JP5061065B2 - 液冷式冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、フィンにより形成される流路内を流れる冷却液の流れ方向前方（図３の下方）を前、これと反対側を後というものとし、図２の上下、左右を上下、左右というものとする。

従来、電子部品の液冷式冷却装置として、頂壁、底壁および周壁からなりかつ後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を形成するフィンが配置され、ケーシング内におけるフィンよりも後側の部分が冷却液入口に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、フィンよりも前側の部分が冷却液出口に通じる出口ヘッダ部となされており、ケーシングの頂壁外面および／または底壁外面に発熱体取付部が設けられているものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載の液冷式冷却装置によれば、製造時においてフィンが前後方向に位置ずれすることがあり、フィンを予め定められた位置に正確に配置することができないという問題がある。
特開２００１−３５２０２５号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、製造時におけるフィンの位置ずれを防止することができる液冷式冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を左右方向に並んで形成するフィンが配置され、ケーシング内におけるフィンよりも後側の部分が冷却液入口に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、フィンよりも前側の部分が冷却液出口に通じる出口ヘッダ部となされており、入口ヘッダ部内の後側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜している液冷式冷却装置であって、
フィンが、前後方向にのびる波頂部、前後方向にのびる波底部および波頂部と波底部とを連結する垂直状連結部からなるコルゲート状であり、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの後端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられ、位置決め用垂直面にフィンの後端部が当接するようになっており、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの後端部との間に、冷却液が流れる隙間が、フィンによって形成された流路と通じるように形成されている液冷式冷却装置。

2)位置決め用垂直面の高さが入口ヘッダ部内の高さの１／２以下である上記1)記載の液冷式冷却装置。

3)出口ヘッダ部内の前側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの前端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられ、位置決め用垂直面にフィンの前端部が当接するようになっており、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの前端部との間に、冷却液が流れる隙間が、フィンによって形成された流路と通じるように形成されている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。

4)位置決め用垂直面の高さが出口ヘッダ部内の高さの１／２以下である上記3)記載の液冷式冷却装置。

5)ケーシング内の左右両側面がフィンの左右両側縁に沿っており、ケーシング内の左右両側面における位置決め用垂直面に連なった部分に、左右方向外方に膨らんだ逃げ部が設けられている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

上記1)の液冷式冷却装置によれば、入口ヘッダ部内の後側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの後端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられており、位置決め用垂直面にフィンの後端部が当接するようになっているので、入口ヘッダ部内の後側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、ケーシングの頂壁や底壁に位置決め用の突起などを形成することができない場合であっても、製造時において、位置決め用垂直面を利用してフィンの後方への位置ずれを防止することができる。なお、フィンの前方への位置ずれは、たとえばケーシングの頂壁内面および／または底壁内面に設けられた突起などの適当な手段により防止される。したがって、フィンを予め定められた位置に正確に配置することが可能になる。たとえば、幅方向に並んだ複数の流路での流速分布を均一化するためには、ケーシングの左右いずれか一端部に冷却液入口が形成され、入口ヘッダ部内の後側面が、冷却液入口側の端部から他端部に向かってフィン側に傾斜していることが好ましいが、この場合であっても、製造時において、位置決め用垂直面を利用してフィンの後方への位置ずれを防止することができる。

上記2)の液冷式冷却装置によれば、位置決め用垂直面の高さが入口ヘッダ部内の高さの１／２以下であり、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの後端部との間に冷却液が流れる隙間が形成されているので、フィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち位置決め用垂直面が形成されている部分の流路を流れる冷却液の著しい流速低下を防止することができる。

上記3)の液冷式冷却装置によれば、出口ヘッダ部内の前側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの前端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられており、位置決め用垂直面にフィンの前端部が当接するようになっているので、出口ヘッダ部内の後側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、ケーシングの頂壁や底壁に位置決め用の突起などを形成することができない場合であっても、製造時において、位置決め用垂直面を利用してフィンの前方の位置ずれを防止することができる。したがって、フィンを予め定められた位置に正確に配置することが可能になる。

上記4)の液冷式冷却装置によれば、位置決め用垂直面の高さが出口ヘッダ部内の高さの１／２以下であり、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの前端部との間に冷却液が流れる隙間が形成されているので、フィンにより形成された前後方向にのびる流路のうち位置決め用垂直面が形成されている部分の流路を流れる冷却液の著しい流速低下を防止することができる。

上記5)の液冷式冷却装置によれば、ケーシング内の左右両側面がフィンの左右両側縁に沿っており、ケーシング内の左右両側面における位置決め用垂直面に連なった部分に、左右方向外方に膨らんだ逃げ部が設けられているので、ケーシングをプレス成形する場合であっても、位置決め用垂直面とフィンとの間隔を最少にした状態で、フィンの角部とケーシングの左右両側壁の内面との干渉を避けることができる。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１〜図４はこの発明による液冷式冷却装置に、発熱体である半導体素子が取り付けられた状態を示す。

