JP4123017B2 - 熱輸送素子および熱輸送素子を用いた半導体装置および熱輸送素子を用いた大気圏外移動体 - Google Patents
熱輸送素子および熱輸送素子を用いた半導体装置および熱輸送素子を用いた大気圏外移動体 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器等の冷却に用いられる熱輸送素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子機器等の冷却には、熱輸送素子として、信頼性、軽量化及び静音性等の観点から、ポンプ等が有する可動部を持たないヒートパイプが用いられてきた。しかし、近年、電子機器等冷却する対象物の発熱量が急増しており、ヒートパイプによる冷却が困難になってきている。
【0003】
また、ヒートパイプでは温度制御が難しく、温度制御が容易にできる熱輸送素子が必要とされている。
【0004】
このような背景の下で、温度制御性を考慮した新しい熱輸送素子が開発されてきている。
【0005】
従来の熱輸送素子では、偏平なヘッダが細径チューブで接続され、内部に液体が流路端部に気相部を残して封入され、各ヘッダの内部にはフィンで流路が形成され、ヒータ等の加熱手段が設けられた毛細管がヘッダの一部に接続されている。この熱輸送素子は、加熱手段の電源によって毛細管内部の液をパルス状の電圧でステップ的に加熱し、突沸させ、液の気化に伴う急激な圧力上昇によって液が駆動され、一方、流路の他端では気相部によって体積変動が吸収される、いわゆる気泡ポンプを利用したものである(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平7−286788号公報(図1)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の熱輸送素子にあっては、毛細管内部の液体を微小振動させる気泡ポンプにより液体を駆動して熱拡散させるものであるため、熱輸送能力及び熱拡散能力が小さいという問題があった。
【0008】
また、作動流体である液体としては、気泡ポンプとしての特性がよく、熱伝達特性、流動特性がよいものが望まれるが、これら全ての特性を満たすことは非常に難しかった。すなわち、作動流体の振動の振幅を大きくし、周期を小さくして気泡ポンプとしての特性を向上させるとともに、熱伝達特性、流動特性を向上させることは困難であるという問題があった。
【0009】
本発明は、上記のような問題を解決するものであり、静音性及び温度制御性を有し、かつ熱輸送能力及び熱拡散能力を向上した熱輸送素子を提供することを目的とする。
【0010】
また、気泡ポンプとしての特性を向上させた熱輸送素子を提供することを目的とする。
【0011】
また、熱伝達特性、流動特性を向上させた熱輸送素子を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱輸送素子は、液体が流れる流路が形成された中空体の両端を該中空体内部に外気が侵入しないように閉じた構造とされ、上記中空体内部に液体と気体が封入された容器、
上記容器の外壁に、上記流路にそって、互いに隣り合うように配設された1つ以上の受熱用熱交換器及び放熱用熱交換器、
および上記容器の両端に設けられ、上記液体を流路方向に振動させる駆動用熱交換器を備え、
容器の駆動用熱交換器が設けられた部分は、外管を有し、上記容器の端部と上記外管の一端部が連通する2重管構造となっており、上記外管の他端部は閉塞しているものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態1の構成を示す断面図である。図において、容器1の大きさは特に限定されるものではなく、例えば微細管などにて形成することも可能であり、そのような場合は、半導体装置などの微細構造物への利用も可能となることは言うまでもない。
【0014】
図に示したように、容器1には液体5及び気体6が適量封入され、容器1途中に受熱用熱交換器2及び放熱用熱交換器3がそれぞれ1つ以上設けられており、容器1の両端に駆動用熱交換器4が設けられている。
【0015】
容器1はその内部を液体5及び気体6が移動する流路の役割を有する。受熱用熱交換器2は、電子機器、半導体素子等の発熱体部分またはこの発熱体部分の熱を放熱する放熱部分である。放熱用熱交換器3は、熱輸送機器の受熱部または自然・強制対流熱伝達や輻射を利用する放熱壁である。また、放熱用熱交換器3は、直接外部空間(空気中、水中、宇宙空間等)に容器1の一部を剥き出しに設置し、直接自然・強制対流熱伝達や輻射を利用してもよい。この場合、フィン等を剥き出しの容器1部表面に設けてもよい。
【0016】
駆動用熱交換器4は、容器1の両端に設けられ、電気加熱ヒータ等のような周期的に加熱することができる熱交換器、または太陽光のような時間とともに入熱量が変化する熱源でもよい。例えば、人工衛星のように地球等を周回する機器に熱輸送素子が設置された場合、ある一定周期で加熱・冷却が繰り返される(太陽光が入射する面では加熱され、逆に、その背面では冷却される。)ので、この一定周期で繰り返される加熱・冷却を駆動用熱交換器4として利用してもよい。
【0017】
液体5は、蒸留水、エタノール、アンモニア等の単一成分液体またはこれらの単一成分液体を組み合わせた混合液体のような相変化を生じる液体(液相と気相とが混在するような作動流体としての液体)である。気体6は液体5の蒸気である。但し、気体6には液体5の蒸気以外の気体が若干量混入していてもよい。
【0018】
上記図1に示した構造においては、容器1途中に設けられた受熱用熱交換器2部分における容器1内部の液体5が受熱により温度上昇し高温液体となり、逆に、放熱用熱交換器3部分における容器1内部の液体5は放熱により温度低下して低温液体となる。その際、図1(a)に示したように左側の駆動用熱交換器4を加熱し、ある場合はその後冷却した後一定時間後に図1(b)に示したように右側の駆動用熱交換器4を加熱し、ある場合はその後冷却する(これを一周期とする)というように、各駆動用熱交換器4により容器1両端をある一定周期で交互に加熱することにより、容器1両端の内部では気体の発生(沸騰)・成長(蒸発または沸騰)・収縮(凝縮)が半周期ずれて繰り返され、容器1中央側の高温液体及び低温液体が左右に振動する。この振動によって、容器1内部では高温液体が放熱用熱交換器3部分へ移動し、移動した高温液体が保有する熱を放熱して低温液体になり、逆に、低温液体は受熱用熱交換器2部分へ移動し受熱され高温液体になる。
【0019】
以上のように、本実施の形態においては、容器1の両端に設けた駆動用熱交換器で容器1の両端を一定周期で交互に加熱し、液体5を受熱用熱交換器2部分と放熱用熱交換器3部分との間で左右に周期的に振動しているため気泡ポンプとしての特性を向上させている。また、この振動によって受熱用熱交換器2部分から放熱用熱交換器3部分へ熱輸送を行うものであり、駆動用熱交換器4の加熱量と加熱周期を変えることによって容易に振動の振幅を大きくし、振動周期を小さくすることができるので、熱輸送効率を向上させることができるとともに、受熱用熱交換器2部分における液体5の温度を制御することができる。
【0020】
また、ポンプ等のような可動部を有していないので、耐久性及び信頼性が向上し、コンパクトで軽量なものにすることができる。
【0021】
さらに、ヒートパイプのように重力を利用するものとは異なり、重力を利用しない熱輸送素子であり、また、重力の影響を受けにくい構造であるために微小重力及び無重力空間において使用することができ、また、逆に高重力空間においても使用することができる。
【0022】
実施の形態2.
