JP3660616B2 - 半導体素子用冷凍式冷却装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の冷却装置に関するもので、特に、蒸発器で熱交換された空気を用いて半導体素子の熱を冷却させ、他の機種の半導体素子にも適用できるように互換性に優れる冷凍式冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体素子はダイオードトランジスタ整流機(SCR)、トライアック(TRIAC)を示し、技術の発達によってデータを高速に処理できるように集積度が増加され、高性能化のためその発熱密度が増加されている。
しかしながら、半導体素子の温度が上昇すると、半導体が接合された接合継ぎ目に熱応力による熱膨張の差によって界面剥離が生じ、半導体の信号処理速度が遅くなり、または誤作動されるなど多くの問題があった。
【0003】
このような問題を解決するために半導体素子の動作限界温度(接合部温度)の以下に温度を制御するための冷却装置が半導体素子に備えられる。
従来の半導体素子用冷却装置1は図5に示すように、強制的に半導体素子10の周辺の空気を循環させて半導体素子の熱を放熱させる強制空冷式方法を用いる。
【0004】
かかる空冷式冷却装置1は熱伝達によって放熱し易くするようにPCB20に取り付けた半導体素子10の上部に取り付けられるフィン11と、前記フィン11の上部で空気が強制対流されるように回転する放熱ファン12とからなる。
しかしながら、放熱ファン12を用いて半導体素子10の温度を低くする場合には、放熱ファン12の回転による低周波騒音が発生され、半導体素子10の放熱量が増加することによってフィン11から発生される熱を効果的に放熱させないのでシステムに問題が発生される。
【0005】
また半導体に流れ込んで熱交換された高温の空気を外部に吐き出すためにコンピュータ本体のケースに他の送風ファン(図示せず)を取り付けることによって前記送風ファンを介して外気が流入される場合、ケース内に塵も共に流れ込んできて湿気と塵などによって微細な影響を受ける半導体などが故障を起こす原因となっている。
【0006】
なお、半導体素子10の温度を低めて演算速度を増加させるための場合又は半導体素子10の発熱量が多くて強制空冷式冷却装置に冷却が限界に至る場合には図6のような冷凍式冷却装置2が半導体素子に取り付けられる。
前記冷凍式冷却装置2は半導体素子10の上面に低温低圧の冷媒が流動される蒸発器21が取り付けられ、前記蒸発器21から熱が伝達された冷媒が圧縮機22に伝えられるように冷却装置と連結される。
このとき、蒸発器21の温度が約−20℃〜−40℃であるので冷却が要求される半導体素子以外のコンピュータ内部の空気が蒸発器に接触すると、結露及び結氷現象が生じて他の部品の作動に悪影響を及ぼすため蒸発器21及び半導体素子10は断熱した後パッケージ化25される。
【0007】
これは前記蒸発器21は冷媒の蒸発潜熱を用いて半導体素子のコンピュータのCPUから発生される熱を吸収するが、平均40°〜50°間の温度を有するコンピュータ内部の空気が露点温度より低い−20°〜−40°間の蒸発器21表面に接触されると空気に含まれた水分が凝縮されて結露及び結氷現象が発生される。
【0008】
このような冷凍式冷却装置2は低温の冷媒が流入される蒸発器21と熱が発生される半導体素子10との間の温度差による熱交換で前記半導体素子10の温度を制御する。
しかしながら、半導体素子10が蒸発器21とともにパッケージ化されているのでその構造が複雑で組み立てが容易ではないため作業上の手間が増えることになる。
【0009】
また、任意のマザーボード(図示せず)に冷却装置1を装着するためには各々の場合に冷却装置と冷凍機を連結する銅管を適切に配管して固定すべきであるので設置が容易ではない。
また、蒸発器21が直接的に半導体素子10に取り付けられているのでアップグレードする場合従来の使用の冷却装置を活用できず製品の互換性が劣る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのもので、作動能力が向上されるように半導体素子から発生される熱を効果的に放熱させる冷凍式冷却装置を提供することが目的である。
【0011】
さらに、本発明は半導体素子又は半導体パッケージの形状に拘らず取り付けられる互換性に優れ、設置作業が容易な冷凍式冷却装置を提供することが目的である。
また、本発明は半導体素子が設置されているコンピュータにおいて、ケースに一体形に形成された蒸発器を備える冷凍式冷却装置を冷却が要求されるコンピュータの部品群に取り付けることによってコンピュータの作動効率を向上させることにその目的がある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明による半導体素子用冷凍式冷却装置は、冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して更に蒸発器に流れ込まれるように循環流路が形成され、前記循環流路が前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ前記二重ダクトはベローズ型の構造を有することを特徴とする。
