JP2021097191A

JP2021097191A - 放熱器

Info

Publication number: JP2021097191A
Application number: JP2019229368A
Authority: JP
Inventors: 敏広北崎; Toshihiro Kitazaki; 直也赤石; Naoya Akaishi
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electro Wave Products Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electro Wave Products Co Ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: JP6926183B2; EP3840038A1; US20210190431A1; US11293697B2; EP3840038B1

Abstract

【課題】冷却フィンの枚数を増やすことなく、限られた空間内における冷却性能を高めることができる放熱器を提供する。【解決手段】実施形態の冷却コールドプレート２は、半導体素子３に接触する表面２ａを有するとともに内部に冷媒を流通させる流路４を有する。冷却コールドプレート２の流路４内には、冷媒の流通方向Ｓと交差する方向に延設され、複数個所でジグザグに屈曲した波板形状の複数の冷却フィン６ａ、６ｂが設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、アクティブフェーズドアレイアンテナの半導体素子を冷やす水冷コールドプレートを用いた放熱器に関する。

アクティブフェーズドアレイアンテナは、発生する電波の周波数に依存したピッチで複数の半導体素子を備えている。高出力なアクティブフェーズドアレイアンテナの半導体素子は、発熱量が多く、温度変化による電気性能の変化を抑制するため、冷却を必要としている。このため、アクティブフェーズドアレイアンテナの半導体素子は、水冷コールドプレートなどの放熱器に接触せしめて所定のピッチで配置される。

特開平3-289705号公報特開2011-244266号公報

アクティブフェーズドアレイアンテナの半導体素子は、将来的に、その発熱量が現在の１０倍程度まで増大することが予想されている。現状では、水冷コールドプレートの冷却フィンの薄肉化やフィンピッチの極小化により、限られた空間内における冷却性能を高める工夫をしているが、冷却フィンの加工精度の限界に近付いてきている。このため、冷却フィンの枚数をさらに増やすべく冷却フィンを配置する領域を広げる方法が考えられるが、周波数に関係する半導体素子のピッチを変えることができないため、この方法は実施することができない。

よって、冷却フィンの枚数を増やすことなく、限られた空間内における冷却性能を高めることができる放熱器の開発が望まれている。

本発明の第１の態様に係る放熱器は、発熱体に接触する表面を有するとともに内部に冷媒を流通させる流路を有する放熱体と、流路内で冷媒の流通方向と交差する方向に延設され、複数個所でジグザグに屈曲した波板形状の複数の冷却フィンと、を有する。

本発明の第２の態様に係る放熱器によると、複数の冷却フィンは、流通方向を横切る方向に所定ピッチで並んだ複数の第１の冷却フィンと、流通方向に沿って複数の第１の冷却フィンに並んで波板形状の位相を異ならせて配置され、横切る方向に所定ピッチで並んだ複数の第２の冷却フィンと、を有する。

本発明の第３の態様に係る放熱器によると、放熱体と複数の冷却フィンを金属材料の積層造形により継ぎ目なく一体に形成した。

冷却フィンの枚数を増やすことなく、限られた空間内における冷却性能を高めることができる。
本発明の第１の態様に係る放熱器によると、発熱体に接触する放熱体の流路内に配置した複数の冷却フィンを、複数個所でジグザグに屈曲させた波板形状に形成した。このため、平板状の冷却フィンと比較して、冷却フィンの表面積を大きくすることができ、冷却フィンを薄肉化したり冷却フィンの枚数を増やしたりすることなく、当該放熱器の限られた空間における冷却性能を高めることができる。

本発明の第２の態様に係る放熱器は、冷媒の流通方向を横切る方向に並んだ複数の第１の冷却フィンと、流通方向に沿って複数の第１の冷却フィンに並んで波板形状の位相を異ならせて配置した複数の第２の冷却フィンと、を有する。このため、複数の第１の冷却フィンおよび複数の第２の冷却フィンそれぞれの冷媒の流入側の端縁を冷媒に効率よく接触させることができ、各冷却フィンから効率よく熱を奪うことができ、当該放熱器による発熱体の冷却性能をより高めることができる。

