(57)【要約】【課題】製造コストが安くできる沸騰冷却装置及びその装置の製造方法を実現する。【解決手段】内部にウィック１５が設置されるとともに、液相の冷媒が貯留され、外表面に発熱体３０が取り付けられる冷媒槽本体１０と、発熱体３０の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽本体１０に戻す放熱部２０とを備える沸騰冷却装置において、ウィック１５は、外表面に発熱体３０が固定される冷媒槽本体１０のベースプレート１２の内面に配設され、かつ多孔質樹脂部材に金属メッキで形成された金属多孔質体よりなる。これにより、製造コストが安くできる。【選択図】図１
2008116180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にウィック（１５）が設置されるとともに、液相の冷媒が貯留され、外表面に発熱体（３０）が取り付けられる冷媒槽本体（１０）と、前記発熱体（３０）の熱によって沸騰した前記冷媒を冷却して凝縮させた後に前記冷媒槽本体（１０）に戻す放熱部（２０）とを備える沸騰冷却装置において、
前記ウィック（１５）は、外表面に前記発熱体（３０）が固定される前記冷媒槽本体（１０）のベースプレート（１２）の内面に配設され、かつ多孔質樹脂部材に金属メッキで形成された金属多孔質体よりなることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記ウィック（１５）は、金属メッキ処理後に、前記金属多孔質体の一部または全部の気孔が板厚方向に圧縮されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の前記ベースプレート（１２）に前記ウィック（１５）を配設する沸騰冷却装置の製造方法にあって、
前記ベースプレート（１２）の内面に多孔質樹脂部材を圧接するように配置し、その多孔質樹脂部材に所定の金属元素を含む無電解メッキ液を流して金属多孔質体からなる前記ウィック（１５）を形成するメッキ形成工程と、
必要に応じて前記メッキ形成工程で形成された前記ウィック（１５）の一部または全部の気孔を板厚方向に圧縮加工するプレス加工工程とを有することを特徴とする沸騰冷却装置の製造方法。
【請求項４】
前記プレス加工工程は、前記ウィック（１５）が前記ベースプレート（１２）に一体的に接合された形態でプレス加工が可能であることを特徴とする請求項３に記載の沸騰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、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置及びその装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の沸騰冷却装置として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。すなわち、液相の冷媒槽内に配設されるウィックを銅粉に発泡物質を分散させて平板状に焼成成形による発泡金属体で形成していた。その発泡金属体からなるウィックは気孔径が１００μ以下で、かつ空隙率が８０％以上となるように形成している。
【０００３】
そして、発泡金属体からなるウィックを発熱体の対向する側となるベースプレートの内面に接合によって配設している。これにより、ウィック内部での核沸騰が促進され、かつ蒸気が抜け易くなることで、ウィックの熱抵抗が小さくなって沸騰冷却装置の熱伝達率の向上が図れる。
【特許文献１】特開２００６−１７７５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１によれば、発泡金属体からなるウィックは、発泡物質を焼成させる際に大きく収縮するためベースプレート上に発泡金属体を一体的に形成することが困難である。換言すると、ウィックは別工程で所定の形状の発泡金属体を形成し、その発泡体をベースプレートの内面に、例えば、拡散接合などで接合する必要があった。
【０００５】
