JP2747156B2 - Immersion jet cooling heat sink - Google Patents

Immersion jet cooling heat sink

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JP2747156B2
JP2747156B2 JP4049053A JP4905392A JP2747156B2 JP 2747156 B2 JP2747156 B2 JP 2747156B2 JP 4049053 A JP4049053 A JP 4049053A JP 4905392 A JP4905392 A JP 4905392A JP 2747156 B2 JP2747156 B2 JP 2747156B2
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heat sink
fin
cooling
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heat
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実 吉川
克昭 前島
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NEC Corp
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NIPPON DENKI FUIIRUDO SAABISU KK
Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、液冷を用いた電子機器
等に使用される集積回路チップの浸漬噴流冷却用ヒート
シンクに関し、特に、絶縁性冷媒中に集積回路チップを
浸漬させ、ノズルからの噴流によって冷却を行うために
使用する浸漬噴流冷却用ヒートシンクに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat sink for immersion jet cooling of an integrated circuit chip used for electronic equipment using liquid cooling, and more particularly, to immersing the integrated circuit chip in an insulating refrigerant so that it can be immersed in a nozzle. The present invention relates to a submerged jet cooling heat sink used for cooling by a jet.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電子計算機等の電子機器における
発熱量の増大に伴い、冷却技術の重要性は、ますます増
してきている。また、集積回路の高速化や高消費電力化
に伴い、空冷から水を用いた伝導液冷へと移行し、最近
では、さらに冷却効率を高めるために、集積回路チップ
を炭化フッ素などの絶縁性液体中に直接浸した浸漬冷却
やノズルからの噴流による冷却を加えた浸漬噴流冷却の
技術が重要になってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in the amount of heat generated in electronic devices such as electronic computers, the importance of cooling technology has been increasing. In addition, as the speed and power consumption of integrated circuits have increased, air cooling has shifted to liquid cooling using water.In recent years, in order to further increase cooling efficiency, integrated circuit chips have been made of insulating materials such as fluorine carbide. The technique of immersion cooling directly immersed in a liquid or immersion jet cooling in which cooling by a jet from a nozzle is added has become important.

【0003】図4は、従来の対流型空冷用のヒートシン
クの第1の例を示す斜視図である。また、図5は、浸漬
噴流冷却用に使用した図4のヒートシンクの縦断面の一
例を示す断面図である。さらに、図6は、従来のヒート
シンクの第2の例を示す斜視図である。従来のヒートシ
ンクは、図4および図6に示すように、ピッチが一定の
フイン23,33が集積回路チップ21,31面に垂直
または平行となるように取り付けられ、フイン23,3
3の表面が平滑に仕上げられた構造をしている。
FIG. 4 is a perspective view showing a first example of a conventional heat sink for convection type air cooling. FIG. 5 is a sectional view showing an example of a longitudinal section of the heat sink of FIG. 4 used for immersion jet cooling. FIG. 6 is a perspective view showing a second example of the conventional heat sink. As shown in FIGS. 4 and 6, the conventional heat sink is mounted such that fins 23, 33 having a constant pitch are perpendicular or parallel to the surfaces of the integrated circuit chips 21, 31.
The surface of No. 3 has a smooth finished structure.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】浸漬噴流冷却用に従来
のヒートシンクを使用したときには、図5に示すよう
に、ヒートシンク中央部においては、ノズル26から噴
出された冷媒は、フイン23の表面上の沸騰による気泡
を除去しながら、さらにヒートシンク中央部分のフイン
底部27にまで十分に達するために、高い衝突冷却効率
を得ることができる。しかし、ヒートシンク周辺部で
は、ヒートシンク中央部のフイン23が障害物となるた
めに、ノズル26から噴出される冷媒は、ヒートシンク
周辺部分のフイン底部28にまで十分に届かなくなって
しまう。そのために、ヒートシンク周辺部では、冷却効
率をあまり高めることができない。したがって、集積回
路チップ21では、半田又は熱伝導性接着剤22を通じ
た温度分布が不均一となるために、効果的な冷却を施す
ことができなくなるという問題点が生じてしまう。
When a conventional heat sink is used for cooling the immersion jet, as shown in FIG. 5, at the center of the heat sink, the refrigerant jetted from the nozzle 26 is exposed on the surface of the fin 23. A high impingement cooling efficiency can be obtained in order to sufficiently reach the fin bottom portion 27 at the center of the heat sink while removing bubbles due to boiling. However, in the peripheral portion of the heat sink, the fin 23 at the central portion of the heat sink acts as an obstacle, so that the refrigerant ejected from the nozzle 26 does not sufficiently reach the fin bottom portion 28 at the peripheral portion of the heat sink. Therefore, the cooling efficiency cannot be increased so much in the peripheral portion of the heat sink. Therefore, in the integrated circuit chip 21, the temperature distribution through the solder or the thermally conductive adhesive 22 becomes non-uniform, so that there is a problem that effective cooling cannot be performed.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】第1の発明の浸漬噴流冷
却用ヒートシンクは、集積回路チップ上に熱伝導性の良
い平板を接着し、前記熱伝導性の良い平板上に円筒形フ
インを形成し、前記円筒形フインの側面に表裏貫通した
小径の孔の複数個を開けることにより構成されている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a heat sink for immersion jet cooling, wherein a flat plate having good heat conductivity is bonded on an integrated circuit chip, and a cylindrical fin is formed on the flat plate having good heat conductivity. Then, a plurality of small-diameter holes penetrating the front and back sides are formed in the side surface of the cylindrical fin.

