(57)【要約】      （修正有）【課題】流路を備えた冷却基板において、熱輸送側の流路の断面積を相対的に大きくすることで流路中の圧力損失を低減し、かつ、還流側の流路の断面積を相対的に小さくすることで吸熱部でのドライアウトの発生を抑制することができ、流路中の冷媒の流れが一方向になりやすく、熱輸送能力が向上した冷却基板を提供する。【解決手段】基板１０内に少なくとも一つの吸熱部３０と、一つの放熱部４０とを備え、吸熱部と放熱部が冷媒流路５０によってループ状に連通し、冷媒流路において冷媒が循環するとともに、冷媒の蒸発・凝縮潜熱によって熱輸送する冷却基板において、冷媒流路は、吸熱部から放熱部に向かって気化した冷媒を送る熱輸送側流路６０と、放熱部から吸熱部に向かって液化した冷媒を送る還流側流路７０とからなり、還流側流路の断面積が、熱輸送側流路の断面積よりも小さいことを特徴とする。【選択図】図１
2010216676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内に少なくとも一つの吸熱部と、少なくとも一つの放熱部とを備え、
前記吸熱部と前記放熱部が冷媒流路によってループ状に連通し、
前記冷媒流路において冷媒が循環するとともに、前記冷媒の蒸発・凝縮潜熱によって熱輸送する冷却基板において、
前記冷媒流路は、前記吸熱部から前記放熱部に向かって気化した前記冷媒を送る熱輸送側流路と、前記放熱部から前記吸熱部に向かって液化した前記冷媒を送る還流側流路とからなり、
前記還流側流路の断面積が、前記熱輸送側流路の断面積よりも小さいことを特徴とする、冷却基板。
【請求項２】
前記還流側流路の断面積と前記熱輸送側流路の断面積の比が、０．０００２〜０．７７の範囲内であることを特徴とする、
請求項１に記載の冷却基板。
【請求項３】
前記還流側流路には、液化した前記冷媒が前記吸熱部から前記放熱部に向かって逆流することを防止する逆止構造を備えたことを特徴とする、
請求項１または２に記載の冷却基板。
【請求項４】
前記還流側流路には、毛細管力を発生する毛細管構造を備えたことを特徴とする、
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却基板。
【請求項５】
前記還流側流路には、動力を利用して、液化した前記冷媒を強制的に前記放熱部から前記吸熱部に向かって送る、冷媒輸送機構を備えたことを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板の内部に設けられた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基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器においては、ＣＰＵ、その他の素子等の発熱量が増加し、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。また、機器の小型化、低コスト化の要求に対応できるように、ヒートシンクも高性能であるばかりでなく、小型で低コストのものが必要になっている。
【０００３】
従来より知られているヒートシンクとしては、金属製の受熱プレートの一方の面に発熱素子が熱的に接続され、他方の面に放熱フィンが形成されたものがある。放熱フィンの側面または上面には遠心ファン等の電動ファンが取り付けられ、電動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むことによって、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。
【０００４】
また、ヒートシンクの高性能化のために、ヒートパイプを用いたヒートシンクもある。ヒートパイプの一方の端部を受熱プレートに熱的に接続し、他方の端部に放熱フィンを取り付けて、受熱プレートから離れた位置に熱を移動し、電動ファンによって熱を大気中に放散するという方法である。これにより放熱部の熱密度を低下させることができ、ヒートシンクの放熱効率が向上する。
しかし、上述した方法によっても、近年特に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は難しくなってきている。
