JPH02129999A - 電子素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、回路基板に取付けられた冷却を必要とする
集積回路等の複数の電子素子を効率良く冷却する＠置に
関するものである。

従来の技術 通電使用時に発熱するＬＳ　Ｉ　（Ｌａｒｇｅ　５ｃａ
ｌｅｉｎｔｅｏｒａｔｉｏｎ　）等の電子素子は、その
集積度の増加とともに各素子当りの発熱量が増加し、従
来の空冷式の冷却方法ではその冷却能力の限界を超えて
しまって、充分に冷却しきれなくなった。

また、水冷式の冷却方法として強制対流方式の冷却方法
もあるが、この冷却方法では、水洩れによる回路のショ
ート等のトラブルが発生する虞れがあり、また、その冷
却能力を超える大発熱量の素子も使用されるようになり
、そのため、水冷式よりさらに冷却能力が高く、かつシ
ョート等のトラブルの発生しない冷却方法が必要とされ
るようになってきた。

そこで、高い冷却能力を有する冷却方法として、電気的
絶縁性を備えたフルオロカーボン等の冷媒を用い、この
冷媒中に電子素子を直接浸漬させて沸騰冷却を行なわせ
る冷却方法、すなわち浸漬沸騰冷却法（ＩｌｌｅｒＳｉ
Ｏｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　）が開発されている。

この浸漬沸騰冷却法は、被冷却物である発熱体を、冷却
する目標温度以下の温度で沸騰する冷媒中に浸漬し、冷
媒が発熱体の表面に直接接触して熱を奪ってこれを冷却
するとともに、発熱体が冷媒の沸点まで加熱した際に、
先ず、自然対流条件で起るいわゆるプール沸騰伝熱で冷
却を行ない、また、プール沸騰伝熱で冷却しきれずに発
熱体がさらに加熱されて冷媒との温度差が大きくなると
、光熱体の表面で冷媒が核沸騰して気泡を生じ、この気
泡が発熱体の表面を離れて浮上する際の撹乱効果で大き
な伝熱を生じさせるいわゆる核沸騰伝熱によって発熱体
の冷却を効果的に行なうもので、発熱体の熱で冷媒を沸
騰させることにより、この発熱体の温度を一定の温度以
下に保持して、それ以上高温とならないようにする冷却
方法である。

また、浸漬沸騰冷却法よりさらに冷却効率の高い冷却方
法として降下液膜法が提案されている。

この降下液膜法は、冷却液が膜状となって被冷即体の表
面を包むように流れ落ちるようにして冷却する方法で、
例えば第３図に示す電子素子の冷却装置のように、密閉
された容器１の上部に凝縮器２を配設するとともに、容
器内中段にリザーバ３を設け、このリザーバ３の底部に
、リザーバ３内に溜めた電気絶縁性を有する冷却液Ｒを
、容器１内の底部へ流す複数の流下管４がほぼ垂直に設
けられ、これら各流下管４の管壁の一部を構成するよう
に回路基板５がそれぞれ配設されている。また前記容器
１の底部とリザーバ３との間にはポンプ６を介設した循
環配管７が設けられている。

このように構成することにより、リザーバ３内に溜めら
れた冷却液Ｒを、各流下管４内を流下させると、流下す
る冷却液Ｒは、流下管４の管壁の一部を構成している回
路基板５に取付けられた複数の電子素子５ａの表面を膜
状となって流れ落ちる際に、発熱している電子素子５ａ
から熱を奪って効率よく冷却する。そして、各流下管４
内を流下した冷却液Ｒは、容器１内の底部に溜り、ポン
プ６により循環配管７を介してリザーバ３内に戻される
。

また、容器１の底部に溜った冷却液Ｒのうちの一部は、
蒸発して容器１内を上方に移動し、凝縮器２により熱を
奪われ、凝縮して液相の冷却液に戻ってリザーバ３内に
滴下し集液される。なお、符号８はオーバフロー管であ
る。

