JP3669569B2

JP3669569B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP3669569B2
Application number: JP2000178170A
Authority: JP
Inventors: 哲朗大串; 一成中尾; 永一尾崎; 美保子下地; 英雄中嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: JP2001358270A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特開平６−７７３６８号公報に示された従来の冷却装置を示す構成図である。図において、１は冷却装置容器、２はＩＧＢＴなどの半導体素子からなる発熱体であり、前記冷却装置容器１の上面に密接して設けられている。３は前記冷却装置容器１の内部に設けられたフィン、４は前記フィン３の間に形成された流路、５は前記冷却装置容器１へ冷却水６が出入りする水出入口である。前記冷却装置容器１およびフィン３は通常、熱伝導率の大きな銅やアルミニウムで構成されている。
【０００３】
次に動作について説明する。
発熱体２で発生した熱は、冷却装置容器１の壁面およびフィン３を熱伝導により流れて流路４を流れる冷却水６に伝達される。一方、冷却水６は水出入口５から流入、排出され、フィン３を通して冷却水６に伝えられた熱は冷却水６とともに出入口５から排出されることになる。このような従来の冷却装置の冷却能力は、フィン３と冷却水６との接触面積Ｓと、フィン３の表面から水への対流熱伝達率ｈとの積Ｓ×ｈが大きいほど大きくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷却装置は以上のように構成されているので、その冷却能力を向上させるために、フィン３の数を増し、表面積Ｓを大きくすることや、流路幅を小さくして冷却水の流速を増大させ、熱伝達率ｈを大きくすることが試みられている。しかしながら、フィン３の数を増すためにはフィン３の肉圧を薄くすることが必要となるが、その製作には限界が有り、肉薄のフィンを多数枚製作するのが高価であったり、また、薄くしすぎると、フィンを通しての熱伝導効果が悪くなるため、必ずしも冷却性能の向上とならないなどの問題があった。
【０００５】
また、冷却水６は熱をもらうことにより入口から出口に向かって温度上昇するため、入口近くが最も温度が低く、出口近くが最も温度が高くなる。その結果、発熱体２の温度も冷却水６の温度と共に変化するため、冷却水の流れ方向に対して各発熱体２の温度が一様でなくなる。その結果、温度依存性をもつ半導体素子等の発熱体においては、各発熱体毎にその動作特性が変化し、最適な電気的特性が得られないという問題もあった。
【０００６】
また、フィン３は流路４の全体にわたって設けられているため、冷却する必要がない部分の流路もフィンにより狭くなっているため、冷却水６が通る際の圧力損失が大きくなり、十分な冷却水量が得られず、その結果冷却特性が悪くなるという問題があった。
【０００７】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、容易に冷却能力の向上が図れる冷却装置を得ることを目的としている。
【０００８】
また、各発熱体の温度が均一になるように冷却できる冷却装置を得ることを目的としている。
【０００９】
また、冷却水が流れる流路の圧力損失が小さな冷却装置を得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却装置は、発熱体の直下にある、上記発熱体を冷却する流路内に、金属凝固法により成形され、冷却媒体の流れ方向に沿った管状の孔が多数本空いた多孔材を設け、上記孔内に上記冷却媒体を流すように構成したものである。
【００１２】
また、本発明の冷却装置は、多孔材を冷却媒体の流れ方向に分割して設置したものである。
【００１３】
また、本発明の冷却装置は、分割された複数の多孔材が、冷却媒体の流れ方向に沿った長さが上記流れ方向に沿って次第に長くなるように構成されているものである。
【００１４】
また、本発明の冷却装置は、分割された複数の多孔材が、孔径が冷却媒体の流れ方向に沿って次第に小さくなるように構成されていると共に、孔の数が上記流れ方向に沿って次第に増加するように構成されているものである。