図１〜図４において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(3)、底壁(4)および周壁(5)からなるケーシング(2)を備えている。ケーシング(2)の頂壁(3)外面には発熱体取付部(10)が設けられている。ケーシング(2)の周壁(5)は、前後方向にのびる垂直状の右側壁(6)、前後方向にのびるとともに右側壁(6)と対向する垂直状の左側壁(7)、右側壁(6)および左側壁(7)の後端部どうしを連結する垂直状の後側壁(8)、ならびに右側壁(6)および左側壁(7)の前端部どうしを連結する垂直状の前側壁(9)よりなる。ケーシング(2)の周壁(5)における右側壁(6)の後端部に冷却液入口(11)が右方に突出するように形成され、左側壁(7)の前端部に冷却液出口(12)が左方に突出するように形成されている。冷却液入口(11)は右方に開口し、冷却液出口(12)は左方に開口している。ケーシング(2)は、頂壁(3)および周壁(5)の上半部を形成する上側周壁形成部(5A)からなるアルミニウム製上構成部材(13)と、底壁(4)および周壁(5)の下半部を形成する下側周壁形成部(5B)からなるアルミニウム製下構成部材(14)とよりなる。上構成部材(13)の上側周壁形成部(5A)の下端部、および下構成部材(14)の下側周壁形成部(5B)の上端部に、それぞれ外向きフランジ(15)(16)が一体に形成されており、両構成部材(13)(14)の外向きフランジ(15)(16)どうしがろう付されている。上構成部材(13)および下構成部材(14)はそれぞれアルミニウム製素板にプレス加工を施すことにより形成されている。

ケーシング(2)内における右側壁(6)と左側壁(7)との間でかつ冷却液入口(11)と冷却液出口(12)との間の部分に、前後方向にのびる波頂部(17a)、前後方向にのびる波底部(17b)および波頂部(17a)と波底部(17b)とを連結する垂直状連結部(17c)からなるアルミニウム製のコルゲートフィン(17)が配置されており、波頂部(17a)がケーシング(2)の頂壁(3)に、波底部(17b)がケーシング(2)の底壁(4)にそれぞれろう付されている。そして、コルゲートフィン(17)によって、前後方向にのびかつ冷却液が後方から前方に流れる複数の流路(18)が左右方向に並んで形成されており、これにより複数の流路からなる並列流路部分(19)が設けられている。

ケーシング(2)における並列流路部分(19)よりも上流側（後側）の部分が冷却液入口(11)に通じる入口ヘッダ部(21)となされるとともに、並列流路部分(19)よりも下流側（前側）の部分が冷却液出口(12)に通じる出口ヘッダ部(22)となされている。ケーシング(2)全体の内部高さ、すなわち入口ヘッダ部(21)内の高さ、出口ヘッダ部(22)内の高さおよび並列流路部分(19)の高さは等しくなっている。ケーシング(2)の後側壁(8)内面、すなわち入口ヘッダ部(21)内の後側面は、右側壁(6)側から左側壁(7)側に向かって前側（コルゲートフィン(17)側）に滑らかに傾斜している。また、ケーシング(2)の前側壁(9)内面、すなわち出口ヘッダ部(22)内の前側面は、左側壁(7)側から右側壁(6)側に向かって後側（コルゲートフィン(17)側）に滑らかに傾斜している。

ケーシング(2)の後側壁(8)内面、すなわち入口ヘッダ部(21)内の後側面の左端部（最もコルゲートフィン(17)側に位置する端部）の下部に、左右方向に直線状にのびかつコルゲートフィン(17)の左側縁部の後端部の位置決めを行う位置決め用垂直面(23)が設けられている。位置決め用垂直面(23)の高さは入口ヘッダ部(21)内の高さの１／２以下であり、入口ヘッダ部(21)内の後側面の左端部における位置決め用垂直面(23)よりも上方の部分と、コルゲートフィン(17)の後端部との間に冷却液が流れる隙間(24)が形成されている。ケーシング(2)の前側壁(9)内面、すなわち出口ヘッダ部(22)内の前側面の右端部（最もコルゲートフィン(17)側に位置する端部）の下部に、左右方向に直線状にのびかつコルゲートフィン(17)の右側縁部の前端部の位置決めを行う位置決め用垂直面(25)が設けられている。位置決め用垂直面(25)の高さは出口ヘッダ部(22)の高さの１／２以下であり、出口ヘッダ部(22)内の前側面における位置決め用垂直面(25)よりも上方の部分と、コルゲートフィン(17)の前端部との間に冷却液が流れる隙間(26)が形成されている。また、ケーシング(2)の左右両側壁(7)(6)はコルゲートフィン(17)の左右両側縁に沿っている。ケーシング(2)の左側壁(7)の内面における入口ヘッダ部(21)側の位置決め用垂直面(23)に連なった部分に、左右方向外方に膨らんだ逃げ部(27)が設けられ、同じく右側壁(6)の内面における出口ヘッダ部(22)側の位置決め用垂直面(25)に連なった部分に、左右方向外方に膨らんだ逃げ部(28)が設けられている。両位置決め用垂直面(23)(25)および両逃げ部(27)(28)は、下構成部材(14)をプレス加工により成形する際に下側周壁形成部(5B)に形成される。