発明が解決しようとする課題 しかし、前記冷却装置の場合のように、従来の降下液膜
法により、回路基板に取付けられた複数の電子素子の冷
却を行なう場合には、各電子素子５ａをそれぞれ冷却し
１．流下して底部に溜った冷却液を再びリザーバ３内に
戻す手段とし、て、ポンプ６および循環配管７を使用ダ
るため、このポンプ６および循環配管７を配設するスペ
ースが必要であるとともに、ポンプを駆動するための電
力が必要とされるという問題があった。

この発明は上記した技術的背瑣の下になされたもので、
高い冷却性能を有するとともに、冷却液を上方のりザー
バへ汲み上げるのに、ポンプ等の動力を必要としない降
下液膜法による電子素子の冷却装置を提供することを目
的としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明の電子素
子の冷却装置は、密閉された容器内の下部を冷媒の貯留
部とし、この容器内の上部に熱を外部に奪う凝縮器を設
け、貯留部に貯留された冷媒中に冷却を必要とする電子
素子を取付けた回路基板を浸漬沸騰冷却されるように配
設するとともに、前記凝縮器の下方でかつ前記貯留部の
上方に凝縮されて滴下する冷媒を集液するりザーバを設
け、さらに、リザーバの底部に前記貯留部に冷媒を戻す
液戻し管を、その管壁の一部もしくは全部を回路基板で
構成して管内を流下する冷媒によって回路基板に取付け
られた電子素子が降下液膜冷却されるように配設したこ
とを特徴としている。

作　　　用 容器内の底部に貯留された冷媒中に配設された回路基板
に取付けられた複数の電子素子が発熱すると、これら電
子素子が浸漬沸騰冷却され、冷媒は電子素子から奪った
熱により蒸発し、蒸気となって容器内を上方に移動する
。そして、上部の凝縮器により熱を奪われた冷媒の蒸気
は、凝縮して液相の冷媒に戻ってリザーバ内に滴下し、
リザーバに集液された冷媒は、リザーバの底部に接続さ
れた液戻し管を介して容器下部に流下する。このとき、
液戻し管内を流下する冷媒は、液戻し管の管壁の一部を
構成している回２ｇ基板に搭載された複数の電子素子の
表面を包む液膜状となって流れ、各電子素子の熱を奪っ
て冷却する。また、液戻し管内を流下した冷媒は、容器
内下部の冷媒溜りに流入し、この冷媒溜り中に浸漬され
た回路基板の電子素子を浸漬沸騰冷却し、再び沸騰して
蒸発することを繰返する。

実施例 以下、この発明の電子素子の冷却装置の一実施例を第１
図および第２図に基づいて説明する。

密閉された箱形の容器１１は、その内部上方に凝縮器１
２が設けられるとともに、この凝縮器１２の下方の容器
１１の中段には、リザーバ１３が設けられている。この
リザーバ１３は断面口字形を呈しており、容器１１の幅
方向（第１図において左右方向）両側に蒸気通路となる
空間をそれぞれ残した状態に、容器１１の奥行方向（第
２図において上下方向）の対向する壁面間に架けＨされ
て、液密な受は皿状に設けられ、この容器１１内の下部
には、フルオロカーボン等の電気絶縁性を有するととも
に凝縮性の冷媒Ｒが貯留されている。

また、この容器１１の底部１１ａの一部には、発熱量の
大きな複数のＬＳ１１４ａが搭載された回路基板１４が
、ＬＳ１１４ａを搭載した面が容器１１内となるように
嵌込まれて底板の一部を構成している、そして回路基板
１４は各ＬＳ１１４ａが機能するように電気的に接続さ
れるとともに、これらのＬＳ１１４ａは、貯留されてい
る冷ｆｉＲ中において浸漬沸騰冷却されるようになって
いる。

