冷却装置制造方法
【专利摘要】一种冷却装置，即便所安装的发热元件的个数增加，也能够抑制对各发热元件进行冷却的冷却性能的偏差。上部散热器（10）及下部散热器（11）安装成塞住主体部（2）的上方及下方的开口，隔板（3）配置成将主体部的内部在上下方向上一分为二，冷却液供给集管形成在上部散热器（10）与隔板（3）之间的宽度方向中央部，冷却液排出集管与冷却液供给集管平行，且形成在下部散热器（11）与隔板（3）之间的宽度方向中央部，上下流通路径（9）以将隔板（3）上下贯穿的方式与冷却液供给集管平行地形成在宽度方向两侧，冷却液分配结构体（8）配置在冷却液供给集管内，并构成为使冷却液供给集管的流路截面积从上游侧朝向下游端逐渐变小的外形形状。
【专利说明】冷却装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对CPU、LS1、功率半导体等发热元件进行冷却的冷却装置。
【背景技术】
[0002]近年来，CPU、LS1、功率半导体等发热元件的发热密度增大，要求冷却装置具有高冷却性能。
[0003]鉴于这种情况，提出了如下现有的冷却装置，在该现有的冷却装置中，冷却液供给流路及冷却液排出流路以流路方向平行并在与该流路方向正交的方向上隔开规定距离的方式形成在冷却用基材的内部，冷却用流路以分别使流路方向与冷却液供给流路及冷却液排出流路的流路方向正交来将冷却液供给流路与冷却液排出流路连通的方式形成在冷却用基材的内部，在上下形成两层，且在冷却液供给流路及冷却液排出流路的流路方向上以规定的间隔排列(例如，参照专利文献I)。
[0004]在上述现有的冷却装置中，将一个开关半导体元件和一个二极管沿着冷却用流路中的冷却液的流通方向成列地配置在冷却用基材的表面及背面上。藉此，由于发热后的开关半导体元件或二极管始终被来自冷却液供给流路一侧的、处于被充分冷却状态下的温度没有上升的冷却液所冷却，因此，能有效地对开关半导体元件或二极管进行冷却，并能提高冷却能力。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利特许第4699820号公报
[0008]在现有的冷却装置中，由于冷却液供给流路的流路截面积在流路方向上构成为恒定，因此，在冷却液供给流路内的冷却液的惯性力的作用下，与冷却液供给流路的上游侧连接的冷却用流路的流速比与冷却液供给流路的下游侧连接的冷却用流路的流速慢。藉此，与冷却液供给流路的上游侧连接的冷却用流路的冷却性能比与冷却液供给流路的下游侧连接的冷却用流路的冷却性能差，并存在如下技术问题:对并排配置于冷却用基材的表面及背面的各功率半导体元件进行冷却的冷却性能会出现偏差。并排配置于冷却用基材的表面及背面的功率半导体元件的个数越是增加，这种不良情况就越显著。
【发明内容】
[0009]本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于得到一种即便安装的发热元件的个数增加，也能抑制对各发热元件进行冷却的冷却性能的偏差的冷却装置。
[0010]本发明的冷却装置包括:框状的主体部，该主体部在上方及下方开口 ；上部散热器及下部散热器，上述上部散热器及上述下部散热器以塞住上述主体部的上方及下方的开口的方式安装在上述主体部的上方及下方；隔板，该隔板配置成将上述主体部的内部在上下方向上一分为二，并在上述隔板与上述上部散热器之间构成上部空间，在上述隔板与上述下部散热器之间构成下部空间；冷却液供给集管，该冷却液供给集管形成在上述上部散热器与上述隔板之间；冷却液排出集管，该冷却液排出集管形成在上述下部散热器与上述隔板之间，并将流路方向设定为与上述冷却液供给集管的流路方向平行；上下流通路径，该上下流通路径在与流路方向正交的宽度方向上与上述冷却液供给集管隔开规定距离，并将上述隔板上下贯穿，且与上述冷却液供给集管的流路方向平行地延伸设置，上述上下流通路径将上述上部空间与上述下部空间连通；以及冷却液分配结构体，该冷却液分配结构体配置在上述冷却液供给集管内，并形成为使上述冷却液供给集管的流路截面积从上游侧朝向下游端逐渐变小的外形形状，上述冷却液分配结构将在上述冷却液供给集管内流通的冷却液朝上述上下流通路径的方向分配。
