JPH0587985B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、半導体チツプなどの高電力部品を冷
却する装置に用いられる回路モジユールに関し、
特に、チツプの外面に接し、支持構造に担持され
る要素（一般にはピストン）により移送される誘
電性液体（冷媒）による対流冷却が行われるモジ
ユールに関する。

Ｂ 従来の技術 以下の参考文献は、誘電性液体によつてチツプ
を冷却する試みと、本発明のモジユールに用いら
れる伝熱方法について説明している。IBMテク
ニカル・デイスクロージヤ・ブレテイン（IBM
Technical Disclosure Bulletin）はTDBと略記
している。

TCMすなわち熱伝導モジユールにおける伝熱
性は、Chu他の米国特許第3993123号明細書に述
べてあるように、チツプ空間を誘電性液体で満た
すことによつて改良される。誘電性液体により、
チツプ空間をはじめ、チツプとそのピストンとの
間およびピストンとハツトと呼ばれる構造との間
の小さい隙間における熱の伝達が促進される。従
来の技術では、チツプ空間および外部の熱交換器
に誘電性液体を循環させることも提案されてい
る。

冷媒が沸騰すると、蒸気により冷媒の体積がか
なり大きくなる。ここに、モジユールからの排気
の問題が生じる。本発明の出願人（Chu、
Simons）がまもなく発表するモジユールは、チ
ツプ空間の内側の蒸気を凝縮するために内部に凝
縮器を備える。これとは別に発表される文献で
は、前記の問題に対処するために、蒸気と液体を
混合していて、これをチツプ空間で再び凝縮する
モジユールについて説明している。混合はタービ
ユレータによつて促進される。タービユレータ
は、冷媒の平均温度に保たれ、蒸気の一部を凝縮
する。

TDBの1986年12月号（2887ページ）には、誘
電性液体の噴流が、チツプ空間と冷媒空間を分け
る隔壁の一部を成すヒートシンクに向けられるモ
ジユールについての説明がある。この噴流によ
り、“噴流衝突（jet impingement）”と呼ばれる
メカニズムが働き、冷却効率がよくなる。

TDB5117（1987年４月号）には、ピストンから
ハツトへの従来の伝熱路と平行に、ピストンから
誘電液体への伝熱を促進するフイン（ひれ）を備
えたピストンが示されている。TDB6904（1985年
５月）もピストンから冷媒への伝熱に関する。こ
のピストンは、表面が核沸騰を促進するようにな
つている。

TDB6898（1985年５月）に示されたピストンで
は、中心孔が、ピストン上部からピストン下部近
くまで伸び、そこで４つに分岐して、それぞれの
半径が等しく位置対称の点でピストン表面に出
る。ピストン上部は、液体を受けるように配置さ
れている。このピストンは、ピストン前面の中央
がチツプに触れ、開口がチツプから離隔すること
により、液体がチツプの方へ流れてチツプ表面に
及ぶようにドーム型になつている。

本発明の出願人の米国特許第4765397号は、冷
媒の流速を速めて温度の上昇を抑えるために、冷
媒のチヤネルが狭められた伝熱デバイスについて
説明している。

Ｃ 発明が解決しようとする課題 モジユール回路には、半導体チツプを載せた薄
く平坦な基板を持つものがある。半導体チツプ
は、基板の上面に並んだチツプ取付箇所で金属パ
ツドに接着される。チツプ表面を上に向けたとき
の基板の向きは任意であり、目印や記号が簡素化
される。

基板のピンは、下面から伸びて、支持台になる
回路ボードのコネクタにつながる。金属パツドと
ピンは、基板の内側の配線層によつて相互に接続
される。モジユールには、ハツトと呼ばれる構造
を持つものがある。ハツトは、チツプの外装の一
部を成し、モジユール冷却装置の一部も兼ねる。
ハツトの下面には、チツプ取付箇所に面した円筒
上の開口があり、これが、チツプ上面に接する円
筒状の要素（ピストン）を担持する。従来のピス
トンは、伝熱体で作られ、伝導によつてチツプか
らハツトへ熱を移す。そしてモジユールは、一般
にTCMすなわち熱伝導モジユールと呼ばれる。
従来のハツトは冷水によつて冷却される。

チツプの性能を改良する方法は多いが、いずれ
の場合もチツプの消費電力が大きくなる。一般
に、この技術の目的は、伝熱性が改良された熱伝
導モジユールのようなデバイスを提供することに
ある。また、チツプを低温で（たとえば液体窒素
の温度で）動作させることも、この技術の目的で
ある。

