JP2008282969A - 冷却器及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品を効率良く冷却することが可能で、製造時において冷媒の漏洩を防止するための処置に必要な工数を小さくすることができる冷却器及び電子機器を提供する。
【解決手段】冷却器１０は、有底四角箱状の本体１１ａと、本体１１ａの開口を覆う蓋体１１ｂとで構成された容器１１内に金属板接合体１２が収容されている。金属板接合体１２は、多数の孔１５ａが所定間隔で形成された複数枚の金属板１５が、隣接する金属板１５に形成された孔１５ａの中心が１／２ピッチずれる状態で積層されるとともに、隣接する金属板１５の重なり部分が接合されて構成されている。金属板接合体１２はその一面が容器１１に接合された状態で入口部１３及び出口部１４の間に孔１５ａが冷媒流路となるように収容されており、容器１１の金属板接合体１２が接合された面の外面に被冷却体を装着可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器及び電子機器に係り、詳しくは冷却媒体が流れる冷媒流路を備えた冷却器及び冷却器を備えた電子機器に関する。

インバータ装置等の電子機器のように発熱素子の発熱量が大きな電子機器では、冷却水等の冷却媒体を用いた強制冷却が必要となる。この種の強制冷却に使用する冷却器として、従来、図６及び図７（ａ），（ｂ）に示すように、複数枚の中間プレート５１（５１Ａ，５１Ｂ）と２枚の外側プレート５２とを積層してろう付けし、一組のパイプ５３を組付けた積層冷却器５０が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。中間プレート５１は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、プレス加工によって製造された異なる２種類のスリットパターン５４が存在し、異なるスリットパターン５４の中間プレート５１Ａ，５１Ｂが交互に積層されている。中間プレート５１Ａ，５１Ｂはブレージングシートで形成されるとともに、ろう付けされている。また、発熱部品５５はそれぞれ２本のボルト５６で積層冷却器５０に固定されている。

また、吸収冷凍機の溶液熱交換器として、組み立て作業時に発生する蛇腹状フィンの歪みを防止し、各フィン間の流路を均一化し、熱交換効率を向上させることができる吸収冷凍機の溶液熱交換器が提案されている（特許文献２参照。）。この溶液熱交換器は、図８に示すように、薄板を連続的に折り曲げて形成された波形状の蛇腹状フィン６１の各フィン間にエキスパンドメタル、金網等の金属製の網状部材６２が充填されている。そして、網状部材６２が充填された蛇腹状フィン６１の端面にシールプレート６３ａ，６３ｂが接合される。
特開２００２−１６２１８７号公報 実開平５−７１６７７号公報

特許文献１の積層冷却器５０は、一般の強制冷却式の冷却器のように冷却器の冷媒流路に単なるフィンが設けられた構成の冷却器に比較して、冷媒流路を流れる冷媒が乱流を起こすため、冷媒による冷却効率が向上する。しかし、積層される中間プレート５１Ａ，５１Ｂに形成されるスリットがプレス加工による打ち抜きで形成されている。そのため、単にプレス加工を行っただけでは、スリットの周囲に発生したバリが、中間プレート５１Ａ，５１Ｂをろう付けする際に支障となる。そのため、各スリットの周囲に存在するバリを完全に除去しないと、ろう付けされた中間プレート５１Ａ，５１Ｂ間から冷却媒体が漏洩するという問題がある。また、スリットのように細長い孔が多数隣接して存在する中間プレート５１Ａ，５１Ｂをプレス加工で形成するのは難しく、例えば、スリットの幅が１ｍｍ程度以下の場合はより難しい。

