KR102540540B1 - 비등 냉각 장치 - Google Patents

비등 냉각 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102540540B1
KR102540540B1 KR1020180093467A KR20180093467A KR102540540B1 KR 102540540 B1 KR102540540 B1 KR 102540540B1 KR 1020180093467 A KR1020180093467 A KR 1020180093467A KR 20180093467 A KR20180093467 A KR 20180093467A KR 102540540 B1 KR102540540 B1 KR 102540540B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat
power semiconductor
heat sink
grooves
heat dissipation
Prior art date
Application number
KR1020180093467A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190134438A (ko
Inventor
미치아키 히요시
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Publication of KR20190134438A publication Critical patent/KR20190134438A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102540540B1 publication Critical patent/KR102540540B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

Abstract

열유속을 향상시켜, 방열 성능을 개선할 수 있는 비등 냉각 장치를 제공한다.
수직으로 배치된 파워 반도체와, 파워 반도체의 좌우 양면에 설치되는 방열판과, 파워 반도체의 좌우 양측에 설치되고, 방열판을 덮는 수열 재킷과, 수열 재킷 내에 충전되고, 방열판에 직접 접촉하는 냉매와, 수열 재킷과 왕로관과 복로관으로 연결되는 응축기와, 방열판의 방열면에 형성되고, 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈을 구비하고, 상기 파워 반도체의 열에 의해, 방열면에 마련한 미세 세로 홈에 의해 기포의 생성을 촉진하고, 생성된 기포는 상승하여 왕로관을 지나 응축기에 이르러, 액체가 되어 복로관에서 다시 상기 수열 재킷으로 되돌아온다.

Description

비등 냉각 장치{BOILING COOLING SYSTEM}
본 발명은 비등 냉각 장치와 관련되고, 보다 자세하게는, 차량 적재용의 파워 반도체를 효율적으로 냉각할 수 있는 비등 냉각 장치에 관한 것이다.
도 14는 종래의 양면 냉각형 파워 반도체의 예를 나타내는 도면이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 파워 반도체(1)는 인버터 등의 전력 제어에 사용되고 발열하므로, 상하에 강제 대류의 냉매(3)가 수냉 튜브(2)에 충전되고 파워 반도체(1)를 양측으로부터 냉각한다. 이 구성에서는, (1) 파워 반도체와 수냉 튜브의 사이에 열전도 윤활유(4)가 있으므로 방열이 제약된다. 열전도 윤활유(4)의 열전도율은 약 3 W/mK로 낮기 때문이다. (2) 또한, 수냉 튜브(2)의 핀은 복잡한 형상으로 하면 압력 손실의 증대를 수반하기 때문에, 수냉 튜브와 냉매(3) 간의 열저항 저감에는 한계가 있다. (3) 냉매(3)의 순환량을 늘리면 열저항은 저하하지만, 펌프 용량의 증대가 필요하고, 코스트면 및 수납 스페이스에 제약이 있다. (4) 그 때문에, 펌프리스로 고방열이 가능한 비등 냉각 방식이 기대되고 있지만, 비등에 의한 한계 열유속이 180W/cm2 정도의 값(도 9 참조, 순수한 물의 냉매)에 머문다. (5) SiC－MOSFET 등의 차세대 소자는, 칩 면적이 보다 작아지므로, 지금까지의 한계 열유속으로는 충분하지 않고, 한계 열유속을 500(W/cm2) 정도로 향상시키는 것이 요구되고 있다.
