JP2005166789A - 放熱器 - Google Patents
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Abstract
【課題】放熱器内部での熱拡散量を増やし、冷却性能を向上させる。
【解決手段】上下3層の上部放熱板2、中間放熱板3及び下部放熱板4を備え、下部放熱板4の給水口10から上部放熱板2の上部水路6、中間放熱板3の連通口9及び下部放熱板4の下部水路12を経て下部放熱板4の排水口11に流れる冷却水により、受熱端部1aにおいて上部放熱板2の上面に接合された発熱体7を冷却する放熱器1において、受熱端部1aの端面と上部水路6、連通口9及び下部水路12との間の端面壁1bの壁厚tを発熱体7の壁厚方向の接合代sと同じかそれ以上の大きさに定める。これにより、放熱板積層方向(Y方向)の伝熱路の断面積が増え、この方向の熱放散が良好になって冷却性能が向上する。
【選択図】 図1
【解決手段】上下3層の上部放熱板2、中間放熱板3及び下部放熱板4を備え、下部放熱板4の給水口10から上部放熱板2の上部水路6、中間放熱板3の連通口9及び下部放熱板4の下部水路12を経て下部放熱板4の排水口11に流れる冷却水により、受熱端部1aにおいて上部放熱板2の上面に接合された発熱体7を冷却する放熱器1において、受熱端部1aの端面と上部水路6、連通口9及び下部水路12との間の端面壁1bの壁厚tを発熱体7の壁厚方向の接合代sと同じかそれ以上の大きさに定める。これにより、放熱板積層方向(Y方向)の伝熱路の断面積が増え、この方向の熱放散が良好になって冷却性能が向上する。
【選択図】 図1
Description
この発明は、半導体デバイスなどの発熱体の冷却に用いる水冷式の放熱器に関する。
半導体デバイス冷却用の水冷式放熱器については、例えば特許文献1に記載されているが、この種の放熱器の他の従来例について図7により説明する。図7は高出力のレーザーダイオード(以下、「LD」と記す。)アレイ用の放熱器を示し、図7の(A)は縦断面図、(B)はその平面図、(C)は(A)の矢印Cに沿う平面図、(D)は同じくDに沿う平面図である。LDアレイは、発熱密度が数十〜数百W/cm2程度と大きく、その温度上昇によりレーザー出力、効率、発信波長、素子寿命等が大きな影響を受ける一方、大きさは例えば長さが10mm、幅が1〜1.5mm程度で放熱器との接触面積が小さく、空冷式では温度上昇が低減しきれないため、LDアレイ放熱器は内部に水路を設けた水冷式となっている。
すなわち、図7において、放熱器1は所定の左右幅(図7(A)の紙面に垂直な方向の幅)と前後長さ(図7(A)の左右方向)の長さを有する上下3層に積層された上部放熱板2、中間放熱板3及び下部放熱板4を備えている。放熱器1の上記左右幅は例えば11mm、前後長さは例えば20mmである。上部放熱板2の下面には、冷却水の給水口5と、この給水口5から給水された冷却水を放熱器1の前後一方側(図7では左側)の受熱端部1aに向かって流す上部水路6とが溝状に形成されている。放熱体(LDアレイ)7は放熱器1の受熱端部1aにおいて上部放熱板2の上面に、その長手方向が受熱端部1aの端面に沿うように接合されている。
次に、中間放熱板3には、上部放熱板2の給水口5と重なる貫通穴からなる給水口8と、受熱端部1a側において上部水路6と重なる横長方形の貫通穴からなる連通口9とが設けられている。また、下部放熱板4には、中間放熱板3の給水口8と重なる貫通穴からなる給水口10と、冷却水を排水する貫通穴からなる排水口11とが設けられ、下部放熱板4の上面には、中間放熱板3の連通口9を通過した冷却水を排水口11に向かって流す下部水路12が溝状に形成されている。このような放熱器1において、図7(A)に矢印で示すように、給水口10,8,5から上部水路6、連通口9及び下部水路12を経て排水口11に流れる冷却水により発熱体7を冷却する。
図7に示した放熱器1において、従来は発熱体7の真下部分を冷却するために上部水路6を受熱端部1a側にできるだけ寄せ、端面壁1bの壁厚tをできるだけ薄くしている。一方、発熱体7から上部放熱板2に伝えられた熱は、前後方向(X方向)と放熱板積層方向(Y方向)に拡散されるが、上部水路6に接する上部放熱板2の板厚h及び壁厚tが薄いため、従来はX方向及びY方向のいずれの方向にも熱拡散量が小さく、発熱体7の出力が大きくなると熱放散量が不足して温度上昇が大きくなるという問題があった。
この発明の課題は、放熱器内部での熱拡散量を増やし、十分な冷却性能が得られるようにすることにある。
