(57)【要約】【課題】半導体素子等の冷却を行う固体の冷却体とこの冷却体に温度によって凝固と融解の相変化を伴う相変化物質を組合わせて構成した冷却装置への相変化物質の充填を容易かつ安価に行うことのできる製造方法を提供する。【解決手段】被冷却体に結合される固体の冷却体の内部に、前記の温度によって凝固と融解の相変化を伴う相変化物質を収容する空所を設け、この空所内に前記相変化物質を流動化して射出成型装置等を使用して射出注入し、この空所内で凝固させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う冷却装置が、固体の冷却体と、この冷却体に熱的に結合され、温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質とを組合わせて構成した冷却装置を製造する方法において、前記固体の冷却体の内部に前記相変化物質を収容する空所を設け、この空所内に前記相変化物質を流動化して注入し、空所内で凝固させたことを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置の製造方法において、前記冷却体内に設けた、相変化物質を収容する空所が互いに独立して複数の空所からなり、前記冷却体内に分散配置されたことを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の冷却装置の製造方法において、相変化物質が形状保持材を混合されていることを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却装置の製造方法において、相変化温度の異なる複数種の相変化物質を同時に冷却体の空所に注入することを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の冷却装置の製造方法において、前記冷却体の外表面に突出させて一体的な冷却フィンを複数設け、前記冷却体内に設けられる空所がそれぞれこの冷却フィンの内部まで拡がっていることを特徴とする冷却装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子機器、特に半導体素子のような発熱する素子の冷却に適した冷却装置の製造方法に関し、特に半導体素子等の被冷却体からの発熱が一定時間であり、その間の被冷却体の温度を制御する冷却装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器等に使用されるマイクロプロセッサに代表される半導体集積回路等の半導体素子は年々集積度が上がるとともに高出力化しているため、これらの素子の発熱量も増加する一方である。そのため、これらの発熱する素子を効果的に冷却するための装置が種々提案されている。
【０００３】
代表的な冷却装置としては、図６に示すような冷却フィン１３を有する冷却体１０がある。この冷却体１０は、一般的にはアルミニウム合金を押し出し成型やダイカスト法により製造されている。この冷却体１０は、半導体素子等の被冷却体３０に熱的に結合し、被冷却体３０の発生する熱を冷却体１０に伝達し、その表面の多数の冷却フィン１３と周囲の空気の温度差を利用した自然対流により放熱して冷却する方法や、冷却フィンの周囲の空気を冷却ファンにより移動させ、強制対流により冷却する方法がとられている。
【０００４】
また、半導体素子等の被冷却体にヒートパイプの一端を伝熱的に接続し、ヒートパイプの他端を冷却体に伝熱的に接続し、被冷却体の熱を、ヒートパイプを介して冷却体へ伝達し、この冷却体から周囲の空気中へ対流により放熱し、被冷却体を冷却する方法もある。
【０００５】
一方、半導体素子等の被冷却体が、通常は発熱量の低い低負荷で作動し、その後に発熱量の高い高負荷で一定時間作動する場合、図６に示す冷却体１０により、あるいはこれと冷却ファンを組み合わせて冷却する装置では、図７に示すように被冷却体の温度は、被冷却体の発熱量に応じて時間とともに上昇する一方であり、特に負荷の大きくなった高発熱時（図７のＢ‐Ｃ期間）には、被冷却体の許容限界温度Ｔｓを高くとって、冷却体および冷却ファインの冷却能力を小さく設計した場合は、被冷却体の温度がこの限界温度Ｔｓに近い温度になったり、これを超えたりすることがある。半導体素子等の被冷却体の温度が限界温度を超えたりすると、その性能が低下したり、素子に損傷が生じたりする。
