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発明の名称 半導体装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−4179
公開日 平成6年(1994)1月14日
出願番号 特願平4−157787
出願日 平成4年(1992)6月17日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦
発明者 芦分 範行 / 中島 忠克 / 佐々木 重幸 / 大曽根 靖夫 / 畑田 敏夫 / 飯野 利喜 / 笠井 憲一
要約 目的
半導体モジュール或いは半導体素子の保守作業が容易で、かつ、作業中に不純物が混入する恐れが無く、さらに、高性能で安定性の高い冷却構造を備えた半導体装置を提供する。

構成
半導体装置の半導体モジュール6、冷媒循環ポンプ7、冷媒冷却器9、及びこれらを結ぶ配管系8をユニット化し、カプラ11を介して、冷媒冷却器9と外部からこのユニットに供給される冷却水の配管とを着脱可能とした。
特許請求の範囲
【請求項1】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、 前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、前記冷却系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】前記冷媒冷却器に外部配管を着脱可能にするカプラと、前記冷媒と非接触に熱交換する流路とを設けたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】請求項2に記載の半導体装置を搭載したコンピュータ装置。
【請求項4】前記基板の端部にコネクタを設け、前記カプラで外部配管を切離し、前記コネクタを外すことにより前記基板を装置本体から分離可能に設けたことを特徴とする請求項3に記載のコンピュータ装置。
【請求項5】前記冷媒をフロロカーボンとしたことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
【請求項6】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、 前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記冷媒冷却器の入口部を前記半導体モジュールの最上面よりも高い位置に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項7】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、 前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記半導体モジュールはその下部に冷媒入口部を、その上部に冷媒出口部を有し、該冷媒出口部と前記冷媒冷却器の入口部とを連結する配管内部の冷媒流が水平流または上昇流となるように前記半導体モジュールと、前記冷媒冷却器とを配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項8】請求項1において前記ポンプを前記冷媒冷却器より下方に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項9】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した複数の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、各半導体モジュール毎に前記冷却系を備え、前記冷却系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項10】前記半導体モジュールの冷媒入口部に前記ポンプから送出される冷媒の流動圧力損失を増大させる抵抗要素を設けたことを特徴とする請求項2、6又は7に記載の半導体装置。
【請求項11】前記ポンプから送出される冷媒流を分岐して導く分岐配管を設け、その一方の分岐配管は半導体モジュールに接続され、他方の分岐配管路中に密閉容器を設け、該容器を内圧により容積が可変となるように形成したことを特徴とする請求項2、6または7に記載の半導体装置。
【請求項12】前記半導体モジュールは前記複数の半導体素子に冷媒を導く供給部材と、この冷媒供給部材に冷媒を分配する冷媒供給ヘッダと、前記半導体素子のそれぞれの周りを囲む仕切り部材と、この仕切り部材と前記冷媒供給部材とにより形成される冷媒排出口と、該冷媒排出口より排出される冷媒をまとめる冷媒戻りヘッダとを備えたことを特徴とする請求項2、6または7に記載の半導体装置。
【請求項13】前記ポンプから送出される冷媒流を少なくとも1個の半導体モジュールの冷媒入り口部より下流で分岐し、半導体モジュールをバイパスし冷媒冷却器に流入するバイパス配管を設けたことを特徴とする請求項2、6または7に記載の半導体装置。