本発明の第３の態様に係る放熱器によると、放熱体と複数の冷却フィンを金属材料の積層造形により一体に形成したため、継ぎ目のないシームレス構造の放熱器を製造することができる。これにより、水などの冷媒を流路に流通させる際に、水漏れを生じる不具合を無くすことができる。このため、漏れた水を介した漏電や、放熱器を組み込んだ電子機器の故障などの不具合を防止することができる。また、水漏れを無くすことができるので、放熱器における冷媒のリークテストを省略することができる。この結果、リークテストにかかる検査費用を削減することができ、その分、放熱器の製造コストを安くすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る放熱ユニットを示す概略図である。図２は、図１の放熱ユニットの水冷コールドプレートから半導体素子を分離した状態を示す斜視図である。図３は、図２の水冷コールドプレートの要部の構造を示す部分拡大斜視図である。図４は、図３の構造を矢印Ｓ方向（冷媒の流通方向）から見た正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、放熱ユニット１（放熱器）は、複数（本実施形態では２０枚）の略矩形板状の水冷コールドプレート２を有する。複数の水冷コールドプレート２は、略同じ構造の板状体であり、図示のように縁を揃えて、互いに平行な姿勢でその厚み方向に離間して近接配置される。複数の水冷コールドプレート２は、この姿勢で、図示しない電子機器の図示しないスロット内にそれぞれ収容配置される。電子機器の一例として、アクティブフェーズドアレイアンテナなどがある。以下の説明では、本実施形態の放熱ユニット１を高出力アクティブフェーズドアレイアンテナ（以下、単に、高出力アンテナと称する）に組み込んで使用するものとする。

各水冷コールドプレート２の一方の面（以下、表面２ａと称する）には、発熱体である複数（本実施形態では７つ）の半導体素子３が一列に所定ピッチで並んで取り付けられている。高出力アンテナの半導体素子３のピッチは、高出力アンテナが発生する電波の周波数に依存して決まる。つまり、同一周波数の高出力アンテナであれば、半導体素子３のピッチは略同じになる。また、高出力アンテナの半導体素子３は、将来的に、現在の発熱量の１０倍程度になることが予想されている。

このように、電波の周波数に応じてピッチが決まる半導体素子３の発熱量が将来的に増大した場合、半導体素子を十分に冷却するため、半導体素子３のピッチを広げて水冷コールドプレート２を大きくすることができない。このため、将来的には、水冷コールドプレート２の限られた領域内での冷却性能の向上が必要となる。本実施形態では、このような課題を解決している。

図２に示すように、水冷コールドプレート２は、半導体素子３を冷やすための冷媒を流通させるための流路４を内部に有する。冷媒は、例えば水である。流路４の一端には冷媒の流入口４ａがあり、他端には冷媒の排出口４ｂがある。流路４の流入口４ａおよび排出口４ｂ以外の内面は閉じている。流入口４ａおよび排出口４ｂは、水冷コールドプレート２の長手方向に沿った一端面２ｂに開口している。流入口４ａは、端面２ｂの図示上端近くに設けられており、排出口４ｂは、端面２ｂの図示下端近くに設けられている。水冷コールドプレート２は、流入口４ａが排出口４ｂより重力方向の上方に位置する図示の向きで配置される。このため、流入口４ａを介して流路４内に流入した冷媒は、重力方向に流れて排出口４ｂから排出される。流入口４ａには、冷媒を所定の流量で流路４へ送り込むための図示しないポンプが接続されている。

図１および図２において、流路４は、破線で示してある。流路４の途中には、複数（本実施形態では７つ）の冷却チャンバ５が設けられている。各冷却チャンバ５は、流路４の幅を超える幅を有する。各冷却チャンバ５は、コールドプレート２の表面２ａに取り付けた半導体素子３に対向する位置に設けられている。つまり、複数の冷却チャンバ５は、コールドプレート２の長手方向に沿って所定のピッチで一直線に並んで設けられている。各冷却チャンバ５内には、後述する複数の冷却フィン６が一体に設けられている。

水冷コールドプレート２は、金属材料の積層造形により一体に形成される。つまり、流路４、複数の冷却チャンバ５、および複数の冷却フィン６も、積層造形により一体に形成される。よって、本実施形態の水冷コールドプレート２は、継ぎ目の無いシームレス構造を有し、流路４を流れる冷媒が漏れる心配が無い。

流路４は、流入口４ａに連通した流入側流路４１と排出口４ｂに連通した排出側流路４２を有する。流入側流路４１は、流入口４ａから冷却コールドプレート２の上端近くを通って延設された部分４１ａと流入口４ａが開口した端面２ｂと反対の端面２ｃに沿って延設された部分４１ｂをＬ字状につなげた構造を有する。排出側流路４２は、排出口４ｂから冷却コールドプレート２の下端近くを通って延設された部分４２ａと冷却コールドプレート２の中心近くを通って長手方向に延設された部分４２ｂをＬ字状につなげた構造を有する。