【００１５】
また、本発明の冷却装置は、分割された複数の多孔材の下部に支持台を設け、各多孔材の高さが冷却媒体の流れ方向に沿って次第に高くなるように構成されているものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１による冷却装置を示す構成図である。図において、１は冷却装置容器、２はＩＧＢＴなどの半導体素子からなる発熱体、４は発熱体２を冷却する流路、５は冷却装置容器１へ冷却水６が出入りする水出入口である。１１は銅、アルミニウムなど熱伝導率の大きな金属材料からなるポーラス部材（多孔体）である。ポーラス部材１１は、発熱体２を冷却する流路内に分割して複数個配設され、設置される位置は複数の発熱体２の直下にそれぞれ配設されている。ポーラス部材１１の内部は図２に示すように冷却水６の流れ方向に直管状の孔１２が多数本空いた構成となっており、上記孔１２内に冷却水６を流すように構成されている。このポーラス部材１１としては、安価で製作可能な金属凝固法により成形された部材が使用されており、例えば特開平１０−８８２５４号公報に示された方法により、孔の径が数十μｍ〜数ｍｍの範囲でその空孔率を任意に設定して製造することができる。
【００１７】
上記のように構成された冷却装置の動作について説明する。
図１において、発熱体２で発生した熱は、冷却装置容器１の壁面およびポーラス部材１１を熱伝導により流れてポーラス部材１１中の孔１２を流れる冷却水６に伝達される。一方、冷却水６は水出入口５から流入、排出され、ポーラス部材１１中を通って冷却水６に伝えられた熱は水とともに出入口５から排出されることになる。
【００１８】
本実施の形態における冷却装置の冷却能力は、ポーラス部材１１中の孔１２と冷却水６との接触面積Ｓｐと、孔１２の表面から冷却水への対流熱伝達率ｈｐとの積Ｓｐ×ｈｐが大きいほど大きくなる。本実施の形態１の冷却装置は図１のように構成されているので、その冷却能力を向上させるために、孔１２の数を増して内表面積Ｓｐを大きくすることや、孔１２の直径を小さくして冷却水の流速を増大させ、熱伝達率ｈｐを大きくしてその冷却能力を向上させることができる。また、通常、ポーラス部材１１の上面から孔１２への熱伝導効果は孔の総断面積が大きいほど小さくなる、即ち空孔率が大きいほど小さくなるが、本実施の形態で用いるポーラス部材の場合、空孔率を変化させずに、孔径を小さくし、孔の数を増やすことにより表面積を大きくできるため、ポーラス部材の熱伝導効果を阻害せずに冷却能力を大きくできるという効果が得られる。
【００１９】
また、特にこれまでポーラス部材１１の数十μｍの直管状の孔１２を多数本同時に形成するのは困難であったが、特開平１０−８８２５４号公報に示された金属凝固法により形成すれば、本冷却装置が容易かつ安価に製作できるという効果が得られる。
【００２０】
また、ポーラス部材１１は冷却水６が流れる時の圧力損失を左右するが、本実施の形態において、ポーラス部材１１は複数の発熱体２の直下にそれぞれ分割して複数個設けられているため、流路全体に設けられる場合に比べ、長さが短くなるため、圧力損失が小さくなるという利点も得られる。
なお、図１に示す本実施の形態ではポーラス部材１１は分割されて配設されているが、分割されず、流路全体に配設するようにしてもよい。但し、この場合は圧力損失は大きくなる。
【００２１】
実施の形態２．
図３は実施の形態２による冷却装置の構成図である。図において、２１は銅、アルミニウムなど熱伝導率の大きな金属材料からなるポーラス部材であり、発熱体２を冷却する流路内に分割して複数個配設され、設置される位置は複数の発熱体２の直下にそれぞれ配設されている。また、各ポーラス部材２１は冷却水６の流れ方向に沿った長さが、上記流れ方向に沿って次第に長くなるよう構成されている。ポーラス部材２１の内部は冷却水６の流れ方向に直管状の孔２２が多数本空いた構成となっている。
【００２２】
次に動作について説明する。
図３において、複数個の発熱体２で発生した熱は、冷却装置容器１の壁面およびポーラス部材２１を熱伝導により流れてポーラス部材２１中の孔２２を流れる冷却水６に伝達される。一方、冷却水６は水出入口５から流入、排出され、ポーラス部材２１中を通って冷却水６に伝えられた熱は水とともに出入口５から排出されることになる。
