JP4410065B2 - 電子部品放熱用のコールドプレート - Google Patents

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Description

この発明は、コンピュータ等の電子機器を実装した半導体モジュール等のヒートシンクとして、基板上の半導体素子等からの発生熱を吸収し、半導体素子,半導体モジュール等の安定化した作動を司るコールドプレートに関する。
従来、この種のコールドプレートは、冷媒流路内において、冷媒入口ヘッダ部から出口ヘッダ部間の複数の冷媒流路へほぼ均等に冷媒を流通させ、コールドプレート上の半導体素子からの発生熱を、ほぼ均等に吸収させるようにしたものがある。
このようなコールドプレートとして、特開2001−24126号公報([特許文献1]参照)に開示されたものがある。
このコールドプレートは、図8および図9に示すように、内部に水等の冷媒を流通させる冷媒流路を設けたものである。コールドプレート1は、本体プレート2内に、冷媒流路3が設けられ、この冷媒流路3の一方側のヘッダ部4に冷媒流入口5を、また、冷媒流路3の他方側のヘッダ部6には冷媒流出口7がそれぞれ設けられる。冷媒流路3には、両ヘッダ部4および6間において、図8に示すように、冷媒流路3を複数の冷媒流通区分路8に仕切る複数の仕切板9が設けられる。本体プレート2上には、図9の想像線で示すように、半導体モジュールa,bが熱伝導的に設置される。
このように構成されたコールドプレート1は、本体プレート2内において、
冷媒流入口5から流入する冷媒は、図8および図9の矢印方向に順次流通し、冷媒流出口7側から排出される。流通する冷媒は、冷媒流路3内を流通する間に、本体プレート2を介して半導体モジュールa,bからの発生熱を熱伝導により吸収して外部へ排出されるようになる。従って、半導体モジュールa,bは、本体プレート2を介して所要の温度に冷却され、高熱による誤作動や損傷を被ることがない。
特開2001−24126号公報
コールドプレート1の構成によれば、本体プレート2の冷媒流入口5から冷媒流出口7側へ流通する冷媒を、冷媒流路3内に複数の冷媒流通区分路8へ均等に流通させることにより、本体プレート2上の冷媒流入口5とほぼ同距離に設置される複数の半導体モジュールaまたはbに対しては、ほぼ均等に冷却することができる。
他方、図8および図9に示すように、冷媒流入口5に近い側に設置される半導体モジュールaと遠い位置に設置される半導体モジュールbは、本体プレート2側との熱伝導で等しく吸熱(冷却)されない。すなわち、冷媒流路3の冷媒流入口5から冷媒流出口7側へ至るに従い、冷媒の温度上昇するのに伴い、本体プレート2の表面温度が少しずつ高くなる。
その結果、コールドプレート1の本体プレート2上に設置される半導体モジュールa,bに対して、その両方をほぼ均等に冷却することができない。
この場合に、複数の半導体モジュールaおよびbとして、自己発熱特性や耐熱温度にほとんど差のないものを用いる場合には、半導体モジュールaおよびbの少なくとも一方においては、本体プレート2による吸熱作用が不充分となり、異常温度上昇する場合がある。
この場合に、この異常温度上昇に伴ない、例えば半導体モジュールaが動作不良を起こしたり、損傷する虞があった。また、例えば半導体モジュールaが充分に冷却可能に設けられた場合には、半導体モジュールb側においては、必要以上の吸熱(冷却)がなされることになる。
従って、コールドプレート1として必要以上の冷却能力を要することになり、ヒートシンク用として合理的使用ができなかった。
また、温度特性のある半導体部品を複数並べて冷却する場合には、これらに温度差が生じ装置の性能が劣化する事があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、コールドプレート1の本体プレート2上の任意の位置に、例えば半導体モジュール等の自己発熱の伴なう電子部品が設置されても、当該電子部品に対して所要の冷却がなされ、電子部品が性能劣化や動作不良を起こしたり、損傷することがないコールドプレートを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電子部品放熱用のコールドプレートは、冷媒流路を形成したプレート本体と、上記冷媒流路内に上記プレート本体と熱伝導的に設けられた熱交換フィンとを具備し、上記熱交換フィンは、板状フィンのピッチが半ピッチずつ交互にずれて配置されるオフセットフィンであり、前記板状フィンの長さは、前記冷媒流路の下流の方が上流よりも短くなるように構成される、ことを特徴とする。
