JP2015088535A - 冷却ユニットおよび冷却用の伝熱シート - Google Patents

Abstract

【課題】放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる冷却ユニットおよび冷却用の伝熱シートを提供する。
【解決手段】ＣＰＵなどの電子部品３を冷却する冷却ユニット１に用いられ、発熱体である電子部品３に接触して設けられ空冷機構５によって熱を放散する伝熱シート４として、高分子有機化合物より形成されたナノファイバ１６ａを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を用い、電子部品３から４に伝達される熱を伝熱シート４の内部に形成された伝熱部４ｂを貫流するエア流によって放散される。これにより放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて、冷却効率を大幅に改善することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱体を空冷により冷却する冷却ユニットおよびこの冷却ユニットに用いられる冷却用の伝熱シートに関するものである。

電子機器を構成する回路基板に実装される電子部品には、ＣＰＵやパワートランジスタなど動作時に熱を発生する発熱体がある。発熱体の連続稼働に際しては、過熱による動作異常や熱損傷を防止するための冷却が必要とされる。このような発熱体の冷却手段として、従来より発熱部から発生する熱を高伝熱性のシートを介して放熱部に導く構成の放熱装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１に示す先行技術では、半導体装置などの発熱体と空冷用のフィンが設けられた放熱部とを高熱伝導性担持体によって連結した構成例が記載されている。また、特許文献２に示す先行技術では、同様に半導体装置などの発熱体と空冷用のフィンが設けられた放熱部とを炭素繊維などの伝熱繊維束によって連結した構成例が記載されている。いずれの先行技術においても、発熱部から発生する熱を放熱部に導いて空冷により放散するようにしている。

特開平７−１６２１７７号公報 特開２００１−１５９６２号公報

しかしながら上述の特許文献例に示す従来技術には、放熱部の構成に起因して以下に述べるような難点があった。すなわち従来技術では、空冷方式の放熱部として、いずれもアルミニウムなどの金属製のフィンと空冷ファンとを組み合わせた構成が採用されていた。このような構成の冷却ユニットでは冷却性能は放熱部であるフィンの放熱面積に依存することから、冷却性能を重視すればフィンが大型化して放熱部のコンパクト化が阻害されるとともに、フィンの放熱特性の制約に起因して冷却効率を大幅に改善することが困難であった。そしてこのような課題は、回路基板に実装される電子部品のみならず、モータなど一般的な発熱体にも共通する課題であった。

そこで本発明は、放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる冷却ユニットおよび冷却用の伝熱シートを提供することを目的とする。

本発明の冷却ユニットは、発熱体が発生する熱を空冷によって冷却する冷却ユニットであって、前記発熱体に接触して設けられた伝熱シートと、前記伝熱シートの少なくとも一部に気体を吹き付けてこの伝熱シートから熱を放散させる空冷機構とを備え、前記伝熱シートは、高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜である。

本発明の冷却用の伝熱シートは、発熱体が発生する熱を空冷によって冷却する冷却ユニットにおいて、前記発熱体に接触して設けられ、少なくとも一部に空冷機構によって気体を吹き付けることにより前記発熱体から伝達された熱を放散させる伝熱シートであって、高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜である。

本発明によれば、発熱体に接触して設けられ空冷機構によって熱を放散する伝熱シートとして、高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を用いることにより、放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる。

本発明の一実施の形態の冷却ユニットの構成説明図 本発明の一実施の形態の冷却用の伝熱シートの製造過程を示す説明図 本発明の一実施の形態の冷却ユニットの機能説明図 本発明の一実施の形態の冷却ユニットに用いられる伝熱シートの構成説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して、冷却ユニット１の構成を説明する。冷却ユニット１は発熱体が発生する熱を空冷によって冷却する機能を有するものであり、本実施の形態では、発熱体としてＣＰＵなど作動状態において発熱する電子部品を対象とする例を示している。

図１（ａ）において、基板２には発熱体である電子部品３が実装されている。電子部品３を空冷によって冷却する冷却ユニット１は、伝熱シート４および空冷機構５から構成される。伝熱シート４は高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を焼成して矩形板状のグラファイトに成形した部材であり、一端側の受熱部４ａを電子部品３に接触して設けられている。伝熱シート４において伝熱部４ｂを介して他端側に設けられた放熱部４ｃには、ファン５ａを備えた空冷機構５が装着される。伝熱シート４の厚みは、電子部品３の発熱量によって規定される所要冷却能力に応じて決定され、例えば電子部品３がＣＰＵである場合には０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度に設定される。

