JP2003110070A - Cooler - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size of a cooler coupled with a body being cooled, e.g. a semiconductor element, being switched between light load operation and heavy load operation by enhancing the cooling power thereof. SOLUTION: A cooling body formed of a solid matter being coupled with a body being cooled is filled with a phase change substance repeating solidification and fusion depending on the temperature. At the time of light load operation where generation of heat from the body being cooled is low, cooling is performed only with the solid cooling body. At the time of heavy load operation where generation of heat from the body being cooled is high, cooling is performed with both the solid cooling body and the phase change substance utilizing fusion latent heat thereof.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器、特に
半導体素子のような発熱する素子の冷却に適した冷却装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooling device suitable for cooling an electronic device, in particular, a heat generating element such as a semiconductor element.

【０００２】[0002]

【従来の技術】電子機器に使用されるマイクロプロセッ
サに代表される半導体集積回路等の半導体素子は年々集
積度が上がるとともに高出力化しているため、これらの
素子の発熱量も増加する一方である。そのため、これら
の発熱する素子を効果的に冷却するための装置が種々提
案されている。2. Description of the Related Art Since semiconductor elements such as semiconductor integrated circuits represented by microprocessors used in electronic equipment have been increasing in integration degree and increasing in output year by year, the heat generation amount of these elements has been increasing. . Therefore, various devices for effectively cooling these heat generating elements have been proposed.

【０００３】代表的な冷却装置としては、図９に示すよ
うな冷却フィン１０１を有する冷却体１０がある。この
冷却体１０を半導体素子等の被冷却体３０に熱的に結合
し、被冷却体３０の発生する熱を冷却体１０に伝達し、
その表面の多数の冷却フィン１０１と周囲の空気の温度
差を利用した自然対流により放熱して冷却する方法や、
冷却フィンの周囲の空気を冷却ファンにより移動させ、
強制対流により冷却する方法がとられている。As a typical cooling device, there is a cooling body 10 having cooling fins 101 as shown in FIG. This cooling body 10 is thermally coupled to a cooled body 30 such as a semiconductor element, and the heat generated by the cooled body 30 is transferred to the cooling body 10.
A method of cooling by radiating heat by natural convection utilizing the temperature difference between the many cooling fins 101 on the surface and the surrounding air,
Move the air around the cooling fins with the cooling fan,
A method of cooling by forced convection is used.

【０００４】また、半導体素子等の被冷却体にヒートパ
イプの一端を伝熱的に接続し、ヒートパイプの他端を冷
却体に伝熱的に接続し、被冷却体の熱を、ヒートパイプ
を介して冷却体へ伝達し、この冷却体から周囲の空気中
へ対流により放熱し、被冷却体を冷却する方法もある。Further, one end of a heat pipe is thermally connected to a cooled body such as a semiconductor element and the other end of the heat pipe is thermally connected to a cooling body so that the heat of the cooled body is transferred to the heat pipe. There is also a method of cooling the object to be cooled by transmitting the heat to the cooling body through the, and radiating heat from the cooling body to the surrounding air by convection.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の冷却体
や冷却ファンを用いた冷却装置では以下のような問題が
ある。The above-described conventional cooling device using the cooling body and the cooling fan has the following problems.

【０００６】半導体素子等の被冷却体が、通常は発熱量
の低い低負荷で作動し、その後に発熱量の高い高負荷で
一定時間作動する場合、図９に示す冷却体１０により、
あるいはこれと冷却ファンを組み合わせて冷却する装置
では、図１０に示すように被冷却体の温度は、被冷却体
の発熱量に応じて時間とともに上昇する一方であり、特
に負荷の大きくなった高発熱時（図１０のＢ‐Ｃ期間）
には、被冷却体の許容限界温度Ｔｓを高くとって、冷却
体および冷却ファインの冷却能力を小さく設計した場合
は、被冷却体の温度がこの限界温度Ｔｓに近い温度にな
ったり、これを超えたりすることがある。半導体素子等
の被冷却体の温度が限界温度を超えたりすると、その性
能が低下したり、素子に損傷が生じたりする。When an object to be cooled, such as a semiconductor element, normally operates under a low load with a low calorific value and thereafter operates for a certain period of time under a high load with a high calorific value, the cooling element 10 shown in FIG.
Alternatively, in a device that cools by combining this with a cooling fan, as shown in FIG. 10, the temperature of the object to be cooled increases with time according to the amount of heat generated by the object to be cooled. During fever (B-C period in Fig. 10)
When the allowable limit temperature Ts of the object to be cooled is set to be high and the cooling capacity of the cooling body and the cooling fine is designed to be small, the temperature of the object to be cooled becomes close to the limit temperature Ts. It may exceed. If the temperature of the object to be cooled such as a semiconductor element exceeds the limit temperature, its performance is deteriorated or the element is damaged.

