JPH02246255A - 半導体装置 - 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〕 本発明は半導体装置及び半導体装置を備えた計算機に係
り、特に小型で大量の熱を発生する半導体集積回路を冷
却する手段を備えた半導体装置及びそのような半導体装
置を備えた計算機に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路においては、半導体素子が発生する熱の
ために素子の寿命が著しく短縮され、場合によっては素
子の誤動作、破壊を生ずる。さらに、素子の定格電圧を
決定する要因としても、発生熱量が大きな比率を占めて
いる。そのため、計算機内の集積回路等においては素子
の熱放出が大きな問題であり、熱放出を容易にする基板
の材質。

形状、冷却構造および冷却媒体等の検討が進められてい
る。素子の温度の許容値は、一般に最大３５３に程度で
あり、小容量の計算機では、冷却媒体として空気を用い
た空冷方式が用いられているが、空冷方式では冷却能力
が低く、大容量の計算機では素子の冷却が不充分になる
可能性があると共に、ファンやブロアが用いられるため
、騒音が発生し、好ましくない、従って大容量（大型）
計算機では、例えば電子技術１９８７−９．Ｐ７０〜７
３に記載されているように、冷却媒体として水を用いる
水冷式が主に採用され、その冷却装置の構造等の検討が
行われている。また、特開昭５６−１５０８４１号公報
には、半導体素子だけでなく、他の電気部品を冷却する
、冷却水を用いる冷却体が開示されている。

水冷方式においては、水の持つ顕熱が水の温度差として
、半導体素子（チップ）からの熱の除去および除去され
た熱の輸送に利用される。大量の熱を輸送するには、大
量の冷却水を用いるか、冷却水の温度差（熱除去時の昇
温ＩＩＩりを大きくする必要がある。一般に、冷却水の
計算機出口温度と計算機入口温度の差は５に以下であり
、従って。

熱除去輸送能力（以下冷却能力という）は、約２１Ｘ１
０”Ｊ／ｋｇ（比熱４．１８６０５ｘｌＯ’Ｊ　７ｋｇ
−Ｋ　Ｘ温度差５Ｋ）以下であ４゜また、近年、冷却能
力増大を目的として１例えば、米国特許３，６８２，２
３７号に見られるように、フレオン等の低沸点媒体を用
いた蒸発潜熱を利用する形式のものも検討されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、水冷方式のものでは、液体の顕熱
が利用されているため、冷却能力に限界があり、かつ、
冷却過程で水の温度が変化（上昇）するため、半導体素
子を収納したモジュールが、均一の温度で冷却されにく
いという欠点がある。

計算機の大容量化及び高速化に伴い、チップ数の増大及
びチップ当りの発熱許容量の増大が要求され、従来の水
冷方式では、冷却水量の増大が避けられず、また、チッ
プを均一な温度に保持することは期待できない。

また、蒸発潜熱利用タイプによれば、冷却能力は向上す
るが、冷却媒体の密閉化が必要であるとともに、冷却過
程の入ロ〜出ロ間で、冷却媒体流路内に、気相、液相の
冷却媒体を供花させるために構造形式が制限される。ま
た、冷却媒体を均一に蒸発させるのが難しく、蒸発効率
向上、均一蒸発（均一冷却）が困難である。

本発明の課題は、計算機が発生する熱を、高い能率で、
かつ被冷却部分を均一な温度で冷却するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的の課題は、半導体素子と該半導体素子が発生す
る熱を除去する冷却手段とを備えた半導体装置において
、該冷却手段に、使用温度においてその一部が外部から
凝固熱を奪って固相から液相に相変化するとともに固相
を含んだ状態で流動性のある物質を、冷却媒体として用
いる半導体装置により、達成される また、半導体素子を冷却する冷却手段に接続して設けら
れ、該冷却手段が半導体素子から除去した熱を外部に放
出する冷却装置において、該冷却装置に、冷却媒体であ
る、相変化する流動体を冷却して少なくともその一部を
凝固させる凝固手段を備えることにより、達成される。

半導体素子を冷却する冷却手段出口に接続されポンプを
介装した戻り管と、該戻り管に接続して設けられ冷却媒
体を収容する容器と、該容器と前記冷却手段の入口とを
接続する送液管と、前記容器内に設けられ冷却媒体であ
る、相変化する流動体を冷却して少なくともその一部を
凝固させる手段と、を備えている冷却装置としてもよい
。

また、半導体素子を冷却する冷却手段出口と冷却装置入
口との間を接続する配管中の冷却媒体の温度を検出する
手段と、冷却媒体を収容する容器中の相変化物質の凝固
量を検出する検出手段と、検出された前記温度及び凝固
量とに基づいて冷却媒体中の相変化物質の凝固量を制御
する手段と。

