(57)【要約】【課題】  高密度化した実装部品に対応する、冷却能力が高く、姿勢の自由度に優れた冷却部品を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る冷却部品は、発熱体からの熱を受け入れる受熱部と、熱を外部へ放出する放熱部を含む隔壁と、前記隔壁の内部に配置された作動流体と、前記隔壁と前記作動流体の間に設けられたメッシュ構造部を有し、前記隔壁と前記メッシュ構造体の材質は同じである。【選択図】  図１
2018035947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体からの熱を受け入れる受熱部と、
熱を外部へ放出する放熱部と、
前記受熱部及び前記放熱部を含む隔壁と、
前記隔壁の内部に配置された作動流体と、
前記隔壁と前記作動流体の間に設けられたメッシュ構造部とを有し、
前記隔壁と前記メッシュ構造体の材質は同じであることを特徴とする冷却部品。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却部品であって
前記隔壁と前記メッシュ構造部は一体成形物であることを特徴とする冷却部品。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷却部品であって
前記メッシュ構造部は、前記受熱部に沿って設けられた第１のメッシュ構造部と、前記放熱部に沿って設けられた第２のメッシュ構造部で構成されることを特徴とする冷却部品。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却部品であって
前記第１のメッシュ構造部を構成する孔の平均直径は、前記第２のメッシュ構造部を構成する孔の平均直径より大きいことを特徴とする冷却部品。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却部品であって、
前記隔壁の外部に第３のメッシュ構造部を有することを特徴とする冷却部品。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却部品であって、
前記メッシュ構造部を構成する孔の平均直径が0.001mm以上1mm以下であることを特徴とする冷却部品。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却部品を有することを特徴とする実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却部品及びそれを用いた実装基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器は高密度化や多機能化への進化発展によって、コンピュータのＣＰＵ（以下、発熱体という）などにおける発熱量が急速に増大の方向にあり、冷却能力が電子機器の性能を左右する状況にある。
【０００３】
電子機器に搭載された発熱体の冷却は、一般的には発熱体にヒートシンクを付設してファンによって冷却風を強制的に通風している。これに対し、さらに冷却能を必要とする部位に対してはベーパチャンバやサーモサイホンなどのように密閉容器の内部に液体からなる冷媒を封入した冷却部品を用いることがある。このような冷却部品によれば、発熱体に接触した部位(蒸発部)で冷媒が蒸発する際の気化熱で冷却し、外部に面した部位(凝縮器)で気化した冷媒が熱を放出して液体へと凝縮することで熱を輸送することができる。このような蒸発と凝縮が一連として生じることで熱を発熱体から外部へと効率よく排出することができる。
【０００４】
このような冷却部品では、凝縮部から蒸発部へと液体を連続的に搬送することが重要である。このような冷却部品として、例えばウィックと呼ばれる繊維体を内蔵したものが特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１の電子装置に用いる冷却部品は容器、ウィック、発熱部、受熱壁、放熱壁、フィン、気化部、凝縮フィン、溝を備える。
【０００６】
所定量の作動液が封入された容器の内部にはウィックが配置され、容器の一面が発熱体を取り付けて受熱する受熱壁であり、受熱壁の反対面に全面にフィンを設置するための放熱壁を構成している。受熱壁の裏面には気化部があり、放熱壁の裏側に凝縮フィンが形成されている。また、ウィックは液冷媒を毛細管現象によって受熱部内面の気化部へ運搬する繊維状の部材であり、ウィックの端はあらゆる姿勢においても作動液を気化部へ輸送するために容器内の周辺に延びるような形状になっており、凝縮フィンにより気化部に押し付けられている。
【０００７】
次に動作を説明する。受熱壁に取り付けられた発熱体の熱が気化部へ伝わると、気化部に接触したウィックの作動液が蒸発し、発生した蒸気は気化部の溝を通って放熱壁へ向かいフィンで冷却されて凝縮する（例えば、特許文献１参照）。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３３０３２９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、従来技術の方法では、ウィックは繊維状のもので構成されているため形状が複雑であり、作動液の移動に対する抵抗力が大きく十分な作動液の供給が困難である。また、あらゆる姿勢においても作動液を気化部へ輸送するためにウィックを複雑に配置する必要があり、製造方法が難しいという課題があった。