특허 문헌 1에 개시된 전자 장치의 냉각 시스템은, L형의 기화 촉진판(313)을 반도체 디바이스(200) 상의 열전도 윤활유(210)를 개재하여 설치하고 수열 재킷으로 덮고, 내부에 냉매의 물(Wa)을 순환시키고 있다. 냉매는, 감압하에서 반도체 디바이스(200)의 열에 의해 비등하고 증발하고, 응축기(320)로 인도되고, 냉각 팬에서 냉각되고, 액체가 되어 다시 수열 재킷에 되돌려진다. 기화 촉진판은 동판으로 이루어지고, 표면에 0.2mm×0.2mm의 미세한 각공(角孔)이, 종횡으로 피치 0.5mm간격으로 다수 설치된다. 각공의 냉매가 비등하면 기화하여 열을 빼앗는다. 그렇지만, 기화 촉진판의 수평면에서 발생한 기포는 크게 성장하기 쉽다. 또한 L형의 기화 촉진판의 수직면은, 냉매의 액면보다 위의 부분에서의 부착 냉매를 기화시키는 것으로, 모두 기포의 지름 억제나 기포 정류의 기능은 없다.
특허 문헌 2에 개시된 비등 냉각기는, 가로 놓인 반도체소자(H)가, 상하의 양측에 배치된 비등 냉각기(M)로 냉각된다. 비등 냉각기(M)는 내부에 액체 냉매(3A)와 기체 냉매(3B)를 가지고, 액체 냉매(3A) 내에는, 반도체소자(H)의 열로 기포를 발생시키는 다공질체(5)와, 이것을 둘러싸는 부착부(4)가 설치된다. 연통 구멍(8)에서 발생시킨 기포는, 부착부(4)의 기체 유로(6)을 지나 상승한다. 그러나, 기포가 연통 구멍(8) 내와 수평인 기체 유로(6)를 지나므로, 기포가 순조롭게 배출되기 어렵고, 냉각 효과가 저하하는 드라이 아웃(또는 번 아웃)이 되는 경우가 있다.
(특허 문헌 1) 일본국 공개 특허 2011－47616호 공보 (특허 문헌 2) 일본국 공개 특허 2013－155925호 공보
본 발명의 목적은, 열유속을 향상시켜 방열 성능을 개선할 수 있는 비등 냉각 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 비등 냉각 장치는 수직으로 배치된 파워 반도체와, 상기 파워 반도체의 좌우 양면에 설치되는 방열판과, 상기 파워 반도체의 좌우 양측에 설치되고, 상기 방열판을 덮는 수열 재킷과, 상기 수열 재킷 내에 충전되고, 상기 방열판에 직접 접촉하는 냉매와, 상기 수열 재킷과 왕로관과 복로관으로 연결되는 응축기와, 상기 방열판의 방열면에 형성되고, 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈이 구비되고, 상기 파워 반도체의 열에 의해, 상기 방열면의 상기 미세세로 홈에 기포가 생성되어 상승하고, 상기 왕로관을 지나 응축기에 이르러, 액체가 되어 복로관에서 다시 상기 수열 재킷으로 되돌아오는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 다른 비등 냉각 장치는, 수직으로 배치된 파워 반도체와, 상기 파워 반도체의 좌우 양면에 설치되는 방열판과, 상기 파워 반도체의 좌우 양측에 설치되고, 상기 방열판을 덮는 수열 재킷과, 상기 수열 재킷 내에 충전되고, 상기 방열판에 직접 접촉하는 냉매와, 상기 수열 재킷과 왕로관과 복로관으로 연결되는 응축기와, 상기 방열판의 방열면에 형성되고, 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈과, 상기 미세 세로 홈에 교차하고, 수평 방향으로 늘어나는 복수의 미세 가로 홈으로 이루어지는 메쉬 형상 홈이 구비되고, 상기 파워 반도체의 열에 의해, 상기 방열면이 마련된 상기 메쉬 형상 홈에 의해 기포의 생성을 촉진하고, 생성된 기포는 상승하여 상기 왕로관을 지나 응축기에 이르러, 액체가 되어 복로관에서 다시 상기 수열 재킷으로 되돌아오는 것을 특징으로 한다.
상기 미세 세로 홈은, 50μm 이하의 홈 폭인 것을 특징으로 한다.
