JP2924384B2

JP2924384B2 - 液体により冷却される電子装置

Info

Publication number: JP2924384B2
Application number: JP32734091A
Authority: JP
Inventors: 忠克中島; 平吉桑原; 範行芦分; 俊雄初田; 敏夫畑田; 滉井上; 重幸佐々木; 靖夫大曽根; 昭三中村; 弘安田; 憲一笠井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JPH05160310A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子などが液体
に浸漬され直接冷却される電子装置に関し、特に高発熱
密度素子を備えた超高速コンピュ−タに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化技術および素子を
基盤上に高密度実装する技術の進展に伴い、素子を液体
中に直接浸漬し、素子から発生する多量の熱を除去する
液冷超高速コンピュ−タが提案されている。特開昭５９
−１４５５４８号公報には、多数の素子が搭載されたプ
リント基板を多数スタック状に積層した論理モジュ−
ル、記憶モジュ−ル、電源モジュ−ルなどの各モジュ−
ルユニットを一括して一つの冷媒容器中に浸漬し、容器
外部に設けられた液循環ポンプを用いて多数スタック状
に積層されたプリント基板間に冷媒液を強制循環させ素
子を冷却する液冷コンピュ−タ装置が開示されている。
この装置では、素子の発熱密度が１Ｗ／ｃｍ²以下と比
較的小さいため液冷媒は単相流状態、即ち、沸騰気泡を
生成しない状態で良好に素子を冷却することができる。

【０００３】また、素子表面で沸騰を起こさせ高発熱密
度素子を冷却する液冷コンピュ−タ装置が特公昭４８−
６３０１号公報に開示されている。この装置では、電子
素子モジュ−ルを各々少なくとも一個有する複数個の小
室の集合体でコンピュ−タを構成し、各小室内の圧力を
均一化し、各小室単位にそれぞれ独立に、液冷媒を等流
量供給する方法が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に示した
特開昭５９−１４５５４８号公報記載のものにおいて
は、沸騰を激しく起こさないと熱を除去できないほど素
子の発熱密度が大きい近年の超高速コンピュ−タ装置に
おける、冷媒流に沸騰気泡が混入した気液二相流動の問
題、即ち、冷媒循環系の不安定に起因する素子温度の時
間的変動や素子への冷媒液供給不足によるバ−ンアウト
などについては考慮されていない。

【０００５】また、各モジュ−ルユニットに搭載されて
いる論理ＬＳＩ、記憶ＬＳＩなど各素子の発熱密度がほ
ぼ同じであるため、各モジュ−ルユニットに同一過冷却
温度の液冷媒を均一に流せば各素子温度はほぼ同一に保
たれるが、最近の超高速コンピュ−タに見られるように
各素子の発熱密度が二桁程度異なる場合についてはなん
ら考慮されておらず、各素子温度が均一化できない問題
が生じている。

【０００６】さらに、各モジュ−ルユニットが一括して
一つの冷媒容器中に浸漬されているため、モジュ−ルあ
るいは素子の修復の度に容器中の冷媒を全て抜かなけれ
ばならず、メンテナンス性、およびコンピュ−タル−ム
の冷媒による汚染などの問題が生じる。

【０００７】また、特公昭４８−６３０１号公報に記載
の装置においては、ポンプで冷媒液を循環させているも
のの、その役割は単に電子素子モジュ−ル群の上部に設
けられた自由液面を持つバッファ貯蔵器に冷媒液を持ち
上げるだけのものである。そして、モジュ−ルを内蔵し
た各小室への冷媒液の供給、および、沸騰気泡を含んだ
二相冷媒の各小室からの排出は、バッファ貯蔵器内に持
ち上げた冷媒液の位置ヘッドを利用しているのみであ
る。さらに、バッファ貯蔵器の設置高さの実用上の制約
から、冷媒液の位置ヘッドをそれほど大きく取ることが
できず、各小室に供給される冷媒液の流量を大きくする
ことができない。

【０００８】この結果、モジュ−ル上に実装された素子
表面を流れる冷媒液の流速が小さくならざるを得ず、実
質的に自然対流形式のプ−ル沸騰熱伝達に近い伝熱形態
となり、余り多くの熱量を素子から放熱できないという
問題点を有している。この放熱量の不足を補うため、こ
の装置では各素子背面にスタッド（放熱フィン）を装着
しているが、スタッドを用いたとしても必要放熱量が増
加すれば、その分多くの供給液量を確保して液涸れを防
止する必要が生じる。また、個々の素子にスタッドを実
装することは、製造コストやハンドリング等の点で工業
上問題がある。さらに、位置ヘッドを冷媒液の供給に利
用しているため、各小室内の圧力とこの圧力によって一
意的に決められる冷媒の飽和温度の調整範囲が非常に狭
い。このため、素子表面温度と冷媒の飽和温度との差
（過熱度）によって素子から放熱される熱量がほぼ決め
られる沸騰伝熱では、例えば論理モジュ−ルと記憶モジ
ュ−ルとでは、発熱密度が極端に異なる各素子のジャン
クション温度を均一にできなくなる。

【０００９】また、各小室より排出される気液二相冷媒
流の全体流動系への影響を除去するため、各小室に設け
られた冷媒排出用の出力導管を、気液を分離し蒸気冷媒
と液冷媒を回収する一本の相分離柱に集合、接続してい
る。しかし、この相分離柱が正常に動作するのは気液が
完全に分離される低流量の場合であり、素子発熱量が大
きく高流量が要求される場合には、相分離柱内における
気相と液相の流れがカウンタ−フロ−となり、流動が一
層不安定になる。また、この問題を回避するために、バ
ッファ貯蔵器を無くし、ポンプ吐出管を各小室に冷媒液
を分配する入力柱に直結して冷媒循環量を増加させたと
しても、相分離柱があるためポンプを含む全体流動系が
不安定になる。これより、各素子を正常に冷却できなく
なり、コンピュ−タの正常動作が望めなくなるという問
題があった。

