JP2001059660A - 混合熱電冷却装置および方法 - Google Patents

混合熱電冷却装置および方法

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JP2001059660A JP2000210130A JP2000210130A JP2001059660A JP 2001059660 A JP2001059660 A JP 2001059660A JP 2000210130 A JP2000210130 A JP 2000210130A JP 2000210130 A JP2000210130 A JP 2000210130A JP 2001059660 A JP2001059660 A JP 2001059660A
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cooling
thermoelectric
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Uttam Shamalindu Ghoshal
ウッタム・シャマリンドゥ・ゴシャル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電冷却を従来の動的冷却技法と組み合わせ
て使用した周囲温度以下の冷却装置および方法を提供す
ること。 【解決手段】 一形態では、蒸気相冷却システムが温度
（Ｔ）を与え、熱電冷却器と連結される。熱電冷却器は
ペルチエ冷却などの熱力学を利用して温度差ΔＴを与え
る。したがって熱電冷却器は、約Ｔ−ΔＴの温度を物体
に与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に冷却システム
に関する。より具体的には本発明は、熱電冷却と少なく
とも１つの他の型の冷却との混合体を用いた冷却装置お
よび方法を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】周囲温度以下の冷却は従来、熱伝達を実
施するためにフレオン型の冷媒を用いた気体液体蒸気相
圧縮に基づく冷却サイクルによって行われてきた。その
ような冷却システムは、人間の住居、食品、および車両
の冷却用に広く使用されている。周囲温度以下の冷却
は、メインフレーム・サーバやワークステーション・コ
ンピュータなど主な電子システムにもしばしば用いられ
る。蒸気圧縮冷却はきわめて効率的にできるが、これは
最低でもコンプレッサ、凝縮器、および蒸発器、ならび
に関係する冷媒移送配管を含めて、重要な移動ハードウ
ェアを必要とする。複雑さおよびそれに付随する高コス
トのために、蒸気圧縮冷却は、小規模の冷却用途、例え
ばパーソナル・コンピュータには余り受け入れられては
いない。
【０００３】ＣＭＯＳ論理が温度の低下とともに著しく
より高速で動作するという事実は、少なくとも１０年前
からよく知られている。例えば、ＣＭＯＳ論理デバイス
が−５０℃で動作する場合、室温動作に比べて性能が５
０パーセント改善される。−１９６℃付近の液体窒素動
作温度では２００パーセントの性能改善を示す。同様の
利点が集積回路配線でも得られ、−５０℃で動作する集
積回路では室温動作に比べて金属配線抵抗が２分の１に
低下する。この改善は、銅配線を集積回路で使用して相
互接続抵抗を低減し、それによって到達可能な動作周波
数を効果的に増大させるという最近のテクノロジー・ブ
レークスルーに匹敵する。このように、電界効果トラン
ジスタなどの集積回路論理デバイス、ならびに相互接続
配線の周囲温度以下の動作は、集積回路性能を大幅に改
善することができるが、たえず縮小するサイズおよび大
幅なコスト縮小の環境という制約の中で、そのような冷
却をいかに実現するかという問題が残っている。
【０００４】熱電冷却は、広く用いられるペルチエ・デ
バイスのサイズがコンパクトであるため一部で使用され
る一代替方法である。ペルチエ・デバイスはテルル化ビ
スマスやテルル化鉛などの半導体材料から製造される。
新規の材料が現在様々な大学で評価されているが、未だ
実を結ぶに至っていない。一般に使用されているペルチ
エ材料は、高い導電率と熱伝導率を有する通常の金属と
は対照的に、きわめて高い導電率と比較的低い熱伝導率
を示す。動作中、ペルチエ・デバイスは、ペルチエ・デ
バイスの両端間に形成された電界に応答して、電子を温
度Ｔcoldのコールド・シンクから温度Ｔhotのホット・
シンクへ移動させる。
【０００５】図１に、従来のペルチエ型熱電素子（Ｔ
Ｅ）１を、直流電源２によって負荷電流３においてＴＥ
１の両端間に発生される電界と共に概略図で示す。所望
の熱伝達は、温度Ｔcoldのコールド・シンク４から温度
Ｔhotのホット・シンク６までである。図１の式に示す
ように、伝達される正味の熱エネルギーは３つの成分か
らなり、第１の成分はペルチエ（熱電）効果の寄与分を
示し、第２の成分は負のジュール加熱効果を規定し、第
３の成分は負の伝導効果を規定する。熱電成分は、ゼー
ベック係数、動作温度（Ｔcold）、および印加される電
