JP2011071386A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形成が容易で、微細流路の幅を任意にして、微細流路を流れる冷媒の速度のバラツキを抑制し、且つ、微細流路の幅を容易に変更することができる冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱部品に熱的に接続される下板材３と、冷媒入口５および冷媒出口６を備え、下板材３と対向して配置されることによって空洞部を形成する上板材２と、空洞部内に配置される所定のフィンピッチでフィン４が配置されたフィンモジュールとを備えた冷却装置１であって、上板材２と下板材３がフィンモジュールによって接合されていることを特徴とする冷却装置１。
【選択図】図１

Description

この発明は、内部に形成された微細な流路に冷媒を循環させることによって、発熱素子等の熱を冷媒と熱交換させて、被冷却素子を冷却するための冷却装置に関する。

微細流路に流体の冷却媒体を流すことによって高い冷却性能を有する熱交換部品として用いられるマイクロチャネル構造体が、特開２００６−２４７８２８号公報（特許文献１）に開示されている。図７は、マイクロチャネル構造体を説明する斜視図である。図７に示すように、特許文献１に開示されているマイクロチャネル構造体１００は、外周壁部材上部１０１と外周壁部材下部１０２からなる外周壁部材と波状板部材１０３とを備えている。

外周壁部材の内部には、波状板部材１０３を収納する収納部１０４が形成されている。波状板部材１０３は波状に成形され、稜線方向に延びる複数の微細流路１０５が形成されている。波状板部材１０３の頂部１０６と底部１０７が外周壁部材に接触している。波状板部材１０３の表面には球状部材１０８が配置されて、微細流路１０５の閉塞を防止している。

複数の細溝であるマイクロチャネルを備えた熱交換装置が、特開２００６−３０８２６３号公報（特許文献２）に開示されている。図８は、マイクロチャネルを備えた熱交換装置に配置されるマイクロチャネル構造体を説明する図である。

図８に示すように、特許文献２に開示されているマイクロチャネルを備えた熱交換装置は、所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリット２０１を有する板２０２を、スリット２０１同士が重なるように積層して、接合部材２０３の上に接合し、スリット２０１と直交する方向に端部を切断して形成された、複数の細溝２０４からなるマイクロチャネル構造体２００を備えている。

特開２００６−２４７８２８号公報 特開２００６−３０８２６３号公報

特許文献１に記載のマイクロチャネル構造体においては、波状板部材を使用しているので、波板状部材のフィンピッチを任意に設定することが困難である。従って、微細流路の幅を任意に設定することが難しく、微細流路ごとに流れる冷媒の量、および速度にバラツキが生じる。その結果、各微細流路における熱交換性能にバラツキが生じて熱源に温度分布が生じてしまうという問題がある。

更に、特許文献１に記載のマイクロチャネル構造体においては、波状板部材のフィンピッチを任意に設定することが困難であり、フィンピッチを設定する場合には、それぞれのフィンピッチに応じた冶具が必要となる。その結果、設計変更が容易でないという問題がある。

特許文献２に記載のマイクロチャネル構造体においては、上述したように所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリット２０１を有する板２０２を、スリット２０１同士が重なるように積層した後、スリットが開口するように積層した板を切断加工する必要があるので、製造工程が複雑となり、低コスト化が難しくなるという問題がある。

従って、この発明の目的は、形成が容易で、微細流路の幅を任意に設定して、微細流路を流れる冷媒の速度のバラツキを抑制し、且つ、微細流路の幅を容易に変更することができる冷却装置を提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、発熱部品に熱的に接続される下板材と、冷媒入口および冷媒出口を備え、下板材と対向して配置されることによって空洞部を形成する上板材とを、空洞部内に配置される、所定のフィンピッチでフィンが配置されたフィンモジュールによって接合すると、形成が容易で、微細流路の幅を任意に設定して、微細流路を流れる冷媒の速度のバラツキを抑制し、且つ、微細流路の幅を容易に変更できることが判明した。

また、任意のフィンピッチでフィンが配置されたフィンモジュールとして、上面部、垂直面部および下面部を備えたフィンを、上面部が上板材に熱的に接続され、下面部が下板材に熱的に接続された状態で、複数個並列配置すると、上板材と下板材とをフィンモジュールによって接合して、任意の幅の微細流路を容易に形成できることが判明した。この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明の冷却装置の第１の態様は、発熱部品に熱的に接続される下板材と、冷媒入口および冷媒出口を備え、前記下板材と対向して配置されることによって空洞部を形成する上板材と、前記空洞部内に配置される、任意のフィンピッチでフィンが配置されたフィンモジュールとを備えた冷却装置であって、前記上板材と前記下板材が前記フィンモジュールによって接合されていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第２の態様は、前記フィンが、上面部、垂直面部および下面部を備え、前記上面部が前記上板材に熱的に接続され、前記下面部が前記下板材に熱的に接続された状態で、複数個の前記フィンが並列配置されて前記フィンモジュールが形成されている冷却装置である。

