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WO2015128951A1 - 半導体素子冷却装置および電子機器 - Google Patents

半導体素子冷却装置および電子機器 Download PDF

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Publication number
WO2015128951A1
WO2015128951A1 PCT/JP2014/054612 JP2014054612W WO2015128951A1 WO 2015128951 A1 WO2015128951 A1 WO 2015128951A1 JP 2014054612 W JP2014054612 W JP 2014054612W WO 2015128951 A1 WO2015128951 A1 WO 2015128951A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor element
refrigerant
condensing
unit
cooling device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2014/054612
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
近藤　義広
重匡 佐藤
繁裕 椿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to PCT/JP2014/054612 priority Critical patent/WO2015128951A1/ja
Publication of WO2015128951A1 publication Critical patent/WO2015128951A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H10W40/73—
    • H10W40/47—

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor element cooling device and an electronic device equipped with the same.
  • a circuit board on which a semiconductor element such as a central processing unit (CPU) is mounted is housed in a box-shaped housing together with a hard disk device or the like with high density. Yes. Due to an improvement in processing speed and the like, the amount of heat generated by the operating semiconductor element tends to increase more and more. In general, when a semiconductor element exceeds a predetermined temperature, there is a possibility that the performance is deteriorated. For this reason, the temperature management by cooling is required for the semiconductor element, and there is a strong demand for a technique for efficiently cooling the semiconductor element that generates a large amount of heat.
  • CPU central processing unit
  • an air-cooling type cooling device is often used, but its cooling capacity is already approaching its limit. Therefore, a more efficient cooling method is expected, and for example, a phase change type cooling device using a refrigerant has been attracting attention.
  • a phase change type cooling device As an example of a phase change type cooling device, it has a boiling part that cools a heating element on the lower side of a sealed container, and has a condensing part that is thermally connected to a heat radiating part on the upper side.
  • a thermosyphon in which a refrigerant is sealed inside so that the surface is immersed (see, for example, Patent Document 1 below).
  • a mesh is disposed between the liquid level of the refrigerant and the condensing unit to reduce the sound caused by boiling.
  • Patent Document 2 there is known a semiconductor cooling device in which a boiling fin is provided inside a boiling portion where a semiconductor element is pressed and a refrigerant is enclosed (for example, see Patent Document 2 below).
  • a pipe is joined to the upper part of the boiling part, and the inside of the boiling part and the inside of the pipe communicate with each other.
  • a plurality of heat radiation fins are attached to the pipe.
  • JP 2013-26362 A JP-A-6-120382
  • the part that evaporates the refrigerant and the part that condenses the vapor of the refrigerant are arranged at positions that overlap each other vertically.
  • the pipe extends upward from the upper part of the boiling portion. Therefore, it has been difficult for the conventional cooling device and the electronic equipment on which the conventional cooling device is mounted to reduce the vertical height dimension.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element capable of reducing the height dimension in the vertical direction while efficiently cooling the semiconductor element by a phase change method.
  • a cooling device and an electronic device including the same are provided.
  • the semiconductor element cooling apparatus of the present invention that achieves the above object is a semiconductor element cooling apparatus that cools a semiconductor element by a phase change of the refrigerant, and vaporizes the liquid refrigerant stored therein by the heat of the semiconductor element.
  • a condensing unit connected to the evaporating unit and condensing the vapor of the refrigerant introduced from the evaporating unit to recirculate the liquid refrigerant to the evaporating unit. It is arrange
  • the evaporation portion and the condensing portion are arranged at positions where they do not overlap each other in the vertical direction and at least partly overlap each other in the horizontal direction. It can be reduced as compared with the prior art. Therefore, according to the semiconductor element cooling device of the present invention, it is possible to reduce the height dimension of the semiconductor element cooling device and the electronic apparatus including the semiconductor element cooling device while efficiently cooling the semiconductor element by the phase change method.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view taken along line II-II in FIG. 1.
  • the typical front view of the cooling device of FIG. The typical side view of the cooling device which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • 1 is an external perspective view of a rack that houses an electronic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a rack that houses an electronic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing a schematic configuration in a housing of the electronic device shown in FIG. 10.
  • FIG. 11 is a plan view schematically showing a schematic configuration in a housing of the electronic device shown in FIG. 10.
  • FIG. 13 is a plan view schematically showing a modification of the electronic device shown in FIG. 12.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a phase change module 1 according to Embodiment 1 of a semiconductor element cooling device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the phase change module 1 taken along the line II-II shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic front view of the phase change module 1 shown in FIG. 1 as viewed in the direction from the evaporator 10 to the condenser 20. 2 and 3, the circuit board CB and the like are not shown.
  • the phase change module 1 includes, for example, a semiconductor element SD such as a central processing unit (CPU) mounted on a circuit board CB included in an electronic device such as a server, a storage device, and a network device. It is the semiconductor element cooling device using the thermosiphon cooled by.
  • the phase change module 1 is connected to the evaporation unit 10 that vaporizes the liquid refrigerant R stored therein by the heat of the semiconductor element SD, and is condensed with the vapor of the refrigerant R introduced from the evaporation unit 10 to be liquid. And a condensing unit 20 for recirculating the refrigerant R to the evaporating unit 10.
  • a semiconductor element SD such as a central processing unit (CPU) mounted on a circuit board CB included in an electronic device such as a server, a storage device, and a network device. It is the semiconductor element cooling device using the thermosiphon cooled by.
  • the phase change module 1 is connected to the evaporation unit 10 that
  • the evaporation unit 10 is a box-like airtight container provided with a bowl-shaped case 11 having a space inside and a vaporization promotion plate 12 thermally connected to the semiconductor element SD.
  • the evaporation unit 10 is disposed so as to cover the upper surface of the semiconductor element SD, and, for example, a circuit board is formed by fastening a screw that is passed through a through hole provided in a peripheral part of the vaporization promoting plate 12 to a screw hole of the circuit board CB. It is fixed on CB.
  • the case 11 and the vaporization promotion plate 12 can be manufactured using a metal material having excellent thermal conductivity, such as copper or aluminum.
  • the case 11 and the vaporization promoting plate 12 are joined by an appropriate joining method such as pressure welding or brazing.
  • a liquid refrigerant R is stored inside the evaporation unit 10.
  • the case 11 is manufactured, for example, by deep drawing the above-described metal material.
  • a connection portion 13 for connecting the evaporation portion 10 to the condensation portion 20 is opened on the side surface of the case 11.
  • One end of a tubular connecting portion 30 is airtightly connected to the connecting portion 13. It is preferable that the height of the connection portion 13 is arranged at a position higher than the height position of the liquid level of the refrigerant R stored in the evaporation portion 10. Further, the case 11 may be provided with a hole for attaching the vaporization promotion plate 12.
  • the vaporization promotion plate 12 is a plate-like member that is thermally connected to the surface of the semiconductor element SD.
  • thermal conductive grease 14 is applied to the lower surface of the vaporization promoting plate 12.
  • the vaporization promotion plate 12 is in close contact with the upper surface of the semiconductor element SD via the heat conductive grease 14.
  • the upper surface of the vaporization promotion plate 12 is a boiling heat transfer surface 15 that transfers the heat of the semiconductor element SD to the refrigerant R stored in the evaporation unit 10.
  • the boiling heat transfer surface 15 is provided along the horizontal direction, and has a predetermined area corresponding to the area of the upper surface of the semiconductor element SD, for example.
  • the boiling heat transfer surface 15 has, for example, a porous structure having a large number of micropores.
  • the boiling heat transfer surface 15 has minute irregularities formed by a large number of minute holes, and faces the inside of the evaporation unit 10 and holds the liquid refrigerant R in the number of minute holes.
  • the porous structure of the boiling heat transfer surface 14 is provided, for example, in the central portion of the vaporization promotion plate 12 that overlaps the semiconductor element SD in the vertical direction. Note that the vaporization promoting plate 12 and the case 11 may be integrated to provide a similar porous structure on the inner surface of the case 11.
  • the refrigerant R preferably has a surface tension smaller than that of water in the liquid state.
  • a fluorocarbon refrigerant can be used. More specifically, for example, a refrigerant R having low surface tension and viscosity, high thermal and chemical stability, such as Novec (registered trademark) or Fluorinert (registered trademark) manufactured by Sumitomo 3M Limited, may be used. preferable.
  • a refrigerant volume of 25 cc to 45 cc is appropriate in a CPU (semiconductor package) of about 100 W. This amount of refrigerant can secure a water level of about 1 cm to 2 cm from the boiling surface, and can more effectively reduce the possibility of liquid depletion in the heating element.
  • the condensing unit 20 is a box-like airtight container provided with a bowl-shaped case 21 having a space inside and a condensation promoting plate 22 that promotes condensation of the vapor of the refrigerant R. Below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case 21, a connection part 23 for connecting the condensing part 20 to the evaporation part 10 is provided below the side surface of the case
  • the condensing unit 20 is disposed at a position where it does not overlap with the evaporation unit 10 in the vertical direction and at least a portion thereof overlaps with the horizontal direction. In the present embodiment, the condensing unit 20 is disposed at a position where the entire condensing unit 20 overlaps the evaporation unit 10 in the horizontal direction. As shown in FIG. 2, the condensing unit 20 includes a steam introduction unit 24, a heat transfer unit 25, and a refrigerant recirculation unit 26.
  • the vapor introduction part 24 is a part that introduces the vapor of the refrigerant R into the condensation part 20 along the horizontal direction.
  • the surface of the condensation promotion plate 22 is flat, and the vapor of the refrigerant R introduced from the evaporation part 10 flows smoothly along the surface of the condensation promotion plate 22. Therefore, the vapor
  • the heat transfer part 25 is a part adjacent to the steam introduction part 24 and from which the steam of the refrigerant R flows from the steam introduction part 24.
