(57)【要約】【課題】半導体素子から構成された電子機器等の被冷却体に熱的に結合された固体冷却体とこの個体冷却体と熱的に結合され温度によって凝固と融解を繰り返し行う相変化物質からなる熱媒体とを備えた冷却装置において、被冷却体の発熱量が比較的小さいときに、被冷却体の温度が許容上限温度付近まで上昇することがないようにする。【解決手段】熱媒体として、相変化温度の異なる熱媒体を複数種類使用することにより、被冷却体の発熱量が小さいときは、相変化温度の低い熱媒体で熱吸収できるようにして被冷却体の温度の上昇を抑える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子から構成された電子機器等の被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う固体の冷却体と、この固体の冷却体に熱的に結合されて温度よって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体とを備えた冷却装置において、前記熱媒体として相変化温度の異なる複数種類の熱媒体を使用することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、複数種類の熱媒体を固体の冷却体内に相互に混じり合わないように分散して配置したことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載の冷却装置において、相変化温度の低い熱媒体ほど冷却体内の被冷却体に近い位置に配置したことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却装置において、熱媒体に形状保持材を混合したことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子を使用した電子機器のように使用中に発熱を伴う機器の冷却に適した冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に使用されるマイクロプロセッサに代表される半導体集積回路等の半導体素子は、年々集積度が上がるとともに高出力化しているため、これらの素子の発熱量も増加する一方である。そのため、これらの発熱する素子を効果的に冷却する装置が種々提案されている。
【０００３】
その中の一つとして、高熱伝導性の固体材料からなる冷却体と温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体とを組み合わせて熱媒体の相変化に伴う潜熱を利用して半導体素子等の電子機器の冷却を行う装置が、特許文献１および２に示されている。
【０００４】
特許文献１に示された従来装置は、図４に示すように、半導体素子等の電子機器３に熱的に結合された高熱伝導性の固体材料からなる冷却体１の中に、温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体２を充填して構成されている。
【０００５】
熱媒体２は、電子機器３の温度変化の範囲内に相変化点を有し、電子機器の温度がこの熱媒体の相変化点の温度に達すると融解し、固相から液相へ相変化し、その際の潜熱により電子機器の発生熱を吸収する。このような冷却装置は電子機器の負荷が急激に増大して発熱量が大きくなっても熱媒体の相変化時の潜熱により熱吸収することができ、電子機器を効果的に冷却することができるため、固体冷却体が小さくなり、冷却装置を小形化できる。
【０００６】
しかしながら、このような冷却装置において、従来は、電子機器の許容される上限温度付近に相変化点を有する熱媒体を1種類しか使用していなかった。
【０００７】
このため、電子機器にかかる負荷が定常的に比較的小さく、電子機器の発熱量が固体の冷却体で十分放熱できる範囲の小さい状態から負荷が増加し発熱量が増大すると、固体冷却体の冷却能力は一定であり、しかも熱媒体の温度が相変化温度に達していない状態では、熱媒体は顕熱での熱移動しか行わず、固体冷却体および熱媒体による電子機器の熱の吸収が小さいので、この負荷増加の期間に電子機器の温度が、図５の特性線Lで示すように上昇し、熱媒体２の相変化温度Ｔａに達する。この時点から、熱媒体が相変化に伴う潜熱による熱移動を始めることにより熱媒体による熱吸収が大きくなり、電子機器の温度を熱媒体２の相変化温度Ｔａに保つ（図５の特性線LのＢ−Ｃ間参照）。
【０００８】
そして負荷の減少により電子機器の発熱量が減少すると、固体冷却体による放熱により電子機器の温度は低下し、熱媒体が相変化し凝固状態に戻り、相変化温度Ｔａ以下の温度となる（図５の特性線LのＣ−Ｄ間参照）。
【０００９】
また。電子機器の負荷が定常的に大きく、発熱量が大きい状態では、負荷の変化に伴い、電子機器３の温度は、図５の特性線Hで示すように全体が高い値で変化し、発熱量の増大期間Ｂ−Ｃになると、短時間に熱媒体２の相変化温度Ｔａに到達し、熱媒体２の熱吸収容量に対応した時間だけ相変化温度Ｔａに保たれ、発熱量が熱吸収量を上まわる場合は相変化温度Ｔａを越えて電子機器３の許容上限温度Ｔmaxまで上昇する。通常、電子機器３は、上限温度を越えると焼損するので、電子機器の温度が上限温度Ｔmaxを越えないように、固体冷却体１の冷却能力に応じて電子機器の発熱を増大する時間（B−C）を制限するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−１４８６１８号公報（２〜３頁、図１）