を備えている冷却装置としてもよい。

また、検出手段が、容器中の冷却媒体の、液面の位置、
密度、粘性、温度、冷却媒体中の固相と液相の比率のい
ずれか一つ以上を検出する手段である請求項３に記載の
冷却装置としてもよい。

入出力部と、該入出力部に接続された記憶部と、該記憶
部に接続された演算部と、該演算部に接続された制御部
と、前記記憶部、演算部、制御部の少なくとも一部に設
けられた半導体装置を冷却する冷却装置と、をそ備えた
計算機において、前記半導体装置が請求項１に記載され
た半導体装置であり、前記冷却装置が請求項２乃至５に
記載された冷却装置のいずれかである計算機左してもよ
い。

また、入出力部と、該入出力部に接続された記憶部と、
該記憶部に接続さ九た演算部と、該演算部に接続された
制御部と、前記記憶部、演算部。

制御部の少なくとも二部を冷却する冷却装置と。

を備えた計算機において、前記記憶部、演算部。

制御部の少なくとも一部に請求項１に記載された半導体
装置が装着されていることと、該半導体装置の冷却手段
に接続して冷却媒体を冷却される媒体とし顕然利用液体
を冷却する側の媒体とする熱交換器が設けられているこ
とと、冷却装置は前記熱交換器の顕熱利用液体側に接続
され冷却媒体を介して前記記憶部、演算部、制御部の少
なくとも一部をなす半導体装置を冷却するものであるこ
とと、を特徴とする計算機としてもよい。

冷却装置が、ヒートパイプであることを特徴とする請求
項７に記載の計算機としてもよい。

また、使用温度においてその一部が外部から凝固熱を奪
って固相から液相に相変化するとともに固相を含んだ状
態で流動性のある冷却媒体が、固相を含んだ状態で伝熱
面を介して半導体素子に接触させられ、前記面相が該半
導体素子の熱を奪って液相化することによって該半導体
素子が冷却される半導体装置の冷却方法としてもよい。

また、温度により固相と液相の間で相変化する物質が固
相状態でそれと疎液性の物質に分散された状態の流動体
を冷却媒体とし、該冷却媒体を伝熱面を介して半導体素
子に接触させ、前記固相が該半導体素子の熱を奪って液
相化することによって該半導体素子が冷却される半導体
装置の冷却方法としてもよい。

また、温度により固相と液相の間で相変化する物質が固
相状態でそれと親液性でかつ使用状態で相変化しない物
質に分散された状態の流動体を冷却媒体とし、該冷却媒
体を伝熱面を介して半導体素子に接触させ、前記固相が
該半導体素子の熱を奪って液相化することによって該半
導体素子が冷却される半導体装置の冷却方法としてもよ
い。

また、固相を含む冷却媒体を貯える容器が設けられ、半
導体素子を冷却して固相が溶解された冷却媒体中の相変
化物質を所定の時間再凝固させることなく、半導体素子
の冷却を継続する請求項９゜１０または１１に記載の半
導体装置の冷却力法としてもよい。

冷却媒体としては、相変化する親水性物質が相変化しな
い疎水性物質に分散されている冷却媒体でも、相変化す
る疎水性物質が相変化しない親水性物質に分散されてい
る冷却媒体でも、相変化する物質が該相変化する物質と
親液性である相変化しない物質に分散されている冷却媒
体でもよい。

〔作用〕

発明者らは、液冷方式の従来技術の欠点の根本原因は、
冷却媒体の温度差による顕熱変化を用いている点にある
ことから、冷却媒体として、熱輸送力（冷却能力）の大
きい潜熱利用が可能な媒体に着目した。従来の顕熱利用
タイプの冷却媒体の冷却能力は、媒体の比熱と冷却過程
での温度上昇幅（温度差）で決定され、能力を上げるに
は、比熱の大きい媒体を選定するか、又は温度差を大き
くするかが、考えられる。しかし、従来用いられている
水の比熱は、約４．２　Ｘ　１０”　Ｊ　／（ｋｇ−Ｋ
）と、顕熱利用タイプの冷却媒体としてはかなり大きく
（空気は約０．８　Ｘ　１０”　Ｊ　／ｋｇ−Ｋ）、水
ヨリも飛躍的に比熱が大きく、冷却媒体として適当な液
体は見当らない、また、冷却過程での温度差を大きくす
ることは、冷却過程の入口付近での冷却媒体温度と出口
付近での冷却媒体温度が、大きく変化することであり、
被冷却体を均一な温度で冷却することが困難になる。被
冷却体が均一な温度に冷却されるには、冷却媒体の温度
差ができるだけ小さいことが望ましい（冷却能力は低下
する）。

上述のように、顕熱利用タイプの冷却媒体を用いる方法
では、冷却能力の向上と均一冷却とは互いに相反する目
標となり、両者の改善には限界がある。

また、液体を蒸発させ、蒸発潜熱を利用するタイプの冷
却媒体は、冷却の全過程において、均一な冷却を確保す
るには、冷却の全過程で、冷却媒体が液相と気相で併存
する必要があり、冷却媒体の流路の構成が、そのために
大きく制限される。

