(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロチャネルが微細化しても放熱性能が低下することがなく、熱伝達率が高い冷却装置を提供する。【解決手段】第１の発熱体１と熱的に接続された第１の主流路と、第１の主流路の下流側に接続され、第２の発熱体と熱的に接続された第２の主流路と、第１の主流路の内壁に熱的に、間隔を設けて接続された複数のフィン３と、第２の主流路の内壁に熱的に、間隔を設けて接続された複数のフィン３と、第１の主流路のフィン３の接続部近傍に形成され、第１の主流路を流れる冷媒の一部を流出させる第１の冷媒流出路５とを具備する。【選択図】図１
2008016613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発熱体と熱的に接続された第１の主流路と、
前記第１の主流路の下流側に接続され、第２の発熱体と熱的に接続された第２の主流路
と、
前記第１の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第２の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第１の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第１の主流路を流れる冷
媒の一部を流出させる第１の冷媒流出路とを具備することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記第２の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第２の主流路に冷媒を流
入させる冷媒流入路とを具備することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷媒流入路の下流側における前記第２の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成さ
れ、前記第２の主流路を流れる冷媒の一部を流出させる第２の冷媒流出路とを具備するこ
とを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
熱交換器をさらに具備し、
前記第１の冷媒流出路及び前記第２の冷媒流出路を流れる第１の冷媒は合流されて前記
熱交換器に流入され、前記第２の主流路からの第２の冷媒は前記第１の冷媒よりも下流側
から前記熱交換器に流入されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記熱交換器の前記第１の冷媒が流入される位置に形成された熱電素子とを具備するこ
とを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記発熱体が半導体素子であって、前記第１の主流路及び前記第２の主流路における冷
媒の流れる方向が、前記半導体素子の電気的な接続をする基板面に対して沿う方向に設け
られていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を冷却するための冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型コンピュータなどで、配線基板上に搭載した半導体デバイス（発熱体）を冷
却する液冷式冷却装置がある（特許文献１）。この液冷式冷却装置は、冷媒を導入する流
路にマイクロチャネルを形成し、この流路を通って流出する冷媒は、単一の空間を介して
壁面に衝突する。そして、マイクロチャネルが形成された別の流路にこの冷媒が導入され
排出されるという構成をしている。
【０００３】
また、非特許文献１には、流路中にマイクロチャネルを形成すると、マイクロチャネル
を構成する壁面から冷媒へ熱伝達が高まるという技術について記載されている。流路が狭
くなると、温度境界層が薄くなるために、高い熱伝達率が実現でき、マイクロチャネルを
形成するためのフィンを薄く形成することで流路の単位断面積あたり冷媒と接触するフィ
ン表面積を増やすことができるので、さらに熱伝達率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００３−３１８３４３号公報
【非特許文献１】D.B.Tuckerman, R.F.Pease, High Performance Heat Sinking for VLSI, 1981, IEEE EDL-2(5), pp.126-129.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように冷媒が流れる流路中にマイクロチャネルを設けると、熱伝達率を向上させる
ことができる。
【０００５】
しかしながら上記したように流路の単位断面積あたり冷媒と接触するフィン表面積を増
