(57)【要約】【課題】  薄型化した液冷ジャケットを提供すること。【解決手段】  液冷ジャケット１は、冷媒液ＬＣが流入する流入口１１と冷媒液ＬＣが流出する流出口１２との間に壁等によって規定された中空部１３を有する。中空部１３の底面１３ａは発光ダイオード素子２１及びベース基板２２よりなる発熱源２を搭載すべき搭載面であり、シート１４によって規定される。流入口１１は中空部１３の中央部に位置し、流出口１２は中空部１３の周辺部に位置する。シート１４の内面には、複数の放射螺旋状の微小突起領域１４１が流入口１１から周辺部に向って設けられている。液冷ジャケット１の流出口１２と流入口１１との間には、冷却ファン３Ｂを伴う放熱部としてのラジエータ３Ａ、冷媒液ＬＣを貯留するリザーブタンク４及び冷媒液ＬＣを循環させるマイクロポンプ５が配管６によってループ接続されている。微小突起領域１４１の複数の微小突起構造のピッチは流入口１１から周辺部に向って小さくなっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液が流入する流入口と該冷媒液が流出する流出口との間に中空部を形成する液冷ジャケットにおいて、
前記中空部を規定しかつ発熱源を搭載すべき搭載面を規定するシートを具備し、
前記シートの内面の前記冷媒液に対する親和力の勾配分布により前記冷媒液の流速を制御することを特徴とする液冷ジャケット。
【請求項２】
前記シートの内面に複数の突起を有する突起領域を形成し、
前記突起の密度の勾配分布によって前記親和力の前記勾配分布を形成した請求項１に記載の液冷ジャケット。
【請求項３】
前記シートは炭素材よりなり、前記突起は該炭素材に形成されたナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造であり、前記突起の密度は該凹凸構造のピッチによる請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項４】
前記突起領域の前記突起の密度は、前記流入口から前記シートの周辺部に向って大きくなる請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項５】
前記流入口は前記中空部の中央部に位置し、前記流出口は前記中空部の周辺部に位置し、
前記突起領域は前記中空部の中央部から前記中空部の周辺部へ放射螺旋状に形成された請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項６】
前記流入口は前記中空部の中央部に位置し、前記流出口は前記中空部の周辺部に位置し、
前記突起領域は前記中空部の中央部から前記中空部の周辺部へ円形状に形成された請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項７】
前記流入口は前記中空部の周辺部の第１の角部に位置し、前記流出口は前記中空部の周辺部の第２の角部に位置し、
前記突起領域は前記中空部の第１の角部から前記中空部の周辺部に向って半円状に形成された請求項２に記載の液冷ジャケット。
【請求項８】
前記第１、第２の角部は前記中空部の対角方向にある請求項７に記載の液冷ジャケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子用の液冷ジャケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、LED素子、LD素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子の高性能化に伴い、発熱素子の発熱量は増大してきている。一方、発熱素子の小型化、薄型化の要求が高まり、発熱素子の発熱密度は非常に高くなり熱的に厳しい状況を強いられている。
【０００３】
特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという性質がある。そのため、発熱素子の温度上昇が問題となり、発熱素子の冷却効率を高める冷却手法が求められている。その１つの手法としてアウタフィンを備えたヒートシンクの改良がある（参照：特許文献１）。この改良ヒートシンクは、発熱源からの熱を受けるベース基板と、ベース基板の発熱源とは反対側のベース基板に立設した柱状のミリメートルオーダの複数のアウタフィンとを有する。この場合、ミリメートルオーダのブロアからの気流との熱交換面積を大きくするために、つまり、流路長を長くするために、アウタフィンは発熱源の真裏を中心に放射螺旋状に配置されている。また、アウタフィンの密度分布は、熱交換に最も寄与する中心部で高くかつ流体抵抗を低減する必要がある周辺部で低くなるように、傾斜している。
【０００４】