さらに、流路の気相側と液相側では熱伝達率が異なるた
め、流路外周を完全に伝熱面として利用するのが困難で
ある。

発明者らは、上記従来技術の欠点を解消するために、凝
固顕然利用タイプの冷却媒体を用いる冷却方法を発明し
た。

本発明のポイントは、固相から液相への相変化が一定温
度でおこり、かつ、流動性のある冷却媒体を冷却に用い
ることにある。このような性質の冷却媒体は、計算機冷
却過程中に相変化する物質が、同過程中で相変化しない
物質に混合されたものである０両物質の代表的な混合状
態は二つある。

一つは両者が互いに溶解しない物質を用い、相変化する
物質を相変化しない物質中に、微細液滴として分散（乳
化状態：エマルジョン）させ、その液滴を凝固（固体粒
子化）させてスラリー化するエマルジョン型冷却媒体で
ある。他の一つは、両者が溶解し合い、冷却されること
により相変化物質（混合系により他物質の一部も一緒に
）が析出（固体粒子化）スラリー化する溶液型冷却媒体
である。

上記冷却媒体が冷却されると、溶液中に相変化する物質
が微細な固体粒子として分散した流動性のあるスラリー
状の冷却媒体が形成される。このスラリー状の冷却媒体
が伝熱面を介して、半導体素子に接触し、該半導体素子
が発生する熱が、スラリー状の冷却媒体に伝達される。

この熱によりスラリー状の冷却媒体の温度が上昇するが
、冷却媒体中の固体粒子の相変化温度（固相から液相へ
の相変化温度）に達すると、冷却媒体の温度はそれ以上
上昇せず、伝達された熱は、相変化物質゛の固体粒子の
融解に費やされる。一般に相変化温度（融解温度）は一
定であり、スラリー状冷却媒体の温度は、その中の固体
粒子が融解してしまうまで、一定に保持されるので、冷
却過程の出口まで、前記固体粒子の融解が完了しない状
態とすることにより、半導体素子は冷却過程の入口から
出口までの間で、均一に冷却される。

また、顕熱利用の場合と異なり、相変化物質の凝固潜熱
が利用されるので、一定温度で冷却しながら冷却媒体の
単位流量当りの冷却熱量（熱輸送量）を大きくできる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例である計算機を、第１図お
よび第２図により説明する。計算機本体１１は、記憶部
１１Ａ、演算部１１Ｂ、制御部１１Ｃを備え、該記憶部
１１Ａには、半導体装置２１が装着されている。該半導
体装置２１の冷却手段である冷却媒体流路２１Ａの出口
に、戻り管１９が接続されている。戻り管１９の他端は
収容している冷却媒体を冷却する手段を備えた容器１０
に接続され、該戻り管の途中には、冷却媒体を容器１０
方向に送給する渦巻きポンプ１２が介装されている。前
記容器１０と冷却媒体流路２１八入口とは、送液管１８
により連通され、該送液管１８の途中には、電動弁２６
が介装されている。

さらに、前記ポンプ１２の上流側の戻り管１９と弁２６
と計算機本体１１の間の送液管１８を連通する電動弁２
７が設けられている。容器１０との接続部近くの戻り管
１９に、該管内の冷却媒体の温度の検出手段である温度
センサ２５が設けられ。

また容器１０には、該容器内の冷却媒体の液位を検出す
る手段である液位センサ２４が設けられている。容器１
０には、該容器内の冷却媒体を冷却して、その一部を凝
固させる手段である冷却コイル２２Ａと、該冷却コイル
２２Ａに冷媒を循環させる冷凍機２２が接続されている
。前記液位センサ２４および温度センサ２５の出力線は
制御部２３に接続され、該制御部２３の出力は、前記電
動弁２６．２７および冷凍機２２に接続されている。

容器１０．送液管１８．戻り管１９．ポンプ１２、冷却
コイル２２Ａ、冷凍機２２が冷却装置を形成し、容器１
０および該容器１０に内装された冷却コイル２２Ａが凝
固□手段をなしている。

第２図は第１図の要部を分りやすく表現した図であり、
計算機本体１１の概要構成ならびに付属する入出力部２
０を示している。記憶部１１Ａに装着された半導体装置
２１は、第３図にその断面を示すように、電気回路を備
えた基板２１Ｂに複数の半導体素子（集積回路素子）２
１Ｃが搭載され、該半導体素子が発生する熱を除去する
冷却手段である冷却媒体流路２１Ａを備えている。この
冷却媒体流路２１Ａは、半導体素子２１Ｃに熱伝導部材
２１Ｄを介してその壁面を接しており、該壁面が伝熱面
２１Ｅをなしている。冷却媒体流路２１Ａは伝熱面２１
をなす平板と、この平板と所定の間隔をおいて配置され
たもう一枚の平板の間を蛇行する流路として形成されて
おり、第２図に示されているように、冷却媒体は流路の
下方から流入して、流路の上端から流出する。容器１０
内には、相変化物質と相変化しない物質が混合された冷
却媒体が収容されている。

