特許 6744110 サーモサイフォン式冷却器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6744110

(24)【登録日】2020年8月3日

(45)【発行日】2020年8月19日

(54)【発明の名称】サーモサイフォン式冷却器

(51)【国際特許分類】

   F28D 15/02 20060101AFI20200806BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20200806BHJP

   H05K 7/20 20060101ALN20200806BHJP

【ＦＩ】

   F28D15/02 101G

   F28D15/02 101B

   H01L23/46 A

   !H05K7/20 R

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-62646(P2016-62646)

(22)【出願日】2016年3月25日

(65)【公開番号】特開2017-172947(P2017-172947A)

(43)【公開日】2017年9月28日

【審査請求日】2019年3月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000183369

【氏名又は名称】住友精密工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】近藤 重徳

(72)【発明者】

【氏名】安東 賢二

(72)【発明者】

【氏名】三木 啓治

【審査官】 飯星 潤耶

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１１１２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６２１６３４３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１６−００３７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ １／００−１５／０６

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却対象物が取り付けられる取付面を有しかつ、内部に封入した冷媒が前記冷却対象物の発熱によって沸騰するよう構成された沸騰部と、
前記沸騰部の内部に連通する冷媒通路を有しかつ、気化した前記冷媒を凝縮させると共に、凝縮した前記冷媒を前記沸騰部に戻すように構成された凝縮部と、を備え、
前記沸騰部における前記取付面の裏側に相当する面であって、前記冷媒を封入する内部の空間を区画するよう構成された沸騰面には、互いに間隔を空けて並設された複数のフィンが接合されており、
前記フィンは、前記沸騰面に当接した状態で、当該沸騰面に接合する当接部と、前記当接部に連続しかつ、前記沸騰面から離れるように立設した立設部と、を有し、
前記フィンの並設方向に隣り合う前記立設部の間には、前記並設方向とは異なる方向に連続して開口する凹部が形成されている冷却器。

【請求項2】

請求項１に記載の冷却器において、
前記フィンは、前記沸騰面に、ろう付けされている冷却器。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の冷却器において、
前記フィンは、粗面化された表面層を有している冷却器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに開示する技術は、サーモサイフォン式冷却器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、例えばＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を冷却対象物として、これを冷却するサーモサイフォン式冷却器が記載されている。

【0003】

特許文献１に記載されたサーモサイフォン式冷却器では、蒸発部の通路内面にフィンを設けている。特許文献１には、蒸発部を押し出し型材を使用して作製すること、及び、フィンの表面に、ローレット加工等により微小な凹凸を設けることが記載されている。

【0004】

また、特許文献２には、プレート状の蒸発部の上面に、Ｔ字型に凝縮部を直接接合したサーモサイフォン式冷却器が形成されている。特許文献２には、フィンが一体形成されている蒸発部の内面を、酸エッチングにより粗面化することが記載されている。

【0005】

さらに、特許文献３には、孔を形成した平板を折り曲げて波板形状の伝熱部材に加工し、伝熱部材を伝熱部基材の表面に一体に接合することによって、頂部に孔を有する各溝と伝熱部基材とで囲まれる空間をトンネル流路にした伝熱部品が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−２０４０７５号公報

【特許文献2】特開２００２−１３４６７０号公報

【特許文献3】特開２０１４−８８９７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、特許文献３に記載されているように、各溝の頂部に孔を形成した構成では、トンネル流路内で発生した気泡が、孔から抜ける可能性はあるものの、発熱量によって気泡が抜けにくくなってしまい、沸騰性能が低下する場合がある。

【0008】

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サーモサイフォン式冷却器の沸騰部における沸騰面の表面積を拡大しつつも、沸騰面において生じた気泡を速やかに排除して、沸騰性能を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

ここに開示する技術は、サーモサイフォン式冷却器に係る。このサーモサイフォン式冷却器は、冷却対象物が取り付けられる取付面を有しかつ、内部に封入した冷媒が前記冷却対象物の発熱によって沸騰するよう構成された沸騰部と、前記沸騰部の内部に連通する冷媒通路を有しかつ、気化した前記冷媒を凝縮させると共に、凝縮した前記冷媒を前記沸騰部に戻すように構成された凝縮部と、を備える。

【0010】

そして、前記沸騰部における前記取付面の裏側に相当する面であって、前記冷媒を封入する内部の空間を区画するよう構成された沸騰面には、互いに間隔を空けて並設された複数のフィンが接合されており、前記フィンは、前記沸騰面に当接した状態で、当該沸騰面に接合する当接部と、前記当接部に連続しかつ、前記沸騰面から離れるように立設した立設部と、を有し、前記フィンの並設方向に隣り合う前記立設部の間には、前記並設方向とは異なる方向に連続して開口する凹部が形成されている。

