JP2014082311A - 衝突噴流冷却器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を高めるための微細なフィン構造を実現するに際し剛性を高めることができ、製造コストの低減に寄与すること。
【解決手段】衝突噴流冷却器１は、発熱体５を一方の面に搭載するためのベース部１１を有し、ベース部１１の他方の面に、一定の方向に並行して延びる複数のフィン１３が設けられたフィン構造体１０と、このフィン構造体１０と封止接合され、ベース部１１の他方の面の、発熱体５が搭載される領域に対応する部分に向かって開口する冷媒の噴出ノズル２６が設けられた冷媒の流路構成部材２０と、を備える。ベース部１１は、その周囲を囲む壁部１２を有し、複数のフィン１３の長手方向の両端は、壁部１２と接合されている。また、フィン構造体１０は、ベース部１１と壁部１２と複数のフィン１３とが一体に形成されてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱用のフィンを備えた冷却器に関し、特に、冷媒をフィンに向かって衝突させる噴流式の衝突噴流冷却器、およびその製造方法に関する。

従来知られている衝突噴流冷却器は、ベース板の一方の面に発熱体を搭載し、その反対側の面に放熱用のフィンを突出させて配置し、このフィンに冷媒を衝突させることで、このフィンと熱結合されている発熱体を冷却するようになっている。

このような冷却器に用いられるフィン構造としては、ベース板上に凸形状のフィンが設けられた構造が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８１１６３号公報

上述したような冷却器の構造では、ベース板の厚みは、発熱体との熱抵抗の一因となるため、出来るだけ薄いのが望ましい。しかしながら、上記特許文献１に記載されているような冷却器の構造では、ベース板の厚さを薄くすると剛性が損なわれ、その後の取扱い性や筺体等への組付け性が著しく悪化する要因となる。

また、放熱性を高めるためには微細なフィン構造が有効であるが、フィンが配置されるベース板の剛性が損なわれると、微細なフィン構造を実現するのが難しくなる。

また、上記特許文献１に記載されているような冷却器を製造する場合、その方法としては、ダイキャスト、プレス鍛造、フィン部を別体で製作しベース板に接合する方法、機械加工などが考えられる。しかしながら、ダイキャスト、プレス鍛造による方法では、微細なフィンを製作するのが難しい。

また、フィン部を別体で製作しベース板に接合する方法では、フィン部とベース板の接合にろう付け等が必要となるため、加工費が増加する。機械加工による方法でも、フィン部の加工と、フィン部周辺のシール面（すなわち、他の筺体等と接合するときに冷媒を封止するのに必要な平面部分）の加工が必要となるため、製造コストが増大してしまう。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、放熱性を高めるための微細なフィン構造を実現するに際し剛性を高めることができ、製造コストの低減に寄与することができる衝突噴流冷却器およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る衝突噴流冷却器は、上記目的を達成するため、（１）発熱体を一方の面に搭載するためのベース部を有し、前記ベース部の他方の面に、一定の方向に並行して延びる複数のフィンが設けられたフィン構造体と、前記フィン構造体と封止接合され、前記ベース部の他方の面の、前記発熱体が搭載される領域に対応する部分に向かって開口する冷媒の噴出ノズルが設けられた冷媒の流路構成部材と、を備え、前記ベース部が、前記ベース部の周囲を囲む壁部を有し、前記複数のフィンの長手方向の両端が、前記壁部と接合されているものから構成されている。

この衝突噴流冷却器は、各フィンの長手方向の両端が壁部と切れ目なく繋がっているので、各フィンが壁部の柱として機能する。これにより、放熱性を高めるべくフィンの薄肉化およびフィンの微細ピッチ化を図った場合でも、壁部およびこれに繋がる柱（フィン）によってフィン構造体の剛性を高めることができる。

また、各フィンの両端が壁部に繋がっているので、発熱体との熱抵抗を低減すべくベース部の厚さを薄くした場合でも、壁部によって剛性が高められるとともに、フィンの安定した起立状態を維持することができる。これは、冷媒のスムーズな流通に寄与し、ひいては衝突噴流冷却器の安定した冷却性能の維持に寄与する。

上記（１）に記載の衝突噴流冷却器において、（２）前記フィン構造体は、前記ベース部と前記壁部と前記複数のフィンとが一体に形成されているものから構成されている。

この衝突噴流冷却器は、フィン構造体を構成するベース部と壁部とフィンとが一体構造となっているので、従来技術に見られたようなフィン部を別体製作してベース板に接合する形態と比べて、部品点数を少なくすることができる。これは、製造コストの低減に寄与する。

