(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成し前記ワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、前記ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成し前記ワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、前記ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成し前記ベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、前記ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成し前記ベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、前記ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
第１および第２のベース板と、前記第１および第２のベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項６】
平坦部と突起部とを設けた第１および第２のベース板と、前記平坦部に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、前記第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、前記流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とする請求項５または６に記載の冷却装置。
【請求項８】
ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項９】
ワイヤは、弧状を連続させたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項１０】
冷媒の流れを横切る方向にワイヤが接合されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項１１】
接合にはワイヤボンディング装置を用いたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路基板に搭載された半導体チップなど発熱体を冷却するための冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷却装置は、ワイヤボンディング装置を用いて半導体チップの背面にワイヤを取り付けて複数の熱伝導要素を形成したもので、半導体チップと一体になっている。また、ワイヤとストレートの上部基板とは広い間隙を有し、バイパス流れが形成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７６６５４号公報（第５−１０頁、第１図、第４図、第１０−１２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ワイヤボンディングされる箇所がフリップチップの上面または回路基板の導体パターン上面であり、電気的に導通した箇所となるため、冷却媒体（冷媒）が絶縁性液体に限定されるという課題があった。また、大半の流れはワイヤ部を通過せず、ワイヤ頂上部と上部基盤の間隙を流れるバイパス流れとなるため、冷媒の流量が増加するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、冷媒が絶縁性液体に限定されることなく、導電性の液体、絶縁性の液体、気体と冷媒の種類を選ばない導電性の冷媒にも適した冷却装置を得るものである。また、第２の目的は、冷媒の流量を増加することなく、効率的な冷却機能を備えた冷却装置を得るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷却装置においては、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とするものである。
また、この発明に係る冷却装置においては、ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とするものである。
【０００７】
また、この発明に係る冷却装置においては、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とするものである。
また、この発明に係る冷却装置においては、ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、この発明に係る冷却装置においては、第１および第２のベース板と、第１および第２のベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたものである。
【０００９】
また、この発明に係る冷却装置においては、平坦部と突起部とを設けた第１および第２のベース板と、平坦部に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷却装置の斜視図である。図において、１は冷却の対象となる発熱体の面に接するベース板、２はベース板１との間で冷媒が流れる流路部を形成する蓋部、３は流路部に対する冷媒の流入口、４は流路部に対する冷媒の流出口である。また、ｘ，ｙ，ｚで示される矢印は、以下の図において断面を検討する上での方向を示している。なお、冷媒はｙ軸の負から正の方向に流れている。また、冷却装置は、ヒートシンクと呼称されることがある。
【００１１】
