JP2005260237A - 半導体素子冷却用モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクと冷却空気の温度差を大きくして、冷却性能を向上させることができ、発熱量の多い半導体素子の冷却が可能な半導体素子冷却用ヒートシンクを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイスと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続される熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子に熱的に接続される放熱ヒートシンクと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続され前記素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプとを備え、前記発熱素子の熱を少なくとも２方向に分けて移動する、半導体素子冷却用モジュール。
【選択図】図１

Description

この発明は、本発明は、ペルチェクーラを使用した、半導体素子等の発熱密度の高い被冷却素子の冷却デバイスに関する。

近年、エレクトロニクス機器は、マイクロプロセッサ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。マイクロプロセッサは、集積度が極めて高くなり、高速で演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。高出力かつ高集積の部品であるチップ等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。その代表的な冷却システムの１つとして、ヒートパイプ、ペルチェ素子がある。
ヒートパイプには、その形状において、丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状のヒートパイプがある。ＣＰＵ等の電子機器の被冷却部品の冷却用としては、被冷却部品への取り付けが容易であること、広い接触面が得られることから、平面型ヒートパイプが好んで用いられる。

更に、ヒートパイプは、被冷却部品の取り付け位置において、被冷却部品が上部に位置するトップヒートモードと被冷却部品が下部に位置するボトムヒートモードに区分される。ボトムヒートモードの場合、重力により液が還流するが、トップヒートモードの場合、重力に逆らって液を還流させなければならず、通常はウイックによる毛管現象を利用する。
ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。

密封された空洞部を備え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の移動が行われるヒートパイプの作動の詳細は次の通りである。
ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた被冷却部品が発する熱を潜熱として吸収して、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は凝縮して潜熱を放出するとともに、再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。
重力式のヒートパイプにおいては、相変態によって液相状態になった作動流体は、重力によって、吸熱側に移動（還流）する。

近年、高速信号を処理する半導体素子は、発熱量が益々高くなり、上述したヒートパイプのみでは十分に冷却することが出来なくなっている。発熱量が高い素子の冷却に、素子に直接熱電冷却素子例えばペルチェ素子が組み合わされた冷却装置が提案されている。

一般に、２種の導体Ａ、Ｂを接続し、温度一定で電流を流すと、導体Ａ、Ｂの接点で熱の発生または吸収がある。これをペルチェ効果という。この原理を利用したものにペルチェ素子がある。即ち、熱電素子であるp型半導体エレメントとｎ型半導体エレメントとを並列に交互に並べ、各半導体エレメントの両端部には電極が配置されている。各半導体エレメントの両端部と電極とは、はんだによって接合されている。ｐ型半導体エレメント、n型半導体エレメントとは、交互に電極を介して、電気的に直列に接合されている。

更に、電極と、熱電素子であるｐ型半導体エレメントおよびn型半導体とによって形成される電気回路を外部から電気的に絶縁するために、１対の電気絶縁性基板が電極のそれぞれの外側に設けられ、電極と電気絶縁性基板とは、はんだによって接合されている。このように、ペルチェ素子は、電極、ｐ型半導体エレメントおよびn型半導体エレメントによって形成される電気回路が、２枚の電気絶縁性基板によって挟み込まれた構造を形成している。上述したペルチェ素子によって、一方の電気絶縁性基板側の熱が他方の電気絶縁性基板側に移動され、電気絶縁性基板側が冷却される。

従来、受熱・均熱デバイスで発熱源の熱を広げてから、ペルチェ素子へ入熱し、ペルチェ素子の低温側を受熱・均熱デバイスに取り付けて、ペルチェ素子の高温側に銅製の放熱用ヒートシンクを取り付ける方法が一般的に行われていた。例えば、図１１に示すように、従来の冷却デバイス１００においては、発熱源１０３に受熱・均熱デバイス１０１を熱的に接続し、熱電冷却素子１０２の冷却面が受熱・均熱デバイス１０１に接続され、熱電冷却素子１０２の放熱面がヒートシンク１０３に接続される。
特開２００４−７１９６９号公報