上記（１）または（２）に記載の衝突噴流冷却器において、（３）前記壁部は、前記ベース部から冷媒の流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状を有しているものから構成されている。

この衝突噴流冷却器は、壁部が、ベース部から冷媒の流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状（すなわち、流路内が円弧の形状）となっているので、壁部とベース部の接合部分での流路抵抗を低減することができる。これにより、噴出ノズルから供給される冷媒がフィン間の隙間にスムーズに流れ込み、その流れ込んだ冷媒により、発熱体からベース部を介して当該フィンに伝導される熱を効率よく吸熱することができる。これは、衝突噴流冷却器の冷却性能の向上に寄与する。

本発明の他の形態に係る衝突噴流冷却器の製造方法は、（４）上記（１）に記載の衝突噴流冷却器の製造方法であって、前記フィン構造体を製作する工程を含み、前記工程が、板状部材の片面の、最終的に前記壁部として画成される周囲に沿った領域の内側の領域に、切削工具を用いて一定の方向に並行に複数の溝を形成することにより、複数のフィンを形成することを含むものから構成されている。

この衝突噴流冷却器の製造方法は、フィン構造体を製作する工程が、１枚の板状部材から切削工具を用いて所要のフィン構造体を作製しているので、ベース部と壁部とフィンとを一体に形成するのに適している。

上記（４）に記載の衝突噴流冷却器の製造方法において、（５）前記切削工具は、円形の鋸状刃を備えたグラインダであり、前記グラインダを用いて、前記壁部を、前記ベース部から冷媒の流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状に成形するものから構成されている。

この衝突噴流冷却器の製造方法は、複数の溝を形成するのに用いるグラインダの鋸状刃の形状が円弧をなしているので、壁部とベース部の繋がり部分を円弧形状に形成するのに適している。

本発明によれば、放熱性を高めるための微細なフィン構造を実現するに際し剛性を高めることができ、製造コストの低減に寄与することができる衝突噴流冷却器およびその製造方法を提供することができる。

本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は衝突噴流冷却器を発熱体搭載面側（表側）から見たときの斜視図、（ｂ）はその反対側（裏側）から見たときの斜視図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ方向矢視断面図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は衝突噴流冷却器に用いられるフィン構造体の形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ方向矢視断面図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は衝突噴流冷却器に用いられる流路分配器の形状を表側から見たときの斜視図、（ｂ）はその流路分配器の形状を裏側から見たときの斜視図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、図３に示すフィン構造体を製作する方法を説明するための図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図であり、図５に示す方法により製作されたフィン構造体を用いて衝突噴流冷却器を製作する方法を説明するための図である。 本発明に係る衝突噴流冷却器の第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は衝突噴流冷却器に用いられるフィン構造体の形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ方向矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ方向矢視断面図である。

以下、本発明に係る衝突噴流冷却器の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明に係る衝突噴流冷却器を、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電力を動力源とする自動車に搭載する場合を例にとって説明する。

このような電力を動力源とする自動車においては、電力変換器が搭載されている。電力変換器には、インバータやコンバータ等のパワー半導体素子、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等が含まれる。かかる電力変換器においては、自動車の高い動力性能等を得るために大電力を必要とする場合がある。その場合、大電力の電力変換器は発熱量が大きいために、電力変換器を冷却するための冷却器が必要となる。

その一形態として、本実施の形態に係る衝突噴流冷却器、すなわち、電力変換器等の発熱体と熱結合されるフィンに冷却水を衝突させる、いわゆる衝突噴流による冷却が有用である。

（第１の実施の形態）
図１〜図６は、本発明に係る衝突噴流冷却器の第１の実施の形態を示す図である。

先ず、衝突噴流冷却器の全体構成について説明する。

図１は、第１の実施の形態に係る衝突噴流冷却器１を示したものであり、（ａ）は衝突噴流冷却器１を発熱体搭載面側（表側）から斜視的に見たときの外観、（ｂ）はその反対側（裏側）から斜視的に見たときの外観を示している。

図１に示すように、衝突噴流冷却器１は、フィン構造体１０と、流路分配器２０と、カバー３０とを備えている。これら各構成部材（フィン構造体１０、流路分配器２０、カバー３０）は、後述するように接着剤等により接合されて、衝突噴流冷却器１として製作されるようになっている。

