JP2007251085A - Cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却液体の循環により発熱体を冷却する冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device that cools a heating element by circulating a cooling liquid.
従来、例えば入出力電力系統間で電力変換する半導体電力変換装置において、発熱体としての電力半導体素子に生じる発熱を冷媒により冷却する冷却装置が、再表00/017927号公報に開示されている。
これは、一定の冷却能力で連続運転されると電力変換装置の負荷変動により電力半導体素子の温度が上下し、これがヒートサイクルとなって、電力半導体素子の寿命低下、信頼性の低下を招くので、素子の温度に応じて冷媒の流量を連続可変制御するようにしたものである。
これにより、ヒートサイクルが軽減され、信頼性や寿命が改善される効果が得られる。
This is because, when continuously operated with a constant cooling capacity, the temperature of the power semiconductor element rises and falls due to the load fluctuation of the power converter, and this becomes a heat cycle, leading to a decrease in the life and reliability of the power semiconductor element. The flow rate of the refrigerant is continuously variably controlled according to the temperature of the element.
Thereby, the heat cycle is reduced, and the effect of improving the reliability and life is obtained.
ところで、冷却作用は冷媒と電力半導体素子を支持する壁面間の熱伝達によるが、電力半導体素子側から熱を受け取った冷媒は速やかに移動して新たな冷媒が到来し、熱伝達が連続的に行われないと、高い冷却効率は望めない。
この点に関して、冷媒として液体の循環により発熱体を冷却する場合に、従来は、壁面の極近傍では液体の流速が0(ゼロ)になると言われており、熱伝達の向上には限度があると考えられていた。
本発明は、上記従来の問題点にかんがみ、発熱体側の壁面と冷却液体間の熱伝達をより向上させた、改良された冷却装置を提供することを目的とする。
By the way, although the cooling action is due to heat transfer between the refrigerant and the wall surface supporting the power semiconductor element, the refrigerant that has received heat from the power semiconductor element side moves quickly, new refrigerant arrives, and heat transfer continues. Without it, high cooling efficiency cannot be expected.
In this regard, when the heating element is cooled by circulation of liquid as a refrigerant, conventionally, it is said that the flow velocity of the liquid becomes 0 (zero) in the vicinity of the wall surface, and there is a limit to improving heat transfer. It was thought.
In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an improved cooling device in which heat transfer between a wall surface on a heating element side and a cooling liquid is further improved.
Dreck.C.Tretheway氏の実験によれば、流路の材質を液体に濡れないものにし、かつ脱気していない液体を流路を通過させた際に、流路壁面近傍の液体の速度が0ではなく、速度を持っていることが確認された。
この現象は、流路壁面が液体に濡れるものであると発生せず、また液体を脱気してしまってもこの現象は発生しない。
この現象を同氏は、流路壁面極近傍に発生するナノスケールの微小な気泡によるものだとしている。(参考文献、「Simulation of fluid slip at 3D hydrophobic microchannelwalls by the lattice Boltzmnn method」 Journal of Computational Physics 202 (2005) 181−195)
Dreck. C. According to Tretheway's experiment, when the material of the channel is not wetted by the liquid and the liquid that has not been degassed is passed through the channel, the velocity of the liquid in the vicinity of the channel wall is not zero, Confirmed to have speed.
This phenomenon does not occur when the channel wall surface is wetted by the liquid, and does not occur even if the liquid is degassed.
He says that this phenomenon is due to nanoscale micro-bubbles generated near the channel wall. (Reference, “Simulation of fluid slip at 3D hydrophobic microchannels by the lattice Boltzmnn method” Journal of Computational Physics 2021 (2005) 2021).
同氏の実験は微量流路内を流れる液体に対して行なわれたものであるが、本発明はこの現象を液体循環による冷却に応用して、より効率的に発熱体を冷却するものである。
すなわち本発明は、発熱体に付設された熱交換部と、該熱交換部に冷却液体を循環させる循環手段とを備えて、発熱体を冷却する冷却装置において、発熱体の温度に応じて冷却液体中の気体溶存量を増減させる気体溶存量制御手段を有し、熱交換部における流路が冷却液体に対して撥液性の壁面を有するものとした。
His experiment was carried out on a liquid flowing in a minute flow path, but the present invention applies this phenomenon to cooling by liquid circulation to cool the heating element more efficiently.
