JP2001024126A - 直膨式コールドプレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体モジュールのヒートシンクに適用する直
膨式コールドプレートとして、均一な冷却特性が得られ
るようにその内部構造を改良する。 【解決手段】半導体モジュールのヒートシンクとして機
能する直膨式コールドプレート４の内部に、冷媒流入部
ヘッダ４ａ，流出部ヘッダ４ｂ，および端面を半導体モ
ジュール設置面４ｈとして内部に複数状の冷媒流路４ｃ
を形成した冷媒流路部４ｆを画成し、ここで、流入部ヘ
ッダ対しては、外部の冷凍機回路を通じてヘッダに供給
した気液２相に分離した冷媒がヘッダの内壁面に衝突し
て冷媒の液相と気相とが効果的に混合し合うに冷媒流入
口４ｄを前記壁面と向かい合う反対側の壁面に直交して
開口するとともに、該冷媒流入口を取り巻いてヘッダ後
部の内周壁面を円弧状４ｇに形成し、ヘッダの内壁面に
衝突して周囲に広がる冷媒を円弧状壁面に沿って後段の
各冷媒流路へ均等分配するようにガイドする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大型コンピユータなど
の電子機器などに実装した半導体モジュールのヒートシ
ンクとして、基板上の半導体素子からの発生熱を除熱す
る直膨式コールドプレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器などに実装されている半導体モ
ジュールの冷却方式として、現在では液冷方式が主流と
なっている。一方、半導体素子の高速化，高集積化に伴
う発熱密度の増加に対応させ、さらに半導体素子の動作
特性の向上化を目的に、圧縮機，凝縮器，膨張弁，およ
び蒸発器からなる冷凍サイクルを採用し、その冷媒（低
沸点冷媒）の相変化による潜熱で半導体モジュールを直
接冷却するようにした直膨冷却方式の採用が提唱れさ、
その冷媒装置の開発が進められている。

【０００３】図１０はかかる直膨冷却方式による半導体
モジュール冷却装置の冷却系統を示すものであり、冷却
装置は圧縮機１，凝縮器２，膨張弁３，直膨式コールド
プレート（蒸発器）４の間を冷媒配管５で相互接続し、
かつ冷媒としてＲ２２などの低沸点冷媒を用いて冷凍サ
イクルを構成し、ここでコールドプレート４を発熱源で
ある半導体モジュール６と伝熱接触させて配置し、各半
導体素子からの発生熱を半導体モジュール６と伝熱的に
接触するコールドプレート４に伝熱させた上で、コール
ドプレート４の内部に通流する冷媒の相変化による潜熱
のかたちで熱輸送して系外に除熱する。

【０００４】また、特に連続運転が要求される大型コン
ピユータなどに対する冷却装置では、信頼性確保のため
に偶発的な事故に備えたシステムの冗長性が要求れさる
場合が多い。そこで、実際の電子機器システムで使われ
る半導体モジュールの冷却装置では、図１１に示すよう
に直膨式コールドプレート４に対して、メインの冷凍回
路７，および補助の冷凍回路８を構成する２基の冷凍機
を装備して冷却システムの冗長性を高めるようにしてい
る。

【０００５】一方、前記の直膨式冷却方式とは別に、液
冷式の半導体素子冷却装置が周知であり、その液冷式コ
ールドプレート，およびコールドプレート内部に形成し
た冷媒流路のパターンについては特開平６−２６８１７
号公報などに開示されていて公知である。

【０００６】ここで、液冷式コールドプレトの従来例の
構造を図１２に示す。すなわち、コールドプレート４
は、中空構造になる金属製プレートの内部の両端部には
冷媒の流入部ヘッダ４ａと流出部ヘッダ４ｂが、またプ
レート内部の中央域には流入部ヘッダ４ａと流出部ヘッ
ダ４ｂとの間を連通するように平行に並ぶ複数条の冷媒
流路４ｃが隔壁フィンを介して画成されている。そし
て、冷媒は液単相流の状態でコールドプレート４の側面
に開口した冷媒流入口４ｄより流入部ヘッダ４ａに押し
込み供給され、ここから各冷媒流路４ｃを分流して再び
流入部ヘッダ４ｂで合流した後、冷媒流入口４ｄと対角
上に開口した冷媒流出口４ｅより流出し、外部の放熱器
を経て再び冷媒流入口４ｄに還流するように循環する。

