JP3941537B2 - Heat transport equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロチャンネル及びマイクロポンプを用いた熱輸送装置の薄型化を図るための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
放熱や冷却用のデバイスとして、ヒートパイプやヒートシンク、放熱フィン等が広く使用されており、基本的には、蒸気の流れや放熱後の流体の戻り等が繰り返されて熱交換や冷却が行われる。
【0003】
ところで、近時の電子デバイス技術やマイクロマシン技術の発達を受けて、これまでよりもコンパクトで熱伝導特性が良いデバイスを目指し、半導体シリコンプロセスを利用した、所謂MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技術が着目されている。例えば、局所的な高密度の熱源に対応した冷却素子等には、「マイクロチャンネル」と称するデバイスが用いられており、幅数十μm(ミクロン)、深さ100μm程度の微小フィンをシリコン基盤に多数形成して各チャンネル(通路)に冷媒流体を通過させることで冷却を行える。また、この他、流体強制振動板を用いた閉鎖型マイクロチャンネル等ではみかけの熱伝導率が銅の熱伝導率よりも遥かに上回る性能をもっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置にあっては、放熱デバイスや冷却デバイスの薄型化やコンパクト化に関して一定の限界があり、その結果、熱源に対して当該デバイスを付設した場合に装置の小型化を妨げる要因になってしまうという問題がある。
【0005】
例えば、厚さ1mm、幅10mm、長さ50mmのヒートパイプ等では1cm2当たり数ワットという能力限界によって大きな放熱面積や伝熱面積を必要とし、超小型の装置には適用できなくなってしまう。
【0006】
また、マイクロチャンネルを用いたデバイスにおいて冷媒の強制的な循環を行うには何らかのポンピング作用をもった素子(マイクロポンプ)が必要になるが、マイクロチャンネル及びマイクロポンプを独立に設けて冷媒の循環流路をそれぞれに形成したのでは、熱輸送系全体としての配置スペースを少なくすることが困難であり、熱輸送に係る熱密度を高めることが難しい。
【0007】
そこで、本発明は、マイクロチャンネル及びマイクロポンプを用いた熱輸送装置において、薄型化を図り、伝熱特性を向上させることを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、冷媒を通過させるために平行に形成された複数の微小チャンネルを有するチャンネル層と、該チャンネル層の一方の表面に積層され、上記各微少チャンネルの両端部に連通する複数の端部側ビアホール及び上記各微少チャンネルの中間部に連通する複数の中間部側ビアホールを有するスルーホール層と、該スルーホール層の上記チャンネル層とは反対側に積層され、両端部にて上記端部側ビアホールと連通し中間部にて上記中間部側ビアホールと連通する冷媒の流路を成す微少ポンプが複数個形成されたポンプ層と、を有し、上記各微少チャンネルに上記端部側ビアホール及び上記中間部側ビアホールを通じて上記各微少ポンプと連通されることにより気泡駆動型のサーマルポンプが構成されるようにし、上記各微少ポンプの中間部に絞り込み部を有することを特徴とする 。
【0009】
従って、本発明によれば、熱輸送装置をチャンネル層とスルーホール層とポンプ層を積層した積層構造にし、チャンネル層に形成された微小チャンネルとポンプ層に形成された微小ポンプとを、チャンネル層とポンプ層との間に介在せしめられたスルーホール層のビアホールにより連通して一体化し、以て、冷媒の循環を促す気泡駆動型ポンプを構成することができ、冷媒効果のある熱輸送装置を薄型にすることができる。
そして、各微小ポンプの中間部に、流路の絞り込みにより幅を狭くした絞り込み部分を形成するので、簡単な構造でポンプ効果をより強めることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、冷媒を通過させるための微小チャンネル(マイクロチャンネル)と冷媒を輸送するための微小ポンプ(マイクロポンプ)を使用した薄型の熱輸送装置に関するものであり、冷却素子や熱交換器等に幅広く適用することができる。
【0011】
そして、本発明に係る熱輸送装置については、微小チャンネルと微小ポンプを一体化させるに当たって、下記のような形態が挙げられる。
【0012】
▲1▼チャンネル層とポンプ層を積層し、あるいは積層したものを多層化する形態。
【0013】
▲2▼チャンネルとポンプとを一体化して1つの単位構造とし、当該構造を複数並設させた形態。
【0014】
先ず、形態▲1▼の例を図1に示す。本例はマイクロチャンネルが形成されたチャンネル層と、マイクロポンプが形成されたポンプ層とを積層した構造を備えており、熱源HGに対する熱輸送装置1(例えば、冷却や除熱装置)として用いられる。図1(A)はその側面図である。
【0015】
熱輸送装置1はマイクロチャンネル層2、マイクロビア・スルーホール層3、マイクロポンプ層4の積層構造を有しており、各層は融着等により結合されている。
【0016】
図1(B)には各層の上面図を示す。また、図1(C)は熱輸送装置1を矢印Dの方向から見た際の側面図である。3層のうち、熱源HGに直接接触しているのがマイクロチャンネル層2であり、多数のマイクロチャンネル2a、2a、…が互いに平行な関係をもって形成されている。各チャンネルには冷媒(例えば、FC72、FC75等、フロン系のものが挙げられるが、これに限らず空気や水、エタノール等でも良い。)が通過することで、熱源HGからの熱が伝達される。
【0017】
マイクロチャンネル層2の上層にはマイクロビア・スルーホール層3が形成されており、熱絶縁材料で形成された基材に対して、黒丸で示すスルーホール3a、3a、…と、白丸で示すビアホール3b、3b、…が形成されている。尚、各スルーホール3aは熱輸送装置1の長手方向(マイクロチャンネルの形成方向に沿う方向)における両端寄りの場所に形成されていて、マイクロチャンネルとマイクロポンプの流路を繋いでいる。また、各ビアホール3bは、マイクロポンプの駆動に必要な熱供給のために用いられ、銅等の熱伝導性の良い材料が孔内に埋設されている。
【0018】
マイクロポンプ層4には、複数のマイクロポンプ4a、4a、…が形成されている。本例においては、各マイクロポンプには気泡駆動型のサーマルポンプ(熱的効果だけで駆動することができるマイクロポンプ)が用いられている。