【００１０】本発明の目的は、半導体素子の高集積化、
高密度実装化により増大する半導体素子の発熱を効率よ
く冷却することにより、各素子の発熱量が高くなっても
冷却できること、また、各素子間の温度バラツキを所定
の範囲内に小さく保つことにある。

【００１１】本発明の他の目的は、各素子温度の変動を
小さく保つことが出来る冷却装置を提供することによ
り、多数の高発熱密度素子、および、素子冷却装置など
の集合体により構成される演算処理動作が高速化された
電子装置、特に超高速コンピュ−タを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、高発熱密度
素子を例えばフロロカ−ボンに代表される電気絶縁性冷
媒液中に浸漬し冷却する電子装置において、論理素子、
記憶素子等機能の異なる素子、或は、発熱密度の異なる
素子をグル−プ分けして複数のモジュ−ル上に搭載し、
各モジュ−ルを単位としてそれぞれのモジュ−ルに別個
に過冷却された冷媒液をポンプで供給し、各モジュ−ル
内の素子をその発熱密度に応じて冷媒液の強制対流熱伝
達、或いは、強制対流と沸騰とを共存させた対流沸騰熱
伝達を用いて冷却し、且つ、各モジュ−ルをモジュ−ル
の種類に応じて冷媒の流れに対し並列或いは直列、もし
くは、並列直列の混在下に設置し、更に、並列に設置さ
れたモジュ−ルの入り口部或いは内部に、モジュ−ル下
流側の気液二層流の圧力損失よりも大きな圧力損失を持
つ絞りなどの抵抗要素を設けることにより解決される。

【００１３】

【作用】論理素子、記憶素子等機能の異なる素子、或
は、発熱密度の異なる素子をグル−プ分けして複数のモ
ジュ−ル上に搭載し、各モジュ−ルを単位としてそれぞ
れのモジュ−ルに個別に過冷却された冷媒液をポンプで
供給する。また、各モジュ−ルをモジュ−ルの発熱量に
応じて、冷媒の流れに対し並列配置、直列配置、もしく
は、並列配置と直列配置の混在配置とする。

【００１４】これにより、各モジュ−ルごとにモジュー
ル内の冷媒圧力、従って、冷媒の飽和温度を異ならせ
る。そして、各モジュ−ル内の素子をその発熱密度に応
じて、冷媒液の強制対流熱伝達、或いは、強制対流と沸
騰とが共存する対流沸騰熱伝達により冷却する。この結
果、論理素子など非常に発熱密度が高い素子から記憶素
子等の発熱密度の低い素子まで、各種素子の温度を所定
の温度範囲内に設定し、素子を均一に冷却でき、電子装
置を高速で動作させることが出来る。

【００１５】さらに、並列に設置されたモジュ−ルの入
り口部或いは内部に、モジュ−ル下流側の気液二層流の
圧力損失よりも大きな圧力損失を持つ絞りなどの抵抗要
素を設けている。これにより、下流の気液二層流に発生
する不安定流動に伴う圧力変動が引き起こす各モジュ−
ルへの冷媒液供給量の変動を抑止することができ、各素
子の温度変動を低減する。また、冷媒供給量の変動が少
ないので、モジュ−ルのドライアウト化を防止し、それ
による素子温度の急上昇を防止する。

【００１６】さらに、気液二層流による流れの不安定と
各モジュ−ルへの冷媒液供給量の変動とが連成して、冷
媒の流動がより不安定になり暴走する事態をも防止す
る。この結果、電子装置を破壊することなく、安定に動
作させることが出来る。

【００１７】また、各モジュ−ルをポンプに直結した冷
媒配管の管路中に設置している。これにより、ポンプか
ら直接冷媒液がモジュ−ルに供給され、また、モジュ−
ルから強制的に冷媒が排出されるので、例えば高発熱モ
ジュ−ルなどが沸騰気泡により蒸気閉塞し、モジュ−ル
がドライアウトし素子を冷せなくなると言う事態を防止
できる。

【００１８】さらに、発熱量が小さいモジュ−ルを、熱
伝達率は低いが沸騰気泡を生じない単相流強制対流熱伝
達で冷却し、電子装置全体での沸騰気泡生成量を減少さ
せる。これにより、冷媒循環系の気液二層流を流動が安
定した気泡流、或いはプラグ流領域に設定することが出
来る。

【００１９】また、機能の異なるモジュ−ルを単位とし
てそれぞれに個別に冷媒液を供給する構造であるため、
論理変更或いは素子のリペアなどのメンテナンス作業時
にモジュール単位での交換、修理を行えるので、作業が
容易に、かつ、短時間で行え、電子装置の停止時間を極
力短くできる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の実施例
について説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施例を示す冷媒循環系
の系統図、図２はモ−リエ線図上に表したサイクル図で
ある。この両図を対比して本発明の１実施例について説
明する。ここで、図２の縦軸は冷媒圧力、横軸はエンタ
ルピであり、二点鎖線７、８はそれぞれ飽和液線及び飽
和蒸気線を表し、一点鎖線９は温度Ｔ₁、Ｔ₂の等温線を
表す。また、各点ａ〜ｆは図１に示す各点Ａ〜Ｆの状態
を表す。

