JP2010267912A

JP2010267912A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2010267912A
Application number: JP2009119971A
Authority: JP
Inventors: Shuko Satake; 周子佐竹; Hisao Enomoto; 久男榎本
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】短時間に、放熱部の放熱性能を超える大きな発熱が起こっても、発熱素子の温度上昇を緩和させて、発熱素子の劣化・故障を防止することができる冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱素子に熱的に接続される受熱部１０ａ、および前記発熱素子の熱を一時的に蓄熱する蓄熱部１０ｂを備えた受熱ブロック１０と、前記受熱ブロックに熱的に接続された伝熱用ヒートパイプ２０と、前記伝熱用ヒートパイプの端部に熱的に接続された放熱フィン３０とを備えたことを特徴とする冷却装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電機・電子機器に搭載される半導体素子などの素子（発熱体）を冷却するた
めの冷却装置、特に間欠的に発熱する素子を冷却するための冷却装置に関する。

近年、電気・電子機器に搭載されている半導体等の発熱素子は、高機能になるにしたが
って発熱量が増大している。
このような発熱素子を冷却するための冷却装置の構造としては、受熱ブロックからなる
受熱部及び複数の放熱フィンからなる放熱部を備えたヒートシンクを発熱素子に熱的に接
続し、ファン等によって放熱フィンに冷却風を当てることによって冷却する構造が、一般
的に用いられている。（特許文献１）
このような構成では、まず発熱素子の熱を受熱ブロックによって吸熱・拡散し、さらに
熱が受熱ブロックから各放熱フィンに移動する。各放熱フィンは概ね平行に配列されてお
り、その間を通る冷却風が放熱フィンの表面から熱を奪い、結果として発熱素子の熱が空
気中へ放散される。

一方、このような放熱構造は、通常、発熱素子の最大発熱量を基準に設計される。すな
わち、発熱素子が最大発熱量で動作している時には、常に発熱素子に許容される温度以下
に抑える放熱性能が得られるように設計されている。このため、常に最大発熱量で動作し
ているわけではない発熱素子の場合でも、ファンの大型化やファン回転の高速化が必要と
なり、ひいては冷却装置の大型化、消費電力、およびファン騒音の増大につながってしま
うという問題があった。

このような問題を解決するための従来技術として、図１１に示すように、物質の相変化
による潜熱によって熱量を蓄熱する蓄熱部を設けて、発熱部からの熱を蓄熱部に一時的に
蓄熱させ、発熱部の温度を平準化することによって、放熱構造を小型化し、ファン騒音の
低騒音化する放熱システムが記載されている。（特許文献２）

特開２０００−２９４６９５号公報特開２０００−２３２２８６号公報

しかしながら、特許文献２に記載された放熱システムでは、放熱部とは別に蓄熱部を設
けるため、そのスペースが必要となり、小型化には限界があった。さらに、この放熱シス
テムでは、発熱素子の熱を一旦、別の部材（伝熱部）によって移動させるため、部材が増
え、設計が複雑になったり、コストが増加したりするという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものである。

上記の課題を解決するため、本発明の一の実施形態に係る冷却装置は、発熱素子に熱的
に接続される受熱部、および前記発熱素子の熱を一時的に蓄熱する蓄熱部を備えた受熱ブ
ロックと、前記受熱ブロックに熱的に接続された伝熱用ヒートパイプと、前記伝熱用ヒー
トパイプの少なくとも一方の端部に熱的に接続された放熱フィンとを備えたことを特徴と
する。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記受熱ブロッ
クは、容積比熱が２．０Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上、かつ、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上の材料
からなることを特徴とする。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記受熱ブロッ
クは、少なくとも一方の主面に前記伝熱用ヒートパイプを収容する溝部を備えた平板形状
であることを特徴とする。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記伝熱用ヒー
トパイプは、一方の端部が前記受熱ブロックの前記溝部に収容されて、前記受熱ブロック
に熱的に接続され、かつ、他方の端部が前記受熱ブロックの前記主面に対して平行に延伸
し、前記放熱フィンに熱的に接続されていることを特徴とする。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記伝熱用ヒー
トパイプは、中央部が前記受熱ブロックの前記溝部に収容されて、前記受熱ブロックに熱
的に接続され、一方の端部が前記受熱ブロックの前記主面に対して平行に延伸し、他方の
端部が前記一方の端部の逆方向に延伸して、前記放熱フィンに熱的に接続されていること
を特徴とする。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記受熱ブロッ
クは、前記溝部と交わる方向に配置された均熱用ヒートパイプを備えることを特徴とする
。

