(57)【要約】【課題】蒸発器を用いて半導体装置を冷却する装置において、蒸発器に２層の渦巻き形パイプを用いて配管抵抗を少なくして冷却スピードを大きくすることにより、冷却システム全体の規模を小さくし、冷却効率を従来の冷却装置に比較し向上させることができる半導体冷却装置を提供する。【解決手段】  半導体装置を冷却する蒸発器１，アキュームレータ２，コンプレッサ３，凝縮器４，ドライヤ５およびキャピラリチューブ６は配管７により接続され、冷凍サイクルが構成されている。蒸発器１は２層の渦巻き形状のパイプが構成されているため、ガスの流れは配管による抵抗が少なく、半導体に対する冷却のための容積が大きく冷却スピードが速い。冷媒循環量が多く高密度，高温冷却に適した冷却構造を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルからの冷媒を蒸発器に取り入れて半導体装置から発する熱を蒸発冷媒に吸収し、該冷媒を前記蒸発器から前記冷凍サイクルに戻す構造の半導体冷却装置において、
前記蒸発器は、
パイプを渦巻き状に巻いて形成した第１渦巻きパイプ部および第２渦巻きパイプ部を上下に配置して２層構造にし、前記第１渦巻きパイプ部および第２渦巻きパイプ部の中心付近で両パイプ部の一端を結合し、その他端部をそれぞれ冷凍サイクルの入力端と出力端に接続してなり、
前記第２渦巻きパイプ部の底面は、吸熱対象となる半導体装置に熱結合された金属板面に密着接合されたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
前記半導体装置および渦巻き状蒸発器の周囲全面を保温材で密閉し、外部空気との接触を防止したことを特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
【請求項３】
前記半導体装置は基板上に配置され、半導体装置設置位置の基板裏面に保温材を貼付したことを特徴とする請求項１または２記載の半導体冷却装置。
【請求項４】
前記半導体装置はＣＰＵであることを特徴とする請求項１，２または３記載の半導体冷却装置。
【請求項５】
前記冷凍サイクルは、蒸発器から戻ってくる冷媒をアキュームレータで液と気体に分離して気体のみを圧縮機に送り、該圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮器で液化し、該液化した冷媒をドライヤで水分を除去し、キャピラリチューブを通過させることにより冷媒液を前記蒸発器に送り込むサイクルであることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＰＵなどの半導体発熱素子の冷却を行う半導体冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵなどの半導体装置は、配線幅，間隔を小さくし莫大な数の素子を高密度で実装することにより素子間の信号伝搬遅延を少なくして数値や論理演算の高速化を図るようになってきている。そのため半導体装置から発する熱も増大する一方で、装置が発する熱を冷却し正常な動作を確保するために半導体の冷却システムが種々提案されている。
従来の冷却システムは、冷媒を循環させて発熱体から熱を吸収するタイプや、金属による熱伝導を利用して熱を装置外部に導きファンなどで放熱するタイプなどがあり，熱を吸熱する冷却媒体は水やガスなどが用いられている。
より大きな冷却能力を備えるものは前者のタイプであり、効率的に冷却を行うためには半導体装置に接する冷却構造や蒸発器の形状が重要となる。
【０００３】
蒸発器を用いて半導体装置などを冷却する冷却システムは例えば、特許文献１〜３に示されている。
特許文献１は、冷媒を循環させるタイプの冷却装置で、凝縮器で凝縮した冷媒を冷媒ポンプで半導体装置に熱接続された蒸発器の蒸発室に送り込み、半導体装置からの熱を蒸発器で奪った後、吸熱した冷媒を凝縮器に戻し放熱用ファン装置で冷媒の熱を放出するものである。蒸発器には冷媒液が送られ、半導体装置からの熱で冷媒液が気化されて冷媒蒸気となる。この提案は、蒸発室に２つの冷却系統を設けることにより、１系統に比較し、より確実に半導体装置の冷却を行えるシステムを提供することを目的とするものであるが、半導体装置の冷却能力を高めるための蒸発器の形や構造についての詳細な記載はない。