[0011]根据本发明，由于冷却液分配结构体配置在冷却液供给集管内，且上述冷却液分配结构体构成为使冷却液供给集管的流路截面积从上游侧朝向下游端逐渐变小的外形形状，因此，从冷却液供给集管的上游侧分配到上下流通路径侧的冷却液的流量比从冷却液供给集管的下游侧分配到上下流通路径侧的冷却液的流量多。因此，能缓和由在冷却液供给集管内流通的冷却液的惯性力引起的、冷却液的分配量在流通方向上的偏差，并能抑制冷却能力在流通方向上产生偏差。此外，在冷却液供给集管内流通的冷却液的流动方向在冷却液分配结构体的侧面改变到上下流通路径一侧，从而能顺畅地进行冷却液的分配。藉此，即便所安装的发热元件的个数增加，也能抑制对各发热元件进行冷却的冷却性能出现偏差。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是表示本发明实施方式I的冷却装置的俯视图。
[0013]图2是表示本发明实施方式I的冷却装置的侧视图。
[0014]图3是对本发明实施方式I的冷却装置的结构进行说明的分解立体图。
[0015]图4是图1的IV — IV向视剖视图。
[0016]图5是从上部侧观察本发明实施方式I的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0017]图6是从下部侧观察本发明实施方式I的冷却装置的、将下部散热器去除后的状态的俯视图。
[0018]图7是图1的VII — VII向视剖视图。
[0019]图8是对本发明的冷却装置的动作原理进行说明的图。
[0020]图9是对本发明的冷却装置的动作原理进行说明的图。
[0021]图10是表示本发明的冷却装置中的、流速偏差与上下流通路径的宽度间的关系的图。
[0022]图11是表示本发明的冷却装置中的、最适度与上下流通路径的宽度间的关系的图。
[0023]图12是对本发明实施方式2的冷却装置的结构进行说明的分解立体图。
[0024]图13是沿与流入侧集管的冷却液流通方向正交的平面对本发明实施方式2的冷却装置进行剖切的剖视图。
[0025]图14是从上部侧观察本发明实施方式2的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。[0026]图15是从下部侧观察本发明实施方式2的冷却装置的、将下部散热器去除后的状态的俯视图。
[0027]图16是表示本发明实施方式3的冷却装置的俯视图。
[0028]图17是表示本发明实施方式3的冷却装置的侧视图。
[0029]图18是从上部侧观察本发明实施方式3的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0030]图19是从下部侧观察本发明实施方式3的冷却装置的、将下部散热器去除后的状态的俯视图。
[0031]图20是图16的XX - XX向视剖视图。
[0032]图21是沿与流入侧集管的冷却液流通方向正交的平面对本发明实施方式4的冷却装置进行剖切的剖视图。
[0033]图22是从上部侧观察本发明实施方式5的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0034]图23是从上部侧观察本发明实施方式6的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0035]图24是图23的XXIV — XXIV向视剖视图。
[0036]图25是从上部侧观察本发明实施方式7的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0037]图26是从上部侧观察本发明实施方式8的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图。
[0038](符号说明)
[0039]2主体部
[0040]3 隔板
[0041]4冷却液供给集管
[0042]5冷却液排出集管
[0043]8、8A、8B、8C、8D冷却液分配结构体
