(57)【要約】【課題】  冷却水を循環させる循環通路の内面が平坦であるので、冷却効率は低かった。【解決手段】  リザーブタンクから冷媒液ＣＬが流入する流入口１１と発熱素子用液冷装置１にて受熱した冷媒液ＣＬを排出する排出口１２との間に、冷媒液ＣＬの流路となる複数の平行な中空部１３を形成する部材つまり平板１４、１５及び壁１６が設けられている。平板１５の上には複数の放熱フィン１７が設けられている。平板１４、１５、壁１６の中空部１３を形成する内壁及び放熱フィン１７にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造を有する炭素材料を有する。これにより、中空部１３を通過する冷媒液ＣＬの冷却効果が上昇する。このとき、放熱フィン１７の放熱効果も向上するので、冷媒液ＣＬの冷却効果はさらに上昇する。【選択図】        図２
2013179119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液が流入する第１の流入口と該冷媒液が排出する第１の排出口との間に複数の第１の中空部を形成する第１の部材を具備し、前記第１の中空部を形成する内壁にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を有する炭素材料を有する発熱素子用液冷装置。
【請求項２】
さらに、前記第１の部材上に複数の第１の放熱フィンを具備し、該第１の放熱フィンは表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を有する炭素材料を有する請求項１に記載の発熱素子用液冷装置。
【請求項３】
前記第１の流入口は、前記第１の部材が形成する前記第１の中空部を形成する内壁の前記凹凸構造より内側に設けられている請求項１に記載の発熱素子用液冷装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の発熱素子用液冷装置と、
該発熱素子用液冷装置の排出口に配管によって接続された冷却ファン付のラジエータと
を具備する液冷システム。
【請求項５】
前記ラジエータにおいて、冷媒液が流入する第２の流入口と該冷媒液が排出する第２の排出口との間に複数の第２の中空部を形成する第２の部材を具備し、前記第２の中空部を形成する内壁にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を有する炭素材料を有する請求項４に記載の液冷システム。
【請求項６】
さらに、前記第２の部材上に複数の第２の放熱フィンを具備し、該第２の放熱フィンは表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を有する炭素材料を有する請求項５に記載の液冷システム。
【請求項７】
前記第２の流入口は、前記第２の部材が形成する前記第２の中空部を形成する内壁の前記凹凸構造より内側に設けられている請求項５に記載の液冷システム。
【請求項８】
さらに、前記ラジエータに配管によって接続された前記冷媒液を循環させる循環ポンプと、
該循環ポンプと前記発熱素子用液冷装置との間に配管によって接続され、前記冷媒液を貯留するリザーブタンクと
を具備する請求項４に記載の液冷システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子用液冷装置及びこの液冷装置を含む液冷システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、LED素子、LD素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子の高性能化に伴い、発熱素子の発熱量は増大してきている。一方、発熱素子の小型化、薄型化の要求が高まり、発熱素子の発熱密度は非常に高くなり熱的に厳しい状況を強いられている。
【０００３】
特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという性質がある。
【０００４】
そのため、発熱素子の温度上昇が問題となり、従来のヒートシンク、冷却ファン等の冷却手法以上の発熱素子の冷却効率を高める冷却手法が求められており、その１つの手法として発熱素子の熱を冷媒液を循環させて周囲へ放熱させ、これにより、発熱素子を適切な温度に設定する発熱素子用液冷装置がある。
【０００５】
第１の従来の発熱素子用液冷装置は内部に冷却水循環通路を形成した発熱素子固定具を備えている（参照：特許文献１）。
【０００６】
