微通道冷卻器件、微通道冷卻系統(tǒng)以及電子裝置制造方法
【專利摘要】與熱源熱性連接的微通道冷卻器件的散熱構(gòu)件(22)具備具有微小截面的液體冷媒流路(24)。熱電元件(10)設(shè)置在散熱構(gòu)件(22)上。熱電元件(10)在與液體冷媒流路(24)的延伸方向平行的方向上延伸。
【專利說明】微通道冷卻器件、微通道冷卻系統(tǒng)以及電子裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)施方式涉及微通道冷卻器件、微通道冷卻系統(tǒng)以及電子裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年，隨著LSI (Large Scale Integration:大規(guī)模集成電路)等電子裝置的微細(xì)化、高集成化，在電子裝置動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量。因此，提出有用于有效冷卻電子裝置的方案。例如，由于僅通過在LSI等電子裝置上安裝散熱構(gòu)件進(jìn)行風(fēng)冷不能夠散發(fā)大量的熱量，所以提出利用水冷式的冷卻裝置的方案。
[0003]作為水冷式的冷卻裝置，通常指被稱為水冷套(water jacket)的在密閉式散熱構(gòu)件中流過冷媒(冷卻水)來進(jìn)行冷卻的水冷裝置。在水冷式的冷卻裝置中，尤其微通道冷卻器件具有高冷卻性能，因此有希望用于對(duì)LSI進(jìn)行冷卻。
[0004]另一方面，為了在電子裝置中也實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提出回收LSI等電子裝置產(chǎn)生的熱能用作電力的方案。為了將熱能作為電力回收，大多使用熱電元件。在LSI和散熱構(gòu)件之間配置熱電元件，來將LSI和散熱構(gòu)件之間的溫度差付與熱電元件，這樣熱電元件進(jìn)行發(fā)電。或者，提出如下的方案，即從作為發(fā)熱部的LSI引出導(dǎo)熱構(gòu)件，來與熱電元件的高溫側(cè)連接，將熱電元件的低溫側(cè)與散熱構(gòu)件連接，來對(duì)熱電元件付與溫度差，由此使熱電元件發(fā)電。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)I JP特開2001-282396號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2 JP特開2003-269817號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明要解決的問題
[0010]為了利用以往的被稱為水冷套的在密閉式散熱構(gòu)件中流過冷媒(冷卻水)來進(jìn)行冷卻的水冷裝置和作為發(fā)熱部的電子部件之間的溫度差，需要將熱電元件的低溫側(cè)與散熱構(gòu)件熱性連接(thermal connection,在接觸或非接觸的狀態(tài)下,能夠相互傳遞熱量)，將高溫側(cè)與電子部件熱性連接。若在散熱構(gòu)件和電子部件之間插入熱電元件，則由于熱電元件的熱阻高，從而不能夠高效地將電子部件的熱量傳遞給散熱構(gòu)件，由此不能夠高效地冷卻電子部件。因此，由于設(shè)置熱電元件所以電子部件的冷卻變得不充分，這樣電子部件有可能變?yōu)楦邷貭顟B(tài)。
[0011]另外，在從作為發(fā)熱部的電子部件引出導(dǎo)熱構(gòu)件來連接熱電元件的高溫側(cè)的情況下，導(dǎo)熱構(gòu)件變?yōu)橐呀?jīng)被冷卻的電子部件的溫度，導(dǎo)熱構(gòu)件的溫度不會(huì)變得很高，從而不能夠得到大的溫度差。由于熱電元件的發(fā)電量與被付與的溫度差成正比，所以熱電元件產(chǎn)生的電力變得很小，能量回收效率變低。
[0012]因此，以下說明的實(shí)施方式的目的在于提供一種在利用水冷式冷卻裝置對(duì)電子部件進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)中，能夠利用熱電元件高效低進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。[0013]用于解決問題的手段
[0014]通過實(shí)施方式提供一種微通道冷卻器件，其具有:液冷散熱構(gòu)件，其具備液體冷媒流路，所述液體冷媒流路具有微小截面，且與熱源熱性連接；熱電元件，其設(shè)置在所述液冷散熱構(gòu)件上，與所述液體冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
[0015]發(fā)明效果
[0016]根據(jù)上述方式，能夠一邊冷卻熱源，一邊利用熱電元件高效對(duì)熱源的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是表示微通道散熱構(gòu)件的一個(gè)例子的立體分解圖。
[0018]圖2是表示第一實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖2中的(A)是微通道冷卻器件的俯視圖，圖2中的⑶是圖2中的⑷的B-B線剖視圖，圖2中的(C)是圖2中的(A)的C-C線的剖視圖，圖2中的(D)是圖2中的(C)的D-D線的剖視圖。