【０００４】
また、特許文献２は特許文献１と同様に圧縮器，凝縮器，膨脹バルブを経由して蒸発器に冷媒を送り込む冷凍式冷却装置を示すものである。蒸発器には外部ダクト，内部ダクトが設けられ、内部ダクトの先端にはフィンが設置され、フィンの下に配置された半導体素子からの熱をフィンに熱伝導で伝達し、蒸発器の前面に設けた送風ファンにより冷気を内部ダクトを介して上記フィンに送り出すことにより、フィンの熱を奪うものである。
この提案は、フィンから発生される熱を効果的に放熱し、塵と湿気などによって微細な影響を受けず、結露および結氷を防止し、作業上の手間の増加を防止することを目的としているが、蒸発器と半導体装置の間は、半導体装置に熱接続されたフィンに蒸発器からの冷気を当てることにより行っているため、蒸発器と半導体装置との間の構造は複雑で、熱伝搬効率は良好とは言えず、規模も大きくなる。
【０００５】
特許文献３は、沸騰冷却方式であり、冷媒より低い融点を持つ媒質中に冷媒の粒子が分散した冷却用混合液を、冷却器により冷媒の融点より低く媒質の融点より高い温度に冷却し、加圧器で冷媒を凝固させた状態で発熱を伴う装置内部に導入し装置を冷却するものである。この提案は、沸騰によって生じる気体が発熱体表面に停留する点を解決することを目的とするものあるが、蒸発器に関する構造の開示はない。
【０００６】
つぎに配管に熱伝導性の良好な冷媒を送って冷却するものとして特許文献４，５などが開示されている。
特許文献４の冷却装置及び電子機器は、熱伝導流体を電動ポンプで循環パイプ内を循環させ、ＣＰＵに熱結合している熱電素子の熱を冷却板内に埋め込まれている循環パイプ内の熱伝導体に伝達することにより冷却を行うものである。この提案は、発熱量の大きいＣＰＵ等の発熱体でも充分な冷却を可能にするものであるが、液体気化時の吸熱を利用するものではなく熱伝導流体を用いて熱を伝搬して冷却するので、冷却能力およびスピードは充分でないと考えられる。
【０００７】
特許文献５の冷却装置は、ポンプ羽根車を回して配管に冷媒を送り出し、発熱部品の上に熱結合されている冷却器内に埋め込まれている蛇行状のパイプに流れる冷媒で発熱部品の熱を吸収し、圧縮調整手段を介して螺旋状の放熱体に送り、上記ポンプ羽根車の回転とともに回るファンにより螺旋状の放熱体から熱を放出させ、ポンプ羽根車によって上記のように冷媒を循環させる装置である。この提案は、放熱体からの放熱効率を改善しながら小形化を可能にし構造が簡単で低コスト化を実現しているが、外部の放熱機構が複雑で、冷却器内の蛇行状パイプの冷媒と発熱部品の間の熱伝導効率に限度がある。
【特許文献１】特開２００５−１９９０８号公報
【特許文献２】特開２００２−１９８４７８号公報
【特許文献３】特開平５−２８３８８０号公報
【特許文献４】特開２００１−４４６７８号公報
【特許文献５】特開２００２−３６８４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
また、特許文献４，５では、冷却を目的とする発熱体に熱結合した金属に埋め込んだり，接続したりするパイプ形状は、平行に配列した多数のパイプの隣接するパイプ間の両端を円弧状パイプで接続してなる蛇行形状のパイプ体を用いている。この形状は、一定の熱交換効率は有するものの上述したような発熱量が増加しているＣＰＵなどで、十分な冷却を行うには、強力な搬送システムの構築や冷却媒体の搬送量を増加させるなどの対策をとる必要がある。そのため、冷凍サイクルを構成するシステムが大規模になるという問題がある。特にＣＰＵなどの冷却機構部の容積が大きくなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みなしたもので、その目的は、蒸発器を用いて半導体装置を冷却する装置において、蒸発器に２層の渦巻き形パイプを用いて配管抵抗を少なくして冷却スピードを大きくすることにより、冷却システム全体の規模を小さくし、冷却効率を従来の冷却装置に比較し向上させることができる半導体冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために本発明の請求項１は、冷凍サイクルからの冷媒を蒸発器に取り入れて半導体装置から発する熱を蒸発冷媒に吸収し、該冷媒を前記蒸発器から前記冷凍サイクルに戻す構造の半導体冷却装置において、前記蒸発器は、パイプを渦巻き状に巻いて形成した第１渦巻きパイプ部および第２渦巻きパイプ部を上下に配置して２層構造にし、前記第１渦巻きパイプ部および第２渦巻きパイプ部の中心付近で両パイプ部の一端を結合し、その他端部をそれぞれ冷凍サイクルの入力端と出力端に接続してなり、前記第２渦巻きパイプ部の底面は、吸熱対象となる半導体装置に熱結合された金属板面に密着接合されたことを特徴とする。