【請求項14】前記バイパス流路は、前記半導体モジュールの冷媒出口部と前記冷媒冷却器とを接続する配管にその出口部を接続したことを特徴とする請求項13記載の半導体装置。
【請求項15】前記半導体モジュールの冷媒出口部と前記冷媒冷却器とを接続する配管に、該配管と熱交換して冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項2または6に記載の半導体装置。
【請求項16】前記半導体モジュールの冷媒入口部に流量制御用のバルブをこの半導体モジュールの冷媒出口部に冷媒の沸騰気泡の量を検出するセンサをそれぞれ設け、このセンサの出力信号に応じて前記バルブの開度を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項2、6または7に記載の半導体装置。
【請求項17】前記ポンプと前記半導体モジュールの冷媒出口部とを接続する配管の途中に逆止弁を、この逆止弁の下流側で前記半導体モジュールの冷媒入口部の上流側に冷媒冷却器に連結するバイパス流路配管を設け、このバイパス流路配管中にバルブを、このバルブの下流側に加圧室を内蔵した冷媒容器を設けたことを特徴とする請求項2、6または7に記載の半導体装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発熱密度の高い電子装置に係り、特に、超大型汎用コンピュ−タ及びス−パ−コンピュ−タに好適な電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を液体中に直接浸漬して冷却する方法は、例えば特公平3−69172号公報において開示されている。この従来例においては、多数の素子が搭載されたプリント基板を多数スタック状に積層した数アイピー(IP)分の論理モジュ−ル、記憶モジュ−ル、電源モジュ−ルなどを一括して一つの冷媒容器中に浸漬し、容器外部に設けた冷媒循環ポンプにより冷媒液を強制循環させて素子を冷却している。
【0003】また、他の方法として、半導体モジュ−ル毎に冷媒液を循環する冷却装置が特公昭48−6301号公報に開示されている。この従来例においては、冷媒液の密度差によって生じる自然循環力を主として利用している。
【0004】さらに、半導体モジュ−ルに冷媒液を循環させる他の方法については、例えば実公平3−7960号公報に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には以下の問題があった。まず、特公平3−69172号公報に記載のものは、数IP分のモジュ−ルが一括して一つの冷媒容器内にに浸漬されているため、モジュ−ル或いは素子の交換作業の度に容器中の冷媒を全て除去する必要があり、保守作業が容易でない。また、冷媒を除去した後の保守作業では容器内の部品をユ−ザ−サイトで交換するため、作業中にゴミ等の不純物が容器内に混入することが避けられない。この結果、このような汚染物質が半導体素子に悪影響を及ぼすことも充分に考えられる。このことは、裸チップ実装や薄膜配線基板を用いる最近の超高密度モジュ−ルでは特に重大な問題となる。
【0006】また、特公昭48−6301号に記載のものは、各モジュ−ル毎に冷媒液を循環させているが、保守作業の方法については特別な配慮がなされていないため、保守作業時においては特公平3−69172号公報に記載のものと同様の問題が生じる。
【0007】また、特公昭48−6301号公報に記載されている例では、次のような課題がある。すなわち、冷媒液の密度差によって生じる自然循環力を主として利用しているので冷媒の循環流量に制限があり、最近使用されている数10W/cm2級の超高密度発熱素子の冷却が困難である。さらに、このような超高密度発熱素子の冷却の場合、一般に冷媒の沸騰を伴い、冷媒の流れに気泡を含む2相流状態となり、不安定になりやすい。そのため、流体力学的な安定性を保つことがシステムの安定性の点から不可欠となる。しかし、この例ではこのような2相流の安定性の問題については配慮されていない。
【0008】次に、実公平3−7960号公報に記載には、冷媒を強制循環させて発熱素子に吹き付ける冷却能力の高い構造が開示されている。しかし、全体の冷媒循環系は開示されておらず、系の流体力学的安定性の配慮がなされていない。
【0009】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決した冷却構造を備えた半導体装置を提供することにある。即ち、モジュ−ル或いは素子の保守作業が容易で、かつ、作業中に不純物が混入する恐れが無く、さらに、高性能で安定性の高い冷却構造を備えた半導体装置を提供することにある。
【0010】本発明の他の目的は、上記保守作業が容易で高性能な冷却構造を備えた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0011】本発明のさらに他の目的は、上記保守作業が容易で高性能な冷却構造を備えた半導体装置の保守作業の方法を提供することにある。
