JP5412511B2 - 電子素子用の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子素子またはそのアセンブリの冷却に好適な冷却装置に関する。冷却装置は、ハウジングと少なくとも１つのハウジングの内部に形成され冷媒が流れる冷却チャネルを含み、ハウジングの冷却用熱伝達壁に冷却する電子素子が接しており、冷却チャネルの熱伝達壁に沿って冷媒がガイドされる冷却装置に関する。

電子素子の電力消費量と発熱量は関連電力に比例しない。電子素子は次第に小型化しつつあるが、除去しなければならない熱量は次第に増加している。小型化によって電子素子が占める空間は減るが、発熱量は大きくなることも事実である。冷却ファンの場合には、複雑な大型冷却体だけが冷却効果を発生しうるため、電子素子に適用するには困難である。すなわち、空冷構造には限界がある。

新しい高性能プロセッサは、１０ｃｍ２当たり７０〜１００Ｗを伝達するので熱流密度が遥かに高い。プロセッサ製造業者らは、時間が経つほど廃熱が次第に増加すると予想する。この観点から、当業者であれば、冷媒として冷却液を利用しようとする。冷却液は、電子素子において熱を吸収するのにより効果的であるため、電力密度をより高めることができる。液体冷却装置を使えば、多くの電子素子に対してより小型のスイッチキャビネット（ｓｗｉｔｃｈ ｃａｂｉｎｅｔ）を達成することができる。液体冷却器はより静かに動作したりもする。

このような冷却装置が例えば、特許文献１に提案されているが、これには、半導体の冷却壁を横切って冷却チャネルにピン−ブロック（ｐｉｎ−ｂｌｏｃｋ）が設置される。このような金属ピンが冷媒の方向に対して横方向に冷却チャネルに分布しているため、電子素子と冷媒との間の熱伝達効果を高める。

既存の液体冷却体は、過去には適切であったが、現代のエネルギ消費量の大きい電子素子には不適切であるということが明らかになった。

「Ｓｈｏｗｅｒ Ｐｏｗｅｒ」という題名の特許文献２に記載された種類の冷却装置においては、３個の板をハウジング内に等間隔で配置して電子素子を冷却する冷媒案内器として使った。１番目の板にはノズル形状の複数の排出口が形成されているが、これらの排出口は板の間に形成された供給チャネルや排出チャネルに連結される。冷媒は供給チャネルを通して入口から入り、２番目の板の孔と１番目の板の排出口に連結された配管を通して分散してから、冷却版の下面に入って電子素子の熱を吸収して冷却効果を出す。

ノズル付きの案内器は、冷却液を半導体金属面に横方向にガイドしながら、ある程度までは熱伝達量を増加させるが、入出口ノズルが複雑な構造を有するので製作に問題が多い。また、このような冷却装置は、部品数が多いため、組み立てや維持管理に相当多くの時間が必要となる。

米国特許出願公開第２００８／００６６８８８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４３０００号明細書

本発明は、このような問題点を考慮して導き出されたものであり、本発明の主な目的は、以上で説明したような問題点を解決しつつも、可能な限り小型で、冷却構造がより効果的でありながらも軽量でデザインが簡単な冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、冷媒が流れる少なくとも1つの冷却チャネル（６）がハウジング（３）内部に形成され、前記ハウジング（３）の冷却用熱伝達壁に冷却する電子素子（２）が接していながら、前記冷却チャネル（６）の熱伝達壁（７）に沿って冷媒がガイドされる冷却装置であって、冷媒案内器（１１）は複数の溝（１２）と複数のインサート（１３）とからなり、前記各溝（１２）は前記冷却チャネル（６）を横切る方向に前記熱伝達壁（７）に分散され、入口が前記冷却チャネル（６）に向かっており、前記各インサート（１３）は、前記各溝（１２）に１つずつ挿入され、冷媒が流れる各内部チャネル（１４）を有し、前記各溝（１２）の内壁面と前記各インサート（１３）の外壁面との間には前記各内部チャネル（１４）と通じながら冷媒が流れる各外部チャネル（１５）が形成され、前記各内部チャネル（１４）と通じる前記各インサート（１３）の各入口（２０）がそれぞれ傾斜した引き込み面（１９）をなし、前記各傾斜した引き込み面（１９）は、集まって前記冷却チャネル（６）の長さ方向に共通の連続的な１つの傾斜面をなし、前記傾斜面は、前記冷却チャネル（６）を上流側と下流側とに分離し、前記各内部チャネル（１４）は、前記傾斜面の上流側の前記冷却チャネル（６）から冷媒が流入し、前記各外部チャネル（１５）は、前記傾斜面の下流側の前記冷却チャネル（６）に冷媒が流出すること、を特徴とする。

