JPH02308558A - 半導体冷却装置 - Google Patents

半導体冷却装置

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JPH02308558A
JPH02308558A JP12884189A JP12884189A JPH02308558A JP H02308558 A JPH02308558 A JP H02308558A JP 12884189 A JP12884189 A JP 12884189A JP 12884189 A JP12884189 A JP 12884189A JP H02308558 A JPH02308558 A JP H02308558A
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JP
Japan
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cooling
semiconductor
semiconductor device
equipment
cooling medium
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Pending
Application number
JP12884189A
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English (en)
Inventor
Yoshio Naganuma
永沼 義男
Atsushi Morihara
淳 森原
Kazunori Ouchi
大内 和紀
Yasushi Sato
康司 佐藤
Hiroshi Yokoyama
宏 横山
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置に係り、特に、半導体装置の冷却
装置に関する。
〔従来の技術〕
LSI等の高密度に集積した電子回路をもつ半導体装置
は、動作時の発熱が大きく、半導体装置から発生する熱
の除去性能が装置の動作、及び、設計の制限となってき
ている。特に、最近、高集積化の著しい計算機用の半導
体装置では安定した性能維持のため、半導体装置から発
生する熱の除去は必須の課題になっている。このため、
その冷却構造、及び、冷却方法については、これまで稲
穂方式が考案されている。特に、半導体素子を多数用い
る大型計算機では、多数の半導体素子をひとまとめにし
たモジュール構造とし、このモジュールと水の通る冷却
ジャケットを組み合わせて熱を伝える構造が一般的であ
る。例えば、第4図に示した特公昭56−22380号
公報に例示゛できるような半導体装置では1発熱部から
の熱をピストン形状の冷却素子と、これを支持するシリ
ンダ群からなる熱伝導体を介して冷却ジャケットに伝え
る構造になっている。このような冷却媒体を用いた冷却
方式による半導体装置は、例えば、FUJITSU 。
VoQ、37,2(1986)pp124−134に論
じられているように冷却媒体に受けた熱を系外に放出す
るための専用の熱交換器と冷凍装置とを備えた冷却設備
をもち効率的に放熱できる冷却システムを構成している
。この冷却システムの一例を第5図に示す、一方、中・
小型計算機に用いられるような半導体装置は装置規模が
小さく、専用の冷却設備を持たないため、空冷方式によ
る冷却システムを構成していた。このため、半導体装置
で発生した熱は半導体装置の周囲に放散するだけであり
、その放熱能力は限界になりつつある。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来例に示したように、比較的小型の半導体装置は
、周囲雰囲気温度を冷熱源として、空気を半導体装置の
発熱部に吹き付ける空冷部方式が主である。しかし、半
導体装置の高性能化により1チツプ当たりIOW以上の
熱を生じるようになるにつれ、半導体装置の周囲の空気
を冷熱源とするだけでは冷却が追いつかず、発熱量の大
きい半導体装置、あるいは、比較的低発熱量の半導体装
置ではオフィスなどの限られた空間で多数の機器を使用
する場合には、半導体装置の使用場所にこれを冷却する
ために冷熱源を求めなければならない。このような大き
な発熱を伴う大型の半導体装置には、従来、冷熱源を作
る専用の冷却設備が設けられ、冷却媒体を用いた高効率
な冷却が行なわれていた0本発明の目的は、大型の半導
体装置のように、専用の冷却設備を設置しない小規模の
半導体装置に、簡易設備に冷却媒体を使用した高効率な
冷却性能が得られる半導体冷却システムを得ることにあ
る。本発明の他の目的は、小規模な半導体装置に要求の
多い、設置場所を簡単に移動できる機動性のある冷却シ