상기 미세 세로 홈은, 상기 방열면에 대한 레이저 가공에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 비등 냉각 장치에 의하면, 방열판에 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈을 마련했으므로, 기포의 성장을 억제할 수 있고, 보다 작은 지름의 기포로 유지할 수 있다. 작은 기포는 유로 내 및 응축기에서 액화하기 쉽다. 또한, 기포가 수직 방향으로 상승하므로, 열유속을 향상할 수 있고, 한쪽 편에서 열유속이 250W/cm2 정도로 할 수 있고, 파워 반도체의 양측을 합치면 500W/cm2 정도로 할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 비등 냉각 장치에 의하면, 방열판의 방열면에, 미세 세로 홈과 교차하는 방향으로 늘어나는 복수의 미세 가로 홈을 구비한 메쉬 형상 홈에 의해, 냉매와의 접촉 면적이 한층 더 증가하여, 기포가 증가할 수 있고, 상기 미세 세로 홈을 마련한 경우와 동등 이상의 효과를 얻을 수 있다.
미세 세로 홈은, 50μm 이하의 홈 폭으로 하였으므로, 작은 기포를 생성할 수 있다. 작은 기포와 큰 기포에서는, 큰 기포는 상승 속도가 빠르지만, 응축에는 작은 기포가 효율이 좋다. 즉 방열 성능을 향상할 수 있다.
미세 세로 홈은 방열면에 대한 레이저 가공에 의해 형성하였으므로, 에칭과 비교하여 마스크가 불필요하고, 약간 엉성함이 있지만 간단하게 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 비등 냉각 장치의 구조도이다.
도 2는 방열판의 홈을 1 방향으로 향한 트렌치 가공의 예이다.
도 3은 방열판의 홈을 메쉬(격자) 형상으로 한 트렌치 가공의 예이다.
도 4는 방열판의 표면의 기포의 발생 상황을 나타내는 설명도이다. (a)는 홈이 수직 방향을 향하고 있는 경우, (b)는 홈이 수평 방향을 향하고 있는 경우를 ㄷ도시한다.
도 5는 도 1의 방열판의 방열면의 단면을 도시하는 현미경 사진이다.
도 6은 열유속과 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 한계 열유속을 정리한 표이다.
도 9는 방열 성능을 측정하는 평가 기구의 설명도이다.
도 10은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 12는 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 13은 과열도와 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 14는 과열도와 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 15는 종래의 양면 냉각형 파워 반도체의 예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여, 본 발명의 비등 냉각 장치를 자세하게 설명한다.
(실시예)
도 1은 본 발명에 의한 비등 냉각 장치(100)의 구조도이다. 파워 반도체(10)는 전력 제어용의 소자로, 교류를 직류로 하는 정류회로나, 직류를 교류로 하는 인버터 회로나, 전압을 승압하는 승압 회로 등에 사용된다. 발열량이 크기 때문에, 냉각이 필요하다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 파워 반도체(10)의 좌우의 방열면이 수직인 면이 되도록 배치한다. 파워 반도체(10)의 좌우 양면에는, 세라믹 기판(DBC 기판(5, 14, 13)이 설치된다. DBC 기판은 Direct Bonded Copper 기판의 약어로, 동회로 첨부의 세라믹 절연 기판을 가리킨다. 세라믹 기판(5, 14, 13)의 일측(외측 5)이 방열면이 된다. 방열면에는, 트렌치 가공이 실시되어진다. 파워 반도체(10)의 좌우 양측에는, 방열판(5)을 덮도록 수열 재킷(8, 8)이 설치된다. 수열 재킷(8)은 알루미늄제이다. 수열 재킷(8)과 파워 반도체(10)는 O링 봉지, 땜납 또는 소결로 방열판(5)을 봉하도록 결합된다. 수열 재킷(8)의 내부에는, 순수 또는 부동액의 냉매(3)가 충전된다. 냉매(3)는 방열판(5)의 방열면에 직접 접촉한다. 이것에 의해, 열이 방열판(5)으로부터 냉매(3)에 직접 전달된다. 파워 반도체(10)가 발열하면, 방열판(5)의 방열면에는 기포(7)가 발생한다. 기포(7)는 수직 방향으로 상승한다. 여기서 수열 재킷(8, 8)은, 왕로관(11)과 복로관(12)에서 수냉의 응축기(6)에 연결되어 있다. 기포(7)을 포함한 고온의 냉매(3)가 왕로관(11)을 통과하여 응축기(6)로 이동하고, 응축기(6)에서 냉각되어 기포(7)가 액체로 되돌아오고, 복로관(12)에서 수열 재킷(8, 8)으로 되돌아온다. 응축기(6)에서 열교환된 냉각수(9)는, 온도가 약 65℃로 상승한다. 왕로관(11)은 고온의 냉매(3)가 이동하고, 복로관(12)은 열교환되어 온도가 내린 냉매(3)가 이동한다. 냉매(3)는 자연 대류로 이동(또는 순환)할 수 있다. 즉, 펌프 없이도 동작할 수 있다. 이것에 한정되지 않고, 토출 유량의 작은 펌프를 마련하여, 냉매(3)를 순환시켜도 좋다.
