JPWO2019043801A1

JPWO2019043801A1 - ヒートシンク

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Publication number: JPWO2019043801A1
Application number: JP2019538800A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　裕; 裕鈴木; 齋藤　隆; 隆齋藤; 真吾五十嵐
Original assignee: Welcon
Current assignee: Welcon
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: EP3678174B1; US20200258815A1; US11948860B2; WO2019043801A1; EP3678174A1; CN111052360A; JP6951786B2; CN111052360B; EP3678174A4

Abstract

ヒートシンクの冷却能力を向上させる。ヒートシンク１０は冷媒を流入口１４ａから流出口１４ｂに流すことにより当接する発熱体１６を冷却させる積層構造の冷却器であって、表面側から順に受熱板１８、流路板２０、オリフィス板２２、ヘッダ板２４、裏面板２６が拡散接合されている。流路板２０は縦横配置された多数の冷却細路２８を備える。オリフィス板２２は、冷却細路２８に冷媒を噴出する噴出孔３０及び冷却細路２８から冷媒が排出される排出孔３２を備える。ヘッダ板２４は流入口１４ａと流出口１４ｂとを仕切る仕切板３６を備える。仕切板３６は複数の平行板３８と、平行板３８の一方の開口と他方の開口を交互に塞ぐ第１端板４０及び第２端板４２とを有する。仕切板３６と周壁３４により、冷媒を流入口１４ａから噴出孔３０に導く流入路４４と、冷媒を排出孔３２から流出口１４ｂに導く流出路４６が形成される。

Description

本発明は、流体を流入口から流出口に流すことにより当接する対象物を冷却する積層構造のヒートシンクに関する。

ＣＰＵや半導体素子などの電気部品（電子部品を含む。）は高性能化にともなって発熱量が増大しており、その冷却対策が重要視されてきている。電気部品の冷却にはヒートシンクが用いられており空冷式や液冷式がある。水などの熱伝導率の高い冷媒を用いた液冷式は電気部品を効率的に冷却することができて好適である。

電気部品の冷却面を均一に冷却するためには、冷却面に対して多くの箇所から冷媒を噴出させるように構成するとよく、このような構成を実現するためには冷媒の流路を３次元的に適切に形成する必要がある。３次元的な流路を形成するためには、流路に相当する溝が設けられた板材を積層構造にするとよい（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−９６５２７号公報

液冷式のヒートシンクの構成は多数が提案されて一定の効果を奏している。しかしながら、近時の電気部品による発熱量は益々増大しておりヒートシンクの冷却能力の一層の向上が望まれている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、冷却能力が向上したヒートシンクを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートシンクは、流体を流入口から流出口に流すことにより当接する対象物を冷却させる積層構造のヒートシンクであって、表面が前記対象物に接して受熱する受熱層と、前記受熱層の裏面側に設けられ、前記流体の流れが積層方向に直交する方向に形成された複数の冷却細路を備える流路層と、前記流路層の裏面側に設けられ、前記冷却細路に裏面側から前記流体を噴出する噴出孔、及び前記冷却細路から裏面側へ前記流体が排出される排出孔を備えるオリフィス層と、前記オリフィス層の裏面側に設けられ、周壁と、該周壁に囲まれた領域に設けられて前記流入口と前記流出口とを仕切る仕切板とを備えるヘッダ層と、前記ヘッダ層の裏面側に設けられる裏面層と、を有し、前記仕切板は、並列した複数の平行板と、複数の前記平行板の一方の開口と他方の開口を交互に塞ぐ端板と、を有し、前記オリフィス層、前記裏面層、前記仕切板及び前記周壁により前記流体を前記流入口から前記噴出孔に導く流入路、及び前記流体を前記排出孔から前記流出口に導く流出路が形成されていることを特徴とする。

このような積層構造をとり、噴出孔から流体を噴出させて積層方向に直交する方向の冷却細路を流して受熱層から熱回収することにより冷却能力が向上する。また、並列する複数の平行板の一方の開口と他方の開口を交互に端板によって塞ぐと深い波型が形成され、流入した流体を適切に分配するとともに、熱回収後の流体を適切に排出可能となり、冷却能力がさらに向上する。

前記流入路は、両側が前記平行板で挟まれた複数の流入分岐路と、前記流入口から複数の前記流入分岐路の開口につながる導入路と、を有し、前記流出路は、両側が前記平行板で挟まれた流出分岐路と、前記流出口から複数の前記流出分岐路の開口につながる導出路と、を有し、前記導入路と前記導出路は対向位置に設けられていてもよい。

このように、導入路と導出路を対向位置に設けることにより相互の熱干渉が少なく、冷却能力が向上する。また、複数の流入分岐路及び流出分岐路によれば、供給側流体及び排出側流体がヒートシンクにおける広い面積に対して均等分配され、高い冷却能力を発揮できる。