ケーシング(2)の底壁(4)内面における出口ヘッダ部(22)内の左端部に位置する部分に、コルゲートフィン(17)の前端部に当接して後側壁(8)の位置決め用垂直面(23)とともにコルゲートフィン(17)の前後方向の位置決めを行う突起(29)が設けられている。また、ケーシング(2)の底壁(4)内面における入口ヘッダ部(21)内の右端部に位置する部分に、コルゲートフィン(17)の後端部に当接して前側壁(9)の位置決め用垂直面(25)とともにコルゲートフィン(17)の前後方向の位置決めを行う突起(30)が設けられている。突起(29)(30)は、下構成部材(14)をプレス加工により成形する際に底壁(4)を変形させることにより形成されたものであり、先端に向かって縮径された円錐状である。

発熱体である半導体素子(P)は、板状絶縁部材(I)を介してケーシング(2)の頂壁(3)外面の発熱体取付部(10)に接合されている。

上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液入口(11)を通って入口ヘッダ部(21)内に流入した冷却液は、並列流路部分(19)の全流路(18)に均一に分流し、全流路(18)内を前方に流れる。このとき、ケーシング(2)の後側壁(8)内面の左端部における位置決め用垂直面(23)よりも上方の部分と、コルゲートフィン(17)の後端部との間に冷却液が流れる隙間(24)が形成されているので、コルゲートフィン(17)により形成された前後方向にのびる全流路(18)のうち位置決め用垂直面(23)が形成されている部分の流路(18)を流れる冷却液の著しい流速低下を防止することができる。

並列流路部分(19)の流路(18)内を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(22)内に入るとともに、出口ヘッダ部(22)内を左方に流れ、冷却液出口(12)を通って流出する。このとき、ケーシング(2)の前側壁(9)内面の右端部における位置決め用垂直面(25)を除いた部分と、コルゲートフィン(17)の前端部との間に冷却液が流れる隙間(26)が形成されているので、コルゲートフィン(17)により形成された前後方向にのびる全流路(18)のうち位置決め用垂直面(25)が形成されている部分の流路(18)を流れる冷却液の著しい流速低下を防止することができる。

そして、半導体素子(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(3)およびコルゲートフィン(17)を経て流路(18)内を流れる冷却液に伝わり、半導体素子(P)が冷却される。

上記実施形態においては、ケーシング(2)の底壁(4)内面に突起(29)(30)が設けられているが、これに限定されるものではなく、頂壁(3)内面に突起が設けられていてもよく、あるいは頂壁(3)内面および底壁(4)内面の両方に突起が設けられていてもよい。

この発明の液冷式冷却装置を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

(1)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(11)：冷却液入口
(12)：冷却液出口
(17)：コルゲートフィン
(18)：流路
(21)：入口ヘッダ部
(22)：出口ヘッダ部
(23)：位置決め用垂直面
(24)：隙間
(25)：位置決め用垂直面
(26)：隙間
(27)(28)：逃げ部

Claims (5)

1. 後端部に冷却液入口が形成されるとともに、前端部に冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内における冷却液入口と冷却液出口との間の位置に、冷却液が後方から前方に流れる複数の流路を左右方向に並んで形成するフィンが配置され、ケーシング内におけるフィンよりも後側の部分が冷却液入口に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、フィンよりも前側の部分が冷却液出口に通じる出口ヘッダ部となされており、入口ヘッダ部内の後側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜している液冷式冷却装置であって、
   フィンが、前後方向にのびる波頂部、前後方向にのびる波底部および波頂部と波底部とを連結する垂直状連結部からなるコルゲート状であり、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの後端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられ、位置決め用垂直面にフィンの後端部が当接するようになっており、入口ヘッダ部内の後側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの後端部との間に、冷却液が流れる隙間が、フィンによって形成された流路と通じるように形成されている液冷式冷却装置。
2. 位置決め用垂直面の高さが入口ヘッダ部内の高さの１／２以下である請求項１記載の液冷式冷却装置。
3. 出口ヘッダ部内の前側面が、左右いずれか一方から他方に向かってフィン側に傾斜しており、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における下部または上部に、左右方向に直線状にのびかつフィンの前端部の位置決めを行う位置決め用垂直面が設けられ、位置決め用垂直面にフィンの前端部が当接するようになっており、出口ヘッダ部内の前側面の最もフィン側に位置する端部における位置決め用垂直面よりも上方または下方の部分と、フィンの前端部との間に、冷却液が流れる隙間が、フィンによって形成された流路と通じるように形成されている請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
4. 位置決め用垂直面の高さが出口ヘッダ部内の高さの１／２以下である請求項３記載の液冷式冷却装置。
5. ケーシング内の左右両側面がフィンの左右両側縁に沿っており、ケーシング内の左右両側面における位置決め用垂直面に連なった部分に、左右方向外方に膨らんだ逃げ部が設けられている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

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