やすためにフィン枚数を増加させ、その結果としてフィン間隔が狭くなると、フィンを熱
が伝わる能力に比較してフィンの表面から冷媒へ熱が伝わる能力が大きくなり、すなわち
所謂フィン効率が低下し、フィン接続付近を流れる冷媒の温度が、それよりも離れた側を
流れる冷媒の温度よりも高くなる温度勾配が生じる。この流路中における冷媒の温度勾配
はフィンから冷媒への熱伝達率を低下させてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、マイクロチャネルが微細化しても
放熱性能が低下することがなく、熱伝達率が高い冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明は、第１の発熱体と熱的に接続された第１の主流路
と、
前記第１の主流路の下流側に接続され、第２の発熱体と熱的に接続された第２の主流路
と、
前記第１の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第２の主流路の内壁に熱的に、互いに間隔を設けて接続された複数のフィンと、
前記第１の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第１の主流路を流れる冷
媒の一部を流出させる第１の冷媒流出路とを具備することを特徴とする冷却装置を提供す
る。
【０００８】
このとき、前記第２の主流路の前記フィンの接続部近傍に形成され、前記第２の主流路
に冷媒を流入させる冷媒流入路とを具備してもよい。
【０００９】
また、前記冷媒流入路の下流側における前記第２の主流路の前記フィンの接続部近傍に
形成され、前記第２の主流路を流れる冷媒の一部を流出させる第２の冷媒流出路とを具備
してもよい。
【００１０】
また、熱交換器をさらに具備し、
前記第１の冷媒流出路及び前記第２の冷媒流出路を流れる第１の冷媒は合流されて前記
熱交換器に流入され、前記第２の主流路からの第２の冷媒は前記第１の冷媒よりも下流側
から前記熱交換器に流入されてもよい。
【００１１】
また、前記熱交換器の前記第１の冷媒が流入される位置に形成された熱電素子とを具備
してもよい。
【００１２】
また、前記発熱体が半導体素子であって、前記第１の主流路及び前記第２の主流路にお
ける冷媒の流れる方向が、前記半導体素子の電気的な接続をする基板面に対して沿う方向
に設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、流路を流れる冷媒の温度分布を緩和させることによって、放熱性能を低下さ
せることなく熱伝導率の高い冷却装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して発明の詳細な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に
説明する実施形態に限定されることはなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々工夫して用い
ることができる。
【００１５】
図１に本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。
【００１６】
図１（ａ）は、流路を上面から見た図であり、（ｂ）は側面から見た図である。
【００１７】
図１に示すように、この冷却装置は、発熱体である半導体素子１と、この半導体素子１
が接続された主流路である受熱部２とを有している。受熱部２の内壁には、フィン３が間
隔を設けて接続され、マイクロチャネルを形成している。フィン３と受熱部２の接続部近
傍に冷媒流出口５と冷媒流入口６が形成されている。
【００１８】
図１中白矢印は冷媒の流れる方向を示しており、主流路に対して冷媒流出口５は、冷媒
流入口６の上流側に位置している。なお、半導体素子１には、電気的な入出力をするため
の基板７が接続されている。この冷媒流出口５と冷媒流入口６は、半導体素子１が取り付
けられている受熱部２の底部に設けられ、基板１７を貫通して流路が形成されている。
【００１９】
主流路における冷媒の流れる方向は、半導体素子１の電気的な接続をする基板１７面に
対して沿う方向に設けられている。こうすることで冷却装置が取り付けられた基板を偏平
な板状のモジュールとして提供でき、複数の基板を並べて使用するときの基板間隔を小さ
くできるという効果を奏する。
【００２０】
この冷却装置は、内部にマイクロチャネル構造を有する流路（受熱部２）に対して直列
に複数の半導体素子１を並べて接続している。流路（受熱部２）において上流側を第１の
主流路２０、下流側を第２の主流路２１とする。
【００２１】
受熱部２の第１の主流路２０及び第２の主流路２１の内部には、厚さ十〜数百マイクロ
