JP2011153785A - 冷却板の製造方法、冷却板、電子機器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却板における流路の構造に関する設計の自由度を高くして冷却性能を向上でき、更に、冷却板から被冷却体以外との接触部分からの熱交換を防いで本来の熱交換の性能を維持できる技術を提供する。
【解決手段】プレス加工により第一の金属板（２）の接合面側に冷却流路となる溝（２０）を設け、第二の金属板（１）を前記第一の金属板の前記溝に蓋をするよう重ね合わせ、前記第二の金属板を前記第一の金属板の前記溝の周囲の平面部にて前記第一の金属板と接合し、前記第一の金属板の前記溝によって接合面の反対側に形成された凸部を収容する凹部を有する樹脂製の補強板（３）に前記第一の金属板を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品や電子機器等の冷却（放熱）の技術に関し、特に、サーバーなどの電子計算機器に搭載される電子回路基板や、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に搭載されるディスプレイパネル等の冷却に用いる冷却板（コールドプレート）及びその製造方法等に関する。

近年、高密度に実装された電子基板や高発熱部品の冷却方式として、ファン等の強制的な冷却風による冷却構造（強制空冷方式）が代表的なものとして用いられている。しかしながら、強制空冷方式でも冷却仕様を満足できない場合や、機器の構造上あるいは性質上などの理由から、強制空冷ができない場合もある。このような場合には、冷却板（コールドプレート）のような熱交換器による冷却構造が採用されている。

冷却板は、電子回路基板やパネルなどの被冷却体に接触させて用いられ、被冷却体に接触させた冷却板の内部もしくは表面には、配管が埋め込まれている。この配管内には、空気などの気体よりも熱伝導性が高い冷却液が流される。被冷却体からの熱を、上記冷却板と冷却液を介して熱交換する。

一般的に冷却板の材質としては、加工性や熱伝導性から、銅やアルミなどの金属材料が採用されており、また、配管についても同じく、銅やアルミ、ステンレスなどのパイプ材などが採用されている。

また冷却板の別の特徴として、上述のように金属材料が使われていることから、電子回路基板やＦＰＤなどの被冷却体を補強することも機能の一つであることが多い。

上記配管を持つ冷却板に係わる先行技術例として、実開平２−２６２８９号公報（特許文献１）、特開平６−３０４７３９号公報（特許文献２）、特開平７−２２７６３４号公報（特許文献３）、特開２００２−１５６１９５号公報（特許文献４）、特開２００８−３０７５５２号公報（特許文献５）などがある。これらはいずれも、冷却板内に配管を設ける技術である。

また、特開２００６−３３６９４２号公報（特許文献６）には、冷却板において、凹部となる溝を設けた金属板と、凸部を設けた金属板との嵌合により、冷却水の溝を形成する技術が記載されている。

実開平２−２６２８９号公報 特開平６−３０４７３９号公報 特開平７−２２７６３４号公報 特開２００２−１５６１９５号公報 特開２００８−３０７５５２号公報 特開２００６−３３６９４２号公報

前記冷却板における配管による冷却液の流路構造では、配管を曲げて流路方向を変更する必要あるが、配管の持つ許容曲げ半径以下では曲げることができない。また、上記の配管は、曲げはできるが、途中で分岐はできない。このため、冷却板において配管を通せる箇所には制限がある。また、配管の内部は均一な流路断面積となっているため、局所的に流量を増やすといった、配管内を流れる冷却液の流量コントロールは難しい。上記のように、冷却板における配管による流路の構造や配置、流量などに制約がある。

上記制約から、被冷却体に接触させる冷却板の面において、冷却性能の偏りが生じる。被冷却体側も、例えば回路基板の面において高発熱体のプロセッサ等が配置されている箇所とそうでない箇所とが存在している等、熱の分布に偏りがあることが多い。そのため、上記被冷却体側の構造と冷却板側の構造との組み合わせに応じて、全体的な冷却性能が低くなってしまう場合がある。被冷却体の熱の分布に対応して、冷却板の構造（配管の配置や流量コントロール等）による効率的な冷却ができれば望ましいが、従来はできていない。

