JP2014033015A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量の多い発熱体の冷却効率を向上させることができる冷却器を提供すること。
【解決手段】冷却器２０において、本体部１９の対向する天板２２と第２部材３２の内面間に複数のプレートフィン４０が立設されている。本体部１９の内部領域Ｓには、プレートフィン４０の立設方向に内部領域Ｓを区画するプレート５０が設けられている。プレート５０によって区画された領域のうち、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２から伝わる熱量の多い第１領域Ｓ１の流路断面に、流入パイプ２８の軸線Ｌ１の延長線、及び流出パイプ２９の軸線Ｌ２の延長線が交わっている
【選択図】図３

Description

本発明は、プレートフィンに熱的に結合された発熱体の熱をプレートフィンを介して冷媒に放熱する冷却器に関する。

電子部品などの発熱体を冷却する冷却器として、本体部の内部に流路を形成した冷却器が知られている。この種の冷却器としては、例えば、特許文献１が挙げられる。図７に示すように、特許文献１の液体冷却式ヒートシンク８０は、偏平状のヒートシンク８１を有し、このヒートシンク８１の上面に発熱体８８が熱的に結合されている。ヒートシンク８１には、ヒートシンク８１の内部に冷却液体を流入させる流入ヘッダ８２と、冷却液体を流出させる流出ヘッダ８３とが接続されている。また、ヒートシンク８１内には、複数の放熱フィン８５が所定の間隔を空けて互いに平行に配設されるとともに、隣り合う放熱フィン８５の間には冷却液体通流路８６が形成されている。流入ヘッダ８２の流入口８２ａ及び流出ヘッダ８３の流出口８３ａは、複数の冷却液体通流路８６と対向する壁面の中央部に設けられている。このため、流入口８２ａからヒートシンク８１内に流入された冷却液体は、全ての冷却液体通流路８６でほぼ同じ流量で流れ、ヒートシンク８１全体の冷却効果が均一になる。

特開２０１１−１３４９７９号公報

ところが、発熱体８８に温度分布があったり、複数の発熱体８８が設けられ、それらの発熱体８８の間で発熱量が異なる場合がある。特許文献１のように、全ての冷却液体通流路８６でほぼ同じ流量で流れ、ヒートシンク８１全体の冷却効果が均一であると、温度分布の高い部位や、発熱量の多い発熱体８８では、冷却が不十分になる虞があり、冷却効率の向上が望まれている。

本発明は、発熱量の多い発熱体の冷却効率を向上させることができる冷却器を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、内部に冷媒の流路が形成された本体部と、前記本体部の軸方向の一端に接続され前記冷媒を前記本体部に流入させる流入パイプと、前記本体部の軸方向の他端に接続され前記冷媒を前記本体部から流出させる流出パイプと、を有し、前記本体部の対向する内面間に複数のプレートフィンが立設され、前記複数のプレートフィンが、前記軸方向に長尺状に延びるとともに、前記軸方向に直交する幅方向に複数並設されており、前記プレートフィンに熱的に結合された発熱体の熱を前記プレートフィンを介して前記冷媒に放熱する冷却器であって、前記内部領域には、前記プレートフィンの立設方向に前記内部領域を区画するプレートが設けられ、前記プレートによって区画された領域のうち、前記発熱体から伝わる熱量の多い領域での前記軸方向に直交する流路断面に、前記流入パイプの軸線の延長線、及び前記流出パイプの軸線の延長線が交わっていることを要旨とする。

これによれば、流入パイプから流入した冷媒が、発熱体から伝わる熱量の多い領域を流れて流出パイプに流れるときの流路長さと、冷媒がもう一方の領域を流れて流出パイプに流れるときの流路長さとを比べると、熱量の多い領域を流れるときの流路長さが短くなる。このため、熱量の多い領域を流れる場合の方が、もう一方の領域を流れる場合よりも圧力損失が小さくなる。よって、冷媒は、発熱量の多い領域に流れやすく、発熱体からの熱をプレートフィンを介して冷媒に効率良く放熱することができ、発熱量の多い発熱体の冷却効率を向上させることができる。

