(57)【要約】【課題】液冷効果を高め、コンパクト化することができる受熱ジャケットを提供する。【解決手段】本発明の受熱ジャケット１０は、内部に多孔質金属２２が収容され、発熱体４００（冷却対象物）の熱を受熱する液冷システム用の受熱ジャケットであって、受熱ジャケット１０は、発熱体４００からの熱を受熱し固体金属からなる受熱板３０を備え、受熱板３０と多孔質金属２２とがロウ材で接合されおり、多孔質金属２２と受熱板３０の界面は、ロウ材と多孔質金属の溶融材で構成され、接合後の多孔質金属２２の高さは、多孔質金属２２のピッチであるポアサイズより低い高さである【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に多孔質金属が収容され、発熱体の熱を受熱する液冷システム用の受熱ジャケットであって、
前記受熱ジャケットは、前記発熱体からの熱を受熱し固体金属からなる受熱板を備え、
前記受熱板と前記多孔質金属とがロウ材で接合されおり、
前記多孔質金属と前記受熱板の界面は、前記ロウ材と前記多孔質金属の溶融材で構成され、
接合後の前記多孔質金属の高さは、前記多孔質金属のピッチであるポアサイズより低い高さである
ことを特徴とする受熱ジャケット。
【請求項２】
前記受熱板と前記多孔質金属を覆う外壁とは、ロウ付けまたはＯリングの封止材を介して固定した
ことを特徴とする請求項１に記載の受熱ジャケット。
【請求項３】
前記受熱板は、少なくとも複数有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受熱ジャケット。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の前記受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットに冷媒を供給する冷媒供給用ポンプと、前記受熱ジャケットからの冷媒の熱を放熱するとともに前記放熱後の冷媒を前記冷媒供給用ポンプに供給する放熱用ラジエータとを含んでなる
ことを特徴とする液冷システム。
【請求項５】
固体金属からなる受熱板と、多孔質金属と、を備える液冷システムの受熱ジャケットの製造方法であって、
前記受熱板に、Ｓｉを含むロウ材と、厚さがポアサイズよりも厚い多孔質金属とを積層する積層工程と、
前記積層工程により得られた積層体を、前記ロウ材の融点以上、かつ、前記多孔質金属および前記受熱板の融点以下の温度に保持することにより、厚さが前記多孔質金属のポアサイズよりも薄い多孔質金属がロウ付けされた受熱板を得るロウ付け工程と、を有する
ことを特徴とする受熱ジャケットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体に水等を対象とし、高温側流体から高温側流体へ熱を移動させる液冷システムに関し、伝熱性能の向上を図ることができる受熱ジャケットとそれを搭載した液冷システムおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液冷システムをはじめとする熱輸送システムの高性能化、小型化が進み、それに伴い、液冷システムの受熱ジャケットに実装する放熱フィンの高性能化、小型軽量化が必要となっている。パワーモジュールやサーバ等に実装される液冷システムは、一般に、伝熱性能が低下するとパワーモジュールやサーバ等の機能の維持を図れなくなるだけではなく、場合によっては、破損することもある。このため、液冷システムへの要求事項は、パワーモジュールやサーバ等の性能の向上に伴い、効率的に熱交換する技術が強くなっている。
【０００３】
パワーモジュールやサーバ等に実装される半導体素子の熱を効率よく熱輸送する方法として、ポンプにより冷媒液を循環させて、外気に放熱するのが一般的である。この液冷システムの半導体素子に接続される受熱ジャケットでは効率よく、半導体素子の熱を冷媒液に伝達させるのが一般的である。
【０００４】
従来技術として、特許文献１には、固体金属板と多孔質金属との間にＳｉを含むロウ材（Ａｌ-Ｓｉ系合金；ＢＡ４３４３）を配置し、５９０〜６１０℃に加熱してロウ付けを行う記載はある。しかし、図６よりロウ付け後の多孔質金属の高さは、多孔質金属のポアサイズよりも大きい構造が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、銅板に多孔質金属部材をロウ付けした水冷ヒートシンク、ならびに水冷ヒートシンクの製造方法が記載されている。受熱板にロウ材、多孔質金属の順にＳｉを含んでいないロウ材と多孔質金属とを重ねて配置し、溶融温度約８００℃のロウ材を用いて、温度８００℃で無酸素銅母材と多孔質銅とをＳｉを含んでいないロウ材でロウ付けする積層工程が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、銅板、銅製多孔質発泡金属、Ｓｉを含んでいないロウ材（ＪＩＳＺ３２６４ ＢＣＵＰ−４）を積層し、温度７２０℃でロウ付けした複合板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−０７６７５８公報
【特許文献２】特開２０１６−１７９４９１公報
【特許文献３】特開２００６−３４４５００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の従来技術において、特許文献１から特許文献３、全てにおいて、多孔質金属と金属板の接合方法に係わっているが、冷媒液の単層（液）のみを循環させる単層冷媒液循環の冷却モジュールの受熱部に多孔質金属を用いた際の高性能化、コンパクト化に関して記載されていない。したがって、特許文献では液冷システム等での高い熱伝達率を有し、フィン効率を考慮した多孔質金属の構造になっておらず、液冷システム用受熱ジャケットの高性能化ができない。すなわち、ロウ付け後の多孔質金属の形状をロウ付け前の多孔質金属の形状、気孔率が維持したまま、多孔質金属の高さを多孔質金属のポアサイズよりも小さな構造に対する、さらにこの構造を成し得る製造方法に対する記載がなく、多孔質金属を搭載した液冷システムの高性能化、コンパクト化に関して何ら配慮されていない。
