JP2011134979A

JP2011134979A - 液体冷却式ヒートシンク

Info

Publication number: JP2011134979A
Application number: JP2009294938A
Authority: JP
Inventors: Misato Ishii; 美里石井; Akio Adachi; 昭夫安達
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07
Also published as: CN102136461A

Abstract

【課題】ヒートシンク内部の複数の並列の冷却液体通流路における冷却液体の通流流量を均一にし、ヒートシンクの全体の冷却効果を均一にすることのできる液体冷却式ヒートシンクを提供する。
【解決手段】高熱伝導性材で構成された扁平体からなり、上面に発熱体１０の結合されるヒートシンク本体２１の内部に、冷却液体の流入する流入ヘッダ２４と、冷却液体の流出する流出ヘッダ２５と、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィン２２により形成された複数の冷却液体通流路２３とを形成し、前記放熱フィン２２により形成された冷却液体通流路２３の両端に前記流入ヘッダ２４および流出ヘッダ２５を連通結合してなる液体冷却式ヒートシンク２０において、前記流入ヘッダ２４および流出ヘッダ２５の前記冷却液体通流路２３と対向する壁面の中央部に冷却液体の流入口および流出口を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力用半導体素子等の発熱体を冷却するためにこれに結合して使用する液体冷却式形ヒートシンクに関する。

電力変換装置等に使用される半導体素子および半導体素子を複合して構成したモジュール形半導体素子は、大容量化および高速化されることによりより損失熱の発生が増大するが、素子の信頼性を高めるためおよび寿命を長くするため、素子の温度上昇を抑えて素子の温度を所定温度以内に保つ必要がある。

このため、一般に、特に容量の大きな半導体素子またはモジュール形半導体素子等の発熱体は、これに水やブラインのような冷却液体で冷却するようにした液体冷却式ヒートシンクを結合して冷却する。

図５は、特許文献１等でから知られている液体冷却式ヒートシンクの従来例を示すものである。この図において、（ａ）は、発熱体となるモジュール形半導体素子５０に結合した状態のヒートシンク６０を示す斜視図であり、（ｂ）は、ヒートシンク６０の平面断面を示す図である。

ヒートシンク６０は、銅やアルミニウム等の高熱伝導性材で構成された本体６１とこの本体の両端に結合された冷却液体の流入ヘッダ６４および流出ヘッダ６５とにより構成される。ヒートシンク本体６１は、扁平な直方体をなし、その外表面にモジュール形半導体素子５０等の発熱体が載置され熱的に結合される。ヒートシンク本体６１の内部には、図６（ｂ）に示すように複数の放熱フィン６２が形成されている。各フィン６２は、互いに適宜の間隔離して平行に配置されており、これらのフィンの間に、平行な複数の冷却液体通流路６３が形成される。そして、冷却液体通流路６３の両端は、流入ヘッダ６４および流出ヘッダ６５と連通されている。ヘッダ６４，６５の冷却液体通流路６３と平行する端面壁の一方に外部から冷却液体を供給するための冷却液体入口６４ｂおよび冷却液体を外部へ排出するための冷却液体出口６５ｂが設けられている。

外部の図示しない液体冷却装置で冷却された液体が冷却液体入口６４ｂを通してヒートシンク６０に供給される。ヒートシンク６０に供給された冷却液体は、図６（ｂ）に実線矢印で示すように流入ヘッダ６４から放熱フィン間に形成された各通流路６３に分散して通流し、再び流出ヘッダ６５に集められて冷却液体出口６５ｂから排出され、冷却装置へ戻される。

発熱体（モジュール形半導体素子）５０の発生する熱は、ヒートシンク本体６１から複数の放熱フィン６２に拡散されて冷却液体通流路６３を通流する冷却液体へ伝達されることにより良好に放熱される。

このような放熱フィン付のヒートシンクによれば、放熱フィンによりヒートシンク本体６１の冷却液体との熱交換面積（Ａ）が１０〜５０倍にも拡大されるため、次の（１）式で示されるようにヒートシンク本体６１の熱抵抗Ｒを大幅に低減することができる。これにより、（２）式で示されるように発熱体５０の温度上昇ΔＴを低く抑えることができる。

Ｒ＝１／（ｈ×Ａ×η）・・・（１）
ΔＴ＝Ｒ×Ｑ・・・（２）
（１）、（２）式において、Ｒ：熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、ｈ：熱伝達率(Ｗ／ｍ²Ｋ)、Ａ：熱交換面積（ｍ²）、η：フィン効率、ΔＴ：発熱体温度上昇（Ｋ）、Ｑ：発熱体の発生熱量（Ｗ）である。

