JP2012165006A - 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに電子部品装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の側壁部を積層して内部に流路を備えた流路部材において、側壁部の接合不良の発生の少ない流路部材を提供する。
【解決手段】流路部材1は、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとで構成され、内部に流体が流れる流路3を有するとともに、前記蓋体部1aと前記側壁部1cとの間に前記流路3につながる隙間4を有している。この流路部材1によれば、蓋体部1aと側壁部1cとの間に流路3につながる隙間4が存在することにより、流路3と流体の接触面積が大きくなり蓋体部1aとの熱交換効率を高めることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに電子部品装置に関する。
近年、電子部品に搭載される半導体素子の高集積化・高速化に伴い、半導体素子からの発熱量が増大しており、さらには、電子部品が高温の環境下で使用されるようになり、電子部品を冷却する必要性が高くなってきている。
特許文献1に開示された流路部材は、積層された複数のシートが焼成されて形成された回路基板であって、冷媒を通すための略円形断面の冷媒用流路が内部に形成されている。
特開平7−142822号公報
しかしながら、特許文献1に記載の流路部材を製作する際には、金型を用いて複数のセラミックグリーンシートを所望の形状に打ち抜き、積層,加圧して接合したあとに焼成することによって中空の流路部材を得るが、流路と流体との接触面積を広くするために、流路を構成するための一部である蓋体部と側壁部との接合部に流路につながる隙間を形成することに関する記載や示唆はなかった。
本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、流路の体積を増加させ熱交換効率が向上した流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに電子部品装置を提供することを目的とするものである。
本発明の流路部材は、蓋体部と側壁部と底板部とで構成され、内部に流体が流れる流路を有するとともに、前記蓋体部と前記側壁部との間に前記流路につながる隙間を有することを特徴とするものである。
また、本発明の熱交換器は、前記流路部材の前記蓋体部に金属板を設けてなることを特徴とするものである。
また、本発明の電子部品装置は、前記金属板上に電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。
本発明の流路部材によれば、蓋体部と側壁部と底板部とで構成され、内部に流体が流れる流路を有するとともに、前記蓋体部と前記側壁部との間に前記流路につながる隙間を有していることから、このような流路部材の蓋体部側に熱交換対象物を搭載して用いるときには、蓋体部と側壁部との間に流路につながる隙間が存在することにより、流体が流れるための流路の体積が大きくなり蓋体部との熱交換効率を高めることができる。
また、本発明の熱交換器によれば、本発明の流路部材の蓋体部の外面に、熱交換対象物を搭載するための金属板を設けてなることから、熱交換効率の高い熱交換器を提供できる
また、本発明の電子部品装置によれば、本発明の熱交換器に電子部品を搭載してなることから、熱交換効率が高い電子部品装置を提供できる。
本実施形態の流路部材の一例を示す、(a)は流路の長さ方向に垂直な断面を示す斜視図であり、(b)は(a)の破線で囲んだ円内の部分拡大図である。 本実施形態の流路部材の他の一例を示す、(a)は流路の長さ方向に垂直な断面を示す斜視図であり、(b)は(a)の破線で囲んだ円内の部分拡大図である。 本実施形態の流路部材の隙間の一例を示す断面図であり、(a)は矩形状であり、(b)は台形状であり、(c)は隙間が側壁部側に延びる方向に向かって、上下に開口する方向の高さが低くなる形状を示す図である。 本実施形態の流路部材の蓋体部の外面に金属板を設けた熱交換器の一例を示す斜視図である。 本実施形態の熱交換器に電子部品を載置した電子部品装置の一例を示す斜視図である。 本実施形態の流路部材の側壁部を構成するためのセラミックグリーンシートに流路となる貫通孔を加工するための方法の例を示す、(a)は金型を用いたときの断面模式図であり、(b)はレーザ光を用いたときの断面模式図であり、(c)および(d)はそれぞれの加工法を用いたときのセラミックグリーンシートの切断面に垂直な面の部分断面図である。 本実施形態の流路部材を示す、(a)は側面図であり、(b)は断面図である。
以下、本発明の流路部材の実施の形態の例を説明する。
図1は本実施形態の流路部材の一例を示す、(a)は流路の長さ方向に垂直な断面を示す斜視図であり、(b)は(a)の破線で囲んだ円内の部分拡大図である。
図1(a)および(b)に示すように、本実施形態の流路部材1は、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとにより構成され、その内部には、電子部品を冷却するための気体や液体などの流体を流すための流路3を備えており、蓋体部1aと側壁部1cとの間に流路3につながる隙間4を有している。
本実施形態の流路部材1によれば、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとで構成され、内部に流体が流れる流路3を有するとともに、蓋体部1aと側壁部1cとの間に流路3につながる隙間4を有することが重要である。
