(57)【要約】【課題】本明細書は、冷却効率のよい衝突噴流型の冷却器を提供する。【解決手段】本明細書が開示する冷却器２は衝突噴流型である。冷却器２は、ベースプレート３、複数のフィン４、及び、冷媒ノズル５を備える。ベースプレート３のおもて面３ａには、冷却対象が取り付けられる。複数のフィン４は、ベースプレート３の裏面３ｂに取り付けられている。冷媒ノズル５は、裏面側からベースプレート３に向けて冷媒を噴出する。各フィンには、複数のフィンにわたってベースプレート３まで達するスリット６が設けられている。冷媒ノズル５の先端がスリット６の間に伸びており、冷媒ノズル５の平行な側面５ｄ、５ｅに、スリット端部に相当するフィン４のエッジが接している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面に冷却対象が取り付けられるベースプレートと、
ベースプレートの第１面とは反対側の第２面に取り付けられている複数のフィンと、
第２面側からベースプレートに向けて冷媒を噴出する冷媒ノズルと、
を備えており、
各々のフィンに、ベースプレートまで達するスリットが、複数のフィンを横断するように一列に設けられており、
冷媒ノズルがスリットの間に伸びており、冷媒ノズルの側面に各スリット側端部に相当するフィンのエッジが接している、
ことを特徴とする冷却器。
【請求項２】
ベースプレートから延設されているフィンの上方に、フィンの平面と交差する方向に冷媒を流す冷媒排出チャネルが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
冷媒ノズルの先端に、隣接するフィンの間の隙間に相当する位置で突出する突起が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
【請求項４】
冷媒ノズルは、冷媒の流れと交差する断面の形状が長方形であり、長辺に相当する２側面の夫々に複数のフィンのエッジが接していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に関する。特に、ベースプレートの一方の面に半導体チップなどの冷却対象を取り付け、ベースプレートの裏面に冷媒を衝突させる衝突噴流型の冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップや電子部品の冷却用に、一方の面に半導体チップなどを取り付け、その裏側に冷媒を流すタイプの冷却器が用いられることがある。本明細書では、半導体チップなどの冷却対象を取り付ける部位を「ベースプレート」と称する。そして、説明の便宜上、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、反対の面を裏面と称する。裏面は、冷媒が流れる流路の内壁に相当する。本明細書では、また、より一般的に、冷却対象を取り付ける面を、ベースプレートの第１面と称し、反対の面を第２面と称する場合もある。
【０００３】
冷却効率を高めるため、ベースプレートの裏面にはフィンが設けられることがある。特許文献１から５に、そのような冷却器の例が開示されている。
【０００４】
さらに冷却効率を高めるため、冷媒をベースプレートに平行にではなく、ベースプレートに向けて冷媒を噴出させる冷却器が提案されている。そのようなタイプの冷却器は、衝突噴流型の冷却器と呼ばれることがある。特許文献３、４には、そのタイプの冷却器が開示されている。その技術では、ベースプレートの裏面に複数のフィンを設置する。冷媒ノズルは、冷却対象が取り付けられた領域の裏側に向けられている。ベースプレートに噴き付けられた冷媒は複数のフィンの間を勢いよく流れる。冷却対象の取付領域の裏側に冷媒が勢いよく噴き付けられることで、冷却対象の冷却が促進される。さらに、ベースプレートの裏面に衝突した冷媒はその後、フィンに沿って流れ、フィンと熱交換することによっても副次的に冷却対象を冷却する。
【０００５】
特許文献５には、ベースプレートの裏面に冷媒を噴き付けるタイプの冷却器の改良型が提案されている。その技術では、冷却対象を取り付けたベースプレートの裏面に、平面同士が対向するように平行に並んだ複数のフィンが設けられている。フィンのベースプレートからの延設方向の先でベースプレートの裏面に対向するように冷媒排出路が配置されている。冷媒排出路は、断面がコの字形状であり、コの字の開口がフィンに対向するとともに、フィンの平面と直交する方向に伸びるように配置されている。冷媒排出路の短手方向の両側が冷媒噴出孔に相当する。すなわち、冷媒は、冷媒排出路の両側からベースプレートに向かって噴出される。ベースプレートで跳ね返った冷媒は断面コの字型の冷媒排出路を通って排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１０４５８６号公報