【０００７】また、被冷却体の上昇限界温度Ｔｓを低く
とって、冷却体や冷却ファンの冷却能力を大きく設計し
た場合は、冷却体や冷却ファンが寸法的に大きくなるた
め、電子機器の全体が筐体を含めて大きくなり、製造コ
ストが増大する問題が生じる。Further, if the cooling limit temperature Ts of the object to be cooled is set to be low and the cooling capacity of the cooling body or the cooling fan is designed to be large, the cooling body or the cooling fan becomes large in size, so that the entire electronic device is Becomes large, including the housing, which causes a problem of increased manufacturing cost.

【０００８】さらに、これまでは、半導体素子等の被冷
却体が、コンピュータの無停電電源装置のように商用電
源が停電していない通常運転時は、バッテリーの充電電
力を負担するだけの低負荷運転が行われ、商用電源が停
電した非常運転時は、比較的短い時間であるが、コンピ
ュータへの供給電力を全部負担する高負荷運転が行われ
るような装置に用いられる場合でも、これに結合される
冷却体や冷却ファンは、高負荷運転状態での熱的条件に
基づいて設計する必要があるため、低負荷での運転が長
い割には大形化する問題がある。Further, in the past, when the object to be cooled such as a semiconductor element is in a normal operation in which the commercial power source does not have a power failure such as an uninterruptible power supply unit of a computer, a low load which only bears the charging power of the battery. It is a relatively short time during an emergency operation when the operation is performed and the commercial power supply is cut off, but even if it is used for a device that performs a high load operation that bears all the electric power supplied to the computer, it is connected to this. Since the cooling body and the cooling fan to be used need to be designed based on the thermal condition under the high load operation state, there is a problem that the operation under the low load becomes large for a long time.

【０００９】なお、電子機器等の筐体の大きさが制限さ
れている場合には、前記したヒートパイプを用いて筐体
の外で冷却体の周囲空気との対流により冷却するように
しても、同様の問題が生じる。If the size of the housing of the electronic device is limited, the above heat pipe may be used to cool the housing outside the housing by convection with the ambient air. , A similar problem arises.

【００１０】この発明は、前記のような問題を解消する
ため、半導体素子等の被冷却体を冷却する冷却装置を小
形にし、電子機器を省スペースでかつ低コストにするこ
とのできる新規の冷却装置を提供することを課題とする
ものである。In order to solve the above problems, the present invention provides a novel cooling device which can reduce the size of a cooling device for cooling an object to be cooled such as a semiconductor element, which can save space and cost for electronic equipment. It is an object to provide a device.

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】前記の課題を達成するた
め、この発明は、被冷却体に熱的に結合されてこの被冷
却体の冷却を行う冷却装置を、固体の冷却体と、この冷
却体に熱的に結合された、熱によって凝固と融解を繰り
返す相変化物質とにより構成したことを特徴とするもの
である。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a cooling device which is thermally coupled to an object to be cooled and cools the object to be cooled. It is characterized in that it is composed of a phase change material which is thermally coupled to a cooling body and which repeats solidification and melting by heat.

【００１２】前記の発明において、冷却体の放熱容量を
被冷却体の最大発熱量より小さくし、冷却体で放熱され
ない熱を相変化物質で吸収するようにすることができ
る。In the above invention, the heat dissipation capacity of the cooling body can be made smaller than the maximum heat generation amount of the object to be cooled, and the heat which is not dissipated by the cooling body can be absorbed by the phase change material.

【００１３】また、前記の発明において、相変化物質は
冷却体内に充填するようにしてもよい。この場合、冷却
体に複数の冷却フィンを間隔をおいて設け、これらの冷
却フィンの間の空所に相変化物質を充填することができ
る。In the above invention, the phase change material may be filled in the cooling body. In this case, the cooling body can be provided with a plurality of cooling fins at intervals, and the space between these cooling fins can be filled with the phase change material.

【００１４】前記の各発明において、相変化物質とし
て、パラフィン類や、パラフィンとポリエチレンの共重
合体、またはパラフィンとポリエチレンの共重合体に形
状保持材を混合したものを用いることができる。In each of the above inventions, as the phase change material, paraffins, a paraffin / polyethylene copolymer, or a paraffin / polyethylene copolymer mixed with a shape-retaining material can be used.

【００１５】前記の形状保持材として、シリカ粉末また
はタルク粉末を用いてもよい。As the shape-retaining material, silica powder or talc powder may be used.

【００１６】さらに前記の各発明において、相変化物質
の相変化温度が被冷却体の許容上限温度以下にするのが
効果的である。Further, in each of the above-mentioned inventions, it is effective that the phase change temperature of the phase change material is set to be equal to or lower than the allowable upper limit temperature of the object to be cooled.

【００１７】また、前記各発明において、冷却体のこれ
と熱的に結合された相変化物質と接触する面の一部また
は全部に凹凸面を形成することができる。Further, in each of the above inventions, a concavo-convex surface may be formed on a part or all of the surface of the cooling body which is in contact with the phase change material thermally bonded to the cooling body.

【００１８】[0018]

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図に示す
実施例に基づいて説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described based on an embodiment shown in the drawings.

