JPH06120382A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体素子が押圧される沸騰部１の内部には
沸騰フィン４が備えられ、冷媒５が封入されている。又
沸騰部上部にはパイプ６が接合され、沸騰部内部とパイ
プ内部とが連通している。又パイプには複数枚の放熱フ
ィン７が取りつけられている。 【効果】 本発明によれば、沸騰部は直接冷媒が封入さ
れ、沸騰フィンが備えられた個別フィンタイプで構成さ
れ、凝縮部側はパイプと放熱フィンで構成されているの
で、沸騰部の冷却性能を著しく向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷媒液の沸騰・凝縮の相
変化の作用により半導体素子等の発熱体を冷却する半導
体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体の冷却装置としては、ヒ―ト
パイプ式冷却器が用いられている。

【０００３】図10，11はヒ―トパイプ式冷却器の構成を
示す図で、図10はヒ―トパイプ式冷却器の断面図、図11
は半導体素子をヒ―トパイプ式冷却器の沸騰部ブロック
に押圧した状態を示す平面図である。

【０００４】半導体素子10が沸騰部ブロック100 に押圧
され、沸騰部ブロック100 に設けられた円筒状の溝に複
数本のヒ―トパイプ101 が挿入されている。ヒ―トパイ
プ101 の放熱側には複数枚の放熱フィン102 が取りつけ
られ、ヒ―トパイプ101 の内部には液状の冷媒103 が封
入されている。

【０００５】半導体素子10から発生する熱は、沸騰部ブ
ロック100 を介してヒ―トパイプ101 へ伝わる。する
と、ヒ―トパイプ101 内に封入されている冷媒103 が沸
騰し気化する。気体となった冷媒103 はヒ―トパイプ10
1 内部を放熱フィン102 が取りつけられた方向に上昇
し、凝縮して熱を放熱フィン102 を通じて外部へ放出す
る。液体に戻った冷媒103 は、ヒ―トパイプ101 の傾斜
に沿って沸騰部ブロック100 方向へ戻る。この様に冷媒
103 の沸騰・凝縮作用により半導体素子10から発生する
熱をうばい、そして外部へ放出している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のヒ―トパイプ式冷却器では、沸騰部ブロックに設
けられた溝にヒ―トパイプを挿入しているため、溝とヒ
―トパイプとのすきまにハンダを流し込む等の工夫をし
ても、沸騰部ブロックとヒ―トパイプとの間で温度差が
生じてしまうことはまぬがれない。この温度差によって
冷却性能は低下する結果となっていた。又、半導体素子
と沸騰部ブロックとの接触面からヒ―トパイプの内壁ま
でに距離があるため、沸騰部ブロックの内部熱伝導によ
って接触面とヒ―トパイプとの間に温度差が生じ、冷却
性能が低下してしまっていた。又一般に冷却性能を向上
させる目的で沸騰部ブロックにはヒ―トパイプが複数本
挿入されているが、両端部のヒ―トパイプは半導体素子
と沸騰部ブロックとの接触面から、中央部のヒ―トパイ
プに比べて離れるため、沸騰部ブロックの内部熱伝導に
よる温度差が生じ、十分な冷却性能が得られなかった。
更にヒ―トパイプに封入される冷媒液の量が少ないた
め、半導体素子が高熱を発生する場合には、冷媒液が沸
騰しきってしまいドライアウトの状態になる恐れがあっ
た。そこで本発明は上記問題点を除去し、特に沸騰部ブ
ロックでの冷却性能の向上をはかり、高い冷却性能を得
る半導体冷却装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明では、冷媒が封入される内部に複数枚の沸
騰フィンが設けられ、外部への開口部を有する中空構造
の沸騰部と、開口部に一端が接合され、沸騰部の内部と
連通するパイプと、パイプの他端側に取りつけられた複
数枚の放熱フィンとを備えて構成される。

【０００８】又第２の発明では、第１の冷媒が封入され
る内部に複数枚の沸騰フィンが設けられ、外部への開口
部と挿入部とを有する中空構造の沸騰部と、開口部に一
端が接合され、沸騰部の内部と連通するパイプと、沸騰
部の挿入部から沸騰フィンの挿入穴にかけて、一端を挿
入して沸騰部の挿入部と接合された、内部に第２の冷媒
が封入されるヒ―トパイプと、パイプ及びヒ―トパイプ
の他端側に取りつけられた複数枚の放熱フィンとを備え
て構成される。

