JPH03283454A - 半導体冷却装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は冷媒液の沸騰・凝縮の相変化の作用により半導
体素子を冷却する半導体冷却装置に関する。

（従来の技術） 一般に、この種の半導体冷却装置としては、半導体素子
を冷媒液中に浸して冷却するタイプと、冷媒液を入れた
容器に半導体素子を密着させて冷却する半導体素子外置
きタイプの二種がある。

ここで、その半導体素子外置きタイプの冷却装置は、半
導体素子の交換がし易いことや、冷媒液が小量で済むな
どの利点があり、加えて半導体素子の周辺回路であるゲ
ート駆動回路部やスナバ回路部を半導体素子の近くに配
置して直接配線できることから、電気的性能に関しても
を利で、多く採用されている。

この半導体素子外置きタイプの冷却装置を第８図乃至第
１０図面の簡単な説明する。複数個の半導体素子１と沸
騰部容器２とが交互に配列して相互に密着状態とされて
いる。その各沸騰部容器２には絶縁管３ａとベローズ３
ｂより構成された連結管３の一端が接続され、この連結
管３の他端が凝縮器４の第１のヘッダ５に接続されてい
る。

この凝縮器４は前記第１のヘッダ５と、これに各々一端
を接続して並列した複数本の凝縮管６と、これら凝縮管
６の他端に接続された第２のヘッダ７とから構成され、
各凝縮管６には多数の冷却フィン８が外周に突出する状
態に設けられている。

また前記連結管３内には一端を前記第１のヘッダ５内下
部に開口し他端を前記沸騰部容器２内下部に開口したイ
ンナーチューブであるリターンバイブ９が設けられてい
る。

こうした半導体冷却装置の各沸騰部容器２内には第１０
図に示す如く冷媒液１０が封入されている。この冷媒液
１０が沸騰部容器２に密着する半導体素子１の発熱によ
り沸騰し、気泡１０Ａの状態で該沸騰部容器２内を浮上
して連結管３内を通り凝縮器４の第１のヘッダ５内に移
動する。そしてその気泡１０Ａが第１のヘッダ５内の冷
媒液１０の液面上に出て蒸気１０Ｂとなり、そこから各
凝縮管６内を第２のヘッダ７側に向かって移動する。こ
の際に蒸気１０Ｂが冷却フィン８を介し外部空気により
冷却されて凝縮し、この凝縮液１０Ｃが各凝縮管６内壁
を前記蒸気１０Ｂと反対に逆流して第１のヘッダ５内に
還流し、その下部の冷媒液１０と一緒になって沸騰部容
器２内に戻る。こうして冷媒液１０が蒸発・凝縮の相変
化を繰り返して半導体素子１を冷却する。

なお、半導体素子１の発熱量が大きいことで沸騰部容器
２内に多量の気泡１０Ａが発生する場合、この多量の気
泡１０Ａが連結管３内を第１のヘッダ５方に流れ、この
気泡１０Ａの流れに影響されて第１のヘッダ５側から冷
媒液１０が沸騰部容器２方に流れ難くなると、その沸騰
部容器２内への冷媒液１０の供給不足となって冷却性能
が低下するが、前述の如く連結管３内にリターンバイブ
９を設けているので、冷媒液１０が第１のヘッダ５内下
部より該リターンバイブ９を通って気泡１０Ａの逆方向
の流れに影響されずに沸騰部容器２に円滑に供給される
ようになる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、前述した従来の半導体冷却装置では、沸騰部
容器２内から連結管３を介して第１のヘッダ５内に移動
した気泡１０Ａがリターンバイブ９の一端から侵入して
沸騰部容器２方に逆流するのを防止するように、該リタ
ーンバイブ９の一端をｍｌのヘッダ５内の極力下部に開
口しているが、しかしその第１のヘッダ５内の下部と言
っても限界があり、その付近は気泡１０Ａが凝縮器４に
流れる入口となっているので、気泡１０Ａの量が多くな
ると、その気泡１０Ａがリターンバイブ９の一端開口か
ら侵入して沸騰部容器２方に逆流してしまい、これにて
第１のヘッダ５側から沸騰部容器２方の冷媒液１０の供
給量が少なくなって冷却性能の低下をきたす問題があっ
た。