  • a plurality of condensation fins 27 are erected on the surface of the condensation promotion plate 22 along the vertical direction.
  • the condensing fins 27 extend from the vapor introducing portion 24 along a horizontal direction that intersects the direction in which the vapor of the refrigerant R is introduced.
  • the refrigerant recirculation part 26 is a part provided on the opposite side of the steam introduction part 24 across the heat transfer part 25.
  • a steam introduction part 24 is provided in the central part of the condensing part 20 along the direction of introduction of the vapor of the refrigerant R, and is transmitted to both sides in a direction intersecting the introduction direction of the vapor of the refrigerant R of the vapor introduction part 24.
  • the heat part 25 is provided, and the refrigerant
  • the refrigerant recirculation unit 26 recirculates the liquid refrigerant R condensed in the heat transfer unit 25 to the evaporation unit 10.
  • an inclination, a groove, or the like that promotes the reflux of the liquid refrigerant R condensed in the heat transfer unit 25 to the evaporation unit 10 may be provided on the upper surface of the condensation promoting plate 22.
  • an inclination may be provided so that the height position of the upper surface of the condensation promoting plate 22 becomes lower as it is closer to the evaporation unit 10 or the connection unit 23, and the reflux of the liquid refrigerant R to the evaporation unit 10 may be promoted.
  • an inclined groove or recess may be provided in the connecting portion 23 so as to collect the liquid refrigerant R, and the reflux of the liquid refrigerant R to the evaporation section 10 may be promoted.
  • the condensation fins 27 may be inclined at a predetermined angle with respect to the introduction direction of the vapor of the refrigerant R in the vapor introduction unit 24.
  • the dimension in the width W2 direction of the condensing unit 20 is larger than the dimension in the depth D2 direction, and larger than the dimension in the width W1 direction of the evaporation unit 10 along the width W2 direction of the condensing unit 20.
  • the horizontal direction along the introduction direction of the vapor of the refrigerant R in the vapor introduction unit 24 is defined as the depth D2 direction of the condensation unit 20, and the horizontal direction perpendicular to the depth D2 direction, that is, the introduction of the vapor of the refrigerant R in the vapor introduction unit 24.
  • the direction intersecting the direction is the width W2 direction of the condensing unit 20.
  • a tubular connecting portion 30 is connected to a connecting portion 23 provided on the lower side in the vertical direction at the center portion in the width W2 direction of the side surface of the condensing portion 20 facing the evaporation portion 10.
  • the lower surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20 is provided integrally with the condensing promoting plate 22 and thermally connected to the condensing unit 20.
  • a cooling unit 40 for cooling the unit 25 and other parts is provided.
  • the cooling unit 40 of the present embodiment is configured by a plurality of cooling fins 41 provided outside the condensing unit 20.
  • the plurality of cooling fins 41 are formed in a thin plate shape along the depth D2 direction and the vertical direction of the condensing unit 20, and are arranged in parallel to each other with an interval in the width W2 direction of the condensing unit 20.
  • a cooling fan CF is disposed on the side of the cooling unit 40. The cooling fan CF blows air between the cooling fins 41 along the depth D ⁇ b> 2 direction of the condensing unit 20 to promote heat dissipation of the cooling fins 41.
  • the phase change module 1 of the present embodiment includes a tubular connecting part 30 that connects the evaporation part 10 and the condensing part 20.
  • One end of the connecting portion 30 is connected to the connecting portion 13 provided at a position higher than the liquid level of the refrigerant R on the side surface of the evaporation portion 10, and the other end is connected to the bottom surface of the condensing portion 20, that is, the upper surface of the condensation promoting plate 22. It connects with the connection part 23 of the condensation part 20 provided in the height position.
  • at least a part of the opening at the end of the connecting part 30 connected to the connecting part 23 on the side surface of the condensing part 20 and the upper surface of the condensation promoting plate 22 adjacent to the opening are located at the same height position. Yes.
  • the height position of the connecting part 30 is gradually increased from the evaporation part 10 toward the condensing part 20. That is, the height position of the connecting part 30 is the lowest at the connection part 13 of the evaporation part 10 and is the highest at the connection part 23 of the condensing part 20.
  • the connecting part 30 is a straight pipe parallel to the depth D2 direction of the condensing part 20, that is, the extending direction of the steam introducing part 24 in plan view.
  • the shape of the connection part 30 will not be specifically limited if it is a shape which can introduce
  • the connecting part 30 may be curved in the middle like an L-shaped tube, an S-shaped tube, or a flexible piping.
  • the connecting unit 30 recirculates the liquid refrigerant R from the condensing unit 10 to the evaporating unit 20 at the same time as supplying the vapor of the refrigerant R from the evaporating unit 10 to the condensing unit 20. That is, the connecting portion 30 causes the gas-phase refrigerant R and the liquid-phase refrigerant R to simultaneously flow in opposite directions. Therefore, the inner diameter of the connecting portion R is, for example, in the range where the heat generation amount of the semiconductor element SD to be cooled is 100 W class and the volume of the liquid refrigerant R stored in the evaporation portion 10 is about 25 cc to about 45 cc. In some cases, for example, a range from about 15 mm to about 25 mm is preferred.
  • phase change module 1 of the present embodiment will be described.
  • the cooling performance of the semiconductor element SD is emphasized, and the height dimension in the vertical direction is not considered as a problem.
  • the part for evaporating the refrigerant R and the part for condensing the vapor of the refrigerant R are arranged at positions overlapping each other in the vertical direction, and the vertical dimension is relatively large. Was satisfied with the cooling performance.
  • the evaporator 10 and the condenser 20 are arranged at positions that do not overlap in the vertical direction and at least partially overlap in the horizontal direction.
  • the height dimension of the perpendicular direction of the phase change module 1 can be reduced compared with the past.
  • the whole condensation part 20 is arrange
  • phase change of the refrigerant R is used as described below while reducing the vertical height dimension of the phase change module 1 as described above.
  • the semiconductor element SD can be efficiently cooled.
  • the evaporation unit 10 of the phase change module 1 is thermally connected to the semiconductor element SD via the vaporization promotion plate 12 disposed on the upper surface of the semiconductor element SD on the circuit board CB. Therefore, heat generated during the operation of the semiconductor element SD is transmitted to the vaporization promotion plate 12.
  • the vaporization promoting plate 12 is in close contact with the upper surface of the semiconductor element SD via the heat conductive grease 14. As a result, good thermal bonding between the vaporization promoting plate 12 and the semiconductor element SD is ensured, and the heat of the semiconductor element SD is efficiently transferred to the vaporization promoting plate 12.
  • the temperature of the boiling heat transfer surface 15 holding the liquid refrigerant R stored in the evaporation unit 10 rises, and the liquid refrigerant R boils. Heated by the heat transfer surface 15.
  • the boiling heat transfer surface 15 is a surface that extends in the horizontal direction, and has a porous structure including a large number of micropores. Therefore, when the amount of heat transferred to the boiling heat transfer surface 15 is small, the liquid refrigerant R impregnates the boiling heat transfer surface 15 to fill the micropores.
  • the evaporation of the liquid refrigerant R in the micropores is promoted by lowering the water level. Therefore, the heat dissipation performance of the vaporization promotion plate 12 is improved and the heat transport amount is increased. That is, since the boiling heat transfer surface 15 of the vaporization promotion plate 12 has a porous structure, evaporation is promoted by a temperature rise accompanying an increase in the amount of heat transferred. In addition, the evaporation of the liquid refrigerant R is further promoted by the increase in the vapor amount of the refrigerant R in the evaporation unit 10. Therefore, the greater the amount of heat transmitted to the vaporization promoting plate 12, the greater the amount of heat transported and the greater the efficiency. Therefore, the vaporization promotion plate 12 exhibits stable evaporation performance (vaporization performance) unless the liquid refrigerant R is depleted.
  • the liquid refrigerant in the evaporation unit 10 is provided at a position where the height of the connection unit 13 is higher than the height of the liquid level of the liquid refrigerant R stored in the evaporation unit 10. R is prevented from flowing into the connecting portion 30.
  • the vapor of the refrigerant R that has flowed into the connecting part 30 reaches the connecting part 23 on the side surface of the case 21 of the condensing part 20 through the connecting part 30 and is introduced into the steam introducing part 24 of the condensing part 20.
  • the upper surface of the condensation promoting plate 22 is a flat surface along the horizontal direction, and has no obstacle in the depth D2 direction of the condensation part 20 for introducing the vapor of the refrigerant R.
  • transduced into the position of the near side of the depth direction D2 of the condensation part 20 near the evaporation part 10 is made into the depth side of the depth direction D2 of the condensation part 20 far from the evaporation part 10 by the vapor
  • the steam of the refrigerant R introduced into the steam introduction part 24 is guided to the heat transfer part 25 by a plurality of condensation fins 27 extending in a direction crossing the introduced direction in the process of flowing in the depth D2 direction of the condensation part 20.
  • the plurality of condensing fins 27 are arranged adjacent to the vapor introducing portion 24 at intervals in the direction of introducing the vapor of the refrigerant R, that is, the depth D2 direction of the condensing portion 20.
  • a cooling unit 40 composed of a plurality of cooling fins 41 is provided on the lower surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20, and a cooling fan CF is disposed on the side of the cooling unit 40. Accordingly, air is caused to flow between the plurality of cooling fins 41 by the blowing of the cooling fan CF, the heat of the cooling fins 41 is efficiently radiated into the air, and the heat transfer unit 25 and other parts of the condensing unit 20 are efficiently released. Can be cooled.
  • the dimension in the width W2 direction of the condensing part 20 is larger than the dimension in the depth D2 direction, and larger than the dimension W1 of the evaporation part 10 along the width W2 direction of the condensing part 20.