【０００５】
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。特許文献１には、ＣＰＵ等が接触する冷却装置の基体内部に流路を設けて、流路内に冷媒を流して放熱する技術が開示されている。特許文献２には、実装基板の絶縁層などにマイクロ流路を設けて、流路内に冷媒を流して放熱する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３および特許文献４には、吸熱部と放熱部を流路で接続する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３４７４２号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１６２号公報
【特許文献３】特開２００５−２２９０３３号公報
【特許文献４】特開２００５−３０００３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、放熱性能を高めるために、吸熱部と放熱部との間で冷媒が蒸発・凝縮しながら循環し、潜熱によって熱輸送する方法を実際に行おうとすると、以下のような課題がある。
【０００９】
吸熱部から放熱部への冷媒輸送流路においては、吸熱部で冷媒が蒸発して二相流となる場合には、圧力損失が大きくなり冷媒が流れにくくなることがある。放熱部から吸熱部への冷媒輸送流路においては、放熱部において凝縮しきれなかった蒸気を含む冷媒が再び吸熱部に供給されて、いわゆる局所ドライアウトを発生しやすい状況になることがある。
【００１０】
さらに、機器の小型化に応えて冷却基板を小型、薄型にすると、上記の課題はより顕著になり、冷媒の蒸発・凝縮による潜熱を利用した冷却は困難になる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するための、本発明の冷却基板の構成は、以下のようなものである。請求項１に記載の発明は、基板内に少なくとも一つの吸熱部と、少なくとも一つの放熱部とを備え、前記吸熱部と前記放熱部が冷媒流路によってループ状に連通し、前記冷媒流路において冷媒が循環するとともに、前記冷媒の蒸発・凝縮潜熱によって熱輸送する冷却基板において、前記冷媒流路は、前記吸熱部から前記放熱部に向かって気化した前記冷媒を送る熱輸送側流路と、前記放熱部から前記吸熱部に向かって液化した前記冷媒を送る還流側流路とからなり、前記還流側流路の断面積が、前記熱輸送側流路の断面積よりも小さいことを特徴とする、冷却基板である。
【００１２】
吸熱部から放熱部へ向かう熱輸送側流路においては、冷媒流路の断面積を大きくすることで、熱輸送側流路において、冷媒が一部蒸発せずに気相液相の２相流になっていても、流路中の圧力損失を低減させることができる。また、蒸気は圧力損失の低いほうに優先的に流れるので、冷媒の流れが一方向になりやすい。これにより吸熱部で発生した蒸気が放熱部に効率良く移動できるので、熱輸送能力が向上する。
【００１３】
さらに、放熱部から吸熱部へ向かう還流側で冷媒流路の断面積を小さくすることで、圧力損失が相対的に高くなる。このため、放熱部で凝縮しきれなかった蒸気が、液相とともに還流側流路に流れ込みにくくなる。これにより、凝縮しきれなかった蒸気が吸熱部に供給されるのを防止し、吸熱部でのドライアウトの発生を低減できる。
【００１４】
また、吸熱部で大きな熱入力があっても、蒸気が還流側流路に逆流して液相の冷媒を飛散させることがなくなり、冷媒の流れが一方向になりやすい。これにより放熱部で凝縮した液相が吸熱部に効率よく移動できるので、熱輸送能力が向上する。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、前記冷却基板において、前記還流側流路の断面積と前記熱輸送側流路の断面積の比が、０．０００２〜０．７７の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却基板である。
【００１６】
この構成による効果は以下のようなものである。還流側流路の断面積と熱輸送側流路の断面積の比が０．０００２〜０．７７の範囲内であると、より効果的に、吸熱部で発生した冷媒の蒸気が還流側流路に逆流せずに熱輸送側流路に優先的に流れるとともに、放熱部で凝縮した冷媒の液相が還流側流路で十分に輸送される。
