(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１フィンを含み、複数の前記第１フィンの主表面同士が互いに平行になるように配置された第１フィン群と、
複数の第２フィンを含み、複数の前記第２フィンの主表面同士が互いに平行になるように配置された第２フィン群とを備え、
前記第２フィン群は、前記第２フィンの主表面が前記第１フィンの主表面と平行になるように配置され、
前記第１フィンおよび前記第２フィンは、冷媒の流路の隔壁となるように形成され、
前記第１フィンおよび前記第２フィンは、表面に沿って前記冷媒が流れるように形成され、
前記第１フィンよって隔離された前記流路の前記冷媒が合流するように合流空間が形成され、
前記第１フィン群と前記第２フィン群とが互いに離れて配置されることにより、前記第１フィンおよび前記第２フィンによって形成される前記流路の途中に前記合流空間が形成され、
前記第２フィン群は、前記冷媒の流路に垂直な方向において、前記第１のフィン群に対してずれるように形成されている、ヒートシンク。
【請求項２】
前記第１フィンおよび前記第２フィンは、マイクロチャンネル構造を有するように形成された、請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のヒートシンクと、
前記第１フィンおよび前記第２フィンが内部に配置されたケースと、
前記冷媒を供給するための冷媒供給管と
を備え、
前記ケースの内部に、前記冷媒供給管に連通して複数の前記流路に対して前記冷媒を供給するための主ヘッダ部が形成され、
前記ケースの内部に、前記主ヘッダ部に連通して、前記合流空間に冷媒を供給するための副ヘッダ部が形成された、冷却器。
【請求項４】
沸騰冷却を行なうように形成され、
前記冷媒供給管は、前記冷媒を加圧しながら供給するための冷媒供給装置に接続された、請求項３に記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換を行なうためのヒートシンクおよび冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工用レーザダイオード、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）、またはインバータなどの電力変換器などは、駆動することにより発熱する。このような機器は、機器自体が発する熱により、破損したり性能が悪化したりする。または、発熱体の周りに配置された部品に対して悪影響を及ぼす場合がある。このような発熱体は、除熱を行なうために冷却器により冷却される。
【０００３】
冷却器においては、ヒートシンクを備え、ヒートシンクがフィンを含むものがある。ヒートシンクにフィンが形成されることにより、放熱するための伝熱面積が拡大され、熱交換の効率向上を図ることができる。
【０００４】
特開２００１−３５２０２５号公報においては、ヒートシンクに発熱体を配置するとともに、ヒートシンクのフィンとベースとで構成されるチャンネル群に冷却水を供給する発熱体冷却装置が開示されている。この発熱体冷却装置においては、チャンネル群に冷却水を供給させる流入口を設け、流入口とチャンネル群の中間に流入側ヘッダを設け、かつ、チャンネル群の下流側に流出側ヘッダを設けている。流入口に近いチャンネルの幅Ｗｂ、流入口から遠いチャンネルの幅Ｗｃ、中央のチャンネルの幅Ｗａとしたときに、Ｗｂ＞Ｗｃ＞Ｗａからなる関係に設定されることが開示されている。この発熱体冷却装置によれば、発熱体を均一に冷却することが可能になると開示されている。
【０００５】
特開平５−２０６３３９号公報においては、ベースの表面に複数枚のフィンを備え、フィンは等しいピッチで配設されるとともに、ベースの縁に位置するフィンの厚さが最も厚く、ベースの中央に位置するフィンの厚さが最も薄くなるように、厚さの異なるフィンを配設した放熱器が開示されている。この放熱器によれば、放熱器全体の寸法を大型化することなく、放熱器の各フィンに均一な流速を与え、フィンの冷却効果を最大限に活かすことができると開示されている。
【０００６】
特開平９−２３０８１号公報においては、沸騰冷却装置が開示されている。冷却槽の内部には、表面に取付けられるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールに対応して、冷却槽内を３つの冷媒室に区画する隔壁と、各冷媒室の沸騰領域を上下方向に分割する複数の冷媒流制御板とが設けられた沸騰冷却装置が開示されている。冷媒流制御板は、沸騰領域で上下方向に等間隔にあけて傾斜した状態に設けられている。また、隔壁によって区画された各冷媒室には、それぞれ沸騰領域の一方の側方に沸騰蒸気が流出する流出通路が設けられていて、他方の側方に凝縮液が流入する流入通路が設けられている。この沸騰冷却装置によれば、冷媒槽内部の沸騰領域において、上部側の放熱性能低下を防止することができると開示されている。
【０００７】
特開２００４−１３４７４２号公報においては、液冷部と空冷部とが一体成形され、局所的に発熱を伴う発熱部品に対し、液冷部の吸熱面が接合されている電子機器の冷却装置が開示されている。液冷部には流通路の中の冷媒を循環させる液冷用ポンプが設けられている。この電子機器の冷却装置は、熱伝導効率や放熱性能に優れると開示されている。
【０００８】
特開２００５−１１６８７７号公報においては、放熱器の最大放熱量をＩＧＢＴの最大発熱量以下とした冷却システムが開示されている。この冷却システムによれば、ＩＧＢＴなどの発熱体から吸熱した熱を放熱するための放熱器を小型にすることができると開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５２０２５号公報
【特許文献２】特開平５−２０６３３９号公報
【特許文献３】特開平９−２３０８１号公報
【特許文献４】特開２００４−１３４７４２号公報
【特許文献５】特開２００５−１１６８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
たとえば、上記の特開２００１−３５２０２５号公報に開示されているように、冷媒の流路がフィンによって形成されている冷却器がある。この冷却器においては、フィン同士の間の空間が冷媒の流路になる。この冷却器においては、冷媒がフィンの主表面に沿って流れながら熱交換が行なわれる。
