JP2005093847A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体の冷却体に温度によって融解と凝固を繰り返す相変化物質からなる熱媒体を結合してなる冷却装置における熱媒体に蓄積された熱の放熱時間を短縮する。
【解決手段】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固体の冷却体と、この冷却体の表面に複数間隔をおいて設けた放熱面を形成するフィンとを有し、温度よって凝固と融解を繰り返す相変化物質と形状保持剤とを混合してなる熱媒体をフィン間の間隙内に冷却体と熱的に接合されるように充填し、この熱媒体と冷却体とに高熱輸送体を熱的に接合する。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子を使用した電子機器のように使用中に発熱を伴う機器の冷却に適した冷却装置に関する。

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装置が種々提案されている。

その中の一つとして、図６に示すように半導体素子を有する電子機器２０に高熱伝導性の固体材料からなる冷却体１０を熱的に結合し、この冷却体１０の内に、温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質からなる熱媒体１５を充填し、熱媒体１５の相変化に伴う潜熱を利用して半導体素子等の電子機器２０の冷却を行う装置がある（特許文献１参照）。

熱媒体１５は、電子機器２０の温度変化の範囲内に相変化点を有し、電子機器２０の温度がこの熱媒体の相変化点の温度に達すると融解し、固相から液相へ相変化し、その際の潜熱により電子機器の発生する熱を吸収する。

このような冷却装置は、図７に示すように、電子機器の負荷が小さく、発熱量の小さいＡ−ＢおよびＣ−Ｄ期間は、冷却体１０だけで冷却できるため、被冷却体となる電子機器の温度は熱媒体の相変化温度以下に保つことができるが、電子機器の負荷が増大して発熱量が大きくなるＢ−Ｃ間においては、冷却体１０の放熱能力を超えるため、被冷却体である電子機器２０の温度は熱媒体の相変化温度を越える。熱媒体は相変化温度を超えると凝固状態から融解状態に相を変化し、このときの融解潜熱により熱を吸収するため、発熱量の増大するＢ−Ｃ期間においても電子機器２０を効果的に冷却でき、その温度を電子機器等の被冷却体の温度を許容上限温度以下に保つことができるため、固体冷却体が小さくなり、冷却装置を小形化することができる。

また、図８に示すように冷却体１０とこれと別体の密閉容器３０に収容した相変化を伴う熱媒体１５とをヒートパイプ４０により熱的結合した従来装置もある（特許文献２参照）。

この図８に示す従来装置も、電子機器２０の発熱量が増大した時、この冷却体１０から冷却体１０の外側に置かれている熱媒体１５へヒートパイプにより熱を伝達し、この熱を熱媒体１５の相変化に伴う潜熱により吸収することにより、電子機器２０を効果的に冷却し、その温度上昇を抑えることができる。
特開平８−１４８６１８号公報（２〜３頁、図１） 特開２０００−２３２２８６号公報（２〜３頁、図２）

前記した種類の冷却装置においては、被冷却体となる電子機器の発熱量はその運転条件や機器仕様によって変化するので、電子機器の発熱量の増大する間は、その熱を相変化物質の潜熱により吸収することで電子機器の温度上昇を抑え、その後の電子機器の発熱量の低下している間に、次回の発熱量増大時に備えるために、相変化物質の吸収した熱を放出させ、相変化物質の温度を相変化温度以下に下げておく必要がある。

しかし、前記の図６に示す従来装置では、相変化物質からなる熱媒体１５が冷却体１０の内部に充填されているため、相変化物質１３内に蓄えられた熱は、冷却体１０の内部を熱伝導により移動し、冷却器２０の表面の放熱面から空気中へ放熱される。この場合、冷却体１０の表面から空気中への熱伝達が大きな熱抵抗となるので、冷却体１０の熱伝導性を増大させ、放熱効率（フィン効率）を向上させる必要がある。とくに強制冷却の場合、一般的に、冷却体１０の放熱効率が低下するので、その影響度が大きく、冷却体１０の熱伝導率および発熱量が低下している時間の長さによっては熱媒体１５の温度を下げることが困難な場合がある。図７のＣ点からＤ点にかけての発熱量の小さい期間が十分長くないと電子機器２０および相変化物質１３の温度が、図７にしめすような熱媒体の相変化物質の相変化温度より低い状態にならないということである。

図８に示す従来装置の場合も、冷却体と相変化物質からなる熱媒体の間にヒートパイプが介在するだけで、熱媒体１５の放熱は、冷却体から空気中へ行われる点では、図６の従来装置と同じで、同じような問題を有する。

