JP2009239043A - 微細流路を備えた冷却装置、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロチャネルの断面積が小さいため流路の抵抗が増大してしまう。
【解決手段】発熱体が熱的に接続される受熱部と、放熱部と、冷媒が循環する密閉された流路とが設けられた冷却装置であって、前記流路は、少なくとも一部の横断面に、複数の溝部からなる微細流路部と該微細流路部を一体に接続する連通流路部を備える。
【効果】微細流路の流路抵抗を低減できるため、大型のポンプを使用しなくても冷媒の循環流量を増加させ、発熱体で発生した熱を効果的に放熱することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、内部に設けられた微細な流路に冷媒を流すことにより発熱素子などの被冷却素子を冷却する冷却装置、および微細流路を備えた冷却装置の製造方法に関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量の増加、また特に半導体プロセスの微細化によって発熱密度は高まる傾向にあるため、放熱効率に優れた高性能のヒートシンクが求められている。更に、ヒートシンクが設置される機器の小型化に対応できるように小型で、しかも低コストで製造することができるヒートシンクが求められている。従来、ヒートシンクの性能を向上させるためには、例えば、一方の面に発熱素子が熱的に接続される受熱プレートの，他方の面に放熱フィンを接合して形成されたヒートシンクに対して、放熱フィン間を冷却風が通るようにヒートシンクの側面または上面に、遠心ファンを備えた電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。

更に、一方の端部が受熱プレートに熱的に接続され、他方の端部に放熱フィンが取り付けられるヒートパイプによって、発熱素子が熱的に接続される受熱プレートから離れた位置に熱を移動し、そこで放熱フィンに強制冷却用の電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。
上述した方法によっても、発熱密度が高くなっている発熱素子が発生する熱を効果的に放熱することが難しくなってきている。

発熱量および発熱密度の増加に対応するために、基板の内部に流路を設け、冷媒を循環させて放熱する方法が提案されている。特開２００４−１３４７４２号公報には、図８に示すように、基材６６内部にマイクロチャネル（即ち、微細流路）６０を設けて、流路内に冷媒を流して放熱する技術が開示されている。更に、特開２００５−３３１６２号公報には、実装基板の絶縁層などに流路をもうけて、流路内に冷媒を流して放熱する技術が開示されている。

特開２００４−１３４７４２号公報 特開２００５−３３１６２号公報

特開２００４−１３４７４２号公報に開示された技術によると、マイクロチャネル（微細流路）はループ状流通路の断面を分割することによって流速を高め、熱交換効率を改善することができるが、それぞれのマイクロチャネルの断面積が小さいため流路の抵抗が増大してしまうという問題があった。

流路の抵抗が増大すると、発熱体を冷却するのに十分な冷媒の流量を得るために、吐出圧力の大きなポンプが必要となり、ポンプの大型化、延いては装置全体が大型化するという問題がある。

従って、この発明の目的は、大型のポンプを用いなくても所望の流量で冷媒を循環させることができ、発熱素子の熱を効率的に放熱することができる微細流路を備えた冷却装置を提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、流路の断面が、微細流路部と、該微細流路部を連通する連通流路部とを備えた複合型の流路とすることで、循環冷媒の流速を落とすことなく、微細流路の特性を維持して、放熱性能を向上できることが判明した。
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明の冷却装置の第１の態様は、発熱体が熱的に接続される受熱部と、放熱部と、冷媒が循環する密閉された流路とが設けられた冷却装置であって、前記流路は、少なくとも一部の横断面に、複数の溝からなる微細流路部と該微細流路部を一体に接続する連通流路部を備えることを特徴とする。

本発明の微細流路を備えた冷却装置によれば、微細流路の流路抵抗を低減できるため、大型のポンプを使用しなくても冷媒の循環流量を増加させ、発熱体で発生した熱を効果的に放熱することができる。基板の内部に設けられた流路を利用した冷却方法のため、冷却水を循環させるポンプなどの機構のためのスペースを別途必要としないので、冷却部品の省スペース化が可能となる。

