JP2008016613A - Cooling system - Google Patents

Cooling system Download PDF

Info

Publication number
JP2008016613A
JP2008016613A JP2006185777A JP2006185777A JP2008016613A JP 2008016613 A JP2008016613 A JP 2008016613A JP 2006185777 A JP2006185777 A JP 2006185777A JP 2006185777 A JP2006185777 A JP 2006185777A JP 2008016613 A JP2008016613 A JP 2008016613A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
refrigerant
main flow
flow path
cooling device
fin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006185777A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsumi Kuno
勝美 久野
Hideo Iwasaki
秀夫 岩崎
Tomonao Takamatsu
伴直 高松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2006185777A priority Critical patent/JP2008016613A/en
Publication of JP2008016613A publication Critical patent/JP2008016613A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling system which degrades no heat radiation performance even if a microchannel is miniaturized, and has a high heat transfer coefficient. <P>SOLUTION: The cooling system comprises: a first main flow channel thermally connected to a first heat generator 1; a second main flow channel connected to a downstream side of the first main flow channel and thermally connected to a second heat generator; a plurality of fins 3 thermally connected to the inner wall of the first main flow channel by leaving a space; a plurality of fins 3 thermally connected to the inner wall of the second main flow channel by leaving a space; and a first refrigerant outflow channel 5 formed in the vicinity of the connection part of the fin 3 of the first main flow channel and making a part of the refrigerant flow in the first main flow channel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、発熱体を冷却するための冷却装置に関する。   The present invention relates to a cooling device for cooling a heating element.

従来、大型コンピュータなどで、配線基板上に搭載した半導体デバイス(発熱体)を冷
却する液冷式冷却装置がある(特許文献1)。この液冷式冷却装置は、冷媒を導入する流
路にマイクロチャネルを形成し、この流路を通って流出する冷媒は、単一の空間を介して
壁面に衝突する。そして、マイクロチャネルが形成された別の流路にこの冷媒が導入され
排出されるという構成をしている。
Conventionally, there is a liquid cooling type cooling device that cools a semiconductor device (heating element) mounted on a wiring board with a large computer or the like (Patent Document 1). In this liquid cooling type cooling device, a microchannel is formed in a flow path for introducing a refrigerant, and the refrigerant flowing out through the flow path collides with a wall surface through a single space. The refrigerant is introduced into and discharged from another flow path in which the microchannel is formed.

また、非特許文献1には、流路中にマイクロチャネルを形成すると、マイクロチャネル
を構成する壁面から冷媒へ熱伝達が高まるという技術について記載されている。流路が狭
くなると、温度境界層が薄くなるために、高い熱伝達率が実現でき、マイクロチャネルを
形成するためのフィンを薄く形成することで流路の単位断面積あたり冷媒と接触するフィ
ン表面積を増やすことができるので、さらに熱伝達率を向上させることができる。
特開2003−318343号公報 D.B.Tuckerman, R.F.Pease, High Performance Heat Sinking for VLSI, 1981, IEEE EDL-2(5), pp.126-129.
Non-Patent Document 1 describes a technique in which heat transfer is increased from the wall surface constituting the microchannel to the refrigerant when the microchannel is formed in the flow path. When the flow path becomes narrower, the temperature boundary layer becomes thinner, so a high heat transfer coefficient can be realized, and the fin surface area that comes into contact with the refrigerant per unit cross-sectional area of the flow path by forming thin fins for forming microchannels Therefore, the heat transfer rate can be further improved.
JP 2003-318343 A DBTuckerman, RFPease, High Performance Heat Sinking for VLSI, 1981, IEEE EDL-2 (5), pp.126-129.

このように冷媒が流れる流路中にマイクロチャネルを設けると、熱伝達率を向上させる
ことができる。
When the microchannel is provided in the flow path through which the refrigerant flows, the heat transfer coefficient can be improved.

しかしながら上記したように流路の単位断面積あたり冷媒と接触するフィン表面積を増
やすためにフィン枚数を増加させ、その結果としてフィン間隔が狭くなると、フィンを熱
が伝わる能力に比較してフィンの表面から冷媒へ熱が伝わる能力が大きくなり、すなわち
所謂フィン効率が低下し、フィン接続付近を流れる冷媒の温度が、それよりも離れた側を
流れる冷媒の温度よりも高くなる温度勾配が生じる。この流路中における冷媒の温度勾配
はフィンから冷媒への熱伝達率を低下させてしまうという問題がある。
However, as described above, when the number of fins is increased to increase the fin surface area in contact with the refrigerant per unit cross-sectional area of the flow path, and as a result, the fin spacing is reduced, the surface of the fin is compared with the ability to transfer heat to the fins. Therefore, the so-called fin efficiency is reduced, and a temperature gradient is generated in which the temperature of the refrigerant flowing near the fin connection is higher than the temperature of the refrigerant flowing further away. The temperature gradient of the refrigerant in the flow path has a problem that the heat transfer coefficient from the fin to the refrigerant is lowered.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、マイクロチャネルが微細化しても
放熱性能が低下することがなく、熱伝達率が高い冷却装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a cooling device having a high heat transfer rate without reducing heat dissipation performance even when the microchannel is miniaturized.

