JP2011017516A - プレート積層型冷却装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能の向上を図ることができるプレート積層型冷却装置を提供すること。
【解決手段】流路の対向する２つの側面を形成するスリット状の長孔２１が穿孔された放熱プレート１３と、この放熱プレート１３を挟むように積層方向上下に重ねられ流路の上面および下面を形成する上部プレート１２及び下部プレート１４と、流路の始端に接続されて冷媒を流路に流入する流入パイプ１５と、流路の終端に接続されて冷媒を流路から流出する流出パイプ１６とを備え、発熱体１１を上部プレート１２或いは下部プレート１４当接させるプレート積層型冷却装置において、長孔２１の側面に凹凸が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スリット状の長孔が穿孔された放熱プレートの積層方向上下に上部プレート及び下部プレートを重ねて冷媒の流路を形成するプレート積層型冷却装置及びその製造方法に関するものである。

ＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータ等の電子機器・パワー半導体などの被冷却体の冷却に使用する冷却装置として、プレート積層型冷却装置が従来知られている。このプレート積層型冷却装置は、矩形断面の流路の対向する２つの側面を形成するスリット状の長孔が穿孔された放熱プレートを所定枚数積層し、これを挟むようにして、流路の上面および下面を形成する一対の端部プレート（上部プレート及び下部プレート）を、積層方向上下に重ね、さらに冷媒を流路に流入する流入手段を流路の始端側に設け、冷媒を流路から流出する流出手段を流路の終端側に設けたものであり、上記被冷却体を端部プレートに当接させて配置し、流路に冷媒を流通させることで、上記被冷却体を冷却する。

このような構成のプレート積層型冷却装置においては、直線スリット状の長孔が穿孔された放熱プレートを用いて熱交換部分の流路を形成するので、小型で精密な冷却装置を比較的容易に作製することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−１０５５９２号公報

しかしながら、上記従来のプレート積層型冷却装置によれば冷却性能が十分でなく、冷却性能を向上させるべく、更なる改善が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを増加させることなく、冷却性能の向上を図ることができるプレート積層型冷却装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のプレート積層型冷却装置は、矩形断面の流路の対向する２つの側面を形成するスリット状の長孔が穿孔された少なくとも１枚の放熱プレートと、この放熱プレートを挟むように積層方向上下に重ねられ、流路の上面および下面を形成することにより、放熱プレートと協同して流路を形成する一対の端部プレートと、流路の始端に接続されて冷媒を流路に流入する流入手段と、流路の終端に接続されて冷媒を流路から流出する流出手段とを備えている。そして、被冷却体を端部プレートに当接させて配置し、流路に冷媒を流通させることで上記被冷却体を冷却する。そして、長孔の側面には、冷媒の流通方向に沿う移動に対して流通方向と直交する方向に出入りするような凹凸が形成されていることを特徴とする。

また、本発明のプレート積層型冷却装置の製造方法は、流路の側面を形成するスリット状の長孔が穿孔された少なくとも１枚の放熱プレートに、流路の上面および下面を形成するとともに被冷却体を当接させる一対の端部プレートを、挟むようにして積層方向上下に重ね、冷媒を流路に流入する流入手段を流路の始端に接続し、冷媒を流路から流出する流出手段を流路の終端に接続するプレート積層型冷却装置の作製方法において、放熱プレートの長孔を形成する際に、長孔の側面に凹凸を形成することを特徴とする。

本発明によれば、冷媒の流路に凹凸が形成されているので、伝熱面積が拡大し、冷却性能が向上する。また、冷媒が凸部に衝突しながら流れるため、衝突噴流による冷却性能の向上も図れるという効果を奏する。また、用途に応じて放熱プレートの枚数を調整することができるという効果も奏する。

