JP4141613B2 - 密閉サイクル冷凍装置および密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対象物に接触する乾式蒸発器とを備える密閉サイクル冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる乾式蒸発器を用いた密閉サイクル冷凍装置は広く知られる。こうした密閉サイクル冷凍装置は室内冷房機などに広く用いられる。低圧の蒸発器内で蒸発する冷媒の働きによって蒸発器の周囲の空気は冷やされる。こうした室内冷房機では、冷媒は蒸発器内で完全に蒸発する。蒸発器内で冷媒の乾き度は１．０に達する。気相状態の冷媒が蒸発器から送り出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えばスーパーコンピュータや大型コンピュータ装置には、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）といった半導体装置モジュールの冷却を実現する冷却装置が組み込まれる。半導体装置モジュールの発熱量が増大するにつれて、冷却装置にはこれまで以上に高い冷却能力が要求されるようになってきた。従来の密閉サイクル冷凍装置では、十分に半導体装置モジュールの温度上昇を押さえ込むことは難しくなっていくと考えられる。
【０００４】
乾式蒸発器の冷却能力は単位面積当たりの熱伝達量に基づき考察されることができる。単位面積当たりの熱伝達量が増大すれば、半導体装置モジュールで大きな発熱が生じても半導体装置モジュールの温度上昇は確実に阻止されることができると考えられる。しかしながら、これまでのところ、密閉サイクル冷凍装置の分野で、単位面積当たりの熱伝達量を増大させる試みは実現されていない。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、これまで以上に高い冷却能力を発揮することができる密閉サイクル冷凍装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１発明によれば、冷媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、乾き度１．０未満を維持しつつ冷媒を蒸発させる乾式蒸発器とを備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置が提供される。
【０００７】
一般に、冷媒の熱伝達係数すなわち単位面積当たりの伝熱量は乾き度に依存する。冷媒の熱伝達係数は、冷媒の乾き度が１．０に達する以前に所定の乾き度を境に著しく低下してしまう。冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器でそういった所定の乾き度未満の乾き度が維持されれば、乾式蒸発器で高い冷却能力は実現されることができる。従来のように乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸発させてしまうと、所定の乾き度を超えた時点で冷媒の熱伝達係数は著しく低下する。従来の乾式蒸発器は低い熱伝達係数で吸熱しなければならず、その結果、本発明の乾式蒸発器に比べて従来の乾式蒸発器の冷却能力は劣ってしまう。ただし、本発明の乾式蒸発器では、冷媒の種類や乾式蒸発器で必要とされる冷却能力に基づき、乾き度は１．０未満で任意に設定されることができる。
【０００８】
また、第２発明によれば、冷媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対象物に接触する乾式蒸発器と、乾式蒸発器の下流で循環経路に組み込まれる補助蒸発器とを備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置が提供される。
【０００９】
こうした密閉サイクル冷凍装置では、乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸発させる必要はなく、補助蒸発器から流出する冷媒で乾き度１．０が達成されればよい。こうして完全に乾燥した冷媒が圧縮機に送り込まれれば、圧縮機で液圧縮が引き起こされることは確実に回避されることができる。冷却対象物に接触する乾式蒸発器は気液混相状態の冷媒を流出させることができる。前述と同様に、冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器で所定の乾き度未満の乾き度が維持されることができる。その結果、前述と同様に、乾式蒸発器で高い冷却能力は確保されることができる。
【００１０】
さらに、第３発明によれば、冷媒の循環経路に組み込まれた乾式蒸発器内で冷媒を蒸発させ、乾式蒸発器から気液混相状態の冷媒を流出させる工程を備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍方法が提供される。
【００１１】
こうした冷凍方法によれば、乾式蒸発器は、冷媒を完全に蒸発させることなく冷媒を流出させることができる。前述と同様に、冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器で所定の乾き度未満の乾き度が維持されることができる。その結果、前述と同様に、乾式蒸発器で高い冷却能力は確保されることができる。
【００１２】
こうした密閉サイクル冷凍方法は、乾式蒸発器から流出する冷媒に熱を加え、液相状態の冷媒を完全に蒸発させる工程をさらに備えてもよい。こうして完全に乾燥した冷媒が圧縮機に送り込まれれば、圧縮機で液圧縮が引き起こされることは確実に回避されることができる。
【００１３】
さらにまた、第４発明によれば、冷媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、冷却対象物に接触する乾式蒸発器と、乾式蒸発器に形成されて、気液混相状態の冷媒を吐き出す冷媒流出口と、この冷媒流出口に組み込まれる気液分離フィルタとを備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置が提供される。
【００１４】
こうした密閉サイクル冷凍装置では、乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸発させなくても、気液分離フィルタの働きに応じて補助蒸発器から流出する冷媒で乾き度１．０が達成されることができる。こうして完全に乾燥した冷媒が圧縮機に送り込まれれば、圧縮機で液圧縮が引き起こされることは確実に回避されることができる。冷却対象物に接触する乾式蒸発器は気液混相状態の冷媒を流出させることができる。前述と同様に、冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器で所定の乾き度未満の乾き度が維持されることができる。その結果、前述と同様に、乾式蒸発器で高い冷却能力は確保されることができる。
【００１５】
以上のような密閉サイクル冷凍装置に用いられる乾式蒸発器は、例えば、壁面で密閉空間を区画するケーシングと、ケーシングの壁面に形成される冷媒流入口と、ケーシングの壁面に形成される冷媒流出口と、ケーシングの壁面に一体に形成されて、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を区画するフィン群とを備えてもよい。こうした乾式蒸発器では、フィン群の働きによってケーシングと冷媒との間で伝熱面積は拡大されることから、ケーシングから冷媒に効率的に熱は伝達されることができる。
【００１６】
このとき、冷媒流入口から冷媒流出口に至る直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の長さは短縮されることが望まれる。一般に、冷媒流入口から吐き出される冷媒は、圧力の伝わりやすい最短経路すなわち直線経路に沿って冷媒流出口に向かうと考えられる。直線経路から遠ざかるにつれて冷媒に作用する圧力は減少すると考えられる。直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の長さが縮小されれば、縮小に応じて冷媒通路の圧力損失は抑制される。こうしたフィン群の構造によれば、冷媒は各冷媒通路に均等に分配されることができる。密閉空間内で満遍なく冷媒の蒸発は引き起こされることができる。
【００１７】
こうした乾式蒸発器では、直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の長さが短縮されることに代えて、直線経路から遠ざかるほど冷媒通路の道幅が拡大されてもよい。こうした道幅の拡大によれば、拡大に応じて冷媒通路の圧力損失は抑制される。したがって、前述と同様に、冷媒は各冷媒通路に均等に分配されることができる。密閉空間内で満遍なく冷媒の蒸発は引き起こされることができる。
【００１８】
その他、乾式蒸発器は、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するケーシングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、天井板に形成される冷媒流入口と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒流入口から蒸発室に向かって広がる冷媒導入室と、天井板に形成される冷媒流出口と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から冷媒流出口に向かって広がる冷媒排出室とを備えてもよい。
【００１９】
一般に、乾式蒸発器では、冷媒流入口から流入する冷媒に比べて、冷媒流出口から流出する冷媒の温度は低い。冷媒流出口では圧縮機からの負圧が作用するからである。中板は、こうした温度差を利用して、冷媒流出口から流入する冷媒と、冷媒流出口から流出する冷媒との間で熱交換を実現する。冷媒流入口から蒸発室に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることができる。その結果、乾式蒸発器の冷却能力は向上されることができる。
【００２０】
こうした乾式蒸発器では、前記天井板と中板との間隔は前記底板と中板との間隔に比較して小さく規定されてもよい。こうした構成によれば、冷媒導入室で冷媒の圧力損失が高められることから、蒸発室に流入する冷媒液の蒸発は極力回避されることができる。その結果、乾式蒸発器の冷却能力は一層高められることができる。
【００２１】
こうして天井板と中板との間隔が狭められる場合には、乾式蒸発器は、前記中板の縁に囲まれて、前記冷媒導入室および蒸発室を相互に接続する導入口と、前記冷媒導入室で前記冷媒を受け止める中板の表面から盛り上がり、中板の縁に沿って延びる堰とをさらに備えることが望ましい。こうした堰によれば、冷媒導入室で冷媒の圧力損失は確実に高められることができる。しかも、堰の働きによって、導入口の周囲から蒸発室に向かって冷媒は均等に流れ込むことができる。
【００２２】
その他、蒸発室に向かって均等に冷媒を流れ込ませるにあたって、冷媒導入室は、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって徐々に拡張されてもよい。こうした冷媒導入室によれば、蒸発室に向かって冷媒は均等に流れ込むことができる。蒸発室には冷媒が満遍なく行き渡る。加えて、冷媒排出室は、前記蒸発室から前記冷媒流出口に向かって徐々に縮小されてもよい。こうした冷媒排出室は、蒸発室に満遍なく冷媒を流れ込ませるにあたって役立つ。
【００２３】
また、蒸発室に向かって均等に冷媒を流れ込ませるにあたって、冷媒導入室には、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって延びる複数本の冷媒通路が形成されてもよい。こうした冷媒通路によれば、蒸発室に向かって冷媒は強制的に分配される。
【００２４】
こうした冷媒通路の下流端には膨張路が接続されてもよい。こうした構成によれば、膨張路で冷媒の圧力が著しく低下する結果、蒸発室に流入する冷媒の蒸発は促進されることができる。乾式蒸発器の冷却能力はさらに高められることができる。
【００２５】
さらにまた、乾式蒸発器は、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するケーシングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ケーシングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、天井板および中板の間に区画される冷媒排出室と、冷媒排出室を貫通して蒸発室に至る冷媒導入通路を区画する導入管と、導入管を囲みつつ冷媒排出室から延びる冷媒排出通路を区画する排出管とを備えてもよい。こうした乾式蒸発器によれば、導入管の壁面を通じて、冷媒導入通路を通過する冷媒と、冷媒排出通路を通過する冷媒との間で熱交換は実現される。冷媒導入通路から蒸発室に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることができる。
【００２６】
以上のような密閉サイクル冷凍装置は、例えば、乾式蒸発器内に区画され、底板に沿って水平方向に冷媒を流動させる蒸発室と、循環経路に組み込まれて、蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量制御器とをさらに備えてもよい。こうして蒸発室に流れ込む冷媒の流量が調整されると、蒸発室内では、重力の働きによって液相の冷媒すなわち冷媒液は底板に沿って流れる。したがって、伝熱板すなわち底板上に満遍なく冷媒液が敷き詰められることができる。その結果、底板全体で一様に高い冷却能力は実現されることができる。
【００２７】
蒸発室内で気液分離を実現するにあたって、乾式蒸発器は、鉛直方向に延びる伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に沿って区画される蒸発室と、蒸発室に冷媒を吐き出す冷媒流入口と、冷媒流入口の鉛直方向上方で開口する冷媒流出口と、蒸発室内で伝熱板に一体に形成されて、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって鉛直方向に延びる複数本の冷媒通路を区画するフィン群とを備えることが望まれる。