しかしながら、ペルチェ素子の低温側を発熱源に取り付けて、ペルチェ素子の高温側にヒートシンクを取り付ける従来の方法には下記の問題点がある。
発熱源（例えば、CPU）の発熱量が増大すると、ペルチェ素子（TEC）で十分な吸熱性能が得られず、冷却モジュールの熱抵抗が上昇してしまう。即ち、ヒートシンクと冷却空気の温度差を大きくすることが困難であり、冷却性能を向上させることが困難であった。例えば発熱量が１３０Wの発熱源を十分に冷却するためにペルチェ素子に必要な温度差は１３℃であるが、現在の容易に入手可能なペルチェ素子では温度差を１０℃とするのがやっとの状態である。このときヒートシンク全体の熱抵抗は０．２５Ｋ／Ｗとなり、発熱量１３０Ｗの発熱源を十分に冷却することができない。ＣＯＰを２以下に小さくすれば、ペルチェ素子の温度差を１３℃としてヒートシンク全体の熱抵抗を０．２２Ｋ／Ｗ以下にでき、熱量１３０Ｗの発熱源を冷却することができるが、ペルチェ素子の消費電力が大きくなる。

更に、熱伝導グリスを利用して、従来の冷却デバイスの各コンポーネントを熱的に接触させる方法などが一般的である。熱伝導グリスの厚さを管理することが困難であり、各コンポーネント間の接触熱抵抗のばらつきが大きくなり、グリスの厚さが厚い場合には、冷却モジュール全体の熱抵抗が高くなってしまう。

従って、この発明の目的は、従来の問題点を解決して、ヒートシンクと冷却空気の温度差を大きくして、冷却性能を向上させることができ、発熱量の多い半導体素子の冷却が可能な半導体素子冷却用ヒートシンクを提供することにある。

本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、発熱源から受熱・均熱モジュールに伝わった熱の少なくとも一部をヒートパイプによって別の方向に移動させ、熱電冷却素子を通過する熱量を少なくすると、熱電冷却素子における温度差を大きくすることができ、熱電冷却素子の消費電力を減少しつつ冷却モジュールの熱性能を向上させることができることが判明した。

更に、熱電冷却素子に接続されたヒートシンクとして、大きなヒートシンクを使用しているが、フィン効率は８０％程度であったが、上述したようにヒートパイプによって別の方向に移動した熱をヒートシンクの上部に熱的に接続させると、フィン効率を高めて、冷却モジュールの熱性能を向上させることができることが判明した。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の半導体素子冷却用モジュールの第１の態様は、少なくとも１つの発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイスと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続される熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子に熱的に接続される放熱ヒートシンクと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続され前記素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプとを備え、前記発熱素子の熱を少なくとも２方向に分けて移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第２の態様は、前記ヒートパイプの他方の端部に別の放熱ヒートシンクが熱的に接続されて、前記発熱素子の熱の主力を前記ヒートパイプによって移動し、前記発熱素子の熱の残りを前記熱電冷却素子を通って移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第３の態様は、前記放熱ヒートシンクが第１および第２放熱ヒートシンクからなっており、前記第１の放熱ヒートシンクが前記熱電冷却素子に熱的に接続され、前記第２の放熱ヒートシンクが前記第１の放熱ヒートシンクの上方に配置され、前記ヒートパイプの他方の端部が前記第２の放熱ヒートシンクに熱的に接続されており、前記発熱素子の熱の主力を前記ヒートパイプによって前記第２の放熱ヒートシンクに移動し、前記発熱素子の熱の残りを前記熱電冷却素子を通って前記第１のヒートシンクに移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第４の態様は、前記ヒートパイプが、所定の弾性を備えたU字形の丸型ヒートパイプからなっており、前記第２の放熱ヒートシンクと前記受熱・均熱デバイスとによって、前記熱電冷却素子および前記第１の放熱ヒートシンクを挟み込んで、接触熱抵抗を小さくしている、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第５の態様は、前記第２の放熱ヒートシンクに冷却用ファンが取り付けられている、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第６の態様は、前記受熱・均熱デバイスと前記熱電冷却素子との間、前記熱電冷却素子と前記放熱ヒートシンクとの間に、熱伝導性に優れた軟らかい金属箔がサーマルインターフェース材として配置されている、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第７の態様は、前記受熱・均熱デバイス、前記熱電冷却素子、前記放熱ヒートシンクの所定に位置に対応するスルーホールが設けられ、所定の対応するネジ部によって共締めされている、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第８の態様は、前記共締めにおける締め付け力が一定のトルクになるように管理されている、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第９の態様は、前記発熱素子の発熱量が１２０W以上である、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明の半導体素子冷却用モジュールの第１０の態様は、前記受熱・均熱デバイスに別のヒートパイプが熱的に接続され、別の発熱素子の熱を前記受熱・均熱デバイスに移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

