JP2006140252A - 半導体素子の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の発熱量が近年増加して来ているため半導体素子との接触面がバーンアウトしない構成にする必要があった。本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、強制的に液冷媒を供給しバーンアウトを起こさないような構成を得ることを目的とするものである。
【解決手段】この課題を解決するために本発明の半導体素子の冷却装置は、冷却板１の内部に空間２を形成し、前記冷却板１の空間２の両端に吸入配管５と吐出配管６を接合し、前記配管に冷媒ポンプ４を接続し、前記冷却板内にある冷媒８が前記冷媒ポンプ４で強制的に冷媒循環するように構成したものである。この構成により液冷媒が強制的に半導体素子と接触している蒸発面に供給されるためバーンアウトを起こさず熱伝達に優れた冷却装置を得ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、高発熱の半導体素子の冷却装置であり、冷媒を用いて効率よく冷却する冷却装置に関するものである。

従来、この種の冷却装置の冷却板としては図５に記載されているようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の半導体素子の冷却装置の斜視部分断面図で、冷却板の部分断面を示している。

図５において、冷却板３１の中は空洞３２になっており、冷媒３３が充填され、そこにヒートパイプ３４が挿入され、ヒートパイプ３３にはフィン３５が形成されている。このような構成では、半導体素子の発熱量が増大して来た時に半導体素子３６と接触している面で、液冷媒３３と接触していない部分においてはバーンアウトしてしまい、半導体素子３６Ｂが損傷してしまう可能性があった。
特開平６−１２０３８３号公報

しかしながら、半導体素子の発熱量が近年ますます増加して来ているにもかかわらず、半導体を有する機器はあまり大型化等をせずに半導体素子との接触面がバーンアウトしない構成にする必要がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、強制的に液冷媒を供給しバーンアウトを起こさないような構成を得ることを目的とするものである。

この課題を解決するために本発明の冷却装置は、内部に空間を形成して冷媒を用いて発熱体である半導体素子を冷却するための冷却板と、前記冷却板に熱的に密接されたヒートシンクとを有し、前記空間の両端に冷媒ポンプに接続した吸入配管と吐出配管とをそれぞれ接続して閉回路を形成し、前記冷媒ポンプで前記閉回路内にある冷媒を強制的に循環するように構成したものである。この構成により液冷媒が強制的に半導体素子と接触している蒸発面に供給されるためバーンアウトを起こさず熱伝達に優れた冷却装置を得ることができる。

本発明の冷却装置は、半導体素子の発熱量の増大に対応できる冷却が得られる。

第１の発明は内部に空間を形成して冷媒を用いて発熱体である半導体素子を冷却するための冷却板と、前記冷却板に熱的に密接されたヒートシンクとを有し、前記空間の両端に冷媒ポンプに接続した吸入配管と吐出配管とをそれぞれ接続して閉回路を形成し、前記冷媒ポンプで前記閉回路内にある冷媒を強制的に循環するように構成したものであり、液冷媒を強制的に蒸発面に供給することができるため、半導体素子の発熱量が増大しても蒸発面がバーンアウトを起こさず、良好な熱伝達が得られる。

第２の発明は、冷却板の空間を出入口とするループ配管を接合して閉回路の一部を構成し、前記ループ配管をヒートシンクの前記冷却板から離れた位置に熱的に密接させたもの
で、冷却板の熱をヒートシンクの温度差がある部分へも熱伝達を行うことが可能となリ、効率を向上させることができる。

第３の発明は、ヒートシンクのフィン先端面に切り欠きを設け、前記切り欠きにループ配管を圧入するとともに、前記ヒートシンクを冷却板に固定した構成であり、ループ配管を通してヒートシンクのフィンに熱を伝えることができるとともに、ヒートシンクを冷却板に固定することも同時にでき、コスト的に安価な装置にすることが可能となる。

第４の発明は、冷却板の空間の両端に接合された吸入配管と吐出配管の接続位置を、前記空間の下部とした構成であり、冷却板の空間の下部に溜まっている液冷媒を吸入でき、蒸気冷媒をかみこんで冷媒ポンプの性能が低下するのを回避することができる。

第５の発明は、閉回路内の冷媒量を総容積の２０％以上６０％以下に設定するものである。冷媒量が６０％以下なので冷却板の空間の凝縮面を充分に確保でき、また、冷媒量が２０％以上なので冷却板空間の下面がバーンアウトを起こさないように液冷媒を確保することができ高効率な冷却システムを得ることができる。