容器１０内の冷却媒体は、冷凍機２２で冷却された冷媒
が流れる冷却コイル２２Ａにより冷却媒体中の相変化物
質の凝固温度以下に冷却され、相変化物質である液滴５
が凝固して、微細な固体粒子６となる。該固体粒子６は
、相変化しない物質の液体（溶液という）４中に分散さ
れ、冷却媒体はスラリー状冷却媒体２となって、電動弁
２６゜送液管１８を経て、計算機本体１１中の半導体装
置２１に流入する。スラリー状冷却媒体中の相変化物質
の液滴５の一部は凝固しておらず、液滴５と固体粒子６
が共存している。半導体装置２１に流入したスラリー状
冷却媒体２は、冷却媒体流路２１Ａ中を蛇行しながら下
から上へ流れ、流れながら熱伝導部材２１Ｄ、伝熱面２
１Ｅを介して、半導体素子２１Ｃの発生熱を吸収する。

スラリー状冷却媒体２中では前述のように相変化物質の
液滴と固体粒子が共存しており、この状態では、冷却媒
体２の温度は、相変化物質の凝固温度に維持されている
。冷却媒体２に吸収された前記熱は、溶液４中に分散さ
れた固体粒子６に融解熱を与えて液滴とすることに費や
され、冷却媒体２中に固体粒子６が存在するかぎり、冷
却媒体２の温度は変化しない、固体粒子６の融解によっ
て生じた液滴５は、溶液４中に分散してエマルジョンを
形成するので、冷却媒体流路２１Ａを通過中の冷却媒体
はスラリー状冷却媒体２から次第にエマルジョン状冷却
媒体１に変化する。冷却媒体２中の固体粒子６の量は、
冷却媒体が冷却媒体流路２１Ａを通過しおえた段階でも
、零とならない量に設定されており、したがって、冷却
媒体流路２１Ａの入口と出口の間では、冷却媒体の温度
は変化せず、半導体素子２１Ｇは均一な温度の冷却媒体
で冷却される。

冷却媒体流路２１Ａを通過してエマルジョン状冷却媒体
１となった冷却媒体は、渦巻きポンプ１２に駆動され、
戻り管１９を経て容器１０に送りこまれる。容器１ｏに
流入したエマルジョン状冷却媒体は、再び、冷却コイル
２２Ａで冷却され、スラリー状になる。冷却媒体は、上
述のように、放熱部である容器１０と、吸熱部である計
算機本体１１間を循環し、その間に、溶液４中の相変化
物質のみが、凝固と融解を繰り返えす０以上の操作によ
り、計算機本体１１の半導体装置２１内で発生した大量
の熱は、スラリー状冷却媒体中の固体粒子融解現象を利
用して、゛一定定温温度、高効率に冷却媒体に吸収され
、エマルジョン状冷却媒体１により、放熱部である容器
１０へ高密度で輸送される。輸送された熱は、容器１０
に内装されている冷却コイル２２Ａ内を循環する冷媒に
伝達され、該冷媒は冷凍機２２により冷却され放熱する
。

エマルジョン状冷却媒体１は、凝固熱の形で熱を冷却コ
イル中の冷媒に効率よく放出し、該冷却媒体１中の液滴
５が凝固して固体粒子６となる。

次に本実施例の運転方法について述べる。容器１０内で
の冷却媒体の冷却（放熱）が所要の度合まで行われたか
どうかは、液滴の固体粒子化、すなわち冷却媒体のスラ
リー化の程度により判定される。スラリー化の程度の判
定は、物質が凝固するときの体積変化を利用し、液位セ
ンサ２４により、次の方法で行われる。まず、冷却媒体
が完全スラリー状態と、完全エマルジョン状態のときの
液位が測定され、これをもとに、検出された液位におけ
るスラリー化率が判定される。液位センサ２４の出力は
制御部２３に送られ、制御部２３はスラリー化率が不足
の場合は、冷凍機２２の冷却能力を増加させるか、電動
弁２６．２７の開度を調整して、計算機本体１１へ流入
する冷却媒体の量を低下させる。計算機本体１１へ流入
する冷却媒体量を低下させる方法は同時に計算機冷却性
能を変化させることになるので、微量調整に用いるのが
望ましい、スラリー化率が、所定の値に達したと判定さ
れた場合は、冷凍機２２の負荷の低下もしくは、冷凍機
２２のオン・オフ運転が制御部２３により指示される。