That is, the present invention includes a heat exchanging unit attached to the heating element, and a circulation unit that circulates a cooling liquid in the heat exchanging unit, and cooling the heating element according to the temperature of the heating element. Gas dissolved amount control means for increasing / decreasing the gas dissolved amount in the liquid is provided, and the flow path in the heat exchange section has a wall surface that is liquid repellent with respect to the cooling liquid.
本発明によれば、熱交換部に供給する冷却液体中の気体溶存量を発熱体の温度上昇に応じて増加させることにより、熱交換部の壁面近傍にナノスケールの微小な気泡を発生させ、壁面と冷却液体との摩擦による圧力損失を減少させるから、冷却液体が運ぶ熱量も大きくなって、冷却能力を増大させることができる。 According to the present invention, by increasing the amount of dissolved gas in the cooling liquid supplied to the heat exchange unit according to the temperature rise of the heating element, nano-scale micro bubbles are generated near the wall surface of the heat exchange unit, Since the pressure loss due to friction between the wall surface and the cooling liquid is reduced, the amount of heat carried by the cooling liquid is increased, and the cooling capacity can be increased.
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図1は、半導体素子を用いた電力変換スイッチやCPU等(以下、代表して半導体素子と呼ぶ)の冷却に適用した第1の実施例における冷却装置の全体構成を示す。
冷却装置1において、半導体素子10が基板11上に載置され、基板11の裏面には冷却水を通流させる熱交換部30が設けられている。また、半導体素子10には例えば熱電対からなる温度センサ13が付設され、温度センサ13は制御部14に接続されている。
熱交換部30の一端は配管5cを介してプランジャポンプ2に接続され、他端は配管5dを介して冷却水タンク6に接続されている。冷却水タンク6には、水からなる冷却水が貯留されている。
配管5dには放熱部16が付設されている。
Next, embodiments of the present invention will be described by way of examples.
FIG. 1 shows an overall configuration of a cooling device according to a first embodiment applied to cooling a power conversion switch using a semiconductor element, a CPU or the like (hereinafter, referred to as a semiconductor element as a representative).
In the cooling device 1, the
One end of the
A
プランジャポンプ2は、逆止弁4a、4b、4cを備えるポンプ筐体21と、ポンプ筐体21内に配置されてポンプ筐体21との間にプランジャ室22を形成するプランジャ20とより構成される。プランジャ20は、ポンプ筐体21内を図1中の上下方向に往復動し、プランジャ20の往復に伴ってプランジャ室22の容積が変化する。
プランジャ室22は、逆止弁4aを介して配管5aに接続し、また逆止弁4b、配管5bを介して冷却水タンク6の底部に接続している。
配管5aには流量制御弁8が設けられ、配管5aの他端は大気中へ開口している。
熱交換部30と接続した配管5cは逆止弁4cを介してポンプ筐体21のプランジャ室22に接続されている。
The
The
The
The
逆止弁4aは、配管5aからプランジャ室22への空気の吸入のみを許し、外部への逆流を阻止する。
逆止弁4bは、冷却水タンク6からプランジャ室22への冷却水の吸入のみを許し、外部への逆流を阻止する。