本発明の請求項２は、請求項１記載の発明において前記半導体装置および渦巻き状蒸発器の周囲全面を保温材で密閉し、外部空気との接触を防止したことを特徴とする。
本発明の請求項３は、請求項１または２記載の発明において前記半導体装置は基板上に配置され、半導体装置設置位置の基板裏面に保温材を貼付したことを特徴とする。
本発明の請求項４は、請求項１，２または３記載の発明において前記半導体装置はＣＰＵであることを特徴とする。
本発明の請求項５は、請求項１，２，３または４記載の発明において前記冷凍サイクルは、蒸発器から戻ってくる冷媒をアキュームレータで液と気体に分離して気体のみを圧縮機に送り、該圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮器で液化し、該液化した冷媒をドライヤで水分を除去し、キャピラリチューブを通過させることにより冷媒液を前記蒸発器に送り込むサイクルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成によれば、従来の蛇行状のパイプと異なり渦巻き状であるため、配管抵抗が少なくなって冷媒の流速が速くなり、小形でありながら冷媒循環量が多く、高密度，高温冷却に適した半導体冷却装置を得ることができ、外部空気との接触を阻止できるため結露を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明による半導体冷却装置の冷凍サイクルを説明するための図である。
半導体装置を冷却する蒸発器１，アキュームレータ２，コンプレッサ３，凝縮器４，ドライヤ５およびキャピラリチューブ６は配管７により接続され、冷凍サイクルが構成されている。用いられる冷媒は例えばフロンガスであり、コンプレッサ３により圧縮されて高温高圧のガスが作られ、凝縮器４でファン８により冷却されることによりフロンガスは液化される。液化されたフロンガスはドライヤ５で水分が除かれる。水分を除かれた高圧フロン液は、例えば内径０．６〜０．８ｍｍ，長さ１．５〜３ｍのキャピラリチャーブを通過することにより減圧されて蒸発器１に送り込まれる。
【００１３】
この時、高圧フロン液は減圧されることにより蒸発し、半導体装置が発する熱が吸熱される。吸熱したフロンガスはアキュームレータ２に送られ、蒸気とならない液の部分が分離され、フロンガスのみがコンプレッサ３に戻ることとなる。
蒸発器１は２層の渦巻き形状のパイプで構成されているため、ガスの流れは配管による抵抗が少なく、半導体に対する冷却のための容積が大きく冷却スピードが速い。この冷却装置はコンピュータの起動と時を同じくして作動しても上記のように冷却スピード，能力が大きいため充分追従することが可能である。
【００１４】
図２は、ドライヤの詳細を説明するための図である。
ドライヤ５は、図２に示すように細かい活性炭などの粒子５ａの間を通過させることにより粒子に水分が吸着し、水分を除去した高圧フロン液を得ることができる。
図３は、アキュームレータの詳細を説明するための図である。
入り口から送られてくるフロン液とフロンガスの混合体の内、フロン液部分は内室２ａに溜まり、出口からフロンガスのみが送出される。
【００１５】
図４は、ＣＰＵの冷却構造の実施の形態を説明するための断面図、図５は、ＣＰＵの冷却構造の分解斜視図である。
図示しない電子筐体の底部などにマザーボード１２が固定される。マザーボード１２には冷却機構を保持するためのリテンショナ（取付け枠）１３が取り付けられ、その内部のソケットにＣＰＵ１４が接続される。リテンショナ１３がマザーボード１２を貫通して突出した部分にマザーボード裏面保温材１１がネジ止めされ、マザーボード１２の裏面の結露を防止する。
【００１６】
中央に、四角形貫通孔１５ａを有する矩形形状の保温材１５が、取付け枠１３の上部からＣＰＵ１４を上記貫通孔１５ａに差し込んで取り付けられる。