[0044]9上下流通路径
[0045]10U0A上部散热器
[0046]IlUlA下部散热器
[0047]12散热翅片
[0048]20主体部
[0049]21 隔板
[0050]22上下流通路径
[0051]23冷却液供给集管
[0052]24冷却液排出集管
[0053]29冷却液分配结构体
【具体实施方式】
[0054]以下，使用附图对本发明的冷却装置的优选实施方式进行说明。[0055]实施方式I
[0056]图1是表示本发明实施方式I的冷却装置的俯视图，图2是表示本发明实施方式I的冷却装置的侧视图，图3是对本发明实施方式I的冷却装置的结构进行说明的分解立体图，图4是图1的IV — IV向视剖视图，图5是从上部侧观察本发明实施方式I的冷却装置的、将上部散热器去除后的状态的俯视图，图6是从下部侧观察本发明实施方式I的冷却装置的、将下部散热器去除后的状态的俯视图，图7是图1的VI1- VII向视剖视图。另外，在图3至图7中，箭头表示冷却液的流动。
[0057]在图1至图3中，冷却装置100包括水冷套1、安装在水冷套I上部的上部散热器10及安装在水冷套I下部的下部散热器11，上述冷却装置100用于对CPU、LS1、功率半导体等发热元件15进行冷却。
[0058]水冷套I是使用例如聚苯硫醚(PPS)树脂等成型而成的树脂成型体，其包括:具有规定厚度的长方形的框状的主体部2 ;隔板3，该隔板3制作成厚度比主体部2薄的长方形的平板状，并配置成与主体部2的内周面的厚度方向中央部连接，以沿厚度方向将主体部2的内部一分为二 ；冷却液供给槽4a，该冷却液供给槽4a以沿隔板3的长度方向延伸设置的方式凹设在隔板3的上表面的宽度方向中央部的长度方向整个区域内；冷却液排出槽5a，该冷却液排出槽5a以沿隔板3的长度方向延伸设置的方式凹设在隔板3的下表面的宽度方向中央部的长度方向整个区域内；冷却液供给端口 6，该冷却液供给端口 6与主体部2的长度方向一端连接，以与冷却液供给槽4a的一端连接；以及冷却液排出端口 7，该冷却液排出端口 7与主体部2的长度方向另一端连接，以与冷却液排出槽5a的另一端连接。
[0059]另外，冷却液分配结构体8在从冷却液供给槽4a的一端侧到另一端的范围内突出设置在冷却液供给槽4a的底面上，并具有规定高度，且冷却液分配结构体8的宽度从冷却液供给槽4a的一端侧朝向另一端逐渐变宽。在此，如图5所示，冷却液分配结构体8构成为将底面形成为等腰三角形的三棱柱，并相对于穿过冷却液供给槽4a的宽度方向中央的面形成为面对称。藉此，冷却液供给槽4a构成为其槽截面积从冷却液供给槽4a的一端侧朝向另一端逐渐变小。另一方面，冷却液排出槽5a的槽截面积从冷却液供给槽4a的一端侧朝向另一端为恒定的。
[0060]此外，上下流通路径9在隔板3的宽度方向两端部的长度方向整个区域内形成为在厚度方向上贯穿隔板3且沿隔板3的长度方向延伸。
[0061]上部散热器10及下部散热器11分别使用铝、铜、AlSiC等导热性好的材料制作成大致长方形的平板状，在背面立设有散热翅片12。散热翅片12是垂直立设在上部散热器10及下部散热器11的背面上的圆柱体。此外，如图3所示，在上部散热器10及下部散热器11的长度方向上以规定的间距排列的散热翅片12的列在上部散热器10及下部散热器11的长度方向上错开半个间距，从而在上部散热器10及下部散热器11的宽度方向上以规定的间隔排列多列，上述散热翅片12在上部散热器10及下部散热器11的背面配置成阵列状。
[0062]在对如上所述构成的冷却装置100进行组装时，首先，根据需要夹设密封构件，并使上部散热器10的背面侧从上部侧与主体部2重叠。接着，根据需要夹设密封构件，并使下部散热器11的背面侧从下部侧与主体部2重叠。然后，将主体部2与上部散热器10及下部散热器11固接，并将水冷套I与上部散热器10及下部散热器11连接成一体，来组装成冷却装置100。
[0063]在上述冷却装置100中，上部散热器10将主体部2的上部开口堵塞，下部散热器
11将主体部2的下部开口堵塞。接着，由主体部2、隔板3及上部散热器10构成上部空间，由主体部2、隔板3及下部散热器11构成下部空间。
