(57)【要約】【課題】伝熱面におけるバーンアウトの危険性が低く、かつ、半導体素子等の発熱体から伝熱面に伝わる熱の抵抗が極力小さい沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】内部に冷媒液７を収容すると共に、半導体素子１等の発熱体から生じた熱が伝熱部材を介して冷媒液７に伝達されることにより冷媒液７を沸騰させる冷媒槽２を備えた沸騰冷却装置において、伝熱部材における冷媒液７が接触する面（伝熱面８ａ）には、発熱体から伝熱部材へ伝達される熱の等熱流束線を基準とした形状となるように冷媒液７側に向かって突出した凸部が、全ての発熱体に対応して形成されていると共に、凸部には冷媒液７のみが接触することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒液を収容すると共に、発熱体から生じた熱が伝熱部材を介して該冷媒液に伝達されることにより該冷媒液を沸騰させる冷媒槽を備えた沸騰冷却装置において、
前記伝熱部材における前記冷媒液が接触する面には、前記発熱体から該伝熱部材へ伝達される熱の等熱流束線を基準とした形状となるように該冷媒液側に向かって突出した凸部が、全ての該発熱体に対応して形成されていると共に、該凸部には該冷媒液のみが接触することを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記凸部の基端部における幅は、該凸部に対応した前記発熱体の幅よりも広い請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記凸部内に限界熱流束線が収まる請求項１又は２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記凸部の前記冷媒液との接触面は、連続的に傾斜している請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記凸部の前記冷媒液との接触面は、球面または楕円面の一部分と同一形状からなる請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記凸部の外形は、階段状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項７】
前記凸部の外形は、錘状であり、該凸部内に限界熱流束線が収まる請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項８】
前記凸部は、前記伝熱部材における限界熱流束の分布形状に沿った形状である請求項５に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の沸騰による潜熱移動によって半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子はますます高集積化、高容量化及び高速化の傾向にあり、それに伴い、半導体素子の発熱量や発熱密度が増大している。こうした事情を背景に、半導体素子を含む半導体装置を効果的に冷却できる高性能で小型の冷却装置へのニーズが高まっている。
【０００３】
駆動に伴い発熱する半導体素子を冷却する装置として、例えば、特開平８−７８５８８ 号公報（特許文献１）、および、特開平８−２０４０７５号公報（特許文献２）に記載された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置の基本構成は、図６に示すように、複数の半導体素子１を取り付ける冷媒槽２と、冷媒蒸気９を凝縮させる凝縮器３からなる。冷媒槽２は中空容器であり、内部は冷媒液７で満たされ、伝熱部材である外壁面または底面に発熱源である半導体素子１が接合されている。
【０００４】
半導体素子１に発生した熱は、冷媒槽２との接合位置から、冷媒槽２の半導体素子１の接合位置に対応する内壁面（以下、伝熱面８と呼ぶ）に伝わり、伝熱面８から冷媒液７へと伝熱する。冷媒液７は伝熱面８と直接接触しており、伝熱面８上で沸騰し、相変化によって冷媒蒸気９となり、伝熱面８を冷却する。
【０００５】
蒸発した冷媒蒸気９は連結管４内を上方へと移動し、冷媒槽２の上方に設置した凝縮器３の冷却管５へと導かれ、冷却管５に配置された放熱フィン６を介して大気・水などの２次冷却媒体と熱交換し、再び凝縮して冷媒液７となり、冷媒槽２へ戻る。