【０００７】なお、コールドプレート４に載置した半導
体モジュールの基板に複数の半導体素子が配置されてい
る場合には各半導体素子が均一温度になるよう冷却する
必要があることから、図示例の液冷式コールドプレート
４では、冷媒流入部ヘッダ４ａと流出部ヘッダ４ｂとの
間に複数条の流路４ｃを並列に形成して各流路に冷媒を
均等に分流してコールドプレートの表面温度をきるだけ
均温化するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者等は
図１２に示した構造の液冷式コールドプレートを図１０
の冷凍回路で構成された直膨冷却方式のコールドプレー
トに採用して実験を行い、そのコールドプレートの温度
分布を測定してその冷却特性を調べたところ、液冷式に
採用していた従来構造のコールドプレートでは流路並列
方向で大きな温度のばらつきが発生することが認められ
た。

【０００９】このような温度分布ばらつきの発生原因は
次の点にあると推測される。すなわち、冷媒の相変化を
伴う気液２相流の熱伝達特性は、液単相流の熱伝達特性
とは異なりその気相と液相の存在割合比が大きく影響す
ることは周知の事実である。ここで、直膨式コールドプ
レートを均一に冷却するためには、流入部ヘッダ４ａお
いて各流路４ｃへ均等に冷媒を分配するのは勿論のこ
と、これに加えて各流路４ｃに分配された冷媒中の気相
と液相の存在割合比が全ての流路においてできるだけ同
じである必要がある。これに対して、冷媒の２相流が冷
媒配管を流れる際には気相と液相は分離した状態で流動
することから、図１２に示したコールドプレート４のよ
うに、流入部ヘッダ４ａに流入した冷媒がそのまま冷媒
流路４ｃに向けて流れるように冷媒流入口４ｄをコール
ドプレート４の側面に開口した構成では、冷媒は気相と
液相は分離した状態のまま各流路４ｃに分配され、その
結果として各流路において冷媒中の気相と液相の存在割
合比にばらつきが生じるようになる。このために、従来
の液冷式コールドプレートをそのまま直膨式コールドプ
レートに採用したとすると半導体モジュールの均ー冷却
が行えず、これが原因で電子機器システムの誤作動、故
障を引き起こすおそれがある。

【００１０】そこで、冷媒を２相流の流動状態で供給す
る直膨式コールドプレートで均一な冷却性を実現するた
めには、コールドプレートの内部に形成した各流路に分
配される冷媒流量，ならびに気相と液相の存在割合比を
均等化する必要がある。

【００１１】また、大型コンピユータなどの電子機器に
適用する半導体モジュール冷却装置用の直膨式コールド
プレートの開発に当たっては、複数の半導体素子を同時
に冷却する場合においての半導体素子のレイアウトなど
に対応した構成上の自由度，および安定した冷却性能の
確保に加えて、さらに冷却システムの冗長性，信頼性確
保の観点からもメインの冷凍回路，予備の冷凍回路の二
つの冷凍回路にも対応できることが要求される。

【００１２】本発明は、上記の点にかんがみなされたも
のであり、半導体モジュールのヒートシンクに適用する
コールドプレートとして、均一な冷却特性の確保に併せ
て、構成上の自由度，および冷却システムの冗長性にも
対応可能な直膨式コールドプレートを提供することにあ
る。

【００１３】

【問題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、半導体モジュールなどの発熱素子
のヒートシンクとし該発熱素子の端面に伝熱接触させて
素子からの発生熱を除熱する直膨式コールドプレートに
おいて、当該コールドプレートを、発熱素子を載置する
冷媒流路部と、該冷媒流路部を挟んでその上流側，下流
側に配した冷媒流入部ヘッダ，および流出部ヘッダとか
らなり、前記冷媒流路部の内部には流入部ヘッダと流出
部ヘッダとの間を連通して幅方向に並ぶ複数条の冷媒流
路を形成するとともに、流入部ヘッダ，流出部ヘッダの
うち少なくとも流入部ヘッダについては、冷凍機回路を
通じて供給した冷媒がヘッダの内壁面に対し直交する方
向から流入するようにその冷媒流入口を前記壁面と向か
い合う反対側の壁面に開口し、かつ該冷媒流入口を取り
巻いてヘッダ後部の内周壁面を円弧状面に形成する（請
求項１）ものとし、具体的には次記のような態様で構成
することができる。

