JP2004071969A - Thermoelectric cooling apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric cooling apparatus in which a heating part of an electronic component of a high heat generating density to be cooled is efficiently cooled. <P>SOLUTION: Heat of a heating part 9 is diffused by a heat flux converter 8 having a heat propagation area larger than the heating part 9. The heat flux converter 8 and a thermoelectric cooling module 1 are located face to face, and an electric current is made to flow to a thermoelectric transducer 5 provided between first and second substrates 6 and 7 of the thermoelectric cooling module 1 to absorb heat diffused by the heat flux converter 8 with the second substrate 7 as a heat absorption side substrate. The heat is radiated from the first substrate 6 of the thermoelectric cooling module 1 and further, the heat is radiated by a heat sink 3. A maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 is made 2.5 times or more of a required heat absorption (required heat absorption / maximum heat absorption is 40% or less), and an exchange area of heat of the heat flux converter 8 on the side of the thermoelectric cooling module 1 is made approximately equal with a heat exchange area of the thermoelectric cooling module 1 on the side of the heat flux converter 8 (approximately from 80% to 120%). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパーソナルコンピュータや、サーバー、高性能電子計算機等の電子機器に取り付けて、電子機器の放熱を行うために用いられる熱電冷却装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
各種ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ）、コンピュータに使われるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等の電子機器の主要部品は、小型高性能化が著しい。また、ＬＳＩの配線間隔などが小さくなり、サブミクロン領域となると共に、ますます高集積化が進んでいる。このように、電気機器の主要部品の小型高性能化、配線の高集積化が進むと、電子機器内の発熱量が増え、さらに、単位面積当りの発熱量が増えて発熱密度が増大する、という新たな問題が大きな課題となってきている。
【０００３】
図７は、電子機器の冷却構成の例として最も代表的、基本的な、ＣＰＵの空冷ヒートシンクの例を示したものである。この例ではＣＰＵの発熱部９の大きさは１０ｍｍ角で、発熱部９の発熱量は最大３０Ｗである。ヒートシンク３と発熱部９は熱伝導性グリース１１を介して接触対向配置され、熱的に接続されている。
【０００４】
ヒートシンク３はアルミ（アルミニウム）製であり、ベース１４とベース１４から上側に張り出した複数のフィン１３を有している。ベース１４の大きさは７０ｍｍ×７０ｍｍ、ベース１４の厚みは６．５ｍｍである。フィン１３は互いに間隔を介して配設されており、それぞれのフィン１３の高さは３０ｍｍ、フィン１３の厚みは０．６ｍｍである。
【０００５】
この例は、冷却のため、単純に環境温度との温度差を利用して熱の移動放熱を行う（パッシブ冷却）方式である。ただし、電子機器の配設部には、一般に、複数の電子機器の冷却用としてシステムファン（図示せず）が設けられており、このファンの風の循環を利用して、ヒートシンク３のフィン１３からの放熱は行われる。
【０００６】
また、図７に示す構成において、フィン１３の枚数は特に限定されるものではないが、例えばフィン１３を２４枚配列した例が提案されている。なお、図７ではフィン１３の枚数を簡略化して示している。
【０００７】
上記例において、ヒートシンク３に対する前面風速を２．６ｍ／ｓとすると、グリースの熱伝導率１Ｗ／ｍＫ、グリースの厚さ１００μ、アルミの熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ、環境温度４０℃としたとき、発熱部９の表面温度は約９３℃となる。
【０００８】
また、従来、電子機器の発熱量の増大に対して、発熱部９の熱をより効率的に冷却しようとする試みが数多く研究され、例えば熱電冷却モジュールを用いた冷却装置等の、様々な冷却装置が提案されている。
【０００９】
なお、例えば図１１に示すように、ペルチェモジュール等の熱電冷却モジュール１は、互いに間隔を介して上下に対向配置された第１の基板６と第２の基板７の間に複数の熱電変換素子５を立設配設固定して形成されている。第１、第２の基板６，７の対向表面には、それぞれ通電用の電極２が互いに間隔を介して複数配列形成されている。
【００１０】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続されており、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。なお、熱電変換素子５は、例えば図示されていない半田によって電極２に固定されている。
【００１１】
熱電冷却モジュールの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、熱電変換素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【００１２】
第２の基板７に形成された、熱電変換素子５の接続回路の端部に位置する電極２（２ａ）にはリード線１０が半田付けされて接続されている。この熱電冷却モジュール１において、通電手段（図示せず）によってリード線１０から電極２ａに電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れる。
【００１３】
そして、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【００１４】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の下端部が冷却せしめられると、第２の基板７側に第２の基板７と接触させて設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。このときペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上端部が発熱せしめられ、第１の基板６側から放熱が行われる。
【００１５】
上記熱電冷却モジュール１を用いた電子機器の冷却装置の例を挙げると、以下に示すものがある。例えば、特開平５−２４３４３８号公報には、発熱部９に熱的に接触させて熱電冷却モジュール１を配置し、発熱部９からの熱をいったん熱電冷却モジュール１で受けると共に、熱電冷却モジュール１の高温部で発生する熱を、高温側の基板６からヒートパイプに伝え、ヒートパイプより熱を移動させて放熱する構成としている。
【００１６】
また、特開平７−１０６６４０号公報には、熱電冷却モジュール１の冷却効果を冷却用の冷風発生に用いた構成が提案されている。特開平１０−１３２４７８号公報には、熱電冷却モジュール１を使用してＣＰＵを冷却する構成が提案されている。
【００１７】
なお、上記特開平５−２４３４３８号公報は、熱電冷却モジュール１と共にヒートパイプを用いているが、ヒートパイプを用いた冷却装置は、この他に、例えば、特開２０００−１６５０７７公報に記載されているように、発熱部９からの熱を、ヒートパイプを用いて熱電冷却モジュールの低温側へ移動することで発熱源と放熱部を分離しようとした構成が提案されている。
【００１８】
また、特開平１０−１０３８８号公報にはヒートパイプを活用してＣＰＵの雰囲気温度を下げる方策が提案されている。なお、これらの提案におけるヒートパイプの使用は、熱を例えば一方側から他方側に移動するために用いられていた。
【００１９】
さらに、電子機器の冷却装置の別の例として、特願平８−２８１８５１では、図９に示すように、軸流ファン２０とヒートシンク３を組み合わせ、ヒートシンク３のベース１４に熱電冷却モジュール１の第１の基板６の面を接触させ、熱電冷却モジュール１の第２の基板７の面には熱良導性の金属板２５を設けた構成が提案されている。
【００２０】
この提案においては、ヒートシンク３のフィン１３部に水分吸収体２６を設けることが記述されている。なお、図９の図中、２７はヒートシンク３の配置部であり、このヒートシンク３はファン２０を一体配置して形成されている。
【００２１】
さらに、特願平２０００−２３３６９７では、図１０に示すように、発熱部９と、熱媒手段としての低温熱媒ヒートパイプ２４と、放熱手段としての熱電冷却モジュール１と、ヒートシンク３との組み合わせが提唱されている。なお、この提案では、ヒートシンク３の代わりに、水冷ジャケットを設けた構成も提案されている。
【００２２】
特願平８−２８１８５１、特願平２０００−２３３６９７は、いずれも熱電冷却モジュール１の吸熱機能を用い、さらに、低温熱媒ヒートパイプ２４や水分吸収体２６を組み合わせている。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記提案のうち多くは熱電冷却モジュール１を用いている。一般に、ペルチェモジュール等の熱電冷却モジュール１の吸熱量をＱｃ、放熱量をＱｈ、熱電冷却モジュールに投入した電力をＰとすると、Ｑｈ＝Ｐ＋Ｑｃとなる。また、投入電力に対する吸熱量の比をΦとすると、Φ＝Ｑｃ／Ｐとなり、Ｑｈ＝Ｑｃ（１／Φ＋１）で表される。なお、Φの値は高温側基板と低温側基板の温度差（ΔＴ）により変化する。
【００２４】
上式からＱｈ＞Ｑｃであり、熱電冷却モジュール１を冷却に用いると、必ず熱電冷却モジュール１の冷却に必要な熱量以上の熱を放熱しなければならないが、ペルチェモジュール等の熱電冷却モジュール１は電子機器が用いられる一般的環境において容易に部分的に比較的低い温度を作り出すことができる特徴がある。
【００２５】
つまり、ペルチェモジュール等の熱電冷却モジュール１を用いて冷却装置を構成すると、発熱部９の温度と環境温度との間に急勾配の温度差を作り出すことができるという意味で所謂アクティブな冷却方式の冷却構成にできるので、熱電冷却モジュール１を用いない構成の冷却装置に比べて発熱部９のみに着目した部分的冷却としては効率的に行えるメリットがある。
【００２６】
しかしながら、従来の一般的な熱電冷却モジュール１の使用方法としては、高温側基板と低温側基板の温度差（ΔＴ）を大きく設計し、活用するため、熱電冷却モジュール１の最大投入電力を発熱部の最大発熱量（熱電冷却モジュールの吸熱量）の１．０〜２．５倍（１００％〜２５０％）程度として使用することが一般的であり、熱電冷却モジュール１への投入電力に対する吸熱量は少なかった。
【００２７】
つまり、従来は、熱電冷却モジュール１を使う場合の最大の欠点である消費電力の低減に対しては何ら考慮されてこなかった。そのため、熱電冷却モジュール１を用いた上記各提案において、従来の熱電冷却モジュール１の設計を適用して冷却装置を構成しても、熱電冷却モジュール１の投入電力が大きくなり、冷却装置の消費電力が大きくならざるを得ないといった問題があった。