図1において、容器1の駆動用熱交換器4が設けられた部分それぞれの内容積V1は、容器1の受熱用熱交換器2中央と放熱用熱交換器3の中央との間の内容積V2以上であるのが好ましい。また、液体5の量V3は、容器1の全内容積Vから容積V1を差し引いた程度であるのが好ましい。
【0023】
上記のように、内容積V1≧内容積V2、V3≒V−V1とすることにより大きな振動が生じるようにすることができる。より大きな振動を発生させることによって、液体5が複数の受熱用熱交換器2と放熱用熱交換器3を経て移動するようになるので、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3へより一層効率よく熱輸送することができる。
【0024】
実施の形態3.
図2は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態3の構成を示す断面図である。図において、図1と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、低沸点液体7と高沸点液体8を組み合わせた互いに混合しない分離流体を使用するものである。
【0025】
低沸点液体7は、小さな熱量でより大きな体積変化を示す液体、例えば、潜熱が小さく、気液の密度差が大きなものを用い、液体の両端すなわち駆動用熱交換器4と接する位置に封入されている。高沸点液体8は、低沸点液体7より沸点が高く、流動特性がよく、さらに熱輸送特性がよい、例えば、粘性係数が小さく、熱容量や熱伝導率が大きなものを用い、低沸点液体7の間の位置に封入されている。具体的には、低沸点液体7としてフロリナート(住友スリーエム(株)の商品名、化学式:C6F14等)、フロンHFC134a等を用いることができ、高沸点液体8としてはこの低沸点液体7とが互いに混合しない例えばこの場合においては水等を用いることができる。
【0026】
低沸点液体7と高沸点液体8とを組み合わせた分離流体を使用することによって、駆動用熱交換器4における小さな消費エネルギーで高沸点液体8に大きな振動を生じさせ(成績係数C.O.Pが大きくなる)、また、高沸点液体8の振動周期を小さくすることができる。
【0027】
また、受熱用熱交換器2の発熱量が大きく、受熱用熱交換器2部分における容器1内の液体温度が上昇しても、両端部に低沸点流体が存在することにより、安定して駆動用熱交換器4内で蒸気発生・成長・凝縮が生じ、安定して高沸点液体8を振動させ、熱を輸送することができる。従って、本実施の形態によれば限界熱輸送量を大きくすることができる。
【0028】
実施の形態4.
上記各実施の形態においては、容器の大きさが一端から他端まで一様な大きさにて成る例を示したがこれに限られることは無く、例えば図3(a)に示すように、容器1の両端を液体リザーバ1a、1bとし、その部分の断面積を、容器1の両端以外の箇所の断面積より大きくし、容器1内に封入される液体1の総量を上記各実施の形態の場合より多くしたものである。
【0029】
また、液体リザーバ1a、1bの形状は、図3(a)のA─A拡大断面である図3(b)に示すように、液体リザーバ1a、1bは同一形状にてなり、断面形状を角部38を有する形状のここでは矩形形状としている。よってここでは断面形状において角部38が4箇所存在することとなる。そして、これら角部38には液体5の毛管現象により液体5が残存し、液体フィレット部5aが形成されることとなる。
【0030】
上記のように構成された実施の形態4の熱輸送素子の液体5は上記各実施の形態と同様の動作を行うが、液体リザーバ1a、1bを有しているため、液体5の総量を多くすることができ、熱交換の容量を大きくし振動による移動距離を長くすることができる。また、液体リザーバ1a、1bの断面形状が矩形形状にて成り、角部38を有しているため、この部分に液体フィレット部5aができる。
【0031】
よって、駆動用熱交換器4は液体リザーバ1a、1b内の全ての液体5を加熱するのではなく、この液体フィレット部5a、すなわち気体6(蒸気)に相変化する部分のみを加熱することができるため、駆動用熱交換器4の熱を効果的に利用することができる。また、この液体フィレット部5aへは、液体リザーバ1a、1bに蓄えられた液体5から連続的に液体5が供給されるため、加熱量に応じて蒸発量の増大を図ることできる。
【0032】
尚、この実施の形態4においては、液体リザーバ1a、1bの断面形状を矩形形状にて形成する場合を示したが、これに限られることは無く、断面形状に角部を有する形状(例えば三角形、多角形、扇形など)であれば、その角部の毛管現象において液体フィレット部が形成されるため、同様の効果を奏することができることは言うまでない。
【0033】
実施の形態5.
