JP6169969B2 - 冷却装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却装置に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置及びその製造方法に関する。

近年、半導体装置や電子機器などの高性能化、高機能化に伴い、それらの発熱量も増大している。一方、携帯機器の普及等により半導体装置や電子機器などの小型化が進んでいる。このような背景から、高効率で小型の冷却装置が求められている。冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置は、ポンプなどの駆動部を必要としないため、半導体装置や電子機器などの冷却装置として期待されている。
このような沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下では、「沸騰冷却装置」とも言う）の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された沸騰冷却装置は、内部に液相の冷媒を貯留する冷媒槽と、冷媒槽の内部と連通して冷媒槽の上部に取り付けられた放熱部とを有する。冷媒槽の外部には発熱体が設置され、放熱部は発熱体の熱によって気化した冷媒を液化させた後に再び冷媒槽に戻す。また、冷媒槽の底壁と一体に形成された沸騰伝熱面には、伝熱面積を拡大し熱拡散を促進するための複数のフィンが設けられている。そして、フィンの高さが離脱気泡径の１．０倍以上、３．４倍以下であり、隣接する２つのフィン間の距離であるフィンピッチが離脱気泡径の２倍以上となる構成としている。これにより、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体の熱拡散を促進することができる、としている。
また特許文献２には、液相冷媒を貯留する蒸発部と、冷媒蒸気を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部とを有し、蒸発部の液相冷媒と接触する内壁側の沸騰面に、沸騰面と同一部材からなる直方体凸部を備えた沸騰冷却装置が記載されている。そして、この凸部の上面及び側面、凸部以外の平面のいずれの部分にも満遍なく研磨材を用いてブラスト加工処理を施すことにより粗面化した構成としている。これにより、ブラスト処理面積が増加し気泡核が増加する効果が得られるので、沸騰熱伝達率が向上し冷却性能に優れた沸騰冷却装置が得られるとしている。
特開２０１０−０５０３２６号公報（段落「００２６」〜「００５６」） 特開２００３−１３９４７６号公報（段落「００２３」〜「００４９」）

上述した特許文献１に記載された沸騰冷却装置においては、冷媒槽と放熱部とを密閉封止するため、両者を一体として成型する必要がある。そのため高度な製造工程が必要となり、製造コストが増大する、という問題があった。また、電子機器などに使用するために小型化を図ることとすると、冷媒槽と放熱部との熱的な分離が困難となり、放熱部から外部への放熱を効率よく行うことが困難になる、という問題があった。
また上述した特許文献２に記載された沸騰冷却装置においては、沸騰面の全面に満遍なくブラスト加工処理を施す構成としている。そのため、粗面化することが望ましくない領域には、その表面を部分的に被覆して保護する処理（マスキング処理）が必要となり、製造コストが増大するという問題があった。
このように、関連する沸騰冷却装置においては、製造コストの増大を招くことなく冷却性能の改善を図ることが困難である、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、沸騰冷却方式を用いた冷却装置においては、製造コストの増大を招くことなく冷却性能の改善を図ることが困難である、という課題を解決する冷却装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の冷却装置は、冷媒を貯蔵し、冷却対象物の熱を受容する受熱部と、受熱部において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う放熱部と、受熱部と放熱部を連結する連結部、を有し、受熱部は、冷却対象物と熱的に接する基底部と、連結部と接続する容器部とを備え、基底部は、受熱部の外壁の一部となる受熱部外壁部と、冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面上に配置された複数の突起部を備え、受熱部底面および突起部の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面を備え、突起部の上端と、容器部の内壁側の面であって受熱部底面と対向する面、との間に、気相冷媒を含む気相冷媒部を備える。
本発明の冷却装置の製造方法は、冷媒を貯蔵し冷却対象物の熱を受容する受熱部の外壁の一部となる受熱部外壁部と、冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面上に形成された複数の突起部、とを備えた基底部を形成し、受熱部底面および突起部の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面を形成し、基底部を覆う容器部を基底部に接合することによって受熱部を形成し、受熱部と、受熱部において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う放熱部とを連結し、受熱部に冷媒を注入することにより、突起部の上端と容器部の底面との間に、気相冷媒を含む気相冷媒部を形成する。

