JPH03227097A - 電子素子冷却用流体熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、電子素子冷却用流体熱交換器に関する。

従来の技術とその課題 電子素子を冷却するための液体冷却熱交換器は、高電力
電子チップを冷却するのに使用されている。フィン付の
熱交換器面を用いることによって、大きな熱伝達と極め
て大きな電力密度が得られる。

この発明の目的は、熱抵抗、空間温度変化。

圧力降下およびスペース上の要請などのバランスをとる
こ吉によって、チップのような電子素子の冷却用熱交換
器の性能を高めるにある。

この発明の他の目的は、フィンの長さに沿い該フィンに
対しで２流体通路を形成することによって、チップのよ
うな電子素子の冷却用熱交換器の性能を高めるにある。

この発明の熱交換器は熱抵抗、空間温度変化、圧力降下
及びスペース上の要請などのバランスをとっている。こ
の発明の熱交換器はベースからの温度分布を−様にする
ので、表面上に−様な電力分布をもつ電子素子に対して
特に有用である。

課題を解決するための手段 この発明によると、電子素子冷却用流体熱交換器は中心
供給型であり、電子素子からの熱を受けるベースをもつ
ハウジングを備えている。

それぞれが上面、底面、両端部を有する複数個の平行離
間フィンを設け、フィンがベースに対して垂直になるよ
うに各底面をベースへ接続する。同心の内側流体流入管
と外側流体流出管とがベースと反対側でハウジングに連
通し、かつベースに対して垂直な長手軸線を有する。こ
の軸線はフィンの端部の間でフィンとベースに向かい、
内側流入管からの冷却流体をフィンとベースおよびフィ
ンの端部へ指向させる。

前記両管の長手軸線はベースの中心に向いていて、他の
領域よりも高温になりがちな電子素子の中心へ冷却流体
を供給して熱伝達を促進する。流入管に連通ずる凹部を
各フィンの上面に形成することによって、冷却流体を全
てのフィンへ供給する。流入管の両側においてフィンの
上面にプレートを設けて、流入管からの流入冷却流体を
フィンの両端部へ指向させる。ハウジングは、フィンの
端部から流出管へと延在する通路を有する。また、各フ
ィンの両端部は上面から底面へと下方かつ外方へ傾斜し
ていて、フィンの両端部における圧力降下および熱伝達
を低減する。フィンの上面に隣接して流入管を配置して
、冷却流体がフィンおよびベースに衝突するようにして
いる。

また、この発明によると、流体流入管のような第１流体
接続部がベースと反対側でハウジンクニ連通し、ベース
に対して垂直な長手軸線を有する。この軸線はフィンの
端部の間で該フィンに向かい、流入管とフィン間、ベー
スとフインの端部間に冷却流体を送り込む。流体流出管
のような第２流体接続部がフィンの端部に連通している
。各フィンの上面に流入管に連通する凹部が形成されて
いて、全てのフィンに流体を供給する。フィンの上面と
底面との間にプレートを設け、このプレートはベースに
対してほぼ平行にフィンの端部近辺まで延在していて、
フィンの長さに沿う２通路を介して冷却流体を流す。前
記のプレートはフィンの上面と底面の中間に配置されて
圧力降下をできるだけ小さくしている。フィンの端部は
ハウジングの内部へ延びて熱伝達をできるだけ大きくし
ている。前記の流入管、流出管は同心である。また、フ
ィンとプレート間の相互接続構造によって熱交換器の部
品の組み立て接続形成を容易にしている。

実施例 以下、実施例によりこの発明の詳細な説明する。

第１図、第２図において、参照番号１０はこの発明の流
体熱交換器を示す。気体、液体など任意の適宜な冷却流
体を用いることができるが、この発明では水の使用を例
に説明する。熱交換器１０のハウジング１２はベース１
４を有している。

ベース１４は、適宜な電気接続体２０によって基板１８
に接続されている電子チップのような電子素子１６の一
部をなすか、該電子素子に取り付けられている。いずれ
にしても、ベース１４は電子素子１６に対して配置され
ていて該電子素子１６からの熱を受けるようになってい
る。