【００１７】
還流側流路の断面積と熱輸送側流路の断面積の比が０．０００２以下であると、還流側流路の断面積が小さくなりすぎて、凝縮した冷媒の液相が還流するさいの抵抗が大きくなる。また、還流側流路の断面積と熱輸送側流路の断面積の比が０．７７を超えると、吸熱部で発生した冷媒の蒸気が還流側流路に逆流することがある。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、前記冷却基板において、前記還流側流路には、液化した前記冷媒が前記吸熱部から前記放熱部に向かって逆流することを防止する逆止構造を備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却基板である。
【００１９】
この構成による効果は以下のようなものである。逆止弁のような逆止装置を備えることにより、冷媒が流路を逆流することを完全に防止することができる。これにより、冷媒の流れが完全に一方向になり、特に吸熱量が高い場合にも、還流側流路で蒸気流が圧力損失に打ち勝って逆流することを防止できるので、吸熱量が高い場合にも熱輸送能力がより安定する。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、前記冷却基板において、前記還流側流路には、毛細管力を発生する毛細管構造を備えたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却基板である。
【００２１】
この構成による効果は以下のようなものである。還流側流路に毛細管構造を備えたことにより、凝縮した液相の冷媒の流れが促進され、液相が吸熱部に効率よく移動できるので、熱輸送能力がさらに向上する。毛細管構造としては、多孔質体やメッシュの積層体が好ましく、冷媒の液相に対して優れた毛細管力を発揮するとともに、製造が容易で安価である。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、前記冷却基板において、前記還流側流路には、動力を利用して、液化した前記冷媒を強制的に前記放熱部から前記吸熱部に向かって送る、冷媒輸送機構を備えたことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却基板である。
【００２３】
この構成による効果は以下のようなものである。還流側流路に冷媒輸送機構を備えたことにより、強制的に液相の冷媒を輸送することができ、冷媒の循環量を増加させることができるので、熱輸送能力がさらに向上する。冷媒輸送機構としては、圧電ポンプが好ましく、小型で消費電力が小さく、基板内に埋め込むことが可能である。また圧電ポンプを還流側流路に埋め込むことで、流路を基板外に取り出して別途ポンプを設置したり、流路に継ぎ目を形成したりすることがなく、冷却基板を小型にでき、信頼性も向上する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、流路を備えた冷却基板において、熱輸送側の流路の断面積を相対的に大きくすることで流路中の圧力損失を低減し、かつ、還流側の流路の断面積を相対的に小さくすることで吸熱部でのドライアウトの発生を抑制することができるため、流路中の冷媒の流れが一方向になりやすく、熱輸送能力が向上した冷却基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態である冷却基板を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である冷却基板を示す三面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図２におけるＤ−Ｄ断面図である。
