JP5846212B2 - マイクロチャネル冷却デバイス、マイクロチャネル冷却システム、及び電子機器 - Google Patents

Description

実施形態は、マイクロチャネル冷却デバイス、マイクロチャネル冷却システム、及び電子機器に関する。

近年、ＬＳＩ等の電子装置の微細化・高集積化に伴い、電子装置の動作時に多量の熱が発生するようになっている。したがって、電子装置を効率的に冷却するための手段が提案されている。例えば、ＬＳＩ等の電子装置にヒートシンクを付けて空冷するだけでは多量の熱を放出することができないため、水冷式の冷却装置を用いることが提案されている。

水冷式の冷却装置としては、ウォータージャケットと称される密閉型ヒートシンクに冷媒（冷却水）を流して冷却する水冷装置が一般的である。水冷式の冷却装置のなかで、特にマイクロチャネル冷却デバイスは高い冷却性能を有しており、ＬＳＩの冷却用として有望視されている。

一方、電子機器においても省エネルギを達成するために、ＬＳＩ等の電子装置が発生する熱エネルギを回収して電力として再利用することが提案されている。熱エネルギを電力として回収するために、熱電素子を用いることが多い。ＬＳＩとヒートシンクとの間に熱電素子を配置してＬＳＩとヒートシンクとの間の温度差を熱電素子に印加することで、熱電素子は発電する。あるいは、発熱部であるＬＳＩから伝熱部材を引き出して熱電素子の高温側を接続し、熱電素子の低温側をヒートシンクに接続することで熱電素子に温度差を印加して、熱電素子を発電させることも提案されている。

特開２００１−２８２３９６号公報 特開２００３−２６９８１７号公報

従来のウォータージャケットと称される密閉型ヒートシンクに冷媒（冷却水）を流して冷却する水冷装置と発熱部である電子部品との間の温度差を利用するためには、熱電素子の低温側をヒートシンクに熱的に接続し、高温側を電子部品に熱的に接続する必要がある。ヒートシンクと電子部品との間に熱電素子を挿入した構成であると、熱電素子の熱抵抗が高いため、電子部品の熱を効率的にヒートシンクに伝達することができず、電子部品を効率よく冷却できないこととなる。このため、熱電素子を設けたために電子部品の冷却が不十分になり、電子部品が高温になってしまうおそれがある。

また、発熱部である電子部品から伝熱部材を引き出して熱電素子の高温側を接続する場合、伝熱部材は既に冷却されている電子部品の温度となるので、伝熱部材の温度はあまり高くならず、大きな温度差を得ることができない。熱電素子での発電量は印加する温度差に比例するため、熱電素子で発生することのできる電力は僅かなものになってしまい、エネルギ回収効率が低くなってしまう。

そこで、以下に説明する実施形態は、水冷式冷却装置を用いて電子部品を冷却する構成において、熱電素子を用いて効率的に熱電変換を行なうことのできる構造を提供することを目的とする。

実施形態によれば、微細な断面を有する液体冷媒流路を有し、熱源に熱的に接続されるヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられ、前記液体冷媒流路の延在方向に平行に高温側電極と低温側電極の間の部分が延在する熱電素子とを有するマイクロチャネル冷却デバイスであって、前記液体冷媒流路のレイノルズ数は２０００未満であるマイクロチャネル冷却デバイスが提供される。

上述の手段によれば、熱源を冷却しながら、熱源の熱を熱電素子を用いて効率的に熱電変換することができる。

マイクロチャネルヒートシンクの一例を示す分解斜視図である。 第１実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図２（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図２（Ｄ）は図２（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 第２実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図３（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 第３実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図４（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図４（Ｄ）は図４（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 第４実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図５（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図５（Ｄ）は図５（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 第５実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図６（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図６（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 第６実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスを示す図であり、図７（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイスの平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図７（Ｄ）は図７（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 図４に示すマイクロチャネル冷却デバイスの製造工程を示す図である。 パーソナルコンピュータ（ＰＣ）のＣＰＵにマイクロチャネル冷却デバイスを用いた例を示す図である。 計算機システムにマイクロチャネル冷却デバイスを用いた例を示す図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施形態で用いられるマイクロチャネルヒートシンクについて説明する。マイクロチャネルヒートシンクは、ＬＳＩ等の電子部品の冷却装置に用いられることが多い。マイクロチャネルヒートシンクを用いることで小型でありながら冷却能力の高い冷却装置を実現することができる。