【００２８】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、コンピュータのＣＰＵのような高発熱密度で冷却が必要な電子部品の発熱部を、ペルチェモジュール等の熱電冷却モジュールを用いて低消費電力で効率的に冷却する熱電冷却装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、発熱部に直接または熱伝導性部材を介して熱流束拡散表面が接触対向配置される熱流束変換器を有し、該熱流束変換器は前記発熱部より大きい伝熱面積を有して前記発熱部の熱を拡散する構成と成し、前記熱流束変換器と直接または熱伝導性部材を介して熱電冷却モジュールが前記熱流束変換器の熱流束拡散背面に接触対向配置され、該熱電冷却モジュールは互いに間隔を介して対向配置された第１の基板と第２の基板を有し、該第２の基板は前記熱流束変換器の熱流束拡散背面と実質的に接触しており、前記熱電冷却モジュールの前記第１の基板と第２の基板間には複数の熱電変換素子が立設配置され、これらの熱電変換素子に電流を流すことにより前記第２の基板が吸熱側の基板と成して前記第１の基板が放熱側の基板と成し、該第１の基板側には該第１の基板と直接または熱伝導性部材を介してヒートシンクが接触対向配置されており、熱電冷却モジュールの最大吸熱量を必要吸熱量の２．５倍以上とし、熱流束変換器の熱電冷却モジュール側の熱の授受面積を熱電冷却モジュールの熱流束変換器側の熱授受面積の約８０％以上約１２０％以下とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３０】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記熱流束変換器はヒートパイプと該ヒートパイプを組み込んだ平面型の熱拡散板とベーパーチャンバーの少なくとも１つの熱輸送部材を有しており、前記熱輸送部材は内部に作動液を有して該作動液の相変化を利用して熱輸送を行う構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３１】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記発熱部と熱流束変換器の少なくとも一箇所に温度検出部が設けられ、該温度検出部の検出温度が予め設定された設定温度未満となるように、熱電冷却モジュールの投入電力を連続的または断続的に制御する電力制御部を設けた構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００３３】
図１には、本発明に係る熱電冷却装置の第１実施形態例が示されている。図１に示すように、本実施形態例の熱電冷却装置は、発熱部９に熱伝導性グリース１１を介して接触対向配置される熱流束変換器８を有している。発熱部９はＣＰＵである。
【００３４】
熱流束変換器８は、熱流束拡散表面１５と熱流束拡散背面１６を有しており、熱流束拡散表面１５が前記発熱部９に接触対向配置される。熱流束変換器８の熱流束拡散表面１５および熱流束拡散背面１６は、それぞれ前記発熱部９より大きい伝熱面積を有して発熱部９の熱を拡散する構成と成している。
【００３５】
また、本実施形態例の熱電冷却装置は、前記熱流束変換器８と熱伝導性グリース１１を介して接触対向配置された熱電冷却モジュール１を有している。熱電冷却モジュール１は、互いに間隔を介して対向配置された第１の基板６と第２の基板７を有している。
【００３６】
第１、第２の基板６，７は熱流束変換器８の熱流束拡散背面１６の面積とほぼ同じ面積を有している。第２の基板７は熱流束変換器８の熱流束拡散背面１６と実質的に接触している。
【００３７】
本実施形態例に適用されている熱電冷却モジュール１は、従来の熱電冷却モジュール１と同様に、第１の基板６と第２の基板７の間に複数の熱電変換素子５を立設配置して形成されている。また、これらの熱電変換素子５に電流を流すことにより前記第２の基板７が吸熱側（低温側）の基板と成して前記第１の基板６が放熱側（高温側）の基板と成す。
【００３８】
さらに、本実施形態例の熱電冷却装置は、前記熱電冷却モジュール１と熱伝導性グリース１１を介して接触対向配置されたヒートシンク３を有している。ヒートシンク３は、例えば複数の電子機器を冷却するために設けられたシステムファン２０ａの風の循環を利用して放熱を行う強制風冷型のヒートシンクであり、冷却用の風速は２．６ｍ／ｓである。なお、ヒートシンク３の構造は、図７に示したヒートシンク３と同様であるので、その説明は省略する。
【００３９】
前記熱流束変換器８は、ベーパーチャンバーといわれる、いわゆる平面型のヒートパイプにより形成されている。このベーパーチャンバーは、熱輸送部材の一つであり、厚さ５ｍｍの銅製の容器と、容器内部に設けられる少量の作動液としての純水と作動液と、この作動液をヒートパイプ内部で円滑に移送するためのウィックを備える。
【００４０】
このベーパーチャンバーは、その一部に熱が加わったとき、ベーパーチャンバー内部の作動液の蒸発、凝縮作用により、つまり、前記作動液としての純水の相変化を利用して熱輸送を行い、ベーパーチャンバー内全体にわたり、均一な温度になるよう熱を移動することができるものである。
【００４１】
電子機器の発熱部９の最高許容温度は一般的に８０℃〜１００℃程度となっている。そのため、その発熱部９に接する熱流束変換器８の作動温度も両者間の接触抵抗による温度降下を差し引いた５０℃〜８０℃となる場合が多い。そこで、本実施形態例では、熱流束変換器８として最も効率の良い作動液である水を用いたベーパーチャンバーを適用した。
【００４２】
熱流束変換器８の熱流束拡散背面１６は、一辺が７０ｍｍの大きさをもち、その面積は４９００ｍｍ２である。ＣＰＵの発熱面９の面積が１００ｍｍ２であるから、熱流束変換器８は発熱面９の熱を拡散し、それにより、熱流束を１／４９に減少させることができる。熱流束変換器８の熱流束拡散表面１５は熱流束拡散背面１６よりも狭く形成されている。
【００４３】
前記熱電冷却モジュール１はＰ，Ｎの熱電半導体から成る熱電変換素子５を４０対設けて形成されている。前記半導体素子のひとつの大きさは、それぞれ、断面が２ｍｍ角、高さが１ｍｍである。
【００４４】
熱電冷却モジュール１の第１、第２の基板６，７は７０ｍｍ角の大きさであり、アルミナ製のセラミック基板である。低温側の基板となる第２の基板７の温度を４２℃に設定している。また、高温側基板と低温側基板の温度差が１５℃となるように、つまり、第１の基板６の温度が５７℃となるように、電極（図示せず）を介して通電する電流を調節する。
【００４５】
なお、本実施形態例に適用している熱電冷却モジュール１に、さらなる高性能化を求める場合には、第１、第２の基板６，７を、窒化アルミ（ＡｌＮ）やボロンナイトライド（ＢＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等により形成することも可能である。
【００４６】
本実施形態例は、以上のように、電子機器のＣＰＵ等の発熱部９からの熱を効率良く除去するため、発熱部９の熱を拡散する（熱流束を拡げる）熱流束変換器８を発熱部９と熱的に接触して設け、さらに、この熱を熱電冷却モジュール１による吸熱するために、熱電冷却モジュール１の吸熱側を熱流束変換器８と熱的に接触させて配置している。
【００４７】
そして、本実施形態例は、以下に述べる構成により、熱電冷却モジュール１の消費電力を抑えつつ必要な冷却機能が得られるようにしたことを最も特徴的な構成としている。
【００４８】
つまり、本実施形態例において、用いる熱電冷却モジュールの最大吸熱量を必要吸熱量の２．５倍以上（必要吸熱量／最大吸熱量が４０％以下）とし、熱流束変換器の熱電冷却モジュール側の熱の授受面積を熱電冷却モジュールの熱流束変換器側の熱授受面積の約８０％以上約１２０％以下としたことにより、電子機器からの熱を効率よく熱電冷却モジュールへ入力するため熱流束変換器により熱密度を下げつつ面積を拡大することとしている。本実施形態例は、これらの構成により熱電冷却モジュール１の消費電力を小さくしながら発熱部９を十分に冷却できるようにしている。
【００４９】
本実施形態例では、このように、熱電冷却モジュール１の最大吸熱量が発熱部９の発熱量すなわち必要吸熱量の２．５倍以上なる熱電冷却モジュールを設計選択し、かつ熱電冷却モジュールの両側温度差が必要以上大きくならないよう、すなわち、あまり低温側基板の温度設定が低くならないよう、あるいは高温側基板の熱を速やかに除去するように、第１、第２の基板６，７の温度を前記の如く（それぞれ５７℃、４２℃に）設定している。
【００５０】
また、本実施形態例において、前記発熱部９と熱流束変換器８の少なくとも一箇所（ここでは発熱部９）に温度検出部１８が設けられている。さらに、本実施形態例において、温度検出部１８の検出温度が予め設定された設定温度未満となるように、熱電冷却モジュール１の投入電力を連続的または断続的に制御する電力制御部１９が設けられている。
【００５１】
電力制御部１９は、温度検出部１８の検出温度と予め定められた制御データとを比較し、例えば温度検出部１８の検出温度が設定温度以上の時には熱電冷却モジュール１の投入電力を大きく制御し、温度検出部１８の検出温度が設定温度以下の時には熱電冷却モジュール１の投入電力を小さくするといったような制御を行う。また、電力制御部１９の制御は、熱電冷却モジュール１の電源１７のオン・オフにより行うこともできる。
【００５２】
本実施形態例では、上記温度検出部１８による温度検出と電力制御部１９による制御によって、発熱部９の必要な冷却能力の確保と熱電冷却モジュール１の不必要な電力消費を抑えるという機能を果たし、熱電冷却モジュール１の消費電力を抑えつつ必要な冷却機能が得られるようにした。
【００５３】
ところで、熱電冷却モジュール１は、投入電力（電流）を増やしていくと、徐々にジュール熱による発熱分の影響が大きくなり、ついにある電流値で低温側吸熱量からジュール熱を差し引いた熱量がピークとなる。したがって、図２に示すように、熱電冷却モジュール１への投入電力に対して、前記Φ、つまり、Ｑｃ／Ｐがピークを有する関係となる。
【００５４】
したがって、熱電冷却モジュール１の投入電力が発熱部９（冷却対象である電子機器）の発熱量に比して大きすぎると消費電力増や無駄なコスト増となる。なお、熱電冷却モジュール１の投入電力が発熱部９の発熱量に比して小さすぎると冷却が追いつかず、十分な冷却を行うことができない。
【００５５】
熱電冷却モジュール１の能力は、あくまで発熱部９の発熱量をもとに決められるべきで、本発明者が様々に検討した結果、用いる熱電冷却モジュール１の最大吸熱量を必要吸熱量の２．５倍以上（必要吸熱量／最大吸熱量が４０％以下）とし、熱流束変換器８の熱電冷却モジュール１側の熱の授受面積を熱電冷却モジュール１の熱流束変換器８側の熱授受面積の約８０％以上約１２０％以下とし、熱電冷却モジュール１を大きく形成したことにより電子機器の発熱部９からの熱を効率よく熱電冷却モジュールへ入力するため熱流束変換器により熱密度を下げつつ面積を拡大することが効果的であることを見出した。
【００５６】
つまり、本発明者の検討の結果、熱電冷却モジュール１の最大吸熱量を必要吸熱量の２．５倍以上に設定することで、消費電力の過度の増大を抑えながら冷却が可能であることが分かった。
【００５７】
以下、この点について、さらに詳しく説明する。熱電冷却モジュール１の吸熱量は、その熱電冷却モジュール１を構成するＰ−Ｎ半導体の断面積や長さ、Ｐ−Ｎ接合の対数、素子の熱電性能などにより変化する。ただし、例えば図１２に示すように、横軸に電流値（あるいは消費電力）、縦軸に低温側吸熱量をとると、一般に、ピークをもった曲線となる。
【００５８】
なお、図１２は、熱電冷却モジュール１を構成するＰ−Ｎ半導体の断面を１ｍｍ角とし、長さを０．７ｍｍとし、Ｐ−Ｎ接合の対数を１００とした結果であり、さらに、吸熱側基板と発熱側基板の温度差（ΔＴ）を１５．０℃としてシミュレーションした結果である。
【００５９】
従来は、熱電変換の性能から、一般に、熱電冷却モジュール１の最大吸熱量の７０〜８０％程度が目的とする吸熱量となるような熱電冷却モジュールを選定していた。なぜなら、吸熱量に対し、最大吸熱量の大きい熱電変換を選定することは、多くの場合、不必要な大きさの熱電冷却モジュールを選定することになるからであり、さらにそれはコスト上も好ましくないと思われていたからである。
【００６０】
図１２において、吸熱量は最大５８ｗ程度であり、従来の熱電冷却モジュール１の設計を適用した場合、４５ｗ程度での吸熱に用いることになる。このときの熱電冷却モジュール１の大きさは２５ｍｍ角で熱電冷却モジュール１に入力される熱の熱流束密度は約７ｗ／ｃｍ２となる。このように熱電冷却モジュール１はそれ自体吸熱能力が高く、小型でも高い熱流束に対応できることが分かる。
【００６１】
しかしながら、この熱電冷却モジュール１の電流（消費電力）と成績係数（吸熱量／消費電力）との関係は、図１３に示すようになり、４５ｗ程度の吸熱に対応する電流値５．５Ａ付近では成績係数が１以下となることがわかる。
【００６２】