[0019]圖3是表示第二實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖3中的(A)是微通道冷卻器件的俯視圖，圖3中的⑶是圖3中的⑷的B-B線剖視圖，圖3中的(C)是圖3中的(A)的C-C線剖視圖，圖3中的(D)是圖3中的(C)的D-D線剖視圖。
[0020]圖4是表示第三實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖4中的㈧是微通道冷卻器件的俯視圖，圖4中的⑶是圖4中的⑷的B-B線剖視圖，圖4中的(C)是圖4中的(A)的C-C線剖視圖，圖4中的(D)是圖4中的(C)的D-D線剖視圖。
[0021]圖5是表示第四實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖5中的(A)是微通道冷卻器件的俯視圖，圖5中的⑶是圖5中的㈧的B-B線剖視圖，圖5中的(C)是圖5中的(A)的C-C線剖視圖，圖5中的(D)是圖5中的(C)的D-D線剖視圖。
[0022]圖6是表示第五實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖6中的(A)是微通道冷卻器件的俯視圖，圖6中的⑶是圖6中的⑷的B-B線剖視圖，圖6中的(C)是圖6中的(A)的C-C線的剖視圖，圖6中的(D)是圖6中的(C)的D-D線的剖視圖。
[0023]圖7是表示第六實(shí)施方式的微通道冷卻器件的圖，圖7中的(A)是微通道冷卻器件的俯視圖，圖7中的⑶是圖7中的⑷的B-B線剖視圖，圖7中的(C)是圖7中的(A)的C-C線的剖視圖，圖7中的(D)是圖7中的(C)的D-D線剖視圖。
[0024]圖8是表示圖4所示的微通道冷卻器件的制造工序的圖。
[0025]圖9是表示在個(gè)人電腦(PC)的CPU中使用微通道冷卻器件的例子的圖。
[0026]圖10是表示在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用微通道冷卻器件的例子的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]接著，參照【專利附圖】

【附圖說明】實(shí)施方式。
[0028]首先，說明在本發(fā)明的實(shí)施方式中使用的微通道散熱構(gòu)件。微通道散熱構(gòu)件大多用于LSI等電子部件的冷卻裝置。通過利用微通道散熱構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)小型且冷卻能力高的冷卻裝置。
[0029]圖1是微通道散熱構(gòu)件的立體分解圖。微通道散熱構(gòu)件是內(nèi)部形成具有微小截面的液體冷媒流路(微通道)的散熱構(gòu)件。作為液體冷媒大多使用冷卻水，以下，將液體冷媒流路稱為冷卻水流路。通過在冷卻水流路中流動(dòng)低溫的液體冷媒(冷卻水)，來冷卻散熱構(gòu)件本身，由此能夠冷卻與散熱構(gòu)件連接的電子部件。通常，微通道散熱構(gòu)件的冷卻水流路具有使雷諾數(shù)小于2000的截面形狀以及截面尺寸。通過使雷諾數(shù)小于2000，能夠使在冷卻水流路中流動(dòng)的冷卻水的液流為層流(laminar flow)。通過使冷卻水以層流的狀態(tài)流動(dòng)，能夠使熱量高效地從冷卻水流路的內(nèi)壁面向冷卻水移動(dòng)，與在現(xiàn)有的散熱構(gòu)件中使冷卻水以紊流的狀態(tài)流動(dòng)的情況相比，能夠大幅度提高冷卻效率。
[0030]圖1是表示微通道散熱構(gòu)件的一個(gè)例子的立體分解圖。微通道散熱構(gòu)件I具有微通道部2、以覆蓋的方式與微通道部2接合的罩部3。形成微通道部2以及罩部3的材料優(yōu)選導(dǎo)熱性良好且易于進(jìn)行微細(xì)加工的材料，例如，使用作為半導(dǎo)體材料的硅。除了硅之外，例如還能夠使用銅、鋁等金屬材料。
[0031]在微通道部2平行排列形成有多個(gè)槽部(通道)2a。各個(gè)槽部2a相當(dāng)于冷卻水流路。各個(gè)槽部2a具有使由槽部2a形成的冷卻水流路的雷諾數(shù)小于2000的截面形狀以及截面尺寸。作為這樣的截面形狀，圖1所示的槽部2a的截面形狀為縱向長(zhǎng)的長(zhǎng)方形，短邊被設(shè)定為70 μ m,長(zhǎng)邊被設(shè)定為350 μ m。槽部2a的形狀不限于長(zhǎng)方形，另外，截面尺寸也不限于70 μ mX 350 μ m。只要雷諾數(shù)小于2000，槽部2a的截面形狀、截面尺寸可以為任意值。使圖1所示的槽部2a形成長(zhǎng)方形截面是因?yàn)殚L(zhǎng)方形截面的槽易于加工。
[0032]此外，若使冷卻水流路的截面形狀形成為縱向長(zhǎng)的長(zhǎng)方形，且作為液體冷媒流過冷卻水，則在長(zhǎng)方形的對(duì)角線的長(zhǎng)度為500 μ m以下的情況下，能夠使冷卻水流路的雷諾數(shù)小于2000。
[0033]在此，通過模擬實(shí)驗(yàn)求得利用圖1所示的微通道散熱構(gòu)件冷卻電子部件時(shí)的微通道散熱構(gòu)件的溫度分布。在模擬實(shí)驗(yàn)中，利用具有兩個(gè)由槽部2a形成的冷卻水流路的微通道散熱構(gòu)件。以下，還將微通道散熱構(gòu)件僅稱為散熱構(gòu)件。設(shè)定如下條件，即，從散熱構(gòu)件的底面(連接有電子部件的面)傳遞lOOW/cm2的熱量，從冷卻水流路的一端側(cè)(入口側(cè))，將24°C的冷卻水以成為層流的流量向冷卻水流路供給。冷卻水流路的截面形狀為縱向長(zhǎng)的長(zhǎng)方形，將短邊設(shè)定為70 μ m,長(zhǎng)邊設(shè)定為350 μ m。另外,冷卻水流路的長(zhǎng)度為10mm。
