JP2010098204A - Cooling structure of light source - Google Patents

Cooling structure of light source Download PDF

Info

Publication number
JP2010098204A
JP2010098204A JP2008269325A JP2008269325A JP2010098204A JP 2010098204 A JP2010098204 A JP 2010098204A JP 2008269325 A JP2008269325 A JP 2008269325A JP 2008269325 A JP2008269325 A JP 2008269325A JP 2010098204 A JP2010098204 A JP 2010098204A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light source
refrigerant
cooling
cooling jacket
fins
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
JP2008269325A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takao Saito
貴夫 齋藤
Naoko Tamoto
尚子 田元
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.)
Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
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 Stanley Electric Co Ltd filed Critical Stanley Electric Co Ltd
Priority to JP2008269325A priority Critical patent/JP2010098204A/en
Publication of JP2010098204A publication Critical patent/JP2010098204A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling structure of a light source, which can improve a heat transfer rate and can also improve the flexibility and versatility in a passage design compatibly in a cooling jacket. <P>SOLUTION: In the cooling structure of the light source 2 for making a metal heat slinger 3 adhere to the back surface of an insulating ceramic substrate 1 on the surface of which the light source 2 used as a heating element is mounted, for forming the cooling jacket 5 between the heat slinger 3 and a refrigerant storage container 4 to be joined to the heat slinger 3, and for cooling the light source 2 by pouring the refrigerant to the cooling jacket 5, a refrigerant passage is formed in the rugged shape on the back surface facing the inside of the cooling jacket 5 of the heat slinger 3, and a rectangular parallelepiped (or cylindrical) fins 6 are intensively erected right near the back, on which the light source 2 of the heat slinger 3 is mounted, as the rugged shape. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷却ジャケットを流れる冷却水等の冷媒によってLED等の光源を冷却する冷却構造に関するものである。   The present invention relates to a cooling structure that cools a light source such as an LED with a coolant such as cooling water flowing through a cooling jacket.

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って半導体の発熱量が増えてきており、より高性能な冷却システムの需要が高まってきている。高密度に集積された回路で消費される電力は増加し、発熱量と同時に発熱密度も急激に上昇してきている。従って、従来のペルチェ素子による強制吸熱やヒートシンクとファンによる強制空冷構造等では冷却能力に限界が見え始め、より高い冷却能力を有する液冷システムが採用されるようになってきている。   In recent years, the power consumption of semiconductors has increased at an accelerating rate, and the amount of heat generated by semiconductors has increased accordingly, and the demand for higher performance cooling systems has increased. The electric power consumed by the high-density integrated circuit is increasing, and the heat generation density is rapidly increasing simultaneously with the heat generation amount. Therefore, in the conventional forced absorption by the Peltier element, the forced air cooling structure by the heat sink and the fan, etc., the cooling capacity starts to be limited, and a liquid cooling system having a higher cooling capacity has been adopted.

光半導体であるLEDにおいても、明るさの向上に伴って従来の表示用途から照明用途へと大電力化の道を辿っている。LED素子における最大の問題点は、発光効率が向上しても、投入した電力の大部分が熱となり、自身が発する熱によって明るさが低下してしまうことである。   Also in the LED, which is an optical semiconductor, along with the improvement in brightness, the way of increasing the power from the conventional display application to the illumination application is being followed. The biggest problem with LED elements is that even if the luminous efficiency is improved, most of the input power becomes heat and the brightness is lowered by the heat generated by itself.

特に大電力LEDにおいては、チップ当たり数Wもの発熱を受け止められるだけのパッケージ・放熱構造が求められており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。特にセラミック基板においては、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上したこと、高絶縁性の基板であるためにメタルコア基板と違って絶縁層が不要であること、という2つの大きな理由から注目されている。このような大電力LEDに対しても高い冷却性能を有する液冷システムは有効な放熱手段であると考えられる。   In particular, in a high-power LED, a package / heat dissipation structure that can receive heat of several watts per chip is required, and metal core substrates and ceramic substrates excellent in thermal conductivity have been put into practical use. In particular, ceramic substrates are attracting attention for two main reasons: improved thermal conductivity due to advances in material technology, and the fact that an insulating layer is not required unlike metal core substrates because it is a highly insulating substrate. Yes. A liquid cooling system having a high cooling performance for such a high power LED is considered to be an effective heat dissipation means.

例えば、特許文献1には、高い発熱密度を有する半導体部品を液冷システムによって冷却するに当たり、なるべく発熱源から外部空気までの熱抵抗を低く抑えるため、電気回路を実装するための基板と放熱のためのセラミック製基板、更には冷媒が通過する管壁をも一体化させる冷却構造が提案されている。   For example, in Patent Document 1, when a semiconductor component having a high heat generation density is cooled by a liquid cooling system, in order to keep the thermal resistance from a heat generation source to external air as low as possible, a substrate for mounting an electric circuit and a heat dissipation There has been proposed a cooling structure that integrates a ceramic substrate and a tube wall through which a refrigerant passes.

又、特許文献2には、より簡便な実現方法として、従来のヒートシンクの外側に覆い被せるようにして箱を設け、フィン間に冷媒を流すことによって液冷ジャケットを構成する冷却構造が提案されている。   Further, Patent Document 2 proposes a cooling structure in which a liquid cooling jacket is formed by providing a box so as to cover the outside of a conventional heat sink and flowing a refrigerant between fins as a simpler implementation method. Yes.

更に、特許文献3には、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板に着目し、これに回路パターンとヒートシンクをロウ付けによって接着して一体型の両面銅貼り基板とする提案もなされている。   Further, in Patent Document 3, attention is paid to an aluminum nitride substrate having a high thermal conductivity, and a circuit pattern and a heat sink are bonded to each other by brazing to provide an integrated double-sided copper-clad substrate.

他方、液冷ジャケットには従来の熱交換器の技術を応用することができるため、冷却液の流路構造に関する提案も数多くなされている。例えば、特許文献4には、リブ構造を用いて三次元的な撹乱流を起こすことによって熱伝達率を向上させる技術が提案され、特許文献5には、放射状に配置されたブロック構造を用いて冷媒が一様に流れるように制御することによって均一な冷却効果を図る技術が提案されている。   On the other hand, since the conventional heat exchanger technology can be applied to the liquid cooling jacket, many proposals have been made regarding the flow path structure of the cooling liquid. For example, Patent Document 4 proposes a technique for improving the heat transfer coefficient by causing a three-dimensional turbulent flow using a rib structure, and Patent Document 5 uses a block structure arranged radially. A technique for achieving a uniform cooling effect by controlling the refrigerant to flow uniformly has been proposed.

又、特許文献6には、流路形成のための凹凸構造を壁面の補強部とすることによって必要な強度を保ちながら薄肉化を図る技術が提案され、特許文献7には、発熱体の上下二重に冷媒を流して冷却性能向上を図る技術が提案されている。   Further, Patent Document 6 proposes a technique for reducing the thickness while maintaining a necessary strength by using a concavo-convex structure for forming a flow path as a reinforcing portion of the wall surface, and Patent Document 7 discloses a technique for reducing the upper and lower sides of the heating element. Techniques have been proposed for improving the cooling performance by flowing the refrigerant twice.