流から構成される。ジュール加熱成分は、ジュール加熱
のほぼ半分がコールド・シンクに移動し、残りがホット
・シンクに移動することを反映する。最後に、熱伝導に
帰することができる負の成分は、ペルチエ・デバイスの
熱伝導率で規定される、ペルチエ・デバイスを経由する
ホット・シンクからコールド・シンクまでの熱流を表
す。式（１）を参照のこと。
【数１】
【０００６】ペルチエ・デバイス熱電冷却は、冷却が完
全にソリッド・ステートであるのできわめて信頼性が高
い。熱電冷却の重要なマイナスの側面は非効率なことで
あり、ペルチエ・デバイスの冷却システム効率は、コー
ルド・シンクと周囲の間の相対的公称温度降下に対して
一般に２０パーセント付近でしかない。上の式（１）は
ペルチエ・デバイスがいかに速く非効率になるかを明確
に示している。熱伝達の熱電成分は電流に正比例して増
大し、ジュール加熱は電流の２乗に比例して増大するの
で、熱伝導はホット・シンクとコールド・シンクの温度
差に正比例する。例えば、０℃の周囲温度以下の温度に
おいて１ワットのレートで冷却するためには、ペルチエ
冷却システムに５ワットの電力を供給しなければならな
い。伝達される熱の量が増大するにつれて、周囲に放散
される合計パワーのため大規模な対流デバイスおよび高
出力電源回路が必須になる。したがって、ペルチエ・デ
バイス熱電冷却は、大きな温度差では蒸気圧縮冷却シス
テムに比ベて効率が低く、その結果、集積回路の性能を
改善するための広く適用可能な技術とは考えられていな
い。
【０００７】蒸気圧縮冷却システムは周囲温度以下の冷
却用の現在の熱電冷却構成に比べて有利であるが、その
ようなシステムは制限がないのではなく、０℃以下の冷
却用途では特にそうである。容易に使用可能な蒸気圧縮
冷却システムは現在、−２０℃での動作に最適化された
コンプレッサおよびガス混合物に基づいている。そのよ
うな０℃以下の蒸気圧縮冷却システム２００の一例を図
２に示す。蒸気圧縮冷却システム２００は、コンプレッ
サ２０１と、凝縮器２０２と、向流式熱交換器２０４、
蒸発器２０５、ＪＴ弁２０６、導入管２０７、および戻
り管２０８を含む冷媒分配システム２０３とを有し、そ
れらは全て当技術分野でよく知られている。
【０００８】蒸気圧縮冷却システム２００は、マルチチ
ップ・モジュール（ＭＣＭ）２０９の近傍で冷媒を供給
することによってＭＣＭの冷却に用いられる。冷媒分配
システム２０３の全体、およびＭＣＭ２０９は、超断熱
２１０により絶縁される。超断熱２１０および除霜制御
２１１は、０℃以下の温度に冷却するために蒸気圧縮冷
却システム２００を使用する副産物として生成する凝縮
２１２の量を制限する。
【０００９】−２０℃以下の動作温度を達成しようと試
みるとき、蒸気圧縮冷却システムで直面する多数の問題
および制限がある。例えば、動作温度が低下するにつれ
て、コンプレッサのボリュームが増大して空間および重
量の制限をもたらす。その上、動作温度が低下するにつ
れて、冷却コストが増大する。−２０℃以下の温度で動
作する冷却システムは、さらなる凝縮２１２ならびに凝
縮に関する信頼性の問題を防止するために強化された絶
縁および除霜制御を必要とする。−２０℃以下で動作す
る蒸気圧縮システムの他の制限は、冷却要求に迅速に応
答できないことである。例えば、集積回路の処理速度の
向上により、現在の蒸気圧縮システムでは対応できない
急速な温度遷移を生じ、適切な冷却が必要である。
【００１０】蒸気圧縮冷却システムのコスト性能比は、
冷却サイクルにおけるコンプレッサおよび流体のコスト
および性能によって決まる。０℃蒸気圧縮冷却システム
は、広く存在する産業用途向けに標準の冷却流体（Ｒ１
３４等）を用いる０℃コンプレッサの高ボリュームを生
成することによってこのコスト性能比を利用することが
できる。しかし、０℃以下、例えば−５０℃の温度を実
現するには、新規のコンプレッサおよび流体を使用しな
ければならない。この追加された要件により、現在の蒸
気圧縮冷却システムのコスト性能比が著しく増大する。
【００１１】したがって、周囲温度以下の冷却用途での
従来の冷却システムの使用を制限する、効率および温度
差に対するきわめて基本的な制約がいくつかある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱電冷却器
の動作温度を最適化するために熱電冷却器を従来の冷却
システムと併せて使用し、それによって効率的な冷却装
置を作り出すことによって、従来の冷却システムおよび
熱電冷却の基本的な個々の制約を克服するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】一形態では、本発明は、
第１の公称温度の物体と、第１の温度よりも相対的に高
い第２の公称温度の冷却システムと、物体および冷却シ
ステムに結合するように位置した熱電冷却器とを備える
装置に関する。
【００１４】別の形態では、本発明は、周囲温度より低
い温度Ｔで熱エネルギーを吸収する冷却システムと、冷
却システムに連結され、冷却システムと物体の間にΔＴ
を与えて物体に約Ｔ−ΔＴの温度を与えるための熱電冷
