JP6178276B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、冷却器筐体の側板に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、その側板の裏面（筐体内側の面）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、筐体の側板に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、その側板の裏面（筐体内側を向く面）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、冷却対象を取り付けた側板の裏面に衝突させることから、衝突噴流型と呼ばれる。本明細書では、説明の便宜上、冷却器の一つの側板であって、半導体チップなどの冷却対象を取り付ける側板を「ベースプレート」と称する。そして、冷却対象を取り付ける面を、ベースプレートの「おもて面」と称し、反対側の面（筐体内側を向く面）を「裏面」と称する。

衝突噴流型の冷却器の例が特許文献１に記載されている。その冷却器は次の構造を備えている。その冷却器は、内部を冷媒が通る筐体と、上記したベースプレートと、ベースプレートの裏面に立設されている複数のフィンと、仕切板と、ノズルを備えている。仕切板は、ベースプレートに平行に設けられており、筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路とベースプレートに近い第２流路に二分する。ノズルは、仕切板からベースプレートに向けて伸びており、冷媒をベースプレートの裏面に向けて噴出する。また、筐体には、第１流路に冷媒を供給する供給口が設けられているとともに、第２流路から冷媒を排出する排出口が設けられている。

特許文献１に開示された冷却器は、ベースプレートの裏面に複数のフィンを備えている。ノズルから噴出した冷媒は、ベースプレートの裏面に衝突し、フィンに沿って流れ、その後、排出口に向かって流れる。冷却対象の熱は、ベースプレートの裏面だけでなく、フィンからも冷媒へ移動する。

フィンの性能も冷却性能に大きく貢献する。フィンの性能を高める技術が例えば特許文献２に開示されている。特許文献２には、放熱シートを金属板で挟んだフィンが開示されている。放熱シートには、金属板よりも熱容量が小さい材料が採用される。熱容量が小さいので、熱がフィンに籠らず放熱性が向上する。また、特許文献３には、フィンの製造コストを下げる技術として、一枚の金属板をくし歯状に折り曲げて複数の平行なフィンを形成する技術が開示されている。なお、特許文献２、３に開示された技術は、衝突噴流型に制限されない。

特開２０１１−１６６１１３号公報 特開２０１２−１２９３７９号公報 特開平０６−２６０５７１号公報

本明細書が開示する技術は、フィンの構造を改良し、衝突噴流型の冷却器の効率を高める。そのフィンは、衝突噴流型の冷却器の特徴を利用した特殊な構造を有する。

衝突噴流型の冷却器において、フィンは、ノズルの冷媒噴き出し方向に位置する範囲が最も放熱性能が高い。ここで、放熱性能とは、フィンから冷媒への熱伝達率で表される。ノズルの冷媒噴き出し方向から離れる程に冷媒は熱を吸収してその温度が上昇し、フィンの放熱性能が低下する。特に、ノズルの冷媒噴き出し方向から遠く、さらにフィンの先端（ベースプレートから最も遠い端）が最も放熱性能が低くなる。フィンの放熱性能への寄与を考慮すると、フィンの高さ（ベースプレートからフィン先端までの長さ）はあまり高くしない方がよい。しかし、一方、フィンの高さを低くしてノズルの先端との間に隙間が生じると、フィンの間を通らずにノズル先端とフィン先端の間の隙間へ逃げてしまう冷媒の量が増える。これでは冷媒の利用効率が下がる。フィンを低くするとともに、ノズルを長くしてノズル先端とフィン先端との接触を保つと、ノズル先端とベースプレートの間の距離が縮まり、ノズルから噴き出した冷媒の圧力損失が大きくなってしまう。従ってフィンの高さは低くても不都合があり、冷媒の流れの観点からは、フィンの高さはあまり低くできない。その結果、従来の衝突噴流型の冷却器では、フィンの一部は放熱性能に有効に寄与していなかった。