ベース板１は、冷却の対象となる発熱体、例えば、回路基板に搭載された半導体チップ、半導体モジュールなど発熱体に接している。ベース板１の発熱体と接する面は、通常、平面で構成されるが、発熱体ととの接触面積を稼ぐために凹凸がある場合もある。ベース板１の材質は、熱伝導性が良好なものであり、例えば、銅、アルミ、銀その他の金属、合金であったり、ダイヤモンド部材、ＣＦ−Ａｌ（炭素フッ化アルミ）の複合材料、炭素繊維の複合材料であったりする。ＣＦ−Ａｌの複合材料、炭素繊維の複合材料は、線膨張係数が小さく、ベース板１と半導体モジュールの絶縁材料との半田接合時には、強度上の信頼性が高くなる。
【００１２】
また、ベース板１は板と表現しているが、発熱体と接触する面が平面であるだけで、例えば、板の端が折れ曲がっていて冷媒（冷却媒体）の流入口あるいは流出口が設けられることもあり、ベース部といえるものである。
【００１３】
また、ベース板１と蓋部２とで形成される冷媒の流路部は、流入口３および流出口４以外では気密性が保たれている。なお、ベース板１および蓋部２以外の構成物を備えることで、流路部の気密性を保つことを否定するものではない。また、流入口３および流出口４は、それぞれ１個に限られるものではない。
【００１４】
図２は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷却装置のｘｚ面の断面図である。図において、５はベース板１に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤ、６は冷媒が流れる流路部、７はベース板１とワイヤ５とが接合されている接合箇所である。ワイヤ５に蓋部２が接触して配置されている。なお、×の印を丸（○）で囲んだものは、紙面の表面から裏面へ向かう冷媒の流れを示す記号である。
【００１５】
ワイヤ５は、弧状を連続させたものである。ここで、弧状とは、円弧状の弧、楕円状の楕円弧、その他の曲率を持った弧状のもの一切を含めたものである。弧状を連続させるにあたって、弧状のそれぞれの両端をベース板１に接合している。また、ワイヤ５の弧状となる形状は、ベース板１に対して垂直、あるいは概ね垂直になるように形成されている。また、ワイヤ５は線状のものであるが、断面は円状とは限らず、楕円あるいは角があるものでもよい。
【００１６】
ワイヤ５に蓋部２が確実に接触して配置されるようにするには、例えば、ワイヤ５の高さ（ｚ方向）をベース板１と蓋部２との間で形成される流路部の間隙（ベース板１と蓋部２との間の距離）よりも長くとっておけばよい。例えば、ワイヤ５の高さをベース板１と蓋部２との間隙の１割増しにすることで、確実にワイヤ５が蓋部２に接触することになる。また、蓋部２とベース板１とをろう付けで接合する場合は、ワイヤ５と蓋部２とが接触している箇所も同時にろう付けすることもできる。これによって、蓋部２側にも熱を逃がすことができ、より冷却効果が高まる。
【００１７】
ワイヤ５の材質としては、金、銅、アルミ、銀など熱伝導性の優れた金属である。ワイヤ５とベース板１との接合をするには、溶接、ろう付けなど以外に、金線、銅線、アルミ線などは、半導体製造装置であるワイヤボンディング装置を用いて、共晶結合で接合することができる。ワイヤボンディング装置を用いたワイヤ５の接合の場合、ワイヤ５の直径は、数μｍから数百μｍ（１ｍｍ程度を含む）まであり、接合箇所７は金属の共晶結合を利用して接合される。なお、ワイヤボンディング装置を利用する場合、ベース板１の接合箇所７には、事前に接合に適した表面処理、例えば、金メッキなどを施している。なお、ワイヤ５がリボン状のものであれば、リボンボンディング装置を使用する。
【００１８】
また、ワイヤボンディング装置を用いて接合する場合、一つの弧状を形成する毎にワイヤ５を切断することなく、次の弧状を描いて次の接合箇所７に向かうことができる。このようにすれば、連続して弧状を描くことができるので、冷却装置の作成時の作業が効率的である。なお、線材を解放した状態で連続して接合するような使用の仕方は通常、ワイヤボンディング装置では行われていない使い方である。
【００１９】
図３は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷却装置のｘｚ面の断面図である。ワイヤ５に蓋部２が接近して配置されていることを示している。ここで、接近とは、ベース板１と蓋部２との間で形成される流路部のｚ方向の間隙に対して、数パーセント、少なくとも２割以内であることを意味している。冷媒の流れから見ると、ワイヤ５と蓋部２との間に、層流状態のバイパス流路が発生せず、乱流状態になるようにワイヤ５と蓋部２とが接近していることを意味している。ワイヤ５に蓋部２が接近して配置されることで、冷媒はワイヤ５を迂回してワイヤ５と蓋部２との間を通過するバイパス流れが抑えられ、冷媒の流れは、ワイヤ５の影響を確実に受けることになる。
【００２０】
図４および図５は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図である。より具体的には、図４は、ワイヤ５に蓋部２が接触して配置されている冷却装置のｙｚ面の断面図であり、図５は、ワイヤ５に蓋部２が接近して配置されている冷却装置のｙｚ面の断面図である。図４は図２に、図５は図３にそれぞれ対応している。図では、接合箇所７近傍のワイヤ５は接合前の断面である円状を保ったように描いているが、例えば、ワイヤボンディング装置を利用した場合、接合箇所７では実際にはワイヤ５がつぶれたような形状になってへら状に広がっている。
【００２１】