  • the heat transfer of the condensation unit 20 If the temperature difference between the boiling heat transfer surface 15 in the evaporation unit 10 and the vapor of the refrigerant R is equal to the temperature difference between the heat transfer unit 25 in the condensation unit 20 and the vapor of the refrigerant R, the heat transfer of the condensation unit 20.
  • the area needs to be about three times the heat transfer area of the boiling heat transfer surface 15. Even in such a case, it is possible to secure the heat radiation area of the heat transfer section 25 by making the dimension of the condensing unit 20 in the width W2 direction larger than the dimension W1 of the evaporation unit 10 in the width W2 direction.
  • the steam introduced from the steam introducing unit 24 to the heat transfer unit 25 is transferred from the steam introducing unit 24 having a relatively high temperature. It can be introduced and cooled to a remote location where the temperature is relatively low. Therefore, the cooling performance of the condensing part 20 can be improved.
  • the vapor of the refrigerant R introduced into the heat transfer section 25 of the condensation section 20 is cooled and condensed by heat exchange with the condensation fins 27 and the condensation promotion plate 22 in the heat transfer section 25 and returns to the liquid refrigerant R.
  • the refrigerant recirculation part 26 is provided further downstream of the heat transfer part 25 on the downstream side of the vapor of the refrigerant R introduced into the vapor introduction part 24. Therefore, the liquid refrigerant R condensed in the heat transfer section 25 flows into the refrigerant recirculation section 26 on the downstream side.
  • the liquid refrigerant R further flows through the refrigerant recirculation part 26 along the inner surface of the case 21, and gathers from the back side position of the condensing part 20 far from the evaporation part 10 to the near side position near the evaporation part 10. It flows out from the connection part 23 opened to the side surface of 21.
  • the connecting part 30 that connects the evaporation part 10 and the condensing part 20 has one end connected to the connecting part 13 of the evaporation part 10 and the other end provided at the height position of the upper surface of the condensation promoting plate 22.
  • the connection part 23 is connected. Therefore, the liquid refrigerant R collected by the refrigerant recirculation part 26 easily flows into the opening of the connection part 30 from the upper surface of the condensation promoting plate 22.
  • the condensing promoting plate 22 of the condensing unit 20 since the upper surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20 is disposed at a position higher than the liquid level of the refrigerant R in the evaporation unit 10, the condensing promoting plate 22 flows into the opening of the connecting unit 30 from the upper surface of the condensation promoting plate 22.
  • the liquid refrigerant R is refluxed from the condensation unit 20 to the evaporation unit 10 by gravity.
  • the flow of the liquid refrigerant R from the condensing unit 20 to the evaporating unit 10 is It is prevented that the refrigerant R is blocked by the flow of the refrigerant R to the condensing unit 20.
  • the liquid refrigerant R can easily spread along the inner peripheral surface of the connecting portion 30.
  • the connection part 30 it can prevent that the liquid refrigerant
  • coolant R condensed between the condensation fins 27 provided in the heat-transfer part 25 of the condensation part 20 remains, and the cooling performance of the vapor
  • connection part 30 is a straight pipe
  • phase change module 1 of the present embodiment while the height dimension is reduced, the phase change for evaporating the liquid refrigerant R and the phase change for condensing the vapor of the refrigerant R are smoothly performed.
  • the gas-phase and liquid-phase refrigerant R can be smoothly transferred and the cooling performance of the semiconductor element SD can be improved.
  • FIG. 4 is a schematic side view of the phase change module 1A according to Embodiment 2 of the cooling device of the present invention.
  • the connection part 23 of the condensing part 20 is provided on the condensation promoting plate 22, the end of the connecting part 30 is curved in front of the connecting part 23, and the connecting part 30 is the condensation promoting plate 22.
  • This is different from the phase change module 1 of the first embodiment in that it is open on the upper surface of the condenser, that is, the bottom surface of the condensing unit 20. Since the other points of the phase change module 1A of the present embodiment are the same as those of the phase change module 1 of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • phase change module 1A of the present embodiment since the connecting portion 30 is open on the upper surface of the condensation promoting plate 22, the liquid refrigerant R on the upper surface of the condensation promoting plate 22 easily flows into the connecting portion 30.
  • an inclined surface or a concave portion is provided on the upper surface of the condensation promoting plate 22 so that the height position of the opening of the connecting portion 30 is lowered, so that the liquid refrigerant R on the upper surface of the condensation promoting plate 22 easily flows into the connecting portion 30. You may do it. Since the liquid refrigerant R easily flows into the connecting portion 30, it is prevented from accumulating on the upper surface of the condensation promoting plate 22, and the cooling performance of the refrigerant R in the condensing portion 20 is improved. Therefore, according to the phase change module 1A of the present embodiment, the same effect as the phase change module 1 of the first embodiment can be obtained, and the cooling performance of the semiconductor element SD can be improved.
  • Embodiment 3 of the semiconductor element cooling device of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a phase change module 1B according to Embodiment 3 of the cooling device of the present invention.
  • the connecting part 30 is curved and connected to one end of the condensing part 20 in the width W2 direction, and the steam introducing part 24 of the condensing part 20 is provided at one end of the condensing part 20 in the width W2 direction.
  • This is different from the phase change module 1 of the first embodiment. Since the other points of the phase change module 1B of the present embodiment are the same as those of the phase change module 1 of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the connecting part 30 is curved and connected to one end of the condensing part 20 in the width W2 direction. Therefore, according to the phase change module 1B of the present embodiment, not only the same effects as those of the phase change module 1 of the first embodiment can be obtained, but also the semiconductor element SD, the cooling fan CF, etc. on the circuit board CB of the electronic device. It is possible to arrange the positions of the evaporation unit 10 and the condensation unit 20 at positions different from those of the phase change module 1 of the first embodiment according to the layout of the components.
  • Embodiment 4 of the semiconductor element cooling device of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a schematic side view of a phase change module 1C according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the cooling unit 40 provided on the lower surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20 is configured by a water cooling unit 50 that is thermally connected to the condensing unit 20. This is different from the phase change module 1 of the first embodiment. Since the other points of the phase change module 1C of the present embodiment are the same as those of the phase change module 1 of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the water cooling unit 50 provided in the phase change module 1C of the present embodiment is connected to the water cooling jacket 51 that is provided on the lower surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20 to cool the condensation promoting plate 22, and the water cooling jacket 51 and the pipe 52.
  • a radiator 53, and a pump 56 that is connected to the radiator 53 and the water cooling jacket 51 by pipes 54 and 55 and circulates the coolant in the system of the water cooling section 50.
  • the cooling liquid sent out by the pump 56 flows into the water cooling jacket 51 and cools the lower surface of the condensation promoting plate 22 of the condensing unit 20.
  • the coolant whose temperature rises in the water cooling jacket 51 is discharged from the water cooling jacket 51 and flows into the radiator 53, and is cooled by releasing heat into the air blown by the air fan 53F.
  • the coolant whose temperature has decreased in the radiator 53 is discharged from the radiator 53, flows into the pump 56, and is sent out by the pump 56 again.
  • phase change module 1C of the present embodiment by cooling the condensing unit 20 by the water cooling unit 50, the cooling performance of the vapor of the refrigerant R in the condensing unit 20 is improved, and the cooling performance of the semiconductor element SD is improved. Can do.
  • the radiator 53 and the pump 56 are connected to the housing of the electronic device. It may be arranged outside the body and shared among a plurality of electronic devices. Thereby, the increase in the height dimension of the electronic device due to the installation of the radiator 53 and the pump 56 can be prevented.
  • Embodiment 5 of the semiconductor element cooling apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8 with reference to FIGS.
  • FIG. 7 is a schematic side view of a phase change module 1D according to Embodiment 5 of the present invention.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII shown in FIG.
  • the phase change module 1D of the present embodiment is different from the phase change module 1 of the first embodiment in that a plurality of cooling fins 31 are provided on the outer peripheral surface of the connecting portion 30. Since the other points of the phase change module 1D of the present embodiment are the same as those of the phase change module 1 of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the connecting portion 30 of the phase change module 1D of the present embodiment includes a plurality of thin cooling fins 31 extending along the longitudinal direction on the outer peripheral surface.
  • the cooling fins 31 are provided radially in the radial direction in the cross-sectional view of the connecting portion 30.
  • the heat radiation area of the connection part 30 increases, the temperature of the connection part 30 decreases, the gas-phase and liquid-phase refrigerant R flowing in the connection part 30 is cooled, and the cooling performance of the semiconductor element SD in the evaporation part 10 And the cooling performance of the vapor
  • the cooling fins 31 do not necessarily have to be provided radially, and may be arranged in a flat plate shape along the horizontal direction, for example. Thereby, the height dimension of the cooling fin 31 can be reduced.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a phase change module 1E according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the phase change module 1E of the present embodiment is different from the phase change module 1 of the first embodiment in that the connection unit 30 is not provided and the evaporation unit 10 and the condensation unit 20 are directly connected. Since the other points of the phase change module 1E of the present embodiment are the same as those of the phase change module 1 of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • phase change module 1E of the present embodiment not only the same effects as those of the phase change module 1 of the first embodiment can be obtained, but the phase change module 1 can be In addition to downsizing, it is possible to reduce costs by reducing the amount of material used.
  • FIG. 10 is an external perspective view of the rack 200 in which the server 100 according to the embodiment of the present invention is stored.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing an example of a schematic configuration in the housing 101 of the server 100 shown in FIG.
  • FIG. 12 is a plan view schematically showing a schematic configuration in the housing 101 of the server 100 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a plan view schematically showing a modification of the server 100 shown in FIG. 11 to 13 show a state in which the lid that covers the upper portion of the housing 101 of the server 100 is removed.
