JP3202014B2 - 超小型冷却装置 - Google Patents

超小型冷却装置

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JP3202014B2
JP3202014B2 JP2000165037A JP2000165037A JP3202014B2 JP 3202014 B2 JP3202014 B2 JP 3202014B2 JP 2000165037 A JP2000165037 A JP 2000165037A JP 2000165037 A JP2000165037 A JP 2000165037A JP 3202014 B2 JP3202014 B2 JP 3202014B2
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、不要な熱を放出
させるための冷却装置に係り、より詳しくは、集積回路
装置のように小型でありながら不要な高熱を発生させる
電子製品のための冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】このところ、中央処理装置（ＣＰＵ）の
ような集積回路装置は、単位面積当たりの発熱量がきわ
めて大きいことから、装置の性能が低下されて寿命を短
縮させ、究極としては当該装置及びそれを採用したシス
テムの信頼度を低下させる。とりわけ、半導体装置のよ
うな場合には、その動作温度に応じて各種のパラメータ
の値が変化するようになって装置内の集積回路の特性が
劣化される問題をもたらすようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、かような問
題を解決するための従来の方式中、代表的なものとして
は、送風機を取付けて強制冷却させる方式がある。とこ
ろで、かような方式はその冷却効率が低いことから高熱
を効果的に冷却させることができず、送風機のための別
途の電源を要することになり、ひいては、送風機そのも
のから熱が発生する問題点もある。
【０００４】これより高い冷却効率を達成するための方
式としては、流体の相変化を起こして熱を放出する方式
がある。つまり、発熱部位に冷媒として使用される流体
を通過させて加熱された流体を気化させつつ気化エネル
ギーで熱を消尽させる方式であって、すでに冷蔵庫等で
広範に使用される方式である。ところで、かような方式
によれば、気化された冷媒を再度凝縮させるための各種
の装備が付加されることから、全体としの体積と消耗電
力が大となる問題点がある。
【０００５】最近の小型冷却装置としては、流体の相変
化と自然対流現象を利用したヒートパイブ(heat pipe)
装置がある。ヒートパイプ装置にも多様な種類がある
が、そのうちの冷却効率の高い方式としては、内部パイ
プ及び外部パイプを含む二重パイプ方式がある。つま
り、外部パイプに冷媒が収容され、内部パイプには稠密
な孔を複数穿孔して外部パイプとの通路を形成する。熱
源から外部パイプに熱が伝達されると、パイプ内部に収
容された冷媒が気化されつつ熱を吸収するようになり、
気化された冷媒は内部パイプに形成された孔を通して内
部パイプ内に流入するようになる。内部パイプの内の気
体は浮力と気圧の差によって管の反対側に移動するよう
になり、管の反対側で凝縮されて再度液化される。液化
された冷媒は再度内部パイプの孔を通して外部パイプに
移動し、最終的に原位置に復帰するようになる。
【０００６】上記のような原理のヒートパイプは小型で
ありながらも良好な冷却効率を示しうるが、パイプ内で
気化された冷媒の移動は浮力と気圧差に依存するように
なり、液化された冷媒は重力に依存することから、据付
位置に制限がある。 ひいては、熱源の反対側で冷媒を
凝縮させるための構造を取るべきであることから、あま
り小型化すぎると、冷却効率が低くなって所望の性能が
出されなくなる。
【０００７】そこで、この発明は上記種じゅの問題点を
解決するためになされたものであって、この発明の目的
は、超小型に製作できるとともに、優れた冷却効率を出
しうる冷却装置を提供することにある。さらに、この発
明の他の目的は、ほとんど重力に影響されないため、据
付場所及び位置に制限されない高効率の冷却装置を提供
することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するためになされた本発明は、熱源からの熱を除去する
ための冷却装置において、液相冷媒を貯蔵するための貯
蔵部と、前記液相冷媒が表面張力により一部を充填され