【００２８】
こうした乾式蒸発器では、冷媒流入口から吐き出される冷媒は伝熱板に沿って蒸発室を上昇しながら冷媒流出口に至る。このとき、蒸発室内で気液分離が実現されると、重力の影響を受けて冷媒液は蒸発室の底に溜まる。こうして冷媒液が溜められると、フィン群で規定される各冷媒通路に均等に冷媒は分配されることができる。このような乾式蒸発器を使用するにあたって、密閉サイクル冷凍装置の循環経路には、蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量制御器が組み込まれればよい。
【００２９】
こうした乾式蒸発器は、ケーシングに形成されて、鉛直方向最下位置で蒸発室に開口するバイパス口と、ケーシングに接続されて、冷媒流出口から延びる流出経路を区画する管部材と、バイパス口および流出経路を相互に接続する迂回路とをさらに備えてもよい。こうした乾式蒸発器によれば、冷媒流入口と冷媒流出口との圧力差の働きで、蒸発室内に溜まった圧縮機オイルは迂回路を通って流出経路すなわち循環経路に逃される。したがって、蒸発室内に圧縮機オイルが溜まり続けることは回避されることができる。
【００３０】
蒸発室内で気液分離を実現するにあたって、乾式蒸発器は、鉛直方向に延びる伝熱板で冷却対象物に接触し、伝熱板および背面板で蒸発室を挟み込むケーシングと、伝熱板および背面板の間に配置されて、伝熱板側空間および背面板側空間に蒸発室の上部空間を分割する仕切り板と、伝熱板側空間に臨む冷媒流入口と、背面板側空間に臨む冷媒流出口とを備えてもよい。このとき、蒸発室で仕切り板の下端から鉛直方向に沿って測定される下部空間の深さは伝熱板および仕切り板の間隔よりも大きく設定される。こうした乾式蒸発器では、冷媒が仕切り板の下端を回り込む際に蒸発室の流路断面は拡大される。こうした流路断面の拡大によって冷媒の気液分離は促される。ここで、蒸発室の流路断面は、冷媒の流れ方向に直交する平面で規定される。このような乾式蒸発器を使用するにあたって、密閉サイクル冷凍装置の循環経路には、蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量制御器が組み込まれればよい。
【００３１】
その他、乾式蒸発器は、鉛直方向に延びる伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成されて、冷媒の毛管上昇を実現する溝幅で鉛直方向に延びるマイクロチャネルとを備えてもよい。
【００３２】
こうした乾式蒸発器によれば、マイクロチャネルは、毛管上昇の働きで重力に逆らって冷媒液を吸い上げることができる。したがって、伝熱板は、伝熱板に沿って溜められる冷媒液の液面の位置に拘わらず、広い領域で冷媒液に浸されることができる。その結果、伝熱板から伝わる熱によって冷媒液は効率的に蒸発することができる。冷媒液の蒸発は促進される。このような乾式蒸発器を使用するにあたって、密閉サイクル冷凍装置の循環経路には、伝熱板に沿って区画される蒸発室で冷媒の気液分離を実現する冷媒流量で冷媒を送り出す流量制御器が組み込まれればよい。
【００３３】
さらにまた、乾式蒸発器は、伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成されて基準線に沿って延びる第１壁面と、基準線で第１壁面に接続され、基準線から遠ざかるにつれて徐々に第１壁面との間隔を広げつつ第１壁面に向き合う第２壁面とを備えてもよい。このとき、第１および第２壁面の間には、冷媒の毛管現象を確立するマイクロチャネルが区画されればよい。
【００３４】
こうした乾式蒸発器によれば、第１および第２壁面の間に冷媒の液滴が進入すると、冷媒の液滴では基準線に向かって大きな表面張力が生成される。液滴は、こうした表面張力の働きによって第１および第２壁面の間を基準線に向かって吸い込まれていく。その結果、冷媒液は、第１および第２壁面の間に溜め込まれることができる。冷媒液の蒸発は促進されることができる。
【００３５】
こうったマイクロチャネルでは、少なくとも第１および第２壁面のいずれか一方に、前記基準線に沿って延びる拡大溝が形成されてもよい。こうした拡大溝によれば、第１および第２壁面の間に導き入れられた冷媒の液滴は拡大溝に溜め込まれることができる。したがって、冷媒液の蒸発は一層促進されることができる。
【００３６】
マイクロチャネルに液相状態の冷媒を溜め込むにあたって、乾式蒸発器は、伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成される第１腐食面と、この第１腐食面に向き合って第１腐食面との間にマイクロチャネルを区画する第２腐食面とを備えてもよい。こうした第１および第２腐食面では微細な凹凸が実現される。こうした微細な凹凸によれば、伝熱板の伝熱面積は拡大されると同時に、液状状態の冷媒に対する濡れ性は向上する。したがって、液相状態の冷媒の蒸発は促進されることができる。
【００３７】
その他、液相状態の冷媒の濡れ性を向上させるにあたって、乾式蒸発器は、伝熱板で冷却対象物に接触するケーシングと、ケーシング内で伝熱板に形成される第１壁面と、この第１壁面に向き合って第１壁面との間にマイクロチャネルを区画する第２壁面と、第１および第２壁面に付着する熱伝導性微小粒子とを備えてもよい。こうした熱伝導性微小粒子によれば、前述と同様に、伝熱板の伝熱面積は拡大されると同時に、液状状態の冷媒に対する濡れ性は向上する。したがって、液相状態の冷媒の蒸発は促進されることができる。
【００３８】
さらにまた、密閉サイクル冷凍装置は、冷媒を循環させる循環経路と、循環経路に組み込まれて、気相状態の冷媒を高圧力で吐き出す圧縮機と、循環経路に組み込まれて、伝熱板で冷却対象物に接触する乾式蒸発器と、乾式蒸発器の内部に先端を臨ませる噴射ノズルと、圧縮機の下流から噴射ノズルに向けて気相状態の冷媒を供給するバイパス経路とを備えてもよい。
【００３９】
圧縮機の作動中、圧縮機から高圧力で吐き出された気相状態の冷媒はバイパス経路から噴射ノズルに向けて供給される。供給された気相状態の冷媒は、例えば乾式蒸発器の内部に溜まった液相状態の冷媒に向けて吐き出される。こうして吐き出された気相状態の冷媒によれば、冷媒の液面から液相状態の冷媒が吹き上げられたり、溜まった液相状態の冷媒が撹拌されたりすることができる。吹き上げられた冷媒液が伝熱板に付着すれば、広い領域で伝熱板は冷媒液に浸されることができる。その結果、冷媒液の蒸発は促進される。液相状態の冷媒が撹拌されれば、乾式蒸発器の内部で一様に冷媒は広がっていくことができる。
【００４０】
前記バイパス経路には流量制御弁が組み込まれてもよい。こうしてバイパス経路で冷媒の流量が制御されると、乾式蒸発器の内部に高圧力で導入される冷媒の噴射量は調整されることができる。したがって、乾式蒸発器内の蒸気圧は調整されることができる。こうして蒸気圧が調整されると、乾式蒸発器内では、冷媒の蒸発温度すなわち沸点は調整されることができる。
【００４１】
以上のような密閉サイクル冷凍装置は、スーパーコンピュータや大型コンピュータ装置でＭＣＭ（マルチチップモジュール）といった半導体装置モジュールを冷却する際に用いられることができる。こういった冷却を実現するにあたって、半導体装置モジュールは、例えば、小型プリント配線基板に実装される半導体素子と、半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、乾式蒸発器を包み込み、小型プリント配線基板に対して乾式蒸発器を固定する断熱部材とを備えることができる。
【００４２】
こうして小型プリント配線基板に対して乾式蒸発器が固定されると、半導体装置モジュールおよび乾式蒸発器は一体に取り扱われることができる。その結果、半導体装置モジュールの交換時やメンテナンス時の作業性は向上する。断熱部材は乾式蒸発器の表面で結露や着霜を防止する。
【００４３】
こうした半導体装置モジュールでは、断熱部材は、小型プリント配線基板を収容する第１部材片と、乾式蒸発器を包み込み、第１部材片に着脱自在に結合される第２部材片とに分割されてもよい。こうした断熱部材によれば、第１部材片から第２部材片が取り外されると、小型プリント配線基板の表面は露出する。したがって、断熱部材に邪魔されずに、小型プリント配線基板上の半導体素子は交換されたり保守されたりすることができる。半導体装置モジュールの交換作業やメンテナンス作業は一層効率化されることができる。
【００４４】
こういった半導体装置モジュールでは、断熱部材にヒーターが組み込まれてもよい。こうしたヒーターは発熱に基づき断熱部材を温める。こうしてヒーターが組み込まれると、前述のような結露や着霜を防止するにあたって断熱部材の薄型化は実現されることができる。半導体装置モジュールは小型化される。したがって、半導体装置モジュールの実装密度は高められることができる。
【００４５】
前記乾式蒸発器およびヒーターの間には、前記ヒーターから前記乾式蒸発器に向かって規定される鉛直方向に沿って第１伝導率で熱を伝導させると同時に、鉛直方向に直交する平面に沿って第１伝導率より高い第２伝導率で熱を伝導させる熱伝導体が挟み込まれてもよい。
【００４６】
ヒーターの熱が熱伝導体に伝達されると、熱伝導体は、鉛直方向に直交する平面に沿って断熱部材内で熱を満遍なく行き渡らせる。したがって、ヒーターの大きさに拘わらず広い範囲で断熱部材は温められることができる。しかも、ヒーターの熱は乾式蒸発器には伝達されにくく、したがって、乾式蒸発器の冷却能力が無駄に費やされることは回避されることができる。
【００４７】
また、半導体装置モジュールは、小型プリント配線基板の表面に実装される半導体素子と、半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、小型プリント配線基板の裏面から立ち上がる入出力ピンと、小型プリント配線基板の裏面に取り付けられるヒーターとを備えてもよい。一般に、金属製の入出力ピンは乾式蒸発器の影響によって冷却されやすい。入出力ピンが冷却されると、入出力ピンの表面で結露や着霜が発生してしまう。プリント配線基板の裏面にヒーターが取り付けられれば、ヒーターの発熱によって入出力ピンは温められ、その結果、そういった結露や着霜は防止されることができる。
【００４８】
さらに、半導体装置モジュールは、小型プリント配線基板の表面に実装される半導体素子と、半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、小型プリント配線基板の裏面から立ち上がる入出力ピンと、入出力ピンを包み込む断熱部材とを備えてもよい。断熱部材は、入出力ピンの表面で結露や着霜を防止するにあたって大いに役立つことができる。
【００４９】
さらにまた、半導体装置モジュールは、プリント配線基板に実装される半導体素子と、半導体素子に密着する伝熱板と、伝熱板に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、伝熱板に形成される貫通孔に受け入れられる固定用ボルトと、伝熱板および固定用ボルトの間に挟み込まれる低伝熱部材とを備えてもよい。こうした構成によれば、プリント配線基板に対する乾式蒸発器の固定にあたって、乾式蒸発器とプリント配線基板との間で熱の伝達は極力阻止されることができる。したがって、乾式蒸発器の影響でプリント配線基板が過度に冷却されることは回避されることができる。
【００５０】
さらにまた、半導体装置モジュールは、プリント配線基板に実装される半導体素子と、半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器と、乾式蒸発器に密着するヒーターとを備えてもよい。一般に、半導体装置モジュールの交換時やメンテナンス時には、半導体装置モジュールの温度は常温に復帰しなければならない。常温に復帰する以前に半導体装置モジュールが外気に曝されると、半導体装置モジュールに結露や着霜が引き起こされてしまう。ヒーターの発熱によれば、密閉サイクル冷凍装置の運転中に冷却されていた半導体装置モジュールは急速に温められることができる。自然冷却に比べて高速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は著しく短縮されることができる。こういったヒーターは、乾式蒸発器とプリント配線基板との間に配置される伝熱板に取り付けられてもよい。
【００５１】
こういったヒーターが採用される場合には、プリント配線基板には温度センサが実装されることが望ましい。こういった温度センサは、前述のヒーターによる過度の温度上昇を回避する際に大いに役立つことができる。温度センサで検出される温度に基づけば、プリント配線基板の温度が過度に上昇する以前にヒーターの発熱は停止されることができる。
【００５２】
前述のように入出力ピンの表面で結露や着霜を阻止するにあたって、半導体装置モジュールを受け止める大型プリント配線基板には、半導体装置モジュールの入出力ピンを受け止める導電部材と、導電部材の周囲に配置されるヒーターとを備える半導体装置モジュール用コネクタが実装されてもよい。
【００５３】
以上のような半導体装置モジュールの冷却に前述の密閉サイクル冷凍装置を利用するにあたって、プリント配線基板上の半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器を収容する箱体と、箱体内の密閉空間から箱体外の開放空間に向けて湿気を放出する除湿器とを備えることを特徴とする半導体装置収容ユニットが提供されてもよい。
【００５４】
こういった半導体装置収容ユニットでは、除湿器の働きによって開放空間に湿気が放出されると、箱体内に乾燥空間は作り出される。こうした乾燥空間では、空気に含まれる水蒸気の露点すなわち飽和湿度は低下する。したがって、箱体内では、プリント配線基板の表面や半導体素子の表面、乾式蒸発器の表面で結露や着霜は防止されることができる。
【００５５】
前記箱体の内壁面にはヒーターが取り付けられてもよい。こうしたヒーターは、半導体素子の交換時やメンテナンス時に使用されることができる。ヒーターの発熱によって箱体内の空気は温められる。こうして箱体内が温められると、箱体の内壁面やプリント配線基板の表面では温度上昇が引き起こされる。こうして温められる後に箱体の内壁面やプリント配線基板が外気に曝されれば、箱体の内壁面やプリント配線基板の表面で結露は防止されることができる。自然冷却に比べて急速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は短縮されることができる。
