JP2004190928A

JP2004190928A - 沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置

Info

Publication number: JP2004190928A
Application number: JP2002358228A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Sakai; 泰幸酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】冷却性能に優れた沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置を提供すること。
【解決手段】水を主成分とする冷却流体を沸騰部２で沸騰させて半導体装置１を間接冷却する。沸騰した冷却流体は液化部３で液化された後、ポンプ４により気液分離部５に送られ、非凝縮性気体が冷却流体から分離された後、減圧部６により減圧されて沸騰部２に環流される。本発明によれば、水を減圧状態にて沸騰させることにより水の大きな蒸発潜熱を利用して単位流量あたりの熱輸送量を増大することができるので、半導体装置に密着する間接熱交換器の小型化や半導体装置冷却性能の向上を実現することができ、ポンプ動力の低減も図ることができる上、非凝縮性気体を含まない冷却流体を用いることができるので、沸騰部２や液化部３における冷却性能の低下を防止することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、電力用半導体装置の発熱はますます増大しつつあり、半導体装置の温度を許容範囲内に押さえるために、蒸発潜熱を利用して冷却する沸騰型半導体冷却装置が知られている。
【０００３】
沸騰型半導体冷却装置の冷媒としては、大きな蒸発潜熱を有して流量あたりの吸熱量が大きい水の採用が好ましいが、大気圧における水の沸点は１００℃であって、シリコン半導体冷却用の冷却体としては温度が高すぎるという問題があった。すなわち、シリコン半導体チップの最高許容温度およびこのチップと冷媒との間の熱落差とを考えると、冷媒の沸騰温度は８０℃以下とすることが好ましい。
【０００４】
このため、従来の沸騰型半導体冷却装置に用いる冷媒として、フレオンなどの有機冷媒を採用することが提案されているが、環境破壊の問題の他、蒸発潜熱や顕熱が小さく、必要な冷却能力を得るために、流量増加を必要とし、その結果としてポンプ動力の増大、外部への漏洩の影響、半導体素子と冷媒との間に介在する沸騰部の大型化といった問題があった。
【０００５】
このような問題点に鑑み、水を減圧した状態で沸騰させて半導体装置を冷却し、ポンプにより強制循環させることが考えられる。この場合、ポンプに凝縮しなかった水蒸気が混入することはポンプ効率を悪化させるため、沸騰部とポンプ（加圧部）との間に液化部が設けられるべきである。
【０００６】
しかしながら、この場合、ポンプおよびそれを駆動するモータおよびこのモータの駆動制御装置を追加する必要があるため、構成の複雑化と重量、スペースの増大が必要となり、さらにポンプ消費電力が効率を低下させるという問題があった。更に、この沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の冷媒循環系を、銅に比較して軽量で安価なアルミニウムにより構成する場合、高温水とアルミニウムとの反応により非凝縮性の水素ガスを発生して、冷媒循環系に滞留して、この熱交換性能を低下させてしまうという問題があった。
【０００７】
本案は、水を用いる沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の上記した問題点に鑑みなされたものであり、冷却性能に優れた沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置を提供することをその目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第一発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置は、冷却流体の沸騰により半導体装置を間接冷却する沸騰部と、前記沸騰冷却部から出た前記冷却流体を液化する液化部と、前記液化部から出た前記冷却流体を加圧して前記沸騰部に戻すポンプと、前記ポンプから前記沸騰部に至る経路に配置されて前記沸騰部における前記冷却流体の圧力を減圧する減圧部と、前記ポンプから前記減圧部までの経路に配置されて、水を主成分とする前記冷却流体中の非凝縮性気体を前記冷却流体から分離する気液分離部を有することを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、水を減圧状態にて沸騰させることにより水の大きな蒸発潜熱を利用して単位流量あたりの熱輸送量を増大することができるので、半導体装置に密着する間接熱交換器の小型化や半導体装置冷却性能の向上を実現することができ、ポンプ動力の低減も図ることができる。
【００１０】