この上から銅板１６の上面にロー付けで接合された２層の渦巻きパイプ部で形成された蒸発器１７が搭載される。このとき、ＣＰＵ１４の上面にシリコン材が塗布され、銅板１６の下面とＣＰＵ１４との間の熱抵抗が最小に保たれる。
【００１７】
図６に、蒸発器の詳細を示す。
蒸発器１７の上層の渦巻き部１７ａは、外側より内側に向かって渦巻き状に略５回巻かれ、最も内側のパイプ１７ａ−１の端部は下層の最も内側のパイプ１７ｂ─１に連接され、下層の渦巻き部１７ｂは内側から外側に向かって渦巻き状に略５回巻かれ、最も外側のパイプ１７ｂ−２の端部は外部に導かれている。下層の渦巻き部１７ｂの下面は銅板１６の上面にハンダ付けまたはロー付けで接合されている。
このような構造のため、パイプ内部に流れるフロンガスはパイプ内壁との間の抵抗は少なく円滑に流れフロンガスを送る速度を大きくすることができる。また、渦巻き部を２層にして下層の渦巻き部の底面全面を銅板に接合してあるため、冷却部の形状を大きくすることなく、伝達できる熱容量は大きく、かつ熱抵抗は小さくでき、効率的にＣＰＵから吸熱することができる。
【００１８】
蒸発器１７を取り付けた後、保温材１８をリテンショナ１３に挿入し、さらに、保温材１８の上に下面に保温材１９ａを取り付けた蒸発器押え板１９を搭載する。これによりＣＰＵ１４，銅板１６および蒸発器１７の表面が外部空気に接触しないように密閉することができる。蒸発カバー２０の係止部２０ａ，２０ｂをリテンショナ１３の係止部１３ａ，１３ｂに係止した状態で、この係止した位置を支点に回転させ、係止部２０ｃ，２０ｄをリテンショナ１３の係止部１３ｃ，１３ｄに嵌合させることにより、蒸発器カバー２０はリテンショナ１３に取り付けられる。
図７に蒸発器カバーの詳細を示す。
【００１９】
蒸発器カバー２０の中央にはネジ孔２０ｅが形成されており、このネジ孔２０ｅに蒸発器押しボルト２１を螺合することにより、その先端で蒸発器押え板１９を押し、保温材および蒸発器を固定することができる。
上記のように蒸発器，ＣＰＵの周辺を保温材で密閉し外部空気と接触させない構造であるので、結露する空気がなく、一定の温度ではＣＰＵ周辺で結露が生じることはない。なお、−１０°Ｃ以下の蒸発温度の場合、マザーボードにコーティングを施することによって結露発生を防止できる。
本発明は、冷凍サイクルにアキュームレータを用いているため、発熱負荷が変化しても液戻りによる圧縮不良が発生することはない。
【００２０】
以上の実施の形態は、半導体装置としてＣＰＵを冷却する場合について説明したが、ＣＰＵ以外の高密度集積回路などの半導体装置に用いても同様に同じ効果を得ることができる。また、蒸発器を抑える機構として蒸発器カバーに螺合したボルトの先端で保温材を抑える例を説明したが、他の構造で保温材を押えても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
ＣＰＵなどの半導体装置が発する熱を吸熱して適切な動作温度を保持する冷却装置である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による半導体冷却装置の冷凍サイクルを説明するための図である。
【図２】ドライヤの詳細を説明するための図である。
【図３】アキュームレータの詳細を説明するための図である。
【図４】本発明による半導体冷却装置の冷却構造の実施の形態を示す組立断面図である。
【図５】図４の冷却構造の分解斜視図である。
【図６】蒸発器の詳細を説明するための図である。
【図７】蒸発器カバーの詳細を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２３】
１，１７  蒸発器
２  アキュームレータ
３  コンプレッサ
４  凝縮器
５  ドライヤ
１０  キャピラリチューブ
１１  マザーボード裏面保温材
１２  マザーボード
１３  リテンショナ（取付け枠）
１６  銅板
１５，１８  保温材
１９  蒸発器押え板
２０  蒸発器カバー
２１  蒸発器押しボルト
【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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【図７】
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