この発明の冷却装置の第３の態様は、前記フィンは、前記上面部の前記垂直面部と接続する側の辺に窪み部を備え、前記上面部の前記垂直面部と接続する側の辺と対向する辺に前記窪み部に対応する突起部を備え、隣接する前記フィンの間で前記突起部が前記窪み部に固定される冷却装置である。

この発明の冷却装置の第４の態様は、前記フィンが取り付け孔を備えた薄板状フィンからなり、前記薄板状フィンの上端辺が前記上板材に接続され、薄板状フィンの下端辺が前記下板材に接続された状態で、複数個のフィンが並列配置され、前記取り付け孔に挿通された支持体によって固定されて、前記フィンモジュールが形成されている冷却装置である。

この発明の冷却装置の第５の態様は、前記フィンモジュールが、並列配置された複数個の前記フィンよりも長いフィンを備えた耐圧構造を備えている冷却装置である。

この発明のヒートシンクによると、上板材と下板材によって形成される空洞部内に、薄板フィンを並列配置したフィンモジュールを、上板材と下板材との接合するように配置するので、微細流路を容易に形成することができる。更に、フィンの間隔を安定して設定することができるので、微細流路幅を任意に設定でき、微細流路内を流れる冷媒の速度にバラツキが生じることなく熱源面を効率よく冷却することができる。更に、フィンの間隔を容易に変更できるので、設計変更が容易になる。

図１は、この発明の冷却装置の１つの態様を説明する図である。図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は分解図である。 図２はフィンモジュールの１つの態様を説明する図である。図２（ａ）はフィンモジュールの平面図である。図２（ｂ）は、フィンモジュールの側面図である。図２（ｃ）は、フィンモジュールを形成するフィンの斜視図である。 図３は、この発明の冷却装置のフィンモジュールの他の１つの態様を説明する斜視図である。 図４は、この発明の冷却装置のフィンモジュールの他の１つの態様を説明する斜視図である。 図５は、上板材および下板材によって形成される空洞部内に配置されるフィンモジュールの他の１つの態様を説明する図である。図５（ａ）は、平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す丸で囲んだ部分の１つの態様の拡大図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す丸で囲んだ部分の別の態様の拡大図である。 図６は、上板材および下板材によって形成される空洞部内に配置されるフィンモジュールの他の１つの態様を説明する図である。 図７は、従来のマイクロチャネル構造体を説明する斜視図である。 図８は、従来のマイクロチャネルを備えた熱交換装置に配置されるマイクロチャネル構造体を説明する図である。

この発明の冷却装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
この発明の冷却装置の１つの態様は、発熱部品に熱的に接続される下板材と、冷媒入口および冷媒出口を備え、下板材と対向して配置されることによって空洞部を形成する上板材と、空洞部内に配置される任意のフィンピッチでフィンが配置されたフィンモジュールとを備えた冷却装置であって、上板材と下板材がフィンモジュールによって接合されていることを特徴とする冷却装置である。

図１は、この発明の冷却装置の１つの態様を説明する図である。図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は分解図である。図１（ａ）に示すように、この発明の冷却装置１は、上板材２と下板材３を備えている。
上板材２は、冷媒入口５と冷媒出口６を備え内側に（図示しない）凹部を備えた薄板状の部材である。

下板材３は、内部に上板材の凹部と対応する凹部７を備えた薄板状部材であり、上板材２と対向して配置されて、内部に空洞部を形成する。上板材２と下板材３によって形成される空洞部内には、所定のフィンピッチでフィンが配列されたフィンモジュール４が配置される。

冷却装置１では、フィンモジュール４の上部と上板材２の内壁とが接合され、フィンモジュール４の下部と下板材３の内壁とが接合される。このように、フィンモジュール４と上板材２および下板材３とを接合するので、耐圧機能を備えることができる。上板材２および下板材３はそれぞれ熱伝導性に優れた金属材料、例えば銅、アルミニウム等によって形成されている。

このように、所定のフィンピッチでフィンが配置されたフィンモジュール４によって微細流路が形成され、フィンモジュール４によって上板材２と下板材３とが接合されて、冷媒が微細流路を通って循環する冷却装置１が形成される。

