JPS60102759A - 浸漬沸騰冷却装置 - 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】 ｆａ）　発明の技術分野 本発明は沸騰蒸発冷却媒体を封入し、半導体素子等の発
熱体を冷却する浸漬沸騰冷却装置に係り。

特に該冷却装置の容器が密閉されていない冷却構造に関
する。

（ｂ）　技術の背景 電子計算機等の高性能化に伴い、その構成部品の高密度
実装の趨勢は留まる所を知らない。その結果特に半導体
素子や半導体集積回路等の能動素子が極端に高密度化、
小型化して放熱密度が増大し、その冷却が大きな問題と
なってきている。その冷却方法も従来の強制空気冷却や
強制水冷却では一ト述の高い放熱密度に対応仕切れず、
低沸点の冷却媒体に浸漬して該冷却媒体の蒸発熱を利用
した浸漬沸騰冷却法が盛んに用いられてきている。

（Ｃ）　従来技術と問題点 前述のように浸漬沸騰冷却法では半導体素子や半導体集
積回路を直接沸騰蒸発冷却媒体（以下単に冷媒という）
に浸漬するので、該冷媒には熱的特性の良い水を使用す
ることば出来ない。Ａｉｆ記の電子部品と化学的な適合
性を持つ化学的不活性な６媒として、今日では弗化ハロ
ゲン化炭化水素が広く用いられている。その沸点は３０
〜１７４℃に分布し、沸騰冷却媒体として使用された場
合には。

０．１６〜０．６４Ｗ／　ｃｍ／　ｄｅｇという熱伝達
係数を実現することが出来る。

第１図の断面図に従来の浸／ｆｉ沸騰冷却装置の一例を
概念的にボす。被冷却体である半導体素子や半導体集積
回路（以下発熱体１という）を前記浸漬沸騰冷却装置の
容器本体２の底部Ｂに蓄えられた十分な量の冷媒３に浸
漬しておく。容器本体２の蓋部を構成するコールドプレ
ート４の容器側の面には図に示すように冷却水で冷却さ
れている冷却フィン群５ａを有する凝縮器５が配設され
ている。

図には示されていない水源より送られた冷却水が接手７
を経てコールドプレート４の内部に形成された水路６を
通ってコールドプレート４を十分冷却した上、接手８よ
り前記水源に還送される。前記コールドブｌ／　−１−
４は熱伝導性の高い銅等の金属で形成されているから、
凝縮器５の冷却フィン５ａはＩ−分に冷却され、これに
接触する前記冷媒３の蒸気を冷却液化することが出来る
ので、前記浸漬沸騰冷却装置の冷媒蒸気の凝縮部を構成
することが出来る。

発熱体１に電気的入力を印加すると１発生した熱により
発熱体１に接触している低沸点の冷媒は容易に沸騰蒸発
気化して上昇し、前記凝縮器５の冷却フィンに接触して
急激に液化し、容器本体２の内壁面を伝わって再び容器
本体２の下部の液体の冷媒に合流する。上述の過程にお
いて、冷媒３が蒸発する時に重大な気化熱を奪うのでＭ
ｉｔ記発熱体ｌは冷却される。また冷却フィンに触れて
前記冷媒３の蒸気３ａが液化する時にｈｋ出される凝縮
熱は凝縮器５を経て蓋部４内を流れる冷却水により系外
に排出される。

以上の冷却過程を実現するための実際的手段としては、
蓋部４と容器本体２との間には、０リングのような気密
シール手段９が必要であり、さらに真空コックｌＯを介
して排気ポンプ１１を連結して置かねばならない。即ち
、容器本体２に冷媒３を適当量注入した後、り・ｊ象と
する半導体集積回路素子等の発熱体１を浸漬し、気密シ
ール手段９を整えて蓋部を兼ねたコールドプレート ２を密閉する。しかる後真空コック１０を開き，排気ポ
ンプ１１を作動させて容器本体２内を排気して内部の空
気を排除する。その後，真空コックＩＯを閉じると容器
本体２は外部と隔絶され，冷媒３　（弗化ハロゲン化炭
化水素）の蒸気だけで充満されるので，前述の冷却動作
を行うことが出来る。