【００１０】
それぞれの冷媒の流路においては下流に向かうほど圧力損失のために圧力が低下する。このときに、製造誤差等に起因する流路の構成に差が生じ得る。それぞれの流路における圧力損失の大きさが異なり、それぞれの流路に流れる冷媒の流量が異なる場合がある。この結果、冷却器の表面において冷却が均一に行われない場合があった。たとえば、流量が過渡的に変動した場合などにおいては、それぞれの流路における圧力損失の変化の大きさが異なるため、それぞれの流路に対する流量の均一化を図ることが困難になる。
【００１１】
また、フィンの表面には冷媒の境界層が形成される。境界層は下流に向かうほど大きく（厚く）なるために、下流に向かうにつれて熱伝達が悪化して冷却能力が劣る。このため、冷媒の流路の上流側の領域と下流側の領域とでは、冷却能力が異なってしまう場合があった。
【００１２】
冷却器が沸騰型冷却器の場合においては、流路の下流側に向かうにつれて液相に対して気相の割合が多くなる。流路の下流側に向かうにつれて熱伝達が悪くなり、冷却能力が悪化するという問題があった。特に、各流路への冷媒流量に差が生じた場合においては、流量の少なくなった流路の下流側の領域で、極端に液冷媒が不足して後述するバーンアウトが発生しやすいという問題があった。
【００１３】
さらに、沸騰型冷却器の場合においては、流路の下流に向かうにつれて、核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移する、いわゆるバーンアウトが起こりやすくなるという問題がある。バーンアウトが生じると熱伝達が悪化するという問題がある。この傾向は、冷媒の流路の断面積が小さいほど生じやすくなる。たとえば、マイクロチャンネル構造を有する冷却器においては、流路の径が小さいため、流路が蒸気相により閉塞されてしまう場合がある。このように、下流側に向かうにつれて、冷却能力が劣るという問題があった。
【００１４】
本発明は、均一な冷却を行なうことができるヒートシンクおよび冷却器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】
【００１５】
本発明に基づくヒートシンクは、複数の第１フィンを含み、複数の第１フィンの主表面同士が互いに平行になるように配置された第１フィン群と、複数の第２フィンを含み、複数の第２フィンの主表面同士が互いに平行になるように配置された第２フィン群とを備え、第２フィン群は、第２フィンの主表面が第１フィンの主表面と平行になるように配置され、第１フィンおよび第２フィンは、冷媒の流路の隔壁となるように形成され、第１フィンおよび第２フィンは、表面に沿って上記冷媒が流れるように形成され、第１フィンよって隔離された上記流路の上記冷媒が合流するように合流空間が形成され、第１フィン群と第２フィン群とが互いに離れて配置されることにより、第１フィンおよび第２フィンによって形成される流路の途中に合流空間が形成され、第２フィン群は、冷媒の流路に垂直な方向において、第１のフィン群に対してずれるように形成されている。
【００１８】
上記発明において好ましくは、上記第１フィンおよび第２フィンは、マイクロチャンネル構造を有するように形成されている。
【００１９】
本発明に基づく冷却器は、上述のヒートシンクと、上記第１フィンおよび第２フィンが内部に配置されたケースと、上記冷媒を供給するための冷媒供給管とを備える。上記ケースの内部に、上記冷媒供給管に連通して複数の上記流路に対して上記冷媒を供給するための主ヘッダ部が形成されている。上記ケースの内部に、上記主ヘッダ部に連通して、上記合流空間に冷媒を供給するための副ヘッダ部が形成されている。
【００２０】
上記発明において好ましくは、沸騰冷却を行なうように形成されている。上記冷媒供給管は、上記冷媒を加圧しながら供給するための冷媒供給装置に接続されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、均一な冷却を行なうことができるヒートシンクおよび冷却器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】
【００２２】
（実施の形態１）
図１から図７を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるヒートシンクおよび冷却器について説明する。
【００２３】
本実施の形態における冷却器は、ＩＧＢＴなどの発熱体を冷却するための冷却器である。本実施の形態における冷却器は、ヒートシンクを備える。本実施の形態においては、冷媒として、液体である水が用いられている。本実施の形態における冷却器は、冷媒供給装置によって冷媒の供給を行なういわゆる強制冷却型の冷却器である。
【００２４】
本実施の形態における被冷却体は、半導体素子２１である。本実施の形態におけるヒートシンクは、板部材１９を含む。板部材１９は、平板状に形成されている。半導体素子２１は、板部材１９の表面に接合されている。半導体素子２１は、互いに間隔を空けて配置されている。本実施の形態においては、９個の半導体素子２１が板部材１９に接合されている。複数の半導体素子２１は、縦方向および横方向に配列して配置されている。
【００２５】
冷却器は、ケース１１を備える。ケース１１は、ほぼ直方体状に形成されている。ケース１１の内部には、後述するヒートシンクのフィンが配置されている。本実施の形態における冷却器は、冷媒供給管１２および冷媒排出管１３を備える。冷媒供給管１２および冷媒排出管１３は、ケース１１の一の面から突出するように配置されている。冷媒供給管１２は、冷媒供給装置としての供給ポンプ２２に接続されている。供給ポンプ２２は、冷媒を加圧して冷却器に供給するように形成されている。
【００２６】
図２に、本実施の形態における冷却器の第１の概略断面図を示す。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に関する矢視断面図である。
【００２７】
