JP5768514B2 - Loop heat pipe and electronic device equipped with the heat pipe - Google Patents
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Description
本出願はループヒートパイプ及び該ヒートパイプを備えた電子機器に関する。以下に説明される実施の形態では、実施例として流体を搬送する流体搬送装置(ヒートパイプ)並びにヒートパイプを備えた電子機器が説明される。 The present application relates to a loop heat pipe and an electronic apparatus including the heat pipe. In the embodiments described below, a fluid conveyance device (heat pipe) that conveys fluid and an electronic device including the heat pipe will be described as examples.
従来、流体(作動液)の潜熱で熱を輸送するヒートパイプが知られている。このうち、ループヒートパイプは、外部から加熱されて作動液の蒸発が生じる蒸発器と、外部に熱を放散して蒸気の凝縮が生じる凝縮器とが、蒸気管と液管によってループを形成するように連結されたものである。このようなループヒートパイプ(循環型ヒートパイプとも呼ばれる)の構成は特許文献1の図1に開示されている。 Conventionally, a heat pipe that transports heat by the latent heat of a fluid (working fluid) is known. Among these, in the loop heat pipe, an evaporator that is heated from the outside to cause evaporation of the working liquid and a condenser that dissipates heat to the outside and condenses the steam form a loop by the steam pipe and the liquid pipe. Are connected together. The configuration of such a loop heat pipe (also called a circulation heat pipe) is disclosed in FIG.
ループヒートパイプでは、蒸発器で発生した作動液の蒸気は蒸気管で凝縮器に流れ、凝縮器で液体となった作動液が液管で蒸発器に流れるループが形成されている。作動液と作動液の蒸気は、液管或いは蒸発器に設けられたウィックの毛細管圧力をポンプ力として使用することにより蒸発器と凝縮器の間を循環する。ウィックは、例えばセラミックやニッケル、或いは銅、銅酸化物を原料とした多孔質材料、或いはポリエチレン樹脂等の高分子材料を原料とする多孔質材料で構成される。 In the loop heat pipe, a working fluid vapor generated in the evaporator flows into the condenser through a steam pipe, and a working fluid that has become liquid in the condenser flows into the evaporator through a liquid pipe. The working fluid and the working fluid vapor circulate between the evaporator and the condenser by using the wick capillary pressure in the fluid pipe or the evaporator as a pumping force. The wick is made of, for example, a porous material made of ceramic, nickel, copper, copper oxide or the like, or a porous material made of a polymer material such as polyethylene resin.
液管に設けられるウィックは液管の内周面に取り付けられる。一方、凝縮器に設けられるウィックは円筒状をしており、開口部が液管側に位置し、底部が蒸気管側に位置する。凝縮器に設けられる円筒状のウィックの外周面には、底部側から所定深さの溝であるグルーブがウィックの軸線に平行に複数本設けられている。 The wick provided in the liquid pipe is attached to the inner peripheral surface of the liquid pipe. On the other hand, the wick provided in the condenser has a cylindrical shape, with the opening located on the liquid pipe side and the bottom located on the steam pipe side. On the outer peripheral surface of the cylindrical wick provided in the condenser, a plurality of grooves, which are grooves having a predetermined depth from the bottom side, are provided in parallel to the axis of the wick.
このようなループヒートパイプは、直管型ヒートパイプのように、液体と蒸気が対向流とならないことから、作動液を円滑に流動させることができる。したがってループヒートパイプは、直管型ヒートパイプでは熱輸送が困難な、トップヒートモードでの熱輸送若しくは冷却に使用される。トップヒートモードとは、外部から加熱されて作動液の蒸発が生じる蒸発器を、作動液蒸気が外部に熱を放出して凝縮する凝縮器より高い位置に配置し、上から下に熱を輸送する熱輸送形態のことである。 Such a loop heat pipe can smoothly flow the working fluid because the liquid and the vapor do not become counterflows unlike the straight pipe heat pipe. Therefore, the loop heat pipe is used for heat transport or cooling in the top heat mode, in which heat transport is difficult with a straight pipe heat pipe. In top heat mode, the evaporator, which is heated from the outside and causes evaporation of the hydraulic fluid, is placed higher than the condenser where the hydraulic fluid vapor releases heat to condense and transports heat from top to bottom. It is a form of heat transport.