図１（ｂ）に示すように、伝熱シート４は受熱部４ａの下面４ｄを電子部品３の上面３ａに接触させて固着され、空冷機構５は放熱部４ｃの上面に当接して位置する。伝熱シート４を固着する形態としては、伝熱シート４を押圧部材によって電子部品３に押圧して固定する機械的固着方式や、接着剤によって固着する接着方式などを用いることができる。

この状態において、電子部品３から放熱部４ｃに伝達された熱は伝熱部４ｂを介して放熱部４ｃまで伝達される。そしてこの状態でファン５ａを駆動して空冷機構５を作動させることにより、伝熱シート４の少なくとも一部を構成する放熱部４ｃに対して冷却用の気体が吹き付けられる。吹き付けられた気体は放熱部４ｃを貫通して下方に流動し（矢印ａ）、これにより放熱部４ｃから熱が放散されて、電子部品３が冷却される。すなわち空冷機構５は伝熱シート４の少なくとも一部に気体を吹き付けてこの伝熱シート４から熱を放散させる機能を有している。

なお、伝熱シート４を電子部品３に固着するに際しては、受熱部４ａの下面４ｄを電子部品３の上面３ａに必ずしも直接接触させる必要はなく、電子部品３から伝熱シート４への接触熱伝達が確保される構成であれば、電子部品３と伝熱シート４との間に熱伝導性を有する伝熱層を介在させる構成を用いてもよい。

ここで、伝熱シート４として用いられるナノファイバ膜の構成および製造方法について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、伝熱シート４を構成するナノファイバ膜の製造に用いられるナノファイバ膜製造装置１０を示している。ナノファイバ膜製造装置１０はエレクトロスピニング法によってナノファイバを生成する機能を有するものであり、原料液を射出してナノファイバを生成するナノファイバ生成部１１、生成されたナノファイバを堆積捕集する捕集部１２を備えている。ナノファイバ生成部１１は、金属板など導電性を有する平板状の移動プレート１１ａに、複数の溶液供給容器１３を列状に配置した構成となっている。

それぞれの溶液供給容器１３の下端部には、導電性の表面を有する吐出ノズル１４が、移動プレート１１ａの下面に突出して装着されており、溶液供給容器１３はエア供給部１５と接続されている。溶液供給容器１３の内部には、ナノファイバの原料となる高分子材料（ここではポリイミドを用いている）を溶媒に溶解させた原料液１６が貯留されている。エア供給部１５によって溶液供給容器１３に所定圧のエアを供給することにより、吐出ノズル１４から原料液１６が吐出される。

移動プレート１１ａは高電圧印加装置２０に電気的に接続されており、高電圧印加装置２０を作動させることにより、移動プレート１１ａには正側の高電圧（＋１０〜２０ＫＶ）が印加され、さらに導電性の表面を有する吐出ノズル１４を介して原料液１６に高電圧が付与される。これにより吐出ノズル１４から吐出される原料液１６は正電位に帯電しており、下方に噴射される過程において電荷相互に作用するクーロン力によって電気的に延伸され、ナノファイバ１６ａが生成される。

捕集部１２は、供給リール１８ａから繰り出される捕集シート１７を、シート送り駆動機構１９によって駆動される回収リール１８ｂによって巻き取ることにより所定方向（矢印ｂ）に送る構成となっている。捕集シート１７は、導電体を板状に成形した支持部材１２ａによって下方から支持された状態で送られる。捕集シート１７の上面１７ａは、ナノファイバ生成部１１の吐出ノズル１４と対向しており、吐出ノズル１４から吐出された原料液１６が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１６ａは、タングステン膜などの導電膜より成る捕集シート１７の上面１７ａによって捕集される。捕集シート１７は支持部材１２ａを介して高電圧印加装置２０の負電圧側と導通しており、正の電荷を帯びたナノファイバ１６ａを捕集することにより帯電した捕集シート１７は、高電圧印加装置２０の負電圧によって徐電される。