上記問題を解決するために、本発明は、第1の発熱体と熱的に接続された第1の主流路
と、
前記第1の主流路の下流側に接続され、第2の発熱体と熱的に接続された第2の主流路
と、
前記第1の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第2の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第1の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第1の主流路を流れる冷
媒の一部を流出させる第1の冷媒流出路とを具備することを特徴とする冷却装置を提供す
る。
In order to solve the above problem, the present invention includes a first main flow channel thermally connected to the first heating element,
A second main channel connected to the downstream side of the first main channel and thermally connected to a second heating element;
A plurality of fins that are thermally connected to the inner wall of the first main flow path and spaced apart from each other;
A plurality of fins that are thermally connected to the inner wall of the second main flow path at a distance from each other;
A cooling device, comprising: a first refrigerant outflow passage formed near the fin connection portion of the first main flow path and allowing a part of the refrigerant flowing through the first main flow path to flow out. provide.

このとき、前記第2の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第2の主流路
に冷媒を流入させる冷媒流入路とを具備してもよい。
At this time, a refrigerant inflow path formed near the fin connection portion of the second main flow path and allowing the refrigerant to flow into the second main flow path may be provided.

また、前記冷媒流入路の下流側における前記第2の主流路の前記フィンの接続部近傍に
形成され、前記第2の主流路を流れる冷媒の一部を流出させる第2の冷媒流出路とを具備
してもよい。
A second refrigerant outflow path formed in the vicinity of the fin connection portion of the second main channel on the downstream side of the refrigerant inflow channel and allowing a part of the refrigerant flowing through the second main channel to flow out; You may have.

また、熱交換器をさらに具備し、
前記第1の冷媒流出路及び前記第2の冷媒流出路を流れる第1の冷媒は合流されて前記
熱交換器に流入され、前記第2の主流路からの第2の冷媒は前記第1の冷媒よりも下流側
から前記熱交換器に流入されてもよい。
Moreover, it further comprises a heat exchanger,
The first refrigerant flowing through the first refrigerant outflow path and the second refrigerant outflow path is merged and flows into the heat exchanger, and the second refrigerant from the second main flow path is the first refrigerant. You may flow in into the said heat exchanger from the downstream rather than a refrigerant | coolant.

また、前記熱交換器の前記第1の冷媒が流入される位置に形成された熱電素子とを具備
してもよい。
Moreover, you may comprise the thermoelectric element formed in the position into which the said 1st refrigerant | coolant of the said heat exchanger flows in.

また、前記発熱体が半導体素子であって、前記第1の主流路及び前記第2の主流路にお
ける冷媒の流れる方向が、前記半導体素子の電気的な接続をする基板面に対して沿う方向
に設けられてもよい。
The heating element is a semiconductor element, and a direction in which the refrigerant flows in the first main flow path and the second main flow path is in a direction along a substrate surface that electrically connects the semiconductor element. It may be provided.

本発明は、流路を流れる冷媒の温度分布を緩和させることによって、放熱性能を低下さ
せることなく熱伝導率の高い冷却装置を提供することができる。
The present invention can provide a cooling device with high thermal conductivity without reducing heat dissipation performance by relaxing the temperature distribution of the refrigerant flowing through the flow path.

以下、図面を参照して発明の詳細な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に
説明する実施形態に限定されることはなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々工夫して用い
ることができる。
Hereinafter, detailed embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be used in various ways without departing from the spirit of the present invention.

図1に本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。   FIG. 1 shows a block diagram of a cooling device according to an embodiment of the present invention.

図1(a)は、流路を上面から見た図であり、(b)は側面から見た図である。   FIG. 1A is a view of the flow channel as viewed from above, and FIG. 1B is a view as viewed from the side.

図1に示すように、この冷却装置は、発熱体である半導体素子1と、この半導体素子1
が接続された主流路である受熱部2とを有している。受熱部2の内壁には、フィン3が間
隔を設けて接続され、マイクロチャネルを形成している。フィン3と受熱部2の接続部近
傍に冷媒流出口5と冷媒流入口6が形成されている。
As shown in FIG. 1, the cooling device includes a semiconductor element 1 that is a heating element, and the semiconductor element 1.
And a heat receiving portion 2 which is a main flow path connected to the. Fins 3 are connected to the inner wall of the heat receiving portion 2 with a space therebetween to form a microchannel. A refrigerant outlet 5 and a refrigerant inlet 6 are formed in the vicinity of the connection portion between the fin 3 and the heat receiving portion 2.

図1中白矢印は冷媒の流れる方向を示しており、主流路に対して冷媒流出口5は、冷媒
流入口6の上流側に位置している。なお、半導体素子1には、電気的な入出力をするため
の基板7が接続されている。この冷媒流出口5と冷媒流入口6は、半導体素子1が取り付
けられている受熱部2の底部に設けられ、基板17を貫通して流路が形成されている。
The white arrows in FIG. 1 indicate the direction in which the refrigerant flows, and the refrigerant outlet 5 is located upstream of the refrigerant inlet 6 with respect to the main flow path. A substrate 7 for electrical input / output is connected to the semiconductor element 1. The refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 are provided at the bottom of the heat receiving portion 2 to which the semiconductor element 1 is attached, and a flow path is formed through the substrate 17.

主流路における冷媒の流れる方向は、半導体素子1の電気的な接続をする基板17面に
対して沿う方向に設けられている。こうすることで冷却装置が取り付けられた基板を偏平
な板状のモジュールとして提供でき、複数の基板を並べて使用するときの基板間隔を小さ
くできるという効果を奏する。
The direction in which the refrigerant flows in the main flow path is provided in a direction along the surface of the substrate 17 that electrically connects the semiconductor element 1. By doing so, the substrate to which the cooling device is attached can be provided as a flat plate-like module, and the effect of reducing the substrate interval when a plurality of substrates are used side by side can be achieved.