ループヒートパイプでは、蒸発器のグルーブ内には液相と気相の作動液が共存しており、グルーブ内の作動液の分布により、蒸発器に熱が加わった後のループヒートパイプの始動性が異なる。特に、グルーブ内に液相の作動液が存在する場合には、グルーブ内の作動液を蒸発させるために加熱が必要なため、蒸発器が加熱されてからループヒートパイプが始動する(startup)までに時間がかかる。この間はウィックの有効利用面積が小さいため、ウィックポンプ力の低下、グルーブ利用率減少による熱抵抗の上昇により、設計した動作温度よりも高い動作温度までヒートポンプが動作しないという問題がある。この問題は非特許文献1にも報告されている。
In the loop heat pipe, the liquid phase and the gas phase hydraulic fluid coexist in the groove of the evaporator, and the startability of the loop heat pipe after the heat is applied to the evaporator due to the distribution of the hydraulic fluid in the groove. Is different. In particular, when there is a liquid-phase working fluid in the groove, heating is necessary to evaporate the working fluid in the groove, so the loop heat pipe starts up after the evaporator is heated. Takes time. During this time, since the effective use area of the wick is small, there is a problem that the heat pump does not operate up to an operating temperature higher than the designed operating temperature due to a decrease in wick pump power and an increase in thermal resistance due to a decrease in groove utilization rate. This problem is also reported in Non-Patent
このように蒸発器のグルーブ内に液相の作動液が存在する場合には、ループヒートパイプの始動が遅れ、ループヒートパイプを半導体冷却装置として使用した場合には、半導体の温度が仕様温度を超えてしまい、半導体の破損を引き起こす問題が生じていた。しかしながら、非特許文献1にはこの現象の記載はあるものの、この現象を回避するための解決策の記載はなかった。
Thus, when the liquid phase hydraulic fluid is present in the groove of the evaporator, the start of the loop heat pipe is delayed, and when the loop heat pipe is used as a semiconductor cooling device, the temperature of the semiconductor becomes the specified temperature. This has caused a problem that causes damage to the semiconductor. However, although Non-Patent
本出願は、ウィックのグルーブ内に作動液が多く残留するループヒートパイプの始動時に、速やかにループヒートパイプを始動させることができるループヒートパイプ及び該ヒートパイプを用いた冷却装置を提供することを目的としている。 The present application provides a loop heat pipe capable of quickly starting a loop heat pipe and a cooling device using the heat pipe at the time of starting the loop heat pipe in which a large amount of hydraulic fluid remains in the wick groove. It is aimed.
上記目的を達成するための本出願のループヒートパイプは、ウィックを内蔵し、ヒートパイプの始動後に外部から熱が加えられる蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管とを有するループヒートパイプにおいて、ループヒートパイプの始動後の入熱による、蒸発器の蒸気管側の第1の部位の温度上昇速度を、液管側の第2の部位の温度上昇速度より遅らせる温度上昇速度遅延部材を、蒸発器の蒸気管側の部位に取り付けたことを特徴としている。 Loop heat pipe of the present application to achieve the above object, a built-in wick, and an evaporator that heat is applied from the outside after the heat pipe start, a condenser, a liquid pipe connecting the evaporator and the condenser and in the loop heat pipe to have a steam pipe, due to the heat input after the start of the loop heat pipe, the temperature rise rate of the first portion of the steam tube side of the evaporator, the temperature of the second portion of the liquid pipe A temperature increase rate delay member that delays the increase rate is attached to a portion on the vapor pipe side of the evaporator .
また、上記目的を達成するための本出願の電子機器は、電子部品と、電子部品に熱的に接触すると共に、ウィックを内蔵して電子部品の動作開始後に電子部品から熱が加えられる蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管とを有し、電子部品の動作開始後の入熱による、蒸発器の蒸気管側の第1の部位の温度上昇速度を、液管側の第2の部位の温度上昇速度より遅らせる温度上昇速度遅延部材を、蒸発器の蒸気管側の部位に取り付けたループヒートパイプを備えたことを特徴としている。 The electronic device of the present application to achieve the above object, an electronic component, as well as thermal contact with the electronic components, that heat is applied from the electronic component built-in wick after the start of operation of the electronic component evaporation a vessel, a condenser, and a evaporator and the condenser liquid pipe connects the and steam pipe, by heat input after the start of the operation of the electronic components, the temperature rise of the first portion of the steam pipe side of the evaporator speed, is characterized in that the temperature increase rate delay member for delaying the temperature rise rate of the second portion of the liquid pipe, comprising a loop heat pipe attached to the site of the steam pipe side of the evaporator.