フィン構造体１０は、その表面に、冷却対象である発熱体、例えば、電力変換器として用いられる半導体素子５が搭載されている。図１（ａ）の例では、衝突噴流冷却器１に６個の半導体素子５を搭載しているが、設置個数が６個に限定されないことはもちろんである。このフィン構造体１０の具体的な構造、形状等については、後で説明する。

流路分配器２０は、冷却水流入口２２および冷却水流出口２３を備えている。冷却水流入口２２からは、フィン構造体１０に搭載された半導体素子５がその動作時に発熱する熱を吸熱するための冷却水が導入されるようになっている。また、導入された冷却水は、流路分配器２０内を流通する過程で半導体素子５の発熱を吸熱した後、冷却水流出口２３から外部に排出されるようになっている。この流路分配器２０の具体的な構造、形状等については、後で説明する。

図１に示すように、衝突噴流冷却器１を構成するフィン構造体１０、流路分配器２０およびカバー３０は、平面視したときに同じ外形寸法（流路分配器２０については、冷却水流入口２２および冷却水流出口２３の部分を除く）を有している。したがって、これら各構成部材（フィン構造体１０、流路分配器２０、カバー３０）が接合されて製作された衝突噴流冷却器１は、略直方体の形状を有している。

また、図１（ａ）の例では衝突噴流冷却器１に半導体素子５を搭載しているが、必ずしも最初から半導体素子５を搭載した状態にしておく必要はない。衝突噴流冷却器１の製作時に半導体素子５を搭載せずに、後で必要なときに衝突噴流冷却器１に搭載できるように半導体素子搭載領域５ａ（図６参照）を画定しておいてもよい。

図２は、本実施の形態の衝突噴流冷却器１を、図１（ａ）のＡ−Ａ方向に沿って見たときの断面構造を示している。

図２に示すように、流路分配器２０の一方の面にフィン構造体１０が接合され、これと反対側の面にカバー３０が接合されている。具体的には、流路分配器２０の噴出ノズル２６が設けられている側の面に、フィン構造体１０のフィン１３が形成されている側の面を対向させて、流路分配器２０の側壁部２４の端部と、フィン構造体１０の壁部１２の端部とが封止接合されている。また、流路分配器２０の噴出ノズル２６が設けられている側と反対側の側壁部２４の端部と、カバー３０の対応する周囲部分とが封止接合されている。

また、流路分配器２０は、その内部に、隔壁部２５によって上下に分割された２つの流路Ｆ１，Ｆ２が画成されている。第１の流路Ｆ１は、冷却水流入口２２に連通し、第２の流路Ｆ２は、冷却水流出口２３に連通している。また、第１の流路Ｆ１および第２の流路Ｆ２は、隔壁部２５の所定箇所に設けられた噴出ノズル２６を介して連通している。

噴出ノズル２６の上端面は、フィン構造体１０と接合される側壁部２４の上端面の位置よりも下側、すなわち、流路分配器２０の内側に位置している。これにより、噴出ノズル２６の上端面とフィン構造体１０の下端面（フィン１３の先端面）との間に隙間ができ、この隙間を通して冷却水Ｗが第２の流路Ｆ２内を流通できるようになっている。

このように、本実施の形態の衝突噴流冷却器１は、図２に示すように、流路分配器２０の冷却水流入口２２から第１の流路Ｆ１内に導入された冷却水Ｗが、噴出ノズル２６を介して図中矢印で示す方向にフィン１３に衝突し、このフィン１３にベース部１１を介して熱結合されている半導体素子５の発熱を吸熱しながら第２の流路Ｆ２内を流れることで、半導体素子５を冷却するようになっている。

次に、本実施の形態の衝突噴流冷却器１に用いられるフィン構造体１０について、図３を参照して説明する。図３において、（ａ）はフィン構造体１０を斜視的に見たときの形状、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向に沿って見たときの断面構造、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ方向に沿って見たときの断面構造を示している。

フィン構造体１０は、図３（ａ）に示すように全体的に板状の形態を有し、平面視したときに長方形の形状を有している。このフィン構造体１０は、図３（ｂ）に示すように、板状のベース部１１の、半導体素子５（図１参照）を搭載する側の面（一方の面）と反対側の面（他方の面）に、複数のフィン１３が一定の方向に並行して延設された構造を有している。また、フィン構造体１０の他方の面の周囲に沿った環状の長方形の部分は、対向する２つの長辺部分および対向する２つの短辺部分からなる壁部１２として画成されている。