却器とを備える、周囲温度で動作可能な冷却装置に関す
る。
【００１５】別の形態では、本発明は、物体と、冷却シ
ステムと、物体および冷却システムに結合するように位
置した熱電冷却器とを有する装置を動作させる方法であ
って、第１の公称温度に物体を維持するステップと、第
１の公称温度より相対的に高い第２の公称温度に冷却シ
ステムを維持するステップと、熱電冷却器を使用可能に
するステップとを含む方法に関する。
【００１６】別の形態では、本発明は、冷却システム
と、冷却システムに連結された熱電冷却器とを有する、
周囲温度で動作可能な冷却装置を動作させる方法であっ
て、周囲温度より低い温度Ｔで熱電冷却器から熱エネル
ギーを吸収するステップと、熱電冷却器により温度差Δ
Ｔを与えるステップと、熱電冷却器に連結された物体に
約Ｔ−ΔＴの温度を与えるステップとを含む方法に関す
る。
【００１７】本発明の特殊化された一形態において、装
置は、少なくとも１つのペルチエ・デバイスを含む熱電
冷却器に結合された蒸気相冷却システムのような冷却シ
ステムを提供する。冷却システムは、ΔＴの温度変化を
与える熱電冷却器に熱的に結合されて、温度Ｔを与え
る。したがって装置は約Ｔ−ΔＴの総合温度差を物体に
与える。熱電冷却器の効率は、冷却システムにより与え
られた周囲温度以下の温度で熱電冷却器を動作させるこ
とによって得られる。
【００１８】本発明のその他の目的、利点、特徴、特
色、ならびに構造の関係する要素の動作および機能、部
品の組合せ、および製品の経済性は、添付の図面を参照
しながら以下の説明および特許請求の範囲を考慮すれば
明らかになるであろう。それらは全て本明細書の一部で
あり、様々な図において同じ参照番号は対応する部品を
指す。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下の好ましい実施形態の詳細な
説明では、その一部をなす添付の図面を参照する。図面
には、本発明が実施される特定の好ましい実施形態が例
示的に示されている。これらの実施形態は当業者が実施
するのに十分な詳しさで記述されている。他の実施形態
も使用可能であり、本発明の精神および範囲から逸脱す
ることなく論理的、機械的、および電気的変更が可能で
あることを理解されたい。当業者による本発明の実施を
可能にするのに必要でない詳細を避けるために、説明に
おいて当業者に周知の一定の情報は省略することがあ
る。したがって以下の詳細説明は限定的な意味に解釈す
べきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に
よってのみ定義される。
【００２０】本発明の概念的な基礎は、従来のまたは他
の形の、熱電冷却器の冷却特性および少なくとも１つの
他の冷却システムの冷却特性を組み合わせて、普通なら
個別には得られない利点および効率を実現するものであ
る。その目的は、冷却システムを使用して周囲温度以下
の温度Ｔで熱電冷却器を動作させ、次いで熱電冷却器を
使用してΔＴを与え、物体に約Ｔ−ΔＴの温度を与える
ことにある。
【００２１】図３は、本発明の簡略化した概略図であ
り、周囲温度より低い温度Ｔで熱エネルギーを吸収する
冷却システム３０１を含む、周囲温度で動作可能な冷却
装置３００を示す。冷却システム３０１に連結された、
冷却システム３０１と物体３０３の間の温度差ΔＴを与
えるための熱電冷却器３０２も含まれている。以下の説
明から理解されるように、物体３０３は固体、気体、ま
たは液体として任意の形態をとることができる。したが
って約Ｔ−ΔＴの温度が物体３０３に与えられる。例え
ば、冷却システム３０１は公称温度−２０℃Ｔを有する
ことが可能であり、ＴＥＣ３０２は熱電冷却を使用して
５０℃の温度差ΔＴを与えることが可能であり、したが
って物体３０３には約Ｔ−ΔＴすなわち−７０℃の温度
が与えられる。
【００２２】ＴＥＣ３０２の動作効率は、ＴＥＣ３０２
が周囲温度以下の温度Ｔで動作してより大きい温度差Δ
Ｔを実現できるように、物体３０３と冷却システム３０
１の間にＴＥＣ３０２を配置することによって向上す
る。ＴＥＣ３０２の動作効率は、熱電素子の性能指数
（ＺＴ）の最適化によって、周囲温度以下の温度におい
て向上する。例えば、ｐ−Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3および
ｎ−Ｂｉ2Ｔｅ2.7Ｓｅ0.3などの合金および超格子から
作成された熱素子は−２０℃で最適化される。周囲温度
以下の温度において、これらのタイプの合金および超格
子の導電率は、熱伝導率の増大よりも速く増大する。Ｔ
ＥＣ３０２をより効率的に動作させる結果、マイクロエ
レクトロニクス回路の可変的スイッチング動作に対する
速い冷却時間が与えられる。上記の例では、装置３００
は約−７０℃の温度Ｔ−ΔＴを与える。本発明の他の実
施形態では、装置３００は、本発明の範囲から逸脱する
ことなく任意の所望温度差を実現する複数の方法で構成
できる。例えば、ＴＥＣ３０２は、−１０℃の温度差Δ
Ｔを与え、したがってＴ＝−２０℃の場合に物体３０３
が温度Ｔ−ΔＴすなわち−１０℃に維持されるように構
