JP7096786B2 - 放熱モジュール及びその放熱方法 - Google Patents

Description

本開示は放熱モジュール及びその放熱方法に関し、特に高効率の放熱モジュール及びその放熱方法に関する。

技術の進歩及び要求ととともに、多くのシミュレーションソフトウェア、グラフィックソフトウェア及びゲームソフトウェアがデスクトップ又はラップトップの何れかに高性能の計算能力及び多数の中央演算装置（ＣＰＵ）資源を必要としている。高度に複雑な計算及び処理に応答してＣＰＵの作業効率を向上させるためには、高いクロック速度でのＣＰＵの動作及びその維持が取り組むべき開発方向である。ＣＰＵを高いクロック速度で動作させ、クロックをチップの限界速度に又はチップの上限クロック（オーバークロック、ＯＣ）より高く維持するためには、チップセットにより発生される熱源を速やかに運び去り、消散することも必要である。一旦チップセットの定格互換許容温度を超過すると、システムは不確実な異常を経験し得る。それゆえ、システム安定性を達成し、高いクロックレートの作業効率出力を維持するために、より効率的で安定な放熱モジュールが重要な課題になっている。

初期の放熱モジュールはほとんどが室温の空気を冷媒として使用していた。放熱モジュールが進化するにつれて、放熱モジュールはコンピュータに使用されるようになってきた。その後、ユーザの要求に応じて、空気冷却又は液体冷却又はその両方により熱を放散する放熱モジュールが発展した。しかしながら、空冷法は冷媒として常温（例えば、２５°）の空気を使用するため、その放熱効率は限定的である。ＣＰＵが仕様書の定格周波数より高い周波数で瞬間的に動作する必要があるとき、その瞬間に発生される熱源及びワット量は熱設計電力（ＴＤＰ）より瞬間的に大きくなる。このとき、熱が常温の空気のみにより放散される場合、ＣＰＵにより瞬間的に発生される高い温度の放熱効果はかなり制限される。コンピュータシステムの現在の放熱モジュール制御方法では、所定の温度に達すると、ファン速度がスイッチングにより制御される。このようなファン速度の制御方法はリアルタイムに応答し得ないだけでなく、正確に制御することができないスイッチのスイッチング損失を生じる可能性もある。

加えて、現在入手し得る放熱モジュールの容積はユーザの要求に適合しない。高性能及び高周波数という要求がある場合には、放熱能力を高めるために放熱モジュールに大きな放熱区域を必要とし、その結果放熱モジュールの再設計が必要になり、設計コストが更に増加することになる。

本発明は、放熱効率を効果的に改善し得る放熱モジュール及びその放熱方法を提供する。

本発明の放熱モジュールは熱源の熱を放散するように構成される。前記放熱モジュールは、熱伝導部材と、電圧制御回路と、熱電冷却器と、温度センサと、処理回路とを備える。前記熱伝導部材は前記熱源に結合される。前記電圧制御回路は出力電圧を発生する。前記熱電冷却器は前記電圧制御回路に接続される。前記熱電冷却器の低温側は前記熱伝導部材の上に配置される。前記熱電冷却器は前記低温側の温度を前記出力電圧に基づいて調整する。前記温度センサは前記熱伝導部材の温度を検出して温度検出信号を発生する。前記処理回路は前記電圧制御回路と前記温度センサに接続され、前記温度検出信号に基づいて制御信号を出力し、前記電圧制御回路により発生される前記出力電圧の電圧値を制御して前記熱源の熱が放散するように前記低温側の温度を調整する。

本発明の一実施形態において、前記熱伝導部材は金属容器を含む。前記放熱モジュールは液体冷却装置を更に含み、該冷却装置は冷却液を含む循環パイプを提供する。前記循環パイプは前記金属容器と前記熱源を連結する。

本発明の一実施形態において、前記液体冷却装置は放熱装置とポンプとを更に含む。前記放熱装置は前記循環パイプに連結され、前記冷却液の熱を放散する。前記ポンプは前記循環パイプに連結され、前記冷却液を駆動して前記循環パイプに流入させる。

本発明の一実施形態において、前記放熱装置はファンを含む。

本発明の一実施形態において、前記放熱モジュールは放熱装置を更に含み、該放熱装置は前記熱電冷却器の高温側に配置され、前記熱電冷却器の前記高温側の熱を放散する。

本発明の一実施形態において、前記放熱装置はファンを含む。

本発明の一実施形態において、前記処理回路は温度電圧テーブルを格納する。前記温度電圧テーブルは、前記温度検出信号の温度値と前記電圧制御回路の目標出力電圧の電圧値との対応関係を含む。前記処理回路は前記温度電圧テーブルと前記温度検出信号とに基づいて前記出力電圧を発生するように前記電圧制御回路を制御する。

本発明の一実施形態において、前記処理回路は埋め込み制御チップを含む。

本発明の放熱モジュールの放熱方法は熱源の熱を放散するように構成される。前記放熱モジュールは熱電冷却器と熱伝導部材を含む。前記熱伝導部材は前記熱源に結合される。前記熱電冷却器の低温側が前記熱伝導部材の上に配置される。前記放熱モジュールの前記放熱方法は以下のステップを含む。前記熱伝導部材の温度を検出して温度検出信号を発生する。前記熱電冷却器への制御電圧出力を前記温度検出信号に基づいて調整して前記低温側の温度を調整し、前記熱源の熱を放散させる。

本発明の一実施形態において、前記熱伝導部材は金属容器を含む。前記放熱モジュールは更に液体冷却装置を含む。前記液体冷却装置は冷却液を含む循環パイプを備える。前記循環パイプは前記金属容器と前記熱源を連結する。

以上に基づいて、本発明の前記処理回路は前記電圧制御回路を前記熱伝導部材の温度を検出する前記温度センサにより発生される温度検出信号に基づいて制御し、その出力電圧を前記熱電冷却器に供給する結果、前記熱電冷却器の低温側の温度が前記熱源の熱を放散するように調整される。このように温度検出信号に基づいて前記出力電圧を前記熱電冷却器に供給することによって、前記熱電冷却器に供給される出力電圧は常に温度変化に応答して精密に調整することができ、それによって熱源の熱を効果的に放熱させて放熱モジュールの放熱効率を向上させることができる。加えて、熱電冷却器の低温側が常に超低温で動作することが回避でき、よって低温側で水が凝結し、それにより放熱モジュールを使用するシステム又は電子デバイスに損傷を生じることはない。

以上をより分かりやすくするために、いくつかの実施形態を添付図面とともに以下で詳しく説明する。

本発明の一実施形態による放熱モジュールの概略図である。 本発明の一実施形態による電圧制御回路の概略図である。 本発明の一実施形態による電圧制御回路の出力電圧及び目標出力電圧、及び入力電力の入力電圧の波形図である。 本発明の別の実施形態による電圧制御回路の出力電圧及び目標出力電圧、及び入力電力の入力電圧の波形図である。 本発明の別の実施形態による放熱モジュールの概略図である。 本発明の一実施形態による放熱モジュールの放熱方法のフローチャートである。

図１は本発明の一実施形態による放熱モジュールの概略図である。図１を参照するに、放熱モジュールは、処理回路１０２と、電圧制御回路１０４と、熱電冷却器１０６と、熱伝導部材１０８と、温度センサ１１０とを備える。熱伝導部材１０８は前記熱源１１２に結合される。熱源１１２は、例えばＣＰＵ又はディスプレイチップなどの動作中に熱エネルギーを発生する装置であってよいが、本発明はこれに限定されない。熱伝導部材１０８は、例えばアルミニウム合金、銀合金又は銅合金などの高い熱伝導率を有する金属材料を含んでよい。電圧制御回路１０４は処理回路１０２と熱電冷却器１０６に接続される。熱電冷却器１０６の低温側ＳＤ１は熱伝導部材１０８の上に配置される。更に、処理回路１０２は更に温度センサ１１０に接続される。

温度センサ１１０は熱伝導部材１０８の温度を検出して温度検出信号Ｓ２を発生し得る。処理回路１０２は、例えば埋め込み制御チップであってよく、該制御チップは温度検出信号Ｓ２に基づいて制御信号Ｓ１を発生し得る。電圧制御回路１０４は制御信号Ｓ１に基づいて出力電圧Ｖoutの電圧値を熱電冷却器１０６のために発生し得る。熱電冷却器１０６は受信した電圧に従って高温側と低温側を有する。熱電冷却器１０６で受信される電圧が高ければ高いほど、高温側と低温側の間の温度差は大きくなり、即ち低温側の温度がより低くなるとともに高温側の温度がより高くなる。本実施形態では、熱電冷却器１０６は熱電冷却器１０６の低温側ＳＤ１の温度を出力電圧Ｖoutに従って調整し、熱源１１２の熱を放散するように熱伝導部材１０８の温度を調整することができる。例えば、熱源１１２が高周波数及び高性能で動作するＣＰＵであるとき、熱電冷却器１０６は熱伝導部材１０８を介してＣＰＵの温度を効率よく低減するため、ＣＰＵは高周波数及び高性能で正常に動作することができる。

