JP2009194019A - Heat dissipating method, heat dissipating apparatus, semiconductor chip, and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、消費エネルギーが少なく、放熱効率に優れた放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器に関する。 The present invention relates to a heat dissipation method and apparatus with low energy consumption and excellent heat dissipation efficiency, and a semiconductor chip and an electronic device including the heat dissipation apparatus.
半導体デバイスなどの高い熱を発する発熱体を冷却する放熱装置としては、特許文献1や特許文献2のように、冷媒液と外部放熱器とポンプとを組み合わせ、発熱体と放熱器とを冷媒液循環パイプなどで接続した冷媒システムが提案されている。
As a heat radiating device that cools a heating element that emits high heat, such as a semiconductor device, as in
また、特許文献3や特許文献4のように、発熱体と冷却機構との間に熱電変換素子を挿入して、熱電変換素子にて得られた電力を利用して強制空冷する放熱システムが提案されている。
特許文献1や特許文献2のような構成では、冷媒を循環させて外部放熱器にて熱交換するため発熱体の冷却・放熱の効率は高いものの、冷媒を循環させるポンプが必要であるためポンプを駆動させる電力が必要となるという問題がある。
In configurations such as
また、特許文献3や特許文献4のような構成では、発熱体と冷却機構との間に熱電変換素子を挿入するため、発熱体と冷却機構とを直接接触させる構成と比較すると冷却効率が低いという問題がある。
Further, in the configurations such as
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、電力消費の増加を招くことがなく、冷却・放熱効率の高い放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a heat dissipation method and apparatus having high cooling and heat dissipation efficiency without causing an increase in power consumption, and a semiconductor chip and an electronic apparatus including the heat dissipation apparatus. For the purpose.
上記目的を達成するため、本発明は、第1の態様として、発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、発熱体で発生した熱を外部放熱器において放熱する放熱装置であって、高温度の冷媒液が流れている高温度冷媒液配管と低温度の冷媒液が流れている低温度冷媒液配管との温度差を電力に変換する熱電変換手段と、高温度冷媒液配管と低温度冷媒液配管との温度差を動力に変換する熱動力変換手段との少なくとも一方を有することを特徴とする放熱装置を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides, as a first aspect, heat dissipation in which a refrigerant liquid is circulated between a heating element and an external radiator by a pump, and heat generated in the heating element is radiated in the external radiator. Thermoelectric conversion means for converting a temperature difference between a high-temperature refrigerant liquid pipe through which a high-temperature refrigerant liquid flows and a low-temperature refrigerant liquid pipe through which a low-temperature refrigerant liquid is flowing into electric power, and a high temperature It is an object of the present invention to provide a heat dissipating device having at least one of thermopower conversion means for converting a temperature difference between a refrigerant liquid pipe and a low temperature refrigerant liquid pipe into power.
また、上記目的を達成するため、本発明は、第2の態様として、上記本発明の第1の態様に係る放熱装置を備えた半導体チップを提供するものである。 Moreover, in order to achieve the said objective, this invention provides the semiconductor chip provided with the thermal radiation apparatus which concerns on the said 1st aspect of the said this invention as a 2nd aspect.
また、上記目的を達成するため、本発明は、第3の態様として、上記本発明の第1の態様に係る放熱装置を備えた電子機器を提供するものである。 Moreover, in order to achieve the said objective, this invention provides the electronic device provided with the thermal radiation apparatus which concerns on the said 1st aspect of the said this invention as a 3rd aspect.
また、上記目的を達成するため、本発明は、第4の態様として、発熱体と外部放熱器との間で冷媒液をポンプによって循環させて、発熱体で発生した熱を外部放熱器において放熱する放熱方法であって、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との温度差を電力及び動力の少なくとも一方に変換し、変換した電力及び動力の少なくとも一部をポンプの駆動に用いることを特徴とする放熱方法を提供するものである。 In order to achieve the above object, as a fourth aspect of the present invention, a refrigerant liquid is circulated between the heating element and the external radiator by a pump, and the heat generated in the heating element is radiated in the external radiator. A heat dissipation method for converting a temperature difference between a pipe through which a high-temperature refrigerant liquid flows and a pipe through which a low-temperature refrigerant liquid flows into at least one of electric power and power, and at least the converted electric power and power The present invention provides a heat dissipation method characterized in that a part is used for driving a pump.