[0034]根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在冷卻水流路的入口側(cè)的溫度為24°C時(shí)，朝向相反端側(cè)(出口側(cè))溫度上升，在冷卻水流路的相反端側(cè)(出口側(cè))溫度變?yōu)?5°C。即，在散熱構(gòu)件中，冷卻水的入口側(cè)和出口側(cè)的溫度差變?yōu)?0°C以上。這樣的溫度分布是以往的冷卻水流路中的冷卻水為紊流的散熱構(gòu)件所不能夠得到的，是微通道散熱構(gòu)件特有的溫度分布。
[0035]因此，考慮著眼于從微通道散熱構(gòu)件的溫度分布得到的溫度差，通過該溫度差驅(qū)動(dòng)熱電元件進(jìn)行發(fā)電。由于利用該溫度差，所以能夠?qū)犭娫难由旆较?高溫側(cè)電極和低溫側(cè)電極之間的部分的熱電材料的延伸方向)配置為與微通道散熱構(gòu)件的冷卻水流路的延伸方向平行。即，由于在散熱構(gòu)件本身產(chǎn)生低溫部(冷卻水入口側(cè))和高溫部(冷卻水出口側(cè))，所以為了利用該溫度差，將熱電元件安裝在散熱構(gòu)件上。由此，不在散熱構(gòu)件和熱源之間不插入熱阻高的熱電元件，從而能夠發(fā)揮熱電元件的功能，能夠更高效地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。
[0036]接著，說明第一實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖2是表示第一實(shí)施方式的微通道冷卻器件20的圖。圖2中的(A)是微通道冷卻器件20的俯視圖，圖2中的(B)是圖2中的⑷的B-B線剖視圖，圖2中的(C)是圖2中的⑷的C-C線剖視圖，圖2中的⑶是圖2中的(C)的D-D線剖視圖。
[0037]微通道冷卻器件20為內(nèi)置有熱電元件10的設(shè)備，能夠一邊冷卻作為熱源的LSI等電子部件5，一邊對(duì)來自電子部件5的熱量的一部分進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，變換為電能并進(jìn)行回收。
[0038]微通道冷卻器件20具有發(fā)揮散熱構(gòu)件功能的器件主體22和在器件主體22的表面上形成的熱電元件10。器件主體22優(yōu)選例如由單晶硅等半導(dǎo)體制造材料形成，但是可以例如由鋁、銅等金屬材料形成，只要是導(dǎo)熱性良好且易于進(jìn)行微細(xì)加工的材料即可。如圖2中的⑶以及圖2中的(C)所示，器件主體22的底面22a與電子部件5熱性連接，在電子部件5內(nèi)產(chǎn)生的熱量傳遞至器件主體22。
[0039]在用于形成散熱構(gòu)件的器件主體22的內(nèi)部形成有多個(gè)冷卻水流路24。冷卻水流路24相互平行地延伸。各個(gè)冷卻水流路24具有能夠使在內(nèi)部流動(dòng)的冷卻水形成為層流的截面形狀和/或截面尺寸。即，各個(gè)冷卻水流路24例如具有其短邊為70 μ m且長(zhǎng)邊為350 μ m的縱向長(zhǎng)的長(zhǎng)方形截面，且雷諾數(shù)小于2000 (成為層流的條件)。
[0040]若向冷卻水流路24的一端側(cè)(入口側(cè))供給低溫的冷卻水，則冷卻水以層流的狀態(tài)在冷卻水流路24內(nèi)流動(dòng)然后從相反端側(cè)(出口側(cè))噴出。在冷卻水于冷卻水流路24中流動(dòng)的期間，冷卻水吸收熱量，器件主體22被冷卻。作為冷卻水優(yōu)選低粘度、比重輕、比熱大的液體，最優(yōu)選純水。但是，若在純水中混入雜質(zhì)離子，則電阻降低或者在流路內(nèi)壁會(huì)被腐食或產(chǎn)生微生物，因此通常使用混合有乙二醇等有機(jī)物的水溶液。為了避免在IT(Information Technology:信息技術(shù))裝置等中由于漏水引起短路、部件被腐食，優(yōu)選使用氫氟醚(hydro fluoro ether)等氟類液體或娃油等娃類液體那樣的具有高絕緣性的液體?；蛘撸梢允褂靡砸掖紴橹鞒煞值睦涿?。
[0041]在器件主體22的上表面22b形成有熱電兀件10。熱電兀件10包括多個(gè)第一熱電構(gòu)件12、多個(gè)第二熱電構(gòu)件14以及將將它們電連接的電極16。第一熱電構(gòu)件12例如使用η型半導(dǎo)體材料，第二熱電構(gòu)件例如使用P型半導(dǎo)體材料。作為第一熱電構(gòu)件12的η型半導(dǎo)體材料通常使用η型的硅或其化合物、碲化鉍(Bi2Te3)、含有鋅(Zn)或鈷(Co)的氧化物。作為第二熱電構(gòu)件14的P型半導(dǎo)體材料通常使用P型的硅或其化合物、鉍銻碲(bismuth - antimony-tellurium) (BiSbTe)、含有鈉(Na)的氧化物。作為電極16的材料通常使用金或鋁。此外，雖然未圖示，但是優(yōu)選在器件主體22的表面形成氧化膜等薄的絕緣膜，然后在其上形成第一熱電構(gòu)件12、第二熱電構(gòu)件14以及電極16。
