JPS63176956A - 半導体集積回路の冷却水温度制御方法 - Google Patents

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、半導体集積回路の冷却水供給装置に係り、特
に１例えば大形コンピュータにおける冷却と、冷却配管
系およびＬＳＩ基板部の結露防止とに好適な半導体集積
回路の冷却水供給装置に関するものである。

〔従来の技術〕

大形コンピュータなどに用いられている半導体ｇ４積回
路（以下ＬＳＩという）の液体冷却システムについて、
例えば、日経エレクトロニクス、゛１９８５年６月１７
日号、ページ２４３〜２６６に、村野洋司ほかによる「
マルチパッケージを水冷する、スーパーコンピュータＳ
Ｘシリーズの実装技術」が開示されている。

一般に、ＬＳＩ基板裏面などに冷却水を通し。

直接的に水冷を行う場合、冷却水温度が周囲環境の露点
より低くなると、空気中の湿り気のため冷却配管系およ
びＬＳＩ基板部に結露を生じやすくなる。

この結露による水分が、電子回路および筐体部に生じる
ことを防ぐために、室温および温度から決まる露点より
高温に冷却水温度を設定することが行われる。

例えば大形コンピュータのＬＳＩが長期間停止し、また
、コンピユータ室内などの周囲環境の暖房空調が停止し
ているとき、急に室内環境の温度のみを暖房により上昇
させると、ＬＳＩの冷却水は熱容量を有しているために
１周囲室内の環境温度より低くなり、また、室内温度お
よび湿度から決まる露点よりもＬＳＩの冷却水温度が低
くなる。

このとき、　、Ｌ　Ｓ　Ｉの冷却水とほぼ同じ温度とな
っている配管上あるいはＬＳＩの基板上に空気中の水分
が凝縮して結露する。このため、ＬＳＩが長期間停止し
、ＬＳＩの冷却水が低温状態になっているならば、ＬＳ
Ｉの作動時には、室温を暖房により上昇させる前に、Ｌ
ＳＩの冷却水の温度を前記の比較的高温の設定温度まで
上昇させることが必要である。

このＬＳＩの冷却水の温度を上昇させる手段として、従
来は、ＬＳＩの冷却水流路に冷却水を循環させるポンプ
の動力が、羽根の運動エネルギとして変換され、それが
冷却水へ熱として伝わり。

温度を上昇させる方法が用いられていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ＬＳＬの水冷却流路および配管系に保有される流体の量
が少ない場合は、ポンプの循環による手段により温度を
設定温度まで上昇させることが口ｆ能である。しかし、
ＬＳＩの水冷却系が複雑化し、また温度の異なる流体が
合流する際に温度を一定化するための混合タンクなどを
用いる流路系では、保有水量および配管部が増加するの
で熱容量が増大し、ポンプの動力のみでは設定温度に達
するのに時間がかかる。

例えば、大形コンピュータを水冷却する場合。

冷却水が設定温度に上昇するまで大形コンピュータを運
転できず、不都合である。

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、ＬＳＩの冷却水の水温を設定温度まで効
率良く、かつ時間的に早く上昇させ、また、前記設定温
度に達したのちには、環境温度変動、あるいはＬＳＩの
発熱変動が存在しても、前記の設定温度を正確に保ち冷
却を行いつる半導体集積回路の冷却水供給装置を提供す
ることを、その目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明に係る半導体集積回
路の冷却水供給装置の構成は、半導体集積回路を冷却す
べき冷却水流路と、圧縮機、冷媒。

外部流体間の熱交換を行う第１の熱交換器、減圧手段、
および冷媒の流れ方向を切換える西方弁を備えた冷媒流
路とを、第２の熱交換器を介して熱交換可能に配設して
ヒートポンプサイクルを形成し、前記圧縮機に、当該圧
縮機の容量を制御するためのインバータを設け、前記冷
却水流路に温度センサーを設け、この温度センサーの検
知信号に従って前記インバータを作動せしめる制御回路
を設けたものである。

