JP2009130003A - Semiconductor cooling device - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱量が動的に変化する素子を一定の温度で冷却できる半導体の冷却装置を実現する。
【解決手段】半導体素子からの発生熱を外部冷却装置へ伝える半導体の冷却装置において、冷媒が封入された沸騰室と、この沸騰室に設けられた被冷却体と、外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第1の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第2の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、前記第1の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第1のポンプとを具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする半導体の冷却装置。
である。
【選択図】図1A semiconductor cooling device capable of cooling an element whose calorific value dynamically changes at a constant temperature.
In a semiconductor cooling device for transferring heat generated from a semiconductor element to an external cooling device, a boiling chamber in which a refrigerant is enclosed, a body to be cooled provided in the boiling chamber, and an external cooling device are provided. A cooling unit in which the refrigerant is cooled by an external cooling device; a first circulation pipe having one end connected to the lower side of the boiling chamber and the other end connected to the lower side of the cooling unit; and the boiling chamber. A pressure valve that keeps the pressure in the boiling chamber at a predetermined pressure by releasing the refrigerant vapor generated by the heat generation of the object to be cooled, one end connected to the outlet of the pressure valve, and the other end connected to the upper side of the cooling unit. A second circulation pipe, a liquid level meter provided in the boiling chamber for measuring the liquid level of the refrigerant, and a first pump provided in the first circulation pipe and operating based on a signal of the liquid level meter. And the heat of vaporization caused by boiling of the refrigerant The semiconductor cooling device, characterized in that cooled more object to be cooled.
It is.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は半導体の冷却装置に関するものである。
特に、半導体試験装置などに使用されて好適な半導体の冷却装置に関するもので、動作時に発熱する半導体素子のうち、温度変化が特性に大きな影響を与えるようなものの冷却に用いる。
特に動作中に発熱量が動的に変化し、しかし、半導体素子温度は一定にする必要の有る半導体素子の冷却に適する半導体の冷却装置に関するものである。
The present invention relates to a semiconductor cooling device.
In particular, the present invention relates to a semiconductor cooling apparatus suitable for use in a semiconductor test apparatus or the like, and is used to cool semiconductor elements that generate heat during operation and whose temperature change has a large effect on characteristics.
In particular, the present invention relates to a semiconductor cooling apparatus suitable for cooling a semiconductor element in which the amount of heat generated dynamically changes during operation but the temperature of the semiconductor element needs to be constant.
半導体の冷却装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。 Prior art documents related to semiconductor cooling devices include the following.
図3は従来より一般に使用されている従来例の要部斜視構成説明図、図4(a)は図3の平面図、(b)は図3の正面図である(以下「水冷方式」と称する。)。
図において、1は、アルミなどで作られた放熱器である。
2は、放熱器1に設けられたパイプである。
放熱器1には半導体素子Aが取り付けられている。
Bは半導体素子Aが取り付けられたプリント基板である。
FIG. 3 is a perspective view of a main part of a conventional example generally used in the past, FIG. 4 (a) is a plan view of FIG. 3, and FIG. 3 (b) is a front view of FIG. Called).
In the figure, 1 is a radiator made of aluminum or the like.
Reference numeral 2 denotes a pipe provided in the radiator 1.
A semiconductor element A is attached to the radiator 1.
B is a printed circuit board to which the semiconductor element A is attached.
以上の構成において、放熱器1の中に水3を流し冷却する。
放熱器1には半導体素子Aが取り付けられている。
流入された水4は半導体素子Aの熱を奪い温まって流出する。
温まった水4は外部の冷却装置により冷却されて放熱器1へ循環する。
In the above configuration, water 3 is poured into the radiator 1 for cooling.
A semiconductor element A is attached to the radiator 1.
The water 4 that has flowed in takes the heat of the semiconductor element A and flows out.
The warmed water 4 is cooled by an external cooling device and circulated to the radiator 1.
図5は従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である(以下「ヒートパイプ方式。」と称する。)。
密閉された管11の中に冷媒12が封入されている。
管11の片端を半導体素子Aに接触させ、もう片端を外部の冷却装置13により冷却する。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of the main part of another conventional example that is generally used conventionally (hereinafter referred to as “heat pipe system”).