また、特許文献２には、吸収冷凍機の溶液熱交換器に、エキスパンドメタルを利用することが開示されている。しかし、エキスパンドメタルは、蛇腹状フィン６１の各フィン間の間隔を一定に保つためと、各フィン間の流路で流体の乱流を起こすための網状部材６２として用いられている。そして、特許文献２には、エキスパンダメタルを積層して用いることや、特許文献１の積層冷却器に適用することを示唆する記載はない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電子部品を効率良く冷却することが可能で、製造時において冷媒の漏洩を防止するための処置に必要な工数を小さくすることができる冷却器及び電子機器を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、プレス加工を含む機械加工により多数の孔が所定間隔で形成された複数枚の金属板が、隣接する金属板に形成された前記孔の中心がずれる状態で積層されるとともに、隣接する金属板の重なり部分が接合されて構成された金属板接合体と、前記金属板接合体が収容されるとともに入口部及び出口部を備えた容器とを備えている。そして、前記金属板接合体はその少なくとも一面が前記容器に接合された状態で前記入口部及び前記出口部の間に前記孔が冷媒流路となるように収容されており、前記容器の前記金属板接合体が接合された面の外面に被冷却体を装着可能に構成されている。ここで、「金属板の重なり部分が接合される。」とは、金属板の重なり部分が単なる接触ではなく、ろう付け、半田付けあるいは熱間圧着等により、金属板の重なり部分に隙間が殆どない状態で接合されることを意味する。

この発明では、容器内に収容された金属板接合体により、複雑な流路が構成される。したがって、被冷却体が容器の外面に搭載された状態で使用されると、容器の入口部から供給された冷媒が出口部から出るまでに、被冷却体の冷却を、単純なフィンを備えた冷却器に比較して効率良く行うことができる。また、金属板接合体は、従来技術と異なりそれ自体が冷却器の外壁を構成する必要がないため、製造時において冷媒の漏洩を防止するための処置に必要な工数を小さくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記金属板接合体は、前記金属板としてエキスパンドメタルが使用されている。ここで、「エキスパンドメタル」とは金属板に細かい切れ目を交互に入れたものを引っ張り、金網状に広げたものを意味する。

金属板に多数の孔をパンチングで形成する場合は、孔の大きさが１ｍｍ程度より小さな場合は形成が難しくなる。しかし、この発明では、金属板としてエキスパンドメタルが使用されるため、パンチングの場合に比較して、小さな孔を容易に形成することができる。

請求項３に記載の発明の電子機器は、請求項１又は請求項２に記載の発明の冷却器を冷却部として備えている。この発明では、冷却を必要とする電子部品を備えた電子機器において、電子部品を効率良く冷却することができるとともに、請求項１又は請求項２のうち対応する構成の作用効果を奏する。

本発明によれば、電子部品を効率良く冷却することが可能で、製造時において冷媒の漏洩を防止するための処置に必要な工数を小さくすることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、冷却器１０は、有底四角箱状の本体１１ａと、本体１１ａの開口を覆う蓋体１１ｂとで構成された容器１１内に金属板接合体１２が収容されている。本体１１ａには長手方向の第１端部に入口部１３が、第２端部に出口部１４が形成されている。入口部１３及び出口部１４はパイプで形成されている。

金属板接合体１２は、多数の孔１５ａが所定間隔で形成された複数枚の金属板１５が、各金属板１５に形成された孔１５ａの中心がずれる状態で積層されるとともに、図１（ｃ）に示すように、各金属板１５の重なり部分が接合されて構成されている。この実施形態では、金属板１５にはエキスパンドメタルが使用されるとともに、図２（ｂ）に示すように、隣接する金属板１５は、孔１５ａが１／２ピッチずれた状態で各金属板１５の重なり部分がろう付けにより接合されている。なお、ろうは、図示を省略している。その結果、金属板接合体１２は、各金属板１５に形成された孔１５ａが、金属板１５の厚さ方向に単純に連続（連通）するのではなく、同じ金属板１５における隣の孔１５ａに連続（連通）することにより、金属板接合体１２全体に流路が複雑な形状で拡がった構成になっている。孔１５ａは、例えば、図２（ａ），（ｂ）に示すように、菱形状に形成されている。孔１５ａの大きさは、サブミリ〜ミリ程度、例えば、５００μｍ〜２ｍｍに形成されている。

