JP2004278840A

JP2004278840A - Heat transport device

Info

Publication number: JP2004278840A
Application number: JP2003067928A
Authority: JP
Inventors: Kimikazu Obara; 公和小原; Kenichi Nara; 健一奈良; Seiji Inoue; 誠司井上; Akito Akimoto; 明人秋本; Makoto Sugiura; 真杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat transport device structured so that the passage for heating medium is formed as a microchannel, capable of reducing the pressure loss of the heating medium and reducing the fabrication cost. <P>SOLUTION: The heat transport device is equipped with passages 103-183 admitting flowing of a fluid and structured so as to transport the heat of a heat source 200 from the high temperature side to the low temperature side through the fluid, wherein the microchannel in which the size of the passages 103-183 is made smaller than the other parts is formed in the neighborhood of the heat source in the passages 103-183. In the case of using an aluminum member of tubular shape where a plurality of through holes are formed parallel, the through holes constitute the passages 103-183, and they are compressed by applying an external force to the part in the neighborhood of the heat source so as to form the microchannel. Otherwise one or more tubular members or rod-shaped members, or a metal member having a gap is/are installed in the neighborhood of the heat source in the passages 103-183, whereby the microchannel is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱媒体の流路がマイクロチャネル化された熱輸送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高熱流束の発熱体から効果的に放熱するためには、熱媒体（水、空気等）との熱伝達率を向上させることが重要である。熱伝達率を向上させるためには、熱媒体の流路をマイクロチャネル化（微細化）することで可能となる。現在、マイクロチャネルの研究は多くの研究機関等で行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロチャネルは熱伝達率が高い半面、流路面積が小さいため圧力損失が大きい。このため、熱媒体を流路に循環させるために高出力のポンプが必要となるという問題がある。
【０００４】
また、マイクロチャネルの製作は通常、切削もしくはエッチングにより行われるが、これらの方法ではマイクロチャネルの製作コストが高くなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、熱媒体の流路がマイクロチャネル化された熱輸送装置において、熱媒体の圧力損失を低減することを目的とする。さらに、マイクロチャネルを備える熱輸送装置の製作コストを低減することを他の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体が流れる流路（１０３〜１８３）を備え、流体を介して熱源（２００）の熱を高温側から低温側に輸送する熱輸送装置であって、流路内における熱源の近傍には、流路の大きさを他の部位より小さくしたマイクロチャネルが形成されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、熱輸送装置における流路の一部のみをマイクロチャネル化することで、熱輸送装置の製作コストを抑えることができる。また、流路の一部をマイクロチャネル化する際に、熱流束が高い熱源近傍の流路をマイクロチャネル化することで、熱源から効果的に放熱することができる。また、流路の一部のみをマイクロチャネル化しているので、圧力損失の増大を抑えることができ、流体の駆動手段の省動力化を図ることができる。なお、流路をマイクロチャネル化する「熱源の近傍」とは、熱輸送装置において熱源に対応する位置及び大きさの箇所を意味するが、熱源より若干大きい場合や若干小さい場合を含む。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、複数の貫通孔が平行して形成されたチューブ形状のアルミニウム部材からなり、貫通孔が流路を構成していることを特徴としている。このような安価なアルミニウム部材を用いることで、低コストで熱輸送部材を製作することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明では、マイクロチャネルは、流路における熱源の近傍に外力を加えることにより圧縮して形成することを特徴としている。これにより、切削等によりマイクロチャネルを形成する場合に比較して低コストでマイクロチャネルを形成できる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明のように、マイクロチャネルは、流路内における熱源の近傍に、１以上の管状部材あるいは１以上の棒状部材を配置して形成することができる。さらに、請求項５に記載の発明のように、マイクロチャネルは、流路内における熱源の近傍に、流体の流れ方向において一端から他端まで連通した空隙を有する金属を配置して形成することができる。これらによっても、切削等によりマイクロチャネルを形成する場合に比較して低コストでマイクロチャネルを形成できる。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明ように、空隙を有する金属は、発泡金属、焼結金属あるいは溶射して形成した金属のいずれかとすることができる。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明では、流体の流れは、所定の周期と所定の振幅を有する往復流であることを特徴としている。このように振動流を用いた場合には、流体の周波数や振幅を制御することで、熱輸送性能の調整を容易に広範囲で行うことができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４を用いて説明する。本実施形態は、本発明の熱輸送装置を電子部品の冷却装置に適用したものである。