上記各実施の形態においては、駆動用熱交換器を加熱部にて形成し、加熱工程を加熱部による加熱、また、冷却工程を加熱部による加熱の停止により実施する例を示したが、これに限られることは無く、例えば駆動用熱交換器として冷却部を備えるようにしてもよい。以下、駆動用熱交換器として加熱部に加えて冷却部を備える例について説明する。
【0034】
図4はこの発明の実施の形態5の熱輸送素子の構成を示す断面図であり、図4(b)は図4(a)のA―A拡大断面を示す。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。図において、容器1の両端部に加熱部として駆動用熱交換器4に加えて、駆動用熱交換器としての冷却部40をそれぞれ備える。
【0035】
上記のように構成された実施の形態5の熱輸送素子の動作について説明する。まず、一方の液体リザーバ1a側を駆動用熱交換器4である時間幅加熱する場合、液体リザーバ1aの冷却部40は動作せず(冷却せず)、他方の液体リザーバ1b側では駆動用熱交換器4は動作せず(加熱せず)、冷却部40は動作し冷却する。このことにより、一方の液体リザーバ1a内では気体6が発生し、内部の圧力が高くなるとともに、他方の液体リザーバ1b内では強制的に気体6が冷却されて凝縮し、内部の圧力は低下する。
【0036】
その結果、液体リザーバ1aと液体リザーバ1bと間の圧力差が大きくなり、液体5の液体リザーバ1aから液体リザーバ1bに向けての液流がより瞬時に生じることになる。次に一定時間の後、他方の液体リザーバ1b側を駆動用熱交換器4である時間幅加熱する。このとき他方の液体リザーバ1bの冷却部40は動作せず(冷却せず)、一方の液体リザーバ1a側では駆動用熱交換器4は動作せず(加熱せず)、冷却部40は動作し冷却する。
【0037】
このことにより、他方の液体リザーバ1b内では気体6が発生し、内部の圧力が高くなるとともに、一方の液体リザーバ1a内では強制的に気体6が冷却されて凝縮し、内部の圧力は低下する。その結果、液体リザーバ1bと液体リザーバ1aと間の圧力差が大きくなり、液体5を液体リザーバ1bから液体リザーバ1aに向けての液の逆流がより瞬時に生じることになる。この動作を繰り返すことにより容器1内の液体5の流路方向の振動を与えるようにする。
【0038】
上記のように構成された実施の形態5の熱輸送素子は、駆動用熱交換器として強制的に冷却を行う冷却部を形成するようにしたので、容器1内の液体5の振動流がより短い時間で可能になるため、液流の流速が大きくなり、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3へより早く熱を輸送することができる。よって、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3間の熱輸送能力が大きくなるという利点が得られる。
【0039】
尚、上記実施の形態5においては、冷却部40を液体リザーバ1a、1bの駆動用熱交換器4の相対する面上に形成する例を示したがこれに限られることは無く、蒸気相の生じる箇所ならば他の面上の何れの箇所に形成しても同様の効果奏することは言うまでもない。
【0040】
また、以下の実施の形態においては駆動用熱交換器としての冷却部を備える例を、または、備えない例を適宜説明するがいずれの構成も採用することは可能であり、採用の有無は設置場所などに応じて適宜選択することが出来ることはいうまでもない。
【0041】
実施の形態6.
図5〜図8は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態6の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、駆動用熱交換器4が設けられる容器1部分が、図5、図6に示したように、容器1に連通する外管を有する2重管構造となっているもの、図7に示したように、容器1端部を折り返した2重管構造となっているもの、あるいは図8に示したように、別の容器に連通した2重管構造となっているものである。
【0042】
本実施の形態における図5、7、8の場合によれば、駆動用熱交換器4が設けられている容器1部分に液体5が戻るときに容器1の外壁を介して液体5と気体6との熱交換が生じ、気体6が冷却され、気体6の凝縮に伴う内圧の低下によってより大きな液体駆動圧力が得られ、より短い周期で液体5が振動し、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3へより一層効率よく熱を輸送することができる。
【0043】
また、図6は液体リザーバを備えた場合を示しており、容器1の各液体リザーブ1a、1bの中が2重構造容器と成るよう、内管1c、1dが挿入された構成となっている。また、このように内管1c、1dが液体リザーブ1a、1bに挿入されているため、容器1の両端は、液体リザーブ1a、1bのそれぞれの内側となり、その箇所に駆動用熱交換器4および冷却部40がそれぞれ形成されている。
【0044】
この構成によれば、例えば液体リザーバ1a内に液体5が戻る時に、内管1cの壁を介して液体5と気体6との間で熱交換が生じ、気体6が冷却され、蒸気凝縮に伴う圧力低下により、より大きな液体駆動圧力が得られ、より大きな速度で液体が流動する。また、逆に液体リザーバ1b内に液体5が戻る時に、内管1d壁を介して液体5と気体6との間で熱交換が生じ、気体6が冷却され、蒸気凝縮に伴う圧力低下により、より大きな液体駆動圧力が得られ、より大きな速度で液体が逆流する。
【0045】
このように短い周期で液体5を振動させることができるので、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3へ効率良く熱を輸送することができるという利点が得られる。
【0046】
実施の形態7.
