WO2012141320A1 - 冷却装置の配管構造、その製造方法、及び配管接続方法 - Google Patents

Abstract

沸騰冷却方式による冷却装置の配管構造においては、配管に柔軟性を持たせると、冷却装置の冷却性能が低下するため、本発明の冷却装置の配管構造は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備えた第１の管状部を有し、第１の管状部は金属材料からなり、第１の管状部の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下である。

Description

冷却装置の配管構造、その製造方法、及び配管接続方法

　本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却装置の配管構造に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置の配管構造、その製造方法、及び配管接続方法に関する。

　近年、半導体装置や電子機器などの高性能化、高機能化に伴い、それらの発熱量も増大している。一方、携帯機器の普及等により半導体装置や電子機器などの小型化が進んでいる。このような背景から、高効率で小型の冷却装置が求められている。冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置は、ポンプなどの駆動部を必要としないため、半導体装置や電子機器などの冷却装置として期待されている。
　このような沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下では、「沸騰冷却装置」とも言う）の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された沸騰冷却装置は、純水やエタノール等の作動流体の蒸発作用により発熱体からの熱を吸収する蒸発器と、作動流体の凝縮作用により熱を放熱する凝縮器とを有する。そして、蒸発器と凝縮器との間で作動流体を流通させる流通管とを備え、この流通管が多数の箇所で曲げられた構成としている。この構成により、流通管がバネの機能を果たし、蒸発器及び凝縮器に加わる力を吸収することができる、としている。
　しかしながら、特許文献１に記載された沸騰冷却装置では、バネ機能を持たせた剛性のある金属からなる金属配管を流通管として用いているので、流通管を曲げて配置する自由度が制限されるという問題があった。また、自在に曲げられるまで金属配管の肉厚を薄くすると、曲げの途中で座屈が生じるなど、機械的な強度が保てないという問題があった。さらに導電性の冷媒を用いると、流通管を構成する金属と、蒸発器または凝縮器の接続部を構成する金属との間の電位差によって、電気化学作用に基づく腐食（電食）が生じるという問題があった。
　一方、沸騰冷却装置においては、半導体装置や電子機器などの動作温度範囲で冷却性能を向上させるために、冷媒として低沸点の有機冷媒が用いられることが多い。また、樹脂やゴムなどの有機材料を用いることにより、柔軟（フレキシブル）な配管を得ることができる。しかし、有機材料を用いた配管を使用すると、有機冷媒との化学反応によって内部圧力が増加し、その結果、冷媒の沸点上昇により冷却性能が低下してしまうという問題があった。
　このような問題を解決する技術が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された沸騰冷却装置は、冷媒液を収容する蒸発部容器と、気化した冷媒を凝縮する凝縮器と、蒸発部容器と凝縮器を配管し、気液が混相して流れる単一の管を有する。そしてこの管は、樹脂製の管の内壁にアルミニウム、ステンレス等耐蝕・耐透過性材料の薄膜を蒸着させた構成としている。この構成により、管は大気圧に抗して形状を維持するだけの剛性を備えるので、蒸発部容器と凝縮器の設置場所を自由に設定できる、としている。
特開２００６−１２５７１８号公報（段落「００２５」~「００４４」） 特開平０６−２２４３３７号公報（段落「００４」~「００９」）

　上述したように、関連する沸騰冷却装置の配管は、配管の内面に金属膜を蒸着した構成としている。しかし、樹脂上に蒸着された金属膜の表面粗さによって、管の途中で冷媒蒸気が再凝縮して液化してしまう。そのため、このような配管を用いた関連する沸騰冷却装置においては、冷媒の熱輸送量が低下するという問題があった。
　このように、関連する沸騰冷却装置の配管構造においては、配管に柔軟性を持たせると、冷却装置の冷却性能が低下してしまう、という問題があった。
　本発明の目的は、上述した課題である、沸騰冷却方式による冷却装置の配管構造においては、配管に柔軟性を持たせると、冷却装置の冷却性能が低下してしまう、という課題を解決する冷却装置の配管構造、その製造方法、及び配管接続方法を提供することにある。

