JP6844499B2 - Cooling device and semiconductor module equipped with it - Google Patents
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Description
本発明は、電子機器の発熱を冷却する冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device that cools the heat generated by an electronic device.
近年、電子機器の小型化及び高出力化に伴い発熱密度が増大する傾向にある。そこで、電子機器を安定して動作させるために、高効率な冷却技術の開発が重要となる。このような冷却技術として、従来から複数の放熱フィンを並列に配置し、当該フィン間の一方向に冷媒を流通させて、電子機器を冷却する冷却装置が知られている。しかし、この従来の冷却装置では、電子機器が設けられる厚み方向への熱伝達率が小さいため、十分に熱交換を行うことが困難であった。これに対し、例えば特許文献１では、厚み方向に積層された複数の縦部材間に斜め部材を設けた冷媒流路において、冷媒が攪拌されることにより、熱交換を促進させる冷却装置が開示されている。
In recent years, the heat generation density tends to increase with the miniaturization and high output of electronic devices. Therefore, in order to operate electronic devices stably, it is important to develop highly efficient cooling technology. As such a cooling technique, a cooling device in which a plurality of heat radiating fins are arranged in parallel and a refrigerant is circulated in one direction between the fins to cool an electronic device has been conventionally known. However, in this conventional cooling device, it is difficult to sufficiently exchange heat because the heat transfer coefficient in the thickness direction in which the electronic device is provided is small. On the other hand, for example,
しかしながら、複数の流路が交差して冷媒が攪拌される冷却装置の場合、流路断面の急変により渦流が発生し、圧力損失が増加するため、冷却装置に流入する冷媒流量が低下し、電子機器に対する冷却能力が低下するという課題があった。 However, in the case of a cooling device in which a plurality of flow paths intersect and the refrigerant is agitated, a vortex is generated due to a sudden change in the flow path cross section and the pressure loss increases, so that the flow rate of the refrigerant flowing into the cooling device decreases and electrons are generated. There was a problem that the cooling capacity for the equipment was reduced.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、圧力損失の増加を抑制して冷却能力を向上させることが可能な冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a cooling device capable of suppressing an increase in pressure loss and improving a cooling capacity.
本発明に係る冷却装置は、発熱体が設けられるベース板と、ベース板に対向して設けられた天面板と、ベース板及び天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、第１流路と組み合わされて配置され、冷媒が流通する流路の他の１つであって、天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由してベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、第１流路と第２流路とは、冷媒の流れの方向において冷媒が流通する流路の一端から他端まで至り、且つ、一端から他端に至るまで互いに分離して形成されることを特徴とする。
本発明に係る冷却装置は、発熱体が設けられるベース板と、ベース板に対向して設けられた天面板と、ベース板及び天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、第１流路と組み合わされて配置され、冷媒が流通する流路の他の１つであって、天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由してベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、第１の入れ替わり部及び第２の入れ替わり部は、それぞれ冷媒の流れに対して直交する断面における第１流路と第２流路との間の中間位置を中心として旋回するように形成されることを特徴とする。
本発明に係る冷却装置は、発熱体が設けられるベース板と、ベース板に対向して設けられた天面板と、ベース板及び天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、第１流路と組み合わされて配置され、冷媒が流通する流路の他の１つであって、天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由してベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、第１の入れ替わり部及び第２の入れ替わり部の少なくとも一方は、冷媒の流れに対して直交する断面がＬ字であることを特徴とする。
In the cooling device according to the present invention, a plurality of cooling devices are formed in parallel in the width direction between the base plate provided with the heating element, the top plate provided facing the base plate, and the base plate and the top plate, and the refrigerant flows. A first flow path and a first flow path that are one of the flow paths that communicate with the downstream part located on the top plate side via the first replacement part from the upstream part located on the base plate side. It is one of the other flow paths in which the refrigerant is arranged in combination and through which the refrigerant flows, and communicates from the upstream portion located on the top plate side to the downstream portion located on the base plate side via the second replacement portion. includes a second passage, the first passage and the second flow path leads from one end of the flow path that circulates the refrigerant in the direction of the coolant flow to the other, and, ranging from one end to the other end It is characterized in that it is formed separately from each other.
In the cooling device according to the present invention, a plurality of cooling devices are formed in parallel in the width direction between the base plate provided with the heating element, the top plate provided facing the base plate, and the base plate and the top plate, and the refrigerant flows. A first flow path and a first flow path that are one of the flow paths that communicate from the upstream part located on the base plate side to the downstream part located on the top plate side via the first replacement part. It is one of the other flow paths in which the refrigerant is arranged in combination and through which the refrigerant flows, and communicates from the upstream portion located on the top plate side to the downstream portion located on the base plate side via the second replacement portion. A second flow path is provided, and the first replacement part and the second replacement part are centered on an intermediate position between the first flow path and the second flow path in a cross section orthogonal to the flow of the refrigerant, respectively. It is characterized in that it is formed so as to swirl.
