JP2828996B2

JP2828996B2 - 半導体の冷却装置

Info

Publication number: JP2828996B2
Application number: JP63168737A
Authority: JP
Inventors: 忠克中島; 平吉桑原; 繁男大橋; 元宏佐藤; 憲一笠井; 恒中山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH01103854A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、狭い空間内に高密度に多数配列された電子
計算機用集積回路等の高発熱部材の沸騰冷却装置すなわ
ち半導体冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

特公昭52−15358号公報に記載されている従来の半導
体冷却装置はチツプが搭載された基板を容易に封入され
た冷媒液に浸漬し、チツプから発生した沸騰気泡が上昇
して上部の蒸気溜りに達し、蒸気は容器内に突出した冷
却板により凝縮し、下部の液溜りに還元されるものであ
る。しかしながら、この方法では、上部に搭載されたチ
ツプは下部から蓄積されてくるい沸騰気泡のため冷媒液
との接触が悪くなる。そのため、上部ほど液量を多くし
て気泡が散るようにするため容器を大きくせざるを得な
かつた。

また、他の従来例としては、特開昭57−204156号公報
が挙げられる。この例においては、発熱体が冷媒液に浸
され、沸騰した蒸気は上部に設けられた凝縮器によつて
凝縮液化し、発熱体と凝縮器との間に設けられたガイド
板によつて蒸気と凝縮液とが干渉することなく循環でき
る構造になつている。この方法では、発熱体の発熱量が
大きいとき、発熱部での激しい沸騰のため発熱部全体が
上昇気液流となり、凝縮落下してきた液が発熱体に十分
供給されず冷却性能は低下する。

さらに別の従来例として特開昭62−85448号のものが
ある。これは垂直状に配置された基板に多数のLSIが搭
載された装置を冷媒液中に浸漬して、LSIを沸騰冷却す
るもので、冷媒中に熱交換パイプを挿入して冷却性能を
高めているものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した特公昭52−15358号公報及び特開昭57−20415
6号公報に記載されたものでは、発熱部全体にわたつて
冷媒液と充分に接触させる方法について考慮されておら
ず、冷却性能の低下を招くという問題があつた。また、
考慮されていても、十分な接触を確保するため容器が大
きくなり、計算機等のように高発熱チツプを搭載した基
板が多数枚積層される構造においては、基板間の配線距
離が長くなり、演算速度の高速化が妨げられる問題があ
つた。さらに、空気などの不凝縮ガスが冷媒液内に浸入
してくると、冷却性能の低下が著しくなる。これに対し
て、特開昭62−85448号公報に記載のものでは冷媒液中
に熱交換パイプを挿入しておくので、仮に不凝縮ガスが
冷却容器内に侵入した場合でも、冷却性能を一定の値に
維持することが可能となる。しかし、冷却性能そのもの
の値は、冷媒蒸気中に熱交換パイプを挿入した前述の従
来例の場合よりも低いため、LSI部で沸騰発生した冷媒
蒸気を熱交換パイプ部に集め、冷却性能を高めている。

しかし、LSIチツプ１個当たりの発熱量が近年増加し
ており、またLSIチツプの間隔も比較的狭くなる傾向に
あり、単位体積当りの蒸気量が増大する。冷媒液中に熱
交換パイプを挿入する構造においては、熱交換パイプ部
に冷媒蒸気を集める構造としているが、高集積書された
半導体素子では、蒸気量が増すため、熱交換パイプ回り
に冷媒蒸気が蓄積され、冷媒蒸気がLSIチツプの回りを
もおおい、LSIチツプの沸騰性能が低下する問題があつ
た。

本発明の目的は、冷媒液の液量を必要以上に多くする
ことなく、該冷媒液を効率的に自然循環させ、発熱部全
体にわたつて冷却液を略一様に供給できるようにし、以
つて高い冷却性能を有する半導体の冷却装置及び冷却方
法を得ることにある。

本発明の他の目的は、発熱蒸気量の一部を冷媒液中で
凝縮させ、残りを上方に逃して、上方の冷媒蒸気層部で
凝縮させると共に、飽和温度よりも過冷却された冷媒液
を、それぞれのLSIチツプ部に導く構成を実現すること
によつて、より一層の冷却性能の向上を図ることにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため本発明は、沸騰促進用伝熱
体を取り付けた半導体素子を複数個高さ方向に搭載した
基板を冷却液を封入した容器内に浸して該冷媒液の沸騰
によつて半導体素子の熱を吸収し、発生した蒸気を該容
器上方に設けられた凝縮器で凝縮させて容器下方に返送
する半導体冷却装置において、前記蒸気の流路と凝縮液
の流路とを隔壁にて分離すると共に、該隔壁に返送され
た凝縮液を前記沸騰促進用伝熱体の各々に向つて供給し
且つ逆流防止手段を備えた流路を設けたものである。