【特許文献２】
特開平１１−１１１８９８号公報（２〜３頁、図２）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の装置においては、電子機器が、定常的に負荷の大きなときだけでなく、負荷が比較的小さく発熱量の小さい状態においても、負荷が少し増加するだけで、その温度が熱媒体の相変化温度まで上昇し、電子機器の許容上限温度付近で使用されることになるため、熱的ストレスが大きくなり電子機器の寿命を短くする不都合がある。
【００１２】
この発明は、高熱伝導性の固体材料からなる冷却体と温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体とを組み合わせて熱媒体の相変化に伴う潜熱を利用して半導体素子等の被冷却体の冷却を行う装置において、半導体素子等の被冷却体の温度が、定常的に比較的負荷の小さい低発熱量のときには許容上限温度付近まで上昇することがないようにして、半導体素子等の被冷却体の熱的ストレスを抑えて寿命を長くすることのできる冷却装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、この発明は、半導体素子等の被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う固体の冷却体と、この固体の冷却体に熱的に結合されて温度よって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体とを備えた冷却装置において、前記熱媒体として相変化温度の異なる複数種類の熱媒体を使用することを特徴とするものである。
【００１４】
前記の発明において、複数種類の熱媒体を固体の冷却体内に分散して配置し、特に、相変化温度の低い熱媒体ほど冷却体内の被冷却体に近い位置に配置するのが好適である。
【００１５】
また、この発明においては、熱媒体に形状保持材を混合して、熱媒体が融解状態においても所定の形状に保たれるようにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図に示す実施例について説明する。
【００１７】
図１は、この発明の１つの実施例を示す模式的な縦断面図である。
【００１８】
この図において、１は、銅やアルミニウムのような高熱伝導性の固体材料により形成した冷却体であり、表面に複数の放熱フィン１１を備え、内部に複数の熱媒体を収容するための空所１２を備えている。この空所１２の中に、温度によって凝固と融解を繰り返すパラフィン等の相変化物質からなる熱媒体２ａ、２ｂ、２ｃが充填される。３は、半導体素子等の使用中に発熱する電子機器であり、冷却体１によって冷却されるべくその底面に熱的に結合される。
【００１９】
なお、前記の熱媒体２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ互いに異なる相変化温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを有し、熱媒体２ａの相変化点温度Ｔａは、被冷却体の許容される上限温度Ｔmaxに近い値に選ばれ、熱媒体２ｂおよび２ｃの相変化点温度ＴｂおよびＴｃは、これより低い値に選ばれており、互いの大きさはＴａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係にある。最も相変化温度の低い熱媒体２ｃが電子機器３に最も接近した位置にあり、これより離れた位置に相変化温度の高い熱媒体２ｂ、２ａが配置される。
【００２０】
この実施例において、図２のＡ時点から電子機器３の運転を開始すると内部の半導体素子等が負荷の大きさに応じて発熱し、その熱が、冷却体１または熱媒体２ａないし２ｃによって放熱または吸収されてその温度上昇が抑制される。
【００２１】
図２に運転中の電子機器３の時間経過に伴う温度の変化を示す。特性線Ｈは、定常的に電子機器３に対する負荷が比較的大きく、その発熱量が高い場合の電子機器３の温度変化を示し、特性線Ｌは、定常的に負荷が比較的小さく、電子機器の発熱量が低い場合の電子機器３の温度変化を示す。
【００２２】
発熱量が高いときは、図２におけるＡ−Ｂの一定発熱期間に、運転開始から、比較的速い速度で電子機器３の温度Ｔが上昇し、最も相変化温度の低い熱媒体２ｃの相変化温度Ｔｃに達し、さらにこれを越えて中間の相変化温度を有する熱媒体２ｂの相変化温度Ｔｂに達したところで安定する。温度ＴｃおよびＴｂのところで温度変化がなく一定となるのは、この温度においてそれぞれ熱媒体２ｃおよび２ｂが相変化（融解）し、その融解潜熱で電子機器３の熱を吸収するためである。電子機器３の発熱量がこの熱媒体の潜熱による吸収容量を越えると電子機器３の温度Ｔは、その温度を越えて上昇する。
【００２３】
図２のＢ時点において、電子機器３への負荷が増大して発熱量が増加すると、熱媒体2ｂの相変化温度Ｔｂに保たれていた電子機器３の温度がここから上昇をはじめ、熱媒体2ａの相変化温度Ｔａに達し、ここで熱媒体２ａの相変化が発生することによりその潜熱による熱吸収が行われるため、電子機器３の温度は一時Ｔａに保たれる。さらに発熱の増大が続くと、熱媒体２ｃの吸収熱容量を越えるので熱媒体２ａによる熱吸収が止まり、電子機器３の温度はさらに上昇し、電子機器３の許容される上限温度Ｔmaxに達する。これ以上電子機器３の温度が上昇しないように予め発熱増大期間がＣ時点で終了するように電子機器３運転サイクルが設定されている。これによって、Ｃ時点で発熱の増大が停止し、再び一定の発熱となると、電子機器３の温度Ｔは、徐々に低下しＤ時点でＢ時点の温度まで戻る。
