JP4617869B2

JP4617869B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP4617869B2
Application number: JP2004371247A
Authority: JP
Inventors: 義之岡本; 公司田中; 焦石井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: US7658223B2; JP2006177613A; US20060131001A1

Description

本発明は、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。

特許文献１に示された沸騰冷却装置は、冷媒槽を形成する容器の材質や製法について記載されていないが、熱伝導特性を考えると、銅材をプレス、鍛造あるいは切削などの方法で加工して製作することが考えられる。また、通常、冷媒槽と放熱部はろう付けにて接合される。

一方、ヒートシンクを発熱体に適用する場合、接触熱抵抗を低減するために、一般的に発熱体に対して少なからぬ荷重で押し付けて取り付けることが要求される。そのため、沸騰冷却装置における冷媒槽の容器においても、この荷重に対して変形を起こさず、発熱体に対して適切な荷重にて押し付けられる強度（剛性）が求められる。
特開２００４−３７０７４号公報

しかしながら、銅材は一般的にろう付け時の加熱により軟化して剛性が低下するため、荷重に対して冷媒槽の容器が容易に変形し、発熱体に適切な荷重で押し付けることができないという問題があった。

そこで本発明では、冷媒槽と放熱部がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、銅の高い伝熱特性を生かしながら、発熱体に適切な荷重で押し付け可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、発熱体（９０）の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、冷媒槽（１）と放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成り、一方の面が冷媒槽（１）の内部に露出するとともに他方の面に発熱体（９０）が接触するブロック（１３）と、銅材より成る外皮（１２１）間に補強材（１２２）を挟んだ３層構造材にて形成されるとともにブロック（１３）に接合される積層プレート（１２）とを有し、補強材（１２２）は、ろう付け工程後の剛性が銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする。

これによると、冷媒槽を形成する容器は補強材によりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いブロックを介して冷媒と発熱体との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体に適切な荷重で押し付けることができる。

因みに、補強材（１２２）としては、請求項３に記載の発明のように、鋼材を用いることができる。

なお、本明細書でいう「銅材」は、純銅および銅合金のいずれをも含むものである。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の沸騰冷却装置において、積層プレート（１２）は、冷媒槽（１）の内部と外部を連通させる開口部（１２３）を備え、開口部（１２３）にブロック（１３）が配置されていることを特徴とする。

これによると、ブロックの一方の面が冷媒槽の内部に露出するとともに他方の面に発熱体が接触する構成を容易に実現することができる。

請求項４に記載の発明では、内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、発熱体（９０）の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、冷媒槽（１）と放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成るとともに一方の面が冷媒槽（１）の内部に露出するベースプレート（１６）と、銅材より成り、一方の面がベースプレート（１６）に接触するとともに他方の面に発熱体（９０）が接触するブロック（１８）と、ベースプレート（１６）のうちブロック（１８）が接触しない部位に配置された補強用のフレーム（１７）とを有し、フレーム（１７）は、ろう付け工程後の剛性が銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする。

これによると、冷媒槽を形成する容器はフレームによりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いベースプレートとブロックを介して冷媒と発熱体との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体に適切な荷重で押し付けることができる。

因みに、フレーム（１７）としては、請求項８に記載の発明のように、鋼材を用いることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の沸騰冷却装置において、フレーム（１７）は、ベースプレート（１６）の外表面側に位置するとともに、ベースプレート（１６）の外表面と冷媒槽（１）の外部とを連通させる開口部（１７１）を備え、開口部（１７１）にブロック（１８）が配置されていることを特徴とする。

ところで、請求項２に記載の発明のように、積層プレートが冷媒槽の内部と外部を連通させる開口部を備える構成の場合、積層プレートとブロックとの接合部からの冷媒の漏れの恐れがあるが、請求項５に記載の発明におけるフレームの開口部は、冷媒槽の内部と外部を連通させるものではないため、開口部からの冷媒の漏れの恐れはない。

請求項６に記載の発明では、内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、発熱体（９０）の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、冷媒槽（１）と放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成り、一方の面が冷媒槽（１）の内部に露出するるとともに他方の面に発熱体（９０）が接触するベースプレート（１６）と、ベースプレート（１６）のうち発熱体（９０）が接触しない部位に配置された補強用のフレーム（１７）とを有し、フレーム（１７）は、ろう付け工程後の剛性が銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする
これによると、冷媒槽を形成する容器はフレームによりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いベースプレートを介して冷媒と発熱体との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体に適切な荷重で押し付けることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の沸騰冷却装置において、フレーム（１７）は、ベースプレート（１６）の外表面側に位置するとともに、ベースプレート（１６）の外表面と冷媒槽（１）の外部とを連通させる開口部（１７１）を備え、ベースプレート（１６）における発熱体（９０）が接触する部位は、開口部（１７１）から冷媒槽（１）の外側に向かって突出していることを特徴とする。