図9、図10は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態7の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、駆動用熱交換器4が設置される部分の容器1内に、毛細管作用を生じる孔部としてのグルーブまたは多孔質物質等の多孔体9、または溝部41を設けたものである。
【0047】
本実施の形態における図9の場合によれば、駆動用熱交換器4が設置される部分の容器1内に、多孔体9を設けることにより、蒸発または沸騰によって費やされる液体5を毛細管作用により補うことができ、また、容器1壁面が液体を保有しやすくなるために壁面が乾きにくくなるので、高熱流束の駆動用熱交換器4を使用することができる。
【0048】
また、気体6の放出を長時間持続することができ、液体5を移動させる駆動力を持続させることができるので液体5の振動による移動距離を大きくすることができる。
【0049】
また、多孔体9の孔が気体(蒸気泡)6発生の核として作用し、気体6が発生しやすくなるので、結果として、液体5の振動周期をより短くすることも可能になる。
【0050】
また、図10は液体リザーバを備えた場合を示しており、液体リザーバ1a、1bの内壁面に毛管現象が生じる孔部としての小さな溝部41を軸方向に設ける。そして上記各実施の形態と同様に駆動用熱交換器4にて加熱または冷却部40にて冷却するようにした。このように構成すれば、溝部41中には液体リザーバ1a、1bの液体5から毛管現象で液体5が浸透するため、駆動用熱交換器4により加熱、または、冷却部40により冷却される液体5部分の面積が角部38の液体フィレット部6aだけではなく、より広い面積で行える。
【0051】
このため、単位時間あたりの蒸発熱量が増大し、圧力上昇速度が増し、より瞬時に圧力が上昇または圧力が低下し、その結果、容器1中の液体5の振動速度が増し、熱輸送量が増大するという効果が得られる。
【0052】
また、容器1の形状が矩形ではなく、円形状で角部38がない場合でも、この溝部41により駆動動用熱交換器4による加熱による蒸発が生じるという利点がある。また、ここでは液体5を浸透させるものとして溝部41を設けた場合について示したが、例えば、メッシュや焼結金属、多孔質セラミックなど毛管現象で液体5が浸透するものであれば何でもよく、同じ効果を奏することは言うまでもない。
【0053】
実施の形態8.
図11は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態8の構成を示す断面図である。図において、図1と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、容器1の受熱用熱交換器2と放熱用熱交換器3とが設けられた部分内に、乱流促進体10を設けたものである。
【0054】
受熱用熱交換器2と放熱用熱交換器3とが設けられた部分内に、乱流促進体10を設けることによって、容器1内流路全体の圧力損失はあまり増大させることなく熱伝達特性を著しく増大させることができる。
【0055】
なお、本実施の形態において、乱流促進体に代えて、図12(a)及び(a)のA−A断面図(b)に示すように、ストレートフィン、ピンフィン、多孔質物質、発泡金属等、多数の通路を有するマイクロチャンネル11を用いても同様の効果が得られる。
【0056】
実施の形態9.
図13は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態9の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は図13(a)に示したように、容器壁(内壁)12に窪み13を設け、窪み13の下部に空間ができるように挿入物14を挿入するものである。
【0057】
本実施の形態によれば、窪み13の下部の空間に気体6が安定して存在し、容器壁12と挿入物14の間から蒸気泡15が発生しやすくなり、発生した蒸気泡15が容器壁12に接する液体5を撹拌するので、内壁における熱伝達がよくなる。また、蒸気泡15を発生させたい場所に窪み13と挿入物14とを設けることによって発生個所を制御することができる。
【0058】
図13(b)〜(d)に示したように、挿入物14の側面には、窪み13下部の空間と容器壁12の液体5とを連結する一つまたは複数の溝を設けることが好ましい。
【0059】
また、窪み13と挿入物14とを容器壁12に複数個設けることによって内壁における熱伝達がより一層よくなる。
【0060】
実施の形態10.
図14は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態10の構成を示す断面図であり、図14(b)は図14(a)のA部を拡大して示している。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は図14(a)に示したように、挿入物14の下方に窪み16を設けるものである。
【0061】
図14(b)に示したように、挿入物14の下方に窪み16を設けることによって、挿入物14の壁面と窪み13壁面とがなす角度θが大きくなるため、窪み16と窪み13とからなる空間に気体6がより安定して存在しやすくなり、蒸気泡15がより一層発生しやすくなる。
【0062】
実施の形態11.
図15は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態11の構成を示す断面図であり、図15(b)は図15(a)のA部を拡大して示している。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、容器1の駆動用熱交換器4が設置される部分の容器壁12に、上記実施の形態7及び8と同様の窪み13と挿入物14を設けるものである。
【0063】
本実施の形態によれば、駆動用熱交換器4が設置される部分の容器1の容器壁12において蒸気泡15がより一層発生しやすくなり液体5の振動周期を短くすることができる。
【0064】
また、窪み13と挿入物14を容器1端部に設け、容器1端部から蒸気泡15を発生させることによって、液体5の移動距離を大きくすることができ、熱伝達特性がより一層向上する。
【0065】
また、挿入物14の挿入側に窪み16を設けることによって、窪み13の下部に気体6が安定に存在するようになるので、蒸気泡15が発生しやすくなる。
【0066】
実施の形態12.
図16及び17は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態12の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、上記各実施の形態において、容器に蛇行管17を用いるものである。
【0067】
容器に蛇行管17を用いることによって、点在する熱源からの熱輸送を容易に行うことができる。
【0068】
また、図17に示したように、受熱用熱交換器2及び放熱用熱交換器3を平板型にして熱交換面積を増大させ、熱抵抗を低下させることができる。
【0069】
実施の形態13.