本発明は、消費電力を低減しつつ、吸熱量を確保するために提案されたものである。すなわち、本発明者は、例えば図１３に示す成績係数が１以上となり、かつ放熱に必要な温度差を確保するため使用する熱電冷却モジュール１の大きさ、吸熱量を設計することにした。
【００６３】
そのためには、同時に吸熱密度を下げる必要があり、これらを勘案すると、本発明者の検討の結果、熱電冷却モジュール１の設計を必要吸熱量／最大吸熱量が４０％以下となるようにすることが適当であることがわかった。この場合、熱電冷却モジュール１の大きさは従来の選定基準より大きくなるが、消費電力を減らしつつ必要な吸熱量と温度差を確保できる。
【００６４】
例えば、上記に基づき、熱電冷却モジュール１の設計を必要吸熱量／最大吸熱量が４０％以下となるように熱電冷却モジュール１を設計すると、４５ｗの吸熱量に対し、最大吸熱量は、４５÷０．４＝１１２．５より大きくなるようにする必要がある。そのため、図１３に示す成績係数を１以上とし、かつ、放熱に必要な温度差を確保するためには、例えば最大吸熱量が１２５Ｗとなる熱電冷却モジュール１を設計するとよいことが分かる。
【００６５】
１２５ｗの最大吸熱量を有する熱電冷却モジュール１を設計すると、例えば熱電冷却モジュール１の大きさは、この場合、約３５ｍｍ角であり、Ｐ−Ｎ半導体の対数は、１５ｘ１５＝２２５対となる。今、Ｐ−Ｎ熱電半導体の特性、およびＰ−Ｎ接合の形状、大きさなどを、図１２のシミュレーションに用いた値と同じとすると、図１４のような吸熱曲線が得られる。
【００６６】
この場合、熱電冷却モジュール１の最大吸熱量は１２５ｗにも達しながら、実際に使用するのは吸熱量４５ｗとしているため、電流値は２．５Ａである。熱電冷却モジュール１に入力される熱の熱流束密度は約３．７ｗ／ｃｍ２となり、このときの成績係数は図１３から分かるように約２となる。つまり、この熱電冷却モジュール１は、投入電力の２倍の吸熱量を確保できることになる。
【００６７】
また、熱電冷却モジュール１が大きくなったことにより、電子機器等の発熱部９からの熱を効率よく熱電冷却モジュール１へ入力するため、熱流束変換器８は、発熱部９の熱密度を下げつつ、熱電冷却モジュール１への熱の授受面積を拡大することが必要となる。
【００６８】
上記例からわかるように、実際には、熱電冷却モジュール１の最大吸熱量の５０〜６０％程度が必要吸熱量である場合でも成績係数は１を越え、電力消費低減には結びつくものの、効果としては、必要吸熱量／最大吸熱量が小さい方がよく、必要吸熱量／最大吸熱量を４０％以下とすることが望ましい。
【００６９】
また、図３には、上記検討に基づいて、図１に示す本実施形態例の熱電冷却装置の基本構成を有する熱伝冷却装置を設計製作し、検証した例を示す。この時用いた熱電冷却モジュール１は必要吸熱量（Ｑｒ）３５ｗに対し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が１２０ｗ（Ｑｒ／Ｑｍａｘ＝１９％）となるものを選定した。そして、最大発熱量が３５Ｗの発熱部９の冷却を行う際の、熱電冷却モジュール１への投入電力を様々に代えて、この投入電力と発熱部９の熱抵抗との関係を求めた。
【００７０】
熱電冷却モジュール１への投入電力が大きいほど発熱部９の熱抵抗を小さくできるが、その熱抵抗の減少割合は、熱電冷却モジュール１への投入電力が大きくなると小さくなり、熱電冷却モジュール１への投入電力を発熱部９の最大発熱量（必要吸熱量）の１００％より大きくしても熱抵抗はそれほど小さくならない。
【００７１】
図３から明らかなように、本実施形態例のような熱電冷却モジュール１と熱流束変換器８の形態とすることにより、熱電冷却モジュール１への投入電力の低減を図った効率的な冷却が可能となった。
【００７２】
また、図６には本発明に係る熱電冷却装置について、例えば本実施形態例の基本構成を有する装置における熱抵抗値に対する熱電冷却モジュール１の消費電力Ｐと吸熱量Ｑの比を測定した結果が示されている。なお、図６においては、本実施形態例と異なり、◆は発熱部９の発熱量を２７Ｗとし、■は発熱部９の発熱量を１８Ｗとしている。この図に示すようにＰ／Ｑ＜１００（％）のところで、冷却装置の能力はほぼ安定したものが得られており、消費電力を抑えることに成功していることがわかる。
【００７３】
本実施形態例は、以上のような検討に基づいて構成したものであり、本実施形態例において、発熱部９を形成するＣＰＵの最大消費電力は３０Ｗ、発熱部９の面積は１０ｍｍ×１０ｍｍ＝１００ｍｍ２（＝１ｃｍ２）である。したがって、発熱部９の発熱密度は３０Ｗ／ｃｍ２である。
【００７４】
また、発熱部９の発熱量が３０Ｗのときは、熱電冷却モジュール１にその３０Ｗの熱を吸熱させることになり、この場合の熱電冷却モジュール１に印加する電流は７Ａ，所要電力は１５Ｗである。
【００７５】
したがって、ヒートシンク３は発熱部９での発生熱量３０Ｗに加えて熱電冷却モジュール１の消費電力分である１５Ｗとの合計４５Ｗを放熱する必要がある。
【００７６】
ここで、環境温度が４０℃とすると、ヒートシンク３でのΔＴは１７℃となり、これが熱電冷却モジュール１の高温側基板である第１の基板６の温度となる。熱電冷却モジュール１に上記の電流を流した場合、熱電冷却モジュール１の両側の温度差は１５℃が得られるので、熱電冷却モジュール１の低温側基板である第２の基板７の温度は４２℃となる。
【００７７】
このときＣＰＵの表面温度、つまり、発熱部９の温度はグリース部の接触抵抗により３０℃上がり、結局、７２℃となる。したがって、本実施形態例では従来例のＣＰＵ表面の発熱部９の温度９３℃と比較してわかるように大幅な温度低減が可能となった。
【００７８】
また、本発明者は、図８に示すように、発熱部９に熱流束変換器８を接触させて設け、この熱流束変換器８の熱をヒートシンク３で放熱する構成を形成し、発熱部９の温度を求めた。その結果、その温度は８４℃であり、この例と比べても、本実施形態例は発熱部９を非常に効率的に冷却できることが確認できた。
【００７９】
なお、例えば冷却対象である電子部品等の発熱部９の面積が熱電冷却モジュール１の面積と同程度であれば、発熱部９と熱電冷却モジュール１を直接または熱伝導グリース等を介して実質的に接触させ、熱流束の変換機能が無くても、原理的には、熱電冷却モジュール１によって発熱部９の熱を十分に吸熱できると考えられる。
【００８０】
しかし、近年は、電子部品の小型化、高集積化が進んでおり、発熱部９の面積が小さくなってきており、発熱部９と熱電変換モジール１との接触面積が発熱部９の吸熱のために必要な面積に満たないことが多くなり、そうなると、熱電冷却モジュール１が発熱部９の熱を十分に吸熱できない。
【００８１】
それに対し、本実施形態例は、熱電冷却モジュール１の吸熱側基板である第２の基板７と発熱部９との間に、熱流束変換器８を設け、発熱部９の熱を熱流束変換器８により拡散し、熱電冷却モジュール１への熱入力密度を小さくしてから熱電冷却モジュール１により冷却を行うことにより、発熱部を非常に効率的に冷却することができる。
【００８２】
なお、例えば高性能サーバーなどに使われるＣＰＵ等、小型高集積化により発熱部９の熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２を越えるものの場合、従来技術では空冷では冷却しきれず水冷、冷媒による冷却などに頼らざるを得なかったが、本実施形態例を適用すれば、水漏れ等の危険性を有する水冷等に頼ることなく、上記のように効率的に発熱部９の冷却を行うことができる。
【００８３】
また、例えば従来例での発熱部９の温度（９３℃）まで最高温度が許容できるとすれば、本実施形態例と同様の構成を有する熱電冷却装置を、発熱量が４０ＷのＣＰＵを適用することができる。つまり、本実施形態例の熱電冷却装置を用いて効率的に冷却することにより、発熱密度で４０Ｗ／ｃｍ２のＣＰＵを電子機器に適用することができる。
【００８４】
図４には、本発明に係る熱電冷却装置の第２実施形態例の要部構成が示されている。第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、熱電冷却モジュール１を、１５個のペルチェモジュール１２を並設して形成したことである。
【００８５】
また、第２実施形態例では、熱流束変換器８の熱流束拡散表面１５と熱流束拡散背面１６の面積を互いに等しくしており、ヒートシンク３はファン２０を有するファン一体型ヒートシンクである。
【００８６】
第２実施形態例の熱電冷却装置は、電力変換用のＩＧＢＴの発熱部９を冷却対象としている。発熱部９の大きさは４０ｍｍ×７０ｍｍ、発熱量は５００Ｗであり、発熱密度は１８Ｗ／ｃｍ２に達する。
【００８７】
この発熱部９の発熱密度は上記第１実施形態例において冷却対象とした発熱部９の発熱密度より小さいが、必要放熱量ははるかに大きい。この必要放熱量（＝必要吸熱量）に対し熱電冷却モジュール群全体としての最大吸熱量を求めると５００×２．５＝１２４０Ｗとなる。
【００８８】
そこで、第２実施形態例では、この放熱量を効率よく吸熱し、上記最大吸熱量を確保するために、３×５個、合計１５個のペルチェモジュール１２を並列した熱電冷却モジュール１を適用した。１つのペルチェモジュール１２は４０ｍｍ角、厚さ２．２ｍｍで最大吸熱量約１００Ｗ（Ｉ＝１６．５Ａ）のものを選定した。
【００８９】
また、第２実施形態例では、特に図示しないが、熱流束変換器８は長さ２００ｍｍ外径が８ｍｍφの直線状ヒートパイプを１２本ほとんど隙間なく並列に等間隔で並べ、熱の出入りする両面は０．８ｍｍ厚さのアルミ板で構成し、ヒートパイプ間のわずかな隙間およびアルミ板ヒートパイプの間隙は熱伝導性の樹脂で充填している。
【００９０】
ヒートシンク３に設けられているファン２０の容量は、前面風速で３．０ｍ／ｓ以上確保できるものである。
【００９１】
第２実施形態例は以上のように構成されており、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。なお、第２実施形態例は、ヒートシンク３の大きさがやや大きくなるものの、熱流束変換器８と熱電冷却モジュール１の吸熱作用により発熱部９の温度、つまり、ＩＧＢＴの表面温度を８０℃レベルに保つことが出来た。
【００９２】
次に、本発明に係る熱電冷却装置の第３実施形態例について説明する。第３実施形態例は図５に示す構成を有し、上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されている。第３実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、ヒートシンク３を軸流ファン２０付きのヒートシンクとしたことである。なお、第３実施形態例において、熱流束変換器８の熱流束拡散表面１５と熱流束拡散背面１６の面積を互いに等しく形成している。
【００９３】
本発明者は、この第３実施形態例を用い、この第３実施形態例と従来例を比較して、冷却方式によるヒートシンク熱抵抗の違いを求めた。その結果が表１に示されている。
【００９４】
【表１】

Figure 2004071969
【００９５】
表１において、従来例１は、図７に示したような、従来最も一般的に使われているファン付アルミ製のヒートシンク３を用いた冷却構成であり、ヒートシンク３の上に４０×４０×２０ｍｍの軸流ファンを載せたものである。
【００９６】
従来例２は、図８に示したような、発熱部９とアルミ製のヒートシンク３の間に熱流束変換器８を設けた冷却構成であり、ヒートシンク３の上には４０×４０×２０ｍｍの軸流ファン２０を載せている。また、従来例２において、熱流束変換器８はベーパーチャンバーにより形成している。
【００９７】
第３実施形態例は、上記従来例２に加えてベーパーチャンバーの熱流束変換器８とアルミ製のヒートシンク３の間に熱電冷却モジュール１の熱電冷却モジュール１を設けている。
【００９８】
表１に示す第３実施形態例、従来例１，２は、いずれもファンの回転数を同一条件で行なっている。また、いずれも、発熱部９の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍ、ヒートシンク３はアルミ製でフィン１３の高さは２５ｍｍ、底部（ベース）１４の大きさ１００×５０ｍｍ、熱流束変換器８の大きさもヒートシンク３の底部と同様な大きさである。
【００９９】
表１から明らかなように従来例１では発熱部９の負荷が４０ワットのとき、ヒートシンク３の熱抵抗が１．５７℃／Ｗなので、ΔＴ＝６２．８ｄｅｇとなり、環境温度が４０℃のとき、発熱部９の温度は１００℃を越えてしまう。一方、第３実施形態例では、発熱部９の負荷が４０ワットのときでも、ヒートシンク３の熱抵抗が１．１４℃／Ｗなので、ΔＴ＝４５．６ｄｅｇとなり、発熱部９の温度は８６℃に抑えることができた。
【０１００】
次に、本発明に係る熱電冷却装置の第４実施形態例について説明する。第４実施形態例の熱電冷却装置は、超小型ＬＳＩとして、５ｍｍ角の大きさで５ｗ発熱する発熱部９の冷却装置に本発明を適用した例であり、発熱部９の発熱密度は２０ｗ／ｃｍ２となる。第４実施形態例の基本構成は上記第１実施形態例と同様である。
