JP2005150422A - 熱伝導体、冷却装置及び熱伝導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
発熱体の熱を効率よく伝導させることができ、軽量化を図ることができる熱伝導体、この熱伝導体を備えた冷却装置及び熱伝導体の製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明に係る熱伝導体１２は、発熱体１８から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域１２ｃと、第１の領域１２ｃから伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域１２ａ等とを具備する。これにより、即座に、３次元で効率的に熱伝導させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発熱体から発せられる熱を伝導させる熱伝導体、この熱伝導体を備えた冷却装置及び熱伝導体の製造方法に関する。

近年、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の動作周波数の高クロック化やプロセスのナノミクロン化によって、その発熱量は増加しつつある。現在では、このような発熱体の放熱処理のために、例えば発熱体にヒートスプレッダーや放熱フィン等の熱伝導材料を接触させる方法が一般的となっている。このような放熱フィン等の熱伝導材料として、主に、熱伝導率がそれぞれ２２０[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、３６０[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]であるアルミニウムや銅が用いられている。また、熱伝導材料として、高熱伝導性の粉末を電気絶縁性の膜で被覆したものがあり、例えば粉末として金属粉末や炭素粉末等を用いている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−１８３８７５号公報（段落[０００４]、[０００５]）

しかしながら、発熱体の発熱量は増加の一途をたどっているため、金属製の放熱フィン等を用いたとしてもそれだけでは能力不足であり、さらに効率よく放熱する必要がある。より放熱効率を高めるために面積や体積を大きくすることが考えられるが、金属系の部材を用いると重量が重くなってしまうという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、発熱体の熱を効率よく伝導させることができる熱伝導体、この熱伝導体を備えた冷却装置及び熱伝導体の製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、軽量化を図ることができる熱伝導体、この熱伝導体を備えた冷却装置及び熱伝導体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱伝導体は、発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域と、前記第１の領域に隣接して設けられ、該第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域とを具備する。

本発明において、熱を第１の方向に伝導させるようにとは、具体的には、第１の領域内で、第１の方向における熱伝導率が最も高くなるようにという意味である。同様に、熱を第２の方向に伝導させるようにとは、第２の領域内で、第２の方向における熱伝導率が最も高くなるようにという意味である。発熱体としては、例えばＩＣチップや抵抗等の電子部品等が挙げられるが、これらに限られず発熱するものなら何でもよい。以下、同様である。

本発明では、例えば熱伝導体の形状に合わせて第１及び第２の方向を最適化することにより、効率よく発熱体の熱を伝導させることができる。また、例えば熱伝導体に対して発熱体が配置される位置、発熱体の熱量、または発熱体の大きさ等に合わせて、第１及び第２の方向の最適化を図ることができ、効率よく発熱体の熱を伝導させることができる。

本発明の一の形態によれば、前記第１の方向と前記第２の方向とがほぼ直行する。これにより、発熱体の熱を熱伝導体の内部に伝導させ、かつ、表面に沿った方向で伝導させることができる。すなわち、３次元で効率的に熱伝導させることができる。特に、熱伝導体が板状であれば、例えば第１の領域で厚さ方向に熱伝導させ、第２の方向に当該板の表面に沿った方向で熱伝導させることができる。

本発明の一の形態によれば、前記第１の領域及び前記第２の領域のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２の方向とは異なる第３の方向に伝導させる第３の領域を含む。本発明では、例えば第１、第２及び第３の領域が配置される位置や、第１、第２及び第３の方向の最適化が図られれば、さらに効率よく熱伝導させることができる。

ところで、例えば熱伝導体を金型成形する場合、樹脂等の材料が金型の注入路を介してキャビティ内に広がるように流出する。この現象を利用して、第１または第２の領域内で当該注入路の流出部位から広がるような高熱伝導の方向性を持たせるようにすることができる。すなわち、本発明では、積極的に第１の方向と第３の方向とで熱伝導させるように第１の領域を形成することを要せず、少なくとも第１の方向と第３の方向とによる熱伝導の方向性が金型成形時に自然に形成される。同様に、積極的に第２の方向と第３の方向とで熱伝導させるように第２の領域を形成することを要せず、少なくとも第２の方向と第３の方向とによる熱伝導の方向性が金型成形時に自然に形成される。