[0042]熱電元件10的第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14設(shè)置在器件主體22的上表面22b上，沿著與器件主體22內(nèi)形成的冷卻水流路24的延伸方向相同的方向延伸。使第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的延伸方向?yàn)槔鋮s水流路24的延伸方向，是因?yàn)樵谠摲较蛏蠝囟确植?，產(chǎn)生溫度差。但是，不需要使第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的延伸方向完全與冷卻水流路24的延伸方向平行，只要第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的高溫側(cè)的連接點(diǎn)和低溫側(cè)的連接點(diǎn)適當(dāng)?shù)嘏渲迷诶鋮s水流路24的高溫側(cè)和低溫側(cè)，能夠?qū)犭娫?0付與溫度差即可。因此，在本說明書中，第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的延伸方向與冷卻水流路24的延伸方向平行(或者一致)并不意味著完全平行(一致)，意味著第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14以能夠?qū)Φ谝粺犭姌?gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14付與足夠的溫度差的程度，相對(duì)于冷卻水流路24平行地延伸。[0043]使以上結(jié)構(gòu)的微通道冷卻器件20的底面22a與作為熱源的電子部件5熱性連接，若使冷卻水從冷卻水流路24的入口側(cè)(低溫側(cè))流入，則來自電子部件5的熱量被冷卻水吸收，電子部件5被冷卻。此時(shí)，對(duì)熱電元件10付與因沿著冷卻水流路24的溫度分布而產(chǎn)生的溫度差，熱電兀件10產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于溫度差的電壓。因此,從電子部件5散發(fā)的熱量的一部分被熱電元件10轉(zhuǎn)換為電能并回收，從而能夠再利用。
[0044]熱電元件10沒有設(shè)置在電子部件5和器件主體22之間，而配置在器件主體22的上表面22b側(cè)，因此熱電元件10不成為電子部件5和器件主體22之間的熱阻。因此，能夠?qū)碜噪娮硬考?的熱量高效地傳遞給微通道冷卻器件20，從而能夠一邊高效地冷卻電子部件5，一邊通過熱電元件10將其熱量的一部分轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行回收。
[0045]接著，說明第二實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖3是表示第二實(shí)施方式的微通道冷卻器件30的圖。圖3中的㈧是微通道冷卻器件30的俯視圖，圖3中的⑶是圖3中的⑷的B-B線剖視圖，圖3中的(C)是圖3中的⑷的C-C線剖視圖，圖3中的⑶是圖3中的(C)的D-D線剖視圖。在圖3中，在與圖2所示的構(gòu)成部件相同的部件標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其說明。
[0046]如圖3中的⑶所示，微通道冷卻器件30具有冷卻水供給流路26和冷卻水排出流路28，這一點(diǎn)與微通道冷卻器件20不同，其它部分的結(jié)構(gòu)與微通道冷卻器件20相同。
[0047]在微通道冷卻器件30中，多個(gè)冷卻水流路24設(shè)置在冷卻水供給流路26和冷卻水排出流路28之間。冷卻水被供給至冷卻水供給流路26，然后分配給多個(gè)冷卻水流路24，在冷卻水流路24中流動(dòng)，然后進(jìn)入冷卻水排出流路28，從冷卻水排出流路28排出。
[0048]接著，說明第三實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖4是表示第三實(shí)施方式的微通道冷卻器件40的圖。圖4中的(A)是微通道冷卻器件40的俯視圖，圖4中的(B)是圖4中的㈧的B-B線的剖視圖，圖4中的(C)是圖4中的㈧的C-C線的剖視圖，圖4中的(D)是圖4中的(C)的D-D線的剖視圖。在圖4中，在與圖2所示的構(gòu)成部件相同的部件上標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其說明。
[0049]如圖4中的⑶以及圖4中的(C)所示，在微通道冷卻器件40中，第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14埋入在器件主體22中，這一點(diǎn)與微通道冷卻器件20不同，其它部分的結(jié)構(gòu)與微通道冷卻器件20相同。
[0050]第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14是在器件主體22的上表面22a形成槽或凹部然后在其中填充熱電材料而形成的。形成第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的熱電材料填充在槽或凹部中，由此能夠增大第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的厚度，能夠增大截面積。因此，能夠減小第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的電阻，能夠形成發(fā)電量大的熱電元件。