(실시예 1)
도 2는 방열판(5)의 홈(15)을 1 방향으로 향한 트렌치 가공의 예이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 홈(15)은 단면이 V형의 V자 홈이고, 홈 폭(V자형의 정수리부의 폭)은, 구간폭(V자형의 정수리부(우측)에서 근처의 V자형의 정수리부(좌측)까지)보다 작게 했다. 「위」에서 가리키는 방향이 수직 방향이므로, 홈(15)이 수직 방향으로 늘어나는 미세 세로 홈(15a)으로 이루어지는 방열판(5)으로 할 수 있다. 또한, 「앞」에서 가리키는 방향을 수직 방향으로 하면, 홈(15)이 미세 가로 홈(15b)이 된다.
(실시예 2)
도 3은 방열판(5)의 홈을 메쉬(격자) 형상으로 한 트렌치 가공의 예이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 홈(15)은 단면이 V형의 V자 홈이고, 홈 폭(V자형의 정수리부의 폭)은, 구간폭(V자형의 정수리부(우측)에서 근처의 V자형의 정수리부(좌측)까지)보다 작게 했다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 「위」에서 가리키는 방향이 수직 방향이므로, 홈(15)이 수직 방향으로 늘어나는 미세 세로 홈(15a)과, 수평 방향으로 늘어나는 미세 가로 홈(15b)으로 이루어지는 방열판(5)으로 될 수 있다. 방열판(5)의 샘플은, 미세 세로 홈과 미세 가로 홈을 가지는 메쉬 형상 홈을 가지는 방열판 샘플 A와, 미세 세로 홈을 가지는 방열판 샘플 B와 미세 가로 홈을 가지는 방열판 샘플 C와, 홈 없는 방열판 샘플 D를 사용하여 방열 평가를 행하였다. 또한, 부동액의 냉매(3)는 에틸렌글리콜을 30%(중량%)로 하였다. 에틸렌글리콜은 물에 녹기 쉬워 부동액으로서 자주 사용된다.
도 4는 방열판(5) 표면의 기포(7)의 발생 상황을 도시하는 설명도이다. (a)는 홈(15)이 수직 방향을 향하고 있는 경우, (b)는 홈(15)이 수평 방향을 향하고 있는 경우를 도시한다. (a), (b)에 도시하는 바와 같이, 홈(15) 내에서 발생한 기포(7)는 홈 폭으로 기포의 지름이 억제되고 작은 기포가 된다. 이 때문에 응축하기 쉽고, 방열 성능을 향상할 수 있다. 열유속(W/cm2)도 크게 할 수 있다. (a)에 도시하는 바와 같이, 홈(15)이 수직 방향의 미세 세로 홈(15a)인 경우, 기포(7)의 흐름이 정류되고, 평면부의 기포와의 합체가 없다. (b)에 도시하는 바와 같이, 홈(15)이 수평 방향의 미세 가로 홈(15b)인 경우, 기포(7)의 흐름이 평면부의 기포와 혼합되어 기포가 커지기 쉽다. 열유속은 기포(7)의 성장이 억제되는 (a)에 도시하는 수직 방향을 향한 미세 세로 홈이 우위에 있다. 열유속을 향상시키려면, 수직 방향으로 미세 세로 홈을 형성하는 것이 효과적이다.