この実施形態では、容器１１及び金属板１５はアルミニウム系金属製である。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。
金属板接合体１２は、金属板１５の積層方向の片側が、即ち金属板接合体１２の一方の外側に配置された金属板１５が、蓋体１１ｂにろう付けで接合されている。金属板接合体１２は、入口部１３が設けられた側壁と、出口部１４が設けられた側壁との間にそれぞれスペースＳが設けられ、かつ、幅方向の両側壁との間にはスペースを設けない状態となる大きさに形成されている。蓋体１１ｂは、本体１１ａとの間に図示しないシール部材が介在する状態で、ねじ１６により水密状態で固定されている。即ち、金属板接合体１２は、その一面が容器１１に接合された状態で入口部１３及び出口部１４の間に孔１５ａが冷媒流路となるように収容されている。この実施形態では、蓋体１１ｂの外面が被冷却体を装着（搭載）する搭載部１７になっている。即ち、容器１１の金属板接合体１２が接合された面の外面に被冷却体が装着可能に構成されている。

次に前記のように構成された冷却器１０の製造方法を説明する。本体１１ａ及び蓋体１１ｂは公知の方法により製造され、側壁の四隅部にねじ穴を備えた本体１１ａと、ねじ１６の挿通孔を四隅部に備えた蓋体１１ｂとが準備される。金属板接合体１２は、金属板１５として、一定の厚みを有するアルミニウム板の表面（片面）にろう材層を具備したブレージングシートに、エキスパンド加工を施して製造されたエキスパンドメタルを使用して形成される。複数枚の金属板１５を、隣接する金属板１５の孔１５ａの中心が１／２ピッチずれる状態で積層して、加圧状態で加熱してろう付けを行うことにより、各金属板１５の重なり部分が接合された金属板接合体１２が形成される。

次に金属板接合体１２が蓋体１１ｂの所定の位置にろう付けされる。ろう付けは、例えば、アルミ接合用ろう材層を蓋体１１ｂの所定位置に設け、金属板接合体１２の片側の金属板１５をそのろう材層に押圧した状態で加熱して金属板接合体１２を蓋体１１ｂにろう付けする。次に金属板接合体１２が接合された蓋体１１ｂを、本体１１ａとの間にシール部材を介在させた状態でねじ１６により締め付け固定すると冷却器１０が完成する。

前記のように構成された冷却器１０には、図３に示すように、蓋体１１ｂの外面の搭載部１７に冷却すべき被冷却体としての電子部品１８が搭載される。搭載部１７上には表面に金属回路１９を有するセラミック絶縁体としてのセラミック基板２０が金属層２１を介して一体化されている。セラミック基板２０は、搭載部１７上の金属板接合体１２と対応する位置に配置されている。電子部品１８は、金属回路１９に半田を介して接合（半田付け）されている。電子部品１８としては、例えば、インバータのスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオード等がある。即ち、冷却器１０の搭載部１７にセラミック基板２０等を介して電子部品１８が装着されて、冷却器１０を冷却部として備える電子機器２２が構成されている。

金属回路１９は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板２０は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。金属層２１は、セラミック基板２０と冷却器１０とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。

次に前記のように構成された冷却器１０の作用を説明する。冷却器１０は、図示しない冷却媒体循環路に対して入口部１３及び出口部１４において連結されて使用される。冷却媒体循環路にはポンプ及びラジエータが設けられている。冷却媒体（冷媒）として、例えば、水や不凍液の混合された水が使用される。

冷却器１０に搭載された電子部品１８が駆動されると、電子部品１８から熱が発生する。電子部品１８から発生した熱は、金属回路１９、セラミック基板２０、金属層２１及び搭載部１７を介して冷却器１０の蓋体１１ｂに伝導される。蓋体１１ｂに伝導された熱は、冷却器１０を流れる冷媒に伝導されるとともに持ち去られる。即ち、蓋体１１ｂは、本体１１ａを流れる冷媒によって強制冷却されるため、電子部品１８から冷却器１０に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、電子部品１８で発生した熱がセラミック基板２０等を介して効率良く除去される。本体１１ａの冷媒流路を通過する間に電子部品１８を冷却することで加熱された冷媒は、ポンプによりラジエータへ送られ、ラジエータで冷却された後、再び入口部１３から冷却器１０に供給されて電子部品１８の冷却に使用される。