特開２００８‐１０３４００号公報

このような従来の液体冷却式ヒートシンクにおいては、ヘッダ６４，６５の冷却液体通流路６３と平行する端面壁に冷却液体の流入口６４ｂおよび流出口６５ｂが設けられているので、流入口６４ｂから流入ヘッダ６４−各冷却液体通流路６３−流出ヘッダを経て流出口６５ｂへ至る冷却液体の通流路の長さが各冷却液体通流路６３の位置によって変わるため、各冷却液体通流路６３を通流する冷却液体の流体抵抗に差が生じる。このため、通流する冷却液体の流量が、流入口６４ｂおよび流出口６５ｂに近い冷却液体通流路６３ほど大きく、遠い冷却液体通流路６３ほど小さくなり、図６（ｂ）に点線矢印で示すような流量分布となる。点線矢印は、流量の大きさを長さで示しており、長さが長いほど流量が大きいことを意味する。

ヒートシンク本体６１の通流する冷却液体の流量の大きい、流入口６４ｂおよび流出口６５ｂに近い通流路６３ａのある、図の右端部では冷却効果が大きく、冷却液体℃の流量の小さい、流入口６４ｂおよび流出口６５ｂから遠い通流路６３ｇのある、左端部では冷却効果が小さくなる。このようにヒートシンク内の複数の並列の冷却液体通流路における冷却液体の流量分布が均一でない場合は、ヒートシンクの表面の各位置における冷却効果に差が生じ、ヒートシンク全体の冷却効果を均一にすることができないという問題が生じる。

この発明はこのような問題を解決するため、ヒートシンク内部の複数の並列の冷却液体通流路における冷却液体の通流流量の分布を均一にし、ヒートシンクの全体の冷却効果を均一にすることのできる液体冷却式ヒートシンクを提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するために、この発明は、高熱伝導性材で構成された扁平体からなり、上面に発熱体の結合されるヒートシンク本体の内部に、冷却液体の流入する流入ヘッダと、冷却液体の流出する流出ヘッダと、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却液体通流路とを形成し、前記放熱フィンにより形成された冷却液体通流路の両端に前記流入ヘッダおよび流出ヘッダを連通結合してなる液体冷却式ヒートシンクにおいて、前記流入ヘッダおよび流出ヘッダの前記冷却液体通流路と対向する端面壁の中央部に冷却液体の流入口および流出口を設けたことを特徴とするものである。

この発明においては、前記複数の冷却液体流通流路の内の前記冷却液体流流入ヘッダに設けられた冷却液体流入口と対向する中央部付近の冷却液体通流路を閉塞するようにするのがよい。

また、前記冷却液体流入ヘッダの中央部付近に冷却液体流入口と対向して冷却液体の流れを中央から側方へ案内する流れ制御手段を設けることができる。この流れ制御手段は複数設けることもできる。

さらに、この発明においては、前記の冷却液体の流れ制御手段として、複数の開口が分散して設けられた流れ制御板平板を設けることもできる。そして、前記開口はその開口面積を中央から端部へ向かうほど大きくするのがよい。

この発明は、高熱伝導性材で構成された扁平体からなり、上面に発熱体の結合されるヒートシンク本体の内部に、冷却液体の流入する流入ヘッダと、冷却液体の流出する流出ヘッダと、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却液体通流路とを形成し、前記放熱フィンにより形成された冷却液体通流路の両端に前記流入ヘッダおよび流出ヘッダを連通結合してなる液体冷却式ヒートシンクにおいて、前記流入ヘッダおよび流出ヘッダの、前記冷却液体通流路と対向する端面壁の中央部に冷却液体の流入口および流出口を設けるようにしたので、前記冷却液体流入口から複数の冷却液体通流路を通して冷却液体流出口へ至る複数の並列流路の長さの差が小さくなり均等化されることにより、各冷却液体通流を通流する冷却液体の流量が均等化し、小さくなるため、ヒートシンクの位置における冷却効果の偏りを小さくでき、ヒートシンク全体の冷却効果の均一性が向上する。

