JP2015185737A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、衝突噴流型の冷却器に関し、フィン近傍での冷媒流の圧力損失を低減することと、フィンと冷媒との間の熱交換効率の向上の両立を図る技術を提供する。【解決手段】冷却器２は、ベースプレート３、フィン４、仕切板５、ノズル６を備える。ベースプレート３は、筐体の一側板であって、おもて面に冷却対象物が取り付けられる。フィン４は、ベースプレートの裏面に立設されている。仕切板５は、ベースプレートに平行であり、筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路１２とベースプレートに近い第２流路１４に区画する。ノズル６は、仕切板からベースプレートに向けて伸びており、冷媒をベースプレートの裏面に向けて噴出する。フィン４は、ベースプレートと直交する方向から見たときに、屈曲しており、屈曲部４ｂがノズル６と重なって位置しているとともに、その屈曲部４ｂから両側に、冷媒流の下流に向けて拡がるように伸びている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、冷却器筐体の一側板に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、その側板の裏面（筐体内側の面）に冷媒を衝突させる衝突噴流型の冷却器に関する。

半導体チップや電子部品の冷却用に、筐体の一側板に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、その側板の裏面（筐体内側を向く面）に向けて冷媒を噴出させるタイプの冷却器が知られている。そのようなタイプの冷却器は、噴出させた冷媒を、冷却対象を取り付けた側板の裏面に衝突させることから、衝突噴流型と呼ばれる。本明細書では、説明の便宜上、冷却器の一側板であって、半導体チップなどの冷却対象を取り付ける側板を「ベースプレート」と称する。そして、冷却対象を取り付ける面を、ベースプレートの「おもて面」と称し、反対側の面（筐体内側を向く面）を「裏面」と称する場合がある。

衝突噴流型の冷却器の例が特許文献１−３に記載されている。いずれの文献の冷却器も次の共通の構造を備える。その冷却器は、内部を冷媒が通る筐体と、上記したベースプレートと、ベースプレートの裏面に立設されているフィンと、仕切板と、ノズルを備える。仕切板は、ベースプレートに平行に設けられており、筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路とベースプレートに近い第２流路に二分する。ノズルは、仕切板からベースプレートに向けて伸びており、冷媒をベースプレートの裏面に向けて噴出する。特許文献１と特許文献２に開示された冷却器は、さらに、筐体の一端に設けられており、第１流路に冷媒を供給する供給口と、供給口とは反対側の筐体端部に設けられており、第２流路から冷媒を排出する排出口を備える。特許文献３には供給口と排出口の明示はなく、場所は不明であるが、供給口と排出口に相当する箇所は必ず存在する。

特許文献１と２に開示された冷却器は、複数の平行なフィンを備えている。ノズルから噴出した冷媒は、ベースプレートの裏面に衝突し、フィンに沿って流れ、その後、排出口に向かって流れる。特許文献１の冷却器では、複数のフィンは、排出口に向かう冷媒の流れ方向に対して直角に設けられている。これに対して特許文献２の冷却器では、複数のフィンは、排出口に向かう冷媒の流れ方向に平行に設けられている。なお、特許文献３の冷却器では、ノズル直下に一つのフィンが設けられているのみである。そのフィンは、テーパ状であり、上端から根元に向かって拡がっている。冷媒はフィンのテーパに沿って拡がるように流れる。

特開２０１１−１６６１１３号公報 特開２００７−２８１１６３号公報 特開２００５−３４４９７４号公報

平行な複数のフィンが冷媒流の方向に直角をなしている特許文献１の冷却器では、冷媒流に対する抵抗が大きく、冷媒流の圧力損失が大きくなる。平行な複数のフィンが冷媒流の方向に平行になっている特許文献２の冷却器では、冷媒流の圧力損失は小さいが、冷媒がフィンと平行に流れるため、フィンと冷媒の間の熱交換効率が高くはない。

本明細書は、特許文献１、２に開示された冷却器と同タイプの冷却器に関し、フィンの形状を工夫し、冷媒流の圧力損失を小さくすることと、フィンと冷媒の熱交換効率向上の両立を図る技術を提供する。

