JPH0234183B2 - - Google Patents
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- JPH0234183B2 JPH0234183B2 JP59083708A JP8370884A JPH0234183B2 JP H0234183 B2 JPH0234183 B2 JP H0234183B2 JP 59083708 A JP59083708 A JP 59083708A JP 8370884 A JP8370884 A JP 8370884A JP H0234183 B2 JPH0234183 B2 JP H0234183B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
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- H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
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- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、電子計算機用集積回路、サイリスタ
などのパワー半導体、起電導コイル等、高発熱密
度部材の冷却に適した熱伝達装置に関する。
などのパワー半導体、起電導コイル等、高発熱密
度部材の冷却に適した熱伝達装置に関する。
集積回路チツプの沸騰冷却を促進する従来の方
法として、米国特許3706127号がある。この例で
は、配線基盤にハンドボンデイングを介してチツ
プが搭載されており、チツプの面には針状の金属
（デンドライト）が冶金過程により多数形成され
ている。該デンドライトの集合は、集積回路チツ
プが不伝導性の液に浸漬されて用いられる際、集
積回路チツプの発熱により高温となり、不伝導性
流体の蒸気泡を発生するのに必要な多数の気泡発
生核を内蔵している。このため集積回路チツプの
発熱を速やかに除去することができ、チツプに内
蔵された電子回路の高速作動により大量の熱が発
生しても、チツプの温度上昇は抑制される。しか
しながらこの方法によると、デンドライトの成長
間隔、高さ、デンドライト集合に内包され気泡発
生核として働く空隙の大きさ、などのパラメータ
は、デンドライト成長工程により支配される。一
般にかかる冶金的方法により製造された面構造は
微細なため熱負荷が小さい場合には効果が大きい
が、発熱面の熱流速が大きくなると蒸気の発生が
活発になり過ぎて蒸気膜で覆われる結果面の温度
が急激に上昇してしまういわゆるバーンアウト現
象を起しやすく、即ちバーンアウト熱流速が低
く、半導体素子の動作速度にはバーンアウト熱流
速から決められる発熱許容量によつて限界値があ
るので動作速度を更に大きくとれないという欠点
がある。
法として、米国特許3706127号がある。この例で
は、配線基盤にハンドボンデイングを介してチツ
プが搭載されており、チツプの面には針状の金属
（デンドライト）が冶金過程により多数形成され
ている。該デンドライトの集合は、集積回路チツ
プが不伝導性の液に浸漬されて用いられる際、集
積回路チツプの発熱により高温となり、不伝導性
流体の蒸気泡を発生するのに必要な多数の気泡発
生核を内蔵している。このため集積回路チツプの
発熱を速やかに除去することができ、チツプに内
蔵された電子回路の高速作動により大量の熱が発
生しても、チツプの温度上昇は抑制される。しか
しながらこの方法によると、デンドライトの成長
間隔、高さ、デンドライト集合に内包され気泡発
生核として働く空隙の大きさ、などのパラメータ
は、デンドライト成長工程により支配される。一
般にかかる冶金的方法により製造された面構造は
微細なため熱負荷が小さい場合には効果が大きい
が、発熱面の熱流速が大きくなると蒸気の発生が
活発になり過ぎて蒸気膜で覆われる結果面の温度
が急激に上昇してしまういわゆるバーンアウト現
象を起しやすく、即ちバーンアウト熱流速が低
く、半導体素子の動作速度にはバーンアウト熱流
速から決められる発熱許容量によつて限界値があ
るので動作速度を更に大きくとれないという欠点
がある。
他の方法として、特開昭55−12798号公報の例
のように発熱素子にトンネル状の貫通する空洞を
有する板片を取り付け媒体液に浸漬するものが知
られており、上方の開孔からの気泡離脱に伴うポ
ンプ作用により、下方から液を吸い込むため、発
熱量がかなり大きくなつても伝熱面全体が蒸気膜
で覆われることなく、従つてバーンアウト熱負荷
は向上する。しかしながらこの方法では空洞内に
蒸気をトラツプする場所が殆んど無く、従つて低
熱負荷において性能が悪いという欠点があつた。
のように発熱素子にトンネル状の貫通する空洞を
有する板片を取り付け媒体液に浸漬するものが知
られており、上方の開孔からの気泡離脱に伴うポ
ンプ作用により、下方から液を吸い込むため、発
熱量がかなり大きくなつても伝熱面全体が蒸気膜
で覆われることなく、従つてバーンアウト熱負荷
は向上する。しかしながらこの方法では空洞内に
蒸気をトラツプする場所が殆んど無く、従つて低
熱負荷において性能が悪いという欠点があつた。
本発明の目的は集積回路チツプその他の、高発
熱密度の発熱素子の冷却において発熱量の多少に
拘らず、発生熱を沸騰する媒体に伝えるのに必要