そこで発明者らは、フィンの熱伝導率を場所に応じて異ならしめ、ノズルの冷媒噴き出し方向から離れたフィンの範囲へ熱を積極的に輸送し、そこで冷媒へ拡散させる、という着想を得た。具体的には、フィンの熱伝導率を、ノズルの冷媒噴き出し方向の領域（第１領域）で低く、噴き出し方向と交差する方向で第１領域に隣接する第２領域で高くする。別言すると、フィンは第１領域と第２領域に分けられ、ノズルの冷媒噴き出し方向に位置する第１領域の熱伝導率が、冷媒噴き出し方向から外れている第２領域の熱伝導率よりも低くなっているフィンを採用する。そのようなフィンを用いることによって、ベースプレートの熱は、従来の熱伝導率が均一なフィンの場合と比較して、第２領域へ移動する熱量が増加する。ベースプレートからフィンへ拡散する熱の分布を第２領域（即ち、ノズルの冷媒噴き出し方向から遠い領域）で高める。第２領域では冷媒の温度が噴き出し方向の領域よりも高くなっているが、上記のフィンを用いると、第２領域へ多量の熱が移動してフィンの温度が高くなるのでフィンと冷媒の温度差が大きくなり、フィンから冷媒への熱伝達率（即ち放熱性能）が向上する。フィン全体で冷媒への熱伝達率が均一化し、その結果、衝突噴流型の冷却器としての冷却性能が向上する。

別言すれば、従来の衝突噴流型の冷却器では、ノズルの冷媒噴き出し方向の領域（上記の第１領域）で熱を集中的に冷媒へ放出していたのに対して本明細書が開示する冷却器はフィン全体でベースプレートの熱を冷媒に放出する。フィン全体を有効に使うことができ、冷却性能の向上が期待できる。特に、熱伝導率が均一なフィンを採用した場合に第１領域での熱伝達率が飽和している場合には、第２領域の放熱性能を高めることによって、冷却性能の顕著な改善が期待できる。

また、別の観点からみると、一般に熱伝導率の高い材料は高価であるが、本明細書が開示する冷却器は、フィン全体を高熱伝導率材料で作る必要がないのでコスト的にも有利である。

ベースプレートの熱をノズルの冷媒噴き出し方向の領域（第１領域）から離れた領域（第２領域）へ積極的に移動させるためには、フィンの平面に垂直な方向から見たときに第２領域が、ベースプレートに近い側で広くフィン先端で狭い先細り形状をなしているとよい。第２領域のベースプレートに近い側を広くすることによって、ベースプレートの熱が第２領域へと移動し易くなる。

また、上記フィンは、熱伝導率の低い材料で第１領域の部位を作り、熱伝導率の高い材料で第２領域の部位を作って接合してもよいが、次の構造で廉価に製造することができる。即ち、高熱伝導シートを金属板で挟んでフィンを構成する。高熱伝導シートには、その熱伝導率が金属板の熱伝導率よりも高く、第１領域に対応する箇所が切り欠かれているものを採用する。この構造によれば、切り欠いた高熱伝導シートを金属板で挟むことで部位に応じて熱伝導率の異なるフィンを容易に実現できる。さらに、二枚の金属板で高熱伝導シートを挟み込み、その積層体を櫛歯状に折り曲げて複数のフィンを構成することもコストの点で好適である。そのようなフィンは、具体的には、金属板にアルミニウム（熱伝導率：２３６Ｗ／ｍＫ）を用い、高熱伝導シートにグラファイトシート（熱伝導率：１５００Ｗ／ｍＫ）を用いればよい。

本明細書は、冷却対象物が取り付けられる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とともに、その裏面に向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に関し、フィンを工夫して放熱性能を高める技術を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の冷却器の斜視図である（筐体の一部をカット）。 図２（Ａ）は、実施例の冷却器の平面図である（筐体の天板をカット）。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図２（Ｃ）を拡大した断面図である。 一例のフィンの斜視図である。 一例のフィンを構成するグラファイトシートの展開図である。

図面を参照して実施例の冷却器を説明する。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（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（横断面図）を示している。

冷却器２は、半導体チップなどの冷却対象９２を冷却するデバイスである。冷却対象９２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、冷却器２の筐体７の一つの側板を構成する。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、典型的には水あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

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。各フィン４は、２つの領域で構成されており、それらの領域は熱伝導率が異なる。符号４１が示す領域（第１領域４１）の熱伝導率は、符号４２が示す領域（第２領域４２）の熱伝導率よりも低い。図１、図２（Ｃ）において、フィン４に付した破線が第１領域４１と第２領域４２の境界を示している。フィン４の構造については後述する。

冷却器２の筐体７は直方体であり、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から遠い空間に区画する仕切板５が設けられている。前者の空間を第１流路１２と称し、後者の空間を第２流路１４と称する。