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、液冷効果を高め、コンパクト化することができる受熱ジャケット、液冷システムおよび受熱ジャケットの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明の受熱ジャケットは、内部に多孔質金属が収容され、発熱体の熱を受熱する液冷システム用の受熱ジャケットであって、受熱ジャケットは、発熱体からの熱を受熱し固体金属からなる受熱板を備え、受熱板と多孔質金属とがロウ材で接合されおり、多孔質金属と受熱板の界面は、ロウ材と多孔質金属の溶融材で構成され、接合後の多孔質金属の高さは、多孔質金属のピッチであるポアサイズより低い高さであることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液冷効果を高め、コンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態である発熱体に受熱ジャケットを接続した液冷システムの斜視図である。
【図２】図１の受熱ジャケット周りの斜視図である。
【図３】図２の受熱ジャケットのＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である多孔質金属をフィンとしてモデル化し、多孔質金属の高さの変化に対する受熱ジャケットの熱抵抗割合である。
【図５】本発明の一実施形態であるアルミニウム合金に対するＳｉの割合と、アルミニウム合金の融点の変化図である。
【図６】本発明の一実施形態である受熱ジャケットを構成する受熱板と多孔質金属をロウ付けする際の雰囲気炉を用いた場合の製造方法の一連図である。
【図７】本発明の実施形態である受熱ジャケットを構成する受熱板と多孔質金属をロウ付けする際の真空炉を用いた場合の製造方法の一連図である。
【図８】本発明の実施形態である水冷ジャケットの例であり、（ａ）はロウ付け後の多孔質金属を搭載した受熱板周りの側面図であり、（ｂ）はその拡大図である。
【図９】本発明の他の一実施形態であるパワーモジュールの代表例として、半導体素子の熱を受熱ジャケットに伝熱する液冷システムの受熱ジャケット断面図であり、受熱ジャケットはＯリングにより封止された場合である。
【図１０】本発明の多孔質金属を利用した液冷システムが適用される電子装置について、内部構造の一例としてその蓋体を外した状態を示す斜視図である。
【図１１】図１０のサーバ筐体内の液冷システムの配置状態を説明するための上面図である。
【図１２】受熱板が複数の場合の受熱ジャケットの断面図である。
【図１３】３相分の半導体モジュールに本実施形態の受熱ジャケットを適用した例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明における実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発熱体４００（冷却対象物）に受熱ジャケット１０を接続した液冷システム１の斜視図である。液冷システム１は、受熱ジャケット１０、ラジエータ１６０、ポンプ２００および配管３００で構成される。受熱ジャケット１０には冷媒液１００がポンプ２００から流入する冷媒液流入口２３、冷媒液１００がラジエータ１６０に流出する冷媒液流出口２４が設けられている。発熱体４００が熱伝導性グリス５００を介して受熱ジャケット１０の外壁２６に熱的に接続される。受熱ジャケット１０の内部には後述するように多孔質金属２２（図３参照）が実装され、発熱体４００の熱を多孔質金属２２まで伝え、冷媒液１００に伝熱する。受熱ジャケット１０を構成要素の材質は固体金属である。なお、冷媒液１００は水等である。
【００１４】
受熱ジャケット１０から流出した冷媒液１００は、配管３００内を流れ、ラジエータ１６０に熱輸送される。ラジエータ１６０は両側にヘッダ１６２を、中間部に多数の扁平管１６１が、扁平管１６１で挟まれた領域にコルゲートフィンなどの放熱フィン１６３を有している。ラジエータ１６０に流入した冷媒液１００はヘッダ１６２に流れ、扁平管１６１で分岐し、ヘッダ１６２で合流し、配管３００を経由して、ポンプ２００に流れる。ラジエータ１６０の放熱フィン１６３には冷却ファン７１０により、空気１１０が供給される。冷却ファン７１０はモータにより羽根が回転することで、空気１１０を駆動させる。受熱ジャケット１０で熱交換し、高温となった冷媒液１００はラジエータ１６０で温度の低い空気１１０へ伝熱し、冷媒液１００は低い温度となる。低い温度となって冷媒液１００はポンプ２００に流入し、受熱ジャケット１０の冷媒液流入口２３から受熱ジャケット１０に流れる循環方式である。また、ラジエータ１６０では、放熱フィン１６３を通過した空気１１０は熱交換され、高い温度で大気へ放散する。以上のように、発熱体４００の熱は、受熱ジャケット１０、冷媒液１００、ラジエータ１６０を経由して空気１１０に伝わり、熱輸送が行われる。これにより、発熱体４００は許容温度を超過することなく、冷却することができ、発熱体４００が半導体素子の場合、半導体素子の動作を確保でき、装置の信頼性を向上できる。
【００１５】
