(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機に連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、
前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、
前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、
前記循環流路は前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、
前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、
前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ
前記二重ダクトはベローズ型の構造を有することを特徴とする、半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項２】
冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、
前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、
前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、
前記循環流路は前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、
前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、
前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ
前記外部ダクトと半導体素子が取り付けられた固定ボ−ドとの接触面は断熱材で包んでシーリングされていることを特徴とする、半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発器で熱交換された低温の空気が半導体素子に流れ込み、半導体素子の熱を吸収した空気が蒸発器に流れ込む循環流路が形成されるようにケースの内部には隔壁が取り付けられ、
前記隔壁の上下部に通過孔が形成されて、上部通過孔には前記蒸発器が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項４】
前記ケースは断熱及びシーリング材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項５】
前記蒸発器の蒸発温度は０℃以上に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項６】
前記送風ファンは蒸発器の後方または下部に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項７】
前記内部ダクトは断熱材で処理されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項８】
前記半導体素子に取り付けられたケース内部の空気漏れを防止するために半導体素子と外部機器とを連結する連結線はケース内部の空間で締結されてコンピュータの外部に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項９】
前記半導体素子が取り付けられたＰＣＢの下部に位置するフロッピーディスクドライブ、ハードディスクドライブ、パワーサプライなどを取り付けた入出力装置空間は断熱材及びシーリング材で形成されたケースによって前記ＰＣＢから分離され、
前記半導体素子と前記入出力装置空間の装置はデータバスと電源線によって連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項１０】
前記蒸発器と圧縮機及び膨張バルブを連結する連結管は断熱及びシーリング処理されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【請求項１１】
前記蒸発器から吐き出る凝縮水は熱が発生する圧縮機又は凝縮器上に散布されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子用冷凍式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の冷却装置に関するもので、特に、蒸発器で熱交換された空気を用いて半導体素子の熱を冷却させ、他の機種の半導体素子にも適用できるように互換性に優れる冷凍式冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子はダイオードトランジスタ整流機(ＳＣＲ)、トライアック(ＴＲＩＡＣ)を示し、技術の発達によってデータを高速に処理できるように集積度が増加され、高性能化のためその発熱密度が増加されている。
しかしながら、半導体素子の温度が上昇すると、半導体が接合された接合継ぎ目に熱応力による熱膨張の差によって界面剥離が生じ、半導体の信号処理速度が遅くなり、または誤作動されるなど多くの問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するために半導体素子の動作限界温度（接合部温度）の以下に温度を制御するための冷却装置が半導体素子に備えられる。
