JP3972878B2 - 冷却プレート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微細流路（マイクロチャネル）を有する冷却プレート、及びその製造方法に関するものである。

近年、電子素子の高性能化に伴い、その素子冷却の高性能化が望まれている。この素子冷却にはマイクロチャネルを有する冷却プレートを使用することで、非常に冷却効果の高い素子冷却システムを構成している。このマイクロチャネルを有する冷却プレートは、押し出し材では形成困難なため、特許文献１中に示されるように、金属ブロックからワイヤカットやマイクロ加工などによって微細溝を加工してゆく必要がある。

図５は、従来の一例におけるマイクロチャネル１１ａを有する冷却プレート１１の断面図である。金属ブロックを加工して、マイクロフィン２１ａを形成したフィンプレート２１と蓋部プレート２２とを製作して組み合せて接合したものである。また、特許文献２ではコルゲートフィンと押し出し材で形成した板状フィンとを組み合せてマイクロチャネルを構成する方法が提案されている。
特開２００２−１５１６４０号公報 特開２００２−３２４８８４号公報

しかしながら、上記従来技術において、マイクロチャネルの加工は高価で、しかも時間の掛かる加工をする必要があり、コスト面および加工時間の長さより量産が困難であった。また、特許文献２に示されるように、押し出し突起を組み合せてできる空間にコルゲートフィンを組み合せて更に二分するにしても、微細化には限度がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、マイクロチャネルを容易に形成でき、且つ量産容易な冷却プレート及びその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、内部に冷却流体が流通する多数の微細流路（３ａ、３ｂ）を有する冷却プレートであり、薄板材を波形状に成形したうえ波形状方向に圧縮して隣り合う山部同士が接触しているコルゲートフィン（３）を、板材を成形した外殻プレート（２）で取り囲んで構成したことを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、薄板材を波形状に成形したコルゲートフィンを波形状方向に圧縮することにより、山部の曲げＲが小さくなってフィンピッチが短くなり流路が微細化する。更には隣り合う山部同士が接触する程に圧縮することで接触点が発生して形状が安定し強度的にも向上する。また、山部間の空間がこの接触によって区切られて微細流路（３ａ）が多数形成される。
更に、このコルゲートフィン（３）を外殻プレート（２）で取り囲むことにより、コルゲートフィン（３）と外殻プレート（２）との間にも更に微細な微細流路（３ｂ）が多数形成されて内部に多数の微細流路を形成することが容易である。また、圧縮の程度を可変することにより、これら微細流路（３ａ、３ｂ）の大きさを可変することも可能となる。
また、共に板材を成形したフィンとプレートとを組み合せるだけの簡単な構成であるため、安価で且つ大量に製作可能、つまり量産容易である。そして、外殻プレート（２）とコルゲートフィン（３）とはろう付けもしくは伝熱性の接着材で結合されるため、発熱体からの熱を内部に流通する冷却流体（冷媒）にマイクロチャネル効果により効率良く伝達させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、冷却プレートの両側平面を冷却に用いたことを特徴としている。これは、本発明の冷却プレートが両側平面に近い部分に冷却流体の流路が形成されることによる。この請求項２に記載の発明によれば、両側同時に効率良く電子素子などの発熱体を冷却することができる。

また、請求項３に記載の発明では、外殻プレート（２）とコルゲートフィン（３）には腐食電位差を設け、外殻プレート（２）に対してコルゲートフィン（３）が優先的に腐食するようにしていることを特徴としている。例えば、外殻プレート（２）およびコルゲートフィン（３）は主材がアルミニウムであり、コルゲートフィン（３）には亜鉛などが添加してある。

この請求項３に記載の発明によれば、内部を流通する冷却流体（冷媒）が水やフロンなどで水溶性の場合、外殻プレート（２）とコルゲートフィン（３）との間に腐食電位差が発生し、コルゲートフィン（３）が優先的に腐食する犠牲腐食効果を利用して外殻プレート（２）の貫通洩れを防止することができる。

また、請求項４に記載の発明では、内部に冷却流体が流通する多数の微細流路（３ａ、３ｂ）を有する冷却プレートの製造方法であり、少なくとも、薄板材を波形状に成形したうえ波形状方向に圧縮してコルゲートフィン（３）を成形するフィン成形工程と、板材を成形した外殻プレート（２）で波形状の隣り合う山部同士が接触するようにしたコルゲートフィン（３）を取り囲むように組み合せる組み合せ工程と、外殻プレート（２）とコルゲートフィン（３）との当接部分を接合する接合工程とを有することを特徴としている。

