JP2001203308A - Semiconductor device cooling system and operation control method thereof - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電子計算機などの発熱量が変化する半導体チッ
プを一定低温度に保ち、かつ信頼性が高く、コンパクト
な半導体装置の冷却システム並びに簡便な運転制御方法
を提供する。
【解決手段】半導体モジュールを冷却する蒸発器の熱媒
体が湿り蒸気域内で冷却し、更にその熱媒体の未蒸発部
分を加熱し、過熱域となるように冷却器の後流側に熱量
補完手段を設けた冷却システムで、半導体モジュールの
発熱量を、発熱量と蒸発器表面温度、或いは内部熱媒体
の温度、圧力との相関から知って、熱量補完手段を制御
し、その加熱量を調整する方法により、半導体チップを
一定低温度に保持でき、信頼性を確保しながら、かつコ
ンパクトな半導体装置の冷却システムと、その簡便な制
御方法を提供できる。
[PROBLEMS] To provide a compact and reliable semiconductor device cooling system and a simple operation control method which keep a semiconductor chip such as an electronic computer, whose calorific value changes, at a constant low temperature and have high reliability. The heat medium of an evaporator for cooling a semiconductor module is cooled in a wet steam region, and further heats an unevaporated portion of the heat medium, so that a heat amount complementing means is provided on the downstream side of the cooler so as to be in an overheated region. In the cooling system provided with, the calorific value of the semiconductor module is known from the correlation between the calorific value and the surface temperature of the evaporator or the temperature and pressure of the internal heating medium, and the calorific value complementing means is controlled to adjust the heating amount. According to the method, a semiconductor chip can be maintained at a constant low temperature, and a reliable cooling system for a semiconductor device while ensuring reliability, and a simple control method thereof can be provided.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置冷却シ
ステム及びその運転制御方法に係わり、特に、電子計算
機などの電子機器に用いられている半導体素子の冷却に
好適な冷却システム及びその運転制御方法に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device cooling system and an operation control method thereof, and more particularly to a cooling system suitable for cooling semiconductor elements used in electronic equipment such as an electronic computer and an operation control method thereof. It is about.
【0002】[0002]
【従来の技術】電子計算機に用いられている半導体素子
には、数種類の素子があるが、中でもCMOSは冷却す
るほど高速処理が可能であることから近年注目されてい
る。2. Description of the Related Art There are several types of semiconductor devices used in electronic computers. Among them, CMOS devices have been receiving attention in recent years because they can be processed at higher speed as they are cooled.
【0003】冷却すべき半導体素子がCMOS素子であ
る場合には、その性能が温度によって変化することが知
られている。このCMOS素子は、低温で冷却するほど
動作速度が速くなる。そのために基板面上に形成された
素子を低温に保って素子の動作速度を加速させている。It is known that when a semiconductor device to be cooled is a CMOS device, its performance changes with temperature. The operating speed of this CMOS device increases as it cools at a lower temperature. For this purpose, the operation speed of the element is accelerated by keeping the element formed on the substrate surface at a low temperature.
【0004】CMOS素子の記載はないが、半導体装置
内に冷凍装置を付設した従来例として、特開平5―25
9679号公報がある。この従来例では、発熱体に温度
センサを付設し、この温度センサからの温度情報を、冷
媒の温度変化に伴う状態の変化を図化したモリエル線図
を内蔵したROMに入力するようにしている。このRO
Mによって、冷凍冷却系の内部圧力を調整するコンプレ
ッサの回転数制御と、冷媒を放出する膨張弁の開閉制御
を行う電子機器の内蔵型冷凍冷却装置が開示されてい
る。Although there is no description of a CMOS device, a conventional example in which a refrigerating device is provided in a semiconductor device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-25 / 1993.
No. 9679. In this conventional example, a temperature sensor is attached to a heating element, and temperature information from this temperature sensor is input to a ROM containing a Mollier diagram that illustrates a change in state due to a change in the temperature of the refrigerant. . This RO
According to M, a built-in refrigeration / cooling device of an electronic device for controlling the rotation speed of a compressor for adjusting the internal pressure of the refrigeration / cooling system and controlling the opening / closing of an expansion valve for discharging the refrigerant is disclosed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記従来の冷却技術の
ように、半導体モジュールに搭載された半導体チップを
低温に保つために、半導体モジュールに冷凍装置の冷却
器(蒸発器)を取り付けて冷却すると次のような問題が
生じる。In order to keep a semiconductor chip mounted on a semiconductor module at a low temperature as in the conventional cooling technique described above, a semiconductor device is cooled by attaching a cooler (evaporator) of a refrigerating device to the semiconductor module. The following problems arise.
【0006】CMOS素子を使った電子計算機では、演
算処理量によって半導体モジュールの消費電力量が時間
的に変動し、その結果半導体モジュールの発熱量が変動
するというCMOS特有の特性がある。[0006] An electronic computer using a CMOS element has a characteristic characteristic of CMOS in that the power consumption of the semiconductor module fluctuates with time due to the amount of arithmetic processing, and as a result, the heat generation of the semiconductor module fluctuates.
【0007】上記従来例においては、発熱体に付設した
温度センサからの温度情報を、冷媒の状態変化を図化し
たモリエル線図内蔵ROMに入力し、冷媒温度に換算し
て冷凍冷却系の内部圧力を調整するコンプレッサの回転
数制御と冷媒を放出する膨張弁の開閉制御を行ってい
る。In the above conventional example, temperature information from a temperature sensor attached to a heating element is inputted to a ROM having a Mollier diagram in which changes in the state of a refrigerant are plotted, and converted into a refrigerant temperature to be converted into a refrigerant temperature. It controls the rotational speed of the compressor to adjust the pressure and controls the opening and closing of the expansion valve that discharges the refrigerant.
