JP3152132U - 液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低熱抵抗で、高放熱効果を有し、マイクロチャネル内の気液二相流エネルギ伝達媒質の流動を安定させる液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置を提供する。【解決手段】蓋及び下底板を備える。蓋は、一方にエネルギ伝達媒質を注入する入口を有し、他方にエネルギ伝達媒質を出す出口を有する。入口は、徐々に拡大し、出口は、徐々に縮小する。下底板の入口に液体貯蔵区が設けられ、下底板の出口に気体排出区が設けられ、液体貯蔵区と気体排出区との間にマイクロチャネル区が設けられ、マイクロチャネル区の一方端部は、液体貯蔵区に繋がり、他方端部は、気体排出区に繋がっている。気体排出区及び液体貯蔵区は、それぞれチャンバ体で、マイクロチャネル区は、連通する格柵式チャネルである。液体貯蔵区及びマイクロチャネル区に連通する空間構造は、噴管構造に相当する。【選択図】図２０

Description

本考案は、電子機器等を冷却するための液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置に関する。

インテルの共同創業者であるゴードン・ムーアが１９６５年にムーアの法則を提唱した。これは、半導体チップ上のトランジスタの数量が１８か月ごとに倍になるという経験則である。その後、インテルの４０年の発展がムーアの法則を実証した。２０１０年には、トランジスタ数が１０億に達し、３２ナノメートル技術の成熟に伴い、次世代ＭＰＵは、トランジスタ数が２０億に達すると見られている。コンピュータのチップ上のトランジスタ数が増加するにつれ、単位面積あたりの回路もますます過密になり、発生する熱量は、今のチップの１０倍以上になり、発熱密度は、１平方ミリメートル当たり１，０００ワット以上にもなる。特に、チップ上の高効率デバイスは、中心の温度が６，０００℃近くなり、適切な放熱方法がないとチップの性能および寿命に深刻な影響を及ぼす。

今のところ、高価な電気製品（電子機器を搭載した）の放熱方法には、液冷放熱が多い。以下、従来技術を図面に基づいて説明する。図１を参照する。図１は、従来の液冷放熱装置を示す斜視図である。図１に示すように、従来の液冷放熱装置は、ヒートシンク１、ポンプ２、フィン放熱器３および上記の部品を接続するホースを備えている。ヒートシンク１は、熱源（ＣＰＵなどの電子チップ）に接触し、ポンプ２に駆動された液体（冷媒）がヒートシンク１に流れ込んで熱を吸収し、フィン放熱器３において、外部に熱を放出する。冷却された液体は、再びヒートシンク１に戻り、発熱するチップから熱を外部に絶え間なく放出する。フィン放熱器３は、自然風またはファンによる強制冷却を用いる。冷却液体は、イオン除去された純水、不凍液を混入させた純水またはフロンＲ１３４ａなどその他の液体の混合物でもよい。

市販されている液冷放熱器内部のエネルギ伝達媒質は、循環時において、相変化を起こさないので、加熱または冷却されても、常に液状を保つ。液冷放熱は、熱抵抗が低く、伝達する熱容量が大きく、移動距離が長いという長所を有するが、ヒートシンクの材料の限界、および液体の熱吸収による高温のため、ヒートシンクの熱抵抗が低下せず、ヒートシンク内には、高い温度傾度が存在し、ヒートシンクに接触するチップの温度が不均等で、熱応力が発生する。また、一定の液体駆動力のもと、熱抵抗値は、一定ではあるが、将来現れるチップの放熱需要を満たすのは困難である。高熱流密度の条件は、ファン騒音および液体ポンプの寿命にとって、大きな問題である。

以上から、従来の液冷放熱装置は、構造および使用上において、欠点があったことがはっきりわかる。そのため、熱抵抗が低く、放熱効果の高い液冷放熱装置をいかにして開発するかが重要な研究課題の１つである。長期にわたる実験および研究によると、マイクロチャネルを通過した液体の相変化後の気液二相流がエネルギ伝達媒質の流動率またはエネルギ伝達媒質を駆動するのに必要なポンピングパワを顕著に下降させ、エネルギ伝達媒質およびヒートシンクの内部温度がさらに均等化することが実証されている。気液二相流および熱伝導が上記の長所を有し、電子チップおよび高性能レーザ器の冷却、マイクロ動力機器およびエネルギシステムにおける応用などの潜在的な応用ビジョンがマイクロチャネル気液二相流をここ１０年における研究重点にしている。しかし、マイクロチャネルヒートシンク内において、気液二相流の強い不安定性の存在が発見されている。不安定性がシステムの性能および信頼性を低下させ、故障を起こし、破損させてしまうことさえある。そのため、エネルギ伝達媒質の相変化を有するヒートシンクは、液冷放熱器技術において、まだ商品化されていない。