【００１９】図１は、この発明による冷却装置を模式的
に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a cooling device according to the present invention.

【００２０】この図１において、１は、表面に間隔をお
いて複数の冷却フィン１１を設けた冷却体である。この
冷却体１の外見的形状は、図７に示す従来の冷却体と同
じであるが、各冷却フィン１１の間の空所に、外から加
わる熱によって凝固と融解の二相変化を繰り返し行う相
変化物質２が充填されている。冷却体１の下面には、半
導体素子等のように自己発熱による温度上昇を抑えるた
めに冷却する必要のある被冷却体３が熱的に結合されて
いる。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a cooling body having a plurality of cooling fins 11 provided on its surface at intervals. The external shape of this cooling body 1 is the same as that of the conventional cooling body shown in FIG. 7, but two-phase change of solidification and melting is repeatedly performed in the space between the cooling fins 11 by heat applied from the outside. It is filled with phase change material 2. To the lower surface of the cooling body 1, a cooled body 3 such as a semiconductor element that needs to be cooled in order to suppress temperature rise due to self-heating is thermally coupled.

【００２１】冷却体1は、従来と同様に熱伝導のよい
銅、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金等によ
る固体により形成される。The cooling body 1 is formed of solid such as copper, aluminum, nickel and alloys thereof having good heat conductivity as in the conventional case.

【００２２】相変化物質２には、パラフィン類やパラフ
ィンとポリエチレンの共重合体のように、常温では凝固
して固形を示し、温度が上昇し相変化点温度を超えると
融解し、その際に大量の融解潜熱を蓄積し、蓄積した熱
を放熱することより温度が相変化点温度より低下すると
再び凝固するような物質を用いることができる。そして
このパラフィンとポリエチレンの共重合体に形状保持材
としてシリカ粉末やタルク粉末等を混合しておくと、相
変化物質２を融解時にも流動させることなく固形状態に
保持することができ、冷却体１に充填した際に周囲を固
体物で囲う必要がない。The phase-change substance 2, like paraffins or a copolymer of paraffin and polyethylene, solidifies at room temperature to show a solid state and melts when the temperature rises and exceeds the phase-change point temperature. A substance that accumulates a large amount of latent heat of fusion and radiates the accumulated heat to solidify again when the temperature falls below the phase change point temperature can be used. When silica powder, talc powder, or the like is mixed as a shape-retaining material with the copolymer of paraffin and polyethylene, the phase-change substance 2 can be held in a solid state without flowing even when melted, and a cooling body is obtained. There is no need to surround it with solids when filling 1.

【００２３】図２にこのような冷却装置における被冷却
体３の運転状態の変化にともなう温度変化の推移を示
す。図２の縦軸は温度を示し、横軸は時間を示す。FIG. 2 shows the transition of the temperature change due to the change of the operating state of the cooled object 3 in such a cooling device. The vertical axis of FIG. 2 represents temperature and the horizontal axis represents time.

【００２４】冷却体１の放熱（冷却）能力は、被冷却体
３の最大の発熱量よりも小さく形成されているが、被冷
却体３が低負荷で運転されている期間（図２のＡ−Ｂ）
では、被冷却体３の発熱量が小さいため、冷却体１だけ
で被冷却体３を十分に冷却することができ、被冷却体３
の温度は図２に実線のカーブで示すように許容上限温度
Ｔｓ以下の所定の温度Ｔ１に保たれる。しかし、被冷却
体３が一定の高負荷運転期間（図２のＢ−Ｃ）になる
と、発熱量がほぼ最大発熱量まで増大し、冷却体１での
放熱能力を超えるため、被冷却体３の温度がＴ１からさ
らに上昇する。被冷却体３の温度が相変化物質２の相変
化点温度Ｔｆに達すると相変化物質３が融解を始め、融
解潜熱として相変化物質２が冷却体１で負担しきれない
被冷却体３からの熱を吸収し蓄積するため、被冷却体３
の温度は、相変化物質２の相変化点温度Ｔｆを超えるこ
となくほぼＴｆ付近に一定に保たれる。高負荷運転期間
（Ｂ−Ｃ）の終わり付近になると相変化物質２のほぼ全
量が融解されるため、融解潜熱による熱の吸収能力がな
くなり、被冷却体３の温度がさらに上昇を始めるが、直
ぐに低負荷運転期間（Ｃ−Ｄ）へ移り、被冷却体３の発
熱量が低下するとともに，冷却体１の温度が上昇してい
る分だけ放熱量が増大するため、被冷却体３の温度は低
下に転じるとともに、相変化物質２に吸収された熱が冷
却体１を介して徐々に放熱され、相変化物質２が凝固を
始め、融解潜熱により冷却可能となるＢ点の状態に復帰
する。The heat radiating (cooling) capacity of the cooling body 1 is formed to be smaller than the maximum heat generation amount of the cooling target body 3, but the cooling target body 3 is operated at a low load (A in FIG. 2). -B)
Since the amount of heat generated by the cooled body 3 is small, the cooled body 3 can be sufficiently cooled by the cooling body 1 alone.
2 is maintained at a predetermined temperature T1 below the allowable upper limit temperature Ts as shown by the solid curve in FIG. However, when the cooled object 3 enters a constant high load operation period (B-C in FIG. 2), the heat generation amount increases to almost the maximum heat generation amount and exceeds the heat dissipation capability of the cooling object 1, so the cooled object 3 Temperature further rises from T1. When the temperature of the object to be cooled 3 reaches the phase change point temperature Tf of the phase change material 2, the phase change material 3 starts to melt, and the object to be cooled 3 which the phase change material 2 cannot fully bear as the latent heat of melting from the object 3 to be cooled. To be cooled, since it absorbs and accumulates the heat of
The temperature is maintained at a constant value near Tf without exceeding the phase change point temperature Tf of the phase change substance 2. Near the end of the high load operation period (BC), almost the entire amount of the phase change material 2 is melted, so the heat absorption capacity due to the latent heat of fusion is lost, and the temperature of the cooled object 3 begins to rise further. Immediately after shifting to the low load operation period (C-D), the heat generation amount of the cooled body 3 decreases and the heat radiation amount increases as the temperature of the cooling body 1 rises, so that the temperature of the cooled body 3 increases. Decreases and the heat absorbed by the phase change substance 2 is gradually released through the cooling body 1, the phase change substance 2 begins to solidify, and returns to the state of point B where cooling is possible due to latent heat of fusion. .