【0019】
図2はその基本構成についての説明図であり、流路の一部を絞り込んで細くした構成によりマイクロポンプ4aが形成されている。
【0020】
そして、(A)図では、流体出口の手前にヒータ5が設けられていて、当該ヒータの加熱によって(B)図に示すように、気泡6が発生する。この気泡の振動を利用したポンピング作用を利用することで、(C)図のように流体を送り出すことができる。
【0021】
尚、このようなマイクロポンプで発生する最大圧については、表面張力及び流路の最大半径、最小半径から決まるラプラスの式によって良く説明されることが知られている。ここで、加熱源として図2に示すようにヒータを利用すると、外部からの電力の供給が必要になり効率が落ちるという問題がある。そこで図1に示すように当該ヒータの代わりに熱源HGからの熱そのものを利用することが好ましい。本例においては、マイクロチャンネル2aからビアホール3bを介してマイクロポンプ4aに直接熱を伝達させている。
【0022】
従って、本例では、冷媒がマイクロチャンネル層2とマイクロポンプ層4との間やスルーホール3aを介して両層の間で循環され、これにより、熱源HGからの熱が各マイクロチャンネルを介して冷媒により輸送される冷却系が形成されることになる。
【0023】
マイクロチャンネル層とマイクロポンプ層の形成方法の例を図3の(A)乃至(F)に示す。プラスチック等の基材7を用意し((A)図)、その両面には、(B)図に示すようにイオン注入処理(PBII処理)でストップ層(あるいは表面改質層)8、8を形成する。そして、(C)図に示すようにマスクパターニングを行う。マスクMPには、フォトレジスト樹脂、金属やセラミック等が用いられる。その後(D)図に示すように02(酸素)ビームエッチング等のドライエッチングによる開口9の形成を経て、(E)図に示すように、リモネン(d−C10H16)等による化学エッチングにより当該開口から基材を部分的に除去する。すなわち、エッチング溶液槽に浸して溶解させることにより、(F)図に示すように、通路10としてチャンネルやポンプ流路等を形成する。
【0024】
また、チャンネル層及びポンプ層を構成する基材が可撓性に富む材料(例えば、ポリマーフィルムや、フレキシブル基板等に使用される樹脂材料等)を用いることによって、柔軟性に富むマイクロチャンネルやマイクロポンプを形成することができる。すなわち、フィルム層に各デバイスを形成することができる。したがって、熱輸送装置を曲げて使用したり、あるいは所望の曲面に沿う使用形態が可能となり、適用範囲を拡大させることができる。特に、小型化や薄型化のために配置スペースに余裕のない装置等において有効である。
【0026】
図4は気泡駆動型のマイクロポンプの形成方法の概要について一例を示したものである。
【0027】
先ず、(A)図に示すように、基材11の両面にイオン注入層12、12をそれぞれ形成してその上に薄膜13、13を形成する。そして、(B)図に示すように、イオンビームエッチングにより開口14を形成した後、(C)図に示すように、リモネンエッチングでテーパー状の円穴15(正確には、ほぼ円錐台状をした有底穴)を形成する。(C′)図は円穴15を下面から見た図である。そして、(D)図に示すように円穴15に圧電体16(あるいは圧電薄膜)を固定し(あるいは形成し)、その駆動用電極17、17を付設することで圧電駆動型ポンプ18aを形成する。圧電駆動型ポンプ18aは外部からの信号によって圧電体16を駆動することにより薄膜13を振動させることで、冷媒のポンピングを行うことができる。すなわち、ポンプに面した流路に沿って冷媒が送り出される。
【0028】
図5は複数の圧電駆動型ポンプ18a、18a、…を基材に形成したマイクロポンプアレイ18を示している。図5(A)は圧電体の配置穴の方向からみた図を示し、図5(B)は側面図を示す。尚、ここで19、19、…は冷媒流路をそれぞれ示している。
【0029】
図6は上記マイクロポンプアレイ18を使った熱輸送装置の構成例20を示すものである。
【0030】
熱源HGにはマイクロチャンネル層2が付設されており、当該チャンネル層の上にはマイクロビア層(ビアホール21a、21a、…だけを形成した層)21が設けられている。そして、フレキシブル基材等を用いた流体平板パイプ22、23が配置されている。なお、図6では説明の便宜上、各層を積層して描いていないが、実際の構成では、マイクロチャンネル層2及び流体平板パイプ23からなる層と、マイクロポンプ層24及び流体平板パイプ22からなる層とを積層した構造にして薄型の熱輸送装置20を構成する。これらの流体平板パイプは冷媒(FC75等)の流路であって、かつ放熱部分としても機能する。
【0031】
上記マイクロポンプアレイ18を含むポンプ層24は、流体平板パイプ22から冷媒を引き込んで流体平板パイプ23に対して送り出す役目を有している。
【0032】
本構成では、マイクロチャンネル層2と流体平板パイプ22、23を用いた冷媒の流路上にマイクロポンプ層24を設けることで冷媒の強制循環系を形成しており、熱源HGからマイクロチャンネル層2を介して流体平板パイプに熱が伝わって放熱されるとともに、マイクロビア層21からも放熱がなされる。
【0033】
また、以上の説明では、マイクロチャンネル層とマイクロポンプ層とをそれぞれ1つずつ組み合わせた基本例についてだけ説明したが、複数の層を積層することにより多層構造のデバイスを容易に形成することができる。
【0034】
次に、上述した形態▲2▼の構成について説明する。
【0035】
本形態では、マイクロチャンネルとマイクロポンプが一体化された単位(ユニット)構造を有しており、当該構造を並列的又は規則的に配置することで所謂マルチ化や拡張性を得ることができる。
【0036】
図7は、そのような構成をとる熱輸送装置25を示したものであり、マイクロチャンネル26(図には単に細長い直方体として簡略化して示す。)の上に、マイクロポンプ27を配置した単位構造を持っている。尚、本例では気泡駆動型のマイクロポンプを使用しているため、当該ポンプとマイクロチャンネル26との間には、マイクロポンプへの熱供給用にビアホールの形成部28が設けられている。上述したような圧電駆動型のマイクロポンプを使用する場合には、このような部分は不要である。代わりに、圧電体の駆動電極との配線用基板(フレキシブル基板等)が必要になる。
【0037】
