JP2001255027A - 密閉サイクル冷凍装置および密閉サイクル冷凍方法 - Google Patents
密閉サイクル冷凍装置および密閉サイクル冷凍方法Info
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Abstract
ができる密閉サイクル冷凍装置を提供する。 【解決手段】 密閉サイクル冷凍装置は循環経路に沿っ
て冷媒を循環させる。循環経路には、乾き度1.0未満
を維持しつつ冷媒を蒸発させる乾式蒸発器が組み込まれ
る。冷媒の熱伝達係数すなわち単位面積当たりの伝熱量
は、冷媒の乾き度が1.0に達する以前に所定の乾き度
を境に著しく低下してしまう。冷媒の蒸発にあたって乾
式蒸発器でそういった所定の乾き度未満の乾き度が維持
されれば、乾式蒸発器で高い冷却能力は実現されること
ができる。従来のように乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸発
させてしまうと、所定の乾き度を超えた時点で冷媒の熱
伝達係数は著しく低下する。
Description
循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対象物に接
触する乾式蒸発器とを備える密閉サイクル冷凍装置に関
する。
ル冷凍装置は広く知られる。こうした密閉サイクル冷凍
装置は室内冷房機などに広く用いられる。低圧の蒸発器
内で蒸発する冷媒の働きによって蒸発器の周囲の空気は
冷やされる。こうした室内冷房機では、冷媒は蒸発器内
で完全に蒸発する。蒸発器内で冷媒の乾き度は1.0に
達する。気相状態の冷媒が蒸発器から送り出される。
ュータや大型コンピュータ装置には、MCM(マルチチ
ップモジュール)といった半導体装置モジュールの冷却
を実現する冷却装置が組み込まれる。半導体装置モジュ
ールの発熱量が増大するにつれて、冷却装置にはこれま
で以上に高い冷却能力が要求されるようになってきた。
従来の密閉サイクル冷凍装置では、十分に半導体装置モ
ジュールの温度上昇を押さえ込むことは難しくなってい
くと考えられる。
熱伝達量に基づき考察されることができる。単位面積当
たりの熱伝達量が増大すれば、半導体装置モジュールで
大きな発熱が生じても半導体装置モジュールの温度上昇
は確実に阻止されることができると考えられる。しかし
ながら、これまでのところ、密閉サイクル冷凍装置の分
野で、単位面積当たりの熱伝達量を増大させる試みは実
現されていない。
で、これまで以上に高い冷却能力を発揮することができ
る密閉サイクル冷凍装置を提供することを目的とする。
に、第1発明によれば、冷媒を循環させる循環経路と、
循環経路に組み込まれて、乾き度1.0未満を維持しつ
つ冷媒を蒸発させる乾式蒸発器とを備えることを特徴と
する密閉サイクル冷凍装置が提供される。
積当たりの伝熱量は乾き度に依存する。冷媒の熱伝達係
数は、冷媒の乾き度が1.0に達する以前に所定の乾き
度を境に著しく低下してしまう。冷媒の蒸発にあたって
乾式蒸発器でそういった所定の乾き度未満の乾き度が維
持されれば、乾式蒸発器で高い冷却能力は実現されるこ
とができる。従来のように乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸
発させてしまうと、所定の乾き度を超えた時点で冷媒の
熱伝達係数は著しく低下する。従来の乾式蒸発器は低い
熱伝達係数で吸熱しなければならず、その結果、本発明
の乾式蒸発器に比べて従来の乾式蒸発器の冷却能力は劣
ってしまう。ただし、本発明の乾式蒸発器では、冷媒の
種類や乾式蒸発器で必要とされる冷却能力に基づき、乾
き度は1.0未満で任意に設定されることができる。
る循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対象物に
接触する乾式蒸発器と、乾式蒸発器の下流で循環経路に
組み込まれる補助蒸発器とを備えることを特徴とする密
閉サイクル冷凍装置が提供される。
蒸発器で完全に冷媒を蒸発させる必要はなく、補助蒸発
器から流出する冷媒で乾き度1.0が達成されればよ
い。こうして完全に乾燥した冷媒が圧縮機に送り込まれ
れば、圧縮機で液圧縮が引き起こされることは確実に回
避されることができる。冷却対象物に接触する乾式蒸発
器は気液混相状態の冷媒を流出させることができる。前
述と同様に、冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器で所定の
乾き度未満の乾き度が維持されることができる。その結
果、前述と同様に、乾式蒸発器で高い冷却能力は確保さ
れることができる。
路に組み込まれた乾式蒸発器内で冷媒を蒸発させ、乾式
蒸発器から気液混相状態の冷媒を流出させる工程を備え
ることを特徴とする密閉サイクル冷凍方法が提供され
る。
は、冷媒を完全に蒸発させることなく冷媒を流出させる
ことができる。前述と同様に、冷媒の蒸発にあたって乾
式蒸発器で所定の乾き度未満の乾き度が維持されること
ができる。その結果、前述と同様に、乾式蒸発器で高い
冷却能力は確保されることができる。
発器から流出する冷媒に熱を加え、液相状態の冷媒を完
全に蒸発させる工程をさらに備えてもよい。こうして完
全に乾燥した冷媒が圧縮機に送り込まれれば、圧縮機で
液圧縮が引き起こされることは確実に回避されることが
できる。
環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対
象物に接触する乾式蒸発器と、乾式蒸発器に形成され
て、気液混相状態の冷媒を吐き出す冷媒流出口と、この
冷媒流出口に組み込まれる気液分離フィルタとを備える
ことを特徴とする密閉サイクル冷凍装置が提供される。
蒸発器で完全に冷媒を蒸発させなくても、気液分離フィ
ルタの働きに応じて補助蒸発器から流出する冷媒で乾き
度1.0が達成されることができる。こうして完全に乾
燥した冷媒が圧縮機に送り込まれれば、圧縮機で液圧縮
が引き起こされることは確実に回避されることができ
る。冷却対象物に接触する乾式蒸発器は気液混相状態の
冷媒を流出させることができる。前述と同様に、冷媒の
蒸発にあたって乾式蒸発器で所定の乾き度未満の乾き度
が維持されることができる。その結果、前述と同様に、
乾式蒸発器で高い冷却能力は確保されることができる。
られる乾式蒸発器は、例えば、壁面で密閉空間を区画す
るケーシングと、ケーシングの壁面に形成される冷媒流
入口と、ケーシングの壁面に形成される冷媒流出口と、
ケーシングの壁面に一体に形成されて、冷媒流入口から
冷媒流出口に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を
区画するフィン群とを備えてもよい。こうした乾式蒸発
器では、フィン群の働きによってケーシングと冷媒との
間で伝熱面積は拡大されることから、ケーシングから冷
媒に効率的に熱は伝達されることができる。
る直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の長さは短縮され
ることが望まれる。一般に、冷媒流入口から吐き出され
る冷媒は、圧力の伝わりやすい最短経路すなわち直線経
路に沿って冷媒流出口に向かうと考えられる。直線経路
から遠ざかるにつれて冷媒に作用する圧力は減少すると
考えられる。直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の長さ
が縮小されれば、縮小に応じて冷媒通路の圧力損失は抑
制される。こうしたフィン群の構造によれば、冷媒は各
冷媒通路に均等に分配されることができる。密閉空間内
で満遍なく冷媒の蒸発は引き起こされることができる。
ざかるほど冷媒通路の長さが短縮されることに代えて、
直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の道幅が拡大されて
もよい。こうした道幅の拡大によれば、拡大に応じて冷
媒通路の圧力損失は抑制される。したがって、前述と同
様に、冷媒は各冷媒通路に均等に分配されることができ
る。密閉空間内で満遍なく冷媒の蒸発は引き起こされる
ことができる。
で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するケ
ーシングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置さ
れる中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室
と、天井板に形成される冷媒流入口と、天井板および中
板の間に区画されて、冷媒流入口から蒸発室に向かって
広がる冷媒導入室と、天井板に形成される冷媒流出口
と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から冷
媒流出口に向かって広がる冷媒排出室とを備えてもよ
い。
流入する冷媒に比べて、冷媒流出口から流出する冷媒の
温度は低い。冷媒流出口では圧縮機からの負圧が作用す
るからである。中板は、こうした温度差を利用して、冷
媒流出口から流入する冷媒と、冷媒流出口から流出する
冷媒との間で熱交換を実現する。冷媒流入口から蒸発室
に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることがで
きる。その結果、乾式蒸発器の冷却能力は向上されるこ
とができる。
板との間隔は前記底板と中板との間隔に比較して小さく
規定されてもよい。こうした構成によれば、冷媒導入室
で冷媒の圧力損失が高められることから、蒸発室に流入
する冷媒液の蒸発は極力回避されることができる。その
結果、乾式蒸発器の冷却能力は一層高められることがで
きる。
る場合には、乾式蒸発器は、前記中板の縁に囲まれて、
前記冷媒導入室および蒸発室を相互に接続する導入口
と、前記冷媒導入室で前記冷媒を受け止める中板の表面
から盛り上がり、中板の縁に沿って延びる堰とをさらに
備えることが望ましい。こうした堰によれば、冷媒導入
室で冷媒の圧力損失は確実に高められることができる。
しかも、堰の働きによって、導入口の周囲から蒸発室に
向かって冷媒は均等に流れ込むことができる。
れ込ませるにあたって、冷媒導入室は、前記冷媒流入口
から前記蒸発室に向かって徐々に拡張されてもよい。こ
うした冷媒導入室によれば、蒸発室に向かって冷媒は均
等に流れ込むことができる。蒸発室には冷媒が満遍なく
行き渡る。加えて、冷媒排出室は、前記蒸発室から前記
冷媒流出口に向かって徐々に縮小されてもよい。こうし
た冷媒排出室は、蒸発室に満遍なく冷媒を流れ込ませる
にあたって役立つ。
込ませるにあたって、冷媒導入室には、前記冷媒流入口
から前記蒸発室に向かって延びる複数本の冷媒通路が形
成されてもよい。こうした冷媒通路によれば、蒸発室に
向かって冷媒は強制的に分配される。
続されてもよい。こうした構成によれば、膨張路で冷媒
の圧力が著しく低下する結果、蒸発室に流入する冷媒の
蒸発は促進されることができる。乾式蒸発器の冷却能力
はさらに高められることができる。
底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触す
るケーシングと、天井板および底板の間で密閉空間に配
置されて、ケーシングの内壁面に連結される中板と、中
板および底板の間に区画される蒸発室と、天井板および
中板の間に区画される冷媒排出室と、冷媒排出室を貫通