【００１５】
図１は本第１実施形態の熱輸送装置１００を備える熱輸送システム１の全体構成を示す概念図であり、図２は図１において熱輸送装置１００を発熱体（熱源）２００の搭載面方向からみた断面構成を示している。
【００１６】
図１に示すように、熱輸送システム１は、高熱流束の発熱体２００から放熱する熱輸送装置１００と、熱輸送装置１００に流体（熱媒体）を循環させる循環ポンプ３００とを備えている。発熱体２００としては、通信基地局のアンプやＩＧＢＴ等のパワー素子、ＣＰＵ等といった作動時に高温を発生する電子部品を好適に用いることができる。
【００１７】
なお、本第１実施形態では、熱輸送装置１００の材質として、熱伝導性の高い金属であるアルミニウムや銅を好適に用いることができ、本第１実施形態ではアルミダイカストを用いている。また、熱輸送装置１００の材質として樹脂材料を用いることもでき、この場合には熱輸送装置１００をフレキシブルな形状にできるので、複雑な形状の部位への組み付け性が向上する。
【００１８】
熱輸送装置１００は、発熱体２００と接触している部位が受熱部１０１として構成されている。また、本第１実施形態の熱輸送装置１００では、発熱体２００の搭載面の反対側の全面に放熱部（放熱フィン）１０２が形成されている。熱輸送装置１００は、受熱部１０１にて高温の発熱体２００から熱を受け取り、受熱部１０１で受け取った熱を放熱部１０２にて外部に放出する。受熱部１０１から放熱部１０２への熱の移動は流体（熱媒体）を介して行われる。流体としては、水やＬＬＣ（不凍液）を用いることができる。
【００１９】
発熱体２００の熱を流体に伝える受熱部１０１は、熱輸送装置１００の発熱体２００に対応する位置において、発熱体２００と同じ大きさに設定されている。受熱部１０１は、発熱体２００より若干大きくても若干小さくてもよいが、熱伝達をよくするためには発熱体２００より大きい方が望ましい。
【００２０】
図２に示すように、熱輸送装置１００の内部には複数の流路１０３が平行して形成されている。本第１実施形態では、流路１０３の長さは２００ｍｍ程度であり、発熱体２００の全長は３０ｍｍ程度である。熱輸送装置１００の流路１０３は、幅（流体流れ方向に直交する長さ）が数ｍｍ程度（本例では１〜２ｍｍ）に形成されている。本第１実施形態の循環ポンプ（流体駆動手段）３００は流体を一方向に循環させるように構成されており、熱輸送装置１００のすべての流路１０３で流体が同じ方向（図２中の右→左）に流れる。
【００２１】
図３は熱輸送装置１００の断面構成を示しており、図３（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、受熱部１０１の各流路１０３には複数のマイクロチャネル形成部１０４が流体流れ方向に平行して設けられている。本第１実施形態のマイクロチャネル形成部１０４は薄板状に形成されている。受熱部１０１では、マイクロチャネル形成部１０４により流路１０３が微細化され、マイクロチャネルが形成される。なお、本明細書中において「マイクロチャネル」とは、幅が１ｍｍ以下に微細化された流路をいうものとする。
【００２２】
流路面積を微細化するほど伝熱面積が拡大するとともに、水力直径（代表直径）が小さくなるため、熱伝達率が大きくなるが、微細化しすぎると圧力損失が大きくなる。このため、マイクロチャネルの幅は０．１〜０．５ｍｍの範囲内にすることが望ましい。本第１実施形態では、受熱部１０１に０．３ｍｍ幅のマイクロチャネルを形成している。
【００２３】
図４は、熱輸送装置１００におけるマイクロチャネルの形成工程を示している。図４（ａ）、図４（ｂ）ともに図３（ａ）と同様の断面図である。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、熱輸送装置１００は、蓋部１０５とベース部１０６とを備えている。蓋部１０５における受熱部１０１に対応する部位には、マイクロチャネル形成部１０４が一体的に形成されている。本第１実施形態のマイクロチャネル形成部１０４は、薄板状に形成されている。ベース部１０６は、流路１０３を構成する溝部１０７が形成されたアルミダイカストである。
【００２５】
図４（ｂ）に示すように、蓋部１０５のマイクロチャネル形成部１０４がベース部１０６の溝部１０７にはまり込むように、ベース部１０６に蓋部１０４を装着する。蓋部１０４と溝部１０７とが接触する部位は、ロウ付け、溶接、接着等により接合される。これにより、受熱部１０１に対応する流路１０３はマイクロチャネル形成部１０４により微細化され、マイクロチャネルが形成される。
【００２６】
上記構成の熱輸送システムにおける熱の移動は、次の通りである。まず、発熱体２００で発生した熱は、熱輸送装置１００における受熱部１０１に伝わる。受熱部１０１では、マイクロチャネル形成部１０４から流体に熱が伝わる。流体は流路１０３内を移動して放熱部１０２に熱を伝え、放熱部１０２では熱を外部に放出する。
【００２７】
以上のように、熱輸送装置１００における流路１０３の一部のみをマイクロチャネル化することで、製作コストを抑えることができる。流路１０３の一部をマイクロチャネル化する際に、熱流束が高い発熱体２００近傍の流路１０３をマイクロチャネル化することで、発熱体２００から効果的に放熱することができる。また、流路１０３の一部のみがマイクロチャネル化されているので、圧力損失の増大を抑えることができ、ポンプ３００の省動力化を図ることができる。
【００２８】
また、ベース部１０６に溝部１０７が形成されたアルミダイカストを用いることで、切削により溝を形成する場合に比較して製作コストを低減できる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図５を用いて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、熱輸送装置の流路構成が異なるものである。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３０】