本発明の冷却装置の第１実施形態の縦断面図である。 図１の部分断面図である。 図１の熱伝達壁とインサートの関係を示す断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 本実施形態におけるインサートの配列を示す図である。 本発明の冷却装置の第２実施形態の縦断面図である。 図６の部分拡大断面図である。 インサートが結合された状態の斜視図である。 図８の例の変形例であり、下部斜視図である。 図８の例の変形例であり、底面図である。 図８の例の変形例であり、図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。 図８の例の変形例であり、側面図である。 図８の例の変形例であり、側面斜視図である。 図８の例の変形例であり、平面斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１〜図５に示された冷却装置１は、半導体や整流器のような電子素子２を冷却するためのものである。冷却装置１のハウジング３内に形成された少なくとも１つの冷却チャネル６の入口４から出口５側に冷媒が流れる。冷却チャネル６の入口４と出口５に他の配管が連結され、この配管を通して冷媒が出入りする。この場合、冷媒として水とグリコールが５０：５０で混合されたものを選択し、一般的に冷媒の流量は分当たり６リットルとする。

電子素子２はハウジング３の熱伝達壁７に当接するように設置される。本実施形態では、熱伝達壁７はアルミニウムからなり、下流側の冷却区域８は熱伝達壁の厚さがより厚い。図１に示すように、電子素子２の底面全体が熱伝達壁７の平たい上面９に置かれる。

冷却チャネル６における冷媒方向が図１に矢印１０で示されている。冷却チャネル６内には、冷媒を熱伝達壁７に沿って分散させてガイドする冷媒案内器１１が設けられる。冷媒案内器１１は複数の溝１２と複数のインサート１３とからなり、溝１２は冷却チャネル６に横方向に分散して熱伝達壁７に直角で形成され（図２参照）、インサート１３は冷媒を溝１２内に入れるための少なくとも1つの内部チャネル１４を有する（図３参照）。内部チャネル１４に連結された少なくとも１つの外部チャネル１５が溝１２とインサート１３との間に形成され、ここに冷媒が流れる。冷媒の流れ方向が上方へ曲げられるのが図１、３に矢印１６で示されている。

熱伝達壁７の下面１７にはドリルで垂直溝１２が形成され、この溝は一側が塞がったブラインドホール形状である。これらの溝の端部は頂角１８が１２０度程度である円錘形が好ましいが、球形や他の形状を有してもよい。

ブラインドホールタイプの垂直溝１２の直径が図３にＤ１で示されており、その値は５ｍｍ程度である。本発明の冷却装置１において、インサート１３は外径Ｄ２が４ｍｍ程度の管状要素である。溝１２と同軸インサート１３との間のチャネル１５は幅０．５ｍｍ程度の環状間隙である。溝１２の間の間隔２３は６ｍｍ程度である。冷却区域８内の熱伝達壁７の厚さ２４は１４ｍｍ程度である。

図１と３から分かるように、冷却チャネル６に通じるインサート１３下端部の入口２０が傾斜し、傾斜引き込み面１９をなし、各々のインサート１３の入口２０は隣接する他のインサート１３の入口とは互いにずれるように、すなわち千鳥状に配列される。好ましくは、各々のインサート１３の各々の傾斜引き込み面１９が集まって、冷却チャネルの長さ方向に共通の連続的な形態の１つの傾斜面をなす。