【００１４】(1) 流入部ヘッダと流出部ヘッダとの間を
連ねて冷媒流路部内に画成した複数条の冷媒流路につい
て、冷媒流路部の最外側に並ぶ流路長さを最も長くし、
中央に向けて流路長さが漸次短くなるように設定する
（請求項２）。 (2) 流入部ヘッダ，および流出部ヘッダを冷媒流路部か
ら分離した上で、冷媒流路部に形成した各条の冷媒流路
と流入部ヘッダ，および流出部ヘッダとの間をそれぞれ
連結管を介して連通接続する（請求項３）。

【００１５】(3) 前項(2) において、流入部ヘッダを上
位，流出部ヘッダを下位に配し、冷媒流路部を重力方向
に沿って縦向きに配置する（請求項４）。 (4) 前項(2) において、１組の流入部ヘッダ，流出部ヘ
ッダに複数基の冷媒流路部を組合せ、各基の冷媒流路部
と流入部ヘッダ，および流出部ヘッダとの間をそれぞれ
連結管を介して連通接続する（請求項５）。

【００１６】(5) 前項(2) 〜(4) の構成において、冷媒
流路部に対して、メインの冷凍回路，および予備の冷凍
回路に接続した２組の流入部ヘッダ，および流出部ヘッ
ダを備えるとともに、冷媒流路部の内部には各組の流入
部ヘッダ，流出部ヘッダと個々に連通し合う冷媒流路を
並列，かつ交互に配列して形成する（請求項６）。

【００１７】前記の構成によれば、冷媒流入口からコー
ルドプレートに流入した冷媒は、コールドプレートの内
壁面に衝突して気相と液相が効果的に混合されるととも
に、壁面に衝突した後に周囲に向けて放射状に広がって
いく過程で、流入部ヘッダーの後部側に広がった冷媒は
ヘッダ後部の円弧状壁面に沿って方向転換した上で冷媒
流路部に向けて流れるように案内される。これにより、
ヘッダー内で冷媒の淀み点（死角）が形成されず、冷媒
流路部の幅方向に並べて平行に画成した各条の流路と平
行な冷媒の流線が形成されることで、各流路に均等に冷
媒が分配されるようになる。

【００１８】この場合に、冷媒流路部に形成した冷媒流
路について、前項(1) のように各流路の長さをコールド
プレートの左右両サイドから中央に向け漸次短くなるよ
うに設定することにより、コールドプレートの中央に近
い流路の圧力損失（流路の圧力損失は流路長に比例す
る）が外側の流路に比べて小さくなるので、冷媒は中央
域の流路に流れ込み易くなる。これにより、流入部ヘッ
ダの円弧状内壁面に沿って流れる冷媒が冷媒流路部の外
側流路へ集中的するのを回避して、各流路への冷媒の分
配がより一層均等化されるようになる。

【００１９】また、前項(2) のように、流入部ヘッダ，
流出部ヘッダと冷媒流路部とを分離し、各ヘッダーと冷
媒流路部の各流路との間を連結管を介して連通させるよ
う構成することにより、流路への均一な冷媒分配を確保
しつつ、ヘッダー，冷媒流路部に対する設置位置，レイ
アウトの自由度を高めることが可能となり、実際の半導
体モジュール冷却装置での配置上の制約にも容易に対応
できる。

【００２０】また、流入部ヘッダを冷媒流路部の上方に
配して水平姿勢に配置し、冷媒流路部を重力方向に沿っ
て縦向き姿勢に配置してその相互間をベンド状に曲げた
連結管を介して連通接続した前項(3) の構成において
は、冷媒流入部ヘッダへの冷媒の流入方向を上方から重
力方向に一致させることで、冷媒の壁面への衝突による
気相と液相の混合をより一層効果的に行うとともに、半
導体モジュールの垂直面配置にも対応できる。