本考案の目的は、液冷放熱のヒートシンクが均等の温度分布を有することにより、低熱抵抗で、高放熱効果を有し、マイクロチャネル内の気液二相流エネルギ伝達媒質の流動を安定させ、利便性を高める液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本考案による液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置は、蓋および下底板を備え、該蓋は、一方にエネルギ伝達媒質をヒートシンクに注入する入口を有し、もう一方にエネルギ伝達媒質をヒートシンクから出す出口を有すると共に、エネルギ伝達媒質をヒートシンクに注入する入口は、徐々に拡大する形態の入口で、エネルギ伝達媒質をヒートシンクから出する出口は、徐々に縮小する形態の出口に形成されている。

下底板の入口に噴管構造を有する液体貯蔵区が設けられ、下底板の出口に気体排出区が設けられ、液体貯蔵区と気体排出区との間にマイクロチャネル区が設けられ、マイクロチャネル区の一方の端部は、液体貯蔵区に繋がり、もう一方の端部は、気体排出区に繋がっている。気体排出区および液体貯蔵区は、それぞれチャンバ体で、マイクロチャネル区は、連通する格柵式チャネルである。液体貯蔵区およびマイクロチャネル区の連通する空間構造は、噴管構造に相当する。気体排出区とマイクロチャネル区とが連通する空間構造は、直通構造である。

本考案の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置は、エネルギ伝達媒質の出入口を徐々に拡大する形態および徐々に縮小する形態として、エネルギ伝達媒質の流動抵抗を減少させることができる。

前記エネルギ伝達媒質の入口は、大きな液体貯蔵区が徐々に収縮してマイクロチャネルに過渡することにより、従来のヒートシンク構造が普遍的に有していた流動分配の不均等現象を改善することができる。

噴管構造の採用により、液体の流れる速度がマイクロチャネルの入口から下流に向かうところで最大になり、エネルギ伝達媒質の相変化発生時に、気体が逆流するのを防ぐことができる。

マイクロチャネル構造がチップ加熱区の上流および下流に、長いマイクロチャネル区を有する。マイクロチャネル区の長さは、チップの長さより長い。マイクロチャネル区は、チップの放熱に対して効果があまりないが、気体の逆流による不安定な現象を防ぐことができる。その原理は、マイクロチャネル区でいったん相変化が起きると、エネルギ伝達媒質の体積が膨張し、発生した気体が逆流現象を起こすが、長いマイクロチャネル区のため、気体が長いマイクロチャネル区の先端まで逆流することができない。これにより、マイクロチャネル区内では、気液界面（メニスカス）が発生する。ラプラスの方程式によると、メニスカスに毛細力が発生し、その毛細力の大きさは、表面張力およびメニスカスの半径による。また、メニスカスの半径は、マイクロチャネルの断面サイズによる。断面半径が小さくなるにともない、毛細力は大きくなる。毛細力は、強い吸収作用があり、液体がマイクロチャネルの出口に向かって流動するのを促進し、気体が逆流するのを防ぐ。また、チップ加熱区の下流の端部にある長いマイクロチャネル区は、気体の流動を安定させるため、マイクロチャネル区の出入口の端部において、気体の流動を安定させることができる。

気液相変化のため、導熱は、気化潜熱により完成し、エネルギ伝達媒質の温度上昇に限りがあるため、ヒートシンク全体の熱抵抗が明らかに下降し、電子チップの温度は、さらに均等になる。

従来の液冷放熱装置を示す斜視図である。 本考案の実施例の液冷放熱装置に用いられるマイクロチャネルヒートシンク装置を示す斜視図である。 本考案の第１の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。 図３の平面図である。 図４のＡ−Ａの断面図である。 図４のＢ−Ｂの断面図である。 図３の下底板を示す斜視図である。 図７の平面図である。 図８のＡ−Ａの断面図である。 本考案の第２の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。 図１０の平面図である。 図１１のＡ−Ａの断面図である。 図１１のＢ−Ｂの断面図である。 図１０のヒートシンク構造の下底板を示す斜視図である。 本考案の第３の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。 図１５の平面図である。 図１６のＡ−Ａの断面図である。 図１６のＢ−Ｂの断面図である。 図１５のヒートシンク構造の下底板を示す斜視図である。 本考案の一実施形態による液冷放熱装置に用いられるマイクロチャネルヒートシンク装置の動作過程を示す断面図である。

以下、本考案の実施形態を図面に基づいて説明する。図２を参照する。図２は、本考案の液冷放熱装置に用いられるマイクロチャネルヒートシンク装置を示す斜視図である。図２に示すように、ヒートシンク１は、蓋１１および下底板１２を備えている。該蓋１１は、一方にエネルギ伝達媒質をヒートシンク１に注入する入口１１１を有し、もう一方にエネルギ伝達媒質をヒートシンク１から出す出口１１２を有する。エネルギ伝達媒質がヒートシンク１に注入される入口１１１は、徐々に拡大する形態の入口１１１で、エネルギ伝達媒質がヒートシンク１から出される出口１１２は、徐々に縮小する形態の出口１１２である。