図１は、実施の形態１のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。 図２は、実施の形態１のプレート積層型冷却装置の平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 図４は、実施の形態１の熱交換流体の流れを示す放熱プレートの積層体の平面図である。 図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。 図６は、実施の形態２のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す放熱プレートの平面図である。 図７は、実施の形態２の流路形状の他の例を示す放熱プレートの平面図である。 図８は、実施の形態３のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す図である。 図９は、実施の形態４のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す図である。 図１０は、実施の形態５のプレート積層型冷却装置の放熱プレートの積層体の平面図である。 図１１は、図１０のＣ−Ｃ線に沿う矢視断面図である。 図１２は、実施の形態６のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。 図１３は、実施の形態６のプレート積層型冷却装置の平面図である。 図１４は、図１３のＤ−Ｄ線に沿う矢視断面図である。 図１５は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の斜視図である。 図１６は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。 図１７は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の平面図である。 図１８は、図１７のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図である。 図１９は、実施の形態８のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の斜視図である。 図２０は、実施の形態８のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。 図２１は、流路側面に凹凸がある場合とない場合との冷却性能を比較したグラフの図である。

以下に、本発明にかかるプレート積層型冷却装置及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。図２は、実施の形態１のプレート積層型冷却装置の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図４は、実施の形態１の熱交換流体の流れを示す放熱プレートの積層体の平面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。なお、図３及び図４中の矢印は冷媒の流れを示している。

プレート積層型冷却装置は、冷媒流路を形成するスリット状の長孔２１が穿孔された３枚の放熱プレート１３と、さらに放熱プレート１３に重ねられた一対の端部プレート（上部プレート１２及び下部プレート１４）と、冷媒流路の始端に接続されて冷媒を冷媒流路に流入する流入パイプ（流入手段）１５と、冷媒流路の始端に接続されて冷媒を冷媒流路から流出する流出パイプ（流出手段）１６とを備えている。

３枚の放熱プレート１３は、銅、アルミ及び鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製され、各々長方形の平板状を成し、長手方向ほぼ全長にわたって多数のスリット状の長孔２１が概略平行に穿孔されている。３枚の放熱プレート１３は、積層されて積層体を構成する。このとき、放熱プレート１３の長孔２１は位置が一致し、図５に示すように積層方向に連通する。なお、放熱プレート１３の長孔２１の加工方法としては、プレス加工、レーザーカット加工、エッチング加工等がある。

上部プレート１２及び下部プレート１４は、放熱プレート１３と同様に銅、アルミ、鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製され、放熱プレート１３と同じ大きさの平板状を成し、上記積層体を挟むようにして積層方向上下に重ねられている。そして、上部プレート１２及び下部プレート１４は、放熱プレート１３と協同して流路を形成する。つまり、３枚の放熱プレート１３に穿孔されたスリット状の長孔２１が矩形断面の流路の対向する２つの側面を構成し、上部プレート１２が流路の上面を構成し、下部プレート１４が流路の下面を構成する。なお、ここで言う上下とは積層方向の上下であって鉛直方向の上下ではない。このようにして積層された放熱プレート１３、上部プレート１２及び下部プレート１４は、ロウ付けあるいはハンダ付けにより、水密状態に接合される。

そして、本実施の形態のプレート積層型冷却装置においては、長孔２１の側面に、冷媒の流通方向に沿う移動に対して流通方向（流通軸線）と直交する方向に出入りするような凹凸２１ａが形成されている。凹凸２１ａは、断面形状が連続する複数の三角形の凹凸であり、対向する両側面に概ね同じ形状で形成され、両者間に形成される流路幅がほぼ一定となるように相互にピッチを一致させ流路幅だけ離れて相互に組み合っている。

下部プレート１４の端部には、長孔２１によって形成された複数の流路をまとめて流入パイプ１５に連通する連通口１４ａが形成されている。また、下部プレート１４の反対側の端部には、複数の流路をまとめて流出パイプ１６に連通する連通口１４ｂが形成されている。

このように構成されたプレート積層型冷却装置は、ＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータ等の電子機器・パワー半導体などの発熱体１１を被冷却体として上部プレート１２及び下部プレート１４に当接させて配置し、流入パイプ１５から流入する冷媒を長孔２１に流通させることで発熱体１１と熱交換させ、発熱体１１を冷却する。なお、適用できる冷媒は、水、不凍液、ＬＬＣ（ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｃｏｏｌａｎｔ）、潤滑油などの各種冷却液、空気、水素等の気体などである。

