JP2005064410A - 発熱体の冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却器の小型化および設計自由度を高めながら、放熱能力を向上させる。
【解決手段】 対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板２にて発熱素子１で発生した熱を、蛇行形状に形成された熱輸送デバイス本体２ａ全体に拡散させる。これにより、熱輸送デバイス本体２ａ全体が略同一温度となるので、熱輸送デバイス本体２ａの部位によらず、空気との温度差が略均一となる。したがって、熱輸送デバイス本体２ａ全体で効率よく放熱することができるので、冷却器の放熱能力を向上させることができる。また、対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板２は、発熱素子１の取り付け位置や冷却器の取付姿勢の影響を殆ど受けることないので、冷却器の小型化および設計自由度を高めながら、放熱能力を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子計算機用の集積回路、携帯電話と最寄りの交換局等との間で送受信される信号を処理する送受信モデム、および携帯電話へ発信する電波を増幅させる送信アンプ、ＩＧＢＴ（パワートランジスタ）等の電気機器を冷却する冷却器に適用して有効である。

ＩＧＢＴ（パワートランジスタ）等の大電流が流れるパワー素子を冷却する従来型の冷却器は、図１１に示すように、パワー素子１で発生する熱を集める集熱板２、および放熱フィンが設けられたヒートシンク３等から構成されている。

しかし、図１１に示す集熱板２は、沸騰式集熱器を採用している。

そして、この沸騰式集熱器とは、周知のごとく、冷媒の相変化、つまり沸騰に伴う蒸発を利用して発熱体から吸熱し、蒸発して密度が低下した気相冷媒とヒートシンクにて冷却されて凝縮した液相冷媒との密度差を利用して冷媒を自然対流させながら熱を回収するものであるので、集熱器の下方側にパワー素子１を配置し、集熱器２の上方側にヒートシンク（放熱フィン）３を配置せざるを得ない。

このため、従来型の冷却器では、冷却器の設置方向が規制されるため、冷却器の小型化および設計自由度が大きく阻害される。

また、沸騰式集熱器では、発熱体を集熱器の側面に取り付けることが望ましいので、この点においても、冷却器の小型化および設計自由度が大きく阻害される。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な発熱体の冷却器を提供し、第２には、冷却器の小型化および設計自由度を高めながら、放熱能力を向上させることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、発熱体（１）を冷却する発熱体の冷却器であって、隣り合う流路（６ｂ）において流体を対向振動させることにより隣り合う流路（６ｂ）間で熱交換し、発熱体（１）から回収した熱を拡散させる対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板（２）と、熱拡散板（２）の外表面に設けられ、冷却用空気との伝熱面積を増大させる放熱フィン（３）とを有し、熱拡散板（２）は、湾曲した湾曲部（２ｃ）と隣り合う湾曲部（２ｃ）間を繋ぐストレート部（２ｄ）を有するように蛇行した形状に形成されていることを特徴とする。

そして、本発明では、対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板（２）にて発熱体（１）で発生した熱を、熱拡散板（２）全体に拡散させているので、熱拡散板（２）全体が略同一温度となる。

したがって、熱拡散板（２）の部位によらず、例えば冷却用の空気との温度差が略均一となるので、熱拡散板（２）全体で効率よく放熱することができ、冷却器の放熱能力を向上させることができる。

また、対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板（２）は、特開２００２−３６４９９１号公報等に記載されているように、沸騰式熱拡散手段と異なり、冷媒の相変化を利用しないので、熱拡散板（２）に対する発熱体（１）の接触位置（固定位置）および熱拡散板（２）の傾斜角度によらず、集熱効果は略一定である。

このため、安定的に発熱体（１）の熱を熱拡散板（２）全体に拡散させて効率よく集熱した熱を放熱することができるので、発熱体（１）の取り付け位置や冷却器の取付姿勢の影響を殆ど受けることなく、放熱能力を高めることができる。延いては、冷却器の小型化および設計自由度を高めながら、放熱能力を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、放熱フィン（３）は、熱拡散板（２）にろう接されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明では、発熱体（１）は、隣り合うストレート部（２ｄ）間に挟まれた状態で熱拡散板（２）に接触していることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明では、発熱体（１）と熱拡散板（２）の接触面圧を増大させる向きの弾性力をストレート部（２ｄ）に作用させるクランプ手段（１ｃ）を有することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明では、クランプ手段（１ｃ）は、略Ｃ字状に形成されていることを特徴とするものである。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る発熱体の冷却器を携帯電話基地局内の電子機器や電気機器（特に、ＩＧＢＴ等のパワー素子）等の冷却に適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷却器の模式図であり、図２は図１の断面図であり、図３、図４および図５は熱拡散板６の説明図である。

