JP2010056130A - 液冷式冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造の際のフィンの位置ずれを確実に防止することができる液冷式冷却装置を提供する。
【解決手段】液冷式冷却装置１は、後端部に冷却液入口11が形成されるとともに、前端部に冷却液出口12が形成されたケーシング２を備えている。ケーシング２内における冷却液入口11と冷却液出口12との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路18を形成するコルゲートフィン17を配置する。ケーシング２の頂壁３外面に発熱体取付部10を設ける。ケーシング２の底壁４内面における発熱体取付部10と対向する部分から左右方向にずれた位置に、コルゲートフィン17の前後両端部に当接してコルゲートフィン17の前後方向の位置決めを行う突起23A,23Bを設ける。
【選択図】図３

Description

この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。
この明細書および特許請求の範囲において、フィンにより形成される流路内を流れる冷却液の流れ方向前方（図３の下方）を前、これと反対側を後というものとし、図２の上下、左右を上下、左右というものとする。
従来、電子部品の液冷式冷却装置として、頂壁、底壁および周壁からなりかつ後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を形成するフィンが配置され、ケーシング内におけるフィンよりも後側の部分が冷却液入口に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、フィンよりも前側の部分が冷却液出口に通じる出口ヘッダ部となされており、ケーシングの頂壁外面および／または底壁外面に発熱体取付部が設けられているものが知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１記載の液冷式冷却装置によれば、製造時においてフィンが前後方向に位置ずれすることがあり、フィンを予め定められた位置に正確に配置することができないという問題がある。
特開２００１−３５２０２５号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、製造の際のフィンの位置ずれを確実に防止することができる液冷式冷却装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を形成するフィンが配置されており、ケーシングの頂壁外面および／または底壁外面に発熱体取付部が設けられている液冷式冷却装置であって、
ケーシングの頂壁内面および／または底壁内面における発熱体取付部と対向する部分から左右方向にずれた位置に、フィンの前後両端部に当接してフィンの前後方向の位置決めを行う突起が設けられている液冷式冷却装置。
2)フィンの前端部が当接する前側突起およびフィンの後端部が当接する後側突起が、それぞれ左右方向に間隔をおいて設けられており、前側突起と後側突起とが左右方向にずれている上記1)記載の液冷式冷却装置。
3)フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｌ≧Ｗの場合に、前側突起および後側突起がそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられている上記2)記載の液冷式冷却装置。
4)フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｗ＞Ｌの場合に、前側突起および後側突起がそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられるとともに、左右方向の中間部に１つ以上設けられている上記2)記載の液冷式冷却装置。
5)フィンが、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部よりなるコルゲート状であり、前側突起および後側突起の左右方向の幅が、フィンの隣接する波頂部どうしおよび隣接する波底部どうしの間隔の２倍よりも小さく、かつフィンの隣接する波頂部と波底部との間隔よりも大きくなっている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
6)前側突起および後側突起の高さが、フィンの厚みよりも大きくかつフィンの高さの１／２以下である上記5)記載の液冷式冷却装置。
7)前側突起および後側突起がそれぞれ先端に向かって縮径された円錐状である上記5)または6)記載の液冷式冷却装置。
8)フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、前側突起と後側突起との間の前後方向の最短直線距離をＬ１ｍｍ、前側突起および後側突起の基端の外径をＤｍｍとした場合、０＜Ｌ−Ｌ１＜Ｄの関係を満たす上記7)記載の液冷式冷却装置。