本発明は前記事情に鑑みなされ、沸騰部容器から凝縮器
へ向かう気泡に影響されることなく、冷媒液の沸騰部容
器への供給を非常に円滑に行うことができて、著しく冷
却性能を向上できる半導体装置き型の半導体冷却装置を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は前記目的を達成するために、半導体素子と密着
され内部に冷媒液を収納した沸騰部容器と、この沸騰部
容器と連結管を介し内部連通されたヘッダ及びこのヘッ
ダに接続された複数の凝縮管よりなる凝縮器とを備え、
冷媒液の沸騰・凝縮作用により半導体素子を冷却する半
導体装置き型の半導体冷却装置において、前記沸騰部容
器から連結管を通って凝縮器に来る気泡が蒸気となって
凝縮管に向かう第１区分室と、凝縮管内からの凝縮液が
還流する第２区分室とに区画すると共に、この第２区分
室と前記沸騰部容器内下部とを連通ずるリターンバイブ
を設けて構成したことを特徴とする。

（作用） 前記構成の半導体冷却装置であれば、半導体素子の発熱
により、これに密着する沸騰部容器内の冷媒液が沸騰し
、その気泡が沸騰部容器内を浮上して連結管内を通り凝
縮器のヘッダ内の仕切りにより区画された第１区分室に
移動し、そこからヘッダ内の冷媒液面上に出て蒸気とな
って凝縮管内に移動する。ここでその蒸気が冷却されて
凝縮し、この凝縮液が凝縮管内よりヘッダ内の前記仕切
りにより区画された第２区分室に還流する。これでその
凝縮液が前記第１区分室を通る気泡や蒸気と確実に分離
される状態となり、そのままリターンバイブを介して沸
騰部容器内に戻るようになる。つまり沸騰部容器から多
量の気泡が発生して凝縮器へ向かうようになっても、こ
の気泡に影響されることなく、また該気泡がリターンバ
イブに侵入することもなく、凝縮器からの凝縮還流冷媒
液が沸騰部容器に非常に円滑に供給されるようになって
、著しく冷却性能が向上するようになる。

（実施例） 以下、本発明の幾つかの実施例を第１図乃至第７図によ
り説明する。なお図中前記第８図乃至第１０図に示した
ものと重複する構成のものには同一符号を付して説明の
簡略化を図る。

まず第１図に本発明の第１実施例を示す。前述同様の沸
騰部容器２の一側上部分に絶縁管３ａとベローズ３ｂよ
り構成された連結管３の一端が接続され、この連結管３
がやや斜め上方に傾斜し、この他端が凝縮器４の第１の
ヘッダ５の下端寄り部に接続されている。この第１のヘ
ッダ５の上側路３分の２の範囲に各々一端を接続して複
数本の凝縮管６が上下複数段に並列して設けられ、これ
ら凝縮管６の他端に第２のヘッダ７が接続して設けられ
ている。なおその各凝縮管６は第１のヘッダ５側から第
２のヘッダ７に向かってやや上方に傾斜する状態に設け
られている。またこの各凝縮管６には多数の冷却フィン
８が外周に突出する状態に設けられている。ここまでは
前記第８図乃至第１０図に示したものと同様である。

ここで、前記第１のヘッダ５内部の下から３分の１の高
さ（最下段の凝縮管６より少し下側位置）に仕切り１１
が水平に設けられ、これにて該第１のヘッダ５内部が下
方の第１区分室１２と、上方の第２区分室１３とに区画
されている。そしてその下方の第１区分室１２の一側上
部に一端を接続して蒸気管１４が設けられ、この蒸気管
１４の他端か前記第２のヘッダ７の下端部に接続されて
いる。これて前記沸騰部容器２から連結管３を通って凝
縮器４側に来る気泡１０Ａが前記下方の第１区分室１２
内の冷媒液１０液面上に出て蒸気１０Ｂとなって蒸気管
１４から第２のヘッダ７より各凝縮管６に向かうように
されている。また前記上方の第２区分室１３の底面であ
る仕切り１１にこの下方か上面に開口するようにリター
ンバイブ９の上端が接続され、このリターンバイブ９の
下端が前記下方の区分室１２内より連結管３内を通って
沸騰部容器２内下部に導通して開口されている。これで
各凝縮管６内壁を該凝縮管６の傾斜に沿って流れ落ちて
来る凝縮液１０Ｃが第１のヘッダ５内の上方の第２区分
室１３内に還流し、そこからリターンバイブ９を通って
沸騰部容器２内下部に戻るようにされている。

