(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から熱を奪う蒸発部と外部に放熱する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって循環路を形成するように連通され、かつ、前記循環路の内部を脱気した状態で凝縮性の流体が作動流体として封入されているループ型ヒートパイプにおいて、
前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置でかつ外部に放熱するように配置され、
前記作動流体を前記蒸発部に対して細かな液滴にしかつ高圧で供給する注液手段を備え、
前記注液手段は、前記循環路の内部に封入される前記作動流体の全量を収納可能でかつ前記凝縮部で放熱して液化した作動流体を前記蒸発部に向けて流動させる前記液戻り管に連通されたリザーバと、前記リザーバを加圧する加圧手段と、前記加圧手段によって加圧されることにより前記リザーバから吐出された前記作動流体を細かな液滴にするノズルとを備え、
前記ノズルは、単段式ノズルと二段式ノズルとのうち少なくともいずれか一方であり、
前記加圧手段は、少なくとも加圧タンクを有し、前記加圧タンク内の圧力を前記リザーバに供給することによって前記リザーバを加圧するように構成されている
ことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記液戻り管における前記リザーバが連通されている箇所の上流側と下流側とに前記液戻り管を開閉する開閉弁がそれぞれ設けられており、
前記上流側の開閉弁を開きかつ前記下流側の開閉弁を閉じている場合は前記リザーバに前記作動流体が貯留されており、前記上流側の開閉弁を閉じかつ前記下流側の開閉弁を開き更に前記加圧手段によって前記リザーバを加圧した場合に、前記リザーバから前記蒸発部に対して前記作動流体が前記ノズルを介して供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蒸発部で蒸気化されて凝縮部に向けて流動する作動流体と、凝縮部で凝縮されて蒸発部に向けて流動する作動流体との対向流が生じないように構成されたループ型ヒートパイプに関し、特に、蒸発部と作動流体との間の熱抵抗を低減させたループ型ヒートパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ループ型ヒートパイプの一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されたループ型ヒートパイプは、発熱体の熱を受け取って液相の作動流体を蒸発させる蒸発部と、気相の作動流体の熱を外部に放出させて凝縮させる複数の凝縮部と、これらの間で、上述したように相変化する作動流体を循環させる複数の循環路とを備えている。各循環路にはバルブがそれぞれ設けられており、各バルブの開閉はバルブ制御部によって制御されるように構成されている。そして、この特許文献１に記載されたループ型ヒートパイプでは、蒸発部に熱伝達可能に接触される発熱体の発熱量に応じて上記の各バルブの開閉を制御することにより、作動流体の潜熱の形で輸送される熱の輸送先を変更するように構成されている。具体的には、発熱体の発熱量が小さい場合は、蒸発部に対して放熱量が小さい凝縮部が連通され、発熱量が大きい場合は、蒸発部に対して放熱量が大きい凝縮部が連通されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載された構成では、凝縮部で凝縮した作動流体は重力によって蒸発部に注入されるため、すなわち特には圧力をかけて蒸発部に作動流体を注入しないため、蒸発部の表面から作動流体に対する熱伝達効率が低く、蒸発の過程での熱抵抗が高くなってしまう可能性がある。また、液相の作動流体をそのまま蒸発部に供給すると、作動流体の液滴が大きくなり、蒸発部の表面から液相の作動流体に対して熱を伝達する面積が小さくなってしまう。さらに、作動流体は、その表面張力のために、蒸発の過程で小さな液滴になりにくく、そのため、上記の面積が小さいままとなり熱抵抗が大きくなってしまう可能性がある。そして、蒸発部の温度が作動流体の沸点よりも十分に高い場合は、ライデンフロスト現象が生じることにより、すなわち、蒸発部の表面と液相の作動流体との間に蒸気化した作動流体の層が形成されて液相の作動流体が蒸発部に接触しにくくなり熱抵抗が増大してしまう可能性がある。