図５は、本第２実施形態の熱輸送システム２の全体構成を示しており、上記第１実施形態における図２に対応している。図５に示すように、本第２実施形態の熱輸送装置１１０は、流体が内部でＵターンして流れるように構成されている。すなわち、図５において熱輸送装置１１０の右端から流入した流体は、右側から左側に流れた後、左端で折り返し、右端から流出する。
【００３１】
このような構成においても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図６、図７を用いて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、熱輸送装置の流路構成とポンプの構成が異なるものである。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３３】
図６は本第３実施形態の熱輸送装置１２０を備える熱輸送システム３の全体構成を示す概念図であり、図７は図６において熱輸送装置１２０を発熱体２００の搭載面方向からみた断面構成を示している。図６は図１に対応し、図７は図２に対応している。
【００３４】
図６、図７に示すように、本第３実施形態では、熱輸送装置１２０内部で流体を移動させるポンプとして振動ポンプ３１０を用いている。振動ポンプ３１０は、例えば電磁力等により往復運動するピストンを内部に有しており、熱輸送装置１２０の流路１２３内の流体に振動流を発生させるものである。本第３実施形態の振動ポンプ３１０は、流体を振動させる際の周期および振幅を任意に設定できる。流体の振幅は熱輸送性能の点から発熱体２００の全長の３倍以上程度が望ましく、本第３実施形態では、発熱体２００の全長が３０ｍｍ程度に対して、流体の振幅を１００ｍｍ程度に設定している。
【００３５】
図７に示すように、本第３実施形態の熱輸送装置１２０では、流路１２３が蛇行するように形成されている。具体的には、複数の流路１２３が平行して形成され、隣り合う流路１２３は一端で連通している。隣り合う流路１２３では流体の流れ方向が逆になっている。
【００３６】
このような振動流を利用した熱輸送装置では、流体は振動により、受熱部１２１にて発熱体２００から熱を受け取る第１の点から放熱部１２２に熱を伝える第２の点まで移動する。これにより発熱体２００の熱は、第１の点から第２の点まで「蛙飛び」のように移動することとなる。こうした熱の移動は、振動によって付加的に起こるものである。流体の振動数が多くなれば単位時間当たりに起こる「蛙飛び」回数が増え、振幅が大きくなると「蛙飛び」距離が増える。このため、振動による熱の付加的移動は、流体の振幅や周期の増加とともに増える。
【００３７】
したがって、流体の振動流の周期を速くすると熱輸送性能を高くすることができ、周期を遅くすると熱輸送性能を低くすることができる。同様に、流体の振動流の振幅を大きくすると熱輸送性能を高くすることができ、振幅を小さくすると熱輸送性能を低くすることができる。このように、振動流を用いた熱輸送装置１２０では、流体の周波数や振幅を制御することで、熱輸送性能の調整を容易に広範囲で行うことができる。
【００３８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図８を用いて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態に比較して、熱輸送装置の構成が異なるものである。以下、上記第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３９】
図８は本第４実施形態の熱輸送装置１３０を備える熱輸送システム４の全体構成を示す概念図であり、上記第３実施形態の図６に対応している。図８に示すように、本第４実施形態の熱輸送装置１３０は、受熱部１３１と放熱部１３２とが分離して形成されている。具体的には、発熱体２００から熱を受け取る受熱部１３１は熱輸送装置１３０の一端側（図８中の左端）に形成され、放熱部１３２は熱輸送装置１３０の他端側（図８中の右端）に形成されている。放熱部１３２は、熱輸送装置１３０における発熱体２００の搭載面の反対側のみならず、発熱体２００の搭載面側にも形成されている。
【００４０】
このような構成においても、上記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を図９、図１０を用いて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態に比較してマイクロチャネルの形成方法が異なるものである。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４２】
図９、図１０は、熱輸送装置１４０、１５０の断面構成を示しており、上記第１実施形態の図４（ｂ）に対応している。図９、図１０に示すように、本第５実施形態では、発熱体２００に接する側にベース部１４６、１５６が配置され、発熱体２００の反対側に蓋部１４４、１５４が配置されている。蓋部１４４、１５４に放熱部１４２、１５２が形成されている。
【００４３】
図９、図１０に示すように、本第５実施形態のマイクロチャネル形成部１４５、１５５は、蓋部１４４、１５４と別体に構成された棒状部材（細棒）を用いている。図９は流路１４３に１本の棒状部材１４５を挿入した例を示し、図１０は流路１５３に２本の棒状部材１５５を挿入した例を示している。棒状部材１４５、１５５は長手方向が流体流れ方向に沿って挿入される。
【００４４】
このように、流路１４３、１５３に棒状部材１４５、１５５を挿入することで、容易に流路１４３、１５３を微細化してマイクロチャネルを形成することができる。なお、蓋部１４４、１５４をベース部１４６、１５６に固定する際、棒状部材１４５、１５５が少しつぶれる程度に圧縮して固定することが望ましい。これにより、棒状部材１４５、１５５をベース部１４６、１５６に対して熱接触させて固定することができ、熱伝達率を向上させることができる。また、棒状部材１４５、１５５に代えて、中空の管状部材（細管）を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４５】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を図１１を用いて説明する。本第６実施形態は、上記第１実施形態に比較して、熱輸送装置の構成が異なるものである。上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４６】
図１１は本第６実施形態の熱輸送装置１６０の構成を示しており、図１１（ａ）は熱輸送装置１６０の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお、図１１では放熱部の図示を省略している。
【００４７】
本第６実施形態の熱輸送装置１６０は、アルミ押し出しチューブ（アルミ多穴管）を用いている。アルミ押し出しチューブは、アルミニウムを目の字断面形状に押し出し成型して得られるもので、安価に製造可能な材料である。アルミ押し出しチューブ１６０には複数の貫通穴が平行して形成されており、これらが流体の流路１６３を構成している。貫通穴は幅１ｍｍ程度に形成されている。