複数個の平行離間フィン２２が設けられ、各フィンは上
面２４、底面２６、端部２８を有している。

各フィン２２の底面２６はベース１４に接続されるかこ
れと一体化され、各フィンはベース１４に対して垂直な
平面内に配置される。同心の内側流体流入管３０と外側
流体流出管３２とがベース１４と反対側でハウジング１
２に接続され、フィン２２の端部２８の間でフィン２２
に向かう長手軸線３４を有している。したがって、流入
冷却液体は流入管３０内を好ましくはベース１４の中心
へと下方へ流れ、フィン２２間のチャンネル２３内に入
り、次にフィン２２の両端部２８の方へ流れる。中心へ
供給された冷却流体流はこのように分割されるので、フ
ィン２２に跨る圧力降下を低く抑さえることができる。

流入管３０と流出管３２との断面積はベース１４の断面
積よりも小さい。流入管３０の出口端部の直接下にない
フィン２２間のチャンネル２３へ冷却流体を供給するた
めにフィン２２の上面２４に凹部３５を設けることによ
って、全てのフィン２２へ冷却流体を供給するようにす
ることができる。

好ましくは、流入管３０を取り巻くプレート３６をフィ
ン２２の上面２４に設けることによって、冷却液体の流
体流をフィン２２の中心からフィン２２の両端部へと流
して冷却効果を高める。チャンネル２３からの通路３８
をハウジング内においてプレート３６の頂面の上方に設
けて、流出管３２に連通させる。

電子素子１６の中心は通常高温領域である。そこで、流
入管３０を通る流れは熱交換器■０のハウジング１２の
中心に向かってこの高温領域を冷却する。また、流入管
３０を上記のように配置したことによって、ハウジング
１２の中心での液体速度は他よりも高い。この発明によ
ると、凹部３５の形状、大きさを調整して電子素子１６
の面上での空間温度変化を制御することによって、中心
での流体流を多くしたり他の場所での流れを調節して温
度を概ね一様に保つことができる。全体として長方形状
の凹部を示したが、三角形のような他の形状にしてもよ
く、また大きさも最適な温度特性と低圧力降下とが得ら
れるように決めることができる。

また、流入管３０をフィン２２の上面２４に隣接して配
置したので、流入冷却流体はフィン２２やベース１４に
衝突する。ベース１４上に垂直方向に冷却流体が衝突す
ると、ベース１４、フィン２２の側面に対して非定常流
現象が生起してハウジング１２および電子素子１６の中
心での熱伝達率を高めることができる。

好ましくは、フィン２２の端部２８を上面２４から底面
２４へと下方かつ外方へと傾斜させてフィンの端部での
圧力降下を増大し、フィンの端部での熱伝達を低減する
。フィン２２での熱伝達はフィン間のチャンネル２３の
幅、フィンの厚さ、フィンの高さの関数である。電力密
度が５０〜１００ワンド／ａ＋ｆのチップに適用した好
ましい実施例では、高さが２．５４ｃｍ　（０，１イン
チ）で、厚さが０．２５４〜０．５８０ｃｍ　（０，０
１０〜０．０２０インチ）の銅フィンを０．２５４〜０
．５８０ｃｍ（０，０１０〜０．０２０インチ）のチャ
ンネル間隔で使用できた。

測定によると、この発明では、約０　、２　Ｋ　／　Ｗ
　ｃｕｔの熱交換器抵抗と、１００　Ｗ　／　ｃｕｔで
ＩＯＫの空間温度変化と、約６．２８１ｋｇ／ｃ＋１　
（約４ｐｓｉ）の圧力降下と、約３，６７５ｃｍ（１，
５インチ）の実装高さとが得られる。

第１図の実施例では、流入流体マニホルド４２と流出流
体マニホルド４４とを有するマニホルド４０を設けるこ
とができ、多数チップ実装の用途に特に有利である。し
かし、流入管３０と流出管３２とをホースとかその他の
流体通路に直接取り付けることができる。

第３図にこの発明の別の実施例を示し、第１図、第２図
中の部材と同様な部材には同じ番号にＦａＪを付す。こ
の実施例においては、上面プレート３６が省略されてい
て熱交換器１０ａのハウジング１２ａのベース１４ａの
中心における流入冷却液体の衝突現象を促進している。