従って、ベースプレート上にウィックを配設するためには、少なくとも発泡金属体を形成する形成工程と、ベースプレート上にウィックを接合する接合工程とが必要である。また、発泡金属体は所定の気孔径または空隙率を得るために、銅粉の粒径、純度、形状など十分な寸法管理が必要となるため価格が高い問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、製造コストが安くできる沸騰冷却装置及びその装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、内部にウィック（１５）が設置されるとともに、液相の冷媒が貯留され、外表面に発熱体（３０）が取り付けられる冷媒槽本体（１０）と、発熱体（３０）の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽本体（１０）に戻す放熱部（２０）とを備える沸騰冷却装置において、
ウィック（１５）は、外表面に発熱体（３０）が固定される冷媒槽本体（１０）のベースプレート（１２）の内面に配設され、かつ多孔質樹脂部材に金属メッキで形成された金属多孔質体よりなることを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、発泡物質を焼成させる発泡金属体よりも金属メッキで形成された金属多孔質体のほうがより製造コストの低減が図れる。また、金属多孔質体の形成と、その金属多孔質体のベースプレート（１２）への接合が金属メッキで形成できることで製造コストの低減が図れる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、ウィック（１５）は、金属メッキ処理後に、金属多孔質体の一部または全部の気孔が板厚方向に圧縮されるように構成したことを特徴としている。この発明によれば、金属メッキ処理後に気孔の形状を圧縮により潰すことができるため、メッキ処理時には多孔質樹脂部材の内部まで満遍なくメッキ材を浸透させることができる。
【００１０】
また、金属多孔質体の一部または全部の気孔を潰すことで気孔が偏平状に潰されることで気孔が狭くなり毛細管効果が得られる。言い換えると、冷媒槽本体（１０）に貯留される液相冷媒を毛細管現象により上方に吸い上げる効果がある。さらに、金属メッキ処理後において多孔質体の毛細管効果の調節が容易にできる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のベースプレート（１２）にウィック（１５）を配設する沸騰冷却装置の製造方法にあって、
ベースプレート（１２）の内面に多孔質樹脂部材を圧接するように配置し、その多孔質樹脂部材に所定の金属元素を含む無電解メッキ液を流して金属多孔質体からなるウィック（１５）を形成するメッキ形成工程と、必要に応じてメッキ形成工程で形成されたウィック（１５）の一部または全部の気孔を板厚方向に圧縮加工するプレス加工工程とを有することを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、発泡物質を焼成させる発泡金属体よりも金属メッキで形成された金属多孔質体の方がより製造コストの低減が図れる。また、メッキ形成工程は、金属多孔質体の形成と、その金属多孔質体のベースプレート（１２）への接合が金属メッキによる一工程で形成できることで製造コストの低減が図れる。
【００１３】
さらに、メッキ処理時には、気孔が変形される前であるため多孔質樹脂部材の内部まで満遍なくメッキ材を浸透させることができる。しかも、プレス加工工程では金属メッキ処理後において多孔質体の毛細管効果の調節が容易にできる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、プレス加工工程は、ウィック（１５）がベースプレート（１２）に一体的に接合された形態でプレス加工が可能であることを特徴としている。この発明によれば、毛細管効果を得るための圧縮加工が容易に行うことができる。また、気孔が偏平状に変形された箇所を連続的に繋ぐように形成することができる。