【特許文献１】特開平８−７８５８８号公報
【特許文献２】特開平８−２０４０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した従来の沸騰冷却装置においては、冷媒槽２の伝熱部材の板厚が均一であり、伝熱面８が平らな形状となっている。このため、図７に示すように、半導体素子１の熱が球状に広がることによって、伝熱面８の中央付近ほど熱流束が高くなる。そして、伝熱面８の熱流束が限界熱流束を超えた場合には、冷媒液７の沸騰が核沸騰から膜沸騰へと移行し、バーンアウト現象が生じ得る。図７において、破線は等熱流束線１２、一点鎖線は限界熱流束線１３を示す。
【０００７】
膜沸騰が起こると、伝熱面８が膜沸騰気泡１１からなる冷媒蒸気９で覆われるため、熱伝達性能が極端に低下し、伝熱面温度が急上昇し、それに追従して半導体素子１の温度が上昇し、暴走・破壊の原因となる。
【０００８】
この問題に対して、従来、図８に示すように、伝熱面８の熱流束が限界熱流束を超えないように、冷媒槽２の伝熱部材の板厚を一様に増大させることも考えられている。この場合、伝熱面８上に膜沸騰気泡１１は発生せず、核沸騰気泡１０のみが発生し、良好な沸騰状態を保つことができる。
【０００９】
ところが、このようにすると、熱流束の低減を図りたい伝熱面８の中央付近のみならず、もともと熱流束が限界熱流束に達していなかった伝熱面８の外周付近においても、冷媒槽２の伝熱部材の板厚を一様に増大させることになる。このため、冷媒槽２の熱抵抗は過剰に大きくなり、半導体素子１の冷却効果が悪化し得る。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、伝熱面８での膜沸騰を抑制することによって、耐バーンアウト性を高めると共に、半導体素子１等の発熱体から伝熱面８に伝わる熱の抵抗を抑制し得る沸騰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】
【００１１】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１２】
１．請求項１に記載の発明は、内部に冷媒液を収容すると共に、発熱体から生じた熱が伝熱部材を介して冷媒液に伝達されることにより冷媒液を沸騰させる冷媒槽を備えた沸騰冷却装置において、伝熱部材における冷媒液が接触する面には、発熱体から伝熱部材へ伝達される熱の等熱流束線を基準とした形状となるように冷媒液側に向かって突出した凸部が、全ての発熱体に対応して形成されていると共に、凸部には冷媒液のみが接触することを特徴とする沸騰冷却装置である。
【００１３】
なお、全ての発熱体とは、発熱体が１個の場合にはその１個を指し、発熱体が複数個の場合にはその全てを指す。
【００１４】
手段１によれば、冷媒槽の伝熱部材の板厚が、伝熱面の中央付近において最も厚くなるように、冷媒槽の内部に向かって凸状に膨らんでいるため、冷媒槽の伝熱部材の板厚が一様である従来の沸騰冷却装置と比べて、伝熱面の中央付近の熱流束を低減することができ、伝熱面の外周付近と中央付近の熱流束を近い値とすることができる。
【００１５】
これにより、伝熱面における冷媒液の膜沸騰の発生を抑制し、耐バーンアウト性を高めると共に、伝熱面の外周付近の伝熱部材の板厚が過剰に厚くならないことにより、半導体素子等の発熱体から伝熱面に伝わる熱の抵抗を抑制することができる。
【００１６】
２．請求項２に記載の発明は、前記凸部の基端部における幅は、凸部に対応した発熱体の幅よりも広い請求項１に記載の沸騰冷却装置である。
【００１７】
手段２によれば、半導体素子等の発熱体の全幅にわたって、手段１に記載した効果を付与することができる。
【００１８】
３．請求項３に記載の発明は、前記凸部内に限界熱流束線が収まる請求項１又は２に記載の沸騰冷却装置である。
【００１９】
手段３によれば、伝熱面において冷媒液の膜沸騰は発生しない。
【００２０】
４．請求項４に記載の発明は、前記凸部の冷媒液との接触面は、連続的に傾斜している請求項１に記載の沸騰冷却装置である。
【００２１】
手段４によれば、伝熱面は、球面、楕円面、錘状のような曲面または斜面の連続によって形成され、発熱体が接合された冷媒槽の外壁面または底面に垂直となる面は形成されない。したがって、例えば、単純な矩形の一段の凸部で伝熱面を形成することはない。
