WO1990008935A1 - Electric insulation type heat pipe cooler - Google Patents

Electric insulation type heat pipe cooler Download PDF

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WO1990008935A1
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heat pipe
pipe cooler
cooler
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insulation type
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PCT/JP1990/000128
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yuichi Kimura
Junji Sotani
Original Assignee
The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • 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
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to an improved electrically insulated heat pipe cooler used for cooling semiconductor devices and electronic devices.
  • Heat pipe-type coolers are used to cool heat-generating parts such as semiconductor elements and electronic devices.
  • this heat pipe type cooler one end of a heat pipe is inserted by making a hole in a block (heat sink) for collecting or dispersing heat, and this part is used as an evaporating part.
  • a fin is provided in the condensing portion at the end to serve as a heat radiating portion, and the heat of the block portion is radiated by the heat radiating portion.
  • a heat pipe is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 62-293365 and 62-293365.
  • heat flux conversion can be performed by changing the length ratio of the heat transfer tubes between the evaporating section and the condensing section.
  • a number of fins (9) are provided at the other end of the tube to form a condenser (22) tube, and an electric insulator (23) such as alumina ceramics is attached between the evaporator and condenser to seal the material. (24), (24 ').
  • the heat pipe is filled with an electrically insulating hydraulic fluid (8) to provide an insulated heat pipe cooler.
  • one heat pipe is inserted one by one into the hole provided in the block, but it goes without saying that the block (6) itself may be used as the evaporating part of the heat pipe.
  • CFC chlorofluorocarbon
  • CFC is widely used as a working fluid in a normal temperature range in a heat pipe cooler, but has the following problems. That is,
  • the working fluid In addition to the boiling point, the working fluid must be compatible with the material of the heat pipe container. In other words, a chemical reaction may occur between the vessel wall and the working fluid in the heat pipe, and the inner surface of the container may be oxidized or corroded. Because.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an electrically insulated heater having a stable and high performance in the vicinity of 100 ° C without fear of adversely affecting the environment. To provide a top pipe cooler.
  • the evaporating section is, for example, a hole of a pipe provided in a heat conductive block, or a hole in the pipe.
  • the pipe is inserted, and the condensing part is an electrically insulated heat pipe cooler, which is a pipe provided with fins, and uses a carbon fluoride compound with a boiling point corresponding to the operating temperature as working fluid.
  • An electrically insulated heat pipe cooler characterized by using a fluorocarbon-based hydraulic fluid containing at least 95% and having a content of a fluorocarbon compound having a boiling point lower than that of the fluorocarbon compound at 1% or less.
  • the operating temperature means the temperature at which the working fluid, which is the main component, evaporates (condenses) under atmospheric pressure.
  • the operating temperature of the heat pipe cooler of the present invention is not particularly limited, but is usually 140 to 140 ° C., preferably 130 to 140 ° C .;
  • the fluorocarbon compound refers to a compound obtained by substituting a hydrocarbon with fluorine, and a compound substantially not containing a chlorine substituent.
  • substantially not contained means that a slight amount of chlorine-substituted product may be mixed into the product when it is converted from chloride to fluoride in the production process of the carbon fluoride compound. Such cases are acceptable.
  • "%" indicating the composition of the carbon fluoride-based working fluid refers to the area percentage by gas chromatography.
  • FIG. 1 is a front view of one embodiment of the electrically insulated heat vibe according to the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory view of a heat pipe working fluid compatibility test apparatus
  • FIG. 3 is a graph of a compatibility test result
  • FIG. 4 is a sectional view of an electrically insulated heat pipe cooler.
  • FIG. 1 shows an electrically insulated heat pipe according to one embodiment of the present invention, in which an evaporating section (1) and a condensing section (2) are made of copper tubes (for example, an inner diameter of 16 mm), and both are made of alumina. They are connected via a cylindrical electric insulator (3) made of ceramics.
  • the electrical insulator (3) has a sufficient creepage distance to ensure electrical insulation performance.
  • the connection between the aluminum ceramic of the electrical insulator (3) and the copper tubes of the evaporator (1) and condenser (2) was made by metallizing both ends of the electrical insulator (3) and applying Ni plating.
  • the encapsulating material (4) made of Ni-Fe alloy and the electrical insulator (3) are brazed with silver, and then the encapsulating material (4), the evaporating part (1) and Coagulation This was done by brazing the compression part (2).
