特許 7028526 冷却装置及び冷却装置の製造方法

(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】

(24)【登録日】2022-02-21

(45)【発行日】2022-03-02

(54)【発明の名称】冷却装置及び冷却装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20220222BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20220222BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220222BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L23/36 Z

H05K7/20 N

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017004412

(22)【出願日】2017-01-13

(65)【公開番号】P2018113409

(43)【公開日】2018-07-19

【審査請求日】2019-07-11

(73)【特許権者】

【識別番号】390039929

【氏名又は名称】三桜工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】大栗 健男

【審査官】平林 雅行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１１４１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１７００６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３１３０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０１３２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２８２９６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ３／００－７／０２

Ｆ２８Ｆ ９９／００

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４－２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３－２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７－２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に冷媒を供給するための供給口と、内部の冷媒を外部に排出するための排出口と、を備えたケースと、
前記ケース内に配置され、前記冷媒の流れ方向に三角波状に延び、波の振幅方向に間隔をあけて設けられる複数の線状部と、前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられ、前記振幅方向に隣接する前記線状部同士を連結する連結部と、を有する同形状の複数の打ち抜き板を表裏逆向きに互いの前記線状部同士を重ねて形成され、互いに重ねられた前記打ち抜き板の前記連結部同士が前記延在方向に間隔をあけて配置された積層コアと、
を備え、
前記線状部は、複数の振幅の頂部と、前記振幅方向に対して斜めに延び、前記振幅の頂部と交互に配置されて隣接する前記振幅の頂部間をつなぐ複数の直線部とを、有しており、
一方の前記線状部の振幅の頂部と、一方の前記線状部に対して前記振幅方向に隣接する他方の前記線状部の直線部とが前記連結部によって連結されている、冷却装置。

【請求項2】

前記連結部は、一方の前記線状部における振幅の頂部から直線部の延長線上に延びて、前記振幅方向に隣接する他方の前記線状部の直線部に連結されている、請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記ケースの内壁面は、前記線状部と同じ形状の波形状部を有し、
前記打ち抜き板には、前記線状部と前記波形状部を連結するための外側連結部が前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられている、請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。

【請求項4】

請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置の製造方法であって、
前記打ち抜き板となる板材に打ち抜き成形によって、第１方向に三角波状に延び、波の振幅方向に間隔をあけて設けられる複数の線状部と、前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられ、前記振幅方向に隣接する前記線状部同士を連結する連結部と、を形成する第１工程と、
同形状の複数の前記板材を表裏逆向きに互いの前記線状部同士を重ねつつ、互いの前記連結部同士が前記延在方向に間隔をあけて配置されるように積層して前記積層コアを形成する第２工程と、
を備える冷却装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置及び冷却装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、冷媒が流れるケース内に積層コアを配置したヒートシンクが開示されている。この積層コアは、第１方向に沿って直線状に延び、第１方向と直交する方向に間隔をあけて設けられる複数の直線部と、第１方向に間隔をあけて設けられ、上記直交する方向に隣接する直線部同士を連結する連結部と、を有する複数の打ち抜き板を、互いの直線部同士を重ねつつ、互いの連結部同士が第１方向に間隔をあけて配置されるように積層して形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６０２６８０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、重ねられた打ち抜き板の第１方向と直交する方向に隣接する直線部間に形成される直線状の流路を冷却水が流れる。この流路には、打ち抜き板に形成された連結部が打ち抜き板の１層おきに積層方向で同じ位置に配置されると共に、打ち抜き板の隣接する層では第１方向に間隔をあけて配置されている。このため、冷却水の流れが打ち抜き板の積層方向で乱されて、流路内における冷却水の打ち抜き板の積層方向（ケース上下方向）の温度分布が均一に近づく。しかし、市場では、更なる冷却性能の向上が望まれている。

【0005】

本発明は、上記事実を考慮して、装置内部に形成される流路を流れる冷媒の撹拌性能を向上させた冷却装置及び冷却装置の製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１態様の冷却装置は、内部に冷媒を供給するための供給口と、内部の冷媒を外部に排出するための排出口と、を備えたケースと、前記ケース内に配置され、前記冷媒の流れ方向に三角波状に延び、波の振幅方向に間隔をあけて設けられる複数の線状部と、前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられ、前記振幅方向に隣接する前記線状部同士を連結する連結部と、を有する同形状の複数の打ち抜き板を表裏逆向きに互いの前記線状部同士を重ねて形成され、互いに重ねられた前記打ち抜き板の前記連結部同士が前記延在方向に間隔をあけて配置された積層コアと、を備え、前記線状部は、複数の振幅の頂部と、前記振幅方向に対して斜めに延び、前記振幅の頂部と交互に配置されて隣接する前記振幅の頂部間をつなぐ複数の直線部とを、有しており、一方の前記線状部の振幅の頂部と、一方の前記線状部に対して前記振幅方向に隣接する他方の前記線状部の直線部とが前記連結部によって連結されている。