捕集シート１７の送り方向におけるナノファイバ生成部１１の下流側には、捕集シート１７の上方の位置して加熱装置２１が配設されている。加熱装置２１は捕集シート１７に載置された対象物を加熱する機能を有しており、本実施の形態では、捕集シート１７の上面１７ａにナノファイバ１６ａが不織布状に堆積されたナノファイバ膜４＊を加熱焼成してグラファイト化した伝熱シート４を形成するために用いられる。

図２（ｂ）は、エレクトロスピニングにおけるナノファイバ１６ａの生成および成長過程を示している。すなわち吐出ノズル１４から吐出された帯電状態の原料液１６が捕集シート１７の上面１７ａに向かって降下する過程において、原料液１６中の溶媒が徐々に蒸発し、これにより原料液１６の体積は徐々に減少していくが、付与された電荷は原料液１６に貯まる。この結果原料液１６においては溶媒が継続的に蒸発し続けて電荷密度がさらに高まり、原料液１６の内部に発生する反発方向のクーロン力が原料液１６の表面張力より勝った時点で、原料液１６が爆発的に線状に延伸される静電爆発が生じる。そしてこの静電爆発が、吐出ノズル１４と捕集シート１７との間の空間において、１次爆発１６ｂ、２次爆発１６ｃ、３次爆発１６ｄ・・と順次幾何級数的に発生することにより、直径がサブミクロンオーダーの微細繊維状の樹脂から成るナノファイバ１６ａが生成される。

このようにして生成されたナノファイバ１６ａは捕集シート１７上で不織布状に堆積されて、所定厚みのナノファイバ膜４＊となる。そしてこのナノファイバ膜４＊が加熱装置２１によって加熱焼成されることにより、グラファイト化されたナノファイバ１６ａより成る伝熱シート４が形成され、伝熱シート４を所定形状に成形することにより、冷却ユニット１に使用される伝熱シート４が製造される。

ここで、ナノファイバ１６ａを構成する高分子有機化合物の種類は、本実施の形態に示すポリイミドには限定されず、以下に例示するような各種の高分子有機化合物を用いることができる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等およびこれらの共重合体等の高分子有機化合物を例示できる。使用に際しては上記より一種類を選択して用いてもよく、また複数種類が混在しても差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記樹脂に限定されるものではない。

原料液１６に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することができる。具体的に例示すると、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を挙示することができる。

使用に際しては上述より一種類を選択して用いてもよく、また、複数種類が混在しても差し支えない。なお上記は例示であり、本願発明に用いられる原料液１６は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。さらに、原料液１６に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。

次に図３を参照して、冷却ユニット１における伝熱シート４の機能について説明する。図３（ａ）に示すように、電子部品３を継続的に作動させることにより発生した熱は、電子部品３の上面３ａから接触熱伝達により伝熱シート４の受熱部４ａに伝達され（矢印ｃ）、さらに伝熱部４ｂを介して（矢印ｄ）、空冷機構５が装着された放熱部４ｃに至る。この状態において、空冷機構５を作動させてファン５ａにより下向きのエア流（矢印ｅ）を発生させることにより、電子部品３から伝熱部４ｂを介して伝達された熱は放熱部４ｃから放散される。

図３（ｂ）は、放熱部４ｃにおける熱の放散の状態を示している。すなわち、伝熱シート４はナノファイバ１６ａを不織布状に堆積した構成であることから、伝熱シート４にはナノファイバ１６ａ相互の間に形成された微細空隙Ｓが含まれている。伝熱シート４の内部において微細空隙Ｓは、厚み方向、幅・長さ方向のいずれの方向についても、少なくともある割合において連通しており、これらの微細空隙Ｓは気体の流動を許容する通気空隙部を形成している。

このため、空冷機構５によって伝熱シート４の厚み方向に吹き付けられたエア流は、これら通気空隙部を通過して伝熱シート４を貫通して流動する（矢印ｆ）。そしてこのエア流の空冷作用により、伝熱シート４の内部においてナノファイバ１６ａの表面から熱が微細空隙Ｓに放散される。このとき、伝熱シート４の内部においてエア流が接触するナノファイバ１６ａの表面積は、従来この種の冷却用途に用いられていた冷却用フィンの表面積と比較して遙かに大きい。

