JP4721412B2 - 冷却器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は冷却器およびその製造方法に関し、特に、発熱した車載用パワー半導体モジュール等を高効率で冷却するのに好適な液冷式マイクロチャンネル型の冷却器、およびその製造方法に関する。

パワー半導体モジュール等の発熱体を搭載する基板等における従来の冷却装置としては、一般的に、マイクロチャンネル型ヒートシンクが知られている。このマイクロチャンネル型ヒートシンクには、マイクロチャンネルを流れる冷却液の流れの状態に応じて、層流タイプのものと乱流タイプのものがある。層流タイプかまたは乱流タイプかは、マイクロチャンネルのサイズ、流路の形状、および内部構造によって決まる。

層流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクは、ヒートシンク内部に非常に小さいサイズでありかつ冷却液の流れを乱さない形状・構造を有する微小流路（マイクロチャンネル）を多数形成している。これにより、大きな放熱面積と熱伝達率によって高い放熱性能の達成を企図する。

乱流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクは、マイクロチャンネルの内部において板状ヒートシンクの厚み方向等に段差を形成したり、板状ヒートシンクの縦横方向に枝分かれした迷路を形成することにより、乱流を生じさせる構造を有する。これにより、大きな熱伝達率を確保しかつ高い放熱性能の達成を企図している。このヒートシンクは例えば下記の特許文献１，２に開示されている。

特許文献１はマイクロチャンネルチップを開示する。このマイクロチャンネルチップは、外観をなす全体形状が平板形状である。平板形状のマイクロチャンネルチップは、蓋板と中間板と底板の３枚の板材を合せて成る三層の積層構造によって形成されている。マイクロチャンネルチップでは、積層構造の各層部分に部分流路を形成し、これらを繋いでチップ内部に全体としてマイクロチャンネルを形成している。このマイクロチャンネルは、その内部に垂直壁部を作ることにより、冷却液の流れの方向を変え、乱流状態を発生させる。マイクロチャンネルの入口部は、蓋板の表面にそれぞれ異なる２種の原料流体を供給する２つの供給口として形成され、その出口部は蓋板の表面に１つの取出し口として形成される。２つの供給口から供給された２種の原料流体はマイクロチャンネルの内部で乱流状態により攪拌されて効率よく混合され、取出し口から取り出される。上記マイクロチャンネルチップに設けられたマイクロチャンネルは２種の原料流体を攪拌混合するための構造を有している。

特許文献２は電気部品等の冷却器等を開示する。この冷却器は、ヒートシンクとして使用され、金属層の積層構造によって形成される。金属層を接合して積層構造を形成するためＤＣＢ（Direct Copper Bond Technology）技術によって金属層の接合が行われる。この冷却器はマイクロチャンネルを有し、このマイクロチャンネルは乱流を生じさせる内部構造を有している。これにより、マイクロチャンネルを有する小型の冷却器であっても、冷却能力を高めている。しかし、乱流を発生させるための構造は複雑であり、製造コストが高くなる。

さらに、本発明に関連する他の先行技術として下記の特許文献３を挙げることができる。この特許文献３は集積回路パッケージで冷却液で冷却する構造を開示している。この冷却構造は、複数の集積回路等を搭載した基体と平行な平面に配置され、かつ各集積回路と並んで冷却液を流すマイクロチャンネル手段と、マイクロチャンネル手段との間で冷却液を授受する多岐管手段を備えたヒートシンクとを有する。この特許文献３では、マイクロチャンネルをエッチング法で作製する方法が示唆されている。
特開２００４−２０２６１３号公報 特許２９３１５７９号公報 特公平６−８０７５６号公報

従来の層流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクはその製造方法に応じて次のような問題が提起される。例えば２枚の同形金属板材を重ねて２層構造の合せ板で形成し、かつ２枚の金属板材の各対向面の一方または両方を機械加工による溝加工で矩形溝を形成し、これらの矩形溝を利用してマイクロチャンネルを形成する方法がある。この製造方法によれば、加工時間が長くなり、コストが非常に高くなる。さらに金属板材の対向面の粗度が悪くなり、圧力損失が大きくなるという問題もある。またエッチングによる溝加工で上記溝を形成して合せ板とする場合には、マイクロチャンネルの断面が半円状または円状となるため、放熱面積が小さくなるという問題がある。