本明細書が開示する冷却器は、前述したように、筐体、ベースプレート、複数のフィン、仕切板、及び、ノズルを備える。ベースプレートは、筐体の一つの側板であって、おもて面に冷却対象物が取り付けられる。複数のフィンは、ベースプレートの裏面に立設されている。複数のフィンは相互に平行に配置されている。仕切板は、ベースプレートに平行に設けられており、筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路とベースプレートに近い第２流路に区画する。ノズルは、仕切板からベースプレートに向けて伸びており、冷媒を第１流路からベースプレートの裏面に向けて噴出する。冷却器の筐体には、冷媒の供給口と排出口が設けられている。供給口は、第１流路に通じており、排出口は第２流路に通じている。供給口と排出口は、供給口と排出口は、冷却器の筐体の互いに反対側の端部に設けられており、冷媒の流れ方向を決める。別言すれば、供給口と排出口は、仕切板と平行な方向で筐体の両端に設けられており、冷媒は供給口から排出口に向かって流れる。本明細書が開示する冷却器は、上記した構造に加えて、フィンが次の構成を備える。即ち、フィンは、ベースプレートと直交する方向から見たときに、屈曲しており、屈曲部がノズルと重なって位置しているとともに、屈曲部から両側に、冷媒流の下流に向けて拡がるように伸びている。

なお、フィンの上端と仕切板との間には空間が設けられており、その空間は排出口に向かう冷媒の流路となる。冷媒流は、フィンの間では乱流となるが、「冷媒流の下流」とは、このフィンの上端と仕切板との間における冷媒流における下流を意味する。別言すれば、冷媒流の方向は、ベースプレートに直交する方向からみたときに冷媒の供給口から排出口に向かう方向に一致する。また、複数のフィンの全てにおいて屈曲部がノズルと重なっていなくともよい。一部のフィンにおいて、屈曲部がノズルと重なっていればよい。また、冷媒流に直交する方向に複数のノズルが設けられており、一枚のフィンが夫々のノズルに対して上記の屈曲部を有し、夫々の屈曲部から冷媒下流に向けて拡がるフィンが繋がっており、結果、フィンが波板状となっていてもよい。

上記構造の冷却器における冷媒の流れを説明する。ノズルから噴出した冷媒は平行なフィンの屈曲部を通りベースプレート裏面に衝突する。裏面で跳ね返った冷媒は、屈曲部から冷媒流の下流に向けて拡がっているフィンの面に沿って流れ、いずれフィンの上端と仕切板の間の空間へ出て排出口へ向けて流れていく。特許文献１の冷却器のようにフィンが冷媒流に対して直角ではないので特許文献１の冷却器と比較して冷媒流の圧力損失が小さくなる。また、冷媒は屈曲したフィンと衝突して流れが拡げられながら下流へ流れるので、冷媒流とフィンが平行な特許文献２の冷却器よりもフィンと冷媒との干渉が強く、それらの間の熱交換効率が特許文献２の冷却器よりも高くなる。

本明細書は、冷却対象物が取り付けられるベースプレートの裏面に複数のフィンが設けられているとともに、その裏面に向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に関し、フィン近傍での冷媒流の圧力損失を低減することと、フィンと冷媒との間の熱交換効率の向上の両立を図る技術を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の冷却器の斜視図である（筐体の一部をカット）。 実施例の冷却器の平面図である（筐体の天板をカット）。 図２ＡのIIB−IIB線に沿った断面図である。 図２ＡのIIＣ−IIＣ線に沿った断面図である。 フィンの傾斜角度Ｔｈと流路の曲がり抵抗係数Ｃ_Ｄとの関係の一例を示すグラフである。 変形例の冷却器の斜視図である（筐体の一部をカット）。 変形例の冷却器の平面図である（筐体の天板をカット）。 参考の冷却器の斜視図である（筐体の一部をカット）。 参考の冷却器の側面断面図である。

図面を参照して実施例の冷却器を説明する。図１は、冷却器２の斜視図である。但し、図１では、冷却器２の内部構造が理解できるように、部品の一部はカットして描いてある。ハッチングが、カットした面を表している。図２Ａは、筐体７の天板７ａを除いた平面図を示している。図２Ｂは、図２ＡのIIＢ−IIＢ線に沿った断面（側面断面図）を示している。図２Ｂは、長孔ノズル（後述）をその長手方向に横断する縦断面に相当する。図２Ｃは、図２ＡのIIＣ−IIＣ線に沿った断面（横断面図）を示している。

