(57)【要約】【課題】電力消費の増加を招くことがなく、冷却・放熱効率の高い放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器を提供する。【解決手段】発熱体１と熱交換器４との間で冷媒液を冷媒液循環ポンプ５によって循環させて、発熱体１で発生した熱を熱交換器４において放熱する放熱装置であって、高温度の冷媒液が流れている高温度冷媒液配管と低温度の冷媒液が流れている低温度冷媒液配管との温度差を電力に変換する熱電変換素子６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、前記発熱体で発生した熱を前記外部放熱器において放熱する放熱装置であって、高温度の冷媒液が流れている高温度冷媒液配管と低温度の冷媒液が流れている低温度冷媒液配管との温度差を電力に変換する熱電変換手段と、前記高温度冷媒液配管と前記低温度冷媒液配管との温度差を動力に変換する熱動力変換手段との少なくとも一方を有することを特徴とする放熱装置。
【請求項２】
前記熱電変換手段において変換した電力の少なくとも一部を前記ポンプの駆動に用いることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
【請求項３】
前記熱動力変換手段において変換した動力の少なくとも一部を前記ポンプの駆動に用いることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
【請求項４】
前記発熱体と伝熱的に接触したプレートに穿たれた冷媒液通路を経由して、前記外部放熱器と前記プレートとの間で前記冷媒液を循環させる冷媒液循環回路を有し、
前記熱電変換手段は、前記冷媒液循環回路において高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に配置された熱電変換素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の放熱装置。
【請求項５】
前記発熱体と伝熱的に接触したプレートに穿たれた冷媒液通路を経由して、前記外部放熱器と前記プレートとの間で前記冷媒液を循環させる冷媒液循環回路を有し、
前記熱動力変換手段は、前記冷媒液循環回路において高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に配置されたスターリングエンジンであることを特徴とする請求項１又は３記載の放熱装置。
【請求項６】
前記熱電変換手段において変換された電力、及び前記熱動力変換手段によって変換された動力で駆動される発電機によって発電された電力の少なくとも一方によって充電可能な蓄電池を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の放熱構造。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の放熱構造を備えた半導体チップ。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項記載の放熱構造を備えた電子機器。
【請求項９】
発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、前記発熱体で発生した熱を前記外部放熱器において放熱する放熱方法であって、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との温度差を電力及び動力の少なくとも一方に変換し、変換した電力及び動力の少なくとも一部を前記ポンプの駆動に用いることを特徴とする放熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消費エネルギーが少なく、放熱効率に優れた放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスなどの高い熱を発する発熱体を冷却する放熱装置としては、特許文献１や特許文献２のように、冷媒液と外部放熱器とポンプとを組み合わせ、発熱体と放熱器とを冷媒液循環パイプなどで接続した冷媒システムが提案されている。
【０００３】
また、特許文献３や特許文献４のように、発熱体と冷却機構との間に熱電変換素子を挿入して、熱電変換素子にて得られた電力を利用して強制空冷する放熱システムが提案されている。
【特許文献１】特開平５−１３６３０５号公報
【特許文献２】特開平５−３３５４５４号公報
【特許文献３】特開２００５−２６４７３号公報
【特許文献４】特開２００５−１３６２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２のような構成では、冷媒を循環させて外部放熱器にて熱交換するため発熱体の冷却・放熱の効率は高いものの、冷媒を循環させるポンプが必要であるためポンプを駆動させる電力が必要となるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献３や特許文献４のような構成では、発熱体と冷却機構との間に熱電変換素子を挿入するため、発熱体と冷却機構とを直接接触させる構成と比較すると冷却効率が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、電力消費の増加を招くことがなく、冷却・放熱効率の高い放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、発熱体で発生した熱を外部放熱器において放熱する放熱装置であって、高温度の冷媒液が流れている高温度冷媒液配管と低温度の冷媒液が流れている低温度冷媒液配管との温度差を電力に変換する熱電変換手段と、高温度冷媒液配管と低温度冷媒液配管との温度差を動力に変換する熱動力変換手段との少なくとも一方を有することを特徴とする放熱装置を提供するものである。