(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる複数の微細流路を有するマイクロチャンネル構造体であって、
少なくとも前記流体に接触する前記微細流路の壁部が、前記複数の微細流路の配列方向の熱伝導率より、前記微細流路の配列方向に垂直な方向の熱伝導率の方が高い異方性熱伝導率を有する材質からなり、
隣接する前記微細流路の壁部間が、スペーサにより支持されてなり、
前記壁部はグラファイトからなり、前記スペーサは銅からなり、
前記配列方向において、前記銅の熱伝導率が前記グラファイトの熱伝導率より大きく、前記配列方向に垂直な方向において、前記グラファイトの熱伝導率が前記銅の熱伝導率より大きいことを特徴とするマイクロチャンネル構造体。
【請求項２】
前記流体の流れ方向に直交する断面における前記微細流路の開口形状は、前記微細流路の配列方向に垂直な方向の幅が前記微細流路の配列方向の幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャンネル構造体。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロチャンネル構造体を備えた熱交換システムであって、
前記マイクロチャンネル構造体の前記微細流路の配列方向に垂直な方向に、発熱する発熱部が配置されていることを特徴とする熱交換システム。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換システムを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチャンネル構造体、熱交換システム及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体の高密度化に伴い、単位体積あたりの発熱量が増大し、ヒートシンク及びファンを備えた冷却装置では冷却能力が不足することが課題となっている。そこで、発熱密度の高い半導体を冷却する手法として、マイクロチャンネルと呼ばれる微細な流路に冷媒を流す手法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。この特許文献１に記載のマルチチップモジュールの冷却機構は、冷却機構内部のすべての領域に冷却フィンが複数配置されており、この冷却フィン間が、冷却流路となっている。
また、特許文献２に記載の冷却システムは、金属として銅からなる薄板を用い、この薄板をロ字状に打ち抜き加工し、複数枚積層することにより流路が形成されている。また、隣接する薄板の接合は、ろう付けにより行われている。
【特許文献１】特開平８−２７９５７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却システムは、金属の薄板の材料として、銅を前提としており、また、薄板の接合にはロウ材を使用しているため、薄板間の熱伝導率が低下してしまう。また、このような、冷却装置を電子機器等に用いても、冷却が不十分となり、電子機器の性能を十分に発揮させることは困難である。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、熱交換効率の高いマイクロチャンネル構造体、熱交換システム及び電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のマイクロチャンネル構造体は、流体が流れる複数の微細流路を有するマイクロチャンネル構造体であって、少なくとも前記流体に接触する前記微細流路の壁部が、前記複数の微細流路の配列方向の熱伝導率より、前記微細流路の配列方向に垂直な方向の熱伝導率の方が高い異方性熱伝導率を有する材質からなり、隣接する前記微細流路の壁部間が、スペーサにより支持されてなり、前記壁部はグラファイトからなり、前記スペーサは銅からなり、前記配列方向において、前記銅の熱伝導率が前記グラファイトの熱伝導率より大きく、前記配列方向に垂直な方向において、前記グラファイトの熱伝導率が前記銅の熱伝導率より大きいことを特徴とする。
本発明のマイクロチャンネル構造体は、流体が流れる複数の微細流路を有するマイクロチャンネル構造体であって、少なくとも前記流体に接触する前記微細流路の壁部が、前記複数の微細流路の配列方向の熱伝導率より、前記微細流路の配列方向に垂直な方向の熱伝導率の方が高い異方性熱伝導率を有する材質からなることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係るマイクロチャンネル構造体では、微細流路の配列方向の熱伝導率より、微細流路の配列方向に交差する面方向の熱伝導率の方が、高い材質からなるため、発熱部を微細流路の配列方向に垂直な方向に置いた場合、発熱部の熱は、微細流路の配列方向より、微細流路の配列方向に交差する面方向に伝達することになる。したがって、発熱部から発熱した熱は、発熱部に対して垂直方向に伝達され、微細流路に流体を流すことにより、発熱部の熱を壁部を介して流体に伝達し、発熱部を効率良く冷却することができる。