本実施形態の流路部材1によれば、内部に流体が流れる流路3を形成するための蓋体部1aと側壁部1cとの間に流路3につながる隙間4を有することから、隙間4を有さないときに比べ流路の体積が大きくなり、流路部材1の蓋体部1a側に熱交換対象物を搭載して用いるときには、蓋体部1aと流体との熱交換効率を高めることができる。また、流路部材1の製造工程において、蓋体部1aと側壁部1cとなる板状体を個別に製作するときに、板状体には予め流路3となる貫通孔を形成する必要があるが、貫通孔を製作する場合には、この貫通孔の端面に少なからずバリが発生しやすい。本実施形態の流路部材1においては、蓋体部1aと側壁部1cとの間に流路3につながる隙間4を有することにより、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとを、積層,加圧して接合,焼成することによって流体が流れるための流路を有する流路部材1を製作しても、バリ1fが隙間4に収まり接
合部1dに挟み込むおそれが少なくなり、接合不良の発生を低減することができる。その結果、流路部材1に高い圧力で流体を流しても流路3の内部からの破壊の発生を抑制することができる。
図2は、本実施形態の流路部材の他の一例を示す、(a)は流路の長さ方向に垂直な断面を示す斜視図であり、(b)は(a)の破線で囲んだ円内の部分拡大図である。
図2(a)および(b)に示す本実施形態の他の一例を示す流路部材11は、側壁部1cが、板状体に流路3となる貫通孔を形成したものを複数枚積層してなるものである。そして、蓋体部1aと側壁部1cとの間(接合部1d)に流路3につながる隙間4を有するとともに、さらに、側壁部1cの各板状体との間(接合部1d)に流路3につながる隙間4を有している。
このような流路部材11において、例えば、薬液の熱交換器として耐薬品性に優れるようにするにあたっては、蓋体部1a、側壁部1cおよび底板部1bは、それぞれセラミックスにて製作することが好ましく、各部材をセラミックスにて製作するにあたっては、例えば、未焼成のセラミックグリーンシートを積層した積層体を焼成することで製作できる。
そして、内部に流体が流れる流路3を形成するには、例えば、側壁部1cとなる未焼成のセラミックグリーンシートの板状体に任意の流路3となる貫通孔を予め形成すればよい。なお、側壁部を複数のグリーンシートを積層して製作する場合には、それぞれの板状体に対応する貫通孔を設ける。そして、このような未焼成の状態であるセラミックグリーンシートに貫通孔を形成したものと、この貫通孔の上下を塞ぐためのセラミックグリーンシートを準備し、これらのセラミックグリーンシートを積層,加圧した後に焼成することによって流路部材11とすることができる。
しかしながら、側壁部1cとなる板状体を製作するとなると、貫通孔の端面にはバリが発生することは避けられず、このようなセラミックグリーンシートを積層,加圧すると、貫通孔の端面に発生したバリがセラミックグリーンシートの接合部に挟まり、積層したセラミックグリーンシートを加圧しても接合部に挟まったバリに加圧力が集中してしまい、加圧のムラが発生することによって接合不良が発生しやすい。本実施形態の流路部材11では、流路3につながる接合部1dに隙間4を有することにより、側壁部1cの端面1gに発生したバリ1fが接合部1dに挟み込むおそれが少なくなり、接合不良の発生を低く抑えられ、流路3に流体を流した時でも接合不良が少ないためにクラックや流路3の破壊といった問題の発生を抑制することができる。
なお上述においては、流路部材1の材質をセラミックスとした例にて説明したが、蓋体部1aがセラミックスで側壁部1cがアルミニウムや銅系などの金属などの他の材料であっても同様の効果を得ることができる。
図3は、本実施形態の流路部材の隙間の一例を示す断面図であり、(a)は矩形状であり、(b)は台形状であり、(c)は隙間が側壁部側に延びる方向に向かって、上下に開口する方向の高さが低くなる形状を示す図である。
図3(a)および(b)に示す流路部材13,14は、流体が流れる方向に対して直交する
ように断面視したとき、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dに、流路3とつながる接合部1dの奥行き方向の距離が4a(以下、単に奥行き4aとする。),上下に開口する方向の最大高さが4b(以下、単に最大高さ4bとする。)となる、それぞれ矩形状、台形状の隙間4を有している。
このように、隙間4の形状がそれぞれ矩形状または台形状であるときには、流路3を構成するための貫通孔の製作工程において、セラミックグリーンシートに流路3となる貫通孔を形成したとき、貫通孔の端面にバリが発生しても、これらのセラミックグリーンシートを積層し加圧し所定の温度で焼成して得られた流路部材において、側壁部1cの接合部1dには流路3側に開口する隙間4があり、隙間4は一定の奥行き4a・最大高さ4bの矩形状または台形状であるため、バリがこの隙間4の中に収まり接合部1dに挟み込むことを少なくできる。したがって、蓋体部1aと側壁部1cおよび側壁部1cを複数枚の板状体を積層した場合であっても接合不良およびクラックならびに流路の破壊の発生を抑制できる。
また、図3(c)に示す流路部材15は、流体が流れる方向に対して直交するように断面視したとき、隙間4が蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dおよび側壁部1cを複数枚の板状体を積層した流路3とつながる接合部1dにおいて、側壁部1c側に延びる方向に向かって、上下に開口する方向の高さが低くなる(以下、三角形状という。)隙間4を有している。
このように、隙間4の断面形状を三角形状とするにあたっては、流路3を構成するための貫通孔の製作工程において、セラミックグリーンシートに流路3となる貫通孔を、たとえば金型により形成し、セラミックグリーンシートへの貫通孔の打ち抜き時に面取りする箇所は突設したパンチで押圧し形成する方法がある。そのような方法によると、面取りする部分の体積量が面取りした直近の箇所に押し込まれセラミックグリーンシートの密度が高まり、その一部が金型のパンチとウスとの間のクリアランスに入り込み貫通孔の端面にバリとして表れやすい。
