(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に複数の通路が形成された板状の冷却用通路部材同士を、該部材主面に設けた切り欠き部を覆い厚み端面側に開口部を形成するためのＵ字型ヘッダー部材と冷却用コルゲートフィンを介して挟み一体化した凝縮部と、内部に複数の通路が形成され外面に発熱体を固着する板状の蒸発通路部材とからなり、冷却用通路部材の切り欠き端面とＵ字型ヘッダー部材の開口部を閉塞するよう通路の開口部を有する蒸発通路部材の端面が接続されたサーモサイフォン式冷却器。
【請求項２】
冷却用通路部材の切り欠き端面とＵ字型ヘッダー部材の開口部端面に当接するリング状接続板を介して凝縮部に蒸発通路部材の端面が接続された請求項１に記載のサーモサイフォン式冷却器。
【請求項３】
一体化並びに接続がろう付けによる請求項１に記載のサーモサイフォン式冷却器。
【請求項４】
冷却用通路部材と蒸発通路部材が押し出し型材にて形成された請求項１に記載のサーモサイフォン式冷却器。
【請求項５】
押し出し型材の通路内面がエッチング処理にて粗面化された請求項４に記載のサーモサイフォン式冷却器。
【請求項６】
冷却用通路部材の両主面、Ｕ字型ヘッダー部材の両主面、リング状接続板の両面、の各表面にろう材を成膜又は配置しておき、複数の冷却用通路部材間にＵ字型ヘッダー部材と冷却用コルゲートフィンを介して挟み、冷却用通路部材の切り欠き端面及びＵ字型ヘッダー部材の開口部と、蒸発通路部材の開口部を有する端面との間に接続板を配置して凝縮部と蒸発通路部材との組立を完了し、これを保持したままろう付け温度でろう付け一体化する請求項２に記載のサーモサイフォン式冷却器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体冷却素子として利用される蒸発部と凝縮部を有する沸騰（サーモサイフォン式）冷却器の改良に係り、押し出し型材からなる冷却用通路部材を冷却用コルゲートフィンを介して積層配置した凝縮部に、押し出し型材からなる蒸発通路部材を直接ろう付けで接合した構成からなり、接続用のヘッダータンクのない高強度、高信頼性を有するサーモサイフォン式冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般産業分野での交流電源制御技術あるいは鉄道車両の動力として、所謂インバーターモーターが採用され、インバーターによる電源の制御が行われている。ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの半導体素子を使用して電力の変換、制御、開閉を行うパワーエレクトロニクス技術では、かかる半導体素子の冷却が不可欠である。
【０００３】
出願人は、先に素子冷却器として、冷媒の凝縮をプレートフィン型熱交換器の凝縮部にて行うようにヘッダータンクを介して接続する蒸発部として、相互に連通する多数の中空通路を有する中空面板を用いこれに半導体素子を着設した構成となし、該中空通路内に表面に微細凹凸加工を施したフィンを設けた構成を提案（特開平８−２０４０７５号）した。
【０００４】
かかる構成により素子間のアンバランス負荷時においても均熱化が可能で、高密度熱流束や過負荷に対しても放熱性能にすぐれ、特に、素子の取付アレンジや大容量化に対して制約が少なく、小型軽量化が容易になる利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の素子着設側とは反対側に蒸発部を設ける構成の素子冷却器は、凝縮部と蒸発部の間にヘッダータンクが入るため、接合部が多いこと、また、蒸発部の幅が広い場合は、複数の部材を接合する必要があり、これを溶接で行うと変形が大きく修正に手間を要する問題があった。
【０００６】
さらに、蒸発部の沸騰性能を向上させるためには、沸騰面を粗くすることが有効であり、従来ブラスト処理等によって粗面化を行っているが、この処理の場合は、押し出し型材のような中空の形材内部までは処理をすることができない問題があった。
【０００７】
この発明は、サーモサイフォン式冷却器の上述した問題を解消し、構成部材の接合部を減少させて比較的構造が簡単な構成からなり、さらには中空状の押し出し型材を用いた構成であっても内部の沸騰面を確実に粗面化した構成からなるサーモサイフォン式冷却器の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、接合部を減少させ構成の冷却器を目的に種々検討した結果、凝縮部と蒸発部を直に繋ぐ構造として、押し出し型材からなる冷却用通路部材を冷却用コルゲートフィンを介して積層配置した凝縮部に、押し出し型材からなる蒸発通路部材を直接ろう付けで接合した構成とすることで、接合用のヘッダータンクのない高強度、高信頼性を有するサーモサイフォン式冷却器が得られることを知見した。
【０００９】
