JP2003336954A - 冷却器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却面の温度勾配や温度分布の均一性を考慮す
るとともに、冷却効率に優れ、製作費用の低減が図れる
冷却器を提供する。 【解決手段】一対のヘッダー間に冷却媒体が流通する複
数の流路を並設し、入側ヘッダーから出側ヘダーに向か
う冷却媒体が隣接する流路内を流れる冷却媒体と互いに
向流となるように前記流路を配置した冷却器であって、
その外観は、外枠材とこれを上下から覆う底基板と蓋材
とからなり、前記流路は、流路に沿って曲げ加工された
２枚の流路板を前記外枠材の内部で組み立て、外枠材と
ともに前記底基板および蓋材にろう付けすることによっ
て構成され、これらの流路板によって向流する冷却媒体
が仕切られていることを特徴とする冷却器である。さら
に、その製造方法である

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路を用いた
電子部品、または半導体製造装置などの冷却に用いられ
る冷却器およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、
被冷却体である電子部品や半導体製造装置の冷却面に著
しい温度勾配や温度分布を生じさせることがない冷却
器、およびこれ冷却器を低廉な製作費で、かつ高能率に
製造できる方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の発達により、ＬＳＩなど集積
回路の小型化、高速化および高集積化が進展し、これに
伴って集積回路から発生する熱も多くなっている。この
ため、集積回路からの発熱を低減するための回路設計が
なされるとともに、冷却器を設けることによって電子機
器からの放熱を促し、発熱による集積回路の誤作動を抑
制することが行われている。

【０００３】また、半導体製造装置においても、対象と
されるデバイスの高精度化、高密度化の要求から冷却効
率の優れた冷却器の開発が求められている。特に、上記
の電子機器や半導体製造装置の冷却に際し、被冷却体の
冷却面に極端な温度勾配や温度分布が発生することが問
題とされる場合があり、冷却面の温度均一性を考慮した
冷却器の開発が要請されるようになっている。

【０００４】従来から、被冷却体の冷却面に極端な温度
勾配や温度分布が発生することが問題になる場合には、
冷却に伴って発生する温度勾配や温度分布を抑制するた
め、サーペンタイン構造の冷却器が温度均一性を考慮し
たものとして用いられてきた。この冷却器には、サーペ
ンタイン構造に折り曲げたパイプをアルミニウムで鋳込
む方法など各種のものがあるが、ここでは、代表例とし
て、コルゲートフィンを利用したサーペンタイン構造の
冷却器について説明する。

【０００５】図１は、コルゲートフィンを利用したサー
ペンタイン構造の冷却器の平面断面構造を示す図であ
る。同図に示すように、サーペンタイン構造の冷却器１
の内部には、冷却本体部の長手方向に配されたメインフ
ィン部３と冷却本体部の両端部に設けられたディストリ
ビュータフィン部４とが配されており、冷却器１の内部
を流通する冷却媒体は、多段階に設けられたメインフィ
ン部３に沿って、数回にわたり冷却器１内部を循環する
構造になっている。

【０００６】サーペンタイン構造の冷却器１では、冷却
媒体が数回にわたり冷却器内部を循環しながら被冷却体
の冷却を行うため、冷却媒体が内部で循環しない型式の
ものに比べ、被冷却体の冷却面に発生する温度勾配や温
度分布は比較的小さなものとなる。

【０００７】図１に示す冷却器の内部で循環する流れで
は、上端の入側ヘッダー２ａから供給される冷却媒体
は、冷却本体部の長手方向と直交する方向から供給され
るため、入側に設けられたディストリビュータフィン部
４によって直交する方向に分配されて、メインフィン部
３によって本体部の長手方向に沿う流れとなる。

【０００８】冷却本体部の端部に達した冷却媒体は、デ
ィストリビュータフィン部４で直交する方向への分配を
二度繰り返すことによって、以前とは対向する方向にメ
インフィン部３によって本体部の長手方向に沿って流れ
る。このように冷却器１内部で循環する流れを繰り返し
ながら、冷却媒体は被冷却体を冷却した後、下端に設け
られた出側ヘッダー２ｂから冷却器１外に排出される。