な温度差を小さく保ち、その結果発熱素子の温度
を低く保つ熱伝達装置を提供することにある。
熱密度の発熱素子の冷却において発熱量の多少に
拘らず、発生熱を沸騰する媒体に伝えるのに必要
な温度差を小さく保ち、その結果発熱素子の温度
を低く保つ熱伝達装置を提供することにある。
本発明は、発熱体に熱伝導部材を設け、これら
を液冷媒中に浸漬し、該液冷媒の沸騰により熱を
除去する熱伝達装置において、前記熱伝導部材
は、互いに仕切られて細長く伸びその両端が開口
している多数の空洞からなる空洞群を前記発熱体
側から複数層に形成した構造を有し、かつ内層側
の前記空洞群と外層側の前記空洞群とを互いに連
通する孔、及び最外層の空洞群と外部とを連通す
る孔を有していることを特徴とする。
を液冷媒中に浸漬し、該液冷媒の沸騰により熱を
除去する熱伝達装置において、前記熱伝導部材
は、互いに仕切られて細長く伸びその両端が開口
している多数の空洞からなる空洞群を前記発熱体
側から複数層に形成した構造を有し、かつ内層側
の前記空洞群と外層側の前記空洞群とを互いに連
通する孔、及び最外層の空洞群と外部とを連通す
る孔を有していることを特徴とする。
〔作用〕
上記本発明において、発熱体が発熱し、熱伝導
部材が液冷媒の沸騰温度より高い温度に加熱され
ると、各層の空洞内には蒸気泡が発生し充満す
る。蒸気の圧力が高くなると各空洞の端部の開口
から前記蒸気泡が離脱放出され、この蒸気の放出
に伴い蒸気を放出した空洞内の圧力は低くなり、
液が該空洞端部開口または隣接する空洞から孔を
介して各空洞内に浸入する。発熱体の発熱量が比
較的小さい場合には液は主に空洞の端部開口から
空洞内に補充されるが、発熱体の発熱量が大きく
なると、気泡が離脱した空洞に対し液は該空洞の
端部開口のみならず、隣接する外層または内装の
空洞から孔を介して液が補充される。したがつ
て、発熱量が大きい場合でも空洞に対し十分な液
補充が行え、バーンアウト現象を起しにくい。ま
た、発熱量が更に大きくなつて内層側の空洞にバ
ーンアウト現象が生じた場合でも、外層側の空洞
は内層側空洞より温度が低くかつ最外層空洞と外
部を連通する孔からの液補充も容易になされるの
でバーンアウト現象を起しにくい。このように本
発明によれば、発熱体の発熱量が比較的小さい場
合から発熱量がかなり大きくなるまで、広範囲に
亘つて沸騰を活発に生じさせることができ、発熱
体の温度を低く保つことができる。
部材が液冷媒の沸騰温度より高い温度に加熱され
ると、各層の空洞内には蒸気泡が発生し充満す
る。蒸気の圧力が高くなると各空洞の端部の開口
から前記蒸気泡が離脱放出され、この蒸気の放出
に伴い蒸気を放出した空洞内の圧力は低くなり、
液が該空洞端部開口または隣接する空洞から孔を
介して各空洞内に浸入する。発熱体の発熱量が比
較的小さい場合には液は主に空洞の端部開口から
空洞内に補充されるが、発熱体の発熱量が大きく
なると、気泡が離脱した空洞に対し液は該空洞の
端部開口のみならず、隣接する外層または内装の
空洞から孔を介して液が補充される。したがつ
て、発熱量が大きい場合でも空洞に対し十分な液
補充が行え、バーンアウト現象を起しにくい。ま
た、発熱量が更に大きくなつて内層側の空洞にバ
ーンアウト現象が生じた場合でも、外層側の空洞
は内層側空洞より温度が低くかつ最外層空洞と外
部を連通する孔からの液補充も容易になされるの
でバーンアウト現象を起しにくい。このように本
発明によれば、発熱体の発熱量が比較的小さい場
合から発熱量がかなり大きくなるまで、広範囲に
亘つて沸騰を活発に生じさせることができ、発熱
体の温度を低く保つことができる。
以下本発明の実施例を図により説明する。まず
第１図において垂直な配線基盤１に搭載された集
積回路チツプ２に熱伝導部材としての柱状伝熱体
１２が水平に取り付けられ、不伝導性液５にチツ
プ２と伝熱体１２のアツセンブリーが浸漬されて
いる。伝熱体１２は第２図に示す微細フイン付孔
あき板１４を積層して構成されており、微細フイ
ン１５，１６は熱伝導性の板１４の一面にのみ設
けられかつ矩形断面を有しているので積層接合時
にはフイン先端の平らな端面と他の板のフインが
設けられていない側の面とが接し接合される。板
１４のフインが設けられていない部分には板を貫
通する微細な孔１７が多数あけられている。これ
らのフインおよび孔から成る微細構造は機械加
工、転造加工、エツチング、電子ビーム加工、レ
ーザービーム加工、鋳造などの方法により製作さ
れる。積層接合はろう接、拡散接合などの方法に
より行ない、この際、フインと相手側の板の面に
よつてトンネル板の空洞が第３図に示すように形
成されるが、フインの方向を第２図に示すごとく
垂直、水平と交互になるようにして積層すると接
合後は第３図における垂直トンネル１８と水平ト
ンネル１９が形成される。第３図に示すごとく垂
直トンネル１８と水平トンネル１９とは孔１７に
よつて連通している。
第１図において垂直な配線基盤１に搭載された集
積回路チツプ２に熱伝導部材としての柱状伝熱体
１２が水平に取り付けられ、不伝導性液５にチツ
プ２と伝熱体１２のアツセンブリーが浸漬されて
いる。伝熱体１２は第２図に示す微細フイン付孔
あき板１４を積層して構成されており、微細フイ
ン１５，１６は熱伝導性の板１４の一面にのみ設
けられかつ矩形断面を有しているので積層接合時
にはフイン先端の平らな端面と他の板のフインが
設けられていない側の面とが接し接合される。板
１４のフインが設けられていない部分には板を貫
