JP2003318342A - 沸騰冷却方法および装置 - Google Patents
沸騰冷却方法および装置Info
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- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】飽和温度よりも低い温度に冷却された冷却液
を、狭い空間に設置された半導体デバイスに供給できる
自然循環型の高性能沸騰冷却装置を実現することであ
る。 【解決手段】本発明では、凝縮器９を蒸発器７の上方に
配置して、蒸発器７から凝縮器９への配管に立上がり管
１０を用い、また凝縮器９から冷却部６と蒸発器７への
配管には立下がり管１１を用いて、凝縮器９と蒸発器７
を上下に連結する構造により冷却媒体流の密閉ループ４
を形成し、凝縮器９からの立下がり管１１側に過冷却器
１２を付加しやすくするとともに、立上がり管１０と立
下がり管１１内の冷却媒体の密度差により、密閉ループ
４中で冷却媒体の自然循環が行なわれるようにしてい
る。
を、狭い空間に設置された半導体デバイスに供給できる
自然循環型の高性能沸騰冷却装置を実現することであ
る。 【解決手段】本発明では、凝縮器９を蒸発器７の上方に
配置して、蒸発器７から凝縮器９への配管に立上がり管
１０を用い、また凝縮器９から冷却部６と蒸発器７への
配管には立下がり管１１を用いて、凝縮器９と蒸発器７
を上下に連結する構造により冷却媒体流の密閉ループ４
を形成し、凝縮器９からの立下がり管１１側に過冷却器
１２を付加しやすくするとともに、立上がり管１０と立
下がり管１１内の冷却媒体の密度差により、密閉ループ
４中で冷却媒体の自然循環が行なわれるようにしてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスな
どの被冷却物体を冷却媒体の沸騰伝熱によって効率的に
冷却する自然循環型の沸騰冷却方法および装置に関す
る。
どの被冷却物体を冷却媒体の沸騰伝熱によって効率的に
冷却する自然循環型の沸騰冷却方法および装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年における半導体デバイスの高集積化
と高速化の進展にはめざましいものがあり、それに伴う
半導体デバイスの発熱量も急激に増大している。そのた
め、素子の冷却能力を強化することがその動作安定性ひ
いては信頼性の向上のためにますます重要な問題になっ
ている。半導体素子の冷却方法には、直接空冷、ヒート
パイプを用いた間接空冷、ペルチェ素子を用いた電子冷
却、間接水冷、非導電性液体による直接液冷などがあ
る。最近の高集積化技術において注目されている三次元
実装では、半導体デバイス間の空間をできるだけ小さく
することが要求されるので、半導体デバイスを非導電性
冷却液に漬けて冷却液を沸騰させ、その気化熱と対流に
より効率的に冷却する浸漬沸騰冷却方法が有効である。
と高速化の進展にはめざましいものがあり、それに伴う
半導体デバイスの発熱量も急激に増大している。そのた
め、素子の冷却能力を強化することがその動作安定性ひ
いては信頼性の向上のためにますます重要な問題になっ
ている。半導体素子の冷却方法には、直接空冷、ヒート
パイプを用いた間接空冷、ペルチェ素子を用いた電子冷
却、間接水冷、非導電性液体による直接液冷などがあ
る。最近の高集積化技術において注目されている三次元
実装では、半導体デバイス間の空間をできるだけ小さく
することが要求されるので、半導体デバイスを非導電性
冷却液に漬けて冷却液を沸騰させ、その気化熱と対流に
より効率的に冷却する浸漬沸騰冷却方法が有効である。
【０００３】浸漬沸騰冷却装置は、半導体素子を浸漬し
た冷却液容器と、発生した蒸気を冷却して凝縮させ、液
体に戻す凝縮器とから構成され、装置によって両者が―
体構造のものと、両者が分離されて冷却液容器と凝縮器
間に連絡配管が設置されるものとがある。次に、浸漬沸
騰冷却装置の従来例を( ａ) 〜( ｄ) に示す。 ( ａ) 半導体デバイスを浸潰した冷却液容器の上部と
凝縮器の上部を蒸気用の配管でつなぐか、または冷却液
容器の下部と凝縮器の下部とを冷却液用の配管でつな
ぎ、重力を利用して冷却液を自然循環させるか、また
は、液用の配管にポンプを設置して冷却液を強制循環さ
せる( 参考文献１参照) 。 ( ｂ) 半導体デバイスを浸漬した一次冷却液容器の内
壁面の一部に冷却フィンを設置し、冷却フィンを設置し
た壁面を二次冷却液( 水など) の流路壁に接触させる(
参考文献１参照) 。 ( ｃ) 半導体デバイスを、冷却液容器の鉛直な内壁面
の一つに設置し、またその対向面に鉛直に冷却フィンを
設置する。冷却液の液面より上部には十分広い蒸気空間
を設け、蒸気空間中に出た冷却フィン上で蒸気を凝縮さ
せる。冷却フィンを設置した壁面の外側には、空冷用の
フィンを設置する( 参考文献２参照) 。 ( ｄ) 半導体デバイスを浸潰した冷却液容器内の冷却
液面より上部の蒸気空間に凝縮器を設置する( 参考文献
３参照) 。 ＜参考文献＞ １：米国特許4 ，203,129 号公報 ２：特開昭54-96965号公報 ３：特開昭53-80565号公報
