JP3850413B2 - 電子デバイス冷却装置、電子デバイス冷却方法、電子デバイス冷却制御プログラム及びそれを格納した記録媒体 - Google Patents

電子デバイス冷却装置、電子デバイス冷却方法、電子デバイス冷却制御プログラム及びそれを格納した記録媒体 Download PDF

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Description

本発明は電子デバイスを冷却するための技術、特に、電子デバイスの表面を特性の異なる複数の冷却ユニットを協働させて冷却するための技術、に関する。
電子機器を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)を始めとする各種の電子デバイスは、トランジスタなどの能動素子やコンデンサなどの受動素子を含めたさまざまな電子部品によって構成される。これらの電子部品を駆動する電気エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されて放熱される。電子部品の性能は、通常、温度依存性を有するため、この放散された熱は、電子部品、ひいては電子デバイスの性能に影響を及ぼす。したがって、電子デバイスを冷却するための技術は、電子デバイスを正常に制御する上で極めて重要な技術である。
電子デバイスを冷却するための技術の一例として、電動ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、たとえば、電子デバイスの表面に対向して電動ファンを配設する。空気取り入れ口から吸入した冷たい空気を、電動ファンにより電子デバイス表面に吹き付ける。電子デバイス表面から発生した熱を吸収して温められた空気は、空気排出口から排出される。このように、電子デバイス表面から発生する熱を電動ファンによって排除することにより、電子デバイスを冷却する。
ヒートシンクとよばれる熱を逃がすための装置も一般に使われている。電子デバイスなどの熱源体から熱を周囲の冷たい流体や気体に効率よく移すため、ヒートシンクは通常、伝熱面が大きくなるよう設計される。電子デバイスから発生した熱はヒートシンクに伝達され、ヒートシンクの広い伝熱面から放熱される。
この電動ファンとヒートシンクを組み合わせた冷却方法は、半導体チップの冷却方法として一般的に用いられている技術である。
上述した電動ファンやヒートシンクにおける温度変化の時間応答性は、一般的には電子デバイスの発熱量の変化に比べればはるかに鈍い。換言すれば、これらの従来の冷却方法では、時々刻々と変化する電子デバイスの発熱量の変化に対して効率的に電子デバイスを冷却できていないのが現状である。そのため、電子デバイスの動作の信頼性を確保するために、余剰の冷却能力を確保しておく必要がある。これにより、電動ファンによる消費電力、騒音が大きくなり、また、電動ファンの体積も必要以上に大きくならざるを得ないという欠点があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子デバイスを効果的に冷却するための技術、を提供することにある。
本発明のある態様における電子デバイス冷却装置は、電子デバイスの表面に対向するよう近接配置された主冷却ユニットおよび補助冷却ユニットと、主冷却ユニットおよび補助冷却ユニットのうち少なくともいずれかを駆動して電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部を備える。主冷却ユニットは、補助冷却ユニットとは異なる冷却原理に基づく冷却ユニットであってもよい。たとえば、冷却対象における温度変化の時間応答性である冷却時間応答性について、補助冷却ユニットは主冷却ユニットよりその冷却時間応答性が高い冷却原理に基づくものを採用してもよい。また、補助冷却ユニットは、主冷却ユニットよりも単位時間当たりの冷却能力が高いものであってもよい。主冷却ユニットと補助冷却ユニットは、それぞれ電子デバイスの表面における冷却対象領域が異なる位置に近接配置されてもよい。
冷却時間応答性とは、たとえば、冷却対象の温度がステップ状に上昇したとき、冷却ユニットが、冷却対象の温度を元の温度まで下げるのに要する時間に基づいて定めてもよい。主冷却ユニットは、たとえば、電動ファンなどのように冷却能力自体は大きいが熱の時間変化に対する応答性が低い冷却手段が対応する。これに対し、補助冷却ユニットは、たとえば、冷却対象に冷媒を噴射する冷却ノズルのように、冷却能力自体は小さくとも熱の時間変化に対して機敏に対応できる冷却手段を用いる。電子デバイスの定常的な発熱に対しては主冷却ユニットによって対応し、瞬発的な発熱に対しては補助冷却ユニットによって対応する。これにより、電子デバイスの発熱が定常的な発熱か集発的な発熱かに応じて、２種類の特性の異なる冷却ユニットを使い分けるので、効率的な冷却が可能となる。電子デバイスは、たとえば、半導体回路をパッケージしたデバイスであってもよい。
