JP2013165097A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成のもとで、複数の半導体素子の冷却状態を平均化する。
【解決手段】半導体冷却装置１は冷媒の流れる冷媒通路２と、冷媒通路２の外側に配置された複数の半導体素子５と、複数の半導体素子５の熱を冷媒に伝達すべく冷媒通路２の内側に突出する複数のフィン６と、冷媒通路に冷媒を循環させる手段と、を備える。複数のフィン６の配置密度または表面積が、冷媒通路２の上流から下流に向けて増大するよう構成する。これにより、冷媒の温度上昇がもたらすフィン６からの抜熱量の低下が補償され、半導体素子５を等しい冷却条件で冷却可能となる。
【選択図】図２

Description

この発明は、複数の半導体素子を冷却する半導体冷却装置に関する。

複数の半導体素子を有する半導体機器においては、例えば稼働中の半導体素子が許容温度を超えないように、半導体素子に付設された冷却用フィンを、冷媒を用いた冷却装置で冷却している。冷却用フィンは冷媒の流れる冷媒通路に整列状態で突出する。半導体素子の発熱はフィンに伝達され、フィンと周囲を流れる冷媒との熱交換により、半導体素子の冷却が行なわれる。

冷媒通路を流れる冷媒の温度はフィンとの熱交換により上昇する。結果として個々のフィンからの抜熱量は、冷媒通路の下流に行くにつれて小さくなる。その結果、例えば、冷媒通路の上流部に位置する半導体素子は冷媒との熱交換により温度を２０度低下させるのに対して、冷媒通路の下流部に位置する半導体素子は冷媒との熱交換により温度を１０度しか低下させないという現象が現れる。言い換えれば、冷媒通路の下流部ほどフィンの冷却効率が低くなる。そのため、冷媒通路の下流にフィンが位置する半導体素子は冷却効率が悪くなる。

冷媒通路内のフィンの位置に起因する半導体素子の冷却のこのようなばらつきを解消すべく、特許文献１の従来技術は、すべての半導体素子が同一温度の冷媒と熱交換できるように、冷媒通路をマニホールド状に形成することを提案している。

特許第４６０００５２号公報

特許文献１の従来技術によれば、すべての半導体素子の冷却を同一温度の冷媒で行なうことが可能となり、半導体素子の冷却のばらつき解消に好ましい効果が得られる。

しかしながら、すべての半導体に個別に冷媒を供給するために、半導体素子と同数の冷媒通路が必要となる。そのため、冷却装置の通路構成が複雑化し、冷媒通路の総延長が長くなることは避けられない。

この発明の目的は、より簡易な構成のもとで複数の半導体素子を一様に冷却することである。

以上の目的を達成するために、この発明による半導体冷却装置は冷媒の流れる冷媒通路と、冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子と、半導体素子の熱を冷媒に伝達すべく冷媒通路の内側に突出する複数のフィンと、冷媒通路に冷媒を循環させる手段と、を備えている。さらに、複数のフィンの配置密度または表面積を、冷媒通路の上流から下流に向けて増大させている。

冷媒通路内を流れる冷媒は冷却通路に突出するフィンを介して半導体素子の熱交換を行なう。熱交換の結果、冷却通路の下流の冷媒の温度が上昇する。冷媒温度の上昇はフィンと冷媒との温度差を縮小させ、フィンからの抜熱量を低下させる。一方、複数のフィンの配置密度または表面積を、冷媒通路の上流から下流に向けて増大させると、冷媒通路の単位面積当たりのフィンからの抜熱量は増大する。個々のフィンからの抜熱量の減少と、フィンの配置密度または表面積の増加がもたらす抜熱量の増加とが打ち消し合うことで、冷媒通路内の位置に依存した冷却能力のばらつきが解消され、全ての半導体素子を等しい冷却条件で冷却できる。

この発明の第１の実施形態による半導体冷却装置の概略分解斜視図である。 この発明の第１の実施形態による半導体冷却装置の縦断面図である。 この発明の第２の実施形態による半導体冷却装置の縦断面図である。 この発明の第３の実施形態による半導体冷却装置の縦断面図である。

図１を参照すると、この発明の第１の実施形態による半導体冷却装置１は、内部に冷媒通路２を形成したウォータジャケット３を備える。

ウォータジャケット３の外側には複数の半導体素子５が配置される。各半導体素子５には基板４を介して数多くのフィン６が結合する。基板４はウォータジャケット３の壁面の一部を構成する。

ウォータジャケット３には冷媒通路２の入口２Ａと出口２Ｂが形成される。入口２Ａと出口２Ｂには冷媒としての冷却水を循環させるために、冷却水ポンプや冷却水を一時的に貯留する冷却水タンクを含む冷却水循環装置が接続される。

図２を参照すると、冷媒通路２内に突出するフィン６は一定の径の円柱状に形成され、図の（ａ）に示すように、冷媒通路２内に一定の密度で配置される。一方、フィン６の冷媒通路２への突出長さは、図の（ｂ）に示すように、冷媒通路２の上流ほど短く、冷媒通路２の下流に行くにつれて長くなるように設定される。なお、フィン６が突出する領域において、冷媒通路２は一様な横断面、言い換えれば一定の幅と深さ、を保つように形成される。

フィン６の冷媒通路２への突出長さを、冷媒通路２の上流から下流に向けて徐々に長くすることのは次の意味をもつ。

冷媒通路２を流れる冷媒はフィン６との熱交換を行ないつつ流下する。冷媒の温度はフィン６との熱交換により上昇する。したがって、下流に行くほど冷媒の温度は高くなる。冷媒温度が高くなるにつれて、冷媒とフィン６との熱交換が起こりにくくなる。