【０１０１】
なお、熱流束変換器８は、厚さが３ｍｍ、一辺の大きさ１５ｍｍの銅板を有し、この銅板の一方の面全体にダイヤモンド層が厚さ３０μｍでコーティングされており、他方の面には薄い金メッキが施されている。熱流束変換器８のダイヤモンド層形成側の面を発熱部９に接し、熱流束変換器８の金メッキ側の面は熱電冷却モジュール１に熱的に接するように配置している。
【０１０２】
熱電冷却モジュール１の大きさは銅板と同じ一辺が１５ｍｍの大きさであり、厚さは両側のセラミック基板を含み２．５ｍｍである。セラミック基板の材質には熱伝導性が約２３０ｗ／ｍＫと良好な窒化アルミが用いられている。熱電冷却モジュール１の最大吸熱量は必要吸熱量の３倍、すなわち１５ｗ以上が得られるようにした。具体的には、熱電冷却モジュール１の熱電素子は対数３５、一つのＰあるいはＮ型の熱電半導体断面積は１．４４ｍｍ２とした。
【０１０３】
このとき熱電冷却モジュール１は１１アンペア付近で最大吸熱量２３ｗを出せるが、今必要な吸熱量は５ｗのため、このときの熱電冷却モジュールへの投入電力はわずか２ｗである。このとき熱電冷却モジュール１の両側の温度差は約１７℃つけることができる。
【０１０４】
この熱電冷却モジュール１の高温側にはヒートシンク３が設けられている。ヒートシンク３のベース１４の大きさは１５ｍｍ角、厚さは３ｍｍであり、ベース１４には、アルミ製の複数のフィン１３が互いに間隔を介して設けられている。ヒートシンク３の仕様は、フィン１３のピッチが１．７ｍｍ、フィン１３の肉厚が０．６ｍｍ、フィン１３の高さが１５ｍｍである。
【０１０５】
第４実施形態例において、システムファン２０ａにより、雰囲気温度が４０度において、０．５〜０．８ｍ／ｓの風を生じさせる場合、ヒートシンク３のベース部１４の最高温度が５７℃、熱電冷却モジュール１の吸熱側基板の温度が４０℃となり、熱流束変換器８を経て発熱部９の温度は約７５℃とすることが出来た。
【０１０６】
このように、第４実施形態例によれば、極めて発熱密度が局所的に高い電子部品の発熱部９に対しても、わずか２ｗの消費電力の増大で効果的な冷却を実現することが出来た。
【０１０７】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されるものではなく、適宜設定されるものである。例えば、上記各実施形態例では、発熱部９と熱流束変換器８と熱電冷却モジュール１とヒートシンク３のそれぞれの接触面に熱伝導性グリース１１を設けたが、熱伝導性グリース１１の代わりに、熱伝導性グリース１１以外の熱伝導部材を設けてもよいし、熱伝導性部材を介さずに上記接触面を直接接触させてもよい。
【０１０８】
また、上記第１、第３実施形態例では、熱流束変換器８はベーパーチャンバー（平面型ヒートパイプ）とし、上記第２実施形態例では、熱流束変換器８は複数のヒートパイプを筏状に組んだものを用い、第４実施形態例では、熱流束変換器８は銅板を用いた。
【０１０９】
しかし、熱流束変換器８の構成は特に限定されるものではなく適宜設定されるものであり、熱流束拡散表面１５の面方向の熱拡散機能を有する適宜の熱流束変換器８を適用することができる。熱流束変換器８は、例えばダイヤモンド、高熱伝導性カーボン、グラファイトおよびそれらの複合部材を用いた熱伝導板、またはヒートパイプを有する構成とすることができる。
【０１１０】
なお、熱流束変換器８に平面型ヒートパイプ以外のヒートパイプを用いる場合、小面積の電子部品発熱体から熱を面状に拡げるため、複数本のヒートパイプを組み合わせて板状に形成することもできる。つまり、熱流束変換器８は、何本かのパイプ状ヒートパイプを銅板やアルミ板に貼り付け、あるいは埋め込み面方向に熱移動しやすくしたものが適用できる。
【０１１１】
いずれにしろ最大限の熱流束拡大効果を得るためには、熱流束変換器８は、水を作動液とし、ベーパーチャンバーまたはヒートパイプおよびそれらの複合部材を用いた熱伝導板、あるいは振動型ヒートパイプといわれる面状のもの等により形成できる。
【０１１２】
さらに、熱流束変換器８は、面方向熱伝導性カーボンフィラーをアルミ合金中に含浸した複合部材によっても形成できる。この種の複合部材は、そのカーボンフィラーの高熱伝導特性により面方向の熱伝導率が約１０００ｗ／ｍＫであるもの等もある。
【０１１３】
なお、熱流束変換器８は、等価的熱伝導率で５００Ｗ／ｍＫ以上のものが好ましい。ここで、等価的熱伝導率とはヒートパイプ等の固体熱伝導でない場合、厚さ、長さ等を固体での熱伝導と同様に見立てた場合の熱伝導率を言う。
【０１１４】
また、熱電冷却モジュール１を構成するペルチェモジュール１２の個数や配列形態、熱電冷却モジュール１に設けられる熱電変換素子５の個数等は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、熱電冷却モジュール１の少なくとも第２の基板７が熱流束変換器８の熱流束拡散背面１６とほぼ同じ面積を有していて、吸熱側基板と成していればよい。
【０１１５】
さらに、ヒートシンク３の構成は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、例えば銅製のヒートシンクとしてもよいし、フィン１３を曲線形状としたヒートシンクとしてもよい。また、ファン２０は一体型にする場合は軸流ファンが組み合わせ易いが、そのほかにもシロッコファンなど他の型式でもよいし、一体型ではなく電子機器の他のシステム冷却との併用でもよい。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明によれば、熱電冷却モジュールを用いた冷却方式でも特に消費電力を抑えつつ、最大限の冷却効果を得ることが出来る。
【０１１７】
また、本発明によれば、発熱部に接触対向配置した熱流束変換器によって発熱部の熱を拡散し、熱密度を小さくしてから熱電冷却モジュールにより冷却を行い、さらに、熱電冷却モジュールの放熱をヒートシンクにより放熱することにより、高発熱密度の発熱部を非常に効率的に冷却することができる。
【０１１８】
さらに、本発明によれば、電子部品の機能として重要な長期信頼性についても熱電冷却モジュールの両側の温度差を大きく設定する必要がないため熱電モジュールにかかる熱歪を小さく抑えられ、これにより熱電モジュールの寿命も伸ばすことが出来る。
【０１１９】
また、本発明において、ヒートパイプと該ヒートパイプを組み込んだ平面型の熱拡散板とベーパーチャンバーの少なくとも１つの熱輸送部材を有しており、前記熱輸送部材は内部に作動液を有して該作動液の相変化を利用して熱輸送を行う構成によれば、熱流束変換器によって発熱部の熱を効率的に拡散することができ、上記効果をより一層効率的に発揮できる。
【０１２０】
さらに、本発明において、発熱部と熱流束変換器の少なくとも一箇所に温度検出部が設けられ、該温度検出部の検出温度が予め設定された設定温度未満となるように、熱電冷却モジュールの投入電力を連続的または断続的に制御する電力制御部を設けた構成によれば、電力制御部の制御によって、熱電冷却モジュールの投入電力を適切に制御でき、上記効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電冷却装置の第１実施形態例を示す要部構成図である。
【図２】熱電冷却モジュールへの投入電力と投入電力に対する吸熱量の比との関係を示すグラフである。
【図３】上記第１実施形態例において、発熱部の最大発熱量を３５Ｗとしたときの熱電冷却モジュールへの投入電力と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る熱電冷却装置の第２実施形態例を示す要部構成図である。
【図５】本発明に係る熱電冷却装置の第３実施形態例を示す要部構成図である。
【図６】本発明に係る熱電冷却装置での冷却性能と消費電力の関係例を示す図である。
【図７】従来提案された電子部品の発熱部の冷却構成例を示す説明図である。
【図８】電子部品の発熱部の冷却構成の別の例を示す説明図である。
【図９】電子部品の発熱部の冷却構成の別の例を示す説明図である。
【図１０】電子部品の発熱部の冷却構成のさらに別の例を示す説明図である。
【図１１】熱電冷却モジュールの構成例を示す説明図である。
【図１２】熱電冷却モジュールの消費電流（消費電力）と低温側吸熱量の関係例を示すグラフである。
【図１３】熱電冷却モジュールの電流と成績係数の関係例を示すグラフである。
【図１４】熱電冷却モジュールの消費電力と低温側吸熱量の関係の別の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１　熱電冷却モジュール
２　電極
３　ヒートシンク
５，５ａ，５ｂ　熱電変換素子
６　第１の基板
７　第２の基板
８　熱流束変換器
９　発熱部
１１　熱伝導性グリース
１５　熱流束拡散表面
１６　熱流束拡散背面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric cooling device attached to an electronic device such as a personal computer, a server, and a high-performance computer, and used to radiate heat from the electronic device.
[0002]
[Background Art]
Major components of electronic devices, such as various LSIs (Large Scale Integration circuits) and CPUs (Central Processing Units) used in computers, are remarkably reduced in size and performance. In addition, the wiring intervals of LSIs and the like have become smaller, the submicron region has been reached, and higher integration has been further promoted. As described above, when the miniaturization and high performance of the main components of the electric device and the integration of the wiring are advanced, the heat generation in the electronic device increases, and further, the heat generation per unit area increases to increase the heat generation density. This new problem has become a major issue.
[0003]
FIG. 7 shows an example of an air-cooled heat sink of a CPU, which is the most typical and basic example of a cooling configuration of an electronic device. In this example, the size of the heating section 9 of the CPU is 10 mm square, and the heating value of the heating section 9 is 30 W at the maximum. The heat sink 3 and the heat generating portion 9 are arranged so as to be in contact with each other via a heat conductive grease 11 and are thermally connected.
[0004]
The heat sink 3 is made of aluminum (aluminum) and has a base 14 and a plurality of fins 13 projecting upward from the base 14. The size of the base 14 is 70 mm × 70 mm, and the thickness of the base 14 is 6.5 mm. The fins 13 are arranged with an interval therebetween, and the height of each fin 13 is 30 mm and the thickness of the fin 13 is 0.6 mm.