【００２５】図９に示す、従来の冷却装置における被冷
却体３０の運転状態における温度変化の推移をこの発明
の場合と比較できるように図２に点線のカーブで示す。The transition of the temperature change in the operating state of the object to be cooled 30 in the conventional cooling device shown in FIG. 9 is shown by a dotted curve in FIG. 2 so that it can be compared with the case of the present invention.

【００２６】図２から、明らかなように、従来の冷却装
置においては、冷却体１０は、半導体素子等の被冷却体
３０の高負荷運転に対応する冷却能力を有する大きさに
形成されているので、低負荷運転期間Ａ−Ｂにおいて
は、被冷却体３０の温度は、この発明の被冷却体３の温
度より低く保たれるが、高負荷運転期間Ｂ−Ｃになると
上限温度Ｔｓ付近まで急激に上昇する。As is apparent from FIG. 2, in the conventional cooling device, the cooling body 10 is formed in a size having a cooling capacity corresponding to the high load operation of the cooled body 30 such as a semiconductor element. Therefore, in the low load operation period A-B, the temperature of the cooled object 30 is kept lower than the temperature of the cooled object 3 of the present invention, but in the high load operation period B-C, up to around the upper limit temperature Ts. Rises sharply.

【００２７】この従来の冷却装置に比べると、この発明
の冷却装置によれば、被冷却体の温度上昇を低くするこ
とができるため、特に、被冷却体が半導体素子の場合、
寿命を長くすることができる。Compared with this conventional cooling device, the cooling device of the present invention can reduce the temperature rise of the object to be cooled. Therefore, especially when the object to be cooled is a semiconductor element,
The life can be extended.

【００２８】次にこの発明のより具体的な実施例につい
て説明する。Next, more specific embodiments of the present invention will be described.

【００２９】（実施例）図３および図４はこの発明の実
施例を示すもので、図３はその正面断面図、図４はその
平面断面図である。(Embodiment) FIGS. 3 and 4 show an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a front sectional view thereof, and FIG. 4 is a plan sectional view thereof.

【００３０】図３および図４における冷却フィン１１付
の冷却体１は固体のアルミニウムから構成されている。
各冷却フィン１１間の空所内に充填された相変化物質２
は、７０℃に凝固融解の相変化点を有するパラフィンと
ポリエチレンの共重合体に、シリカ粉末を形状保持材と
して混合したものを用いている。The cooling body 1 with the cooling fins 11 in FIGS. 3 and 4 is made of solid aluminum.
Phase change material 2 filled in the space between each cooling fin 11
Uses a mixture of paraffin and polyethylene having a phase change point of solidification and melting at 70 ° C. and silica powder mixed as a shape-retaining material.

【００３１】相変化物質２は、形状保持材を含有してい
るため、パラフィンとポリエチレンの共重合体が融解し
て流動化しても凝固状態の形状を保持するため、冷却体
１のフィン間の空所の上下の開放端が図４に示されるよ
うに閉塞されていなくとも流出することがないので、冷
却体に相変化物質を囲う手段を設ける必要がなく相変化
物質の充填が簡易となる。Since the phase-change material 2 contains a shape-retaining material, it maintains the solidified shape even when the paraffin-polyethylene copolymer is melted and fluidized. As shown in FIG. 4, the upper and lower open ends of the void do not flow out even if they are not closed. Therefore, it is not necessary to provide means for surrounding the phase change substance in the cooling body, and the filling of the phase change substance is simplified. .

