JP4486844B2 - 熱輸送装置 - Google Patents
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Description
第一の方法は、従来の強制空冷の能力を上げるためにフィンの改良及び高性能化、ファンの能力アップを行う方法である。
第二の方法は、ヒートパイプを用いて熱を高熱流速エリアから低熱流速エリアへ輸送し、放熱する方法である。代表的なものとして、潜熱を利用したウイックのヒートパイプや西尾らが開発している強制振動流ヒートパイプが挙げられる(非特許文献1参照)。また、気泡型ポンプを用いて水等の冷媒を強制循環させて冷却させる方式も開示されている。気泡型ポンプとしては、マイクロチャネル及びマイクロポンプ(気泡駆動型)を用いた熱輸送装置等が挙げられる(特許文献1〜2参照)。
第三の方法は、遠心ポンプであり、(株)日立製作所製の水冷機構等が挙げられる。
日本機械学会2001年度年次大会公演資料集「2001-8.27〜30,福井市」
また、上記のように気泡型ポンプを用いるいわゆるバブルジェット(登録商標)方式も開発されているが、この方法では、冷媒を沸騰させるために瞬間的にせよ350℃程度の熱を発生させる必要があるので、効率的でないという問題点がある。また、充填する液体は、耐熱性を有する液体に限られるため、材料選択上の自由度も小さい。
前記マイクロポンプが、チャネルから流入する冷媒を収容する圧力室と、加振の原動力を提供する駆動素子と、該駆動素子により弾性変形する弾性薄膜部と、を備え、前記弾性薄膜部を前記駆動素子により振動させ圧力室の体積変化を形成して正圧及び負圧状態を繰り返すことにより、
冷媒を双方向に移動させることを特徴としている。
また、マイクロポンプが上記圧力室、駆動素子、弾性薄膜部により正圧および負圧状態を繰り返すことで、冷媒を正逆方向に繰り返し移動させることができるので、小型筐体内での除熱をより効率的に行うことができ、限られたスペース内での熱輸送をより効率的に行うことができる。
より好ましくは、一方の弾性薄膜部の変形により、圧力波が他方の弾性薄膜部に到達し最大限に圧力室が膨張する瞬間に、前記他方の弾性薄膜部を収縮させる方向に駆動させる。
上記の構成によれば、小型筐体内等での収容をよりコンパクト化できる。
〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について、図1〜6に基づいて説明すれば以下のとおりである。
(1)マイクロポンプの性能的条件
レイノルズ数: 0.1〜250
流量 : 1μl/s〜100μl/s
流路幅 : 50μm〜1000μm
流路断面積 : 0.01mm2〜1mm2
流路深さ : 50μm〜1000μm
圧力 : 1kPa〜100kPa
周波数 : 0.1Hz〜10Hz
圧電素子の面積: 10mm2〜1000mm2
(2)マイクロポンプの構造的条件
ポンプの流路面に対して垂直方向の厚み(マイクロポンプの高さ方向幅):0.2mm〜5mm
圧電素子厚さ:50μm〜300μm
本発明のマイクロポンプの各種条件、とりわけ、レイノルズ数、流路断面積、ポンプの厚さを上記数値範囲内とすることにより、従来より一般的に用いられるポンプと異なり優れた性能を得ることができるとともに、マイクロポンプの流速を−250mm/s〜+250mm/sの範囲内とすることができる。
本発明のマイクロポンプが、上記(1)(2)に記載した各数値範囲の下限を下回る場合は、冷媒の流れが少なくなり、熱輸送能力が低くなりすぎるため、熱輸送デバイス用途に適さなくなるおそれがある。また、各数値範囲の上限を超える場合は、マイクロポンプが大きくなりすぎるため、小型筐体内への格納に適さないおそれがある。
また、本発明のマイクロポンプは、
2mm/s≦U≦250mm/s、0.05mm≦L≦1mm、また、冷媒が水の場合、ν=1* 10−6m−2/sであるから、0.1≦レイノルズ数≦250となり、一般的にはレイノルズ数<2000以下の場合には、層流領域の流れになるといわれており、本発明のマイクロポンプは、従来のポンプと異なり、完全なる層流領域の流れの状態を生じ得る。
ヒートパイプ部30は、プレート8上に溝様に形成された屈曲状またはミアンダー状のチャンネル2と、図2(b)に示すようにチャネル2上部に蓋設された封止プレート7とから構成されている。
駆動素子5としては、例えば、PZT、TiNi、静電駆動用電極材料等が用いられる。また、ダイアフラム6は、例えば、金属やSi、ポリSi、ゴム、その他各種プラスチック材料等により薄膜状に成形され弾性的に変形し、チャネル内を冷媒で充填して密封状態としたとき、ダンパーとしての機能を発揮するものであれば特に限定されないが、本実施の形態では、超小型、薄型化でき、かつ、強度、耐久性の優れた材質として、Siが用いられる。
