JP4305253B2 - 放熱器 - Google Patents

Description

この発明は、半導体デバイスなどの発熱体の冷却に用いる水冷式の放熱器に関する。

半導体デバイス冷却用の水冷式放熱器については、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているが、この種の放熱器の他の従来例について図７及び図８により説明する。ここで、図７は高出力のレーザーダイオード（以下、「ＬＤ」と記す。）アレイ用の放熱器を示す縦断面図、図８の（Ａ）は図７の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。ＬＤアレイは、発熱密度が数十〜数百Ｗ／ｃｍ²程度と大きく、その温度上昇によりレーザー出力、効率、発信波長、素子寿命等が大きな影響を受けるが、大きさが例えば長さが１０ｍｍ、幅が１〜１．５ｍｍ程度で放熱器との接触面積が小さい。そのため、空冷式では温度上昇を抑えきれないため、ＬＤアレイ放熱器は内部に水路を設けた水冷式になっている。

図７及び図８において、放熱器１は一端（図の左端）をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板２、中間放熱板３及び下部放熱板４が上下３層に積層されて構成されている。放熱器１の左右幅は例えば１１ｍｍ、前後長さは例えば２０ｍｍ程度である。下部放熱板２には他端（図の右端）に排水孔５が設けられ、かつこの排水孔５と受熱端部（図の左端）との中間に給水孔６が設けられるとともに、上面に給水孔６から受熱端部に達する下部水路７が溝状に形成されている。下部放熱板４の受熱端部には、下部水路７中に突出するように、多数の放熱フィン８が櫛歯状に形成されている。

中間放熱板３には排水孔５に通じるように排水孔９が設けられるとともに、受熱端部に下部水路７と重なるように多数の丸孔からなる連通孔１０が設けられている。更に、中間放熱板３の下面には、下部水路７と対向するように水路１１が溝状に形成され、流路断面積の拡大が図られている。上部放熱板２には連通孔１０と排水孔９とに跨るように上部水路１２が溝状に形成され、受熱端部には上部水路１２中に突出するように、多数の放熱フィン１３が下部放熱板４の放熱フィン８と重なるように櫛歯状に形成されている。なお、各放熱板２〜４の水路１２，１１，７内には整流と補強を兼ねて、各一対のリブ２ａ〜４ａが形成されている。上部放熱板２の受熱端部上面には、発熱体（ＬＤ）１４がはんだ付け等の手段により気密かつ熱伝導良好な状態に接合される。

図７において、冷却水は矢印で示すように、給水孔６から下部水路７、連通孔１０及び上部水路１２を通って排水孔９，５に向かって流れ、発熱体１４はこの冷却水により冷却される。各放熱板２〜４は熱伝導が良好な金属材料、例えば銅（Ｃｕ）で製作されており、発熱体１４で発生した熱は上部放熱板２で受熱され、板厚方向に熱伝導して放熱フィン１３に導かれる。この熱はまた、放熱フィン１３から中間放熱板３の連通孔１０，１０間の隔壁１５（図８（Ｂ））を介して下部放熱板４の放熱フィン８に熱伝導する。
ＷＯ００／１１９２２号公報 特開平８−１３９４７９号公報

このような放熱器１において、発熱体（ＬＤ）１４が高出力の場合は、その発熱は放熱フィン１３だけでは十分に熱交換されず、図７に点線矢印で示すように、熱伝導により中間放熱板３の受熱端部１６に到達する。このとき、受熱端部１６は中実で内部に水路がないため、熱は受熱端部１６の下面にまで達し、下部放熱板４の放熱フィン８に熱伝導して、ここで冷却水と熱交換する。

その場合、中間放熱板３の先端部分にある連通孔１０の周辺でも冷却水との熱交換が行われるが、真上の上部放熱板２からの伝熱量が多いため、連通孔１０を通過する冷却水はもっぱらその熱交換に費やされ、受熱端部１６の冷却は期待できない。すなわち、中間放熱板３の受熱端部における受熱端部１６に伝えられた熱は、放熱フィン８まで達しないと冷却水に伝達できないので熱抵抗が大きく、結果として発熱体１４の冷却効率が悪かった。