上記1)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの頂壁内面および／または底壁内面に、フィンの前後両端部に当接してフィンの前後方向の位置決めを行う突起が設けられているので、製造時においてフィンの前後方向の位置ずれを防止することができる。したがって、フィンを予め定められた位置に正確に配置することが可能になる。また、突起は、ケーシングの頂壁内面および／または底壁内面における発熱体取付部と対向する部分から左右方向にずれた位置に設けられているので、突起が、フィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち発熱体取付部に対応する位置の流路を流れる冷却液の流速を低下させることはなく、発熱体取付部に取り付けられた発熱体に対する冷却効果の低下が防止される。
上記2)の液冷式冷却装置によれば、フィンの前端部が当接する前側突起およびフィンの後端部が当接する後側突起が、それぞれ左右方向に間隔をおいて設けられており、前側突起と後側突起とが左右方向にずれているので、フィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち突起が形成されている流路を流れる冷却液の流速低下を可能な限り防止することができる。
上記3)および4)の液冷式冷却装置によれば、製造時においてフィンの前後方向の位置ずれを防止する上での突起の数を必要最小限にすることができる。したがって、フィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち突起が形成されている流路を流れる冷却液の流速低下を可能な限り防止することができる。
上記5)の液冷式冷却装置によれば、フィンが、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部よりなるコルゲート状であり、前側突起および後側突起の左右方向の幅が、フィンの隣接する波頂部どうしおよび隣接する波底部どうしの間隔の２倍よりも小さく、かつフィンの隣接する波頂部と波底部との間隔よりも大きくなっているので、製造時におけるフィンの前後方向の位置ずれを確実に防止することができる。
上記6)の液冷式冷却装置によれば、前側突起および後側突起の高さが、フィンの厚みよりも大きくかつフィンの高さの１／２以下であるから、製造時におけるフィンの前後方向の位置ずれを確実に防止することができ、しかもフィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち突起が形成されている流路を流れる冷却液の流速低下を可能な限り防止することができる。
上記8)の液冷式冷却装置によれば、前側突起および後側突起の一部がコルゲート状フィンに食い込むようになり、フィンの微小ながたつきを防止することができる。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
図１〜図４はこの発明による液冷式冷却装置に、発熱体である半導体素子が取り付けられた状態を示す。
図１〜図４において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(3)、底壁(4)および周壁(5)からなるケーシング(2)を備えている。ケーシング(2)の頂壁(3)外面には、複数の発熱体取付部(10)が左右方向に間隔をおいて設けられている。ケーシング(2)の周壁(5)は、前後方向にのびる垂直状の右側壁(6)、前後方向にのびるとともに右側壁(6)と対向する垂直状の左側壁(7)、右側壁(6)および左側壁(7)の後端部どうしを連結する垂直状の後側壁(8)、ならびに右側壁(6)および左側壁(7)の前端部どうしを連結する垂直状の前側壁(9)よりなる。ケーシング(2)の周壁(5)における右側壁(6)の後端部に冷却液入口(11)が右方に突出するように形成され、左側壁(7)の前端部に冷却液出口(12)が左方に突出するように形成されている。冷却液入口(11)は右方に開口し、冷却液出口(12)は左方に開口している。ケーシング(2)は、頂壁(3)および周壁(5)の上半部を形成する上側周壁形成部(5A)からなるアルミニウム製上構成部材(13)と、底壁(4)および周壁(5)の下半部を形成する下側周壁形成部(5B)からなるアルミニウム製下構成部材(14)とよりなる。上構成部材(13)の上側周壁形成部(5A)の下端部、および下構成部材(14)の下側周壁形成部(5B)の上端部に、それぞれ外向きフランジ(15)(16)が一体に形成されており、両構成部材(13)(14)の外向きフランジ(15)(16)どうしがろう付されている。上構成部材(13)および下構成部材(14)はそれぞれアルミニウム製素板にプレス加工を施すことにより形成されている。