また、前記流入パイプ及び前記流出パイプの少なくとも一方は、前記軸線の延びる方向が前記本体部の軸方向に対して傾いていてもよい。
これによれば、流入パイプから本体部に流入する冷媒の向きが調節しやすくなり、発熱量の多い熱体に向けて冷媒を流しやすくなる。また、冷媒の流し方を調節できるため、冷却器の設計自由度が広がる。

また、前記発熱体は、第１の発熱体と、該第１の発熱体よりも発熱量の小さい第２の発熱体であり、前記本体部を挟んで前記第１の発熱体と反対側の前記領域での前記軸方向に直交する流路断面に、前記流入パイプの軸線の延長線、及び前記流出パイプの軸線の延長線が交わっていてもよい。

これによれば、第１の発熱体に向けて冷媒が流れるときの流路長さと、第２の発熱体に向けて冷媒が流れるときの流路長さとを比べると、第１の発熱体に向けて冷媒が流れたときの流路長さが短くなる。このため、発熱量の多い第１の発熱体に向けて冷媒が流れやすくなり、第１の発熱体を積極的に冷却することができる。

また、前記プレート及び前記プレートフィンの少なくとも一方は、前記軸方向に沿って波状に形成されていてもよい。
これによれば、波状とされることで、プレート及びプレートフィンの表面積を増やして、冷媒と熱交換可能な面積を増やし、発熱体の冷却効率を向上させることができる。

本発明によれば、発熱量の多い発熱体の冷却効率を向上させることができる。

実施形態の冷却器を備える半導体装置を示す斜視図。 実施形態の冷却器を備える半導体装置を示す平面図。 （ａ）は実施形態の冷却器を備える半導体装置を示す図１の３ａ−３ａ線断面図、（ｂ）は実施形態の冷却器を備える半導体装置を示す図１の３ｂ−３ｂ線断面図。 実施形態の冷却器を備える半導体装置を示す図１の４−４線断面図。 冷却器の別例を示す平断面図。 （ａ）及び（ｂ）は別例のプレート及びプレートを備える冷却器を示す部分断面図。 背景技術を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体装置１０は、冷却器２０と、この冷却器２０に接合された複数の第１の発熱体１１と、複数の第２の発熱体１２とから構成されている。なお、第１の発熱体１１は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子である。また、第２の発熱体１２は、第１の発熱体１１よりも発熱量が少ない半導体素子であり、例えばダイオードである。

図１及び図４に示すように、冷却器２０は、直方体状の本体部１９を備える。この本体部１９は、一面（下面）に開口する箱状の第１部材２１と、第１部材２１の開口を閉塞する板状をなす第２部材３２とを組み付けて形成されている。第１部材２１は、平面視矩形状をなす天板２２と、天板２２の対向する一対の短辺から延設された第１側壁２４，２５と、天板２２の対向する一対の長辺から延設された第２側壁２６，２７とから形成されている。そして、本体部１９において、一対の第１側壁２４，２５の対向方向であり、本体部１９の長辺方向を、本体部１９の軸方向とする。

また、図３及び図４に示すように。本体部１９内には、第１部材２１と天板２２で囲まれた内部領域Ｓが形成されている。天板２２において、一方の第２側壁２６寄りに第１の発熱体１１が配置され、他方の第２側壁２７寄りに第２の発熱体１２が配置されている。また、本体部１９において、一方の第１側壁２４には流入口２４ａが形成されている。流入口２４ａは、第１側壁２４において、一方の第２側壁２６に寄せた位置に形成されている。本体部１９において、軸方向一端の一方の第１側壁２４の外面には、流入口２４ａを囲む状態で円筒状の流入パイプ２８が接合されている。すなわち、流入パイプ２８の軸線Ｌ１に直交する流路断面は円形状になっている。流入パイプ２８はその軸線Ｌ１が第１側壁２４に対し垂直に交わる状態で第１側壁２４に接合されている。