【００１０】
本発明は上記問題を解決されるためになされたものであって、どのような姿勢に取り付けられても十分な作動液の供給を容易にすると共に、すぐれた冷却能力を保持でき、簡単な構造で高性能な冷却部品およびそれを用いた電子装置を提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る冷却部品は、発熱体からの熱を受け入れる受熱部と、熱を外部へ放出する放熱部を含む隔壁と、前記隔壁の内部に配置された作動流体と、前記隔壁と前記作動流体の間に設けられたメッシュ構造部を有し、前記隔壁と前記メッシュ構造体の材質は同じである。
【発明の効果】
【００１２】
高密度化した実装部品に対応する、冷却能力が高く、姿勢の自由度に優れた冷却部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る冷却部品の断面図である。
【図２】第１のメッシュ構造２ａの拡大図である。
【図３】第２のメッシュ構造２ｂの拡大図である。
【図４】実施例１に係る冷却部品の断面図の改良例である。
【図５】実施例２に係る冷却部品の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。   
本実施形態に係る冷却部品は、密閉されて形成した中空の構造内で蒸発部と凝縮部を有し、加熱されて蒸発する作動流体の潜熱によって蒸発部に接した構造体を冷却する。
【００１５】
隔壁部の少なくとも一部に隔壁部と同一材質からなるメッシュ構造部を一体接続することで、隔壁部の比表面積を高めることができる。このために隔壁内部の作動流体と隔壁部の接触面積を大きくすることができ、凝縮、蒸発双方の熱伝達を促進することができる。また、隔壁部とメッシュ構造部を一体接続することで強度的にも優れ、また、隔壁部とメッシュ構造部の熱抵抗を低くすることができるために熱交換を促進することができる。このようなメッシュ構造部は特に凝縮部や蒸発部に形成することが好適であり、その両者に形成されていることが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係る冷却部品は、凝縮部と蒸発部の双方にメッシュ構造を有し、そのメッシュ構造部が互いに接している。また、凝縮部のメッシュ構造部を構成する孔の平均直径が、蒸発部のメッシュ構造部を構成する孔の平均直径よりも大きい。これにより、メッシュ構造を介して、作動流体を凝縮部から蒸発部へと導くことができる。蒸発部において作動流体が蒸発すると毛管力によって凝縮部から蒸発部へと液体が搬送され、この操作が連続的に生じることで連続的な蒸発工程が実現できる。また、毛管力はメッシュ構造の平均孔径で制御でき、特に孔径の小さい部位に液体が搬送される。このため、凝縮部のメッシュ構造部の平均孔径を蒸発部よりも大きくすることで、蒸発器への作動流体の搬送をより促進することができる。
【００１７】
本実施形態に係る冷却部品は、隔壁部とメッシュ構造部が同一の原料粉体から一連の溶融凝固過程で形成される。これにより、同一の材質である原料粉体から隔壁部とメッシュ構造の両者を連続して形成することができる。特に、先に示したウィックのような繊維では冷却部品内への設置や固定が困難なケースがあるが、例えば金属積層造形法によって隔壁部とメッシュ構造部を一連の操作にて形成することで、フィンの内部のような狭隘部にも請求項１乃至４に示したメッシュ構造を配することができる。
【００１８】
本実施形態に係る冷却部品は、隔壁の内側に加えて、外側にもメッシュ構造を有する。これにより、隔壁の内部と外部の熱交換を促進することができる。
【００１９】
本実施形態に係る冷却部品は、実装基板に備えることができる。冷却部品を、コンピュータのような発熱密度が大きい電子装置に適用することで、顕著な冷却効果を有する電子装置を得ることができる。
【実施例１】
【００２０】
図１は実施例１に係る冷却部品の断面図である。
【００２１】
冷却１０は、内部に空間を有する隔壁１で構成する。隔壁１は、発熱体４からの熱を隔壁１の内部に受け入れる受熱面５、発熱体４からの熱を隔壁１の外部へ放出する放熱面３を有する。隔壁１の中で発熱体４と相対する部分及びその周辺部分が受熱面５で、受熱面５を除く部分が放熱面３である。
【００２２】
隔壁１の内側には全面にわたって、隔壁１と同一材質からなるメッシュ構造２が形成されている。メッシュ構造２は、受熱面５に形成された第１のメッシュ構造２ａと、その他の面に形成された第２のメッシュ構造２ｂに分けられる。メッシュ構造２で囲まれた空間には作動流体が封入された作動液槽６が存在する。
【００２３】