上記の層流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクにおいて、多数の平行なマイクロチャンネルが形成される層部分を、例えば特許文献３に開示されるエッチングまたはプレス成形でスリットを形成した金属箔を積層し結合して作る場合には、当該マイクロチャンネル層部分には矩形の流路断面が形成されるので、望ましい放熱面積を確保できる。しかし、この構造の場合には、スリット間の金属箔部分が簾状に形成され、捩れが生じやすいという問題を有する。このため、積層構造を有するマイクロチャンネル層部分と、両側の金属板材を接合することが難しくなり、マイクロチャンネルを作ることが困難になる。

また特許文献１および特許文献２等による乱流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクでは、マイクロチャンネル内に乱流を生じさせるために、マイクロチャンネルの流路断面は或る程度大きくすることが必要となる。このため、乱流タイプのマイクロチャンネル型ヒートシンクは、流量に対する放熱面積が小さくなるという問題が生じる。さらに特許文献２に示すごとく複数の異なる孔形状を有する金属箔を積層する構造を有するものでは、金属箔の重なり面積が小さくなり、積層方向への熱伝達が少なく、放熱性能がよくないという問題がある。またマイクロチャンネル内における乱流化により圧力損失も大きくなるという問題もある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、板状の液冷式マイクロチャンネル型の冷却器で、冷却液のマイクロチャンネル（微小流路）の目的に応じて自由な流路設計を行うことができ、マイクロチャンネルを形成するスリットの長さ寸法および幅寸法を制限なく作ることができ、製造コストを低減することができ、蛇行流路構造を利用して微小渦流を作り熱交換能力を高めることができ、さらに乱流になることを防止して冷却液の圧力損失を低減しながら冷却能力を高めることができる冷却器およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る冷却器およびその製造方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の観点に係る冷却器は、金属箔を重ねて形成されるプレート状積層体（可撓性を有するシート状の積層体を概念的に含む）を厚み方向の部位ごとに複数形成し、さらにこれらの複数のプレート状積層体を重ねて積層構造体を形成し、積層構造体は内部に冷却液が流通する平行な複数のマイクロチャンネルを有する冷却器において、複数のマイクロチャンネルの各々は、重ねられた少なくとも第１および第２のプレート状積層体によって形成され、第１のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分と第２のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分（スリット状流路部分）は冷却液の流通方向にて連続通路を作るように位置をずらして形成されるとともに、第１のプレート状積層体と第２のプレート積層体とで形成される層内で、積層構造体の厚み方向に２段階で蛇行する流路形状を有する。

上記の冷却器では、銅箔等の金属箔を用いて、２段構えの積層構造を利用して好ましくは拡散接合で一体化し冷却器を製作する。冷却器の内部に形成される多数のマイクロチャンネルは、それぞれ所定の位置関係になるように位置をずらせたスリットが形成された少なくとも２つのプレート状積層体を重ね、当該スリットが連通することにより形成される。この結果、多数のマイクロチャンネルは冷却器の厚み方向に蛇行するごとく形成される。

第２の観点に係る冷却器は、上記の構成において、好ましくは、第１のプレート状積層体は不連続な少なくとも２つのスリットを冷却液の流通方向に有し、第２のプレート状積層体は、第１のプレート状積層体の不連続な少なくとも２つのスリットを連通させるための少なくとも１つのスリットを冷却液の流通方向に有し、複数のマイクロチャンネルの各々について、第１のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分は第１のプレート状積層体の少なくとも２つのスリットで形成され、第２のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分は第２のプレート状積層体の少なくとも１つのスリットで形成される。この構成によって、マイクロチャンネルは連通されたスリットで形成される。またスリットは各プレート状積層体（スリット層部）でエッチング等により不連続に形成され、当該不連続部が捩れを防止する補強用リブ部として作用する。

第３の観点に係る冷却器は、上記の構成において、好ましくは、複数のマイクロチャンネルの各々は重ねられた３つ以上のプレート状積層体で形成され、３以上のプレート状積層体の各々のマイクロチャネル用流路部分は冷却液の流通方向にて連続通路を作るように段階的に位置をずらして形成されることで特徴づけられる。

第４の観点に係る冷却器は、上記の構成において、好ましくは、３つ以上のプレート状積層体の各々に不連続な少なくとも２つのスリットを冷却液の流通方向に形成し、３つ以上のプレート状積層体の各々は、不連続な少なくとも２つのスリットの形成位置を少しずつずらすことによりマイクロチャンネル用流路部分が形成され、複数のマイクロチャンネルの各々は、３つ以上のプレート状積層体の各々のマイクロチャンネル用流路部分によってその厚み方向に段階状に蛇行して形成される。