更に、特許文献8には、絶縁性の高いセラミック基板そのものにレーザー加工によって流路を形成する技術が提案されている。
特開2002−329938号公報 特開2003−086744号公報 特開2005−011922号公報 特開2002−250572号公報 特開2003−051689号公報 特開2007−010277号公報 特開2008−041806号公報 特開2008−140877号公報
Further, Patent Document 8 proposes a technique for forming a flow path by laser processing on a highly insulating ceramic substrate itself.
JP 2002-329938 A JP 2003-086744 A JP 2005-011922 A JP 2002-250572 A JP 2003-051689 A JP 2007-010277 A JP 2008-041806 A JP 2008-140877 A

固体から流体への等価熱伝達率(=移動する熱量/包絡断面積)の向上のためには、液冷ジャケット内部の冷媒の流路構造を最適化することが重要となるが、特許文献1において提案された流路は単純な直方体若しくはそれらを連結した構造であり、特許文献2に記載された技術は、既存のヒートシンクの形をそのまま利用したに過ぎないものである。   In order to improve the equivalent heat transfer coefficient from solid to fluid (= amount of heat to move / envelope cross-sectional area), it is important to optimize the flow path structure of the refrigerant inside the liquid cooling jacket. The flow path proposed in is a simple rectangular parallelepiped or a structure in which they are connected, and the technique described in Patent Document 2 merely uses the shape of an existing heat sink as it is.

又、特許文献3において提案された技術は、ヒートシンクの形状に工夫を凝らし、このヒートシンクを熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板に接着することによって総合的な熱伝導率の向上を図ったものであるが、窒化アルミニウムと銅では熱膨張係数の整合性が悪く、ロウの流動性と相俟って応力によって剥離やクラックが発生する可能性がある。   In addition, the technique proposed in Patent Document 3 is intended to improve the overall thermal conductivity by devising the shape of the heat sink and bonding the heat sink to an aluminum nitride substrate having a high thermal conductivity. However, aluminum nitride and copper have poor consistency in thermal expansion coefficient, and there is a possibility that peeling and cracking may occur due to stress coupled with the fluidity of wax.

更に、特許文献4〜7において提案された構成では、流路構造を工夫することによって熱伝導率の向上やジャケットの強度向上等の効果が得られるものの、それぞれが専用設計となるために設計の自由度が低くて汎用性に乏しいという問題がある。又、熱伝達率の向上を追求するあまり、複雑な流路構造となってしまっては、圧力損失が増えてしまって必要な流量を確保することができないばかりか、製造コストの面でも不利となる。   Further, in the configurations proposed in Patent Documents 4 to 7, although the effects of improving the thermal conductivity and improving the strength of the jacket can be obtained by devising the flow path structure, each of them is designed for exclusive use. There is a problem that flexibility is low and versatility is poor. In addition, if a complicated flow channel structure is pursued in order to improve the heat transfer coefficient, the pressure loss increases, and it is not possible to secure the required flow rate. Become.

又、特許文献8において提案された技術では、金属に比べて硬いセラミック基板のレーザー加工にはコストが嵩む他、複雑な流路パターンの構築は容易ではなく、ストライプ状の溝構造程度が現実的なところである。   In addition, with the technique proposed in Patent Document 8, the cost of laser processing of a ceramic substrate that is harder than that of metal is high, and it is not easy to construct a complicated flow path pattern, and a striped groove structure is practical. There is a place.

以上のように、従来は液冷ジャケットにおける熱伝達率の向上と流路設計の自由度・汎用性の向上の両立は困難であるという問題があった。   As described above, there has conventionally been a problem that it is difficult to improve both the heat transfer coefficient of the liquid cooling jacket and the flexibility and versatility of the flow path design.

熱伝導性に優れ、製造コストを抑えながらも要求仕様に対応可能な柔軟性を兼ね備えた汎用性の高い液冷ジャケットを得るためには、発熱源の配置やジャケットにおける冷媒の出入口の配置や、使用する循環装置の能力に合わせて圧力損失を低く抑えた流路構造を安価で自由に設計することができることが重要である。   In order to obtain a highly versatile liquid cooling jacket with excellent thermal conductivity and flexibility that can meet the required specifications while suppressing manufacturing costs, the arrangement of the heat source and the arrangement of the refrigerant inlet and outlet in the jacket, It is important to be able to freely and inexpensively design a flow path structure with a low pressure loss in accordance with the capacity of the circulating device to be used.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、液冷ジャケットにおける熱伝達率の向上と流路設計の自由度・汎用性の向上の両立を図ることができる光源の冷却構造を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the process is a light source capable of achieving both improvement in heat transfer coefficient in a liquid cooling jacket and improvement in flexibility and versatility of flow path design. It is to provide a cooling structure.

上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、表面に発熱体となる光源が実装された絶縁性セラミック基板の裏面に金属製の放熱板を接着し、該放熱板とこれに接合される冷媒格納容器との間に冷却ジャケットを形成し、該冷却ジャケットに冷媒を流すことによって前記光源を冷却する光源の冷却構造において、前記放熱板の前記冷却ジャケット内に臨む裏面に凹凸形状によって冷媒流路を形成し、前記凹凸形状として直方体又は円柱状フィンを前記放熱板の前記光源が実装される真裏付近に集中して立設したことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a metal heat sink is bonded to the back surface of an insulating ceramic substrate on which a light source serving as a heating element is mounted, and is bonded to the heat sink. In the cooling structure of the light source that cools the light source by forming a cooling jacket with the refrigerant storage container, and flowing the refrigerant through the cooling jacket, the refrigerant is formed in an uneven shape on the back surface of the heat radiating plate facing the cooling jacket. A flow path is formed, and a rectangular parallelepiped or a cylindrical fin is erected in the vicinity of the back of the heat sink where the light source is mounted as the uneven shape.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記絶縁性セラミック基板は、50[W/m・K]以上の熱伝導率を有するファインセラミック材料を含む層と、表面に実装される前記光源の電気回路層を含む多層構造を有することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the insulating ceramic substrate is mounted on a surface including a layer containing a fine ceramic material having a thermal conductivity of 50 [W / m · K] or more. It has a multilayer structure including an electric circuit layer of the light source.

請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記放熱板は、150[W/m・K]以上の熱伝導率を有し且つ前記絶縁性セラミック基板と同程度の熱膨張係数を有する単体金属又は合金で構成されることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the heat radiating plate has a thermal conductivity of 150 [W / m · K] or more and a heat comparable to that of the insulating ceramic substrate. It is composed of a single metal or an alloy having an expansion coefficient.

請求項4記載の発明は、請求項1〜3の何れかに記載の発明において、前記光源は、LEDであることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the light source is an LED.