具体的には、電圧制御回路１０４は、例えば図２に示すように実装することができる。電圧制御回路１０４は、入力電力Ｖinと、インダクタＬ１と、トランジスタＱ１と、整流ダイオードＤ１と、キャパシタＣ１とを含んでよい。入力電力ＶinはインダクタＬ１の第１の端子と接地との間に結合され、インダクタＬ１の第２の端子は整流ダイオードＤ１のアノードに結合され、トランジスタＱ１はインダクタＬ１の第２の端子と接地と間に結合され、トランジスタＱ１のゲートは制御信号Ｓ１を受信するように処理回路１０２に結合される。整流ダイオードＤ１のカソードは電圧制御回路１０４の出力端子に結合される。更に、キャパシタＣ１は整流ダイオードＤ１のカソードと接地との間に結合される。

インダクタＬ１はエネルギーを蓄積する機能を有する。トランジスタＱ１がターンオンされると、入力電力ＶinがインダクタＬ１に電気エネルギーを連続的に蓄積することができ、トランジスタＱ１がターンオフされると、電流がインダクタＬ１を流れてキャパシタＣ１を充電する。制御信号Ｓ１（本実施形態では制御信号Ｓ１はパルス幅変調信号である）によりトランジスタＱ１をオン状態とオフ状態の間で切り替え制御することによって、連続する充電及び放電によりエネルギーを蓄積し、出力電圧Ｖoutの電圧値を決定することができる。

熱伝導部材１０８の温度は、放熱モジュールを使用するシステムが長時間動作した後で又は該システムが高性能で動作する必要がある場合に、上昇する。温度センサ１１０は熱伝導部材１０８の温度を検出し、温度検出信号Ｓ２を発生して処理回路１０２に返送することができる。処理回路１０２は、内部アルゴリズムを使用して温度検出信号Ｓ２に基づいてパルス幅変調信号（制御信号Ｓ１）のデューティレシオを再調整し、内部アルゴリズムにより再調整されたパルス幅変調信号を電圧制御回路１０４内のトランジスタＱ１に出力するため、電圧制御回路１０４は熱電冷却器１０６が熱源１１２（例えば、ＣＰＵ）の熱を放熱するために低温側ＳＤ１の温度を低減するように出力電圧Ｖoutを熱電冷却器１０６に安定的に供給することができる。このように常に温度検出を実行し電圧制御回路１０４の出力電圧Ｖoutを調整することによって、ＣＰＵを効率よく動作可能にして最高の性能出力を達成するようにことができる。

加えて、スイッチタイプのスイッチング損失を回避するために、電圧制御回路１０４の目標出力電圧と熱伝導部材１０８の温度（即ち、温度検出信号Ｓ２の温度値）との関係を、例えば処理回路１０２に表として格納することができ、表内の温度と電圧の情報は最適な温度制御効果を達成するために実験データに基づいて自己定義することができる。処理回路１０２は、温度検出信号Ｓ２と表内の電圧制御回路１０４の目標出力電圧と熱伝導部材１０８の温度の関係とに基づいて出力電圧Ｖoutを発生するように電圧制御回路１０４を直接制御することができる。電圧制御回路１０４の目標出力電圧と熱伝導部材１０８の温度との関係の表は、例えば以下に示すテーブルとしてよい。