また、本発明の別の態様における電子デバイス冷却装置は、電子デバイスの表面のうち、所定の面に対向するよう近接配置される主冷却ユニットと、電子デバイスの表面のうち、その所定の面とは異なる面の側に設置される基板に設けられた貫通孔を通して冷媒を電子デバイスに向けて噴射する補助冷却ユニットと、主冷却ユニットおよび補助冷却ユニットのうち少なくともいずれかを駆動して電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部を備える。たとえば、電子デバイスの表側の面に主冷却ユニットを近接配置し、裏側の面に基板を設け、その貫通孔を通して補助冷却ユニットから冷媒を噴射してもよい。
さらに、本発明の別の態様における電子デバイス冷却装置は、電子デバイスの表面のうち、所定の面に近接配置され、その表面から発生する熱を放散させるための放熱機構と、電子デバイスの表面のうち、その所定の面とは異なる面の側に設置される基板に設けられた貫通孔を通して冷媒を前記電子デバイスに向けて噴射する補助冷却ユニットと、補助冷却ユニットを駆動して前記電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部を備える。たとえば、電子デバイスの表側の面に放熱機構を近接配置し、裏側の面に基板を設け、その貫通孔を通して補助冷却ユニットから冷媒を噴射してもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、電子デバイスを効果的に冷却することができる。
ＣＰＵやＤＳＰなどの電子デバイスの表面から発生する熱は、電子デバイス内の電子部品や電子部品間を接続する導線に供給される電気エネルギーが熱エネルギーに変換されて放散されたものである。この熱は電子デバイスの表面から定常的に発生するとは限らない。電子デバイスが実行する処理においては、瞬発的に発熱量が増える場合もある。電子デバイスの表面からの発熱量が最大発熱量に近い状態であっても瞬発的な発熱は生じる。このような瞬発的な発熱に対して適した冷却方法として、噴流冷却の原理に基づく冷却方法がある。噴流冷却とは冷媒を電子デバイスなどの発熱体に噴射することにより発熱体を冷却する冷却方法をいう。
噴流冷却は、局所的な熱伝達効率を大きく取ることができる冷却方法として知られている。この方法は、たとえば、切削加工など部分的に大きく発生する熱に対する冷却方法として有効であり、冷媒を冷却ノズルから噴射して発熱体に吹き付けることにより冷却する。ここでいう「冷媒」とは、空気などの気体や水などの液体であって、電子デバイスの表面から発生する熱を吸排熱するための媒体をいう。噴射される冷媒の流れに対する垂直面の熱伝達は、噴流軸点を中心にして、同心円上に広がる。ここで「噴流軸点」とは、冷却対象の表面において冷却ノズルの噴射軸と交わる点のことをいう。
噴流半径ｒ0[m]、冷媒の熱伝導率λf[W/mK]における熱伝達率ｈ0[W/m2K]は、
（数１）
ｈ0=λf・Nu0/ｒ0
と表される。ここで、Nu0は、噴流半径ｒ0[m]における平均ヌセルト数であり、これは、
（数２）
Nu0=1.25・Pr0.45・Re0.45
と表される。Prはプラントル数と呼ばれる定数であり、Reはレイノルズ数である。Reは、以下の式で表される。
（数３）
Re=u0・d0/ν
ここで、u0[m/s]は、噴流の体積流量を冷却ノズル噴出口の断面積で割った代表速度である。d0[m]は、噴出口の直径、ν[s/m2]は、流体の粘性を表す。
噴流冷却によれば、噴流軸点近傍において高い冷却効果が得られる。また、冷却対象の表面に対して複数の冷却ノズルを密に配置すれば、より高い冷却効果が得られる。
図１は、本実施の形態における電子デバイス冷却装置１００の機構を示す模式図である。電子デバイス２００が発熱体であり冷却対象である。電子デバイス２００の上面にはスプレッダ２５０が取り付けられる。スプレッダ２５０は、通常、銅製である。更にスプレッダ２５０の上にヒートシンク２５２が載置される。電子デバイス２００の主として上面から発生した熱はスプレッダ２５０を介してヒートシンク２５２に伝達される。ヒートシンク２５２は、外気に対して広い伝熱面を有する。図示しない電動ファンから、ヒートシンク２５２に対して送風することにより、ヒートシンク２５２の伝熱面近傍にある温められた空気を効率的に排除できる。電子デバイス２００とヒートシンク２５２は直接接触してもよい。
