專利名稱：半導(dǎo)體元件冷卻裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高發(fā)熱半導(dǎo)體元件的冷卻裝置，尤其涉及利用冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)、凝結(jié)的相變，高效、小型、使用方便的冷卻裝置。
以往的風(fēng)扇和散熱片的空氣冷卻式冷卻裝置中，能構(gòu)成冷卻半導(dǎo)體元件70W左右發(fā)熱的裝置，但是如果變?yōu)?50W以上的高發(fā)熱半導(dǎo)體元件的冷卻，裝置就變得非常大型，存在無(wú)法完全放入機(jī)架型服務(wù)器等的框體中的問題。另外，特開平5-315488中記載的浸漬在液態(tài)冷卻介質(zhì)中的方式中，存在容納半導(dǎo)體元件的容器的密閉性等課題，裝置變得復(fù)雜、大型，容納性和使用方便性中存在課題。另外，為了防止緊急時(shí)機(jī)械性半導(dǎo)體元件溫度的上升，和因無(wú)法反復(fù)使用，所以存在不能作為最佳控制部件使用的課題。另外，因?yàn)闆]有控制蒸發(fā)器出口的2相狀態(tài)的方法，所以很難構(gòu)成適合的冷凍循環(huán)。另外，對(duì)于冷卻能力不同的冷卻裝置，有必要設(shè)置缸容積不同的冷卻介質(zhì)泵，這樣，每次都必須花長(zhǎng)時(shí)間實(shí)施可靠性的確認(rèn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決以往的課題的，其目的在于提供一種可進(jìn)行高發(fā)熱半導(dǎo)體元件的冷卻的、高效且小型化的冷卻裝置。
另外，其目的在于高效地使發(fā)熱半導(dǎo)體元件保持在允許溫度以下。另外，其目的在于在不同的冷卻裝置中使用相同的倒相冷卻介質(zhì)泵，從而縮短開發(fā)時(shí)間。
為了解決該課題，本發(fā)明的構(gòu)成是連接用于冷卻發(fā)熱體的半導(dǎo)體元件的冷卻板、冷凝器和冷卻介質(zhì)泵而形成的制冷循環(huán)式的冷卻裝置，它是通過風(fēng)扇冷卻所述冷凝器，使所述冷卻介質(zhì)泵構(gòu)成能控制轉(zhuǎn)速的倒相冷卻介質(zhì)泵的半導(dǎo)體元件的冷卻裝置。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，只要提高倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速，就能取得大冷卻能力，能使冷卻介質(zhì)泵小型化。另外，對(duì)不同的冷卻裝置使用相同的倒相冷卻介質(zhì)泵，能實(shí)現(xiàn)開發(fā)時(shí)間的縮短。
另外，本發(fā)明通過在冷卻板上設(shè)置溫度傳感器，來(lái)控制倒相輸出，從而，當(dāng)冷卻板的溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)檢測(cè)到冷卻板的溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，使冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速減小。通過該控制，即使半導(dǎo)體元件的發(fā)熱量有變動(dòng)，也能高效進(jìn)行控制。
另外，本發(fā)明的特征在于當(dāng)冷卻板的溫度穩(wěn)定后，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)冷卻板的溫度急速上升時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加10％～20％。通過該控制，能把冷卻板出口的冷卻介質(zhì)的狀態(tài)保持為包含10％～20％液態(tài)冷卻介質(zhì)的濕潤(rùn)狀態(tài)。
另外，本發(fā)明密封了冷凍循環(huán)體積的65％～75％的冷卻介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)填充量。據(jù)此，能確保在冷凝器內(nèi)熱傳導(dǎo)良好的2相狀態(tài)，能取得最大限度利用冷凝器的性能的冷凍循環(huán)，能實(shí)現(xiàn)更小型的冷卻裝置。另外，氣態(tài)冷卻介質(zhì)從冷凝器的出口流出，能取得倒相冷卻介質(zhì)泵不發(fā)生氣體混入運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍循環(huán)。
圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的冷凍循環(huán)的圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)于冷凍循環(huán)內(nèi)容積的冷卻介質(zhì)填充率和各部溫度的圖。
圖3是表示本發(fā)明實(shí)施例的冷卻介質(zhì)P-h線圖和冷凍循環(huán)的圖。
圖中1-冷卻板；2-冷凝器；3-倒相冷卻介質(zhì)泵；4-風(fēng)扇；5-溫度傳感器；6-倒相控制器。
本發(fā)明之二所述的發(fā)明是，在冷卻板上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)冷卻板的溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)檢測(cè)到冷卻板的溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，使冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速減小，通過溫度傳感器，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速變化，具有取得適合的冷凍循環(huán)的作用。