しかし、矩形状や台形状の面取りに比べ三角形状は押圧する体積が小さいことから必然的に貫通孔の端面に発生するバリは小さくなりやすく、これらのセラミックグリーンシートを積層し加圧して接合したとしても、バリ1fが接合部1dに挟み込むことを少なくでき、蓋体部1aと側壁部1cとの接合不良およびクラックならびに流路の破壊の発生を抑制できる。さらに、隙間4が三角形状であるから流体と流路部材1の接触面積が大きくなり熱交換効率の向上が図れる。また、ここで、隙間4の三角形状は、楔状や鈎状といった形状を含む略三角形状であっても良い。
また、本実施形態の流路部材は、流体が流れる方向に対して直交するように断面視したとき、隙間は、側壁部側に延びる方向の奥行きをaとし、上下に開口する方向の最大高さをbとしたとき、a>bの関係であることが好ましい。
図1(b)、図2(b)および図3(a)、(b)に示す各流路部材は、蓋体部1aと側壁部1cの接合部1dの流路3側の端面1gに、流路3とつながる奥行き4a,最大高さ4bの隙間4が存在しているが、流路3を構成するための貫通孔の製作工程において、セラミックグリーンシートの貫通孔の端面を面取りするときに、流路部材1における隙間4の最大高さ4bを高くすると端面1cに発生するバリ1fの高さも大きくなる傾向にある。例えば、金型加工でセラミックグリーンシートに貫通孔を打ち抜くことにより隙間の高さを高く形成すると、面取りする部分の体積分の高い密度がセラミックグリーンシートの端面付近に集中しやすく、金型のパンチとウスとのクリアランスにセラミックグリーンシートの一部が噛み込み、発生するバリの高さも高くなる。したがって、セラミックグリーンシートを積層したときにバリ1fが接合部1dに挟み込むおそれが高くなることから、隙間4の奥行き4aをaとし、上下に開口する方向の最大高さ4bをbとしたとき、a>bの関係を満たすことが好ましい。
それにより、バリ1fが発生しても、この隙間4の中に収まり、接合部1dに挟み込む
ことを少なくし、接合不良およびクラックならびに流路3の破壊の発生を抑制できる。さらに、隙間4の最大高さ4bよりも奥行き4aが長いことから、隙間4に入り込んだ流体は滞留しやすく(沿面流動することにより隙間4内で渦流を発生させる)、流体と流路部材1との熱交換効率の向上が図れる。
また、本実施形態の流路部材は、隙間の奥行きが0.03mm以上0.08mm以下であることが好ましい。
流路部材1の隙間4の奥行き4aが0.03mm以上であるときには、流路3を構成するための貫通孔の製作工程において生じる端面1gのバリ1fが、接合部1dまで到達して入り込むおそれをさらに少なくでき、接合不良の発生をさらに低減できる。さらに、奥行き4aは長くすることで、流路3の表面積を増大させることができ、流体と流路部材1との熱交換効率の向上が図れる。また、隙間4の奥行き4aが0.08m以下であると、流路3を構成するための貫通孔の製作工程において、流路3となる貫通孔を形成した複数枚のセラミックグリーンシートを積層し加圧したときに、接合部1dに加圧力が十分に伝搬するために接合不良の発生を抑制できる。そして、焼成して得られた流路部材1に高い圧力で流体を供給したとしても隙間4が起点となってクラックが入り流路3の破壊が発生することも抑制できる。
このように、本実施形態の流路部材1は、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dの剥離やクラックの発生が少なく、高い圧力で流体を流した場合であっても流路3の内部からの破壊の発生を抑制できる。さらに、熱交換効率が高いため、半導体装置や半導体製造装置の冷却用流路部材として、また、加熱と加温を繰り返すような半導体製造装置の熱交換用流路部材として、さらには、薬液の熱交換器やプリンター等のインク流路部材として用いることができる。
図4は本実施形態の流路部材の蓋体部の外面に金属板を設けた熱交換器の一例を示す斜視図である。
図4に示す本実施形態の熱交換器20は、内部に流体が流れる流路3を有する本実施形態の流路部材1の蓋体部1aの外面に金属板5が接合して設けてある。このように、蓋体部1aの外面に金属板5が接合されているときには、金属板5上に熱交換対象物を搭載することにより、流体との熱交換が容易にしやすくなる。
図5は、本実施形態の熱交換器20の金属板5の上に電子部品6を搭載した電子部品装置30の一例を示す斜視図であり、流路部材1の流路に冷媒となる流体を流すことにより、電子部品6を効果的に冷却することができ、流路破壊の発生が少なく、かつ、熱交換効率が高い電子部品装置30を提供できる。
電子部品装置30としては、PCUなどの半導体モジュールや、高出力LED前照灯の半導体装置、直流高電圧電源装置およびスイッチング装置など作動時に高熱を発する装置として有用である。
以下、本実施形態の流路部材1の製造方法の一例について説明する。
流路部材1は、アルミニウムや銅系などの金属やセラミック材料により製作することができるが、例えば、耐薬品性に優れるようにするためにセラミック材料より製作する場合には、セラミック材料として、アルミナ,ジルコニア,窒化珪素,炭化珪素および窒化アルミニウムまたはこれらの複合物を用いることができる。中でも絶縁性や材料コスト等を考慮すればアルミナが好ましい。さらに、酸化珪素等を含みアルミナ含有量94〜97質量%
の材料であれば比較的低い温度で焼結するために、焼成コストを考慮すれば特に好ましい。
以下、流路部材1をアルミナで製作する場合について詳細に説明する。
