JP6730345B2 - コールドプレート - Google Patents

Description

本発明は、コールドプレートに関する。

従来から、下記特許文献１に示されるようなコールドプレートが知られている。このコールドプレートは、並列された複数のフィンを有するベースプレートと、複数のフィンを覆い、ベースプレートとの間に内部空間を画成するカバーと、を備えている。カバーには、内部空間に連通する冷媒流入口および冷媒流出口が形成されている。このコールドプレートによれば、冷媒流入口から内部空間に流入した冷媒が、複数のフィン同士の間の流路を通って冷媒流出口から流出することで、ベースプレートの熱を奪ってこれを冷却することができる。

特開２０１０−１２３８８１号公報

この種のコールドプレートでは、冷媒の圧力によって、カバーの頂壁が上方に向けて撓むように変形してしまう場合がある。そこで、フィンの上面とカバーとをロウ付けにより固定し、カバーの強度を向上させることが考えられる。
一方、フィンの上面とカバーとをロウ付けする場合には、溶融したロウ材がフィン同士の間に入り込むおそれがある。この場合、フィンおよび冷媒間の伝熱面積が小さくなることで、冷却性能が低下してしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、溶融したロウ材がフィン同士の間に入り込むことを抑制したコールドプレートを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るコールドプレートは、並列された複数のフィンを有するベースプレートと、前記複数のフィンを覆い、前記ベースプレートとの間に内部空間を画成するカバーと、を備え、前記内部空間のうち、前記複数のフィンの上面に対向する部分には凹凸部が設けられている。

上記態様によれば、フィンの上面に対向する凹凸部が設けられていることで、ロウ材が溶融したときに、この凹凸部の表面でロウ材を保持することができる。従って、ロウ材がフィン同士の間に入り込むことを抑制することができる。

ここで、前記カバーの頂壁における下面には、上方に向けて窪む複数の溝が形成され、前記複数の溝によって前記凹凸部が構成されていてもよい。

この場合、溶融したロウ材が溝の内面に接触した際に生じる毛管力（表面張力）によって、このロウ材を保持することができる。従って、ロウ材がフィン同士の間に入り込むことをより確実に抑制することができる。さらに、溶融したロウ材が溝に沿って広がるように流動するため、フィンとカバーとをより均等にロウ付けすることができる。

また、前記複数の溝が延びる方向と前記複数のフィンが延びる方向とが互いに直交していてもよい。

この場合、ロウ材が溶融したとき、ロウ材は毛管力によって溝が延びる方向に沿って流動する。つまり、平面視において、フィン同士の間の隙間を横切るようにロウ材が流動するため、フィン同士の間にロウ材がより入りにくくなる。また、フィンとカバーとをより均等にロウ付けすることができる。

また、少なくとも１つの前記溝の幅が、前記複数のフィン同士の間の間隔よりも小さくてもよい。
また、少なくとも１つの前記溝の深さが、当該溝の幅よりも大きくてもよい。
また、前記複数の溝が延びる方向に直交する断面視において、少なくとも１つの前記溝の先端形状が鋭角であってもよい。

これらの場合、溶融したロウ材が表面張力によって溝内に留まろうとする力が大きくなる。従って、ロウ材がフィン同士の間に向けて流動することを、より確実に抑えられる。

また、前記複数のフィンと前記カバーの頂壁との間に、ロウ材を含む波形板部材が設けられ、前記波形板部材によって前記凹凸部が構成されていてもよい。

この場合、溶融したロウ材が波形板部材の表面に保持されて、フィン同士の隙間に向けて流動することが抑えられる。また、製造上のばらつきなどによってフィンとカバーとの間の隙間が不均一であったとしても、フィンとカバーとで波形板部材を変形させるように挟むことで、波形板部材を介してより確実にフィンとカバーとを接合することができる。

また、前記波形板部材の山部および谷部が延びる方向と、前記複数のフィンが延びる方向とが互いに直交していてもよい。

この場合、ロウ材が溶融したとき、ロウ材は表面張力によって山部および谷部が延びる方向に沿って流動する。つまり、フィン同士の間の隙間を横切るようにロウ材が流動するため、フィン同士の間にロウ材がより入りにくくなる。

また、前記複数のフィンと前記カバーの頂壁との間に、ロウ材を含む発泡金属部材が設けられ、前記凹凸部が前記発泡金属部材の表面に形成されていてもよい。

この場合、溶融したロウ材が発泡金属部材の表面に保持されて、フィン同士の隙間に向けて流動することが抑えられる。また、製造上のばらつきなどによってフィンとカバーとの間の隙間が不均一であったとしても、フィンとカバーとで発泡金属部材を変形させるように挟むことで、発泡金属部材を介してより確実にフィンとカバーとを接合することができる。