【0008】ところが、半導体モジュールの消費電力変
動、即ち発熱量変動が極めて速いため、冷凍装置の内部
圧力を調整するコンプレッサの回転数制御や冷媒を放出
する膨張弁の開閉制御を行っても、冷却器の温度を半導
体モジュールの温度に見合った温度に達成させるまでに
時間がかかってしまうという問題がある。However, since the power consumption fluctuation of the semiconductor module, that is, the heat generation amount fluctuation is extremely fast, even if the rotation speed control of the compressor for adjusting the internal pressure of the refrigerating apparatus or the opening / closing control of the expansion valve for discharging the refrigerant is performed, the cooling is not performed. There is a problem that it takes time to reach the temperature of the container to a temperature corresponding to the temperature of the semiconductor module.
【0009】その結果、半導体モジュールの冷却が必要
ないにもかかわらず、冷凍装置が運転を行い冷却してし
まったり、逆に半導体モジュールの冷却が必要であるに
もかかわらず、冷凍装置が停止してしまう。As a result, the refrigerating apparatus operates and cools even though the cooling of the semiconductor module is not necessary, or conversely, the refrigerating apparatus stops even though the cooling of the semiconductor module is necessary. Would.
【0010】換言すると、半導体モジュールの発熱量と
冷凍装置の冷却器(蒸発器)の冷却力(冷凍能力)との
間に時間的ずれが生じてしまうという問題があった。In other words, there is a problem that a time lag occurs between the heat generation amount of the semiconductor module and the cooling power (refrigeration capacity) of the cooler (evaporator) of the refrigerating device.
【0011】そのため、蒸発器内の冷媒が部分的に、か
つ一時的に未蒸発の液の状態となる。この未蒸発液が圧
縮機に吸入されると(リキッドバック)、圧縮機に不具
合が生じたり、あるいは、冷媒が過熱ガス域に大きく入
り(スーパヒート大)、冷却は出来ても半導体モジュー
ルの表面温度を一定に冷却できない等の問題があった。As a result, the refrigerant in the evaporator partially and temporarily becomes an unevaporated liquid. When this unevaporated liquid is sucked into the compressor (liquid back), a malfunction occurs in the compressor, or the refrigerant largely enters the superheated gas area (superheat large). There was a problem that it was not possible to cool down the water uniformly.
【0012】本発明の目的は、CMOS素子を使った電
子計算機固有の問題である、半導体モジュールの消費電
力変動、即ち、半導体モジュールの発熱量変動に、十分
追従できる制御系を備えることにより、冷凍装置の信頼
性を確保しながら、半導体チップを低温に保ことがで
き、かつ、コンパクトな半導体装置の冷却システム、お
よび冷却制御方法を提供することにある。An object of the present invention is to provide a refrigeration system by providing a control system capable of sufficiently following fluctuations in power consumption of a semiconductor module, that is, fluctuations in the amount of heat generated by a semiconductor module, which is a problem inherent to an electronic computer using a CMOS device. It is an object of the present invention to provide a compact semiconductor device cooling system and a cooling control method capable of keeping a semiconductor chip at a low temperature while ensuring the reliability of the device.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的は、冷却器の出
口側に設けられた加熱手段で前記蒸発器内の未蒸発冷媒
液を蒸発させる冷却装置を半導体モジュールに取り付け
た半導体装置の冷却システムにおいて、前記冷却器の入
口側と出口側の冷媒温度を等しくしたことにより達成さ
れる。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a cooling system for a semiconductor device in which a cooling device for evaporating the unevaporated refrigerant liquid in the evaporator by a heating means provided on the outlet side of the cooler is mounted on a semiconductor module. In this case, the above is achieved by equalizing the refrigerant temperatures on the inlet side and the outlet side of the cooler.
【0014】また、前記冷却器の出口側冷媒が液相とガ
ス相の2相であることにより達成される。[0014] It is also achieved that the refrigerant on the outlet side of the cooler has two phases, a liquid phase and a gas phase.
【0015】また、冷却器の出口側に設けられた加熱手
段で前記蒸発器内の未蒸発冷媒液を蒸発させ、この蒸発
した冷媒を圧縮機に戻してなる冷却装置を半導体モジュ
ールに取り付けた半導体装置の冷却システムにおいて、
前記圧縮機の入口部の冷媒は乾いてなることにより達成
される。Further, a semiconductor device is provided with a cooling device which evaporates the unevaporated refrigerant liquid in the evaporator by heating means provided on the outlet side of the cooler and returns the evaporated refrigerant to the compressor. In the equipment cooling system,
This is achieved when the refrigerant at the inlet of the compressor becomes dry.
【0016】また、冷却器の出口側に設けられた加熱手
段で前記蒸発器内の未蒸発冷媒液を蒸発させる冷凍装置
を半導体モジュールに取付けて冷却する半導体装置の冷
却システムにおいて、前記冷却器の表面温度変化と前記
半導体モジュールの発熱量変化との相関関係を記憶した
コントロール部と、前記蒸発器の表面温度を検出する検
出部とを備え、この検出部からの検出結果を入力として
前記コントロール部が前記冷凍装置の冷凍能力若しくは
前記加熱手段の発熱量を制御してなることによって達成
される。In a cooling system for a semiconductor device in which a refrigeration device for evaporating unevaporated refrigerant liquid in the evaporator by a heating means provided on an outlet side of the cooler is mounted on a semiconductor module for cooling, A control unit that stores a correlation between a change in surface temperature and a change in the amount of heat generated by the semiconductor module; and a detection unit that detects a surface temperature of the evaporator. The control unit receives a detection result from the detection unit as an input. Is achieved by controlling the refrigerating capacity of the refrigerating apparatus or the amount of heat generated by the heating means.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0018】図1に、本発明の一実施形態を示す冷凍サ
イクル図である。FIG. 1 is a refrigeration cycle diagram showing one embodiment of the present invention.
【0019】図1において、基板1上に1個または複数
個の半導体チップ2が搭載され、モジュールキャップ3
で封止される。基板1面上には多数のCMOSが形成さ
れる。In FIG. 1, one or a plurality of semiconductor chips 2 are mounted on a substrate 1 and a module cap 3 is mounted.
