JP2003314910A - 半導体素子冷却装置およびその制御方法 - Google Patents

半導体素子冷却装置およびその制御方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体素子の発熱に応じて冷却能力を発揮す
る半導体素子冷却装置を提供する。 【解決手段】 冷却装置を、冷却板、コンデンサーおよ
び冷媒ポンプを繋いで構成する液相・気相間変化をする
装置とし、半導体素子冷却板に設けた温度センサーの温
度と設定温度温度との差分により前記装置の前記冷媒ポ
ンプを駆動するインバータ電源を制御して、前記ポンプ
の回転数を増減することによって常に最適な冷却能力を
維持するように調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高発熱の半導体素
子の冷却装置に関し冷媒の蒸発、凝縮の相変化を用いて
効率よく小型で取り扱いが容易な冷却装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】コンピュータ等の半導体素子において演
算スピードを上げるために半導体素子の発熱量も増大
し、ファンとヒートシンクの空冷の冷却装置では限界に
達して来ている。大型コンピュータでは特開平５−３１
５４８８に記載されている様に緊急用の冷媒供給方法等
について提示されているが、インバータ冷媒ポンプを用
いたような制御については記述されていない。また、最
適な冷媒量等についての記述もされていなかった。小型
の冷却装置では特開平６−１２０３８２に記載されてい
るように冷媒の相変化を利用して冷却するヒートパイプ
式の冷却装置もあるが、高発熱の半導体素子の冷却には
装置が大きくなったり冷却能力が足りなかったりする恐
れがあった。また、小発熱の冷却にはファンとヒートシ
ンクを組み合わせた冷却装置が一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のファンとヒート
シンクの空冷式の冷却装置では半導体素子７０W程度の
発熱を冷却する装置を構成することが可能であるが、１
５０W以上の高発熱半導体素子の冷却になると装置が非
常に大型になりラックタイプのサ−バ等の枠体に入りき
れなくなってしまう課題があった。また、特開平５−３
１５４８８に記載されているような液冷媒に浸漬させる
方式では半導体素子を収納する容器の密閉性等の課題や
装置が複雑で大型になり収納性や取り扱い性に課題があ
った。また、緊急時の機械的な半導体素子温度上昇防止
であり、繰り返して使用できないため最適制御手段とし
ては利用できない課題があった。また、蒸発器出口の２
相状態を制御する方法がなかったため適正な冷凍サイク
ルを構成することが困難であった。また、冷却能力の異
なる冷却装置にはシリンダ−容積の異なる冷媒ポンプを
設置することが必要であり、その都度長い時間をかけて
信頼性の確認を実施することが必要であった。
【０００４】本発明はこのような従来の課題を解決する
ものであり、高発熱の半導体素子の冷却を効率よく小型
化できる冷却装置を提供することを目的とするものであ
る。
【０００５】また、高発熱の半導体素子を効率良く許容
温度以下に保持することを目的とするものである。ま
た、異なった冷却装置に同じインバータ冷媒ポンプを用
いて開発時間の短縮を図ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、発熱体である半導体素子を冷却するための
冷却板、コンデンサー、および冷媒ポンプを繋いでなる
冷媒循環式の冷却装置を構成し、前記コンデンサーをフ
ァンでもって冷却し、前記冷媒ポンプを回転数制御の可
能なインバータ冷媒ポンプとした半導体素子の冷却装置
したものである。この構成によりインバータ冷媒ポンプ
の回転数を上げれば大きな冷却能力を得られ、冷媒ポン
プを小型化することが出来る。また、異なった冷却装置
に同じインバータ冷媒ポンプを用いて開発時間の短縮を
図ることが可能である。
【０００７】また、本発明は冷却板に温度センサーを取
り付け、冷却板の温度が設定の温度より上昇した場合に
はインバータ冷媒ポンプの回転数を増加させ、冷却板の
温度が設定の温度より下降した場合にはインバータ冷媒
ポンプの回転数を減少させる制御を設けたものである。
この制御により半導体素子の発熱量の変動があっても効
率良く制御することが可能である。
【０００８】また、本発明は冷却板の温度が安定した
後、インバータ冷媒ポンプの回転数を下げて行き冷却板
の温度が急激に上昇した場合にインバータ冷媒ポンプの
回転数を１０％〜２０％増加させたことを特徴とするも
のである。この制御により冷却板出口の冷媒の状態を１
０％〜２０％の液冷媒を含んだ湿り状態に保持すること
が出来る。
【０００９】また、本発明は冷媒充填量として冷凍サイ
クル容積の６５％〜７５％の冷媒を封入したものであ
る。このことによりコンデンサー内を熱伝達の良い２相
状態を確保することが可能となり、コンデンサーの性能
を最大限利用できる冷凍サイクルを得ることが出来きよ
り小型の冷却装置が可能となる。また、コンデンサーの
