JP2007248037A

JP2007248037A - 高効率放熱装置

Info

Publication number: JP2007248037A
Application number: JP2006112693A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakaguchi; 幸二坂口; Jinko Nishio; 仁孝西尾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】熱源となる物質が通るパイプに放熱フィンが少なくとも一枚以上装着されている構造を有する放熱装置において、熱源となる物質と放熱フィンの間の熱抵抗を小さくし、さらに放熱板の構成部品を少なくし、放熱装置の性能と生産性を向上させることを提供する。
【解決手段】熱源となる物質が放熱フィン２０１と直接接する構造で、熱源となる物質が通るパイプ１０５と放熱フィン２０１を同一部材で形成することで、熱源となる物質が接する部分から放熱フィン２０１までの熱抵抗を小さくし放熱装置の性能と生産性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱装置および放熱フィンの構造に関する。

ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）やトランジスタ、ＦＥＴ、内燃機関、エアコンの熱交換器などの熱源の熱を大気中もしくは液体等に効率良く放熱または熱交換させるためには一般的に放熱装置が用いられている。当該放熱装置の材質には軽量と加工のしやすさとコストの面から通常アルミ材が使用されているが、エアコンや自動車のラジエターなどは配管と放熱フィンのろう付けまたは溶接のやり易さから銅材などを用いることが多い。また瞬間ガス湯沸かし器などのボイラーでも溶接のしやすい銅材を用いることが多い。しかし、銅材はアルミ材より熱伝導率が高く放熱効率が良く、熱抵抗は低いが、製造するにコストがかかり、重量が重くなる欠点がある。そのため、コスト低減と重量削減する必要がある場合には多くの場合アルミ材が使用されている。また、放熱効率を上げる方法として、放熱装置の放熱フィンの数を増やして表面積を増やす方法がとられているが、フィンとベースもしくはフィンと配管部分との接合個所には必ず熱伝導を妨げる熱抵抗があり直接放熱フィンと熱源が接していない構造の放熱装置では熱抵抗値の増大の問題があり、放熱装置全体の熱抵抗値の増大につながり、放熱装置の大型化を招き取り付けスペースを多く取る結果となっている。

一方で、ＣＰＵを初め多くの半導体は小型化されているが、逆により内部が微細化、高速化され高発熱となり、今まで以上に多量の発熱を効率良く放熱する必要性がでてきている。そのため更なる小さくてより放熱特性が良い放熱装置が必要となり、放熱装置の形状を工夫しながら対応している。また最近は高性能で小型に作りなおかつコストを削減することが求められている。多くの場合形状等から来る熱抵抗値の限界から、熱源から放熱器自体を離しより大きなファンや大きな放熱器を取り付けるために、水やヒートパイプ等を用いて熱を効率よく離れた場所にある放熱フィンに導く事が行われている。

水やヒートパイプを用いた放熱装置の場合、銅材を使用たり、より表面積の大きなフィンを使用したりして放熱器そのものの熱抵抗を小さくすることができるが、フィンと熱源となる冷却水やヒートパイプなどとの接合個所は一体構造とすることができずに熱抵抗の増大は避けられなかった。

図４は従来から行われている一般的な自動車のラジエターやエアコンなどの熱交換用の放熱装置である。より小型で熱抵抗を減らすためには、放熱フィンの面積を大きくすればよいので、熱を帯びた冷却水等の媒体が通過するパイプ２００に多数の放熱フィン２０１を取り付けて、表面面積を多くするための工夫がなされている。同じ様な構造でインタークーラーと呼ばれる空気冷却装置などもラジエターと同じ構造である。以下媒体自体は熱を発しないが、放熱体からみるとより熱源に近いため、熱源となる物質と記載する。

熱源の発熱量を小さくしないで放熱装置の大きさを小さくしようとした場合、今まで以上に大きな表面積を持った放熱フィンを取り付けなければならない。また、効率よく放熱装置を形成するためには熱源となる物質が通るパイプと放熱フィンとの接合部分の熱抵抗をより小さくする必要がある。