  • a working fluid containing 90% of C 6 F 14 was added to the heat pipe container constructed as described above.
  • Hydro Fluid 1 a component containing 95% of C 6 F and having a boiling point lower than that of C 6 F 14 (C ⁇ F 9 H, C 5 F 12 ) is 0% Fluid 2
  • hydraulic fluid 3 1%
  • hydraulic fluid 4 2%
  • hydraulic fluid 4 2%
  • hydraulic fluid 5 (CC_e 2 F. CC £ F 2 , hereafter referred to as hydraulic fluid 5).
  • the components after operation were measured using a gas chromatograph and a mass spectrometer.
  • Fig. 2 shows a test device for checking the compatibility of the heat pipe working fluid used in the above test with the container material.
  • the temperature controller (5) controls the evaporating section (11) of the heat pipe to a specified temperature.
  • the temperature difference (T 2 — ⁇ ,) between the evaporating section (11) and the condensing section (12) is measured over time, and hydraulic fluid that does not generate a temperature difference for a long time is compatible. was judged to be good.
  • Figure 3 shows the results.
  • hydraulic fluids 2 and 3 can be used in a wider temperature range than hydraulic fluid 5.
  • the hydraulic fluids 2 and 3 have almost the same performance as the hydraulic fluid 5 and are harmless to the environment.
  • a superior electric insulation type heat pipe cooler can be obtained.
  • the fluorocarbon compound having a boiling point at the operating temperature used in the present invention is preferably a perfluorocarbon, which may be used alone, but is actually different in the number of carbon atoms in the production from the degree of perfluoro ⁇ -carbon fluorination. It is also a feature of the present invention that fluorocarbons having low carbon content may be contained, and even if these coexist, they may be contained within the scope of the present invention.
  • the fluorocarbon compound having a boiling point at the operating temperature is at least 95%, preferably at least 96%, more preferably at least 98% in the fluorocarbon working fluid.
  • a plurality of electrically insulated heat pipes constructed as described above are inserted into the holes (7) of the block (6) made of copper, and furthermore, the heat resistance is further reduced.
  • the space between the evaporator (21) and the block (6) is filled with solder, the condenser (22) is fitted with a fin (9), and the evaporator (1)