た冷却液容器と、発生した蒸気を冷却して凝縮させ、液
体に戻す凝縮器とから構成され、装置によって両者が―
体構造のものと、両者が分離されて冷却液容器と凝縮器
間に連絡配管が設置されるものとがある。次に、浸漬沸
騰冷却装置の従来例を( ａ) 〜( ｄ) に示す。 ( ａ) 半導体デバイスを浸潰した冷却液容器の上部と
凝縮器の上部を蒸気用の配管でつなぐか、または冷却液
容器の下部と凝縮器の下部とを冷却液用の配管でつな
ぎ、重力を利用して冷却液を自然循環させるか、また
は、液用の配管にポンプを設置して冷却液を強制循環さ
せる( 参考文献１参照) 。 ( ｂ) 半導体デバイスを浸漬した一次冷却液容器の内
壁面の一部に冷却フィンを設置し、冷却フィンを設置し
た壁面を二次冷却液( 水など) の流路壁に接触させる(
参考文献１参照) 。 ( ｃ) 半導体デバイスを、冷却液容器の鉛直な内壁面
の一つに設置し、またその対向面に鉛直に冷却フィンを
設置する。冷却液の液面より上部には十分広い蒸気空間
を設け、蒸気空間中に出た冷却フィン上で蒸気を凝縮さ
せる。冷却フィンを設置した壁面の外側には、空冷用の
フィンを設置する( 参考文献２参照) 。 ( ｄ) 半導体デバイスを浸潰した冷却液容器内の冷却
液面より上部の蒸気空間に凝縮器を設置する( 参考文献
３参照) 。 ＜参考文献＞ １：米国特許4 ，203,129 号公報 ２：特開昭54-96965号公報 ３：特開昭53-80565号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例( ａ) −(
ｄ) に示されるような浸漬沸騰冷却装置の技術では、装
置の構造上、冷却液を飽和温度以下に冷却するのは困難
であるため、半導体デバイスの冷却能力は、飽和核沸騰
の最大熱流束で制限される欠点があった。また、冷却液
容器が大きくなるため、半導体デバイスの設置に許され
る空間が狭い場合には適用できないという問題があっ
た。
ｄ) に示されるような浸漬沸騰冷却装置の技術では、装
置の構造上、冷却液を飽和温度以下に冷却するのは困難
であるため、半導体デバイスの冷却能力は、飽和核沸騰
の最大熱流束で制限される欠点があった。また、冷却液
容器が大きくなるため、半導体デバイスの設置に許され
る空間が狭い場合には適用できないという問題があっ
た。
【０００５】本発明の目的は，飽和温度よりも低い温度
に冷却された冷却液を狭い空間に設置された半導体デバ
イスに供給できる自然循環型の高性能沸騰冷却装置を実
現することにある。
に冷却された冷却液を狭い空間に設置された半導体デバ
イスに供給できる自然循環型の高性能沸騰冷却装置を実
現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の沸騰冷却方法および装置では、凝縮器を蒸
発器の上方に配置して、蒸発器から凝縮器への配管に立
上がり管を用い、また凝縮器から蒸発器への配管には立
下がり管を用いて、凝縮器と蒸発器を上下に連結する構
造により冷却媒体流の密閉ループを形成して、凝縮器か
らの立下がり管側に過冷却器を付加しやすくするととも
に、立上がり管と立下がり管内の冷却媒体の密度差によ
り、密閉ループ中で冷却媒体の自然循環が行なわれるよ
うにしている。
め、本発明の沸騰冷却方法および装置では、凝縮器を蒸
発器の上方に配置して、蒸発器から凝縮器への配管に立
上がり管を用い、また凝縮器から蒸発器への配管には立
下がり管を用いて、凝縮器と蒸発器を上下に連結する構
造により冷却媒体流の密閉ループを形成して、凝縮器か
らの立下がり管側に過冷却器を付加しやすくするととも
に、立上がり管と立下がり管内の冷却媒体の密度差によ
り、密閉ループ中で冷却媒体の自然循環が行なわれるよ
うにしている。
【０００７】これにより、本発明の沸騰冷却方法および
装置は、以下の構成をとることができる。 （１） 蒸発器と、凝縮器と、被冷却物体の冷却部とを
含む密閉ループ中に冷却媒体を充填して被冷却物体の沸
騰冷却を行う沸騰冷却方法であって、凝縮器を蒸発器の
上方に配置して、蒸発器の出口と凝縮器の入り口を立上
がり管で接続し、また凝縮器の出口側に立下がり管と過
冷却器とを設け、凝縮器で凝縮された冷却媒体をさらに
過冷却して冷却部へ供給するとともに、立上がり管と立
下がり管内の冷却媒体の密度差を利用して冷却媒体を密
閉ループ中で自然循環させることを特徴とする沸騰冷却
方法の構成。 （２） 立上がり管内の冷却媒体を気液二相とし、その
流動様式を環状流とすることを特徴とする前項（１）に
記載の沸騰冷却方法の構成。 （３） 立上がり管内の冷却媒体が気液二相をなし、そ
の流動様式が環状流となるように、立上がり管の内径、
蒸発器加熱量、立上がり管入口の蒸気質量割合を調節す
ることを特徴とする前項（２）に記載の沸騰冷却方法の
構成。 （４） 密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等しく調節
することを特徴とする前項（１) ないし（３）のいずれ
かに記載の沸騰冷却方法の構成。 （５） 被冷却物体の冷却部を、立下がり管の出口から
蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または配管外