  • a plurality of servers 100 which are examples of the electronic apparatus of the present invention, are stacked and accommodated in a rack 200 in the vertical direction.
  • the rack 200 includes a rack main body 201 that accommodates a plurality of servers 100, a door 202 attached to the rack main body 201, and a rail portion 203 that supports the casing 101 of each server 100, and each server can be taken out. Is housed in.
  • the rack 200 is a so-called 19-inch rack in which, for example, the horizontal interval between the screws of the device mounting posts is 19 inches, and the height of the housing 101 of each server 100 is, for example, within 1 U (44.45 mm). It is said to be high.
  • a plurality of hard disk drives 102 which are large-capacity recording devices, are arranged side by side on the front surface 101f side inside the housing 101 of the server 100 in consideration of maintainability.
  • the hard disk drive 102 is one of the heat sources that have a relatively high temperature inside the housing 101. Therefore, a plurality of cooling fans CF for cooling the hard disk drive 102 are provided adjacent to the hard disk drive 102. In the present embodiment, four cooling fans CF are adjacent to the three hard disk drives 102.
  • a block 103 that houses a cooling fan CF and a LAN that is an interface of a power source and communication means is provided.
  • the circuit board CB is arranged.
  • the circuit board CB includes a semiconductor element SD such as a CPU and phase change modules 1 and 1B that are the semiconductor element cooling devices described in the first and third embodiments.
  • the server 100 of the present embodiment a plurality of servers 100 with high-performance semiconductor elements SD mounted in the rack 200 can be stored at high density, and the processing speed can be greatly improved.
  • the condensing units 20 and 20 of the phase change modules 1 and 1B are arranged adjacent to the cooling fan CF that cools the hard disk drive 102. Therefore, the hard disk drive 102 and the phase change modules 1 and 1B can share the cooling fan CF. Thereby, compared with the case where the cooling fan CF only for phase change modules 1 and 1B is newly installed, a structure can be simplified and cost can be reduced.
  • phase change modules 1 and 1B as the semiconductor cooling device, the power of a pump or the like is not required because the refrigerant R is circulated, and the server 100 having excellent cooling performance of the semiconductor element SD and excellent energy saving is provided. It becomes possible to provide. Furthermore, the phase change modules 1 and 1B have a relatively high heat exchange efficiency and a relatively simple structure. Therefore, even in an electronic device such as the server 100 that requires high-density mounting, the phase change modules 1 and 1B can be arranged with a relatively high degree of freedom.
  • a plurality of cooling fans CF are arranged for the condensing units 20 and 20 of the phase change modules 1 and 1B. More specifically, in the example shown in FIGS. 12 and 13, two cooling fans CF are arranged adjacent to each condenser 20. Thus, even if one of the two cooling fans CF adjacent to each condensing unit 20 stops, the condensing unit 20 can be cooled by the other cooling fan CF, and the redundancy of the phase change modules 1 and 1B Will improve.
  • the end of the connecting portion 30 connected to the condensing unit 20 has a small area facing the condensing unit 20 among the two cooling fans CF adjacent to the condensing unit 20. It is preferable to connect with the position which opposes. Thereby, even if any one cooling fan CF stops, the influence with respect to the cooling performance of the condensation part 20 can be reduced.
  • the three cooling fans CF are provided for the two condensing units 20 of the two phase change modules 1 and 1B, and 1.5 are provided for the single condensing unit 20.
  • the cooling fans CF are adjacent to each other. Therefore, when the cooling fan CF with a large opposing area stops, the condensing unit 20 is cooled by the remaining 0.5 cooling fans CF. In this case, the heat radiation amount is reduced in the range of about 2/3 of the condensing unit 20.
  • the cooling performance of the CPU must be maintained at a minimum level during that time.
  • the refrigerant flows evenly throughout the entire device. Therefore, if the effective heat radiation area is reduced to 1/3, the cooling performance of the refrigerant is reduced correspondingly and the temperature of the CPU is directly increased. There is a risk of affecting.