  • the condensing section (22) is connected via an electric insulator (23) to form an insulated heat pipe cooler.
  • the heat pipe was inserted into the block to form an electrically insulated heat pipe cooler.However, as the evaporator, the hole provided in the block itself could be used instead of the tube. Good.
  • the proportion of the main component of the working fluid is 95% or more of the whole, and the proportion of the component having a boiling point lower than the boiling point of the main component is 1% or less of the whole.
  • the electrically insulated heat pipe cooler according to the present invention has a high safety, a high stability, a continuous operation, and a continuous operation. It is useful for cooling large-capacity semiconductor devices and electronic equipment.

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Description

曰月 系田 » 電気絶縁型ヒートパイブ冷却器
(技術分野）
本発明は半導体素子や電子機器などの冷却に用いられる改良され た電気絶縁型ヒートパイブ冷却器に関するものである。
(背景技術）
半導体素子や電子機器などの発熱部の冷却にはヒー トパイプ式冷 却器が用いられている。 このヒートパイプ式冷却器は、 熱を集合さ せ或いは分散させるためのブロ ック （ヒートシンク） に孔をあけて ヒートパイプの一端を挿入し、 この部分を蒸発部と し、 ヒー トパイ プの他端の凝縮部にフィ ンを設けて放熱部と し、 前記プロ ッ ク部の 熱を放熱部によ り放熱するものである。 このようなヒー トパイプは 例えば特開昭 6 2 - 2 9 3 6 5 4号、 特開昭 6 2 - 2 9 3 6 5 5号 などに記載されている。
このヒー トパイブの特徴としては、 蒸発部と凝縮部の伝熱管長比 を変えるこ とによ り、 熱流束変換を行なう こ とができるこ とがあげ られる。
一方、 近年サイ リスタ等の加工技術が向上して半導体素子の大容 量化が進み、 例えば鉄道車輛用と して使用されるようになった。 鉄 道車輛用の場合、 設置場所の関係上接触する可能性があるため、 安 全性の面で蒸発部と凝縮部を電気的に絶縁しておく こ とが望ま し く 、 両者間に電気絶縁部を設けたものが用いられている。 このよ う なヒー トパイプは例えば第 4図に示される。 同図において銅などの 熱伝導性の良いプロッ ク（6) に 1個または 2個以上の管状の孔（7) を設けてこの孔に管体からなるヒートバイプの一端の蒸発部（21)を 揷入し、 ヒー トパイブの他端に多数のフ ィ ン （9) を設けて凝縮部 (22)管体とし、 この蒸発部と凝縮部の間にアルミナセラミ ックスな どの電気絶縁体（23)を装着し封止材（24)、（ 24') で固着してなる。 そして該ヒートパイプの内部に電気絶縁性の作動液（8) を封入して おき絶縁型ヒートパイブ冷却器としたものである。 なお、 上記従来 例では 1本 1本独立したヒートパイプをブロックに設けられた孔に 挿入しているがブロック（6) そのものをヒートパイプの蒸発部と し てもよいこ とは言うまでもない。
—般にヒートパイプの伝熱特性は、 その作動液の常圧下での沸点 付近で使用するときにょい性能を示す。 作動液と してはフロ ン （ク ロロフルォロカーボン。 以下 C F Cという。 ） が多用されており、 例えば通常使用温度範囲の一 3 0〜 ： L 0 0 eCでは、 C F C - 1 1 ( C C £ 3 F ) 、 C F C— 1 2 ( C C Ά z F 2 ) H C F C - 2 1 ( C H C ^ 2 F ) 、 H C F C — 2 2 ( C H C β F 2 ) 、 C F C — 1 1 3 ( C C £ 2 F · C C £ F 2 ) が用いられている。
(発明の開示）
前述のようにヒートパイブ冷却器において C F Cは常温領域の作 動液として広く用いられているが、 次のような問題を有している。 すなわち、
ィ） 大気中に排出される C F Cガスが成層圏まで拡散し、 成層圏 のオゾン層を破壊する問題が重大な環境問題となっている。 そのた め C F Cの生産量および使用量の規制がなされよう と している。 口） 1 0 0 eC以上の温度で使用すると C F Cが分解して変質し、 ヒートパイプの性能が劣化するため、 長期にわたつて安定性が良く 寿命の永いものができない。