第２の従来の発熱素子用液冷装置においては、内部に冷却水循環通路としての溝空間を形成してある（参照：特許文献２）。この冷却水循環通路は熱伝導性材料としての金属材料及び正四面体構造の炭素よりなり、さらに、冷却効率を上げるために溝空間に設けられた放熱フィンも備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２４５５６８号公報
【特許文献２】特開２０１１−５０２３４２号公報
【特許文献３】特開２０１１−４９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の第１の従来の発熱素子用液冷装置においては、冷却水を循環させる循環通路の内面は平坦であるので、冷却効率は低く、冷却効率を高めるためには大型化、重量化するという課題があった。また、循環通路はたとえばアルミニウム等の金属よりなるので、腐飾防止のためにコーティング等を必要とし、この結果、製造コストが高くなるという課題もあった。
【０００９】
また、上述の第２の従来の発熱素子用液冷装置においても、冷却水を循環させる溝空間の表面及び放熱フィンの表面が平坦であるので、冷却効率が低く、やはり、冷却効率を高めるためには大型化、重量化するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために本発明に係る発熱素子用液冷装置は、冷媒液が流入する流入口と冷媒液が排出する排出口との間に複数の中空部を形成する部材を具備し、これらの中空部を形成する内壁にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズ（ピッチ）の凹凸構造を有する炭素材料を有するものである。この凹凸構造により受熱部の表面積が増大する。
【００１１】
本発明に係る発光素子用液冷システムは、上述の発熱素子用液冷装置と、この発熱素子用液冷装置の排出口に配管によって接続された冷却ファン付のラジエータとを具備するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受熱部の表面積が増大するので、発熱素子用液冷装置の冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る発熱素子用液冷装置含む液冷システムの実施の形態を示す図である。
【図２】図１の発熱素子用液冷装置１の斜視図である。
【図３】図３の（Ａ）は図２の上面図、図３の（Ｂ）は図２の側面図である。
【図４】図４は図２の発熱素子用液冷装置の流入口近傍斜視図である。
【図５】図１のラジエータ２Ａの斜視図である。
【図６】（Ａ）は図２の発熱素子用液冷装置１及び図５のラジエータ２Ａの内部構造を示し、（Ｂ）は冷媒液ＣＬの液冷原理を説明する図である。
【図７】図６のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。
【図８】図７のプラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】図２〜図４の発熱素子用液冷装置１とその流入口との関係を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明に係る発熱素子用液冷装置を含む液冷システムを示す図である。図１においては、受熱部としての発熱素子（たとえばLED素子）用液冷装置（ジャケット）１、冷却ファン２Ｂを伴う放熱部としてのラジエータ２Ａ、冷媒液ＣＬを循環させる循環ポンプ３及び冷媒液ＣＬを貯留するリザーブタンク４が配管５によってループ接続されている。
【００１５】
発熱素子用液冷装置１においては、発熱素子１０１が電力供給用コネクタと共に金属、セラミックス等よりなる放熱配線基板１０２に実装された後に、放熱配線基板１０２は平板形状の発熱素子用液冷装置（ジャケット）１に固定されている。
【００１６】
図２は図１の発熱素子用液冷装置１の斜視図、図３の（Ａ）は図２の上面図、図３の（Ｂ）は図２の側面図、図４は図２の発熱素子用液冷装置の流入口近傍斜視図である。
【００１７】
図２〜図４に示すように、リザーブタンク４から冷媒液ＣＬが流入する流入口１１と発熱素子用液冷装置１にて受熱した冷媒液ＣＬを排出する排出口１２との間に、冷媒液ＣＬの流路となる複数の平行な中空部１３を形成する部材つまり平板１４、１５及び壁１６が設けられている。また、平板１５の上には複数の放熱フィン１７が設けられている。
【００１８】
図３、図４に示すように、流入口１１と壁１６との間には冷媒液ＣＬが複数の中空部１３に均等に分散して流入するように空間１８が設けられ、他方、壁１６と排出口１２との間には、複数の中空部１３から冷媒液ＣＬが均等に排出するように空間１９が設けられている。