上記の冷却器の構成において、さらに、積層構造体は冷却液を供給する供給流路と冷却液を排出する排出流路とを備え、複数のマイクロチャンネルを供給流路と排出流路との間に設けるようにすることができる。積層構造体は矩形プレート形状を有し、積層構造体の表裏の面の一方に発熱体を実装するようにすることができる。また積層構造体の表裏の面の両方に発熱体を実装するようにすることができる。この場合、積層構造体の表裏の面のそれぞれに対応して個別に複数のマイクロチャンネルを含む流路層が設けられることが好ましい。なお発熱体は例えばパワー半導体素子である。

第１の観点に係る冷却器の製造方法は、金属箔を重ねて形成されるプレート状積層体を厚み方向の部位ごとに複数形成し、さらにこれらの複数のプレート状積層体を重ねて積層構造体を形成して成る冷却器の製造方法であって、金属箔に部位に応じた孔を加工する第１工程と、金属箔を重ねて上記部位に応じた孔によるスリットを有する複数のプレート状積層体を形成する第２工程と、複数のプレート状積層体を重ねて積層構造体を形成すると共に、スリットを重ねることによりマイクロチャンネルを形成する第３工程と、から成り、複数のプレート状積層体の各々のスリットは、冷却液の流通方向に不連続な少なくとも２つのスリットとして形成され、かつプレート状積層体ごとにスリットの形成位置が冷却液の流通方向にずらされ、マイクロチャンネルは積層構造体の厚み方向に段階状に蛇行して形成される方法である。

第２の観点に係る冷却器の製造方法は、上記の製造方法において、好ましくは、複数のプレート状積層体の各々のスリットは、冷却液の流通方向に不連続な少なくとも２つのスリットとして形成され、かつプレート状積層体ごとにスリットの形成位置が冷却液の流通方向にずらされ、マイクロチャンネルは積層構造体の厚み方向に段階状に蛇行して形成される。

上記の冷却器の製造方法において、さらに、金属箔の孔はエッチング加工または切削加工によって形成される。また金属箔およびプレート状積層体は拡散接合によって接合されることが好ましい。さらに金属箔およびプレート状積層体は銀ろう付けで接合することもできる。

本発明によれば、次の効果を奏する。
第１に、矩形プレート形状を有する冷却器であってその表面または表裏の両面に発熱体を取り付け、吸熱・放熱作用で当該発熱体を冷却する冷却器において、冷却器を２段構えの積層構造で形成し、エッチング等で形成した微小な流路幅と狭いピッチの流路を必要な長さまで積層・接合して作ることができる。このため、さらに、板状の液冷式マイクロチャンネル型の冷却器で、冷却液のマイクロチャンネル（微小流路）の目的に応じて自由な流路設計を行うことができる。
第２に、マイクロチャンネルを形成するスリットの長さ寸法および幅寸法を制限なく作ることができ、製造コストを低減することができる。
第３に、蛇行流路構造を利用して微小渦流を作り熱交換能力を高めることができ、さらに乱流になることを防止して冷却液の圧力損失を低減しながら冷却能力を高めることができる。
第４に、蛇行流路構造を多段で形成するようにしたため、断面積の変化が少なくなり、圧力損失をさらに低減することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図６に従って本発明に係る冷却器の第１実施形態を説明する。図１は冷却器の外観を示す斜視図であり、図２は冷却器の内部構造を説明するための透視図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面模式図であり、図４は図２におけるＢ−Ｂ線断面を示す概略断面模式図であり、図５は冷却器の積層構造を説明するための分解図であり、図６はマイクロチャンネル層を形成する２つのスリット層部の各スリットの形成位置の関係を説明するための各スリット層部の部分平面図である。

図１に示されるごとく冷却器１０は全体的に略長方形の矩形板の形状を有している。冷却器１０の厚みは目的に応じて任意に設計されるが、好ましくは略５ｍｍ程度である。また冷却器１０の矩形形状の寸法は目的に応じて任意に設計されるが、好ましくは長辺が８０ｍｍ程度、短辺が５０ｍｍ程度のものである。図１の図示例では厚み等は若干誇張して描かれている。矩形の平板形状の冷却器１０の４つの角部の各々には、好ましくは、締結具用の貫通孔１１が形成されているが、これは必ずしも必要ではない。矩形板形状の冷却器は、図１中において上下に位置する表裏の面を有している。第１実施形態の冷却器１０では、図１中の上面すなわち表面１２に冷却対象である例えば６個の発熱体１３Ａ，１３Ｂを取り付けるようにしている。発熱体１３Ａ，１３Ｂの例としては、例えばパワー半導体モジュールを構成する回路要素であり、さらに詳しくはＩＧＢＴ１３Ａやダイオード１３Ｂ等の半導体素子である。発熱体１３Ａ，１３Ｂの個数は任意である。なお半導体素子は実際は薄膜状のものであるが、図１では厚みを誇張して描いている。さらに冷却器１０の表面１２の上には、実際には、半導体素子の間を結線する多数の配線が設けられているが、図１においてそれらの図示は省略されている。