図示された実施形態のインサート１３はプラスチックからなることがよく、複数のインサートが結合して傾斜引き込み面１９が１つの傾斜板２１をなすことがよい。隣接インサート１３は溝１２の外部に位置する強化リブ（２２；ｒｉｂ）を介して互いに連結され、このために管状要素であるインサート同士の間に冷間側連結チャネルが形成される。その結果、プラスチックからなるインサート部分の製造が容易であり、インサートの安定性が改善された「支持構造」が形成される。強化リブ２２は隣接管状インサート１３の間の隔壁の役割もする。

前述した従来技術の「Ｓｈｏｗｅｒ Ｐｏｗｅｒ」のように、複雑な入出口ノズルの代わりに、本発明においては、熱伝達壁に簡単に直角で溝を形成しさえすればよい。すなわち、冷却区域８に沿って形成された複数の溝１２と同軸で設置された管状インサート１３の助けによって溝１２に冷媒が容易に出入りすることができる。

このように溝にインサートが結合された構造により、冷媒が入口２０を通してインサート１３のチャネル１４に入って上方に流れた後、円錘形上端部において方向を変えて溝の壁面とインサートとの間の環状チャネル１５を通して流れて下方へ抜け出し、水平方向の冷媒本流に合流する。このように加熱された冷媒流れが図１と図６に破線矢印で示されている。

図１と図３によれば、冷却チャネル６内のインサート１３の長さは傾斜板２１に沿って内側に行くほど増加し続ける。このような構造のため、全体インサートに流れる流量が均一に分散し、全区域において水平方向の流動速度が一定に維持されるという点で、この構造は非常に重要な特徴である。

電子素子２の組み立てのために、熱伝達壁７は比較的に厚くなければならず、このため、冷却区域８の厚さは特に３０〜５０％程度より厚くする。しかし、ハウジング３を製作する間に溝１２を作っておけば材料追加費を節減することができる。

本発明によれば、比較的に大きいブラインドホールを利用し、相対的に薄くて表面積が広い水膜が形成され得、具体的には、ブラインドホールの間の薄い環状間隙によって形成される。このため、断面が大きくて非常に薄い水膜形態の層流によって熱伝達は向上し、圧力降下は非常に小さくなる。また、ハウジングのブラインドホールに用いられるインサートを安価なプラスチックで製作するので経済的である。

このような方式により、既存の「ピン−ブロック」装置に比べ、構造の高さを低くしながらも、熱伝達効果はより改善することができる。高さを低くしても、機械的安定性が相当良くなるため、例えば、半導体モジュールと冷却構造との間の熱伝達特性が改善される。冷却効果そのものについて言えば、冷媒が半導体に非常に近く流れながらも、金属冷却構造の熱容量が大きいため、乾式運転特性（ｄｒｙ−ｒｕｎｎｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）が良くなる。

また、このような構造では熱をより分散させることができる。例えば、チップの下方の溝が互いにより近く配置されているので熱集中を避けられる。

また、垂直冷却管を通して圧力を確実に伝達しようとすれば、インサート１３の内部チャネル１４の断面積が環状間隙である外部チャネル１５の断面積と同じであるか大きくなければならない。すなわち、外部チャネル１５である環状間隙における流速はインサート１３の内部チャネル１４における流速より大きくしなければならない。したがって、外部チャネルである環状間隙の断面積は熱伝達に直接的な影響を及ぼすため、内部チャネルの断面積より小さくすることが好ましい。

インサート１３の入口２０の引き込み面１９のために流入冷媒に圧力が増加し得る。特に、全ての入口２０にかけて圧力と流速が均一に分散されるということが重要である。シミュレーションによれば、流速が１ｍ／ｓ未満と小さいため、冷媒チャネルにおいて特別な圧力降下が全く検知されないということは本発明の驚くべき効果である。

一方、インサートのデザインにより、インサートの入口２０を通してインサート１３内へは常に冷たい冷媒が流れ込み、熱くなった冷媒は常にインサートの入口２０へは入らず、環状間隙である外部チャネル１５から出るようになる。