発明者等は、本実施の形態のプレート積層型冷却装置において、三角形の凹凸２１ａがある場合とない場合とで冷却性能を比較する実験を行った。図２１は、その結果を示すグラフの図である。図２１では、放熱プレート１３内部における流速を横軸に、三角形の凹凸２１ａがない場合に対する冷却性能の向上比を縦軸にとっている。本実施の形態の三角形の凹凸２１ａによる冷却性能の向上は、２．５倍程度であった。

以上のように、本実施の形態のプレート積層型冷却装置においては、冷媒の流通方向に沿う移動に対して流通方向と直交する方向に出入りするような凹凸２１ａが形成されているので、伝熱面積が拡大し、冷却性能が向上する。また、冷媒が凸部に衝突しながら流れるため、衝突噴流による冷却性能の向上効果もある。

また、凹凸２１ａは、断面形状が連続する複数の三角形の凹凸であるので、加工が比較的容易である。また、三角形の凹凸は、対向する両側面に概ね同じ形状で形成され、両者間に形成される流路幅がほぼ一定となるように相互にピッチを一致させ所定距離離れて相互に組み合っているので、流路幅が急激に変化することがなく圧力損失は抑制される。

なお、本実施の形態の凹凸２１ａは、複数の断面三角形の凹凸であるが、凹凸は少なくとも１つ設ければ、それに応じた効果を得ることができる。また、長孔２１が穿孔された放熱プレート１３は、３枚が積層されているが、少なくとも１枚設ければ、流路は小さくなるがそれに応じた能力を得ることができる。積層する放熱プレートの枚数は、用途に応じて変更することができる。さらに、放熱プレート１３に形成されたスリット状の長孔２１は、多数本が全面にわたって形成されているが、少なくとも１本形成すれば、流路は小さくなるがそれに応じた能力を得ることができる。

また、冷媒流路の始端に接続されて冷媒を冷媒流路に流入する流入手段、及び冷媒流路の始端に接続されて冷媒を冷媒流路から流出する流出手段は、流入パイプ１５及び流出パイプ１６に限らず他の構造であってもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す放熱プレートの平面図である。図７は、実施の形態２の流路形状の他の例を示す放熱プレートの平面図である。図６に示すように、長孔２２の側面には、連続する複数の断面三角形の凹凸２２ａが片側の壁面のみに形成されている。また、図７に示すように、長孔２３の側面には、連続する複数の断面三角形の凹凸２３ａが片側の壁面のみに形成されている。

このような構成のプレート積層型冷却装置においては、実施の形態１のものと比較して伝熱面積拡大の点で若干劣るが概略同様の効果が得られるほか、凹凸２２ａ，２３ａが片側の壁面のみに形成されているので、凹凸の加工作業が半分にカットされ、コストダウンを図ることができる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す図である。本実施の形態のプレート積層型冷却装置の長孔２５においては、冷媒の流通方向に沿う移動に対して流通方向と直交する方向に出入りするような凹凸２５ａが形成されているので、上記実施の形態と同様に伝熱面積が拡大し冷却性能が向上する。

さらに、凹凸２５ａは、断面形状が連続する複数の台形の凹凸であるので、冷媒が角部に衝突した際の衝突噴流が大きく、これにより冷却性能がさらに向上する。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４のプレート積層型冷却装置の流路形状を示す図である。本実施の形態のプレート積層型冷却装置の長孔２６においては、冷媒の流通方向に沿う移動に対して流通方向と直交する方向に出入りするような凹凸２６ａが形成されているので、上記実施の形態と同様に伝熱面積が拡大し冷却性能が向上する。

さらに、凹凸２６ａは、断面形状において凹向きの凸向きの円弧が交互に滑らかに連続する波状の凹凸であるので、流路形状が滑らかに変化し、圧力損失を良好に抑制することができる。