成できる。このようにして、ＴＥＣ３０２は、冷却シス
テム３０１と物体３０３の間の熱絶縁体として作用す
る。
【００２３】本発明は、冷却システム３０１、ＴＥＣ３
０２、および物体３０３を有する装置３００を動作させ
る方法を提供する。この冷却方法は、第１の公称温度に
物体３０３を維持するステップと、第１の温度より相対
的に高い第２の公称温度に冷却システム３０１を維持す
るステップと、ＴＥＣ３０２を使用可能にするステップ
とを含む。ＴＥＣ３０２は熱エネルギーを物体３０３か
ら放散させることによって物体３０３を冷却するように
動作する。
【００２４】図３には単一のＴＥＣを示すが、本発明は
多くの異なるタイプのＴＥＣ構成を使用して実現するこ
とができる。例えば図３に示したＴＥＣ３０２は、より
大きな温度差ΔＴｓを与えるため多段熱電冷却器とする
ことができる。ＴＥＣ３０２は、物体のスポット冷却を
行うためにマイクロエレクトロニクス部品の上または周
りに戦略的に配置された単一のペルチエ・デバイスとす
ることもできる。したがって、本発明では熱電冷却器と
デバイスの任意の組合せが利用できる。加えて、ＴＥＣ
３０２に印加される電圧の極性に応じてどちらの方向に
も熱エネルギーを伝達するようにＴＥＣ３０２を動作さ
せることができる。本発明の好ましい実施形態では、Ｔ
ＥＣ３０２は物体３０３を冷却するように構成されてい
る。本発明の範囲内で、ＴＥＣ３０２は、本発明の精神
から逸脱することなく、物体３０２に熱エネルギーを与
えるように構成することもできる。
【００２５】本発明の一実施形態において、冷却システ
ム３０１は、例えば図２に関して説明したシステムのよ
うな蒸気相冷却システムを含むことができる。本発明の
別の実施形態では、冷却システム３０１は、公称温度を
与えるためのマイクロ加工されたヒート・パイプを含む
ことができる。当技術分野で周知のように、参照により
本明細書に組み込まれるマイクロ加工されたヒート・パ
イプは現行の半導体技術の方法を使用して作成される。
ヒート・パイプは、表面領域基板の上にはめ込まれた小
さい幾何的チャネルからなる。マイクロ加工されたヒー
ト・パイプは、小さい幾何的チャネル中に冷媒を循環さ
せることによって冷却を行う。この循環は対流によって
生成し、ＴＥＣ３０２から熱エネルギーを伝達すること
ができる。
【００２６】図４に、本発明の好ましい実施形態による
混合冷却装置を示す。図４で用いる図２の番号と類似の
参照番号は、同じ、または類似する、または等しい構成
要素を示している。温度差ΔＴは、少なくとも１つの熱
シンク４２０に結合された、マルチチップ・モジュール
４０９に温度Ｔ−ΔＴを与えるためのＴＥＣ４４０によ
って達成される。装置４００はＴＥＣ４４０およびマル
チチップ・モジュール４０９の周囲に、一定温度を維持
し、０℃以下の冷却中に起こる凝縮を最小にするための
局在的超断熱４１０も含んでいる。除霜制御４１１は、
必要なときに凝縮を加熱し、水分を蒸発させることによ
って、除霜制御を行う。次いで単純な絶縁４２１は、超
断熱とは対照的に、適切な場合に、装置４００の残りの
部分で使用できる。このようにして、局在的超断熱４１
０内のより小さい領域が温度Ｔ−ΔＴまで冷却できる。
【００２７】図５に、本発明の別の実施形態である装置
５００を示す。装置５００はＩＢＭのＳ／３９０システ
ム・コンポーネントを利用している。装置５００は、温
度Ｔの蒸気相冷却システムおよび３段熱電冷却器５１６
を使用して、温度差ΔＴおよび０℃以下の温度Ｔ−ΔＴ
を与える。装置５００は冷却システム５０２内に冷媒を
含み、かつ約Ｔ−ΔＴの温度を与えるためのコールド・
チャック５０３を含む。除霜抵抗を有する除霜制御５０
４および除霜受器５０９も含まれている。装置５００は
マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）５１２装着用のベ
ース・プレート５１０、およびＭＣＭ５１２に隣接する
第２のアセンブリ・レベルを含む。ＭＣＭ５１２上に、
装置５００による冷却を必要とするマイクロエレクトロ
ニクス回路（チップ）５１３が装着されている。ピスト
ン５１４およびスプリング５１５を使用して、冷却ハッ
ト５０７とＭＣＭ５１２の間で熱接触が維持されるよう
にする。冷却ハット５０７内にドライ・ヘリウム・チャ
ンバ５１８および制御ノブ５０８がある。
【００２８】本発明の好ましい実施形態では、冷却ハッ
ト５０７はＴＥＣ５１６に結合され、約Ｔ−ΔＴの温度
にＭＣＭ５１２を冷却する。ＴＥＣ５１６は３段熱電冷
却器であり、冷却システム５０２のコールド・チャック
５０３と冷却ハット５０７の間に配置される。コールド
・チャック５０３および冷却ハット５０７はガード５０
６により熱絶縁されている。３段ＴＥＣ５１６の高温側
の動作を０℃の温度Ｔまたはその付近に維持し、ＴＥＣ
５１６の低温側の動作を−５０℃またはその付近の温度
Ｔ−ΔＴに維持することによって、３段ＴＥＣ５１６の
効率は向上する。これにより、３段ＴＥＣ５１６は効率
的に動作し、ＭＣＭ５１２の温度の急激な変化に迅速に
反応する。
【００２９】図６に、本発明に特に適したタイプの代表
的なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの
構造を概略図として示す。ＭＥＭＳとＭＥＭＳの使用お
よび用途についてのさらなる考察および説明について
は、米国特許第５８６７９９０号を参照されたい。ＭＥ
ＭＳ技術は未だ揺籃期にあるので、図６に示したスイッ
チは、熱電素子とシンクの間で選択的な電気的かつ熱的
結合を行うのに適する、可能性のある多くのスイッチ構
成の１つを示したものにすぎない。図６に示すスイッチ
は、従来の集積回路技法を用いて、シリコン・チップ６
１６の表面上に、薄い可撓性のメンブレン６１８におけ
る移動によってわずかな変位を受けることができるニッ
ケル・マグネット６１７のアレイを形成するように作成
される。らせんコイル６１９に電流を導入すると、磁気
アレイをシリコン・チップの平面に垂直な方向に平行移
動させるのに十分な力が発生する。図６のＭＥＭＳスイ
ッチは、開いているときは比較的低い熱伝導率を有する
が、作動によって閉じたいときは比較的高い導電率およ
び熱伝導率を有するはずである。図６のＭＥＭＳデバイ
スによって電気的ならびに熱的スイッチングが実現され
るので、この二重の機能を引き立たせる多数の革新的な
改善が期待される。
【００３０】図７は、ＭＥＭＳデバイスのアレイを使用
して、ペルチエ型熱電デバイスとシンクの間に選択的に
電気的かつ熱的接続を確立することを示す。熱電素子７
２１と高温シンクＭＥＭＳスイッチ７２３の磁気アレイ
７２２間の間隔、および熱電素子７２１と低温シンクＭ
ＥＭＳスイッチ７２４の磁気アレイ７２２間の間隔は、
それぞれ０．５ミクロンの公称範囲にあると予想され
る。この寸法により、公称サイズの電気コイル６１９
（図６）がスイッチ構造の作動を開始できると予想され
る。スイッチ・サイクルは数秒程度で生じると予想され
るので、ＭＥＭＳデバイスのキロヘルツ周波数スイッチ
ングに関連する信頼性は問題にはならないはずである。
【００３１】図６および図７に関して説明したＭＥＭＳ
型熱スイッチは、可能性のある多くのスイッチ構成の１
つにすぎない。例えば、容量性スイッチ構造内で発生し
た静電力を同様の目的実現のために使用できることは十
分に企図されている。すべてのスイッチの根本的な目標
は、スイッチが閉じたとき、熱電素子とシンクの間の熱
経路が最大熱コンダクタンスを有し、スイッチが開いた
場合は熱コンダクタンスは到達可能な最小値であり、同
時に導電ジュール加熱が最小になり、電気スイッチ状態
の極値が最大になるように、スイッチ位置に対する熱伝
導率の極値を最大にすることである。
【００３２】図７は、複数の熱電素子およびアレイとし
て構成されたＭＥＭＳスイッチを示す。熱電素子および
スイッチが多数あるため、本発明の基礎となる過渡特性
が熱電素子およびスイッチ材料の寸法内で実現できる。
言い換えれば、ジュール加熱成分および伝導成分からの
熱電的熱伝達の分離は、熱容量の比較的小さい熱電素
子、一般にペルチエ・デバイスと、相応して小さいＭＥ
ＭＳ型スイッチとによって最も効果的に実現されると予
想される。
【００３３】図８は、食品冷蔵庫を効率的にかつ清潔に
動作させるための拡張アレイ形状における本発明の使用
法を示す。本発明の特徴である機械的および熱電冷却シ
ステムを利用する装置の高い効率によって、メインフレ
ーム・コンピュータ・システム冷却などのきわめて選択
的かつ限定的な用途から、実質的にあらゆる家庭の主要
の機器への混合冷却の移行が促進される。
【００３４】さらに別の適用例を図９に概略的に示す。
本発明の基礎となる概念は、住宅冷却およびオフィス冷
却、食品輸送システム、ならびに自家用車冷却を含む多
数の熱伝達の応用例を包含するようにさらに改善されサ
イズが拡張されている。
【００３５】図１０は、もう一方の端にある一適用例で
ある。ミクロン・サイズの冷却装置が、選択的領域冷却
の目的で集積回路パラメータを制御するため集積回路チ
ップの部分に選択的にボンディングされている。そのよ
うな局在的冷却すなわちスポット冷却の応用例は、電圧
制御発振器、位相検波器、ミキサ、低雑音増幅器、レー
ザ、フォトダイオード、ならびに種々のタイプの材料の
光電子回路に特に有用である。
【００３６】本発明は、特定の熱電材料、冷却システ
ム、または電子回路構成に制限されていないこともあっ
て、きわめて広範な用途を有する。本発明は、熱伝達特
性を分離しより高い冷却効率を達成するために、熱電冷
却器の熱力学を、蒸気相冷却システムなどの冷却システ
ムと組み合わせて利用する。
【００３７】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００３８】（１）第１の公称温度の物体と、前記第１
の公称温度よりも相対的に高い第２の公称温度の冷却シ
ステムと、前記物体および前記冷却システムに結合する
ように位置した熱電冷却器とを備える装置。 （２）前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電素子を含
