JP4231081B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷却装置に係り、特に、多孔質ブロックを有する冷却装置に関する。

半導体素子の発熱量が年々増大するに伴い、半導体素子を冷却することがますます困難となりつつある。従来の冷却装置として空冷装置が採用されていたが、空冷装置では、冷却能力が不十分であることから、不凍液等を冷媒として用いた液冷装置が開発されている。この不凍液等を冷媒として用いる液冷装置では、固体壁面から冷媒への熱伝達を高めて半導体装置を冷却する手法が適用されている。この手法の１つとして、１９８０年代始めにＤ．Ｂ．Ｔｕｃｋｅｒｍａｎが非特許文献１に発表したマイクロ・チャネルを利用する冷却装置がある。この冷却装置は、発熱体としての半導体素子が半導体素子からの熱が伝達される受熱ブロック上に配置され、受熱ブロック中に冷媒が流通される流路が定められ、Ｓｉのエッチング等により作成し櫛形にフィンが流路中に並列されている構造を備えている。この構造では、数十〜数百マイクロ・メートルの幅の微細なチャネルがフィン間に定められ、この微細チャネルに冷媒が流されている。このような構造では、流路としてのチャネルが狭くなればなる程、温度境界層が薄くなり、高い熱伝達性能が得られることが知られている。

一方、温度境界層が薄くなることと、速度境界層が薄くなることが関連していることを考えると、流路の微細化による熱伝達性能の向上は、冷媒を流すときの圧力損失を増加させるという問題があることは容易に想像できる。

また、温度境界層が流路の入口から下流側に進むにつれて厚くなることはよく知られ、流路を長くすると伝熱面積は、増加するが、伝熱性能は比例しない問題もある。

冷却装置を設計する上の問題として、熱伝達性能と圧力損失とのトレードオフを考慮して流路の幅或いは長さを決定しているが、要求される熱伝達性能が非常に高い場合、上述した構造において、寸法の調整だけでは現実的な設計解が得られないことも起こり得る。即ち、冷媒と固体壁面との接触面積を増加させようとして流路を長くすれば圧力損失は増加するが、増加の割合に対して熱伝達性能が上昇せず、また、圧力損失を低減しようとして流路を短くすれば、それは直接的に伝熱面積の減少に結びつく虞もある。

この問題を解決するためのひとつの方法として蛇行させたフィンが流路中に配置される構造が提案されている。この構造は、特許文献１に開示された熱交換器に採用され、また、冷却装置ではないが、フィルターにおいても蛇行フィンに類似した構造が採用されている。多数の貫通孔が設けられた板が蛇行されているフィンにより、貫通孔部分では上記の微細な流路による熱伝達性能の向上が期待でき、板の蛇行により冷却装置内での貫通孔があけられた板の面積、即ち、貫通孔の数を増加させ、高い熱伝達性能及び低い圧力損失を両立させようとしている。しかし、蛇行フィンを採用する構造では、高い熱伝達性能を得るために貫通孔の直径を小さくし、また、冷媒流量を増加させると、薄い板の表裏の圧力差が大きくなり、フィンに十分な強度を与えることができない問題がある。

また、フィン用の薄い板をどのようにして流路壁面に取り付けるかという問題もある。例えば、蛇行フィンが設けられる流路は、６つの壁面により略直方体の空洞に定められている。この冷却構造では、この空洞部を規定する壁の厚さを薄くして折り返しの数を増やすことによって冷却性能を向上させることを企図し、設計上はさらに壁を薄くしたいが、現実には、壁を薄くすると壁の端面を容器に取り付けることが難しくなる問題があることが想定される。
特開２００５−１２３４９６ D.B.Tuckerman, R.F.Pease, High Performance Heat Sinking for VLSI, 1981, IEEE EDL-2(5), pp.126-129.

上述したように、非特許文献１に開示されたマイクロ・チャネルを利用する冷却装置では、流路の微細化による熱伝達性能の向上は、冷媒を流すときの圧力損失を増加させるという問題があり、流路を長くすると伝熱面積は、増加するが、伝熱性能は比例しない問題もある。

特許文献１に開示される蛇行フィンを有する熱交換器においては、高い熱伝達性能を得るために貫通孔の直径を小さくし、また、冷媒流量を増加させると、フィンに十分な強度を与えることができない問題があり、フィン用の薄い板をどのようにして流路壁面に取り付けるかという問題もある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、発熱量の大きい発熱体を効果的に冷却することができる冷却装置を提供することにある。