しかしながら、上述のヒートシンクにおいては、ミリメートルオーダのアウタフィンを用いて冷媒液の流体抵抗の制御をしているので、ヒートシンクの薄型化が困難である。また、ブロアから出る冷媒液の流速が小さい場合、冷媒液を遠方に均一に流すことができないので、ヒートシンクの大面積化が困難である。
【０００５】
上述のアウタフィンを備えたヒートシンクと異なり、最近、インナフィンを内部に備えて冷媒液を内部に循環させることにより発熱素子の熱を周囲へ放熱させ、これにより、発熱素子を適切な温度に維持するヒートシンク（本願明細書、特許請求の範囲では、液冷ジャケットと言う）がある。
【０００６】
第１の従来の液冷ジャケットは側枠部間に多数の傾斜骨または波骨からなるミリメートルオーダのインナフィンを有し、発熱素子の発熱量及び配置に応じて傾斜骨または波骨のピッチ、幅、熱伝導率、段数等を変更している（参照：特許文献２）。
【０００７】
第２の従来の液冷ジャケットにおいては、ミリメートルオーダのインナフィンを流入口もしくは流出口を中心とする同心円上に配置すると共に、インナフィンの密度を流入口もしくは流出口からの距離の対数関数で与えられる流速に比例するようにする。これにより、流入口の近傍に多数のインナフィンを設けて冷媒液の流速を抑えている（参照：特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−４４６１９号公報
【特許文献２】特開２００８−１７１８４０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８７５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の第１の従来の液冷ジャケットにおいては、ミリメートルオーダのインナフィンを用いて冷媒液の流体抵抗を制御しているので、液冷ジャケットの薄型化が困難であるという課題がある。また、インナフィンの製造を金型等を用いて行うので、発熱素子の発熱量及び配置に応じてインナフィンの変更を行うことが困難であるという課題もある。
【００１０】
また、上述の第２の従来の液冷ジャケットにおいても、ミリメートルオーダのインナフィンを用いて冷媒液の流体抵抗を制御しているので、液冷ジャケットの薄型化が困難であるという課題がある。また、液冷ジャケット内部の冷媒液の流速を一定にし液冷ジャケット全体を均一に冷却できるが、発熱素子の発熱量及び配置に応じたインナフィンの配置が困難であるという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために本発明に係る液冷ジャケットは、冷媒液が流入する流入口と冷媒液が流出する流出口との間に中空部を形成する液冷ジャケットにおいて、中空部を規定しかつ発熱源を搭載すべき搭載面を規定するシートを具備し、シートの内面の冷媒液に対する親和力の勾配分布により冷媒液の流速を制御するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷媒液の流速をシートの冷媒液に対する親和力の勾配分布で制御しているので、ミリメートルオーダのインナフィンは不要となり、液冷ジャケットを薄型化できる。また、親和力の勾配分布は金型等を用いずに形成できるので、液冷ジャケットを発熱素子の発熱量及び配置に応じて容易に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る液冷ジャケットの第１の実施の形態を含む液冷システムを示す一部透視の斜視図である。
【図２】図１のシートの拡大断面図である。
【図３】図１の微小突起構造の加工フローを示すフローチャートである。
【図４】図３のプラズマエッチング後のグラファイトシートの表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図５】本発明に係る液冷ジャケットの第２の実施の形態を示す一部透視の斜視図である。
【図６】本発明に係る液冷ジャケットの第３の実施の形態を示す一部透視の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明に係る液冷ジャケットの第１の実施の形態を含む液冷システムを示す一部透視の斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、液冷ジャケット１は、冷媒液ＬＣが流入する流入口１１と冷媒液ＬＣが流出する流出口１２との間に壁等によって規定された高さ約1mmの中空部１３を有する。この場合、中空部１３の底面１３ａ、つまり、発光素子たとえば発光ダイオード（LED）素子２１及び厚さ約1〜5mmのベース基板２２よりなる発熱源２を搭載すべき搭載面は厚さ約10〜300μmのシート１４によって規定される。
【００１６】
流入口１１は中空部１３の中央部に位置し、他方、流出口１２は中空部１３の周辺部に位置する。
【００１７】