【００２２】冷媒循環ポンプ３により加圧された冷媒
（状態ｂ）は、配管５のＢＣ間及びＢＣ間に挿入された
バルブ、エルボ−などの配管要素（図示せず）での圧力
損失により減圧され（状態ｃ）、例えば記憶モジュ−
ル、電源モジュ−ルなどの低発熱密度モジュ−ルを少な
くとも１枚以上内蔵した低発熱密度モジュールユニット
２に流入する。この低発熱密度モジュ−ルユニット２内
で冷媒は素子を冷却し、一方、冷媒自身は加熱、減圧さ
れ、液（状態ｄ）と蒸気（状態ｄ’）とが混合された状
態で低発熱密度モジュールユニット２より流出する。こ
こで、モジュ−ルの発熱密度が冷媒の沸騰が起こらない
ほど小さい場合、状態ｄ’は存在せず液のみで流出す
る。

【００２３】低発熱密度モジュールユニット２より流出
した冷媒は、冷媒配管５のＤＥ間及び配管要素（図示せ
ず）での圧力損失により減圧される。また、状態ｄ’の
蒸気泡は配管５のＤＥ間内で状態ｄの過冷却液と混合
し、凝縮されて（状態ｅ）、論理モジュ−ルなどの高発
熱密度モジュ−ルを少なくとも１枚以上内蔵した高発熱
密度モジュールユニット１に導かれる。この高発熱密度
モジュ−ル１内で、冷媒は高発熱素子を対流沸騰熱伝達
で冷却する。一方、加熱および沸騰させられた冷媒は、
液（状態ｆ）と蒸気（状態ｆ’）とが混合した二相流状
態で高発熱密度モジュールユニット１より排出される。
高発熱密度モジュールユニット１を出た二相流冷媒は配
管５のＦＧ間で気液が混合撹拌され、状態ｆ’であった
蒸気の一部或いは全部が凝縮し（状態ｇ、ｇ’）、冷却
機ユニット６との間で熱交換する液冷却器４で完全に液
化された後（状態ａ）再び冷媒循環ポンプ３に戻され
る。これら高発熱密度モジュールユニット１内、配管５
のＦＧ間及び配管要素（図示せず）の各部での圧力損失
により冷媒は減圧される。ここで、図１では高発熱密度
モジュールユニット１及び低発熱密度モジュールユニッ
ト２をそれぞれ２個で構成した場合を示したが、それぞ
れの構成ユニット数が変わった場合においても全く同じ
であることは言うまでもない。また、図１では２個のユ
ニットをグル−プ化し、各グループ内で２段にし、２つ
のグループを直列に接続しているが、モジュ−ルの発熱
密度に応じて各グループ内で３段以上にし、各グループ
を直列に接続してもよい。

【００２４】上記実施例において、高発熱密度モジュー
ルユニット１および低発熱密度モジュールユニット２内
の冷媒圧力は、上記各要素における圧力損失のため、Ｐ
₁とＰ₂（Ｐ₁、Ｐ₂はそれぞれユニット１、２内の平均圧
力）では異なったものとなる。しかも、低発熱密度モジ
ュ−ルにより構成されたユニット２の圧力の方が高発熱
密度モジュ−ルにより構成されたユニット１の圧力より
も高い状態に保つことが出来る。この結果、低発熱密度
モジュ−ルにより構成されたユニット２の冷媒飽和温度
（沸点）Ｔ₂を高く、一方、高発熱密度モジュ−ルによ
り構成されたユニット１の冷媒飽和温度（沸点）Ｔ₁を
低く設定することが出来、ユニットごとに熱伝達率を変
えることが出来る。すなわち、素子温度をあるレベルに
保つため小さい熱伝達率が要求される低発熱密度モジュ
−ルでは、冷媒飽和温度を高く設定することにより高い
熱伝達率を有する沸騰伝熱を抑制し、液単相流強制対流
熱伝達もしくは沸騰が僅かに生じる対流沸騰熱伝達で素
子を冷却する。

【００２５】一方、高い熱伝達率が要求される高発熱密
度モジュ−ルでは、冷媒飽和温度を低く保ち、激しい、
十分に発達した沸騰を伴う強制対流熱伝達で効率よく素
子を冷却する。この結果、特別な外部手段を用いて冷媒
液の温度を変えること無しに、低発熱素子から高発熱素
子にいたるまで、素子の温度をあらかじめ設定されたレ
ベルに精度よく保つことが出来る。そして、素子の温度
ドリフトマ−ジンを小さくでき、従って、素子の高速化
設計が可能となる。それにより、各モジュ−ル間の遅延
時間のミスマッチを防止することができ、電子装置を高
速で動作させることができる。

【００２６】さらに、本実施例では、低発熱密度モジュ
−ルを液単相流或いは僅かな沸騰しか生じない流れで冷
却するため、冷媒配管系内の沸騰気泡量は少なく、ボイ
ド率も小さい。これにより、冷媒循環系の気液二相流に
伴う流動不安定を抑制する。また、気泡の混在による二
相流の流動圧力損失が小さいので、所要流量を満足する
ために、モジュ−ルに余計な圧力を加えるということを
防止できる。さらに、冷媒飽和温度を低くし、より高発
熱の素子の冷却が可能となるという利点もある。

【００２７】さらに、冷媒配管要素の管路径あるいは冷
媒循環ポンプなどを小さくすることができ、電子装置の
小型軽量化を計ることができるとともに、ポンプの消費
動力を少なくすることができる。