A refrigerant 12 is enclosed in a sealed tube 11.
One end of the tube 11 is brought into contact with the semiconductor element A, and the other end is cooled by an external cooling device 13.
以上の構成において、半導体素子A側端では、冷媒12が蒸発し気化熱を奪う。
蒸発した冷媒12は冷却側端に移動し冷却され凝縮熱を放出する。
凝縮した冷媒12は、毛細管現象などにより熱源側端に戻る。
以上のような機構で熱源側端から冷却側端に熱が移動する。
In the above configuration, at the semiconductor element A side end, the refrigerant 12 evaporates and takes heat of vaporization.
The evaporated refrigerant 12 moves to the cooling side end and is cooled to release condensation heat.
The condensed refrigerant 12 returns to the heat source side end due to a capillary phenomenon or the like.
Heat moves from the heat source side end to the cooling side end by the mechanism as described above.
このような装置においては、以下の間題点がある。
水冷方式。
水流の上流と下流で温度差が存在するため、放熱器1に複数の半導体素子Aが取り付けられている場合、半導体素子A間で温度差が生じやすい。
この温度差を軽減するため、図3のように放熱器1の内部で水を往復させることが行われている。
Such an apparatus has the following problems.
Water cooling method.
Since a temperature difference exists between the upstream and downstream of the water flow, when a plurality of semiconductor elements A are attached to the radiator 1, a temperature difference is likely to occur between the semiconductor elements A.
In order to reduce this temperature difference, water is reciprocated inside the radiator 1 as shown in FIG.
しかし、温度差を小さくするには、半導体素子Aの発熱量によって水温がほとんど上がらないくらい大量の水を流さなければならず、設計上の制約になる。
逆に少ない流量では上流と下流の温度差が生じ、この温度差は半導体素子Aの消費電力の動的変化によっても変化するため、消費電力が動的に変化する複数の半導体素子Aを一定温度で冷却することは難しい。
However, in order to reduce the temperature difference, a large amount of water must be allowed to flow so that the water temperature hardly rises due to the amount of heat generated by the semiconductor element A, which is a design constraint.
Conversely, when the flow rate is small, a temperature difference between the upstream and downstream occurs, and this temperature difference also changes due to a dynamic change in power consumption of the semiconductor element A. Therefore, a plurality of semiconductor elements A whose power consumption changes dynamically are kept at a constant temperature. It is difficult to cool with.
ヒートパイプ方式。
一般に、封入される冷媒12は少量であり蒸発による冷却能力に限りがあるため、半導体素子A側端の温度は半導体素子Aの発熱量によって変動する。
仮に冷媒12を増やした場合は、大量に生じる冷媒蒸気により管11の内圧が上昇し冷媒12の沸点温度が変化してしまう。
このため、いずれにしても、半導体素子Aを一定温度で冷却することは難しい。
Heat pipe method.
In general, the amount of the refrigerant 12 to be enclosed is small and the cooling capability by evaporation is limited, so the temperature at the end of the semiconductor element A varies depending on the amount of heat generated by the semiconductor element A.
If the refrigerant 12 is increased, the internal pressure of the pipe 11 rises due to a large amount of refrigerant vapor, and the boiling point temperature of the refrigerant 12 changes.
For this reason, in any case, it is difficult to cool the semiconductor element A at a constant temperature.
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、発熱量が動的に変化する素子を一定の温度で冷却できる半導体の冷却装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a semiconductor cooling device capable of cooling an element whose calorific value dynamically changes at a constant temperature.
このような課題を達成するために、本発明では、請求項1の半導体の冷却装置においては、
半導体素子からの発生熱を外部冷却装置へ伝える半導体の冷却装置において、冷媒が封入された沸騰室と、この沸騰室に設けられた被冷却体と、外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第1の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第2の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、前記第1の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第1のポンプと、を具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする。
In order to achieve such a problem, in the present invention, in the semiconductor cooling device of claim 1,
In a semiconductor cooling device that transfers heat generated from a semiconductor element to an external cooling device, a boiling chamber in which a refrigerant is sealed, a body to be cooled provided in the boiling chamber, and a cooling device provided near the external cooling device is externally cooled. A cooling unit cooled by the apparatus, a first circulation pipe having one end connected to the lower side of the boiling chamber and the other end connected to the lower side of the cooling unit, and a cooling unit provided in the boiling chamber A pressure valve that keeps the pressure in the boiling chamber at a predetermined pressure by releasing the refrigerant vapor generated by the heat generation; and a second valve having one end connected to the outlet of the pressure valve and the other end connected to the upper side of the cooling unit. A circulation pipe, a liquid level meter provided in the boiling chamber for measuring the liquid level of the refrigerant, and a first pump provided in the first circulation pipe and operating based on a signal of the liquid level meter. Cooled by the heat of vaporization caused by boiling of the refrigerant And wherein the cooling of the body.