ところで、請求項２に記載の発明のように、積層プレートが冷媒槽の内部と外部を連通させる開口部を備える構成の場合、積層プレートとブロックとの接合部からの冷媒の漏れの恐れがあるが、請求項７に記載の発明におけるフレームの開口部は、冷媒槽の内部と外部を連通させるものではないため、開口部からの冷媒の漏れの恐れはない。

また、請求項４に記載の発明におけるブロックに相当するものが不要であるため、構造が簡素で低コストに実現できるとともに、そのブロックとベースプレートとの接触面の熱抵抗がない分、伝熱特性が良好である。

また、ベースプレートにおける発熱体が接触する部位を突出させているため、ベースプレートと発熱体とを容易に接触させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る沸騰冷却装置の正面図、図２は図１の右側面図、図３は図１の平面図、図４は本実施形態の沸騰冷却装置に発熱体９０が取り付けられた状態を示す側面図、図５は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図６は図１の沸騰冷却装置における要部を分解して示す斜視図である。

図１〜図４に示すように、沸騰冷却装置は、半導体素子等の発熱体９０を冷却するもので、内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体９０が取り付けられる冷媒槽１と、発熱体９０の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽１に戻す放熱部２とを備えている。

冷媒槽１は、銅材より成るカバープレート１１と、積層プレート１２とが接合されて、液相の冷媒が貯留される空間が内部に形成された最中状ないしは扁平箱状の容器となっている。

図５、図６に示すように、積層プレート１２は、銅材より成る外皮１２１間に補強材１２２を挟んだ３層構造材より成り、冷媒槽１の内部と外部を連通させるとともに後述するブロック１３が挿入される円形の開口部１２３を備え、また、後述するボルト９２が挿入される穴１２４が形成された４つの鍔部１２５を備えている。

補強材１２２は、ろう付け工程後の剛性が銅材よりも高い材料より成り、本実施形態ではステンレスを用いている。因みに、ステンレスは銅の拡散接合（約１１００℃）やろう付け（６００〜８００℃）の工程を経た後も、軟化することなく、良好な強度（剛性）を維持できる。

ブロック１３は、銅材より成り、円柱状に形成された第１円柱部１３１と、第１円柱部１３１よりも大径の円柱状に形成された第２円柱部１３２を備えている。ブロック１３は、第２円柱部１３２が冷媒槽１の内部に位置するようにして、第２円柱部１３２が積層プレート１２の外皮１２１に当接する位置まで、第１円柱部１３１が積層プレート１２の開口部１２３に圧入される。これにより、第１円柱部１３１の端面が冷媒槽１の外部に露出し、第１円柱部１３１の端面に発熱体９０が接触するようになっている。

そして、沸騰冷却装置全体を一体ろう付けする際に、第１円柱部１３１と開口部１２３の圧入部も、ブロック１３と積層プレート１２との勘合部の外側に配したリン銅ろうあるいは銀ろう等のリング状のろう材１４を用いて密封される。

冷媒槽１内には、ウイック１５が設けられ、沸騰冷却装置全体を一体ろう付けする前に、ウイック１５はブロック１３に予め拡散接合されている。ウイック１５は、周知のように多孔質部材であり、本実施形態では発泡銅を用いている。

図１〜図４に示すように、放熱部２は、２枚のプレートが接合されて内部に空間が形成された最中状ないしは扁平箱状のヘッダ２１と、ヘッダ２１と冷媒槽１とを連通させてヘッダ２１と冷媒槽１間で冷媒を流通させる複数本のチューブ２２と、チューブ２２間に介在されて放熱面積を増大させるフィン２３と、ヘッダ２１と冷媒槽１とを連結するサイドプレート２４とを備えている。なお、ヘッダ２１、チューブ２２、フィン２３、およびサイドプレート２４は、いずれも銅より成る。

上記沸騰冷却装置は、ウイック１５をブロック１３に予め拡散接合した後、各部材間で接合される部位に施されたろう材により一体ろう付けされる。

真空引きされた沸騰冷却装置の内部空間には、所定量の冷媒が封入され、飽和状態に保たれている。冷媒は、ここでは水を使用している。尚、冷媒としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いてもよい。

発熱体９０は、プリント基板９１に実装されており、プリント基板９１と沸騰冷却装置をボルト９２とナット９３により結合して、ブロック１３を発熱体９０に押し付けている。

上記構成になる沸騰冷却装置の作動について説明する。

発熱体９０の熱がブロック１３を介してウイック１５に伝達され、ウイック１５内の液相冷媒はその熱により沸騰気化し、気相冷媒はチューブ２２内を上昇してヘッダ２１に向かって流れる。気相冷媒はチューブ２２内を流れる際に外部の空気と熱交換して冷却される。そして、冷却されて凝縮した冷媒は、チューブ２２内を下降して冷媒槽１内に還流する。