【００２８】また、上記実施例では、ポンプを用いて冷
媒を強制循環させているので、モジュ−ルの下流部にお
いても過冷却された冷媒液と沸騰気泡とが混ざりあった
負クオリティ−の二相冷媒を速い流速で流すことがで
き、冷媒配管内での沸騰気泡の凝縮が促進される。この
結果、冷媒配管系のボイド率はより小さくなり、体積流
量の減少、即ち、二相流流速の減少に伴い冷媒圧力が回
復し、冷媒配管系での圧力損失が更に減少する。

【００２９】図３は本発明の他の実施例を示す電子装置
の冷媒循環系の系統図である。本実施例と図１に示す実
施例との相違は、図１の実施例ではモジュ−ルユニット
グル−プを直列に配置しているのに対し、本実施例では
モジュ−ルユニットグル−プを並列に配置したことにあ
る。そして、高発熱密度モジュ−ルユニット１の冷媒入
り口側に例えば絞り弁などの抵抗要素１１を設け、低発
熱密度モジュ−ルユニット２の冷媒出口側に同じく抵抗
要素１２を設けていることも相違している。

【００３０】抵抗要素１１は、図１の低発熱密度モジュ
−ルユニット２及び冷媒配管５のＤＥ間と等価の役目を
しており、抵抗要素１２は、図１の冷媒配管ＤＥ間及び
高発熱密度モジュ−ルユニット１と等価の役目をしてい
る。本実施例では抵抗要素を各ユニットの外部に設置し
た場合を示すが、各ユニットの内部に設けても何らその
効果は変わらない。

【００３１】図４は本発明の他の実施例を示す電子装置
の高発熱密度モジュ−ルユニット１内の冷媒循環系の系
統図である。高発熱密度モジュ−ルユニット１内に少な
くとも２枚以上の高発熱密度モジュ−ル１０１が実装さ
れており、高発熱密度モジュ−ル１０１のそれぞれの冷
媒入り口側には例えば絞り弁等の抵抗要素１０２が設け
られている。この実施例においては、高発熱密度モジュ
−ル１０１の下流側の気液二相流による冷媒の圧力損失
の増大値より大きい流動抵抗をもつ抵抗要素１０２を高
発熱密度モジュ−ル１０１の上流側に設けている。それ
により、高発熱モジュ−ル１０１を並列に配置しても、
下流側気液二相流動における流動不安定に伴い生じる圧
力変動を防止する。そして、各高発熱モジュ−ル１０１
への冷媒液供給量の変動（流体振動）を抑制し、各素子
の温度変動を低減する。また、流体振動が発散してモジ
ュ−ルをドライアウト化（液涸れ）することや、素子温
度の急上昇を防止する。

【００３２】本実施例では抵抗要素１０２を各高発熱モ
ジュ−ル１０１の外部に設置した場合を示したが、各モ
ジュ−ルの内部に設けても何らその効果は変わらない。
ただし、沸騰気泡を発生する各素子に対し、冷媒上流側
に抵抗要素を設ける必要がある。

【００３３】図５に本発明の他の実施例を示す。この図
５は電子装置の高発熱密度モジュ−ルの内部構造を示す
断面図である。基板１１１上に電気接続部材１１５を介
して搭載された多数の素子１１２それぞれに対し、冷媒
供給ヘッダ１１６からノズル１１３が素子方向に突き出
すように配置されている。そして、各素子間を区切る仕
切り部材１１４が冷媒噴出口１２１を素子冷却室１２２
内に内包するように設けられている。また、仕切り部材
１１４によって区切られた素子冷却室１２２と冷媒供給
ヘッダ１１６との間には冷媒戻りヘッダ１１７が形成さ
れており、各素子冷却室１２２はすべて素子面の反対側
に、液戻りヘッダ１１７に開口する冷媒排出口１２０を
設けている。

【００３４】冷媒供給管１１８から冷媒供給ヘッダ１１
６に導かれた冷媒は、絞り１２３を通ってノズル１１３
に分配され、各素子１１２面上に衝突噴流として噴射さ
れる。各素子１１２に衝突した噴流は９０度その流れ方
向を変え、素子表面上を放射状に流れる。そして、その
際、素子により加熱され、沸騰気泡を発生しながら下流
側へと流れる。この気泡を含んだ二相冷媒は、素子端部
に設けた仕切り部材１１４に衝突し、流れ方向を再び９
０度変化させ、素子冷却室１２２から冷媒戻りヘッダ１
１７へと流出した後、冷媒戻り管１１９を通過して、高
発熱密度モジュ−ル１０１外へと放出される。

【００３５】本実施例では、ノズル１１３が冷媒戻りヘ
ッダ１１７を貫通して素子冷却室１１４内に突き出して
いるため、噴流の方向に直交して流れる冷媒戻りヘッダ
１１７内の流れの影響を受けずに噴流が素子表面に到達
する。これにより、噴流の拡散に伴う噴流速度の低下を
防止することができる。

【００３６】このように、周囲流れの影響を受けずに素
子面に衝突した噴流の素子面近傍における速度勾配を非
常に大きくすることができ、素子面上における温度境界
層の発達を小さく押さえ込むことができる。この結果、
素子面上で生成される沸騰気泡の径が過大に発達するの
を抑制する。また、気泡量を少なくすることができ、素
子のバ−ンアウトを防止できる。さらに、モジュ−ルよ
り流出する気液二相流のボイド率を小さくすることがで
きる。

【００３７】一方、素子の端部に素子の全周を囲うよう
に仕切り部材を設けているので、素子端部で沸騰気泡と
過冷却された冷媒液との激しい混合を促進する。そし
て、気泡が冷媒液に凝縮、消滅するのを促進する。この
結果、モジュ−ルより流出する気液二相流の気泡径を小
さくし、また、ボイド率の少ない流れとすることができ
る。