本発明の上記態様によれば、溶融したロウ材がフィン同士の間に入り込むのを抑制することができる。

（ａ）は第１実施形態に係るコールドプレートの平面図である。（ｂ）は（ａ）の側面図である。 図１（ａ）のII-II断面矢視図である。 図１のカバー単体の下面図である。 図３のIV-IV断面矢視図の拡大図である。 （ａ）は変形例に係る溝の形状を示す図である。（ｂ）は他の変形例に係る溝の形状を示す図である。 第２実施形態に係るコールドプレートの断面図である。 第３実施形態に係るコールドプレートの断面図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態のコールドプレートについて図面に基づいて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、コールドプレート１０は、ベースプレート２０と、カバー３０と、を備える。図２に示すように、ベースプレート２０は、並列された複数のフィン２１を有する。カバー３０には、冷媒流入口３３および冷媒流出口３４が形成されている。このコールドプレート１０では、冷媒が冷媒流入口３３から流入し、コールドプレート１０内を通過して、冷媒流出口３４から流出する。コールドプレート１０は、コンピュータに搭載されるＣＰＵなどの発熱体を冷却するように構成されている。

（方向定義）
ここで本実施形態では、ＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Ｙ方向は、複数のフィン２１が延びる方向である。Ｘ方向は、複数のフィン２１が並列されている方向である。Ｚ方向を上下方向といい、上下方向におけるカバー３０側を上方といい、ベースプレート２０側を下方という。

ベースプレート２０は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導率の大きい材質により形成されている。ベースプレート２０に、例えばＣＰＵなどの発熱体を接触させることで、この発熱体の熱をベースプレート２０が奪い、フィン２１を介して冷媒に伝えることで、発熱体を冷却することができる。冷媒としては、例えば水やアルコールの他、公知の化合物などを適宜用いることができる。

フィン２１の厚みは例えば０．３〜０．５ｍｍであり、フィン２１同士の間の間隔（ピッチＰ１）は例えば０．３〜０．５ｍｍである。このように、フィン２１の厚みおよびピッチＰ１を小さくしたマイクロチャンネル構造を採用することにより、熱交換性能を向上させることができる。なお、フィン２１の寸法は適宜変更してもよい。
本実施形態では、ベースプレート２０とフィン２１とが一体に形成されている。

カバー３０の材質としては、銅などの金属を用いることができる。カバー３０は下方に向けて開口する箱状に形成されており、頂壁３１および周壁３２を有している。頂壁３１はＸＹ平面内に延びる矩形の板状に形成されている。周壁３２は、頂壁３１の外縁から下方に向けて延びている。カバー３０は、複数のフィン２１を覆っている。周壁３２の下端部は、ロウ付けなどによってベースプレート２０に固定されている。これにより、冷媒流入口３３および冷媒流出口３４が形成された部分を除き、内部空間Ｓは密閉されている。

図２に示すように、ベースプレート２０とカバー３０との間には、内部空間Ｓが画成されている。冷媒流入口３３および冷媒流出口３４は、内部空間Ｓに連通している。冷媒流入口３３および冷媒流出口３４は、不図示のポンプなどに接続されている。これにより、冷媒流入口３３から流入した冷媒が、内部空間Ｓを通って冷媒流出口３４から流出する。

冷媒流入口３３から流入させる冷媒の圧力は、例えば約０．５ＭＰａである。冷媒の圧力が大きいほど、コールドプレート１０の冷却能力が高まる。その一方で、冷媒の圧力が大きいと、カバー３０の頂壁３１が上方に向けて撓むように変形してしまう場合がある。そこで本実施形態では、耐圧強度を高めるために、フィン２１とカバー３０とがロウ付けされている。フィン２１の上面とカバー３０の頂壁３１との間には、溶融後固化した状態のロウ材１が設けられている。

ロウ材１としては、銀または銀ロウなどの金属を用いることができる。銀ロウとは、銀に銅、亜鉛などを添加した合金である。ロウ材１としては、フィン２１およびカバー３０の融点よりも低い融点を有する金属が好適である。例えば、フィン２１およびカバー３０の材質が銅（融点：約１０８５℃）であり、ロウ材１の材質が銀ロウ（融点：６００〜９００℃）であってもよい。