これは、熱交換器などに用いるインナーフィン入り熱交換チューブの製造方法に類似しており、極論すればフィンを充分に圧縮する工程を加えれば良いこととなる。この請求項４に記載の発明によれば、本発明の特徴であるフィンの山部間に接触点が発生して形状が安定し強度的にも向上するうえ、山部間の空間がこの接触によって区切られて微細流路（３ａ）が多数形成されることとなる。また、本発明の冷却プレートを安価で且つ大量に製作可能、つまり量産容易となる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態における冷却プレート１の断面図、および装着状態を示す側面図であり、図３は、コルゲートフィン３の製造方法を示す流れ図の一部である。この冷却プレート１は、薄板材を波形状に成形したうえ波形状方向に圧縮したコルゲートフィン３を、板材を成形した外殻プレート２で取り囲んで構成したものであり、内部に冷却流体（冷媒）が流通する多数のマイクロチャネル（微細流路）３ａ・３ｂを有している。即ち、冷却プレート１はマイクロチャネルを有するものである。

コルゲートフィン３の素材は、本実施形態では主材がアルミニウムの薄板長尺材であり、両面にブレージングシートがコーティングされている。そしてこの薄板長尺材を成形ローラに掛けて断面波形状に成形する（図３（ａ）の３´状態）。これを所定長さで切断した後、隣り合う山部同士が接触する程に波形状方向に圧縮することで、マイクロチャネル３ａを多数形成した本発明のコルゲートフィン３となる（図３（ｂ）の３状態）。

外殻プレート２は、フィンと同様に主材がアルミニウムの板材からなり、プレス加工するか、もしくは長尺板材をロール成形した後所定長さに切断したものである。本実施形態では図１に示すように、嵌合する一対のコの字状外殻プレート２ａ・２ｂで構成している。尚、外殻プレート２ａ・２ｂ間の当接面となるいずれか一方にブレージングシートがコーティングされている。

また、外殻プレート２とコルゲートフィン３との間には外殻プレート２に対してコルゲートフィン３が優先的に腐食するように腐食電位差が設けてあり、具体的にはコルゲートフィン３に亜鉛などが添加されている。そして、このような構成の冷却プレート１は、外殻プレート２ａ・２ｂでコルゲートフィン３を取り囲むように組み合せ、これらを炉中で加熱してろう付けで一体化させることで製作される。このとき、コルゲートフィン３と外殻プレート２ａ・２ｂとの間にも更に微細なマイクロチャネル３ｂが多数形成される。

この冷却プレート１は、基板４上に搭載された電子素子などの発熱体５の上面に、伝熱性の接着剤６によって接合されたうえ、必要に応じて内部に冷却流体（冷媒）を流通させて発熱体５の冷却を行うものである。

次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、内部に冷却流体が流通する多数のマイクロチャネル３ａ、３ｂを有する冷却プレート１であり、薄板材を波形状に成形したうえ波形状方向に圧縮したコルゲートフィン３を、板材を成形した外殻プレート２で取り囲んで構成している。

これによれば、薄板材を波形状に成形したコルゲートフィンを波形状方向に圧縮し、更にこのコルゲートフィン３を外殻プレート２で取り囲むことにより、内部に多数のマイクロチャネルを形成することが容易である。また、共に板材を成形したフィンとプレートとを組み合せるだけの簡単な構成であるため、安価で且つ大量に製作可能、つまり量産容易である。そして、外殻プレート２とコルゲートフィン３とはろう付けもしくは伝熱性の接着材で結合されるため、発熱体からの熱を内部に流通する冷却流体（冷媒）にマイクロチャネル効果により効率良く伝達させることができる。

また、コルゲートフィン３は波形状の隣り合う山部同士が接触している。これによれば、波形状に成形したコルゲートフィンを波形状方向に圧縮することにより、山部の曲げＲが小さくなってフィンピッチが短くなり流路が微細化する。更には隣り合う山部同士が接触する程に圧縮することで接触点が発生して形状が安定し強度的にも向上する。

また、山部間の空間がこの接触によって区切られてマイクロチャネル３ａが多数形成される。更に、このコルゲートフィン３を外殻プレート２で取り囲むことにより、コルゲートフィン３と外殻プレート６との間にも更に微細なマイクロチャネル３ｂが多数形成される。また、圧縮の程度を可変することにより、これらマイクロチャネル３ａ・３ｂの大きさを可変することも可能となる。