【００３８】さらに、各ノズルの入り口部に絞りが設け
られているため、この絞り部分の圧力損失が支配的とな
り、各ノズルに対し冷媒を均等に分配することができ
る。また、モジュ−ル下流側の気液二相流動による圧力
損失の増大値よりも大きな流動抵抗をこの部分で付加す
ることができるため、下流側気液二相流の流動不安定に
伴い生じる圧力変動による各モジュ−ルへの冷媒液供給
量の変動を抑制することができる。

【００３９】図６は本発明の他の実施例を示す電子装置
の冷媒循環系の系統図である。論理モジュ−ルユニット
１３ａ、１３ｂ、ストレ−ジコントロ−ルモジュ−ルユ
ニット１４ａ、１４ｂ、電源モジュ−ルユニット１５
ａ、１５ｂなどが収納されたプロセッサ筐体１７ａ、１
７ｂと、記憶モジュ−ルユニット１６などが収納された
メモリ−筐体１８と、液冷却器４、冷却機ユニット６及
び循環ポンプ３、２１などが収納されたク−リングユニ
ット１９とから電子装置が構成されている。そして、演
算処理動作を行う筐体群１７ａ、１７ｂ、１８と冷媒を
冷却するク−リングユニット１９とが分離して設置され
ている。また、並列に設置された高発熱密度モジュ−ル
ユニット１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの冷媒入り口
側には、例えばベロ−ズのような容積変化が可能な容器
２０ａ、２０ｂが設けられている。

【００４０】冷媒循環ポンプ３で加圧された冷媒液は、
順次圧力を下げながら直列及び並列に設置された各モジ
ュ−ルユニットを流れるが、その途中高発熱密度モジュ
−ルユニット１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの冷媒入
り口部で、冷媒自身の圧力で容器２０ａ、２０ｂを膨ら
ませ冷媒の一部を貯蔵する。このように構成することに
より、演算動作筐体と冷媒冷却筐体のように、動作作用
の異なる各構成機器を個別に設置することができ、各機
器のメンテナンスが容易となる。また、何らかの異常で
冷媒循環ポンプ３が停止した場合においても、容器２０
ａ、２０ｂの復元力で容器２０ａ、２０ｂに貯蔵された
冷媒を高発熱密度モジュ−ルユニット１３ａ、１３ｂ、
１４ａ、１４ｂに送りこむことができ、バックアップ用
冷媒循環ポンプ（図示せず）に切り替えるまでの時間、
高発熱素子を冷却することができる。

【００４１】図７は本発明の他の実施例を示す電子装置
の冷媒循環系の系統図である。システム構成は、図６に
示す実施例とほぼ同じであるが、冷媒戻り配管の途中、
液冷却器入り口部に吸い込み型補助冷媒ポンプ２２を設
置したことが上記実施例と相違している。このように構
成することにより、冷媒配管の長さを短くし、配管部の
圧力損失に打ち勝つために機械的強度が弱い高発熱密度
モジュ−ル内の圧力を増加させるという必要がなく、高
発熱密度モジュ−ル内の冷媒飽和温度を低く保つことが
できる。

【００４２】図８は本発明の他の実施例を示す電子装置
の冷媒循環系の系統図である。システム構成は、図６に
示す実施例とほぼ同じであるが、ク−リングユニットを
冷媒冷却循環ユニット２３と冷却機ユニット６とに分割
し、冷媒冷却循環ユニット２３を演算処理動作を行う筐
体群１７、１８側に設置したことが相違する。このよう
に構成することにより、冷媒配管の長さを短くし、機械
的強度が低い高発熱密度モジュ−ル内の圧力上昇を抑制
することができる。

【００４３】図９は本発明の他の実施例を示す電子装置
の冷媒循環系の系統図である。液冷却器４、及び、例え
ばベロ−ズ容器のような容積が可変な定圧器２４をプロ
セッサ筐体１７の内部、高発熱密度モジュ−ルユニット
１３、１４の下流側に設置している。これにより、液冷
却器４から冷媒循環ポンプに到る比較的配管長の長い配
管内を完全に液単相流状態で冷媒液を流し、気液二相流
状態で流れる長さをできる限り短くする。その結果、流
動を安定にすることが出来る。

【００４４】さらに、定圧器２４は、加熱や沸騰気泡の
生成に伴う冷媒の膨張を吸収し、定圧器２４内の冷媒圧
力を常に大気圧状態に保つ。そして、各モジュ−ル内の
圧力もほぼ大気圧に保つ。また、冷媒循環系統に、例え
ば窒素ガスの様な異種ガスを注入して冷媒をその飽和蒸
気圧以上に加圧しなくても、定圧器の背圧により冷媒を
加圧することができるので、冷媒を過冷却の状態に保つ
ことができる。この結果、異種ガスの混入によるバ−ン
アウト熱流束の低下、或いは、不凝縮ガスの混入による
凝縮熱伝達率の低下を防止することができる。また、本
実施例では、液冷却器と定圧器とが一体のものを示した
が、分離したものでもよい。

【００４５】図１０は本発明の他の実施例を示す記憶モ
ジュ−ルユニットの断面図である。多数の記憶素子１２
５が実装されたメモリ−基板１２４がスタック状に並べ
られている。そして、互いに隣接するメモリ−基板１２
４の間には、例えばダイアフラムの様な柔軟な膜１２６
によって構成された冷媒流路１２７が形成されている。
この冷媒流路１２７はそれぞれ、冷媒供給管１２８及び
冷媒排出管１２９に接続されている。このような構成と
することにより、冷媒流路１２７の柔軟な隔壁が、その
内部を流れる冷媒の液圧により記憶素子１２５に密着さ
せられ、小さな接触熱抵抗で効率よく記憶素子から熱を
除去できる。