【００２４】
このように、発熱が大きい場合には、電子機器３の温度は上限温度Ｔmaxまで上昇する。
【００２５】
次に、電子機器３の発熱量が、定常的に負荷が比較的小さく、低い場合は、電子機器３の温度Ｔは、図２の特性線Ｌで示すように変化する。すなわち、発熱一定の運転開始期間Ａ−Ｂにおいて、電子機器３の温度Ｔは、比較的緩やかに熱媒体２ｃの相変化温度Ｔｃ付近まで上昇する。発熱量の増大するＢ−Ｃ期間になると、電子機器３の温度が上昇し、電子機器３に最も近い位置に配置された熱媒体２ｃへの熱伝達が速いので相変化温度Ｔｃに達する。これにより、熱媒体２ｃだけが融解して相変化し、その際の潜熱により電子機器３の発生する熱を吸収するので、熱媒体２ｃが潜熱により熱吸収が可能な間は、電子機器３の温度は相変化温度Ｔｃに保たれる。熱媒体２ｃによる熱吸収が不能になった後も発熱の増大が続く場合は、電子機器３は相変化温度Ｔｃを超えた温度となり、発熱量が元に戻るＣ時点で止まり、ここから低下へ転じる。電子機器３の発熱量が一定となるＣ−Ｄ期間においては、ほぼ熱媒体２ｃの相変化温度Ｔｃに保たれるのは、融解された熱媒体が、固定冷却体１により冷却されて凝固する際に凝固潜熱が必要となるためであり、Ｂ時点の温度まで緩やかに低下する。
【００２６】
このように、この発明によれば、発熱量の低いときは、発熱の増大があっても相変化温度の低い熱媒体２ｃによって低い温度で熱吸収されるので、熱媒体２ｃの相変化温度Ｔｃに付近に保つことができ、電子機器３が高温になるのを抑えることができる。
【００２７】
また、この場合、相変化温度の低い熱媒体ほど発熱源となる電子機器に近い位置に配置しているので、特に発熱量の小さいとき、電子機器３から熱媒体までの距離が相変化温度の低い熱媒体ほど短くなり、熱移動の効率が高くなる。このため、相変化温度の低い熱媒体への熱移動が選択的に集中し、電子機器の温度の上昇が相変化温度の低い熱媒体に依存し、電子機器の温度をより低く抑えることができる。
【００２８】
高発熱量のときは、熱流が増大するので、固体冷却体と熱媒体の温度差は、固体冷却体内の熱媒体の位置による違いは小さくなり、全熱媒体への移動がほぼ均等となり、全熱媒体により広い温度範囲において熱吸収作用が行われ、電子機器を効果的に冷却することができる。
【００２９】
相変化温度の異なる複数種類の熱媒体は、このような作用を行うためには、固体冷却体の中で互いに混じり合わないように収容する必要がある。すなわち、図１に示すように、各熱媒体を収容する空所を独立して複数設けるのではなく、共通に一つだけ設ける場合は、それぞれの熱媒体を袋状のシート材で密封したうえで、固体冷却中に収容することが必要である。
【００３０】
図３は、この発明の他の実施例を示すものである。
【００３１】
この実施例においては、固体冷却体１の中に多数の断面円形の熱媒体を収容するための空所１２ａを設けている。これらの空所内に、複数種類の熱媒体を区分して、相変化温度の低いものほど、電子機器に近くなるように分散して収容する。
【００３２】
空所を断面円形にして多数設けるようにすると、この中に収容された熱媒体と固体冷却体との熱伝達効率を高くなり、冷却効果を高めることができる。
【００３３】
また、この発明においては、熱媒体となる例えば、パラフィン等の相変化物質の中に形状保持材を混合しておくようにすると、熱媒体が高温となって融解した状態においても凝固状態の形状のままに保持されるようになるため、固体冷却体に設けられる収容空所を密閉することなく、両端を開放しておいても、この中の熱媒体がここから漏れ出すことを防止できる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明は、半導体素子等の電子機器からなる被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却体の冷却を行う高熱伝導性の固体材料からなる固体冷却体と、この固体冷却体に熱的に結合されて温度よって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体とを備えた冷却装置において、前記熱媒体として相変化温度の異なる複数種類の熱媒体を使用するようにしたため、特に定常的に発熱量の低い状態から発熱増大に転じたとき、被冷却体を構成する半導体素子等の電子機器の温度を低い温度の熱媒体の相変化温度付近に維持することができるので、電子機器が許容上限温度付近で使用される期間が短縮され、電子機器に加わる熱的ストレスを抑制でき、その寿命を延ばすことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す模式的な縦断面図。
【図２】この発明の動作説明に用いる温度特性図。
【図３】この発明の他の実施例を示す模式的な縦断面図。
【図４】従来装置を示す模式的な縦断面図。
【図５】従来装置を説明するための温度特性図。
【符号の説明】
１                  固定冷却体
２ａ，２ｂ，２ｃ    熱媒体
３                  電子機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004198036.tif 000005
【図４】
2004198036.tif 000006
【図５】
2004198036.tif 000007