図２（Ｂ）に示されているように、筐体７の一端には、第１流路１２（仕切板５よりもベースプレート３から遠い空間）に通じる冷媒供給口８が設けられている。筐体７の他端には、第２流路１４（仕切板５よりもベースプレート３に近い空間）に通じる冷媒排出口９が設けられている。以下、冷媒供給口８を単純に供給口８と称し、冷媒排出口９を単純に排出口９と称する。

供給口８と排出口９は、ベースプレート３と交差する筐体７の側板のうち、対向する二つの側板の夫々に設けられている。図２（Ｂ）では、図の左側の側板に供給口８が設けられており、図の右側の側板に排出口９が設けられている。すなわち、冷媒は図中の左から右に流れる。別言すれば、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示した座標系において、冷媒はＸ軸の正方向へと流れる。すなわち、Ｘ軸が冷媒流の方向に相当し、Ｘ軸の正方向が、冷媒流の下流側に相当する。

仕切板５からは、３個のノズル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、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。３個のノズルは、流れの方向に沿って平行に伸びている。供給口８から供給された冷媒は、第１流路１２を通り、次いでノズル６を通って第２流路１４に移動する。このとき、ノズル６から噴出した冷媒は、ベースプレート３の裏面に衝突する。第２流路１４を流れる冷媒は、最後に、排出口９から排出される。

図１、図２（Ｂ）の矢印太線が冷媒の流れを表している。それらの図を参照して冷媒の流れを説明する。図２（Ｂ）の記号「Ｆｉｎ」は、冷却器２へ流入する冷媒を表している。図２（Ｂ）の記号「Ｆｏｕｔ」は、冷却器２から排出される冷媒を表している。供給口８から供給された冷媒は、第１流路１２を下流へと流れる。冷媒は、第１流路１２を流れる間にノズル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。冷媒は、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に衝突した冷媒は跳ね返り、平行なフィン４の間を通り、第２流路１４へと移動する。図２（Ｂ）において、冷媒流を示す矢印太線が一部で破線となっているのは、ノズル６の内側を冷媒が流れていることを表している。

上述したように、冷却器２は、冷却対象を取り付けたベースプレート３の裏面３ｂに冷媒を勢いよく噴き付けることにより冷却能力を向上させている。また、ベースプレート３から跳ね返った冷媒は、複数の平行なフィン４の間を通る間にフィン４から熱を奪い、ベースプレート３（即ち冷却対象）を冷却する。このような構造の冷却器は、衝突噴流型の冷却器と呼ばれる。

図２（Ｃ）によく示されているように、第２流路１４は、断面がコの字状（Ｕ字状）の溝に相当し、コの字の開口側はフィン４に面している。すなわち、第２流路１４は、フィンの間の空間と通じている。また、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。

フィン４について説明する。図３は、図２（Ｃ）の向きを変えるとともに拡大した図である。矢印太線が冷媒の流れを示している。図３において、符号Ｐ１は、フィン上の箇所であって、ノズル６の冷媒噴き出し方向に位置し、ベースプレート３に最も近い箇所を示している。符号Ｐ１が示す箇所をポイントＰ１と称する。また、符号Ｐ２は、フィン上の箇所であってポイントＰ１及びベースプレート３から最も遠い箇所を示している。符号Ｐ２が示す箇所を以下ではポイントＰ２と称する。

図３に矢印太線で示すように、ノズル６から噴出した冷媒は、フィン４の間を通りベースプレート３の裏面に衝突する。その後、ノズル６の先端とベースプレート３の間を通り、フィン４の平面に沿って流れ、第２流路１４に達する。衝突噴流型の冷却器では、冷却対象を取り付けたベースプレート３の裏面３ｂに高流速の冷媒を衝突させ、ベースプレート３から熱を吸収する。ベースプレート３の熱は、一部が冷媒に吸収されるとともに残りはフィン４に拡散する。ベースプレート３に衝突後、冷媒はフィン４に沿って流れるうちにフィンからも熱を吸収する。こうして、衝突噴流型の冷却器は高い冷却効率を達成する。

上記の理由により、フィン４は、ポイントＰ１で最も熱伝達率が高くなり、ポイントＰ２で熱伝達率が低くなる。なお、熱伝達率Ｅは、Ｅ＝Ｑ／Ａ（Ｔｗ−Ｔａ）で表される。Ｑは、面積Ａのフィン表面から冷媒へ移動した熱量である。Ｔｗはフィン４の表面温度であり、Ｔａは冷媒温度である。熱伝達率は、冷媒とフィンの温度差１度当たりどれだけの熱量がフィンから冷媒へ移動したかを表す指標である。