【００３２】冷却体１には無停電電源装置の電力変換器
を構成する出力用半導体素子が被冷却体３として熱的に
結合されている。無停電電源装置は、コンピュータのよ
うに商用電源が停電した場合に、停電処理が必要な機器
における商用電源の停電時のバックアップ電源として用
いられる。したがって、出力用半導体素子の発熱は、商
用電源の非停電時は小さく、停電時は大きいという特徴
を持っている。また、停電時のバックアップ運転可能時
間は、無停電電源装置内のバッテリー容量によって、例
えば５分以内というような比較的短い時間に設定され
る。An output semiconductor element forming a power converter of an uninterruptible power supply is thermally coupled to the cooling body 1 as a cooled body 3. The uninterruptible power supply unit is used as a backup power supply when a commercial power supply fails, such as a computer, in a device that requires power failure processing. Therefore, the heat generated by the output semiconductor element is small when the commercial power source is not interrupted and is large when the commercial power source is interrupted. Further, the backup operation possible time during a power failure is set to a relatively short time such as within 5 minutes depending on the battery capacity in the uninterruptible power supply.

【００３３】以上により、冷却体１の冷却能力を、非停
電時の出力用半導体素子の発熱量に見合って、例えば２
５Ｗとし、相変化物質２の充填量を、停電時の出力用半
導体素子の発熱量，例えば９０Ｗを吸収可能な融解潜熱
量となるように選定する。すなわち、次の関係となるよ
うにする。From the above, the cooling capacity of the cooling body 1 can be set to, for example, 2 in proportion to the heat generation amount of the output semiconductor element during non-power failure.
5 W, and the filling amount of the phase change material 2 is selected so as to be a fusion latent heat amount capable of absorbing the heat generation amount of the output semiconductor element at the time of power failure, for example, 90 W. That is, the following relationship is established.

【００３４】 （１）停電時発熱量（９０Ｗ） ＝ 冷却体放熱量（２５Ｗ） ＋ 相変化物質融解潜熱量（６５Ｗ） （２）非停電時発熱量（２５Ｗ） ＝ 冷却体放熱量（２５Ｗ） この実施例の運転動作を、図５を用いて説明する。図５
の縦軸は温度、横軸は時間を示す。(1) Calorific value during power failure (90 W) = Coolant heat dissipation value (25 W) + Phase change substance melting latent heat value (65 W) (2) Non-power failure calorific value (25 W) = Cooler heat dissipation value (25 W) The driving operation of this embodiment will be described with reference to FIG. Figure 5
The vertical axis represents temperature and the horizontal axis represents time.

【００３５】図５におけるＡ点は、無停電電源装置の運
転開始点（非停電時）で、このときの出力用半導体素子
（被冷却体３）の温度は、周囲温度（例えば２０℃）と
同じである。出力用半導体素子からの発熱量は２５Ｗ一
定で、冷却体１で放熱（冷却）されるが、この放熱は、
冷却体１と周囲空気の温度差による対流により行われる
ので、時間の経過と共に被冷却体の半導体素子３の温度
は上昇する。被冷却体の半導体素子の温度は、冷却体１
からの放熱量が２５Ｗととなる温度差で釣り合う温度
が、ここでは相変化物質の相変化点温度７０℃と同じ温
度となるように冷却体１の大きさを決めている。Point A in FIG. 5 is the operation start point of the uninterruptible power supply device (when there is no power failure), and the temperature of the output semiconductor element (cooled body 3) at this time is the ambient temperature (for example, 20 ° C.). Is the same. The amount of heat generated from the output semiconductor element is constant at 25 W and is radiated (cooled) by the cooling body 1.
Since it is performed by convection due to the temperature difference between the cooling body 1 and the ambient air, the temperature of the semiconductor element 3 of the cooling target body rises with the passage of time. The temperature of the semiconductor element of the cooled object is the
The size of the cooling body 1 is determined such that the temperature balanced by the temperature difference at which the amount of heat radiated from is 25 W is the same temperature as the phase change point temperature of the phase change material of 70 ° C. here.

【００３６】次にＢ点で商用電源が停電となり、無停電
電源装置がバックアップ運転を開始し、被冷却体の出力
用半導体素子３が全負荷を担い、発熱量が９０Ｗに増大
する。このとき、冷却体１の放熱量は２５Ｗと変わらな
いので、残りの６５Ｗの発熱分が相変化物質２を加熱
し、これを融解させ融解潜熱として相変化物質２に吸収
されるため、被冷却体の半導体素子３の温度はほぼ７０
℃のまま一定に保たれ、温度上昇が抑えられる。相変化
物質２の量は、融解潜熱量が無停電電源装置の最大バッ
クアップ時間５分を考慮して、 ６５（Ｗ） × ５（分） × ６０（秒） ＝ １
９．５（ｋＪ） となるようにすればよい。相変化物質２は、潜熱により
冷却（熱吸収）を行うので、従来のアルミニウム等から
なる固体の冷却体のように顕熱で冷却を行う冷却体より
小さな体積で大きな熱処理（冷却）を行うことができ
る。Next, at the point B, the commercial power source becomes a power failure, the uninterruptible power supply device starts the backup operation, the output semiconductor element 3 of the cooled object bears the full load, and the heat generation amount increases to 90W. At this time, since the heat radiation amount of the cooling body 1 is the same as 25 W, the remaining 65 W of heat generation heats the phase change substance 2 and melts it to be absorbed in the phase change substance 2 as the latent heat of fusion, so that it is cooled. The temperature of the semiconductor element 3 of the body is approximately 70
The temperature is kept constant at ℃ and the temperature rise is suppressed. Considering the maximum backup time of the uninterruptible power supply of 5 minutes, the amount of the phase change material 2 is 65 (W) × 5 (minutes) × 60 (seconds) = 1
It may be set to 9.5 (kJ). Since the phase change material 2 is cooled (heat absorption) by latent heat, it is necessary to perform a large heat treatment (cooling) with a smaller volume than a cooling body that is cooled by sensible heat like a conventional solid cooling body made of aluminum or the like. You can

