JP2006526128A - Thin plate type cooling device that prevents dryout - Google Patents
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Abstract
本発明は、冷媒のドライアウト現象を除去するために、冷媒循環ループの内壁に形成された少なくとも一つのキャビティを備える薄板型冷却装置を提供する。The present invention provides a thin plate type cooling device including at least one cavity formed in an inner wall of a refrigerant circulation loop in order to remove a dry-out phenomenon of the refrigerant.
Description
本発明は、半導体集積回路装置などの熱を冷却するための薄板型冷却装置に係り、特に、作動流体の相変化による冷却方式を利用した冷却装置であって、冷媒のドライアウト現象を防止できる薄板型冷却装置に関する。 The present invention relates to a thin plate type cooling device for cooling heat such as a semiconductor integrated circuit device, and more particularly, to a cooling device using a cooling method by phase change of a working fluid, and can prevent a dry-out phenomenon of a refrigerant. The present invention relates to a thin plate type cooling device.
半導体素子の高集積化の趨勢によってデザインルールが減少し、それにより半導体素子を構成する電子回路の線幅が小さくなるにつれて、単位面積当たりのトランジスタ数が増加して電子装備の小型化、高性能化を達成したが、それに伴って半導体素子の単位面積当たりの熱発散率がさらに高くなった。このような熱発散率の上昇は、半導体素子の性能を低下させて寿命を短縮させ、結局、半導体素子を採用したシステムの信頼度を低下させる。特に、半導体素子においては、その動作温度によって各種パラメータ値が鋭敏に変化して集積回路の特性をさらに劣化させる。 As the design rules decrease due to the trend toward higher integration of semiconductor elements, the number of transistors per unit area increases as the line width of the electronic circuits constituting the semiconductor elements decreases, resulting in smaller electronic equipment and higher performance. As a result, the heat dissipation rate per unit area of the semiconductor element further increased. Such an increase in the heat dissipation rate decreases the performance of the semiconductor element and shortens the lifetime, and eventually reduces the reliability of the system employing the semiconductor element. In particular, in a semiconductor element, various parameter values change sharply depending on the operating temperature, further degrading the characteristics of the integrated circuit.
このような熱発散率の上昇に対応して、これを冷却するための冷却技術も発展してきたが、既知の通常的な冷却技術としては、フィンファン(fin−fan)冷却方式、熱電素子(Peltier)冷却方式、液体噴射(water−jet)冷却方式、潜水(immersion)冷却方式、ヒートパイプ(heat pipe)冷却方式などがある。 In response to such an increase in the heat dissipation rate, a cooling technique for cooling this has also been developed. However, as a known normal cooling technique, a fin-fan cooling method, a thermoelectric element ( There are a Peltier cooling method, a liquid-jet cooling method, an immersion cooling method, a heat pipe cooling method, and the like.
前記フィンファン冷却方式は、フィン及び/またはファンを利用して強制冷却させる方法であって、数十年間多く利用されてきたが、ノイズ、振動及び大きい体積に比べて冷却効率が低いという問題点がある。また、前記熱電素子冷却方式はノイズ、振動はないが、効率が低いので、大きい作動電源が要求され、高熱側に必要以上の過多の熱消散装置が要求されるという問題点がある。 The fin fan cooling method is a method of forced cooling using fins and / or fans, and has been used for many decades. However, the cooling efficiency is low compared to noise, vibration and large volume. There is. In addition, the thermoelectric element cooling method has no noise and vibration, but has low efficiency. Therefore, there is a problem that a large operating power source is required and an excessively large heat dissipation device is required on the high heat side.
前記液体噴射冷却方式は、その効率性が優秀で冷却器研究の主流をなしているが、外部電源を利用する薄膜ポンプなどを使用してその構造が複雑であり、重力の影響を多く受けるために適用限界があり、特に個人携帯電子装備に適用する場合にロバスト性設計が困難であるという問題がある。 The liquid jet cooling method is excellent in efficiency and has become the mainstream of cooler research, but its structure is complicated by using a thin film pump that uses an external power supply, and it is highly influenced by gravity. However, there is a problem that robust design is difficult when applied to personal portable electronic equipment.
また、ヒートパイプを使用する冷却装置では、管内気体と液体との流動方向が互いに相反するために、蒸発部から凝縮部へ行く気体の流動が、凝縮部で凝縮されて蒸発部に帰還する流体に流動抵抗として作用する。したがって、もし高い熱量がヒートパイプに印加される場合、速い速度の気体が帰還する液体が蒸発部まで帰還できなくなって、蒸発部では液相冷媒が枯渇してしまうドライアウト現象が発生する。また、パイプ内部で気化された冷媒は浮力及び圧力差に依存して移動し、ヒートパイプ内部では、液化された冷媒が帰還部媒質の構造及び大きさによって重力に依存するために、設置できる位置に多くの制限が伴うという問題点がある。 Further, in the cooling device using a heat pipe, the flow direction of the gas in the pipe and the liquid are opposite to each other, so that the gas flow from the evaporation section to the condensation section is condensed in the condensation section and returned to the evaporation section. It acts as a flow resistance. Therefore, if a high amount of heat is applied to the heat pipe, the liquid to which the high-speed gas returns cannot return to the evaporation section, and a dry-out phenomenon occurs in which the liquid phase refrigerant is depleted in the evaporation section. Also, the refrigerant vaporized inside the pipe moves depending on the buoyancy and pressure difference, and inside the heat pipe, the liquefied refrigerant depends on the gravity depending on the structure and size of the feedback part medium, so the position where it can be installed Has the problem of many limitations.