一般的に、ＣＰＵ（熱源１１２）の温度変化は不確定性を示し、温度変化は電圧制御回路の出力電圧Ｖoutに間接的な影響を与える。表に記載された電圧制御回路１０４の目標出力電圧と熱伝導部材１０８の温度との関係を用いて主電圧Ｖoutを制御することによって、熱電冷却器１０６への温度調整制御は効率よく最適化され、ＣＰＵをその最適性能で動作可能にすることができる。例えば図３は本発明の一実施形態による電圧制御回路の出力電圧及び目標出力電圧と、入力電力Ｖinの入力電圧の波形図である。図３の実施形態において、熱伝導部材１０８の温度はＣＰＵの温度変化に起因して３０度から９９度まで上昇し、その後６０度に低下する。図３から分かるように、処理回路１０２は、ＣＰＵの温度変化に応答して温度検出信号Ｓ２及び表１の情報に基づいて電圧制御回路１０４の目標出力電圧を１３．４Ｖ、１８Ｖ及び１５．２Ｖ（熱電冷却器１０６の２５度、１５度及び２０度に対応する）に順次に設定することができる。図３示す出力電圧の波形から分かるように、電圧制御回路１０４の出力電圧ＶoutはＣＰＵの温度変化を確かに反映し、素早く目標出力電圧に到達するので、正確な温度制御を熱電冷却器１０６に効果的に実行させることができる。加えて、熱電冷却器１０６の低温側が絶えず超低温で動作することを防ぐことができ、よって低温側で水が凝結し、それにより放熱モジュールを使用するシステム又は電子デバイスに損傷を生じることはない。

別の例として、図４は本発明の別の施形態による電圧制御回路の出力電圧及び目標出力電圧と、入力電力Ｖinの入力電圧の波形図である。図４の実施形態において、熱伝導部材１０８の温度は同様にＣＰＵの温度変化に起因して３０度から９９度まで上昇し、その後６０度に低下するが、入力電力Ｖinの入力電圧は不確定要因による変動を受ける。図４から分かるように、処理回路１０２は依然として、温度検出信号Ｓ２及び表１の情報に基づいて電圧制御回路１０４の出力電圧を正確に制御し、ＣＰＵの温度変化に応答して熱電冷却器１０６により効率よく熱を放散させることができる。

上記の実施形態の処理回路１０２はＣＰＵの温度変化に応答して熱電冷却器１０６の低温側ＳＤ１の温度を調整することができるため、ＣＰＵがアップグレードされて動作温度が著しく増加する場合でも、放熱モジュールは熱電冷却器１０６の低温側の温度を更に低減することにより依然として効率よく熱を放散することができ、よって放熱モジュールを設計し直さなければならないという従来技術の問題が解消される。

図５は本発明の別の実施形態による放熱モジュールの概略図である。図５を参照するに、図１の実施形態と比較すると、本実施形態の放熱モジュールは更に液体冷却装置５０２を含んでいる。液体冷却装置５０２は冷却液を含む循環パイプＰ１を提供し、循環パイプＰ１は熱伝導部材１０８に結合される。本実施形態において、熱伝導部材１０８は金属容器である。具体的には、液体冷却装置５０２は更に放熱装置５０４とポンプ５０６を含む。循環パイプＰ１は熱伝導部材１０８と熱源１１２と放熱装置５０４とポンプ５０６を順に連結する。ポンプ５０６は冷却液を駆動して循環パイプＰ１に流入させる。放熱装置５０４は、例えば循環パイプＰ１内の冷却液の熱を放散させるファンとして、熱源１１２の熱エネルギーを奪う結果として上昇した冷却液の温度を低減することができる。更に、熱電冷却器１０６の低温側ＳＤ１も熱伝導部材１０８の温度を低減して冷却液を冷却するため、冷却液は熱源１１２の熱をより効率的に放散することができる。本実施形態の熱電冷却器１０６の温度制御方法は上記の実施形態の方法と同じであるため、その実装の詳細については繰り返し記載しない。加えて、放熱モジュールは更に別の放熱装置５０８を含んでよい。放熱装置５０８は熱電冷却器１０６の高温側ＳＤ２に配置され、放熱装置５０８は、例えばファンとしてよいが、これに限定されない。放熱装置５０８により熱電冷却器１０６の高温側ＳＤ２の熱を放出することによって、熱電冷却器１０６の稼動性能を更に向上させることができる。

図６は本発明の一実施形態による放熱モジュールの放熱方法のフローチャートである。図６を参照すると、上記の実施形態から分かるように、本放熱モジュールの放熱方法は以下のステップを含んでよい。第１に、熱伝導部材の温度を検出して温度検出信号を発生させ（ステップＳ６０１）、ここで熱伝導部材は熱源に結合されている。いくつかの実施形態において、熱伝導部材は、例えば金属容器とすることができ、該容器は放熱モジュールの液体冷却装置の循環パイプに連結することができる。次に、熱電冷却器への制御電圧出力を温度検出信号に基づいて調整してその低温側の温度を熱源の熱を放散するように調整する（ステップＳ６０２）。このように温度検出信号に基づいて出力電圧を熱電冷却器に供給することによって、熱電冷却器に供給される出力電圧を温度変化に応答して常に正確に調整することができ、それによって熱源の熱を効果的に放散し、放熱モジュールの放熱効率を向上させることができる。