この発明の第１の実施例による液体冷却式ヒートシンクの構成を示すもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面断面図である。この発明の第２の実施例による液体冷却式ヒートシンクの構成を示す平面断面図である。この発明の第３の実施例による液体冷却式ヒートシンクの構成を示す平面断面図である。この発明の第４の実施例による液体冷却式ヒートシンクの構成を示す平面断面図である。この発明の第５の実施例による液体冷却式ヒートシンクの構成を示すもので、（ａ）は平面断面図、（ｂ）ここで使用する流れ制御板の側面図である。従来の液体冷却式ヒートシンクの構成を示すもので、（ａ）は、斜視図、（ｂ）平面断面図である。

次に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の第１の実施例を示すものである。図１はこの発明の実施例１の液体冷却式ヒートシンクの構成を示すもので、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は内部の構成を示す平面断面図である。

この図に１おいて、１０は、銅やアルミニウムのような高熱伝導性材で構成された扁平な直方体状のヒートシンク２０の表面に結合された発熱体としてのモジュール形半導体素子である。ヒートシンク２０は、内部に平行に間隔を置いて設けられた複数の放熱フィン２２により複数の冷却液体通流路２３（２３ａ〜２３ｇ）の形成されたヒートシンク本体２１を備える。ヒートシンク本体２１の両端にはそれぞれ冷却液体の流入する流入ヘッダ２４と流出する流出ヘッダ２５が冷却液体通流路２３に連通して結合されている。流入ヘッダ２４および流出ヘッダ２５の冷却液体通流路２３と対向する壁面２４ａ、２５ａの中央にそれぞれ冷却液体流入口２４ｂおよび流出口２５ｂが設けられている。

さらに、ヒートシンク本体２１の内部には、図１（ｂ）に示すよう互いに所定の間隔をおいて平行に設けたに複数の放熱フィン２２により、前記流入ヘッダ２４および流出ヘッダ２５に連通する複数の冷却液体通流路２３が形成されている。

このように、この発明は、シートシンク本体２１の両端に結合された冷却液体の流入ヘッダ２４および流出ヘッダ２５の冷却液体通流路と対向する端面壁２４ａおよび２５ａの中央部にそれぞれ冷却液体流入口２４ｂおよび冷却液体流出口２５ｂを設けているので、冷却液体流入口２４ｂから流出口２５ｂまでの各冷却液体通流路２３ａ〜２３ｇの長さがほぼ等しくなる。このため、冷却液体入口２４ａから供給した冷却液体Ｃは、図１（ｂ）に実線矢印で示すように、流入ヘッダ２４から各冷却液体通流路２３ａ〜２３ｇへ分流し、再び流出ヘッダ２５に集められて冷却液体流出口２５ｂから外部へ流出する。

各冷却液体通流路２３ａ〜２３ｇの冷却液体流入口２４ｂから冷却液体流出口２５ｂまでの長さはほぼ均等になるが、完全に等しくすることはできず、少しだけ中央の通流路２３ｄが短く、両側へ行くにしたがって相対的に長くなる。各冷却液体通流路の流体抵抗はその長さに比例するので、各冷却通流路２３ａ〜２３ｇにおける冷却液体の流量は、図１（ｂ）に点線矢印で示すように、僅かではあるが、中央の冷却液体通流路２３ｄが大きく、両側に行くにしたがって小さくなるが、ほぼ均等となる。このため、ヒートシンク２０の全体の冷却効果が均一化される。

なお、流量を示す点線矢印はその長さで流量を示しており、長い方が流量が大きく、短いほうが流量が小さい。以下に示す実施例においても同じである。

図２は、この発明の第２の実施例を示すものである。この実施例２は、前記実施例１において、中央の冷却液体通流路２３ｄの流量がお大きくなっていたのを抑えて、各冷却液体通流路を通流する冷却液体流量がより均等になるようにしたものである。

実施例２は、図２に示すように、ヒートシンク本体２１の内部の冷却液体入口２４ａおよび出口２５ａと対向する付近の中央部の冷却液体通流路２３ｄを閉塞する閉塞体を冷却液体の流れ制御手段２８としている。このため冷却液体流入ヘッダ２４から中央通流路２３ｄへ向かう冷却液体は両側の冷却液体通流路へ分散供給されるため、残りの冷却液体通流路２３ａ〜２３ｃおよび２３ｅ〜２３ｇの流量が増加することによりより、流量分布が図２に点線矢印で示すように均一化される。

このため、ヒートシンク全体の冷却効果が、実施例１より均一性を高めることができる。

図３に、この発明の第３の実施例を示す。

この実施例３においては、冷却液体流入ヘッダ２４内の冷却液体流入口２４ｂと中央の冷却液体通流路２３ｄとの間に冷却液体の流れを中央から両側へ案内する制御突起２８ａを１個設けることにより、中央の冷却液体通流路２３ｄへの冷却液体の流入を制限するようにしている。