通する微細な孔１７が多数あけられている。これ
らのフインおよび孔から成る微細構造は機械加
工、転造加工、エツチング、電子ビーム加工、レ
ーザービーム加工、鋳造などの方法により製作さ
れる。積層接合はろう接、拡散接合などの方法に
より行ない、この際、フインと相手側の板の面に
よつてトンネル板の空洞が第３図に示すように形
成されるが、フインの方向を第２図に示すごとく
垂直、水平と交互になるようにして積層すると接
合後は第３図における垂直トンネル１８と水平ト
ンネル１９が形成される。第３図に示すごとく垂
直トンネル１８と水平トンネル１９とは孔１７に
よつて連通している。
第４，５図に本発明による熱伝導部材の他の実
施例を示す。
施例を示す。
第４図に示す微細フイン付孔あき板１１４は、
薄板の表裏両側より互いに交叉する方向に溝１１
２，１１３が設けられている。溝１１２及び１１
３の深さの和は薄板の肉厚よりも大きく、したが
つて、それぞれの溝の交叉点には、それぞれの溝
を連通させる開孔１１７が形成されている。微細
フイン付孔あき板１１４を複数枚重ね合せそれぞ
れを接合したものを第５図に示す。第４図に示す
溝１１２及び１１３がトンネル状の空洞１１８及
び１１９を形成し、それぞれのトンネル状の空洞
は空孔１１７により連通させられている。本実施
例では、溝断面が完全に方形であり、したがつ
て、開孔１１７の最大断面長さが溝断面長さと等
しい場合を示したが、機械加工による開孔１１７
内へのバリのはり出し、溝底形状にアールを付け
る、それぞれの交叉溝の深さの和を薄板の肉厚よ
りも浅くなるように溝加工を施こした後、化学的
方法等により開孔を設けるなどにより、開孔の大
きさを容易に意図する大きさに設定することがで
きる。
薄板の表裏両側より互いに交叉する方向に溝１１
２，１１３が設けられている。溝１１２及び１１
３の深さの和は薄板の肉厚よりも大きく、したが
つて、それぞれの溝の交叉点には、それぞれの溝
を連通させる開孔１１７が形成されている。微細
フイン付孔あき板１１４を複数枚重ね合せそれぞ
れを接合したものを第５図に示す。第４図に示す
溝１１２及び１１３がトンネル状の空洞１１８及
び１１９を形成し、それぞれのトンネル状の空洞
は空孔１１７により連通させられている。本実施
例では、溝断面が完全に方形であり、したがつ
て、開孔１１７の最大断面長さが溝断面長さと等
しい場合を示したが、機械加工による開孔１１７
内へのバリのはり出し、溝底形状にアールを付け
る、それぞれの交叉溝の深さの和を薄板の肉厚よ
りも浅くなるように溝加工を施こした後、化学的
方法等により開孔を設けるなどにより、開孔の大
きさを容易に意図する大きさに設定することがで
きる。
第６図、第７図はそれぞれ水平トンネル１９お
よび垂直トンネル１８の機能を説明するためもの
で、接合前にフインであつた部分１６により仕切
られた水平トンネル１９（第６図）および垂直ト
ンネル１８（第７図）が沸騰媒体液５を満たした
槽内にある。水平トンネル１９はその姿勢のゆえ
に蒸気泡が逸脱し難く蒸気２０の安定な溜りとし
て働き、垂直トンネル１８は蒸気２１を逃しやす
いので液２２の侵入もまた容易となる。このよう
な水平トンネルと垂直トンネルとを組み合わせた
伝熱体を用いると、高熱負荷時には主として垂直
トンネル１８における蒸発のため伝熱体は冷却さ
れ、従つてバーンアウト熱負荷は向上し、また低
熱負荷時に過量の液が垂直トンネル１８に侵入す
ることがあつても孔１７によつて連結された水平
トンネル１９に保持された蒸気が存在するので、
垂直トンネル１８と水平トンネル１９を連結する
孔１７に形成される気液界面から液が蒸発し、こ
れが垂直トンネル１８内に向つて成長する気泡と
なり液を垂直トンネル１８から押し出す。この
際、液の蒸発および液の激しい運動によつてもた
らされる高い熱伝導率が得られる。もちろん水平
トンネル１９は蒸気によつてのみ満たされるとは
限らず、蒸気発生とこれに伴なう周囲の液の激し
い運動によつて若干の液が侵入し水平トンネル１
９壁面で蒸発し高い熱伝導率をもたらす。こうし
た蒸気の発生と液のトンネル内への侵入への動力
学的現象は、液体の密度、粘性係数、熱伝導率、
気液界面の表面張力、および第３図に示す伝熱体
細部構造の各寸法（トンネル断面の各辺の長さ
w1、w2、w3、w4、孔の径dp）に支配される。た
とえば一層の水平トンネル１９を用い媒体を沸騰
させたときも、非常に高い沸騰熱伝熱率が得られ
る状態は、蒸気泡が孔から離脱するに伴ない蒸気
泡が発生していない他の孔から適量の液がトンネ
ル内に侵入し蒸発する場合である。一例として第
１０図に一層の水平トンネルと開孔とから成る面
構造を用い、炭化弗素冷媒FC−72を大気圧下で
沸騰させた場合の性能が、開孔径によりいかに変
わるかを示した。投影面積（面構造を設けたこと
による実質伝熱面積の増加を含まない）を基準に
した熱流速ｑ（ｗ／cm2）の対数を縦軸に、伝熱面
積温度と液の飽和温度（56℃）の差ΔT（℃）の
対数を横軸にとつてあり、供試面構造は全て同じ
トンネル寸法（0.4mm×0.25mm）、トンネル設置ピ
ツチ（0.55mm）、孔設置ピツチ（0.7mm）を有し、
異なるのは孔径のみである。曲線Ａは開孔径は
0.25mm、Ｂは0.2mm、Ｃは0.1mm、Ｄは0.05mmであ
る。明らかに孔径が0.2mmのもの(A)、および0.25
mmのもの(B)がΔT＝３〜15℃の範囲で優れてい
る。もちろん一層のトンネルで得られる熱伝達率