本發(fā)明之三所述的發(fā)明是，當(dāng)冷卻板的溫度穩(wěn)定后，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)冷卻板的溫度急速上升時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加10％～20％，通過該控制，能把冷卻板出口的冷卻介質(zhì)的狀態(tài)保持為包含10％～20％液態(tài)冷卻介質(zhì)的濕潤(rùn)狀態(tài)，對(duì)半導(dǎo)體元件的急劇發(fā)熱，能利用冷卻介質(zhì)的潛熱，所以能取得抑制半導(dǎo)體元件的急速溫度上升的作用。
本發(fā)明之四所述的發(fā)明是密封了冷凍循環(huán)體積的65％～75％的冷卻介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)填充量，因?yàn)槔淠鲀?nèi)的大部分成為熱傳導(dǎo)好的液態(tài)冷卻介質(zhì)和氣態(tài)冷卻介質(zhì)的2相流，所以能取得高效的冷凍循環(huán)。另外，具有氣態(tài)冷卻介質(zhì)從冷凝器出口不流出的作用，能取得倒相冷卻介質(zhì)泵不發(fā)生氣體混入運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍循環(huán)。
下面，參照


本發(fā)明的實(shí)施例。
(實(shí)施例1)圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的冷凍循環(huán)的圖。在圖1中，連接用于冷卻高發(fā)熱體的半導(dǎo)體元件的冷卻板1、冷凝器2、倒相冷卻介質(zhì)泵3，構(gòu)成了冷卻裝置。另外，冷凝器2成為用風(fēng)扇4冷卻的結(jié)構(gòu)，在冷凍循環(huán)內(nèi)密封有冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)流中，首先從冷凝器2出來(lái)的液態(tài)冷卻介質(zhì)由倒相冷卻介質(zhì)泵3輸送到冷卻板1，奪取高發(fā)熱半導(dǎo)體元件的熱，在冷卻板1中發(fā)生從液態(tài)冷卻介質(zhì)到氣態(tài)冷卻介質(zhì)的相變。接者，氣態(tài)冷卻介質(zhì)被輸送到冷凝器2，用風(fēng)扇4冷卻，發(fā)生從氣態(tài)冷卻介質(zhì)到液態(tài)冷卻介質(zhì)的相變。而且，根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)橥ㄟ^冷卻介質(zhì)的相變進(jìn)行發(fā)熱半導(dǎo)體元件的冷卻，所以取得了高效的冷卻。5是溫度傳感器，檢測(cè)冷卻板1的溫度，進(jìn)行當(dāng)冷卻板1的溫度上升時(shí)，提高倒相冷卻介質(zhì)泵3的轉(zhuǎn)速，當(dāng)冷卻板1的溫度下降時(shí)，減小倒相冷卻介質(zhì)泵3的轉(zhuǎn)速的控制。6是向倒相冷卻介質(zhì)泵3供給電源的倒相控制器。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)于冷凍循環(huán)內(nèi)容積的冷卻介質(zhì)填充比率和各部溫度的圖。半導(dǎo)體元件表面溫度、冷卻板溫度和冷凝器入口溫度隨著冷卻介質(zhì)填充比率下降而減少，在75％穩(wěn)定。另外，冷凝器入口溫度和冷凝器出口溫度的溫度差(過冷卻溫度)漸漸變小。如果過冷卻溫度變得不存在，則氣態(tài)冷卻介質(zhì)進(jìn)入倒相冷卻介質(zhì)泵3內(nèi)，變?yōu)闅怏w咬入運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)量極端下降，有可能導(dǎo)致冷卻板的溫度和半導(dǎo)體元件的急速溫度上升，造成損傷。認(rèn)為它的界限為65％。冷卻介質(zhì)填充比率在65％到75％之間，冷凝器2內(nèi)變?yōu)闊醾鲗?dǎo)好的液態(tài)冷卻介質(zhì)和氣態(tài)冷卻介質(zhì)的2相流狀態(tài)，所以能實(shí)現(xiàn)高效的熱交換。
圖3是在冷卻介質(zhì)P-h線圖中記入了這次的冷凍循環(huán)的圖。從圖3可知，冷卻板1的出口狀態(tài)不是完全的氣態(tài)，而是包含10～20％的液態(tài)冷卻介質(zhì)的狀態(tài)，所以所述冷卻介質(zhì)起到了限制半導(dǎo)體元件發(fā)熱量變動(dòng)引起的急速溫度上升的作用。為了取得包含10～20％的液態(tài)冷卻介質(zhì)的狀態(tài)，在冷卻板1上安裝溫度傳感器5，設(shè)置在冷卻板的溫度穩(wěn)定后，降低倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)冷卻板1急速上升時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加10～20％的控制。即在2相狀態(tài)下，因?yàn)闇囟纫欢?，所以只用溫度傳感器，很難使冷卻板1的出口狀態(tài)保持在包含10％～20％的液態(tài)冷卻介質(zhì)的狀態(tài)。因此，象本實(shí)施例那樣，當(dāng)冷卻板的溫度急速上升時(shí)，即氣態(tài)冷卻介質(zhì)變?yōu)?00％時(shí)，通過增加10％～20％的冷卻介質(zhì)循環(huán)量，能冷卻板1出口的冷卻介質(zhì)狀態(tài)保持在液態(tài)冷卻介質(zhì)10％～20％的濕潤(rùn)狀態(tài)。另外，因?yàn)椴扇∵^冷卻，所以流出冷凝器的冷卻介質(zhì)100％變?yōu)橐簯B(tài)冷卻介質(zhì)，成為不用擔(dān)心氣體混入倒相冷卻介質(zhì)泵，引起氣體混入運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍循環(huán)。