【００１９】
図２、図３、図４の発熱素子用液冷装置１の平板１４、１５、壁１６の中空部１３を形成する内壁及び放熱フィン１７はナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造を有する。この場合、平板１４、１５、壁１６及び放熱フィン１７は表面にナノ凹凸構造を有する炭素材料を有する。この炭素材料は炭素系基板あるいはナノ凹凸構造を有する炭素層（シート）を貼り付けた材料よりなる。これにより、中空部１３を通過する冷媒液ＣＬの冷却効果が上昇する。このとき、放熱フィン１７の放熱効果も向上するので、冷媒液ＣＬの冷却効果はさらに上昇する。
【００２０】
図５は図１のラジエータ２Ａの斜視図である。
【００２１】
図５には示していないが、ラジエータ２Ａの内部構造は発熱素子用液冷装置の内部構造と類似している。つまり、発熱素子用液冷装置１から冷媒液ＣＬが流入する流入口２１とラジエータ２Ａにて放熱した冷媒液ＣＬを排出する排出口２２との間に、冷媒液ＣＬの流路となる複数の平行な中空部を形成し、冷媒液ＣＬは流入口２１、排出口２２と反対側の空間から折り返される構造となっている。また、ラジエータ２Ａの外側面には複数の放熱フィン２３が設けられている。
【００２２】
図５のラジエータ２Ａの内部の中空部を形成する内壁及び外部の放熱フィン２３にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造を有する。この場合、ラジエータ２Ａの内部及び外部の放熱フィン２３は表面にナノ凹凸構造を有する炭素材料を有する。この炭素材料は炭素系基板あるいはナノ凹凸構造を有する炭素層（シート）を貼り付けた材料よりなる。これにより、ラジエータ２Ａの中空部を通過する冷媒液ＣＬの冷却効果が上昇する。このとき、放熱フィン２３の放熱効果も向上するので、冷媒液ＣＬの冷却効果はさらに上昇する。
【００２３】
図６の（Ａ）は図２の発熱素子用液冷装置１及び図５のラジエータ２Ａの内部構造を示し、図６の（Ｂ）は冷媒液ＣＬの液冷原理を説明する図である。
【００２４】
すなわち、発熱素子用液冷装置１及びラジエータ２Ａの内部構造の中空部を形成する平板及び壁にはナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造Ｓが形成されている。この結果、冷媒液ＣＬは対流熱伝達Ｃ及び輻射放熱Ｒによって冷却されるが、その冷却効率はナノ凹凸構造Ｓによって増進される。
【００２５】
上述のナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造Ｓは、炭素系基板たとえばグラファイト基板、金属を混ぜた稠密グラファイト基板、その他ダイヤモンド基板、ガラス状炭素系基板上にも加工でき、また、基板あるいは層（シート）のいずれにも加工できる。このナノ凹凸構造Ｓの加工を図７のフローチャートを参照して説明する（参照：特許文献３）。
【００２６】
すなわち、ステップ７０１を参照すると、たとえばグラファイト基板にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造Ｓを形成する。ナノ凹凸構造Ｓの例を図８に示す。図８の（Ａ）、（Ｂ）は撮影角度が異なる。図８に示すように、ナノ凹凸構造Ｓの突起部のピッチ（間隔）はサイズ（幅）の数倍程度であり、同一オーダである。尚、ナノ凹凸構造Ｓの高さＨはサブミクロメートルオーダ以上である。すなわち、グラファイト基板をプラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板を酸素（O2）ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングを行う。
【００２７】
プラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：200sccm
エッチング時間：50分
である。
【００２８】
尚、ステップ７０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【００２９】