この冷却装置は、内部にマイクロチャネル構造を有する流路(受熱部2)に対して直列
に複数の半導体素子1を並べて接続している。流路(受熱部2)において上流側を第1の
主流路20、下流側を第2の主流路21とする。
In this cooling device, a plurality of semiconductor elements 1 are connected in series to a flow path (heat receiving portion 2) having a microchannel structure therein. In the flow path (heat receiving part 2), the upstream side is the first main flow path 20 and the downstream side is the second main flow path 21.

受熱部2の第1の主流路20及び第2の主流路21の内部には、厚さ十〜数百マイクロ
メートルで、隙間十〜数百マイクロメートルとなるようにフィン3が並べられ底部に接続
されている。受熱部2は銅合金或いはアルミニウム合金など熱伝導性の高い金属で作られ
ており、フィン3はワイヤーカットやエッチングによって受熱部2と一体的に成形されて
いる。
Inside the first main flow path 20 and the second main flow path 21 of the heat receiving section 2, fins 3 are arranged at the bottom so as to have a thickness of 10 to several hundred micrometers and a gap of 10 to several hundred micrometers. It is connected. The heat receiving portion 2 is made of a metal having high thermal conductivity such as a copper alloy or an aluminum alloy, and the fins 3 are integrally formed with the heat receiving portion 2 by wire cutting or etching.

ここで、発熱体である半導体素子1は、受熱部2の底部に熱的に接続されている。受熱
部2の主流路には、例えば水などが冷媒として流され、半導体素子1で発生した熱はフィ
ン3を経由して冷媒に与えられる。
Here, the semiconductor element 1, which is a heating element, is thermally connected to the bottom of the heat receiving unit 2. For example, water flows as a refrigerant in the main flow path of the heat receiving unit 2, and heat generated in the semiconductor element 1 is given to the refrigerant via the fins 3.

前述したように、第1の主流路20の下流におけるフィン3の根元には冷媒流出口5が
設けられ、第2の主流路21の上流におけるフィン3の根元には冷媒流入口6が設けられ
ている。冷媒流出口5からは、第1の主流路20のフィン3の根元付近を通過して温度が
上昇した冷媒(主流路の上部を流れる冷媒よりも温度が上昇している部分)が受熱部2か
ら外に取り出され、換わりに温度の低い冷媒が冷媒流入口6から第2の主流路21に流入
する。
As described above, the refrigerant outlet 5 is provided at the root of the fin 3 downstream of the first main channel 20, and the refrigerant inlet 6 is provided at the root of the fin 3 upstream of the second main channel 21. ing. From the refrigerant outlet 5, the refrigerant whose temperature has risen through the vicinity of the roots of the fins 3 of the first main flow path 20 (the portion whose temperature is higher than the refrigerant flowing in the upper part of the main flow path) is the heat receiving portion 2. The refrigerant having a low temperature flows into the second main channel 21 from the refrigerant inlet 6 instead.

フィン根元側を下、フィン先端を上と表現するが、これは、重力方向には関係なく図の
上下を表し、冷却装置は重力に対していかなる方向に設置されていてもよい。
Although the fin base side is expressed as “down” and the fin tip is expressed as “up”, this represents the top and bottom of the figure regardless of the direction of gravity, and the cooling device may be installed in any direction with respect to gravity.

図2は、図1で示した冷却装置による冷媒の温度分布をシミュレーションにより求めた
グラフである。横軸にフィン3の根元側を0.0、フィン3の先端を1.0(cm)とし
た高さ方向の位置、縦軸に、第2の主流路21の入り口(破線)での冷媒温度に対する冷
媒の温度上昇、第1の主流路20におけるフィン3(細い実線)及び第2の主流路21に
おけるフィン3(太い実線)の温度上昇を、発熱体である半導体素子1の発熱量で割った
値としてプロットしている。
FIG. 2 is a graph obtained by simulating the temperature distribution of the refrigerant by the cooling device shown in FIG. The horizontal axis indicates the position in the height direction where the root of the fin 3 is 0.0 and the tip of the fin 3 is 1.0 (cm), and the vertical axis indicates the refrigerant at the entrance (broken line) of the second main channel 21. The temperature rise of the refrigerant with respect to the temperature, and the temperature rise of the fins 3 (thin solid line) in the first main flow path 20 and the fins 3 (thick solid line) in the second main flow path 21 are the calorific values of the semiconductor element 1 that is a heating element. Plotted as divided values.

フィン3は、厚さ200μm、ピッチ400μm、高さ10mmの銅製とした。また、
冷媒として水を用い冷媒流量は500cc/minとしている。上流側の半導体素子1に
対応するフィン3の領域(第1の主流路20の領域)を1段目、下流側の半導体素子1に
対応するフィン3の領域(第2の主流路21の領域)を2段目と記した。フィン3の温度
はそれぞれの半導体素子1に対応する1段目(細い実線)、2段目(太い実線)のフィン
3における各高さでの平均温度とし、冷媒の流速はフィン3の高さ方向に一定と仮定して
いる。1段目のフィン3を通過して2段目のフィン3に流入する冷媒の温度と共にフィン
3の根元側の温度は高くなり、フィン3の先端に行くほど温度が低下する。
The fin 3 was made of copper having a thickness of 200 μm, a pitch of 400 μm, and a height of 10 mm. Also,
Water is used as the refrigerant, and the refrigerant flow rate is 500 cc / min. The area of the fin 3 corresponding to the upstream semiconductor element 1 (area of the first main flow path 20) is the first stage, and the area of the fin 3 corresponding to the downstream semiconductor element 1 (area of the second main flow path 21). ) Is marked as the second stage. The temperature of the fin 3 is the average temperature at each height of the fin 3 of the first stage (thin solid line) and the second stage (thick solid line) corresponding to each semiconductor element 1, and the flow rate of the refrigerant is the height of the fin 3. It is assumed that the direction is constant. The temperature on the base side of the fin 3 increases along with the temperature of the refrigerant that passes through the first-stage fin 3 and flows into the second-stage fin 3, and the temperature decreases toward the tip of the fin 3.