隔壁１は、放熱を促進するため熱伝導率の高い金属製とすることが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、鋼鈑、ステンレス鋼などから熱伝導率や作動流体、使用環境に対する耐食性、耐熱性などから適切に選択される。
【００２４】
図２は、第１のメッシュ構造２ａの拡大図である。放熱面３に相当する隔壁１の作動液槽６に面する側に形成されており、例えば井桁状の積層構造となっている。この構造は図の長手方向に毛細管力が働くように積層されており、放熱面３で凝縮した液が隔壁１に沿って流れ、受熱面５に対向するメッシュ構造２ｂに導かれる。
【００２５】
メッシュ構造２ｂは作動流体の均一な気化を促進するために等方的な構造が好ましく、例えば図３に示すような円柱状、球状、角柱状の積層構造体が良い。図３は、第２のメッシュ構造２ｂの拡大図である。図３では円柱状の積層構造体を示しており、構造間の毛管力がより強く作用する構成としているが、例えば隔壁１と同一材質からなる球状の突起が配列するような構成とすることも可能である。何れのメッシュ構造２も隔壁１とは一体として形成されており、隔壁１とメッシュ構造２の間の熱交換が促進される構成となっている。メッシュ構造２の厚みに特に限定はないが、後に示す間隙ｄの構造を形成することができる0.001mm以上とし、隔壁１との熱交換が促進されるように100mm以下とすることが好ましい。実際には隔壁１の大きさに応じて適切に選択される。
【００２６】
メッシュ構造２の大きさはメッシュ中の間隙dにて規定される。メッシュ中で作動流体が搬送される駆動力となる毛管力は間隙ｄが小さいほど大きな力となる。作動流体としてメタン、エタン、プロパン、環式化合物などの炭化水素系冷媒や水、アンモニア、二酸化炭素などを用いるため、その表面張力から好適な間隙ｄの値は求められ、0.001mm以上1mm以下と算出される。この値以上にｄが大きい場合は作動流体の流れへの影響は限定的であり、小さい場合は液体の流れを阻害するため不適である。実際には加工法によってｄの値は限定を受ける。また、間隙ｄが小さいほど作動流体を引き込む力は大きくなる。ここで間隙ｄはメッシュ構造部を構成する孔の平均直径ともいう。
【００２７】
放熱面３側に配した第１のメッシュ構造２ａのメッシュ構造の間隙ｄを、受熱面５側に配した第２のメッシュ構造２ｂの間隙ｄよりも大きくすることで、放熱面３側に配した第１のメッシュ構造２ａにて凝縮した作動流体を受熱面５側の第２のメッシュ構造２ｂへと導きやすくでき、受熱面５側で蒸発する作動流体を確保することができる。
【００２８】
図４は実施例１に係る冷却部品の断面図の改良例である。作動流体の動作確保のため、メッシュ構造２ｂの一部の厚さを増し、図４に示されるように放熱面３と受熱面５を隔壁部を介さず繋ぐような構成とすることも可能である。この場合は第１のメッシュ構造２ａを介して熱が作動流体を介さずに直接に受熱面５から放熱面３側へと伝わることは効率改善上は好ましくないため、メッシュ構造２ａのこの接続部分はメッシュを細くするなどの熱伝導を妨げる構成とすると良い。
【００２９】
本発明の冷却部品の製作には隔壁１、メッシュ構造２の形状によっては切削加工と溶接を組み合わせる、肉盛溶接法で積層するなどの方法でも作成可能ではあるが、特に粉末床積層造形法で全体を一括して形成することが好ましい。粉末床積層造形法では原料に先に示した隔壁１を成す材料の粉体を用いる。粉体の直径は製造方法と本発明の冷却部品に求められる解像度から定められるが、通常は平均直径を１μｍから２００μｍの間とする。この範囲より小さい場合には造形時の粉体供給性に乏しいために高精度加工が難しく、大きい場合には本発明に求められる微細な形態の造形が難しい。粉末積層造形法としてはレーザ粉末積層造形法、電子ビーム粉末積層造形法などが用いられる。各方法共に粉体の平均直径以上、１ｍｍ以下の厚さの粉末層を形成し、その一部をレーザ、電子ビームなどの熱源で局所的に焼結または溶融する。この動作を層ごとに繰り返すことで最終的に微細なメッシュ構造、中空構造を有する複雑な形態を一体として形成することができる。この際に、メッシュ構造２と隔壁１が同一材料からなり、一体となった構成とすることができる。粉末床積層造形においては、設計は３次元ＣＡＤにより規定され、隔壁１とメッシュ構造２についてもそれぞれの形状を所定のＣＡＤソフトを用いて作成した造形データ（ＳＴＬ形式など）で一体に規定される。この際にメッシュ構造２の形状についてもデータとして入力することで再現性良く冷却部品を形成することができる。また、粉末床積層造形法では局所的に造形条件を変えて積層することもでき、例えば、局所的に溶解せず原料となる粉体の形状が残存する焼結状態にとどめることも可能である。このような構造を用いることで局所的に積層した粉末の間隙のようなより細かい空隙をもメッシュ構造の一部として用いることが可能となり、用いることのできる間隙ｄの範囲を粉末の直径以下のより小さい値に設定することが可能となる。また、隔壁１の内面、外面について表面に未溶融の粉末が残存する条件で形成することで、隔壁１の表面積を増加する効果を得ることも可能である。
【００３０】