逆止弁4cは、プランジャ室22から配管5c側への吐出のみを許し、逆流を阻止する。
プランジャ20が図1中の下方向に動くと、逆止弁4cが閉じた状態で逆止弁4a、4bが開き、配管5aからの空気と冷却水タンク6からの配管5bを介した冷却水とがプランジャ室22内に吸入される。
プランジャ20が図1中の上方向に動くと、逆止弁4a、4bが閉じた状態で逆止弁4cが開き、プランジャ室22内の冷却水が配管5cへ吐出される。これにより、プランジャ20の上下往復動により冷却水が圧送され、熱交換部30へ冷却水が供給される。
The
The
The
When the
When the
熱交換部30は、図2に示すように、その冷却水の流路31の横断面において、基板11に面接触した上壁32からこれに平行に対向する下壁33近傍まで互いに平行に立ち下げた多数のフィン34を備えて、伝熱壁面の面積を大きくしている。なお、図2の(a)は冷却水の流れに対して垂直の横断面を示し、(b)は冷却水の流れに対して平行な断面を示している。
熱交換部30は伝熱性の観点から金属製とするのが好ましく、その上壁32、下壁33を含む内壁面およびフィン34の表面はフッ素系やシリコン系の樹脂コーティングCが施されて、撥液性となっている。
熱交換部30を流れる間に冷却水は基板11から熱を奪い、基板11上の半導体素子10を冷却する。
熱交換部30を通過した冷却水は、配管5dを流れる間に、放熱部16において基板11から奪った熱を放熱し、冷却水タンク6へ戻る。
以上を繰り返して、冷却水が熱交換部30を循環することになる。
As shown in FIG. 2, the
The
While flowing through the
The cooling water that has passed through the
By repeating the above, the cooling water circulates through the
ここで、プランジャポンプ2において冷却水が冷却水タンク6から吸入される際、同時に配管5aから空気も供給されるので、図1においてプランジャ20が上方向に動いて冷却水が配管5cへ吐出されるとき、プランジャ室内22において水と空気とが共存した状態で加圧される。この結果、空気が冷却水中に溶解する。
流量制御弁8は、温度センサ13で測定した半導体素子10の温度に基づいて制御部14により制御され、配管5aを通ってプランジャ室22内に流れ込む空気の量を調整する。これにより、冷却水中に溶解する空気の量、すなわち冷却水中の気体溶存量が変化する。
具体的には、半導体素子10の温度が高いほど流量制御弁8を開放側へ制御して、プランジャ室22内へ供給される空気の量を増大させ、気体溶存量を大きくする一方、温度が低いほど流量制御弁8を絞り側へ制御して、プランジャ室22内への空気の量を減少させ、気体溶存量を小さくする。
Here, when cooling water is sucked from the
The
Specifically, as the temperature of the
冷却水を圧送したとき流路31の壁面の近傍には速度境界層ができるが、速度境界層内では液体の流れる速度の違いから大きなせん断力が発生する。冷却水中の気体溶存量が大きいときはそのせん断力によって一種の減圧沸騰(キャビテーション)が起こり、熱交換部30では内壁が撥液性の樹脂コーティングCによって冷却水に対して濡れにくいため、その壁面近傍にナノスケールの微小な気泡が発生する。
したがって、気体溶存量が増加した冷却水を熱交換部30へ循環させると、壁面と冷却水との摩擦により引き起こされる圧力損失が微小気泡により減少する。その結果、壁面近傍でも冷却水のゼロでない流速が得られるから、冷却水が運ぶ熱量も大きくなって、冷却能力が増大する。
When the cooling water is pumped, a velocity boundary layer is formed in the vicinity of the wall surface of the
Therefore, when the cooling water in which the dissolved amount of gas is increased is circulated to the
なお、微小気泡となった空気は冷却水と分離した状態で冷却水タンク6に戻るが、配管5bは冷却水タンク6の底部から冷却水をプランジャ室22へ供給するので、冷却水タンク6に戻った空気が再びプランジャ室22へ再循環されることはなく、プランジャ室22への空気量は専ら配管5a上の流量制御弁8によって制御される。冷却水タンク6に戻った空気は適宜放出される。
The air that has become microbubbles returns to the
本実施例では、プランジャポンプ2から順次配管5c、熱交換部30、配管5d、冷却水タンク6、配管5bを経てプランジャポンプ2に戻る経路が発明における循環手段を構成し、とくにプランジャポンプ2がポンプに、冷却水タンク6が冷却液体タンクに対応する。
半導体素子10が発熱体に対応し、水からなる冷却水が冷却液体に、空気が気体にそれぞれ対応する。
また、熱交換部30の樹脂コーティングCが施された内壁面が撥液性の壁面に対応する。