【０００５】
この発明は上述した課題に着目してなされたものであり、蒸発部の表面と液相の作動流体との接触面積を増大させてこれらの間の熱抵抗を低減させたループ型ヒートパイプを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、発熱体から熱を奪う蒸発部と外部に放熱する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって循環路を形成するように連通され、かつ、前記循環路の内部を脱気した状態で凝縮性の流体が作動流体として封入されているループ型ヒートパイプにおいて、前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置でかつ外部に放熱するように配置され、前記作動流体を前記蒸発部に対して細かな液滴にしかつ高圧で供給する注液手段を備え、前記注液手段は、前記循環路の内部に封入される前記作動流体の全量を収納可能でかつ前記凝縮部で放熱して液化した作動流体を前記蒸発部に向けて流動させる前記液戻り管に連通されたリザーバと、前記リザーバを加圧する加圧手段と、前記加圧手段によって加圧されることにより前記リザーバから吐出された前記作動流体を細かな液滴にするノズルとを備え、前記ノズルは、単段式ノズルと二段式ノズルとのうち少なくともいずれか一方であり、前記加圧手段は、少なくとも加圧タンクを有し、前記加圧タンク内の圧力を前記リザーバに供給することによって前記リザーバを加圧するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記液戻り管における前記リザーバが連通されている箇所の上流側と下流側とに前記液戻り管を開閉する開閉弁がそれぞれ設けられており、前記上流側の開閉弁を開きかつ前記下流側の開閉弁を閉じている場合は前記リザーバに前記作動流体が貯留されており、前記上流側の開閉弁を閉じかつ前記下流側の開閉弁を開き更に前記加圧手段によって前記リザーバを加圧した場合に、前記リザーバから前記蒸発部に対して前記作動流体が前記ノズルを介して供給されるように構成されていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、注液手段によって細かな液滴にされた作動流体が高圧で蒸発部に供給されるため、蒸発部の表面から作動流体に対して熱を伝達する面積を拡大させることができる。そのため、蒸発部と作動流体との間の熱抵抗を低減することができる。また、ライデンフロスト現象が生じることを防止もしくは抑制することができる。結局、この発明によれば、蒸発部における熱抵抗を低減し、ひいてはループ型ヒートパイプの熱輸送能力を向上させることができる。
【００１０】
また、この発明によれば、加圧手段によって加圧された液相の作動流体はノズルを通過させられて細かな液滴にされる。そのため、液滴の大きさをより細かくすることができる。
【００１１】
さらに、この発明によれば、液戻り管におけるリザーバが連通されている箇所の上流側の開閉弁を開きかつ下流側の開閉弁を閉じている場合は蒸発部に作動流体は供給されないので、発熱体から蒸発部に熱が伝わるとしても、蒸発部で作動流体の蒸発が生じず、発熱体が積極的に冷却されることはない。これに対して上流側の開閉弁を閉じかつ下流側の開閉弁を開き更に加圧手段によってリザーバを加圧した場合は、加圧された液相の作動流体がリザーバからノズルに向けて吐出される。その高圧の液相の作動流体はノズルで細かな液滴にされて蒸発部に供給されるため、蒸発部と作動流体との間の熱伝達面積を拡大してこれらの間の熱抵抗を低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明に係るループ型ヒートパイプを模式的に示す図である。