Is sealed. A large number of CMOSs are formed on one surface of the substrate.
【0020】半導体チップ2とモジュールキャップ3と
の間には、熱を伝えるために、熱伝導グリースや組み合
わせフィン状体などの熱伝導体4が設けられている。基
板1、半導体チップ2、モジュールキャップ3、および
熱伝導体4などで一つの半導体モジュールが構成されて
いる。Between the semiconductor chip 2 and the module cap 3, a heat conductor 4 such as a heat conductive grease or a combination fin is provided for transmitting heat. One semiconductor module is composed of the substrate 1, the semiconductor chip 2, the module cap 3, the heat conductor 4, and the like.
【0021】半導体モジュールの発熱量を知るために、
蒸発器表面温度を測定するための蒸発器表面温度センサ
12、蒸発器内部の熱媒体温度を知るための蒸発器内部
熱媒体温度センサ13、蒸発器内部の熱媒体圧力を知る
ための蒸発器内部熱媒体圧力センサ14が取付けられて
いる。これらの温度センサ、圧力センサの状態値を検出
し、コントローラ6へ入力する温度・圧力検出器5が設
けられている。半導体モジュールキャップ3には、冷凍
装置の蒸発器10が取り付けられている。In order to know the heat value of the semiconductor module,
Evaporator surface temperature sensor 12 for measuring the evaporator surface temperature, evaporator internal heat medium temperature sensor 13 for knowing the evaporator internal heat medium temperature, evaporator internal temperature for evaporator inside heat medium pressure A heat medium pressure sensor 14 is provided. A temperature / pressure detector 5 for detecting the state values of these temperature sensors and pressure sensors and inputting them to the controller 6 is provided. An evaporator 10 of a refrigerating device is attached to the semiconductor module cap 3.
【0022】冷凍装置は、圧縮機7、凝縮器8、減圧手
段としての膨張弁9、冷却器である蒸発器10、蒸発器
10の後流側に加熱手段として設置された電気アシスト
ヒータ11とから構成されている。圧縮機7、膨張弁
9、電気アシストヒータ11は、温度・圧力検出器5か
らの信号を入力するコントローラ6によって必要に応じ
て制御される。The refrigerating apparatus comprises a compressor 7, a condenser 8, an expansion valve 9 as a pressure reducing means, an evaporator 10 as a cooler, an electric assist heater 11 installed as a heating means on the downstream side of the evaporator 10. It is composed of The compressor 7, the expansion valve 9, and the electric assist heater 11 are controlled as necessary by the controller 6 that inputs a signal from the temperature / pressure detector 5.
【0023】以上、本実施形態の構成について述べた
が、次に、本実施形態の作用について説明する。The configuration of the present embodiment has been described above. Next, the operation of the present embodiment will be described.
【0024】半導体チップ2で発生した熱は、熱伝導体
4を介してモジュールキャップ3に伝えられ、さらに蒸
発器10に伝わる。蒸発器10の蒸発温度を低く設定す
ることにより、半導体チップ2の温度を低く保つことが
できる。基板1上に形成されるCMOS素子は、低温化
することによって高速化される。The heat generated in the semiconductor chip 2 is transmitted to the module cap 3 via the heat conductor 4 and further transmitted to the evaporator 10. By setting the evaporation temperature of the evaporator 10 low, the temperature of the semiconductor chip 2 can be kept low. The speed of the CMOS device formed on the substrate 1 is increased by lowering the temperature.
【0025】図2は、半導体装置の発熱量変動を説明す
るための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a change in the amount of heat generated by the semiconductor device.
【0026】図2において、CMOS素子を搭載した半
導体の場合、その発熱量は時間とともに変動するので、
半導体モジュールの発熱量も時間とともに変動する。冷
却装置の冷却能力QRは、熱量補完手段の加熱量QAH
を運転中は常時加熱するようにしており、その最少発熱
量をQAHminとし、半導体モジュールの発熱量をQM
とし、その最大発熱量をQMmaxとすると、冷却装置の
冷却熱量と半導体モジュールの発熱量、熱量補完手段の
加熱量との関係は、 QR=QM+QAH (1) となる。In FIG. 2, in the case of a semiconductor on which a CMOS element is mounted, the amount of heat generated varies with time.
The heat value of the semiconductor module also changes with time. The cooling capacity QR of the cooling device is equal to the heating quantity QAH of the heat quantity complementing means.
Is always heated during operation, the minimum heat value is QAHmin, and the heat value of the semiconductor module is QM.
Assuming that the maximum calorific value is QMmax, the relationship between the cooling calorie of the cooling device, the calorific value of the semiconductor module, and the calorific value of the calorific value complementing means is as follows: QR = QM + QAH (1)
【0027】上記関係式から明らかなように、冷凍装置
の冷却能力QRは、半導体モジュールの発熱量QMより
常に大きい。いま、半導体モジュールの発熱量QMが、
最大発熱量QMmaxのときには、 QR=QMmax+QAHmin (2) の関係になる。As is apparent from the above relational expression, the cooling capacity QR of the refrigeration system is always larger than the heat generation QM of the semiconductor module. Now, the calorific value QM of the semiconductor module is
When the maximum heat generation amount is QMmax, the relationship is QR = QMmax + QAHmin (2).
【0028】半導体モジュールの発熱量が減少した場
合、蒸発器10で熱媒体が蒸発できず、未蒸発の液が圧
縮機7に吸入される(リキッドバック)、いわゆる液圧
縮となる。これにより圧縮機に不具合が起きることを避
けるために、本実施形態では、半導体モジュールの発熱
量QMと蒸発器の冷却熱量との熱量差以上の熱量を補完
する熱量補完手段である加熱装置として、電気アシスト
ヒータ11を蒸発器の出口、後流側に設けてある。When the calorific value of the semiconductor module is reduced, the heat medium cannot be evaporated by the evaporator 10 and the unevaporated liquid is sucked into the compressor 7 (liquid back), so-called liquid compression. In this embodiment, in order to avoid the occurrence of a malfunction in the compressor, in the present embodiment, as a heating device that is a calorific value complementing unit that complements a calorific value greater than or equal to a calorific value difference between the calorific value QM of the semiconductor module and the cooling calorific value of the evaporator, An electric assist heater 11 is provided at the outlet of the evaporator, on the downstream side.
