JP5277963B2

JP5277963B2 - 半導体素子の冷却に用いる熱交換器およびその製造方法

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Publication number: JP5277963B2
Application number: JP2008550036A
Authority: JP
Inventors: 仁坂本; 和幸三窪; 栄北城
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: CN101563775A; CN101563775B; US20100025019A1; WO2008075452A1; JPWO2008075452A1

Description

本発明は、微小流路と沸騰現象を利用した半導体の冷却に用いる熱交換器およびその製造方法に関する。

半導体で発生する大量の熱を伝えるために、半導体外部に高い熱伝導率を持つ材料を接着し、数百ミクロン程度かそれ以下の微小流路を形成して液体冷却する方法が開発されている。

近年は、その流路内を流れる冷媒をその沸騰点近傍で運用することにより、冷媒の気化熱を利用し、より高い伝熱効果を得ようとする技術が研究されている。

沸騰による伝熱性能向上の厳密なメカニズムは未だ解明されていないが、蒸気発生器などにおいて蒸気の乾き度が高まるにつれて熱伝達係数が低くなることは広く知られている。

これは、伝熱面となる流路内壁と気相をなしている冷媒への接触面が流れ方向に大きくなっていくからと考えられている。一般に気相への伝熱性能は液相へのそれに比べて低く、当然ながら液相から気相への相変化による伝熱性能の向上は期待することができない。

発生する気泡を早期に発熱面より剥離させ、流路内より排除する方法として、冷媒の流速を上げ、強制的に排除する方法や、流路内壁に表面処理を施して泡の発生を管理する方法、さらに、流路を横切るように接続することにより流路間の圧力差を無くす方法（例えば、特許文献１参照）などが考えられる。ただ、これらは受動的で微小流路の効果を半減させるような技術である。

半導体冷却を考えた場合には、よりコンパクトで積極的な沸騰泡の排除機構についての発明が求められている。

特開２００１−２８４１５号公報

沸騰時の気化熱を利用して一般にマイクロチャネルと呼ばれる微小な流路を持つ熱交換器の伝熱特性を向上させようとする場合に、沸騰効果を利用するほど流路下方での蒸気の乾き度が高まり、また、沸騰泡の大きさが流路幅いっぱいに成長するまでの時間が短く、この結果、種々の問題が発生する。

冷媒との接触面積を最大限に増やす目的で形成されるマイクロチャネルでは、発生する蒸気泡の動向まで管理することは容易でなく、これにより泡の発生場所、発生頻度、発生の仕方、成長の速度、そして剥離や滞留の条件などが流路間や固体により違ってくる。極端な場合には、局所的な伝熱性能の低下や、温度上昇を招いて、熱交換器本来の性能に悪影響を及ぼすことも考えられる。

微小な流路を複数有するような熱交換器の場合には、各流路はお互いに分離されていることがあるが、この場合には、流路間で泡の発生や滞留の状況が違ったり、その結果、圧力分布、流量や伝熱状態まで違ったりすることが考えられる。

不均等な泡の成長は急激な泡の成長を助長し、このような現象が発生するチャネルでは流れが逆流し、沸騰が起きていない流路の流量が一時的に増すおそれがある。増した流量はさらに沸騰を抑制する悪循環の可能性があり、流路間の流量と沸騰状態の不均衡が拡大する。さらには、狭い流路内の流れのために、沸騰点に達しても沸騰泡が見られない過沸点の問題も確認されている。

熱交換器としての運転範囲内にある伝熱量に応じて沸騰泡の発生量が格段に違う場合も考えられるため、いかなる運転状況においても沸騰泡の挙動が悪影響を及ぼさないように管理する必要がある。