出口から蒸気冷媒が流出してインバータ冷媒ポンプがガ
スかみ込み運転を起こさない冷凍サイクルを得ることが
出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は発熱体で
ある半導体素子を冷却するための冷却板、コンデンサ
ー、および冷媒ポンプを繋いでなる冷媒循環式の冷却装
置を構成し、前記コンデンサーをファンでもって冷却
し、前記冷媒ポンプを回転数制御の可能なインバータ冷
媒ポンプとした半導体素子の冷却装置としたものであ
り、そしてこの構成によればコンデンサーで凝縮した冷
媒が冷媒ポンプでもって冷却板に送られ冷却板に取りつ
けられた半導体素子の熱を効率良く奪い液冷媒から蒸気
冷媒の相変化を起こしコンデンサーに送られ、前記コン
デンサーをファンでもって冷却し液冷媒を得ることが出
来る。また、回転数を上げれば大きな冷却能力を得る作
用があり冷媒ポンプを小型化でき半導体の冷却装置も小
型化することができる。
【００１１】請求項２に記載の発明は冷却板に温度セン
サーを取り付け、冷却板の温度が設定の温度より上昇し
た場合にはインバータ冷媒ポンプの回転数を増加させ、
冷却板の温度が設定の温度より下降した場合にはインバ
ータ冷媒ポンプの回転数を減少させるものであり、温度
センサーによりインバータ冷媒ポンプの回転数を変化さ
せ適正な冷凍サイクルを得る作用を有する。
【００１２】請求項３に記載の発明は冷却板の温度が安
定した後、インバータ冷媒ポンプの回転数を下げて行き
冷却板の温度が急激に上昇した場合にインバータ冷媒ポ
ンプの回転数を１０％〜２０％増加させるものであり、
この制御により冷却板出口の冷媒の状態を液冷媒１０％
〜２０％含んだ湿りの状態に保持することが可能となり
半導体素子の急激な発熱に対して冷媒の潜熱を利用する
ことが出来るので、半導体素子の急激な温度上昇を押さ
える作用を得ることが出来る。
【００１３】請求項４に記載の発明は冷媒充填量として
冷凍サイクル容積の６５％〜７５％の冷媒を封入したも
のであり、コンデンサー内の大部分が熱伝達の良い液冷
媒と蒸気冷媒の２相流となるため効率の良い冷凍サイク
ルを得ることが出来きる。また、コンデンサーの出口か
ら蒸気冷媒が流出しない作用があり、インバータ冷媒ポ
ンプがガスかみ込み運転を起こさない冷凍サイクルを得
ることが出来る。
【００１４】
【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照して
説明する。 （実施例１）図１は本発明の実施例における冷凍サイク
ルを示す図である。図１において高発熱体である半導体
素子を冷却するための冷却板１、コンデンサー２、イン
バータ冷媒ポンプ３を繋いで冷却装置を構成している。
またコンデンサー２はファン４でもって冷却される構成
になっており、冷凍サイクル内には冷媒が封入されてい
る。冷媒の流れはまずコンデンサー２より出てきた液冷
媒をインバータ冷媒ポンプ３でもって冷却板１に送ら
れ、高発熱の半導体素子の熱を奪い冷却板１の中で液冷
媒から蒸気冷媒に相変化を起こす。次に蒸気冷媒はコン
デンサー２に送られ、ファン４でもって冷却され蒸気冷
媒から液冷媒に相変化を起こす。そしてこの実施例によ
れば高発熱の半導体素子の冷却を冷媒の相変化により行
なうため効率の良い冷却が得られる。５は温度センサー
であり冷却板１の温度を検出し、冷却板１の温度が上昇
した場合には、インバータ冷媒ポンプ３の回転数を上
げ、冷却板１の温度が減少した場合には、インバータ冷
媒ポンプ３の回転数を下げる制御を行なう。６はインバ
ータ冷媒ポンプ３に電源を供給しているインバータ制御
器である。
【００１５】図２は冷凍サイクルの内容積に対する冷媒
充填比率と各部の温度を示す図である。半導体素子表面
温度、冷却板温度およびコンデンサー入口温度は、冷媒
充填比率が小さくなるに従って減少し、７５％当りで安
定してくる。また、コンデンサー入口温度とコンデンサ
ー出口の温度差（過冷却温度）もだんだん小さくなって
くる。過冷却温度がなくなると蒸気冷媒がインバータ冷
媒ポンプ３内に入り、ガスかみ込み運転になり極端に循
環量が低下し、冷却板の温度および半導体素子の急激な
温度上昇を招き損傷させてしまう可能性がある。その限
界が６５％あたりにあると考えられる。冷媒量充填比率
が６５％から７５％の間ではコンデンサー２内が熱伝達
の良い液冷媒と蒸気冷媒の２相流状態となっているため
効率の良い熱交換が可能である。
【００１６】図３は冷媒のＰ−ｈ線図に今回の冷凍サイ
クルを記入した図である。図３より分かるように、冷却
板１の出口の状態は、完全な蒸気ではなく液冷媒を１０
〜２０％含んだ状態であるため、半導体素子の発熱量の
変動による急激な温度上昇を前記液冷媒が押さえる役目
を果たすようになっている。この液冷媒１０〜２０％を
含んだ状態を得るために、冷却板１に温度センサー５を
取り付け冷却板の温度が安定した後、インバータの回転
数を下げて行き冷却板１の温度が急激に上昇した場合に
インバータ冷媒ポンプの回転数を１０％〜２０％増加さ
せる制御を設ける。すなわち２相状態では温度が一定で