まず、平均粒径が1.4〜1.8μm程度の酸化アルミニウム(Al)の粉末と、酸化珪素(SiO)と、酸化カルシウム(CaO)および酸化マグネシウム(MgO)の少なくとも1種の粉末とを準備し、例えば、各粉末の混合割合が、酸化アルミニウム96.4質量%,酸化珪素2.3質量%,酸化カルシウム0.3質量%および酸化マグネシウ1.0質量%と
なるように秤量し混合した混合粉末を、ポリエチレングリコールからなるバインダとともに回転ミルに投入して、高純度のアルミナボールで混合する。ここで、バインダの添加量は混合粉末100質量%に対して4〜8質量%程度とする。なお、バインダの添加量が混合
粉末100質量%に対して4〜8質量%程度の範囲内であれば、成形体の強度や可撓性が良
好で、また、焼成時に成形用バインダの脱脂が不十分となる不具合を抑制できる。
次に、これにポリビニルアルコール,ポリエチレングリコールやアクリル樹脂またはブチラール樹脂等のバインダを、混合粉末100質量%に対して4〜8質量%程度添加し、混
合してスラリーを得る。ここで、バインダの添加量が混合粉末100質量%に対して4〜8
質量%程度とすれば成形体の強度や可撓性が良好で、また、焼成時に成形用バインダの脱脂が不十分となる不具合を抑制できる。
次に、このスラリーを用いてセラミックスの一般的な成形法であるドクターブレード法やロールコンパクション成形法によりセラミックグリーンシートを形成し、次に、製品形状とするための金型により打ち抜いてセラミックグリーンシートを製作する。積層する各セラミックグリーンシートは、焼成時の収縮差による変形や反り、また、クラックの発生を少なくするために同一のロットのものを用いることが好ましい。
図6は、本実施形態の流路部材の側壁部を構成するためのセラミックグリーンシートに流路となる貫通孔を加工するための方法の例を示す、(a)は金型を用いたときの断面模式図であり、(b)はレーザ光を用いたときの断面模式図であり、(c)および(d)はそれぞれの加工法を用いたときのセラミックグリーンシートの切断面に垂直な面の部分断面図である。
図6(a)に示すように、セラミックグリーンシート7を金型21で打ち抜くことにより、(c)に示すような、打ち抜いたセラミックグリーンシート7の端面7b’に矩形状の面取り7c’を形成することができる。特に、セラミックグリーンシート7と当接する上パンチ22aと下パンチ21cとの当接面の両端に凸部22cを設けることにより、セラミッ
クグリーンシート7を凸部22cで狭持しながら上下のパンチ22の嵌合で打ち抜くことにより、セラミックグリーンシート7の端面7b’に、矩形状の面取り7c’を形成できる。また、面取り7c’を台形状,C面またはR面にする場合にも、同様な方法でパンチ22の凸部22cの形状を変更することで可能である。また、下パンチ21cの凸部22cがない金
型21を用いれば、セラミックグリーンシート7の端面7b’の上パンチ22a側にのみ矩形状の面取り7c’を形成することができる。
図6(b)は、セラミックグリーンシートをレーザ加工により、(d)に示すようなセラミックグリーンシート8の端面8b’に面取り8c’を形成することができる。特に、レーザ光26を集光レンズ28を通してセラミックグリーンシート7に照射するが、スポット27がセラミックグリーンシート8の厚みの中央付近となるように調整することにより、セラミックグリーンシート8の端面8b’の上下面とも面取り8c’を形成することができる。
なお、セラミックグリーンシートを、レーザ加工する場合には、レーザ光源は、COレーザ,YAGレーザまたはエキシマレーザ等を用いればよく、例えば、COレーザであれば、レーザ光26の発振周波数を2000Hz程度とし、パルスデューティを70〜80%(信号ON時間の割合)、レーザ光26のセラミックグリーンシート8上での移動速度を8〜10m/分とすることにより所望の形状の切断加工ができる。
また、セラミックグリーンシート8の端面8b’の上下面の片側のみに面取り8c’を形成する場合は、レーザ光26のスポット27の焦点をセラミックグリーンシート8の上下面のいずれかの面の表面に合わせればよい。
このようにして製作した複数のセラミックグリーンシート7または8を所望の流路3’となるように積層するが、それぞれのセラミックグリーンシート7または8の接合面に、セラミックグリーンシートを製作するときに用いたものと同様のバインダを密着液として塗布し、セラミックグリーンシート7または8を積層したあとに、平板状の加圧具を介して約0.5MPa程度の加圧を加え、そのあとに、約50〜70℃の室温で約10〜15時間乾燥さ
せる。
次に、流路部材1となる積層したセラミックグリーンシートを、例えば公知のプッシャー方式やローラー方式の連続トンネル炉で焼成する。それぞれの材質により焼成温度は異なるが、アルミナ含有量が94〜97質量%の材料であれば、最高温度が約1500〜1650℃で酸化雰囲気にて焼成すればよい。
特に図5に示すような、高熱を発する電子部品6が搭載された基板を流路部材1の蓋体部1aに搭載するときには、流路を形成するために貫通孔を封止している蓋体部1aの厚みは、熱交換の効率を向上させるためになるべく薄くすることが好ましく、アルミナ含有量が94〜97質量%においては、0.3〜0.5mm程度とすることが好ましい。
以上により流路部材1が製作され、この流路部材1に、金属板5を介してLSIやLED等の電子部品6を搭載することによって、気体や液体といった冷媒を流路部材1の流路に通すことで電子部品6を冷却することができる。
また、本実施形態の流路部材1は、冷却用途だけでなく温熱用途など幅広い用途にも利用することができる。