このような問題点を解決するためのものとして、本発明の出願人は、特許文献1で、冷却性能が重力の影響をほとんど受けずに外部電源の供給なしに冷媒が自然循環する小型の薄板型冷却装置を開示したことがある。開示された薄板型冷却装置は、内部に流体の循環ループが内蔵されている薄板状のハウジングと、前記ハウジング内の循環ループを循環しつつ相変化する冷媒を含むが、前記ハウジング内の循環ループは、前記ハウジング内部の一端に形成され、液相の冷媒を保存することができる冷媒保存部と、前記冷媒保存部の一端に連結される少なくとも一つの第1微細チャンネルを備え、前記第1微細チャンネル内で前記液相の冷媒が、前記第1微細チャンネルの内壁との表面張力により前記冷媒保存部から前記第1微細チャンネルの所定部位まで部分的に充填され、前記第1微細チャンネル内での表面張力が重力より大きく設定されており、熱源から吸収された熱により前記第1微細チャンネルに充填された前記液相の冷媒を気化させることができる蒸発部と、前記蒸発部の第1微細チャンネルから長手方向に同一平面上で所定距離ほど離隔されており、前記第1微細チャンネルで気化されて移動した気相の冷媒を凝縮させることができる少なくとも一つの第2微細チャンネルを備え、前記第2微細チャンネルの内壁と前記凝縮された冷媒との表面張力が重力より大きく設定された凝縮部と、前記蒸発部の第1微細チャンネルと前記凝縮部の第2微細チャンネルとの間に位置する気相冷媒移動部と、前記凝縮部で凝縮された液相の冷媒を前記冷媒保存部に移送させ、前記気相冷媒移動部と分離された液相冷媒移動部と、を備える。 In order to solve such problems, the applicant of the present invention disclosed in Patent Document 1 is a small thin plate in which the cooling performance is hardly affected by gravity and the refrigerant circulates naturally without supplying external power. A mold cooling apparatus has been disclosed. The disclosed thin plate type cooling device includes a thin plate-like housing in which a fluid circulation loop is incorporated, and a refrigerant that changes phase while circulating through the circulation loop in the housing. Comprises a refrigerant storage part that is formed at one end inside the housing and can store a liquid-phase refrigerant, and at least one first fine channel connected to one end of the refrigerant storage part, In the channel, the liquid phase refrigerant is partially filled from the refrigerant storage part to a predetermined part of the first fine channel by surface tension with the inner wall of the first fine channel, and in the first fine channel, The surface tension is set larger than the gravity, and the liquid phase refrigerant filled in the first fine channel can be vaporized by the heat absorbed from the heat source. The vaporization section and the first fine channel of the evaporation section are separated from each other by a predetermined distance on the same plane in the longitudinal direction, and at least the vapor phase refrigerant evaporated and moved in the first fine channel can be condensed. A condensing part that includes one second fine channel, the surface tension of the inner wall of the second fine channel and the condensed refrigerant being set to be greater than gravity, the first fine channel of the evaporation part, and the condensation part A liquid-phase refrigerant separated from the gas-phase refrigerant moving unit by transferring the liquid-phase refrigerant condensed in the condensing unit to the refrigerant storage unit and being separated from the gas-phase refrigerant moving unit. A moving unit.
前記開示された薄板型冷却装置によれば、ハウジング内部の循環ループを循環する冷媒が、液相と気相との相変化を起こすことによって、その相変化時の潜熱を利用して前記冷却装置と接触する外部熱源の熱を冷却させる。 According to the disclosed thin plate type cooling device, the refrigerant circulating in the circulation loop inside the housing causes a phase change between the liquid phase and the gas phase, and uses the latent heat at the time of the phase change, thereby cooling the cooling device. Cool the heat of the external heat source that comes into contact with.
しかし、前記開示された薄板型冷却装置によれば、気相の冷媒が凝縮部で完全に凝縮されずに凝縮された冷媒中にバブル形態に含まれて、液相冷媒移動部及び/または冷媒保存部を経て蒸発部に到達する場合がありうる。このように、液相の冷媒中にバブルが含まれて蒸発部に到達すれば、蒸発部では液相の冷媒が枯渇してしまうドライアウト現象が発生する恐れがある。 However, according to the disclosed thin plate type cooling device, the gas-phase refrigerant is included in the bubble form in the refrigerant condensed without being completely condensed in the condensing unit, and the liquid-phase refrigerant moving unit and / or the refrigerant There may be a case where the evaporation part is reached through the storage part. Thus, if bubbles are included in the liquid-phase refrigerant and reach the evaporation section, there is a possibility that a dry-out phenomenon occurs in which the liquid-phase refrigerant is depleted in the evaporation section.