前記噴出孔は、積層方向からみて前記流入分岐路に重なる部分で、該流入分岐路の延在方向に沿って、１本の前記流入分岐路あたり２列が設けられ、前記排出孔は、積層方向からみて前記流出分岐路に重なる部分で、該流出分岐路の延在方向に沿って、１本の前記流出分岐路あたり２列が設けられ、前記冷却細路は、積層方向からみて前記平行板を跨いで前記流入分岐路と前記流出分岐路に重なり、前記噴出孔と前記排出孔とを連通していてもよい。

このような構成によれば、冷却細路が縦横のマトリックス状に配置されて全面を均一に冷却することができる。また、流体は１つの流入分岐路から２列の噴出孔により両側の流出分岐路に供給され、１つの流出分岐路には両側の流入分岐路から２列の排出路を介して排出され、バランスのよい効率的な冷却が行われる。

さらに、前記冷却細路は１本あたり、１つの前記噴出孔と１つの前記排出孔とを連通する構成により、バランスの良い安定した流れが得られる。

前記冷却細路は、積層方向からみて１以上の屈曲部を有する非直線形状であってもよい。

前記冷却細路は、前記噴出孔に連通する冷却上流路と、前記排出孔に連通する冷却下流路と、複数の前記冷却上流がそれぞれ２本の分流路に分岐するとともに隣接する前記分流路同士が合流してそれぞれ前記冷却下流路に連通する分岐合流部と、を有してもよい。

前記冷却細路は、配置場所によって形状及び／又は長さが異なってもよい。このように、冷却細路によっても受熱面を一層均一に冷却するように調整ができ、又は対象物の熱分布に応じた冷却が可能となる。

前記冷却細路は、配置場所によって狭幅の絞り部が設けられていてもよい。

前記平行板及び前記端板の少なくとも一部は、厚み方向で断熱部を介在させた多重構造であると、流入路と流出路との間の熱干渉が一層低減する。

前記受熱層、前記流路層、前記オリフィス層、前記ヘッダ層及び前記裏面層は板部材が拡散接合されていてもよい。拡散接合によれば、高強度で微細なマイクロチャンネルを多数形成することができる。したがって、流体の供給圧力を上げられるとともに、体積あたりの流路壁面積が増大して冷却能力が向上する。

前記噴出孔及び前記排出孔は、前記オリフィス層を形成する板部材に設けられた貫通孔としてもよい。このような貫通孔を利用することによりヒートシンクにおける流路の形成が容易となる。

前記噴出孔及び／又は前記排出孔は、配置場所によって径が異なってもよい。これにより、受熱面を一層均一に冷却するように調整ができ、又は対象物の熱分布に応じた冷却が可能となる。

この場合、前記オリフィス層は、複数枚の板部材が拡散接合されており、前記噴出孔及び／又は前記排出孔は、板部材によって径が異なってもよい。これにより、板部材の組み合わせで噴出孔、排出孔の径調整ができる。

前記流路層は複数層設けられ、複数の前記流路層の層間には中間層が設けられ、前記中間層は、積層方向からみて前記噴出孔と重なる位置に設けられた噴出中継孔と、層方向からみて前記排出孔と重なる位置に設けられた排出中継孔と、を有してもよい。この場合、前記噴出中継孔及び前記排出中継孔は、表層側の前記冷却細路と裏層側の前記冷却細路とを連通していてもよい。

これにより、受熱面から受ける熱を表層だけではなくより深い箇所においても熱回収することができ、しかも単一流路よりも流路壁面積が広くなるため冷却能力が向上する。なお、上記の解決手段は対象物を冷却することとしているが、適度に熱い流体を流すことにより対象物を加熱させることもできる。

本発明にかかるヒートシンクでは積層構造をとり、噴出孔から流体を噴出させて積層方向に直交する方向の冷却細路を流して受熱層から熱回収することにより冷却能力が向上する。また、並列する複数の平行板の一方の開口と他方の開口を交互に端板によって塞ぐと深い波型が形成され、流入した流体を適切に分配するとともに、熱回収後の流体を適切に排出可能となり、冷却能力がさらに向上する。また、熱抵抗が小さいことから適度に熱い流体を流すことにより対象物を加熱させることもできる。

図１は、本実施の形態にかかるヒートシンクを示す斜視図である。図２は、ヒートシンクを示す分解斜視図である。図３は、流路板の斜視図である。図４は、オリフィス板の斜視図である。図５は、ヘッダ板の斜視図である。図６は、ヘッダ板の拡大一部断面斜視図である。図７は、ヒートシンクの平面透過図である。図８は、ヒートシンクの断面側面図である。図９は、変形例にかかるオリフィス板の平面図である。図１０は、第１の変形例にかかるヒートシンクの断面側面図である。図１１は、第１の変形例にかかる流路板の平面図である。図１２は、第２の変形例にかかる流路板の平面図である。図１３は、第３の変形例にかかる流路板の平面図である。図１４は、第４の変形例にかかる流路板の平面図である。図１５は、第２の変形例にかかるヒートシンクの断面側面図である。図１６は、第３の変形例にかかるヒートシンクの断面側面図である。図１７は、第４の変形例にかかるヒートシンクの断面側面図である。図１８は、第５の変形例にかかるヒートシンクの断面側面図である。図１９は、第５の変形例にかかるヒートシンクの一部分解斜視図である。