【図２】この発明に係るループ型ヒートパイプの休止状態を模式的に示す断面図である。
【図３】この発明に係るループ型ヒートパイプの待機状態を模式的に示す断面図である。
【図４】この発明に係るループ型ヒートパイプの動作状態を模式的に示す断面図である。
【図５】半導体チップボンダにおけるボンダヘッドおよびステージの部分を模式的に示す図であって、（Ａ）は接合前の状態を示し、（Ｂ）は接合時の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、この発明を具体的に説明する。この発明に係るループ型ヒートパイプは半導体チップボンダの冷却装置として使用することができる。先ず、半導体チップボンダの構成について簡単に説明すると、図５の（Ａ）および（Ｂ）はボンダヘッド１およびステージ２を示す模式的な部分図であって、ステージ２はその上面に基板３を水平に載置して位置決めするように構成されている。ボンダヘッド１はそのステージ２の上方で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向ならびにＺ軸方向の三軸方向、すなわち水平方向および鉛直方向に移動させられるように構成されている。このボンダヘッド１は、基体部分に相当する金属ブロック４を備えており、その金属ブロック４の下面側に、冷却部５および吸込みヘッド６ならびに吸着部７が設けられている。
【００１４】
金属ブロック４は、例えばステンレス鋼によって形成された直方体状もしくは円柱状の部材である。金属ブロック４の下端面にすなわちステージ２に対向する面に、上記の冷却部５が取り付けられており、この冷却部５の下面に、吸込みヘッド６を介して一体的に設けられている吸着部７は、半導体チップ８を真空吸着して保持するように構成されている。そして、ステージ２の上面に載置されて位置決めされた基板３上には、ソルダバンプ（以下、単にバンプと記す）９が配置され、半導体チップ８を保持しているボンダヘッド１がその上方に移動させられた後、図５の（Ｂ）に示すように基板３に向けて下降し、バンプ９を挟み付けた状態となるよう半導体チップ８を基板３に対して押し付ける。この状態でバンプ９が加熱されて溶融し、その後、バンプ９が冷却されて固化することにより、半導体チップ８を基板３に接合する。なお、バンプ９の加熱はボンダヘッド１に設けられている図示しないセラミックヒータに通電して１００℃〜４００℃に５〜６秒、昇温することにより行われる。したがって、ここに示す例では、図示しないセラミックヒータやセラミックヒータによって加熱されるバンプ９がこの発明における発熱体に相当している。また、これらの冷却は冷却部５を動作させて行われる。
【００１５】
図１は、この発明に係るループ型ヒートパイプ１０を模式的に示す図である。ループ型ヒートパイプ１０は、蒸発部１１と凝縮部１２とが、蒸気管１３および液戻り管１４によって、全体して循環路を形成するように連通されて構成されている。その循環路の内部に、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で、水などの凝縮性の流体が作動流体として所定量封入されている。このループ型ヒートパイプ１０の原理的な構成は、従来知られているループ型ヒートパイプと同様であり、蒸発部１１に入熱があってその温度が高くなり、かつ凝縮部１２で放熱があってその温度が低くなると、蒸発部１１で作動流体が蒸発し、その蒸気が凝縮部１２に流動して凝縮部１２で放熱し、その結果、作動流体がその潜熱の形で蒸発部１１から凝縮部１２に熱を輸送する。
【００１６】
冷却部５に上記の蒸発部１１が配置されていて蒸発部１１がボンダヘッド１から熱を奪うように構成されている。すなわち、蒸発部１１は中空の平板状の部分であって、その上面が前述した金属ブロック４の下面に熱伝達可能に密着させられ、また蒸発部１１の下面に前述した吸着部７が取り付けられている。
【００１７】
