JP5251916B2 - 電子機器の冷却器 - Google Patents

Description

本発明は電子機器の冷却器に係り、特に半導体素子などの発熱素子を冷却するための電子機器の冷却器に関する。

例えば、特許文献１には、従来の電子機器の冷却器を備えた半導体装置が開示されている。
この半導体装置は、半導体素子が一面側に実装された基板と、基板が接合される筐体の内部に冷媒流路が形成されるとともに、冷媒流路における冷媒流通方向に沿う方向に配置された冷媒流路を区画するフィンが冷媒流通方向と直交する方向に複数設けられた冷却器とを備えている。
そして、フィンの側面には乱流発生促進部としての複数のスリットが冷媒流通方向と略直交する方向に形成されている。
これにより、冷媒流路の冷媒の流れがスリットによって乱されるため冷媒の乱流の発生を促進している。

特開２００８−２８８３３０号公報

しかしながら、近年においては、半導体素子などを用いた電子機器は高出力、高密度化により発熱密度が増加しており、電子機器を冷却する電子機器の冷却器に対しては、更なる冷却効率の向上が切望されている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、冷却効率をより一層向上することが可能な電子機器の冷却器の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、中空断面形状の筐体と、前記筐体の内部を複数の冷媒流路に区画するフィンを備える電子機器の冷却器であって、前記フィンは、第１方向に延びる第１の凹部と、第２方向に延びる第２の凹部とを有し、前記第１の凹部は、冷媒が流入する側の端部と冷媒が流出する側の端部とを有し、前記第１の凹部の前記冷媒が流入する側の端部は前記第２の凹部と互いに繋がっており、前記第１の凹部の前記冷媒が流出する側の端部と前記第２の凹部との間に堰部が設けられ、前記堰部により前記第１の凹部の前記冷媒が流出する側の端部は前記第２の凹部とは互いに繋がっていないことを特徴とする。

本発明によれば、第１方向に延びる第１の凹部と第２方向に延びる第２の凹部を有しているので、一方向に延びる凹部しか有さない構成に比べ乱流効果を更に高めることができ、効率良くフィンの熱を冷媒に伝えることができる。
また、第１の凹部と第２の凹部によってフィンの表面積を増大して、フィンと冷媒との接触面積を増大し、フィンの熱をより多く冷媒に伝えることができる。
このように、冷媒の乱流効果の促進とフィンの表面積の増大により、電子機器の冷却器の冷却効率をより一層向上することができる。

また、第１の凹部は、冷媒が流入する側の端部と冷媒が流出する側の端部とを有し、冷媒が流出する側の端部が堰部により第２の凹部と繋がっていないので、冷媒が流出する側の端部において、冷媒の流れる方向が様々な方向に変えられ乱流効果を更に促進することができる。

本発明によれば、電子機器の冷却器の冷却効率をより一層向上することができる。

本発明の参考例１に係る電子機器の冷却器の概要を示す断面図である。 本発明の参考例１に係るフィンの一部を示す斜視図である。 本発明の参考例１に係るフィンの側面部の表面を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るフィンの側面部の表面を示す斜視図である。 本発明の参考例２に係るフィンの側面部の表面を示す斜視図である。

（参考例１）
以下、本発明の参考例１に係る電子機器の冷却器について、図１、図２、図３を用いて説明する。
この参考例１においては、電子機器１において水などの液体の冷媒によって冷却を行う液冷式の電子機器１の冷却器２に適用した例である。
以下の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」は図１おける「上」、「下」、「左」、「右」を示す。

電子機器１の冷却器２（以下、単に「冷却器２」と表記する。）は、筐体７とフィン１１とから構成される。
筐体７は、底板３と、底板３と所定の空間をあけて対向して設けられる天板６と、底板３及び天板６の外周縁部に設けられる側板４とから構成されており、天板６と底板３と側板４とで中空断面形状のケースを構成している。
天板６の上面には、発熱素子としてのＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子８が一面側に実装された基板９が設けられている。基板９は、その他面側が天板６の上面にはんだ５を介して固定されている。半導体素子８は、駆動されることによって発熱する。
また、フィン１１は、天板６と底板３との間に設けられ、筐体７の内部を複数の冷媒流路１０に区画する。
フィン１１は、アルミニウムなどの高熱伝導材料からなる波状形のコルゲートフィンであり、天板６にろう付けによって固定される山型の波頂部１２と底板３にろう付けによって固定される谷型の波底部１３と、波頂部１２と波底部１３とを連結する側面部１４とから構成されている。
冷媒流路１０は、フィン１１と天板６又はフィン１１と底板３によってそれぞれ複数に区画される。
このように、筐体７の内部はフィン１１によって複数の冷媒流路１０に区画されている。