【0029】図5は、蒸発器表面温度の計測状態を説明
するための蒸発器の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of the evaporator for explaining the measurement state of the evaporator surface temperature.
【0030】図5において、フロン等の熱媒体は、蒸発
器10の左下側入口から入り、蒸発器内部を流れて蒸発
器の右下側出口から出て行く。この実施形態では、熱媒
体は蒸発器入口から入り、蒸発器内を上下に2往復して
から蒸発器出口から出て行く。この間に熱媒体は蒸発
し、蒸発の潜熱にて半導体モジュールの発熱と熱交換
し、その結果半導体モジュールは冷却される。蒸発器内
を流れる熱媒体の流路幅の中央部蒸発器表面に温度を検
出するための温度センサが取り付けられている。熱媒体
が流れる順に入口から出口に向かって、ほぼ等間隔で温
度センサ(熱電対)を取り付け、ここでは、それぞれの
温度センサ(熱電対)に01〜16の番号を付し、表面
温度センサの計測位置を番号で示すようにした。In FIG. 5, a heat medium such as Freon enters through the lower left inlet of the evaporator 10, flows inside the evaporator, and exits through the lower right outlet of the evaporator. In this embodiment, the heat medium enters at the evaporator inlet, travels up and down two times in the evaporator, and then exits at the evaporator outlet. During this time, the heat medium evaporates and exchanges heat with the heat generated by the semiconductor module due to the latent heat of evaporation. As a result, the semiconductor module is cooled. A temperature sensor for detecting the temperature is attached to the center evaporator surface of the flow path width of the heat medium flowing in the evaporator. Temperature sensors (thermocouples) are attached at substantially equal intervals from the inlet to the outlet in the order in which the heat medium flows. Here, the respective temperature sensors (thermocouples) are numbered from 01 to 16, and the surface temperature sensors are numbered. The measurement position was indicated by a number.
【0031】図6、図7はこのようにして計測した実例
を示し、半導体モジュールの発熱量と蒸発器表面温度と
の関係を示したものである。図6、図7の横軸の数値
は、上記蒸発器表面の温度センサ(熱電対)取り付け位
置01〜16である。FIGS. 6 and 7 show actual examples measured in this way, and show the relationship between the calorific value of the semiconductor module and the evaporator surface temperature. The numerical values on the horizontal axis in FIGS. 6 and 7 are the temperature sensor (thermocouple) mounting positions 01 to 16 on the evaporator surface.
【0032】図3は、蒸発器表面温度と半導体モジュー
ル発熱量との相関を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the correlation between the evaporator surface temperature and the heat value of the semiconductor module.
【0033】図3において、半導体モジュールの発熱量
と蒸発器表面温度とには相関がある。半導体モジュール
の発熱量QMがQM3>QM2>QM1と、多くなると蒸
発器表面の温度も高くなる。この時の冷凍サイクルの運
転条件、特に熱媒体の循環流量、即ち圧縮機7の回転
数、並びに減圧手段である膨張弁9の開度と共に、半導
体モジュールの発熱量と蒸発器10表面温度との相関を
前もって知って置き、コントローラ6にこの情報を備え
る。この時の冷凍サイクル条件は、先に示した式(1)
の状態で決まる。In FIG. 3, there is a correlation between the heat value of the semiconductor module and the evaporator surface temperature. When the calorific value QM of the semiconductor module increases as QM3>QM2> QM1, the temperature of the evaporator surface also increases. In addition to the operating conditions of the refrigeration cycle at this time, in particular, the circulation flow rate of the heat medium, that is, the rotation speed of the compressor 7 and the opening degree of the expansion valve 9 as the pressure reducing means, the heat generation amount of the semiconductor module and the surface temperature of the evaporator 10 The correlation is known in advance and the controller 6 is provided with this information. The refrigeration cycle condition at this time is given by the equation (1) shown above.
Is determined by
【0034】この情報を基に、半導体モジュールと接す
る蒸発器10の表面温度を、温度センサ12、温度検出
器5で知ることにより半導体モジュールの発熱量QMを
知ることが出来る。The calorific value QM of the semiconductor module can be known by knowing the surface temperature of the evaporator 10 in contact with the semiconductor module by the temperature sensor 12 and the temperature detector 5 based on this information.
【0035】温度検出器5の情報をコントローラ6に入
力し、コントローラを介して、圧縮機7の回転数、膨張
弁9の開度、電気アシストヒータ11の加熱量のいずれ
か一つ、または各々を必要に応じて制御し、冷凍装置の
冷却熱量QRが常に一定となるようにする。The information of the temperature detector 5 is input to the controller 6, and any one of the rotation speed of the compressor 7, the opening degree of the expansion valve 9, and the heating amount of the electric assist heater 11, or each of them is transmitted via the controller. Is controlled as necessary so that the cooling heat amount QR of the refrigeration apparatus is always constant.
【0036】これにより、速い半導体モジュールの発熱
量変動に対応しながら、冷却装置の信頼性を確保し、半
導体チップを一定低温度に保つことができる。Thus, the reliability of the cooling device can be ensured and the semiconductor chip can be kept at a constant low temperature while responding to a rapid change in the heat generation amount of the semiconductor module.
【0037】本実施形態では、冷却装置の蒸発器10を
半導体モジュールキャップ3に直接取り付け、温度セン
サ12を蒸発器10表面に取り付けているので、蒸発器
10と半導体モジュールキャップ3との熱交換を良好に
行いながら発熱量変動による温度情報を確実に捉えら
れ、コンパクトな冷却システムの制御方法とすることが
できる。In this embodiment, since the evaporator 10 of the cooling device is directly attached to the semiconductor module cap 3 and the temperature sensor 12 is attached to the surface of the evaporator 10, heat exchange between the evaporator 10 and the semiconductor module cap 3 is achieved. The temperature information due to the change in the amount of generated heat can be reliably grasped while performing well, and a compact cooling system control method can be provided.