また、外殻プレート２とコルゲートフィン３には腐食電位差を設け、外殻プレート２に対してコルゲートフィン３が優先的に腐食するようにしていることを特徴としている。例えば、外殻プレート２およびコルゲートフィン３は主材がアルミニウムであり、コルゲートフィン３には亜鉛などが添加してある。これによれば、内部を流通する冷却流体（冷媒）が水やフロンなどで水溶性の場合、外殻プレート２とコルゲートフィン３との間に腐食電位差が発生し、コルゲートフィン３が優先的に腐食する犠牲腐食効果を利用して外殻プレート２の貫通洩れを防止することができる。

また、内部に冷却流体が流通する多数のマイクロチャネル３ａ・３ｂを有する冷却プレートの製造方法として、少なくとも、薄板材を波形状に成形したうえ波形状方向に圧縮してコルゲートフィン３を成形するフィン成形工程と、板材を成形した外殻プレート２でコルゲートフィン３を取り囲むように組み合せる組み合せ工程と、外殻プレート２とコルゲートフィン３との当接部分を接合する接合工程とを有している。

これは、熱交換器などに用いるインナーフィン入り熱交換チューブの製造方法に類似しており、極論すればフィンを充分に圧縮する工程を加えれば良いこととなる。これによれば、本発明の冷却プレートを安価で且つ大量に製作可能、つまり量産容易となる。また、コルゲートフィン３は波形状の隣り合う山部同士が接触するように接合している。これによれば、本発明の特徴であるフィンの山部間に接触点が発生して形状が安定し強度的にも向上するうえ、山部間の空間がこの接触によって区切られて微細流路３ａが多数形成されることとなる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態における冷却プレート１の断面図、および装着状態を示す側面図である。上述の第１実施形態とは装着状態のみ異なる。本実施形態で基板４は、具体的に電源基板４ａと制御基板４ｂとの２枚からなっており、その間に電子素子（発熱体）５が端子７で接続されている。そして、その電子素子５の間に冷却プレート１が配置され、両側の電子素子５とは伝熱性の接着剤６によって接合され、必要に応じて冷却プレート１の内部に冷却流体（冷媒）を流通させて両面で各発熱体５の冷却を行うものである。

次に、本実施形態での特徴を述べると、冷却プレート１の両側平面を冷却に用いたことである。これは、本発明の冷却プレート１が両側平面に近い部分に冷却流体の流路が形成されることによるものであり、これにより、両面同時に効率良く電子素子などの発熱体５を冷却することができる。

（その他の実施形態）
図４は、外殻プレート２の形状例を示す断面図である。上述の実施形態では、図４中（ａ）に示すように嵌合する一対の外殻プレート２ａ・２ｂで構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４中（ｂ）に示すように２枚の同じ外殻プレート２ｃをつき合せて構成しても良いし、図４中（ｃ）に示すように１枚の板材をロール成形などで折り曲げてつき合せ部を溶接などで接合して外殻プレート２を構成しても良い。

本発明の第１実施形態における冷却プレート１の断面図、および装着状態を示す側面図である。 本発明の第２実施形態における冷却プレート１の断面図、および装着状態を示す側面図である。 コルゲートフィン３の製造方法を示す流れ図の一部である。 外殻プレート２の形状例を示す断面図である。 従来の一例におけるマイクロチャネル２１ｄを有する冷却プレート１１の断面図である。

符号の説明

２…外殻プレート
３…コルゲートフィン
３ａ、３ｂ…マイクロチャネル（微細流路）

Claims (4)

1. 内部に冷却流体が流通する多数の微細流路（３ａ、３ｂ）を有する冷却プレートであり、
   薄板材を波形状に成形したうえ前記波形状方向に圧縮して隣り合う山部同士が接触しているコルゲートフィン（３）を、板材を成形した外殻プレート（２）で取り囲んで構成したことを特徴とする冷却プレート。
2. 前記冷却プレートの両面を冷却に用いたことを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート。
3. 前記外殻プレート（２）と前記コルゲートフィン（３）には腐食電位差を設け、前記外殻プレート（２）に対して前記コルゲートフィン（３）が優先的に腐食するようにしていることを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート。
4. 内部に冷却流体が流通する多数の微細流路（３ａ、３ｂ）を有する冷却プレートの製造方法であり、
   少なくとも、薄板材を波形状に成形したうえ前記波形状方向に圧縮してコルゲートフィン（３）を成形するフィン成形工程と、板材を成形した外殻プレート（２）で前記波形状の隣り合う山部同士が接触するようにした前記コルゲートフィン（３）を取り囲むように組み合せる組み合せ工程と、前記外殻プレート（２）と前記コルゲートフィン（３）との当接部分を接合する接合工程とを有することを特徴とする冷却プレートの製造方法。

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