JP2008218513A

JP2008218513A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2008218513A
Application number: JP2007050358A
Authority: JP
Inventors: Satoru Sadahiro; 哲貞廣
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】発熱体とフィン表面の間の温度勾配を減少させることで、発熱体とフィン表面の間の熱抵抗値を減少させて熱輸送を有利に行う冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱体１０上に配置され、発熱体１０で発熱した熱を吸熱し、吸熱した熱を潜熱輸送する第１冷却手段２０と、第１冷却手段２０の発熱体１０と接する面に対向する面側を吸熱面３０ａとして配置するペルチェ効果を有する熱電冷却素子３０と、熱電冷却素子３０の吸熱面３０ａと対向する発熱面３０ｂ側に配置され、熱電冷却素子３０から発熱された熱を放熱する放熱手段２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に静穏で効率良く発熱体を冷却することが可能な冷却装置に関する。

近年、エレクトロニクス機器は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高出力、高集積の半導体チップを内蔵している。ＣＰＵ及びＭＰＵ等の半導体チップは、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発熱体となる。多量の熱により発熱した半導体チップ（発熱体）は、フィン等のヒートシンク、ファン、熱電冷却素子（ＴＥＣ）、ヒートパイプ（ＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）等の冷却手段によって冷却されている。そして、ヒートシンク、ファン、ＴＥＣ、ＨＰ、ＶＣ、及びＬＨＰ等によって半導体チップを冷却する。また、半導体チップ上にＴＥＣを配し、そのＴＥＣ上にヒートシンクを更に備えるというような冷却装置を組み合わせた提案もされている（例えば、特許文献１参照）。

そこで、ＴＥＣとヒートシンクの組み合わせで発熱体を冷却する場合の、発熱体及び冷却装置の温度と発熱体からの距離の関係を図９〜図１１を用いて説明する。図９に示す冷却装置は、図１０及び図１１に発熱体及び冷却装置の温度と発熱体からの距離の関係をグラフと整合性を持って示すために、便宜上、横倒しにした状態で示す。発熱体１１０で発生した熱を冷却する装置は、図９に示すように、発熱体１１０上に設けられた銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属板１４０と、ＴＥＣ１３０と、ＣｕやＡｌで形成されたヒートシンク１２２とを備え、ＴＥＣ１３と金属板１４０の接触面、及びＴＥＣ１３０とヒートシンク１２２の接触面には小さな隙間や凹凸を埋め、効率良く熱を伝えるために空気より熱伝導性がよいサーマルグリス１３２，１３４を塗布する。図９に示した各部材の厚さはそれぞれ、発熱体１１０の厚さが厚さａ、金属板１４０の厚さが厚さｂ、サーマルグリス１３２の厚さが厚さｃ₁、ＴＥＣ１３０の厚さが厚さｃ₂、サーマルグリス１３２の厚さが厚さｃ₃、ヒートシンク１２２の金属部の厚さが厚さｄ₁、ヒートシンク１２２のフィン部の厚さが厚さｄ₂とする。図９で示したこれら部材の厚さａ〜厚さｄ₂は、図１０及び図１１のグラフに示す領域ａ〜領域ｄ₂と同値であると見なす。

まず、図１０に示すグラフにおいて、点線を含まないグラフはＴＥＣ１３０を有する冷却装置を示し、点線を含むグラフはＴＥＣ１３０を除去した冷却装置による温度勾配を示す。図１０に示した両方に共通するグラフの箇所においては、顕熱輸送のシステムである金属板１４０の領域ｂ、及びヒートシンク１２２の領域ｄ₁，領域ｄ₂では、熱抵抗が大きくなり、温度勾配を生じている。図１０に示す点線を含まないグラフは、ＴＥＣ１３０に電力を供給しない場合のグラフである。図１０に示す点線を含まないグラフにおいては、ＴＥＣ１３０に電力を供給しないのでＴＥＣ１３０の領域ｃ₂では熱抵抗が大きくなり、温度勾配を生じている。また、図１０に示す点線を含むグラフにおいて、グラフの点線部（領域ｃ₂）は、ＴＥＣ１３０が存在しない領域なので温度変化がしないということを示している。図１０に示した両方のグラフからは、顕熱により熱抵抗が大きくなることで、温度勾配を生じていることがわかる。温度勾配が生じるということは、熱抵抗値を持つということであるので、熱輸送の観点では不利である。