また、相変化の効果を最大限に利用しようとするなら、熱交換器出口においての蒸気の乾き度を高めることが考えられるが、乾き度が上昇するにつれて熱伝達係数が低下することが知られている。熱変化による伝熱の割合を高めることは、ポンプの容量の小型化にもつながる魅力的な技術であるが、発生する泡自身は伝熱効果に寄与しないので効果的に発熱面より剥離させ、流路内より排気することが求められる。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、発生する沸騰泡の挙動を管理することにより、微小流路を持つ相変化熱交換器の安定運転および信頼性の向上を図ることができる熱交換器およびその製造方法を提供する。

本発明は、微小流路内の沸騰泡の挙動を積極的に管理することができる機構を持つことを特徴とする。第一の機構として、流路を二階層に製造し、階層間の圧力差に応じて弾性変形するような材料を用いる。第二の機構として、この階層を相互に接続させ、その接続部分には、冷媒を供給する側の層から微小流路を有する側の層に流れ込む冷媒の流れに対し、一定の抵抗を有する抵抗手段（細孔または障壁）を設け、冷媒を供給する側の層部分の内部圧力を微小流路内より高い圧力に保つ。第三の機構として、第二の機構と同じようにこの階層を接続させるが、冷媒を供給する側の層部分の内部圧力を微小流路内より低い圧力に保つ。これらの機構は単体もしくは複合させて利用することにより最適化される。

本発明によれば、より広範囲で蒸気泡の大量発生による悪影響を回避することが可能になり、高い熱伝達係数を維持することによる伝熱性能促進だけでなく、滞留泡の解消、過沸点の解消を通して微小流路を持つ熱交換器全体の安定した運転が可能になる。

不安定に発生する泡を交換器に搭載された機構が積極的に対応することにより、爆発的に成長した泡が発生する危険性が小さくなり、それにより、泡発生時における液の逆流が抑えられる。

前述した第一の機構によると、通常（安定時）は、冷媒を供給する側の層の内部圧力が微小流路を有する側の層の内部圧力よりも高いが、微小流路内に蒸気泡が発生すると、内部圧力の強弱関係が逆転する。このような微小流路を有する側の層の微小流路内の圧力変動に呼応し、冷媒を供給する側の層の仕切りに用いられた弾性材料が上下する。

すなわち、蒸気泡が発生し、弾性材料が上昇すると、圧力が上昇した微小流路とその近傍の微小流路との間の仕切りが取り払われたことになり、上昇した圧力を複数の微小流路で解消することができ、さらに大きく成長した泡がある場合には、それを分担して下流に流すことができる。

この弾性材料背面の圧力は微小流路上流の圧力とほぼ均等にしていることにより、微小流路内の圧力が安定状態にある場合は、背面の圧力が微小流路内の圧力に勝り、この弾性材料は微小流路上面に押し付けられることにより、微小流路間を隔離する。

前述した第二の機構によると、微小流路内に二次流れを起こし、滞留しようとする蒸気泡を、効率良く流路より排気する。すなわち、冷媒を供給する側の層の内部圧力は、微小流路を有する側の層の内部圧力よりも高く保たれているので、隣接する二つの層を隔離する仕切りにノズルを設けることにより、このノズルを通って冷媒を供給する側の層から微小流路を有する側の層に冷媒の一部が流れ込む。

このときに、微小流路の流れに対するノズルの向きが順方向となるようにすれば、微小流路の冷媒の流速は、ノズルから流れ込む冷媒によって加速される。この加速された冷媒の流れにより、発生した蒸気泡は出口に向かって速やかに押し流されて排気される。

一般に、同じ冷媒なら液体の方が気体の状態よりも粘度が高く、ノズルは蒸気泡を選択的に排気する効果がある。しかも、蒸気泡が急激に成長する場合には、泡内部の圧力が一時的に周囲の液体圧力より高くなるために、この場合も選択的に気泡を排気する特徴がある。

前述した第三の機構によると、冷媒を供給する側の層の内部圧力を微小流路内より低い圧力に保つことにより、微小流路内に発生した蒸気泡は、冷媒を供給する側の層に吸い込まれて効率良く排気される。