而して、前記第１実施例の半導体冷却装置であれば、半
導体素子の発熱により沸騰部容器２内の冷媒液１０が沸
騰し、その気泡１０Ａが鴻騰部容器２内を浮上して連結
管３内を通り凝縮器４の第１のヘッダ５内の仕切り１１
により区画された下方の第１区分室１２に移動し、そこ
から冷媒液面上に出て蒸気１０Ｂとなって蒸気管１４を
通り第２のヘッダ７より各凝縮管６内に移動する。ここ
でその蒸気１．　ＯＢが冷却フィン８を介し外部空気に
より冷却されて凝縮し、この凝縮液１０Ｃが凝縮管６内
壁を該凝縮管６の傾斜に沿って流れて第１のヘッダ５内
の前記仕切り１１により区画された上方の第２区分室１
３内に還流する。そしてこの凝縮液１０Ｃが前記仕切り
１１により区画された下方の第１区分室１２を通る気泡
１０Ａや蒸気１０Ｂと完全に分離されたまま、リターン
バイブ９を介して沸騰部容器２内に戻るようになると共
に、そのリターンバイブ９に気泡１０Ａや蒸気１０Ｂが
侵入するようなこともなくなる。これで沸騰部容器２か
ら多量の気泡１０Ａが発生して凝締盟４へ向かうように
なっても、この気泡１０Ａに影響されることなく、凝縮
器４側からの凝縮還流冷媒液１０が沸騰部容器２に非常
に円滑に供給されるようになり、著しく冷却性能が向上
するようになる。また沸騰部容器２への冷媒液の供給が
円滑になることで、その沸騰部容器２での処理し得る発
熱量が増大し、半導体素子の一層の大容量化に対応可能
となるばかりか、冷却性能向上により凝縮器４の小型化
と共に、装置全体の小型軽量化が実現できるようになる
。

第２図は本発明の第２実施例を示すもので、これは凝縮
器４の各凝縮管６の傾斜向きを前記第１実施例のものと
逆にした場合の例である。この場合は、凝縮器４の第１
のヘッダ５内部の底部から適当高さ立設するようにして
仕切り２１が設けられ、これにて該第１のヘッダ５内部
が連結管３と接続する付近から上端までに亘る広い第１
区分室２２と、連結管３の接続部と反対側の下部小範囲
の第２区分室２３とに区画されている。なおその仕切り
２１は上端が第２区分室２３上部を覆うように屈曲され
ているが、その一部が切欠されて小さな隙間２３ａが設
けられている。ここで前記第１区分室２２はそのまま各
凝縮管６の一端と連通されている。一方下部の第２区分
室２３の一側部に一端を接続して液戻り管２４が設けら
れ、この液戻り管２４の他端が第２のヘッダ７の下端部
に接続されている。また前記仕切り２１には第２区分室
２３内に開口するようにリターンバイブ９の上端が接続
され、このリターンパイプ９の下端が前記連結管３内を
通って沸騰部容器２内下部に導通して開口されている。

これて、前記沸騰部容器２から連結管３を通って凝縮器
４側に来る気泡１０Ａが第１のヘッダ５内の第１区分室
２２内の冷媒液１０液面上に出て蒸気１０Ｂとなって各
凝縮管６に向かうようになり、その各凝縮管６内で冷却
されて凝縮した凝縮液１０Ｃは該凝縮管６の傾斜に沿っ
て第２のヘッダ７に流れ落ち、そこから液戻り管２４を
介して第１のヘッダ５内の第２区分室２３内に還流し、
この凝縮液１０Ｃが前記仕切り１１により区画された第
１区分室２２を通る気泡１０Ａや蒸気１０Ｂと完全に分
離されたまま、リターンパイプ９を介して沸騰部容器２
内に戻るようになると共に、そのリターンバイブ９に気
泡１０Ａや蒸気１０Ｂか侵入するようなこともなくなる
。これで前記実施例同様に凝縮器４側からの凝縮還流冷
媒液１０が沸騰部容器２に非常に円滑に供給されるよう
になって、著しく冷却性能が向上するようになる。なお
万−第２区分室２３に気泡１０Ａが侵入しても、そこに
溜まることなく上部の小さな隙間２３ａから上方の第１
区分室２２に抜けて行くきょうになる。

第３図は本発明の第３実施例を示すもので、これは前記
第１実施例の蒸気管１４に凝縮管６同様の冷却フィン８
Ａを設けた例である。これでその蒸気管１４も凝縮管と
して活用でき、外部空気による凝縮器４の凝縮性能の向
上が図れるようになる。

第４図は本発明の第４実施例を示すもので、これは前記
第２実施例の液戻り管２４に凝縮管６同様の冷却フィン
８Ａを設けた例である。これてその液戻り管２４に混入
している蒸気を凝縮して凝縮液として第２区分室２３に
移動させるようにできる。この実施例の場合でも外部空
気による凝縮器４の凝縮性能の向上が図れるようになる
。