メートルで、隙間十〜数百マイクロメートルとなるようにフィン３が並べられ底部に接続
されている。受熱部２は銅合金或いはアルミニウム合金など熱伝導性の高い金属で作られ
ており、フィン３はワイヤーカットやエッチングによって受熱部２と一体的に成形されて
いる。
【００２２】
ここで、発熱体である半導体素子１は、受熱部２の底部に熱的に接続されている。受熱
部２の主流路には、例えば水などが冷媒として流され、半導体素子１で発生した熱はフィ
ン３を経由して冷媒に与えられる。
【００２３】
前述したように、第１の主流路２０の下流におけるフィン３の根元には冷媒流出口５が
設けられ、第２の主流路２１の上流におけるフィン３の根元には冷媒流入口６が設けられ
ている。冷媒流出口５からは、第１の主流路２０のフィン３の根元付近を通過して温度が
上昇した冷媒（主流路の上部を流れる冷媒よりも温度が上昇している部分）が受熱部２か
ら外に取り出され、換わりに温度の低い冷媒が冷媒流入口６から第２の主流路２１に流入
する。
【００２４】
フィン根元側を下、フィン先端を上と表現するが、これは、重力方向には関係なく図の
上下を表し、冷却装置は重力に対していかなる方向に設置されていてもよい。
【００２５】
図２は、図１で示した冷却装置による冷媒の温度分布をシミュレーションにより求めた
グラフである。横軸にフィン３の根元側を０．０、フィン３の先端を１．０（ｃｍ）とし
た高さ方向の位置、縦軸に、第２の主流路２１の入り口（破線）での冷媒温度に対する冷
媒の温度上昇、第１の主流路２０におけるフィン３（細い実線）及び第２の主流路２１に
おけるフィン３（太い実線）の温度上昇を、発熱体である半導体素子１の発熱量で割った
値としてプロットしている。
【００２６】
フィン３は、厚さ２００μｍ、ピッチ４００μｍ、高さ１０ｍｍの銅製とした。また、
冷媒として水を用い冷媒流量は５００ｃｃ／ｍｉｎとしている。上流側の半導体素子１に
対応するフィン３の領域（第１の主流路２０の領域）を１段目、下流側の半導体素子１に
対応するフィン３の領域（第２の主流路２１の領域）を２段目と記した。フィン３の温度
はそれぞれの半導体素子１に対応する１段目（細い実線）、２段目（太い実線）のフィン
３における各高さでの平均温度とし、冷媒の流速はフィン３の高さ方向に一定と仮定して
いる。１段目のフィン３を通過して２段目のフィン３に流入する冷媒の温度と共にフィン
３の根元側の温度は高くなり、フィン３の先端に行くほど温度が低下する。
【００２７】
図３は、図１１に示すように冷媒流出口５及び冷媒流入口６がない構成の冷却装置にお
いて、図２と同様の条件でシミュレーションした結果を示すグラフである。図１１に示す
構成は図１と同様の部分は同じ符号を付して詳しい説明は省略する。
【００２８】
図２のシミュレーションにおいては、８０％の量の冷媒が受熱部２の第１の主流路２０
に流入し、冷媒流出口５から温度が上昇した冷媒が２０％の量が流出し、冷媒流入口６か
ら温度が上昇していない冷媒を同量の２０％の量を流入させている。
【００２９】
ここで、図２のシミュレーションにおいて、８０％の量の冷媒が受熱部２の第１の主流
路２０に流入し、冷媒流出口５から温度が上昇した冷媒が２０％の量が流出し、冷媒流入
口６から温度が上昇していない冷媒を同量の２０％の量を流入させる。
【００３０】
また、図３のシミュレーションにおいては、１００％の量の冷媒を受熱部２に流入させ
ている。
【００３１】
すなわち、図２と図３のシミュレーションにおいて、受熱部２に流入する冷媒の総流量
が同一となるようにしている。
【００３２】
図２及び図３のグラフに示すように１段目のフィン３の根元（細い実線、横軸が０．０
の位置）の温度上昇は図２が０．１５５Ｋ／Ｗ、図３が０．１５４Ｋ／Ｗとほぼ同じであ
る。２段目のフィン３の根元（太い実線、横軸が０．０の位置）の温度上昇は図２が０．
１７６Ｋ／Ｗ、図３が０．２０２Ｋ／Ｗと図２のほうが図３よりも小さいことが分かる。
【００３３】
これらから図２と図３の１段目及び２段目のフィン３の根元（横軸が０の位置）の温度
上昇の平均値を計算すると、図２が０．１６８Ｋ／Ｗ、図３が０．１７８Ｋ／Ｗと図２の
方が小さいことが分かる。
【００３４】
このように図１で示した冷却装置の方が平均的な冷却性能が高いと同時に、フィン３の
根元温度の最高値が低くなることが分かる。
【００３５】
図４は、図１で示した冷却装置において、冷媒流出口５及び冷媒流入口６における冷媒
を入れ換える量を変化させたときに、第１の主流路２０及び第２の主流路２１のフィン３
の根元の温度上昇の平均値の変化をプロットしたグラフである。横軸は、冷媒流出口５及
び冷媒流入口６における冷媒の入れ換え量、縦軸は受熱部２の入り口（第１の主流路２０
の入り口）での冷媒温度に対する冷媒の温度上昇及びフィン３の温度上昇の平均を発熱体
である半導体素子１あたりの発熱量で割った値をプロットしている。