図3は、図11に示すように冷媒流出口5及び冷媒流入口6がない構成の冷却装置にお
いて、図2と同様の条件でシミュレーションした結果を示すグラフである。図11に示す
構成は図1と同様の部分は同じ符号を付して詳しい説明は省略する。
FIG. 3 is a graph showing the result of simulation under the same conditions as in FIG. 2 in the cooling device having the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 as shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 11, the same parts as those in FIG.

図2のシミュレーションにおいては、80%の量の冷媒が受熱部2の第1の主流路20
に流入し、冷媒流出口5から温度が上昇した冷媒が20%の量が流出し、冷媒流入口6か
ら温度が上昇していない冷媒を同量の20%の量を流入させている。
In the simulation of FIG. 2, 80% of the amount of refrigerant is the first main channel 20 of the heat receiving unit 2.
The refrigerant whose temperature has risen from the refrigerant outlet 5 flows out by 20%, and the refrigerant whose temperature has not risen from the refrigerant inlet 6 flows by 20%.

ここで、図2のシミュレーションにおいて、80%の量の冷媒が受熱部2の第1の主流
路20に流入し、冷媒流出口5から温度が上昇した冷媒が20%の量が流出し、冷媒流入
口6から温度が上昇していない冷媒を同量の20%の量を流入させる。
Here, in the simulation of FIG. 2, 80% of the refrigerant flows into the first main flow path 20 of the heat receiving unit 2, and 20% of the refrigerant whose temperature has increased from the refrigerant outlet 5 flows out. 20% of the same amount of refrigerant whose temperature has not risen is introduced from the inlet 6.

また、図3のシミュレーションにおいては、100%の量の冷媒を受熱部2に流入させ
ている。
In the simulation of FIG. 3, 100% of the refrigerant flows into the heat receiving unit 2.

すなわち、図2と図3のシミュレーションにおいて、受熱部2に流入する冷媒の総流量
が同一となるようにしている。
That is, in the simulations of FIG. 2 and FIG. 3, the total flow rate of the refrigerant flowing into the heat receiving unit 2 is made the same.

図2及び図3のグラフに示すように1段目のフィン3の根元(細い実線、横軸が0.0
の位置)の温度上昇は図2が0.155K/W、図3が0.154K/Wとほぼ同じであ
る。2段目のフィン3の根元(太い実線、横軸が0.0の位置)の温度上昇は図2が0.
176K/W、図3が0.202K/Wと図2のほうが図3よりも小さいことが分かる。
As shown in the graphs of FIGS. 2 and 3, the root of the fin 3 at the first stage (thin solid line, horizontal axis is 0.0).
The temperature rise at the position of FIG. 2 is substantially the same as 0.155 K / W in FIG. 2 and 0.154 K / W in FIG. The temperature rise at the base of the second-stage fin 3 (thick solid line, position where the horizontal axis is 0.0) is 0 in FIG.
176 K / W, FIG. 3 is 0.202 K / W, and FIG. 2 is smaller than FIG.

これらから図2と図3の1段目及び2段目のフィン3の根元(横軸が0の位置)の温度
上昇の平均値を計算すると、図2が0.168K/W、図3が0.178K/Wと図2の
方が小さいことが分かる。
2 and FIG. 3, the average value of the temperature rise at the roots of the fins 3 in the first and second stages (the position where the horizontal axis is 0) is calculated as 0.168 K / W in FIG. It can be seen that 0.178 K / W and FIG. 2 are smaller.

このように図1で示した冷却装置の方が平均的な冷却性能が高いと同時に、フィン3の
根元温度の最高値が低くなることが分かる。
Thus, it can be seen that the cooling device shown in FIG. 1 has a higher average cooling performance and at the same time the maximum value of the root temperature of the fin 3 is lower.

図4は、図1で示した冷却装置において、冷媒流出口5及び冷媒流入口6における冷媒
を入れ換える量を変化させたときに、第1の主流路20及び第2の主流路21のフィン3
の根元の温度上昇の平均値の変化をプロットしたグラフである。横軸は、冷媒流出口5及
び冷媒流入口6における冷媒の入れ換え量、縦軸は受熱部2の入り口(第1の主流路20
の入り口)での冷媒温度に対する冷媒の温度上昇及びフィン3の温度上昇の平均を発熱体
である半導体素子1あたりの発熱量で割った値をプロットしている。
FIG. 4 shows the fins 3 of the first main flow path 20 and the second main flow path 21 when the amount of refrigerant exchanged in the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 is changed in the cooling device shown in FIG.
It is the graph which plotted the change of the average value of the temperature rise of the root of. The horizontal axis represents the refrigerant replacement amount at the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6, and the vertical axis represents the inlet of the heat receiving unit 2 (first main flow path 20
The value obtained by dividing the average of the temperature rise of the refrigerant and the temperature rise of the fins 3 with respect to the refrigerant temperature at the inlet) is divided by the amount of heat generated per semiconductor element 1 as a heating element.