上述のように容器本体２の内部は空気排除のために一旦
減圧排気をすることが必要であるので。

大気圧の圧力に耐え得るように容器本体２の壁厚は相当
な厚さになり，その重量も大きくなり，高価になるのを
免れない。特に封じ切りとして真空コック１０と排気ポ
ンプ１１を持たない浸漬沸騰冷却装置として電子機器に
直接組み込まれる場合には。

容器本体２を小型かつ軽量にすることが特に要求がされ
るが，　−）：述のような密閉構造の沸騰冷却装置の構
造ではそのり・ｊ応が難しく，電子機器，特に電子計算
機の場合には小型、高密度実装の点から重大な障害とな
る。

次ぎに，蒸発空間が密閉されているために発生ずる障害
として，空気の混入の問題がある。前述のように気密シ
ール手段は完全な気密を保てない場合があり，また冷却
媒体３内に吸蔵されている空気が排出されることもあり
，當Ｇこいくらかの空気が残存している。一般に冷却媒
体の蒸気は空気よりも重いので，空気は容器本体２の上
部に集まり，＃縮器５の冷却フィン５ａの一部を包囲し
て冷媒３の蒸気が接触するのを妨害する結果，冷媒３の
蒸気の液化を妨げて，装置全体の冷却能力を低下させる
。これを回避するためには，凝縮器５よりさらに高い所
に空気溜め室を設けてここに残存空気を集める構造を設
ける場合がある。

さらに残存した空気はある分圧を有するため。

容器本体２内の気体の全圧力は空気の分圧と冷媒３の蒸
気圧と和となる結果．冷媒の沸騰点が上昇して，沸騰冷
却の場合の温度が，通常の冷媒３の沸騰点より上昇して
，発熱体ｌの温度を上昇するという難点が発生する。

このように密閉構造の浸漬沸騰冷却装置の欠点を克１封
し、」上述の欠点を解消出来る手段が待望されていた。

（ｄｌ　発明の目的 本発明は前述の点に泥めなされたもので、電子回路構成
体を沸騰冷却装置の冷媒に浸漬して冷却する際に、従来
の密閉された蒸発空間が原因で派生する。容器本体２の
大型重量化の傾向等の諸欠点を改善した。小型軽量な浸
漬沸騰冷却装置を提供しようとするものである。

ｔｅｌ　発明の構成 」二記の発明の目的は、半導体能動素子等の発熱体を容
器中に収容した冷却媒体中に浸漬し、該冷却媒体の沸騰
蒸発により前記発熱体を冷却し、蒸発した前記冷却媒体
の蒸気を前記容器内に設りられた冷却手段により冷却し
て液化して液状の前記冷却媒体に還流する浸漬沸騰冷却
装置において。

前記容器内部に連結し、かつ外部人気中に開放する開放
路を有すると共に、該開放路を通過する前記冷却媒体の
蒸気を冷却液化させる第２の冷却手段を備えてなる構造
を採用することで容易に達成される。

（ｆｌ　発明の実施例 前記＋０１項に於いて説明した第１図に示す従来の浸漬
沸騰冷却装置に対し１本発明に基づく浸漬沸騰冷却装置
の特徴は、冷媒の蒸発充満する蒸発空間（容器本体２の
内部）が密閉されておらず常に大気圧に保たれているこ
とである。

以下本発明の実施例につき図面を参照して説明する。第
２図は本発明に基づく浸漬沸騰冷却装置の一実施例の構
造を示す断面図である。

容器本体２に満たした冷媒３の上部に体積Ｖａの蒸発空
間を有するものとし９本字間には従来の通り、主凝縮器
２５が設置されている。蒸発空間はその天井部に開放路
２１が連結されている。開放路２１ば人気中に開放され
ているので、蒸発空間も大気圧にあることになる。