【０００９】

【作用】上述した構成により第１の発明では、半導体素
子を沸騰部に押圧すると半導体素子より発生する熱は沸
騰フィンに伝わり、内部の冷媒液を沸騰させる。気体と
なった冷媒は沸騰部からパイプへと移動し、放熱フィン
に熱が伝わる。そして、外気へ熱が放散され、再び冷媒
は液化してパイプの内壁を伝わって、沸騰部内部へと戻
る。この様な沸騰部内部の冷媒の沸騰・凝縮作用により
半導体素子より発生する熱をうばい、そして外部へ放出
して、半導体素子の冷却を行う。

【００１０】又第２の発明では、半導体素子を沸騰部に
押圧すると半導体素子より発生する熱は沸騰フィンに伝
わり、内部の冷媒液を沸騰させる。気体となった冷媒は
沸騰部からパイプへ移動する。又、ヒ―トパイプの内部
の冷媒も気化する。すると放熱フィンにはパイプ及びヒ
―トパイプから熱が伝わり、外気へ熱を放散する。そし
て再び冷媒は液化してパイプからは沸騰部内部へ、ヒ―
トパイプでは沸騰部側へと冷媒は戻る。このサイクルに
より半導体素子の冷却を行う。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照し詳細にする。

【００１２】図１乃至図３は第１の発明の半導体冷却装
置の構成を示す図で、図１は半導体冷却装置の断面図、
図２は半導体素子を沸騰部に押圧した状態を示す図１の
Ｉ−Ｉ′方向の断面図、図３は沸騰部の構成図である。

【００１３】中空構造のブロック１ａの上部に開口部２
が設けられ、側面に個別フィン３を接合して沸騰部１を
形成している。この個別フィン３には沸騰フィン４が取
りつけられている。この様に形成された中空構造の沸騰
部１に半導体素子10は押圧される。沸騰部１の内部には
冷媒５が封入され、開口部２にパイプ６の一端がパイプ
６の内部と沸騰部１の内部とが外気に対して気密構造と
なるように溶接又はろう付等の方法で接合されている。
又パイプ６の他端側には、対流方向に放熱フィン７が取
りつけられている。このように沸騰部１は個別フィンタ
イプで構成され、放熱部側はパイプ６と放熱フィン７で
構成されている。本実施例ではパイプ６が屈曲している
が、これは後に説明するように放熱フィン７から外気へ
の熱の放散を自然対流で行う場合を示しているためであ
る。

【００１４】半導体素子10から発生する熱は沸騰部１の
内壁や沸騰フィン４の表面に伝わる。すると沸騰部１の
内部に封入された冷媒５が沸騰し気化する。気体となっ
た冷媒５は沸騰部１の開口部２からパイプ６の内部を放
熱フィン７が取りつけられた方向に上昇し、放熱フィン
７へと半導体素子10から発生する熱が伝わる。屈曲した
パイプ６とほぼ垂直になるように取りつけられた放熱フ
ィン７の相互間には自然対流により外気が流れ、放熱フ
ィン７に伝わった熱は外気へと放散される。この外気へ
の熱の放散により、気体であった冷媒５はパイプ６の内
部で凝縮して液体に戻り、パイプ６の内壁を伝わって沸
騰部１の内部に戻る。この様な沸騰部１の内部の冷媒５
の沸騰・凝縮作用により半導体素子10から発生する熱を
うばい、そして外部へ放出して、半導体素子10を冷却す
ることができる。

【００１５】従って沸騰部１とパイプ６とが接合されて
いるために、沸騰部１内の冷媒５が気化し直接パイプ６
内を伝わるので冷却性能がよくなる。又沸騰部１の内部
に直接冷媒５が封入されているため、半導体素子10と沸
騰部１との接触面と沸騰部１内部の温度差が小さくな
り、著しく冷却性能が向上する。又、複数本のパイプ６
は沸騰部１内の冷媒５が気化し直接どのパイプ６内にも
伝わるので、各パイプ６は半導体素子10と沸騰部１との
接触面からの距離に関係なく、効率よく冷却に寄与する
ことができる。更に冷媒５の封入量を多くできるため、
半導体素子10が高熱を発生する場合もドライアウトの恐
れもなくなり、半導体冷却装置の熱に対する使用限界が
一段と向上する。

【００１６】なお本実施例では放熱フィン７から外気へ
の熱の放散を自然対流により行った場合を示している。
放熱側を強制風冷で行う場合は放熱フィン７の向きは対
流の方向を向いていなくてはならないとう制約はなくな
る。従ってパイプ６を屈曲させず沸騰部１に対して垂直
に接合し、放熱フィン７をパイプ６の放熱側に垂直に取
りつけることにより、放熱フィン７の向きが水平となっ
ても強制的に放熱フィン７に風を当てられるので構成が
容易になる。

【００１７】図４，５は第１の発明の第２実施例を示す
半導体冷却装置の構成図で、図４は半導体冷却装置の断
面図、図５は半導体素子を沸騰部に押圧した状態を示す
図４のＩ−Ｉ′方向の断面図である。