この発明によると、従来に比べて、熱電冷却素子の吸熱量が減少するために、冷却に必要な熱電冷却素子の消費電力を低減しつつ、発熱量１００Ｗ〜２００Ｗの発熱源に対応できる冷却モジュールの熱性能を向上させることが可能となった。更に、各コンポーネントを固定する固定具のためのスペースを新たに設ける必要がないために、小型の冷却モジュールの構成が可能となった。更に、ネジ以外の固定具などの部品を必要としないため、部品点数が減少するので、容易かつ安価に組み立てが可能な冷却モジュールの構成が可能となった。

更に、各コンポーネント間の接触熱抵抗を容易に、同一値にすることが用意であるため、この部分のばらつきが少なくなり、厚さ方向につぶれやすく、かつ熱伝導の高い金属箔を利用しているので、接触熱抵抗を低減できるために、冷却性能の優れた冷却モジュールの構成が可能となった。更に、各コンポーネントの接触圧力を一定とすることが容易となり、安価に熱抵抗の小さい冷却モジュールを構成可能となった。

本発明の半導体素子冷却用モジュールについて図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様は、少なくとも１つの発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイスと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続される熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子に熱的に接続される放熱ヒートシンクと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続され前記素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプとを備え、前記発熱素子の熱を少なくとも２方向に分けて移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

図１は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様および熱の流れを説明する模式図である。図１に示すように、この発明の半導体素子冷却モジュール１においては、発熱源５（例えば、発熱量約２００W）の熱は、サーマルインターフェース材８−３を介して受熱・均熱デバイス２に伝熱される。受熱・均熱デバイス２にはヒートパイプ６の一方の端部６aが熱的に接続され、大部分（例えば１５０W）の熱がヒートパイプによって、別の方向に移動され、残りの（５０W）の熱が熱電冷却素子３を通過して移動される。受熱・均熱デバイス２にはサーマルインターフェース材８−１を介して熱電冷却素子３の冷却面が熱的に接続される。

熱電冷却素子３の放熱面にはサーマルインターフェース材８−２を介してヒートシンク４が熱的に接続される。ヒートパイプ６の他方の端部６ｂには別のヒートシンク７が熱的に接続されている。このように熱電冷却素子３を通過する熱の量を少なくすることによって熱電冷却素子３は十分に機能して、温度差を大きくとることができるため熱電冷却素子の低温側の温度が下がり、さらにはヒートパイプ６によってヒートシンク４の上部に至るまで温度が上がりフィン効率が向上するため、冷却モジュールとしての冷却性能の向上が可能となる。

図２は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を示す分解図である。
図２に示すように、この発明の半導体素子冷却モジュール１においては、発熱源（図示しない）の熱は、受熱・均熱デバイス２に伝熱される。受熱・均熱デバイス２には複数のヒートパイプ６の一方の端部６aが熱的に接続され、複数のヒートパイプ６の他方の端部６bには別のヒートシンク７が熱的に接続されている。一方、受熱・均熱デバイス２には、熱電冷却素子３の冷却面が熱的に接続され、更に、熱電冷却素子３の放熱面には、ヒートシンク４が熱的に接続されている。