【0007】

第１態様の冷却装置では、ケースに接するように冷却対象物を配置することで、冷却対象物からの熱がケースと積層コアに伝達される。ケースと積層コアは、ケース内に供給される冷媒によって冷却される。これにより、冷却対象物の熱が冷媒に奪われ（伝熱され）、冷却対象物が冷却される。

【0008】

ここで、上記冷却装置では、重ねられた打ち抜き板において波の振幅方向に隣接する線状部間に流路が形成される。この流路は、線状部と同様に三角波状に形成されるため、例えば、一直線状に形成される構成と比べて、内部を流れる冷媒の流れを波の振幅方向に乱すことができる。すなわち、上記流路を流れる冷媒を波の振幅方向に撹拌することができる。
また、打ち抜き板に形成された連結部は、打ち抜き板の隣接する層において線状部の延在方向に間隔をあけて配置されている。このため、上記連結部によって、上記流路を流れる冷媒の流れを打ち抜き板の積層方向に乱すことができる。すなわち、流路を流れる冷媒を打ち抜き板の積層方向に撹拌することができる。
このように上記冷却装置では、流路を流れる冷媒を波の振幅方向に撹拌すると共に打ち抜き板の積層方向に撹拌することができる。
以上のことから、第１態様の冷却装置によれば、流路を流れる冷媒の撹拌性能を向上させることができる。その結果、冷却装置の冷却性能が向上する。
また、第１態様の冷却装置では、連結部によって一方の線状部の振幅の頂部と、一方の線状部に対して振幅方向に隣接する他方の線状部の直線部とを連結している。このため、上記冷却装置では、例えば、連結部によって一方の線状部の振幅の頂部と、他方の線状部の振幅の底部（頂部の反対側、すなわち谷部）とを連結する構成と比べて、流路を流れる冷媒の勢いが低下しにくくなる。また、上記冷却装置では、例えば、連結部によって一方の線状部の直線部と、他方の線状部の直線部とを連結する構成と比べて、打ち抜き成形後の板材（打ち抜き板）に反りが生じにくくなる。

【0009】

本発明の第２態様の冷却装置は、第１態様の冷却装置において、前記連結部は、一方の前記線状部における振幅の頂部から直線部の延長線上に延びて、前記振幅方向に隣接する他方の前記線状部の直線部に連結されている。

【0011】

本発明の第３態様の冷却装置は、第１態様又は第２態様の冷却装置において、前記ケースの内壁面は、前記線状部と同じ形状の波形状部を有し、前記打ち抜き板には、前記線状部と前記波形状部を連結するための外側連結部が前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられている。

【0012】

第３態様の冷却装置では、重ねられた打ち抜き板の線状部とケース内壁面の波形状部との間に形成される流路も、重ねられた打ち抜き板において波の振幅方向に隣接する線状部間に形成される流路と同様の作用を得られる。このため、冷却装置の冷却性能がさらに向上する。

【0013】

本発明の第４態様の冷却装置の製造方法は、第１態様～第３態様のいずれか一態様の冷却装置の製造方法であって、前記打ち抜き板となる板材に打ち抜き成形によって、第１方向に三角波状に延び、波の振幅方向に間隔をあけて設けられる複数の線状部と、前記線状部の延在方向に間隔をあけて設けられ、前記振幅方向に隣接する前記線状部同士を連結する連結部と、を形成する第１工程と、同形状の複数の前記板材を表裏逆向きに互いの前記線状部同士を重ねつつ、互いの前記連結部同士が前記延在方向に間隔をあけて配置されるように積層して前記積層コアを形成する第２工程と、を備えている。

【0014】

第４態様の冷却装置の製造方法では、第１工程と第２工程を経て第１態様～第３態様のいずれか一態様の冷却装置を製造することができる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明によれば、装置内部に形成される流路を流れる冷媒の撹拌性能を向上させた冷却装置及び冷却装置の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態の冷却装置の平面図である。