半導体装置２１の冷却状況の検出には、戻り管１９に設
けられた温度センサ２５が用いられる。

半導体装置２１が一定温度で均一に冷却されるには、冷
却媒体流路２１Ａ内で冷却媒体中の相変化物質の固体粒
子６が完全には融解せず、冷却媒体流路２１Ａ出口にお
いて、固体粒子の融解が継続していることが必要である
。冷却媒体流路２１Ａの途中で、固体粒子が融解してし
まい、冷却媒体のエマルジョン化が完了すると、それ以
後の冷却媒体流路での潜熱利用が不可能になり、冷却媒
体の温度が上昇する顕熱利用となるので、均一冷却がで
きなくなる。

戻り管１９内の冷却媒体の温度を検出し、検出された温
度が冷却媒体中の相変化物質の融解温度（相変化温度）
を越えていたら、冷却媒体が完全にエマルジョン化して
顕然利用になっていることを示す、この場合は、温度セ
ンサ２５の出力を受けた制御部２３が電動弁２６の開度
を大きくするとともに、′電動弁２７の開度を小さくし
て、冷却媒体２の流量を増加させ、冷却容量を大きくし
て半導体装置の温度上昇を防止する。

スラリー化率の検出には、前記液位センサに代えて、容
器１０内の冷却媒体の密度を検出する密度センサ、ある
いは、スラリーとエマルジョンとでは粘度が変化するこ
とを利用して粘度センサを用いてもよい。

第４図に示される第２の実施例は、本発明の特徴である
大きい熱輸送力と、複雑な構造に対応できることを利用
したもので、計算機本体１１内でのみ、凝固熱を利用す
る冷却媒体が用いられている。計算機本体１１内の半導
体装置には集積回路素子（チップ）が複雑にかつ高密度
に配列されているため、冷却媒体流路の占めるスペース
の大小が、計算機の高集積化、コンパクト化、計算の高
速化に大きく影響する。本発明である相変化冷却媒体が
計算機本体内で用いられることにより、半導体装置内の
冷却媒体流路が占める容積が低減され、計算機の高集積
化、コンパクト化に効果がある０本実施例では、半導体
装置２１の冷却媒体流路入口に接続して相変化冷却媒体
を一方の熱交換媒体とする熱交換器１３が設けられ、該
熱交換器１３の相変化冷却媒体入口と半導体装置２１の
冷却媒体流路出口とが、ポンプ１２を介装する戻り管１
９により接続されている。熱交換器１３には。

冷媒として水が循環する冷却コイル２２Ａが内装され、
この水と一方の熱媒体である相変化冷却媒体とが熱交換
を行い、相変化冷却媒体の熱が水に伝達される。水に伝
達された熱は、冷凍機２２により冷却される。半導体装
置２１と熱交換器１３と、その間を接続する配管には相
変化冷却媒体が充填され、その中でポンプ１２に駆動さ
れて循環する。相変化冷却媒体中の固体粒子は、前記第
１の実施例の場合と同様に、半導体装置２１の冷却媒体
流路を通過しつつ半導体素子の熱を奪って融解し；熱交
換器１３内で冷却されて再び凝固する。

凝固熱を利用して高密度で冷却、熱輸送が行われるため
、少量の冷却媒体で充分な冷却が行われ、冷却媒体流路
のスペースが小さくてすむ。本実施例によれば、半導体
装置（計算機）の均一な冷却を小さいスペースで行うこ
とができ、計算機本体外の冷却用の設備を水を用いる従
来の設備とすることができる。

第５図に示される第３の実施例では、上記第２の実施例
における冷却コイル２２Ａがヒートパイプ２２Ｂに代え
られ、冷凍機２２に代えて、ヒートパイプ放熱手段２２
Ｃが設けられている０本実施例では、熱交換器１３から
の熱輸送に、ポンプを用いることなく高密度で熱輸送を
行う蒸発潜熱タイプの媒体を封入したヒートパイプ２２
Ｂが用いられているので、前記第２の実施例による効果
に加えて、放熱部への熱輸送のための動力が低減される
効果がある。第４図、第５図では、運転制御系は省略し
であるが、第１図に示されたと同様の制御の考え方が適
用される。

第６図に示される第４の実施例は、冷却媒体を貯える貯
槽９が設けられ、該貯槽９は大量のスラリー状冷却媒体
を貯えて蓄冷熱を行うものである。

貯槽９の内部は、一連の流路をなす複数の区画に仕切板
２８により区画され、前記一連の流路の下流端をなす区
画と計算機本体１１内の半導体装置２１の冷却手段入口
とが送液管１８で接続されている。また、半導体装！！
２１の冷却手段出口と。