本発明の冷却装置及びその製造方法によれば、製造コストの増大を招くことなく、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。
図２Ａは本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の基底部の構成を示す平面図である。
図２Ｂは本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の基底部の構成を示す側面図である。
図３は本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の製造方法を説明するための断面模式図である。
図４は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す正面図である。
図５は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の受熱部の構成を示す断面図である。
図６は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の製造方法を説明するための断面模式図である。
図７Ａは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の受熱部の別の構成を示す垂直方向の断面図である。
図７Ｂは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の受熱部の別の構成を示す水平方向の断面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置１００の構成を示す断面図である。本実施形態の冷却装置１００は、冷媒を貯蔵し冷却対象物の熱を受容する受熱部１１０、冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う放熱部１２０、および受熱部１１０と放熱部１２０を連結する連結部１３０を有する。
受熱部１１０は、冷却対象物１４０と熱的に接する基底部１１１と、連結部１３０と接続する容器部１１２を備える。基底部１１１は、冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面１１３上に複数の突起部１１４を有する。基底部１１１と容器部１１２は溶接またはロウ付け等の金属部材を介した接合手段により接合されて密閉構造を形成し、内部に冷媒を貯蔵する。容器部１１２には連結部１３０が接続され、連結部１３０を通して受熱部１１０と放熱部１２０の間で、気体または液体の状態で冷媒が循環する。
図２Ａ、図２Ｂに、本実施形態による受熱部１１０の基底部１１１の構成を示す。図２Ａは平面図であり、図２Ｂは側面図である。同図に示すように、基底部１１１は、一の方向の両端部に、受熱部１１０の外壁の一部となる受熱部外壁部１１５を備え、受熱部底面１１３上には複数の突起部１１４が配置されている。そして受熱部底面１１３の少なくとも一部（図２Ａ中の斜線部）および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面１１６を備える。
受熱部１１０には冷媒が封入され、真空排気によって受熱部１１０の内部は常に冷媒の飽和蒸気圧に維持され、冷媒の沸点は常温となる。そのため冷却対象物１４０が発熱して、その熱量が基底部１１１を介して冷媒に伝搬すると冷媒が気化し気泡が発生する。このとき、冷却対象物１４０からの熱量は気化熱として冷媒に奪われるため、冷却対象物１４０の温度上昇を抑制することができる。ここで、本実施形態による受熱部１１０においては、図１に示すように、突起部１１４の上端と容器部１１２の底面との間に、気相冷媒を含む気相冷媒部１１７を備える。すなわち、突起部１１４の上端と、容器部１１２の内壁側の面であって受熱部底面１１３と対向する面、との間に、気相冷媒を含む気相冷媒部１１７を備える。
受熱部１１０において気化した冷媒は連結部１３０を通過し、放熱部１２０において冷却されて凝縮液化し、液体状態で再び連結部１３０を通って受熱部１１０へ流入する。冷却装置１００では、このような冷媒の循環によりポンプなどの駆動部を用いることなく、冷却対象物１４０の冷却を行うことができる。
上述したように、本実施形態の冷却装置１００は、受熱部１１０と放熱部１２０が連結部１３０によって連結された構成を有する。そのため、受熱部１１０と放熱部１２０それぞれ別個に最適設計、製造することが可能となる。そのため、受熱部１１０だけを電子機器などの冷却対象物１４０の小型化に対応させることが可能となる。その結果、製造コストの増大を招くことなく冷却性能の改善を図ることができる。