【図７】図２におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態である冷却基板に用いられる、パターンが形成された第１の銅板の上面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態である冷却基板に用いられる、パターンが形成された第２の銅板の上面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態である冷却基板を実装した状態の一例を示す側面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態である冷却基板を実装した状態の別の例を示す側面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態である冷却基板の熱抵抗を測定したグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施形態である冷却基板の還流側流路を示す部分断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態である冷却基板の還流側流路を示す部分拡大図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態である冷却基板の還流側流路を示す部分断面図である。
【図１６】本発明の実施形態である冷却基板における、熱入力と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施形態である冷却基板における、熱入力と冷却水流量との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第５の実施形態である冷却基板を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２は、本発明の第１の実施形態である冷却基板１０の概略図である。図１は斜視図、図２は三面図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図である。
冷却基板１０は、銅製の板状で、外形が１００ｍｍ×２００ｍｍ×１ｍｍである。外観上は略平板であるが、内部には破線で示すような空間２０を備えている。また、図３は、図２中のＡ−Ａ断面、すなわち冷却基板１０を厚さ方向に切断した断面図である。
【００２７】
空間２０は、基板内で密閉された薄い空洞であり、吸熱部３０、放熱部４０、冷媒流路５０からなる。冷媒流路５０は、前記吸熱部３０から前記放熱部４０に向かって気化した冷媒を送る熱輸送側流路６０と、前記放熱部４０から前記吸熱部３０に向かって液化した前記冷媒を送る還流側流路７０とからなる。吸熱部３０、熱輸送側流路６０、放熱部４０、還流側流路７０は、前記の順にループ状に配置され、内部に純水からなる冷媒（図示せず）が封入され、図３に太い矢印で示す方向に、ループ状に循環できるようになっている。冷媒は、常温で液相が空間２０の一部を占めるような分量が封入されている。空間２０の残りは、冷媒の気相で占められている。また、空気等の、使用温度範囲で不凝縮性のガスは脱気されている。
【００２８】
図３に太い矢印で示す方向は冷媒の移動方向であり、これを各部位における流路方向と定義する。また、前記冷却基板１０が形成する面内で前記流路方向に略直交する方向を、各部位における幅方向と定義する。
【００２９】
図３に示すように、吸熱部３０と放熱部４０を比較すると、放熱部４０は吸熱部３０に比べ、流路方向、幅方向ともに長く、断面積が広くなっている。また、熱輸送側流路６０と還流側流路７０を比較すると、還流側流路７０は熱輸送側流路６０に比べ、流路方向には長く、幅方向には狭くなっている。なお、図３では、後述する微細流路３２、４２は省略して描かれている。
【００３０】
図２におけるＢ−Ｂ断面、すなわち吸熱部３０の幅方向での断面の部分拡大図を、図４に示す。吸熱部３０は、図３中で下半分が流路方向に沿って並列した複数の溝３１、３１・・・からなる微細流路３２からなり、図４中で上半分が幅方向に連通した連通流路３３からなる、複合流路３４を形成している。言い換えると、吸熱部３０の下半分は、流路方向に沿って並列した複数の壁３５、３５・・・によって仕切られている。
【００３１】
