散熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于半導(dǎo)體、電機(jī)等發(fā)熱體的冷卻的散熱系統(tǒng)，再詳細(xì)而言，本 發(fā)明涉及這樣一種高效的散熱系統(tǒng):在促進(jìn)傳熱的適當(dāng)?shù)牧鲃訔l件下對利用了固體與流體 之間的熱交換的冷卻結(jié)構(gòu)加以使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為這種現(xiàn)有技術(shù)，存在以"冷卻裝置"作為名稱在專利文獻(xiàn)1中所公開的技術(shù)。 [0003]專利文獻(xiàn)1中公開的冷卻裝置具有向背離電子元件的方向延長的多個散熱構(gòu)件， 其通過使冷卻用流體在上述各散熱構(gòu)件相互之間通過來進(jìn)行上述電子元件的冷卻，該多個 散熱構(gòu)件的長度以隨著因上述電子元件的發(fā)熱而產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)溫度變低而變短的方式形 成。
[0004] 此外，在該冷卻裝置中，上述多個散熱構(gòu)件的長度以沿著冷卻用流體的流動方向 從電子元件的中央部向著端部變短的方式形成。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-8264號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明要解決的問題
[0009] 然而，這樣的以往的冷卻裝置使多個散熱構(gòu)件向背離電子元件的方向延長，且使 散熱構(gòu)件與冷卻用流體之間的接觸面積增大來進(jìn)行冷卻，難以實(shí)現(xiàn)小型化。
[0010] 本發(fā)明是著眼于這樣的現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而做出的，其目的在于提供這樣一 種散熱系統(tǒng)，即：既可實(shí)現(xiàn)裝置的小型化及降低冷卻用流體的壓力損失，還能促進(jìn)傳熱性來 實(shí)現(xiàn)效率良好的散熱。
[0011] 本發(fā)明的發(fā)明人為了達(dá)到上述目的而反復(fù)進(jìn)行了銳意鉆研，結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過將具 有由規(guī)定的凹部構(gòu)成的渦流生成部的冷卻結(jié)構(gòu)在冷卻用流體的恒定的流動條件下應(yīng)用能 夠達(dá)到上述目的，遂完成了本發(fā)明。
[0012] 即，本發(fā)明的散熱系統(tǒng)是利用基體與冷卻用流體之間的熱交換進(jìn)行散熱的散熱系 統(tǒng)，其中，
[0013] 該散熱系統(tǒng)在基體的與冷卻用流體接觸的表面上設(shè)有具有由多個凹部構(gòu)成的渦 流生成部的冷卻結(jié)構(gòu)，該多個凹部在與該冷卻用流體的流通方向交叉的方向上延伸且與所 述冷卻用流體的流動條件相對應(yīng)地使流體產(chǎn)生渦流。
[0014] 并且，在該散熱系統(tǒng)中，使所述渦流生成部的凹部深度H和壁面附近的層流低層厚 度心滿足如下式(1)所表達(dá)的關(guān)系：
[0015] H>5b = 63.5/(Re7/8)Xd---(l)
[001 ?](式中的Re表示雷諾數(shù)，d表示特征長度，雷諾數(shù)由Re = ud/v規(guī)定，V表示所述冷卻 用流體的動粘度，U表示所述冷卻用流體的流速，d表示特征長度），并且該散熱系統(tǒng)將所述 冷卻用流體控制在滿足如下式(2)所表達(dá)的流動條件的范圍內(nèi)并進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)：
[0017] u/v< 206Xd1/7---(2)
[0018] (式中的u、v及d所表示的含義與上述相同）。
[0019] 發(fā)明的效果