【００２１】さらに、発熱源となる半導体モジュールが
複数ある場合において、(4) 項のように１組の流入部ヘ
ッダ，流出部ヘッダに複数基の冷媒流路部を組合せてそ
の相互間を連絡管を介して連通接続したことにより、複
数基の冷媒流路部に対して１組のヘッダより冷媒を均等
に分配することができ、この構成により半導体モジュー
ルが複数存在する場合でも各半導体モジュールを１組の
コールドプレートで一括して冷却することができる。

【００２２】また、半導体モジュール冷却装置の冗長性
への対応構造として、(5) 項のように直膨式コールドプ
レートの冷媒流路部に対し、メインの冷凍回路，および
予備の冷凍回路にそれぞれ接続した２組の流入部ヘッ
ダ，流出部ヘッダを組合せるとともに、冷媒流路部の内
部には各組の流入部ヘッダ，流出部ヘッダと個々に連通
し合う冷媒流路を並列，かつ交互に配列して形成するこ
とにより、分離独立した２系統の冷凍回路を一つのコー
ルドプレートで共有することが可能となり、しかもメイ
ン，予備の冷凍回路に対応して冷媒流路部に形成した流
路が並列，かつ交互に配置されているので、いずれの系
統の冷凍回路を運転した状態でも、同じ冷却性能を発揮
させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
１〜図９に示す各実施例に基づいて説明する。なお、各
実施例の図中で図１０〜図１２に対応する部材には同じ
符号を付してその詳細な説明は省略する。

【００２４】〔実施例１〕図１(a),(b) は、この発明の
請求項１に対応する実施例を示すものである。図におい
て、４は半導体モジユールのヒートシンクとして機能す
る直膨式コールドプレートであり、そのプレート内部に
は冷媒流入部ヘッダ４ａ，流出部ヘッダ４ｂ，およびプ
レートの幅方向に並ぶ複数条の冷媒流路４ｃを並列に形
成し、かつその平坦な上面を半導体モジュール設置面４
ｈに定めて前記冷媒流入部ヘッダ４ａと流出部ヘッダ４
ｂの間に画成した冷媒流路部４ｆが形成されている。ま
た、冷媒の流入部ヘッダ４ａ，流出部ヘッダ４ｂに対し
ては、前記の半導体モジュール設置面４ｈと相対するコ
ールドプレート４の下面側に冷媒流入口４ｄ，冷媒流出
口４ｅが開口し、ここに図１０に示した冷媒配管５が直
交した向きに接続される。

【００２５】かかる構成で、気液２相の冷媒は冷媒流入
口４ｄより流入し、流入部ヘッダ部４ａから冷媒流路部
４ｆに形成した各流路４ｃを経由して流出部ヘッダ４ｂ
に流れた後に冷媒流出口４ｅを通じて外部に流出し、こ
の通流過程で冷媒の相変化による潜熱で半導体モジュー
ルからコールドプレート４に伝熱して来た熱を奪い、冷
凍回路を通じて系外に放熱する。

【００２６】ここで、流入部ヘッダ部４ａ、および流出
部ヘッダ部４ｂでは、冷媒流入口４ｄ，冷媒流出口４ｅ
を取り巻くように流入部ヘッダ部４ａの後部の内周壁
面，および流出部ヘッダ部４ｂの前部の内周壁面を円弧
状面４ｇとなし、冷媒流入口４ｄより流入部ヘッダ部４
ａのヘッダ内部に流入した冷媒がヘッダ内の対向壁面に
衝突して周囲に広がる過程で、ヘッダ内の後部壁面側に
広がった冷媒が円弧状の壁面４ｇに沿って方向転換した
後、冷媒流路部４ｆに向かって流れるようにしている。