本発明の他の特徴は、半導体素子の裏面側（反基板
側）に多孔構造の沸騰促進用伝熱体を取付け、この伝熱
体から発生する冷媒蒸気が通過する位置の冷媒液中に液
冷却器を設けて、この液冷却器内を前記冷却蒸気が通過
するようにし、これによつて冷媒蒸気の一部を凝縮さ
せ、残りの冷媒蒸気を上方の冷媒蒸気層部に設けた凝縮
器で凝縮させて容器下方に返送し、この返送された凝縮
液を冷媒液中に設けた液冷却器を通して前記沸騰促進用
伝熱体のそれぞれに供給するようにしたものである。

〔作用〕

冷媒液は、集積回路チツプ等の発熱体の発生熱により
液相から気相へと相変化する。発生した蒸気の泡は上昇
し、発熱部全体では上昇流となる。一方、発熱部上方の
凝縮器で凝縮されて液化した冷媒液は発熱部側にむかつ
て下降流となる。沸騰が効率的に起こるには発熱部への
十分な液供給がなされる必要があるため、本発明では発
熱部の上昇気液流と凝縮液化した下降液流とが干渉しな
い様にし、これら両流路を分離することによつて前記発
熱部へ冷媒液を戻す。例えば前記両流路を分離するため
に隔壁を設けただけでは、沸騰部への冷媒液の供給は隔
壁の下端である発熱部最下部だけになる。これでは、発
熱部上方には下方から蒸気が蓄積されて上昇してくるた
め、上方ほど冷媒液との接触が悪くなる。そこで、蒸気
が液側に逆流して液流を妨げることなく冷媒液が発熱部
に流入できるように複数個の流路を設け、隔壁最下部の
みならず下降液流路の途中からも直接発熱部への冷却液
供給がされる様にする。これによつて、発熱部全体にわ
つて十分な液供給がなされ、高発熱時においても発熱体
を効果的に冷却することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の具体的実施例を図面により詳細に説明
する。

第１図は、本発明の一実施例を示す図である。図にお
いて、配線基板上には多数配列された集積回路チツプ１
が偏平容器２内の下部に設置されている。容器２内には
C₆F₁₄等の冷媒液３が封入され、チツプ１は完全に浸さ
れている。

冷媒液３はチツプ１の発熱により沸騰して蒸気の泡と
なり、蒸気流路４を通り容器２上部の凝縮部へ流れる。
チツプ１には沸騰促進用伝熱体が取り付けられている。
凝縮部には凝縮器５が備えられ、蒸気は、該凝縮器５内
を流れる水と熱交換し、凝縮されて再び液化し、重力に
より落下して液流路６を通り下部発熱部に戻る。

蒸気流路４と凝縮液流路６とは隔壁７で分離されてい
る。チツプ１の発熱により発生した蒸気の泡は上昇する
ため、発熱部全体では上昇流となる。一方、凝縮器５で
液化した冷媒液３は重力落下した下降流となるが、蒸気
流路４と凝縮液流路６は分離されているため互いに干渉
することなくスムーズに冷媒液３の循環が行なわれる。
下降して凝熱部に戻つてきた冷媒液３は、再びチツプ１
のまわりに供給されて熱を奪うわけであるが、発熱部全
面の蒸気流路４と凝縮液流路６とを分離する隔壁７には
案内流路（案内部材）としてパイプ８が設けられてお
り、各パイプ８を通して発熱部全体の各チツプ１に冷媒
液３が供給できるようになつている。

