JP5803963B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、ベースプレートの一方の面に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、ベースプレートの他方の面に冷媒を衝突させる衝突噴流型の冷却器に関する。

半導体チップや電子部品の冷却用に、一方の面に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、一方の面とは反対側の他方の面に向けて冷媒を噴出させるタイプの冷却器が知られている。そのようなタイプの冷却器は、噴出させた冷媒をベースプレートの他方の面に衝突させることから、衝突噴流型の冷却器と呼ばれることもある。本明細書では、半導体チップなどの冷却対象を取り付ける部位を「ベースプレート」と称する。そして、説明の便宜上、冷却対象を取り付ける面（上記の「一方の面」）を、ベースプレートのおもて面と称し、反対側の面（上記の「他方の面」）を裏面と称する。

衝突噴流型の冷却器の例が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の冷却器では筐体の一側壁がベースプレートに相当する。ベースプレートと対向するように筐体内空間をベースプレートに面する空間とベースプレートから離間した空間に二分する仕切板を備える。ベースプレートから離間した空間に外部から冷媒が供給される。すなわち、その空間自体が冷媒供給路を構成する。なお、筐体に設けられた、冷媒を供給する口を冷媒供給口と称する。仕切板からベースプレートの裏面に向けて冷媒を噴出させる冷媒ノズルが設けられている。冷媒ノズルは、冷媒供給口に近い側から遠い側へと伸びる長尺な開口を有する。あるいは、冷却器は、冷媒供給口に近い側から遠い側へと並んで点在する複数の冷媒ノズルを有する。仕切板によって仕切られる空間のうち、ベースプレートに面する空間には、筐体の壁面に冷媒排出口が設けられている。冷媒排出口は、筐体の側壁のうち、冷媒供給口が設けられた側壁と対向する側壁に設けられている。冷媒ノズルから噴出された冷媒は、ベースプレートの裏面に衝突した後に冷媒排出口へ向かって流れる。即ち、仕切板とベースプレートの間の空間が冷媒排出路を構成する。なお、特許文献１に開示された冷却器には、ベースプレートの裏面に複数のフィンが設けられている。

冷媒ノズルは冷媒の流れ方向に長い開口を有しており（あるいは冷却器は流れ方向に点在する複数の冷媒ノズルを有しており）、冷媒は、冷媒ノズルを通じて冷媒供給路から冷媒排出路へと移動する。それゆえ、冷媒供給路においては、上流から下流に進むにつれて冷媒流量が減り、一方、冷媒排出路では、上流から下流に進むにつれて冷媒流量が増える。

他方、特許文献１に開示された冷却器では、仕切板はベースプレートと平行であり、冷媒供給路と冷媒排出路の流路断面積（冷媒の流れ方向に直交する断面における流路面積）は、冷媒流れ方向に一定である。上流から下流に向かって流量が減少（冷媒排出路では増加）するのに流路断面積が一定であると、冷媒の圧力が下流で減少する（冷媒排出路では増加する）。冷媒の流れ方向に圧力分布が不均一であると、ベースプレートに衝突させる冷媒の圧力（あるいは流速）が不均一となり、ベースプレートに取り付けた冷却対象に対する冷却能力が不均一となる。

また、衝突噴流型の冷却器の他の例として、例えば特許文献２には、冷却対象の温度分布を均一化する技術が開示されている。この特許文献２に記載の技術は、基板上に配列された半導体素子を仕切る仕切り部材を設けて素子冷却室を形成し、冷却媒体を供給する冷却媒体供給部材を介して冷却媒体噴出口を素子冷却室に挿着し、各素子を独立して冷却することにより、各素子間の温度差を小さくする。

特開２０１１−１６６１１３号公報 特開平５−３２７４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術においても、特許文献１と同様に、冷媒の圧力が冷媒供給路の下流で減少する（冷媒排出路では増加する）ことにより、冷媒の流れ方向で圧力分布が不均一になる。従って、特許文献２の技術も、冷却対象に対する冷却能力が十分に均一化されるとは言い難い。