In the cooling device according to the present invention, a plurality of cooling devices are formed in parallel in the width direction between the base plate provided with the heating element, the top plate provided facing the base plate, and the base plate and the top plate, and the refrigerant flows. A first flow path and a first flow path that are one of the flow paths that communicate from the upstream part located on the base plate side to the downstream part located on the top plate side via the first replacement part. It is one of the other flow paths in which the refrigerant is arranged in combination and through which the refrigerant flows, and communicates from the upstream portion located on the top plate side to the downstream portion located on the base plate side via the second replacement portion. A second flow path is provided, and at least one of the first replacement portion and the second replacement portion is characterized in that the cross section orthogonal to the flow of the refrigerant is L-shaped.
また本発明に係る半導体モジュールは、冷却装置と、冷却装置のベース板に発熱体として設けられた半導体素子と、を備える。
The semiconductor module according to the present invention comprises a cooling device, and a semiconductor element provided as a heating element to the base plate of the cooling device.
本発明によれば、発熱体が設けられるベース板近傍に低温の冷媒を供給でき、圧力損失の増加を抑制して冷却能力を向上させる冷却装置を実現できる。また冷却能力の高い半導体モジュールを実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a cooling device capable of supplying a low-temperature refrigerant in the vicinity of the base plate on which the heating element is provided, suppressing an increase in pressure loss, and improving the cooling capacity. Moreover, a semiconductor module having a high cooling capacity can be realized.
以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置を備えた冷却システムを示す概略構成図である。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、冷却システム１００は、冷却装置１及び冷媒駆動装置２から構成される。冷媒駆動装置２は、冷却管３１内を流れ方向３２に流通する冷媒３を冷却装置１に供給する。冷却装置１は、冷媒３を流通させ、熱を受熱し、外部環境へ放熱させる。冷却システム１００は、例えば、図１（ａ）に示すように、冷媒３が冷却装置１を流通した後、再び冷媒駆動装置２に戻って循環するシステムである。また、図１（ｂ）に示すように、冷媒３が循環せずにそのまま外部環境へ放出されるシステムとしてもよい。ここで、冷媒３は気体又は液体であればよく、空気、水素、水、エタノール、アセトン等が挙げられる。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a cooling system including a cooling device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1A and 1B, the
冷媒駆動装置２は、空冷式の場合にはファン、水冷式の場合にはポンプを用いる。ここでファンは、例えば、軸流ファン、遠心ファン、斜流ファン、横断流ファン等を用いることができる。ポンプは、例えば、軸流ポンプ、遠心ポンプ、斜流ポンプ等のターボ型ポンプ又は容積式ポンプを用いることができる。その他、例えば、水又は蒸気のジェット噴射力を利用したポンプ、圧縮空気を利用したポンプ等を用いてもよい。
The