本発明の目的は、前記した問題点を改善するためのものであり、本発明の目的は、蒸発部でのドライアウト現象を防止できる薄板型冷却装置を提供することである。 An object of the present invention is to improve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a thin plate type cooling device that can prevent a dry-out phenomenon in an evaporation section.
また、本発明の目的は、冷媒のフローを向上させて冷却効率が上昇した薄板型冷却装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a thin plate type cooling device that improves the cooling efficiency by improving the flow of the refrigerant.
前記目的を達成するために、本発明は、内部に流体の循環ループが内蔵されている薄板状のハウジングと、相変化を起こすことができ、前記ハウジング内の循環ループ内を循環する冷媒と、を含み、前記ハウジング内の循環ループは、その内部の一端に形成されるが、前記液相の冷媒が毛細管現象によって少なくとも一部に充填され、充填された液相の冷媒が外部の熱源から伝えられた熱によって気化される蒸発部と、前記蒸発部と隣接して形成されるが、気化された冷媒が前記分岐部分に向かって移動する通路となり、凝縮されていない気相の冷媒が収容される少なくとも一つの第1キャビティを備える気相冷媒移動部と、前記気相冷媒移動部と隣接した領域に形成されるが、前記気相の冷媒が液相に凝縮される凝縮部と、前記分岐部分の少なくとも一部の領域であって前記凝縮部に隣接した領域に形成されるが、前記蒸発部と断熱され、液相に凝縮された冷媒が前記蒸発部に向かって移動する液相冷媒移動部と、前記蒸発部と前記液相冷媒移動部の少なくとも一部とを断熱させる断熱部と、を備える薄板型冷却装置を提供する。 To achieve the above object, the present invention provides a thin plate-like housing in which a fluid circulation loop is incorporated, a refrigerant capable of causing a phase change, and circulating in the circulation loop in the housing, A circulation loop in the housing is formed at one end of the inside of the housing, but the liquid phase refrigerant is at least partially filled by capillary action, and the filled liquid phase refrigerant is transmitted from an external heat source. An evaporation section that is vaporized by the generated heat, and a passage that is formed adjacent to the evaporation section, and in which the vaporized refrigerant moves toward the branch portion, and contains a gas phase refrigerant that is not condensed. A gas phase refrigerant moving part comprising at least one first cavity, a condensing part formed in a region adjacent to the gas phase refrigerant moving part, wherein the gas phase refrigerant is condensed into a liquid phase, and the branch Partial A liquid-phase refrigerant moving unit that is formed in a region that is at least a part of the region and is adjacent to the condensing unit, but is thermally insulated from the evaporating unit and condensed in a liquid phase toward the evaporating unit. And a heat insulating part that insulates the evaporating part and at least a part of the liquid-phase refrigerant moving part.
以下、本発明の望ましい実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、図1Aを参照すれば、図1Aは、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100の外形を概略的に図示した斜視図である。本発明の薄板型冷却装置100は、ほぼ直六面体で構成された外形を持つことが望ましく、それぞれ内部の構成要素が形成された基板100a及び上板100bを接着させて形成されることが望ましい。
First, referring to FIG. 1A, FIG. 1A is a perspective view schematically illustrating an outer shape of a thin
理解及び説明の便宜のために、図1Aに示すように、本発明の薄板型冷却装置100の長手方向(図面の左側から右側に向かう方向)を“X軸方向”と定義し、前記薄板型冷却装置100の幅方向(図面に向かって進入する方向)を“Y軸方向”と定義し、前記薄板型冷却装置100の高さ方向(図面の下側から上側に向かう方向)を“Z軸方向”と定義する。また、負のZ軸方向(すなわち、図面の下側から上側に向かう方向)から見た断面を“‘第1’方向から見た断面”とし、正のZ軸方向(すなわち、図面の上側から下側に向かう方向)から見た断面を“‘第2’方向から見た断面”という。
For the convenience of understanding and explanation, as shown in FIG. 1A, the longitudinal direction (direction from the left side to the right side of the drawing) of the thin
図1Bを参照すれば、図1Bは、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100のXY平面での断面を‘第2’方向から見た概略的断面図である。図示されたように、前記薄板型冷却装置100の基板100aは、ほぼ方形のハウジング112の内部に、前記上板100bと結合されることによって冷媒の循環ループが形成されるように構成される。冷媒は矢印方向に循環され、液相と気相間の相変化時の潜熱を利用して前記冷却装置100と接触する外部熱源の熱を冷却させる。
Referring to FIG. 1B, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the thin plate
前記ハウジング112は、シリコンやガリウムのような半導体物質、自体結集断層膜(Self Assembled Mono layer;SAM)のような新素材積層物質、熱伝導率の優秀な銅またはアルミニウムのような金属物質及び/またはこれらの合金物質、セラミック物質、プラスチックのような高分子物質やダイアモンドのような結晶質材料などの多様な素材で製造できる。特に、外部熱源が半導体チップである場合、外部熱源の表面物質と同じ物質で形成して熱衝撃を最小化できる。また、前記薄板型冷却装置100が半導体物質で製造される場合には、半導体チップの製造工程で、前記外部熱源の表面物質と一体になるように形成して接触熱抵抗を最小化することもできる。
The
次いで、前記薄板型冷却装置100内に注入される冷媒は、外部の熱により液相及び気相間の相変化を起こすことができるものから選択されうる。本実施形態によれば、前記冷媒として、潜熱及び表面張力の大きい水を使用することが望ましいが、これは環境汚染を考慮してフレオン(CFC)系列の冷媒を使用しないことが望ましいためである。
Next, the refrigerant injected into the thin plate
また、前記薄板型冷却装置100の材質によってその内壁と冷媒間の表面張力の大きさが変わるので、本発明の実施においては、それに適した冷媒を選択せねばならない。例えば、水以外にも、メタノールまたはエタノールなどのアルコール系冷媒を使用してもよい。前記のような水やアルコール系冷媒の場合熱容量が大きく、半導体物質の内壁との表面張力による接触角が小さくて、冷媒の流速が速くなって多くの熱量を伝達するのに有利な長所を持つ。また、水やアルコール系冷媒の場合には、フレオン系冷媒と違って、いずれかの理由によって前記薄板型冷却装置100から漏れても環境汚染の問題が発生しない。
Further, since the magnitude of the surface tension between the inner wall and the refrigerant varies depending on the material of the thin plate
このような冷媒の選択は、本発明の実施のための単純な設計的選択事項に過ぎないので、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The selection of such a refrigerant is merely a simple design choice for the implementation of the present invention and does not limit the technical scope of the present invention.