【００３７】次のＣ点で停電の復帰により無停電電源装
置のバックアップ運転が終了すると、被冷却体の半導体
素子が低負荷運転となり、その発熱量が２５Ｗに減少す
る。Ｃ点が最大バックアップ時間５分の経過時点であれ
ば、相変化物質２の量は所望される冷却能力一杯に選ば
れ、また被冷却体に熱慣性があるため、Ｃ点における被
冷却体および相変化物質の温度は、７０℃を超えて被冷
却体の半導体素子の許容上限温度１００℃付近まで上昇
する。このため、冷却体１からの放熱量は、２５Ｗより
大きく、被冷却体の半導体素子の発熱量と相変化物質２
の凝固潜熱を放熱することにより相変化物質２は凝固を
開始し、バッテリーの充電が完了し次回の停電時のバッ
クアップ運転が可能となるＤ点までに、Ｂ点と同様に融
解潜熱により熱吸収のできる凝固状態となる。バックア
ップ運転後のバッテリーの充電時間（Ｃ−Ｄ間）は、通
常１２時間以上かかるので、相変化物質２の凝固潜熱を
放熱するには十分である。When the backup operation of the uninterruptible power supply is completed by the recovery of the power failure at the next point C, the semiconductor element of the object to be cooled is put into a low load operation, and the amount of heat generated is reduced to 25W. When the point C is the time point when the maximum backup time is 5 minutes, the amount of the phase change material 2 is selected so as to have a desired cooling capacity, and the object to be cooled has thermal inertia. The temperature of the phase change material exceeds 70 ° C. and rises to around the allowable upper limit temperature 100 ° C. of the semiconductor element of the cooled object. Therefore, the amount of heat released from the cooling body 1 is larger than 25 W, and the amount of heat generated by the semiconductor element of the cooled body and the phase change material 2
The phase change substance 2 starts to solidify by radiating the solidification latent heat of, and heat is absorbed by the latent heat of fusion like point B until the point D when the battery is charged and the backup operation at the next power failure becomes possible. It becomes a solidified state that can The charging time (between C and D) of the battery after the backup operation usually takes 12 hours or more, which is sufficient to radiate the solidification latent heat of the phase change substance 2.

【００３８】前記の実施例は、相変化物質として形状保
持材を加えたものを使用しているが、この発明では、形
状保持材を加えない相変化物質を使用することもでき
る。この場合は、図６または図７に示すように、冷却体
１の冷却フィン１１間の空所の解放された上下の両端部
分を閉塞板１２、１２により閉塞するようにするか、冷
却体１の内部に空所１３を設け、この空所１３内に相変
化物質２を充填するようにする。これにより、相変化物
質２の充填される空所の周囲がすべて囲われるため、こ
こに充填された相変化物質２が融解により流動化して
も、ここから流出するのを防止することができる。In the above embodiment, the phase-change material added with the shape-retaining material is used, but in the present invention, the phase-change material without the shape-retaining material may be used. In this case, as shown in FIG. 6 or 7, the upper and lower end portions of the open space between the cooling fins 11 of the cooling body 1 are closed by the closing plates 12, 12. A space 13 is provided inside the space, and the phase change substance 2 is filled in the space 13. As a result, the entire space filled with the phase change material 2 is surrounded, and therefore even if the phase change material 2 packed therein is fluidized by melting, it can be prevented from flowing out from here.

【００３９】図８にこの発明で使用する冷却体１をさら
に改良した実施例を示す。FIG. 8 shows an embodiment in which the cooling body 1 used in the present invention is further improved.

【００４０】図８（ａ）は、図３に示す冷却体を改良し
たもので、その一部を拡大して示す。図８（ａ）におけ
る冷却体１の冷却フィン１１間の空所内において、冷却
体１がここに充填された相変化物質２と接触する面の底
面部分に凸部１４ａが設けられ、底面部分が凹凸面をな
している。この凸部１４ａは、図８（ｂ）に示すように
凹部１４ｂであってもよい。これらの凹凸部は、１個ま
たは複数個設けることができる。FIG. 8 (a) is an improved version of the cooling body shown in FIG. In the space between the cooling fins 11 of the cooling body 1 in FIG. 8A, the convex portion 14a is provided on the bottom surface portion of the surface where the cooling body 1 contacts the phase change substance 2 filled therein, and the bottom surface portion is It has an uneven surface. The convex portion 14a may be a concave portion 14b as shown in FIG. 8 (b). One or more of these uneven portions can be provided.