図２は、本発明に係る冷却装置を示す概略構成図である。図２（ａ）は、発熱体が配置された冷却装置の斜視図である。図２（ｂ）、図２（ｃ）は、図２（ａ）の冷却装置の内部の一部を透視した上面図及び側面図である。冷却装置１の幅方向をＸ軸、長手方向をＹ軸、厚み方向をＺ軸とした座標軸を表記する。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a cooling device according to the present invention. FIG. 2A is a perspective view of a cooling device in which a heating element is arranged. 2 (b) and 2 (c) are a top view and a side view of a part of the inside of the cooling device of FIG. 2 (a) seen through. The coordinate axes with the width direction of the
図２（ｃ）に示すように、冷却装置１はベース板１１と天面板１２とを有して構成される。冷却装置１のベース板１１には、発熱体４が配置される。冷却装置１は、熱伝導性の優れたグリス、シート、熱拡散性の大きいヒートスプレッダ、炭素繊維部材（グラファイトシート）等を介して、発熱体４に取り付けられる。発熱体４から発生した熱は、冷却装置１を流通する冷媒３と熱交換されて放熱される。ここで図２では、ベース板１１に発熱体４が設けられる例を示したが、天面板１２に設けられてもよく、少なくとも一方に設けられていればよい。
As shown in FIG. 2C, the
冷却装置１のベース板１１と天面板１２の間には、Ｙ方向を流れ方向３２とする冷媒流路１０が形成されている。冷媒流路１０は、例えばＺ方向に２段の冷媒３の流入口１８１、１８２を有し、第１流路５及び第２流路６の２つの流路が組み合わされて構成される。また、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、冷媒流路１０は、Ｘ方向に複数並列に形成されている。冷却装置１の材質は、例えばアルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属を用いることができる。
A
図３は、本発明に係る冷却装置の流路構造を示す概略構成図である。図３（ａ）は、第１流路及び第２流路が組み合わされた流路構造の斜視図である。図３（ｂ）、図３（ｃ）は、第１流路及び第２流路を各々分離した斜視図である。図３（ａ）に示すように、冷媒流路１０は、互いに別体として形成された第１流路５及び第２流路６が組み合わされ、冷媒３が流通する過程でベース板１１側と天面板１２側とで位置関係が入れ替わるように構成されている。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a flow path structure of the cooling device according to the present invention. FIG. 3A is a perspective view of a flow path structure in which the first flow path and the second flow path are combined. 3 (b) and 3 (c) are perspective views in which the first flow path and the second flow path are separated from each other. As shown in FIG. 3A, the
図３（ｂ）に示すように、第１流路５は、ベース板１１側において２つに分岐された流入口１８１を有し、ベース板１１側に位置する上流部で２つに分岐された流路が合流する。合流後、ベース板１１側の上流部から天面板１２側の下流部に連通する第１の入れ替わり部１７１を経由して、下流部で再び２つに分岐され、天面板１２側に２つの流出口１９１を有する。また、図３（ｃ）に示すように、第２流路６は、天面板１２側において２つに分岐された流入口１８２を有し、天面板１２側に位置する上流部で分岐された流路が合流する。合流後、天面板１２側の上流部からベース板１１側の下流部に連通する第２の入れ替わり部１７２を経由して、下流部で再び２つに分岐され、天面板１２側に２つの流出口１９２を有する。
As shown in FIG. 3B, the
このように、第１流路５及び第２流路６は、発熱体４が設けられるベース板１１側と天面板１２側とで互いの位置関係を入れ替えることができる。第１流路５及び第２流路６は、別体として形成されているため、各々の流路を流通する冷媒３の熱が互いに伝わりにくくなり、発熱体４が設けられるベース板１１側と、天面板１２側とで温度の異なる冷媒３を生じさせることができる。
In this way, the positional relationship between the
ここで、第１流路５及び第２流路６は、例えば、同一の寸法形状の第１部材及び第２部材で構成され、一方をＹ軸周りに１８０度回転させて互いに組み合わされ、直方体形状を形成するものである。直方体形状とは、全ての面が長方形で形成された形状である。ここで、冷媒３が流入及び流出する面は開口されていることは言うまでもない。このように形成されることで、冷却装置１全体を大きくすることなく、組み合わされた２つの流路を冷却装置１の幅方向に複数並列して設けることができる。
Here, the
図４は、第１流路及び第２流路の斜視図及び各位置における流路断面図である。ここで流路断面とは、冷媒３の流れ方向３２に対して直交する断面のことである。第１流路５及び第２流路６は、分岐流路部１３ａ、１３ｂ、合流流路部１４ａ、１４ｂ、Ｌ字型流路部１５ａ、１５ｂ、並行流路部１６ａを有する。
FIG. 4 is a perspective view of the first flow path and the second flow path, and a cross-sectional view of the flow path at each position. Here, the flow path cross section is a cross section orthogonal to the
第１流路５がベース板１１側、第２流路６が天面板１２側に位置する流路部をそれぞれ、分岐流路部１３ａ、合流流路部１４ａ、Ｌ字型流路部１５ａとし、第１流路５が天面板１２側、第２流路６がベース板１１側に位置する流路部をそれぞれ分岐流路部１３ｂ、合流流路部１４ｂ、Ｌ字型流路部１５ｂとする。ここで流路部とは、第１流路５及び第２流路６の冷媒３流れ方向３２に沿った各位置における一部の流路のことである。