【００３６】
図２及び図３で説明したように、冷媒の総流量は一定になるように冷媒の入れ換え率を
変えた。冷媒の入れ換え率が２０％は、図２でシミュレーションした条件と同じである。
また、例えば冷媒の入れ換え率が１０％とは、第１の主流路から９０％の量の冷媒が流入
し、冷媒流出口５から１０％の量の冷媒が流出し、冷媒流入口６から１０％の量の冷媒が
流入するようにして受熱部２には常に一定（１００％）の量の冷媒が流入する条件として
いる。
【００３７】
図４に示すように、冷媒の入れ換え量が２０〜３０％付近で温度上昇値が極小値を持つ
ことが分かる。
【００３８】
また、図１では発熱体である半導体素子１が直列に２つ並んでいる場合を説明したが、
半導体素子１は３つ、４つとより多い個数が並んでもよい。このときそれぞれの半導体素
子１ごとに或いは半導体素子１が複数個おきに冷媒流出口５及び冷媒流入口６を設けても
良い。
【００３９】
次に、図５に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。
【００４０】
図１とは、冷媒流出口５及び冷媒流入口６の流出及び流入方向を半導体素子１の基板１
７の面に並行な方向に設けている点が異なる。その他図１と同一部分は同一符号を付して
詳細な説明は省略する。
【００４１】
図５に示すように、フィン３は発熱体である複数の半導体素子１それぞれに対応して設
けられている。複数の半導体素子１の間の距離が大きい場合、フィン３の高さ方向だけで
なく横方向（主流路の冷媒が流れる方向）についても表面温度が低下しがちである。
【００４２】
したがって、図５に示すように、フィン３の長さを図１よりも短くしても、半導体素子
１の間隔が大きい場合は放熱性能の劣化は小さい。その一方で、フィン３の長さが短くな
ることにより流路を流れる冷媒の圧力損失を低下することができる。
【００４３】
また、冷媒流出口５及び冷媒流入口６は基板１７の面にほぼ並行に取り付けられている
ため基板１７に穴を設ける必要がないというメリットもある。また、冷媒流出口５と冷媒
流入口６の間には壁２３が形成されており、第１の主流路２０を流れてきた高温冷媒と冷
媒流入口６から供給される低温冷媒とが混ざりにくくしている。
【００４４】
次に、図６に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。
【００４５】
図１とは、第１の主流路２０と第２の主流路２１の間をパイプ２２で接続し、冷媒流出
口５及び冷媒流入口６の流出及び流入方向を第１の主流路２０及び第２の主流路に沿う方
向に設けている点が異なる。その他図１と同一部分は同一符号を付して詳細な説明は省略
する。
【００４６】
図６に示すように、この冷却装置は、発熱体である半導体素子１ごとにひとつの受熱部
２を設けている。このように受熱部２を半導体素子１に個別に割り当て受熱部２の間をパ
イプ２２でつなぐことにより半導体素子１の配置に応じて受熱部２を設計する必要がない
というメリットがある。
【００４７】
図７は、冷却装置のシステム全体図である。冷却システム内部にはポンプ１１により冷
媒として水或いは凍結防止のために水にエチレングリコール等を水に混ぜた不凍液が流さ
れている。
【００４８】
この冷却装置のシステムでは、第１の主流路２０のフィン３の根元付近ではない上層部
を通った低温排水８が第２の主流路２１に流入し、さらに低温熱交換器１０に流入してい
る。また、第１の主流路２０及び第２の主流路２１のフィン３の根元付近を通った高温排
水７は高温熱交換器９に流入している。
【００４９】
高温熱交換器９及び低温熱交換器１０はファン１３で冷却され、これから出た冷媒は一
旦タンク１２にて溜められる。タンク１２から出た冷媒はポンプ１１を介して第１の主流
路２０及び第２の主流路２１にそれぞれ予め決められた割合で流入される。
【００５０】
タンク１２では、冷却システム内を循環する水の蒸発分を補ったり温度変化による水の
体積変化を吸収したりするバッファーの役割をする。
【００５１】
また、この冷却装置のシステムでは、受熱部２内部でフィン３の温度の低い部分を通過
して排出された低温排水８は高温熱交換器９を通過した水と混合され低温熱交換器１０を
通過する。高温熱交換器９及び低温熱交換器１０共にファン１３による送風で冷却される
。こうすることで高温熱交換器９ではファン１３で送られる冷却空気温度と高温熱交換器
９の表面温度の差が大きくなるため効率的に動かすことができる。
【００５２】
ここで、高温熱交換器９と低温熱交換器１０による放熱量をＱ、冷却空気に対する高温
熱交換器９表面の温度上昇をΔＴ１、低温熱交換器１０表面の温度上昇をΔＴ２とすると
Ｑ  ＝  Ｃ１ΔＴ１  ＋  Ｃ２ΔＴ２
が成立する。Ｃ１、Ｃ２は多くの場合熱交換器の大きさに直結する熱交換器の表面積や、
空気の流速などに依存する係数である。