ヒートシンク２５２は冷却水にさらされるよう構成してもよい。電子デバイス２００の表面を防水ケースで覆い、冷却水をヒートシンク２５２に導く。電子デバイス２００からの発生してヒートシンク２５２に伝わった熱を吸収することにより温められた冷却水は、冷却水排出口から排出される。
電子デバイス２００はパッケージ基板２５４上に実装される。パッケージ基板２５４は、電子デバイス２００を実装基板２５６に実装するための中間板の役割をはたす。実装基板２５６はパッケージ基板２５４とはんだにより接着される。通常、パッケージ基板２５４と実装基板２５６の間の距離は３００〜５００ミクロン程度である。パッケージ基板２５４の実装基板２５６側の面にはいくつかのコンデンサ２５８が通常、接着されている。このコンデンサ２５８がある程度の容量を有する場合には、コンデンサ２５８の大きさは、この３００〜５００ミクロン程度の大きさには収まらない場合もある。そのため、実装基板２５６は、このコンデンサ２５８を設置する高さを確保するため、通常は、電子デバイス２００の直下にあたる面において同図に示すように開口部を有する。
噴流冷却装置３００はこの開口部を介してパッケージ基板２５４に上向きに冷媒を噴射させる。噴流冷却装置３００は複数の冷媒噴射口を有する。噴流冷却装置３００の噴射機構については後に詳述する。噴流冷却装置３００から噴射された冷媒は図示しない冷媒回収孔に回収される。冷媒が液体である場合、電子デバイス２００から発生する熱により温められた冷媒の回収は、既知の方法であるキャピラリー力を用いてもよいし、ポンプなどの動力を用いてもよい。回収された冷媒は外気によって冷却される。冷媒は、再び噴流冷却装置３００に供給される。冷媒が空気である場合には、噴射後に廃棄されてもよい。
噴流冷却装置３００の冷媒噴射口の直径は噴流冷却装置３００の上面からパッケージ基板２５４までの距離の１／３程度に設定される。たとえば、この距離が６ミリメートル程度である場合には、冷媒噴射口の直径を２ミリメートル程度に設定する。また、噴流冷却装置３００の冷媒噴射口は中央と周囲に分散して配置する。電子デバイス２００のうち、局所的な発熱量が大きい部位があらかじめ想定できる場合には、その位置に対応する冷媒噴射口の直径を大きめに設定してもよい。先述の噴流冷却の式に示したように、冷媒噴射口の直径が大きいほど、熱伝達率が大きくなるからである。
噴流冷却装置３００は、パッケージ基板２５４の面に直接冷媒を吹き付けて冷却してもよいし、パッケージ基板２５４の面を皮膜するケースに吹き付けることにより間接的に冷却してもよい。すなわち、電子デバイス２００から発生する熱を噴流冷却により排熱するよう噴流冷却装置３００を構成することにより本発明の効果は同等に発揮され得る。たとえば、ヒートシンク２５２内に噴流冷却装置３００と同様の機構を設けてもよい。すなわち、電子デバイス２００の上面から定常的に発生する熱はヒートシンク２５２と電動ファンで取り除き、瞬発的に発生する熱は、ヒートシンク内に設けられる噴流冷却装置３００が電子デバイス２００の上面に冷媒を噴射することにより取り除くよう構成してもよい。
なお、実装基板２５６に設けられる開口部は、必ずしも同図に示すように実装基板２５６の中央部に設けられる必要はない。たとえば、電子デバイス２００の発熱の局所性に鑑みて開口部が設けられてもよいし、複数の開口部が設けられてもよい。さらに、実装基板２５６に複数の孔を貫通させ、その各孔を貫いてパッケージ基板２５４の複数箇所に冷媒が噴射されるよう構成してもよい。
電子デバイス２００の内部にはその発熱量を検出するための熱検知センサが複数設けられている。熱検知センサは、電子デバイス２００やパッケージ基板２５４に設けられてもよい。熱検知センサは、赤外線センサのように電子デバイス２００の表面から放射される赤外線を外部から検出することにより発熱量を検出するセンサでもよい。熱検知センサは、電子デバイス２００内の温度を計測する温度計であってもよい。
通常、電子デバイス２００から発生した熱はスプレッダ２５０を介してヒートシンク２５２に伝わりその伝熱面から放熱される。そのヒートシンク２５２からの放散される熱量が大きいときには、ヒートシンク２５２に対して、たとえば、電動ファンにより送風するこれば、より効率的に熱を排除できる。結果として電子デバイス２００をより強力に冷却できる。また、電子デバイス２００からの発熱量に応じて、電動ファンの回転数が上げるように制御することにより、発熱量に応じた冷却が可能となる。以下の例では、電子デバイス２００を冷却する冷却ユニットの一つとして、ヒートシンク２５２と電動ファンを用いる場合について示す。
