JP2006147706A

JP2006147706A - 半導体素子の冷却装置

Info

Publication number: JP2006147706A
Application number: JP2004333310A
Authority: JP
Inventors: Akira Ikeda; 明池田; Masao Nakano; 雅夫中野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】高発熱の半導体素子の冷却を容易に可能とし、かつ冷媒ポンプが故障した場合でも蒸発器から凝縮器への熱伝達により部分的な冷却が可能となる信頼性の高い小形で高性能の半導体素子の冷却装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子１を冷却するための蒸発器２と、凝縮器３と、冷媒ポンプ４とを冷媒配管５により接続して冷媒循環式の冷媒サイクルを構成し、蒸発器２と凝縮器３を伝熱可能な一体構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高発熱の半導体素子を冷媒の蒸発、凝縮の相変化を用いて効率よく冷却することができる小型で取り扱いが容易な冷却装置に関する。

従来、この種の半導体素子の冷却装置はヒートシンクによる空冷が一般的であり、半導体素子の高発熱化に伴いヒートパイプによる熱移送によりヒートシンクの高性能化を達成している。この半導体素子の冷却装置は、例えば図４に示されるように、ヒートシンク１１とヒートパイプ１２とで構成されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、液冷システムを採用しているものもあり、図５に示される従来の半導体素子の冷却装置は、吸熱器１３と液ポンプ１４と放熱器１５とで構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、冷媒ポンプにより循環する冷媒の蒸発潜熱を利用したものも提案されており、図６に示される従来の半導体素子の冷却装置は、蒸発器１６と冷媒ポンプ１７と凝縮器１８と送風ファン１９とで構成されている (例えば、特許文献２参照。)。

「熱設計・対策技術シンポジウム予講集」２００４年版、頁Ｇ５−１−８（社団法人日本能率協会発行）特開２００２−１８２７９７号公報特開平６−３１８６５６号公報

しかしながら、非特許文献１に記載の冷却装置は、半導体素子の高発熱化に伴い、ヒートパイプの熱移送能力の限界から充分な冷却が困難になるという問題がある。

また、特許文献１に記載の冷却装置にあっては、液体の顕熱を利用することから吸熱器において熱抵抗値が大きくなり、高発熱の半導体素子の冷却には限界があった。

さらに、特許文献２に記載の冷却装置は、蒸発器と凝縮器が配管で接続された構成となっており、熱の移送を冷媒の移送のみに依存するため、ポンプが故障した場合には半導体素子の冷却が不能になるという問題がある。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高発熱の半導体素子の冷却を容易に可能とし、かつ冷媒ポンプが故障した場合でも蒸発器から凝縮器への熱伝達により部分的な冷却が可能となる信頼性の高い小形で高性能の半導体素子の冷却装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、半導体素子を冷却するための蒸発器と、凝縮器と、冷媒ポンプとを冷媒配管により接続して冷媒循環式の冷媒サイクルを構成し、前記蒸発器と前記凝縮器を伝熱可能な一体構造としたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記凝縮器の一部と前記蒸発器の一部を共有したことを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記冷媒ポンプを前記蒸発器と前記凝縮器と一体構造にしたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記凝縮器に送風ファンを隣接配置し、前記凝縮器の冷媒通路を前記送風ファンからの送風方向と熱的に対向流にしたことを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明にかかる半導体素子の冷却装置は、蒸発器において蒸発潜熱を奪った気体冷媒が、凝縮器で空気と熱交換することにより凝縮して液体冷媒となり冷媒ポンプにより再度蒸発器へと導かれ、蒸発潜熱を利用した高性能な放熱が可能であるばかりでなく、蒸発器と凝縮器を伝熱可能な一体構造としたので、熱伝導による凝縮器への熱移動も期待され放熱量の増大に寄与する。また、冷媒ポンプが運転不能となり冷媒の移動がない場合でも、蒸発器から凝縮器への熱移動が可能となり、信頼性が向上する。