The flow path portions where the
第１流路５及び第２流路６は、上流部で順に、分岐流路部１３ａ、合流流路部１４ａを形成し、Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂを経由して、下流部の合流流路部１４ｂ、分岐流路部１３ｂに連通する。Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂの順に連通した部分を入れ替わり部１７ａとする。入れ替わり部１７ａは、上述した第１流路５に形成された第１の入れ替わり部１７１及び第２流路６に形成された第２の入れ替わり部１７２をまとめた部分に相当する。
The
上流部の分岐流路部１３ａにおいて、第１流路５及び第２流路６は、上下２段に配置され、各々幅方向に２つに分岐されている。第１流路５及び第２流路６の位置関係は、第１流路５がベース板１１側に位置し、第２流路６が天面板１２側に位置する。冷媒３は４つの流路へそれぞれ並行に流通する。ここで分岐数は２つに限らず、更に複数分岐されてもよい。このように、上流部の分岐流路部１３ａにおいて、流路が複数分岐されることによって、効率的に冷媒３と発熱体４との熱交換を行うことができる。
In the branch flow path portion 13a in the upstream portion, the
合流流路部１４ａにおいて、第１流路５及び第２流路６は、２つに分岐されていた流路が連結されて各々１つの流路を形成する。第１流路５は流路の上端部が連結され、第２流路６は下端部が連結される。ここで、第１流路５及び第２流路６は、冷媒３が合流する際のＸ方向の流れが互いに逆になるように形成される。例えば第１流路５を流通する冷媒３がＸの負方向に向かって流通する場合、第２流路６を流通する冷媒３はＸの正方向に流通する。
In the merging
分岐流路部１３ａ及び合流流路部１４ａにおいて、ベース板１１側に位置する第１流路５に流通する冷媒３は、ベース板１１に設けられた発熱体４から発生する熱を受熱し、温度が上昇する。一方、天面板１２側に位置する第２流路６に流通する冷媒３は、第２流路６がベース板１１から離間し、かつ第１流路５と別体として分離して配置されているため、第１流路５を流通する冷媒３より低い温度となる。このように、分岐流路部１３ａ及び合流流路部１４ａにおいて、ベース板１１側の第１流路５及び天面板１２側の第２流路６が別体として分離して配置されることで、温度の異なる冷媒３を生じさせることができる。
In the branch flow path portion 13a and the merging
Ｌ字型流路部１５ａにおいて、第１流路５は、冷媒３の流れ方向３２からみて、ベース板１１側の底部と幅方向の一方の側部とに形成され、第２流路６は、冷媒流路１０の天面板１２側の上部及び幅方向の他方の側部に形成され、それぞれＬ字の流路断面を有する。並行流路部１６ａにおいて、第１流路５及び第２流路６はそれぞれ冷媒流路１０の幅方向の一方の側部及び他方の側部に形成され、並列に配置される。更に、並行流路部１６ａを経たＬ字型流路部１５ｂにおいて、第１流路５は、天面板１２側の上部と幅方向の一方の側部に形成され、第２流路６は、ベース板１１側の底部と幅方向の他方の側部とに形成され、それぞれＬ字の流路断面を有する。
In the L-shaped
図５は、入れ替わり部における流路断面を示す概略構成図である。図５に示すように、入れ替わり部１７ａでは、冷媒３の流れ方向３２に対し、直交する断面において、幅方向及び厚み方向がそれぞれ中間となる位置、即ち中間位置を中心として、第１流路５及び第２流路６は、流路の過程で各々時計回り又は反時計回りに旋回するように形成されている。これにより、第１流路５及び第２流路６内の冷媒３が流通する過程でＹ軸を基準とした旋回流れを発生させることができる。この旋回流れにより、流れが乱されることで発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a cross section of the flow path at the replacement portion. As shown in FIG. 5, in the
また、Ｌ字型流路部１５ａ、１５ｂでは、第１流路５及び第２流路６の互いに対向する面が、流れ方向３２に対して傾斜するように形成されている。このため、Ｌ字型流路部１５ａでは、第１流路５及び第２流路６の各々の幅方向の側部が徐々に長く、Ｌ字型流路部１５ｂでは徐々に短くなるように変化する。また、第１流路５及び第２流路６は、旋回の中心に対して点対称な形状であり、流れ方向３２に対して直交する断面における流路面積は同じとなるように形成されている。このように、Ｌ字型流路部１５ａ、１５ｂを形成することで、冷媒３が旋回するように上下が入れ替わる流路過程においても、流路の断面積の変化を小さく抑えることができ、流路抵抗による圧力損失の増加を抑制することができる。また、冷媒３が旋回する流路部をＬ字の流路断面とし、流路の等価直径を大きくすることで、より圧力損失の増加を抑制することができる。更に、天面板１２側からベース板１１側へ冷媒３が流通する際、ベース板１１への衝突流を発生させ、局所的にベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
Further, in the L-shaped
合流流路部１４ｂにおいて、第１流路５及び第２流路６は上下２段に配置される。第１流路５は天面板１２側に位置し、上端部が二股に分離している。第２流路６はベース板１１側に位置し、下端部が二股に分離している。分岐流路部１３ｂにおいて、第１流路５及び第２流路６は各々幅方向に２つに分岐された流路を形成する。
In the merging flow path portion 14b, the
上述のように、互いに組み合わされた第１流路５及び第２流路６が、発熱体４が設けられるベース板１１側と天面板１２側とで厚み方向に入れ替わる構造により、高温となる冷媒３をベース板１１側から天面板１２側に、低温となる冷媒３を天面板１２側からベース板１１側に供給することができる。発熱体４が設けられるベース板１１近傍に低温の冷媒３を供給することで、冷却能力を向上させることができる。