[0064]此外，冷却液分配结构体8与上部散热器10的背面接触，冷却液供给集管4在上部空间的宽度方向中央部由冷却液供给槽4a和上部散热器10构成。上述冷却液供给集管4的流路截面积从冷却液供给集管4的一端侧朝向另一端侧逐渐变小。此外，冷却液排出集管5在下部空间的宽度方向中央部由冷却液排出槽5a和下部散热器11构成。上述冷却液排出集管5的流路截面积从冷却液供给集管4的一端侧朝向另一端是恒定的。如图7所不,冷却液的流入方向和排出方向为相同方向。另外,上部散热器10及下部散热器11的散热翅片12的群分别避开冷却液供给集管4、冷却液排出集管5及上下流通路径9而收纳在上部空间及下部空间内，以构成冷却用流路。
[0065]在如上所述构成的冷却装置100中，发热元件15沿着冷却液供给集管4的流路方向并排，并通过金属结合、润滑脂、粘接等方式分别固定在上部散热器10及下部散热器11的表面上。此外，如图5中的箭头所示，从泵(未图示)等中输送来的冷却液从冷却液供给端口 6流入冷却液供给集管4的一端侧，并在冷却液供给集管4内沿着冷却液分配结构体8流至另一端侧。此外，利用冷却液分配结构体8将冷却液的流动方向改变为朝向水冷套I的宽度方向，从而流入收纳在上部空间内的散热翅片12的群内。
[0066]散热翅片12的群中相邻的散热翅片12的列在水冷套I的长度方向上错开半个间距。因此，冷却液一边在散热翅片12的群内蛇行流动，一边朝上下流通路径9的方向流动。此时，由安装在上部散热器10上的发热元件15发出的热经由散热翅片12而散热至冷却液中。
[0067]然后，如图4中的箭头所示，流入上下流通路径9的冷却液经由上下流通路径9流至水冷套I的下部侧，从而流入收纳在下部空间内的散热翅片12的群内。接着，如图6中的箭头所示，冷却液一边在散热翅片12的群内蛇行流动，一边朝冷却液排出集管5的方向流动。此时，由安装在下部散热器11上的发热元件15发出的热经由散热翅片12而散热至冷却液中。接着，流入冷却液排出集管5的冷却液在冷却液排出集管5内流至另一端侧，并从冷却液排出端口 7排出。
[0068]在如上所述构成的冷却装置100中，冷却用流路由从在上部侧的宽度方向中央部沿长度方向延伸的冷却液供给集管4直至在宽度方向两端部沿长度方向延伸的上下流通路径9的流路、从上下流通路径9直至在下部侧的宽度方向中央部沿长度方向延伸的冷却液排出集管5的流路构成。因此，在发热元件15的发热密度存在差异的情况下，较为理想的是，将发热密度较大的发热元件15安装于上部散热器10，将发热密度较小的发热元件15安装于下部散热器11。也就是说，由于发热密度较大的发热元件15始终被来自冷却液供给集管4的、处于被充分冷却的状态下的温度没有上升的冷却液所冷却，因此，能有效地对发热密度较大的发热元件15进行冷却。
[0069]根据本实施方式I，在冷却液供给集管4内的冷却液的惯性力的作用下，冷却液供给集管4的上游侧的流速比下游侧的流速慢，但由于冷却液供给集管4的流路截面积从冷却液供给集管4的一端侧朝向另一端逐渐变小，因此，从冷却液供给集管4流入上部空间内的散热翅片12的群内的冷却液的流量在冷却液供给集管4的流路方向(水冷套I的长度方向)上能实现均匀化。此外，在水冷套I的长度方向上流量实现均匀化后的冷却液经由上下流通路径9而流入下部空间内的散热翅片12的群内。
[0070]这样，由于在冷却液供给集管4内流通的冷却液在冷却液供给集管4的流路方向上均等地流入散热翅片12的群内，因此，流入散热翅片12的群内的冷却液的流量在冷却液供给集管4的流路方向上实现了均匀化。藉此，能够实现冷却装置100的冷却性能在冷却液供给集管4的流路方向上的均匀化，并且能够抑制对并列安装在上部散热器10及下部散热器11的表面上的发热元件15进行冷却的冷却性能出现偏差。
[0071]另外，由于配置在冷却液供给槽4a内的冷却液分配结构体8构成为底面呈等腰三角形的三棱柱，因此，冷却液分配结构体8的两侧面相对于在冷却液供给集管4内流动的冷却液的流动方向倾斜，并将冷却液的流动方向从水冷套I的长度方向转变为宽度方向。因此，由于在冷却液供给集管4内流动的冷却液能顺畅地流入散热翅片12的群内，使得冷却性能得以提闻。
