专利名称：半导体元件冷却装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种高发热半导体元件的冷却装置，尤其涉及利用冷却介质的蒸发、凝结的相变，高效、小型、使用方便的冷却装置。
以往的风扇和散热片的空气冷却式冷却装置中，能构成冷却半导体元件70W左右发热的装置，但是如果变为150W以上的高发热半导体元件的冷却，装置就变得非常大型，存在无法完全放入机架型服务器等的框体中的问题。另外，特开平5-315488中记载的浸渍在液态冷却介质中的方式中，存在容纳半导体元件的容器的密闭性等课题，装置变得复杂、大型，容纳性和使用方便性中存在课题。另外，为了防止紧急时机械性半导体元件温度的上升，和因无法反复使用，所以存在不能作为最佳控制部件使用的课题。另外，因为没有控制蒸发器出口的2相状态的方法，所以很难构成适合的冷冻循环。另外，对于冷却能力不同的冷却装置，有必要设置缸容积不同的冷却介质泵，这样，每次都必须花长时间实施可靠性的确认。
发明内容
本发明是为了解决以往的课题的，其目的在于提供一种可进行高发热半导体元件的冷却的、高效且小型化的冷却装置。
另外，其目的在于高效地使发热半导体元件保持在允许温度以下。另外，其目的在于在不同的冷却装置中使用相同的倒相冷却介质泵，从而缩短开发时间。
为了解决该课题，本发明的构成是连接用于冷却发热体的半导体元件的冷却板、冷凝器和冷却介质泵而形成的制冷循环式的冷却装置，它是通过风扇冷却所述冷凝器，使所述冷却介质泵构成能控制转速的倒相冷却介质泵的半导体元件的冷却装置。根据该结构，只要提高倒相冷却介质泵的转速，就能取得大冷却能力，能使冷却介质泵小型化。另外，对不同的冷却装置使用相同的倒相冷却介质泵，能实现开发时间的缩短。
另外，本发明通过在冷却板上设置温度传感器，来控制倒相输出，从而，当冷却板的温度比设定温度高时，使倒相冷却介质泵的转速增加，当检测到冷却板的温度比设定温度低时，使冷却介质泵的转速减小。通过该控制，即使半导体元件的发热量有变动，也能高效进行控制。
另外，本发明的特征在于当冷却板的温度稳定后，使倒相冷却介质泵的转速下降，当冷却板的温度急速上升时，使倒相冷却介质泵的转速增加10％～20％。通过该控制，能把冷却板出口的冷却介质的状态保持为包含10％～20％液态冷却介质的湿润状态。
另外，本发明密封了冷冻循环体积的65％～75％的冷却介质作为冷却介质填充量。据此，能确保在冷凝器内热传导良好的2相状态，能取得最大限度利用冷凝器的性能的冷冻循环，能实现更小型的冷却装置。另外，气态冷却介质从冷凝器的出口流出，能取得倒相冷却介质泵不发生气体混入运转的冷冻循环。
图1是表示本发明的实施例的冷冻循环的图。
图2是本发明实施例的对于冷冻循环内容积的冷却介质填充率和各部温度的图。
图3是表示本发明实施例的冷却介质P-h线图和冷冻循环的图。
图中1-冷却板；2-冷凝器；3-倒相冷却介质泵；4-风扇；5-温度传感器；6-倒相控制器。
本发明之二所述的发明是，在冷却板上设置温度传感器，当冷却板的温度比设定温度高时，使倒相冷却介质泵的转速增加，当检测到冷却板的温度比设定温度低时，使冷却介质泵的转速减小，通过温度传感器，使倒相冷却介质泵的转速变化，具有取得适合的冷冻循环的作用。
本发明之三所述的发明是，当冷却板的温度稳定后，使倒相冷却介质泵的转速下降，当冷却板的温度急速上升时，使倒相冷却介质泵的转速增加10％～20％，通过该控制，能把冷却板出口的冷却介质的状态保持为包含10％～20％液态冷却介质的湿润状态，对半导体元件的急剧发热，能利用冷却介质的潜热，所以能取得抑制半导体元件的急速温度上升的作用。
本发明之四所述的发明是密封了冷冻循环体积的65％～75％的冷却介质作为冷却介质填充量，因为冷凝器内的大部分成为热传导好的液态冷却介质和气态冷却介质的2相流，所以能取得高效的冷冻循环。另外，具有气态冷却介质从冷凝器出口不流出的作用，能取得倒相冷却介质泵不发生气体混入运转的冷冻循环。
下面，参照
本发明的实施例。
(实施例1)图1是表示本发明的实施例的冷冻循环的图。在图1中，连接用于冷却高发热体的半导体元件的冷却板1、冷凝器2、倒相冷却介质泵3，构成了冷却装置。另外，冷凝器2成为用风扇4冷却的结构，在冷冻循环内密封有冷却介质。冷却介质流中，首先从冷凝器2出来的液态冷却介质由倒相冷却介质泵3输送到冷却板1，夺取高发热半导体元件的热，在冷却板1中发生从液态冷却介质到气态冷却介质的相变。接者，气态冷却介质被输送到冷凝器2，用风扇4冷却，发生从气态冷却介质到液态冷却介质的相变。而且，根据本实施例，因为通过冷却介质的相变进行发热半导体元件的冷却，所以取得了高效的冷却。5是温度传感器，检测冷却板1的温度，进行当冷却板1的温度上升时，提高倒相冷却介质泵3的转速，当冷却板1的温度下降时，减小倒相冷却介质泵3的转速的控制。6是向倒相冷却介质泵3供给电源的倒相控制器。
