程度に応じて決定する。

図１において、給水孔６から給水され、水路１１で拡大された下部水路７を通り、連通孔１０を経て上部水路１２に流入した冷却水の一部は、矢印で示すようにバイパス孔２０で分流してバイパス水路１９を通り排水孔５に向かって流れる。その他の冷却水は従来と同じように上部水路１２を流れ、排水孔９を経て排水孔５に向かって流れる。このように、上部水路１２に到達した冷却水の一部をバイパス水路１９に導くことにより、圧力損失を大幅に低減できる一方、中間放熱板３を貫通させるバイパス孔２０は必要最小限の大きさに留めて放熱器１の強度の低下を抑えることができる。

この発明の実施の形態を示す放熱器の縦断面図である。（Ａ）は図１の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。従来例を示す放熱器の縦断面図である。（Ａ）は図３の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。多数の放熱器を積層してスタック構造として使用する場合を説明する側面図である。

符号の説明

１放熱器
２上部放熱板
３中間放熱板
４下部放熱板
５排水孔
６給水孔
７下部水路
８排水孔
９連通孔
１０上部水路
１１発熱体
１９バイパス水路
２０バイパス孔

Claims

一端をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板が上下３層に積層され、
前記下部放熱板には他端に排水孔が設けられ、かつこの排水孔と前記受熱端部との中間に給水孔が設けられるとともに、上面に前記給水孔から前記受熱端部に達する下部水路が溝状に形成され、
前記中間放熱板には前記下部放熱板の排水孔に通じるように排水孔が設けられるとともに、前記受熱端部に前記下部水路と重なるように連通孔が設けられ、
前記上部放熱板には下面に前記中間放熱板の連通孔と排水孔とに跨るように上部水路が溝状に形成されるとともに、前記受熱端部の上面に発熱体が接合され、
前記給水孔から前記下部水路、前記連通孔及び前記上部水路を通して前記排水孔に流される冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、
前記下部放熱板の上面に、前記給水孔の近傍から前記排水孔に達するバイパス水路を溝状に形成するとともに、このバイパス水路の前記給水孔の近傍と前記上部水路とを連通させるバイパス孔を前記中間放熱板に設け、前記下部水路から前記連通孔を通して前記上部水路に流入させた前記冷却水の一部を前記バイパス孔及びバイパス水路を通して前記排水孔に導くようにしたことを特徴とする放熱器。