以下に、本発明にかかるヒートシンクの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１及び図２に示すように、本実施の形態にかかるヒートシンク１０は、平面視で略正方形で、比較的薄厚形状で、一組の対辺に平行で逆向きの一対の流入口１４ａ、流出口１４ｂが対頂点近傍の側面部に設けられている。ヒートシンク１０は、水などの冷媒（流体）を流入口１４ａから流出口１４ｂに流すことにより表面に当接する発熱体（対象物）１６を冷却させる積層構造の冷却器である。冷媒は液体に限らず条件によっては気体であってもよい。発熱体１６は、例えばＣＰＵや半導体素子などの電気部品である。ヒートシンク１０及び発熱体１６の利用上の向きは限定されないが、以下の説明では図１において広く露呈されている側を表面、その逆側を裏面とする。また説明の便宜上、積層方向をＺ方向、流入口１４ａ、流出口１４ｂの開口方向をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とも呼ぶ。ヒートシンク１０の表面１８ａ及び裏面はＸ−Ｙ平面となる。平面視及び積層方向視はＺ方向視となる。

ヒートシンク１０は、表面１８ａから裏面側に向かって順に受熱板（受熱層）１８と、流路板（流路層）２０と、オリフィス板（オリフィス層）２２と、ヘッダ板（ヘッダ層）２４と、裏面板（裏面層）２６とを有し、それぞれ平面視で外形が同形状である。受熱板１８、流路板２０、オリフィス板２２は熱伝導性に優れる材質が好ましくい。また、ヘッダ板２４及び裏面板２６については無駄な熱伝導を抑制するために熱伝導性の低い材質が好ましい。各板は熱伝導性の他に耐食性、強度、加工性、拡散接合性、コストなどを考慮して選定され、拡散接合されていて層を形成している。

拡散接合によれば、高強度な耐圧構成で微細なマイクロチャンネルを多数形成することができ、体積あたりの流路壁面積が増大して冷却能力が向上する。また、冷媒の供給圧力を上げることができて流速と熱通過率を高められる。水が蒸気に変わるような液相−気相のような相変化が流路内で生じると、流量や圧力が不安定になり伝熱状態が変化してしまうことがあるが、ヒートシンク１０においては流速を高めることにより気液の相変化を抑制し、安定した伝熱状態が得られる。一方で、仮に蒸発や凝縮を生じたとしても、拡散散接による高強度な耐圧構造により、問題なく使用できる。

また、薄い受熱板１８は発熱体１６に応じた適度な面積を持ち、表面１８ａが発熱体１６に接して受熱する。酸化や腐食防止のために、表面１８ａには適切な表面処理を施してもよい。

図３に示すように、流路板２０は、中央部に高密度で縦横配列された多数の冷却細路２８を有する。冷却細路２８はＸ方向が長くＹ方向が狭い流路であり、縦横比は１：５程度で、両端円弧状である。冷却細路２８の形状は流速、熱交換量、冷媒の分配を考慮して流路長さ、流路幅、流路高さを設定するとよい。冷却細路２８は、例えばＸ方向に５列以上、Ｙ方向に２０列以上が配列されており、各隙間は十分に狭くなっている。流路板２０は受熱板１８とほぼ同厚である。冷却細路２８及び後述する冷却細路２８ａ〜２８ｄは流路板２０に設けられた単純形状の貫通孔であって、該流路板２０の製作が容易である。

図４に示すように、オリフィス板２２は、中央部に縦横配列された貫通孔である噴出孔３０及び排出孔３２を有する。噴出孔３０は排出孔３２よりもやや小径である。噴出孔３０及び排出孔３２はそれぞれＹ方向に４７個並んでいる。Ｘ方向の両端には排出孔３２が１列ずつあって、その間には噴出孔３０と排出孔３２が２列ずつ交互に並んでいる。噴出孔３０及び排出孔３２は冷却細路２８の数に応じて設けられている。

噴出孔３０と排出孔３２はＸ方向に隣接するもの同士で一対をなす。つまりＮ組の噴出孔３０と排出孔３２はＮ個の冷却細路２８に対応し、平面透過視で１つの冷却細路２８の一端近傍に噴出孔３０が配置され、他端近傍に排出孔３２が配置されている。オリフィス板２２は受熱板１８及び流路板２０よりもやや薄厚である。噴出孔３０及び排出孔３２は、オリフィス板２２に設けられた単純形状の貫通孔であって、該オリフィス板２２の製作が容易である。このような構成によれば、１つあたりの冷却細路２８は幅が小さくなりＹ方向に多数配列可能であるとともに、長さが短くなりＸ方向に多数配列可能であって、熱伝達率が向上する。