また、第３図の構造によると、流出液体が流出管３２ａ
の方へと流れる時にフィン２２ａの上方部分を横切るこ
とができる。この流れパターンは、空間温度変化を一様
化し易い２通路熱交換器として機能する。

第４図、第５図にこの発明のさらに別の実施例を示し、
第１図、第２図中と同様な部材には同じ番号に「ｂ」を
付す。この実施例においては、フィン２２ｂの上面２４
ｂと底面２８ｂとの間にプレート３６ｂを設け、このプ
レート３６ｂはベース＋４ｂに対してほぼ平行にフィン
２２ｂの端部近辺まで延在している。そして、このプレ
ート３６ｂによって冷却液体用の２通路がフィン２２ｂ
の長さに沿って形成される。すなわち、流入管３０ｂか
らの流入流体は熱交換器１０ｂのハウジング１２ｂの中
心に向かい、凹部３５ｂを通ってフィン２２ｂ間の全て
のチャンネル２３ｂへと流れる。

次に、流体はフィン２２ｂの両端部へと流れてフィン２
２ｂの底面２６ｂの長さに沿う一方の通路を形成する。

次に、プレート３６ｂの端部を回って流れる。さらに、
冷却液体はフィン２２ｂの端部から内部へと流れてプレ
ート３６ｂ上方にフィン２２ｂ部分を横切る他方の通路
を形成してから、流体流出管３２ｂを通って流出する。

もちろん、必要に応じて管３２ｂを介して流体を流入さ
せ管３０ｂを介して流体を流出させれば流体流の方向を
逆転できる。

電子素子１６ｂの領域上の電力分布が一様であるとき、
熱交換器１０ｂは特に有利である。この発明によると、
ベース１４ｂからの温度分布の一様性を高めることがで
きる。すなわち、流入管３０ｂからの冷却流体は最初ベ
ース１４ｂの中央へと下降するときは冷たいが、フィン
２２ｂの端部２８ｂへと流れるにつれて暖まり、フィン
２２ｂの上面部分を横切って第２通路を形成するときに
さらに暖まり、中心近辺で最高温度に達してから管３２
ｂを通って流出する。このように、各フィン２２ｂによ
ってベース１４ｂからの熱放出の一様性を高めている。

好ましくは、プレート３６ｂをフィン２２ｂの上面２４
ｂと底面２６ｂ間の中間に配置して、流体流路に沿う圧
力降下を一様にする。

また好ましくは、フィン２２ｂの端部２８ｂをハウジン
グ１２ｂの内部へ延ばして熱伝達のためのフィン領域を
できるだけ大きくする。フィン２２ｂでの熱伝達はフィ
ン２２ｂ間のチャンネル２３ｂの幅、フィン２２ｂの厚
さ、フィン２２ｂの高さの関数である。好ましい実施例
では、高さが２、５４ｃｍ　（０，１インチ）で、厚さ
が０．２５４〜０．５８０ｃｍ（０，０１０〜０．０２
０インチ）の銅フィンを０．２５４〜０．５８０ｃｍ（
０，０１０〜０．０２０インチ）のチャンネル間隔で使
用できる。

また好ましくは、フィン２２ｂの端部２８ｂをハウジン
グ１２ｂの壁の内側に接触するまで延ばしてベース１４
ｂからの熱伝達をできるだけ大きく４゜ する。

上記実施例では、組み立ての容易化およびフィン２２ｂ
とプレート３６ｂとの相互接続形成のために、フィンと
プレートとに協同係合部材を設けると好適である。した
がって各フィン２２ｂは、凹部２７ｂで分離された複数
個の上向き突起２５ｂを有する。そして、プレート３６
ｂには突起２５ｂを受け入れる複数個の離間開孔３７ｂ
を形成する。

突起２５ｂを開孔３７ｂへ挿入することによって、熱交
換器を簡単かつ迅速に組み立ててフィン２２ｂをプレー
ト３６ｂへ接続し、両者の間の構造的支持を得ることが
できる。