【００２７】かかる構成により、冷媒はコールドプレー
ト４と直交する向きに流入してその内壁面に衝突し、こ
の衝突により冷媒の気相と液相が効果的に混合した後
に、放射状に広がる過程で前記の円弧状壁面に沿って案
内されながら前方に向けて流れ、後段の冷媒流路部４ｆ
に形成した各条の流路４ｃに均等に分流して流出部ヘッ
ダ４ｂへ向けて通流するようになる。

【００２８】〔実施例２〕図２は、本発明の請求項２に
対応する実施例を示すものである。この実施例において
は、直膨式コールドプレート４の冷媒流路部４ｆに形成
した複数条の冷媒流路４ｃについて、流入部ヘッダ４ａ
に通じる部分でその流路４ｃの長さを中央に並ぶ流路が
短く、両サイドに向けて流路が漸次長くなるように設定
し、かつ冷媒流路部４ｆの長手方向に沿って流路並列方
向に対称になるよう階段状に形成されている。

【００２９】かかる構成により、冷媒流路部４ｆの中央
域に並ぶ流路４ｃの圧力損失（圧力損失は流路長に比例
する）が外部域の流路に比べて小さくなり、これにより
流入部ヘッダ４ａから各流路４ｃに分流する冷媒が冷媒
流路部４ｆの両サイド域に並ぶ流路へ集中的に流れ込む
のを抑制して、より一層均等な冷媒分配が行えるように
なる。

【００３０】〔実施例３〕図３は、先記した実施例２の
応用実施例をを示すものである。この実施例では、前記
した冷媒流路４ｃの長さ調整を冷媒流出部ヘッダ４ｂに
通じる下流側端部において施した例であり、これにより
先記の実施例１と同様に各冷媒通路４ｃへの均等な冷媒
分配を行うことができる。

【００３１】なお、図４は、前記した実施例１〜３を含
めて本発明の実施例による直膨式コールドプレートと、
図１２に示した従来構造のコールドプレートとを対比し
て、コールドプレート内部の各冷媒流路内の冷媒流速分
布をシミュレーション計算した結果を表す特性図であ
り、この特性図から判るように実施例１〜３の流路構造
では各条の流路４ｃに対して冷媒が均等に流れ、これを
基にコールドプレートの温度分布をシミュレーション計
算したところによれば、コールドプレートの流路並列方
向に発生する温度のばらつきが、従来構造のコールドプ
レートと比較して１／４〜１／５に低減して均一な冷却
性能の得られることが確認された。

【００３２】〔実施例４〕図５は本発明の請求項３に対
応する実施例を示すものである。図５において、直膨式
コールドプレート４は、先記の実施例１〜３で述べた一
体構造とは異なり、冷媒流入部ヘッダ４ａ，流出部ヘッ
ダ４ｂが冷媒流路４ｆから分離独立した構造になり、流
入部ヘッダ４ａ，流出部ヘッダ４ｂと冷媒流路４ｆの内
部に形成した各条の冷媒流路４ｃとの相互間が、それぞ
れロー付けなどにより接合された連結管４ｉを介して連
通接続されている。

【００３３】かかる構成によれば、電子機器の冷却シス
テムにおけるレイアウト上の制約を受けることなく、発
熱源である半導体モジュールを載置する冷媒流路部４ｆ
を冷媒流入部ヘッダ４ａ，流出部ヘッダ４ｂと切り離し
て配置することができて構成上の自由度が高まる。ま
た、連結管４ｉの長さも、圧力損失を考慮して自由な長
さに設定することが可能である。

【００３４】なお、この実施例においても、先記実施例
２，３と同様に冷媒流の均一分配化を図るために、流入
部ヘッダ４ａ，もしくは流出部ヘッダ４ｂと冷媒流路部
４ｆの各冷媒流路４ｃとの間を連通接続する連結管４ｉ
については、その中央に並ぶ連結管を短く、両外側の連
結管を長くし、かつ流路長が冷媒流路部中央の流路に対
し流路並列方向に対称になるように漸次変化させるよう
設定するのがよい。