Ｄ 課題を解決するための手段 本発明のモジユールにおいては、ピストンの中
心孔が、ピストンの上部で誘電性液体の冷媒を受
け、ピストンの下部でこの冷媒をチツプの上面に
供給する。ピストンの下面はチツプから離隔して
おり、これによつて形成されるチヤネルを通して
冷媒がチツプに及ぶ。冷媒のこの流れは、モジユ
ールの上面から見ると、実質上、半径方向に対称
である。チヤネルの断面は、ピストンの軸に対す
る半径距離のどの点においても、幅が円周の幅で
あり、高さがチツプ表面より上のピストン前面の
高さと等しい。ある点における冷媒の流速は、部
分的にはこの面積によつて決定される。そしてピ
ストン前面は、流速がチツプの冷却に適した速さ
になるよう形状を備える。

“誘電性”という用語の意味は、冷媒は、導電
性を示さず、ある電圧を持つ電極が露出し熱を発
生するチツプと直に接触させることができるとい
うことである。普通、非誘電性液体（水など）
は、腐食と部品の電気的な短絡を防ぐために、部
品から分離させておかなくてはならない。水に
は、隣接する導体相互間での電気信号の伝播を遅
くする働きもある。

導電性液体は市販されており、沸点は様々であ
る。モジユールの通常の動作温度で沸点に達する
ようにしたり沸点に達しないようにしたりできる
誘電液体がある。ある液体の沸点は、チツプ空間
の圧力を制御することによつて、一定範囲内で選
択できる。市販のモジユール回路では、沸点モー
ドでも非沸点モードでも過フツ化炭化水素（FC）
が用いられている。液体窒素は、沸点が低く、沸
点モードでも非沸点モードでも使用できる。

本発明のモジユールは、液体のままの冷媒か、
またはチツプに流れ込むときに沸点に達する冷媒
と併用できる。沸点に達する冷媒を使用するとき
は、ピストン前面の形状は、所定の流速に応じ
て、また冷媒が沸騰するときの冷媒の体積の増加
に応じて決定される。

液体は、ピストンの中心孔に液体のまま残る。
冷媒がチツプから熱を受けると、冷媒の温度が上
昇し、本発明の実施例によつては、沸騰しはじめ
る。ある特定のチツプでは、中心孔からの半径方
向のある距離において沸騰がはじまり、これはチ
ツプが消費する電力によつて異なる。ピストンは
いずれも同一であるのがよく、ピストン表面の形
状はいずれも、最大電力で動作するチツプに対応
するようなものであるのが望ましい。低電力で動
作するチツプの場合、沸騰は起こらないか、沸騰
が起こるときの半径が長くなることがあるが、こ
のようなチツプも適宜に冷却される。（消費電力
の異なるチツプの温度を均一に保つ方法について
は後述する。） 沸騰が起こる半径距離はまた、モジユールに選
ばれた冷媒の性質およびモジユール内部の圧力に
よつても異なる。本発明のモジユールは、様々な
冷媒と動作圧力に対応するものである。

ピストン軸を通る断面から見ると、ピストン前
面は、中心孔の端から下方および外側へ曲がつて
所定の点に達し、そこで上方へカーブする。沸騰
が起こらないところでは、冷媒の密度はほぼ一定
であり、カーブはピストン前面に対して下向きな
ので、隙間の円周を成す幅の増加が相殺され、流
速はほぼ均一か、または速くなつて、冷媒温度の
上昇が相殺される。沸騰が起こる部分では、ピス
トン前面は下方か上方へカーブする。いずれの方
向かは、沸騰の累積量および半径方向の位置によ
る。

ピストンは、非導電材料（プラスチツクなど）
で作られたものが望ましい。このような材料は熱
の不良導体である。これまでのピストンは、熱伝
導率の良好な金属から作られている。金属は電気
の良導体であり、絶縁は、一般にはチツプとハツ
トとの間で、たとえばピストンを陽極処理するこ
とによつて得られる。

ある実施例では、ピストンは金属で作られ、ピ
ストン前面は、チツプからピストン前面で隔てる
薄い放射状のフイン（ラジアル・フイン）を担持
する。このフインにより、上から見るとパイの形
をした冷媒用のチヤネルができる。またフインに
より、チツプからピストン本体への伝熱量も有効
に利用できる。他の実施例では、ピストンは水平
に伸びた環状のフインを担持する。このフイン
は、中心孔を通る液体によつて冷却される。チツ
プ空間内の蒸気は一部かまたは全部がこのフイン
によつて凝縮する。中心孔の出口での冷媒温度
は、チツプの冷却条件によつて適度に保たれ、ピ
ストンの中心孔に入る冷媒は、フインの冷却に適
した低い温度に保たれる。