図５に示すように、ヘッダ板２４は他の板部材と比較すると数倍の厚みを有し、十分な量の冷媒を供給及び排出可能である。ヘッダ板２４は、流入口１４ａと、流出口１４ｂと、四辺を囲う周壁３４と、該周壁３４に囲まれた領域で深い波型を形成する仕切板３６とを有する。流入口１４ａ及び流出口１４ｂは周壁３４で囲まれた内部空間に連通しており、仕切板３６は流入口１４ａと流出口１４ｂを仕切っている。流入口１４ａ及び流出口１４ｂは、例えば裏面板２６における対頂点位置に設けられていてもよいが、ヘッダ板２４における対頂の側面部に設けることで導入路４４ａ（図２参照），導出路４６ａに対して直線状配置になり流れがスムーズになる。流入口１４ａ及び流出口１４ｂは一か所に限らず、複数設けてもよい。流入口１４ａ及び流出口１４ｂには継手を介して冷媒用のチューブが接続される。流入口１４ａにはポンプから適度に低温の冷媒が供給され、流出口１４ｂからはドレンラインやラジエータに冷媒が排出される。ポンプと流入口１４ａの間にはフィルターを設けてもよい。

仕切板３６は、１２枚の平行板３８と、これらの平行板３８の一方を一組ずつの間隔で塞ぐ第１端板４０と、他方を第１端板４０と逆の間隔で塞ぐ第２端板４２とを有する。つまり、並列する複数の平行板３８の一方の開口と他方の開口を交互に第１端板４０及び第２端板４２によって塞いで深い波型が形成されている。平行板３８はそれぞれＹ方向に延在しておりＸ方向に等間隔で配列されている。平行板３８のＸ方向の厚みは、平行板３８同士のＸ方向間隔よりやや小さい。

第１端板４０及び第２端板４２は、半円弧形状で一対の平行板３８の端部を滑らかに連接して塞いでおり、冷媒の流れがスムーズである。第１端板４０は流入口１４ａの延長線上に近い側に設けられており、第２端板４２は流出口１４ｂの延長線上に近い側に設けられている。第１端板４０から第２端板４２までのＹ方向長さは、周壁３４で囲まれた領域のＹ方向幅の８０％程度である。

このような仕切板３６と周壁３４により、冷媒を流入口１４ａから噴出孔３０に導く流入路４４と、冷媒を排出孔３２から流出口１４ｂに導く流出路４６が形成されている。流入路４４は１本の導入路４４ａと、例えば６本の流入分岐路４４ｂとを有し、流出路４６は１本の導出路４６ａと、例えば７本の流出分岐路４６ｂとを有する。

導入路４４ａは流入口１４ａの延長線上でＸ方向に延在する流路であり、十分な量の冷媒が流入可能な幅が確保されている。流入分岐路４４ｂは両側が平行板３８で挟まれた部分で、Ｙ方向に延在する流路であり、一端は導入路４４ａに開口し、他端は第２端板４２で塞がれている。

導出路４６ａは流出口１４ｂの延長線上でＸ方向に延在する流路であり、導入路４４ａと同幅が確保されている。導入路４４ａ及び導出路４６ａの幅は、それぞれ周壁３４で囲まれた領域のＹ方向幅の１０％程度である。中寄り５本の流出分岐路４６ｂは両側が平行板３８で挟まれた部分で、外側２本の流出分岐路４６ｂは平行板３８と周壁３４で挟まれた部分で、それぞれＹ方向に延在する流路であり、一端は導出路４６ａに開口し、他端は第１端板４０で塞がれている。このうち外側２本は内寄り５本と構成と形状が違うが、便宜上、同名称の流出分岐路４６ｂと呼ぶ。

流入分岐路４４ｂと流出分岐路４６ｂは平行板３８を挟んで交互に配置されている。このうち、６本の流入分岐路４４ｂと内寄り５本の流出分岐路４６ｂは同幅であり、両外側２本の流出分岐路４６ｂの幅はその１／２である。したがって、６本の流入分岐路４４ｂと７本の流出分岐路４６ｂの流路面積及び体積は等しい。各流入分岐路４４ｂにおける流路体積あたりの噴出孔３０の数、及び各流出分岐路４６ｂにおける流路体積あたりの排出孔３２の数は等しく設定されている。もちろん、設計条件によっては上記の幅、体積及び数を違えてもよい。

Ｙ方向に関して、導入路４４ａと導出路４６ａは逆の対向位置、つまり対辺側に配置され、十分に距離が離れていることから相互の熱干渉が少ない。同様に、流入口１４ａと流出口１４ｂは対頂点位置に設けられており、上流側と下流側の相互の熱干渉が一層低減する。Ｙ方向に関して、流入分岐路４４ｂ及び流出分岐路４６ｂは平行な直線状に延在しており冷媒が流れやすい。周壁３４で囲まれた領域の形状、つまり流入路４４、流出路４６及び仕切板３６はＸ方向に関して対称であり、冷媒の流れのバランスが良い。仕切板３６は深い波型を形成し、流入した冷媒を適切に分配するとともに、熱回収後の冷媒を適切に排出可能となり、冷却能力が向上する。平行板３８は適度に厚いため、流入分岐路４４ｂと流出分岐路４６ｂとの熱干渉が少なく、しかも高強度である。