図２は、図１の受熱ジャケット１０周りの斜視図である。受熱ジャケット１０の内部を破線で示しており、受熱ジャケット１０の内部には多孔質金属２２が実装される。受熱ジャケット１０の内側エリアと多孔質金属２２はほぼ同一形状となっており、受熱ジャケット１０の外壁２６の内面と多孔質金属２２は物理的に接している。受熱ジャケット１０を構成要素の材質は固体金属である。受熱ジャケット１０の外壁２６の１面には熱伝導性グリス５００を介しては発熱体４００が取り付けられている。この発熱体４００が取り付いている受熱ジャケット１０の外壁２６である受熱板３０の内面と多孔質金属２２は金属的接合２５、例えばロウ付け等で接合される。これにより、発熱体４００の熱を受熱ジャケット１０の外壁２６から多孔質金属２２へ良好に伝えることができる。また受熱ジャケット１０には冷媒液流入口２３、冷媒液流出口２４が設けられており、冷媒液１００が冷媒液流入口２３から受熱ジャケット１０に流入し、多孔質金属２２を通って、冷媒液流出口２４から流出する。
【００１６】
図３は、図２の受熱ジャケット１０のＡ−Ａ断面図である。受熱ジャケット１０の外壁２６の１面として、受熱板３０がある。この受熱板３０には熱伝導性グリス５００を介して発熱体４００が取り付けられる。この受熱ジャケット１０には多孔質金属２２が金属的接合２５（例えばロウ材等）される。受熱ジャケット１０を構成要素の材質は固体金属である。これにより、発熱体４００の熱を受熱ジャケット１０の外壁２６から多孔質金属２２へ良好に伝えることができる。
【００１７】
多孔質金属２２は、無数の微細線材２０、空洞部２１で構成される。微細線材２０は例えばアルミニウム、銅等の金属材料から成る。受熱ジャケット１０の外壁２６の設けた冷媒液流入口２３、冷媒液流出口２４が設けられており、冷媒液が冷媒液流入口２３から受熱ジャケット１０に流入し、多孔質金属２２の空洞部２１を通って、冷媒液流出口２４から流出する。多孔質金属２２は、冷媒液１００の流れの指向性がほとんどなく、多孔質金属２２の領域全体に冷媒液１００が流れる。このため、多孔質金属２２の大きな表面積全体で冷媒液１００へ伝熱することができ、冷媒液１００の無駄を生じない。
【００１８】
受熱ジャケット１０の伝熱面として従来用いられているピンフィンと比較する。同一容積に対して、多孔質金属２２の伝熱面積はピンフィンの伝熱面積の数倍から数十倍多く取ることができる。ピンフィンと多孔質金属２２のフィン効率の差を考慮しても、伝熱面温度と冷媒液流入口温度の温度差を発熱量で除した値で定義される熱抵抗を同じする容積は、多孔質金属２２の場合は小さくでき、受熱ジャケット１０の高さを低く（厚みを薄く）することができ、受熱ジャケット１０を小型にできる。これにより、コンパクトな受熱ジャケット１０で発熱体４００は許容温度を超過することなく、冷却することができ、発熱体４００が半導体素子の場合、半導体素子の動作を確保でき、装置の信頼性を向上できる。
【００１９】
また、多孔質金属２２を薄く作る方法として、次の３種類が考えられる。（１）厚めの多孔質金属をフライスで削る、（２）３Ｄプリンターを用いて薄い多孔質金属を成形する、（３）ロウ付け時のエロージョンを利用して多孔質金属を溶融させる。このうち（３）は切削や切断を用いないので、多孔質金属の切断面がすれる、切削後の削りカスが多孔質金属の空間に入るなど、大量生産には不向き等の課題がなく（３）の製法がより好ましい。
【００２０】
ここで、金属的接合２５である多孔質金属２２と受熱板３０の接合界面には、接合用のロウ材と多孔質金属２２の溶融材で構成される。特に、多孔質金属２２がアルミニウムの場合、この金属的接合２５のロウ材部分の成分はＳｉ―Ａｌ合金がリッチになっている。また、多孔質金属２２の高さは、多孔質金属のピッチであるポアサイズ（＝多孔質金属セル数/２５（単位ｍｍ））よりも、小さい値である。
【００２１】
図４は、本発明の一実施形態である多孔質金属２２をフィンとしてモデル化し、多孔質金属２２の高さの変化に対する受熱ジャケットの熱抵抗割合である。図４の横軸は多孔質金属２２の高さ、縦軸は受熱ジャケット１０の熱抵抗割合である。多孔質金属２２をピンフィンと考えた例であり、多孔質金属２２の線径は１００μｍ、肉厚１０μｍの中空フィンである。受熱ジャケット１０の熱抵抗割合は、多孔質金属２２の高さ２ｍｍの熱抵抗比で表している。図４から、多孔質金属２２の高さが１．２ｍｍで、熱抵抗割合は最小値をとり、多孔質金属２２の高さが１．２ｍｍよりも高い場合には熱抵抗割合は若干上昇し、１．２ｍｍよりも低い場合では熱抵抗割合は急激に上昇する。これはフィンが低くなることで放熱面積が少なくなるためである。
【００２２】
以上より、多孔質金属２２の高さ４４を１．２ｍｍ程度とすることで、受熱ジャケット１０を高性能にでき、かつコンパクトにすることができる。多孔質金属２２の高さの最適値が１．２ｍｍでは、多孔質金属セル数が２０ｐｐｉ（pores per inch）（１インチ（２５．４ｍｍ）あたりのセル数）の場合、前述したポアサイズが１．２５ｍｍとなる。すなわち、多孔質金属２２のポアサイズよりも多孔質金属２２の高さの最適値が小さいことになる。この場合、多孔質金属２２を成形する際に形を成さず、そのままでは受熱ジャケット１０を製作できないことがわかる。本実施形態に係る製作方法については、図６を参照して後述する。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態であるアルミニウム合金に対するＳｉの割合と、アルミニウム合金の融点の変化図である。図５の横軸はアルミニウム合金に有するＳｉの割合、縦軸はアルミニウム合金融点である。アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が約１２％でアルミニウム合金の融点は最小値５８０℃となり、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より少なくなると、アルミニウム合金の融点は徐々に上昇し、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が８％で融点は６００℃、Ｓｉの割合が０％の純アルミニウムで融点は６６０℃となる。また、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より多くなると、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より少ない場合と同様、アルミニウム合金の融点は上昇する。しかし、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より少ない場合よりもアルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より多くなる場合の、アルミニウム合金の融点の上昇割合（グラフの傾き）は急である。したがって、アルミニウム合金に含まれるＳｉの割合が１２％より少ない側で制御することで、アルミニウム合金の融点を安定して設定することができる。
【００２４】
また、純アルミニウムとのロウ付けの場合、ロウ付け時に純アルミニウムがロウ材に溶け出す。ロウ材に含まれるＳｉの量は変わらないが、特に多孔質金属は面全体で接する受熱板の場合と異なり、無数のアルミニウム骨格とロウ材の点での接する。このため、Ｓｉが多孔質金属のアルミニウム骨格に集中し、多孔質金属を積極的に溶融させることになる。以上のことから、ロウ付け時の炉内温度を５８０℃〜６００℃の比較的低温で行うことを考えると、ロウ付け前のロウ材であるアルミニウム合金に対するＳｉの割合は８〜１２％程度（符号３８の範囲）が妥当な値である。
【００２５】
図６は、本発明の一実施形態である受熱ジャケット１０を構成する受熱板３０と多孔質金属２２をロウ付けする際の雰囲気炉を用いた場合の製造方法の一連図である。
（１）部材を準備する（図６（ａ）参照）。部材は、多孔質金属２２（例えば、５ｍｍ高さ（ｈ）もしくは厚さ、Ａ１０００番台（Ａ１０５０、融点６５７℃））、ロウ材２９（例えば、５０μｍ厚さ、Ａ４０００番台（Ａ４０４５、融点５７５℃、Ｓｉ割合が１０％程度））、受熱板３０（例えば、平板Ａ３０００番台(Ａ３００３、融点６５４℃))、雰囲気炉では高温でのアルミニウム部材表面に生成する酸化皮膜除去のため、ノコロックフラックス(水溶液)である。
（２）ロウ付け前の準備では、ノコロックフラックス３１をロウ材２９の片面、受熱板３０の片面に塗布する（図６（ｂ）参照）。
（３）ロウ付け前の固定では、上記（２）のノコロックフラックス３１塗布した受熱板３０、ノコロックフラックス３１塗布したロウ材２９、多孔質金属２２の順に重ねて設置する（図６（ｃ）参照）。
（４）ロウ付けでは、ベルト３３に上記（３）で設置した受熱板３０、ロウ材２９、多孔質金属２２の受熱ジャケット１０をベルト３３上に設置する。ベルト３３が移動３４することで、炉内温度が６００℃程度となった雰囲気炉３２を通過する（図６（ｄ）参照）。
【００２６】
この雰囲気炉３２を通過する際に、受熱板３０、ロウ材２９、多孔質金属２２の受熱ジャケット１０が炉内温度と同じ温度となり、融点の低いロウ材２９が解ける。雰囲気炉３２のため、炉内の空気からアルミニウム表面に酸化皮膜が生成される。この酸化皮膜はロウ付けを阻害するため、ノコロックフラックス３１で酸化皮膜を除去する。例えば、ロウ材２９はＡ４０００番台であり、Ｓｉを１０％含有している。ロウ材２９が溶融することで、Ｓｉが析出し、Ａ１０００番台の多孔質金属２２、Ａ３０００番台の受熱板３０へＳｉが拡散する。特に多孔質金属２２は、気孔率が９０％〜９７％程度であり、熱容量が金属固体である受熱板３０よりも小さいため、多孔質金属２２側にＳｉの拡散が大きくなる。これにより多孔質金属２２がＳｉと共晶化し、多孔質金属２２の素材であるＡ１０００番台の融点よりも低い温度、ほぼロウ材２９と同じ温度で溶融するエロージョンが生じる。これにより、多孔質金属２２はロウ材２９の界面に溶融し、多孔質金属２２の高さが徐々に低くなる。
【００２７】
一方、多孔質金属２２はＡ１０００番台のアルミニウムであり、溶融した多孔質金属２２のアルミニウムがロウ材２９に入り込むため、ロウ材２９のＳｉの割合が低下し、図５で説明したように、アルミニウム合金に対するＳｉの割合が減少すると、アルミニウム合金の融点が上昇し、炉内温度となるアルミニウム合金の融点を持つＳｉの割合で、上記エロージョンは停止する。例えば、厚さ５０μｍに占めるＳｉの割合は、ロウ材２９はＡ４０４５では１０％である。炉内温度が６００℃であれば、アルミニウム合金のＳｉの割合は８％である。前述したように多孔質金属２２とロウ材２９の界面では、無数の多孔質金属のアルミニウム骨格とロウ材の点で接する。このため、Ｓｉが多孔質金属のアルミニウム骨格に集中し、多孔質金属２２を積極的に溶融させる。多孔質金属２２の気孔率は９５％（アルミニウム充填率は５％）であれば、多孔質金属２２のアルミニウムがロウ材内のＳｉと共晶化に、多孔質金属２２とロウ材２９の界面での融点を下げる。これにより、多孔質金属２２は純アルミニウムの融点６６０℃以下の温度で溶解する。多孔質金属２２の溶解したロウ付け部では、ロウ材２９部分の成分がＳｉ−Ａｌ合金がリッチな状態になっており、ロウ材２９の厚さは多孔質金属２２が溶融したアルミニウムを含んでいるため、初期のロウ材２９の厚さより厚くなっている。
【００２８】