図６は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷却装置のｘｙ面の断面図である。図において、５ａおよび５ｂはワイヤ５であり、７ａおよび７ｂは接合箇所７であり、説明の便宜上、添え字の英文字を付けたものである。ワイヤ５ａとワイヤ５ｂとは、冷媒の流れの方向に隣接して並んでいる状態を示している。ワイヤ５ａの接合箇所７ａとワイヤ５ｂの接合箇所７ｂとは、接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれている状態を示している。すなわち、ワイヤ５が冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所７が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれるように配置されており、接合箇所７は千鳥足状の配置になっている。なお、ワイヤ５は冷媒の流れの方向（ｙ軸）に対して複数の列を持つが、一本のワイヤを蛇行させる形で回すことで、複数の列（ワイヤ５の群）を形成することもできる。
【００２２】
図７は、この発明を実施するための実施の形態１による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷媒の流れを示す模式図である。図において、８は冷媒の流れを示す矢印であり、８ａ，８ｂ，８ｃも冷媒の流れを示す矢印であり、説明の便宜上、添え字の英文字を付けたものである。冷媒の流れ８，８ａ，８ｂ，８ｃは、どれもワイヤ５をまたいで流れるものである。逆にいえば、冷媒の流れ８を横切る方向にワイヤ５が接合されている。
【００２３】
もっとも、主となる冷媒の流れは、ワイヤ５で形成される弧状を含む面（弧状の面）に垂直となる冷媒の流れ８である。冷媒の流れとしては８で示されるワイヤ５の弧状の面（ｘｚ面）に対して垂直である方が望ましい。なぜならば、冷媒の流れ８と比較して、冷媒の流れ８ｃではワイヤ５による流れを遮る度合いが大きく、必要以上の圧力損失を招くことがあるからである。
【００２４】
なお、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
【００２５】
次に、動作について説明する。発熱体の熱をまず冷却装置のベース板１が吸収し、ワイヤ５を介して冷媒に伝熱することで放熱されるのが、主たる熱の流れである。中には、ベース板１から冷媒に直接伝熱されるものもあれば、ベース板１および蓋部２の外気と触れる面からも冷却装置の外部に放熱はされる。
【００２６】
冷媒の流れ８にとっては障害物となるワイヤ５が冷媒の流路部にあるため、冷媒の流れは層流とならず、乱流となっている。従来例のように層流状態のバイパス流れが存在すると、バイパス流路部では圧損が低いため、大半の冷媒はワイヤ５を迂回して、バイパス流路を通過することになる。したがって、ワイヤ５が存在する箇所を通過する冷媒の量は少なくなるため、ワイヤ５を介しての熱伝達は期待できなくなる。これでは、冷却能力が劣るので、ワイヤ５が存在する箇所へ流入する冷媒の量を増やさなければならなくなる。しかしながら、ワイヤ５が存在する箇所を通過する冷媒の流量を増加させると同時にパイパス流路へ流れる流量も増加してしまうため、全体の流量は極端に増加させなければならなくなる。
【００２７】
これに対して、冷媒の流れ８に対して障害となるワイヤ５が、ベース板１から蓋部２に接触あるいは接近している位置にまで配置されているので、バイパス流路部へ流れる流量は抑えられ、冷媒はすべてワイヤ５の影響を受けて乱れながら流れることになる。したがって、冷媒がワイヤ５が存在する箇所を通過する時に生じる高い熱伝達率が期待できる。なぜならば、ワイヤ５は冷媒の流れ８を横切る形にウエーブ状（波状）に流路部６の幅（ｘ軸方向）一杯に配置されており、高さ方向（ｚ軸方向）にも、幅方向にも、冷媒の流れ８にとって抵抗としてワイヤ５が存在する。しかも、ワイヤ５は、冷媒の流れ８に対して、概ね垂直となるようにワイヤ５の群が次々とあらわれることになるが、そのワイヤ５の群の配列が、ｘ軸方向にずれているため、この点からも冷媒の流れ８は、乱されることになる。
【００２８】
したがって、ワイヤ５が存在する箇所を通過する冷媒は、常に流路断面全体で乱流状態が保たれ、乱流特有の高い熱伝達率の効果が期待できる。なお、正確には、層流、乱流の区別は、境界線が画一的にあるわけではなく相対的なものであり、冷却装置の内部形状だけでは一律に規定できるものではなく、流速（流量）、冷媒の密度などによっても変わるものである。
【００２９】
冷媒の材質は、冷却装置の内部に半導体素子を内蔵するものではないので、特に限定されるものではない。具体的には、冷却効率の点からは、冷媒は液体が望ましく、例えば、純水を含めて水、エチレングリコール水溶液その他の導電性流体、フロン、フロリナート、自然冷媒（二酸化炭素であるＣＯ２の液体）その他の絶縁性流体がある。したがって、導電性の液体、絶縁性の液体、気体と冷媒の種類を選ばない導電性の冷媒にも適した冷却装置である。
【００３０】
流体がフィンに沿って流れるとき、前縁効果と呼ばれる現象で、フィン面上の前縁部からの距離が短い領域では温度境界層が発達していないため、熱伝達が高くなる。このため、フィンの流路に沿っての長さが短いほど、高い熱伝達率となる。ワイヤ５の径に対しても同様のことがいえ、ワイヤ５の径は小さいほど、例えば、１００μｍ以下の場合、フィン周りにおける前縁効果によって温度境界層の厚みが薄くなり、熱伝達特性が向上する。径が小さな１ｍｍ以下のワイヤ５を確実に、かつ作業の効率良く、ベース板１に接合するには、ワイヤボンディング装置を使用することは実に効果的である。
【００３１】
また、ベース板１の材料として、絶縁性材料のもの（例えば、ダイヤモンド）を使用すれば、発熱体として半導体素子、いわゆるチップ単体（半導体モジュールではない）をベース板１に直接設けることができる。また、ベース板１と半導体素子の間に、絶縁基板などを挿入して使用することもできる。絶縁材料の熱伝導率が悪くても、発熱体とベース板1との距離を縮めた方が、トータルとしての熱抵抗を下げられる場合があるからである。
【００３２】