して蒸発室に至る冷媒導入通路を区画する導入管と、導
入管を囲みつつ冷媒排出室から延びる冷媒排出通路を区
画する排出管とを備えてもよい。こうした乾式蒸発器に
よれば、導入管の壁面を通じて、冷媒導入通路を通過す
る冷媒と、冷媒排出通路を通過する冷媒との間で熱交換
は実現される。冷媒導入通路から蒸発室に向かう冷媒の
乾き度の変化は極力低減されることができる。
えば、乾式蒸発器内に区画され、底板に沿って水平方向
に冷媒を流動させる蒸発室と、循環経路に組み込まれ
て、蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒
を送り出す流量制御器とをさらに備えてもよい。こうし
て蒸発室に流れ込む冷媒の流量が調整されると、蒸発室
内では、重力の働きによって液相の冷媒すなわち冷媒液
は底板に沿って流れる。したがって、伝熱板すなわち底
板上に満遍なく冷媒液が敷き詰められることができる。
その結果、底板全体で一様に高い冷却能力は実現される
ことができる。
て、乾式蒸発器は、鉛直方向に延びる伝熱板で冷却対象
物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に沿
って区画される蒸発室と、蒸発室に冷媒を吐き出す冷媒
流入口と、冷媒流入口の鉛直方向上方で開口する冷媒流
出口と、蒸発室内で伝熱板に一体に形成されて、冷媒流
入口から冷媒流出口に向かって鉛直方向に延びる複数本
の冷媒通路を区画するフィン群とを備えることが望まれ
る。
吐き出される冷媒は伝熱板に沿って蒸発室を上昇しなが
ら冷媒流出口に至る。このとき、蒸発室内で気液分離が
実現されると、重力の影響を受けて冷媒液は蒸発室の底
に溜まる。こうして冷媒液が溜められると、フィン群で
規定される各冷媒通路に均等に冷媒は分配されることが
できる。このような乾式蒸発器を使用するにあたって、
密閉サイクル冷凍装置の循環経路には、蒸発室で冷媒の
気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量制御
器が組み込まれればよい。
されて、鉛直方向最下位置で蒸発室に開口するバイパス
口と、ケーシングに接続されて、冷媒流出口から延びる
流出経路を区画する管部材と、バイパス口および流出経
路を相互に接続する迂回路とをさらに備えてもよい。こ
うした乾式蒸発器によれば、冷媒流入口と冷媒流出口と
の圧力差の働きで、蒸発室内に溜まった圧縮機オイルは
迂回路を通って流出経路すなわち循環経路に逃される。
したがって、蒸発室内に圧縮機オイルが溜まり続けるこ
とは回避されることができる。
て、乾式蒸発器は、鉛直方向に延びる伝熱板で冷却対象
物に接触し、伝熱板および背面板で蒸発室を挟み込むケ
ーシングと、伝熱板および背面板の間に配置されて、伝
熱板側空間および背面板側空間に蒸発室の上部空間を分
割する仕切り板と、伝熱板側空間に臨む冷媒流入口と、
背面板側空間に臨む冷媒流出口とを備えてもよい。この
とき、蒸発室で仕切り板の下端から鉛直方向に沿って測
定される下部空間の深さは伝熱板および仕切り板の間隔
よりも大きく設定される。こうした乾式蒸発器では、冷
媒が仕切り板の下端を回り込む際に蒸発室の流路断面は
拡大される。こうした流路断面の拡大によって冷媒の気
液分離は促される。ここで、蒸発室の流路断面は、冷媒
の流れ方向に直交する平面で規定される。このような乾
式蒸発器を使用するにあたって、密閉サイクル冷凍装置
の循環経路には、蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷
媒流量で冷媒を送り出す流量制御器が組み込まれればよ
い。
伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシン
グ内で伝熱板に形成されて、冷媒の毛管上昇を実現する
溝幅で鉛直方向に延びるマイクロチャネルとを備えても
よい。
ャネルは、毛管上昇の働きで重力に逆らって冷媒液を吸
い上げることができる。したがって、伝熱板は、伝熱板
に沿って溜められる冷媒液の液面の位置に拘わらず、広
い領域で冷媒液に浸されることができる。その結果、伝
熱板から伝わる熱によって冷媒液は効率的に蒸発するこ
とができる。冷媒液の蒸発は促進される。このような乾
式蒸発器を使用するにあたって、密閉サイクル冷凍装置
の循環経路には、伝熱板に沿って区画される蒸発室で冷
媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量
制御器が組み込まれればよい。
対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板
に形成されて基準線に沿って延びる第1壁面と、基準線
で第1壁面に接続され、基準線から遠ざかるにつれて徐
々に第1壁面との間隔を広げつつ第1壁面に向き合う第
2壁面とを備えてもよい。このとき、第1および第2壁
面の間には、冷媒の毛管現象を確立するマイクロチャネ
ルが区画されればよい。
第2壁面の間に冷媒の液滴が進入すると、冷媒の液滴で
は基準線に向かって大きな表面張力が生成される。液滴
は、こうした表面張力の働きによって第1および第2壁
面の間を基準線に向かって吸い込まれていく。その結
果、冷媒液は、第1および第2壁面の間に溜め込まれる
ことができる。冷媒液の蒸発は促進されることができ
る。
も第1および第2壁面のいずれか一方に、前記基準線に
沿って延びる拡大溝が形成されてもよい。こうした拡大
溝によれば、第1および第2壁面の間に導き入れられた
冷媒の液滴は拡大溝に溜め込まれることができる。した
がって、冷媒液の蒸発は一層促進されることができる。
込むにあたって、乾式蒸発器は、伝熱板で冷却対象物に
接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成さ
れる第1腐食面と、この第1腐食面に向き合って第1腐
食面との間にマイクロチャネルを区画する第2腐食面と
を備えてもよい。こうした第1および第2腐食面では微
細な凹凸が実現される。こうした微細な凹凸によれば、
伝熱板の伝熱面積は拡大されると同時に、液状状態の冷
媒に対する濡れ性は向上する。したがって、液相状態の
冷媒の蒸発は促進されることができる。
せるにあたって、乾式蒸発器は、伝熱板で冷却対象物に
接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成さ
れる第1壁面と、この第1壁面に向き合って第1壁面と
の間にマイクロチャネルを区画する第2壁面と、第1お
よび第2壁面に付着する熱伝導性微小粒子とを備えても
よい。こうした熱伝導性微小粒子によれば、前述と同様
に、伝熱板の伝熱面積は拡大されると同時に、液状状態
の冷媒に対する濡れ性は向上する。したがって、液相状
態の冷媒の蒸発は促進されることができる。
媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、
気相状態の冷媒を高圧力で吐き出す圧縮機と、循環経路
に組み込まれて、伝熱板で冷却対象物に接触する乾式蒸
発器と、乾式蒸発器の内部に先端を臨ませる噴射ノズル
と、圧縮機の下流から噴射ノズルに向けて気相状態の冷
媒を供給するバイパス経路とを備えてもよい。
出された気相状態の冷媒はバイパス経路から噴射ノズル
に向けて供給される。供給された気相状態の冷媒は、例
えば乾式蒸発器の内部に溜まった液相状態の冷媒に向け
て吐き出される。こうして吐き出された気相状態の冷媒
によれば、冷媒の液面から液相状態の冷媒が吹き上げら
れたり、溜まった液相状態の冷媒が撹拌されたりするこ
とができる。吹き上げられた冷媒液が伝熱板に付着すれ
ば、広い領域で伝熱板は冷媒液に浸されることができ
る。その結果、冷媒液の蒸発は促進される。液相状態の
冷媒が撹拌されれば、乾式蒸発器の内部で一様に冷媒は
広がっていくことができる。
まれてもよい。こうしてバイパス経路で冷媒の流量が制
御されると、乾式蒸発器の内部に高圧力で導入される冷
媒の噴射量は調整されることができる。したがって、乾
式蒸発器内の蒸気圧は調整されることができる。こうし
て蒸気圧が調整されると、乾式蒸発器内では、冷媒の蒸
発温度すなわち沸点は調整されることができる。
ーパーコンピュータや大型コンピュータ装置でMCM
(マルチチップモジュール)といった半導体装置モジュ
ールを冷却する際に用いられることができる。こういっ
た冷却を実現するにあたって、半導体装置モジュール
は、例えば、小型プリント配線基板に実装される半導体
素子と、半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用
乾式蒸発器と、乾式蒸発器を包み込み、小型プリント配
線基板に対して乾式蒸発器を固定する断熱部材とを備え
ることができる。
式蒸発器が固定されると、半導体装置モジュールおよび
乾式蒸発器は一体に取り扱われることができる。その結
果、半導体装置モジュールの交換時やメンテナンス時の
作業性は向上する。断熱部材は乾式蒸発器の表面で結露
や着霜を防止する。
部材は、小型プリント配線基板を収容する第1部材片
と、乾式蒸発器を包み込み、第1部材片に着脱自在に結
合される第2部材片とに分割されてもよい。こうした断
熱部材によれば、第1部材片から第2部材片が取り外さ
れると、小型プリント配線基板の表面は露出する。した
がって、断熱部材に邪魔されずに、小型プリント配線基
板上の半導体素子は交換されたり保守されたりすること
ができる。半導体装置モジュールの交換作業やメンテナ
ンス作業は一層効率化されることができる。
熱部材にヒーターが組み込まれてもよい。こうしたヒー
ターは発熱に基づき断熱部材を温める。こうしてヒータ
ーが組み込まれると、前述のような結露や着霜を防止す
るにあたって断熱部材の薄型化は実現されることができ
る。半導体装置モジュールは小型化される。したがっ
て、半導体装置モジュールの実装密度は高められること
ができる。
前記ヒーターから前記乾式蒸発器に向かって規定される
鉛直方向に沿って第1伝導率で熱を伝導させると同時
に、鉛直方向に直交する平面に沿って第1伝導率より高
い第2伝導率で熱を伝導させる熱伝導体が挟み込まれて
もよい。
熱伝導体は、鉛直方向に直交する平面に沿って断熱部材
内で熱を満遍なく行き渡らせる。したがって、ヒーター
の大きさに拘わらず広い範囲で断熱部材は温められるこ
とができる。しかも、ヒーターの熱は乾式蒸発器には伝
達されにくく、したがって、乾式蒸発器の冷却能力が無
駄に費やされることは回避されることができる。
ント配線基板の表面に実装される半導体素子と、半導体
素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、
小型プリント配線基板の裏面から立ち上がる入出力ピン
と、小型プリント配線基板の裏面に取り付けられるヒー
ターとを備えてもよい。一般に、金属製の入出力ピンは
乾式蒸発器の影響によって冷却されやすい。入出力ピン
が冷却されると、入出力ピンの表面で結露や着霜が発生
してしまう。プリント配線基板の裏面にヒーターが取り
付けられれば、ヒーターの発熱によって入出力ピンは温
められ、その結果、そういった結露や着霜は防止される
ことができる。
リント配線基板の表面に実装される半導体素子と、半導
体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器