また、図７のプラズマエッチングステップ７０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨によるさらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておく。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、ナノ凹凸構造Ｓだけの場合よりも、不規則周期凹凸構造によりグラファイト基板の凹凸構造の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、ステップ７０１でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造のサイズ（ピッチ）はステップ７０１でのプラズマエッチングで形成されるナノ凹凸構造Ｓのサイズ（ピッチ）よりも必ず大きいものである。このときの放射温度計（商標KEYENCE FT-H20）により測定した結果、基板の表面の温度が150℃のときの放射率は理論最大値100に対して0.99となった。
【００３０】
尚、上述のナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【００３１】
液冷システムにおいては、冷媒液ＣＬとしては、通常、水あるいは不凍液を用い、従来、冷媒液の流路に用いられるアルミニウム等の金属が冷媒液ＣＬによって腐食されるために、腐食防止加工が必要であった。一方、本発明においては、ナノ凹凸構造Ｓに用いられる炭素が水によって腐食（汚染）されない性質を有するので、腐食防止加工は不要である。
【００３２】
また、ナノ凹凸構造Ｓの炭素は水に対する濡れ性がよい。つまり、ナノ凹凸構造Ｓは、約10nm〜500nmのナノメートルオーダから約0.5〜10μmのサブミクロメートルオーダのサイズと、約0.5〜10μmのサブミクロメートルオーダの高さとを有し、一方、水分子は0.38nm程度であるので、水分子はナノ凹凸構造Ｓの中へくまなく入っていき、この結果、発熱素子用液冷装置１及びラジエータ２Ａにおけるナノ凹凸構造Ｓの比表面積分で熱交換が行われる。従って、投影面積より大幅に大きな面積での熱交換効率を達成できる。
【００３３】
図９は図２〜図４の発熱素子用液冷装置１とその流入口１１との関係を示す図であって、（Ａ）は流入口１１の断面形状Ｄ１が中空部１３のナノ凹凸構造Ｓの形状Ｄ２より外側にも位置する場合、（Ｂ）は流入口１１の断面形状Ｄ１が中空部１３のナノ凹凸構造Ｓの形状Ｄ２より内側に位置する場合を示している。
【００３４】
図９の（Ａ）に示すごとく、流入口１１の断面形状Ｄ１が中空部１３のナノ凹凸構造Ｓの形状Ｄ２より外側にも位置すると、ナノ凹凸構造Ｓの炭素は水平方向の応力に弱いので、冷媒液ＣＬが中空部１３に突入する際にナノ凹凸構造Ｓが大きい流路抵抗となって冷媒液ＣＬの水圧を継続的に受けて破損する恐れがある。また、流路抵抗が大きくなると、発熱素子用液冷装置１の受熱性能も低下する。
【００３５】
他方、図９の（Ｂ）に示すごとく、流入口１１の断面形状Ｄ１が中空部１３のナノ凹凸構造Ｓの形状Ｄ２より内側に位置すると、ナノ凹凸構造Ｓの流路抵抗は小さくなり、この結果、冷媒液ＣＬの水圧によるナノ凹凸構造Ｓの破損はなくなると共に、発熱素子用液冷装置１の受熱性能も上昇する。
【００３６】
このように、発熱素子用液冷装置１においては、流入口１１の断面形状Ｄ１は中空部１３のナノ凹凸構造Ｓの形状Ｄ２より内側に位置する方がよい。
【００３７】
同様に、図５のラジエータ２Ａにおいても、流入口２１の断面形状はその中空部のナノ凹凸構造の形状より内側に位置する方がよい。
【００３８】
上述の実施の形態においては、発熱素子用液冷装置１及びラジエータ２Ａのみにナノ凹凸構造Ｓを形成しているが、配管５及び筐体（図示せず）にもナノ凹凸構造Ｓを形成して図１の液冷システム全体にナノ凹凸構造Ｓを形成してもよい。
【００３９】
全体にナノ凹凸構造Ｓを形成した図１の液冷システム全体（実施の形態）と、全くナノ凹凸構造Ｓを形成しない図１の液冷システム（比較例）とによる発熱素子１０１（この場合、LED素子）の温度を以下の条件で計算した。
発熱素子（LED素子）１０１の発熱量：50W
周囲温度：30℃
冷媒液ＣＬ：水
冷媒液ＣＬの流量：0.005ｌ/s
発熱素子用液冷装置１：50mm×50mm×10mm
放熱フィン１７の数：15
放熱フィン１７の材料：ナノ凹凸構造炭素（熱伝導率140W/mK）/比較例はアルミニウム（熱伝導率140/mK）
面積拡大率：比較例を1として10倍
放熱フィン１７の放射率：0.99/比較例は0.5
ラジエータ２Ａ：120mm×120mm×20mm
放熱フィンの数：27
放熱フィンの材料：ナノ凹凸構造炭素（熱伝導率140W/mK）/比較例はアルミニウム（熱伝導率140/mK）
面積拡大率：比較例を1として10倍
放熱フィン２３の放射率：0.99/比較例は0.5
【００４０】