また、冷媒の流れがワイヤ５を横切らないとすれば、例えば、図６において、ワイヤ５ａとワイヤ５ｂとの間を冷媒が流れることになる。これでは、ワイヤ５はヒートシンク内で流路を区切る板状のフィンと同じことになり、冷媒の流れと接触する伝熱面積が極端に少なくなるため、冷却効率が下がることになる。ベース板１とワイヤ５とで囲まれた領域を冷媒が流れること、ベース板１にワイヤ５が接合された側に冷媒が流れること、冷媒の流れを横切る方向にワイヤ５が接合されていることが、板状のフィンとは大きく異なるところである。ワイヤ５の一群を横切りながら冷媒へ伝熱すること、ワイヤ５には冷媒の流れ８を乱す効果があることなどは、板状のフィンとは違った働きをしている。
【００３３】
また、ピンフィンの場合、主としてピンフィンの左右方向（ｘ軸の正負の方向）に冷媒の流れ８を乱すことはできるが、高さ方向の上下（ｚ軸の正負の方向）には、冷媒の流れ８を乱すことはできない。これに対して、ワイヤ８は弧状であり曲率を持つ弧であるため、ｘｚ面のどの方向に対しても冷媒の流れ８を乱すことができ、乱流を発生させ、冷却効率を向上させることができる。また、ピンフィンの場合は、１ｍｍ以下の径の細いものを削り出しで制作することは、極めて困難であるため加工費も高くなっている。また、径が数ｍｍあるようなピンフィンの場合、伝熱面積を多くとるためには本数を増加せねばならない。そのためピンフィンとピンフィンとの間のフィン間距離も小さくなるため、圧力損失が大きくなってしまう。しかしながら、ワイヤ５は径が小さいため、圧力損失が大きくならず、この点からも有利な冷却装置である。
【００３４】
また、ワイヤ５の高さ（ｚ方向）を高くしても、所定の高さを超えてくると、接合箇所７のワイヤ５の温度に対して、蓋部２側となるワイヤ５の先端部は、温度が降下しており、冷媒への伝熱面積として寄与する割合が低下する。
【００３５】
したがって、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えた冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、ワイヤ高さを低くしても、冷媒の流れを乱流にさせる効果は変わらず、また、フィン効率（熱伝達率）の減少も抑えられ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００３６】
また、ワイヤは、弧状を連続させているので、冷媒の流れを確実に乱すことができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００３７】
また、冷媒の流れを横切る方向にワイヤが接合されているので、ワイヤの前面で冷媒の流れ衝突させることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００３８】
また、ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれているので、冷媒の流れを流れの方向に垂直な面（ｘｚ面）となる方向に乱れさすことができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００３９】
また、ワイヤとベース板との接合には、ワイヤボンディング装置を用いたので、伝熱効率の良い直径が１ｍｍ以下のワイヤでも、作業の効率良く接合することができる。
【００４０】
なお、実施の形態１で述べたことを含め、先の実施の形態で一度説明した内容でそれ以降の実施の形態でも当てはまることは、以下の説明では重ねて述べないこととする。
【００４１】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１に対して、蓋部２が相違し、ワイヤ５との位置関係も異なっている。図８は、この発明を実施するための実施の形態２による冷却装置を説明するための図である。より具体的には、ワイヤ５に蓋部２が接触して配置されている冷却装置のｙｚ面の断面図である。図において、９は蓋部２に設けられたものでベース板に向かって突き出している突起部である。また、９ａ，９ｂ，９ｃは、突起部９であり、説明の便宜上、添え字の英文字を付けたものである。
【００４２】
具体的には、突起部９はワイヤ５とワイヤ５との間に設置した四角柱の突起であり、突起部９ａはワイヤ５に接近して設置した突起である。また、突起部９ｂは断面が四角のものに限らず冷媒の流れ８を遮るような働きをするものであれば形状は任意であることを示したものである。また、突起部９ｃはワイヤ５に接触して配置されたものであり、突起部９ｄは突き出した方向にワイヤ５がないためワイヤ５には接触してはいないが、ワイヤ５とベース板１とで囲まれた弧状内の領域を流れる冷媒を遮るように配置したものである。このように、突起部９は冷媒の流れ８を遮るように冷媒の流れに対して垂直になるように突き出しているため、冷媒の流れ８が蓋部２の近傍でバイパス流れ（層流）になることはなく、流路部６の全ての流路断面にわたってワイヤ５が冷媒の流れ８を乱すことができる。例えば、突起部９が四角柱の突起であれば、突起部９と一体となった蓋部２のｙｚ断面は矩形波状のバックステップを備えることになる。
【００４３】
また、突起部９は蓋部２に設けられたものであるが、蓋部２と一体として削り出しなどで成形されても、後から蓋部２に溶接、接着その他の接合方法で接合しても、設けることができる。
【００４４】
このようにして突起部９を設けることで、冷媒の流れ８に対して垂直となる面の断面積が変化すること、すなわち、流路部６の流路面の形状（流路断面の面積）が変化することになる。したがって、流量を一定と仮定した場合、流路部６の流路断面が小さくなれば、この箇所の冷媒の流速は上がる。流速が上がった箇所の突起部９の壁面およびその箇所に設置されたワイヤ５の表面は他の箇所に比して高い熱伝達率が得られる。また、冷媒が突起部９を抜けた後、流路部６の流路断面が拡大するとき、その拡大の度合いが大きければ、冷媒の流れ８は噴流となるため、自由噴流として蓋部２およびベース板１に再付着することになり、この部分での熱伝達が促進される。また、再付着点となる壁面にワイヤ５を配置させれば、流速の上がった冷媒をワイヤ５が配置された箇所を通過させることができるため熱伝達特性は特に向上する。