流入側流路４１の端面２ｃに沿った部分４１ｂと排出側流路４２の中心近くを通った部分４２ｂは、複数の冷却チャンバ５を間に挟んで平行に配置されている。言い換えると、複数の冷却チャンバ５は、一端を流入側流路４１の部分４１ｂに連通し、他端を排出側流路４２の部分４２ｂに連通している。よって、流入口４ａを介して冷却コールドプレート２の流路４に流入した冷媒は、流入側流路４１の２つの部分４１ａ、４１ｂを介して複数の冷却チャンバ５内へ流入する。そして、各冷却チャンバ５の複数の冷却フィン６の間を流通した冷媒は、排出側流路４２の２つの部分４２ａ、４２ｂを介して排出口４ｂから冷却コールドプレート２の外へ排出される。

冷却コールドプレート２の表面２ａに設けた複数の半導体素子３からの熱は、表面２ａを介して冷却コールドプレート２に伝えられる。冷却コールドプレート２に伝えられた熱は、流路４に接続した冷却チャンバ５内に設けた複数の冷却フィン６を介して冷媒へ電熱され、冷媒の流通を伴って冷却コールドプレート２の外部へ排熱される。冷却コールドプレート２の冷却効率は、冷却フィン６の表面積を大きくすることによって向上させることができる。

図３は、流路４の途中に設けた１つの冷却チャンバ５の内部構造を部分的に示す斜視図である。図４は、図３の構造物を冷媒の流通方向（図３の矢印Ｓ方向）から見た正面図である。
冷却チャンバ５内には、波板形状の複数の冷却フィン６が設けられている。冷却フィン６は、細長い矩形の板状体をその長手方向に沿った複数個所でジグザグに屈曲させたような形状を有する。ここでは、このような形状を波板形状と称する。このように、冷却フィン６を波板形状にすることにより、同じ長さの平らな板と比較して、冷却フィン６の表面積を大きくすることができる。複数の冷却フィン６は、略同じ形状を有し、それぞれ、冷却チャンバ５内で冷媒の流通方向と交差する方向に延設されている。本実施形態では、全ての冷却フィン６が、冷却コールドプレート２（図３では一部のみを図示）の厚み方向に延設されている。

複数の冷却フィン６は、冷却コールドプレート２の厚み方向と直交し且つ冷媒の流通方向Ｓを横切る方向（図示左右方向）に所定のピッチで並んだ複数の第１の冷却フィン６ａを有する。複数の第１の冷却フィン６ａは、冷媒の流通方向Ｓの上流側端面が流通方向Ｓと直交する架空の面に面一に配置されるように設けられている。また、複数の冷却フィン６は、冷媒の流通方向Ｓに沿って複数の第１の冷却フィン６ａの下流側に隣接した複数の第２の冷却フィン６ｂを有する。複数の第２の冷却フィン６ｂも、冷媒の流通方向Ｓに所定のピッチで並んで配置されている。また、複数の第２の冷却フィン６ｂも、冷媒の流通方向Ｓの上流側端面が流通方向Ｓと直交する架空の面に面一に配置されるように設けられている。複数の第２の冷却フィン６ｂは、第１の冷却フィン６ａと波形形状の位相を異ならせて流通方向Ｓに重ねて配置されている。言い換えると、複数の第２の冷却フィン６ｂは、複数の第１の冷却フィン６ａに対してそれぞれ流通方向Ｓに対向して配置され、左右を反転した形状を有する。

複数の第１の冷却フィン６ａと複数の第２の冷却フィン６ｂは、上述した位置関係で、冷媒の流通方向Ｓに沿って交互に複数段設けられている。複数の第１の冷却フィン６ａと複数の第２の冷却フィン６ｂの間には、流通方向Ｓに沿った隙間がなく、各段の冷却フィン６ａ、６ｂは互いに接触して配置されている。しかし、複数の第１の冷却フィン６ａと複数の第２の冷却フィン６が左右を反転した形状を有しているため、流通方向Ｓに隣接する各段の複数の第１の冷却フィン６ａと複数の第２の冷却フィン６ｂが重なる面積は比較的小さい。言い換えると、流通方向Ｓに流通する冷媒が、各段の複数の第１の冷却フィン６ａの上流側端面に接触する面積、および各段の複数の第２の冷却フィン６ｂの上流側端面が接触する面積は、比較的大きな面積となっている。