図２はフィンモジュールの１つの態様を説明する図である。図２（ａ）はフィンモジュールの平面図である。図２（ｂ）は、フィンモジュールの側面図である。図２（ｃ）は、フィンモジュールを形成するフィンの斜視図である。図２（ｃ）に示すように、フィン８は上面部９、垂直面部１０および下面部１１を備えた断面概ねコの字形の薄板材からなっている。上面部９と下面部１１は相互に平行に垂直面部の上端部および下端部から同一方向に延伸して形成されている。

フィン８は熱伝導性に優れた金属、例えば銅、アルミニウム等によって形成されている。フィン８は、上面部９の垂直面部１０と接続する側の辺に少なくとも１つの窪み部１２を備えている。更に、フィン８は、上面部９の垂直面部１０と接続する側の辺と対向する辺に、上述した窪み部１２に対応する突起部１３を備えている。

図２（ｃ）に示す態様では、上述した窪み部１２および突起部１３は、下面部１１の垂直面部１０と接続する側の辺、および、下面部１１の垂直面部１０と接続する側の辺と対向する辺にも、それぞれ設けられている。上述した窪み部および対応する突起部の形状は、図２（ｃ）に示す形状に限定されることはなく、隣接するフィンが、微細流路内の冷媒の流れに影響を及ぼすことなく接続されればよい。

図２（ｃ）を参照して説明したフィンが複数個並列して配置されて図２（ａ）および図２（ｂ）に示すようなフィンモジュール４が形成される。図２（ａ）に示すように、隣接するフィンの窪み部１２と突起部１３が嵌合して、フィンモジュール４の上面１５は、全体として、平らな面を形成している。

フィンモジュールの下面１６も同様に、全体として平らな面を形成している。更に、図２（ｂ）に示すように、断面コの字形のフィン８が複数並列配置された状態では、微細流路となる空間１４内にはフィンの部分が突出することはない。

図１を参照して説明したように、フィンモジュール４は、上板材２と下板材３とによって形成される空洞部内に配置され、上面１５が上板材１の内壁と接合し、下面１６が下板材３の内壁と接合される。このように、容易に、所望のフィン間隔で微細流路１４が形成される。

このように形成された微細流路は、その幅を任意に設定することが容易であり、微細流路内を流れる冷媒の速度を理想的な状態にすることが可能となる。また、その幅を一定とした場合には微細流路内を流れる冷媒の速度にバラツキが生じにくい。図２を参照して説明したフィンモジュール４は下面１６が下板材３と接合されているため、発熱素子の熱を、下板材３を介して容易にフィンモジュール４に伝熱することができる。また、フィンモジュール４に伝熱された熱の一部は、さらに上板材２に伝熱して放熱される。

図１および図２を参照して説明した冷却装置１においては、上板材２に設けられた冷媒入口５から冷媒が上板材２および下板材３によって形成された空洞部内に導かれ、空洞部内に配置されたフィンモジュール４のフィン間に形成された微細流路を通って、上板材２に設けられた冷媒出口６から冷却装置外に排出され、所望の部位で冷却された冷媒が循環して再び冷媒入口から冷却装置内に導かれる。なお、この発明のフィンモジュール４は、フィンの上面部９および下面部１０の幅を調整することによって、所望のフィンピッチの微細流路を容易に形成することができる。

図３は、この発明の冷却装置に用いられるフィンモジュールの他の１つの態様を説明する斜視図である。この態様のフィンモジュール２４は、取り付け孔２７を備えた複数の板状フィン２５からなり、複数の板状フィン２５が所定のピッチで並列に配置され、取り付け孔２７に挿通された支持体２６によって固定されて形成されている。図３を参照して説明したフィンモジュール２４が、図１に示すフィンモジュール４と同様に、上板材２および下板材３を対向して接合して形成された空洞部内に配置される。

その際、所定ピッチで配置された薄板状フィン２５の上端辺が上板材２の平らな内壁に接合され、板状フィン２５の下端辺が下板材３の平らな内壁に接合されて接続された状態で空洞部内に配置される。このように、容易に、所望のフィン間隔で微細流路２８が形成される。

図１および図３を参照して説明した冷却装置においては、上板材２に設けられた冷媒入口５から冷媒が、上板材２および下板材３によって形成された空洞部７内に導かれ、空洞部内に配置されたフィンモジュール２４の隣接するフィンと、上板材および下板材とによって形成された微細流路２８を通って、上板材２に設けられた冷媒出口６から冷却装置外に排出され、所望の部位で冷却された冷媒が循環して再び冷媒入口から冷却装置内に導かれる。