図６に示すように、仕切板３６には全長にわたって積層方向に連通する断熱スリット（断熱部）４７が設けられており、該仕切板３６は厚み方向で二重構造となっている。このような断熱スリット４７によれば流入路４４と流出路４６との間の熱干渉が一層低減してヒートシンク１０の冷却能力が向上する。図６においては、平行板３８及び第１端板４０における断熱スリット４７を示すが第２端板４２にも同様に設けられる。なお、図２、図５及び図６では煩雑となるため断熱スリット４７を省略している。

断熱スリット４７は必ずしも仕切板３８の全長に設ける必要はなく、製作の容易性や強度などを考慮して仕切板３８の少なくとも一部に設ければ相応の効果が得られ、例えば平行板３８だけに設けてもよい。断熱スリット４７は必ずしも積層方向に連通していなくてもよく、例えば所定距離ごとに上方開口有底溝と下方開口有底溝が設けられていてもよい。断熱スリット４７は空隙部としてもよいし、適当な断熱材（例えば乾燥硬化する液剤）を挿入してもよい。仕切板３６は断熱スリット４７が介在することによって二重構造となっているが、該断熱スリット４７を複数設けることにより仕切板３８を三重以上の構造としてもよい。ヘッダ板２４の側面にはスリット４７の端部に通じる通気孔４７ａが設けられていてもよい。通気孔４７ａはヘッダ板２４の表面または裏面に露呈する溝として、オリフィス板２２やヘッダ板２４により塞いで孔形状としてもよい。

裏面板２６（図２参照）は受熱板１８と同形状であり、ヘッダ板２４の裏面側に設けられて流入路４４及び流出路４６を裏面側から塞いでいる。裏面板２６には断熱スリット４７の一部または全部を開口させるスリット孔が設けられていてもよい。断熱スリット４７に断熱材を設ける場合、ヘッダ板２４と裏面板２６とを拡散接合した後に裏面板２６のスリット孔から充填してもよい。断熱材は通気孔４７ａから充填してもよい。

図７に示すように、冷却細路２８は、平面透過視で平行板３８を跨いで流入分岐路４４ｂと流出分岐路４６ｂに重なる。冷却細路２８の流入分岐路４４ｂに重なる部分には噴出孔３０が開口し、流出分岐路４６ｂに重なる部分には排出孔３２が開口しており、１つの冷却細路２８は、１つの噴出孔３０と１つの排出孔３２とを連通している。これによりバランスの良い安定した流れが得られる。

噴出孔３０は、平面透過視で流入分岐路４４ｂに重なる部分でＹ方向に沿って２列に設けられ、流入分岐路４４ｂの延在部にほとんど余すことなく配置されている。排出孔３２は、流出分岐路４６ｂに重なる部分でＹ方向に沿って２列に設けられ、流出分岐路４６ｂの延在部にほとんど余すことなく配置されている。

このような構成によれば、冷却細路２８が縦横のマトリックス状に配置されて全面を均一に冷却することができる。また、冷媒は１本の流入分岐路４４ｂから２列の噴出孔３０により両側の流出分岐路４６ｂに供給され、１本の流出分岐路４６ｂには両側の流入分岐路４４ｂから２列の排出孔３２を介して排出され、バランスのよい効率的な冷却が行われる。

図８に示すように、流入分岐路４４ｂから流入した冷媒は細径の噴出孔３０から勢いよく冷却細路２８に流れ込み、受熱板１８の裏面に衝突し、該受熱板１８を冷却する。このように噴出孔３０はオリフィスとしての機能を持っている。さらに、冷媒は冷却細路２８を流れながら受熱板１８から熱回収を行い、排出孔３２から流出分岐路４６ｂに排出される。冷却細路２８は受熱板１８の広い範囲をカバーしており熱回収の効率が高い。また、冷却細路２８は細長い形状で冷媒が安定して流れて層流となって圧力損失が少ないため、供給圧力を上げて流量を増大させることができる。冷却細路２８は微細であって流路断面が小さく、いわゆるマイクロチャンネルであり、単位体積あたりの面積が大きいため冷却効率が高い。

上述したように、ヒートシンク１０では積層の三次元構造をとり、冷媒を所望の割合で多数の冷却細路２８に分配・供給しており、噴出孔３０から冷媒を噴出させて積層方向に直交する冷却細路２８を流して受熱板１８から熱回収することにより冷却能力が向上する。また、流入口１４ａから流入した冷媒は十分な幅の導入路４４ａによってＸ方向に沿って供給される。このとき、導入路４４ａは導出路４６ａから離れていて熱干渉が少ない。さらに冷媒は６本の流入分岐路４４ｂによってＹ方向にも万遍なく供給される。流入分岐路４４ｂは適度に長いため、Ｙ方向の深い位置まで冷媒が供給される。流入路４４と流出路４６は対称的形状であり、冷媒の排出も効率よく行われる。