【００１８】本実施例では沸騰部１の開口部にパイプ61
ａ，61ｂ，61ｃの一端が接合され、各パイプ61ａ，61
ｂ，61ｃの他端は連通している。最下部となるパイプ61
ｃの沸騰部１側の先端は沸騰部１内の冷媒５中まで達し
ている。各パイプ61ａ，61ｂ，61ｃが連通される側には
放熱フィン７が対流方向に向けて取りつけられている。
半導体素子10から発生する熱は沸騰部１の内壁や沸騰フ
ィン４に伝わり、冷媒５が沸騰し気化する。気体となっ
た冷媒５は沸騰部１の開口部から各パイプ61ａ，61ｂ，
61ｃの内部を上昇し、放熱フィン７へと熱が伝わり外気
へと放散される。この外気への熱の放散により、気体で
あった冷媒５は各パイプ61ａ，61ｂ，61ｃの内部で凝縮
して液体に戻る。液体に戻った冷媒５は最下部のパイプ
61ｃの内壁を伝わって沸騰部１の内部に戻る。従って上
部パイプ61ａ，61ｂの内部の冷媒５の流れを一方向にす
ることができ、最下部のパイプ61ｃは沸騰部１へのもど
り管として使用され、冷媒５の循環効率を上げることが
できる。

【００１９】又各パイプ61ａ，61ｂ，61ｃの屈曲する傾
きは図６に示すようにしてもよい。本実施例では沸騰部
１の開口部に接合されたパイプ62ａ，62ｂ，62ｃは先端
を他のパイプのその先端と連通させ、水平になるように
屈曲している。

【００２０】半導体素子から発生する熱をうばい、沸騰
部１内部で気体となった冷媒５は、パイプ62ａ，62ｂ，
62ｃ内部で凝縮して液体に戻り、パイプ62ｃを伝わって
沸騰部１内部へ戻る。本実施例では気体側と液体側との
圧力差により冷媒５を循環させる。つまりパイプ62ａ，
62ｂ，62ｃは水平に設置されているが、パイプ62ｃが沸
騰部１内部の冷媒５に侵っており、パイプ62ｃの端部は
他のパイプ62ａ，62ｂの端部と連通しているため、パイ
プ62ａ，62ｂ内部で凝縮した冷媒５は、連通しているパ
イプ62ａ，62ｂの端部方向へ流れ、パイプ62ｃを通り沸
騰部１内部へと戻ることになる。従って冷媒５の循環効
率を上げることができる上、パイプ62ａ，62ｂ，62ｃが
全て平行にかつ水平に設置できるため、放熱フィン７を
パイプ62ａ，62ｂ，62ｃに取りつける時に単純に垂直に
取りつけるだけで、対流の方向を向くように構成でき
る。

【００２１】なお、パイプ62ａ，62ｂ，62ｃの屈曲角度
はこれらに限られず、若干パイプ62ａ，62ｂ，62ｃの放
熱側が上向きとなっていても、冷媒５の循環効率の向上
がはかれる。

【００２２】図７乃至図９は第２の発明の半導体冷却装
置の構成を示す図で図７は半導体冷却装置の断面図、図
８は半導体素子を沸騰部に押圧した状態を示す図７のＩ
−Ｉ′方向断面図、図９は沸騰部の構成図である。

【００２３】中空構造のブロック１ｂの上部に開口部２
が、側面に挿入部８が設けられ、個別フィン31を接合し
て沸騰部11を形成している。個別フィン31には沸騰フィ
ン41が設けられているが、この沸騰フィン41は挿入穴９
を有している。沸騰部11には第１の発明と同様にパイプ
６ａが接合されている。更に本実施例では、沸騰部11の
挿入部８から挿入穴９にかけてヒ―トパイプ６ｂが挿入
されている。このヒ―トパイプ６ｂと沸騰部11の挿入部
８とは沸騰部11の内部が外気に対して気密構造となるよ
うに溶接、ろう付等の方法で接合されている。ヒ―トパ
イプ６ｂは沸騰部11に挿入される前に冷媒５ｂが封入さ
れていて、パイプ６ａが接続された沸騰部11の内部に冷
媒５ａを封入した冷却系とは独立した冷却系をもつ。放
熱フィン７はパイプ６ａとヒ―トパイプ６ｂのそれぞれ
放熱側に取りつけられている。

【００２４】半導体素子10から発生する熱は沸騰部11の
内壁や沸騰フィン41に伝わり、冷媒５ａが沸騰し気化す
る。気体となった冷媒５ａは、パイプ６ａを放熱フィン
７が取りつけられた方向に上昇する。又沸騰部11に挿入
されたヒ―トパイプ６ｂ内部の冷媒５ｂも沸騰して気化
し、ヒ―トパイプ６ｂの内部を上昇する。これらパイプ
６ａとヒ―トパイプ６ｂを上昇した冷媒５ａ，５ｂは放
熱フィン７に熱を伝えて凝縮して液体に戻る。そしてパ
イプ６ａ内の冷媒５ａは沸騰部11に戻り、ヒ―トパイプ
６ｂ内の冷媒５ｂは沸騰部11の挿入部８方向に戻る。

【００２５】本実施例では放熱フィン７と大気との熱交
換を自然対流で行う場合、放熱フィン７が割と大型化し
てしまうが、放熱フィン７のパイプ６ａとの接合部から
遠い位置にあたる部分にも、沸騰部11に挿入したヒ―ト
パイプ６ｂが接合されているため、更に放熱フィン７が
有効に大気への熱放散に寄与できる。

【００２６】なお沸騰部11内部に封入される冷媒５ａと
ヒ―トパイプ６ｂ内の冷媒５ｂを異種のものとしてもよ
い。例えば沸騰部11内の冷媒５ａを水，ヒ―トパイプ６
ｂに封入される冷媒５ｂを沸化炭素系低沸点冷媒とす
る。水は沸騰熱伝達特性が他の物質に比べると著しく優
れたものであるが、半導体冷却装置の使われる周囲が水
の凝固点を下回る場合は、凍結してしまい作動しないこ
とがある。一方、沸化炭素系低沸点冷媒は、沸騰熱伝達
特性は水に比べて劣るものの、凝固点が低く極寒冷地域
でも使用できる。従って、周囲温度が沸騰部11内の冷媒
５ａの凝固点を下回るような状況で半導体冷却装置を使
用しても、ヒ―トパイプ６ｂ内の冷媒５ｂは正常に沸騰
・凝縮作用を行い、ヒ―トパイプ６ｂが冷却に寄与する
ことになる。又、ヒ―トパイプ６ｂが作動している間に
冷媒５ａの温度も上昇し、冷媒５ａの凝固点を上回る
と、ヒ―トパイプ６ａも作動しはじめ、冷却に寄与する
ことができる。

【００２７】なお、上述してきた実施例に限らず沸騰部
の形状が円形であるものにしても同様の効果が得られ
る。又沸騰部の例として中空構造のブロックと沸騰フィ
ンとを接合したものを挙げたが、それに限られるわけで
はなく、ブロックに直接沸騰フィンを接合したものなど
でもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、沸
騰部側は個別フィンタイプで形成し、凝縮部側はパイプ
やヒ―トパイプと放熱フィンで構成されているので、沸
騰部の冷却性能を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例を示す半導体冷却装置の
断面図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ′方向の断面図である。

【図３】沸騰部の構成図である。

【図４】第１の発明の第２実施例を示す半導体冷却装置
の断面図である。

【図５】図４のＩ−Ｉ′方向断面図である。

【図６】第１の発明の第３実施例を示す半導体冷却装置
の断面図である。

【図７】第２の発明の半導体冷却装置の断面図である。

【図８】図７のＩ−Ｉ′方向断面図である。

【図９】沸騰部の構成図である。

【図１０】従来のヒ―トパイプ式冷却器の断面図であ
る。

【図１１】従来のヒ―トパイプ式冷却器の平面図であ
る。

【符号の説明】

１，11…沸騰部 ３，31…個別フィン ４，41…沸騰フィン ５，５ａ，５ｂ…冷媒 ６，６ａ…パイプ ６ｂ…ヒ―トパイプ ７…放熱フィン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒が封入される内部に複数枚の沸騰フ
   ィンが設けられ、外部への開口部を有する中空構造の沸
   騰部と、 前記開口部に一端が接合され、前記沸騰部の内部と連通
   するパイプと、 前記パイプの他端側に取りつけられた複数枚の放熱フィ
   ンとを備えてなることを特徴とする半導体冷却装置。
2. 【請求項２】 第１の冷媒が封入される内部に複数枚の
   沸騰フィンが設けられ、外部への開口部と挿入部とを有
   する中空構造の沸騰部と、 前記開口部に一端が接合され、前記沸騰部の内部と連通
   するパイプと、 前記沸騰部の挿入部から前記沸騰フィンの挿入穴にかけ
   て、一端を挿入して前記沸騰部の挿入部と接合された、
   内部に第２の冷媒が封入されるヒ―トパイプと、 前記パイプ及び前記ヒ―トパイプの他端側に取りつけら
   れた複数枚の放熱フィンとを備えてなることを特徴とす
   る半導体冷却装置。