ロウ付けの方法としては、例えばフィン２１とカバー３０の頂壁３１との間に、ロウ材１によって形成されたシートを挟み、カバー３０を加熱してもよい。あるいは、ロウ材１を含むペーストを頂壁３１の下面３１ａに塗布したり、メッキによってロウ材１の層を下面３１ａに形成したりした後、カバー３０を加熱してもよい。
ロウ材１がカバー３０とフィン２１との間に位置する状態で、カバー３０を加熱することで、ロウ材１が溶融する。溶融したロウ材１を冷却して凝固させることで、カバー３０とフィン２１とをロウ付けすることができる。

ここで、フィン２１とカバー３０とをロウ付けする際に、溶融したロウ材１がフィン２１同士の間に入り込んでしまう場合がある。特に、先述のマイクロチャンネル構造を採用すると、フィン２１同士の間が狭いため、溶融したロウ材１に作用する毛管力も大きくなる。従って、溶融したロウ材１が、毛管力によってフィン２１同士の間に広がるように流動しやすい。ロウ材１がフィン２１同士の間に位置した状態で凝固すると、フィン２１同士の間の流路が狭くなったり、フィン２１と冷媒との接触面積が小さくなったりすることで、熱交換効率が低下してしまう。

そこで本実施形態では、図３および図４に示すように、カバー３０の頂壁３１における下面３１ａに、上方に向けて窪む複数の溝３１ｂが形成されている。複数の溝３１ｂは、Ｙ方向に並べられるとともに、Ｘ方向に延びている。一方、複数のフィン２１はＹ方向に延びている。従って、複数の溝３１ｂが延びる方向（Ｘ方向）と、複数のフィン２１が延びる方向（Ｙ方向）とは、互いに直交している。Ｙ方向における溝３１ｂ同士が配置された間隔（ピッチＰ２）は、例えば０．２〜０．４ｍｍ程度である。

図３には、下面３１ａのうち、溝３１ｂが形成された領域Ｂを一点鎖線で示している。領域Ｂは、平面視において、複数のフィン２１が設けられた範囲と重なっている。つまり、領域Ｂは、カバー３０とフィン２１とがロウ付けされる範囲と重なっている。
複数の溝３１ｂにより、凹凸部Ａが構成されている。凹凸部Ａは、内部空間Ｓのうち、フィン２１の上面と対向する部分に設けられている。

図４に示すように、本実施形態の溝３１ｂは、溝３１ｂが延びる方向（Ｘ方向）に直交する断面視（ＹＺ断面視）において、三角形状に形成されている。溝３１ｂの先端形状は、上方に向けて凸の鋭角に形成されている。少なくとも１つの溝３１ｂについて、上下方向における深さＤが、Ｙ方向における幅Ｗよりも大きい。また、少なくとも１つの溝３１ｂについて、Ｙ方向における幅Ｗが、Ｘ方向におけるフィン２１同士の間の間隔（ピッチＰ１）よりも小さい。幅Ｗおよび深さＤは、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度である。
なお、本実施形態では、全ての溝３１ｂについて、Ｄ＞ＷかつＷ＜Ｐ１となっている。

溝３１ｂをカバー３０に形成する方法としては、カバー３０をベースプレート２０に固定する前に、頂壁３１の下面３１ａに切削加工やプレス加工などの機械加工、またはエッチング処理などを施してもよい。あるいは、カバー３０を鋳型などで成形する場合には、溝３１ｂを形成するための突起を鋳型に設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態のコールドプレート１０によれば、複数のフィン２１の上面に対向する部分に、凹凸部Ａが設けられている。このため、凹凸部Ａの表面で、溶融したロウ材１を保持することができる。従って、溶融したロウ材１がフィン２１同士の間に入り込むことを抑制することができる。特に、フィン２１同士の間隔（ピッチＰ１）が極めて小さいときに、毛細管現象によってロウ材１がフィン同士の間に向けて流動することが抑えられる。

また、カバー３０の頂壁３１における下面３１ａには、複数の溝３１ｂが形成され、この溝３１ｂによって凹凸部Ａが構成されている。これにより、溶融したロウ材１が溝３１ｂの内面に接触した際の毛管力（表面張力）によって、このロウ材１を保持することができる。従って、ロウ材１がフィン２１同士の間に入り込むことをより確実に抑制することができる。さらに、溶融したロウ材１が溝３１ｂに沿って広がるように流動するため、フィン２１とカバー３０とを均等にロウ付けすることができる。また、溶融したロウ材１を保持するための凹凸部Ａを、簡易な構成で実現することができる。