【００４６】また、メモリ−基板１２４が直接冷媒液中
に浸漬されていないので、デ−タ転送のためのコネクタ
−に液封止機能を要求する必要がなく一般の規格品を用
いることができる。さらに、ボ−ドの追加、リペアなど
が頻繁に行われる記憶モジュ−ルユニットのメンテナン
ス作業が容易となる。また、浸漬する場合に比べ使用冷
媒量を少なくすることができる。

【００４７】図１１は本発明の他の実施例を示す液冷却
器の冷媒出口部の渦送防止器の斜視断面図である。液冷
却器４の冷媒出口部１３２に右巻方向の羽根１３１を有
する渦送防止器１３０が設けられている。液冷却器の熱
交換器部分（図示せず）で冷却され、液化された液冷媒
は、羽根１３１を通過した後、液冷却器の出口より流出
し、冷媒循環ポンプに導かれる。このように構成するこ
とにより、液冷却器の出口部において冷媒流路が急収縮
することにより発生する左巻きの渦流を防止することが
できる。そして、この渦流による冷媒気泡の巻き込み、
そして冷媒循環ポンプへの気泡の吸引を防止できる。

【００４８】この結果、ポンプのキャビテ−ションによ
る液送能力の低下、吐出圧力の変動、及び、騒音の発生
を防止することができる。ここで、南半球では羽根を左
巻とする。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、電子装置の論理素子、
記憶素子など機能の異なる素子、あるいは、発熱密度の
異なる素子をグル−プ分けして複数のモジュ−ル上に搭
載し、モジュ−ルごとに個別に過冷却冷媒をポンプで供
給している。そして、各モジュ−ルをモジュ−ルの種類
に応じて冷媒の流れにたいし並列配置、直列配置、もし
くは、並列配置と直列配置の混合配置にしている。これ
により、各モジュ−ル内の冷媒圧力、従って、冷媒の飽
和温度を異ならせる。そして、各モジュ−ル内の素子の
発熱密度に応じて冷媒液の強制対流熱伝達、あるいは、
強制対流と沸騰とを共存させた対流沸騰熱伝達により冷
却する。

【００５０】この結果、論理素子など非常に発熱密度が
高い素子から記憶素子等発熱密度の低い素子にいたるま
で、各種素子の温度を所定の温度範囲内に均一に冷却す
ることができ、電子装置を高速で動作させることができ
る。さらに、本発明による電子装置は、並列に設置され
たモジュ−ルの入り口部あるいは内部に、モジュ−ル下
流側の気液二層流の圧力損失よりも大きな圧力損失を持
つ絞りなどの抵抗要素を設けているので、モジュール下
流の不安定な気液二層流ガ引き起こす圧力変動に起因し
た各モジュ−ルへの冷媒供給量の変動を抑制する。そし
て、各素子の温度変動が低減し、モジュ−ルのドライア
ウト化による素子温度の急上昇が防止される。

【００５１】また、気液二層流の不安定流動と各モジュ
−ルへの冷媒供給量の変動とが連成し、より冷媒の流動
が不安定に発散し、暴走する事態を防止することができ
る。この結果、電子装置を破壊することなく、安定に動
作させることができる。さらに、電子装置の各モジュ−
ルをポンプに直結した冷媒配管路上に設置し、ポンプに
より直接冷媒液をモジュ−ルに供給し、モジュ−ルより
強制的に冷媒を排出している。これにより、例えば高発
熱密度モジュ−ルなどが沸騰気泡により蒸気閉塞し、モ
ジュ−ルがドライアウトして素子を冷せなくなると言う
事態を防止できる。

【００５２】さらに、発熱量が小さいモジュ−ルを、熱
伝達率は低いが沸騰気泡を生じない単相流強制対流熱伝
達で冷却するため、電子装置全体の沸騰気泡生成量を減
少させることができ、冷媒循環系の気液二層流を流動が
安定した気泡流、或いはプラグ流領域に設定することが
できる。

【００５３】また、機能の異なるモジュ−ルを単位とし
てそれぞれ別個に冷媒液を供給していいるので、論理変
更或いは素子のリペアなどのメンテナンス作業を短時間
に容易に行うことができ、電子装置の停止時間を短くす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電子装置の冷媒循環系
の系統図である。

【図２】図１に示す実施例の冷媒サイクル線図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す電子装置の冷媒循環
系の系統図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す電子装置の高発熱モ
ジュ−ルユニット内の冷媒循環系の系統図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す電子装置の高発熱密
度モジュ−ル内の構造を示す斜視断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す電子装置の冷媒循環
系の系統図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す電子装置の冷媒循環
系の系統図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す電子装置の冷媒循環
系の系統図である。