　本発明の冷却装置の配管構造は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備えた第１の管状部を有し、第１の管状部は金属材料からなり、第１の管状部の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下である。
　本発明の冷却装置の配管構造の製造方法は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を構成する金属材料に対して、圧延処理を施すことによって表面粗さが冷媒の凝縮核の大きさ以下である板状の金属板材を形成し、金属板材を筒状に曲げ加工し、両方の端部を接合する。
　本発明の配管接続方法は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備え、内面の表面粗さが冷媒の凝縮核の大きさ以下である金属材料からなる第１の管状部を有する配管を接続突起部に挿入し、配管の外周部から中心方向に圧力を付加し、圧力により、第１の管状部を構成する金属材料を変形させ、金属材料と接続突起部を密着させる。

　本発明の冷却装置の配管構造によれば、配管に柔軟性を持たせた場合であっても、冷却装置の冷却性能の低下を招くことがない冷却装置の配管構造が得られる。

図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の配管構造の構成を示す平面図である。
図１Ｂは本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の配管構造の構成を示す断面図である。
図２Ａは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の配管構造の構成を示す平面図である。
図２Ｂは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の配管構造の構成を示す断面図である。
図３Ａは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の配管構造の製造方法を説明するための断面図である。
図３Ｂは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の配管構造の製造方法を説明するための断面図である。
図４は本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。
図５Ａは本発明の第３の実施形態に係る冷却装置における配管の接続方法を説明するための断面図である。
図５Ｂは本発明の第３の実施形態に係る冷却装置における配管の接続方法を説明するための断面図である。