【０００６】
また、被冷却体の上昇限界温度Ｔｓを低くとって、冷却体や冷却ファンの冷却能力を大きく設計した場合は、冷却体や冷却ファンが寸法的に大きくなるため、電子機器の全体が筐体を含めて大きくなり、製造コストが増大する問題が生じる。
【０００７】
さらに、これまでは、半導体素子等の被冷却体が、コンピュータの無停電電源装置のように商用電源が停電していない通常運転時は、バッテリーの充電電力を負担するだけの低負荷運転が行われ、商用電源が停電した非常運転時は、比較的短い時間であるが、コンピュータへの供給電力を全部負担する高負荷運転が行われるような装置に用いられる場合でも、これに結合される冷却体や冷却ファンは、高負荷運転状態での熱的条件に基づいて設計する必要があるため、低負荷での運転が長い割には大形化する問題がある。
【０００８】
なお、電子機器等の筐体の大きさが制限されている場合には、前記したヒートパイプを用いて筐体の外で冷却体の周囲空気との対流により冷却するようにしても、同様の問題が生じる。
【０００９】
このような問題を解消するため、被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う冷却装置を、固体の冷却体と、この冷却体に熱的に結合された、熱によって凝固と融解を繰り返し行う相変化物質とを組合わせた冷却装置が提案されている。
【００１０】
このような冷却装置においては、冷却体の放熱容量を被冷却体の最大発熱量より小さくし、冷却体で放熱されない熱を相変化物質で吸収し蓄熱するようにすることができるので、冷却装置の大きさを小さくすることができる利点がる。
【００１１】
これまでは、このような相変化物質を組合わせた冷却装置を製造する場合、図５に示すとおり、アルミニウム合金や銅合金等により押し出し成型法等により製作した冷却体１０の内部に設けられた相変化物質を収容するための空所１２の個々の空所１２Ａの形状と同一形状のキャビティ２１を有する成型金型２０に、相変化物質を注入して冷却体の空所１２Ａと同一形状の相変化物質の成形品１１Ａを、予め作成しておき、これを、冷却体１０の空所１２Ａにそれぞれ機械的に挿入することにより、冷却体の内部に相変化物質を装填するようにしていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような方法によると、冷却体１０の空所１２に装填する相変化物質を、金型を用いて、各空所１２Ａの形状と同一の形状の成形品１１Ａを形成する工程と、これを冷却体１０の空所１２Ａに挿入する工程が必要となるため、製造工数およびコストが増大する欠点が生じる。さらに、冷却体１０に設けられる相変化物質の充填用空所の１２Ａが複数種類ある場合は、その種類分だけ相変化物質の成形品１１Ａを用意する必要があるため、さらに製造コストがさらに増大する不都合がある。
【００１３】
また、相変化物質として、例えばパラフィンとポリエチレンを混合したものを用いた場合、常温域と相変化温度域では、１０％程度の密度の変化が生じるため、被冷却体が発熱して温度が相変化温度域になると１０％程度膨張する。したがってこの膨張する分を予め想定して、空所１２からはみ出さないような大きさになるように金型を設計する必要がある。さらに、空所１２の形状が複雑な場合は、成形した相変化物質１１を冷却体の１０の空所１２への挿入が困難となる場合がある。
【００１４】
このような不都合を除くため、この発明は、固体の冷却体の内部に相変化物質を充填してなる冷却装置を製造する際、相変化物質の挿入および充填を容易に行うことのできる製造方法を提供することを課題とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、この発明は、被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う冷却装置が、固体の冷却体と、この冷却体に熱的に結合された、温度によって凝固と融解を繰り返し行う相変化物質とを組合わせて構成された冷却装置を製造する方法において、前記固体の冷却体の内部に前記相変化物質を収容する空所を設け、この空所内に前記相変化物質を流動化して注入し、空所内で凝固させることを特徴とするものである。
【００１６】
前記の冷却装置の製造方法において、前記冷却体内に設けた、相変化物質を収容する空所が互いに独立した複数の空所を設け、これを、前記冷却体内に分散配置するのがよい。