ケーシング(2)内における右側壁(6)と左側壁(7)との間でかつ冷却液入口(11)と冷却液出口(12)との間の部分に、前後方向にのびる波頂部(17a)、前後方向にのびる波底部(17b)および波頂部(17a)と波底部(17b)とを連結する垂直状連結部(17c)よりなるアルミニウム製のコルゲートフィン(17)が配置されており、波頂部(17a)がケーシング(2)の頂壁(3)に、波底部(17b)がケーシング(2)の底壁(4)にそれぞれろう付されている。そして、コルゲートフィン(17)によって、前後方向にのびかつ冷却液が後方から前方に流れる複数の流路(18)が左右方向に並んで形成されており、これにより複数の流路からなる並列流路部分(19)が設けられている。
ケーシング(2)内における並列流路部分(19)よりも上流側（後側）の部分が冷却液入口(11)に通じる入口ヘッダ部(21)となされるとともに、並列流路部分(19)よりも下流側（前側）の部分が冷却液出口(12)に通じる出口ヘッダ部(22)となされている。ケーシング(2)全体の内部高さ、すなわち入口ヘッダ部(21)内の高さ、出口ヘッダ部(22)内の高さおよび並列流路部分(19)の高さは等しくなっている。ケーシング(2)の後側壁(8)および前側壁(9)は、右側壁(6)および左側壁(7)と直角をなしている。
ケーシング(2)の底壁(4)内面における発熱体取付部(10)と対向する部分から左右方向にずれた位置に、コルゲートフィン(17)の前後両端部に当接してコルゲートフィン(17)の前後方向の位置決めを行う突起(23A)(23B)が設けられている。突起(23A)(23B)は、下構成部材(14)をプレス加工により成形する際に底壁(4)を変形させることにより形成されたものであり、先端に向かって縮径された円錐状である。コルゲートフィン(17)の前端部が当接する前側突起(23A)およびコルゲートフィン(17)の後端部が当接する後側突起(23B)は、それぞれ左右方向に間隔をおいて設けられており、前側突起(23A)と後側突起(23B)とが左右方向にずれている。前側突起(23A)は、ケーシング(2)内の左端部、左右方向の中程よりも若干左側の部分、および右端部に近い部分に形成され、後側突起(23B)は、ケーシング(2)の右端部、左右方向の中程よりも若干右側の部分、および左端部に近い部分に形成されている。
ここで、コルゲートフィン(17)の前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｌ≧Ｗの場合に、前側突起(23A)および後側突起(23B)が少なくともそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられていることが好ましい。また、コルゲートフィン(17)の前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｗ＞Ｌの場合に、前側突起(23A)および後側突起(23B)がそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられるとともに、左右方向の中間部に１つ以上設けられていることが好ましい。
前側突起(23A)および後側突起(23B)の左右方向の幅、すなわち基端の外径Ｄｍｍは、コルゲートフィン(17)の隣接する波頂部(17a)どうしおよび隣接する波底部(17b)どうしの間隔Ｓｍｍの２倍よりも小さく、かつコルゲートフィン(17)の隣接する波頂部(17a)と波底部(17b)との間隔Ｓ１ｍｍよりも大きくなっていることが好ましい（図２および図３参照）。また、前側突起(23A)および後側突起(23B)の高さが、コルゲートフィン(17)の厚みよりも大きくかつコルゲートフィン(17)の高さの１／２以下であることが好ましい。さらに、コルゲートフィン(17)の前後方向の長さをＬｍｍ、前側突起(23A)と後側突起(23B)との間の前後方向の最短直線距離をＬ１ｍｍ、前側突起(23A)および後側突起(23B)の基端の外径をＤｍｍとした場合、０＜Ｌ−Ｌ１＜Ｄの関係を満たしていることが好ましい（図３参照）。
発熱体である半導体素子(P)は、板状絶縁部材(I)を介してケーシング(2)の頂壁(3)外面の発熱体取付部(10)に接合されている。
上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液入口(11)を通って入口ヘッダ部(21)内に流入した冷却液は、並列流路部分(19)の全流路(18)に均一に分流し、全流路(18)内を前方に流れる。
並列流路部分(19)の流路(18)内を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(22)内に入るとともに、出口ヘッダ部(22)内を左方に流れ、冷却液出口(12)を通って流出する。
そして、半導体素子(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(3)およびコルゲートフィン(17)を経て流路(18)内を流れる冷却液に伝わり、半導体素子(P)が冷却される。