ヒートシンク１０は、板材を拡散接合により接合した３次元形状であるが、枚数は少なく、各板材は簡便形状であり製作が容易である。また、ヒートシンク１０は冷却効率が高いため、その分小型化、薄型化が可能であり、さらに低流量にすることやポンプ・配管を含めたサイズダウン、軽量化、簡素化が可能である。ヒートシンク１０は、適切な流路が形成されており圧力損失が小さく、省エネルギー化が実現される。また、冷却効率が高いことから低流量でも低熱抵抗であり、高発熱密度体からの除熱用途に好適である。

なお、上記ではヒートシンク１０により発熱体１６を冷却する例を示したが、ヒートシンク１０は低熱抵抗であることが特徴であって必ずしも冷却用途に限られず、適度に熱い流体を流すことにより、当接する対象物を加熱する用途に用いることもできる。

次に、ヒートシンク１０の変形例について説明する。

図９に示すように、オリフィス板２２では配置場所によって異なる径の噴出孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…を設けてもよく、異なる径の排出孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…を設けてもよい。これにより、受熱板１８を一層均一に冷却するように調整ができ、又は発熱体１６の熱分布に応じた冷却分布が可能となる。

図１０に示すように、２枚（又は３枚以上）のオリフィス板２２ａ，２２ｂを積層し、それぞれ配置場所によって異なる径の噴出孔３０及び／又は排出孔３２を設け、拡散接合してもよい。これにより、オリフィス板２２ａ，２２ｂ…の組み合わせで噴出孔３０、排出孔３２の径及び長さの調整ができ、所望の流量を各冷却細路２８に供給される。これは３Ｄプリンターによる造形でもよい。また噴出孔３０及び排出孔３２の形状は円形でも四角形でも星形のような異形でもよい。

図１１に示すように、流路板２０における第１の変形例として、配置場所によって冷却細路２８とは異なる形状の冷却細路２８ａを設けてもよい。このように、異なる形状の冷却細路２８ａによっても受熱板１８を一層均一に冷却するように調整ができ、又は発熱体１６の熱分布に応じた冷却分布が可能となる。発熱体１６の熱分布は必ずしも明確な傾向がある訳ではない。したがって、冷却細路２８，２８ａは、シミュレーション、実験及び経験則などにより流路の前後位置や長さの異なる絞り部４８を設けることにより形状を調整するとよい。例えば、領域４９ａのように絞り部４８の長さをＸ方向に連続的に変化させたり、領域４９ｂのように絞り部４８の幅をＸ方向に連続的に変化させたり、領域４９ｃのように絞り部４８の位置をＸ方向に交互に変化させたりしてもよい。このような変化はＹ方向に対して設定してもよい。また、領域４９ｄのように変形のない冷却細路２８の群があってもよい。

図１２に示すように、流路板２０における第２の変形例として、冷却細路２８ｂを設けてもよい。各冷却細路２８ｂは冷却細路２８ａと同様に噴出孔３０と排出孔３２とを一対一で連通しているが、冷却細路２８が直線形状なのに対して冷却細路２８ｂは１以上の屈曲部５１ａを有する非直線形状である。図１２に示す例では、冷却細路２８ｂは４つの円弧状の屈曲部５１ａを有しておりジグザグ型となっている。冷却細路２８ｂは、２つの屈曲部５１ａに挟まれた区間が直線状であってもよいし、全体的にサイン波形状であってもよい。このような冷却細路２８ｂによれば、壁面で流れがぶつかって乱れる効果により熱伝達率の向上を図ることができる。また、製造上の寸法下限制限、耐圧仕様実現などのため平行板３８が厚くなる場合に、冷却細路２８よりも長くなる冷却細路２８ｂを適用するとよい。

図１３に示すように、流路板２０における第３の変形例として、冷却細路２８ｃを設けてもよい。冷却細路２８ｃは、冷却細路２８ｂにおける円弧状の屈曲部５１ａを角状の屈曲部５１ｂで置きかえたものである。このような冷却細路２８ｃによれば、壁面で流れがぶつかって乱れる効果がさらに明確となる。

図１４に示すように、流路板２０における第４の変形例として、冷却細路２８ｄを設けてもよい。冷却細路２８ｄは、噴出孔３０に連通する冷却上流路５３ａと、排出孔３２に連通する冷却下流路５３ｂと、複数の冷却上流路５３ａがそれぞれ２本の分流路に分岐するとともに隣接する分流路同士が合流してそれぞれ冷却下流路５３ｂに連通する分岐合流部５３ｃとを有する。この場合、噴出孔３０の列と排出孔３２の列はＸ方向に半ピッチずれている。分岐合流部５３ｃの分岐部及び合流部は鋭角状となっている。分岐合流部５３ｃにおける分流路は短く、分岐部と合流部はすぐ近くに設けられている。