また、冷媒ポンプを蒸発器と凝縮器と一体構造にしたので、蒸発器と凝縮器と冷媒ポンプを冷媒配管に頼らず固定することができ、小型で取り扱いが容易な冷却装置を提供することができる。

さらに、凝縮器の冷媒通路を送風ファンからの送風方向と熱的に対向流となるようにしたので、空気との熱交換の効率が高まり、より効率的な冷却装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体素子の冷却装置の側面図を示しており、半導体素子１を冷却する蒸発器２を凝縮器３と一体構造にして、凝縮器３の下部と蒸発器２の上部を共有することにより伝熱可能な構成としている。また、蒸発器２と凝縮器３とを冷媒配管５により接続して、冷媒配管５の途中に冷媒ポンプ４を配設することにより冷凍サイクルを構成している。

上記構成の半導体素子の冷却装置において、半導体素子１の発熱により蒸発器２内で蒸発した冷媒は冷媒配管５を介して凝縮器３へ導かれ、凝縮器３において空気と熱交換して液化冷媒となり、冷媒ポンプ４によって蒸発器２へ還流するサイクルにより半導体素子１の冷却が行われるとともに、半導体素子１の発熱が熱伝導により蒸発器２から凝縮器３へ伝えられ、空気と熱交換することによる冷却も合わせて行われる。

すなわち、蒸発器２と凝縮器３を伝熱可能な一体構成とすることにより、冷媒による冷却と、熱伝導による冷却を組み合わせた冷却が可能となり、冷却器としての性能を高めることができる。

また、凝縮器３は蒸発器２と伝熱可能な一体構造としたことで、たとえ冷媒ポンプ４が動作しない場合でも、少なくとも熱伝導による冷却を達成することもできる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる半導体素子の冷却装置の側面図を示しており、冷媒ポンプ４を凝縮器３と蒸発器２の一体構造物に機械的に固定した点において、上述した実施の形態１と相違している。

本実施の形態においては、冷媒回路の主要部品である冷媒ポンプ４と凝縮器３と蒸発器２とを一体構成とすることにより、冷媒配管の引き回しが不要となり、半導体素子１を含む機器への組込みが容易となる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３にかかる半導体素子の冷却装置の平面図を示しており、凝縮器３に送風ファン６を隣接配置するとともに、蒸発器２から出た冷媒配管５を凝縮器３の風下側に導き、凝縮機３内で風上側に向かって配管するようにしたものである。

この構成によれば、半導体素子１の発熱により蒸発器２内で蒸発した冷媒は、凝縮器３内で風上側に向かって移動しながら凝縮することになり、凝縮器３の冷媒通路を送風ファン６からの送風方向と熱的に対向流となるように設定することで、熱交換媒体である冷媒と空気の温度差を凝縮器３の全域において略一定とすることができ、凝縮器３の熱交換性能を高めることができる。

上述したように、本発明にかかる冷却装置は、小型で冷却性能が良く信頼性が高いので、発熱体の冷却等の用途に適用でき、特に半導体素子の冷却装置として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる半導体素子の冷却装置の側面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体素子の冷却装置の側面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体素子の冷却装置の平面図である。従来の半導体素子の冷却装置の斜視図である。従来の別の半導体素子の冷却装置の冷凍サイクル図である。従来のさらに別の半導体素子の冷却装置の冷凍サイクル図である。

符号の説明

１半導体素子（発熱体）
２蒸発器（吸熱部）
３凝縮器（放熱部）
４冷媒ポンプ
５冷媒配管
６送風ファン

Claims

半導体素子を冷却するための蒸発器と、凝縮器と、冷媒ポンプとを冷媒配管により接続して冷媒循環式の冷媒サイクルを構成し、前記蒸発器と前記凝縮器を伝熱可能な一体構造としたことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
前記凝縮器の一部と前記蒸発器の一部を共有したことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の冷却装置。
前記冷媒ポンプを前記蒸発器と前記凝縮器と一体構造にしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の半導体素子の冷却装置。
前記凝縮器に送風ファンを隣接配置し、前記凝縮器の冷媒通路を前記送風ファンからの送風方向と熱的に対向流にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子の冷却装置。