面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けることを特
徴とする前項（１）ないし（４）のいずれかに記載の沸
騰冷却方法の構成。 （６） 冷却媒体の充填量を密閉ループの内容積よりも
少なくして、密閉ループの上部にガスを存在させること
を特徴とする前項（１）ないし（６）のいずれかに記載
の沸騰冷却方法の構成。 （７） 被冷却物体は、半導体デバイスであることを特
徴とする前項（５) に記載の沸騰冷却方法の構成。 （８） 蒸発器と、蒸発器の上方に配置された凝縮器
と、蒸発器の出口と凝縮器の入り口を接続する立上がり
管と、凝縮器の出口側に接続された立下がり管と、被冷
却物体の冷却部とを含む密閉ループを備え、立上がり管
と立下がり管内の冷却媒体の密度差を利用して冷却媒体
を密閉ループ中で自然循環させるように構成されること
を特徴とする沸騰冷却装置の構成。 （９）立上がり管内の冷却媒体が気液二相をなして、そ
の流動様式は環状流であることを特徴とする前項（８)
に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１０）密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等しく調節
する内容積調節器を設けたことを特徴とする前項（８)
または（９) に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１１） 被冷却物体の冷却部は、立下がり管の出口か
ら蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または配管外
面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けられている
ことを特徴とする前項（８）ないし（１０）のいずれか
に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１２） 冷却媒体の充填量が密閉ループの内容積より
も少なく、密閉ループの上部にガスが存在することを特
徴とする前項（８）ないし（１１）のいずれかに記載の
沸騰冷却装置の構成。 （１３） 被冷却物体は、半導体デバイスであることを
特徴とする前項（１１)に記載の沸騰冷却装置の構成。
装置は、以下の構成をとることができる。 （１） 蒸発器と、凝縮器と、被冷却物体の冷却部とを
含む密閉ループ中に冷却媒体を充填して被冷却物体の沸
騰冷却を行う沸騰冷却方法であって、凝縮器を蒸発器の
上方に配置して、蒸発器の出口と凝縮器の入り口を立上
がり管で接続し、また凝縮器の出口側に立下がり管と過
冷却器とを設け、凝縮器で凝縮された冷却媒体をさらに
過冷却して冷却部へ供給するとともに、立上がり管と立
下がり管内の冷却媒体の密度差を利用して冷却媒体を密
閉ループ中で自然循環させることを特徴とする沸騰冷却
方法の構成。 （２） 立上がり管内の冷却媒体を気液二相とし、その
流動様式を環状流とすることを特徴とする前項（１）に
記載の沸騰冷却方法の構成。 （３） 立上がり管内の冷却媒体が気液二相をなし、そ
の流動様式が環状流となるように、立上がり管の内径、
蒸発器加熱量、立上がり管入口の蒸気質量割合を調節す
ることを特徴とする前項（２）に記載の沸騰冷却方法の
構成。 （４） 密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等しく調節
することを特徴とする前項（１) ないし（３）のいずれ
かに記載の沸騰冷却方法の構成。 （５） 被冷却物体の冷却部を、立下がり管の出口から
蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または配管外
面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けることを特
徴とする前項（１）ないし（４）のいずれかに記載の沸
騰冷却方法の構成。 （６） 冷却媒体の充填量を密閉ループの内容積よりも
少なくして、密閉ループの上部にガスを存在させること
を特徴とする前項（１）ないし（６）のいずれかに記載
の沸騰冷却方法の構成。 （７） 被冷却物体は、半導体デバイスであることを特
徴とする前項（５) に記載の沸騰冷却方法の構成。 （８） 蒸発器と、蒸発器の上方に配置された凝縮器
と、蒸発器の出口と凝縮器の入り口を接続する立上がり
管と、凝縮器の出口側に接続された立下がり管と、被冷
却物体の冷却部とを含む密閉ループを備え、立上がり管
と立下がり管内の冷却媒体の密度差を利用して冷却媒体
を密閉ループ中で自然循環させるように構成されること
を特徴とする沸騰冷却装置の構成。 （９）立上がり管内の冷却媒体が気液二相をなして、そ
の流動様式は環状流であることを特徴とする前項（８)
に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１０）密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等しく調節
する内容積調節器を設けたことを特徴とする前項（８)