なお付記すると、ＬＳＩの冷却水を設定温度まで効率良
く、かつ早く上昇させるには、外部から効率的に熱をＬ
ＳＩの冷却水へ伝達し、ＬＳＩの冷却水を設定温度まで
上昇させる時間を短縮すれば、ＬＳＩを作動させるまで
の立上げの時間を早くすることが可能となる。このＬＳ
Ｉの冷却水の温度を上昇させる手段として、ヒートポン
プのサイクルを応用し、屋外の大気、あるいはコンピュ
ータなどが設置されている屋内の空気を低熱源として、
これを冷凍サイクル中のフレオンなどの冷媒を介して、
圧縮機により圧縮、加熱し、ＬＳＩの冷却水と熱交換す
れば熱量が移動し、設定温度まで水温を上昇させること
ができる。また、このヒートポンプのサイクルを逆に設
定すれば冷凍サイクルとなり、ＬＳＩが動作する際の発
熱分を冷却することができる。このヒートポンプのサイ
クルと冷凍サイクルとは四方弁を切り換えることにより
、短時間で冷媒のサイクルを逆方向に変更することがで
きる。

冷却のための冷凍サイクルでは、冷却水の熱を沸騰現象
を利用して冷媒へ伝達する第２の熱交換器（蒸発器とし
て作用）により冷却水の水温を一ドげる。そして、この
第２の熱交換器からの気化された冷媒を圧縮機により加
圧圧縮し、圧縮機の吐出配管を経由し、第１の熱交換器
（凝縮器として作用）により高温冷媒の熱を外部流体（
例えばコンピュータ室内空気）へ放熱する。冷媒は減圧
手段に係る膨張弁を経て第２の熱交換器へ再びもどる。

ヒートポンプのサイクルは、この冷凍サイクルの圧縮機
の吸入配管と吐出配管とを共通の四方弁に接続させるこ
とにより、配管中の冷媒の流れの向きを変えることによ
り形成される。すなわち。

四方弁を切り換えることにより、圧縮機の吐出側に接続
されていた第１の熱交換器を吸込側の熱交換器とし、ま
た圧縮機の吸込側の第２の熱交換器を吐出側の熱交換器
とすることが可能となる。

このように四方弁を切り換えて、同じ熱交換器を、圧縮
機に対して吸込側にも吐出側にもすることが可能となる
ので、ＬＳＩの冷却水に対して、第２の熱交換器を介し
て冷却も加熱も行えることになる。

〔作用〕

ＬＳＩの冷却水が、設定された温度に上昇するまで、ヒ
ートポンプのサイクルにより加熱された冷媒ガスが、第
２の熱交換器を介してＬＳＩの冷却水を加熱し昇温させ
る。これにより、ＬＳＩの冷却水の水温が設定温度まで
上昇する時間を短縮することができる。

また、ＬＳＩの冷却水温度が設定された温度まで達した
ならば、四方弁を操作することにより、ヒートポンプサ
イクルからＬＳＩを冷却するための冷凍サイクルに切り
換え、ＬＳＩの発熱を冷却する。

このように、四方弁などにより冷媒の流れ方向を切り換
えるのみでＬＳＩを冷却するためと加熱するためとの両
方を兼ねそなえた冷却水供給装置を構成することができ
、ＬＳＩの冷却水の水温を短時間で制御することができ
る。

この制御にあたって、冷却水流路に設けた温度センサー
の検知信号に応じて、インバータによって圧縮機の容量
を制御し、冷却水の水温を制御し、ＬＳＩの冷却あるい
は加熱を効率的に制御することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図を参照し
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るＬＳＩの冷却水供給
装置のヒートポンプサイクル系統図、第２図は、第１図
のサイクルの逆サイクルの冷凍サイクル系統図、第３図
は、ＬＳＩの冷却水温度と時間との関係を示す線図であ
る。

第１図において、１は、コンピュータ用の半導体集積回
路に係るＬＳＩ、２は、ＬＳＩＩの冷却水流路、３は、
冷却水を循環させるポンプ、４は。

冷媒流路、５は、ＬＳＩＩの冷却水流路２を流れる冷却
水と冷媒流路４を流れる冷媒との間の熱交換を行う第２
の熱交換器、６は圧縮機、７は、冷媒と外部流体に係る
室内空気１１との間の熱交換を行う第１の熱交換器、８
は、減圧手段に係る膨張弁、９は、冷媒の流れ方向を相
換えるための四方弁であり、これら機器、配管からなる
ＬＳＩの冷却水供給装置は、空気調和機１２で室内空気
１１が空調されているコンピユータ室１０内に設置され
ている。すなわち、ＬＳＩＩを冷却すべき冷却水流路２
と、圧縮機６、第１熱交換器７、膨張弁８、および西方
弁９を備えた冷媒流路４とを、第２の熱交換器５を介し
て熱交換可能に配設してヒートポンプサイクルを形成し
たものである。