本実施の形態におけるヒートシンクは、複数のフィン群を備える。ヒートシンクは、第１フィン群１を備える。第１フィン群１は、複数の第１フィン１ａを含む。第１フィン１ａは、平板状に形成されている。複数の第１フィン１ａは、主表面が互いに平行になるように配置されている。ケース１１と第１フィン１ａとに挟まれる空間、または第１フィン１ａ同士に挟まれる空間により、冷媒の流路が形成されている。
【００２８】
本実施の形態におけるヒートシンクは、第２フィン群２を備える。第２フィン群２は、複数の第２フィン２ａを含む。本実施の形態における第２フィン群２は、第１フィン群１と同様の構成を有する。第２フィン２ａは、第１フィン１ａと同様の構成を有する。本実施の形態における冷却器は、第３フィン群３を備える。第３フィン群３は、複数の第３フィン３ａを含む。第３フィン群３は、第１フィン群１と同様の構成を有する。第３フィン３ａは、第１フィン１ａと同様の構成を有する。
【００２９】
本実施の形態におけるそれぞれのフィン群は、板部材１９の裏面に接合されている。それぞれのフィン群は、板部材１９の裏側の主表面に立設するように配置されている。
【００３０】
本実施の形態における第１フィン群１、第２フィン群２および第３フィン群３は、一直線状に配置されている。本実施の形態においては、第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａが、一直線状に配置されている。第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａは、後述する供給側主ヘッダ部３１から後述する排出側主ヘッダ部３２に向かって、同一平面状に配置されている。
【００３１】
第１フィン群１と第２フィン群２とは、間隔をあけて配置されている。第２フィン群２と第３フィン群３とは、間隔をあけて配置されている。第１フィン群１と第２フィン群２との間には、それぞれの流路を流れる冷媒が合流するための合流空間３６が形成されている。また、第２フィン群２と第３フィン群３との間には、合流空間３７が形成されている。本実施の形態における合流空間３６，３７は、冷媒の流路に沿って、一定の間隔で形成されている。合流空間３６，３７は、供給側主ヘッダ部３１から排出側主ヘッダ部３２に向かう流路の途中に形成されている。合流空間３６，３７は、フィンによって形成される冷媒の流路の途中に形成されている。
【００３２】
本実施の形態においては、第１フィン群１、第２フィン群２および第３フィン群３は、それぞれが３個配列して形成されている。図２においては、横方向に第１フィン群１、第２フィン群２および第３フィン群３が配列している。縦方向に、それぞれのフィン群が配列している。本実施の形態においては、冷媒が流れる流路に沿って、第１フィン群１、第２フィン群２および第３フィン群３が配置されている。本実施の形態においては、９個のフィン群が形成されている。
【００３３】
図１および図２を参照して、それぞれのフィン群は、冷却器の表面に配置された半導体素子２１の位置に対応する領域に配置されている。それぞれのフィン群は、板部材１９の半導体素子２１が配置されている領域を板部材１９の裏側に投影した領域を含むように配置されている。本実施の形態においては、冷却器１を平面的に透視したときに、それぞれのフィン群が形成されている領域の内部に半導体素子２１が配置されている。
【００３４】
本実施の形態における冷却器は、供給側の主ヘッダ部として供給側主ヘッダ部３１を備える。供給側主ヘッダ部３１は、冷媒供給管１２に連通している。供給側主ヘッダ部３１は、冷媒を溜めることができるように形成されている。供給側主ヘッダ部３１は、第１フィン１ａおよびケース１１によって形成される冷媒の流路に連通している。
【００３５】
本実施の形態における冷却器は、合流空間３６，３７のそれぞれに、冷媒を供給するための副ヘッダ部を備える。本実施の形態における冷却器は、それぞれのフィン群同士の間に配置された隔離部材１４，１５によって副ヘッダ部４１〜４３が形成されている。
【００３６】
本実施の形態においては、副ヘッダ部４１〜４３を形成する板状の部材に対して、合流空間３６，３７に冷媒を供給するための切欠いた部分が形成されることにより、それぞれの隔離部材１４，１５が構成されている。
【００３７】
本実施の形態における冷却器は、第１フィン群１同士の間に配置された隔離部材１４を備える。２個の隔離部材１４で挟まれる空間によって、副ヘッダ部４１が形成されている。２個の隔離部材１４は、互いに間隔をあけて配置されている。隔離部材１４は、主表面が第１フィン１ａの主表面とほぼ平行になるように配置されている。第１フィン群１同士の間に配置された隔離部材１４と同様に、第２フィン群２同士の間には、２個の隔離部材１４が配置されている。２個の隔離部材１４で挟まれる空間によって、副ヘッダ部４２が形成されている。
【００３８】
第３フィン群３同士の間には、隔離部材１５が配置されている。隔離部材１５は、断面形状がコの字型になるように形成されている。隔離部材１５の内側の空間によって、副ヘッダ部４３が形成されている。隔離部材１５は、副ヘッダ部４１〜４３の端部が閉塞するように形成されている。
【００３９】
第１フィン群１同士の間に配置される隔離部材１４と、第２フィン群２同士の間に配置される隔離部材１４とは、互いに離れて配置されている。第２フィン群２同士の間に配置される隔離部材１４と隔離部材１５とは、互いに離れて配置されている。隔離部材１４，１５は、それぞれの合流空間３６，３７に、冷媒を供給できるように配置されている。
【００４０】
供給側主ヘッダ部３１は、隔離部材１４同士および隔離部材１５によって形成される副ヘッダ部４１〜４３に連通している。供給側主ヘッダ部３１は、副ヘッダ部４１〜４３に冷媒供給管１２から流入する冷媒を供給可能なように形成されている。
【００４１】
本実施の形態においては、副ヘッダ部４１〜４３を構成する隔離部材１４，１５は、半導体素子２１が配置されている領域同士の間に配置されている。すなわち、隔離部材１４，１５は、半導体素子２１が配置されている領域を避けて配置されている。副ヘッダ部４１〜４３は、半導体素子３２が配置されている領域を避けて形成されている。
【００４２】
冷却器は、排出側のヘッダ部として排出側主ヘッダ部３２を備える。排出側主ヘッダ部３２は、冷媒排出管１３と連通している。排出側主ヘッダ部３２は、それぞれのフィンが配置されている領域の下流側に配置されている。排出側主ヘッダ部３２は、第３フィン３ａおよびケース１１によって形成される冷媒の流路に連通している。