図４は、この発明の冷却装置のフィンモジュールの他の１つの態様を説明する斜視図である。この態様のフィンモジュール３４は、並列配置された複数個のフィン２５と、このフィン２５よりも長い耐圧用フィン２９を備えた耐圧構造を備えている。

図４に示すように、この態様のフィンモジュール３４は、取り付け孔２７を備えた薄板状フィン２５およびそれよりも長い耐圧用フィン２９からなり、複数の薄板状フィン２５および耐圧用フィン２９が所定のピッチで並列に配置され、取り付け孔２７に挿通された支持体２６によって固定されて形成されている。

耐圧用フィン２９は、所定のピッチで並列に配置された所定枚数の薄板状フィン２５を挟むように順次配置されている。薄板状フィン２５と耐圧用フィンの高さは同一に設定されている。図４を参照して説明したフィンモジュール３４が、図１に示す、上板材２および下板材３を対向して接合して形成された空洞部内に配置される。

図３を参照して説明したと同様に、その際、所定ピッチで配置された薄板状フィン２５および耐圧用フィン２９のそれぞれの上端辺が上板材２の平らな内壁に接合されて接続され、薄板状フィン２５および耐圧用フィン２９のそれぞれの下端辺が下板材３の平らな内壁に接合されて接続された状態で空洞部内に配置される。このように、容易に、所望のフィン間隔で微細流路３８が形成される。

この態様では、耐圧用フィン２９は薄板状フィン２５よりも長く、上板材２と下板材３との接合面積をより長くとることができる。このため、上板材２と下板材３によって形成される空洞部に冷媒が導入された場合に、その圧力（正圧または負圧）による冷却装置の変形を抑制することができる。

図１および図４を参照して説明した冷却装置においては、上板材２に設けられた冷媒入口５から冷媒が上板材２および下板材３によって形成された空洞部７内に導かれ、空洞部内に配置されたフィンモジュール３４の隣接するフィンと、上板材および下板材とによって形成された微細流路３８を通って、上板材２に設けられた冷媒出口６から冷却装置外に排出され、所望の部位で冷却された冷媒が循環して再び冷媒入口から冷却装置内に導かれる。

図５は、上板材および下板材によって形成される空洞部内に配置されるフィンモジュールの他の１つの態様を説明する図である。図５（ａ）は、平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す丸で囲んだ部分の１つの態様の拡大図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す丸で囲んだ部分の別の態様の拡大図である。図５（ａ）に示すように、フィンモジュール４の冷媒入口側、および、冷媒出口側における形状を、実質的に斜めにしている。

このようにフィンモジュール４の冷媒入口側を斜めにすることによって、冷媒入口から流入した冷媒が、フィンモジュール４の微細流路を形成するフィン８の間に、小さい流路抵抗で導入することができる。同様に、フィンモジュール４の冷媒出口側を斜めにすることによって、フィンモジュール４の微細流路を形成するフィン８の間から出た冷媒が、小さい流路抵抗で冷却装置外に排出することができる。

図５（ｂ）に示す態様においては、並列配置された断面概ねコの字形のフィン８が階段状に配置されて、全体として斜め形状を示している。図５（ｂ）には、フィン８の上面部９が示されている。図５（ｃ）に示す態様においては、上面部、垂直面部および下面部からなる断面概ねコの字形のフィンの上面部および下面部の一部が所定の角度で切り取られている。

このように、上面部および下面部の角部が切り取られたフィンを複数並列に配置して、全体として平行四辺形状のフィンモジュールを形成している。図５（ｂ）および図５(ｃ)に示す何れの態様においても、フィンモジュールの微細流路の出入り口において、実質的に開口部が拡大されて、冷媒の流入流出が容易であり、流路抵抗が小さくなるように設定されている。図５に示す態様では、フィンモジュールの開口部（冷媒の流入部、流出部）は、階段状、あるいは直線状である場合について説明したが、曲線状になっていてもよい。

図６は、上板材および下板材によって形成される空洞部内に配置されるフィンモジュールの他の１つの態様を説明する図である。この態様では、図５（ｃ）を参照して説明したフィンモジュール４の冷媒入口側の個々のフィンの端部を冷媒入口に向かって折り曲げて配置している（丸で囲んだ部分を参照）。個々のフィンの折り曲げ部を加工して、断面コの字形を維持するか、または、フィンの端部の上面部および下面部を取り除いて垂直面部のみにして、折り曲げ部を形成する。

フィンモジュール４の冷媒の入り口側のフィンの形状を、冷媒の入り口側に向って折り曲げることで、冷媒の流路抵抗を小さくすることができる。なお、冷媒の出口側のフィン形状を、冷媒の出口側に向って折り曲げても、同様に冷媒の流路抵抗を小さくすることができる。