【００１５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における沸騰冷却装置１を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施形態における沸騰冷却装置１の全体構成を示す部分縦断面図であり、図２は図１に示すＡ矢視図である。
【００１７】
本実施形態の沸騰冷却装置１は、図１に示すように、半導体素子等の発熱体３０を冷却する装置であって、内部に液相の冷媒を貯留するとともに、外表面に発熱体３０が取り付けられる冷媒槽本体１０と、発熱体３０の熱によって沸騰した冷媒を冷却して凝縮させた後に冷媒槽本体１０に戻す放熱部２０とを備えている。
【００１８】
冷媒槽本体１０は、カバープレート１１とベースプレート１２とが接合されて、液相の冷媒が貯留される空間１３が内部に形成された最中状もしくは偏平箱状に形成された密閉の容器と成っている。カバープレート１１およびベースプレート１２は銅材もしくはアルミニュウム材からなり、ベースプレート１２は平板の矩形状に形成している。
【００１９】
カバープレート１１は、外周に平板状の鍔部（図示せず）が形成されたなべ蓋状に形成された蓋であって、鍔部（図示せず）をベースプレート１２に接合することで空間１３が内部に形成される。また、カバープレート１１には、空間１３が放熱部２０に設けられた後述するチューブ２１の内部と連通するように複数の連通チューブ１６、１７が設けられている。さらに、ベースプレート１２の内面には、ウィック１５が設けられている。連通チューブ１６、１７およびウィック１５については後述する。
【００２０】
放熱部２０は、図２に示すように、冷媒槽本体１０の空気流れ前方側に配置され、その放熱部２０の前方から図示しない送風機により空気が送風されて偏平チューブ２１の内部を流れる冷媒と空気とを熱交換する熱交換器である。放熱部２０は内部を冷媒が流れる複数（本例では４列）の偏平チューブ２１、複数の波型に形成されたフィン２２、サイドプレート２３から構成される。
【００２１】
偏平チューブ２１、フィン２２およびサイドプレート２３は銅材もしくはアルミニュウム材からなり、連通チューブ１６、１７一体および冷媒槽本体１０を含めて一体ろー付けにより接合されている。
【００２２】
偏平チューブ２１とフィン２２は幅方向に交互に積層され、左右の最も側面側に配置されるフィン２２の外方に強度部材としてのサイドプレートが設けられている。偏平チューブ２１は偏平状に形成されたチューブであって、その長手方向両端は図示しない閉塞部材が設けられている。
【００２３】
また、偏平チューブ２１のそれぞれには、その長手方向の上方および下方に、上述した連通チューブ１６、１７の一端が接合されている。これにより、連通チューブ１６、１７の他端が冷媒槽本体１０の内部に連通しているので、偏平チューブ２１のそれぞれの内部は、連通チューブ１６、１７を介して冷媒槽本体１０の内部と連通している。
【００２４】
ここで、連通チューブ１６、１７は、銅材もしくはアルミニュウム材からなり、偏平チューブ２１の偏平幅よりも小さい幅の偏平状に形成されている。これにより、冷媒槽本体１０の底部に貯留された液相の冷媒がウィック１５によって上方に吸い上げられ、吸い上げられた冷媒が発熱体３０からの熱を受熱することで冷媒を蒸発させる。
【００２５】
そして、蒸発された冷媒がウィック１５によって拡散され、拡散された冷媒蒸気が放熱部２０側へ流れる。そして、放熱部２０側へ流れた冷媒がフィン２２によって凝縮されて偏平チューブ２１の下方に液相冷媒が流れる冷媒通路が形成される。ここで、下方に配置された連通チューブ１７は液相冷媒の連通路であり、上方に配置された連通チューブ１６は冷媒蒸気の連通路である。
【００２６】
ところで、冷媒槽本体１０の内部に設けられるウィック１５は、図１に示すように、ベースプレート１２の外表面に取り付けられる発熱体３０とベースプレート１２を挟むように配置される。ここで、発熱体３０は図示しない締結部材により、ベースプレート１２に押し付けられた状態で冷媒槽本体１０の外表面に固定される。
【００２７】
また、ウィック１５は、図１および図５に示すように、全体形状を略矩形状に形成し、その上方端が発熱体３０の上方端と同一高さになるように配置され、下方端が冷媒槽本体１０の底部に達するように配置されている。ここで、本実施形態のウィック１５は、沸騰冷却装置１全体を一体ろー付けする前に、ベースプレート１２の内面に設けられている。