【0012】本発明のさらに他の目的は、ポンプ停止時等の緊急時に作動する安全装置を有する冷却装置を備えた半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、前記冷却系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたものである。
【0014】また、基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記冷媒冷却器の入口部を前記半導体モジュールの最上面よりも高い位置に設けたものである。
【0015】また、基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少なくとも1個の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記半導体モジュールはその下部に冷媒入口部を、その上部に冷媒出口部を有し、該冷媒出口部と前記冷媒冷却器の入口部とを連結する配管内部の冷媒流が水平流または上昇流となるように前記半導体モジュールと、前記冷媒冷却器とを配設したものである。
【0016】さらに、基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した複数の半導体モジュールと、このモジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、各半導体モジュール毎に前記冷却系を備え、前記冷却系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたものである。
【0017】
【作用】IPボード上に搭載された半導体モジュ−ルと、この半導体モジュールに接続された配管系と、この配管系に直列に接続された冷媒冷却器及びポンプが半導体モジュールを冷却する冷却系を構成する。これらは閉ループを形成しているので冷媒が外部へ流出することはない。
【0018】また、IPボードとそのIPボード上に搭載された半導体モジュールと、IPボード端部に設けた信号コネクタや給電コネクタが半導体の制御演算記憶部を形成し、この端部のコネクタにより、半導体装置本体に結合される。そして、この冷却系と制御演算記憶部とが一体となっているので、制御演算記憶部または冷却系の一部に故障が生じた場合にはIPボードと冷却系を同時に交換するので交換が容易なる。
【0019】また、カプラが外部配管を着脱自在にすることにより、前記IPボード等の交換がより容易となる。そして、半導体モジュールで発生した熱は、カプラで接続した外部配管から導かれた冷却水と冷媒冷却器で熱交換し、外部へ放熱できる。これにより、冷却効率が向上するとともに、メンテナンス時にユーザサイトにおいて、半導体ユニット毎に交換できるので、半導体装置の設置環境を汚染することもなく、また、冷媒配管内に不純物が混入するのも防止できる。
【0020】上記冷媒ポンプによって強制循環される冷媒は、半導体モジュールに搭載された半導体素子の発熱を、冷媒液の対流或いは沸騰により除去する。冷媒冷却器は、上述したように、冷媒の熱を冷却水或いは冷却風と熱交換する熱交換器として作用する。そして、モジュール内部では、半導体モジュールに搭載された半導体素子を囲む仕切部材が冷媒の流れの乱れを促進し、冷たい冷媒液を絶えず発熱体素子の表面に送り込むので沸騰冷却が促進され、冷却効率を高める。そして、回りの冷たい冷媒液(過冷却状態にある)と発熱素子表面で冷媒液が沸騰して発生した蒸気泡とが混合するので、蒸気泡の凝縮が促進され、上記ユニット内の蒸気泡の量を減らし冷媒循環系の流体力学的安定性を増す。この仕切部材は、さらに、各素子間の冷媒の循環流の混合を防止するので、均一な冷却性能が得られる。
【0021】また、上記ユニットにおいて、ポンプから半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却器からポンプへと、冷媒が循環するように構成機器を配置し、半導体モジュールと冷媒冷却器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水平流と上昇流、或いは上昇流のみとなるようにしている。すなわち、下降流のない構成とすると、蒸気泡と冷媒液の比重差により蒸気泡が順次上昇していくので蒸気泡による配管の詰まりや蒸気泡の成長による不安定な振動を防止でき、配管中の2相流の流れを安定に保ち常に安定した冷却性能が得られる。
【0022】また、上記ユニットに、半導体モジュールの冷媒入口部に、半導体モジュールの出口からポンプまでの流動圧力損失よりも大きな流動抵抗を有する、例えば絞りなどの抵抗要素を設けると、半導体モジュールの下流部に存在する2相流に特有な圧力変動に伴う冷媒流量の変動を抑制し、安定した冷却性能が得られる。
【0023】また、上記ユニットに、冷媒循環系の半導体モジュールよりも下流の位置に、内圧によって容積が可変な例えばベロ−ズ製容器を設けると、系の圧力変動を吸収し、飽和温度を一定に保ち、常に安定した冷却性能が得られる。
【0024】また、上記ユニットに、半導体モジュールを通過することなく冷媒が循環できるバイパス管を設けると、半導体モジュールで発生した蒸気泡と、モジュールに流入する前の冷たい冷媒とを合流させることが可能となり、これにより蒸気泡を凝縮させ、ユニット内の蒸気泡の量を減らし冷媒循環系の流体力学的安定性を増す。そして、常に安定した冷却性能が得られる。
【0025】また、半導体モジュール入口部に流量制御用のバルブを、半導体モジュール出口部に冷媒の沸騰気泡の量を検出するセンサを設け、このセンサによって半導体モジュール入口部のバルブの開度を制御すると、沸騰熱伝達に必要な蒸気泡が発生し、そしてその蒸気泡が成長しない程度の量の冷媒を半導体モジュールに流すことができ、半導体モジュールで発生する蒸気泡の量が過大になることを防止し、ユニット内の蒸気泡の量を制御し冷媒循環系の流体力学的安定性を増し、常に安定した冷却性能が得られる。
【0026】さらに、上記ユニットにおいて、冷媒循環ポンプと半導体モジュールを結ぶ配管の途中に、加圧室を内蔵した冷媒容器を設け、冷媒循環ポンプ停止時等の緊急時のみに開くバルブを介して冷媒配管に接続する。そして、容器の一方を半導体モジュールの下流側に接続すると、緊急時に冷媒容器内の冷たい冷媒を加圧手段の加圧力により半導体モジュール内に送りこむ。これにより、短時間の冷却が可能となり、半導体モジュール内のデ−タを転送する等の時間的余裕を作り出し、緊急時の安全性を確保できる。さらに、緊急時においても冷媒が外部に流出することを防止し、コンピュ−タル−ムの環境が冷媒で汚染されることを防止する。
【0027】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1及び図2により説明する。電子計算機は、筐体1内にアイピー(Instruction Processor:IP)ボ−ド2、電源モジュール3、メモリモジュール4及び給電バ−5を格納している。そして、IPボ−ド2には、多数の半導体素子を搭載した半導体モジュール6が搭載されており、これと冷却媒体を循環させるためのポンプ7、配管系8、及び、冷媒冷却器9とにより、ユニット化されて一つの半導体ユニットガ形成されている。冷媒冷却器9には、ベロ−ズ状の容積可変容器10が取り付けられる。さらに、冷媒冷却器9には、着脱可能なカプラ11を介して、外部から冷却水が供給される。
【0028】次に本実施例の動作を説明する。冷媒ポンプ7によってユニット内に循環される冷媒は、好ましくはフロロカ−ボン系の冷媒であり、この冷媒が半導体モジュール6内に多数搭載されている高発熱密度の半導体素子の表面に直接接触して、冷媒の強制対流による熱伝達、或いは、冷媒の沸騰による熱伝達によって発熱素子を冷却する。発熱素子を冷却した後、冷媒は冷媒冷却器9に送られ、冷媒冷却器9によって冷却された後ポンプ7に戻る。冷媒冷却器9には、筐体外部から冷却水が、外部冷却配管を着脱可能にしたカプラ11を介して供給される。冷媒冷却器9は一種の熱交換器であり、発熱素子で発生した熱は冷媒冷却器9で熱交換され、最終的にはこの冷却水により外部に持ち去られる。冷媒冷却器9に取り付けられた容積可変容器10は、ここでの圧力をほぼ大気圧に保ち、冷媒循環系の圧力の基準を与えるように作用する。
【0029】すなわち、半導体素子1に加わる圧力は、この基準の圧力にポンプにより加圧された圧力が加算されたものである。したがって、半導体素子に作用する流体の圧力を少しでも低減するためには、この基準を低く抑えるのが望ましく大気圧に設定する。なお、大気圧以下とするとポンプが非稼動時には、大気圧との差分の力が加わるので、できるだけ大気圧に近付けるのが望ましい。更に、この基準圧力が一定となることにより、半導体モジュール6入口の圧力を一定にでき、冷媒の飽和温度を一定にすることもできる。これにより、冷媒を最適な温度範囲で使用でき、冷却効率を高めることができる。また、本実施例では、冷媒をポンプによって強制的に循環させているため、循環流量の制御が容易であり、高い冷却性能を得ることが出来る。そして、数10W/cm2級の超高密度発熱素子を冷却することもも可能である。
【0030】ところで、図2に示すように、半導体ユニットは鉛直方向に配設されたIPボードと、このボード表面上に実装された多数の半導体素子を搭載した半導体モジュール6と、この半導体モジュール6に冷却媒体を循環させるためのポンプ7、配管系8、冷媒冷却器9とを備えた冷却系とを有している。このユニットを冷媒の封入も含めて全て工場内で組み上げることにより、ユ−ザ−サイトでは、分解、組立等の作業を一切行う必要がない。
【0031】ユ−ザ−サイトにおいて半導体モジュールを交換する必要が生じた場合には、このユニットをそっくり交換する。その時、交換作業は単に冷却水のカプラの切離し、IPボ−ドへの給電コネクタ−12及び信号コネクタ−13の電気的切断だけであり、極めて容易である。また、ユ−ザ−サイトでは、ユニットの分解、組立等の作業を行わないので、不純物の混入の恐れも無い図1及び図2の実施例では、一つのIPボ−ドは、1枚の基板から構成されているが、従来例で示したような積層型の基板や、複数の基板で1つのIPボードを構成しても良いことはいうまでもない。図1及び図2の実施例では、一つのIPボ−ド上に2個のモジュールを実装しているが、1個のモジュールのみを実装する場合においても、図3の実施例に示すように、本発明を全く同様に適用できる。