従って、大部分の熱がヒートパイプによって、別のヒートシンク７の方向に熱移動され、残りの熱が熱電冷却素子３を通過してヒートシンク４に移動される。別のヒートシンクには、電動ファン２０が取り付けられて、例えば筐体外に昇温した空気を放出する。このように、ヒートパイプによって別の方向にかなりの量の熱を移動させ、熱電冷却素子３を通過する熱の量を少なくすることによって熱電冷却素子３は十分に機能して、温度差を大きくすることができる。従って、２００W程度の熱量の半導体素子を効率的に冷却することができる。

図３は、図２に示す態様の各コンポーネントを組み合わせて形成された半導体素子冷却用モジュールを示す図である。
図３に示すように、均熱熱電冷却素子を通過してヒートシンク４に移動した熱、および、ヒートパイプによって別のヒートシンク７に移動した熱が、電動ファンによって、強制的に筐体外に放出される。

図４は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の１つの態様および熱の流れを説明する模式図である。図４に示すように、この発明の半導体素子冷却モジュール１においては、発熱源５（例えば、発熱量約２００W）の熱は、サーマルインターフェース材８−３を介して受熱・均熱デバイス２に伝熱される。熱は更に受熱・均熱デバイス２に熱的に接続されたヒートパイプ６および熱電冷却素子３によって移動される。受熱・均熱デバイス２にはヒートパイプ６の一方の端部６aが熱的に接続され、大部分（例えば１５０W）の熱がヒートパイプによって、熱電冷却素子とは別の方向に熱移動され、残りの（５０W）の熱が熱電冷却素子３を通過して移動される。

即ち、受熱・均熱デバイス２はサーマルインターフェース材８−１を介して熱電冷却素子３の冷却面に熱的に接続され、熱電冷却素子３の放熱面にはサーマルインターフェース材８−２を介してヒートシンク４が熱的に接続されている。ヒートパイプ６の他方の端部６ｂはヒートシンク４の放熱フィンの上部に形成された孔部に挿入・固定され熱的に接続されている。このように熱電冷却素子３を通過する熱の量を少なくすることによって熱電冷却素子３は十分に機能して、温度差を大きくすることができる。更に、ヒートパイプによって発熱源の熱の一部を直接輸送して、従来温度の低かった放熱フィンの上部の温度を高めるのでフィン効率が向上する。なお、放熱フィン上部へ伸びるヒートパイプの本数は、熱電冷却素子を通過させる熱量に応じて決定される。

図５は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を分解して示す模式図である。この態様の半導体素子冷却用モジュールにおいては、ヒートパイプの他方の端部がヒートシンクの放熱フィンに挿入・固定される。即ち、受熱・均熱デバイス２には、２本のヒートパイプ６の端部６aが挿入され、固定されている。受熱・均熱デバイス２はサーマルインターフェース材８−１を介して、熱電冷却素子３の冷却面に熱的に接続され、熱電冷却素子３の放熱面にはサーマルインターフェース材８−２を介して、ヒートシンクのベースプレート４が熱的に接続される。ヒートパイプ６の他端部６bは、ヒートシンクの放熱フィン９に設けられた孔部を貫通して放熱フィンに固定されている。

受熱・均熱デバイスは、例えば銅板または板型ヒートパイプからなっている。またはヒートパイプを利用したデバイスであってもよい。サーマルインターフェース材は、例えばインジウムなどの降伏応力が小さく、且つ、熱伝導率の高い金属箔からなっている。

電熱冷却素子の４つのコーナには、スルーホール３０１が設けられ、熱電冷却素子３のスルーホールの位置に対応するように、受熱・均熱デバイスにはネジ穴２０１が、サーマルインターフェース材８−１にはスルーホール８０１が設けられている。更に、熱電冷却素子のスルーホールの位置に対応するように、サーマルインターフェース材８−２にはスルーホール８０２が、ヒートシンク４にはスルーホール４０１がそれぞれ設けられている。