図7(a)に示す本実施形態の流路部材12は、全長がL,高さがH,幅がDであって、厚みがt1の蓋体部1aが1枚,厚みがt2の側壁部1cが3枚,厚みがt3の底板部1bが1枚積層されており、内部に2つの四角形状の流路3が形成されている。そして、図7(b)に示すように、流路3を形成する側壁部1cの端面1gに隙間4となる面取り1eを付けてあり、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dおよび側壁部1cと底板部1bとの接合部1dに流路3側に開口した奥行き4a,最大高さ4bの隙間4が形成されている。また、流路部材12の外側から流路3までの距離をB,G、流路3の幅をC,F、隣り合う流路3の間の距離をEで示す。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
酸化アルミニウム(Al)として平均粒径が1.6μm程度の粉末と、酸化珪素(
SiO)と、酸化カルシウム(CaO)および酸化マグネシウム(MgO)の粉末とを
準備する。
そして、各粉末の混合割合が、酸化アルミニウム96.4質量%,酸化珪素2.3質量%,酸
化カルシウム0.3質量%および酸化マグネシウム1.0質量%となるように秤量し混合した混合粉末を、混合粉末100質量%に対して6質量%のポリエチレングリコールからなるバイ
ンダとともに回転ミルに投入して、高純度のアルミナボールで混合する。
次に、これにアクリル樹脂等のバインダを混合粉末100質量%に対して4質量%添加し
、混合してスラリーを得る。
次に、得られたスラリーを公知のドクターブレード法でシート状のセラミックグリーンシートを製作し、さらに、このセラミックグリーンシートを積層したときに製品形状となるように、金型を用いて個々のセラミックグリーンシートを製作する。
実施例では、図7(a)に示す流路部材12と同形状の試料を製作した。また、流路部材12の寸法を、全長Lが200mm、高さHが4.5mm、幅Dが12mmで、蓋体部1aの厚みt1が0.5mm、その他の側壁部1cおよび底板部1bの厚みt2およびt3が1.0mmで、図7(b)に示す流路部材12の外側から流路3までの距離BおよびGが3mm、流路3の幅CおよびFが2mm、隣り合う流路3の間の距離Eが2mmとなるように試料を製作した。
また、表1に示すように、図7(b)の隙間4の奥行き4aが無いもの(実質的には奥行き4aが0.005mm以下を無いものと見なす)と0.08mm、最大高さ4bが無いもの(
実質的には最大高さ4bが0.005mm以下を無いものと見なす)と0.06mmのものを各試
料につきそれぞれ50個製作した。これを試料No.1および24とする。
そして、流路部材12の熱交換効率を確認するために、(以下、不図示)流体の供給口を一方の側面に、また、この供給口に対向する他方の側面に排出口をアルミニウム材で作製したものをろう付けした。
さらに、蓋体部1aはセラミックスで、側壁部1cと底板部1bとが金属からなる流路部材12も製作した。
各寸法は試料No.1および24と同一で、蓋体部1aのセラミックスも試料No.1および24と同一である。側壁部1cおよび底板部1bの金属は、純度99.7%のアルミニウムを用い、隙間4の無いものを試料No.101、隙間4のあるものを試料No.102とした。
また、試料No.1および24の流路部材12を構成する各々のt2の貫通孔の製造方法として、セラミックグリーンシートを図6(a)に示す金型21を用いて成形することにより、図7(b)に示す隙間4となるように、セラミックグリーンシートの端面に矩形状の面取りを成形し、上述した流路部材12の外形寸法となるような3枚のセラミックグリーンシートを製作した。
次に製作したセラミックグリーンシートを積層し加圧,接合するときの密着液は、セラミックグリーンシートを製作するときと同じバインダを用い、(以下、不図示)密着液であるバインダの塗布方法は、400メッシュ、厚み0.02mmのステンレス製スクリーンを用
い、ゴム製のスキージで積層する個々のセラミックグリーンシートの全面に塗布した。
次に、これらの密着液が塗布された5枚のセラミックグリーンシートを積層し、積層したセラミックグリーンシートの上下を平板で挟み約0.5MPaで加圧した。
このときに、セラミックグリーンシートの下端に圧力伝搬状態を観察するために、プレスケール(富士フィルム株式会社製 型名:LLLW 超低圧0.2〜0.6MPa用)を挟み込み(以下、不図示)、積層したセラミックグリーンシートの全面に均等に加圧していることを確認した。このとき、セラミックグリーンシートの全面に均等な圧力が掛かっていれば、流路パターン以外の箇所は赤色に発色するが、流路パターン以外の箇所で発色していない場合には、再度加圧するか、もしくは、この時点で試料から除外した。
次に、この製品形状の成形体である流路部材12を、プッシャー式トンネルキルンにて最高温度が1600℃で焼成して、表1に示す試料No.1および24の隙間4が三角形状の流路部材を得た。また、流路部材12の一部製品は、接合部の状態を確認するための試料として未焼成のものを一部保管した。
また、蓋体部1aがアルミナセラミックスで、側壁部1cと底板部1bとの金属がアルミニウムの試料No.101および102の作製方法は、蓋体部1aは試料No.1および24と同じ方法により、予め、蓋体部1aを焼成したものを準備した。
そして、側壁部1cと底板部1bとは、公知の熱間押出成形法により側壁部1cと底板部1bとが一体となったものを作製した。
次に、得られた蓋体部1aと側壁部1cとをろう付けにより接合することにより流路部材12を製作した。なお、ろう付けは、スクリーン印刷法によりAl−Siからなるろう材を塗布し、約0.15MPaで加圧した状態で約590℃の温度で熱処理した。
次に、流体の供給口および排出口は試料No.1および24と同様に作製した。
このようにして得られた流路部材12の試料No.1および24について、超音波探傷試験を行なった。
超音波探傷試験の目的は、焼成後の流路部材12の内部の流路3を形成する蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dに接合不良とみなせる層間剥離の発生がないかを確認するためのものである。