一方、電子デバイス２００からは瞬発的に発熱する場合もある。瞬発的な発熱、すなわち、単位時間当たりにおける発熱量の上昇が急峻である場合には、噴流冷却装置３００を駆動して冷却を行う。冷媒はパッケージ基板２５４に向けて噴流冷却装置３００より噴射される。電子デバイス２００から発生した熱の一部はパッケージ基板２５４に伝導する。噴流冷却装置３００が冷媒を噴射することにより、パッケージ基板２５４が冷却されるため、結果としてパッケージ基板２５４に伝導した熱は実装基板２５６の開口部から排熱される。電子デバイス２００の表面のうち、あらかじめ高温になりやすい箇所が分かっている場合には、その箇所に対応して噴流冷却装置３００の冷媒噴出口が集中的に配置されるように噴流冷却装置３００を構成してもよい。冷却ノズルによる噴流冷却によれば、特に噴射軸点近傍に発生した熱を効果的に排除できる。冷却ノズルを多く配置するほど、また、冷却ノズルの冷媒噴射能力が高いほど、冷却効果も高くなる。
図２から図４は噴流冷却装置３００が冷媒を噴射する機構を示す図である。
図２は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第１の例を示す図である。噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられている。これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。ファン駆動部３０２は、たとえばピエゾ素子などにより構成され、ファン３０４を駆動する。ファン駆動部３０２に所定の電圧が印加されると、ファン駆動部３０２はその電圧値に応じて変形する。この変形がファン３０４に伝わり、ファン３０４は、いわば「うちわ」として機能し、チャンバー部３２０内に導入された冷媒をチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から噴射せしめる。
図３は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第２の例を示す図である。同図の例においても、噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられており、これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。図示しない駆動部は外部からの制御信号に応じて、静電力や圧電素子、磁気などの力により可動膜３０６を駆動する。可動膜３０６がチャンバー部３２０に溜められた冷媒をチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から押し出すことにより冷媒を噴射する。
図４は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第３の例を示す図である。噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられている。これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。冷媒供給路３１０はポンプ３０８を含む。ポンプ３０８は冷媒供給路３１０に導入された冷媒をチャンバー部３２０に伝達する。このとき、ポンプ３０８が冷媒供給路３１０に導入された冷媒を高圧でチャンバー部３２０に押し込むと、チャンバー部３２０に導入された冷媒はチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から噴射される。
図５は電子デバイス冷却装置１００の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
制御部１１０は電子デバイス冷却装置１００による冷却機構を統合的に制御する。ノズルユニット１０２はパッケージ基板２５４に対して冷媒を噴射せしめる機械的な機構である。主として噴流冷却装置３００がこれに該当する。電動ファンユニット１０６はヒートシンク２５２に送風する機構である。ここでは、図１に関連して説明した電動ファンが主として対応する。温度測定部１０８は電子デバイス２００内に設置された熱検知センサにより検出された熱量に基づき、電子デバイス２００の温度を測定する。また、温度測定部１０８は電子デバイス２００における温度の時間変化も測定する。電子デバイス２００の内部に温度計を設けることにより、温度測定部１０８は直接に電子デバイス２００の温度を測定してもよい。
