JPS60229353A - 熱伝達装置 - Google Patents

熱伝達装置

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JPS60229353A
JPS60229353A JP59083708A JP8370884A JPS60229353A JP S60229353 A JPS60229353 A JP S60229353A JP 59083708 A JP59083708 A JP 59083708A JP 8370884 A JP8370884 A JP 8370884A JP S60229353 A JPS60229353 A JP S60229353A
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中山　恒
Tadakatsu Nakajima
忠克 中島
Shigeki Hirasawa
茂樹 平沢
Akiomi Kono
顕臣 河野
Takatsugu Takenaka
竹中　隆次
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。
〔発明の背景〕
集積回路チップの沸騰冷却を促進する従来の方法として
、米国特許３，７０６，１２７号がある。この例では、
配線基盤にハンダボンディングを介してチップが搭載さ
れており、チッ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、集積回路チップが不伝導性の液に浸漬されて
用いられる際、集積回路チッ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ップの発
熱を速やかに除去することができ、チップに内蔵された
電子回路の高速作動により大量の熱が発生しても、チッ
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Ｋ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１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
面が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って限界
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
片を取り付は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１発熱量がかなり大きくなっても
伝熱面全体が蒸気膜で覆われることなく、従ってバーン
アウト熱負荷は向上する。しかしながらこの方法では空
洞内に蒸気をトラップする場所が殆んど無く、従って低
熱負荷において性能が悪いという欠点があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は集積回路チップその他の、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。
〔発明の概要〕
本発明は、熱伝導部材の内部に蒸気発生核を安定に保持
する空洞ならびに発生した蒸気を脱出させるための孔と
を複数層設けることに特徴がある。
〔発明の実施例〕
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ップ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にチップ２と伝熱体１２のアッセン
ブリーが浸漬されている。伝熱体１２は第２図に示す微
細フィン付孔あき板１４を積層して構成されており、微
細フィン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
ィン先端の平らな端面と他の板のフィンが設けられてい
ない側の面とが接し接合される。板１４のフィンが設け
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。これらのフィ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、フィンと相手側の板の面によってトンネル板の
空洞が第３図に示すように形成されるが、フィンの方向
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によって連通している。
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。
第４図に示す微細フィン付孔あき板１１４は、薄板の表
裏両側より互いに交叉する方向に溝１１２．１１３が設
けられている。溝１１２及び１１３の深さの和は薄板の
肉厚よりも大きく、したがって、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。
微細フィン付孔あき板１１４を複数枚重ね合せそれぞれ
を接合したものを第５図しこ示す。第４図に示す溝１１
２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、したがって
、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１機械加工による開孔１１７内へのパリのは
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
ィンであった部分１６により仕切られた水平トンネル１
９（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、従ってバーンアウト熱
負荷は向上し、また低熱負荷時に適量の液が垂直トンネ
ル１８に侵入することがあっても孔１７によって連結さ
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内に向っ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ってもたらされる高
い熱伝導率が得られる。もちろん水平トンネル１９は蒸
気によっ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って若干の液が侵入
し水平トンネル１９Ｉ！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の
動力学的現象は、流体の密度、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ＷｌｌＷｚ　Ｉ　
Ｗ３　ｔ　Ｗ４　ｙ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達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。−例として第１０図に一層の水平トンネルを
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／ｆｆ１）の対数を縦軸に、伝熱面温度と
液の飽和温度（５６℃）の差ＡＴ　（’Ｃ）の対数を横
軸にとってあり、供試面構造は全て同じトンネル寸法（
０，４ｍＸ０．２５閣）、トンネル設置ピッチ（０，５
５■）、孔設置ピッチ（０，７ｍ）を有し、異なるのは
孔径のみである。
曲線Ａは開孔径が０．２５　ｍ、Ｂは０．２ｍ、Ｃは０
．１ｍｍ、Ｄは０．０５閣である。明らかに孔径が０．
２ｍｍのもの（Ａ）、および０．２５閣のものＣＢ）が
ＡＴ＝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
構造マーパ孔径０．２５ｍ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９ｍ、長さ１０ｍ１で、第１１図の縦軸Ｑは
円柱根元に加えた熱量（Ｗ）、横軸ＡＴは円柱根元の温
度を液の飽和温度（５６℃）との差（”Ｃ）で、それぞ
れ対数を取って示しである。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
面と端面に微細フィンのみ設けたものの性能（曲線Ｂ）
も比較のために示しである。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、フィン付
円柱の８５Ｗを大きく上回っている。
以上の検討を経て明らかにされた孔径の最適値はプレオ
ン系冷媒では０．０８〜０．２ｍ、炭化弗素糸冷媒では
０．１５〜０．４ｍ、液体窒素では０．０４〜０．０８
閣、純水では０．０８〜０．１５閣である。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
。
純水などの流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０．２〜２■の範囲が適当である。
トンネルの設置間隔（第３図λ３．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
ィンであった部分の厚さを適度の値に決めることによっ
て決まってくる。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、従って伝熱
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２
３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ィンの形状を予め
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
部にトラッ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Ｗ＋　ｒ　Ｗｚを、発熱体に近い伝熱体根
元の近くでは大きくとり、伝熱体の先端近くでは小さく
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
！、た伝熱性能をもたらす面構造寸法は異なってくる。
従っ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、
チッ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ックス（ベリリウムλ５ｉＣ
）、シリコン等の非金属材料であってもよい。
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（ ンネルの暦数、縦軸は、柱状伝熱体の表面積を基準にと
った熱伝達率α（Ｗ／Ｃｉ・℃）を表わす。
積層枚数の増加によっ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−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１９１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１
７によって連通している。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１８１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図の横力トンネル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〔発明の効果〕 本発明によれば、液体を沸騰させることによつし て発熱を除去、発熱部品の温度を制限値以下に保つこと
ができる。従って発熱部品の信頼性を高める装置におい
て１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
度を同一に保った場合、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って２〜５倍の
発熱量を伝えることができる。
【図面の簡単な説明】
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、第を図に示す伝熱面の
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・・・集積回路チップ、１２・・・柱状伝熱体、１７
・・・開孔、１８・・・重置トンネル、１９・・・水平
トンネル。 才）凹 矛２　闇 第４圀 才５図 オ乙閃　；１″凶 １９日 、ｆ　７０図 〕ムＪ　（ハ丁） 第１１図 Ｊ２す（△Ｔ） 才１ｚ図 謹漫籾牧ｊ

Claims (1)

  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、熱伝導性の板状部材によって仕切
    られて細長く伸びる訃 空洞壁が複数層形成され、相隣る層の空洞群間及び最外
    層の空洞群と外部とを連通ずる孔が前記板状部材に設け
    られ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０．２〜２．０園、孔の直径が
    ０．０４〜０．４閣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。
JP59083708A 1984-04-27 1984-04-27 熱伝達装置 Granted JPS60229353A (ja)

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

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Publication Number Publication Date
JPS60229353A true JPS60229353A (ja) 1985-11-14
JPH0234183B2 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)

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US (1) US4619316A (ja)
EP (1) EP0159722B1 (ja)
JP (1) JPS60229353A (ja)
DE (1) DE3571894D1 (ja)

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