ポイントＰ１における放熱性能（即ち熱伝達率）が最も高くなるが、冷媒の性質や冷媒の流速等の要件から放熱性能にも限界がある。一方、ポイントＰ２がベースプレート３から遠いほど、ポイントＰ２にて冷媒へ移動する熱量は小さくなる。フィンの高さが高いと、ポイントＰ２ではフィン４の放熱性能への寄与度が小さくなる。そこで、空間を無駄なく使うため、フィン４の高さを低くすると、フィン先端４ａとノズル先端６ａとの間に隙間が生じ、ノズル６から噴出した冷媒の一部はこの隙間へ逃げてしまう。隙間が生じないように、フィン４の高さを低くすると同時にノズル６を延長し、フィン４の先端４ａとノズル６の先端６ａの接触を維持すると、ベースプレート３とノズル先端６ａの間の流路幅が狭まり、冷媒流の圧力損失が大きくなってしまう。このように冷媒の流れの観点から、フィン４の高さはあまり低くはできない。

実施例の冷却器２では、フィン４に熱伝導率の異なる２つの領域を設けることで、ポイントＰ２の放熱性能への寄与を高め、フィンの局所的な放熱性能の偏りを是正し、冷却器としての冷却性能の向上を図る。具体的には、フィン４は、ノズル６の冷媒噴き出し方向に相当する第１領域４１と、冷媒噴き出し方向と交差する方向で第１領域に隣接する第２領域４２で構成される。なお、図中の座標系のＺ軸方向が、冷媒噴出方向に相当する。図１、図２（Ｃ）、図３においてフィン４に記されている破線が第１領域４１と第２領域４２の境界を示している。

冷却器２では、第２領域４２の熱伝導率が、第１領域４１の熱伝導率よりも高くなっている。ポイントＰ１は、第１領域の中でも冷媒噴出方向でベースプレート３に最も近い箇所に相当する、ポイントＰ２は、第２領域の中でもベースプレート３とポイントＰ１の双方から最も遠い箇所に相当する。ポイントＰ２は熱伝導率の高い第２領域に含まれるため、従来よりもベースプレート３から熱が移動し易くなっている。それゆえ、従来よりもポイントＰ２の熱伝達率が高まる。逆に、ポイントＰ１では従来よりも熱が集中し難くなるため、熱伝達率は低くなる。結果、フィン全体で放熱性能への寄与度が分散され、冷却器の性能向上が期待できる。なお、「従来より」とは、「熱伝導率がフィン全体で一様な冷却器と比較して」という意味である。

実施例の冷却器２は、衝突噴流型の冷却器の特徴を巧みに利用してフィン４の構造を改良して放熱性能を高めている。その観点は、衝突噴流型ではベースプレート裏面のフィンの高さをある程度確保しなければならず、それゆえ、ノズルの冷媒噴出方向とベースプレートの双方から離れた箇所ではフィンの放熱性能に対する寄与が小さい、というものである。実施例の冷却器２では、そのような箇所（ポイントＰ２）を含みベースプレート３に接する領域２の熱伝導率を、ノズルの冷媒噴出方向に位置する領域１の熱伝導率よりも高くする。そのような構成を採用することでポイントＰ２へ移動する熱量を高め、ポイントＰ２における熱伝達率を高める。その結果として最も放熱が大きいポイントＰ１の熱伝達率が下がるが、従来では放熱性能を充分に発揮出来ていなかったポイントＰ２での放熱量を増大させる。そうすることでフィン全体の放熱性能を高め、もって冷却器の冷却性能を向上させる。とくに、熱伝導率が均一なフィンを用いた場合にポイントＰ１の熱伝達率が飽和している場合、ポイントＰ２の熱伝達率を高めることでポイントＰ１での飽和状態が緩和され、フィン全体の放熱性能が向上する。

さらに、図３によく示されているように、第２領域４２は、フィンの平面に垂直な方向からみて、ベースプレート３に近い側で幅広であり、ベースプレート３から遠ざかるにつれて先細りである。第２領域４２のそのような形状により、ベースプレート３の熱がポイントＰ２にさらに集中し易くなっている。