携帯電話基地局内には、商用電源等の電源から供給される電力を整流する整流器、携帯電話と最寄りの交換局等との間で送受信される信号を処理する送受信モデム等からなる無線機、および携帯電話へ発信する電波を増幅させるＩＧＢＴ等のパワー素子等からなる送信アンプ等の発熱素子１が収容されている。

なお、整流器は、無線機や発熱素子１等の通信機器に直流電力を供給するものであり、携帯電話基地局は、断熱性の高い密閉空間を構成するもので、外部から携帯電話基地局内に熱が進入することが抑制されている。

そして、発熱素子１等の携帯電話基地局内の発熱体は、携帯電話基地局内の空気（室内空気）の温度を調節することにより、その温度が適正温度となるように冷却されており、本実施形態では、室内空気の温度を調節（冷却）する冷却手段として、携帯電話基地局内の空気と携帯電話基地局外の空気とを熱交換する熱交換器、この熱交換器に携帯電話基地局内の空気を送風する室内送風機、および熱交換器に携帯電話基地局外の空気を送風する室内送風機等からなる熱交換ユニットにて構成されている。なお、熱交換ユニット、つまり室内送風機および室内送風機は、電子制御装置（ＥＣＵ）にて制御されている。

次に、本実施形態の要部をなす発熱体の冷却器を図２、図３および図４を用いて説明する。なお、図４は熱輸送デバイス本体２ａの断面図である。

熱輸送デバイス本体２ａは、図４に示すように、蛇行した流路２ｂ内に流体が充填された略帯板状のもので、その表面に発熱素子１が取付プレート１ａ（図２参照）を介して熱輸送デバイス本体２ａに固定されている。

なお、図３および図４では、熱輸送デバイス本体２ａは、単純な帯板状に描かれているが、実際には、図１に示すように、湾曲した湾曲部２ｃと隣り合う湾曲部２ｃ間を繋ぐストレート部２ｄを有するように蛇行した形状に形成されている。つまり図３および図４は、熱輸送デバイス本体２ａを真っ直ぐに延ばした展開形状を示している。

ここで、熱輸送デバイス本体２ａは、図４に示すように、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材からなる多穴チューブ２ｅの長手方向両端側をプレート２ｆ、２ｇにて閉塞することにより蛇行した流路２ｂを構成したものであり、本実施形態では、紙面左側のプレート２ｇに、後述する振動装置２ｈ（図３参照）と熱輸送デバイス本体２ａとを接続するための接続パイプ部２ｉが接合されている。

因みに、流路２ｂ内に充填される流体として、本実施形態では水を採用しているが、粘度を低下させる添加剤を混合した水等を採用してもよいことは言うまでもない。

また、発熱素子１と取付プレート１ａとは、発熱素子１の製造段階において一体化されており、発熱素子１は、図２に示すように、Ｐネジ１ｂにて熱輸送デバイス本体２ａに密着固定されている。

振動装置２ｈ（図３参照）は、熱輸送デバイス本体２ａ内の流体を振動させるポンプ手段であり、この振動装置２ｈは、例えば電磁力により変位する可動子と流体を振動させるピストンとが一体化されたプランジャを往復動さることにより流体を振動させるものである。なお、この振動装置２ｈの作動は、電子制御装置にて制御される。

また、ストレート部２ｄのうち発熱素子１が組み付けられた面を除いた扁平面には、図１および図２に示すように、空気との伝熱面積を増大させて熱輸送デバイス本体２ａ内の流体と冷却用の空気（本実施形態では、携帯電話基地局内の空気）との熱交換を促進する放熱フィン３が接合されいる。

そして、本実施形態では、放熱フィン３もアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属製とするとともに、シンクプレート５ａと放熱フィン３とをろう接にて一体化している。

ここで、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。

因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。

なお、本実施形態では、放熱フィン３を湾曲した湾曲部と隣り合う湾曲部間を繋ぐ平面部を有するように波状にとするとともに、平面部に鎧窓状のルーバを設けて温度境界層が成長することを抑制しているが、放熱フィン３の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、針状のピンフィンまたは矩形状のセグメントを千鳥状に配置する等してもよいことは言うまでもない。

次に、本実施形態に係る発熱体の冷却器の概略作動を述べる。

対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板２とは、振動流による拡散促進効果（特開２００２−３６４９９１号公報等参照）を利用したもので、その原理は以下のようなものである。