このような冷却細路２８ｄによれば、冷却上流路５３ａを流れている流体は両壁面に近い層ほど熱交換効率が高く温度が上昇しやすく、中央を流れている層ほど熱交換効率が低く温度が上昇しにくい。ところが、分岐合流部５３ｃを通過すると、冷却上流路５３ａで両壁面に近くを流れていた層は冷却下流路５３ｂにおける中央を流れることになり、冷却上流路５３ａで中央部を流れていた層は冷却下流路５３ｂにおける壁面に近い層を流れることになる。したがって、中央部と壁近傍部の流れが交換されて、流体と壁部との温度差を大きくして熱交換効率を高めることができる。

図１５に示すように、受熱板１８及び流路板２０の代わりにハーフエッチ板５０を用いてもよい。ハーフエッチ板５０の裏面には冷却細路２８（又は冷却細路２８ａ〜２８ｄ。以下同様である。）が貫通孔ではなく有底溝で形成されている。このようなハーフエッチ板５０を用いることにより板材枚数が減り、拡散接合の工程が１回少なくて済む。冷却細路２８はエッチング加工、レーザー加工又は機械加工によって有底溝に形成される。

図１６に示すように、流路板２０及びオリフィス板２２の代わりにハーフエッチ板５２を用いてもよい。ハーフエッチ板５２の表面には冷却細路２８が貫通孔ではなくハーフエッチングで形成されている。また、各冷却細路２８の一端には貫通する噴出孔３０が設けられ、他端には貫通する排出孔３２が設けられている。このようなハーフエッチ板５２を用いることにより板材枚数が減り、拡散接合の工程が１回少なくて済む。

図１７に示すように、流路板２０の代わりにハーフエッチ板５４を用いてもよい。ハーフエッチ板５４の表面には冷却細路２８が貫通孔ではなくハーフエッチングで形成されている。また、各冷却細路２８の両端にはやや大径の貫通孔５６が設けられている。貫通孔５６は、連通する同軸状の噴出孔３０及び排出孔３２との位置上の関係で、配置場所により径を調整してもよい。このようなハーフエッチ板５４により設計自由度が高まる。ハーフエッチ板５０，５２，５４では配置場所によっては冷却細路２８の途中でＺ方向のエッチング深さを調整し、図１１と同様の絞り部４８を設けてもよい。

図１８及び図１９に示すように、流路板２０は複数（以下、３枚の流路板２０ａ，２０ｂ，２０ｃとする。）設けられ、３枚の流路板２０ａ〜２０ｃの間、及び流路板２０ａ〜２０ｃとオリフィス板２２との間には中間板（中間層）５８ａ、５８ｂ、５８ｃを設けてもよい。流路板２０ａ〜２０ｃは上記の流路板２０と同じものでもよいし、例えばそれぞれ厚みの異なるものでもよい。中間板５８ａには平面透過視で噴出孔３０を含む位置に噴出中継孔６０ａが設けられ、排出孔３２を含む位置に排出中継孔６２ａが設けられている。中間板５８ｂには平面透過視で噴出孔３０を含む位置に噴出中継孔６０ｂが設けられ、排出孔３２を含む位置に排出中継孔６２ｂが設けられている。中間板５８ｃには平面透過視で噴出孔３０を含む位置に噴出中継孔６０ｃが設けられ、排出孔３２を含む位置に排出中継孔６２ｃが設けられている。平面透過視で、噴出中継孔６０ｃは噴出中継孔６０ｂを含み、該噴出中継孔６０ｂは噴出中継孔６０ａを含む。平面透過視で、排出中継孔６２ｃは排出中継孔６２ｂを含み、該排出中継孔６２ｂは排出中継孔６２ａを含む。

噴出中継孔６０ａ及び排出中継孔６２ａは円形で、噴出中継孔６０ｂ及び排出中継孔６２ｂはＸ方向にやや偏平で、噴出中継孔６０ｃ及び排出中継孔６２ｃはＸ方向にさらに偏平である。噴出中継孔６０ａと排出中継孔６２ａとの間隔Ｌ１は長く、噴出中継孔６０ｂと排出中継孔６２ｂとの間隔Ｌ２は間隔Ｌ１より短く、噴出中継孔６０ｃと排出中継孔６２ｃとの間隔Ｌ３は間隔Ｌ２よりさらに短い。この場合の平面透過視は省略するが図１９から明らかであろう。

このような多層階構成によれば、受熱板１８から受ける熱を表層だけではなく、表層からの伝熱が考慮され、より深い箇所においても熱回収することができ、しかも単一流路よりも有効な冷却面積が増加するため冷却能力が向上する。３層の冷却細路２８の流路長さは、表層側から順に間隔Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３となり、受熱板１８からの深さに応じた異なる流路長さが得られて適切な冷却が可能となり、全体として伝熱量を最適化させることができる。板材種類を制限するために中間板５８ａ，５８ｂ，５８ｃは同形状としてもよい。なお、本願における径とは面積の指標としての広義の意味であり、その対象は円形に限られない。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０ヒートシンク、１４ａ流入口、１４ｂ流出口、１６発熱体（対象物）、１８受熱板、１８ａ表面、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ流路板、２２，２２ａ，２２ｂオリフィス板、２４ヘッダ板、２６裏面板、２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ冷却細路、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ噴出孔、３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ排出孔、３４周壁、３６仕切板、３８平行板、４０第１端板、４２第２端板、４４ａ導入路、４４ｂ流入分岐路、４４流入路、４６ａ導出路、４６ｂ流出分岐路、４６流出路、４７断熱スリット（断熱部）、４８絞り部、５０，５２，５４ハーフエッチ板、５１ａ，５１ｂ屈曲部、５３ａ冷却上流路、５３ｂ冷却下流路、５３ｃ分岐合流部、５６貫通孔、５８ａ，５８ｂ，５８ｃ中間板、６０ａ，６０ｂ，６０ｃ噴出中継孔、６２ａ，６２ｂ，６２ｃ排出中継孔。

