(57)【要約】【課題】コンパクトで、高冷却性能を発揮する発熱体の冷却構造体、及びそれを有利に製造し得る方法を提供すること。【解決手段】太径の外管４内に、細径の内管６の複数本が内挿されて、密接配置せしめられてなる構造の発熱体の冷却構造体２であって、内管６の外周面が、外管４の内周面に、及び／又は外管４の内周面に密接した内管６の外周面に、密接されていると共に、外管４の外周面には、前記発熱体１０が取り付けられる少なくとも一つの平坦面８が設けられてなり、且つ内管６内及びそれら内管６と外管４との間の間隙全体に、冷却液が流通せしめられるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太径の外管内に細径の内管の複数本が内挿されて、密接配置せしめられてなる構造の発熱体の冷却構造体にして、該内管の外周面が、該外管の内周面に、及び／又は該外管の内周面に密接した内管の外周面に、密接されていると共に、該外管の外周面には、前記発熱体が取り付けられる少なくとも一つの平坦面が設けられてなり、且つ該内管内及びそれら内管と外管との間の間隙全体に冷却液が流通せしめられるように構成したことを特徴とする発熱体の冷却構造体。
【請求項２】
前記外管及び前記内管が、それぞれ、銅又は銅合金にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却構造体。
【請求項３】
前記内管が、前記外管よりも薄肉の管体にて構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱体の冷却構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちの何れか一つに記載の発熱体の冷却構造体を製造する方法にして、
前記外管内に、前記複数本の内管を挿入せしめた後、該外管の管壁外面に外力を加えて、該外管を圧縮変形させることにより、該内管の外周面が、該外管の内周面に、及び／又は該外管の内周面に密接した内管の外周面に、密接せしめられるようにする工程を含むことを特徴とする発熱体の冷却構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気・電子部品等の発熱体を冷却するための冷却構造体と、それを有利に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子部品等にて構成される発熱体の冷却構造体として、冷却能力に優れた水冷式（液冷式）のヒートシンクや冷却装置の各種のものが提案されて来ており、例えば、特開２００２−１７０９１５号公報（特許文献１）においては、平坦な底部を有する鍋型のケーシングの開口を、ベースプレートで閉塞し、内部に扁平な流路を形成すると共に、その流路内に、波形のインナーフィンを配置し、そのインナーフィンの波の谷部又は頂部を押えるように、復パス用の仕切板を配置してなる構造の水冷ヒートシンクが、明らかにされており、また、特開２００５−１２３２６０号公報（特許文献２）には、かかる引用文献１に開示のヒートシンクの改良技術として、扁平チューブ内にインナーフィンを密着するように挿入して構成した水冷式ヒートシンクが明らかにされ、そこでは、インナーフィンとして、冷却水の撹拌効果を狙ったアルミニウム製のオフセットフィンも、明らかにされている。
【０００３】
さらに、特開２００６−２０２８００号公報（特許文献３）にあっては、半導体素子の冷却装置に係る従来からのものの一つとして、押出により成形された、所謂扁平多穴チューブからなる冷却構造体が、その図５に示されており、そして、特許文献３の発明では、冷媒の流れに乱れを生じさせ、それを促進すること等により、冷却性能を向上させる目的から、そのような扁平多穴チューブの仕切壁に、凹凸を設けたり、仕切壁を切り起したりしてなる構造とすることが、提案されている。
【０００４】
ところで、この種の冷却装置においては、一般に、その設置に際して、スペースに制約を受けることとなるところから、出来るだけコンパクト化することが望まれており、また発熱体からの発熱量が、益々増大して来ているところから、更なる高冷却性能化が求められているのであるが、これまでに提案されている発熱体の冷却構造にあっては、そのようなコンパクト化・高冷却性能化の要請に対して、充分に応え得るものではなく、各種の問題点を内在しているのである。
【０００５】