が、多層構造で得られる熱伝達率と一致するわけ
ではないが、高い熱伝達率をもたらす面構造寸法
は前述の蒸気発生とトンネル内への液侵入を駆動
する動力学機構を実現するものであることは一層
構造でも多層構造でも変わりはない。ちなみに第
１１図には第１０図に性能を示した面構造で孔径
0.25mmのものを第３図の如く垂直トンネルと水平
トンネルが形成されるように５層積層し、これを
円柱形伝熱体として炭化弗素冷媒FC−72を沸騰
させた場合の性能を示したものである（曲線Ｃ）。
円柱の直径は９mm、長さ10mmで、第１１図の縦軸
Ｑは円柱根元に加えた熱量（Ｗ）、横軸ΔTは円
柱根元の温度を液の飽和温度（56℃）との差
（℃）で、それぞれ対数を取つて示してある。同
一寸法の円柱を平滑面を有する銅円柱としたもの
の性能（曲線Ａ）、銅円柱の側面と端面に微細フ
インのみ設けたものの性能（曲線Ｂ）も比較のた
めに示してある。多層構造伝熱体はこれら供試体
のうち最高の性能を示しており、バーンアウト熱
負荷は100W以上に達し、平滑面円柱54W、フイ
ン付円柱の85Wを大きく上回つている。
よび垂直トンネル１８の機能を説明するためもの
で、接合前にフインであつた部分１６により仕切
られた水平トンネル１９（第６図）および垂直ト
ンネル１８（第７図）が沸騰媒体液５を満たした
槽内にある。水平トンネル１９はその姿勢のゆえ
に蒸気泡が逸脱し難く蒸気２０の安定な溜りとし
て働き、垂直トンネル１８は蒸気２１を逃しやす
いので液２２の侵入もまた容易となる。このよう
な水平トンネルと垂直トンネルとを組み合わせた
伝熱体を用いると、高熱負荷時には主として垂直
トンネル１８における蒸発のため伝熱体は冷却さ
れ、従つてバーンアウト熱負荷は向上し、また低
熱負荷時に過量の液が垂直トンネル１８に侵入す
ることがあつても孔１７によつて連結された水平
トンネル１９に保持された蒸気が存在するので、
垂直トンネル１８と水平トンネル１９を連結する
孔１７に形成される気液界面から液が蒸発し、こ
れが垂直トンネル１８内に向つて成長する気泡と
なり液を垂直トンネル１８から押し出す。この
際、液の蒸発および液の激しい運動によつてもた
らされる高い熱伝導率が得られる。もちろん水平
トンネル１９は蒸気によつてのみ満たされるとは
限らず、蒸気発生とこれに伴なう周囲の液の激し
い運動によつて若干の液が侵入し水平トンネル１
９壁面で蒸発し高い熱伝導率をもたらす。こうし
た蒸気の発生と液のトンネル内への侵入への動力
学的現象は、液体の密度、粘性係数、熱伝導率、
気液界面の表面張力、および第３図に示す伝熱体
細部構造の各寸法（トンネル断面の各辺の長さ
w1、w2、w3、w4、孔の径dp）に支配される。た
とえば一層の水平トンネル１９を用い媒体を沸騰
させたときも、非常に高い沸騰熱伝熱率が得られ
る状態は、蒸気泡が孔から離脱するに伴ない蒸気
泡が発生していない他の孔から適量の液がトンネ
ル内に侵入し蒸発する場合である。一例として第
１０図に一層の水平トンネルと開孔とから成る面
構造を用い、炭化弗素冷媒FC−72を大気圧下で
沸騰させた場合の性能が、開孔径によりいかに変
わるかを示した。投影面積（面構造を設けたこと
による実質伝熱面積の増加を含まない）を基準に
した熱流速ｑ（ｗ／cm2）の対数を縦軸に、伝熱面
積温度と液の飽和温度（56℃）の差ΔT（℃）の
対数を横軸にとつてあり、供試面構造は全て同じ
トンネル寸法（0.4mm×0.25mm）、トンネル設置ピ
ツチ（0.55mm）、孔設置ピツチ（0.7mm）を有し、
異なるのは孔径のみである。曲線Ａは開孔径は
0.25mm、Ｂは0.2mm、Ｃは0.1mm、Ｄは0.05mmであ
る。明らかに孔径が0.2mmのもの(A)、および0.25
mmのもの(B)がΔT＝３〜15℃の範囲で優れてい
る。もちろん一層のトンネルで得られる熱伝達率
が、多層構造で得られる熱伝達率と一致するわけ
ではないが、高い熱伝達率をもたらす面構造寸法
は前述の蒸気発生とトンネル内への液侵入を駆動
する動力学機構を実現するものであることは一層
構造でも多層構造でも変わりはない。ちなみに第
１１図には第１０図に性能を示した面構造で孔径
0.25mmのものを第３図の如く垂直トンネルと水平
トンネルが形成されるように５層積層し、これを
円柱形伝熱体として炭化弗素冷媒FC−72を沸騰
させた場合の性能を示したものである（曲線Ｃ）。
円柱の直径は９mm、長さ10mmで、第１１図の縦軸
Ｑは円柱根元に加えた熱量（Ｗ）、横軸ΔTは円
柱根元の温度を液の飽和温度（56℃）との差
（℃）で、それぞれ対数を取つて示してある。同
一寸法の円柱を平滑面を有する銅円柱としたもの
の性能（曲線Ａ）、銅円柱の側面と端面に微細フ
インのみ設けたものの性能（曲線Ｂ）も比較のた
めに示してある。多層構造伝熱体はこれら供試体
のうち最高の性能を示しており、バーンアウト熱
負荷は100W以上に達し、平滑面円柱54W、フイ
ン付円柱の85Wを大きく上回つている。
以上の検討を経て明らかにされた孔径の最適値
はフレオン系冷媒では0.08〜0.2mm、炭化弗素系
冷媒では0.15〜0.4mm、流体窒素では0.04〜0.08
mm、純水では0.08〜0.15mmである。トンネルの断
面寸法は小さ過ぎると蒸気泡の流動に対する抵抗
が大きくなり、また大き過ぎると過量の液侵入を
招く。形成される蒸気泡の直径と同程度か若しく
若干小さい寸法のものがよく、液体窒素フレオン
系冷媒、炭化弗素系冷媒、純水などの液体につい