また作動液は、 沸点のほかに、 ヒートパイブ容器の材質との適合 性を考慮しなければならない。 すなわち、 ヒートパイブ内で器壁と 作動液の間で化学反応が起こ り 、 容器内面が酸化或いは腐食した り、 作動液が変質して、 ヒートパイプの性能が劣化するという適合 性の悪い場合があるからである。
本発明は以上のような点にかんがみてなされたもので、 その目的 とすると ころは、 環境に対する悪影響を及ぼす恐れがなく 、 1 0 0 °c近傍において安定して高い性能を示す電気絶縁型ヒー トパイプ冷 却器を提供するこ とにある。
すなわち、 本発明は、 蒸発部と凝縮部が電気絶縁体を介して接続 されている管体において前記蒸発部は、 例えば熱伝導性プロ ッ クに 設けられた管体の孔、 または該孔に挿入された管体であり、 凝縮部 はフ ィ ンを設けた管体である電気絶縁型ヒートパイプ冷却器におい て、 作動液と して、 作動温度に相当する沸点のフ ッ化炭素化合物を
9 5 %以上含有し、 該フッ化炭素化合物よ り も低沸点のフッ化炭素 化合物の含量を 1 %以下と したフッ化炭素系作動液を用いるこ とを 特徴とする電気絶縁型ヒートパイブ冷却器を提供するものである。
本発明において作動温度とは大気圧のもとで主成分である作動液 が蒸発 （凝縮） を起こす温度をいう。 本発明のヒートパイブ冷却器 の作動温度は特に制限はないが、 通常一 4 0〜 1 4 0 C、 好まし く は一 3 0〜； L 2 0 °Cである。 フッ化炭素化合物とは炭化水素をフヅ素で置換したものをいい、 実質的に塩素置換体を含有しないものをいう。 ここで実質的に含有 しないとは、 フヅ化炭素化合物の製造工程上一旦塩化物としてから フッ化物とする場合には製品に微量の塩素置換体が混入してく るこ とがあるが、 このような場合は許容される。 また本明細書及び請求 の範囲においてフヅ化炭素系作動液の組成を示す％は、 ガスクロマ 卜グラフィ一法による面積百分率をいう。
(図面の簡単な説明）
第 1 図は本発明にかかる電気絶縁型ヒートバイブの一実施例の正 面図、 第 2図はヒートパイプ作動液の適合性試験装置の説明図、 第 3図は適合性試験結果のグラフを示す図、 第 4図は電気絶縁型ヒー トパイプ冷却器の断面図である。
(発明を実施するための最良の形態）
以下、 本発明の実施態様を説明するが、 本発明はその要旨をこえ ない限り、 以下の例に限定されるものではない。
第 1 図は本発明にかかる一実施例の電気絶縁型ヒートパイプであ り 、 蒸発部（1 ) と凝縮部（2) は銅管 （例えば内径 1 6 mm) よ り な り、 両者はアルミナセラミックスよりなる円筒形の電気絶緣体（3) を介して接続されている。 電気絶縁体（3) は電気絶縁性能が確保さ れるように十分な沿面距離を有している。 電気絶縁体（3) のアルミ ナセラミ ックスと蒸発部（1) および凝縮部（2) の銅管との接続は、 電気絶縁体（3) の両端面をメタライジングして N i メ ツキを施した 後、 N i メ ツキした N i — F e合金よりなる封止材（4) と電気絶縁 体（3 ) を銀ろう付けし、 次いで、 封止材（4) と蒸発部（1) および凝 縮部（2) をろう付けすることによ り行われた。 上記のようにして構 成されたヒ一 卜パイプ容器に、 C 6 F 14を 9 0 %含有する作動液
(以下、 作動液 1 という） 、 又は C 6 F を 9 5 %含有し C 6 F 14 よ り低沸点の成分 （ C < F 9 H、 C 5 F 12) の割合が 0 % (以下、 作動液 2 という） 、 1 % (以下、 作動液 3 という） 、 又は 2 % (以 下、 作動液 4 という） の作動液を封入してヒートパイブを作成し、 そのヒートパイブ冷却器の長時間運転時の安定性を試験した。 この 場合にヒー トパイブ用作動液が容器材料に対し適合性が悪いと安定 性が劣る。 なお比較のために従来のフロ ンと して C F C— 1 1 3
( C C _e 2 F . C C £ F 2 、 以下、 作動液 5 という） を封入したも のを作成した。 こ こで作動後の成分の測定にはガスク口マ トグラフ および質量分析計を用いて行った。
第 2図は、 上記試験で用いたヒートパイプ用作動液と容器材料の 適合性を調べる試験装置を示しており、 温度コントローラ （5) によ り ヒー トパイプの蒸発部（11)を所定の温度に保ち、 蒸発部（11)側と 凝縮部（12)側の温度差 （ T 2 — Τ , ) を時間の変化と と もに測定 し、 長時間にわたり温度差が生じない作動液は適合性がよいと判断 した。 蒸発部（11)の温度、 すなわち作動温度を 1 2 0 eCと し、 ヒー トパイブの中央部と凝縮部端部の温度差を測定した。 その結果を第 3図に示す。 その結果によれば、 作動液 5 ( C F C— 1 1 3 ) を用 いたヒー 卜パイブでは、 約 1, 000時間経過後から温度差 （ T 2 - Τ！ ) が生じはじめるのに対して、 作動液 2、 3を用いたヒートパ イブでは、 10, 000時間程度の経過時間までほとんど温度差は認めら れず、 銅系材料においても十分使用が可能であるこ とが明らかに なった。 - また作動温度の沸点を示す主成分の含量が低い作動液 1 では、 1 Q , 000時間に達する前から温度差が上昇する傾向をし、 低沸点成分 が 2 %である作動液 4は初期状態から温度差が生じていることが明 らかとなつた。 一方、 作動温度が 9 0ででは、 いずれの作動液でも 10， 000時間経過後も温度差は認められなかった。