第２図を用いて本発明の作用についてい説明する。多
数配列されたチツプ１からの除熱が効率的になされるに
は、チツプ１に取り付けられた沸騰促進用伝熱体10にお
いて沸騰が効率的に起こる必要がある。すなわち、沸騰
によつて生じた蒸気泡11によつて該伝熱体10が包まれて
乾かないようにする必要がある。そのためには、発生し
た蒸気が速やかに該伝熱体10から離れ、冷媒液３が該伝
熱体10に供給されるように容器内での気液の循環がスム
ーズに行なわれる必要がある。気液の流れを考えてみる
と発熱部ではチツプ１全部から蒸気が発生し、蒸気泡11
となつて上昇するため全体として激しい上昇流12とな
り、凝縮液化して発熱部に戻る液は下降流13になる。気
液の流れがスムーズに起こるには、上昇流12と下降流13
が干渉しないようにする必要がある。これは、隔壁７に
よつて各流路を分離することによつて達成される。とこ
ろが、上方に配列されたチツプ１においては、下方から
の上昇蒸気泡11が蓄積されて上方のチツプ及び伝熱体ほ
ど該蒸気泡11におおわれて乾きやすくなる。また、隔壁
７を設けただけでは、冷媒液３は隔壁７最下部14からし
か流入しないため上方のチツプには冷媒液が十分供給さ
れず、冷却性能が著しく低下する。そこで、この実施例
では隔壁７に各チツプ１に対応してパイプ８を設けるこ
とによつて上方の該伝熱体10へも冷媒液３の流入15を可
能にしている。このとき、上昇気液流12の速度は、下降
液流13ん速度に比べ極めて大きく、圧力差によつて冷媒
液３が蒸気流路４側へ吸い込まれる。気液流の速度は上
方ほど速くなり、したがつて、乾きの生じやすい上方ほ
ど冷媒液３がパイプ８を介して多く吸い込まれ、それぞ
れの発熱部全体に効率的に冷媒液３を供給することがで
きる。パイプ８は該伝熱体10に向かつて斜め上方に向け
られており、したがつて蒸気泡11が凝縮液流路６側に流
入することはなく、冷媒液の流入15が妨げられることは
ない。本実施例ではパイプ８の前記斜め構造により冷媒
液の凝縮液流路６側への逆流防止手段が構成されてい
る。また、パイプ８を該伝熱体10の根元付近まで届く長
さにすることによって、温度が高く乾きの生じやすい伝
熱体10の根元部分への冷媒液供給を可能にしている。さ
らに、第３図に示したように、パイプ８は下方からの上
昇流12をさえぎる作用もあり、伝熱体10を下方からの蒸
気泡11で包まれにくくしている。

したがって、全チツプ１が高発熱量であっても沸騰が
効率的に起こり、高い冷却性能が得られる。また、パイ
プ８の径及び数を変えることにより、熱積回路チツプ１
の発熱量に応じた伝熱性能が得られ、発熱量の異なるチ
ツプ１が混在する場合でも該チツプ１の温度を均一に保
つことができる。

第４図に本実施例の効果を示す。曲線Ａは、多数配列
された発熱体を偏平容器内で隔壁７を用いないで冷却し
た場合の比較例の結果である。曲線Ｂは、本発明の実施
例によるもので、発熱体と隔壁７との間隙を、該隔壁７
を用いない場合の発熱体と発熱体前面の容器壁との間隙
を同一にして、この隔壁７にパイプ８を設けた場合の結
果で、大幅な性能向上がみられる。

第５図は第２図の例とは別の例を示す。この例では、
隔壁７に液流入用の開孔27を設け、さらに、蒸気泡11の
下降液流13側への逆流を防ぐ爪状部材28が逆流防止手段
として設けられている。これら部材27,28により案内部
材（案内流路）が構成され、冷媒液３の流入15が、蒸気
泡11の下降流路側への逆流によつて妨げられることがな
くなり、冷媒液は集積回路チツプ１が多数実装されても
すべての該伝熱体10に効果的に供給され、高い冷却効果
が得られる。

第６図に更に他の例を示す。本実施例は、冷却装置に
極薄形の構造が要求される場合に適したものである。冷
却構造を薄形にする場合、チツプ１に沸騰促進用伝熱体
10を取り付けると、第７図に示した如く、該発熱体10の
前面に設けられる冷媒液流路６用のスペースが極めて小
さくなるため該伝熱体10の側方に隔壁７を設ける。発熱
体で発生した蒸気泡11は側方にもまわり込むため隔壁７
によつて発熱体側方を上昇流12,下降流13の各流路4,6に
分離する。隔壁７には間隙30が設けられ、かつ発生した
蒸気泡11が凝縮液流路６側に逆流するのを防ぐための爪
状部材29が逆流防止手段として設けられている。これに
より、冷媒液３は、蒸気泡11の逆流に妨げられることな
く、すべての該伝熱体10にスムーズに供給される。さら
に、集積回路チツプ１の発熱量に応じて間隔30の大き
さ、爪状部材29の隔壁７とのなす角を変えることにより
該伝熱体10の性能を制御することができる。したがつ
て、すべての該伝熱体10で効率よく沸騰がおこり、高い
冷却性能が得られるだけでなく冷却構造を薄形にするこ
とができ、集積回路チツプ１の高密度実装を可能にす
る。

第８図は第６図の更に他の例を示す。この例では、該
伝熱体10の側方に複数のパイプ状の隔壁31が設けられ、
下降流13と上昇流12とが分離されている。パイプ状隔壁
31には、液供給用パイプ８が、気泡11の逆流を防ぐため
該伝熱体10に向つて斜め上方に向つて取り付けられてい
る。この斜め構造により逆流防止手段が構成されてい
る。