【００５６】
その他、半導体装置収容ユニットは、プリント配線基板上の半導体素子に密着する密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器を収容する第１箱体と、この第１箱体を収容する第２箱体と、第１箱体内の密閉空間から第１箱体外へ湿気を放出する第１除湿器と、第２箱体内の密閉空間から第２箱体外の開放空間に向けて湿気を放出する第２除湿器とを備えてもよい。かかる半導体装置収容ユニットによれば、プリント配線基板の周囲の湿気は一層効果的に開放空間に放出されることができる。第１箱体内の温度が極低温に達しても、第１箱体内の結露や着霜は確実に防止されることができる。この場合には、前述のヒーターは少なくとも第１箱体の内壁面に取り付けられればよい。
【００５７】
さらにまた、半導体装置モジュールは、プリント配線基板に実装される半導体素子と、プリント配線基板に取り付けられて、冷媒の流路を区画するケーシングと、流路を横切ってケーシングから突き出る先端で半導体素子に接触する冷却素子とを備えてもよい。こうした半導体装置モジュールによれば、半導体素子の発熱は冷却素子から効率的に冷媒に伝達されることができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００５９】
図１は大型コンピュータ装置の構成を概略的に示す。この大型コンピュータ装置１０は例えば１枚または複数枚の大型プリント配線基板１１を備える。この大型プリント配線基板１１の表面には、１個または複数個のＭＣＭ（マルチチップモジュール）といった半導体装置モジュール１２が実装される。こういった半導体装置モジュール１２には、同様に大型プリント配線基板１１の表面に実装される１個または複数個のメモリモジュール（図示せず）が電気的に接続されてもよい。半導体装置モジュール１２は、周知の通り、小型プリント配線基板と、この小型プリント配線基板に実装される１個または複数個の半導体素子とを備える。半導体素子には例えばＬＳＩ（大規模集積回路）チップが含まれることができる。半導体装置モジュール１２は、個別に１ＣＰＵ（中央演算処理装置）として機能することができるだけでなく、任意の組み合わせごとに１ＣＰＵとして機能することができる。
【００６０】
大型プリント配線基板１１には本発明の第１実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置１３が連結される。この密閉サイクル冷凍装置１３は、例えばＨＦＣ（Ｒ−４０４Ａ）といった低沸点冷媒を循環させる循環経路１４を形成する。循環経路１４には、気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスを高圧力で吐き出す圧縮機１５が組み込まれる。圧縮機１５の下流すなわち冷媒吐き出し口にはオイル分離器１６が接続される。このオイル分離器１６は、圧縮機１５から吐き出される冷媒ガスに混入するオイルを冷媒ガスから分離し、再び圧縮機１５に向けて送り出す。こうしたオイルは、周知の通り、圧縮機１５の内部で潤滑油として機能する。
【００６１】
オイル分離器１６の下流では循環経路１４に凝縮器１７が組み込まれる。この凝縮器１７は、圧縮機１５から送り込まれる冷媒ガスを凝縮させる。冷媒ガスは液相状態の冷媒すなわち冷媒液に変換される。得られた冷媒液は、凝縮器１７の下流で循環経路１４に組み込まれる受液器１８に送り込まれる。凝縮器１７の放熱は例えば送風機１９の働きによって促進されてもよい。
【００６２】
受液器１８の下流で循環経路１４には膨張弁２１といった流量制御器が組み込まれる。この膨張弁２１は低圧力で冷媒液を吐き出す。冷媒液の圧力が急激に低下する結果、冷媒液の温度は低下する。しかも、こうした低圧力下では冷媒の蒸発温度は低下する。
【００６３】
膨張弁２１の下流で循環経路１４には、冷却対象物すなわち半導体装置モジュール１２上の半導体素子に接触する乾式蒸発器２２が組み込まれる。この乾式蒸発器２２の下流では循環経路１４に乾き度制御器すなわち補助蒸発器２３が組み込まれる。これら乾式蒸発器２２および補助蒸発器２３の機能は後述される。補助蒸発器２３の下流にはアキュムレータ２４が接続される。アキュムレータ２４は、周知の通り、補助蒸発器２３から誤って送り出される液相状態の冷媒すなわち冷媒液を気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスに変換する。その結果、圧縮機１５には冷媒ガスのみが流入する。アキュムレータ２４の働きによれば、圧縮機１５の液圧縮は防止されることができる。
【００６４】
その他、循環経路１４には、周知の通り、受液器１８から送り出される冷媒中から水分や塵埃を除去するストレーナ２６や、作業者が視覚的に冷媒を観察する際に用いられる観察窓２７などが組み込まれてもよい。また、循環経路１４には必要に応じて逆止弁（図示せず）が取り付けられてもよい。
【００６５】
膨張弁２１から圧縮機１５に向かう循環経路１４には断熱材２８が巻き付けられる。こうした断熱材２８が巻き付けられる結果、循環経路１４を構成する配管や乾式蒸発器２２の外壁面では結露や着霜は防止されることができる。
【００６６】
大型コンピュータ装置１０の筐体３０内には、乾燥空間（低露点空間）を区画する半導体装置収容ユニット３１が配置される。この半導体装置収容ユニット３１は、大型プリント配線基板１１やこの基板１１上の半導体素子に密着する乾式蒸発器２２を気密に収容する箱体３２と、この箱体３２に取り付けられる除湿器３３とを備える。除湿器３３の詳細は後述される。除湿器３３の働きによって箱体３２内に乾燥空間は作り出される。
【００６７】
図１から明らかなように、半導体装置収容ユニット３１内の循環経路１４と、半導体装置収容ユニット３１外の循環経路１４とはカプラ３４によって相互に連結されてもよい。こうしたカプラ３４によれば、そういった２つの循環経路１４は相互に切り離されることができる。このとき、カプラ３４には例えばメカニカルシールといったセルフシール機構が組み込まれることが望まれる。こうしたセルフシール機構の働きによれば、カプラ３４の連結が解除されても、循環経路１４内に空気その他の不要な物質が侵入することは回避されることができる。
【００６８】
ここで、密閉サイクル冷凍装置１３の動作を説明する。密閉サイクル冷凍装置１３の運転中、圧縮機１５の働きによって循環経路１４では冷媒の循環が引き起こされる。圧縮機１５から膨張弁２１に向かう循環経路１４では冷媒は高圧力に保持される。このとき、冷媒の蒸発温度（沸点）は例えば４０度程度で規定される。膨張弁２１から圧縮機１５に向かう循環経路１４では冷媒は低圧力に保持される。冷媒が低圧力に保持されると、冷媒の蒸発温度は例えば−２０度程度まで低下する。したがって、低圧力下では冷媒の蒸発が促される。冷媒の蒸発に応じて周囲の熱は冷媒に吸い取られる。
【００６９】
乾式蒸発器２２には乾き度０．３〜０．５程度で冷媒は流入する。半導体素子の熱を受けて冷媒の蒸発は進行する。冷媒の蒸発にあたって乾式蒸発器２２は乾き度１．０未満例えば０．８５程度を維持する。乾き度０．８５すなわち気液混相状態の冷媒が乾式蒸発器２２から吐き出される。乾式蒸発器２２で実現される乾き度は、周知の通り、発熱体すなわち半導体素子の発熱量と、乾式蒸発器２２に流入する冷媒の流量とに基づき調整されればよい。こうした冷媒の流量は、圧縮機１５の吐き出し量や膨張弁２１の絞り度によって制御されることができる。
【００７０】
補助蒸発器２３は、乾式蒸発器２２から流出する気液混相状態の冷媒に熱を加える。こうした熱は例えばヒーターなどによって生成されればよい。この加熱によって補助蒸発器２３で液相の冷媒すなわち冷媒液は完全に蒸発する。乾き度１．０が達成された後、気相状態の冷媒は補助蒸発器２３から吐き出される。補助蒸発器２３で加えられる熱量は、例えば、補助蒸発器２３に流入する冷媒の乾き度と流量とに基づき決定されればよい。
【００７１】
図２から明らかなように、冷媒の熱伝達係数すなわち単位面積当たりの伝熱量は乾き度に依存する。この場合には、乾き度０．８５を超えると、冷媒の熱伝達係数は著しく低下する。したがって、冷却対象物に接触する乾式蒸発器２２で乾き度０．８５が維持されれば、乾式蒸発器２２で高い冷却能力は実現されることができる。こうして乾式蒸発器２２から気液混相状態の冷媒が流出しても、補助蒸発器２３の働きによって最終的に冷媒は完全に蒸発することから、気液分離器２４の負担を著しく増加させることなく圧縮機１５の液圧縮は確実に防止されることができる。これまでのように乾式蒸発器で完全に冷媒を蒸発させてしまうと、乾き度０．８５を超えた時点で冷媒の熱伝達係数は著しく低下する。乾式蒸発器は冷却対象物すなわち半導体素子から低い熱伝達係数で吸熱しなければならず、その結果、本発明に係る乾式蒸発器２２に比べて乾式蒸発器の冷却能力は劣ってしまう。ただし、前述のような乾式蒸発器２２では、乾き度０．８５のほか、冷媒の種類や乾式蒸発器２２で必要とされる冷却能力に基づき乾き度は任意に設定されることができる。
【００７２】
次に前述の乾式蒸発器２２の構造を詳述する。例えば図３に示されるように、乾式蒸発器２２はケーシング４１を備える。このケーシング４１は、水平方向に延びて、半導体装置モジュール１２上で半導体素子の表面に接触する伝熱板すなわち底板４２と、この底板４２に平行に配置される天井板４３とを備える。天井板４３と底板４２とで例えば直方体の密閉空間すなわち蒸発室４４は挟み込まれる。ケーシング４１は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【００７３】
天井板４３には、天井板４３から鉛直方向に延びて冷媒導入通路を区画する導入管４５と、同様に天井板４３から鉛直方向に延びて冷媒排出通路を区画する排出管４６とが接続される。こうした導入管４５や排出管４６はカプラ４７によって天井板４３に結合されればよい。蒸発室４４の壁面すなわち天井面には、冷媒導入通路に通じる冷媒流入口４８と、冷媒排出通路に通じる冷媒流出口４９とが形成される。
【００７４】
図４から明らかなように、蒸発室４４の壁面すなわち底板４２には、冷媒流入口４８から冷媒流出口４９に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を区画するフィン群５１が一体に形成される。フィン群５１の各フィンは、底板４２の表面から立ち上がって天井板４３に接続されてもよい。こうしたフィン群５１の働きによって伝熱板すなわち底板４２と冷媒との間で伝熱面積は拡大される。その結果、半導体装置モジュール１２上の半導体素子の熱は効率的に冷媒に伝達されることができる。
【００７５】
蒸発室４４では、例えば図５に示されるように、冷媒流入口４８から冷媒流出口４９に至る直線経路５２が規定されると、この直線経路５２から遠ざかるほど各フィンの長さは短縮されていくことが望まれる。こうした構成によれば、直線経路５２から遠ざかるほど冷媒通路の長さは短縮されることができる。
【００７６】
循環経路１４を循環する冷媒は、圧縮機１５から加えられる圧力に基づき蒸発室４４を通過していく。冷媒流入口４８から吐き出される冷媒は、圧力の伝わりやすい最短経路すなわち直線経路５２に沿って冷媒流出口４９に向かうと考えられる。直線経路５２から遠ざかるにつれて冷媒に作用する圧力は減少すると考えられる。直線経路５２から遠ざかるほど冷媒通路の長さが縮小されれば、縮小に応じて冷媒通路の圧力損失は抑制される。こうしたフィン群５１の構造によれば、冷媒は各冷媒通路に均等に分配されることができる。蒸発室４４内で満遍なく半導体素子の冷却は実現されることができる。
【００７７】
乾式蒸発器２２では、直線経路５２から遠ざかるほど冷媒通路の長さが短縮されることに代えて、例えば図６に示されるように、直線経路５２から遠ざかるほど冷媒通路の道幅が拡大されてもよい。こうした道幅の拡大によれば、拡大に応じて冷媒通路の圧力損失は抑制される。したがって、前述と同様に、冷媒は各冷媒通路に均等に分配されることができる。蒸発室４４内で満遍なく半導体素子の冷却は実現されることができる。
【００７８】
図７は他の具体例に係る乾式蒸発器２２の構造を示す。この乾式蒸発器２２はケーシング５３を備える。ケーシング５３は、水平方向に延びて、半導体装置モジュール１２上で半導体素子の表面に接触する底板５４と、この底板５４に平行に配置される天井板５５とを備える。天井板５５と底板５４とで例えば直方体の密閉空間は挟み込まれる。この密閉空間は、底板５４から天井板５５に向かって立ち上がる第１および第２囲い壁５６、５７によって挟み込まれる。天井板５５および底板５４の間には、底板５４に平行に延びる中板すなわち仕切り板５８が配置される。この仕切り板５８と底板５４との間に蒸発室５９は区画される。ケーシング５３は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【００７９】
仕切り板５８と天井板５５との間には、第１および第２囲い壁５６、５７の間で第１および第２囲い壁５６、５７に平行に延びる仕切り壁６０が形成される。この仕切り壁６０は、仕切り板５８および天井板５５の間で、第１囲い壁５６側の冷媒導入室６１と第２囲い壁５７側の冷媒排出室６２とを区画する。
【００８０】
天井板５５には、天井板５５から鉛直方向に延びて冷媒導入通路を区画する導入管６３と、同様に天井板５５から鉛直方向に延びて冷媒排出通路を区画する排出管６４とが接続される。こうした導入管６３や排出管６４はカプラ６５によって天井板５５に結合されればよい。天井板５５には、仕切り壁６０に隣接して冷媒導入室６１の天井面に開口する冷媒流入口６６と、同様に仕切り壁６０に隣接して冷媒排出室６２の天井面に開口する冷媒流出口６７とが形成される。冷媒流入口６６と冷媒流出口６７とはそれぞれ冷媒導入通路および冷媒排出通路に接続される。
【００８１】
図８から明らかなように、第１囲い壁５６と仕切り板５８との間には、上側の冷媒導入室６１と下側の蒸発室５９とを相互に接続する蒸発室入り口６８が区画される。その結果、冷媒導入室６１は冷媒流入口６６から蒸発室５９に向かって広がる。その一方で、第２囲い壁５７と仕切り板５８との間には、上側の冷媒排出室６２と下側の蒸発室５９とを相互に接続する蒸発室出口６９が区画される。その結果、冷媒排出室６２は蒸発室５９から冷媒流出口６７に向かって広がる。
【００８２】