制御部１１０はノズル制御部１２０、電動ファン制御部１３０および選択部１３４を含む。ノズル制御部１２０はノズルユニット１０２に制御信号を送ることにより制御する。たとえば、噴流冷却装置３００が図２に関連して説明した構成である場合には、ノズル制御部１２０はファン駆動部３０２に所定の電圧を印加することにより、ノズルユニット１０２を制御する。電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６に制御信号を送ることにより制御する。ノズル制御部１２０は更に噴射時間演算部１２２を含み、電動ファン制御部１３０は回転数演算部１３２を含む。温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度特性に応じて選択部１３４はノズル制御部１２０および電動ファン制御部１３０のいずれか、もしくは、両方に制御を指示する。
温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度が所定の閾値を越えると、選択部１３４はこれを検出して電動ファン制御部１３０に選択信号を送る。電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６に制御信号を送り電動ファンを駆動する。また、温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度に応じて、回転数演算部１３２は電動ファンの回転数を演算する。ここでいう回転数とは、単位時間当たりの回転数、すなわち、電動ファンの回転速度であってもよいし、電動ファンを回転させる総数、いわば、電動ファンの駆動時間であってもよい。電子デバイス２００の表面温度が高いときには、電動ファン制御部１３０は電動ファンを高速に回転させるよう電動ファンユニット１０６に指示する。あるいは、電動ファン制御部１３０は電動ファンを長時間回転させるよう電動ファンユニット１０６に指示する。
温度測定部１０８は測定した温度の経時変化を一時的に記録する。温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度の単位時間当たりにおける上昇が所定の閾値を越えると、選択部１３４はこのデータを読み出してノズル制御部１２０に選択信号を送る。ノズル制御部１２０はノズルユニット１０２に制御信号を送り噴流冷却装置３００を駆動する。また、温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度の単位時間当たりの上昇度に応じて、噴射時間演算部１２２は冷媒を噴射すべき時間を計算する。噴射時間演算部１２２は、温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度の単位時間当たりの上昇度に応じて、冷媒を噴射するときの噴流の速度や噴射すべき冷媒の量を計算してもよい。ノズルユニット１０２が冷媒を繰り返し噴射せしめるよう制御する場合には、噴射時間演算部１２２は噴流冷却装置３００の冷媒噴射時間と、冷媒を噴射していない時間の時間比を計算してもよい。ノズル制御部１２０は噴射時間演算部１２２の演算に基づいて、ノズルユニット１０２に制御信号を送り冷媒を噴射せしめる。
温度測定部１０８は、電子デバイス２００全体の温度ではなく電子デバイス２００の熱分布を検出してもよい。ノズル制御部１２０は、電子デバイス２００のうち発熱量が大きい部位に対応する冷媒噴射口から冷媒が噴射されるよう制御してもよい。これにより、電子デバイス２００の瞬発的な発熱のみならず、電子デバイス２００の局所的な発熱に対しても効果的な冷却が可能となる。
図６は、電子デバイス冷却装置１００が電子デバイス２００を冷却する過程を示すフローチャートである。温度測定部１０８は電子デバイス２００内に埋設された熱検知センサが検出する熱量に基づき、電子デバイス２００の温度を測定する（Ｓ１０）。ここで測定した電子デバイス２００の温度が所定の閾値を越えるか否かを選択部１３４は判断する（Ｓ１２）。ここでいう所定の閾値は電子デバイス２００の性能や使用環境に応じて、設計者により任意に設定される値である。以下、この閾値のことを「第１閾値」とよぶ。測定した温度が第１閾値より小さければ（Ｓ１２のＮ）、ノズルユニット１０２や電動ファンユニット１０６は駆動されず処理は終了する。測定した温度が第１閾値以上であれば（Ｓ１２のＹ）、選択部１３４は電動ファン制御部１３０に選択信号を送る。電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６を駆動し電動ファンを回転させる（Ｓ１４）。
温度測定部１０８が測定した電子デバイス２００の温度につき、その温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えるか否かを選択部１３４は判断する（Ｓ１６）。ここでいう所定の閾値も電子デバイス２００の性能や使用環境に応じて、設計者により任意に設定される値である。以下、この閾値のことを「第２閾値」とよぶ。測定した単位時間当たりの温度上昇がこの第２閾値より小さければ（Ｓ１６のＮ）、処理は終了する。測定した単位時間当たりの温度上昇がこの第２閾値以上であれば（Ｓ１６のＹ）、選択部１３４はノズル制御部１２０に選択信号を送る。ノズル制御部１２０はノズルユニット１０２を駆動して冷媒を噴射せしめる（Ｓ１８）。温度測定部１０８は定期的に温度を検出し、Ｓ１０からＳ１８の処理が繰り返される。