例えば、特許文献１に明らかにされている如き構成の水冷式ヒートシンクにあっては、流路用空間を形成するために、鍋型のケーシングとベースプレートとを組み合わせて、ロウ付けを行うものであるところから、必然的に、それらパーツ間の接合部のシール性についての信頼性が問題となることに加えて、特許文献１や特許文献２においては、内部空間に波形のインナーフィンを配置して、ロウ付け等によって固定することとしているところから、そのようなインナーフィンとケーシングとの間の密着性が充分でなく、それらの間の伝熱特性の向上にも限界があったのであり、更に、特許文献３の如く、扁平多穴チューブの仕切壁に凹凸を設けたり、仕切壁を切り起こしたりする場合において、その作業は容易でなく、それが製品コストを上昇せしめる要因ともなっている。
【０００６】
かかる状況下、特許文献３の図５に従来技術として明らかにされている扁平多穴チューブからなる冷却構造体は、比較的簡単な構造であり、しかも、ロウ付け等の接合部もない一体成形品であるところから、シールの信頼性からしても、好ましいものではあるが、そこでは、冷却器をコンパクト化する際に、冷却性能面に限界がある問題を、内在しているのである。即ち、冷却器のコンパクト化のためには、限られた断面内に、出来るだけ大きな冷却液流路を確保しつつ、冷却液とチューブの伝熱面も、充分に確保することが必要となるものであるところ、そのような要請に充分に応え得ないのである。因みに、扁平多穴チューブを用いた冷却器においては、チューブの内壁を出来るだけ細く（薄く）して、その数を増やすことによって、冷却性能の向上が図られるのであるが、押出加工にて、中空のチューブの小さな断面形状の中に、薄い内壁を多数形成させることは、容易ではないのである。
【０００７】
しかも、チューブの材質が、押出加工性の良好なアルミニウム若しくはアルミニウム合金である場合において、ポートホール押出にて中空材の押出加工は可能ではあるものの、上記したような、小断面で、複雑な断面形状の押出加工は、極めて困難となって来るのであり、更にチューブ材質として、熱伝導性の良好な銅若しくは銅合金を用いる場合にあっては、前記せるような中空のチューブを押出によって成形加工することは、殆ど不可能であったのである。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１７０９１５号公報
【特許文献２】特開２００５−１２３２６０号公報
【特許文献３】特開２００６−２０２８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、コンパクトで、高冷却性能を発揮する発熱体の冷却構造体を提供することにあり、また、他の課題とするところは、そのような優れた性能を有する発熱体の冷却構造体を有利に製造し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、本発明にあっては、そのような課題を解決するために、太径の外管内に細径の内管の複数本が内挿されて、密接配置せしめられてなる構造の発熱体の冷却構造体にして、該内管の外周面が、該外管の内周面に、及び／又は該外管の内周面に密接した内管の外周面に、密接されていると共に、該外管の外周面には、前記発熱体が取り付けられる少なくとも一つの平坦面が設けられてなり、且つ該内管内及びそれら内管と外管との間の間隙全体に冷却液が流通せしめられるように構成したことを特徴とする発熱体の冷却構造体を、その要旨とするものである。
【００１１】
なお、かかる本発明に従う発熱体の冷却構造体の望ましい態様によれば、前記外管及び前記内管は、それぞれ、銅又は銅合金にて構成されており、更に他の望ましい態様によれば、前記内管は、前記外管よりも薄肉の管体にて構成されている。
【００１２】
また、そのような本発明に従う発熱体の冷却構造体を製造すべく、本発明にあっては、前記外管内に、前記複数本の内管を挿入せしめた後、該外管の管壁外面に外力を加えて、該外管を圧縮変形させることにより、該内管の外周面が、該外管の内周面に、及び／又は該外管の内周面に密接した内管の外周面に、密接せしめられるようにする工程を含むことを特徴とする発熱体の冷却構造体の製造方法が、好適に採用されることとなる。
【発明の効果】
【００１３】
従って、かくの如き本発明に係る発熱体の冷却構造体にあっては、その外管の外周面に設けた平坦面に、所定の発熱体を取り付ける一方、外管内及び外管と内管との間の間隙全体に冷却液を流通させて冷却を行うことにより、発熱体を取り付けた外管内には、内管が密接するように内挿配置されているところから、高熱密度の発熱体の熱が、外管の管壁全体へ熱伝導により広がると共に、外管の管壁から内管の管壁へ伝熱せしめられるようになるのであり、その結果、外管の内表面のみならず、内管の内外表面も、また、冷却液への伝熱面となるのであり、以て、冷却液への伝熱面積が効果的に増加せしめられ得て、高い冷却能力を発揮することが可能となるのである。
【００１４】
