(57)【要約】      （修正有）【課題】電子装置に関し、エネルギー消費を低減させて冷却を行うことができるようにすることを目的とする。【解決手段】電子装置は作動時に熱を発生する半導体素子１２と、冷却装置として半導体素子１２が発生した熱を熱源として作動する熱音響冷凍機１４とを備えた構成とすることで、本来は無駄となる熱エネルギーを有効に利用し付加的なエネルギーの消費を押さえ電子装置を冷却でき、システム全体の効率のよいエネルギー低減を実現する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子が発生した熱を熱源として作動する熱音響冷凍機とを備えることを特徴とする電子装置。
【請求項２】
該熱音響冷凍機は、該半導体素子が発生した熱を受ける受熱部と、該受熱部の近くに配置された低温部と、該受熱部から該低温部よりも遠い位置に配置された冷却部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
該半導体素子と該熱音響冷凍機とを収容したケーシングを備え、該熱音響冷凍機が該ケーシングの内部を冷却することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項４】
該熱音響冷凍機が該電子装置に含まれる超伝導部材を冷却することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項５】
該熱音響冷凍機は超伝導部材を冷却する一次冷凍機であり、さらに該超伝導部材を冷却する二次冷凍機を備えることを特徴とする請求項４に記載の電子装置。
【請求項６】
該半導体素子が発生した熱をヒートパイプを介して熱音響冷凍機に伝導することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項７】
該半導体素子が発生した熱を反射板で熱音響冷凍機に集熱することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子が発生した熱を利用して作動する冷却装置を備えた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーバー等の電子装置で使用される通信用大型計算機の規模は年々増大し、通信におけるエネルギー消費はますます増大している。現在のサーバーの消費電力は例えば１ラック当たり５０００Ｗ、これを１フロア当たり何千台と並べるため、その消費電力はメガワットに達する。これらの電子装置の使用されるエネルギーの多くは熱として消費される。電子装置の発生する熱は半導体素子の動作不良を引き起こすだけでなく、地球温暖化の原因ともなる。
【０００３】
電子装置は作動時に熱を発生する半導体素子（又は半導体回路）を含み、半導体素子は直接的に又は間接的に冷却される。そのため、例えば半導体素子に放熱フィンを設けたり、ファンを設けて放熱フィンを冷却空気によって冷却したり、放熱フィンを冷却水によって冷却したり、あるいは建物全体をエアコンで冷却したりしている。また、半導体素子の発生する熱を利用して発電し、ファンを駆動する場合もある。
【０００４】
さらに、電子装置の中に超伝導部材が含まれる場合、超伝導部材を冷却する必要がある。超伝導部材を冷却するために、冷凍機が使用される。
【０００５】
なお、従来技術として、半導体素子と放熱フィンとの間にゼーベック効果素子からなる熱電変換素子を配置し、この熱電変換素子で生成された電力を利用してファンを駆動する提案がある（例えば、特許文献１参照）。この場合、熱電変換素子があるために、半導体素子と放熱フィンとの間の熱伝導が低下し、半導体素子の冷却効果は低下する。
【０００６】
さらに、冷却装置の例として、音響冷凍機（例えば、特許文献２，３参照）が知られている。しかし、音響冷凍機を電子装置の冷却装置として使用する提案はない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１５６５７号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４１３１９号公報
【特許文献３】
特開平１０−６８５５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来は、電子装置でエネルギーが消費されるばかりでなく、電子装置の冷却装置でもエネルギーが消費されており、大型のシステムになるほどエネルギー消費は増大する。半導体素子の発生する熱を利用して発電したり、ファンを駆動する場合には、半導体素子の発生する熱を利用するので、エネルギー消費が多少緩和される。しかし、発電機やファンなどは可動部を含むため、半導体素子の発生する熱を利用する場合にも、エネルギーの利用効率は良くない。
【０００９】