本実施形態の受熱部１１０は基底部１１１の受熱部底面１１３上に複数の突起部１１４を有する。突起部１１４は例えばフィン形状とすることができ、冷媒の対流と循環を促進する効果を有する。ここで基底部１１１および突起部１１４の材料には、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウムなどを用いることができる。
また、本実施形態の受熱部１１０は、受熱部底面１１３および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面１１６を備える（図２Ａ参照）。気泡核形成面１１６には冷媒の気泡の発生核となる複数の気泡核が形成されているため気泡の発生が促進され、冷媒の気化により冷却効率が向上する。さらに、受熱部１１０に設けられた突起部１１４により冷媒の循環が促進されるため、気泡および気相冷媒の放熱部１２０への排出を効率よく行うことができる。
それぞれの気泡核は突起や窪みからなる凹凸形状を有し、この凹凸形状の大きさは冷媒の表面張力などの物性値から最適な値が定められる。例えば、表面張力が０．０１０Ｎ／ｍから０．０２０Ｎ／ｍである特性を有する冷媒を用いる場合、最適な気泡核の大きさは中心線平均粗さでサブミクロンから数１０μｍの範囲になる。そのため、砥粒またはサンドブラストなどを用いた機械加工や、エッチング、めっきなどの化学処理を行うことにより気泡核を形成することができる。なお、図２Ａでは、受熱部底面１１３の端部を除いた領域（図中の斜線部）および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面１１６を備えた場合を示す。冷媒として具体的には、絶縁性を有し不活性な材料であるハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどを用いることができる。
本実施形態の受熱部１１０は、基底部１１１と容器部１１２がロウ付け等の金属部材を介した接合手段により接合された密閉構造を有する。そして、突起部１１４の上端と容器部１１２の底面との間に、気相冷媒を含む気相冷媒部１１７を備える。すなわち、受熱部外壁部１１５の高さは突起部１１４よりも高く形成され、両者の高さの差から突起部１１４の上部に空間が形成される。そして、この空間に気泡が排出されることにより気相冷媒部１１７が形成される。この気相冷媒部１１７を構成する空間が形成されていることによって気泡の排出が促進されるため、本実施形態の受熱部１１０における冷却性能を向上させることができる。このとき、受熱部外壁部１１５の高さを、突起部１１４の高さの１．０５倍以上３．０倍以下とすることができる。この下限値は気相冷媒部１１７を最小限の厚みによって構成することから定まる値であり、上限値は気相冷媒が受熱部１１０内で再び凝縮液化しない構成とすることから定まる値である。
次に、本実施形態による冷却装置１００の製造方法について説明する。まず、図２Ａ、図２Ｂに示したように、受熱部の外壁の一部となる受熱部外壁部１１５と、冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面１１３上に複数の突起部１１４を形成し、基底部１１１を作製する。基底部１１１の作製には例えば、押し出し加工法を用いることができる。これに限らず、切削加工法によることとしてもよく、また突起部を構成する部材を別途作製した後に受熱部底面１１３上に付着させることとしてもよい。このとき、受熱部外壁部１１５の高さが突起部１１４よりも高くなるように形成する。これにより、両者の高さの差から突起部１１４の上部に空間が形成され、気相冷媒部１１７を構成することができる。
次に、受熱部底面１１３および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面１１６を形成する。気泡核形成面１１６の形成には、図３に示すような、ノズル式ブラスト加工法による表面粗面化処理法を用いることができる。ノズル式ブラスト工法とは、微小な噴射ノズルから研磨粒子（ブラスト材料）を噴射させ、加工表面に衝突させることによって粗面化処理を行う工法である。本実施形態では、噴射ノズル１５０の先端を突起部１１４の上端と受熱部外壁部１１５の上端の間に配置し、噴射ノズル１５０から研磨粒子１６０を噴射することによって気泡核形成面１１６の形成を行った。ここでは、受熱部外壁部１１５の高さが突起部１１４の高さの１．１倍以上３．０倍以下となるように形成された基底部１１１を用いた。この下限値は噴射ノズル１５０の先端を突起部１１４の上端と受熱部外壁部１１５の上端の間に配置することから定まる値であり、上限値は気相冷媒が受熱部１１０内で再び凝縮液化しない構成とすることから定まる値である。
このように、噴射ノズル１５０の先端を受熱部外壁部１１５の上端よりも下側に配置してノズル式ブラスト加工を行うことによって、研磨粒子の飛散を防止することが可能となる。そのため、受熱部底面１１３および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面にのみ気泡核形成面１１６を形成することができる。