上記課題を解決するために、この発明は、所定の左右幅と前後長さを有する上下3層に積層された上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板を備え、前記上部放熱板の下面に、冷却水の給水口と、この給水口から給水された前記冷却水を前記各放熱板の前後一方側の受熱端部に向かって流す上部水路とが溝状に形成されるとともに、前記受熱端部において前記上部放熱板の上面に発熱体が接合され、前記中間放熱板に、前記上部放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記受熱端部側において前記上部水路と重なる貫通穴からなる連通口とが設けられ、前記下部放熱板に、前記中間放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記冷却水を排水する貫通穴からなる排水口とが設けられるとともに、前記下部放熱板の上面に前記中間放熱板の連通口を通過した前記冷却水を前記排水口に向かって流す下部水路が溝状に形成され、前記給水口から前記上部水路、前記連通口及び前記下部水路を経て前記排水口に流れる前記冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、前記受熱端部の端面と前記上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚を前記発熱体の前記壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めるものとする(請求項1)。
請求項1の発明においては、放熱器における受熱端部の端面と上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚(図7におけるt)を発熱体の壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めることにより、放熱板積層方向(同Y方向)の伝熱路の断面積(伝熱断面積)が増え、この方向の熱放散が良好になる。
請求項1の発明において、前記上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板に、前記端面壁から前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィンを互いに重なるようにそれぞれ形成するとよい(請求項2)。これにより、上下に重なる放熱フィンによっても放熱板積層方向の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散がより良好になる。
請求項1又は請求項2の発明において、前記上部放熱板の上部水路における前記受熱端部側の天井面に、前記端面壁に向かって下降する傾斜面を形成するとよい(請求項3)。これにより、上部放熱板の発熱体直下から前後方向に向かう伝熱断面積が増え、この方向の熱拡散が良好になる。
請求項3の発明において、前記上部放熱板の傾斜面と対向する前記中間放熱板の上面に、前記連通口に向かって前記上部放熱板の傾斜面よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面を形成するとよい(請求項4)。これにより、上記した上部放熱板の傾斜面を大きくとって前後方向の伝熱断面積を増やしながら、上部放熱板の上部水路から中間放熱板の連通口に向かう水路断面積を確保し、かつ中間放熱板の傾斜面の傾斜角を上部放熱板の傾斜面より小さくすることにより、前記した水路断面積を連通口側に近づくほど小さくし、冷却水の流速を次第に大きくして放熱板から冷却水への熱伝達量を大きくすることができる。
請求項1又は請求項2の発明において、前記中間放熱板の上面に、前記給水口から前記連通口側に向かって上昇する傾斜面を形成するとよい(請求項5)。これにより、給水口から上部水路に直角に向きを変える部分での水路断面積の急縮小による圧力損失を低減し、この部分における流量の減少を抑えることができる。
請求項1又は請求項2の発明において、前記中間放熱板の下面に、前記下部放熱板の下部水路と前記排水口とを連通する連通水路を形成するとよい(請求項6)。これにより、下部水路から排水口に直角に向きを変える部分での水路断面積の急拡大による圧力損失を低減し、この部分における流量の減少を抑えることができる。
請求項6の発明において、前記連通水路の天井面に、前記受熱端部側から前記排水口側に向かって上昇する傾斜面を形成するとよい(請求項7)。これにより、下部水路から連通水路に至る水路断面積を徐々に拡大し、この部分での流れの剥離を低減して流量の減少を抑えることができる。
請求項1〜請求項7のいずれの発明においても、前記給水口、連通口、排水口、各水路及び放熱フィンの角部に丸みをつけるのがよい(請求項8)。これにより、角部での流れの剥離による渦の発生を減少させ、この部分での流量の減少を抑えることができる。
この発明によれば、放熱器の伝熱断面積を拡大して放熱器内での熱拡散を良好にし、加えて放熱器内の冷却水路の流体抵抗を減らして冷却水量を増やし、放熱器の冷却性能を大幅に高めることができる。