本発明によれば、本体プレートの電子部品設置面の所要位置に電子部品を熱伝導的に配置することにより、当該電子部品の自己発熱による異常温度上昇を防止することができる。従って、電子部品が異状温度上昇して動作不良を起こしたり、損傷したりすることのない電子部品の放熱(冷却)に適するコールドプレートを提供することができる。
また、温度特性上均一に冷却する必要のある複数の部品を均一に冷却できるコールドプレートを提供することができる。
本発明に係るコールドプレートの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明のコールドプレート10の実施形態を示す概要図である。
コールドプレート10は、コンピュータ回路基板等の電子部品を設置すると共に、この電子部品からの自己発熱による異状温度上昇を防止することができるように設けられたものである。
コールドプレート10は、電子部品である、例えば半導体モジュールc〜eが自己発熱により異状温度上昇した場合に、この自己発熱による発生熱を吸収し、当該半導体モジュールc〜eが正常且つ安定動作するように設けられるものである。この半導体モジュールc〜eの発生熱は、コールドプレート10のプレート熱交換される。その結果、半導体モジュールc〜eが異状温度にならない程度の温度に保持されるように設けられる。
コールドプレート10は、図1に示すように、例えば2枚1組のプレート本体として構成され、その一方のプレート(以下、A面プレートという。)11および他方のプレート(以下、B面プレートという。)12とにより構成される。
一方のプレート本体である、B面プレート12は、図2に示すように冷媒が蛇行状に流通するよう形成した熱交換フィン12bが当該B面プレート12と一体的に形成される。
A面プレート11側においても、B面プレート12側と同様に熱交換フィン11aが当該A面プレート11と一体的に形成される。
コールドプレート10は、図3に示すように、A面プレート11およびB面プレート12のそれぞれの熱交換フィン11aおよび12aを相対向し接合させることにより組み立てられる。
また、コールドプレート10のA面プレート11およびB面プレート12は、図1〜図3に示すように、直方体形状を有し、熱伝導率の良好な材質、例えばアルミニウム(合金)により一体的に製作される。また、それぞれのA面プレート11およびB面プレート12の熱交換フィン11aおよび12aは、その平面形状が図4に示すように、その長手方向に沿ってオフセットピッチが不等分布になるように設けられる。
コールドプレート10は、A面プレート11およびB面プレート12の熱交換フィン11aおよび12aが相対向して組み合わされ、1枚板に形成される。その結果、熱交換フィン11aおよび12a側同士の接合によりできるフィン部空間が冷媒流路14として用いられる。
この冷媒流路14には、当該冷媒流路14の冷媒流入口15側から熱吸収前の液冷媒(以下、未吸熱液冷媒という。)f1を循環させ、A面プレート11を介して半導体モジュールc〜e側から熱吸収した液冷媒(以下、吸熱液冷媒という。)f2を外部へ放出させている。なお、この吸熱液冷媒f2は、未吸熱液冷媒f1の状態に戻して再循環させることができる。
また、コールドプレート10のA面プレート11およびB面プレート12の各熱交換フィン11aおよび12aを設けた冷媒流路14内を流通させる未吸熱冷媒f1との熱交換効率を高めるために、この熱交換フィン11aおよび12aを図2に示すように、カスケード状に形成している。