凝縮部１２は、蒸発部１１よりも高い位置に配置され、外部に放熱するように構成されている。その放熱は気中放熱や水中放熱のいずれであってもよく、図１には気中放熱を行うように構成した例を示してある。すなわち、蒸気管１３の上端部に連通させられた蒸気側ヘッダー管１２Ａが設けられており、その蒸気側ヘッダー管１２Ａから複数の分岐管１２Ｂが延び出ている。その蒸気側ヘッダー管１２Ａの下側に液側ヘッダー管１２Ｃが平行に配置され、その液側ヘッダー管１２Ｃに液戻り管１４の上端部が連通されている。この液側ヘッダー管１２Ｃから前記分岐管１２Ｂと同数の分岐管１２Ｄが、前記分岐管１２Ｂと平行になるように延び出ている。そして、上下方向で互いに平行になっている分岐管１２Ｂ，１２Ｄとの間に、これらの分岐管１２Ｂ，１２Ｄを連通するように、複数のフィン付き凝縮管１２Ｅが配置されている。したがって、蒸気側ヘッダー管１２Ａから分岐管１２Ｂを介して各フィン付き凝縮管１２Ｅに作動流体蒸気を供給し、そのフィン付き凝縮管１２Ｅで気中放熱を生じさせることにより作動流体を凝縮させ、作動液を分岐管１２Ｄおよび液側ヘッダー管１２Ｃから液戻り管１４に流すように構成されている。
【００１８】
凝縮部１２から蒸発部１１に向けて液相の作動流体を還流させる液戻り管１４の途中に、リザーバ１５が連通されている。このリザーバ１５は液相の作動流体を貯留するためのものであって、その容積は、ループ型ヒートパイプ１０に封入されている作動流体の全量を貯留できる容量に設定されている。液戻り管１４のうちリザーバ１５が接続されている箇所よりも上側の部分に液戻り管１４を開閉する第１開閉弁１６が設けられ、リザーバ１５が接続されている箇所よりも下側の部分に、第２開閉弁１７が設けられている。これらの開閉弁１６，１７は一例として電気的に制御される電磁弁によって構成することができ、液戻り管１４の内部に気密状態に収容されている弁体を液戻り管１４の外部に設けられた電磁コイルの磁力によって移動させることにより液戻り管１４を開閉するように構成されている。液戻り管１４のうち第２開閉弁１７が設けられている箇所よりも下側の部分に、後述するノズルが設けられている。
【００１９】
上記のリザーバ１５は圧力管１８を介して加圧タンク１９に連通されている。加圧タンク１９には、窒素ガスやアルゴンガスなどの非凝縮性の不活性ガスが高圧で充填されている。圧力管１８には、リザーバ１５に対して加圧タンク１９に充填された圧縮ガスを供給し、またその供給を停止する圧力供給用の開閉弁２０が設けられている。この開閉弁２０は一例として電気的に制御される電磁弁によって構成することができ、後述する圧力放出用の電磁弁を閉としている場合に、この圧力供給用の電磁弁２０を開くことにより、加圧タンク１９の圧縮ガスをリザーバ１５に供給するように構成されている。このようにしてリザーバ１５に圧縮ガスが供給されると、リザーバ１５の内圧が増大させられ、その内圧によってリザーバ１５内に貯留されている作動流体が液戻り管１４に供給されるようになっている。
【００２０】
圧力管１８のうち上記の圧力供給用の電磁弁２０が設けられている箇所よりもリザーバ１５側の部分に減圧管２１が連通されている。減圧管２１の端部は大気に連通されている。減圧管２１には、リザーバ１５内の圧力を大気中に放出する圧力放出用の開閉弁２２が設けられている。この開閉弁２２は例えば電気的に制御される電磁開閉弁によって構成することができ、上述した圧力供給用の電磁弁２０が閉じられている場合に、この圧力放出用の電磁弁２２を開くことによりリザーバ１５の内部と大気とを連通してリザーバ１５の内部の圧力を大気中に放出するように構成されている。
【００２１】