図3(a)は1本のチャンネルをプレート108表面、裏面を交互にミアンダー状に形成したヒートパイプ部130の平面図、図3(b)はそのA−A’線矢視断面図である。チャンネル102への冷媒封止のために、図3(b)に示すように、チャンネル2壁面を形成するプレート108両面に封止プレート7を設置している。また、図2(a)ヒートパイプ部30と同じく、互いに隣接する流路間で熱交換が行われ、プレート長手方向への高効率の熱輸送を行うことが出来る構造となっている。
図に示すように、チャネルを構成する互いに隣接する流路は、それぞれ交互に別々のマイクロポンプへ接続されている。これにより、隣接する流路間で逆位相に冷媒が流れ、隣接する流路間で熱交換が行われ、プレート長手方向に高効率の熱輸送を行うことが出来る。また、この構成では、駆動素子に複数のチャンネルを並列に接続しているため圧力損失が小さく、上記図2等の構成に比べ、低ポンプ圧で駆動することができる。
次に、本実施の熱輸送装置1の動作について以下に説明する。
上記のように、チャネル2内は全てまたは大部分が冷媒で満たされ、かつ、実質的に密閉状態であるので、各々のダイアフラムがダンパーまたはバネ等の弾性体としての機能を発揮することとなる。これにより、圧縮性のない水等の冷媒を永続的に流動させることができる。
{熱輸送能力としてヒートパイプ長手方向の熱伝導率の計算}
次に、本実施の形態に係る熱輸送装置1の熱伝導率を見積もった一例を示す。冷媒として水を用い、マイクロポンプ部分の駆動周波数を4Hzと設定した場合に、実効熱伝導率は、下記の通り12540W/(m*K)となり、これは銅の約30倍の熱伝導率に相当する。
{マイクロポンプの必要ポンプ圧、必要変位体積の計算}
下記にマイクロポンプの駆動素子のサイズと変移体積(μL)との関係、及び駆動素子のサイズと発生圧力(kPa)との関係から、マイクロポンプの必要ポンプ圧及び必要変位体積(μL)との関係を示すグラフの計算を行った結果の一例を示す。駆動素子として厚さ120μmのPZTを用いた場合、変位体積、発生圧力はPZTの形状、ヤング率、圧電定数及びダイヤフラムの形状、ヤング率から2点支持梁を用いたモデルから計算でき、図9にはPZTサイズと変位体積(μL)との関係を、図10には、PZTサイズと発生圧力(kPa)との関係を示す。計算結果によれば、PZTサイズ=15〜20mm□の範囲内が最適サイズであることが分った。
一方、電圧に対する変位体積
ΔV=(1/16)*(L4/t2)*d31*V
ただし、より正確な計算をする場合はシミュレーション(FEM解析)を併用する必要がある。
本実施の形態では、熱輸送装置1の各部材を、Si半導体プロセスにより作成している。Si半導体プロセスを用いることで、比較的高い熱伝導率材料であるSi基板を用いて、高精度にマイクロポンプ部などの熱輸送装置を作成することができ、また、ヒートパイプ部やヒートシンク部のチャンネルも微細且つ高アスペクトに作成することが可能となる。また、CPUやLSI、ICなども回路もSi冷却機構基板の裏側などに同じプロセスで一体に作成することも可能となる。図11は、Si半導体プロセスによる本発明の熱輸送装置の製造方法を示したフロー図である。図の右側にはプロセスに対応するポンプ部分の断面図を示している。順を追って説明すると、4インチφのSiウエハーを熱酸化炉にて1100℃の条件にて1.5μm厚みの熱酸化膜を形成する。その後、ホトレジスト工程にて、OFPR-800(東京応用化学製ポジ型レジスト)レジストをスピンコーターにて塗布し、アライナーにて露光し、専用現像液NMR-3(東京応用化学製)にて5分間現像することにより、露光部分のみが選択的に解けパターニングされる。その後、RIE(Reactive Ion Etching)装置にて、CHF3ガスを流量20sccm、圧力0.05Torrの条件にて30分酸化膜をエッチング除去し、残ったレジストを酸素プラズマにて酸化させた後、硫酸過水(硫酸:過酸化水素=4:1 の混合液)にて剥離する。次に、ICP(Ion Coupled Plazma)にてSF6ガスとC4F8ガスを交互に流して、120分Siをエッチングし、残った酸化膜を10%のフッ酸中で10分間でウエットエッチングし除去すし、ダイアフラム部分が完了する。一方、裏面には、真空蒸着装置を用いて、Cr500A(オングストローム)、Au1500A(オングストローム)順に成膜積層し、圧電素子駆動用のグランド電極とする。次に、パット印刷機にてエポキシ系接着剤342-3(日本エーブルボンド製)を3μm塗布し、圧電素子を仮貼り付けし、3.5Kg加圧と75℃4時間オーブンにて硬化させる。