その後、造形時の土台となるベースプレートからの取外しやブラストなどの表面平滑化を経て冷却部品１が得られる。ただし、本冷却部品では内部を中空とする必要があるため、造形後に内部に残った粉体を除去する工程が必要となる。この工程のため造形終了時には開口部を残しておき、その部位から内部の粉体を除く。その後、作動流体を同じ開口部から加えて真空に引いて開口部をロウ付け、圧接、通電溶接、アーク溶接など各種溶接法などで封入することで本発明の冷却部品として機能を付与することができる。
【００３１】
次に、図１の姿勢にある場合の冷却部品の動作について説明する。
【００３２】
上記のような構造をもつ冷却部品において、発熱体４からの熱は受熱面５から受熱面５の裏に設置された第２のメッシュ構造２ｂに伝わる。第２のメッシュ構造２ｂの孔に浸透していた作動流体は沸騰して蒸発し、蒸気は作動液槽６側に拡がる。そして、放熱面３側に拡がった蒸気は放熱面３側の第１のメッシュ構造２ａにおいて凝縮して液化する。凝縮潜熱として放出された熱は放熱面３より大気に放出される。そして、液化した作動流体は作動液槽６に戻ってふたたび受熱面５の第２のメッシュ構造２ｂ側へと移り、蒸発・凝縮のサイクルをくり返す。
【００３３】
ここで、本冷却部品が連続して作動するには、受熱面５に常に液化した作動流体が配される必要がある。この条件を満たすため、本構成ではメッシュ構造２中の液体の作動流体に働く毛管力を用いる。放熱面３側で凝縮した作動流体をメッシュ構造２中に毛管力で引き込み、そして、より小さい構造を有する第２のメッシュ構造２ａ側に導くことで受熱面５に常に液化した作動流体を供給する。毛管力は冷却部品の向きに関係なく作用するため、本発明の冷却部品は姿勢に関らず冷却機能を有することができる。
【実施例２】
【００３４】
実施例２について、図５に基づいて説明する。図５は本発明の第２実施例を示す冷却部品の断面図を示す。なお、第２実施例が第１実施例の構成要素と同じものついては、その説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【００３５】
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。すなわち、図５において、放熱部３はより大きい表面積を付与するためにフィン形状を有している。このフィン形状は冷却能力や設置箇所に応じて設計される。フィン内部にも作動流体を配する作動液槽６が連続しており、放熱部３に対応する隔壁１の内面にも第１のメッシュ構造２ａが形成されている。フィン形状を有する部位では前述のように表面積が大きくなるため、より大きな熱が隔壁１を通して放出することができる。
【００３６】
なお、フィン形状を比較的小さくした場合にはその表面積の増分は有効に冷却能力の増加として用いることができたが、隔壁１の熱伝導率によってはたとえ大きなフィンを形成しても冷却能力に寄与しないことがあった。本構成によればフィンの内部から作動流体による潜熱によって冷却が促進できるため、フィンによる冷却能の改善をより効果的に図ることができる。
【００３７】
従来のウィックを用いる手法では冷却部品の形成後にウィックを配するために幅１ｍｍを下回るような狭隘部に再現性良くウィックを配することは困難であったが、本発明では先に示したように粉末床積層造形法などによって隔壁１とメッシュ構造２を同時に形成するため、このような狭隘部を有する形状にもメッシュ構造による表面積の増大効果や作動流体の誘導に関する効果を付与することが可能となった。また、図５の下部に示されるように隔壁１に丸み(例えばＲ＞１ｍｍ)を付与することで、冷却部品の傾斜確度によっては作動流体の淀みの原因となる角部を配することも可能となる。また、同一の課程で放熱部３の外部表面にさらなるフィン形状、ピン形状などの放熱を促進する構造（第３のメッシュ構造）を付与することも可能であり、流体抵抗との兼ね合いで構造を決定することができる。
【００３８】
実施例２の場合、隔壁１の放熱部３側の表面積増大効果に加え、隔壁１の角部に丸みを付ける等で冷却能や姿勢に対して実施例１に示した手法よりもより好適であり、その冷却能力を高めることができる。
【００３９】
本発明は、冷却部品の内部に付与した隔壁と一体形成されたメッシュ構造の効果により、優れた冷却能力を保持し、背面を含む様々な冷却姿勢に対応する冷却部品を付与することができる。このため、前述の電子機器、特に実装基板に本発明の冷却部品を用いることで、冷却部品の数を減らすと共に冷却ファンを減らすことができるなどの効果が得られる。このような効果はデータサーバ類、鉄道、自動車、航空機、ロボット類の電源、制御用の発熱密度の大きな電子機器に有効である。また、電子機器以外では移動体や家電機器類、プラントなど発熱量の大きい装置の冷却に大いに役立つ技術である。
【符号の説明】
【００４０】
１…隔壁、２…メッシュ構造、２ａ…第１のメッシュ構造、２ｂ…第２のメッシュ構造、
３…放熱部、４…発熱体、５…受熱部、６…作動液槽、１０…冷却部品
【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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