図１において、冷却器１０の表面１２には２つの孔１４，１５が形成されている。孔１４は冷却液（矢印１６）が冷却器１０に導入される冷却液供給口であり、孔１５は冷却液（矢印１７）が冷却器１０から取り出される冷却液排出口である。冷却液供給口１４と冷却液排出口１５の個数は、図示されたものに限定されず、冷却器１０において目的に応じて任意の個数および位置で作ることができる。

図２〜図４に基づいて冷却器１０の内部構造を説明する。図３と図４では、説明の便宜上、冷却液の流れが分かるように、冷却器１０の厚みを特に誇張にして描いている。冷却器１０の内部構造は、冷却液が流通する流路に関する構造である。冷却器１０の内部の冷却液が流通する流路は、冷却液供給通路２１と、冷却液排出通路２２と、マイクロチャンネル領域２３における多数のマイクロチャンネル２３ａとによって形成されている。

冷却液供給通路２１は、上流端が上記の冷却液供給口１４に繋がっており、かつ冷却器１０の図２中手前側の長辺１０ａに沿って形成される直線的な通路である。冷却液供給通路２１の直線通路部の他端は閉じている。冷却液供給通路２１内の矢印２４は冷却液の流れを示している。また冷却液排出通路２２は、下流端が上記の冷却液排出口１５に繋がっており、かつ冷却器１０の図２中向う側の長辺１０ｂに沿って形成される直線的な通路である。冷却液排出通路２２内の矢印２５は冷却液の流れを示している。冷却液供給通路２１の直線通路部と冷却液排出通路２２の直線通路部とは平行な位置関係になるように形成されている。

マイクロチャンネル領域２３は、冷却液供給通路２１の直線通路部と冷却液排出通路２２の直線通路部との間の矩形な領域に形成されている。マイクロチャンネル領域２３は、平行に形成された多数のマイクロチャンネル（微小流路）２３ａによって形成される。図２では、マイクロチャンネル２３ａの一部分（下側部分）を形成するスリット２３ａ−２の配列パターンを示している。マイクロチャンネル２３ａの作り方の詳細については後述される。

多数のマイクロチャンネル２３ａの各々は、平面形状が略長方形をした冷却器１０の短辺の部分に平行である。各マイクロチャンネル２３ａは、図４に示すごとく、上記の冷却液供給通路２１の直線通路部と冷却液排出通路２２の直線通路部との間を連通している。各マイクロチャンネル２３ａは、冷却液を分流して冷却液供給通路２１から冷却液排出通路２２へ流通させる働きを有している。図２において矢印２６は、マイクロチャンネル領域２３における多数のマイクロチャンネル２３ａの各々を流れる冷却液の流れる方向を、上側から見た状態で示している。マイクロチャンネル２３ａにおける冷却液の流れの矢印２６を横から見ると、図４に示すごとく、冷却液の流れる方向に段差が形成され、その結果、上下の２段階で蛇行した状態で示される。このように多数のマイクロチャンネル２３ａの各々の内部で冷却液は２段階で上下に蛇行して流れる。

冷却器１０でのマイクロチャンネル領域２３におけるマイクロチャンネル２３ａの構造に関する実際の寸法の一例は、図３に示すごとく、流路幅ｄ１は０．１ｍｍであり、ピッチｄ２は０．２ｍｍであり、深さｄ３は０．３ｍｍである。ただし、深さについては、上記の通り段差を形成し蛇行させてマイクロチャンネルの流路が形成されているため、場所によっては０．３ｍｍの半分の０．１５ｍｍとなっている。さらにマイクロチャンネル２３ａの寸法に関して、その流路長は例えば２９ｍｍである。

以上の結果、マイクロチャンネル領域２３における平行な多数のマイクロチャンネル２３ａの本数は代表的に３０３本となる。冷却器１０でのこれらのマイクロチャンネル２３ａが形成されているマイクロチャンネル層２７の厚みは、マイクロチャンネル２３ａの上記深さ０．３ｍｍと同じである。図３と図４に示したマイクロチャンネル層２７は、後述するごとく、積層構造によって形成されている。

図２に示した各マイクロチャンネルの一部をなすスリット２３ａ−２の幅およびピッチは、実際の冷却器１０の寸法に比較して、説明の便宜上の観点から、約１０倍程度に拡大して示されている。