[0051]接著，說明第四實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖5是表示第四實(shí)施方式的微通道冷卻器件50的圖。圖5中的(A)是微通道冷卻器件50的俯視圖，圖5中的(B)是圖5中的㈧的B-B線剖視圖，圖5中的(C)是圖5中的(A)的C-C線剖視圖，圖5中的⑶是圖5中的(C)的D-D線剖視圖。在圖5中，在與圖2所示的構(gòu)成部件相同的部件上標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其說明。
[0052]如圖5中的⑶以及圖5中的(C)所示，在微通道冷卻器件50中，第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14埋入在器件主體22中的冷卻水流路24之間，這一點(diǎn)與微通道冷卻器件20不同，其它部分的結(jié)構(gòu)與微通道冷卻器件20相同。
[0053]為了形成將第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14埋入冷卻水流路24之間的結(jié)構(gòu)，例如，將器件主體22分割為上下兩層，在他們的一方或兩方的面上形成冷卻水流路24和用于填充第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14的槽或凹部。然后，在將第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14填充在槽或凹部之后，將分割的器件主體接合形成一體，由此構(gòu)成第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14被埋入冷卻水流路24之間的結(jié)構(gòu)。
[0054]在本實(shí)施方式中，第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14配置為與冷卻水流路24非常接近的狀態(tài)，從而能夠?qū)⒃诶鋮s水流路24產(chǎn)生的溫度差直接付與熱電元件10。另外，僅電極16配置在器件主體22上，由此形成第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14被器件主體22覆蓋保護(hù)的狀態(tài)。
[0055]接著，說明第五實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖6是表示第五實(shí)施方式的微通道冷卻器件60的圖。圖6中的(A)是微通道冷卻器件60的俯視圖，圖6中的(B)是圖6中的⑷的B-B線剖視圖，圖6中的(C)是圖6中的⑷的C-C線剖視圖，圖6中的⑶是圖6中的(C)的D-D線剖視圖。在圖6中，在與圖2所示的構(gòu)成部件相同的部件上標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其說明。
[0056]微通道冷卻器件60的冷卻水流路一分為二，對(duì)應(yīng)于此，第一熱電構(gòu)件12以及第二熱電構(gòu)件14也一分為二，這一點(diǎn)與微通道冷卻器件20不同，其它部分的結(jié)構(gòu)與微通道冷卻器件20相同。
[0057]如圖6中的(D)所示，在器件主體22的中央形成有一條冷卻水供給流路26，在冷卻水供給流路26的兩側(cè)形成有冷卻水排出流路28。各個(gè)冷卻水流路24從冷卻水供給流路26分叉且朝向相反方向，然后延伸至冷卻水排出流路28。冷卻水從冷卻水供給流路26的左右兩側(cè)供給，在各個(gè)冷卻水流路24中以層流的狀態(tài)流動(dòng)并進(jìn)入兩側(cè)的冷卻水排出流路28，然后從兩側(cè)的冷卻水排出流路28排出。
[0058]若形成以上的冷卻水的液流，則關(guān)于器件主體22的溫度分布，中央的冷卻水供給流路26的部分成為低溫部分，兩側(cè)的冷卻水排出流路28的部分成為高溫部分。因此，為了符合該溫度分布，熱電元件10也一分為二?；蛘咝纬?個(gè)熱電元件10。
[0059]如本實(shí)施方式所示，即使在冷卻水流路分支的情況下，冷卻水的供給側(cè)也成為低溫側(cè)，排出側(cè)成為高溫側(cè)，因此，只要以能夠付與該溫度差的方式適當(dāng)配置熱電元件10即可。
[0060]接著，說明第六實(shí)施方式的微通道冷卻器件。圖7是表示第六實(shí)施方式的微通道冷卻器件70的圖。圖7中的(A)是微通道冷卻器件70的俯視圖，圖7中的(B)是圖7中的㈧的B-B線剖視圖，圖7中的(C)是圖7中的(A)的C-C線剖視圖，圖7中的⑶是圖7中的(C)的D-D線的剖視圖。在圖7中，在與圖2所示的構(gòu)成部件相同的部件上標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其說明。
[0061]本實(shí)施方式的微通道冷卻器件不是上述第一至第五實(shí)施方式的微通道冷卻器件那樣的與作為熱源的電子部件5相獨(dú)立的設(shè)備，而是組裝在電子部件5內(nèi)部的設(shè)備。電子部件5例如是LSI等半導(dǎo)體集成電路裝置，是在硅等半導(dǎo)體材料的基板上形成半導(dǎo)體集成電路而成的。利用該半導(dǎo)體材料的基板，在其中形成冷卻水流路，而且還形成熱電元件。