本発明によれば、冷却ジャケットにおいて、冷媒流路を形成する部分を他の構成要素(冷媒格納容器、蓋、冷媒入出口等)から独立させることができる。そのため、発熱体である光源や冷媒循環装置の仕様が異なった場合においては、独立した冷媒流路部分のみを設計変更すれば良く、残りの構成要素についてはそのまま共通で使用することができる。又、加工が容易で熱伝導率の高い金属製の放熱板に凹凸形状によって冷媒流路を形成するようにしたため、応力による剥離やクラック等を生じる心配もなく、加工コストの削減と設計自由度の向上の両立を図ることができる。   According to the present invention, in the cooling jacket, the part forming the refrigerant flow path can be made independent of other components (refrigerant storage container, lid, refrigerant inlet / outlet, etc.). Therefore, in the case where the specifications of the light source that is a heating element and the refrigerant circulation device are different, it is only necessary to change the design of the independent refrigerant flow path portion, and the remaining components can be used in common as they are. In addition, since the coolant flow path is formed in a concavo-convex shape on a metal heat sink that is easy to process and has high thermal conductivity, there is no risk of peeling or cracking due to stress, reducing processing costs and design freedom. The improvement of both can be achieved.

又、本発明に係る冷媒流路構造については、冷却ジャケット内容量に占めるフィンの体積の割合は15%未満であり、マイクロチャンネルのように極度にフィンを細かくするような構造ではないため、冷媒の圧力損失が小さく、冷媒を効率良く循環させて光源の冷却に供することができる。   Further, in the refrigerant flow path structure according to the present invention, the ratio of the fin volume to the cooling jacket inner volume is less than 15%, and it is not a structure in which fins are extremely fine like a microchannel. Therefore, it is possible to cool the light source by circulating the refrigerant efficiently.

更に、熱伝達性能に大きく寄与する光源付近において、冷媒との熱交換を行うことができる面積は凹凸形状の無い平坦な面に比べて最大で約4倍に増加させることができ、効率良く熱伝達を行うことができる。   Furthermore, in the vicinity of the light source that greatly contributes to the heat transfer performance, the area where heat exchange with the refrigerant can be performed can be increased up to about four times compared to a flat surface without unevenness, and heat can be efficiently generated. Can communicate.

尚、特許文献5に開示されているように、基本的には光源の真下から冷媒が吹き出してくるために熱的に有利な構造であるが、外部的な制約によって光源の真下に冷媒の吹き出し口を設けることが難しい場合にも、本発明に係る冷却構造はフィンの配置によって冷却ジャケット内の冷媒の流速を自在にコントロールすることが可能であるため、冷却性能を高めることができる。   Note that, as disclosed in Patent Document 5, the structure is basically thermally advantageous because the refrigerant blows out from directly under the light source, but the refrigerant blows out under the light source due to external restrictions. Even when it is difficult to provide the opening, the cooling structure according to the present invention can freely control the flow rate of the refrigerant in the cooling jacket by the arrangement of the fins, so that the cooling performance can be improved.

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本発明は、高絶縁性と高熱伝導率とを併せ持つセラミック基板の特徴を活かしつつ、加工の容易な金属材料で冷媒流路を構成することによって、冷媒への熱伝達率の向上に必要な流路設計の自由度を確保したことを特徴としている。   The present invention makes use of the characteristics of a ceramic substrate having both high insulation and high thermal conductivity, and the flow path necessary for improving the heat transfer coefficient to the refrigerant by configuring the refrigerant flow path with a metal material that is easy to process. It is characterized by the freedom of road design.

図1は本発明に係る冷却構造の基本構成を示す分解斜視図であり、図示のように、矩形の絶縁性セラミック基板1の表面中央には発熱体であるLED等の光源2が実装されている。そして、絶縁性セラミック基板1の光源2が設けられた側とは反対側の裏面には金属製の矩形の放熱板3が接着され、この放熱板3に浅い矩形箱状の冷媒格納容器4が接合されて該冷却格納容器4と放熱板3との間に冷却ジャケット5が形成されている。ここで、放熱板3の裏面(冷却ジャケット5に臨む面)には、中心から放射状に延びる直方体の複数のフィン6が突設されている。又、冷媒格納容器4にはパイプ状の冷媒入口7と冷媒出口8が取り付けられており、これらの冷媒入口7と冷媒出口8の各一端は冷却ジャケット5の中心部とコーナー部にそれぞれ開口している。   FIG. 1 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a cooling structure according to the present invention. As shown in the drawing, a light source 2 such as an LED as a heating element is mounted at the center of the surface of a rectangular insulating ceramic substrate 1. Yes. A metal rectangular heat sink 3 is bonded to the back surface of the insulating ceramic substrate 1 opposite to the side where the light source 2 is provided, and a shallow rectangular box-shaped refrigerant storage container 4 is attached to the heat sink 3. A cooling jacket 5 is formed between the cooling containment vessel 4 and the heat radiating plate 3. Here, a plurality of rectangular parallelepiped fins 6 projecting radially from the center are provided on the rear surface of the heat radiating plate 3 (the surface facing the cooling jacket 5). The refrigerant storage container 4 is provided with a pipe-like refrigerant inlet 7 and a refrigerant outlet 8, and one end of each of the refrigerant inlet 7 and the refrigerant outlet 8 is opened to the center portion and the corner portion of the cooling jacket 5. ing.

而して、冷媒入口7から冷却ジャケット5へと流入する冷媒は、放熱板3に放射状に突設された複数のフィン6によって区画される冷媒流路を中心から径方向外方に向かって流れ、その過程で光源2から放出される熱を奪って該光源2を冷却した後、冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。即ち、絶縁性セラミック基板1上に実装された光源2から放出された熱は、絶縁性セラミック基板1の内部を熱伝導によって拡散していくが、このとき、絶縁性セラミック基板1には温度勾配を持った分布が形成され、その分布は光源2を中心におおよそ正規分布に従うことが一般的に知られている。従って、放熱板3の裏面に立設されたフィン6のうち、光源2から近い位置にあるものが熱伝達性能を左右するものであり、光源2から遠い位置にあるものは熱伝達には余り寄与しない。   Thus, the refrigerant flowing into the cooling jacket 5 from the refrigerant inlet 7 flows radially outward from the center through the refrigerant flow path defined by the plurality of fins 6 projecting radially from the heat radiating plate 3. In the process, the heat emitted from the light source 2 is taken and the light source 2 is cooled, and then discharged from the refrigerant outlet 8 to the outside of the cooling jacket 5. That is, the heat emitted from the light source 2 mounted on the insulating ceramic substrate 1 diffuses inside the insulating ceramic substrate 1 by heat conduction. At this time, the insulating ceramic substrate 1 has a temperature gradient. In general, it is known that the distribution has a normal distribution with the light source 2 as the center. Accordingly, among the fins 6 erected on the back surface of the heat radiating plate 3, the one near the light source 2 affects the heat transfer performance, and the one far from the light source 2 is not enough for heat transfer. Does not contribute.

冷却ジャケット5全体での冷媒の圧力損失は、内部に立設されたフィン6が冷却ジャケット5の内容積に占める割合と、フィン6の大きさに起因する流体抵抗によって決まる。従って、フィン6を多く立設たり、フィン6の大きさを細かくする程、フィン6の冷媒との接触表面積が増加して等価熱伝達率は向上するが、それに反比例して圧力損失は増大してしまう。   The pressure loss of the refrigerant in the entire cooling jacket 5 is determined by the ratio of the fins 6 standing inside to the internal volume of the cooling jacket 5 and the fluid resistance due to the size of the fins 6. Therefore, as the number of fins 6 is increased or the size of the fins 6 is reduced, the contact surface area of the fins 6 with the refrigerant increases and the equivalent heat transfer coefficient is improved. However, the pressure loss increases in inverse proportion. End up.