【図2】図１の２－２線断面図である。

【図3】図２の３－３線断面図である。

【図4】図２の積層コアを形成する打ち抜き板の表面を示す平面図である。

【図5】図４の打ち抜き板の裏面を示す平面図である。

【図6】図２の積層コアの一部を拡大した拡大平面図であり、さらに拡大平面図の一部を斜視図で示している。

【図7】図３の７－７線断面図である。

【図8】本発明のその他の実施形態の冷却装置の積層コアを形成する打ち抜き板の表面を示す平面図である。

【図9】図８の打ち抜き板の裏面を示す平面図である。

【図10】図８の冷却装置の分解斜視図である。

【図11】その他の実施形態の冷却装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照しながら本発明に係る一実施形態の冷却装置及び冷却装置の製造方法について説明する。なお、各図において適宜図示される矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚは、冷却装置の装置幅方向、装置奥行き方向、装置厚さ方向をそれぞれ示している。また、本実施形態では、矢印Ｚ方向を装置上下方向として説明する。

【0018】

図１には、本実施形態の冷却装置２０が示されている。この冷却装置２０は、例えば、ＣＰＵや電力用半導体素子などの発熱体（冷却対象物）Ｈを冷却するために用いられる。具体的には、冷却装置２０に発熱体Ｈを接触させて、この発熱体Ｈの熱を冷却装置２０の内部を流れる冷媒に伝達することにより、発熱体Ｈを冷却するものである。

【0019】

図１及び図２に示されるように、本実施形態の冷却装置２０は、ケース２２と、ケース２２内に設置される積層コア３０と、を有している。

【0020】

（ケース２２）
図２に示されるように、ケース２２は、ケース本体２４と、このケース本体２４の装置厚さ方向の開口２４Ａを閉じる蓋体２６と、を有している。

【0021】

ケース本体２４は、板状の底部２４Ｂと、底部２４Ｂの外周縁部に立設された側壁部２４Ｃとで構成されている。このケース本体２４は、金属材料（例えば、アルミニウム、銅）を用いて形成されている。

【0022】

図１及び図２に示されるように、蓋体２６は、板状とされ、ケース本体２４の側壁部２４Ｃの底部２４Ｂ側と反対側の端面に接合されている。なお、本実施形態では、蓋体２６は、ケース本体２４の端面にろう付けによって接合されている。また、蓋体２６は、金属材料（例えば、アルミニウム、銅）を用いて形成されている。

【0023】

また、ケース本体２４の側壁部２４Ｃには、ケース２２の内部に冷媒（例えば、冷却水、オイル）を供給するための供給口２７Ａが、装置幅方向の一端側に形成されている。この供給口２７Ａには、冷媒供給源に連結された供給パイプ２８（図１参照）が接続されている。

【0024】

また、ケース本体２４の側壁部２４Ｃには、ケース２２の内部の冷媒を外部に排出するための排出口２７Ｂが装置幅方向の他端側に形成されている。この排出口２７Ｂには、排出パイプ２９（図１参照）が接続されている。

【0025】

（積層コア３０）
図３～図６に示されるように、積層コア３０は、同形状の複数の打ち抜き板３２を表裏逆向きに重ねて形成されている。具体的には、一方の打ち抜き板３２の表面３２Ａ（図４で示される面）に他方の打ち抜き板３２の裏面３２Ｂ（図５で示される面）を重ねて形成されている。また、本実施形態の積層コア３０は、打ち抜き板３２を６枚重ねて形成されている。すなわち、積層コア３０には、打ち抜き板３２の層が６層形成されている。

【0026】

打ち抜き板３２は、金属製の板材に打ち抜き成形によって複数の線状部３４と複数の連結部３６とを形成したものである。打ち抜き板３２となる板材の材質としては、例えば、アルミニウム、銅を用いることが好ましい。なお、本実施形態では、ろう付けの観点から、両面がろう材層とされたクラッド鋼板（アルミニウム製）を用いている。

【0027】

線状部３４は、冷媒Ｌの流れ方向（本実施形態では、装置幅方向と同じ方向）に波状に延びており、波の振幅方向（本実施形態では、装置奥行き方向と同じ方向）に間隔をあけて複数設けられている。なお、本実施形態の線状部３４は、冷媒Ｌの流れ方向に三角波状（換言すると、ジグザグ状）に延びている。また、振幅方向に隣接する線状部３４は、互いに平行に配置されている。