図2及び図3で説明したように、冷媒の総流量は一定になるように冷媒の入れ換え率を
変えた。冷媒の入れ換え率が20%は、図2でシミュレーションした条件と同じである。
また、例えば冷媒の入れ換え率が10%とは、第1の主流路から90%の量の冷媒が流入
し、冷媒流出口5から10%の量の冷媒が流出し、冷媒流入口6から10%の量の冷媒が
流入するようにして受熱部2には常に一定(100%)の量の冷媒が流入する条件として
いる。
As described with reference to FIGS. 2 and 3, the refrigerant replacement rate was changed so that the total flow rate of the refrigerant was constant. The refrigerant replacement rate of 20% is the same as that simulated in FIG.
Further, for example, when the refrigerant replacement rate is 10%, 90% of the refrigerant flows in from the first main flow path, 10% of the refrigerant flows out of the refrigerant outlet 5 and 10% from the refrigerant inlet 6 It is set as a condition that a constant (100%) amount of refrigerant always flows into the heat receiving section 2 so that a% amount of refrigerant flows.

図4に示すように、冷媒の入れ換え量が20〜30%付近で温度上昇値が極小値を持つ
ことが分かる。
As shown in FIG. 4, it can be seen that the temperature rise value has a minimum value when the refrigerant replacement amount is in the vicinity of 20 to 30%.

また、図1では発熱体である半導体素子1が直列に2つ並んでいる場合を説明したが、
半導体素子1は3つ、4つとより多い個数が並んでもよい。このときそれぞれの半導体素
子1ごとに或いは半導体素子1が複数個おきに冷媒流出口5及び冷媒流入口6を設けても
良い。
Moreover, although FIG. 1 demonstrated the case where the semiconductor element 1 which is a heat generating body was located in a line in series,
More than three semiconductor elements 1 may be arranged. At this time, the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 may be provided for each semiconductor element 1 or every plural semiconductor elements 1.

次に、図5に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。   Next, FIG. 5 shows a block diagram of a cooling device according to another embodiment of the present invention.

図1とは、冷媒流出口5及び冷媒流入口6の流出及び流入方向を半導体素子1の基板1
7の面に並行な方向に設けている点が異なる。その他図1と同一部分は同一符号を付して
詳細な説明は省略する。
In FIG. 1, the outflow and inflow directions of the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 are defined as the substrate 1 of the semiconductor element 1.
7 is different from that of FIG. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図5に示すように、フィン3は発熱体である複数の半導体素子1それぞれに対応して設
けられている。複数の半導体素子1の間の距離が大きい場合、フィン3の高さ方向だけで
なく横方向(主流路の冷媒が流れる方向)についても表面温度が低下しがちである。
As shown in FIG. 5, the fin 3 is provided corresponding to each of the plurality of semiconductor elements 1 that are heating elements. When the distance between the plurality of semiconductor elements 1 is large, the surface temperature tends to decrease not only in the height direction of the fin 3 but also in the lateral direction (the direction in which the refrigerant in the main channel flows).

したがって、図5に示すように、フィン3の長さを図1よりも短くしても、半導体素子
1の間隔が大きい場合は放熱性能の劣化は小さい。その一方で、フィン3の長さが短くな
ることにより流路を流れる冷媒の圧力損失を低下することができる。
Therefore, as shown in FIG. 5, even if the length of the fin 3 is shorter than that of FIG. On the other hand, the pressure loss of the refrigerant flowing through the flow path can be reduced by reducing the length of the fin 3.

また、冷媒流出口5及び冷媒流入口6は基板17の面にほぼ並行に取り付けられている
ため基板17に穴を設ける必要がないというメリットもある。また、冷媒流出口5と冷媒
流入口6の間には壁23が形成されており、第1の主流路20を流れてきた高温冷媒と冷
媒流入口6から供給される低温冷媒とが混ざりにくくしている。
Further, since the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 are attached to the surface of the substrate 17 substantially in parallel, there is an advantage that it is not necessary to provide a hole in the substrate 17. Further, a wall 23 is formed between the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 so that the high-temperature refrigerant flowing through the first main flow path 20 and the low-temperature refrigerant supplied from the refrigerant inlet 6 are unlikely to be mixed. is doing.

次に、図6に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。   Next, FIG. 6 shows a block diagram of a cooling device according to another embodiment of the present invention.

図1とは、第1の主流路20と第2の主流路21の間をパイプ22で接続し、冷媒流出
口5及び冷媒流入口6の流出及び流入方向を第1の主流路20及び第2の主流路に沿う方
向に設けている点が異なる。その他図1と同一部分は同一符号を付して詳細な説明は省略
する。
In FIG. 1, the first main flow path 20 and the second main flow path 21 are connected by a pipe 22, and the outflow and inflow directions of the refrigerant outlet 5 and the refrigerant inlet 6 are defined as the first main flow path 20 and the second main flow path 21. The point provided in the direction along 2 main flow paths differs. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図6に示すように、この冷却装置は、発熱体である半導体素子1ごとにひとつの受熱部
2を設けている。このように受熱部2を半導体素子1に個別に割り当て受熱部2の間をパ
イプ22でつなぐことにより半導体素子1の配置に応じて受熱部2を設計する必要がない
というメリットがある。
As shown in FIG. 6, this cooling device is provided with one heat receiving portion 2 for each semiconductor element 1 which is a heating element. Thus, there is an advantage that it is not necessary to design the heat receiving part 2 according to the arrangement of the semiconductor element 1 by individually assigning the heat receiving part 2 to the semiconductor element 1 and connecting the heat receiving parts 2 between the pipes 22.