【０００９】上述の通り、サーペンタイン構造の冷却器
では、冷却媒体が数回にわたり冷却器内部を循環しなが
ら被冷却体を冷却するため、冷却面に発生する温度勾配
や温度分布の発生を抑制することができる。しかしなが
ら、構造的には上端の入側ヘッダーから下端の出側ヘッ
ダーに向かって発生する温度勾配や温度分布を回避する
ことができない。さらに、流体通路の形状が複雑なこと
から、部品点数が増加して製作費用が高くなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の通り、サーペン
タイン構造の冷却器では、入側ヘッダーから出側ヘッダ
ーに向かって発生する温度勾配や温度分布を容認しなけ
ればならない。しかも、流体通路の形状が複雑なことか
ら、部品点数が増加して製作コストがかかるという問題
を有している。

【００１１】このため、電子機器や半導体製造装置の冷
却に際し、被冷却面に極端な温度勾配や温度分布が発生
することが問題とされる場合に、前記サーペンタイン構
造の冷却器を使用することによって、所定の効果が期待
できるものの、その効果に制限があることから、万全な
手段および装置とすることができない。

【００１２】そこで、本発明者らは、種々の冷却器の構
成について検討を加えた結果、被冷却面に発生する温度
勾配や温度分布を極力抑制するには、冷却媒体を流通さ
せる入側ヘッダーと出側ヘッダーとを近接させるととも
に、一対のヘッダー間で互いに隣接する流路内を流れる
冷却媒体が向流になるように、冷却媒体の流路を配置す
るのが有効であることに着目した。

【００１３】図２は、隣接する流路内を流れる冷却媒体
が向流になるように流路を配置した図である。同図に示
すように、冷却媒体を流通させる入側ヘッダー２ａと出
側ヘッダー２ｂとを近接させており、これにより、入側
ヘッダーから出側ヘッダーに向かって発生する温度勾配
の影響が、冷却面の全面に及ぶのを可能な限り抑制して
いる。さらに、入側ヘッダーから出側ヘダーに向かう冷
却媒体と、それが隣接する流路５内を流れる冷却媒体と
互いに向流となるように流路５を配置することによっ
て、極力温度分布が小さくなるようにしている。

【００１４】すなわち、図中Ａで示す部分では、入側ヘ
ッダー２ａ直後の冷却媒体と出側ヘッダー２ｂ直前の冷
却媒体とが向流するので、その温度差は大きくなる。一
方、図中Ｂで示す部分では、いずれも入側ヘッダー２ａ
から出側ヘッダー２ｂに向かう折り返し段階での冷却媒
体同士の向流であるため、その温度差は小さくなる。し
かし、ＡおよびＢで示すいずれの部分であっても、向流
する冷却媒体の平均温度はほぼ同一であることから、こ
の平均温度の影響を受ける冷却面の温度分布は小さなも
のとなる。

【００１５】ところで、図２に示すような冷却媒体の流
路配置を形成しようとすると、ベースとなる基板ブロッ
クに流路が併設されるように切削加工を施し、次いで、
加工された基板ブロックを覆うように蓋材を接合するこ
とが必要になる。このように、冷却媒体用の流路を形成
することによって、被冷却面の温度勾配や温度分布の発
生を抑制できる冷却器となる。

【００１６】しかしながら、基板ブロックに切削加工を
施して冷却媒体用の流路を形成するとなると、その加工
時間は著しく長時間となり、冷却器の製作に要する費用
は膨大なものとなる。したがって、上記の加工方法によ
って、冷却器に冷却媒体用の流路を形成することは、製
作費用の面で大きな問題となる。

【００１７】本発明は、上述したような冷却器での問題
点を解消するためになされたものであり、加工方法の変
更によって製作費用の低減を図るとともに、冷却効率に
も優れ、しかも温度勾配や温度分布を小さく抑えること
ができる冷却器およびその製造方法を提供することを目
的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
課題を解決するため、冷却媒体が流通する流路の加工方
法について種々の検討を加えた結果、冷却器の冷却媒体
用流路を外枠材とこれを上下から覆う底基板と蓋材と、
さらに２枚の流路板とから構成すれば、前記図２に示す
ような冷却媒体の流路配置と同じ機能発揮できるだけで
なく、同等の冷却効率を確保して、低廉な製作費用で、
かつ高能率に製造できることを知見した。

【００１９】本発明は、このような知見に基づいて完成
されたものであり、下記の(1)の冷却器および(2)の冷却
器の製造方法を要旨としている。 (1) 一対のヘッダー間に冷却媒体が流通する複数の流路
を並設し、入側ヘッダーから出側ヘダーに向かう冷却媒
体が隣接する流路内を流れる冷却媒体と互いに向流とな
るように前記流路を配置した冷却器であって、その外観
は、外枠材とこれを上下から覆う底基板と蓋材とからな
り、前記流路は、流路に沿って曲げ加工された２枚の流
路板を前記外枠材の内部で組み立て、外枠材とともに前
記底基板および蓋材にろう付けすることによって構成さ
れ、これらの流路板によって向流する冷却媒体が仕切ら
れていることを特徴とする冷却器である。