【００３５】〔実施例５〕図６は、本発明の請求項４に
対応する実施例を示すものである。この実施例では、冷
媒流路部４ｆが重力方向に沿って縦向きに設置されてお
り、これに対して冷媒流入部ヘッダ４ａはその上位側に
配して図５と同様な構造のヘッダを水平姿勢に配置し、
連結管４ｉにベンド状の曲がり管を使用して冷媒流路部
４ｆの各流路との間を連通接続するようにしている。ま
た、冷媒流入部ヘッダ４ａでは冷媒流入口４ｄをヘッダ
の上面に開口して冷媒を重力方向から供給するようにし
ている。さらに、冷媒流路部４ｆの下方側に配した冷媒
流出部ヘッダ４ｂには円筒状の集合管を用いて構成して
いる。

【００３６】かかる構成により、流入部ヘッダ４ａへの
冷媒の流入方向を重力方向に一致させることで、冷媒の
流入時の壁面への衝突による気相と液相の混合を効果的
に行い、半導体モジュールが垂直に配置される場合の冷
却にも対応することが可能となる。また、機械加工の必
要なヘッダ部を流入部のみとし、流出側のヘッダに単純
な集合管を用いることで製造コストの低減化が図れる。

【００３７】〔実施例６〕図７は、本発明の請求項５に
対応する実施例を示すものである。この実施例では、１
組の流入部ヘッダ４ａと流出部ヘッダ４ｂに対し、２基
の冷媒流路部４ｆ-1，４ｆ-2を並列に組合せてコールド
プレート４を構成しており、各基の冷媒流路部４ｆ-1，
４ｆ-2の内部に形成した流路４ｃ（図１(a) 参照）と流
入部ヘッダ４ａ，および流出部ヘッダ４ｂの相互間が図
５の構成と同様に連結管４ｉを介して連通接続されてい
る。

【００３８】この構成によれば、１系統の直膨式冷凍回
路を使って分離独立した複数の半導体モジュールの冷却
が可能であるほか、連結管４ｉの長さを圧力損失を考慮
の上で自由に設定することにより、半導体モジュールの
様々な配置に対応して構成上の自由度が高い冷却装置を
構成することが可能となる。また、この場合において
も、流入部ヘッダ４ａから冷却流路部４ｆの流路４ｃへ
の冷媒分配において、できるだけ両端流路での冷媒分配
量の増加を抑制するためには、冷媒流入部ヘッダ４ａ，
もしくは冷媒流入出部ヘッダ４ｂの中央に並ぶ連結管が
最も短く，両外側の連結管が最も長く、かつその長さが
冷媒流路部中央の流路に対し流路並列方向に対称になる
よう、階段状に設定するのがよい。

【００３９】〔実施例７〕次に本発明の請求項６に対応
する実施例を図８に示す。この実施例においては、図６
で述べた縦向き姿勢の冷媒流路部４ｆに対して、その冷
媒流入側には２組の流入部ヘッダ４ａ-1，および４ｂ-2
を、流出側には二組の円筒状集合管である流出部ヘッダ
４ｂ-1、および４ｂ-2を組合せ、各ヘッダと冷媒流路部
４ｆとの間がそれぞれ連結管４ｉ-1，４ｉ-2を介して連
通接続されており、ここで流入部ヘッダ４ａ-1，流出部
ヘッダ４ｂ-1は図１１で述べたメインの冷凍回路７に接
続され、流入部ヘッダ４ａ-2，流出部ヘッダ４ｂ-2が補
助の冷凍回路８に接続されている。また、冷媒流路部４
ｆには、流入部ヘッダ４ａ-1と流出部ヘッダ４ｂ-1に連
結管４ｉ-1を介して連通接続した流路４ｃ（図１参照）
と、流入部ヘッダ４ｂ-2と流出部ヘッダ４ｂ-2に連結管
４ｉ-2を介して連通接続した流路との２組の流路が１条
おきに交互，かつ並列に形成されている。

【００４０】この構成によれば、完全に独立した２系統
の冷凍回路におけるコールドプレートを一つのコールド
プレートで共有することが可能となり、これにより電子
機器の冷却システムに対する冗長性，信頼性の向上化が
図れるとともに、冷媒流路部４ｆの内部には２系統の冷
凍回路と個々に対応する流路が交互，並列に形成されて
いるので、メイン，補助のいずれの冷凍回路で運転した
場合でも半導体モジュールに対して同様な冷却能力を発
揮できる。

