JPH0354849A - 低温冷却装置 - 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】 〔概　要〕 液体窒素温度のような低温領域において高速演算性能を
発揮する電子機器用デバイスを冷媒より沸騰冷却する低
温冷却装置に関し、 複雑な機構を使用せずに、発熱体表面に冷媒の強性対流
を発生させ冷却性能を向上させることを目的とし、 低温冷媒を満たした気密容器に、気化した冷媒の蒸気を
凝縮、再液化するための液化機を結合し、前記冷媒に浸
漬した発熱体を低温沸騰冷却する低温冷却装置において
、上記冷媒に浸漬した発熱体の周囲をその表面と適宜の
間隔を持って囲い、且つ上下が開放された筒を設けるよ
うに構或する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液体窒素温度のような低温領域において高速演
算性能を発揮する電子機器用デバイスを冷媒により沸騰
冷却する低温冷却装置に関する。

半導体の電子移動度は、低温になるほど向上する。この
性質を利用してＨＥＭＴあるいはＣＭＯＳなど、液体窒
素温度で作動させることを目的とした高速演算素子が開
発されている。これらの素子は、液体窒素温度のような
低温に保持すると同時に、この温度以下で、室温の素子
と同様、効率良く熱を放敗させることが必要である。

〔従来の技術〕

従来、電子機器などの発熱体を低温環境で冷却・放熱す
る手段としては、冷凍機の熱交換部分に発熱体を接触さ
せて熱伝導で放熱する方法もあるが、発熱量が大きな場
合には、低温液体に浸漬する沸騰熱伝導方式が優れてい
る。第３図は沸騰熱伝導方式に用いる従来の低温冷却装
置を示す図である。

この低温冷却装置は、液体窒素等の冷媒１を満たした気
密容器２に液化機３を結合し、冷媒１の中に浸漬した発
熱体４を冷却するようにしたものであり、発熱体４から
熱を奪って蒸発した冷媒は液化機３で再液化され気密容
器２に戻され循環して使用されるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の低温冷却装置では、近年の電子機器の発熱量
の増大に伴い、より大きな冷却能力が要求されている。

しかしこの要求に対応するためには次のような問題点が
ある。

■沸点１００Ｋ以下の低温冷媒として、毒性や反応性の
ない安定な冷媒液体は液体窒素、液体ヘリウムなど、極
くわずかなものしかなく、したがって、その冷却能力に
はおのずと限界がある。

■液化機で再液化された冷媒はトランスファーチューブ
を自重で流れて冷却用の気密容器に戻るが、発生した蒸
気と再液化した冷媒液体の分離、流し分けが難しく、し
ばしば逆流が生じ冷却の安定性が阻害されていた。

これらの解決には、冷媒液体の強性循環を行う必要があ
るが、低温で熱流入が小さく性能の高い循環装置の開発
は難しく、電子機器の冷却に使用する小型冷却装置での
実用化には不適当であるという問題があった。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、機械的に複雑な機構
を使用せずに、発熱体表面に冷媒の強制対流を発生させ
冷却能力を向上させた低温冷却装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達戒するために、本発明の低温冷却装置では
、低温冷媒１を満たした気密容器２に、気化した冷媒の
蒸気を凝縮、再液化するための液化機３を結合し、前記
冷媒１に浸漬した発熱体４を低温沸騰冷却する低温冷却
装置において、上記冷媒１に浸漬した発熱体４の周囲を
その表面と適宜の間隔を持って囲い、且つ上下が開放さ
れた筒５を設けたことを特徴する。

〔作　用〕

発熱体４を囲う筒５を設けたことにより、発熱体４の熱
で蒸発した冷媒の気泡が該筒５の中の冷媒１を押し上げ
て冷媒１に対流を起こさせ、発熱体４を効率良く冷却す
ることができる。また対流効果によりトランスファーチ
ューブ内の再液化された冷媒の逆流を防止することがで
きる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例を示す図である。

本実施例は冷媒１を満たした気密機器２に液化機３を接
続していることは第３図で説明した従来例と同様であり
、本実施例の要点は、冷媒１の中に浸漬した発熱体４の
外周に適当な間隔を持って取り巻き、且つ上下が開放し
た筒５を設けたことである。