図１はマイクロチャネルヒートシンクの分解斜視図である。マイクロチャネルヒートシンクは、内部に微小な断面を有する液体冷媒流路（マイクロチャネル）が形成されたヒートシンクである。液体冷媒として冷却水を用いる場合が多く、以下、液体冷媒流路を冷却水流路と称する。冷却水流路に低温の液体冷媒（冷却水）を流すことで、ヒートシンク自体が冷却され、ヒートシンクに接続された電子部品を冷却することができる。一般的に、マイクロチャネルヒートシンクの冷却水流路は、レイノルズ数が２０００未満となるような断面形状及び断面寸法を有している。レイノルズ数を２０００未満とすることで冷却水流路を流れる冷却水の流れが層流となる。層流で冷却水を流すことにより、冷却水流路の内壁面から冷却水に効率的に熱を移動させることができ、既存のヒートシンクのように乱流で冷却水を流すときよりも、冷却効率を大きく高めることができる。

図１はマイクロチャネルヒートシンクの一例を示す分解斜視図である。マイクロチャネルヒートシンク１は、マイクロチャネル部２と、マイクロチャネル部２を覆うように接合されるカバー部３とを有する。マイクロチャネル部２及びカバー部３を形成する材料としては、伝熱性が良好で微細加工し易い材料が適しており、例えば、半導体材料のシリコンが用いられる。シリコンの他に、例えば、銅やアルミニウム等の金属材料を用いることもできる。

マイクロチャネル部２には、複数の溝部（チャネル）２ａが平行に並んで形成されている。溝部２ａの各々が冷却水流路に相当する。溝部２ａの各々は、溝部２ａで形成される冷却水流路のレイノルズ数が２０００未満となるような断面形状及び断面寸法になっている。そのような断面形状として、図１に示す溝部２ａの断面形状は縦長の長方形であり、短辺が７０μｍで長辺が３５０μｍに設定されている。溝部２ａの形状は長方形に限られず、また、断面寸法も７０μｍ×３５０μｍに限られるものではない。レイノルズ数が２０００未満となるのであれば、溝部２ａの断面形状・断面寸法はどのようなものであってもよい。図１に示す溝部２ａを長方形断面としているのは、長方形断面の溝は加工が容易であるからである。

なお、冷却水流路の断面形状を縦長の長方形とし、液体冷媒として冷却水を流すものとすると、長方形の対角線の流さを５００μｍ以下とすれば、冷却水流路のレイノルズ数は２０００未満とすることができる。

ここで、図１に示すマイクロチャネルヒートシンクを用いて電子部品を冷却する際のマイクロチャネルヒートシンクの温度分布についてシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、溝部２ａにより形成される冷却水流路を２本有するマイクロチャネルヒートシンクを用いた。以下、マイクロチャネルヒートシンクを単にヒートシンクとも称する。ヒートシンクの底面（電子部品が接続される面）から１００Ｗ／ｃｍ^２の熱が印加されることとし、冷却水流路に一端側（入口側）から２４℃の冷却水を層流となるような流量で供給するという条件とした。冷却水流路の断面形状は縦長の長方形であり、短辺が７０μｍで長辺が３５０μｍに設定した。また、冷却水流路の長さは１０ｍｍとした。

シミュレーションの結果、冷却水流路の入口側の温度を２４℃とすると、反対端側（出口側）に向けて温度が上昇し、冷却水流路の反対端側（出口側）では４５℃となることがわかった。すなわち、ヒートシンクでは、冷却水の入口側と出口側の温度差は２０℃以上にもなることがわかった。このような温度分布は、従来のように冷却水流路での冷却水が乱流となるヒートシンクでは得られないものであり、マイクロチャネルヒートシンクに特有の温度分布である。