上記の課題を解決するため、本発明の別の実施形態に係る冷却装置は、前記均熱用ヒー
トパイプは、前記受熱ブロックの内部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、発熱素子が動作している短時間に、放熱部の放熱性能を超える大きな
発熱が起こっても、平均値に近い値の発熱量で設計された放熱部によって効率良く放熱で
き、かつ、発熱素子の温度上昇を緩和させて、発熱素子の劣化・故障を防止することがで
きる冷却装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図。図１におけるＡ−Ａ´断面図。本発明の第１の実施形態に係る冷却装置に発熱素子を実装した状態を示す斜視図。図３におけるＢ−Ｂ´断面図。本発明の第２の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図。図５におけるＣ−Ｃ´断面図。本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックを示す断面図。本発明の冷却装置が適用される発熱素子４０の発熱量と発熱時間の関係の例を示すグラフ。発熱素子温度の時間変化を示すグラフ。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の蓄熱部の熱伝導率と温度上昇値の関係を示したグラフ。従来技術に係る冷却装置を示す模式図。

以下、本発明の好ましい実施の形態における冷却装置について、図面を参照して詳細に
説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同
一符号を付して示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図である。図１に示すよう
に、冷却装置１００は、図示しない発熱素子に熱的に接続された、受熱部１０ａと蓄熱部
１０ｂを備えた受熱ブロック１０と、受熱部１０ａの主面に形成された溝部１２（後述す
る。）に収容されて、一方の端部が受熱部１０ａに熱的に接続された伝熱用ヒートパイプ
２０と、伝熱用ヒートパイプ２０の他方の端部に接続された複数の放熱フィン３０を備え
ている。

受熱ブロック１０は、熱伝導率が高く、かつ、熱容量（容積比熱）が大きい材料で形成
されていることが好ましく、熱伝導率としては、５０Ｗ／ｍＫ以上、かつ容積比熱として
は、２．０Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上が好ましい。
このような材料としては、銅（容積比熱３．４Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ、熱伝導率３９８Ｗ／ｍ
Ｋ）、アルミニウム（容積比熱２．４Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ、熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）、鉄（
容積比熱３．５Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ、熱伝導率８０．３Ｗ／ｍＫ）等の金属、またはその合金
が挙げられる。特に、アルミニウムを用いると、冷却装置を軽量化することができるため
、より好ましい。

また、受熱ブロック１０は、熱伝導性が高い材料からなる受熱部１０ａと、熱容量が大
きい材料からなる蓄熱部１０ｂを組み合わせて形成されていてもよい。例えば、熱容量が
大きい材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂を用いることもできる。こ
のように、受熱部１０ａと蓄熱部１０ｂは、一体の材料で形成してもよく、別々の材料を
組み合わせることによって形成してもよい。

図２は、図１におけるＡ−Ａ´断面図である。本発明の冷却装置に用いられる伝熱用ヒ
ートパイプ２０としては、従来公知のものを用いることができるが、受熱部１０ａとの接
合を考慮すると、丸型のヒートパイプを扁平加工した扁平ヒートパイプを用いることが好
ましい。このようなヒートパイプを用いることによって、図２に示すように、受熱部１０
ａとの熱接触を良好なものとすることができることに加え、接合後の伝熱用ヒートパイプ
２０によって形成される面と受熱部１０ａの主面とを一致させることができ、発熱素子と
の熱接触を良好にすることができる。

受熱部１０ａに形成される、伝熱用ヒートパイプ２０を収容する溝１２は、少なくとも
一方の主面に形成されていればよく、両面に形成されていてもよい。
また、溝１２の断面は、少なくとも底面１２ａで伝熱用ヒートパイプ２０と隙間なく接
触するような形状であればよく、特に、底面１２ａと側壁を滑らかに接続することが好ま
しい。