【０００７】
また、本発明のマイクロチャンネル構造体は、隣接する前記微細流路の壁部間が、スペーサにより支持されていることが好ましい。
本発明に係るマイクロチャンネル構造体では、例えば、異方性熱伝導率を有する材質からなるシート状の部材を用い、この部材間をスペーサにより支持することにより、発熱部を微細流路の配列方向に垂直な方向に置いた場合、簡易な構成で、発熱部を効率良く冷却することができる。
【０００８】
また、本発明のマイクロチャンネル構造体は、前記材質はグラファイトであることが好ましい。
本発明に係るマイクロチャンネル構造体では、材質に、例えば、面方向の熱伝導率が６００〜８００Ｗ／ｍＫ、厚さ方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫの特性を有するグラファイトを用いることにより、微細流路の配列方向に比べ、微細流路の配列方向に交差する面方向に大きな熱伝導率を有する構成となる。これにより、発熱部の熱は、銅の熱伝導率４００Ｗ／ｍＫに比べ約２倍も、発熱部に対して垂直方向に伝達されることになる。したがって、厚さ方向の熱伝導率は、銅の方が良いが、グラファイトを用い本発明のような使い方をすることにより、複数の微細流路に流体を流すことで、各微細流路において熱変換が行われ、発熱部の温度上昇を著しく低減することができる。また、異方性熱伝導率を有するグラファイトは、軽量であるため、加工が容易である。さらには、グラファイトは、耐熱性が良いため、発熱部が高温になっても、面方向に発熱部の熱を効率良く伝達することが可能である。
【０００９】
また、本発明のマイクロチャンネル構造体は、前記流体の流れ方向に直交する断面における前記微細流路の開口形状は、前記微細流路の配列方向に垂直な方向の幅が前記微細流路の配列方向の幅の２倍以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係るマイクロチャンネル構造体では、微細流路の配列方向の幅に対し、この配列方向に直交する方向の幅を２倍以上にすることにより、銅を用いた場合に比べ、発熱部の熱は、流路の配列方向に直交する方向に素早く広がる。また、上記構成により、流体が微細流路を通過し易くなり、微細流路内を流れる流体の流速が減少し圧力損失を低減することが可能となる。なお、詳細な実験結果については後述する。
【００１１】
本発明に係る熱交換システムでは、前記微細流路の配列方向に垂直な方向に、発熱する発熱部が配置されていることを特徴とする。
本発明に係る熱交換システムでは、微細流路の配列方向の熱伝導率より、微細流路の配列方向に交差する面方向の熱伝導率の方が、高い材質からなるため、微細流路の配列方向に垂直な方向に配置された発熱部の熱は、微細流路の配列方向より、微細流路の配列方向に交差する面方向、すなわち、発熱部に対して垂直方向に伝達することになる。したがって、発熱部から発熱した熱は、発熱部に対して垂直方向に伝達され、微細流路に流体を流すことにより、この熱を流体に伝達し、発熱部を効率良く冷却することができる。
【００１２】
本発明の電子機器は、上記の熱交換システムを備えたことを特徴とする。
本発明に係る電子機器では、マイクロチャンネル構造体を備えた熱交換システムは、上述したように、発熱部の熱交換率が良好であるため、これを用いた電子機器は、発熱部の熱の上昇が抑えられているので、特性が安定したものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るマイクロチャンネル構造体及び電子機器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の熱交換システムの第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるマイクロチャンネル構造体を備えた熱交換システムの概略構成を示した斜視図である。図２は、図１のマイクロチャンネル構造体のＡ−Ａ線矢視図である。図３は、図１のマイクロチャンネル構造体のＢ−Ｂ線矢視図である。
マイクロチャンネル構造体１０は、図２に示すように、配列方向に数μｍ〜数百μｍの微細な流路１１を複数備える構造体であり、この複数の流路１１に冷却媒体（流体）を流すことによって、冷却する対象物である発熱部の熱を流体に伝達し熱交換を行うものである。
【００１５】
流路１１は、図２及び図３に示すように、Ｙ方向に延在しＸ方向に所定間隔を空けて配列された複数の壁部１１ａにより区画されて形成されている。そして、流体は、この流路１１内を壁部１１ａの延在方向に向かって流れるようになっている。
