JP2006012875A - 半導体素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高発熱の半導体素子を限られた空間で高発熱量の放熱を実現する冷却装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ（半導体素子）１を冷却する蒸発器２と凝縮器３と液ポンプ４とを順次配管によって閉回路に接続し、凝縮器３を冷却するファン５を備え、凝縮器３を副凝縮器６と主凝縮器３に分割し、副凝縮器６を蒸発器２上に設置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンピュータのＣＰＵ等の高発熱半導体素子を冷却する冷却装置に係わり、凝縮器の構造に関するものである。

コンピュータのＣＰＵ等の高発熱体である半導体素子を冷却するにあたり、サーバー等の大型コンピュータにおいては空冷式冷却装置では限界があり、狭いスペースでより大きな冷却能力を得るために冷媒循環式の冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、従来の冷媒循環式冷却装置を組み込んだ１Ｕサーバーの平面模式図で、図９は同側面図である。

図８と図９において、ＣＰＵ１の表面に伝熱性材料を介して接触させた蒸発器２を設置し、蒸発器から凝縮器３、液ポンプ４へは配管により循環回路を構成するように接続され、循環回路内部には冷媒が封入されている。凝縮器近傍には送風用のファン５が設置され、それらがいずれもサーバー本体の内部に収容されている。この構成によって、ＣＰＵ１などの発熱体の熱を蒸発器２内の冷媒の相変化の潜熱により吸収し、凝縮器３で大気に放熱することによりＣＰＵ１などの発熱体の温度を所定の温度以下に保つことが出来る。

図１０は、従来の２個のＣＰＵを持つ１Ｕサーバーに冷媒循環式冷却装置を組み込んだ場合の平面模式図で、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの接続は分流に伴う困難さを避けるため直列に接続されており、第１蒸発器２ａで一部蒸発した冷媒が第２蒸発器２ｂへと導かれる構造である。

図１１は、図８に示す冷媒循環式冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図である。図１１で冷媒の状態を説明すると、液域の点Ａの状態で蒸発器２へ入った冷媒は、ＣＰＵ１から吸熱して２相域の点Ｂの状態で凝縮器３へと送られ、凝縮器３で放熱して液域の点Ｃの状態で液ポンプ４によりわずかに圧力を高められて蒸発器２へ再度送り込まれることとなる。
特開２００３−３１８３４１号公報

蒸発器において、吸熱量が多くて冷媒が気液混合域を超えて過熱蒸気域に入ると、潜熱利用が出来ず冷却性能が極端に悪化するため、最大発熱時でも気液混合域内にとどまるよう冷媒量を調節することが必要である。

最近は、ＣＰＵの性能向上に伴いその発熱量も増大しており冷却器の更なる性能向上の要望が高くなっているのが実情である。

そこで本発明は、限られた空間で高発熱量の放熱を実現する冷却装置を提供することを目的とするものである。

この目的を達成するため本発明の冷却装置は、半導体素子を冷却する蒸発器と凝縮器と液ポンプを順次配管によって閉回路に接続し、前記凝縮器を冷却するファンを備えた半導
体素子の冷却装置において、蒸発器上に放熱器を設置することにより、限られた空間で高発熱を実現する冷却装置を提供出来る。

本発明によれば、主凝縮器の容量を増大させること無く、発熱量増大に対応する半導体素子の冷却装置を提供することが出来る。

また、万一液ポンプが故障して冷媒の循環がなくなった場合でも、蒸発器上に放熱器もしくは副凝縮器を有することから、蒸発器の温度上昇速度を遅らせることが出来、半導体素子の保護回路が働くまでの時間的な余裕を生む効果がある。

更に、複数の発熱体に対応する場合には、第二蒸発器に入る冷媒の乾き度を小さくできるため第二蒸発器出口の冷媒状態が過熱蒸気域に入り込む危険性を防止でき、信頼性の高い冷却装置となる。

請求項１に記載の発明は、凝縮器を分割して蒸発器上に副凝縮器を設けたことにより、放熱量の一部を放熱できるため主凝縮器の放熱能力を大きくすること無く冷却装置の放熱量を増大できる。

請求項２に記載の発明は、複数の半導体素子に合わせて複数の蒸発器を配設し、直列に接続された複数の蒸発器上のそれぞれに副凝縮器を設けたことにより主凝縮器の放熱能力を大きくすること無く冷却装置の放熱量を増大できると共に、蒸発器出口の冷媒状態を気液混合域に保持できる。

請求項３に記載の発明は、蒸発器上に放熱器を設け蒸発器で受熱した熱量の一部を放熱するため凝縮器の能力を増加させることなく冷却装置の冷却能力を増大させることができる。

本発明による半導体素子の冷却装置は小型高性能の電子機器の発達にともなって発熱量が増加した高発熱半導体素子の冷却を限られたスペースの中で実現するものであり、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態1）
図１は、本発明の実施の形態１による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図で、図２は同側面模式図である。