【図９】本発明の他の実施例を示す電子装置の冷媒循環
系の系統図である。

【図１０】本発明の他の実施例を示す記憶モジュ−ルユ
ニットの断面図である。

【図１１】本発明の他の実施例を示す液冷却器の冷媒出
口部の渦送防止器の斜視断面図である。

【符号の説明】

１…高発熱密度モジュ−ルユニット、２…低発熱密度モ
ジュ−ルユニット、３…冷媒循環ポンプ、４…液冷却
器、５…冷媒配管、６…冷却器ユニット、７…飽和液
線、８…飽和蒸気線、９…等温線、１１…冷媒入り口側
の抵抗要素、１２…冷媒出口側の抵抗要素、１３ａ、１
３ｂ…論理モジュ−ルユニット、１４ａ、１４ｂ…スト
レ−ジコントロ−ルモジュ−ルユニット、１５ａ、１５
ｂ…電源モジュ−ルユニット、１６…記憶モジュ−ルユ
ニット、１７ａ、１７ｂ…プロセッサ筐体、１８…メモ
リ−筐体、１９…ク−リングユニット、２０ａ、２０ｂ
…ベロ−ズ容器、２１…冷却水ポンプ、２２…冷媒吸い
込みポンプ、２３…冷媒冷却循環ユニット、２４…定圧
器、１０１…高発熱密度モジュ−ル、１０２…抵抗要
素、１１１…基板、１１２…素子、１１３…ノズル、１
１４…仕切り部材、１１５…電気接続部材、１１６…冷
媒供給ヘッダ、１１７…冷媒戻りヘッダ、１１８…冷媒
供給管、１１９…冷媒戻り管、１２０…冷媒排出口、１
２１…冷媒噴出口、１２２…素子冷却室、１２３…絞
り、１２４…メモリ−基板、１２５…記憶素子、１２６
…ダイヤフラム、１２７…冷媒流路、１２８…冷媒供給
管、１２９…冷媒排出管、１３０…渦送防止器、１３１
…羽根、１３２…冷媒出口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者初田俊雄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)発明者畑田敏夫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)発明者井上滉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)発明者佐々木重幸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)発明者大曽根靖夫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)発明者中村昭三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)発明者安田弘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)発明者笠井憲一神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 23/473