本出願のヒートパイプによれば、ウィックのグルーブ内の残留作動液が多くても、ヒートパイプの始動時に蒸発器の液管側の温度上昇速度が蒸気管側の温度上昇速度よりも速くなり、残留作動液が短時間で排出されてヒートパイプの始動性が向上する。また、本出願の電子機器によれば、電子機器の冷間からの起動時に、蒸発器に温度差発生手段が設けられたループヒートパイプにより、回路基板上の発熱体の温度を、過度に上昇させることなく起動させることが可能である。 According to the heat pipe of the present application, even if there is a lot of residual hydraulic fluid in the groove of the wick, the temperature rise rate on the liquid pipe side of the evaporator becomes faster than the temperature rise speed on the steam pipe side when starting the heat pipe, The residual hydraulic fluid is discharged in a short time, and the startability of the heat pipe is improved. In addition, according to the electronic device of the present application, when the electronic device is started from cold, the temperature of the heating element on the circuit board is excessively increased by the loop heat pipe provided with the temperature difference generating means in the evaporator. It is possible to start without making it.
以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明するが、本出願の実施の形態を説明する前に、従来のループヒートパイプの構成及び始動時の問題点を図1から図3を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail based on specific examples with reference to the accompanying drawings. Prior to describing the embodiments of the present application, the configuration and start-up of a conventional loop heat pipe will be described. The problem of time will be described with reference to FIGS.
図1(a)は従来のループヒートパイプ10の構成を示すものである。ループヒートパイプ10には、蒸発器1、凝縮器2、蒸発器1から凝縮器2に作動液の蒸気7を送る蒸気管3、及び凝縮器2から蒸発器1に作動液6を送る液管4がある。蒸発器1は、外部から加熱されて作動液を蒸気にするものであり、凝縮器2は、外部に熱を放散することにより蒸気を凝縮させて液相の作動液にするものである。蒸発器1の中には、凝縮器2で凝縮された作動液6を蒸発器1に還流させる毛細管圧力を生じさせるウイック5が設けられている。蒸発器1を発熱体に取り付ければ、発熱体を冷却することができる。
FIG. 1A shows a configuration of a conventional
ウィック5は、図1(b)、(c)に示すように円筒状をしており、液管4側が開口して中空部8が設けられている。また、ウィック5の外周面には、ウィック5の軸線方向に、蒸発管3側から液管4側に向かって複数本の溝であるグルーブ9が設けられている。ウィック5は、セラミックス、金属、樹脂などを材料とした多孔質体である。ループヒートパイプ10の内部は、完全に真空引きされた後、水系、アルコール系、フッ化炭化水素化合物系など液体が作動流体(作動液)として封入されている。作動液は、熱が加えられる蒸発器1のウィック5で液相の作動液6が蒸気7になって蒸気管3を流れ、凝縮器2で蒸気7が液相の作動液6になって蒸発器1に還流する。作動液6はウィック5の毛細管力によってループ内を循環する。
The
図2(a)は、ループヒートパイプの蒸発器1に熱が加えられる前の、蒸発器1の部分を断面で示している。この状態では、ウィック5のグルーブ9の目詰まりが小さく、グルーブ9内に液相の作動液6aが少々残留する程度である。この状態で蒸発器1に熱が加えられると、グルーブ9内の液相の作動液6aの量は少量であるので直ぐに蒸発する。従って、図2(b)に示すように、ループヒートパイプの蒸発器1に熱が加えられる始動時には、グルーブ9内の液相の作動液6aが蒸発した後、ウィック5が本来の動作を行う。この結果、蒸発器1を取り付けた半導体集積回路の温度は最初に目標温度から少し上昇するだけで、後は目標温度に近い状態で推移する。
Fig.2 (a) has shown the part of the
図3(a)は、ループヒートパイプの蒸発器1に熱が加えられる前の、蒸発器1の部分を断面で示している。この状態では、ウィック5のグルーブ9の目詰まりが大きく、グルーブ9内に液相の作動液6aが多量に残留する。この状態で蒸発器1に熱が加えられると、グルーブ9内の液相の作動液6aの残留量が多いので、液相の作動液6aが蒸発してグルーブ9内の液相の作動液6aが排出されるまでに時間がかかる。すると、図3(b)に示すように、ループヒートパイプの蒸発器1に熱が加えられる始動時には、グルーブ9内の液相の作動液6aが完全に蒸発するまでの間、ウィック5が本来の動作を行うことができない。この結果、蒸発器1を取り付けた半導体集積回路の温度は、最初に仕様温度を超えてしまう。グルーブ9内の液相の作動液6aが完全に蒸発した後は、目標温度に近い状態で推移する。
FIG. 3A shows a section of the
このように蒸発器1のグルーブ9内に液相の作動液6aが多く存在する状態でループヒートパイプが始動された場合には、ループヒートパイプが正常に動作するまでに時間がかかる。このため、ループヒートパイプを電子機器に搭載された半導体用の冷却装置として使用した場合には、蒸発器1を取り付けた半導体集積回路の温度が半導体の仕様温度を超えてしまい、半導体の破損を引き起こす問題が生じていた。
As described above, when the loop heat pipe is started in a state where the liquid phase
本出願は、ウィックのグルーブ内に液相の作動液が多く残留する状態でのループヒートパイプの始動時に、蒸発器の過度の温度上昇(過熱)を招くことなく、速やかにループヒートパイプを始動させることができるものである。以下にはループヒートパイプ及びループヒートパイプを用いた電子機器が説明される。 The present application starts the loop heat pipe quickly without incurring excessive temperature rise (overheating) of the evaporator when the loop heat pipe is started in a state where a lot of liquid-phase hydraulic fluid remains in the wick groove. It can be made to. Hereinafter, a loop heat pipe and an electronic device using the loop heat pipe will be described.