As described above, the refrigerant having a high temperature due to the structure in which the
次に、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１の効果について説明する。実施の形態１に係る冷却装置１の流れの把握を行うため、数値解析ソフト（ＦＬＯＷ−ＤＥＳＩＧＮＥＲ）を用いて３次元数値熱流体解析を行った。
Next, the effect of the
実施の形態１に係る冷却装置１の比較対象として、従来の複数のフィン２０を並列に配置し、冷媒３をフィン２０間の一方向に流通させる櫛形のヒートシンクを用いた。図６は、櫛形ヒートシンクの一部についての数値解析モデルを示す概略図である。図６（ａ）は、櫛形ヒートシンクの斜視図である。図６（ｂ）は、流れ方向から見た櫛形ヒートシンクの正面図である。
As a comparison target of the
櫛形ヒートシンクのベース板１１の厚みは、１.５ｍｍ、フィン２０の厚みは、０．５ｍｍ、フィン２０のピッチは１ｍｍ、フィン２０の高さは５ｍｍ、奥行きは５０ｍｍ、材質はアルミニウム（熱伝導率＝２２０Ｗ／ｍ・Ｋ）とした。冷媒３は温度２５℃の水とし、流入口１８３は流速規定０．２８ｍ／ｓ、０．４２ｍ／ｓ、０．５６ｍ／ｓ、流出口１９３は圧力を０Ｐａとする。また、櫛形ヒートシンクの底面には発熱量２０Ｗの発熱体４を模擬している。なお、メッシュ数は４００万メッシュ、層流モデルで計算を行った。
The thickness of the
図７は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の一部の数値解析モデルを示す概略図である。図７（ａ）は、冷却装置１の一部についてのモデルの斜視図を示す。図７（ｂ）は、流れ方向から見た冷却装置の正面図である。図７（ｃ）は、冷却装置の側面図である。冷却装置１のモデルは、図６における櫛形ヒートシンクと、ベース板１１の厚み、フィン２０の厚み、ピッチ、高さ、奥行き、材質を同じくした。また、分岐流路部１３ａ、１３ｂのＺ方向のフィン２０の厚みは０．５ｍｍ、入れ替わり部１７ａの傾斜角度は３０°とする。以下、図６をモデルＡ（櫛形ヒートシンク）、図７をモデルＢ（実施の形態１）と呼ぶ。
FIG. 7 is a schematic view showing a numerical analysis model of a part of the cooling device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7A shows a perspective view of a model for a part of the
図８は、モデルＡ（櫛形ヒートシンク）とモデルＢ（実施の形態１）のベース板の温度［℃］−圧力損失[Ｐａ]の数値解析結果を示すグラフである。従来のモデルＡ（櫛形ヒートシンク）に比べ、モデルＢ（実施の形態１）のベース板１１の温度が同一圧力損失で約１Ｋ低下していることが確認できる。したがって、実施の形態１に係る冷却装置１は、冷媒駆動装置２の能力に依存せず、発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
FIG. 8 is a graph showing the numerical analysis results of the temperature [° C.]-pressure loss [Pa] of the base plates of the model A (comb-shaped heat sink) and the model B (Embodiment 1). It can be confirmed that the temperature of the
図９は、流速を０．２８ｍ／ｓとした場合のモデルＡ（櫛形ヒートシンク）とモデルＢ（実施の形態１）のフィン間の冷媒温度及びベース板の断面温度分布を表わす温度コンター図である。図９（ａ）は、各モデルを側方から見た断面温度分布である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のベース板１１出口近傍を拡大した断面温度分布である。モデルＡ（櫛形ヒートシンク）は、ベース板１１に沿った一方向の一様な流れであるため、上流部から下流部にいくに従い、温度境界層が発達していることが確認できる。
FIG. 9 is a temperature contour diagram showing the refrigerant temperature between the fins of model A (comb heat sink) and model B (embodiment 1) and the cross-sectional temperature distribution of the base plate when the flow velocity is 0.28 m / s. .. FIG. 9A is a cross-sectional temperature distribution of each model viewed from the side. FIG. 9B is an enlarged cross-sectional temperature distribution in the vicinity of the
これに対し、モデルＢ（実施の形態１）においては、天面板１２側からベース板１１側へ低温の冷媒３が流通することにより、入れ替わり部１７ａでベース板１１側の温度が低下していることが確認できる。したがって、実施の形態１に係る冷却装置１は、ベース板１１側へ低温の冷媒３を流通することにより、前縁効果を誘起させて温度境界層を薄くでき、ベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