【００４１】図８（ｃ）は、図７に示す冷却体を改良し
たもので、その一部を拡大して示す。この図８（ｃ）に
おいて、１３は、相変化物質２の充填される冷却体１の
内部に設けた空所であり、この空所１３に充填された相
変化物質２と冷却体１の接触する面の一部に凸部１４ｃ
が設けられ、接触面の一部が凹凸面をなしている。この
凹凸面は、冷却体１の相変化物質２と接触する面のすべ
ての面に設けるようにしてもよい。FIG. 8 (c) is an improved version of the cooling body shown in FIG. In FIG. 8C, 13 is a void provided inside the cooling body 1 filled with the phase change substance 2, and the contact between the phase change substance 2 filled in the void 13 and the cooling body 1. Convex part 14c on a part of the surface
Is provided, and a part of the contact surface has an uneven surface. This uneven surface may be provided on all the surfaces of the cooling body 1 that come into contact with the phase change material 2.

【００４２】図８に示すように、冷却体１の相変化物質
２と接触する面の一部または全部に凹凸面を設けると、
相変化物質２内へ冷却体１の一部が入り込むことになる
ので、冷却体１から相変化物質２への伝熱面積が増大す
るとともに、相変化物質２が、融解状態から凝固状態へ
変化するのにともなって体積が収縮する際にその移動が
抑制されれことにより、冷却体と相変化物質との接触部
分での剥がれが防止でき、冷却体と相変化物質の緊密な
接触状態を維持できるため、冷却体１とこれに充填され
た相変化物質２との熱伝達を良好にすることができる効
果が得られる。なお、冷却体に設ける凹凸の個数は多く
した方が効果は大きくなる。As shown in FIG. 8, when a concavo-convex surface is provided on a part or all of the surface of the cooling body 1 in contact with the phase change material 2,
Since a part of the cooling body 1 enters the phase change substance 2, the heat transfer area from the cooling body 1 to the phase change substance 2 increases, and the phase change substance 2 changes from the molten state to the solidified state. As the volume shrinks, its movement is suppressed, preventing peeling at the contact area between the cooling body and the phase change material, and maintaining a close contact state between the cooling body and the phase change material. Therefore, it is possible to obtain the effect that the heat transfer between the cooling body 1 and the phase change material 2 filled therein can be improved. It should be noted that the greater the number of irregularities provided on the cooling body, the greater the effect.

【００４３】[0043]

【発明の効果】この発明によれば、被冷却体に冷却体を
結合し、この冷却体を介して被冷却体で発生する熱を放
熱するようにした冷却装置において、前記冷却体を固体
の冷却体と、この冷却体に充填された、熱によって凝固
と融解を繰り返す相変化物質とにより構成することによ
り、相変化物質の融解潜熱を利用して冷却することが可
能となるので、冷却装置全体の冷却能力が向上し、従来
と同じ大きさの装置であればより発熱量の大きい被冷却
体の冷却が可能となり、また被冷却体の発熱量が同じで
あれば冷却装置の大きさを小さくすることができる効果
がある。According to the present invention, in a cooling device in which a cooling body is coupled to a cooling body and heat generated in the cooling body is radiated through the cooling body, the cooling body is a solid body. By comprising a cooling body and a phase-change substance filled in the cooling body that repeatedly solidifies and melts by heat, it is possible to cool by utilizing latent heat of fusion of the phase-change substance. The overall cooling capacity is improved, and if the device is the same size as the conventional one, it is possible to cool the object to be cooled that has a larger heat generation amount. There is an effect that can be reduced.

【００４４】この発明は、特に、無停電電源装置のよう
に、商用電願が停電していない通常の運転期間では、定
格出力の４分の１程度の出力の低負荷で運転され、商用
電源が停電したときに短時間だけ行われるバックアップ
運転期間において定格出力の１００％の高負荷で運転さ
れる装置において使用される半導体素子等の冷却装置に
適用し、低負荷運転時の発熱を固定冷却体で負担し、高
負荷運転時の発熱を固定の冷却体と相変化物質からなる
冷却体の両方で負担するようにすると、固体の冷却体を
より小形にでき、この発明の効果が際立つようになる。In particular, the present invention is operated with a low load of about one-fourth of the rated output during a normal operation period in which a commercial power application does not have a power failure, such as an uninterruptible power supply. Applied to a cooling device such as a semiconductor element used in a device operated at a high load of 100% of the rated output during a backup operation period that is performed only for a short time when a power failure occurs, and fixed heat generation during low load operation If the burden of heat is generated by the body and the heat generated during high-load operation is borne by both the fixed cooling body and the cooling body made of a phase change material, the solid cooling body can be made smaller and the effect of the present invention will be outstanding. become.