そして、このＬＳＩの冷却水供給装置は、前記圧縮機６
に、当該圧縮機の容量を制御するためのインバータ１３
を設け、前記冷却水流路２の熱交換器５の゛ド流側に温
度センサー１４を設け、図示しないが、この温度センサ
ー１４の検知信号に従ってインバータ１３を作動せしめ
る制御回路を備えている。

第１図に示すサイクル系統で、第１図に示す四方弁９の
切換え状態では、冷媒は矢印の方向に流れる。

冷媒は、蒸発器として作用する第１の熱交換器７におい
て、室内空気１１から熱を縁って気化冷媒となり圧縮機
６に吸入される。そして圧縮機６で冷媒は高温高圧に圧
縮され吐出されたのち、凝縮器として作用する第２の熱
交換器５においてＬ　Ｓ　Ｉ　１の冷却水へ熱を伝え、
冷媒みずからは凝縮し、冷却水流路２を流れる冷却水は
加熱される。

凝縮され液化した冷媒は膨張弁８で減圧され第１の熱交
換器に流入し、前記のように室内空気１１から吸熱して
気化する。

このサイクルは、ヒートポンプのサイクルであり、ＬＳ
Ｉが起動する場合に用いられる。

この場合、冷却水流路２に設けた温度センサー１４が検
知する冷却水の温度に応じて、インバータ１３を作動さ
せ、その周波数変動によって圧縮機６の冷媒循環量を変
化させれば、第２の熱交換器５における冷却水に対する
加熱量を制御でき。

ＬＳＩの冷却水を急速に加温することが可能である。す
なわち、圧縮機６を用いたサイクルの起動直後では、口
振となる冷却水の設定温度と、その時点での冷却水と水
温との温度差が大きいので。

インバータ１３の周波数を高くして圧縮機６の容量を上
げ、ヒートポンプのサイクルによる加熱量を多くする。

そして、時間が経過して設定温度に近づいたら、インバ
ータ１３の周波数を下げて加熱量を少なくすると効率的
な温度制御を行うことができる。

次に、第２図は、コンピュータなどのＬＳＩを冷却する
ための冷却水が冷却水流路２を循環し、ＬＳＩが作動し
ているときに、ＬＳＩの発熱を冷却している系を示して
いる。

第２図で、第１図と同一符号のものは同一部分であるか
ら、その説明を省略する。また、第２図では、ＬＳｌｌ
の部分の図示を省略している。

第２図の四方弁９の状態では、冷媒は第１図の場合とは
逆向きに流れていて、この場合、蒸発器として作用する
第２の熱交換器５により冷却水から熱を奪って気化し、
ＬＳＩＩを冷却している。

気化した冷媒は圧縮機６によって高温高圧のガスに圧縮
され、凝縮器として作用する第１の熱交換器７を介して
室内空気１１中に放熱される。

このサイクルは、いわゆる冷凍サイクルと呼ばれている
ものである。

この場合も、インバータ１３により圧縮機６の容址制御
を行えば、ＬＳＩの負圧変動がある場合に対応して、冷
却量をも変化させることができる。

このように、冷媒流路４の冷媒の流れの向きを変更する
ことにより、ＬＳＩＩの冷却水を冷却することも加温す
ることも可能である。

ＬＳＩＩの冷却水温度を、冷却水が流れる配管上あるい
はＬＳＩ基板上に結露しないように、室内の温度と湿度
とから決まる露点よりも高い温度を設定温度とし、この
設定温度を保ってＬＳＩを作動させる。この場合、仮に
コンピユータ室１０の室内温度が２０℃とすると、冷却
水設定温度は安全をみて２５℃に決めるとする。このと
き、例えば冬期に、いったんコンピュータのＬＳＩＩを
停止させ、空気調和機１２も停止した場合、停止したの
ちの室内温度および冷却水温度は、外気温度にもよるが
、例えば両方とも１０’Ｃになったとする。そして、再
びコンピュータを作動させるとき、室内温度のみ前記し
た２０℃まで空気調和機１２により急速に暖房を行うと
、ＬＳＩの冷却水は熱容量を有しているため、１０℃以
上にはなるが２０℃には達しなくて、このときの室内温
度２０℃および湿度から決まる露点以下になり、ＬＳＩ
の冷却水の配管およびＬＳＩＩに結露を生じる。このた
め、室内を暖房する前にＬＳＩの冷却水温度を上昇させ
る必要がある。