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，由于將具有由規(guī)定的凹部構(gòu)成的渦流生成部的冷卻結(jié)構(gòu)在冷卻用流 體的恒定的流動條件下應(yīng)用，所以能夠提供一種不僅能實(shí)現(xiàn)裝置的小型化并降低冷卻用流 體的壓力損失、而且還能促進(jìn)傳熱性來實(shí)現(xiàn)效率良好的散熱的散熱系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0021] 圖1是表示本發(fā)明的散熱系統(tǒng)的一個實(shí)施方式的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0022] 圖2的(A)是表示構(gòu)成散熱系統(tǒng)的一部分的逆變器的結(jié)構(gòu)的沿圖1的I-I線的剖視 圖，（B)是表示冷卻體上的與冷卻用流體接觸的接觸面的俯視圖。
[0023]圖3是沿圖2的(A)的II-II線的剖視圖。
[0024] 圖4的(A)是表示第一變形例所涉及的渦流生成部的說明圖，（B)是表示第二變形 例所涉及的渦流生成部的說明圖，（C)是表示第三變形例所涉及的渦流生成部的說明圖， (D)是表示第四變形例所涉及的渦流生成部的說明圖。
[0025] 圖5是表示槽的截面形狀和熱通過系數(shù)的測定結(jié)果的圖表。
[0026] 圖6是表示槽的截面形狀和熱通過系數(shù)的測定結(jié)果的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0028]圖1是表示本發(fā)明的散熱系統(tǒng)的一個實(shí)施方式的系統(tǒng)構(gòu)成圖，圖2的(A)是表示構(gòu) 成該散熱系統(tǒng)的一部分的逆變器的結(jié)構(gòu)的沿圖1的I-I線的剖視圖，圖2的(B)是表示冷卻體 上的與冷卻用流體接觸的接觸面的俯視圖。此外，圖3是沿圖2的(A)的II-II線的剖視圖。 [0029 ]如圖1所示，本發(fā)明的一個實(shí)施方式所涉及的空冷系統(tǒng)A，包括散熱器10、水冷式電 機(jī)11、DC-DC轉(zhuǎn)換器12、逆變器20、電動栗13及控制器B。
[0030] 水冷式電機(jī)IUDC-DC轉(zhuǎn)換器12、逆變器20及電動栗13連接于控制器B的輸出側(cè)，并 被進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?br>[0031] 控制器B由CPU(Central Processing Unit)、接口電路等構(gòu)成，通過執(zhí)行所需程序 而發(fā)揮所期望的功能。
[0032] 逆變器20是利用直流電以電氣的方式生成交流電的電力轉(zhuǎn)換裝置，在本實(shí)施方式 中，如圖2的(A)所示，逆變器20具有將水套2、作為基體的一例的冷卻體22、電絕緣材料23、 由銅等材料形成的母線24、焊料層25、由銅、鉬等材料形成的熱緩沖盤26、焊料層27以及作 為發(fā)熱體的半導(dǎo)體芯片30依次層疊起來的結(jié)構(gòu)。
[0033] 在水套21的冷卻用流體流入側(cè)側(cè)壁21d上形成有用于使冷卻用流體流入的流入口 21 e，在冷卻用流體流出側(cè)側(cè)壁21 f上形成有用于使冷卻用流體流出的流出口 21 g。
[0034] 在該水套21中，冷卻用流體經(jīng)由所述流入口 21e和流出口 21g在圖1及圖2中用符號 "α"表示的方向上流通。
[0035] 在本實(shí)施方式中，冷卻體22形成為板體，在面向所述水套21內(nèi)的表面、即與冷卻用 流體接觸的接觸面(流體接觸面)22a上設(shè)有以下將進(jìn)行說明的冷卻結(jié)構(gòu)。
[0036] 該冷卻結(jié)構(gòu)具有如下功能:通過使冷卻用流體(的流動)與配置有作為發(fā)熱體的半 導(dǎo)體芯片30的冷卻體22接觸并進(jìn)行熱交換，來對半導(dǎo)體芯片30進(jìn)行冷卻，該冷卻結(jié)構(gòu)形成 有渦流生成部Cl，該渦流生成部Cl在與冷卻用流體的流通方向α交叉的方向β上延伸，且與 冷卻用流體的流通速度相對應(yīng)地使冷卻用流體產(chǎn)生渦流。
[0037]在本實(shí)施方式中，在作為基體的冷卻體22上，隔著上述的絕緣材料23、母線24、焊 料層25、緩沖盤26及焊料層27載置有作為發(fā)熱體的半導(dǎo)體芯片30。
[0038]另外，熱緩沖盤26用來緩沖與半導(dǎo)體芯片30之間的線膨脹率之差。