なお、放熱プレート１３の長孔の凹凸は、上記実施の形態の三角形、台形、円弧のほかに、不等辺三角形、放物線形、短形、多角形、円形、楕円形、流線形、及び正弦波形などでもよい。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５のプレート積層型冷却装置の放熱プレートの積層体の平面図である。図１１は、図１０のＣ−Ｃ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態のプレート積層型冷却装置の積層体は、実施の形態１と同様に３枚の放熱プレート１３が積層されてなるが、中央の放熱プレート１３に形成された長孔２７は、上下に重なる放熱プレート１３の長孔２１に対して冷媒の流通方向と直交する方向（放熱プレート１３の短手方向）にずれている。なお、そのずれ量は、長孔２１の幅以下の大きさである。そのため、長孔２１と長孔２７とは、ずれた状態で連通している。

このように、本実施の形態のプレート積層型冷却装置においては、放熱プレート１３は複数枚が積層され、積層方向に隣接する２枚の放熱プレート１３は、互いに穿孔された長孔２１，２７が、冷媒の流通方向と直交する方向にずれて連通するように形成されている。そのため、流路の断面が長方形ではなくカギ形となり、伝熱面積が広がるので、更に冷却性能が向上する。

実施の形態６．
図１２は、実施の形態６のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。図１３は、実施の形態６のプレート積層型冷却装置の平面図である。図１４は、図１３のＤ−Ｄ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態のプレート積層型冷却装置においては、３枚の放熱プレート１３が積層されてなる２つの積層体の間に中間プレート１９が配設されている。中間プレート１９の一方の端部に流通口１９ａが開口している。流通口１９ａは、上下の積層体の流路を連通する。下部プレート１４には、連通口１４ａのみが形成されている。一方、上部プレート１２の端部には、長孔２１によって形成された複数の流路をまとめて流出パイプ１６に連通する連通口１２ａが形成されている。これにより、図１４に示すように積層体の端部で折り返す流路が形成される。

このように本実施の形態のプレート積層型冷却装置においては、積層方向に隣接する放熱プレート１３間に、流路を積層方向上下に仕切るとともに端部に開口する流通口１９ａにて仕切った２つの流路を折り返すように連通する中間プレート１９を備えているので、流路長さを２倍に伸ばすことができ、伝熱面積が広がるので、更に冷却性能が向上する。また、上下に配置された２つの発熱体を各々効率よく冷却することができる。なお、図１４に示した流れの向きは逆向きでもよい。

実施の形態７．
図１５は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の斜視図である。図１６は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。図１７は、実施の形態７のプレート積層型冷却装置の平面図である。図１８は、図１７のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態においては、実施の形態１と同様な放熱プレート１３と、パイプ１５，１６（短辺）側の縁１３ａが内側に移動している第２の放熱プレート１３Ｂとを交互に組み合わせて積層する。これにより、図１８に示すように、第２の放熱プレート１３Ｂの縁１３ａが冷媒の障害を構成する凸部となって、流路内壁面に積層方向に出入りする凹凸を形成する。これにより、伝熱面積が広がるので冷却性能が向上する。また、冷媒が障害を構成する凸部に衝突しながら流れるため、衝突噴流により冷却性能がさらに向上する。なお、本実施の形態によれば、第２の放熱プレート１３Ｂの縁１３ａにより冷媒の障害が構成されているが、冷媒の障害は、例えば、長孔２１が長さ方向に断続的に形成されることにより設けられてもよい。本実施の形態の構成は、上記実施の形態１乃至６の構成と組み合わせて構成することができる。