て前記熱源から熱が吸収されると、気化されて気相冷媒
となる微細チャンネルを少なくとも１つを含み、前記熱
源に隣接した領域で前記貯蔵部に連結されるように形成
された熱吸収部と、該熱吸収部に隣接して形成される
が、前記熱吸収部により吸収された熱が熱吸収部以外の
他の領域に伝達されることを防止する断熱層と、前記熱
吸収部から離隔されて形成されるが、前記気相冷媒が凝
縮される凝縮部と、前記熱吸収部及び前記凝縮部に隣接
して形成されるが、前記気相冷媒が前記熱吸収部から前
記凝縮部へ移動する通路となる気体移動部、及び少なく
とも前記熱吸収部を備えるハウジングを含む冷却装置で
ある。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、この発明による一実施形態
について添付図に沿つて詳述する。まず、図１を参照す
ると、図１はこの発明の一実施形態に沿う冷却器のＸＺ
平面での断面を概略に示す断面図である。つまり、この
発明の冷却器１００は閉鎖されたハウジング１１２内に
液体状態の冷媒（図において波紋で表示された部分）を
収容する貯蔵部１０２と、該貯蔵部１０２に隣接して熱
源に近接して形成され、毛細管現象により冷媒が充入さ
れる微細チャンネル（図において斜線で表示された部分
を含む熱吸収部１０６と、該熱吸収部１０６により前記
貯蔵部ｌ０２とＸ−軸方向ヘ離隔される向い側の領域に
形成された気体移動部１０４と、前記熱吸収部１０６に
加えられた熱が他の部分ヘ移動することを遮断するため
に、前記熱吸収部１０６に隣接して形成された断熱層１
０８と、該断熱層１０８により前記熱吸収部１０６とＺ
−軸方向へ離隔される向い側の領域に形成された凝縮部
１１０とを含む。
【００１０】この発明の一実施形態に沿う冷却器１００
の幾何学的構造をより明確に説明するために、図２を参
照すると、図２は図１の冷却器１００のａ−ａ’線矢視
断面図である。つまり、前記冷却器１００には、ハウジ
ング１１２内に貯蔵部１０２と気体移動部１０４とが熱
吸収部１０６を介してＸ−軸方向へ離隔されて形成さ
れ、前記熱吸収部ｌ０６は複数の微細チャンネル１１４
を含む。
【００１１】次に、図１〜３を参照して前記冷却器１０
０の動作について説明する。図１を参照すると、前記該
冷却器１００の外部にブロック矢印（１２０、１２２）
で外部熱の移動方向を図示した。つまり、外部熱源（図
示なし）からの熱は前記冷却器１００の熱吸収部１０６
に伝達される。この発明の好ましき実施形態によれば、
前記冷却器１００のハウジング１１２に熱吸収部１０６
を形成された外壁と外部熱源とが熱的に接触しているの
がいい。前記ハウジング１１２はシリコン（Ｓｉ）な
り、ガリウム（Ｇａ）のような半導体材料、自体結集単
層膜(SelfAssembled Monolayer)のような新素材積層材
料、熱伝導率の優れた銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａ
ｌ）の金属及びその合金、セラミック材料(ceramics)、
ダイアモンドのような結晶材料等、多様な素材で製造さ
れうる。特に、外部熱源が半導体装置である場合には、
その半導体装置と同一の素材で製造されうるし、ひいて
は、後述するように、この発明の冷却器１００は前記半
導体装置の製造工程の一部であって、一体的に製造され
うる。
【００１２】したがって、その大きさを外部熱源と同一
の水準（例えば、数〜数十平方ｃｍ）で製作できるし、
したがって、外部熱源とこの発明の冷却器１００間の熱
的抵抗を最少化できる。次に、図２を参照すると、前記
外部熱源から伝達された熱は熱吸収部１０６により吸収
される。つまり、図示のように、前記熱吸収部１０６は
複数の微細チャンネル１１４を含んでいるが、該微細チ
ャンネル１１４には前記貯蔵部１０２からの冷媒が毛細
管現象によりチャンネル１１４の所定領域まで充填され
ている。その状態を図３に示した。つまり、図３を参照
すると、図３は前記熱吸収部１０６の微細チャンネル１
１４中の１つの概略拡大図であって、前記貯蔵部１０２
からの冷媒（斜線領域で表示した）がＡ部分まで充填さ
れていることを示している。
【００１３】前記熱吸収部１０６に冷媒が充填される領
域（Ａ）は冷媒の種類と前記微細チャンネル１１４の大
きさに応じて左右される。特に、ハウジング１１２の素
材に応じて使用されうる冷媒も相違するが、その理由は
冷媒が微細チャンネルなり、ハウジングの表面と化学的
反応を起こしうるためであり、環境汚染を考慮して非Ｃ
ＦＣ系列の新冷媒を使用するのが好ましい。ハウジング
１１２の素材とそれに適合な冷媒の例を挙げれば、集積