【0038】先の図1を使って本発明の他の実施形態を
説明する。Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【0039】半導体モジュールの発熱量を知るために、
蒸発器10の内部熱媒体の温度・圧力を蒸発器内部に直
接に付設した温度センサ13、圧力センサ14と温度・
圧力検出器5とを使って検出し、検出された情報をコン
トローラ6に入力し、コントローラ6を介して圧縮機7
の回転数、膨張弁9の開度、熱量補完手段である電気ア
シストヒータ11の加熱量のいずれか一つ、または各々
を必要に応じて制御し、冷凍装置の冷却熱量QRが常に
一定となるようにするものである。In order to know the heat value of the semiconductor module,
The temperature and pressure of the internal heating medium of the evaporator 10 are measured by a temperature sensor 13 and a pressure sensor 14 directly provided inside the evaporator.
Detected using the pressure detector 5, the detected information is input to the controller 6, and the
, The degree of opening of the expansion valve 9, or the amount of heating of the electric assist heater 11, which is the means for complementing the amount of heat, is controlled as necessary, and the cooling heat amount QR of the refrigerating device is always constant. Is to do so.
【0040】蒸発器10は、熱伝導率の大きい銅材など
で構成されており、蒸発器の表面温度と内部熱媒体温度
とは、構成部材の熱抵抗分が両者の差となっている。つ
まり両者の温度差は、この熱抵抗分の差であり、通常、
熱伝導率の大きい部材では、その差は小さく、しかも相
関がある。The evaporator 10 is made of a copper material or the like having a high thermal conductivity. The difference between the surface temperature of the evaporator and the temperature of the internal heating medium is the thermal resistance of the components. In other words, the temperature difference between the two is the difference of this thermal resistance, and usually,
In a member having a high thermal conductivity, the difference is small and has a correlation.
【0041】従って、先に図3に示した半導体モジュー
ルの発熱量と蒸発器表面温度との関係を、半導体モジュ
ールの発熱量と蒸発器の内部熱媒体の温度との関係に置
き換えることができる。この情報を前もってコントロー
ラ6に備えて置く。蒸発器の内部熱媒体の温度を付設し
た熱媒体温度センサ13と温度検知器5とで知ることに
より、半導体モジュールの発熱量を知ることができる。Therefore, the relationship between the heat value of the semiconductor module and the surface temperature of the evaporator shown in FIG. 3 can be replaced with the relationship between the heat value of the semiconductor module and the temperature of the internal heat medium of the evaporator. This information is stored in the controller 6 in advance. By knowing the temperature of the internal heat medium of the evaporator with the heat medium temperature sensor 13 and the temperature detector 5, the heat value of the semiconductor module can be known.
【0042】また、熱媒体の温度と圧力との間には、一
定の関係がある。したがって同様に、半導体モジュール
の発熱量と熱媒体の圧力とには一定の関係がある。熱媒
体の内部圧力を付設した熱媒体圧力センサ14と圧力検
知器5とで知ることにより、半導体モジュールの発熱量
を知ることができる。Further, there is a certain relationship between the temperature and the pressure of the heat medium. Therefore, similarly, there is a certain relation between the heat value of the semiconductor module and the pressure of the heat medium. By knowing the internal pressure of the heat medium using the heat medium pressure sensor 14 and the pressure detector 5, the amount of heat generated by the semiconductor module can be known.
【0043】このことから、半導体モジュールに密接さ
せた冷凍装置冷却器10内部の熱媒体温度、あるいは熱
媒体圧力のどちらか一方、または双方をそれぞれ付設し
た熱媒体温度センサ、熱媒体圧力センサと温度・圧力検
知器5とで検出し、コントローラ6に温度情報、あるい
は圧力情報のどちらか一方または双方の情報を入力し、
コントローラ6を介して、圧縮機7の回転数、膨張弁9
の開度、熱量補完手段である電気アシストヒータ11の
加熱量のいずれか一つ、または各々を必要に応じて制御
し、冷凍装置の冷却熱量QRが常に一定となるようにす
る。Accordingly, a heat medium temperature sensor, a heat medium pressure sensor and a heat medium pressure sensor provided with either or both of the heat medium temperature and the heat medium pressure inside the refrigerator 10 which is in close contact with the semiconductor module. -Detect with the pressure detector 5 and input either or both of temperature information and pressure information to the controller 6,
The rotation speed of the compressor 7 and the expansion valve 9
And the amount of heating of the electric assist heater 11, which is the heat amount complementing means, is controlled as necessary, so that the cooling heat amount QR of the refrigerating apparatus is always constant.
【0044】これにより、速い半導体モジュールの発熱
量変動に対応しながら、冷却装置の信頼性を確保し、半
導体チップを一定低温度に保つことができる。Thus, the reliability of the cooling device can be ensured and the semiconductor chip can be kept at a constant low temperature while responding to a rapid change in the heat generation amount of the semiconductor module.
【0045】図4を用いて本発明の他の実施形態を説明
する。図4は、モリエル線図である。Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a Mollier diagram.
【0046】図4において、モリエル線図上に示す本実
施形態の冷凍装置にあっては、半導体モジュールの発熱
量QMを冷却する熱媒体の冷却熱が、熱媒体の液とガス
とが存在する湿り蒸気域内〜の間、ここではの点
とし、〜が半導体モジュールの発熱量QMを冷却す
る熱量である。〜が蒸発器の後流側につけた熱量補
完手段である電気アシストヒータ11の熱量QAHであ
る。In the refrigeration apparatus of this embodiment shown in the Mollier diagram in FIG. 4, the cooling heat of the heat medium for cooling the heat value QM of the semiconductor module includes the heat medium liquid and gas. Here, the point is within the wet steam range, and the heat amount for cooling the calorific value QM of the semiconductor module. Is the calorific value QAH of the electric assist heater 11 which is the calorific value complementing means attached to the downstream side of the evaporator.