または（９) に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１１） 被冷却物体の冷却部は、立下がり管の出口か
ら蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または配管外
面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けられている
ことを特徴とする前項（８）ないし（１０）のいずれか
に記載の沸騰冷却装置の構成。 （１２） 冷却媒体の充填量が密閉ループの内容積より
も少なく、密閉ループの上部にガスが存在することを特
徴とする前項（８）ないし（１１）のいずれかに記載の
沸騰冷却装置の構成。 （１３） 被冷却物体は、半導体デバイスであることを
特徴とする前項（１１)に記載の沸騰冷却装置の構成。
【０００８】図１は、本発明による自然循環型の沸騰冷
却装置の原理的構造を具体例を用いて示した説明図であ
る。図中、１はコンピュータなどの任意の電子装置のプ
リント基盤、２は冷却対象となるプリント基盤１上に実
装されているＬＳＩチップなどの半導体デバイス、３は
半導体デバイス２を冷却するためにプリント基盤１上に
搭載された本発明の沸騰冷却装置、４は冷却作用が行な
われる密閉ループ、５は密閉ループ４中を流れる冷却媒
体、６は半導体デバイス２が配置される冷却部、７は冷
却媒体５を気液二相に加熱するための蒸発器、８は気化
された蒸気、９は蒸気８を冷却して凝縮させる凝縮器、
１０は蒸発器７と凝縮器９を連結する立上がり管、１１
は凝縮された冷却媒体を冷却部６へ給送する立下がり
管、１２は冷却媒体を飽和温度以下に冷却する過冷却
器、１３は密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に保持する
ための容積調節袋（ベローズ）である。
却装置の原理的構造を具体例を用いて示した説明図であ
る。図中、１はコンピュータなどの任意の電子装置のプ
リント基盤、２は冷却対象となるプリント基盤１上に実
装されているＬＳＩチップなどの半導体デバイス、３は
半導体デバイス２を冷却するためにプリント基盤１上に
搭載された本発明の沸騰冷却装置、４は冷却作用が行な
われる密閉ループ、５は密閉ループ４中を流れる冷却媒
体、６は半導体デバイス２が配置される冷却部、７は冷
却媒体５を気液二相に加熱するための蒸発器、８は気化
された蒸気、９は蒸気８を冷却して凝縮させる凝縮器、
１０は蒸発器７と凝縮器９を連結する立上がり管、１１
は凝縮された冷却媒体を冷却部６へ給送する立下がり
管、１２は冷却媒体を飽和温度以下に冷却する過冷却
器、１３は密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に保持する
ための容積調節袋（ベローズ）である。
【０００９】図示の例では、冷却部６は蒸発器７の上流
側の水平の配管内に設けられているが、蒸発器７の内側
に置いてもよい。あるいは、水平配管の外面または蒸発
器の外面に取り付けてもよい。また、冷却部６における
半導体デバイス２上の流路幅は、３ｍｍ以上とした。蒸
発器７には―定の熱負荷をかけ、蒸発器７の出口におけ
る蒸気の速度ｕv と密度ρv が、ρv ｕv 2 ＞２０ (ｋ
ｇ／ｓ2 ｍ) の関係を満足するように調節する。これ
は、立上がり管１０内の冷却媒体の流れが気液二相流
で、かつその流動様式が環状流となるようにするためで
ある。つまり、立上がり管１０内では、中央部を気相の
冷却媒体が流れ、その周りを囲むように液相の冷却媒体
が流れるようにして、流れを安定化させる。なお、凝縮
器と過冷却器は一体構造でもよい。また、図示の例では
冷却液を用いて冷却する方式を示しているが、空冷方式
でもよい。
側の水平の配管内に設けられているが、蒸発器７の内側
に置いてもよい。あるいは、水平配管の外面または蒸発
器の外面に取り付けてもよい。また、冷却部６における
半導体デバイス２上の流路幅は、３ｍｍ以上とした。蒸
発器７には―定の熱負荷をかけ、蒸発器７の出口におけ
る蒸気の速度ｕv と密度ρv が、ρv ｕv 2 ＞２０ (ｋ
ｇ／ｓ2 ｍ) の関係を満足するように調節する。これ
は、立上がり管１０内の冷却媒体の流れが気液二相流
で、かつその流動様式が環状流となるようにするためで
ある。つまり、立上がり管１０内では、中央部を気相の
冷却媒体が流れ、その周りを囲むように液相の冷却媒体
が流れるようにして、流れを安定化させる。なお、凝縮
器と過冷却器は一体構造でもよい。また、図示の例では
冷却液を用いて冷却する方式を示しているが、空冷方式
でもよい。
【００１０】立上がり管１０を出た気液二相流は、凝縮
器９に入り，完全凝縮される，凝縮器９を出た液は、立
下がり管１１を経て過冷却器１２に入り，飽和温度以下
に過冷却される。過冷却された液は、冷却部６に供給さ
れて、半導体デバイス２を冷却する。なお、図示の沸騰
冷却装置は、密閉ループ４の気密性の欠陥により外気の
混入や冷却媒体の漏れが生じて冷却性能が低下し、半導
体デバイス２の破壊を招くおそれがあるため、密閉ルー
プ４の内外圧力差がゼロとなる状態で運転されるように