そこで、本発明では、絶縁性セラミック基板の表面に実装された光源の真裏付近に集中してフィンを立設することによって、冷媒と接する表面積と冷媒の流速を局所的に増加させて熱伝達性能を高めるとともに、冷却性能に余り寄与しない冷却ジャケットの外周部のフィンを省くことによって、冷却ジャケット全体での冷媒の圧力損失の低減を図ることを両立させるようにした。   Therefore, in the present invention, the surface area in contact with the refrigerant and the flow velocity of the refrigerant are locally increased by concentrating the fins in the vicinity of the back of the light source mounted on the surface of the insulating ceramic substrate to increase the heat transfer performance. And reducing the pressure loss of the refrigerant in the entire cooling jacket by eliminating the fins on the outer periphery of the cooling jacket that do not contribute much to the cooling performance.

ところで、本実施の形態では、絶縁性セラミック基板1は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化珪素・ダイヤモンドライクカーボン等に代表されるような50[W/m・K]以上、好ましくは150[W/m・K]以上の熱伝導率を有するファインセラミックス材料を含む層と、表面に実装される発熱体2のための電気回路層を含む2層以上の多層構造を有している。尚、電気回路層については、セラミック基板上に蒸着やスパッタ等で形成したもの、薄板をロウ付け等によって接着したもの、薄膜状のフレキシブル基板に熱引きのためのサーマルビアを設けたもの等、目的の仕様を満足する熱抵抗を実現することができる範囲で自由に選択することができる。   By the way, in the present embodiment, the insulating ceramic substrate 1 is 50 [W / m · K] or more as typified by aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, aluminum oxide, silicon carbide / diamond-like carbon, etc. Preferably, it has a multilayer structure of two or more layers including a layer containing a fine ceramic material having a thermal conductivity of 150 [W / m · K] or more and an electric circuit layer for the heating element 2 mounted on the surface. ing. As for the electric circuit layer, one formed by vapor deposition or sputtering on a ceramic substrate, one obtained by bonding a thin plate by brazing, one having a thermal via for heat sinking on a thin film flexible substrate, etc. The thermal resistance satisfying the target specification can be freely selected within a range where it can be realized.

又、裏面に複数のフィン6が突設された放熱板3は、銅やアルミニウム又はそれらの合金等に代表されるような熱伝導性に優れた材料(150[W/m・K]以上の熱伝導率を有するに材料)で構成されることが好ましく、接着される絶縁性セラミック基板1と熱膨張係数が同程度で、応力によって剥離やクラックが生じないことが必須条件である。この放熱板3は、予めプレス成形、押し出し、鋳造、鍛造、ダイキャスト、へら絞り等の加工方法によって成型され、ロウ付け又はセラミック接着剤によって絶縁性セラミック基板1に接着される。或いは、予め絶縁性セラミック基板1に接着された金属板をエッチングや蒸着等によって追加工することによってフィン6が形成される。   Further, the heat radiating plate 3 having a plurality of fins 6 projecting from the back surface is made of a material having excellent thermal conductivity such as copper, aluminum or an alloy thereof (150 [W / m · K] or more). The material is preferably made of a material having thermal conductivity, and has the same thermal expansion coefficient as that of the insulating ceramic substrate 1 to be bonded, and it is an essential condition that no peeling or cracking occurs due to stress. The heat radiating plate 3 is molded in advance by a processing method such as press molding, extrusion, casting, forging, die casting, or spatula drawing, and is bonded to the insulating ceramic substrate 1 by brazing or a ceramic adhesive. Alternatively, the fins 6 are formed by additionally processing a metal plate previously bonded to the insulating ceramic substrate 1 by etching or vapor deposition.

次に、本発明の実施例について説明する。尚、流路構造は以下に示すものに限定されるものではない。   Next, examples of the present invention will be described. The channel structure is not limited to the one shown below.

<流路モデル>
冷却ジャケット構造の流路モデルについて、4つの実施例と2つの比較例について流体解析を行った。以下に各実施例と比較例の特徴について説明する。
<Flow channel model>
The fluid analysis was performed on the four examples and the two comparative examples for the channel model of the cooling jacket structure. The features of each example and comparative example will be described below.

<共通事項>
各層構造の材料について、絶縁性セラミック基板は熱伝導率170[W/m・K]の窒化アルミニウム、凹凸形状を有する放熱板には0.5mm厚のアルミニウム板、冷媒を格納する冷媒格納容器と冷媒入口及び冷媒出口の材質にはA3003系のアルミニウムを選択した。又、アルミニウム製の放熱板の加工方法にはプレス成形を採用し、放熱板の絶縁性セラミック基板への接着方法には活性金属を含むロウを用いたロウ付けを選択した。
<Common items>
Regarding the material of each layer structure, the insulating ceramic substrate is aluminum nitride having a thermal conductivity of 170 [W / m · K], the uneven heat sink has a 0.5 mm thick aluminum plate, the refrigerant storage container for storing the refrigerant, A3003 series aluminum was selected as the material of the refrigerant inlet and the refrigerant outlet. Also, press molding was adopted as a method for processing the heat sink made of aluminum, and brazing using a brazing containing an active metal was selected as a method for bonding the heat sink to the insulating ceramic substrate.

絶縁性セラミック基板の大きさは50mm×50mmとし、冷媒格納容器の深さ(内のり寸法)は3mmとした。放熱板の裏面に立設されるフィンの高さも3mmとし、フィンが冷却ジャケットの天井まで到達する構造として、冷媒がフィンの間の冷媒流路に十分充填されるようにした。フィンの幅(円柱状フィンの場合には直径に相当)は1mmとしているため、フィンの高さと幅の比(=フィンの高さ/フィンの幅)は3となる。これは、フィンの高さと幅の比が4〜5を超えると、フィンの先端部まで十分に熱が伝わらず、効率良くフィン全体で冷媒と熱交換ができないからである。   The size of the insulating ceramic substrate was 50 mm × 50 mm, and the depth (inner dimension) of the refrigerant storage container was 3 mm. The height of the fins erected on the back surface of the heat radiating plate is also 3 mm, and the refrigerant reaches the ceiling of the cooling jacket so that the refrigerant is sufficiently filled in the refrigerant flow path between the fins. Since the fin width (corresponding to the diameter in the case of a cylindrical fin) is 1 mm, the ratio of fin height to width (= fin height / fin width) is 3. This is because if the ratio of the height and width of the fin exceeds 4 to 5, heat is not sufficiently transferred to the tip of the fin, and heat cannot be efficiently exchanged with the refrigerant throughout the fin.

又、絶縁性セラミック基板の表面に形成される電気回路層は同一とし、解析上簡単のために溝無しの全面パターンとした。発熱体としては、複数個のLEDチップの集合体を想定し、10mm×10mm×1.5mm、20W出力のセラミックヒータとした。発熱体は、実施例1〜3と比較例1については中央に1個、実施例4と比較例2については4分割して(5mm×5mm)、縦横等間隔に4個配置した。   The electric circuit layers formed on the surface of the insulating ceramic substrate were the same, and the entire surface pattern without grooves was used for simplicity in analysis. As a heating element, an aggregate of a plurality of LED chips was assumed, and a ceramic heater with 10 W × 10 mm × 1.5 mm, 20 W output was used. The heating elements were arranged in the center for Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 and in four for Example 4 and Comparative Example 2 (5 mm × 5 mm), and four heating elements were arranged at equal intervals in the vertical and horizontal directions.