容器上部に設けられた凝縮器５で凝縮された液は、直
下のパイプ状隔壁31の拡大部を通して各発熱部に戻され
る。下降液は、パイプ８を通して、各伝熱体で発生する
蒸気泡11に邪魔されることなくすべての伝熱体に供給さ
れる。これによつて、冷媒液の沸騰，蒸発，凝縮，液戻
り，伝熱体への液供給がスムーズに行なわれ、高い冷却
性能が得られるだけでなく、第９図に示した如く冷却構
造の薄型化及びコンパクト化が図れる。

第10図は更に他の例を示す。この例では、該伝熱体10
が取り付けられた集積回路チツプ１を搭載した複数の配
線基板40がバツクボード41に取り付けられ、冷媒液３に
浸されている。容器上部には凝縮器５が取り付けられて
いる。各配線基板40の間隔は、集積回路チツプ１の実装
密度を上げるためにできるだけ小さくおさえる。この場
合、該伝熱体10の周囲の冷媒液流路が狭くなり、配線基
板40の最下部14からの液供給だけでは、配線基板40上部
に搭載された該伝熱体10の冷却性能は著しく低下する。
そのため、該伝熱体10に対して斜め上方（逆流防止手段
をなしている）に向かうパイプ８を備えたパイプ状隔壁
31を伝熱体10同士及び配線基板40とでできる間隙に設
け、蒸気流路４と凝縮液流路６とを分離する。これによ
つて、上昇流12,下降流13とは干渉することなく、どの
配線基板40に対しても気液の循環が効率的に行なわれ、
かつ該伝熱体10への基板下部からの液供給14のみならず
上方の伝熱体10へも大量の蒸気泡11に阻止されることな
く、パイプ８を通し冷媒液を供給できる。したがつて、
高密度実装状態においても高い冷却性能が得られる。な
お、パイプ状隔壁31の代わりに、第２図，第５図，第６
図に示した流路構造のものとすることもできる。

第11図に更に他の例を示す。この例では、集積回路チ
ツプ１に縦横に貫通孔を有する多孔構造沸騰促進用伝熱
体10が取り付けられ、隔壁７によつて流路が上昇流12と
下降流13とに分離されている。該伝熱体10は隔壁７を貫
通し、伝熱体前面は凝縮液流路６に面している。これに
より、冷媒液は、毛細管現象に基づく表面張力によつて
直接に該伝熱体10内に、蒸気泡11に妨げられることなく
流入できる。なお、該伝熱体10内部で発生する蒸気が逆
に凝縮液流路６側へ流出しないようにするため、凝縮液
流路６に面する先端部の貫通孔の孔径を他部より小さく
して、空隙率を小さくしてもよい。これにより逆流防止
手段を形成することができる。したがつて、沸騰，凝
縮，発熱部の液戻り，各伝熱体10への液供給が効率良く
なされ、高い冷却性能が得られる。尚、横方向の貫通孔
を水平ではなく、伝熱体10側が上方となる斜めに形成す
れば、この斜め構造により逆流防止手段は一層確実なも
のとなる。

第12図も更に他の例である。本実施例では、集積回路
チツプ１に縦横に貫通孔を有する多孔構造の沸騰促進用
伝熱体10が取り付けられ、該伝熱体10内部にまで直列到
達するパイプ８が隔壁７に設けられている。流路は、隔
壁７によつて上昇流12,下降流13の各流路に分離され、
冷媒液は、隔壁７に設けられたパイプ８を通して該伝熱
体10に供給される。そのため、蒸気泡11の影響を受ける
ことなく効率よく冷媒液が各伝熱体10に供給される。ま
た、冷媒液は、圧力差によつて該伝熱体10の貫通孔内に
吸い込まれる。このとき、冷媒液は、乾きの生じやすい
伝熱体の貫通孔内に直接供給されるため、該伝熱体の沸
騰伝熱性能の向上に対する液供給の効果は非常に大きく
なる。したがつて、すべての集積回路チツプ１に取り付
けられた該伝熱体に体してすぐれた冷却性能が得られ
る。

本発明装置の更に他を例を第13図〜第18図により説明
する。

まず第13図及び第14図により説明する。基板40の面上
には多数のチツプ１が搭載され、各チツプ１には多数の
半導体素子が内挿され、基板40内の配線とチツプ１内の
素子とが電気的に接続されている。半導体素子がONの状
態になると、信号のやりとりをして、チツプ１内の半導
体素子が発熱する。また、基板40,チツプ１に電気入力
を給電するための給電系50も発熱するため、これも冷却
しなげればならない。本発明ではこれらを冷媒液３中に
浸漬して、その沸騰によつて、チツプ１及び給電系50を
冷却する。