と、小型プリント配線基板の裏面から立ち上がる入出力
ピンと、入出力ピンを包み込む断熱部材とを備えてもよ
い。断熱部材は、入出力ピンの表面で結露や着霜を防止
するにあたって大いに役立つことができる。
リント配線基板に実装される半導体素子と、半導体素子
に密着する伝熱板と、伝熱板に密着する密閉サイクル冷
凍装置用乾式蒸発器と、伝熱板に形成される貫通孔に受
け入れられる固定用ボルトと、伝熱板および固定用ボル
トの間に挟み込まれる低伝熱部材とを備えてもよい。こ
うした構成によれば、プリント配線基板に対する乾式蒸
発器の固定にあたって、乾式蒸発器とプリント配線基板
との間で熱の伝達は極力阻止されることができる。した
がって、乾式蒸発器の影響でプリント配線基板が過度に
冷却されることは回避されることができる。
リント配線基板に実装される半導体素子と、半導体素子
に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、乾式
蒸発器に密着するヒーターとを備えてもよい。一般に、
半導体装置モジュールの交換時やメンテナンス時には、
半導体装置モジュールの温度は常温に復帰しなければな
らない。常温に復帰する以前に半導体装置モジュールが
外気に曝されると、半導体装置モジュールに結露や着霜
が引き起こされてしまう。ヒーターの発熱によれば、密
閉サイクル冷凍装置の運転中に冷却されていた半導体装
置モジュールは急速に温められることができる。自然冷
却に比べて高速に温度が上昇することから、交換作業や
メンテナンス作業に費やされる時間は著しく短縮される
ことができる。こういったヒーターは、乾式蒸発器とプ
リント配線基板との間に配置される伝熱板に取り付けら
れてもよい。
は、プリント配線基板には温度センサが実装されること
が望ましい。こういった温度センサは、前述のヒーター
による過度の温度上昇を回避する際に大いに役立つこと
ができる。温度センサで検出される温度に基づけば、プ
リント配線基板の温度が過度に上昇する以前にヒーター
の発熱は停止されることができる。
霜を阻止するにあたって、半導体装置モジュールを受け
止める大型プリント配線基板には、半導体装置モジュー
ルの入出力ピンを受け止める導電部材と、導電部材の周
囲に配置されるヒーターとを備える半導体装置モジュー
ル用コネクタが実装されてもよい。
に前述の密閉サイクル冷凍装置を利用するにあたって、
プリント配線基板上の半導体素子に密着する密閉サイク
ル冷凍装置用乾式蒸発器を収容する箱体と、箱体内の密
閉空間から箱体外の開放空間に向けて湿気を放出する除
湿器とを備えることを特徴とする半導体装置収容ユニッ
トが提供されてもよい。
除湿器の働きによって開放空間に湿気が放出されると、
箱体内に乾燥空間は作り出される。こうした乾燥空間で
は、空気に含まれる水蒸気の露点すなわち飽和湿度は低
下する。したがって、箱体内では、プリント配線基板の
表面や半導体素子の表面、乾式蒸発器の表面で結露や着
霜は防止されることができる。
られてもよい。こうしたヒーターは、半導体素子の交換
時やメンテナンス時に使用されることができる。ヒータ
ーの発熱によって箱体内の空気は温められる。こうして
箱体内が温められると、箱体の内壁面やプリント配線基
板の表面では温度上昇が引き起こされる。こうして温め
られる後に箱体の内壁面やプリント配線基板が外気に曝
されれば、箱体の内壁面やプリント配線基板の表面で結
露は防止されることができる。自然冷却に比べて急速に
温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業
に費やされる時間は短縮されることができる。
ント配線基板上の半導体素子に密着する密閉サイクル冷
凍装置用乾式蒸発器を収容する第1箱体と、この第1箱
体を収容する第2箱体と、第1箱体内の密閉空間から第
1箱体外へ湿気を放出する第1除湿器と、第2箱体内の
密閉空間から第2箱体外の開放空間に向けて湿気を放出
する第2除湿器とを備えてもよい。かかる半導体装置収
容ユニットによれば、プリント配線基板の周囲の湿気は
一層効果的に開放空間に放出されることができる。第1
箱体内の温度が極低温に達しても、第1箱体内の結露や
着霜は確実に防止されることができる。この場合には、
前述のヒーターは少なくとも第1箱体の内壁面に取り付
けられればよい。
リント配線基板に実装される半導体素子と、プリント配
線基板に取り付けられて、冷媒の流路を区画するケーシ
ングと、流路を横切ってケーシングから突き出る先端で
半導体素子に接触する冷却素子とを備えてもよい。こう
した半導体装置モジュールによれば、半導体素子の発熱
は冷却素子から効率的に冷媒に伝達されることができ
る。
明の一実施形態を説明する。
的に示す。この大型コンピュータ装置10は例えば1枚
または複数枚の大型プリント配線基板11を備える。こ
の大型プリント配線基板11の表面には、1個または複
数個のMCM(マルチチップモジュール)といった半導
体装置モジュール12が実装される。こういった半導体
装置モジュール12には、同様に大型プリント配線基板
11の表面に実装される1個または複数個のメモリモジ
ュール(図示せず)が電気的に接続されてもよい。半導
体装置モジュール12は、周知の通り、小型プリント配
線基板と、この小型プリント配線基板に実装される1個
または複数個の半導体素子とを備える。半導体素子には
例えばLSI(大規模集積回路)チップが含まれること
ができる。半導体装置モジュール12は、個別に1CP
U(中央演算処理装置)として機能することができるだ
けでなく、任意の組み合わせごとに1CPUとして機能
することができる。
1実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置13が連結され
る。この密閉サイクル冷凍装置13は、例えばHFC
(R−404A)といった低沸点冷媒を循環させる循環
経路14を形成する。循環経路14には、気相状態の冷
媒すなわち冷媒ガスを高圧力で吐き出す圧縮機15が組
み込まれる。圧縮機15の下流すなわち冷媒吐き出し口
にはオイル分離器16が接続される。このオイル分離器
16は、圧縮機15から吐き出される冷媒ガスに混入す
るオイルを冷媒ガスから分離し、再び圧縮機15に向け
て送り出す。こうしたオイルは、周知の通り、圧縮機1
5の内部で潤滑油として機能する。
に凝縮器17が組み込まれる。この凝縮器17は、圧縮
機15から送り込まれる冷媒ガスを凝縮させる。冷媒ガ
スは液相状態の冷媒すなわち冷媒液に変換される。得ら
れた冷媒液は、凝縮器17の下流で循環経路14に組み
込まれる受液器18に送り込まれる。凝縮器17の放熱
は例えば送風機19の働きによって促進されてもよい。
弁21といった流量制御器が組み込まれる。この膨張弁
21は低圧力で冷媒液を吐き出す。冷媒液の圧力が急激
に低下する結果、冷媒液の温度は低下する。しかも、こ
うした低圧力下では冷媒の蒸発温度は低下する。
却対象物すなわち半導体装置モジュール12上の半導体
素子に接触する乾式蒸発器22が組み込まれる。この乾
式蒸発器22の下流では循環経路14に乾き度制御器す
なわち補助蒸発器23が組み込まれる。これら乾式蒸発
器22および補助蒸発器23の機能は後述される。補助
蒸発器23の下流にはアキュムレータ24が接続され
る。アキュムレータ24は、周知の通り、補助蒸発器2
3から誤って送り出される液相状態の冷媒すなわち冷媒
液を気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスに変換する。その
結果、圧縮機15には冷媒ガスのみが流入する。アキュ
ムレータ24の働きによれば、圧縮機15の液圧縮は防
止されることができる。
受液器18から送り出される冷媒中から水分や塵埃を除
去するストレーナ26や、作業者が視覚的に冷媒を観察
する際に用いられる観察窓27などが組み込まれてもよ
い。また、循環経路14には必要に応じて逆止弁(図示
せず)が取り付けられてもよい。
路14には断熱材28が巻き付けられる。こうした断熱
材28が巻き付けられる結果、循環経路14を構成する
配管や乾式蒸発器22の外壁面では結露や着霜は防止さ
れることができる。
は、乾燥空間(低露点空間)を区画する半導体装置収容
ユニット31が配置される。この半導体装置収容ユニッ
ト31は、大型プリント配線基板11やこの基板11上
の半導体素子に密着する乾式蒸発器22を気密に収容す
る箱体32と、この箱体32に取り付けられる除湿器3
3とを備える。除湿器33の詳細は後述される。除湿器
33の働きによって箱体32内に乾燥空間は作り出され
る。
ユニット31内の循環経路14と、半導体装置収容ユニ
ット31外の循環経路14とはカプラ34によって相互
に連結されてもよい。こうしたカプラ34によれば、そ
ういった2つの循環経路14は相互に切り離されること
ができる。このとき、カプラ34には例えばメカニカル
シールといったセルフシール機構が組み込まれることが
望まれる。こうしたセルフシール機構の働きによれば、
カプラ34の連結が解除されても、循環経路14内に空
気その他の不要な物質が侵入することは回避されること
ができる。
を説明する。密閉サイクル冷凍装置13の運転中、圧縮
機15の働きによって循環経路14では冷媒の循環が引
き起こされる。圧縮機15から膨張弁21に向かう循環
経路14では冷媒は高圧力に保持される。このとき、冷
媒の蒸発温度(沸点)は例えば40度程度で規定され
る。膨張弁21から圧縮機15に向かう循環経路14で
は冷媒は低圧力に保持される。冷媒が低圧力に保持され
ると、冷媒の蒸発温度は例えば−20度程度まで低下す
る。したがって、低圧力下では冷媒の蒸発が促される。
冷媒の蒸発に応じて周囲の熱は冷媒に吸い取られる。
程度で冷媒は流入する。半導体素子の熱を受けて冷媒の
蒸発は進行する。冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器22
は乾き度1.0未満例えば0.85程度を維持する。乾
き度0.85すなわち気液混相状態の冷媒が乾式蒸発器
22から吐き出される。乾式蒸発器22で実現される乾
き度は、周知の通り、発熱体すなわち半導体素子の発熱
量と、乾式蒸発器22に流入する冷媒の流量とに基づき
調整されればよい。こうした冷媒の流量は、圧縮機15
の吐き出し量や膨張弁21の絞り度によって制御される
ことができる。
出する気液混相状態の冷媒に熱を加える。こうした熱は
例えばヒーターなどによって生成されればよい。この加
熱によって補助蒸発器23で液相の冷媒すなわち冷媒液
は完全に蒸発する。乾き度1.0が達成された後、気相
状態の冷媒は補助蒸発器23から吐き出される。補助蒸
発器23で加えられる熱量は、例えば、補助蒸発器23
に流入する冷媒の乾き度と流量とに基づき決定されれば
よい。
数すなわち単位面積当たりの電熱量は乾き度に依存す
る。この場合には、乾き度0.85を超えると、冷媒の
熱伝達係数は著しく低下する。したがって、冷却対象物
に接触する乾式蒸発器22で乾き度0.85が維持され
れば、乾式蒸発器22で高い冷却能力は実現されること
ができる。こうして乾式蒸発器22から気液混相状態の
冷媒が流出しても、補助蒸発器23の働きによって最終
的に冷媒は完全に蒸発することから、気液分離器24の
負担を著しく増加させることなく圧縮機15の液圧縮は
確実に防止されることができる。これまでのように乾式
蒸発器で完全に冷媒を蒸発させてしまうと、乾き度0.