そして、冷却器２は、側板４に冷媒の流入口及び冷媒の排出口が設けられ、外部に接続されたポンプによって冷媒が循環移動される。これにより、冷却器２内部の冷媒は区画された冷媒流路１０内をフィン１１に沿って、フィン１１の冷媒が流入する側の端部からフィン１１の冷媒が流出する側の端部へと向かう、冷媒が流通する方向に流れている。

次に、フィン１１の側面部１４について説明する。
図２はフィン１１の一部を示した斜視図である。図３はフィン１１の側面部１４の表面を一部拡大した部分拡大斜視図である。
図３に示すようにフィン１１の側面部１４には、第１方向に延びる第１の凹部１５と第１の方向とは異なる第２方向に延びる第２の凹部１６が設けられており、第１の凹部１５と第２の凹部１６は交差する部分である交差部１７にて互いに繋がっている。
第１の凹部１５は、第１方向として例えば冷媒が流通する方向に延びるように側面部１４に設けられており、凹部の形状は壁面１５ａと底面１５ｂによって構成された断面視矩形状である。そして、第１の凹部１５は、平行に間隔をあけて側面部１４に複数設けられている。
また、第２の凹部１６は、第２方向として例えば第１の凹部１５に対して直交する方向、すなわち、冷媒が流通する方向に対して直交する方向に延びるように側面部１４に設けられており、凹部の形状は第１の凹部１５と同様に壁面１６ａと底面１６ｂによって構成された断面視矩形形状である。第２の凹部１６は、平行に間隔をあけて側面部１４に複数設けられている。
したがって、図３に示すように複数の第１の凹部１５と第２の凹部１６とが交差部１７において直交して繋がった、いわゆる格子状に設けられている。
第１の凹部１５と第２の凹部１６は図２に示すようにフィン１１のそれぞれの側面部１４に設けられている。
この第１の凹部１５と第２の凹部１６は、フィン１１の波状形を作成する際に同時にプレスで一体成形される。

次に、参考例１における冷却器２の作用について説明する。
電子機器１が駆動されることによって半導体素子８から発生した熱は、半導体素子８から基板９、基板９から筐体７（主に天板６）へと伝導され、筐体７からフィン１１へと伝えられる。そして、その熱は、フィン１１と冷媒流路１０内を流通する冷媒との間で熱交換され、高温になった冷媒は、ポンプによって循環移動され排出口より冷却器２の外部へと流出し、図示しない放熱器などを通じて外部に放熱される。
したがって、筐体７の内部を冷媒が流通することで熱的に結合された電子機器１の冷却を行う。
一方、フィン１１には第１の凹部１５と第２の凹部１６とが設けられているため、一方向に延びる凹部又は凸部しか有さない構成に比べ、乱流効果が更に促進される。すなわち、冷媒が壁面１５ａ及び壁面１６ａに同じ入射角度で衝突したとしても、壁面１５ａ及び壁面１６ａは、それぞれ異なる方向に冷媒の流れる方向を変えるため、乱流効果が更に促進される。

このように、冷媒流路１０内を流通する冷媒の乱流効果が一方向に延びる凹部又は凸部しか有さない構成に比べ、更に促進されるため、フィン１１と冷媒との間の熱伝達率が飛躍的に向上することができ、効率良くフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。
また、フィン１１の側面部１４に第１の凹部１５、第２の凹部１６を設けることによって側面部１４の表面積が増大しており、フィン１１が冷媒と接触する面積が大きくなっている。このように、接触面積が増大することによってフィン１１の熱を冷媒により多く伝えることができる。

上記参考例１によれば以下のような効果を有する。
（１）フィン１１の側面部１４に第１の凹部１５と第２の凹部１６を設けたので、一方向に延びる凹部又は凸部しか有さない構成に比べ、乱流効果が更に促進されるので、フィン１１と冷媒との間の熱伝達率を向上し、効率良くフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。したがって、冷却器２の冷却効率を向上することができる。
（２）フィン１１の側面部１４に第１の凹部１５と第２の凹部１６を設けたので、フィン１１の表面積を増大させ、フィン１１が冷媒と接触する面積を大きくしている。これにより、フィン１１と冷媒との接触面積が増大するため、より多くのフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。したがって、冷却器２の冷却効率を向上することができる。
（３）第１の凹部１５と第２の凹部１６とを直交するように設けた。これにより、第１の凹部１５と第２の凹部１６によってフィン１１の側面部１４に規則正しい格子状の凹部が形成されるので、フィン１１の熱を均等に効率良く冷媒に伝えることができる。
（４）第１の凹部１５と第２の凹部１６の作成は、フィン１１の波状形を作成する際にプレスにより一体に形成することができる。これにより、第１の凹部１５と第２の凹部１６を作成するための特別な加工などを必要としないため、容易に作成することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図４を用いて説明する。
図４は第１の実施形態におけるフィン１１の側面部１８の一部を拡大した拡大斜視図である。
図４に示す第１の実施形態では、参考例１におけるフィン１１の側面部１４の第１の凹部１５、第２の凹部１６の形状を変更したもので、参考例１と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図４に示すようにフィン１１の側面部１８には、第１の方向として例えば冷媒が流通する方向に延びる第１の凹部１９と、第２方向として例えば冷媒が流通する方向に対して直交する方向に延びている第２の凹部２０が設けられている。
そして、第１の凹部１９は、冷媒が流入する側の端部としての冷媒流入側端部１９ａと冷媒が流出する側の端部としての冷媒流出側端部１９ｂとを有している。
ここで、冷媒が流入する側とは、第１の凹部１９に冷媒が流入する側、すなわち冷媒が流通する方向の上流側を意味し、冷媒が流出する側とは、第１の凹部１９から冷媒が流出する側、すなわち冷媒が流通する方向の下流側を意味している。
そして、第１の凹部１９の冷媒流入側端部１９ａは、第２の凹部２０と交差する部分で互いに繋がっている。第１の凹部１９の冷媒流出側端部１９ｂは、第２の凹部２０と交差せず、互いに繋がっておらず、第１の凹部１９の冷媒流出側端部１９ｂと第２の凹部２０の間には、堰部２１が設けられている。