【００２２】
５．請求項５に記載の発明は、前記凸部の冷媒液との接触面は、球面または楕円面の一部分と同一形状からなる請求項４に記載の沸騰冷却装置である。
【００２３】
半導体素子等の発熱体に発生した熱は、冷媒槽との接合位置から球状に広がり、冷媒槽内面の伝熱面に伝わることから、手段５によれば、伝熱面の熱流束を、伝熱面の中央付近においても、外周付近においても限界熱流束に近い値とすることができる。これにより、耐バーンアウト性を高めつつ、半導体素子等の発熱体から伝熱面に伝わる熱の抵抗を最も小さく抑えることができる最良の伝熱面形状となり得る。
【００２４】
６．請求項６に記載の発明は、前記凸部の外形は、階段状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置である。
【００２５】
手段６によれば、例えば、手段５に示す伝熱面の形状に近い形状を、平板を積み重ねた階段状により成形するため、手段５に示すような球面加工は不要であり、成形性に優れている。
【００２６】
７．請求項７に記載の発明は、前記凸部の外形は、錘状であり、凸部内に限界熱流束線が収まる請求項４に記載の沸騰冷却装置である。
【００２７】
手段７によれば、伝熱面の先端部が限界熱流束に達するまでには熱流束に余裕があるため、半導体素子等の発熱体の発熱量が想定よりも若干大きくなった場合においても、伝熱面の先端部では良好な核沸騰を発生させることができ、確実にバーンアウトを防止することができる。
【００２８】
８．請求項８に記載の発明は、前記凸部は、伝熱部材における限界熱流束の分布形状に沿った形状である請求項５に記載の沸騰冷却装置である。
【００２９】
手段８によれば、伝熱面の熱流束が、伝熱面の中央付近においても、外周付近においても最も限界熱流束に近い値となっているため、伝熱面における冷媒液の沸騰は、膜沸騰となることはなく、半導体素子からの熱を高効率で移動させることが可能な核沸騰を、伝熱面の全面において激しく発生させることができる。すなわち、耐バーンアウト性を高めつつ、半導体素子等の発熱体から伝熱面に伝わる熱の抵抗を最も小さく抑えることができる最良の伝熱面形状となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の沸騰冷却装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態を示す沸騰冷却装置の断面図である。本実施形態の沸騰冷却装置の基本構成は、図６に示した従来技術の沸騰冷却装置と同様であり、図６において、既に示した部品については、以下においても同じ番号を付している。
【００３１】
本実施形態の沸騰冷却装置は、複数の半導体素子１を取り付ける冷媒槽２と、冷媒蒸気９を凝縮させる凝縮器３からなる。冷媒槽２は中空容器であり、内部は冷媒液７で満たされ、伝熱部材である底面に発熱源である半導体素子１が接合されている。
【００３２】
冷媒槽２の上方には凝縮器３が連結管４で連結されており、冷媒槽２、凝縮器３、連結管４によって密閉容器を形成している。冷媒槽２、凝縮器３、連結管４はいずれも金属製であり、好ましくは熱伝導率の高い金属材料（例えば、アルミニウム等）により形成される。
【００３３】
凝縮器３は複数の冷却管５を備えており、冷却管５には、冷却管５を冷却するための複数の放熱フィン６が配置されている。
【００３４】
冷媒液７として、一般には水を使用するが、水の他にエタノール等のアルコール、フロロカーボン、フロン等使用することも可能である。
【００３５】
図２は本実施形態の沸騰冷却装置の伝熱面８ａ周辺を拡大して示す断面図である。冷媒槽２の半導体素子１の接合位置に対応する内壁面、すなわち伝熱面８ａは、伝熱面８ａの中央付近において、冷媒槽２の伝熱部材の板厚が最も厚くなるように、冷媒槽２の内部に向かう凸部として成形され、伝熱面８ａの形状は、限界熱流束の分布形状に沿った球面となっている。図２において、破線は等熱流束線１２、一点鎖線は限界熱流束線１３を示す。
【００３６】
半導体素子１に発生した熱は、冷媒槽２との接合位置から球状に広がり、冷媒槽２内面の伝熱面８ａに伝わり、伝熱面８ａから冷媒液７へと伝熱する。冷媒液７は伝熱面８ａと直接接触しており、伝熱面８ａ上で沸騰し、相変化によって核沸騰気泡１０からなる冷媒蒸気９となり、伝熱面８ａを冷却する。