【0006】また、第2の発明の浸漬噴流冷却用ヒート
シンクは、集積回路チップ上に熱伝導性の良い平板を接
着し、前記熱伝導性の良い平板上の中央部に孔の開いた
放射状フインを形成し、前記放射状フインの側面に表裏
貫通した小径の孔の複数個を開けることにより構成され
ている。
A immersion jet cooling heat sink according to a second aspect of the present invention is a radial fin having a heat conductive plate adhered on an integrated circuit chip and having a hole at the center of the heat conductive plate. Is formed, and a plurality of small-diameter holes penetrating the front and back sides are formed in the side surface of the radial fin.

【0007】[0007]

【作用】本発明の浸漬噴流冷却用ヒートシンクは、フイ
ンを円筒状または放射状にしているために、ノズルから
の噴流をフイン底部を含むフイン全体に十分に届かすこ
とができる。また、フイン側面に開けた小径の孔は、気
泡の成長を抑制し、気泡を沸騰開始初期の微細なうちに
噴流によって除去することができる作用を与えている。
The immersion jet cooling heat sink of the present invention has a cylindrical or radial fin, so that the jet from the nozzle can sufficiently reach the entire fin including the fin bottom. In addition, the small-diameter holes formed in the fin side surfaces have the effect of suppressing the growth of bubbles and removing the bubbles by a jet during the minute period of the beginning of boiling.

【0008】[0008]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0009】図1は、本発明の浸漬噴流冷却用ヒートシ
ンクの第1の実施例を示す斜視図である。図1に示すよ
うに、本実施例では、フェイスダウンの集積回路チップ
1のチップ放熱面が、半田または熱伝導性接着剤2を介
して、熱伝導性の良い平板4に接着されている。また、
熱伝導性の良い平板4には、円筒形フイン3が設けられ
ており、円筒形フイン3の円筒部分の側面には、表裏貫
通した小径の孔5が開けられている。
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a heat sink for cooling a submerged jet according to the present invention. As shown in FIG. 1, in this embodiment, the chip heat dissipation surface of the face-down integrated circuit chip 1 is bonded to a flat plate 4 having good heat conductivity via solder or a heat conductive adhesive 2. Also,
A flat plate 4 having good thermal conductivity is provided with a cylindrical fin 3, and a small-diameter hole 5 penetrating from the front to the back is formed on the side surface of the cylindrical portion of the cylindrical fin 3.

【0010】図2は、図1の浸漬噴流冷却用ヒートシン
クの縦断面の一例を示す断面図である。図2に示すよう
に、炭化フッ素などの絶縁性の冷媒は、図中の矢印の方
向に進み、ノズル6を通過した後に、円筒形フイン3に
邪魔されることなく、熱伝導性の良い平板4に衝突す
る。冷媒は、熱伝導性の良い平板4に衝突することによ
って、集積回路チップ1の熱を奪い、その後に、円筒形
フイン3の側面に開けられた小径の孔5から流出する。
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a longitudinal section of the heat sink for cooling a submerged jet shown in FIG. As shown in FIG. 2, an insulating refrigerant such as fluorocarbon advances in the direction of the arrow in the figure, passes through the nozzle 6, and is not disturbed by the cylindrical fin 3, and has a good heat conductivity. Collision 4 The refrigerant collides with the flat plate 4 having good heat conductivity, thereby removing the heat of the integrated circuit chip 1 and then flowing out of the small-diameter hole 5 formed in the side surface of the cylindrical fin 3.