[0072]此外，由于散热翅片12的群中相邻的散热翅片12的列在水冷套I的长度方向上错开半个间距，因此，冷却液一边在散热翅片12的群内蛇行流动，一边从冷却液供给集管4朝上下流通路径9的方向流动，进而从上下流通路径9朝冷却液排出集管5的方向流动。因而，从冷却液供给集管4直至冷却液排出集管5的冷却用流路变长，散热翅片12的散热面积增大，因此，使得冷却性能得以提高。
[0073]此外，由于隔板3由树脂成型体构成，因此，上部散热器10与下部散热器11热分离。所以，能事先阻止因安装在上部散热器10 (或下部散热器11)上的发热元件15发出的热量传递至安装在下部散热器11 (或上部散热器10)上的发热元件15，而使安装在下部散热器11 (或上部散热器10)上的发热元件15的温度升高这样的不良情况的发生。
[0074]此外，由于水冷套I由树脂成型体构成，因此，主体部2、隔板3、冷却液供给端口 6及冷却液排出端口 7能一体形成。因此，与使用不同部件来制造主体部2、隔板3、冷却液供给端口 6及冷却液排出端口 7，并在后续工序中组装来制造水冷套I的情况相比，不仅能够缩短制造时间，而且能实现低成本。
[0075]此外，隔板3配置成在厚度方向上将主体部2的内部一分为二，从而将从冷却液供给集管4至冷却液排出集管5的冷却用流路构成为上下两层，且使上下两层的流路经由上下流通路径9串联连接。因而，能在不使冷却装置100大型化的情况下，增长从冷却液供给集管4直至冷却液排出集管5的冷却用流路，并能增大散热翅片12的散热面积，因此，使得冷却性能得以提闻。
[0076]接着，对上下流通路径9的宽度t进行研究。图8及图9分别是对本发明的冷却装置的动作原理进行说明的图，其中，图8是沿与冷却液供给集管内的冷却液的流动方向正交的平面对冷却装置的、将上部散热器及下部散热器去除后的状态进行剖切的剖视图，图9是从下部侧观察冷却装置的、将下部散热器去除后的状态的俯视图。另外，将翅片区域的宽度设定为L (mm)，将翅片区域的长度设定为Lw (mm)。在此，翅片区域是指由隔板3的沿主体部2的长度方向的两个内壁面、冷却液供给槽4a及上下流通路径9围成的区域。此外，将上下流通路径9的入口处的压力设定为P1 (Pa)，将上下流通路径9的出口处的压力设定为己(Pa)。另外，下部翅片区域在长度方向上划分为η个区域，并将各区域的冷却液的流速设定为V1~\。
[0077]在此，若过度增大上下流通路径9的宽度t (mm)，则冷却液在经过上下流通路径9的过程中，会偏向上下流通路径9的另一端侧(冷却液排出端口 7侧)，从而冷却液的流动容易产生偏差。这是由于若上下流通路径9的宽度t (mm)变宽，则上下流通路径9的长度方向上的流路阻力变小的缘故。此外，为了使冷却装置I的上部散热器10及下部散热器11的面内的散热性能均匀，较为理想的是，缩窄上下流通路径9的宽度t (mm)来减小流速偏差。
[0078]另一方面，若过度缩窄上下流通路径9的宽度t(mm)，则上下流通路径9的入口处的压力P1 (Pa)与上下流通路径9的出口处的压力P2 (Pa)之差、即压力损失增大，在使冷却液循环的泵驱动时便需要较多的能量。此外，为了减少能量的消耗量，较为理想的是，增大上下流通路径9的宽度t (mm)。
[0079]首先，如图8及图9所示，将下部翅片区域在长度方向上划分为η个区域，将各个区域的冷却液的流速V1~Vn的平均流速设为Vavwage，将流速分布的标准差设为σ，利用式
(I)定义出冷却液的流速偏差D。
[0080](数学式I)
【权利要求】