過熱が最小限になるようにループヒートパイプを始動させるためには、蒸発器に熱が加わる入熱時点でグルーブ内に残留している作動液を速やかにグルーブから排除する必要がある。そこで、本発明者らは、過熱が最小限になるようにループヒートパイプを始動させるためには、入熱時点の蒸発器の蒸気側と液側の温度上昇速度が異なるようにすれば良いことを見出した。これは、入熱時点で蒸発器の蒸気管側の第1の部位と、液管側の第2の部位の昇温速度が異なると、先に温度が上昇した側から優先的に蒸気発生が始まり、その結果、グルーブに残留する作動液を、発生した蒸気の圧力で素早く押し出すことが可能になるからである。 In order to start the loop heat pipe so as to minimize overheating, it is necessary to quickly remove the working fluid remaining in the groove at the time of heat input when heat is applied to the evaporator. Therefore, in order to start the loop heat pipe so as to minimize overheating, the present inventors have only to make the temperature rise rate of the vapor side and the liquid side of the evaporator different from each other at the time of heat input. I found. This is because, when the heating rate of the first part on the vapor pipe side of the evaporator and the second part on the liquid pipe side are different at the time of heat input, steam is preferentially generated from the side where the temperature has risen first. This is because, as a result, the hydraulic fluid remaining in the groove can be quickly pushed out by the generated steam pressure.
ループヒートパイプの始動時に、蒸発器の温度上昇速度に差をつけるためには、熱容量の違う材料を接合して蒸発器を作る、蒸発器の半分に冷却器をあてがう、蒸発器の半分に加熱器をあてがう、蓄熱材を蒸発器の蒸気側に設置する等の方法が考えられる。入熱初期の過熱状態に至る過程のみ温度上昇に差がつけば良いことを考え、本発明者らは、蓄熱材を用いて蒸発器の温度上昇速度に差をつける装置を案出した。特に、潜熱を利用する蓄熱材は少量でも大きな熱量に対応可能であるため、潜熱を利用した装置を案出した。 At the start of the loop heat pipe, in order to make a difference in the temperature rise rate of the evaporator, materials with different heat capacities are joined to make an evaporator, a cooler is applied to half of the evaporator, and half of the evaporator is heated. It is possible to use a method such as placing a heater or installing a heat storage material on the vapor side of the evaporator. Considering that the temperature rise only needs to be different only in the process leading to the superheated state at the initial stage of heat input, the present inventors have devised a device that uses a heat storage material to make a difference in the temperature rise rate of the evaporator. In particular, a heat storage material using latent heat can cope with a large amount of heat even with a small amount, so an apparatus using latent heat has been devised.
潜熱蓄熱材としては、塩化カルシウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、酢酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム水和物、パラフィン等があるが、パラフィン系の材料を用いた。パラフィン系の材料は分子量の制御により、広い範囲で融解温度を設定することが可能であるからである。潜熱蓄熱材は、パラフィンをアルミラミネートフィルムに封止したシートを用いて、伝熱効率及びサイクル性の向上を図った。このような潜熱蓄熱材としては、三菱電線製MHSシリーズ(登録商標)を使用できる。これは、この材料が潜熱蓄熱材として、内部で相変化は起こしてもバルクとしての外見上は固体として取り扱いが可能であるため非常に適応しやすいからである。ここにあげた材料以外でも多種のものがあり、それぞれ適応が可能である。 Examples of the latent heat storage material include calcium chloride hydrate, sodium sulfate hydrate, sodium acetate hydrate, sodium thiosulfate hydrate, paraffin, and the like. Paraffin-based materials were used. This is because the melting temperature of paraffinic materials can be set in a wide range by controlling the molecular weight. The latent heat storage material used the sheet | seat which sealed the paraffin to the aluminum laminate film, and aimed at the improvement of heat-transfer efficiency and cycling characteristics. As such a latent heat storage material, MHS series (registered trademark) manufactured by Mitsubishi Electric Cable can be used. This is because this material is very easy to adapt because it can be handled as a solid in appearance as a bulk even if a phase change occurs inside as a latent heat storage material. There are many other types of materials other than those listed here, and each can be adapted.