従来の半導体素子用冷却装置１は図５に示すように、強制的に半導体素子１０の周辺の空気を循環させて半導体素子の熱を放熱させる強制空冷式方法を用いる。
【０００４】
かかる空冷式冷却装置１は熱伝達によって放熱し易くするようにＰＣＢ２０に取り付けた半導体素子１０の上部に取り付けられるフィン１１と、前記フィン１１の上部で空気が強制対流されるように回転する放熱ファン１２とからなる。
しかしながら、放熱ファン１２を用いて半導体素子１０の温度を低くする場合には、放熱ファン１２の回転による低周波騒音が発生され、半導体素子１０の放熱量が増加することによってフィン１１から発生される熱を効果的に放熱させないのでシステムに問題が発生される。
【０００５】
また半導体に流れ込んで熱交換された高温の空気を外部に吐き出すためにコンピュータ本体のケースに他の送風ファン（図示せず）を取り付けることによって前記送風ファンを介して外気が流入される場合、ケース内に塵も共に流れ込んできて湿気と塵などによって微細な影響を受ける半導体などが故障を起こす原因となっている。
【０００６】
なお、半導体素子１０の温度を低めて演算速度を増加させるための場合又は半導体素子１０の発熱量が多くて強制空冷式冷却装置に冷却が限界に至る場合には図６のような冷凍式冷却装置２が半導体素子に取り付けられる。
前記冷凍式冷却装置２は半導体素子１０の上面に低温低圧の冷媒が流動される蒸発器２１が取り付けられ、前記蒸発器２１から熱が伝達された冷媒が圧縮機２２に伝えられるように冷却装置と連結される。
このとき、蒸発器２１の温度が約−２０℃〜−４０℃であるので冷却が要求される半導体素子以外のコンピュータ内部の空気が蒸発器に接触すると、結露及び結氷現象が生じて他の部品の作動に悪影響を及ぼすため蒸発器２１及び半導体素子１０は断熱した後パッケージ化２５される。
【０００７】
これは前記蒸発器２１は冷媒の蒸発潜熱を用いて半導体素子のコンピュータのＣＰＵから発生される熱を吸収するが、平均４０°〜５０°間の温度を有するコンピュータ内部の空気が露点温度より低い−２０°〜−４０°間の蒸発器２１表面に接触されると空気に含まれた水分が凝縮されて結露及び結氷現象が発生される。
【０００８】
このような冷凍式冷却装置２は低温の冷媒が流入される蒸発器２１と熱が発生される半導体素子１０との間の温度差による熱交換で前記半導体素子１０の温度を制御する。
しかしながら、半導体素子１０が蒸発器２１とともにパッケージ化されているのでその構造が複雑で組み立てが容易ではないため作業上の手間が増えることになる。
【０００９】
また、任意のマザーボード（図示せず）に冷却装置１を装着するためには各々の場合に冷却装置と冷凍機を連結する銅管を適切に配管して固定すべきであるので設置が容易ではない。
また、蒸発器２１が直接的に半導体素子１０に取り付けられているのでアップグレードする場合従来の使用の冷却装置を活用できず製品の互換性が劣る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのもので、作動能力が向上されるように半導体素子から発生される熱を効果的に放熱させる冷凍式冷却装置を提供することが目的である。
【００１１】
さらに、本発明は半導体素子又は半導体パッケージの形状に拘らず取り付けられる互換性に優れ、設置作業が容易な冷凍式冷却装置を提供することが目的である。
また、本発明は半導体素子が設置されているコンピュータにおいて、ケースに一体形に形成された蒸発器を備える冷凍式冷却装置を冷却が要求されるコンピュータの部品群に取り付けることによってコンピュータの作動効率を向上させることにその目的がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明による半導体素子用冷凍式冷却装置は、冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して更に蒸発器に流れ込まれるように循環流路が形成され、前記循環流路が前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ前記二重ダクトはベローズ型の構造を有することを特徴とする。
他の形態の本発明による半導体素子用冷凍式冷却装置は、冷媒を高圧で圧縮させる圧縮機と、前記圧縮機と連結されて冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器に連結された膨張バルブと、前記膨張バルブ及び圧縮機に連結されて冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器側に取り付けられる送風ファンとからなる冷凍式冷却装置において、前記蒸発器は半導体素子のための冷却空間を形成するケースに一体に取り付けられて外部に取り付けられた圧縮機及び膨張バルブと連結管により連結され、前記送風ファンは前記蒸発器の一側に取り付けられて半導体素子と分離され、前記ケースの内部には蒸発器から熱交換された低温の空気が半導体素子で熱を吸収して蒸発器に流れるように循環流路が形成され、前記循環流路が前記蒸発器と前記半導体素子間で内部ダクトと外部ダクトとからなる二重ダクトにより形成され、前記内部ダクトは蒸発器と半導体素子とを連結して低温の冷媒が半導体素子に流れる流路を形成し、前記外部ダクトは半導体素子と前記送風ファンが取り付けられた空間とを連結して半導体素子の熱を吸収した空気が送風ファンによって蒸発器へ強制流動される流路を形成し、かつ前記外部ダクトと半導体素子が取り付けられた固定ボ−ドとの接触面は断熱材で包んでシーリングされていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