図２におけるＣ−Ｃ断面、すなわち放熱部４０の幅方向での断面の部分拡大図を、図５に示す。放熱部４０も、吸熱部３０と同様に、図４中で下半分が流路方向に沿って並列した複数の溝４１、４１・・・からなる微細流路４２からなり、図５中で上半分が幅方向に連通した連通流路４３からなる、複合流路４４を形成している。言い換えると、放熱部４０の下半分は、流路方向に沿って並列した複数の壁４５、４５・・・によって仕切られている。
【００３２】
また、図４および図５は部分拡大図なので、吸熱部３０と放熱部４０の幅方向の広がりを示していないが、放熱部４０は吸熱部３０よりも幅が広くなっている。吸熱部３０、放熱部４０とも、高さは略同一である。
【００３３】
図２におけるＤ−Ｄ断面、すなわち熱輸送側流路６０の幅方向での断面の部分拡大図を、図６に示す。熱輸送側流路６０は、単純な平板状の空間からなっている。また、図２におけるＥ−Ｅ断面、すなわち還流側流路７０の幅方向での断面の部分拡大図を、図７に示す。還流側流路７０も、熱輸送側流路６０と同様に、単純な平板状の空間であるが、熱輸送側流路６０よりも幅が狭くなっている。熱輸送側流路６０、還流側流路７０とも、高さは略同一であり、これらは吸熱部３０、放熱部４０の高さとも略同一になっている。本図において例えば、還流側流路７０の幅は２ｍｍ、熱輸送側流路６０の幅は１０ｍｍとなり流路比は０．２となっている。
【００３４】
ここで、熱輸送側流路６０と還流側流路７０における流路の幅の比について説明する。流路の幅の比（断面積の比）の最大値は、冷媒流路５０において蒸気が閉塞する条件として、下記で表すことができる。
【００３５】
【数１】
2010216676.tif 000003
【００３６】
このとき、ａ1は熱輸送側流路６０の幅、ａｃは還流側流路７０の幅、Ｐ１は放熱部４０における飽和蒸気圧の、Ｐ２は吸熱部３０における飽和蒸気圧、κは水蒸気の比熱比である。ここで、放熱部４０の温度を４０℃、吸熱部３０の温度を７０℃、とすると、それぞれ飽和蒸気圧は、６．２ｋＰａ、２７．２ｋＰａとなるため、流路の幅の比（ａｃ／ａ１）の最大値は、０．７７となる。
【００３７】
また、流路の幅の比の最小値は、冷媒流路５０において、質量流量が変化しないとすると、冷媒の気相と液相体積比となる。吸熱部３０（温度７０℃）での冷媒の気相および液相、それぞれの密度は、０．１１ｇ／ｌ、９８５ｇ／ｌであるので、流路の幅の比の最小値は、０．０００２程度となる。
以上から、熱輸送側流路６０と還流側流路７０における流路の幅の比は、０．０００２〜０．７７の範囲であることが好ましい。
【００３８】
次に、本発明の実施形態となる冷却基板１０の製造方法について説明する。
外形が１００ｍｍ×２００ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅板を２枚用意した。一方を第１の銅板１１（第１の板材）とし、他方を第２の銅板１２（第２の板材）とする。第１の銅板１１は、図１で下側に配置される板材であり、第２の銅板１２は、図１で上側に配置される板材である。
【００３９】
第１の銅板１１には、エッチングにより、図８に示すようなパターンの第１の凹部２１を、エッチングにより形成した。第１の凹部２１の深さは、０．１５ｍｍである。第１の凹部２１は、吸熱部３０、放熱部４０、冷媒流路５０、熱輸送側流路６０、還流側流路７０の、それぞれ下部に相当する。
【００４０】
また、第１の凹部２１の、吸熱部３０、放熱部４０に相当する部分には、それぞれ複数の壁３５、４５を備えている。壁３５、４５の頂部の高さは、平面部１１ａと同一である。なお、図８では、壁３５、４５は適宜省略して描かれている。
【００４１】
第２の銅板１２には、エッチングにより、図９に示すようなパターンの第２の凹部２２を、エッチングにより形成した。第２の凹部２２の深さは、０．１５ｍｍである。第２の凹部２２は、吸熱部３０、放熱部４０、冷媒流路５０、熱輸送側流路６０、還流側流路７０の、それぞれ上部に相当する。また、第２の銅板１２には、還流側流路７０に相当する部分に、貫通孔１２ｂが開けられている。
【００４２】
また、第１の凹部２１と第２の凹部２２は、第１の銅板１１と第２の銅板１２を向かい合わせに重ねたときに、平面上で同一の形状、位置に一致するように形成されている。
【００４３】
第１の銅板１１と、第２の銅板１２の、各凹部２１、２２の周囲部分となる平面部１１ａ、１２ａに、銀ロウ材をメッキした。