さらに、単位体積または投影面積あたりの放熱フィンの数を増やす方法でも熱抵抗値は下がるが、空気等の熱を奪う媒体が通過しやすい放熱フィンの幅があり、その幅には限界がある。またコストを優先する場合、放熱フィンは少ない方が当然コストは安くなるためできるだけ少ない放熱フィンで熱抵抗の小さくなる構造が望ましい。

また熱抵抗を下げる手法として放熱特性の良い物質を使った放熱フィンを取り付けることで放熱器の熱抵抗値が下がり、より性能の高い放熱器を得ることが可能になる。たとえば、特許文献１には熱伝導層が露出している構造で熱放散特性の良い物質が付けられている構造のものが記載されている。
特開平１０−１１６９４５号公報

本発明は上記目的を達成するため次の構成を備える。放熱フィン、熱源となる物質に接するパイプ部分を可能な限り同一部材から一体成型することにより、熱源となる物質が通るパイプと放熱フィンの間のろう付けやカシメなどの接合部分で生じる熱抵抗を排除することで放熱フィンが直接熱源となる物質に接している構造となり、その部分の熱抵抗を減らし放熱特性の良い放熱装置を作ることができる。本発明では熱源となる物質は、水もしくはガスなどの流体を使い放熱フィンに導くか、または冷媒のように流体が直接放熱版内部を流れる構造であるために、放熱フィンは金属の継ぎ目無しに直接放熱フィンに接することが可能になる。熱源となる物質が通るパイプ形状の物は、丸いパイプでも良いし四角いパイプでもどのような断面形状のパイプでも良い。すなわち、熱源となる物質が通過することができればどのような形状でもかまわない。本発明では可能な限り放熱フィンとなる部分の面積を多くとるために山形に折り曲げて単位面積あたりの表面積を増やしているが、凹凸を付けたりしても良いし、どのような形状でもかまわない。

本発明に係る構造によれば以下のような優れた効果を発揮することができる。熱源となる物質が通るパイプ状の通路を持つ放熱装置は放熱効果を上げるため多くの放熱フィンを取り付けるが、その構造上、放熱フィンを別の構成材料で取り付ける必要があり、接続部分の熱抵抗の増加は避けられなかったが、本発明を利用することにより、熱源となる物質が接触する部分と放熱フィンが同一部材で構成することが可能になり熱源が接する部分と放熱フィンの接合部分の熱抵抗値が少なくなることになり、同一形状でも、より大きな熱源を扱うことが可能になる。同一の熱源であればより小型の放熱器ですませることが可能になる。さらに同一部材からの板金加工等による成型が可能で、製作工程の削減が可能であり、製造コストのより低い放熱装置が可能になる。熱源となる物質が通るパイプの形状、接続方法、その成型方法は、本発明を逸脱しない範囲において改変も可能である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１と図２は本発明に係る実施の形態を表す構造を記載した図面である。図１は平面図で、図２は側面図である。図３は図２の断面図部分を示す箇所１０５で示す部分の拡大断面図である。図４はパイプ状の熱源を運ぶ通路に放熱を良くするために一般的にとられている手法の放熱装置構造を示す図である。図５は図４の右側面図である。図６は図４のパイプ部分の構造を示した拡大図である。図７は図６の側面図である。図８は図７の内部構造を示す側面断面図である。図９（ａ）（ｂ）は放熱フィンとなる部分の構造を示す図である。図１０は放熱フィンとなる部分にしぼ形状を付け断面積を増やした手法を示す図である。図１０の（ａ）は上面図。（ｂ）は正面図である。図１１は本発明に係る放熱装置を一枚の板から製作する場合の断面図である。図１２は図１１の構造体をつなげていった場合の断面図である。図１３は本発明に係わる図３の熱源となる物質が通る通路１０５を放熱器を構成している板材１００で全て構成した構造断面図。図１４は図１３で示す図の構造に放熱特性の良い物質を装着した放熱装置断面図である。