また、流路１１の壁部１１ａは、流路１１の配列方向、すなわち、Ｘ方向の熱伝導率より、流路１１の配列方向に直交する面方向（ＹＺ軸平面）の熱伝導率の方が高い異方性熱伝導率を有する材質からなっている。この材質としては、例えば、グラファイトが挙げられる。グラファイトは、Ｘ方向の熱伝導率が、約２０Ｗ／ｍＫであり、Ｙ軸平面の熱伝導率が、約６００〜８００Ｗ／ｍＫである。このグラファイトをマイクロチャンネル構造体１０の材質として用いることにより、流路１１の配列方向に垂直な方向に発熱部を配置することで、発熱部から発熱した熱は、流路１１の配列方向に直交する面方向に伝達され易くなっている。
【００１６】
また、流体の流れ方向に直交する流路１１の開口形状は、図３に示すように、流路１１の配列方向の幅Ｌに対し、流路１１の配列方向に直交する方向の幅Ｍが約８倍となっている。このように、幅Ｌに比べ幅Ｍの方を長くすることにより、熱伝導率が６００〜８００Ｗ／ｍＫと高い方の表面積、すなわち、流体との接触面積を増やすことが可能となっている。
【００１７】
マイクロチャンネル構造体１０の上面１０ａには、図１に示すように、冷却する対象物であるＬＥＤチップ（発熱部）２が載置されている。このＬＥＤチップ２は、マイクロチャンネル構造体１０の上面１０ａに接触しており、流路１１の配列方向に垂直な方向に配置されている。したがって、流路１１に流体を流すことにより、ＬＥＤチップ２の熱が流体に伝達し、熱交換を行うようになっている。
また、マイクロチャンネル構造体１の側面１０ｂには、図１及び図２に示すように、流路１１に流体を供給するための供給口１２及び側面１０ｂに対向する側面１０ｃには流路１１から流体を排出する排出口１３がそれぞれ形成されている。
【００１８】
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体１０では、異方性熱伝導特性を有する材質を用い、流路１１の配列方向の熱伝導率より、流路１１の配列方向に直交する面方向の熱伝導率の方が高くなるように構成している。特に、異方性熱伝導特性を有する材質として、グラファイトを用いることにより、流路１１の配列方向に交差する面方向の熱伝導率が銅に比べ２倍以上となるため、ＬＥＤチップ２の熱を素早く流路１１の配列方向に垂直な方向に伝達することができる。したがって、ＬＥＤチップ２から発熱した熱は、ＬＥＤチップ２に対して垂直方向に伝達され、流路１１に流体を流すことにより、この熱を流体に伝達し、ＬＥＤチップ２を効率良く冷却することが可能となる。
【００１９】
また、流路１１の開口形状は、ＬＥＤチップ２に対して垂直方向の幅Ｍが、流路１１の配列方向の幅Ｌの２倍以上であるため、熱伝導率が高い方向の表面積が増えるので、ＬＥＤチップ２の熱は、流路１１の配列方向に直交する面方向に素早く広がる。したがって、流路１１の配列方向に直交する面方向に伝達された熱と流体との接触面積を増やすことできるため、効率良く、ＬＥＤチップ２を冷却することが可能となる。また、幅Ｌと幅Ｍとのアスペクト比が約８であるため、流路１１を流れる流体の圧力損失を低減することができるので、流路１１に効果的に流体を流すことが可能となる。
【００２０】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図４を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係るマイクロチャンネル構造体１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体２０において、第１実施形態と異なる点は、第２実施形態では、流路１１の壁部２１のみがグラファイトにより形成されている点である。
【００２１】
マイクロチャンネル構造体２０は、図４に示すように、壁部２１にシート状のグラファイトが用いられており、この壁部２１が間隔をあけて、Ｘ軸方向に複数設けられている。また、隣接する壁部２１の間には、両端部２１ａ，２１ｂ側に、長手方向（Ｙ軸方向）に沿って銅からなるスペーサ２２ａ，２２ｂがそれぞれ設けられている。そして、隣接する壁部２１，スペーサ２２ａ，スペーサ２２ｂにより流路２３がそれぞれ形成されている。
また、ＬＥＤチップ２は、壁部２１とスペーサ２２ａとが交互に配置されたマイクロチャンネル構造体２０の上面２０ａに配置されている。
なお、壁部２１は、第１実施形態と同様に、流路２３の配列方向、すなわち、Ｘ方向の熱伝導率より、流路２３の配列方向に直交する面方向（Ｙ軸平面）の熱伝導率の方が高くなっている。
【００２２】
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体２０では、隣接する流路２３の壁部２１のみが、異方性熱伝導率を有するグラファイトからなるため、シート状のグラファイトを用い、壁部２１を構成することにより、簡易な構成で、ＬＥＤチップ２を効率良く冷却することができる。また、隣接する壁部２１間にＬＥＤチップ２の熱をＹ軸方向にも広げることができるため、さらに効果的にＬＥＤチップ２の熱を流体に伝達することが可能となる。