続いて、基底部１１１を覆う容器部１１２を基底部１１１に接合することによって受熱部１１０を形成する。受熱部１１０の形成は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、基底部１１１の上面および側面を含む接合面１１８において、溶接またはロウ付け等の金属部材を介した接合手段を用いて基底部１１１と容器部１１２を接合することにより行った。このとき、本実施形態の冷却装置１００の製造方法によれば、気泡核形成面１１６の形成工程において研磨粒子の飛散が抑制されるため、接合面１１８には気泡核形成面が形成されない。そのため、良好な接合が可能となる。したがって、気泡核形成面１１６を形成する工程において、接合面１１８が粗面化することを防止することを目的とした接合面１１８を被覆して保護する処理（マスキング処理）は不要となる。その結果、製造工程の増加による製造コストの増大を回避することができる。
なお、図２Ａ、図２Ｂでは、基底部１１１は一の方向の両端部に、受熱部１１０の外壁の一部となる受熱部外壁部１１５を備える場合について示した。しかし、これに限らず、基底部１１１は４辺の各端部に受熱部外壁部１１５を備えることとしてもよい。この場合には、容器部１１２は基底部１１１の上面のみを覆う形状の構成とすることができる。
次に、受熱部１１０と放熱部１２０を連結部１３０によって連結する。最後に、受熱部１１０に冷媒を注入し、突起部１１４の上端と容器部１１２の底面との間に気相冷媒を含む気相冷媒部１１７を形成することにより、本実施形態による冷却装置１００が完成する。
上述したように、本実施形態による冷却装置は、受熱部１１０と放熱部１２０が連結部１３０によって連結された構成を有するため、受熱部だけを電子機器などの冷却対象物の小型化に対応させることが可能であり、放熱部における放熱効率が損なわれることはない。さらに、気相冷媒部を構成する空間が形成されていることによって気泡の排出が促進されるため、受熱部における冷却性能を向上させることができる。また、本実施形態による冷却装置の製造法によれば、気泡核形成面の形成工程において研磨粒子の飛散が抑制されるため、接合面を被覆して保護する処理（マスキング処理）は不要となる。このように、本実施形態の冷却装置及びその製造方法によれば、製造コストの増大を招くことなく、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る冷却装置２００の構成を示す正面図である。本実施形態の冷却装置２００は、冷媒を貯蔵し冷却対象物の熱を受容する受熱部２１０と、冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う放熱部１２０、および受熱部２１０と放熱部１２０を連結する連結部を有する。
本実施形態の冷却装置２００は、受熱部２１０と連結部の構成が第１の実施形態による冷却装置１００と異なる。すなわち、本実施形態の冷却装置２００では、連結部は気相冷媒を受熱部２１０から放熱部１２０に輸送する第１の連結部２３１と、放熱部１２０で凝縮液化した液相冷媒を放熱部１２０から受熱部２１０に輸送する第２の連結部２３２を備えた構成とした。そして、受熱部２１０は各連結部と接続する接続部を備える。他の構成は第１の実施形態における場合と同様であるので説明を省略する。
図５は、本実施形態による受熱部２１０の構成を示す断面図である。受熱部２１０は、冷却対象物１４０と熱的に接する基底部１１１と、第１の連結部２３１および第２の連結部２３２と接続する容器部２１２を備える。基底部１１１は、冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面１１３上に複数の突起部１１４を有する。基底部１１１と容器部２１２は溶接またはロウ付け等の金属部材を介した接合手段により接合されて密閉構造を形成し、内部に冷媒を貯蔵する。
本実施形態の容器部２１２は、容器部２１２の上面に第１の連結部２３１と接続する第１の接続部２４１を備え、容器部２１２の一の側面に第２の連結部２３２と接続する第２の接続部２４２を備える。そして、第１の連結部２３１と第２の連結部２３２を通して受熱部２１０と放熱部１２０の間で、気体または液体の状態で冷媒が循環する。
このとき、本実施形態の受熱部２１０においては、第２の接続部２４２が突起部１１４の受熱部底面１１３からの高さ以上の位置に配置されることとした。これにより、突起部１１４が図５に示すように、基底部１１１の一方の端部から他方の端部まで形成されている場合であっても、液相冷媒は突起部１１４に遮られることなく第２の接続部２４２から効率よく注入される。したがって、冷媒の循環を妨げることなく、突起部１１４による冷却効果を最大限に利用することが可能となる。その結果、本実施形態の冷却装置２００によれば、冷却性能がさらに向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。
第２の接続部２４２から受熱部２１０の内部に注入された液相冷媒は、冷却対象物１４０に対向する受熱部底面１１３を覆うように拡がる。このとき、液相冷媒の対流による吸熱作用に加えて、液相冷媒が沸騰することによる液相冷媒の気化熱を利用した高い冷却効果が得られる。これにより、発熱素子などの冷却対象物１４０の温度上昇を抑制することができる。また、液相冷媒が受熱部底面１１３だけでなく突起部１１４に沿って流れることにより、突起部１１４の表面からも吸熱が行われる。さらに、受熱部底面１１３の近傍で発生する気泡は、その浮力により容器部２１２の上面に配置された第１の接続部２４１に向かって上昇する。このとき液相冷媒が突起部１１４間を流れることにより対流熱伝達が引き起こされるため、吸熱作用がさらに促進される。このような受熱部２１０の内部における液相冷媒の流れを考慮すると、冷却効果をより高めるためには、突起部１１４の形状は板状のフィン構造であることが好ましい。