【0032】なお、図1から図3の実施例においては、冷媒がポンプから半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却器を経過後ポンプへ戻り循環するように、構成機器を配置する。そして、上記半導体モジュールと上記冷媒冷却器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水平流と上昇流のみとなるように構成している。すなわち、図2でポンプを出た流れは、ほぼ水平方向に配設された主配管8aを通った後、この主配管にほぼ垂直に分岐する半導体モジュール入口配管8cから半導体モジュール内に入り、半導体モジュールに入口配管同様にほぼ垂直に設けられた出口配管8dを通ってほぼ水平に設けた主配管8bに流入し、次いで冷媒冷却器9に流入し、ポンプへと戻る。ここで、冷媒冷却器9の主配管8bとの接続部は、半導体モジュール6の最上面より上部に位置することが必要である。このように構成すると、下降流部において生じやすい2相流に起因する不安定流動が防止される。つまり、冷媒循環系から下降流部を無くすことにより、系の流体力学的安定性を増すことができる。また、以上の実施例においては、冷媒冷却器は、冷却水を用いて冷却する構成になっているが、冷却水の代わりに送風ファンによって空冷しても良い。
【0033】図4及び図5に本発明の他の実施例を示す。この実施例では、半導体モジュール6と冷媒循環系は必ずしもユニット化される必要がないが、冷媒循環系の流体力学的安定性を増すために、冷媒が、ポンプから半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却器からポンプへと循環するように構成機器を配置する。そして、上記半導体モジュールと上記冷媒冷却器を結ぶ配管系を、前述の実施例同様に、冷媒の流れが水平流と上昇流のみとなるように構成している。本実施例では、冷媒循環系がユニット化されていないので、水分を取るためにイオン交換器またはフィルタを有する冷媒精製器14を設けているが、ユニット化された構成としても勿論構わない。
【0034】図6に本発明のさらに他の実施例を示す。この実施例では、半導体モジュール6と冷媒循環系をユニット化するとともに、半導体モジュール6と冷媒冷却器9とを結ぶ配管系を、冷媒の流れが上昇流のみとなるように構成している。冷媒循環系から、下降流部に加えて水平流部を無くすことにより、系の流体力学的安定性をさらに増すことができる。
【0035】図7に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例においても、半導体モジュール6と冷媒循環系をユニット化している。ただし、冷媒循環ポンプから半導体モジュールへの主配管8aの半導体モジュールへ分岐する分岐部より下流の位置において半導体モジュールを通らずに冷媒冷却器9に戻るバイパス管15を設け、このバイパス管15を半導体モジュール出口より上流で、主配管8bに合流させる。こうすることにより、半導体モジュールで発生した蒸気泡と、半導体モジュールに流入する前の冷たい冷媒とが合流され、蒸気泡に凝縮が生じ、ユニット内の蒸気泡の量を減らし冷媒循環系の流体力学的安定性を増し、常に安定した冷却性能を得ることが出来る。
【0036】図8に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例においても、半導体モジュール6と冷媒循環系をユニット化している。ただし、上述の実施例と異なり、半導体モジュール6の入口配管8c部に、半導体モジュールの出口からポンプまでの流動圧力損失よりも大きな流動抵抗を有するバルブ16を設けている。こうすることにより、半導体モジュールの下流部に存在する2相流に特有な圧力変動に伴う冷媒流量の変動を無くし、常に安定した冷却性能を得ることができる。
【0037】図9に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例においては、半導体モジュール6と冷媒循環系をユニット化するとともに、半導体モジュール6と冷媒冷却器9を結ぶ配管を二重管17とし、内側の管に冷媒を、外側の管に冷却水を流すことにより、冷媒配管を冷却するようにしたものである。半導体モジュール6と冷媒冷却器9を結ぶ配管系を冷却することにより、半導体モジュールで発生した蒸気泡を凝縮させ、ユニット内の蒸気泡の量を減らし、冷媒循環系の流体力学的安定性を増し、常に安定した冷却性能を得ることが出来る。