以上のことから、本出願では、ループヒートパイプの蒸発器に、パラフィンをアルミラミネートフィルムに封止した潜熱蓄熱材(以後単に蓄熱材と言う)を取り付け、ループヒートパイプの始動時に蒸発器に熱勾配を持たせるようにした。この結果、ループヒートパイプのウィックのグルーブ内に作動液が、始動前に多く残留する場合でも、作動液をグルーブから素早く排出することに成功した。以下にこの本出願の蓄熱材の蒸発器への取り付けについて説明する。なお、従来と同じ構成部材には同じ符号を付して説明する。 From the above, in this application, a latent heat storage material (hereinafter simply referred to as a heat storage material) in which paraffin is sealed in an aluminum laminate film is attached to the evaporator of the loop heat pipe, and heat is supplied to the evaporator when the loop heat pipe is started. A gradient was added. As a result, even when a large amount of hydraulic fluid remained in the groove of the wick of the loop heat pipe, the hydraulic fluid was quickly discharged from the groove. The attachment of the heat storage material of the present application to the evaporator will be described below. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same structural member as the past.
図4は、ループヒートパイプ10の蒸発器1の蒸気管3側に、本出願の一実施例の蓄熱材11を取り付ける工程を示すものである。この実施例では、蒸発器1、蒸気管3及び液管4は断面が矩形をしているが、蒸発器1、蒸気管3及び液管4は断面が円形でも良い。本出願では、蒸発器1の蒸気管3側の外壁1Aに、外壁1Aを覆う蓄熱材11を取り付ける。蓄熱材11は蒸発器1の蒸気管3側の全周を覆うようにするために、この実施例では蓄熱材11を予め左側蓄熱材11Aと右側蓄熱材11Bに分割しておく。そして、左側蓄熱材11Aと右側蓄熱材11Bの内側には、蒸発器1の形状に合わせて凹部11Cを形成しておく。蓄熱材11の分割の仕方は左右分割に限定されるものではない。また、蓄熱材11の蒸発器1への取り付け長さL及び蓄熱材11の厚さTについては後述する。
FIG. 4 shows a process of attaching the
なお、蓄熱材11としてパラフィンをアルミラミネートフィルムに封止したシートを用いる場合は、図4に示すような形状の左側蓄熱材11Aと右側蓄熱材11Bを金属の筐体として形成し、内部にシートを詰め込んだり、パラフィンを充填するようにすれば良い。また、シート状の蓄熱材11を直接蒸発器1の蒸気管3側の外壁1Aに巻き付けるようにしても良い。
In addition, when using the sheet | seat which sealed the paraffin in the aluminum laminate film as the
図4に示した左側蓄熱材11Aと右側蓄熱材11Bを蒸発器1の蒸気管3側の外壁1Aに取り付けると、図5に示すようになる。蓄熱材11が取り付けられた蒸発器1は、電子機器の回路基板20に実装された発熱部材である半導体集積回路21の上に、ヒートスプレッダ22を介して取り付けられ、半導体用の冷却装置30が構成される。蒸発器1の回路基板20への取り付け方法については図示を省略するが、蒸発器1にフランジ部等を設けておいてねじ等を用いて取り付ければ良い。
When the left
また、この実施例では、蒸発器1によって回路基板20に実装された半導体集積回路21を発熱体として冷却するので、蒸発器1の底面1Bが平坦に形成されており、シート状のヒートスプレッダ22を介して蒸発器1が半導体集積回路21に取り付けられる。一方、発熱体が平坦な形状をしていない場合は、蒸発器1の底面を発熱体の形状に合わせて作るか、或いはヒートスプレッダ22を発熱体の形状に合わせて構成すれば良い。
In this embodiment, since the semiconductor integrated
図5に示した電子機器に内蔵された半導体用の冷却装置30は、電子機器の回路基板20が動作して半導体集積回路21が発熱した時に、半導体集積回路21から熱を奪って冷却する動作を行う。この半導体用の冷却装置30における蒸発器1の動作について以下に説明する。
The
図6(a)は、ウィック5が1個内蔵されたループヒートパイプ10の蒸発器1に、本出願の蓄熱材11を取り付けた半導体用の冷却装置30の一実施例の構成を示すものである。円筒状のウィック5を内蔵する蒸発器1は断面が矩形状であり、蒸発器1の平坦な底面1Bがヒートスプレッダ22を介して回路基板20の上に実装された半導体集積回路21の上に取り付けられて半導体用の冷却装置30が構成されている。また、蒸発器1に接続する蒸気管3と液管4の断面は、この実施例では円形になっている。
FIG. 6A shows a configuration of an embodiment of the