冷媒には純水を使用し、水冷パソコン等に使用される小型ポンプの代表的な値として体積流量を0.4リットル/minに設定した。   Pure water was used as the refrigerant, and the volume flow rate was set to 0.4 liter / min as a typical value of a small pump used in a water-cooled personal computer or the like.

本実施例では、図2に示すように、冷媒入口7を中央に、冷媒出口8を端部にそれぞれ設け、冷却ジャケット5内に中央から放射状に広がるように直方体のフィン6を立設している。このような冷却構造において、冷媒は中央の冷媒入口7から冷却ジャケット5内に流入し、フィン6によって区画された放射状の冷媒流路を通って径方向外方へと流れて冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。   In this embodiment, as shown in FIG. 2, the refrigerant inlet 7 is provided at the center, the refrigerant outlet 8 is provided at the end portion, and the rectangular parallelepiped fins 6 are erected in the cooling jacket 5 so as to spread radially from the center. Yes. In such a cooling structure, the refrigerant flows into the cooling jacket 5 from the central refrigerant inlet 7, flows radially outward through the radial refrigerant flow path defined by the fins 6, and is cooled from the refrigerant outlet 8. It is discharged out of the jacket 5.

フィン6の構成は大きく3つに分かれている。即ち、第1に冷却ジャケット5全体を4つに区画する十字状フィン6a、第2に各領域に1本ずつ前記十字状フィン6aに対して45°方向に設置された計4本のフィン6b、第3に各領域に2本ずつ前記2つのフィン6a,6bに対して22.5°を成す方向に設置された計8本のフィン6cとで構成されている。第1の十字状フィン6aは冷却ジャケット5全体を完全に分断する訳ではなく、冷却ジャケット5の周辺部には隙間が設けられている。これにより、中央から流入した冷媒は周辺部の隙間を通って冷媒出口8に達することができる。   The structure of the fin 6 is roughly divided into three. That is, first, a cross-shaped fin 6a that divides the entire cooling jacket 5 into four, and secondly, a total of four fins 6b installed in a 45 ° direction with respect to the cross-shaped fin 6a, one for each region. Third, it is composed of a total of eight fins 6c installed in a direction of 22.5 ° with respect to the two fins 6a and 6b, two in each region. The first cross-shaped fin 6 a does not completely divide the entire cooling jacket 5, and a gap is provided in the periphery of the cooling jacket 5. Thereby, the refrigerant flowing in from the center can reach the refrigerant outlet 8 through the gap in the peripheral portion.

第1の十字状フィン6aは、冷媒入口7を跨ぐように設置され、冷媒入口7の断面積を絞るよう作用する。従って、冷媒入口7において冷媒の流速を高めることができ、等価熱伝達率の向上に寄与することができる。又、冷却ジャケット5の中央部から周辺部にいくに連れてフィン6(6a〜6c)の間隔は大きくなり、周辺部ほどフィン6(6a〜6c)の立設密度が小さくなって冷媒の圧力損失は小さくなる。   The first cross-shaped fin 6 a is installed so as to straddle the refrigerant inlet 7 and acts to reduce the cross-sectional area of the refrigerant inlet 7. Therefore, the flow rate of the refrigerant can be increased at the refrigerant inlet 7, which can contribute to the improvement of the equivalent heat transfer coefficient. Further, the distance between the fins 6 (6a to 6c) increases from the central part to the peripheral part of the cooling jacket 5, and the standing density of the fins 6 (6a to 6c) decreases as the peripheral part increases. Loss is reduced.

本実施例では、図3に示すように、冷媒入口7を中央に、冷媒出口8を端部にそれぞれ設け、冷却ジャケット5内に中央から螺旋を描いて放射状に広がるように円柱状フィン9を立設している。このような冷却構造において、冷媒は中央の冷媒入口7から冷却ジャケット5内に流入し、円柱状フィン9の間に形成される冷媒流路を通って端部の冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。   In this embodiment, as shown in FIG. 3, the refrigerant inlet 7 is provided at the center and the refrigerant outlet 8 is provided at the end, and the cylindrical fins 9 are provided in the cooling jacket 5 so as to spread radially from the center. Standing up. In such a cooling structure, the refrigerant flows into the cooling jacket 5 from the central refrigerant inlet 7, passes through the refrigerant flow path formed between the columnar fins 9, and passes from the refrigerant outlet 8 at the end to outside the cooling jacket 5. Is discharged.

円柱状フィン9による螺旋構造はそれぞれ発熱体(不図示)を中心として点対称の計6本の軌跡から成り立っている。円柱状フィン9を直線的な放射状ではなく螺旋構造としたのは、実質的な冷媒流路の長さを稼ぐことによって等価熱伝達率の向上を狙ったためである。   Each of the spiral structures formed by the cylindrical fins 9 is composed of a total of six trajectories that are point-symmetric about a heating element (not shown). The reason why the cylindrical fins 9 have a spiral structure instead of a linear radial shape is that the equivalent heat transfer coefficient is improved by increasing the length of the substantial refrigerant flow path.

冷却ジャケット5の中央部から周辺部にいくに連れてフィン9の螺旋の軌跡の間隔は大きくなり、中央部ほどフィン9の立設密度が高くなって等価熱伝達率の向上に寄与し、周辺部ほどフィン9の立設密度が小さくなって冷媒の圧力損失は小さくなる。   As the cooling jacket 5 moves from the central part to the peripheral part, the distance between the spiral trajectories of the fins 9 increases, and the standing density of the fins 9 increases toward the central part, contributing to the improvement of the equivalent heat transfer coefficient. The higher the density, the lower the density of the fins 9 and the smaller the pressure loss of the refrigerant.

本実施例では、図4に示すように、冷媒入口7を中央に、冷媒出口8を端部にそれぞれ設け、冷却ジャケット5内に中央から直線的に放射状に広がるように円柱状のフィン9を立設している。このような冷却構造において、冷媒は中央の冷媒入口7から冷却ジャケット5内に流入し、フィン9の間の冷媒流路を通って端部の冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。   In this embodiment, as shown in FIG. 4, the refrigerant inlet 7 is provided at the center, the refrigerant outlet 8 is provided at the end, and the cylindrical fins 9 are provided in the cooling jacket 5 so as to spread radially from the center. Standing up. In such a cooling structure, the refrigerant flows into the cooling jacket 5 from the central refrigerant inlet 7, passes through the refrigerant flow path between the fins 9, and is discharged out of the cooling jacket 5 from the refrigerant outlet 8 at the end. .