入口部１３から容器１１の入口部１３側スペースＳ内に導入された冷媒は、金属板接合体１２を構成する積層された金属板１５の孔１５ａにより構成され、複雑な流路形状の冷媒流路を経て出口部１４側スペースＳに至り、出口部１４から排出される。略網状の金属板１５の重なり部がろう付けされることで形成された金属板接合体１２は、その一方の面において蓋体１１ｂにろう付けされているため、蓋体１１ｂから複雑な形状のフィンが本体１１ａ内に突出している状態と同じになる。そして、冷媒が金属板接合体１２を通過する際、冷媒が乱流状態で移動するため、蓋体１１ｂから熱量が効率良く除去され、電子部品１８が効率良く冷却される。

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）多数の孔１５ａが所定間隔で形成された複数枚の金属板１５が、隣接する金属板１５に形成された孔１５ａの中心がずれる状態で積層されるとともに、隣接する金属板１５の重なり部分が接合されて構成された金属板接合体１２と、金属板接合体１２が収容されるとともに入口部１３及び出口部１４を備えた容器１１とを備えている。そして、金属板接合体１２はその一面が容器１１に接合された状態で入口部１３及び出口部１４の間に孔１５ａが冷媒流路となるように収容されており、容器１１の金属板接合体１２が接合された面の外面に被冷却体を装着可能に構成されている。したがって、被冷却体（電子部品１８）が容器１１の外面に搭載された状態で使用されると、容器１１の入口部１３から供給された冷媒が出口部１４から出るまでに、電子部品１８の冷却を、単純なフィンを備えた冷却器に比較して効率良く行うことができる。また、金属板接合体１２は、従来技術と異なりそれ自体が冷却器１０の外壁を構成する必要がないため、製造時において冷媒の漏洩を防止するための処置に必要な工数を小さくすることができる。

（２）金属板接合体１２は、金属板１５としてエキスパンドメタルが使用されている。金属板１５に多数の孔１５ａをパンチングで形成する場合は、孔１５ａの大きさが１ｍｍ程度より小さな場合は形成が難しくなる。しかし、金属板１５としてエキスパンドメタルが使用されるため、パンチングの場合に比較して、小さな孔１５ａを容易に形成することができる。

（３）容器１１は、箱状の本体１１ａと、本体１１ａの開口を覆う蓋体１１ｂとで構成され、金属板接合体１２は蓋体１１ｂに接合されている。したがって、金属板接合体１２を有底箱状の本体１１ａの底部に接合するのに比較して金属板接合体１２を容易に接合することができる。

（４）金属板接合体１２は、金属板接合体１２の片側の金属板１５において蓋体１１ｂに接合されている。したがって、金属板接合体１２を金属板１５の端部において蓋体１１ｂに接合する構成に比較して接合が容易になるとともに、金属板１５の積層数が少なくて所定の大きさの金属板接合体１２を形成することができる。

（５）電子機器２２は、前記構成の冷却器１０を冷却部として備えている。したがって、冷却を必要とする電子部品１８を備えた電子機器２２において、電子部品１８を効率良く冷却することができるとともに、冷却器１０の製造が容易になる。

（６）金属板接合体１２を構成する金属板１５はアルミニウム系金属製である。したがって、金属板１５を鉄製や銅製にした場合に比較して軽量化を図ることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 金属板１５に設けられる孔１５ａの形状は、菱形に限らず、正方形や図４に示すような六角形（亀甲形）としてもよい。
○ 金属板接合体１２は、複数枚の金属板１５が、隣接する金属板１５に形成された孔１５ａの中心がずれる状態で積層されるとともに、隣接する金属板１５の重なり部分が接合されていればよく、孔１５ａのずれは１／２ピッチに限らない。例えば、孔１５ａのずれを１／３ピッチや１／４ピッチにしてもよい。