【００４８】
本第６実施形態では、熱輸送装置１６０の受熱部１６１を横方向（図１１（ａ）における紙面上下方向）から圧縮することで、受熱部１６１の流路１６３を微細化してマイクロチャネル化している。
【００４９】
このように、熱輸送装置１６０として安価なアルミ押し出しチューブを用い、一部を圧縮して流路１６３をマイクロチャネル化することで、低コストで流路１６３がマイクロチャネル化した熱輸送装置１６０を得ることができる。
【００５０】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態を図１２、図１３を用いて説明する。本第７実施形態は、上記第６実施形態に比較して、熱輸送装置の構成が異なるものである。上記第６実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５１】
図１２は本第７実施形態の熱輸送装置１７０の構成を示しており、図１２（ａ）は熱輸送装置１７０の平面図、図１２（ｂ）は熱輸送装置１７０の側面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図１２（ｄ）は図１２（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。なお、図１２では放熱部の図示を省略している。
【００５２】
本第７実施形態では、熱輸送装置（アルミ押し出しチューブ）１７０の受熱部１７１を縦方向（図１２（ｂ）における紙面上下方向）から圧縮することで、受熱部１７１の流路１７３を微細化してマイクロチャネル化している。
【００５３】
また、アルミ押し出しチューブの断面構成を図１３に示す例のように変更してもよい。図１３は受熱部１７１の断面構成を示し、図１３（ａ）は圧縮前、図１３（ｂ）は圧縮後を示している。図１３（ａ）に示すように、隣り合う流路１７３を仕切る仕切部が「く」の字型に屈曲したアルミ押し出しチューブを用意し、これを縦方向（図１３（ａ）における紙面上下方向）から圧縮することで、図１３（ｂ）に示すように圧縮後の形状を安定したものとすることができる。
【００５４】
このような構成においても、上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態を図１４、図１５を用いて説明する。本第８実施形態は、上記第６実施形態に比較して、熱輸送装置の構成が異なるものである。上記第６実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５６】
図１４は本第８実施形態の熱輸送装置１８０の構成を示しており、図１４（ａ）は熱輸送装置１８０の平面図、図１４（ｂ）は熱輸送装置１８０の側面図、図１４（ｃ）は図１４（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。なお、図１４では放熱部の図示を省略している。
【００５７】
図１４に示す例では、熱輸送装置（アルミ押し出しチューブ）１８０の受熱部１８１における流路１８３内に管状部材（細管）を挿入した後、縦方向（図１４（ｂ）における紙面上下方向）から圧縮することで、受熱部１８１の流路１８３を微細化してマイクロチャネル化している。管状部材を挿入後圧縮することで、管状部材を熱輸送装置１８０に対して熱接触させて固定することができ、熱伝達率を向上させることができる。
【００５８】
図１５は図１４（ｃ）の流路部１８３の拡大図であり、図１５（ａ）は流路部１８３に１本の管状部材を挿入した例を示し、図１５（ｂ）は流路部１８３に４本の管状部材を挿入した例を示している。なお、管状部材に代えて、棒状部材を用いてもよい。
【００５９】
このような構成においても、上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（他の実施形態）
なお、上記第５、第８実施形態では、熱輸送装置の流路に管状部材や棒状部材を挿入することで流路をマイクロチャネル化したが、管状部材や棒状部材に代えて空隙金属を挿入してもよい。空隙金属は内部に空隙を有し、この空隙が一端から他端まで連通している金属である。空隙金属としては、例えば発泡金属、燒結金属、もしくは溶射した金属を用いることができる。
【００６１】
発泡金属は、例えば溶融した金属中にガスを吹き込んだり、発泡剤を混入することで得られる。燒結金属は金属粉末を焼結して形成されるが、例えば鉄の粉末中に鉄より融点の低い銅の棒状部材を挿入し、焼結時に銅を溶かすことで連通した空隙を容易に形成することができる。溶射した金属は、溶かした金属を噴射して形成されるもので、噴射の際に空隙が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図であり、図１において熱輸送装置を発熱体の搭載面方向からみた断面構成を示している。
【図３】熱輸送装置の断面図である。
【図４】熱輸送装置におけるマイクロチャネルの形成工程を示す工程図である。
【図５】第２実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図である。
【図６】第３実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図である。
【図７】第３実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図であり、図６において熱輸送装置を発熱体の搭載面方向からみた断面構成を示している。
【図８】第４実施形態の熱輸送システムの全体構成を示す概念図である。
【図９】熱輸送装置の断面図である。
【図１０】熱輸送装置の断面図である。
【図１１】第６実施形態の熱輸送装置の構成を示す概念図である。
【図１２】第７実施形態の熱輸送装置の構成を示す概念図であり、（ａ）は熱輸送装置の平面図、（ｂ）は熱輸送装置の側面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図１３】第７実施形態の変形例における受熱部の断面構成を示し、（ａ）は圧縮前、（ｂ）は圧縮後を示している。
【図１４】第８実施形態の熱輸送装置の構成を示し、（ａ）は熱輸送装置の平面図、（ｂ）は熱輸送装置の側面図、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【図１５】図１４（ｃ）の流路部の拡大図である。
【符号の説明】
１００〜１８０…熱輸送装置、１０１〜１８１…受熱部、２００…発熱体、３００…循環ポンプ、３１０…振動ポンプ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat transport device in which a flow path of a heat medium is microchanneled.