したがって、この発明の課題は、半導体素子等を有する電子機器からの発熱量の変化、また発熱量の時間的変化に対応できるよう冷却装置の熱媒体に蓄えられた熱の放熱時間を短縮できるように放熱性能を向上でき、また仕様変更に伴う冷却装置の要求性能への対応が柔軟に行える冷却装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、この発明による冷却装置は、半導体素子から構成された電子機器等の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固体の冷却体と、この固体の冷却体の表面に間隔をおいて複数の放熱面を形成するフィンとを有し、このフィンの間の間隙内に、温度よって凝固と融解を繰り返す相変化物質と形状保持剤とを混合した熱媒体を充填し、この熱媒体と冷却体とに高熱輸送体を熱的に接合したことを特徴とするものである。

このとき、前記高熱輸送体は、熱媒体を冷却体の放熱面間に保持する保持体の役割も兼ねるようすることができる。

この発明によれば、相変化物質からなる潜熱を利用した熱媒体を使用した冷却装置において、熱媒体の熱を冷却体に接触しない側からも高熱輸送体により冷却体の放熱面へ移送することができるので、熱媒体に潜熱として蓄えられた熱の放熱時間を短縮でき、電子機器等の発熱量の増減の周期が短い場合にも被冷却体を効果的に冷却でき冷却装置の小形化が可能となる。また、冷却体の放熱面間に熱媒体を充填することにより冷却体と熱媒体とを熱的に結合しているので、熱媒体の充填量を冷却体の放熱面の高さの範囲で自由に調節することができる。すなわち、電子機器が発熱量の増大するときの発熱量の増大量および増大期間に合わせて熱媒体の量を設定することができる。

以下にこの発明の実施の形態を、図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の実施例１にもとづく冷却装置を模式的に示す断面図である。

図１において、１０は表面に間隔をおいて放熱面を形成するフィン１１を複数設けた固体の冷却体であり、半導体素子で構成された電子機器等の被冷却体２０に熱的に結合される。冷却体１０の放熱面となるフィン１１の間の空隙内に、温度によって相変化する相変化物質に形状保持剤を混合してなる熱媒体１５が充填され、冷却体１０に熱的に結合される。そして、この熱媒体１５の表面と冷却体１０のフィン１１の表面とを高熱輸送体４０により熱的に結合する。

冷却体１０は、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、ニッケルおよびこれの合金等から構成される。

また、熱媒体１５としてはパラフィンやこれに類する高分子材料からなる相変化物質と、これにポリエチレンまたはシリカ粉末あるいはタルク粉末などの形状保持剤とを混合したものを使用する。

冷却体１０のフィン１１間の間隙内に充填された熱媒体１５には、形状保持剤が混合されていることにより、温度が上昇して融解し流動化してもフィン間の間隙から流出しない程度に形状が保持される。

高熱輸送体４０としては、冷却体１０より熱伝導率の高いものを使用する。例えば、冷却体１０がアルミニウムで構成される場合は、高熱輸送体４を銅で構成し、冷却体１０が銅で構成される場合は、高熱輸送体４０に、アルミニウム製の薄板型ヒートパイプを使用する。

高熱輸送体４０にヒートパイプを使用する場合、高熱輸送体４全体をヒートパイプ構造とする必要はなく、ヒートパイプの製造コスト、製造技術の困難さを考慮して、熱媒体に接触する部分をヒートパイプの外郭の構成材料である、例えばアルミニウムで構成するようにしてもよい。

このように構成された冷却装置の実際の運転動作を、無停電電源装置を構成する電子機器の冷却に適用した場合について図２を参照して説明する。

無停電電源装置は、コンピュータのように商用電源に停電が生じた場合に特別の停電処理が必要な機器が、停電の際に停電処理に必要な時間だけバックアップする電源装置である。したがって、商用電源が、正常に動作している時は、無停電電源装置は低負荷状態にあるためこれを構成する電子機器の発熱量は比較的小さく、商用電源が停電となったとき高負荷状態となって発熱量が大幅に増大する特性がある。そして、発熱熱量を増大して運転する時間は、用意された蓄電池の容量で定まり、通常は、５分程度の短時間でなる。

図２は、このような無停電電源装置の電子機器の冷却に使用される冷却体１０、したがって被冷却体となる電子機器の運転過程における温度の時間的変化を示すものである。

図２のＡ点は機器が動作していない状態であり、被冷却体となる電子機器は発熱していない。Ａ点から非停電時の低負荷運転を開始すると、被冷却体２０から比較的小さい発熱量で安定して発熱が始まる。被冷却体２０からの熱は、冷却体１０のフィン１１の表面から空気中へ熱伝達により放熱され、冷却体１０放熱能力とつり合った時点で被冷却体２０の温度は飽和し安定し、Ｂ点に至る。

Ｂ点で停電が発生すると、ここから被冷却体２０である電子機器の発熱量が増大する。発熱量が増大した分は、熱媒体１５へ移動し、熱媒体１５の温度を高め、相変化物質を相変化させ、そのときの潜熱により熱を吸収するので、冷却体１０の温度は、相変化物質の相変化相変化が終わるまで一定に保たれる。相変化物質の相変化が終わると冷却体１０、および被冷却体２０の温度は上昇するが、停電処理が終了するＣ点においては、上限温度以下に抑えられる。