도 5는 도 1의 방열판(5)의 방열면의 단면을 도시하는 현미경 사진이다. 트렌치 가공에는, 레이저를 사용하였다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 구간 피치가 약 150μm, 홈 깊이가 약 80μm, 홈 폭이 약 30μm로 하였다. 도 4의 예에서는, 한방향의 단면 밖에 나타내지 않지만, 홈 패턴은 메쉬 형상으로 형성하였다. 메쉬 형상 홈은, 홈이 없는 방열면과 비교하여, 표면적이 약 2배로 증가하고, 열전달율이 약 2배로 개선된다.
도 6은 열유속과 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 7은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 8은 한계 열유속을 정리한 표이다. 이러한 그래프는, 메쉬 형상 홈, 미세 세로 홈, 미세 가로 홈, 홈 없음의 방열판을 시작하여, 평가한 결과이다. (1) 미세 가로 홈은, 홈 없음에 대하여, 열저항이 작고(도 7 참조), 방열 성능이 개선된다. 그러나, 한계 열유속은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 홈 없음이 147(W/cm2)에 대하여, 미세 가로 홈이 144(W/cm2)이며, 그다지 개선되지 않는다. (2) 미세 세로 홈은, 홈 없음이나 미세 가로 홈에 대하여, 열저항이 한층 더 작고(도 6 참조), 방열 성능이 개선된다. 또한, 한계 열유속은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 175(W/cm2)이며, 크게 개선된다. (3) 메쉬 형상 홈은, 열저항이 한층 더 작고(도 7 참조), 한계 열유속은 185(W/cm2)이며, 방열 성능과 한계 열유속의 양쪽 모두가 개선된다. 이것들로부터, 미세 세로 홈을 포함하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다. 방열 성능과 한계 열유속을 향상시키려면, 연직 방향으로 미세 세로 홈을 고밀도로 마련하면 좋다는 것을 알 수 있다. 또한. 도 6, 도 7에서 그래프 오른쪽 위의 화살표가, 각 홈에 대응한 한계 열유속의 위치이다.
도 9는 방열 성능을 측정하는 평가 기구의 설명도이다. (a)에 도시하는 바와 같이, 평가 기구(50)는 500W의 히터(16)와 동(銅) 블록(17)과, 백라이트 단열판(18)과, 알루미늄 재킷(19)으로 이루어진다. 알루미늄 재킷(17) 내에는 냉매(25)가 충전된다. 또한, 알루미늄 재킷(17)과 백라이트 단열판(18)은, 씰 링(20)으로 씰 되어 나사(21)로 고정된다. (b)는 (a)의 A－A 단면도이며, 단면(22)은 종횡이 1cm×1cm의 치수이다. 히터(16)로 열을 발생시키고, 1cm×1cm의 방열면을 부동액의 냉매(3)에 접촉시키고, 기포(7)를 발생시켰다. 각 점의 온도도 측정하였다.