ある実施例では、ピストンは、チツプと環状の
フインから、またはそのいずれかからの熱を中心
孔のなかの冷媒に伝える金属部と、電気絶縁のた
めのプラスチツク部とで作られる。

別の実施例では、ピストンは、チツプの端部を
超えて伸びるシユラウド（囲い板）を担持し、チ
ツプ端部およびその近くの基板部分の伝熱によつ
てチツプを冷却する。

Ｅ 実施例 第１図のモジユール９では、基板１０が、面１
１が上向きのチツプと水平である。この向きで
は、基板上のチツプおよびチツプと位置合わせさ
れたモジユール部品の行列の並びの対称性が強調
される。気体を詰めた従来のモジユールは、基板
が垂直面上にくる方向に向けられる。この向きに
ついては第２図の説明のところで述べる。第１図
の向きは、冷媒の流れが、モジユールの実際の向
きとは無関係に、実質上、半径方向に対称なの
で、モジユール表面の冷媒の流れを説明するのに
適している。またピストンは実際に半径対称であ
るのが望ましい。

チツプ１２は、半田ボール１３によつて、パツ
ド（図示していない）に電気的、機械的に接続さ
れる。このチツプは、一般的には発熱部品とみる
ことができ、チツプ上面１４は、チツプまたはチ
ツプを密封するケースなどのパツケージ構造の伝
熱面である。基板の下面１５は、回路ボードに接
続されるピン１６を担持する。基板の内側の配線
は、電力をチツプに運び、チツプ相互間およびチ
ツプとピンとの間の信号をつなぐ。構造１７（ハ
ツトと呼ばれる）は、従来のTCMのハツトに見
られるように、基板とともに密封されたチツプ空
間１８を形成する。ハツトは、ホール２０の列の
中のピストンと呼ばれる構造１９を支持する。ホ
ール２０はそれぞれチツプ取付箇所の上に位置す
る。第１図の実施例では、ホール２０は円筒状で
あり、ピストン１９の隙間２１は、ピストンが垂
直方向に運動するのに充分な幅がある。（隙間２
１は図では誇張して描いてある。） ハツトとピストンの構造−−第１図 第１図のピストン１９のスペーサ２２は、ピス
トン１９の下面２３を一定の距離だけチツプ表面
１４よりも上に位置付ける。このスペーサは、薄
いラジアル・フインであつて、その下端の全体が
チツプ表面１４に接する。他のスペーサについて
は後述する。スプリング２４は、ホール２０内に
あつて、ピストンをチツプ取付箇所の方へ押し下
げる。スプリング１９の構造と隙間２１は、従来
のTCMと同様であり、これにより、ピストンは、
基準面に対するチツプの高さと傾きの変化に追従
できる。

モジユール９は、一般には、各ピストン前面２
３がチツプ表面１４よりも上の所定位置にくるよ
うに設計／製造される。基準面に対するチツプの
高さは指定できる。その場合、ハツト１７とピス
トン１９の構造は、ピストン前面２３がハツト１
７の中の固定基準位置にくるように形成できる。
これに代えて、ピストン１９をハツト１７内で調
整できるようにし、製造時にはチツプ１２に対し
て固定位置に置くこともできる。第１図のモジユ
ール９をこのように変更すれば、スペーサ２２は
必要なくなる。

ハツト１７は、チツプ取付箇所を覆う冷媒プレ
ナム・チヤンバ３０が設けられるように形成さ
れ、液体冷媒をチヤンバ３０に導く流入口３１を
備える。これらの構造は、低温プレートを組み込
んだTCMの冷水構造に似ており、従来の様々な
方法で実施できる。図では概略を示している。ハ
ツト１７の部分３３は、チツプ空間１８の外装の
一部を成す。ハツト部分３３を支持するピストン
上面３５は、チヤンバ３０の底面を成す。

第１図の実施例で、ピストンの軸孔３８はピス
トン１９を貫通している。この軸孔は、ピストン
１９の上端では、冷媒チヤンバ３０に通じるよう
になつており、ピストンの下端は、冷媒の噴流が
チツプ表面１４に流れるように形成されている。
第１図の実施例でチユーブ３９は、チヤンバ３０
からピストン前面２３のすぐ上まで伸びて、軸孔
３８とピストン１９を上部４０と下部４１に分け
ており、上部４０ではチユーブ３９により、ピス
トン１９が冷媒と直に接しないようになつてお
り、下部では冷媒が軸孔３８の壁面と直に接する
ようになつている。

ハツトは、後述するように、チツプからの冷媒
を排出する排出口４４，４５を備える。

ピストンを通る冷媒の経路 第１図の実施例でピストンは、金属の単一構造
であり、熱の良導体であるのは良いが、電気の良
導体でもあるのが欠点である。（チツプとハツト
を電気的に絶縁しなければならないモジユールも
ある。）冷媒と軸孔３８の壁面との接触によつて
ピストン１９が冷却されるが、この冷却効果の利
用方法にはいくつかある。スペーサ２２は、チツ
プ１２とピストンの下部４１との間の伝熱路内に
あるので、チツプ１２は伝導によつて冷却され
る。スペーサ２２は、冷媒が流れる領域が大きく
なるように薄くしてあるので、スペーサ２２とチ
ツプ１２の接触面積は小さく、この界面の熱抵抗
は大きい。ただしこの経路の伝導は、冷媒がスペ
ーサ２２に近接して流れ、伝導路がかなり短いた
め、効率がよくなつている。後述するように、チ
ヤンバ３０の液体は、軸孔下部４１（液体はこの
軸孔では沸騰しない）内の液体への伝熱を補償す
るのに適した温度に保たれる。

冷媒が沸騰するモジユールにおいては、チツプ
空間の蒸気を一部凝縮するためにも、ピストンの
温度が下げられる。第１図のピストンは数個の環
状フイン３６を備え、これらと軸孔下部４１の冷
媒との間で伝熱が起こる。

ピストン前面の形状−−第３図 第１図で、冷媒は所定の速度で軸孔３８に流れ
込むが、その速度は、冷媒がチツプ１２に供給さ
れる速度と軸孔３８の直径によつて決まり、冷媒
の噴流はチツプ表面１４にぶつかる。第３図に示
したモデルでは、冷媒の流速は一定、軸孔の直径
も一定、よつて噴流の速度も一定である。噴流の
力で、液体とこれに伴う蒸気がチツプ表面１４と
ピストン前面２３との間の隙間２１を通つて外部
へ向けられる。このときの流れのパターンは、孔
の軸を中心にして、実質上は半径対称であり、ピ
ストン前面も半径対称である。（半径方向ではな
い冷媒の流れについては後述する。） チツプ表面１４を流れる冷媒の速度は、チツプ
の冷却に大きく影響する。この速度は、半径方向
の一点では、部分的にはその点の隙間２１の断面
積の関数である。この断面積の寸法は、一つは、
第１図に示すように隙間２１の高さであり、もう
一つは、ピストン軸から見れば分かるように、そ
の点の円の外周である。

第３図で、水平軸（横座標）は、ピストン軸か
ら半径方向に測られたチツプ表面１４の位置を表
す。垂直軸（縦座標）は、チツプ表面１４とピス
トン前面２３との隙間を表す。チツプ表面１４は
平坦なので、カーブはそのままピストン前面の形
状を表すが、垂直方向の目盛りは水平方向よりも
大きく、ピストン前面のカーブは誇張されてい
る。

４つのカーブＡないしＤはそれぞれ、ある冷却
条件下のチツプ表面で流速を一定に保つための隙
間高さを示す。（流速は、断面積が対応する点に
よつて異なるので、カーブによつて異なる。）い
ずれの場合も、冷媒、チツプ・サイズとも同じだ
が、チツプの消費電力はＡからＤへの順に減少す
る。

均一な流速が基準条件である。通常は、流速を
半径の関数として高くするのが望ましい。その場
合、冷却は、流速と冷媒温度の関数であり、速度
が上がれば、冷媒がチツプから熱を受けるときの
温度の上昇が相殺される。低速を含めた他の流速
は、後述するように、図のカーブから理解でき
る。

カーブＡないしＣは、３つの異なる流速で沸点
に達した冷媒を、カーブＤは、沸点に達しない冷
媒をそれぞれ表す。カーブの最も左側の半径位置
は、ピストン孔の半径にほぼ等しい。

Ｄの場合（冷媒は沸騰しない）、冷媒密度が大
きく変化することはなく、チツプ表面上のある点
でのその速度は、その点での隙間の断面積によつ
てのみ変化する。したがつてカーブＤは、流れの
生じる断面積と冷媒速度をともに一定とするピス
トン軸からの半径距離の逆数の一次関数である。
隙間は半径に応じて連続的に減少する。

カーブＤの場合のピストン前面を、断面積が半
径の関数として小さくなるように変形すれば、冷
媒が沸騰しない場合のカーブは、カーブＤの下側
にくる。逆に、断面積が半径の関数として大きく
なるようにカーブＤのときのピストン前面を変形
すれば、そのカーブはカーブＤの上側にくる。

カーブＡ，Ｂ，Ｃは、冷却条件が異なり沸点に
達する液体を表す。冷媒が沸騰すると、蒸気の泡
が形成され、ある質量を持つ冷媒の体積が大きく
なる。ピストン前面は、この膨張を吸収する形状
である。

カーブＡないしＣの場合、隙間は、沸騰がはじ
まるところまで小さくなり、その後大きくなつ
て、増加する蒸気量を吸収する。（連続的に減少
するカーブＤと対照的である。）第３図に示すチ
ツプは均一に加熱されるので、蒸気の泡は半径の
関数である定速度で形成される。したがつて蒸気
の泡は半径方向（下流）へ集積する。沸騰するの
は液体の一部だけであり、通常は10％未満であ
る。

ここで、カーブＤを別の観点から調べてみる。
ある点でカーブが平坦になる場合、その断面積は
半径に応じて増加する。同様に、カーブＤによつ
て示される半径の関数の逆関数よりも低速でカー
ブが下降した場合、断面積は増加する。したがつ
て、幾何学的には、冷媒の体積の増加を吸収でき
るのは、平坦なカーブまたは緩やかに下降するカ
ーブである。ただし沸騰による体積の増加は、沸
点を定義でき、ピストン前面のカーブがその点ま
で下降して、そこで上昇するほど大きいのが普通
である。

カーブＡないしＣの下方への傾きは、対応する
カーブＤの点よりも小さく、具体的には、カーブ
の傾きはＣからＡの順に（すなわち対応する点の
隙間が大きくなるのに応じて）小さくなる。これ
は全く幾何学的な結果である。

チツプ空間１８と冷媒チヤンバ３０の密封 冷媒の一部は、ピストン１９とピストン・ホー
ル２０の側面との隙間２１を通つて、チツプ表面
１４にぶつかる噴流を迂回し得る。ピストン１９
の前面で所要量の噴流が維持される限り、隙間２
１を通る冷媒がモジユールの冷却能力に悪影響を
与えることはない（場合によつては大型のポンプ
が必要になる）。

第１図の実施例では、チユーブ３９は、チヤン
バ３０と隙間２１との間にラビリンス（隘路）を
つくるので、かなりの量の冷媒が隙間２１から流
れるのが防止される。他の実施例では、チユーブ
３９は用いられず、軸孔部４１はピストンの全長
に及ぶ。ハツト部３３の開口は（他の場合にはチ
ユーブ３９を受けるが）、直径を妥当な範囲内で
自由に変えられる。この実施例のピストン・ホー
ル２０は、チツプ空間１８から冷媒チヤンバ３０
に及ぶので、冷媒がピストン・ホール２０を迂回
するときに通過しやすい経路となる。ピストン１
９とピストン・ホール２０の壁面との隙間２１
は、従来のものは非常に狭く、ピストン１９とホ
ール壁面との間を流れる冷媒の量は無視してよい
場合が多い。

ピストン密封構造の一例として、ピストンとホ
ール壁面との間に密封リングが置かれる。過フツ
化炭化水素で冷却されるモジユールの場合、密封
リングは、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）
などの材料で作るのが望ましい。これは、過フツ
化炭化水素に触れると膨張し、より安定したシー
ルになる。

従来の技術では、チツプ空間１８を冷媒から分
離するために様々な機構が提案されている。たと
えば、可撓性バリア、可撓性ベローズなどがあ
り、これらはピストンを密封するのに使用でき
る。ピストン１９がハツト１７の一部として固定
される場合は、各ピストンにシールを用意する必
要はない。

従来のモジユールでは、チツプ取付箇所のパタ
ーンに標準があり、ピストンのホールはこれに対
応したパターンを持つ。チツプ取付箇所の一部に
チツプがなく、対応するホールにピストンがない
ものも従来のモジユールにはある。本発明のモジ
ユールで用いられないチツプ取付箇所では、使用
されないホールにおける冷媒の迂回を防ぐため
に、円筒状のホールが接続される。たとえばホー
ルには、中心孔を持たないプラスチツクのピスト
ンまたはこれと同等の密着構造を接続できる。ピ
ストンが可撓性ベローズや可撓性バリヤで密封さ
れる場合は、他の接続構造としてどれが適当かは
容易に分かる。

モジユール内の冷媒と蒸気の流れ−−第２図 第２図は、基板が垂直面上にある通常の向きの
モジユール９を示す。冷媒が沸騰するモジユール
では、蒸気４９が上方の排出口４４の方向へ拡散
する。モジユール９には、初めから、液体または
蒸気を充填しておくことができる。液体を充填し
たモジユールでは、沸点に達した冷媒からの蒸気
４９は泡の形をとる。液体（蒸気を充填した場合
は小滴）は、どのような場合でも、チツプ空間の
下部に落ちて溜り、排出口４５へ流れる。

蒸気４９は、モジユール９外部では扱いが難し
い。体積が、これに対応する質量の液体の体積よ
りはるかに大きいからである。チツプ空間内で蒸
気の一部あるいは全部を凝縮させる手段を設ける
のが望ましい。第２図には第１図のフイン３６を
示している。これに代えるか、または追加する形
で、別に熱交換器をモジユールの内側に備え付け
るか、または第２図のように、凝縮された冷媒が
液溜め４７へ流れるように、モジユール９に近づ
けることもできる。

モジユール９上部に近いピストン１９では、モ
ジユール下部のピストンよりも蒸気が多いが、第
１図に示したモジユールをどのように適用するに
しても、ほとんどの場合、その違いは小さく、フ
イン構成は各ピストンで同じになる。これに代え
て、各ピストンをその蒸気凝縮負荷に適応させる
こともできる。たとえばフイン構成を変えたりピ
ストンの低温下部４１の長さを変えたりすること
ができる。

外部冷媒回路−−第４図 第４図は、室温付近で動作するモジユール系統
用の外部配管を示す。代表的な２つのモジユール
９ａ，９ｂの冷媒流入口３１ａ，３１ｂは、共通
の供給ライン５４に接続される。供給ライン５４
は、膨張タンク５５、ポンプ５７、クーラ５６を
備えた回路内に接続される。クーラ５６は、冷水
が供給される熱交換器とするのがよい。モジユー
ルの液体冷媒の排出口４５ａ，４５ｂおよび蒸気
の排出口４４ａ，４４ｂは共通ライン５９に接続
され、共通ライン５９は、排出口４４ａ，４４ｂ
からの蒸気が上方へ拡散し、排出口４５ａ，４５
ｂからの液体が下方へ流れるように垂直に伸びて
いる。膨張タンク５５は、液体を受けてこれをポ
ンプ５７へ送る。熱交換器６１は蒸気を受けて凝
縮する。蒸気凝縮用熱交換器６１の凝縮液は、ラ
イン５９を下つて膨張タンク５５に溜る。蒸気用
の熱交換器６１は、冷水を受けて動作し、液体冷
媒用の熱交換器５６の下流に接続することができ
る。

第４図は、冷媒回路内のモジユールの一般的な
接続を示している。液体と冷媒を室温で扱う方法
は他の技術分野で知られている。同じく液体窒素
の取扱方法も周知のとおりである。第４図から明
らかである。

ピストン構造 液体冷媒は、チツプから熱エネルギを取り去る
作用が強いので、第１図の金属ピストンによつて
設けられる熱の伝導路は採用せずに、ピストンの
全体または一部を、熱の非伝導体であるプラスチ
ツクなどの材料で作ることが可能である。プラス
チツク・ピストンは、先に述べた絶縁条件を満足
する。また、対応する金属ピストンよりも質量が
小さいので、チツプに伝わる振動は金属ピストン
よりも少ない。多くのプラスチツクは、様々な誘
電液体と併用でき、使用温度の範囲が広い。プラ
スチツク・ピストンは成形したものが望ましい。
従来のプラスチツクは、環状フインを効果的に使
用できるほど充分な伝熱性を示さない。蒸気を凝
縮するための熱交換器は、チツプ空間１８の内側
か外側、もしくは両側に取り付けられる。同様
に、ピストンとチツプの接触面積は、伝導伝熱を
考慮すれば大きな問題とはならず、スペーサは、
接触面積を考慮せずに、バンプ（突出し）その他
の形にすることができる。

第１図の金属ピストンは、切削によつて形成す
るのがよい。これに適した材料は、従来のTCM
技術で知られている。

このほかのピストンの実施例としては、プラス
チツクと金属を組み合わせたものがある。ピスト
ンの中央部は、環状リングから軸孔３８へ熱を伝
えるために金属で作られる。ピストンの下部か上
部のいずれか（または両方）は、電気絶縁性を与
えるために（および質量を下げるため）、プラス
チツクで形成される。

ピストンの上部だけをプラスチツクにすると
き、上部は、チツプ高さの変化を考慮して、下側
へ充分に伸ばせば、ハツトとピストンの金属部と
の電気接続を防ぐことができる。ピストン孔３８
とピストン・チユーブ３９は、冷媒がピストンの
金属部の孔の壁面に接するように配置される。金
属部とプラスチツク部は、このような材料の接合
に適した方法で接合できる。ねじ込みカプリング
などによる嵌合が望ましい。

ピストンの下部を金属にする場合、第１図とあ
わせて説明したように、スペーサを任意に形成す
ることで、チツプからの伝導伝熱が得られる。

ピストン・スペーサ 第１図の実施例でスペーサ２２は、フインの形
をとり、これが冷媒をチツプの前面に向ける羽弁
を成す。このフインを平坦にすれば、第５図のよ
うに上から見るとパイの形のチヤネルが作られ
る。また、カーブをつければ、第６図のように非
半径方向パターンが得られる。冷媒は、分子レベ
ルでは螺旋状に流れるので、伝熱効率がよくな
る。

普通、これらのフイン２２は、伝導伝熱効率を
高めるために、たとえこの形のスペーサによつて
対流伝熱が少なくなつても、可能な限り薄くされ
る。ただしチヤネルは、ピストンの下側に形成さ
れた細長い開口とみることもできる。“フイン”
という用語は、冷却が主として対流によるもので
あり、副次的にのみ伝導によるか、あるいは伝導
に全く依存しないことを強調するものである。

熱抵抗の調節 チツプは、所定の制限温度内で動作させなけれ
ばならない。この条件から、消費電力の小さいチ
ツプを過冷却することなく、消費電力の大きいチ
ツプを冷却することが問題になる。従来のTCM
では、チツプの温度を一定に保つための手法がい
くつか用いられ、提案されてもいる。液体冷媒を
チツプに供給するとき、その調節は、軸孔３８の
直径、チユーブ３９の直径、もしくは隙間高さな
どの調節によつて行える。伝導冷却による実施例
では、伝導路の抵抗は、従来のTCMから類推す
れば明らかなように、様々な方法で調節できる。

第７図の実施例では、ピストン前面が、ねじ６
３などの手段によつてピストン本体６２に接続さ
れた部分６１によつて形成される。前面部の形状
は、冷媒をチツプに供給する速度やそのパターン
に応じていくつか考えられる。第７図の実施例で
は、ピストン孔がピストン前面にある数個の開口
６４に分岐しており、前面部は薄型であつて、こ
れがプレナム・チヤンバ６６を成し、これにより
ピストン孔からの冷媒が開口６４に流れる。ピス
トン前面には、チツプ表面１４とピストン前面を
離隔するためにバンプ６７を設けるのが望まし
い。

ピストンとシユラウド−−第８図 第８図は、シユラウド７０を担持するピストン
を示す。このシユラウドにより、冷媒がチツプ１
２の端部７１まわりに向けられる。チツプ端部７
１の面積は、表面１４より小さく、この部分で他
の図のモジユールの熱の移動がほぼすべて起こる
が、端部の面積は、伝熱量を有効に利用するのに
充分な大きさである。本発明のモジユールおよび
従来のTCMでは、チツプからの熱の一部は、半
田ボールを通つて回路ボードへ移動する。シユラ
ウドは、冷媒が、近くの基板表面１１にぶつかる
ように形成される。表面１１に冷媒がぶつかるこ
とによつても伝熱量を有効に利用できる。

第８図のピストン構造では、シユラウドは、上
からは正方形に見え、チツプ端部７１と近くのシ
ユラウドの壁面との空間は、図に示した隙間で均
一に分けられている。シユラウドはこのほか、ピ
ストンの半径対称形に合わせて円筒状にすること
もできる。

第８図は第７図と似ている。また他の場合には
同一なモジユール部品については同様の参照符号
を使つている。第７図のモジユールで冷媒は、チ
ツプの端部および基板の前面に及ぶが、冷却は第
８図の方が効率的である。それは、シユラウドに
より、冷媒の流れがチツプと基板の伝熱面に近接
するからである。

他の実施例 ピストンとハツトはいくつかの部品に分けら
れ、その一部は任意に使用でき、一部は各図で形
状を変えて示したものか、図には示さずに異なる
形状について説明した。このような形状が、先に
延べなかつた組み合わせで使用できることは明ら
かである。また回路モジユールの冷却技術や熱の
移動に関する一般的な技術に関わる当業者には、
これら具体例の変形例が、本発明の精神および特
許請求の範囲内にあることも明らかである。

Ｆ 効果 本発明によると、消費電力の小さいチツプを過
冷却することなく、消費電力の大きいチツプを冷
却することができ、消費電力の異なるチツプの温
度を均一に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例のピストンとこ
れに関連する構造を持つモジユールの断面図であ
る。第２図は、第１図のモジユール内を冷媒が通
過する様子を示す断面図である。第３図は、冷媒
の流速の変化に対するピストン前面の形状を示す
グラフである。第４図は、数個のモジユールを持
つデータ処理システム用のモジユールの外側の冷
媒の流れを示す図である。第５図は、ピストン前
面のスペーサの形状を示す図である。第６図は、
ピストン前面のスペーサの設計に変更を加えた図
である。第７図は、上記のピストンに代わるピス
トンの断面図である。第８図は、冷媒の流れをチ
ツプの端部のまわりに向けるシユラウドを第７図
のピストンに加えた断面図である。 １０……基板、１１……基板の表面、１２……
チツプ、１７……ハツト、１８……チツプ空間、
１９……ピストン、２２……スペーサ、２３……
ピストン前面、３０……冷媒チヤンバ、３１……
流入口、３８……軸孔、４４，４５……排出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板１０を有し、チツプ１２列が上記基板の
   表面１１のチツプ取付箇所に置かれたモジユール
   回路であつて、上記基板が、便宜上、上側にチツ
   プ取付面がくる水平面を向き、上記基板と協働す
   るハツト１７によつて各チツプの密閉空間が得ら
   れ、上記チツプ取付箇所の上の上記ハツト内にピ
   ストン１９が置かれ、上記ハツト内の冷媒供給手
   段３０，３１によつて液体冷媒が供給され、上記
   モジユール内の冷媒排出手段４４，４５によつて
   チツプ空間１８から冷媒が戻り、上記ピストンの
   それぞれの軸孔３８が、冷媒供給手段３０からの
   上記液体冷媒を上記チツプへ運ぶように接続され
   ており、 ａ 上記ピストンの下面２３が所定の半径対称形
   であり、 ｂ ピストン前面２３または６５にスペーサ２２
   が置かれて、上記チツプの上面１４に接し、か
   つ上記ピストン前面と上記チツプ表面を離隔
   し、よつて上記チツプ表面に上記冷媒を運ぶ隙
   間が形成され、 ｃ 上記液体が、上記チツプの動作温度に関係す
   る所定の温度および上記チツプ空間の圧力によ
   つて沸騰し、よつて上記チツプ表面に及ぶ液体
   において所定の沸騰状態もしくは非沸騰状態が
   生じ、上記状態が、上記チツプから移動した熱
   および上記冷媒の沸点によつて決定され、 ｄ よつて上記チツプ表面のある点における上記
   冷媒の半径方向の流速が、一部は上記の点の隙
   間高さによつて、一部は、上記冷媒が沸騰する
   ことによつて上記冷媒の体積が増加する場合に
   は、その程度によつて決定され、 ｅ 上記ピストン前面と上記チツプ表面の半径位
   置に関係する隙間高さが得られるように上記ピ
   ストンの上記下面が形成されて、上記チツプを
   冷却するための所定の流速が維持される、チツ
   プ冷却用回路モジユール。 ２ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、上記ピストン前面と上記チツプ表面の半
   径位置に関係する隙間高さが得られるように上記
   ピストンが形成されて、半径位置に関係する一定
   の流速が維持されるモジユール。 ３ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、上記ピストン前面と上記チツプ表面の半
   径位置に関係する隙間高さが得られるように上記
   ピストンが形成されて、半径位置に応じて流速が
   増加し、半径位置に関係する上記冷媒の温度の上
   昇が相殺されるモジユール。 ４ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、非沸騰液体冷媒の一定の流速を基準条件
   として、上記基準条件が、半径位置の逆数の関数
   であり、よつて連続的に減少する隙間高さによつ
   て表され（第３図のカーブＤ）、かつ上記液体が
   上記隙間で沸騰し、上記隙間が、半径方向の内側
   の領域では減少し、半径方向の外側の領域では増
   加するモジユール回路。 ５ クレーム４のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、チツプ上の所定の半径が指定でき、上記
   半径で沸騰がはじまり、かつピストン前面が上記
   半径の内側で下方へ傾き、上記半径の外側で上方
   へ傾くモジユール回路。 ６ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、上記ピストン前面上のバンプがスペーサ
   を構成するモジユール回路。 ７ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、上記チツプ表面に接する形状を有し、か
   つ上記冷媒が通過するパイの形のチヤネルを形成
   するラジアル・フインが、スペーサを構成するモ
   ジユール。 ８ クレーム１のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、非半径方向の流れパターンを作るように
   曲げられた羽弁フインがスペーサを構成するモジ
   ユール。 ９ クレーム２のチツプ冷却用回路モジユールで
   あつて、上記ピストンが、上記チツプのまわりで
   シユラウドを成す形状を有し、上記シユラウド
   が、上記チツプの端部および上記基板の上面から
   離隔して形成されることによつて、上記冷媒が流
   れ落ちて上記チツプの端部に及びかつ基板へ放射
   状に流れ込み、よつて上記チツプがさらに冷却さ
   れる回路モジユール。