[0005]
In this example, a passive cooling method is used in which cooling is performed by simply utilizing a temperature difference from an environmental temperature for cooling. However, in general, a system fan (not shown) is provided in the disposition section of the electronic device for cooling a plurality of electronic devices, and the fins 13 of the heat sink 3 are used by utilizing the circulation of the wind of the fan. Heat is dissipated.
[0006]
Further, in the configuration shown in FIG. 7, the number of fins 13 is not particularly limited, but an example in which 24 fins 13 are arranged has been proposed. FIG. 7 shows the number of fins 13 in a simplified manner.
[0007]
In the above example, assuming that the front wind speed with respect to the heat sink 3 is 2.6 m / s, the thermal conductivity of grease is 1 W / mK, the thickness of grease is 100 μm, the thermal conductivity of aluminum is 200 W / mK, and the environmental temperature is 40 ° C. The surface temperature of the heating section 9 is about 93 ° C.
[0008]
In addition, conventionally, many attempts have been made to more efficiently cool the heat of the heat generating unit 9 with respect to an increase in the heat generation amount of the electronic device. For example, various types of cooling such as a cooling device using a thermoelectric cooling module have been studied. A device has been proposed.
[0009]
As shown in FIG. 11, for example, a thermoelectric cooling module 1 such as a Peltier module includes a plurality of thermoelectric conversion elements between a first substrate 6 and a second substrate 7 which are vertically arranged with an interval therebetween. 5 is erected and fixed. On the opposing surfaces of the first and second substrates 6 and 7, a plurality of electrodes 2 for energization are formed at intervals from each other.
[0010]
The thermoelectric conversion elements 5 are connected in series via the corresponding electrodes 2, and a connection circuit for the thermoelectric conversion elements 5 is formed. The thermoelectric conversion element 5 is fixed to the electrode 2 by, for example, solder (not shown).
[0011]
The thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b) of the thermoelectric cooling module is generally known as a thermoelectric conversion element, and is formed by a P-type thermoelectric conversion element 5a formed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor. And an N-type thermoelectric conversion element 5b. The P-type thermoelectric conversion elements 5a and the N-type thermoelectric conversion elements 5b are arranged alternately and connected in series via the electrodes 2 to form a PN element pair.
[0012]
A lead wire 10 is soldered and connected to the electrode 2 (2a) formed on the second substrate 7 and located at the end of the connection circuit of the thermoelectric conversion element 5. In the thermoelectric cooling module 1, when a current flows from the lead wire 10 to the electrode 2a by a conducting means (not shown), a current flows through the P-type thermoelectric conversion element 5a and the N-type thermoelectric conversion element 5b.
[0013]
Then, a cooling / heating effect is generated at a joint (interface) between the thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b) and the electrode 2. That is, a so-called Peltier effect occurs in which one end of the thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b) is heated and the other end is cooled, depending on the direction of the current flowing through the junction.
[0014]
When one end of the thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b), for example, the lower end of the thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b) is cooled by the Peltier effect, the second substrate 7 is placed on the second substrate 7 side. Is cooled (heat absorption) of the member provided in contact with the substrate. At this time, the upper end of the thermoelectric conversion element 5 (5a, 5b) is heated by the Peltier effect, and heat is radiated from the first substrate 6 side.
[0015]
Examples of cooling devices for electronic devices using the thermoelectric cooling module 1 include the following. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-243438, the thermoelectric cooling module 1 is disposed in thermal contact with the heat generating unit 9, and once the heat from the heat generating unit 9 is received by the thermoelectric cooling module 1, The heat generated in the high temperature portion is transmitted from the substrate 6 on the high temperature side to the heat pipe, and the heat is transferred from the heat pipe to radiate the heat.
[0016]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-106640 proposes a configuration in which the cooling effect of the thermoelectric cooling module 1 is used for generating cool air for cooling. Japanese Patent Laying-Open No. 10-132478 proposes a configuration in which a CPU is cooled using a thermoelectric cooling module 1.
[0017]
In the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-243438, a heat pipe is used together with the thermoelectric cooling module 1. A cooling device using a heat pipe is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-165077. As described above, there has been proposed a configuration in which the heat from the heat generating portion 9 is moved to the low temperature side of the thermoelectric cooling module using a heat pipe to separate the heat generating source and the heat radiating portion.
[0018]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-10388 proposes a measure for lowering the ambient temperature of the CPU using a heat pipe. Note that the use of heat pipes in these proposals has been used to transfer heat, for example, from one side to the other.
[0019]
Further, as another example of a cooling device for an electronic device, in Japanese Patent Application No. 8-281851, an axial fan 20 and a heat sink 3 are combined, and a thermoelectric cooling module 1 is mounted on a base 14 of the heat sink 3 as shown in FIG. A configuration has been proposed in which the surface of one substrate 6 is brought into contact, and a metal plate 25 having good thermal conductivity is provided on the surface of the second substrate 7 of the thermoelectric cooling module 1.
[0020]
This proposal describes that a moisture absorber 26 is provided on the fin 13 of the heat sink 3. In FIG. 9, reference numeral 27 denotes an arrangement portion of the heat sink 3, and the heat sink 3 is formed by integrally disposing the fan 20.
[0021]
Further, in Japanese Patent Application No. 2000-233697, as shown in FIG. 10, a combination of a heat generating part 9, a low-temperature heat medium heat pipe 24 as a heat medium means, a thermoelectric cooling module 1 as a heat radiating means, and a heat sink 3 Has been advocated. In this proposal, a configuration in which a water cooling jacket is provided instead of the heat sink 3 is also proposed.
[0022]
Japanese Patent Application Nos. 8-281851 and 2000-233697 both use the heat absorbing function of the thermoelectric cooling module 1 and further combine a low-temperature heat transfer medium heat pipe 24 and a moisture absorber 26.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, most of the above proposals use the thermoelectric cooling module 1. Generally, if the heat absorption amount of the thermoelectric cooling module 1 such as a Peltier module is Qc, the heat radiation amount is Qh, and the electric power supplied to the thermoelectric cooling module is P, Qh = P + Qc. Further, assuming that the ratio of the heat absorption amount to the input power is Φ, Φ = Qc / P, and is represented by Qh = Qc (1 / Φ + 1). The value of Φ changes depending on the temperature difference (ΔT) between the high-temperature side substrate and the low-temperature side substrate.
[0024]
From the above equation, Qh> Qc, and when the thermoelectric cooling module 1 is used for cooling, it is necessary to dissipate more heat than the amount of heat necessary for cooling the thermoelectric cooling module 1, but the thermoelectric cooling module 1 such as a Peltier module There is a feature that a relatively low temperature can be easily partially generated in a general environment in which electronic devices are used.
[0025]
In other words, when the cooling device is configured using the thermoelectric cooling module 1 such as a Peltier module, a so-called active cooling system is used in the sense that a steep temperature difference can be created between the temperature of the heating unit 9 and the environmental temperature. Since the cooling configuration can be used, there is an advantage that the partial cooling focusing only on the heat generating portion 9 can be performed efficiently as compared with a cooling device having a configuration not using the thermoelectric cooling module 1.
[0026]
However, a conventional general method of using the thermoelectric cooling module 1 is to design and utilize a large temperature difference (ΔT) between the high-temperature side substrate and the low-temperature side substrate. Is generally used as about 1.0 to 2.5 times (100% to 250%) the maximum heat generation (heat absorption of the thermoelectric cooling module), and the heat absorption with respect to the power input to the thermoelectric cooling module 1. Was few.
[0027]
That is, conventionally, no consideration has been given to the reduction in power consumption, which is the greatest drawback when using the thermoelectric cooling module 1. Therefore, in each of the above proposals using the thermoelectric cooling module 1, even if the cooling device is configured by applying the design of the conventional thermoelectric cooling module 1, the input power of the thermoelectric cooling module 1 increases, and the power consumption of the cooling device increases. Had to be large.
[0028]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric cooling module such as a Peltier module for heating a heat-generating portion of an electronic component which needs to be cooled at a high heat density such as a CPU of a computer. To provide a thermoelectric cooling device that efficiently cools with low power consumption using the same.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has means for solving the problem with the following configuration. That is, the first invention includes a heat flux converter in which a heat flux diffusion surface is arranged to contact and face a heat generating portion directly or via a heat conductive member, and the heat flux converter is larger than the heat generating portion. It has a heat area to spread the heat of the heat generating part, and the thermoelectric cooling module comes into contact with the heat flux diffusion back surface of the heat flux converter directly or through a heat conductive member. The thermoelectric cooling module has a first substrate and a second substrate which are arranged to be opposed to each other with a space therebetween, and the second substrate is substantially in contact with a heat flux diffusion back surface of the heat flux converter. , And a plurality of thermoelectric conversion elements are erected between the first substrate and the second substrate of the thermoelectric cooling module. The substrate forms a heat absorbing side substrate and the first substrate dissipates heat. A heat sink is disposed on the first substrate side so as to contact and face the first substrate directly or via a heat conductive member, and the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module is determined by the required heat absorption. The heat transfer area of the heat flux converter on the thermoelectric cooling module side is set to be about 80% or more and about 120% or less of the heat exchange area on the heat flux converter side of the thermoelectric cooling module. It is a means to solve.
[0030]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, the heat flux converter includes a heat pipe, a flat heat diffusion plate incorporating the heat pipe, and at least one heat transport member of a vapor chamber. The heat transport member has a configuration in which the heat transport member has a hydraulic fluid therein, and performs heat transport using a phase change of the hydraulic fluid.
[0031]
In a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first or second aspect, a temperature detecting section is provided at at least one of the heat generating section and the heat flux converter, and a temperature detected by the temperature detecting section is set in advance. This is a means for solving the problem with a configuration in which a power control unit that continuously or intermittently controls the input power of the thermoelectric cooling module so that the temperature becomes lower than the set temperature is set.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the present embodiment, the same reference numerals are given to the same parts as those in the conventional example, and the overlapping description will be omitted or simplified.
[0033]
FIG. 1 shows a first embodiment of a thermoelectric cooling device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the thermoelectric cooling device according to the present embodiment has a heat flux converter 8 which is arranged in contact with and opposed to a heat generating portion 9 via a heat conductive grease 11. The heating unit 9 is a CPU.
[0034]
The heat flux converter 8 has a heat flux diffusion surface 15 and a heat flux diffusion back surface 16, and the heat flux diffusion surface 15 is arranged so as to be in contact with the heat generating portion 9. The heat flux diffusion surface 15 and the heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8 have a heat transfer area larger than that of the heat generating portion 9 so as to spread the heat of the heat generating portion 9.
[0035]
In addition, the thermoelectric cooling device of the present embodiment has the thermoelectric cooling module 1 which is arranged so as to be opposed to the heat flux converter 8 via the heat conductive grease 11. The thermoelectric cooling module 1 has a first substrate 6 and a second substrate 7 that are opposed to each other with an interval therebetween.
[0036]
The first and second substrates 6 and 7 have substantially the same area as the heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8. The second substrate 7 is in substantial contact with the heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8.
[0037]
The thermoelectric cooling module 1 applied to the present embodiment has a plurality of thermoelectric conversion elements 5 erected between a first substrate 6 and a second substrate 7, similarly to the conventional thermoelectric cooling module 1. It is formed. Further, by passing a current through these thermoelectric conversion elements 5, the second substrate 7 forms a heat-absorbing side (low-temperature side) substrate and the first substrate 6 forms a heat-radiating side (high-temperature side) substrate. .
[0038]
Further, the thermoelectric cooling device of the present embodiment has a heat sink 3 which is arranged in contact with and opposed to the thermoelectric cooling module 1 with a thermally conductive grease 11 therebetween. The heat sink 3 is, for example, a forced-air-cooling type heat sink that dissipates heat by utilizing the circulation of the wind of a system fan 20a provided for cooling a plurality of electronic devices. The cooling wind speed is 2.6 m / s. It is. Note that the structure of the heat sink 3 is the same as that of the heat sink 3 shown in FIG.