【００２０】上記の冷却器においては、外枠材、底基
板、蓋材および流路板をアルミニウム、アルミニウム合
金、銅および銅合金のいずれかで構成するのが望まし
い。 (2) 一対のヘッダー間に冷却媒体が流通する複数の流路
を並設し、入側ヘッダーから出側ヘダーに向かう冷却媒
体が隣接する流路内を流れる冷却媒体と互いに向流とな
るように前記流路を配置した冷却器の製造方法であっ
て、その外観を外枠材とこれを上下から覆う底基板と蓋
材とから構成し、前記流路に沿って板材を曲げ加工して
２枚の流路板を作製し、これらの流路板を複数の流路が
並設されるように前記外枠材の内部で底基板上に配置
し、次いで流路板、外枠材および底基板並びにこれらを
覆う蓋材とをろう付けすることを特徴とする冷却器の製
造方法である。

【００２１】

【発明の実施の形態】前述の通り、従来の冷却器を用い
て、電子機器や半導体製造装置の冷却面に極端な温度勾
配や温度分布が発生するのを防止しようとしても、充分
にそれらの発生を抑制できなかった。また、特定の冷却
媒体用の流路を形成して、温度勾配や温度分布を極力抑
えようとすると、装置の製作や流路の形成に多大な工数
と費用を要することになる。このような課題を解決する
ため、本発明の冷却器では、冷却媒体用流路を各部材の
組立によって構成することを特徴としている。以下に、
本発明の具体的な実施形態について、図面に基づいて説
明する。

【００２２】図３は、本発明の冷却器の冷却媒体用流路
を形成する流路板の平面形状を示す図であり、(a)は流
路板Ａの形状を示し、（ｂ）は流路板Ｂの形状を示して
いる。本発明の流路板６は、肉厚Ｔおよび間隔ピッチＰ
が同じである流路板Ａと流路板Ｂとからなっている（図
では６ａおよび６ｂで示す）。流路板ＡおよびＢは、流
路に沿って板金加工によって曲げ加工されて製作され、
これらは、後述するように、お互いに組み合わされて、
冷却媒体用の流路を形成する。

【００２３】図４は、冷却器の外観を形成する外枠材の
平面形状を示す図である。外枠材７には、冷却媒体を流
通させる入側ヘッダー２ａと出側ヘッダー２ｂとが近接
した位置に設けられている。さらに、外枠材７の入側ヘ
ッダー２ａと出側ヘッダー２ｂの近傍には、流路板の取
り付け溝８が設けられている。さらに、図示しないが、
冷却器の外観を形成する部材として、外枠材７を上下か
ら覆う底基板と蓋材とが準備される。

【００２４】上記した流路板、外枠材、底基板および蓋
材の材質は特に限定されるものではなく、例えば、アル
ミニウム、アルミニウム合金、銅および銅合金等熱伝導
性に優れたものを一例として挙げることができる。

【００２５】図５は、冷却器を構成する外枠材の内部で
２枚の流路板を組み立てて冷却媒体用流路を形成した状
態を示す図である。同図に示すように、外枠材７の内部
で流路板ＡおよびＢ（６ａおよび６ｂ）が構成する流路
５の幅が、入側ヘッダー２ａから出側ヘッダー２ｂの間
で均一になるように組み立てられる。このとき、流路板
ＡおよびＢと外枠材７との接合を確実にするとともに、
組立位置を明確にするため、外枠材の取り付け溝８に流
路板６の端部が固定される。

【００２６】以上の構成を備える冷却器１は、次のよう
にしてこれを製造することができる。まず、複数の流路
５を並設するための底基板を準備して、底基板上に入側
ヘッダーおよび出側ヘッダーを設けた外枠材７を配置す
る。ベースとなる底基板は、冷却密度を均一にする必要
から、所定の厚みを確保するようにするのが望ましい。

【００２７】さらに、板材を曲げ加工して、上述の形状
に成形加工した流路板６ａ、６ｂを準備する。次に、流
路板６ａ、６ｂを外枠材７の内部で底基板上に配置し、
例えば、所定間隔に調整できる治具を用いて、形成され
る流路５の間隔が均一になるように、流路板６ａ、６ｂ
の位置を調整する。流路板６ａ、６ｂの端部は、外枠材
の取り付け溝８に装着されて固定される。