【００４３】
図３に、本実施の形態における冷却器の第２の概略断面図を示す。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に関する矢視断面図である。ヒートシンク２３は、第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａを含む。第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａは、ケース１１の内部に配置されるように板部材１９に接合されている。ケース１１は、断面形状がコの字形に形成されている。板部材１９は、ケース１１の端面に接合されている。
【００４４】
図３において、それぞれの半導体素子２１の真下には、第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａが配置されている。第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａは、板部材１９の裏面とケース１１の内面とを跨ぐように配置されている。本実施の形態における第１フィン１ａ、第２フィン２ａおよび第３フィン３ａは、それぞれがケース１１の内面に接触している。
【００４５】
第１フィン１ａと第２フィン２ａとが離れて配置されることにより、合流空間３６が形成されている。また、第２フィン２ａと第３フィン３ａとが離れて配置されることにより、合流空間３７が形成されている。断面形状において、それぞれのフィンの長さは、半導体素子２１の対応する方向の長さよりも長くなるように形成されている。
【００４６】
図４に、本実施の形態における冷却器の第３の概略断面図を示す。図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に関する矢視断面図である。
【００４７】
本実施の形態においては、隔離部材１４，１５は、板部材１９の裏面とケース１１の内面とに接合されている。隔離部材１４同士が互いに離れて配置されることにより、副ヘッダ部４１〜４３を形成する隔離部材に切欠いた部分が形成され、副ヘッダ部４１〜４３が合流空間３６に連通している。また、隔離部材１４と隔離部材１５とが互いに離れるように配置されていることによって、副ヘッダ部４１〜４３を形成する隔離部材に切欠いた部分が形成され、副ヘッダ部４１〜４３が合流空間３７に連通している。
【００４８】
図２を参照して、冷媒は、矢印７１に示すように、冷媒供給管１２から供給される。冷媒は、矢印７３に示すように、供給側主ヘッダ部３１を経由して、第１フィン群１が配置されている領域に流入する。冷媒は、ケース１１と第１フィン１ａとに挟まれる空間、第１フィン１ａ同士に挟まれる空間、および隔離部材１４と第１フィン１ａとに挟まれる空間に流入する。冷媒は、それぞれのフィン１ａの主表面に沿って流れる。本実施の形態においては、直線状に冷媒が流れる。このように、本実施の形態においては、フィンが冷媒の流路の隔壁となる。
【００４９】
冷媒は、第１フィン１ａから熱を吸収する。第１フィン群１が冷却されることにより、板部材１９の表面に第１フィン群１に対応して接合された半導体素子２１を主に冷却することができる。
【００５０】
第１フィン群１を通った冷媒は、合流空間３６に流入する。合流空間３６においては、第１フィン群１のそれぞれの流路を通った冷媒が互いに混ざり合う。
【００５１】
合流空間３６に溜められた冷媒は、第２フィン群２に流入する。第２フィン群２を通ることにより、それぞれの第２フィン２ａが冷却される。第２フィン群２が冷却されることにより、板部材１９の表面に第２フィン群２に対応して接合された半導体素子２１の冷却を主に行なうことができる。
【００５２】
第２フィン群２を通った冷媒は、合流空間３７に流入する。合流空間３７においては、第２フィン群２のそれぞれの流路を通った冷媒が互いに混ざり合う。
【００５３】
合流空間３７に溜められた冷媒は、第３フィン群３に流入する。第３フィン群３を通ることにより、それぞれの第３フィン３ａが冷却される。第３フィン群３が冷却されることにより、板部材１９の表面に第３フィン群３に対応して接合された半導体素子２１の冷却を主に行なうことができる。
【００５４】
第３フィン群３を通った冷媒は、矢印７４に示すように、排出側主ヘッダ部３２に到達する。冷媒は、矢印７２に示すように、排出側主ヘッダ部３２から冷媒排出管１３を通って冷却器の外部に排出される。
【００５５】
一方で、冷却器に流入した冷媒の一部は、矢印７５に示すように、供給側主ヘッダ部３１を通って副ヘッダ部４１〜４３に流入する。本実施の形態においては、副ヘッダ部４１〜４３において、顕著な熱交換は行なわれない。冷媒は、矢印７６ａに示すように、副ヘッダ部４１を通った後に、一部が合流空間３６に流入する。すなわち、副ヘッダ部４１〜４３から第１フィン群１と第２フィン群２との間の空間に、実質的に未だ熱交換が行なわれていない冷媒が注入される。
【００５６】
冷媒は、副ヘッダ部４１から副ヘッダ部４２に流入する。副ヘッダ部４２を通った冷媒は、矢印７６ｂに示すように合流空間３７に流入する。すなわち、第２フィン群２と第３フィン群３との間に形成された合流空間においても、副ヘッダ部４１〜４３から実質的に熱交換が行われていない冷媒が注入される。
【００５７】
副ヘッダ部４３の端部は閉塞されているため、副ヘッダ部４１〜４３を通る冷媒が、排出側主ヘッダ部３２に直接的に流入することを防止できる。本実施の形態においては、副ヘッダ部４１に流入した冷媒は、全てが合流空間３６，３７に流入する。
【００５８】
本実施の形態における副ヘッダ部４１〜４３は、熱交換が行なわれる冷媒の流路よりも断面積が大きくなるように形成されている。すなわち、それぞれのフィン群におけるフィン同士の距離よりも、副ヘッダ部を形成する隔離部材同士の距離の方が大きくなるように形成されている。
【００５９】
図５に、本実施の形態における冷却器の第４の概略断面図を示す。図５は、図２におけるＶ−Ｖ線に関する矢視断面図である。本実施の形態におけるそれぞれの流路は、断面形状が長方形になるように形成されている。