また、ロウ付け後の多孔質金属２２の厚さは多孔質金属２２のポアサイズより小さな値となり、多孔質金属２２の高さを低く（厚さを薄く）できる。さらに、多孔質金属の厚さを小さくする際に、多孔質金属に荷重を加え、多孔質金属を厚さ方向に潰さないため、多孔質金属の骨格形状がロウ付け前の初期の多孔質金属と同じ形状で、気孔率も変化しない。すなわち、多孔質金属を潰すことで、多孔質金属の骨格形状が密になり、気孔率が減少することで、冷媒液を受熱ジャケットに流す際に圧力損失の大幅な増加が考えられ、液冷システムのポンプでの動作流量が少なくなり、液冷システムの冷却性能の低下する懸念がある。一方、本実施形態のように、多孔質金属を溶融させる場合は、冷媒液を受熱ジャケットに流す際に圧力損失の増加はなく、液冷システム１のポンプでの動作流量も設計通りに予測でき、液冷システム１の冷却性能の低下は存在しない。
（５）ロウ付け後、受熱ジャケット１０を十分に冷却させることで、受熱ジャケット１０が完成する（図６（ｅ）参照）。
【００２９】
本実施形態の場合、多孔質金属２２のポアサイズをＤporeとすると、当初、多孔質金属２２の高さｈは、例えばＤpore×３倍を超えるものであったが（図６（ａ）参照）、ロウ付け後には、多孔質金属２２の高さｈは、Ｄpore未満になっていることが特徴である（図６（ｅ）参照）。
【００３０】
次に、多孔質金属の製法の一例を説明する。
［基体］
基体は、三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連結する気孔が形成される三次元網目状構造体を用いる。この基体は骨格表面にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させて担持するものであり、加熱されて分解、消失すべきものであることから、樹脂により構成される。具体的には、基体としてポリウレタンフォームが最も一般的に用いられるが、他にシリコーン樹脂、ポリエステル樹脂のフォームなどを用いることができる。
【００３１】
［アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末］
基体の樹脂骨格に付着させる粉末は、熱伝導率および比重のバランスよりアルミニウム粉末を用いるが、アルミニウム粉末に替えて、アルミニウムを強化する成分を予め合金化したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。例えば、ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を予合金化したアルミニウム合金粉末を用いた場合は、アルミニウム系多孔質体の骨格がアルミニウム合金で形成され、アルミニウム系多孔質体の強度を向上させることができる。ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を添加することにより、熱伝導率はＡｌ単体の場合よりも低下するが、ベース金属がＡｌであるため、充分に高い熱伝導率を維持することができる。アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は、一般的なもの、すなわち表面に１０Å程度の酸化被膜（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）を有するものを用いる。
【００３２】
基体の樹脂骨格に付着させるアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、細い基体の樹脂骨格表面に密に付着できることから微細なものが好ましい。粉末が大きくなると基体の樹脂骨格表面に密に付着させることが難しくなるとともに、粉末の質量が増加することにより、基体の樹脂骨格表面に付着し難く、脱落し易くなる。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が５０μｍ以下であるとともに、粒径が１００μｍを超える粉末を含まないものであることが好ましい。ただし、Ａｌは活性な金属であるため、あまりに微細な粉末は取扱いが難しくなる。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が１μｍ以上のものを用いることが好ましい。
【００３３】
［付着工程］
基体の樹脂骨格へアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させるにあたっては、従来から行われている各種方法を適用することができる。以下に代表的な方法を記載する
（１）湿式法
アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を分散媒中に分散させた分散液を作成し、この分散液中に基体を浸漬した後、基体を乾燥させる方法である。分散媒としては、アルコール等の揮発性を有する液体や水を溶媒とし、これに結着剤を溶解した液を用いることができる。この場合、粉末が沈降しないよう分散媒に分散剤を添加してもよい。また、分散媒としては、フェノール樹脂等の高分子有機物の溶液を用いてもよい。
（２）乾式法
基体表面にアクリル系、ゴム系等の粘着剤溶液またはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等接着性の樹脂溶液を塗布することにより粘着性を付与し、粉体中で基体を揺動させるか、あるいは基体に粉体をスプレイする等の方法により、骨格表面に粉体を被着させる方法である。
【００３４】
［加熱工程］