【００２３】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体３０において、流体を供給する側の側壁部３１の供給口３２及び流体を排出する側の側壁部３３の排出口３４の構成が第１，第２実施形態と異なる。すなわち、第１，第２実施形態では、供給口１２及び排出口１３は、マイクロチャンネル構造体１０，２０の側面１０ｂ及び側面１０ｃに設けられていたが、本実施形態では、供給口３２，排出口３４が、側壁部３１，３３に作り込まれている。
【００２４】
図６に、マイクロチャンネル構造体３０の分解斜視図を示す。
側壁部３１及び側壁部３３には、中心に銅からなる供給口３２及び排出口３４が設けられている。そして、供給口３２及び排出口３４の周囲に設けられたグラファイトからなるリング状の部材３１ａ，３３ａと、この部材３１ａ，３３ａと嵌合する嵌合部材３１ｂ，３３ｂとにより側壁部３１及び側壁部３３が構成されている。
【００２５】
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体３０では、銅からなる供給口３２及び排出口３４の周囲にグラファイトからなる部材３１ａ，３３ａ、銅からなる嵌合部材３１ｂ，３３ｂを交互に配置し、側壁部３１及び側壁部３３を構成することにより、各部材３１ａ，３３ａでＺ軸方向に広げた熱をさらに嵌合部材３１ｂ，３３ｂに伝達することで、効率良くＬＥＤチップ２の熱を流体に伝達することが可能となる。
【００２６】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る第４実施形態について、図７を参照して説明する。
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体４０において、流体を供給する側の側壁部４１と供給口４２とが一体的に形成され、また、流体を排出する側の側壁部４３と排出口４４とが一体的に形成されている点が第１，第２実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、側壁部４１と一体化された供給口４２及び側壁部４３と一体化された排出口４４が、銅からなるとともに、マイクロチャンネル構造体４０に後付けされた構成となっている。
【００２７】
本実施形態に係るマイクロチャンネル構造体４０では、側壁部４１と供給口４２と、側壁部４３と排出口４４とをそれぞれ一体化して銅により形成することにより、簡易な構成により、ＬＥＤチップ２の熱を全体的に広げることができるので、効率良くＬＥＤチップ２の熱を流体に伝達することが可能となる。
【００２８】
なお、上記第３，第４実施形態において、嵌合部材３１ｂ，３３ｂ、側壁部４１と一体化された供給口４２、側壁部４３と一体化された排出口４４を銅からなる部材として説明したが、これに限らず、伝導率が良好な金属素材を用いることができる。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅合金あるいはステンレス鋼等の素材により形成されていても良い。
【００２９】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態として、上記第１実施形態のマイクロチャンネル構造体１０を有する光源装置１００を備えるプロジェクタについて説明する。
【００３０】
図８は、上記実施形態のマイクロチャンネル構造体１０を備えたプロジェクタ（電子機器）５００の説明図である。図中、符号５１２、５１３、５１４は上記実施形態のマイクロチャンネル構造体１０を備えた３個の光源装置、５２２、５２３、５２４は液晶ライトバルブ、５２５はクロスダイクロイックプリズム、５２６は投写レンズを示している。
【００３１】
各光源装置５１２、５１３、５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤチップが採用されている。なお、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、各光源装置の後方にロッドレンズやフライアイレンズを配置してもよい。
【００３２】
赤色光源装置５１２からの光束は、重畳レンズ５３５Ｒを透過して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、重畳レンズ５３５Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。また、青色光源装置５１４からの光束は、重畳レンズ５３５Ｂを透過して反射ミラー５１６で反射され、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。なお、均一照明系としてフライアイレンズを用いた場合には、各光源からの光束は重畳レンズを介することにより液晶ライトバルブの表示領域において重畳され、液晶ライトバルブが均一に照明されるようになっている。