冷却器２は、半導体チップなどの冷却対象９２ａ、９２ｂ、９２ｃを冷却するデバイスである。冷却対象９２ａ〜９２ｃは、ヒートスプレッダを兼ねる絶縁板９１を介して、ベースプレート３のおもて面３ａに取り付けられる。ベースプレート３は、筐体７の一つの側板を構成する。ここで、「おもて面」とは、ベースプレート３の二つの平面を区別するための便宜上の表現であることに留意されたい。本明細書では、ベースプレート３において、冷却器２の外側を向く面を「おもて面３ａ」と称し、冷却器２の内側を向く面を「裏面３ｂ」と称する。冷却器２は、筐体内部、特に、ベースプレート３の裏面側に冷媒を通し、冷却対象を冷却する。冷媒は、典型的には水あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

ベースプレート３の裏面３ｂには、複数のフィン４が取り付けられている。複数のフィン４は、その平面を相互に対向させ、平行に配列されている。各フィン４は、屈曲方向が交互に変化する波板形状である。フィン４の形状については後述する。

冷却器２の筐体７は直方体であり、内部空間が冷媒の流路となっている。筐体７の内部には、内部空間をベースプレート３の裏面３ｂに面する空間と、ベースプレート３から遠い空間に区画する仕切板５が設けられている。前者の空間を第１流路１２と称し、後者の空間を第２流路１４と称する。

筐体７の一端には、第１流路１２（仕切板５よりもベースプレート３から遠い空間）に通じる冷媒供給口８が設けられているとともに、第２流路１４（仕切板５よりもベースプレート３に近い空間）に通じる冷媒排出口９が設けられている（図２Ｂ参照）。以下、冷媒供給口８を単純に供給口８と称し、冷媒排出口９を単純に排出口９と称する。

供給口８と排出口９は、ベースプレート３と交差する筐体７の側板のうち、対向する二つの側板の夫々に設けられている。図２Ｂでは、図の左側の側板に供給口８が設けられており、図の右側の側板に排出口９が設けられている。すなわち、冷媒は図中を左から右に流れる。別言すれば、図１、図２Ａ、図２Ｂに示した座標系において、冷媒はＸ軸の正方向へと流れる。すなわち、Ｘ軸が冷媒流の方向に相当し、Ｘ軸の正方向が、冷媒流の下流側に相当する。

仕切板５からは、３個のノズル６がベースプレート３に向かって伸びている。図２Ａによく示されているように、ノズル６は、冷媒の流れに沿って長尺な開口（流路）を有している。３個のノズルは、流れの方向に沿って平行に伸びている。供給口８から供給された冷媒は、第１流路１２を通り、次いでノズル６を通って第２流路１４に移動する。このとき、ノズル６から噴出した冷媒は、ベースプレート３の裏面に衝突する。第２流路１４を流れる冷媒は、最後に、排出口９から排出される。

図２Ｃによく示されているように、第２流路１４は、断面がコの字状の溝にも相当し、コの字の開口側はフィン４に面している。すなわち、第２流路１４は、フィンの間の空間と通じている。また、ノズル６は、その先端６ａが、フィン４の上端４ａに接している。

フィン４について説明する。前述したように、複数のフィン４は相互に平行であり、また、各フィン４は、交互に折れ曲がっている波板状である。図１と図２Ａにおいて符号Ａが示す範囲は、一枚のフィン４においてノズル６の開口先端と交差する付近を示している。範囲Ａにおいて、フィン４は屈曲部４ｂ、４ｃを有する。ベースプレート３と直交する方向からみたとき、屈曲部４ｂがノズル６の開口と重なり、フィン４は、その屈曲部４ｂから両側に、冷媒流の下流（図中のＸ軸の正方向）に向かって拡がるように伸びている。なお、図２Ａが、ベースプレート３と直交する方向からみた図に相当する。ノズル６は、冷媒流に直交する方向に３個設けられており、範囲Ａの両側でも同様にフィン４は屈曲部を有している。夫々のノズル６と交差するように位置する屈曲部から、フィン４は冷媒下流に向けて拡がっており、その拡がっている先でフィンは繋がっている。その結果、フィン４は、交互に逆方向に折れ曲がる波板状をなす。

図２Ａにおいて符号Ｂが示す範囲は、別の場所にてフィン４のノズル６の開口と交差する部位を示している。ここでも、フィン４は屈曲しており、ベースプレート３と直交する方向からみたときに、一つの屈曲部４ｂがノズル６の開口と重なり、その屈曲部から両側に、冷媒流下流に向けて拡がっている。ベースプレート３と直交する方向からみたとき、フィン４とノズル６が交差する箇所は、いずれもフィンの屈曲部に相当し、フィンは夫々の屈曲部から両側に、冷媒流の下流に向けて拡がっている。