ノズルユニット１０２と電動ファンユニット１０６は同時に駆動されてもよい。また、電子デバイス２００の温度が第１閾値より小さくても、電子デバイス２００の温度の単位時間当たりの上昇度が第２閾値以上であればノズルユニット１０２を駆動するよう制御してもよい。また、温度ではなく電子デバイス２００からの発熱量に基づいてノズルユニット１０２や電動ファンユニット１０６を制御してもよい。
図７は電子デバイス２００における温度の時間変化と電子デバイス冷却装置１００の制御との関係を説明するための模式図である。同図において横軸は経過時間を示す。電子デバイス２００の処理が開始した時刻をｔ０とする。縦軸は電子デバイス２００の表面の温度を示す。この温度は電子デバイス２００内の熱検知センサを介して温度測定部１０８により測定される。Ｔ１は先述の第１閾値である。以下、時系列的に電子デバイス冷却装置１００の処理を説明する。
時刻ｔ１：
電子デバイス２００の温度が上昇して第１閾値であるＴ１を超過する。選択部１３４は電動ファン制御部１３０に選択信号を送る。電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６に制御信号を送り、電動ファンを駆動せしめる。これにより、時刻ｔ１の経過後温度の上昇は緩やかとなりやがて下降し始める。
時刻ｔ２：
電子デバイス２００の温度が瞬発的に上昇しはじめる。この段階で温度はまだＴ１を超えているので、電動ファンは回転し続けている。しかし、電動ファンの冷却時間応答性は、噴流冷却の冷却時間応答性よりも小さいため、すぐには温度は下がらない。
時刻ｔ３：
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの温度変化につき、その単位時間当たりの温度上昇が第２閾値以上であることを選択部１３４は検出する。選択部１３４はノズル制御部１２０に選択信号を送る。ノズル制御部１２０はノズルユニット１０２に制御信号を送り、噴流冷却装置３００を駆動せしめる。これにより、時刻ｔ２において生じた瞬発的な温度上昇が抑制される。電子デバイス２００の単位時間当たりの温度上昇が第２閾値より小さくなれば、噴流による冷却は終了する。なお、この時点では温度はＴ１を超えているので、電動ファンは回転し続けている。
時刻ｔ４：
電動ファンによる冷却により、温度はＴ１を下回ったので、電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６に電動ファンの回転を停止するよう信号を送る。
以上、実施の形態においては、電子デバイス２００から定常的に発生する熱はヒートシンク２５２と電動ファンによる空冷方式によって排除される。一方、電子デバイス２００から一時的、瞬発的に発生する熱は噴流冷却方式によって排除される。本実施の形態における電子デバイス冷却装置１００は、噴流冷却機構を補助的に駆動することにより、電子デバイス２００の発熱量の変化に対して機敏に対処して冷却することができる。
定常的に電子デバイス２００から発生する熱はヒートシンク２５２と電動ファンによって排除し、この場合には必ずしも噴流冷却装置３００を駆動する必要はない。とくに、電子デバイス２００からの発熱量が最大値に近い状態であっても、瞬発的な発熱量の上昇は生じ得る。このような場合における電子デバイス２００の温度の上昇時において噴流冷却を実行することにより、発熱の種類に応じた効果的な電子デバイス２００の冷却が実現される。本実施の形態においては、実装基板２５６の開口部を利用するため、噴流冷却に過大な装置を用意する必要がない。そのため、電子デバイス冷却装置１００を全体としてコンパクトに構成できるメリットもある。
また、噴流冷却装置３００に冷媒を供給するシステムや、使用した冷媒を回収するシステムについては、従来の空冷方式や液冷方式において使用されてきた技術をそのまま用いることができる。実施の形態においては電動ファンと噴流冷却の組み合わせを例として本発明を説明した。しかし、本発明は冷却時間応答性について異なる冷却原理に基づく冷却ユニットを駆動することによる電子デバイス２００の冷却方法を提案する発明であり実施の形態に示した冷却装置に発明の範囲が限定されるものではない。たとえば、電動ファンのかわりに冷却水によってヒートシンク２５２を冷却してもよい。あるいは、電子デバイス２００の上面側の冷却機構としては、ヒートシンク２５２のみ、すなわち放熱機構のみであってもよい。同様に、高い冷却時間応答性を有する冷却原理とは、噴流冷却装置３００による噴流冷却に限定されるものではない。たとえば、冷却水による水冷方式によりパッケージ基板２５４から排熱制御してもよい。また、熱電素子により冷却してもよい。冷却時間応答性について異なる冷却原理を有する冷却方法としては、さまざまな例があることは、当業者には理解されるところである。