【0047】先に示した関係式(2)から半導体モジュ
ールの最大発熱量QMmax,熱量補完手段である電気アシ
ストヒータ11の最少加熱量QAHminを決める。この
状態で蒸発器の出口で熱媒体の乾き度Xが X≦0.9
となるようにし、冷凍サイクルの圧縮機7の回転数を一
定に、減圧手段である膨張弁9の開度を一定にする。The maximum heating value QMmax of the semiconductor module and the minimum heating amount QAHmin of the electric assist heater 11 as the heat amount supplementing means are determined from the above-described relational expression (2). In this state, the dryness X of the heat medium at the outlet of the evaporator is X ≦ 0.9.
The rotation speed of the compressor 7 of the refrigeration cycle is kept constant, and the opening of the expansion valve 9 as the pressure reducing means is kept constant.
【0048】従って、半導体モジュールの発熱量QMの
変動に対して、本実施形態に於いては、熱媒体の未蒸発
液が残らないように、熱量補完手段である電気アシスト
ヒータ11の加熱量QAHを増減させて対応する。Therefore, in the present embodiment, the heating amount QAH of the electric assist heater 11, which is the heating amount supplementing means, is controlled so that the non-evaporated liquid of the heating medium does not remain with respect to the fluctuation of the heating value QM of the semiconductor module. Is increased or decreased to respond.
【0049】尚、冷却器である蒸発器10の出口乾き度
XをX≦0.9とする理由は、蒸発器出口部の配管等の熱
伝導による熱影響をなくし、熱媒体の特性である圧力損
失の小さい領域を使うことにより、圧力損失による熱媒
体の蒸発温度の変化幅を小さくし、蒸発器10表面温度
を一定温度にし、半導体モジュールを一定低温度にする
ことにある。The reason for setting the dryness X at the outlet of the evaporator 10 as a cooler to X ≦ 0.9 is that the influence of heat conduction due to the heat conduction of the piping at the outlet of the evaporator is eliminated and the pressure loss, which is a characteristic of the heat medium, is eliminated. By using a region having a small temperature, the width of change of the evaporation temperature of the heat medium due to the pressure loss is reduced, the surface temperature of the evaporator 10 is kept constant, and the semiconductor module is kept at a constant low temperature.
【0050】先の図6、図7は、蒸発器10の出口乾き
度XをX=1.0(図6)、X=0.9(図7)とした場
合の実測例を示す。FIGS. 6 and 7 show actual measurement examples when the dryness X at the outlet of the evaporator 10 is X = 1.0 (FIG. 6) and X = 0.9 (FIG. 7).
【0051】熱媒体(フロン)の流量は、図6の場合、
図7の場合9g/sで、同流量が蒸発器を流れている。
ここでの両者の違いは半導体モジュールの発熱量(蒸発
器の冷却量)であり、前者が16.9W/cm2、後者が1
0.6W/cm2であり、前者の方が発熱量(蒸発器の冷却
量)が大である。The flow rate of the heating medium (fluorocarbon) is as shown in FIG.
In the case of FIG. 7, the same flow rate flows through the evaporator at 9 g / s.
The difference between the two is the amount of heat generated by the semiconductor module (the amount of cooling of the evaporator). The former is 16.9 W / cm 2 , and the latter is 1
0.6 W / cm 2 , and the former has a larger calorific value (cooling amount of the evaporator).
【0052】前者図6の場合では、蒸発器出口で熱媒体
の乾き度XがX=1.0となっている。この時の表面温
度(縦軸)と蒸発器表面の温度計測位置(横軸)との関
係を見ると、熱媒体の蒸発器出口側、計測位置として
は、14、15、16の位置の表面温度が他の計測位
置、蒸発器の入口01から13の位置の表面温度に比べ
高くなっていることがわかる。しかも、蒸発器の入口0
1から13の位置の表面温度は一定温度となっている。In the former case of FIG. 6, the dryness X of the heat medium at the outlet of the evaporator is X = 1.0. Looking at the relationship between the surface temperature (vertical axis) and the temperature measurement position (horizontal axis) of the evaporator surface at this time, the surface of the heat medium at the evaporator outlet side and the measurement positions at positions 14, 15, and 16 were determined. It can be seen that the temperature is higher than the surface temperature at the other measurement positions, that is, at the positions of the inlets 01 to 13 of the evaporator. Moreover, the evaporator inlet 0
The surface temperatures at positions 1 to 13 are constant.
【0053】一方、後者図7の場合では、蒸発器出口の
乾き度XがX=0.9となるようにしたことにより、蒸
発器表面温度は蒸発器の入口01から出口近傍の16の
位置まで表面温度が一定となっていることが分かる。On the other hand, in the latter case of FIG. 7, since the dryness X at the outlet of the evaporator is set to X = 0.9, the surface temperature of the evaporator is changed from the inlet 01 of the evaporator to the position 16 near the outlet. It can be seen that the surface temperature is constant up to this point.
【0054】以上の条件の基で、図3の蒸発器表面の温
度と半導体モジュールとの関係を事前に知り、これらの
情報をコントローラ6に備えて置く。Under the above conditions, the relationship between the temperature of the evaporator surface and the semiconductor module shown in FIG. 3 is known in advance, and such information is provided in the controller 6.