[0039]
The heat flux converter 8 is formed by a so-called flat heat pipe called a vapor chamber. This vapor chamber is one of the heat transporting members, and is a copper container having a thickness of 5 mm, pure water and a small amount of working liquid provided inside the container, and the working liquid is smoothly transferred inside the heat pipe. Equipped with a wick for transfer to
[0040]
When heat is applied to a part of the vapor chamber, the vapor chamber performs heat transport by the evaporation and condensation of the working fluid inside the vapor chamber, that is, utilizing the phase change of pure water as the working fluid, The heat can be transferred to a uniform temperature throughout the entire chamber.
[0041]
The maximum allowable temperature of the heat generating portion 9 of the electronic device is generally about 80 ° C to 100 ° C. Therefore, the operating temperature of the heat flux converter 8 in contact with the heat generating portion 9 is often 50 ° C. to 80 ° C. in which the temperature drop due to the contact resistance between the two is subtracted. Therefore, in the present embodiment, a vapor chamber using water, which is the most efficient working fluid, is applied as the heat flux converter 8.
[0042]
The heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8 has a size of 70 mm on a side and an area of 4900 mm. 2 It is. The area of the heating surface 9 of the CPU is 100 mm 2 Therefore, the heat flux converter 8 diffuses the heat of the heat generating surface 9, thereby reducing the heat flux to 1/49. The heat flux diffusion surface 15 of the heat flux converter 8 is formed narrower than the heat flux diffusion back surface 16.
[0043]
The thermoelectric cooling module 1 is formed by providing 40 thermoelectric conversion elements 5 made of P and N thermoelectric semiconductors. One size of the semiconductor element is 2 mm square in cross section and 1 mm in height.
[0044]
The first and second substrates 6 and 7 of the thermoelectric cooling module 1 have a size of 70 mm square and are ceramic substrates made of alumina. The temperature of the second substrate 7 serving as the low-temperature substrate is set to 42 ° C. The current flowing through the electrodes (not shown) is set so that the temperature difference between the high-temperature side substrate and the low-temperature side substrate becomes 15 ° C., that is, the temperature of the first substrate 6 becomes 57 ° C. Adjust.
[0045]
In order to further improve the performance of the thermoelectric cooling module 1 applied to the present embodiment, the first and second substrates 6 and 7 are made of aluminum nitride (AlN) or boron nitride (BN). ), Silicon carbide (SiC) or the like.
[0046]
As described above, the present embodiment employs the heat flux converter 8 that diffuses the heat of the heat generating unit 9 (expands the heat flux) in order to efficiently remove the heat from the heat generating unit 9 such as the CPU of the electronic device. The thermoelectric cooling module 1 is disposed in thermal contact with the heat flux converter 8 so that the heat is absorbed by the thermoelectric cooling module 1. I have.
[0047]
The most characteristic configuration of the present embodiment is that a required cooling function can be obtained while suppressing power consumption of the thermoelectric cooling module 1 by the configuration described below.
[0048]
That is, in the present embodiment, the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module used is set to 2.5 times or more the required heat absorption (the required heat absorption / maximum heat absorption is 40% or less), and the thermoelectric cooling module side of the heat flux converter Heat transfer area of the heat flux converter side of the thermoelectric cooling module is about 80% or more and about 120% or less, so that heat from electronic devices can be efficiently input to the thermoelectric cooling module. The area is enlarged while lowering the heat density by the converter. In the present embodiment, the heat generating unit 9 can be sufficiently cooled while reducing the power consumption of the thermoelectric cooling module 1 by these configurations.
[0049]
In this embodiment, the thermoelectric cooling module 1 is designed and selected so that the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 is 2.5 times or more of the heat generation amount of the heat generating portion 9, that is, the required heat absorption amount, and both sides of the thermoelectric cooling module are selected. The temperatures of the first and second substrates 6 and 7 are set so that the temperature difference does not increase more than necessary, that is, so that the temperature setting of the low-temperature side substrate does not become too low or the heat of the high-temperature side substrate is quickly removed. The temperature is set as described above (at 57 ° C. and 42 ° C., respectively).
[0050]
In the present embodiment, a temperature detector 18 is provided at at least one position (here, the heat generator 9) of the heat generator 9 and the heat flux converter 8. Further, in the present embodiment, a power control unit 19 that continuously or intermittently controls the input power of the thermoelectric cooling module 1 is provided so that the temperature detected by the temperature detection unit 18 is lower than a preset temperature. Have been.
[0051]
The power control unit 19 compares the temperature detected by the temperature detection unit 18 with predetermined control data. For example, when the temperature detected by the temperature detection unit 18 is equal to or higher than the set temperature, the power control unit 19 controls the input power of the thermoelectric cooling module 1 to be large. When the temperature detected by the temperature detector 18 is equal to or lower than the set temperature, control is performed such as reducing the power supplied to the thermoelectric cooling module 1. The control of the power control unit 19 can also be performed by turning on / off the power supply 17 of the thermoelectric cooling module 1.
[0052]
In the present embodiment, the temperature detection by the temperature detection unit 18 and the control by the power control unit 19 serve to secure the necessary cooling capacity of the heating unit 9 and to suppress unnecessary power consumption of the thermoelectric cooling module 1. The required cooling function can be obtained while suppressing the power consumption of the thermoelectric cooling module 1.
[0053]
By the way, in the thermoelectric cooling module 1, as the input electric power (current) is increased, the influence of the heat generated by the Joule heat gradually increases, and finally, the heat amount obtained by subtracting the Joule heat from the heat absorption amount on the low temperature side at a certain current value reaches a peak. It becomes. Therefore, as shown in FIG. 2, Φ, that is, Qc / P has a peak with respect to the power supplied to the thermoelectric cooling module 1.
[0054]
Therefore, if the input electric power of the thermoelectric cooling module 1 is too large compared to the heat generation amount of the heat generating unit 9 (the electronic device to be cooled), power consumption increases and wasteful cost increases. If the input power of the thermoelectric cooling module 1 is too small compared to the heat generation amount of the heat generating unit 9, the cooling cannot catch up and sufficient cooling cannot be performed.
[0055]
The capacity of the thermoelectric cooling module 1 should be determined only based on the calorific value of the heat generating part 9. As a result of various studies by the present inventors, the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 to be used is calculated as 2. The heat transfer area on the thermoelectric cooling module 1 side of the heat flux converter 8 is set to be 5 times or more (the required heat absorption amount / maximum heat absorption amount is 40% or less). About 80% or more and about 120% or less, and the thermoelectric cooling module 1 is formed large so that heat from the heat generating portion 9 of the electronic device can be efficiently input to the thermoelectric cooling module while reducing the heat density by the heat flux converter. It has been found that enlarging the area is effective.
[0056]
In other words, as a result of the study by the present inventors, it has been found that by setting the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 to 2.5 times or more the required heat absorption, cooling can be performed while suppressing an excessive increase in power consumption. Do you get it.
[0057]
Hereinafter, this point will be described in more detail. The amount of heat absorbed by the thermoelectric cooling module 1 varies depending on the cross-sectional area and length of the PN semiconductor constituting the thermoelectric cooling module 1, the logarithm of the PN junction, the thermoelectric performance of the element, and the like. However, for example, as shown in FIG. 12, when the horizontal axis represents the current value (or power consumption) and the vertical axis represents the low-temperature-side heat absorption amount, the curve generally has a peak.
[0058]
FIG. 12 shows the result of setting the cross section of the PN semiconductor constituting the thermoelectric cooling module 1 to 1 mm square, setting the length to 0.7 mm, and setting the logarithm of the PN junction to 100. This is a result of a simulation in which the temperature difference (ΔT) between the substrate and the heat-side substrate is 15.0 ° C.
[0059]
Conventionally, from the performance of thermoelectric conversion, a thermoelectric cooling module in which about 70 to 80% of the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 has a desired heat absorption has been generally selected. Because, for the heat absorption, selecting a thermoelectric conversion with a large maximum heat absorption often involves selecting a thermoelectric cooling module of an unnecessary size, which is not preferable in terms of cost. Because it was thought.
[0060]
In FIG. 12, the maximum heat absorption is about 58 watts, and when the design of the conventional thermoelectric cooling module 1 is applied, it is used for heat absorption at about 45 watts. At this time, the size of the thermoelectric cooling module 1 is 25 mm square, and the heat flux density of the heat input to the thermoelectric cooling module 1 is about 7 w / cm. 2 It becomes. Thus, it can be seen that the thermoelectric cooling module 1 itself has a high heat absorption capability and can cope with a high heat flux even if it is small.
[0061]
However, the relationship between the current (power consumption) and the coefficient of performance (heat absorption / power consumption) of the thermoelectric cooling module 1 is as shown in FIG. 13, and when the current value near 5.5 A corresponding to the heat absorption of about 45 watts is obtained. It can be seen that the coefficient of performance is 1 or less.
[0062]
The present invention has been proposed to secure heat absorption while reducing power consumption. That is, the present inventor has decided to design the size and heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 to be used, for example, so that the coefficient of performance shown in FIG. 13 is 1 or more and the temperature difference required for heat radiation is secured.
[0063]
For that purpose, it is necessary to lower the heat absorption density at the same time. In view of these, as a result of the study by the present inventor, the design of the thermoelectric cooling module 1 is set so that the required heat absorption / maximum heat absorption is 40% or less. Was found to be suitable. In this case, although the size of the thermoelectric cooling module 1 is larger than the conventional selection criterion, the required heat absorption amount and the required temperature difference can be secured while reducing the power consumption.
[0064]
For example, based on the above, if the thermoelectric cooling module 1 is designed so that the required heat absorption / maximum heat absorption is 40% or less, the maximum heat absorption is 45 ° for the heat absorption of 45 w. It is necessary to make 0.4 larger than 112.5. Therefore, in order to set the coefficient of performance shown in FIG. 13 to 1 or more and secure the temperature difference required for heat radiation, it is understood that the thermoelectric cooling module 1 having a maximum heat absorption of 125 W, for example, should be designed.
[0065]
When the thermoelectric cooling module 1 having the maximum heat absorption of 125 w is designed, for example, the size of the thermoelectric cooling module 1 is about 35 mm square in this case, and the logarithm of the PN semiconductor is 15 × 15 = 225 pairs. If the characteristics of the PN thermoelectric semiconductor and the shape and size of the PN junction are the same as those used in the simulation of FIG. 12, an endothermic curve as shown in FIG. 14 is obtained.
[0066]
In this case, while the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 reaches 125 w, but the actual heat absorption is 45 w, the current value is 2.5 A. The heat flux density of the heat input to the thermoelectric cooling module 1 is about 3.7 w / cm 2 And the coefficient of performance at this time is about 2, as can be seen from FIG. That is, the thermoelectric cooling module 1 can secure a heat absorption amount twice as much as the input power.
[0067]
In addition, the heat flux converter 8 reduces the heat density of the heat generating unit 9 because the heat from the heat generating unit 9 such as an electronic device is efficiently input to the thermoelectric cooling module 1 due to the increase in the size of the thermoelectric cooling module 1. At the same time, it is necessary to increase the area for transferring heat to the thermoelectric cooling module 1.
[0068]
As can be seen from the above example, in practice, the coefficient of performance exceeds 1 even when about 50 to 60% of the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 is the necessary heat absorption, which leads to a reduction in power consumption. The smaller the required heat absorption / maximum heat absorption, the better. It is desirable that the required heat absorption / maximum heat absorption be 40% or less.