また、前記リザーバ１３の底部１３ａには、４本のスリ
ット１３ｂが、はぼ等間隔でかつ容器１１の奥行方向の
内法寸法いっばいの長さに形成され、各スリット１３ｂ
の下方には、底部１３ａの下面に液密に接続するととも
に、実行方向の内法寸法と同じ幅の２枚の板材を、スリ
ット１３ｂの幅だけ互いに離隔してそれぞれほぼ垂直に
設けられ、さらにそれぞれの両側端を容器１１の奥行方
向の対向する両壁面に液密に当接して、断面矩形の４本
の液戻し管１５が形成されている。また、前記各スリッ
ト１３ｂの間隙幅および各液戻し管１５の管壁の間隔は
、液戻し管１５内を流下する際の冷媒が、厚み約０．５
ｓ程度の液膜状となって流れ落ちるように設定されてい
る。さらに、各液戻し管１５は、それぞれの下部を容器
下部に貯留された冷媒Ｒの液面下となる高さにおいて合
流管１６にそれぞれ液密に接続され、この合流管１６は
ほぼ水平に配設されるとともに、その端部は液面下でか
つ容器１１の中心から外れた容器１１の側壁の近傍にお
いて、底部１１ａに向けて開口している。

そして、前記各液戻し管１５の下部に貯留された冷媒Ｒ
の液面より上の部分には、冷却を必要とする複数のＬＳ
１１７ａを搭載した回路基板１７が、ＬＳ１１７ａを搭
載した面を管内に臨ませた状態で、各液戻し管１５の一
方の管をの一部を構成するように設けられており、そし
て前記各回路基板１７はそれぞれ機能するように電気的
に接続されるとともに、各ＬＳ１１７ａが、リザーバ１
３より各液戻し管１５内を流下する冷媒Ｒの降下液膜法
により冷ｆｉＩ］されるようになっている。

次に、この実施例の作用を説明する。

容器１１内の下部に貯留された冷ＩＲ中に浸漬されて浸
漬沸騰冷却法により冷却が行なわれる回路基板１４は、
通電されて各ＬＳＩ４ａが発熱すると、冷媒Ｒが発熱し
た各ＬＳ１１４ａの表面から熱を奪って冷却し、奪った
熱によって冷ｒｓＲの温度が上昇して沸点まで胃腸する
と、冷媒Ｒが沸騰して液面から蒸発することにより熱を
放散し、自然対流条件で起きるプール沸騰伝熱によって
、発熱している各ＬＳ１１４ａを冷却する。

また、各ＬＳ１１４ａの発熱量が増加して、プール沸騰
伝熱による冷却能力を超え、各ＬＳＩｌ４ａがさらに高
温となると、冷媒Ｒと接触している各ＬＳ１１４ａの表
面で核沸騰が起って大量の蒸気の気泡を発生する。発生
した気泡が表面を離れて浮上する際の撹乱効果で大きな
伝熱を生じさせる核沸騰伝熱によって各ＬＳ１１４ａを
効果的に冷ｆ！Ｊする。そして、発生した大量の蒸気は
、液面上の空間に移動して凝縮器１２により熱を奪われ
、凝縮して液相に戻るとともにリザーバ１３内に滴下し
て集液される。なお、前記凝縮器１２は冷媒Ｒの蒸気か
ら奪った熱を機器の外部あるいは屋外に運んで放出する
。

そして、リザーバ１３内に溜った液相の冷媒Ｒは、底部
１３ａに形成された各スリット１３ｂから液戻し管１５
内に流入して各管内をそれぞれ流下する。このとき、流
下する冷媒Ｒは、各液戻し１！１５の管壁の一部を構成
している回路基板１７の各ＬＳ１１７ａの表面を覆い包
むように液膜状となって流れ、各ＬＳ１１７ａの熱を奪
って、いわゆる降下液膜法により冷却が行なわれる。特
に、この実施例においては、凝縮Ｒ１２により凝縮され
た冷［Ｒのみがリザーバ１３に集液されて降下液膜冷却
に使用されるため、従来の降下液膜法による冷却の場合
のように、降下液膜冷却に一旦使用されて袢温した冷媒
をリザーバへ汲み上げて再使用する場合と違って、発熱
する被冷却体の表面を常に低温の冷媒が流下して冷却が
行なわれるため、冷却効率がさらに高い。