図6(b)は、ウィック5が2個内蔵されたループヒートパイプ10の蒸発器1に、本出願の蓄熱材11を取り付けた半導体用の冷却装置30の実施例の構成を示すものであり、回路基板20、半導体集積装置21及びヒートスプレッダ22の図示は省略してある。円筒状のウィック5を2個並列に内蔵する蒸発器1は断面が長方形状である。この実施例の蒸発器1は、回路基板20の上に実装された半導体集積回路21が大きい場合に使用される。この実施例でも蒸発器1に接続する蒸気管3と液管4の断面は、円形になっている。回路基板20の上に実装された半導体集積回路21が更に大きく、より広範囲の部分を冷却する必要がある場合には、ウィック5を横に並列に並べる個数を多くすれば良い。
FIG. 6B shows a configuration of an embodiment of the
図7(a)は、融点40°Cの蓄熱材11が取り付けられた本出願の蒸発器1を備えた半導体用の冷却装置30を示しており、図6(a)のA−A線における半導体用の冷却装置30の断面を示している。蓄熱材11の蒸発器1への取り付け長さLは、ウィック5に設けられたグルーブ9の長さMを、蓄熱材11が半分覆う程度にすれば良い。この実施例の半導体集積回路21は、動作温度60°C、仕様温度70°Cで使用する30mm角の発熱体である。また、ループヒートパイプ10の蒸発器1は、半導体集積回路21より一回り大きな40mm角で、厚さは10mmとした。また、使用したパラフィンの総量は7.5gとした。ただし、図7(a)はこの寸法を正確に表すものではない。
Fig.7 (a) has shown the
図7(b)は、図7(a)の状態で半導体集積回路21が動作を開始した直後の蒸発器1の熱勾配を示している。即ち、図7(b)は、蒸発器1の液管4側の端部を”0”とし、他端部を”L”とした場合の温度勾配を示すものである。冷間状態から半導体集積回路21が動作を開始して熱が発生すると、蒸発器1の液管4側の温度は上昇するが、蒸発器1の蒸発管3側の温度は蓄熱材11に吸収されて上昇しない。この結果、半導体集積回路21の動作開始直後は、蒸発器1の液管4側が温度が高く、蒸気管3側の温度は低い。電子機器がONされて冷間状態から半導体集積回路21が動作を開始し、所定時間が経過すると蓄熱材11の蓄熱量が飽和し、以後は熱を吸収しなくなるので、蒸発器1の蒸気管3側の温度が上昇し、液管4側の温度と同じになる。
FIG. 7B shows the thermal gradient of the
図7(c)は、図7(a)の状態で電子機器に実装された半導体集積回路21が動作を開始した後の、時間に対する半導体集積回路21の温度変化を示すものである。このように、蓄熱材11を取り付けた本出願の蒸発器1を使用すれば、電子機器にある発熱する電子部品である半導体集積回路21の温度が仕様温度を超えることがない。
FIG. 7C shows a change in temperature of the semiconductor integrated
図8は、図7(a)に示した蓄熱材11の厚みT、使用量、およびディレイタイムの関係を示す図である。融点40°Cのパラフィン系の融解潜熱は200J/kg相当であり、半導体集積回路21の発熱量を100W、蒸発器1のケースのサイズが40mm角とする。そして、蒸発器1のケースの蒸気管3側に蓄熱材11を取り付けた場合に、蓄熱材11が蒸発器1のケースを覆う面積を24平方センチメートルとする。また、蓄熱材11の比重は1g/ccとして計算している。図8に示した計算結果から、ディレイタイムとして、蒸発器1のケースの液管側と蒸気管側で温度上昇速度に5秒以上の差を持たせる場合には、蓄熱材11の厚さTとしては1mm以上が適当である。しかし、蓄熱材11の厚さTを厚くすると、蓄熱材11の蒸発器1のケースへの設置が困難になるため、蓄熱材11の厚さTは4mm以内が適用範囲と考えられる。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the thickness T, the amount used, and the delay time of the
図9(a)は、融点50°Cの蓄熱材11が取り付けられた本出願の蒸発器1を備えた半導体用の冷却装置30を示しており、図9(b)は図9(a)の状態で電子機器の半導体集積回路30が動作を開始した直後の蒸発器の熱勾配を示している。蓄熱材11にはパラフィンをアルミラミネートフィルムで密封したシートを用いたことは図8(a)の蓄熱材11と同じであり、パラフィンの総量も7.5gである。また、図9(c)は、図9(a)に示した状態で半導体集積回路30が動作を開始した時の、時間に対する半導体集積回路30の温度変化を示すものである。
FIG. 9A shows a
このように、蓄熱材11の融点を50°Cに変更しても、ループヒートパイプ10を用いた電子機器に実装された半導体用の冷却装置30の動作初期の過熱状態を効果的に抑制することができるが、融点が40°Cの時よりも動作初期の目標温度は上昇している。したがって、蓄熱材11の融点は、蒸発器1のサイズなどに応じて適宜選択すれば良い。
Thus, even if the melting point of the
図10(a)は、蓄熱材11を取り外した状態の蒸発器1を備えた電子機器の半導体用の冷却装置30の要部を示すものであり、図10(b)は図10(a)の状態で半導体集積回路21が動作を開始した直後の半導体蒸発器21の熱勾配を示すものである。また、図10(c)は、図10(a)に示す状態で半導体集積回路21が動作を開始した時の、時間に対する半導体集積回路21の温度変化を示す特性図である。このように、蒸発器1に蓄熱材11が取り付けられていない状態では、半導体集積回路21の動作初期に過熱状態を抑制できず、半導体集積回路21が仕様温度を越えるオーバーシュートを起こす。以上のことから、蓄熱材11を用いて、半導体集積回路21の動作初期に蒸発器1の温度上昇速度に差をつけた本願のループヒートパイプを使用した半導体用の冷却装置30は優れたスタートアップ性能を示すことが分かる。