図示する１ＵサーバーのＣＰＵの冷却装置において、ＣＰＵ１に密着設置された蒸発器２内で加熱されて気液混合状態となった冷媒は蒸発器２上に設けた副凝縮器６で一部放熱した後に主凝縮３で凝縮液化し液ポンプ４で再び蒸発器２へ送り込まれる。

図３は、本発明の本発明の実施の形態１によるＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図である。冷媒の状態を図３で説明すると、点Ａで蒸発器２に入った冷媒は発熱体１により点Ｂ迄加熱されて副凝縮器６へ送られ、放熱して点Ｃ１の状態で主凝縮器３へ移り、さらに放熱されて液域にある点Ｃの状態で液ポンプ４に吸引される。

従って必要放熱量を副凝縮器６と主凝縮器３で分担することとなり主凝縮器３の能力を増加させることなく冷却装置の放熱能力を増加させることが出来る。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図で、蒸発器を２個設置した場合である。

図示するＣＰＵの冷却装置において、第一のＣＰＵ（図示せず）に密着設置された第一蒸発器２ａ内で加熱されて気液混合状態となった冷媒は、第一蒸発器２ａ上に設けた第一副凝縮器６ａで一部放熱した後、第二ＣＰＵ（図示せず）に密着設置された第二蒸発器２ｂ内で加熱されて気液混合状態となった冷媒が蒸発器上に設けた第二副凝縮器６ｂで一部放熱した後、主凝縮器３で凝縮液化し液ポンプ４で再び第一蒸発器２ａへ送り込まれる。

図５は、本発明の実施の形態２によるＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図である。冷媒の状態を図５で説明すると、点Ａは第一蒸発器２ａの入口、点Ｂ１は第一蒸発器２ａの出口、点Ｃ１は第一副凝縮器６ａの出口、点Ｂは第二蒸発器２ｂの出口、点Ｃ２は第二副凝縮器６ｂの出口、点Ｃは主凝縮器３の出口を表す。

冷却装置全体の放熱量として主凝縮器３の放熱量（Ｃ２−Ｃ）に加えて副凝縮器６ａ，６ｂで放熱される放熱量（Ｂ１−Ｃ１）と（Ｂ２−Ｃ２）を加えることにより、主凝縮器３の容量を増加させることなく冷却装置の放熱能力を増加させることが出来る。

更に副凝縮器６ａで（Ｂ１−Ｃ１）の放熱を行うことにより点Ｂをその分、液リッチな方向へ移動させることが出来る。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図である。図示するＣＰＵの冷却装置において、ＣＰＵ１に密着設置された蒸発器２内で加熱されて気液混合状態となった冷媒は、凝縮器３で凝縮液化し液ポンプ４で再び蒸発器２へ送り込まれる。ＣＰＵ１から蒸発器２へ移動した熱量の一部は蒸発器２上に設置された放熱器７により冷却され、残りの熱量が冷媒により凝縮器３に導かれる。

図７は、本発明の実施の形態３によるＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図である。冷媒の状態を図７で説明すると、点Ａで蒸発器２に入った冷媒は発熱体１により点Ｂ迄加熱されて凝縮器３へ移り、放熱されて液域にある点Ｃの状態で液ポンプ４に吸引される。ＣＰＵ１の発熱量の一部は放熱器７で放熱されるため、蒸発器２での受熱熱量はその分減少する。

従って、必要放熱量を放熱器７と凝縮器３で分担することとなり、凝縮器３の能力を増加させることなく冷却装置の放熱能力を増加させることが出来る。

本発明の実施の形態１による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図 同ＣＰＵ冷却装置の側面模式図 同ＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図 本発明の実施の形態２による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図 同ＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図 本発明の実施の形態３による１ＵサーバーのＣＰＵ冷却装置を示す平面模式図 同ＣＰＵ冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図 従来例の冷媒循環式冷却装置を組み込んだ１Ｕサーバーの平面模式図 同側面模式図 従来の２個のＣＰＵを持つ１Ｕサーバーに冷媒循環式冷却装置を組み込んだ場合の平面模式図 図８に示す冷媒循環式冷却装置の冷媒状態を示すモリエル線図

符号の説明

１ ＣＰＵ（半導体素子）
２ 蒸発器
３ 凝縮器（主凝縮器）
４ 液ポンプ
５ ファン
６ 副凝縮器
７ 放熱器

Claims (3)

1. 半導体素子を冷却する蒸発器と凝縮器と液ポンプとを順次配管によって閉回路に接続し、前記凝縮器を冷却するファンを備えた半導体素子の冷却装置において、前記凝縮器を副凝縮器と主凝縮器に分割し、前記副凝縮器を前記蒸発器上に設置することを特徴とする半導体素子の冷却装置。
2. 複数の半導体素子に合わせて複数の蒸発器を配設し、前記蒸発器すべての上に副凝縮器を設置することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の冷却装置。
3. 半導体素子を冷却する蒸発器と凝縮器と液ポンプとを順次配管によって閉回路に接続し、前記凝縮器を冷却するファンを備えた半導体素子の冷却装置において、前記蒸発器上に放熱器を設置したことを特徴とする半導体素子の冷却装置。

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