도 10은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다. 평가 기구(50)를 사용하여, 냉매가 순수한 물의 경우 A와, 냉매(25)에 에틸렌글리콜 50%의 부동액의 경우 B와, 냉매(25)에 에틸렌글리콜 50%의 부동액이며, 또한, 동 블록의 방열면에 홈을 형성한 경우 C의 3개를 측정하였다. 순수한 물의 냉매와, 부동액의 냉매를 비교한다. (1) 에틸렌글리콜 50%의 부동액은 약간 점성이 있으므로, B는 A와 비교하여 번 아웃 하기 쉽다. 그래프 우측의 화살표가 번 아웃(한계 열유속점)을 나타낸다. (2) 일반적으로는 번 아웃 이하의 열유속으로 사용하므로, B는 냉각 성능을 떨어뜨리게 된다. (3) 그러나, C에 도시하는 바와 같이, 방열면에 홈을 마련하면, 부동액의 번 아웃에 의한 한계점을 순수한 물의 냉매에 접근할 수 있다. 즉, 방열면을 냉매에 직접 접촉시켜, 방열면에 트렌치 가공을 하는 것으로, 열저항을 개선할 수 있다.
도 11은 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다. 평탄한 방열면 또한 부동액 사용의 경우의 자연 대류와, 강제 대류를 비교했다. 도 12는 열유속과 열저항의 관계를 도시하는 그래프이다. 홈이 있는 방열면 또한 부동액 사용의 경우의 자연 대류와 강제 대류를 비교하였다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 평탄한 방열면에서 부동액 사용의 경우, 자연 대류의 것(한계 열유속, 열저항)은, (120 W/cm2, 0. 4K/W)이 되고, 강제 대류의 것(한계 열유속, 열저항)은, (210W/cm2, 0. 25K/W)가 된다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 홈이 있는 방열면에서 부동액 사용의 경우, 자연 대류의 것(한계 열유속, 열저항)은 (148W/cm2, 0. 2K/W)가 되고, 강제 대류의 것(한계 열유속, 열저항)은, (260W/cm2, 0. 12K/W)가 된다. 이와 같이, 방열면에 홈을 마련하면, 한계 열유속과 열저항을 큰 폭으로 개선할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 13은 과열도와 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다. 평탄한 방열면 또한 부동액 사용의 경우의 자연 대류와, 강제 대류를 비교하였다. 도 14는 과열도와 열전달율의 관계를 도시하는 그래프이다. 홈이 있는 방열면 또한 부동액 사용의 경우의 자연 대류와 강제 대류를 비교하였다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 평탄한 방열면에서 부동액 사용의 경우, 자연 대류의 열전달율의 최대는, 30KW/m2K가 되고, 강제 대류의 열전달율의 최대는, 47 KW/m2K)라고 읽을 수 있다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 홈이 있는 방열면에서 부동액 사용의 경우, 자연 대류의 열전달율의 최대는, 55KW/m2K가 되고, 강제 대류의 열전달율의 최대는, 100KW/m2K가 된다. 이와 같이, 방열면에 홈을 마련하면, 열전달율을 큰 폭으로 개선할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 파워 반도체를 효율적으로 냉각할 수 있으므로, 차량 적재용의 비등 냉각 장치로서 매우 적합하다.
1 : 파워 반도체 2 : 수냉 튜브
3 : 냉매 4 : 열전도 윤활유
5 : 방열판(DBC 기판의 외측) 6 : 응축기
7 : 기포 8 : 수열 재킷
9 : 냉각수 10 : 파워 반도체
11 : 왕로관 12 : 복로관
13 : 기판 또는 프레스기(DBC 기판의 외측)
14 : 절연체(DBC 기판의 세라믹)
15 : 홈 15a : 미세 세로 홈
15b : 미세 가로 홈 16 : 히터
17 : 동블록 18 : 백라이트 단열판
19 : 알루미늄 재킷 20 : 씰 링
21 : 나사 22 : 단면
25 : 냉매 50 : 평가 기구
100 : 비등 냉각 장치

Claims (4)

  1. 수직으로 배치된 파워 반도체와,
    상기 파워 반도체의 좌우 양면에 설치되는 방열판과,
    상기 파워 반도체의 좌우 양측으로 설치되고, 상기 방열판을 덮는 수열 재킷과,
    상기 수열 재킷 내에 충전되고, 상기 방열판에 직접 접촉하는 냉매와,
    상기 수열 재킷과 왕로관과 복로관으로 연결되는 응축기와,
    상기 방열판의 방열면에 형성되고, 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈과,
    를 구비하고 있고,
    상기 파워 반도체의 열에 의해, 상기 방열면에 마련한 상기 미세 세로 홈에 의해 기포의 생성을 촉진하고, 생성된 기포는 상승하여 상기 왕로관을 지나 응축기에 이르러, 액체가 되어 복로관에서 다시 상기 수열 재킷으로 되돌아오는 것을 특징으로 하는 비등 냉각 장치.