[0069]
FIG. 3 shows an example in which the heat transfer cooling device having the basic configuration of the thermoelectric cooling device of the present embodiment shown in FIG. The thermoelectric cooling module 1 used at this time was selected so that the maximum heat absorption (Qmax) was 120 w (Qr / Qmax = 19%) with respect to the required heat absorption (Qr) of 35 w. Then, the relationship between the input power and the thermal resistance of the heat generating unit 9 was obtained by variously changing the input power to the thermoelectric cooling module 1 when cooling the heat generating unit 9 having the maximum heat generation of 35 W.
[0070]
The larger the power input to the thermoelectric cooling module 1, the smaller the thermal resistance of the heat generating unit 9 can be. However, the rate of decrease in the thermal resistance decreases as the power input to the thermoelectric cooling module 1 increases, and Even if the input electric power is larger than 100% of the maximum heat generation amount (necessary heat absorption amount) of the heat generation unit 9, the thermal resistance does not decrease so much.
[0071]
As is clear from FIG. 3, by adopting the form of the thermoelectric cooling module 1 and the heat flux converter 8 as in the present embodiment, efficient cooling in which the power input to the thermoelectric cooling module 1 is reduced is achieved. It has become possible.
[0072]
FIG. 6 shows the measurement results of the ratio of the power consumption P and the heat absorption Q of the thermoelectric cooling module 1 to the thermal resistance value of the thermoelectric cooling device according to the present invention, for example, in the device having the basic configuration of the present embodiment. It is shown. In FIG. 6, unlike the present embodiment, Δ indicates that the heat generation amount of the heat generating unit 9 is 27 W, and Δ indicates that the heat generation amount of the heat generation unit 9 is 18 W. As shown in this figure, when P / Q <100 (%), a cooling device having a substantially stable performance was obtained, indicating that the power consumption was successfully suppressed.
[0073]
The present embodiment is configured based on the above study. In the present embodiment, the maximum power consumption of the CPU forming the heating unit 9 is 30 W, and the area of the heating unit 9 is 10 mm × 10 mm = 100mm 2 (= 1cm 2 ). Therefore, the heat generation density of the heat generating portion 9 is 30 W / cm. 2 It is.
[0074]
When the heat generation amount of the heating section 9 is 30 W, the thermoelectric cooling module 1 absorbs the heat of 30 W. In this case, the current applied to the thermoelectric cooling module 1 is 7 A, and the required power is 15 W. .
[0075]
Therefore, the heat sink 3 needs to radiate a total of 45 W, including 15 W which is the power consumption of the thermoelectric cooling module 1, in addition to the heat generated by the heat generating portion 9 of 30 W.
[0076]
Here, if the environmental temperature is 40 ° C., ΔT at the heat sink 3 is 17 ° C., which is the temperature of the first substrate 6 which is the high-temperature side substrate of the thermoelectric cooling module 1. When the above current is applied to the thermoelectric cooling module 1, a temperature difference of 15 ° C. on both sides of the thermoelectric cooling module 1 is obtained. Therefore, the temperature of the second substrate 7 which is the low-temperature side substrate of the thermoelectric cooling module 1 is 42 ° C. It becomes.
[0077]
At this time, the surface temperature of the CPU, that is, the temperature of the heat generating portion 9 rises by 30 ° C. due to the contact resistance of the grease portion, and eventually reaches 72 ° C. Therefore, in this embodiment, as can be seen from the temperature of 93 ° C. of the heat generating portion 9 on the surface of the CPU in the conventional example, the temperature can be significantly reduced.
[0078]
Further, as shown in FIG. 8, the present inventor provided a heat flux converter 8 in contact with the heat generating unit 9 and formed a configuration in which the heat of the heat flux converter 8 was radiated by the heat sink 3. The temperature of 9 was determined. As a result, the temperature was 84 ° C., and it was confirmed that, in comparison with this example, the heat generating portion 9 of the present embodiment can be cooled very efficiently.
[0079]
For example, if the area of the heat generating portion 9 of the electronic component or the like to be cooled is substantially the same as the area of the thermoelectric cooling module 1, the heat generating portion 9 and the thermoelectric cooling module 1 are substantially connected directly or via a thermal conductive grease or the like. In principle, it is considered that the heat of the heat generating portion 9 can be sufficiently absorbed by the thermoelectric cooling module 1 even without the heat flux converting function.
[0080]
However, in recent years, the miniaturization and high integration of electronic components have been progressing, and the area of the heat generating portion 9 has been reduced, and the contact area between the heat generating portion 9 and the thermoelectric conversion module 1 has reduced the heat absorption of the heat generating portion 9. In this case, the thermoelectric cooling module 1 cannot sufficiently absorb the heat of the heat generating portion 9.
[0081]
On the other hand, in the present embodiment, a heat flux converter 8 is provided between the second substrate 7, which is a heat absorbing side substrate of the thermoelectric cooling module 1, and the heat generating unit 9, and heat of the heat generating unit 9 is converted into heat flux. The heat is cooled by the thermoelectric cooling module 1 after the heat is diffused by the vessel 8 and the heat input density to the thermoelectric cooling module 1 is reduced, so that the heat generating portion can be cooled very efficiently.
[0082]
Note that the heat density of the heat generating part 9 is 20 W / cm due to small size and high integration, such as a CPU used for a high performance server. 2 In the case of exceeding, in the prior art, it was not possible to completely cool by air cooling, so it was necessary to rely on water cooling, cooling with a refrigerant, etc.If this embodiment example is applied, it is necessary to rely on water cooling etc. which has a risk of water leakage etc. In addition, the heat generating portion 9 can be efficiently cooled as described above.
[0083]
For example, if the maximum temperature can be tolerated up to the temperature (93 ° C.) of the heat generating portion 9 in the conventional example, a thermoelectric cooling device having a configuration similar to that of the present embodiment and a CPU having a heating value of 40 W are applied. be able to. That is, by efficiently cooling using the thermoelectric cooling device of this embodiment, the heat generation density is 40 W / cm. 2 Can be applied to an electronic device.
[0084]
FIG. 4 shows a main configuration of a thermoelectric cooling device according to a second embodiment of the present invention. The second embodiment is substantially the same as the first embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in that the thermoelectric cooling module 1 includes 15 thermoelectric cooling modules. That is, the Peltier modules 12 are formed side by side.
[0085]
In the second embodiment, the heat flux diffusion surface 15 and the heat flux diffusion rear surface 16 of the heat flux converter 8 have the same area, and the heat sink 3 is a fan-integrated heat sink having a fan 20.
[0086]
In the thermoelectric cooling device of the second embodiment, the heat generating portion 9 of the IGBT for power conversion is to be cooled. The size of the heat generating part 9 is 40 mm × 70 mm, the heat generation amount is 500 W, and the heat generation density is 18 W / cm. 2 Reach
[0087]
Although the heat generation density of the heat generating portion 9 is smaller than the heat generation density of the heat generating portion 9 to be cooled in the first embodiment, the required heat radiation is much larger. The maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module group as a whole is 500 × 2.5 = 1240 W with respect to the required heat radiation (= necessary heat absorption).
[0088]
Therefore, in the second embodiment, the thermoelectric cooling module 1 in which 3 × 5, a total of 15 Peltier modules 12 are arranged in parallel is applied in order to efficiently absorb the heat radiation and secure the maximum heat absorption. . One Peltier module 12 having a size of 40 mm square, a thickness of 2.2 mm and a maximum heat absorption of about 100 W (I = 16.5 A) was selected.
[0089]
In the second embodiment, although not particularly shown, the heat flux converter 8 is composed of twelve straight heat pipes each having a length of 200 mm and an outer diameter of 8 mmφ, which are arranged in parallel with almost no gap at equal intervals. Is made of an aluminum plate having a thickness of 0.8 mm, and a slight gap between the heat pipes and a gap between the aluminum plate heat pipes are filled with a thermally conductive resin.
[0090]
The capacity of the fan 20 provided on the heat sink 3 can ensure 3.0 m / s or more in front wind speed.
[0091]
The second embodiment is configured as described above, and the second embodiment can also provide the same effects as the first embodiment. In the second embodiment, although the size of the heat sink 3 is slightly increased, the temperature of the heat generating portion 9, that is, the surface temperature of the IGBT is reduced to 80 ° C. level by the heat absorbing action of the heat flux converter 8 and the thermoelectric cooling module 1. I was able to keep.
[0092]
Next, a third embodiment of the thermoelectric cooling device according to the present invention will be described. The third embodiment has the configuration shown in FIG. 5, and is configured almost similarly to the first embodiment. The feature of the third embodiment different from the first embodiment is that the heat sink 3 is a heat sink with an axial fan 20. In the third embodiment, the heat flux diffusion surface 15 and the heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8 have the same area.
[0093]
Using the third embodiment, the present inventor compared the third embodiment with the conventional example and found the difference in heat resistance of the heat sink by the cooling method. The results are shown in Table 1.
[0094]
[Table 1]
Figure 2004071969
[0095]
In Table 1, Conventional Example 1 has a cooling configuration using an aluminum heat sink 3 with a fan, which is most commonly used in the past, as shown in FIG. A 20 mm axial flow fan is mounted.
[0096]
The conventional example 2 has a cooling configuration in which the heat flux converter 8 is provided between the heat generating part 9 and the aluminum heat sink 3 as shown in FIG. An axial fan 20 is mounted. Further, in Conventional Example 2, the heat flux converter 8 is formed by a vapor chamber.
[0097]
In the third embodiment, the thermoelectric cooling module 1 of the thermoelectric cooling module 1 is provided between the heat flux converter 8 in the vapor chamber and the heat sink 3 made of aluminum in addition to the above-mentioned conventional example 2.
[0098]
In the third embodiment example and the conventional examples 1 and 2 shown in Table 1, the rotation speed of the fan is performed under the same condition. In each case, the size of the heat generating portion 9 is 10 mm × 10 mm, the heat sink 3 is made of aluminum, the height of the fins 13 is 25 mm, the size of the bottom portion (base) 14 is 100 × 50 mm, and the size of the heat flux converter 8 is also It has the same size as the bottom of the heat sink 3.
[0099]
As is clear from Table 1, in the conventional example 1, when the load of the heat generating part 9 is 40 watts, the thermal resistance of the heat sink 3 is 1.57 ° C./W, so that ΔT = 62.8 deg, and when the environmental temperature is 40 ° C. , The temperature of the heating section 9 exceeds 100 ° C. On the other hand, in the third embodiment, even when the load on the heat generating portion 9 is 40 watts, the thermal resistance of the heat sink 3 is 1.14 ° C./W, so ΔT = 45.6 deg, and the temperature of the heat generating portion 9 is 86 ° C. Was able to be suppressed.
[0100]
Next, a fourth embodiment of the thermoelectric cooling device according to the present invention will be described. The thermoelectric cooling device according to the fourth embodiment is an example in which the present invention is applied to a cooling device for a heat generating unit 9 that generates heat of 5 watts in a size of 5 mm square as a micro LSI, and the heat generation density of the heat generating unit 9 is 20 w / cm 2 It becomes. The basic configuration of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment.
[0101]
The heat flux converter 8 has a copper plate having a thickness of 3 mm and a side size of 15 mm, and a diamond layer is coated on one entire surface of the copper plate with a thickness of 30 μm, and the other surface is coated with a diamond layer. Has a thin gold plating. The surface of the heat flux converter 8 on the diamond layer forming side is in contact with the heat generating portion 9, and the surface of the heat flux converter 8 on the gold plating side is disposed so as to be in thermal contact with the thermoelectric cooling module 1.