【0011】

この構成によると、沸騰面に接合される当接部と、当接部に連続する立設部とを有するフィンは、沸騰面の表面積を拡大させる。

【0012】

前記の構成では、立設部の間に形成される凹部は、並設方向とは異なる方向に連続して開口している。これにより、沸騰面及び／又はフィンの表面において発生した気泡が、沸騰面及びフィンから速やかに離れるようになる。また、気泡の生成を安定化させることができる。よって、サーモサイフォン式冷却器の沸騰性能が高まる。

【0013】

前記フィンは、前記沸騰面に、ろう付けされている、としてもよい。

【0014】

こうすることで、沸騰面とフィンとの間の伝熱性が良好になる。その結果、サーモサイフォン式冷却器の沸騰性能の向上に有利になる。

【0015】

前記フィンは、粗面化された表面層を有している、としてもよい。こうすることで、サーモサイフォン式冷却器の沸騰性能の、さらなる向上が図られる。

【発明の効果】

【0016】

以上説明したように、前記のサーモサイフォン式冷却器によると、沸騰部内の沸騰面に、複数のフィンを接合し、隣り合う立設部の間に形成される凹部を、フィンの並設方向とは異なる方向に連続して開口させることで、沸騰面及び／又はフィンの表面から発生した気泡が、沸騰面及びフィンから速やかに離れるようになり、サーモサイフォン式冷却器の沸騰性能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、サーモサイフォン式冷却器の構成を概念的に示す斜視断面図である。

【図2】図２は、沸騰部の一部分の構成を示す断面図である。

【図3】図３は、沸騰面に設けたフィンの構成を示す拡大断面図である。

【図4】図４は、沸騰部の製造手順を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、ここに開示するサーモサイフォン式冷却器について、図面を参照しながら詳細に説明をする。尚、以下の説明は例示である。

【0019】

図1は、サーモサイフォン式冷却器１の構成を、理解し易いように概念的に示した、斜視断面図である。サーモサイフォン式冷却器１は、例えばＩＧＢＴ等のパワー半導体素子の冷却に利用される。サーモサイフォン式冷却器１は、沸騰部２と、沸騰部２の上側に設けられた凝縮部３とを備えている。

【0020】

図２は、沸騰部２を構成する構成部材２０の断面図である。図３は、図２における構成部材２０の一部分を拡大して示す断面図である。

【0021】

沸騰部２は、冷却対象物が取り付けられる取付面２１を有している。図例のサーモサイフォン式冷却器１において、沸騰部２は、上下方向に伸びている。取付面２１も、上下方向に広がる。沸騰部２は、その内部に冷媒が封入されるように構成されている。沸騰部２は、冷却対象物の発熱によって、内部に封入した冷媒が沸騰するように構成されている。

【0022】

取付面２１の裏側は、沸騰面２２を構成している。沸騰面２２は、冷媒を封入する内部の空間を区画する。沸騰面２２には、図１〜３に示すように、上下方向に伸びる複数の個別通路２３が形成されている。沸騰部２を構成する構成部材２０は、例えばアルミニウム製の押出形材によって構成される。個別通路２３を区画する隔壁２４は、構成部材２０の成形時に、構成部材２０と一体に形成される。各個別通路２３内には、複数のフィン４が配設されている。各フィン４は、沸騰面２２に接合されている。フィン４の構成の詳細は、後述する。

【0023】

凝縮部３は、図１に示すように、プレートフィン型の熱交換器を構成している。具体的に、凝縮部３は、沸騰部２の内部に連通する冷媒通路３１と、空気が通過する空気通路３２とを有している。冷媒通路３１と空気通路３２とは、チューブプレートを間に挟んで、交互に配設されている。

【0024】

冷媒通路３１は、沸騰部２にのみ連通するように構成されており、凝縮部３の上部、左右の側部、及び下部の一部はそれぞれ、閉塞されている。冷媒通路３１内には、コルゲートフィン３１１が配設されている。コルゲートフィン３１１は、例えばセレートフィンとしてもよい。また、その他の種類のコルゲートフィンを、冷媒通路３１内に配設してもよい。沸騰部２において気化した冷媒は上昇して、図１に実線の矢印で示すように、冷媒通路３１内に至る。冷媒は、空気通路３２を流れる空気により冷却されることで、冷媒通路３１内で凝縮し、凝縮した冷媒は、図１に破線の矢印で示すように下に落ちて、沸騰部２に戻る。

【0025】

空気通路３２は、凝縮部３の左右の一側（図１における右手前側で、図示されている側）と他側（図1における左奥側で、図示されていない側）とのそれぞれに開口し、凝縮部３を左右方向に貫通して設けられている。空気は、強制的に、又は、自然に、空気通路３２内を通過する。空気通路３２内にも、コルゲートフィン３２１が配設されている。空気通路３２内に配設するコルゲートフィン３２１の種類は、特に限定されない。