図示されたように、前記薄板型冷却装置100は、その内部の一端に形成されるが、前記液相の冷媒が毛細管現象によって少なくとも一部に充填され、充填された液相の冷媒が外部の熱源(図示せず)から伝えられた熱によって気化される蒸発部104と、前記蒸発部104と隣接して形成されるが、気化された冷媒がその圧力差によって所定方向に移動する気相冷媒移動部106と、前記気相冷媒移動部106と隣接して形成されるが、前記気相の冷媒が液相に凝縮される凝縮部108と、前記凝縮部108に隣接して形成されるが、前記蒸発部104と断熱され、液相に凝縮された冷媒が前記蒸発部104に向かって移動する液相冷媒移動部102及び110とを備える。
As shown in the drawing, the thin plate
前記蒸発部104、気相冷媒移動部106、凝縮部108並びに液相冷媒移動部102及び110は、前記薄板型冷却装置100の基板100aのみに形成されてもよい。また、前記薄板型冷却装置100の上板100bは、所定の領域に形成されたキャビティのみを備えてもよい。前記上板100bの構成については、図2ないし図5を参照して後述する。
The
前記薄板型冷却装置100内で前記冷媒は、図面の矢印方向に沿って循環ループを形成する。すなわち、前記蒸発部104、前記気相冷媒移動部106、前記凝縮部108、前記凝縮部側の液相冷媒移動部110、及び前記蒸発部側の液相冷媒移動部102を順に経て循環されるように構成されている。
In the thin
本発明の実施形態によっては、前記液相冷媒移動部102及び110の所定領域に一定量の液相の冷媒が保存されるように、適当な体積を持つ冷媒保存部(図示せず)をさらに備えることができる。例えば、前記蒸発部側の液相冷媒移動部102の領域が冷媒保存部として形成されて使われうる。また、前記冷媒保存部は複数個が形成されてもよい。
In some embodiments of the present invention, a refrigerant storage unit (not shown) having an appropriate volume is further provided so that a predetermined amount of liquid phase refrigerant is stored in a predetermined region of the liquid phase refrigerant moving
前記蒸発部側の液相冷媒移動部102の一端(“出口側”)には前記蒸発部104が隣接して形成され、前記蒸発部104には複数個の微細チャンネルが形成されて、毛細管現象によって前記微細チャンネルの少なくとも一部または全部に、前記蒸発部側の液相冷媒移動部102に保存された冷媒が充填される。また、前記蒸発部104は、外部の熱源(図示せず)に隣接して設置されるが、それにより、前記熱源から伝えられた熱によって、前記微細チャンネルに充填された液相の冷媒が気化されて、気相の冷媒に相変化を起こす。したがって、前記熱源からの熱は、前記冷媒の相変化による潜熱ほど前記冷媒に吸収され、後述するように気相の冷媒が凝縮部108で再び凝縮しつつ熱を発散させることによって、前記熱源の熱を除去する。
The
前記微細チャンネル内での表面張力は重力より大きく形成されることが望ましい。前記微細チャンネルに充填された液相の冷媒のメニスカスの接触角は小さいほど望ましいが、そのためには、前記微細チャンネルの内壁を親水性物質で形成するか、微細チャンネルの表面に親水性処理を施すことが望ましい。このような親水性処理の例には、メッキ処理、塗装処理、コーティング処理、着色処理、陽極化処理、プラズマ処理、レーザー処理などがある。また、その熱伝達率を向上させるように前記微細チャンネルの内壁の表面粗度を調節できる。 It is desirable that the surface tension in the fine channel is formed to be greater than gravity. The smaller the contact angle of the meniscus of the liquid-phase refrigerant filled in the fine channel, the better. For this purpose, the inner wall of the fine channel is formed of a hydrophilic substance or the surface of the fine channel is subjected to hydrophilic treatment. It is desirable. Examples of such hydrophilic treatment include plating treatment, painting treatment, coating treatment, coloring treatment, anodizing treatment, plasma treatment, and laser treatment. In addition, the surface roughness of the inner wall of the fine channel can be adjusted so as to improve the heat transfer coefficient.