そこで、マイクロチャネルヒートシンクでの温度分布から得られる温度差に着目し、この温度差で熱電素子を駆動して発電することを考えた。この温度差を利用することで、熱電素子の延在方向（高温側電極と低温側電極の間の部分の熱電材料の延在方向）を、マイクロチャネルヒートシンクの冷却水流路の延在方向に平行にして配置できることとなる。すなわち、ヒートシンク自体に低温部（冷却水入口側）と高温部（冷却水出口側）とが生じるので、この温度差を利用するように熱電素子をヒートシンクに取り付ける。これにより、ヒートシンクと熱源との間に熱抵抗の高い熱電素子を挿入することなく、熱電素子を機能させることができ、より効率的に熱電変換を行なうことができる。

次に、第１実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図２は第１実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス２０を示す図である。図２（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス２０の平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図２（Ｄ）は図２（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

マイクロチャネル冷却デバイス２０は、熱電素子１０を内蔵したデバイスであり、熱源としてのＬＳＩ等の電子部品５を冷却しながら、電子部品５からの熱の一部を熱電変換して電気エネルギに変換して回収することができる。

マイクロチャネル冷却デバイス２０は、ヒートシンクとして機能するデバイス本体２２と、デバイス本体２２の表面に形成された熱電素子１０を有する。デバイス本体２２は、例えば単結晶シリコン等の半導体製造材料により形成されることが好ましいが、例えばアルミニウムや銅などの金属材料であってもよく、伝熱性が良好で微細加工を容易に行える材料であればよい。デバイス本体２２の底面２２ａは、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように電子部品５が熱的に接続されるようになっており、電子部品５内で発生した熱はデバイス本体２２に伝達される。

ヒートシンクを形成するデバイス本体２２の内部には、複数の冷却水流路２４が形成されている。冷却水流路２４は互いに平行に延在している。冷却水流路２４の各々は、内部を流れる冷却水が層流となるような断面形状・断面寸法を有している。すなわち、冷却水流路２４の各々は、例えば、その短辺が７０μｍで長辺が３５０μｍの縦長の長方形断面を有しており、レイノルズ数が２０００未満（層流となる条件）となるように設定されている。

冷却水流路２４の一端側（入口側）に低温の冷却水を供給すると、冷却水は冷却水流路２４内を層流で流れて反対端側（出口側）から吐出される。冷却水流路２４を流れる間に冷却水が熱を吸収し、デバイス本体２２は冷却される。冷却水としては、低粘度で比重が軽く、比熱の大きい液体が好ましく、純水が最も好ましい。ただし、純水は不純物イオンが混入すると電気抵抗を低下させたり、流路内壁の腐食や微生物の発生を伴うので、エチレングリコール等の有機物を混ぜた水溶液を用いることが一般的である。ＩＴ機器などでは漏水による電気ショートや部品腐食を避けるため、ハイドロフロオロエーテルなどのフッ素系液体や、シリコーンオイルなどのシリコン系液体のように高絶縁性を有する液体を用いることが望ましい。あるいは、エタノールを主成分にした冷媒を用いることとしてもよい。

デバイス本体２２の上面２２ｂには、熱電素子１０が形成される。熱電素子１０は、複数の第１の熱電材１２と複数の第２の熱電材１４とそれらを電気的に接続する電極１６とを含む。第１の熱電材１２は例えばｎ型半導体材料であり、第２の熱電材は例えばｐ型半導体材料である。第１の熱電材１２のｎ型半導体材料としては、ｎ型のシリコンあるいはその化合物、ビスマス・テルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）、亜鉛（Ｚｎ）、コバルト（Ｃｏ）を含む酸化物を用いることが一般的である。第２の熱電材１４のｐ型半導体材料としては、ｐ型のシリコンあるいはその化合物、ビスマス・アンチモン・テルル（ＢｉＳｂＴｅ）、ナトリウム（Ｎａ）を含む酸化物を用いることが一般的である。電極１６の材料としては、金やアルミニウムを用いることが一般的である。なお、図示はしないが、デバイス本体２２の表面に酸化膜などの薄い絶縁膜を形成しておき、その上に第１の熱電材１２、第２の熱電材１４及び電極１６を形成することが好ましい。