チツプ１の背面側（基板40と反対側）には沸騰性能を
向上させるために多孔構造の沸騰促進用伝熱体10が装着
されている。伝熱体10の先端側には、その先端に対向す
るように間隙をおいて液冷却器51が配置され、基板40,
チツプ１、及び液冷却器51の上方には凝縮器５が配置さ
れている。基板40,チツプ1,給電系50,液冷却器51、及び
凝縮器５はチヤンバー（容器）52内に挿入され、チヤン
バー52内には、低沸点の冷媒液３が封入されている。冷
媒液３は第14図に示す如く、液冷却器51と凝縮器５の間
に液面が存在する程度に封入されている。チヤンバー52
の外部から給電系50及び基板40への信号，給電等の配線
は、例えばハーメチツクシールなどの機構を用いて行
う。その機構は給電系50の裏側にあるシール板53などに
設置する。シール板53は１枚でもよいが、チヤンバー52
内の冷媒液３の圧力が変動する場合があるため、複数枚
としてシール板をできるだけ小さく配分すると耐圧的に
楽になる。シール板固定枠54はＯリング55を介してチヤ
ンバー52に固定される。チヤンバー52内が例えば負圧
（大気圧よりも低い圧力）になると、チヤンバー52内に
空気等が侵入して、凝縮器５の凝縮性能を低下する恐れ
がある。そこで図に示すように、チヤンバー52に対して
シール板固定枠54が外側にくるように配置して、Ｏリン
グ55によるシールを行う機構とする。このようにする
と、チヤンバー52内が負圧になると、シール板固定枠54
がチヤンバー52内へ押し込まれる構造になつているた
め、空気などの侵入を防ぐことができる。給電系50,基
板40、及びチツプ１の配置される広さは、メンテナンス
時に、シール板固定枠54をチヤンバー52からはずすこと
により、前記給電電源50,基板40,及びチツプ１を共にチ
ヤンバー52外へ取り出せるような大きさとしている。

次に、液冷却器51及び凝縮器５の構造について説明す
る、液冷却器51の構造は、例えば銅，アルミニユームな
どの金属性のパイプ56に、例えばアルミニユームなどの
金属性のフイン57を半田付等によつて装着したものであ
る。パイプ56内には、チラーなどから導びかれた冷たい
流体が流れる。パイプ56は、ほぼ水平に、基板40に平行
になるように配置され、フイン57はパイプ56にほぼ直交
するように配置される。フイン57は、上方側がチツプ１
に近く、下方側がチツプ１から遠ざかるように、基板40
に対して傾斜した配置としている。また、水平方向各列
のフインにおいて、チツプ１に近い上方側はフインが粗
に、チツプ１から遠い下方側はフインが密になるように
構成されている。この実施例では図に示すように、各列
フイン群の下方側は上方側よりも２倍の密度でフインが
設けられている。

凝縮器５は、金属性パイプ58に金属性フイン59を半田
付けして構成されている。

次に作動原理について説明する。半導体素子がONの状
態になり、チツプ１が発熱すると、冷媒３が低沸点の液
体であるため、沸点を開始してチツプ１の熱を除去す
る。チツプ１の表面のみからの沸騰であると、核沸騰に
よる除熱限界が存在するため、それほどの熱をとれな
い。せいぜい単位面積当り、20w/cm²程度であり、これ
以上の熱を冷媒液側へ伝えようとすると、チツプ１側の
温度が急激に上昇してしまう。チツプ１背面側に多孔構
造の伝熱体５を設けておくと、伝熱面積の増加による効
果ばかりでなく、伝熱面から気泡が発生する点、すなわ
ち気泡発生核が飛躍的に増加する効果が相乗し、沸騰性
能が向上して、単位面積当り100w/cm²程度の熱がとれる
ようになり、発生する冷媒蒸気量も大幅に増大する。

多孔構造の伝熱体10が基板40上に多数搭載された場合
の沸騰性能をまず液冷却器51がない場合について第15図
及び第16図により説明する。基板40の下側から各チツプ
１をみていくと、下側から２段目,3段目と上側になるに
したがつて、下方のチツプ部から発生した上昇蒸気泡11
の液撹拌効果（矢印60）によつて伝熱性能が向上する。
ところが更に上段になると、冷媒液３中の蒸気含有量が
増加して、伝熱体10のまわりが冷媒蒸気でおおわれてし
まう。このような状態になると沸騰性能が低下して、チ
ツプ１内の素子温度が上昇し、許容値を越えてしまう。
第15図に示した装置の伝熱性能の分布状況を第16図に示
す。