て幅広く調べると、トンネル断面の一辺の長さが
0.2〜２mmの範囲が適当である。
はフレオン系冷媒では0.08〜0.2mm、炭化弗素系
冷媒では0.15〜0.4mm、流体窒素では0.04〜0.08
mm、純水では0.08〜0.15mmである。トンネルの断
面寸法は小さ過ぎると蒸気泡の流動に対する抵抗
が大きくなり、また大き過ぎると過量の液侵入を
招く。形成される蒸気泡の直径と同程度か若しく
若干小さい寸法のものがよく、液体窒素フレオン
系冷媒、炭化弗素系冷媒、純水などの液体につい
て幅広く調べると、トンネル断面の一辺の長さが
0.2〜２mmの範囲が適当である。
トンネルの設置間隔（第３図λ1，λ2）について
は、これらとトンネル幅との差、即ち積層接合す
る以前にフインであつた部分の厚さを適度の値に
決めることによつて決まつてくる。トンネルを仕
切るこれら中実部分の幅は伝熱体内部の伝導伝熱
量を決めるうえで重要で、幅が狭いと伝熱体の単
位体積当りのトンネルの数は増えるが、伝熱体の
長手方向に熱が伝わり難くなり、従つて伝熱体の
発熱源から遠い部分では温度が低くなり過ぎて伝
熱体としての有効な働きが阻害されてしまう。
は、これらとトンネル幅との差、即ち積層接合す
る以前にフインであつた部分の厚さを適度の値に
決めることによつて決まつてくる。トンネルを仕
切るこれら中実部分の幅は伝熱体内部の伝導伝熱
量を決めるうえで重要で、幅が狭いと伝熱体の単
位体積当りのトンネルの数は増えるが、伝熱体の
長手方向に熱が伝わり難くなり、従つて伝熱体の
発熱源から遠い部分では温度が低くなり過ぎて伝
熱体としての有効な働きが阻害されてしまう。
水平トンネル内に蒸気を更に安定に保持してお
く方法には第８図に示すごとく水平トンネル１９
の両端を隔壁２３により塞いでしまい蒸気２０を
備え、垂直トンネルとの連結孔１７のみがあるよ
うにする方法、第９図に示すごとく水平トンネル
を形成する微細フインの形状を予め山形１６′に
しておき、山形の頂点１６′Ａが上方に位置する
ようにして伝熱体を使用すれば、頂点付近に安定
な蒸気溜り２４ができる。
く方法には第８図に示すごとく水平トンネル１９
の両端を隔壁２３により塞いでしまい蒸気２０を
備え、垂直トンネルとの連結孔１７のみがあるよ
うにする方法、第９図に示すごとく水平トンネル
を形成する微細フインの形状を予め山形１６′に
しておき、山形の頂点１６′Ａが上方に位置する
ようにして伝熱体を使用すれば、頂点付近に安定
な蒸気溜り２４ができる。
以上に述べたような水平トンネル、端を塞いだ
トンネル、山形トンネルはいずれも低熱負時の沸
騰において蒸気溜りを確実に伝熱体に保持し、液
が過量にトンネル内に侵入して蒸気泡発生核を一
掃してしまい沸騰熱伝達を休止させてしまう可能
性を大幅に減らすものであるが、これらの姿勢あ
るいは形状のトンネルを伝熱体内部に設けること
は必須の条件ではない。水平トンネルの姿勢が水
平からずれていたり、トンネルが山形をしていな
くても、本来このような微細な構造を液中に浸す
と蒸気泡は内部にトラツプされやすく一般に高い
伝熱性能が得られることは実験により確めてい
る。
トンネル、山形トンネルはいずれも低熱負時の沸
騰において蒸気溜りを確実に伝熱体に保持し、液
が過量にトンネル内に侵入して蒸気泡発生核を一
掃してしまい沸騰熱伝達を休止させてしまう可能
性を大幅に減らすものであるが、これらの姿勢あ
るいは形状のトンネルを伝熱体内部に設けること
は必須の条件ではない。水平トンネルの姿勢が水
平からずれていたり、トンネルが山形をしていな
くても、本来このような微細な構造を液中に浸す
と蒸気泡は内部にトラツプされやすく一般に高い
伝熱性能が得られることは実験により確めてい
る。
本発明による伝熱体形成法によれば、トンネル
と孔より成る微細構造の寸法を、伝熱体の長手方
向に変えることも可能である。即ち、第３図にお
ける垂直トンネルの断面の辺の長さw1、w2を、
発熱体に近い伝熱体根元の近くでは大きくとり、
伝熱体の先端近くは小さくとると、蒸気発生量が
多い根元近くでは脱出蒸気の流動に対する抵抗を
少くし、伝熱体壁面と液温との差が小さい先端近
くでは細かいトンネルを多数設けることにより実
質伝熱面積の増大を図りひいては伝熱量の増大を
もたらすことができる。孔についても同様に伝熱
体の根元近くと先端近くでは寸法を変えることが
できる。第５図に例を示したごとく、伝熱壁面の
過熱度の大小により、優れた伝熱性能をもたらす
面構造寸法は異なつてくる。従つて過熱度の大き
い伝熱体根元近くでは高い微伝達率をもたらす孔
径の孔を設け、伝熱体の先端近くでは小さい過熱
度で高い熱伝達率をもたらす径の孔を設けること
ができる。
と孔より成る微細構造の寸法を、伝熱体の長手方
向に変えることも可能である。即ち、第３図にお
ける垂直トンネルの断面の辺の長さw1、w2を、
発熱体に近い伝熱体根元の近くでは大きくとり、
伝熱体の先端近くは小さくとると、蒸気発生量が
多い根元近くでは脱出蒸気の流動に対する抵抗を
少くし、伝熱体壁面と液温との差が小さい先端近
くでは細かいトンネルを多数設けることにより実
質伝熱面積の増大を図りひいては伝熱量の増大を
もたらすことができる。孔についても同様に伝熱
体の根元近くと先端近くでは寸法を変えることが
できる。第５図に例を示したごとく、伝熱壁面の
過熱度の大小により、優れた伝熱性能をもたらす
面構造寸法は異なつてくる。従つて過熱度の大き
い伝熱体根元近くでは高い微伝達率をもたらす孔
