(57)【要約】【課題】冷却性能を向上させると共に小型化できる冷却器を提供する。【解決手段】おもて面３ａに冷却対象が取り付けられるベースプレート３と、ベースプレート３の裏面３ｂに並んで取り付けられている複数のフィン４と、裏面側からベースプレート３に向けて冷媒を噴出する冷媒ノズル５と、を備える冷却器２。各々のフィン４に、ベースプレート３まで達するスリット６が、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。フィン４に複数の貫通孔４１が形成されている。【選択図】図１
2014183277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方面に冷却対象が取り付けられるベースプレートと、
前記ベースプレートの前記一方面とは反対側の他方面に並んで取り付けられている複数のフィンと、
前記他方面側から前記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、
各々の前記フィンに、前記ベースプレートまで達するスリットが、複数の前記フィンを横断するように一列に設けられており、かつ、フィンの並び方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている、冷却器。
【請求項２】
前記冷媒ノズルから噴出された冷媒を外部に排出する冷媒排出口を備え、
前記冷媒ノズルから前記ベースプレートに向けて噴出された冷媒が前記貫通孔を通過して前記フィンの並び方向に流れ、前記冷媒排出口から外部に排出される請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
前記冷媒ノズルが前記スリットに挿入されている、請求項１又は２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。
【０００３】
また、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１には、そのタイプの冷却器が開示されている。この技術では、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。また、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延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】
【０００４】
【特許文献１】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】
【０００５】
上記のような冷却器では、冷却器内に冷媒を連続的に供給してベースプレート及びフィンを冷却し、冷却後の冷媒を冷媒排出路を通じて連続的に外部に排出している。そのため、連続的に供給される冷媒を流れが止まることなく排出するために、ある程度の大きさの冷媒排出路を形成して冷媒を排出している。その結果、冷却器が大型化することがあった。そこで本明細書が開示する技術は、上記の課題に鑑みて、小型化できる冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に開示の技術は、ベースプレートに取り付けられる冷却対象を冷却する冷却器に関する。この冷却器は、一方面に冷却対象が取り付けられるベースプレートと、ベースプレートの一方面とは反対側の他方面に並んで取り付けられている複数のフィンと、他方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、を備えている。また、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いる。また、各々のフィンに、フィンの並び方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。また、冷却器は、冷媒ノズルから噴出された冷媒を外部に排出する冷媒排出口を備えることが好ましく、冷媒ノズルからベースプレートに向けて噴出された冷媒が貫通孔を通過してフィンの並び方向に流れ、冷媒排出口から外部に排出される。このような構成によれば、冷媒ノズルから噴出された冷媒がベースプレートを冷却した後に貫通孔を通過して流れるので、貫通孔を通じて冷媒を冷媒排出口に送ることができ、この冷媒排出口から冷媒を排出できる。したがって、貫通孔を通じて冷媒を流すことにより、冷媒を排出するための空間を小さくすることができ、冷却器全体を小型化できる。また、上記の冷却器において、冷媒ノズルがスリットに挿入されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態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】冷却器の断面図を示す。
【図６】貫通孔を有するフィンの製造方法の一例を説明する図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施形態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等）の分解斜視図を示す。図３は、図１のIII−III線に沿った断面図であり、図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。
【０００９】
図１〜図４に示すように、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の他方の面に並んで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（一方面）と称し、Ｚ軸の正方向を向いている面を裏面３ｂ（他方面）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。このフィン４は、例えばアルミニウム等の金属により平板状に形成されている。
【００１０】
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。
【００１１】
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。また、複数のフィン４は、起立した状態でベースプレート３の裏面３ｂに固定されており、Ｙ軸方向に沿って等間隔で並んでいる。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。
【００１２】
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延びており、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。