【００６０】
図２を参照して、本実施の形態の冷却器において、供給側主ヘッダ部３１から第１フィン群１に流入した冷媒は、流路を進行するとともに温度が上昇する。また、圧力は低下する。冷媒は、それぞれの流路において、熱交換の状況や流路の構成の差により、圧力損失に差が生じ得る。合流空間３６において、互いに異なる流路を通った冷媒が混ざり合うことにより、圧力をほぼ均一にすることができる。すなわち、第１フィン群１を通った後に合流空間３６に流入することによって、それぞれの第１フィン１ａ同士を流れるときの圧力損失のばらつきが緩和される。
【００６１】
第２フィン群２に流入する冷媒は、合流空間３６から流入するために、ほぼ均一な圧力で、それぞれの流路に冷媒を供給することができる。このため、第２フィン群２が形成されている領域のそれぞれの流路にほぼ均一に冷媒を供給することができる。それぞれの流路への流量分配をほぼ均一にすることができる。この結果、冷却器の表面に配置する被冷却体を均一に冷却することができる。
【００６２】
また、冷媒供給装置からの流路の過渡的な圧力変動が生じたとしても、合流空間部が圧力のバッファ空間になるため、冷媒のそれぞれの流路での流量を一定化することができ、過渡変動の影響を軽減することができる。
【００６３】
また、第１フィン群１が形成されている領域のそれぞれの流路を通った冷媒には、温度差が生じている。しかしながら、冷媒は合流空間３６で互いに混ざり合うことにより、温度が均一になる。この結果、第２フィン群２の領域に流入する冷媒の温度を、ほぼ均一にすることができ、第２フィン群２が形成されている領域の冷却をほぼ均一に行なうことができる。
【００６４】
第２フィン群２が形成されている領域においては、それぞれの流路において圧力損失の差や温度差が再び生じ得るが、冷媒が合流空間３７に到達することにより、再びこの圧力損失差や温度差などを解消することができる。したがって、第３フィン群３に均等な流量を分配することができ、また、ほぼ一様の温度の冷媒を第３フィン群３に供給することができる。この結果、第３フィン群３が形成されている領域の冷却をほぼ均一に行なうことができる。
【００６５】
図６に、それぞれのフィンにおける拡大模式概略図を示す。第１フィン１ａと第２フィン２ａとの間には、合流空間３６が形成されている。冷媒は、第１フィン１ａおよび第２フィン２ａが配列している方向に沿って流れる。冷媒は、矢印７３に示す向きに第１フィン１ａに進入する。
【００６６】
冷媒が、第１フィン１ａの表面に沿って流れると、第１フィン１ａの表面近傍で境界層８が発達する。境界層８は、下流に向かって厚くなる。この結果、フィンの表面での熱伝達が低下する。すなわち、境界層８が厚くなると熱抵抗が大きくなり、第１フィン１ａから冷媒への熱伝達が悪化する。
【００６７】
図７に、それぞれのフィンの前側の端部から流れる方向に沿った表面での熱伝達率のグラフを示す。フィンの前側の端部においては、熱伝達率は高い。熱伝達率は、下流に向かうにつれて小さくなる。
【００６８】
図６を参照して、本実施の形態においては、合流空間３６の部分で成長した境界層８を分断することができる。この結果、第２フィン２ａにおける熱伝達率の悪化を抑制することができる。本実施の形態においては、境界層８が合流空間３６で分断された後に、冷媒は第２フィン２ａの前側の端部に衝突する。第２フィン２ａの表面に沿って、改めて境界層８が発達する。
【００６９】
第２フィン２ａの前側の端部においては境界層が薄いため、高い熱伝達を得ることができる（前縁効果）。第２フィン２ａが形成されている領域を冷媒が流れることにより、新たな境界層８が生じて発達していく。しかし、第２フィン群２と第３フィン群３との間に形成された合流空間３７で再度、境界層を分断することができる。この後に、第３フィン３ａの前側の端部で、再び前縁効果を得ることができる。
【００７０】
このように、本実施の形態における冷却器は、合流空間に接するフィンの端部において前縁効果を繰り返し得ることができ、高い熱伝達率を達成することができる。この結果、高い冷却性能を得ることができる。
【００７１】
本実施の形態においては、ヒートシンクが複数のフィンを備え、フィンによって隔離された流路の冷媒が合流するように合流空間が形成されている。合流空間は、フィンによって形成される流路の途中に形成されている。この構成を採用することにより、均一に冷却が行なえるとともに、冷却性能が向上するヒートシンクを提供することができる。
【００７２】
また、本実施の形態においては、複数の第１フィンを含む第１フィン群と複数の第２フィンを含む第２フィン群とを備える。第２フィン群は、第２フィンの主表面が第１フィンの主表面とほぼ平行になるように配置されている。合流空間は、第１フィン群と第２フィン群とが互いに離れて配置されることにより形成されている。この構成により、容易に合流空間を形成することができる。
【００７３】
第１フィン群および第２フィン群は、この形態に限られず、第１フィン群の第１フィンと第２フィン群の第２フィンとが直線状に配置されていなくても構わない。たとえば、冷媒の流路に垂直な方向において、第２フィン群が第１フィン群に対してずれるように形成されていても構わない。
【００７４】
また、本実施の形態においては、第１フィン群と第２フィン群とが同様の構成を有するが、この形態に限られず、第１フィン群と第２フィン群とは異なる構成を有していても構わない。たとえば、第１フィン群に含まれる第１フィンの個数と、第２フィン群に含まれる第２フィンの個数とが異なっていても構わない。
【００７５】
図２を参照して、本実施の形態における冷却器は、合流空間に冷媒を供給するための副ヘッダ部４１〜４３を含む。それぞれの副ヘッダ部４１〜４３は、供給側主ヘッダ部３１に連通しているため、実質的に熱交換が行なわれていない冷媒を合流空間に供給することができる。合流空間に温度の低い冷媒を注入することができ、下流側においても冷媒の温度が上昇することを抑制することができる。この結果、冷媒の流れ方向においても、ほぼ均一な冷却を行なうことができる。
【００７６】