第６の発明は、冷媒凍ポンプに容積型のポンプを使用した構成にしているので、蒸気冷媒を多少かみこんでも冷媒を送出することことができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体素子の冷却装置の模式図で、図２は図１の縦断面図である。図１，図２において、高発熱体である半導体素子７と半導体素子７を冷却するための冷却板１とヒートシンク３とを、それぞれの間にサーモグリースを塗布して熱的に密接させている。また、容積型冷媒ポンプ４を吸入配管５と吐出配管６とにより冷却板１の内部の空間２に繋いで閉回路を構成している。閉回路内には総容積の５０％にあたる冷媒８が封入されており、液冷媒を主体的に吸入するように吸入配管５の吸入口は空間８の下部に設置されている。冷媒量は、閉回路内の総容積の６０％以下で冷却板の空間の凝縮面を充分に確保でき、また、２０％以上であれば冷却板空間の下面がバーンアウトを起こさないように液冷媒を確保することができ高効率な冷却システムを得ることができる。

以上のように、本実施の形態においては冷却板１の内部の空間２の両端を吸入配管５と吐出配管６を繋ぎその配管に容積型冷媒ポンプ４を設置しているため、強制的に液冷媒を蒸発面に供給でき、半導体素子７の発熱量が増大しても蒸発面がバーンアウトを起こさず熱伝達の良好な冷却装置を得ることができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における半導体素子の冷却装置の模式で、図４は図３の縦断面図である。図３，図４において、冷却板１の空間２を出入口とする２本のループ配管１０が冷却板１の上部に設置されている。また、ループ配管１０は、ヒートシンク３のフィン９の先端に設けた切り欠き１１に圧入され、熱的に密接されている。また、それぞれのループ配管にはばね性を持たせて、ヒートシンク３を冷却板１の方に押さえるような力が働くように予め設置されている。この構成によればループ配管１０の両端が冷却板１の空間２に開口しているので、空間２内の冷媒蒸気がループ配管１０内を通ってヒートシンク３のより温度差があるフィン９と熱交換できるので効率のよい冷却が可能となる。また、それぞれのループ配管１０はばね性を持っているので、ヒートシンク３を冷却板１に固
定する働きもあり、特に固定バンド等の別部材を使用しなくとも良いので安価な冷却装置を得ることができる。

以上のように、本発明にかかわる半導体素子の冷却装置は、高発熱の半導体素子の効率が高い冷却が可能となるので、ユニックス系サーバの半導体素子、パワー系デバイス素子の冷却装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における半導体素子の冷却装置の模式図 図１の縦断面図 本発明の実施の形態２における半導体素子の冷却装置の模式図 図３の縦断面図 従来の半導体素子の冷却装置の斜視部分断面図

符号の説明

１ 冷却板
２ 空間
３ ヒートシンク
４ 冷媒ポンプ
５ 吸入配管
６ 吐出配管
７ 半導体素子
８ 液冷媒
９ フィン
１０ ループ配管
１１ 切り欠き

Claims (6)

1. 内部に空間を形成して冷媒を用いて発熱体である半導体素子を冷却するための冷却板と、前記冷却板に熱的に密接されたヒートシンクとを有し、前記空間の両端に冷媒ポンプに接続した吸入配管と吐出配管とをそれぞれ接続して閉回路を形成し、前記冷媒ポンプで前記閉回路内にある冷媒を強制的に循環するように構成したことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
2. 冷却板の空間を出入口とするループ配管を接合して閉回路の一部を構成し、前記ループ配管をヒートシンクの前記冷却板から離れた位置に熱的に密接させたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
3. ヒートシンクのフィン先端面に切り欠きを設け、前記切り欠きにループ配管を圧入するとともに、前記ヒートシンクを冷却板に固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体素子の冷却装置。
4. 冷却板の空間の両端に接合された吸入配管と吐出配管の接続位置を、前記空間の下部としたことを特徴とする請求項１から請求項３記載の半導体素子の冷却装置。
5. 閉回路内の冷媒の量を総容積の２０％以上６０％以下としたことを特徴とする請求項１から請求項４記載の半導体素子の冷却装置。
6. 冷媒ポンプに容積型のポンプを使用したことを特徴とする請求項１から請求項５記載の半導体素子の冷却装置。

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