このように、発熱体９０が発生した熱は、冷媒に伝達されて放熱部２に輸送され、この放熱部２で気相冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、フィン２３を介して外気に放熱され、これにより、発熱体９０が冷却される。

本実施形態では、冷媒槽１を形成する容器は補強材１２２によりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体９０に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いブロック１３を介して冷媒と発熱体９０との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体９０に適切な荷重で押し付けることができる。

また、積層プレート１２の外皮１２１は銅材より成るため、冷媒として水を用いた場合に腐食による非凝縮ガスの発生を抑制することができるとともに、銅材より成るブロック１３と積層プレート１２とを、リン銅ろうあるいは銀ろうなどのような一般的な銅ろう付け用ろう材にて容易に接合することができる。

また、ブロック１３を段付き円柱状に形成し、大径の第２円柱部１３２を積層プレート１２の外皮１２１に当接させることにより、ブロック１３と積層プレート１２との勘合部の外側にリング状のろう材１４などを持いてろう付けをおこなった際に、ウイック１５へろう材１４が吸い込まれるのを防ぐことができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図７は第２実施形態に係る沸騰冷却装置の要部の断面図、図８は第２実施形態に係る沸騰冷却装置の要部を分解して示す斜視図である。本実施形態は、冷媒槽１を形成する容器の構成が第１実施形態と異なっている。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７、図８に示すように、冷媒槽１は、銅材より成るカバープレート１１（図１参照）と、銅材より成るベースプレート１６とが接合されて、液相の冷媒が貯留される空間が内部に形成された最中状ないしは扁平箱状の容器となっている。ベースプレート１６の外表面側には、補強用のフレーム１７が配置されている。

フレーム１７は、後述するブロック１８が挿入される円形の開口部１７１を備え、また、ボルトが挿入される穴１７２が形成された４つの鍔部１７３を備えている。フレーム１７は、ろう付け工程後の剛性が銅材よりも高い材料より成り、本実施形態ではステンレスを用いている。

ブロック１８は、銅材より成り、円柱状に形成された第１円柱部１８１と、第１円柱部１８１よりも小径の円柱状に形成された第２円柱部１８２を備えている。ブロック１８の第２円柱部１８２がフレーム１７の開口部１７１に挿入されて、第２円柱部１８２の端面がベースプレート１６に接触するようになっている。

また、ブロック１８の第１円柱部１８１とベースプレート１６との間にフレーム１７を挟み込んだ構造となっている。そして、第１円柱部１８１の端面が冷媒槽１の外部に露出し、第１円柱部１８１の端面に発熱体９０（図１参照）が接触するようになっており、これにより、発熱体９０の熱がベースプレート１６およびブロック１８を介してウイック１５に伝達される。

なお、ベースプレート１６、フレーム１７、およびブロック１８は、沸騰冷却装置全体を一体ろう付けする際に同時にろう付けする。

本実施形態では、冷媒槽１を形成する容器はフレーム１７によりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体９０に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いベースプレート１６およびブロック１８を介して冷媒と発熱体９０との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体９０に適切な荷重で押し付けることができる。

また、ベースプレート１６は銅材より成るため、冷媒として水を用いた場合に腐食による非凝縮ガスの発生を抑制することができるとともに、銅材より成るブロック１８とベースプレート１６とを一般的な銅ろう付け用ろう材にて容易に接合することができる。

また、フレーム１７の開口部１７１は冷媒槽１の内部と外部を連通させるものではないため、開口部１７１からの冷媒の漏れの恐れはなく、ベースプレート１６とブロック１８とを接合するためのろう材がウイック１５へ吸い込まれる恐れもない。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図９は第３実施形態に係る沸騰冷却装置の要部の断面図、図１０は第３実施形態に係る沸騰冷却装置の要部を分解して示す斜視図である。本実施形態は、第２実施形態におけるベースプレート１６の形状を変更して、ブロック１８を不要にしたものである。なお、第２実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９、図１０に示すように、ベースプレート１６の一部を外側に打ち出して凸部１６１を形成し、この凸部１６１をフレーム１７の開口部１７１に挿入して、凸部１６１を開口部１７１よりもさらに外側まで突出させている。そして、凸部１６１の外表面に発熱体９０（図１参照）が接触するようになっており、これにより、発熱体９０の熱がベースプレート１６を介してウイック１５に伝達される。

なお、ベースプレート１６とブロック１８は、沸騰冷却装置全体を一体ろう付けする際に同時にろう付けする。

本実施形態では、冷媒槽１を形成する容器はフレーム１７によりろう付け工程後の剛性が確保されるため、冷媒槽容器を発熱体９０に押し付けた際の冷媒槽容器の変形が抑制される。また、銅材より成る伝熱特性が高いベースプレート１６を介して冷媒と発熱体９０との間の熱移動を行うことができる。したがって、銅の高い伝熱特性を生かしながら、冷媒槽容器を発熱体９０に適切な荷重で押し付けることができる。