  • the server 100 of the present embodiment in the range where the condensing unit 20 is not cooled, the condensation of the vapor of the refrigerant R is inhibited, and the vapor of the refrigerant R concentrates in the remaining part. Since the vapor of the refrigerant R concentrated in a part of the condensing unit 20 has a high flow velocity, the vapor of the liquid refrigerant R in the condensing unit 20 is swept away, and the condensing performance in the heat transfer unit 25 of the condensing unit 20 is improved. Thereby, the cooling performance of the CPU by the phase change modules 1 and 1B can be maintained within an allowable range. Therefore, according to the server 100 of this embodiment, it is possible to improve redundancy with a smaller number of cooling fans CF.
  • SYMBOLS 1, 1A-1E Phase change module (semiconductor element cooling device), 10 ... Evaporating part, 20 ... Condensing part, 24 ... Steam introduction part, 25 ... Heat transfer part, 26 ... Refrigerant reflux part, 27 ... Condensing fin, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Connection part, 31 ... Cooling fin, 40 ... Cooling part, 41 ... Cooling fin, 50 ... Water cooling part, 100 ... Server (electronic device), D2 ... Depth of condensing part, R ... Refrigerant, SD ... Semiconductor element, W1 ... Dimension of evaporation part, W2 ... Width of condensation part

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Abstract

　半導体素子（ＳＤ）を冷媒（Ｒ）の相変化によって冷却する半導体素子冷却装置（１）であって、内部に貯留した液状の冷媒を半導体素子の熱によって気化させる蒸発部（１０）と、蒸発部に連結され、蒸発部から導入した冷媒の蒸気を凝縮させて液状の冷媒を蒸発部へ還流させる凝縮部（２０）と、を備える。凝縮部は、蒸発部内の冷媒の液面よりも高い位置に配置され、蒸発部と鉛直方向に重ならない位置でかつ少なくとも一部が水平方向に重なる位置に配置されている。これにより、相変化方式によって半導体素子を効率よく冷却しつつ、半導体素子冷却装置の鉛直方向の高さ寸法を低減することができる。

Description

半導体素子冷却装置および電子機器
　本発明は、半導体素子冷却装置およびそれを搭載した電子機器に関する。
　例えば、サーバ、記憶装置、およびネットワーク機器等の電子機器においては、中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体素子を搭載した回路基板が、ハードディスク装置等と共に箱状の筐体内に高密度に収容されている。処理速度の向上などにより、動作中の半導体素子の発熱量は、益々増大する傾向にある。一般に、半導体素子は、所定の温度を超えると性能が低下する虞がある。このため、半導体素子は、冷却による温度管理が必要とされ、発熱量の増大する半導体素子を効率的に冷却する技術が強く求められている。
　ＣＰＵ等の発熱源を搭載する電子機器では、従来、空冷式の冷却装置が多く採用されているが、その冷却能力は既に限界に近づいている。そのため、より効率のよい冷却方式が期待されており、例えば、冷媒を利用した相変化方式の冷却装置が注目されている。
　相変化方式の冷却装置の一例として、密閉された容器の下側に発熱体を冷却する沸騰部を有し、上側に放熱部と熱的に接続された凝縮部を有し、容器内の沸騰面が浸かるように冷媒が内部に封入されているサーモサイフォンが知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載の電子機器冷却装置では、冷媒の液面と凝縮部の間にメッシュを配置して、沸騰による音を低減している。
　また、半導体素子が押圧される沸騰部の内部に沸騰フィンが備えられ、冷媒が封入された半導体冷却装置が知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。特許文献２に記載の半導体冷却装置では、沸騰部の上部にパイプが接合され、沸騰部内部とパイプ内部とが連通している。また、パイプには複数枚の放熱フィンが取り付けられている。
特開２０１３－２６３６２公報 特開平６－１２０３８２公報
　前記したような電子機器において処理速度をさらに向上させるためには、処理速度の向上によって発熱量が増大した半導体素子を効率よく冷却しつつ、電子機器を小型化してラックに高密度に収納する必要がある。特に、前記のような電子機器は、鉛直方向に積層して収納することが多いため、鉛直方向の高さ寸法を低減することが重要になる。
　しかし、前記特許文献１に記載の冷却装置では、冷媒を蒸発させる部分と冷媒の蒸気を凝縮させる部分が、鉛直方向の上下に互いに重なる位置に配置されている。また、前記特許文献２に記載の冷却装置では、沸騰部の上部からパイプが上方に延びている。したがって、従来の冷却装置およびそれを搭載する電子機器は、鉛直方向の高さ寸法を低減することが困難であった。
　本発明は、前記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、相変化方式によって半導体素子を効率よく冷却しつつ、鉛直方向の高さ寸法を低減することができる半導体素子冷却装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。
　前記目的を達成する本発明の半導体素子冷却装置は、半導体素子を冷媒の相変化によって冷却する半導体素子冷却装置であって、内部に貯留した液状の前記冷媒を前記半導体素子の熱によって気化させる蒸発部と、該蒸発部に連結され、該蒸発部から導入した前記冷媒の蒸気を凝縮させて液状の前記冷媒を前記蒸発部へ還流させる凝縮部と、を備え、前記凝縮部は、前記蒸発部内の前記冷媒の液面よりも高い位置に配置され、前記蒸発部と鉛直方向に重ならない位置でかつ少なくとも一部が水平方向に重なる位置に配置されていることを特徴とする。
　本発明の半導体素子冷却装置は、蒸発部と凝縮部とが、鉛直方向に互いに重ならない位置でかつ少なくとも一部が水平方向に互いに重なる位置に配置されているので、装置全体の高さ寸法を従来よりも減少させることができる。したがって、本発明の半導体素子冷却装置によれば、相変化方式によって半導体素子を効率よく冷却しつつ、半導体素子冷却装置およびそれを備えた電子機器の高さ寸法を低減することができる。
本発明の実施形態１に係る冷却装置の模式的な側面図。 図１のII－II線に沿う模式的な断面図。 図１の冷却装置の模式的な正面図。 本発明の実施形態２に係る冷却装置の模式的な側面図。 本発明の実施形態３に係る冷却装置の模式的な断面図。 本発明の実施形態４に係る冷却装置の模式的な側面図。 本発明の実施形態５に係る冷却装置の模式的な側面図。 図７に示すVIII-VIII線に沿う断面図。 本発明の実施形態６に係る冷却装置の模式的な断面図。 本発明の実施形態に係る電子機器を収納するラックの外観斜視図。 図１０に示す電子機器の筐体内の概略構成を模式的に示す斜視図。 図１０に示す電子機器の筐体内の概略構成を模式的に示す平面図。 図１２に示す電子機器の変形例を模式的に示す平面図。
［半導体素子冷却装置］
　以下、本発明の半導体素子冷却装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
　図１は、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態１に係る相変化モジュール１の模式的な側面図である。図２は、図１に示すII－II線に沿う相変化モジュール１の模式的な断面図である。図３は、図１に示す相変化モジュール１を、蒸発部１０から凝縮部２０へ向く方向に見た模式的な正面図である。なお、図２および図３において、回路基板ＣＢ等の図示は省略している。
　本実施形態の相変化モジュール１は、例えば、サーバ、記憶装置、およびネットワーク機器等の電子機器が備える回路基板ＣＢに搭載された中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体素子ＳＤを、冷媒の相変化によって冷却するサーモサイフォンを利用した半導体素子冷却装置である。相変化モジュール１は、内部に貯留した液状の冷媒Ｒを半導体素子ＳＤの熱によって気化させる蒸発部１０と、蒸発部１０に連結され、蒸発部１０から導入した冷媒Ｒの蒸気を凝縮させて液状の冷媒Ｒを蒸発部１０へ還流させる凝縮部２０と、を備えている。
　蒸発部１０は、内側に空間を有する椀状のケース１１と、半導体素子ＳＤに熱的に接続された気化促進板１２と、を備えた箱状の気密容器である。蒸発部１０は、半導体素子ＳＤの上面を覆うように配置され、例えば、気化促進板１２の周縁部に設けられた貫通孔に通したネジを回路基板ＣＢのネジ穴に締結することによって回路基板ＣＢ上に固定されている。ケース１１と気化促進板１２は、例えば、銅、アルミなど、熱伝導率に優れた金属材料を使用して製作することができる。ケース１１と気化促進板１２は、例えば、加圧溶接、ロウ付け等の適宜の接合方法によって接合されている。蒸発部１０の内部には、液状の冷媒Ｒが貯留されている。
　ケース１１は、例えば、前記した金属材料を深絞り加工することによって製作されている。ケース１１の側面には、蒸発部１０を凝縮部２０に連結するための接続部１３が開口されている。接続部１３には、管状の連結部３０の一端が気密に接続されている。接続部１３の高さ位置は、蒸発部１０の内部に貯留された冷媒Ｒの液面の高さ位置よりも高い位置に配置されていることが好ましい。また、ケース１１には、気化促進板１２を取り付けるための穴を設けてもよい。
　気化促進板１２は、半導体素子ＳＤの表面に熱的に接続される板状の部材である。気化促進板１２の下面には、例えば、熱伝導グリス１４が塗布されている。気化促進板１２は、この熱伝導グリス１４を介して半導体素子ＳＤの上面に密着している。気化促進板１２の上面は、蒸発部１０の内部に貯留された冷媒Ｒに半導体素子ＳＤの熱を伝える沸騰伝熱面１５とされている。沸騰伝熱面１５は、水平方向に沿って設けられ、例えば、半導体素子ＳＤの上面の面積に対応する所定の面積を有している。