【0055】半導体モジュールの発熱量QMの変動に対
して、圧縮機7の回転数一定、減圧手段である膨張弁9
の開度を一定とし、この両者を制御せずに、熱量補完手
段である電気アシストヒータ11の加熱量QAHのみを
増減させて対応することにより、圧縮機7の回転数変
化、減圧手段である膨張弁9の開度変化による冷凍サイ
クルの変動をなくし、冷凍サイクルの安定化を早めると
共に、熱量補完手段である電気アシストヒータ11の加
熱量QAHの制御のみで簡便に制御でき、冷却温度の変
動幅を小さくすることができる。With respect to the fluctuation of the heat value QM of the semiconductor module, the rotation speed of the compressor 7 is kept constant, and the expansion valve
The opening degree of the compressor 7 is kept constant, and only the heating amount QAH of the electric assist heater 11, which is the heat amount supplementing means, is increased or decreased to control the change in the rotation speed of the compressor 7 and the pressure reducing means. Eliminating fluctuations in the refrigeration cycle due to changes in the opening degree of the expansion valve 9, speeding up the stabilization of the refrigeration cycle, and controlling the heating amount QAH of the electric assist heater 11 as the heat amount supplementing means can be easily controlled, and fluctuations in the cooling temperature. The width can be reduced.
【0056】図1に示した蒸発器10の表面温度を、付
設した温度センサ12、温度検出器5で知ることによ
り、蒸発器表面温度と半導体モジュールの発熱量との相
関を備えたコントローラ6に入力し、コントローラ6を
介して半導体モジュールの発熱量を知って、熱量補完手
段である電気アシストヒータ11の加熱量QAHを制御
し、冷却装置を運転することにより、半導体モジュール
の表面温度を一定低温に冷却することができ、かつコン
パクトな冷却装置とすることができる。By knowing the surface temperature of the evaporator 10 shown in FIG. 1 by the attached temperature sensor 12 and temperature detector 5, the controller 6 having a correlation between the evaporator surface temperature and the heat generation amount of the semiconductor module is provided. By inputting the information and knowing the heat generation amount of the semiconductor module via the controller 6, controlling the heating amount QAH of the electric assist heater 11 which is the heat amount complementing means, and operating the cooling device, the surface temperature of the semiconductor module is kept at a constant low temperature. And a compact cooling device.
【0057】図1、図3、図4を使って、本発明の他の
実施形態を説明する。Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 3 and 4.
【0058】前記実施形態では、事前に検出した蒸発器
表面温度と半導体モジュールの発熱量との相関から、運
転中の蒸発器10表面温度を検出することにより半導体
モジュールの発熱量を検出した。In the above embodiment, the calorific value of the semiconductor module is detected by detecting the surface temperature of the evaporator 10 during operation from the correlation between the evaporator surface temperature detected in advance and the calorific value of the semiconductor module.
【0059】本実施形態では、蒸発器10表面温度と蒸
発器10内部の熱媒体の温度、並びに熱媒体の圧力とに
は相関があることから、事前に半導体モジュールの発熱
量と蒸発器10内部熱媒体温度並びに内部熱媒体圧力と
の相関を図3と同様に検出して(図示せず)、図1に示
した蒸発器10の内部に付設した熱媒体温度センサ13
または熱媒体圧力センサ14のどちらか一方、あるいは
双方を温度・圧力検出器5で転出し、その情報を蒸発器
内部熱媒体温度、並びに熱媒体圧力と半導体モジュール
の発熱量との相関を備えたコントローラ6に入力する。In the present embodiment, since there is a correlation between the surface temperature of the evaporator 10 and the temperature of the heat medium inside the evaporator 10 and the pressure of the heat medium, the calorific value of the semiconductor module and the inside of the evaporator 10 are determined in advance. The correlation between the heat medium temperature and the internal heat medium pressure is detected in the same manner as in FIG. 3 (not shown), and the heat medium temperature sensor 13 provided inside the evaporator 10 shown in FIG.
Alternatively, one or both of the heat medium pressure sensors 14 are transferred by the temperature / pressure detector 5, and the information is provided with the temperature of the heat medium inside the evaporator, and the correlation between the heat medium pressure and the calorific value of the semiconductor module. Input to the controller 6.
【0060】備えの情報から、コントローラ6で半導体
モジュールの発熱量を知り、図4のモリエル線図に示す
ように、蒸発器の出口で熱媒体の乾き度Xが、X≦0.
9となるように、コントローラ6を介して熱量補完手段
である電気アシストヒータ11の熱量QAHのみを増減
制御する。From the prepared information, the heat value of the semiconductor module is known by the controller 6, and as shown in the Mollier diagram of FIG. 4, the dryness X of the heat medium at the outlet of the evaporator is X ≦ 0.
Only the heat quantity QAH of the electric assist heater 11, which is the heat quantity complementing means, is controlled to increase or decrease through the controller 6 so as to be 9.
【0061】本実施形態では、冷却装置をこのように運
転することにより、半導体モジュール出口部の熱伝導等
による熱影響をなくし、熱媒体の特性である圧損の小さ
い領域内で半導体モジュールを冷却できるので、半導体
モジュールの表面温度を一定低温に冷却することがで
き、かつコンパクトな冷却装置とすることができる。In the present embodiment, by operating the cooling device in this manner, the influence of heat due to heat conduction at the outlet of the semiconductor module can be eliminated, and the semiconductor module can be cooled in a region where the pressure loss, which is the characteristic of the heat medium, is small. Therefore, the surface temperature of the semiconductor module can be cooled to a constant low temperature, and a compact cooling device can be provided.
【0062】以上の如く、本発明によれば、コントロー
ラを介して半導体モジュールの発熱量、即ち冷却装置蒸
発器の必要冷力を検出し、圧縮機回転数、膨張弁開度、
熱量補完手段の加熱量のどれか一つ、あるいは各々を制
御することにより、速い半導体モジュール負荷の変動で
あっても確実に冷却でき、かつ冷凍装置の信頼性を確保
するものである。As described above, according to the present invention, the calorific value of the semiconductor module, that is, the required cooling power of the cooling device evaporator is detected via the controller, and the rotational speed of the compressor, the opening degree of the expansion valve,
By controlling any one or each of the heating amounts of the heat amount complementing means, even if the load of the semiconductor module is fluctuated quickly, the cooling can be surely performed and the reliability of the refrigeration system is ensured.