図１及び図２Ａ、図２Ｂを参照して、冷媒の流れを説明する。図１、図２Ａ、図２Ｂの矢印付きの太線が、冷媒の流れを示している。記号「Ｆｉｎ」は、冷却器２へ流入する冷媒を表しており（図１では第１流路１２における流れを表している）、記号「Ｆｏｕｔ」は、冷却器２から排出される冷媒を表している。供給口８から供給された冷媒は、第１流路１２を下流へと流れる。冷媒は、第１流路１２を流れる間にノズル６の長尺な開口を通じ、ベースプレート３へ向かって流れの方向を変える。冷媒は、ノズル６からベースプレート３の裏面３ｂに向かって勢いよく噴出する。ベースプレート３の裏面３ｂに衝突した冷媒は跳ね返り、平行なフィン４の間を通り、第２流路１４へと移動する。

図２Ａにおいて、冷媒流を示す太線が一部で破線となっているのは、仕切板５の向こう側（図の紙面奥側）を冷媒が流れていることを表している。図２Ｂにおいて冷媒流を示す太線が一部で破線となっているのは、ノズル６の向こう側（図の紙面奥側）を冷媒が流れていることを表している。

図２Ａによく表されているように、ノズル６から噴出した冷媒は、フィン４の屈曲部４ｂを通り、ベースプレート３の裏面に衝突する。屈曲部４ｂの両側では、フィン４は冷媒流の下流に向かって拡がっているので、冷媒はこのフィン４の拡がりに沿って流れる。図２Ｃに良く示されているように、フィン４の上端４ａと仕切板５の間には広い空間（第２流路１４）が確保されており、フィン４に沿って流れる冷媒は、複数のフィン４の間の空間からこの第２流路１４へ移動する。

第２流路１４では、冷媒は、排出口９へ向かって流れる。最後に冷媒は、排出口９から排出される。なお、供給口８と排出口９には、不図示の冷媒パイプが接続されており、その冷媒パイプの先には不図示のタンクとポンプが接続されている。冷媒は、そのタンクとポンプと冷媒パイプにより、冷却器２に送られ、また、冷却器２から回収される。

上述したように、冷却器２は、冷却対象を取り付けたベースプレート３の裏面３ｂに冷媒を勢いよく噴きつけることにより冷却能力を高めている。また、ベースプレート３から跳ね返った冷媒は、複数の平行なフィン４の間を通るうちにもフィン４からも熱を奪い、ベースプレート３（即ち冷却対象）を冷却する。そのような構造の冷却器は、衝突噴流型の冷却器と呼ばれる。

特に、ノズル６から噴出してベースプレート３の裏面３ｂで跳ね返った冷媒は、冷媒流下流に向けて拡がっているフィン４に沿って流れる。ここで、フィン４が冷媒流下流に向けて傾斜しているので、フィンが冷媒流に対して直交している場合と比較すると、冷媒流に対する抵抗は小さくなる。即ち、実施例の冷却器２は、フィンが冷媒流に対して直交している冷却器と比較して、冷媒流の圧力損失が小さい。

一方、フィンが冷媒流に対して平行に設けられている場合と比較すると、実施例の冷却器２では、冷媒はフィン４とも衝突する頻度が高い（別言すれば、冷媒はフィン４に圧力を加える）。従って、実施例の冷却器２は、フィンが冷媒流に対して平行に伸びている冷却器と比較すると冷却効率が良い。

図３に、フィン４の傾斜角度Ｔｈと冷媒流に対する曲がり抵抗係数Ｃ_Ｄの関係の一例を示す。なお、フィン４の傾斜角度Ｔｈは、図２Ａに示すように、冷媒の流れ方向Ｌと、フィン４の伸びる方向Ｒの間の角度として定義される。別言すれば、傾斜角度Ｔｈは、屈曲部４ｂから伸びるフィン４の冷媒流に対する角度である。図３に示すように、抵抗係数Ｃ_Ｄは、傾斜角度Ｔｈが０（度）から９０（度）の間で０．０から１．０まで単純増加する。フィン４の傾斜角度Ｔｈを０（度）と９０（度）の範囲で適宜に定めることによって、適切な抵抗係数Ｃ_Ｄを実現することができる。