む上記（１）に記載の装置。 （３）前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である上記
（１）に記載の装置。 （４）前記熱電冷却器が少なくとも１つのペルチエ・デ
バイスを含む上記（１）に記載の装置。 （５）前記冷却システムが蒸気相冷却システムを含む上
記（１）に記載の装置。 （６）前記冷却システムがマイクロ加工されたヒート・
パイプ冷却システムを含む上記（１）に記載の装置。 （７）前記物体が熱シンクである上記（１）に記載の装
置。 （８）前記物体が食品冷蔵システムに熱的に連結される
上記（１）に記載の装置。 （９）前記物体が自動車乗員冷却システムに熱的に連結
される上記（１）に記載の装置。 （１０）前記物体が少なくとも１つの集積回路デバイス
である上記（１）に記載の装置。 （１１）さらに少なくとも１つのマイクロ電子機械（Ｍ
ＥＭＳ）デバイスを備える上記（１）に記載の装置。 （１２）周囲雰囲気で動作可能な冷却装置であって、周
囲雰囲気より低い温度Ｔで熱エネルギーを吸収する冷却
システムと、前記冷却システムに連結され、前記冷却シ
ステムと物体間にΔＴを与えて、前記物体に約Ｔ−ΔＴ
の温度を与える熱電冷却器とを備える装置。 （１３）前記物体が前記熱電冷却器に熱的に結合される
上記（１２）に記載の装置。 （１４）前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電素子を
含む上記（１２）に記載の装置。 （１５）前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である上記
（１２）に記載の装置。 （１６）前記熱電冷却器が少なくとも１つのペルチエ・
デバイスを含む上記（１２）に記載の装置。 （１７）前記冷却システムが蒸気相冷却システムを含む
上記（１２）に記載の装置。 （１８）前記冷却システムがマイクロ加工されたヒート
・パイプ冷却システムを含む上記（１２）に記載の装
置。 （１９）前記物体が熱シンクである上記（１２）に記載
の装置。 （２０）前記物体が食品冷蔵システムに熱的に連結され
る上記（１２）に記載の装置。 （２１）前記物体が自動車占有者冷却システムに熱的に
連結される上記（１２）に記載の装置。 （２２）前記物体が少なくとも１つの集積回路デバイス
である上記（１２）に記載の装置。 （２３）さらに少なくとも１つのマイクロ電子機械（Ｍ
ＥＭＳ）デバイスを備える上記（１２）に記載の装置。 （２４）物体と、冷却システムと、前記物体および前記
冷却システムに結合するように位置した熱電冷却器とを
有する装置を動作させる方法であって、物体を第１の公
称温度に維持するステップと、冷却システムを、前記第
１の公称温度より相対的に高い第２の公称温度に維持す
るステップと、前記熱電冷却器を使用可能にするステッ
プとを含む方法。 （２５）前記熱電冷却器が前記物体からの熱エネルギー
を放散するように動作する上記（２４）に記載の方法。 （２６）前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電素子を
含む上記（２４）に記載の方法。 （２７）前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である上記
（２４）に記載の方法。 （２８）前記熱電冷却器が少なくとも１つのペルチエ・
デバイスを含む上記（２４）に記載の方法。 （２９）前記冷却システムが蒸気相冷却システムを含む
上記（２４）に記載の方法。 （３０）前記冷却システムがマイクロ加工されたヒート
・パイプ冷却システムを含む上記（２４）に記載の方
法。 （３１）前記物体が熱シンクである上記（２４）に記載
の方法。 （３２）冷却システムと、前記冷却システムに連結され
た熱電冷却器とを有する、周囲温度で動作可能な冷却装
置を動作させる方法であって、周囲温度より低い温度Ｔ
で熱電冷却器から熱エネルギーを吸収するステップと、
前記熱電冷却器により温度差ΔＴを与えるステップと、
前記熱電冷却器に連結された物体に約Ｔ−ΔＴの温度を
与えるステップとを含む方法。 （３３）前記物体が前記熱電冷却器に熱的に結合される
上記（３２）に記載の方法。 （３４）前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電素子を
含む上記（３２）に記載の方法。 （３５）前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である上記
（３２）に記載の方法。 （３６）前記熱電冷却器が少なくとも１つのペルチエ・
デバイスを含む上記（３２）に記載の方法。 （３７）前記冷却システムが蒸気相冷却システムを含む
上記（３２）に記載の方法。 （３８）前記冷却システムがマイクロ加工されたヒート
・パイプ冷却システムを含む上記（３２）に記載の方
法。 （３９）前記物体が熱シンクである上記（３２）に記載
の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静的に動作可能なペルチエ・デバイス冷
却システムを示す概略図である。