本発明の請求項2の半導体の冷却装置においては、請求項1記載の半導体の冷却装置において、
前記被冷却体は、沸騰室に取付けられた半導体素子であることを特徴とする。
In the semiconductor cooling device according to claim 2 of the present invention, the semiconductor cooling device according to claim 1,
The object to be cooled is a semiconductor element attached to a boiling chamber.
本発明の請求項3の半導体の冷却装置においては、請求項1記載の半導体の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記沸騰室で冷媒に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板あるいは複数の基板が実装された装置であることを特徴とする。
In the semiconductor cooling device according to claim 3 of the present invention, the semiconductor cooling device according to claim 1,
The object to be cooled is a substrate on which a plurality of semiconductor elements to be cooled by being immersed in a cooling medium in the boiling chamber or a device on which a plurality of substrates are mounted.
本発明の請求項4の半導体の冷却装置においては、請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記冷媒はフロン系の冷媒であることを特徴とする。
In the semiconductor cooling device according to claim 4 of the present invention, the semiconductor cooling device according to any one of claims 1 to 3,
The refrigerant is a fluorocarbon refrigerant.
本発明の請求項5の半導体の冷却装置においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記第2の循環パイプに設けられ前記冷媒蒸気を加圧して冷却部に送る第2のポンプと
を具備したことを特徴とする。
In the semiconductor cooling device according to claim 5 of the present invention, in the semiconductor cooling device according to any one of claims 1 to 4,
And a second pump that is provided in the second circulation pipe and pressurizes the refrigerant vapor to send it to the cooling unit.
本発明の請求項6の半導体の冷却装置においては、請求項1乃至請求項5の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記沸騰室と前記第1のポンプとの間の前記第1の循環パイプに設けられ前記沸騰室に還流される冷媒が前記沸騰室に注入される前に前記沸騰室内の冷媒の温度と同じにされる熱交換装置を具備したことを特徴とする。
In the semiconductor cooling device according to claim 6 of the present invention, the semiconductor cooling device according to any one of claims 1 to 5,
The refrigerant provided in the first circulation pipe between the boiling chamber and the first pump and returned to the boiling chamber has the same temperature as the refrigerant in the boiling chamber before being injected into the boiling chamber. It is characterized by having a heat exchange device.
本発明の請求項7の半導体の冷却装置においては、請求項1乃至請求項6の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記沸騰室内の前記冷媒を循環させる循環手段を具備したことを特徴とする。
In the semiconductor cooling device of Claim 7 of this invention, In the semiconductor cooling device in any one of Claim 1 thru | or 6,
Circulating means for circulating the refrigerant in the boiling chamber is provided.
本発明の請求項1によれば、次のような効果がある。
複数の半導体素子の消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 1 of the present invention, there are the following effects.
In an apparatus in which power consumption of a plurality of semiconductor elements fluctuates asynchronously and dynamically, a semiconductor cooling apparatus capable of cooling each semiconductor element at a constant temperature is obtained.
本発明の請求項2によれば、次のような効果がある。
被冷却体は、沸騰室に接する半導体素子であるので、沸騰室に接すれば良く、半導体素子の着脱が容易な半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 2 of the present invention, there are the following effects.
Since the object to be cooled is a semiconductor element that is in contact with the boiling chamber, it is sufficient that the object to be cooled is in contact with the boiling chamber.