本実施形態の冷却装置２００は、上述した第１の実施形態による冷却装置１００の製造方法と同様に製造することができる。例えば、押し出し加工法を用いることによって、基底部１１１の一方の端部から他方の端部まで突起部１１４を形成することができる。また、図６に示すように、基底部１１１を覆う容器部２１２を基底部１１１に接合することによって受熱部２１０を形成する。この場合においても図２Ａ、図２Ｂに示すように、本実施形態の冷却装置の製造方法によれば、接合面１１８には気泡核形成面が形成されない。したがって、気泡核形成面１１６の形成工程において、接合面１１８を被覆して保護する処理（マスキング処理）を行うことなく、良好な接合を行うことが可能となる。
このように、本実施形態の冷却装置及びその製造方法によれば、製造コストの増大を招くことなく、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。
なお上述の説明では、第２の接続部２４２が突起部１１４の受熱部底面１１３からの高さ以上の位置に配置されることとした。しかし、これに限らず、図７Ａに示すように、第２の接続部２４２が受熱部底面１１３の近傍に配置された構成としてもよい。この場合、第２の接続部２４２に分岐部（マニホールド）を備えた構成とすることにより、図７Ｂに示すように、液相冷媒を突起部１１４の間に効率よく注入することができる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１１年２月２２日に出願された日本出願特願２０１１−０３５９３８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００ 冷却装置
１１０、２１０ 受熱部
１１１ 基底部
１１２、２１２ 容器部
１１３ 受熱部底面
１１４ 突起部
１１５ 受熱部外壁部
１１６ 気泡核形成面
１１７ 気相冷媒部
１１８ 接合面
１２０ 放熱部
１３０ 連結部
１４０ 冷却対象物
１５０ 噴射ノズル
１６０ 研磨粒子
２３１ 第１の連結部
２３２ 第２の連結部
２４１ 第１の接続部
２４２ 第２の接続部

Claims (3)

1. 冷媒を貯蔵し冷却対象物の熱を受容する受熱部の外壁の一部となる受熱部外壁部と、前記冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面上に形成された複数の突起部、とを備えた基底部を形成し、
   前記受熱部底面および前記突起部の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面を形成し、
   前記基底部を覆う容器部を、前記気泡核形成面を有さない接合面において、前記基底部に接合することによって前記受熱部を形成し、
   前記受熱部と、前記受熱部において前記冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う放熱部とを連結し、
   前記受熱部に前記冷媒を注入することにより、前記突起部の上端と前記容器部の底面との間に、前記気相冷媒を含む気相冷媒部を形成し、
   前記基底部の形成は、前記受熱部外壁部の高さが、前記突起部の高さの１．１倍以上３．０倍以下となるように行い、
   前記気泡核形成面の形成は、噴射ノズルの先端を前記突起部の上端と前記受熱部外壁部の上端の間に配置し、前記噴射ノズルから研磨粒子を噴射することによって行う
   冷却装置の製造方法。
2. 冷媒を貯蔵し冷却対象物の熱を受容する受熱部の外壁の一部となる受熱部外壁部と、前記冷媒と接触する内壁側の底面である受熱部底面上に形成された複数の突起部、とを備えた基底部を形成し、
   前記受熱部底面および前記突起部の表面からなる冷媒接触面に気泡核形成面を形成し、
   前記基底部を覆う容器部を前記基底部に接合することによって前記受熱部を形成し、
   前記受熱部と、前記受熱部において前記冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う放熱部とを連結し、
   前記受熱部に前記冷媒を注入することにより、前記突起部の上端と前記容器部の底面との間に、前記気相冷媒を含む気相冷媒部を形成し、
   前記基底部の形成は、前記受熱部外壁部の高さが、前記突起部の高さの１．１倍以上３．０倍以下となるように行い、
   前記気泡核形成面の形成は、噴射ノズルの先端を前記突起部の上端と前記受熱部外壁部の上端の間に配置し、前記噴射ノズルから研磨粒子を噴射することによって行う
   冷却装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載した冷却装置の製造方法において、
   前記受熱部の形成は、前記気泡核形成面が形成されていない前記基底部の側面および前記受熱部外壁部の上端を含む接合面と、前記容器部とを、金属部材を介して接合することにより行う冷却装置の製造方法。

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