している。内圧をほぼ大気圧に保持している。このた
め、凝縮器９の出口と立下がり管１１の間に、容積調節
袋１３を設置して、内外圧力差に応じて自動的に容積を
変化させ、運転中に内圧が大気圧よりも上昇するのを防
止している。
器９に入り，完全凝縮される，凝縮器９を出た液は、立
下がり管１１を経て過冷却器１２に入り，飽和温度以下
に過冷却される。過冷却された液は、冷却部６に供給さ
れて、半導体デバイス２を冷却する。なお、図示の沸騰
冷却装置は、密閉ループ４の気密性の欠陥により外気の
混入や冷却媒体の漏れが生じて冷却性能が低下し、半導
体デバイス２の破壊を招くおそれがあるため、密閉ルー
プ４の内外圧力差がゼロとなる状態で運転されるように
している。内圧をほぼ大気圧に保持している。このた
め、凝縮器９の出口と立下がり管１１の間に、容積調節
袋１３を設置して、内外圧力差に応じて自動的に容積を
変化させ、運転中に内圧が大気圧よりも上昇するのを防
止している。
【００１１】
【作用】本発明は、図１に示すように、上下に配置され
た凝縮器９と蒸発器７を立上がり管１０および立下がり
管１１で連結したことにより、立上がり管１０内と立下
がり管１１内の冷却媒体の密度差を最大限に利用しての
自然循環を可能にする。また、立下がり管１１を利用し
ての過冷却器の取り付けを容易にする。そのため、立上
がり管１０内を蒸気だけが上昇する場合に比べて、冷却
媒体の流量が大幅に増大し、過冷却温度での冷却と相ま
って、半導体デバイス２の冷却効率が著しく向上するの
で、高負荷沸騰冷却を実現できる。また、溶存空気を含
んだ冷却媒体を使用するので、沸騰開始時の温度オーバ
ーシュートが起こらない。
た凝縮器９と蒸発器７を立上がり管１０および立下がり
管１１で連結したことにより、立上がり管１０内と立下
がり管１１内の冷却媒体の密度差を最大限に利用しての
自然循環を可能にする。また、立下がり管１１を利用し
ての過冷却器の取り付けを容易にする。そのため、立上
がり管１０内を蒸気だけが上昇する場合に比べて、冷却
媒体の流量が大幅に増大し、過冷却温度での冷却と相ま
って、半導体デバイス２の冷却効率が著しく向上するの
で、高負荷沸騰冷却を実現できる。また、溶存空気を含
んだ冷却媒体を使用するので、沸騰開始時の温度オーバ
ーシュートが起こらない。
【００１２】
【発明の実施の形態】図２ないし図５を参照して、本発
明の冷却実験例について説明する。
明の冷却実験例について説明する。
【００１３】図２は、冷却媒体として非導電性液体ＦＣ
７２を用い、平滑面を有する面積１ｃｍ2 ，厚さ０. ５
ｍｍの正方形シリコンチップを、本発明による自然循環
型の沸騰冷却装置内に設置した場合と、同じシリコンチ
ップを、大きな冷却液プール内に設置した場合のそれぞ
れの沸騰伝熱特性の比較例をグラフで示したものであ
る。図の左の縦軸ｑは伝熱面熱流束を、また右の縦軸ｕ
r はシリコンチップに近づく液の流速を示し、横軸ΔＴ
sat は伝熱面過熱度( 伝熱面温度−冷却媒体の飽和温
度) を示す。また、ΔＴsub は冷却媒体の過冷度( 飽和
温度−液温度) を示す。ここで、シリコンチップ上の流
路幅は５ｍｍとした。自然循環沸騰では、発生蒸気のシ
リコンチップからの離脱が上部壁面によって妨げられる
ため、プール内沸騰の場合に比べて最大熱流束が幾分低
下するが、ΔＴsub を大きくすることによって高い最大
熱流束を得ることが出来る。
７２を用い、平滑面を有する面積１ｃｍ2 ，厚さ０. ５
ｍｍの正方形シリコンチップを、本発明による自然循環
型の沸騰冷却装置内に設置した場合と、同じシリコンチ
ップを、大きな冷却液プール内に設置した場合のそれぞ
れの沸騰伝熱特性の比較例をグラフで示したものであ
る。図の左の縦軸ｑは伝熱面熱流束を、また右の縦軸ｕ
r はシリコンチップに近づく液の流速を示し、横軸ΔＴ
sat は伝熱面過熱度( 伝熱面温度−冷却媒体の飽和温
度) を示す。また、ΔＴsub は冷却媒体の過冷度( 飽和
温度−液温度) を示す。ここで、シリコンチップ上の流
路幅は５ｍｍとした。自然循環沸騰では、発生蒸気のシ
リコンチップからの離脱が上部壁面によって妨げられる
ため、プール内沸騰の場合に比べて最大熱流束が幾分低
下するが、ΔＴsub を大きくすることによって高い最大
熱流束を得ることが出来る。
【００１４】図３は、図４に示すような厚さ５０μｍ，
高さ６０μｍ，フィンピッチ１００μｍのピンフィンの
群を有する面積ｌｃｍ2 ，厚さ０. ５ｍｍの正方形シリ
コンチップを、本発明による自然循環型の沸騰冷却装置
内に設置した場合と、同じシリコンチップを大きな液プ
ール内に設置した場合の、それぞれの沸騰伝熱特性の比
較例をグラフで示したものである。この図３の場合に
は、ピンフィンの効果によって、図２の平滑面の場合の
２倍以上の最大熱流束が得られていることがわかる。
高さ６０μｍ，フィンピッチ１００μｍのピンフィンの
群を有する面積ｌｃｍ2 ，厚さ０. ５ｍｍの正方形シリ
コンチップを、本発明による自然循環型の沸騰冷却装置
内に設置した場合と、同じシリコンチップを大きな液プ
ール内に設置した場合の、それぞれの沸騰伝熱特性の比
較例をグラフで示したものである。この図３の場合に
は、ピンフィンの効果によって、図２の平滑面の場合の