本発明によれば、電力消費の増加を招くことがなく、冷却・放熱効率の高い放熱方法及び装置、並びにその放熱装置を備えた半導体チップ及び電子機器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat dissipation method and apparatus with high cooling and heat dissipation efficiency, and a semiconductor chip and an electronic device including the heat dissipation apparatus without causing an increase in power consumption.
本発明では、冷却液と外部放熱器とポンプとを組み合わせた放熱装置において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に、高温度と低温度との温度差を電力に変換する熱電変換機構又は動力に変換する熱動力変換機構を配置する。
例えば、半導体素子と伝熱的に面接触したプレートと、プレートに穿った冷媒液通路を経由して放熱器、冷媒液循環ポンプとの間にて冷媒液を循環させる冷媒液循環回路において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に、熱電変換素子又はスターリングエンジンを配置する。
熱電変換素子を配置する場合には、熱電変換素子にて熱起電力を発生させ、冷媒液循環ポンプに電力を供給することが可能となる。また、余った電力を蓄電池に蓄積し、再利用することが可能となる。一方、スターリングエンジンを配置する構成の場合には、スターリングエンジンで発生した動力で冷媒液循環ポンプを駆動できる。また、余った回転エネルギーで発電機を駆動することにより、電力として蓄電池に蓄積し、再利用することが可能となる。
In the present invention, in a heat dissipation device that combines a coolant, an external radiator, and a pump, a high temperature and a low temperature are provided between a pipe through which a high-temperature refrigerant liquid flows and a pipe through which a low-temperature refrigerant liquid flows. A thermoelectric conversion mechanism that converts a temperature difference from temperature into electric power or a thermopower conversion mechanism that converts power into power is disposed.
For example, in a refrigerant liquid circulation circuit that circulates a refrigerant liquid between a plate in thermal contact with a semiconductor element and a radiator and a refrigerant liquid circulation pump through a refrigerant liquid passage formed in the plate, A thermoelectric conversion element or a Stirling engine is arranged between the pipe through which the low-temperature refrigerant liquid flows and the pipe through which the low-temperature refrigerant liquid flows.
When the thermoelectric conversion element is disposed, it is possible to generate thermoelectromotive force in the thermoelectric conversion element and supply electric power to the refrigerant liquid circulation pump. Further, surplus power can be accumulated in the storage battery and reused. On the other hand, in the case of a configuration in which a Stirling engine is arranged, the refrigerant liquid circulation pump can be driven by power generated by the Stirling engine. Further, by driving the generator with surplus rotational energy, it can be stored in the storage battery as electric power and reused.
本発明に係る放熱装置では、特許文献3や特許文献4とは異なり、発熱体と冷媒液とが直接接触する構造を維持するため、特許文献1や特許文献2と同等の良好な冷却・放熱効率が得られる。
冷媒液循環ポンプを駆動させる電力又は動力を、放熱装置内部で発生・調達するため、電力消費を増加させることはない。従って、冷却・放熱効率が高く、消費電力の小さい放熱装置を実現できる。
その上、放熱装置内で発生した電力や動力に余剰がある場合には、これを蓄積することにより、廃熱を利用した電力再生と再利用とが可能となる。
Unlike the
Electricity or power for driving the refrigerant circulation pump is generated and procured inside the heat radiating device, so that power consumption is not increased. Therefore, it is possible to realize a heat dissipating device having high cooling / heat dissipating efficiency and low power consumption.
In addition, if there is a surplus in the power and power generated in the heat dissipation device, it is possible to regenerate and reuse power using waste heat by accumulating this.