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。たとえば、本実施の形態においては、異なる冷却原理に基づく２種類の冷却ユニットを協働させることにより電子デバイスを冷却する方法について示したが、冷却ユニットの種類は２種類に限られるものではない。電子デバイスの設置状況や使用環境に応じて、冷却ユニットの設計についてもさまざまなバリエーションがあることは当業者には理解されるところである。
電子デバイス冷却装置の機構を示す模式図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第１の例を示す図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第２の例を示す図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第３の例を示す図である。 電子デバイス冷却装置の機能ブロック図である。 電子デバイス冷却装置が電子デバイスを冷却する過程を示すフローチャートである。 電子デバイス冷却装置における温度の時間変化と電子デバイスの制御との関係を説明するための模式図である。
符号の説明
１００ 電子デバイス冷却装置、１０２ ノズルユニット、１０６ 電動ファンユニット、１０８ 温度測定部、１１０ 制御部、１２０ ノズル制御部、１３０ 電動ファン制御部、１３４ 選択部、２００ 電子デバイス、２５０ スプレッダ、２５２ ヒートシンク、２５４ パッケージ基板、２５６ 実装基板、３００ 噴流冷却装置、３１０ 冷媒供給路、３２０ チャンバー部。

Claims (13)

  1. 電子デバイスの表面に対向するよう近接配置された主冷却ユニットと、
    前記電子デバイスの表面に対向するよう近接配置された補助冷却ユニットと、
    前記主冷却ユニットおよび前記補助冷却ユニットのうち少なくともいずれかを駆動して前記電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部と、を備え、
    前記主冷却ユニットと前記補助冷却ユニットの冷却機構が異なることを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  2. 前記補助冷却ユニットは、前記主冷却ユニットよりも単位時間当たりの冷却能力が高いものであることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス冷却装置。
  3. 前記補助冷却ユニットは、前記主冷却ユニットが対向して近接配置される前記電子デバイスの面とは異なる面に対して対向するよう近接配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイス冷却装置。
  4. 前記補助冷却ユニットは冷却ノズルを備え、
    前記制御部は、前記冷却ノズルに導入された冷媒に作用し、前記冷媒を前記冷却ノズルから噴射せしめることにより前記補助冷却ユニットを駆動することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子デバイス冷却装置。
  5. 前記電子デバイスの表面における温度を測定する温度測定部を更に備え、
    前記制御部は、前記測定した温度の単位時間あたりの上昇度が所定の閾値を越える場合には、前記補助冷却ユニットを駆動して前記電子デバイスを冷却せしめるよう制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子デバイス冷却装置。
  6. 電子デバイスの表面のうち、所定の面に対向するよう近接配置される主冷却ユニットと、
    前記電子デバイスの表面のうち、前記所定の面とは異なる面の側に設置される基板に設けられた貫通孔を通して冷媒を前記電子デバイスに向けて噴射する補助冷却ユニットと、
    前記主冷却ユニットおよび前記補助冷却ユニットのうち少なくともいずれかを駆動して前記電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  7. 電子デバイスの表面のうち、所定の面に近接配置され、その表面から発生する熱を放散させるための放熱機構と、