本実施の形態の衝突噴流冷却器１においては、各フィン１３が、壁部１２の内側で壁部１２の短辺部分に対して平行な方向、すなわち、壁部１２の対向する２つの長辺部分の一方から他方に向かう方向に延設されている。また、各フィン１３は、その長手方向の両端（図３（ａ）において２箇所のＰで囲んだ部分）が壁部１２の対向する２つの長辺部分と切れ目無く繋がるように形成されている。

各フィン１３間の隙間は、スリット（すなわち、溝）１４として画成されている。各フィン１３は、後述するように板状部材に対して切削処理を行い、一定の方向に並行する複数のスリット１４を形成することにより、形成することができる。すなわち、フィン構造体１０は、板状部材に形成された複数のスリット１４によって必然的に複数のフィン１３が規定される構造となっている。

フィン構造体１０の壁部１２の端部は、上述したように流路分配器２０の側壁部２４の端部と接合する際のシール面として用いられる部分である。この壁部１２の高さ方向の寸法は、フィン１３の高さ方向の寸法と同じである。すなわち、壁部１２は、その上端面がフィン１３の先端面と同一平面に位置するように形成されている。

また、各フィン１３間の隙間、すなわち、スリット１４は、冷却水Ｗ（図２参照）が流れる流路として利用される。フィン構造体１０においてこの流路が形成される部分では、図３（ｃ）に示すように、壁部１２は、ベース部１１から流路（スリット１４）に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状（凹状曲面部１５）を有している。この凹状曲面部１５の形状は、スリット１４を形成するのに用いる切削工具（例えば、円形の鋸状刃を備えたグラインダ）の外形に依存する。

フィン構造体１０は、後述するように１枚の板状部材を加工成形して得られる単一の部材である。すなわち、このフィン構造体１０は、ベース部１１と壁部１２と複数のフィン１３とが一体的に形成された構造となっている。

フィン構造体１０は、ベース部１１の一方の面に搭載される半導体素子５（図１参照）からの熱を受ける受熱部材としての役割、および、その受けた熱を他方の面のフィン１３に伝導する伝熱部材としての役割を果たすものである。また、このフィン構造体１０の他方の面（フィン１３が形成されている側の面）には、冷媒としての冷却水（例えば、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液）が接触するようになっている。

このため、フィン構造体１０を構成する板状部材には、熱伝導性が良く、かつ耐食性に優れた材料を使用するのが望ましい。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金（アルミニウム−マンガン（Ａｌ−Ｍｎ）系等）を用いることができる。

なお、フィン構造体１０に形成されるフィン１３の本数、厚みおよび配設ピッチは、流路分配器２０の大きさ、衝突噴流冷却器１の構造、形状、熱交換容量等の設計諸元により適宜選択される。

次に、本実施の形態の衝突噴流冷却器１に用いられる流路分配器２０について、図２と併せて図４を参照しつつ説明する。図４において、（ａ）は流路分配器２０を表側（フィン構造体１０が接合される側）から斜視的に見たときの形状、（ｂ）は流路分配器２０を裏側（カバー３０が接合される側）から斜視的に見たときの形状を示している。

図４に示すように、流路分配器２０は、本体部２１と、この本体部２１に接合された冷却水流入口２２および冷却水流出口２３とを備えており、これら各構成要素が一体に形成された構造を有している。本体部２１は、その周囲を囲む側壁部２４と、この側壁部２４によって囲まれる空間（すなわち、流路を構成する部分）を上下２つの部分に分割する隔壁部２５とによって構成されている。

側壁部２４は、平面視したときに環状の長方形の形状を有しており、対向する２つの長辺部分および対向する２つの短辺部分からなっている。また、隔壁部２５によって分割された下側の空間は、図２、図４（ｂ）に示すように第１の流路Ｆ１を構成し、隔壁部２５によって分割された上側の空間は、図２、図４（ａ）に示すように第２の流路Ｆ２を構成する。

第１の流路Ｆ１は、隔壁部２５と、側壁部２４と、流路分配器２０に接合されるカバー３０とによって囲まれる空間により画成されている。第２の流路Ｆ２は、隔壁部２５と、側壁部２４と、流路分配器２０に接合されるフィン構造体１０とによって囲まれる空間により画成されている。