図１において、放熱器を構成している板材１００を板金加工で加工し、一般的な放熱装置で必要な、熱源となる物質が通る通路と放熱フィンを一枚の板から形成する。この場合一枚の板材からすべての構成品を製作することもできるが、三次元的な構造となり説明が複雑になってしまうため、説明の便宜上、熱源となる物質が通る通路をつなぐパイプは別材で制作し繋ぐこととする。もちろん制作は一体成形でも良いことは言うまでもない。また熱源となる物質が通る通路は主となる板材１００で全てを作ることもできるし、一部だけを形成することも可能なため図１から図３の説明では熱源となる物質が通る通路を主側と別材料を使った副側にわけて熱源となる物質が通る通路を形成している状態を示している。放熱フィンとなる部分１０１は山形に板金加工することで同一投影面積で大きな表面積を得る放熱フィンを形成している。図１ではパイプの開口ａ１２５からパイプの開口ｂ１２６まで熱源となる物質が通る通路１０５−ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ、ｇとそれぞれの熱源となる物質が通る通路１０５相互を繋ぐ、通路を繋ぐパイプ１２０を経て繋がっている。熱源となる物質が通る通路１０５は熱源となる物質が通り放熱するに十分な通路長を得るために、間隔をあけて形成される。熱抵抗値を下げるために熱源となる物質が通る通路１０５−ａと次の熱源となる物質が通る通路１０５−ｂの間には放熱フィンとなる部分１０１が形成されている。熱源となる物質が通る通路１０５は熱源となる物質を冷却するに十分な熱抵抗値が得られれば複数成型する必要はない。通路を繋ぐパイプ１２０は熱源となる物質が通る通路１０５に通路を繋ぐパイプの接続部分１２１で接合されている。図１から図３では熱源となる物質が通る通路１０５は、熱源となる物質が通る通路主側１０２と図３で示す熱源となる物質が通る通路副側１１０で構成されているが、図１３に示すとおり熱源となる物質が通る通路主側１０２だけで構成することも可能である。熱源となる物質が通る通路主側１０２と熱源となる物質が通る通路副側１１０の接合、または図１３での通路の接合部１１１は、ろう付けまたはカシメまたは溶接または接着剤などの手法で接合されるが、どのような方法でもかまわない。図３において、熱源となる物質が通る通路主側１０２と熱源となる物質が通る通路副側１１０は折り曲げられたカシメ部分１０３および１０４で挟み込まれて熱源となる物質が通る通路を形成している。放熱フィンとなる部分１０１は山形に折り曲げられて同一投影面積あたりの表面積を大きくしている。熱源となる物質は水や他の液体、冷媒のガスや気体など流体であればどのようなものでも良い。またヒートパイプのような熱を移動する目的で循環がパイプ内部で行われる構造のものでも良いし高温側と低温側を循環する構造でも良い。通路を繋ぐパイプ１２０の材質は放熱器を構成している板材１００と同じ材質でも良いし、他のどのような材質でも良い。

放熱フィンとなる部分１０１は投影面積あたりの表面積を増やすために図９（ａ）のように波形に整形しても良いし、図９（ｂ）の様に山形に整形しても良いし、投影面積あたりの表面積が増えればどのような形状でもかまわない。さらに図１０に示すような形状の凹凸３０１を付けることでも同じように単位面積あたりの表面積を大きくすることが可能である。この場合放熱器を構成している板材１０１の厚さよりも凹凸３０１の厚さを薄くすることで放熱器を構成している板材１００の熱伝導率を維持しながらより大きな放熱フィンの面積を確保することが可能になる。放熱フィンとなる部分１０１の面積は放熱装置全体の必要な熱抵抗値を確保していれば折り曲げなどの加工は無くてもかまわない。また図１１に示す図では熱源となる物質が通る通路４００に放熱フィンとなる部分４０１を形成することもできる。この場合熱源となる物質が通る通路４００は全て放熱フィンとなる部分４０１と接している構造となる。放熱フィンとなる部分４０１は熱源となる物質が通る通路４００に対して１つ形成しても良いし、多く形成しても良い。多く形成することによりいっそう熱抵抗値を低減することが可能になる。

