WO2008075452A1 - 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 - Google Patents

Abstract

　発生する蒸気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。熱交換器は、微小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。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を設け、通常は、冷媒を供給する側の層の内部圧力を微小流路内より高い圧力に保ち、蒸気泡が発生したときには、内部圧力の強弱関係が逆転し、弾性体が持ち上げられ、蒸気泡を複数の微小流路に分散させる。あるいは、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構成とし、蒸気泡が発生したときには、蒸気泡が圧力の低い方へ吸引されるようにする。

Description

明 細 書

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

技術分野

[0001 ] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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 方向に大きくなつ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。

[0006] 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。

[0007] 半導体冷却を考えた場合には、 よりコンパク 卜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。 [0008] 特許文献 1 ：特開 2 0 0 1 _ 2 8 4 1 5号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 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。

[0010] 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 どが流路間ゃ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。

[001 1 ] 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。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] また、 相変化の効果を最大限に利用しょうとするなら、 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。

[0015] 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。

課題を解決するための手段

[001 6] 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。

[001 7] 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。

[0018] 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。

[001 9] 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。

[0020] 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。

[0021 ] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。 [0026] 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） 。

[0027] 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） 。

[0028] 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） 。

[0029] 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つ 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）

[0030] 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一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） 。

[0031 ] 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ツ 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） 。

発明の効果

[0032] 本発明の第一の効果は、 積極的に蒸気泡を微小流路ょ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

[0033] 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。

[0034] 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。

図面の簡単な説明

[0035] 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。

[0036] [図 1 ]第一の実施の形態の熱交換器の構成図。

[図 2]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。

[図 3]第二の実施の形態の熱交換器の構成図。

[図 4]第三の実施の形態の熱交換器の構成図。

発明を実施するための最良の形態

[0037] 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。

[0038] (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 1 6を持つ。

[0039] 滞留層 7と受熱層 1 6との接続部には障壁 1 7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 1 6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 1 6に比べ て遅く、 受熱層 1 6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 1 0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、 例えばシリコーンゃァ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。

[0040] 図 2は蒸気泡 1 1が受熱層 1 6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 1 6の内部圧力より も高く、 弾性仕切面 1 0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 1 1により局所 的に上昇した場合には、 弾性仕切面 1 0が滞留層 7と受熱層 1 6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 1 1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 1 1の 発生源となる微小流路 1に滞留しにくくなる。

[0041 ] (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 1 6に冷媒をリークさせ、 受熱 層 1 6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 1 2を用いる。 特徴となる二次流れ誘 発用のノズル 1 3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。

[0042] すなわち、 滞留層 7からノズル 1 3を経由して受熱層 1 6に流れ込むリー ク流は、 受熱層 1 6に二次流れを誘発することにより、 受熱層 1 6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。

[0043] (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 1 5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、 入口マ二ホルド部 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、 熱交換器プロック 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。

[0044] 流体入口 4から供給された冷媒は、 直接、 受熱層 1 6に供給される。 液体 としての冷媒は、 受熱層 1 6から細孔 1 4を通って滞留層 7に流出する。 細 孔 1 4は、 冷媒の流れに対する抵抗手段となるため、 受熱層 1 6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 1 4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。

[0045] さらに、 蒸気出口 8および飽和液出口 1 5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 1 5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。

産業上の利用可能性

[0046] 本発明の活用例として、 C P U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 ₍

Claims

請求の範囲

[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つて形成されたこ とを特徴とする熱交換器。

[2] 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。

[3] 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

[4] 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。

[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] 請求項 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 徵とする熱交換器。

[7] 請求項 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

[8] 請求項 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

[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] 請求項 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。

[1 1 ] 請求項 9または 1 0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

[12] 請求項 9乃至 1 1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つ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

[13] 請求項 1乃至 1 2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。