骨格表面にアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を付着させた基体は、非酸化性雰囲気中で、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末の融点以上に加熱される。この融点までの昇温過程で樹脂製の基体は分解し除去されて消失する。
【００３５】
加熱温度がアルミニウム（融点：６６０．４℃）もしくはアルミニウム合金の融点を超えると、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末が内部で溶融する。すなわち、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面は酸化被膜（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）で覆われており、アルミナの融点は２０７２℃と高いためアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜が溶融せず、これらの粉末の内部が溶融する。このようにして内部で溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金は、粉末の表面の酸化被膜を破って粉末表面に濡れて覆うとともに、各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合い結合する。このとき粉末表面に形成されていた酸化被膜が代用骨格となり、骨格の形状を維持するとともに、互いに結合した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金の表面張力により骨格表面は比較的滑らかとなりネック部が消失して連続する金属表面となる。
【００３６】
一方、加熱温度がアルミニウム若しくはアルミニウム合金の融点未満の場合には、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の表面に形成された強固な酸化被膜がバリヤとなって、アルミニウム粉末どうし、またはアルミニウム合金粉末どうしの拡散による接合を阻害して焼結が進行しない。
【００３７】
加熱工程における雰囲気が大気等の酸化性の雰囲気であると、粉末表面の酸化被膜を破って露出した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が直ちに酸化され、粉末表面に濡れて覆い、各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合うことが阻止され、粉末どうしの結合が阻害される。このため、加熱工程における雰囲気は窒素ガス、不活性ガス等の非酸化性の雰囲気とすることが望ましい。なお、上記の加熱工程は、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜を除去することは目的ではないため、水素ガスもしくは水素混合ガス等の還元性の雰囲気である必要はないが、還元性の雰囲気は非酸化性の雰囲気であるため、還元性の雰囲気としてもよい。また、圧力が１０−３Ｐａ以下の減圧雰囲気（真空雰囲気）としてもよい。
【００３８】
なお、加熱温度は基体に付着させたアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の融点を超える温度であれば粉末を溶融できるが、融点を大きく超える温度で加熱するとその分余分なエネルギーが必要となるとともに、溶融したアルミニウムもしくはアルミニウム合金の粘度が低下して型崩れが生じ易くなることから、加熱温度は融点＋１００℃までとすることが好ましい。
【００３９】
前記の製造方法によって製造したアルミニウム系多孔質体の三次元網目状構造は、樹脂製基体の三次元網目状構造がそのまま維持されたものとなる。したがって、樹脂製基体の三次元網目状構造を変更することで、アルミニウム系多孔質体の三次元網目状構造を変更することができ、アルミニウム系多孔質体全体の気孔率、気孔の大きさを所望のものに調整することが可能である。具体的には、気孔率は８５〜９５％のものとすることができ、気孔の大きさは３０〜４０００μｍのものとすることができ、６〜８０ｐｐｉ（セル数／２５．４ｍｍ）の多孔質体を容易に製造することができる。
【００４０】
なお、アルミニウム合金によりアルミニウム系多孔質体を構成する場合において、原料粉末としてＡｌと共晶液相を発生する成分（Ｃｕ、Ｍｇ等）を単味粉末あるいはアルミニウム合金粉末として、アルミニウム粉末に添加したアルミニウム系混合粉末を用い、三次元網目状構造を有する樹脂製の基体の表面にアルミニウム系混合粉末を付着させ、共晶液相が発生する温度で焼結を行う方法が考えられるが、この方法では、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が不均一となるとともに、骨格内部にアルミニウムの酸化物が分散せず、所望の強度を得ることが難しい。
【００４１】
これに対して、前述のように予め成分元素をＡｌ中に合金化させたアルミニウム予合金粉末を用いることにより、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が均一となる。また、製法に起因するアルミニウムの酸化物が骨格内部に分散する。このため、アルミニウム系混合粉末を用いて共晶液相により焼結する方法に比して、高い強度を得ることができる。
【００４２】
また、前記加熱工程時に、多孔質金属に比較的高速なガスを吹き付けや、遠心力や多孔質金属自身の自重により、金属形状の前面部を曲面に、後面部を長細い形状に変化させることができる。
【００４３】
なお、前述の製法以外の鋳型等の製法においても、スポンジ状で金属と空間から成る多孔質金属を生成できる。