第２図に示すように１本実施例においては、浸漬沸騰冷
却装置は排気ポンプ１１や真空コック１０が付属してい
ない。発熱体１を容器本体２に収容して冷媒３を所定量
注入した後、コールドプレート４で気密シール手段を介
して蓋をすると、蒸発空間は空気と冷媒３の蒸気との混
合気体で満たされる。

今２発熱体が発熱を開始する前の状態として温度Ｔｏ’
の冷却水が水源から供給されており、それによって冷媒
３および混合気体の温度もＴｏにあるものとする。但し
熱伝達の熱抵抗からＴｏは冷却水の温度Ｔｏ’より少し
く高い）その時の混合気体に占める冷媒３の蒸気圧をＰ
ａｏ（気圧）とすると残存空気の体積はＶａ　（１−Ｐ
ａｏ）となる。

発熱体が発熱を開始すると冷媒３の温度はＴ。

から上昇を始め、それに伴い蒸気圧もＰａｏから上昇を
始め、混合気の圧力を高めようとする。然し容器内の空
間は開放路２１によって容器外へ導かれているため、実
際は圧力は上がらず、空気と蒸気の混合気を開放路２１
を経由して容器外に排出する。

冷媒３の温度が沸騰点に達すると蒸気圧は１気圧となり
残存空気の体積は零となる。即ち冷媒３の蒸気により空
気が排除される。

然し、そのままでは開放路２１内の冷媒蒸気は外部空気
に接する部分から浸漬沸騰冷却装置外に拡散し去るので
、この冷媒蒸気を液化して容器本体２に還流するために
第２凝縮器２２が開放路２Ｉの途中に配設されている。

例えば長い銅製の蛇管で開放路２１を構成し、その周囲
を冷却ジャケット２３で囲み、接手２４を介して冷却水
３８を通水して該蛇管（開放路２１）を冷却すると、開
放路２１を通過する混合気体の温度は冷却水温Ｔｏ”に
近いＴｏまで下げられ、その冷媒蒸気圧もＰａｏまで下
がり、液化した冷媒は容器本体２に還流される。即ち、
冷媒蒸気が浸漬沸騰冷却装置外に離脱消耗することを防
止出来る。

上述した第２凝縮器２２ば通過する混合気体の温度を冷
却水温まで下げる機能を要求されているわけであるから
、開放路２１は十分長い通路で、かつ冷媒蒸気が接触し
易い構造であることが望ましい。

銅製の管を蛇管状（コイル状）に巻いた単純なものから
羊腸状の複雑なもの、管内に突出した冷却鰭を有するも
の等は一層好適である。

前述の説明で明らかなように、第２凝縮器２２ば０ 単に冷媒蒸気の内、容器外に排出されるもののみを冷却
するためのものであるから、冷媒蒸気に苅する流動抵抗
はこの際には問題にならないので、上述のような複雑な
管内構造でも支障かなく、シかも開放路２１を通じての
冷媒蒸気の流出は実用上無視出来る程度の消耗量におさ
えることは可能である。

ざらに、第３図および第４図に第２凝縮器の他の実施例
を示す。Ｐ型およびＮ型の半導体るこよるペルチェ効果
を凝縮器に応用したもので、第３図は半導体吸熱器３１
（鎖線で図示）を備えた第２凝縮器３０を示す断面図で
あって、開放路２Ｉは伝熱材３２に包囲されており、さ
らに第２凝縮器３０全体は断熱材３３で包囲されている
。開放路２１の熱は伝熱材３２で抵抗少なく半導体吸熱
器３１に吸熱される。