他の形態の本発明による半導体素子用冷凍式冷却装置は、冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、前記循環流路が前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ前記外部ダクトと半導体素子が取り付けられた固定ボ−ドとの接触面は断熱材で包んでシーリングされていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
本発明の一実施形態による冷凍式冷却装置3は図1に示すように、蒸発器31と圧縮機32と、凝縮器33と、膨張バルブ34と、印刷回路盤20(以下、PCB20)の上面に取り着けた半導体素子10と蒸発器31を収めるケース35とからなる。
【0014】
また、前記ケース35の内部には前記蒸発器31と前記半導体素子10とを連結する二重ダクト36が取り付けられ、二重ダクトのうち直径の小さい内部ダクト361の一先端には蒸発器31が備えられ、他先端には半導体素子10の上面が備えられる。
また、前記内部ダクト361より大きい直径を有し、その外周面に位置された外部ダクト362の一先端は蒸発器の一側に設置された送風ファン37と半導体素子が連通するようにケース35内部で溶接され、他先端は半導体素子10を包むようにPCB20上面にシーリングされる。
また、前記半導体素子10の上面には放熱のためのフィン38が設置される。
【0015】
これによって図2に示すように、前記蒸発器31と前記半導体素子10との間には内部ダクト361による流路が形成され、前記蒸発器31が設置されたケース35の内部空間と前記半導体素子10との間には外部ダクト362による流路が形成される。
また、前記半導体素子10の上部に位置される内部ダクト361の他先端はその下部面積を広げて空気の流出路を広く形成することによって半導体素子に均一な冷却空気が流入されるようにする。
【0016】
この時、前記二重ダクト36は一定位置に設けられた半導体素子に蒸発器が設置し易く、且つ互換性が向上されるように長さ調節が可能なベローズ型管で形成され、熱交換が効果的に成されるように外部ダクト362に断熱処理されるか、内部ダクト361に断熱処理される。
【0017】
また、前記外部ダクト362は半導体素子10と半導体素子10を取り付けたPCB20との接触面を断熱材で包んでシーリングする。
これは1〜10℃範囲から形成された冷却用空気がケース内部の空気と接触する場合、結露及び結氷現象が発生して他の部品動作に悪影響を及ぼすことから蒸発器31及び半導体素子10だけに冷気が伝えられるように断熱するためである。
【0018】
また、前記蒸発器31にケース内部の空気を強制流動させる送風ファン37は蒸発器31の後方または蒸発器31の下方、内部ダクト361の入口又は外部ダクト362の出口に設けられる。
また、前記蒸発器31から吐き出される凝縮水は冷凍装置側に吐き出して凝縮器33や圧縮機32に散布する凝縮水吐き出し管311に流し込まれるようにする。
【0019】
本発明の一実施形態による冷凍式冷却装置3が半導体素子10の冷却のために稼動したら圧縮機32で冷媒が高温及び高圧で圧縮されて凝縮器33を介して凝縮した後、膨張バルブ34を通過しながら低温低圧の冷媒状態で前記蒸発器31に流入される。
また、蒸発器31の一側に設置された送風ファン37の回転によって蒸発器31が設置されたケース内部の空気が強制的に蒸発器31側に流れ、熱交換して冷却された後、内部ダクト361の流路に沿って半導体素子10に送られる。
【0020】
低温の空気は半導体素子10へ噴射されて半導体素子10から放熱される熱を吸収した後、送風ファン37の回転による強制対流に外部ダクト362の流路に沿って蒸発器31へ再び流入される。
この時、前記蒸発器31の温度が−20°〜−40°に形成すると、冷却装置の稼動初期に空気中の水分が蒸発器の表面で結氷されるので、この防止のため熱交換が効果的に成される範囲内で蒸発器31の温度を0℃以上に形成する。
【0021】
従って、外部ダクト362の外部本体と内部ダクト361の外部を断熱材処理することにより流路内部及びコンピュータ内の結露が防止できる。
また、外部ダクト362とPCB20との接触部もシーリング材及び断熱材で処理されて冷気の流出と結露が防止され、PCB下端も断熱材で断熱処理される。
【0022】
また、本発明による冷却装置3は連続的に稼動されると外部空気から遮断された独立されたケース領域内で空気が循環されるため運転を続けるほど空気に含まれた水分が蒸発器31の表面で凝結されて凝縮水が形成されるので蒸発器が設置されたケース内部の湿度が著しく低くなって内部ダクト361における結露現象が自然に無くなる。
【0023】
本発明による冷凍式冷却装置はケース35に一体に形成された蒸発器の一側に二重ダクト36を設置し、二重ダクト36の他側を冷却が要求される半導体素子に連結することによって冷却装置の設置が容易となり二重ダクト36の屈折が容易となり設置位置に無関係に設置可能である。