從所述實(shí)施例可知，本發(fā)明之一所述的發(fā)明構(gòu)成連接用于冷卻發(fā)熱體的半導(dǎo)體元件的冷卻板、冷凝器和冷卻介質(zhì)泵而形成的制冷循環(huán)式的冷卻裝置，用風(fēng)扇冷卻所述冷凝器，能控制所述冷卻介質(zhì)泵轉(zhuǎn)速的倒相冷卻介質(zhì)泵的半導(dǎo)體元件冷卻裝置，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，如果提高倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速，就能取得大的冷卻能力，取得使冷卻介質(zhì)泵小型化的效果。另外，對(duì)不同的冷卻裝置使用相同的倒相冷卻介質(zhì)泵，能謀求開發(fā)時(shí)間的縮短。
另外，本發(fā)明之二所述的發(fā)明在冷卻板上設(shè)置溫度傳感器，設(shè)置當(dāng)冷卻板的溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)檢測(cè)到冷卻板的溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，使冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速減小的控制，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過溫度傳感器，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速變化，取得能迅速地得到適合的冷卻板溫度的效果。
另外，本發(fā)明之三所述的發(fā)明當(dāng)冷卻板的溫度穩(wěn)定后，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)冷卻板的溫度急速上升時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加10％～20％，通過該控制，能把冷卻板出口的冷卻介質(zhì)的狀態(tài)保持為包含10％～20％液態(tài)冷卻介質(zhì)的濕潤(rùn)狀態(tài)，對(duì)半導(dǎo)體元件的急劇發(fā)熱，能利用冷卻介質(zhì)的潛熱，所以能取得抑制半導(dǎo)體元件的急速溫度上升的作用。
本發(fā)明之四所述的發(fā)明是密封了冷凍循環(huán)體積的65％～75％的冷卻介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)填充量，因?yàn)槔淠鲀?nèi)的大部分成為熱傳導(dǎo)好的液態(tài)冷卻介質(zhì)和氣態(tài)冷卻介質(zhì)的2相流，所以能取得高效的冷凍循環(huán)。另外，因?yàn)槟苋〉眠m度的過冷卻溫度，所以取得了冷卻介質(zhì)不進(jìn)入倒相冷卻介質(zhì)泵內(nèi)、發(fā)生氣體混入運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件冷卻裝置，是將用于冷卻發(fā)熱體的半導(dǎo)體元件的冷卻板、冷凝器及冷卻介質(zhì)泵連接而形成的冷卻介質(zhì)循環(huán)式半導(dǎo)體元件冷卻裝置，其特征在于包括冷卻所述冷凝器的風(fēng)扇、和控制所述冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速的倒相電源。
2.一種半導(dǎo)體元件冷卻裝置的控制方法，控制權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件冷卻裝置，其特征在于在冷卻板上設(shè)置溫度傳感器，通過控制倒相輸出而做到當(dāng)通過所述溫度傳感器檢測(cè)到冷卻板的溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，使冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)檢測(cè)到冷卻板的溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，使冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速減小。
3.一種半導(dǎo)體元件冷卻裝置的控制方法，控制權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件冷卻裝置，其特征在于當(dāng)冷卻板的溫度穩(wěn)定后，降低倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)冷卻板的溫度急速上升時(shí)，使倒相冷卻介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速增加10％～20％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件冷卻裝置，其特征在于密封了冷凍循環(huán)體積的65％～75％的冷卻介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)填充量。
全文摘要
一種半導(dǎo)體元件冷卻裝置及其控制方法，通過倒相電源控制冷卻介質(zhì)泵，從而進(jìn)行始終處于最佳冷卻能力的驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)半導(dǎo)體元件的發(fā)熱發(fā)揮冷卻能力。
文檔編號(hào)H01L23/427GK1458687SQ0312299
公開日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2003年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月24日
發(fā)明者中野雅夫, 蘆谷博正 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社