一方、蒸発部104の微細チャンネルだけでなく、液相冷媒移動部110及び102と蒸発部104はその表面が親水性処理され、気相冷媒移動部106及び凝縮部108の表面は疎水性処理されることによって、冷媒のフローを向上させて冷却効率を高めることが望ましい。
On the other hand, not only the fine channels of the evaporating
さらに、前記微細チャンネルの断面は方形以外にも、円形、楕円形、長方形、正方形、多角形など多様な形態を持つように形成することもできる。特に、前記微細チャンネルの長手方向(すなわち、X軸方向)に沿って断面積を増加または減少させることによって冷媒との表面張力の大きさを制御でき、その内壁に複数のグルーブまたはノードを設置して冷媒の移動方向を決定するか、または冷媒の移動速度を制御することもできる。 Further, the cross section of the fine channel may be formed to have various shapes such as a circle, an ellipse, a rectangle, a square, and a polygon other than a square. In particular, the surface tension with the refrigerant can be controlled by increasing or decreasing the cross-sectional area along the longitudinal direction of the fine channel (that is, the X-axis direction), and a plurality of grooves or nodes are installed on the inner wall. Thus, the moving direction of the refrigerant can be determined, or the moving speed of the refrigerant can be controlled.
次いで、前記蒸発部104で気化された冷媒は、前記蒸発部側の液相冷媒移動部102の逆方向に移動するが、このように気相の冷媒が移動できる通路の役割を行う気相冷媒移動部106が前記蒸発部104に隣接して形成される。図示されたように、前記気相冷媒移動部106は、気化された冷媒が所定の方向(すなわち、前記冷媒保存部102の逆方向)に移動できるように、複数のガイド118を備えることができる。前記ガイド118は、前記薄板型冷却装置100の機械的な強度を高める機能も持つ。したがって、機械的な強度に問題がない場合には、前記ガイド118は備えないこともある。
Next, the refrigerant evaporated in the
次いで、前記凝縮部108は、前記気相冷媒移動部106を通じて移動してきた気相の冷媒が再び凝縮されて液化される領域である。本実施形態によれば、前記凝縮部108は、前記蒸発部104と同じ平面上で所定距離ほど離隔した位置に形成されている。
Next, the condensing
一方、前記凝縮部108は、前記蒸発部104に形成された微細チャンネルと類似した複数個の微細チャンネル(図示せず)を備えることができる。このような凝縮部108の微細チャンネルは、後述するように、前記液相冷媒移動部110にも延びて形成され、さらに、前記蒸発部側の液相冷媒移動部102にも延びて形成できる。このような凝縮部108の微細チャンネルは、気相冷媒の凝縮をさらに容易にし、凝縮された液相の冷媒を前記蒸発部側の液相冷媒移動部102の方向に移動させる表面張力を提供することによって、冷媒循環ループの完成を促す。
Meanwhile, the condensing
前記凝縮部108の微細チャンネルの深さは、前記蒸発部104の微細チャンネルの深さより深く形成されることが望ましいが、これに限定されるものではない。その外にも、断面の形状や断面積の変化、グルーブやノードの形成に関して、前記蒸発部104の微細チャンネルに関するあらゆる事項が前記凝縮部108の微細チャンネルにも同一に適用できるので、その詳細を省略する。
The depth of the fine channel of the condensing
また、熱放出の効果をさらに向上させるために、前記凝縮部108の外部の薄板型冷却装置100に複数のフィンを形成してもよい。前記フィンは、前記凝縮部108の外部に放射状に形成されるか、その他の所定の形状に形成される。このようなフィン間に周囲の空気が接触することによって放熱効果を極大化できる。
In order to further improve the effect of heat release, a plurality of fins may be formed in the thin
さらに、前記フィンがマイクロアクチュエータを備えるように形成される場合には、前記凝縮部108から外部に放出される熱をリサイクルして、周囲の空気を循環させるように駆動させてもよい。また、前記フィンが熱電素子を含む微細構造で形成された場合には、前記凝縮部108から放出される熱を電気的エネルギーに変換させて微細駆動のためのエネルギーとして使用してもよい。
Further, when the fin is formed to include a microactuator, the heat released to the outside from the condensing
また、前記凝縮部108の体積を前記蒸発部104の体積より大きく形成することによって、周囲空気の対流だけでも凝縮部108内で気相の冷媒を容易に凝縮させることができる。
Further, by forming the volume of the condensing
次いで、前記液相冷媒移動部110は、前記凝縮部108で凝縮された液相の冷媒が前記蒸発部側の液相冷媒移動部102に移動する通路を形成する。図示されたように、前記液相冷媒移動部110は、前記断熱部116によって前記気相冷媒移動部106、前記凝縮部108及び蒸発部104から断熱される。
Next, the liquid-phase
前記断熱部116は、前記薄板型冷却装置100内の所定位置に形成された内部仕切りの形態で構成するか、前記薄板型冷却装置100内の所定位置に密封された別途の内部空間の形態または前記薄板型冷却装置100の上下を貫通するように開放されている形態で構成できる。前記薄板型冷却装置100内に密封された内部空間の形態で形成される場合、前記断熱部116は真空状態を保持するか、空気などの断熱物質で充填されることもある。
The
図示されたように、前記液相冷媒移動部110は、前記薄板型冷却装置100の両側面に沿って対称となるように形成することが望ましい。このような薄板型冷却装置100の外周に沿って対称的に形成される冷媒循環ループは、薄板の形態、すなわち、断面の縦横比が大きい場合に周囲への熱放出に非常に有利な構造であって、熱源から伝えられた熱を放射方向に拡散させることによって、広い面積を活用して周囲に放出できる。