この制御突起２８によって、通常は流量の多くなる中央の冷却液体通流路２３ｄへの冷却液体の流入量が制限されるのでこの中央の通流路２３ｄの流量が減少し、両側のその他の冷却液体通流路の流量が相対的に増加し、全体の通流路の流量の分布が図３に点線矢印で示すようにより均一化される。このため、ヒートシンク２０の全体の冷却効果の均一性がより高まる。

図４は、この発明の第４の実施例を示すものである。

この実施例４は、前記第３の実施例においては、流れの制御突起２８が中央に１個しか設けられないため、両外側の冷却液体通流路２３ａおよび２３ｇの流量の増加が僅かなため他の通流路の流量より小さくなるのを改善するために、制御突起２８を３個に増やして、冷却液体流入ヘッダ２４内に分散配置している。

３個の制御突起２８ａ〜２８ｃの間隔を調整することにより冷却液体流入ヘッダ２４から通流路２３ｂ〜２３ｆへ直接流入する流量を制限し、両側の通流路２３ａおよび２３ｇへの冷却液体の流入量を増やすことができる。これによって通流路全体の流量分布を、図４に点線矢印で示すように均一化することができるため、ヒートシンク２０の全体の冷却効果の均一性を実施例３よりを向上することができる。

図５は、この発明の第５の実施例を示すものである。

この実施例５は、実施例４における複数個の冷却液体の流れ制御突起の変わりに、１枚の流れ制御板２８ｄを設けたものである。

流れ制御板２８ｄは、図５（ｂ）に示すように開口面積の異なる３種類の開口が長手方向に分散して設けられている。中央の開口２８ｅは、開口面積が最も小さい開口であり、その両側に隣接する開口２８ｆ，２８ｇは、開口面積が中間の大きさの開口となる。そして両端の開口２８ｈ、２８ｉは、開口面積の最も大きい開口となる。

このような流れ制御板２８ｄを冷却液体流入ヘッダ２４の冷却液体流入口２４ｂと冷却液体通流路２３との間に設けることにより、冷却液体の流入流量が中央の通流路ほど制限されて減少され、両側の通流路ほど相対的に増大されるので、通流路全体の通流流量の分布を図５（ａ）に点線矢印で示すように均一にすることができる。

これにより、ヒートシンク２０の冷却効果を全体に均一にすることができる。

１０：モジュール形半導体素子（発熱体）
２０：液体冷却式ヒートシンク
２１：ヒートシンク本体
２２：放熱フィン
２３（２３ａ〜２３ｇ）：冷却液体通流路
２４：冷却液体流入ヘッダ
２５：冷却液体流出ヘッダ
２８、２８ａ〜２８ｄ：冷却液体の流れ制御手段

Claims

高熱伝導性材で構成された扁平体からなり、上面に発熱体の結合されるヒートシンク本体の内部に、冷却液体の流入する流入ヘッダと、冷却液体の流出する流出ヘッダと、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却液体通流路とを形成し、前記放熱フィンにより形成された冷却液体通流路の両端に前記流入ヘッダおよび流出ヘッダを連通結合してなる液体冷却式ヒートシンクにおいて、前記流入ヘッダおよび流出ヘッダの前記冷却液体通流路と対向する端面壁の中央部に冷却液体の流入口および流出口を設けたことを特徴とする液体冷却式ヒートシンク。
前記複数の冷却液体流通流路の内の前記冷却液体流流入ヘッダに設けられた冷却液体流入口と対向する中央部付近の冷却液体通流路を閉塞したことを特徴とする請求項１に記載の液体冷却式ヒートシンク。
前記冷却液体流入ヘッダの中央部付近に冷却液体通流路と対向して冷却液体の流れを中央から側方へ案内する流れ制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の液体冷却式ヒートシンク。
前記冷却液体の流れを中央から側方へ案内する流れ制御手段を複数個設けたことを特徴とする請求項３に記載の液体冷却式ヒートシンク。
前記冷却液体流入ヘッダの冷却液体流入口と冷却液体通流路との間に複数の開口が分散して設けられた冷却液体の流れ制御板平板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の液体冷却式ヒートシンク。
前記の冷却液体の流れ制御板の複数の開口は、中央から両端部へ向かうほど大きな開口面積有することを特徴とする冷却液体式ヒートシンク。