本発明の請求項3によれば、次のような効果がある。
被冷却体は、沸騰室で冷媒に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板あるいは複数の基板が実装された装置であるので、1つの沸騰室に複数の半導体素子が配置され、それらの複数の半導体素子を同一温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
また、複数の素子が実装された基板全体を沸騰室の中で冷媒に直接浸してしまえば、基板全体を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 3 of the present invention, there are the following effects.
Since the object to be cooled is a substrate on which a plurality of semiconductor elements to be cooled by being immersed in a refrigerant in a boiling chamber or a device on which a plurality of substrates are mounted, a plurality of semiconductor elements are arranged in one boiling chamber. A semiconductor cooling device capable of cooling the plurality of semiconductor elements at the same temperature is obtained.
Further, if the entire substrate on which a plurality of elements are mounted is directly immersed in a refrigerant in a boiling chamber, a semiconductor cooling device capable of cooling the entire substrate at a constant temperature can be obtained.
本発明の請求項4によれば、次のような効果がある。
冷媒はフロン系の冷媒が使用されたので、フロン系は腐食性が少なく、被冷却体を傷める恐れが少ない半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 4 of the present invention, there are the following effects.
Since the chlorofluorocarbon refrigerant is used as the refrigerant, the chlorofluorocarbon refrigerant is less corrosive, and a semiconductor cooling device is obtained that is less likely to damage the object to be cooled.
本発明の請求項5によれば、次のような効果がある。
第2の循環パイプに設けられ冷媒蒸気を加圧して冷却部に送る第2のポンプが設けられたので、冷媒蒸気を加圧することにより、冷媒蒸気の温度が上昇するため、冷媒蒸気と外部冷却装置との温度差が大きくなり、更に、冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 5 of the present invention, there are the following effects.
Since the second pump provided in the second circulation pipe for pressurizing the refrigerant vapor and sending it to the cooling unit is provided, the temperature of the refrigerant vapor rises by pressurizing the refrigerant vapor. A temperature difference from the apparatus becomes large, and a semiconductor cooling apparatus with improved cooling efficiency can be obtained.
本発明の請求項6によれば、次のような効果がある。
沸騰室と第1のポンプとの間の第1の循環パイプに設けられ沸騰室に還流される冷媒が沸騰室に注入される前に沸騰室内の冷媒の温度と同じにされる熱交換装置が設けられたので、冷却精度が向上された半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 6 of the present invention, there are the following effects.
There is provided a heat exchange device that is provided in a first circulation pipe between the boiling chamber and the first pump and that is made to have the same temperature as the refrigerant in the boiling chamber before the refrigerant that is refluxed to the boiling chamber is injected into the boiling chamber. Since it is provided, a semiconductor cooling device with improved cooling accuracy can be obtained.
本発明の請求項7によれば、次のような効果がある。
沸騰室内の冷媒を循環させる循環手段が設けられたので、被冷却体が基板などの場合、その形状によっては部分的に冷媒が不足する箇所が生じる場合にも、強制的に冷媒を送り込むことが出来るため、更に冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
According to claim 7 of the present invention, there are the following effects.
Since the circulation means for circulating the refrigerant in the boiling chamber is provided, the refrigerant can be forcibly sent even when the object to be cooled is a substrate or the like, depending on its shape, even if a portion where the refrigerant is partially insufficient occurs. Therefore, a semiconductor cooling device with further improved cooling efficiency can be obtained.
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例の要部構成説明図、図2は図1の動作説明図である。
図において、図3と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図3との相違部分のみ説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the main part of one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of FIG.
In the figure, configurations with the same symbols as in FIG. 3 represent the same functions.
Only the difference from FIG. 3 will be described below.
図1において、沸騰室21には、冷媒22が封入されている。
冷媒22は、例えば、CFC11 沸点23.7℃、フロン123 沸点27.5℃、フロン113 沸点47.6℃等が使用されている。
被冷却体Aは、この沸騰室21に接している。
この場合は、被冷却体Aは、沸騰室21の外側に半導体素子Aが接している。
In FIG. 1, a refrigerant 22 is sealed in a boiling chamber 21.
As the refrigerant 22, for example, CFC11 boiling point 23.7 ° C., Freon 123 boiling point 27.5 ° C., Freon 113 boiling point 47.6 ° C., or the like is used.
The cooled object A is in contact with the boiling chamber 21.
In this case, in the cooled object A, the semiconductor element A is in contact with the outside of the boiling chamber 21.
冷却部23は、外部冷却装置24近くに設けられ、冷媒22の蒸気が外部冷却装置24により冷却される。
第1の循環パイプ25は、沸騰室21の下部側に一端が接続され、他端が冷却部23の下部側に接続されている。
圧力弁27は、沸騰室21に設けられ、沸騰室21の圧力を所定圧力に保つ。
第2の循環パイプ26は、圧力弁27の出口に一端が接続され、他端が冷却部23の上部側に接続されている。
液位計28は、沸騰室21に設けられ、冷媒22の液位を測定する。
The cooling unit 23 is provided near the external cooling device 24, and the vapor of the refrigerant 22 is cooled by the external cooling device 24.
The first circulation pipe 25 has one end connected to the lower side of the boiling chamber 21 and the other end connected to the lower side of the cooling unit 23.
The pressure valve 27 is provided in the boiling chamber 21 and keeps the pressure in the boiling chamber 21 at a predetermined pressure.
The second circulation pipe 26 has one end connected to the outlet of the pressure valve 27 and the other end connected to the upper side of the cooling unit 23.
The liquid level meter 28 is provided in the boiling chamber 21 and measures the liquid level of the refrigerant 22.
第1のポンプ29は、第1の循環パイプ25に設けられ、液位計28の信号に基づき動作する。
第2のポンプ31は、第2の循環パイプ26に設けられ、冷媒22の蒸気を加圧する。
The first pump 29 is provided in the first circulation pipe 25 and operates based on a signal from the liquid level meter 28.
The second pump 31 is provided in the second circulation pipe 26 and pressurizes the vapor of the refrigerant 22.
熱交換装置32は、沸騰室21と第1のポンプ29との間の第1の循環パイプ25に設けられ、沸騰室21に還流される冷媒22が、沸騰室21に注入される前に、沸騰室21内の冷媒22の温度と同じにする。 The heat exchanging device 32 is provided in the first circulation pipe 25 between the boiling chamber 21 and the first pump 29, and before the refrigerant 22 recirculated to the boiling chamber 21 is injected into the boiling chamber 21, The temperature is the same as the temperature of the refrigerant 22 in the boiling chamber 21.
以上の構成において、図2に示す如く、半導体素子Aが動作して温度が上がっていくと、やがて冷媒22は沸騰しはじめ、半導体素子Aの温度は沸点温度に維持される。
半導体素子Aの消費電力が増大しても、ある程度の範囲では、半導体素子Aの温度が沸点温度に維持される。
即ち、半導体素子Aの温度が消費電力に依存しない範囲が現れる。
In the above configuration, as shown in FIG. 2, when the semiconductor element A operates and the temperature rises, the refrigerant 22 begins to boil and the temperature of the semiconductor element A is maintained at the boiling temperature.
Even if the power consumption of the semiconductor element A increases, the temperature of the semiconductor element A is maintained at the boiling point temperature within a certain range.
That is, a range where the temperature of the semiconductor element A does not depend on the power consumption appears.
更に消費電力が増えて、冷却が追いつかなくなると、半導体素子Aの温度が再上昇し始める。
この、半導体素子Aの温度が消費電力に依存しない範囲で半導体素子Aを使えば、消費電力が変化しても、常に一定の温度で半導体素子Aが冷却可能になる。
When the power consumption further increases and the cooling cannot catch up, the temperature of the semiconductor element A begins to rise again.
If the semiconductor element A is used in such a range that the temperature of the semiconductor element A does not depend on the power consumption, the semiconductor element A can always be cooled at a constant temperature even if the power consumption changes.
冷媒22の沸点温度は気圧に左右される。
閉鎖空間での沸騰では、内圧が上昇し沸点温度の上昇が起こる可能性があるので、沸騰室21に圧力弁27を設け、沸騰室21の内圧を一定に維持する。
こうすることで沸騰温度を一定に保つことが可能になる。
また、圧力弁27の開く圧力を調整することで、沸騰室21の内圧が調整可能になり、冷媒22の沸点が調整可能になるため、半導体素子Aの動作温度の設定に自由度が増す。
The boiling point temperature of the refrigerant 22 depends on the atmospheric pressure.