[0002]
[Prior art]
In order to effectively dissipate heat from a heating element having a high heat flux, it is important to improve the heat transfer coefficient with a heat medium (water, air, etc.). In order to improve the heat transfer coefficient, it is possible to make the flow path of the heat medium a microchannel (miniaturization). At present, research on microchannels is being conducted at many research institutions.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the microchannel has a high heat transfer coefficient, but has a large pressure loss due to a small channel area. For this reason, there is a problem that a high-output pump is required to circulate the heat medium through the flow path.
[0004]
Further, the production of the microchannel is usually performed by cutting or etching. However, these methods have a problem that the production cost of the microchannel is increased.
[0005]
In view of the above, an object of the present invention is to reduce a pressure loss of a heat medium in a heat transport device in which a heat medium flow path is formed into a microchannel. Still another object is to reduce the manufacturing cost of a heat transport device including a microchannel.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a flow path (103-183) through which a fluid flows, and heat transport for transporting heat of a heat source (200) from a high temperature side to a low temperature side via the fluid. The device is characterized in that a microchannel in which the size of the flow channel is smaller than other portions is formed near the heat source in the flow channel.
[0007]
As described above, by forming only a part of the flow path in the heat transport device into a microchannel, the manufacturing cost of the heat transport device can be suppressed. In addition, when a part of the channel is formed into a microchannel, the channel near the heat source having a high heat flux is formed into a microchannel, so that heat can be effectively radiated from the heat source. Further, since only a part of the flow path is formed as a microchannel, an increase in pressure loss can be suppressed, and power saving of the fluid driving means can be achieved. Note that “in the vicinity of the heat source” where the channel is formed into a microchannel means a position and a size corresponding to the heat source in the heat transport device, and includes a case where the heat source is slightly larger and a case where the heat source is slightly smaller.
[0008]
The invention according to claim 2 is characterized in that a plurality of through-holes are formed of a tube-shaped aluminum member formed in parallel, and the through-holes constitute a flow path. By using such an inexpensive aluminum member, a heat transport member can be manufactured at low cost.
[0009]
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that the microchannel is formed by compressing by applying an external force to the vicinity of the heat source in the flow channel. This makes it possible to form the microchannel at a lower cost than when the microchannel is formed by cutting or the like.
[0010]
Further, as in the invention described in claim 4, the microchannel can be formed by arranging one or more tubular members or one or more rod-shaped members near the heat source in the flow channel. Further, as in the invention according to claim 5, the microchannel may be formed by arranging a metal having a gap communicating from one end to the other end in the flow direction of the fluid, in the vicinity of the heat source in the flow channel. it can. Also according to these, the microchannel can be formed at a lower cost than when the microchannel is formed by cutting or the like.
[0011]
Further, as in the invention described in claim 6, the metal having the voids can be any of a foamed metal, a sintered metal, or a metal formed by thermal spraying.
[0012]
In the invention described in claim 7, the flow of the fluid is a reciprocating flow having a predetermined cycle and a predetermined amplitude. When the oscillating flow is used as described above, the heat transport performance can be easily adjusted over a wide range by controlling the frequency and amplitude of the fluid.
[0013]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the heat transport device of the present invention is applied to a cooling device for electronic components.
[0015]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of a heat transport system 1 including the heat transport device 100 according to the first embodiment. FIG. 2 shows the heat transport device 100 in FIG. 2 shows a cross-sectional configuration as viewed from above.
[0016]
As shown in FIG. 1, the heat transport system 1 includes a heat transport device 100 that radiates heat from a heating element 200 having a high heat flux, and a circulation pump 300 that circulates a fluid (heat medium) through the heat transport device 100. . As the heating element 200, an electronic component that generates a high temperature during operation, such as an amplifier of a communication base station, a power element such as an IGBT, or a CPU can be suitably used.
[0017]
In the first embodiment, as the material of the heat transport device 100, aluminum or copper, which is a metal having high thermal conductivity, can be preferably used. In the first embodiment, aluminum die casting is used. In addition, a resin material can be used as the material of the heat transport device 100, and in this case, the heat transport device 100 can be made to have a flexible shape, so that the assembling property to a part having a complicated shape is improved.
[0018]
In the heat transport device 100, a portion that is in contact with the heating element 200 is configured as a heat receiving unit 101. Further, in the heat transport device 100 of the first embodiment, a heat radiating portion (radiating fin) 102 is formed on the entire surface opposite to the mounting surface of the heating element 200. The heat transport device 100 receives heat from the high-temperature heating element 200 at the heat receiving unit 101, and releases the heat received by the heat receiving unit 101 to the outside at the heat radiating unit 102. The transfer of heat from the heat receiving unit 101 to the heat radiating unit 102 is performed via a fluid (heat medium). Water or LLC (antifreeze) can be used as the fluid.
[0019]
The heat receiving portion 101 that transmits the heat of the heat generating element 200 to the fluid is set to the same size as the heat generating element 200 at a position corresponding to the heat generating element 200 of the heat transport device 100. The heat receiving portion 101 may be slightly larger or slightly smaller than the heating element 200, but is preferably larger than the heating element 200 in order to improve heat transfer.