第１の実施形態における冷却器２の作用について説明する。
第１の凹部１９と第２の凹部２０は、第１実施形態の第１の凹部１５、第２の凹部１６と同様の作用を奏するとともに、以下の作用を更に奏する。
冷媒流路１０を流れる冷媒は、冷媒が流通する方向に設けられた第１の凹部１９内を流れる。しかし、第１の凹部１９の冷媒流出側端部１９ｂと第２の凹部２０との間には堰部２１が設けられているので、第１の凹部１９内を流れる冷媒は堰部２１と衝突し、流れる方向が様々な方向に変えられる。したがって、参考例１の構成よりも更に冷媒流路１０を流れる冷媒の乱流効果が促進される。

第１の実施形態によれば、参考例１の他、以下のような効果を有する。
（５）第１の凹部１９は、冷媒流出側端部１９ｂが第２の凹部２０と繋がっていない構成とした。これにより、第１の凹部１９内を流れていた冷媒は、第１の凹部１９の冷媒流出側端部１９ｂと第２の凹部２０の間に設けられる堰部２１と衝突し、流れる方向が様々な方向に変えられる。これにより、冷媒流路１０を流れる冷媒の乱流効果が更に促進され、フィン１１と冷媒との間の熱伝達率を向上し、効率良くフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。したがって、参考例１の構成よりも更に冷却器２の冷却効率を向上することができる。

（参考例２）
以下、本発明の参考例２について、図５を用いて説明する。
図５は第３の実施形態におけるフィン１１の側面部２２の一部を拡大した拡大斜視図である。
図５に示す参考例２では、参考例１におけるフィン１１の側面部１４の第１凹部１５、第２の凹部１６の形状を変更したもので、参考例１と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示すようにフィン１１の側面部２２から冷媒流路１０側に突出し第１方向に延びる第１の凸部２３と、冷媒流路１０側に突出し第２方向に延びる第２の凸部２４が設けられており、第１の凸部２３と第２の凸部２４は交差する部分である交差部２５にて互いに繋がっている。
第１の凸部２３は、第１方向として例えば冷媒が流通する方向に延びるよう側面部２２に設けられている。そして、第１の凸部２３は、冷媒が流通する方向に側面部２２に複数設けられている。
また、第２の凸部２４は、第２方向として例えば第１の凸部２３に対して直交する方向に延びるように、すなわち冷媒が流通する方向に対して直交する方向に延びるように側面部２２に設けられている。そして、第２の凸部２４は、冷媒が流通する方向に沿って側面部２２に複数設けられている。
したがって、第１の凸部２３と第２の凸部２４は交差部２５において直交して繋がった、いわゆる格子状に設けられている。
この第１の凸部２３及び第２の凸部２４は、参考例１と同様にフィン１１の波状形を作成する際に同時にプレスで一体成形される。

次に、参考例２における冷却器２の作用について説明する。
フィン１１には、第１の凸部２３と第２の凸部２４とが設けられているため、一方向に延びる凸部しか有さない構成に比べ、乱流効果が更に促進される。すなわち、冷媒が第１の凸部２３及び第２の凸部２４に同じ入射角度で衝突したとしても、第１の凸部２３及び第２の凸部２４は、それぞれ異なる方向に冷媒の流れる方向を変えるため、乱流効果が更に促進される。
このように、冷媒流路１０内を流通する冷媒の乱流効果が促進されることによって、フィン１１と冷媒との間の熱伝達率が飛躍的に向上することができ、効率良くフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。
また、フィン１１の側面部２２に第１の凸部２３、第２の凸部２４を設けることによって側面部２２の表面積が増大しており、フィン１１が冷媒と接触する面積が大きくなっている。このように、フィン１１と冷媒との接触面積が増大することによってフィン１１の熱を冷媒により多く伝えることができる。