本発明の一の形態によれば、前記第１の領域及び前記第２の領域のうち少なくとも一方には、金属、カーボン材、またはグラファイト材が含まれている。このように高熱伝導の材料が含まれることで、効率よく熱伝導させることができる。金属には、銅やアルミを用いることができる。また、カーボン材、特にグラファイト材を用いることで金属より高熱伝導率で熱伝導させることができ、かつ、軽量化を達成することができる。

本発明の一の形態によれば、前記第１の領域を構成する第１の材料と、前記第２の領域を構成する第２の材料とが異なる。本発明では、第１及び第２の材料を適宜選択することにより、高熱伝導率を達成するための最適化を図ることができる。

本発明に係る冷却装置は、発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域と、前記第１の領域に隣接して設けられ、該第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域と、前記第２の領域で伝導する熱を放熱する放熱部とを具備する。

本発明では、例えば熱伝導体の形状に合わせて第１及び第２の方向を最適化することにより、効率よく発熱体の熱を伝導させることができ、放熱部によって放熱して冷却することができる。例えば熱伝導体に対して発熱体が配置される位置、発熱体の熱量、または発熱体の大きさ等に合わせて、第１及び第２の方向の最適化を図ることができる。放熱部としては、ファン、ヒートパイプ、または放熱フィン等を用いることができる。

本発明に係る電子機器は、発熱体と、前記発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域と、前記第１の領域に隣接して設けられ、該第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域と、前記第２の領域で伝導する熱を放熱する放熱部とを具備する。電子機器としては、コンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電化製品等が挙げられる。以下、同様である。

本発明に係る熱伝導体を製造する方法は、金型成形により熱伝導体を製造する方法であって、発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるために、第１の材料を金型に前記第１の方向で注入することで第１の領域を形成する工程と、前記第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるために、第２の材料を前記金型に前記第２の方向で注入することで第２の領域を形成する工程とを具備する。

本発明では、例えば熱伝導体の形状に合わせて第１及び第２の方向を最適化して第１及び第２の領域を形成することができる。これにより、成形された熱伝導体の熱伝導を高めることができる。また、第１または第２の材料が金型の注入路を介してキャビティ内に広がるように流出する現象を利用して、第１または第２の領域内で当該注入路の流出部位から広がるような高熱伝導の方向性を持たせるようにすることができる。これにより、熱伝導体の製造が容易となる。

以上のように、本発明によれば、発熱体の熱を効率よく伝導させることができ、軽量化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本実施の形態に係る熱伝導体を用いた冷却装置を示す斜視図である。図２は、冷却装置１０の断面図である。

この冷却装置１０は熱伝導体１２を有している。熱伝導体１２は、例えばファン１７を収容するケース部１２ａと、熱拡散部１２ｂとで構成されている。熱拡散部１２ｂは、例えばＣＰＵ等の発熱体１８が接着され、発熱体から発せられる熱を受ける第１の領域としての受熱部１２ｃが設けられている。熱伝導体１２において受熱部１２ｃ以外の領域は第２の領域である。ケース部１２ａには吸気口１６ａが設けられたカバー１６が装着され、このカバー１６によりファン１７が覆われている。ファン１７は、羽根部材２１がモータ部２２によって回転させられることで、吸気口１６ａから外部の空気を流入させ、排気口１２ｄから流入した空気を流出させる。モータ部２２は図示しない軸受、コイル、ステータ及びロータ等からなる。排気口１２ｄには、ヒートシンク（放熱フィン）１１が取り付けられている。

熱伝導体１２の受熱部１２ｃは、熱拡散部１２ｂのほぼ厚さ方向（縦方向）に最も効率よく熱伝導させるように設けられている。一方、熱伝導体１２において受熱部１２ｃ以外の部位、すなわち、受熱部１２ｃの周囲の部位及びケース部１２ａでは、ほぼ、熱伝導体１２の表面に沿った方向（横方向）に最も効率よく熱伝導させるように設けられている。

熱伝導体１２の材料としては、例えば樹脂あるいは繊維を用いることができる。具体的には、カーボン樹脂または繊維を用いることができる。また、カーボン以外の樹脂であっても、その樹脂中に金属、カーボン材、カーボンナノチューブまたはグラファイト材が含まれていてもよい。金属には、銅やアルミを用いることができる。このように、高熱伝導の材料が含まれることで、効率よく熱伝導させることができる。また、カーボン系の材料を用いることで軽量化も達成することができる。また、金属を用いる場合には、樹脂に金属粉を混ぜることにより軽量化を図ることができる。