また、側壁部２４の一方の短辺部分（図示の例では右側）の下方側、すなわち、隔壁部２５によって分割された下側の空間を囲む部分には、方形に形成された開口部が設けられている。冷却水流入口２２は、この開口部を通して第１の流路Ｆ１と連通するように、側壁部２４から突出して設けられている。

同様に、側壁部２４の他方の短辺部分（図示の例では左側）の上方側、すなわち、隔壁部２５によって分割された上側の空間を囲む部分にも、方形に形成された開口部が設けられている。冷却水流出口２３は、この開口部を通して第２の流路Ｆ２と連通するように、側壁部２４から突出して設けられている。

また、隔壁部２５には、図４（ａ）に示すように上方側に向かって開口する複数個（図示の例では６個）の円形断面の筒状の噴出ノズル２６が、隔壁部２５から突出するように設けられている。これら各噴出ノズル２６は、その突出している側と反対側の端部が、図４（ｂ）に示すように隔壁部２５の反対側の面上に開口している。これにより、第１の流路Ｆ１内に導入された冷却水Ｗが、噴出ノズル２６を通して第２の流路Ｆ２内に導かれるようになっている。

各噴出ノズル２６は、隔壁部２５上でそれぞれ所定の位置に設けられている。この所定の位置は、流路分配器２０にフィン構造体１０を接合したときに（図６参照）フィン構造体１０上に画定される半導体素子搭載領域５ａの位置に対応するように選定されている。

流路分配器２０は、冷却水流入口２２から導入された冷却水Ｗの流路を適宜分配し、その流路の一部をフィン構造体１０に設けられているフィン１３の方向に指向させるための部材としての役割を果たすものである。このような流路を構成するために流路分配器２０は、図４に示すように複雑な形状で、かつ正確な寸法に成形する必要がある。

また、流路分配器２０の本体部２１においては、冷却水流入口２２から第１の流路Ｆ１内に導入された冷却水Ｗが、噴出ノズル２６を介してフィン構造体１０（図２参照）のフィン１３に衝突し、このフィン１３を介して半導体素子５の発熱を吸熱しながら第２の流路Ｆ２内を冷却水流出口２３に向かって流れるようになっている。

このため、流路分配器２０を構成する材料には、耐熱性に加えて、精密成形性、寸法安定性等に優れた材料を使用するのが望ましい。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等を用いることができる。

次に、本実施の形態の衝突噴流冷却器１に用いられるフィン構造体１０を製作する方法について、図５を参照して説明する。

先ず、フィン構造体１０の母材となる矩形の板状部材１１ａを用意する。この板状部材１１ａの材料としては、上述したように熱伝導性および耐食性に優れた材料が望ましいので、例えば、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｎ）を用いる。用意する板状部材１１ａの大きさは、最終的に仕上がるフィン構造体１０の外形寸法と同じ程度のものを選ぶ。

次に、図５（ａ）に示すように、この矩形の板状部材１１ａの一方の面において周囲に沿った領域（最終的に壁部１２として画成される周囲部１２ａ）の内側の領域に、切削工具を用いて所要の切削処理を行う。本実施の形態では、その切削工具として、円形の鋸状刃４１を複数個（図示の例では４個）並列多連に設けたグラインダ４０を使用する。

そして、グラインダ４０の各鋸状刃４１を図中矢印で示す方向に回転させながら、最も外側（図示の例では右側）に位置する鋸状刃４１が、板状部材１１ａ上の周囲部１２ａとその内側の領域との境界部分（図中、破線で示す部分）に位置するように、板状部材１１ａに当接させる。

この状態でグラインダ４０を板状部材１１ａに対し所要のプレス圧で押圧することで、図５（ｂ）に示すように、板状部材１１ａ内に各鋸状刃４１（図５（ａ）参照）の一部が入り込み、その部分が凹状に切削される。この凹状に切削された部分の深さは、スリット１４の深さ、すなわち、フィン１３の高さ（図３（ｂ）参照）を規定する。したがって、グラインダ４０を押圧する際のプレス圧は、所要のスリット１４の深さ（＝フィン１３の高さ）を確保できる程度の値に適宜設定される。