○ 金属板接合体１２を構成する金属板１５は、プレス加工を含む機械加工により多数の孔１５ａが所定間隔で形成されたものであればよく、金属板１５はエキスパンドメタルに限らず、孔１５ａをプレス加工で打ち抜いて形成した金属板１５であってもよい。しかし、エキスパンドメタルの方が小さな孔１５ａを容易に形成することができる。

○ 金属板１５はアルミニウム系金属製に限らず、プレス加工を含む機械加工により多数の孔１５ａが所定間隔で形成可能な金属であればよく、例えば、金属板１５を鉄製や銅製にしてもよい。金属板１５を銅製にした場合は、軽量化の点ではアルミニウム系金属製に劣るが、熱伝導性はアルミニウム系金属製の場合より優れる。

○ 冷却器１０の搭載部１７に電子部品１８を、セラミック基板２０等を介して搭載する場合、セラミック基板２０と蓋体１１ｂとの間に存在する金属層２１を省略して蓋体１１ｂに直接、セラミック基板２０が接合された構成としてもよい。

○ 冷却器１０の搭載部１７に電子部品１８を、セラミック基板２０等を介して搭載する場合、搭載部１７との間にグリース層を介在させて、セラミック基板２０等をねじにより搭載部１７に固定して搭載するようにしてもよい。

○ 電子機器２２として、図５に示すように、半導体装置等の電子部品２３が実装された金属基板２４を、蓋体１１ｂ上にねじ２５により固定してもよい。金属基板２４は、アルミニウム製のコア２４ａ上に樹脂製の絶縁層２４ｂが設けられるとともに、絶縁層２４ｂ上に図示しない回路パターンが形成され、パワー素子やチップ部品等が実装される。金属基板２４の裏面と蓋体１１ｂとの間に生じる微細な空隙を埋め、熱伝導性を確保するために、両者間にシリコーングリース２６が塗布される。

○ 容器１１に設けられる入口部１３及び出口部１４の位置は、容器１１の長手方向の両側の側壁の中央に限らない。例えば、容器１１のほぼ対角線上に位置するように設けたり、一方を底壁に設け他方を蓋体１１ｂに設けたりしてもよい。

○ 金属板接合体１２と本体１１ａとの間のスペースＳを省略して、金属板接合体１２が本体１１ａの内面に当接する状態で設けてもよい。金属板接合体１２は、積層された金属板１５の孔１５ａにより、どの方向にも冷媒が通過可能な経路が存在するため、スペースＳを設けなくても、入口部１３から本体１１ａに導入された冷媒は本体１１ａ全体に拡がるように流れる。

○ 金属板接合体１２は、金属板接合体１２の片側の金属板１５において蓋体１１ｂに接合される構成に限らず、金属板接合体１２を金属板１５の端部において蓋体１１ｂに接合する構成としてもよい。しかし、この場合、金属板１５の積層数を多くする必要がある。

○ 金属板接合体１２は、その少なくとも一面が容器１１に接合された状態で入口部１３及び出口部１４の間に孔１５ａが冷媒流路となるように収容されていればよく、蓋体１１ｂの裏面に接合される構成に限らない。例えば、金属板接合体１２を本体１１ａの底壁に接合したり、本体１１ａの側壁に接合したりしてもよい。それらの場合、容器１１の金属板接合体１２が接合された面の外面に被冷却体が装着される。

○ 蓋体１１ｂを本体１１ａにねじ１６で締め付け固定する代わりに、溶接やろう付けで密閉状態に接合してもよい。この場合、本体１１ａと蓋体１１ｂとの間にシール部材を介在させる必要はない。