【００４５】
また、数値解析によれば、突起部９を抜けた後の噴流は、周期的に向きを変えながら上下に振れまわり、自励振動が生じることを確認している。蓋部２にもベース板１に設けたワイヤ５に相当するワイヤを設けることで、さらに冷媒の流れ８が乱され、高い熱伝達率が期待できる。
【００４６】
以上のように、突起部９が存在することで、層流状態のバイパス流れは発生せず、冷媒の流れ８が乱れることによって、ワイヤ５への熱伝達が促進され、さらにベース板１および蓋部２への熱伝達も促進されるので、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００４７】
よって、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えた冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００４８】
実施の形態３．
図９は、この発明を実施するための実施の形態３による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には冷却装置の斜視図である。流入口３は、ベース板１に対して垂直となるように配置されている。また、流出口４は二カ所に設置されている。また、図１０は、この発明を実施するための実施の形態３による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には円盤形の冷却装置の斜視図である。流入口３は、ベース板１に対して垂直となるように配置されている。また、流出口４は四カ所に設置されている。
【００４９】
冷却装置の外観形状としては、直方体に限らず、円柱状のものある。また、冷媒の温度は、流入口３側が最も低く、流出口４側が最も高くなる。この場合、流入口３からベース板１への流体の衝突噴流による熱伝達促進効果が期待できるため、より冷却効果を高めることができる。また、冷媒の流路との関係で、満遍なく冷媒が流れるように、流出口４を複数設けることで冷却効果を高めることができる。
【００５０】
図１１は、この発明を実施するための実施の形態３による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には流入口３からの冷媒の流れ８を示す冷却装置の模式図である。図において、１０ａはベース板１に対して垂直に設置された流入口３から流路部６に流入した直後における冷媒の流れを示す矢印、１０ｂは冷媒の流れ１０ａがベース板１に衝突をして衝突噴流となったベース板１に衝突をした直後における冷媒の流れを示す矢印、１０ｃはベース板1へ衝突した後の冷媒の流れで、冷媒の流れ１０ｂがワイヤ５を横切って流れ、流出口４へと向かっていく冷媒の流れを示す矢印である。なお、冷媒の流れ１０ａがベース板１に衝突する箇所にはワイヤ５を設けていないが、この位置にもワイヤ５を設けることができる。また、突起部９を設けたり、ワイヤ５と蓋部２とが接触あるいは接近したりすれば、前述した通りバイパス流れが抑えられ、さらに効果的に冷却ができる。
【００５１】
流入口３からベース板１の中央部に最も近い位置（発熱体の中央部に最も近い位置）に向かって噴出した冷媒は、冷媒の流れ１０ａからベース板に衝突した直後の冷媒の流れ１０ｂに切り替わるときに、衝突噴流が発生し、しかも、衝突箇所としてもベース板１全体に広がっているので伝熱面積としては広い範囲で、衝突噴流による高い熱伝達が期待できる。また、その後の冷媒の流れ１０ｃも、ワイヤ５に順次衝突を繰り返すので、冷媒の流れ８が乱され、効率よく伝熱することができ、冷却効果が高くなる。
【００５２】
図１２は、この発明を実施するための実施の形態３による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には円盤形の冷却装置の断面図である。流入口３から流入した冷媒が放射状に広がり、三カ所の流出口４から流出することになる。ここでは、ワイヤ５の群は、同心円上に設けられており、ワイヤ５の径は流出口４に近付くほど太くなり、また一個の弧状の接合箇所７同士の間隔、すなわち弧状に対する弦も長くなっている。このように、ワイヤ５の径は一定しているとは限らず、また、弧状の形状も一定しているとは限らない。
【００５３】
ワイヤ５の径は小さいほど前述のとおり前縁効果によって伝熱効率は高く、また、ワイヤ５が密集しているほど伝熱面積が増加するので伝熱効率は高くなる。このため、例えば、円盤状のシリコンウエハ一枚で一つの半導体モジュールを構成するパワエレモジュールの場合、中央部に熱がこもりやすく、図１２のような構成にすることは、特に有効である。なお、流入口３は、ベース板１の中央に向かって配置させてなくてもよく、ベース板１に接している発熱体の発熱密度の分布によって、発熱体の中でも発熱密度の大きい箇所に効果的に配置させることができるものである。
【００５４】
また、冷媒は放射状に流れるため、冷媒の流れ８を横切る方向にワイヤ５が接合されており、ワイヤ５が冷媒の流れ８の方向に複数並び、それぞれの接合箇所７が冷媒の流れ８を横切る方向に相互にずれている構成になっている。これによって、確実に乱流が発生し、ワイヤ５から冷媒への熱伝達が促進される。
【００５５】
よって、流入口は、ベース板に対して垂直となるように配置されたので、衝突噴流領域がベース板の広い領域で発生し、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００５６】
実施の形態４．