シート１４の内面には、放射螺旋状の複数の微小突起領域１４１が流入口１１付近から周辺部に向って徐々に面積が広がる複数の花びら型に形成されている。また、各微小突起領域１４１の先端部（最大面積部）は、左右何れか一方の同一回転方向に傾斜した形状に形成されている。
【００１８】
液冷ジャケット１の流出口１２と流入口１１との間には、冷却ファン３Ｂを伴う放熱部としてのラジエータ３Ａ、冷媒液ＬＣを貯留するリザーブタンク４及び冷媒液ＬＣを循環させるマイクロポンプ５が配管６によってループ接続されている。
【００１９】
図２は図１のシート１４の拡大断面図である。
【００２０】
図２に示すように、微小突起領域１４１には、複数の微小突起（凹凸）構造１４１ａが設けられている。微小突起構造１４１ａのピッチＰは流入口１１から周辺部に向って小さくなっており、従って、微小突起構造１４１ａの密度は流入口１１から周辺部に向って大きくなっている。この結果、微小突起構造１４１ａの冷媒液ＬＣに対する濡れ性つまり親水力（一般的には、親和力）は勾配分布を形成し、流入口１１の近くでの親和力は小さく、周辺部での親和力は大きくなる。従って、流入口１１から供給された冷媒液ＬＣは微小突起領域１４１の上述の親和力の勾配分布に従って周辺部へ流れる。この場合、微小突起領域１４１が形成されていない周辺部では、冷媒液ＬＣは、本来、流れにくいが、微小突起領域１４１から流れ込む冷媒液ＬＣによって冷媒液ＬＣが押し出される。従って、この冷媒液ＬＣがさらに周辺部から流出口１２へ流れる。この結果、シート１４上の流速は全体として均一となる。尚、上述の親和力の勾配分布を十分発揮させるために、かつ、微小突起構造１４１ａの破損を防止するために、流入口１１から供給される冷媒液ＬＣの流速を低く、たとえば、50mL/min以下とする。
【００２１】
上述の微小突起構造１４１ａは、シート１４、つまり、炭素系シートたとえばグラファイトシート以外に、金属を混ぜた稠密グラファイトシート、その他ダイヤモンド基板、ガラス状炭素系基板上にも加工できる。
【００２２】
図１の冷媒液ＬＣとしては、通常、水あるいは不凍液を用い、微小突起構造１４１ａに用いられるシート１４が水によって腐食（汚染）されない性質を有するので、腐食防止加工は不要である。
【００２３】
また、微小突起構造１４１ａの炭素は水に対する濡れ性である親和力が大きい。つまり、微小突起構造１４１ａは、ナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズと、サブミクロメートルオーダの高さとを有する凹凸構造であり、一方、水分子は0.38nm程度であるので、水分子は微小突起構造１４１ａの中へくまなく入っていき、この結果、微小突起構造１４１ａの比表面積分で熱交換が行われる。従って、投影面積より大幅に大きな面積での熱交換効率を達成できる。
【００２４】
尚、上述のナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【００２５】
次に、図２の微小突起構造１４１ａの加工を図３のフローチャートを参照して説明する。
【００２６】
始めに、ステップ３０１にて、シート１４（たとえばグラファイトシート）の内面上に、複数の花びら型の微小突起領域１４１に対応する開口を有するマスク（たとえば金属製マスク）を設置する。このマスクは、上記開口内において水平方向にスライド可能なスリットを備えている。
【００２７】
次に、ステップ３０２にて、シート１４の内面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの微小突起構造１４１ａを形成する。微小突起構造１４１ａの例を図４に示す。図４の（Ａ）、（Ｂ）は撮影角度が異なる。図４に示すように、微小突起構造１４１ａの突起部のピッチＰはサイズ（幅）の数倍程度の範囲で変化させる。尚、微小突起構造１４１ａの高さはサブミクロメートルオーダ以上たとえば0.5〜10μmである。すなわち、シート１４をプラズマエッチング装置に投入し、酸素（O2）ガスを変化させると共にシート１４上のスリット（図示せず）を移動しながらプラズマエッチング法によってエッチングを行う。この結果、微小突起構造１４１ａのピッチＰが、図２に示すごとく、変化する。
【００２８】
プラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：200sccmを中心としてスリットの移動と共に可変、たとえば、スリットによって定まるエッチング領域に対して小さい値から大きい値へ変化させる、
である。尚、この場合、具体的には、微小突起構造の高さはRFパワーを変化させて調節し、微小突起構造の密度は圧力を変化させて調節する。
【００２９】
尚、ステップ３０２でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【００３０】