超音波探傷試験は、日立建機ファインテック株式会社製の型名:mi−scopehyperを用い、流路部材1の蓋体部1aと側壁部1cとの積層の厚みtが4.5mmに対し
て、上下から1,2層までを周波数50MHzの超音波プローブ(型名:50P6F15)を用い、積層の中間になる3層目については25MHzの超音波プローブ(型名:PT−3−25−17)を用い、流路部材の全面の超音波探傷試験を行なった 。そして、積層した蓋体部
1aと側壁部1cと底板部1bとの1,2層と3層と4,5層との、それぞれの超音波探傷試験の画像を観察した。ここで、使用する超音波プローブは、セラミックシートの積層した厚みtにより使い分けるもので、さらに、厚みtが厚くなる場合には、周波数のさらに低いものを使用すればよい。
超音波探傷試験においては、空洞があれば白い画像、空洞がないところは黒い画像となる。したがって、本来の流路パターンから外れる所に白色部があれば接合不良による層間剥離が発生している。
超音波探傷試験の評価は、各試料の隙間4の奥行き4aと超音波探傷試験による隙間の奥行き4aとの比較により評価し、本来の隙間4の奥行き4aと超音波探傷試験による画像の隙間4の奥行き4aとの差の最大値が±10%の範囲内であれば良品とし、+10%を超
えるものは不良品とした。また、奥行き4aが0.005mm以下のものは実質的に隙間4が
ないものとした。そして、各試料50個の流路部材1の不良率が0%であれば評価は優良とし、不良率が2%以下であれば評価は良とし、不良率が2%を超えるものは評価が否とした。
そしてさらに、接合不良の原因を解明するために、各試料と同じ未焼成の流路部材12について、各試料50個の接合部1dについて、手で剥離しながら拡大鏡(10倍)により接合不良に繋がるような原因がないか観察を行なった。
また、流路部材12の蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dに流路3につながる隙間4があることによって、熱交換対象物を載置する搭載面への熱交換効率の影響度合いも確認した。
試験方法としては、上記各試料の蓋体部1aの外面にヒータと熱電対を取り付けた。そして、熱電対を取り付けた箇所の温度が50℃となるように加熱した。
次に、流体として水温が18℃の水を用い、約0.3MPaで流路部材12に供給した。
こうして、30分経過後に蓋体部1aの外面の表面温度を測定し、各試料において平均の温度変化量を確認した。
得られた結果を表1に示す。
Figure 2012165006
表1に示す結果から分かるように、蓋体部1aと側壁部1cとがセラミックスからなる試料No.1は、接合不良の発生率が8%であり、評価は否であった。また、保管していた未焼成の試料を調べたところ、積層したセラミックグリーンシートの接合部に、セラミックグリーンシートを金型21で成形したとき生じたバリが付着しており、このバリによりセラミックグリーンシートの接合が十分に行なわれなかったものであった。
また、試料No.1と同じくセラミックスの試料No.24は、上記接合不良の発生率が0%であって、評価は優良であった。
これは、隙間4の奥行き4aが、0.08mmであって、最大高さ4bが0.06mmであるか
ら、端面1gにバリ1fが発生したとしても、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dまで入り込むことがなく接合不良の発生を防止できたことが考えられる。ちなみに、未焼成の試料の接合部を確認したがセラミックグリーンシートの流路側端面のバリがセラミックグリーンシートの接合部に巻き込まれて接合不良を起こしているものは見つからなかった。
また、蓋体部1aがアルミナセラミックスで側壁部1cおよび底板部1bがアルミニウムで一体成形したものをろう付けで接合した試料101および102は、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dの流路3につながる隙間4の有無にかかわらず、接合不良の発生はなかった。これは、試料No.1および24は、いずれも柔らかい生の成形体で積層,加圧,焼成して接合するもので、流路3となる近辺は側壁部1cとなる中間層への加圧力の伝搬がバリの有無により大きく左右されるのに対して、試料No.101および102は、焼結体を接合するのであるから、端面等にバリが存在すれば研磨等により除去できることと、ろう材の厚み等で平坦度を含めバリも吸収できることによる。さらに、堅いものを接合するから流路の近辺への加圧力の伝搬にも影響が少ないからである。
また、流路部材12の加熱、冷却の試験結果では、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとがセラミックスであるものにおいては、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dに流路3につながる隙間4がない試料No.1の温度変化量が18℃であったのに対して、隙間4がある試料No.24の温度変化量が20℃であって、僅かな隙間4であっても、隙間4があることで熱交換効率が向上することが分かる。
また、同様に、蓋体部1aがセラミックスで、側壁部1cおよび底板部1bが金属の試料No.101と102では、隙間4のない試料No.101の温度変化量が26℃に対して、隙間
4のある試料No.102は28℃であり、こちらも、隙間4があることで熱交換効率が向上
することが分かる。
以上の結果から、流路部材12の蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dには、流路3につながる隙間4があることによって、流路3と流体との熱の接触面積が大きくなる分、蓋体部1aの外面との熱交換効率を向上できることが分かる。