図18は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態13の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、ペルチェ素子18を介して蛇行管17の両端を重ね合わせるものであり、ペルチェ素子18が駆動用熱交換器として作用するものである。
【0070】
本実施の形態によれば、ペルチェ素子18へ電流の流れを周期的に反転させて通電することにより、蛇行管17の一端は加熱され、他端は冷却され、液体5の振動が生じる。すなわち、ペルチェ素子18は駆動用熱交換器の加熱部と冷却部との両機能を有するものである。
【0071】
また、加熱により発生した気体6が電流の反転により冷却されて凝縮することにより、蛇行管17両端の圧力差を大きくすることができるとともに、液体5振動の周期を短くすることができるので、より効率的な熱輸送ができる。
【0072】
また、圧力差を大きくすることができるので、この駆動力により、蛇行管17が長くなり、液体5の流動抵抗が大きくなった場合でも熱輸送が可能になる。
尚、上記各実施の形態にて示した蛇行管とは各図にて示したほかに、2つ折り曲げられた容器も含むものである。
【0073】
実施の形態14.
図19は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態14の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、隣り合う蛇行管17の容器壁同士で熱伝達が良好に行われるようにしたものであり、図19においては、容器壁同士を接触させるようにしており、さらに、接した容器壁同士を溶接、ろう付け、接着等で接合している。
【0074】
また、図20に示すように、平板に蛇行する溝を形成し、隣り合う流路に共通の容器壁(一体化された容器壁)によって一体化された蛇行流路19を設け、隣り合う流路間の熱伝達が良好に行われるようにしてもよい。
【0075】
また、蛇行管17からなる容器を熱伝導性のよい材料でモールドし、隣り合う蛇行管17の容器壁を一体化し、容器壁間の熱伝導をよくしてもよい。
【0076】
また、図21に示すように、流路を隔壁で遮断することによって、一つの隔壁(一体化された容器壁)で隣り合う蛇行通路を形成した一体化された蛇行流路19を形成し、隣り合う蛇行通路間の熱伝導をよくしてもよい。
【0077】
本実施の形態によれば、液体5の振動による熱の輸送に加えて、熱の拡散が蛇行流路同士の間で行われるので、受熱用熱交換器2及び放熱用熱交換器3における熱交換効率が向上する。
【0078】
また、図20及び21においては、薄型で容易に変形可能な熱輸送素子が得られる。例えば、放熱用熱交換器2が設けられる放熱部に障害物があるような場合、図22に示すように、熱輸送素子を変形させて放熱部の両面にフィン20からなる放熱用熱交換器を設置し、放熱部の両面を有効に利用することができる。
【0079】
実施の形態15.
図23及び24は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態15の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、上記実施の形態14において、一体化された蛇行流路19における隣り合う蛇行通路の隔壁にバイパス孔21を設けるものである。
【0080】
本実施の形態によれば、バイパス孔21によって液体5が移動できるので、より積極的に熱を拡散させることができる。
【0081】
実施の形態16.
図25は本発明に係る熱輸送素子の実施の形態16の構成を示す断面図、図26は図25に示した熱輸送素子の熱制御方法を示す図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。上記各実施の形態においては、1つの熱輸送素子の容器1が受熱用熱交換器2、および放熱用熱交換器3に接している場合について説明したが、本実施例では図25に示すように複数の容器同士が隣接して成る場合について説明する。1つの容器だけを見れば、上記各実施の形態と同様に構成されている。
【0082】
図において、他の容器100側が存在し、他の容器の100の両端には他の液体リザーバ100a、100bがそれぞれ形成されているものとする。容器1側を第1の熱輸送素子101とし、他の容器100側を第2の熱輸送素子102とする。
【0083】
上記のように構成された実施の形態16の熱輸送素子の動作について図26を交えて説明する。まず、図26は第1、第2の熱輸送素子101、102中の各駆動用熱交換器4のON−OFFの切り替えパターンの一例を示したものである。図26のON−OFF線図は第1の熱輸送素子101の液体リザーバ1a側と液体リザーバ1b側との駆動用熱交換器4が切り替わる周期と、第2の熱輸送素子102の他の液体リザーバ100a側と他の液体リザーバ100b側との駆動用熱交換器4が切り替わる周期は同じであるが、半周期だけずらしてON−OFFさせることを示している。尚、この周期はこの場合に限られるものではなく、切り替えのタイミングがずれていれば他の周期であってもよい。
【0084】
これは、第1の熱輸送素子101の駆動用熱交換器4のON−OFFが切り替わる瞬間に、液流の方向が逆転するため、一次的に液流速が低下し、ある場合においては液流が停止する可能性がある。このため、受熱用熱交換器2から容器1内の液体5への熱伝達量が低下し、その結果受熱用熱交換器2の温度が上昇しようとする。しかし、この時点で他方の第2の熱輸送素子102では駆動用熱交換器4の切り替えは行われないため、液流は一定である。そのため受熱用熱交換器2からは他の容器100側にて所定の熱交換は行われており、受熱用熱交換器2の温度上昇を防止できることになる。
【0085】
同様に第2の熱輸送素子102の駆動用熱交換器4のON−OFFが切り替わる瞬間に、液流の方向が逆転するため、一次的に液流速が低下し、ある場合においては液流が停止する可能性がある。このため、受熱用熱交換器2から他の容器100内の液体5への熱伝達量が低下し、その結果受熱用熱交換器2の温度が上昇しようとする。しかし、この時点で第1の熱輸送素子101では駆動用熱交換器4の切り替えは行われないため、液流は一定である。そのため受熱用熱交換器2からは容器1側にて所定の熱交換は行われており、受熱用熱交換器2の温度上昇を防止できることになる。
【0086】
上記のように構成された実施の形態16の熱輸送素子は、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、2つの熱輸送素子101、102を同時に使用するため、受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3への熱輸送が2倍になる。さらに、2つの熱輸送素子101、102のそれぞれの駆動用熱交換器4のON−OFF切り替え時間を同時に行わないことにより、受熱用熱交換器2の温度変動を小さくできるという効果が得られる。
【0087】
また、上記実施の形態16においては冷却部40の制御について示さなかったが、対応する駆動用熱交換器4のON−OFF切り替えと逆のON−OFFの切り替えを行えばよい。その場合は、切り替えにおける一次的な液流速の低下がさらに減少し、受熱用熱交換器2の温度変動をより一層小さくすることできる。
【0088】
尚、上記実施の形態16においては2つの熱輸送素子を組み合わせる例を示したがこれに限られることは無く、3つまたはそれ以上を組み合わせる例も考えられる。それら各熱輸送素子の加熱、冷却のタイミングが同時にならないように制御すればよい。
【0089】
実施の形態17.