そして、温度センサ13で検出した半導体素子10の温度に応じて制御部14により調節される流量制御弁8を介して空気をプランジャポンプ2へ供給し、当該プランジャポンプ2内において水と空気の加圧を行う構造が気体溶存量制御手段を構成している。
In the present embodiment, the route returning from the
The
Moreover, the inner wall surface to which the resin coating C of the
Then, air is supplied to the
本実施例は以上のように構成され、熱交換部30の流路壁面を水に濡れにくい撥液性のものとするとともに、熱交換部30に供給する冷却水の気体溶存量を半導体素子10の温度上昇に応じて増加させることにより、すなわちより具体的には、水と温度センサ13で検出した温度に応じた量の空気とが混在した状態で加圧して、水に空気を溶解させることにより、熱交換部30の流路31における壁面近傍にナノスケールの微小な気泡を発生させ、壁面と冷却水との摩擦による圧力損失を減少させるから、冷却水が運ぶ熱量も大きくなって、冷却能力を増大させることができる。
これによって、冷却水の流量を一定にした状態でも、気体溶存量の制御により半導体素子10の発熱量に応じた冷却を行うことができ、さらには冷却水の流量制御を併用した場合にもその制御範囲が格段に拡大するという効果を有する。
The present embodiment is configured as described above, and the channel wall surface of the
As a result, even when the flow rate of the cooling water is kept constant, it is possible to perform cooling according to the heat generation amount of the
なお、冷却水中への空気の溶解は冷却水がプランジャポンプ2に吸入される前、あるいはプランジャポンプ2から吐出された後におこなうこともできるが、本実施例ではとくに、半導体素子10の温度に応じて流量制御弁8で流量を制御された空気をプランジャポンプ2へ供給し、プランジャポンプ2による冷却水の圧送と同時に、冷却水中に空気を溶解させることにより、冷却水を圧送するための装置と冷却水中に空気を溶解させるための装置の2つの装置を個別に備える必要がなくなるので、製造コストや工数を低減することができるという利点を有している。
The air can be dissolved in the cooling water before the cooling water is sucked into the
次に、第2の実施例について説明する。
第1の実施例では半導体素子の温度に応じて流量制御弁を制御し、冷却水中の気体溶存量を変化させるものとしたが、この実施例では、主液体と、反応により蒸気圧の低い液体または気体を生成する副液体とを混合した冷却水を用いて、熱交換部の壁面近傍にナノスケールの微小気泡を発生させる。
図3に、第2の実施例における冷却装置1Aの全体構成を示す。
なお、第1の実施例と同一の構成物については同一番号を付して説明を省略する。
プランジャポンプ2Aは第1の実施例におけるプランジャポンプ2に対して逆止弁4aを備えず、配管5aと流量制御弁8を廃している。これにより、温度センサ13および制御部14も不要となる。
Next, a second embodiment will be described.
In the first embodiment, the flow rate control valve is controlled in accordance with the temperature of the semiconductor element to change the dissolved gas amount in the cooling water. In this embodiment, however, the main liquid and the liquid having a low vapor pressure due to the reaction are used. Alternatively, nanoscale microbubbles are generated in the vicinity of the wall surface of the heat exchange section using cooling water mixed with a secondary liquid that generates gas.
In FIG. 3, the whole structure of 1 A of cooling devices in a 2nd Example is shown.
In addition, the same number is attached | subjected about the same structure as a 1st Example, and description is abbreviate | omitted.