ステムを冷却媒体を使用した高効率の冷却方式で実現す
ることにある。さらに、本発明の目的は、これらの冷却
システムを既設設備を利用し、より低コストに構成する
ことにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、オフィス、あるいは、業務用ビルなどの通
常半導体装置が使用される場所にあり、これを使用する
人間の快適な活動環境を維持するために設置してある既
設の空調機、あるいは、冷房設備を半導体装置の冷却用
の冷熱源発生装置として利用することで達成できる。す
なわち、冷却媒体楯環系と冷却しようとする半導体装置
の冷却媒体楯環系を、直接、ないし、間接に結合し、さ
らに、既設冷却設備の制御対象温度と共に半導体装置の
温度を入力し、冷却媒体楯環系を最適に制御することに
より解決される。すなわち、冷却媒体楯環系の直接結合
は、各冷却媒体楯環系の冷却媒体を共有するように、直
列、ないし、並列に配管接続することにより行なわれる
。また、間接結合は、既設空調、あるいは、冷房設備の
冷気出口付近に半導体装置の放熱部となる熱交換器を組
み込むことにより行なわれる。
〔作用〕
発熱量が大きく設置規模が大きい大型電子計算機などの
半導体装置は専用の冷却設備によって、発生した熱を効
果的に放散することができた。しかし、装置規模が小さ
い中・小型の半導体装置は専用冷却設備をもたず、空冷
方式による冷却が主であり、半導体装置は発生した熱を
装置周囲に放散させるだけであった。このため、従来の
冷却システムでは表部効率が低く、これら半導体装置の
高性能化による発熱量の増大に対しては新たな放熱源を
確保する必要があった。本発明は、既設の空調機、ある
いは、冷房設備などの冷却設備と半導体装置の冷却媒体
楯環系を結合し、冷却媒体を、直接、あるいは間接に共
用した冷却方式とすることで、半導体装置で発生する熱
を既設の空調機、あるいは、冷房設備を介して半導体装
置の使用環境から系外へ熱を輸送するように作用するに
のため従来、専用冷却設備がなく冷却方式によっていた
半導体装置を簡単な付帯設備を設けるだけで、より大き
い発熱を効率良く放散させることができる冷却媒体循環
式の冷却方式とすることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。本実
施例は、既設汎用の空調膜i17の冷却媒体楯環系を並
列に分岐し、半導体装置1の冷却媒体楯環系に接続して
冷却媒体5を共有する半導体冷却システムを構成したも
のである。ここで実施例として利用する空調設備はコン
プレッサ9を用いて冷却媒体に熱輸送させる冷凍機方式
のものである。このため、空調設備から半導体装置に導
いた冷却媒体が半導体素子2で発生した熱を、効率的に
吸収できるように、半導体装置内部に膨張弁を設け、冷
却ジャケット内で冷却媒体が熱伝達に有効な低温を作り
出すようにしている。この膨張弁を制御することにより
、半導体素子2の発熱に応じた冷却能力を空調設備7と
独立に冷却ジャケット内に作り出すことができる。しか
し、この空l!I設備は本来、部屋の環境維持を目的と
したものであり、この設備を半導体装置の冷却に利用す
るには、これらと連動した制御シ\テムを取り入れるこ
とが望ましい。そのため、本実施例では空調室の温度と
共に半導体装置の温度を検出し、これらに基づいて冷却
系の最適制御をするため、半導体装置温度センサ12と
空調室温度センサ13および制御装置14を設ける。こ
うして、既設空調設備の冷却能力の余裕を有効に利用し
、半導体装置を効率的に冷却することができる。さらに
、室内空調を必要としない場合は、空調機用膨張弁11
を完全に閉じ、冷却媒体5を半導体装置だけに流れる冷
却媒体楯環系とすることにより、半導体装置のみを冷却
することができる。また、既設空調機が暖房装置として
使用される場合は、本実施例のような空調設備では、一
般に、冷却媒体楯環系とは独立に屋内熱交換器10の付
近にヒータを備えてあり、これにより暖房を行なうよう
になっている。このため、暖房中の半導体装置の冷却は
、既設空調設備をヒータと冷却媒体楯環系を同時に運転
し、冷却媒体5を半導体装置にだけ循環させればよい。
第2図は、既設冷却設備に半導体装置の冷却媒体楯環系
を直列に°接続qた場合の−実施例を示したものである
。本例では既設空調設備の冷却媒体が屋内熱交換器を通
過し、空調室の熱をある程度吸収した後に、半導体装置
の冷却ジャケットに入り、半導体素子を冷却する。この
ため、半導体装置の冷却制御は、空調機用膨張弁11で
作り出す低温と室内熱交換器10の熱交換量を制御する
必要があり、本実施例では、コンプレッサ9.空調機用
膨張弁11と共に室内熱交換器10のファンを制御する
ように制御系を構成している。また、室内空調を必要と