こうした乾式蒸発器２２では、導入管６３から冷媒流入口６６を経て冷媒は冷媒導入室６１に導入される。流入した冷媒は、仕切り板５８を伝って蒸発室入り口６８から蒸発室５９に進入する。蒸発室５９では、半導体装置モジュール１２から伝熱板すなわち底板５４を伝って熱が冷媒に伝達される。半導体装置モジュール１２は冷却される。
【００８３】
乾き度の高まった冷媒は蒸発室出口６９から冷媒排出室６２に移動する。冷媒は、仕切り板５８を伝って冷媒流出口６７から吐き出される。このとき、冷媒流入口６６から流入する冷媒に比べて、冷媒流出口６７から流出する冷媒の温度は低い。仕切り板５８は、こうした温度差を利用して冷媒同士の間で熱交換を実現する。冷媒流入口６６から蒸発室５９に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることができる。その結果、乾式蒸発器２２の冷却能力は向上されることができる。
【００８４】
図８に示されるように、仕切り板５８には、冷媒流入口６６から蒸発室入り口６８に向かって冷媒導入室６１を横切る複数本の冷媒通路を区画するフィン群７０が一体に形成されてもよい。同様に、仕切り板５８には、蒸発室出口６９から冷媒流出口６７に向かって冷媒排出室６２を横切る複数本の冷媒通路を区画するフィン群７１が一体に形成されてもよい。こうしたフィン群７０、７１の働きによれば、前述のような冷媒同士の熱交換は促進されることができる。さらに、底板５４には、図７に示されるように、蒸発室入り口６８から蒸発室出口６９に向かって並列に延びる複数本の冷媒通路を区画するフィン群７２が一体に形成されてもよい。こうしたフィン群７２の働きによれば、半導体装置モジュール１２上の半導体素子の熱は効率的に冷媒に伝達されることができる。フィン群７２の各フィンが仕切り板５８に接続されれば、前述のような冷媒同士の熱交換は一層促進されることができる。
【００８５】
こうした乾式蒸発器２２では、例えば図９に示されるように、冷媒導入室６１や冷媒排出室６２は複数段に区分けされてもよい。こうした区分けは、例えば仕切り板５８と天井板５５との間で底板５４に平行に延びる第１および第２補助仕切り板７３、７４によって実現されることができる。こうして第１補助仕切り板７３や第２補助仕切り板７４が配置されると、冷媒流入口６６から流入する冷媒と、冷媒流出口６７から流出する冷媒との間で熱交換は促進されることができる。
【００８６】
図１０および図１１はさらに他の具体例に係る乾式蒸発器２２の構造を示す。この乾式蒸発器２２では、天井板５５と中板すなわち仕切り板５８との間隔は、底板５４と仕切り板５８との間隔に比較して小さく規定される。こうした構成によれば、冷媒導入室６１で冷媒の圧力損失が高められることから、蒸発室５９に流入する冷媒液の蒸発は極力回避されることができる。その結果、乾式蒸発器２２の冷却能力は一層高められることができる。
【００８７】
このとき、中板すなわち仕切り板５８には、仕切り板５８の表面から盛り上がり、仕切り板５８の縁で蒸発室入り口６８の周囲に沿って延びる堰７５が形成されることが望ましい。こうした堰７５によれば、冷媒導入室６１で冷媒の圧力損失は確実に高められることができる。したがって、冷媒液のガス化は極力抑制されることができる。しかも、堰７５の働きによって、仕切り板５８の縁から蒸発室入り口６８に向かって冷媒は均等に流れ込むことができる。その結果、蒸発室５９の冷媒通路には均等に冷媒が分配されることができる。
【００８８】
その他、冷媒導入室６１は、例えば図１２に示されるように、冷媒流入口６６から蒸発室５９すなわち蒸発室入り口６８に向かって徐々に拡張されてもよい。こうした冷媒導入室６１によれば、仕切り板５８の縁すなわち蒸発室入り口６８の周囲から蒸発室５９に向かって冷媒は均等に流れ込むことができる。その結果、蒸発室５９の冷媒通路には均等に冷媒が分配されることができる。加えて、冷媒排出室６２は、蒸発室５９すなわち蒸発室出口６９から冷媒流出口６７に向かって徐々に縮小されてもよい。こうした冷媒排出室６２は、蒸発室５９の各冷媒通路に冷媒を均等に分配するにあたって役立つ。このように冷媒導入室６１や冷媒排出室６２の大きさを徐々に変化させるにあたって、冷媒導入室６１や冷媒排出室６２の壁面は、図１２から明らかなように、湾曲面で構成されればよい。
【００８９】
また、例えば図１３に示されるように、冷媒導入室６１には、冷媒流入口６６から蒸発室５９すなわち蒸発室入り口６８に向かって延びる複数本の冷媒通路７６が形成されてもよい。こうした冷媒通路７６によれば、蒸発室５９の各冷媒通路に強制的に冷媒は分配される。こうした場合には、例えば図１３に示されるように、蒸発室５９すなわち蒸発室出口６９から冷媒流出口６７に向かって延びる複数本の冷媒通路７７が形成されてもよい。こうした冷媒通路７７は、蒸発室５９の各冷媒通路に冷媒を均等に分配するにあたって役立つ。
【００９０】
さらに、こうして冷媒導入室６１に冷媒通路７６が形成される場合には、例えば図１４に示されるように、各冷媒通路７６の下流端に膨張路７８が接続されてもよい。冷媒通路７６は膨張路７８を通じて下側の蒸発室５９に接続される。こうした構成によれば、膨張路７８で冷媒の圧力が著しく低下する結果、蒸発室５９に流入する冷媒の蒸発は促進されることができる。乾式蒸発器２２の冷却能力は向上される。
【００９１】
図１５および図１６はさらに他の具体例に係る乾式蒸発器２２の構造を示す。この乾式蒸発器２２はケーシング８１を備える。ケーシング８１は、水平方向に延びて、半導体装置モジュール１２上で半導体素子の表面に接触する底板８２と、この底板８２に平行に配置される天井板８３とを備える。天井板８３と底板８２とで例えば直方体の密閉空間は挟み込まれる。この密閉空間は、底板８２から天井板８３に向かって立ち上がる囲い壁８４によって囲まれる。天井板８３および底板８２の間には、底板８２に平行に延びる中板すなわち仕切り板８５が配置される。この仕切り板８５と底板８２との間に蒸発室８６は区画される。その一方で、仕切り板８５と天井板８３との間には冷媒排出室８７が区画される。ケーシング８１は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【００９２】
仕切り板８５には、天井板８３を貫通して鉛直方向に延びる導入管８８が接続される。この導入管８８は、冷媒排出室８７を貫通して蒸発室８６に至る冷媒導入通路を区画する。こういった導入管８８は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。天井板８３には、同様に鉛直方向に延びる排出管８９が接続される。この排出管８９は、導入管８８を囲みつつ冷媒排出室８７から延びる冷媒排出通路を区画する。仕切り板８５と囲い壁８４との間には、図１６を併せて参照すると明らかなように、下側の蒸発室８６と上側の冷媒排出室８７とを接続する蒸発室出口９０が区画される。
【００９３】
こうした乾式蒸発器２２では、導入管８８で区画される冷媒導入通路から冷媒は蒸発室８６に導入される。蒸発室８６では、半導体装置モジュール１２から伝熱板すなわち底板８２を伝って熱が冷媒に伝達される。半導体装置モジュール１２は冷却される。
【００９４】
乾き度の高まった冷媒は下側の蒸発室８６から上側の冷媒排出室８７に移動する。その後、冷媒は、排出管８９で区画される冷媒排出通路から流出していく。このとき、冷媒導入通路を通過する冷媒に比べて、冷媒排出通路を通過する冷媒の温度は低い。こうした温度差によれば、導入管８８の壁面を通じて冷媒同士の間で熱交換は実現される。冷媒導入通路から蒸発室８６に向かう冷媒の乾き度の変化は極力低減されることができる。その結果、乾式蒸発器２２の冷却能力は高められることができる。
【００９５】
例えば図３に示される乾式蒸発器２２では、蒸発室４４で冷媒の気液分離が実現されてもよい。こうした気液分離は、流量制御器すなわち膨張弁２１から送り出される冷媒の流量に基づき実現されることができる。このとき、蒸発室４４内では、例えば図１７に示されるように、重力の働きによって液相の冷媒すなわち冷媒液は底板４２に沿って流れる。その一方で、重力から小さな影響しか受けない気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスは天井板４３に沿って流れる。こうして気液分離が実現されれば、伝熱板すなわち底板４２上に満遍なく冷媒液が敷き詰められることから、底板４２全体で一様に高い冷却能力は実現されることができる。
【００９６】
特に、こうした気液分離を実現するにあたって、例えば図１７から明らかなように、蒸発室４４の流路断面は拡大されることが望ましい。こうした流路断面の拡大は、例えば底板４２と天井板４３との間隔Ｈ１が間隔Ｈ２に広げられることによって達成されることができる。ただし、蒸発室４４の流路断面は、冷媒の流れ方向に直交する平面で規定される。
【００９７】
気液分離を実現するにあたって、例えば図１８に示されるように、乾式蒸発器２２は、鉛直方向に延びる伝熱板９２で冷却対象物すなわち半導体装置モジュール１２に接触するケーシング９３を備えてもよい。このケーシング９３では、そういった伝熱板９２と、伝熱板９２に平行に配置される背面板９４との間に密閉空間すなわち蒸発室９５は区画される。蒸発室９５は、伝熱板９２から背面板９４に向かって水平方向に立ち上がる底板９６から伝熱板９２に沿って鉛直方向に広がる。ケーシング９３は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【００９８】
背面板９４には、水平方向に延びて冷媒導入通路を区画する導入管９７と、同様に水平方向に延びて冷媒排出通路を区画する排出管９８とが接続される。背面板９４と導入管９７や排出管９８との接続には例えばカプラ９９が用いられればよい。蒸発室９５の壁面には、冷媒導入通路に通じる冷媒流入口１０１と、冷媒排出通路に通じる冷媒流出口１０２とが形成される。冷媒流出口１０２は冷媒流入口１０１の鉛直方向上方で開口する。蒸発室９５内では、例えば図１９から明らかなように、冷媒流入口１０１から冷媒流出口１０２に向かって鉛直方向に延びる冷媒通路を区画するフィン群１０３が伝熱板９２に一体に形成される。
【００９９】
こうした乾式蒸発器２２では、冷媒流入口１０１から吐き出される冷媒は伝熱板９２に沿って蒸発室９５内を上昇しながら冷媒流出口１０２に至る。このとき、蒸発室９５内で気液分離が実現されると、重力の影響を受けて冷媒液は底板９６上に溜まる。こうして冷媒液が溜められると、フィン群１０３で規定される各冷媒通路に均等に冷媒は分配されることができる。
【０１００】
こうした乾式蒸発器２２は、例えば図２０に示されるように、ケーシング９３の底板９６から排出管９８に向かって延びるバイパス管１０４をさらに備えてもよい。こうしたバイパス管１０４によれば、鉛直方向最下位置で蒸発室９５に開口するバイパス口１０５と、排出管９８で区画される流出経路すなわち冷媒排出通路とは迂回路によって相互に接続されることができる。冷媒流入口１０１と冷媒流出口１０２との圧力差の働きで、底板９６上に溜まった圧縮機オイルはバイパス管１０４を通って冷媒排出通路すなわち循環経路１４に逃される。したがって、蒸発室９５内に圧縮機オイルが溜まり続けることは回避されることができる。
【０１０１】
気液分離を実現するにあたって、例えば図２１に示されるように、乾式蒸発器２２は、鉛直方向に延びる伝熱板１０７で冷却対象物すなわち半導体装置モジュール１２に接触するケーシング１０８を備えてもよい。このケーシング１０８では、そういった伝熱板１０７と、伝熱板１０７に平行に配置される背面板１０９との間に密閉空間すなわち蒸発室１１０は区画される。蒸発室１１０は、伝熱板１０７から背面板１０９に向かって水平方向に立ち上がる底板１１１から伝熱板１０７に沿って鉛直方向に広がる。ケーシング１０８は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【０１０２】
伝熱板１０７および背面板１０９の間には、伝熱板１０７に平行に延びる仕切り板１１２が配置される。この仕切り板１１２は、伝熱板側空間１１３および背面板側空間１１４に蒸発室１１０の上部空間を分割する。
【０１０３】
背面板１０９には、水平方向に延びて冷媒導入通路を区画する導入管１１５と、同様に水平方向に延びて冷媒排出通路を区画する排出管１１６とが接続される。背面板１０９と導入管１１５や排出管１１６との接続には例えばカプラ１１７が用いられればよい。蒸発室１１０の壁面には、冷媒導入通路に通じて伝熱板側空間１１３に臨む冷媒流入口１１８と、冷媒排出通路に通じて背面板側空間１１４に臨む冷媒流出口１１９とが形成される。
【０１０４】
蒸発室１１０では、下部空間の深さＤ１は伝熱板１０７および仕切り板１１２の間隔Ｄ２より大きく設定される。下部空間の深さＤ１は、仕切り板１１２の下端から底板１１１まで鉛直方向に沿って測定される。
【０１０５】
こうした乾式蒸発器２２では、冷媒流入口１１７から吐き出される冷媒は伝熱板１０７に沿って蒸発室１１０内を下降する。上部空間の伝熱板側空間１１３から下部空間に冷媒は至る。その後、冷媒は、仕切り板１１２の下端を回り込んで上部空間の背面板側空間１１４に進入する。冷媒は、冷媒流出口１１９から吐き出される。このとき、下部空間の深さＤ１は伝熱板１０７および仕切り板１１２の間隔Ｄ２に比べて大きく設定されることから、蒸発室１１０内で流路断面は拡大される。こうした流路断面の拡大は冷媒の気液分離を促す。ここで、蒸発室１１０の流路断面は、冷媒の流れ方向に直交する平面で規定される。
【０１０６】
前述の半導体装置モジュール１２は、例えば図２２に示されるように、小型プリント配線基板１２１の表面に実装される半導体素子１２２すなわちＬＳＩチップを備える。半導体素子１２２は１個であっても複数個であってもよい。小型プリント配線基板１２１の裏面では多数の入出力ピン１２３が立ち上がる。各入出力ピン１２３は、大型プリント配線基板１１に実装されるソケット１２４のソケット孔に受け入れられる。ソケット１２４は、大型プリント配線基板１１上で小型プリント配線基板１２１すなわち半導体装置モジュール１２を保持する。ソケット１２４には例えばＺＩＦコネクタが用いられればよい。
【０１０７】
小型プリント配線基板１２１の表面には乾式蒸発器２２が固定される。この固定にあたって、乾式蒸発器２２を包み込む断熱部材１２５が用いられる。断熱部材１２５は、半導体素子１２２の表面に対して乾式蒸発器２２を密着させる。こうして小型プリント配線基板１２１に対して乾式蒸発器２２が一体化されると、半導体装置モジュール１２および乾式蒸発器２２は簡単に大型プリント配線基板１１から取り外されることができる。半導体装置モジュール１２の交換時やメンテナンス時の作業性は向上する。断熱部材１２５は乾式蒸発器２２の表面で結露や着霜を防止する。