【００３７】
蒸発した冷媒蒸気９は連結管４内を上方へと移動し、冷媒槽２の上方に設置した凝縮器３の冷却管５へと導かれ、冷却管５に配置された放熱フィン６を介して大気・水などの２次冷却媒体と熱交換し、再び凝縮して冷媒液７となり、冷媒槽２へ戻る。
【００３８】
本実施形態においては、伝熱面８ａの熱流束を、伝熱面８ａの中央付近においても、外周付近においても最も限界熱流束に近い値としているため。伝熱面８ａにおける冷媒液７の沸騰は、膜沸騰となることはなく、半導体素子１からの熱を高効率で移動させることが可能な核沸騰を、伝熱面８ａの全面において激しく発生させることができる。したがって、耐バーンアウト性を高めつつ、半導体素子１から伝熱面８ａに伝わる熱の抵抗を最も小さく抑えることができる。
【００３９】
伝熱面８ａの球面は、模型実験により膜沸騰が起こらないような形状として設定することもできるが、模型実験によらない熱伝導解析により設定することもできる。熱伝導解析は電算によって熱の伝導状態を算出するものであり、伝熱面８ａの材質、形状、半導体素子１の発熱量、冷媒液７の物性等を入力値として、伝熱面８ａの熱流束を算出する。したがって、伝熱面８ａの形状の入力値を変化させることによって、伝熱面８ａの熱流束が最も限界熱流束に近い値となる最適な形状を設定することができる。
【００４０】
ここで限界熱流束の値は、冷媒液７の種類によってある程度限定することができる。この説明として、図５に大気圧下の水のプール沸騰における沸騰曲線の代表例を示す。沸騰曲線は、横軸に伝熱面過熱度Ｔｗ−Ｔｓ（Ｔｗ：伝熱面温度，Ｔｓ：冷媒液の飽和温度）、縦軸に伝熱面熱流束ｑｗをとり、両対数グラフにプロットした曲線であり、図５において、核沸騰から遷移沸騰へ移行する際に伝熱面熱流束ｑｗが最大となる点（沸騰曲線上の点ＣＨＦ）を限界熱流束ｑＣＨＦと呼んでいる。
【００４１】
プール沸騰における限界熱流束は、水の場合にはｑＣＨＦ＝１ＭＷ／ｍ２程度、エタノールの場合にはｑＣＨＦ＝０．６ＭＷ／ｍ２程度である。
＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態を示す沸騰冷却装置の伝熱面８ｂ周辺を拡大して示す断面図である。なお、沸騰冷却装置の基本構成、および、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって半導体素子１を冷却するシステムは第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４２】
本実施形態においては、第１実施形態に示した伝熱面８ａの球面に近い形状を、平板を積み重ねた階段状により成形するため、第１実施形態の伝熱面８ａのような球面加工に比べて成形性に優れている。
＜第３実施形態＞
図４は本発明の第３実施形態を示す沸騰冷却装置の伝熱面８ｃ周辺を拡大して示す断面図である。なお、沸騰冷却装置の基本構成、および、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって半導体素子１を冷却するシステムは第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４３】
本実施形態においては、伝熱面８ｃの形状を錘状とし、前述した熱伝導解析等によって、伝熱面８ｃの先端部の熱流束が限界熱流束よりも小さくなる位置まで、先端部を冷媒槽２の内部に向かって突出させた形状としている。
【００４４】
伝熱面８ｃの先端部が限界熱流束に達するまでには熱流束に余裕があるため、半導体素子１の発熱量が想定よりも若干大きくなった場合においても、伝熱面８ｃの先端部では良好な核沸騰を発生させることができ、確実にバーンアウトを防止することにより、装置の信頼性が向上する。
【００４５】
以上詳述したことから明らかなように、本実施形態によれば、伝熱面の形状を、限界熱流束の分布形状に沿った形状としているため、伝熱面での膜沸騰を抑制することによって、耐バーンアウト性を高めると共に、半導体素子から伝熱面に伝わる熱の抵抗を抑制することができる。これにより、半導体素子を含む半導体装置を効果的に冷却できる高性能で小型の沸騰冷却装置を提供することができる。
【００４６】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能であることは云うまでもない。