ＬＳＩの冷却水全量を前記の設定温度（例えば２５℃）
まで上昇させるのに、第３図に示すように、縦軸にＬＳ
Ｉの冷却水温度、横軸に時間をとって示すと１次のよう
になる。

ＬＳＩの冷却水と初期温度は、前記のように外気温度（
例えば１０℃）であり、これを加熱昇温するのに、従来
の方法により、ＬＳＩの冷却水を圧縮機を作動させない
で循環し、ポンプ動力が羽根を通して伝わり、ＬＳＩの
冷却水の温度が露点（例えば１６℃）を菖え、設定温度
まで昇温するには、第３図中の曲Ｉｌ；Ａ１５のように
、ＬＳＩの温度上昇は緩やかであり、ＬＳＩの設定温度
まで到達するのに長時間を要する。しかし、第２図に示
したように圧縮機６を作動させるサイクルを形成させ、
インバータ１３により圧縮機６の容址制御を行えば、Ｌ
ＳＩの冷却水の設定温度までの温度上昇が、第３図の曲
線１６のように早くなる。

このように、本実施例によれば、ＬＳＩＩの起動時に結
露を防ぐために、比較的高温までＬＳＩの冷却水温度を
昇温する方法として、冷媒を圧縮機で圧縮した熱を冷却
水へ伝達することにより。

短時間でＬＳＩの冷却水温度をＬＳＩが作動可能な設定
温度まで上昇させることができる効果がある。また、冷
媒の流れ方向を逆向きにすることにより、ＬＳＩから発
生する熱を吸熱することが可能である。

本実施例のヒートポンプを用いた加熱法は、通常の発熱
体によるヒータを用いる加熱法にくらべて、同じ発生熱
量に対して消費電力が少なくてすむ利点がある。

なお、前述の第１，２図に示すサイクルでは、第１の熱
交換器は、冷媒と室内空気とで熱交換する例を説明した
が、本発明はこれに限定されるものでなく、室内から室
外の間を循環する外部の冷却水と冷媒との間の熱移動の
ための熱交換器を用いても差支えない。

また、前述の実施例では、コンピユータ室内にあるコン
ピュータ、用ＬＳＩの冷却水供給装置について説明した
が、本発明はコンピュータ用に限定されるものではない
。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、ＬＳＩの冷却水の
水温を設定温度まで効率良く、かつ時間的に早く上昇さ
せ、また、前記設定温度に達したのちには、環境温度変
動、あるいはＬＳＩの発熱変動が存在しても、前記の設
定温度を正確に保ち冷却を行いつる半導体集積回路の冷
却水供給装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るＬＳＩの冷却水供給
装置のヒートポンプサイクル系統図、第２図は、第１図
のサイクルの逆サイクルの冷凍サイクル系統図、第３図
は、ＬＳＩの冷却水温度と時間との関係を示す線図であ
る。 １・・・ＬＳＩ、２・・・冷却水流路、４・・・冷媒流
路。 ５・・・第２の熱交換器、６・・・圧縮器、７・・・第
１の熱交換器、８・・・膨張弁、９・・・四方弁、１３
・・・インバータ、１４・・・温度センサー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体集積回路を冷却すべき冷却水流路と、圧縮機
   、冷媒、外部流体間の熱交換を行う第１の熱交換器、減
   圧手段、および冷媒の流れ方向を切換える四方弁を備え
   た冷媒流路とを、第２の熱交換器を介して熱交換可能に
   配設してヒートポンプサイクルを形成し、前記圧縮機に
   、当該圧縮機の容量を制御するためのインバータを設け
   、前記冷却水流路に温度センサーを設け、この温度セン
   サーの検知信号に従って前記インバータを作動せしめる
   制御回路を設けたことを特徴とする半導体集積回路の冷
   却水供給装置。