As shown in the drawing, the liquid-phase
また、このような両方向の冷媒循環ループは、前記冷却装置100の設置位置によって重力の影響を受けて、いずれか一側の液相冷媒移動部110での冷媒循環が円滑でない場合にも、他の方向液相冷媒移動部110を通じて冷媒を循環させることができるという長所を持つ。
In addition, such a bi-directional refrigerant circulation loop is affected by gravity depending on the installation position of the
もちろん、前記したように、前記液相冷媒移動部110もまた、重力の影響をほとんど受けないようにするための微細チャンネルを備えることができ、その微細チャンネル内には、前記冷媒保存部102に向かう方向に複数個のグルーブ(図示せず)を形成する等の方法を採用できる。さらに、前記蒸発部104または液相冷媒移動部110及び102に形成された微細チャンネルの断面積は、前記凝縮部108と接する液相冷媒移動部110から気相冷媒移動部106と接する蒸発部104に至るまで順次に減少することが望ましい。
Of course, as described above, the liquid-phase
一方、前記蒸発部側の液相冷媒移動部102と前記液相冷媒移動部110との境界部分、及び前記凝縮部108と前記液相冷媒移動部110との境界部分に、液相冷媒の移動方向を規定するための複数個のガイド(図示せず)を形成して、冷媒の流路が急激に旋回することによって発生する冷媒循環の抵抗を減少させることもできる。
On the other hand, the liquid phase refrigerant moves to the boundary part between the liquid phase
一方、接触熱抵抗を減少させるために中間に熱伝導体を介せずに前記蒸発部104に隣接して、前記蒸発部104を熱源(図示せず)に直接密着して固定させることが望ましく、このために、本実施形態では、前記蒸発部104に隣接して前記冷却装置100を外部熱源に固定させることができる固定手段114を設置し、ボルトまたはリベットで締結可能にした。もちろん、前記固定手段114は冷媒の循環と関係ないので、それを備えなくても構わない。
On the other hand, in order to reduce the contact thermal resistance, it is desirable to fix the
次いで、図2Aないし図2Cを参照して、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100の上板100bについて詳細に説明する。図2Aは、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100のXY平面での断面を、‘第1’方向から見た概略的断面図であり、図2Bは、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図2AのAA’線に沿って見た概略的断面図であり、図2Cは、本発明の第1実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図2AのBB’線に沿って見た概略的断面図である。本実施形態によれば、図2Aに図示された‘第1’方向から見た断面図は、前記薄板型冷却装置100の上板100bの底面図である。
2A to 2C, the
図示されたように、本実施形態によれば、前記薄板型冷却装置100の上板100bは、前記基板100aの前記気相冷媒移動部106に対応する領域に、凝縮されていない気相の冷媒が収容される余裕空間を提供するための第1キャビティ124を備える。また、前記上板100bは、前記基板100aの断熱部116に対応する断熱部116を備えることができる。前記上板100bは、前記基板100aのハウジング112と同じ材料で形成できる。または、ガラスのような材料を使用して前記上板100bを形成してもよい。
As shown in the drawing, according to the present embodiment, the
図2Cを参照すれば、前記第1キャビティ124は、YZ平面上でY軸と平行した方向に半楕円形状の断面を持つように形成される。前記第1キャビティ124は、気相の冷媒が収容される余裕空間を提供することによって、前記凝縮部108で凝縮されていない気相の冷媒が凝縮された液相冷媒中に含まれてバブルになることを防止する。
Referring to FIG. 2C, the
次いで、図3Aないし図3Cを参照して、本発明の第2実施形態による薄板型冷却装置100の上板100bについて詳細に説明する。図3Aは、本発明の第2実施形態による薄板型冷却装置100のXY平面での断面を、‘第1’方向から見た概略的断面図であり、図3Bは、本発明の第2実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図3AのAA’線に沿って見た概略的断面図であり、図3Cは、本発明の第2実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図3AのBB’線に沿って見た概略的断面図である。本実施形態によれば、図3Aに図示された‘第1’方向から見た断面図は、前記薄板型冷却装置100の上板100bの底面図である。
Next, the
図示されたように、本実施形態によれば、前記気相冷媒移動部106に対応する領域の上板100bには、前記気相冷媒移動部106の第2ガイド118により形成された複数個の気相冷媒の移動経路それぞれに対応して、YZ平面上でそれぞれ半楕円形の断面を持つ複数個の第1キャビティ124を備える。第2実施形態の第1キャビティ124は、前記した第1実施形態の第1キャビティ124と比較して、前記基板100aの第2ガイド118に対応するように分離されているという点のみ違って、その機能や形状などは第1実施形態の場合と同一である。
As illustrated, according to the present embodiment, a plurality of
次いで、図4Aないし図4Cを参照して、本発明の第3実施形態による薄板型冷却装置100の上板100bについて詳細に説明する。図4Aは、本発明の第3実施形態による薄板型冷却装置100のXY平面での断面を、‘第1’方向から見た概略的断面図で、図4Bは、本発明の第3実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図4AのAA’線に沿って見た概略的断面図であり、図4Cは、本発明の第3実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図4AのBB’線に沿って見た概略的断面図である。本実施形態によれば、図4Aに図示された‘第1’方向から見た断面図は、前記薄板型冷却装置100の上板100bの底面図である。