On the other hand, in the model B (Embodiment 1), the temperature of the
上述したように、本実施の形態では、互いに組み合わされた第１流路５及び第２流路６が、ベース板１１側と天面板１２側で入れ替わる構造とすることで、発熱体４が設けられるベース板１１近傍に低温の冷媒３を供給し、冷却能力を向上させることができる。また、Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂを形成することで旋回流れ及び衝突流を発生させ、発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。更に、冷媒３が旋回するように上下が入れ替わる流路過程において、流路の断面積の変化を小さく抑えるように形成されていることにより、圧力損失の増加を抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, the
なお、当然ながら、第１流路５及び第２流路６を入れ替えて、第１流路５が天面板１２側からベース板１１側に連通し、第２流路６がベース板１１側から天面板１２側に連通するとしてもよい。
As a matter of course, the
また、冷却装置１の分岐流路部１３ａ、１３ｂ、合流流路部１４ａ、１４ｂ、Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａの高さ、幅、長さ等の寸法、入れ替わり部１７ａの傾斜角度等は適宜変更してもよい。また各々の流路の形状は、例えば、矩形流路、円形流路、台形流路としてもよい。
Further, the height, width, length and other dimensions of the branch flow path portions 13a and 13b, the merging
また、第１流路５及び第２流路６は、互いにベース板１１側と天面板１２側とが入れ替わる構造であればよく、分岐流路部１３ａ、１３ｂを備えない構成も可能である。
Further, the
実施の形態２．
本発明を実施するための実施の形態２に係る冷却装置１について、図１０を参照して説明する。図１０は本発明の実施の形態２に係る冷却装置を示す概略構成図である。実施の形態１に係る冷却装置１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
The
本実施の形態では、Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂの順に連通する入れ替わり部１７ａに加えて、Ｌ字型流路部１５ｂ、並行流路部１６ｂ、Ｌ字型流路部１５ａの順に連通する入れ替わり部１７ｂを有する構成とした。ここで、並行流路部１６ｂは、上流部にＬ字型流路部１５ｂ、下流部にＬ字型流路部１５ａを有する流路部とする。
In the present embodiment, in addition to the
図１０に示すように、第１流路５では、ベース板１１側に位置する上流部から天面板１２側に位置する下流部に連通した後、天面板１２側からさらにベース板１１側に連通する。また、第２流路６では、天面板１２側に位置する上流部からベース板１１側に位置する下流部に連通した後、ベース板１１側からさらに天面板１２側に連通する。
As shown in FIG. 10, in the
このような構成においても、実施の形態１と同様に、第１流路５及び第２流路６がベース板１１側と天面板１２側で入れ替わるように形成されることで、冷却能力を向上させることができる。更に本実施の形態では、第１流路５及び第２流路６は、入れ替わり部１７ｂを設けたことで、旋回流れが促進され、発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
Even in such a configuration, the cooling capacity is improved by forming the
なお、本実施の形態では、第１流路５及び第２流路６は、入れ替わり部１７ａ及び入れ替わり部１７ｂをそれぞれ１つ有する構成としたが、入れ替わり部１７ａ、１７ｂの個数は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜増やしてもよい。このように入れ替わり部１７ａ、１７ｂを複数設けることで、発熱体４が設けられるベース板１１の複数の位置において低温の冷媒３を供給することができ、冷却能力を向上させることができる。また、旋回流れが更に促進され、発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
In the present embodiment, the
実施の形態３.
本発明を実施するための実施の形態３に係る冷却装置１について、図１１を参照して説明する。図１１は本発明の実施の形態３に係る冷却装置を示す概略側面図である。なお、実施の形態１及び２に係る冷却装置１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
Embodiment 3.
The
本実施の形態では、第１流路５及び第２流路６で構成された冷媒流路１０をベース板１１と天面板１２との間に複数積層した構成とした。天面板１２側に形成された冷媒流路１０は、発熱体４が設けられるベース板１１と接しないため、常に低温の冷媒３が流通することになる。
In the present embodiment, a plurality of
このような構成においても、実施の形態１と同様に、第１流路５及び第２流路６がベース板１１側と天面板１２側で入れ替わるように形成されることで、冷却能力を向上させることができる。更に本実施の形態では、２個以上の積層流路にすることで、ベース板１１に低温の冷媒３を常に供給することが可能となり、発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
Even in such a configuration, the cooling capacity is improved by forming the
実施の形態４.