前記貯槽９内の一連の流路の上流端とが、戻り管１９に
より接続され、該戻り管１９には、渦巻きポンプ１２が
その吐出口を貯槽９側にして介装されている。また、貯
槽９の前記一連の流路の上流端に接続して冷却媒体取り
出し管２９が設けられ、該冷却媒体取り８管２９の他端
は、放熱コイル３１に接続されている。放熱コイル３１
の他端は、冷却媒体返り管３０により、貯槽９の前記一
連の流路の下流端に接続されている。放熱コイル３１は
、圧縮機１６、空冷用送風ファン１７を備えた冷凍機２
２により冷却されるように構成されている。前記冷却媒
体取り出し管２９には渦巻きポンプ１５が吸込口を貯槽
９側にして介装されており、貯槽９には液位センサ２４
が設けられている。液位センサ２４は制御部２３に接続
されており、制御部２３は、さらに弁２６，２７、冷凍
機２２およびポンプ１５に接続されている。

計算機の発熱量は、計算機の稼働状態により変動するが
、短時間しか発生しない最大発熱量に見合う冷凍機能力
を保有するのは不経済である。また、夜間には、冷凍機
２２の圧縮機１６や送風ファン１７が運転されると、そ
の運転音が騒音となる恐れがあるので、夜間は冷凍機の
停止が望まれる。凝固熱を利用する相変化冷却媒体は、
単位体積当りの熱保持量（Ｊ／ｋｇ）が大きく、蓄熱密
度が大きいので、比較的少量の冷却媒体の貯蔵で大量の
冷熱を蓄熱できる０本実施例では、ポンプ１５により、
放熱コイル３１ヘエマルジヨン状の冷却媒体が送られ、
冷凍機２２で冷却媒体の相変化物質の液滴が凝固されス
ラリー状の冷却媒体となる。スラリー状となった冷却媒
体は冷却媒体返し管３０を経て、貯槽９内に形成された
一連の流路の下流端に流入する。冷凍機による冷却媒体
のスラリー化が継続されると、貯槽９内のスラリー状冷
却媒体の量は次第に増加し、エマルジョン状冷却媒体と
スラリー状冷却媒体の境界は、前記−連の流路の下流端
から上流側に向って移動する。

スラリー状冷却媒体の量の増加とともに、貯槽内の液位
が変化し、あらかじめ定められた液位に達したら、制御
部２３は、冷凍機２２およびポンプ１５を停止する。ま
た、日中は液位がある高さまで変動したら、冷凍機とポ
ンプが起動されて、冷却媒体のスラリー化が行われるが
、夜間は冷却媒体のスラリー化が開始される液位設定が
変化され、貯槽内のスラリー状冷却媒体の蜂量が限界レ
ベルまで低下してから、スラリ〒化が開始される。貯槽
９は、前述のように、一連の流路をなす区画に細分化さ
れており、スラリー状冷却媒体とエマルジョン状冷却媒
体とが混合せず、かつ前記流路内・の流れは流路内を均
一に流れるいわゆるピストン流れで流れる。上述の運転
により、日中、特に冷却負荷の小さい間にスラリー状の
冷却媒体が貯槽内に貯えられ、貯えられたスラリー状の
冷却媒体が、負荷が増大したときに、又夜間の計算機の
冷却用に供給される０本実施例によれば、蓄熱機能を有
するので、冷凍機の容量の低減および夜間の騒音防止の
効果がある。

本発明に用いられるエマルジョン型冷却媒体としては大
きく分けて２種類ある。一つはＷ１０エマルジョン型冷
却媒体で、液滴（Ｗ相）と、その液滴と疎液性物質（０
相）とからなり、他の一つはＯ／Ｗエマルジョン型冷却
媒体で液滴（０相）と、その液滴と疎液性物質（Ｗ相）
とからなる。

Ｗ相は親水性で、０相は疎水（親油）性である。

液滴（前者のＷ相、後者の０相）には、使用温度（冷却
温度）で固相から液相に相変化する物質が用いられ、該
液滴と疎液性である物質（前者の０相、後者のＷ相）に
は、使用条件下で相変化しない物質が用いられる。

液滴をなす物質としては、水（２７３Ｋ）、塩化カルシ
ウム６水塩（３０２，７Ｋ）、硫酸ナトリラム１０水塩
（３０５，４Ｋ）、Ｎａ、ＨＰＯ４１２Ｈ，Ｏ（３０８
Ｋ）、Ｚｎ　　（Ｎｏ、）！−６Ｈ，０（３０９，４Ｋ
）、Ｎａ、Ｓ、０３−５Ｈ，Ｏ（３２１Ｋ）、等の無機
水和塩、カプリル酸（２８９，５Ｋ）、カプリン酸（３
０４，５Ｋ）、ラウリン酸（３１５に〜３１７Ｋ）、等
の有機物、ＣａＣｎ、＋ＭｇＣｊｍ、＋Ｈ，Ｏ（４１：
１０：４９）　（２９８Ｋ）等（ｉ’）　共晶混合物、
ＳＱ、−６Ｈ，Ｏ（２８０Ｋ）、Ｃ４Ｈ，Ｏ−１７，２
Ｈ，Ｏ（２７７，４Ｋ）、（ＣＨ３）３Ｎ・１０”／、
Ｈ，Ｏ（２７８，９Ｋ）等の包接形水和物、オクタデカ
ン（３０１Ｋ）等のパラフィン類。