【０１０８】
図２２から明らかなように、断熱部材１２５は同時に入出力ピン１２３を包み込んでもよい。一般に、金属製の入出力ピン１２３は乾式蒸発器２２の影響によって冷却されやすい。入出力ピン１２３が冷却されると、入出力ピン１２３の表面で結露や着霜が発生してしまう。入出力ピン１２３が断熱部材１２５で包み込まれれば、こういった結露や着霜は防止されることができる。
【０１０９】
断熱部材１２５は例えば発泡性樹脂から成型されればよい。成型にあたって、半導体素子１２２は小型プリント配線基板１２１の表面に実装される。実装された半導体素子１２２の表面には乾式蒸発器２２が重ね合わせられる。その後、液状の発泡性樹脂が流し込まれると、固化した発泡性樹脂によって断熱部材１２５は形作られることができる。固化した発泡性樹脂には、小型プリント配線基板１２１や半導体素子１２２、乾式蒸発器２２が埋め込まれる。
【０１１０】
こういった半導体装置モジュール１２では、図２２から明らかなように、断熱部材１２５にフィルムヒーター１２６、１２７が組み込まれてもよい。入出力ピン１２３はフィルムヒーター１２７を突き抜けてソケット１２４のソケット孔に受け入れられればよい。こうしたフィルムヒーター１２６、１２７の発熱によって断熱部材１２５は温められる。こうして断熱部材１２５が温められると、前述のような結露や着霜を防止するにあたって断熱部材１２５の薄型化は実現されることができる。断熱部材１２５が小型化されれば、大型プリント配線基板１１上で半導体装置モジュール１２の実装密度は高められることができる。フィルムヒーター１２６、１２７は、例えば網目状に組まれた熱線と、熱線を挟み込む樹脂フィルムとから構成されればよい。
【０１１１】
図２２から明らかなように、フィルムヒーター１２６には、高い熱伝導率で熱を伝導させる熱伝導フィルム１２８が重ね合わせられてもよい。こうした熱伝導フィルム１２８によれば、フィルムヒーター１２６の大きさに拘わらずフィルムヒーター１２６の熱は断熱部材１２５全体に満遍なく行き渡ることができる。こうした熱伝導フィルム１２８には例えばカーボンフィルムが用いられればよい。
【０１１２】
その一方で、乾式蒸発器２２およびフィルムヒーター１２７の間には、例えば図２２に示されるように、フィルムヒーター１２７から乾式蒸発器２２に向かって規定される鉛直方向に沿って第１伝導率で熱を伝導させると同時に、鉛直方向に直交する平面に沿って第１伝導率よりも高い第２伝導率で熱を伝導させる熱伝導体すなわち熱伝熱フィルム１２９が挟み込まれてもよい。こういった熱伝導フィルム１２９には例えばカーボンフィルムが用いられればよい。このカーボンフィルムは、例えば銅に比べて１／１００程度の熱伝導率で鉛直方向に熱を伝導すると同時に、銅に比べて２倍程度の熱伝導率で平面に沿って熱を伝導することができる。こうした熱伝導フィルム１２９によれば、鉛直方向に直交する平面に沿ってフィルムヒーター１２７の熱は断熱部材１２５内で満遍なく行き渡ることができる。結露や着霜は確実に阻止されることができる。しかも、フィルムヒーター１２７の熱は乾式蒸発器２２に向かって伝達されることはなく、乾式蒸発器２２の冷却能力は半導体素子１２２に対してのみ発揮されることができる。熱伝導フィルム１２９と乾式蒸発器２２との間には絶縁フィルム１３０が挟み込まれることが望ましい。
【０１１３】
断熱部材１２５は、例えば図２３に示されるように、小型プリント配線基板１２１を収容する第１部材片１３１と、乾式蒸発器２２を包み込み、第１部材片１３１に着脱自在に結合される第２部材片１３２とに分割されてもよい。こうした分割によれば、半導体素子１２２や乾式蒸発器２２は比較的に簡単に小型プリント配線基板１２１から取り外されることができる。したがって、半導体素子１２２の交換やメンテナンスにあたって作業性は向上する。
【０１１４】
図２４から明らかなように、フィルムヒーター１２７は小型プリント配線基板１２１の裏面に張り付けられてもよい。入出力ピン１２３はフィルムヒーター１２７を突き抜けてソケット１２４のソケット孔に受け入れられる。フィルムヒーター１２７と小型プリント配線基板１２１との間には熱伝導フィルム１２９が挟み込まれてもよい。このとき、フィルムヒーター１２７や熱伝導フィルム１２９は、図２５に示されるように、小型プリント配線基板１２１の外周に回り込んでもよい。小型プリント配線基板１２１には、図２６に示されるように、熱伝導フィルム１２９を挟み込んだ複数枚のフィルムヒーター１２７が張り付けられてもよい。フィルムヒーター１２７は、図２７に示されるように、ソケット１２４に張り付けられてもよい。こういったソケット１２４では、入出力ピン１２３を受け止める導電部材１３４の周囲にフィルムヒーター１２７は配置される。導電部材１２４はソケット孔に埋め込まれてもよい。
【０１１５】
図２４から明らかなように、大型プリント配線基板１１に対して乾式蒸発器２２を固定するにあたって固定用ボルト１３５が用いられてもよい。この固定用ボルト１３５は、図２８に示されるように、乾式蒸発器２２の伝熱板１３６に形成される貫通孔１３７に受け入れられる。固定用ボルト１３５の先端は、大型プリント配線基板１１に固定されたナット部材１３８に結合される。こういった場合には、伝熱板１３６と固定用ボルト１３５との間に低伝熱部材１３９が挟み込まれることが望ましい。こうした低伝熱部材１３９によれば、乾式蒸発器２２の固定にあたって、乾式蒸発器２２と大型プリント配線基板１１との間で熱の伝達は極力阻止されることができる。したがって、大型プリント配線基板１１が過度に冷却されることは回避されることができる。断熱部材１２５には、固定用ボルト１３５の進入を受け入れる受け入れ孔１４０が形成されてもよい。低伝熱部材１３９は例えば断熱性の高いナイロンから成型されればよい。
【０１１６】
その他、半導体装置モジュール１２は、例えば図２９および図３０に示されるように、乾式蒸発器２２に直接に取り付けられるヒーター１４２、１４３を備えていてもよい。こういったヒーター１４２、１４３は乾式蒸発器２２の表面や伝熱板１４４に密着する。このヒーター１４２、１４３は、半導体装置モジュール１２の交換時やメンテナンス時に使用されることができる。密閉サイクル冷凍装置１３の運転が停止されると、ヒーター１４２、１４３のスイッチは投入される。ヒーター１４２、１４３の発熱によれば、例えば零下まで冷やされていた乾式蒸発器２２や伝熱板１４４は温められる。こうして温められた後に半導体装置収容ユニット３１が開放されれば、乾式蒸発器２２や伝熱板１４４、小型プリント配線基板１２１などで結露は防止されることができる。自然冷却に比べて高速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は短縮されることができる。ヒーター１４３は、例えば図３１および図３２に示されるように、伝熱板１４４に埋め込まれてもよい。
【０１１７】
こういったヒーター１４２、１４３が採用される場合には、例えば図２９や図３１に示されるように、小型プリント配線基板１２１には温度センサ１４５が実装されることが望ましい。こうした温度センサ１４５は例えばサーミスタによって代表される。こういった温度センサ１４５は、例えばヒーター１４２、１４３による過度の温度上昇を回避する際に大いに役立つことができる。温度センサ１４５で検出される温度に基づけば、小型プリント配線基板１２１の温度が過度に上昇する以前にヒーター１４２、１４３の発熱は停止されることができる。
【０１１８】
図３３は半導体装置収容ユニット３１に組み込まれる除湿器３３の一具体例を示す。この除湿器３３は、箱体３２に形成される開口１４６内に配置されるロータ１４７を備える。このロータ１４７は、例えば開口１４６を横切る回転軸１４８回りで回転する。ロータ１４７は、箱体３２内の密閉空間１４９と箱体３２外の開放空間１５０とに同時に進入することができる。ロータ１４７には、例えばシリカゲルやゼオライトといった乾燥剤で構成され、回転軸１４８から放射状に広がる複数枚の羽根１５１が形成される。箱体３２外の開放空間１５０には、ロータ１４７に向けて熱風を送り込むファンヒーター１５２が配置されてもよい。
【０１１９】
ロータ１４７が回転すると、各羽根１５１は、回転軸１４８回りで規定される円周経路に沿って箱体３２内の密閉空間１４９と箱体３２外の開放空間１５０との間を行き来することができる。羽根１５１の乾燥剤は箱３２体内の密閉空間１４９で湿気を捕らえる。羽根１５１が箱体３２内の密閉空間１４９から箱体３２外の開放空間１５０に移動すると、乾燥剤に捕らえられた湿気は開放空間１５０で放出される。湿気の放出は、ファンヒーター１５２から送り込まれる熱風によって促進される。各羽根１５１は、湿気を放出した後、再び密閉空間１４９に進入する。
【０１２０】
こうして各羽根１５１が箱体３２内の密閉空間１４９と箱体３２外の開放空間１５０とを行き来する結果、箱体３２内の乾燥状態は維持されることができる。乾燥状態が維持されれば、箱体３２内の露点は低下する。したがって、乾式蒸発器２２の表面や大型プリント配線基板１１の表面、箱体３２内で循環経路１４を区画する配管の表面などで結露や着霜は一層確実に防止されることができる。
【０１２１】
特に、乾燥剤にゼオライトが用いられれば、大型コンピュータ装置１０の設置環境に影響されずに、箱体３２内の乾燥状態は長期間にわたって維持されることができる。シリカゲルは、例えばたばこの煙に含まれるニコチン酸アミドの粒子が付着すると劣化しやすい。したがって、乾燥剤にシリカゲルが用いられる場合には、大型コンピュータ装置１０の設置環境は清浄に保たれることが望まれる。
【０１２２】
箱体３２内には、例えば図３４に示されるように、箱体３２内の空気を暖めるヒーター１５３が配置されてもよい。こうしたヒーター１５３は、半導体装置モジュール１２の交換時やメンテナンス時に使用されることができる。ヒーター１５の発熱によって箱体３２内の空気は温められる。こうして箱体３２内が温められると、箱体３２の内壁面や半導体装置モジュール１２では温度上昇が引き起こされる。こうして温められた後に半導体装置収容ユニット３１すなわち箱体３２が開放されれば、箱体３２の内壁面や半導体装置モジュール１２などで結露は防止されることができる。自然冷却に比べて急速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は短縮されることができる。
【０１２３】
このとき、半導体装置収容ユニット３１の箱体３２内には、図３４から明らかなように、ヒーター１５３のほか、補助蒸発器２３や循環経路１４に接続される熱交換機１５４、１５５が配置されてもよい。こうしたヒーター１５３や熱交換機１５４、１５５によれば、密閉サイクル冷凍装置１３の運転中に、箱体３２内の温度は調整されることができる。こうした調整によって過度の温度下降（低温化）が防止されれば、箱体３２の外壁面で結露や着霜は回避されることができる。箱体３２の外壁面に張り付けられる断熱材（図示せず）は薄型化されたり省略さたりすることができる。こういった調整によって過度の温度上昇が回避されれば、半導体装置モジュール１２は効率的に冷却され続けることができる。
【０１２４】
図３５は他の具体例に係る半導体装置収容ユニット３１の構造を示す。この半導体装置収容ユニット３１は、大型プリント配線基板１１やこの基板１１上の半導体素子に密着する乾式蒸発器２２を気密に収容する第１箱体１５６と、この第１箱体１５６を気密に収容する第２箱体１５７とを備える。第１箱体１５６の外側には、前述の除湿器３３と同様に構成される第１除湿器１５８が取り付けられる。第２箱体１５７外側には、前述の除湿器３３と同様に構成される第２除湿器１５９が取り付けられる。第１除湿器１５８は、第１箱体１５６内の密閉空間から第１箱体１５６外すなわち第２箱体１５７内の密閉空間に向けて湿気を放出する。第２除湿器１５９は、第２箱体１５７内の密閉空間から第２箱体１５７外の開放空間に向けて湿気を放出する。こうした構成によれば、第１箱体１５６内の湿気は一層効果的に開放空間に放出されることができる。第１箱体１５６内の温度が極低温まで達しても、第１箱１５６内の結露や着霜は一層確実に防止されることができる。
【０１２５】
こういった半導体装置収容ユニット３１では、例えば図３６に示されるように、第２箱体１５７の外側に第１除湿器１５８が取り付けられてもよい。第１箱体１５６内の密閉空間と第１除湿器１５８とは、第２箱体内の密閉空間を横切るエアダクト１６１によって相互に接続されればよい。こうした構成によれば、第２箱体１５７内の密閉空間は狭められることができ、したがって、第２箱体１５７ひいては半導体装置収容ユニット３１全体の小型化は実現されることができる。エアダクト１６１は弾性変形可能に形成されることが望ましい。
【０１２６】
以上のように第１および第２箱体１５６、１５７を用いて半導体装置収容ユニット３１が構成される場合には、例えば図３７に示されるように、第１箱体１５６の開放口１６３と第２箱体１５７の開放口１６４とは共通の扉１６５によって閉鎖されることが望ましい。例えば半導体装置モジュール１２の交換時やメンテナンス時には、第１および第２箱体１５６、１５７とが相次いで開放されなければならない。共通の扉１６５が用いられれば、第１および第２箱体１５６、１５７は一度の手間で簡単に開放されることができる。したがって、半導体装置モジュール１２の交換やメンテナンスにあたって作業性は向上する。このように共通の扉１６５を設けることに代えて、例えば図３８に示されるように、第１および第２箱体１５６、１５７の扉１６６、１６７の間には、扉１６６の開閉に扉１６７の開閉を連動させる連動機構１６８が設けられてもよい。
【０１２７】
図３９は本発明の第２実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイクル冷凍装置２０１は、切替弁２０２の第１吐き出し口２０３を起点に切替弁２０２の第１吸い込み口２０４に至る第１循環経路２０５と、切替弁２０２の第２吐き出し口２０６を起点に切替弁２０２の第２吸い込み口２０７に至る第２循環経路２０８とを備える。第１循環経路２０５には、第１吐き出し口２０３から順番にアキュムレータ２４、圧縮機１５およびオイル分離器１６が組み込まれる。アキュムレータ２４や圧縮機１５、オイル分離器１６は第１実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置１３に組み込まれたものと同様に構成されればよい。