1.一种冷却装置，其特征在于，包括: 框状的主体部,该主体部在上方及下方开口 ； 上部散热器及下部散热器，所述上部散热器及所述下部散热器以塞住所述主体部的上方及下方的开口的方式安装在所述主体部的上方及下方； 隔板，该隔板配置成将所述主体部的内部在上下方向上一分为二，并在所述隔板与所述上部散热器之间构成上部空间，在所述隔板与所述下部散热器之间构成下部空间； 冷却液供给集管，该冷却液供给集管形成在所述上部散热器与所述隔板之间； 冷却液排出集管，该冷却液排出集管形成在所述下部散热器与所述隔板之间，并将流路方向设定为与所述冷却液供给集管的流路方向平行； 上下流通路径，该上下流通路径在与流路方向正交的宽度方向上与所述冷却液供给集管隔开规定距离，并将所述隔板上下贯穿，且与所述冷却液供给集管的流路方向平行地延伸设置，所述上下流通路径将所述上部空间与所述下部空间连通；以及 冷却液分配结构体，该冷却液分配结构体配置在所述冷却液供给集管内，并形成为使所述冷却液供给集管的流路截面积从上游侧朝向下游端逐渐变小的外形形状，所述冷却液分配结构体将在所述冷却液供给集管内流通的冷却液朝所述上下流通路径的方向分配。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述主体部与所述隔板构成为一体物。
3.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液供给集管及所述冷却液排出集管配置在所述主体部内的宽度方向中央部，所述上下流通路径配置在所述主体部内的宽度方向两侧。
4.如权利要求3所述`的冷却装置，其特征在于，在所述冷却液供给集管内流通的冷却液的流动方向和在所述冷却液排出集管内流通的冷却液的流动方向为相同方向。
5.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，在所述冷却液供给集管内流通的冷却液的流动方向和在所述冷却液排出集管内流通的冷却液的流动方向为相反方向。
6.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液供给集管及所述冷却液排出集管配置在所述主体部内的宽度方向两侧，所述上下流通路径配置在所述主体部内的宽度方向中央。
7.如权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，在所述冷却液供给集管内流通的冷却液的流动方向和在所述冷却液排出集管内流通的冷却液的流动方向为相同方向。
8.如权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，在所述冷却液供给集管内流通的冷却液的流动方向和在所述冷却液排出集管内流通的冷却液的流动方向为相反方向。
9.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述上部散热器及所述下部散热器具有散热翅片的群，该散热翅片的群收纳在所述上部空间及所述下部空间内。
10.如权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，所述散热翅片的群的一部分形成为在所述冷却液供给集管内和所述冷却液排出集管内的至少一方延伸设置，且翅片高度朝向集管中央部逐渐降低。
11.如权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，所述散热翅片的群以使冷却液蛇行流动的方式对所述散热翅片进行排列而构成。
12.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述隔板由树脂制成。
13.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液分配结构体的侧面由平坦面构成。
14.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液分配结构体的侧面由弯曲面构成。
15.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述上下流通路径的宽度t满足`0.75mm ^ t ^ 6.5mm。
【文档编号】H01L23/367GK103871984SQ201310656301
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】栃山繁信, 羽下诚司, 田村正佳, 石桥诚司, 井手之上慎介 申请人:三菱电机株式会社