  2. 수직으로 배치된 파워 반도체와,
    상기 파워 반도체의 좌우 양면에 설치되는 방열판과,
    상기 파워 반도체의 좌우 양측으로 설치되고, 상기 방열판을 덮는 수열 재킷과,
    상기 수열 재킷 내에 충전되고, 상기 방열판에 직접 접촉하는 냉매와,
    상기 수열 재킷과 왕로관과 복로관으로 연결되는 응축기와,
    상기 방열판의 방열면에 형성되고, 수직 방향으로 늘어나는 복수의 미세 세로 홈과, 상기 미세 세로 홈에 교차하고, 수평 방향으로 늘어나는 복수의 미세 가로 홈으로 이루어지는 메쉬 형상 홈과,
    를 구비하고,
    상기 파워 반도체의 열에 의해, 상기 방열면이 마련된 상기 메쉬 형상 홈에 의해 기포의 생성을 촉진하고, 생성된 기포는 상승하여 상기 왕로관을 지나 응축기에 이르러, 액체가 되어 복로관에서 다시 상기 수열 재킷으로 돌아오는 것을 특징으로 하는 비등 냉각 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미세 세로 홈은, 50μm이하의 홈 폭인 것을 특징으로 하는 비등 냉각 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미세 세로 홈은, 상기 방열면에 대한 레이저 가공에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비등 냉각 장치.
KR1020180093467A 2018-05-24 2018-08-10 비등 냉각 장치 KR102540540B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018099850A JP7185420B2 (ja) 2018-05-24 2018-05-24 沸騰冷却装置
JPJP-P-2018-099850 2018-05-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190134438A KR20190134438A (ko) 2019-12-04
KR102540540B1 true KR102540540B1 (ko) 2023-06-05

Family

ID=68614006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180093467A KR102540540B1 (ko) 2018-05-24 2018-08-10 비등 냉각 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10685901B2 (ko)
JP (1) JP7185420B2 (ko)
KR (1) KR102540540B1 (ko)
CN (1) CN110530181A (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7456185B2 (ja) 2019-12-18 2024-03-27 富士電機株式会社 沸騰冷却器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011530195A (ja) * 2008-08-01 2011-12-15 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 熱交換構造およびそのような構造を備える冷却デバイス

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5265341A (en) * 1975-11-27 1977-05-30 Mitsubishi Electric Corp Heat radiation body
JPS5546331A (en) * 1978-09-25 1980-04-01 Borukano Kk Heat pipe
JPS61109143U (ko) * 1984-12-24 1986-07-10
JPS61176141A (ja) * 1985-01-31 1986-08-07 Fujitsu Ltd 固体集積回路部品の冷却装置
JPH073846B2 (ja) * 1986-07-14 1995-01-18 株式会社日立製作所 半導体装置
JP2001068611A (ja) * 1999-08-31 2001-03-16 Denso Corp 沸騰冷却器
JP3876593B2 (ja) * 2000-06-01 2007-01-31 富士電機システムズ株式会社 電子機器冷却装置
US6679315B2 (en) * 2002-01-14 2004-01-20 Marconi Communications, Inc. Small scale chip cooler assembly
CN2812497Y (zh) * 2005-06-15 2006-08-30 黄涛 电子镇流器的散热罩
JPWO2008090726A1 (ja) * 2007-01-24 2010-05-13 日本電気株式会社 熱交換装置
KR101007850B1 (ko) * 2008-07-25 2011-01-14 한국에너지기술연구원 히트파이프가 설치된 ａｍｔｅｃ장치
JP5210997B2 (ja) * 2009-08-28 2013-06-12 株式会社日立製作所 冷却システム、及び、それを用いる電子装置
KR101084349B1 (ko) * 2009-10-21 2011-11-17 주식회사 자온지 히트파이프형 방열장치의 제조방법
JP5702988B2 (ja) * 2010-01-29 2015-04-15 株式会社 日立パワーデバイス 半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置並びに半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法
CN102834688B (zh) * 2010-03-29 2015-07-15 日本电气株式会社 相变冷却器和设有该相变冷却器的电子设备