本明細書が開示する冷却器は、特許文献１あるいは２の冷却器に例示されている衝突噴流型の冷却器をさらに改良し、冷却対象を均一に冷却することができる冷却器を提供する。

本明細書が開示する技術は、ベースプレートに取り付けられる冷却対象を冷却する冷却器に関する。この冷却器は、おもて面に冷却対象が取り付けられるベースプレートと、ベースプレートの裏面に取り付けられており、平面同士を対向させて平行に配列されている複数のフィンと、を備えている。また、この冷却器は、ベースプレートの裏面側で複数のフィンの先端から離間して設けられており、ベースプレートに沿って伸びている冷媒供給路と、複数のフィンの間の空間と通じており、冷媒供給路とベースプレートとの間に設けられている冷媒排出路と、冷媒供給路に設けられており、ベースプレートの裏面に向かって冷媒を噴出させる冷媒ノズルと、を備えている。さらに冷却器は、冷媒供給路内において冷媒流れ方向に沿って伸びており、冷媒供給路を複数の供給路（分割供給路）に仕切る供給路仕切り部材と、複数に仕切られた分割供給路の少なくとも一つに一方側から冷媒を供給する第１の冷媒供給口が設けられているとともに、他の少なくとも一つの分割供給路に他方側から冷媒を供給する第２の冷媒供給口が設けられている。供給路仕切り部材は、複数の分割供給路がベースプレートと平行に並ぶように冷媒供給路を仕切る。そして、複数の分割供給路の夫々に冷却ノズルが設けられている。

このような構成によれば、供給路仕切り部材により冷媒供給路を複数の分割供給路に仕切り、一方側及び他方側から冷媒を供給するので、冷媒供給路に対して冷媒を双方向に流すことができる。夫々の分割供給路の下流では冷媒の圧力が低下することになるが、一つの分割供給路において圧力が低下する下流に隣接して、冷媒が反対方向に流れる別の分割供給路の上流が位置している。それゆえ、冷媒供給路の全体では、その延設方向に沿って冷媒の圧力分布が均一化される。これにより冷却対象を均一に冷却することができる。

また、本明細書が開示する技術では、ベースプレートの裏面に案内部が設けられている。この案内部は、ベースプレートの裏面から冷媒排出路に向かって湾曲する湾曲面を有しており、その湾曲面により冷媒排出路へ冷媒を案内する。

このような構成によれば、ノズルからベースプレートに向けて噴出した冷媒は、案内部の湾曲面に沿ってカーブを描きながら冷媒排出路へと案内される。それゆえ、隣接するフィンの間で冷媒がスムーズに流れる。これにより、ベースプレートの裏面に対する冷媒の衝突を緩和することができ、あるいは、裏面に衝突した後の冷媒の流れの乱れを抑制することができ、冷媒の圧力損失を低減することができる。

実施形態に係る冷却器の斜視図を示す。 冷却器の断面図を示す。図２（Ａ）は筐体の天板を除いた平面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。 図２（Ｂ）のIII部分の拡大図を示す。 図２（Ｃ）のIV部分の拡大図を示す。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、冷却器２の斜視図である。但し、図１では、冷却器２の内部構造が理解できるように、部品の一部はカットして描いてある。ハッチングが、カットした面を表している。図２は、冷却器２の三面図である。図２（Ａ）は筐体７の天板７ａを除いた平面図を示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面（側面断面図）を示している。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面（正面断面図）を示している。

冷却器２は、半導体チップなどの冷却対象９２ａ、９２ｂ、９２ｃを冷却するデバイスである。冷却対象９２ａ〜９２ｃは、ヒートスプレッダを兼ねる絶縁板９１を介して、ベースプレート３のおもて面３ａに取り付けられる。ベースプレート３は、筐体７の一つの側壁を構成する。ここで、「おもて面」とは、ベースプレート３の二つの平面を区別するための便宜上の表現であることに留意されたい。本明細書では、ベースプレート３において、冷却器２の外側を向く面を「おもて面３ａ」と称し、冷却器２の内部側を向く面を「裏面３ｂ」と称する。冷却器２は、筐体内部、特に、ベースプレート３の裏面側に冷媒を通し、冷却対象を冷却する。冷媒は、好ましくは、水あるいは不凍液であるが、空気などのガスであってもよい。なお、実施形態の冷却器２は、図面ではペースプレート３が下方を向くように配置されているが、ペースプレート３を上方に向けて配置することができる。

ベースプレート３の裏面３ｂには、複数のフィン４が取り付けられている。複数のフィン４は、その平面を相互に対向させ、平行に配列されている。複数のフィン４の向きは、その平面が冷媒の流れ方向（後述）に直交する向きである。