【００４５】さらに、固体の冷却体に多数の冷却フィン
を間隔をおいて設け、これらの冷却フィン間の空所内に
相変化物質を充填するようにすると、冷却装置の寸法を
増加することなく相変化部室の充填ができるため、装置
を小形にできる効果がある。Further, if a large number of cooling fins are provided at intervals in the solid cooling body and the space between these cooling fins is filled with the phase change material, the phase is increased without increasing the size of the cooling device. Since the changing part chamber can be filled, there is an effect that the device can be downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】この発明の原理的構成を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing the basic configuration of the present invention.

【図２】この発明の動作を説明に用いる被冷却体の温度
変化を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a temperature change of an object to be cooled used for explaining the operation of the present invention.

【図３】この発明の実施例を示す正面断面図。FIG. 3 is a front sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図４】この発明の実施例を示す平面断面図。FIG. 4 is a plan sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図５】この発明の実施例の動作説明に用いる被冷却体
の温度変化を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a temperature change of an object to be cooled used for explaining the operation of the embodiment of the present invention.

【図６】この発明の他の実施例を示す平面断面図。FIG. 6 is a plan sectional view showing another embodiment of the present invention.

【図７】この発明のさらに異なる実施例を示す正面断面
図。FIG. 7 is a front sectional view showing still another embodiment of the present invention.

【図８】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれこの
発明のさらに異なる実施例を示す部分断面図。8 (a), (b) and (c) are partial sectional views showing still another embodiment of the present invention.

【図９】従来の冷却装置を概略的に示す斜視図。FIG. 9 is a perspective view schematically showing a conventional cooling device.

【図１０】従来の冷却装置の動作説明に用いる被冷却体
の温度変化を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a temperature change of an object to be cooled used for explaining the operation of the conventional cooling device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１：固体の冷却体、１１：冷却フィン、２、相変化物
質、３：被冷却体。1: Solid cooling body, 11: Cooling fins, 2, Phase change material, 3: Cooled body.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 被冷却体に熱的に結合されてこの被冷却
体の冷却を行う冷却装置が、固体の冷却体と、この冷却
体に熱的に結合された、温度によって凝固と融解を繰り
返す相変化物質とにより構成されたことを特徴とする冷
却装置。1. A cooling device that is thermally coupled to an object to be cooled to cool the object to be cooled is a solid cooling body and solidifies and melts depending on a temperature thermally coupled to the cooling body. A cooling device comprising a repeating phase change material. 【請求項２】 請求項1記載の冷却装置において、冷却
体の放熱容量を被冷却体の最大発熱量より小さくし、冷
却体で放熱されない熱を相変化物質で吸収することを特
徴とする冷却装置。2. The cooling device according to claim 1, wherein the heat radiation capacity of the cooling body is smaller than the maximum heat generation amount of the cooled body, and the heat not radiated by the cooling body is absorbed by the phase change material. apparatus. 【請求項３】 請求項１または２記載の冷却装置におい
て、相変化物質を冷却体内に充填したことを特徴とする
冷却装置。3. The cooling device according to claim 1, wherein a phase change substance is filled in the cooling body. 【請求項４】請求項３記載の冷却装置において、冷却体
に複数の冷却フィンを間隔をおいて設け、これらの冷却
フィンの間の空所に相変化物質を充填したことを特徴と
する冷却装置。4. The cooling device according to claim 3, wherein the cooling body is provided with a plurality of cooling fins at intervals, and a space between the cooling fins is filled with a phase change material. apparatus. 【請求項５】 請求項４記載の冷却装置において、相変
化物質が、パラフィン類や、パラフィンとポリエチレン
の共重合体、またはパラフィンとポリエチレンの共重合
体に形状保持材を混合したものであることを特徴とする
冷却装置。5. The cooling device according to claim 4, wherein the phase change material is a mixture of paraffins, a paraffin / polyethylene copolymer, or a paraffin / polyethylene copolymer with a shape-retaining material. Cooling device characterized by. 【請求項６】 請求項５記載の冷却装置において、形状
保持材が、シリカ粉末またはタルク粉末であることを特
徴とする冷却装置。6. The cooling device according to claim 5, wherein the shape-retaining material is silica powder or talc powder. 【請求項７】 請求項１ないし６の何れかに記載の冷却
装置において、相変化物質の相変化温度が被冷却体の許
容上限温度以下であることを特徴とする冷却装置。7. The cooling device according to claim 1, wherein the phase change temperature of the phase change material is equal to or lower than an allowable upper limit temperature of the object to be cooled. 【請求項８】 請求項１ないし７の何れかに記載の冷却
装置において、前記冷却体における相変化物質と接触す
る面の一部または全部が凹凸面をなしていることを特徴
とする冷却装置。8. The cooling device according to claim 1, wherein a part or all of a surface of the cooling body that comes into contact with the phase change material has an uneven surface. .