図27は、本発明に係る熱輸送素子の実施の形態17の構成を示す平面図(a)及びC−C断面図(b)である。図において、上記各実施の形態と同一符号は同一部分または相当部分を示す。本実施の形態は、蛇行通路を積層して、上下蛇行通路における液体の流通方向の関係が並流、対向流あるいは直交流となるようにするものである。
【0090】
本実施の形態によれば、2次元的または3次元的に熱を拡散させることができるので、熱伝達効率が向上する。
【0091】
上記に示したような構成の具体的な使用例を以下に示す。図28は本発明に係る熱輸送素子を半導体素子の冷却に使用した半導体装置の例を示すものである。図29は図28に示した半導体素子の構成を示す図である。図29に示すように、例えば幅2mm、長さ3mm、高さ2mmの大きさで、半導体材料(GaN)からなるチップ61がある。そして、このチップ61の中には発熱源62がある。また、チップ61の下部には幅100μm、深さ300μmの多数の溝からなるマイクロチャンネル60が設けられている。ここでは、マイクロチャネル60が受熱用熱交換器に相当する。
【0092】
そして、図28に示すようにこのチップ61のマイクロチャンネル60がSiCなどからなるチップ搭載基板64中に設けられた幅1mm深さ1mm程度の溝からなる流路63中に配設される。ここでは流路63を備えたチップ搭載基板64が容器に相当する。また、チップ61は流路63内の液体5の流れ方向によってはバイパス孔と成り得る箇所A、B上にも配設されている。
【0093】
この流路63の両端には幅2mm、深さ1mmの液体リザーバ67a、67bがそれぞれ設けられている。さらに、チップ搭載基板64は冷却水路66を持つCuWなどからなる基板65上に搭載され、はんだ接合されている。ここでは冷却水路66が放熱用熱交換器に相当する。
【0094】
冷却水路66中の冷却水は外部に設置された水駆動用ポンプ(図示せず)により駆動され流入している。チップ搭載基板64の蓋64aはセラミックなどの電気絶縁板からなり、各液体リザーバ67a、67b上にはステンレス箔やタングステン箔、あるいはニクロム箔などからなる駆動用熱交換器68a、68bがそれぞれ接合されている。また、基板65の上には各駆動用熱交換器68a、68bのON−OFFを制御する制御部69が形成されており、制御部69は入力線70にて液体リザーバ67a、67bおよび各駆動用熱交換器68a、68bに接続され、各液体リザーバ67a、67bの温度を測定し、その測定値に基づき各駆動用熱交換器68a、68bにON−OFFを制御する電気入力を与えている。
【0095】
上記のように構成された実施の形態17の熱輸送素子は、制御部69の制御により、各液体リザーバ67a、67bの温度に基づいて、各駆動用熱交換器68a、68bのON−OFF切り替えが行われる。そして、上記各実施の形態と同様に、流路63中の液体5の振動流により発熱源62下部のマイクロチャンネル60から流路63中の液体5に熱が伝達される。
【0096】
そして本実施の形態では上記各実施の形態と異なり、放熱用熱交換器として、チップ搭載基板64の下部に接した基板65中の冷却水路66を用いている。よって、チップ61中の発熱源62からの熱はマイクロチャンネル60から流路63中の液体5に伝えられ、さらに基板65中の冷却水路66に伝達され冷却される。
【0097】
このとき、冷却水路66の水を直接マイクロチャンネル60に流入させると、マイクロチャンネル60の溝隙間は100μm以下であり、冷却水路66内の異物により目詰まりする可能性があるが、本実施の形態ではマイクロチャンネル60を流れるのは、清浄な流路63により形成された熱輸送素子内の液体5であるので、異物がなくマイクロチャンネル60に目詰まりが発生することがないという利点が得られる。
【0098】
従来の方法では一般的にチップ搭載基板内に内蔵できるダイヤフラムの振動を利用した機械的なマイクロポンプなどを用いることもできるが、本願発明においては、実施の形態17にて示したように機械的なポンプではない振動により熱交換が可能な熱輸送素子を用いているため、機械的な駆動部分がなく、信頼性が高い熱輸送を行うことができるという利点が得られる。
【0099】
実施の形態18.