また、被冷却体と冷却板を搭載する電子機器等においては、前述のように補強性能を持たせる場合などを含め、冷却板を所定の箇所に保持・固定する必要がある。そのために、冷却板には、被冷却体以外の構造部品等と接触（接続）する部分が必要となる。例えば、冷却板に、機器の筐体の所定の箇所（取り付け部）に接触（接続）する部分を要する。しかしその接触部分からも熱交換が行われてしまうため、冷却板の本来の目的である被冷却体の熱交換量（即ち冷却性能）を損なうという欠点があった。

なお、前記特許文献６の技術では、金属板に溝を設けるので、配管を設ける必要は無いが、溝を設けるために切削工程などを要し、製造コストが大きいという欠点がある。

本発明の主な目的は、冷却板における流路の構造・配置・流量コントロール等に関する設計の自由度を高くすることにより冷却性能を向上できる技術を提供することである。更に、冷却板において被冷却体以外と接触する場合に、冷却板から被冷却体以外（例えば筐体）との接触部分からの熱交換（熱流入出）を防ぐ又は低減することにより、本来の熱交換の性能（冷却性能）を維持又は向上できる技術を提供することである。

本発明は、一対の金属板を接合して冷却流路を形成する冷却板の製造方法において、プレス加工により第一の金属板の接合面側に冷却流路となる溝を設け、第二の金属板を前記第一の金属板の前記溝に蓋をするよう重ね合わせ、前記第二の金属板を前記第一の金属板の前記溝の周囲の平面部にて前記第一の金属板と接合し、前記第一の金属板の前記溝によって接合面の反対側に形成された凸部を収容する凹部を有する樹脂製の補強板に前記第一の金属板を固定することを特徴とする。

本発明によれば、冷却板における流路の構造・配置・流量コントロール等に関する設計の自由度を高くすること（特に被冷却体の構造に応じた設計を可能とすること）により冷却性能を向上できる。例えば、流路（冷却液）の位置（有無）、曲げ、分岐、断面積、流量等が、１つの流路構造体内で柔軟に設計可能である。特に、流路の断面積などが調整可能により各流路部での流量コントロール等が可能である。特に、被冷却体における熱の分布などに応じた、冷却板における流量コントロール等による冷却性能の設計が可能である。

更に、本発明によれば、冷却板において被冷却体以外と接触する場合に、冷却板から被冷却体以外（例えば筐体）との接触部分からの熱交換（熱流入出）を防ぐ又は低減することができる。

本発明の一実施の形態の冷却板の分解構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の冷却板の完成状態の外観、及び内部の流路の構造を透過的に示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の冷却板の溝板における溝（凹部）の構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の冷却板、被冷却体、及び製品の筐体における、接続前における各要素の関係を示す断面図である。 本発明の一実施の形態の冷却板、被冷却体、及び製品の筐体における、接続後における各要素の関係を示す断面図であり、特に補強板の構造に関する第１の例を示す。 本発明の一実施の形態の冷却板、被冷却体、及び製品の筐体における、接続後における各要素の関係を示す断面図であり、特に補強板の構造に関する第２の例を示す。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の一実施の形態の冷却板１００の分解構造を示している。冷却板１００は、本実施の形態の冷却板製造方法によって製造される。

冷却板１００は、熱伝導板１、溝板２、補強板３、流入管６１及び流出管６２、ろう材７、等から構成される。熱伝導板１と溝板２を接合して成る基板を、流路板４と称する。

熱伝導板１は、銅合金などの金属板から成り、被冷却体２００の形状に対応して例えば平板である。

溝板２は、銅合金などの平らな金属板に対するプレス加工（プレス成形）により、溝２０が形成される。溝２０の形状等は予め自由に設計が可能となっている。

流入管６１及び流出管６２は、流路板４における流路（溝２０）に流す冷却液を冷却板１００へ送り込む管部（取り入れ口）及び送り出す管部（吐き出し口）となる。なお冷却板１００における溝２０（流路）の開口部だけで冷却液の流入及び流出の機能が十分な場合には、流入管６１及び流出管６２の具備を不要としてもよい。