尚、図7においてはマイクロチャンネル26及びマイクロポンプ27を含む熱輸送ユニットのうちの1つを便宜的に上方にずらして、当該ユニットに関する冷媒の流れを模式的に矢印で示している。このような構造をもった熱輸送ユニットを並列的に配置することにより、熱輸送路のマルチ化を図ることができる。
【0038】
また、図示の便宜上、熱輸送ユニットの基材を省略しているが、可撓性材料を用いたフレキシブル基材に各チャンネルやポンプ等を形成することができる。
【0039】
図7では、マイクロチャンネルとマイクロポンプとを積層方向において一体化した構成を示したが、これに限らず、マイクロチャンネルにより形成される冷媒流路の一部に1個又は複数個のマイクロポンプを形成した単位構造を採用しても構わない。例えば、薄い平面基材(フレキシブル基材)上で環状にループを形成して、ポンプ部分とチャンネル部分とから成る冷媒流路を同一平面上に配置した構成形態が挙げられる。これについては後で詳述する。
【0040】
そして、本形態▲2▼と上記形態▲1▼については、それぞれ独立に用いることができるが、用途に応じて両者を併用することによって実施形態の幅を広げることも可能である。
【0041】
図8は本発明による熱輸送デバイスの使用例を示したものであり、フィルムシート状をした熱輸送デバイス29が発熱体30と、放熱板31とに跨がって配置されている。この場合の熱輸送デバイス29は、同図の大円枠内においてその断面構造を拡大して示すように、マイクロチャンネル層2とマイクロポンプ層4あるいは当該ポンプ層及びビア・スルーホール層を含む層とを交互に積層した多層構造になっており、各層の基材には可撓性材料(ポリマー材等)が使用されているので、フレキシビリティの面で使い易く、また、曲げ応力による変形等にも耐えられるという利点がある。このとき、各層の厚みは数十μm〜100μm程度であるため、多層化しても全フィルム厚がそれほど大きくはならない。例えば、全体で1mm以下の厚みに抑えることができるので、充分に薄型化が図られる。
【0042】
また、図9は別の使用例を示したものであり、マイクロチャンネル層とマイクロポンプ層とを含むフィルムシート状の熱輸送デバイス32の上に発熱体33と放熱板34をそれぞれ取り付けた例を示している。そして、この場合にも、各層の基材には可撓性に富む材料が使用されているので、冷媒流路の曲げ等に対して柔軟に対処することができる。例えば、携帯用のコンピューター装置等において、2つの筐体部がヒンジ結合された構造を有する場合に、CPU(中央処理装置)等の発熱体に対して熱輸送デバイス32を設け、当該発熱体とは別の筐体内に放熱板34を配置して当該熱輸送デバイスにより発熱体と放熱板とを熱的に結合させた放熱構造や冷却構造を実現することができる。
【0043】
尚、熱輸送デバイスについては、特に熱密度の高い発熱体の除熱や冷却に効果的であり、前記したように、形態▲1▼の積層構造を用いた多層化によるもの、あるいは、形態▲2▼の単位構造を用いたマルチ化によるものが挙げられるが、例えば、図10に示すように、マイクロポンプ層(図には圧電駆動型のマイクロポンプアレイ18を用いた例を示すが、気泡駆動型ポンプを使用しても良い。)をフィルム状に形成したフレキシブルなポンプ35、35、…を放熱板34に固定して放熱効率を高めるといった、各種の組み合わせによる実施形態が考えられるので非常に幅広い応用が期待できる。その応用範囲の全てを示すことは困難であるが、例えば、高温発熱のモータに付設して使用できるようにした放熱用デバイスや、小型ハードディスクドライブ装置において、脱着可能なカートリッジ式ディスク(回転時に高温となる)を冷却するためのデバイス等への各種適用が挙げられる。
【0044】
また、冷媒流路を形成するマイクロチャンネルについては、これを開放型の構成とする実施形態と、閉路型の構成とする実施形態が挙げられる。
【0045】
図11は、マイクロチャンネルを閉ループ状(無端環状)に形成することで、閉路型の構成とした場合を示す概念図である。
【0046】
図中に示す閉曲線36がマイクロチャンネルによる循環流路を示しており、その途中において、記号「P」で示す部分がマイクロポンブを示している。
【0047】
このマイクロポンプについては、気泡駆動型でも圧電駆動型でも良いが、駆動電力を必要としないという観点からは前者が望ましい。そして、その場合には、マイクロチャンネルの一部を絞り込んで狭くした部分としてマイクロポンプを形成する。つまり、微小チャンネルと、その一部を絞り込んで狭くした部分として形成される微小ポンプを閉ループ状に形成することで循環流路が形成され、このような流路を、同一平面内において複数配置した構造を用いることで熱輸送の効率を高めることができる。
【0048】
マイクロポンプPは、図に一点鎖線の四角枠で示す熱源HGの近辺に設けられるが、当該熱源HGの温度分布が均一ではなく、例えば、点「Hs」において局所的に高温となるものとすると、気泡駆動型の場合、ポンプの位置から当該点Hsに向かう方向(図の矢印Yに示す方向)に冷媒の流れが決定される。よって、冷媒は流路内を移動して、熱源HGから離れた場所で放熱板等の除熱手段や冷却手段によって冷やされた後に、再びマイクロポンプに戻ってくるという経路に従って循環される。
【0049】
尚、流路に充填する冷媒としては、取り扱い易さや安全性等を考慮すると、水やエタノール等が好ましく、例えば、マイクロチャンネルにおける狭径部分として形成されるポンプ付近で熱を受けて冷媒が気相状態となり、その後に冷やされて液相状態となって再び熱源の付近まで戻るというサイクルが繰り返されることになる。
【0050】
また、気泡駆動型ポンプの場合、図2に示したように、チャンネルの狭径部分において、その中央位置からややずれた位置に熱を加えているが、これに限らず当該狭径部分から離れたチャンネル部分を加熱しても、同様のポンピング作用が得られることが分かっている。よって、マイクロチャンネルにおける狭径部分に限らず、一定径のチャンネル部分を加熱する構成形態でも構わない。このとき冷媒の流れは、狭径部分と加熱部分との位置関係によって規定され、狭径部分から加熱部分へ向かう方向となる。
【0051】
尚、図11では、循環流路においてマイクロポンプを一箇所設けているが、複数のポンプを形成した構成でも良い。
【0052】
図12乃至図14は、上記閉路型の構成例について示したものである。
【0053】
図12において、CPU等の発熱体37が基板上に配置されており、当該発熱体に対してフィルムシート状の熱輸送装置38が貼り付けられている。
【0054】