　以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
　〔第１の実施形態〕
　図１Ａ、１Ｂに、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の配管構造１０の構成を示す。図１Ａは平面図、図１Ｂは配管構造の軸方向に垂直な面による断面図（図１ＡのＡＡ線断面図）である。本実施形態の冷却装置の配管構造１０は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備えた第１の管状部１１を有する。
　第１の管状部１１は金属材料からなり、第１の管状部１１の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下である。ここで凝縮核とは、蒸気が液化するときの基点となる箇所をいう。蒸気がその基点に接触すると、そこで液化が促進される。第１の管状部１１として例えば、アルミニウム材料などを用いることができる。このとき、表面の中心線平均粗さを０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下、さらに好適には１μｍ以下とすることにより、第１の管状部１１の内面が冷媒の凝縮核となることを回避することができる。
　また、第１の管状部には、焼きなまし（焼鈍）処理工程を経て形成されたものを用いることができる。焼きなまし（焼鈍）処理工程により、加工時に発生したひずみの調整を図ることができ、第１の管状部は柔軟性を維持しつつその強度を保つことが可能となる。
　次に、本実施形態による冷却装置の配管構造１０の製造方法について説明する。本実施形態による製造方法ではまず、アルミニウムなどの金属材料からなる板状の金属板材を準備する。金属板材は通常の圧延工程により作製することができる。この金属板材を例えばロールなどの円筒状治具を用いて筒状に曲げ加工し、両方の端部を溶接などにより接合する。これにより、金属材料からなる第１の管状部１１が完成する。この後に、焼きなまし（焼鈍）処理を施すこととしてもよい。焼きなまし（焼鈍）処理は、使用する金属材料に対して通常用いられる条件により行うことができる。また、金属板材の板厚によって定まる第１の管状部の厚さは、０．４ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下とすることが望ましい。これは、金属板材の板厚が０．４ｍｍよりも薄くなると、端部の溶接処理が困難となり、また第１の管状部の曲げ強度および耐内圧強度を保つことが困難になるからである。一方、第１の管状部の厚さが１ｍｍよりも大きくなると、冷却装置の配管構造１０の柔軟性が低下するからである。
　このように本実施形態によれば、配管に柔軟性を持たせた場合であっても、冷却装置の冷却性能の低下を招くことがない冷却装置の配管構造が得られる。
　〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２Ａ、２Ｂに、本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の配管構造１００の構成を示す。図２Ａは平面図、図２Ｂは配管構造の軸方向に垂直な面による断面図（図２ＡのＡＡ線断面図）である。本実施形態の冷却装置の配管構造１００は、冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備えた第１の管状部１１０と、第１の管状部１１０を被覆する第２の管状部１２０を有する。
　第１の管状部１１０は金属材料からなり、第１の管状部１１０の内面の表面粗さは冷媒の凝縮核の大きさ以下である。ここで凝縮核とは、蒸気が液化するときの基点となる箇所をいう。蒸気がその基点に接触すると、そこで液化が促進される。第１の管状部１１０として例えば、アルミニウム材料などを用いることができる。このとき、表面の中心線平均粗さを０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下、さらに好適には１μｍ以下とすることにより、第１の管状部１１０の内面が冷媒の凝縮核となることを回避することができる。
　第２の管状部は樹脂やゴムなどの有機材料からなり、例えば、ポリエチレン材料やブチルゴム材料などを用いることができる。
　このように、本実施形態による冷却装置の配管構造１００においては、冷媒と接触する第１の管状部１１０は金属材料からなり、その内面の表面粗さが冷媒の凝縮核の大きさ以下に構成されている。そのため、冷却装置の配管構造１００と冷媒との化学反応および冷媒蒸気の再凝縮を防止することができる。また、有機材料からなる第２の管状部１２０が第１の管状部１１０を被覆する多層構造としているので、冷却装置の配管構造１００の柔軟性を保ちつつ機械的な強度を維持することができる。以上より、本実施形態によれば、配管に柔軟性を持たせた場合であっても、冷却装置の冷却性能の低下を招くことがない冷却装置の配管構造が得られる。
　次に、本実施形態による冷却装置の配管構造１００の製造方法について説明する。図３Ａ、３Ｂは、本実施形態による冷却装置の配管構造１００の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態による製造方法ではまず、アルミニウムなどの金属材料からなる板状の金属板材１４０を準備する。この金属板材１４０を図３Ａに示すように、例えばロールなどの円筒状治具１５０を用いて筒状に曲げ加工し、両方の端部１６０を溶接などにより接合する。これにより、金属材料からなる第１の管状部１１０を形成する。
　続いて図３Ｂに示すように、例えばノズル１７０などからポリエチレンなどの樹脂材料を射出し、第１の管状部１１０の外周を被覆する。これにより、有機材料からなる第２の管状部が第１の管状部１１０を覆って形成され、冷却装置の配管構造１００が完成する。このように、本実施形態による冷却装置の配管構造１００の製造方法は簡易な工程により構成されるので、本製造方法によれば、冷却装置の配管構造１００を大量かつ安価に製造することができる。
　ここで、金属板材１４０により形成される第１の管状部１１０の内面の表面粗さは、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下、さらに好適には１μｍ以下とすることが望ましい。これは金属板材１４０を通常の圧延工程により作製することにより得られる。表面粗さをこの範囲とすることにより、第１の管状部１１０の内面が冷媒の凝縮核となることを回避することができる。また、金属板材１４０の板厚によって定まる第１の管状部の厚さは、０．４ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下とすることが望ましい。これは、金属板材１４０の板厚が０．４ｍｍよりも薄くなると、端部１６０の溶接処理が困難となり、また第１の管状部の曲げ強度および耐内圧強度を保つことが困難になるからである。一方、第１の管状部の厚さが１ｍｍよりも大きくなると、冷却装置の配管構造１００の柔軟性が低下するからである。
　〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第２の実施形態による冷却装置の配管構造１００を用いた冷却装置について説明するが、第１の実施形態による冷却装置の配管構造１０を用いることとしてもよい。以下では、沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下、「沸騰冷却装置」と言う）に適用した場合について説明する。図４は、本実施形態による沸騰冷却装置２００の構成を示す断面図である。沸騰冷却装置２００は、冷媒２１０を貯蔵する蒸発部２２０と、蒸発部２２０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部２３０を有する。冷却対象となる半導体装置などの発熱部２４０は、蒸発部２２０の一の面に熱的に接するように配置される。
　蒸発部２２０と凝縮部２３０は第２の実施形態による冷却装置の配管構造１００を用いて接続される。冷却装置の配管構造１００は図２Ａに示したように、蒸発部２１０に接続される第１の接続部１３１と凝縮部２３０に接続される第２の接続部１３２を備えている。図４では、蒸発部２２０から凝縮部２３０に向かって気相冷媒が流動する気相配管２５１と、凝縮部２３０から蒸発部２２０に向かって液相冷媒が流動する液相配管２５２に、冷却装置の配管構造１００を用いた場合を示す。ここで、気相配管２５１および液相配管２５２（以下では、単に「配管２５０」とも言う）における曲げの強度は、柔軟性を有する有機材料からなる第２の管状部１２０によって維持される。そのため、沸騰冷却装置２００においては、蒸発部２２０と凝縮部２３０を接続する配管の機械的な強度を維持しつつ、蒸発部２２０と凝縮部２３０の配置を自由に設定することができる。
　このように、本実施形態の沸騰冷却装置２００では、内層に金属材料からなる第１の管状部１１０を備え、外層に柔軟性を有する有機材料からなる第２の管状部１２０を備えた配管２５０を用いて蒸発部２２０と凝縮部２３０とを接続することとした。この構成により、冷却対象装置のレイアウトや仕様が変更になった場合であっても、沸騰冷却装置２００のレイアウトを容易に変更することができる。そのため、冷却対象装置ごとに蒸発部２２０と凝縮部２３０を設計・製造する必要がなく、共通化することが可能となる。その結果、蒸発部２２０および凝縮部２３０のコストを低減することができる。
　また、蒸発部２２０は、冷却装置の配管構造１００の第１の接続部１３１と接続する第１の接続突起部２２１を備え、凝縮部２３０は、第２の接続部１３２と接続する第２の接続突起部２３１を備えた構成とすることができる。そして、第１の接続突起部２２１および第２の接続突起部２３１の少なくとも一方は、第１の管状部１３１を構成する金属材料と同一の材料で構成することとしてもよい。この場合は、同一の金属間においては電位差が生じないので、水などの導電性の冷媒を用いた場合であっても、電気化学作用に基づく腐食（電食）の発生を回避することができる。
　一般に、半導体装置や電子機器などは数１０℃から約１００℃程度の温度範囲で動作するように設計される。そのため、沸騰冷却装置に用いる冷媒に、表面張力が小さく、低沸点の材料を使用することによって、蒸発部における気泡の発生を活発化させ、冷却性能を向上させることができる。このような理由から、冷媒にはハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどの有機冷媒が使用される。しかし、このような有機冷媒は樹脂やゴムなどの有機材料と化学反応を起こす。この化学反応により反応ガスが発生し、関連する沸騰冷却装置ではその内圧が上がるため、冷媒の沸点が上昇してしまう。その結果、関連する沸騰冷却装置では長期間の使用により冷却性能の低下が生じる。
　しかしながら、本実施形態の沸騰冷却装置２００では、金属材料からなる第１の管状部１１０を備えた冷却装置の配管構造１００を、気相配管２５１および液相配管２５２に用いている。そのため、冷媒と配管との反応が抑制されるので、冷却性能の低下を回避することができ、沸騰冷却装置の長期間における信頼性を確保することができる。
　次に、図５Ａ、５Ｂを用いて、配管の接続方法についてさらに詳細に説明する。図５Ａ、５Ｂは、本実施形態による冷却装置における配管の接続方法を説明するための断面図である。
　本実施形態の配管の接続方法においては、まず、図５Ａに示すように配管２５０を第１の接続突起部２２１または第２の接続突起部２３１（以下では単に、「接続突起部２６０」と言う）に挿入する。ここで配管２５０は、上述したように第２の実施形態による冷却装置の配管構造１００を備えている。すなわち配管２５０は、冷却装置に用いられる冷媒が導通する中空部を備えた金属材料からなる第１の管状部１１０と、第１の管状部１１０を被覆する有機材料からなる第２の管状部１２０を有する。
　次に、第２の管状部１２０の外周部から中心方向に圧力を付加する。圧力の付加には、図５Ｂに示すように、例えばクランプ２７０などの締め具を用いることができる。この圧力により、第１の管状部１１０を構成する金属材料を変形させ、この金属材料と接続突起部２６０を簡易な工程により密着させることができる。
　ここで、接続突起部２６０の形状を図５Ａ、５Ｂに示すようなニップル形状とすることができる。このとき、配管２５０の内層を構成する金属材料からなる第１の管状部１１０は肉厚が薄いため、ニップル形状の凸部で応力集中により塑性変形し、接続突起部２６０と密着する。これにより、接続突起部２６０からの冷媒のリークを抑制することができる。そして、本実施形態による配管２５０は、外層に樹脂やゴムなどの有機材料からなる第２の管状部１２０を備えているので、内層の金属材料が変形した場合であっても、配管としての強度を保つことができる。
　本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
　この出願は、２０１１年４月１３日に出願された日本出願特願２０１１−０８９３４７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１０、１００　　冷却装置の配管構造
　１１、１１０　　第１の管状部
　１２０　　第２の管状部
　１４０　　金属板材
　１５０　　円筒状治具
　１６０　　端部
　１７０　　ノズル
　２００　　沸騰冷却装置
　２１０　　冷媒
　２２０　　蒸発部
　２２１　　第１の接続突起部
　２３０　　凝縮部
　２３１　　第２の接続突起部
　２４０　　発熱部
　２５０　　配管
　２５１　　気相配管
　２５２　　液相配管
　２６０　　接続突起部
　２７０　　クランプ