以上要するに、本発明の処理回路は、熱電冷却器の低温側の温度を熱源の熱を放散するように調整するために、熱伝導部材の温度を検出する温度センサにより発生された温度検出信号に基づいて電圧制御回路を制御し、その出力電圧を熱電冷却器に供給する。このように温度検出信号に基づいて出力電圧を熱電冷却器に供給することによって、熱電冷却器に供給される出力電圧は常に温度変化に応答して精密に調整することができ、それによって熱源の熱を効果的に放熱させて放熱モジュールの放熱効率を向上させることができる。加えて、熱電冷却器の低温側が絶えず超低温で動作することが回避でき、よって低温側で水が凝結し、それにより放熱モジュールを使用するシステム又は電子デバイスに損傷を生じることはない。

本開示の範囲又は精神から逸脱することなく様々な修正および変更を開示の実施形態になし得ることは当業者に明らかであろう。以上から、本開示は様々な修正及び変更を、それが後記の請求項及びそれらの同等物の範囲に含まれるならば、カバーすることを意図している。

産業上の利用分野

本開示の放熱モジュール及びその放熱方法はコンピュータ及びその方法に適用することができる。

１０２ 処理回路
１０４ 電圧制御回路
１０６ 熱電冷却器
１０８ 熱伝導部材
１１０ 温度センサ
１１２ 熱源
ＳＤ１ 低温側
Ｓ２ 温度検出信号
Ｓ１ 制御信号
Ｖout 出力電圧

Claims (3)

1. 熱源の熱を放散するように構成された放熱モジュールであって、前記放熱モジュールは、
   前記熱源に結合され、金属容器を備える熱伝導部材と、
   冷却液を含む循環パイプを提供する液体冷却装置であって、前記循環パイプが前記金属容器と前記熱源を連結し、前記液体冷却装置が、
   前記循環パイプに連結され、前記冷却液の熱を放散するファンと、
   
   前記循環パイプに連結され、前記冷却液を駆動して前記循環パイプに流入させるポンプと、を備える、液体冷却装置と、
   出力電圧を出力する電圧制御回路と、
   前記電圧制御回路に接続された熱電冷却器であって、該熱電冷却器はその低温側が前記熱伝導部材の上に配置され、前記低温側の温度を前記出力電圧に基づいて調節する、熱電冷却器と、
   前記循環パイプと連結された前記熱伝導部材と連結され、前記循環パイプと連結された前記熱伝導部材の温度を検出して温度検出信号を発生する温度センサと、
   前記電圧制御回路と前記温度センサに接続され、前記温度検出信号に基づいて制御信号を出力し、前記電圧制御回路により発生される前記出力電圧の電圧値を制御して前記熱源の熱が放散するように前記低温側の温度を調整する処理回路と、
   を備える、放熱モジュール。
2. 前記処理回路は温度電圧表を格納し、該温度電圧表は前記温度検出信号の温度値と前記電圧制御回路の目標出力電圧の電圧値との対応関係を含み、前記処理回路は前記電圧制御回路を制御し、前記温度電圧表と前記温度検出信号とに基づいて前記出力電圧を発生する、請求項１に記載の放熱モジュール。
3. 熱源の熱を放散するように構成された放熱モジュールの放熱方法であって、前記放熱モジュールは熱電冷却器と、熱伝導部材と、液体冷却装置とを備え、前記熱伝導部材は金属容器を備え、前記液体冷却装置は冷却液を含む循環パイプを提供しファンとポンプとを備え、前記循環パイプは前記金属容器と前記熱源を連結し、前記ファンは前記冷却液の熱を放熱するため前記循環パイプに連結され、前記ポンプは前記冷却液を駆動して前記循環パイプに流入させるため前記循環パイプに連結され、前記熱伝導部材は前記熱源に結合され、前記熱電冷却器の低温側が前記熱伝導部材の上に配置されている、前記放熱モジュールの前記放熱方法は、
   前記熱伝導部材と連結された温度センサを提供し、前記循環パイプと連結された前記熱伝導部材の温度を検出して温度検出信号を発生するステップと、
   前記熱電冷却器への制御電圧出力を前記温度検出信号に基づいて調整して前記熱源の熱を放散するように前記低温側の温度を調整するステップと、
   を備える、放熱方法。

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