すなわち、図５に示すように、円管内に液体があり、温度に分布がある場合を考える。いま、簡単のために、液体の振動はＨ点に半周期滞在し、即座にＬ点に移動し、そこで半周期滞在し、その後に即座にＨ点に戻る矩形波振動を考える。

振動がない場合にＣ点にいる液体部分（これを要素と呼ぶ。）を考えると、この要素が振動によりＨ点に移動すると、Ｈ点での円管壁の温度は要素より高いので、要素は壁から熱をもらう。要素が振動によりＬ点に移動すると、Ｌ点での壁の温度は要素より低いので要素は壁に熱を吐き出す。

すなわち、１回の振動により、熱がＨ点からＬ点に「蛙飛び」のように移動したことになる。こうした「蛙飛び」は振動が無い場合には起らず、振動により付加的に起ったものである。したがって、振動数が高くなれば単位時間当たりに起る「蛙飛び」回数が増え、振幅が大きくなると「蛙飛び」距離が増えるので、「蛙飛び」による熱の付加的移動は、振幅や周期の増加とともに増えることになる。

したがって、振動装置２ｈにより流路２ｂ（熱輸送デバイス本体２ａ）内の流体を振動させると、隣り合う流路２ｂに存在する流体間で熱交換され、熱輸送デバイス本体２ａのストレート部２ｄに配置された発熱素子１の熱が熱輸送デバイス本体２ａの幅方向端部側、つまり冷却用空気の流通方向端部側、および熱輸送デバイス本体２ａの長手方向端部側に向かって輸送され、熱輸送デバイス本体２ａ全体に広がる。

そして、熱輸送デバイス本体２ａ全体に広がったは、熱輸送デバイス本体２ａに接合された放熱フィン３を介して携帯電話基地局内にの空気中に放出される。

なお、携帯電話基地局内に空気中に放熱された熱は、熱交換ユニット、つまり熱交換器４ａを介して携帯電話基地局外に放熱される。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

本実施形態では、熱拡散手段をなす熱拡散板２にて発熱素子１で発生した熱を、熱輸送デバイス本体２ａ全体に拡散させているので、熱輸送デバイス本体２ａ全体が略同一温度となる。

したがって、熱輸送デバイス本体２ａの部位によらず、携帯電話基地局内空気との温度差が略均一となるので、熱輸送デバイス本体２ａ全体で効率よく放熱することができ、図６に示すように、冷却器の放熱能力を向上させることができる。

また、仮に、発熱素子１の温度を従来と同等とすれば、図６に示すグラフからも明らかなように、冷却風量を低減できるので、低騒音化、消費電力低減が可能となる。

また、本実施形態において、熱拡散板２は、沸騰式熱拡散手段と異なり、冷媒の相変化を利用しないので、熱輸送デバイス本体２ａに対する発熱素子１の接触位置（固定位置）および熱拡散板２の傾斜角度によらず、集熱効果は略一定である。

つまり沸騰式熱拡散手段では、周知のごとく、冷媒の相変化、つまり沸騰に伴う蒸発を利用して発熱体から吸熱し、蒸発して密度が低下した気相冷媒と放熱して凝縮した液相冷媒との密度差を利用して冷媒を自然対流させながら熱を拡散させるので、沸騰式熱拡散手段に対する発熱体の取り付け位置によって、発熱体の熱が液相冷媒に与えられる場合と既に蒸発した気相冷媒に与えられる場合が発生する。

このとき、発熱体が既に蒸発した気相冷媒と熱交換せざるを得ない位置に配置されると、冷媒は発熱体から熱を蒸発潜熱として吸熱することができず、単に気相冷媒の冷媒過熱度を上昇させる顕熱として吸熱されるので、効率よく発熱体の熱を吸熱することができない。

また、密度差を利用して冷媒を自然対流させながら熱を集熱および拡散させるので、熱拡散板２の傾斜角度が変化すると、図７（ａ）に示すように、熱抵抗、つまり集熱および熱拡散時における熱移動のし難さを示す大きさが変化する。なお、図７（ｂ）は熱拡散板２の傾斜角度の定義を示す図であり、熱拡散板２の傾斜角度は、水平面とのなす角によって定義される。

これに対して、本実施形態では熱拡散手段として、熱拡散板２を採用しており、この熱拡散板２は、上述の作動説明からも明らかなように、流体を相変化をさせずに熱を拡散させるので、その吸熱および熱拡散能力は、発熱体をなす発熱素子１の取り付け位置や冷却器の取付姿勢の影響を殆ど受けない。