第５図は本発明の第５実施例を示すもので、これは前記
第１実施例を少し変更した例で、凝縮器４の第１のヘッ
ダ５内部に上下端に垂直に亘る仕切り５１か設けられ、
これにて第１のへラダ５内部が連結管３と連通ずる側の
第１区分室５２と、その反対側の各凝縮管６の一端と連
通する第２区分室５３とに縦割り状に区画されている。

その第１区分室５２の上端に蒸気管５４の一端が接続さ
れ、この他端が第２のヘッダ７の上端に接続されている
。また前記仕切り５１の下端より部に一端を接続して第
２区分室５３側に開口するようにリターンパイプ９が接
続され、このリターンバイブ９の下端が連結管３内を通
って沸騰部容器２内下部に導通して開口されている。

この実施例においても、前記沸騰部容器２から連結管３
を通って凝縮器４側に来る気泡１０Ａが第１のヘッダ５
内の第１区分室５２内の冷媒液１０液面上に出て蒸気１
０Ｂとなり、そこから蒸気管５４を介して第２のヘッダ
７に移動して各凝縮管６に侵入するようになる。そして
その各凝縮管６内で冷却されて凝縮した凝縮液１０Ｃは
該凝縮管６の傾斜に沿って流れ、第１のヘッダ５内の第
２区分室５３の下部に還流する。この凝縮液１０Ｃが前
記仕切り５１により区画された第１区分室５２を通る気
泡１０Ａや蒸気１０Ｂと完全に分離されたまま、リター
ンバイブ９を介して沸騰部容器２内に戻るようになると
共に、そのリターンバイブ９に気泡１０Ａや蒸気１０Ｂ
が侵入するようなこともなくなる。これで前記実施例同
様に凝縮器４側からの凝縮還流冷媒液１０が沸騰部容器
２に非常に円滑に供給されるようになって、著しく冷却
性能が向上するようになる。

第６図は本発明の第６実施例を示すもので、これは凝縮
器４の第２のヘッダ７を省略した例で、各々先端を閉塞
した複数本の凝縮管６Ａが第１のヘッダ５にそれぞれ基
端を接続してやや上向き傾斜で突出するように並設され
ている。この場合、第１のヘッダ５内部には該ヘッダ５
より適当に小さい略相似形をなす箱形状仕切り６１が設
けられ、この仕切り６１の外周が第１区分室６２とされ
、その仕切り６１の内部が第２区分室６３とされている
。またその仕切り６１の前記各凝縮管６Ａの基端接続口
とそれぞれ対向する箇所には液戻り口６１ａが開口され
、この液戻り口６１ａと各凝縮管６Ａの基端接続口との
間に樋状のガイド６４が掛は渡しされている。更に仕切
り６１の下端部に上端を接続して第２区分室６３内に開
口するようにリターンバイブ９が接続され、このリター
ンバイブ９の下端が連結管３内を通って沸騰部容器２内
下部に導通して開口されている。

この実施例においても、前記沸騰部容器２から連結管３
を通って凝縮器４側に来る気泡１０Ａが第１のヘッダ５
内の仕切り６１外周の第１区分室６２内の冷媒液１０岐
面上に出て蒸気１０Ｂとなり、そこから各凝縮管６Ａに
侵入するようになる。

そしてその各凝縮管６Ａ内で冷却されて凝縮した凝縮液
１０Ｃは該凝縮管６の傾斜に沿って逆流し、そして第１
のヘッダ５内の各樋状のガイド６４上を伝わって仕切り
６１の液戻り口６１ａからその内側の第２区分室６３内
に還流する。この凝縮液１０Ｃが前記仕切り６１により
区画された第１区分室６２を通る気泡１０Ａや蒸気１０
Ｂと完全に分離されたまま、リターンバイブ９を介して
沸騰部容器２内に戻るようになると共に、そのリターン
バイブ９に気泡１０Ａや蒸気１０Ｂが侵入するようなこ
ともなくなる。これで前記実施例同様に凝縮器４側から
の凝縮還流冷媒液１０が沸騰部容器２に非常に円滑に供
給されるようになって、著しく冷却性能が向上するよう
になる。またこの実施例では第２のヘッダ７が不要とな
って、凝縮器４の更に一層の小形軽量化が図れるように
なる。