また、平面視において、複数の溝３１ｂが延びる方向と、複数のフィン２１が延びる方向とは、互いに直交している。ロウ材１が溶融したとき、ロウ材１は毛管力によって溝３１ｂが延びる方向に沿って流動する。つまり、平面視において、フィン２１同士の間の隙間を横切るようにロウ材１が流動するため、ロウ材１が下方に垂れにくくなり、フィン２１同士の間により入りにくくなる。さらに、フィン２１とカバー３０とをより均等にロウ付けすることができる。

また、溝３１ｂの幅Ｗが、フィン２１のピッチＰ１よりも小さい。また、溝３１ｂの深さＤが、溝３１ｂの幅Ｗよりも大きく、溝３１ｂの先端形状が鋭角となっている。
これらの構成により、溶融したロウ材１が表面張力によって溝３１ｂ内に留まろうとする力が大きくなる。従って、ロウ材１がフィン２１同士の間に向けて流動することをより確実に抑えられる。

なお、溝３１ｂの形状は図４の例に限られず、適宜変更してもよい。例えば図５（ａ）に示すように、溝３１ｂは、上方に向けて凸の曲面状（Ｕ字状）に形成されていてもよい。あるいは図５（ｂ）に示すように、溝３１ｂは、矩形状（台形状）に形成されていてもよい。これらの場合でも、溶融したロウ材１が表面張力によって溝３１ｂ内に留まろうとするため、フィン２１同士の間にロウ材１が入り込むことを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図６に示すように、本実施形態では、フィン２１の上面とカバー３０の頂壁３１との間に、波形板部材２が設けられている。なお、図６はＹＺ断面図であり、図２（ＸＺ断面図）とは断面の方向が異なっている。

波形板部材２は、フィン２１とカバー３０とをロウ付けするためのロウ材を含んでいる。ロウ材の具体的な材質は、第１実施形態で述べたものと同様である。波形板部材２は、例えば銅などの金属製の波形板状の基材に、ロウ材を塗布することで構成されていてもよい。あるいは、前記基材の表面に、メッキによるロウ材の膜が形成されることで、波形板部材２が構成されていてもよい。これらの場合、基材の融点はロウ材の融点よりも高いことが好ましい。なお、波形板部材２自体がロウ材によって形成されていてもよい。

波形板部材２における山部および谷部は、Ｘ方向に沿って延びている。このため、波形板部材２の形状は、図６に示すＹＺ断面では波形状を呈するが、ＸＺ断面（不図示）では波形状を呈さない。波形板部材２の山部および谷部が延びる方向（Ｘ方向）と、フィン２１が延びる方向（Ｙ方向）とは、互いに直交している。

本実施形態のコールドプレート１０を製造する際には、上下方向における波形板部材２全体の厚みを、フィン２１の上面とカバー３０の下面３１ａとの間の間隔よりも大きくしておくことが好ましい。この場合、カバー３０をベースプレート２０に取り付けた際に、波形板部材２が上下方向で潰れるように変形し、波形板部材２とカバー３０、および波形板部材２とフィン２１を確実に接触させることができる。このように、波形板部材２がカバー３０およびフィン２１の両者に接触した状態で、波形板部材２に含まれるロウ材を溶融させることで、カバー３０とフィン２１との接合強度を高めることができる。

そして本実施形態では、フィン２１の上面に対向する凹凸部Ａが、波形板部材２の下面によって構成されている。これにより、溶融したロウ材が波形板部材２の表面に保持されて、フィン２１同士の隙間に向けて流動することが抑えられる。また、製造上のばらつきなどによってフィン２１とカバー３０との間の隙間が不均一であったとしても、フィン２１とカバー３０とで波形板部材２を変形させるように挟むことで、波形板部材２を介してより確実にフィン２１とカバー３０とを接合することができる。

さらに、波形板部材２の山部および谷部が延びる方向と、フィン２１が延びる方向とが互いに直交している。これにより、ロウ材が溶融したとき、ロウ材は毛管力によって前記山部および谷部が延びる方向に沿って流動する。つまり、平面視において、フィン２１同士の間の隙間を横切るようにロウ材が流動するため、ロウ材が下方に垂れにくくなり、フィン２１同士の間により入りにくくなる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図７に示すように、本実施形態では、フィン２１の上面とカバー３０の頂壁３１との間に、発泡金属部材３が設けられている。