また、セラミックグリーンシートを積層して、内部に流路を形成する場合、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dに流路3につながる隙間4が、セラミックグリーンシートの流路3となる貫通孔を形成するときに発生するバリを隙間4中で吸収し接合部1dに挟み込むことがないから接合不良の発生を抑制できることが分かる。
ここでは、流路部材の材質は、セラミックスや金属の何れでも良いとしたが、流路が曲がりくねっている場合には、押出成形や射出成形や鋳型若しくはプレスによる一体成型では困難であるから、一般的には流路となる複雑な貫通孔を個々に形成した複数のシートを積層して作製することになる。そして、昇温と冷却を繰り返すような熱交換器である場合には、蓋体部と側壁部ならびに底板部とが同一材料であれば熱膨張差による接合部の剥離等が生じるおそれが少ないから、流路が複雑で、使用温度範囲の広い場合には、セラミックグリーンシートを積層、焼成したセラミック流路部材とすることがより好ましい。
次に、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dで形成される流路3につながる隙間4の形状と接合不良との関係を確認した。
試料は、実施例1で用いたアルミナセラミックスと同じものを用いて作製し、接合不良の評価方法も同じである。
なお、試料No.1および14は実施例1と同じであるが、試料No.2〜8は隙間4の形状か矩形状で、試料No.11〜17は隙間4の形状が台形形状であり、試料No.21〜27は隙間4の形状が三角形状である。また、各試料の形状に合う金型を作製して成形し、隙間4の奥行き4aおよび最大高さ4bは表に示すとおりである。
得られた結果を表2に示す。
Figure 2012165006
表2に示す結果から分かるように、まず、試料No.1は、接合不良の発生率が8%であり、評価は否であった。また、保管していた未焼成の試料を調べたところ、積層したセラミックグリーンシートの接合部に、セラミックグリーンシートを金型21で成形したとき生じたバリが付着しており、このバリによりセラミックグリーンシートの接合が十分に行なわれなかったものであった。
実施例の試料No.2,11および21は、上記接合不良の発生率が2%であって、評価は良であった。接合不良の原因は試料No.1と同じく金型21によるセラミックグリーンシートへの成形時のバリであり、発生率は少ないものの、隙間4の奥行き4aが0.02mmと浅いために、セラミックグリーンシートの流路側端面に発生したバリがセラミックグリー
ンシート圧着時に接合部に挟み込んだものがあったと推測される。
また、実施例の試料No.6,15および25は、上記接合不良の発生率は2%で、試料No.2と同じく評価は良であったが、接合不良の原因となるようなバリの挟み込みは見つからなかった。セラミックグリーンシートの積層後、加圧したときに圧力伝搬状態を見るために挟み込んだプレスケールを確認したところ隙間4の奥行き4aが、焼成後の寸法値に換算したときに約0.09mmの付近が赤色発色の濃度が薄くなっているので、加圧の圧力伝搬が不足していたことが接合不良の原因であると考えられる。
また、試料No.7,8,16,17,26および27は、隙間4の奥行き4aと最大高さ4bとが同じ長さのものであるが、接合不良の発生率はいずれも2%で評価は良であった。接合不良の原因は最大高さ4bに対して奥行き4aが同等であったためバリの一部が接合部に入り込んだためである。
また、隙間4の奥行き4aが、0.03,0.04,0.08mmであって、最大高さ4bよりも長い試料No.3〜5,12〜14および22〜24は、接合不良の発生率は、いずれも0%で評価は優良であった。なお、未焼成の試料の接合部を確認したがセラミックグリーンシートの流路側端面のバリがセラミックグリーンシートの接合部に巻き込まれて接合不良を起こしているものは見つからなかった。
以上の結果から、流路部材12を、セラミックグリーンシートを積層して、内部に流路を形成する場合、流路の側面の積層したセラミックグリーンシートの接合部1dには、流路3側に開口した隙間4があることにより接合不良の発生を抑制できることが分かる。
また、隙間4の形状は、流路3側に開口した矩形状,台形状または三角形状のいずれでも良いことが分かる。
隙間4の形状が矩形状または台形状を選択するときは、製造工程において、セラミックグリーンシートに流路3となる貫通孔の端面に発生するバリを隙間4の中で許容したいときであり、三角形状を選択するときは、バリの大きさを抑えたいときであり、加工方法も適宜選択すればよい。
また、隙間4の奥行き4aが、0.03〜0.08mmであって、かつ、最大高さ4bの長さよりも長いときには、セラミックグリーンシートを積層、加圧したときにバリの接合部への挟み込みによる接合不良および加圧力の伝搬不足による接合不良の発生をさらに抑制することができる。
次に、酸化アルミニウムの含有量を増減したときの、蓋体部1aと側壁部1cとの接合部1dの接合不良への影響の有無を調査した。
ここでは、図7に示す流路部材12の各寸法は実施例2で用いた試料No.4と同じであるが、酸化アルミニウムの含有量を94.0質量%と97.0質量%とに変更して、残部が酸化珪素,酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムからなる表3に示す試料No.9と10とを製作した。
各試料50個の流路部材12を実施例1と同様の方法で製作し、また、接合不良の確認も超音波探傷試験により行ない、評価の方法も同じように行なった。
得られた結果を表3に示す。
Figure 2012165006
表3に示す結果から分かるように、実施例である酸化アルミニウムの含有量が94.0質量%の試料No.9および、97.0質量%の試料No.10のいずれも接合部1dの接合不良の発生率は0%で評価は優良であった。