[0062]半導(dǎo)體集成電路裝置通常在硅等半導(dǎo)體材料的基板5a—側(cè)的面(電路形成面5b)上形成集成電路，相反面(背面5c)為基板5a露出的面。上述的微通道冷卻器件20?60與該背面5c熱性連接，從電子部件傳遞熱量。在本實(shí)施方式中，在該背面5c上直接形成熱電元件10。例如，將圖2所示的微通道冷卻器件20的器件主體22作為電子部件5的基板5a，在基板5a的內(nèi)部形成冷卻水流路24，在背面5c形成熱電元件10。
[0063]根據(jù)本實(shí)施方式，由于在作為熱源的電子部件5的主體形成有冷卻設(shè)備，所以能夠直接冷卻電子部件5，能夠提高冷卻效率。另外，由于熱電元件10也組裝在電子部件5的主體中，所以向熱電元件10的導(dǎo)熱損失少，能夠有效地將熱電元件10用于發(fā)電。另外，能夠使電子部件5和微通道冷卻器件組成的整體的厚度變小。
[0064]接著，以圖4所示的微通道冷卻器件40為例子說明微通道冷卻器件的制造方法。圖8是表示微通道冷卻器件40的制造工序的圖。
[0065]微通道冷卻器件40是將熱電元件形成部22a與流路形成部22b接合而形成的。
[0066]首先，例如在厚度200 μ m的單晶硅基板上形成抗蝕圖案(圖8中的(a))，將抗蝕圖案作為掩膜進(jìn)行深蝕刻(反應(yīng)離子蝕刻:de印RIE)，來在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蝕圖案(圖8中(b))。接著，在硅基板的上表面(形成有槽的面)形成厚度0.1 μπι左右的氧化膜(SiO2膜)。
[0067]接著，將僅使形成有第二熱電構(gòu)件14的部分的槽或凹部露出的金屬掩膜粘貼在娃基板上。接著，以規(guī)定的比率混合(blend)作為p型熱電轉(zhuǎn)換材料的粉末(powder),然后通過借助載氣進(jìn)行吹拂的氣溶膠成膜法(aerosol film formation method),向開口的槽或凹部中埋入P型熱電材料(圖8中的(C))。除了氣溶膠成膜法以外，例如還能夠利用由水、有機(jī)成分形成的粘合劑將粉末粘接，通過熱壓法或納米印刷法(nano-print)埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的P型熱電材料固化，然后除去金屬掩膜。固化的P型熱電材料形成第二熱電構(gòu)件14。
[0068]接著，將僅形成有第一熱電構(gòu)件12的部分的槽或凹部露出的金屬掩膜粘貼在娃基板上。然后，以規(guī)定的比率混合作為η型熱電轉(zhuǎn)換材料的粉末，然后通過氣溶膠成膜法，向開口的槽或凹部中埋入η型熱電材料(圖8中的(d))。除了氣溶膠成膜法以外，例如還能夠利用由水、有機(jī)成分形成的粘合劑將粉末粘接，通過熱壓法或納米印刷法埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的η型熱電材料固化，然后除去金屬掩膜。固化的η型熱電材料形成第一熱電構(gòu)件12。
[0069]在以上的工序中，熱電元件形成部22a的準(zhǔn)備結(jié)束。另一方面，在熱電元件形成部22a的準(zhǔn)備之外，準(zhǔn)備流路形成部22b。首先，例如在厚度525 μ m的單晶硅基板上形成抗蝕圖案(圖8中的(e))。接著，將抗蝕圖案作為掩膜實(shí)施深蝕刻(反應(yīng)離子蝕刻)，在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蝕圖案(圖8中的(f))。該槽或凹部相當(dāng)于冷卻水流路24。以上流路形成部22b的準(zhǔn)備完成。由于熱電元件形成部22a的準(zhǔn)備和流路形成部22b的準(zhǔn)備通過不同的工序進(jìn)行，所以沒有必要同時(shí)準(zhǔn)備兩者。
[0070]若熱電元件形成部22a的準(zhǔn)備和流路形成部22b的準(zhǔn)備完成，則在流路形成部22b的形成有冷卻水流路24的面上載置熱電元件形成部22a，然后進(jìn)行100°C的接合退火，來牢固地使它們進(jìn)行接合(圖8中的(g))。通過使熱電元件形成部22a和流路形成部22b接合，來形成內(nèi)部具有冷卻水流路24的器件主體22。
[0071]接著，在熱電元件形成部22a上形成含有50nm的鈦(Ti)膜以及500nm的金(Au)膜等的金屬膜，在其上形成抗蝕圖案(圖8中的(h))。該抗蝕圖案為覆蓋與電極16相當(dāng)?shù)牟糠值膱D案。然后，將抗蝕圖案作為掩膜實(shí)施蝕刻，僅剩下與電極16相當(dāng)?shù)牟糠?，來除去金屬膜。最后除去抗蝕圖案，形成微通道冷卻器件40(圖8中的(i))。
[0072]微通道冷卻器件20、30、60、70都能夠通過與上述的微通道冷卻器件40的制造方法相同的制造方法制造。
[0073]上述第一至第六實(shí)施方式不僅能夠單獨(dú)發(fā)揮功能，還能夠?qū)⑦@些特征進(jìn)行適當(dāng)組合使用。例如，圖5所示的第四實(shí)施方式的熱電構(gòu)件配置在冷卻水流路之間的結(jié)構(gòu)還能夠適用于圖6所示的一分為二的冷卻水流路中。
[0074]另外，上述的微通道冷卻器件，借助利用塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)的熱電元件10將熱量轉(zhuǎn)換為電然后輸出，但是相反通過向熱電元件10中流入電流，熱電元件10能夠發(fā)揮帕爾貼元件的功能。因此，還能夠向熱電元件10供給適當(dāng)?shù)碾娏鳎门翣栙N效應(yīng)，對(duì)冷卻水流路的溫度分布進(jìn)行控制。