【0063】また、冷却装置蒸発器の必要冷力を検出
し、圧縮機回転数、膨張弁開度、熱量補完手段の加熱量
のどれか一つあるいは各々を制御することにより、速い
半導体モジュール負荷の変動であっても、確実に冷却で
き、かつ冷凍装置の信頼性を確保するものである。Further, by detecting the required cooling power of the cooling device evaporator and controlling any one or each of the number of rotations of the compressor, the opening degree of the expansion valve, and the amount of heating of the calorific value supplementing means, a high semiconductor module load can be obtained. This ensures reliable cooling and ensures the reliability of the refrigerator.
【0064】[0064]
【発明の効果】本発明によれば、運転、信頼性の確保と
半導体チップを一定低温度に保つことができ、かつコン
パクトな装置、簡便な制御方法を提供できる。According to the present invention, the operation and reliability can be ensured, the semiconductor chip can be kept at a constant low temperature, and a compact device and a simple control method can be provided.
【図1】本発明の一実施形態を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
【図2】半導体装置の発熱量変動を説明するための図。FIG. 2 is a diagram illustrating a change in the amount of heat generated by a semiconductor device.
【図3】蒸発器表面温度と半導体モジュール発熱量との
相関を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a correlation between an evaporator surface temperature and a heat value of a semiconductor module.
【図4】本発明の作用を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the present invention.
【図5】本発明の一実施形態を示す冷却器の断面図。FIG. 5 is a sectional view of a cooler showing one embodiment of the present invention.
【図6】熱媒体(フロン)の乾き度をせつめいするグラ
フ図。FIG. 6 is a graph showing the degree of dryness of a heat medium (fluorocarbon).
【図7】熱媒体(フロン)の乾き度をせつめいするグラ
フ図。FIG. 7 is a graph showing the degree of dryness of a heat medium (fluorocarbon).
1…基板、2…半導体チップ、3…モジュールキャッ
プ、4…熱伝導体、5…温度・圧力検出器、6…コント
ローラ、7…圧縮機、8…凝縮器、9…減圧手段(膨張
弁)、10…蒸発器(冷却器)、11…熱量補完手段
(電気アシストヒータ)、12…蒸発器表面温度セン
サ、13…蒸発器内部熱媒体温度センサ、14…蒸発器
内部熱媒体圧力センサ。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Semiconductor chip, 3 ... Module cap, 4 ... Thermal conductor, 5 ... Temperature / pressure detector, 6 ... Controller, 7 ... Compressor, 8 ... Condenser, 9 ... Decompression means (expansion valve) Reference numeral 10: evaporator (cooler), 11: calorific value supplementing means (electric assist heater), 12: evaporator surface temperature sensor, 13: evaporator internal heat medium temperature sensor, 14: evaporator internal heat medium pressure sensor.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 圭三 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 大黒 崇弘 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社日 立製作所エンタープライズサーバ事業部内 (72)発明者 出居 昭男 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社日 立製作所エンタープライズサーバ事業部内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA03 BA08 BA24 BB53 BB56 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Keizo Kawamura 502, Kandachi-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref.Mechanical Research Laboratories, Inc. In the Enterprise Server Division (72) Inventor Akio Ide 1 Horiyamashita, Hadano-shi, Kanagawa F-term in the Enterprise Server Division, Hitachi, Ltd. 5F036 AA01 BA03 BA08 BA24 BB53 BB56
Claims (4)
記蒸発器内の未蒸発冷媒液を蒸発させる冷却装置を半導
体モジュールに取り付けた半導体装置の冷却システムに
おいて、前記冷却器の入口側と出口側の冷媒温度を等し
くしたことを特徴とする半導体装置の冷却システム。1. A cooling system for a semiconductor device in which a cooling device for evaporating unevaporated refrigerant liquid in the evaporator by a heating means provided on an outlet side of a cooler is mounted on a semiconductor module. A cooling system for the semiconductor device, wherein the temperature of the refrigerant at the outlet and the temperature of the refrigerant at the outlet are equalized.
2相であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置
の冷却システム。2. The cooling system for a semiconductor device according to claim 1, wherein the refrigerant on the outlet side of the cooler has two phases, a liquid phase and a gas phase.
記蒸発器内の未蒸発冷媒液を蒸発させ、この蒸発した冷
媒を圧縮機に戻してなる冷却装置を半導体モジュールに
取り付けた半導体装置の冷却システムにおいて、前記圧
縮機の入口部の冷媒は乾いてなることを特徴とする半導
体装置の冷却システム。3. A semiconductor module having a cooling device mounted on a semiconductor module, wherein a non-evaporated refrigerant liquid in the evaporator is evaporated by a heating means provided on an outlet side of the cooler and the evaporated refrigerant is returned to a compressor. A cooling system for a semiconductor device, wherein a refrigerant at an inlet of the compressor is dried.
記蒸発器内の未蒸発冷媒液を蒸発させる冷凍装置を半導
体モジュールに取付けて冷却する半導体装置の冷却シス
テムにおいて、前記冷却器の表面温度変化と前記半導体
モジュールの発熱量変化との相関関係を記憶したコント
ロール部と、前記蒸発器の表面温度を検出する検出部と
を備え、この検出部からの検出結果を入力として前記コ
ントロール部が前記冷凍装置の冷凍能力若しくは前記加
熱手段の発熱量を制御してなることを特徴とする半導体
装置の冷却システム及びその運転制御方法。4. A cooling system for a semiconductor device in which a refrigeration device for evaporating an unevaporated refrigerant liquid in the evaporator by a heating means provided on an outlet side of the cooler is mounted on a semiconductor module for cooling. A control unit that stores a correlation between a change in surface temperature and a change in the amount of heat generated by the semiconductor module; and a detection unit that detects a surface temperature of the evaporator. The control unit receives a detection result from the detection unit as an input. Controlling the refrigerating capacity of the refrigerating device or the amount of heat generated by the heating means, and a method for controlling the operation of the semiconductor device.
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