フィン9の直線的な放射形状は、発熱体(不図示)を中心として同心円状に配列されており、1つの円状に配置されているフィン9の数は全て6の倍数となっている。即ち、この放射形状は点対称に6分割することができ、それが単位構造となっている。立設形状の外形は円であり、その直径方向に沿ってフィン9が一直線状に並んでいるラインが分割の境界線である。冷却ジャケット5内の中央部から流入した冷媒は、フィン9に阻まれて流れが分散されるものの、その大部分がこの6分割の境界線に沿って、6角形を基礎とした規則的な形状を描いて進んで外周部へと到達する。従って、無秩序にフィン9を放射状に立設した構造に比べ、規則性を持たせることによって冷媒の流れを制御することができ、冷媒の圧力損失を低減することができる。   The linear radial shapes of the fins 9 are arranged concentrically around a heating element (not shown), and the number of fins 9 arranged in a single circle is a multiple of six. That is, this radiation shape can be divided into six points symmetrically, which is a unit structure. The external shape of the standing shape is a circle, and a line in which the fins 9 are aligned along the diameter direction is a dividing boundary line. Although the refrigerant flowing in from the central part in the cooling jacket 5 is blocked by the fins 9 and dispersed in the flow, most of the refrigerant has a regular shape based on a hexagon along the boundary of the six divisions. Continue to draw and reach the outer periphery. Therefore, the flow of the refrigerant can be controlled by providing regularity as compared with the structure in which the fins 9 are arranged in a radial manner, and the pressure loss of the refrigerant can be reduced.

<比較例1>
本比較例は、実施例1〜3の参照実験に相当するものであり、図5に示すように、冷媒入口7を中央に、冷媒出口8を端部にそれぞれ設け、冷却ジャケット5内にフィンを設けない構造としている。このような冷却構造において、冷媒は中央の冷媒入口7から冷却ジャケット5内に流入し、冷却ジャケット5内を通って端部の冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。
<Comparative Example 1>
This comparative example corresponds to the reference experiment of Examples 1 to 3, and as shown in FIG. 5, the refrigerant inlet 7 is provided at the center, the refrigerant outlet 8 is provided at the end, and the fins are provided in the cooling jacket 5. It is set as the structure which does not provide. In such a cooling structure, the refrigerant flows into the cooling jacket 5 from the central refrigerant inlet 7, passes through the cooling jacket 5, and is discharged out of the cooling jacket 5 from the refrigerant outlet 8 at the end.

本比較例では、フィンが立設されていないため、実施例1〜3と比べて冷媒の圧力損失は最低となるものの、等価熱伝達率も低いままとなることが見込まれる。   In this comparative example, since the fins are not erected, it is expected that the equivalent heat transfer coefficient will remain low although the pressure loss of the refrigerant is the lowest as compared with Examples 1-3.

本実施例では、図6に示すように、発熱体2を4個に分割して(各5W)絶縁性セラミック基板1の端面から1/4の位置に縦横等間隔に絶縁性セラミック基板1の表面に並べ、裏面には円柱状のフィン9を丁度発熱体2の真裏に来る位置に集中して格子状に37個並べている。このような冷却構造において、冷媒は対角線上の一端コーナー部に配置された冷媒入口7から冷却ジャケット5内に流入し、冷媒流路を通って対角線上の他端コーナー部に配置された冷媒出口8から冷却ジャケット5外へと排出される。   In this embodiment, as shown in FIG. 6, the heating element 2 is divided into four parts (5 W each), and the insulating ceramic substrate 1 of the insulating ceramic substrate 1 is equidistant from the end face of the insulating ceramic substrate 1 at a position equal to 1/4. Thirty-seven columnar fins 9 are arranged in a lattice pattern on the back surface and concentrated on the position just behind the heating element 2 on the back surface. In such a cooling structure, the refrigerant flows into the cooling jacket 5 from the refrigerant inlet 7 disposed at one corner portion on the diagonal line, passes through the refrigerant flow path, and is disposed at the other corner portion on the diagonal line. 8 is discharged out of the cooling jacket 5.

本冷却構造においては、フィン9が立設された部分においてのみ冷媒の流れが分散され、フィン9の側面で熱交換が行われる。一方、フィン9が立設されていない部分では冷媒の圧力損失がゼロである。このように、熱交換部とそれ以外を明確に分けることによって、各発熱体2の裏面位置における冷媒の流速のバラツキを抑えて等価熱伝達率の均一化を図ると同時に、冷却ジャケット5全体での冷媒の圧力損失の低減の両立を狙っている。   In the present cooling structure, the refrigerant flow is dispersed only in the portion where the fins 9 are erected, and heat exchange is performed on the side surfaces of the fins 9. On the other hand, the pressure loss of the refrigerant is zero in the portion where the fins 9 are not erected. In this way, by clearly separating the heat exchange part and the other parts, the variation in the flow rate of the refrigerant at the back surface position of each heating element 2 is suppressed, and the equivalent heat transfer coefficient is made uniform, and at the same time, the cooling jacket 5 as a whole. The aim is to reduce the pressure loss of the refrigerant.

<比較例2>
実施例4の参照実験に相当するものであり、図7に示すように絶縁性セラミック基板1の表面はそのままで、裏面に円柱状のフィン9を一様に並べた例である。冷媒は冷媒入口7から冷却ジャケット5内に進入し、フィン9の間の冷媒流路を通って冷媒出口8から排出される。
<Comparative example 2>
This corresponds to the reference experiment of Example 4, and is an example in which columnar fins 9 are uniformly arranged on the back surface without changing the surface of the insulating ceramic substrate 1 as shown in FIG. The refrigerant enters the cooling jacket 5 from the refrigerant inlet 7, passes through the refrigerant flow path between the fins 9, and is discharged from the refrigerant outlet 8.

本比較例では、冷却ジャケット5の全体に亘ってフィン9が立設されているため、実施例4と比べて等価熱伝達率は向上するものの、冷媒の圧力損失も増大してしまうものと見込まれる。   In this comparative example, since the fins 9 are erected over the entire cooling jacket 5, the equivalent heat transfer coefficient is improved as compared with the fourth embodiment, but the pressure loss of the refrigerant is also expected to increase. It is.

[流体解析結果と考察]
図8に実施例1〜3と比較例1におけるセラミック基板表面の温度分布の様子を示す。冷媒の流れに沿って傾斜はあるものの、発熱体を中心にほぼ同心円状に熱が拡散している様子が見て取れる。本実施例では、セラミック基板に対して発熱体の大きさが或る程度大きいため、真円よりも四角形に近い形状を呈しているが、発熱体の大きさが小さい場合にはより真円に近い形状で、且つ、温度勾配の状態が正規分布のそれに近くなると見込まれる。
[Fluid analysis results and discussion]
FIG. 8 shows the temperature distribution on the ceramic substrate surface in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Although there is an inclination along the flow of the refrigerant, it can be seen that heat is diffused substantially concentrically around the heating element. In this embodiment, since the size of the heating element is somewhat larger than the ceramic substrate, the shape is closer to a quadrangle than the perfect circle, but when the size of the heating element is small, the shape becomes more perfect circle. The shape is close and the temperature gradient is expected to be close to that of the normal distribution.

以下に、個別の実施例と比較例について検証した結果について説明する。
(1)発熱体が中央に1個の場合:
表1に結果の一覧を示す。
Below, the result verified about each Example and a comparative example is demonstrated.
(1) When there is one heating element in the center:
Table 1 shows a list of results.