冷媒は、下流に向かうほど、圧力損失に起因する圧力降下が大きくなる。このため、下流側の合流空間においては副ヘッダ部との圧力差が大きくなって、冷媒の供給量を多くすることができる。冷媒の下流側においては、冷媒の温度が上昇しているため、高温になった部分に副ヘッダ部からより多くの低温の冷媒を供給させることができ、効果的に冷媒の温度上昇を抑制することができる。この結果、冷却器の出口温度を低くすることができ、余裕の大きな設計を行なうことができる。
【００７７】
副ヘッダ部の大ききとしては、少なくともフィンにより構成される流路の圧力降下よりも、圧力降下が小さくなる大きさであることが好ましい。または、副ヘッダ部で生じる圧力降下が実質的に無視しうる程度であることが好ましい。本実施の形態の場合には、副ヘッダ部の大きさとしては、たとえば、冷媒が流れる方向に垂直な断面において、断面積がフィン同士の間の空間で構成される流路のほぼ５倍以上が好ましい。
【００７８】
本発明における冷却器が、沸騰型の冷却器の場合には、冷媒の不足を緩和することができる。また、効果的にバーンアウトを回避することができる。
【００７９】
沸騰型の冷却器においては、冷却器の内部で冷媒が沸騰して液相および気相の２相状態になる。この状態で冷却を継続するいわゆる沸騰冷却においては、相変化に伴う潜熱による吸熱および沸点での温度維持効果により均一および高性能な冷却を実現できる。しかしながら、冷却器に接続される発熱体の発熱量が大きい場合においては、伝熱面であるフィンの表面において、核沸騰から膜沸騰へ遷移するバーンアウトが生じ得るという問題がある。バーンアウトが生じると、フィンの表面が蒸気に覆われて熱伝達が極端に悪化する。このように、沸騰冷却においては、フィンの表面における液冷媒の保持が重要視される。
【００８０】
本発明における冷却器においては、それぞれの流路において、流量の均一化を図ることができ、低流量の流路において部分的に冷媒が不足することに起因するバーンアウトを抑制することができる。また、副ヘッダ部から合流空間を介して、それぞれの流路に冷媒を供給することができ、冷媒の不足によるバーンアウトの発生を抑制することができる。
【００８１】
さらに、前述の通り冷媒は下流に向かうほど温度が上昇するため、気液２相における液相の割合が減少する。このため、下流側でバーンアウトが生じやすい。一方で、冷媒の圧力は、下流に向かうほど低下するため、下流側に向かうほど副ヘッダ部からの冷媒の供給を多くすることができ、効果的にバーンアウトを抑制することができる。沸騰冷却の場合には、このように、バーンアウトが生じやすい部分に多くの低温の冷媒を補給することができ、沸騰状態に応じた適正な冷媒の供給を行なうことができる。
【００８２】
本発明における冷却器は、流路の断面積が小さいマイクロチャンネル構造を有する冷却器に適用することができる。マイクロチャンネル構造においては、水力直径Ｄが、たとえば、０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下である。または、さらに小さな流路を有するマイクロチャンネル構造においては、水力直径Ｄが、０．６ｍｍ以下である。
【００８３】
水力直径Ｄは、以下の式で表される。
Ｄ＝４Ａ／Ｌ…（１）
（ここで、Ａは流路断面積を示し、Ｌは断面形状における周の長さ（濡れふち長さまたは断面長）である。）
マイクロチャンネル構造においては、それぞれの流路が微細化されているため、集積による伝熱面積の拡大を図ることができる。または、熱伝達率を大きくすることができる。マイクロチャンネル構造を有する冷却器においては、小型化を図ったり、冷却能力の向上を図ったりすることができる。しかしながら、マイクロチャンネル構造においては、流路が小さいため、流路を通るときの圧損が大きく、それぞれの流路に均等に冷媒を配分することが難しいという問題がある。
【００８４】
本発明においては、流路の途中に合流空間が形成されることにより、マイクロチャンネル構造を有する冷却器においても、それぞれの流路に対して均等に冷媒を供給することができる。
【００８５】
さらに、マイクロチャンネル構造を有する沸騰型の冷却器においては、流路の断面積が小さいため、バーンアウトが生じやすいという問題がある。すなわち、流路の断面積が小さいため、沸騰が生じることにより流路が気相に閉塞され易く、バーンアウトが生じやすいという問題がある。しかしながら、本発明においては、それぞれのフィン同士の間に形成された合流空間に、副ヘッダ部から低温の冷媒が供給されるためにバーンアウトを効果的に抑制することができる。
【００８６】
本実施の形態におけるそれぞれのフィンは、平板状に形成されているが、この形態に限られず、フィンは表面に沿って冷媒が流れるように形成されていれば構わない。また、それぞれのフィンの高さに制限はなく、任意の高さのフィンを有するヒートシンクに本発明を適用することができる。
【００８７】
本実施の形態においては、副ヘッダ部を形成する板状の部材に対して、合流空間に冷媒を供給するための切欠いた部分が形成されることにより、それぞれの隔離部材が形成されているが、この形態に限られず、副ヘッダ部を構成する部材は、副ヘッダ部から合流空間に冷媒を供給するように形成されていれば構わない。たとえば、副ヘッダ部を形成する部材に、合流空間に冷媒を供給するための開口部（穴部）または段差が形成されていても構わない。
【００８８】
本実施の形態においては、それぞれの流路の断面形状が長方形になるように形成されているが、この形態に限られず、それぞれの流路の断面形状は、円形や台形などの任意の形状を採用することができる。
【００８９】
また、本実施の形態のおいては、冷却器に冷媒を供給するための冷媒供給管および冷媒排出管が、ケースの一の面に形成されているが、特にこの形態に限られず、冷媒供給管は、それぞれのフィンに冷媒を供給できるように形成されていれば構わない。また、冷媒排出管は、それぞれのフィンを通った冷媒を排出可能に形成されていれば構わない。
【００９０】
また、本実施の形態においては、被冷却体として半導体素子を例に採り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の被冷却体を冷却するためのヒートシンクおよび冷却器に適用することができる。たとえば、コンピュータのＣＰＵを冷却するための冷却器やインバータなどの電力変換器の冷却器に本発明を適用することができる。
【００９１】
（実施の形態２）