【００３３】
また、各液晶ライトバルブの入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。
【００３４】
各液晶ライトバルブ５２２、５２３、５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。
【００３５】
上述した本実施形態のプロジェクタ５００は、ＬＥＤチップ２がマイクロチャンネル構造体１０により、冷却されることによって大きな電流を供給でき、高輝度化される。したがって、上述したマイクロチャンネル構造体１０を有する光源装置を備えることにより、表示特性の優れたプロジェクタを提供することができる。
【実施例】
【００３６】
次に、流路の配列方向の幅と流路の配列方向に直交する方向の幅とのアスペクト比（流路の配列方向に直交する方向の寸法／流路の配列方向の寸法）について具体的に説明する。
【００３７】
流路の配列方向の熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ、流路の配列方向に直交する面方向の熱伝導率が８００Ｗ／ｍＫの異方性熱伝導率を有するグラファイトからなるマイクロチャンネル構造体と、銅からなるマイクロチャンネル構造体との比較を行った。これらのマイクロチャンネル構造体のアスペクト比が、２，３，４，５，１０のそれぞれの場合における発熱部の温度をシミュレーションにより求めた。
【００３８】
この結果、図９に示すように、アスペクト比が２以上において、銅に比べ、グラファイトからなるマイクロチャンネル構造体の方が、発熱部の熱を素早く流路の配列方向に直交する面方向に伝達し、発熱部の温度を下げていることが分かる。したがって、グラファイトのように、異方性熱伝導性を有する材質をマイクロチャンネル構造体に用い、発熱部を熱伝導率の高い面方向に交差するように配置することで、発熱部の冷却効率を向上させることが可能となる。したがって、上記各実施形態において、流路１１の配列方向の幅Ｌと流路の配列方向に直交する方向の幅Ｍとのアスペクト比が約８のマイクロチャンネル構造体として説明したが、アスペクト比は２以上であれば良い。
【００３９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、冷却する対象物としてＬＥＤチップ２を用いて説明したが、これに限るものではなく、マイクロチャンネル構造体１０の上面１０ａに冷却を要する発熱源を載置することが可能である。
また、隣接する壁部１１ａ，２１は、グラファイトとしたが、少なくとも流体に接触する流路１１の壁部が、複数の流路１１の配列方向の熱伝導率より、流路１１の配列方向に垂直な方向の熱伝導率の方が高い異方性熱伝導率を有する材質からなっていれば良い。さらに、異方性熱伝導率を有する材質として、グラファイトを用いたがこれに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマイクロチャンネル構造体を示す斜視図である。
【図２】図１のマイクロチャンネル構造体のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】図１のマイクロチャンネル構造体のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るマイクロチャンネル構造体を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るマイクロチャンネル構造体を示す断面図である。
【図６】図５のマイクロチャンネル構造体の分解斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るマイクロチャンネル構造体を示す断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る電子機器を示す断面図である。
【図９】本発明のマイクロチャンネル構造体にグラファイト及び銅を用いた場合を比較する示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１０，２０，３０，４０…マイクロチャンネル構造体、１１…流路、１１ａ…壁部、２１…壁部、２２ａ，２２ｂ…スペーサ、５００…プロジェクタ（電子機器）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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