前記蓋１１および下底板１２の材料は、銅、アルミニウムなどの金属でも良い。シリコンなどの非金属でも良い。エネルギ伝達媒質は、水でも良いし、アセトン、メタノール、アンモニア水またはフレオンでも良い。フロンＲ１３４ａなどのその他のエネルギ伝達媒質でもよい。使用条件により選択される
図３〜６を参照する。図３は、本考案の第一の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。図４は、図３の平面図である。図５は、図４のＡ−Ａの断面図である。図６は、図４のＢ−Ｂの断面図である。

図３〜６に示すように、下底板１２は、材料が半導体材料のシリコンで、蓋１１は、材料がシリコンでも良いし、石英ガラスなどでも良い。前記下底板１２と蓋１１とは、接着（ＢＯＮＤＩＮＧ）により結合される。前記蓋１１は、シリコンまたは石英ガラス材料上を等方性ウエットエッチング（ＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＷＥＴ ＥＴＣＨＩＮＧ）されることにより、徐々に拡大する入口１１１および徐々に縮小する出口１１２が加工される。第一の実施形態における徐々に拡大する入口１１１および徐々に縮小する出口１１２の頂端は、蓋１１の頂面と揃うように平らになっている。前記下底板１２の入口１１１に噴管構造を有する液体貯蔵区１２１が設けられ、下底板１２の出口１１２に気体排出区１２３が設けられ、液体貯蔵区１２１と気体排出区１２３との間にマイクロチャネル区１２２が設けられている。前記マイクロチャネル区１２２の一方の端部は、液体貯蔵区１２１に繋がり、もう一方の端部は、気体排出区１２３に繋がっている。気体排出区１２３および液体貯蔵区１２１は、それぞれチャンバ体である。また、マイクロチャネル区１２２は、連通する格柵式チャネルである。液体貯蔵区１２１およびマイクロチャネル区１２２の連通する空間構造は、噴管構造に相当する。噴管構造とは、一種のパイプ過渡構造であり、液体の流れる速度が音速より小さいため、噴管構造は、大きいサイズのパイプが小さいサイズのパイプに円滑に縮小する構造で、気体排出区１２３とマイクロチャネル区１２２とが連通する空間構造は、直通構造である。

図７〜９を参照する。図７は、図３の下底板を示す斜視図である。図８は、図７の平面図である。図９は、図８のＡ−Ａの断面図である。図７〜９に示すように、下底板１２は、シリコン材料上をドライエッチング（ＤＲＹ ＥＴＣＨＩＮＧ）されることにより、噴管構造を有する液体貯蔵区１２１、マイクロチャネル区１２２および気体排出区１２３が加工される。

図１０〜１３を参照する。図１０は、本考案の第２の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。図１１は、図１０の平面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａの断面図である。図１３は、図１１のＢ−Ｂの断面図である。

図１０〜１３に示すように、下底板１２は、材料が銅、アルミニウムなどの金属で、蓋１１は、材料が下底板１２と同じの金属でも良いし、異なっても良い。下底板１２と蓋１１とは、溶接により接合されるが、同じ種類の金属の場合、ブレージング（ＢＲＡＺＩＮＧ）により接合され、異なる金属の場合は、ソルダリング（ＳＯＬＤＥＲＩＮＧ）により接合される。第２の実施形態において、徐々に拡大する入口１１１および徐々に縮小する出口１１２の頂端は、蓋１１の頂面から外に延伸している。第２の実施形態における蓋１１は、ＣＮＣ旋盤、ダイカスト（ＤＩＥ ＣＡＳＴＩＮＧ）または金属粉末射出成形（ＭＥＴＡＬ ＩＮＪＥＣＴＩＯＮ ＭＯＤＵＬＥ）により徐々に拡大する入口１１１、徐々に縮小する出口１１２、噴管構造を有する液体貯蔵区１２１、およびマイクロチャネル区１２２と直通する気体排出区１２３が加工される。図１４を参照する。図１４は、図１０のヒートシンク構造の下底板を示す斜視図である。図１４に示すように、金属材料上をＳＫＩＶＥＤＦＩＮ加工することにより、マイクロチャネル区１２２が加工される。

図１５〜１８を参照する。図１５は、本考案の第３の実施形態によるヒートシンク構造を示す斜視図である。図１６は、図１５の平面図である。図１７は、図１６のＡ−Ａの断面図である。図１８は、図１６のＢ−Ｂの断面図である。