図7は、冷却装置のシステム全体図である。冷却システム内部にはポンプ11により冷
媒として水或いは凍結防止のために水にエチレングリコール等を水に混ぜた不凍液が流さ
れている。
FIG. 7 is an overall view of the system of the cooling device. Inside the cooling system, water or an antifreeze liquid in which ethylene glycol or the like is mixed with water to prevent freezing flows as a refrigerant by a pump 11.

この冷却装置のシステムでは、第1の主流路20のフィン3の根元付近ではない上層部
を通った低温排水8が第2の主流路21に流入し、さらに低温熱交換器10に流入してい
る。また、第1の主流路20及び第2の主流路21のフィン3の根元付近を通った高温排
水7は高温熱交換器9に流入している。
In this cooling device system, the low temperature drainage 8 that has passed through the upper layer portion that is not near the root of the fin 3 of the first main flow path 20 flows into the second main flow path 21, and further flows into the low temperature heat exchanger 10. Yes. Further, the high temperature waste water 7 that has passed through the vicinity of the roots of the fins 3 of the first main flow path 20 and the second main flow path 21 flows into the high temperature heat exchanger 9.

高温熱交換器9及び低温熱交換器10はファン13で冷却され、これから出た冷媒は一
旦タンク12にて溜められる。タンク12から出た冷媒はポンプ11を介して第1の主流
路20及び第2の主流路21にそれぞれ予め決められた割合で流入される。
The high-temperature heat exchanger 9 and the low-temperature heat exchanger 10 are cooled by the fan 13, and the refrigerant discharged therefrom is temporarily stored in the tank 12. The refrigerant discharged from the tank 12 flows into the first main channel 20 and the second main channel 21 through the pump 11 at a predetermined rate.

タンク12では、冷却システム内を循環する水の蒸発分を補ったり温度変化による水の
体積変化を吸収したりするバッファーの役割をする。
The tank 12 serves as a buffer that compensates for the evaporation of the water circulating in the cooling system and absorbs the volume change of the water due to the temperature change.

また、この冷却装置のシステムでは、受熱部2内部でフィン3の温度の低い部分を通過
して排出された低温排水8は高温熱交換器9を通過した水と混合され低温熱交換器10を
通過する。高温熱交換器9及び低温熱交換器10共にファン13による送風で冷却される
。こうすることで高温熱交換器9ではファン13で送られる冷却空気温度と高温熱交換器
9の表面温度の差が大きくなるため効率的に動かすことができる。
Further, in this cooling system, the low-temperature waste water 8 discharged through the low temperature portion of the fin 3 inside the heat receiving section 2 is mixed with the water that has passed through the high-temperature heat exchanger 9, and the low-temperature heat exchanger 10 is supplied. pass. Both the high temperature heat exchanger 9 and the low temperature heat exchanger 10 are cooled by blowing air from a fan 13. By doing so, the high temperature heat exchanger 9 can be moved efficiently because the difference between the cooling air temperature sent by the fan 13 and the surface temperature of the high temperature heat exchanger 9 becomes large.

ここで、高温熱交換器9と低温熱交換器10による放熱量をQ、冷却空気に対する高温
熱交換器9表面の温度上昇をΔT1、低温熱交換器10表面の温度上昇をΔT2とすると
Q = C1ΔT1 + C2ΔT2
が成立する。C1、C2は多くの場合熱交換器の大きさに直結する熱交換器の表面積や、
空気の流速などに依存する係数である。
Here, if the heat radiation amount by the high temperature heat exchanger 9 and the low temperature heat exchanger 10 is Q, the temperature rise of the surface of the high temperature heat exchanger 9 with respect to the cooling air is ΔT1, and the temperature rise of the surface of the low temperature heat exchanger 10 is ΔT2, Q = C1ΔT1 + C2ΔT2
Is established. C1 and C2 are often the surface area of the heat exchanger directly connected to the size of the heat exchanger,
This coefficient depends on the air flow rate.

この式から分かるように、ΔT1がΔT2よりも大きいとき、C1とC2の合計値が同
じであってもC1をC2よりも大きくすることによりQを大きくすることができる。つま
り高温熱交換器9を低温熱交換器10よりも大きくすることにより、ふたつの熱交換器を
あわせた大きさを保ったまま性能を向上させることができる。
As can be seen from this equation, when ΔT1 is larger than ΔT2, even if the total value of C1 and C2 is the same, Q can be increased by making C1 larger than C2. That is, by making the high-temperature heat exchanger 9 larger than the low-temperature heat exchanger 10, the performance can be improved while maintaining the combined size of the two heat exchangers.

次に、図8は、別の実施形態に係る冷却装置のシステム全体図である。図7と同一部分
は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
Next, FIG. 8 is an overall system diagram of a cooling device according to another embodiment. The same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8に示すように、この冷却システムでは、図7で説明した高温熱交換器9の代わりに
管路に熱電素子14を取り付けている。この熱電素子14は、片側を高温排水7で加熱さ
れ、もう片側を空冷フィン15で冷却されることにより熱電発電が行われ、電気エネルギ
を回収することができるようになっている。高温の排水を用いることにより、熱電素子1
4両面の温度差が大きくなり、発電量を増やすことができる。
As shown in FIG. 8, in this cooling system, a thermoelectric element 14 is attached to a pipe line instead of the high temperature heat exchanger 9 described in FIG. The thermoelectric element 14 is heated on one side by the high-temperature drainage 7 and cooled on the other side by the air-cooling fins 15 so that thermoelectric power generation is performed and electric energy can be recovered. By using high temperature drainage, thermoelectric element 1
The temperature difference between the four sides increases, and the amount of power generation can be increased.