【００１３】
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。
【００１４】
冷媒ノズル５は、仕切プレート７から延びている。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。また、冷媒ノズル５は、スリット６に挿入され、複数のフィン４の側面に当接してスリット６内に固定されている。
【００１５】
各フィン４には、フィン４の並び方向に貫通する複数（本実施形態では１８個）の貫通孔４１が形成されている。各貫通孔４１はフィン４を円形にくり抜くことにより形成されている。また、複数の貫通孔４１は、フィン４の平面全体にわたって形成され、フィン４の厚み方向へ貫通している。また、並んで配置された複数のフィン４において、貫通孔４１は同じ位置に形成され、フィン４の並び方向に直線状に並んでいる。これにより、図４において太線の矢印で示すように、冷媒が複数の貫通孔４１を通じてフィン４の並び方向に流れる。
【００１６】
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に通じており、冷媒を外部に排出する。また、冷媒排出口１３は、冷媒流れ方向の下流（フィン４の並び方向の下流）に形成され、スリット６の両側にそれぞれ形成されている。冷媒供給口１２は、筐体１０において、フィン４の平面が延びる方向（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。別言すれば、冷媒排出口１３は、フィン４の並び方向に直交する方向を向いて開口している。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。また、一部の冷媒は、フィン４の貫通孔４１を通してフィン４の並び方向へ流れてゆく。
【００１９】
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。また、一部の冷媒は、フィン４の貫通孔４１を通してフィン４の並び方向（フィン４の平面に直交する方向）へ流れ、その後この冷媒は、冷媒排出口１３から外部に排出される。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およびフィン４の貫通孔４１を通して、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およびフィン４の貫通孔４１における冷媒の流れ方向とは、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。
【００２０】
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に挿入され、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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、冷媒が貫通孔４１を通過してフィン４の並び方向に流れるので、貫通孔４１を通じて冷媒を排出できる。したがって、冷媒を排出するための冷媒排出チャネルＣの空間を小さくすることができ、冷却器２全体を小型化できる。また、冷媒排出チャネルＣの空間を小さくできるので、仕切プレート７及び冷媒ノズル５の配置位置をフィン４やベースプレート３に近づけることができる。これにより、ベースプレート３に近い位置で冷媒ノズル５から冷媒を噴出できるので、冷媒を勢い良くベースプレート３に衝突させる共に、この冷媒をフィン４の根元側まで導入することができる。よって、冷却性能が向上する。また、図５に示すように、冷媒ノズル５の先端５１の高さ位置を変えない場合であっても、冷媒排出チャネルＣの空間を小さくできることにより、仕切プレート７の位置をフィン４に近づけることができ、その結果、仕切プレート７から延びる冷媒ノズル５の長さを短くできる。これにより、冷媒が通過する冷媒ノズル５を短くできるので、冷媒ノズル５における冷媒の圧力損失を低減でき、冷媒をベースプレート３に勢い良く噴出できる。よって、冷却性能が向上する。
【００２３】
次に、貫通孔４１を有するフィン４の製造方法の一例について説明する。図６は、貫通孔４１を有するフィン４の製造方法の一例を説明する図である。図６の（ａ１）〜（ｄ１）は横から視た断面図であり、（ａ２）〜（ｄ２）は、（ａ１）〜（ｄ１）の所定断面における断面図である。フィン４を製造するときは、まず、図６（ａ１）、（ａ２）に示すように、立方体の金属塊４０１に複数の貫通孔４１を形成する。貫通孔４１を形成するときは、金属塊４０１を例えばドリル等により長手方向にくり抜き、貫通させる。次に、図６（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、貫通孔４１が形成された金属塊４０１に縦方向（短手方向）に複数の切れ目を入れることにより、複数のフィン４を形成する。この切れ目は公知の切削工具により入れることができる。また、切れ目を金属塊４０１の上端から下端近傍まで入れることにより、フィン４と共にペースプレート３が形成される。続いて、図６（ｃ１）、（ｃ２）に示すように、複数のフィン４に切れ目を入れることによりスリット６を形成する。スリット６は、フィン４の中央部において、フィン４の上端からペースプレート３まで延びている。その後、図６（ｄ１）、（ｄ２）に示すように、仕切プレート７から延びる冷媒ノズル５をスリット６に挿入する。以上のような方法により、貫通孔４１を有するフィン４が製造される。
【００２４】
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では複数のフィン４の貫通孔４１がフィン４の並び方向に直線状に並んで形成されていたが、この構成に限定されるものではなく、複数の貫通孔４１がフィン４の並び方向で互いにずれていてもよい。また、上記実施形態では円形の貫通孔４１を１８個形成していたが、貫通孔４１の数や形状は特に限定されず適宜変更可能である。
【００２５】
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】
【００２６】
２：冷却器
３：ベースプレート
３ａ：おもて面
３ｂ：裏面
４：フィン
５：冷媒ノズル
５ａ：係合突起
５ｂ：係合窪み
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
４１：貫通孔
９１：ヒートスプレッダ
９２：半導体チップ
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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