【００２３】
通常、冷却水６は熱をもらうことにより入口から出口に向かって温度上昇するため、入口近くが最も温度が低く、出口近くが最も温度が高くなる。図３に示した冷却装置では、発熱体２の直下に配設される複数のポーラス部材２２の長さを冷却水の流れ方向に次第に長くすることにより、各ポーラス部材２２における孔２２の総表面積を冷却水の流れ方向に沿って次第に大きくなるようにし、冷却水６の温度が低い入口近くではポーラス部材２１の冷却能力が小さく、冷却水６の温度が高い出口近くではポーラス部材２１の冷却能力が大きくなるようにしている。この様にすることにより、複数個の発熱体２の温度が冷却水の流れ方向に対して一様になるようにできる。その結果、温度依存性をもつ半導体素子等の各発熱体２の動作特性が一様となり、半導体装置等の装置の安定した電気的特性が得られるという効果がある。
また、冷却水６が流れる時の圧力損失を左右するポーラス部材２２の全体の長さが、実施の形態１よりもさらに短くなるため、圧力損失がより小さくなるという利点もある。
【００２４】
実施の形態３．
図４は実施の形態３による冷却装置の構成図である。図において、３１は銅、アルミニウムなど熱伝導率の大きな金属材料からなるポーラス部材であり、発熱体２を冷却する流路内に分割して複数個配設され、設置される位置は複数の発熱体２の直下にそれぞれ配設されている。また、各ポーラス部材３１の内部は冷却水６の流れ方向に直管状の孔３２が多数本空いた構成となっており、各ポーラス部材３１は孔３２の数が冷却水の流れ方向に沿って増加すると共に、孔３２の径が冷却水の流れ方向に沿って次第に小さくなるように構成されている。
【００２５】
次に動作について説明する。
図４において、複数個の発熱体２で発生した熱は、冷却装置容器１の壁面およびポーラス部材３１を熱伝導により流れてポーラス部材３１中の孔３２を流れる冷却水６に伝達される。一方、冷却水６は水出入口５から流入、排出され、ポーラス部材３１中を通って冷却水６に伝えられた熱は水とともに出入口５から排出されることになる。
【００２６】
前述したように、通常、冷却水６は入口近くが最も温度が低く、出口近くが最も温度が高くなる。図４に示した冷却装置では、発熱体２の直下に配設される複数のポーラス部材３１の孔径を冷却水の流れ方向に沿って次第に小さくすることにより、各ポーラス部材３１中の孔３２の断面積を次第に小さくし、孔内部を流れる冷却水の流速を次第に大きくして、冷却水６の温度が低い入口近くではポーラス部材３１の冷却能力を小さく、冷却水６の温度が高い出口近くではポーラス部材３１の冷却能力を大きくしている。
また、各ポーラス部材３１中の孔３２の数を冷却水の流れ方向に沿って次第に増やすことにより、１つのポーラス部材における総表面積を流れ方向に対し次第に大きくし、孔径が小さくなることによる表面積の縮小を補うようにしている。
このようにすることにより、複数個の発熱体２の温度が冷却水に流れ方向に対して一様になるようにできる。その結果、温度依存性をもつ半導体素子等の各発熱体２の動作特性が一様となり、半導体装置等の装置の安定した電気的特性が得られるという効果がある。
【００２７】
実施の形態４．
図５は実施の形態４による冷却装置の構成図である。図において、４１は銅、アルミニウムなど熱伝導率の大きな金属材料からなるポーラス部材であり、発熱体２を冷却する流路内に分割して複数個配設され、設置される位置は複数の発熱体２の直下にそれぞれ配設されている。また、各ポーラス部材４１の内部は冷却水６の流れ方向に直管状の孔４２が多数本空いた構成となっており、各ポーラス部材４１は高さが冷却水の流れ方向に沿って次第に高くなるように構成されている。４３は高さの低いポーラス部材４１を流路内で支えるための支持台である。
【００２８】
次に動作について説明する。
図４において、複数個の発熱体２で発生した熱は、冷却装置容器１の壁面およびポーラス部材４１を熱伝導により流れてポーラス部材４１中の孔４２を流れる冷却水６に伝達される。一方、冷却水６は水出入口５から流入、排出され、ポーラス部材４１中を通って冷却水６に伝えられた熱は水とともに出入口５から排出されることになる。
【００２９】