上記参考例２によれば以下のような効果を有する。
（６）フィン１１の側面部２２に第１の凸部２３と第２の凸部２４を設けたので、一方向に延びる凸部しか有さない構成に比べ、乱流効果が更に促進されるため、フィン１１と冷媒との間の熱伝達率を向上し、効率良くフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。したがって、冷却器２の冷却効率を向上することができる。
（７）フィン１１の側面部２２に第１の凸部２３と第２の凸部２４を設けたので、フィン１１の表面積を増大させ、フィン１１が冷媒と接触する面積を大きくしている。これにより、フィン１１と冷媒との接触面積が増大するため、より多くのフィン１１の熱を冷媒に伝えることができる。したがって、冷却器２の冷却効率を向上することができる。
（８）第１の凸部２３と第２の凸部２４とを直交するように設けた。これにより、第１の凸部２３と第２の凸部２４によってフィン１１側面部２２に規則正しい格子状の凸部が形成されるので、フィン１１の熱を均等に効率良く冷媒に伝えることができる。
（９）第１の凸部２３と第２の凸部２４の作成は、フィン１１の波状形を作成する際に一体に形成することができる。これにより、第１の凸部２３と第２の凸部２４を作成するための特別な加工などを必要としないため、容易に作成することができる。

上記第１の実施形態は上記に限定されるものではなく、以下のように変更しても良い。
参考例１においては、フィン１１の側面部１４のそれぞれに第１の凹部１５、第２の凹部１６を設ける構成として説明したが、側面部の表面側に第１の凹部、第２の凹部を設け、裏面側には第１の凸部、第２の凸部を設けるようにして、フィンの厚さを一定にしてもよい。これにより、フィンの強度を落とすことなく、冷却器の冷却効率を向上することができる。
参考例１においては、第１の凹部１５は壁面１５ａと底面１５ｂからなる断面視矩形形状、第２の凹部１６は壁面１６ａと底面１６ｂからなる断面視矩形形状として説明したが、乱流を発生させる凹状の形状であれば良く、断面視が三角形状など第１の凹部と第２の凹部の断面視形状は特に限定されない。
参考例１においては、第１の凹部１５は第１方向として冷媒が流通する方向に延びる構成で説明をし、第２の凹部１６は、第２方向として第１の凹部１５と直交する方向に延びる構成として説明したが、互いに異なる方向に延びていれば良く、第１の凹部延びる方向及び第２の凹部の延びる方向については特に限定されない。
第１の実施形態においては、第２の凹部２０は第１の凹部１９と直交する方向に延びる構成で記載したが、互いに異なる方向に延びていれば良く、直交する方向に延びる構成でなくても良い。
第１の実施形態においては、フィン１１としてコルゲートフィンを例として説明したが、冷媒流路を少なくとも２以上の複数に区画し、第１の凹部、第２の凹部を設けることができるフィンであれば、フィンの形状は特に限定されない。
第１の実施形態においては、第１の凹部１９と第２の凹部２０はフィン１１の側面部１８に設けた構成のみで説明したが、フィン１１の波頂部１２、波底部１３にも設けても良い。
第１の実施形態においては、第１の凹部１９と第２の凹部２０の作成は、フィン１１の波状形を作成する際に一体に形成しているが、一体に形成しなくても良く、フィン１１の波状形を作成する工程と第１の凹部１９と第２の凹部２０を作成する工程は別工程であっても良い。

１ 電子機器
２ 電子機器の冷却器
７ 筐体
１０ 冷媒流路
１１ フィン
１５、１９ 第１の凹部
１６、２０ 第２の凹部
１９ａ 冷媒流入側端部（冷媒が流入する側の端部）
１９ｂ 冷媒流出側端部（冷媒が流出する側の端部）
２３ 第１の凸部
２４ 第２の凸部

Claims (1)

1. 中空断面形状の筐体と、
   前記筐体の内部を複数の冷媒流路に区画するフィンとを備える電子機器の冷却器であって、
   前記フィンは、第１方向に延びる第１の凹部と、
   第２方向に延びる第２の凹部とを有し、
   前記第１の凹部は、冷媒が流入する側の端部と冷媒が流出する側の端部とを有し、
   前記第１の凹部の前記冷媒が流入する側の端部は前記第２の凹部と互いに繋がっており、
   前記第１の凹部の前記冷媒が流出する側の端部と前記第２の凹部との間に堰部が設けられ、
   前記堰部により前記第１の凹部の前記冷媒が流出する側の端部は前記第２の凹部とは互いに繋がっていないことを特徴とする電子機器の冷却器。

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