冷却水タンク6Aには、主液体としての水に、副液体として反応が触媒により促進されるメタノールやエタノールなどのアルコールを溶かした冷却水が貯留されている。
熱交換部30Aは、図4に示すように、第1の実施例における熱交換部30と同一形状を有するが、基板11側の上壁32から立ち下げたフィン34の表面に触媒Sを膜状に担持させてある。触媒SとしてCu、またはCuを含む合金を用いると、アルコールは200℃程度の比較的低い温度で水素や二酸化炭素への反応が促進される。
なお、熱交換部30Aのフィン34を含む各壁を触媒Sと同種のCu製またはCuを含む合金製とすると、異種金属とした場合に比較して触媒の接合が容易となり、熱膨張係数の差による信頼性低下の心配もない。
The cooling
As shown in FIG. 4, the
If each wall including the
熱交換部30Aの流路31の内壁面は第1の実施例と同じく、フッ素系やシリコン系の樹脂コーティングCが施されている。図4の(a)は冷却水の流れに対して垂直の断面を示し、(b)は冷却水の流れに対して平行な断面を示している。
熱交換部30Aの一端は配管5cを介してプランジャポンプ2Aに接続され、他端は配管5dを介して冷却水タンク6Aに接続されている。
The inner wall surface of the
One end of the
プランジャポンプ2Aは、プランジャ20の往復に伴ってプランジャ室22の容積が変化する。
熱交換部30Aと接続した配管5cは逆止弁4cを介してポンプ筐体21のプランジャ室22に接続されている。
プランジャ室22は逆止弁4b、配管5bを介して冷却水タンク6Aに接続している。
逆止弁4bは、冷却水タンク6Aからプランジャ室22への冷却水の吸入のみを許し、外部への逆流を阻止する。
逆止弁4cは、プランジャ室22から配管5c側への吐出のみを許し、逆流を阻止する。
In the
The
The
The
The
プランジャ20が図3中の下方向に動くと、逆止弁4cが閉じた状態で逆止弁4bが開き、冷却水タンク6Aからの配管5bを介した冷却水がプランジャ室22内に吸入される。
プランジャ20が図3中の上方向に動くと、逆止弁4bが閉じた状態で逆止弁4cが開き、プランジャ室22内の冷却水が配管5cへ吐出される。これにより、プランジャ20の上下往復動により冷却水が圧送され、熱交換部30Aに冷却水が供給される。
その他の構成は第1の実施例と同じである。
When the
When the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
以上の構成において、熱交換部30Aでは、冷却水中のアルコールがフィン34に担持された触媒Sにより反応が促進され、水素や二酸化炭素が生成されて気体溶存量が増大する。そして、気体溶存量が増大により、水素や二酸化炭素のナノスケールの微小気泡が、第1の実施例の場合と同様に熱交換部30Aの流路31における壁面近傍に発生する。
触媒Sは基板11を介して半導体素子10から伝熱される熱交換部30A内に配置されているから、半導体素子10の温度が高いほど触媒作用も活性化し、アルコールの反応量が増大して気体溶存量が増大する。この結果、半導体素子10の温度に応じて自動的に微小気泡の発生量が変化することになる。
In the above configuration, in the
Since the catalyst S is disposed in the
本実施例では、プランジャポンプ2Aから順次配管5c、熱交換部30A、配管5d、冷却水タンク6A、配管5bを経てプランジャポンプ2Aに戻る経路が発明における循環手段を構成し、とくにプランジャポンプ2Aがポンプに、冷却水タンク6Aが冷却液体タンクに対応する。
半導体素子10が発熱体に対応し、水にアルコールを溶かした冷却水が冷却液体に対応する。そしてとくに、冷却水をなす水が主液体に、アルコールが副液体に該当する。
熱交換部30Aの樹脂コーティングCが施された内壁面が撥液性の壁面に対応する。
熱交換部30Aの流路にアルコールの反応を促進する触媒Sを配置し、触媒Sの温度に応じた活性化により水素や二酸化炭素の生成量を増減させる構造が気体溶存量制御手段を構成している。
In the present embodiment, the path returning from the
The
The inner wall surface to which the resin coating C of the
The structure in which the catalyst S that promotes the reaction of alcohol is arranged in the flow path of the
本実施例は以上のように構成され、冷却水として水に加えて、反応により蒸気圧の低い水素や二酸化炭素などを生成するアルコールを含み、熱交換部30Aの流路壁面を撥液性のものとするとともに、熱交換部30Aの流路31に上記反応を促進する触媒Sを配置したので、流量制御弁等がなくても、半導体素子10の温度に応じた触媒Sの活性化により気体溶存量が変化し、これにより、一層簡単な構成でナノスケールの微小気泡を熱交換部30Aの壁面近傍に発生させ、壁面と冷却水との摩擦による圧力損失を減少させて、冷却能力を増大させることができる。
また、反応を促進させる触媒Sを発熱源の半導体素子10が設置された基板11に取り付けられた熱交換部30A内に配置していることにより、半導体素子10の温度が上昇すると触媒Sはすみやかに活性化して反応を促進するから、とくに応答性が高く、半導体素子10の過熱防止に有利である。
The present embodiment is configured as described above, and includes, in addition to water as cooling water, alcohol that generates hydrogen, carbon dioxide, or the like having a low vapor pressure by a reaction. In addition, since the catalyst S that promotes the reaction is disposed in the