次に、グラインダ４０を、図５（ａ）において太い矢印で示す方向、すなわち、板状部材１１ａの周囲部１２ａに沿って平行に移動させることにより、図５（ｃ）に示すようにベース部１１にスリット１４が形成された構造体が出来上がる。この構造体において、ベース部１１から壁部１２に繋がる部分は、グラインダ４０の円形の鋸状刃４１の外形に依存して、図示のようにベース部１１から流路（スリット１４）に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状（凹状曲面部１５）となっている。

この段階では、鋸状刃４１の設置数に依存して４本のスリット１４が形成されている。実際には、５本以上のスリット１４を形成する必要があるので、上記の切削処理を複数回繰り返すことになる。

あるいは、必要とするフィン１３の数（すなわち、スリット１４の数）に対応した複数個の鋸状刃４１を並列多連に設けたグラインダを使用して、１回の切削処理で所要数のフィン１３を形成するようにしてもよい。

上述したように、鋸状刃４１を複数個並列多連に設けたグラインダ４０を用いて、板状部材１１ａに対し一定の方向に並行する複数のスリット１４を形成することにより、ベース部１１上で壁部１２の内側に一定の方向に並行して延びる複数のフィン１３が形成されたフィン構造体１０を製作することができる。

次に、上記の方法（図５）により製作されたフィン構造体１０を用いて衝突噴流冷却器１を製作する方法について、図６を参照して説明する。

先ず、フィン構造体１０が接合される流路分配器２０と、この流路分配器２０に接合されるカバー３０とを用意する。

流路分配器２０を構成する材料としては、上述したように耐熱性、精密成形性等に優れた材料が望ましいので、例えば、ＰＰＳ樹脂を用いる。特に図示はしないが、このＰＰＳ樹脂をダイキャスト等の金型を用いて所要の形状に成形することにより、図４に示す形状を有した流路分配器２０を製作することができる。

また、カバー３０としては、流路分配器２０との接合の便宜を考慮して、フィン構造体１０に用いた材料と同じアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｎ）からなる板金を用意する。用意する板金（カバー３０）の外形寸法は、フィン構造体１０の外形寸法と同じもの（ただし、厚さはフィン構造体１０の厚さよりも薄いもの）を選ぶ。

このようにして用意された樹脂部材の流路分配器２０および金属部材のカバー３０と、同じ金属部材のフィン構造体１０とを組み合わせて、衝突噴流冷却器１を製作する。

すなわち、図６に示すように、流路分配器２０の噴出ノズル２６が設けられている側の側壁部２４の端部と、フィン構造体１０の半導体素子搭載領域５ａが画定されている側と反対側の面の周囲部分（すなわち、フィン１３（図２参照）が形成されている側の壁部１２の端部）との位置合わせを行い、適当な接着剤等を用いて、流路分配器２０の側壁部２４の端部とフィン構造体１０の壁部１２の端部とを封止接合する。

次いで、フィン構造体１０が接合された流路分配器２０の噴出ノズル２６が設けられている側と反対側の側壁部２４の端部と、カバー３０の対応する周囲部分との位置合わせを行い、適当な接着剤等を用いて、流路分配器２０の側壁部２４の端部とカバー３０の周囲部分とを封止接合する。

流路分配器２０とフィン構造体１０との接合、および流路分配器２０とカバー３０との接合は、例えば、エポキシ系樹脂等の熱硬化性の樹脂、もしくは紫外線（ＵＶ）硬化性の樹脂の接着剤を用いて行うことができる。

本実施の形態の衝突噴流冷却器１は、上述のような構成を備えることにより、以下の作用効果を奏する。

先ず、図２、図３に示すように、衝突噴流冷却器１のフィン構造体１０において、各フィン１３の長手方向の両端が壁部１２と切れ目無く繋がるように形成されているので、各フィン１３が壁部１２の柱としての役割を果たす。これにより、放熱性を高めるべくフィン１３の薄肉化および微細ピッチ化を図った場合でも、壁部１２およびこれに繋がる柱として機能するフィン１３によってフィン構造体１０の剛性を高めることができる。

通常の放熱用のフィンを備えた冷却器では、フィンの延設方向に冷媒を流すため、フィンの端部に冷媒の供給路を確保する必要がある。すなわち、フィンの端部に冷媒の供給路のためのスペースを確保する必要があり、フィンの端部をベース部の壁部と接合することができない。このため、冷却器の配置態様または使用状況によっては、フィンの安定した起立状態を維持することができず、冷媒のスムーズな流通に支障をきたすことが考えられる。