In boiling in a closed space, there is a possibility that the internal pressure rises and the boiling point temperature rises. Therefore, a pressure valve 27 is provided in the boiling chamber 21 to keep the internal pressure of the boiling chamber 21 constant.
This makes it possible to keep the boiling temperature constant.
In addition, by adjusting the pressure at which the pressure valve 27 opens, the internal pressure of the boiling chamber 21 can be adjusted, and the boiling point of the refrigerant 22 can be adjusted. Therefore, the degree of freedom in setting the operating temperature of the semiconductor element A is increased.
この結果、複数の半導体素子Aの消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子Aを一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。 As a result, a semiconductor cooling device capable of cooling each semiconductor element A at a constant temperature in an apparatus in which the power consumption of the plurality of semiconductor elements A fluctuates asynchronously and dynamically is obtained.
フロン123を例に1kWを冷却する場合を試算する。
フロン123は、気化熱171kJ/kg、比重1.46g/cm3なので、気化熱で1kWを奪うには、フロンの供給量はわずか4cm3/secで済む。
蒸発したフロンは856cm3/secの流量(1気圧の場合)で排出される。
The case where 1 kW is cooled is calculated using Freon 123 as an example.
Since Freon 123 has a heat of vaporization of 171 kJ / kg and a specific gravity of 1.46 g / cm 3 , the supply amount of Freon is only 4 cm 3 / sec to take 1 kW by the heat of vaporization.
The evaporated chlorofluorocarbon is discharged at a flow rate of 856 cm 3 / sec (in the case of 1 atm).
よって流入と流出で合計860cm3/secの流量を流せる配管が必要となるが、排出管内の圧力を高めれば排気体積を減らすことは可能であり、例えば、排気管内圧力を2気圧にすれば432cm3/secで済む。
この加圧の用途にも第2のポンプ31は使用可能である。
Therefore, piping that can flow a total of 860 cm 3 / sec is required for inflow and outflow, but if the pressure in the exhaust pipe is increased, the exhaust volume can be reduced. For example, if the pressure in the exhaust pipe is 2 atm, 432 cm 3 / sec is enough.
The second pump 31 can be used for this pressurization.
これに対して、1kWを水で冷却し温度差を1℃以下にする場合を試算する。
1kWでは、240cm3/secの水量で1℃温度が上昇するので、最低240ccの水量が必要である。
よって流入と流出で合計480cm3/secの流量を流せる配管が必要となる。
On the other hand, the case where 1 kW is cooled with water and a temperature difference is made into 1 degreeC or less is estimated.
At 1 kW, the temperature rises by 1 ° C. with an amount of water of 240 cm 3 / sec, so a minimum amount of water of 240 cc is required.
Therefore, piping that can flow a total of 480 cm 3 / sec is required for inflow and outflow.
既に、圧力弁27は小型のものが市場にあることを考慮すると、以上のように、図3従来例の水冷装置に比べて同程度の大きさで装置を構成することは十分可能であり、特に、複数の素子Aの消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子Aを一定温度で冷却できる大きな利点を有する半導体の冷却装置が得られる。 Considering that there is already a small pressure valve 27 on the market, as described above, it is sufficiently possible to configure the device with the same size as the water cooling device of FIG. In particular, in a device in which the power consumption of a plurality of elements A fluctuates asynchronously and dynamically, a semiconductor cooling device having a great advantage that each semiconductor element A can be cooled at a constant temperature can be obtained.
被冷却体Aは、沸騰室21に接した半導体素子であるので、沸騰室21に接すれば良く、半導体素子の着脱が容易な半導体の冷却装置が得られる。 Since the object A to be cooled is a semiconductor element in contact with the boiling chamber 21, it is only necessary to be in contact with the boiling chamber 21, and a semiconductor cooling device in which the semiconductor element can be easily attached and detached is obtained.
冷媒22はフロン系の冷媒22が使用されたので、フロン系は腐食性が少なく、被冷却体を傷める恐れが少ない半導体の冷却装置が得られる。 Since the refrigerant 22 is a CFC-based refrigerant 22, the CFC-based refrigerant is less corrosive and a semiconductor cooling device is obtained that is less likely to damage the object to be cooled.