流下する際に各ＬＳ１１７ａから熱を奪って袢渇した冷
媒Ｒは、各液戻し管１５の下部をそれぞれ接続した１本
の合流管１６に流れ込み、容器１１の中心から外れた側
壁近傍から、容器下部に貯留された冷媒Ｒ中に、底部１
１ａ方向に向けて放流される。このように、液戻し管１
５内を流下した冷媒を合流管１６に合流させた後、容器
１１の側壁近傍において冷媒Ｒ中に放流させることによ
り、液戻し管１５から放流される冷媒Ｒが、容器下部に
貯留された冷媒Ｒ中において浸漬沸騰冷却法で冷却され
ている回路基板１４の各ＬＳ　Ｉ　１４ａの表面で発生
した蒸気の気泡の円滑な浮上を阻害しないようになって
いる。

発明の詳細 な説明したようにこの発明の電子素子の冷却装置は、上
部に凝縮器を設けた密閉容器内の底部に冷媒を貯留し、
この冷媒中に電子素子を取付けた回路基板を配置して浸
漬沸騰冷却を行ない、容器下部に貯留された冷媒を積極
的に蒸発させて容器上方に移動させるともに凝縮器によ
り凝縮してリザーバに集液し、このリザーバに集液され
た冷媒を、液戻し管内を流下させて、その管壁の一部を
構成している回路基板に取付けられた電子素子を降下液
膜法により冷却させるようにしたので、凝縮器で凝縮さ
れてリザーバに集液された常に低温な冷媒により降下液
膜法による冷却が行なわれるため、従来の降下液膜法に
よる冷却装置と比べて、より高い冷却能力が得られると
ともに、容器下部に貯留された冷媒を上方のりザーバへ
汲み上げるためのポンプおよび配管が不要となり、コス
トダウンおよび装置の小型化が可能となり、また省エネ
ルギー化が図れる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示すもので
、第１図は電子冷却装置の縦断面図、第２図は第１図の
■−■線断面図、第３図は従来の降下液膜法による電子
素子の冷却装置の断面図である。 １１・・・容器、　１１ａ・・・底部、　１２・・・凝
縮器、１３・・・リザーバ、　１３ａ・・・底部、　１
３ｂ・・・スリット、　１４．１７・・・回路基板、　
１４ａ、１７ａ・・・ＬＳＩ、　１５・・・液戻し管、
　１６・・・合流管、　Ｒ・・・冷媒。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．密閉された容器内の下部を冷媒の貯留部とし、この
   容器内の上部に熱を外部に奪う凝縮器を設け、貯留部に
   貯留された冷媒中に冷却を必要とする電子素子を取付け
   た回路基板を浸漬沸騰冷却されるように配設するととも
   に、前記凝縮器の下方でかつ前記貯留部の上方に凝縮さ
   れて滴下する冷媒を集液するリザーバを設け、さらに、
   リザーバの底部に前記貯留部に冷媒を戻す液戻し管を、
   その管壁の一部もしくは全部を回路基板で構成して管内
   を流下する冷媒によって回路基板に取付けられた電子素
   子が降下液膜冷却されるように配設したことを特徴とす
   る電子素子の冷却装置。
2. ２．前記液戻し管を複数本備えるとともに、これら複数
   本の液戻し管の各下端が、開口端を貯留部の冷媒の液面
   下でかつ浸漬沸騰冷却されている回路基板の上方から外
   れた位置に配設した合流管に接続されていることを特徴
   とする請求項１記載の電子素子の冷却装置。
3. ３．前記液戻し管が、密閉された容器内の雰囲気から断
   熱されていることを特徴とする請求項１または２記載の
   電子素子の冷却装置。