さらに、発明者らは、中空状の押し出し型材を用いて蒸発部を形成する際に、酸エッチングにて沸騰面となる内部面を粗面化することで、細長い通路構成であっても所定の粗面が得られ、蒸発部の沸騰性能を向上させることが可能となることを知見し、この発明を完成した。
【００１０】
すなわち、この発明は、内部に複数の通路が形成された板状の冷却用通路部材同士を、該部材主面に設けた切り欠き部を覆い厚み端面側に開口部を形成するためのＵ字型ヘッダー部材と冷却用コルゲートフィンを介して挟み一体化した凝縮部と、内部に複数の通路が形成され外面に発熱体を固着する板状の蒸発通路部材とからなり、冷却用通路部材の切り欠き端面とＵ字型ヘッダー部材の開口部を閉塞するよう通路の開口部を有する蒸発通路部材の端面が接続されたことを特徴とするサーモサイフォン式冷却器である。
【００１１】
また、この発明は、上記の構成において、
冷却用通路部材の切り欠き端面とＵ字型ヘッダー部材の開口部端面に当接するリング状接続板を介して凝縮部に蒸発通路部材の端面が接続された構成、
一体化並びに接続がろう付けによる構成、
冷却用通路部材と蒸発通路部材が押し出し型材にて形成された構成、
押し出し型材の通路内面がエッチング処理にて粗面化された構成、からなるサーモサイフォン式冷却器を併せて提案する。
【００１２】
さらに、この発明は、冷却用通路部材の両主面、Ｕ字型ヘッダー部材の両主面、リング状接続板の両面、の各表面にろう材を成膜しておき、複数の冷却用通路部材間にＵ字型ヘッダー部材と冷却用コルゲートフィンを介して挟み、冷却用通路部材の切り欠き端面及びＵ字型ヘッダー部材の開口部と、蒸発通路部材の開口部を有する端面との間に接続板を配置して凝縮部と蒸発通路部材との組立を完了し、これを保持したままろう付け温度でろう付け一体化することを特徴とするサーモサイフォン式冷却器の製造方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明によるサーモサイフォン式冷却器の構成の一例を図面に基づいて詳述する。図１に示すごとく、図面の水平方向に蒸発部１を構成する蒸発通路部材２が配置され、その一方端に凝縮部１０が配置されたＴ字型の基本構造を有する。なお、図示の冷却器は、図１Ａの右側が上側、左側が下側に配置して使用するもので、白矢印方向に冷却空気が通過する。
【００１４】
蒸発通路部材２は、図１Ｂで垂直面で断面した図１Ｃに示すごとく、隔壁３を形成して複数の通路４が設けられた押し出し型材からなる１枚の板部材で、この主面の一方又は両面に発熱体である電子デバイスが装着される。また、蒸発通路部材２の他方端部は図１Ａに示すごとくエンドキャップで閉塞されている。
【００１５】
前記蒸発通路部材２の各通路４には、小さな凹凸からなるフィン面を設けて表面積を拡大させている。さらに、各通路４内は酸エッチング処理にて内表面を所定粗度となるように粗面化処理してある。
【００１６】
凝縮部１０は、図３に示すごとく隔壁を形成して複数の通路が設けられた押し出し型材からなるが、蒸発通路部材２よりずっと薄い板部材である冷却用通路部材１１と、冷却用コルゲートフィン１２とを交互に積層配置し、積層両端に板材からなるエンドプレート１３を当接一体化した、プレートフィン型熱交換器の構成からなる。
【００１７】
蒸発部１の蒸発通路部材２と凝縮部１０の各冷却用通路部材１１との各通路の連通は、凝縮部１０内に形成されるヘッダー部２０で行われる。詳述すると、各冷却用通路部材１１は図３Ａに示すごとく主面の中央部に切り欠き部１１ａ，１１ｂを設けてある。またここでは、冷却用通路部材１１の端部は図１Ｂに示すごとくエンドキャップで閉塞されている。
【００１８】
この切り欠き部１１ａ，１１ｂに図４に示すＵ字型ヘッダー部材２１を覆うように当てがい、図３Ｃのように冷却用通路部材１１の厚み端面側に開口部を形成するよう、積層する各冷却用通路部材１１間に当接配置することにより、図２に示すごとくＵ字型ヘッダー部材２１内空間を介して蒸発通路部材２の通路４と冷却用通路部材１１の通路とが連通する。
【００１９】
図１Ｂに示す凝縮部１０の右端の冷却用通路部材１１には、図３Ｂに詳細を示すごとくパイプ用孔が設けられて、作動冷媒の注入用パイプ５を突設可能になっている。
【００２０】
この発明による冷却器の構成は、ろう付けによる一体接合が可能で、組立後に一回のろう付け加熱工程で接合を完了できる。治具内に対向配置したエンドプレート１３間に、冷却用通路部材１１の切り欠き部１１ａ，１１ｂを閉塞するように図４Ｃの如くＵ字型ヘッダー部材２１を配置し、その両側に冷却用コルゲートフィン１２を配置して所要枚数の冷却用通路部材１１を積層配置する。
【００２１】
次に、蒸発通路部材２を載置するが、冷却用通路部材１１の切り欠き部１１ａ端面及びＵ字型ヘッダー部材２１の開口部と、蒸発通路部材２の開口部を有する端面との間に接続板６を配置して、治具上に凝縮部と蒸発通路部材との組立を完了する。
【００２２】