FIG. 10A shows a main part of a
以上、本出願を特にその好ましい実施の形態について詳述したが、本出願は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本出願の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。即ち、蒸発器の温度上昇速度に差をつけるためには、蓄熱材を蒸発器の蒸気側に設置する構成以外にも、熱容量の違う材料を接合して蒸発器を作る構成、蒸発器の半分に冷却器をあてがう構成、蒸発器の半分に加熱器をあてがう構成が可能である。ここで、本出願の容易な理解のために、本出願の具体的な形態を以下に付記する。 As mentioned above, although this application was explained in full detail about the preferable embodiment in particular, this application is not limited to specific embodiment, In the range of the summary of this application described in the claim, various Can be modified and changed. In other words, in order to make a difference in the temperature rise rate of the evaporator, in addition to the structure in which the heat storage material is installed on the vapor side of the evaporator, the structure in which the evaporator is made by joining materials with different heat capacities, half of the evaporator It is possible to adopt a configuration in which a cooler is applied to the heater, and a heater is applied to half of the evaporator. Here, for easy understanding of the present application, specific forms of the present application are appended below.
(付記1)ウィックを内蔵する蒸発器と、
凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、を有し、
前記蒸発器において、冷間からの入熱時に、前記蒸気管側の第1の部位よりも、前記液管側の第2の部位が高温となるような温度差発生手段を設けることを特徴とするループヒートパイプ。
(付記2)前記温度差発生手段は、前記第2の部位に相当する前記蒸発器の外周を覆う蓄熱材であることを特徴とする付記1に記載のループヒートパイプ。
(付記3)前記温度差発生手段は、前記蒸発器の第1の部位と第2の部位を熱容量の違う材料を接合して蒸発器を作ることにより得られることを特徴とする付記1に記載のループヒートパイプ。
(付記4)前記温度差発生手段は、前記蒸発器の第1の部分に冷却器をあてがうことによって構成されることを特徴とする付記1に記載のループヒートパイプ。
(付記5)前記温度差発生手段は、前記蒸発器の第2の部分に加熱器をあてがうことによって構成されることを特徴とする付記1に記載のループヒートパイプ。
(Appendix 1) an evaporator with a built-in wick;
A condenser,
A liquid pipe and a steam pipe connecting the evaporator and the condenser;
The evaporator is provided with a temperature difference generating means that causes the second part on the liquid pipe side to be higher in temperature than the first part on the steam pipe side when heat is input from the cold. Loop heat pipe.
(Supplementary note 2) The loop heat pipe according to
(Appendix 3) The temperature difference generating means is obtained by joining the first part and the second part of the evaporator with materials having different heat capacities to form an evaporator. Loop heat pipe.