　沸騰伝熱面１５は、例えば、微小孔を多数備えた多孔構造を有している。沸騰伝熱面１５は、多数の微小孔によって形成された微小な凹凸を有し、蒸発部１０の内部に面して多数の微小孔内に液状の冷媒Ｒを保持している。沸騰伝熱面１４の多孔構造は、例えば、鉛直方向において半導体素子ＳＤに重なる気化促進板１２の中央部に設けられている。なお、気化促進板１２とケース１１を一体構造にしてケース１１の内表面に同様の多孔構造を設けてもよい。
　冷媒Ｒは、液体の状態において、その表面張力が水の表面張力よりも小さいことが好ましい。冷媒Ｒとして、例えば、フロン系冷媒を用いることができる。より具体的には、例えば、住友スリーエム社製のノベック（登録商標）またはフロリナート（登録商標）のような、表面張力および粘度が低く、熱的、化学的安定性が高い冷媒Ｒを用いることが好ましい。例えば、１００Ｗ程度のＣＰＵ（半導体パッケージ）では、２５ｃｃ～４５ｃｃの冷媒体積が適正である。この冷媒量は、沸騰面から１ｃｍ～２ｃｍ程度の水位を確保でき、発熱体での液枯の可能性をより効果的に減少できる。
　凝縮部２０は、内側に空間を有する椀状のケース２１と、冷媒Ｒの蒸気の凝縮を促進させる凝縮促進板２２と、を備えた箱状の気密容器である。ケース２１の側面の下方には、凝縮部２０を蒸発部１０に連結するための接続部２３が設けられている。接続部２３は、ケース２１の側面に開口され、下端が凝縮部２０の底面、すなわち凝縮促進板２２の上面の高さ位置に位置し、管状の連結部３０が気密に接続されている。凝縮部２０は、少なくとも凝縮促進板２２の上面が、蒸発部１０内の冷媒Ｒの液面よりも高い位置に配置されている。
　また、凝縮部２０は、蒸発部１０と鉛直方向に重ならない位置で、かつ少なくとも一部が水平方向に重なる位置に配置されている。なお、本実施形態において、凝縮部２０は、全体が蒸発部１０と水平方向に重なる位置に配置されている。凝縮部２０は、図２に示すように、蒸気導入部２４と、伝熱部２５と、冷媒還流部２６とを有している。
　蒸気導入部２４は、冷媒Ｒの蒸気を水平方向に沿って凝縮部２０の内部に導入する部分である。蒸気導入部２４において、凝縮促進板２２の表面は平坦であり、蒸発部１０から導入された冷媒Ｒの蒸気は、凝縮促進板２２の表面に沿って円滑に流れる。したがって、蒸気導入部２４の蒸発部１０に近い位置に導入された冷媒Ｒの蒸気は、大きな抵抗を受けることなく、蒸発部１０から遠い位置まで円滑に導入される。
　伝熱部２５は、蒸気導入部２４に隣接し、蒸気導入部２４から冷媒Ｒの蒸気が流入する部分である。伝熱部２５において、凝縮促進板２２の表面には、複数の凝縮フィン２７が鉛直方向に沿って立設されている。凝縮フィン２７は、蒸気導入部２４から冷媒Ｒの蒸気の導入方向と交差する水平方向に沿って延びている。
　冷媒還流部２６は、伝熱部２５を挟んで蒸気導入部２４と反対側に設けられた部分である。本実施形態では、凝縮部２０の中央部に冷媒Ｒの蒸気の導入方向に沿って蒸気導入部２４が設けられ、蒸気導入部２４の冷媒Ｒの蒸気の導入方向と交差する方向の両側に伝熱部２５が設けられ、さらにその外側で凝縮部２０の幅Ｗ２方向の両端部に冷媒還流部２６が設けられている。冷媒還流部２６は、伝熱部２５で凝縮した液状の冷媒Ｒを蒸発部１０に還流させる。
　なお、凝縮促進板２２の上面には、伝熱部２５で凝縮した液状の冷媒Ｒの蒸発部１０への還流を促進する傾斜や溝などを設けてもよい。例えば、凝縮促進板２２の上面の高さ位置が蒸発部１０または接続部２３に近いほど低くなるように傾斜を設け、液状の冷媒Ｒの蒸発部１０への還流を促進するようにしてもよい。また、接続部２３に液状の冷媒Ｒを集めるように傾斜した溝や凹部などを設け、液状の冷媒Ｒの蒸発部１０への還流を促進するようにしてもよい。また、凝縮フィン２７を蒸気導入部２４の冷媒Ｒの蒸気の導入方向に対して所定の角度で傾斜するようにしてもよい。
　凝縮部２０の幅Ｗ２方向の寸法は、奥行Ｄ２方向の寸法よりも大きく、かつ凝縮部２０の幅Ｗ２方向に沿う蒸発部１０の幅Ｗ１方向の寸法よりも大きくなっている。ここでは、蒸気導入部２４における冷媒Ｒの蒸気の導入方向に沿う水平方向を凝縮部２０の奥行Ｄ２方向とし、奥行Ｄ２方向に垂直な水平方向、すなわち蒸気導入部２４における冷媒Ｒの蒸気の導入方向に交差する方向を、凝縮部２０の幅Ｗ２方向としている。蒸発部１０に対向する凝縮部２０の側面の幅Ｗ２方向の中央部で鉛直方向の下方側に設けられた接続部２３には、管状の連結部３０が接続されている。
　図１および図３に示すように、凝縮部２０の凝縮促進板２２の下面には、凝縮促進板２２と一体的に設けられて凝縮部２０に熱的に接続され、凝縮部２０の伝熱部２５およびその他の部分を冷却する冷却部４０が設けられている。本実施形態の冷却部４０は、凝縮部２０の外側に設けられた複数の冷却フィン４１によって構成されている。複数の冷却フィン４１は、凝縮部２０の奥行Ｄ２方向および鉛直方向に沿う薄板状に形成され、凝縮部２０の幅Ｗ２方向に間隔を開けて互いに平行に配置されている。冷却部４０の側方には、冷却ファンＣＦが配置されている。冷却ファンＣＦは、凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に沿って複数の冷却フィン４１の間に空気を送風して冷却フィン４１の放熱を促進させる。
　本実施形態の相変化モジュール１は、蒸発部１０と凝縮部２０を連結する管状の連結部３０を備えている。連結部３０は、一端が蒸発部１０の側面の冷媒Ｒの液面よりも高い位置に設けられた接続部１３に連結され、他端が凝縮部２０の底面、すなわち凝縮促進板２２の上面の高さ位置に設けられた凝縮部２０の接続部２３に連結されている。これにより、凝縮部２０の側面の接続部２３に連結された連結部３０の端部の開口の少なくとも一部と、開口に隣接する凝縮促進板２２の上面とが同じ高さ位置に位置している。
　また、連結部３０の高さ位置は、蒸発部１０から凝縮部２０に向けて漸次高くなっている。すなわち、連結部３０の高さ位置は、蒸発部１０の接続部１３において最も低く、凝縮部２０の接続部２３において最も高くされている。連結部３０は、平面視で凝縮部２０の奥行Ｄ２方向、すなわち蒸気導入部２４の延在方向に平行な直管である。なお、連結部３０の形状は、凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に沿って蒸気導入部２４に冷媒Ｒの蒸気を導入することができる形状であれば特に限定されない。例えば、連結部３０は、Ｌ字管、Ｓ字管または可撓性配管のように、途中で湾曲していてもよい。
　連結部３０は、蒸発部１０から凝縮部２０へ冷媒Ｒの蒸気を供給するのと同時に、凝縮部１０から蒸発部２０へ液状の冷媒Ｒを還流させる。すなわち、連結部３０は、気相の冷媒Ｒと液相の冷媒Ｒを同時に逆方向に流通させる。そのために、連結部Ｒの内径は、例えば、冷却する半導体素子ＳＤの発熱量が１００Ｗクラスで、蒸発部１０の内部に貯留される液状の冷媒Ｒの体積が約２５ｃｃから約４５ｃｃまでの範囲である場合には、例えば、約１５ｍｍから約２５ｍｍまでの範囲であることが好ましい。
　以下、本実施形態の相変化モジュール１の作用について説明する。
　従来の相変化を利用した半導体素子ＳＤの冷却装置では、半導体素子ＳＤの冷却性能が重視され、鉛直方向の高さ寸法についてはあまり問題視されていなかった。そのため、従来の冷却装置では、冷媒Ｒを蒸発させる部分と冷媒Ｒの蒸気を凝縮させる部分を、鉛直方向の上下に互いに重なる位置に配置し、鉛直方向の寸法を比較的大きくとることで、要求される冷却性能を満足させていた。
　これに対し、本実施形態の相変化モジュール１は、蒸発部１０と凝縮部２０とを、鉛直方向に重ならない位置で、かつ少なくとも一部が水平方向に重なる位置に配置している。これにより、相変化モジュール１の鉛直方向の高さ寸法を従来よりも低減することができる。さらに、本実施形態では、凝縮部２０の全体が、蒸発部１０と水平方向に重なる位置に配置されている。これにより、相変化モジュール１の鉛直方向の高さ寸法をより低減することが可能になる。
　また、本実施形態の相変化モジュール１によれば、前記したように相変化モジュール１の鉛直方向の高さ寸法を低減させつつ、以下に説明するように、冷媒Ｒの相変化を利用して半導体素子ＳＤを効率よく冷却することができる。
　相変化モジュール１の蒸発部１０は、回路基板ＣＢ上の半導体素子ＳＤの上面に配置された気化促進板１２を介して、半導体素子ＳＤに熱的に接続されている。そのため、半導体素子ＳＤの動作中に発生した熱は、気化促進板１２に伝達される。ここで、気化促進板１２は、熱伝導グリス１４を介して半導体素子ＳＤの上面に密着している。これにより、気化促進板１２と半導体素子ＳＤとの良好な熱的接合が確保され、半導体素子ＳＤの熱が気化促進板１２へ効率よく伝達される。
　半導体素子ＳＤの熱が気化促進板１２へ伝達されることで、蒸発部１０の内部に貯留された液状の冷媒Ｒを保持する沸騰伝熱面１５の温度が上昇し、液状の冷媒Ｒが沸騰伝熱面１５によって加熱される。ここで、沸騰伝熱面１５は、水平方向に沿って拡がる面であり、微小孔を多数備えた多孔構造を有している。そのため、沸騰伝熱面１５に伝達される熱量が少ないときは、液状の冷媒Ｒが沸騰伝熱面１５に含浸して微小孔を満たしている。一方、沸騰伝熱面１５に伝達される熱量が大きいときは微小孔を満たす液状の冷媒Ｒが減圧下で沸騰して蒸発し、微小孔内の液状の冷媒Ｒが減少して水位が低くなる。
　微小孔内の液状の冷媒Ｒは、水位が低くなることで蒸発が促進される。そのため、気化促進板１２の放熱性能が向上し、熱輸送量が増加する。すなわち、気化促進板１２の沸騰伝熱面１５が多孔構造を有することで、伝達される熱量の増加に伴う温度上昇によって蒸発が促進される。加えて、蒸発部１０内の冷媒Ｒの蒸気量の増加によって、液状の冷媒Ｒの蒸発がさらに促進される。そのため、気化促進板１２に伝達される熱量が大きいほど、熱輸送量が大幅に増加して効率が向上する。したがって、気化促進板１２は、液状の冷媒Ｒが枯渇しない限り、安定した蒸発性能（気化性能）を発揮する。
　蒸発部１０で蒸発した冷媒Ｒの蒸気は、蒸発部１０のケース１１の側面に開口する接続部１３から連結部３０内に流入する。ここで、接続部１３の高さ位置が、蒸発部１０の内部に貯留された液状の冷媒Ｒの液面の高さ位置よりも高い位置に設けられることで、蒸発部１０内の液状の冷媒Ｒが連結部３０内に流入することが防止される。
　連結部３０に流入した冷媒Ｒの蒸気は、連結部３０を通って凝縮部２０のケース２１の側面の接続部２３に達し、凝縮部２０の蒸気導入部２４へ導入される。ここで、蒸気導入部２４において、凝縮促進板２２の上面は、水平方向に沿った平坦面とされ、冷媒Ｒの蒸気を導入する凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に障害物を有していない。そのため、蒸発部１０に近い凝縮部２０の奥行Ｄ２方向の手前側の位置に導入された冷媒Ｒの蒸気を、蒸気導入部２４によって、蒸発部１０から遠い凝縮部２０の奥行Ｄ２方向の奥側の位置まで円滑に導入することができる。