熱輸送装置38は、ポリマー材等の可撓性材料を用いた基材に微小な溝を形成することで、互いに交差しない閉ループ状のマイクロチャンネルが多数形成されている。そして、当該基材のうち溝が形成された面がカバー部材(フィルム材)で被覆された構成を有している。図12や図13において、トラック状配置の閉曲線群39が冷媒(水等)の循環流路を表している。
【0055】
図12において、熱輸送装置38の一部が発熱体37の高温部37aに接触しており、一点鎖線の枠40で示す部分にはマイクロポンプが個々の循環流路にそれぞれ形成されている。また、同図に示す縦線Tの右側には、図示しない放熱板や除熱板、伝熱板等が配置されており、これらに対して熱輸送装置の一部(右側部分)が接触している。
【0056】
図13、図14は熱輸送装置における断面構造を概略的に示したものである。
【0057】
閉曲線群39で示す各循環流路は、一定幅で所定の深さをもった溝として形成されるマイクロチャンネル41と、当該チャンネルの狭径部分(幅又は深さを小さくした部分)として形成されるマイクロポンプ42によって構成されている。
【0058】
図13には、マイクロチャンネルとマイクロポンプについて、それらの一部を拡大して示しており、ここでは模式的に透明部材として示す。また、図14にはマイクロポンプの要部(基材に形成された溝部)だけを示している。
【0059】
例えば、1つの閉ループについては、それを形成するチャンネルの一部を絞り込んで狭くした部分としてポンプ部42aが形成され、当該部分以外については一定幅のチャンネルが形成されている。
【0060】
尚、基材に形成された溝部についてはポンプ部を除いて、その幅(w)や深さ(d)を一定に規定する形態が作成上は簡単であるが、場合によっては深さ等を、流路上での位置に応じて連続的に又は段階的に変化させることで局所的に流路の断面積が異なるように設計しても良い。
【0061】
また、上記したように、気泡駆動型ポンプの場合、熱源に近づく方向に向けて冷媒が移動されるので、例えば、図12において、丸い枠40で示すポンプ部分よりも左側にホットスポットが存在する場合には、閉曲線群39で示す流路内を、冷媒が反時計回り方向に移動することになる。例えば、CPU等では、その表面において均一な温度分布をもたず、局所的に高温となる箇所が存在しているので、ポンプ部(チャンネルの狭径部)の位置を、当該高温の箇所から故意にずらした配置を採れば良い。これにより、ポンピング作用のための積極的な熱源を設ける必要がなくなる。
【0062】
しかして、本例では、マイクロポンプによって輸送される冷媒が、発熱体によって加熱された後、循環流路に沿って移動し、放熱板等で冷やされてから再びポンプに戻るというサイクルが繰り返されることで、発熱体から放熱板等への熱伝達を効率良く行うことができる。
【0063】
そして、熱輸送装置38については、非常に薄いシート状に形成されているので、これを幾重にも積み重ねて使用することで、さらに効果的に熱伝達を行うことが可能となり、配置スペースも少なくて済む。
【0064】
また、微小チャンネル及び微小ポンプを含む流路を閉ループ状に形成することで冷媒の循環流路を比較的自由に形成することができるので、設計自由度が高い。上記した例では、それぞれ同心半円状をなした部分を、2組の直線路で繋いだ、「競技場のトラック」の如き形状の流路を示したが、そのような形状に限られる訳ではなく、また分岐の有無を問わないので、例えば、複数の熱源に跨がる流路形状等が可能である。
【0065】
図15は、複数の熱源に対してそれぞれに設けられる熱輸送装置を互いに繋いで流路を形成した例を示すものであり、分岐した流路をもって熱輸送装置が接続されている。
【0066】
本例において、各回路基板43、44上には複数のIC(集積回路)がそれぞれ実装されており、それらの中でも発熱量が多いICが発熱体(熱源)とされる。例えば、一方の基板43上に配置されたIC43a、43a、…のうち、IC43a1に対して熱輸送装置(デバイス)45が付設され、また、IC43a2に対して熱輸送装置46が付設されている。
【0067】
また、他方の基板44上に配置されたIC44a、44a、…のうち、IC44a1に対して熱輸送装置47が付設されるとともに、基板44上には放熱部(あるいはヒートシンク)48が設けられている。
【0068】
熱輸送装置45乃至47については、それらの基材の表面上で平面的に形成したチャンネルとポンプ部分(気泡駆動型)を含む流路がループ状に形成された基本構造を有している。したがって、複数の各流路が同一平面上に形成されており、発熱体であるICの熱を動力としてポンプ駆動される。
【0069】
例えば、図示にように、熱輸送装置46については、複数のマイクロチャンネルからなる2つの流路部分46A、46Aをもって放熱部48との間で熱交換が行われる。つまり、熱輸送装置46の一部が、発熱部分であるIC43a2の表面に貼り付けられており、ここで加熱された冷媒(水等)が一方の流路部分46Aを経てから放熱部48において熱を放出した後、再びIC43a2の表面に貼り付けられた部分へと戻っていく。
【0070】
また、放熱部48に接続される流路部分のうち、あるものは分岐して熱輸送装置45や47にそれぞれ接続されている。即ち、熱輸送装置47と放熱部48とを繋ぐ2つの流路部分47A、47Bのうち、その一方47Aについては途中でT状に枝分かれして基板43側に向かって延びており、さらには熱輸送装置45から基板44側に向かって延びる流路部分45A、45Aへと繋がっている。従って、これらの流路部分に形成されたマイクロチャンネルを通して各熱輸送装置と放熱部48との間で熱交換が行われる(つまり、基板上でのICの実装位置において加熱された冷媒がそれぞれの流路部分を経て放熱部分に到達してここで熱を放出した後、再び各ICの実装位置へと戻っていく。)。
【0071】
このように、発熱部分が複数存在する場合であっても、流路配置や形状等について自由に設計することが可能である。また、各熱輸送装置の基材として可撓性に富む樹脂材料を用いて容易に曲げられるように作成して柔軟性を持たせることが可能であり、薄い平面状の装置としてこれを発熱部分に貼り付けて使用することができる。さらには、同一平面上に多数の流路を形成したシート状の装置をさらに積層した構成にして使用することも可能である。
【0072】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項1、請求項2に係る発明によれば、熱輸送装置をチャンネル層とスルーホール層とポンプ層を積層した積層構造にし、チャンネル層に形成された微小チャンネルとポンプ層に形成された微小ポンプとを、チャンネル層とポンプ層との間に介在せしめられたスルーホール層のビアホールにより連通して一体化し、以て、冷媒の循環を促す気泡駆動型ポンプを構成することができ、冷媒効果のある熱輸送装置を薄型にすることができる。