デシルアルコール（２８０Ｋ）、ステアリルアルコール
（３３１Ｋ）等の疎水性アルコール類があり、（）内に
示した凝固温度により選択して用いられる。

液滴を分散させる物質としては、液滴の凝固温度で凝固
しないもので、Ｗ相液部（親水性）に対しては、疎水性
物質である高沸点油（モノイソプロピルナフタレン、ジ
イソプロピルナフタレン、トリイソプロピルナフタレン
等のナフタレン系や、ジベンジルトルエン、エチルジフ
ェニル、ジアリルアルカン、バラシイメン、重質アルキ
ルベンゼン等を主成分とする油）が適している。また０
相液滴（疎水性）に対しては、水又は無機水溶液が適し
ている。

安定したエマルジョンの作成には、乳化剤が必要で、多
価アルコール脂肪酸エステル（脂肪酸モノグリセライド
、ソルビタン脂肪酸モノエステル等）やポリオキシアル
キレン系（ポリオキシプロピレン、アルキルエーテル、
ポリオキシエチレン、ソルビタン脂肪酸モノエステル等
）の非イオン系乳化剤が適する。

又、相変化する物質と相変化しない物質が相互に溶解す
る溶液型冷却媒体としては、無機水溶液、エチレングリ
コール水溶液やガスハイドレートを形成する気体水和物
である水とイソブタン、プロパン、フレオン類、エタン
、臭化メチルのひとつ以上の混合物が適している。混合
比により凝固温度が変化する。

前記第１の実施例に用いられた相変化冷却媒体はＷ１０
エマルジョン型冷却媒体と、Ｗ１０エマルジョン型冷却
媒体である。前者は、Ｗ相に水（４０ｗｔ％）、Ｏ相に
バラシイメン系油（５９ｗｔ％）、乳化剤としてソルビ
タンモノオレエート（１ｗｔ％）、が調合されて用いら
れた。冷却能力は従来の水の約２１　Ｘ　１０”Ｊ／ｋ
ｇに比べて約６倍の１３４Ｘ１０’Ｊ／ｋｇであり、水
を顕熱利用方式で用いる場合に比べ、冷却媒体流量が／
、に、配管径が’　／　ｉ　、　ｓに低減され、かつ半
導体装置が約２７３にの一定温度で冷却された。

後者のＷ１０エマルジ１ン型冷却媒体としては。

０相にデシルアルコール（３０ｗｔ％）、Ｗ相に水（７
０ｗｔ％）が調合されて用いられた０本冷却媒体では、
半導体装置が約２８０にの一定温度で均一に冷却された
。

いずれの場合も、半導体装置出入口での冷却媒体の温度
差がない状態で用いられた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、固相が液相に相変化する際に吸収する
熱を利用して半導体装置の冷却が行われるので、吸収す
る熱量当りの冷却媒体の流量が少なくてすみ、半導体装
置冷却のためのスペースを小さくすることが可能となっ
て計算機の高集積化、コンパクト化の効果がある。また
、冷却媒体中の固相（固体粒子）が液相に相変化してい
る間は、冷却媒体の温度は一定に保持されるので、半導
体装ｉ！（計算機）全体を均一な温度で冷却することが
可能になり、計算機の性能安定の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す系統図、第２図は
第１図に示す実施例の主要部を示す斜視図、第３図は第
１図に示す実施例の部分詳細断面図、第４図は本発明の
第２の実施例を示す系統図。 第５図は本発明の第３の実施例を示す系統図で、第６図
は本発明の第４の実施例を示す系統図である。 １．２・・・冷却媒体、４・・・相変化しない物質（液
相）、５・・・相変化する物質（固体粒子）、６・・・
相変化する物質（液滴）、９・・・固相を含む冷却媒体
を貯える容器、１０・・・容器、ＩＩＡ・・・記憶部、
１１Ｂ・・・演算部、１１Ｃ・・・制御部、１２・・・
ポンプ、１３・・・熱交換器、１８・・・送液管、１９
・・・戻り管、２ｏ・・・入出力手段、２１・・・半導
体装置、２１Ａ・・・冷却手段（冷却媒体流路）、２１
Ｇ・・・半導体素子、２１Ｅ・・・伝熱面、２２Ａ・・
・凝固手段（冷却コイル）、２２Ｂ・・・凝固手段（ヒ
ートパイプ）、２３・・・凝固量を制御する手段（制御
部）、２４・・・冷却媒体中の凝固量を検出する手段（
液位センサ）、２５・・・冷却媒体の温度を検出する手
段（温度センサ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子と該半導体素子が発生する熱を除去する
   冷却手段とを備えた半導体装置において、該冷却手段に
   、使用温度においてその一部が外部から凝固熱を奪って
   固相から液相に相変化するとともに固相を含んだ状態で
   流動性のある物質が、冷却媒体として用いられることを
   特徴とする半導体装置。 ２、半導体素子を冷却する冷却手段に接続して設けられ
   、該冷却手段が半導体素子から除去した熱を外部に放出
   する冷却装置において、該冷却装置が、冷却媒体である
   、相変化する流動体を冷却して少なくともその一部を凝
   固させる凝固手段を備えていることを特徴とする冷却装
   置。 ３、半導体素子を冷却する冷却手段出口に接続されポン
   プを介装した戻り管と、該戻り管に接続して設けられ冷
   却媒体を収容する容器と、該容器と前記冷却手段の入口
   とを接続する送液管と、前記容器内に設けられ冷却媒体
   である、相変化する流動体を冷却して少なくともその一
   部を凝固させる手段と、を備えている冷却装置。 ４、半導体素子を冷却する冷却手段出口と冷却装置入口
   との間を接続する配管中の冷却媒体の温度を検出する手
   段と、冷却媒体を収容する容器中の相変化物質の凝固量
   を検出する検出手段と、検出された前記温度及び凝固量
   とに基づいて冷却媒体中の相変化物質の凝固量を制御す
   る手段と、を備えている冷却装置。 ５、検出手段が、容器中の冷却媒体の、液面の位置、密
   度、粘性、温度、冷却媒体中の固相と液相の比率のいず
   れか一つ以上を検出する手段であることを特徴とする請
   求項３に記載の冷却装置。 ６、入出力部と、該入出力部に接続された記憶部と、該
   記憶部に接続された演算部と、該演算部に接続された制
   御部と、前記記憶部、演算部、制御部の少なくとも一部
   に設けられた半導体装置を冷却する冷却装置と、をそ備
   えた計算機において、前記半導体装置が請求項１に記載
   された半導体装置であることと、前記冷却装置が請求項
   ２乃至５に記載された冷却装置のいずれかであることと
   、を特徴とする計算機。 ７、入出力部と、該入出力部に接続された記憶部と、該
   記憶部に接続された演算部と、該演算部に接続された制
   御部と、前記記憶部、演算部、制御部の少なくとも一部
   を冷却する冷却装置と、を備えた計算機において、前記
   記憶部、演算部、制御部の少なくとも一部に請求項１に
   記載された半導体装置が装着されていることと、該半導
   体装置の冷却手段に接続して冷却媒体を冷却される媒体
   とし顕然利用液体を冷却する側の媒体とする熱交換器が
   設けられていることと、冷却装置は前記熱交換器の顕熱
   利用液体側に接続され冷却媒体を介して前記記憶部、演
   算部、制御部の少なくとも一部をなす半導体装置を冷却
   するものであることと、を特徴とする計算機。 ８、冷却装置が、ヒートパイプであることをを特徴とす
   る請求項７に記載の計算機。 ９、使用温度においてその一部が外部から凝固熱を奪っ
   て固相から液相に相変化するとともに固相を含んだ状態
   で流動性のある冷却媒体が、固相を含んだ状態で伝熱面
   を介して半導体素子に接触させられ、前記固相が該半導
   体素子の熱を奪って液相化することによって該半導体素
   子が冷却されることを特徴とする半導体装置の冷却方法
   。 １０、温度により固相と液相の間で相変化する物質が固
   相状態でそれと疎液性の物質に分散された状態の流動体
   を冷却媒体とし、該冷却媒体を伝熱面を介して半導体素
   子に接触させ、前記固相が該半導体素子の熱を奪って液
   相化することによって該半導体素子が冷却されることを
   特徴とする半導体装置の冷却方法。 １１、温度により固相と液相の間で相変化する物質が固
   相状態でそれと親液性でかつ使用状態で相変化しない物
   質に分散された状態の流動体を冷却媒体とし、該冷却媒
   体を伝熱面を介して半導体素子に接触させ、前記固相が
   該半導体素子の熱を奪って液相化することによって該半
   導体素子が冷却されることを特徴とする半導体装置の冷
   却方法。 １２、固相を含む冷却媒体を貯える容器が設けられ、半
   導体素子を冷却して固相が溶解された冷却媒体中の相変
   化物質を所定の時間再凝固させることなく、半導体素子
   の冷却を継続することを特徴とする請求項９、１０また
   は１１に記載の半導体装置の冷却方法。 １３、相変化する親水性物質が相変化しない疎水性物質
   に分散されている冷却媒体。 １４、相変化する疎水性物質が相変化しない親水性物質
   に分散されている冷却媒体。 １５、相変化する物質が該相変化する物質と親液性であ
   る相変化しない物質に分散されている冷却媒体。