4A to 4C, the
図示されたように、本発明の第3実施形態による薄板型冷却装置100は、前記基板100aの凝縮部108に対応する領域に形成された複数個の第2キャビティ126をさらに備える。すなわち、前記上板100bは、前記基板100aの前記気相冷媒移動部106に対応する領域に形成された複数個の第1キャビティ124と、前記基板100aの凝縮部108に対応する領域に形成された複数個の第2キャビティ126とを備えるが、前記第1及び第2キャビティ124及び126それぞれは相互間に連結されるように形成される。
As illustrated, the thin plate
また、図示されたように、前記第2キャビティ126のそれぞれは、前記液相冷媒移動部110に対応する領域へ行くほどその幅が狭くなるように形成されることが望ましい。このようにすることで、前記基板100aと上板100bとが結合された時、前記液相冷媒移動部110へ行くほど前記第2キャビティ126の断面積が順次小さくなり、したがって、凝縮された冷媒に対する表面張力は順次増加するので、前記凝縮部108でまだ凝縮されていない気相の冷媒が、前記気相冷媒移動部106に対応する領域の第1キャビティ124に復帰する。したがって、凝縮されていない気相の冷媒がバブル形態で液相の冷媒中に含まれて前記蒸発部104まで到達することをさらに効果的に防止できる。
In addition, as shown in the drawing, each of the
次いで、図5Aないし図5Dを参照して、本発明の第4実施形態による薄板型冷却装置100の上板100bについて詳細に説明する。図5Aは、本発明の第4実施形態による薄板型冷却装置100のXY平面での断面を、‘第1’方向から見た概略的断面図であり、図5Bは、本発明の第4実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図5AのAA’線に沿って見た概略的断面図であり、図5Cは、本発明の第4実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図5AのBB’線に沿って見た概略的断面図であり、図5Dは、本発明の第4実施形態による薄板型冷却装置100のYZ平面での断面を、図5aのCC’線に沿って見た概略的断面図である。本実施形態によれば、図5Aに図示された‘第1’方向から見た断面図は、前記薄板型冷却装置100の上板100bの底面図である。
5A to 5D, the
図示されたように、本実施形態によれば、前記上板100bは、前記基板100aの液相冷媒移動部110に対応する領域に形成された複数個の第3キャビティ128をさらに備える。前記第3キャビティ128のそれぞれは、半球形に形成されることが望ましい。また、前記複数個の第3キャビティ128は、前記液相冷媒移動部110に沿って複数個の列をなすように形成されてもよい。
As illustrated, according to the present embodiment, the
本実施形態によれば、前記凝縮部108でまだ凝縮されていない気相の冷媒がバブルの形態で液相の冷媒に含まれたまま、前記液相冷媒移動部110まで移動した場合に、前記複数個の第3キャビティ128によりバブル形態の気相の冷媒が捕獲される。したがって、凝縮されていない気相の冷媒がバブル形態で液相の冷媒中に含まれて前記蒸発部104まで到達することをさらに効果的に防止できる。
According to the present embodiment, when the gas-phase refrigerant that has not been condensed in the
以上で説明した本発明の各実施形態の冷却装置100は、現在公知のいろいろな方法により製作でき、例えば、半導体素子製造工程を応用したMEMS(Micro Electro Mechanical System)方法や、SAM(Self Assembled Monolayer)方法を応用して製造できる。図1B及び図2Aを参照して、その製造方法を簡単に説明する。
The
すなわち、まず前記冷却装置100の基板100aの表面をエッチングして冷媒保存部102、蒸発部104の第1微細チャンネル120、凝縮部108の第1ガイド122、気相冷媒移動部106の第2ガイド118及び液相冷媒移動部110などを形成する。
That is, first, the surface of the
次いで、前記した実施形態について説明したように、上板100bの表面をエッチングしてキャビティ124、126及び/または128及び/または断熱部116を形成する。
Next, as described in the above embodiment, the surface of the
前記のような構造が形成された基板100a及び上板100bを互いに接触させた後、これらに電圧を印加することによって、陽極ボンディングを行ってハウジング112を一体化させ、別途に冷媒保存部102と連結されるように形成した冷媒注入ホール(図示せず)を通じて、循環ループを実質的に真空になるように減圧した後、冷媒を注入し、前記冷媒注入ホールを密封する。
After the
本発明は、以上の実施形態について詳細に説明したが、これに限定されるものではなく、当業者により多様に変形実施できるということは言うまでもない。例えば、前記第1実施形態の構成において、凝縮部108に対応するキャビティを前記第3実施例に関して前記した形状に変形するか、または液相冷媒移動部110に対応するキャビティを、前記第4実施形態に関して前記した形状に変形して実施できる。また、実施形態によっては、前記上板100bのキャビティが形成された領域以外の領域に前記基板100aと同じ構造を形成できるということは言うまでもない。
Although the present invention has been described in detail with respect to the above-described embodiment, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified by those skilled in the art. For example, in the configuration of the first embodiment, the cavity corresponding to the