図9は、図8で説明した熱電素子14が矩形管路16に取り付けられた部分の詳細図で
ある。
FIG. 9 is a detailed view of a portion where the thermoelectric element 14 described with reference to FIG.

図9に示すように、扁平な矩形流路16の表面に熱電素子14と空冷フィン15が取り
付けられている。矩形流路16の内側にはフィン(図示省略)が設けられ、内部を流れる
水と流路との熱伝達を促進する。
As shown in FIG. 9, a thermoelectric element 14 and air cooling fins 15 are attached to the surface of a flat rectangular channel 16. Fins (not shown) are provided inside the rectangular channel 16 to promote heat transfer between the water flowing inside and the channel.

上述したように熱電素子14の片面が高温排水7により加熱され、もう片側が空冷フィ
ン15により冷却されることにより発電する。得られた電気エネルギはファン13やポン
プ11を駆動するために使用することもできる。
As described above, one side of the thermoelectric element 14 is heated by the high temperature waste water 7 and the other side is cooled by the air cooling fins 15 to generate power. The obtained electrical energy can also be used to drive the fan 13 and the pump 11.

次に、図10に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。   Next, FIG. 10 shows a block diagram of a cooling device according to another embodiment of the present invention.

図1とは、第1の主流路20に冷媒流出口5を形成しているが、冷媒流入口6を形成し
ていない点が異なる。その他図1と同一部分は同一符号を付して詳細な説明は省略する。
1 differs from FIG. 1 in that the refrigerant outlet 5 is formed in the first main channel 20 but the refrigerant inlet 6 is not formed. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図10に示すように、この冷媒装置は、冷媒流出口5の近傍に第1の主流路20の上層
部を流れてきた比較的低温の冷媒が第2の主流路21の下層部にダウンフローするように
ダウンブロー用フィン24が設けられている。こうすることで第1の主流路20の下層を
流れてきた比較的高温の冷媒を冷媒流出口5から外部に取り出すと共に、フィン3根元か
ら離れた部分を流れてきた温度上昇のやや低い冷媒を冷媒流出口5の下流でフィン3の根
元側に広がることにより第2の主流路21での冷却性能を向上させることができる。
As shown in FIG. 10, in this refrigerant device, the relatively low-temperature refrigerant that has flowed through the upper layer portion of the first main channel 20 in the vicinity of the refrigerant outlet 5 flows down to the lower layer unit of the second main channel 21. A down blow fin 24 is provided so as to achieve this. In this way, the relatively high-temperature refrigerant that has flowed through the lower layer of the first main flow path 20 is taken out from the refrigerant outlet 5, and the refrigerant that has flowed through the portion away from the fin 3 root is slightly low. The cooling performance in the second main flow path 21 can be improved by spreading to the base side of the fin 3 downstream of the refrigerant outlet 5.

本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。The block diagram of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置におけるフィン及び冷媒温度をシミュレーションしたグラフ。The graph which simulated the fin and refrigerant | coolant temperature in the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 冷却装置におけるフィン及び冷媒温度をシミュレーションしたグラフ。The graph which simulated the fin and refrigerant | coolant temperature in a cooling device. 本発明の実施形態に係る冷却装置における冷媒流入比を変化させたときのフィン根元温度をシミュレーションしたグラフThe graph which simulated fin base temperature when changing the refrigerant inflow ratio in the cooling device concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。The block diagram of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。The block diagram of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置のシステム全体を説明するための図。The figure for demonstrating the whole system of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置のシステム全体を説明するための図。The figure for demonstrating the whole system of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 発明の実施形態に係る冷却装置のシステムに用いる発電素子と熱交換器を示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generating element and heat exchanger which are used for the system of the cooling device which concerns on embodiment of invention. 本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。The block diagram of the cooling device which concerns on embodiment of this invention. 冷却装置のブロック図。The block diagram of a cooling device.

符号の説明Explanation of symbols

1…発熱体である半導体素子
2…受熱部
3…フィン
4…冷媒の流れ
5…冷媒流出口
6…冷媒流入口
7…高温排水
8…低温排水
9…高温熱交換器
10…低温熱交換器
11…ポンプ
12…タンク
13…ファン
14…熱電素子
15…空冷フィン
16…矩形流路
17…基板
20…第1の主流路
21…第2の主流路
22…パイプ
23…壁
24…ダウンブロー用フィン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor element 2 which is a heat generating body ... Heat receiving part 3 ... Fin 4 ... Refrigerant flow 5 ... Refrigerant outlet 6 ... Refrigerant inlet 7 ... High temperature waste water 8 ... Low temperature waste water 9 ... High temperature heat exchanger 10 ... Low temperature heat exchanger DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Pump 12 ... Tank 13 ... Fan 14 ... Thermoelectric element 15 ... Air cooling fin 16 ... Rectangular flow path 17 ... Substrate 20 ... First main flow path 21 ... Second main flow path 22 ... Pipe 23 ... Wall 24 ... For down blow fin

Claims (6)