以下、図1〜図6に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。
図1はこの発明の実施例1を示すもので、図1の(A)は縦断面図、(B)はその平面図、(C)は(A)の矢印Cに沿う平面図、(D)は同じくD線に沿う平面図である。図1において、放熱器1は上下3層に積層された上部放熱板2、中間放熱板3及び下部放熱板4を備え、各放熱板2〜4は熱伝導率の良好な材料、例えば銅、銅-タングステン合金、アルミなどの金属からなり、半田接合などにより互いに機械的、熱的に一体に接合されている。冷却水は図1(A)に示すように、給水口10,8,5から上部水路6、連通口9及び下部水路12を経て排水口11に流れ、放熱器1の受熱端部1aにおいて上部放熱板2の上面に接合された発熱体(LDアレイ)7を冷却する。
図1において、図7の従来例との相違は、放熱器1における受熱端部1aの端面と上部水路1、連通口9及び下部水路12との間の端面壁1bの壁厚tが、発熱体7の壁厚方向の接合代sと同じかそれ以上の大きさ(s≦t)に定められている点である。これにより、放熱板積層方向(Y方向)の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散が良好になっている。次に、図1において、上部放熱板2、中間放熱板3及び下部放熱板4に、端面壁1bから前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィン2a、3a及び4aが互いに上下に重なるようにそれぞれ形成されている。各放熱フィン2a,3a,4a同士も互いに一体に接合されている。これらの放熱フィン2a,3a,4aにより放熱板積層方向の伝熱断面積が増え、この方向の熱放散が一層良好になる。
図2はこの発明の実施例2を示すもので、図2の(A)は縦断面図、(B)はその平面図、(C)は(A)の矢印Cに沿う平面図、(D)は同じくDに沿う平面図である。図2において、実施例1との相違は、まず上部放熱板2の上部水路6における受熱端部側の天井面に、端面壁1bに向かって下降する傾斜面13が形成されている点である。これにより、上部放熱板2の発熱体直下から前後方向(X方向)に向かう伝熱断面積が増え、この方向の熱拡散が良好になっている。
また、図2において、上部放熱板2の傾斜面13と対向する中間放熱板3の上面に、連通口9に向かって傾斜面13よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面14が形成されている。これにより、上部放熱板2に傾斜面13を形成して伝熱断面積を増やしながら、中間放熱板側を逃がして、上部水路6から中間放熱板3の連通口9に向かう水路断面積を確保することができる。またその場合に、中間放熱板3の傾斜面14の傾斜角を上部放熱板2の傾斜面13より小さくすることにより、上記した水路断面積を連通口側に近づくほど小さくし、冷却水の流速を次第に大きくして放熱器1から冷却水への熱伝達量を大きくすることができる。なお、中間放熱板3の傾斜面14の裏側にも傾斜面15が形成され、連通口9から下部水路12に向かう水路断面積が徐々に拡大するようにされている。
図3〜図6はこの発明の実施例3を示すもので、図3は放熱板の縦断面図、図4の(A)は上部放熱板の平面図、(B)は同じく縦断面図、(C)は同じく下面図、図5の(A)は中間放熱板の平面図、(B)は同じく縦断面図、(C)は同じく下面図、図6の(A)は下部放熱板の平面図、(B)は同じく縦断面図、(C)は同じく下面図ある。実施例3の実施例2との相違は、まず図3及び図5において、中間放熱板3の上面に、給水口8から連通口側に向かって上昇する傾斜面16が形成されている点である。これにより、給水口10,6,5から上部水路6に直角に向きを変える部分で、水路断面積の急縮小による圧力損失が低減する。
次に、図3及び図5において、中間放熱板3の下面に、下部放熱板4の下部水路12と排水口11とを連通する連通水路17が形成されている点である。これにより、下部水路12から排水口11に直角に向きを変える部分で、水路断面積の急拡大による圧力損失が低減される。また、連通水路16の天井面に、受熱端部側から排水口側に向かって上昇する傾斜面18が形成されている。これにより、下部水路12から連通水路16に至る水路断面積が徐々に拡大され、この部分での流れの剥離による流量の減少が緩和される。更に、給水口8、連通口9、排水口11、各水路6,12,16及び放熱フィン2a,2a,4aの角部に丸みがつけられている。これにより、角部での流れの剥離による渦の発生が低減し、この部分での流量の減少が緩和されている。
1 放熱器
1a 受熱端部
1a 端面壁
2 上部放熱板