【００２８】
次に、ベースプレート１２にウィック１５を配設するときの製造方法を図３乃至図５に基づいて説明する。図３はベースプレート１２にウィック１５を配設する製造工程の手順を示すブロック図である。図４は（ａ）ないし（ｄ）は各製造工程における作業方法を説明する説明図である。図５は図１に示すＢ−Ｂ断面図である。
【００２９】
本実施形態では、ウィック１５は、ベースプレート１２上にスポンジ状のウレタン等からなる多孔質樹脂部材１５を配置して、その多孔質樹脂部材１５に金属メッキ処理を施して金属多孔質体を形成している。つまり、図３に示すように、ステップＳ１０に示す配置工程、ステップＳ１１に示すメッキ工程、およびステップＳ１２に示すプレス加工工程からなっている。
【００３０】
ステップＳ１０の配置工程では、図４（ａ）に示すように、ベースプレート１２の上に、スポンジ状のウレタン等からなる多孔質樹脂部材１５を配置する。ここで、多孔質樹脂部材１５は気孔の形状が略丸状の格子構造に形成されている。例えば、気孔径が１００μｍ以下で空隙率８０％以上の格子構造が望ましい。
【００３１】
また、図中に示す符号１２ａはリブであって、多孔質樹脂部材１５を所定の箇所に位置決めをするための打ち出し部であるとともに、多孔質樹脂部材１５がリブ１２ａの外方にはみ出すことを防止するストッパーである。
【００３２】
ステップＳ１１のメッキ工程では、図４（ｂ）に示すように、メッキ液を図中に示す矢印の方向に流して多孔質樹脂部材１５の内部に浸透させる。ここで、メッキ液は、所定の金属元素（例えば、銅、もしくアルミニュウムなど）を含む無電解メッキ液である。これにより、多孔質樹脂部材１５の表面および内部にメッキ液が浸透することで金属多孔質体の金属メッキが形成される。
【００３３】
しかも、このときに、ベースプレート１２と多孔質樹脂部材１５との界面にもメッキ層が形成されることで、多孔質樹脂部材１５がベースプレート１２に固定できる。つまり、このメッキ工程において、金属多孔質体の形成とベースプレート１２にウィック１５を固定することができる。
【００３４】
ステップＳ１２のプレス加工工程では、メッキ処理されたウィック１５をプレス加工することで気孔径を変形させることができる。本実施形態では、ウィック１５の一部をプレス加工により圧縮させて気孔の形状を略丸状から偏平状もしくは略楕円状に変形している。
【００３５】
より具体的には、図４（ｃ）に示すように、メッキ処理されたウィック１５の上方にプレス加工機の上型を配置して圧縮加工を行うと、図４（ｄ）に示すように、ウィック１５の全体形状が凹凸状に形成される。そして、凸部１５ａにおいては、初期状態の気孔が略丸状の形状で維持されており、凹部１５ｂにおいては、圧縮加工により気孔が板厚方向に潰されて略楕円状もしくは偏平状に変形される。これにより、圧縮加工を行った凹部１５ｂは凸部１５ａよりも気孔径が狭まることになる。
【００３６】
そこで、本実施形態のウィック１５は、図５に示すように、冷媒槽本体１０の幅方向に対して、凸部１５ａと凹部１５ｂとが交互に並ぶように加工されている。従って、ウィック１５を冷媒槽本体１０の空間１３内に配置することで、冷媒槽本体１０の下方に溜まった液相冷媒が毛細管力によりウィック１５内を上方に吸い上げられる。
【００３７】
この際に、気孔が圧縮された凹部１５ｂの方が凸部１５ａよりも毛細管効果が得られる。つまり、凹部１５ｂの方が凸部１５ａよりも上方に液相冷媒をより多く吸い上げることができる。
【００３８】
また、上方に位置する凸部１５ａにおいては、上述したように気孔径が１００μｍ以下で空隙率８０％以上の格子構造であって、凹部１５ｂよりも気孔径が大きいため発熱体３０により沸騰気化（蒸発）された気相冷媒が抜け易くやっている。つまり、発熱体３０から伝熱された熱が凸部１５ａにおいて、核沸騰が促進されるとともに、気孔径が凹部１５ｂよりも大きいため沸騰気化（蒸発）された気相冷媒が抜け易くなって熱抵抗を小さくすることができる。。
【００３９】