【００５３】
この式から分かるように、ΔＴ１がΔＴ２よりも大きいとき、Ｃ１とＣ２の合計値が同
じであってもＣ１をＣ２よりも大きくすることによりＱを大きくすることができる。つま
り高温熱交換器９を低温熱交換器１０よりも大きくすることにより、ふたつの熱交換器を
あわせた大きさを保ったまま性能を向上させることができる。
【００５４】
次に、図８は、別の実施形態に係る冷却装置のシステム全体図である。図７と同一部分
は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００５５】
図８に示すように、この冷却システムでは、図７で説明した高温熱交換器９の代わりに
管路に熱電素子１４を取り付けている。この熱電素子１４は、片側を高温排水７で加熱さ
れ、もう片側を空冷フィン１５で冷却されることにより熱電発電が行われ、電気エネルギ
を回収することができるようになっている。高温の排水を用いることにより、熱電素子１
４両面の温度差が大きくなり、発電量を増やすことができる。
【００５６】
図９は、図８で説明した熱電素子１４が矩形管路１６に取り付けられた部分の詳細図で
ある。
【００５７】
図９に示すように、扁平な矩形流路１６の表面に熱電素子１４と空冷フィン１５が取り
付けられている。矩形流路１６の内側にはフィン（図示省略）が設けられ、内部を流れる
水と流路との熱伝達を促進する。
【００５８】
上述したように熱電素子１４の片面が高温排水７により加熱され、もう片側が空冷フィ
ン１５により冷却されることにより発電する。得られた電気エネルギはファン１３やポン
プ１１を駆動するために使用することもできる。
【００５９】
次に、図１０に本発明の他の実施形態に係る冷却装置のブロック図を示す。
【００６０】
図１とは、第１の主流路２０に冷媒流出口５を形成しているが、冷媒流入口６を形成し
ていない点が異なる。その他図１と同一部分は同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
図１０に示すように、この冷媒装置は、冷媒流出口５の近傍に第１の主流路２０の上層
部を流れてきた比較的低温の冷媒が第２の主流路２１の下層部にダウンフローするように
ダウンブロー用フィン２４が設けられている。こうすることで第１の主流路２０の下層を
流れてきた比較的高温の冷媒を冷媒流出口５から外部に取り出すと共に、フィン３根元か
ら離れた部分を流れてきた温度上昇のやや低い冷媒を冷媒流出口５の下流でフィン３の根
元側に広がることにより第２の主流路２１での冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。
【図２】本発明の実施形態に係る冷却装置におけるフィン及び冷媒温度をシミュレーションしたグラフ。
【図３】冷却装置におけるフィン及び冷媒温度をシミュレーションしたグラフ。
【図４】本発明の実施形態に係る冷却装置における冷媒流入比を変化させたときのフィン根元温度をシミュレーションしたグラフ
【図５】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。
【図６】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。
【図７】本発明の実施形態に係る冷却装置のシステム全体を説明するための図。
【図８】本発明の実施形態に係る冷却装置のシステム全体を説明するための図。
【図９】発明の実施形態に係る冷却装置のシステムに用いる発電素子と熱交換器を示す斜視図。
【図１０】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図。
【図１１】冷却装置のブロック図。
【符号の説明】
【００６３】
１…発熱体である半導体素子
２…受熱部
３…フィン
４…冷媒の流れ
５…冷媒流出口
６…冷媒流入口
７…高温排水
８…低温排水
９…高温熱交換器
１０…低温熱交換器
１１…ポンプ
１２…タンク
１３…ファン
１４…熱電素子
１５…空冷フィン
１６…矩形流路
１７…基板
２０…第１の主流路
２１…第２の主流路
２２…パイプ
２３…壁
２４…ダウンブロー用フィン
【図１】
2008016613.tif 000003
【図２】
2008016613.tif 000004
【図３】
2008016613.tif 000005
【図４】
2008016613.tif 000006
【図５】
2008016613.tif 000007
【図６】
2008016613.tif 000008
【図７】
2008016613.tif 000009
【図８】
2008016613.tif 000010
【図９】
2008016613.tif 000011
【図１０】
2008016613.tif 000012
【図１１】
2008016613.tif 000013