JP2006073744A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストを低減しつつ優れた放熱性能が得られるヒートシンクを提供すること。
【解決手段】 中空部に相変化材料及び空気を封入した、発熱体から熱を吸収するヒートシンクを提供する。該ヒートシンクは、発熱体の中心から当該ヒートシンクへ下ろした垂線にかからない領域に、空気を保持する空気溜まり部を有する、ことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品等の発熱体の放熱を促進させるためのヒートシンクに関する。

集積回路チップやパワーＩＣでは、過熱によって生じうる動作特性の変動などを最小化するため、チップ内で発生した熱を放熱させる手段が要求される。特に、車両用電動パワーステアリングなど短期間に大量に発熱するＥＣＵ（以下、パワー素子という）は、効率よく放熱することが望まれる。

このようなパワー素子の温度上昇を抑えるため、パワー素子が発生する熱を伝導し、その熱を外気との温度差によって表面から放出するヒートシンクが用いられている。ヒートシンクの材料としては黄銅などの熱伝導率の高い金属が用いられるが、更にヒートシンクに中空部を設け蓄熱材を封入し、該蓄熱材の潜熱を利用して放熱（蓄熱）するヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。蓄熱材が溶融している間、蓄熱材の温度は、パワー素子から発生する熱を蓄熱材が潜熱として吸収するため一定の値となる。すなわち蓄熱材が融解している間、パワー素子又はパワー素子近傍の蓄熱材の温度はほぼ該蓄熱材の融点近傍の温度になるので、パワー素子の温度上昇を抑えることができる。

しかしながら、中空部を備えるヒートシンクでは、蓄熱材を充填する際に熱抵抗の大きい空気が入りこむため、空気により熱伝導が阻害されるという問題がある。空気による熱伝導の阻害を低減するため、中空部に蓄熱材と共に液体を充填する潜熱蓄熱パネルが提案されている（例えば特許文献２参照。）。

特許文献２記載の潜熱蓄熱パネルによれば、蓄熱材の体積変化に応じて、連通路を介して連結された充填液容器に蓄熱材が移動するため、空気層が放熱面に生じにくく、放熱性能が向上する。しかしながら、該放熱パネルのように充填容器を設けるのでは、構造が複雑でコスト高となり、ヒートシンクの小型化が困難である。また、潜熱蓄熱パネルが傾斜した場合には、中空部に空気層が混入するおそれがある。

また、中空部から空気を除去する手段を備えたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献３参照）。該ヒートシンクでは、中空部のすべての空気を排除し、蓄熱材の膨張及び収縮が可能なシールで蓄熱材を封入することで、空気層のないヒートシンクを提供する。
特開平１０−１３５３８１号公報 特開平６−３３１２１７号公報 特開２００４−１４６８１９号公報

しかしながら、特許文献３記載のヒートシンクのように中空部の空気を排除するのは、減圧状態での蓄熱材の充填が必要であるなど、技術的に困難な場合が多い。また、蓄熱材の体積変化を柔軟な構造で吸収する必要が生じるため製造コストや材料コストの面から不利である。体積変化に打ち勝つように蓄熱材を封止する場合も同様の問題が生じる。

すなわち、空気層は、蓄熱材の相変化に伴う圧力の変動を緩和させるには好適であるため、排除することは却って製造コストの増大等をもたらすという不都合があった。

本発明は、上記問題に鑑み、製造コストを低減しつつ優れた放熱性能が得られるヒートシンクを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、中空部に相変化材料及び空気を封入した、発熱体から熱を吸収するヒートシンクにおいて、発熱体の中心から当該ヒートシンクへ下ろした垂線にかからない領域に、空気を保持する空気溜まり部を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、製造コストを低減しつつ優れた放熱性能が得られるヒートシンクを提供することができる。

また、本発明のヒートシンクの一形態において、発熱体が略水平に設置された上面に肉厚部と肉薄部を有し、空気溜まり部は肉薄部に形成され、肉厚部を介して、発熱体から相変化材料に熱が伝導される、ことを特徴とする。本発明によれば、空気溜まり部を肉薄部に設け、発熱体からの熱を肉厚部から相変化材料に伝導できる。

また、本発明のヒートシンクの一形態において、肉厚部が上面の略中央に形成され、肉薄部が中空部の外縁部に形成されていることを特徴とする。本発明によれば、基板の中央部から効率よく発熱体の熱をヒートシンクへ放熱できる。

また、本発明のヒートシンクの別の局面では、発熱体が略鉛直に側面に設置され、空気溜まりは、中空部の鉛直方向上部に形成されることを特徴とする。本発明によれば、基板が車両に鉛直に搭載されるような場合には、空気溜まり部を上部に設けることで、発熱体からの熱を相変化材料に伝導できる。