【0028】

連結部３６は、線状部３４の延在方向に間隔をあけて設けられており、振幅方向に隣接する線状部３４同士を連結している。なお、ここでいう線状部３４の延在方向とは、線状部３４の幅中心を通る中心線に沿った方向である。

【0029】

また、連結部３６は、振幅方向に隣接する線状部３４同士において、一方の線状部３４の振幅の頂部３４Ａと、他方の線状部３４の一般部３４Ｂとを連結している。なお、ここでいう一般部３４Ｂとは、線状部３４の頂部３４Ａ以外の部分を指す。また、本実施形態では、線状部３４を三角波状としているため、頂部３４Ａが三角波の角部であり、一般部３４Ｂが頂部３４Ａ間をつなぐ直線部である。なお、連結部３６は、一方の線状部３４の振幅の頂部３４Ａ（谷部と反対側）から一般部３４Ｂの延長線上に延びて、他方の線状部３４の一般部３４Ｂに連結されている。

【0030】

前述の積層コア３０は、複数（本実施形態では６枚）の打ち抜き板３２を表裏逆向きに互いの線状部３４同士を重ねつつ、互いの連結部３６同士が線状部３４の延在方向に間隔をあけて配置されるように積層して形成されている。また、重ねられた打ち抜き板３２は、ろう付けによって互いに接合されている。

【0031】

積層コア３０の上面（装置上側に位置する打ち抜き板３２の面）は、蓋体２６の下面にろう付けされている。一方、積層コア３０の下面（装置下側に位置する打ち抜き板３２の面）は、ケース本体２４の底面にろう付けされている。

【0032】

また、積層コア３０には、重ねられた打ち抜き板３２における上記振幅方向に隣接する線状部３４間に流路３８が形成されている。この流路３８は、打ち抜き板３２の積層方向（装置上下方向と同じ方向）から見て線状部３４と同様に三角波状に形成されている。

【0033】

図３に示されるように、ケース本体２４の内壁面（側壁部２４Ｃの内壁面）には、線状部３４と同じ形状の波形状部２４Ｄが形成されている。また、前述の打ち抜き板３２には、線状部３４と波形状部２４Ｄを連結するための外側連結部４０が線状部３４の延在方向に間隔をあけて設けられている。この波形状部２４Ｄと積層コア３０との間には、流路４２が形成されている。この流路４２は、打ち抜き板３２の積層方向から見て線状部３４と同様に三角波状に形成されている。

【0034】

次に、本実施形態の冷却装置２０の製造方法について説明する。
（第１工程）
まず、打ち抜き板３２となる板材に打ち抜き成形によって複数の長孔４４を設けて、第１方向に波状に延び、波の振幅方向に間隔をあけて設けられる複数の線状部３４と、線状部３４の延在方向に間隔をあけて設けられ、上記振幅方向に隣接する線状部３４同士を連結する連結部３６と、を形成する。

【0035】

（第２工程）
次に、同形状の複数（本実施形態では６枚）の打ち抜き板３２を表裏逆向きに互いの線状部３４同士を重ねつつ、互いの連結部３６同士が第１方向に間隔をあけて配置されるように積層して積層コア３０を形成する。その後、積層コア３０を加熱して、重ねられた打ち抜き板３２同士をろう付けにより接合する。

【0036】

（第３工程）
次に、積層コア３０を、ケース本体２４の底部２４Ｂ上に設置する（図２図示状態）。その後、ケース本体２４の開口２４Ａを蓋体２６で閉じる。このとき、積層コア３０の下面がケース２２の底面に接触し、積層コア３０の上面が蓋体２６の下面に接触している。

【0037】

そして、ケース２２を加熱して、ケース２２と積層コア３０をろう付けによって接合する。このようにして冷却装置２０の製造が完了する。

【0038】

次に、本実施形態の冷却装置２０の作用効果について説明する。
冷却装置２０では、図１及び図２に示されるように、ケース２２に接するように発熱体Ｈを配置することで、発熱体Ｈからの熱がケース２２と、このケース２２を介して積層コア３０に伝達される。ケース２２と積層コア３０は、ケース２２内に供給される冷媒Ｌとの熱交換によって冷却される。これにより、発熱体Ｈの熱が冷媒に奪われ（伝熱され）、発熱体Ｈが冷却される。