In addition, since the catalyst S for promoting the reaction is disposed in the
なお、本実施例では、Cuなどの触媒Sを熱交換部30A内のフィン34の全面に担持させたものとしたが、金属触媒は水やアルコールに濡れやすいので、触媒Sの配置を熱交換部内でも上流側に限定することにより、フィンもその主要部を水やアルコールに濡れにくい樹脂コーティングC面として、冷却水がゼロでない速度をもつ領域を広げることができる。
さらには、触媒Sは半導体素子10の温度が伝熱されて、感知できる領域である限りにおいて、熱交換部内でなくとも、その上流側の配管5c内に配置することも可能である。
In this embodiment, the catalyst S such as Cu is supported on the entire surface of the
Furthermore, as long as the temperature of the
次に、第3の実施例について説明する。この実施例は第2の実施例に対して温度センサを備えて、発熱体の温度に応じて冷却水の成分濃度を調節するようにしたものである。
図5に、第3の実施例における冷却装置1Bの全体構成を示す。
なお、第2の実施例と同一の構成物については同一番号を付して説明を省略する。
プランジャポンプ2のプランジャ室22は、逆止弁4b、配管5bを介して冷却水タンク6Aの底部に接続し、逆止弁4a、配管5aを介して副液体タンク7に接続している。配管5aには流量制御弁8Bが設けられている。
冷却水タンク6Aには主液体としての水に、副液体としてのアルコールを溶かした冷却水が貯留されている。副液体タンク7にはアルコールが貯留されている。
Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, a temperature sensor is provided for the second embodiment, and the component concentration of the cooling water is adjusted in accordance with the temperature of the heating element.
In FIG. 5, the whole structure of the
Note that the same components as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
The
The cooling
半導体素子10には温度センサ13が付設され、冷却水タンク6Aには貯留されている冷却水のアルコール濃度を検出する濃度センサ18が付設されている。
温度センサ13と濃度センサ18は制御部14Bに接続され、制御部14Bは温度センサ13で測定した半導体素子10の温度ならびに濃度センサ18で検出したアルコール成分の濃度に基づいて流量制御弁8Bを制御する。
具体的には、半導体素子10の温度が高く、あるいはアルコール濃度が低いほど流量制御弁8Bを開いて、プランジャ室22内のアルコールの量を増大させ、温度が低く、あるいはアルコール濃度が高いほど流量制御弁8Bを絞り側へ制御して、プランジャ室22内のアルコールの量を減少させる。
The
The
Specifically, as the temperature of the
熱交換部30Aの一端は配管5c、逆止弁4cを介してプランジャ室22に接続され、他端は配管5dを介して冷却水タンク6Aに接続されている。
プランジャ20が図5中の下方向に動くと、逆止弁4cが閉じた状態で逆止弁4a、4bが開き、配管5aからのアルコールと冷却水タンク6Aからの配管5bを介した冷却水とがプランジャ室22内に吸入される。プランジャ20が図5中の上方向に動くと、逆止弁4a、4bが閉じた状態で逆止弁4cが開き、プランジャ室22内の冷却水が配管5cへ吐出される。これにより、プランジャ20の上下往復動により冷却水が圧送され、熱交換部30Aに冷却水が供給される。
熱交換部30Aの内部構造を含むその他の構成は第2の実施例と同じである。
One end of the
When the
Other configurations including the internal structure of the
本実施例によれば、第2の実施例と同じく、半導体素子の温度に応じて気体溶存量が変化し、これにより、ナノスケールの微小気泡を熱交換部30Aの壁面近傍に発生させ、壁面と冷却水との摩擦による圧力損失を減少させて、冷却能力を増大させることができ、また、半導体素子10の温度変化に対する応答性が高く、半導体素子10の過熱が防止される。
According to the present embodiment, as in the second embodiment, the amount of dissolved gas changes in accordance with the temperature of the semiconductor element, thereby generating nanoscale microbubbles in the vicinity of the wall surface of the
さらに、触媒Sによって促進される反応は温度とアルコール成分の濃度によって決まるが、濃度が高いほど反応量が多くなるから、半導体素子10の温度が高いほど流量制御弁8Bを制御してアルコールを多くプランジャ室22へ供給することにより、気体溶存量が増大し、冷却能力が一層増大する。