すなわち、本発明は、半導体素子の冷却に用いる熱交換器であって、本発明の特徴とするところは、冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層と、この第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層と、前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段とを備え、前記第一の層と前記第二の層との隣接部分は弾性体によって形成されるところにある（第一および第二の機構）。

あるいは、本発明の熱交換器は、冷媒が流れる微小流路を複数有する第三の層と、この第三の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第四の層と、前記微小流路を流れる冷媒の流速を速める方向に、前記供給路を流れる冷媒のリーク流を発生させるノズルとを備えたことを特徴とする（第二の機構）。

あるいは、本発明の熱交換器は、冷媒が流れる微小流路を複数有する第五の層と、この第五の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒の一部が流出する第六の層と、前記微小流路に供給される冷媒の一部を前記第六の層に流出させる孔とを備えたことを特徴とする（第三の機構）。

また、本発明を熱交換器の製造方法としての観点から観ることもできる。すなわち、本発明は、半導体素子の冷却に用いる熱交換器の製造方法であって、本発明の特徴とするところは、冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層を形成するステップと、この第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層を形成するステップと、前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段を形成するステップと、前記第一の層と前記第二の層との隣接部分を弾性体によって形成するステップとを有するところにある（第一および第二の機構）。

あるいは、本発明の熱交換器の製造方法は、冷媒が流れる微小流路を複数有する第三の層を形成するステップと、この第三の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第四の層を形成するステップと、前記微小流路を流れる冷媒の流速を速める方向に、前記供給路を流れる冷媒のリーク流を発生させるノズルを形成するステップとを有することを特徴とする（第二の機構）。

あるいは、本発明の熱交換器の製造方法は、冷媒が流れる微小流路を複数有する第五の層を形成するステップと、この第五の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒の一部が流出する第六の層を形成するステップと、前記微小流路に供給される冷媒の一部を前記第六の層に流出させる孔を形成するステップとを有することを特徴とする（第三の機構）。

本発明の第一の効果は、積極的に蒸気泡を微小流路より分割して排除できる機構を提供することにより、泡の滞留により伝熱を妨げる現象を解消する。

第二の効果は、複数の微小流路を持つ熱交換器において、微小流路間の圧力均衡を保つ構造を提供することにより、それぞれの微小流路内で沸騰が平均的に発生することにより、熱交換器としてより安定し、信頼性を高める。

第三の効果として、二階層の構造により、二階部分自身がマニホルド部として使用できるため、熱交換器の設置面積を従来型より大きくせずに上述の効果を得ることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第一の実施の形態の熱交換器の構成図。第一の実施の形態の熱交換器において蒸気泡が発生した状況を示す図。第二の実施の形態の熱交換器の構成図。第三の実施の形態の熱交換器の構成図。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態を図１および図２を参照して説明する。図１は二階層間の圧力をもとに弾性変形する仕切り材料を用いた二層式熱交換器を示す図である。この熱交換器は、上部に滞留層７、下部に微小流路１を配した受熱層１６を持つ。

滞留層７と受熱層１６との接続部には障壁１７が設けられ、流体入口４から滞留層７に供給された冷媒が受熱層１６に流れ込む際に、冷媒の流れに対する抵抗手段となる。このため、滞留層７での流体速度は受熱層１６に比べて遅く、受熱層１６内の圧力と比べて滞留層７内の圧力の方が高い。また、流体入口４を滞留層７の上部に設けることができ、これにより、入口マニホルド部５を小型化することができる。さらに、弾性仕切面１０として階層間の仕切りに弾性材料を用いることを特徴とする。
弾性材料としては、例えばシリコーンやアクリル系のゴム材が挙げられる。また、仕切り板自体は弾性が低い金属材料を用い、その上部を上記のようなゴム材にて保持する構造も有効である。いずれによっても、受熱層の圧力上昇に応じて、仕切り部が上下することにより、隣接する流路との圧力差を緩和させる効果が得られる。