２倍以上の最大熱流束が得られていることがわかる。
【００１５】図５は、図２、図３の冷却実験に用いられ
た沸騰冷却装置の概略構成を示す。図中、２０は冷却媒
体の非導電性液体ＦＣ７２が循環する密閉ループ、２１
は冷却対象のシリコンチップが浸漬されている試験部、
２２は蒸発器、２３は凝縮器、２４は冷媒流量計、２５
は過冷却器、２６はコンプレッサ、２７、２８は冷却水
流量計、２９はゴム袋、３０は漏斗、３１は冷水槽、３
２、３３は給水ポンプである。
た沸騰冷却装置の概略構成を示す。図中、２０は冷却媒
体の非導電性液体ＦＣ７２が循環する密閉ループ、２１
は冷却対象のシリコンチップが浸漬されている試験部、
２２は蒸発器、２３は凝縮器、２４は冷媒流量計、２５
は過冷却器、２６はコンプレッサ、２７、２８は冷却水
流量計、２９はゴム袋、３０は漏斗、３１は冷水槽、３
２、３３は給水ポンプである。
【００１６】密閉ループ２０への冷却媒体（ＦＣ７２）
の注入は、漏斗３０から行なわれ、排出はコンプレッサ
２６を用いて行なわれる。凝縮器２３と過冷却器２５の
冷却には、冷水槽３１の冷水が用いられる。冷水槽３１
から凝縮器２３への冷水の供給は、給水ポンプ３２と冷
却水流量計２７を介して行なわれ、また過冷却器２５へ
の冷水の供給は、給水ポンプ３３と冷却水流量計２８を
介して行なわれる。ゴム袋２９は、密閉ループ２０の内
圧をほぼ大気圧に保持するために用いられている。また
密閉ループ２０内の冷却媒体の流量は、冷媒流量計２４
で測定される。
の注入は、漏斗３０から行なわれ、排出はコンプレッサ
２６を用いて行なわれる。凝縮器２３と過冷却器２５の
冷却には、冷水槽３１の冷水が用いられる。冷水槽３１
から凝縮器２３への冷水の供給は、給水ポンプ３２と冷
却水流量計２７を介して行なわれ、また過冷却器２５へ
の冷水の供給は、給水ポンプ３３と冷却水流量計２８を
介して行なわれる。ゴム袋２９は、密閉ループ２０の内
圧をほぼ大気圧に保持するために用いられている。また
密閉ループ２０内の冷却媒体の流量は、冷媒流量計２４
で測定される。
【００１７】運転時に、過冷却器２５で過冷却された冷
却媒体は、試験部２１でシリコンチップを冷却した後、
蒸発器２２で加熱され、気液二相流となって立上がり管
を経て凝縮器２３へ入り、凝縮される。凝縮された冷却
媒体は、立下がり管と冷媒流量計２４を経て過冷却器２
５へ循環する。
却媒体は、試験部２１でシリコンチップを冷却した後、
蒸発器２２で加熱され、気液二相流となって立上がり管
を経て凝縮器２３へ入り、凝縮される。凝縮された冷却
媒体は、立下がり管と冷媒流量計２４を経て過冷却器２
５へ循環する。
【００１８】図５の装置構成では、試験部２１におい
て、シリコンチップを冷却媒体に直接浸漬する場合を示
しているが、チップの放熱部を冷却媒体に浸漬して、チ
ップを間接的に冷却するようにしてもよい。また、凝縮
器と過冷却器を連続的に一体化した構造とすることもで
きる。
て、シリコンチップを冷却媒体に直接浸漬する場合を示
しているが、チップの放熱部を冷却媒体に浸漬して、チ
ップを間接的に冷却するようにしてもよい。また、凝縮
器と過冷却器を連続的に一体化した構造とすることもで
きる。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、流体の密度差を利用して冷却
媒体を自然循環させて半導体デバイスの沸騰冷却を行な
い、また過冷却が可能であるため、高い冷却性能を得る
ことができる。さらには、駆動ポンプを用いないため、
装置全体が小形になり、冷却媒体の必要量も少なくする
ことができる。
媒体を自然循環させて半導体デバイスの沸騰冷却を行な
い、また過冷却が可能であるため、高い冷却性能を得る
ことができる。さらには、駆動ポンプを用いないため、
装置全体が小形になり、冷却媒体の必要量も少なくする
ことができる。
【図１】本発明による自然循環型の沸騰冷却装置の原理
的構造を具体例を用いて示した説明図である。
的構造を具体例を用いて示した説明図である。
【図２】平滑面を有するシリコンチップを本発明による
自然循環型の沸騰冷却装置と大きな冷却液プールとによ
り冷却する場合の沸騰伝熱特性の比較例を示すグラフで
ある。
自然循環型の沸騰冷却装置と大きな冷却液プールとによ
り冷却する場合の沸騰伝熱特性の比較例を示すグラフで
ある。
【図３】ピンフィン群を有するシリコンチップを本発明
による自然循環型の沸騰冷却装置と大きな冷却液プール
とにより冷却する場合の沸騰伝熱特性の比較例を示すグ
ラフである。
による自然循環型の沸騰冷却装置と大きな冷却液プール
とにより冷却する場合の沸騰伝熱特性の比較例を示すグ
ラフである。
【図４】ピンフィン群を有するシリコンチップの説明図
である。
である。
【図５】冷却実験に用いられた本発明による沸騰冷却装
置の概略構成図である。
置の概略構成図である。
１：プリント基盤
２：半導体デバイス
３：本発明の沸騰冷却装置
４：密閉ループ
５：冷却媒体
６：冷却部
７：蒸発器
８：蒸気
９：凝縮器
１０：立上がり管
１１：立下がり管
１２：過冷却器
１３：容積調節袋
Claims (13)
- 【請求項１】 蒸発器と、凝縮器と、被冷却物体の冷却