なお、半導体素子10の温度が高いほど触媒Sによって促進される反応量が多くなり、また濃度を高くしたときの反応量も多くなるが、反応が促進された結果として、冷却水タンク6Aに戻ってくる冷却水中のアルコール成分の濃度が低下しても、制御部14Bは濃度センサによって検出した濃度低下を反映させて流量制御弁8Bを調節するから、アルコール成分の濃度を半導体素子10の温度に対応して適正値に調節することができる。
Further, the reaction promoted by the catalyst S is determined by the temperature and the concentration of the alcohol component. However, the higher the concentration, the larger the reaction amount. Therefore, the higher the temperature of the
Note that the higher the temperature of the
なお本実施例では、第2の実施例におけると同一の熱交換部30Aを用いて、Cuなどの触媒Sをフィン34の全面に担持させたものとしたが、半導体素子10の温度に応じてアルコールの量が増減されることにより、気体溶存量が増減するから、触媒Sは熱交換部よりも上流の配管5cの任意位置に配置して、半導体素子の温度の影響を受けない環境下で一定の触媒作用を発揮する構成とすることもできる。これにより、熱交換部30A内壁の全面を撥液性の樹脂コーティングC面として水やアルコールに濡れにくくし、冷却水がゼロでない速度をもつ領域をより一層広げることができる。
In the present embodiment, the catalyst S such as Cu is supported on the entire surface of the
また、第2、第3の実施例においては、それぞれ冷却水の一部を形成する主液体と副液体についても、水に対するアルコールに限定されず、反応によって蒸気圧の低い液体または気体を生成するものであれば、任意の成分の組み合わせを採用することができる。
さらにまた、冷却水を水とアルコールの2成分としたが、これに限定されず、反応によって蒸気圧の低い液体または気体を生成するものを含んでいれば3以上の成分としてもよく、あるいは、その一部が反応によって蒸気圧の低い液体または気体を生成する単一成分の冷却水としてもよい。
In the second and third embodiments, the main liquid and the sub-liquid that form part of the cooling water are not limited to alcohol with respect to water, and a liquid or gas having a low vapor pressure is generated by the reaction. Any combination of components can be employed as long as it is one.
Furthermore, although the cooling water is composed of two components of water and alcohol, the invention is not limited to this, and it may be three or more components as long as it contains a liquid or gas having a low vapor pressure by reaction, or A part thereof may be single-component cooling water that generates a liquid or gas having a low vapor pressure by reaction.
なお各実施例では、冷却水を圧送するポンプとしてプランジャポンプ2を用いるものとしたが、これに限定されることなく他の方式のポンプを用いてもよい。
熱交換部30、30Aでは冷却水の流路31に上流から下流へ向けた直線状のフィン34を設けるものとしたが、これに限定されることなく、例えば、平面形においてジグザグ状に複数回折り返した流路とするなど、任意の形状を採用することができる。
In each embodiment, the
In the
なお、実施例はいずれも冷却対象としての発熱体が半導体素子の場合について説明したが、本発明は半導体素子の冷却に限定されることなく、種々の発熱体の冷却に適用することができる。
発熱体に対応して、たとえば第1の実施例においても、冷却水を形成する液体も水に限定されず、気体も空気に限定されず、任意の組み合わせを採用することができる。
In addition, although the Example demonstrated the case where the heat generating body as cooling object was a semiconductor element, this invention is not limited to cooling of a semiconductor element, It can apply to cooling of various heat generating bodies.
Corresponding to the heating element, for example, also in the first embodiment, the liquid forming the cooling water is not limited to water, the gas is not limited to air, and any combination can be adopted.