図１１に示すグラフにおいては、顕熱輸送のシステムである金属板１４０の領域ｂ、及びヒートシンク１２２の領域ｄ₁，領域ｄ₂では、熱抵抗が大きくなり、温度勾配を生じている。そして、図１１に示すグラフにおいて、ＴＥＣ１３０の領域ｃ₂では、ＴＥＣ１３０に電力を供給して冷却しているので、温度勾配が生じている。つまり、顕熱のシステムとＴＥＣ１３０を併用する場合、ＴＥＣ１３０に供給する電力量が大きくなるにつれて、ＴＥＣ１３０に供給した電力量に対する放出される熱量から求められる成績係数（ＣＯＰ）が小さくなってしまう。ＣＯＰが小さくなるということは、エネルギー効率が低いということになるので好ましくない。

次に、ＨＰ、ＶＣ、ＬＨＰのいずれかである冷却手段とヒートシンクの組み合わせで発熱体を冷却する場合の、発熱体及び冷却装置の温度と発熱体からの距離の関係を図１２，図１３を用いて説明する。図１２に示す冷却装置は、図１３に発熱体及び冷却装置の温度と発熱体からの距離の関係をグラフと整合性を持って示すために、便宜上、横倒しにした状態で示す。発熱体１１０で発生した熱を冷却する装置は、図１２に示すように、発熱体１１０上に設けられたＨＰ、ＶＣ、ＬＨＰのいずれかである冷却手段１２４とフィン１２５とを備えている。図１２に示した各部材の厚さはそれぞれ、発熱体１１０の厚さが厚さａ、冷却手段１２４の厚さが厚さｄ₁、フィン１２５の厚さが厚さｄ₂とする。図１２で示したこれら部材の厚さａ、厚さｄ₁、厚さｄ₂は、図１３のグラフに示す領域ａ、領域ｄ₁、領域ｄ₂と同値であると見なす。

図１３に示すグラフにおいて、冷却手段１２４の領域ｄ₁では、おおかた潜熱輸送を利用するが、冷却手段１２４に接続されている銅パイプ、アルミパイプ等の一部の金属による顕熱輸送により発生するわずかの熱抵抗値、及び冷却手段１２４の表面からの放熱の影響で蒸発部と液化部に発生するわずかの熱抵抗値により、わずかの温度勾配が発生する。また、図１３に示したグラフにおいては、顕熱輸送のシステムであるフィン１２５の領域ｄ₂では、熱抵抗が大きくなり、温度勾配を生じている。温度勾配が生じるということは、熱抵抗値を持つということであるので、熱輸送の観点では不利である。
特開平８−７００６８号公報

本発明は、発熱体とフィン表面の間の温度勾配を減少させることで、発熱体とフィン表面の間の熱抵抗値を減少させて熱輸送を有利に行う冷却装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、発熱体１０上に配置され、発熱体１０で発熱した熱を吸熱し、吸熱した熱を潜熱輸送する第１冷却手段２０と、第１冷却手段２０の発熱体１０と接する面に対向する面側を吸熱面３０ａとして配置するペルチェ効果を有する熱電冷却素子３０と、熱電冷却素子３０の吸熱面３０ａと対向する発熱面３０ｂ側に配置され、熱電冷却素子３０から発熱された熱を放熱する放熱手段２とを備える冷却装置であることを要旨とする。

本発明によれば、発熱体とフィン表面の間の温度勾配を減少させることで、発熱体とフィン表面の間の熱抵抗値を減少させて熱輸送を有利に行う冷却装置を提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置は、図１に示すように、ＣＰＵ及びＭＰＵ等の発熱体（半導体チップ）１０上に配置され、発熱体１０で発熱した熱を吸熱し、吸熱した熱を潜熱輸送する第１冷却手段２０と、第１冷却手段２０の発熱体１０と接する面に対向する面側を吸熱面３０ａとして配置するペルチェ効果を有する熱電冷却素子３０と、熱電冷却素子３０の吸熱面３０ａと対向する発熱面３０ｂ側に配置され、熱電冷却素子３０から発熱された熱を放熱する放熱手段２とを備える。