実施の形態８．
図１９は、実施の形態８のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の斜視図である。図２０は、実施の形態８のプレート積層型冷却装置の全体を示す概略の分解斜視図である。本実施の形態においては、実施の形態１と同様の放熱プレート１３と、第３の放熱プレート１３Ｃとを交互に組み合わせて積層する。放熱プレート１３Ｃには、実施の形態７の放熱プレート１３Ｂの特徴に加えて、パイプ１５，１６（短辺）側の縁部に短手方向に延びる集束長孔１３ｂが形成されている。この集束長孔１３ｂは、長手方向に延びる複数の長孔２１を連通して積層体の側部まで引き出す。そのため、流入パイプ１５及び流出パイプ１６の接続箇所を他の部品と干渉しない積層体の側面とすることができる。なお、本実施の形態の構成は、上記実施の形態１乃至６の構成と組み合わせて構成することができる。

以上のように、本発明にかかるプレート積層型冷却装置は、スリット状の長孔が穿孔された放熱プレートの積層方向上下に上部プレート及び下部プレートを重ねて冷媒の流路を形成するプレート積層型の冷却装置に適用されて有用である。

１１ 発熱体（被冷却体）
１２ 上部プレート（端部プレート）
１２ａ 連通口
１３ 放熱プレート
１３ａ 放熱プレートの縁
１３ｂ 集束長孔
１３Ｂ 第２の放熱プレート
１３Ｃ 第３の放熱プレート
１４ 下部プレート（端部プレート）
１４ａ，１４ｂ 連通口
１５ 流入パイプ（流入手段）
１６ 流出パイプ（流出手段）
１９ 中間プレート
２１〜２７ スリット状の長孔
２１ａ〜２６ａ 凹凸

Claims (10)

1. 流路の対向する２つの側面を形成するスリット状の長孔が穿孔された少なくとも１枚の放熱プレートと、
   前記放熱プレートを挟むように積層方向上下に重ねられ前記流路の上面および下面を形成する一対の端部プレートと、
   前記流路の始端に接続されて冷媒を前記流路に流入する流入手段と、
   前記流路の終端に接続されて冷媒を前記流路から流出する流出手段とを備え、
   被冷却体を前記一対の端部プレートの少なくとも一方に当接させるプレート積層型冷却装置において、
   前記長孔の側面に凹凸が形成されている
   ことを特徴とするプレート積層型冷却装置。
2. 前記長孔の側面に形成された凹凸は、断面形状が三角形又は台形である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレート積層型冷却装置。
3. 前記長孔の側面に形成された凹凸は、断面形状が円弧又は滑らかな曲線である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレート積層型冷却装置。
4. 前記長孔の側面に形成された凹凸は、対向する２つの側面の一方のみに形成されている ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
5. 前記長孔の側面に形成された凹凸は、対向する２つの側面に概ね同じ形状で形成され、両者間に形成される流路幅がほぼ一定となるように前記流路幅離れて相互に組み合っていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
6. 前記放熱プレートは複数枚が積層され、積層方向に隣接する２枚の前記放熱プレートには、互いに穿孔された前記長孔が、冷媒の流通方向と直交する方向にずれて連通するように形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
7. 前記放熱プレートは複数枚が積層され、積層方向に隣接する前記放熱プレート間に、前記流路を積層方向上下に仕切るとともに端部に開口する流通口にて前記仕切った２つの流路を折り返すように連通する中間プレートをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
8. 前記放熱プレートと、前記流路の冷媒の流通方向に障害を有する第２の放熱プレートとが交互に重ねて積層されている
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
9. 前記放熱プレートと、前記放熱プレートに形成された複数の前記長孔を連通する集束長孔が端部に形成された第３の放熱プレートとが交互に重ねて積層されている
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のプレート積層型冷却装置。
10. 流路の側面を形成するスリット状の長孔が穿孔された少なくとも１枚の放熱プレートに、前記流路の上面および下面を形成するとともに被冷却体を当接させる一対の端部プレートを、挟むようにして積層方向上下に重ね、冷媒を前記流路に流入する流入手段を前記流路の始端に接続し、冷媒を前記流路から流出する流出手段を前記流路の終端に接続するプレート積層型冷却装置の作製方法において、
    前記放熱プレートの前記長孔を形成する際に、前記長孔の側面に凹凸を形成する
    ことを特徴とするプレート積層型冷却装置の製造方法。

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