特許文献1や特許文献2では、CPUの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、CPUの発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの電力又は動力が発生し、冷媒液循環ポンプの回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、CPU冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力又は動力にて放熱装置が動作する。
In
また、発熱体と受熱器との間に熱電変換素子を配置する特許文献3や特許文献4と比べると、発熱体に受熱器が直接接触する本発明は、モジュールを薄くできるため、CPU又は半導体チップの積層化などを容易に実現でき、CPU又は半導体チップの設計自由度が増大する。
Further, in comparison with
以下、上記の特徴を有する本発明の好適な実施の形態について説明する。 A preferred embodiment of the present invention having the above features will be described below.
〔第1の実施形態〕
図1に、本発明を好適に実施した第1の実施形態に係る放熱装置を搭載したCPUモジュールの概略構成を示す。図1に示すように、放熱装置は、発熱体であるCPU1と、CPU1から熱を吸い取る受熱器2と、熱を受け取る冷媒が循環する冷却液輸送パイプ3と、冷媒から熱を放出する熱交換器4と、冷媒を循環させる冷媒液循環ポンプ5とを有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a CPU module equipped with a heat dissipation device according to the first embodiment in which the present invention is preferably implemented. As shown in FIG. 1, the heat radiating device includes a
発熱体1に密着した受熱器2において、冷却された冷媒が熱を受け取り高温冷媒液となる。高温冷媒液は、冷却液輸送パイプ3を通じて熱交換器4に輸送され、熱交換器4にて高温冷媒液の熱は外部へ放熱される。そして、熱交換器4にて放熱することによって温度が低下した低温冷媒液は、冷媒液循環ポンプ5にて冷媒液輸送用パイプ3を介して受熱器2まで再び循環される。冷媒液輸送パイプ3において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に熱電変換素子6が配置される。
In the
具体的な構成例を挙げると、発熱体1としてのCPU又は半導体素子に対して伝熱的に面接触した受熱器2としてのプレートと、熱交換器4としての放熱器との間で、プレートに穿たれた冷媒液通路を経由して冷媒液循環ポンプ5によって冷媒液が循環される冷媒液循環回路3において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に熱電変換素子6を配置する。高温度冷媒液の接合部と低温度冷媒液の接合部との間にゼーベック効果を有するn型半導体及びp型半導体を交互に敷き詰めて相互に直列接続することによって、低温接合部のn型半導体端とp型半導体端との間に熱起電力が発生し、熱を電力に変換する。
As a specific configuration example, a plate between the plate as the
上記のように、特許文献3や特許文献4では、発熱体と受熱器との間に熱電変換素子を配置するため、発熱体と受熱器との熱交換効率が低下し、冷却・放熱効率が低下する。これに対し本実施形態においては、発熱体1と発熱体1から熱を吸いとる受熱器2との間に他の部材を配置しないため、特許文献1や特許文献2と同様の高い冷却効率を維持しつつ、廃熱から電力を再生できる。また、発熱体1に受熱器2を直接接続するため、特許文献3や特許文献4のような構成と比較して、モジュールを薄くすることができる。このため、CPU又は半導体素子11の積層化などを容易に実現でき、CPU又は半導体素子11の設計自由度が高くなる。
As described above, in
さらに、温度差を利用して生成した電力を、冷媒液循環ポンプ5の駆動電力として印加することにより、新たに電力を消費することなく冷媒液循環ポンプ5を駆動制御できる。特許文献1や特許文献2では、CPUの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、発熱体1の発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの電力が発生し、冷媒液循環ポンプ5の回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、発熱体1の冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力にて放熱装置が動作する。
Furthermore, by applying the electric power generated by utilizing the temperature difference as the driving electric power for the refrigerant
しかも、冷媒液循環ポンプ5を駆動するための電力よりも熱電変換素子6で発生する電力の方が大きい場合には、図2示すように余剰電力を蓄電池8などに蓄積すれば電力を再利用することが可能となる。
In addition, when the electric power generated by the
本実施形態に係る放熱装置に適用する冷媒液、冷媒液循環ポンプ5、受熱器2、放熱器4、冷媒液輸送用パイプ3、熱電変換素子6などは、公知のものを適用可能であり、その材料、寸法、形状などは特に限定されない。
As the refrigerant liquid, the refrigerant
〔第2の実施形態〕
図3に、本発明を好適に実施した第2の実施形態に係る放熱装置を搭載したCPUモジュールの概略構成を示す。第1の実施形態との相違は、熱電変換素子6の代わりにスターリングエンジン7が設置されている点である。スターリングエンジン7は、公知のものを適用可能である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows a schematic configuration of a CPU module equipped with a heat dissipation device according to the second embodiment in which the present invention is preferably implemented. The difference from the first embodiment is that a
