相変化を用いた超高密度集積回路の除熱方法の開発

• 研究課題/領域番号: 60850038
• 研究種目: 試験研究
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 土方 邦夫 東京工業大学, 工, 助教授 (60016582)
• 研究期間 (年度): 1985
• 研究課題ステータス: 完了 (1985年度)
• 配分額: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円); 1985年度: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円)
• キーワード: 集積回路 / 冷却 / 伝熱促進 / 沸騰 / 凝縮 / フィン / 細管 / 強制対流

研究概要

超高密度集積回路の実用化のために必要な高性能除熱法の開発を目的とし、集積回路ケース内に蒸発性液体を封入し相変化により素子発熱部からケースへ熱を移動させ除熱を行う方法につき研究を行ない、以下の成果を得た。
まずケース上壁面での凝縮熱伝達を向上させるため、上面の内壁に円錐形の突起を付けこれに軸対称フィン加工を施し、重力により凝縮液を円錐頂部に導くことによってフィン先端での熱伝達率を向上させさらに円錐頂部に細管を取り付け、重力による吸い込み作用により凝縮液をケース上面から除去し熱伝達を促進する方法につき実験研究を行なった。その結果、平滑な円錐面に比べフィンを取り付けることにより熱伝達率が約3倍増加し、さらに細管を取り付けることにより熱伝達率が最大で2〜3倍増加することを明らかにした。さらにフィンによる表面張力効果および細管による吸引効果を考慮した解析を行ない、この凝縮熱伝達率を理論的に予測できることを示した。
次にこのような高性能凝縮面を上面に持ち底部に発熱面を持つ円筒状ケーシングを製作し、内部にフレオンR113を封入し、ケースを空気の強制対流場に置いた時の熱伝達特性につき研究を行なった結果凝縮伝熱促進を行なうことによりケース内の凝縮熱抵抗を十分小さくすることができ、主たる熱抵抗は発熱部からの沸騰熱伝達とケース外表面から周囲気体への対流熱伝達にあること、沸騰熱伝達率は従来のプール沸騰に対する相関式とおおむね一致するがケース内液位が低いほど熱伝達率が増加すること、またケース表面温度分布をサーモトレーサにより測定した結果、ケース背面の表面温度が高く再循環領域の存在により熱伝達が低下することが明らかとなった。これらの結果から、発熱素子からの沸騰熱伝達およびケース外面の対流熱伝達の促進についてさらに検討する必要のあることが分かった。