外側の断熱口３３は外部からの熱の侵入を防止するため
のものである。

第４図は上述の半導体吸熱器３１の構造を概念的に示す
もので、第２凝縮器３０を側面からみた断面図である。

複数のｌ）型およびＮ型の冷却素子３４の、冷却側３４
ａが伝＝　＋、１３２に接触し゛ζ配設されており、放
熱側３４ｂは伝熱材３６を介して冷却シ中ケソＬ　：３
１を流れる冷却水３８に接触している。冷却素子３４は
導体３５で１いに直列に接続されており、端子３９を介
して冷却素子駆動用の電源４０に接続されている。

従って、開放路２１に接触した混合気体の熱は少ない熱
抵抗の伝熱＋１３２中を容易に通過し、半導体吸熱器３
１で吸熱され、冷却水３Ｂで系外に排除される。半導体
吸熱器３１は一４０°Ｃ程度の冷却能力を備えているの
で、開に路２１の温度を１分低下させ。

中を通過する混合気体中の冷媒蒸気を液化して回収する
機能を著しく改善することが出来る。

（ｇ＋　発明の効果 以上の説明から明らかなように２本発明による第２凝縮
器２２を備え人＝開放路２１を有する浸漬沸騰冷却装置
は、内部の冷媒蒸気圧が大気圧でよいためＧこ、容器本
体やコールドプレートか従来の浸漬沸騰冷却装置のよう
に大気圧に耐える強度を要求されないので軽量化、コン
パクト化される利点が１ ある。

また随時に内部を開放して例えば発熱体のプリント板搭
載の電子回路構成体を取り出して不具合部分を修理する
ことが可能となり特に浸漬沸騰冷却装置を使用する電子
回路構成体の試験や試作に便利である。

さらに冷媒蒸気圧がほぼ１気圧に保たれるので冷媒の／
Ｊ１１騰点も一定し、冷却作用が一定になるという長所
がある。また、主凝縮器の周囲の空気は容易に開放路の
方に排除されるので主凝縮器の能力も安定して浸漬沸騰
冷却装置の冷却動作も安定する。

以上のように従来の密閉型の浸漬＄騰冷却装置に比して
、多くの長所を有しており、高密度の発熱量を要求する
電子回路構成体の冷却に特に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の浸漬沸騰冷却装置を概念的に示す断面図
、第２図は本発明に基づいた開放型の浸漬沸騰冷却装置
の構造を示す断面図、第３図およ３ ２ び第４図は、半導体吸熱器を使用して凝縮能力を強化し
た第２′ｍ縮器の別の変形例の構造を示す。 それぞれの正面断面図および側面断面図である。 図において、１は発熱体、２は容器本体、３は冷媒、　
３ａは冷却媒体蒸気、４はコールドプレート（蓋部を兼
ねる）５は冷却フィン、６は冷却水水路、７．８は接手
、９はシールド゛部材、１０は真空コック、１１は排気
ポンプ、２１は開放路、　２２．３０は第２凝縮器、２
３は水ジャケット、２４は通水用接手、２５は主凝縮器
、３１は半導体吸熱器、　３２．３６は伝熱材、３３は
断熱材、３４は半導体冷却素子、３５は導体、３７は冷
却水ジャケット、３８は冷却水、４０ば電源をそれぞれ
示す。 ４ 第　３図 第　４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１半導体能動素子等の発熱体を、容器中に収容した
   冷却媒体中に浸漬し、該冷却媒体の沸騰蒸発により前記
   発熱体を冷却し、蒸発した前記冷却媒体の蒸気を前記容
   器内に設けられた冷却手段により冷却液化して液状の前
   記冷却媒体に還流する浸漬沸騰冷却装置であって、前記
   容器に連結し、かつ外部人気中に開放する開放路を有す
   ると共に。 該開放路を通過する前記冷却媒体の蒸気を冷却液化させ
   る第２の冷却手段を備えてなることを特徴とする浸漬沸
   騰冷却装置。 （２）前記開放路を包囲した伝熱材と、該伝熱材に熱的
   に接触した半導体吸熱器とで構成された前記第２の冷却
   手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載した浸漬沸騰冷却装置。