また、本体部１９において、軸方向他端の他方の第１側壁２５には流出口２５ａが形成されている。流出口２５ａは、第１側壁２５において、一方の第２側壁２６に寄せた位置に形成されている。第１側壁２５には、流出口２５ａを囲む状態で円筒状の流出パイプ２９が接合されている。すなわち、流出パイプ２９の軸線Ｌ２に直交する流路断面は円形状になっている。流出パイプ２９はその軸線Ｌ２が第１側壁２５に垂直に交わる状態で第１側壁２５に接合されている。

流入パイプ２８の軸線Ｌ１と、流出パイプ２９の軸線Ｌ２は、本体部１９の軸方向に沿って延びるとともに、両軸線Ｌ１，Ｌ２は同一軸線上に位置している。内部領域Ｓには、対向する天板２２の内面と、第２部材３２の内面との間に複数のプレートフィン４０が立設されている。各プレートフィン４０は、矩形板状に形成され、その長辺方向が本体部１９の軸方向に沿って延びている。また、複数のプレートフィン４０は、本体部１９の一対の第２側壁２６，２７が対向する方向であり、軸方向に直交する方向（以下、本体部１９の幅方向とする）に並設されている。各プレートフィン４０は、第１部材２１の天板２２と、第２部材３２との対向方向（上下方向）に立設されている。

内部領域Ｓには、本体部１９の幅方向に隣り合うプレートフィン４０同士の間に流路４１が区画されている。また、第２側壁２６の内面と、その第２側壁２６に対向するプレートフィン４０との間、及び第２側壁２７の内面と、その第２側壁２７に対向するプレートフィン４０との間にも流路４１が区画されている。よって、内部領域Ｓには、本体部１９の幅方向に複数の流路４１が並設されている。

なお、各プレートフィン４０は、長さ方向一端縁（流入口２４ａ側の端縁）が一方の第１側壁２４の内面より離間して配置されている。よって、一方の第１側壁２４の内面と、全てのプレートフィン４０の一端縁との間には、冷媒の供給チャンバ４２が区画されている。また、各プレートフィン４０は、長さ方向他端縁（流出口２５ａ側の端縁）が他方の第１側壁２５の内面より離間して配置されている。よって、他方の第１側壁２５の内面と、全てのプレートフィン４０の他端縁との間には、冷媒の排出チャンバ４３が区画されている。

内部領域Ｓにおいて、天板２２と第２部材３２との間にはプレート５０が配設されている。このプレート５０は矩形板状に形成されている。プレート５０の長辺方向への長さは、プレートフィン４０の長辺方向への長さより若干長く設定されている。プレート５０の短辺方向への長さは、対向する第２側壁２６，２７間の長さより僅かに短く設定されている。また、プレート５０には、複数のスリット５１がプレート５０の長辺方向一端（他方の第１側壁２５側）から他端（一方の第１側壁２４）に向けて直線状に形成されている。複数のスリット５１は、プレート５０の短辺方向に一定間隔を空けて形成されている。そして、プレート５０は、各スリット５１にプレートフィン４０が挿入された状態で各プレートフィン４０に対し接合され、熱的に結合されている。

プレート５０は、プレートフィン４０の立設方向において、第２部材３２寄りに配設されるとともに、天板２２及び第２部材３２それぞれに対し平行に配設されている。そして、プレート５０は、プレートフィン４０の立設方向で内部領域Ｓを２つの領域に区画している。２つの領域のうち、プレート５０よりも天板２２側に区画された領域を第１領域Ｓ１とし、プレート５０より第２部材３２側に区画された領域を第２領域Ｓ２とする。

第１領域Ｓ１は、天板２２を挟んで第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２の反対側に設けられている。よって、第１領域Ｓ１の方が、第２領域Ｓ２に比べて、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２から伝わる熱量が多くなっている。また、プレートフィン４０の立設方向に沿った第１領域Ｓ１の長さは、立設方向に沿った第２領域Ｓ２の長さより長くなっている。第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２は、それぞれプレート５０の長辺方向全体に亘って設けられている。よって、立設方向の長さが異なることから、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２では、第１領域Ｓ１の方が容積が大きくなっている。