【特許文献２】特開２０００−０４９４８０号公報
【特許文献３】特許第３００２６１１号公報
【特許文献４】特許第４６４９３５９号公報
【特許文献５】特開２０１１−１６６１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３や５では、冷媒を噴出させるノズルの先端が、フィンを挟んでベースプレート裏面と対向しているため、ノズルから噴出された冷媒がベースプレート裏面に到達するまでに拡がってしまう。また、ノズルから冷媒を勢いよく噴出した場合、ノズルが振れる虞があり、ノズルが振れることも、冷却効率に負の影響を与える。本明細書は、上記の課題に鑑みて創作された。本明細書が開示する技術は、従来よりも冷却効率の良い冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する冷却器は、ベースプレートの第１面（おもて面）に、冷却対象の取り付け領域が定められている。ベースプレートの第２面（裏面）には、平面を対向させて互いに平行となるように複数のフィンが取り付けられている。また、冷却器は、第２面側（裏面側）からベースプレートに向けて冷媒を噴出する冷媒ノズルを備えている。この冷却器には、各々のフィンに、その先端からベースプレートまで達するスリットが、複数のフィンを横断するように一列に設けられている。そして、冷媒ノズルの先端がスリットの間に伸びており、冷媒ノズルの側面に、各スリットの側端部に相当するフィンのエッジが接している。
【０００９】
本明細書が開示する冷却器は、複数のフィンを横断するように複数のフィンにスリットを一列に設け、そのスリットに冷媒ノズルを嵌合する。その結果、ノズル先端（冷媒を吐出する開口）がベースプレートの近くに位置することになり、冷却対象取付領域の裏面に集中して冷媒を吐出させることができる。また、冷媒ノズルはスリットに嵌合し、その両側面を複数のフィンが支持するので、冷媒を勢いよく吐出しても冷媒ノズルが振れることがない。
【００１０】
冷媒ノズルの振動を抑制する観点では、冷媒ノズルは流れに交差する方向の断面の形状が長方形であり、その長方形の長辺に相当する冷媒ノズルの２側面の夫々に複数のフィンのエッジが接しているとよい。長辺に相当する側面を両側から多くのフィンが支持することにより、冷媒ノズルは一層振動し難くなる。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の冷却器の斜視図を示す（筐体は仮想線で描いてある）。
【図２】冷却器の分解斜視図を示す（筐体は省略）。
【図３】図１のIII−III線に沿った断面図を示す。
【図４】図３のIV−IV線に沿った断面図を示す。
【図５】変形例の冷却器における、図３に対応する断面図を示す。
【図６】図５のVI−VI線に沿った断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
最初に、実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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。
【００１４】
ベースプレートから延設されているフィンの上方に、フィンの平面と交差する方向に冷媒を流す冷媒排出チャネルが形成されている。また、冷媒ノズルの先端に、隣接するフィンの間の隙間に相当する位置で突出する突起が設けられている。ノズルから吐出した冷媒は突起で乱されることによって冷却効率がさらに高まる。
【実施例】
【００１５】
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、筐体１０は仮想線（二点鎖線）で描いてあり、内部の構造を実線で描いてある。また、図２に、筐体を除く部品（ベースプレート３、冷媒ノズル５、及び、仕切プレート７）の分解斜視図を示す。
【００１６】
冷却器２は、一方の面に冷却対象の取付領域が規定されたベースプレート３と、ベースプレート３の他方の面に設置された複数のフィン４と、筐体内で冷媒の供給チャネルと排出チャネルを区画する仕切プレート７と、冷媒をベースプレート３に向けて噴出する冷媒ノズル５と、筐体１０で構成される。全ての部材は、熱伝導率の高い金属、典型的にはアルミニウムで作られている。説明の便宜ため、図に描かれている座標系を参照し、ベースプレート３のＺ軸負方向を向いている面をおもて面３ａと称し、Ｚ軸の正方向を向いている面を裏面３ｂと称する。おもて面３ａに冷却対象取付領域が規定されている。裏面３ｂに複数のフィン４が設けられている。