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】素子を搭載したモジュールからなる複数の
モジュ−ルユニットの集合体であって、液冷媒により冷
却される電子装置において、前記素子を前記液冷媒に直
接浸漬し、前記複数のモジュールユニットは低発熱密度
素子を搭載した低発熱密度モジュールユニットと高発熱
密度素子を搭載した高発熱密度モジュールユニットであ
って、前記液冷媒を前記モジュ−ルユニットに供給する
冷媒循環ポンプと前記複数のモジュ−ルユニットに供給
される前記液冷媒の圧力及び飽和温度を変える手段とを
前記電子装置に設け、該手段は前記低発熱密度モジュー
ル表面の前記液冷媒の沸騰を抑制し前記高発熱密度モジ
ュール表面の前記液冷媒の沸騰を促進することを特徴と
する液体により冷却される電子装置。
【請求項２】半導体素子を搭載したモジュールからなる
複数のモジュ−ルユニットを備え、液冷媒により冷却さ
れる電子装置において、前記半導体素子を前記液冷媒に
直接浸漬し、前記液冷媒を前記モジュ−ルユニットに供
給する冷媒循環ポンプと前記複数のモジュ−ルユニット
に供給される前記液冷媒の圧力及び飽和温度を変える手
段とを前記電子装置に設け、該手段は発熱密度の大きな
モジュ−ルユニットに供給される液冷媒の圧力及び飽和
温度を低く、発熱密度の小さなモジュ−ルユニットに供
給される液冷媒の圧力及び飽和温度を高くすることを特
徴とする液体により冷却される電子装置。
【請求項３】半導体素子を搭載した複数のモジュールか
らなるモジュ−ルユニットを備え、液冷媒により冷却さ
れる電子装置において、前記半導体素子を前記液冷媒に
直接浸漬し、前記モジュ−ルユニットに液冷媒を供給す
る冷媒循環ポンプを前記電子装置に設け、前記液冷媒が
発熱密度の小さなモジュ−ルユニットと発熱密度の大き
なモジュ−ルユニットをシリ−ズに流れるように前記複
数のモジュールユニットを配置し、該発熱密度の小さな
モジュ−ルユニットを該発熱密度の大きなモジュ−ルユ
ニットの上流側に配設し、前記複数のモジュ−ルユニッ
トに供給される前記液冷媒の圧力及び飽和温度を変える
手段とを設け、該手段は前記発熱密度の大きなモジュ−
ルユニットに供給される液冷媒の圧力及び飽和温度を低
く、前記発熱密度の小さなモジュ−ルユニットに供給さ
れる液冷媒の圧力及び飽和温度を高くすることを特徴と
する電子装置。
【請求項４】半導体素子を搭載したモジュールからなる
複数のモジュ−ルユニットを備え、液冷媒により冷却さ
れる電子装置において、前記半導体素子を前記液冷媒に
直接浸漬し、前記電子装置に前記液冷媒を前記モジュ−
ルユニットに供給する冷媒循環ポンプを設け、前記液冷
媒が前記複数のモジュ−ルユニットをパラレルに流れる
よう前記複数のモジュールユニットを配設し、発熱密度
の小さなモジュ−ルユニットの液冷媒出口側および発熱
密度の大きなモジュ−ルユニットの液冷媒入口側に抵抗
要素を設け、前記複数のモジュ−ルユニットに供給され
る前記液冷媒の圧力及び飽和温度を変える手段を設け、
該手段は前記発熱密度の大きなモジュ−ルユニットに供
給される液冷媒の圧力及び飽和温度を低く、前記発熱密
度の小さなモジュ−ルユニットに供給される液冷媒の圧
力及び飽和温度を高くすることを特徴とする電子装置。
【請求項５】半導体素子を搭載したモジュールからなる
複数のモジュ−ルユニットを備え、液冷媒により冷却さ
れる電子装置において、前記半導体素子を前記液冷媒に
直接浸漬し、前記液冷媒を前記モジュ−ルユニットに供
給する冷媒循環ポンプと前記複数のモジュ−ルユニット
に供給される前記液冷媒の圧力及び飽和温度を変える手
段とを前記電子装置に設け、該手段は前記発熱密度の大
きなモジュ−ルユニットに供給される液冷媒の圧力及び
飽和温度を低く、前記発熱密度の小さなモジュ−ルユニ
ットに供給される液冷媒の圧力及び飽和温度を高くし、
少なくとも二枚の高発熱密度モジュ−ルの冷媒入り口部
にそれぞれ該モジュ−ル冷媒下流側の冷媒気液二相流動
による圧力損失の増大値よりも大きな流動抵抗を有する
抵抗要素を設けたことを特徴とする電子装置。
【請求項６】半導体素子を搭載した論理モジュ−ルユニ
ットと電源モジュールユニットとを備えた論理演算装置
と、半導体素子を搭載した記憶モジュ−ルユニットと電
源モジュ−ルユニットとを備えた主記憶装置とを備え、
液冷媒により冷却される電子装置において、前記半導体
素子を前記液冷媒に直接浸漬し、前記液冷媒をそれぞれ
のモジュ−ルユニットに供給する冷媒循環ポンプと該そ
れぞれのモジュ−ルユニットに供給される前記液冷媒の
圧力及び飽和温度を変える手段とを前記電子装置に設
け、該手段は前記発熱密度の大きなモジュ−ルユニット
に供給される液冷媒の圧力及び飽和温度を低く、前記発
熱密度の小さなモジュ−ルユニットに供給される液冷媒
の圧力及び飽和温度を高くし、前記論理演算装置におい
て前記液冷媒がシリ−ズに流れるようにそれぞれのモジ
ュールユニットを配設し、前記主記憶装置及び論理演算
装置を該液冷媒がシリ−ズに流れるように前記主記憶装
置および前記論理演算装置を配設し、前記主記憶装置を
前記論理演算装置の液冷媒上流側に配置したことを特徴
とする液体により冷却される電子装置。
【請求項７】半導体素子を搭載した論理モジュ−ルユニ
ットと電源モジュ−ルユニットとを備えた論理演算装置
と、半導体素子を搭載した記憶モジュ−ルユニットと電
源モジュ−ルとを備えた主記憶装置とを備え、液冷媒に
より冷却される電子装置において、前記半導体素子を前
記液冷媒に直接浸漬し、前記液冷媒を前記モジュ−ルユ
ニットに供給する冷媒循環ポンプと前記複数のモジュ−
ルユニットに供給される前記液冷媒の圧力及び飽和温度
を変える手段とを前記電子装置に設け、該手段は前記発
熱密度の大きなモジュ−ルユニットに供給される液冷媒
の圧力及び飽和温度を低く、前記発熱密度の小さなモジ
ュ−ルユニットに供給される液冷媒の圧力及び飽和温度
を高くし、前記論理演算装置において前記液冷媒がシリ
−ズに流れるようそれぞれのモジュールユニットを配設
し、前記主記憶装置及び前記論理演算装置を前記液冷媒
がパラレルに流れるよう前記主記憶装置及び該論理演算
装置を配設し、前記主記憶装置の液冷媒出口側および前
記論理演算装置の液冷媒入口側に抵抗要素を設けたこと
を特徴とする液体により冷却される電子装置。
【請求項８】前記電子装置に冷媒を冷却する液冷却器と
冷却機ユニットとを設けたことを特徴とする請求項１な
いし７のいずれか１項に記載の液体により冷却される電
子装置。
【請求項９】前記液冷却器の冷媒入り口側に冷媒吸引ポ
ンプを、前記液冷却器の冷媒出口側に冷媒圧送ポンプを
設けたことを特徴とする請求項８記載の液体により冷却
される電子装置。
【請求項１０】前記モジュールユニットは高発熱密度モ
ジュ−ルユニットを含み、この高発熱密度モジュ−ルの
冷媒上流側に、内圧によって容積が可変な容器を設けた
ことを特徴とする請求項８に記載の液体により冷却され
る電子装置。
【請求項１１】前記モジュールユニットは高発熱密度モ
ジュ−ルユニットを含み、この高発熱密度モジュ−ルユ
ニットの冷媒下流側に、内圧によって容積が可変な容器
を設けたことを特徴とする請求項８に記載の液体により
冷却される電子装置。
【請求項１２】前記半導体素子に冷媒を供給する冷媒供
給部材と、この冷媒供給部材に冷媒を分配する冷媒供給
ヘッダと、この冷媒供給部材より前記半導体素子に供給
された冷媒の流れ方向を半導体素子を冷却した後半導体
素子冷却面の法線方向で半導体素子冷却面より離れる方
向に変化させる仕切り部材と、この仕切り部材とこの冷
媒供給部材とによって形成された冷媒排出口とこの冷媒
供給ヘッダとの間に位置し前記半導体素子より熱を除去
した冷媒をこの冷媒排出口より排出させる冷媒戻りヘッ
ダとを設けたことを特徴とする請求項８に記載の電子装
置。
【請求項１３】低発密度モジュ−ルの隣接する基板の間
に柔軟な隔壁を有する冷媒流路を設けたことを特徴とす
る請求項８に記載の液体により冷却される電子装置。
【請求項１４】前記液冷却器の冷媒出口部分に北半球に
おいては右巻の、南半球においては左巻きの冷媒案内羽
根を備えた渦流防止器を設けたことを特徴とする請求項
８に記載の液体により冷却される電子装置。