また、図３（ａ）に示すように、本体部１９を軸方向に直交する方向に沿った第１領域Ｓ１の流路断面及び第２領域Ｓ２の流路断面をドットハッチングで示す。流入パイプ２８の軸線Ｌ１の延長線は、第１領域Ｓ１の流路断面に垂直に交わっている。すなわち、流入パイプ２８の延長線上に第１領域Ｓ１が位置するように、内部領域Ｓがプレート５０によって区画されている。流出パイプ２９の軸線Ｌ２の延長線も、第１領域Ｓ１の流路断面に垂直に交わっている。すなわち、流出パイプ２９の延長線上に第１領域Ｓ１が位置するように、内部領域Ｓがプレート５０によって区画されている。したがって、図４に示すように、流入パイプ２８と、第１領域Ｓ１と、流出パイプ２９は、本体部１９の軸方向に沿ってほぼ同一軸線上に設けられている。

図３（ｂ）に示すように、流入パイプ２８から流入した冷媒が、供給チャンバ４２から第１領域Ｓ１及び排出チャンバ４３を介して流出パイプ２９に流れるときの流路長さをＲ１とする。一方、流入パイプ２８から流入した冷媒が、供給チャンバ４２から第２領域Ｓ２及び排出チャンバ４３を介して流出パイプ２９に流れるときの流路長さをＲ２とする。この場合、冷媒が、プレートフィン４０の立設方向に沿って天板２２側から第２部材３２側に流れる分だけ、第２領域Ｓ２を流れる流路長さＲ２の方が、第１領域Ｓ１を流れる流路長さＲ１より長くなっている。よって、冷媒は、第１領域Ｓ１を流れる場合の方が、第２領域Ｓ２を流れる場合よりも圧力損失が小さくなっている。

また、図３（ａ）に示すように、本体部１９の天板２２を挟んで第１の発熱体１１と反対側の第１領域Ｓ１の流路断面に、流入パイプ２８及び流出パイプ２９の軸線Ｌ１，Ｌ２が垂直に交わっている。このため、図４に示すように、本体部１９の幅方向においては、流入パイプ２８から流入した冷媒が、供給チャンバ４２から各流路４１に流れるとき、流入パイプ２８と流出パイプ２９の距離が最も短くなる一方の第２側壁２６側の流路４１が最も圧力損失が小さくなっている。発熱量の多い第１の発熱体１１に対し、流入パイプ２８と流出パイプ２９との距離が最も長くなる他方の第２側壁２７側の流路４１が最も圧力損失が大きくなっている。

次に、冷却器２０の作用について記載する。
図３（ｂ）及び図４に示すように、流入パイプ２８に流入した冷媒は、流入口２４ａを介して本体部１９内に流入し、供給チャンバ４２に供給される。供給チャンバ４２の冷媒は、圧力損失の小さくなる第１領域Ｓ１に向けて多く流れる。したがって、冷媒の多くは、ほぼ天板２２の内面に沿って流れる。そして、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２から発生した熱は、天板２２、第１領域Ｓ１内のプレートフィン４０及びプレート５０を介して冷媒に放熱され、その結果として第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２が冷却される。

また、本体部１９の幅方向では、供給チャンバ４２の冷媒は、圧力損失の小さくなる一方の第２側壁２６側の流路４１で多く流れ、圧力損失の大きくなる他方の第２側壁２７側に向かうに従い、流量が少なくなる。このとき、本体部１９の幅方向では、一方の第２側壁２６側に第１の発熱体１１が配置され、他方の第２側壁２７側に第２の発熱体１２が配置されている。したがって、発熱量の多い第１の発熱体１１に対しては、天板２２を挟んだ直下を流れる多量の冷媒によって冷却される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）冷却器２０において、本体部１９の内部領域Ｓをプレート５０によって天板２２側の第１領域Ｓ１と第２部材３２側の第２領域Ｓ２に区画した。そして、第１領域Ｓ１の流路断面に、流入パイプ２８及び流出パイプ２９の軸線Ｌ１，Ｌ２の延長線を交わらせた。このため、流入パイプ２８から流出パイプ２９に至るまでの冷媒の流路長さは、冷媒が第１領域Ｓ１を流れる場合の方が、第２領域Ｓ２を流れる場合より短くなり、圧力損失が小さくなる。よって、第１領域Ｓ１には冷媒が流れやすくなっている。そして、この冷媒の流れやすい第１領域Ｓ１内のプレートフィン４０に対しては、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２が天板２２を介して熱的に結合されているため、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を冷媒によって効率良く冷却することができる。