前述したように、通常、冷却水６は入口近くが最も温度が低く、出口近くが最も温度が高くなる。図５に示した冷却装置では、発熱体２の直下に配設される複数のポーラス部材４１の高さを冷却水の流れ方向に沿って次第に高くすることにより、各ポーラス部材４１中の孔４２の総数を冷却水の流れ方向に沿って次第に増やし、孔４２の総表面積を冷却水の流れ方向に沿って次第に大きくして、冷却水６の温度が低い入口近くではポーラス部材４１の冷却能力を小さく、冷却水６の温度が高い出口近くではポーラス部材４１の冷却能力を大きくしている。この様にすることにより、複数個の発熱体２の温度が冷却水の流れ方向に対して一様になるようにできる。その結果、温度依存性をもつ半導体素子等の各発熱体２の動作特性が一様となり、半導体装置等の装置の安定した電気的特性が得られるという効果がある。
また、本実施の形態においては、同じ製造条件で作製されたポーラス部材を異なる形状に加工することにより、冷却水の流れ方向に対する冷却能力をコントロールできるので、実施の形態３のものと比べ、冷却装置の製造が容易となる効果もある。
【００３０】
なお、図５に示した冷却装置では、同じ空孔率のポーラス部材４１を用い、ポーラス部材４１の下部に支持台４３を設けることによりポーラス部材４１の高さを変化させて、各ポーラス部材４１中の孔４２の総数を冷却水の流れ方向に沿って次第に増やし、孔４２の総表面積を冷却水の流れ方向に沿って次第に大きくなるようにしたが、支持台４３を用いず、空孔率の異なるポーラス部材を用いることにより、孔の総数が冷却水の流れ方向に対して次第に大きくなるようにして、孔４２の総表面積を冷却水の流れ方向に沿って次第に大きくなるようにし、冷却水の流れ方向に対する冷却能力をコントロールしてもよい。
【００３１】
実施の形態５．
図６は実施の形態５による冷却装置の構成図である。図において、２０は発熱体であり、ＧＴＯなどの大型の半導体素子が発熱体２０として冷却装置容器１の上面に設置されている場合を示している。５１は銅、アルミニウムなど熱伝導率の大きな金属材料からなるポーラス部材であり、発熱体２０直下の流路内に適当な間隔を開けて分割して複数個配設されている。また、各ポーラス部材５１は冷却水６の流れ方向に沿った長さが、実施の形態２と同様に、流れ方向に沿って次第に長くなるよう構成されている。ポーラス部材５１の内部は冷却水６の流れ方向に直管状の孔５２が多数本空いた構成となっている。
【００３２】
次に動作について説明する。
図６において、発熱体２０からの熱の一部は、冷却装置容器１の壁面から直接冷却水６に流れ、他の一部は冷却装置容器１の壁面およびポーラス部材５１を熱伝導により流れてポーラス部材５１中の孔５２を流れる冷却水６に伝達される。冷却水６に伝えられた熱は水とともに出入口５から排出される。
【００３３】
図６に示した冷却装置では、ポーラス部材５１は発熱体２０直下の流路内に適当な間隔を開けて複数に分割して配設されているため、冷却水６が流れる時の圧力損失を左右するポーラス部材５１の全体の長さが短くなるため、圧力損失が小さくなるという利点がある。
また、図６に示した冷却装置では、各ポーラス部材５１は冷却水６の流れ方向に沿った長さが、実施の形態２と同様に、流れ方向に沿って次第に長くなるよう構成されているので、冷却水６の温度が低い入口近くではポーラス部材５１の冷却能力を小さく、冷却水６の温度が高い出口近くではポーラス部材５１の冷却能力を大きくすることができ、温度依存性をもつ半導体素子等の発熱体２０の温度が全面でほぼ均一となり、安定した電気的特性が得られるという利点がある。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、各ポーラス部材５１の長さを冷却水の流れ方向に沿って次第に長くなるよう構成したが、実施の形態３、４と同様に、各ポーラス部材５１の孔径や数、空孔率、あるいは高さを冷却水の流れ方向に次第に変化させることにより、孔５２の総表面積や内部の流速を変化させ、冷却水６の温度が低い入口近くではポーラス部材５１の冷却能力を小さく、冷却水６の温度が高い出口近くではポーラス部材５１の冷却能力を大きくするように構成してもよい。
【００３５】
また上記各実施の形態においては、発熱体が冷却装置容器の上面にのみ設置された場合を示したが、下面も含む両面に設置された場合についても同様な効果が得られることは勿論である。
【００３６】