半導体素子冷却用モジュールの各コンポーネントの固定については、ネジ６００をスルーホール８０１、３０１、８０２、４０１とネジ穴２０１を通すようにして行われ、コンポーネントの接触圧力を、所定の値にするために、ネジ６００の締め付けトルクが一定となるように締め付けられる。
締め付けトルクと圧力の関係は、一般に

で表される。

このときに、熱電冷却素子３と受熱・均熱デバイス２、熱電冷却素子３とヒートシンク４の間にそれぞれ挟まれているサーマルインターフェース材は金属箔からなっており柔らかいので所定の厚さまでつぶれ、且つ、コンポーネントの表面の小さい凹凸に噛み込むようにして接触させられる。この効果と、金属箔の熱伝導率の高さを利用することによって、各コンポーネントの接触熱抵抗を小さくすることができる。
なお、使用される金属箔は、インジウム箔に限らず銀箔や錫箔などを利用してもよい。

図６は、図５に示す態様の各コンポーネントを組み合わせて形成した半導体素子冷却用モジュールを示す図である。
図６に示すように、この発明によると、コンパクトな半導体素子冷却用モジュールが提供される。

図７は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を示す図である。
この態様の半導体素子冷却用モジュールにおいては、熱電冷却素子を通って熱が移動される第１の放熱ヒートシンクと、ヒートパイプによって熱が移動される第２の放熱ヒートシンクとを備え、２つの放熱ヒートシンクが熱的に遮断されて上下に配置される。

即ち、この態様の半導体素子冷却用モジュールは、少なくとも１つの発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイスと、受熱・均熱デバイスに熱的に接続される熱電冷却素子と、熱電冷却素子に熱的に接続される第１の放熱ヒートシンクと、受熱・均熱デバイスに熱的に接続され前記素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続される第２の放熱ヒートシンクとを備え、第２の放熱ヒートシンクが第１の放熱ヒートシンクの上方に配置され、前記発熱素子の熱の主力を前記ヒートパイプによって第２の放熱ヒートシンクに移動し、発熱素子の熱の残りを熱電冷却素子を通って第１のヒートシンクに移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

図７に示すように、半導体素子冷却用モジュール１は、発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイス２と、受熱・均熱デバイス２に熱的に接続される熱電冷却素子３と、熱電冷却素子に熱的に接続される第１の放熱ヒートシンク４と、受熱・均熱デバイス２に一方の端部６aが熱的に接続され発熱素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプ６とを備え、ヒートパイプ６の他方の端部６ｂに第２の放熱ヒートシンク７が熱的に接続されている。

第２の放熱ヒートシンク７が第１の放熱ヒートシンク４の上方に配置され、発熱素子の熱の主力をヒートパイプ６によって第２の放熱ヒートシンク７に移動し、発熱素子の熱の残りを熱電冷却素子３を通って第１のヒートシンク４に移動する。第２の放熱ヒートシンクの上に、更に電動ファンが取り付けられて、第１の放熱ヒートシンクおよび第２の放熱ヒートシンクに移動された熱を、強制的に例えば筐体外に放出する。

第１の放熱ヒートシンクと第２の放熱ヒートシンクは、例えば、約１ｍｍ程度の隙間を隔てて熱的に遮断されている。
更に、図７に示すようにヒートパイプをU字形状に曲げて、ヒートパイプに取り付けた放熱フィンを、熱電冷却素子の高温側に取り付けた放熱フィンの上部に配置することにより、半導体素子冷却用モジュールを小型化することが可能になる。

図８は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の態様を示す図である。図８に示すように複数の発熱源５−１、５−２が存在する場合には、受熱・均熱デバイス２それ自体に、発熱源の高さに応じて凹凸部２−１を設ける。この態様においても、図８に示すようにヒートパイプの他方の端部をサーマルインターフェース材８−２を介して熱電冷却素子３の放熱面に接続されたヒートシンクに接続してもよい。更に、凹凸部を備えた受熱・均熱デバイスを、図７を参照して説明した、第１の放熱ヒートシンク及び第２の放熱ヒートシンクを備えた態様の半導体素子冷却用モジュールに適用することができる。