熱電素子１０の第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４は、デバイス本体２２の上面２２ｂに設けられ、デバイス本体２２内に形成された冷却水流路２４の延在方向と同じ方向に延在している。第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の延在方向を、冷却水流路２４の延在方向とするのは、この方向で温度分布が生じ、温度差が生じるためである。ただし、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の延在方向と、冷却水流路２４の延在方向とは完全に平行である必要はなく、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の高温側の接続点と低温側の接続点が、冷却水流路２４の高温側と低温側に適切に配置され、熱電素子１０に温度差が印加できるようになっていればよい。したがって、本明細書では、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の延在方向が冷却水流路２４の延在方向に平行である（あるいは一致している）ということは、完全な平行（一致）を意味するものではなく、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４に対して十分な温度差を印加できる程度に冷却水流路２４に対して平行に延在するということを意味する。

以上のような構成のマイクロチャネル冷却デバイス２０の底面２２ａを、熱源としての電子部品５に熱的に接続し、冷却水を冷却水流路２４の入口側（低温側）から流すと、電子部品５からの熱が冷却水に吸収され、電子部品５は冷却される。このとき、熱電素子１０には、冷却水流路２４に沿った温度分布で生じた温度差が印加され、熱電素子１０は温度差に応じた電圧を発生する。したがって、電子部品５から放出される熱の一部を熱電素子１０により電気エネルギに変換して回収し、再利用することができる。

熱電素子１０は、電子部品５とデバイス本体２２との間に配置されておらず、デバイス本体２２の上面２２ｂ側に配置されるので、熱電素子１０が電子部品５とデバイス本体２２との間の熱抵抗となることはない。したがって、電子部品５からの熱をマイクロチャネル冷却デバイス２０に効率的に伝達することができ、電子部品５を効率的に冷却しながら、熱電素子１０によりその熱の一部を電気エネルギに変換して回収することができる。

次に、第２実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図３は第２実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス３０を示す図である。図３（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス３０の平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図３において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

マイクロチャネル冷却デバイス３０は、図３（Ｄ）に示すように、冷却水供給流路２６と冷却水排出流路２８とを有する点がマイクロチャネル冷却デバイス２０と異なり、他の部分の構成はマイクロチャネル冷却デバイス２０と同様である。

マイクロチャネル冷却デバイス３０において、複数の冷却水流路２４は、冷却水供給流路２６と冷却水排出流路２８との間に設けられる。冷却水は、冷却水供給流路２６に供給され、複数の冷却水流路２４に分配されて冷却水流路２４を流れてから冷却水排出流路２８に入り、冷却水排出流路２８から排出される。

次に、第３実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図４は第３実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス４０を示す図である。図４（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス４０の平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図４（Ｄ）は図４（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図４において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

マイクロチャネル冷却デバイス４０は、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４がデバイス本体２２に埋め込まれている点がマイクロチャネル冷却デバイス２０と異なり、他の部分の構成はマイクロチャネル冷却デバイス２０と同様である。

第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４は、デバイス本体２２の上面２２ａに溝又は凹部を形成しておき、その中に熱電材料を充填することで形成される。第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４を形成する熱電材料を溝又は凹部に充填することで、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の厚みを大きくすることができ、断面積を大きくすることができる。したがって、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４の電気抵抗を小さくすることができ、発電量の大きい熱電素子を形成することができる。

次に、第４実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図５は第４実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス５０を示す図である。図５（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス５０の平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図５（Ｄ）は図５（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図５において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

マイクロチャネル冷却デバイス５０は、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４がデバイス本体２２の中の冷却水流路２４の間に埋め込まれている点がマイクロチャネル冷却デバイス２０と異なり、他の部分の構成はマイクロチャネル冷却デバイス２０と同様である。

第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４を冷却水流路２４の間に埋め込んだ構造とするには、例えば、デバイス本体２２を上下に２分割して形成し、それらの片方又は両方の面に冷却水流路２４と第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４を充填する溝又は凹部を形成しておく。そして、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４を溝又は凹部に充填してから、分割したデバイス本体を接合して一体とすることで、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４が冷却水流路２４の間に埋め込まれた構造となる。

本実施形態では、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４は冷却水流路２４に非常に近接した状態で配置されており、冷却水流路２４で生じる温度差を熱電素子１０に直接印加することができる。また、電極１６のみがデバイス本体２２上に配置されており、第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４がデバイス本体２２により覆われて保護された状態となる。

次に、第５実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図６は第５実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス６０を示す図である。図６（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス６０の平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図６において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

マイクロチャネル冷却デバイス６０は、冷却水流路が２つに分かれており、それに対応して第１の熱電材１２及び第２の熱電材１４も２つに分かれている点でマイクロチャネル冷却デバイス２０と異なり、他の部分の構成はマイクロチャネル冷却デバイス２０と同様である。

図６（Ｄ）に示すようにデバイス本体２２の中央に一本の冷却水供給流路２６が形成され、冷却水供給流路２６の両側に冷却水排出流路２８が形成される。冷却水流路２４の各々は、冷却水供給流路２６から反対方向に分かれ、冷却水排出流路２８まで延在する。冷却水は、冷却水供給流路２６の左右両側から供給され、冷却水流路２４の各々を層流で流れて両側の冷却水排出流路２８に入り、両側の冷却水排出流路２８から排出される。

以上のような冷却水の流れであると、デバイス本体２２における温度分布は、中央の冷却水供給流路２６の部分が低温となり、両側の冷却水排出流路２８の部分が高温となる。したがって、この温度分布に適合するように、熱電素子１０も２つに分割される。あるいは、２つの熱電素子１０が形成される。

本実施形態のように、冷却水流路が分岐している場合でも、冷却水の供給側が低温となり、排出側が高温となるので、その温度差を印加できるように、熱電素子１０を適宜配置すればよい。

次に、第６実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスについて説明する。図７は第６実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイス７０を示す図である。図７（Ａ）はマイクロチャネル冷却デバイス７０の平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図７（Ｄ）は図７（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図７において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスは、上述の第１乃至第５実施形態によるマイクロチャネル冷却デバイスのように熱源である電子部品５から独立したデバイスではなく、電子部品５の内部に組み込まれたデバイスとして形成される。電子部品５は、例えばＬＳＩ等の半導体集積回路装置であり、シリコン等の半導体材料の基板上に半導体集積回路が形成されているものとする。この半導体材料の基板を利用してその中に冷却水流路を形成し、且つ熱電素子も形成してしまう。

半導体集積回路装置は、一般的にシリコン等の半導体材料の基板５ａの片面（回路形成面５ｂ）に集積回路が形成され、反対面（背面５ｃ）は基板５ａが露出した面である。上述のマイクロチャネル冷却デバイス２０〜６０は、この背面５ｃに熱的に接続されて、電子部品から熱が伝達される。本実施形態では、この背面５ｃに熱電素子１０を直接形成してしまう。例えば、図２に示すマイクロチャネル冷却デバイス２０のデバイス本体２２を、電子部品５の基板５ａとして、基板５ａの内部に冷却水流路２４を形成し、背面５ｃに熱電素子１０を形成する。

本実施形態によれば、熱源である電子部品５の本体に冷却デバイスを作り込んでしまうので、電子部品５を直接冷却することができ、冷却効率を高めることができる。また、熱電素子１０も電子部品５の本体に組み込んでしまうため熱電素子１０への伝熱ロスが少なく、熱電素子１０を有効に発電に利用することができる。また、電子部品５とマイクロチャネル冷却デバイスとを組み合わせた全体の厚みを小さくすることができる。

次に、マイクロチャネル冷却デバイスの製造方法について、図４に示すマイクロチャネル冷却デバイス４０を例にとって説明する。図８はマイクロチャネル冷却デバイス４０の製造工程を示す図である。

マイクロチャネル冷却デバイス４０は、熱電素子形成部２２ａと流路形成部２２ｂとを接合して形成する。

まず、例えば厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板上にレジストパターンを形成する（図８（ａ））、レジストパターンをマスクとしてディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を施してシリコン基板に溝又は凹部を形成し、レジストパターンを除去する（図８（ｂ））。次に、シリコン基板の上面に（溝を形成した面）に厚さ０．１μｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成する。

続いて、第２の熱電材１４が形成される部分の溝又は凹部のみが露出するようなメタルマスクをシリコン基板に貼り付ける。そして、ｐ型熱電変換材料となるパウダーを一定比率でブレンドして、キャリアガスで吹きつけるエアロゾル成膜法により、開口している溝又は凹部にｐ型熱電材料を埋め込む（図８（ｃ））。エアロゾル成膜法以外にも、例えば水や有機成分からなるバインダー液によりパウダーを繋ぎ、ホットプレス法やナノプリント法により溝又は凹部に埋め込むこともできる。溝又は凹部に埋め込まれたｐ型熱電材料を個化させてから、メタルマスクを除去する。個化したｐ型熱電材料は第２の熱電材１４を形成する。

続いて、第１の熱電材１２が形成される部分の溝又は凹部のみが露出するようなメタルマスクをシリコン基板に貼り付ける。そして、ｎ型熱電変換材料となるパウダーを一定比率でブレンドして、エアロゾル成膜法により、開口している溝又は凹部にｎ型熱電材料を埋め込む（図８（ｄ））。エアロゾル成膜法以外にも、例えば水や有機成分からなるバインダー液によりパウダーを繋ぎ、ホットプレス法やナノプリント法により溝又は凹部に埋め込むこともできる。溝又は凹部に埋め込まれたｎ型熱電材料を個化させてから、メタルマスクを除去する。個化したｎ型熱電材料は第１の熱電材１２を形成する。

以上の工程で、熱電素子形成部２２ａの準備が終了する。一方、熱電素子形成部２２ａの準備とは別に、流路形成部２２ｂを準備する。まず、例えば厚さ５２５μｍの単結晶シリコン基板上にレジストパターンを形成する（図８（ｅ））。続いて、レジストパターンをマスクとしてディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を施してシリコン基板に溝又は凹部を形成し、レジストパターンを除去する（図８（ｆ））。この溝又は凹部が冷却水流路２４に相当する。以上で流路形成部２２ｂの準備が完了する。熱電素子形成部２２ａの準備と流路形成部２２ｂの準備は別工程で行われるので、特に両者を同時に準備する必要はない。

熱電素子形成部２２ａの準備と流路形成部２２ｂの準備が完了したら、流路形成部２２ｂの冷却水流路２４が形成された面の上に熱電素子形成部２２ａを載せ、１００℃の接合アニールを行うことで強固に接合する（図８（ｇ））。熱電素子形成部２２ａと流路形成部２２ｂが接合されることで、内部に冷却水流路２４が形成されたデバイス本体２２が形成される。

続いて、熱電素子形成部２２ａの上に５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜及び５００ｎｍの金（Ａｕ）膜等を含むメタル膜を形成し、その上にレジストパターンを形成する（図８（ｈ））。このレジストパターンは電極１６に相当する部分を覆うようなパターンである。そして、レジストパターンをマスクとしてエッチングを施すことで、電極１６に相当する部分のみを残してメタル膜を除去する。最後にレジストパターンを除去してマイクロチャネル冷却デバイス４０が完成する（図８（ｉ））。

マイクロチャネル冷却デバイス２０，３０，６０，７０も、上述のマイクロチャネル冷却デバイス４０の製造方法と同様な製造方法により製造することができる。

上述の第１乃至第６実施形態は単独で機能するだけでなく、それらの特徴を適宜組み合わせて用いてもよい。例えば、図５に示す第４実施形態の熱電材を冷却水流路の間に配置する構成を、図６に示す２分割した冷却水流路に適用することもできる。

また、上述のマイクロチャネル冷却デバイスは、ゼーベック効果を用いる熱電素子１０により熱を電気に変換して取り出しているが、これとは逆に熱電素子１０に反対に電流を流すことで、熱電素子１０はペルチェ素子として機能する。したがって、熱電素子１０に適当な電流を供給してペルチェ効果を利用することで、冷却水流路の温度分布を制御することも可能である。

次に、マイクロチャネル冷却デバイスの使用形態について説明する。図９はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）のＣＰＵに上述のマイクロチャネル冷却デバイス４０を用いた例を示す図である。動作時に発熱するＣＰＵ１１０は、ＰＣ１００のメイン回路基板１２０上に搭載されている。ＣＰＵ１１０の背面にマイクロチャネル冷却デバイス４０が接合され、熱的に接続される。

ＰＣ１００には、マイクロチャネル冷却デバイス４０に冷却水を供給する冷却水回路が設けられている。冷却水回路は、マイクロチャネル冷却デバイス４０から排出された暖められた冷却水を冷却するための熱交換器（ラジエータ）１３０を有する。熱交換機１３０は空冷式熱交換器であり、熱交換機１３０の近傍に電動ファン１６０が配置される。

ポンプ１５０によりリザーブタンク１４０内の低温の冷却水が、マイクロチャネル冷却デバイス４０の冷却水流路２４に供給される。ＣＰＵ１１０からの熱は冷却水流路２４を流れる冷却水に吸収され、暖められた冷却水がマイクロチャネル冷却デバイス４０から排出されて熱交換機１３０に供給される。したがって、ＣＰＵ１１０はマイクロチャネル冷却デバイス４０により冷却されて、適当な温度に維持される。暖められた冷却水は熱交換機１３０で冷却されて再び低温の冷却水となり、リザーブタンク１４０に戻される。

以上の冷却工程において、マイクロチャネル冷却デバイス４０には冷却水の流れる方向（冷却水流路２４の延在方向）に温度差が生じ、この温度差がマイクロチャネル冷却デバイス４０に組み込まれた熱電素子１０に印加される。この温度差により熱電素子１０は発電する。熱電素子１０の低温側電極と高温側電極を上述のポンプ１５０に電気的に接続する電気回路１７０が設けられており、熱電素子１０が発電した電力はポンプ１５０の駆動用（又はポンプ１５０の駆動のアシスト用）に使用される。

以上のように、ＣＰＵ１１０が放出する熱を熱電素子１０により電気エネルギに変化し、この電力でポンプ１５０を駆動するので、ＣＰＵ１１０の稼働率に応じて（すなわち、ＣＰＵ１１０の動作負荷に応じて）ポンプ１５０が駆動される。ＣＰＵ１１０の稼働率が高くなって発熱量が増大すると、熱電素子１０による発電量も増大し、ポンプ１５０により供給される冷却水水量を自動的に増大することができる。

次に、マイクロチャネル冷却デバイスの他の使用形態について説明する。図１０はラックサーバに代表される大規模な計算機システムにマイクロチャネル冷却デバイスを用いた例を示す図である。

図１０において点線で囲まれた部分はサーバルーム２００であり、サーバルームには複数のサーバ２１０が配置されている。サーバはラック状の装置であり、各サーバ２１０には、複数の回路基板２２０が収容されている。各回路基板２２０上にはＣＰＵ２３０が搭載されており、ＣＰＵ２３０を冷却するためにマイクロチャネル冷却デバイス２４０が設けられている。マイクロチャネル冷却デバイス２４０は、上述のマイクロチャネル冷却デバイス２０〜７０のうちの１つとする。

リザーブタンク（図示せず）に貯められた冷却水は、ポンプ２５０によりマイクロチャネル冷却デバイス２４０に供給される。マイクロチャネル冷却デバイス２４０の冷却水流路を流れた冷却水は、熱交換器２６０に供給され、冷却されてリザーブタンクに戻って循環する。

熱交換器２６０は、サーバルーム２００内で循環する冷媒との間で熱交換を行ない、マイクロチャネル冷却デバイス２４０に供給される冷却水を冷却する。すなわち、サーバルーム２００内で循環する冷媒は、各サーバ２１０に供給され、サーバ２１０内で熱交換器２６０から熱を吸収してから、サーバルーム２００に設置された第２の熱交換器３００に供給される。

ここで、熱交換器２６０は、マイクロチャネル冷却デバイス２４０と同じ構成とする。すなわち、マイクロチャネル冷却デバイス２４０を熱交換器２６０として使用する。熱交換器２６０の冷却水流路には暖かい冷却水が供給され、冷媒により冷却されて、低温の冷却水となって熱交換器２６０から排出される。このとき、冷却水流路の入口側は高温部となり、出口側が低温部となるため、温度差が生じる。この温度差により熱交換器２６０の熱電素子は発電することができる。

第２の熱交換器３００は、サーバ２１０内で熱交換器２６０から熱を吸収して温度が高くなった冷媒と、サーバルーム２００の外部に設置された冷却機４００から供給される低温の冷媒との間で熱交換を行ない、熱交換器２６０から排出された冷媒を冷却する。低温となった冷媒は、ポンプ３１０により送り出され、再び各サーバ２１０に供給される。

以上のような冷却システムでは、ＣＰＵ２３０で発生した熱を、マイクロチャネル冷却デバイス２４０及び第２の熱交換器３００を介してサーバルーム２００の外部（冷却機４００）に移送することができ、サーバルーム２００内の温度上昇を抑制することができる。

また、マイクロチャネル冷却デバイス２４０の熱電素子１０で発生する熱起電力、及び熱交換器２６０で発生する熱起電力は、ＣＰＵ２３０の放熱量（すなわち冷却状態）を表していることとなる。したがって、マイクロチャネル冷却デバイス２４０で発電した電力、及び熱交換器２６０で発電した電力を利用して、ポンプ２５０及びポンプ３１０を駆動することとすれば、これらポンプに供給する電力を節約することができる。

本発明は、マイクロチャネル冷却デバイス、マイクロチャネル冷却システム、及び電子機器に適用可能である。

１ マイクロチャネルヒートシンク
２ マイクロチャネル部
２ａ 溝部（チャネル）
３ カバー部
５ 電子部品
１０ 熱電素子
１２ 第１の熱電材
１４ 第２の熱電材
１６ 電極
２０，３０，４０，５０，６０，７０ マイクロチャネル冷却デバイス
２２ デバイス本体
２２ａ 底面
２２ｂ 上面
２４ 冷却水流路
２６ 冷却水供給流路
２８ 冷却水排出流路
１００ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１１０ ＣＰＵ
１２０ メイン回路基板
１３０ 熱交換器
１４０ リザーブタンク
１５０ ポンプ
１６０ 電動ファン
１７０ 電気回路
２００ サーバルーム
２１０ サーバ
２３０ ＣＰＵ
２４０ マイクロチャネル冷却デバイス
２５０ ポンプ
２６０ 熱交換器
３００ 第２の熱交換器
３１０ ポンプ
４００ 冷却機

Claims (9)

1. 微細な断面を有する液体冷媒流路を有し、熱源に熱的に接続されるヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに設けられ、前記液体冷媒流路の延在方向に平行に高温側電極と低温側電極の間の部分が延在する熱電素子とを有するマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記液体冷媒流路のレイノルズ数は２０００未満であるマイクロチャネル冷却デバイス。
2. 請求項１記載のマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記熱電素子は、前記液体冷媒流路に関して、前記熱源が熱的に接続される面とは反対側の面に設けられたマイクロチャネル冷却デバイス。
3. 請求項１記載のマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記熱電素子は、前記ヒートシンクの内部に埋め込まれたマイクロチャネル冷却デバイス。
4. 請求項３記載のマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記ヒートシンクは互いに平行に延在する複数の前記液体冷媒流路を有し、
   前記熱電素子は、隣り合う前記液体冷媒流路の間に配置されるマイクロチャネル冷却デバイス。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記ヒートシンクは半導体材料により形成されるマイクロチャネル冷却デバイス。
6. 請求項５記載のマイクロチャネル冷却デバイスであって、
   前記ヒートシンクは、半導体集積回路が形成された半導体基板により形成されたマイクロチャネル冷却デバイス。
7. 熱源となる電子部品と、
   該電子部品に熱的に接続された、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のマイクロチャネル冷却デバイスと、
   前記マイクロチャネル冷却デバイスで発電した電力を、冷却システムの電動駆動部に供給する電気回路と
   を有するマイクロチャネル冷却システム。
8. 請求項７記載のマイクロチャネル冷却システムであって、
   前記電動駆動部は、液体冷媒を前記マイクロチャネル冷却デバイスに供給するポンプ及び、液体冷媒を冷却するための熱交換器を冷却するための冷却ファンを含むマイクロチャネル冷却システム。
9. 熱源となる電子部品と、
   該電子部品に熱的に接続された、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のマイクロチャネル冷却デバイスと、
   液体冷媒を前記マイクロチャネル冷却デバイスに供給するポンプと
   を有し、
   前記マイクロチャネル冷却デバイスが発電した電力を、前記ポンプに供給して前記ポンプを駆動する電子機器。

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