図30はこの発明の実施の形態18の熱輸送素子の構成を示す断面図、図31は図30に示した熱輸送素子の部分拡大断面図である。図において、容器103が例えば樹脂にて成型されている。液体リザーバ1a、1bの部分も樹脂にて形成されている。さらに、容器103の受熱用熱交換器2下部の容器103は図31(b)に示すように、幅や深さが1mm以下のマイクロフィン83構造となっており、容器103の壁と液体5と間の熱伝達を向上させる工夫がなされている。
【0100】
また、容器10の中途は図31(a)に示すように、2本の流路が並列に設けられ、さらにこの部分は可とう性を有するフレキシブル管にて形成されており、このフレキシブル管部分のところで曲げ可能に形成されている。
【0101】
上記実施の形態18のように構成された熱輸送素子の動作は、上記各実施の形態と同様でありその説明を省略する。本実施の形態によれば、容器103が中途で並列管となっているため、容器103の流れ断面積が大きくとれるため、液流動が容易になり受熱用熱交換器2から放熱用熱交換器3間の熱輸送を大きくできるという利点が得られる。
【0102】
さらに、容器103の中途はフレキシブル管になっているため、例えば、本熱輸送素子を装置本体と蓋とが折りたたみ形式になっている携帯電話に使用し、液体リザーバ1aを蓋内に、液体リザーバ1bを本体内部に装着し、フレキシブル管を蓋と本体とを連結するヒンジ部に使用できる。このように適応することにより、本熱輸送素子をヒンジなどがある電子機器にも使用できるという利点が得られる。
【0103】
実施の形態19.
図32は本発明の実施の形態19に係る熱輸送素子を人工衛星に搭載されたフェーズドアレイアンテナなどの半導体素子の冷却に使用した構成を示す図、図33は図32に示した人工衛星のフェーズドアレイアンテナの内部断面構造を示した断面図である。図において、熱輸送素子を大気圏外移動体としての人工衛星111に適応する例である。人工衛星111の表面にはフェーズドアレイアンテナ112が搭載されている。
【0104】
フェーズドアレイアンテナ112の内部断面は図33に示すように、電波を発信・受信する半導体素子113が内部に取り付けられ、半導体素子113に隣接して外径3mmの容器104が取り付けられている。容器104の中途には放熱用熱交換器としての役割をもつループ型ヒートパイプの蒸発器114が取り付けられ、端部にはそれぞれ駆動用熱交換器4を備えた液体リザーバ1a、1bが設けられている。
【0105】
ループ型ヒートパイプの蒸発器114は図32に示すように液管、展開型ラジエータ115に連結された蒸気管からなる配管116に連結されている。液体リザーバ1a、1bの駆動用熱交換器4のON−OFF切り替えにより、容器104中の液体5の振動流により発熱源である半導体素子113からの熱が容器104中にの液体5に熱が伝達される動作は上記各実施の形態と同様である。本実施の形態19では容器104に伝達された熱がループ型ヒートパイプの蒸発器114に伝達され、その後ループ型ヒートパイプの動作により配管116から展開型ラジエータ115に伝達されることにより宇宙空間へ放熱される。
【0106】
このとき、容器104が3mm程度と細く形成すれば本実施の形態のように、フェーズドアレイアンテナ112内部の微小な空間にある半導体素子113の冷却が可能になるという利点が得られる。また展開型ラジエータとループ型ヒートパイプと連接させたことにより無重力の空間でも冷却が可能になるという利点が得られる。
【0107】
また、大気圏外にて利用される場合、その容器104はアルミニウム材にて形成されることが望ましく、その容器104内に封入される液体5はアンモニアを用いることが望ましい。
【0108】
尚、上記各実施の形態においては、液体リザーバを備えている場合、または備えていない場合を示したが、液体リザーバの有無は、適用箇所、冷却効率などに応じて適宜採用することが出来ることは言うまでもない。
また、駆動用熱交換器の加熱部および冷却部においても同様のことが言える。
【0109】
【発明の効果】
本発明に係る熱輸送素子によれば、液体が流れる流路が形成された中空体の両端を該中空体内部に外気が侵入しないように閉じた構造とされ、上記中空体内部に液体と気体が封入された容器、
上記容器の外壁に、上記流路にそって、互いに隣り合うように配設された1つ以上の受熱用熱交換器及び放熱用熱交換器、
および上記容器の両端に設けられ、上記液体を流路方向に振動させる駆動用熱交換器を備え、
容器の駆動用熱交換器が設けられた部分は、外管を有し、上記容器の端部と上記外管の一端部が連通する2重管構造となっており、上記外管の他端部は閉塞しているので、静音性で温度制御ができ、熱輸送効率が向上され、かつ温度制御ができる熱輸送素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態1の構成を示す断面図である。
【図2】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態3の構成を示す断面図である。
【図3】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態4の構成を示す断面図である。
【図4】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態5の構成を示す断面図である。
【図5】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態6の構成を示す断面図である。
【図6】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態6の他の構成を示す断面図である。
【図7】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態6の他の構成を示す断面図である。
【図8】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態6の他の構成を示す断面図である。
【図9】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態7の構成を示す断面図である。
【図10】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態7の他の構成を示す断面図である。
【図11】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態8の構成を示す断面図である。
【図12】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態8の他の構成を示す断面図である。
【図13】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態9の構成を示す断面図である。
【図14】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態10の構成を示す断面図である。
【図15】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態11の構成を示す断面図である。
【図16】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態12の構成を示す断面図である。
【図17】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態12の他の構成を示す断面図である。
【図18】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態13の構成を示す断面図である。