冷却器２の筐体７は、ほぼ、直方体であり、フィン４を除く内部空間が冷媒の流路となっている。筐体７の内部には、内部空間をベースプレート３の裏面３ｂに面する空間と、ベースプレート３から離間する空間に二分する仕切板５が設けられている。この仕切板５は、ベースプレート３と平行に配置されている。そして、ベースプレート３とは反対側における筐体７の側壁と、仕切板５との間に、冷媒供給路１２が形成されている。また、ベースプレート３と仕切板５との間の空間に、冷媒排出路１４が形成されている。冷媒供給路１２と冷媒排出路１４については後に詳しく説明する。

冷却器２は、冷媒供給路１２内に配置された複数の供給路仕切り部材２１を備えている。各供給路仕切り部材２１は、冷媒供給路１２内において冷媒流れ方向に沿って伸びており、冷媒供給路１２を複数に仕切っている。仕切られた個々の冷媒供給路を分割供給路と称する。即ち、冷媒供給路１２は、第１の分割供給路１２１と第２の分割供給路１２２とに分離され、第１の分割供給路１２１及び第２の分割供給路１２２が交互に並んで配置されている。各供給路仕切部材２１は、それによって分割される分割供給路がベースプレート３と平行に並ぶように冷媒供給路１２を仕切る。また、図２（Ａ）に示す例では、供給路仕切り部材２１は、図面の左右方向に伸びており、長手方向の両端部が筐体７の側壁内面に密着している。また、供給路仕切り部材２１は、図２（Ｂ）に示すように、仕切板５の裏面に密着すると共に、仕切板５に対向する筐体７の側壁内面に密着している。供給路仕切り部材２１がこのように配置されることにより、複数に仕切られた冷媒供給路１２（第１の冷媒供給路１２１および第２の冷媒供給路１２２）は互いに冷媒が流入しないように構成されている。

仕切板５よりもベースプレート３から遠い空間（即ち冷媒供給路１２）には、第１の冷媒供給口８１及び第２の冷媒供給口８２が設けられており、仕切板５よりもベースプレート３に近い空間（即ち冷媒排出路１４）には、冷媒排出口９が設けられている（図２（Ｂ）参照）。第１の冷媒供給口８１、第２の冷媒供給口８２、および冷媒排出口９は、筐体７の対向する二つの側壁に設けられている。また、複数に仕切られた冷媒供給路１２（第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２）のそれぞれに第１の冷媒供給口８１及び第２の冷媒供給口８２が形成されている。第１の冷媒供給口８１及び第２の冷媒供給口８２は、交互に対向するように形成されており、第１の冷媒供給口８１が第１の分割供給路１２１に対して形成され、第２の冷媒供給口８２が第２の分割供給路１２２に対して形成されている。図２（Ａ）に示す例では、中央の第１の分割供給路１２１に対応する第１の冷媒供給口８１は筐体７の右側の側壁に形成されており、上下両側の第２の分割供給路１２２に対応する冷媒供給口８２は筐体７の左側の側壁に形成されている。これにより、複数の分割供給路の一つ（第１の分割供給路１２１）には、一方側（右側）から冷媒を供給することができ、他の分割供給路（第２の分割供給路１２２）には、他方側（左側）から冷媒を供給することができる。したがって、図１及び図２（Ａ）において太線の矢印で示すように、複数の分割供給路の一つ（第１の分割供給路１２１）では、冷媒が右側から左側へ（一方側から他方側へ）流れ、残りの分割供給路（第２の分割供給路１２２）では、左側から右側へ（他方側から一方側へ）流れる。このように、交互に配置された第１の分割供給路１２１と第２の分割供給路１２２とでは、互いに反対方向に冷媒が流れる。したがって、第１の分割供給路１２１における冷媒の下流側（あるいは上流側）と第２の分割供給路１２２における冷媒の上流側（あるいは下流側）とが隣接することになる。

また、図２（Ｂ）に示すように、冷媒排出口９は、図の右側（一方側）の側壁に設けられている。従って冷媒排出口９では、冷媒は図中を左から右に流れる。

また、仕切板５からは、冷媒ノズル６がベースプレート３に向かって伸びている。図２（Ａ）によく示されているように、冷媒ノズル６は、冷媒の流れに沿って長尺な開口（流路）を有している。冷媒供給口８１、８２から供給された冷媒は、冷媒供給路１２を通り、次いで冷媒ノズル６を通り、冷媒排出路１４に移動する。最後に、冷媒排出口９から排出される。各冷媒ノズル６は、複数の分割供給路（第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２）のそれぞれに連通している。