JP2013155925A (ja) 2012-01-30 2013-08-15 Toyota Motor Corp 沸騰冷却器
EP2645040B1 (en) * 2012-03-28 2017-06-21 ABB Research Ltd. Heat exchanger for traction converters
EP2703763A1 (en) * 2012-09-03 2014-03-05 ABB Technology AG Evaporator with integrated pre-heater for power electronics cooling
CN103344142B (zh) * 2013-06-05 2015-06-03 华南理工大学 一种具有分形槽-孔结构的均热板蒸发吸液芯及制造方法
US9968003B2 (en) * 2014-01-16 2018-05-08 Nec Corporation Cooling device and electronic device
JP6440822B2 (ja) * 2015-03-25 2018-12-19 三菱電機株式会社 冷却器、電力変換装置および冷却システム
WO2018051499A1 (ja) * 2016-09-16 2018-03-22 三菱電機株式会社 冷凍サイクル装置
US10224268B1 (en) * 2016-11-28 2019-03-05 CoolStar Technology, Inc. Enhanced thermal transfer in a semiconductor structure
US11252847B2 (en) * 2017-06-30 2022-02-15 General Electric Company Heat dissipation system and an associated method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011530195A (ja) * 2008-08-01 2011-12-15 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 熱交換構造およびそのような構造を備える冷却デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
CN110530181A (zh) 2019-12-03
JP2019204899A (ja) 2019-11-28
US20190363035A1 (en) 2019-11-28
JP7185420B2 (ja) 2022-12-07
US10685901B2 (en) 2020-06-16
KR20190134438A (ko) 2019-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6263959B1 (en) Plate type heat pipe and cooling structure using it
US8164902B2 (en) Electronic apparatus
CN1507767A (zh) 包含冷却基片的电子模块及相关方法
US20050088823A1 (en) Variable density graphite foam heat sink
US7782616B1 (en) Heat-dissipating component having stair-stepped coolant channels
CN108417546B (zh) 电力电子模块
EP3589102A1 (en) Heat transfer structure, power electronics module, cooling element, method of manufacturing a heat transfer structure and method of manufacturing a power electronics component
US20100218512A1 (en) Heat exchanger for thermoelectric applications
Ramakrishnan et al. Effect of system and operational parameters on the performance of an immersion-cooled multichip module for high performance computing
KR102540540B1 (ko) 비등 냉각 장치
WO2018137266A1 (zh) 毛细相变冷却器及其安装方法
JP4391351B2 (ja) 冷却装置
JP2008021697A (ja) 熱分散型放熱器
Yang et al. Immersion oil cooling method of discrete SiC power device in electric vehicle
EP2312661A1 (en) Thermoelectric assembly
CN106993393B (zh) 一种散热设备及终端
CN215269268U (zh) 一种集成式大功率散热模组
CN1601733A (zh) 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术
RU2621320C1 (ru) Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода
Chen et al. Thermal characterization analysis of IGBT power module integrated with a vapour chamber and pin-fin heat sink
KR101172679B1 (ko) 공기조화기의 실외기
RU2510732C2 (ru) Система охлаждения светодиодного модуля
RU205641U1 (ru) Устройство охлаждения
CN219698307U (zh) 应用于变频器的预埋热管散热装置
CN112243311B (zh) 电路板结构

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant