JPH043451A - 半導体冷却装置 - 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、基板上にＬＳＩチップを配列した計算機を、
冷媒液に浸漬して、その冷媒液を沸騰させることによっ
て、発熱するＬＳＩチップを冷却する半導体装置におい
て、冷媒液を封入、抽出する機構、及び、冷媒液を封入
したチャンバ内圧力を、はぼ、大気圧に近い状態に制御
する機構に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩチップ、あるいは、基板を、直接、冷媒液に浸漬
して、ＬＳＩチップなどを冷却する装置において、冷媒
液を沸騰させないで、対流によってＬＳＩチップを冷却
する装置は発表されている。

冷媒液には比較的沸点の高い液体が使用される。

代表的な例に特願昭５８−２１５１５５号明細書が挙げ
られる。この例では冷媒液としてフロリナートが使用さ
れている。この場合には、ＬＳＩチップからの発熱量が
ホさく、冷媒液は沸騰しないで、冷媒液の顕熱輸送のみ
で熱をうばっている。作動圧はポンプ圧のみで比較的低
圧であり、大気圧近くにおさえられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体装置のＬＳＩチップの発熱量が増加してくると、
冷媒液の対流伝熱だけでは除熱できず、冷媒液の沸騰伝
熱を利用しなければならない。沸騰伝熱を行うと、ＬＳ
Ｉチップ部で冷媒液の気泡が発生するため冷媒の気相が
増加して、チャンバ内圧力が上昇する。チャンバ内圧力
がチャンバ周囲圧力である大気圧よりも相当大きくなる
。これに対応するためには、チャンバ構造を耐圧構造に
する必要があるが、ＬＳＩチップ、あるいは、基板など
が内部に配置されているチャンバ構造は、信号線などで
チャンバ内外を結線する必要から、それほど高圧容器に
はできない。

本発明の目的は、チャンバ構造に定圧器を連結して、Ｌ
ＳＩチップが動作して沸騰が生じてもチャンバ内圧を一
定に保つようにし、チャンバ内へ冷媒液を封入、あるい
は、チャンバ内から冷媒液を抽出する時間をできるだけ
短時間に行う機構を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は冷媒液を封入した
チャンバと配管で連結された定圧器を設ける。定圧器は
柔軟性ベローズ構造となっており、この柔軟性ベローズ
の伸縮作用によって、チャンバ内圧とチャンバ外部の圧
力、つまり、大気圧とをバランスさせ、チャンバ内圧力
を、はぼ、大気圧一定とするものである。

液回収器、及び、液抽入器もベローズ構造になっており
、ベローズの伸縮を空気圧力、あるいは、機械的機構に
よって行い、ベローズ体を伸ばして冷媒液をベローズ体
へ戻したり、あるいは、逆に、ベローズ体を縮めて、冷
媒液をチャンバ内へ封入する。

〔作用〕

ＬＳＩチップ、及び、基板が内部に設置されたチャンバ
が、柔軟性ベローズの両端をふさいだ柔軟性ベローズ体
と連結され、ベローズ構造体の一部がチャンバ外部であ
る大気に開放されている。

今、本発明の半導体冷却装置が作動して、ＬＳＩチップ
部から冷媒液が沸騰した場合を想定する。

沸騰がおこるとＬＳＩチップ部から冷媒液の気泡が発生
し、チャンバ内に占める冷媒液の気相部が増大し、チャ
ンバ内圧力は上昇しようとする。このとき、ベローズ構
造体が柔軟構造体であると、ベローズ体が伸びて、冷媒
液の気相部だけ体積を増加させる。その時、チャンバ及
び柔軟性ベローズ構造体内の圧力は、ベローズ構造体の
柔軟性によってほとんど吸収されるため、はとんど大気
圧に近い値に保つことが可能になる。

一方、ベローズ構造体をチャンバの下方の他の一端側と
バルブを介して連結すると、例えば、チャンバ内に冷媒
液が封入されている場合、このバルブを開放して、ベロ
ーズ構造体を引伸ばすことによって冷媒液をベローズ側
へ戻せる。これが液回収器としての作用である。逆に、
バルブを開放して、ベローズを縮めることによって、ベ
ローズ本体側にあった冷媒液をチャンバ側へ輸送できる
。

これが液抽入器としての作用である。ベローズ構造体の
伸縮は、空圧、あるいは、機械的機構によって行う、空
圧を利用する場合は、ベローズ本体を密閉容器で囲んで
おき、ベビコンなどで密閉容器内を加圧することにより
、ベローズ構造体を縮める。一方、機械的機構を利用す
る場合は、例えば、歯車機構において、歯車を回転する
ことによって、外力をベローズ本体に加え、ベローズを
縮める作用を行わせる。

〔実施例〕

定圧器１の実施例を第１図と第２図に示す。第１図は定
圧器の構造を示す斜視図、第２図は断面図である。円筒
状容器２の中にベローズ容器３を内挿する。ベローズ容
器３は、ドーナツ状板３ａを複数枚かさねて、それぞれ
交互に内側（３ｃ側）と外側（３ｄ側）が一体化された
構造となっている。ベローズ容器３の一方端はふさぎ板
３ｂによってふさがれ、他方端は円筒状容器２の底板２
ａによってふさがれている。従って、ドーナツ状板３ａ
とふさぎ板３ｂ、底板２ａでは機密状態が保たれる構造
となる。円筒状容器２の上面板２ｂと底板２ａには、孔
４，５が設けられ、例えば、テーパねじを設けた座４ａ
、５ａが取付けられている。

定圧器１は、ＩＰ本体と連結され、次に述べる動作を行
う。第３図はＩＰ本体６と定圧器１との連結法を示す。

ＩＰ本体６は、沸騰する液体である冷媒液７を封入した
チャンバ８、及びチャンバ８内には基板９、ＬＳＩチッ
プ１０．液冷却器１１、凝縮器１２などが挿入されてい
る。ＬＰ本体６の凝縮器１２が配置される上方側と、定
圧器１の底体２ａに取り付けられた座５ａとが配管１−
４によって連結される。冷媒液７は１例えば。

第３図に示すように、基板９やＬＳＩチップ１０と、凝
縮器１２との間に液面がくる程度の量がチャンバ８内に
抽入されている。従って、この液面より凝縮器１２側に
は冷媒蒸気１５が封入されている。コンピュータが作動
を開始すると、ＬＳＩチップ１０が発熱して、冷媒液７
が沸騰する。沸騰した冷媒蒸気は、冷媒液７中を流れて
いくときに、液冷却器１１によって、更には凝縮器１２
によって、ｉ給液化されて落下して元に戻る。このよう
にして、発熱するＬＳＩチップ１０を冷却して、ＬＳＩ
チップ１０内の多数の半導体素子温度を所定の許容値内
に保つ。このとき、定常運転時には、複数個のＬＳＩチ
ップ１ｏの発熱量と、液冷却器１１、及び、凝縮器１２
でうばう熱量はバランスして、チャンバ８内の冷媒液７
、及び冷媒蒸気１５の温度はほぼ一様になり、従ってチ
ャンバ８内の圧力もほぼ一様になる。

ところで、コンピュータの場合、ＩＰチャンバ８からは
、給電系の配線、あるいは、信号線の配線がチャンバ外
へ取り出される。このような電気配線は、例えば、金属
性のチャンバ８と絶縁状態にしなければならず、この取
り出し方法は、例えば、ハーメチックシール方法がとら
れる。つまり、電気配線とチャンバ８間に、地材質の絶
縁物が挿入されているわけで、耐圧強度の面からみると
、非常に弱く、チャンバ８内の圧力はできるだけ大気圧
に近い状態に保ち、チャンバ８内外の圧力差を小さく押
える必要がある。そこで、ＩＰ本体６を、はぼ、大気圧
に近い状態に保つために設けたのが定圧器１である。定
圧器１は前述したようにＩＰ本体６の上方側と配管１４
によって連結されている。

例えば、凝縮器１２、及び、液冷却器１１の冷却能力が
ＬＳＩチップ１０の発熱量に比べて相対的に不足してい
る場合には、ＩＰ本体６内の温度Ｔｚは上昇して、凝縮
器１２、あるいは、液冷却器１１の温度Ｔ２との温度差
（Ｔｚ　　Ｔｚ）を太きくして、凝縮器１２、あるいは
、液冷却器１１の能力を上げる方向に動作点が動く。Ｉ
Ｐ本体６の温度Ｔ１が上がろうとすると、ＩＰ本体６内
の圧力Ｐｓも上がろうとする。ところで、定圧器１のベ
ローズ３は、ベローズ内の圧力Ｐ１が、ベローズ外の圧
力（この場合大気圧に等しいが）にベローズのばね力Ｆ
を加えたものとバランスするように作用する。ところが
、ばね力Ｆがごく小さいベローズであると、ＩＰ本体６
内の圧力Ｐ１が上がろうとすると、第４図の（ａ）のよ
うに、ベローズ３が伸びて、ベローズ内側の体積が増加
し、Ｐｌは低下してほぼ大気圧に等しくなる。

一方、今までの説明とは逆に、凝縮器１２、あるいは、
液冷却器１１の冷却能力がＬＳＩチップ１０の発熱量に
比べて相対的に大きい場合には、ＩＰ本体６内の温度Ｔ
ｚは逆に低下して、凝縮器１２、あるいは、液冷却器１
１の温度Ｔ２との温度差（ＴＩ　　Ｔ２）を小さくして
、凝縮器１２、あるいは、液冷却器１１の能力を下げる
方向に動作点が動く。ＩＰ本体６の温度Ｔ１が下がろう
とすると、ＩＰ本体６内の圧力Ｐ１も下がろうとする。

この場合には、第４図の（ｂ）のように、ベローズ３が
縮んで、ベローズ内側の体積が減少し、Ｐｌが高くなり
、大気圧に等しくなる。このようなベローズ３の働きに
よって、ＩＰ本体６の内部圧力を、はぼ、大気圧に保つ
ことができる。

ベローズの一例を次に示す。厚さ０．３ｍｍ、内径２６
０ｗｎ、外径３５４１ｍのドーナツ状板３ａを二十九枚
かさねて、内側と外側をシーム溶接している。このよう
なベローズ構造を設ける方法によって、ＩＰ本体６内の
圧力Ｐ１を大気圧±１０３Ｐａ　　におさえることがで
きた。

他の実施例を次に示す。ＩＰ本体６内部圧力Ｐｚ　が大
きくなろうとすると、第４図の（ａ）のようにベローズ
３が広がる。そこで、ある程度ベローズが広がったとこ
ろで、リミットスイッチを働らかせ、ＬＳＩチップの作
動を停止させる。例えば、第２図に示すように、円筒状
容器２の上面板２ｂ下部にリミットスイッチ１６を設け
、ベローズ３のふさぎ板３ｂの上に、リミットスイッチ
を押す突起１７を設ける。このようにして、ＩＰ本体６
内部圧力Ｐ１が上昇しすぎた場合でも、ベローズ３が広
がって、突起１７がリミットスイッチ１６を作動させて
、ＩＰ本体６内に配置されたＬＳＩチップの作動が停止
する。このようにして冷媒液７の沸騰をやめさせて、Ｉ
Ｐ本体６内の圧力を減少させることができる。これは何
んらかの原因によってＩＰ本体６内の圧力が上昇しすぎ
た場合の安全装置を兼ねている。