Claims

流体を流入口から流出口に流すことにより当接する対象物を冷却させる積層構造のヒートシンクであって、
表面が前記対象物に接して受熱する受熱層と、
前記受熱層の裏面側に設けられ、前記流体の流れが積層方向に直交する方向に形成された複数の冷却細路を備える流路層と、
前記流路層の裏面側に設けられ、前記冷却細路に裏面側から前記流体を噴出する噴出孔、及び前記冷却細路から裏面側へ前記流体が排出される排出孔を備えるオリフィス層と、
前記オリフィス層の裏面側に設けられ、周壁と、該周壁に囲まれた領域に設けられて前記流入口と前記流出口とを仕切る仕切板とを備えるヘッダ層と、
前記ヘッダ層の裏面側に設けられる裏面層と、
を有し、
前記仕切板は、並列した複数の平行板と、
複数の前記平行板の一方の開口と他方の開口を交互に塞ぐ端板と、
を有し、
前記オリフィス層、前記裏面層、前記仕切板及び前記周壁により前記流体を前記流入口から前記噴出孔に導く流入路、及び前記流体を前記排出孔から前記流出口に導く流出路が形成されていることを特徴とするヒートシンク。
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
前記流入路は、両側が前記平行板で挟まれた複数の流入分岐路と、
前記流入口から複数の前記流入分岐路の開口につながる導入路と、
を有し、
前記流出路は、両側が前記平行板で挟まれた流出分岐路と、
前記流出口から複数の前記流出分岐路の開口につながる導出路と、
を有し、
前記導入路と前記導出路は対向位置に設けられていることを特徴とするヒートシンク。
請求項２に記載のヒートシンクにおいて、
前記噴出孔は、積層方向からみて前記流入分岐路に重なる部分で、該流入分岐路の延在方向に沿って、１本の前記流入分岐路あたり２列が設けられ、
前記排出孔は、積層方向からみて前記流出分岐路に重なる部分で、該流出分岐路の延在方向に沿って、１本の前記流出分岐路あたり２列が設けられ、
前記冷却細路は、積層方向からみて前記平行板を跨いで前記流入分岐路と前記流出分岐路に重なり、前記噴出孔と前記排出孔とを連通していることを特徴とするヒートシンク。
請求項３に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は１本あたり、隣接する１つの前記噴出孔と１つの前記排出孔とを連通していることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は、積層方向からみて１以上の屈曲部を有する非直線形状であることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は、前記噴出孔に連通する冷却上流路と、
前記排出孔に連通する冷却下流路と、
複数の前記冷却上流がそれぞれ２本の分流路に分岐するとともに隣接する前記分流路同士が合流してそれぞれ前記冷却下流路に連通する分岐合流部と、
を有することを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は、配置場所によって形状及び／又は長さが異なることを特徴とするヒートシンク。
請求項７に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は、配置場所によって狭幅の絞り部が設けられていることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記平行板及び前記端板の少なくとも一部は、厚み方向で断熱部を介在させた多重構造であることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記受熱層、前記流路層、前記オリフィス層、前記ヘッダ層及び前記裏面層は板部材が拡散接合されていることを特徴とするヒートシンク。
請求項１０に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却細路は、前記流路層を形成する板部材に設けられた貫通孔であることを特徴とするヒートシンク。
請求項１０又は１１に記載のヒートシンクにおいて、
前記噴出孔及び前記排出孔は、前記オリフィス層を形成する板部材に設けられた貫通孔であることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記噴出孔及び／又は前記排出孔は、配置場所によって径が異なることを特徴とするヒートシンク。
請求項１３に記載のヒートシンクにおいて、
前記オリフィス層は、複数枚の板部材が拡散接合されており、前記噴出孔及び／又は前記排出孔は、板部材によって径が異なることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜１４のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
前記流路層は複数層設けられ、複数の前記流路層の層間には中間層が設けられ、
前記中間層は、積層方向からみて前記噴出孔と重なる位置に設けられた噴出中継孔と、
積層方向からみて前記排出孔と重なる位置に設けられた排出中継孔と、
を有することを特徴とするヒートシンク。
請求項１５に記載のヒートシンクにおいて、
前記噴出中継孔及び前記排出中継孔は、表層側の前記冷却細路と裏層側の前記冷却細路とを連通していることを特徴とするヒートシンク。