本発明の他の実施の形態について、図7に基づいて説明すれば以下のとおりである。尚、実施の形態1と同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
参考の実施の形態について、図8に基づいて説明すれば以下のとおりである。尚、実施の形態1と同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
熱輸送装置61に設けられた一対のマイクロポンプ3・3’のうち、マイクロポンプ3のダイアフラム6を駆動素子5で駆動させる。これにより、圧力室4が圧縮、膨張し、他方のマイクロポンプ3’のダイアフラム6’に圧力波が伝達する。これに伴ってマイクロポンプ3’の圧力室が圧縮、膨張することとなるので、冷媒の流出入が両方の圧力室で行われ熱輸送が進行する。
2,102,202,302,402 チャネル
3 マイクロポンプ
4 圧力室
5 駆動素子
6 ダイアフラム
7 封止プレート
8,108,208,308,408 プレート
30,130,230,330,430 ヒートパイプ部
Claims (13)
- チャネルおよびマイクロポンプからなり、チャネル及びマイクロポンプ内が、全てまたは大部分が冷媒で満たされた密閉状態を形成しており、前記充填した冷媒を熱輸送媒体とする熱輸送装置であって、前記チャネルは、少なくとも2つの端部を有し、前記チャネルの端部にダンパー機能を備えたマイクロポンプが、それぞれ1ずつ接続されており、
前記マイクロポンプが、チャネルから流入する冷媒を収容する圧力室と、加振の原動力を提供する駆動素子と、該駆動素子により弾性変形する弾性薄膜部と、を備え、前記弾性薄膜部を前記駆動素子により振動させ圧力室の体積変化を形成して正圧及び負圧状態を繰り返すことにより、
冷媒を双方向に移動させることを特徴とする熱輸送装置。 - 前記駆動素子は、ある弾性薄膜部に圧力波が到達して圧力室に正圧がかかり膨張した状態時に、その弾性薄膜部を圧力室が収縮する方向に駆動させる動作を繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の熱輸送装置。
- マイクロポンプは、レイノルズ数が、0.1〜250の範囲内であることを特徴とする請求項1または2記載の熱輸送装置。
- マイクロポンプは、高さ方向幅が、0.2mm〜5mmの範囲内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- マイクロポンプは、流路面に対して垂直方向に3mm以内にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- チャネルは、流路断面積が、0.01〜1mm2の範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 冷媒の流速が−250mm/s〜+250mm/sの範囲内であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 各チャネル端部に接続される複数のマイクロポンプは、チャネルに対し同じ側に設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 各チャネル端部に接続される複数のマイクロポンプは、チャネルに対し異なる側に設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記チャネルは、1本を蛇行状に配置した構成で、両端に端部を有し、前記端部のそれぞれにマイクロポンプが接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記チャネルは、2本以上の流路を並列に配置した構成で、チャネルを構成する互いに隣接する流路が、それぞれ交互に別々のマイクロポンプに接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- チャンネルとマイクロポンプとは、繋ぎ目のない一体型で接続されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- Si半導体プロセスにより作成したことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
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