そこで、この発明の課題は、３層構造の放熱器において、中間放熱板での放熱を良好にして冷却効率を高めることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、一端をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板が上下３層に積層され、前記下部放熱板には他端に排水孔が設けられ、かつこの排水孔と前記受熱端部との中間に給水孔が設けられるとともに、上面に前記給水孔から前記受熱端部に達する下部水路が溝状に形成され、前記中間放熱板には前記下部放熱板の排水孔に通じるように排水孔が設けられるとともに、前記受熱端部に前記下部水路と重なるように連通孔が設けられ、前記上部放熱板には下面に前記中間放熱板の連通孔と排水孔とに跨るように上部水路が溝状に形成されるとともに、前記受熱端部の上面に発熱体が接合され、前記給水孔から前記下部水路、前記連通孔及び前記上部水路を通して前記排水孔に流される冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、前記中間放熱板の連通孔の水入口と水出口との間に、コ字状に反転する折返し水路を前記中間放熱板の板面と平行に形成し、この折返し水路を流れる前記冷却水により前記中間放熱板の受熱端部を冷却するようにするものである（請求項１）。

請求項１の発明において、前記中間放熱板を上下３層に積層する上板、中板及び下板から構成し、前記下板に前記水入口を設けるとともに、前記下板の上面に一端が前記水入口に通じる往水路を溝状に形成し、前記中板に前記下板の往水路の他端に通じる通水孔を設け、前記上板に前記水出口を設けるとともに、前記上板の下面に一端が前記水出口に通じ他端が前記中板の通水孔に通じる復水路を溝状に形成し、前記上板、中板及び下板を積層することにより、前記下板の往水路、前記中板の通水孔及び前記上板の復水路を連続させて前記折返し水路を形成するのがよく（請求項２）、これにより折返し水路を容易に形成することができる。

この発明によれば、中間放熱板の受熱端部を折返し水路を流れる冷却水との直接の熱交換で放熱させることができるので、放熱器の冷却効率が高くなる。

以下、図１〜図６に基づいて、ＬＤ冷却用放熱器におけるこの発明の実施の形態を説明する。従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。ここで、図１は放熱器の縦断面図、図２の（Ａ）は図１における下部放熱板の上面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図、図３は図１における中間放熱板を構成する下板の上面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図、図４の（Ａ）は図１における中間放熱板を構成する中板の上面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、図５の（Ａ）は図１における中間放熱板を構成する上板の上面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図、図６の（Ａ）は図１における上部放熱板の上面図、（Ｂ）は同じく縦断面図、（Ｃ）は同じく下面図である。

さて、図示実施の形態において、上部放熱板２及び下部放熱板４の構成は図７の従来技術と実質的に同じで、まず図２において、下部放熱板２には中間放熱板３の排水孔５と給水孔６とが設けられ、上面に給水孔６から受熱端部に達する下部水路７が溝状に形成されている。更に、下部放熱板４の受熱端部には、下部水路７中に突出するように、多数の放熱フィン８が櫛歯状に形成されている。次に、図６において、上部放熱板２には連通孔１０と排水孔９とに跨るように上部水路１２が溝状に形成され、受熱端部には上部水路１２中に突出するように、多数の放熱フィン１３が下部放熱板４の放熱フィン８と重なるように櫛歯状に形成されている。

一方、図１において、中間放熱板３には排水孔５に通じるように排水孔９がＶ字状（図３参照）に設けられるとともに、受熱端部に下部水路７と重なるように連通孔１０が設けられている。更に、中間放熱板３の下面には、下部水路７と対向するように水路１１が溝状に形成され、流路断面積の拡大が図られている。ここで、図７の従来技術と相違するのは、中間放熱板３の連通孔１０における水入口１０ａと水出口１０ｂとの間に、コ字状に反転する折返し水路１０ｃが中間放熱板３の板面と平行に形成されている点である。この折返し水路１０ｃは、次に述べるようにして形成されている。

すなわち、図１において、中間放熱板３は、上板１７、中板１８及び下板１９が上下３層に積層されて構成されている。そして、図３に示すように、下板１９には丸孔からなるからなる多数の水入口１０ａが設けられ、下板１９の上面に一端が水入口１０ａに通じる往水路２０が溝状に形成されている。次に、図４に示すように、中板１８には下板１９における往水路２０の他端（図３の右端）に通じる丸孔からなる多数の通水孔２１が設けられている。また、図５に示すように、上板１７には丸孔からなる多数の水出口１０ｂが設けられ、上板１７の下面に一端（図５の左端）が水出口１０ｂに通じ、他端（同右端）が中板１８の通水孔２１に通じる復水路２２が溝状に形成されている。排水孔９は上板１７、中板１８、下板１９に共通にあけられている。