この発明によれば、
発熱体と、
この発熱体に熱的に接続され、冷媒が流れる第１の流路を定める容器と、
前記第１の流路を塞ぐよう前記容器内に設けられた多数の細孔を有する多孔質ブロックと、
前記多孔質ブロックに前記第１流路に沿って穿孔されて形成され、前記第１の流路の上流側に開口部を有する第２の流路と、
前記多孔質ブロックに前記第１流路に沿って穿孔されて形成され、前記第１の流路の下流側に開口部を有し、前記細孔を介して前記第２流路に連通される第３の流路と、
を具備することを特徴とする冷却装置が提供される。

本発明の冷却装置によれば、発熱量の大きい発熱体を効果的に冷却することができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る冷却装置を説明する。

図１及び図２には、本発明の実施の形態に係る冷却装置が示されている。図１は、冷媒流通路に沿った冷却装置の断面図を示し、図２は、図１に示された冷却装置のII―II線に沿った断面を示している。

図１及び図２に示される冷却装置においては、略直方体状の外形を有する受熱ブロック２の壁面上には、発熱体１が取り付けられ、この受熱ブロック２内には、流路３が設けられ、この流路３には、冷媒４として水或いは不凍液が流されている。発熱体１が取り付けられた受熱ブロック２の壁面に近接するように受熱ブロック２の内面には、フィン・ブロック５が取り付けられている。発熱体１で発生した熱は、フィン・ブロック５を介して冷媒に伝達され、冷媒の流通と共に受熱ブロック２外に排出される。

フィン・ブロック５は、多数の細孔６が穿れた異方性多孔質材料で作られている。各細孔６は、直径数μｍ〜数十μｍを有するようにフィン・ブロック５中を貫通し、これらの細孔６は、図１及び図２のＹ方向に沿ってフィン・ブロック５中を延出されるようにフィン・ブロック５に形成されている。フィン・ブロック５は、冷媒流路３の上流側に面する上流側面５ａ及び冷媒流路３の上流側に面する下流側面５ｂを有し、上流側面５ａ及び下流側面５ｂが互いに対向されている。

上流側面５ａ及び下流側面５ｂには、複数個の冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８がＹＺ面内に碁盤目状に設けられるように開口されている。図１及び図２に示す配置では、冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８がＹ方向に沿って交互に配列され、冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８がＺ方向に沿って一列に配列されている。冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、細孔６よりも十分に大きな径、例えば、１００μｍ〜１０００μｍを有し、この細孔６に交差するように、例えば、細孔６に略直交し、互いに交差して直接に連通されないように配置され、次第にその内径を減少するようにフィン・ブロック５内を延出されている。図３（ａ）及び（ｂ）においては、細孔６の延出方向が矢印Ａで示され、冷媒４の流れる方向が矢印Ｂで示されている。冷媒導入孔７は、上流側面５ａから矢印Ｂに沿って延出され、フィン・ブロック５を貫通せず、下流側面５ｂには、開口しないように形成されている。この冷媒導入孔７は、これに交差する多数の細孔６に連通され、この多数の細孔６に連通される冷媒排出孔８に連通されている。同様に、冷媒排出孔８は、下流側面５ｂから矢印Ｂとは反対方向に向けて延出され、フィン・ブロック５を貫通せず、上流側面５ａには、開口しないように形成されている。冷媒排出孔８は、これに交差する多数の細孔６に連通され、この多数の細孔６に連通される冷媒導入孔７に連通される。冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８は、互いに交差せず、互いに直接連通しないように形成される。従って、フィン・ブロック５の上流側面５ａ側に流入した冷媒は、冷媒導入孔７、細孔６及び冷媒排出孔８を介してフィン・ブロック５の下流側面５ｂから流出される。

フィン・ブロック５としての異方性多孔質材料は、例えば、特願Ｐ２００５−３２２６２９及び特願Ｐ２００６−１２１７３０に示される方法により作成される。即ち、炭素繊維が並列して配置された型に熔融した金属が流し込まれ、金属が凝固された後に、炭素繊維が酸化されて取り除かれて細孔６が形成され、多孔質が形成される。金属が凝固し、炭素繊維が残存したままの段階で機械加工によりフィン・ブロック５に冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８が穿孔され、その後に炭素繊維が取り除かれる。この製造方法によれば、機械加工時に細孔がつぶれることがなく、冷媒の流通に支障をきたさない冷却装置を製作することができる。

冷媒は、冷媒導入孔７から流入し、細孔６を通って、冷媒排出孔８から流出される。前述のとおり、直径の小さい、細孔６の内壁では高い熱伝達性能が得られ、しかも細孔６の入口と出口の間に発生する圧力損失は、冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８の曲面の内壁で受けるため、冷媒流量を増加させ、細孔の直径を小さくすることにより圧力損失が上昇する場合でも十分な強度を保つことができる。