しかも、そのような本発明に従う発熱体の冷却構造体にあっては、太径の外管内に細径の内管の複数本が内挿されて、密接配置せしめられてなる一体構造を有し、ロウ付け接合部やＯリング装着部を存在せしめる必要がないところから、そのコンパクト化が有利に実現され得ることとなるのであり、また、構造上においても、太径の外管内に細径の内管の複数本を内挿せしめて構成されるものであるところから、押出加工の如き特別な操作を採用することなく、小さな断面形状の中に、伝熱面となる内壁を多数形成することが、容易に可能となる。
【００１５】
特に、本発明に従う発熱体の冷却構造体の製造方法によれば、外管内に複数本の内管を挿入せしめた後、かかる外管の外壁面に外力を加えて、該外管を圧縮変形させるだけで、外管と内管とを相互に密接せしめてなる構造が容易に実現され得ることとなるのであり、これによって、ロウ付け等の作業が全く必要でなく、単純な圧縮変形のみで、目的とする冷却構造体を構成する管体を容易に形成することが出来る特徴を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００１７】
先ず、図１には、本発明に従う発熱体の冷却構造体の一実施形態が、軸直角方向の断面となる横断面図において、示されている。そこにおいて、冷却構造体２は、太径で厚肉の矩形扁平形状を呈する外管４と、この外管４内に収容された、細径で薄肉の楕円形状を呈する３本の内管６とから構成されており、且つそれら３本の内管６は、その外周面を、相互に、また外管４の内周面にそれぞれ密接させて、内挿配置されている。また、扁平な略矩形形状とされた外管４の上下の外周面が、平坦面８，８とされ、それぞれ発熱体取付面とされている。そして、内管６の内部（管内）及び内管６と外管４との間の間隙の全てが、冷却液の流通路とされているのである。
【００１８】
そして、かかる冷却構造体２は、図２（ａ）又は（ｂ）に示されるように、その外管４の外周面に設けられた上下の平坦面８，８に対して、その一方に、或いはその両方に冷却されるべき発熱体１０が取り付けられて、用いられるようになっている。
【００１９】
従って、かくの如き構成の冷却構造体２にあっては、発熱体１０が取り付けられてなる外管４の内周面に密接するように、複数本（ここでは、３本）の内管６が、内挿配置されているところから、端部より導入された冷却液は、内管６の管内と共に、内管６と外管４との間の間隙内を流通せしめられることとなるのであって、これにより、外管４の平坦面８に取り付けられた発熱体１０の高熱密度の熱が、熱伝導により、外管４の管壁全体へ広がると共に、外管４の管壁から内管６の管壁へ伝熱せしめられることとなるのである。そして、このため、外管４の内表面のみならず、内管６の内外表面も、また、冷却液への伝熱面となることとなるのであり、以て、冷却液への伝熱面積が効果的に増加せしめられ得て、高い冷却能力を発揮することが出来るのである。
【００２０】
なお、この冷却構造体２を構成する、発熱体１０からの熱の伝熱体としても機能する外管４及び内管６は、ここでは、熱伝導性の良好な銅又は銅合金からなる材質を用いて構成されており、これによって、冷却構造体２の冷却能力が、更に向上せしめられている。
【００２１】
このように、本発明に従う発熱体冷却構造体２にあっては、外管４から内管６へ発熱体１０の熱を伝熱するために、外管４の内周面と、内管６の外周面、更には外管４の内周面に密接した内管６の外周面とが、熱的に接触している必要があるのであるが、そのような熱的接触を容易に得るためには、外管４内に内管６を挿入せしめた後、かかる外管４の外壁面に外力を加えて、外管４を圧縮変形させるような工程が、有利に採用されることとなる。このような工程を採用して、目的とする冷却構造体２を製作することにより、ロウ付け等の作業が必要でなく、単純な圧縮変形のみで、冷却構造体２を構成する管体を形成することが出来るからである。なお、その際、外管４へ外力を加え、圧縮変形をさせる手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、縮径ダイスによる抽伸加工やプレス加工等の公知の手段を適宜に採用することが可能である。また、そのような外管４の圧縮変形によって、内管６にも変形作用が加わり、図１や図２に示される如く、内管６が楕円形状に変形して、内管６と外管４との間の密接性も有利に高められ得ることとなる。
【００２２】
ここで、かかる冷却構造体２を与える外管４としては、少なくとも一つの平坦な外周面（８）を予め形成した管体や、扁平形状に成形されてなる管体を用いることが可能であるが、単純円形断面形状の管体を用い、上述せるように、外壁面への外力を加えることで、内管６との密接と同時に、外表面に平坦面８を形成するようにすることも、可能である。また、内管６としては、単純円形断面形状の管体を用いるようにすれば、コスト的にも有利となるのである。そして、単純円形断面の管体を内管６として用いた場合にあっても、上述せる如き製造方法において、外管４の外壁面に外力を加えて圧縮変形させることにより、図１に示される如く、楕円形状を呈するものとなるのである。