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、上記本発明の第１の態様に係る放熱装置を備えた半導体チップを提供するものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、上記本発明の第１の態様に係る放熱装置を備えた電子機器を提供するものである。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第４の態様として、発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、発熱体で発生した熱を外部放熱器において放熱する放熱方法であって、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との温度差を電力及び動力の少なくとも一方に変換し、変換した電力及び動力の少なくとも一部をポンプの駆動に用いることを特徴とする放熱方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電力消費の増加を招くことがなく、冷却・放熱効率の高い放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では、冷却液と外部放熱器とポンプとを組み合わせた放熱装置において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に、高温度と低温度との温度差を電力に変換する熱電変換機構又は動力に変換する熱動力変換機構を配置する。
例えば、半導体素子と伝熱的に面接触したプレートと、プレートに穿った冷媒液通路を経由して放熱器、冷媒液循環ポンプとの間にて冷媒液を循環させる冷媒液循環回路において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に、熱電変換素子又はスターリングエンジンを配置する。
熱電変換素子を配置する場合には、熱電変換素子にて熱起電力を発生させ、冷媒液循環ポンプに電力を供給することが可能となる。また、余った電力を蓄電池に蓄積し、再利用することが可能となる。一方、スターリングエンジンを配置する構成の場合には、スターリングエンジンで発生した動力で冷媒液循環ポンプを駆動できる。また、余った回転エネルギーで発電機を駆動することにより、電力として蓄電池に蓄積し、再利用することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る放熱装置では、特許文献３や特許文献４とは異なり、発熱体と冷媒液とが直接接触する構造を維持するため、特許文献１や特許文献２と同等の良好な冷却・放熱効率が得られる。
冷媒液循環ポンプを駆動させる電力又は動力を、放熱装置内部で発生・調達するため、電力消費を増加させることはない。従って、冷却・放熱効率が高く、消費電力の小さい放熱装置を実現できる。
その上、放熱装置内で発生した電力や動力に余剰がある場合には、これを蓄積することにより、廃熱を利用した電力再生と再利用とが可能となる。
【００１４】
特許文献１や特許文献２では、ＣＰＵの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、ＣＰＵの発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの電力又は動力が発生し、冷媒液循環ポンプの回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、ＣＰＵ冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力又は動力にて放熱装置が動作する。
【００１５】
また、発熱体と受熱器との間に熱電変換素子を配置する特許文献３や特許文献４と比べると、発熱体に受熱器が直接接触する本発明は、モジュールを薄くできるため、ＣＰＵ又は半導体チップの積層化などを容易に実現でき、ＣＰＵ又は半導体チップの設計自由度が増大する。
【００１６】
以下、上記の特徴を有する本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
〔第１の実施形態〕
図１に、本発明を好適に実施した第１の実施形態に係る放熱装置を搭載したＣＰＵモジュールの概略構成を示す。図１に示すように、放熱装置は、発熱体であるＣＰＵ１と、ＣＰＵ１から熱を吸い取る受熱器２と、熱を受け取る冷媒が循環する冷却液輸送パイプ３と、冷媒から熱を放出する熱交換器４と、冷媒を循環させる冷媒液循環ポンプ５とを有する。
【００１８】
発熱体１に密着した受熱器２において、冷却された冷媒が熱を受け取り高温冷媒液となる。高温冷媒液は、冷却液輸送パイプ３を通じて熱交換器４に輸送され、熱交換器４にて高温冷媒液の熱は外部へ放熱される。そして、熱交換器４にて放熱することによって温度が低下した低温冷媒液は、冷媒液循環ポンプ５にて冷媒液輸送用パイプ３を介して受熱器２まで再び循環される。冷媒液輸送パイプ３において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に熱電変換素子６が配置される。
【００１９】
具体的な構成例を挙げると、発熱体１としてのＣＰＵ又は半導体素子に対して伝熱的に面接触した受熱器２としてのプレートと、熱交換器４としての放熱器との間で、プレートに穿たれた冷媒液通路を経由して冷媒液循環ポンプ５によって冷媒液が循環される冷媒液循環回路３において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に熱電変換素子６を配置する。高温度冷媒液の接合部と低温度冷媒液の接合部との間にゼーベック効果を有するｎ型半導体及びｐ型半導体を交互に敷き詰めて相互に直列接続することによって、低温接合部のｎ型半導体端とｐ型半導体端との間に熱起電力が発生し、熱を電力に変換する。