図８および図９を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるヒートシンクおよび冷却器について説明する。本実施の形態における冷却器は、それぞれのフィンの構成および副ヘッダ部を構成する隔離壁の構成が実施の形態１と異なる。
【００９２】
図８に、本実施の形態における冷却器の第１の概略断面図を示す。図８は、実施の形態１における図３の断面図に対応する概略断面図である。本実施の形態における冷却器は、ヒートシンク２４を備える。ヒートシンク２４は、複数のフィン７を含む。
【００９３】
フィン７は、供給側主ヘッダ部３１から排出側主ヘッダ部３２まで延びるように形成されている。フィン７は、ケース１１の内部に配置されている。フィン７は、主表面同士が互いに平行になるように複数配置されている（図示せず）。
【００９４】
フィン７は、合流空間３６を形成するための開口部５１を有する。フィン７は、合流空間３７を形成するための開口部５２を含む。開口部５１，５２は、半導体素子２１同士の間の領域に形成されている。開口部５１は、平面形状が四角形に形成されている。開口部５２は、平面形状が円形に形成されている。
【００９５】
図９に、本実施の形態における冷却器の第２の概略断面図を示す。図９は、実施の形態１における図４の断面図に対応する概略断面図である。本実施の形態における冷却器は、隔離部材１６を備える。
【００９６】
隔離部材１６は、断面形状がコの字形に形成されている。隔離部材１６は、供給側主ヘッダ部３１から排出側主ヘッダ部３２まで延びるように形成されている。
【００９７】
隔離部材１６は、合流空間３６と連通するための開口部５３を有する。隔離部材１６は、合流空間３７と連通するための開口部５４を有する。開口部５３，５４は、コの字形のうち、互いに対向するほぼ平行な面状の部分に形成されている。開口部５３は、平面形状が四角形に形成されている。開口部５３は、隔離部材１６の幅方向の端部に形成されている。開口部５４は、平面形状が円形に形成されている。開口部５４は、隔離部材１６の幅方向のほぼ中央部に形成されている。
【００９８】
このように、本実施の形態の冷却器においては、フィンに開口部が形成されている。それぞれの合流空間は、フィンに形成された開口部によって形成されている。この構成によっても、実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。また、副ヘッダ部を構成するための隔離部材においても開口部を形成することによって、合流空間に冷媒を供給することができる。
【００９９】
本実施の形態におけるフィンおよび隔離部材に形成された開口部は、平面形状が四角形または円形に形成されているが、この形態に限られず、開口部の形状は任意の形状を採用することができる。
【０１００】
本実施の形態においては、フィンに形成された開口部および隔離部材に形成された開口部がほぼ同じ形状および大きさを有するように形成されているが、この形態に限られず、それぞれの部材に形成される開口部は、互いに異なる形状および大きさを有していても構わない。さらに、実施の形態１に示すように、一部の開口部の代わりに切欠いた部分が形成されていても構わない。
【０１０１】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰り返さない。
【０１０２】
（実施の形態３）
図１０から図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態３におけるヒートシンクおよび冷却器について説明する。本実施の形態における冷却器は、副ヘッダ部の構成が実施の形態１と異なる。
【０１０３】
図１０に、本実施の形態における冷却器の第１の概略断面図を示す。本実施の形態における冷却器は、ヒートシンク２５を備える。ヒートシンク２５は、板部材２５を含む。ヒートシンク２５は、第１フィン群４を備える。第１フィン群４は、複数の第１フィン１ａを含む。複数の第１フィン１ａは、主表面同士が互いに平行になるように配置されている。
【０１０４】
ヒートシンク２５は、第２フィン群５を備える。第２フィン群５は、複数の第２フィン２ａを含む。第２フィン群５は、第１フィン群４と同様の構成を有する。ヒートシンク２５は、第３フィン群６を備える。第３フィン群６は、複数の第３フィン３ａを含む。第３フィン群６は、第１フィン群４と同様の構成を有する。
【０１０５】
第１フィン群４と第２フィン群５との間には、合流空間３６が形成されている。第２フィン群５と第３フィン群６との間には合流空間３７が形成されている。本実施の形態における冷却器は、ケース１８を備える。第１フィン群４、第２フィン群５および第３フィン群６は、ケース１８の内部に配置されている。
【０１０６】
図１１に、本実施の形態における冷却器の第２の概略断面図を示す。図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に関する矢視断面図である。本実施の形態におけるケース１８は、側壁１８ａを有する。ケース１８は、隔離壁１８ｂを有する。隔離壁１８ｂは、板状に形成されている。隔離壁１８ｂは、側壁１８ａに接合されている。本実施の形態における隔離壁１８ｂは、主表面が板部材１９の主表面とほぼ平行になるように形成されている。
【０１０７】
隔離壁１８ｂは、ケース１８の内部の空間を分割している。一方の空間には、第１フィン１ａを含む第１フィン群４などのフィン群が配置されている。他方の空間は、副ヘッダ部４４を構成する。副ヘッダ部４４は、隔離壁１８ｂとケース１８の外壁とに挟まれる空間によって形成されている。
【０１０８】
隔離壁１８ｂは、合流空間３６，３７のそれぞれに冷媒を供給するための開口部１８ｃ，１８ｄを有する。開口部１８ｃ，１８ｄは、半導体素子２１が配置されている領域同士の間に形成されている。
【０１０９】
図１０を参照して、開口部１８ｃ，１８ｄは、それぞれが、間隔をあけて形成されている。開口部１８ｃは、平面形状が円形になるように形成されている。開口部１８ｄは、平面形状が長方形になるように形成されている。
【０１１０】
図１２に、本実施の形態における冷却器の第３の概略断面図を示す。図１２は、図１０におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に関する矢視断面図である。開口部１８ｄは、互いに一定の間隔をあけて形成されている。また、開口部１８ｃにおいても一定の間隔を空けて形成されている。