なお、実施の形態１から３では、冷媒３が流入及び流出する流路を各々分岐流路部１３ａ、１３ｂとしたが、これに限定されるものではない。図１２は、本発明の実施の形態４に係る冷却装置を示す概略構成図である。第１流路５及び第２流路６は、上流から並行流路部１６ｂ、Ｌ字型流路部１５ａ、合流流路部１４ａ、分岐流路部１３ａ、合流流路部１４ａ、Ｌ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂ、合流流路部１４ｂ、分岐流路部１３ｂの順に連続するように形成されている。このように、冷媒３が流通する過程で第１流路５と第２流路６がベース板１１側と天面板１２側とで入れ替わるように形成されていれば、流入及び流出する流路の形状は問わない。
In the first to third embodiments, the flow paths through which the refrigerant 3 flows in and out are the branch flow path portions 13a and 13b, respectively, but the present invention is not limited to this. FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a cooling device according to a fourth embodiment of the present invention. The
実施の形態５．
本発明を実施するための実施の形態５に係る冷却装置１について、図１３を参照して説明する。図１３は本発明の実施の形態５に係る冷却装置を示す概略側面図である。なお、実施の形態１から４に係る冷却装置１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
The
本実施の形態では、第１流路５及び第２流路６で構成された冷媒流路１０の流路断面がＬ字型流路部１５ａ、並行流路部１６ａ、Ｌ字型流路部１５ｂ、並行流路部１６ｂ、Ｌ字型流路部１５ａの順に循環するように形成されている。即ち、第１流路５及び第２流路６は、入れ替わり部１７ａと入れ替わり部１７ｂとが交互に形成されている。
In the present embodiment, the flow path cross section of the
このような構成では、冷媒３がＹ方向に流通しながら、ＺＸ面において常に時計回り又は反時計回りの旋回流れが発生し、流れが乱れることによって発熱体４が設けられるベース板１１への熱伝達を向上させることができる。
In such a configuration, while the refrigerant 3 flows in the Y direction, a clockwise or counterclockwise swirling flow is always generated on the ZX surface, and the flow is disturbed to heat the
実施の形態６．
本発明を実施するための実施の形態６に係る半導体モジュール２００について、図１４を参照して説明する。図１４は本発明の実施の形態６に係る半導体モジュールを示す側面図である。なお、実施の形態１から５に係る冷却装置１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
The
本実施の形態では、冷却装置１のベース板１１に発熱体である半導体素子４を配置し、半導体モジュール２００とする構成とした。半導体素子４は、熱伝導性の優れたグリス、シート、熱拡散性の大きいヒートスプレッダ、炭素繊維部材（グラファイトシート）等を介して、冷却装置１に取り付けられる。半導体素子４は、例えば、第１流路５及び第２流路６の入れ替わり部１７ａの上流側近傍に配置される。
In the present embodiment, the
このような構成においても、実施の形態１と同様に、第１流路５及び第２流路６がベース板１１側と天面板１２側で入れ替わるように形成されることで、冷却能力を向上させることができる。更に本実施の形態では、冷却装置１に半導体素子４を取付け、半導体モジュール２００とした。これにより冷却能力の高い半導体モジュールを実現できる。また、半導体素子４を第１流路５及び第２流路６の入れ替わり部１７ａの上流側近傍に配置することにより、相対的に温度が高くなる領域、即ちホットスポットを効率的に冷却することができる。
Even in such a configuration, the cooling capacity is improved by forming the
１００ 冷却システム、２００ 半導体モジュール、１ 冷却装置、２ 冷媒駆動装置、３ 冷媒、３２ 流れ方向、４ 発熱体、５ 第１流路、６ 第２流路、１０ 冷媒流路、１１ ベース板、１２ 天面板、１３ａ，１３ｂ 分岐流路部、１４ａ，１４ｂ 合流流路部、１５ａ，１５ｂ Ｌ字型流路部、１６ａ,１６ｂ 並行流路部、１７ａ，１７ｂ 入れ替わり部、１８１，１８２，１８３ 流入口、１９１，１９２，１９３ 流出口、２０ フィン。 100 Cooling system, 200 Semiconductor module, 1 Cooling device, 2 Refrigerant drive device, 3 Refrigerant, 32 Flow direction, 4 Heat generator, 5 1st flow path, 6 2nd flow path, 10 Refrigerant flow path, 11 Base plate, 12 Top plate, 13a, 13b branch flow path, 14a, 14b merging flow path, 15a, 15b L-shaped flow path, 16a, 16b parallel flow path, 17a, 17b replacement, 181, 182, 183 inlet , 191, 192, 193 outlets, 20 fins.