本発明の他の特徴は、実際に冷却器の役割をするブラインドホールが形成された熱伝達壁７をアルミニウム合金で製作することができるため、機械的安定性と熱伝達特性が改善され、このために半導体モジュールとの熱伝達接触面積を大きく増加させることができるということである。これと同時に、冷却される熱伝達壁７の上面９の真下の数分の１ミリメートルまでに冷媒が到達するため、冷媒と冷却するモジュールとの間の温度差が非常に小さくなる。本発明者のシミュレーションによれば、ブラインドホールの端部が１２０度の円錘形であるので非常に良い結果が得られた。

図４、図５は溝１２とインサート１３の他の配列を示す。インサート１３の外部断面は六角形である。このようなインサート１３は、ブラインドホール形態の溝１２の中に六角形形態で位置する。このようなハチの巣状の六角形構造のために単位面積当たり孔数を最大限多く確保することができる。隣接溝１２の間の最小間隔は約５．２ｍｍである。したがって、冷却用本体に可能な最も短い側面熱通路が形成される。流動性に及ぼす影響が小さくなる他にも、冷却媒質の冷温両側が傾斜引き込み面１９によって完全に分離される（図３参照）。このために冷たい冷媒だけがインサートの内部チャネル１４に入ることができる。

図６〜図８は本発明の冷却装置１の他の実施形態を示す。同一部分は同じ番号を付する。この実施形態の構造と機能は図１〜図５の第１実施形態と相当類似するが、冷却用熱伝達壁７がハウジング３内部の冷却チャネル６の下面を形成し、熱伝達壁７の上面９から下方へ垂直にブラインドホール形態の溝１２が形成されるという点で違いがある。また、管状のインサート１３も溝の上方から溝に挿入され、外部に環状間隙形態の長いチャネル１５を形成する。熱伝達壁７の平たい下面１７に電子素子２が設置される。

図６、図７によれば、傾斜板２１の下端部に急傾斜ベベル面２５が配置される。実験によれば、小さいステップ（ｓｔｅｐ）形態の急傾斜ベベル面２５は、最も短い長さの１番目の外部チャネル１５の開始断面積を拡張して流体をより均一に分散させる役割をするので非常に重要である。このような観点から見れば、ブラインドホールが底面のより後側から始めるようにするのも考慮する価値がある。

図８は、傾斜板２１と下端部ベベル面２５が組み合わせられたインサート１３の一例の斜視図である。インサートの間のリブ２２は全てプラスチックで一体に形成される。

図９〜図１４は図８のプラスチックインサート部分の実施形態であり、同一部分には同じ番号を付する。分散しているインサート入口は引き込みチャネルの中に位置し、インサート入口の壁高さが異なる点が大きな違いである。このように入口壁高さが異なり、インサートの入口部分が傾斜していないのに、前述した実施形態の傾斜した入口孔と同じ効果を出す。冷媒が入ってくるチャネル入口側が全体的に傾斜した入口の役割をする。

本発明の最も重要な長所は下記の通りである。
−冷却力の均一な分散
−目的指向型冷却構造、すなわち発熱量が高いところにより効果的な冷却をするようにする
−横方向熱流可能
−冷却用熱伝達壁を補強しなくても十分な孔を確保
−射出成形のような鋳造法により、「大きい」構造（例；５．２ｍｍ程度）が実現可能
−経済的なプラスチック部品が可能
−（流入量と偏向なしで）水だけで５ｈＰａ程度のサイフォン（ｓｉｐｈｏｎ）式圧力降下が可能
−冷媒と半導体間の間隔を減らして冷媒と半導体との間の熱伝達効果を改善
−有効アルミニウム断面積の増加
−アルミニウム−水作用面のサイズ増加
−冷却チャネルの流れない水区域（ｄｅａｄ ｗａｔｅｒ ｚｏｎｅ）の防止
−たるみに対する高い機械的強度