【0011】通常、沸騰が核沸騰域内の場合に、円筒形
フイン3では、接している冷媒によって沸騰の気化熱が
奪われるために、冷却効率が高い、しかし、円筒形フイ
ン3の温度が増大して膜沸騰域に達すると、円筒形フイ
ン3と冷媒との間に蒸気膜が生じ、気泡も核沸騰域のも
のに比較して大きなものが発生する。また、蒸気膜が存
在するために、冷媒が円筒形フイン3から奪う熱量は、
急速に減少してしまう。したがって、円筒形フイン3と
冷媒との間に存在する蒸気膜を速みやかに除去し、再生
を防ぐために、円筒形フイン3の伝熱面から、気泡が沸
騰初期の微小なうちに取り除き、沸騰が膜沸騰に遷移す
るのを防ぐ必要がある。
Usually, when the boiling is in the nucleate boiling region, the cylindrical fin 3 has a high cooling efficiency because the heat of vaporization of the boiling is deprived by the refrigerant in contact therewith, but the temperature of the cylindrical fin 3 increases. Then, when the film reaches the film boiling region, a vapor film is formed between the cylindrical fin 3 and the refrigerant, and large bubbles are generated as compared with those in the nucleate boiling region. Also, the amount of heat the refrigerant takes from the cylindrical fin 3 due to the presence of the vapor film is
It decreases rapidly. Therefore, in order to quickly remove the vapor film existing between the cylindrical fin 3 and the refrigerant, and to prevent regeneration, bubbles are removed from the heat transfer surface of the cylindrical fin 3 while the bubbles are very small in the initial stage of boiling. It is necessary to prevent boiling from transitioning to film boiling.

【0012】一方、フイン表面が平滑面であると、気泡
の発生点が少なくなるために、沸騰による蒸気の気化熱
を奪う作用を利用する冷却の効果は小さい。しかし、フ
イン表面に複数の小径の孔5を開けることによって、そ
こに多数の気泡の安定な発生点を与えることができる。
On the other hand, when the fin surface is a smooth surface, the number of points at which bubbles are generated is reduced, and the effect of cooling utilizing the effect of removing the heat of vaporization of steam by boiling is small. However, by forming a plurality of small-diameter holes 5 on the fin surface, it is possible to provide a stable generation point of many bubbles therein.

【0013】本実施例の浸漬噴流冷却用ヒートシンク
は、ノズル6から噴出される冷媒が、円筒形フイン3の
全伝熱面に接触でき、その上円筒形フイン3の側面に開
けてある小径の孔5を通して冷媒が流出するために、沸
騰により生じた気泡を一掃することができる。この結
果、気泡の成長を抑制し、膜沸騰に遷移することを防げ
るために、集積回路チップ1の冷却効率を高めることが
できる。
In the immersion jet cooling heat sink of the present embodiment, the refrigerant jetted from the nozzle 6 can contact the entire heat transfer surface of the cylindrical fin 3 and has a small diameter opened on the side surface of the upper cylindrical fin 3. Since the refrigerant flows out through the holes 5, bubbles generated by boiling can be eliminated. As a result, the cooling efficiency of the integrated circuit chip 1 can be increased in order to suppress the growth of bubbles and prevent the transition to film boiling.

【0014】図3は、本発明の浸漬噴流冷却用ヒートシ
ンクの第2の実施例を示す斜視図である。図3に示すよ
うに、本実施例は、放射状フイン13を有するヒートシ
ンクである。そして、熱伝導性の良い平板14は、半田
または熱伝導性接着剤12を介して、集積回路チップ1
1の放熱面に接着されている。また、熱伝導性の良い平
板14は、平板面に垂直でかつ平板の中心に向かって放
射状に伸びている放射状フイン13に反対側を接してい
る。また、放射状フイン13の中央部には、ノズルによ
る噴流が、放射状フイン3に邪魔されることなく、熱伝
導性の良い平板4に衝突できるように孔が設けられてい
る。さらに、各放射状フイン13には、表裏貫通してい
る多数の小径の孔15が開けられている。
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of a heat sink for cooling a submerged jet according to the present invention. As shown in FIG. 3, the present embodiment is a heat sink having the radial fins 13. The flat plate 14 having good heat conductivity is connected to the integrated circuit chip 1 via the solder or the heat conductive adhesive 12.
1 is bonded to the heat dissipation surface. The flat plate 14 having good heat conductivity is in contact with the radial fin 13 perpendicular to the flat plate surface and radially extending toward the center of the flat plate. A hole is provided at the center of the radial fin 13 so that the jet flow from the nozzle can collide with the flat plate 4 having good heat conductivity without being disturbed by the radial fin 3. Further, each radial fin 13 has a large number of small-diameter holes 15 penetrating the front and back.