    前記電子デバイスの表面のうち、前記所定の面とは異なる面の側に設置される基板に設けられた貫通孔を通して冷媒を前記電子デバイスに向けて噴射する補助冷却ユニットと、
    前記補助冷却ユニットを駆動して前記電子デバイスを冷却せしめるよう制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  8. 電子デバイスの表面における温度を測定するステップと、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定するステップと、
    前記電子デバイスの所定面に対向するように近接配置された主冷却ユニットと、前記電子デバイスの前記所定面とは異なる面に対向するように近接配置された補助冷却ユニットの少なくともいずれかを駆動することにより、前記電子デバイスを冷却するステップと、を備え、
    前記補助冷却ユニットは、前記上昇度が前記所定の閾値を越えたことを条件として駆動されることを特徴とする電子デバイス冷却方法。
  9. 電子デバイスの表面における温度を測定するステップと、
    前記測定した温度が所定の閾値を越えたか否かを判定するステップと、
    前記測定した温度が前記閾値を越えた場合に、前記電子デバイスの表面を第１の冷却ユニットにより冷却せしめるステップと、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定するステップと、
    前記上昇度が前記所定の閾値を越えた場合には、前記電子デバイスの表面を第２の冷却ユニットにより冷却せしめるステップと、
    を備えることを特徴とする電子デバイス冷却方法。
  10. 電子デバイスの表面における温度を測定する機能と、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記電子デバイスの所定面に対向するように近接配置された主冷却ユニットと、前記電子デバイスの前記所定面とは異なる面に対向するように近接配置された補助冷却ユニットの少なくともいずれかを駆動することにより、前記電子デバイスを冷却する機能と、をコンピュータに発揮させ、
    前記補助冷却ユニットは、前記上昇度が前記所定の閾値を越えたことを条件として駆動されることを特徴とする電子デバイス冷却制御プログラム。
  11. 電子デバイスの表面における温度を測定する機能と、
    前記測定した温度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記測定した温度が前記閾値を越えた場合に、前記電子デバイスの表面を第１の冷却ユニットにより冷却せしめる機能と、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記上昇度が前記所定の閾値を越えた場合には、前記電子デバイスの表面を第２の冷却ユニットにより冷却せしめる機能と、
    をコンピュータに発揮させることを特徴とする電子デバイス冷却制御プログラム。
  12. コンピュータにて読取可能な記録媒体であって、
    電子デバイスの表面における温度を測定する機能と、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記電子デバイスの所定面に対向するように近接配置された主冷却ユニットと、前記電子デバイスの前記所定面とは異なる面に対向するように近接配置された補助冷却ユニットの少なくともいずれかを駆動することにより、前記電子デバイスを冷却する機能と、をコンピュータに発揮させ、
    前記補助冷却ユニットは、前記上昇度が前記所定の閾値を越えたことを条件として駆動されることを特徴とする電子デバイス冷却制御プログラム
    を格納した記録媒体。
  13. コンピュータにて読取可能な記録媒体であって、
    電子デバイスの表面における温度を測定する機能と、
    前記測定した温度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記測定した温度が前記閾値を越えた場合に、前記電子デバイスの表面を第１の冷却ユニットにより冷却せしめる機能と、
    前記測定した温度の経時変化により、前記電子デバイスの表面における温度の単位時間当たりの上昇度が所定の閾値を越えたか否かを判定する機能と、
    前記上昇度が前記所定の閾値を越えた場合には、前記電子デバイスの表面を第２の冷却ユニットにより冷却せしめる機能と、
    をコンピュータに発揮させることを特徴と
    する電子デバイス冷却制御プログラムを格納した記録媒体。

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