図２（Ｃ）によく示されているように、冷媒排出路１４は、断面がコの字状の溝にも相当し、コの字の開口側はフィン４に面している。すなわち、冷媒排出路１４は、フィン４の間の空間と大きく通じている。また、冷媒ノズル６は、その先端６ａが、フィン４の上端４ａに接している（図２（Ｃ）を参照）。

また、冷却器２は、ベースプレート３の裏面に設けられた複数の案内部３１を備えている。図３は、図２（Ｂ）のIII部分の拡大図を示し、図４は、図２（Ｃ）のIV部分の拡大図を示す。図３及び図４に示すように、案内部３１は、冷媒をスムーズに流すための構成であり、冷媒排出路１４に対向する位置に設けられ、ベースプレート３の裏面から冷媒排出路１４に向かって湾曲する湾曲面３２を備えている。この湾曲面３２は、ベースプレート３の裏面からフィン４の平面と直行する方向に沿って湾曲して伸びると共に、フィン４の平面と平行な方向に沿っても湾曲して伸びている。このように湾曲面３２は、図２（Ｂ）の断面図においても図２（Ｃ）の断面図においても湾曲している。また、湾曲面３２は、フィン４の平面と滑らかに連続して繋がっている。図２（Ｂ）の断面（即ち、冷媒供給路１２における冷媒の流れ方向に沿った断面）においては、図３において太線の矢印で示すように、ノズルから噴出した冷媒は対向するフィン４の一方の表面に沿って流れ、湾曲面３２に沿ってベースプレート３に近づくにつれてカーブし、ベースプレート３の直近ではベースプレート３に平行に流れる。冷媒はその後、対向するフィン４の他方の面の湾曲面３２に沿ってカーブし、冷媒排出路１４へと向かう。このように、冷媒供給路１２における冷媒の流れ方向に沿った断面においては、湾曲面３２に沿ってカーブを描きながらベースプレート３に衝突し、離れていく。従ってベースプレート３の裏面に対する冷媒の衝突が緩和されるとともに、冷媒の流れの乱れが抑制される。

また、図４に示すように、案内部３１は、冷媒排出路１４に向かって突出するように形成された先端部３３を備えている。図２（Ｃ）の断面（即ち、冷媒供給路１２における冷媒の流れ方向に直交する断面）においては、図４において太線の矢印で示すように、冷媒ノズル６から複数のフィン４の間に流入した冷媒は、ベースプレート３の裏面に衝突した後、案内部３１の湾曲面３２に沿って流れ、先端部３３から冷媒排出路１４へ案内される。従ってベースプレート３に衝突した後の冷媒の流れの乱れが抑制される。

図１、図２（Ｂ）を参照して、冷却器２の全体を通した冷媒の流れを説明する。図１、図２（Ｂ）の矢印付きの太線が、冷媒の流れを示している。図２（Ｂ）の記号「Ｆｉｎ」は、冷却器２へ冷媒が流入することを表しており、記号「Ｆｏｕｔ」は、冷却器２から冷媒が流出することを表している。第１の冷媒供給口８１から供給された冷媒は、冷媒供給路１２を右側から左側へと流れる。また、第２の冷媒供給口８２から供給された冷媒は、冷媒供給路１２を左側から右側へ流れる。供給された冷媒は、冷媒供給路１２を流れる間に冷媒ノズル６の長尺な開口を通じ、ベースプレート３へ向かって流れの方向を変える。そして、この冷媒は、冷媒ノズル６からベースプレート３の裏面３ｂに向かって勢いよく噴出する。ベースプレート３の裏面３ｂに向かって噴出した冷媒は、フィン４の間を通り、案内部３１の湾曲面３２によって案内され、先端部３３から冷媒排出路１４に向けて流れる。冷媒排出路１４では、冷媒は、冷媒排出口９へ向かって流れる。最後に冷媒は、冷媒排出口９から排出される。なお、各冷媒供給口８１、８２と冷媒排出口９には、不図示の冷媒パイプが接続されており、その冷媒パイプの先には不図示のタンクとポンプが接続されている。冷媒は、そのタンクとポンプと冷媒パイプにより、冷却器２に送られ、また、冷却器２から回収される。