【００４４】
図７は、本発明の実施形態である受熱ジャケット１０を構成する受熱板３０と多孔質金属２２をロウ付けする際の真空炉を用いた場合の製造方法の一連図である。図６の実施例と異なる箇所のみを説明する。
（１）部材の準備では、真空炉を用いるため、高温でのアルミニウム部材表面に生成する酸化皮膜除去のためのノコロックフラックス(水溶液)は不要であり、ロウ付け前の準備では、ノコロックフラックスをロウ材２９の片面、受熱板３０の片面に塗布する必要はない（図７（ａ）参照）。
（２）ロウ付け前の固定では、受熱板３０、ロウ材２９、多孔質金属２２の順に重ねて設置する（図７（ｂ）参照）。
（３）ロウ付けでは、真空炉３５に（２）で重ねた受熱板３０、ロウ材２９、多孔質金属２２の受熱ジャケット１０を設置する（図７（ｃ）参照）。真空炉３５の炉内温度が６００℃程度で、受熱板３０、ロウ材２９、多孔質金属２２の受熱ジャケットも同じ温度となる。融点の低いロウ材２９が解ける。真空炉３５では空気が存在しないため、酸化皮膜が生成されない。
（４）ロウ付け後、受熱ジャケット１０を十分に冷却させることで、受熱ジャケット１０が完成する（図７（ｄ）参照）。
【００４５】
図８は、本発明の実施形態である水冷ジャケットの例であり、（ａ）はロウ付け後の多孔質金属２２を搭載した受熱板３０周りの側面図であり、（ｂ）はその拡大図である。受熱ジャケット１０は、図６、図７で説明した製造方法で製作され、多孔質金属２２は受熱板３０に金属的接合（ロウ付け）２５される。この受熱ジャケット１０のロウ材部の詳細３９を観察するために、拡大図を図８（ｂ）に示す。
【００４６】
ロウ材部の詳細３９では、ロウ付け後の多孔質金属２２の厚さ４０（高さｈ）は、多孔質金属２２のポアサイズ４２より小さな値である。ロウ付け後のロウ材の厚さ４１は前述の通り、ロウ付け前のロウ材の厚さより大きな値である。これは多孔質金属２２がロウ材に含まれるＳｉと共晶化し、多孔質金属２２の素材であるアルミニウムよりも低融点で溶融し、ロウ材に解け込むためである。また、多孔質金属２２の骨格が接するロウ材近傍では、Ｓｉ−Ａｌ合金がリッチ４３となる。さらに、ロウ付け後の多孔質金属２２の骨格の形状は、ロウ付け前の多孔質金属２２の骨格の形状と同じであり、多孔質金属２２の厚さ方向に荷重を加えて多孔質金属２２を変形させて、多孔質金属の高さを低くした構造でないことがわかる。これにより、多孔質金属２２の骨格形状が密になり、気孔率が減少することがなく、冷媒液を受熱ジャケット１０に流す際に圧力損失の増加はなく、液冷システム１のポンプ２００での動作流量も設計通りに予測でき、液冷システム１の冷却性能の低下は存在しない。
【００４７】
図９は、本発明の他の一実施形態であるパワーモジュールの代表例として、半導体素子の熱を受熱ジャケット１０に伝熱する液冷システムの受熱ジャケット断面図であり、受熱ジャケット１０はＯリング２７により封止された場合である。パワーモジュールはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイス４０２を絶縁基板１００１に半田などで接合したものであり、自動車や鉄道車両等の走行制御用に用いられ、搭載される。このパワーデバイス４０２の熱を輸送する際に、液冷システム１が用いられる。この液冷システム１の中の受熱ジャケット１０がパワーモジュールに熱伝導性グリス５００を介して接続される。受熱ジャケット１０の内部には多孔質金属２２が搭載され、外壁２６はＯリング２７と固定ねじ２８で受熱ジャケット１０として一体化される。冷媒液流入口、冷媒液流出口は記載していないが、冷媒液が冷媒液流入口から受熱ジャケット１０へ流入し、冷媒液流出口から流出する。以上から、パワーデバイス４０２の熱を小型の受熱ジャケット１０の多孔質金属２２に伝え、冷媒液により熱輸送できる。これにより、パワーデバイス４０２の許容温度を超過することなく、冷却することができ、パワーデバイス４０２の動作を確保でき、装置の信頼性を向上できる。
【００４８】
図１０は、本発明の多孔質金属２２を利用した液冷システム１が適用される電子装置について、内部構造の一例としてその蓋体を外した状態を示す斜視図である。図１１は、図１０のサーバ筐体内の液冷システム１の配置状態を説明するための上面図である。
【００４９】
一般に、そのメンテナンス性を考慮して、例えば、一方の面（本例では図の右側に示す前面側）に複数（本例では３個）の大容量の記録装置であるハードディスクドライブ５１が設けられており、その後方には、やはり筐体内で発熱源となるこれらのハードディスクドライブを空冷するための複数（本例では４個）の冷却ファン７１０が取り付けられている。そして、サーバ筐体５の他方の面との間（すなわち、後方の空間には、やはり冷却ファン７１１と共に、電源や通信手段のインターフェイスであるＬＡＮ等を収納したブロック５４が設けられており、さらに、その残りの空間には、その表面に複数の発熱源である半導体素子を搭載した回路基板１０００が配置されている。液冷システム１は前述したように小型の受熱ジャケット１０、ラジエータ１６０、ポンプ２００、およびそれらを繋ぐ配管３００で構成されている。複数の発熱源である半導体素子は小型の受熱ジャケット１０に熱伝導性グリス５００を介して取り付けられる。半導体素子の熱を小型の受熱ジャケット１０から冷媒液でラジエータ１６０まで伝え、ラジエータ１６０から冷却ファン７１０により空気に伝え、サーバ筐体５から大気へ放出する。
【００５０】