○ 容器１１は、本体１１ａ及び蓋体１１ｂの両者を金属製にする必要はない。例えば、金属板接合体１２が蓋体１１ｂに接合された構成の場合、本体１１ａを樹脂製や繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製にしてもよい。そして、蓋体１１ｂを本体１１ａにねじ１６で締結するため、本体１１ａにはねじ穴を形成する金属部材がインサート成形により一体成形されたものを使用する。この場合、本体１１ａの熱伝導性が低くなるため、使用環境が冷媒の温度より高い温度環境において本体１１ａが金属製の場合に比較して有利となる。

○ 本体１１ａの開口側外周縁にフランジ部を設けるとともに、そのフランジ部に挿通孔を形成し、蓋体１１ｂの挿通孔と本体１１ａの挿通孔とを一致させた状態でボルト及びナットで本体１１ａと蓋体１１ｂとを締め付け固定してもよい。

○ 金属板１５同士、あるいは金属板接合体１２と蓋体１１ｂとを半田で接合してもよい。ただし、その半田には、溶融温度が、電子部品１８を半田で金属回路１９に接合する際に、冷却器１０や金属板接合体１２に加わる温度より高い半田を使用する必要がある。この場合、各金属板１５の重なり部同士や金属板接合体１２と蓋体１１ｂとの接合部に半田ペーストを塗布した状態で加熱することにより、ろう付けより簡単に金属板１５同士あるいは蓋体１１ｂと金属板接合体１２とを接合することができる。

○ 金属板１５同士を接合する前に、所定の枚数を積層した状態でプレス加工により直方体（四角柱）以外の形状に変形させた後、接合して金属板接合体１２を形成してもよい。この場合、金属板接合体１２の形状、即ち冷媒流路全体としての形状を直方体以外の形状に変更することができ、冷却器１０の形状を設置箇所のスペースに合わせた形状にすることができる。例えば、直方体以外の四角柱や、三角柱あるいは五角柱等の多角柱や、直方体の一部が切り欠かれた角柱状や、円柱状や半円柱状、楕円柱状等にしてもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記容器は箱状の本体と、前記本体の開口を覆う金属製の蓋体とで構成され、前記金属板接合体は前記蓋体の裏面に接合されている。

（２）前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記蓋体は締結具（ねじ、ボルト及びナット）により前記本体に締め付け固定されている。
（３）前記技術的思想（１），（２）に記載の発明において、前記本体は樹脂又は繊維強化樹脂で形成されている。

（ａ）は一実施形態の冷却器の模式斜視図、（ｂ）は入口部及び出口部を含む縦断面による模式断面図、（ｃ）は金属板の重なり部分と対応する位置で切断した模式断面図。 （ａ）は金属板の模式斜視図、（ｂ）は金属板の重なり状態を示す模式平面図。 電子機器の模式断面図。 別の実施形態の金属板の模式平面図。 別の実施形態の電子機器の模式断面図。 従来技術の模式斜視図。 （ａ），（ｂ）は従来技術の中間プレートを示す平面図。 別の従来技術の分解斜視図。

符号の説明

１０…冷却器、１１…容器、１２…金属板接合体、１３…入口部、１４…出口部、１５…金属板、１５ａ…孔。

Claims (3)

1. プレス加工を含む機械加工により多数の孔が所定間隔で形成された複数枚の金属板が、隣接する金属板に形成された前記孔の中心がずれる状態で積層されるとともに、隣接する金属板の重なり部分が接合されて構成された金属板接合体と、
   前記金属板接合体が収容されるとともに入口部及び出口部を備えた容器とを備え、
   前記金属板接合体はその少なくとも一面が前記容器に接合された状態で前記入口部及び前記出口部の間に前記孔が冷媒流路となるように収容されており、前記容器の前記金属板接合体が接合された面の外面に被冷却体を装着可能に構成されていることを特徴とする冷却器。
2. 前記金属板接合体は、前記金属板としてエキスパンドメタルが使用されている請求項１に記載の冷却器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の冷却器を冷却部として備えていることを特徴とする電子機器。

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