【００４１】〔実施例９〕図９は、前記実施例８の方式
を実際の半導体モジュール冷却装置に適用した構成を示
すものである。この実施例では周囲を断熱ボックス１１
で包囲した２個の半導体モジュール６を基板１０の上に
設置した上で、各半導体モジュール６を縦向きに配置し
て左右に並ぶ２基の冷媒流路部４ｆの主面に振り分けて
取付けており、図８で述べた構成と同様に冷媒流路部４
ｆに対して流入部ヘッダ４ａ-1と円筒状の集合管からな
る流出部ヘッダ４ｂ-1、および流入部ヘッダ４ａ-2と円
筒状の集合管である流出部ヘッダ４ｂ-2の２組のヘッダ
を組合せ、それぞれのヘッダが連結管４ｉ-1、４ｉ-2を
介して冷媒流路部４ｆの各冷媒流路に連通接続されてい
る。

【００４２】かかる構成で、流入部ヘッダ４ａ-1と流出
部ヘッダ４ｂ−１にはメインの冷凍回路７を、流入部ヘ
ッダ４ａ-2と流出部ヘッダ４ｂ-2には予備の冷凍回路８
を外部接続することで、一つの直膨式コールドプレート
４を２系統の冷凍回路で共有することができ、これによ
り冷却システムの冗長性を得ることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
発熱素子を載置する冷媒流路部と、該冷媒流路部を挟ん
でその上流側，下流側に配した冷媒流入部ヘッダ，およ
び流出部ヘッダとからなる直膨式コールドプレートにつ
いて、前記冷媒流路部の内部には流入部ヘッダと流出部
ヘッダとの間を連通して幅方向に並ぶ複数条の冷媒流路
を形成するとともに、流入部ヘッダ，流出部ヘッダのう
ち少なくとも流入部ヘッダについては、冷凍機回路を通
じて供給した冷媒がヘッダの内壁面に対し直交する方向
から流入するようにその冷媒流入口を前記壁面と向かい
合う反対側の壁面に開口し、かつ該冷媒流入口を取り巻
いてヘッダ後部の内周壁面を円弧状面に形成したことに
より、冷媒流入時に冷媒が壁面へ衝突することによる気
相と液相の効果的な混合作用と、ヘッダー内で冷媒の淀
み点の抑制による各流路への冷媒の均等分配により、コ
ールドプレートの均一冷却性能を得ることができる。

【００４４】また、流入部ヘッダとおよび流出部ヘッダ
を、冷媒流路を配置した冷媒流路部と分離し、各冷媒流
路と流入部ヘッダとおよび流出部ヘッダを連結管で接合
することにより、コールドプレートの取付け位置や、配
置方法の自由度を増すことができ、さらにメインの冷凍
回路に接続した流入部ヘッダと流出部ヘッダ、ならびに
予備の冷凍回路に接続した流入部ヘッダと流出部ヘッダ
の２組のヘッダを備え、冷媒流路部に形成した流路を各
組のヘッダに対応して２組形成し、かつその流路を交
互，並列に配置した構造とすることにより、完全に独立
した２系統の冷凍回路で一つのコールドプレートを共有
することが可能となり、これにより．導体モジュールの
冷却装置として冗長システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する直膨式コールドプ
レートの構成図であり、(a) は横断平面図、(b) は(a)
図の矢視Ａ−Ａ断面図