【００１７】
前記の冷却装置の製造方法において使用される相変化物質は、形状保持材を混合したものとするのがよい。
前記の冷却装置の製造方法において、複数の相変化温度の異なる複数種類の相変化物質を同時に冷却体の空所に注入するようにすることができる。
【００１８】
さらに、前記の冷却装置の製造方法において、前記冷却体の外表面に突出させて一体的な冷却フィンを複数設け、前記冷却体内に設けられる空所がそれぞれこの冷却フィンの内部まで拡げることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施の形態を、図に示す実施例について説明する。
【００２０】
図１は、この発明の第１の実施例を示すもので、相変化物質の注入過程における冷却装置を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図１において、１０は、表面に間隔をおいて複数の冷却フィン１３を設けたアルミニウム合金等から構成された固体の冷却体である。この冷却体１０の内部に相変化物質１１を収容するための空所１２Ａが複数設けられ分散配置されている。これらの空所１２Ａに、外から加わる熱によって凝固と融解の二相変化を繰り返し行う相変化物質１１を充填する必要がある。
【００２２】
相変化物質としては、パラフィン類やパラフィンとポリエチレンの共重合体のように、常温では凝固して固形を示し、温度が上昇し相変化点温度を超えると融解し、その際に大量の融解潜熱を蓄積し、蓄積した熱を放熱することより温度が相変化点温度より低下すると再び凝固するような相変化物質を用いることができる。そしてこのパラフィンとポリエチレンの共重合体に形状保持材としてシリカ粉末やタルク粉末等を混合しておくと、相変化物質を融解時にも完全に流動化されることなく形状を保持することができ、冷却体１から漏出することを防止できる。
【００２３】
この発明においては、このような相変化物質を流動化し、これを射出成形機等を使用して、冷却体１０の空所１２Ａへ直接注入し、この中で凝固させるようにする。図１において２０は、図示しない射出成形装置に接続された相変化物質の注入管で、この注入管２０の先端付近に冷却体１０の空所１２Ａへそれぞれ挿入される注入ノズル２１Ａが設けられている。
【００２４】
この注入ノズル２１Ａを介して空所１２Ａ内へ相変化物質を注入する際、冷却体１０の空所１２Ａが冷却体の端面で開口している場合は、その開口端を適当な手段で塞ぎ、空所１２Ａを密閉する。空所１２Ａが密閉されたところで、射出成型機等から、相変化温度付近もしくわ相変化温度より高い温度に加熱して流動化させた相変化物質を注入管２０に供給し、注入ノズ２１Ａルから一斉に冷却体の各空所１２Ａ内に全体に充満されるまで相変化物質を加圧して注入する。
【００２５】
相変化物質の注入が終わると、冷却体１０から注入管２０を外して、冷却体１０を自然冷却するか、強制冷却してその温度を常温まで下げて、冷却体の空所１２Ａ内に注入された相変化物質をそのまま凝固固化させる。これにより、冷却体内の空所内に相変化物質が固形化されて充填される。その後に空所の開口端の塞ぎ手段を外しても、相変化物質は、冷却体の空所内で固化されているので、ここから漏出することはない。
【００２６】
この発明によって製造した冷却装置を使用する場合、冷却体が被冷却体により常温から相変化物質の相変化温度域まで加熱されると、相変化物質がパラフィンとポリエチレンの混合物からなる場合、相変化物質が１０％程度膨張するが、この発明においては、相変化物質を冷却体に注入する際にこれを流動化するために相変化物質の相変化温度域以上に加熱され、膨張した状態で注入されているので、これによって相変化物質が空所から漏出することはない。
【００２７】
図２は、この発明で使用する冷却体の第２の実施例を示すものである。この実施例の冷却体１０は、冷却体の内部に設ける相変化物質を収容する空所として形状の異なるものを複数種類有する。冷却体の中心配置された空所ほど直径の小さなものとなっている。
【００２８】
このように、形状の異なる空所を複数種類設けた場合、従来の方法であれば、この種類に応じた数だけ相変化物質の成形品を作るための金型を用意する必要があったが、この発明の方法によれば、空所の形状が異なっていても、直接、冷却体内部の空所に相変化物質を流動化して注入するので成型用の金型は一切不要となる。