回路のような電子製品の場合には冷媒として水（Ｈ
2０）とか、メタンまたはエタン等のアルコール系冷媒
を使用するのが好ましい。前記のような冷媒は熱容量が
大きく、半導体素子との表面張力の角度が小さいため、
表面張力の流速が大であることから、多量の熱量を移動
させうる。
【００１４】これとともに、環境汚染に対する問題がな
く、ハウジング１１２の破損（例えば、表面の微細なひ
び割れによる破損）時に流体が外部へ流出される確率が
少ない。一般に、巨視系でも表面張力が存在するが、重
力場の影響がさらに優勢するため、表面張力を効率的に
利用しがたい。したがって、重力場の影響を無視できる
程度になるためには、そのシステムの物理的な大きさ(s
ize)が小になるべきである。したがって、この発明の冷
却器１００に適合な微細チャンネル１０６の幅は略１ｎ
ｍ〜１０００μｍの範囲内であるのが好ましく、その長
さは略０．５〜５ｃｍの範囲内であるのが好ましい。さ
らに、前記微細チャンネルの断面は円形、長円形、直方
形、方形、多角形等、任意の断面に形成されうるし、以
下で説明するように、所定方向ヘ断面積を増加させるか
減少させるこことで、内壁と冷媒との間の表面張力の大
きさを調整でき、結果的には冷媒の移動方向を決定でき
るようになる。
【００１５】上記のように、冷媒を充填された熱吸収部
１０６の微細チャンネル１１４に外部の熱源から熱が加
わると、前記微細チャンネル１１４の内部で冷媒の一部
が気化するようになり、これにより、液体状態の冷媒か
らは乱流が発生するようになる。かような冷媒の気化及
び乱流により複数の微細気泡（図示なし）が前記微細チ
ャンネル１１４内で発生し、その微細気泡は冷媒が貯蔵
されていない気体移動部１０４に移動するようになる。
かような微細気泡が気体移動部１０４に移動する距離は
数ｍｍ以下であるため、重力の影響を無視できるように
なることから、貯蔵部１０２が高所にあり、気体移動部
１０４は低所にあるとしても、熱吸収部１０６内の圧力
差により気体の移動が可能になる。
【００１６】上記のような微細気泡の移動は、熱吸収部
１０６に形成されたノード１１６によりー定な方向性を
もつことができる。つまり、図３に示すように、前記微
細チャンネル１１４の貯蔵部１０２に隣接した領域の内
壁面には、複数のノード１１６が突設されているが、か
ようなノード１１６により貯蔵部１０２から気体移動部
１０４の方向（つまり、Ｘ軸の増加方向）へ微細チャン
ネル１１４の断面積が減少するようになり、したがっ
て、その方向ヘ表面張力がを増加するようになる。かよ
うな表面張力の増加により冷媒は貯蔵部１０２から気体
移動部１０４へ移動しようとする潜在エネルギー(poten
tial)をもつようになり、かような冷媒の移動エネルギ
ーの方向により微細気泡の移動方向もＸ軸の増加方向へ
偏るようになる。
【００１７】次に、再度図１を参照すると、前記気体移
動部１０４は初期に空間で形成されるため、前記熱吸収
部１０６から気体移動部１０４へ移動した微細気泡が発
泡されることによって冷媒が気化される。気体状態の冷
媒は前記熱吸収部１０６から噴出されるような状態であ
るため、凝縮部１１０と熱吸収部１０６に隣接した領域
での圧力差により気化された冷媒が凝縮部１１０へ移動
するようになる。
【００１８】一方で、単位体積当りの微細気泡の数が増
すほど、本願の冷却器１００の効率が増すことから、前
記微細気泡の数を人為的に増やすようにすることもでき
る。例えば、熱吸収部１０６の内部表面に微細な溝を削
成して微細気泡の数を増やすことができ、または冷却器
１００にマイクロ波を入力することにより微細気泡の数
を増やすこともできる。
【００１９】次に、前記凝縮部１１０に到達した気体状
態の冷媒は凝縮部１１０で気化エネルギーを喪失し、再
度液体に相変換をするようになる。かような冷媒の凝縮
を効率的にするために、凝縮部１１０に隣接したハウジ
ング１１２の外部に複数のフィン（図示なし）を形成す
ることもできる。 前記フィンは同様に微細構造で形成
し、例えば、マイクロアクチュエータ(micoractuator)
を含むフィンを形成する場合には、凝縮部１１０から外
部へ放出する熱を再活用して周囲の空気を循環させるよ
うに駆動させうる。さらに、熱電素子(thermoelectric
device)を含む微細構造を形成させた場合には、凝縮部
１１０から放出される熱を変換させて生成された電気的
エネルギーを利用して微細駆動に活用する。または、こ
の発明の他の実施形態によると、前記凝縮部１１０の体
積を前記熱吸収部１０６の体積より大きく（例えば、略