本発明の冷却装置１は、既存の装置に比べ、同一の流量と圧力降下によっても冷媒と冷却部との間に卓越した熱伝達効果を示す。また、ミリングの代わりにドリリング、ダイキャスティングの代わりにサンドキャスティング工法を採択して製作が簡単となる。インサート１３を利用するため、直径５ｍｍ程度の大きいブラインドホールの代わりに０．５ｍｍ厚さの環状間隙によって非常に精密な流量分散が可能である。「類似する大きい寸法の寸法差」原理をここにも活用することができる。すなわち、直径５ｍｍの孔に直径４ｍｍのインサートチューブを嵌めて環状間隙を作るのである。環状間隙の大きさは（５−４）／２＝０．５ｍｍであって、孔の直径の１／１０しかならない。したがって、２個の大型構造から精密構造が得られる。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。

１ 冷却装置、２ 電子素子、３ ハウジング、４ 入口、５ 出口、６ 冷却チャネル、７ 熱伝達壁、８ 冷却区域、９ 上面、１０ 矢印(冷媒の流れ方向)、１１ 冷媒案内器、１２ 溝、１３ インサート、１４ 内部チャネル、１５ 外部チャネル、１６ 矢印、１７ 下面、１８ 頂角、１９ 引き込み面、２０ 入口、２１ 傾斜板、２２ リブ、２３ 間隔、２４ 厚さ、２５ ベベル面、Ｄ１ ブラインドホールタイプの垂直溝１２の直径、Ｄ２ 外径。

Claims (8)

1. 冷媒が流れる少なくとも1つの冷却チャネル（６）がハウジング（３）内部に形成され、前記ハウジング（３）の冷却用熱伝達壁に冷却する電子素子（２）が接していながら、前記冷却チャネル（６）の熱伝達壁（７）に沿って冷媒がガイドされる冷却装置であって、
   冷媒案内器（１１）は複数の溝（１２）と複数のインサート（１３）とからなり、前記各溝（１２）は前記冷却チャネル（６）を横切る方向に前記熱伝達壁（７）に分散され、入口が前記冷却チャネル（６）に向かっており、
   前記各インサート（１３）は、前記各溝（１２）に１つずつ挿入され、冷媒が流れる各内部チャネル（１４）を有し、
   前記各溝（１２）の内壁面と前記各インサート（１３）の外壁面との間には前記各内部チャネル（１４）と通じながら冷媒が流れる各外部チャネル（１５）が形成され、
   前記各内部チャネル（１４）と通じる前記各インサート（１３）の各入口（２０）がそれぞれ傾斜した引き込み面（１９）をなし、前記各傾斜した引き込み面（１９）は、集まって前記冷却チャネル（６）の長さ方向に共通の連続的な１つの傾斜面をなし、
   前記傾斜面は、前記冷却チャネル（６）を上流側と下流側とに分離し、
   前記各内部チャネル（１４）は、前記傾斜面の上流側の前記冷却チャネル（６）から冷媒が流入し、
   前記各外部チャネル（１５）は、前記傾斜面の下流側の前記冷却チャネル（６）に冷媒が流出すること、
   を特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   隣接する前記インサート（１３）の前記入口（２０）を有する傾斜した前記引き込み面（１９）が互いにずれるように千鳥状に配置され、冷媒流れ方向に行くほど前記冷却チャネル（６）の壁面が次第に厚くなることを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置であって、
   前記熱伝達壁（７）に形成された前記溝（１２）が熱伝達壁面に垂直であり、一方が塞がったブラインドホール形態であることを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   前記インサート（１３）は管状要素であることを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   前記溝（１２）と前記インサート（１３）との間の前記外部チャネル（１５）が環状間隙形態を有することを特徴とする冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   前記複数のインサート（１３）がプラスチック材料で一体に製作され、複数の前記インサート（１３）の傾斜した前記引き込み面（１９）が結合されて共通の傾斜板（２１）を提供し、隣接する前記インサート（１３）が前記溝（１２）の外部にあるリブ（２２）によって互いに連結されることを特徴とする冷却装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   前記外部チャネル（１５）の断面積が前記内部チャネル（１４）の断面積と同じであるか小さいことを特徴とする冷却装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   冷媒の流れ方向（１０）から見た時の最初の前記インサート（１３）の前記傾斜引き込み面（１９）の前に冷媒の流れをより均一に分散させるためのステップとしてベベル面（２５）が形成されることを特徴とする冷却装置。
   

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