このように構威された本実施例は、冷媒１として液体窒
素を用いた場合、発熱体４に接した冷媒１から発生する
気泡の大きさは直径０．５〜２，Ｑｍｍ程度であるので
、筒５の内側と発熱体４とのすきまがＱ，５ｍｍ以下で
は気泡がトラップされて冷却能力が急速に低下するが、
すきまが気泡の直径よりやや広い程度であると気泡の上
昇が冷媒１を押し上げて冷媒１に対流を生じさせる。筒
５の内側と発熱体４とのすきまがさらに広がり５０ｍｍ
以上になると気泡の上昇にともなう対流が減少し、冷却
効果は低下する。従って筒５の内側と発熱体４とのすき
まは０．５〜５０ｍｍの範囲が適当である。

第２図は本発明の第２の実施例を示す図である。

本実施例が第ｌの実施例と異なるところは、筒５の下方
の開放端を液化機３から再液化した冷媒６を密閉容器２
に戻すトランスファーチューブ７と接続したことであり
、他は第１の実施と同様である。

このように構或された本実施例は、発熱体４から熱を奪
って蒸発した冷媒の気泡が筒５内の冷媒１を押し上げ対
流を生じさせ、その対流によって素子表面の気泡を効率
良く除去し冷却能力を向上する。またこの対流によって
トランスファーチューブ７内の再液化された冷媒６を吸
引するためチューブ７の逆流が防止される。これにより
安定した冷却ができる。

第３図は本発明の第３の実施例を示す図である。

同図において第２図と同一部分は同一符号を付して示し
た。

本実施例が第２図の前実施例と異なるところは、筒５の
下部に複数個の小孔８を設けたことである。

このように構戊された本実施例は、筒５の対流効果によ
り、トランスファーチューブ７から再液化された冷媒６
を吸引してその逆流を防ぐと共に、小孔８から筒５の周
囲の冷媒１を吸い込み発熱体４の冷却を一層向上するこ
とができる。

本実施例の実際例として、１００ｍｍ角の回路基板にｌ
Ｑｍｍ角のＬＳＩチップを４Ｘ４＝１　６個搭載し、こ
れを液体窒素を満たした密閉容器２に浸漬し、この回路
基板と５ｍｍのすきまでステンレス製の筒で囲い、その
下方の開放端をトランスファーチューブと結合した。素
子に電力を印加すると沸騰が始まり、素子は気化熱を奪
われて冷却され、沸騰して発生した窒素ガスの気泡は筒
５内を上昇する際に筒内の液体窒素を押し上げて対流を
生じさせ、素子表面の気泡を除去することができ、従来
の液体窒素に単純浸漬した場合の最大冷却能力が素子面
積当り１６Ｗ／ｃｒｌであったものが約２倍の３０Ｗ／
ｃｕｔに向上した。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明によれば、発熱体を囲う筒を設
けたことにより、発熱体の熱で沸騰して生じた冷媒蒸気
の気泡が筒内の冷媒を押し上げて対流を起こさせるため
、発熱体に対する冷却効率の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第ｌの実施例を示す図、第２図は本発
明の第２の実施例を示す図、第３図は本発明の第３の実
施例を示す図、第４図は従来の低温冷却装置を示す図で
ある。 図において、 １は冷媒、 ２は気密容器、 ３は液化機、 ４は発熱体、 ５は筒、 ６は再液化された冷媒、 ７はトランスファーチューブ、 ８は小孔 を示す。 本発明の第１の実施例を示す図 １図 １・・・冷媒 ４・・・発熱体 ５・・・筒 本発明の第２の実施例を示す図 第２図 ４・・・発熱体 本発明の第３の実施例を示す図 第３図 ８・・・小孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低温冷媒（１）を満たした気密容器（２）に、気化
   した冷媒の蒸気を凝縮、再液化するための液化機（３）
   を結合し、前記冷媒（１）に浸漬した発熱体（４）を低
   温沸騰冷却する低温冷却装置において、 上記冷媒（１）に浸漬した発熱体（４）の周囲をその表
   面と適宜の間隔を持って囲い、且つ上下が開放された筒
   （５）を設けたことを特徴とする低温冷却装置。 ２、請求項１記載の低温冷却装置の筒（５）の下方開放
   部を液化機（３）の凝縮した冷媒の復路（７）と結合し
   たことを特徴とする低温冷却装置。