しない場合や暖房時には、冷却媒体が室内熱交換機10
をバイパスし半導体装置のみを冷却出来るよう冷却媒体
バイパス管2oを備えている。このように、本冷却シス
テムは半導体装置内に駆動部分となる制御弁を持たない
ので、廉価に構成できる簡易冷却システムとして有効で
ある。第3図は、第1図に示した本発明の実施例と冷却
媒体楯環系の構成は同一であるが、半導体装置と既設空
調設備との接続配管にフレキシブル管15を適用した一
実施例を示したものである。このため、本半導体装置の
設置場所を自由に変えることができる。しかも、半導体
装置との接続部には簡単に接続、切り離しができるワン
タッチジヨイント16を使用している。
これは配管の切り離しと同時に配管を流れる流体が止ま
るものであり、半導体装置を切り離した場合、空調設備
の独立稼働をすみやかに行なうことができる。このため
、本システムは設置場所の移動が比較的頻繁に生じやす
いデスクトップ型計算機等の半導体装置の冷却システム
として有効なものである。以上の実施例は冷却媒体楯環
系を半導体装置と既設冷却設備と配管で、直接、接続し
た冷却媒体を共有する冷却システムであった。しかし、
第6図に示す実施例は、既設冷却設備と半導体装置の冷
却媒体楯環系は独立であり、熱交換器を介して熱的な接
続を図ったものである。すなわち、本冷却システムでは
既設冷却設備が作った冷気により半導体装置で加熱され
た冷却媒体を間接的に冷却するものである。この構成は
、汎用の空調設備7の冷気吹き出し部分に半導体装置1
の放熱用熱交換器6を配置し、半導体素子2で発生する
熱を冷却ジャケット3を介して冷却水19に伝え、これ
をポンプ18を用いて半導体装置1と放熱用熱交換器6
の間を循環させることにより、半導体装置で発生した熱
を空調設備7の冷気吹き出し部分に放散させることがで
きる。この放熱用熱交換器6の設置部分は、空調設備7
で発生した冷気が吹き出しているため半導体装置周囲の
室温より温度が低く、単に、半導体装置から、直接、放
熱させることより放熱用熱交換器との温度差を大きく取
れ、大きな熱量を放散することができる。
ただし、この半導体装置から放出した熱量分だけ通常よ
り空調室の温度が上昇する。そこで、この温度を室温温
度センサ13で感知し、空調設備の動作にフィードバッ
クしなければならず、このための制御装置14を設ける
。この制御装置は半導体装置温度センサ12で半導体装
置の温度も感知し、これらの温度信号をもとに最適に空
調設備や半導体装置の冷却水循環系を制御する。この結
果、既設空調設備は空調室の熱と半導体装置の発生熱を
合せて屋内熱交換器10より吸収し、冷却媒体5により
屋外熱交換器8へ運ぶことができ、最終的に無限の熱容
量をもつ屋外の外気に、半導体装置の熱を放散すること
ができる。この実施例のような冷却媒体楯環系が独立な
間接接続方法では半導体装置の冷却媒体に既設冷却設備
の冷却媒体と異なるものを利用することができる。そこ
で半導体装置の冷却媒体楯環系を駆動装置の無い最も簡
単な適用例としてヒートパイプを冷却媒体楯環系として
利用した実施例を第7図に示す。これはヒートパイプの
熱吸収部を半導体装置の冷却ジャケット内に挿入し、熱
放出部を空調機の冷気出口に設置し、半導体装置の発熱
を既設空調設備の屋内熱交換器を介して外に放出するも
のである。ここで、半導体装置の冷却ジャケットは熱伝
導性のよい液体で満たさ、れており、半導体素子で発生
した熱を熱伝導とジャケット内対流を利用して効率良く
ヒートパイプに伝える構造になっている。
以上の実施例は、汎用の空調設備を既設冷却設備として
例示したが、この他、家庭用クーラなどの冷房装置や冷
凍機、あるいは、ヒートポンプシステム等、半導体装置
の機能維持温度である85℃以下の温度を生成できる冷
熱源を発生する冷却設備のすべてに適用可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、汎用冷却設備で半導体装置の冷却媒体
による冷却システムを構成し、しかも。
半導体装置設置場所付近にあるいかなる既設の冷却設備
とも半導体装置冷却用の冷熱源系として利用することが
できる半導体の冷却システムを構成することができ、半
導体装置専用の冷却設備をもたなくても半導体装置で発
生する熱を効率的に系外に放散させることができる。ま
た、配管接続だけで実施可能な簡単な付帯設備で冷却媒
体を使用した高効率な半導体冷却システムを構成でき、
しかも、廉価な設備で空冷方式より大発熱の冷却に対応
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図および第3図は本発明の一実施例の半導
体冷却システムの系統図、第4図は従来の半導体冷却方
法の説明図、第5・図は従来の半導体冷却システムの系