【００１７】
冷却器２は、冷媒ノズル５により冷媒をベースプレート３の裏面３ｂに勢いよく衝突させることで、冷却対象取付領域に取り付けた冷却対象を効率よく冷却する。冷却対象は、典型的には、半導体チップである。また、冷媒は、液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。
【００１８】
複数のフィン４は、ベースプレート３の裏面３ｂに、その平面が対向するように平行に配置されている。図２に示すように、各フィンにはスリット６が設けられている。複数のフィン４のスリット６は、フィンの並び方向に一直線に設けられている。別言すれば、スリット６は、複数のフィンにわたって、複数のフィン４を横断するように一列に設けられている。また、各スリット６は、フィン４の先端からベースプレート３まで達している。
【００１９】
図１、図２に示すように、このスリット６に、冷媒ノズル５が嵌合する。冷媒ノズル５は、ベースプレート３の裏面３ｂに対してほぼ垂直に伸びており、先端開口がベースプレート３を向いている。冷媒ノズル５の先端は、スリット６を通り、ベースプレート３の直近に達している。
【００２０】
冷媒ノズル５の先端の長手方向の両側には、係合突起５ａが設けられており、他方、ベースプレート３において係合突起５ａに対応する位置には、係合窪み５ｂが設けられている。冷媒ノズル５をスリット６に挿通すると、冷媒ノズル５の係合突起５ａがベースプレート３の係合窪み５ｂと嵌合し、冷媒ノズル５の先端がベースプレート３に固定される。
【００２１】
冷媒ノズル５は、仕切プレート７から伸びている。仕切プレート７は、筐体１０の内部空間を二分する板であり、仕切プレート７の上方の空間が冷媒供給チャネルＡ（冷媒供給路）を構成し、仕切プレート７の下方の空間（仕切プレート７とフィン４の間の空間）が冷媒排出チャネルＣ（冷媒排出路）を構成する（図１参照）。なお、冷媒ノズル５の内側の空間をノズル内流路Ｂと称する。
【００２２】
図１、２に加えて図３、図４を参照して冷却器２における冷媒の流れを説明する。図３は、図１のIII−III線に沿った断面図である。図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。図３と図４における太線の矢印は、冷媒の流れを表している。筐体１０には、冷媒供給口１２と冷媒排出口１３が設けられている。冷媒供給口１２は、仕切プレート７の上方の空間（仕切プレート７を挟んでベースプレート３よりも遠い側の空間）、即ち、冷媒供給チャネルＡに通じている。冷媒排出口１３は、仕切プレート７の下方の空間（仕切プレート７よりもベースプレート３に近い側の空間）、即ち、冷媒排出チャネルＣに通じている。冷媒供給口１２は、筐体１０において、フィン４の平面が伸びる方向（図の座標系においてＸ軸方向）の端に設けられており、冷媒排出口１３は、フィン４の平面が向いている方向（Ｙ軸方向）の端に設けられている。冷媒供給口１２には、冷媒を供給するパイプが接続される。冷媒排出口１３には、冷媒を排出するパイプが接続される。冷媒は、不図示のリザーブタンクに通じており、不図示のポンプにより、冷媒供給口１２へと供給される。
【００２３】
冷媒供給口１２から筐体１０の内部へ供給された冷媒は、図中のＸ軸に沿って流れ、冷媒供給チャネルＡからノズル内流路Ｂを通り、冷媒ノズル５の先端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される。ベースプレート３のおもて面３ａには、半導体チップ９２がヒートスプレッダ９１を介して取り付けられている。ヒートスプレッダ９１は、半導体チップ９２の熱をベースプレート３に効率よく伝えるための伝熱板であり、熱伝導率の高い銅で作られている。半導体チップ９２が冷却対象に相当し、ヒートスプレッダ９１が取り付けられている領域が、冷却対象取付領域に相当する。冷媒ノズル５は、冷却対象取付領域の裏面に向けて冷媒を噴出させる。
【００２４】
冷媒ノズル５から噴出した冷媒は、ベースプレート３の裏面３ｂ（特に、冷却対象取付領域の裏面側）に衝突し、その後、フィン４に沿って流れる。冷媒は、ベースプレート３の裏面に衝突し、そこでベースプレート３から熱を吸収する。冷媒がベースプレート３の裏面３ｂに強く連続的に衝突するので、冷媒はベースプレート３の熱を効率よく吸収する。熱を吸収した冷媒は、フィン４の間を通り、冷媒排出チャネルＣへと向かう。