図２は蒸気泡１１が受熱層１６内の微小流路１に発生した状況を示す図である。通常（安定時）は、滞留層７の内部圧力が受熱層１６の内部圧力よりも高く、弾性仕切面１０は複数の微小流路１を互いに隔離する機能を果たしているが、図２に示すように、微小流路１内の圧力が蒸気泡１１により局所的に上昇した場合には、弾性仕切面１０が滞留層７と受熱層１６との圧力差により押し上げられて隣接する微小流路１相互間の隔離状態を開放し、微小流路１相互間の圧力の均衡を回復する働きをする。また同時に、成長した蒸気泡１１は隣接する微小流路１に分割されて排気されるため、蒸気泡１１の発生源となる微小流路１に滞留しにくくなる。

（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態を図３を参照して説明する。図３に本発明の第二の実施の形態として、滞留層７から受熱層１６に冷媒をリークさせ、受熱層１６に二次流れを誘発する機構を持つ二層式熱交換器を示す。本実施の形態においては仕切り面に非弾性仕切面１２を用いる。特徴となる二次流れ誘発用のノズル１３は、微小流路１内の冷媒の流れに対して角度を持たせ、冷媒の流れに対して順方向の流れを作ることにより、効果的に二次流れを誘発することができる。

すなわち、滞留層７からノズル１３を経由して受熱層１６に流れ込むリーク流は、受熱層１６に二次流れを誘発することにより、受熱層１６に生じた速い流速を利用して蒸気泡を出口マニホルド部９に向けて速やかに押し流す効果を生じる。

（第三の実施の形態）
本発明の第三の実施の形態を図４を参照して説明する。図４に本発明の第三の実施の形態として、飽和液出口１５と蒸気出口８とを分けた機構を持つ二層式熱交換器を示す。本実施の形態では、流体入口４を入口マニホルド部５に設けたので、入口マニホルド部５を従来と比べて小型化するという効果は損なわれるが、熱交換器ブロック２が気液分離の機構も併せ持つ効果を生じるので、これにより、熱交換器の設置面積を従来型より小さくできる。

流体入口４から供給された冷媒は、直接、受熱層１６に供給される。液体としての冷媒は、受熱層１６から細孔１４を通って滞留層７に流出する。細孔１４は、冷媒の流れに対する抵抗手段となるため、受熱層１６の内部圧力と比べて滞留層７の内部圧力は低くなる。これにより、細孔１４により、微小流路１の上部に成長した蒸気泡は圧力差により上部の滞留層７に吸い上げられる。