(Additional remark 4) The said temperature difference generation means is comprised by assigning a cooler to the 1st part of the said evaporator, The loop heat pipe of
(Additional remark 5) The said temperature difference generation means is comprised by assigning a heater to the 2nd part of the said evaporator, The loop heat pipe of
(付記6)前記温度差発生手段は、前記蒸発器への冷間からの入熱時に、前記蒸気管側の第1の部位の温度上昇速度を、前記液管側の第2の部位の温度上昇速度よりも遅らせるように構成されていることを特徴とする付記1に記載のループヒートパイプ。
(付記7)前記ウィックは円筒状で、前記液管側が開口しており、その外周面には前記ウィックの軸線方向に前記蒸発管側から前記液管側に向かって複数本の溝が設けられており、
前記液管側の第2の部位は、前記蒸発器の前記蒸発管側の端部から、前記溝の中間部の位置までの部位であることを特徴とする付記1から6の何れかに記載のループヒートパイプ。
(付記8)前記蓄熱材には、パラフィンをアルミラミネートフィルムで密封したシートを使用したことを特徴とする付記7に記載のループヒートパイプ。
(付記9)前記蓄熱材の厚さは、1〜4mmであることを特徴とする付記8に記載のループヒートパイプ。
(付記10) 電子部品と、
前記電子部品に熱的に接触し、ウィックを内蔵する蒸発器と、
凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、を有し、
前記蒸発器において、冷間からの前記電子部品からの入熱時に、前記蒸気管側の第1の部位よりも、前記液管側の第2の部位が高温となるような温度差発生手段を設けるループヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器。
(Additional remark 6) The said temperature difference production | generation means is the temperature of the 2nd site | part by the side of the said liquid pipe at the time of the temperature rise rate of the 1st site | part by the side of the said steam pipe at the time of the heat input from the cold to the said evaporator. The loop heat pipe according to
(Appendix 7) The wick is cylindrical and the liquid pipe side is open, and a plurality of grooves are provided on the outer peripheral surface of the wick in the axial direction of the wick from the evaporation pipe side to the liquid pipe side. And
The second part on the liquid pipe side is a part from the end part on the evaporator pipe side of the evaporator to a position of an intermediate part of the groove. Loop heat pipe.
(Additional remark 8) The loop heat pipe of
(Additional remark 9) The thickness of the said thermal storage material is 1-4 mm, The loop heat pipe of
(Supplementary Note 10) Electronic components,
An evaporator in thermal contact with the electronic component and containing a wick;
A condenser,
A liquid pipe and a steam pipe connecting the evaporator and the condenser;
In the evaporator, a temperature difference generating means that causes the second part on the liquid pipe side to be higher in temperature than the first part on the steam pipe side when heat is input from the electronic component from a cold state. An electronic device comprising a loop heat pipe to be provided.
1 蒸発器
1A 外壁
1B 底部
2 凝縮器
3 蒸気管
4 液管
5 ウィック
6 作動液
7 作動液の蒸気
8 中空部
9 グルーブ(溝)
10 ヒートパイプ
11,11A,11B 蓄熱材
11C 凹部
20 回路基板
21 集積回路
30 半導体冷却装置
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ループヒートパイプの始動後の入熱による、前記蒸発器の前記蒸気管側の第1の部位の温度上昇速度を、前記液管側の第2の部位の温度上昇速度より遅らせる温度上昇速度遅延部材を、前記蒸発器の前記蒸気管側の部位に取り付けたことを特徴とするループヒートパイプ。 A built-in wick, and an evaporator that heat is applied from the outside after the heat pipe start, a condenser, in a loop heat pipe that perforated the liquid pipe and steam pipe connecting said condenser and said evaporator,
Temperature rise rate delay that delays the temperature rise rate of the first part on the vapor pipe side of the evaporator from the temperature rise rate of the second part on the liquid pipe side due to heat input after the start of the loop heat pipe A loop heat pipe , wherein a member is attached to a portion of the evaporator on the steam pipe side .
前記電子部品に熱的に接触すると共に、ウィックを内蔵して前記電子部品の動作開始後に前記電子部品から熱が加えられる蒸発器と、
凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管とを有し、
前記電子部品の動作開始後の入熱による、前記蒸発器の前記蒸気管側の第1の部位の温度上昇速度を、前記液管側の第2の部位の温度上昇速度より遅らせる温度上昇速度遅延部材を、前記蒸発器の前記蒸気管側の部位に取り付けたループヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器。 Electronic components,
As well as thermal contact with the electronic component, and the evaporator from the electronic component that heat is applied after the start of operation of the electronic component built-in wick,
A condenser,
And a liquid pipe and steam pipe connecting said condenser and said evaporator,
Temperature rise rate delay that delays the temperature rise rate of the first part on the vapor pipe side of the evaporator from the temperature rise rate of the second part on the liquid pipe side due to heat input after the operation of the electronic component starts An electronic apparatus comprising a loop heat pipe having a member attached to a portion of the evaporator on the steam pipe side .
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