更に、フィン・ブロック５の底面全体を受熱ブロック内の流路壁への取り付けに利用できるため、製作も容易である。

図４は、この発明の他の実施の形態に係るフィン・ブロック５を示す断面図である。図４に示されるように冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８が千鳥状に配列され、冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８は、２列毎に交互に上流側面５ａ及び下流側面５ｂに開口されている。即ち、図４に示される面が上流側面５ａであれば、図面左側の１列目では、１列配列の３つ冷媒導入孔７が開口されていれば、３列目では、１列配列の３つ冷媒排出孔８が開口され、５列目では、１列配列の３つ冷媒導入孔７が開口され、７列目では、１列配列の３つ冷媒排出孔８が開口される。また、図面左側の２列目で冷媒導入孔７及び冷媒排出孔８が開口されていれば、４列目で冷媒排出孔８及び冷媒導入孔７が開口され、６列目で冷媒排出孔８及び冷媒導入孔７が開口される。フィン・ブロック５内部では、細孔６が水平方向（Ｙ方向）に軸が向くように配置されている。図１及び図２に示すように碁盤目状に冷媒導入孔７及び排出孔８が並ぶ場合には、即ち、Ｙ方向に一列に冷媒導入孔７及び排出孔８が配置される場合には、冷媒が流通しない細孔６が存在するが、図４に示されるように冷媒導入孔７及び排出孔８が千鳥状に配列される場合には、図４に矢印４で示されるように冷媒が流れ、細孔の利用率の向上が図れ、冷却性能を高めることができる。

図５は、本発明の他の実施の形態に係るフィン・ブロック５を示す断面図である。図１及び図２に示されるフィン・ブロック５には、その内部のＹ方向に直線状に細孔が延出されている異方性多孔質体で作られているが、図５に示されるフィン・ブロック５では、ＹＺ面内の複数方向に細孔が設けられた多孔質体で作られ、フィン・ブロック５内では、各軸方向に冷媒が流通される。フィン・ブロック５内部での細孔の方向が一方向でないため、冷媒導入孔と排出孔の位置をＹＺ面内のどこに配置しても、冷媒導入孔７と冷媒排出孔８のあいだで冷媒が流通される。尚、冷媒導入孔７と冷媒排出孔８との配列を明瞭とする為に図５に示される配置では、冷媒排出孔８に符号×を付して両者を区別している。

図５は、本発明の他の実施の形態に係る冷却装置を示している。発熱体１の近くに設けられる冷媒導入孔７及び排出孔８は、径が小さく、発熱体１から離れた遠い冷媒導入孔７及び排出孔８は、径が大きく設定されている。このような構造の冷却装置によれば、フィン・ブロック５内で発熱体１に近く、フィン・ブロック５の温度の高い部分では、細孔６内面の表面積が大きく、放熱性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態に係る冷却装置を概略的に示す断面図である。 図１に示した冷却装置におけるＩＩ-ＩＩ線に沿った断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示した冷却装置に組み込まれるフィン・ブロックを冷媒の流通路の下流側から見た斜視図を示し、また、フィン・ブロックを冷媒の流通路の上流側から見た斜視図を示している。 この発明の他の実施の形態に係る冷却装置に組み込まれるフィン・ブロックを概略的に示す断面図である。 この発明の更に他の実施の形態に係る冷却装置に組み込まれるフィン・ブロックを概略的に示す断面図である。 この発明の更にまた他の実施の形態に係る冷却装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１…発熱体、２…受熱ブロック、３…流路、４…冷媒の流れ、５…フィン・ブロック５ａ…フィン・ブロック５上流側面、５ｂ…フィン・ブロック５の下流側面、６…細孔、７…冷媒導入孔、８…冷媒排出孔

Claims (3)

1. 発熱体と、
   この発熱体に熱的に接続され、冷媒が流れる第１の流路を定める容器と、
   前記第１の流路を塞ぐよう前記容器内に設けられた多数の細孔を有する多孔質ブロックと、
   前記多孔質ブロックに前記第１流路に沿って穿孔されて形成され、前記第１の流路の上流側に開口部を有する第２の流路と、
   前記多孔質ブロックに前記第１流路に沿って穿孔されて形成され、前記第１の流路の下流側に開口部を有し、前記細孔を介して前記第２流路に連通される第３の流路と、
   を具備することを特徴とする冷却装置。
2. 前記多孔質ブロックは、異方性多孔質材料で作られ、前記細孔が前記第１の流路に交差する方向に延出されるように当該異方性多孔質材料に形成され、
   前記第２の流路及び前記第３の流路が第１の流路の断面内に碁盤目状に配列されることを特徴とする請求項１の冷却装置。
3. 前記多孔質ブロックは、異方性多孔質材料で作られ、前記細孔が前記第１の流路に交差する方向に延出されるように当該異方性多孔質材料に形成され、
   前記第２の流路及び前記第３の流路が第１の流路の断面内で千鳥配列に配列されることを特徴とする請求項１の冷却装置。

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