したがって、熱輸送デバイス本体２ａに対する発熱素子１の接触位置（固定位置）および熱拡散板２の傾斜角度によらず、集熱効果および熱拡散効果は略一定であり、安定的に発熱素子１の熱を熱輸送デバイス本体２ａ全体に拡散させて効率よく集熱した熱を放熱することができる。

以上に述べたように、本実施形態では、発熱素子１の取り付け位置や冷却器の取付姿勢の影響を殆ど受けることなく、放熱能力を高めることができるので、冷却器の小型化および設計自由度を高めながら、放熱能力を向上させることができる。

また、振動装置２ｈの振動周波数および振幅等を制御することにより、発熱素子１の温度を容易に制御することが可能となるので、発熱素子１の内部配線の熱ひずみによる発熱素子１の破壊または劣化を未然に防止でき得る。

また、本実施形態では、放熱フィン３として波状のコルゲートフィンを採用しているので、単純なプレートフィン等に比べて放熱能力を向上させることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、Ｐネジ１ｂにて発熱素子１を熱輸送デバイス本体２ａに密着固定したが、本実施形態は、図８に示すように、隣り合うストレート部２ｄで発熱素子１を挟み込んで発熱素子１を熱拡散板２に密着固定したものである。

なお、略Ｃ型状のクランプ１ｃは、発熱素子１と熱拡散板２の接触面圧を増大させる向きの弾性力をストレート部２ｄに作用させるクランプ手段であり、このクランプ１ｃは、バネ鋼等の弾性材料に構成されている。

（第３実施形態）
第１実施形態（図１参照）および第２実施形態（図８参照）では、紙面上方側のストレート部２ｄのみに発熱素子１を配置したが、本実施形態は、図９および図１０に示すように、その他の部位にも発熱素子１を配置したものである。

なお、図９は、紙面上方側および下方側のストレート部２ｄに発熱素子１を配置した例であり、図１０は、紙面上方側および下方側のストレート部２ｄ並びに湾曲部２ｃに発熱素子１を配置した例である。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、発熱素子１を熱輸送デバイス本体２ａに直接接触させて固定したたが、本発明はこれに限定されるものでななく、シリコーングリース製の熱伝導パッド等を介して間接的に発熱素子１を熱輸送デバイス本体２ａに接触させて固定してもよい。

また、上述の実施形態では、熱輸送デバイス本体２ａと放熱フィン３とをろう接に一体化したが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、本発明の適用は、携帯電話基地局１用の冷却システムに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、ワークステーションおよびメインフレーム等にも適用できる。

特許請求の範囲に記載されたクランプ手段は、上述の実施形態に示されたクランプ１ｃに限定されるものではない。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る冷却器の模式図である。 図１の断面図である。 熱拡散板の説明図である。 熱拡散板の説明図である。 熱拡散板の説明図である。 発熱素子表面温度と冷却風速との関係を示すグラフである。 （ａ）は傾斜角度と熱抵抗との関係を示すグラフであり、（ｂ）は傾斜角度の定義を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却器の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却器の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る冷却器の模式図である。 従来の技術に係る冷却器の模式図である。

符号の説明

１…発熱素子、２…熱拡散板、２ａ…熱輸送デバイス本体、２ｂ…流路、
２ｃ…湾曲部、２ｄ…ストレート部、２ｈ…振動装置（ポンプ）、３…放熱フィン。

Claims (5)

1. 発熱体（１）を冷却する発熱体の冷却器であって、
   隣り合う流路（６ｂ）において流体を対向振動させることにより隣り合う前記流路（６ｂ）間で熱交換し、前記発熱体（１）から回収した熱を拡散させる対向振動流型熱輸送方式の熱拡散板（２）と、
   前記熱拡散板（２）の外表面に設けられ、冷却用空気との伝熱面積を増大させる放熱フィン（３）とを有し、
   前記熱拡散板（２）は、湾曲した湾曲部（２ｃ）と隣り合う湾曲部（２ｃ）間を繋ぐストレート部（２ｄ）を有するように蛇行した形状に形成されていることを特徴とする発熱体の冷却器。
2. 前記放熱フィン（３）は、前記熱拡散板（２）にろう接されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却器。
3. 前記発熱体（１）は、隣り合う前記ストレート部（２ｄ）間に挟まれた状態で前記熱拡散板（２）に接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱体の冷却器。
4. 前記発熱体（１）と前記熱拡散板（２）の接触面圧を増大させる向きの弾性力を前記ストレート部（２ｄ）に作用させるクランプ手段（１ｃ）を有することを特徴とする請求項３に記載の発熱体の冷却器。
5. 前記クランプ手段（１ｃ）は、略Ｃ字状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発熱体の冷却器。

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