そして、各微小ポンプの中間部に、流路の絞り込みにより幅を狭くした絞り込み部分を形成するので、簡単な構造でポンプ効果をより強めることができる。
また、請求項2に係る発明のように、上記チャンネル層の微小チャンネルと上記ポンプ層の微小ポンプとが上記スルーホール層の上記端部側ビアホール及び上記中間部側ビアホールを介して一体化された単位構造を複数備えた構成にした場合には、単位構造の数を増やすことにより、簡単に熱伝導性を高めることができる。
【0074】
請求項3に係る発明によれば、微小チャンネル及び微小ポンプによる閉ループの流路内で冷媒を循環させて熱輸送を行うことができるので、このような閉ループを数多く並設することで除熱や冷却の効率を高めることができる。
【0075】
請求項4に係る発明によれば、基材を可撓性材料によって形成することにより、曲げ応力等に対して柔軟なデバイスを作ることができ、曲率をもった流路の形成に関して容易に対処できるようになるので、使い易さが格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る熱輸送装置の構成例を示す図であり、(A)は積層構造を示す図、(B)は各層の上面図、(C)は方向Dから見た側面図である。
【図2】気泡駆動型ポンプの基本構成の説明図である。
【図3】マイクロチャンネルやマイクロポンプの流路形成方法についての説明図である。
【図4】圧電駆動型ポンプの形成方法に関する説明図である。
【図5】マイクロポンプアレイを概略的に示す図である。
【図6】熱輸送装置の構成例を概略的に示す図であり、側方からみた構成及び各部の形状等を併せて示す。
【図7】単位構造の繰り返し配列により形成される熱輸送装置の構成例を示す図である。
【図8】本発明による熱輸送装置の使用例を示す図である。
【図9】本発明による熱輸送装置の別の使用例を示す図である。
【図10】マイクロポンプアレイの使用例を示す図である。
【図11】マイクロチャンネルを閉ループ状に形成した構成形態を示す概念図である。
【図12】図13及び図14とともに、閉路型の構成例について示したものであり、本図は平面から見た概略図である。
【図13】熱輸送装置におけるマイクロチャンネルとマイクロポンプの一部を拡大して示す図である。
【図14】マイクロポンプの要部を示す図である。
【図15】複数の熱源に対してそれぞれに熱輸送装置を設けて繋いだ実施形態の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…熱輸送装置、2…チャンネル層、2a…チャンネル、4…ポンプ層、4a…ポンプ、25…熱輸送装置、26…チャンネル、27…ポンプ、38、45、46、47…熱輸送装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for reducing the thickness of a heat transport device using a microchannel and a micropump.
[0002]
[Prior art]
As heat dissipation and cooling devices, heat pipes, heat sinks, heat dissipation fins, etc. are widely used. Basically, heat exchange and cooling are performed by repeating the flow of steam and return of fluid after heat dissipation. .
[0003]
By the way, with the recent development of electronic device technology and micromachine technology, so-called MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology using a semiconductor silicon process has been developed aiming for a more compact device with better heat conduction characteristics than before. It is attracting attention. For example, a device called a “microchannel” is used for a cooling element corresponding to a local high-density heat source, and a micro-fin having a width of several tens of μm (microns) and a depth of about 100 μm is used as a silicon substrate. Cooling can be performed by forming a large number and allowing the refrigerant fluid to pass through each channel (passage). In addition, a closed microchannel using a fluid forced vibration plate has an apparent thermal conductivity far exceeding the thermal conductivity of copper.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional apparatus, there is a certain limit regarding thinning and compacting of the heat dissipation device and the cooling device. As a result, when the device is attached to the heat source, it is a factor that hinders downsizing of the apparatus. There is a problem of becoming.