なお、熱伝導率の単位は［Ｗ／ｍＫ］であり、単位長さの物質の両端の温度差が１度のときに一端から他端へ移送される熱量の大きさで表される。一方、熱伝導率の単位は［Ｗ／ｍ^２Ｋ］であり、物質表面温度と冷媒との温度差１度当たり、物質の表面単位面積から冷媒に移動する熱量の大きさで表される。

熱伝導率の異なるフィン４を作るには、例えば、熱伝導率の異なる２つの材料で第１領域４１と第２領域４２を夫々製造し、後に接合するのが一つの方法である。別の方法として、高熱伝導シートを金属板で挟んで製造する方法がある。図４は、そのような方法で作られたフィン４の斜視図である。フィン４は、グラファイトシート１９を２枚のアルミニウム板１８ａ、１８ｂで挟み、その積層体を櫛歯状（アコーディオン状）に折り曲げたものである。破線が第１領域４１と第２領域４２の境界を示している。グラファイトシート１９の展開図を図５に示す。グラファイトシート１９は、冷却器２に組み込まれたときに第１領域に相当する領域に切欠１９ａが設けられている。図５において破線Ｌ１を山折りし、一点鎖線Ｌ２を谷折したものが、アルミニウム板に挟まれて櫛歯状に折り込まれたグラファイトシートに相当する。

アルミニウムの熱伝導率は２３６［Ｗ／ｍＫ］である。グラファイトシートの熱伝導率は［１５００Ｗ／ｍＫ］であり、アルミニウムよりも高い。従って、図５の展開図のグラファイトシート１９を挟んで折り込まれたフィン４は、第２領域４２の熱伝導率が第１領域４１の熱伝導率よりも高くなる。図４に示したフィンは、製造が容易である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例で示したように、熱伝導率が高い第２領域４２はベースプレートに近い側で幅が広くベースプレート３から離れるに従って幅が狭くなるテーパ状に形成するのが好ましい。しかし、本明細書が開示する技術はそのような形状に限定されないことに留意されたい。本明細書が開示する技術は、フィン４において、ノズルの冷媒噴き出し方向に位置する第１領域の熱伝導率が、第１領域に隣接する第２領域の熱伝導率よりも低ければよい。

また、冷却器２は平行な複数のフィン４を有し、全てのフィンが同様の構造（異なる熱伝導率を有する構造）を有している。本明細書が開示する技術は、必ずしも全てのフィンが同じ構造を有していなくともよい。例えば、複数のフィンの一部が上記したフィン４の構造を有しており、残りのフィンは熱伝導率が一様であってもよい。グラファイトシート１９が高熱伝導シートの一例に相当する。高熱伝導シートは、グラファイトシートに限られない。

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
４１：フィンの第１領域
４２：フィンの第２領域
４ａ：フィン先端
５：仕切板
６：ノズル
６ａ：ノズル先端
７：筐体
８：冷媒供給口
９：冷媒排出口
１２：第１流路
１４：第２：流路
１８ａ：アルミニウム板
１９：グラファイトシート（高熱伝導シート）
１９ａ：切欠

Claims (4)

1. 衝突噴流型の冷却器であって、
   内部を冷媒が通る筐体と、
   前記筐体の一つの側板であって、おもて面に冷却対象物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立設されている複数のフィンと、
   前記筐体内の空間をベースプレートから遠い第１流路とベースプレートに近い第２流路に区画する仕切板と、
   前記仕切板から前記ベースプレートに向けて伸びているとともに先端が前記フィンの上端に接しており、冷媒を前記ベースプレートの裏面に向けて噴出するノズルと、
   を備えており、
   前記フィンは、ノズルの冷媒噴き出し方向に位置する第１領域の熱伝導率が、前記第１領域に隣接する第２領域の熱伝導率よりも低い、
   ことを特徴とする冷却器。
2. 前記フィンの平面に垂直な方向から見たときに前記第２領域は、ベースプレートに近い側が広くフィン先端が狭い先細り形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記フィンは、高熱伝導シートを金属板で挟んで構成されており、
   前記高熱伝導シートは、その熱伝導率が前記金属板の熱伝導率よりも高く、前記第１領域に対応する箇所が切り欠かれている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却器。
4. 二枚の前記金属板で前記高熱伝導シートを挟み込み、その積層体をくし歯状に折り曲げて複数の前記フィンが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却器。

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