本発明によれば、薄板型冷却装置において、気相冷媒移動部、凝縮部または/及び液相冷媒移動部の上側に所定形状のキャビティを形成することによって、凝縮部で凝縮されていない気相の冷媒を収容または捕獲させて、凝縮されていない気相の冷媒が蒸発部に通じるチャンネルに常駐して、十分に冷却されて液相に凝縮された冷媒が蒸発部に十分に供給されずに生じるドライアウト現象を防止できる。 According to the present invention, in the thin plate type cooling device, the gas phase that is not condensed in the condensing unit is formed by forming a cavity having a predetermined shape above the gas phase refrigerant moving unit, the condensing unit, and / or the liquid phase refrigerant moving unit. The refrigerant in the gas phase that is not condensed is resident in the channel that leads to the evaporation section, and the refrigerant that has been sufficiently cooled and condensed in the liquid phase is not sufficiently supplied to the evaporation section. The dryout phenomenon that occurs can be prevented.
また、本発明によれば、下側のチャンネルの深さ及び幅、または形状を変形させることによって液相の冷媒の表面張力を調節することによって、液相の冷媒を無動力で蒸発部に集めて蒸発部にドライアウト現象が起きず、常に前記の蒸発部に液相の冷媒を十分に供給できる。 Further, according to the present invention, the liquid phase refrigerant is collected in the evaporation section without power by adjusting the surface tension of the liquid phase refrigerant by changing the depth, width or shape of the lower channel. Thus, the dry-out phenomenon does not occur in the evaporation section, and the liquid phase refrigerant can always be sufficiently supplied to the evaporation section.
また、本発明によれば、上・下チャンネルに部分的に表面処理を施して冷媒のフローを向上させ、冷却効率を高める。 In addition, according to the present invention, the upper and lower channels are partially subjected to surface treatment to improve the refrigerant flow and increase the cooling efficiency.
Claims (8)
相変化を起こすことができ、前記ハウジング内の循環ループ内を循環する冷媒と、を含み、
前記ハウジング内の循環ループは、
その内部の一端に形成されるが、前記液相の冷媒が毛細管現象によって少なくとも一部に充填され、充填された液相の冷媒が外部の熱源から伝えられた熱によって気化される蒸発部と、
前記蒸発部と隣接して形成されるが、気化された冷媒が前記分岐部分に向かって移動する通路となり、凝縮されていない気相の冷媒が収容される少なくとも一つの第1キャビティを備える気相冷媒移動部と、
前記気相冷媒移動部と隣接した領域に形成されるが、前記気相の冷媒が液相に凝縮される凝縮部と、
前記分岐部分の少なくとも一部の領域であって前記凝縮部に隣接した領域に形成されるが、前記蒸発部と断熱され、液相に凝縮された冷媒が前記蒸発部に向かって移動する液相冷媒移動部と、
前記蒸発部と前記液相冷媒移動部の少なくとも一部とを断熱させる断熱部と、を備える薄板型冷却装置。 A thin plate-like housing containing a fluid circulation loop inside;
A refrigerant capable of causing a phase change and circulating in a circulation loop in the housing,
The circulation loop in the housing is
An evaporation unit that is formed at one end of the inside, the liquid phase refrigerant is at least partially filled by capillary action, and the filled liquid phase refrigerant is vaporized by heat transferred from an external heat source;
A gas phase comprising at least one first cavity formed adjacent to the evaporating section but serving as a passage for the vaporized refrigerant to move toward the branching portion and containing a non-condensed gas phase refrigerant. A refrigerant moving part;
Formed in a region adjacent to the gas-phase refrigerant moving unit, the condensing unit in which the gas-phase refrigerant is condensed into a liquid phase;
A liquid phase that is formed in a region that is at least a part of the branch portion and that is adjacent to the condensing unit, and that is thermally insulated from the evaporating unit and that is condensed in a liquid phase moves toward the evaporating unit. A refrigerant moving part;
A thin plate type cooling device comprising: a heat insulating portion that insulates the evaporation portion and at least a part of the liquid phase refrigerant moving portion.
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