【図２】本発明の実施例２に対応する直膨式コールドプ
レートの横断平面図

【図３】本発明の実施例３に対応する直膨式コールドプ
レートの横断平面図

【図４】従来構造のコールドプレート、および実施例１
〜３の直膨式コールドプレートにおける流路内の冷媒流
速分布計算値を対比して表した特性図

【図５】本発明の実施例４に対応する直膨式コールドプ
レートの横断平面図

【図６】本発明の実施例５に対応する直膨式コールドプ
レートの構成図であり、(a) は上面図、(b) は側面図

【図７】本発明の実施例６に対応する直膨式コールドプ
レートの平面図

【図８】本発明の実施例７に対応する直膨式コールドプ
レートの構成図であり、(a) は平面図，(b) は側面図

【図９】本発明の実施例８に対応する半導体モジュール
冷却装置の構成斜視図

【図１０】半導体モジュールの直膨式冷却装置の冷凍回
路図

【図１１】冗長性を持たせた半導体モジュールの直膨式
冷却装置の冷凍回路図

【図１２】従来の液冷式コールドプレートの内部流路パ
ターンを表す横断平面図

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 膨張弁 ４ コールドプレート ４ａ-1，４ａ-2 冷媒流入部ヘッダ ４ｂ-1, ４ｂ-2 冷媒流出部ヘッダ ４ｃ 冷媒流路 ４ｄ 冷媒流入口 ４ｅ 冷媒流出口 ４ｆ 冷媒流路部 ４ｇ 冷媒流入部ヘッダに形成した円弧状壁面 ４ｈ 半導体モジュール設置面 ４ｉ-1，４ｉ-2 連結管 ５ 冷媒配管 ６ 半導体モジュール ７ メインの冷凍回路 ８ 予備の冷凍回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 倹一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA06 BB41

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体モジュールなどの発熱素子のヒート
   シンクとして素子からの発生熱を除熱する直膨式コール
   ドプレートであって、発熱素子を載置する冷媒流路部
   と、該冷媒流路部を挟んでその上流側，下流側に配した
   冷媒流入部ヘッダ，および流出部ヘッダとからなり、前
   記冷媒流路部の内部には流入部ヘッダと流出部ヘッダと
   の間を連通して幅方向に並ぶ複数条の冷媒流路を形成す
   るとともに、流入部ヘッダ，流出部ヘッダのうち少なく
   とも流入部ヘッダについては、冷凍機回路を通じて供給
   した冷媒がヘッダの内壁面に対し直交する方向から流入
   するようにその冷媒流入口を前記壁面と向かい合う反対
   側の壁面に開口し、かつ該冷媒流入口を取り巻いてヘッ
   ダ後部の内周壁面を円弧状面に形成したことを特徴とす
   る直膨式コールドプレート。
2. 【請求項２】請求項１記載の直膨式コールドプレートに
   おいて、流入部ヘッダと流出部ヘッダとの間を連ねて冷
   媒流路部内に画成した複数条の冷媒流路について、冷媒
   流路部の最外側に並ぶ流路長さを最も長くし、中央に向
   けて流路長さが漸次短くなるように設定したことを特徴
   とする直膨式コールドプレート。
3. 【請求項３】請求項１記載の直膨式コールドプレートに
   おいて、流入部ヘッダ，および流出部ヘッダを冷媒流路
   部から分離した上で、冷媒流路部に形成した各条の冷媒
   流路と流入部ヘッダ，および流出部ヘッダとの間を個別
   に連結管を介して連通接続したことを特徴とする直膨式
   コールドプレート。
4. 【請求項４】請求項３記載の直膨式コールドプレートに
   おいて、流入部ヘッダを冷媒流路部の上方に配して水平
   姿勢に配置し、冷媒流路部を重力方向に沿って縦向き姿
   勢に配置してその相互間をベンド状の曲がり連結管を介
   して連通接続したことを特徴とする直膨式コールドプレ
   ート。
5. 【請求項５】請求項３記載の直膨式コールドプレートに
   おいて、１組の流入部ヘッダ，流出部ヘッダに複数基の
   冷媒流路部を組合せ、各基の冷媒流路部と流入部ヘッ
   ダ，および流出部ヘッダとの間をそれぞれ連結管を介し
   て連通接続したことを特徴とする直膨式コールドプレー
   ト。
6. 【請求項６】請求項３ないし５のいずれかに記載の直膨
   式コールドプレートにおいて、冷媒流路部に対して、メ
   インの冷凍回路，および予備の冷凍回路に接続した２組
   の流入部ヘッダ，および流出部ヘッダを備えるととも
   に、冷媒流路部の内部には各組の流入部ヘッダ，流出部
   ヘッダと個々に連通し合う２組の冷媒流路を並列，かつ
   交互に配列して形成したことを特徴とする直膨式コール
   ドプレート。