中間放熱板３は上板１７、中板１８及び下板１９が積層されて構成され、折返し水路１０ｃは下板１９の往水路２０、中板１８の通水孔２１及び上板１７の復水路２２が連続することにより形成される。往水路２０や復水路２２は例えばエッチング加工により形成され、通水孔２１は例えばプレス加工により打ち抜かれる。図示の通り、中間放熱板３を３枚の板１７〜１９に分割し、各板に形成した溝や孔を連続させることにより、複雑な折返し水路も容易に形成することができる。

図１の放熱器１において、冷却水は矢印で示すように、給水孔６から下部水路７を経て連通孔１０の水入口１０ａに入り、反転して折返し水路１０ｃに導入される。ここで、冷却水は往水路２０を奥部に進んだ後、通水孔２１を通過して反転し、復水路２２を戻って水出口１０ｂに達する。この冷却水は反転して上部水路１２に入り、排水孔９，５に向かって流れる。このような放熱器１によれば、中間放熱板３の連通孔１０に折返し水路１０ｃを形成したことにより、中間放熱板３における受熱端部１６での冷却水との接触面積が増え、上部放熱板２から放熱フィン１３を通して受熱端部１６に伝えられた熱は効果的に冷却水に伝達される結果、放熱器１の冷却効率が大幅に向上する。なお、中間放熱板は３層以上の多層にして折返し水路をジグザグ状に形成し、冷却水の迂回経路を更に長くして冷却効果を一層高めることも可能である。

この発明の実施の形態を示す放熱器の縦断面図である。 図１における下部放熱板を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。 図１における中間放熱板を構成する下板を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。 図１における中間放熱板を構成する中板を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図である。 図１における中間放熱板を構成する上板を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。従来例を示す放熱器の縦断面図である。 図１における上部放熱板を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は下面図である。 従来例を示す放熱器の縦断面図である。 （Ａ）は図７の矢印Ａ方向から見た上部放熱板の下面図、（Ｂ）は同じく矢印Ｂ方向から見た中間放熱板の上面図、（Ｃ）は同じく矢印Ｃ方向から見た中間放熱板の下面図、（Ｄ）は同じく矢印Ｄ方向から見た下部放熱板の上面図である。

符号の説明

１ 放熱器
２ 上部放熱板
３ 中間放熱板
４ 下部放熱板
５ 排水孔
６ 給水孔
７ 下部水路
８ 放熱フィン
９ 排水孔
１０ 連通孔
１０ａ 水入口
１０ｂ 水出口
１０ｃ 折返し水路
１２ 上部水路
１３ 放熱フィン
１４ 発熱体
１７ 上板
１８ 中板
１９ 下板
２０ 往水路
２１ 通水孔
２２ 復水路

Claims (2)

1. 一端をそれぞれ受熱端部とする上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板が上下３層に積層され、
   前記下部放熱板には他端に排水孔が設けられ、かつこの排水孔と前記受熱端部との中間に給水孔が設けられるとともに、上面に前記給水孔から前記受熱端部に達する下部水路が溝状に形成され、
   前記中間放熱板には前記下部放熱板の排水孔に通じるように排水孔が設けられるとともに、前記受熱端部に前記下部水路と重なるように連通孔が設けられ、
   前記上部放熱板には下面に前記中間放熱板の連通孔と排水孔とに跨るように上部水路が溝状に形成されるとともに、前記受熱端部の上面に発熱体が接合され、
   前記給水孔から前記下部水路、前記連通孔及び前記上部水路を通して前記排水孔に流される冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、
   前記中間放熱板の連通孔の水入口と水出口との間に、コ字状に反転する折返し水路を前記中間放熱板の板面と平行に形成し、この迂回通路を流れる前記冷却水により前記中間放熱板の受熱端部を冷却するようにしたことを特徴とする放熱器。
2. 前記中間放熱板を上下３層に積層する上板、中板及び下板から構成し、前記下板に前記水入口を設けるとともに、前記下板の上面に一端が前記水入口に通じる往水路を溝状に形成し、前記中板に前記下板の往水路の他端に通じる通水孔を設け、前記上板に前記水出口を設けるとともに、前記上板の下面に一端が前記水出口に通じ他端が前記中板の通水孔に通じる復水路を溝状に形成し、前記上板、中板及び下板を積層することにより、前記下板の往水路、前記中板の通水孔及び前記上板の復水路を連続させて前記折返し水路を形成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の放熱器。
   
   

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