【0038】図10に本発明のさらに他の実施例を示す。半導体モジュールの入口配管8c部に流量制御用のバルブ18を、半導体モジュールの出口配管8d部に冷媒の沸騰気泡の量を検出するセンサ19を設け、センサ19によりバルブ18の開度を制御する制御ライン20を設けたものである。こうすることにより、半導体モジュール内部では沸騰冷却により気泡が発生し、配管内では気泡が成長しない適切な冷媒流量を半導体モジュールに流すことが出来る。そして、冷媒循環系の流体力学的安定性を増し、常に安定した冷却性能を得ることが出来る。本実施例においては、半導体モジュールと冷媒循環系をユニット化していないが、ユニット化された構成としても勿論構わない。また、2つの半導体モジュールの相互の発熱量に応じてそれぞれの弁開度を制御できるので、さらに蒸気泡の成長を抑制する効果もある。
【0039】図11に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例においても、半導体モジュールと冷媒循環系をユニット化している。ただし以下の点で前述の実施例と異なる。すなわち、冷媒循環ポンプと半導体モジュールを結ぶ主配管8aの途中に、冷媒の逆流を防止する逆止弁21を設ける。そして、加圧室を内蔵した冷媒容器22の加圧室側が逆止弁21の下流でかつ半導体モジュールの上流の位置に、冷媒循環ポンプ停止時等の緊急時のみに開くバルブ23を介して接続し、容器の他方を半導体モジュールの下流側に接続したものである。図12に冷媒容器22の詳細な構造を示す。冷媒容器22の内部には加圧室24が設けられる。加圧室24は、ベロ−ズ状の容積可変容器25の内部に形成され、ばね26により容積可変容器25が加圧されている。加圧室24は、通常の運転時には密閉されており、バルブ23が緊急時にのみ開いて主配管8aに連通する。次に本実施例の作用を説明する。例えば、緊急事態である冷媒循環ポンプ7が停止したときには、逆止弁21が閉じると、それと同時にバルブ23が開き、ばね26の圧力によりベロ−ズ容器25が圧縮され、加圧室24内の冷媒が押し出され、半導体モジュール6に流入した後、容器22内の加圧室の外側の空間27に吸収される。この機構により、緊急時においても短時間の冷却が可能になり、半導体モジュール内のデ−タを転送する等の時間的余裕を作り出すことができ、緊急時の安全性を確保することができる。さらに本実施例においては、緊急時においても冷媒が外部に流出しないため、コンピュ−タル−ムの環境が冷媒で汚染される心配もない。なお、半導体ユニットの一部が故障した場合、半導体ユニットごとの交換になり、環境の汚染を防止できる。また、容積可変容器25内への冷媒の密封は、事前に工場内で出荷前に行う。
【0040】図13および図14に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例は、半導体モジュール6内の冷媒流路を示したものである。最初に半導体モジュールの構造を説明する。配線基板28上に多数の集積回路チップ29が搭載されている。配線基板28のチップ搭載面はケ−シング30によって密閉されている。ケ−シング30は、入口ヘッダ部31と出口ヘッダ部32の二重構造になっており、それぞれに冷媒流入用の配管33および冷媒流出用の配管34が取り付けられる。入口ヘッダ部31には、基板に搭載された集積回路チップ29に対向する位置にノズル35が設けられる。また、基板に搭載された集積回路チップ29の周囲には、仕切部材36が設けられる。図14は、チップ周囲の仕切部材36の取付け状況を示したものである。仕切部材はチップの周囲を囲むように格子状に設けられる。
【0041】次に本実施例の作用を説明する。入口配管33から入口ヘッダ31に流入した冷媒は、ヘッダ内で各ノズル35に分配される。各ノズルに分配された冷媒は発熱チップの表面に噴流として衝突し、チップ表面で沸騰しながらチップの発熱を除去した後、出口ヘッダ部32を通って出口配管34から半導体モジュール外に排出される。チップ周囲の仕切部材36は、チップとチップ間の冷媒の流れの干渉を防止するように作用し、半導体モジュールが垂直に実装された場合でも上方に位置するチップが下方のチップで発生した冷媒蒸気泡に覆われてしまうことを防止するように作用する。さらに、冷媒の流れの乱れを促進し、冷却効率を高めるとともに、素子表面で冷媒液が沸騰することによって生じる蒸気泡の凝縮を促進し、蒸気泡の量を減らして冷媒循環系の流体力学的安定性を増すように作用する。これにより、数10W/cm2級の高発熱密度チップの安定した冷却が可能になる。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、半導体モジュールと冷媒循環系をユニット化し、カプラで着脱可能にしたので、半導体モジュールと冷媒循環系をそっくり交換することが可能になり、半導体モジュール或いは半導体素子の保守作業が容易になる。また、作業中に不純物が混入する恐れも無いため、装置の信頼性が向上する。
【0043】また、本発明によれば、半導体モジュールと冷媒冷却器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水平流と上昇流、或いは上昇流のみとなるようにしたので、冷媒配管中の2相流の流れを安定に保つことができる。
【0044】




 

 


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