図９は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の態様を示す図である。
この態様の半導体素子冷却用モジュールは、受熱・均熱デバイスに別のヒートパイプが熱的に接続され、別の発熱素子の熱を受熱・均熱デバイスに移動する、半導体素子冷却用モジュールである。

図９に示すように、冷却すべき主たる発熱源５−１と、発熱量の小さい別の発熱源５−２が離れて位置している場合には、受熱・均熱デバイス２に別のヒートパイプ６−２が熱的に接続され、別の発熱素子５−２の熱を受熱・均熱デバイス２に移動する。別の発熱源５−２はサーマルインターフェース材８−３を介して受熱ブロックに熱的に接続されており、別のヒートパイプの一方の端部が受熱ブロックに熱的に接続されている。熱が受熱・均熱デバイス２に移動した後は、上述した各種態様を適用することができる。

なお、図２に示すように、受熱・均熱デバイス２、熱電冷却素子３、ヒートシンク４を熱的に接続した状態で固定するために、クリップ３０を使用してもよい。その際、ヒートシンクの放熱フィン部に、クリップが入るように、所定の切込みを入れてもよい。

この発明のヒートシンクと従来のヒートシンクを使用して、熱性能の比較を行った。その結果を、図１０に示す。
この発明のヒートシンクとして、一般的に図４に示すようなヒートシンクを用いた。従来のヒートシンクとして、一般的に図１１に示すようなヒートシンクを用いた。本発明のヒートシンクおよび従来のヒートシンクは、それぞれ、幅86mm、奥行き80mm、高さ78 mmに放熱部が収まるように設計されている。それぞれ、ペルチェ素子として、40 x 40ｍｍのサイズの一般に入手可能なペルチェ素子を、２個づつ使用して、水平方向に並列に配置した。また、冷却に使用した冷却ファン、熱源は同一のものを使用し、設定条件は同じとしてある。

図１１に示すように、従来のヒートシンクは ペルチェ素子の吸熱面（低温側）に均熱板として銅板を、熱伝導グリスなどを介在して取り付け、ペルチェ素子の反対の放熱面（高温側）に放熱用のヒートシンクを、熱伝導グリスなどを介在して取り付けた。
図１０において縦軸は、熱源の温度と冷却空気温度の差を熱源の発熱量で除した熱抵抗を示している。また、横軸はペルチェ素子の消費電力を熱源の発熱量で除したCOP (Coefficient Of Performance)を示しており、COPが大きいほどペルチェ素子で消費される電力は小さいことを示す。

一般に、熱源の許容温度を70℃とした場合には、発熱量が130 Wから140 Wの熱源を冷却するのには、冷却空気温度40℃においては、熱抵抗が0.22 K/Wのヒートシンクが必要とされる。
図１０から明らかなように、従来のヒートシンクでは、所要の熱抵抗を得るために必要とされるCOPは約２となり、一方、本発明のヒートシンクでは、COPが20で所要の熱抵抗を得られることがわかる．

このときペルチェ素子の温度差は６℃であった。言い換えれば、ペルチェ素子でもたらす温度差が６℃足らずでも、ヒートシンク全体の熱抵抗を０．２２Ｋ／Ｗと小さくすることができる。
従来の構成ではヒートシンクの熱抵抗を０．２２Ｋ／Ｗにするためには、ペルチェ素子でもたらす温度差が１３℃でなければならず、大きさい消費電力を要し、ＣＯＰが２となったことと比較すると、本発明のヒートシンクを利用することにより、所要の熱抵抗を得るために必要なペルチェ素子の消費電力を、約1/10に低減させることが可能となることがわかる。