図４、図５を参照して変形例の冷却器１０２を説明する。変形例の冷却器１０２は、フィン１０４にスリット１０５が設けられている点で先の冷却器２と異なる。冷却器１０２のスリット１０５を含む特徴的な構造は次の通りである。冷却器１０２は、冷媒流の方向と直交する方向に複数のノズル６を備える。フィン１０４は、ベースプレート３に直交する方向からみたときに、屈曲しており、その屈曲部は、各ノズル６と重なって位置している。また、フィン１０４は、屈曲部から両側に、冷媒流の下流に向けて拡がるように伸びている。さらに、フィン１０４は、ベースプレート３に直交する方向からみたときに、隣接するノズル６の中間点に相当する位置にスリット１０５を有する。

冷却器１０２における冷媒の流れを説明する。ノズル６から噴出してベースプレート３の裏面で跳ね返った冷媒は、冷媒流下流に向けて拡がっているフィン１０４に沿って流れる。下流に向けて拡がって伸びているフィン１０４のその先にスリット１０５が設けられているので、冷媒の一部は、そのスリット１０５を通じて下流へと流れていく。冷媒の残部は、前述の冷却器２と同様に、フィンの上端と仕切板５の間の第２流路１４を通じて下流へと流れていく。冷媒の一部がスリット１０５を通じてスムーズに下流に流れていくので、冷却器１０２は、先の冷却器２と比較して冷媒流の圧力損失がさらに小さくなる。

なお、スリット１０５は、ノズル６の直下に位置していてもよい。この場合も同様な圧力損失の低減が得られるとともに、ノズル６から噴出した冷媒は高い流速を維持してベースプレート３の裏面に衝突し、その後、フィン４の側面端での先端効果（温度境界層が薄いことによる伝熱促進）が加わるため、高い熱交換効率も得られる。

（参考）図６と図７を参照して参考の冷却器２０２を説明する。冷却器２０２では、複数のフィン２０４は、ベースプレート３と直交する方向からみたとき、冷媒流の方向と直交する方向に伸びている。また、平行な複数のフィン２０４は、、その上端２０４ａが供給口８に近く、根元２０４ｂが排出口９に近くなるように傾斜している。別言すれば、複数のフィン２０４は、ベースプレート３の裏面から、冷媒流の上流に向けて傾斜するように伸びている。

図７の太線が、冷却器２０２における冷媒の流れを表している。供給口８から入った冷媒Ｆｉｎは、第１流路１４を流れるうちに、ノズル６を通じてベースプレート３の裏面へと向かう。ここで、フィン２０４が傾斜しているので、冷媒流は斜めにベースプレート３の裏面に衝突する。その後、冷媒は、複数のフィン２０４の間を、供給口８に向けて、一時的に戻るように流れ、その後、排出口９に向かって流れる。なお、図７の太線の破線部分は、冷媒がノズル６の向こう側（紙面奥側）を流れることを表している。

なお、図７にフィン２０４の傾斜角度Ｔｈの定義を示した。この傾斜角度Ｔｈについても、図３に示したグラフの抵抗係数Ｃ_Ｄが成立する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、１０２、２０２：冷却器
３：ベースプレート
４、１０４、２０４：フィン
４ａ：上端
４ｂ、４Ｃ：屈曲部
５：仕切板
６：ノズル
６ａ：ノズル先端
７：筐体
７ａ：天板
８：冷媒供給口（供給口）
９：冷媒排出口（排出口）
１２：第１流路
１４：第２流路
９１：絶縁板
９２ａ：冷却対象
１０５：スリット

Claims (1)

1. 衝突噴流型の冷却器であって、
   内部を冷媒が通る筐体と、
   前記筐体の一つの側板であって、おもて面に冷却対象物が取り付けられるベースプレートと、
   ベースプレートの裏面に立設されている複数の平行なフィンと、
   ベースプレートに平行に設けられており、前記筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路とベースプレートに近い第２流路に区画する仕切板と、
   前記筐体の一端に設けられており、前記第１流路に冷媒を供給する供給口と、
   前記仕切板から前記ベースプレートに向けて伸びており、冷媒を前記ベースプレートの裏面に向けて噴出するノズルと、
   前記供給口とは反対側の筐体端部に設けられており、前記第２流路から冷媒を排出する排出口と、
   を備えており、
   ベースプレートと直交する方向から見たときに、前記フィンは、屈曲しており、屈曲部が前記ノズルと重なって位置しているとともに、当該屈曲部から両側に、冷媒流の下流に向けて拡がるように伸びていることを特徴とする冷却器。

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