第2の循環パイプ26に設けられ冷媒蒸気を加圧して冷却部23に送る第2のポンプ31が設けられたので、冷媒蒸気を加圧することにより、冷媒蒸気の温度が上昇するため、冷媒蒸気と外部冷却装置24との温度差が大きくなり、更に、冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。 Since the second pump 31 provided in the second circulation pipe 26 to pressurize the refrigerant vapor and send it to the cooling unit 23 is provided, the pressure of the refrigerant vapor raises the temperature of the refrigerant vapor. The temperature difference between the external cooling device 24 and the external cooling device 24 is increased, and a semiconductor cooling device with improved cooling efficiency is obtained.
沸騰室21と第1のポンプ29との間の第1の循環パイプ25に設けられ、沸騰室21に還流される冷媒22が沸騰室21に注入される前に、沸騰室21内の冷媒22の温度と同じにされる熱交換装置32が設けられたので、冷却精度が向上された半導体の冷却装置が得られる。 Before the refrigerant 22 provided in the first circulation pipe 25 between the boiling chamber 21 and the first pump 29 and recirculated to the boiling chamber 21 is injected into the boiling chamber 21, the refrigerant 22 in the boiling chamber 21. Since the heat exchanging device 32 having the same temperature is provided, a semiconductor cooling device with improved cooling accuracy can be obtained.
なお、被冷却体Aは、沸騰室21で冷媒22に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板、あるいは複数の基板が実装された装置でも良い。 In addition, the to-be-cooled body A may be a substrate on which a plurality of semiconductor elements to be cooled by being immersed in the coolant 22 in the boiling chamber 21 is mounted, or an apparatus on which a plurality of substrates are mounted.
この結果、被冷却体Aは、沸騰室21で冷媒22に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板、あるいは複数の基板が実装された装置であるので、1つの沸騰室21に複数の半導体素子が配置され、それらの複数の半導体素子を同一温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
また、複数の素子が実装された基板全体を沸騰室21の中で冷媒22に直接浸してしまえば、基板全体を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
As a result, the object A to be cooled is a substrate on which a plurality of semiconductor elements to be cooled by being immersed in the refrigerant 22 in the boiling chamber 21 or a device on which a plurality of substrates are mounted. Thus, a semiconductor cooling device capable of cooling the plurality of semiconductor elements at the same temperature is obtained.
Further, if the entire substrate on which a plurality of elements are mounted is directly immersed in the coolant 22 in the boiling chamber 21, a semiconductor cooling device capable of cooling the entire substrate at a constant temperature can be obtained.
また、沸騰室21内の冷媒22を循環させる循環手段が設けられても良い。
この結果、被冷却体が基板などの場合、その形状によっては部分的に冷媒が不足する箇所が生じる場合にも、強制的に冷媒を送り込むことが出来るため、更に冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
Further, a circulation means for circulating the refrigerant 22 in the boiling chamber 21 may be provided.
As a result, when the object to be cooled is a substrate or the like, depending on the shape, even when a portion where the refrigerant is partially insufficient occurs, the refrigerant can be forcibly sent, so that the cooling efficiency is further improved. A cooling device is obtained.
なお、図1の第2のポンプ31は、2次冷却系の効率を上げるためのものなので、第2のポンプ31は、理論的には無くても良い。
また、図1の熱交換器32は、冷却精度を上げるためのものなので、熱交換器32は、理論的には無くても良い。
Since the second pump 31 in FIG. 1 is for increasing the efficiency of the secondary cooling system, the second pump 31 may theoretically be omitted.
Moreover, since the heat exchanger 32 of FIG. 1 is for raising cooling accuracy, the heat exchanger 32 may theoretically be omitted.
また、沸騰室21内の冷媒を循環させる循環手段は、冷却効率を上げるためなので、沸騰室21内の冷媒を循環させる循環手段は、理論的には無くても良い。 Further, since the circulation means for circulating the refrigerant in the boiling chamber 21 is for increasing the cooling efficiency, the circulation means for circulating the refrigerant in the boiling chamber 21 may theoretically be omitted.