上記のごとき内部構造を有する冷却器１０によれば、冷却液供給口１４に導入された冷却液は、矢印２４，２６，２５の順で、冷却液供給通路２１、マイクロチャンネル領域２３のおける多数のマイクロチャンネル２３ａ、冷却液排出通路２２を流れ、冷却液排出口１５から排出される。この間、多数のマイクロチャンネル２３ａの各々で冷却器１０の厚み方向に蛇行しながら流れる冷却液は、冷却器１０の表面１２に取り付けられた発熱体１３Ａ，１３Ｂから生じた熱を吸収し、これにより発熱体１３Ａ，１３Ｂを冷却する。各マイクロチャンネル２３ａにおいて、冷却液は段差部によって厚み方向に蛇行して流れるので、マイクロチャンネル内では層流に近い流れであってかつ微小渦流を作ることができ、これにより冷却のための熱交換能力を高めることができる。またマイクロチャンネル２３ａ内において乱流が生じるのを可能限り避けることができ、その結果、冷却液の圧力損失を低減することができる。

次に、図５と図６を参照して冷却器１０の製造方法および積層構造について説明する。この冷却器１０は、複数の金属箔を重ねて形成されるプレート状積層体（下記の流路上側層部３２、２種類のスリット層部３３，３４、流路下側層部３５など）と、このプレート状積層体を複数重ねて形成される積層構造体とに基づく２段構えの積層化の構造によって形成されている。

図５に示されるように、冷却器１０は、その厚み方向に関して、その部位に応じて、上記表面１２を形成する表面層部３１、流路上側層部３２、２種類のスリット層部３３，３４、流路下側層部３５を備えている。これらのプレート状または箔状の表面層部３１と流路上側層部３２とスリット層部３３，３４と流路下側層部３５とは、重ね合せられ、好ましくは拡散接合によって接合され、一体化されている。これにより上記の積層構造体が形成される。

表面層部３１、流路上側層部３２、スリット層部３３，３４、流路下側層部３５の各々の平面形状に関して、それらの輪郭形状は略同じである。

上記の表面層部３１は１枚の銅箔（例えばC1020）で形成される。その厚みは例えば０．０５ｍｍである。表面層部３１は、前述した孔１１に対応する孔１１ａを４つの角部に有し、かつ前述した冷却液供給口１４に対応する孔１４ａと冷却液排出口１５に対応する孔１５ａを各短辺に沿った箇所の中央位置に有している。表面層部３１のこれらの孔はエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

上記の流路上側層部３２は、前述したマイクロチャンネル２３ａの天井壁を形成するプレート状積層体である。流路上側層部３２は、厚み０．５ｍｍの銅箔を２枚積層して形成される。２枚の銅箔は拡散接合によって接合される。流路上側層部３２は、前述した孔１１に対応する孔１１ｂを４つの角部に有し、かつ前述した冷却液供給口１４に対応する孔１４ｂと冷却液排出口１５に対応する孔１５ｂを各短辺に沿った箇所の中央位置に有している。流路上側層部３２のこれらの孔は各銅箔でエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

上記のスリット層部３３は、前述したマイクロチャンネル２３ａの上側流路部分を形成するプレート状積層体である。スリット層部３３は、厚み０．０５ｍｍの銅箔を３枚積層して形成される。３枚の銅箔は拡散接合によって接合される。スリット層部３３は、各マイクロチャンネル２３ａに対応して、不連続な２つのスリット２３ａ−１が形成されている。２つのスリット２３ａ−１の間の不連続な部分は捩れを生じさせない補強用リブ部となる。スリット層部３３は、前述した孔１１に対応する孔１１ｃを４つの角部に有し、かつ前述した冷却液供給口１４に対応する孔１４ｃと冷却液排出口１５に対応する孔１５ｃを各短辺に沿った箇所の中央位置に有している。スリット層部３３の上記のスリットおよび孔は各銅箔でエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

上記のスリット層部３４は、前述したマイクロチャンネル２３ａの下側流路部分を形成するプレート状積層体である。スリット層部３４は、厚み０．０５ｍｍの銅箔を３枚積層して形成される。３枚の銅箔は拡散接合によって接合される。スリット層部３４は、各マイクロチャンネル２３ａに対応して、不連続な３つの上記スリット２３ａ−２が形成されている。３つのスリット２３ａ−２の間の不連続な部分は捩れを生じさせない補強用リブ部となる。スリット層部３４は、前述した孔１１に対応する孔１１ｄを４つの角部に有し、かつ前述した冷却液供給口１４に対応する孔１４ｄと冷却液排出口１５に対応する孔１５ｄを各短辺に沿った箇所の中央位置に有している。スリット層部３４の上記のスリットおよび孔は各銅箔でエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