次に、第１の銅板１１と、第２の銅板１２を、各平面部１１ａ、１２ａが向かい合い、第１の凹部２１と第２の凹部２２が重なり合うように重ね合わせた。次にこれを真空中で加熱プレスし、銀ロウ材を溶融させることによって、第１の銅板１１と、第２の銅板１２を一体化させ、冷却基板１０を得た。これにより、第１の凹部２１と第２の凹部２２が合わさって、冷却基板１０の内部に空間２０を形成した。
【００４４】
以上の工程により、図４、図５に示すような吸熱部３０、放熱部４０の複合流路３４、４４が形成できる。各凹部２１、２２の深さの比を変えることにより、複合流路３４、４４における溝３１、４１の高さの割合Ｐを変えたものを製造することができる。また、複合流路３４、４４の全体の高さは、第１の凹部２１と第２の凹部２２の深さの合計で決まる。
【００４５】
なお、本発明の冷却基板１０において、還流側流路７０の途中に、逆止弁７１や毛細管構造７２や圧電ポンプ７５を設ける場合には、以下のように行う。第１の銅板１１と第２の銅板１２の少なくともいずれか一方に、還流側流路７０の一部に図示しない部材設置孔をあけておく。すると、ロウ付け完了時に、還流側流路７０は、当該部材設置孔の部分で外部に露出している。ここに逆止弁７１や毛細管構造７２や圧電ポンプ７５を埋め込み、接着等で塞ぐことによって部材を設置することができる。
【００４６】
次に、貫通孔１２ｂを通じて、空間２０内を真空脱気するとともに、空間内の容積の３０％を占める量の純水を注入し、脱気された状態のまま貫通孔１２ｂを塞いで、空間２０を密閉した。以上のような工程により、本発明の冷却基板１０を製造することができる。
【００４７】
以下に、本発明の第１の実施の形態における、冷却の作用について説明する。図１０に示すように、冷却基板１０の吸熱部３０の外面３６に、ＣＰＵ等の被冷却素子９０を配置し、熱的に接触させる。被冷却素子９０は、ＣＰＵに限らず、レーザダイオード、パワートランジスタ等、ジュール熱によって発熱して冷却が必要となる素子であれば、適用できる。
なお、被冷却素子９０は、通常の絶縁基板２１０上に形成された回路２２０に、ハンダ２３０によって表面実装されている。
【００４８】
被冷却素子９０を吸熱部３０の外面３６に配置する方法は、図１０のように、素子のパッケージ９１を吸熱部３０の外面３６に熱伝導グリス２４０等を介して密着させて熱的接触させても良いし、図１１のように、冷却基板１０の上に絶縁皮膜２５０を介して回路２２０を形成し、被冷却素子９０を回路２２０に表面実装しても良い。この場合、被冷却素子９０は、電極９２を通じて冷却基板１０に熱的に接触しているが、パッケージ９１と絶縁皮膜２５０の間に熱伝導グリス２４０等を注入して熱的接触させても良い。
【００４９】
被冷却素子９０で発生した熱は、吸熱部３０の外面３６を通じて吸熱部３０に伝わる。吸熱部３０では、熱によって冷媒が蒸発し、液相から気相となる。このときに、吸熱部３０で、冷媒が蒸発潜熱によって外部から熱を奪う。冷媒は、気相となって急激に体積が膨張するので、熱輸送側流路６０を通過して放熱部４０に広がる。
【００５０】
放熱部４０に広がった気相の冷媒は、放熱部４０で凝縮潜熱を放出して液相に戻る。ここで、吸熱部３０に入熱される熱量と、放熱部４０で放熱される熱量は同等であるが、吸熱部３０よりも放熱部４０のほうが面積が広いことから、熱密度は吸熱部３０でよりも放熱部４０で小さくなり、放熱部４０の外面４６から、後述するフィン１００等の別の放熱手段によって大気等に放熱することができる。
【００５１】
液相となった冷媒は、還流側流路７０に入り、吸熱部３０に戻る。吸熱部に戻った冷媒の液相は、前記と同様に蒸発することで被冷却素子９０から熱を奪う。以上のサイクルを繰り返して、冷却基板１０は被冷却素子９０を冷却することができる。
【００５２】
次に、吸熱部３０および放熱部４０の複合流路３４、４４の作用について説明する。外形が同一の冷却基板１０を複数種類作製した。吸熱部３０、放熱部４０、熱輸送側流路６０、還流側流路７０とも、それぞれ底面積、幅、流路高さは同一である。ここで、吸熱部３０および放熱部４０の複合流路３４、４４の全体の高さは０．３ｍｍに固定し、微細流路３１、４１の幅は０．２ｍｍから０．５ｍｍの間で変化させた。
【００５３】