[0005]
For example, 1 cm for a heat pipe having a thickness of 1 mm, a width of 10 mm, and a length of 50 mm2The capacity limit of several watts per unit requires a large heat-dissipating area and heat-transfer area, and cannot be applied to ultra-small devices.
[0006]
In addition, in order to forcibly circulate the refrigerant in a device using a microchannel, an element (micropump) having some kind of pumping action is required. However, a microchannel and a micropump are provided independently to circulate the refrigerant. If each path is formed, it is difficult to reduce the arrangement space of the entire heat transport system, and it is difficult to increase the heat density related to heat transport.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to reduce the thickness and improve the heat transfer characteristics in a heat transport device using a microchannel and a micropump.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention allows a refrigerant to pass through.Plural formed in parallel toWith a small channelChannel layerWhen,Laminated on one surface of the channel layer;the aboveeachOf the minute channelA through-hole layer having a plurality of end-side via holes communicating with both end portions and a plurality of intermediate-side via holes communicating with the middle portion of each of the microchannels, and the through-hole layer laminated on the opposite side of the channel layer; A pump layer in which a plurality of micro pumps are formed that form a refrigerant flow path that communicates with the end-side via hole at both ends and communicates with the intermediate-side via hole at an intermediate portion.When,HaveA bubble-driven thermal pump is configured by communicating with each micropump through each of the microchannels through the end side via hole and the intermediate side via hole, and a narrowing portion is provided in the middle of each micropump. It is characterized by having .
[0009]
Therefore, according to the present invention,The heat transport device has a laminated structure in which a channel layer, a through-hole layer, and a pump layer are laminated, and a microchannel formed in the channel layer and a micropump formed in the pump layer are interposed between the channel layer and the pump layer. A bubble-driven pump that facilitates the circulation of the refrigerant can be configured by communicating with and integrated with the via hole of the through hole layer that has been damped, and the heat transport device having the refrigerant effect can be made thin..
And since the narrowing part which narrowed the width | variety by narrowing of a flow path is formed in the intermediate part of each micropump, a pump effect can be strengthened more with a simple structure.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin heat transport device that uses a micro channel (micro channel) for passing a refrigerant and a micro pump (micro pump) for transporting the refrigerant, and is used in a cooling element, a heat exchanger, and the like. Can be widely applied.
[0011]
And about the heat transport apparatus which concerns on this invention, when integrating a microchannel and a micropump, the following forms are mentioned.
[0012]
(1) A mode in which the channel layer and the pump layer are laminated or the laminated layer is made into a multilayer.
[0013]
(2) A form in which a channel and a pump are integrated into one unit structure, and a plurality of such structures are arranged side by side.
[0014]
First, an example of the form (1) is shown in FIG. This example has a structure in which a channel layer in which a microchannel is formed and a pump layer in which a micropump is formed, and is used as a heat transport device 1 (for example, a cooling or heat removal device) for the heat source HG. . FIG. 1A is a side view thereof.
[0015]
The heat transport device 1 has a laminated structure of a
[0016]
FIG. 1B shows a top view of each layer. FIG. 1C is a side view of the heat transport device 1 as viewed from the direction of arrow D. Of the three layers, the
[0017]
A micro via / through
[0018]
In the
[0019]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the basic configuration, and the
[0020]
In FIG. 6A, a heater 5 is provided in front of the fluid outlet, and bubbles 6 are generated by the heating of the heater, as shown in FIG. By using the pumping action utilizing the vibration of the bubbles, the fluid can be sent out as shown in FIG.
[0021]
It is known that the maximum pressure generated by such a micropump is well explained by the Laplace formula determined from the surface tension and the maximum and minimum radii of the channels. Here, when a heater is used as a heating source, as shown in FIG. 2, there is a problem in that efficiency is lowered because an external power supply is required. Therefore, it is preferable to use the heat from the heat source HG instead of the heater as shown in FIG. In this example, heat is directly transferred from the
[0022]
Therefore, in this example, the refrigerant is circulated between the
[0023]
An example of a method for forming the microchannel layer and the micropump layer is shown in FIGS. A
[0024]
In addition, the base material constituting the channel layer and the pump layer is made of a highly flexible material (for example, a polymer film, a resin material used for a flexible substrate, etc.), so that the flexible microchannel or microchannel can be used. A pump can be formed. That is, each device can be formed on the film layer. Therefore, the heat transport apparatus can be bent and used, or can be used along a desired curved surface, and the application range can be expanded. In particular, it is effective in an apparatus or the like that does not have a sufficient arrangement space for downsizing and thinning.
[0026]
Figure 4Bubble-driven microAn example of an outline of a method for forming a pump is shown.
[0027]
First, as shown in FIG. 5A, ion implantation layers 12 and 12 are formed on both surfaces of a
[0028]
FIG. 5 shows a
[0029]
FIG. 6 shows a configuration example 20 of a heat transport device using the
[0030]
A
[0031]
The
[0032]
In this configuration, the
[0033]
In the above description, only the basic example in which each of the microchannel layer and the micropump layer is combined has been described. However, a multilayered device can be easily formed by stacking a plurality of layers. .
[0034]
Next, the configuration of the above-described form (2) will be described.
[0035]
In this embodiment, a unit structure in which microchannels and micropumps are integrated is provided, and so-called multi-scaling and expandability can be obtained by arranging the structures in parallel or regularly.