　蒸気導入部２４へ導入された冷媒Ｒの蒸気は、凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に流れる過程で、導入された方向に交差する方向に延びる複数の凝縮フィン２７によって伝熱部２５に導かれる。ここで、複数の凝縮フィン２７は、蒸気導入部２４に隣接して、冷媒Ｒの蒸気の導入方向、すなわち凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に間隔を開けて並んでいる。これにより、冷媒Ｒの蒸気を複数の凝縮フィン２７の間に効率よく導入し、凝縮部２０の奥行Ｄ２方向の全体に亘って冷媒Ｒの蒸気を効率よく冷却することができる。また、複数の凝縮フィン２７によって伝熱部２５と冷媒Ｒの蒸気との間の伝熱面積が増加し、冷媒Ｒの蒸気の冷却性能を向上させることができる。
　また、凝縮部２０の凝縮促進板２２の下面には、複数の冷却フィン４１によって構成された冷却部４０が設けられ、冷却部４０の側方には、冷却ファンＣＦが配置されている。これにより、冷却ファンＣＦの送風によって複数の冷却フィン４１の間に空気を流し、冷却フィン４１の熱を空気中に効率よく放熱させ、凝縮部２０の伝熱部２５およびその他の部分を効率よく冷却することができる。
　さらに、凝縮部２０の幅Ｗ２方向の寸法は、奥行Ｄ２方向の寸法よりも大きく、かつ凝縮部２０の幅Ｗ２方向に沿う蒸発部１０の寸法Ｗ１よりも大きくなっている。これにより、凝縮部２０において、伝熱部２５の放熱面積を大きくとることができ、相変化モジュール１の冷却性能をさらに向上させることができる。
　仮に、蒸発部１０における沸騰伝熱面１５と冷媒Ｒの蒸気との温度差が、凝縮部２０における伝熱部２５と冷媒Ｒの蒸気との温度差と等しいとすると、凝縮部２０の伝熱面積は、沸騰伝熱面１５の伝熱面積の３倍程度が必要になる。このような場合でも、凝縮部２０の幅Ｗ２方向の寸法を、蒸発部１０の幅Ｗ２方向の寸法Ｗ１よりも大きくすることで、伝熱部２５の放熱面積を確保することが可能になる。
　また、凝縮部２０の幅Ｗ２方向の寸法を、奥行Ｄ２方向の寸法よりも大きくすることで、蒸気導入部２４から伝熱部２５に導入した蒸気を、比較的温度が高い蒸気導入部２４から離れた比較的温度が低い位置まで導入して冷却することができる。したがって、凝縮部２０の冷却性能を向上させることができる。
　凝縮部２０の伝熱部２５に導入された冷媒Ｒの蒸気は、伝熱部２５において凝縮フィン２７および凝縮促進板２２との熱交換によって冷却されて凝縮し、液状の冷媒Ｒに戻る。ここで、冷媒還流部２６は、蒸気導入部２４に導入される冷媒Ｒの蒸気の下流側の伝熱部２５のさらに下流側に設けられている。そのため、伝熱部２５で凝縮した液状の冷媒Ｒは、下流側の冷媒還流部２６に流入する。液状の冷媒Ｒは、さらにケース２１の内表面に沿って冷媒還流部２６を流れ、蒸発部１０から遠い凝縮部２０の奥側の位置から蒸発部１０に近い手前側の位置に集まって、ケース２１の側面に開口した接続部２３から流出する。
　ここで、少なくとも凝縮部２０の底面、すなわち凝縮促進板２２の上面が、蒸発部１０内の冷媒Ｒの液面よりも高い位置に配置されている。また、蒸発部１０と凝縮部２０を連結する連結部３０は、一端が蒸発部１０の接続部１３に連結され、他端が凝縮促進板２２の上面の高さ位置に設けられた凝縮部２０の接続部２３に連結されている。そのため、冷媒還流部２６によって回収された液状の冷媒Ｒが、凝縮促進板２２の上面から連結部３０の開口に流入しやすくなる。これにより、凝縮促進板２２の上面に液状の冷媒Ｒが溜まることが抑制され、伝熱部２５における冷媒Ｒの蒸気の凝縮が促進される。
　また、凝縮部２０の凝縮促進板２２の上面が、蒸発部１０内の冷媒Ｒの液面よりも高い位置に配置されることで、凝縮促進板２２の上面から連結部３０の開口に流入した液状の冷媒Ｒが重力によって凝縮部２０から蒸発部１０へ還流する。ここで、例えば、前記したように液状の冷媒Ｒの体積に応じて連結部３０の内径を設定することで、凝縮部２０から蒸発部１０への液状の冷媒Ｒの流れが、蒸発部１０から凝縮部２０への冷媒Ｒの蒸気の流れによって阻害されることが防止される。
　また、液体の状態における表面張力が水の表面張力よりも小さい冷媒Ｒを使用することで、液状の冷媒Ｒが連結部３０の内周面に沿って拡がりやすくなる。これにより、連結部３０内で、凝縮部２０から蒸発部１０への液状の冷媒Ｒ流れが、逆方向の冷媒Ｒの蒸気の流れによって阻害されるのを防止することができる。加えて、凝縮部２０の伝熱部２５に設けられた凝縮フィン２７の間に凝縮した冷媒Ｒが残留することが抑制され、凝縮部２０における冷媒Ｒの蒸気の冷却性能が向上する。このような効果は、フロン系冷媒を用いることによって効果的に得ることができる。特に、前記したノベック（登録商標）、フロリナート（登録商標）またはこれらの同等品を冷媒Ｒとして用いることで、より顕著な効果を得ることができる。
　また、連結部３０の高さ位置は、蒸発部１０から凝縮部２０に向けて漸次高くなっている。そのため、連結部３０の途中で液状の冷媒Ｒが留まることが防止され、冷媒Ｒの蒸気の流れが阻害されることを防止できる。また、連結部３０は、平面視で凝縮部２０の奥行Ｄ２方向に平行な直管であるため、連結部３０の内部を流れる流体に対する圧力損失を低減することができる。
　以上説明したように、本実施形態の相変化モジュール１によれば、高さ寸法を低減しつつ、液状の冷媒Ｒを蒸発させる相変化と冷媒Ｒの蒸気を凝縮させる相変化を円滑に行うと共に、気相および液相の冷媒Ｒの往還を円滑にして、半導体素子ＳＤの冷却性能を向上させることができる。
（実施形態２）
　次に、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態２について、図２および図３を援用し、図４を用いて説明する。
　図４は、本発明の冷却装置の実施形態２に係る相変化モジュール１Ａの模式的な側面図である。
　本実施形態の相変化モジュール１Ａは、凝縮部２０の接続部２３が凝縮促進板２２に設けられ、連結部３０の端部が接続部２３の手前で湾曲し、連結部３０が凝縮促進板２２の上面、すなわち凝縮部２０の底面に開口している点で、実施形態１の相変化モジュール１と異なっている。本実施形態の相変化モジュール１Ａのその他の点は、実施形態１の相変化モジュール１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
　本実施形態の相変化モジュール１Ａでは、連結部３０が凝縮促進板２２の上面に開口しているので、凝縮促進板２２の上面の液状の冷媒Ｒが連結部３０に流入しやすくなる。なお、連結部３０の開口の高さ位置が低くなるように凝縮促進板２２の上面に傾斜面や凹部を設け、凝縮促進板２２の上面の液状の冷媒Ｒが連結部３０により流入しやすくなるようにしてもよい。液状の冷媒Ｒが連結部３０に流入しやすくなることで、凝縮促進板２２の上面に溜まることが防止され、凝縮部２０における冷媒Ｒの蒸気の冷却性能が向上する。したがって、本実施形態の相変化モジュール１Ａによれば、実施形態１の相変化モジュール１と同様の効果が得られ、半導体素子ＳＤの冷却性能を向上させることができる。
（実施形態３）
　次に、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態３について、図１および図３を援用し、図５を用いて説明する。
　図５は、本発明の冷却装置の実施形態３に係る相変化モジュール１Ｂの模式的な断面図である。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｂは、連結部３０が湾曲して凝縮部２０の幅Ｗ２方向の一端に連結され、凝縮部２０の蒸気導入部２４が凝縮部２０の幅Ｗ２方向の一端に設けられている点で、実施形態１の相変化モジュール１と異なっている。本実施形態の相変化モジュール１Ｂのその他の点は、実施形態１の相変化モジュール１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｂでは、連結部３０が湾曲して凝縮部２０の幅Ｗ２方向の一端に連結されている。したがって、本実施形態の相変化モジュール１Ｂによれば、実施形態１の相変化モジュール１と同様の効果が得られるだけでなく、電子機器の回路基板ＣＢ上の半導体素子ＳＤ、冷却ファンＣＦ、その他の部品のレイアウトに応じて、蒸発部１０と凝縮部２０の位置を実施形態１の相変化モジュール１と異なる位置に配置することが可能になる。
（実施形態４）
　次に、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態４について、図２を援用し、図６を用いて説明する。
　図６は、本発明の実施形態４に係る相変化モジュール１Ｃの模式的な側面図である。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｃは、凝縮部２０の凝縮促進板２２の下面に設けられた冷却部４０が、凝縮部２０に熱的に接続された水冷部５０によって構成されている点で、実施形態１の相変化モジュール１と異なっている。本実施形態の相変化モジュール１Ｃのその他の点は、実施形態１の相変化モジュール１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｃが備える水冷部５０は、凝縮部２０の凝縮促進板２２の下面に設けられて凝縮促進板２２を冷却する水冷ジャケット５１と、水冷ジャケット５１と配管５２で接続されたラジエータ５３と、ラジエータ５３および水冷ジャケット５１と配管５４，５５で接続されて水冷部５０の系内で冷却液を循環させるポンプ５６と、を備えている。
　ポンプ５６によって送出された冷却液は、水冷ジャケット５１に流入し、凝縮部２０の凝縮促進板２２の下面を冷却する。水冷ジャケット５１内で温度が上昇した冷却液は、水冷ジャケット５１から排出されてラジエータ５３に流入し、空気ファン５３Ｆが送風する空気中に熱を放出して冷却される。ラジエータ５３内で温度が低下した冷却液は、ラジエータ５３から排出されてポンプ５６に流入し、再びポンプ５６によって送出される。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｃによれば、水冷部５０によって凝縮部２０を冷却することで、凝縮部２０における冷媒Ｒの蒸気の冷却性能を向上させ、半導体素子ＳＤの冷却性能を向上させることができる。
　なお、本実施形態の相変化モジュール１Ｃを搭載するサーバ等の電子機器の筐体内には、水冷ジャケット５１と配管５２、５５の一部のみを配置し、ラジエータ５３およびポンプ５６を電子機器の筐体外に配置して複数の電子機器間で共有するようにしてもよい。これにより、ラジエータ５３およびポンプ５６の設置による電子機器の高さ寸法の増大を防止できる。
（実施形態５）
　次に、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態５について、図２および図３を援用し、図７および図８を用いて説明する。