径の孔を設け、伝熱体の先端近くでは小さい過熱
度で高い熱伝達率をもたらす径の孔を設けること
ができる。
以上本実施例の検証に用いた発熱体の材質は銅
であるが、必ずしも銅である必要はなく、沸騰液
との組み合せ、チツプ材質との組み合せによりア
ルミニウム等の他の金属、また高熱伝導率セラミ
ツクス（ベリリウムλSiC）、シリコン等の非金属
材料であつてもよい。
であるが、必ずしも銅である必要はなく、沸騰液
との組み合せ、チツプ材質との組み合せによりア
ルミニウム等の他の金属、また高熱伝導率セラミ
ツクス（ベリリウムλSiC）、シリコン等の非金属
材料であつてもよい。
第１２図に、第３図の如きトンネルが多層に形
成された柱状伝熱体の、積層枚数Ｎと熱伝達率α
の関係を示す。横軸は、板の積層枚数すなわちト
ンネルの層数、縦軸は、柱状伝熱体の全表面積を
基準にとつた熱伝達率α（Ｗ／cm2・℃）を表わす。
積層枚数の増加によつて柱状伝熱体の側面の表面
積は増加するが、上、下面の表面積は一定であ
る。積層数Ｎが２〜13のとき熱伝達率αは1.0以
上、すなわち、一層のときの３倍以上になり、積
層数Ｎが４及び５の時最も高い熱伝達率が得られ
る。積層数Ｎが増加すると当然柱状伝熱体の占有
体積も大きくなるので、実用上、Ｎは発熱体の発
熱量に応じて２〜13層、望ましくは２〜７層の範
囲内で適宜選べばよい。
成された柱状伝熱体の、積層枚数Ｎと熱伝達率α
の関係を示す。横軸は、板の積層枚数すなわちト
ンネルの層数、縦軸は、柱状伝熱体の全表面積を
基準にとつた熱伝達率α（Ｗ／cm2・℃）を表わす。
積層枚数の増加によつて柱状伝熱体の側面の表面
積は増加するが、上、下面の表面積は一定であ
る。積層数Ｎが２〜13のとき熱伝達率αは1.0以
上、すなわち、一層のときの３倍以上になり、積
層数Ｎが４及び５の時最も高い熱伝達率が得られ
る。積層数Ｎが増加すると当然柱状伝熱体の占有
体積も大きくなるので、実用上、Ｎは発熱体の発
熱量に応じて２〜13層、望ましくは２〜７層の範
囲内で適宜選べばよい。
本発明の他の実施例を第１３図、第１４図に示
す。基盤１は水平に置かれている。伝熱体１２は
横断面積が広いトンネル１８１と狭いトンネル１
９１とが交互に積層されており、それぞれのトン
ネル１８１，１９１は開孔１７によつて連通して
いる。広いトンネル１８１は蒸気の流動抵抗が小
さいため蒸気の放出通路として働き、狭いトンネ
ル１９１は蒸気の流動抵抗が大きいため蒸気を保
持する空洞として働く。すなわち、相隣るトンネ
ルの大きさを変えることにより、広いトンネル１
８１は第７図の縦方向トンネル１８の役割りを、
狭いトンネル１９１は第６図の横方トンネル１９
の役割りを持つことができる。本実施例では異な
る大きさのトンネルを上下方向に積み重ねたもの
を示したが、同一平面内に横方向に異なる大きさ
のトンネルを設け開孔で連通しても同様の効果が
得られる。
す。基盤１は水平に置かれている。伝熱体１２は
横断面積が広いトンネル１８１と狭いトンネル１
９１とが交互に積層されており、それぞれのトン
ネル１８１，１９１は開孔１７によつて連通して
いる。広いトンネル１８１は蒸気の流動抵抗が小
さいため蒸気の放出通路として働き、狭いトンネ
ル１９１は蒸気の流動抵抗が大きいため蒸気を保
持する空洞として働く。すなわち、相隣るトンネ
ルの大きさを変えることにより、広いトンネル１
８１は第７図の縦方向トンネル１８の役割りを、
狭いトンネル１９１は第６図の横方トンネル１９
の役割りを持つことができる。本実施例では異な
る大きさのトンネルを上下方向に積み重ねたもの
を示したが、同一平面内に横方向に異なる大きさ
のトンネルを設け開孔で連通しても同様の効果が
得られる。
本発明によれば、発熱体の発熱量の比較的小さ
い場合から発熱量がかなり大きくなるまで、広範
囲に亘つて沸騰を活発に生じさせることができ
る。この結果、本発明によれば、高い伝熱性能を
有し、特に高発熱密度の発熱体の冷却に有効な熱
伝達装置が得られるという効果がある。従つて発
熱部品の信頼性を高める装置において、発熱面に
伝熱面積を拡大するために設けた平滑な面を有す
る柱状伝熱体の伝熱性能に比べ、伝熱体根元の温
度を同一に保つた場合、本発明の伝熱体は平滑面
伝熱体の半分の容積および半分以下の重量でもつ
て２〜５倍の発熱量を伝えることができる。
い場合から発熱量がかなり大きくなるまで、広範
囲に亘つて沸騰を活発に生じさせることができ
る。この結果、本発明によれば、高い伝熱性能を
有し、特に高発熱密度の発熱体の冷却に有効な熱
伝達装置が得られるという効果がある。従つて発
熱部品の信頼性を高める装置において、発熱面に
伝熱面積を拡大するために設けた平滑な面を有す
る柱状伝熱体の伝熱性能に比べ、伝熱体根元の温
度を同一に保つた場合、本発明の伝熱体は平滑面
伝熱体の半分の容積および半分以下の重量でもつ
て２〜５倍の発熱量を伝えることができる。
第１図は、本発明の基本構成の説明図、第２図
は、柱状伝熱体を構成する要素の斜視図、第３図
は、柱状伝熱体の細部構造を示す斜視図、第４図
は、伝熱体を構成する要素の他の実施例の斜視
図、第５図は、伝熱体細部構造の若の実施例の斜
視図、第６〜第９図は、伝熱体の作動状況を説明
する図、第１０図は、第３図に示す伝熱面の沸騰
伝熱性能を示すグラフ、第１１図は、柱状伝熱体
の沸騰伝熱性能を示すグラフである。第１２図は
積層数と熱伝達率の関係を示す図、第１３図は、