【0026】

次に、沸騰部２の沸騰面２２に設けられたフィン４の構成について、詳細に説明する。フィン４は、沸騰面２２内において、上下方向に直交する横方向に間隔を空けて、並設している。各フィン４は、当接部４１と、立設部４２とを有している。各フィン４は、横断面が、略Ｕ字状をなしている。

【0027】

当接部４１は、沸騰面２２に当接した状態で、当該沸騰面２２に接合している。当接部４１は、例えばろう付けによって、沸騰面２２に接合される。図３では、当接部４１と沸騰面２２との間に、ろう材４４が介在している状態を示している。尚、ろう材４４が介在している場合も、当接部４１が沸騰面２２に当接していることに含まれる。

【0028】

立設部４２は、当接部４１の左右の両側に連続しかつ、沸騰面２２から離れるように立設している。

【0029】

前述したように、フィン４は、個別通路２３に沿って、上下方向（つまり、図３における紙面に直交する方向）に伸びている。左右方向に隣り合う立設部４２の間には、凹溝４３１、４３２が形成されている。凹溝４３１、４３２は、底部が沸騰面２２によって構成される第１凹溝４３１と、底部が当接部４１によって構成される第２凹溝４３２と、を含んでいる。第１凹溝４３１と第２凹溝４３２とは、交互に配設されている。第１凹溝４３１及び第２凹溝４３２は共に、沸騰面２２の反対側に向かって開口している。第１凹溝４３１の開口、及び、第２凹溝４３２の開口はそれぞれ、上下方向に連続している。つまり、複数のフィン４は、図３における紙面左右方向に並設しているが、そのフィン４の並設方向に直交する方向に、第１凹溝４３１の開口、及び、第２凹溝４３２の開口は連続している。

【0030】

ここで、各フィン４は、例えばその板厚を０．１〜１．０ｍｍ程度としてもよい。また、各フィン４における立設部４２の間隔は、０．５〜３．０ｍｍ程度としてもよい。さらに、フィン４とフィン４との間隔は、０．５〜３．０ｍｍ程度としてもよい。各フィン４の高さは、２〜５ｍｍ程度としてもよい。

【0031】

次に、前記構成のサーモサイフォン式冷却器１、特に沸騰部２の製造方法について、図４を参照しながら説明する。沸騰部２を構成する構成部材２０は、前述したように、アルミニウム製の押出形材によって構成される。押出成形によって、それぞれ上下方向に伸びると共に、左右方向に並設される複数の個別通路２３を、構成部材２０と一体に形成することが可能になる（図４の工程Ｐ１参照）。

【0032】

個別通路２３内のフィン４は、コルゲートフィン４０によって構成される。具体的には、図４の工程Ｐ２及び工程Ｐ３に示すように、板状の部材４００から、例えばプレーン型のコルゲートフィン４０を作成する。ここで、後述するように、コルゲートフィン４０を構成部材２０の沸騰面２２に、ろう付けによって接合する場合は、コルゲートフィン４０に加工される板状の部材４００としては、図示は省略するが、心材と、心材の片面又は両面に設けた、ろう材とを含むブレージングシート（例えば、アルミニウムクラッド材）を用いてもよい。

【0033】

次いで、工程Ｐ４において、構成部材２０の各個別通路２３内に、個別通路２３の形状に合わせて切り出したコルゲートフィン４０を接合する。コルゲートフィン４０は、ろう付けによって構成部材２０に接合してもよい。つまり、所定の温度に加熱することによってろう材を溶かしかつ、溶かしたろう材を、再凝固させることによって、コルゲートフィン４０を構成部材２０に接合してもよい。ここで、前述したように、コルゲートフィン４０は、ブレージングシートによって構成してもよい。ブレージングシートによって構成したコルゲートフィン４０は、そのまま、沸騰面２２にろう付けするようにしてもよいが、コルゲートフィン４０と沸騰面２２との間に、ろう材をさらに介在させた上で、ブレージングシートからなるコルゲートフィン４０を、構成部材２０にろう付けするようにしてもよい。

【0034】

尚、コルゲートフィン４０と沸騰面２２とを接合する手法は、ろう付けに限定されるものではない。その他の手法を適宜採用することが可能である。

【0035】

コルゲートフィン４０を、個別通路２３内に接合すれば、コルゲートフィン４０の上端部を、例えばフライス加工によって除去する（工程Ｐ５参照）。こうすることで、コルゲートフィン４０における各山部分の頂部が除去されるから、工程Ｐ５に示すように、個別通路２３内に、複数のフィン４を左右方向に並設することが可能になる。尚、コルゲートフィン４０の上端部を除去する加工は、フライス加工に限定されない。