【0024】
なお、本発明による他の実施形態として、処理容量が大きいコンピュータの中央処理装置(以下CPU)またはカード類から発生される熱を冷却させるためにコンピュータの内部に装着される場合、冷凍式冷却装置4は次のような構造からなる。
【0025】
前記冷凍式冷却装置4は図3に示すように、蒸発器41と、圧縮機42と、凝縮器43と、膨張バルブ44及びケース45を含んでおり、前記蒸発器41の一側に送風ファン47が設置され、前記蒸発器は他の冷却装置と分離されて冷却空間を形成するケース45内部に位置される。
このとき、前記ケース45の内部に図4のように、CPU100と、前記CPU100が装着されたメインボード200と、カード類300などが内装され、前記装置と隔壁451から分けて前記送風ファン47が設置され、前記CPU側空間と送風ファン側の空間が連通されるように蒸発器41がケースに一体に形成される。
【0026】
また、隔壁451の下部にはメインボード200に装着されたカード類300と前記ケース45の外部に設置される周辺機器が連結されるように通孔452が形成される。
また、ケース内部で循環される空気が外部に漏れることを防止するために、メインボード200に装着されるカード類300と外部に設置された周辺機器を連結する連結線301はCPU100側又は送風ファン側に締結されてコンピュータの外部に連結される。
【0027】
また、前記CPU100が取り付けられたメインボード200の下部に位置されるフロッピーディスクドライブ501と、CD−ROM502と、ハードディスクドライブドライブ503、パワーサプライ504などが設置された入出力装置空間50は断熱材及びシーリング材とからなるケース45を用いてメインボード200から分離させる。
【0028】
また、前記CPU100と入出力装置空間50のディスクドライブ501等はデータバスと電源線に連結する。
即ち、前記凝縮器43、圧縮機42及び膨張バルブ44は蒸発器41と分離されてコンピュータに装着され、前記蒸発器41と冷却が要求されるコンピュータのCPU100又はメインボード200カード類300などはケース45の内部に内装されてコンピュータの他の空間から断熱される。
また、メインボード200と入出力装置空間50を連結するデータバスと電源線は断熱及びシーリングされて二つの空間との間の空気流れが防止されるようにしてケース45の空気が外部に流出されずケース45内でだけ再循環されるようにする。
【0029】
なお、本発明による冷却装置のケース45内で空気の流動がさらに円滑に成されるようにコンピュータのCPU上に放熱ファン39が設置することもでき、CPU100の上面には放熱のためのフィン38が装着できる。
これによって、前記ケース45内で前記蒸発器41の一側に設置された送風ファン47が回転すると送風ファン側の空気が熱交換された後、冷却されてCPU側100に流動される。
また、冷却された空気は熱を放熱するCPU100などの部品に噴射されて、CPUなどと冷却された空気との間に顕熱伝達が成されることによってCPUなどの部品は冷却され、熱を吸収した空気はケース45内の隔壁451に形成された通孔452を介して送風ファン側に再流れ込まれる。
【0030】
なお、ケース45内の蒸発器41の初期稼動時、冷媒との熱交換により発生された凝縮水は蒸発器41の下部の凝縮水の吐き出し管411を介して圧縮機42などに吐き出して、稼動時熱が発生される圧縮機42上部に塗布するか、又は熱伝達が効果的になされるように凝縮器43の表面に塗布する。
このとき蒸発器に連結された冷媒管412及び凝縮水の吐き出し管411は凝縮水がケース45外部のコンピュータ内の他の部品に落下して故障を起こすことないように断熱及びシーリング処理される。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による冷凍式冷却装置は断熱材又はシーリング材からなるケース内に蒸発器が一体形に設置され、その内部にCPUとメインボード及びカード類などが装着されるので多数の部品を同時に効果的に冷却することができ、ケース内部空間の空気だけが連続的に循環されるので部品の冷却が効果的に成されてエネルギー消耗が少なくコンピュータの性能が向上される。
【0032】
また、前記ケースから外部と連結される管は断熱及びシーリング処理されるので凝縮水による他の部品の故障が防止できる。
【0033】
また、前記蒸発器の稼動初期に生じた凝縮水は凝縮水の吐き出し管を介して凝縮器や圧縮機の表面に噴射されるので冷凍式冷却装置のエネルギー効率が向上される。
【0034】
また、冷却装置がコンピュータの部品とは別に設置されるので冷却装置の設置が容易となり、部品の交替の際冷却装置は交替せず引き続き使用できるので作業の上、コストの低減及び作業時所要される手間も減らすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による冷凍式冷却装置を示す概略的な構造図である。
【図2】図1に示す冷凍式冷却装置の蒸発部を示す要部断面図である。