これに対し、本実施の形態に係る衝突噴流冷却器１は、フィン１３の延設方向と直交する方向、すなわち、図２に示すようにベース部１１のフィン１３が形成されている側の面の、半導体素子５の搭載領域に対応する部分に向かって開口された流路分配器２０の噴出ノズル２６から冷却水Ｗが供給される構造となっている。したがって、フィン１３の端部に冷却水Ｗの供給路を設ける必要がなく、フィン１３の長手方向の両端をベース部１１の壁部１２と接合することができる。

このようにフィン構造体１０において各フィン１３の両端が壁部１２に固定されることで、半導体素子５との熱抵抗を低減すべくベース部１１の厚さを薄くした場合でも、周囲の壁部１２によって剛性が高められるとともに、フィン１３の安定した起立状態を維持することができる。

また、各フィン１３の起立状態が安定に維持されることで、流路分配器２０から各フィン１３に衝突した冷却水Ｗが、フィン１３間の隙間（すなわち、スリット１４）内をスムーズに流通することができる。これは、流路分配器２０の第２の流路Ｆ２内における冷却水Ｗのスムーズな流通に寄与し、ひいては衝突噴流冷却器１の安定した冷却性能の維持に寄与する。

また、図３に示すように、フィン構造体１０を構成するベース部１１と壁部１２とフィン１３とが一体構造となっているので、従来技術に見られたようなフィン部を別体製作してベース板に接合する形態と比べて、部品点数を少なくすることができる。これは、製造コストの低減に寄与する。

これに関連して、図５に示したフィン構造体１０の製作方法は、１枚の板状部材１１ａからグラインダ４０を用いた切削処理によって所要のフィン構造体１０を作製しているので、ベース部１１と壁部１２とフィン１３とを一体に形成するのに適している。

また、図３（ｃ）に示すように、フィン構造体１０において冷却水の流路が形成される部分（スリット１４）では、壁部１２が、ベース部１１から流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状（凹状曲面部１５）、すなわち、流路内が円弧の形状となっているので、壁部１２とベース部１１の繋がり部分での流路抵抗を低減することができる。

これにより、流路分配器２０の噴出ノズル２６から供給される冷却水Ｗがフィン１３間の隙間（スリット１４）にスムーズに流れ込み、その流れ込んだ冷却水Ｗにより、半導体素子５からベース部１１を介してフィン１３に伝導される熱を効率よく吸熱することができる。これは、衝突噴流冷却器１の冷却性能の向上に寄与する。

これに関連して、図５に示したフィン構造体１０の製作方法は、スリット１４を形成するのに用いるグラインダ４０の鋸状刃４１の形状が円弧をなしているので、壁部１２とベース部１１の繋がり部分（すなわち、壁部１２の凹状曲面部１５）を円弧形状に形成するのに適している。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明に係る衝突噴流冷却器の第２の実施の形態を示す図であり、この衝突噴流冷却器に用いられるフィン構造体１０Ａを示したものである。

図７において、（ａ）はフィン構造体１０Ａを斜視的に見たときの形状を示し、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）のＤ−Ｄ方向およびＥ−Ｅ方向に沿って見たときの断面構造を示している。図７に示す構成のうち、第１の実施の形態（図３）と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。

この第２の実施の形態では、フィン構造体１０Ａにおいて複数のフィン１６が、壁部１２の内側で壁部１２の長辺部分に対して平行な方向、すなわち、壁部１２の対向する２つの短辺部分の一方から他方に向かう方向に延設されている。また、各フィン１６は、その長手方向の両端（図７（ａ）において２箇所のＱで囲んだ部分）が壁部１２の対向する２つの短辺部分と切れ目無く繋がるように形成されている。

また、各フィン１６は、第１の実施の形態で用いた方法（図５）と同様の切削処理によって複数のスリット１７を形成することにより、形成することができる。

この第２の実施の形態では、第１の実施の形態（図３）と同様に、フィン構造体１０Ａを構成するベース部１１と壁部１２とフィン１６とが一体構造であり、各フィン１３の長手方向の両端が壁部１２と繋がるように形成され、壁部１２がベース部１１から流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状（凹状曲面部１８）となっている。したがって、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