ろう材７は、熱伝導板１、溝板２、流入管６１及び流出管６２などの要素を接合するための接合部材である。ろう材７は、例えば図示のように、熱伝導板１と溝板２との間において、溝板２の溝２０や取り付け用の逃げ穴（非図示）など、熱伝導板１と溝板２とが接触しない部分をくり貫いた形状のシート状のものである。なおこれに限らず例えば接着剤の塗布などで代えてもよい。

補強板３は、溝板２よりも低い熱伝導性を有する樹脂製などによる構造体であり、補強機能として、所定の剛性や弾力性を持つ。また、補強板３は、溝板２との接合のために、溝板２の溝２０の形状に応じた凹凸形状などを有する。また、補強板３は、被冷却体２００及び流路板４や、被冷却体２００以外の固定物（例えば製品の筐体の内部の取り付け部）へ接続・固定し補強するための構造部を有する（後述）。

製造時には、熱伝導板１と溝板２との間、冷却液の取り入れ口及び吐き出し口に、流入管６１及び流出管６２が置かれる。また、熱伝導板１と溝板２との間、溝２０以外の位置に対応した形状のろう材７を挟んだ状態で、加熱炉に入れて加熱させる。これにより、溝板２と流入管６１及び流出管６２は、熱伝導板１と接合され、流路板４が完成する。溝板２の溝２０は、その上部に熱伝導板１の面によって蓋がされる形になり、これにより、流路板４の内部の管路４０となる。

図２は冷却板１００の完成状態を示している。冷却板１００も、被冷却体２００の概略平面板形状に対応して、概略平面板形状である。

溝板２は、プレス成形などにより、連続した溝２０を持つ。流路板４の内部において、流入管６１（入口）から流出管６２（出口）まで連続した冷却液の管路４０が形成されている。流入管６１から流入する冷却液は、熱伝導板１と熱交換を行うためのこの管路４０を通り、流出管６２へと流れ出る。

図３は溝板２における溝２０の構造を示す斜視図である。入口側の溝２０ａから、溝２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆへ分岐し、これらが出口側の溝２０ｇで合流する、という配置構造である。各流路部の位置や数などは自由に設計可能である。また例えば溝２０ｃは、他の溝に比べて流路の断面積（幅や深さなど）が大きい。このように流路部の配置や断面積などによって流量のコントロールが可能である。また溝２０ｄのように、流路を途中で曲げることが可能である。

流路板４内部の管路４０における各流路部の位置や流量などは、プレス成形などによってかたち作られる溝２０によって決定ができるため、従来のチューブ配管による冷却板の管路と比較して、自由に管路を作ることができる。

溝板２の溝２０による流路の設計は、例えばコンピュータのソフトウェアで流量のシミュレーション等に基づいて可能である。

図４は、冷却板１００、被冷却体２００、及びそれらを搭載する電子機器等の筐体３００の接続前における関係の概要を示している。また、図５は、その接続後における概要であり、特に補強板３の構造に関する第１の例を示している。

被冷却体は、概略平らな回路基板２００の場合であり、対応して、熱伝導板１も平らである。これに限らず、被冷却体（回路基板２００）の形状に応じて、熱伝導板１及び溝板２等は、例えば凹凸形状としてもよい。熱伝導板１は、被冷却体２００以外の外部構造物には接触しない。

溝板２の第１面ｓ１は前述の溝２０を有する。例えば溝２０Ａの溝断面に対し、溝２０Ｂは幅が大きく、溝２０Ｃは深さが大きい。第２面ｓ２は溝２０に対応した凸形状となる。

溝板２と補強板３との接合・固定は、例えば接着剤やねじ等による（非図示）。本実施の形態では、図４，図５のように、補強板３の上側の面（第１面）は、溝板２の第２面ｓ２の凸形状に対応して、この凸形状よりも嵌合のために少し大きい凹部３３を有する。この補強板３の凹部３３は、樹脂成形や溝を掘る等の製法及び工程により、容易に製造ができる。従来の金属基板の切削工程に比べても容易である。例えば溝板２の第２面ｓ２の凸形状と、補強板３の上側の面の凹部３３とを嵌合する。図５の補強板３では、溝板２との隙間は殆ど無い。