このカスケード状に形成された熱交換フィン11aおよび12aの構成は、例えばその一部が図4に示すように、迷路状またはジグジグ状を呈している。この構成によれば、冷媒流路14に沿い流通する未吸熱液冷媒f1は冷媒流路14内におけるカスケード形状による流通抵抗の増加の影響を受ける。カスケード状の冷媒流路14は、未吸熱液冷媒f1の流通抵抗を増加させることにより、この増加させた部位における熱交換作用を増加させている。
A面プレート11およびB面プレート12の各熱交換フィン11aおよび12aの構成について、図2〜図4を参照して更に詳細に説明する。
各熱交換フィン11aおよび12aは、同一形状のものを用いることができる。
そこで、一方の熱交換フィン11aおよび12aについて説明する。
熱交換フィン12aは、冷媒入口部15にもっとも近い側に設けられる仕切りフィン部20と、前段部に位置する幅広フィン群21と、中段部に位置する中間幅フィン群22と、後段部に位置する小幅フィン群23および幅広フィン部24とがそれぞれ連続した多段に構成される。これらの各フィン群21,22,23および幅広フィン群24における各々のフィン部の横断面形状は、図3に示すように幅(d)方向および高さ(h)方向に並列させた形状をなしている。
例えば、中間幅フィン群22は、その複数の中間幅フィン22aが冷媒流路14の幅(d)方向に並列的に配置されると共に、高さ(h)方向に並列的に配置される。また、冷媒流路14の長手方向に多段に形成される各フィン群21〜23および幅広フィン24は、それぞれの接続部において、例えば中間幅フィン群22部分を図4に示すように、幅方向のフィンピッチが半ピッチ分ずつずらして形成される。
このように、熱交換フィン12aが、フィン群21,22,23および幅広フィン部24に至るに従いフィンピッチが細かく多段に形成したことにより、吸熱液冷媒f2の流通抵抗が漸次増加するようになる。
なお、上記各々のフィン群21,22,23および幅広フィン部24の形状は、その各々の複数のフィン21a,22a,23aおよび幅広フィン部24を並列配置したが、例えば曲線状または蛇行状に形成させてもよい。
幅広フィン群21は、幅方向に並列する複数の幅広フィン21aを有し、未吸熱液冷媒f1が、幅広フィン群21側を通過する際の流通抵抗が、比較的小さいレベルになっている。従って、幅広フィン群21を通過する未吸熱液冷媒f1の熱吸収量(熱交換量)のレベルが低く設定されたことになる。
また、中間幅フィン群22は、幅方向に並列する複数の中間幅フィン22aを有し、前段側の幅広フィン群21の各幅広フィン列と半ピッチずつずれて配置している。この結果、未吸熱液冷媒f1から、徐々に吸熱液冷媒f2になりつつ中間幅フィン群22側を通過する際の流通抵抗が、比較的中レベルに設定されたことになる。従って、中間幅フィン群22を通過する未吸熱液冷媒f1の熱吸収量(熱交換量)のレベルが中レベルに設定される。
更に、小幅フィン群23は、幅方向に並列する複数の小幅フィン23aを有し、前段側の中間幅フィン群22の各中間幅フィン22列と半ピッチずつずれて配置している。この結果、未吸熱液冷媒f1が、小幅フィン群23側を通過する際の流通抵抗が、比較的大きいレベルになっている。従って、小幅フィン群23を通過する未吸熱液冷媒f1の熱吸収量(熱交換量)のレベルが大きいレベルに設定されたことになる。
なお、この段階になると、未吸熱液冷媒f1は、吸熱が進み吸熱液冷媒f2の状態になっている。このように、熱交換フィン12aにより形成される冷媒流路14を流通する未吸熱液冷媒f1は、放熱量の比較的多い電子部品、例えば図2に示す半導体モジュールdから発熱を効果的に吸熱することができる。
一方、コールドプレート10を構成するA面プレート11は、外側面(熱交換フィン11aの反対側面)をモジュール配置面11bとし、このモジュール配置面11bの上の所要位置に複数の半導体モジュールc〜eが熱伝導的に配置される。
A面プレート11およびB面プレート12の組合せにより、カスケード状の冷媒流路14は、図1および図2に示すように、その一端側に冷媒入口部15が、また、多端側に冷媒出口部16が形成され、図示しない冷媒供給装置側から矢視方向に供給される所要温度状態の未吸熱液冷媒f1が冷媒入口部15側から供給されることにより、冷媒流路14を流通する過程で、両プレート11および12側と熱交換し、吸熱状態の吸熱液冷媒f2となって冷媒出口部16側から外部へ放出される。