１０倍）形成することによって、周囲の対流現象によっ
ても気体が容易に凝縮されうるようにすることもでき
る。さらに、前記フィンは凝縮部１１０の内側にも形成
することができ、かような凝縮部の内側に形成されたフ
ィン（図示なし）は冷媒の凝縮効率を増加させうる。
【００２０】凝縮部１１０では気体が凝縮しつつ集まっ
て大きい液体面を形成するようになるが、凝縮された流
体が大きくなると凝縮部１１０と貯蔵部１０２との間の
微細チャンネルを通して液体状態の冷媒が貯蔵部１０２
へ移動する。
【００２１】凝縮された冷媒が貯蔵部１０２へ移動する
のは、熱吸収部１０６で説明したような原理により行わ
れる。つまり、前記凝縮部１１０の構造は熱吸収部１０
６の構造と類似するように、気体移動部１０４に隣接し
た領域の壁面に複数のノード１１８が形成されている
が、凝縮部１１０に形成されたノード１１８の方向は熱
吸収部１０６に形成されたノード１１６とは逆方向を取
る。かように凝縮されて液化された冷媒は前記貯蔵部ｌ
０２へ復帰するようになり、冷却器１００内での冷媒の
循環が完成される。
【００２２】上記のように、この発明に従う冷却器１０
０内での冷媒の循環は外部の動力が加わらない自体的な
循環であり、特に、液体状態の冷媒の表面張力を利用し
た毛細管現象により冷媒が循環するようになることか
ら、重力に影響されない。これは上記のように熱を吸収
する熱吸収部１０６が複数の微細チャンネル１１４を含
むためであるが、かような微細系では重力の影響より表
面張力の影響がはるかに大きく作用するようになる。
【００２３】上記のように、この発明は微細系の力学的
な特殊性を利用したものであって、かような特性をもつ
微細系は現在広範に知られている多数の方法により形成
できる。例えば、半導体工程を応用したＭＥＭＳ（Micr
o Electro Mechanical System)とか、ＳＡＭ(Self Asse
mbled Monolayer)のような技術を応用するか、半導体装
置を製造するためのレーザまたはプラズマ等を利用した
超精密構造製造方法等がある。
【００２４】次に、図４を参照してこの発明の他の実施
形態について説明する。図４はこの発明の他の実施形態
に沿う冷却器１００’のＸＺ平面での断面図である。図
示のように、この発明の冷却器１００’は前記単層構造
の実施形態を拡張して多層構造に形成されることもでき
る。
【００２５】前記多層構造の冷却器１００’の冷媒循環
周期は次のとりである。つまり、前記単層構造の冷却器
１００におけると同一のメカニズムで熱吸収部１０６’
で吸収された熱により冷媒が気化され、気化された冷媒
が一応移動を開始すると、連続性の原理により気化され
た量と同一量の冷媒が貯蔵部１０２’から熱吸収部１０
６’に補充され、貯蔵部１０２’から流出された量と同
一量の冷媒が凝縮部１１０’から貯蔵部１０２’に補充
される。気化された冷媒は気体移動部１０４’を経て凝
縮部１１０’で再度液化されることによって、凝縮部１
１０’から流出された量を補充させる。かようにして冷
媒の循環が完成される。
【００２６】図示のように、前記冷却器１００’は多層
構造の凝縮部１１０’を含むという点で図１の単層構造
の冷却器１００と区別されうるが、冷媒の循環及び相変
換、それに伴う熱発散等の原理はすべて同一である。前
記多層構造の凝縮部１１０’は断熱層１０８’に分離さ
れた複数の微細チャンネル（斜線領域）によって形成さ
れ、熱吸収部１０６と最も遠く隔れた所に形成された微
細チャンネルの内壁には冷媒の方向性を誘導するための
複数のノード１１８’が形成されている。かようなノー
ドは一定な方向性を保持したまま凝縮部１１０’のすべ
ての微細チャンネルの内壁に形成されうる。さらに、熱
吸収部１０６’にも単層冷却器１００の場合と類似する
ようにノード１１６を形成して冷媒の方向性を誘導す
る。
【００２７】上記のように、凝縮部１１０’を複数の層
に形成することによって、冷媒の凝縮効率を向上せしめ
ることができ、結果的には冷却器１００’の冷却効率を
増大せしめることができる。
【００２８】一方で、この発明の上記技術思想は、凝縮
部または貯蔵部を前記ハウジングの外部に形成して凝縮
部または貯蔵部の体積なり表面積を増大せしめるように
具現せしめることもできる。または、前記凝縮部が前記
熱吸収部と同一の平面上で前記断熱層により仕分けられ
るように形成されて、全体的な肉厚を薄くなるように具
現せしめることもでき、前記熱吸収部の微細チャンネル
は直線形ではなく、曲線形にすることもできる。かよう
に多様な変形例については、これを一いち図示したり詳