1、1A、1B 冷却装置
2、2A プランジャポンプ
4a、4b、4c 逆止弁
5a、5b、5c、5d 配管
6、6A 冷却水タンク
7 副液体タンク
8、8B 流量制御弁
10 半導体素子
11 基板
13 温度センサ
14、14B 制御部
16 放熱部
18 濃度センサ
20 プランジャ
21 ポンプ筐体
22 プランジャ室
30、30A 熱交換部
31 流路
32 上壁
33 下壁
34 フィン
C 樹脂コーティング
S 触媒
1, 1A,
Claims (11)
前記発熱体の温度に応じて前記冷却液体中の気体溶存量を増減させる気体溶存量制御手段を有し、
前記熱交換部における流路が前記冷却液体に対して撥液性の壁面を有することを特徴とする冷却装置。 In the cooling device for cooling the heating element, comprising a heat exchange part attached to the heating element, and a circulation means for circulating a cooling liquid in the heat exchange part,
Gas dissolved amount control means for increasing or decreasing the gas dissolved amount in the cooling liquid according to the temperature of the heating element,
The cooling device, wherein the flow path in the heat exchange section has a wall surface that is liquid repellent with respect to the cooling liquid.
前記気体溶存量制御手段は、前記発熱体の温度に応じて流量を制御する流量制御弁を介して前記気体を前記ポンプへ供給し、当該ポンプ内において前記冷却液体と気体の加圧を行うことを特徴とする請求項2記載の冷却装置。 The circulating means has a cooling liquid tank that stores the cooling liquid, and a pump that pumps the cooling liquid from the cooling liquid tank to the heat exchange unit,
The gas dissolved amount control means supplies the gas to the pump via a flow rate control valve that controls the flow rate according to the temperature of the heating element, and pressurizes the cooling liquid and the gas in the pump. The cooling device according to claim 2.
前記気体溶存量制御手段は、前記熱交換部または熱交換部より上流の流路に配置され前記冷却液体における蒸気圧の低い液体または気体への反応を促進する触媒を有して、前記発熱体の温度に応じて反応量を変化させることにより冷却液体中の気体溶存量を増減させることを特徴とする請求項1記載の冷却装置。 A part of the cooling liquid generates a liquid or gas having a low vapor pressure by a reaction,
The gas dissolved amount control means includes a catalyst that is disposed in the heat exchange section or a flow path upstream from the heat exchange section and promotes a reaction to a liquid or gas having a low vapor pressure in the cooling liquid, and the heating element. The cooling device according to claim 1, wherein the amount of dissolved gas in the cooling liquid is increased or decreased by changing the reaction amount in accordance with the temperature of the liquid.
前記触媒は、前記副液体の反応を促進して前記蒸気圧の低い液体または気体を生成させることを特徴とする請求項5記載の冷却装置。 The cooling liquid includes a main liquid and a sub-liquid that generates a liquid or gas having a low vapor pressure by reaction,
The cooling device according to claim 5, wherein the catalyst generates a liquid or gas having a low vapor pressure by promoting a reaction of the sub-liquid.
さらに前記ポンプには流量制御弁を介して前記副液体を貯留する副液体タンクが接続され、
前記気体溶存量制御手段は、前記温度センサで検出された発熱体の温度に応じて前記流量制御弁により流量を制御した副液体を前記副液体タンクから前記ポンプへ供給することを特徴とする請求項8記載の冷却装置。 The circulating means has a cooling liquid tank that stores the cooling liquid, and a pump that pumps the cooling liquid from the cooling liquid tank to the heat exchange unit,
Furthermore, a sub liquid tank for storing the sub liquid is connected to the pump via a flow control valve,
The gas dissolved amount control means supplies the sub liquid whose flow rate is controlled by the flow rate control valve according to the temperature of the heating element detected by the temperature sensor from the sub liquid tank to the pump. Item 9. The cooling device according to Item 8.
前記冷却液体タンクの冷却液体における前記副液体の濃度を検出する濃度センサを有して、
前記流量制御弁により前記ポンプへ供給する副液体の流量を、前記温度センサで検出された発熱体の温度に加えて、前記濃度センサで検出された副液体の濃度に応じて制御することを特徴とする請求項9記載の冷却装置。 The circulating means is configured to return the cooling liquid that has passed through the heat exchange unit to the cooling liquid tank,
Having a concentration sensor for detecting the concentration of the sub liquid in the cooling liquid of the cooling liquid tank;
The flow rate of the secondary liquid supplied to the pump by the flow rate control valve is controlled according to the concentration of the secondary liquid detected by the concentration sensor in addition to the temperature of the heating element detected by the temperature sensor. The cooling device according to claim 9.
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