電子素子用の冷却装置
本発明は、冷媒が流れる冷却チャネル6がハウジング3の内部に形成され、ハウジング3の冷却用熱伝達壁7に冷却する電子素子2が接しており、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に関する。冷却装置において、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、溝12は冷却チャネル6を横切る方向に熱伝達壁7に分散され、入口が冷却チャネルに向かっており、インサート13は冷媒が流れる内部チャネル14を有し、溝12に1つずつ挿入され、溝12の内壁面とインサート13の外壁面との間には内部チャネル14と通じながら冷媒が流れる外部チャネル15が形成され、内部チャネル14と通じるインサートの入口20が傾斜した引き込み面19をなす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
「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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許出願公開第2008/0066888号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2005/0143000号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
このような目的のために、本発明の冷却装置の冷媒案内器は複数の溝と複数のインサートとからなり、これら溝は冷却チャネルを横切る方向に熱伝達壁に分散され、入口が冷却チャネルに向かっており、インサートは冷媒が流れる内部チャネルを有し、溝に1つずつ挿入され、溝の内壁面とインサートの外壁面との間には内部チャネルと通じながら冷媒が流れる外部チャネルが形成され、内部チャネルと通じるインサートの入口が傾斜した引き込み面をなす。このような隣接インサートの入口を有する傾斜した引き込み面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冷却チャネルの壁面が次第に厚くなる効果を出す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の冷却装置の第1実施形態の縦断面図である。
【図2】図1の部分断面図である。
【図3】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4】図1のIV−IV線断面図である。
【図5】本実施形態におけるインサートの配列を示す図である。
【図6】本発明の冷却装置の第2実施形態の縦断面図である。
【図7】図6の部分拡大断面図である。
【図8】インサートが結合された状態の斜視図である。
【図9】図8の例の変形例であり、下部斜視図である。
【図10】図8の例の変形例であり、底面図である。
【図11】図8の例の変形例であり、図10のXI−XI線断面図である。
【図12】図8の例の変形例であり、側面図である。
【図13】図8の例の変形例であり、側面斜視図である。
【図14】図8の例の変形例であり、平面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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
【0036】
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。
【0037】
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。
【符号の説明】
【0038】
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。
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
「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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許出願公開第2008/0066888号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2005/0143000号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
このような目的のために、本発明の冷却装置の冷媒案内器は複数の溝と複数のインサートとからなり、これら溝は冷却チャネルを横切る方向に熱伝達壁に分散され、入口が冷却チャネルに向かっており、インサートは冷媒が流れる内部チャネルを有し、溝に1つずつ挿入され、溝の内壁面とインサートの外壁面との間には内部チャネルと通じながら冷媒が流れる外部チャネルが形成され、内部チャネルと通じるインサートの入口が傾斜した引き込み面をなす。このような隣接インサートの入口を有する傾斜した引き込み面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冷却チャネルの壁面が次第に厚くなる効果を出す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の冷却装置の第1実施形態の縦断面図である。
【図2】図1の部分断面図である。
【図3】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4】図1のIV−IV線断面図である。
【図5】本実施形態におけるインサートの配列を示す図である。
【図6】本発明の冷却装置の第2実施形態の縦断面図である。
【図7】図6の部分拡大断面図である。
【図8】インサートが結合された状態の斜視図である。
【図9】図8の例の変形例であり、下部斜視図である。
【図10】図8の例の変形例であり、底面図である。
【図11】図8の例の変形例であり、図10のXI−XI線断面図である。
【図12】図8の例の変形例であり、側面図である。
【図13】図8の例の変形例であり、側面斜視図である。
【図14】図8の例の変形例であり、平面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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
【0036】
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。
【0037】
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。
【符号の説明】
【0038】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記溝(12)は冷却チャネル(6)を横切る方向に熱伝達壁(7)に分散され、入口が冷却チャネル(6)に向かっており、前記インサート(13)は冷媒が流れる内部チャネル(14)を有し、前記溝(12)に1つずつ挿入され、前記溝(12)の内壁面とインサート(13)の外壁面との間には前記内部チャネル(14)と通じながら冷媒が流れる外部チャネル(15)が形成され、内部チャネル(14)と通じるインサート(13)の入口(20)が傾斜した引き込み面(19)をなすことを特徴とする冷却装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、
前記冷却チャネル(6)の長手方向に各々の前記インサート(13)の傾斜した引き込み面(19)が全体的に共通の傾斜面に配列されることを特徴とする冷却装置。
【請求項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。
【請求項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、
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。
【請求項9】
請求項1から8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。
【請求項10】
請求項1から9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)の各々に前記内部チャネル(14)と前記外部チャネル(15)が提供されることを特徴とする冷却装置。
【請求項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、前記溝(12)は冷却チャネル(6)を横切る方向に熱伝達壁(7)に分散され、入口が冷却チャネル(6)に向かっており、前記インサート(13)は冷媒が流れる内部チャネル(14)を有し、前記溝(12)に1つずつ挿入され、前記溝(12)の内壁面とインサート(13)の外壁面との間には前記内部チャネル(14)と通じながら冷媒が流れる外部チャネル(15)が形成され、内部チャネル(14)と通じるインサート(13)の入口(20)が傾斜した引き込み面(19)をなすことを特徴とする冷却装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、
前記冷却チャネル(6)の長手方向に各々の前記インサート(13)の傾斜した引き込み面(19)が全体的に共通の傾斜面に配列されることを特徴とする冷却装置。
【請求項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。
【請求項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、
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。
【請求項9】
請求項1から8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。
【請求項10】
請求項1から9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)の各々に前記内部チャネル(14)と前記外部チャネル(15)が提供されることを特徴とする冷却装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公表番号】特表2011−525051(P2011−525051A)
【公表日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−514177(P2011−514177)
【出願日】平成21年6月16日(2009.6.16)
【国際出願番号】PCT/IB2009/052559
【国際公開番号】WO2009/153735
【国際公開日】平成21年12月23日(2009.12.23)
【出願人】(510051303)ブルサ エレクトロニック アーゲー (7)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年6月16日(2009.6.16)
【国際出願番号】PCT/IB2009/052559
【国際公開番号】WO2009/153735
【国際公開日】平成21年12月23日(2009.12.23)
【出願人】(510051303)ブルサ エレクトロニック アーゲー (7)
【Fターム(参考)】
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