スリット層部３３とスリット層部３４によって、これらのスリット層部が重ねて接合されるとき、２つのスリット２３ａ−１と３つのスリット２３ａ−２は、図４に示すごとく、上下の位置関係で連通し、マイクロチャンネル２３ａが形成される。スリット層部３３の２つのスリット２３ａ−１と、スリット層部３４の３つのスリット２３ａ−２とは、マイクロチャンネル２３ａにおける冷却液の流通方向にて連続通路を作るように位置をずらして形成されている。スリット層部３３の２つのスリット２３ａ−１と、スリット層部３４の３つのスリット２３ａ−２との間の上記の位置関係は、図６に示される。

２つのスリット層部３３，３４は、接合されることにより、図３と図４で示したマイクロチャンネル層２７を形成する。

上記の流路下側層部３５は、前述したマイクロチャンネル２３ａの底面部を形成し、さらに前述した冷却液供給通路２１を形成する溝と冷却液排出通路２２を形成する溝を有するプレート状積層体である。流路下側層部３５は、上記通路用溝のためのスリットが形成された厚み０．５ｍｍの４枚の銅箔と、当該スリットが形成されない厚み０．５ｍｍの２枚の銅箔とを、積層することにより形成される。６枚の銅箔は拡散接合によって接合される。流路下側層部３５は、前述した孔１１に対応する孔１１ｅを４つの角部に有し、かつ上記の通路２１，２２のための溝を有している。流路下側層部３５における溝のためのスリットまたは孔は各銅箔でエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

図５において、矢印１６，１７は前述の通り冷却液の流れを示している。

上記の２段構えの積層構造で形成される冷却器１０によれば、異なるスリット２３ａ−１，２３ａ−２がエッチング等で形成された２つのスリット層部３３，３４を重ね合せることによりマイクロチャンネル２３ａを形成するようにした。このため、冷却液のマイクロチャンネル２３ａを、冷却目的に応じて自由に設計することができる。またスリット層部３３，３４において補強リブを備えるようにしたため、捩れの発生を防止でき、マイクロチャンネル２３ａを形成するスリット２３ａ−１，２３ａ−２の長さ寸法および幅寸法を制限なく作ることができる。

なお上記実施形態の説明では、接合方法を拡散接合としたが、接合方法はこれに限定されない。例えば銀ろう付け（約８００℃）を用いることもできる。

次に図７を参照して本発明に係る冷却器の第２実施形態を説明する。図７は、第１実施形態における図４と同様な図である。図７において、第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

第２実施形態に係る冷却器４０では、上記のマイクロチャンネル層２７を、第１実施形態のごとく２種類のスリット層部３３，３４ではなく、３種類以上のスリット層部を用いて形成している。図７に示した構造では、例えば６種類のスリット層部４１，４２，４３，４４，４５，４６を用いてマイクロチャンネル層２７が形成されている。６つのスリット層部４１〜４６の全体的な形状は、上記のスリット層部３３，３４と実質的に同じである。相違する点は、第１に、スリット層部４１〜４６のそれぞれに形成されるスリットのパターンが互いに異なり、スリット層部４１〜４６の各スリットはマイクロチャンネルの流れ方向（２６）に少しずつ位置をずらすように形成される。これにより、マイクロチャンネルにおいて冷却器４０の厚み方向に多段（６段）の流路が形成される。なお、第２の相違点として、冷却器４０内に形成される冷却液供給通路２１と冷却液排出通路２２は、厚み方向の略全体に形成されるので、スリット層部４１〜４６においてもそれぞれのスリットと共に、冷却液供給通路２１と冷却液排出通路２２を形成するための孔が形成されている。その他の構成は第１実施形態の冷却器１０と実質的に同じである。また冷却器４０の製造方法も、第１実施形態の冷却器１０の製造方法と実質的に同じである。

第２実施形態に係る冷却器４０によれば、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、各マイクロチャンネルの流路が冷却器の厚み方向に階段状に多段で形成されているので、断面積の変化が少なくなり、圧力損失を低減することができる。

次に図８〜図１０を参照し本発明に係る冷却器の第３実施形態を説明する。図８は、図３と同様な図であり、図９は図４と同様な図であり、図１０は図５と同様な図である。第３実施形態の各図において、第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第３実施形態に係る冷却器５０の外観形状は、第１実施形態に係る冷却器１０と実質的に同じである。第３実施形態の冷却器５０は、表裏の両面に発熱体を取り付け、両面に設けた発熱体を冷却できる構造を有している。そのため、冷却器５０の内部には、表面１２と裏面５１のそれぞれに対応してマイクロチャンネル層２７を設けている。冷却器５０では、マイクロチャンネル層２７は上下２層で作られている。