例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．０５ｍｍのサイズの伝熱シート４では約４０００万ｍｍ２の表面積を有しており、略同サイズの冷却フィンの表面積の数万倍のオーダーとなっている。また、伝熱シート４はグラファイト化することにより放熱特性が大幅に改善されて熱伝導率が１００〜２００Ｗ／（ｍＫ）のレベルとなっており、従来より冷却フィンに用いられていたアルミニウムと同等以上の放熱特性を有している。

このように、伝熱シート４を構成する素材自体の放熱特性の改善と放熱表面積の増大により、冷却ユニット１の冷却性能を大幅に向上させることが可能となっている。なお、ここでは伝熱シート４としてナノファイバ膜４＊をグラファイト化したものを用いる例を示したが、焼成加工を行わない生のナノファイバ膜４＊をそのまま用いた場合にあっても、前述のように放熱表面積が大きいことから、良好な冷却性能を得ることができる。

なお、冷却ユニット１に用いられる伝熱シート４の態様としては、図１に示す実施例以外にも、各種のバリエーションが可能である。例えば、図４（ａ）の（イ）に示すように、図１に示す伝熱シート４に剛性を補強するための補強シート２２を貼着した構成の伝熱シート４Ａとしてもよい。この場合には、補強シート２２には上面を暴露するための開口部２２ａを設けるようにする。また図４（ａ）の（ロ）に示す例のように、伝熱シート４を折り曲げて複数枚重ねることにより厚みを増した構成の伝熱シート４Ｂを用いるようにしてもよい。

また図４（ｂ）に示すような簡易構成の冷却ユニットを用いるようにしてもよい。ここに示す例では、電子部品３の上面３ａに、伝熱シート４と同一素材を用いた放熱部材４０の下面４０ａを接触させ、放熱部材４０の上方から空冷機構としてのエアブロー手段２３によってエア流を吹き付ける（矢印ｇ）。これにより、電子部品３から放熱部材４０に伝達された熱は放熱部材４０に吹き付けられるエア流の空冷効果によって放散される。この構成例においても、放熱部材４０の内部には大きな放熱表面積が確保されていることから、簡略な構成によって高効率の冷却効果を得ることができる。

上記説明したように、本実施の形態に示す冷却ユニット１および伝熱シート４では、発熱を伴う電子部品３などの発熱体に接触して設けられ空冷機構５によって熱を放散する伝熱シート４として、高分子有機化合物より形成されたナノファイバ１６ａを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を用いるようにしている。これにより、放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて、冷却効率を大幅に改善することができる。

なお本実施の形態に示す例では、発熱体として基板に実装されるＣＰＵなどの発熱性の電子部品を冷却の対象としているが、本発明の対象はこのような電子部品には限定されず、作動に際して発熱を伴う部品や機構要素など、継続的な冷却を必要とする要素であれば本発明の適用対象となる。

本発明の冷却ユニットおよび冷却用の伝熱シートは、放熱部のコンパクト化および放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができるという効果を有し、電子機器に用いられるＣＰＵなどの発熱体を冷却する用途において有用である。

１ 冷却ユニット
３ 電子部品
４ 伝熱シート
４＊ ナノファイバ膜
５ 空冷機構
１６ 原料液
１６ａ ナノファイバ

Claims (4)

1. 発熱体が発生する熱を空冷によって冷却する冷却ユニットであって、
   前記発熱体に接触して設けられた伝熱シートと、
   前記伝熱シートの少なくとも一部に気体を吹き付けてこの伝熱シートから熱を放散させる空冷機構とを備え、
   前記伝熱シートは、高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜であることを特徴とする冷却ユニット。
2. 前記ナノファイバ膜は、不織布状のナノファイバを焼成することによりグラファイト化されていることを特徴とする請求項１記載の冷却ユニット。
3. 発熱体が発生する熱を空冷によって冷却する冷却ユニットにおいて、前記発熱体に接触して設けられ、少なくとも一部に空冷機構によって気体を吹き付けることにより前記発熱体から伝達された熱を放散させる伝熱シートであって、
   高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜であることを特徴とする冷却用の伝熱シート。
4. 前記ナノファイバ膜は、不織布状のナノファイバを焼成することによりグラファイト化されていることを特徴とする請求項３記載の冷却用の伝熱シート。

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