2a フィン
3 中間放熱板
3a フィン
4 下部放熱板
4a フィン
5 給水口
6 上部水路
7 発熱体
8 給水口
9 連通口
10 給水口
11 排水口
12 下部水路
13 傾斜面
14 傾斜面
16 傾斜面
17 連通水路
18 傾斜面
1a 受熱端部
1a 端面壁
2 上部放熱板
2a フィン
3 中間放熱板
3a フィン
4 下部放熱板
4a フィン
5 給水口
6 上部水路
7 発熱体
8 給水口
9 連通口
10 給水口
11 排水口
12 下部水路
13 傾斜面
14 傾斜面
16 傾斜面
17 連通水路
18 傾斜面
Claims (8)
- 所定の左右幅と前後長さを有する上下3層に積層された上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板を備え、
前記上部放熱板の下面に、冷却水の給水口と、この給水口から給水された前記冷却水を前記各放熱板の前後一方側の受熱端部に向かって流す上部水路とが溝状に形成されるとともに、前記受熱端部において前記上部放熱板の上面に発熱体が接合され、
前記中間放熱板に、前記上部放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記受熱端部側において前記上部水路と重なる貫通穴からなる連通口とが設けられ、
前記下部放熱板に、前記中間放熱板の給水口と重なる貫通穴からなる給水口と、前記冷却水を排水する貫通穴からなる排水口とが設けられるとともに、前記下部放熱板の上面に前記中間放熱板の連通口を通過した前記冷却水を前記排水口に向かって流す下部水路が溝状に形成され、
前記給水口から前記上部水路、前記連通口及び前記下部水路を経て前記排水口に流れる前記冷却水により前記発熱体を冷却する放熱器において、
前記受熱端部の端面と前記上部水路、連通口及び下部水路との間の端面壁の壁厚を前記発熱体の前記壁厚方向の接合代と同じかそれ以上の大きさに定めたことを特徴とする放熱器。 - 前記上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板に、前記端面壁から前後方向に櫛歯状に延びる複数の放熱フィンを互いに上下に重なるようにそれぞれ形成したことを特徴とする請求項1記載の放熱器。
- 前記上部放熱板の上部水路における前記受熱端部側の天井面に、前記端面壁に向かって下降する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放熱板。
- 前記上部放熱板の傾斜面と対向する前記中間放熱板の上面に、前記連通口に向かって前記上部放熱板の傾斜面よりも小さい傾斜角で下降する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項3記載の放熱器。
- 前記中間放熱板の上面に、前記給水口から前記連通口側に向かって上昇する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放熱器。
- 前記中間放熱板の下面に、前記下部放熱板の下部水路と前記排水口とを連通する連通水路を形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放熱器。
- 前記連通水路の天井面に、前記受熱端部側から前記排水口側に向かって上昇する傾斜面を形成したことを特徴とする請求項6記載の放熱器。
- 前記給水口、連通口、排水口、各水路及び放熱フィンの角部に丸みをつけたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の放熱器。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113363617A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-09-07 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种电池液冷板组件、动力电池总成及电动车辆 |
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US11129310B2 (en) | 2018-11-22 | 2021-09-21 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor module, vehicle and manufacturing method |
-
2003
- 2003-12-01 JP JP2003401368A patent/JP2005166789A/ja active Pending
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