この結果、発熱素子１０１の温度上昇は、
本発明            比較例
40.3（℃）        51.0（℃）
であった。つまり、本発明によれば、10℃程度の温度低減が見込める。これは、受熱作用の発熱素子用液冷装置１及び放熱作用のラジエータ２Ａの表面積がナノ凹凸構造Ｓにより10倍程度拡大して放熱面積が広がって放熱性能が向上したためである。また、発熱素子用液冷装置１の表面及びラジエータ２Ａの表面の放射率が2倍程度上昇しているので、ナノ凹凸構造Ｓの方が高い放熱性能を示した。
【００４１】
また、重量比は、
本発明            比較例
2/3                1
であった。これはアルミニウム（比較例）より炭素の方の比重が小さいので、同一形状の場合、重量は2/3に低減できた。このように、同一性能であれば、発熱素子用液冷装置１及びラジエータ２Ａを小型化、軽量化できる。
【符号の説明】
【００４２】
１：発熱素子用液冷装置（ジャケット）
２Ａ：ラジエータ
２Ｂ：冷却ファン
３：循環ポンプ
４：リザーブタンク
１１：流入口
１２：排出口
１３：中空部
１４、１５：平板
１６：壁
１７：放熱フィン
１８、１９：空間
２１：流入口
２２：排出口
２３：放熱フィン
１０１：発熱素子
１０２：放熱配線基板
ＣＬ：冷媒液
【図１】
2013179119.tif 000003
【図２】
2013179119.tif 000004
【図３】
2013179119.tif 000005
【図４】
2013179119.tif 000006
【図５】
2013179119.tif 000007
【図６】
2013179119.tif 000008
【図７】
2013179119.tif 000009
【図９】
2013179119.tif 000010
【図８】
2013179119.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月24日(2012.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
すなわち、ステップ７０１を参照すると、たとえばグラファイト基板にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズのナノ凹凸構造Ｓを形成する。ナノ凹凸構造Ｓの例を図８に示す。図８の（Ａ）、（Ｂ）は撮影角度が異なる。図８に示すように、ナノ凹凸構造Ｓの突起部のピッチ（間隔）はサイズ（幅）の数倍程度であり、同一オーダである。尚、ナノ凹凸構造Ｓの高さＨはサブミクロメートルオーダ以上である。すなわち、グラファイト基板をプラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板を酸素（O2）ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングを行う。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
プラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：200sccm
エッチング時間：50分
である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
尚、ステップ７０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、図７のプラズマエッチングステップ７０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨によるさらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておく。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、ナノ凹凸構造Ｓだけの場合よりも、不規則周期凹凸構造によりグラファイト基板の凹凸構造の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、ステップ７０１でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造のサイズ（ピッチ）はステップ７０１でのプラズマエッチングで形成されるナノ凹凸構造Ｓのサイズ（ピッチ）よりも必ず大きいものである。このときの放射温度計（商標KEYENCE FT-H20）により測定した結果、基板の表面の温度が150℃のときの放射率は理論最大値100に対して0.99となった。