このとき、前側突起(23A)および後側突起(23B)が、ケーシング(2)の底壁(4)内面における発熱体取付部(10)と対向する部分から左右方向にずれた位置に形成されているので、コルゲートフィン(17)により形成された前後方向にのびる全流路(18)のうち発熱体取付部(10)に対応する位置の流路(18)を流れる冷却液の流速を低下させることはなく、発熱体取付部(10)に取り付けられた発熱体(P)に対する冷却効果の低下が防止される。また、前側突起(23A)と後側突起(23B)とが左右方向にずれているので、コルゲートフィン(17)により形成された前後方向にのびる全流路(18)のうち突起(23A)(23B)が形成されている流路(18)を流れる冷却液の流速低下を可能な限り防止することができる。さらに、前側突起(23A)および後側突起(23B)の高さが、コルゲートフィン(17)の厚みよりも大きくかつコルゲートフィン(17)の高さの１／２以下であるから、コルゲートフィン(17)により形成された前後方向にのびる全流路(18)のうち突起(23A)(23B)が形成されている流路(18)を流れる冷却液の流速低下を可能な限り防止することができる。
上記実施形態においては、ケーシング(2)の底壁(4)内面に突起(23A)(23B)が設けられているが、これに限定されるものではなく、頂壁(3)内面に突起が設けられていてもよく、あるいは頂壁(3)内面および底壁(4)内面の両方に突起が設けられていてもよい。頂壁(3)内面および底壁(4)内面の両方に突起が設けられる場合、頂壁(3)内面の前側突起と後側突起は左右方向にずらされ、底壁内面の前側突起と後側突起は左右方向にずらされる。また、頂壁(3)内面の前側突起と底壁(4)内面の前側突起とが左右方向にずらされるとともに、頂壁(3)内面の後側突起と底壁(4)内面の後側突起とが左右方向にずらされ、さらに頂壁(3)内面の前側突起と底壁(4)内面の後側突起とが左右方向にずらされるとともに、頂壁(3)内面の後側突起と底壁(4)内面の前側突起とが左右方向にずらされる
この発明の液冷式冷却装置を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。
符号の説明
(1)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(3)：頂壁
(4)：底壁
(10)：発熱体取付部
(11)：冷却液入口
(12)：冷却液出口
(17)：コルゲートフィン
(17a)：波頂部
(17b)：波底部
(17c)：連結部
(18)：流路
(23A)(23B)：突起

Claims (8)

  1. 後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を形成するフィンが配置されており、ケーシングの頂壁外面および／または底壁外面に発熱体取付部が設けられている液冷式冷却装置であって、
    ケーシングの頂壁内面および／または底壁内面における発熱体取付部と対向する部分から左右方向にずれた位置に、フィンの前後両端部に当接してフィンの前後方向の位置決めを行う突起が設けられている液冷式冷却装置。
  2. フィンの前端部が当接する前側突起およびフィンの後端部が当接する後側突起が、それぞれ左右方向に間隔をおいて設けられており、前側突起と後側突起とが左右方向にずれている請求項１記載の液冷式冷却装置。
  3. フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｌ≧Ｗの場合に、前側突起および後側突起がそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられている請求項２記載の液冷式冷却装置。
  4. フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、左右方向の幅をＷｍｍとし、Ｗ＞Ｌの場合に、前側突起および後側突起がそれぞれ左右両端部に１つずつ設けられるとともに、左右方向の中間部に１つ以上設けられている請求項２記載の液冷式冷却装置。
  5. フィンが、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部よりなるコルゲート状であり、前側突起および後側突起の左右方向の幅が、フィンの隣接する波頂部どうしおよび隣接する波底部どうしの間隔の２倍よりも小さく、かつフィンの隣接する波頂部と波底部との間隔よりも大きくなっている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
  6. 前側突起および後側突起の高さが、フィンの厚みよりも大きくかつフィンの高さの１／２以下である請求項５記載の液冷式冷却装置。
  7. 前側突起および後側突起がそれぞれ先端に向かって縮径された円錐状である請求項５または６記載の液冷式冷却装置。
  8. フィンの前後方向の長さをＬｍｍ、前側突起と後側突起との間の前後方向の最短直線距離をＬ１ｍｍ、前側突起および後側突起の基端の外径をＤｍｍとした場合、０＜Ｌ−Ｌ１＜Ｄの関係を満たす請求項７記載の液冷式冷却装置。
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