この発明の冷却装置の第２の態様は、複合流路における連通流路部の高さの割合が、０．３以上０．７以下であることを特徴とする。

この態様によれば、複合流路における連通流路部の高さの割合を０．３以上０．７以下とすることで、微細流路のみ、または連通流路のみでは得られない放熱性能を得ることができる。

この発明の冷却装置の第３の態様は、微細流路の幅０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

この態様によれば、微細流路の幅を０．５ｍｍ以下とすることで、良好な冷媒の流速と、熱交換面積を得ることができ、良好な放熱性能を得ることができる。

この発明の冷却装置を、図面を参照しながら説明する。
この発明の冷却装置の１つの態様は、発熱体が熱的に接続される受熱部と、放熱部と、冷媒が循環する密閉された流路とが設けられた基板であって、前記流路は、少なくとも一部の横断面に、複数の溝からなる微細流路部と該微細流路部を一体に接続する連通流路部を備えることを特徴とする微細流路を備えた冷却装置である。

図１は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の１つの態様を説明する部分断面模式図である。図１に示すように、流路が形成された第１の板材３と概ね平らな主面を持つ第２の板材４を対向して気密に接合して、微細流路を備えた冷却装置１０を形成する。第１の板材３に形成された流路は、その断面に微細流路部６と連通流路部８を備えており、複合流路５を形成している。

第１の板材３および第２の板材４は、熱伝導性に優れた素材であれば良く、例えば銅やアルミニウム等の金属の板材を利用することができる。また、流路に封入される冷媒（作動流体）としては、純水等を利用することができる。冷媒と板材との化学反応も考慮して、板材には銅、冷媒に純水を用いるものが更に好ましい。

第１の板材３および第２の板材４の厚さに特に制限はないが、実装基板内へ組み込む場合には，０．５ｍｍ以下が好ましい。
ここで、微細流路とは、断面における横幅が０．５ｍｍ以下の流路のことをいう。流路の横幅が０．５ｍｍ以下であれば、微細流路として冷媒の流速を向上する効果が得られ、また熱交換面積を十分に確保することができるため、より好ましい。

図２は、流路１１が形成された第１の板材３の（ａ）上面図、および（ｂ）側面図である。図２（ａ）に示すように、流路１１は、少なくとも発熱体が熱的に接続される受熱部１３と、放熱部１５に対応する部分に上記の複合流路５を備えている。また、図２（ｂ）に示すように、受熱部１３および放熱部１５には、それぞれ発熱部材１７および放熱部材１９が熱的に接続される。
本発明の冷却装置では、図示しない冷媒循環手段（例えば圧電ポンプ）等によって流路１１内の純水等の冷媒を循環させることができる。冷媒は、受熱部１３で発熱体の熱を受け取り、流路１１内を放熱部１５まで移動する。放熱部１５では、冷媒から図示しない放熱部材（例えばヒートシンク）へ熱が移動する。冷却された冷媒は、再度、流路１１内を受熱部１３まで移動して、上述した熱の授受を繰り返し、発熱体の熱を外部へ放散する。

このとき、流路１１は、少なくとも受熱部１３または放熱部１５において、その断面に微細流路部６と連通流路部８とを有する複合流路５を備えているため、冷媒が移動する際、流路の抵抗が増大することなく、小型の冷媒循環手段であっても、十分な冷媒の流量と十分な熱交換面積が得られるので、良好な放熱性能を得ることができる。図２において、複合流路５は、受熱部１３および放熱部１５に形成されているが、流路１１全体が複合流路となっていてもよい。

図３は、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置の製造方法の１つの態様を示す部分断面図である。
図３に示すように、溝部２５が形成された第1の板材２３と、概ね平らな主面を持つ第２の板材２４を調製する。ここで溝部２５は、例えば横幅０．３ｍｍ、高さ０．１５ｍｍの微細な溝が形成された微細溝部２６と、該微細溝部２６を接続する高さ０．１５ｍｍの連通溝部２８とからなっている。