[0036]
FIG. 7 shows a
[0037]
In FIG. 7, one of the heat transport units including the
[0038]
Moreover, although the base material of a heat transport unit is abbreviate | omitted for convenience of illustration, each channel, a pump, etc. can be formed in the flexible base material using a flexible material.
[0039]
Although FIG. 7 shows a configuration in which the microchannel and the micropump are integrated in the stacking direction, the present invention is not limited to this, and one or a plurality of micropumps are provided in a part of the refrigerant flow path formed by the microchannel. The formed unit structure may be adopted. For example, a configuration in which a loop is formed in an annular shape on a thin flat base material (flexible base material), and a refrigerant flow path composed of a pump portion and a channel portion is arranged on the same plane. This will be described in detail later.
[0040]
The form (2) and the form (1) can be used independently, but the width of the embodiment can be expanded by using both in combination according to the application.
[0041]
FIG. 8 shows an example of use of the heat transport device according to the present invention. A
[0042]
FIG. 9 shows another example of use, in which a
[0043]
The heat transport device is particularly effective for heat removal and cooling of a heat generating element having a high heat density. As described above, the heat transport device is based on a multilayer structure using the laminated structure of the form (1), or the form ▲ Examples of the multi-pump using the unit structure of 2 ▼ are shown in FIG. 10. For example, as shown in FIG. 10, a micropump layer (in the figure, an example using a piezoelectric pump
[0044]
Moreover, about the microchannel which forms a refrigerant | coolant flow path, embodiment which makes this an open type structure and embodiment which makes a closed circuit type structure are mentioned.
[0045]
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a case where a microchannel is formed in a closed loop shape (endless ring shape) to form a closed circuit configuration.
[0046]
A
[0047]
The micropump may be either a bubble driving type or a piezoelectric driving type, but the former is desirable from the viewpoint of not requiring driving power. In that case, a micropump is formed as a narrowed part by narrowing a part of the microchannel. In other words, a circulation channel is formed by forming a micro channel and a micro pump formed as a narrowed part by narrowing a part of the micro channel, and a plurality of such channels are arranged in the same plane. By using the structure, the efficiency of heat transport can be increased.
[0048]
The micropump P is provided in the vicinity of the heat source HG indicated by a dashed-dotted square frame in the figure, but the temperature distribution of the heat source HG is not uniform, and for example, it is assumed that the temperature is locally high at the point “Hs”. In the case of the bubble driving type, the flow of the refrigerant is determined in a direction (a direction indicated by an arrow Y in the figure) from the position of the pump toward the point Hs. Therefore, the refrigerant is circulated along a path in which the refrigerant moves in the flow path and is cooled by a heat removal means such as a heat radiating plate or a cooling means at a place away from the heat source HG and then returns to the micropump.
[0049]
In view of ease of handling, safety, and the like, the refrigerant filled in the flow path is preferably water, ethanol, or the like. For example, the refrigerant is evacuated by receiving heat near a pump formed as a narrow-diameter portion in the microchannel. A cycle in which a phase state is reached and then cooled to a liquid phase state and returns to the vicinity of the heat source is repeated.
[0050]
In the case of the bubble driven pump, as shown in FIG. 2, heat is applied to a position slightly deviated from the center position in the narrow diameter portion of the channel. It has been found that a similar pumping action can be obtained by heating the channel section. Therefore, not only the narrow diameter portion in the microchannel but also a configuration in which the channel portion having a constant diameter is heated may be used. At this time, the flow of the refrigerant is defined by the positional relationship between the narrow diameter portion and the heating portion, and is in a direction from the narrow diameter portion toward the heating portion.
[0051]
In FIG. 11, one micro pump is provided in the circulation flow path, but a configuration in which a plurality of pumps are formed may be used.
[0052]
FIG. 12 to FIG. 14 show the above-described closed-type configuration examples.
[0053]
In FIG. 12, a
[0054]
In the
[0055]
In FIG. 12, a part of the
[0056]
13 and 14 schematically show the cross-sectional structure of the heat transport device.
[0057]
Each circulation flow path shown by the
[0058]
FIG. 13 is an enlarged view of a part of a microchannel and a micropump, which are schematically shown as transparent members here. FIG. 14 shows only the main part of the micropump (the groove formed in the base material).
[0059]
For example, with respect to one closed loop, the
[0060]
In addition, about the groove part formed in the base material except the pump part, the form which prescribes | regulates the width (w) and depth (d) uniformly is simple on creation, but depending on the case, depth etc. The cross-sectional area of the flow path may be locally different by changing continuously or stepwise according to the position on the flow path.
[0061]
Further, as described above, in the case of the bubble-driven pump, the refrigerant is moved in the direction approaching the heat source, and therefore, for example, a hot spot exists on the left side of the pump portion indicated by the
[0062]
Therefore, in this example, after the refrigerant transported by the micropump is heated by the heating element, it moves along the circulation flow path, is cooled by a heat radiating plate, etc., and then returns to the pump again. Thus, heat transfer from the heating element to the heat radiating plate or the like can be performed efficiently.
[0063]
Since the
[0064]
Further, since the flow path including the microchannel and the micropump is formed in a closed loop shape, the circulation path of the refrigerant can be formed relatively freely, so that the degree of freedom in design is high. In the above example, a concentric semicircular portion is connected by two sets of straight roads, and the flow path is shaped like a “track of a stadium”. However, it is limited to such a shape. In addition, since it does not matter whether there is a branch or not, for example, a flow path shape over a plurality of heat sources is possible.
[0065]
FIG. 15 shows an example in which a heat transport device provided for each of a plurality of heat sources is connected to each other to form a flow path, and the heat transport apparatus is connected with a branched flow path.
[0066]
In this example, a plurality of ICs (integrated circuits) are mounted on the
[0067]
In addition, among the
[0068]
The heat transport devices 45 to 47 have a basic structure in which a channel including a channel formed in a plane on the surface of the base material and a flow path including a pump portion (bubble drive type) are formed in a loop shape. Accordingly, the plurality of flow paths are formed on the same plane, and are pump-driven using the heat of the IC as a heating element as power.