85を超えた時点で冷媒の熱伝達係数は著しく低下す
る。乾式蒸発器は冷却対象物すなわち半導体素子から低
い熱伝達係数で吸熱しなければならず、その結果、本発
明に係る乾式蒸発器22に比べて乾式蒸発器の冷却能力
は劣ってしまう。ただし、前述のような乾式蒸発器22
では、乾き度0.85のほか、冷媒の種類や乾式蒸発器
22で必要とされる冷却能力に基づき乾き度は任意に設
定されることができる。
る。例えば図3に示されるように、乾式蒸発器22はケ
ーシング41を備える。このケーシング41は、水平方
向に延びて、半導体装置モジュール12上で半導体素子
の表面に接触する伝熱板すなわち底板42と、この底板
42に平行に配置される天井板43とを備える。天井板
43と底板42とで例えば直方体の密閉空間すなわち蒸
発室44は挟み込まれる。ケーシング41は例えば熱伝
導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
に延びて冷媒導入通路を区画する導入管45と、同様に
天井板43から鉛直方向に延びて冷媒排出通路を区画す
る排出管46とが接続される。こうした導入管45や排
出管46はカプラ47によって天井板43に結合されれ
ばよい。蒸発室44の壁面すなわち天井面には、冷媒導
入通路に通じる冷媒流入口48と、冷媒排出通路に通じ
る冷媒流出口49とが形成される。
面すなわち底板42には、冷媒流入口48から冷媒流出
口49に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を区画
するフィン群51が一体に形成される。フィン群51の
各フィンは、底板42の表面から立ち上がって天井板4
3に接続されてもよい。こうしたフィン群51の働きに
よって伝熱板すなわち底板42と冷媒との間で伝熱面積
は拡大される。その結果、半導体装置モジュール12上
の半導体素子の熱は効率的に冷媒に伝達されることがで
きる。
うに、冷媒流入口48から冷媒流出口49に至る直線経
路52が規定されると、この直線経路52から遠ざかる
ほど各フィンの長さは短縮されていくことが望まれる。
こうした構成によれば、直線経路52から遠ざかるほど
冷媒通路の長さは短縮されることができる。
5から加えられる圧力に基づき蒸発室44を通過してい
く。冷媒流入口48から吐き出される冷媒は、圧力の伝
わりやすい最短経路すなわち直線経路52に沿って冷媒
流出口49に向かうと考えられる。直線経路52から遠
ざかるにつれて冷媒に作用する圧力は減少すると考えら
れる。直線経路52から遠ざかるほど冷媒通路の長さが
縮小されれば、縮小に応じて冷媒通路の圧力損失は抑制
される。こうしたフィン群51の構造によれば、冷媒は
各冷媒通路に均等に分配されることができる。蒸発室4
4内で満遍なく半導体素子の冷却は実現されることがで
きる。
ざかるほど冷媒通路の長さが短縮されることに代えて、
例えば図6に示されるように、直線経路52から遠ざか
るほど冷媒通路の道幅が拡大されてもよい。こうした道
幅の拡大によれば、拡大に応じて冷媒通路の圧力損失は
抑制される。したがって、前述と同様に、冷媒は各冷媒
通路に均等に分配されることができる。蒸発室44内で
満遍なく半導体素子の冷却は実現されることができる。
構造を示す。この乾式蒸発器22はケーシング53を備
える。ケーシング53は、水平方向に延びて、半導体装
置モジュール12上で半導体素子の表面に接触する底板
54と、この底板54に平行に配置される天井板55と
を備える。天井板55と底板54とで例えば直方体の密
閉空間は挟み込まれる。この密閉空間は、底板54から
天井板55に向かって立ち上がる第1および第2囲い壁
56、57によって挟み込まれる。天井板55および底
板54の間には、底板54に平行に延びる中板すなわち
仕切り板58が配置される。この仕切り板58と底板5
4との間に蒸発室59は区画される。ケーシング53は
例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されれば
よい。
1および第2囲い壁56、57の間で第1および第2囲
い壁56、57に平行に延びる仕切り壁60が形成され
る。この仕切り壁60は、仕切り板58および天井板5
5の間で、第1囲い壁56側の冷媒導入室61と第2囲
い壁57側の冷媒排出室62とを区画する。
に延びて冷媒導入通路を区画する導入管63と、同様に
天井板55から鉛直方向に延びて冷媒排出通路を区画す
る排出管64とが接続される。こうした導入管63や排
出管64はカプラ65によって天井板55に結合されれ
ばよい。天井板55には、仕切り壁60に隣接して冷媒
導入室61の天井面に開口する冷媒流入口66と、同様
に仕切り壁60に隣接して冷媒排出室62の天井面に開
口する冷媒流出口67とが形成される。冷媒流入口66
と冷媒流出口67とはそれぞれ冷媒導入通路および冷媒
排出通路に接続される。
と仕切り板58との間には、上側の冷媒導入室61と下
側の蒸発室59とを相互に接続する蒸発室入り口68が
区画される。その結果、冷媒導入室61は冷媒流入口6
6から蒸発室59に向かって広がる。その一方で、第2
囲い壁57と仕切り板58との間には、上側の冷媒排出
室62と下側の蒸発室59とを相互に接続する蒸発室出
口69が区画される。その結果、冷媒排出室62は蒸発
室59から冷媒流出口67に向かって広がる。
から冷媒流入口66を経て冷媒は冷媒導入室61に導入
される。流入した冷媒は、仕切り板58を伝って蒸発室
入り口68から蒸発室59に進入する。蒸発室59で
は、半導体装置モジュール12から伝熱板すなわち底板
54を伝って熱が冷媒に伝達される。半導体装置モジュ
ール12は冷却される。
ら冷媒排出室62に移動する。冷媒は、仕切り板58を
伝って冷媒流出口67から吐き出される。このとき、冷
媒流入口66から流入する冷媒に比べて、冷媒流出口6
7から流出する冷媒の温度は低い。仕切り板58は、こ
うした温度差を利用して冷媒同士の間で熱交換を実現す
る。冷媒流入口66から蒸発室59に向かう冷媒の乾き
度の変化は極力低減されることができる。その結果、乾
式蒸発器22の冷却能力は向上されることができる。
は、冷媒流入口66から蒸発室入り口68に向かって冷
媒導入室61を横切る複数本の冷媒通路を区画するフィ
ン群70が一体に形成されてもよい。同様に、仕切り板
58には、蒸発室出口69から冷媒流出口67に向かっ
て冷媒排出室62を横切る複数本の冷媒通路を区画する
フィン群71が一体に形成されてもよい。こうしたフィ
ン群70、71の働きによれば、前述のような冷媒同士
の熱交換は促進されることができる。さらに、底板54
には、図7に示されるように、蒸発室入り口68から蒸
発室出口69に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路
を区画するフィン群72が一体に形成されてもよい。こ
うしたフィン群72の働きによれば、半導体装置モジュ
ール12上の半導体素子の熱は効率的に冷媒に伝達され
ることができる。フィン群72の各フィンが仕切り板5
8に接続されれば、前述のような冷媒同士の熱交換は一
層促進されることができる。
に示されるように、冷媒導入室61や冷媒排出室62は
複数段に区分けされてもよい。こうした区分けは、例え
ば仕切り板58と天井板55との間で底板54に平行に
延びる第1および第2補助仕切り板73、74によって
実現されることができる。こうして第1補助仕切り板7
3や第2補助仕切り板74が配置されると、冷媒流入口
66から流入する冷媒と、冷媒流出口67から流出する
冷媒との間で熱交換は促進されることができる。
係る乾式蒸発器22の構造を示す。この乾式蒸発器22
では、天井板55と中板すなわち仕切り板58との間隔
は、底板54と仕切り板58との間隔に比較して小さく
規定される。こうした構成によれば、冷媒導入室61で
冷媒の圧力損失が高められることから、蒸発室59に流
入する冷媒液の蒸発は極力回避されることができる。そ
の結果、乾式蒸発器22の冷却能力は一層高められるこ
とができる。
は、仕切り板58の表面から盛り上がり、仕切り板58
の縁で蒸発室入り口68の周囲に沿って延びる堰75が
形成されることが望ましい。こうした堰75によれば、
冷媒導入室61で冷媒の圧力損失は確実に高められるこ
とができる。したがって、冷媒液のガス化は極力抑制さ
れることができる。しかも、堰75の働きによって、仕
切り板58の縁から蒸発室入り口68に向かって冷媒は
均等に流れ込むことができる。その結果、蒸発室59の
冷媒通路には均等に冷媒が分配されることができる。
に示されるように、冷媒流入口66から蒸発室59すな
わち蒸発室入り口68に向かって徐々に拡張されてもよ
い。こうした冷媒導入室61によれば、仕切り板58の
縁すなわち蒸発室入り口68の周囲から蒸発室59に向
かって冷媒は均等に流れ込むことができる。その結果、
蒸発室59の冷媒通路には均等に冷媒が分配されること
ができる。加えて、冷媒排出室62は、蒸発室59すな
わち蒸発室出口69から冷媒流出口67に向かって徐々
に縮小されてもよい。こうした冷媒排出室62は、蒸発
室59の各冷媒通路に冷媒を均等に分配するにあたって
役立つ。このように冷媒導入室61や冷媒排出室62の
大きさを徐々に変化させるにあたって、冷媒導入室61
や冷媒排出室62の壁面は、図12から明らかなよう
に、湾曲面で構成されればよい。
媒導入室61には、冷媒流入口66から蒸発室59すな
わち蒸発室入り口68に向かって延びる複数本の冷媒通
路76が形成されてもよい。こうした冷媒通路76によ
れば、蒸発室59の各冷媒通路に強制的に冷媒は分配さ
れる。こうした場合には、例えば図13に示されるよう
に、蒸発室59すなわち蒸発室出口69から冷媒流出口
67に向かって延びる複数本の冷媒通路77が形成され
てもよい。こうした冷媒通路77は、蒸発室59の各冷
媒通路に冷媒を均等に分配するにあたって役立つ。
路76が形成される場合には、例えば図14に示される
ように、各冷媒通路76の下流端に膨張路78が接続さ
れてもよい。冷媒通路76は膨張路78を通じて下側の
蒸発室59に接続される。こうした構成によれば、膨張
路78で冷媒の圧力が著しく低下する結果、蒸発室59
に流入する冷媒の蒸発は促進されることができる。乾式
蒸発器22の冷却能力は向上される。
係る乾式蒸発器22の構造を示す。この乾式蒸発器22
はケーシング81を備える。ケーシング81は、水平方
向に延びて、半導体装置モジュール12上で半導体素子
の表面に接触する底板82と、この底板82に平行に配
置される天井板83とを備える。天井板83と底板82
とで例えば直方体の密閉空間は挟み込まれる。この密閉
空間は、底板82から天井板83に向かって立ち上がる
囲い壁84によって囲まれる。天井板83および底板8
2の間には、底板82に平行に延びる中板すなわち仕切
り板85が配置される。この仕切り板85と底板82と
の間に蒸発室86は区画される。その一方で、仕切り板
85と天井板83との間には冷媒排出室87が区画され
る。ケーシング81は例えば熱伝導率の高い銅といった
材料から成形されればよい。
鉛直方向に延びる導入管88が接続される。この導入管
88は、冷媒排出室87を貫通して蒸発室86に至る冷
媒導入通路を区画する。こういった導入管88は例えば
熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
天井板83には、同様に鉛直方向に延びる排出管89が
接続される。この排出管89は、導入管88を囲みつつ
冷媒排出室87から延びる冷媒排出通路を区画する。仕
切り板85と囲い壁84との間には、図16を併せて参
照すると明らかなように、下側の蒸発室86と上側の冷
媒排出室87とを接続する蒸発室出口90が区画され
る。
で区画される冷媒導入通路から冷媒は蒸発室86に導入
される。蒸発室86では、半導体装置モジュール12か
ら伝熱板すなわち底板82を伝って熱が冷媒に伝達され
る。半導体装置モジュール12は冷却される。
から上側の冷媒排出室87に移動する。その後、冷媒
は、排出管89で区画される冷媒排出通路から流出して
いく。このとき、冷媒導入通路を通過する冷媒に比べ
て、冷媒排出通路を通過する冷媒の温度は低い。こうし
た温度差によれば、導入管88の壁面を通じて冷媒同士
の間で熱交換は実現される。冷媒導入通路から蒸発室8
6に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることが
できる。その結果、乾式蒸発器22の冷却能力は高めら
れることができる。
は、蒸発室44で冷媒の気液分離が実現されてもよい。
こうした気液分離は、流量制御器すなわち膨張弁21か
ら送り出される冷媒の流量に基づき実現されることがで
きる。このとき、蒸発室44内では、例えば図17に示
されるように、重力の働きによって液相の冷媒すなわち
冷媒液は底板42に沿って流れる。その一方で、重力か
ら小さな影響しか受けない気相状態の冷媒すなわち冷媒
ガスは天井板43に沿って流れる。こうして気液分離が
実現されれば、伝熱板すなわち底板42上に満遍なく冷
媒液が敷き詰められることから、底板42全体で一様に
高い冷却能力は実現されることができる。
って、例えば図17から明らかなように、蒸発室44の