この発明の冷却装置を実施例によって更に詳細に説明する。
図１（ａ）に示すようにこの発明の冷却装置（熱交換器）を調製した。冷却装置１は幅60mm、長さ120mm、高さ10mmであり、切削、プレス、絞り加工などで形成された上板材２と平板状の下板材３をロウ付などの接合方法を利用して密閉させた。

また上板材２の所定の位置には、冷媒を循環させるための冷媒入口５と冷媒出口６として、配管口が設けられている。また、冷却装置１内部には微細流路構造体としてのフィンモジュール４がロウ付などの接合方法により、冷却装置１の上板材２および下板材３にそれぞれ取り付けられた。

なお、各部材の接合方法についてはロウ付のほか、半田付、接着、拡散接合などの接合方法が考えられ、拡散接合を利用する場合にはロウ材などの接合のための部材を必要としないために、部材コストを抑えることが可能となる。また、冷却装置を構成する部材の材質は、冷媒の組成に応じて、銅、アルミ、鉄、ステンレスなどの熱伝導性の良い金属が利用される。

図１（ｂ）の分解図で示す、この発明の冷却装置における微細流路構造としてのフィンモジュール４は、図２（ａ）から（ｃ）に示すような上面部、垂直面部および下面部からなる断面概ねコの字形のフィンを複数並列配置して形成されている。即ち、高さ5mm、長さ50mmの６２枚のフィンプレートが、フィンピッチ0.8 mm（即ち、フィンの上面部および下面部の長さ）で並べられて構成されている。フィンプレートの材質は、冷却装置を構成する容器の部材（上板材、下板材）と同じものを使用することができる。

この発明の冷却装置に、大きさ４０mm角の１００Ｗの熱源を取り付けたところ、熱源の温度を（冷却装置の入口部における冷媒の温度＋１０）℃に抑えることができた。

なお、微細流路構造体としてのフィンモジュールを、図３に示すような複数の薄板状フィンの所定の位置にバーリング加工などで設けられた支持体取り付け穴に、支持体を挿通させて、それぞれの薄板状フィンが所定の間隔で並べられた構造としても、所望の冷却効果が得られた。

また、図４に示すように一部の薄板状フィンの長さを延長させると、耐圧構造として機能させることが可能になり、冷却装置内部の空洞部が変形するのを防ぐことができた。

上述したように、この発明によると、形成が容易で、微細流路の幅を任意に設定して、微細流路を流れる冷媒の速度のバラツキを抑制し、且つ、微細流路の幅を容易に変更することができる冷却装置を提供することができる。

１ 冷却装置
２ 上板材
３ 下板材
４ フィンモジュール
５ 冷媒入口
６ 冷媒出口
７ 凹部
８ フィン
９ 上面部
１０ 垂直面部
１１ 下面部
１２ 窪み部
１３ 突起部
１４ 微細流路
１５ 上面
１６ 下面
２４ フィンモジュール
２５ 薄板状フィン
２６ 支持体
２７ 取り付け孔
２８ 微細流路
２９ 耐圧用フィン

Claims (5)

1. 発熱部品に熱的に接続される下板材と、
   冷媒入口および冷媒出口を備え、前記下板材と対向して配置されることによって空洞部を形成する上板材と、
   前記空洞部内に配置される、任意のフィンピッチでフィンが配列されたフィンモジュールとを備えた冷却装置であって、
   前記上板材と前記下板材が前記フィンモジュールによって接合されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記フィンが、上面部、垂直面部および下面部を備え、前記上面部が前記上板材に熱的に接続され、前記下面部が前記下板材に熱的に接続された状態で、複数個の前記フィンが並列配置されて前記フィンモジュールが形成されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記フィンは、前記上面部の前記垂直面部と接続する側の辺に窪み部を備え、前記上面部の前記垂直面部と接続する側の辺と対向する辺に前記窪み部に対応する突起部を備え、隣接する前記フィンの間で前記突起部が前記窪み部に固定される、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記フィンが取り付け孔を備えた薄板状フィンからなり、前記薄板状フィンの上端辺が前記上板材に接続され、薄板状フィンの下端辺が前記下板材に接続された状態で、複数個のフィンが並列配置され、前記取り付け孔に挿通された支持体によって固定されて、前記フィンモジュールが形成されている、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記フィンモジュールが、並列配置された複数個の前記フィンよりも長い耐圧用フィンを備えている、請求項４に記載の冷却装置。
   
   
   
   

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