細に説明していないが、この発明の技術思想の範囲に属
するものであるということに注意しなければならない。
【００２９】
【発明の効果】上述のように、この発明によれば、高効
率の放熱特性をもつ超小型の冷却器を提供でき、したが
って、この発明の冷却器を装着した装置の性能を向上せ
しめて信頼性を高められる。この発明の技術思想は、上
記好ましき実施形態に沿って具体的に記述されている
が、上記実施形態はそれを説明するためのものであっ
て、それに限定されるものでないことに留意すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態に沿う冷却器のＸＺ
平面での断面を概略に示す断面図である。
【図２】 図１の冷却器のａ−ａ’線矢視断面図であ
る。
【図３】 図１の冷却器の熱吸収部の微細チャンネル
中の１つの概略拡大図である。
【図４】 この発明の他の実施形態に沿う冷却器１０
０’のＸＺ平面での断面図である。
【符号の説明】
１０２ 貯蔵部 １０４ 気体移動部 １０６ 熱吸収部 １０８ 断熱層 １１０ 凝縮部 １１６ ノード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱源からの熱を除去するための冷却装
    置において、 液相冷媒を貯蔵するための貯蔵部と、前記液相冷媒が表
    面張力により一部を充填されて前記熱源から熱が吸収さ
    れると、気化されて気相冷媒となる微細チャンネルを少
    なくとも１つを含み、前記熱源に隣接した領域で前記貯
    蔵部に連結されるように形成された熱吸収部と、該熱吸
    収部に隣接して形成されるが、前記熱吸収部により吸収
    された熱が熱吸収部以外の他の領域に伝達されることを
    防止する断熱層と、前記熱吸収部から離隔されて形成さ
    れるが、前記気相冷媒が凝縮される凝縮部と、前記熱吸
    収部及び前記凝縮部に隣接して形成されるが、前記気相
    冷媒が前記熱吸収部から前記凝縮部へ移動する通路とな
    る気体移動部、及び少なくとも前記熱吸収部を備えるハ
    ウジングを含む冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記ハウジングは、半導体材料、積層
    材料、金属材料とその合金材料、セラミック材料及び結
    晶材料とから構成された集合から選択された材料にて形
    成された請求項１に記載の冷却装置。
  3. 【請求項３】 前記微細チャンネルは、その幅が略１
    ０-9ｍ〜１０-3ｍの範囲内であり、その長さは略０．５
    ｃｍ〜５ｃｍの範囲内になるように形成された請求項１
    に記載の冷却装置。
  4. 【請求項４】 前記微細チャンネルは、前記貯蔵部か
    ら前記気体移動部に向ける方向ヘ断面積を減少させる少
    なくとも１つのノードがその内壁に形成された請求項１
    に記載の冷却装置。
  5. 【請求項５】 前記凝縮部は、少なくとも１つの微細
    チャンネルを含み、前記微細チャンネルは、前記気体移
    動部から前記貯蔵部に向ける方向ヘ断面積を減少させる
    少なくとも１つのノードがその内壁に形成された請求項
    １に記載の冷却装置。
  6. 【請求項６】 前記凝縮部は、少なくとも１つの微細
    チャンネルを含み、前記微細チャンネルは、前記気体移
    動部から前記貯蔵部に向ける方向へ断面積が減少される
    少なくとも１つのテーパ部を形成された請求項１に記載
    の冷却装置。
  7. 【請求項７】 前記凝縮部は、前記熱吸収部の体積よ
    りさらに大きい体積をもつように形成された請求項１に
    記載の冷却装置。
  8. 【請求項８】 前記凝縮部に隣接したハウジングの外
    壁に熱の放出を容易ならしめるためのフィンをさらに含
    む請求項１に記載の冷却装置。
  9. 【請求項９】 前記凝縮部の内壁に熱の放出を容易な
    らしめるためのフィンをさらに含む請求項１に記載の冷
    却装置。
  10. 【請求項１０】 前記熱吸収部は、微細気泡を容易に
    発生せしめるため、その内部表面に微細な溝を含む請求
    項１に記載の冷却装置。
  11. 【請求項１１】 前記凝縮部は、複数の層を形成する
    複数の微細チャンネル及び前記複数の層間を断熱せしめ
    るための複数の断熱層を含む請求項１〜８中のいずれか
    の１に記載の冷却装置。
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