[0020]
As shown in FIG. 2, a plurality of flow paths 103 are formed inside the heat transport device 100 in parallel. In the first embodiment, the length of the flow path 103 is about 200 mm, and the total length of the heating element 200 is about 30 mm. The flow channel 103 of the heat transport device 100 is formed to have a width (length perpendicular to the fluid flow direction) of about several mm (1-2 mm in this example). The circulating pump (fluid driving means) 300 of the first embodiment is configured to circulate the fluid in one direction, and the fluid flows in the same direction (right in FIG. → Left)
[0021]
3 shows a cross-sectional configuration of the heat transport device 100. FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. As shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of microchannel forming portions 104 are provided in each flow channel 103 of the heat receiving portion 101 in parallel with the fluid flow direction. The microchannel forming portion 104 of the first embodiment is formed in a thin plate shape. In the heat receiving unit 101, the flow channel 103 is miniaturized by the microchannel forming unit 104, and a microchannel is formed. In this specification, the term “microchannel” refers to a flow channel whose width is reduced to 1 mm or less.
[0022]
The heat transfer area increases as the channel area becomes smaller, and the hydraulic diameter (representative diameter) becomes smaller, so that the heat transfer coefficient increases. For this reason, it is desirable that the width of the microchannel be in the range of 0.1 to 0.5 mm. In the first embodiment, a microchannel having a width of 0.3 mm is formed in the heat receiving unit 101.
[0023]
FIG. 4 shows a process of forming a microchannel in the heat transport device 100. 4 (a) and 4 (b) are sectional views similar to FIG. 3 (a).
[0024]
As shown in FIG. 4A, the heat transport device 100 includes a lid 105 and a base 106. A microchannel forming portion 104 is integrally formed at a portion of the lid portion 105 corresponding to the heat receiving portion 101. The microchannel forming portion 104 of the first embodiment is formed in a thin plate shape. The base part 106 is an aluminum die-cast in which a groove part 107 constituting the flow path 103 is formed.
[0025]
As shown in FIG. 4B, the lid 104 is attached to the base 106 so that the microchannel forming portion 104 of the lid 105 fits into the groove 107 of the base 106. The part where the lid part 104 and the groove part 107 are in contact is joined by brazing, welding, bonding or the like. Thereby, the flow channel 103 corresponding to the heat receiving unit 101 is miniaturized by the microchannel forming unit 104, and a microchannel is formed.
[0026]
The heat transfer in the heat transport system having the above configuration is as follows. First, heat generated by the heating element 200 is transmitted to the heat receiving unit 101 of the heat transport device 100. In the heat receiving unit 101, heat is transmitted from the micro channel forming unit 104 to the fluid. The fluid moves in the flow path 103 to transfer heat to the heat radiating unit 102, and the heat radiating unit 102 releases the heat to the outside.
[0027]
As described above, by forming only a part of the flow channel 103 in the heat transport device 100 into a microchannel, the manufacturing cost can be reduced. When a part of the channel 103 is formed into a microchannel, the channel 103 near the heating element 200 having a high heat flux is formed into a microchannel, so that heat can be effectively radiated from the heating element 200. Further, since only a part of the flow channel 103 is formed as a microchannel, an increase in pressure loss can be suppressed, and power saving of the pump 300 can be achieved.
[0028]
In addition, by using aluminum die casting in which the groove 107 is formed in the base 106, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the groove is formed by cutting.
[0029]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in the flow path configuration of the heat transport device. Hereinafter, only portions different from the first embodiment will be described.
[0030]
FIG. 5 shows the overall configuration of the heat transport system 2 of the second embodiment, and corresponds to FIG. 2 in the first embodiment. As shown in FIG. 5, the heat transport device 110 of the second embodiment is configured such that the fluid flows in a U-turn inside. That is, in FIG. 5, the fluid flowing from the right end of the heat transport device 110 flows from the right side to the left side, then returns at the left end, and flows out from the right end.
[0031]
Even in such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0032]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The third embodiment differs from the first embodiment in the flow path configuration of the heat transport device and the configuration of the pump. Hereinafter, only portions different from the first embodiment will be described.
[0033]
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the heat transport system 3 including the heat transport device 120 according to the third embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view of the heat transport device 120 in FIG. 1 shows the configuration. FIG. 6 corresponds to FIG. 1, and FIG. 7 corresponds to FIG.
[0034]
As shown in FIGS. 6 and 7, in the third embodiment, a vibration pump 310 is used as a pump for moving a fluid inside the heat transport device 120. The vibration pump 310 has a piston that reciprocates by, for example, an electromagnetic force or the like, and generates a vibration flow in the fluid in the flow path 123 of the heat transport device 120. The vibration pump 310 of the third embodiment can arbitrarily set the cycle and the amplitude when vibrating the fluid. The amplitude of the fluid is desirably about three times or more the entire length of the heating element 200 from the viewpoint of heat transport performance. In the third embodiment, the amplitude of the fluid is set to about 100 mm for the entire length of the heating element 200 of about 30 mm. are doing.
[0035]
As shown in FIG. 7, in the heat transport device 120 of the third embodiment, the flow path 123 is formed to meander. Specifically, a plurality of flow paths 123 are formed in parallel, and adjacent flow paths 123 communicate at one end. The flow direction of the fluid in the adjacent flow paths 123 is reversed.
[0036]
In the heat transport device using such an oscillating flow, the fluid moves by vibration from a first point of receiving heat from the heating element 200 at the heat receiving section 121 to a second point of transmitting heat to the heat radiating section 122. As a result, the heat of the heating element 200 moves from the first point to the second point like a “frog jump”. Such heat transfer is additionally caused by vibration. As the frequency of the fluid increases, the number of “frog jumps” occurring per unit time increases, and as the amplitude increases, the “frog jump” distance increases. Thus, the additional heat transfer due to vibration increases with increasing fluid amplitude and period.