（２）内部領域Ｓをプレートフィン４０で区画するだけで、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２側に冷媒を流れやすくすることができる。そして、プレート５０はプレートフィン４０に熱的に結合されている。このため、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２から伝わった熱をプレートフィン４０だけでなくプレート５０を介して冷媒に放熱することができる。したがって、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２が冷媒と熱交換する表面積を多くすることができ、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を効率良く冷却することができる。

（３）流入パイプ２８及び流出パイプ２９を、本体部１９の幅方向における一方の第２側壁２６寄りに形成した。また、発熱量の多い第１の発熱体１１を、天板２２における一方の第２側壁２６寄りに配置した。そして、本体部１９の幅方向においては、流入パイプ２８と流出パイプ２９の距離が最も短くなる一方の第２側壁２６側の流路４１が最も圧力損失が小さくなっている。したがって、一方の第２側壁２６側の流路４１には冷媒が流れやすく、一方の第２側壁２６側に配置された第１の発熱体１１を冷媒により効率良く冷却することができる。

（４）プレートフィン４０の立設方向に沿ったプレート５０の配設位置を調節することで、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２に流れ込む冷媒の流量を調節することができる。したがって、プレート５０の位置調節といった簡単な方法で、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を効率良く冷却することができる。

（５）プレート５０は、天板２２及び第２部材３２に対し平行に設けられている。このため、プレートフィン４０の立設方向に沿った各領域Ｓ１，Ｓ２の幅（高さ）を、本体部１９の軸方向全体に亘って一定にすることができる。よって、例えば、各領域Ｓ１，Ｓ２の高さが流出パイプ２９側で狭くなっている場合のように、軸方向で圧力損失が大きくなることを無くして、冷媒を流出パイプ２９に向けて流れやすくすることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、流入パイプ２８を軸線Ｌ１が第１側壁２４に垂直に交わり、流出パイプ２９を軸線Ｌ２が第１側壁２５に垂直に交わるように設けたが、これに限らない。例えば、図５に示すように、流入パイプ２８を軸線Ｌ１が第１側壁２４に傾斜して交わり、流出パイプ２９を軸線Ｌ２が第１側壁２５に傾斜して交わるように設けてもよい。なお、流入パイプ２８及び流出パイプ２９のいずれか一方のみを軸線が傾斜するように設けてもよい。

このように構成した場合、流入パイプ２８から本体部１９に流入する冷媒の向きが調節しやすくなり、発熱量の多い第１の発熱体１１に向けて冷媒を流しやすくなる。また、冷媒の流し方を調節できるため、冷却器２０の設計自由度が広がる。

○ 実施形態では、プレートフィン４０及びプレート５０を矩形板状に形成したが、図６に示すように、プレートフィン４０及びプレート５０を本体部１９の軸方向に延びる波状に形成してもよい。このように構成すると、プレートフィン４０及びプレート５０が、冷媒と熱交換可能な表面積が広がり、第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を効率良く冷却することができる。

なお、プレートフィン４０及びプレート５０のいずれか一方のみが波状であってもよい。
○ 実施形態では、本体部１９の幅方向では、第１の発熱体１１側に冷媒が流れやすいように、流入パイプ２８及び流出パイプ２９を一方の第２側壁２６寄りに配置したが、流入パイプ２８及び流出パイプ２９は、本体部１９の幅方向中央や、他方の第２側壁２７寄りに配置してもよい。