図１３は、この発明を実施するための実施の形態４による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には両面に高い冷却機能を備えた両面冷却タイプの冷却装置の斜視図である。図において、１ａは第１のベース板、１ｂは第２のベース板であり、１１はベース板１ａ，１ｂとの間で冷媒が流れる流路部６を形成する囲い部である。また、ｘ，ｙ，ｚで示される矢印は、以下の図において断面を検討する上での方向を示している。なお、冷媒はｙ軸の負から正の方向に流れている。
【００５７】
第１のベース板１ａは、図面上の下方（ｚ軸の負の方向）から第１の発熱体の熱を吸収し、第２のベース板１ｂは、図面上の上方（ｚ軸の正の方向）から第２の発熱体の熱を吸収することで、冷却装置の厚み方向（ｚ軸方向）の両面から発熱体の熱を吸収する冷却装置で、冷却装置の両面の冷却機能が特に高いものをここでは、両面冷却タイプの冷却装置と称している。なお、発熱体を第１および第２とここでは区別したが、発熱体の形状によっては１個の発熱体となることもある。
【００５８】
なお、ベース板１ａ，１ｂはベース板１に相当するものであり、機能、効果、作用の面において基本的に異なるところはなく、ベース板１ａ，１ｂには、複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤ５が設けられている。また、ベース板１ａ，１ｂと囲い部１１とで形成される冷媒の流路部は、流入口３および流出口４以外では気密性が保たれている。なお、ベース板１ａ，１ｂ、囲い部１１以外の構成物を備えることで、流路部の気密性を保つことを否定するものではない。また、ベース板１ａ，１ｂの外周部の形状によっては、ベース板１ａ，１ｂが囲い部１１を兼ねることもできる。
【００５９】
図１４は、この発明を実施するための実施の形態４による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には両面冷却タイプの冷却装置のｘｚ面の断面図である。図において、５ｃは複数の弧状のそれぞれの両端がベース板１ａに接合されたワイヤ、５ｄは複数の弧状のそれぞれの両端がベース板１ｂに接合されたワイヤであり、ワイヤ５ｃ，５ｄは、ワイヤ５と同一またはこれに相当するものであり、説明の便宜上、添え字の英文字を付けたものである。
【００６０】
ベース板１ａに接合されたワイヤ５ｃの弧状の山と、ベース板１ｂに接合されたワイヤ５ｄの弧状の山とが、ｘ軸方向に交互にずれていることを示している。冷媒の流れ８に対して垂直となる面で、ワイヤ５がずれて配置されることによって、流路断面がより細かく分割され、冷媒の流れ８を乱すことができるので、冷却効果を高めることができる。
【００６１】
図１５は、この発明を実施するための実施の形態４による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、両面冷却タイプの冷却装置のｙｚ面の断面図である。ワイヤ５ｃとワイヤ５ｄとが、同一平面（ｘｚ平面）上にあり、両者が交互に弧状の山同士がずれて、接近あるいは接触している配置を示している。流路部６のｘｚ断面をワイヤ５ｃ，５ｄで分割するようにして、冷媒の流れ８を乱している。
【００６２】
図１６は、この発明を実施するための実施の形態４による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、ワイヤが他方のベース板に接近している配置の両面冷却タイプのｙｚ面の断面図である。ワイヤ５ｃはベース板１ａに接近し、一方、ワイヤ５ｄはベース板１ｂに接近しており、流路断面の分割を一平面（ｘｚ平面）内ではなく、ワイヤ５ｃおよびワイヤ５ｄのそれぞれの接合箇所７が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれているので、さらに冷媒の流れ８が乱れることになり、高い熱伝達率が期待できる。接合箇所７がｙ軸方向に相互にずれているのは当然であるが、ｘ軸方向（冷媒の流れの幅方向）にもずれることで、一層乱れが生じ、冷却効果を増すことができる。
【００６３】
図１７は、この発明を実施するための実施の形態４による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、図１６の配置をさらにすすめて、ワイヤが他方のベース板に接触している配置とした両面冷却タイプのｙｚ面の断面図である。ワイヤ５ｃはベース板１ａに接触し、一方、ワイヤ５ｄはベース板１ｂに接触している。
【００６４】
また、ベース板１ａ，１ｂと囲い部１１とをろう付けで組み立てる場合、ワイヤ５ｃ，５ｄを接合する側のベース板１ａ，１ｂに、ろうを流すことで、ワイヤ５ｃをベース板１ａに接合し、ワイヤ５ｄをベース板１ｂに接合することができる。通常の接合箇所７以外に弧状の山の頂点でも接合するため、接合の状態の信頼性が高まり、発熱体の発熱量に差がある場合、発熱量の高い発熱体が設置されている方のベース板から発熱量の低い発熱体が設置されている方のベース板へと熱を逃がすことができ、高い方の発熱体をより効率よく冷却することができる。
【００６５】
よって、第１および第２のベース板と、第１および第２のベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたので、両面冷却の機能を備えながら、冷媒の流量を増加させることなく、高機能な冷却装置を得ることができる。
【００６６】
実施の形態５．
図１８は、この発明を実施するための実施の形態５による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、ベースのワイヤ接合側の面に突起部を設けた両面冷却タイプの冷却装置におけるｙｚ面の断面図である。図において、１２はベース板１ａ，１ｂの平坦部であり、流入口３から流出口４に向かって厚みに変化を持たせていないベース板１ａ，１ｂの面である。また、１３はベース板１ａまたはベース板１ｂに設けられた突起部で、もう一方のベース板１ａ，１ｂに向かって突き出している突起部である。また、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、突起部１３であり、説明の便宜上、添え字の英文字を付けたものである。