[0037]
Therefore, if the cycle of the oscillating flow of the fluid is made faster, the heat transport performance can be made higher, and if the cycle is made slower, the heat transport performance can be made lower. Similarly, increasing the amplitude of the oscillating flow of the fluid can increase the heat transport performance, and decreasing the amplitude can decrease the heat transport performance. As described above, in the heat transport device 120 using the oscillating flow, the heat transport performance can be easily adjusted over a wide range by controlling the frequency and amplitude of the fluid.
[0038]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment is different from the third embodiment in the configuration of the heat transport device. Hereinafter, only portions different from the third embodiment will be described.
[0039]
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the heat transport system 4 including the heat transport device 130 of the fourth embodiment, and corresponds to FIG. 6 of the third embodiment. As shown in FIG. 8, in the heat transport device 130 of the fourth embodiment, a heat receiving unit 131 and a heat radiating unit 132 are formed separately. Specifically, the heat receiving portion 131 that receives heat from the heating element 200 is formed at one end of the heat transport device 130 (the left end in FIG. 8), and the heat radiating portion 132 is formed at the other end of the heat transport device 130 (see FIG. 8). At the right end). The heat radiating portion 132 is formed not only on the side opposite to the mounting surface of the heating element 200 in the heat transport device 130 but also on the mounting surface side of the heating element 200.
[0040]
In such a configuration, the same effect as in the third embodiment can be obtained.
[0041]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fifth embodiment is different from the first embodiment in the method of forming the microchannel. Hereinafter, only portions different from the first embodiment will be described.
[0042]
9 and 10 show cross-sectional configurations of the heat transport devices 140 and 150, and correspond to FIG. 4B of the first embodiment. As shown in FIGS. 9 and 10, in the fifth embodiment, the base portions 146 and 156 are arranged on the side in contact with the heating element 200, and the lid sections 144 and 154 are arranged on the opposite side of the heating element 200. . Heat radiating portions 142 and 152 are formed on the lid portions 144 and 154.
[0043]
As shown in FIGS. 9 and 10, the microchannel forming portions 145 and 155 of the fifth embodiment use rod-shaped members (thin rods) separately formed from the lids 144 and 154. FIG. 9 shows an example in which one rod-shaped member 145 is inserted into the channel 143, and FIG. 10 shows an example in which two rod-shaped members 155 are inserted into the channel 153. The rod-shaped members 145 and 155 are inserted in the longitudinal direction along the fluid flow direction.
[0044]
As described above, by inserting the rod-shaped members 145 and 155 into the channels 143 and 153, the channels 143 and 153 can be easily miniaturized to form a microchannel. When fixing the lids 144 and 154 to the bases 146 and 156, it is desirable to compress and fix the rods 145 and 155 to such an extent that they are slightly crushed. Thereby, the rod-shaped members 145 and 155 can be fixed by being brought into thermal contact with the base portions 146 and 156, and the heat transfer coefficient can be improved. The same effect can be obtained by using a hollow tubular member (small tube) instead of the rod members 145 and 155.
[0045]
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The sixth embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the heat transport device. Only parts different from the first embodiment will be described.
[0046]
FIG. 11 shows a configuration of the heat transport device 160 according to the sixth embodiment. FIG. 11 (a) is a plan view of the heat transport device 160, and FIG. 11 (b) is a BB cross section of FIG. 11 (a). FIG. 11C is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In FIG. 11, the illustration of the heat radiator is omitted.
[0047]
The heat transport device 160 of the sixth embodiment uses an aluminum extruded tube (aluminum multi-hole tube). The aluminum extruded tube is obtained by extruding aluminum into a cross-sectional shape of an eye and is a material that can be manufactured at low cost. A plurality of through holes are formed in the aluminum extrusion tube 160 in parallel, and these constitute a fluid passage 163. The through hole has a width of about 1 mm.
[0048]
In the sixth embodiment, the heat receiving portion 161 of the heat transport device 160 is compressed in the lateral direction (the vertical direction in FIG. 11A), thereby miniaturizing the flow path 163 of the heat receiving portion 161 to form a microchannel. I have.
[0049]
As described above, by using an inexpensive aluminum extruded tube as the heat transport device 160 and partially compressing the channel 163 into microchannels, the heat transport device 160 in which the channel 163 is microchanneled at low cost can be provided. Obtainable.
[0050]
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The seventh embodiment differs from the sixth embodiment in the configuration of the heat transport device. Only parts different from the sixth embodiment will be described.
[0051]
FIG. 12 shows a configuration of the heat transport device 170 of the seventh embodiment. FIG. 12A is a plan view of the heat transport device 170, FIG. 12B is a side view of the heat transport device 170, and FIG. 12C is a sectional view taken along line DD of FIG. 12A, and FIG. 12D is a sectional view taken along line EE of FIG. 12A. In FIG. 12, the illustration of the heat radiator is omitted.
[0052]
In the seventh embodiment, the heat receiving portion 171 of the heat transport device (aluminum extruded tube) 170 is compressed in the vertical direction (vertical direction in FIG. 12B) to make the flow path 173 of the heat receiving portion 171 finer. It is a micro channel.