ただし、沸騰冷媒として水又は水を主成分とする冷却流体を用いる場合、水に含まれる非凝縮性気体、特に、沸騰循環系を構成するアルミニウムと水との反応により発生する水素ガスが沸騰循環系の冷却性能を低下させるという問題がある。もちろん、アルミニウムの代わりに、沸騰部、液化部、配管、ポンプなどを銅により構成することも可能であるが、この場合には、銅の酸化の他、コスト、重量の増加が問題となる。
【００１１】
本発明は、この問題を解決するために、ポンプの出力側すなわち高圧側の圧力を大気圧以上として気液分離部に導入し、この気液分離部から非凝縮性気体を大気に逃がすので、非凝縮性気体による沸騰循環系の冷却性能の低下問題を解決することができる。更に、気液分離部から出た冷却流体を減圧部にて減圧して沸騰部に送り込むので、沸騰部の沸騰圧力を大気圧以下に低下することができ、水の優れた沸騰冷却性能をシリコン半導体の冷却に必要な低温にて利用しつつ、冷却流体に含まれる非凝縮性気体による冷却性能の低下を防止することができる。
【００１２】
好適な態様において、前記液化部は、外部に放熱して前記冷却流体を凝縮するコンデンサからなる。このようにすれば、この液化部にて冷却流体の熱を放熱することができる。
【００１３】
好適な態様において、前記ポンプにより加圧された前記冷却流体の熱を外部に放熱する間接熱交換器からなる放熱部を有し、前記液化部は、前記沸騰部をバイパスする前記冷却流体を前記沸騰部から出た前記冷却流体に混合して前記バイパスから出た前記冷却流体顕熱により前記沸騰部から出た沸騰ガスを凝縮する。このようにすれば、ポンプへの多量のガス混入によるポンプ効率低下を上記したコンデンサを用いることなく防止することができる。
【００１４】
好適な態様において、前記減圧部は、前記冷却流体から動力回収する減圧ポンプからなる。このようにすれば、冷却流体加圧のための動力を格段に低減することができる。特に、上記バイパス方式においては、水の凝縮潜熱に比べて格段に小さい水の顕熱のために、多量の冷却流体をバイパスさせる必要が生じ、ポンプ動力が大幅に増大する問題を良好に軽減することができる。
【００１５】
第二発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置は、冷却流体の沸騰により半導体装置を間接冷却する沸騰部と、前記沸騰冷却部から出て沸騰する前記冷却流体を液化する液化部と、前記液化部から出た前記冷却流体を加圧して前記沸騰部に戻すポンプとを備え、前記半導体装置は、交流モータに一体に装備されて前記交流モータを駆動制御するインバータ装置を含み、前記ポンプは、前記交流モータの回転軸に直結されて前記交流モータにより駆動されることを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、インバータ冷却用の冷却流体を強制循環させるためのポンプ駆動に必要なモータ及びモータへ駆動電力を供給するためのモータ制御装置を省略することができ、装置構成を大幅に簡素化することができる。
【００１７】
好適な態様において、前記ポンプは前記交流モータを間接冷却するモータ冷却部に前記冷却流体を供給する。これにより、装置構成の複雑化することなく、モータ冷却も実現することができる。
【００１８】
好適な態様において、前記冷却流体を外気により冷却する間接熱交換器と、前記間接熱交換器に強制通風するファンとを有し、前記ファンは、前記交流モータの回転軸に直結されて前記交流モータにより駆動される。このようにすれば、インバータ冷却用の冷却流体を外気により間接冷却するファン駆動に必要なモータ及びモータへ駆動電力を供給するためのモータ制御装置を省略することができ、装置構成を大幅に簡素化することができる。
【００１９】
好適な態様において、前記間接熱交換器は、前記交流モータのハウジングと一体に形成されている。これにより、装置構成を簡素化することができるとともに、交流モータやインバータの熱を熱伝導により間接熱交換器に輸送できる効果も期待することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の好適実施例を図面を参照して以下に説明する。
【００２１】
（実施例１）
実施例１の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置を図１に示すブロック図を参照して説明する。１は半導体装置、２は沸騰部、３は液化部、４はポンプ、５は気液分離部、６は減圧部、７はモータ、８は冷却流体配管である。
【００２２】
沸騰部２は、半導体装置１を挟持する冷却板２１と、冷却板２１の両側に配置された一対のヘッダ２２、２３とからなる間接熱交換器からなり、冷却流体は、入口側ヘッダ２２から冷却板２１を通じて出口側ヘッダ２３に達し、出口側ヘッダ２３から液化部３に送られる。
【００２３】
液化部３は、この実施例ではいわゆるコンデンサと呼ばれる間接熱交換器からなり、強制送風される冷却風により冷却されて内部の冷却流体を凝縮させる。凝縮した冷却流体は好適には図示しないリザーバを通じてポンプ４に送られ、ポンプ４から気液分離部５、減圧部６を通じて、入口側ヘッダ２２に戻る。
【００２４】