　図７は、本発明の実施形態５に係る相変化モジュール１Ｄの模式的な側面図である。図８は、図７に示すVIII-VIII線に沿う断面図である。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｄは、連結部３０の外周面に複数の冷却フィン３１が設けられている点で、実施形態１の相変化モジュール１と異なっている。本実施形態の相変化モジュール１Ｄのその他の点は、実施形態１の相変化モジュール１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｄの連結部３０は、外周面に長手方向に沿って延びる薄板状の複数の冷却フィン３１を備えている。冷却フィン３１は、連結部３０の断面視で径方向に放射状に設けられている。これにより、連結部３０の放熱面積が増加して連結部３０の温度が低下し、連結部３０内を流れる気相および液相の冷媒Ｒが冷却され、蒸発部１０における半導体素子ＳＤの冷却性能および凝縮部２０における冷媒Ｒの蒸気の冷却性能が向上する。したがって、本実施形態の相変化モジュール１Ｄによれば、半導体素子ＳＤの冷却性能を向上させることができる。なお、冷却フィン３１は必ずしも放射状に設ける必要はなく、例えば水平方向に沿う平板状に配置することもできる。これにより、冷却フィン３１の高さ寸法を低減することができる。
（実施形態６）
　次に、本発明の半導体素子冷却装置の実施形態６について、図１および図３を援用し、図９を用いて説明する。
　図９は、本発明の実施形態６に係る相変化モジュール１Ｅの模式的な断面図である。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｅは、連結部３０を有さず、蒸発部１０と凝縮部２０が直接的に連結されている点で、実施形態１の相変化モジュール１と異なっている。本実施形態の相変化モジュール１Ｅのその他の点は、実施形態１の相変化モジュール１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
　本実施形態の相変化モジュール１Ｅによれば、実施形態１の相変化モジュール１と同様の効果を得られるだけでなく、蒸発部１０と凝縮部２０を直接連結することで、相変化モジュール１を小型化すると共に、材料の使用量を削減してコストを低減することが可能になる。
［電子機器］
　以下、発明の電子機器の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　図１０は、本発明の実施形態に係るサーバ１００が収納されるラック２００の外観斜視図である。図１１は、図１０に示すサーバ１００の筐体１０１内の概略構成の一例を模式的に示す斜視図である。図１２は、図１０に示すサーバ１００の筐体１０１内の概略構成を模式的に示す平面図である。図１３は、図１２に示すサーバ１００の変形例を模式的に示す平面図である。図１１から図１３は、サーバ１００の筐体１０１の上部を覆う蓋を取り外した状態を示している。
　図１０に示すように、本発明の電子機器の一例である複数のサーバ１００は、ラック２００内に鉛直方向に積層して収納される。ラック２００は、複数のサーバ１００を収容するラック本体２０１と、ラック本体２０１に取り付けられた扉２０２と、各サーバ１００の筐体１０１を支持するレール部２０３とを備え、個々のサーバを取り出し可能に収容している。ラック２００は、例えば、機器取り付け用の支柱のネジの水平間隔が１９インチとされた所謂１９インチラックであり、各サーバ１００の筐体１０１の高さは、例えば１Ｕ（４４．４５ｍｍ）以内の高さとされている。
　図１１および図１２に示すように、サーバ１００の筐体１０１内部の前面１０１ｆ側には、メンテナンス性を考慮して、大容量の記録装置である複数のハードディスクドライブ１０２が並べて配置されている。ハードディスクドライブ１０２は、筐体１０１内の比較的高温になる発熱源の一つである。そのため、ハードディスクドライブ１０２を冷却する複数の冷却ファンＣＦがハードディスクドライブ１０２に隣接して設けられている。本実施形態では、３つのハードディスクドライブ１０２に対して４つの冷却ファンＣＦが隣接している。
　また、筐体１０１内部の背面１０１ｂ側の一側には、冷却ファンＣＦと共に、電源や通信手段のインターフェイスであるＬＡＮ等を収納したブロック１０３が設けられている。筐体１０１内の残りの空間には、回路基板ＣＢが配置されている。回路基板ＣＢは、ＣＰＵ等の半導体素子ＳＤと、前述の実施形態１および３で説明した半導体素子冷却装置である相変化モジュール１、１Ｂと、を備えている。
　そのため、筐体１０１の高さが、例えば、１Ｕ以内に制限された場合であっても、発熱量の大きい高性能の半導体素子ＳＤを、冷却性能の高い相変化モジュール１、１Ｂによって冷却することができる。したがって、本実施形態のサーバ１００によれば、ラック２００内に高性能の半導体素子ＳＤを搭載した複数のサーバ１００を高密度に収納して、処理速度を大幅に向上させることが可能になる。
　また、本実施形態のサーバ１００では、ハードディスクドライブ１０２を冷却する冷却ファンＣＦに隣接して相変化モジュール１、１Ｂの凝縮部２０、２０が配置されている。したがって、ハードディスクドライブ１０２と相変化モジュール１、１Ｂが、冷却ファンＣＦを共用することが可能になる。これにより、新たに相変化モジュール１、１Ｂ専用の冷却ファンＣＦを設置する場合と比較して、構成を簡略化し、コストを低減することが可能になる。
　また、半導体冷却装置として相変化モジュール１、１Ｂを用いることで、冷媒Ｒを循環させるためポンプ等の動力も不要になり、半導体素子ＳＤの冷却性能に優れ、かつ省エネルギー性に優れたサーバ１００を提供することが可能になる。さらに、相変化モジュール１、１Ｂは、熱交換効率が比較的高く、かつ、その構造が比較的単純である。したがって、高密度実装が要求されるサーバ１００などの電子機器においても、相変化モジュール１、１Ｂは、比較的自由度の高い配置が可能となる。
　また、本実施形態のサーバ１００では、相変化モジュール１、１Ｂの凝縮部２０、２０に対して複数の冷却ファンＣＦが配置されている。より具体的には、図１２および図１３に示す例において、各凝縮部２０に隣接して２つの冷却ファンＣＦが配置されている。これにより、各凝縮部２０に隣接する２つの冷却ファンＣＦの一方が停止しても、他方の冷却ファンＣＦによって凝縮部２０を冷却することが可能になり、相変化モジュール１、１Ｂの冗長性が向上する。
　さらに、図１２に示すように、凝縮部２０に連結される連結部３０の端部は、凝縮部２０に隣接する２つの冷却ファンＣＦのうち、凝縮部２０と対向する面積が小さい冷却ファンＣＦと対向する位置に連結することが好ましい。これにより、いずれか一方の冷却ファンＣＦが停止した場合であっても、凝縮部２０の冷却性能に対する影響を低減することができる。
　このように、本実施形態のサーバ１００では、２つの相変化モジュール１、１Ｂの２つの凝縮部２０に対して３つの冷却ファンＣＦが設けられ、１つの凝縮部２０に対して１．５個の冷却ファンＣＦが隣接している。そのため、対向する面積が大きい冷却ファンＣＦが停止した場合に、凝縮部２０は、残りの０．５個分の冷却ファンＣＦによって冷却される。この場合、凝縮部２０の約２／３の範囲で放熱量が低下する。
　しかし、サーバシステムにおいては、緊急時のシステム正常終了までにある程度時間が必要であるため、その間、ＣＰＵの冷却性能を最低限度は維持しなければならない。従来の相変化方式の半導体冷却装置では、装置全体に均等に冷媒が流れるため、有効な放熱面積が１／３に減少すると、その分、冷媒の冷却性能が低下し、ＣＰＵの温度上昇に直接の影響を与える虞がある。
　これに対し、本実施形態のサーバ１００では、凝縮部２０の冷却されていない範囲では、冷媒Ｒの蒸気の凝縮が阻害され、残りの部分に冷媒Ｒの蒸気が集中する。凝縮部２０内の一部に集中した冷媒Ｒの蒸気は、流速が高いため、凝縮部２０内の液状の冷媒Ｒの層を押し流し、凝縮部２０の伝熱部２５における凝縮性能が向上する。これにより、相変化モジュール１、１ＢによるＣＰＵの冷却性能を許容可能な範囲に維持することができる。したがって、本実施形態のサーバ１００によれば、より少ない冷却ファンＣＦの台数で冗長性を向上させることが可能である。
　以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。前述の実施形態は本発明を解りやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されない。
１、１Ａ－１Ｅ…相変化モジュール（半導体素子冷却装置）、１０…蒸発部、２０…凝縮部、２４…蒸気導入部、２５…伝熱部、２６…冷媒還流部、２７…凝縮フィン、３０…連結部、３１…冷却フィン、４０…冷却部、４１…冷却フィン、５０…水冷部、１００…サーバ（電子機器）、Ｄ２…凝縮部の奥行、Ｒ…冷媒、ＳＤ…半導体素子、Ｗ１…蒸発部の寸法、Ｗ２…凝縮部の幅

Claims (11)

  1. 　半導体素子を冷媒の相変化によって冷却する半導体素子冷却装置であって、
    　内部に貯留した液状の前記冷媒を前記半導体素子の熱によって気化させる蒸発部と、該蒸発部に連結され、該蒸発部から導入した前記冷媒の蒸気を凝縮させて液状の前記冷媒を前記蒸発部へ還流させる凝縮部と、を備え、
    　前記凝縮部は、前記蒸発部内の前記冷媒の液面よりも高い位置に配置され、前記蒸発部と鉛直方向に重ならない位置でかつ少なくとも一部が水平方向に重なる位置に配置されていることを特徴とする、半導体素子冷却装置。
  2. 　前記凝縮部は、前記冷媒の蒸気を水平方向に沿って導入する蒸気導入部と、該蒸気導入部から前記冷媒の蒸気の導入方向と交差する水平方向に沿って延びる複数の凝縮フィンが設けられた伝熱部と、該伝熱部で凝縮した液状の前記冷媒を前記蒸発部に還流させる冷媒還流部と、を有することを特徴とする、
    　請求項１に記載の半導体素子冷却装置。
  3. 　前記冷媒の蒸気の導入方向に交差する前記凝縮部の幅方向の寸法は、前記蒸気の導入方向に沿う前記凝縮部の奥行方向の寸法よりも大きく、かつ前記幅方向に沿う前記蒸発部の寸法よりも大きいことを特徴とする、
    　請求項２に記載の半導体素子冷却装置。
  4. 　前記蒸発部と前記凝縮部を連結する管状の連結部を備え、
    　前記連結部は、一端が前記蒸発部の前記冷媒の液面よりも高い位置に連結され、他端が前記凝縮部の底面の高さ位置に連結されていることを特徴とする、
    　請求項３に記載の半導体素子冷却装置。
  5. 　液状の前記冷媒の表面張力は、水の表面張力よりも小さいことを特徴とする、
    　請求項４に記載の半導体素子冷却装置。
  6. 　前記連結部の高さ位置は、前記蒸発部から前記凝縮部に向けて漸次高くなることを特徴とする、
    　請求項４に記載の半導体素子冷却装置。
  7. 　前記連結部は、外周面に複数の冷却フィンを備えることを特徴とする、
    　請求項４に記載の半導体素子冷却装置。
  8. 　前記凝縮部は、前記伝熱部を冷却する冷却部を有することを特徴とする、
    　請求項２に記載の半導体素子冷却装置。
  9. 　前記冷却部は、前記凝縮部の外側に設けられた複数の冷却フィンによって構成されていることを特徴とする、
    　請求項８に記載の半導体素子冷却装置。
  10. 　前記冷却部は、前記凝縮部に熱的に接続された水冷部によって構成されている特徴とする、
    　請求項８に記載の半導体素子冷却装置。
  11. 　半導体素子と、該半導体素子を冷却する請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体素子冷却装置と、を備えたことを特徴とする、電子機器。
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