第１冷却手段２０は、例えば、中に冷媒を入れ、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱を行うヒートパイプ（ＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）等の潜熱冷却手段である。

「ヒートパイプ」とは、液体である作動流体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した閉ループの電熱素子で、小さな温度差で大量の熱輸送を可能とする。ヒートパイプは、円管から作られ、取り付けられる段階で要求される形状に曲げたり、平板化したりすることができる。

「ベーパチャンバ」とは、平面型のヒートパイプである。ベーパチャンバの内部は、基本的にはヒートパイプと同じく、蒸気流路と作動流体の環流を促すウィック構造からなっている。ベーパチャンバは、発熱体１０で発熱し、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率が高い金属材料で形成された熱伝導板で吸熱した熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い方に向かって流れることで、発熱体１０で発熱した熱が拡散し、結果的に、発熱体１０が冷却されることになる。

「ループヒートパイプ」は、発熱体１０から入熱のある熱伝導板上に配置された蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、且つこれらの液相の作動流体が蒸発部に向けて環流する液流管と作動流体蒸気の流動する蒸気流管とによって環状（ループ状）に連結した構造である。ループヒートパイプは、蒸発部に伝達された発熱体１０で発熱した熱によって、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は蒸気流管を介して蒸発部から送り出される。一方、液相の作動流体は、液流管から多孔質セラミックすなわちウィックに供給され、そのウィックが蒸発部の内周面に接触しているので、ウィックの外周面で毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体はウィックの外周面すなわち蒸発部の内周面に供給される。そして、液相の作動流体が加熱蒸発して蒸気流管を経て凝縮部に流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。したがって、発熱体１０で発熱した熱が輸送されることで、結果的に、発熱体１０が冷却されることになる。ループヒートパイプの構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、飛散限界などによる熱輸送能力の制約がない。

熱電冷却素子３０は、異なる材料でつくられた２つの導体からなり、２つの導体に直流電流（ＤＣ）を流した際に素子の両表面が冷却または加熱するヒートポンプとして動作するベルチェ素子である。熱電冷却素子３０の基本的構成は、図２に示すように、２枚のセラミック等の絶縁伝熱板の間に、Ｐ型・Ｎ型の半導体素子が交互に配置されており、電気的には直列に、熱的には並列に接続される。図２に示すように、リード線から直流電流を流した際には、矢印方向に電流が流れ、上面が吸熱（冷却）面、下面が発熱（加熱）面になる。リード線は、熱電冷却素子３０に供給する電圧を制御する電圧制御回路（図示せず）に接続される。

熱電冷却素子３０の動作について詳細に説明する。熱電冷却素子３０は、図３に示すように、直流電流電源につなぐと、電流はＮ型半導体の下側から上部の電極を通ってＰ型半導体の下側へ流れる。そのとき、エネルギーは電子と共に電流とは逆の方向に移動する。Ｎ型半導体では、電子が上部の電極からＮ型半導体に移動するためのエネルギーと、Ｎ型半導体の内部を下部の電極まで移動するためのエネルギーを上部の電極側から得るため、その結果上部の電極側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して下部の電極側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上昇する。一方、Ｐ型半導体では、正孔が同様の働きをする。その結果、冷却面で吸収する総熱量が総供給電力に相当する熱量と合算され、放熱側に放出される。熱の吸収（冷却効果）は、電流及び設置する半導体素子の数に比例する。

熱電冷却素子３０の吸熱面３０ａ及び発熱面３０ｂには、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリス３２，３４を設けることが好ましい。

放熱手段２は、図１に示すように、熱電冷却素子３０の発熱面３０ｂ側に配置され、熱電冷却素子３０から発熱された熱を潜熱輸送する第２冷却手段２２と、第２冷却手段２２と接して配置され、第２冷却手段２２で潜熱輸送された熱を放熱するフィン２４とを備える。

第２冷却手段２２は、上記した第１冷却手段２０と同様で、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱を行うＨＰ、ＶＣ、ＬＨＰ等の潜熱冷却手段である。