図２は、この発明に係るループ型ヒートパイプ１０の断面図であり、リザーバ１５は、ケーシング２３を備え、その内部に蛇腹形状の伸縮容器２４が収容されている。その伸縮容器２４の内部に液相の作動流体が貯留されている。伸縮容器２４とケーシング２３の内壁面とによって形成される空間が圧力室２５となっており、この圧力室２５に上記の圧力管１８を介して加圧タンク１９が連通されている。すなわち、圧力室２５は、ループ型ヒートパイプ１０の循環路に対して伸縮容器２４によって完全に分離された空間となっている。この圧力室２５に加圧タンク１９の圧縮ガスが供給されてその圧力が増大すると、伸縮容器２４が収縮させられてその体積が減少する。そして伸縮容器２４の内部に貯留されている液相の作動流体がリザーバ１５から吐出されるようになっている。上記の伸縮容器２４は例えばゴムや合成樹脂などの弾性を有する素材によって構成することが好ましい。なお、ケーシング２３の内部にピストンを配置し、そのピストンによって圧力室を液相の作動流体を貯留する部分とを分け隔てもよい。すなわち、ケーシング２３をシリンダとして使用し、上記のピストンを加圧タンク１９の圧縮ガスによって移動させることにより液相の作動流体をリザーバ１５から吐出するように構成してもよい。
【００２２】
液戻り管１４のうち第２開閉弁１７が設けられている箇所よりも下側の部分に、ノズル２６が設けられている。このノズル２６は、リザーバ１５から吐出された液相の作動流体を細かな液滴にするためのものである。したがって、このノズル２６としては、例えば、圧力を加えられた流体を、小径のオリフィスから噴出させることにより、その下流側に液体の微粒子を飛散させるように構成された従来知られている単段式ノズルを使用することができる。また、単段式ノズルよりも微細な液滴を高速で噴出させるように構成されたラバールノズルと称される二段式ノズルも使用することができる。この発明では、いずれのノズルであっても使用することができるが、二段式ノズルを使用すれば、蒸発部１１の表面に対してより微細な作動流体の液滴を噴霧することができるので、後述するように、蒸発部１１の表面と作動流体との間における熱伝達面積や熱伝達効率を向上させてこれらの間の熱抵抗を低減することができる。なお、上記のリザーバ１５および加圧タンク１９ならびに各電磁弁１６，１７，１８，２２そしてノズル２６がこの発明における注液手段に相当し、加圧タンク１９および各電磁弁１６，１７，２０，２２がこの発明における加圧手段に相当している。
【００２３】
次に、上述した半導体チップボンダの冷却装置として機能するこの発明に係るループ型ヒートパイプ１０の作用について説明する。ボンダヘッド１は図５に示すように半導体チップ８を吸着して保持し、その半導体チップ８を図５の（Ｂ）に示すように、基板３との間にバンプ９を挟み付けた状態で基板３に対して押し付ける。このように、図示しないセラミックヒータに通電してバンプ９を加熱する前においては、第１開閉弁１６は開かれており、第２開閉弁１７は閉じられている。また圧力供給用の電磁弁２０は閉じられており、圧力放出用の電磁弁２２は開かれている。この状態が図２に示す状態であり、これを休止状態と称する。休止状態では、リザーバ１５の圧力室２５の圧力は大気圧と同じになっている。また、蛇腹形状の伸縮容器２４は膨張した状態になっており、その内部には液相の作動流体が満たされている。すなわち、蒸発部１１に作動流体が供給されていないので、蒸発部１１はドライアウト状態になっている。
【００２４】
次いで、図示しないセラミックヒータに通電してバンプ９を加熱し、溶融させる。このバンプ９の加熱の過程では、各電磁弁１６，１７，２０，２２は全て閉じられており、リザーバ１５の圧力室２５と大気とを連通している状態が遮断されている。この状態が図３に示す状態であり、これを待機状態と称する。図３に示す待機状態では、全ての電磁弁１６，１７，２０，２２が閉じられているので、作動流体は未だリザーバ１５に貯留されており、蒸発部１１はドライアウト状態になっている。そのため、バンプ９を加熱する熱が冷却部５を構成している蒸発部１１に伝達されるとしても、蒸発部１１で作動流体の蒸発が生じないので、ボンダヘッド１あるいはバンプ９が冷却されることはない。
【００２５】