ここで、連通流路３３、４３の高さの、複合流路３４、４４の全体高さに対する割合Ｐを、０から１の間で変化させ、吸熱部の外面３６と放熱部の外面４６との間の熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）を測定した。熱抵抗Ｒは、吸熱部３０の外面３６と放熱部４０の外面４６の温度差ΔＴ（Ｋ）を被冷却素子９０の発熱量Ｗ（Ｗ）で割ったものであり、Ｒ＝ΔＴ／Ｗで表せる。
【００５４】
熱抵抗の測定結果を図１２に示す。図１２からわかるように、微細流路３２、４２の溝３１、４１の幅の影響は見られなかった。一方、連通流路３３、４３の高さの割合Ｐで比較すると、Ｐが０（すなわち、全体が微細流路で連通部がない）の場合よりもＰが１（すなわち、全体が連通流路で溝がない）の場合のほうが熱抵抗Ｒが大きくなった。これは、微細流路によって吸熱部３０、放熱部４０で伝熱面積が増加し、かつ冷媒から吸熱部３０または放熱部４０の流路壁への伝熱距離を低減したことで、吸熱部３０または放熱部４０における熱伝達率が向上したからである。
【００５５】
さらに、Ｐが０．３から０．６の間で熱抵抗Ｒが小さくなり、０．４付近で最小値になっている。これは、Ｐが小さいと熱伝達率が向上するが、一方で圧力損失が上昇し、冷媒が流れにくくなるからである。連通流路３３、４３によって圧力損失が低下し、冷媒の流量を増加することができるが、全体が連通流路３３、４３からなる（Ｐ＝１）と、熱伝達率が低下するために熱抵抗Ｒは上昇する。
【００５６】
冷却基板１０の熱輸送量は、これらの２つの因子が組み合わさっており、これによって熱抵抗Ｒが決まるので、Ｐがある範囲でＲが最小になる。Ｐが０．３から０．６の範囲内であると、Ｒが小さくなって好ましい。
【００５７】
本発明の第２の実施形態となる冷却基板１０においては、図１３（ａ）に部分拡大図で示すように、還流側流路７０の途中に、冷媒が吸熱部３０から放熱部４０に向かって逆流することを防止する逆止弁７１を設けた。逆止弁７１は、還流側流路の一方の壁面から流路方向に向かって斜めに突出した薄膜状の銅箔であり、基端部７１ａが壁面に固定され、先端部７１ｂがフリー（可動）になっている。なお、図１３は、還流側流路７０を冷却基板に垂直かつ流路方向に平行な面で切った断面図である。
【００５８】
還流側流路７０において、冷媒の流れが放熱部４０から吸熱部３０に向かう方向（順方向）であると、図１３（ｂ）のように、逆止弁７１は冷媒の流れを妨害しないようにたわむ。冷媒の流れが吸熱部３０から放熱部４０に向かう方向（逆方向）であると、図１３（ｃ）のように、逆止弁７１は還流側流路７０を塞いで冷媒の逆流を防止する。
逆止弁７１の逆止作用と、吸熱部３０における冷媒の蒸発による圧力上昇により、冷媒を一方向にのみ輸送するポンプとして働く。
【００５９】
本発明の第３の実施形態となる冷却基板１０においては、図１４（ａ）に部分拡大図で示すように、還流側流路７０の途中に、銅の多孔質体７３からなる毛細管構造７２を設けた。毛細管構造７２によって、液相の流れが促進され、液相が吸熱部に効率よく移動できる。また、気相に対しては抵抗となることから、液相が優先的に還流側流路７０を通過することができる。そのため、冷媒を一方向にのみ輸送するポンプとして働く。なお、図１４は、還流側流路７０を冷却基板に垂直かつ流路方向に平行な面で切った断面図である。
【００６０】
銅の多孔質体７３は、図１４（ｂ）に示すように、銅の粉末を連通気孔を残すように緩く焼結させたものである。また、毛細管構造７２は、図１４（ｃ）に示すような銅メッシュの積層体７４でも良い。
【００６１】
本発明の第４の実施形態となる冷却基板１０においては、図１５に部分拡大図で示すように、還流側流路７０の途中に、圧電ポンプ７５が埋め込まれている。圧電ポンプ７５によって、冷媒の輸送を外力によって補助するので、第１から第３の実施形態に比べ、冷媒の輸送量を増加し、熱輸送量を向上させることができる。なお、図１５は、還流側流路７０を冷却基板に垂直かつ流路方向に平行な面で切った断面図である。
【００６２】