第1の発熱体と熱的に接続された第1の主流路と、
前記第1の主流路の下流側に接続され、第2の発熱体と熱的に接続された第2の主流路
と、
前記第1の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第2の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第1の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第1の主流路を流れる冷
媒の一部を流出させる第1の冷媒流出路とを具備することを特徴とする冷却装置。
A first main channel thermally connected to the first heating element;
A second main channel connected to the downstream side of the first main channel and thermally connected to a second heating element;
A plurality of fins that are thermally connected to the inner wall of the first main flow path and spaced apart from each other;
A plurality of fins that are thermally connected to the inner wall of the second main flow path at a distance from each other;
A cooling device, comprising: a first refrigerant outflow passage formed near the fin connection portion of the first main flow passage and allowing a part of the refrigerant flowing through the first main flow passage to flow out.
前記第2の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第2の主流路に冷媒を流
入させる冷媒流入路とを具備することを特徴とする請求項1記載の冷却装置。
The cooling device according to claim 1, further comprising: a refrigerant inflow passage formed in the vicinity of the fin connection portion of the second main flow path to allow a refrigerant to flow into the second main flow path.
前記冷媒流入路の下流側における前記第2の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成さ
れ、前記第2の主流路を流れる冷媒の一部を流出させる第2の冷媒流出路とを具備するこ
とを特徴とする請求項2に記載の冷却装置。
A second refrigerant outflow path formed in the vicinity of the fin connection portion of the second main flow path on the downstream side of the refrigerant inflow path, through which a part of the refrigerant flowing through the second main flow path flows out. The cooling device according to claim 2.
熱交換器をさらに具備し、
前記第1の冷媒流出路及び前記第2の冷媒流出路を流れる第1の冷媒は合流されて前記
熱交換器に流入され、前記第2の主流路からの第2の冷媒は前記第1の冷媒よりも下流側
から前記熱交換器に流入されることを特徴とする請求項3に記載の冷却装置。
A heat exchanger,
The first refrigerant flowing through the first refrigerant outflow path and the second refrigerant outflow path is merged and flows into the heat exchanger, and the second refrigerant from the second main flow path is the first refrigerant. The cooling device according to claim 3, wherein the cooling device flows into the heat exchanger from a downstream side of the refrigerant.
前記熱交換器の前記第1の冷媒が流入される位置に形成された熱電素子とを具備するこ
とを特徴とする請求項4に記載の冷却装置。
The cooling device according to claim 4, further comprising a thermoelectric element formed at a position where the first refrigerant flows into the heat exchanger.
前記発熱体が半導体素子であって、前記第1の主流路及び前記第2の主流路における冷
媒の流れる方向が、前記半導体素子の電気的な接続をする基板面に対して沿う方向に設け
られていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の冷却装置。
The heating element is a semiconductor element, and a direction in which the refrigerant flows in the first main flow path and the second main flow path is provided in a direction along a substrate surface that electrically connects the semiconductor elements. The cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein the cooling device is provided.
JP2006185777A 2006-07-05 2006-07-05 Cooling system Pending JP2008016613A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006185777A JP2008016613A (en) 2006-07-05 2006-07-05 Cooling system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006185777A JP2008016613A (en) 2006-07-05 2006-07-05 Cooling system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008016613A true JP2008016613A (en) 2008-01-24

Family

ID=39073357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006185777A Pending JP2008016613A (en) 2006-07-05 2006-07-05 Cooling system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008016613A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013065196A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 富士通株式会社 Microchannel cooling device, microchannel cooling system, and electronic instrument
WO2016121028A1 (en) * 2015-01-28 2016-08-04 Necディスプレイソリューションズ株式会社 Cooling device, projection display device, and cooling method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013065196A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 富士通株式会社 Microchannel cooling device, microchannel cooling system, and electronic instrument
JPWO2013065196A1 (en) * 2011-11-04 2015-04-02 富士通株式会社 Microchannel cooling device, microchannel cooling system, and electronic apparatus
US9468130B2 (en) 2011-11-04 2016-10-11 Fujitsu Limited Micro channel cooling device, micro channel cooling system, and electronic instrument
WO2016121028A1 (en) * 2015-01-28 2016-08-04 Necディスプレイソリューションズ株式会社 Cooling device, projection display device, and cooling method
JPWO2016121028A1 (en) * 2015-01-28 2017-11-02 Necディスプレイソリューションズ株式会社 COOLING DEVICE, PROJECTION DISPLAY DEVICE, AND COOLING METHOD

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ahmed et al. Optimization of thermal design of heat sinks: A review
Jörg et al. Direct single impinging jet cooling of a MOSFET power electronic module
JP5700034B2 (en) Semiconductor module and cooler
Jung et al. Microchannel cooling strategies for high heat flux (1 kW/cm 2) power electronic applications
KR101906645B1 (en) Cooler for semiconductor module, and semiconductor module
KR20120074245A (en) Cooling apparatus and power converter having the same
JP4985382B2 (en) Semiconductor cooling structure
JP4551261B2 (en) Cooling jacket
JP2010153785A (en) Semiconductor cooling device
JP5423625B2 (en) Cooling device using EHD fluid
JP6447149B2 (en) Heat exchanger, cooling unit, and electronic equipment
BR102012015581A2 (en) COOLING DEVICE, ENERGY MODULE AND METHOD
JP2012521657A (en) Grid heat sink
KR102296543B1 (en) Liquid-cooled heat sink
Han et al. Package-level Si-based micro-jet impingement cooling solution with multiple drainage micro-trenches
JP2016009828A (en) Ebullient cooling device for heating element
JP5667739B2 (en) Heat sink assembly, semiconductor module, and semiconductor device with cooling device
JP2008288330A (en) Semiconductor device
JP2016207928A (en) Heat sink for cooling multiple heating components
JP2008091700A (en) Semiconductor device
WO2011058622A1 (en) Heatsink, heatsink assembly, semiconductor module, and semiconductor device with cooling device
JP2012044049A (en) Heat sink
JP2010080507A (en) Electronic apparatus
JP2008016613A (en) Cooling system
JP2019114682A (en) Liquid-cooled cooler