次に液冷却器51を設置した場合を第17図及び第18図に
より説明する。下段チツプから発生した蒸気泡が積算さ
れて増加してゆくと、その蒸気は液冷却器51のフイン57
の間を上昇するようになる。パイプ56内には、冷媒３よ
りも低い温度の流体を流すので、液冷却器51のパイプ56
及びフイン57は冷媒３よりも低い温度になつている。そ
のため、フイン57間を上昇する冷媒蒸気（蒸気泡11）は
凝縮され、冷媒液自身は蒸気含有量をそれほど増加させ
ない。更にパイプ56及びフイン57は冷媒蒸気を凝縮する
ばかりでなく、冷媒液３を冷却する。この冷たい冷媒液
３を多孔構造の伝熱体10のまわりに導びくことにより、
伝熱体10まわりの冷媒蒸気を凝縮することも可能にな
る。本発明においては、液冷却器51が上下方向に複数段
（第13図及び第14図の例では６段）にわかれている。各
段のフイン群はチツプ１に近づいている上方側が粗にチ
ツプ１から離れている下方側は密に配置されているの
で、上昇する冷媒蒸気11はフインが粗（流路面積が大）
の部分を第17図のように流れる。一方冷媒液３は、前記
上昇気泡11のいわゆるポンピング作用によつて、各フイ
ン群下方側の密（流路面積が小）な部分を矢印61のよう
に流れ、多孔構造の伝熱体10側へ導びかれる。伝熱体10
まわりに導びかれた冷たい冷媒液３は、伝熱体10の沸騰
性能をより一層向上できる効果がある。更に各段のフイ
ン群で凝縮しきれない冷媒蒸気は、より上段のフイン群
へ導びかれて凝縮されていき、液冷却器51で凝縮しきれ
なかつた冷媒蒸気は、チヤンバー52内の上方に設けた冷
媒蒸気層部3aへ導びかれ、凝縮器５によつて凝縮され
る。凝縮器５によつて凝縮し、液化した冷媒液は重力落
下して、再び下方の冷媒液層部36へと導びかれる。この
液は液冷却51のフインが密に配列された側へ矢印62に示
すように流下し、矢印61で示すようにフイン57間を通つ
て伝熱体10側へ流れていく。このように、液冷却器51は
発生した蒸気泡11の上昇流路と凝縮した液冷媒３の下降
流路とを分離し交通整理する隔壁としての働きもあり、
この隔壁としても作用する液冷却器51は凝縮した液冷媒
３を更に冷却して伝熱体10へ導くと共に冷媒液３の逆流
防止機能も備えた案内部材（案内流路）としての作用を
も有するものである。

以上説明した実施例の沸騰性能を第18図により説明す
る。この実施例によれば、上段側のチツプの部分でも、
冷媒液中の蒸気泡11の含有量が液冷却部51により低くお
さえられるので、高い伝熱性能を維持することができ
る。

尚、半導体素子の集積度が高まるにしたがつて、給電
系50の発熱量も増加するが、本実施例では給電系50もチ
ヤンバー52内に挿入して冷媒液に触れる構造にしている
ので給電源50の表面からも冷媒液は沸騰し、これによつ
て給電源をも冷却できる。ここで発生した冷媒蒸気は上
昇して、チヤンバー８上部の凝縮器５において凝縮液化
されて、再び下部の冷媒液相部3bへ戻る。更に、基板40
の発熱量も多い場合には、給電系の場合と同様に、基板
40も冷却することができる。

本実施例によれば液冷却器によつて発生蒸気泡を凝縮
するため、集積回路チツプ群の上方における冷媒液中の
蒸気含有量を小さくおさえることができると共に、冷媒
液をも冷却し、その冷たい液を効率よく、チツプの背面
に装着された多孔構造の伝熱体まわりに導びくことによ
つて、沸騰による冷却性能を高めることができる。

また、本実施例の液冷却器は、パイプ56にフイン57を
取り付けたものであり、フイン間部を冷媒蒸気及び冷媒
液が流れるため、伝熱性能を大きくとれ、冷媒蒸気の凝
縮性能，冷媒液の冷却性能を高めることができる。そし
て、フインの板はほぼ垂直に配置されているため、フイ
ン間を冷媒蒸気及び冷媒液がスムーズに流れることがで
きる。