【００６７】
よって、実施の形態４のベース板１ａ，１ｂに対して、突起部１３を設けたことが異なる点である。より具体的には、突起部１３はワイヤ５ｃとワイヤ５ｄとの間に設置した四角柱の突起であり、突起部１３ａと突起部１３ｂとは、互いに接近することで流路部６の流路断面積を小さくしている。また、突起部１３ｃはワイヤ５に接近して配置された突起である。なお、突起部１３は、実施の形態２で説明した突起部９と構造、機能、効果、作用の面で基本的に同一またはこれに相当するものであるが、以下では異なる点を中心にして述べていくことにする。
【００６８】
突起部１３同士が互いに接近して流路部６の流路断面積を狭くすることで、例えば、突起部１３ａと突起部１３ｂとの組み合わせで、冷媒の流れ８が加速され、突起部１３の壁面の近傍では高い伝熱特性が得られるようになる。この考え方をさらにすすめ、流路部６の流路を狭くする位置をベース板１ａに寄せた次にはベース板１ｂに寄せ、その次はベース板１ａに寄せることを繰り返すことで、冷媒の流れ８は冷却装置の厚み方向（ｚ軸方向）に上下するため、蛇行流となる。この蛇行流により冷媒の流れ８が激しく乱れることで、冷媒の流れ８がワイヤ５、ベース板１ａ，１ｂ、突起部１３との衝突を繰り返すため、熱伝達率が向上することになる。
【００６９】
また、突起部１３によって、流路部８が小さくなった箇所（流路断面が小さい）では冷媒の流れ８が加速され、突起部１３を抜けた箇所では慣性によって、そのままワイヤ５に衝突するので、ワイヤ５でも熱伝達率が増加する。したがって、全体として熱伝達の優れた冷却装置を提供することができる。また、流速が早いので熱伝達が良く、突起部１３を抜けた箇所では冷媒の流れ８が乱された状態でさらにワイヤ５との衝突があるので、ここでも熱伝達が良いため、冷却効率の良い冷却装置となる。
【００７０】
よって、平坦部と突起部とを設けた第１および第２のベース板と、平坦部に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えたので、流路の断面積が変化することにより、流路の断面積が小さくなる突起部では流速が増加して熱伝達が向上し、さらに流路の断面積が大きくなる箇所では、ワイヤへの衝突で熱伝達が向上するため、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００７１】
実施の形態６．
図１９は、この発明を実施するための実施の形態６による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、ワイヤの説明図である。図において、１４は一個の弧状の両端が接合されたワイヤである。
【００７２】
ワイヤ５は、一本のワイヤで複数の弧状が連続したものを中心に説明してきたが、ワイヤ１４のように、一本のワイヤで弧状の山を一個だけ構成しても、ワイヤ１４を所定の周期で数多く設置することでワイヤ５と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
また、ワイヤ１４およびワイヤ５の弧状の山の高さ（ｚ軸方向）は、一定である必要はない。さらに、一個の弧状の両端に位置する接触箇所７と隣り合う接触箇所７との間隔（弧状の弦、弧状のピッチに相当）も一定である必要はない。これらのことは、ワイヤ１４およびワイヤ５を設ける箇所に応じて適宜選択すれば良いものである。
【００７４】
よって、ワイヤは、弧状を連続させたものと同様の効果が、弧状を連続させずとも、所定の周期で複数の弧状のワイヤを設けることで得ることができる。
【００７５】
実施の形態７．
図２０は、この発明を実施するための実施の形態７による冷却装置を説明するための図であり、より具体的には、ダブルワイヤの説明図である。図において、１５は第１のワイヤ、１６は第２のワイヤである。ワイヤ１５およびワイヤ１６は、ワイヤ５と機能、作用、効果の面で基本的には、同一またはワイヤ５に相当するものである。
【００７６】
第２のワイヤ１６は第１のワイヤ１５の接合箇所７の上で接合されている。弧状の山の高さが違うワイヤ１５とワイヤ１６とを重ね合わせることになる。なお、ワイヤ１５の上にワイヤ１６を重ねる際には、同一の弧状の弦（ピッチ）とする必要はなく、ワイヤ１６のピッチをワイヤ１５のピッチの整数倍とすることもできる。また、ワイヤの重ね合わせは、二段階に限らず、三段階以上であってもよい。このようにすることで、同一のベース板１の面積に対するワイヤの表面積を増やすことができ、熱伝達特性を向上させることができる。また、第２のワイヤ１６の断面積を第1のワイヤ１５の断面積よりも大きくしてやることもできる。これによって、ワイヤ１６の高さがあり、しかも断面積がワイヤ１５よりも大きいため、ワイヤ１６のフィン効率（熱伝達率）の減少を抑えることが可能となる。
【００７７】
よって、ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されているので、ベース板１における接合箇所を面積比として多くとることなく、ワイヤの表面積を増大させ、効率的な冷却機能を得ることができる。
【００７８】
この発明は以上説明したように、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とする冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
また、ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しワイヤと接触あるいは接近して配置された蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とする冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００７９】