補強板３は、補強性を持ちつつ、樹脂製のため、外部の接触部分（筐体３００の取り付け部３０１等）との熱的な分離による冷却性能の確保もされている。従来の冷却板が金属性の熱伝導板に直接的にチューブ配管を埋め込む一体型構造であるのに対し、本実施の形態では、補強板３は、流路板４と分離しているため、金属よりも熱伝導性の低い樹脂などの材料を選択することができる。即ち、冷却板１００及び被冷却体２００を搭載する機器の内部での取り付けや接触を、補強板３で行うことにより、被冷却体２００以外の、熱伝導性が高い部位（金属製の筐体３００など）に対して流路板４が接触することを防ぐことができる。即ち、流路板４と被冷却体２００以外の部位との熱交換を防ぎ、被冷却体２００に対する本来の冷却性能の低下を防止できる。

図４の例では、補強板３の一部（例えば外枠などの位置）に設けた取り付け部３１は、ねじ３２等によるものであり、機器の筐体３００側の取り付け部３０１におけるねじ穴３０２に対してねじ止めがされる。これにより、冷却板１００が筐体３００に対して固定される。

また、図６は、補強板３の第２の例を示している。この補強板３Ａの上側の面では、接続後の状態において補強板３Ａと溝板２との間に空間３５がある形態である。このように、補強板３Ａでは、所定の補強性能等を持つ条件で、形状は特に限定されない。補強板３Ａの補強性能としては、例えば、補強板３Ａの平面における外枠や平面内の一部の位置に溝板２と接する支持部３６を設ける。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１…熱伝導板、２…溝板、３，３Ａ…補強板、４…流路板、７…ろう材、２０，２０ａ〜２０ｇ，２０Ａ〜２０Ｃ…溝、３１…取り付け部、３２…ねじ、３３…凹部、３５…空間、３６…支持部、４０…管路、６１…流入管、６２…流出管、１００…冷却板、２００…被冷却体（回路基板）、３００…筐体、３０１…取り付け部、３０２…ねじ穴。

Claims (8)

1. 一対の金属板を接合して冷却流路を形成する冷却板の製造方法において、プレス加工により第一の金属板の接合面側に冷却流路となる溝を設け、第二の金属板を前記第一の金属板の前記溝に蓋をするよう重ね合わせ、前記第二の金属板を前記第一の金属板の前記溝の周囲の平面部にて前記第一の金属板と接合し、前記第一の金属板の前記溝によって接合面の反対側に形成された凸部を収容する凹部を有する樹脂製の補強板に前記第一の金属板を固定することを特徴とする冷却板の製造方法。
2. 前記第一及び第二の金属板は銅または銅合金から成り、前記第一及び第二の金属板をろう付け接合することを特徴とする請求項１記載の冷却板の製造方法。
3. 前記第一の金属板の前記溝の周囲の平面部上にシート状のろう材を載置し、前記シート状のろう材を挟んで前記第二の金属板を前記第一の金属板に重ね合わせ、前記第一の金属板と前記第二の金属板を加熱炉でろう付け接合することを特徴とする請求項２記載の冷却板の製造方法。
4. 一対の金属板を接合して冷却流路を形成した冷却板であって、接合面側に冷却流路となる溝をプレス加工により設けた第一の金属板と、前記第一の金属板の溝に蓋をするよう重ね合わせて前記第一の金属板の前記溝の周囲の平面部にて前記第一の金属板と接合された第二の金属板と、前記第一の金属板を固定する補強板であって、前記第一の金属板の前記溝によって接合面の反対側に形成された凸部を収容する凹部を有する樹脂製の補強板とから成ることを特徴とする冷却板。
5. 前記第一及び第二の金属板は銅または銅合金から成り、前記接合はろう付け接合であることを特徴とする請求項４記載の冷却板。
6. 前記第一の金属板の溝は分岐を有することを特徴とする請求項４記載の冷却板。
7. 前記第一の金属板の溝は複数種類の幅と深さ又は複数種類の断面積を有することを特徴とする請求項４記載の冷却板。
8. 請求項４記載の冷却板を用いた電子機器の冷却構造であって、前記冷却板が当該冷却板の樹脂製の補強板を介して前記電子機器の筺体に固定されることを特徴とする電子機器の冷却構造。

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