图2是本发明实施例的对于冷冻循环内容积的冷却介质填充比率和各部温度的图。半导体元件表面温度、冷却板温度和冷凝器入口温度随着冷却介质填充比率下降而减少，在75％稳定。另外，冷凝器入口温度和冷凝器出口温度的温度差(过冷却温度)渐渐变小。如果过冷却温度变得不存在，则气态冷却介质进入倒相冷却介质泵3内，变为气体咬入运转，循环量极端下降，有可能导致冷却板的温度和半导体元件的急速温度上升，造成损伤。认为它的界限为65％。冷却介质填充比率在65％到75％之间，冷凝器2内变为热传导好的液态冷却介质和气态冷却介质的2相流状态，所以能实现高效的热交换。
图3是在冷却介质P-h线图中记入了这次的冷冻循环的图。从图3可知，冷却板1的出口状态不是完全的气态，而是包含10～20％的液态冷却介质的状态，所以所述冷却介质起到了限制半导体元件发热量变动引起的急速温度上升的作用。为了取得包含10～20％的液态冷却介质的状态，在冷却板1上安装温度传感器5，设置在冷却板的温度稳定后，降低倒相冷却介质泵的转速，当冷却板1急速上升时，使倒相冷却介质泵的转速增加10～20％的控制。即在2相状态下，因为温度一定，所以只用温度传感器，很难使冷却板1的出口状态保持在包含10％～20％的液态冷却介质的状态。因此，象本实施例那样，当冷却板的温度急速上升时，即气态冷却介质变为100％时，通过增加10％～20％的冷却介质循环量，能冷却板1出口的冷却介质状态保持在液态冷却介质10％～20％的湿润状态。另外，因为采取过冷却，所以流出冷凝器的冷却介质100％变为液态冷却介质，成为不用担心气体混入倒相冷却介质泵，引起气体混入运转的冷冻循环。
从所述实施例可知，本发明之一所述的发明构成连接用于冷却发热体的半导体元件的冷却板、冷凝器和冷却介质泵而形成的制冷循环式的冷却装置，用风扇冷却所述冷凝器，能控制所述冷却介质泵转速的倒相冷却介质泵的半导体元件冷却装置，根据该结构，如果提高倒相冷却介质泵的转速，就能取得大的冷却能力，取得使冷却介质泵小型化的效果。另外，对不同的冷却装置使用相同的倒相冷却介质泵，能谋求开发时间的缩短。
另外，本发明之二所述的发明在冷却板上设置温度传感器，设置当冷却板的温度比设定温度高时，使倒相冷却介质泵的转速增加，当检测到冷却板的温度比设定温度低时，使冷却介质泵的转速减小的控制，根据该结构，通过温度传感器，使倒相冷却介质泵的转速变化，取得能迅速地得到适合的冷却板温度的效果。
另外，本发明之三所述的发明当冷却板的温度稳定后，使倒相冷却介质泵的转速下降，当冷却板的温度急速上升时，使倒相冷却介质泵的转速增加10％～20％，通过该控制，能把冷却板出口的冷却介质的状态保持为包含10％～20％液态冷却介质的湿润状态，对半导体元件的急剧发热，能利用冷却介质的潜热，所以能取得抑制半导体元件的急速温度上升的作用。
本发明之四所述的发明是密封了冷冻循环体积的65％～75％的冷却介质作为冷却介质填充量，因为冷凝器内的大部分成为热传导好的液态冷却介质和气态冷却介质的2相流，所以能取得高效的冷冻循环。另外，因为能取得适度的过冷却温度，所以取得了冷却介质不进入倒相冷却介质泵内、发生气体混入运转的冷冻循环。
权利要求
1.一种半导体元件冷却装置，是将用于冷却发热体的半导体元件的冷却板、冷凝器及冷却介质泵连接而形成的冷却介质循环式半导体元件冷却装置，其特征在于包括冷却所述冷凝器的风扇、和控制所述冷却介质泵的转速的倒相电源。
2.一种半导体元件冷却装置的控制方法，控制权利要求1所述的半导体元件冷却装置，其特征在于在冷却板上设置温度传感器，通过控制倒相输出而做到当通过所述温度传感器检测到冷却板的温度比设定温度高时，使冷却介质泵的转速增加，当检测到冷却板的温度比设定温度低时，使冷却介质泵的转速减小。
3.一种半导体元件冷却装置的控制方法，控制权利要求1所述的半导体元件冷却装置，其特征在于当冷却板的温度稳定后，降低倒相冷却介质泵的转速，当冷却板的温度急速上升时，使倒相冷却介质泵的转速增加10％～20％。
4.根据权利要求1所述的半导体元件冷却装置，其特征在于密封了冷冻循环体积的65％～75％的冷却介质作为冷却介质填充量。
全文摘要
一种半导体元件冷却装置及其控制方法，通过倒相电源控制冷却介质泵，从而进行始终处于最佳冷却能力的驱动。实现了相应半导体元件的发热发挥冷却能力。
文档编号H01L23/427GK1458687SQ0312299
公开日2003年11月26日 申请日期2003年4月23日 优先权日2002年4月24日
发明者中野雅夫, 芦谷博正 申请人:松下电器产业株式会社