また、ベース板と、ベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤが冷媒の流れの方向に複数並び、それぞれの接合箇所が冷媒の流れを横切る方向に相互にずれていることを特徴とする冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
また、ベース板と、このベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、ベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成しベース板に向かって突起部を設けた蓋部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備え、ワイヤは第１および第２のワイヤであって、第２のワイヤは第１のワイヤの接合箇所の上で接合されていることを特徴とする冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００８０】
また、第１および第２のベース板と、第１および第２のベース板に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えた冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【００８１】
また、平坦部と突起部とを設けた第１および第２のベース板と、平坦部に複数の弧状のそれぞれの両端が接合されたワイヤと、第１および第２のベース板との間で冷媒が流れる流路部を形成する囲い部と、流路部に対する冷媒の流入口および流出口とを備えた冷却装置なので、導電性の冷媒を用いることができ、冷媒の流量を増加することなく効率的な冷却機能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１の冷却装置の斜視図である。
【図２】  実施の形態１の冷却装置のｘｚ面の断面図である。
【図３】  実施の形態１の冷却装置のｘｚ面の断面図である。
【図４】  実施の形態１の冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図５】  実施の形態１の冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図６】  実施の形態１の冷却装置のｘｙ面の断面図である。
【図７】  実施の形態１の冷媒の流れを示す模式図である。
【図８】  実施の形態２の冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図９】  実施の形態３の冷却装置の斜視図である。
【図１０】  実施の形態３の円盤形の冷却装置の斜視図である。
【図１１】  実施の形態３の冷媒の流れを示す冷却装置の模式図である。
【図１２】  実施の形態３による円盤形の冷却装置の断面図である。
【図１３】  実施の形態４による両面冷却タイプの冷却装置の斜視図である。
【図１４】  実施の形態４による両面冷却タイプの冷却装置のｘｚ面の断面図である。
【図１５】  実施の形態４による両面冷却タイプの冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図１６】  実施の形態４による両面冷却タイプの冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図１７】  実施の形態４による両面冷却タイプの冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図１８】  実施の形態５による突起部付きの冷却装置のｙｚ面の断面図である。
【図１９】  実施の形態６によるワイヤの説明図である。
【図２０】  実施の形態７によるダブルワイヤの説明図である。
【符号の説明】
１  ベース板、１ａ  ベース板、１ｂ  ベース板、２  蓋部、３  流入口、４  流出口、５  ワイヤ、５ａ  ワイヤ、５ｂ  ワイヤ、５ｃ  ワイヤ、５ｄ  ワイヤ、６  流路部、７  接合箇所、７ａ  接合箇所、７ｂ  接合箇所、８  冷媒の流れ、８ａ  冷媒の流れ、８ｂ  冷媒の流れ、８ｃ  冷媒の流れ、９  突起部、９ａ  突起部、９ｂ  突起部、９ｃ  突起部、１０  冷媒の流れ、１０ａ  冷媒の流れ、１０ｂ  冷媒の流れ、１０ｃ  冷媒の流れ、１１  囲い部、１２  平坦部、１３  突起部、１３ａ  突起部、１３ｂ  突起部、１３ｃ  突起部、１４  ワイヤ、１５  ワイヤ、１６  ワイヤ。
【図１】
0003685170.tif 000002
【図２】
0003685170.tif 000003
【図３】
0003685170.tif 000004
【図４】
0003685170.tif 000005
【図５】
0003685170.tif 000006
【図６】
0003685170.tif 000007
【図７】
0003685170.tif 000008
【図８】
0003685170.tif 000009
【図９】
0003685170.tif 000010
【図１０】
0003685170.tif 000011
【図１１】
0003685170.tif 000012
【図１２】
0003685170.tif 000013
【図１３】
0003685170.tif 000014
【図１４】
0003685170.tif 000015
【図１５】
0003685170.tif 000016
【図１６】
0003685170.tif 000017
【図１７】
0003685170.tif 000018
【図１８】
0003685170.tif 000019
【図１９】
0003685170.tif 000020
【図２０】
0003685170.tif 000021