第１の板材２３と、第２の板材２４とを対向して気密に接合することによって、溝部２５が密閉され、図１に示すような微細流路部６と連通流路部８からなる流路５が形成される。

溝部２５の形成方法としては、酸溶液によるエッチング等の化学プロセス加工によって形成することができる。その場合、まず連通溝部２８に対応した部分が開口した第１のマスクを第１の板材２３に貼合し、酸溶液によるエッチング等によって連通溝部２８を形成する。更に、微細溝部２６に対応した第２のマスクを連通溝部２８に貼合し、再度、酸溶液によるエッチング等によって微細溝部２６を形成することによって、溝部２５を形成することができる。
また，そのほかの方法としては，切削などの機械加工による溝形成，プレス，押し出し加工により、微細流路および連通流路を形成してもよい．

図４は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の他の態様を説明する部分断面模式図である。図４に示すように、第１の板材３３には微細溝部が形成され、また、第２の板材３４には、連通部が形成されており、このような第１の板材３３と第２の板材３４を対向して気密に接合することで、微細流路部３６と連通流路部３８を備えた複合流路３５が形成される。

この態様によれば、第１の板材３３と第２の板材３４に、連通溝部または微細溝部がそれぞれ別に形成されているので、マスキング工程やエッチング工程を複数回行う必要がなく、製造が容易になる。

図５は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の他の態様を説明する部分断面模式図である。図５に示すように、第１の板材４３と第２の板材４４には、それぞれ微細溝部と連通溝部からなる溝部を備えており、この様な第１の板材４３と第２の板材４４を対向して気密に接合することで、微細流路部４６と連通流路部４８を備えた複合流路４５が形成される。

この態様によれば、微細流路部４６の高さ方向の中央部に連通流路部４８を形成することができるので、流路の抵抗を更に低減し、放熱性能を向上することができる。

図６は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置と、従来の微細流路を備えた冷却装置の放熱性能を比較した結果を示すグラフである。縦軸に熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、横軸に投入熱量（Ｗ）をとり、各投入熱量に対する熱抵抗を測定している。ここで、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置は、図４に示す形態において、横幅が０．３ｍｍ、高さが０．１５ｍｍの微細流路を並列に４７本形成し、連通流路部の高さが０．１５ｍｍ、微細流路同士の間隔は０．６ｍｍである。

また、従来の微細流路を備えた冷却装置は、微細流路の横幅が０．３ｍｍ、高さが０．３ｍｍの流路を４７本備えている。

図６に示した通り、実験を行った範囲のどのような投入熱量においても、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置の熱抵抗の方が小さくなっている。

図７は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の、混合流路における連通流路部の高さの割合と放熱性能促進率の関係を示す図である。図７の横軸は、混合流路における連通流路部の高さの割合Ｒであり、Ｒ＝０のとき、全体が微細流路であり、Ｒ＝１のとき、全体が連通流路となる。放熱性能促進率は、Ｒ＝１のときの放熱性能を１としたとき、それぞれのＲに対する放熱性能の向上分を測定したものである。
図7に示すように、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置において、複合流路における連通流路部の高さの割合が０．３以上、０．７以下の場合に、放熱性能促進率が２５％以上となり、放熱性能が顕著に向上していることが分かる。

以上の説明のように、この発明によると、流路を備えた冷却装置であって、該流路が、微細流路部と連通流路部を備えるものにすることによって、流路抵抗が低く、放熱性能の高い冷却装置を得ることができる。

図１は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の１つの態様を説明する部分断面模式図である。 図２は、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置の（ａ）上面図、（ｂ）側面図である。 図３は、本発明に係る微細流路を備えた冷却装置の製造方法の１つの態様を示す部分断面図である。 図４は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の他の態様を説明する部分断面模式図である。 図５は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の他の態様を説明する部分断面模式図である。 図６は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置と、従来の微細流路を備えた冷却装置の放熱性能を比較した結果を示すグラフである。 図７は、この発明に係る微細流路を備えた冷却装置の、混合流路における連通流路部の高さの割合と放熱性能促進率の関係を示す図である。 図８は、従来の微細流路を備えた冷却装置の部分断面摸式図である。