さらに、蒸気出口８および飽和液出口１５を設けることにより、蒸気出口８を乾き度の高い蒸気の出口、飽和液出口１５を乾き度の低い飽和液の出口と使い分けることができる。

本発明の活用例として、ＣＰＵなど自然対流以上の効果を必要とする半導体冷却装置が挙げられる。気化熱を利用することにより、同じ冷媒の単相強制滞留冷却以上の効果を得られる可能性がある。
以下、参考形態の例を付記する。
１．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層と、
前記第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層と、
前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段と、
を備え、
前記第一の層と前記第二の層との隣接部分は弾性体によって形成されたことを特徴とする熱交換器。
２．
１．に記載の熱交換器であって、
前記抵抗手段は、
前記供給路と前記微小流路との接続部に形成された障壁であり、
冷媒が前記第二の層から前記接続部を通って前記第一の層へ導入されるように構成されたことを特徴とする熱交換器。
３．
１．または２．に記載の熱交換器であって、
下部を前記第一の層、上部を前記第二の層とすることを特徴とする熱交換器。
４．
１．乃至３．いずれかに記載の熱交換器であって、
前記微小流路は、前記第一の層の底部から厚み方向に形成された内壁と、前記弾性体とによって囲われた空間であって、冷媒が前記微小流路を一定方向に流れることを特徴とする熱交換器。
５．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第三の層と、
前記第三の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第四の層と、
前記微小流路を流れる冷媒の流速を速める方向に、前記供給路を流れる冷媒のリーク流を発生させるノズルと、
を備えたことを特徴とする熱交換器。
６．
５．に記載の熱交換器であって、
前記ノズルは、前記第三の層と前記第四の層との隣接部分に形成され、前記微小流路を流れる冷媒の流れる方向を向くように傾斜しており、
冷媒は、前記第四の層から、前記供給路と前記微小流路との接続部および前記ノズルを通って、前記第三の層へ導入されるように構成されたことを特徴とする熱交換器。
７．
５．または６．に記載の熱交換器であって、
下部を前記第三の層、上部を前記第四の層とすることを特徴とする熱交換器。
８．
５．乃至７．いずれかに記載の熱交換器であって、
前記微小流路は、前記第三の層の底部から厚み方向に形成された内壁と、前記第三の層と前記第四の層との隣接部分とによって囲われた空間であって、前記冷媒が前記微小流路内部を一定方向に流れることを特徴とする熱交換器。
９．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第五の層と、
前記第五の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒の一部が流出する第六の層と、
前記微小流路に供給される冷媒の一部を前記第六の層に流出させる孔と、
を備えたことを特徴とする熱交換器。
１０．
９．に記載の熱交換器であって、
前記冷媒は、前記第五の層から、前記孔を通って、前記第六の層へ導入されるように構成されたことを特徴とする熱交換器。
１１．
９．または１０．に記載の熱交換器であって、
下部を前記第五の層、上部を前記第六の層とすることを特徴とする熱交換器。
１２．
９．乃至１１．いずれかに記載の熱交換器であって、
前記微小流路は、前記第五の層の底部から厚み方向に形成された内壁と、前記第五の層と前記第六の層との隣接部分とによって囲われた空間であって、前記冷媒が前記微小流路内部を一定方向に流れることを特徴とする熱交換器。
１３．
１．乃至１２．いずれかに記載の熱交換器であって、
前記供給路の上部に前記冷媒が導入される入口を有することを特徴とする熱交換器。
１４．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器の製造方法において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層を形成するステップと、
この第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層を形成するステップと、
前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段を形成するステップと、
前記第一の層と前記第二の層との隣接部分を弾性体によって形成するステップと、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
１５．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器の製造方法において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第三の層を形成するステップと、
この第三の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第四の層を形成するステップと、
前記微小流路を流れる冷媒の流速を速める方向に、前記供給路を流れる冷媒のリーク流を発生させるノズルを形成するステップと、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
１６．
半導体素子の冷却に用いる熱交換器の製造方法において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第五の層を形成するステップと、
この第五の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒の一部が流出する第六の層を形成するステップと、
前記微小流路に供給される冷媒の一部を前記第六の層に流出させる孔を形成するステップと、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。

Claims

半導体素子の冷却に用いる熱交換器において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層と、
前記第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層と、
前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段と、
を備え、
前記第一の層と前記第二の層との隣接部分は弾性体によって形成されたことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記抵抗手段は、
前記供給路と前記微小流路との接続部に形成された障壁であり、
冷媒が前記第二の層から前記接続部を通って前記第一の層へ導入されるように構成されたことを特徴とする熱交換器。
請求項１または２に記載の熱交換器であって、
下部を前記第一の層、上部を前記第二の層とすることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至３いずれかに記載の熱交換器であって、
前記微小流路は、前記第一の層の底部から厚み方向に形成された内壁と、前記弾性体とによって囲われた空間であって、冷媒が前記微小流路を一定方向に流れることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至４いずれかに記載の熱交換器であって、
前記供給路の上部に前記冷媒が導入される入口を有することを特徴とする熱交換器。
半導体素子の冷却に用いる熱交換器の製造方法において、
冷媒が流れる微小流路を複数有する第一の層を形成するステップと、
この第一の層に隣接して設けられ、前記微小流路に供給される冷媒を供給する供給路を有する第二の層を形成するステップと、
前記供給路から前記微小流路に流れ込む冷媒の流れに対する抵抗手段を形成するステップと、
前記第一の層と前記第二の層との隣接部分を弾性体によって形成するステップと、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。