ここでは、流路部材12の外形寸法が、長さLが200mm、幅Dが12mm、高さHが4.5mmの構造物であるが、酸化アルミニウムの含有量が94.0〜97.0質量%で残部が酸化珪素と酸化カルシウムと酸化マグネシウムからなるときには、焼成温度が1600℃のままであっても、流路部材12の内部の蓋体部1aと側壁部1cとの各接合部1dも問題なく接合していることから焼結性の問題も発生が抑制されたと言える。適度な焼結助剤を含有していることから焼結性が高められ焼成温度を高める必要もなく、焼成コストを低減することができる。
以上のように、本実施例の流路部材12は、側壁部の接合不良の発生のおそれが少なく、流体を高圧で流し冷却用や温熱用などに用いたとしても、層間剥離の発生を抑制できる。さらには、比較的低コストの流路部材を提供できるものである。
1,11,12,13,14,15:流路部材
1a:蓋体部
1b:底板部
1c:側壁部
1d:接合部
1e:面取り
1f:バリ
1g:端面
3:流路
4:隙間
4a:隙間の奥行き
4b:隙間の最大高さ
5:金属板
6:電子部品
7,8:加工したセラミックグリーンシート
7b’,8b’:端面
7c’,8c’:面取り
20:熱交換器
30:電子部品装置
本発明の流路部材は、蓋体部と側壁部と底板部とで構成され、内部に流体すための流路を有するとともに、前記蓋体部と前記側壁部との間に、前記側壁部の前記流路側の端面に沿って、前記流路につながる隙間を有することを特徴とするものである。
本発明の流路部材によれば、蓋体部と側壁部と底板部とで構成され、内部に流体すための流路を有するとともに、前記蓋体部と前記側壁部との間に、前記側壁部の前記流路側の端面に沿って、前記流路につながる隙間を有していることから、このような流路部材の蓋体部側に熱交換対象物を搭載して用いるときには、蓋体部と側壁部との間に、前記側壁部の前記流路側の端面に沿って、流路につながる隙間が存在することにより、流体が流れるための流路の体積が大きくなり蓋体部との熱交換効率を高めることができる。
本実施形態の流路部材1によれば、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとで構成され、内部に流体すための流路3を有するとともに、蓋体部1aと側壁部1cとの間に、前記側壁部の前記流路側の端面に沿って、流路3につながる隙間4を有することが重要である。
本実施形態の流路部材1によれば、内部に流体すための流路3を形成するための蓋体部1aと側壁部1cとの間に、側壁部1cの流路3側の端面に沿って、流路3につながる隙間4を有することから、隙間4を有さないときに比べ流路の体積が大きくなり、流路部材1の蓋体部1a側に熱交換対象物を搭載して用いるときには、蓋体部1aと流体との熱交換効率を高めることができる。また、流路部材1の製造工程において、蓋体部1aと側壁部1cとなる板状体を個別に製作するときに、板状体には予め流路3となる貫通孔を形成する必要があるが、貫通孔を製作する場合には、この貫通孔の端面に少なからずバリが発生しやすい。本実施形態の流路部材1においては、蓋体部1aと側壁部1cとの間に、側壁部1cの流路3側の端面に沿って、流路3につながる隙間4を有することにより、蓋体部1aと側壁部1cと底板部1bとを、積層,加圧して接合,焼成することによって流体が流れるための流路を有する流路部材1を製作しても、バリ1fが隙間4に収まり接合部1dに挟み込むおそれが少なくなり、接合不良の発生を低減することができる。その結果、流路部材1に高い圧力で流体を流しても流路3の内部からの破壊の発生を抑制することができる。
図2(a)および(b)に示す本実施形態の他の一例を示す流路部材11は、側壁部1cが、板状体に流路3となる貫通孔を形成したものを複数枚積層してなるものである。そして、蓋体部1aと側壁部1cとの間(接合部1d)に、側壁部1cの流路側3の端面に沿って、流路3につながる隙間4を有するとともに、さらに、側壁部1cの各板状体との間(接合部1d)に、各板状体の流路側3の端面に沿って、流路3につながる隙間4を有している。

Claims (8)

  1. 蓋体部と側壁部と底板部とで構成され、内部に流体が流れる流路を有するとともに、前記蓋体部と前記側壁部との間に前記流路につながる隙間を有することを特徴とする流路部材。
  2. 前記側壁部は、前記流路を形成するための孔を有する板状体を複数備えてなる積層体であって、該積層体を構成する板状体の間に前記流路につながる隙間があることを特徴とする請求項1に記載の流路部材。
  3. 前記流体が流れる方向に対して直交するように断面視したとき、前記隙間が矩形状または台形状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流路部材。
  4. 前記流体が流れる方向に対して直交するように断面視したとき、前記隙間は、前記側壁部側に延びる方向に向かって、上下に開口する方向の高さが低くなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流路部材。
  5. 前記流体が流れる方向に対して直交するように断面視したとき、前記隙間は、前記側壁部側に延びる方向の奥行きをaとし、上下に開口する方向の最大高さをbとしたとき、a>bの関係であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の流路部材。
  6. 前記奥行きが0.03mm以上0.08mm以下であることを特徴とする請求項5に記載の流路部材。
  7. 請求項1乃至6のいずれかに記載の流路部材の前記蓋体部の外面に、金属板を設けてなることを特徴とする熱交換器。
  8. 請求項7に記載の熱交換器の前記金属板上に電子部品を搭載してなることを特徴とする電子部品装置。
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