[0069]
For example, as shown in the drawing, with respect to the
[0070]
Also, some of the flow path portions connected to the
[0071]
Thus, even when there are a plurality of heat generating portions, it is possible to freely design the flow path arrangement, shape, and the like. In addition, it is possible to make it flexible by using a flexible resin material as the base material of each heat transport device so that it has flexibility. Can be used by pasting to. Furthermore, it is also possible to use a configuration in which sheet-like devices in which a large number of flow paths are formed on the same plane are further laminated.
[0072]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, claim 1,Claim2According to the invention according toThe heat transport device has a laminated structure in which a channel layer, a through-hole layer, and a pump layer are laminated, and a microchannel formed in the channel layer and a micropump formed in the pump layer are interposed between the channel layer and the pump layer. The bubble-driven pump that promotes circulation of the refrigerant can be configured by communicating and integrating with the via hole of the squeezed through hole layer, and the heat transport device having the refrigerant effect can be made thin.
And since the narrowing part which narrowed the width | variety by narrowing of a flow path is formed in the intermediate part of each micropump, a pump effect can be strengthened more with a simple structure.
AlsoAs in the invention according to
[0074]
Claim3According to the invention according to the present invention, heat can be transported by circulating the refrigerant in the closed-loop flow path by the micro-channel and the micro-pump. Therefore, the efficiency of heat removal and cooling can be improved by arranging many such closed loops in parallel. Can be increased.
[0075]
Claim4According to the present invention, by forming the base material from a flexible material, it is possible to make a flexible device against bending stress and the like, and to easily cope with the formation of a flow path having a curvature. Therefore, the ease of use is greatly improved.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a heat transport device according to the present invention, in which FIG. 1A is a view showing a laminated structure, FIG. 1B is a top view of each layer, and FIG. It is.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a basic configuration of a bubble drive pump.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a flow path forming method for microchannels and micropumps.
FIG. 4 is an explanatory diagram relating to a method of forming a piezoelectric drive type pump.
FIG. 5 schematically shows a micropump array.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration example of a heat transport device, and shows a configuration seen from the side, the shape of each part, and the like.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a heat transport device formed by a repeating arrangement of unit structures.
FIG. 8 is a diagram showing an example of use of a heat transport device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing another example of use of the heat transport device according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a usage example of a micropump array.
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a configuration in which microchannels are formed in a closed loop shape.
FIG. 12 shows an example of a closed circuit configuration together with FIGS. 13 and 14, and this figure is a schematic view seen from a plane.
FIG. 13 is an enlarged view showing a part of a microchannel and a micropump in a heat transport device.
FIG. 14 is a diagram showing a main part of a micropump.
FIG. 15 is a perspective view showing an example of an embodiment in which a plurality of heat sources are connected with a heat transport device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat transport apparatus, 2 ... Channel layer, 2a ... Channel, 4 ... Pump layer, 4a ... Pump, 25 ... Heat transport apparatus, 26 ... Channel, 27 ... Pump, 38, 45, 46, 47 ... Heat transport apparatus
Claims (4)
上記チャンネル層の一方の表面に積層され、上記各微少チャンネルの両端部に連通する複数の端部側ビアホール及び上記各微少チャンネルの中間部に連通する複数の中間部側ビアホールを有するスルーホール層と、
上記スルーホール層の上記チャンネル層とは反対側に積層され、両端部にて上記端部側ビアホールと連通し中間部にて上記中間部側ビアホールと連通する冷媒の流路を成す微少ポンプが複数個形成されたポンプ層と、
を有し、
上記各微少チャンネルに上記端部側ビアホール及び上記中間部側ビアホールを通じて上記各微少ポンプと連通されることにより気泡駆動型のサーマルポンプが構成されるようにし、
上記各微少ポンプの中間部に絞り込み部を有する
ことを特徴とする熱輸送装置。 A channel layer having a plurality of microchannels formed in parallel to allow refrigerant to pass through;
Laminated on one surface of the channel layer, and a through hole layer having a plurality of intermediate portions via-holes communicating with the intermediate portion of the plurality of end-side via holes and each fine channel communicating with the opposite ends of each fine channel ,
A plurality of micro pumps that are stacked on the opposite side of the through-hole layer from the channel layer and that communicate with the end-side via hole at both ends and that form a refrigerant flow path that communicates with the intermediate-side via hole at an intermediate portion. An individually formed pump layer ;
Have
A bubble-driven thermal pump is configured by communicating with each micro pump through the end side via hole and the intermediate side via hole to each micro channel,
A heat transporting device comprising a narrowing portion at an intermediate portion of each of the micro pumps .
上記チャンネル層の微小チャンネルと上記ポンプ層の微小ポンプとが上記スルーホール層の上記端部側ビアホール及び上記中間部側ビアホールを介して一体化された単位構造を複数備えた
ことを特徴とする熱輸送装置。The heat transport device according to claim 1,
A heat characterized by comprising a plurality of unit structures in which the microchannel of the channel layer and the micropump of the pump layer are integrated through the end-side via hole and the intermediate-side via hole of the through-hole layer. Transport equipment.
上記微小チャンネル及び上記微小ポンプが閉ループ状に形成されている
ことを特徴とする熱輸送装置。In the heat transport device according to claim 1 or 2,
The heat transport device, wherein the microchannel and the micropump are formed in a closed loop shape.
上記チャンネル層及び上記ポンプ層を構成する基材が可撓性材料により形成されている ことを特徴とする熱輸送装置。In the heat transport device according to claim 1, 2, or 3,
The heat transport device, wherein the base material constituting the channel layer and the pump layer is formed of a flexible material.
Priority Applications (3)
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