Claims (14)

1. 冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備えた第１の管状部を有し、
   　前記第１の管状部は金属材料からなり、前記第１の管状部の内面の表面粗さは、前記冷媒の凝縮核の大きさ以下である
   　冷却装置の配管構造。
2. 請求項１に記載した冷却装置の配管構造において、
   　前記第１の管状部は、焼きなまし処理工程を経て形成される冷却装置の配管構造。
3. 請求項１または２に記載した冷却装置の配管構造において、
   　前記第１の管状部の内面の表面粗さが０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である冷却装置の配管構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した冷却装置の配管構造において、
   　前記第１の管状部の厚さは、０．４ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下である冷却装置の配管構造。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載した冷却装置の配管構造において、
   　前記第１の管状部と、
   　前記第１の管状部を被覆する第２の管状部、とを有し、
   　前記第２の管状部は、有機材料からなる冷却装置の配管構造。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した冷却装置の配管構造において、
   　前記冷媒を貯蔵する蒸発部に接続される第１の接続部と、
   　前記蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部に接続される第２の接続部、を有する冷却装置の配管構造。
7. 冷媒を貯蔵する蒸発部と、
   　前記蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、
   　前記蒸発部と前記凝縮部を接続する配管、とを有し、
   　前記配管は、請求項１から６のいずれか一項に記載した冷却装置の配管構造を備える
   　冷却装置。
8. 請求項７に記載した冷却装置において、
   　前記蒸発部は前記配管と接続する第１の接続突起部を備え、
   　前記凝縮部は前記配管と接続する第２の接続突起部を備え、
   　前記第１の接続突起部および前記第２の接続突起部の少なくとも一方は、前記第１の管状部を構成する金属材料と同一の材料により構成されている
   　冷却装置。
9. 冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を構成する金属材料に対して、圧延処理を施すことによって表面粗さが前記冷媒の凝縮核の大きさ以下である板状の金属板材を形成し、
   　前記金属板材を筒状に曲げ加工し、両方の端部を接合する
   　冷却装置の配管構造の製造方法。
10. 請求項９に記載した冷却装置の配管構造の製造方法において、
    　前記接合する工程の後に、焼きなまし処理を行う冷却装置の配管構造の製造方法。
11. 請求項９に記載した冷却装置の配管構造の製造方法において、
    　前記接合する工程により金属材料からなる第１の管状部を形成し、
    　有機材料を射出して前記第１の管状部の外周を被覆することにより、有機材料からなる第２の管状部を形成する
    　冷却装置の配管構造の製造方法。
12. 冷却装置に用いられる冷媒が流動する中空部を備え、内面の表面粗さが前記冷媒の凝縮核の大きさ以下である金属材料からなる第１の管状部を有する配管を接続突起部に挿入し、
    　前記配管の外周部から中心方向に圧力を付加し、
    　前記圧力により、前記第１の管状部を構成する前記金属材料を変形させ、前記金属材料と前記接続突起部を密着させる
    　配管接続方法。
13. 請求項１２に記載した配管接続方法において、
    　前記第１の管状部は、焼きなまし処理工程を経て形成される配管接続方法。
14. 請求項１２に記載した配管接続方法において、
    　前記配管は、前記第１の管状部を被覆する有機材料からなる第２の管状部を有し、
    　前記第２の管状部の外周部から中心方向に圧力を付加する
    　配管接続方法。

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