次に、A面プレート11のモジュール配置面11aを利用して配置される半導体モジュールc〜eについて説明する。
半導体モジュールc〜eは、図2の想像線にて示すように、それぞれ配置位置が異なる。
半導体モジュールcは、例えば冷媒流路14の前段側、すなわち幅広フィン群21の位置から外れた位置へ配置される。これは、半導体モジュールcがそれほど自己発熱しても所用の耐熱性を有するため、強い冷却作用を得る必要があるためである。
また、半導体モジュールdの場合は、例えば冷媒流路14の後段側、すなわち小幅フィン群23および幅広フィン部24に跨り且つやや中心からずらせた位置に配設される。
これは、半導体モジュールeが一定の発熱性を有し、ある程度の冷却が必要とされるものである。
次に、コールドプレート10の作用について図1〜図5を参照して説明する。
コールドプレート10の冷媒流路14の冷媒入口部15へ、図示しない冷媒供給装置側から未吸熱液冷媒f1を供給すると、この供給された未吸熱液冷媒f1は、図1に示すように、コールドプレート10の冷媒流路14を介して半導体モジュールc〜eの自己発熱による発生熱を吸収しつつ吸熱液冷媒f2となり、冷媒出口部18側から外部へ放出される。
未吸熱液冷媒f1は、幅広フィン群21の複数の幅広フィン21aへ流入する。この流入した未吸熱液冷媒f1は、それぞれの幅広フィン21aの長手方向のフィンピッチが幅広であるため、流通抵抗をそれほど受けないまま、すなわち、吸熱効率が低レベルのままで幅広フィン群21側を通過する。
次に、この幅広フィン群21を通過した未吸熱液冷媒f1は、吸熱しつつ中間幅フィン群22へ流入する。すると、未吸熱液冷媒f1は、図4に示すように、複数の中間幅フィン22aにより複数に区分して形成される冷媒流路14(矢視参照)において、漸次吸熱しながら後段側へ流入する。
この中間幅フィン群22を通過する段階では、未吸熱液冷媒f1は、複数の中間幅フィン22aの長手方向のフィンピッチが中間レベルであるため、比較的中レベルの流通抵抗を受けつつ、すなわち、吸熱効率が中レベルの状態で中間幅フィン群22を通過する。この通過の間に、未吸熱液冷媒f1は、半導体モジュールdの発生熱を吸熱し、小幅フィン群23側へ流入する。
この時、小幅フィン群23に近い位置にある半導体モジュールdおよびややずれた位置にある半導体モジュールeの自己発熱による発生熱を吸熱した状態で小幅フィン群23の端末側へ流入する。
この段階まで流入すると未吸熱液冷媒f1は、複数の小幅フィン23aの長手方向のフィンピッチが小幅であるため、比較的大きいレベルの流通抵抗を受けつつ、すなわち、吸熱効率が高いレベルのままで、小幅フィン群23を通過し、半導体モジュールd〜eの自己発熱による発生熱を吸熱し、吸熱液冷媒f2となる。
次に、この小幅フィン群23の端末側から、幅広フィン部24に流入した吸熱液冷媒f2は、吸熱作用が低下した状態で冷媒出口部16側へ流通し、外部へ放出される。幅広フィン部24を通過する時の吸熱液冷媒f2は、流通抵抗が比較的小さい上に、相当熱量を吸収しており、吸熱レベルが抑えられている。
次に、未吸熱液冷媒f1の吸熱作用について説明する。
未吸熱液冷媒f1は、この未吸熱液冷媒f1が冷媒入口部15側から流入してから、吸熱液冷媒f2として冷媒出口部16側から放出されるまでの間に、例えば図5の冷媒温度xにて示すように上昇するが、コールドプレートの表面温度yは安定した状態にあることを示している。
コールドプレート表面の温度は、適宜の温度に設定することができるが、半導体モジュールc〜eの吸熱が目的である場合には、この半導体モジュールc〜eの耐熱温度が通常70〜80℃であり、この温度まで上昇させないように、半導体モジュールc〜eの発生熱量や種々異なる耐熱温度等諸条件を加味して、ケースバイケースで設定をすることができる。
コールドプレート10によれば、冷媒流路14の冷媒入口部15側から流入した未吸熱液冷媒f1を、冷媒出口部16へ放出する間に熱交換フィン11aのモジュール設置面11bにおいて、吸熱作用が不等分布に得られるようになる。従って、コールドプレート10のA面プレート11のモジュール設置面11bに熱伝導的にレイアウト配置される半導体モジュールc〜eがそれぞれ設定された管理温度以上に上昇するのを抑え、半導体モジュールc〜eを正常且つ安定に作動させることができる。