第７図は本発明の第７実施例を示すもので、これは凝縮
器４に外部空気を横から強制的に送風して凝縮性能を高
めたタイプの冷却装置に本発明を適用した例で、凝縮器
４が縦置きされている。つまり第１のヘッダ５と第２の
ヘッダ７とか上下に水平に投首され、その間に各々冷却
フィン８を持つ複数本の凝縮管６か垂直に配して接続さ
れている。この場合、下側の第１のヘッダ５の一端より
部下面に下方の沸騰部容器２と連結する連結管３が接続
されていると共に、その第１のヘッダ５内部の一端より
部にこの上下壁に亘る仕切り７１か設けられ、これにて
第１のヘッダ５内部が連通管３と連通ずる一端側の第１
区分室７２と、その反対側の各凝縮管６の下端と連通ず
る第２区分室５３とに区画されている。その第１区分室
５２の上部に蒸気管７４の下端が接続され、この上端が
上側の第２のヘッダ７の一端に接続されている。

また前記仕切り５１の下端部に上端を接続して第２区分
室７３側に開口するようにリターンバイブ９が接続され
、このリターンバイブ９の下端が連結管３内を通って沸
騰部容器２内下部に導通して開口されている。

この実施例においても、前記沸騰部容器２から連結管３
を通って凝縮器４側に来る気泡１０Ａが第１のヘッダ５
内の第１区分室７２内の冷媒液１０液面上に出て蒸気１
０Ｂとなり、そこから蒸気管７４を介して第２のヘッダ
７に移動して各凝縮管６に侵入するようになる。そして
その各凝縮管６内で冷却されて凝縮した凝縮液１０Ｃは
該凝縮管６内を下方に流れ、第１のヘッダ５内の第２区
分室７３に還流する。この凝縮液１０Ｃが前記仕切り７
１により区画された第１区分室７２を通る気泡１０Ａや
蒸気１０Ｂと完全に分離されたまま、リターンパイプ９
を介して沸騰部容器２内に戻るようになると共に、その
リターンパイプ９に気泡１０Ａや蒸気１０Ｂが侵入する
ようなこともなくなる。これて前記実施例同様に凝縮器
４側からの凝縮還流冷媒液１０が沸騰部容器２に非常に
円滑に供給されるようになって、著しく冷却性能が向上
するようになる。特にこの実施例の場合、連結管３や各
凝縮管６並びに蒸気管７４が垂直に配するので、気泡１
０Ａや蒸気１０Ｂ並びに凝縮液１０Ｃの流れが迅速で円
滑となり、より一層の冷却性能の向上が図れるようにな
る。

なお、本発明は前述の各種実施例のみに限定されること
なく、それら各実施例の適当な組み合わせによる構成も
可能である。

〔発明の効果〕

本発明は前述の如く構成したから、沸騰部容器から凝縮
器へ向かう気泡に影響されることなく、冷媒液の沸騰部
容器への供給を非常に円滑に行うことができて、著しく
冷却性能を向上でき、最大熱処理能力が高まり、高性能
な半導体装置き型の半導体冷却装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は本
発明の第２実施例を示す断面図、第３図は本発明の第３
実施例を示す断面図、第４図は本発明の第４実施例を示
す断面図、第５図は本発明の第５実施例を示す断面図、
第６図は本発明の第６実施例を示す断面図、第７図は本
発明の第７実施例を示す断面図、第８図は従来例を示す
半導体１・・・半導体素子、２・・・沸騰部容器、３・
・・連結管、４・・・凝縮器、５，７・・・ヘッダ、６
・・・凝縮管、９・・・リターンパイプ、１０・・・冷
媒液、１１，２１゜５１．６１．７１・・・仕切り、１
２，２２，５２゜６２．７２・・・第１区分室、１３．
２Ｂ、５３゜６３．７３・・・第２区分室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体素子と密着され内部に冷媒液を収納した沸騰部
   容器と、この沸騰部容器と連結管を介し内部連通された
   ヘッダ及びこのヘッダに接続された複数の凝縮管よりな
   る凝縮器とを備え、冷媒液の沸騰・凝縮作用により半導
   体素子を冷却する半導体冷却装置において、前記凝縮器
   のヘッダ内部に仕切りを設けることにより、前記沸騰部
   容器から連結管を通って凝縮器に来る気泡が蒸気となっ
   て凝縮管に向かう第１区分室と、凝縮管内からの凝縮液
   が還流する第２区分室とに区画すると共に、この第２区
   分室と前記沸騰部容器内下部とを連通するリターンパイ
   プを設けて構成したことを特徴とする半導体冷却装置。