具体的な構成例を挙げると、発熱体1としてのCPU又は半導体素子に対して伝熱的に面接触した受熱器2としてのプレートと、熱交換器4としての放熱器との間で、プレートに穿たれた冷媒液通路を経由して冷媒液循環ポンプ5によって冷媒液が循環される冷媒液循環回路3において、高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間にスターリングエンジン7を配置する。高温度冷媒液の接合部に高温側シリンダを、低温度冷媒液の接合部に低温側シリンダを配置することにより、スターリングエンジン7が「加熱」、「膨張」、「冷却」、「圧縮」の各工程からなるサイクルを繰り返す。これらの進退動作をクランク軸の回転動作に変換することにより、冷媒液循環ポンプ5を回転させることが可能となる。
As a specific configuration example, a plate between the plate as the
本実施形態においては、温度差を利用して生成した動力を、冷媒液循環ポンプ5の駆動電力として使用することにより、新たに電力を消費することなく冷媒液循環ポンプ5を駆動制御できる。特許文献1や特許文献2では、CPUの発熱状態と冷媒液循環ポンプの回転数とが連動しないため、冷却液循環ポンプの回転数が必要以上に高くなり、必要以上に多くの電力を消費する。一方、本発明では、発熱体1の発熱状態が高い場合には高温冷媒液と低温冷媒液との温度差が大きくなり、より多くの動力が発生し、冷媒液循環ポンプ5の回転数が高くなる。このため、冷媒液の流れが速くなり、発熱体1の冷却効率が高くなるという正のフィードバックが生じるため、最も効率のよい冷媒回転速度が維持され、最小限の電力にて放熱装置が動作する。
In the present embodiment, by using the power generated by utilizing the temperature difference as the driving power for the refrigerant
しかも、冷媒液循環ポンプ5を駆動するために要する力よりも熱動力変換素子7で発生する動力の方が大きい場合には、図4示すように余剰動力で発電機9を駆動し、発生した電力を蓄電池8に蓄積すれば電力を再利用することが可能となる。
In addition, when the power generated by the thermal
この他の点については、上記第1の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。 Since the other points are the same as those in the first embodiment, a duplicate description is omitted.
なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることなく様々な変形が可能である。 Each of the above embodiments is an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this and can be variously modified.
1 発熱体
2 受熱器
3 冷媒液輸送パイプ
4 熱交換器
5 冷媒液循環ポンプ
6 熱電変換素子
7 スターリングエンジン
8 蓄電池
9 発電機
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記熱電変換手段は、前記冷媒液循環回路において高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に配置された熱電変換素子であることを特徴とする請求項1又は2記載の放熱装置。 A refrigerant liquid circulation circuit that circulates the refrigerant liquid between the external radiator and the plate via a refrigerant liquid passage formed in a plate that is in heat transfer contact with the heating element;
The thermoelectric conversion means is a thermoelectric conversion element disposed between a pipe through which a high-temperature refrigerant liquid flows and a pipe through which a low-temperature refrigerant liquid flows in the refrigerant liquid circulation circuit. The heat dissipation device according to claim 1 or 2.
前記熱動力変換手段は、前記冷媒液循環回路において高温度の冷媒液が流れている配管と低温度の冷媒液が流れている配管との間に配置されたスターリングエンジンであることを特徴とする請求項1又は3記載の放熱装置。 A refrigerant liquid circulation circuit that circulates the refrigerant liquid between the external radiator and the plate via a refrigerant liquid passage formed in a plate that is in heat transfer contact with the heating element;
The thermal power conversion means is a Stirling engine disposed between a pipe through which a high-temperature refrigerant liquid flows and a pipe through which a low-temperature refrigerant liquid flows in the refrigerant liquid circulation circuit. The heat dissipation device according to claim 1 or 3.
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