更に、コールドプレート10のA面ブレート11およびB面プレート12は、長手方向に異なるフィンチップの複数のフィン群による多段構成にして、液冷媒f1(f2)の流通抵抗を増大させるようにしたが、このフィンピッチの幅を漸次(連続的)狭める等、液冷媒f1(f2)の流通抵抗を種々の手段により行うことができる。
更にまた、未吸熱液冷媒f1は、図示しない冷媒供給装置から供給し、熱交換した吸熱冷媒f2をそのまま外部へ放出するようにしたが、この吸熱液冷媒f2を再び未吸熱液冷媒f1へ再生可能に循環させて用いる冷媒循環型の冷却サイクルを採用してもよい。
また、プレート本体として2枚1組のものを採用する他に押出成形加工や引抜成形加工等の加工法により一体成形したものを用いることができる。この一体成形のものを用いる際には、同時に形成される冷媒流路14には、その冷媒入口部15または冷媒出口部16の一方側から別構成の熱交換フィンを装着する構成を採用すれば加工が容易である。
また、コールドプレート10のA面プレート11およびB面プレート12は、アルミニウム(合金)製のものを用いたが、他の熱伝導性良好な、例えば銅,ステンレス等の種々の素材を用いることもできる。
更に、コールドプレート10は、半導体モジュールc〜eに対する必要限度の吸熱作用を得るために冷媒流路14の流通抵抗の分布を配置される半導体モジュールc〜eの分布に合わせて適正化形状にすることが望ましい。
また、コールドプレート10は、1枚ものを例示したが、半導体モジュールc〜eの個々あるいは全体としての発熱量が多い場合や、半導体モジュール自体が大型であったり、また数量が多い場合を考慮して複数枚を組合せて使用することができる。
更に、コールドプレート10は、A面プレート11側にて半導体モジュールc〜eを設置するのみならず、必要により、B面プレート12側へも設置することができる。
また、コールドプレート10において用いたA面プレート11およびB面プレート12に形成した放熱フィン部11aおよび12aは、A面プレート11およびB面プレート12のいずれか一方に一体的に設けることができる。この構成を採用した場合には、A面プレート11およびB面プレート12の他方側は、単に平板状のものでよい。
すなわち、例えば図6に示すように、コールドプレート30は、平板状のA面プレート31と、冷媒流路を形成したB面プレート(プレート本体)32と、冷媒流路内に、プレス成形型を不等ピッチにすることにより形成される熱交換フィンコア33により構成されるオフセットフィン33a〜33eを具備し、オフセットフィン33a〜33eは、冷媒流路の長手方向のオフセットピッチが不等ピッチとなるようにカスケード状流路を形成した構成である。
B面プレート32は、断面U字状の凹部32aを有する長尺のものである。コールドプレート30は、B面プレート32の断面U字状の凹部32aとA面プレート31と組合せることによりできる中空部に熱交換フィンコア33が収納設置されて構成される。ここで、B面プレート32に設けた凹部32aは、A面プレート31側に設けてもよく、また両方のプレート31および32に設けてもよい。
更に、熱交換フィンコア33は、製造するにあたって、あらかじめ不等ピッチに形成されたプレス型により、フィンピッチ毎に波形にプレス成形加工することができる。すなわち、熱交換フィンコア33は、例えば図7に示すように、長さl,幅d,高さhを有し、長さl方向にフィンピッチの異なる不等ピッチ(p1〜p5)のオフセットフィン33a〜33eを備えている。
また、このオフセットフィン33a〜33eは、具体的には図7に示すように、幅d方向にそれぞれフィンピッチ毎に波形にプレス成形されたものが用いられる。従って、熱交換フィンコア33の長手方向には、これが冷媒流路側へ装着した際に、カスケード状流路が形成される。