２個の半導体素子４０３には、前述した本発明の液冷システム１が２セット設けられている。すなわち、２組の半導体素子４０３の表面には、その間に塗布した熱伝導性グリス５００を介して前記受熱ジャケット１０の底面、側面に接続させており、良好な熱的接合を確保している。さらに、液冷システム１を構成するラジエータ１６０が、ハードディスクドライブ５１を空冷するための４個の冷却ファン７１０の背後に配置されている。すなわち、液冷システム１を構成するラジエータ１６０が、冷却ファン７１０によって外部から供給される空気（冷却風）の通路に沿って並んで配置されている。すなわち、ラジエータ３２０が、冷却ファン７１０の列に平行に並んで取り付けられている。
【００５１】
このように、前述した電子装置の構造では、そのサーバ筐体５内に組み込まれる他の装置の冷却手段である冷却ファン７１０を、本発明の液冷システム１を構成するラジエータ１６０の冷却手段（冷却ファン）として利用（または、共用）している。このことによれば、筐体内の発熱源である半導体素子４０３を、専用の冷却ファンを有することなく、換言すれば、比較的簡単で安価であり、かつ、効率的かつ確実に冷却することが可能となる。また、本発明の液冷システム１を利用することによれば、熱交換効率が比較的高く、かつ、その比較的簡単な構造によって、高密度実装が要求されるサーバなどの電子装置においても、自由度の高い配置が可能となる。
【００５２】
また、液冷システム１を構成するラジエータ１６０は、複数の冷却ファン７１０の排気面を覆うように配置されている。なお、かかる構成によれば、いずれかの冷却ファン７１０が故障により停止しても、残りの冷却ファン７１０により生ずる冷却風によりラジエータ１６０の冷却が継続され、すなわち、冗長性を確保することが出来ることから、電子装置の冷却システムの構造として好適である。ラジエータ１６０に対向する面積が小さい冷却ファン７１０の側に寄せることにすれば、いずれかの冷却ファン７１０の故障による停止に対し、さらに、その冗長性を向上することができる。以上より高信頼な電子機器装置システムを提供できる。
【００５３】
本実施形態では、例えば、図３の構成によって、発熱体４００に熱伝導性グリス５００等を介して、熱的に接している外壁２６である受熱板３０と、多孔質金属２２を金属的接合２５（例えばロウ付け）し、多孔質金属２２と受熱板３０である固体金属の界面がロウ材と多孔質金属２２の溶融材とすることで、受熱板３０と多孔質金属２２の伝熱を良好にできる。また、ロウ付け後の多孔質金属２２の形状や気孔率をロウ付け前の多孔質金属２２と同じ形状を保持し、多孔質金属２２の高さは、多孔質金属２２のピッチであるポアサイズより低い高さにすることで、受熱ジャケット１０を小型にでき、液冷システムのコンパクト化が可能となる。
【００５４】
図３では、受熱板３０が１つの場合について説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、受熱板３０が複数の場合について、図１２、図１３を参照して説明する。
【００５５】
図１２は、受熱板が複数の場合の受熱ジャケット１０Ａの断面図である。図３と同一機能については、同一符号を付して説明を省略する。受熱ジャケット１０Ａは、受熱板３０が図の上下に２つ有しており、各受熱板３０は、多孔質金属２２と金属的接合２５（例えばロウ付け）し、多孔質金属２２と受熱板３０である固体金属の界面がロウ材と多孔質金属の溶融材とすることで、受熱板３０と多孔質金属２２の伝熱を良好にできる。
【００５６】
図１３は、３相分の半導体モジュールに本実施形態の受熱ジャケット１０，１０Ａを適用した例を示す説明図である。図１３に示す半導体モジュールの発熱体４００ａ，４００ｂ，４００ｃは、対向する両面に冷却面を有している。３相分の半導体モジュールを効率よく冷却するために、図の左右端には図３の受熱ジャケット１０を配置し、中央部には図１３の受熱ジャケット１０Ａを配置した。これにより、発熱体４００ａは、受熱ジャケット１０，１０Ａで冷却できる。発熱体４００ｂは、受熱ジャケット１０Ａ，１０Ａで冷却できる。発熱体４００ｃは、受熱ジャケット１０Ａ，１０で冷却できる。図１３の実施形態によれば、３相分の半導体モジュールを効率よく冷却することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１    液冷システム
５    サーバ筐体
１０    受熱ジャケット
２０    微細線材
２１    空洞部
２２    多孔質金属
２３    冷媒液流入口
２４    冷媒液流出口
２５    金属的接合（ロウ付け）
２６    外壁
２７    Ｏリング
２８    固定ねじ
２９    ロウ材
３０    受熱板
３１    ノコロックフラックス
３２    雰囲気炉
３３    ベルト
３４    移動
３５    真空炉
３８    ロウ付け前のロウ材であるアルミニウム合金に対するＳｉの割合
３９    ロウ材部の詳細
４０    ロウ付け後の多孔質金属の厚さ
４１    ロウ付け後のロウ材の厚さ
４２    真空炉
４３    Ｓｉ−Ａｌ合金がリッチ
５１    ハードディスクドライブ
５４    ＬＡＮを収納したブロック
１００    冷媒液
１１０    空気
１６０    ラジエータ
１６１    扁平管
１６２    ヘッダ
１６３    放熱フィン
２００    ポンプ
３００    配管
４００    発熱体（冷却対象物）
４０２    パワーデバイス
４０３    半導体素子
５００    熱伝導性グリス
７１０，７１１    冷却ファン
１０００    回路基板
１００１    絶縁基板
【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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