ゆえに、この発明は既述の鎖目的および本来の利点を達
成するものである。この発明の上記の実施例は、説明の
ために用いられたものであり、その構造および諸部品の
配置の詳細に亘る数多くの変形が、この発明の請求項の
範囲内で当業者によって実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の正面断面図、第２図は第
１図の装置内のフィン構造を示す拡大斜視図、第３図は
この発明の別の実施例を示す要部正面断面図、第４図は
この発明のさらに別の実施例を示す正面断面図、第５図
は第４図の装置内のフィン構造を示す拡大斜視図である
。 １０、１０ａ、　１０ｂ−流体熱交換器１２、１２ａ、
　１２ｂ−ハウジング １４、１４ａ、　１４ｂ−・−べ−７，１６，１６ａ、
１６ｂ・・−電子素子２２、２２ａ、　２２ｂ−フィン
　２４．２４ａ、　２４ｂ−上面２６、２６ａ、　２６
ｂ−−−底面　　２８．２８ａ、　２８ｂ一端部３０、
３０ａ、　３０ｂ−流体流入管（第１流体管）３２、３
２ａ、　３２ｂ・・・流体流出管（第２流体管）３４、
３４ａ、　３４ｂ−長手軸線 ３５、３５ａ、　３５ｂ−−−凹部　　３６．３６ａ、
　３６ｔ＋山プレートテクノロジー　コーボレイション 帛１図 鷺４図 門３≠ｂ ンぎｂ ／６０ ／ｌＤ 篤５函

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．電子素子からの熱を受けるベースを有するハウジン
   グと、複数個の平行離間フィンであってそれぞれが上面
   と、底面と、両端部とを有し、該底面がベースに接続し
   、各フィンがベースに対して垂直であり、各フィンの両
   端部が上面から底面へと下方かつ外方へと傾斜して圧力
   降下とフィンの両端部への熱伝達を低減してなる前記複
   数個のフィンと、ベースと反対側のハウジングに連通し
   、かつベースに対して垂直な長手軸線を有する流体流入
   管であつて、該軸がフィンの両端間でフィンに向いてい
   て流入管からの冷却流体をフィン、ベース、フィンの両
   端部、フィンの両端部に連通する流体流出管へ指向させ
   、かつ該流体流入管がフィンの上面に形成した凹部と連
   通して全てのフィンへ冷却流体を供給してなる前記流体
   流入管と、流入管から延びてフィン両端部で下方へ傾斜
   するフィン上面に設けられ、両端部での圧力降下をでき
   るだけ小さくしながら流入管からの冷却流体をフィンの
   両端部へ指向させるプレートとを備えた電子素子冷却用
   流体熱交換器。
2. ２．請求項１において、流入管と流出管との断面積がベ
   ースの断面積よりも小さく、上記両管の長手軸線がベー
   スの中心に向いている電子素子冷却用流体熱交換器。
3. ３．電子素子からの熱を受けるベースを有するハウジン
   グと、複数個の離間フィンであってそれぞれが上面と、
   底面と、両端部とを有し、該底面がベースに接続し、各
   フィンがベースに対して垂直であり、上面に凹部を形成
   してなる前記複数個のフィンと、ベースと反対側でハウ
   ジングに連通し、かつベースに対して垂直な長手軸線を
   有する第１流体管であって、該軸線がフィンの両端間で
   フィンに向いていて第１流体管とフィンの間、ベースと
   フィンの端部間に冷却流体を送り込み、前記凹部が第１
   流体管に連通していて全てのフィンと第１流体管との間
   へ流体を連通させてなる前記第１流体管と、フィンに連
   通する第２流体管と、フィンの上面と底面との間でベー
   スに対してほぼ平行にフィンの端部近辺まで延在してい
   て、２通路を介しフィンに冷却流体を流すプレートとを
   備えた電子素子冷却用流体熱交換器。
4. ４．請求項３において、プレートは、フィンの上面と底
   面間の中間に配置されている電子素子冷却用流体熱交換
   器。
5. ５．請求項３において、フィンの端部はハウジングの内
   部へ延びている電子素子冷却用流体熱交換器。
6. ６．請求項３において、第１流体管と第２流体管とが同
   心管である電子素子冷却用流体熱交換器。
7. ７．請求項３において、各フィンの上面部分が凹部で分
   離された複数個の上向き突起を備え、前記プレートがフ
   ィンの突起を受け入れる複数個の離間開孔を有して、プ
   レートへのフィンの組み立て接続形成を容易にしている
   電子素子冷却用流体熱交換器。