【００２０】
上記のように、特許文献３や特許文献４では、発熱体と受熱器との間に熱電変換素子を配置するため、発熱体と受熱器との熱交換効率が低下し、冷却・放熱効率が低下する。これに対し本実施形態においては、発熱体１と発熱体１から熱を吸いとる受熱器２との間に他の部材を配置しないため、特許文献１や特許文献２と同様の高い冷却効率を維持しつつ、廃熱から電力を再生できる。また、発熱体１に受熱器２を直接接続するため、特許文献３や特許文献４のような構成と比較して、モジュールを薄くすることができる。このため、ＣＰＵ又は半導体素子１１の積層化などを容易に実現でき、ＣＰＵ又は半導体素子１１の設計自由度が高くなる。
【００２１】
さらに、温度差を利用して生成した電力を、冷媒液循環ポンプ５の駆動電力として印加することにより、新たに電力を消費することなく冷媒液循環ポンプ５を駆動制御できる。特許文献１や特許文献２では、ＣＰＵの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、発熱体１の発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの電力が発生し、冷媒液循環ポンプ５の回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、発熱体１の冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力にて放熱装置が動作する。
【００２２】
しかも、冷媒液循環ポンプ５を駆動するための電力よりも熱電変換素子６で発生する電力の方が大きい場合には、図２示すように余剰電力を蓄電池８などに蓄積すれば電力を再利用することが可能となる。
【００２３】
本実施形態に係る放熱装置に適用する冷媒液、冷媒液循環ポンプ５、受熱器２、放熱器４、冷媒液輸送用パイプ３、熱電変換素子６などは、公知のものを適用可能であり、その材料、寸法、形状などは特に限定されない。
【００２４】
〔第２の実施形態〕
図３に、本発明を好適に実施した第２の実施形態に係る放熱装置を搭載したＣＰＵモジュールの概略構成を示す。第１の実施形態との相違は、熱電変換素子６の代わりにスターリングエンジン７が設置されている点である。スターリングエンジン７は、公知のものを適用可能である。
【００２５】
具体的な構成例を挙げると、発熱体１としてのＣＰＵ又は半導体素子に対して伝熱的に面接触した受熱器２としてのプレートと、熱交換器４としての放熱器との間で、プレートに穿たれた冷媒液通路を経由して冷媒液循環ポンプ５によって冷媒液が循環される冷媒液循環回路３において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間にスターリングエンジン７を配置する。高温度冷媒液の接合部に高温側シリンダを、低温度冷媒液の接合部に低温側シリンダを配置することにより、スターリングエンジン７が「加熱」、「膨張」、「冷却」、「圧縮」の各工程からなるサイクルを繰り返す。これらの進退動作をクランク軸の回転動作に変換することにより、冷媒液循環ポンプ５を回転させることが可能となる。
【００２６】
本実施形態においては、温度差を利用して生成した動力を、冷媒液循環ポンプ５の駆動電力として使用することにより、新たに電力を消費することなく冷媒液循環ポンプ５を駆動制御できる。特許文献１や特許文献２では、ＣＰＵの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、発熱体１の発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの動力が発生し、冷媒液循環ポンプ５の回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、発熱体１の冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力にて放熱装置が動作する。
【００２７】
しかも、冷媒液循環ポンプ５を駆動するために要する力よりも熱動力変換素子７で発生する動力の方が大きい場合には、図４示すように余剰動力で発電機９を駆動し、発生した電力を蓄電池８に蓄積すれば電力を再利用することが可能となる。
【００２８】
この他の点については、上記第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００２９】
なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることなく様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を好適に実施した第１の実施形態に係る放熱装置の構成を示す図である。
【図２】余剰電力を蓄積する蓄電池を設けた放熱装置の構成を示す図である。
【図３】本発明を好適に実施した第２の実施形態に係る放熱装置の構成を示す図である。
【図４】余剰動力によって発電した電力を蓄積する蓄電池を設けた放熱装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    発熱体
２    受熱器
３    冷媒液輸送パイプ
４    熱交換器
５    冷媒液循環ポンプ
６    熱電変換素子
７    スターリングエンジン
８    蓄電池
９    発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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