【0039】

ここで、上記冷却装置２０では、重ねられた打ち抜き板３２において波の振幅方向に隣接する線状部３４間に流路３８が形成される。この流路３８は、線状部３４と同様に波状に形成されるため、例えば、一直線状に形成される構成と比べて、内部を流れる冷媒Ｌの流れを波の振幅方向（装置奥行き方向）に乱すことができる（図６参照）。すなわち、上記流路３８を流れる冷媒Ｌを波の振幅方向に撹拌することができる。

【0040】

また、打ち抜き板３２に形成された連結部３６は、打ち抜き板３２の隣接する層において線状部３４の延在方向に間隔をあけて配置されている。具体的には、連結部３６は、打ち抜き板３２の１層おきに積層方向で同じ位置に配置されると共に、打ち抜き板３２の隣接する層では線状部３４の延在方向に間隔をあけて配置されている。このため、上記連結部３６によって、流路３８を流れる冷媒の流れを打ち抜き板３２の積層方向に乱すことができる（図７参照）。すなわち、流路３８を流れる冷媒を打ち抜き板３２の積層方向に撹拌することができる。

【0041】

このように冷却装置２０では、流路３８を流れる冷媒を流路３８の振幅方向（装置奥行き方向）に撹拌すると共に打ち抜き板３２の積層方向（装置上下方向）に撹拌することができる。
以上のことから、冷却装置２０によれば、流路３８を流れる冷媒の撹拌性能を向上させることができる。その結果、流路３８の温度分布を装置上下方向及び装置奥行き方向で均一に近づけることができ、冷却装置の冷却性能が向上する。

【0042】

また、冷却装置２０では、連結部３６によって一方の線状部３４の振幅の頂部３４Ａと、振幅方向に隣接する他方の線状部３４の一般部３４Ｂとを連結している。このため、冷却装置２０では、例えば、連結部３６によって一方の線状部３４の振幅の頂部３４Ａと、他方の線状部３４の振幅の底部（頂部３４Ａの反対側、すなわち谷部）とを連結する構成と比べて、流路３８を流れる冷媒の勢いが低下しにくくなる。また、上記冷却装置２０では、例えば、連結部３６によって一方の線状部３４の一般部３４Ｂと、他方の線状部３４の一般部３４Ｂとを連結する構成と比べて、打ち抜き成形後の板材（打ち抜き板３２）に反りが生じにくくなる。

【0043】

さらに、冷却装置２０では、積層コア３０とケース２２の波形状部２４Ｄとの間に形成される流路４２も、流路３８と同様の作用を得られる。このため、冷却装置２０の冷却性能がさらに向上する。

【0044】

また、冷却装置２０では、同形状の複数の打ち抜き板３２を表裏逆向きに積層して積層コア３０を形成するため、例えば、異なる形状の複数の打ち抜き板を積層して積層コアを形成する構成と比べて、部品点数を低減できる。また、同形状の複数の打ち抜き板３２で積層コア３０を形成するため、製造工程において、部品の管理コスト及び金型コストを削減できる。

【0045】

前述の実施形態では、同形状の６枚の打ち抜き板３２を積層して積層コア３０を形成しているが、本発明はこの構成に限定されない。少なくとも同形状の２枚の打ち抜き板３２を積層して積層コアを形成すれば、前述の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

【0046】

また、前述の実施形態では、線状部３４を三角波状に形成しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、線状部３４を正弦波状、台形波状に形成してもよい。

【0047】

さらに、前述の実施形態では、ケース２２と積層コア３０を別体としているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図８～図１１に示される冷却装置５０のように、積層コア３０を形成する打ち抜き板３２にケース５２の外周部（側壁部）５２Ａとなる線状部５４を形成する構成としてもよい。この構成により、同形状の打ち抜き板３２を互いに表裏逆向きに積層することで、重ねられた線状部５４によって外周部５２Ａが形成される。また、ケース５２の上面５２Ｂ（一方の伝熱面）及び下面５２Ｃ（他方の伝熱面）は、同形状の板材５６によって形成されている。このため、上記冷却装置５０は、前述の実施形態と比べて、部品点数をさらに減らすことができる。

【0048】

以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0049】

２０、５０ 冷却装置
２２、５２ ケース
２４Ｄ 波形状部
２７Ａ 供給口
２７Ｂ 排出口
３０ 積層コア
３２ 打ち抜き板
３４ 線状部
３４Ａ 頂部
３４Ｂ 一般部
３６ 連結部
４０ 外側連結部
Ｘ 装置幅方向（冷媒の流れ方向、第１方向）
Ｙ 装置奥行き方向（波の振幅方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】