[0053]
Further, the cross-sectional configuration of the aluminum extrusion tube may be changed as in the example shown in FIG. FIG. 13 shows a cross-sectional configuration of the heat receiving unit 171. FIG. 13A shows a state before compression, and FIG. 13B shows a state after compression. As shown in FIG. 13 (a), an aluminum extruded tube in which a partition part for partitioning the adjacent flow path 173 is bent in a “<” shape is prepared, and is placed in the vertical direction (the vertical direction in FIG. 13 (a)). ), The shape after compression can be stabilized as shown in FIG.
[0054]
Even in such a configuration, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained.
[0055]
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The eighth embodiment is different from the sixth embodiment in the configuration of the heat transport device. Only parts different from the sixth embodiment will be described.
[0056]
FIG. 14 shows the configuration of the heat transport device 180 according to the eighth embodiment. FIG. 14 (a) is a plan view of the heat transport device 180, FIG. 14 (b) is a side view of the heat transport device 180, and FIG. FIG. 14C is a sectional view taken along line FF of FIG. Note that illustration of the heat radiating unit is omitted in FIG.
[0057]
In the example shown in FIG. 14, after inserting a tubular member (narrow tube) into the flow path 183 in the heat receiving unit 181 of the heat transport device (aluminum extruded tube) 180, the vertical direction (the vertical direction in FIG. 14B) is used. By compressing, the flow path 183 of the heat receiving unit 181 is miniaturized to form a microchannel. By compressing the tubular member after insertion, the tubular member can be brought into thermal contact with the heat transport device 180 and fixed, and the heat transfer coefficient can be improved.
[0058]
FIG. 15 is an enlarged view of the flow channel portion 183 of FIG. 14C, FIG. 15A shows an example in which one tubular member is inserted into the flow channel portion 183, and FIG. An example in which four tubular members are inserted into the portion 183 is shown. Note that a rod-shaped member may be used instead of the tubular member.
[0059]
Even in such a configuration, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained.
[0060]
(Other embodiments)
In the fifth and eighth embodiments, the channel is formed into a microchannel by inserting a tubular member or a rod-shaped member into the channel of the heat transport device. However, a gap metal is inserted instead of the tubular member or the rod-shaped member. May be. The gap metal is a metal having a gap inside, and this gap communicates from one end to the other end. As the void metal, for example, a foamed metal, a sintered metal, or a sprayed metal can be used.
[0061]
The foamed metal can be obtained, for example, by blowing a gas into a molten metal or mixing a foaming agent. Sintered metal is formed by sintering metal powder. For example, a copper rod-shaped member having a lower melting point than iron is inserted into iron powder, and copper is melted during sintering to easily form connected voids. be able to. The sprayed metal is formed by spraying the melted metal, and voids are formed during the spraying.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an overall configuration of a heat transport system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the heat transport system according to the first embodiment, and shows a cross-sectional configuration of the heat transport device in FIG. 1 as viewed from a mounting surface direction of a heating element.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat transport device.
FIG. 4 is a process chart showing a process of forming a microchannel in the heat transport device.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an overall configuration of a heat transport system according to a second embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an overall configuration of a heat transport system according to a third embodiment.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the overall configuration of a heat transport system according to a third embodiment, and shows a cross-sectional configuration of the heat transport device in FIG. 6 as viewed from a mounting surface direction of a heating element.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an overall configuration of a heat transport system according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the heat transport device.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the heat transport device.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a heat transport device according to a sixth embodiment.
12A and 12B are conceptual diagrams illustrating a configuration of a heat transport device according to a seventh embodiment, where FIG. 12A is a plan view of the heat transport device, FIG. 12B is a side view of the heat transport device, and FIG. (D) is an EE cross-sectional view of (a).
13A and 13B show a cross-sectional configuration of a heat receiving unit according to a modification of the seventh embodiment, where FIG. 13A shows a state before compression and FIG. 13B shows a state after compression.
14A and 14B show a configuration of a heat transport device according to an eighth embodiment, wherein FIG. 14A is a plan view of the heat transport device, FIG. 14B is a side view of the heat transport device, and FIG. 14C is FF of FIG. It is sectional drawing.
FIG. 15 is an enlarged view of the flow path section of FIG. 14 (c).
[Explanation of symbols]
100 to 180: heat transport device, 101 to 181: heat receiving unit, 200: heating element, 300: circulation pump, 310: vibration pump.

Claims

A heat transport device including a flow path (103 to 183) through which a fluid flows, and transporting heat of a heat source (200) from a high temperature side to a low temperature side via the fluid,
A heat transport device, wherein a microchannel in which the size of the flow channel is smaller than other portions is formed in the vicinity of the heat source in the flow channel.

The heat transport device according to claim 1, wherein a plurality of through holes are formed of a tube-shaped aluminum member formed in parallel, and the through holes constitute at least a part of the flow path.

The heat transport device according to claim 1, wherein the microchannel is formed by compressing by applying an external force to the flow path in the vicinity of the heat source.

The heat transport device according to claim 1, wherein the microchannel is formed by arranging one or more tubular members or one or more rod-shaped members near the heat source in the flow channel.

The method according to claim 1, wherein the microchannel is formed by arranging a metal having a gap communicating from one end to the other end in the flow direction of the fluid, in the vicinity of the heat source in the flow channel. A heat transport device as described.

The heat transport device according to claim 5, wherein the metal having the gap is any one of a foamed metal, a sintered metal, and a metal formed by thermal spraying.

7. The heat transport apparatus according to claim 1, wherein the flow of the fluid is a reciprocating flow having a predetermined cycle and a predetermined amplitude.