次に、液回収器の実施例について示す。ＩＰ本体６内に
は冷媒液７が封入されている。ところで、基板９．ＬＳ
Ｉチップ１０などでＩＰを構成したコンピュータでは１
例えば、ＬＳＩチップ１０などが何んらかの原因で故障
した場合には、故障したＬＳＩチップを取り換えたりし
なければならない。このときには、先ず、はじめに、Ｉ
Ｐ本体６内の冷媒液７をＩＰ本体６外へ取り出さなけれ
ばならない。しかも、その工程はできるだけ短時間に行
う必要があるにのような場合に、冷媒液７をＩＰ本体６
外へ回収するのが液回収器１８である。液回収器１８の
一実施例を第５図に示す。液回収器１８は定圧器１と、
はぼ、似かよった形状をしており、円筒状容器１９の中
にベローズ容器２０を内挿する。そして、ＩＰ本体６の
底部２１と、円筒状容器１９の上面板１９ｂに設けられ
た孔２２とが、バルブ２３を介して連通している。

一方、円筒状容器１９の底板１９ａには孔２４が設けら
れ、孔２４と、例えば、高圧空気を発生するベビコン２
５とがバルブ２６を介して連通されている。冷媒液７は
ＩＰ本体６の内部と共に、液回収器１８の円筒状容器１
９とベローズ容器２０との間の空間にも封入されている
。従って２例えばＩＰ本体６内へ冷媒液７を封入したと
きには、バルブ２３．２６を開けて、ベビコン２５を作
動させる。ベローズ容器２０がふくらみ、冷媒液７がＩ
Ｐ本体６内へ移動し、適量入ったところでバルブ２３を
閉めると同時に、ベビコン２５の作動を停止させる。一
方、例えばメンテナンス時に、ＩＰ本体６から冷媒液７
を抜く場合には、バルブ２３を開けると同時に、バルブ
２６側を大気へ開放する。ベローズ容器２０が冷媒液の
液ヘツドによって縮まり、ＩＰ本体６内の冷媒液７は、
液回収器１８側に移動して、ＩＰ本体６側には冷媒液７
がなくなる。

他の実施例を第６図に示す。第５図の実施例に対して異
なるのは、ベローズ容器２０の駆動を駆動装置２６を使
って行う点である。駆動装置２６は、−面にねじ列２７
を設けた棒２８がベローズ先端のふざき板３ｂにとりつ
けてあり、歯車２９の円周に設けたねじ列３０がねじ列
２７とからみあい、歯車２９の回転によって、棒２７が
上下して、ベローズを駆動することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＬＳＩチップ及び基板などを中に備え
、沸騰によって発熱するＬＳＩチップを冷却するための
冷媒液を封入したチャンバ内の圧力を、はぼ、大気圧一
定に制御することができる。

そのため、チャンバの肉厚を薄くすることが可能になる
。

更に、専用の液回収器、液抽入器を設けることによって
、チャンバ内への液抽入時間、及び、チャンバ外からの
液回収時間を縮小することができる。空圧による方法に
より、その時間をおおよそ３分にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
縦断面図、第３図は本発明の第二の実施例の縦断面図、
第４図は本発明の動作を示す説明図、第５図は本発明の
一実施例の液回収器、液抽入器を示す縦断面図、第６図
は本発明の第二の実施例の液回収器、液抽入器を示す縦
断面図である。 １・・定圧器、２・・・円筒状容器、３・・・ベローズ
容器、６・・・ＩＰ本体、７・・・冷媒液、８・・・チ
ャンバ、９・・基板、１０・・・ＬＳＩチップ、１５・
・・冷媒蒸気、１８・・・液回収器、２３・・・バルブ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＬＳＩチップ及び基板体部品をチャンバ内側に配置
   し、前記チャンバ内に冷媒液を封入して、前記冷媒液の
   沸騰によつて発熱する前記ＬＳＩチップなどを冷却する
   装置において、 前記チャンバと定圧器を配管系によつて連結して前記チ
   ャンバ内の圧力をほぼ大気圧一定に制御したことを特徴
   とする半導体冷却装置。