冷却器２の利点を説明する。冷却器２は、冷媒供給路１２に沿って長尺な冷媒ノズル６を設けているため、冷媒供給路１２の下流に向かうに従い、冷媒排出路１４に移動する冷媒の量が増える。それゆえ、冷媒供給路１２においては下流に向かうに従って冷媒の圧力が低下する。一方、冷却器２は、供給路仕切り部材２１により冷媒供給路１２を複数の分割供給路に仕切り、第１の分割供給路１２１及び第２の分割供給路１２２にそれぞれ反対方向から冷媒を供給するので、冷媒供給路１２に対して冷媒を双方向に流すことができる。これにより、夫々の分割供給路では冷媒の下流側で圧力が低下するが、第１の分割供給路１２１の下流に第２の分割供給路１２２の上流が隣接し、一方、第２の分割供給路１２２の下流に第１の分割供給路１２１の上流が隣接するので、下流の冷却能力が低くても、隣接して上流を流れる冷媒により冷却能力を補うことができる。これにより冷却対象を均一に冷却することができる。また、案内部３１の湾曲面３２により冷媒排出路１４へ冷媒を案内するので、隣接するフィン４の間で冷媒をスムーズに流すことができる。これにより、ベースプレート３の裏面３ｂに対する冷媒の衝突を緩和することができ、冷媒の圧力損失を低減することができる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２が隣接して交互に配置され、一方から他方へ（右から左へ）流れる冷媒と、他方から一方へ（左から右へ）流れる冷媒が隣接して交互に流れる構成であったが、第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２は必ずしも交互に配置されていなくてもよい。例えば、第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２が互いに２列おきに配置されている構成であってもよい。このような構成によっても、冷媒が一方側へ流れる第１の分割供給路１２１と、他方側へ流れる第２の分割供給路１２２とを備えることにより、冷却対象を均一に冷却することができる。このように、冷媒が互いに逆方向に流れる第１の分割供給路１２１および第２の分割供給路１２２を備えていれば、その配置順序は特に限定されるものではない。

上記実施形態の冷却器２は、冷媒供給路１２の流れ方向に沿った長尺の開口を有する冷媒ノズル６を備えるが、本明細書が開示する技術は、長尺の冷媒ノズル６に代えて、流れ方向に点在する複数の冷媒ノズルを有している衝突噴流型の冷却器に適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：冷却器
３：ベースプレート
３ａ：おもて面
３ｂ：裏面
４：フィン
５：仕切板
６：冷媒ノズル
７：筐体
７ａ：天板
９：冷媒排出口
１２：冷媒供給路
１４：冷媒排出路
２１：供給路仕切り部材
３１：案内部
３２：湾曲面
３３：先端部
８１：第１の冷媒供給口
８２：第２の冷媒供給口
９１：絶縁板
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ：半導体チップ（冷却対象）
１２１：第１の分割供給路
１２２：第２の分割供給路

Claims (2)

1. おもて面に冷却対象が取り付けられるベースプレートを備えている筐体と、
   前記ベースプレートの裏面に取り付けられており、平面同士を対向させて平行に配列されている複数のフィンと、
   前記ベースプレートと平行に配置されている仕切板と、
   前記ベースプレートの裏面側で複数の前記フィンの先端から離間して設けられており、前記ベースプレートに沿って伸びている冷媒供給路と、
   複数の前記フィンの間の空間と通じており、前記冷媒供給路とベースプレートとの間に設けられている冷媒排出路と、
   前記仕切板に設けられており、前記冷媒供給路から供給される冷媒を前記ベースプレートの裏面に向かって冷媒を噴出させる冷媒ノズルと、
   前記冷媒供給路内において冷媒流れ方向に沿って伸びており、当該冷媒供給路を複数の分割供給路に仕切る供給路仕切り部材と、を備えており、
   前記仕切板は、前記筐体の内部空間を前記ベースプレートの裏面に面する空間と、前記ベースプレートから離間する空間に分けており、
   前記冷媒排出路は、前記ベースプレートと前記仕切板の間に形成されており、
   前記冷媒供給路は、前記ベースプレートとは反対側における筐体の側壁と前記仕切板の間に形成されており、
   前記供給路仕切り部材は、前記仕切板の裏面に密着すると共に、前記仕切板に対向する前記筐体の側壁内面に密着しており、
   前記複数の分割供給路の少なくとも一つに前記冷媒供給路の一方側から冷媒を供給する第１の冷媒供給口が設けられているとともに、他の少なくとも一つに前記冷媒供給路の他方側から冷媒を供給する第２の冷媒供給口が設けられている衝突噴流型の冷却器。
2. 前記ベースプレートの裏面には、前記冷媒排出路に向かって湾曲する湾曲面を有しており、当該湾曲面により前記冷媒排出路へ冷媒を案内する案内部が設けられている請求項１に記載の冷却器。

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