[0102]
The size of the thermoelectric cooling module 1 is 15 mm on one side which is the same as the copper plate, and the thickness is 2.5 mm including the ceramic substrates on both sides. Aluminum nitride having good thermal conductivity of about 230 w / mK is used as the material of the ceramic substrate. The maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module 1 was set to be three times the required heat absorption, that is, 15 w or more. Specifically, the thermoelectric element of the thermoelectric cooling module 1 has a logarithm of 35 and one P or N-type thermoelectric semiconductor cross-sectional area of 1.44 mm. 2 And
[0103]
At this time, the thermoelectric cooling module 1 can output the maximum heat absorption of 23 w near 11 amps, but the required heat absorption is 5 w, so the power input to the thermoelectric cooling module at this time is only 2 w. At this time, the temperature difference between both sides of the thermoelectric cooling module 1 can be set to about 17 ° C.
[0104]
A heat sink 3 is provided on the high-temperature side of the thermoelectric cooling module 1. The base 14 of the heat sink 3 has a size of 15 mm square and a thickness of 3 mm, and the base 14 is provided with a plurality of aluminum fins 13 at intervals. The specifications of the heat sink 3 are such that the pitch of the fins 13 is 1.7 mm, the thickness of the fins 13 is 0.6 mm, and the height of the fins 13 is 15 mm.
[0105]
In the fourth embodiment, when a wind of 0.5 to 0.8 m / s is generated by the system fan 20a at an ambient temperature of 40 ° C., the maximum temperature of the base portion 14 of the heat sink 3 is 57 ° C., and thermoelectric cooling is performed. The temperature of the substrate on the heat absorption side of the module 1 became 40 ° C., and the temperature of the heat generating portion 9 through the heat flux converter 8 could be made about 75 ° C.
[0106]
As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to achieve effective cooling of the heat generating portion 9 of an electronic component having an extremely high heat generation density by increasing power consumption by only 2 watts. Was.
[0107]
The present invention is not limited to the above embodiments, but may be set as appropriate. For example, in each of the above embodiments, the heat conductive part 9, the heat flux converter 8, the thermoelectric cooling module 1, and the heat sink 3 are provided with the heat conductive grease 11 on the respective contact surfaces, but instead of the heat conductive grease 11. Alternatively, a heat conductive member other than the heat conductive grease 11 may be provided, or the contact surface may be brought into direct contact without the heat conductive member.
[0108]
Further, in the first and third embodiments, the heat flux converter 8 is a vapor chamber (flat heat pipe). In the second embodiment, the heat flux converter 8 is a raft-shaped heat pipe. In the fourth embodiment, a copper plate is used for the heat flux converter 8.
[0109]
However, the configuration of the heat flux converter 8 is not particularly limited and is appropriately set, and an appropriate heat flux converter 8 having a heat diffusion function in the surface direction of the heat flux diffusion surface 15 is applied. Can be. The heat flux converter 8 can be configured to include, for example, a heat conductive plate using diamond, high heat conductive carbon, graphite, and a composite member thereof, or a heat pipe.
[0110]
When a heat pipe other than the flat heat pipe is used for the heat flux converter 8, a plurality of heat pipes may be combined to form a plate in order to spread the heat from the small-sized electronic component heating element in a planar manner. You can also. In other words, as the heat flux converter 8, a device in which several pipe-shaped heat pipes are attached to a copper plate or an aluminum plate, or heat is easily transferred in the direction of the embedded surface can be applied.
[0111]
In any case, in order to obtain the maximum heat flux expansion effect, the heat flux converter 8 uses water as a working fluid, a heat conductive plate using a vapor chamber or a heat pipe and a composite member thereof, or a vibrating heat source. It can be formed of a planar material called a pipe.
[0112]
Further, the heat flux converter 8 can also be formed by a composite member in which a plane direction thermally conductive carbon filler is impregnated in an aluminum alloy. Some composite members of this type have a thermal conductivity in the plane direction of about 1000 w / mK due to the high thermal conductivity of the carbon filler.
[0113]
The heat flux converter 8 preferably has an equivalent thermal conductivity of 500 W / mK or more. Here, the equivalent thermal conductivity refers to the thermal conductivity when the thickness, length, and the like are regarded as the same as the thermal conductivity of a solid when the thermal conductivity is not solid heat such as a heat pipe.
[0114]
The number and arrangement of the Peltier modules 12 constituting the thermoelectric cooling module 1 and the number of thermoelectric conversion elements 5 provided in the thermoelectric cooling module 1 are not particularly limited, and are appropriately set. It suffices that at least the second substrate 7 of the module 1 has substantially the same area as the heat flux diffusion back surface 16 of the heat flux converter 8 and serves as the heat absorption side substrate.
[0115]
Further, the configuration of the heat sink 3 is not particularly limited and may be appropriately set. For example, the heat sink 3 may be a copper heat sink or a heat sink having the fins 13 in a curved shape. When the fan 20 is integrated, an axial fan can be easily combined. However, other types such as a sirocco fan may be used. Alternatively, the fan 20 may be used in combination with other system cooling of the electronic device instead of the integrated fan.
[0116]
【The invention's effect】
According to the present invention, a cooling method using a thermoelectric cooling module can obtain a maximum cooling effect while suppressing power consumption.
[0117]
Further, according to the present invention, the heat of the heat generating portion is diffused by the heat flux converter arranged in contact with and opposed to the heat generating portion, the heat density is reduced, and then the cooling is performed by the thermoelectric cooling module. By dissipating the heat by the heat sink, the heat generating portion having a high heat generation density can be cooled very efficiently.
[0118]
Furthermore, according to the present invention, it is not necessary to set a large temperature difference on both sides of the thermoelectric cooling module for long-term reliability, which is important as a function of the electronic component, so that the thermal strain applied to the thermoelectric module can be suppressed to be small. The life of the module can be extended.
[0119]
Further, in the present invention, the heat pipe has at least one heat transport member of a vapor chamber and a flat heat diffusion plate incorporating the heat pipe, and the heat transport member has a hydraulic fluid therein. According to the configuration in which the heat transfer is performed by utilizing the phase change of the working fluid, the heat of the heat generating portion can be efficiently diffused by the heat flux converter, and the above effect can be exhibited more efficiently.
[0120]
Further, in the present invention, a temperature detecting unit is provided at at least one of the heat generating unit and the heat flux converter, and the thermoelectric cooling module is turned on so that the detected temperature of the temperature detecting unit is lower than a preset temperature. According to the configuration in which the power control unit that controls the power continuously or intermittently is provided, the power supplied to the thermoelectric cooling module can be appropriately controlled by the control of the power control unit, and the above effects can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main part configuration diagram showing a first embodiment of a thermoelectric cooling device according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between electric power supplied to a thermoelectric cooling module and a ratio of a heat absorption amount to the supplied electric power.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the power input to the thermoelectric cooling module and the thermal resistance when the maximum heat generation amount of the heat generating section is 35 W in the first embodiment.
FIG. 4 is a main part configuration diagram showing a second embodiment of a thermoelectric cooling device according to the present invention.
FIG. 5 is a main part configuration diagram showing a third embodiment of a thermoelectric cooling device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a relationship between cooling performance and power consumption in the thermoelectric cooling device according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a cooling configuration of a heat generating portion of an electronic component proposed conventionally.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing another example of the cooling configuration of the heat generating portion of the electronic component.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing another example of the cooling configuration of the heat generating portion of the electronic component.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing still another example of the cooling configuration of the heat generating portion of the electronic component.
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a thermoelectric cooling module.
FIG. 12 is a graph showing an example of the relationship between the current consumption (power consumption) of the thermoelectric cooling module and the low-temperature side heat absorption.
FIG. 13 is a graph showing a relationship example between the current of the thermoelectric cooling module and the coefficient of performance.
FIG. 14 is a graph showing another example of the relationship between the power consumption of the thermoelectric cooling module and the amount of heat absorption on the low-temperature side.
[Explanation of symbols]
1 Thermoelectric cooling module
2 electrodes
3 heat sink
5,5a, 5b thermoelectric conversion element
6 First substrate
7 Second substrate
8 Heat flux converter
9 Heating part
11 Thermal conductive grease
15 Heat flux diffusion surface
16 Heat flux diffusion back

Claims (3)

発熱部に直接または熱伝導性部材を介して熱流束拡散表面が接触対向配置される熱流束変換器を有し、該熱流束変換器は前記発熱部より大きい伝熱面積を有して前記発熱部の熱を拡散する構成と成し、前記熱流束変換器と直接または熱伝導性部材を介して熱電冷却モジュールが前記熱流束変換器の熱流束拡散背面に接触対向配置され、該熱電冷却モジュールは互いに間隔を介して対向配置された第１の基板と第２の基板を有し、該第２の基板は前記熱流束変換器の熱流束拡散背面と実質的に接触しており、前記熱電冷却モジュールの前記第１の基板と第２の基板間には複数の熱電変換素子が立設配置され、これらの熱電変換素子に電流を流すことにより前記第２の基板が吸熱側の基板と成して前記第１の基板が放熱側の基板と成し、該第１の基板側には該第１の基板と直接または熱伝導性部材を介してヒートシンクが接触対向配置されており、熱電冷却モジュールの最大吸熱量を必要吸熱量の２．５倍以上とし、熱流束変換器の熱電冷却モジュール側の熱の授受面積を熱電冷却モジュールの熱流束変換器側の熱授受面積の約８０％以上約１２０％以下としたことを特徴とする熱電冷却装置。A heat flux converter having a heat flux diffusion surface disposed in direct contact with the heat generating portion or through a heat conductive member, and having a heat transfer area larger than that of the heat generating portion. And a thermoelectric cooling module is disposed in contact with and opposed to the heat flux diffusion back surface of the heat flux converter directly or via a heat conductive member. Has a first substrate and a second substrate opposed to each other with an interval therebetween, the second substrate being substantially in contact with the heat flux diffusion back surface of the heat flux converter, A plurality of thermoelectric conversion elements are erected between the first substrate and the second substrate of the cooling module, and the second substrate is formed with the heat-absorbing substrate by passing a current through these thermoelectric conversion elements. Then, the first substrate forms a substrate on the heat radiation side, and the first substrate A heat sink is disposed on the plate side in direct contact with the first substrate or via a heat conductive member, and the maximum heat absorption of the thermoelectric cooling module is at least 2.5 times the required heat absorption, and the heat flux conversion is performed. A thermoelectric cooling device characterized in that the heat transfer area on the thermoelectric cooling module side of the vessel is about 80% to about 120% of the heat transfer area on the heat flux converter side of the thermoelectric cooling module. 熱流束変換器はヒートパイプと該ヒートパイプを組み込んだ平面型の熱拡散板とベーパーチャンバーの少なくとも１つの熱輸送部材を有しており、前記熱輸送部材は内部に作動液を有して該作動液の相変化を利用して熱輸送を行うことを特徴とする請求項１記載の熱電冷却装置。The heat flux converter has a heat pipe, a flat heat diffusion plate incorporating the heat pipe, and at least one heat transport member of a vapor chamber, wherein the heat transport member has a working fluid therein and has The thermoelectric cooling device according to claim 1, wherein heat transport is performed using a phase change of the working fluid. 発熱部と熱流束変換器の少なくとも一箇所に温度検出部が設けられ、該温度検出部の検出温度が予め設定された設定温度未満となるように、熱電冷却モジュールの投入電力を連続的または断続的に制御する電力制御部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電冷却装置。A temperature detecting unit is provided at at least one of the heat generating unit and the heat flux converter, and the input power of the thermoelectric cooling module is continuously or intermittently controlled so that the detected temperature of the temperature detecting unit is lower than a preset temperature. The thermoelectric cooling device according to claim 1, further comprising a power control unit that performs dynamic control.
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