また、設計誤差によって受熱部１０ａと伝熱用ヒートパイプ２０との間に生じる間隙は
、はんだや伝熱グリス等で埋めることによってさらに熱接触を良好にすることができる。

伝熱用ヒートパイプ２０の他方の端部には、複数の放熱フィン３０が熱的に接続され、
放熱部を形成している。
伝熱用ヒートパイプ２０と、放熱フィン３０との固定は、従来周知の様々な方法を採用
することができるが、加工の容易性を考慮するとかしめによる固定が好ましい。

この場合、複数の放熱フィンにそれぞれ設けた所定の孔に伝熱用ヒートパイプ２０を挿
通し、その後、複数の放熱フィン３０を同時にかしめることによって伝熱用ヒートパイプ
２０に固定する。
複数の放熱フィンの間隔や形状は、ファンの性能および放熱部を形成するスペース等に
よって適宜設定することができる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置に発熱素子を実装した状態を示す斜視
図である。図３に示すように、発熱素子４０は、受熱ブロック１０の受熱部１０ａの一方
の主面（伝熱用ヒートパイプ２０が配置されている面）に接合されている。
発熱素子４０で発生した熱は、一部が伝熱用ヒートパイプ２０によって放熱フィン３０
に移動され、それ以外の熱は、受熱ブロック１０によって蓄熱される。放熱フィン３０に
移動された熱は、図示しないファン等の送風手段による風流Ｘによって空気中へ放散され
る。

図４は、図３におけるＢ−Ｂ´断面図である。図４に示すように、伝熱用ヒートパイプ
２０は、風流Ｘの方向に垂直な方向から扁平加工されている。このようにすることによっ
て、放熱部における空気抵抗が低減され、風流Ｘを、放熱フィン３０の間を良好に通過さ
せることができるので、放熱性能を向上させることができる。

図５、図６は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図、および
図５におけるＣ−Ｃ´断面図である。図５および図６に示すように、冷却装置２００は、
冷却装置１００と同様の構成に加えて、受熱部１０ａと蓄熱部１０ｂとを熱的に接続する
均熱用ヒートパイプ２５を備えている。均熱用ヒートパイプ２５は、受熱ブロック１０に
形成された溝部、又は受熱ブロック１０の内部に配置され、受熱部１０ａの熱を蓄熱部１
０ｂに移動し、受熱ブロック１０中の熱の均一性を保つ機能を有する。
均熱用ヒートパイプ２５を備えていることで、受熱部１０ａの熱を素早く蓄熱部１０ｂ
に移動させることが可能となり、発熱素子の急激な温度上昇を抑制することができる。

本発明に係る冷却装置は、上記の構成に制限されるものではなく、適宜変更が可能であ
る。例えば、ヒートパイプや放熱フィンの数やサイズは、発熱素子の平均発熱量等によっ
て適宜設定することができる。また、ヒートパイプと受熱ブロック、放熱フィンとの接合
は、機械的な接合（かしめ）、溶接等によって直接接合されるものでもよく、ＴＩＭ（Th
ermal Interface Material）等を介して接合されていてもよい。

また、上記実施形態では、放熱フィンは、ヒートパイプの一方の端部に取り付けられて
いるものについて説明したが、ヒートパイプが受熱ブロックの他方側へも延伸し、ヒート
パイプの両端に放熱フィンが接続されていてもよい。この場合、受熱ブロックの受熱部に
は、ヒートパイプの中央部が接続される。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックを示す断面図である。
図７に示すように、この受熱ブロック１４は、アルミニウム、銅等、熱伝導性の高い材料
からなる受熱部１４ａと、エポキシ樹脂等、熱容量の大きい材料からなる蓄熱部１４ｂと
からなっている。冷却装置のその他の構造は、第１の実施形態に係る冷却装置と同様であ
る。

このような構成とすることで、上記の効果に加えて、簡易な構造で蓄熱部１４ｂをさら
に軽量化することができる。
ここで、蓄熱部１４ｂをエポキシ樹脂等の樹脂で形成する場合、樹脂は熱伝導性が低い
ため、受熱部１４ａとの接触面積を大きくするような構造にすることが好ましい。