符号の説明

１０、３０、４０ 微細流路を備えた冷却装置
３、２３、３３、４３ 第1の板材
４、２４、３４、４４ 第2の板材
５、３５、４５ 複合流路
６、３６、４６ 微細流路部
８、３８、４８ 連通流路部
１１ 流路
１３ 受熱部
１５ 放熱部
１７ 発熱部材
１９ 放熱部材
２５ 溝部
２６ 微細溝部
２８ 連通溝部
６０ マイクロチャネル
６６ 基材

Claims (10)

1. 発熱体が熱的に接続され、冷媒が循環する流路が設けられた冷却装置であって、
   前記流路は、少なくとも一部の横断面に、複数の溝からなる微細流路部と該複数の溝を一体に接続する連通流路部からなる複合流路を備えることを特徴とする微細流路を備えた冷却装置。
2. 前記複合流路における前記連通流路部の高さの割合が、０．３以上０．７以下であることを特徴とする請求項１に記載の微細流路を備えた冷却装置。
3. 前記微細流路は、幅が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細流路を備えた冷却装置。
4. 前記流路は、
   環状溝と前記環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝からなる微細溝部および該微細溝部を一体に接続する連通部を有する複合溝部とを備えた第１の板材と、
   前記第１の板材の前記環状溝を密閉する、概ね平坦な主面を有する第２の板材との間で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の微細流路を備えた冷却装置。
5. 前記流路は、
   環状溝と前記環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝からなる微細溝部とを備えた第１の板材と、
   前記微細溝部に対応した部分に前記微細溝部を連通するように形成された連通溝部を有し、前記第１の板材の前記環状溝を密閉する、概ね平坦な主面を有する第２の板材との間で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の微細流路を備えた冷却装置。
6. 前記流路は、
   環状溝と前記環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝からなる微細溝部および該微細溝部を一体に接続する連通部を有する複合溝部とを備えた第１の板材と、
   前記複合溝部に対応した部分に、複数の溝からなる微細溝部および該微細溝部を一体に接続する連通部を有する別の複合溝部を備えた第２の板材との間で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の微細流路を備えた冷却装置。
7. 前記流路は、前記冷媒を循環させるための冷媒循環手段を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の微細流路を備えた冷却装置。
8. 一方の主面に環状溝と、該環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝部からなる微細溝部と該微細溝部を接続する連通溝部とからなる複合溝部を備えた第１の板材と、
   概ね平坦な主面を有する第２の板材とを調製し、
   前記第１の板材および前記第２の板材を対向して気密に接合し、前記複合溝部によって複合流路を形成することを特徴とする微細流路を備えた冷却装置の製造方法。
9. 一方の主面に環状溝と、該環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝からなる微細溝部を備えた第１の板材と、
   前記微細溝部に対応した部分に前記微細溝部を連通するように形成された連通溝部を備えた第２の板材とを調製し、
   前記第１の板材および前記第2の板材を対向して気密に接合し、前記微細溝部および前記連通溝部によって複合流路を形成することを特徴とする微細流路を備えた冷却装置の製造方法。
10. 一方の主面に環状溝と、該環状溝の少なくとも一部の横断面に複数の溝からなる微細溝部および該微細溝部を一体に接続する連通部を有する複合溝部とを備えた第１の板材と、前記複合溝部に対応した部分に、複数の溝からなる微細溝部および該微細溝部を一体に接続する連通部を有する別の複合溝部を備えた第１の板材とを調整し、
    前記第１の板材および前記第２の板材を対向して気密に接合し、前記複合溝部および前記別の複合溝部の間で複合流路を形成することを特徴とする微細流路を備えた冷却装置の製造方法。

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