ここで、冷却用通路部材１１の両主面、Ｕ字型ヘッダー部材の両主面、リング状接続板の両面、の各表面にろう材を成膜しておくか、あるいはろう材シートを配置して、治具上の組立体を加熱炉に挿入しろう付け温度まで加熱して所要時間保持することにより、ろう付けによる一体接合が完了する。なお、ろう材の成膜方法は、クラッド、メッキなど公知いずれの方法も採用できる。
【００２３】
蒸発通路部材並びに冷却用通路部材は、製造性や気密性から例えばアルミニウム材による押し出し型材として製造することが好ましいが、いずれの製法にて形成されたものも採用可能である。また、蒸発通路部材は、受熱して冷媒の蒸発部として機能するため、被冷却用素子を着設するが直接載置可能なように着設用のねじ孔を設けた構成の他、半導体素子の載置用プレート等を着設する構成など、冷却器として要求される仕様に応じて、種々構成の蒸発通路部材を採用できる。
【００２４】
エッチングによる粗面化方法には、蒸発通路部材に用いた材料に応じて酸エッチング液を適宜選定し、要求される面粗度や表面性状に応じて処理時間、液温度などを適宜選定すると良い。アルミニウム材に対するエッチング液組成としては、公知のいずれのものも採用できる。
【００２５】
エッチングによる粗面化の効果は、単純な表面積の拡大効果もあるが、表面性状を変化させる、例えば表面の清浄化による気化促進やいわゆる親水性、疎水性の制御によって冷媒の流れを良好にするという効果があると考えられる。
【００２６】
【実施例】
実施例１
図１に示す構造で、蒸発部に半導体素子の載置用プレートを設けた構成からなる素子冷却器を、１回の一体ろう付けにより作製した。Ａ６０６３材を用いて押出し成型した蒸発通路部材と、凝縮部２０を構成するためのＡ３００３材からなる押出し成型した冷却用通路部材、エンドプレート、コルゲートフィン、Ａ３００３材とＡ４００４材のクラッド材表面にブレージングシートを設けたＵ字型ヘッダー部材と接続板を用いた。
【００２７】
前述した組立方法にて、各部材を治具にて組立配置し、各冷却用通路部材間にはそれぞれブレージングシートを配置し、各ろう材の溶融温度を超える所定温度に保持した炉でろう付けを行った。
【００２８】
得られた冷却器に対して、２ｋｇ／ｃｍ2、１０分間の耐圧試験、並びにヘリウムによる１×１０-7ａｃｃ／ｓｅｃの気密試験を行ったところ、何ら問題なく、その後、器内に冷媒を封入した。
【００２９】
実施例２
実施例１の冷却器の作製に際して、各蒸発通路部材に対して、硝酸の酸エッチング槽に浸漬して、０．３〜０．７μｍ程度粗面となるよう特に通路内部面を粗面化した。比較のためエッチング処理しない蒸発通路部材を用いて実施例１の冷却器を作製した。
【００３０】
得られた冷却器に半導体素子を着設して、素子取付部の熱流束、沸騰部の温度上昇の状況（素子取付け面温度−冷媒温度）を測定したところ、エッチング前と比べて沸騰部の温度上昇値は約５％〜１５％程度下降し、性能が向上することが分かった。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によると、サーモサイフォン式冷却器における凝縮部と蒸発部との接合用のヘッダータンクのない高強度、高信頼性を有する構成が得られる。すなわち、ヘッダータンクがなくなり、その分だけ通風面積が広く取れるるため放熱性能が向上し、また逆にヘッダータンクの分だけ小型化できる。
【００３２】
さらに、蒸発通路部材のような中空形材の内面では、サンドブラストなどでは粗面化することが困難であるが、エッチング処理によって容易に所定の粗面が得られ、エッチングしない場合と比べて沸騰部の性能向上が著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａはこの発明によるサーモサイフォン式冷却器の側面説明図、Ｂは正面説明図、ＣはＢのｃ−ｃ断面説明図である。
【図２】Ａは凝縮部と蒸発部との接合部の構成を示す凝縮部の空気通路方向に見た説明図、ＢはＵ字型ヘッダー部材の位置における断面説明図、ＣはＡの空気通路方向の断面説明図である。
【図３】Ａは冷却用通路部材の説明図、Ｂはエンドプレート位置の冷却用通路部材の説明図、ＣはＡの接合要部の断面説明図である。
【図４】ＡはＵ字型ヘッダー部材の説明図、Ｂは開口端面からみた説明図、Ｃは冷却用通路部材とＵ字型ヘッダー部材の配置を示す斜視説明図である。
【符号の説明】
１  蒸発部
２  蒸発通路部材
３  隔壁
４  通路
５  注入用パイプ
６  接続板
１０  凝縮部
１１  冷却用通路部材
１１ａ，１１ｂ  切り欠き部
１２  冷却用コルゲートフィン
１３  エンドプレート
２０  ヘッダー部
２１  Ｕ字型ヘッダー部材
【図１】
0004481512.tif 000002
【図２】
0004481512.tif 000003
【図３】
0004481512.tif 000004
【図４】
0004481512.tif 000005