【００２５】
ベースプレート３の裏面３ｂに衝突した冷媒は、フィン４の横を通る間に、フィン４からも熱を吸収する。その後、冷媒は、フィン４と仕切プレート７の間の冷媒排出チャネルＣを通り、冷媒排出口１３から排出される。冷媒排出口１３は、フィン４の平面が向いている方向で筐体１０の端に設けられており、冷媒は冷媒排出チャネルＣにおいて、フィン４の平面と交差する方向に流れる。別言すれば、冷媒供給チャネルＡにおける冷媒の流れ方向と、冷媒排出チャネルＣにおける冷媒の流れ方向は、略直交する。半導体チップ９２は、ヒートスプレッダ９１、ベースプレート３、及び、フィン４を介して効率よく冷却される。
【００２６】
冷却器２の構造の利点を説明する。衝突噴流型の冷却器２は、ベースプレート３の裏面３ｂに向かって冷媒を噴出させる冷媒ノズル５がフィン４のスリット６に嵌合し、ベースプレート３の直近に達している。そして、冷媒ノズル５の先端は、冷却対象取付領域の裏面に向いている。それゆえ、冷媒は、冷却対象取付領域の裏面に集中して衝突し、冷却対象を効率よく冷却する。
【００２７】
ベースプレート３の裏面３ｂに衝突した冷媒はフィン４に沿って流れる。フィン４では、ベースプレート３に近い側が高温であり、ベースプレート３から離れるに従って温度が低くなる。冷媒ノズル５から噴出された冷媒は、フィン４の根元（ベースプレート３に近い側）に先に触れ、次いで、フィン４の先端（ベースプレート３から遠い側）に触れる。冷媒が、フィンの高温領域（フィンの根元側）に先に触れ、順次に低温側（フィンの先端側）に触れることも、冷却効率の向上に寄与している。
【００２８】
また、冷却器２では、次に説明するように、冷媒ノズル５がしっかりと固定されており、振動し難いという利点も有する。図４に示すように、冷媒ノズル５の横断面形状（ノズル内の冷媒の流れに直交する断面の形状）は長方形であり、その長辺に相当する２側面５ｄ、５ｅに、複数のフィン４のスリット端部に相当するエッジが当接している。冷媒ノズル５の面積の広い２側面５ｄ、５ｅが複数のスリットのエッジに支持されているので、冷媒ノズル５は振動し難い。さらに、図２を参照して説明したように、ノズル５の先端の両端に設けられた係合突起５ａがベースプレート３の裏面３ｂの係合窪み５ｂに係合する。この係合も、冷媒ノズル５の振動抑制に寄与している。
【００２９】
次に、図５と図６を参照して、冷却器２の変形例を説明する。図５と図６は、冷却器１０２の断面図である。図５の断面図は、図３に対応する断面図である。ただし、図３は先に説明した冷却器２の断面を示しており、図５は、その変形例の冷却器１０２の断面を示していることに留意されたい。図６は、図５のVI−VI線に沿った断面図である。図６は、図３の断面に対応する。
【００３０】
変形例の冷却器１０２では、冷媒ノズル１０５の先端に、隣接するフィン４の間の隙間に相当する位置で突出する突起１０３が設けられている。また、ベースプレート３の裏面３ｂにおいて、突起１０３に対向する位置にも突起１０４が設けられている。突起１０３と１０４は、冷媒ノズル１０５から噴出してベースプレート３の裏面３ｂに衝突した冷媒が、フィン４の方向に向きを変えた後の流れを撹乱する。ベースプレート３の裏面３ｂに衝突した後の冷媒の流れを撹乱することで、冷媒とフィン４との間の熱交換を促進する。突起１０３と１０４も、冷却能力向上に寄与する。
【００３１】
実施例で説明した技術に関する留意点を説明する。ベースプレート３のおもて面３ａが、第１面に相当し、裏面３ｂが第２面に相当する。「おもて面」、「裏面」との表現は、説明の便宜上のものであることに留意されたい。
【００３２】
冷却器２、１０２の冷却対象は、半導体チップに限られない。冷却対象は、他の電子デバイス、例えばコンデンサなどでもよい。
【００３３】
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。
【符号の説明】
【００３４】
２、１０２：冷却器
３：ベースプレート
３ａ：おもて面（第１面）
３ｂ：裏面（第２面）
４：フィン
５、１０５：冷媒ノズル
５ａ：係合突起
５ｂ：係合窪み
５ｅ、５ｄ：側面
６：スリット
７：仕切プレート
１０：筐体
１２：冷媒供給口
１３：冷媒排出口
９１：ヒートスプレッダ
９２：半導体チップ
１０３、１０４：突起
Ａ：冷媒供給チャネル
Ｂ：ノズル内流路
Ｃ：冷媒排出チャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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