【００４７】
例えば、前記実施形態においては、発熱体として半導体素子を対象としたが、熱が発生するものであれば半導体素子に限定されるものではない。
【００４８】
また、前記実施形態においては、半導体素子が冷媒槽の底面に接合されている場合を対象として示したが、図６（ａ）に示す従来技術の沸騰冷却装置のように、半導体素子が冷媒槽の外壁面に接合されている場合を対象としてもよい。
【００４９】
さらに、半導体素子が冷媒槽の内壁面に接合されていてもよい。この場合は、半導体素子の冷媒液側を伝熱部材で覆って、半導体素子から発生した熱が伝熱部材を介して冷媒液に伝達される構成とすればよい。
【００５０】
また、前記実施形態における沸騰冷却装置は、冷媒槽、凝縮器、連結管による密閉構造としているが、凝縮器を備えない開放構造として冷媒槽を構成してもよい。この場合は、冷媒蒸気は循環せずに大気に開放される。
【００５１】
伝熱面としての凸部の形状も前記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態において、伝熱面の形状を球面としているが、伝熱面の外周付近のみを球面として、中央付近を平面とすることもできる。例えば、第２実施形態において、伝熱面の形状を平板を三段に積み重ねた階段状としているが、平板一段のみの階段状とすることもできる。
【００５２】
また、前記実施形態において、伝熱面としての凸部を成形する方法も、特に限定されるものではない。例えば、圧延により凸部が成形された金属板を用いて冷媒槽を成形することも可能であるし、一様な板厚の金属板の表面に、片面が凸状の形状からなる金属片を溶接することによって、凸部が成形された金属板を成形し、この金属板を用いて冷媒槽を成形することも可能である。
【００５３】
また、冷媒槽の外壁面および底面を形成する金属の材質と、伝熱面としての凸部を形成する金属の材質を、同一材料とすることも可能であるし、異種材料とすることも可能である。例えば、異種材料とする場合には、凸部を形成する金属として、熱伝導率の高い材料を用いるほど、凸部の突出高さが小さくても、前記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す沸騰冷却装置の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の伝熱面周辺を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の伝熱面周辺を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の伝熱面周辺を拡大して示す断面図である。
【図５】大気圧下の水のプール沸騰における沸騰曲線の代表例である。
【図６】従来技術の沸騰冷却装置の断面図であり、（ａ）は半導体素子が冷媒槽の外壁面に接合されている場合、（ｂ）は半導体素子が冷媒槽の底面に接合されている場合である。
【図７】従来技術の沸騰冷却装置の伝熱面周辺を拡大して示す断面図であり、冷媒槽の伝熱部材の板厚が一様に薄い場合の沸騰状態を示す説明図である。
【図８】従来技術の沸騰冷却装置の伝熱面周辺を拡大して示す断面図であり、冷媒槽の伝熱部材の板厚が一様に厚い場合の沸騰状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    半導体素子（発熱体）
２    冷媒槽
３    凝縮器
４    連結管
５    冷却管
６    放熱フィン
７    冷媒液
８，８ａ，８ｂ，８ｃ    伝熱面
９    冷媒蒸気
１０  核沸騰気泡
１１  膜沸騰気泡
１２  等熱流束線
１３  限界熱流束線
【図１】
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【図２】
2010016277.tif 000004
【図３】
2010016277.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010016277.tif 000007
【図６】
2010016277.tif 000008
【図７】
2010016277.tif 000009
【図８】
2010016277.tif 000010