[0075]接著，說明微通道冷卻器件的使用方式。圖9是表示在個(gè)人電腦(PC)的CPU上使用上述微通道冷卻器件40的例子的圖。動(dòng)作時(shí)發(fā)熱的CPUllO安裝在PC100的主電路板120上。在CPUllO的背面接合有微通道冷卻器件40，進(jìn)行熱性連接。
[0076]在PC100中設(shè)置有向微通道冷卻器件40供給冷卻水的冷卻水回路。冷卻水回路具有用于將從微通道冷卻器件40排出的溫?zé)岬睦鋮s水冷卻的熱交換器(散熱器)130。熱交換器130為風(fēng)冷式熱交換器，在熱交換器130附近配置有電動(dòng)風(fēng)扇160。
[0077]通過泵150將儲(chǔ)備箱(reserve tank) 140內(nèi)的低溫的冷卻水供給給微通道冷卻器件40的冷卻水流路24。來自CPUllO的熱量被在冷卻水流路24流動(dòng)的冷卻水吸收，變溫的冷卻水從微通道冷卻器件40排出，然后供給至熱交換器130。因此，CPUllO被微通道冷卻器件40冷卻，能夠維持在適當(dāng)?shù)臏囟?。變溫的冷卻水被熱交換器130冷卻，再次成為低溫的冷卻水，返回儲(chǔ)備箱140。
[0078]在以上的冷卻工序中，在微通道冷卻器件40中，在冷卻水流動(dòng)的方向(冷卻水流路24的延伸方向)上產(chǎn)生溫度差，該溫度差被付與組裝在微通道冷卻器件40上的熱電元件10。熱電元件10借助該溫度差發(fā)電。設(shè)置有將熱電元件10的低溫側(cè)電極和高溫側(cè)電極與上述泵150電連接的電路170，熱電元件10所產(chǎn)生的電力用于驅(qū)動(dòng)泵150(或輔助驅(qū)動(dòng)泵150)。
[0079]如上所述,通過熱電元件10將CPUllO散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?通過該電力驅(qū)動(dòng)泵150，因此能夠按照CPUllO的運(yùn)行效率(即，按照CPUllO的動(dòng)作負(fù)載)驅(qū)動(dòng)泵150。若CPUllO的運(yùn)行效率變高,發(fā)熱量增大,則熱電元件10的發(fā)電量也增大,從而能夠自動(dòng)增大泵150供給冷卻水的水量。
[0080]接著，說明微通道冷卻器件的其他使用方式。圖10是表示在以機(jī)架式服務(wù)器(rack server)為代表的大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用微通道冷卻器件的例子的圖。
[0081]圖10中虛線包圍的部分為服務(wù)器室200，在服務(wù)器室中配置有多個(gè)服務(wù)器210。服務(wù)器為形成為架狀的裝置，在各服務(wù)器210中容置有多個(gè)電路基板220。在各電路基板220上安裝有CPU230，為了冷卻CPU230，設(shè)置有微通道冷卻器件240。微通道冷卻器件240為上述微通道冷卻器件20?70之一。
[0082]儲(chǔ)存在儲(chǔ)備箱(未圖示)中的冷卻水通過泵250供給至微通道冷卻器件240。在微通道冷卻器件240的冷卻水流路中流動(dòng)的冷卻水供給至熱交換器260，然后被冷卻，返回儲(chǔ)備箱進(jìn)行循環(huán)。
[0083]熱交換器260與在服務(wù)器室200內(nèi)循環(huán)的冷媒之間進(jìn)行熱交換，來冷卻向微通道冷卻器件240供給的冷卻水。即，在服務(wù)器室200內(nèi)循環(huán)的冷媒被供給至各服務(wù)器210，在服務(wù)器210內(nèi)從熱交換器260吸收熱量，然后供給至設(shè)置在服務(wù)器室200中的第二熱交換器 300。
[0084]在此，熱交換器260的結(jié)構(gòu)與微通道冷卻器件240相同。即，將微通道冷卻器件240用作熱交換器260。向熱交換器260的冷卻水流路中供給溫?zé)岬睦鋮s水，通過冷媒進(jìn)行冷卻，來變?yōu)榈蜏氐睦鋮s水，然后從熱交換器260排出。此時(shí)，冷卻水流路的入口側(cè)為高溫部，出口側(cè)為低溫部，因此產(chǎn)生溫度差。熱交換器260的熱電元件能夠利用該溫度差發(fā)電。
[0085]第二熱交換器300在服務(wù)器210內(nèi)從熱交換器260吸收熱量而溫度變高的冷媒和從設(shè)置在服務(wù)器室200外部的冷卻器400供給的低溫的冷媒之間進(jìn)行熱交換，冷卻從熱交換器260排出的冷媒。變?yōu)榈蜏氐睦涿奖槐?10送出，供給至各服務(wù)器210。
[0086]在以上的冷卻系統(tǒng)中，能夠經(jīng)由微通道冷卻器件240以及第二熱交換器300將CPU230產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移至服務(wù)器室200的外部(冷卻器400)，能夠抑制服務(wù)器室200內(nèi)的溫度上升。
[0087]另外，微通道冷卻器件240的熱電元件10產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)(thermoelectromotiveforce)以及熱交換器260產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)能夠表示CPU230的散熱量(即冷卻狀態(tài))。因此，只要利用微通道冷卻器件240產(chǎn)生的電力以及熱交換器260產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)泵250以及泵310，就能夠節(jié)約向這些泵供給的電力。