フィン２４は、熱を拡散しやすいように表面積が広くなるような形状に、熱伝導率が高い金属材料を整形したものである。フィン２４は、自然冷却だけでは冷却能力（熱の拡散能力）が足りない場合、ファンを取り付けて強制的に空気の移動量を増やすことで同じ大きさでも冷却能力を拡大させることができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置を用いて発熱体１０を冷却する場合の、発熱体１０及び冷却装置の各部材での温度と発熱体１０からの距離の関係を図４、図５を用いて説明する。図４に示す冷却装置は、図５に発熱体１０及び冷却装置の各部材での温度と発熱体１０からの距離の関係をグラフと整合性を持って示すために、便宜上、横倒しにした状態で示す。

図４に示すように、冷却装置の各部材の厚さはそれぞれ、発熱体１０の厚さが厚さａ、第１冷却手段２０の厚さが厚さｂ、サーマルグリス３２の厚さが厚さｃ₁、ＴＥＣ３０の厚さが厚さｃ₂、サーマルグリス３４の厚さが厚さｃ₃、第２冷却手段２２の厚さが厚さｄ₁、フィン２４の厚さが厚さｄ₂であるとする。図４で示したこれら部材の厚さａ〜厚さｄ₂は、図５のグラフに示す領域ａ〜領域ｄ₂と同値であると見なす。

図５に示すグラフにおいては、第１冷却手段２０の領域ｂ、及び第２冷却手段２２の領域ｄ₁では、潜熱輸送を行うので部材の温度変化が比較的に起きないために温度勾配がない。領域ｂ，領域ｄ₁では、温度勾配がないので、熱抵抗のない超熱伝導状態となる。そして、サーマルグリス３２，３４の領域ｃ₁、領域ｃ₃及びフィン２４の域ｄ₂では、顕熱輸送を行うので熱抵抗が存在するために温度勾配が生じている。ＴＥＣ３０の領域ｃ₂では、ＴＥＣ３０に電力を供給して冷却しているので、温度勾配が生じている。つまり、領域ｃ₂で生じる温度勾配は、ＴＥＣ３０に供給する電力量により生じる。

したがって、第１の実施の形態に係る冷却装置によれば、ＴＥＣ３０に供給する電力量を調整することで、領域ｃ₂で生じる温度勾配を制御することができる。第１の実施の形態に係る冷却装置は、領域ｃ₂で生じる温度勾配を制御することで、冷却装置全体の温度勾配がなくなる（発熱体１０からフィン２４の表面温度までをほぼ同一の温度にする）ように補正し、冷却装置全体の熱抵抗値を減少させて発熱体１０で発生した熱の熱輸送を有利に行うことができる。

更に、第１の実施の形態に係る冷却装置によれば、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態でフィン２４まで輸送することができるため、フィン２４の温度が上昇して自然空冷の利用率が向上する。フィン２４で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、静穏な冷却装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置は、図６に示すように、図１で示した冷却装置と比して、放熱手段２がフィン２４のみである点が異なる。他は図１に示した冷却装置と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。放熱手段２がフィン２４のみになるのは、ＴＥＣ３０の発熱面３０ｂ側にフィン２４を取り付け可能である場合である。ＴＥＣ３０の発熱面３０ｂ側にフィン２４を取り付ける場合、共に電気的に絶縁する必要があるので、間にセラミックス及びポリイミド等の絶縁体が配置される。ＴＥＣ３０の発熱面３０ｂとフィン２４の取り付け面の面積と形状が同じ場合、ＴＥＣ３０とフィン２４の取り付けは容易であり、熱輸送の効率もよい。

本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置を用いて発熱体１０を冷却する場合の、発熱体１０及び冷却装置の各部材での温度と発熱体１０からの距離の関係を図７、図８を用いて説明する。図７に示す冷却装置は、図８に発熱体１０及び冷却装置の各部材での温度と発熱体１０からの距離の関係をグラフと整合性を持って示すために、便宜上、横倒しにした状態で示す。

図７に示すように、冷却装置の各部材の厚さはそれぞれ、発熱体１０の厚さが厚さａ、第１冷却手段２０の厚さが厚さｂ、サーマルグリス３２の厚さが厚さｃ₁、ＴＥＣ３０の厚さが厚さｃ₂、フィン２４の厚さが厚さｄ₂であるとする。図７で示したこれら部材の厚さａ〜厚さｄ₂は、図８のグラフに示す領域ａ〜領域ｄ₂と同値であると見なす。