一方、抜熱量はフィン６の表面積に依存する。フィン６の表面積が大きいほど、抜熱量は大きくなり、冷媒とフィン６との熱交換が促進される。

つまり、この半導体冷却装置１においては、冷媒の温度上昇によるフィン６からの抜熱量の低下が、フィン６の長さの増加により補償される。結果として、各フィン６からの抜熱量が平均化される。したがって、冷媒通路２の上流と下流とで半導体素子５の冷却を同条件で行なうことができ、すべての半導体素子５を均一に冷却することができる。

また、この半導体冷却装置１によれば、フィン６の長さを変えるのみで、容易にこの発明を実施できる。さらに、冷媒通路２自体は一様な横断面に形成され、格別のアレンジを必要としないので、従来の半導体冷却装置と同様のウォータジャケット３にもこの発明を適用可能である。

図３を参照して、この発明の第２の実施形態を説明する。

この実施形態においても、ウォータジャケット３の構成は第１の実施形態と同一である。フィン６の配置密度は、第１の実施形態と同様に一定である。第１の実施形態と異なるのは、フィン６を均一の長さとする一方、その断面積を冷媒通路２内の位置に応じて変化させる点である。具体的には、フィン６を円柱状に形成し、冷媒通路２の上流ではフィン６の径が細く、冷媒通路２の下流に行くにつれてフィン６の径が太くなるように、フィン６の径を設定する。

この実施形態によっても、冷媒通路２の下流に行くほど、フィン６の表面積が増大し、冷媒のフィン６からの抜熱量も増大する。冷媒通路２の下流に行くにつれて、冷媒温度が上昇し、抜熱量が低下する現象をこれにより補償し、各フィン６からの抜熱量を平均化することができる。したがって、この実施形態によっても、冷媒通路２の上流と下流とで半導体素子５の冷却を同条件で行なうことができ、すべての半導体素子５を均一に冷却することができる。

この実施形態によれば、フィン６の径を変えるのみで、容易にこの発明を実施できる。また、第１の実施形態と同様に、冷媒通路２自体は格別のアレンジを必要としない。さらに、従来の半導体冷却装置と同様のウォータジャケット３にもこの発明を適用可能である。

なお、この実施形態では、フィン６を円柱状としているが、フィン６の断面形状はいかなる形でも良い。要は、フィン６の断面積が冷媒通路２の下流に行くにつれて増大するようにフィン６の横断面の寸法を変化させれば良い。

図４を参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。

この実施形態においても、ウォータジャケット３の構成は第１の実施形態と同一である。フィン６の太さは第１の実施形態と同様に均一である。第１の実施形態と異なるのは、フィン６を均一の長さとすする一方、その配置密度を冷媒通路２内の位置に応じて変化させる点である。すなわち、冷媒通路２の上流では、フィン６の配置密度は疎であり、冷媒通路２の下流に行くにつれてフィン６の配置が密にする。

この実施形態によれば、冷媒通路２の下流に行くほど、フィン６の数が増加し、単位面積当たりの抜熱量が増大する。冷媒温度が上昇し、冷媒通路２の下流に行くほどフィン６からの抜熱量が低下する現象を、これにより補償して各半導体素子５からの抜熱量を平均化することができる。したがって、この実施形態においても、半導体素子５の冷却を、位置によるばらつきを生じることなく、効率的に行なうことができる。

この実施形態も第１の実施形態と同様に、冷媒通路２自体は格別のアレンジを必要としない。フィン６の配置密度を変えるのみで、容易にこの発明を実施できる。また、従来の半導体冷却装置と同様のウォータジャケット３にもこの発明を適用可能である。

以上のように、この発明は、冷媒通路２内に突出する複数のフィン６の配置密度または表面積を冷媒通路２の上流から下流に向けて増大させている。そのため、冷媒通路２の下流ほど、冷媒通路２の単位面積当たりの抜熱量が増大する。その結果、冷媒通路２の下流に行くにつれて、冷媒温度が上昇し、フィン６からの抜熱量が低下する現象を補償して、すべての半導体素子５を等しい冷却条件のもとで均一に冷却することができる。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

１ 半導体冷却装置
２ 冷媒通路
２Ａ 入口
２Ｂ 出口
３ ウォータジャケット
４ 基板
５ 半導体素子
６ フィン

Claims (6)

1. 冷媒の流れる冷媒通路と、
   前記冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子と、
   半導体素子の熱を冷媒に伝達すべく前記冷媒通路の内側に突出する複数のフィンと、
   冷媒通路に冷媒を循環させる手段と、
   を備える半導体冷却装置において、
   前記複数のフィンの配置密度または表面積が、前記冷媒通路の上流から下流に向けて増大することを特徴とする、半導体冷却装置。
2. 前記冷媒通路はその位置によらず一様な断面を有する、請求項１に記載の半導体冷却装置。
3. 前記複数のフィンの長さが、前記冷媒通路の上流から下流に向けて増大する、請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
4. 前記複数のフィンの断面積が、前記冷媒通路の上流から下流に向けて増大する、請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
5. 前記複数のフィンは円柱状に形成されるとともに、前記複数のフィンの径が前記冷媒通路の上流から下流に向けて増大する、請求項４に記載の半導体冷却装置。
6. 前記複数のフィンの配置密度が前記冷媒通路の上流から下流に向けて増大する、請求項１または２に記載の半導体冷却装置。

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