統図、第6図、第7図は本発明の他の実施例のシステム
系統図である。 1・・・半導体装置、2・・・半導体素子、3・・・冷
却ジャケット、4・・・半導体装置用膨張弁、5・・・
冷却媒体、6・・・放熱用熱交換器、7・・・空調設備
、8・・・屋外熱第1図 第2図 第5図 t8

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.半導体装置の発熱を冷却媒体を介して除去する半導
    体装置の冷却装置において、 パッケージ型エアコン,ヒートポンプ装置,吸収式冷凍
    機等、85℃以下の低温を生成できる汎用冷却機器を半
    導体装置冷却の冷熱源として使用することを特徴とする
    半導体冷却装置。
  2. 2.半導体装置の発熱を冷却媒体を介して除去する半導
    体装置の冷却装置において、 前記半導体装置の設置してあるオフィスあるいは業務用
    ビルなどの環境状態を維持する目的で設置してある空調
    機や冷房装置などの既設汎用冷却設備の冷却媒体循環系
    や前記半導体装置の冷却媒体循環系を冷却媒体を共有す
    るよう配管結合し、前記半導体装置の冷却のため前記半
    導体装置の稼働に合わせ、前記汎用冷却設備を室内空調
    目的と同時、または、独立に運転出来るようにし、前記
    汎用冷却設備を前記半導体装置の冷熱源として利用でき
    るようにしたことを特徴とする半導体冷却装置。
  3. 3.特許請求の範囲第1項または第2項記載の半導体冷
    却装置において、 前記汎用冷却設備と前記半導体装置の冷却媒体楯環系の
    結合配管をフレキシブル配管で結合し前記半導体装置の
    設置位置を移動可能にしたことを特徴とする半導体冷却
    システム。
  4. 4.特許請求の範囲第1項ないし第3項の半導体冷却装
    置において。 前記汎用冷却設備の冷却媒体循環系に複数の前記半導体
    装置の冷却媒体循環系を直列、あるいは、並列に接続し
    たことを特徴とする半導体冷却システム。
  5. 5.特許請求の範囲第1項ないし第4項の半導体冷却装
    置において、 前記汎用冷却設備の制御対象温度と共に前記半導体装置
    の温度を入力しこれらの温度を基に前記冷却設備を最適
    に動作させる制御装置を設けたことを特徴とする半導体
    冷却装置。
  6. 6.半導体装置の発熱を冷却媒体を介して除去する半導
    体装置の冷却装置において、 前記半導体装置の設置してあるオフィスあるいは業務用
    ビルなどの環境状態を維持するため、設置してある空調
    機や冷房装置などの既設汎用冷却設備の冷却媒体循環系
    と前記半導体装置の前記冷却媒体循環系を熱交換器を介
    して間接に結合し、前記冷却設備を前記半導体装置の冷
    熱源として利用したことを特徴とする半導体冷却装置。
  7. 7.特許請求の範囲第6項の半導体冷却装置において、 前記既設汎用冷却設備の冷風出口に設置可能な前記半導
    体装置の熱放散用熱交換器をもつ半導体冷却装置。
  8. 8.特許請求の範囲第6項または第7項の半導体冷却装
    置において、 前記半導体装置の前記冷却媒体循環系をヒートパイプを
    用いて構成したことを特徴とする半導体冷却装置。
JP12884189A 1989-05-24 1989-05-24 半導体冷却装置 Pending JPH02308558A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6370897B1 (en) * 1999-07-02 2002-04-16 Tokyo Electron Limited Semiconductor manufacturing facility
US7612448B2 (en) 2004-12-13 2009-11-03 Daikin Industries, Ltd. Power module having a cooling device and semiconductor devices mounted on a resin substrate, method of producing same, and air conditioner
JP2010098063A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Jisho Sekkei Inc 建屋内冷却機構
CN103648254A (zh) * 2013-11-25 2014-03-19 银川博聚工业产品设计有限公司 低温风源直接的服务器的机房冷却装置

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