先ず、壁部１２およびこれに繋がる柱として機能するフィン１６によってフィン構造体１０Ａの剛性を高めることができ、フィン１３の安定した起立状態を維持することができる。また、１枚の板状部材から切削処理によって所要のフィン構造体１０Ａを作製することができるので、製造コストの低減化を図ることができる。また、凹状曲面部１８の存在により流路内が円弧の形状となっているので、壁部１２とベース部１１の繋がり部分での流路抵抗を低減することができ、衝突噴流冷却器１の冷却性能の向上に寄与することができる。

さらに、この第２の実施の形態では、スリット１７間の部材によって規定されるフィン１６が、流路分配器２０（図２参照）の第２の流路Ｆ２内を冷却水Ｗが冷却水流出口２３に向かって流れる方向と平行する方向に延設されているので、以下の利点がある。

すなわち、第１の実施の形態（図３）のように流路分配器２０の第２の流路Ｆ２内を冷却水Ｗが冷却水流出口２３に向かって流れる方向と直交する方向にフィン１３が延設された構造と比べて、第２の流路Ｆ２内を流れる冷却水Ｗの流路抵抗が低減され、フィン１６に衝突して半導体素子５の発熱を吸熱した後の冷却水Ｗが、各フィン１６間の隙間（スリット１７）に沿ってそのまま冷却水流出口２３に向かって流れ易くなる。

このように、フィン１６に衝突した冷却水Ｗが各フィン１６間の隙間（スリット１７）に沿って流れ易くなることで、流路分配器２０の第２の流路Ｆ２内における冷却水Ｗのスムーズな流通に寄与し、ひいては衝突噴流冷却器１の冷却性能の向上に寄与することができる。

上述した各実施の形態に係る衝突噴流冷却器１においては、流路分配器２０（図４）に設けられる噴出ノズル２６の形状を円形断面の筒状とした場合を例にとって説明したが、噴出ノズルの形状がこれに限定されないことはもちろんである。例えば、噴出ノズルの形状を楕円や長円形等の断面の筒状としてもよい。

以上説明したように、本発明に係る衝突噴流冷却器およびその製造方法は、放熱性を高めるための微細なフィン構造を実現するに際し剛性を高めることができ、製造コストの低減に寄与することができるという効果を有し、冷媒をフィンに向かって衝突させる噴流式の衝突噴流冷却器全般に有用である。

１…衝突噴流冷却器、５…半導体素子（発熱体）、５ａ…半導体素子搭載領域、１０，１０Ａ…フィン構造体、１１…ベース部、１１ａ…板状部材、１２…壁部、１３，１６…フィン、１４，１７…スリット（溝）、１５，１８…凹状曲面部、２０…流路分配器（流路構成部材）、２１…本体部、２２…冷却水流入口、２３…冷却水流出口、２４…側壁部、２５…隔壁部、２６…噴出ノズル、３０…カバー、４０…グラインダ（切削工具）、４１…円形の鋸状刃、Ｆ１，Ｆ２…第１、第２の流路、Ｗ…冷却水（冷媒）

Claims (5)

1. 発熱体を一方の面に搭載するためのベース部を有し、前記ベース部の他方の面に、一定の方向に並行して延びる複数のフィンが設けられたフィン構造体と、
   前記フィン構造体と封止接合され、前記ベース部の他方の面の、前記発熱体が搭載される領域に対応する部分に向かって開口する冷媒の噴出ノズルが設けられた冷媒の流路構成部材と、を備え、
   前記ベース部が、前記ベース部の周囲を囲む壁部を有し、前記複数のフィンの長手方向の両端が、前記壁部と接合されていることを特徴とする衝突噴流冷却器。
2. 前記フィン構造体は、前記ベース部と前記壁部と前記複数のフィンとが一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の衝突噴流冷却器。
3. 前記壁部は、前記ベース部から冷媒の流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衝突噴流冷却器。
4. 請求項１に記載の衝突噴流冷却器の製造方法であって、
   前記フィン構造体を製作する工程を含み、
   前記工程が、板状部材の片面の、最終的に前記壁部として画成される周囲に沿った領域の内側の領域に、切削工具を用いて一定の方向に並行に複数の溝を形成することにより、複数のフィンを形成することを含むことを特徴とする衝突噴流冷却器の製造方法。
5. 前記切削工具は、円形の鋸状刃を備えたグラインダであり、
   前記グラインダを用いて、前記壁部を、前記ベース部から冷媒の流路に対して凹状の円弧をなして立ち上がる形状に成形することを特徴とする請求項４に記載の衝突噴流冷却器の製造方法。

Images