部とを含む密閉ループ中に冷却媒体を充填して被冷却物
体の沸騰冷却を行う沸騰冷却方法であって、 凝縮器を蒸発器の上方に配置して、蒸発器の出口と凝縮
器の入り口を立上がり管で接続し、また凝縮器の出口側
に立下がり管と過冷却器とを設け、凝縮器で凝縮された
冷却媒体をさらに過冷却して冷却部へ供給するととも
に、立上がり管と立下がり管内の冷却媒体の密度差を利
用して冷却媒体を密閉ループ中で自然循環させることを
特徴とする沸騰冷却方法。 - 【請求項２】 立上がり管内の冷却媒体を気液二相と
し、その流動様式を環状流とすることを特徴とする請求
項１に記載の沸騰冷却方法。 - 【請求項３】 立上がり管内の冷却媒体が気液二相をな
し、その流動様式が環状流となるように、立上がり管の
内径、蒸発器加熱量、立上がり管入口の蒸気質量割合を
調節することを特徴とする請求項２に記載の沸騰冷却方
法。 - 【請求項４】 密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等し
く調節することを特徴とする請求項１ないし請求項３の
いずれかに記載の沸騰冷却方法。 - 【請求項５】 被冷却物体の冷却部を、立下がり管の出
口から蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または配
管外面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けること
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載
の沸騰冷却方法。 - 【請求項６】 冷却媒体の充填量を密閉ループの内容積
よりも少なくして、密閉ループの上部にガスを存在させ
ることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか
に記載の沸騰冷却方法。 - 【請求項７】 被冷却物体は、半導体デバイスであるこ
とを特徴とする請求項５に記載の沸騰冷却方法。 - 【請求項８】 蒸発器と、蒸発器の上方に配置された凝
縮器と、蒸発器の出口と凝縮器の入り口を接続する立上
がり管と、凝縮器の出口側に接続された立下がり管と、
被冷却物体の冷却部とを含む密閉ループを備え、立上が
り管と立下がり管内の冷却媒体の密度差を利用して冷却
媒体を密閉ループ中で自然循環させるように構成される
ことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項９】 立上がり管内の冷却媒体が気液二相をな
して、その流動様式は環状流であることを特徴とする請
求項８に記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１０】 密閉ループ内の圧力をほぼ大気圧に等
しく調節する内容積調節器を設けたことを特徴とする請
求項８または請求項９に記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１１】 被冷却物体の冷却部は、立下がり管の
出口から蒸発器の入り口までの冷却媒体の配管内または
配管外面、または蒸発器内または蒸発器外面に設けられ
ていることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のい
ずれかに記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１２】 冷却媒体の充填量が密閉ループの内容
積よりも少なく、密閉ループの上部にガスが存在するこ
とを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに
記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１３】 被冷却物体は、半導体デバイスである
ことを特徴とする請求項１１に記載の沸騰冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002125779A JP2003318342A (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 沸騰冷却方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002125779A JP2003318342A (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 沸騰冷却方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003318342A true JP2003318342A (ja) | 2003-11-07 |
Family