本発明の目的はエネルギー消費を低減させて冷却を行うことのできる電子装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による電子装置は、半導体素子と、該半導体素子が発生した熱を熱源として作動する熱音響冷凍機とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
この構成によれば、半導体素子が作動時に熱を発生し、熱音響冷凍機は半導体素子が発生する熱を熱源にして作動する。こうして、熱音響冷凍機は電子装置を冷却することができる。よって、本来は無駄となる熱エネルギーを有効に利用し、そして付加的なエネルギーの消費を極力回避しつつ電子装置を冷却することができる。このため、大型計算機システムであってもシステム全体のエネルギー効率を高めることができる。また、熱音響冷凍機は低消費電力の超伝導回路の冷却に利用され、システム全体の効率のよいエネルギー低減を実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例を示す図である。図１は電子装置１０を示す。例えば通信用サーバーは多数のラックを含み、図１の電子装置１０はそのようなラックの一つである。
【００１４】
電子装置１０は１つ又は複数の半導体素子（又は半導体回路）１２を含む。半導体素子１２は例えばＭＰＵであり、作動時に熱を発生する。
【００１５】
電子装置１０は冷却装置としての熱音響冷凍機１４を備える。熱音響冷凍機１４は電子装置１０のケーシング内に配置される。熱音響冷凍機１４はヘリウム等の流体を封入したチューブ状本体１６からなる。熱音響冷凍機１４は、チューブ状本体１６の一端部に配置された受熱部１８と、受熱部１８の近くに配置された低温部２０と、受熱部１８から低温部２０よりも遠い位置に配置された冷却部２２とを備える。チューブ状本体１６の他端部２４は音を反響又は共鳴させるための空間を提供する。
【００１６】
受熱部１８は１つ又は複数の半導体素子１２が発生した熱を受けるように構成されている。半導体素子１２が発生した熱は矢印Ａによって示されるようにチューブ状本体１６の受熱部１８に吸収される。低温部２０は受熱部１８よりも低温の部分であり、例えば冷却水を循環するパイプ２６が巻かれている。あるいは、低温部２０は冷却空気によって冷却されるように構成されることもできる。冷却部２２は被冷却部を冷却する部分であり、例えばパイプ等の熱交換部材２８が取りつけられている。冷却空気が矢印Ｂで示されるように熱交換部材２８を流れ、電子装置１０のケーシングの内部を冷却する。
【００１７】
受熱部１８と低温部２０の間には温度差ができ、この温度差がチューブ状本体１６の内部の流体に振動を生じさせ、内部流体の圧縮膨張を生じさせる。この熱音響冷凍機１４のチューブ状本体１６は垂直に配置され、チューブ状本体１６の下端部に位置する受熱部１８が半導体素子１２が発生する熱によって加熱されることで内部流体が上昇する。上昇する流体は低温部２０において冷却されて引力で下方に落下する。これが内部流体のピストン運動となり、振動又は音響を発生する。すなわち、受熱部１８と低温部２０は音響発生部を構成する。これは、パルスチューブ冷凍機のエンジン部を温度差による音響発生部に変えたものである。
【００１８】
熱音響冷凍機１４のチューブ状本体１６内で振動が発生すると、内部流体に圧縮と膨張が引き起こされ、冷却部２２の温度が低下する。従って、冷却空気が熱交換部材２８から矢印Ｂで示されるように流れ、電子装置１０のケーシングの内部を冷却し、システム全体を冷却する。一方、冷却部２２の温度低下とともに冷却部２２の流体の温度が上昇し、その熱は矢印Ｃで示されるようにチューブ状本体１６に沿って低温部２０に向かってバケツリレーのように運搬される。この熱は、冷却部２２と低温部２０との間で外部に放熱される。
【００１９】
このように、本発明においては、半導体素子１２が発生した熱を熱源として熱音響冷凍機１４を作動させて低温を発生し、半導体システムの冷却を行う。半導体素子１２から放出される熱は熱音響冷凍機１４の音響発生部で吸熱される。半導体素子１２が発生した熱が多くなればなるほど熱音響冷凍機１４は強く駆動されるため、発熱に応じた冷却システムの自動運転が可能になる。
【００２０】
図２は本発明の他の実施例を示す図である。図２は図１の電子装置１０と同様な電子装置１０を示す。電子装置１０は１つ又は複数の半導体素子（又は半導体回路）１２を含む。半導体素子１２は例えばＭＰＵであり、作動時に熱を発生する。さらに、電子装置１０は冷却装置としての熱音響冷凍機１４を備える。熱音響冷凍機１４は、チューブ状本体１６の一端部に配置された受熱部１８と、受熱部１８の近くに配置された低温部２０と、受熱部１８から低温部２０よりも遠い位置に配置された冷却部２２と、チューブ状本体１６の他端部２４とを備える。図２の熱音響冷凍機１４は図１の熱音響冷凍機１４と同様に構成され、同様に作動する。
【００２１】
図２においては、電子装置１０は超伝導材料で形成された電気部材（超伝導部材）３０を含む。熱音響冷凍機１４は超伝導部材３０を冷却するように構成されている。例えば、超伝導部材３０はチューブ状本体１６の冷却部２２に取りつけられている。あるいは、超伝導部材３０はチューブ状本体１６の冷却部２２を含むチャンバに配置され、あるいは図１の熱交換部材２８によって冷却されるように配置される。