そして、プレス加工されたウィック１５がベースプレート１２に配設された状態でカバープレート１１を組み合わせて冷媒槽本体１０を構成し、放熱部２０、連通チューブ１６、１７を含めて、各部材間で接合される部位に施されたろう材により一体ろう付けされる。
【００４０】
これにより、沸騰冷却装置１が一体的に形成できる。沸騰冷却装置１内には、図示しない封入口が冷媒槽本体１０に形成され、この封入口より空間１３内を真空引きした後に、所定量の冷媒が封入されて飽和状態に保たれている。冷媒には、本実施形態では水を封入させたが、これに限らず、水のほかにアルコール、フロロカーボン、フロンなどを用いても良い。発熱体３０は図示しない締結部材により、ベースプレート１２に押し付けられた状態でベースプレート１２の外表面に固定される。
【００４１】
次に、上記構成による沸騰冷却装置１の作動を説明する。まず、空間１３内に配設されたウィック１５には、空間１３内の下方に貯留された液相冷媒が吸い上げられて浸透している。発熱体３０が作動することで、発熱体３０で発生した熱はベースプレート１２を介してウィック１５に熱伝達される。
【００４２】
ウィック１５内の液相冷媒は発熱体３０の熱によって沸騰気化（蒸発）する。蒸発された気相冷媒は上方に配置された連通チューブ１６を介して偏平チューブ２１に向かって流れる。偏平チューブ２１を流れる液相冷媒はフィン２２によって冷却されて凝縮する。凝縮された冷媒は偏平チューブ２１内を下降する。そして、下方に配置された連通チューブ１７を介して空間１３内の下方に還流される。
【００４３】
つまり、空間１３内の下方に貯留された液相冷媒が、ウィック１５の上方で沸騰気化（蒸発）して、上方に配置された連通チューブ１６→偏平チューブ２１内で冷却により凝縮され→下方に配置された連通チューブ１７→空間１３内に戻される。
【００４４】
このように、発熱体３０で発生した熱は、冷媒に伝熱されて放熱部２０に輸送され、この放熱部２０で気相冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、フィン２２を介して外気に放熱され、これにより、発熱体３０が冷却される。
【００４５】
この際に、ウィック１５においては、凸部１５ａと凹部１５ｂとを連続的に形成することで、ウィック１５の上方側に形成された凸部１５ａ内部での核沸騰が促進できるとともに、気孔径が凹部１５ｂよりも大きいため沸騰気化（蒸発）された気相冷媒が抜け易くなって熱抵抗が小さくなる。これにより、沸騰冷却装置１の熱伝達率が向上する。また、凹部１５ｂにおいては、毛細管力により保水力が増加することで、ウィック１５の上方側に吸い上げる液相冷媒の供給が容易にできる。
【００４６】
以上の第１実施形態の沸騰冷却装置１によれば、ウィック１５は、外表面に発熱体３０が固定される冷媒槽本体１０のベースプレート１２の内面に配設され、かつ多孔質樹脂部材１５に金属メッキで形成された金属多孔質体よりなることにより、従来の発泡物質を焼成させる発泡金属体よりも金属メッキで形成された金属多孔質体のほうがより製造コストの低減が図れる。また、金属多孔質体の形成と、その金属多孔質体のベースプレート１２への接合が金属メッキで形成できることで製造コストの低減が図れる。
【００４７】
また、ウィック１５は、金属メッキ処理後に、金属多孔質体の一部の気孔が板厚方向に圧縮されるように構成したことにより、金属メッキ処理後に気孔の形状を圧縮により潰すことができるため、メッキ処理時には多孔質樹脂部材の内部まで満遍なくメッキ材を浸透させることができる。
【００４８】
また、金属多孔質体の一部の気孔を潰すことで気孔が偏平状に潰されることで気孔が狭くなり毛細管力による     保水効果が得られる。言い換えると、冷媒槽本体１０に貯留される液相冷媒を毛細管現象により上方に吸い上げる効果がある。さらに、金属メッキ処理後において多孔質体の毛細管効果の調節が容易にできる。
【００４９】
また、ウィック１５をベースプレート１２上に配設する製造工程を、ベースプレート１２の内面に多孔質樹脂部材を圧接するように配置し、その多孔質樹脂部材に所定の金属元素を含む無電解メッキ液を流して金属多孔質体からなるウィック１５を形成するメッキ形成工程と、必要に応じてメッキ形成工程で形成されたウィック１５の一部の気孔を板厚方向に圧縮加工するプレス加工工程とを有している。