さらに本発明では、各段の液冷却器で冷媒蒸気を凝縮
するが、全ての蒸気を各段液冷却器で保持して凝縮する
というのではなく、残つた蒸気を上方の段の液冷却器、
さらに上方に設けた凝縮器へと導くものであるので、常
にチツプが搭載された全範囲にわたつて、上昇蒸気泡の
液撹拌効果を有効に働らかすことができる。また、この
ような構造であるため、上昇蒸気泡が液冷却器部に保
持，停滞されることがなく、チツプの発熱量が増大し
て、発生蒸気泡が増加しても、液冷却器の伝熱性能を低
下させることはない。

更にまた、給電系及び基板も同時に、冷媒を封入した
チヤンバー内に挿入するため、半導体素子の高集積化が
進んで給電源，基板部における発熱量が増加した場合で
は、冷媒液の沸騰によつて冷却することができる。

また、シール板固定枠54とチヤンバー52から取り出す
ことによつて、給電源50,基板40,チツプ１なども同時に
取り出すことができ、メンテナンスなども容易になる効
果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、隔壁によつて蒸気の上昇流路と、凝
縮液の下降流路とを分離し、更に逆流防止手段を備えた
流路から返送された凝縮液すなわち冷媒液を各伝熱体の
各々に供給するようにしたので、容器内の気液流の循環
がスムーズになされるとともに、冷媒液との接触が蒸気
泡によつて悪くなる部分への冷媒液供給が可能となり、
小形でかつ冷却性能の高い半導体冷却装置を得ることが
できる。

また、液冷却器を設けるようにしたものでは、その液
冷却器によつて発生蒸気泡の一部を凝縮するため、上方
の発熱体（チツプ）の部分における冷媒液中の蒸気含有
量を小さくおさえることができる。さらに、液冷却器に
よつて冷媒液も冷却でき、低温の冷媒液を効率よく発熱
体背面に導くことができる。また、パイプにフインを取
り付けた構造の液冷却器では、フイン間を冷媒蒸気及び
冷媒液が流れるため、伝熱性能を大きくとれ、冷媒蒸気
の凝縮性能，冷媒液の冷却性能を高めることができる。
これらの結果、発生蒸気泡の一部を冷媒液中で凝縮さ
せ、残りを上方に逃して上方の冷媒蒸気層部で凝縮させ
ると共に、飽和温度よりも過冷却された冷媒液を各LSI
チツプ部に導くことができ、冷却性能を大幅に向上でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体冷却装置の一部切欠き斜視
図、第２図は第１図の要部断面図、第３図は第２図のII
I−III線断面図、第４図は効果説明図、第５図及び第６
図はそれぞれ異なる他実施例の要部断面図と要部正面
図、第７図は第６図のVII−VII断面図、第８図は他の実
施例の要部正面図、第９図は第８図のIX−IX線断面図、
第10図は他実施例の正面図、第11図及び第12図はそれぞ
れ異なる他実施例の断面図、第13図は本発明の更に他の
実施例を示す一部切欠き斜視図、第14図は第13図の実施
例の側断面図、第15図は液冷却器がない場合の発生冷媒
蒸気の動作を説明する要部断面図、第16図は第15図の装
置の場合の伝熱性能の分布状況を示す線図、第17図は第
13図に示す実施例における発生冷媒蒸気の動作を説明す
る要部断面図、第18図は第13図及び第17図に示す実施例
における伝熱性能の分布状況を示す線図である。１……発熱体（集積回路チツプ）、２……容器、３……
冷媒液、５……凝縮器、７……隔壁、８……パイプ（案
内部材）、10……沸騰促進用伝熱体、27,28……案内部
材または案内流路（27……開孔、28……爪状部材）、40
……配線基板、50……給電系、51……液冷却器、56……
パイプ、57……フイン。