【００２２】
このように、冷却システムを有する超伝導回路／半導体回路ハイブリッドシステムでは、高速演算を可能にする超伝導回路は、低温に冷却しなければならない。一方、半導体回路は高速演算になるほど、発熱量は増加し、サーバーなど大型の計算機では冷却する必要が生じる。従来の超伝導回路／半導体回路ハイブリッドシステムでは、超伝導回路は専用の冷凍機で冷却され、半導体回路は別ユニットとして放熱及び冷却をされていたが、図２のようなシステムを用いることで、システム全体の効率のよいエネルギー低減を実現できる。また、熱音響冷凍機１４はＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機などと比べて機械的な可動部が存在しないことで、長寿命化、メンテナンスフリーを実現できる。
【００２３】
図３は本発明の他の実施例を示す図である。図３は図１の電子装置１０と同様な電子装置１０を示す。電子装置１０は１つ又は複数の半導体素子（又は半導体回路）１２を含む。半導体素子１２は例えばＭＰＵであり、作動時に熱を発生する。さらに、電子装置１０は冷却装置としての熱音響冷凍機１４を備える。熱音響冷凍機１４は、チューブ状本体１６の一端部に配置された受熱部１８と、受熱部１８の近くに配置された低温部２０と、受熱部１８から低温部２０よりも遠い位置に配置された冷却部２２と、チューブ状本体１６の他端部２４とを備える。図２の熱音響冷凍機１４は図１の熱音響冷凍機１４と同様に構成され、同様に作動する。
【００２４】
図３においては、電子装置１０は超伝導材料で形成された電気部材（超伝導部材）３０を含む。この例でも、電子装置１０は超伝導回路／半導体回路ハイブリッドシステムとして構成される。熱音響冷凍機１４は超伝導部材３０を冷却するように構成されている。図３においては、熱音響冷凍機１４は超伝導部材３０を冷却する一次冷凍機であり、さらに超伝導部材３０を冷却する二次冷凍機３２が設けられる。すなわち、超伝導部材３０は熱音響冷凍機１４の冷却部２２によって冷却されるチャンバ３４内に配置され、チャンバ３４内において二次冷凍機３２の先端部の冷却部に取りつけられている。なお、この例では、低温部２０には、放熱フィン２６ａが設けられている。
【００２５】
このように構成することで、二次冷凍機３２の負担が軽減され、エネルギー消費が軽減されるばかりでなく、システム全体の長寿命化を促進することができる。
【００２６】
図４は本発明の他の実施例を示す図である。図４は電子装置１０の一部を示しているが、図４の電子装置１０は図１から図３の電子装置１０と同様に構成されることができる。図４においては、半導体素子１２が発生した熱をヒートパイプ３６を介して熱音響冷却機１４の受熱部１８に伝導するようになっている。ヒートパイプ３６はパイプの中の流体に熱を運搬させるもので、通常の金属の熱伝導による放熱と比較して、より離れた位置にある半導体素子１２の発生する熱を効率よく熱音響冷凍機１４の受熱部１８に集熱でき、半導体回路の配置にも自由度が生まれるため、システム構成に有利である。
【００２７】
図５は本発明の他の実施例を示す図である。図５は電子装置１０の一部を示しているが、図５の電子装置１０は図１から図３の電子装置１０と同様に構成されることができる。図５においては、半導体素子１２が発生した熱を反射板３８で熱音響冷凍機１４に集熱するようになっている。こうすれば、熱伝導ばかりでなく、放射熱も熱音響冷凍機１４に集熱することで、より効率の向上を図ることができる。もちろん、反射板３８はヒートパイプ３６による集熱と組み合わせることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、通信用ルーター、サーバーを始めとする半導体素子を含む電子装置の他、半導体素子と超伝導部材を組み合わせた回路システムにおいても有効に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例を示す図である。
【図２】図２は本発明の他の実施例を示す図である。
【図３】図３は本発明の他の実施例を示す図である。
【図４】図４は本発明の他の実施例を示す図である。
【図５】図５は本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０…電子装置
１２…半導体素子
１４…熱音響冷凍機
１６…チューブ状本体
１８…受熱部
２０…低温部
２２…冷却部
２６…パイプ
２８…熱交換部材
３０…超伝導部材
３２…二次冷凍機
３６…ヒートパイプ
３８…反射板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004247583.tif 000006
【図５】
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