最後に、ステップ３０３にて、ステップ３０１において設置されたマスクを外す。
【００３１】
図５は本発明に係る液冷ジャケットの第２の実施の形態を示す一部透視の斜視図である。図５においては、図１の発熱源２、ラジエータ３Ａ、冷却ファン３Ｂ、リザーブタンク４、マイクロポンプ５及び配管６は同一であるので、図示省略してあり、液冷ジャケット１’のみを図示してある。
【００３２】
図１と同様に、流入口１１’は中空部１３’の中央部に位置し、他方、流出口１２’は中空部１３’の周辺部に位置する。
【００３３】
シート１４’の内面には、流入口１１’を中心とする円形状の微小突起領域１４１’が周辺部へ向って設けられている。
【００３４】
微小突起領域１４１’には、図２に示すような、複数の微小突起（凹凸）構造が設けられている。すなわち、微小突起構造のピッチは流入口１１’から周辺部に向って小さくなっており、従って、微小突起構造の密度は流入口１１’から周辺部に向って大きくなっている。この結果、微小突起構造の冷媒液ＬＣに対する親和力は勾配分布を形成し、流入口１１’の近くでの親和力は小さく、周辺部での親和力は大きくなる。従って、流入口１１’から供給された冷媒液ＬＣは微小突起領域１４１’の上述の親和力の勾配分布に従って周辺部へ流れる。この場合、微小突起領域１４１’が形成されていない周辺部では、冷媒液ＬＣは、本来、流れにくいが、微小突起領域１４１’から流れ込む冷媒液ＬＣによって冷媒液ＬＣが押し出される。従って、この冷媒液ＬＣがさらに周辺部から流出口１２’へ流れる。この結果、シート１４’上の流速は全体として均一となる。
【００３５】
図５の液冷ジャケット１’の微小突起領域１４１’の形成も、図１の液冷ジャケット１の微小突起領域１４１と同様に、図３のフローチャートに基づいて行われる。この場合には、図３のステップ３０１のマスクは円形の微小突起領域１４１’に対応する開口を有している。
【００３６】
図６は本発明に係る液冷ジャケットの第３の実施の形態を示す一部透視の斜視図である。図６においては、図１の発熱源２、ラジエータ３Ａ、冷却ファン３Ｂ、リザーブタンク４、マイクロポンプ５及び配管６は同一であるので、図示省略してあり、液冷ジャケット１”のみを図示してある。
【００３７】
流入口１１”は中空部１３”の周辺部の第１の角部に位置し、他方、流出口１２”は中空部１３”の周辺部の第２の角部に位置する。この場合、第１、第２の角部は中空部１３”の対角方向に位置している。
【００３８】
シート１４”の内面には、流入口１１”を中心とする半円形状の微小突起領域１４１”が周辺部へ向って設けられている。
【００３９】
微小突起領域１４１”には、図２に示すような、複数の微小突起（凹凸）構造が設けられている。すなわち、微小突起構造のピッチは流入口１１”から周辺部に向って小さくなっており、従って、微小突起構造の密度は流入口１１”から周辺部に向って大きくなっている。この結果、微小突起構造の冷媒液ＬＣに対する親和力は勾配分布を形成し、流入口１１”の近くでの親和力は小さく、周辺部での親和力は大きくなる。従って、流入口１１”から供給された冷媒液ＬＣは微小突起領域１４１”の上述の親和力の勾配分布に従って周辺部へ流れる。この場合、微小突起領域１４１”が形成されていない周辺部では、冷媒液ＬＣは、本来、流れにくいが、微小突起領域１４１”から流れ込む冷媒液ＬＣによって冷媒液ＬＣが押し出される。従って、この冷媒液ＬＣがさらに周辺部から流出口１２”へ流れる。この結果、シート１４”上の流速は全体として均一となる。
【００４０】
図６の液冷ジャケット１”の微小突起領域１４１”の形成も、図１の液冷ジャケット１の微小突起領域１４１と同様に、図３のフローチャートに基づいて行われる。この場合には、図３のステップ３０１のマスクは扇型の微小突起領域１４１”に対応する開口を有している。この場合も、流入口１１”から離れる程微小突起構造の密度を高くすることで、シート１４” 上の冷媒液ＬＣの流速は全体として均一となる。
【００４１】
本発明は上述の発明の実施の形態と自明な範囲での種々の変更にも適用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１、１’、１”：液冷ジャケット
２：発熱源
２１：LED素子
２２：ベース基板
３Ａ：ラジエータ
３Ｂ：冷却ファン
４：リザーブタンク
５：マイクロポンプ
６：配管
１１、１１’、１１”：流入口
１２、１２’、１２”：流出口
１３、１３’、１３”：中空部
１４、１４’、１４”：シート
１４１、１４１’、１４１”：微小突起領域
１４１ａ：微小突起構造
ＬＣ：冷媒液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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