流路断面は拡大されることが望ましい。こうした流路断
面の拡大は、例えば底板42と天井板43との間隔H1
が間隔H2に広げられることによって達成されることが
できる。ただし、蒸発室44の流路断面は、冷媒の流れ
方向に直交する平面で規定される。
18に示されるように、乾式蒸発器22は、鉛直方向に
延びる伝熱板92で冷却対象物すなわち半導体装置モジ
ュール12に接触するケーシング93を備えてもよい。
このケーシング93では、そういった伝熱板92と、伝
熱板92に平行に配置される背面板94との間に密閉空
間すなわち蒸発室95は区画される。蒸発室95は、伝
熱板92から背面板94に向かって水平方向に立ち上が
る底板96から伝熱板92に沿って鉛直方向に広がる。
ケーシング93は例えば熱伝導率の高い銅といった材料
から成形されればよい。
入通路を区画する導入管97と、同様に水平方向に延び
て冷媒排出通路を区画する排出管98とが接続される。
背面板94と導入管97や排出管98との接続には例え
ばカプラ99が用いられればよい。蒸発室95の壁面に
は、冷媒導入通路に通じる冷媒流入口101と、冷媒排
出通路に通じる冷媒流出口102とが形成される。冷媒
流出口102は冷媒流入口101の鉛直方向上方で開口
する。蒸発室95内では、例えば図19から明らかなよ
うに、冷媒流入口101から冷媒流出口102に向かっ
て鉛直方向に延びる冷媒通路を区画するフィン群103
が伝熱板92に一体に形成される。
101から吐き出される冷媒は伝熱板92に沿って蒸発
室95内を上昇しながら冷媒流出口102に至る。この
とき、蒸発室95内で気液分離が実現されると、重力の
影響を受けて冷媒液は底板96上に溜まる。こうして冷
媒液が溜められると、フィン群103で規定される各冷
媒通路に均等に冷媒は分配されることができる。
に示されるように、ケーシング93の底板96から排出
管98に向かって延びるバイパス管104をさらに備え
てもよい。こうしたバイパス管104によれば、鉛直方
向最下位置で蒸発室95に開口するバイパス口105
と、排出管98で区画される流出経路すなわち冷媒排出
通路とは迂回路によって相互に接続されることができ
る。冷媒流入口101と冷媒流出口102との圧力差の
働きで、底板96上に溜まった圧縮機オイルはバイパス
管104を通って冷媒排出通路すなわち循環経路14に
逃される。したがって、蒸発室95内に圧縮機オイルが
溜まり続けることは回避されることができる。
21に示されるように、乾式蒸発器22は、鉛直方向に
延びる伝熱板107で冷却対象物すなわち半導体装置モ
ジュール12に接触するケーシング108を備えてもよ
い。このケーシング108では、そういった伝熱板10
7と、伝熱板107に平行に配置される背面板109と
の間に密閉空間すなわち蒸発室110は区画される。蒸
発室110は、伝熱板107から背面板109に向かっ
て水平方向に立ち上がる底板111から伝熱板107に
沿って鉛直方向に広がる。ケーシング108は例えば熱
伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
は、伝熱板107に平行に延びる仕切り板112が配置
される。この仕切り板112は、伝熱板側空間113お
よび背面板側空間114に蒸発室110の上部空間を分
割する。
導入通路を区画する導入管115と、同様に水平方向に
延びて冷媒排出通路を区画する排出管116とが接続さ
れる。背面板109と導入管115や排出管116との
接続には例えばカプラ117が用いられればよい。蒸発
室110の壁面には、冷媒導入通路に通じて伝熱板側空
間113に臨む冷媒流入口118と、冷媒排出通路に通
じて背面板側空間114に臨む冷媒流出口119とが形
成される。
伝熱板107および仕切り板112の間隔D2より大き
く設定される。下部空間の深さD1は、仕切り板112
の下端から底板111まで鉛直方向に沿って測定され
る。
117から吐き出される冷媒は伝熱板107に沿って蒸
発室110内を下降する。上部空間の伝熱板側空間11
3から下部空間に冷媒は至る。その後、冷媒は、仕切り
板112の下端を回り込んで上部空間の背面板側空間1
14に進入する。冷媒は、冷媒流出口119から吐き出
される。このとき、下部空間の深さD1は伝熱板107
および仕切り板112の間隔D2に比べて大きく設定さ
れることから、蒸発室110内で流路断面は拡大され
る。こうした流路断面の拡大は冷媒の気液分離を促す。
ここで、蒸発室110の流路断面は、冷媒の流れ方向に
直交する平面で規定される。
ば図22に示されるように、小型プリント配線基板12
1の表面に実装される半導体素子122すなわちLSI
チップを備える。半導体素子122は1個であっても複
数個であってもよい。小型プリント配線基板121の裏
面では多数の入出力ピン123が立ち上がる。各入出力
ピン123は、大型プリント配線基板11に実装される
ソケット124のソケット孔に受け入れられる。ソケッ
ト124は、大型プリント配線基板11上で小型プリン
ト配線基板121すなわち半導体装置モジュール12を
保持する。ソケット124には例えばZIFコネクタが
用いられればよい。
式蒸発器22が固定される。この固定にあたって、乾式
蒸発器22を包み込む断熱部材125が用いられる。断
熱部材125は、半導体素子122の表面に対して乾式
蒸発器22を密着させる。こうして小型プリント配線基
板121に対して乾式蒸発器22が一体化されると、半
導体装置モジュール12および乾式蒸発器22は簡単に
大型プリント配線基板11から取り外されることができ
る。半導体装置モジュール12の交換時やメンテナンス
時の作業性は向上する。断熱部材125は乾式蒸発器2
2の表面で結露や着霜を防止する。
5は同時に入出力ピン123を包み込んでもよい。一般
に、金属製の入出力ピン123は乾式蒸発器22の影響
によって冷却されやすい。入出力ピン123が冷却され
ると、入出力ピン123の表面で結露や着霜が発生して
しまう。入出力ピン123が断熱部材125で包み込ま
れれば、こういった結露や着霜は防止されることができ
る。
型されればよい。成型にあたって、半導体素子122は
小型プリント配線基板121の表面に実装される。実装
された半導体素子122の表面には乾式蒸発器22が重
ね合わせられる。その後、液状の発泡性樹脂が流し込ま
れると、固化した発泡性樹脂によって断熱部材125は
形作られることができる。固化した発泡性樹脂には、小
型プリント配線基板121や半導体素子122、乾式蒸
発器22が埋め込まれる。
は、図22から明らかなように、断熱部材125にフィ
ルムヒーター126、127が組み込まれてもよい。入
出力ピン123はフィルムヒーター127を突き抜けて
ソケット124のソケット孔に受け入れられればよい。
こうしたフィルムヒーター126、127の発熱によっ
て断熱部材125は温められる。こうして断熱部材12
5が温められると、前述のような結露や着霜を防止する
にあたって断熱部材125の薄型化は実現されることが
できる。断熱部材125が小型化されれば、大型プリン
ト配線基板11上で半導体装置モジュール12の実装密
度は高められることができる。フィルムヒーター12
6、127は、例えば網目状に組まれた熱線と、熱線を
挟み込む樹脂フィルムとから構成されればよい。
ター126には、高い熱伝導率で熱を伝導させる熱伝導
フィルム128が重ね合わせられてもよい。こうした熱
伝導フィルム128によれば、フィルムヒーター126
の大きさに拘わらずフィルムヒーター126の熱は断熱
部材125全体に満遍なく行き渡ることができる。こう
した熱伝導フィルム128には例えばカーボンフィルム
が用いられればよい。
ムヒーター127の間には、例えば図22に示されるよ
うに、フィルムヒーター127から乾式蒸発器22に向
かって規定される鉛直方向に沿って第1伝導率で熱を伝
導させると同時に、鉛直方向に直交する平面に沿って第
1伝導率よりも高い第2伝導率で熱を伝導させる熱伝導
体すなわち熱伝熱フィルム129が挟み込まれてもよ
い。こういった熱伝導フィルム129には例えばカーボ
ンフィルムが用いられればよい。このカーボンフィルム
は、例えば銅に比べて1/100程度の熱伝導率で鉛直
方向に熱を伝導すると同時に、銅に比べて2倍程度の熱
伝導率で平面に沿って熱を伝導することができる。こう
した熱伝導フィルム129によれば、鉛直方向に直交す
る平面に沿ってフィルムヒーター127の熱は断熱部材
125内で満遍なく行き渡ることができる。結露や着霜
は確実に阻止されることができる。しかも、フィルムヒ
ーター127の熱は乾式蒸発器22に向かって伝達され
ることはなく、乾式蒸発器22の冷却能力は半導体素子
122に対してのみ発揮されることができる。熱伝導フ
ィルム129と乾式蒸発器22との間には絶縁フィルム
130が挟み込まれることが望ましい。
るように、小型プリント配線基板121を収容する第1
部材片131と、乾式蒸発器22を包み込み、第1部材
片131に着脱自在に結合される第2部材片132とに
分割されてもよい。こうした分割によれば、半導体素子
122や乾式蒸発器22は比較的に簡単に小型プリント
配線基板121から取り外されることができる。したが
って、半導体素子122の交換やメンテナンスにあたっ
て作業性は向上する。
ター127は小型プリント配線基板121の裏面に張り
付けられてもよい。入出力ピン123はフィルムヒータ
ー127を突き抜けてソケット124のソケット孔に受
け入れられる。フィルムヒーター127と小型プリント
配線基板121との間には熱伝導フィルム129が挟み
込まれてもよい。このとき、フィルムヒーター127や
熱伝導フィルム129は、図25に示されるように、小
型プリント配線基板121の外周に回り込んでもよい。
小型プリント配線基板121には、図26に示されるよ
うに、熱伝導フィルム129を挟み込んだ複数枚のフィ
ルムヒーター127が張り付けられてもよい。フィルム
ヒーター127は、図27に示されるように、ソケット
124に張り付けられてもよい。こういったソケット1
24では、入出力ピン123を受け止める導電部材13
4の周囲にフィルムヒーター127は配置される。導電
部材124はソケット孔に埋め込まれてもよい。
配線基板11に対して乾式蒸発器22を固定するにあた
って固定用ボルト135が用いられてもよい。この固定
用ボルト135は、図28に示されるように、乾式蒸発
器22の伝熱板136に形成される貫通孔137に受け
入れられる。固定用ボルト135の先端は、大型プリン
ト配線基板11に固定されたナット部材138に結合さ
れる。こういった場合には、伝熱板136と固定用ボル
ト135との間に低伝熱部材139が挟み込まれること
が望ましい。こうした低伝熱部材139によれば、乾式
蒸発器22の固定にあたって、乾式蒸発器22と大型プ
リント配線基板11との間で熱の伝達は極力阻止される
ことができる。したがって、大型プリント配線基板11
が過度に冷却されることは回避されることができる。断
熱部材125には、固定用ボルト135の進入を受け入
れる受け入れ孔140が形成されてもよい。低伝熱部材
139は例えば断熱性の高いナイロンから成型されれば
よい。
えば図29および図30に示されるように、乾式蒸発器
22に直接に取り付けられるヒーター142、143を
備えていてもよい。こういったヒーター142、143
は乾式蒸発器22の表面や伝熱板144に密着する。こ
のヒーター142、143は、半導体装置モジュール1
2の交換時やメンテナンス時に使用されることができ
る。密閉サイクル冷凍装置13の運転が停止されると、
ヒーター142、143のスイッチは投入される。ヒー
ター142、143の発熱によれば、例えば零下まで冷
やされていた乾式蒸発器22や伝熱板144は温められ
る。こうして温められた後に半導体装置収容ユニット3
1が開放されれば、乾式蒸発器22や伝熱板144、小
型プリント配線基板121などで結露は防止されること
ができる。自然冷却に比べて高速に温度が上昇すること
から、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は
短縮されることができる。ヒーター143は、例えば図
31および図32に示されるように、伝熱板144に埋
め込まれてもよい。
される場合には、例えば図29や図31に示されるよう
に、小型プリント配線基板121には温度センサ145
が実装されることが望ましい。こうした温度センサ14
5は例えばサーミスタによって代表される。こういった
温度センサ145は、例えばヒーター142、143に
よる過度の温度上昇を回避する際に大いに役立つことが
できる。温度センサ145で検出される温度に基づけ
ば、小型プリント配線基板121の温度が過度に上昇す
る以前にヒーター142、143の発熱は停止されるこ
とができる。
み込まれる除湿器33の一具体例を示す。この除湿器3
3は、箱体32に形成される開口146内に配置される
ロータ147を備える。このロータ147は、例えば開
口146を横切る回転軸148回りで回転する。ロータ
147は、箱体32内の密閉空間149と箱体32外の
開放空間150とに同時に進入することができる。ロー
タ147には、例えばシリカゲルやゼオライトといった