図１および図２に示すように、冷却体１０に多数の相変化物質を収容する空所１２を設け、これを分散して配置し、これにそれぞれ相変化物質１１を充填するようにすると、相変化物質の量が一定であれば空所１２の個数が多くなるほど冷却体１０と相変化物質１１との接触面積が増加するため相変化物質１１への熱移動量が増加し冷却体１０の冷却効果を高めることができる。また、図２の実施例のように冷却体１０の中央部の相変化物質を収容する空所１２ほど直径の小さな穴にすることにより、冷却体１０の中央部での熱の移動を良好にすることができので、冷却体の放熱効率が高くなる。
【００２９】
図３は、この発明の第３の実施例を示すものである。
【００３０】
この実施例においては、冷却体内部に設けられた空所１２Ｅおよび１２Ｆが、冷却体本体部分の内部から冷却フィンの内部まで広がった形状となっている。この実施例の場合、空所の断面積が大きくなった分、冷却体に充填される相変化物質の量が多くなるので、相変化物質によって吸収できる熱量が増大し、吸収熱容量を同じにすると、第１の実施例のように、冷却体の本体部分だけに空所を設けたものに比べると冷却体の大きさを小さくすることができるようになる。この実施例のように空所の形状を単純な円形断面でなく円形断面と方形断面を合成したような複雑な形状になったとしても、相変化物質の充填は、これらの空所に直接相変化物質を流動化して注入するので、金型不要となるだけでなく、充填を簡単に行うことができる。
【００３１】
図４は、この発明の第４の実施例を示すものである。
【００３２】
この実施例においては、３本の注入管２３、２４および２５が設けら、それぞれの注入管から伸びた注入ノズル２３Ａ、２４Ａおよび２５Ａをそれぞれ冷却体１０の内部の空所１２Ａに選択的に挿入される。そして、３本の注入管２３、２４および２５に、それぞれ例えば、相変化温度域を変えた３種類の相変化物質を流動化して同時に供給するようにすれば、種類の異なる相変化物質を複数充填した冷却装置であっても、相変化物質の供給を同時に行うことができ製造時間の短縮が図れる。
図４に示すように、被冷却体３０が異なる許容上限温度を持つ場合に、被冷却体３０それぞれの上限温度に対応した相変化温度域の相変化物質を、被冷却体３０の上に充填することにより、それぞれの上限温度に対応できるため効率良く冷却することができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う固体の冷却体と、この冷却体に熱的に結合され温度によって凝固と融解を繰り返し行う相変化物質とを組合わせて構成した冷却装置を製造する際、前記固体の冷却体の内部に前記相変化物質を収容する空所を設け、この空所内に前記相変化物質を流動化して注入し、凝固させるようにしたので、冷却体内の空所の形状に合わせて相変化物質の成形品を作成する手間および金型等の設備もが不要となり、冷却装置の製造が容易かつ安価になる効果が得られる。
【００３４】
また冷却体の内に多数の独立した相変化物質を収容する空所を設け、これらの空所の形状が複雑であっても、また各空所に充填する相変化物質の種類が異なるた場合でたっても、これらの空所に同時に相変化物質を注入することが可能なため、相変化物質の挿入が容易でかつ挿入時間の短縮ができるので、冷却装置のコストを低減できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例における相変化物質注入過程を示す縦断面図。
【図２】この発明の第２の実施例の冷却体を示す縦断面図。
【図３】この発明の第３の実施例の冷却体を示す縦断面図。
【図４】この発明の第４の実施例における相変化物質注入過程を示す縦断面図。
【図５】冷却装置の従来の製造方法を示す図。
【図６】従来の冷却体装置の概略構成図。
【図７】従来の冷却装置の動作説明に用いる被冷却体の温度変化を示す図。
【符号の説明】
１０：固体の冷却体、１１、１１Ａ：相変化物質、１２、１２Ａ〜１２Ｆ：相変化物質を収容する空所、１３：冷却フィン、２０、２３〜２５：注入管
２１Ａ、２３Ａ〜２５Ａ：注入ノズル。
【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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