【００５０】
これにより、従来の発泡物質を焼成させる発泡金属体よりも金属メッキで形成された金属多孔質体の方がより製造コストの低減が図れる。また、メッキ形成工程は、金属多孔質体の形成と、その金属多孔質体のベースプレート１２への接合が金属メッキによる一工程で形成できることで製造コストの低減が図れる。
【００５１】
さらに、メッキ処理時には、気孔が変形される前であるため多孔質樹脂部材の内部まで満遍なくメッキ材を浸透させることができる。しかも、プレス加工工程では金属メッキ処理後において多孔質体の毛細管効果の調節が容易にできる。
【００５２】
また、プレス加工工程では、ウィック１５がベースプレート１２に一体的に接合された形態でプレス加工が可能であることにより、毛細管効果を得るための圧縮加工が容易に行うことができる。また、気孔が偏平状に変形された箇所を連続的に繋ぐように形成することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、ウィック１５を冷媒槽本体１０の幅方向に対して、凸部１５ａと凹部１５ｂとが交互に並ぶように配置するように形成したが、これに限らず、図６に示すように、ウィック１５の上方側を凸部１５ａと凹部１５ｂとが交互に並ぶように形成し、ウィック１５の下方側を凹部１５ｂで形成しても良い。
【００５４】
これによれば、冷媒槽本体１０の下方に溜まった液相冷媒が毛細管力により保水力が増加してウィック１５の上方側により多くの液相冷媒を供給できる。また、上方に形成した凸部１５ａにおいて、発熱体３０から伝熱された熱の核沸騰が促進されるとともに、気孔径が凹部１５ｂよりも大きいため沸騰気化（蒸発）された気相冷媒が抜け易くなって熱抵抗を小さくすることができる。
【００５５】
（第３実施形態）
以上の実施形態では、ウィック１５の一部を凹部１５ｂで形成したが、これに限らず、図７（ａ）に示すように、ウィック１５の全部を凹部１５ｂで形成しても良い。また、図７（ｂ）に示すように、ウィック１５の上方側を凸部１５ａのみで形成し、ウィック１５の下方側を凹部１５ｂのみで形成しても良い。
【００５６】
これによれば、発熱体３０から伝熱される熱の受熱部もしくは受熱部以外に応じた金属多孔質体の圧縮加工が容易に行えることができる。
【００５７】
（他の実施形態）
以上の実施形態では、凸部１５ａを圧縮させないようにプレス加工を行ったが、これに限らず、凸部１５ａ全体を僅かに圧縮するように圧縮加工を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態における沸騰冷却装置１の全体構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１に示すＡ矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるベースプレート１２にウィック１５を配設する製造工程の手順を示すブロック図である。
【図４】（ａ）ないし（ｄ）は図３に示す各製造工程における作業方法を説明する説明図である。
【図５】図１に示すＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態におけるウィック１５の形状を示す正面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は本発明の第３実施形態におけるウィック１５の形状を示す側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…冷媒槽本体
１２…ベースプレート
１５…ウィック、多孔質樹脂部材
２０…放熱部
３０…発熱体
【図１】
2008116180.tif 000003
【図２】
2008116180.tif 000004
【図３】
2008116180.tif 000005
【図４】
2008116180.tif 000006
【図５】
2008116180.tif 000007
【図６】
2008116180.tif 000008
【図７】
2008116180.tif 000009