【００２８】その後、外枠材７および流路板６ａ、６ｂ
を覆うように蓋材は配置されて、流路板６、外枠材７お
よび底基板並びにこれらを覆う蓋材とがろう付けされ
て、冷却器１が構成される。

【００２９】このとき使用されるろう材は、流路板、外
枠材、底基板および蓋材の材質によって選択され、例え
ば、アルミニウム、アルミニウム合金の材質である場合
には、Al−Si−Mg系の合金ろう材を用いて真空ろう付け
を施すのが望ましい。このように施工することによっ
て、接合部の熱伝導率を各部材と同等とすることがで
き、冷却器の冷却効率を安定させることできるととも
に、フラックス等を使用しないため、流体内部が清浄な
状態で接合することができる。

【００３０】このようにして製造された冷却器１は、そ
の底基板が被冷却体である電子機器や半導体製造装置の
冷却面と接触するようにねじ止めなどにより付けられ
る。これにより、冷却面に発生する温度勾配や温度分布
を極めて小さな範囲で管理することができるようにな
る。

【００３１】この冷却器１によれば、流路板、外枠材、
底基板および蓋材の各部材によって構成されるので、製
作、組立に要する工数は低減でき、製作能率を向上でき
るので、製作費用を大幅に削減できる。また、各部材に
分割できることから、素材の無駄も少なく、加工歩留ま
りが上昇するので、素材費用の低減も図ることができ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明の冷却器によれば、加工方法を変
更することによって、製作費用の低減を図るとともに、
所定の冷却効率を確保し、被冷却体である電子部品や半
導体製造装置の冷却面に著しい温度勾配や温度分布を生
じさせることがない。したがって、このような冷却器を
製造できる本発明方法は、電子部品や半導体製造装置の
冷却用に限定されることなく、広範囲な技術分野で適用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】コルゲートフィンを利用したサーペンタイン構
造の冷却器の平面断面構造を示す図である。

【図２】隣接する流路内を流れる冷却媒体が向流になる
ように流路を配置した図である。

【図３】本発明の冷却器の冷却媒体用流路を形成する流
路板の平面形状を示す図であり、(a)は流路板Ａの形状
を示し、（ｂ）は流路板Ｂの形状を示す図である。

【図４】冷却器の外観を形成する外枠材の平面形状を示
す図である。

【図５】冷却器を構成する外枠材の内部で２枚の流路板
を組み立てて冷却媒体用流路を形成した状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１：冷却器、 ２ａ：入側ヘッダー ２ｂ：出側ヘッダー、 ３：メインフィン部 ４：ディストリビュータフィン部、 ５：流路 ６、６ａ、６ｂ：流路板、 ７：外枠材 ８：取り付け溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 101:14 Ｂ２３Ｋ 103:10 103:10 Ｈ０１Ｌ 23/46 Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対のヘッダー間に冷却媒体が流通する複
   数の流路を並設し、入側ヘッダーから出側ヘダーに向か
   う冷却媒体が隣接する流路内を流れる冷却媒体と互いに
   向流となるように前記流路を配置した冷却器であって、
   その外観は、外枠材とこれを上下から覆う底基板と蓋材
   とからなり、前記流路は、流路に沿って曲げ加工された
   ２枚の流路板を前記外枠材の内部で組み立て、外枠材と
   ともに前記底基板および蓋材にろう付けすることによっ
   て構成され、これらの流路板によって向流する冷却媒体
   が仕切られていることを特徴とする冷却器。
2. 【請求項２】上記外枠材、底基板、蓋材および流路板は
   アルミニウム、アルミニウム合金、銅および銅合金のい
   ずれかで構成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の冷却器。
3. 【請求項３】一対のヘッダー間に冷却媒体が流通する複
   数の流路を並設し、入側ヘッダーから出側ヘダーに向か
   う冷却媒体が隣接する流路内を流れる冷却媒体と互いに
   向流となるように前記流路を配置した冷却器の製造方法
   であって、その外観を外枠材とこれを上下から覆う底基
   板と蓋材とから構成し、前記流路に沿って板材を曲げ加
   工して２枚の流路板を作製し、これらの流路板を複数の
   流路が並設されるように前記外枠材の内部で底基板上に
   配置し、次いで流路板、外枠材および底基板並びにこれ
   らを覆う蓋材とをろう付けすることを特徴とする冷却器
   の製造方法。