上記の結果より作動液 2、 3は作動液 5より も広い温度範囲で使 用可能であるこ とが判明した。 熱性能についても、 作動液 2、 3は 作動液 5 とほぼ同等の性能が得られており、 環境に対して無害であ るから、 作動液 2、 3をヒートパイプ用作動液とすることによ り、 優れた電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を得ることができる。
作動液として C 6 F Ι 9 8 . 7 %、 C 5 F 1 2 0 . 4 %、 C s F η C Ά 0 . 2 %、 C 6 F 1 3 Η 0 . 1 %及び C 7 F ι β θ . 6 %の組成の 液を封入し、 上記と同様の試験を行ったところ、 作動液 2、 3 と同 様の良好な結果を得るこ とができた。
上記の具体例は、 アルミナセラミ ツクスを主成分とする絶縁体を を有する銅製のヒートパイプ容器についてであつたが、 アルミユウ ムおよびステンレス鋼製のヒートパイブ容器の場合も同様の優れた 適合性を有する。
本発明に用いられる作動温度の沸点のフッ化炭素化合物は好まし く はパーフルォロカーボンであり、 これは単独でもよいが、 実際製 造上炭素原子数の異なるパーフルォ αカーボンゃフ 化度の低いフ ルォロカーボンが含有されることがあり、 これらが併存していても 本発明の範囲内であればよいことも本発明の特徴である。 本発明において、 作動温度の沸点のフッ化炭素化合物はフッ化炭 素系作動液中 9 5 %以上、 好ましく は 9 6 %以上、 よ り好ま し く は 9 8 %以上である。
上記のようにして構成された電気絶縁型ヒー卜パイブが、 第 4図 に示すよ う に複数本、 銅からなるブロ ッ ク （6 ) の孔（7 ) に挿入さ れ、 さらには熱抵抗を少なくするため、 蒸発部（21 )とブロック （6 ) の間にはハンダが充填されており、 凝縮部（22 )にはフ ィ ン（9 ) が取 付けられ、 蒸発部（1 ) と凝縮部（22 )は電気絶縁体（23 )を介して接続 され、 絶縁型ヒートパイブ冷却器を構成する。 なお、 本実施例では ヒー トパイプをブロ ッ クに挿入して電気絶縁型ヒートパイプ冷却器 と したが、 蒸発部と しては、 ブロックに設けた孔そのものを管体の かわりに利用してもよい。
以上説明したように、 本発明によれば作動液の主成分の割合が全 体の 9 5 %以上であり、 また主成分の沸点未満の沸点を有する成分 の割合を全体の 1 %以下にしたフッ化炭素系の作動液を用いるこ と によ り、 作動温度が 1 0 0 eC以上でも安定した長期連続使用が可能 であ り 、 作動液に関して環境問題を生ずる心配もな く 、 作動液と 器材との適合性がよい電気絶縁型ヒー卜パイプ冷却器が得られると いう優れた効果がある。
換言すれば、 本発明によれば C F Cを用いる必要がなく 、 前記の ような精製された媒体を用いるこ とによ り、 気液二相間の変換が容 易であり、 熱的、 化学的に安定でしかも毒性がなく 、 環境問題に悪 影響を与えない電気絶縁型ヒー トパイブ冷却器を得るこ とができ る。 (産業上の利用可能性）
以上のように、 本発明に係る電気絶縁型ヒートパイプ冷却器は、 蒸発部と凝縮部が電気的に絶縁されており安全性が高く 、 かつ安定 性が高く連続運転ができ、 鉄道車輛用の大容量化した半導体素子や 電子機器などの冷却用として有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 蒸発部と凝縮部が電気絶縁体を介して接続され、 凝縮部はフィ ンを設けた管体である電気絶縁型ヒートパイプ冷却器において、 作 動液と して、 作動温度に相当する沸点のフヅ化炭素化合物を 9 5 % 以上含有し、 該フッ化炭素化合物よ り も低沸点のフッ化炭素化合物 の含量を 1 %以下と したフッ化炭素系作動液を用いることを特徴と する電気絶縁型ヒー卜パイブ冷却器。
2 . 前記蒸発部は熱伝導性ブロ ッ クに設けられた管状の孔、 また は、 該孔に挿入された管体であるこ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載のヒー トパイブ冷却器。
3 . 管体が銅、 アルミニウム又はステンレス鋼であるこ とを特徴と する請求の範囲第 1項記載のヒートパイブ冷却器。
4 . 作動温度が一 3 0〜 1 2 0 eCであるこ とを特徴とする請求の範 囲第 1項記載のヒー卜パイブ冷却器。
5 . 作動温度の沸点のフ ッ化炭素化合物がパーフルォロカーボンで あるこ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載のヒー トパイプ冷却 器。
6 . 管体が銅であるこ とを特徴とする請求の範囲第 1項記載のヒー トパイブ冷却器。
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Publication number Publication date
EP0407620B1 (en) 1994-09-21
DE69012684D1 (de) 1994-10-27
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