【０１２８】
第２循環経路２０８は、第２吐き出し口２０６から第１分岐点２１０に至る第１両方向通路２１１と、第１分岐点２１０から第２分岐点２１２に至る第１および第２一方向通路２１３、２１４と、第２分岐点２１２から第２吸い込み口２０７に至る第２両方向通路２１５とを備える。第１一方向通路２１３は、第１分岐点２１０から第２分岐点２１２に向かう冷媒の流れを許容するとともに、第２分岐点２１２から第１分岐点２１０に向かう冷媒の流れを規制する。その一方で、第２一方向通路２１４は、第１分岐点２１０から第２分岐点２１２に向かう冷媒の流れを規制するとともに、第２分岐点２１２から第１分岐点２１０に向かう冷媒の流れを許容する。こういった冷媒の流れを実現するにあたって、第１および第２一方向通路２１３、２１４には逆止弁２１６が組み込まれればよい。
【０１２９】
第１および第２両方向通路２１１、２１５には、第１実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置１３と同様に、凝縮器１７や乾式蒸発器２２、補助蒸発器２３が組み込まれる。第１一方向通路２１３には、受液器１８の下流で第１膨張弁２１７が組み込まれる。その他、第１一方向通路２１３には、前述と同様に、ストレーナ２６や観察窓２７が組み込まれてもよい。
【０１３０】
第２一方向通路２１４には、第２分岐点２１２の下流で受液器２１８が組み込まれる。この受液器２１８の下流で第２一方向通路２１４には第２膨張弁２１９が組み込まれる。こういった受液器２１８や第２膨張弁２１９は、前述の受液器１８や第１膨張弁２１７と同様に構成されればよい。
【０１３１】
いま、例えば図４０に示されるように、切替弁２０２の働きによって第１吸い込み口２０４と第２吐き出し口２０６とが接続される場面を想定する。このとき、切替弁２０２では第２吸い込み口２０７は第１吐き出し口２０３に接続される。したがって、圧縮機１５の動作中、第２吐き出し口２０６から吐き出される冷媒は、第１両方向通路２１１から第１一方向通路２１３を経て第２両方向通路２１５に至る。前述と同様に、乾式蒸発器２２の働きによって半導体装置モジュール１２は冷却される。このとき、乾式蒸発器２２では、前述と同様に、冷媒の乾き度１．０未満例えば０．８５程度が維持される。したがって、乾式蒸発器２２では高い冷却能力は実現されることができる。乾式蒸発器２２から吐き出される気液混相状態の冷媒は補助蒸発器２３で完全にガス化される。
【０１３２】
ここで、半導体装置モジュール１２の交換やメンテナンスの場面を想定する。こういった交換やメンテナンスにあたって、半導体装置収容ユニット３１は開放されなければならない。例えば図４１に示されるように、こうした開放に先立って切替弁２０２は切り替えられる。この切り替えによって、第１吸い込み口２０４は第２吸い込み口２０７に接続されることができる。その結果、圧縮機１５が作動すると、冷媒は、切替弁２０２の第２吸い込み口２０７から吐き出される。吐き出された冷媒は、第２両方向通路２１５から第２一方向通路２１４を経て第１両方向通路２１１に至る。
【０１３３】
こうして第２循環経路２０８で冷媒が逆向きに循環すると、乾式蒸発器２２や補助蒸発器２３は凝縮器として機能すると同時に、凝縮器１７は乾式蒸発器として機能することができる。その結果、乾式蒸発器２２や補助蒸発器２３は、半導体装置モジュール１２や大型プリント配線基板１１、半導体装置収容ユニット３１内の空気を温めることができる。こうして温められた後に半導体装置収容ユニット３１すなわち箱体３２が開放されれば、箱体３２の内壁面や半導体装置モジュール１２などで結露は防止されることができる。自然冷却に比べて急速に温度が上昇することから、交換作業やメンテナンス作業に費やされる時間は短縮されることができる。
【０１３４】
図３９から明らかなように、こういった密閉サイクル冷凍装置２０１では、乾式蒸発器２２および補助蒸発器２３に並列にヒーター２２１が組み込まれてもよい。こうしたヒーター２２１は、第２循環経路２０８で冷媒が逆向きに循環する際にのみ使用されればよい。こうしたヒーター２２１によれば、受液器２１８に向かう冷媒は完全に凝縮されることができる。前述の密閉サイクル冷凍装置２０１では、凝縮器１７で達成される伝熱面積に比べて乾式蒸発器２２や補助蒸発器２３で達成される伝熱面積は著しく小さい。したがって、ヒーター２２１が組み込まれなければ、凝縮能力の小さな乾式蒸発器２２や補助蒸発器２３では、凝縮器１７の冷却能力に対して十分な凝縮効果を達成することはできないと考えられる。
【０１３５】
図４２は本発明の第３実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイクル冷凍装置２３０は、前述の密閉サイクル冷凍装置１３と同様に循環経路１４を備える。この循環経路１４には、前述の密閉サイクル冷凍装置１３と同様に、圧縮機１５や凝縮器１７、受液器１８、膨張弁２１、乾式蒸発器２２、補助蒸発器２３、アキュムレータ２４のほか、オイル分離器１６やストレーナ２６が組み込まれる。
【０１３６】
乾式蒸発器２２は、図４２から明らかなように、鉛直方向に延びる伝熱板２３１で冷却対象物すなわち半導体装置モジュール１２に接触するケーシング２３２を備える。このケーシング２３２では、そういった伝熱板２３１と、伝熱板２３１に平行に配置される背面板２３３との間に密閉空間すなわち蒸発室２３４は区画される。蒸発室２３４は、伝熱板２３１から背面板２３３に向かって水平方向に立ち上がる底板２３５から伝熱板２３１に沿って鉛直方向に広がる。ケーシング２３２は例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。蒸発室２３４の最下位置には、蒸発室２３４に冷媒を導入する冷媒流入口２３６が開口する。蒸発室２３４の最上位置には、蒸発室２３４から冷媒を流出させる冷媒流出口２３７が開口する。伝熱板２３１には、冷媒流入口２３６から冷媒流出口２３７に向かって鉛直方向に延びる冷媒通路を区画するフィン群２３８が一体に形成される。フィン群２３８の構造の詳細は後述される。
【０１３７】
この密閉サイクル冷凍装置２３０では蒸発室２３４で気液分離が実現される。こうした気液分離は、流量制御器すなわち膨張弁２１から送り出される冷媒の流量に基づき実現されることができる。冷媒の流量を調整するにあたって圧縮機１５や膨張弁２１の動作は制御される。この制御には例えば制御回路２３９が用いられる。圧縮機１５の動作を制御するにあたって、制御回路２３９は、例えば圧縮機１５の上流および下流で循環経路１４に組み込まれる圧力センサ２４０、２４１の出力に基づき圧縮機１５の圧縮比を算出することができる。膨張弁２１の動作を制御するにあたって、制御回路２３９は、例えば乾式蒸発器２２の下流で循環経路１４に組み込まれる温度センサ２４２や圧力センサ２４３の出力を利用する。こうして気液分離が実現されると、蒸発室２３４内では、重力の影響を受けて冷媒液は底板２３５上に溜まる。このように冷媒液が溜められると、フィン群２３８で規定される各冷媒通路に均等に冷媒は分配されることができる。
【０１３８】
ケーシング２３２には、蒸発室２３４に先端を臨ませる第１噴射ノズル２４４および第２噴射ノズル２４５が取り付けられる。第１噴射ノズル２４４の軸心線は、図４２から明らかなように、蒸発室２３４に溜まった冷媒液の液面を横切ってフィン群２３８に向けられる。第２噴射ノズル２４５の先端すなわち噴射口は、図４２から明らかなように、フィン群２３８および冷媒流入口２３６の間に位置決めされる。第１および第２噴射ノズル２４４、２４５には、圧縮機１５およびオイル分離器１６の下流から延びるバイパス経路２４７を区画するバイパス配管が接続される。
【０１３９】
圧縮機１５の作動中、圧縮機１５から高圧力で吐き出された気相状態の冷媒すなわち冷媒ガスはバイパス経路２４７から第１および第２噴射ノズル２４４、２４５に向けて供給される。第１噴射ノズル２４４の先端から冷媒ガスが吐き出されると、冷媒の液面からフィン群２３８に向かって冷媒液は吹き上げられる。吹き上げられた冷媒液はフィン群２３８すなわち伝熱板２３１に付着する。こうして伝熱板２３１の表面では常に広い領域で冷媒は保持されることができる。冷媒液の蒸発は促進される。
【０１４０】
バイパス経路２４７から第２噴射ノズル２４５に向けて冷媒ガスが供給されると、第２噴射ノズル２４５の先端から冷媒ガスは噴き出される。噴き出された冷媒ガスは冷媒液を撹拌する。こうして冷媒流出口２３６の近辺で冷媒液が撹拌されると、蒸発室２３４には一様に冷媒が流入することができる。
【０１４１】
図４２から明らかなように、バイパス経路２４７には、バイパス経路２４７の流量を制御する電子制御弁２４８が組み込まれてもよい。こうしてバイパス経路２４７で流量が制御されると、蒸発室２３４内に高圧力で導入される冷媒ガスの噴射量は調整されることができる。したがって、蒸発室２３４内の蒸気圧は調整されることができる。こうして蒸気圧が調整されると、蒸発室２３４内では、冷媒の蒸発温度すなわち沸点は調整されることができる。
【０１４２】
フィン群２３８は、例えば図４３に示されるように、伝熱板２３１の表面から立ち上がって、鉛直方向に延びる複数枚のフィン２５１を備える。隣接するフィン２５１同士の間には、冷媒液の毛管上昇を実現する溝幅Ｗ１で鉛直方向に延びるマイクロチャネル２５２が区画される。こうしたフィン群２３８によれば、蒸発室２３４に溜まる冷媒液はマイクロチャネル２５２によって吸い上げられることができる。その結果、フィン群２３８すなわち伝熱板２３１は、冷媒液の液面ＬＶの位置に拘わらず、広い領域で冷媒液に浸されることが可能となる。その結果、冷媒液の蒸発は促進される。マイクロチャネル２５２内で冷媒が吸い上げられる高さＨｒは例えば冷媒の表面張力とマイクロチャネル２５２の溝幅Ｗ１とに基づき決定されることができる。
【０１４３】
図４４を併せて参照すると明らかなように、各フィン２５１の稜線２５３は平行に配列される。隣り合う稜線２５３の間には、それら稜線２５３に平行に延びる基準線２５４が規定される。一方のフィン２５１の稜線２５３から基準線２５４に向かって第１壁面２５５は広がる。その一方で、他方のフィン２５１の稜線２５３から共通の基準線２５４に向かって第２壁面２５６は広がる。第１壁面２５５と第２壁面２５６とは相互に向き合う。同時に第１および第２壁面２５５、２５６は基準線２５４で相互に接続される。第１および第２壁面２５５、２５６は基準線２５４に沿って延びる。
【０１４４】
第１および第２壁面２５５、２５６は稜線２５３から基準線２５４に向かって湾曲面を描く。その結果、第１および第２壁面２５５、２５６の間隔は、図４４から明らかなように、基準線２５４から遠ざかるにつれて徐々に広がっていく。このとき、第１および第２壁面２５５、２５６の間で基準線２５４に向き合う冷媒液の表面では、表面の曲率半径ｒや、第１および第２壁面２５５、２５６との相対角αに基づき第１表面張力Ｆ１が作用する。その一方で、稜線２５３に向かって開放される冷媒液の表面では、表面の曲率半径Ｒや、第１および第２壁面２５５、２５６との相対角βに基づき第２表面張力Ｆ２が作用する。次式に示されるように、第１表面張力Ｆ１は第２表面張力Ｆ２に比べて格段に大きい。
【０１４５】
【数１】

こうしたマイクロチャネル２５２に冷媒の液滴が吹きかけられると、基準線２５４側で大きな第１表面張力Ｆ１が作用することから、液滴は表面張力Ｆ１、Ｆ２の差分に応じて基準線２５４に向かって吸い込まれていく。その結果、冷媒液は、第１および第２壁面２５５、２５６の間に溜め込まれることができる。こうして冷媒液の蒸発は促進されることができる。
【０１４６】
こういったマイクロチャネル２５２では、例えば図４５に示されるように、第１および第２壁面２５５、２５６に拡大溝２５７が形成されてもよい。この拡大溝２５７は基準線２５４に沿って延びる。こうした拡大溝２５７によれば、第１および第２壁面２５５、２５６の間に導き入れられた冷媒の液滴は拡大溝２５７に溜め込まれることができる。したがって、冷媒液の蒸発は一層促進されることができる。
【０１４７】
前述のようにマイクロチャネル２５２に冷媒液を溜め込むにあたって、例えば図４６に示されるように、フィン群２３８は、例えば１ｍｍ以下のピッチＰｉｔで並列に配列されて、伝熱板２３１の表面から立ち上がる複数枚の平板状フィン２５８を備えてもよい。隣り合う平板状フィン２５８同士の間には、一方の平板状フィン２５８で規定される第１壁面２５９と、他方の平板状フィン２５８で規定されて第１壁面２５９に向き合う第２壁面２６０とによってマイクロチャネル２５２は区画される。こうした平板状フィン２５８を形成するにあたって、伝熱板２３１の表面には、例えばマイクロチャネル２５２の溝幅Ｗに等しい厚みの薄丸鋸（図示せず）が適用されてもよい。薄丸鋸がマイクロチャネル２５２を彫り進むと、平板状フィン２５８は削り出されることができる。その他、そういった平板状フィン２５８は、伝熱板２３１の表面に固着される銅製やアルミニウム製の薄板によって構成されてもよい。
【０１４８】
このとき、第１壁面や第２壁面２５９、２６０には各々第１腐食面や第２腐食面が形成されてもよい。第１および第２腐食面では微細な凹凸が実現される。こうした微細な凹凸によれば、平板状フィン２５８の伝熱面積は拡大されると同時に、冷媒液に対する濡れ性は向上する。したがって、冷媒液の蒸発は促進されることができる。第１および第２腐食面の形成にあたっては、例えばＨＦなどの腐食剤が用いられればよい。
【０１４９】
その他、冷媒液の濡れ性を向上させるにあたって、第１および第２壁面２５９、２６０には熱伝導性微小粒子が付着させられてもよい。微小粒子の大きさはミクロンオーダーで設定されればよい。こうした熱伝導性微小粒子によれば、前述と同様に、平板状フィン２５８の伝熱面積は拡大されると同時に、冷媒液に対する濡れ性は向上する。したがって、冷媒液の蒸発は促進されることができる。熱伝導性微小粒子には、例えばダイヤモンド、金、銀、炭素繊維などの微粒子が用いられればよい。
【０１５０】