本発明の一実施形態による冷凍式冷却装置３は図１に示すように、蒸発器３１と圧縮機３２と、凝縮器３３と、膨張バルブ３４と、印刷回路盤２０（以下、ＰＣＢ２０）の上面に取り着けた半導体素子１０と蒸発器３１を収めるケース３５とからなる。
【００１４】
また、前記ケース３５の内部には前記蒸発器３１と前記半導体素子１０とを連結する二重ダクト３６が取り付けられ、二重ダクトのうち直径の小さい内部ダクト３６１の一先端には蒸発器３１が備えられ、他先端には半導体素子１０の上面が備えられる。
また、前記内部ダクト３６１より大きい直径を有し、その外周面に位置された外部ダクト３６２の一先端は蒸発器の一側に設置された送風ファン３７と半導体素子が連通するようにケース３５内部で溶接され、他先端は半導体素子１０を包むようにＰＣＢ２０上面にシーリングされる。
また、前記半導体素子１０の上面には放熱のためのフィン３８が設置される。
【００１５】
これによって図２に示すように、前記蒸発器３１と前記半導体素子１０との間には内部ダクト３６１による流路が形成され、前記蒸発器３１が設置されたケース３５の内部空間と前記半導体素子１０との間には外部ダクト３６２による流路が形成される。
また、前記半導体素子１０の上部に位置される内部ダクト３６１の他先端はその下部面積を広げて空気の流出路を広く形成することによって半導体素子に均一な冷却空気が流入されるようにする。
【００１６】
この時、前記二重ダクト３６は一定位置に設けられた半導体素子に蒸発器が設置し易く、且つ互換性が向上されるように長さ調節が可能なベローズ型管で形成され、熱交換が効果的に成されるように外部ダクト３６２に断熱処理されるか、内部ダクト３６１に断熱処理される。
【００１７】
また、前記外部ダクト３６２は半導体素子１０と半導体素子１０を取り付けたＰＣＢ２０との接触面を断熱材で包んでシーリングする。
これは１〜１０℃範囲から形成された冷却用空気がケース内部の空気と接触する場合、結露及び結氷現象が発生して他の部品動作に悪影響を及ぼすことから蒸発器３１及び半導体素子１０だけに冷気が伝えられるように断熱するためである。
【００１８】
また、前記蒸発器３１にケース内部の空気を強制流動させる送風ファン３７は蒸発器３１の後方または蒸発器３１の下方、内部ダクト３６１の入口又は外部ダクト３６２の出口に設けられる。
また、前記蒸発器３１から吐き出される凝縮水は冷凍装置側に吐き出して凝縮器３３や圧縮機３２に散布する凝縮水吐き出し管３１１に流し込まれるようにする。
【００１９】
本発明の一実施形態による冷凍式冷却装置３が半導体素子１０の冷却のために稼動したら圧縮機３２で冷媒が高温及び高圧で圧縮されて凝縮器３３を介して凝縮した後、膨張バルブ３４を通過しながら低温低圧の冷媒状態で前記蒸発器３１に流入される。
また、蒸発器３１の一側に設置された送風ファン３７の回転によって蒸発器３１が設置されたケース内部の空気が強制的に蒸発器３１側に流れ、熱交換して冷却された後、内部ダクト３６１の流路に沿って半導体素子１０に送られる。
【００２０】
低温の空気は半導体素子１０へ噴射されて半導体素子１０から放熱される熱を吸収した後、送風ファン３７の回転による強制対流に外部ダクト３６２の流路に沿って蒸発器３１へ再び流入される。
この時、前記蒸発器３１の温度が−２０°〜−４０°に形成すると、冷却装置の稼動初期に空気中の水分が蒸発器の表面で結氷されるので、この防止のため熱交換が効果的に成される範囲内で蒸発器３１の温度を０℃以上に形成する。
【００２１】
従って、外部ダクト３６２の外部本体と内部ダクト３６１の外部を断熱材処理することにより流路内部及びコンピュータ内の結露が防止できる。
また、外部ダクト３６２とＰＣＢ２０との接触部もシーリング材及び断熱材で処理されて冷気の流出と結露が防止され、ＰＣＢ下端も断熱材で断熱処理される。
【００２２】
また、本発明による冷却装置３は連続的に稼動されると外部空気から遮断された独立されたケース領域内で空気が循環されるため運転を続けるほど空気に含まれた水分が蒸発器３１の表面で凝結されて凝縮水が形成されるので蒸発器が設置されたケース内部の湿度が著しく低くなって内部ダクト３６１における結露現象が自然に無くなる。
【００２３】
本発明による冷凍式冷却装置はケース３５に一体に形成された蒸発器の一側に二重ダクト３６を設置し、二重ダクト３６の他側を冷却が要求される半導体素子に連結することによって冷却装置の設置が容易となり二重ダクト３６の屈折が容易となり設置位置に無関係に設置可能である。
【００２４】
なお、本発明による他の実施形態として、処理容量が大きいコンピュータの中央処理装置（以下ＣＰＵ）またはカード類から発生される熱を冷却させるためにコンピュータの内部に装着される場合、冷凍式冷却装置４は次のような構造からなる。
【００２５】
前記冷凍式冷却装置４は図３に示すように、蒸発器４１と、圧縮機４２と、凝縮器４３と、膨張バルブ４４及びケース４５を含んでおり、前記蒸発器４１の一側に送風ファン４７が設置され、前記蒸発器は他の冷却装置と分離されて冷却空間を形成するケース４５内部に位置される。