特に、配向性の強い単結晶構造を持つグラファイト材を用いることが好ましい。グラファイト材を用いることで、熱伝導率を６００〜８００[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]とすることができ、銅の熱伝導率３００〜４００[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]の約１．５〜２倍とすることができ、かつ軽量化を達成することができる。

また、これらの材料は熱伝導体１２の全体に含まれていてもよいし、熱伝導体１２のうち局所的、あるいは部分的に含まれていてもよい。例えば、受熱部１２ｃのみに、金属、カーボン材、カーボンナノチューブまたはグラファイト材が含まれる構成とすることができる。あるいは、受熱部１２ｃ以外の部位、例えばケース部１２ａのみに上記材料が含まれる構成とすることができる。また、あるいは、受熱部１２ｃと受熱部１２ｃ以外の部位とで異なる材料を含ませることも可能である。

このように構成された冷却装置１０の作用について説明する。

発熱体１８から発せられた熱が受熱部１２ｃから熱が吸収される。受熱部１２ｃでは、ほぼ縦方向に最も効率よく伝導される。そして、熱が熱拡散部１２ｂにおける受熱部１２ｃの周囲及びケース部１２ａにおいて、ほぼ横方向に最も効率よく伝導される。これにより、即座に、３次元で効率的に熱伝導させることができる。ケース部１２ａへ伝導した熱は、ヒートシンク１１に伝達され外部の空気中に放熱される。

一方、ファン１７の羽根部材２１が回転することで、外部の空気が吸気口１６ａからケース部１２ａの内部に流入する。流入した空気は排気口１２ｄから流出し、ヒートシンクにその空気が吹き付けられてヒートシンク１１が持つ熱が空気中に放出される。また、ケース部１２ａの内部に流入した空気によって、ケース部１２ａが冷却される。

図３及び図４を参照して、本実施の形態に係る冷却装置１０の使用例を説明する。

図３に示すように、回路基板２５に搭載されたＣＰＵ１９が例えば高熱伝導性の接着剤２６等で受熱部１２ｃに接着されている。これにより、ＣＰＵ１９を効率よく冷却することができる。

図４は、例えば冷却装置１０が内蔵されたラップトップ型のＰＣ（Personal Computer）の一部を示す断面図である。冷却装置１０は、ＰＣ３０の筐体３１内に配置されている。符号３２で示す部分はキーボードである。冷却装置１０の受熱部１２ｃに接着剤２６でＣＰＵ１９が接着されている。ＣＰＵ１９は回路基板２５に搭載されている。このように冷却装置１０をＰＣ３０に搭載して、筐体３１に設けられた開口３１ａから、ファンにより生成される気体を排出させ、効率よく冷却処理することができる。

受熱部１２ｃの形状は、図１及び図２に示したようにほぼ円筒形状（円板形状）としたが、これに限られずどのような形状であってもよい。また、上記実施の形態では、熱伝導の方向が異なる領域が受熱部１２ｃとそれ以外の部位の２つの領域としたが、もちろん３つ以上であってもよい。また、各領域の熱伝導体１２おける位置または大きさ等は問わない。

また、本実施の形態では、例えば熱伝導体１２の形状に合わせて、受熱部１２ｃとそれ以外の部位で熱伝導させる方向を最適化することにより、効率よく発熱体の熱を伝導させることができる。また、例えば熱伝導体１２に対して発熱体１８等が配置される位置、発熱体の熱量、または発熱体の大きさ等に合わせて、熱伝導の方向の最適化を図ることができ、効率よく発熱体の熱を伝導させることができる。