本発明の他の実施例の斜視図、第１４図は第１３
図の柱状伝熱体の要部の斜視図である。 ２……集積回路チツプ、１２……柱状伝熱体、
１７……開孔、１８……垂直トンネル、１９……
水平トンネル。
は、柱状伝熱体を構成する要素の斜視図、第３図
は、柱状伝熱体の細部構造を示す斜視図、第４図
は、伝熱体を構成する要素の他の実施例の斜視
図、第５図は、伝熱体細部構造の若の実施例の斜
視図、第６〜第９図は、伝熱体の作動状況を説明
する図、第１０図は、第３図に示す伝熱面の沸騰
伝熱性能を示すグラフ、第１１図は、柱状伝熱体
の沸騰伝熱性能を示すグラフである。第１２図は
積層数と熱伝達率の関係を示す図、第１３図は、
本発明の他の実施例の斜視図、第１４図は第１３
図の柱状伝熱体の要部の斜視図である。 ２……集積回路チツプ、１２……柱状伝熱体、
１７……開孔、１８……垂直トンネル、１９……
水平トンネル。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 発熱体に熱伝導部材を設け、これらを液冷媒
中に浸漬し、該液冷媒の沸騰により熱を除去する
ものにおいて、前記熱伝導部材は、互いに仕切ら
れて細長く伸びその両端が開口している多数の空
洞からなる空洞群を前記発熱体側から複数層に形
成した構造を有し、かつ内層側の前記空洞群と外
層側の前記空洞群とを互いに連通する孔、及び最
外層の空洞群と外部とを連通する孔を有している
ことを特徴とする熱伝達装置。 ２ 空洞群が２〜13層形成されていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ３ 各空洞群は平行に伸びる多数の空洞からな
り、各空洞の断面の一辺の長さが0.2〜2.0mm、孔
の直径が0.04〜0.4mmであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ４ 各空洞群は、平行に伸びる多数の空洞からな
り、相隣る層の空洞群は互に交叉する方向に伸び
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の熱伝達装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59083708A JPS60229353A (ja) | 1984-04-27 | 1984-04-27 | 熱伝達装置 |
| US06/726,715 US4619316A (en) | 1984-04-27 | 1985-04-24 | Heat transfer apparatus |
| EP85105149A EP0159722B1 (en) | 1984-04-27 | 1985-04-26 | Heat transfer apparatus |
| DE8585105149T DE3571894D1 (en) | 1984-04-27 | 1985-04-26 | Heat transfer apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59083708A JPS60229353A (ja) | 1984-04-27 | 1984-04-27 | 熱伝達装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60229353A JPS60229353A (ja) | 1985-11-14 |
| JPH0234183B2 true JPH0234183B2 (ja) | 1990-08-01 |
Family
ID=13809993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59083708A Granted JPS60229353A (ja) | 1984-04-27 | 1984-04-27 | 熱伝達装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4619316A (ja) |
| EP (1) | EP0159722B1 (ja) |
| JP (1) | JPS60229353A (ja) |
| DE (1) | DE3571894D1 (ja) |
Families Citing this family (70)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR900001393B1 (en) * | 1985-04-30 | 1990-03-09 | Fujitsu Ltd | Evaporation cooling module for semiconductor device |
| US4750086A (en) * | 1985-12-11 | 1988-06-07 | Unisys Corporation | Apparatus for cooling integrated circuit chips with forced coolant jet |
| US4794984A (en) * | 1986-11-10 | 1989-01-03 | Lin Pang Yien | Arrangement for increasing heat transfer coefficient between a heating surface and a boiling liquid |