あるため温度センサーだけでは、冷却板１の出口状態を
１０％〜２０％の液冷媒を含んだ状態に保つことは困難
である。そこで本実施例のように冷却板の温度が急激に
上昇した時すなわち蒸気冷媒１００％になった時に冷媒
循環量を１０％〜２０％増加させることにより冷却板出
口の冷媒の状態を液冷媒１０％〜２０％の湿り状態に保
つことが可能となる。また、過冷却を充分取っているた
めコンデンサーを出た冷媒は１００％液冷媒となってお
り、インバータ冷媒ポンプにガスが入り込みガスかみ込
み運転を起こす心配のない冷凍サイクルとなっている。
【００１７】
【発明の効果】上記実施例より明らかなように、請求項
１に記載の発明は発熱体である半導体素子を冷却するた
めの冷却板、コンデンサー、および冷媒ポンプを繋いで
なる冷媒循環式の冷却装置を構成し、前記コンデンサー
をファンでもって冷却し、前記冷媒ポンプを回転数制御
の可能なインバータ冷媒ポンプとした半導体素子の冷却
装置としたもので、この構成によりインバータ冷媒ポン
プの回転数を上げれば大きな冷却能力を得られ、冷媒ポ
ンプを小型化する効果が得られる。また、異なった冷却
装置に同じインバータ冷媒ポンプを用いて開発時間の短
縮を図る効果が得られる。
【００１８】また、請求項２に記載の発明は冷却板に温
度センサーを取り付け、冷却板の温度が設定の温度より
上昇した場合にはインバータ冷媒ポンプの回転数を増加
させ、冷却板の温度が設定の温度より下降した場合には
インバータ冷媒ポンプの回転数を減少させる制御を設け
たもので、この構成によれば温度センサーによりインバ
ータ冷媒ポンプの回転数を変化させすばやく適正な冷却
板の温度を得る効果が得られる。
【００１９】また、請求項３に記載の発明は冷却板の温
度が安定した後、インバータ冷媒ポンプの回転数を下げ
て行き冷却板の温度が急激に上昇した場合にインバータ
冷媒ポンプの回転数を１０％〜２０％増加させるもの
で、この制御により冷却板出口の冷媒の状態を液冷媒１
０％〜２０％含んだ湿りの状態に保持することが可能と
なり半導体素子の急激な発熱に対して冷媒の潜熱を利用
することが出来るので、半導体素子の急激な温度上昇を
押さえる効果を得られる。
【００２０】また、請求項４に記載の発明は冷媒充填量
として冷凍サイクル容積の６５％〜７５％の冷媒を封入
したもので、コンデンサー内の大部分が熱伝達の良い液
冷媒と蒸気冷媒の２相流となるため効率の良い冷凍サイ
クルを得ることが出来きる効果がある。また、適度の過
冷却温度を取ることが可能なため蒸気冷媒がインバータ
冷媒ポンプ内に入り、ガスかみ込み運転を行なうことの
無い冷凍サイクルを得る効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における冷凍サイクルを示す図
【図２】本発明の実施例における冷凍サイクルの内容積
に対する冷媒充填比率と各部の温度を示す図
【図３】本発明の実施例における冷媒のＰ−ｈ線図と冷
凍サイクルを示す図
【符号の説明】
１ 冷却板 ２ コンデンサー ３ インバータ冷媒ポンプ ４ ファン ５ 温度センサー ６ インバータ制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3L045 AA02 AA03 EA03 JA12 LA06 MA04 5F036 AA01 BA08 BB35 BB56 BF01

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発熱体である半導体素子を冷却するための
    冷却板、コンデンサー、および冷媒ポンプを繋いでなる
    冷媒循環式の半導体素子冷却装置であって、前記コンデ
    ンサーを冷却するファンと、前記冷媒ポンプを回転数制
    御するインバータ電源とを備えた半導体素子冷却装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の半導体素子冷却装置の制御
    方法であって、冷却板に温度センサーを設け、前記温度
    センサーにより冷却板の温度が設定の温度より高くなっ
    たことを検知した時には冷媒ポンプの回転数を増加さ
    せ、冷却板の温度が設定の温度より低くなったことを検
    知した時には冷媒ポンプの回転数を減少させるようにイ
    ンバータ出力を制御することを特徴とする半導体素子冷
    却装置の制御方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載の半導体素子冷却装置の制御
    方法であって、冷却板の温度が安定した後、インバータ
    冷媒ポンプの回転数を下げて行き冷却板の温度が急激に
    上昇した場合にインバータ冷媒ポンプの回転数を１０％
    〜２０％増加させることを特徴とする半導体素子冷却装
    置の制御方法。
  4. 【請求項４】冷媒充填量として冷凍サイクル容積の６５
    ％〜７５％の冷媒を封入した請求項１記載の半導体素子
    の冷却装置。
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