また、ベースプレート１６は銅材より成るため、冷媒として水を用いた場合に腐食による非凝縮ガスの発生を抑制することができる。

また、フレーム１７の開口部１７１は冷媒槽１の内部と外部を連通させるものではないため、開口部１７１からの冷媒の漏れの恐れはない。

また、第２実施形態におけるブロック１８が不要であるため、構造が簡素で低コストに実現できるとともに、そのブロック１８とベースプレート１６との接触面の熱抵抗がない分、伝熱特性が良好である。

（他の実施形態）
上記実施形態では、補強材１２２またはフレーム１７は、ステンレスを用いたが、他の鉄系材料（例えば炭素鋼）を用いてもよい。

また、第２、第３実施形態では、ベースプレート１６とフレーム１７をろう付けにて一体化したが、ベースプレート１６とフレーム１７をかしめにより一体化してもよい。

本発明の第１実施形態に係る沸騰冷却装置の正面図である。図１の右側面図である。図１の平面図である。第１実施形態の沸騰冷却装置に発熱体が取り付けられた状態を示す側面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１の沸騰冷却装置における要部を分解して示す斜視図である。本発明の第２実施形態に係る沸騰冷却装置の要部の断面図である。第２実施形態に係る沸騰冷却装置の要部を分解して示す斜視図である本発明の第３実施形態に係る沸騰冷却装置の要部の断面図である。第３実施形態に係る沸騰冷却装置の要部を分解して示す斜視図である

符号の説明

１…冷媒槽、２…放熱部、１２…積層プレート、１３…ブロック、１２１…外皮、１２２…補強材、９０…発熱体。

Claims

内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、前記発熱体（９０）の熱によって沸騰した前記冷媒を冷却して凝縮させた後に前記冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、前記冷媒槽（１）と前記放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成り、一方の面が前記冷媒槽（１）の内部に露出するとともに他方の面に前記発熱体（９０）が接触するブロック（１３）と、銅材より成る外皮（１２１）間に補強材（１２２）を挟んだ３層構造材にて形成されるとともに前記ブロック（１３）に接合される積層プレート（１２）とを有し、
前記補強材（１２２）は、ろう付け工程後の剛性が前記銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記積層プレート（１２）は、前記冷媒槽（１）の内部と外部を連通させる開口部（１２３）を備え、前記開口部（１２３）に前記ブロック（１３）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
前記補強材（１２２）は、鋼材より成ることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、前記発熱体（９０）の熱によって沸騰した前記冷媒を冷却して凝縮させた後に前記冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、前記冷媒槽（１）と前記放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成るとともに一方の面が前記冷媒槽（１）の内部に露出するベースプレート（１６）と、銅材より成り、一方の面が前記ベースプレート（１６）に接触するとともに他方の面に前記発熱体（９０）が接触するブロック（１８）と、前記ベースプレート（１６）のうち前記ブロック（１８）が接触しない部位に配置された補強用のフレーム（１７）とを有し、
前記フレーム（１７）は、ろう付け工程後の剛性が前記銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記フレーム（１７）は、前記ベースプレート（１６）の外表面側に位置するとともに、前記ベースプレート（１６）の外表面と前記冷媒槽（１）の外部とを連通させる開口部（１７１）を備え、前記開口部（１７１）に前記ブロック（１８）が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。
内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体（９０）が取り付けられる冷媒槽（１）と、前記発熱体（９０）の熱によって沸騰した前記冷媒を冷却して凝縮させた後に前記冷媒槽（１）に戻す放熱部（２）とを備え、前記冷媒槽（１）と前記放熱部（２）がろう付けにて接合される沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽（１）を形成する容器は、銅材より成り、一方の面が前記冷媒槽（１）の内部に露出するるとともに他方の面に前記発熱体（９０）が接触するベースプレート（１６）と、前記ベースプレート（１６）のうち前記発熱体（９０）が接触しない部位に配置された補強用のフレーム（１７）とを有し、
前記フレーム（１７）は、ろう付け工程後の剛性が前記銅材よりも高い材料から成ることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記フレーム（１７）は、前記ベースプレート（１６）の外表面側に位置するとともに、前記ベースプレート（１６）の外表面と前記冷媒槽（１）の外部とを連通させる開口部（１７１）を備え、
前記ベースプレート（１６）における前記発熱体（９０）が接触する部位は、前記開口部（１７１）から前記冷媒槽（１）の外側に向かって突出していることを特徴とする請求項６に記載の沸騰冷却装置。
前記フレーム（１７）は、鋼材より成ることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。