[0088]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0089]本發(fā)明能夠用于微通道冷卻器件、微通道冷卻系統(tǒng)以及電子裝置。
[0090]附圖標(biāo)記說明
[0091]I微通道散熱構(gòu)件
[0092]2微通道部
[0093]2a槽部(通道)
[0094]3 罩部
[0095]5電子部件
[0096]10熱電元件
[0097]12第一熱電構(gòu)件
[0098]14第二熱電構(gòu)件
[0099]16 電極
[0100]20、30、40、50、60、70 微通道冷卻器件
[0101]22器件主體
[0102]22a 底面
[0103]22b上表面
[0104]24冷卻水流路
[0105]26冷卻水供給流路
[0106]28冷卻水排出流路[0107]100個(gè)人電腦(PC)
[0108]110CPU
[0109]120主電路板
[0110]130熱交換器
[0111]140儲(chǔ)備箱
[0112]150泵
[0113]160電動(dòng)風(fēng)扇
[0114]170電路
[0115]200服務(wù)器室
[0116]210服務(wù)器
[0117]230CPU
[0118]240微通道冷卻器件
[0119]250泵
[0120]260熱交換器
[0121] 300第二熱交換器
[0122]310泵
[0123]400冷卻器
【權(quán)利要求】
1.一種微通道冷卻器件，其特征在于， 具有: 散熱構(gòu)件，其具備液體冷媒流路，所述液體冷媒流路具有微小截面，且所述散熱構(gòu)件與熱源熱性連接； 熱電元件，其設(shè)置在所述散熱構(gòu)件上，與所述液體冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述熱電元件設(shè)置在相對(duì)于所述液體冷媒流路與熱性連接所述熱源的面相反的面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述熱電元件埋入所述散熱構(gòu)件的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微通道冷卻器件，其特征在于， 所述散熱構(gòu)件具有相互平行地延伸的多個(gè)所述液體冷媒通路， 所述熱電元件配置在相鄰的所述液體冷媒通路之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述熱電元件為利用因不同種金屬接合產(chǎn)生的塞貝克電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行發(fā)電的元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述液體冷媒流路的雷諾數(shù)小于2000。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述液體冷媒流路的截面為長(zhǎng)方形，對(duì)角線的長(zhǎng)度為500 μ m以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述散熱構(gòu)件由半導(dǎo)體材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微通道冷卻器件，其特征在于，所述散熱構(gòu)件由形成有半導(dǎo)體集成電路的半導(dǎo)體基板形成。
10.一種微通道冷卻系統(tǒng)，其特征在于， 具有: 成為熱源的電子部件； 與該電子部件熱性連接的權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻器件； 將通過所述微通道冷卻器件產(chǎn)生的電力向冷卻系統(tǒng)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部供給的電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微通道冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部包括將液體冷媒供給至所述微通道冷卻器件的泵以及冷卻扇，該冷卻扇冷卻用于對(duì)液體冷媒進(jìn)行冷卻的熱交換器。
12.一種電子裝置，其特征在于， 具有: 成為熱源的電子部件， 與該電子部件熱性連接的權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻器件， 將液體冷媒向所述微通道冷卻器件供給的泵； 將所述微通道冷卻器件產(chǎn)生的電力供給至所述泵，來驅(qū)動(dòng)所述泵。
【文檔編號(hào)】H01L23/38GK103975431SQ201180074472
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月4日
【發(fā)明者】壺井修, 高馬悟覺, 水野義博 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社