【００２３】
また、前述の如く、外管４の外壁面に外力を加えて、それを圧縮変形させる際に、外管４と内管６との密着性を高めるために、内管６を外管４よりも優先的に変形させるようにするのが望ましく、そのために使用される内管６は、図１にも示される如く、外管４よりも管壁厚さが薄くされた薄肉の管体とされ、以て、得られる冷却構造体２における外管４と内管６との間の密着性が向上せしめられているのである。
【００２４】
なお、図１に示される冷却構造体２の構造は、本発明の代表的な実施形態の一つに過ぎないものであって、それは、あくまでも、例示に止まり、本発明が、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものでないことが、理解されるべきである。
【００２５】
例えば、外管４内に内挿されて、密接配置される内管６の本数は、例示の３本に限られるものではなく、用いられる外管４や内管６の太さ等に応じて適宜の本数が選定され、またその配列形態にあっても、一列のみならず、複数段の配列形態も適宜に採用され得るところである。そして、図３に示される実施形態においては、１３本の内管６が、上下２段に交互に積み重ねられてなる形態において、外管４内に密接配置せしめられているのである。なお、ここでは、各内管６は、何れも、外管４の内周面に密接せしめられてなる構造とされている。
【００２６】
また、図４は、外管４内に７本の内管６を２段に内挿して、密接配置せしめてなる例を示しており、そこでは、外管４の外周面の発熱体１０を取り付けるための平坦面８は、一箇所に設けられているのみであり、その他の面は湾曲面形状とされている。なお、ここでも、７本の内管６のうち６本は、何れも、外管４の内周面に直接に密接され、また下段中央の内管６の１本が隣接する内管６，６を介して外管４の内周面に密接せしめられるようになっているのである。
【００２７】
さらに、図５に示される例においては、矩形の断面形状の外管４内に、１２本の内管６が３段に積み重ねられて内挿され、密接配置されているが、このような配列形態においては、２段目の内側２本の内管６は、直接、外管４の内周面には接しておらず、外管４に接する内管６を介して、発熱体１０からの伝熱が行われるようになっている。
【００２８】
加えて、冷却構造体２における内管６の配設形態にあっても、図６（ａ）に示される如く、内管６が軸方向（冷却液流通方向）に連続した一本の管体として用いられる形態の他に、図６（ｂ）に示される如く、外管４の軸方向の途中で、内管６が分断され、それら分断された内管６が、軸方向に所定の距離を隔てて配列されてなる形態も、有利に採用されるところである。このように、内管６が途中で分断された形態において配列されると、その分断部において、冷却液が乱流となって、撹拌効果が生じ、伝熱促進されることとなるところから、本発明においては、有利に採用されるところである。また、そのような分断部は、図６（ｃ）に示される如く、管軸方向において分断された形態の内管６，６が、その一部（連結部７）において繋がっているものであっても、同等の効果を発揮させることが可能であることに加えて、その分断された形態の内管６，６同士の相互の距離を固定維持し得るところから、有利に採用される一つの形態でもある。
【００２９】
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基いて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。
【００３１】
−実施例１−
図１に示される如く、外管４内に３本の内管６を内挿配置してなる構造の冷却構造体２を製造した。即ち、それぞれの材質がりん脱酸銅からなる、肉厚が２ｍｍの外管４と、肉厚が１ｍｍの内管６とを用い、外管４内に３本の内管６を挿入した後、プレス加工して、図１に示される如き矩形扁平形状に成形して、それら外管４と内管６とを密着させると共に、熱源（発熱体１０）を設置する平坦面８を同時に形成した。なお、矩形扁平形状に成形された外管４の、図１における左右方向の幅は５０ｍｍ、上下方向の厚さは１５ｍｍとなるようにした。
【００３２】
このようにして得られる冷却構造体２の断面における冷却液流路断面積は、約３９０ｍｍ2 であり、冷却構造体２の占める断面スペース：７５０ｍｍ2 （５０ｍｍ×１５ｍｍ）に対して５０％以上の割合で確保されている。また、伝熱面の面積は、冷却構造体２の長さ：１００ｍｍ当り約３３０００ｍｍ2 （３３０ｍｍ2 ／ｍｍ）となる。そしてこれにより、コンパクトで且つ良好な冷却性能が得られるのである。
【００３３】