【図19】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態14の構成を示す断面図である。
【図20】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態14の他の構成を示す断面図である。
【図21】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態14の他の構成を示す断面図である。
【図22】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態14の他の構成を示す断面図である。
【図23】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態15の構成を示す断面図である。
【図24】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態15の他の構成を示す断面図である。
【図25】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態16の構成を示す断面図である。
【図26】 図25に示した熱輸送素子の熱制御方法を示す図である。
【図27】 本発明に係る熱輸送素子の実施の形態17の構成を示す断面図である。
【図28】 本発明に係る熱輸送素子を半導体装置に用いた実施の形態17の構成を示す断面図である。
【図29】 図28に示した半導体素子の構成を示す図である。
【図30】 本発明に係る熱輸送素子を実施の形態18の構成を示す断面図である。
【図31】 図30に示した熱輸送素子の部分拡大断面を示す断面図である。
【図32】 本発明に係る熱輸送素子を人工衛星に用いた実施の形態19の構成を示す断面図である。
【図33】 図32に示したフェーズドアレイアンテナの詳細を示す断面図である。
【符号の説明】
1,103,104 容器、1a,1b 液体リザーバ、1c,1d 内管、2 受熱用熱交換器、3 放熱用熱交換器、4 駆動用熱交換器、5 液体、
5a 液体フィレット部、6 気体、7 低沸点液体、8 高沸点液体、
10 乱流促進体、11 マイクロチャンネル、12 容器壁、13 窪み、
14 挿入物、15 蒸気泡、16 挿入物下方に設けられた窪み、
17 蛇行管、18 ペルチェ素子、19 一体成形された蛇行通路、
20 フィン、21 バイパス孔38 角部、40 冷却部、41 溝部、
60 マイクロチャネル、61 チップ、62 発熱源、
64 チップ搭載用基板、63 流路、67a,67b 液体リザーバ、
66 冷却水路、65 基板、68a,68b 駆動用熱交換器、
69 制御部、83 マイクロフィン、100 他の容器、
100a,100b 他の液体リザーバ、101 第1の熱輸送素子、
102 第2の熱輸送素子、111 人工衛星、
112 フェーズドアレイアンテナ、113 半導体素子、114 蒸発器、
115 ラジエータ、116 配管。
Claims (18)
- 液体が流れる流路が形成された中空体の両端を該中空体内部に外気が侵入しないように閉じた構造とされ、上記中空体内部に液体と気体が封入された容器、
上記容器の外壁に、上記流路にそって配設された1つ以上の受熱用熱交換器及び放熱用熱交換器、
および上記容器の両端に設けられ、上記液体を流路方向に振動させる駆動用熱交換器を備え、
容器の駆動用熱交換器が設けられた部分は、外管を有し、上記容器の端部と前記外管の一端部が連通する2重管構造となっており、上記外管の他端部は閉塞していることを特徴とする熱輸送素子。 - 液体が流れる流路が形成された中空体の両端を該中空体内部に外気が侵入しないように閉じた構造とされ、上記中空体内部に液体と気体が封入された容器、
上記容器の外壁に、上記流路にそって配設された1つ以上の受熱用熱交換器及び放熱用熱交換器、
および上記容器の両端に設けられ、上記液体を流路方向に振動させる駆動用熱交換器を備え、
液体に、沸点が異なる2種類の互いに交じり合わない低沸点液体および高沸点液体を用い、上記容器の両端には上記低沸点液体、その他の部分が上記高沸点液体となるように封入したことを特徴とする熱輸送素子。 - 液体が流れる流路が形成された中空体の両端を該中空体内部に外気が侵入しないように閉じた構造とされ、上記中空体内部に液体と気体が封入された容器、
上記容器の外壁に、上記流路にそって配設された1つ以上の受熱用熱交換器及び放熱用熱交換器、
および上記容器の両端に設けられ、上記液体を流路方向に振動させる駆動用熱交換器を備え、
複数の容器を隣接して備え、上記駆動用熱交換器の加熱、冷却の切り替えを上記容器ごとに異なる時点にて行うことを特徴とする熱輸送素子。 - 上記容器の両端の上記駆動用熱交換器と接する部分の断面形状の一部に角部を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 上記容器の両端の部分の断面積を、上記容器の両端以外の箇所の断面積より大きくしたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 上記駆動用熱交換器は加熱部と冷却部とから成ることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 駆動用熱交換器が設けられた部分の容器内容積が、受熱用熱交換器中心から放熱用熱交換器中心までの容器内容積以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 容器の駆動用熱交換器が設けられた部分内部に、毛細管作用を生じる孔部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 容器内壁に気泡を発生するための窪みが設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 液体が流れる流路が蛇行流路になっていることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 隣り合う蛇行流路の容器壁が一体に形成されていることを特徴とする請求項10に記載の熱輸送素子。
- 上記隣り合う蛇行流路間の容器壁を貫通し上記液体が通過可能なバイパス孔を備えたことを特徴とする請求項11に記載の熱輸送素子。
- 上記バイパス孔の外壁に、受熱用熱交換器および/または放熱用熱交換器を備えたことを特徴とする請求項12に記載の熱輸送素子。
- 駆動用熱交換器がペルチェ素子であり、容器の両端部が上記ペルチェ素子を介して接合されていることを特徴とする請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 容器は可とう性を有する材にて成る部分を有することを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 上記駆動用熱交換器が上記液体の流路方向への振動を加熱および冷却にて行う場合、上記駆動用熱交換器の加熱、冷却の切り替えを、上記駆動用熱交換器の温度を検知して制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項15いずれか1項に記載の熱輸送素子。
- 請求項1ないし請求項16のいずれか1項に記載の熱輸送素子の上記受熱用熱交換器を半導体素子の駆動により発熱する発熱部に隣接して成ることを特徴とする熱輸送素子を用いた半導体装置。
- 請求項1ないし請求項17のいずれか1項に記載の熱輸送素子の上記受熱用熱交換器を大気圏外移動体の駆動により発熱する発熱源に隣接して成ることを特徴とする熱輸送素子を用いた大気圏外移動体。
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