また、液位計28と第1のポンプ29は連動して動作し、沸騰室21内の冷媒22が一定の範囲内にあるように液量を調節する。しかしこの調節はそれほど厳密である必要は無い。
外部冷却装置24は、冷媒蒸気を凝縮点温度以下に冷却できればよいので、それほど厳密な温度管理は必要ない。
Further, the liquid level meter 28 and the first pump 29 operate in conjunction with each other, and adjust the liquid amount so that the refrigerant 22 in the boiling chamber 21 is within a certain range. However, this adjustment need not be so strict.
The external cooling device 24 only needs to be able to cool the refrigerant vapor to the condensing point temperature or lower, so that strict temperature management is not necessary.
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention.
Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
1 放熱器
2 パイプ
3 水
11 管
12 冷媒
13 冷却装置
21 沸騰室
22 冷媒
23 冷却部
24 外部冷却装置
25 第1の循環パイプ
26 第2の循環パイプ
27 圧力弁
28 液位計
29 第1のポンプ
31 第2のポンプ
32 熱交換装置
A 半導体素子
B プリント基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat radiator 2 Pipe 3 Water 11 Pipe 12 Refrigerant 13 Cooling device 21 Boiling chamber 22 Refrigerant 23 Cooling part 24 External cooling device 25 1st circulation pipe 26 2nd circulation pipe 27 Pressure valve 28 Liquid level meter 29 1st pump 31 Second pump 32 Heat exchange device A Semiconductor element B Printed circuit board
Claims (7)
冷媒が封入された沸騰室と、
この沸騰室に設けられた被冷却体と、
外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、
前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第1の循環パイプと、
前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、
前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第2の循環パイプと、
前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、
前記第1の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第1のポンプと
を具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする半導体の冷却装置。 In a semiconductor cooling device that transmits heat generated from a semiconductor element to an external cooling device,
A boiling chamber filled with refrigerant;
An object to be cooled provided in the boiling chamber;
A cooling unit provided near the external cooling device and in which the refrigerant is cooled by the external cooling device;
A first circulation pipe having one end connected to the lower side of the boiling chamber and the other end connected to the lower side of the cooling unit;
A pressure valve that is provided in the boiling chamber and keeps the pressure in the boiling chamber at a predetermined pressure by releasing the refrigerant vapor generated by the heat generation of the cooled object;
A second circulation pipe having one end connected to the outlet of the pressure valve and the other end connected to the upper side of the cooling unit;
A liquid level meter provided in the boiling chamber for measuring the liquid level of the refrigerant;
A semiconductor cooling apparatus, comprising: a first pump provided in the first circulation pipe and operating based on a signal from the liquid level gauge, wherein the object to be cooled is cooled by heat of vaporization caused by boiling of the refrigerant.
を特徴とする請求項1記載の半導体の冷却装置。 The semiconductor cooling device according to claim 1, wherein the object to be cooled is a semiconductor element in contact with a boiling chamber.
を特徴とする請求項1記載の半導体の冷却装置。 The semiconductor cooling device according to claim 1, wherein the object to be cooled is a substrate on which a plurality of semiconductor elements to be cooled by being immersed in a cooling medium in the boiling chamber or a device on which a plurality of substrates are mounted. .
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体の冷却装置。 The semiconductor cooling device according to any one of claims 1 to 3, wherein the refrigerant is a fluorocarbon refrigerant.
を具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の半導体の冷却装置。 5. The semiconductor cooling device according to claim 1, further comprising a second pump that is provided in the second circulation pipe and pressurizes the refrigerant vapor and sends the refrigerant vapor to a cooling unit.
を具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の半導体の冷却装置。 The refrigerant provided in the first circulation pipe between the boiling chamber and the first pump and returned to the boiling chamber has the same temperature as the refrigerant in the boiling chamber before being injected into the boiling chamber. The semiconductor cooling device according to claim 1, further comprising a heat exchange device.
を具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記載の半導体の冷却装置。 The semiconductor cooling device according to claim 1, further comprising a circulation unit that circulates the refrigerant in the boiling chamber.
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|---|---|---|---|---|
| CN102714193A (en) * | 2009-12-10 | 2012-10-03 | 丹佛斯特伯克压缩机有限责任有限公司 | IGBT cooling method |
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2007
- 2007-11-21 JP JP2007301091A patent/JP2009130003A/en active Pending
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