【0015】ノズルから噴出された冷媒は、熱伝導性の
良い平板14に衝突し、集積回路チップ11の熱を奪っ
た後に、放射状フイン13の伝熱面に沿って放射状に流
出する。その際に、放射状フイン13の側面で沸騰によ
って生じた微小な気泡を一掃することができる。この結
果、集積回路チップ11の冷却効率を高めることができ
る。
The refrigerant ejected from the nozzle collides with the flat plate 14 having good thermal conductivity, deprives the integrated circuit chip 11 of heat, and then flows out radially along the heat transfer surface of the radial fin 13. At this time, fine bubbles generated by boiling on the side surface of the radial fin 13 can be wiped out. As a result, the cooling efficiency of the integrated circuit chip 11 can be improved.

【0016】[0016]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の浸漬噴流冷
却用ヒートシンクは、浸漬噴流冷却の際に、噴流による
冷媒の流れがヒートシンクのフインに妨げられることな
く、しかも、沸騰による気泡を発生の初期状態において
一掃することにより、集積回路の冷却効率を高めるとい
う効果を有している。
As described above, in the immersion jet cooling heat sink of the present invention, during immersion jet cooling, the flow of the refrigerant due to the jet is not hindered by the fins of the heat sink, and bubbles are generated by boiling. Has the effect of increasing the cooling efficiency of the integrated circuit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の浸漬噴流冷却用ヒートシンクの第1の
実施例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a heat sink for cooling a submerged jet according to the present invention.

【図2】図1の浸漬噴流冷却用ヒートシンクの縦断面の
一例を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a longitudinal section of the heat sink for immersion jet cooling of FIG.

【図3】本発明の浸漬噴流冷却用ヒートシンクの第2の
実施例を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of a heat sink for cooling a submerged jet according to the present invention.

【図4】従来のヒートシンクの第1の例を示す斜視図で
ある。
FIG. 4 is a perspective view showing a first example of a conventional heat sink.

【図5】図4のヒートシンクの縦断面の一例を示す断面
図である。
FIG. 5 is a sectional view showing an example of a longitudinal section of the heat sink of FIG. 4;

【図6】従来のヒートシンクの第2の例を示す斜視図で
ある。
FIG. 6 is a perspective view showing a second example of a conventional heat sink.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,21,31 集積回路チップ 2,12,22,32 半田又は熱伝導性接着剤 3 円筒型フイン 13 放射状フイン 23,33 フイン 4,14 熱伝導性の良い平板 5,15 小径の孔 6,26 ノズル 27 ヒートシンク中央部分のフイン底部 28 ヒートシンク周辺部分のフイン底部 1,11,21,31 Integrated circuit chip 2,12,22,32 Solder or thermally conductive adhesive 3 Cylindrical fin 13 Radial fin 23,33 Fin 4,14 Flat plate with good heat conductivity 5,15 Small hole 6, 26 Nozzle 27 Fin bottom at center of heat sink 28 Fin bottom at periphery of heat sink

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 集積回路チップ上に熱伝導性の良い平板
を接着し、前記熱伝導性の良い平板上に円筒形フインを
形成し、前記円筒形フインの側面に表裏貫通した小径の
孔の複数個を開けることを特徴とする浸漬噴流冷却用ヒ
ートシンク。
1. A flat plate having good heat conductivity is adhered on an integrated circuit chip, a cylindrical fin is formed on the flat plate having good heat conductivity, and a small-diameter hole penetrating the side of the cylindrical fin. A heat sink for immersion jet cooling, characterized in that a plurality of heat sinks are opened.
【請求項2】 集積回路チップ上に熱伝導性の良い平板
を接着し、前記熱伝導性の良い平板上の中央部に孔の開
いた放射状フインを形成し、前記放射状フインの側面に
表裏貫通した小径の孔の複数個を開けることを特徴とす
る浸漬噴流冷却用ヒートシンク。
2. A flat plate having good thermal conductivity is adhered on the integrated circuit chip, a radial fin having a hole is formed in a central portion on the flat plate having good thermal conductivity, and a front and back side is penetrated into a side surface of the radial fin. A heat sink for immersion jet cooling, characterized in that a plurality of small-diameter holes are formed.
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