このとき、前記ケース４５の内部に図４のように、ＣＰＵ１００と、前記ＣＰＵ１００が装着されたメインボード２００と、カード類３００などが内装され、前記装置と隔壁４５１から分けて前記送風ファン４７が設置され、前記ＣＰＵ側空間と送風ファン側の空間が連通されるように蒸発器４１がケースに一体に形成される。
【００２６】
また、隔壁４５１の下部にはメインボード２００に装着されたカード類３００と前記ケース４５の外部に設置される周辺機器が連結されるように通孔４５２が形成される。
また、ケース内部で循環される空気が外部に漏れることを防止するために、メインボード２００に装着されるカード類３００と外部に設置された周辺機器を連結する連結線３０１はＣＰＵ１００側又は送風ファン側に締結されてコンピュータの外部に連結される。
【００２７】
また、前記ＣＰＵ１００が取り付けられたメインボード２００の下部に位置されるフロッピーディスクドライブ５０１と、ＣＤ−ＲＯＭ５０２と、ハードディスクドライブドライブ５０３、パワーサプライ５０４などが設置された入出力装置空間５０は断熱材及びシーリング材とからなるケース４５を用いてメインボード２００から分離させる。
【００２８】
また、前記ＣＰＵ１００と入出力装置空間５０のディスクドライブ５０１等はデータバスと電源線に連結する。
即ち、前記凝縮器４３、圧縮機４２及び膨張バルブ４４は蒸発器４１と分離されてコンピュータに装着され、前記蒸発器４１と冷却が要求されるコンピュータのＣＰＵ１００又はメインボード２００カード類３００などはケース４５の内部に内装されてコンピュータの他の空間から断熱される。
また、メインボード２００と入出力装置空間５０を連結するデータバスと電源線は断熱及びシーリングされて二つの空間との間の空気流れが防止されるようにしてケース４５の空気が外部に流出されずケース４５内でだけ再循環されるようにする。
【００２９】
なお、本発明による冷却装置のケース４５内で空気の流動がさらに円滑に成されるようにコンピュータのＣＰＵ上に放熱ファン３９が設置することもでき、ＣＰＵ１００の上面には放熱のためのフィン３８が装着できる。
これによって、前記ケース４５内で前記蒸発器４１の一側に設置された送風ファン４７が回転すると送風ファン側の空気が熱交換された後、冷却されてＣＰＵ側１００に流動される。
また、冷却された空気は熱を放熱するＣＰＵ１００などの部品に噴射されて、ＣＰＵなどと冷却された空気との間に顕熱伝達が成されることによってＣＰＵなどの部品は冷却され、熱を吸収した空気はケース４５内の隔壁４５１に形成された通孔４５２を介して送風ファン側に再流れ込まれる。
【００３０】
なお、ケース４５内の蒸発器４１の初期稼動時、冷媒との熱交換により発生された凝縮水は蒸発器４１の下部の凝縮水の吐き出し管４１１を介して圧縮機４２などに吐き出して、稼動時熱が発生される圧縮機４２上部に塗布するか、又は熱伝達が効果的になされるように凝縮器４３の表面に塗布する。
このとき蒸発器に連結された冷媒管４１２及び凝縮水の吐き出し管４１１は凝縮水がケース４５外部のコンピュータ内の他の部品に落下して故障を起こすことないように断熱及びシーリング処理される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による冷凍式冷却装置は断熱材又はシーリング材からなるケース内に蒸発器が一体形に設置され、その内部にＣＰＵとメインボード及びカード類などが装着されるので多数の部品を同時に効果的に冷却することができ、ケース内部空間の空気だけが連続的に循環されるので部品の冷却が効果的に成されてエネルギー消耗が少なくコンピュータの性能が向上される。
【００３２】
また、前記ケースから外部と連結される管は断熱及びシーリング処理されるので凝縮水による他の部品の故障が防止できる。
【００３３】
また、前記蒸発器の稼動初期に生じた凝縮水は凝縮水の吐き出し管を介して凝縮器や圧縮機の表面に噴射されるので冷凍式冷却装置のエネルギー効率が向上される。
【００３４】
また、冷却装置がコンピュータの部品とは別に設置されるので冷却装置の設置が容易となり、部品の交替の際冷却装置は交替せず引き続き使用できるので作業の上、コストの低減及び作業時所要される手間も減らすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による冷凍式冷却装置を示す概略的な構造図である。
【図２】図１に示す冷凍式冷却装置の蒸発部を示す要部断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態によるコンピュータに取り付けられる冷凍式冷却装置を示す概略的な構造図である。
【図４】図３に示す冷凍式冷却装置の蒸発部を示す要部断面図である。
【図５】半導体素子を冷却させる従来の強制空冷式冷却装置の作動過程を示す断面図である。
【図６】半導体パッケージを冷却させる従来の空冷式冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１…強制空冷式冷却装置
２、３…冷凍式冷却装置
１０…半導体素子
２０…ＰＣＢ
２１、３１…蒸発器放熱ファン
２２、３２…圧縮機
２３、３３…凝縮器
２４、３４…膨張バルブ
２５…パッケージ
３５…ケース
３６…二重ダクト
３７…送風ファン
３８…フィン
３６１…内部ダクト
３６２…外部ダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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