【０１１１】
図１０を参照して、冷媒は、矢印７１に示すように冷媒供給管１２から供給側主ヘッダ部３１に供給される。冷媒は、矢印７７に示すように、供給側主ヘッダ部３１から、第１フィン群４が形成されている領域に流入する。冷媒は、第１フィン群４を通った後に、合流空間３６に到達する。冷媒は、合流空間３６から、第２フィン群５が形成されている領域に流入する。第２フィン群５を通った冷媒は、合流空間３７に到達する。冷媒は、合流空間３７から、第３フィン群６が形成されている領域に流入する。
【０１１２】
冷媒は、矢印７８に示すように、第３フィン群６が形成されている領域から排出側主ヘッダ部３２に流入する。冷媒は、矢印７２に示すように、排出側主ヘッダ部３２から冷媒排出管１３を通って排出される。それぞれの合流空間３６，３７においては、それぞれの流路を通った冷媒が互いに混じり合う。
【０１１３】
図１１および図１２を参照して、供給側主ヘッダ部３１に流入した冷媒の一部は、矢印７９に示すように、副ヘッダ部４４に流入する。副ヘッダ部４４に流入した冷媒は、矢印８０に示すように、開口部１８ｃを通って合流空間３６に流入する。また、副ヘッダ部４４に流入した冷媒は、開口部１８ｄを通って合流空間３７に流入する。このように、それぞれの合流空間３６，３７に対して、主ヘッダ部から実質的に熱交換が行なわれていない冷媒を合流空間に供給することができる。
【０１１４】
本実施の形態における冷却器においては、フィンの冷却に直接的に寄与する流路と、副ヘッダ部とが、隔離壁１８ｂによって隔離されている。実施の形態１においては、それぞれのフィン同士の間に副ヘッダ部が形成されているが、本実施の形態における副ヘッダ部は、フィンが配置されている空間と隔離された空間に副ヘッダ部が形成されている。このため、半導体素子の熱的な影響を直接的に受けにくく、副ヘッダ部から供給する冷媒の温度をより低温に維持することができる。
【０１１５】
たとえば、半導体素子などの発熱体の発熱量が大きくて、さらに、発熱体の直下に副ヘッダ部が形成される場合においては、副ヘッダ部内の冷媒が発熱体の影響を受ける場合がある。しかしながら、本実施の形態においては、隔離壁１８ｂで発熱体の熱を遮断することができ、確実に低温の冷媒を合流空間に供給することができる。
【０１１６】
隔離壁としては、その材質は限定されないが、断熱材で形成されていることが好ましい。この構成により、副ヘッダ部における冷媒の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【０１１７】
また、本実施の形態においては、副ヘッダ部の流路断面積が大きいため、副ヘッダ部における圧力損失をより小さくすることができる。この結果、下流側においても副ヘッダ部から合流空間に多くの冷媒を供給することができる。
【０１１８】
本実施の形態においては、隔離壁に形成した開口部は、それぞれの平面形状が円形または四角形であるが、この形態に限られず、任意の形状を採用することができる。たとえば、開口部は合流空間に沿って延びる長穴であってもよい。
【０１１９】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１および２と同様であるのでここでは説明を繰り返さない。
【０１２０】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。また、上述の説明において、上または下などの記載は、鉛直方向の絶対的な上下方向を示すものではなく、それぞれの部位の位置関係を相対的に示すものである。
【０１２１】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】実施の形態１における冷却器の概略斜視図である。
【図２】実施の形態１における冷却器の第１の概略断面図である。
【図３】実施の形態１における冷却器の第２の概略断面図である。
【図４】実施の形態１における冷却器の第３の概略断面図である。
【図５】実施の形態１における冷却器の第４の概略断面図である。
【図６】本発明におけるフィンの端部の冷媒の状態を説明する拡大概略模式図である。
【図７】本発明におけるフィンの前側の端部から後側に向かう領域における熱伝達を説明するグラフである。
【図８】実施の形態２における冷却器の第１の概略断面図である。
【図９】実施の形態２における冷却器の第２の概略断面図である。
【図１０】実施の形態３における冷却器の第１の概略断面図である。
【図１１】実施の形態３における冷却器の第２の概略断面図である。
【図１２】実施の形態３における冷却器の第３の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１，４  第１フィン群、１ａ  第１フィン、２，５  第２フィン群、２ａ  第２フィン、３，６  第３フィン群、３ａ  第３フィン、７  フィン、８  境界層、１１，１８  ケース、１２  冷媒供給管、１３  冷媒排出管、１４〜１６  隔離部材、１８ａ  側壁、１８ｂ  隔離壁、１８ｃ，１８ｄ  開口部、１９  板部材、２１  半導体素子、２２  供給ポンプ、２３〜２５  ヒートシンク、３１  供給側主ヘッダ部、３２  排出側主ヘッダ部、３６，３７  合流空間、４１〜４４  副ヘッダ部、５１〜５４  開口部、７１〜７５，７６ａ，７６ｂ，７７〜８０  矢印。
【図１】
0004675283.tif 000002
【図２】
0004675283.tif 000003
【図３】
0004675283.tif 000004
【図４】
0004675283.tif 000005
【図５】
0004675283.tif 000006
【図６】
0004675283.tif 000007
【図７】
0004675283.tif 000008
【図８】
0004675283.tif 000009
【図９】
0004675283.tif 000010
【図１０】
0004675283.tif 000011
【図１１】
0004675283.tif 000012
【図１２】
0004675283.tif 000013