図１は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様および熱の流れを説明する模式図である。 図２は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を示す分解図である。 図３は、図２に示す態様の各コンポーネントを組み合わせて、半導体素子冷却用モジュールを示している。 図４は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の１つの態様および熱の流れを説明する模式図である。 図５は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を分解して示す模式図である。 図６は、図５に示す態様の各コンポーネントを組み合わせて、半導体素子冷却用モジュールを示している。 図７は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの１つの態様を示す図である。 図８は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の態様を示す図である。 図９は、この発明の半導体素子冷却用モジュールの他の態様を示す図である。 図１０は、発明のヒートシンクと従来のヒートシンクとにおける熱性能を比較した結果を示すグラフである。 図１１は、従来の冷却デバイスを示す模式図である。

符号の説明

１ 半導体素子冷却モジュール
２ 受熱・均熱デバイス
３ 熱電冷却素子
４ 第１の放熱ヒートシンク
５ 発熱源
６ ヒートパイプ
６ａ ヒートパイプの一方の端部
６ｂ ヒートパイプの他方の端部
７ 第２の放熱ヒートシンク
８ サーマルインターフェース材
２０ 電動ファン
２０１ ネジ穴
３０１，４０１，８０１，８０２ スルーホール

Claims (10)

1. 少なくとも１つの発熱素子に熱的に接続される受熱・均熱デバイスと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続される熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子に熱的に接続される放熱ヒートシンクと、前記受熱・均熱デバイスに熱的に接続され前記素子の熱を別の方向に移動するヒートパイプとを備え、前記発熱素子の熱を少なくとも２方向に分けて移動する、半導体素子冷却用モジュール。
2. 前記ヒートパイプの他方の端部に別の放熱ヒートシンクが熱的に接続されて、前記発熱素子の熱の主力を前記ヒートパイプによって移動し、前記発熱素子の熱の残りを前記熱電冷却素子を通って移動する、請求項１に記載の半導体素子冷却用モジュール。
3. 前記放熱ヒートシンクが第１および第２放熱ヒートシンクからなっており、前記第１の放熱ヒートシンクが前記熱電冷却素子に熱的に接続され、前記第２の放熱ヒートシンクが前記第１の放熱ヒートシンクの上方に配置され、前記ヒートパイプの他方の端部が前記第２の放熱ヒートシンクに熱的に接続されており、前記発熱素子の熱の主力を前記ヒートパイプによって前記第２の放熱ヒートシンクに移動し、前記発熱素子の熱の残りを前記熱電冷却素子を通って前記第１のヒートシンクに移動する、請求項１に記載の半導体素子冷却用モジュール。
4. 前記ヒートパイプが、所定の弾性を備えたU字形の丸型ヒートパイプからなっており、前記第２の放熱ヒートシンクと前記受熱・均熱デバイスとによって、前記熱電冷却素子および前記第１の放熱ヒートシンクを挟み込んで、接触熱抵抗を小さくしている、請求項３に記載の半導体素子冷却用モジュール。
5. 前記第２の放熱ヒートシンクに冷却用ファンが取り付けられている、請求項４に記載の半導体素子冷却用モジュール。
6. 前記受熱・均熱デバイスと前記熱電冷却素子との間、前記熱電冷却素子と前記放熱ヒートシンクとの間に、熱伝導性に優れた軟らかい金属箔がサーマルインターフェース材として配置されている、請求項１に記載の半導体素子冷却用モジュール。
7. 前記受熱・均熱デバイス、前記熱電冷却素子、前記放熱ヒートシンクの所定に位置に対応するスルーホールが設けられ、所定の対応するネジ部によって共締めされている、請求項４に記載の半導体素子冷却用モジュール。
8. 前記共締めにおける締め付け力が一定のトルクになるように管理されている、請求項７に記載の半導体素子冷却用モジュール。
9. 前記発熱素子の発熱量が１２０W以上である、請求項１から８の何れか１項に記載の半導体素子冷却用モジュール。
10. 前記受熱・均熱デバイスに別のヒートパイプが熱的に接続され、別の発熱素子の熱を前記受熱・均熱デバイスに移動する、請求項２または３に記載の半導体素子冷却用モジュール。
    

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