乾燥剤で構成され、回転軸148から放射状に広がる複
数枚の羽根151が形成される。箱体32外の開放空間
150には、ロータ147に向けて熱風を送り込むファ
ンヒーター152が配置されてもよい。
は、回転軸148回りで規定される円周経路に沿って箱
体32内の密閉空間149と箱体32外の開放空間15
0との間を行き来することができる。羽根151の乾燥
剤は箱32体内の密閉空間149で湿気を捕らえる。羽
根151が箱体32内の密閉空間149から箱体32外
の開放空間150に移動すると、乾燥剤に捕らえられた
湿気は開放空間150で放出される。湿気の放出は、フ
ァンヒーター152から送り込まれる熱風によって促進
される。各羽根151は、湿気を放出した後、再び密閉
空間149に進入する。
空間149と箱体32外の開放空間150とを行き来す
る結果、箱体32内の乾燥状態は維持されることができ
る。乾燥状態が維持されれば、箱体32内の露点は低下
する。したがって、乾式蒸発器22の表面や大型プリン
ト配線基板11の表面、箱体32内で循環経路14を区
画する配管の表面などで結露や着霜は一層確実に防止さ
れることができる。
ば、大型コンピュータ装置10の設置環境に影響されず
に、箱体32内の乾燥状態は長期間にわたって維持され
ることができる。シリカゲルは、例えばたばこの煙に含
まれるニコチン酸アミドの粒子が付着すると劣化しやす
い。したがって、乾燥剤にシリカゲルが用いられる場合
には、大型コンピュータ装置10の設置環境は清浄に保
たれることが望まれる。
ように、箱体32内の空気を暖めるヒーター153が配
置されてもよい。こうしたヒーター153は、半導体装
置モジュール12の交換時やメンテナンス時に使用され
ることができる。ヒーター15の発熱によって箱体32
内の空気は温められる。こうして箱体32内が温められ
ると、箱体32の内壁面や半導体装置モジュール12で
は温度上昇が引き起こされる。こうして温められた後に
半導体装置収容ユニット31すなわち箱体32が開放さ
れれば、箱体32の内壁面や半導体装置モジュール12
などで結露は防止されることができる。自然冷却に比べ
て急速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナ
ンス作業に費やされる時間は短縮されることができる。
箱体32内には、図34から明らかなように、ヒーター
153のほか、補助蒸発器23や循環経路14に接続さ
れる熱交換機154、155が配置されてもよい。こう
したヒーター153や熱交換機154、155によれ
ば、密閉サイクル冷凍装置13の運転中に、箱体32内
の温度は調整されることができる。こうした調整によっ
て過度の温度下降(低温化)が防止されれば、箱体32
の外壁面で結露や着霜は回避されることができる。箱体
32の外壁面に張り付けられる断熱材(図示せず)は薄
型化されたり省略さたりすることができる。こういった
調整によって過度の温度上昇が回避されれば、半導体装
置モジュール12は効率的に冷却され続けることができ
る。
ユニット31の構造を示す。この半導体装置収容ユニッ
ト31は、大型プリント配線基板11やこの基板11上
の半導体素子に密着する乾式蒸発器22を気密に収容す
る第1箱体156と、この第1箱体156を気密に収容
する第2箱体157とを備える。第1箱体156の外側
には、前述の除湿器33と同様に構成される第1除湿器
158が取り付けられる。第2箱体157外側には、前
述の除湿器33と同様に構成される第2除湿器159が
取り付けられる。第1除湿器158は、第1箱体156
内の密閉空間から第1箱体156外すなわち第2箱体1
57内の密閉空間に向けて湿気を放出する。第2除湿器
159は、第2箱体157内の密閉空間から第2箱体1
57外の開放空間に向けて湿気を放出する。こうした構
成によれば、第1箱体156内の湿気は一層効果的に開
放空間に放出されることができる。第1箱体156内の
温度が極低温まで達しても、第1箱156内の結露や着
霜は一層確実に防止されることができる。
は、例えば図36に示されるように、第2箱体157の
外側に第1除湿器158が取り付けられてもよい。第1
箱体156内の密閉空間と第1除湿器158とは、第2
箱体内の密閉空間を横切るエアダクト161によって相
互に接続されればよい。こうした構成によれば、第2箱
体157内の密閉空間は狭められることができ、したが
って、第2箱体157ひいては半導体装置収容ユニット
31全体の小型化は実現されることができる。エアダク
ト161は弾性変形可能に形成されることが望ましい。
157を用いて半導体装置収容ユニット31が構成され
る場合には、例えば図37に示されるように、第1箱体
156の開放口163と第2箱体157の開放口164
とは共通の扉165によって閉鎖されることが望まし
い。例えば半導体装置モジュール12の交換時やメンテ
ナンス時には、第1および第2箱体156、157とが
相次いで開放されなければならない。共通の扉165が
用いられれば、第1および第2箱体156、157は一
度の手間で簡単に開放されることができる。したがっ
て、半導体装置モジュール12の交換やメンテナンスに
あたって作業性は向上する。このように共通の扉165
を設けることに代えて、例えば図38に示されるよう
に、第1および第2箱体156、157の扉166、1
67の間には、扉166の開閉に扉167の開閉を連動
させる連動機構168が設けられてもよい。
サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイ
クル冷凍装置201は、切替弁202の第1吐き出し口
203を起点に切替弁202の第1吸い込み口204に
至る第1循環経路205と、切替弁202の第2吐き出
し口206を起点に切替弁202の第2吸い込み口20
7に至る第2循環経路208とを備える。第1循環経路
205には、第1吐き出し口203から順番にアキュム
レータ24、圧縮機15およびオイル分離器16が組み
込まれる。アキュムレータ24や圧縮機15、オイル分
離器16は第1実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置1
3に組み込まれたものと同様に構成されればよい。
06から第1分岐点210に至る第1両方向通路211
と、第1分岐点210から第2分岐点212に至る第1
および第2一方向通路213、214と、第2分岐点2
12から第2吸い込み口207に至る第2両方向通路2
15とを備える。第1一方向通路213は、第1分岐点
210から第2分岐点212に向かう冷媒の流れを許容
するとともに、第2分岐点212から第1分岐点210
に向かう冷媒の流れを規制する。その一方で、第2一方
向通路214は、第1分岐点210から第2分岐点21
2に向かう冷媒の流れを規制するとともに、第2分岐点
212から第1分岐点210に向かう冷媒の流れを許容
する。こういった冷媒の流れを実現するにあたって、第
1および第2一方向通路213、214には逆止弁21
6が組み込まれればよい。
には、第1実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置13と
同様に、凝縮器17や乾式蒸発器22、補助蒸発器23
が組み込まれる。第1一方向通路213には、受液器1
8の下流で第1膨張弁217が組み込まれる。その他、
第1一方向通路213には、前述と同様に、ストレーナ
26や観察窓27が組み込まれてもよい。
12の下流で受液器218が組み込まれる。この受液器
218の下流で第2一方向通路214には第2膨張弁2
19が組み込まれる。こういった受液器218や第2膨
張弁219は、前述の受液器18や第1膨張弁217と
同様に構成されればよい。
替弁202の働きによって第1吸い込み口204と第2
吐き出し口206とが接続される場面を想定する。この
とき、切替弁202では第2吸い込み口207は第1吐
き出し口203に接続される。したがって、圧縮機15
の動作中、第2吐き出し口206から吐き出される冷媒
は、第1両方向通路211から第1一方向通路213を
経て第2両方向通路215に至る。前述と同様に、乾式
蒸発器22の働きによって半導体装置モジュール12は
冷却される。このとき、乾式蒸発器22では、前述と同
様に、冷媒の乾き度1.0未満例えば0.85程度が維
持される。したがって、乾式蒸発器22では高い冷却能
力は実現されることができる。乾式蒸発器22から吐き
出される気液混相状態の冷媒は補助蒸発器23で完全に
ガス化される。
やメンテナンスの場面を想定する。こういった交換やメ
ンテナンスにあたって、半導体装置収容ユニット31は
開放されなければならない。例えば図41に示されるよ
うに、こうした開放に先立って切替弁202は切り替え
られる。この切り替えによって、第1吸い込み口204
は第2吸い込み口207に接続されることができる。そ
の結果、圧縮機15が作動すると、冷媒は、切替弁20
2の第2吸い込み口207から吐き出される。吐き出さ
れた冷媒は、第2両方向通路215から第2一方向通路
214を経て第1両方向通路211に至る。
きに循環すると、乾式蒸発器22や補助蒸発器23は凝
縮器として機能すると同時に、凝縮器17は乾式蒸発器
として機能することができる。その結果、乾式蒸発器2
2や補助蒸発器23は、半導体装置モジュール12や大
型プリント配線基板11、半導体装置収容ユニット31
内の空気を温めることができる。こうして温められた後
に半導体装置収容ユニット31すなわち箱体32が開放
されれば、箱体32の内壁面や半導体装置モジュール1
2などで結露は防止されることができる。自然冷却に比
べて急速に温度が上昇することから、交換作業やメンテ
ナンス作業に費やされる時間は短縮されることができ
る。
閉サイクル冷凍装置201では、乾式蒸発器22および
補助蒸発器23に並列にヒーター221が組み込まれて
もよい。こうしたヒーター221は、第2循環経路20
8で冷媒が逆向きに循環する際にのみ使用されればよ
い。こうしたヒーター221によれば、受液器218に
向かう冷媒は完全に凝縮されることができる。前述の密
閉サイクル冷凍装置201では、凝縮器17で達成され
る伝熱面積に比べて乾式蒸発器22や補助蒸発器23で
達成される伝熱面積は著しく小さい。したがって、ヒー
ター221が組み込まれなければ、凝縮能力の小さな乾
式蒸発器22や補助蒸発器23では、凝縮器17の冷却
能力に対して十分な凝縮効果を達成することはできない
と考えられる。
サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイ
クル冷凍装置230は、前述の密閉サイクル冷凍装置1
3と同様に循環経路14を備える。この循環経路14に
は、前述の密閉サイクル冷凍装置13と同様に、圧縮機
15や凝縮器17、受液器18、膨張弁21、乾式蒸発
器22、補助蒸発器23、アキュムレータ24のほか、
オイル分離器16やストレーナ26が組み込まれる。
うに、鉛直方向に延びる伝熱板231で冷却対象物すな
わち半導体装置モジュール12に接触するケーシング2
32を備える。このケーシング232では、そういった
伝熱板231と、伝熱板231に平行に配置される背面
板233との間に密閉空間すなわち蒸発室234は区画
される。蒸発室234は、伝熱板231から背面板23
3に向かって水平方向に立ち上がる底板235から伝熱
板231に沿って鉛直方向に広がる。ケーシング232
は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されれ
ばよい。蒸発室234の最下位置には、蒸発室234に
冷媒を導入する冷媒流入口236が開口する。蒸発室2
34の最上位置には、蒸発室234から冷媒を流出させ
る冷媒流出口237が開口する。伝熱板231には、冷
媒流入口236から冷媒流出口237に向かって鉛直方
向に延びる冷媒通路を区画するフィン群238が一体に
形成される。フィン群238の構造の詳細は後述され
る。
室234で気液分離が実現される。こうした気液分離
は、流量制御器すなわち膨張弁21から送り出される冷
媒の流量に基づき実現されることができる。冷媒の流量
を調整するにあたって圧縮機15や膨張弁21の動作は
制御される。この制御には例えば制御回路239が用い
られる。圧縮機15の動作を制御するにあたって、制御
回路239は、例えば圧縮機15の上流および下流で循
環経路14に組み込まれる圧力センサ240、241の
出力に基づき圧縮機15の圧縮比を算出することができ
る。膨張弁21の動作を制御するにあたって、制御回路
239は、例えば乾式蒸発器22の下流で循環経路14
に組み込まれる温度センサ242や圧力センサ243の
出力を利用する。こうして気液分離が実現されると、蒸
発室234内では、重力の影響を受けて冷媒液は底板2
35上に溜まる。このように冷媒液が溜められると、フ
ィン群238で規定される各冷媒通路に均等に冷媒は分
配されることができる。
端を臨ませる第1噴射ノズル244および第2噴射ノズ
ル245が取り付けられる。第1噴射ノズル244の軸
心線は、図42から明らかなように、蒸発室234に溜
まった冷媒液の液面を横切ってフィン群238に向けら
れる。第2噴射ノズル245の先端すなわち噴射口は、