次に、本発明の一実施の形態に係る熱伝導体の製造方法について説明する。図５は、金型のキャビティ部の一部を示す断面図である。

この金型４０には、少なくとも２つのゲート４０ｂと４０ｃとが設けられ、また、キャビティ４０ａが設けられている。ゲート４０ｂ及び４０ｃはほぼ直行するように設けられているので、ほぼ直行する方向で材料がキャビティ４０ａ内に注入されるようになっている。金型４０の両方のゲート４０ｂ及び４０ｃから熱伝導体の材料としてカーボン等の樹脂材料を流し込むことにより、上記実施の形態で説明した熱伝導体１２の熱拡散部１２ｂにおける受熱部１２ｃとそれ以外の部位とが形成される。すなわち、ゲート４０ｂから注入された材料によって受熱部１２ｃが形成され、ゲート４０ｃから注入された材料によって受熱部１２ｃ以外の熱拡散部が形成される。このように、ゲート４０ｂ及び４０ｃによる注入方向はほぼ直行しているので、キャビティ４０ａ内に材料がそれぞれほぼ直行する方向で流入する。この流れに沿って、熱伝導率が最も高くなる方向が形成され、上記実施の形態で説明した熱伝導体１２が形成される。

また、本実施の形態では、熱伝導体１２を金型成形する場合、樹脂材料が金型の注入路を介してキャビティ内に広がるように流出する。この現象を利用して、例えば受熱部１２ｃにおいてゲート４０ｂからキャビティ４０ａへ広がるような高熱伝導の方向性を持たせるようにすることができる。すなわち、本実施の形態では、受熱部１２ｃの全領域にてすべて同じ方向で熱伝導させるのではなく、キャビティ４０ａへ材料が広がるような現象を利用して、例えば破線で示す第３の領域としての領域Ａと、領域Ｂとで高熱伝導する方向を異なるようにすることができる。ゲート４０ｃからキャビティ４０ａへ流入して形成される受熱部以外の熱拡散部１２ｂについても同様のことが言える。これにより、例えば受熱部１２ｃで伝導する熱を、領域Ｂにおいて斜め方向に最も効率よく受熱部１２ｃ以外の部位へ伝達しようとするので、熱伝導体１２の熱効率をさらに向上させることができる。

また、受熱部１２ｃにおいて積極的に領域ＡとＢとを形成する必要はないので、熱伝導体１２の製造が容易となる。

本実施の形態では、ゲート４０ｂと４０ｃとから注入する材料を異なるようにしてもよい。すなわち、２色成形とすることもできる。これにより、材料を適宜選択することにより、高熱伝導率を達成するための最適化を図ることができる。

本実施の形態に係る熱伝導体を用いた冷却装置を示す斜視図である。 図１に示す冷却装置の断面図である。 本実施の形態に係る冷却装置の使用例を示す斜視図である。 本実施の形態に係る冷却装置が内蔵されたＰＣの一部を示す断面図である。 熱伝導体を製造するための金型の一部を示す断面図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ…領域
１０…冷却装置
１２…熱伝導体
１２ａ…ケース部
１２ｂ…熱拡散部
１２ｃ…受熱部
１７…ファン
１８，１９…発熱体
４０…金型

Claims (7)

1. 発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域と、
   前記第１の領域に隣接して設けられ、該第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域と
   を具備することを特徴とする熱伝導体。
2. 請求項１に記載の熱伝導体であって、
   前記第１の方向と前記第２の方向とがほぼ直行することを特徴とする熱伝導体。
3. 請求項１に記載の熱伝導体であって、
   前記第１の領域及び前記第２の領域のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２の方向とは異なる第３の方向に伝導させる第３の領域を含むことを特徴とする熱伝導体。
4. 請求項１に記載の熱伝導体であって、
   前記第１の領域及び前記第２の領域のうち少なくとも一方には、金属、カーボン材、またはグラファイト材が含まれていることを特徴とする熱伝導体。
5. 前記第１の領域を構成する第１の材料と、前記第２の領域を構成する第２の材料とが異なることを特徴とする熱伝導体。
6. 発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるように設けられた第１の領域と、
   前記第１の領域に隣接して設けられ、該第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるように設けられた第２の領域と、
   前記第２の領域で伝導する熱を放熱する放熱部と
   を具備することを特徴とする冷却装置。
7. 金型成形により熱伝導体を製造する方法であって、
   発熱体から発せられる熱を少なくとも第１の方向に伝導させるために、第１の材料を金型に前記第１の方向で注入することで第１の領域を形成する工程と、
   前記第１の領域から伝達される熱を少なくとも前記第１の方向とは異なる第２の方向に伝導させるために、第２の材料を前記金型に前記第２の方向で注入することで第２の領域を形成する工程と
   を具備することを特徴とする熱伝導体の製造方法。

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