【図２】周囲温度以下の冷却を提供する従来の蒸気相冷
却システムを示す概略図である。
【図３】本発明を示す簡略ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による周囲温度以下の冷却
を提供するのに使用できる混合冷却装置を示す図であ
る。
【図５】集積回路および電子モジュールの周囲温度以下
の冷却を提供するのに使用できる、本発明による冷却装
置の別の実施形態を示す図である。
【図６】マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を示す
概略図である。
【図７】ＭＥＭＳデバイスおよびペルチエ型熱電素子の
アレイの概略断面図である。
【図８】食品冷蔵システムに対する、本発明の拡張した
使用法を示す概略図である。
【図９】様々な住居および輸送媒体に適用される、本発
明の可能な適用例および利点を示す概略図である。
【図１０】集積回路チップの選択された部分を局部的に
冷却するための小型熱電冷却器の適用例を示す概略図で
ある。
【符号の説明】
１ ペルチエ型熱電素子（ＴＥ） ２ 直流電源 ３ 負荷電流 ４ コールド・シンク ６ ホット・シンク ２００ 蒸気圧縮冷却システム ２０１ コンプレッサ ２０２ 凝縮器 ２０３ 冷媒分配システム ２０４ 向流式熱交換器 ２０５ 蒸発器 ２０６ ＪＴ弁 ２０７ 導入管 ２０８ 戻り管 ２０９ マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ） ２１０ 超断熱 ２１１ 除霜制御 ２１２ 凝縮 ３００ 冷却装置 ３０１ 冷却システム ３０２ 熱電冷却器（ＴＥＣ） ３０３ 物体 ４００ 装置 ４０１ コンプレッサ ４０２ 凝縮器 ４０４ 向流式熱交換 ４０５ 蒸発器 ４０６ ＪＴ弁 ４０９ マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ） ４１０ 超断熱 ４１１ 除霜制御 ４２０ 熱シンク ４２１ 単純絶縁 ４４０ 冷却器 ５００ 装置 ５０２ 冷却システム ５０３ コールド・チャック ５０４ 除霜制御 ５０５ 除霜抵抗器 ５０６ ガード ５０７ 冷却ハット ５０８ 制御ノブ ５０９ 除霜受器 ５１０ ベース・プレート ５１１ 第２アセンブリ・レベル ５１２ マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ） ５１３ マイクロエレクトロニクス回路（チップ） ５１４ ピストン ５１５ スプリング ５１６ ３段熱電冷却器 ５１８ ドライ・ヘリウム・チャンバ ６１６ シリコン・チップ ６１７ ニッケル・マグネット ６１８ メンブレン ６１９ らせんコイル ７２１ 熱電素子 ７２２ 磁気アレイ ７２３ ＭＥＭＳスイッチ ７２４ ＭＥＭＳスイッチ

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の公称温度の物体と、 前記第１の公称温度よりも相対的に高い第２の公称温度
    の冷却システムと、 前記物体および前記冷却システムに結合するように位置
    した熱電冷却器とを備える装置。
  2. 【請求項２】前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電素
    子を含む請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である請
    求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記熱電冷却器が少なくとも１つのペルチ
    エ・デバイスを含む請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記冷却システムが蒸気相冷却システムを
    含む請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記冷却システムがマイクロ加工されたヒ
    ート・パイプ冷却システムを含む請求項１に記載の装
    置。
  7. 【請求項７】前記物体が熱シンクである請求項１に記載
    の装置。
  8. 【請求項８】前記物体が食品冷蔵システムに熱的に連結
    される請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】前記物体が自動車乗員冷却システムに熱的
    に連結される請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記物体が少なくとも１つの集積回路デ
    バイスである請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】さらに少なくとも１つのマイクロ電子機
    械（ＭＥＭＳ）デバイスを備える請求項１に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】周囲雰囲気で動作可能な冷却装置であっ
    て、 周囲雰囲気より低い温度Ｔで熱エネルギーを吸収する冷