−比較例１−
実施例１の冷却構造体２との比較のために、同じ断面積（５０ｍｍ×１５ｍｍ；占める断面スペースが同じ）において、図８（ａ）に示される如き３穴構造の押出チューブ２０を、アルミニウム合金の押出加工にて形成し、壁厚が２ｍｍの内壁２２の二つによって、互いに平行に延びる３つの流路２４が設けられてなる構造とした。なお、このような押出チューブ２０は、銅又は銅合金にて押出加工することが出来ないため、ここでは、アルミニウム合金を用いて製造されている。
【００３４】
かくして得られた図８（ａ）に示される押出チューブ２０の、断面における冷却液流路断面積は約４５０ｍｍ2 であり、冷却器の占める断面スペースに対して７５０ｍｍ2 （５０ｍｍ×１５ｍｍ）に対して約６０％である。そして、伝熱面の面積は、冷却器長さ：１００ｍｍ当り約１５０００ｍｍ2 （１５０ｍｍ2 ／ｍｍ）となる。
【００３５】
従って、この比較例１の押出チューブ２０は、実施例１の冷却構造体２に比べて、流路断面積が大きいが、伝熱面の面積が著しく小さくなるために、発熱体からの熱を充分に伝熱することが困難であり、冷却性能が劣るものであることが認められる。
【００３６】
−比較例２−
比較例１の押出チューブ２０と同様な断面積を有する、図８（ｂ）に示される如き７穴構造のアルミニウム合金製押出チューブ２６を、押出加工により得た。なお、７つの流路２８を仕切る６本の内壁３０の壁厚は、１．７ｍｍであった。
【００３７】
この得られた押出チューブ２６の断面における冷却液流路断面積は、約３９０ｍｍ2 であり、実施例１の冷却構造体２と同等であるが、伝熱面の面積は、冷却器長さ：１００ｍｍ当り２２０００ｍｍ2 （２２０ｍｍ2 ／ｍｍ）であり、実施例１の冷却構造体２の２／３程度となり、冷却能力が劣るものとなることが認められる。
【００３８】
−実施例２−
図４に示される断面形状を有する、外管４内に１３本の内管６を２段に内挿、配列してなる冷却構造体２を、実施例１と同様にして製作した。なお、外管４及び内管６の材質としては、りん脱酸銅が用いられ、また外管の肉厚：２ｍｍ、内管の肉厚：０．８ｍｍであった。
【００３９】
かくして得られた冷却構造体２の断面における冷却液流路断面積は約３２０ｍｍ2 であり、冷却器の占める断面スペース：７５０ｍｍ2 （５０ｍｍ×１５ｍｍ）に対して、４０％以上の割合で、確保されている。また、伝熱面の面積は冷却器長さ：１００ｍｍ当り約５６０００ｍｍ2 （５６０ｍｍ2 ／ｍｍ）であり、実施例１の冷却器と比較して、流路断面積は減少するものの、伝熱面の面積が大きく、約１．５倍の冷却性能を有していることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に従う発熱体の冷却構造体の一例を示す断面説明図である。
【図２】図１に示される発熱体の冷却構造体に対する発熱体の取付け例を示す断面説明図であって、（ａ）は一つの発熱体を取り付けた例、（ｂ）は二つの発熱体を取り付けた例をそれぞれ示している。
【図３】本発明に従う発熱体の冷却構造体の異なる例を示す断面説明図である。
【図４】本発明に従う発熱体の冷却構造体の更に異なる例を示す断面説明図である。
【図５】本発明に従う発熱体の冷却構造体の別の一例を示す断面説明図である。
【図６】図１に示される発熱体の冷却構造体における内管の異なる配設例を示す斜視説明図であって、（ａ）は、連続した一本の内管を配列した例を示し、（ｂ）は、管軸方向において分断された内管を配列せしめた例を示し、（ｃ）は、一本の内管の中間部分が分断される一方、一部において接続されている形態を示す一本の内管についての斜視説明図である。
【図７】比較例１及び２において用いられた、従来の一体型冷却構造体を与える押出チューブの異なる例を示す断面説明図であって、（ａ）はその３穴タイプのもの、（ｂ）はその７穴タイプのものをそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００４１】
２  冷却構造体                        ４  外管
６  内管                              ７  連結部
８  平坦面                          １０  発熱体
１２  ヘッダー
【図１】
2008159757.tif 000003
【図２】
2008159757.tif 000004
【図３】
2008159757.tif 000005
【図４】
2008159757.tif 000006
【図５】
2008159757.tif 000007
【図６】
2008159757.tif 000008
【図７】
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