フロントページの続き (72)発明者大橋繁男茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者佐藤元宏茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者笠井憲一茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者中山恒茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献実開昭61−59350（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−120167（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒液を封入した容器と、半導体素子が複
数個高さ方向に搭載され前記容器の冷媒液中に浸された
基板と、前記容器内の上部に設けられ発生した冷媒蒸気
を凝縮させる凝縮器と、前記半導体素子を冷却すること
によって発生した冷媒蒸気が上昇する流路と前記凝縮器
によって凝縮された冷媒液が下降する流路とを分離する
ための分離手段と、該分離手段の高さ方向に複数設けら
れた前記凝縮冷媒を前記半導体素子側に送る案内手段と
を備えた半導体冷却装置。
【請求項２】半導体素子を複数個高さ方向に搭載した基
板を冷媒液を封入した容器内に浸して該冷媒液の沸騰に
よって半導体素子の熱を吸収し、発生した蒸気を該容器
上方に設けられた凝縮器で凝縮させて容器下方に返送す
る半導体冷却装置において、前記半導体素子に設けられ
た沸騰促進用伝熱体と、前記蒸気の流路と凝縮液の流路
とを分離する隔壁と、該隔壁の高さ方向に設けられ前記
凝縮液を前記半導体素子側に送る複数の案内流路とを備
えた半導体冷却装置。
【請求項３】請求項２において、前記案内流路には、半
導体素子側から半導体素子側へ向かう流れを防止する逆
流防止手段を備えている半導体冷却装置。
【請求項４】請求項３において、逆流防止手段は、流路
をパイプ状にすると共に、この流路が沸騰促進用伝熱体
に向かって斜め上方にして形成したものである半導体冷
却装置。
【請求項５】請求項３において、逆流防止手段は、隔壁
に開孔又は間隙として形成された案内流路の下端から沸
騰促進用伝熱体に向かって斜め上方に形成されたガイド
片である半導体冷却装置。
【請求項６】冷媒液を封入した容器と、基板に搭載され
前記容器の冷媒液中に浸され高さ方向に複数個配列され
た発熱部材と、この発熱部材に装着された縦横に多数の
貫通孔が形成されている沸騰促進用伝熱体と、前記容器
内の上部に設けられ発生した冷媒蒸気を凝縮させる凝縮
器と、前記発熱部材を冷却させることによって発生した
冷媒蒸気が上昇する流路と前記凝縮器によって凝縮され
た冷媒液が下降する流路とを区切るための手段と、該区
切り手段の高さ方向に複数設けられ前記凝縮冷媒を前記
発熱部材側に送る案内手段とを備えた発熱部材の冷却装
置。
【請求項７】請求項６において、冷媒蒸気の上昇流路と
凝縮冷媒液の下降流路とを区切る手段は隔壁であり、前
記案内手段は前記隔壁に設けられたパイプにより構成さ
れている発熱部材の冷却装置。
【請求項８】請求項７において、パイプの先端を沸騰促
進伝熱体の内部に到達させた発熱部材の冷却装置。
【請求項９】冷媒液を封入した容器と、基板に搭載され
前記容器の冷媒液中に浸され高さ方向に複数個配列され
た半導体素子と、前記容器内の上部に設けられ発生した
冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記半導体素子を冷却
することにより発生した冷媒蒸気が上昇する流路と前記
凝縮器により凝縮された冷媒液が下降する流路とを区切
るための手段と、縦横に多数の貫通孔を有し一端が前記
半導体素子に装着され他端が前記区切り手段を貫通して
凝縮冷媒液側に設けられた沸騰促進用伝熱体とを備えた
半導体冷却装置。
【請求項１０】冷媒液を封入した容器と、発熱体を複数
個搭載し前記容器の冷媒液中に浸された基板と、前記容
器内上部の冷媒蒸気層部に設けられた凝縮器と、前記発
熱体に関し前記基板とは反対側の冷媒液中に上下方向に
複数個配置して設けられかつ冷却流体が通るパイプとこ
のパイプに取り付けられた多数のフィンとをもつ液冷却
器とを備え、前記液冷却器のフインは、垂直方向に配置
されると共に、各フィンの上方側は発熱体に近く、下方
側は発熱体から遠ざかるように配置され、かつ発熱体に
近い上方側はフィンを粗に、発熱体から遠い下方側はフ
ィンを密に構成した半導体冷却装置。
【請求項１１】冷却液を封入した容器と、半導体チップ
を複数個搭載し前記容器の冷媒液中に浸された基板と、
前記容器の冷媒液中に浸されかつ前記基板及び半導体チ
ップに給電する給電系と、前記容器内上部の冷媒蒸気層
部に設けられた凝縮器と、前記半導体チップに関し、前
記基板とは反対側の冷媒液中に上下方向に複数個配置し
て設けられかつ冷却流体が通るパイプとこのパイプに取
付けられた多数のフィンとをもつ液冷却器とを備え、前
記容器はシール板とこのシール板の固定枠を有し、前記
給電系及び基板を前記シール板固定枠よりも小さく構成
し、シール板固定枠を容器から取外すことにより前記給
電系及び基板を容器外へ取り出せる構成とした半導体冷
却装置。
【請求項１２】請求項11において、半導体チップの裏面
に多孔構造の沸騰促進用伝熱体を装着した半導体冷却装
置。
【請求項１３】請求項11において、前記液冷却器のフィ
ンを垂直方向に配置すると共に、各フィンの上方側をチ
ップに近く、下方側をチップから遠ざけるように配置
し、かつチップに近い上方側はフィンを粗に、チップか
ら遠い下方側はフィンを密に構成した半導体冷却装置。