Claims (10)
前記ベース板に対向して設けられた天面板と、
前記ベース板及び前記天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、前記ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して前記天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、
前記第１流路と組み合わされて配置され、前記冷媒が流通する前記流路の他の１つであって、前記天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由して前記ベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、
前記第１流路と前記第２流路とは、前記冷媒の流れの方向において前記冷媒が流通する流路の一端から他端まで至り、且つ、前記一端から前記他端に至るまで互いに分離して形成されること
を特徴とする冷却装置。 The base plate on which the heating element is provided and
A top plate provided facing the base plate and
A plurality of flow paths formed in parallel in the width direction between the base plate and the top plate and through which the refrigerant flows, from the upstream portion located on the base plate side via the first replacement portion. The first flow path communicating with the downstream portion located on the top plate side,
The base, which is arranged in combination with the first flow path and is another one of the flow paths through which the refrigerant flows, from an upstream portion located on the top plate side via a second replacement portion. It includes a second passage communicating with the downstream portion located on the plate side, and
The first flow path and the second flow path reach from one end to the other end of the flow path through which the refrigerant flows in the direction of the flow of the refrigerant, and are separated from each other from the one end to the other end. A cooling device characterized in that it is formed.
前記ベース板に対向して設けられた天面板と、
前記ベース板及び前記天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、前記ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して前記天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、
前記第１流路と組み合わされて配置され、前記冷媒が流通する前記流路の他の１つであって、前記天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由して前記ベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、
前記第１の入れ替わり部及び前記第２の入れ替わり部は、それぞれ前記冷媒の流れに対して直交する断面における前記第１流路と前記第２流路との間の中間位置を中心として旋回するように形成されること
を特徴とする冷却装置。 The base plate on which the heating element is provided and
A top plate provided facing the base plate and
A plurality of flow paths formed in parallel in the width direction between the base plate and the top plate and through which the refrigerant flows, from the upstream portion located on the base plate side via the first replacement portion. The first flow path communicating with the downstream portion located on the top plate side,
The base, which is arranged in combination with the first flow path and is another one of the flow paths through which the refrigerant flows, from an upstream portion located on the top plate side via a second replacement portion. A second flow path that communicates with the downstream part located on the plate side is provided.
The first replacement portion and the second replacement portion rotate around an intermediate position between the first flow path and the second flow path in a cross section orthogonal to the flow of the refrigerant, respectively. cooling device you being formed on.
を特徴とする請求項２に記載の冷却装置。2. The cooling device according to claim 2.
前記ベース板に対向して設けられた天面板と、
前記ベース板及び前記天面板の間に幅方向に複数並列に形成され、冷媒が流通する流路の１つであって、前記ベース板側に位置する上流部から第１の入れ替わり部を経由して前記天面板側に位置する下流部に連通する第１流路と、
前記第１流路と組み合わされて配置され、前記冷媒が流通する前記流路の他の１つであって、前記天面板側に位置する上流部から第２の入れ替わり部を経由して前記ベース板側に位置する下流部に連通する第２流路と、を備え、
前記第１の入れ替わり部及び前記第２の入れ替わり部の少なくとも一方は、前記冷媒の流れに対して直交する断面がＬ字であること
を特徴とする冷却装置。 The base plate on which the heating element is provided and
A top plate provided facing the base plate and
A plurality of flow paths formed in parallel in the width direction between the base plate and the top plate and through which the refrigerant flows, from the upstream portion located on the base plate side via the first replacement portion. The first flow path communicating with the downstream portion located on the top plate side,
The base, which is arranged in combination with the first flow path and is another one of the flow paths through which the refrigerant flows, from an upstream portion located on the top plate side via a second replacement portion. A second flow path that communicates with the downstream part located on the plate side is provided.
Wherein at least one of the first interchange unit and the second turnover portion, cooling device you wherein a cross section perpendicular to the flow of the refrigerant is L-shaped.
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却装置。The cooling device according to any one of claims 1 to 4.
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却装置。 The first flow path and the upstream portion of the second flow path are each branched into a plurality of branches, and are characterized in that they are merged up to the first replacement portion and the second replacement portion. The cooling device according to any one of claims 1 to 5.
を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却装置。 The first member forming the first flow path and the second member forming the second flow path are combined with each other to have a rectangular parallelepiped shape, according to any one of claims 1 to 6. Cooling device.
前記第２流路は、前記ベース板側に位置する前記下流部からさらに前記天面板側に連通
すること
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却装置。 The first flow path communicates further from the downstream portion located on the top plate side to the base plate side.
The cooling device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the second flow path communicates from the downstream portion located on the base plate side to the top plate side.
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却装置。 The cooling device according to any one of claims 1 to 7 , wherein a plurality of the first flow path and the second flow path are laminated in the thickness direction between the base plate and the top plate. ..
前記冷却装置の前記ベース板に前記発熱体として設けられた半導体素子と、
を備えたことを特徴とする半導体モジュール。 The cooling device according to any one of claims 1 to 9.
A semiconductor element provided as the heating element in the base plate of the cooling device,
A semiconductor module characterized by being equipped with.
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