以上のような第１〜第３実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置１３、２０１、２３０に用いられる乾式蒸発器２２は、例えば図４７に示されるように、水平方向に広がる小型プリント配線基板３０１に取り付けられるケーシング３０２と、このケーシング３０２に組み込まれる冷却素子すなわちピストン３０３とを備えてもよい。ケーシング３０２には、鉛直方向に立ち上がる導入管３０４および排出管３０５が接続される。こういった接続には例えばカプラ３０６が用いられればよい。
【０１５１】
ケーシング３０２では、図４８から明らかなように、水平方向に延びる天井板３０７と底板３０８との間に冷媒の流路３０９が区画される。この流路３０９には、導入管３０４で区画される冷媒導入通路から冷媒が導入される。流路を通過した冷媒は、排出管３０５で区画される冷媒排出通路から流出する。ピストン３０３は、ケーシング３０２の天井板３０７および底板３０８を貫通して流路３０９を横切る。底板３０８から突き出るピストン３０３の先端は半導体素子３１０の表面に接触する。ピストン３０３は、例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【０１５２】
ピストン３０３の円筒表面にはシール部材３１１が取り付けられる。シール部材３１１は、ピストン３０３と天井板３０７との間やピストン３０３と底板３０８との間に挟み込まれる。こうしたシール部材３１１によれば、天井板３０７とピストン３０３との間や底板３０８とピストン３０３との間で冷媒の漏出は防止されることができる。ケーシング３０２には、半導体素子３１０の表面にピストン３０３を押し当てるバネ３１２といった弾性部材が設けられてもよい。
【０１５３】
こうした乾式蒸発器２２では、半導体素子３１０の発熱はピストン３０３を経て効率的に冷媒に伝達されることができる。したがって、半導体素子３１０は効率的に冷却されることができる。このとき、例えばケーシング３０２が合成樹脂材などの断熱材から構成されれば、ピストン３０３以外から冷媒に熱は伝わりにくくなる。したがって、乾式蒸発器２２の冷却効率は一層高められることができる。
【０１５４】
なお、ケーシング３０２内に区画される冷媒の流路３０９は、例えば図４９に示されるように、全てのピストン３０３に対して共通に設けられてもよい。その他、こういった流路３０９は、例えば図５０に示されるように、ピストン３０３の各列ごとに切り離されて形成されてもよい。
【０１５５】
ピストン３０３には、例えば図５１に示されるように、１枚または複数枚のフィン３１３が取り付けられてもよい。フィン３１３は流路３０９中でピストン３０３の円筒表面から水平方向に広がればよい。こうしたフィン３１３によれば、ピストン３０３と冷媒との間で伝熱面積は増大する。その結果、半導体素子３１０からピストン３０３に伝わる熱は効率的に冷媒に伝達されることができる。こういったフィン３１３はピストン３０３に一体に形成されてもよい。
【０１５６】
こうした乾式蒸発器２２では、例えば図５２に示されるように、各半導体素子３１０の発熱量に応じてフィン３１３の広がりすなわち大きさは決定されてもよい。周知の通り、フィン３１３の拡大はピストン３０３と冷媒との間で伝熱面積の増大を実現することができる。伝熱面積が増大すれば、ピストン３０３から冷媒に伝達される熱は増大する。したがって、発熱量の大きさにフィン３１３の大きさが追随すれば、冷却時に各半導体素子３１０の温度にばらつきが生じることは回避されることができる。言い換えれば、半導体素子３１０ごとに発熱量が異なっても、１枚の小型プリント配線基板３０１上で一層効率的に冷却は実現されることができる。ただし、伝熱面積すなわちフィン３１３の表面積は、このようにフィン３１３の大きさによって調整されてもよく、フィン３１３の枚数によって調整されてもよい。
【０１５７】
その他、乾式蒸発器２２は、例えば図５３に示されるように、水平方向に広がる小型プリント配線基板３０１に取り付けられるブロック体３１５を備えてもよい。このブロック体３１５には、小型プリント配線基板３０１上の各半導体素子３１０に対応して鉛直方向に延びる円筒貫通孔３１６と、水平方向に延びて、円筒貫通孔３１６を横切る流路用貫通孔３１７とが形成される。これら円筒貫通孔３１６や流路用貫通孔３１７はドリル加工などによって比較的に簡単に形成されることができる。こうしたブロック体３１５は、冷媒の流路を区画するケーシングとして機能する。
【０１５８】
円筒貫通孔３１６には冷却素子すなわちピストン３１８がはめ込まれる。ピストン３１８の先端はブロック体３１５から突き出て半導体素子３１０の表面に接触する。ピストン３１８は、例えば熱伝導率の高い銅といった材料から成形されればよい。
【０１５９】
ピストン３１８の円筒表面と円筒貫通孔３１６の内壁面との間には、ピストン３１８の円筒表面に沿って冷媒を案内する冷媒案内路３１９が形成される。冷媒案内路３１９は、円筒貫通孔３１６の内壁面に開口する１対の流路用貫通孔３１７同士を接続する。
【０１６０】
ピストン３１８の円筒表面には上下１対のシール部材すなわちＯリング３２１がはめ込まれる。１対のＯリング３２１の間で冷媒案内路３１９が区画されることから、ピストン３１８の円筒表面に沿って流れる冷媒の漏出は確実に阻止されることができる。
【０１６１】
冷媒案内路３１９を形成するにあたって、図５４から明らかなように、ピストン３１８の円筒表面には、経線に沿って鉛直方向に延びる１対の案内溝３２２が形成される。案内溝３２２の一端同士は接続溝３２３によって相互に接続される。ピストン３１８が円筒貫通孔３１６にはめ込まれると、案内溝３２２や接続溝３２３と円筒貫通孔３１６の内壁面との間に冷媒案内路３１９は区画される。
【０１６２】
再び図５３を参照すると明らかなように、流路用貫通孔３１７に導入される冷媒は一方の案内溝３２２に導かれてピストン３１８の円筒表面に沿って下降していく。下降した冷媒は接続溝３２３から他方の案内溝３２２に流入する。この案内溝３２２は、ピストン３１８の円筒表面に沿って冷媒を上昇させる。上昇した冷媒は流路用貫通孔３１７に流れ込む。こうしてピストン３１８の円筒表面に沿って冷媒が案内されれば、高い冷却効率でピストン３１８の冷却は実現されることができる。なお、案内溝３２２には、例えば図５５に示されるように、経線に沿って鉛直方向に延びる１筋または複数筋のフィン３２４が形成されてもよい。こうしたフィン３２４によれば、ピストン３１８と冷媒との間で伝熱面積は増大し、さらに高い冷却効率でピストン３１８は冷却されることが可能となる。
【０１６３】
例えば図５６に示されるように、ピストン３１８には、前述のような接続溝３２３に代えて、１対の案内溝３２２同士を接続する接続孔３２６が形成されてもよい。この接続孔３２６は、例えば図５７から明らかなように、ピストン３１８の軸心に沿って鉛直方向に延びる中心穴３２７と、この中心穴３２７から水平方向に延びて２つの案内溝３２２に開口する１対の半径方向穴３２８とによって構成されればよい。
【０１６４】
こうした接続孔３２６では、できる限り半径方向穴３２８同士の間隔は広げられることが望まれる。こうして間隔が広げられれば、中心穴３２７の内壁面と冷媒との間で伝熱面積は増大する。その結果、さらに高い冷却効率でピストン３１８の冷却は実現されることができる。このとき、図５６から明らかなように、ブロック体３１５には、円筒貫通孔３１６を横切る上下１対の流路用貫通孔３１７ａ、３１７ｂが形成されればよい。隣接するピストン３１８同士の間で冷媒は２つの流路用貫通孔３１７ａ、３１７ｂを交互に流れていく。
【０１６５】
以上のような接続孔３２６は例えば単純なドリル加工によって成形されることができる。まず、図５８（ａ）に示されるように、ピストン素材３３１の端面から軸心に沿ってドリル穴３３２は形成される。続いて、図５８（ｂ）に示されるように、ピストン素材３３１の円筒表面から半径方向に沿ってドリル穴３３３は形成される。最後に、図５８（ｃ）に示されるように、ピストン素材３３１の端面から閉鎖栓３３４がはめ込まれると、中心穴３２７は区画される。
【０１６６】
例えば図５９に示されるように、ピストン３１８の円筒表面には、前述の案内溝３２２に代えて、螺旋状の案内溝３３５が形成されてもよい。こうしたピストン３１８が円筒貫通孔３１６にはめ込まれると、図６０に示されるように、案内溝３３５と円筒貫通孔３１６の内壁面との間に冷媒案内路３１９が区画される。流路用貫通孔３１７ａに流入した冷媒は案内溝３３５に沿って螺旋を描きながら下降していく。したがって、ピストン３１８と冷媒との間で伝熱面積は増大することができる。高い冷却効率でピストン３１８は冷却されることができる。冷媒は流路用貫通孔３１７ｂに流出する。隣接するピストン３１８では、冷媒は案内溝３３５に沿って螺旋を描きながら上昇していく。同様に高い冷却効率でピストン３１８は冷却される。上昇した冷媒は流路用貫通孔３１７ａに流入する。
【０１６７】
その他、図６１に示されるように、ピストン３１８には、前述の案内溝３３５に加えて、前述と同様に接続孔３３６が形成されてもよい。図６２に示されるように、この接続孔３３６は、ピストン３１８の軸心に沿って鉛直方向に延びる中心穴３３７と、この中心穴３３７から水平方向に延びて案内溝３３５の一端に開口する第１半径方向穴３３８と、同様に中心穴３３７から水平方向に延びてピストン３１８の円筒表面で開口する第２半径方向穴３３９とを備えればよい。こういった中心穴３３７や第１および第２半径方向穴３３８、３３９は、前述の中心穴３２７や半径方向穴３２８と同様に成形されればよい。
【０１６８】
こうした接続孔３３６の採用によれば、図６２から明らかなように、案内溝３３５に沿って螺旋を描きながら下降した冷媒は接続孔３３６によって流路用貫通孔３１７に導かれることができる。したがって、前述のように螺旋状の案内溝３３５を採用する場合でも、ブロック体３１５に２本の流路用貫通孔３１７ａ、３１７ｂを設ける必要はなくなる。
【０１６９】
さらに、図６３に示されるように、ピストン３１８には、冷媒を流通させる複数個の貫通孔３４１が形成されてもよい。こうした貫通孔３４１によれば、ピストン３１８と冷媒との間で伝熱面積は増大することができる。したがって、ピストン３１８の熱は効率的に冷媒に伝達されることができる。
【０１７０】
しかも、貫通孔３４１の両端は、ピストン３１８の円筒表面上で１対の経線を含む平面に沿って形成される第１および第２平坦面３４２、３４３で開口する。円筒貫通孔３１６にピストン３１８がはめ込まれると、図６４に示されるように、第１平坦面３４２と円筒貫通孔３１６の内壁面との間には冷媒流入室３４５が区画される。その一方で、第２平坦面３４３と円筒貫通孔３１６の内壁面との間には冷媒流出室３４６が区画される。こうした冷媒流入室３４５や冷媒流出室３４６の働きによって冷媒は各貫通孔３４１に満遍なく分配されることができる。
【０１７１】
前述のようにカプラ３４で循環経路１４が分断される場合には、例えば図６５に示されるように、循環経路１４に空気追い出し機構３５１が組み込まれることが望まれる。この空気追い出し機構３５１は、カプラ３４の上流側および下流側で循環経路１４に組み込まれる第１および第２開閉弁３５２、３５３と、カプラ３４と第２開閉弁３５３との間で循環経路１４に組み入れられる２方向切替弁３５４とを備えればよい。２方向切替弁３５４には、上流側の循環経路１４ａと下流側の循環経路１４ｂとを相互に接続する直進通路３５５と、この直進通路３５５から枝分かれして直進通路３５５を開放空間に接続する開放通路３５６とが設けられる。２方向切替弁３５４が通常モードに設定されると、図６５に示されるように、直進通路３５５と開放通路３５６との接続は遮断される。直進通路３５５によって上流側の循環経路１４ａと下流側の循環経路１４ｂとは相互に接続される。その一方で、２方向切替弁３５４が作業モードに設定されると、図６６に示されるように、上流側の循環経路１４ａと下流側の循環経路１４ｂとの接続は遮断される。このとき、上流側の循環経路１４ａは開放通路３５６に接続される。
【０１７２】
密閉サイクル冷凍装置１３の作動時には、２方向切替弁３５４は通常モードに設定される。同時に、第１および第２開閉弁３５２、３５３は開かれる。したがって、冷媒は圧縮機１５の働きに応じて循環経路１４内を行き来することができる。
【０１７３】
カプラ３４の連結が解除される際には、２方向切替弁３５４で通常モードは維持される。したがって、開放通路３５６から循環経路１４に外気は入り込むことはない。カプラ３４のセルフシール機構が作動する限り、カプラ３４から循環経路１４に外気は入り込まない。このとき、第１および第２開閉弁３５２、３５３は開かれたままでもよく閉じられてもよい。
【０１７４】
カプラ３４の接続時には、第１および第２開閉弁３５２、３５３は必ず閉じられる。カプラ３４の連結が完了した後、２方向切替弁３５４は作業モードに切り替えられる。上流側の循環経路１４ａは外気に開放される。同時に、第１開閉弁３５２は開かれる。このとき、圧縮機１５が作動すると、冷媒の圧力に応じて循環経路１４ａ内の空気は開放通路３５６から外気に向かって追い出される。こうして空気が追い出された後、２方向切替弁３５４は通常モードに切り替えられる。その結果、循環経路１４は外気から遮断される。その後、第２開閉弁３５３は開かれる。分断された循環経路１４同士の連結は完了する。こうして循環経路１４内の空気が追い出されれば、カプラ３４の連結や解除が繰り返されても、空気の混入は阻止され、密閉サイクル冷凍装置１３の作動に支障を来すことは防止されることができる。周知の通り、循環経路１４に空気が混入すると密閉サイクル冷凍装置１３の作動に悪影響を及ぼしてしまう。
【０１７５】
こうした空気追い出し機構３５１では、２方向切替弁３５４と第２開閉弁３５３とが統合されることが望まれる。単一の機構で２方向切替弁３５４の機能と第２開閉弁３５３の機能とを実現することができれば、２方向切替弁３５４と第２開閉弁３５３との間で循環経路１４は省略されることができ、循環経路１４に空気が混入する可能性は一層低減されることができる。
【０１７６】
図６７は本発明の第４実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す。この密閉サイクル冷凍装置３６１では、前述のように乾式蒸発器２２で乾き度１．０未満例えば０．８５程度を維持するにあたって、乾式蒸発器２２の冷媒流出口３６２に気液分離フィルタ３６３が組み込まれる。この気液分離フィルタ３６３は気相状態の冷媒すなわち冷媒のみを下流側に流出させる。したがって、乾式蒸発器２２内で完全に冷媒液が蒸発しなくても、気液分離器２４の負担を著しく増加させることなく圧縮機１５の液圧縮は確実に防止されることができる。しかも、こうした気液分離フィルタ３６３の働きによれば、前述の補助蒸発器２３は省略されることができる。ただし、こうした気液分離フィルタ３６３は補助蒸発器３６３と組み合わせられて使用されてもよい。なお、この第４実施形態では、前述の第１実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置に組み込まれた構成と同様な機能を発揮する構成には同一の参照符号が付与される。