減圧部６は、この実施例では冷却流体の差圧により駆動されて動力を回収する減圧ポンプからなる。減圧部６はポンプ４及びモータの回転軸に直結されており、モータは、半導体装置１からなるインバータが形成する三相交流電力により駆動される。ポンプ４は冷却流体を大気圧以上に加圧し、気液分離部５は、冷却流体中の非凝縮性気体を分離し、大気に放出する。減圧部６は冷却流体を大気圧未満の所定値に低下させる。これにより、冷却流体のすべて又は大部分をなす水が沸騰部２にて半導体装置１の冷却に好適な低沸点（たとえば７０℃）で沸騰するのを可能とする。
【００２５】
この実施例によれば、水を減圧状態にて沸騰させることにより水の大きな蒸発潜熱を利用して単位流量あたりの熱輸送量を増大することができるので、半導体装置に密着する間接熱交換器の小型化や半導体装置冷却性能の向上を実現することができ、ポンプ動力の低減も図ることができる。更に、沸騰部２や液化部３などをアルミニウム又はアルミ合金で製造した場合でも、アルミニウムと水との反応により発生する水素ガスを気液分離部５から排出することができる。
（変形態様）
この実施例では、ポンプ４、減圧ポンプ６としてベーンポンプなどの容積型のポンプを採用したが、軸流型又は遠心型のタービンポンプでもよい。また、ポンプ４と気液分離部５との間に外気冷却の間接熱交換器を配置して液化を更に行ってもよい。
（変形態様）
冷却流体としては、純水でもよいが、有機溶媒又は水溶性塩又はアルカリ水溶液を溶解して０℃より所定値だけ低い凝固点を与えることが好適である。一例として、エチルアルコールやアンモニアを用いると、それらの蒸発潜熱は相当大きいので、好適である。
（変形態様）
この実施例では、ポンプ４と減圧ポンプ６とは一体としたが、別々の回転電機に接続して別体としてもよい。
（変形態様）
図２又は図３に示すようにポンプ４の出口から減圧ポンプ６の入り口までの高圧配管と、減圧ポンプ６の出口側又はポンプ４の入り口側とを結ぶバイパス配管１０と、このバイパス配管１０を流れるバイパス流量を制御する制御弁１１とを設け、配管８のうちの上記高圧配管８１の圧力が所定圧力以上とならないように制御弁１１をフィードバック制御してもよい。
【００２６】
（変形態様）
上記実施例では、気液分離部５は、非凝縮性気体を外部に排出したが、モータ７をポンプ内蔵型とするなどして、沸騰循環系を完全密閉型として外部から進入する空気を完全に遮断し、内部で発生する水素を、水素と反応して化合物を形成する材料を気液分離部５中に封入しておいて、反応固定してもよく、また、水素吸蔵合金を気液分離部５に封入して水素を吸収してもよい。
【００２７】
（変形態様）
上記実施例では、減圧ポンプ６として、動力回収用の減圧ポンプを用いたが、図４に示すように、間接熱交換器を用いてもよい。すなわち、図４における減圧部としての間接熱交換器６の圧力損失ΔＰ１は、沸騰部２の圧力損失ΔＰ２と液化部３の圧力損失ΔＰ３の合計よりも小さく設定しておく。このようにすれば、ポンプ４の圧力ΔＰは、ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３となり、沸騰部２の圧力を減圧しつつ、気液分離部５から大気に非凝縮性気体を排出することができる。なお、液化部３は液化（凝縮）を略完全に行う必要があるため、間接熱交換器６は顕熱冷却のみを行う。
（変形態様）
沸騰部２の圧力に応じてモータ回転数を制御し、循環流量を制御してもよい。減圧部６は、減圧ポンプではなく、単なる絞りとしてもよい。
（変形態様）
減圧部６を可変絞り機能を有する開閉弁又は制御弁としてもよい。通常の運転時はこの弁を大きく開いて沸騰冷却を実行し、定期的に、減圧部６をなす弁を絞るか閉め、気液分離部５の圧力を大気圧以上に増大して気液分離部５から大気に非凝縮性気体を放出してもよい。
【００２８】
（実施例２）
本発明の他の実施例を図５に示すブロック図を参照して説明する。
【００２９】
この実施例２は、実施例１において、バイパス管１２と顕熱冷却用の間接熱交換器１３とを追加し、液化部３を、バイパス管９から出た冷却流体と沸騰部２からでた冷却流体とを混合するだけの冷却流体混合器により構成したものである。
【００３０】
バイパス管１２は、減圧部６から出た冷却流体が沸騰部２に入る前に分岐して液化部３に送入する。バイパス管１２を流れる冷却流体の流量は、沸騰部２から出た冷却流体を液化部３で略完全に凝縮させるのに十分な量とされている。ポンプ４から吐出された冷却流体は間接熱交換器１３により凝縮されて気液分離部５に送られる。間接熱交換器１３はファンにより形成される冷却風により冷却される。なお、ポンプ４の手前に蒸気リザーバを設けてもよい。また、減圧部６は、減圧ポンプの代わりに、上述した絞り、弁、間接熱交換器で構成してもよい。
【００３１】
（実施例３）
本発明の他の実施例を図６に示すブロック図を参照して説明する。
【００３２】
この実施例３は、実施例１、２における、間接熱交換器のファンとポンプ４と減圧ポンプ６とを、この沸騰型半導体冷却装置が冷却するインバータにより制御される交流モータのハウジングに一体化し、更に上記間接熱交換器も交流モータのハウジングに一体化したものである。
【００３３】