[0039] 渦流生成部Cl在與冷卻用流體的流通方向α交叉的方向上延伸，并且具有與冷卻 用流體的流通速度相對應(yīng)地使冷卻用流體產(chǎn)生渦流的功能。
[0040] 在本實(shí)施方式中，使多個作為凹部的、截面呈半圓形的槽22b以規(guī)定的間隔連續(xù)形 成在冷卻體22的流體接觸面22a(參照圖2)上。
[0041] 在本實(shí)施方式中，相鄰的兩個槽22b、22b彼此以將其劃分出來的內(nèi)壁相互交叉的 規(guī)定的間隔形成，其滿足以下條件。
[0042] "使凹部連續(xù)地形成"是指，除了使相鄰的凹部的內(nèi)壁在相互交叉的形態(tài)下進(jìn)行排 列之外，還包括不使這些相鄰的凹部的內(nèi)壁相互交叉的形態(tài)。
[0043]在不使凹部的內(nèi)壁交叉的形態(tài)的情況下，最好使相鄰的凹部的內(nèi)壁的末端相互以 曲面等平滑地連續(xù)。這樣，若使內(nèi)壁的末端相互以曲面等平滑地連續(xù)則容易進(jìn)行機(jī)械加工。
[0044] "內(nèi)壁相互交叉"是指，在將凹部形成為截面呈半圓形的槽的情況下，除了像針對 其每一個直徑尺寸形成恒定的間隔進(jìn)行排列時那樣，內(nèi)周壁面抵接彼此在流體接觸面上的 形態(tài)之外，還包括以上述直徑尺寸以下的間隔進(jìn)行排列的形態(tài)。在這種情況下，相鄰的槽的 內(nèi)周壁面會在流體接觸面以下相互交叉。
[0045] 凹部的截面形狀不限于上述的截面呈半圓形的形狀，當(dāng)然也可以是不規(guī)則的形 狀，還可以將它們組合起來進(jìn)行排列。
[0046] 也就是說，只要是與冷卻用流體的流通速度相對應(yīng)地使冷卻用流體產(chǎn)生渦流的凹 部即可。
[0047] "規(guī)定的間隔"是指，相隔恒定的間隔，也包括多個凹部全體或者其一部分相隔不 規(guī)則的間隔這兩種情況。
[0048]通過將相鄰的兩個槽22b、22b彼此以將其劃分出來的內(nèi)壁相互交叉的規(guī)定的間隔 排列形成，能夠形成更多的槽22b，能夠使冷卻用流體生成更多的渦流。
[0049] 在本實(shí)施方式中，槽(凹部)22b等部分以滿足以下條件的方式構(gòu)成，或者說優(yōu)選將 它們?nèi)绱藰?gòu)成。
[0050] (1)使槽(凹部)22b的最大深度H(參照圖2)大于根據(jù)作為流動條件的雷諾數(shù)Re和 特征長度d計算的壁面附近的層流低層厚度S b = 63.5/(Re7/8)Xd。
[0051] 即，使凹部22b的最大深度H和壁面附近的層流低層厚度Sb，滿足以如下式（1)所表 達(dá)的關(guān)系：
[0052] H>5b = 63.5/(Re7/8)Xd---(l)
[0053](式中的Re表示雷諾數(shù)，d表示特征長度，雷諾數(shù)由Re = ud/v來規(guī)定，V表示上述冷 卻用流體的動粘度，u表示上述冷卻用流體的流速，d表示特征長度）。
[0054]并且，在本實(shí)施方式的散熱系統(tǒng)中，還將冷卻用流體控制在滿足以如下式(2)所表 達(dá)的流動條件的范圍內(nèi)，并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)：
[0055] u/v< 206Xd1/7---(2)
[0056] (式中的u、v及d所表示的含義與上述相同）。
[0057] 通過采用該流動條件，代表性地將上述的層流低層厚度Sb控制在〇. 7mm以下。
[0058] 此外，在本發(fā)明的散熱系統(tǒng)中，優(yōu)選將冷卻用流體的流動條件控制在滿足如下式 (3)的范圍內(nèi)：
[0059] u/v< 455Xd1/7---(3)
[0060] (式中的U、v及d所表示的含義與上述相同）。
[0061]通過采用該流動條件，代表性地將層流低層厚度Sb控制在0.4mm以下。
[0062] (2)利用由剪切應(yīng)力和流體密度P計算的剪切速度1^=(^/^)1/2及由冷卻用流 體的流速U、密度Ρ、雷諾數(shù)Re計算的管摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)式& = ^/(〇.50112)=〇.73此125和 冷卻用流體的動粘度V對槽22b的開口寬度W進(jìn)行無因次化，該無因次化而得到的值W+=^u/ V處于25~300的范圍。
[0063] (3)使槽22b的最大深度H小于從流體接觸面到與其相