製造コストを低減しつつ優れた放熱性能が得られるヒートシンクを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

図１（ａ）は、基板に配線されたパワー素子が発生する熱を放熱させるヒートシンクの断面図を示す。図１（ａ）では、ヒートシンク３の鉛直方向上面に基板２が設置されており、基板２には発熱体である２つのパワー素子１が設置されている。また、ヒートシンク３は中空部を有し、該中空部に相変化材料４及び空気が封入されている。相変化材料４は、蓋５により保持されており、蓋５とヒートシンク３が接着剤やハンダ等でシールされることで、相変化材料４が溶融した際に漏洩しないよう密閉される。

ヒートシンク３は、パワー素子１が設置された上面に肉厚部３ａ及び肉薄部３ｂを有する。相変化材料４は中空部すべてを満たさず、かつ、少なくとも一部が該肉厚部３ａに接するように充填される。この結果、相変化材料４と肉薄部３ｂが形成する隙間に空気層６が形成される。

本実施例のヒートシンクは、図１（ａ）に示すように、パワー素子１からヒートシンク３へ下ろした垂線にかかる領域（以下、パワー素子の直下ということがある）には、熱伝導性の良好なヒートシンク３の肉厚部３ａが介在し、該肉厚部３ａの少なくとも一部が相変化材料４に浸漬されている。すなわち、発熱するパワー素子１の直下に、熱伝導性の低い空気層６が設けられないように肉厚部３ａの形状が設計され、また、相変化材料の充填量が調整されている。また、この空気層６は、肉厚部３ａの肉厚及び相変化材料４との比重差により、肉薄部３ｂに留まるように移動が規制されているので、溶解時に車両が傾いてもパワー素子１の熱伝導を阻害する位置に留まりにくい。

本実施例のヒートシンクは、パワー素子１の直下から空気層６を排して相変化材料４に熱伝導する点に特徴がある。したがって、パワー素子１が設置されたヒートシンク上面の肉厚部３ａの立体形状は、図１（ｂ）のように紙面厚み方向に３角柱の形状であってもよいし、図１（ｃ）のように下向きの四角錐であってもよい。図１（ｃ）のような形状であれば、相変化材料４を多く封入でき、また、空気層６をより当方的に設けることができる。

また、ヒートシンク上面の肉厚部３ａの断面形状は、図２（ａ）のように、略台形であってもよい。図２（ａ）のような形状の場合は、肉厚部３ａの肉厚よりも高い位置に空気層６ａが留まるように、相変化材料４の充填量が調整される。また、図２（ｂ）のように、肉厚部３ａの断面形状が、パワー素子１の下部で凸部３ｃを有するように設計されていてもよい。図２（ｂ）のような形状の場合は、凸部３ｃで挟まれた部位の肉厚が肉薄部３ｂよりも充分に肉厚であることが好適である。図２（ｂ）のような形状であれば、パワー素子１直下のヒートシンク３の肉厚部から相変化材料４に熱を伝導でき、また、肉薄部３ｂに空気層６を備えることができる。この他、ヒートシンク３の肉厚部の形状は、断面略半円形状等、パワー素子１からヒートシンク３に下ろした垂線にかからない領域に空気層６を設け、パワー素子１からの熱を肉厚部３ａを介して相変化材料４に伝導できればよい。

ヒートシンク３は、例えば、アルミニウム、銅、銀、黄銅及びこれらの合金や高熱伝導性プラスチック等、熱の伝導性が良好な材料で構成される。また、蓋５は、好ましくはヒートシンク３と同じ材料や、また、同等な耐熱性及び熱膨張性を有することで、パワー素子１の発熱時に加わる応力を低減できる材料で構成することが好ましい。

相変化材料４は、パワー素子１が発熱していない雰囲気温度では融解せず、パワー素子１の定格温度以下で融解するように選択することが好適である。例えば、発熱していない雰囲気温度が１００度でパワー素子１の定格温度が１２５度の場合、１１５度程度で融解する相変化材料４が好適である。また、熱電導性が優れた材料であることが好ましいので、相変化材料は、金属やこれに近い熱伝導率を有する材料が選択される。金属として比較的低温で融解する金属は、例えば、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、これらの合金ＮａＫ、ＰｂＢｉ等である。相変化材料４は、パワー素子１の定格温度、腐食性、取り扱い性、毒性を考慮して単独又は合金として選択される。所望の特性を得るために添加剤を混入させてもよい。