すなわち、図６において、交流モータ７のハウジングの外周面にはこの交流モータを制御するインバータ４０が固定され、交流モータのハウジングの一端面には図１に示す液化部３をなす間接熱交換器に冷却風を送るファン３０が固定され、ファン３０の軸方向外側にポンプ４、減圧ポンプ６が固定されている。更に、ポンプ４、減圧ポンプ６の外周側に液化部３をなすリング状の間接熱交換器が固定されている。なお、図６では、間接熱交換器３、ファン３０、ポンプ４、減圧ポンプ６はハウジングのみが図示されている。
【００３４】
更に、交流モータ７の回転軸は、これらファン３０、ポンプ４、減圧ポンプ６の回転軸に直結されている。ポンプ４及び減圧ポンプ６は遠心ポンプとされ、それらの遠心翼部は軸方向に背中合わせに一体化された一体のタービンを形成しているが、同様のロータ構造をもつ容積ポンプを採用してもよい。
【００３５】
上記構造を採用することにより、本発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置に用いる半導体装置が交流モータ制御用のインバータ装置である場合、全体構成を簡素化、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１の変形態様を示す部分ブロック図である。
【図３】図１の変形態様を示す部分ブロック図である。
【図４】図１の変形態様を示す部分ブロック図である。
【図５】本発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の他実施例を示すブロック図である。
【図６】本発明の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置の他実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１半導体装置
２沸騰部
３液化部
４ポンプ
５気液分離部
６減圧部
７モータ
８冷却流体配管

Claims

冷却流体の沸騰により半導体装置を間接冷却する沸騰部と、
前記沸騰冷却部から出た前記冷却流体を液化する液化部と、
前記液化部から出た前記冷却流体を加圧して前記沸騰部に戻すポンプと、
前記ポンプから前記沸騰部に至る経路に配置されて前記沸騰部における前記冷却流体の圧力を減圧する減圧部と、
前記ポンプから前記減圧部までの経路に配置されて、水を主成分とする前記冷却流体中の非凝縮性気体を前記冷却流体から分離する気液分離部を有することを特徴とする沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項１記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記液化部は、外部に放熱して前記冷却流体を凝縮するコンデンサを有する沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項１記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記ポンプにより加圧された前記冷却流体の顕熱を外部に放熱する間接熱交換器からなる放熱部を有し、
前記液化部は、前記沸騰部をバイパスする前記冷却流体を前記沸騰部から出た前記冷却流体に混合して前記バイパスから出た前記冷却流体の顕熱により前記沸騰部からでた沸騰ガスを凝縮する沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項１記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記減圧部は、前記冷却流体から動力回収する減圧ポンプからなる沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
冷却流体の沸騰により半導体装置を間接冷却する沸騰部と、
前記沸騰冷却部から出て沸騰する前記冷却流体を液化する液化部と、
前記液化部から出た前記冷却流体を加圧して前記沸騰部に戻すポンプと、
を備え、
前記半導体装置は、
交流モータに一体に装備されて前記交流モータを駆動制御するインバータ装置を含み、
前記ポンプは、前記交流モータの回転軸に直結されて前記交流モータにより駆動されることを特徴とする沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項５記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記ポンプは前記交流モータを間接冷却するモータ冷却部に前記冷却流体を供給する沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項５記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記冷却流体を外気により冷却する間接熱交換器と、
前記間接熱交換器に強制通風するファンと、
を有し、
前記ファンは、前記交流モータの回転軸に直結されて前記交流モータにより駆動される沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。
請求項７記載の沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置において、
前記間接熱交換器は、前記交流モータのハウジングと一体に形成されている沸騰冷媒強制循環型半導体冷却装置。