次に、発熱素子４０の発熱について説明する。図８は、本発明の冷却装置が適用される
発熱素子４０の発熱量と発熱時間の関係の例を示すグラフである。
図８に示すように、発熱素子４０は、動作開始から１０秒間は１２０Ｗの熱を発生し、
それ以降、１９０秒間は数Ｗの発熱、又はまったく発熱せず、さらに１０秒間１２０Ｗの
熱を発生するというサイクルを繰り返す。
このような場合、冷却装置を、１２０Ｗの熱を放熱できるように設計すると、冷却装置
は大型なものになり、かつ、放熱ファンも風量を増やすために大型・高速回転のものを用
いることになり、さらに冷却装置の大型化につながってしまう。すなわち、この発熱素子
４０の平均発熱量は６Ｗであるにもかかわらず、冷却装置としては、放熱性能を１２０Ｗ
以上として設計しなければならない。

図９は、本発明の冷却装置によって、図８に示すような条件で発熱する発熱素子を冷却
した場合の、発熱素子温度の時間変化を示すグラフである。条件１、２は、それぞれ、蓄
熱部のない冷却装置、および本発明の第１の実施形態に係る冷却装置である。
図９に示すように、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置では、蓄熱部のない冷却装
置にと比較して、温度上昇を３０％以上抑制することができる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の蓄熱部の熱伝導率と温度上昇値
の関係を示したグラフである。このグラフは図８に示すような条件で発熱する発熱素子を
冷却した場合の発熱素子の最高温度を示したグラフである。グラフの横軸は、受熱部の熱
伝導率、縦軸は、発熱素子の上昇温度（最高温度）を示しており、蓄熱部の熱容量を変化
させて測定している。
ここで、実験条件として、発熱素子の大きさを幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ
、受熱ブロック（発熱素子を含む）の大きさを幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ５ｍｍ
とし、ヒートパイプの熱伝達率を１×１０^５Ｗ／ｍＫとした。

図１０に示すように、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置では、蓄熱部の熱容量が
５０Ｊ／Ｋ以上、かつ熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下であれば、温度上昇値が３０℃以下と
なるため、発熱素子の温度上昇を緩和させて、発熱素子の劣化・故障を効果的に防止する
ことができる。

１００、２００冷却装置
１０、１４受熱ブロック
１０ａ、１４ａ受熱部
１０ｂ、１４ｂ蓄熱部
１２溝
１２ａ底面
２０伝熱用ヒートパイプ
２５均熱用ヒートパイプ
３０放熱フィン
４０発熱素子

Claims

発熱素子に熱的に接続される受熱部、および前記発熱素子の熱を一時的に蓄熱する蓄熱
部を備えた受熱ブロックと、
前記受熱ブロックに熱的に接続された伝熱用ヒートパイプと、
前記伝熱用ヒートパイプの少なくとも一方の端部に熱的に接続された放熱フィンと
を備えたことを特徴とする冷却装置。
前記受熱ブロックは、容積比熱が２．０Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上、かつ、熱伝導率が５０Ｗ
／ｍＫ以上の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記受熱ブロックは、少なくとも一方の主面に前記伝熱用ヒートパイプを収容する溝部
を備えた平板形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
前記伝熱用ヒートパイプは、一方の端部が前記受熱ブロックの前記溝部に収容されて、
前記受熱ブロックに熱的に接続され、かつ、他方の端部が前記受熱ブロックの前記主面に
対して平行に延伸し、前記放熱フィンに熱的に接続されていることを特徴とする請求項１
ないし請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記伝熱用ヒートパイプは、中央部が前記受熱ブロックの前記溝部に収容されて、前記
受熱ブロックに熱的に接続され、一方の端部が前記受熱ブロックの前記主面に対して平行
に延伸し、他方の端部が前記一方の端部の逆方向に延伸して、前記放熱フィンに熱的に接
続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置
。
前記受熱ブロックは、前記溝部の形成方向と交わる方向に配置され、前記受熱部と前記
蓄熱部とを熱的に接続する均熱用ヒートパイプを備えることを特徴とする請求項３ないし
請求項５のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記均熱用ヒートパイプは、前記受熱ブロックの内部に配置されていることを特徴とす
る請求項６に記載の冷却装置。