図１５〜１８に示すように、下底板１２は、材料が銅、アルミニウムなどの金属で、蓋１１は、材料が金属でも良いし、プラスチックでも良い。下底板１２と蓋１１とは、ネジ１３によりしっかり固定される。密封が要求されるため、ネジ１３による固定を強化しなければならない。そのため、下底板１２と蓋１１との間に密封のための密封Ｏ型リング１４を設けることができる。第３の実施形態において、徐々に拡大する入口１１１および徐々に縮小する出口１１２の頂端は、蓋１１の頂面から外に延伸している。第２の実施形態における蓋１１は、プラスチック射出成形または金属粉末射出成形により徐々に拡大する入口１１１、徐々に縮小する出口１１２、噴管構造を有する液体貯蔵区１２１、マイクロチャネル区１２２と直通する気体排出区１２３、および密封Ｏ型リング１４を配置する溝１１３が加工される。図１９を参照する。図１９は、図１５のヒートシンク構造の下底板を示す斜視図である。図１９に示すように、金属材料上をＳＫＩＶＥＤＦＩＮ加工することにより、マイクロチャネル区１２２が加工され、ＣＮＣ旋盤によりネジ１３を挿着させる通孔１２４が加工される。

図２０を参照する。図２０は、本考案の一実施形態による液冷放熱装置に用いられるマイクロチャネルヒートシンク装置の動作過程を示す断面図である。図２０に示すように、エネルギ伝達媒質の相変化を有する液冷放熱装置は、フィン放熱器、ポンプおよびホース（図示せず）を含む。ヒートシンク１は、熱伝導界面材５により電子チップ６に接触している。電子チップ６の発生する熱は、熱伝導界面材５を介してヒートシンク１の下底板１２の下表面に伝導される。熱がマイクロチャネル区１２２に伝導されると、エネルギ伝達媒質がマイクロチャネル区１２２で熱を吸収して液体から気体に変化し、ポンプの駆動および毛細力の作用により、気液二相流のエネルギ伝達媒質が矢印に沿って流動し、下底板１２から伝導してきた熱を奪い去り、フィン放熱器を通過する際に、熱を外部に放出し、気体から液体に変化し、再びヒートシンク１に戻り、この循環を繰り返す。図２０の実施形態におけるヒートシンク１構造は、第３の実施形態によるものである。

本考案では好適な実施形態を前述の通りに開示したが、これらは決して本考案を限定するものではなく、当該技術を熟知する者は誰でも、本考案の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本考案の保護の範囲は、実用新案請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１ ヒートシンク
５ 熱伝導界面材
６ 電子チップ
１１ 蓋
１２ 下底板
１３ ネジ
１４ 密封Ｏ型リング
１１１ 入口
１１２ 出口
１１３ 溝
１２１ 液体貯蔵区
１２２ マイクロチャネル区
１２３ 気体排出区
１２４ 通孔

Claims (7)

1. 蓋および下底板を備え、前記蓋は一方にエネルギ伝達媒質をヒートシンクに注入する入口を有し、もう一方にエネルギ伝達媒質を前記ヒートシンクから出す出口を有し、エネルギ伝達媒質が前記ヒートシンクに注入される前記入口は徐々に拡大する前記入口に形成され、エネルギ伝達媒質が前記ヒートシンクから出される前記出口は徐々に縮小する前記出口に形成されることを特徴とする液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
2. 前記下底板は、前記入口に液体貯蔵区が設けられ、前記下底板の前記出口に気体排出区が設けられ、前記液体貯蔵区と前記気体排出区との間にマイクロチャネル区が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
3. 前記液体貯蔵区および前記前記気体排出区は、それぞれチャンバ体で、前記マイクロチャネル区は連通する格柵式チャネルであり、前記前記液体貯蔵区と前記前記マイクロチャネル区との連通する空間構造は噴管構造に相当し、前記気体排出区と前記マイクロチャネル区とが連通する空間構造は直通構造であることを特徴とする請求項２に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
4. 前記下底板と前記蓋とは、半導体材料からなり、接着により結合され、等方性ウエットエッチングにより加工された徐々に拡大する前記入口および徐々に縮小する前記出口は前記蓋の頂面と揃うように平らになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
5. 前記下底板と前記蓋とは、金属材料からなり、接着により結合され、ＣＮＣ旋盤により加工された徐々に拡大する前記入口および徐々に縮小する前記出口は前記蓋の頂面から外に延伸していることを特徴とする請求項１または２に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
6. 前記下底板は、金属材料からなり、前記蓋は金属またはプラスチック材料からなり、ネジによりしっかり固定され、プラスチック射出成形またはＣＮＣ旋盤により加工された徐々に拡大する前記入口および徐々に縮小する前記出口は前記蓋の頂面から外に延伸していることを特徴とする請求項１または２に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。
7. 前記蓋と前記下底板との間に密封Ｏ型リングを設けることを特徴とする請求項５に記載の液冷放熱器用マイクロチャネルヒートシンク装置。