    却システムと、 前記冷却システムに連結され、前記冷却システムと物体
    間にΔＴを与えて、前記物体に約Ｔ−ΔＴの温度を与え
    る熱電冷却器とを備える装置。
  13. 【請求項１３】前記物体が前記熱電冷却器に熱的に結合
    される請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電
    素子を含む請求項１２に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である
    請求項１２に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記熱電冷却器が少なくとも１つのペル
    チエ・デバイスを含む請求項１２に記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記冷却システムが蒸気相冷却システム
    を含む請求項１２に記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記冷却システムがマイクロ加工された
    ヒート・パイプ冷却システムを含む請求項１２に記載の
    装置。
  19. 【請求項１９】前記物体が熱シンクである請求項１２に
    記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記物体が食品冷蔵システムに熱的に連
    結される請求項１２に記載の装置。
  21. 【請求項２１】前記物体が自動車占有者冷却システムに
    熱的に連結される請求項１２に記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記物体が少なくとも１つの集積回路デ
    バイスである請求項１２に記載の装置。
  23. 【請求項２３】さらに少なくとも１つのマイクロ電子機
    械（ＭＥＭＳ）デバイスを備える請求項１２に記載の装
    置。
  24. 【請求項２４】物体と、冷却システムと、前記物体およ
    び前記冷却システムに結合するように位置した熱電冷却
    器とを有する装置を動作させる方法であって、 物体を第１の公称温度に維持するステップと、 冷却システムを、前記第１の公称温度より相対的に高い
    第２の公称温度に維持するステップと、 前記熱電冷却器を使用可能にするステップとを含む方
    法。
  25. 【請求項２５】前記熱電冷却器が前記物体からの熱エネ
    ルギーを放散するように動作する請求項２４に記載の方
    法。
  26. 【請求項２６】前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電
    素子を含む請求項２４に記載の方法。
  27. 【請求項２７】前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である
    請求項２４に記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記熱電冷却器が少なくとも１つのペル
    チエ・デバイスを含む請求項２４に記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記冷却システムが蒸気相冷却システム
    を含む請求項２４に記載の方法。
  30. 【請求項３０】前記冷却システムがマイクロ加工された
    ヒート・パイプ冷却システムを含む請求項２４に記載の
    方法。
  31. 【請求項３１】前記物体が熱シンクである請求項２４に
    記載の方法。
  32. 【請求項３２】冷却システムと、前記冷却システムに連
    結された熱電冷却器とを有する、周囲温度で動作可能な
    冷却装置を動作させる方法であって、 周囲温度より低い温度Ｔで熱電冷却器から熱エネルギー
    を吸収するステップと、 前記熱電冷却器により温度差ΔＴを与えるステップと、 前記熱電冷却器に連結された物体に約Ｔ−ΔＴの温度を
    与えるステップとを含む方法。
  33. 【請求項３３】前記物体が前記熱電冷却器に熱的に結合
    される請求項３２に記載の方法。
  34. 【請求項３４】前記熱電冷却器が少なくとも１つの熱電
    素子を含む請求項３２に記載の方法。
  35. 【請求項３５】前記熱電冷却器が多段熱電冷却器である
    請求項３２に記載の方法。
  36. 【請求項３６】前記熱電冷却器が少なくとも１つのペル
    チエ・デバイスを含む請求項３２に記載の方法。
  37. 【請求項３７】前記冷却システムが蒸気相冷却システム
    を含む請求項３２に記載の方法。
  38. 【請求項３８】前記冷却システムがマイクロ加工された
    ヒート・パイプ冷却システムを含む請求項３２に記載の
    方法。
  39. 【請求項３９】前記物体が熱シンクである請求項３２に
    記載の方法。
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