図42から明らかなように、フィン群238および冷媒
流入口236の間に位置決めされる。第1および第2噴
射ノズル244、245には、圧縮機15およびオイル
分離器16の下流から延びるバイパス経路247を区画
するバイパス配管が接続される。
力で吐き出された気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスはバ
イパス経路247から第1および第2噴射ノズル24
4、245に向けて供給される。第1噴射ノズル244
の先端から冷媒ガスが吐き出されると、冷媒の液面から
フィン群238に向かって冷媒液は吹き上げられる。吹
き上げられた冷媒液はフィン群238すなわち伝熱板2
31に付着する。こうして伝熱板231の表面では常に
広い領域で冷媒は保持されることができる。冷媒液の蒸
発は促進される。
45に向けて冷媒ガスが供給されると、第2噴射ノズル
245の先端から冷媒ガスは噴き出される。噴き出され
た冷媒ガスは冷媒液を撹拌する。こうして冷媒流出口2
36の近辺で冷媒液が撹拌されると、蒸発室234には
一様に冷媒が流入することができる。
247には、バイパス経路247の流量を制御する電子
制御弁248が組み込まれてもよい。こうしてバイパス
経路247で流量が制御されると、蒸発室234内に高
圧力で導入される冷媒ガスの噴射量は調整されることが
できる。したがって、蒸発室234内の蒸気圧は調整さ
れることができる。こうして蒸気圧が調整されると、蒸
発室234内では、冷媒の蒸発温度すなわち沸点は調整
されることができる。
るように、伝熱板231の表面から立ち上がって、鉛直
方向に延びる複数枚のフィン251を備える。隣接する
フィン251同士の間には、冷媒液の毛管上昇を実現す
る溝幅W1で鉛直方向に延びるマイクロチャネル252
が区画される。こうしたフィン群238によれば、蒸発
室234に溜まる冷媒液はマイクロチャネル252によ
って吸い上げられることができる。その結果、フィン群
238すなわち伝熱板231は、冷媒液の液面LVの位
置に拘わらず、広い領域で冷媒液に浸されることが可能
となる。その結果、冷媒液の蒸発は促進される。マイク
ロチャネル252内で冷媒が吸い上げられる高さHrは
例えば冷媒の表面張力とマイクロチャネル252の溝幅
W1とに基づき決定されることができる。
に、各フィン251の稜線253は平行に配列される。
隣り合う稜線253の間には、それら稜線253に平行
に延びる基準線254が規定される。一方のフィン25
1の稜線253から基準線254に向かって第1壁面2
55は広がる。その一方で、他方のフィン251の稜線
253から共通の基準線254に向かって第2壁面25
6は広がる。第1壁面255と第2壁面256とは相互
に向き合う。同時に第1および第2壁面255、256
は基準線254で相互に接続される。第1および第2壁
面255、256は基準線254に沿って延びる。
253から基準線254に向かって湾曲面を描く。その
結果、第1および第2壁面255、256の間隔は、図
44から明らかなように、基準線254から遠ざかるに
つれて徐々に広がっていく。このとき、第1および第2
壁面255、256の間で基準線254に向き合う冷媒
液の表面では、表面の曲率半径rや、第1および第2壁
面255、256との相対角αに基づき第1表面張力F
1が作用する。その一方で、稜線253に向かって開放
される冷媒液の表面では、表面の曲率半径Rや、第1お
よび第2壁面255、256との相対角βに基づき第2
表面張力F2が作用する。次式に示されるように、第1
表面張力F1は第2表面張力F2に比べて格段に大き
い。
けられると、基準線254側で大きな第1表面張力F1
が作用することから、液滴は表面張力F1、F2の差分
に応じて基準線254に向かって吸い込まれていく。そ
の結果、冷媒液は、第1および第2壁面255、256
の間に溜め込まれることができる。こうして冷媒液の蒸
発は促進されることができる。
例えば図45に示されるように、第1および第2壁面2
55、256に拡大溝257が形成されてもよい。この
拡大溝257は基準線254に沿って延びる。こうした
拡大溝257によれば、第1および第2壁面255、2
56の間に導き入れられた冷媒の液滴は拡大溝257に
溜め込まれることができる。したがって、冷媒液の蒸発
は一層促進されることができる。
媒液を溜め込むにあたって、例えば図46に示されるよ
うに、フィン群238は、例えば1mm以下のピッチP
itで並列に配列されて、伝熱板231の表面から立ち
上がる複数枚の平板状フィン258を備えてもよい。隣
り合う平板状フィン258同士の間には、一方の平板状
フィン258で規定される第1壁面259と、他方の平
板状フィン258で規定されて第1壁面259に向き合
う第2壁面260とによってマイクロチャネル252は
区画される。こうした平板状フィン258を形成するに
あたって、伝熱板231の表面には、例えばマイクロチ
ャネル252の溝幅Wに等しい厚みの薄丸鋸(図示せ
ず)が適用されてもよい。薄丸鋸がマイクロチャネル2
52を彫り進むと、平板状フィン258は削り出される
ことができる。その他、そういった平板状フィン258
は、伝熱板231の表面に固着される銅製やアルミニウ
ム製の薄板によって構成されてもよい。
60には各々第1腐食面や第2腐食面が形成されてもよ
い。第1および第2腐食面では微細な凹凸が実現され
る。こうした微細な凹凸によれば、平板状フィン258
の伝熱面積は拡大されると同時に、冷媒液に対する濡れ
性は向上する。したがって、冷媒液の蒸発は促進される
ことができる。第1および第2腐食面の形成にあたって
は、例えばHFなどの腐食剤が用いられればよい。
たって、第1および第2壁面259、260には熱伝導
性微小粒子が付着させられてもよい。微小粒子の大きさ
はミクロンオーダーで設定されればよい。こうした熱伝
導性微小粒子によれば、前述と同様に、平板状フィン2
58の伝熱面積は拡大されると同時に、冷媒液に対する
濡れ性は向上する。したがって、冷媒液の蒸発は促進さ
れることができる。熱伝導性微小粒子には、例えばダイ
ヤモンド、金、銀、炭素繊維などの微粒子が用いられれ
ばよい。
閉サイクル冷凍装置13、201、230に用いられる
乾式蒸発器22は、例えば図47に示されるように、水
平方向に広がる小型プリント配線基板301に取り付け
られるケーシング302と、このケーシング302に組
み込まれる冷却素子すなわちピストン303とを備えて
もよい。ケーシング302には、鉛直方向に立ち上がる
導入管304および排出管305が接続される。こうい
った接続には例えばカプラ306が用いられればよい。
なように、水平方向に延びる天井板307と底板308
との間に冷媒の流路309が区画される。この流路30
9には、導入管304で区画される冷媒導入通路から冷
媒が導入される。流路を通過した冷媒は、排出管305
で区画される冷媒排出通路から流出する。ピストン30
3は、ケーシング302の天井板307および底板30
8を貫通して流路309を横切る。底板308から突き
出るピストン303の先端は半導体素子310の表面に
接触する。ピストン303は、例えば熱伝導率の高い銅
といった材料から成形されればよい。
311が取り付けられる。シール部材311は、ピスト
ン303と天井板307との間やピストン303と底板
308との間に挟み込まれる。こうしたシール部材31
1によれば、天井板307とピストン303との間や底
板308とピストン303との間で冷媒の漏出は防止さ
れることができる。ケーシング302には、半導体素子
310の表面にピストン303を押し当てるバネ312
といった弾性部材が設けられてもよい。
310の発熱はピストン303を経て効率的に冷媒に伝
達されることができる。したがって、半導体素子310
は効率的に冷却されることができる。このとき、例えば
ケーシング302が合成樹脂材などの断熱材から構成さ
れれば、ピストン303以外から冷媒に熱は伝わりにく
くなる。したがって、乾式蒸発器22の冷却効率は一層
高められることができる。
媒の流路309は、例えば図49に示されるように、全
てのピストン303に対して共通に設けられてもよい。
その他、こういった流路309は、例えば図50に示さ
れるように、ピストン303の各列ごとに切り離されて
形成されてもよい。
れるように、1枚または複数枚のフィン313が取り付
けられてもよい。フィン313は流路309中でピスト
ン303の円筒表面から水平方向に広がればよい。こう
したフィン313によれば、ピストン303と冷媒との
間で伝熱面積は増大する。その結果、半導体素子310
からピストン303に伝わる熱は効率的に冷媒に伝達さ
れることができる。こういったフィン313はピストン
303に一体に形成されてもよい。
2に示されるように、各半導体素子310の発熱量に応
じてフィン313の広がりすなわち大きさは決定されて
もよい。周知の通り、フィン313の拡大はピストン3
03と冷媒との間で伝熱面積の増大を実現することがで
きる。伝熱面積が増大すれば、ピストン303から冷媒
に伝達される熱は増大する。したがって、発熱量の大き
さにフィン313の大きさが追随すれば、冷却時に各半
導体素子310の温度にばらつきが生じることは回避さ
れることができる。言い換えれば、半導体素子310ご
とに発熱量が異なっても、1枚の小型プリント配線基板
301上で一層効率的に冷却は実現されることができ
る。ただし、伝熱面積すなわちフィン313の表面積
は、このようにフィン313の大きさによって調整され
てもよく、フィン313の枚数によって調整されてもよ
い。
に示されるように、水平方向に広がる小型プリント配線
基板301に取り付けられるブロック体315を備えて
もよい。このブロック体315には、小型プリント配線
基板301上の各半導体素子310に対応して鉛直方向
に延びる円筒貫通孔316と、水平方向に延びて、円筒
貫通孔316を横切る流路用貫通孔317とが形成され
る。これら円筒貫通孔316や流路用貫通孔317はド
リル加工などによって比較的に簡単に形成されることが
できる。こうしたブロック体315は、冷媒の流路を区
画するケーシングとして機能する。
ストン318がはめ込まれる。ピストン318の先端は
ブロック体315から突き出て半導体素子310の表面
に接触する。ピストン318は、例えば熱伝導率の高い
銅といった材料から成形されればよい。
16の内壁面との間には、ピストン318の円筒表面に
沿って冷媒を案内する冷媒案内路319が形成される。
冷媒案内路319は、円筒貫通孔316の内壁面に開口
する1対の流路用貫通孔317同士を接続する。
シール部材すなわちOリング321がはめ込まれる。1
対のOリング321の間で冷媒案内路319が区画され
ることから、ピストン318の円筒表面に沿って流れる
冷媒の漏出は確実に阻止されることができる。
図54から明らかなように、ピストン318の円筒表面
には、経線に沿って鉛直方向に延びる1対の案内溝32
2が形成される。案内溝322の一端同士は接続溝32
3によって相互に接続される。ピストン318が円筒貫
通孔316にはめ込まれると、案内溝322や接続溝3
23と円筒貫通孔316の内壁面との間に冷媒案内路3
19は区画される。
流路用貫通孔317に導入される冷媒は一方の案内溝3
22に導かれてピストン318の円筒表面に沿って下降
していく。下降した冷媒は接続溝323から他方の案内
溝322に流入する。この案内溝322は、ピストン3
18の円筒表面に沿って冷媒を上昇させる。上昇した冷
媒は流路用貫通孔317に流れ込む。こうしてピストン
318の円筒表面に沿って冷媒が案内されれば、高い冷
却効率でピストン318の冷却は実現されることができ
る。なお、案内溝322には、例えば図55に示される
ように、経線に沿って鉛直方向に延びる1筋または複数
筋のフィン324が形成されてもよい。こうしたフィン
324によれば、ピストン318と冷媒との間で伝熱面
積は増大し、さらに高い冷却効率でピストン318は冷
却されることが可能となる。
318には、前述のような接続溝323に代えて、1対
の案内溝322同士を接続する接続孔326が形成され
てもよい。この接続孔326は、例えば図57から明ら
かなように、ピストン318の軸心に沿って鉛直方向に
延びる中心穴327と、この中心穴327から水平方向
に延びて2つの案内溝322に開口する1対の半径方向
穴328とによって構成されればよい。
径方向穴328同士の間隔は広げられることが望まれ
る。こうして間隔が広げられれば、中心穴327の内壁
面と冷媒との間で伝熱面積は増大する。その結果、さら
に高い冷却効率でピストン318の冷却は実現されるこ
とができる。このとき、図56から明らかなように、ブ
ロック体315には、円筒貫通孔316を横切る上下1
対の流路用貫通孔317a、317bが形成されればよ
い。隣接するピストン318同士の間で冷媒は2つの流
路用貫通孔317a、317bを交互に流れていく。
ドリル加工によって成形されることができる。まず、図
58(a)に示されるように、ピストン素材331の端
面から軸心に沿ってドリル穴332は形成される。続い
て、図58(b)に示されるように、ピストン素材33