図８と図９で、上下のマイクロチャンネル層２７で多数のマイクロチャンネル２３ａが形成されている。冷却器５０におけるマイクロチャンネル層２７の構造や寸法等は、第１実施形態に係る冷却器１０のマイクロチャンネル層２７の構造や寸法等と実質的に同じである。上下のマイクロチャンネル層２７の各々を形成するスリット層部は、第１実施形態で説明したスリット層部３３，３４と同じである。マイクロチャンネル層２７を形成する２つのスリット層部３３，３４によって、図９に示すごとく、各マイクロチャンネル２３ａで上下に蛇行する冷却液の流れが形成される。

冷却器５０内に形成される冷却液供給通路２１と冷却液排出通路２２は、図９に示されるごとく、冷却器５０の長辺部分に沿って上下のマイクロチャンネル層２７の間の中間層部５２に形成される。

図１０に従って、冷却器５０の積層構造および製造方法を説明する。中間層部５２を冷却器５０の厚み方向における中間として、その上側と下側に、マイクロチャンネル層２７が形成される。中間層部５２の上側には、表面層部３１と流路上側層部３２とスリット層部３３，３４が設けられる。中間層部５２の下側には、スリット層部３４とスリット層部３３と流路下側層部５３が設けられる。流路下側層部５３は流路上側層部３２と実質的に同じ積層構造を有し、下側のスリット層部３４とスリット層部３３で形成されるマイクロチャンネルの壁面を形成する。

上記の中間層部５２は、上下のマイクロチャンネル層２７におけるマイクロチャンネル２３ａの壁面部を形成し、さらに前述した冷却液供給通路２１を形成する溝と冷却液排出通路２２を形成するスリットを有するプレート状積層体である。中間層部５２は、上記通路２１，２２用のスリット５４，５５が形成された厚み０．５ｍｍの４枚の銅箔を積層することにより形成される。この積層構造は第２の積層構造体を形成する。４枚の銅箔は拡散接合によって接合される。中間層部５２は、前述した孔１１に対応する孔１１ｆを４つの角部に有し、かつ上記の通路２１，２２のためのスリットを有している。中間層部５２における溝のためのスリットまたは孔は各銅箔でエッチング、切削加工、またはプレスによって形成される。

上記の第３実施形態による冷却器５０によれば、第１実施形態で説明した作用効果に併せて、冷却器５０の表裏両面に設けた発熱体を効率よく冷却することができるという効果が発揮される。

図１１に本発明に係る冷却器の第４実施形態を示す。図１１は図４または図７と同様な図である。図１１で上記の実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この実施形態は第３実施形態の変形例である。この冷却器６０では、表裏の面のそれぞれに応じてマイクロチャンネル層２７を設けると共に、各マイクロチャンネル層２７に形成されるマイクロチャンネルを第２実施形態と同様に例えば６種類のスリット層部４１〜４６を用いて多段で形成している。

第４実施形態の冷却器６０によれば、第３実施形態の作用効果に加えて、各マイクロチャンネル層における各マイクロチャンネルの流路が冷却器の厚み方向に階段状に多段で形成されているので、圧力損失を低減することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、半導体モジュール等の発熱体を冷却する冷却器として当該発熱体を高い熱交換性能で冷却するのに利用される。

本発明の第１実施形態に係る冷却器の外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係る冷却器の内部構造を説明するための透視図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面模式図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面を示す概略断面模式図である。 第１実施形態に係る冷却器の積層構造を説明するための分解図である。 マイクロチャンネル層を形成する２つのスリット層部の各スリットの形成位置の関係を説明するための各スリット層部の部分平面図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却器に関する図４と同様な図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却器に関する図３と同様な図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却器に関する図４と同様な図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却器に関する図５と同様な図である。 本発明の第４実施形態に係る冷却器に関する図４と同様な図である。

符号の説明

１０ 冷却器
１２ 表面
１３Ａ 発熱体
１３Ｂ 発熱体
１４ 冷却液供給口
１５ 冷却液排出口
２１ 冷却液供給通路
２２ 冷却液排出通路
２３ マイクロチャンネル領域
２３ａ マイクロチャンネル
２３ａ−１ スリット
２３ａ−２ スリット
２７ マイクロチャンネル層
３１ 表面層部
３２ 流路上側層部
３３ スリット層部
３４ スリット層部
３５ 流路下側層部
４０ 冷却器
５０ 冷却器
６０ 冷却器