ID=29540404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002125779A Pending JP2003318342A (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 沸騰冷却方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003318342A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006063532A1 (fr) * | 2004-12-17 | 2006-06-22 | Xuejun Yin | Dispositif a tube de chauffage exploitant l’energie froide et application dudit dispositif |
| JP2009535847A (ja) * | 2006-05-02 | 2009-10-01 | レイセオン カンパニー | 亜大気圧下で冷却剤によりエレクトロニクスを冷却する方法及び装置 |
| WO2011040129A1 (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-07 | 日本電気株式会社 | 電子機器装置の熱輸送構造 |
| JP2016164478A (ja) * | 2015-03-06 | 2016-09-08 | 株式会社東芝 | 冷却装置 |
| US9951999B2 (en) | 2013-12-27 | 2018-04-24 | Fujitsu Limited | Cooling device and electronic equipment |
| CN112577711A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 中国核动力研究设计院 | 一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法 |
| CN115419966A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-12-02 | 珠海格力电器股份有限公司 | 提高制冷制热设备过负荷能力的方法、装置以及电子设备 |
-
2002
- 2002-04-26 JP JP2002125779A patent/JP2003318342A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US8567482B2 (en) | 2004-12-17 | 2013-10-29 | Xuejun Yin | Heat tube device utilizing cold energy and application thereof |
| JP2009535847A (ja) * | 2006-05-02 | 2009-10-01 | レイセオン カンパニー | 亜大気圧下で冷却剤によりエレクトロニクスを冷却する方法及び装置 |
| US8490418B2 (en) | 2006-05-02 | 2013-07-23 | Raytheon Company | Method and apparatus for cooling electronics with a coolant at a subambient pressure |
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| US9951999B2 (en) | 2013-12-27 | 2018-04-24 | Fujitsu Limited | Cooling device and electronic equipment |
| WO2016143213A1 (ja) * | 2015-03-06 | 2016-09-15 | 株式会社東芝 | 冷却装置 |
| CN107532859A (zh) * | 2015-03-06 | 2018-01-02 | 株式会社东芝 | 冷却装置 |
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| CN112577711A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 中国核动力研究设计院 | 一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法 |
| CN115419966A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-12-02 | 珠海格力电器股份有限公司 | 提高制冷制热设备过负荷能力的方法、装置以及电子设备 |
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| A521 | Written amendment |
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|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
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|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080701 |