以上のように、本実施形態の冷却コールドプレート２によると、流路４内に配置した複数の冷却フィン６（６ａ、６ｂ）を、複数個所でジグザグに屈曲させた波板形状に形成したため、冷却フィン６の表面積を平板状の冷却フィンと比較して大きくすることができた。このため、冷却フィン６を薄肉化したり冷却フィン６の枚数を増やしたりすることなく、冷却コールドプレート２の限られた空間における冷却性能を高めることができる。つまり、本実施形態の冷却コールドプレート２は、高出力アクティブフェーズドアレイアンテナの半導体素子３を冷却するのに適している。

また、本実施形態によると、複数の第１の冷却フィン６ａと複数の第２の冷却フィン６ｂを流通方向に沿って交互に複数段配置し、その波板形状の位相を異ならせて重ねたため、複数の第１の冷却フィンおよび複数の第２の冷却フィンそれぞれの冷媒の流入側の端縁を冷媒に効率よく接触させることができる。冷却フィン６の局所熱伝達率は、冷媒が接触する上流側の端部近くの方が下流側より高くなるため、冷媒の流通方向Ｓに沿って冷却フィン６ａ、６ｂを複数段に分けて設けることにより、各冷却フィン６ａ、６ｂから効率よく熱を奪うことができる。よって、本実施形態によると、半導体素子３の冷却性能をより高めることができる。

また、本実施形態によると、冷却コールドプレート２を金属材料の積層造形により一体に形成したため、継ぎ目のないシームレス構造の冷却コールドプレート２を製造することができる。これにより、水などの冷媒を流路４に流通させる際に、水漏れを生じる不具合を無くすことができる。このため、漏れた水を介した漏電や、冷却コールドプレート２を組み込んだ電子機器の故障などの不具合を防止することができる。また、水漏れを無くすことができるので、冷却コールドプレート２における冷媒のリークテストを省略することができる。この結果、リークテストにかかる検査費用を削減することができ、その分、冷却コールドプレート２の製造コストを安くすることができる。

なお、本実施形態の冷却コールドプレート２は、上述したようにシームレス構造を有するため、熱抵抗も低くすることができる。例えば、従来のように、平板状の櫛形の複数枚の冷却フィンを切削可能により形成して、別の金属板をロウ付けなどにより貼り合わせて流路を形成したコールドプレートと比較して、本実施形態の冷却コールドプレート２は、熱抵抗を低くすることができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

例えば、上述した実施形態では、冷却コールドプレート２の流路４内に複数の冷却フィン６ａ、６ｂを整列配置した場合について説明したが、これに限らず、表面積を大きくするために波板形状にした冷却フィン６を冷媒の流路４内に配置すればよく、冷却フィン６の姿勢やレイアウトは任意に変更可能である。また、上述した実施形態では、冷却フィン６の形状を波板形状にした場合について説明したが、冷却フィン６の形状は、同じ配置スペース内で表面積を大きくすることができる形状であればいかなる形状であってもよい。

また、上述した実施形態では、同じ形状で同じ大きさの複数の冷却フィン６を並べて配置した場合について説明したが、これに限らず、異なる形状の複数種類の冷却フィンを混合して流路４内に配置してもよい。また、冷却フィン６の向きも揃える必要はなく、冷媒の流通方向Ｓに対して傾斜させて配置してもよい。

また、上述した実施形態では、冷媒として水を用いた場合について説明したが、これに限らず、例えば、金属を腐食することのない不活性な他の流体を冷媒として使用することもできる。

１…放熱ユニット、２…水冷コールドプレート、２ａ…表面、３…半導体素子、４…流路、５…冷却チャンバ、６…冷却フィン、６ａ…第１の冷却フィン、６ｂ…第２の冷却フィン、Ｓ…流通方向。

Claims

発熱体に接触する表面を有するとともに内部に冷媒を流通させる流路を有する放熱体と、
前記流路内で前記冷媒の流通方向と交差する方向に延設され、複数個所でジグザグに屈曲した波板形状の複数の冷却フィンと、
を有する放熱器。
前記複数の冷却フィンは、
前記流通方向を横切る方向に所定ピッチで並んだ複数の第１の冷却フィンと、
前記流通方向に沿って前記複数の第１の冷却フィンに並んで前記波板形状の位相を異ならせて配置され、前記横切る方向に所定ピッチで並んだ複数の第２の冷却フィンと、
を有する請求項１の放熱器。
前記放熱体と前記複数の冷却フィンを金属材料の積層造形により継ぎ目なく一体に形成した、
請求項１または請求項２の放熱器。