Figure 2010098204
実施例1〜3までの全体を見ると、比較例1と比べて発熱体の温度が低減されており、等価熱伝達率が向上しているのが分かる。圧力損失については比較例1を基準として、フィンを追加したことによる影響が少ない方が望ましい。従って、実施例2が本解析においては最良の形状であったと言える。又、図9〜図11に実施例1〜3における流速ベクトルの分布を示す。流路に沿って流速ベクトルが分布していることと、実施例1〜3の何れにおいても、中央部の流速ベクトルの大きさ(長さではなく色)が同程度であることが分かる。
Figure 2010098204
When the whole to Examples 1-3 is seen, it turns out that the temperature of a heat generating body is reduced compared with the comparative example 1, and the equivalent heat transfer rate is improving. With respect to the pressure loss, it is desirable that the influence of adding the fin is small with Comparative Example 1 as a reference. Therefore, it can be said that Example 2 was the best shape in this analysis. 9 to 11 show the distribution of flow velocity vectors in the first to third embodiments. It can be seen that the flow velocity vector is distributed along the flow path and that the flow velocity vector in the central portion has the same size (not length but color) in any of the first to third embodiments.

<実施例1と実施例2の比較>
等価熱伝達率が同じであることから、発熱体近傍における熱伝達に係る表面積は、実施例1と実施例2では同程度であると考察できる。一方、フィン体積率と圧力損失に注目すると、どちらも実施例1が実施例2の2倍程度で、ほぼ比例関係にあることが分かる。従って、圧力損失はフィン形状への依存度は小さく、フィン体積率と配置要件の方が圧力損失に大きく影響することが検証された。
<Comparison of Example 1 and Example 2>
Since the equivalent heat transfer coefficient is the same, it can be considered that the surface area related to heat transfer in the vicinity of the heating element is approximately the same in Example 1 and Example 2. On the other hand, when attention is paid to the fin volume ratio and the pressure loss, it can be seen that both of the first embodiment is about twice as large as the second embodiment and are in a substantially proportional relationship. Therefore, it was verified that the pressure loss is less dependent on the fin shape, and that the fin volume ratio and the arrangement requirement have a greater influence on the pressure loss.

<実施例2と実施例3の比較>
前項と同様に、等価熱伝達率が同じであることから、発熱体近傍における熱伝達に係る表面積は、実施例2と実施例3では同程度であると考察できる。
<Comparison between Example 2 and Example 3>
Since the equivalent heat transfer coefficient is the same as in the previous section, it can be considered that the surface area related to heat transfer in the vicinity of the heating element is the same in Example 2 and Example 3.

圧力損失の低減について、実施例2ではフィンを間引くことによって立設密度を下げて対応しているのに対し、実施例3では立設密度はそのままにして配置構造に規則性を持たせることによって冷媒流路を制御し、実質的な流体抵抗を下げることで対応している。本検討においては、立設密度を下げる手法の方が優位であるということが検証された。
<実施例1と実施例3の比較>
In Example 2, the reduction in pressure loss is dealt with by lowering the standing density by thinning out the fins, whereas in Example 3, the arrangement density is maintained while maintaining the standing density as it is. This is achieved by controlling the refrigerant flow path and lowering the substantial fluid resistance. In this study, it was verified that the method of lowering the standing density is superior.
<Comparison between Example 1 and Example 3>

フィン体積率と圧力損失の大小関係が実施例1と実施例2との比較の場合と逆転している。これは前項でも述べたように、実施例3では立設密度はそのままに配置構造に規則性を持たせることによって流路を制御し、実質的な流体抵抗を下げることで圧力損失の低減を図ったことに起因する。従って、フィン体積率と配置要件では、後者の方が実質的な圧力損失の低減に寄与することが検証された。   The magnitude relationship between the fin volume ratio and the pressure loss is reversed from the comparison between the first embodiment and the second embodiment. As described in the previous section, in Example 3, the flow density is controlled by giving the arrangement structure regularity while maintaining the standing density, and the pressure loss is reduced by lowering the substantial fluid resistance. Because of that. Accordingly, it was verified that the latter contributed to a substantial reduction in pressure loss in terms of fin volume ratio and arrangement requirements.

以上により、実施例2が熱伝達性能( 中央部付近の実施的な熱伝達部の表面積) と、圧力損失の低減( 発熱他によって引き起こされる基板の温度分布のうち、程度が低く熱伝達にあまり寄与しない周辺部のフィンを省くこと) の2点において、最良の形状であるということが検証された。
(2)発熱体が4個に分散した場合:
ここでは、発熱体の配置が変化した場合について検証する。実施例4と比較例2において、結果の一覧を表2に、温度と流速ベクトルの分布を図12及び図13にそれぞれ示す。
As described above, the second embodiment has a low heat transfer performance (effective heat transfer surface area near the center) and reduced pressure loss (temperature distribution of the substrate caused by heat generation, etc. It was verified that it was the best shape at two points (excluding peripheral fins that did not contribute).
(2) When four heating elements are dispersed:
Here, it verifies about the case where arrangement | positioning of a heat generating body changes. In Example 4 and Comparative Example 2, the list of results is shown in Table 2, and the distribution of temperature and flow velocity vector is shown in FIGS.

実施例4と比較例2を比較すると、発熱体群の最高・最低温度はそれぞれの差が0.3℃とあまり変わらないものの、各発熱体の温度差(最高温度−最低温度)が小さくなっていることが分かる。発熱体の動作温度は、素子の特性や寿命に影響を及ぼす重要なファクターであり、温度差を小さくできることは、特性や寿命の偏りを抑制することができる効果があることを意味する。   When Example 4 and Comparative Example 2 are compared, the difference between the maximum and minimum temperatures of the heating elements is 0.3 ° C., but the temperature difference between each heating element (maximum temperature-minimum temperature) is small. I understand that The operating temperature of the heating element is an important factor that affects the characteristics and life of the element, and the fact that the temperature difference can be reduced means that there is an effect of suppressing the bias in characteristics and life.

冷媒流路構造については、発熱体の近傍のみにフィンを立設することで流速の粗密を作り出し、発熱体の近傍に流速ベクトルを集中させることによって効果的な冷却ができると言える。同時に、発熱体から遠い位置にあって、熱伝達にあまり寄与しないフィンを除くことで圧力損失を大幅に下げることができると言える。   With regard to the refrigerant flow path structure, it can be said that effective cooling can be achieved by creating fins in the vicinity of the heating element to create density of the flow velocity and concentrating the flow velocity vector in the vicinity of the heating element. At the same time, it can be said that pressure loss can be greatly reduced by removing fins that are far from the heating element and do not contribute much to heat transfer.

Figure 2010098204
Figure 2010098204

本発明に係る冷却構造の基本構成を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the basic composition of the cooling structure which concerns on this invention. 本発明の実施例1に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の比較例1に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on the comparative example 1 of this invention. 本発明の実施例4に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例2に係る冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例1〜3及び比較例1におけるセラミック基板表面の温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution of the ceramic substrate surface in Examples 1-3 and Comparative Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における流速ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows the flow velocity vector distribution in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2における流速ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows the flow-velocity vector distribution in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における流速ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows the flow-velocity vector distribution in Example 3 of this invention. (a)は本発明の実施例4における温度分布、(b)は流速ベクトル分布を示す図である。(A) is a temperature distribution in Example 4 of this invention, (b) is a figure which shows flow-velocity vector distribution. (a)は本発明の比較例2における温度分布、(b)は流速ベクトル分布を示す図である。(A) is a temperature distribution in the comparative example 2 of this invention, (b) is a figure which shows flow velocity vector distribution.