次に、A面プレート11、B面プレート12および熱交換フィンコア33とを一体的に固定するにあたって、A面プレート11およびB面プレート12とを先に結合することにより形成される、図示しない冷媒流路に嵌着するか、3部品を同時にろう付け等により結合した構成とすることもできる。
このように、コールドプレート30を3部品構成とすることにより、各部品の製作が容易である上に、それぞれを予め長尺のものを製作しておけば、各種コールドプレートの長さに対応して、個々に所望の寸法に切断して使用することができる。従って、汎用性が向上する一方で、量産性が考慮されている。
更にまた、コールドプレート10において用いたA面プレート11およびB面プレート12は、これを一体的に構成したプレート本体を用いてもよい。すなわち、長尺の1本のプレート本体(図示せず)に中空状の冷媒流路を設け、この冷媒流路に、例えば図8に示す熱交換フィンコア33を装着した構成にしてもよい。
本発明に係るコールドプレートの実施形態を示す側面図。 図1に示すコールドプレートのA面プレートの一部を切除して示す平面図。 図2のB−B線に沿う拡大断面図。 図2のX部の拡大図。 本発明に係るコールドプレートの冷媒入口部から冷媒出口部へ移動する冷媒およびコールドプレートの表面の温度変化を示す図。 本発明のコールドプレートの他の実施例を示す分解斜視図。 図6に示す熱交換フィンコアの斜視図。 従来のコールドプレートの縦断平面図。 図8のD−D線に沿う断面図。
符号の説明
10 コールドプレート
11 A面プレート(プレート本体)
11a,12a 熱交換フィン
11b モジュール設置面(電子部品設置面)
12 B面プレート(プレート本体)
12b 熱伝導面
14 冷媒流路
15 冷媒入口部
16 冷媒出口部
20 仕切フィン部
21 幅広フィン群
21a 幅広フィン
22 中間幅フィン群
22a 中間幅フィン
23 小幅フィン群
23a 小幅フィン
24 幅広フィン部
30 コールドプレート
31 A面プレート
32 B面プレート
32a 凹部
33 熱交換フィンコア
33a〜33e オフセットフィン
f1 未吸熱液冷媒
f2 吸熱液冷媒
c〜e 半導体モジュール(電子部品)

Claims (6)

  1. 冷媒流路を形成したプレート本体と、上記冷媒流路内に上記プレート本体と熱伝導的に設けられた熱交換フィンとを具備し、
    上記熱交換フィンは、板状フィンのピッチが半ピッチずつ交互にずれて配置されるオフセットフィンであり、冷媒流れ方向の前記板状フィンの長さは、前記冷媒流路の下流の方が上流よりも短くなるように構成される、
    ことを特徴とする電子部品放熱用のコールドプレート。
  2. 片面側に冷媒流路が形成されたプレート本体と、
    2つの前記プレート本体の冷媒流路側同士を接合することにより形成される中空状の冷媒流路に装着した熱交換フィンとを具備し、
    上記熱交換フィンは、板状フィンのピッチが半ピッチずつ交互にずれて配置されるオフセットフィンであり、前記板状フィンの長さは、前記冷媒流路の下流の方が上流よりも短くなるように構成される、
    ことを特徴とする電子部品放熱用のコールドプレート。
  3. 上記熱交換フィンは、同一の長さの前記板状フィンを有するフィン群を複数有し、前記フィン群の前記板状フィンの長さは、前記冷媒流路の冷媒入口から冷媒出口に向かって、段階的に短くなるように構成される、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の電子部品放熱用のコールドプレート。
  4. 前記板状フィンの前記冷媒流れ方向における前端と後端は、それぞれ断面鋭角状に形成されている、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の電子部品放熱用のコールドプレート。
  5. 上記熱交換フィンは、前記プレート本体に一体的に形成したことを特徴とする請求項1または2記載の電子部品放熱用のコールドプレート。
  6. 前記熱交換フィンは、プレス成形型によって成形される、
    ことを特徴とする請求項5に記載の電子部品放熱用のコールドプレート。
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