○ 実施形態では、本体部１９の天板２２に第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を熱的に結合して設けたが、第２部材３２の外面に第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を熱的に結合して設けてもよい。この場合、プレート５０で内部領域Ｓを第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２に区画しつつ、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２それぞれの流路断面に、流入パイプ２８及び流出パイプ２９の軸線Ｌ１，Ｌ２が交わるように、流入パイプ２８及び流出パイプ２９を上下に２分割したり、流入パイプ２８及び流出パイプ２９を２本ずつ設ける。

○ 実施形態では、本体部１９の天板２２に第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を熱的に結合して設けたが、第２部材３２のみに第１の発熱体１１及び第２の発熱体１２を熱的結合して設けてもよい。この場合、プレート５０は、内部領域Ｓを第２領域Ｓ２が広くなるように区画し、第２領域Ｓ２の流路断面に、流入パイプ２８及び流出パイプ２９の軸線Ｌ１，Ｌ２の延長線を交わらせる。

○ 流入パイプ２８及び流出パイプ２９の流路断面は円形状でなく、楕円状や台形状等適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、本体部１９の幅方向において、一方の第２側壁２６寄りに第１の発熱体１１を配置し、他方の第２側壁２７寄りに第２側壁２７を配置したが、この逆でもよい。この場合、流入口２４ａ、及び流入パイプ２８は、第１側壁２４における他方の第２側壁２７寄りに設けられ、流出口２５ａ及び流出パイプ２９も、第１側壁２５における他方の第２側壁２７寄りに設けられる。

○ 実施形態において、本体部１９の天板２２に第１の発熱体１１だけを設け、第２部材３２に第２の発熱体１２を熱的に結合して設けてもよい。この場合でも、熱量の多い天板２２側の第１領域Ｓ１に冷媒が多く流れ、第１の発熱体１１の冷却効率を向上させることができる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記プレートと前記プレートフィンは熱的に結合されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の冷却器。

Ｌ１，Ｌ２…軸線、Ｓ…内部領域、Ｓ１，Ｓ２…領域、１１…第１の発熱体、１２…第２の発熱体、１９…本体部、２０…冷却器、２８…流入パイプ、２９…流出パイプ、４０…プレートフィン、４１…流路、５０…プレート。

Claims (4)

1. 内部に冷媒の流路が形成された本体部と、
   前記本体部の軸方向の一端に接続され前記冷媒を前記本体部に流入させる流入パイプと、
   前記本体部の軸方向の他端に接続され前記冷媒を前記本体部から流出させる流出パイプと、を有し、
   前記本体部の対向する内面間に複数のプレートフィンが立設され、前記複数のプレートフィンが、前記軸方向に長尺状に延びるとともに、前記軸方向に直交する幅方向に複数並設されており、前記プレートフィンに熱的に結合された発熱体の熱を前記プレートフィンを介して前記冷媒に放熱する冷却器であって、
   前記内部領域には、前記プレートフィンの立設方向に前記内部領域を区画するプレートが設けられ、
   前記プレートによって区画された領域のうち、前記発熱体から伝わる熱量の多い領域での前記軸方向に直交する流路断面に、前記流入パイプの軸線の延長線、及び前記流出パイプの軸線の延長線が交わっていることを特徴とする冷却器。
2. 前記流入パイプ及び前記流出パイプの少なくとも一方は、前記軸線の延びる方向が前記本体部の軸方向に対して傾いている請求項１に記載の冷却器。
3. 前記発熱体は、第１の発熱体と、該第１の発熱体よりも発熱量の少ない第２の発熱体であり、前記本体部を挟んで前記第１の発熱体と反対側の前記領域での前記軸方向に直交する流路断面に、前記流入パイプの軸線の延長線、及び前記流出パイプの軸線の延長線が交わっている請求項１又は請求項２に記載の冷却器。
4. 前記プレート及び前記プレートフィンの少なくとも一方は、前記軸方向に沿って波状に形成されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の冷却器。