図８に示すグラフにおいては、第１冷却手段２０の領域ｂでは、潜熱輸送を行うので部材の温度変化が起きないために温度勾配がない。領域ｂでは、温度勾配がないので、熱抵抗のない超熱伝導状態となる。そして、サーマルグリス３２の領域ｃ₁及びフィン２４の域ｄ₂では、顕熱輸送を行うので熱抵抗が存在するために温度勾配が生じている。ＴＥＣ３０の領域ｃ₂では、ＴＥＣ３０に電力を供給して冷却しているので、温度勾配が生じている。つまり、領域ｃ₂で生じる温度勾配は、ＴＥＣ３０に供給する電力量により生じる。

したがって、第２の実施の形態に係る冷却装置によれば、ＴＥＣ３０に供給する電力量を調整することで、領域ｃ₂で生じる温度勾配を制御することができる。第２の実施の形態に係る冷却装置は、領域ｃ₂で生じる温度勾配を制御することで、冷却装置全体の温度勾配がなくなる（発熱体１０からフィン２４の表面温度までをほぼ同一の温度にする）ように補正し、冷却装置全体の熱抵抗値を減少させて発熱体１０で発生した熱の熱輸送を有利に行うことができる。

更に、第２の実施の形態に係る冷却装置によれば、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態でフィン２４まで輸送することができるため、フィン２４の温度が上昇して自然空冷の利用率が向上する。フィン２４で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、静穏な冷却装置を提供することができる。

更に、第２の実施の形態に係る冷却装置は、第１の実施の形態に係る冷却装置と比して、ＨＰ、ＶＣ、ＬＨＰ等の冷却手段を用いないので簡便な構造にすることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、第１冷却手段２０及び第２冷却手段２２は、半導体チップ等の発熱体１０の熱量に合わせて、ＨＰ、ＶＣ、ＬＨＰ等の冷却手段を適宜選択することができる。また、第１冷却手段２０、第２冷却手段２２、及びＴＥＣ３０は、半導体チップ等の発熱体１０の熱量に合わせて、サイズを選択することができる。この様に、第１冷却手段２０、第２冷却手段２２、ＴＥＣ３０にいろいろな選択肢を有することで、本発明の実施の形態に係る冷却装置は、汎用性の高いものとすることができる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の熱電冷却素子を説明するための図（その１）である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の熱電冷却素子を説明するための図（その２）である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の性能を説明するための模式的断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の性能を説明するためのグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置の性能を説明するための模式的断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の性能を説明するためのグラフである。従来の冷却装置の性能を説明するための模式的断面図（その１）である。従来の冷却装置の性能を説明するためのグラフ（その１）である。従来の冷却装置の性能を説明するためのグラフ（その２）である。従来の冷却装置の性能を説明するための模式的断面図（その２）である。従来の冷却装置の性能を説明するためのグラフ（その３）である。

符号の説明

２…放熱手段
１０…発熱体
１３…ＴＥＣ
２０…第１冷却手段
２２…第２冷却手段
２４…フィン
３０…熱電冷却素子（ＴＥＣ）
３０ａ…吸熱面
３０ｂ…発熱面
３２，３４…サーマルグリス
１１０…発熱体
１２２…ヒートシンク
１２４…冷却手段
１２５…フィン
１３０…ＴＥＣ
１３２，１３４…サーマルグリス
１４０…金属板

Claims

発熱体上に配置され、前記発熱体で発熱した熱を吸熱し、吸熱した熱を潜熱輸送する第１冷却手段と、
前記第１冷却手段の前記発熱体と接する面に対向する面側を吸熱面として配置するペルチェ効果を有する熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子の吸熱面と対向する発熱面側に配置され、前記熱電冷却素子から発熱された熱を放熱する放熱手段
とを備えることを特徴とする冷却装置。
前記放熱手段は、
前記熱電冷却素子の発熱面側に配置され、前記熱電冷却素子から発熱された熱を潜熱輸送する第２冷却手段と、
前記第２冷却手段と接して配置され、前記第２冷却手段で潜熱輸送された熱を放熱するフィン
とを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記放熱手段は、フィンであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記熱電冷却素子は、入力電力を変動させることにより吸熱面から吸熱する吸熱量及び発熱面から発熱する発熱量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記熱電冷却素子の吸熱面及び発熱面には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスを設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。