【０１７７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、これまで以上に高い冷却能力を発揮することができる密閉サイクル冷凍装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置が組み込まれた大型コンピュータ装置の構造を概略的に示す図である。
【図２】 冷媒の熱伝達係数を示すグラフである。
【図３】 一具体例に係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
【図４】 蒸発室内のフィン群の構造を示す底板の平面図である。
【図５】 他の具体例に係るフィン群の構造を示す底板の平面図である。
【図６】 さらに他の具体例に係るフィン群の構造を示す底板の平面図である。
【図７】 他の具体例に係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
【図８】 仕切り板の平面図である。
【図９】 図７に示される乾式蒸発器の変形例に係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
【図１０】 図７に示される乾式蒸発器の他の変形例に係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
【図１１】 仕切り板の平面図である。
【図１２】 冷媒導入室および冷媒排出室の構造を示す仕切り板の平面図である。
【図１３】 冷媒導入室および冷媒排出室の構造を示す仕切り板の平面図である。
【図１４】 冷媒導入室および冷媒排出室の構造を示す仕切り板の平面図である。
【図１５】 さらに他の具体例に係る乾式蒸発器の構造を示す断面図である。
【図１６】 冷媒導入室および冷媒排出室の構造を示す仕切り板の平面図である。
【図１７】 蒸発室内で実現される気液分離の概念を示す乾式蒸発器の断面図である。
【図１８】 気液分離を実現する乾式蒸発器の一具体例を示す断面図である。
【図１９】 気液分離を実現する乾式蒸発器の一具体例を示す断面図である。
【図２０】 気液分離を実現する乾式蒸発器の一変形例を示す断面図である。
【図２１】 気液分離を実現する乾式蒸発器の一具体例を示す断面図である。
【図２２】 半導体装置モジュールの一具体例を示す断面図である。
【図２３】 半導体装置モジュールの一変形例を示す断面図である。
【図２４】 半導体装置モジュールの一具体例を示す断面図である。
【図２５】 フィルムヒーターの一変形例を示す一部拡大図である。
【図２６】 フィルムヒーターの一変形例を示す一部拡大図である。
【図２７】 フィルムヒーターの一変形例を示す一部拡大断面図である。
【図２８】 固定用ボルトを示す一部拡大断面図である。
【図２９】 半導体装置モジュールの一具体例を示す側面図である。
【図３０】 ヒーターの形状を示す乾式蒸発器の平面図である。
【図３１】 半導体装置モジュールの一具体例を示す断面図である。
【図３２】 図３１の３２−３２線に沿った伝熱板の断面図である。
【図３３】 除湿器の一具体例を示す半導体装置収容ユニットの拡大断面図である。
【図３４】 半導体装置収容ユニットの一変形例を示す拡大断面図である。
【図３５】 半導体装置収容ユニットの一具体例を示す拡大断面図である。
【図３６】 半導体装置収容ユニットの一変形例を示す拡大断面図である。
【図３７】 半導体装置収容ユニットの一変形例を示す拡大断面図である。
【図３８】 半導体装置収容ユニットの一変形例を示す拡大断面図である。
【図３９】 本発明の第２実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
【図４０】 切替弁を示す拡大断面図である。
【図４１】 切替弁を示す拡大断面図である。
【図４２】 本発明の第３実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
【図４３】 蒸発室内のフィン群の構造を示す伝熱板の一部拡大平面図である。
【図４４】 図４３の４４−４４線に沿った断面斜視図である。
【図４５】 他の具体例に係るフィン群の断面斜視図である。
【図４６】 さらに他の具体例に係るフィン群の断面斜視図である。
【図４７】 冷却素子（ピストン）を備える乾式蒸発器の構造を示す拡大斜視図である。
【図４８】 ピストンの構造を示す乾式蒸発器の一部断面図である。
【図４９】 ケーシング内の流路の構造を概略的に示す平面図である。
【図５０】 他の形態に係る流路の構造を概略的に示す平面図である。
【図５１】 他の具体例に係るピストンの構造を示す乾式蒸発器の一部断面図である。
【図５２】 他の具体例に係るフィンの構造を示す乾式蒸発器の平面図である。
【図５３】 ブロック体に組み込まれたピストンを概略的に示す乾式蒸発器の断面図である。
【図５４】 ピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図５５】 １変形例に係るピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図５６】 他の具体例に係るピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図５７】 ピストンに形成された接続孔の構成を概略的に示す乾式蒸発器の断面図である。
【図５８】 接続孔の加工方法を概略的に示すピストンの断面図である。
【図５９】 さらに他の具体例に係るピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図６０】 冷媒の流れを概略的に示す乾式蒸発器の断面図である。
【図６１】 さらに他の具体例に係るピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図６２】 冷媒の流れを概略的に示す乾式蒸発器の断面図である。
【図６３】 さらに他の具体例に係るピストンの構造を概略的に示す斜視図である。
【図６４】 冷媒の流れを概略的に示す乾式蒸発器の断面図である。
【図６５】 空気追い出し機構の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６６】 作業モードに設定された空気追い出し機構の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６７】 本発明の第４実施形態に係る密閉サイクル冷凍装置の構造を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１２ 冷却対象物としての半導体装置モジュール、１３ 密閉サイクル冷凍装置、１４ 循環経路、２１ 流量制御器としての膨張弁、２２ 乾式蒸発器、２３ 補助蒸発器、３１ 半導体装置収容ユニット、３２ 箱体、３３ 除湿器、４１ ケーシング、４４ 密閉空間すなわち蒸発室、４８ 冷媒流入口、４９ 冷媒流出口、５１ フィン群、５２ 直線経路、５３ ケーシング、５４ 底板、５５ 天井板、５８ 中板としての仕切り板、５９ 蒸発室、６１ 冷媒導入室、６２ 冷媒排出室、６６ 冷媒流入口、６７ 冷媒流出口、６８ 導入口としての蒸発室入り口、７５ 堰、７６ 冷媒通路、７８ 膨張路、８１ ケーシング、８２ 底板、８３ 天井板、８５ 中板としての仕切り板、８６ 蒸発室、８７ 冷媒排出室、８８ 導入管、８９ 排出管、９２ 伝熱板、９３ ケーシング、９５ 蒸発室、９８ 管部材としての排出管、１０１ 冷媒流入口、１０２ 冷媒流入口、１０３ フィン群、１０４ 迂回路を形成するバイパス管、１０５ バイパス口、１０７ 伝熱板、１０８ ケーシング、１０９ 背面板、１１０ 蒸発室、１１２ 仕切り板、１１３ 伝熱板側空間、１１４ 背面板側空間、１１８ 冷媒流入口、１１９ 冷媒流出口、１２１ 小型プリント配線基板、１２２ 半導体素子、１２３ 入出力ピン、１２４ 半導体装置モジュール用コネクタとしてのソケット、１２５ 断熱部材、１２６ フィルムヒーター、１２７ フィルムヒーター、１２９ 熱伝導フィルム、１３１ 第１部材片、１３２ 第２部材片、１３５ 固定用ボルト、１３７ 貫通孔、１３９ 低伝熱部材、１４２ ヒーター、１４３ ヒーター、１４４ 伝熱板、１４５ 温度センサ、１４９ 密閉空間、１５０ 開放空間、１５３ ヒーター、１５６ 第１箱体、１５７ 第２箱体、１５８ 第１除湿器、１５９ 第２除湿器、２０１ 密閉サイクル冷凍装置、２３０ 密閉サイクル冷凍装置、２３１ 伝熱板、２３２ケーシング、２５２ マイクロチャネル、２５４ 基準線、２５５ 第１壁面、２５６ 第２壁面、２５７ 拡大溝、２４４ 第１噴射ノズル、２４５ 第２噴射ノズル、２４７ バイパス経路、２４８ 流量制御弁としての電子制御弁、３０１ 小型プリント配線基板、３０２ ケーシング、３０３ 冷却素子としてのピストン、３０９ 冷媒の流路、３１０ 半導体素子、３１５ ケーシングとしてのブロック体、３１８ 冷却素子としてのピストン、３６１ 密閉サイクル冷凍装置、３６２ 冷媒流出口、３６３ 気液分離フィルタ、Ｄ１ 下部空間の深さ、Ｄ２ 伝熱板および仕切り板の間隔。

Claims (8)

1. 冷媒を循環させる循環経路と、前記循環経路に組み込まれて、前記循環経路に向けて高圧力で気相状態の冷媒を送り出す圧縮機と、前記圧縮機の下流で前記循環経路に組み込まれて、前記圧縮機から送り込まれる冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器の下流で前記循環経路に組み込まれて、前記凝縮器から送り込まれる液相状態の冷媒の圧力を低下させる膨張弁と、前記膨張弁の下流で前記循環経路に組み込まれて冷却対象物上に配置され、乾き度０．８５以下を維持しつつ前記膨張弁から送り込まれる冷媒を蒸発させる乾式蒸発器と、前記乾式蒸発器および前記圧縮機の間で前記循環経路に組み込まれて、乾き度１．０を達成する補助蒸発器とを備え、前記乾式蒸発器は、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、前記底板で前記冷却対象物に接触するケーシングと、前記天井板および前記底板の間で密閉空間に配置される中板と、前記中板および前記底板の間に区画される蒸発室と、前記天井板に形成されて、前記中板に向き合わせられる冷媒流入口と、前記天井板および前記中板の間に区画されて、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって広がる冷媒導入室と、前記天井板に形成されて、前記中板に向き合わせられる冷媒流出口と、前記天井板および前記中板の間に区画されて、前記蒸発室から前記冷媒流出口に向かって広がる冷媒排出室とを備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置。
2. 天井板および底板で密閉空間を挟み込み、前記底板で冷却対象物に接触するケーシングと、前記天井板および前記底板の間で前記密閉空間に配置される中板と、前記中板および前記底板の間に区画される蒸発室と、前記天井板に形成されて、前記中板に向き合わせられる冷媒流入口と、前記天井板および前記中板の間に区画されて、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって広がる冷媒導入室と、前記天井板に形成されて、前記中板に向き合わせられる冷媒流出口と、前記天井板および前記中板の間に区画されて、前記蒸発室から前記冷媒流出口に向かって広がる冷媒排出室とを備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
3. 請求項２に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記天井板と前記中板との間隔は前記底板と前記中板との間隔よりも小さく設定されることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
4. 請求項３に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記中板の縁に囲まれて、前記冷媒導入室および前記蒸発室を相互に接続する導入口と、前記冷媒導入室で前記冷媒を受け止める前記中板の表面から盛り上がり、前記中板の縁に沿って延びる堰とをさらに備えることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
5. 請求項２に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記冷媒導入室は、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって徐々に拡張されることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
6. 請求項２に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記冷媒排出室は、前記蒸発室から前記冷媒流出口に向かって徐々に縮小されることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
7. 請求項２に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記冷媒導入室には、前記冷媒流入口から前記蒸発室に向かって延びる複数本の冷媒通路が形成されることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。
8. 請求項７に記載の密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器において、前記冷媒通路の下流端には膨張路が接続されることを特徴とする密閉サイクル冷凍装置用乾式蒸発器。

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