また、上記各実施の形態においては、冷却装置の冷却媒体として水を使用した場合について述べたが、空気等、他の流体であっても同様な効果が得られることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、発熱体の直下にある、上記発熱体を冷却する流路内に、金属凝固法により成形され、冷却媒体の流れ方向に沿った管状の孔が多数本空いた多孔材を設け、上記孔内に上記冷却媒体を流すように構成したので、容易に冷却能力の向上が図れる冷却装置が得られる効果がある。また、上記構成の冷却装置を容易、かつ安価に製作することが可能となる。
【００３９】
また、この発明によれば、多孔材を冷却媒体の流れ方向に分割して設置したので、冷却水が流れる流路の圧力損失が小さな冷却装置が得られる効果がある。
【００４０】
また、この発明によれば、分割された複数の多孔材は、冷却媒体の流れ方向に沿った長さが上記流れ方向に沿って次第に長くなるように構成されているので、発熱体から冷却水までの冷却能力を変化させることができるため、発熱体の温度を均一にできる効果がある。
【００４１】
また、この発明によれば、分割された複数の多孔材は、孔径が冷却媒体の流れ方向に沿って次第に小さくなるように構成されていると共に、孔の数が上記流れ方向に沿って次第に増加するように構成されているので、発熱体から冷却水までの冷却能力を変化させることができるため、発熱体の温度を均一にできる効果がある。
【００４２】
また、この発明によれば、分割された複数の多孔材の下部に支持台を設け、各多孔材の高さが冷却媒体の流れ方向に沿って次第に高くなるように構成されているので、発熱体から冷却水までの冷却能力を変化させることができるため、発熱体の温度を均一にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による冷却装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わるポーラス部材を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２による冷却装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による冷却装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４による冷却装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５による冷却装置を示す構成図である。
【図７】従来の冷却装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１冷却装置容器、２，２０発熱体、３フィン、４流路、５水出入口、６冷却水、１１，２１，３１，４１，５１ポーラス部材、１２，２２，３２，４２，５２孔、４３支持台。

Claims

発熱体の直下にある、上記発熱体を冷却する流路内に、金属凝固法により成形され、冷却媒体の流れ方向に沿った管状の孔が多数本空いた多孔材を設け、上記孔内に上記冷却媒体を流すように構成したことを特徴とする冷却装置。
多孔材を冷却媒体の流れ方向に分割して設置したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
分割された複数の多孔材は、各多孔材における孔の総表面積が、冷却媒体の流れ方向に沿って次第に大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
分割された複数の多孔材は、冷却媒体の流れ方向に沿った長さが上記流れ方向に沿って次第に長くなるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
分割された複数の多孔材は、孔径が冷却媒体の流れ方向に沿って次第に小さくなるように構成されていると共に、孔の数が上記流れ方向に沿って次第に増加するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
分割された複数の多孔材の下部に支持台を設け、各多孔材の高さが冷却媒体の流れ方向に沿って次第に高くなるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
発熱体は半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の冷却装置。