図３は、図１のヒートシンク３により放熱される場合のパワー素子１の温度と時間の関係を示すグラフの一例である。図３のグラフにおいて、Ｘ軸は時間（単位は秒）、Ｙ軸は温度（単位は℃）である。ラインｎは、融点１１７度の相変化材料を空気と共に封入し、一定熱源を与えた場合におけるパワー素子１の温度上昇の様子を示す。ヒートシンク３はＡｌで形成され、ヒートシンク３と相変化材料４の体積比率は１：１である。ラインｍは、中空部を有さないＡｌで形成されたヒートシンクに、一定熱源を与えた場合の温度の上昇の様子を示す。

相変化材料４は、１１７度で相変化を起こすので、１１７度に到達すると、一定熱源が発生する熱を相変化材料４が潜熱として吸収する。したがって、ラインｎが示すように、相変化が終了するまで、１１７度でほぼ一定の温度を示す。すなわち相変化材料４が融解している間、パワー素子１又は基板２の温度はほぼ相変化材料４の融点近傍の温度に保たれる。これに対し、ラインｍでは時間と共に一様に温度が上昇する。

図３のグラフにおいて１２５度がパワー素子１の定格温度だとすると、ラインｎの方がｍよりも定格温度に到達するまでの時間が倍以上長い。すなわち、ヒートシンク３の体積が一定なら、相変化材料４を用いることで、相変化材料を有さないヒートシンクより倍以上の発熱を賄うことが可能となる。別の表現をすれば、パワー素子１の発熱量が同じならヒートシンク３の体積を半分にすることが可能となる。また、相変化材料４によりヒートシンク３の温度が一定となる時間が得られるため、基板等の温度の急変が低減され、信頼性の向上も期待できる。

続いて、パワー素子の搭載姿勢が異なるヒートシンク３について説明する。図４は、パワー素子１が配線された基板を略鉛直に車両に搭載する場合に好適なヒートシンク３の断面図を示す。なお、図４において、図１と同一構成部分には同一の符号を付しその説明は省略する。

図４のヒートシンク３では、パワー素子１が設置された側面に肉厚部又は肉薄部が設けられておらず、中空部の上部に鉛直方向下向きに凹部３ｄが設けられている。凹部３ｄには、比重により空気層６が得られる。

図４のヒートシンク３によれば、パワー素子１からヒートシンク３へ下ろした垂線にかかる領域に空気層がないため、パワー素子１の熱を相変化材料４に伝導することができる。また、空気層６は、相変化材料４の体積変化を吸収するが、ヒートシンク３が傾きパワー素子１からの熱伝導を損なう位置に移動しても、比重により中空部の上部に戻ることができる。なお、凹部３ｄは、直方体のように平らであってもよいし、半円状の形状であってもよい。

以上説明したように、本実施例のヒートシンク３は、中空部に相変化材料４を封入することで、優れた放熱性を有するヒートシンク３を提供できる。また、中空部には、パワー素子１からヒートシンク３へ下ろした垂線とかからない領域に空気層６が封入されているので、熱伝導性が損なわれることがなく、相変化材料４の体積変化を吸収できる。空気層６は、比重によりヒートシンク３の肉薄部３ｂ又は鉛直上方に形成されるよう位置が調整されるので、ヒートシンク３が傾いてもパワー素子１からの熱伝導を損なう位置に移動することがない。すなわち複雑な構造なしに空気層６の位置が管理可能となる。したがって、製造コストを低減しつつ放熱性の優れたヒートシンクを提供することができる。

パワー素子が発生する熱を放熱させるヒートシンクの断面図である。 ヒートシンクの断面形状の一例を示す図である。 パワー素子の温度と時間の関係を示すグラフの一例である。 基板を鉛直に車両に搭載する場合のヒートシンクの断面図の一例である。

符号の説明

１ パワー素子
２ 基板
３ ヒートシンク
３ａ 肉厚部
３ｂ 肉薄部
４ 相変化材料
５ 蓋
６ 空気層

Claims (4)

1. 中空部に相変化材料及び空気を封入した、発熱体から熱を吸収するヒートシンクにおいて、
   前記発熱体の中心から当該ヒートシンクへ下ろした垂線にかからない領域に、前記空気を保持する空気溜まり部、を有する、
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記発熱体が略水平に設置された上面に肉厚部と肉薄部を有し、
   前記空気溜まり部は、前記肉薄部に形成され、
   前記肉厚部を介して、前記発熱体から前記相変化材料に熱が伝導される、
   ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記肉厚部が前記上面の略中央に形成され、前記肉薄部が前記中空部の外縁部に形成されていることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
4. 前記発熱体が略鉛直に側面に設置され、
   前記空気溜まりは、前記中空部の鉛直方向上部に形成されることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。

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