【0036】

工程Ｐ５の後、個別通路２３内の各フィン４の表面及び沸騰面２２を粗面化する加工を施す。例えば酸処理（酸洗）によって、粗面化するようにしてもよい。これにより、各フィン４は、粗面化された表面層を有するようになる。尚、各フィン４の表面及び沸騰面２２の粗面化は、酸処理の他にも、例えば機械的な加工によって行うようにしてもよい。

【0037】

こうして、複数のフィン４が接合された構成部材２０が完成すれば、別途、作成した部材と重ね合わせて、互いに接合をすることにより、内部に冷媒が封入される沸騰部２が完成する。

【0038】

以上説明したように、前記構成のサーモサイフォン式冷却器１によると、沸騰部２の沸騰面２２に、複数のフィン４を接合することで、沸騰面２２の表面積を拡大することができる。また、各フィン４は、沸騰面２２に接合される当接部４１と、当接部４１の両側に連続する立設部４２とを有し、隣り合う立設部４２の間には、上下方向に連続して開口する凹溝４３１、４３２が形成される。凹溝４３１、４３２が開放されているため、沸騰面２２及び／又は各フィン４の表面から発生した気泡は、開口を通じて沸騰面２２及び／又は各フィン４から速やかに離れるようになる。凹溝は、第１凹溝４３１と第２凹溝４３２とを含むが、いずれの凹溝４３１、４３２も開口が連続しているため、発生した気泡を速やかに排出することが可能になる。

【0039】

また、各フィン４を、ろう付けによって沸騰面２２に接合するようにすれば、沸騰面２２と各フィン４との伝熱性が良好になり、サーモサイフォン式冷却器１の沸騰性能の向上に有利になる。

【0040】

さらに、各フィン４の表面を粗面化することによって、サーモサイフォン式冷却器１の沸騰性能の、さらなる向上を図ることが可能になる。

【0041】

また、複数のフィン４を、コルゲートフィン４０によって構成することにより、沸騰面２２に、多数のフィン４を設けることが比較的容易になる。また、コルゲートフィン４０の、山と谷のピッチや、山と谷の高さ、また、コルゲートフィン４０において除去をする上端部の高さ等を適宜調整することによって、沸騰面２２に設けるフィン４の形状、ピッチ等を、適宜変更することが可能になる。例えば、サーモサイフォン式冷却器１に要求される冷却性能に応じて、これらのパラメータ（つまり、コルゲートフィン４０の、山と谷のピッチや、山と谷の高さ、また、コルゲートフィン４０において除去をする上端部の高さ等）を適宜調整してもよい。サーモサイフォン式冷却器１の仕様の変更が容易になる。

【0042】

尚、沸騰面２２に接合するコルゲートフィン４０の形状は、図例に限定されず、適宜の形状にすることが可能である。また、各フィン４の形状も、図３等に示す形状に限定されず、適宜の形状にすることが可能である。

【0043】

例えば使用するコルゲートフィン４０は、前述したようにプレーン型のコルゲートフィンに限らず、セレート型のコルゲートフィンを使用してもよい。セレート型のコルゲートフィンを用いた場合は、立設部は、フィンの並設方向に直交する方向に連続しないが、隣り合う立設部の間に形成される凹部は、並設方向に直交する方向に、その一部が連続して開口する。そのため、前記と同様に、サーモサイフォン式冷却器１の沸騰性能の向上が図られる。

【0044】

また、沸騰面２２に設けるフィンは、前述したように、横断面が略Ｕ字状をなすものに限らず、例えば当接部に対して、立設部が、左右の何れか一方の側で連続するような、横断面が略Ｌ字状をなすものにしてもよいし、当接部に対して、立設部が中央側で連続するような、横断面が略Ｉ字状をなすものにしてもよい。

【0045】

さらに、立設部４２は、フィン４の並設方向に直交する方向に伸びる構成に限らず、フィン４の並設方向とは異なる方向に伸びる構成とすればよい。その構成に伴い、第１凹溝４３１の開口、及び、第２凹溝４３２の開口も、フィン４の並設方向とは異なる方向に伸びる構成とすればよい。

【0046】

また、ここに開示する技術は、図１に示す構成のサーモサイフォン式冷却器に適用することに限らず、例えば特許文献２に記載されているような、水平方向に広がるプレート状の沸騰部の上面に、凝縮部を直接接合することによって、全体として逆Ｔ字状に構成したサーモサイフォン式冷却器に適用することも可能である。

【符号の説明】

【0047】

１ サーモサイフォン式冷却器
２ 沸騰部
２１ 取付面
２２ 沸騰面
３ 凝縮部
４ フィン
４１ 当接部
４２ 立設部
４３１ 凹溝（凹部）
４３２ 凹溝（凹部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】