Ｐが０．５の冷却基板とＰが０の冷却基板を作製し、同じ圧電ポンプ７５を利用し、熱入力量を変化させながら熱抵抗Ｒを測定した結果を、図１６に示す。熱入力が０Ｗから２４０Ｗの間で、すべての場合において、Ｐ＝０．５のほうがＰ＝０よりも小さい熱抵抗を示した。また、そのときの冷媒の輸送量を測定すると、図１７に示すように、圧電ポンプ７５の出力が同じ場合でも、Ｐ＝０．５のほうがＰ＝０よりも冷媒輸送量が大きく、これが熱抵抗の違いとなって現れている。
【００６３】
本発明の第５の実施形態となる冷却基板１０においては、図１８に示すように、放熱部４０の外面４６に、銅の丸棒からなる伝熱柱１０１が複数本接合され、伝熱柱１０１にアルミの板からなるフィンプレート１０２が複数枚差し込まれて、積層フィン１００を形成している。
【００６４】
これにより、放熱部４０から伝熱柱１０１を経由してフィンプレート１０２に熱が伝導し、フィンプレート１０２によって、大気中に放熱することができ、放熱能力をさらに向上させることができる。また、図示しないファンによってフィンプレート１０２間に送風すると、さらに放熱量が増大し、放熱能力がさらに向上する。
【００６５】
また、伝熱柱１０１を銅の丸棒ではなく、ヒートパイプで構成しても良い。ヒートパイプを用いることにより、銅の丸棒よりもさらに熱伝導が良くなり、放熱能力をさらに向上させることができる。
【００６６】
また、伝熱柱１０１を上端が閉じて下端が開いたパイプで形成し、下端が放熱部の空間と連通するように構成しても良い。これにより、冷媒が伝熱柱１０１の内部まで循環するので、放熱部４０の面積を増加させたことになり、また伝熱柱１０１の熱抵抗が小さくなるので、放熱能力をさらに向上させることができる。
【００６７】
本発明の冷却基板１０に用いる板材１１、１２は、銅でなくても良い。アルミ等の他の金属、合金、あるいはシリコン、セラミック等であっても良く、熱伝導に優れ、微細加工と接合が可能な材料を用いるのが好ましい。
【００６８】
また、板材１１、１２の面上に凹部２１、２２を形成する方法は、エッチングに限らず、切削、サンドブラスト、鍛造、転写等の方法が適用できる。あるいは、逆に凹部以外の部分をメッキ、スパッタ等によって盛り上げて、残った部分を凹部としても良い。
【００６９】
接合は、ロウ付けに限らず、拡散接合、溶接等の方法が適用できるし、カシメなどの機械的な接合を併用しても良い。ロウ付けの場合でも、メッキでロウを形成する以外にも、ペースト状のロウを塗布したり、箔状のロウを板材の間に挟んだりすることも可能である。
【００７０】
貫通孔１２ｂは、第１の銅板側に開けておいても良い。貫通孔１２ｂは、ロウ付け後に開けても良い。また、第２の銅板１２の表面ではなく、側面に開けても良い。貫通孔１２ｂの外側に、図示しないパイプを形成しておいても良い。これにより、脱気、注水、密閉の加工が容易になる。
【００７１】
冷媒は、純水以外にも、潜熱が大きく、使用する温度と圧力の範囲内で蒸発と凝縮が可能で、かつ冷却基板を形成する板材と化学反応を起こさない物質であれば良い。このような冷媒には、フロン、代替フロン、炭化水素、アルコール、エーテル等の物質が適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１０      冷却基板
１１      第１の銅板
１１ａ、１２ａ      平面部
１２      第２の銅版
１２ｂ      貫通孔
２０      空間
２１      第１の凹部
２２      第２の凹部
３０      吸熱部
３１、４１      溝
３２、４２      微細流路
３３、４３      連通流路
３４、４４      複合流路
３５、４５      壁
３６、４６      外面
４０      放熱部
５０      冷媒流路
６０      熱輸送側流路
７０      還流側流路
７１      逆止弁
７１ａ      基端部
７１ｂ      先端部
７２      毛細管構造
７３      多孔質体
７４      積層体
７５      圧電ポンプ
９０      被冷却素子
１００      積層フィン
１０１      伝熱柱
１０２      フィンプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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