| US4757370A (en) * | 1987-01-12 | 1988-07-12 | International Business Machines Corp. | Circuit package cooling technique with liquid film spreading downward across package surface without separation |
| US4771366A (en) * | 1987-07-06 | 1988-09-13 | International Business Machines Corporation | Ceramic card assembly having enhanced power distribution and cooling |
| EP0298372B1 (en) * | 1987-07-10 | 1993-01-13 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor cooling apparatus |
| JP2741255B2 (ja) * | 1989-08-18 | 1998-04-15 | 株式会社日立製作所 | 沸騰冷却用伝熱体 |
| US5006924A (en) * | 1989-12-29 | 1991-04-09 | International Business Machines Corporation | Heat sink for utilization with high density integrated circuit substrates |
| US5106451A (en) * | 1990-11-15 | 1992-04-21 | International Business Machines Corporation | Heat sink and method of attachment |
| US5177666A (en) * | 1991-10-24 | 1993-01-05 | Bland Timothy J | Cooling rack for electronic devices |
| US5208729A (en) * | 1992-02-14 | 1993-05-04 | International Business Machines Corporation | Multi-chip module |
| US5406807A (en) * | 1992-06-17 | 1995-04-18 | Hitachi, Ltd. | Apparatus for cooling semiconductor device and computer having the same |
| US5333460A (en) * | 1992-12-21 | 1994-08-02 | Carrier Corporation | Compact and serviceable packaging of a self-contained cryocooler system |
| US5403783A (en) * | 1992-12-28 | 1995-04-04 | Hitachi, Ltd. | Integrated circuit substrate with cooling accelerator substrate |
| US5405808A (en) * | 1993-08-16 | 1995-04-11 | Lsi Logic Corporation | Fluid-filled and gas-filled semiconductor packages |
| JP2953273B2 (ja) * | 1993-10-22 | 1999-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 低温に冷却する素子の接続方法 |
| US5529115A (en) * | 1994-07-14 | 1996-06-25 | At&T Global Information Solutions Company | Integrated circuit cooling device having internal cooling conduit |
| FR2738446B1 (fr) * | 1995-08-30 | 1997-09-26 | Gec Alsthom Transport Sa | Procede et dispositif de filtrage d'un milieu liquide isolant electrique et caloriporteur et groupe d'electronique de puissance comportant un tel dispositif |
| GB2342713B (en) * | 1996-09-26 | 2000-10-25 | Alstom Uk Ltd | Power equipment for use underwater |
| US5907473A (en) * | 1997-04-04 | 1999-05-25 | Raytheon Company | Environmentally isolated enclosure for electronic components |
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