発泡金属部材３の内部には多数の空隙が形成されており、この空隙が発泡金属部材３の表面に開口している。このため、発泡金属部材３の表面には凹凸形状が形成されている。発泡金属部材３は、フィン２１とカバー３０とをロウ付けするためのロウ材を含んでいる。ロウ材の具体的な材質は、第１実施形態で述べたものと同様である。なお、発泡金属部材３は、例えば銅などの発泡金属の基材にロウ材が塗布又は含浸された構成であってもよい。この場合、基材の融点はロウ材の融点よりも高いことが好ましい。あるいは、発泡金属部材３自体がロウ材によって形成されていてもよい。

本実施形態のコールドプレート１０を製造する際には、上下方向における発泡金属部材３の厚みを、フィン２１の上面とカバー３０の下面３１ａとの間の間隔よりも大きくしておくことが好ましい。この場合、カバー３０をベースプレート２０に取り付けた際に、発泡金属部材３が上下方向で潰れるように変形し、発泡金属部材３とカバー３０、および発泡金属部材３とフィン２１を確実に接触させることができる。このように、発泡金属部材３がカバー３０およびフィン２１の両者に接触した状態で、発泡金属部材３に含まれるロウ材を溶融させることで、カバー３０とフィン２１との接合強度を高めることができる。

そして本実施形態では、フィン２１の上面に対向する凹凸部Ａが、発泡金属部材３の表面に形成されている。これにより、溶融したロウ材が発泡金属部材３の表面に保持されて、フィン２１同士の隙間に向けて流動することが抑えられる。また、製造上のばらつきなどによってフィン２１とカバー３０との間の隙間が不均一であったとしても、フィン２１とカバー３０とで発泡金属部材３を変形させるように挟むことで、発泡金属部材３を介してより確実にフィン２１とカバー３０とを接合することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、溝３１ｂが延びる方向とフィン２１が延びる方向とが、互いに平行であってもよい。また、溝３１ｂの寸法を適宜変更してもよく、Ｄ＜ＷまたはＷ＞Ｐ１であってもよい。
また、波形板部材２の山部および谷部が延びる方向と、フィン２１が延びる方向とが、互いに平行であってもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて、カバー３０の下面３１ａに溝３１ｂを形成し、さらに波形板部材２をフィン２１とカバー３０との間に設けてもよい。
同様に、第１実施形態と第３実施形態とを組み合わせて、カバー３０の下面３１ａに溝３１ｂを形成し、さらに発泡金属部材３をフィン２１とカバー３０との間に設けてもよい。

２…波形板部材 ３…発泡金属部材 １０…コールドプレート ２０…ベースプレート ２１…フィン ３０…カバー ３１…頂壁 ３１ａ…下面 ３１ｂ…溝 Ａ…凹凸部 Ｓ…内部空間

Claims (9)

1. 並列された複数のフィンを有するベースプレートと、
   前記複数のフィンを覆い、前記ベースプレートとの間に内部空間を画成するカバーと、を備え、
   前記内部空間のうち、前記複数のフィンの上面に対向する部分には凹凸部が設けられ、
   前記カバーの頂壁と前記複数のフィンとの間にロウ材が設けられている、コールドプレート。
2. 前記カバーの前記頂壁における下面には、上方に向けて窪む複数の溝が形成され、
   前記複数の溝によって前記凹凸部が構成されている、請求項１に記載のコールドプレート。
3. 前記複数の溝が延びる方向と前記複数のフィンが延びる方向とが互いに直交している、請求項２に記載のコールドプレート。
4. 少なくとも１つの前記溝の幅が、前記複数のフィン同士の間の間隔よりも小さい、請求項２または３に記載のコールドプレート。
5. 少なくとも１つの前記溝の深さが、当該溝の幅よりも大きい、請求項２から４のいずれか１項に記載のコールドプレート。
6. 前記複数の溝が延びる方向に直交する断面視において、少なくとも１つの前記溝の先端形状が鋭角である、請求項２から５のいずれか１項に記載のコールドプレート。
7. 前記複数のフィンと前記カバーの前記頂壁との間に、前記ロウ材を含む波形板部材が設けられ、
   前記波形板部材によって前記凹凸部が構成されている、請求項１に記載のコールドプレート。
8. 前記波形板部材の山部および谷部が延びる方向と、前記複数のフィンが延びる方向とが互いに直交している、請求項７に記載のコールドプレート。
9. 前記複数のフィンと前記カバーの前記頂壁との間に、前記ロウ材を含む発泡金属部材が設けられ、
   前記凹凸部が前記発泡金属部材の表面に形成されている、請求項１に記載のコールドプレート。

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