バンプ９の加熱は、例えば１００℃〜４００℃で５〜６秒程度行われ、バンプ９が溶融する。セラミックヒータに対する通電が止められて加熱が停止されると、ほぼ同時に圧力供給用の電磁弁２０および第２開閉弁１７が開かれ、蒸発部１１に対して液相の作動流体が供給される。この状態が図４に示す状態であり、これを動作状態と称する。この動作状態についてより具体的に説明する。圧力供給用の電磁弁２０が開かれると、加圧タンク１９の圧縮ガスがリザーバ１５の圧力室２５に供給されてその圧力が増大し、その増大した圧力によって伸縮容器２４が収縮させられる。伸縮容器２４の収縮に伴ってその内部に貯留されていた作動流体が吐出される。このようにしてリザーバ１５から加圧されて吐出された作動流体は、液戻り管１４に供給され、その管内のおける作動流体の圧力が増大させられる。また、第１開閉弁１６は閉じられているため、高圧の作動流体は第２開閉弁１７を介してノズル２６に供給され、ノズル２６からスプレーされる。つまり、作動流体はノズル２６により細かな液滴にされて蒸発部１１に供給される。なお、バンプ９の冷却に要する時間が短く、また必要とする作動流体の量が少ない場合には、上述した電磁弁１７を継続して開く替わりに、液相の作動流体を噴射（スプラッシュ）するように電磁弁１７を僅かな時間だけ開いてもよい。
【００２６】
液相の作動流体は、蒸発部１１で加熱されることにより、先ず、その顕熱の形で熱を奪ってボンダヘッド１もしくはバンプ９を冷却する。また、作動流体は更に加熱されて蒸発し、その潜熱の形で熱を奪ってボンダヘッド１もしくはバンプ９を冷却する。より具体的に説明すると、この発明では、液相の作動流体は上述したように、ノズル２６によって細かな液滴にされて蒸発部１１に供給されるため、液相の作動流体と蒸発部１１の表面との接触面積が拡大されている。すなわちこれらの間の熱伝達面積が拡大されている。しかも、細かな液滴にされた作動流体は高圧で蒸発部１１に注入されているため、蒸発部１１の表面から液相の作動流体に対する熱伝達率が、上記のように高圧で注入しない場合に比較して、増大されている。これに加えて、細かな液滴にされた作動流体が高圧で蒸発部１１に注入されているため、蒸発部１１と作動流体との温度差が大きくかつ低圧の場合に頻発するライデンフロスト現象を防止もしくは抑制することができる。そのため、この発明では、蒸発部１１と液相の作動流体との間の熱抵抗を従来に比較して低下させて高い熱伝達効率を得ることができる。
【００２７】
そして、上記のようにして生じた作動流体の蒸気は、外部に放熱して温度および圧力の低くなっている凝縮部１２に向けて蒸気管１３の内部を流動する。そして、凝縮部１２において外部に放熱して凝縮し、その液相の作動流体は液戻り管１４に流れ下る。すなわち、作動流体がその潜熱の形で蒸発部１１から凝縮部１２に熱を輸送し、その結果、ボンダヘッド１もしくはバンプ９はその熱が奪われて冷却される。その場合、作動流体の単位量当たりの潜熱は顕熱に比べて多く、ましてや空気の単位量当たりの顕熱より格段に多いから、ボンダヘッド１もしくはバンプ９を急速に冷却することができる。
【００２８】
バンプ９が上記のように冷却されて固化すると、ループ型ヒートパイプ１０は図２に示す休止状態にされる。すなわち、ループ型ヒートパイプ１０の熱輸送動作が停止させられ、ボンダヘッド１もしくはバンプ９の冷却が停止する。これとほぼ同時に吸着部７による半導体チップ８の吸着が解かれ、ボンダヘッド１が半導体チップ８から離れる方向に移動する。このようにして半導体チップ８を基板３に接合する一連の工程に要する時間は、溶融したバンプ９を冷却して固化させることに要する時間が短くなる分、短縮することができ、そのため上記の半導体チップ８を組み込んだ電子製品の生産性を向上させることができる。また、バンプ９を加熱して溶融させることによりその近辺の空気の温度が高くなり、あるいは何らかのガスが生じたとしても、このような温度の高い空気やガスを周囲の作業環境に拡散させることがないので、作業環境の悪化を防止することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…ループ型ヒートパイプ、  １１…蒸発部、  １２…凝縮部、  １３…蒸気管、  １４…液戻り管、  １５…リザーバ、  １９…加圧タンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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