Ｃ点から商用電源が復帰し、非停電時運転が始まるが、この発明の冷却装置では、熱媒体１５に相変化物質の潜熱で蓄えられた熱が熱媒体と冷却体１０および高熱輸送体４０との接触面から冷却体の放熱面へ移動され、高熱輸送体４０の熱輸送能力は冷却体１０より大きいので冷却体１０の内部の熱移動のみで放熱する従来技術より放熱能力が大きくなる。その結果、熱媒体１５の潜熱で蓄えられた熱の放出時間を短くでき、次に停電となる時点Ｄ点までの時間が短い場合でも、Ｃ−Ｄ期間において実線で示すように熱媒体１５および被冷却体２０の温度を熱媒体の相変化温度以下まで短時間で下げることができる。ちなみに、従来装置の場合は、同期間において点線で示すような温度変化を示し、温度低下がこの発明に比べて緩やかである。

以降は、前記したＢ点から停電が発生した状態と同様の運転となる。

ここで、相変化物質を含む熱媒体１５の充填量は予め増大する熱量に合わせて調整されており、また、形状保持剤を含有させてあるので凝固時だけでなく融解時も固形に保持され、熱媒体の収容空間の四方を必ずしも囲う必要はないが、図３に示すように熱媒体１５と接合させる高熱輸送体４０の先端部にリブ４１をつけることにより、熱媒体１５を冷却体１０のフィン１１間により安定に保持することができる。もちろん高熱輸送体４のリブ４１は熱媒体１５の全面を覆うように設けてもよい。また、高熱輸送体４０と冷却フィン１１との接合は、高熱輸送体４０と冷却体１０の接触面間に熱伝導グリースを介在させて接触熱抵抗を下げるようにするのがよい。

一方、この発明に基づく冷却装置では、冷却体１０のフィン１１間に熱媒体１５を充填して高熱輸送体４０で固定しているため、機器の仕様変更に伴い発熱量の増大に応じて熱媒体１５の充填量をフィン間の数および高さの範囲において柔軟に変化させることができ、冷却体１０は従来のものが利用可能となる。したがって冷却体１０の形状そのものは再設計、製作する必要がなく、コスト削減ができる。

図４は、被冷却体となる電子機器の発熱量の小さい期間、例えば非停電時における発熱量が比較的小さく、発熱量の大きい期間、たとえば停電時における発熱の増加量が比較的大きい場合に適用するこの発明の実施例２を示すものである。

この実施例２においては、冷却体１０の被冷却体２０に近い中央側に位置するフィン間に比して遠い両端側に位置するフィン間により多量の熱媒体１５を充填するようにしている。

これにより、冷却体１０の被冷却体２０に近い部分ほど放熱面積を大きくなるので、冷却体全体の温度分布の変動を小さくでき非停電時における相変化物質からの放熱効率を向上することができる。

また、図５は、被冷却体の発熱量の小さい期間、例えば非停電時の発熱量が比較的大きく、発熱量の増大する期間、例えば、停電時の発熱の増大量が比較的小さい場合に適用するこの発明の実施例３を示すものである。

この実施例３においては、冷却体１０の被冷却体２０に近い中央側に位置するフィン間には、熱媒体１５を充填せず、被冷却体２０から遠い両端側に位置するフィン間に熱媒体１５を充填するようにしている。

これにより、被冷却体２０に最も近い部分の放熱面積を大きくすることができるので、非停電時の比較的大きな発熱を効率よく放熱することができる。

この発明の実施例１による冷却装置を示す縦断面図である。 この発明の実施例１による冷却装置における被冷却体の運転時の温度変化を示すグラフである。 この発明の実施例１の変形例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ線の断面図である。 この発明の実施例２による冷却装置を示す縦断面図である。 この発明の実施例３による冷却装置を示す縦断面図である。 従来の冷却装置を示す縦断面図である。 図６に示す従来装置における被冷却体の運転時の温度変化を示すグラフである。 従来の異なる冷却装置示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 冷却体
１１ フィン
１５ 熱媒体
２０ 被冷却体（電子機器）
４０ 高熱輸送体
４１ リブ

Claims (4)

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固体の冷却体と、この冷却体の表面に間隔をおいて設けた複数の放熱面を形成するフィンとを有し、このフィン間の間隙内に、温度によって凝固と融解を繰り返す相変化物質と形状保持剤とを混合してなる熱媒体を充填し、この熱媒体と冷却体とに高熱輸送体を熱的に接合したことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、前記高熱輸送体は、熱媒体を冷却体の放熱面間に保持する保持体の役割も兼ねるようしたことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置において、前記高熱輸送体は、冷却体より高熱伝導度の物質から構成したことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１または２に記載の冷却装置において、前記高熱輸送体は、ヒートパイプにより構成したことを特徴とする冷却装置。
   
   

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