1の円筒表面から半径方向に沿ってドリル穴333は形
成される。最後に、図58(c)に示されるように、ピ
ストン素材331の端面から閉鎖栓334がはめ込まれ
ると、中心穴327は区画される。
318の円筒表面には、前述の案内溝322に代えて、
螺旋状の案内溝335が形成されてもよい。こうしたピ
ストン318が円筒貫通孔316にはめ込まれると、図
60に示されるように、案内溝335と円筒貫通孔31
6の内壁面との間に冷媒案内路319が区画される。流
路用貫通孔317aに流入した冷媒は案内溝335に沿
って螺旋を描きながら下降していく。したがって、ピス
トン318と冷媒との間で伝熱面積は増大することがで
きる。高い冷却効率でピストン318は冷却されること
ができる。冷媒は流路用貫通孔317bに流出する。隣
接するピストン318では、冷媒は案内溝335に沿っ
て螺旋を描きながら上昇していく。同様に高い冷却効率
でピストン318は冷却される。上昇した冷媒は流路用
貫通孔317aに流入する。
ン318には、前述の案内溝335に加えて、前述と同
様に接続孔336が形成されてもよい。図62に示され
るように、この接続孔336は、ピストン318の軸心
に沿って鉛直方向に延びる中心穴337と、この中心穴
337から水平方向に延びて案内溝335の一端に開口
する第1半径方向穴338と、同様に中心穴337から
水平方向に延びてピストン318の円筒表面で開口する
第2半径方向穴339とを備えればよい。こういった中
心穴337や第1および第2半径方向穴338、339
は、前述の中心穴327や半径方向穴328と同様に成
形されればよい。
62から明らかなように、案内溝335に沿って螺旋を
描きながら下降した冷媒は接続孔336によって流路用
貫通孔317に導かれることができる。したがって、前
述のように螺旋状の案内溝335を採用する場合でも、
ブロック体315に2本の流路用貫通孔317a、31
7bを設ける必要はなくなる。
ン318には、冷媒を流通させる複数個の貫通孔341
が形成されてもよい。こうした貫通孔341によれば、
ピストン318と冷媒との間で伝熱面積は増大すること
ができる。したがって、ピストン318の熱は効率的に
冷媒に伝達されることができる。
318の円筒表面上で1対の経線を含む平面に沿って形
成される第1および第2平坦面342、343で開口す
る。円筒貫通孔316にピストン318がはめ込まれる
と、図64に示されるように、第1平坦面342と円筒
貫通孔316の内壁面との間には冷媒流入室345が区
画される。その一方で、第2平坦面343と円筒貫通孔
316の内壁面との間には冷媒流出室346が区画され
る。こうした冷媒流入室345や冷媒流出室346の働
きによって冷媒は各貫通孔341に満遍なく分配される
ことができる。
分断される場合には、例えば図65に示されるように、
循環経路14に空気追い出し機構351が組み込まれる
ことが望まれる。この空気追い出し機構351は、カプ
ラ34の上流側および下流側で循環経路14に組み込ま
れる第1および第2開閉弁352、353と、カプラ3
4と第2開閉弁353との間で循環経路14に組み入れ
られる2方向切替弁354とを備えればよい。2方向切
替弁354には、上流側の循環経路14aと下流側の循
環経路14bとを相互に接続する直進通路355と、こ
の直進通路355から枝分かれして直進通路355を開
放空間に接続する開放通路356とが設けられる。2方
向切替弁354が通常モードに設定されると、図65に
示されるように、直進通路355と開放通路356との
接続は遮断される。直進通路355によって上流側の循
環経路14aと下流側の循環経路14bとは相互に接続
される。その一方で、2方向切替弁354が作業モード
に設定されると、図66に示されるように、上流側の循
環経路14aと下流側の循環経路14bとの接続は遮断
される。このとき、上流側の循環経路14aは開放通路
356に接続される。
2方向切替弁354は通常モードに設定される。同時
に、第1および第2開閉弁352、353は開かれる。
したがって、冷媒は圧縮機15の働きに応じて循環経路
14内を行き来することができる。
方向切替弁354で通常モードは維持される。したがっ
て、開放通路356から循環経路14に外気は入り込む
ことはない。カプラ34のセルフシール機構が作動する
限り、カプラ34から循環経路14に外気は入り込まな
い。このとき、第1および第2開閉弁352、353は
開かれたままでもよく閉じられてもよい。
開閉弁352、353は必ず閉じられる。カプラ34の
連結が完了した後、2方向切替弁354は作業モードに
切り替えられる。上流側の循環経路14aは外気に開放
される。同時に、第1開閉弁352は開かれる。このと
き、圧縮機15が作動すると、冷媒の圧力に応じて循環
経路14a内の空気は開放通路356から外気に向かっ
て追い出される。こうして空気が追い出された後、2方
向切替弁354は通常モードに切り替えられる。その結
果、循環経路14は外気から遮断される。その後、第2
開閉弁353は開かれる。分断された循環経路14同士
の連結は完了する。こうして循環経路14内の空気が追
い出されれば、カプラ34の連結や解除が繰り返されて
も、空気の混入は阻止され、密閉サイクル冷凍装置13
の作動に支障を来すことは防止されることができる。周
知の通り、循環経路14に空気が混入すると密閉サイク
ル冷凍装置13の作動に悪影響を及ぼしてしまう。
方向切替弁354と第2開閉弁353とが統合されるこ
とが望まれる。単一の機構で2方向切替弁354の機能
と第2開閉弁353の機能とを実現することができれ
ば、2方向切替弁354と第2開閉弁353との間で循
環経路14は省略されることができ、循環経路14に空
気が混入する可能性は一層低減されることができる。
サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイ
クル冷凍装置361では、前述のように乾式蒸発器22
で乾き度1.0未満例えば0.85程度を維持するにあ
たって、乾式蒸発器22の冷媒流出口362に気液分離
フィルタ363が組み込まれる。この気液分離フィルタ
363は気相状態の冷媒すなわち冷媒のみを下流側に流
出させる。したがって、乾式蒸発器22内で完全に冷媒
液が蒸発しなくても、気液分離器24の負担を著しく増
加させることなく圧縮機15の液圧縮は確実に防止され
ることができる。しかも、こうした気液分離フィルタ3
63の働きによれば、前述の補助蒸発器23は省略され
ることができる。ただし、こうした気液分離フィルタ3
63は補助蒸発器363と組み合わせられて使用されて
もよい。なお、この第4実施形態では、前述の第1実施
形態に係る密閉サイクル冷凍装置に組み込まれた構成と
同様な機能を発揮する構成には同一の参照符号が付与さ
れる。
以上に高い冷却能力を発揮することができる密閉サイク
ル冷凍装置が提供される。
凍装置が組み込まれた大型コンピュータ装置の構造を概
略的に示す図である。
図である。
図である。
の平面図である。
す底板の平面図である。
面図である。
式蒸発器の構造を示す断面図である。
係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
仕切り板の平面図である。
仕切り板の平面図である。
仕切り板の平面図である。
を示す断面図である。
仕切り板の平面図である。
す乾式蒸発器の断面図である。
を示す断面図である。
を示す断面図である。
を示す断面図である。
を示す断面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
大図である。
大図である。
大断面図である。
る。
面図である。
である。
面図である。
面図である。
ニットの拡大断面図である。
拡大断面図である。
拡大断面図である。
拡大断面図である。
拡大断面図である。
拡大断面図である。
冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
一部拡大平面図である。
である。
ある。
視図である。
の構造を示す拡大斜視図である。
面図である。
平面図である。
平面図である。
式蒸発器の一部断面図である。
蒸発器の平面図である。
的に示す乾式蒸発器の断面図である。
る。
示す斜視図である。
に示す斜視図である。
的に示す乾式蒸発器の断面図である。
の断面図である。
概略的に示す斜視図である。
面図である。
概略的に示す斜視図である。
面図である。
概略的に示す斜視図である。
面図である。
ロック図である。
の構成を概略的に示すブロック図である。
冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
密閉サイクル冷凍装置、14 循環経路、21 流量
制御器としての膨張弁、22 乾式蒸発器、23 補助
蒸発器、31 半導体装置収容ユニット、32 箱体、
33 除湿器、41 ケーシング、44 密閉空間すな
わち蒸発室、48 冷媒流入口、49冷媒流出口、51
フィン群、52 直線経路、53 ケーシング、54
底板、55 天井板、58 中板としての仕切り板、
59 蒸発室、61 冷媒導入室、62 冷媒排出室、
66 冷媒流入口、67 冷媒流出口、68 導入口と
しての蒸発室入り口、75 堰、76 冷媒通路、78
膨張路、81 ケーシング、82 底板、83 天井
板、85 中板としての仕切り板、86 蒸発室、87
冷媒排出室、88 導入管、89 排出管、92 伝
熱板、93 ケーシング、95 蒸発室、98 管部材
としての排出管、101 冷媒流入口、102 冷媒流
入口、103 フィン群、104 迂回路を形成するバ
イパス管、105 バイパス口、107 伝熱板、10
8 ケーシング、109 背面板、110 蒸発室、1
12 仕切り板、113 伝熱板側空間、114 背面
板側空間、118 冷媒流入口、119 冷媒流出口、
121 小型プリント配線基板、122 半導体素子、
123 入出力ピン、124 半導体装置モジュール用
コネクタとしてのソケット、125 断熱部材、126
フィルムヒーター、127 フィルムヒーター、12
9 熱伝導フィルム、131 第1部材片、132 第
2部材片、135 固定用ボルト、137 貫通孔、1
39 低伝熱部材、142 ヒーター、143 ヒータ
ー、144 伝熱板、145 温度センサ、149 密
閉空間、150 開放空間、153 ヒーター、156
第1箱体、157 第2箱体、158 第1除湿器、
159 第2除湿器、201 密閉サイクル冷凍装置、
230 密閉サイクル冷凍装置、231 伝熱板、23
2ケーシング、252 マイクロチャネル、254 基
準線、255 第1壁面、256 第2壁面、257
拡大溝、244 第1噴射ノズル、245 第2噴射ノ
ズル、247 バイパス経路、248 流量制御弁とし
ての電子制御弁、301 小型プリント配線基板、30
2 ケーシング、303 冷却素子としてのピストン、
309 冷媒の流路、310 半導体素子、315 ケ
ーシングとしてのブロック体、318 冷却素子として
のピストン、361 密閉サイクル冷凍装置、362
冷媒流出口、363 気液分離フィルタ、D1 下部空
間の深さ、D2 伝熱板および仕切り板の間隔。
Claims (5)
- 【請求項1】 冷媒を循環させる循環経路と、循環経路
に組み込まれて、乾き度1.0未満を維持しつつ冷媒を
蒸発させる乾式蒸発器とを備えることを特徴とする密閉
サイクル冷凍装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の密閉サイクル冷凍装置
において、前記乾式蒸発器の下流で循環経路に組み込ま
れる補助蒸発器をさらに備えることを特徴とする密閉サ
イクル冷凍装置。 - 【請求項3】 冷媒の循環経路に組み込まれた乾式蒸発
器内で冷媒を蒸発させ、乾式蒸発器から気液混相状態の
冷媒を流出させる工程を備えることを特徴とする密閉サ
イクル冷凍方法。 - 【請求項4】 壁面で密閉空間を区画するケーシング
と、ケーシングの壁面に形成される冷媒流入口と、ケー
シングの壁面に形成される冷媒流出口と、ケーシングの
壁面に一体に形成されて、冷媒流入口から冷媒流出口に
向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を区画するフィ
ン群とを備え、冷媒流入口から冷媒流出口に至る直線経
路から遠ざかるほど冷媒通路の長さは短縮されることを
特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。 - 【請求項5】 天井板および底板で密閉空間を挟み込
み、底板で冷却対象物に接触するケーシングと、天井板
および底板の間で密閉空間に配置される中板と、中板お
よび底板の間に区画される蒸発室と、天井板に形成され
る冷媒流入口と、天井板および中板の間に区画されて、
冷媒流入口から蒸発室に向かって広がる冷媒導入室と、
天井板に形成される冷媒流出口と、天井板および中板の
間に区画されて、蒸発室から冷媒流出口に向かって広が
る冷媒排出室とを備えることを特徴とする密閉サイクル
冷凍装置用乾式蒸発器。
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