符号の説明Explanation of symbols

1 絶縁性セラミック基板
2 光源
3 放熱板
4 冷媒格納容器
5 冷却ジャケット
6 直方体状フィン
7 冷媒入口
8 冷媒出口
9 円柱状フィン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating ceramic substrate 2 Light source 3 Heat sink 4 Refrigerant storage container 5 Cooling jacket 6 Rectangular fin 7 Refrigerant inlet 8 Refrigerant outlet 9 Columnar fin

Claims (4)

表面に発熱体となる光源が実装された絶縁性セラミック基板の裏面に金属製の放熱板を接着し、該放熱板とこれに接合される冷媒格納容器との間に冷却ジャケットを形成し、該冷却ジャケットに冷媒を流すことによって前記光源を冷却する光源の冷却構造において、
前記放熱板の前記冷却ジャケット内に臨む裏面に凹凸形状によって冷媒流路を形成し、前記凹凸形状として直方体又は円柱状フィンを前記放熱板の前記光源が実装される真裏付近に集中して立設したことを特徴とする光源の冷却構造。
A metal heat sink is bonded to the back surface of the insulating ceramic substrate on which a light source serving as a heating element is mounted on the surface, and a cooling jacket is formed between the heat sink and the refrigerant storage container joined thereto, In the cooling structure of the light source that cools the light source by flowing a coolant through the cooling jacket,
A refrigerant flow path is formed in a concavo-convex shape on the back surface of the heat radiating plate facing the cooling jacket, and a rectangular parallelepiped or a cylindrical fin as the concavo-convex shape is concentrated near the back of the heat radiating plate where the light source is mounted. A cooling structure of a light source characterized by that.
前記絶縁性セラミック基板は、50[W/m・K]以上の熱伝導率を有するファインセラミック材料を含む層と、表面に実装される前記光源の電気回路層を含む多層構造を有することを特徴とする請求項1記載の光源の冷却構造。   The insulating ceramic substrate has a multilayer structure including a layer containing a fine ceramic material having a thermal conductivity of 50 [W / m · K] or more and an electric circuit layer of the light source mounted on the surface. The light source cooling structure according to claim 1. 前記放熱板は、150[W/m・K]以上の熱伝導率を有し且つ前記絶縁性セラミック基板と同程度の熱膨張係数を有する単体金属又は合金で構成されることを特徴とする請求項1又は2記載の光源の冷却構造。   The heat radiating plate is made of a single metal or alloy having a thermal conductivity of 150 [W / m · K] or more and a thermal expansion coefficient comparable to that of the insulating ceramic substrate. Item 3. The light source cooling structure according to Item 1 or 2. 前記光源は、LEDであることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の光源の冷却構造。   The light source cooling structure according to claim 1, wherein the light source is an LED.
JP2008269325A 2008-10-20 2008-10-20 Cooling structure of light source Pending JP2010098204A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008269325A JP2010098204A (en) 2008-10-20 2008-10-20 Cooling structure of light source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008269325A JP2010098204A (en) 2008-10-20 2008-10-20 Cooling structure of light source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010098204A true JP2010098204A (en) 2010-04-30

Family

ID=42259668

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008269325A Pending JP2010098204A (en) 2008-10-20 2008-10-20 Cooling structure of light source

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010098204A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013211506A (en) * 2011-09-22 2013-10-10 Panasonic Corp Cooling device, electric vehicle equipped with the same, and electronic apparatus equipped with the same
TWI467124B (en) * 2012-05-24 2015-01-01 Univ Nat Taipei Technology Liquid cooling heat sink
WO2018042524A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-08 Necディスプレイソリューションズ株式会社 Light source apparatus, projection-type display apparatus, and method for cooling semiconductor light-emitting element
WO2018056457A1 (en) * 2016-09-26 2018-03-29 伸和コントロールズ株式会社 Heat exchanger
WO2019211889A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 三菱電機株式会社 Semiconductor device

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013211506A (en) * 2011-09-22 2013-10-10 Panasonic Corp Cooling device, electric vehicle equipped with the same, and electronic apparatus equipped with the same
TWI467124B (en) * 2012-05-24 2015-01-01 Univ Nat Taipei Technology Liquid cooling heat sink
WO2018042524A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-08 Necディスプレイソリューションズ株式会社 Light source apparatus, projection-type display apparatus, and method for cooling semiconductor light-emitting element
CN109565148A (en) * 2016-08-30 2019-04-02 Nec显示器解决方案株式会社 Light supply apparatus, projection display device and the method for cooling down semiconductor light-emitting elements
JPWO2018042524A1 (en) * 2016-08-30 2019-06-24 Necディスプレイソリューションズ株式会社 Light source device, projection display device, and method of cooling semiconductor light emitting device
US10665767B2 (en) 2016-08-30 2020-05-26 Nec Display Solutions, Ltd. Light source device, projection-type display device, and method for cooling semiconductor light-emitting element
CN109565148B (en) * 2016-08-30 2021-09-10 Nec显示器解决方案株式会社 Light source device, projection type display device, and method for cooling semiconductor light emitting element
WO2018056457A1 (en) * 2016-09-26 2018-03-29 伸和コントロールズ株式会社 Heat exchanger
CN109791031A (en) * 2016-09-26 2019-05-21 伸和控制工业股份有限公司 Heat exchanger
US10890360B2 (en) 2016-09-26 2021-01-12 Shinwa Controls, Co., Ltd. Heat exchanger
WO2019211889A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 三菱電機株式会社 Semiconductor device
JPWO2019211889A1 (en) * 2018-05-01 2020-12-10 三菱電機株式会社 Semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10278306B2 (en) Method and device for cooling a heat generating component
JP2006522463A (en) Optimal spreader system, apparatus and method for micro heat exchange cooled by fluid
JP2006522463A5 (en)
US5844313A (en) Heat sink
CN107731767A (en) A kind of microchannel heat sink with horizontal direction and vertical direction turbulence structure
US20130343001A1 (en) Heat dissipation system for power module
CN104465562A (en) Chain type staggered micro-channel structure
EP2806455B1 (en) Heat dissipation plate
JP2009188329A (en) Heatsink, cooling module, and coolable electronic substrate
TWI811504B (en) Heat dissipating device
JP2010098204A (en) Cooling structure of light source
JP6534873B2 (en) Liquid cooling system
JP2009239043A (en) Cooling device equipped with fine channel and method for manufacturing the same
US20060090885A1 (en) Thermally conductive channel between a semiconductor chip and an external thermal interface
JP2007115917A (en) Thermal dissipation plate
KR20100003923U (en) Radiation member structure for cooling device
JP2015050287A (en) Cold plate
WO2022190960A1 (en) Heat sink
CN207741053U (en) A kind of radiator structure of LED array module
CN210900093U (en) Fin radiator
CN112584678A (en) Phase change heat dissipation device for inverter and inverter
CN207652886U (en) A kind of liquid cooling heat radiator
JP2011187598A (en) Liquid-cooled jacket
JP5218306B2 (en) Cooling system
JP2007043041A (en) Electric element equipment and electric element module