【図3】本発明の他の実施形態によるコンピュータに取り付けられる冷凍式冷却装置を示す概略的な構造図である。
【図4】図3に示す冷凍式冷却装置の蒸発部を示す要部断面図である。
【図5】半導体素子を冷却させる従来の強制空冷式冷却装置の作動過程を示す断面図である。
【図6】半導体パッケージを冷却させる従来の空冷式冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1…強制空冷式冷却装置
2、3…冷凍式冷却装置
10…半導体素子
20…PCB
21、31…蒸発器放熱ファン
22、32…圧縮機
23、33…凝縮器
24、34…膨張バルブ
25…パッケージ
35…ケース
36…二重ダクト
37…送風ファン
38…フィン
361…内部ダクト
362…外部ダクト
Claims (11)
- 冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機に連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、
前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、
前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、
前記循環流路は前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、
前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、
前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ
前記二重ダクトはベローズ型の構造を有することを特徴とする、半導体素子用冷凍式冷却装置。 - 冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、
前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、
前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、
前記循環流路は前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、
前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、
前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ
前記外部ダクトと半導体素子が取り付けられた固定ボ−ドとの接触面は断熱材で包んでシーリングされていることを特徴とする、半導体素子用冷凍式冷却装置。 - 前記蒸発器で熱交換された低温の空気が半導体素子に流れ込み、半導体素子の熱を吸収した空気が蒸発器に流れ込む循環流路が形成されるようにケースの内部には隔壁が取り付けられ、
前記隔壁の上下部に通過孔が形成されて、上部通過孔には前記蒸発器が取り付けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。 - 前記ケースは断熱及びシーリング材からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記蒸発器の蒸発温度は0℃以上に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記送風ファンは蒸発器の後方または下部に取り付けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記内部ダクトは断熱材で処理されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記半導体素子に取り付けられたケース内部の空気漏れを防止するために半導体素子と外部機器とを連結する連結線はケース内部の空間で締結されてコンピュータの外部に連結されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記半導体素子が取り付けられたPCBの下部に位置するフロッピーディスクドライブ、ハードディスクドライブ、パワーサプライなどを取り付けた入出力装置空間は断熱材及びシーリング材で形成されたケースによって前記PCBから分離され、
前記半導体素子と前記入出力装置空間の装置はデータバスと電源線によって連結されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。 - 前記蒸発器と圧縮機及び膨張バルブを連結する連結管は断熱及びシーリング処理されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
- 前記蒸発器から吐き出る凝縮水は熱が発生する圧縮機又は凝縮器上に散布されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
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