Claims (13)

1. 金属箔を重ねて形成されるプレート状積層体を厚み方向の部位ごとに複数形成し、さらにこれらの複数のプレート状積層体を重ねて積層構造体を形成し、
   前記積層構造体は内部に冷却液が流通する平行な複数のマイクロチャンネルを有する冷却器において、
   前記複数のマイクロチャンネルの各々は、
   重ねられた少なくとも第１および第２の前記プレート状積層体によって形成され、前記第１のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分と前記第２のプレート状積層体のマイクロチャンネル用流路部分とは前記冷却液の流通方向にて連続通路を作るように位置をずらして形成されるとともに、
   前記第１のプレート状積層体と前記第２プレート状積層体とで形成される層内で、前記積層構造体の厚み方向に２段階で蛇行する流路形状を有することを特徴とする冷却器。
2. 前記第１のプレート状積層体は不連続な少なくとも２つのスリットを前記冷却液の流通方向に有し、
   前記第２のプレート状積層体は、前記第１のプレート状積層体の不連続な少なくとも２つの前記スリットを連通させるための少なくとも１つのスリットを前記冷却液の流通方向に有し、
   前記複数のマイクロチャンネルの各々について、前記第１のプレート状積層体の前記マイクロチャンネル用流路部分は前記第１のプレート状積層体の少なくとも２つの前記スリットで形成され、前記第２のプレート状積層体の前記マイクロチャンネル用流路部分は前記第２のプレート状積層体の少なくとも１つの前記スリットで形成される、
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却器。
3. 前記複数のマイクロチャンネルの各々は重ねられた３つ以上の前記プレート状積層体で形成され、３以上の前記プレート状積層体の各々のマイクロチャネル用流路部分は前記冷却液の流通方向にて連続通路を作るように段階的に位置をずらして形成されることを特徴とする請求項１記載の冷却器。
4. ３つ以上の前記プレート状積層体の各々に不連続な少なくとも２つのスリットを前記冷却液の流通方向に形成し、
   ３つ以上の前記プレート状積層体の各々は、不連続な少なくとも２つの前記スリットの形成位置を少しずつずらすことにより前記マイクロチャンネル用流路部分が形成され、
   前記複数のマイクロチャンネルの各々は、３つ以上の前記プレート状積層体の各々の前記マイクロチャンネル用流路部分によってその厚み方向に段階状に蛇行して形成される、
   ことを特徴とする請求項３記載の冷却器。
5. 前記積層構造体は前記冷却液を供給する供給流路と前記冷却液を排出する排出流路とを備え、前記複数のマイクロチャンネルは前記供給流路と前記排出流路との間に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却器。
6. 前記積層構造体は矩形プレート形状を有し、前記積層構造体の表裏の面の一方に発熱体が実装されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却器。
7. 前記積層構造体は矩形プレート形状を有し、前記積層構造体の表裏の面の両方に発熱体が実装されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却器。
8. 前記積層構造体の表裏の面のそれぞれに対応して個別に前記複数のマイクロチャンネルを含む流路層が設けられることを特徴とする請求項７記載の冷却器。
9. 前記発熱体はパワー半導体素子であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の冷却器。
10. 金属箔を重ねて形成されるプレート状積層体を厚み方向の部位ごとに複数形成し、さらにこれらの複数のプレート状積層体を重ねて積層構造体を形成して成る冷却器の製造方法であって、
    前記金属箔に前記部位に応じた孔を加工する第１工程と、
    前記金属箔を重ねて前記部位に応じた前記孔によるスリットを有する前記複数のプレート状積層体を形成する第２工程と、
    前記複数のプレート状積層体を重ねて前記積層構造体を形成すると共に、前記スリットを重ねることによりマイクロチャンネルを形成する第３工程と、
    からなり、
    前記複数のプレート状積層体の各々の前記スリットは、冷却液の流通方向に不連続な少なくとも２つのスリットとして形成され、かつ前記プレート状積層体ごとに前記スリットの形成位置が前記冷却液の前記流通方向にずらされ、前記マイクロチャンネルは前記積層構造体の厚み方向に段階状に蛇行して形成されることを特徴とする冷却器の製造方法。
11. 前記金属箔の前記孔はエッチング加工または切削加工によって形成されることを特徴とする請求項１０記載の冷却器の製造方法。
12. 前記金属箔および前記プレート状積層体は拡散接合によって接合されることを特徴とする請求項１０記載の冷却器の製造方法。
13. 前記金属箔および前記プレート状積層体は銀ろう付けで接合されることを特徴とする請求項１０記載の冷却器の製造方法。

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