図８で示すとおり熱源となる物質が通る通路２００は放熱フィン２０１と接合点２１０部分で接合されている。この場合、接合箇所２１０では熱の伝達に阻害となる熱抵抗が発生する。図３では熱源となる物質が通る通路主側１０２は通路全体の約１／２を占めているためにその部分については放熱フィン１０１に伝わる接合部分での熱抵抗は存在しない。また熱源となる物質が通る通路副側１１０は通路の約１／２を占めていて放熱フィン１０１に伝わる熱抵抗は図８の構造と同じように発生するが、カシメ部分１０３およびカシメ部分１０４の大きさを大きく、十分カシメを行うことで接触面積が大きくなり、熱抵抗の低減ができる。さらに熱源となる物質が通る通路副側１１０を非常に小さくすることで図１３に示すとおり熱源となる物質が通る通路主側１０２の大きさをほぼ１００％にすることが可能になる。熱源となる物質が通る通路の接合部１１１は熱源となる物質が漏れ出すことがないように、ろう付けまたはカシメまたは溶接または接着剤などの手法で接合することが望ましいが空気の冷却などで漏れだしても良い場合には接合しなくても良い。

本発明では図１の様に構成された放熱装置全体を丸めたり折り曲げたりする構造をとることで投影面積に対する放熱装置の表面積を大きくし、さらに放熱特性の良い放熱装置にすることが可能になる。なお本発明は図１１に示す構造でも実現することが可能であり、この場合図１２に示すとおり、図１１を順次つなげていく構造にすると熱源となる物質が通る通路４００を数多く形成することが可能であり、図１に示す構造での通路を繋ぐパイプ１２０を取り付けることで同じように目的が達成できる。放熱フィンとなる部分４０１および終端部分４０２は熱源となる物質が隙間に入り込まないように強固にカシメ、溶接、接着剤などで塞ぐ。隙間を塞ぐ方法はどのような方法でもかまわない。また空気の冷却など隙間が問題にならない場合は何もしなくても良い。熱源となる物質が通る通路４００の形状は図１１の様に四角でも良いし、丸い形状などどのような形状でもかまわない。図１１および図１２では折り返し部分４０３を表記しているが、折り返し部分４０３を持たずに折り返し部分４０３が終端部分４０２となっていてもかまわない。

本発明では図１４に示す通り熱源となる物質が通る通路の内面１０６（熱源となる物質が接触する面）に放熱特性の良い物質１１２を装着することでより一層放熱特性を向上させることが可能である。放熱特性の良い物質は本発明の放熱装置を板金加工する前に装着しておいても良いし成型加工後装着してもかまわない。さらに放熱特性の良い物質を放熱器を構成している板材１００の表面に装着することによりさらに放熱特性の良い放熱装置を作ることが可能になる。放熱特性の良い物質は、炭化ケイ素、カーボン、それらの化合物や塗料など多くの物質がありどのようなものを用いても良い。装着方法は貼り付け、塗料に混ぜて塗るなど装着できればどのような方法でもかまわない。また装着部分は表面の全てでも良いし、一部分でもかまわない。

本発明に係る放熱装置の正面図である。図１の放熱構造の側面構造図である。本発明に係る放熱装置の拡大断面図である。一般的な放熱フィン付きで液体または気体を使った構造の放熱体の外観図である。図４の右側面図である。一般的な放熱フィン付きで液体または気体を使った構造の放熱体の拡大外観図である。図６の側面図である。図６の拡大断面図である。本発明に係る放熱フィンとなる部分の構造を示す形状図である。本発明に係る放熱フィンとなる部分に凹凸の構造を使った場合の形状図である。本発明に係る放熱装置を一枚の板から製作する場合の断面図である。図１１の構造体をつなげていった場合の断面図である。本発明に係わる図３の熱源となる物質が通る通路１０５を放熱器を構成している板材１００で全て構成した構造断面図図１３で示す図の構造に放熱特性の良い物質を装着した放熱装置断面図

符号の説明

１００放熱器を構成している板材
１０１放熱フィンとなる部分
１０２熱源となる物質が通る通路主側
１０３カシメ部分
１０４カシメ部分
１０５熱源となる物質が通る通路
１０６通路の内面
１１０熱源となる物質が通る通路副側
１１１通路の接合部
１１２放熱特性の良い物質
１２０通路を繋ぐパイプ
１２１通路を繋ぐパイプの接続部分
１２５パイプの開口ａ
１２６パイプの開口ｂ
１３０断面図部分を示す箇所
２００パイプ
２０１放熱フィン
２０２熱源となる物質が通る通路
２１０接合箇所
３０１凹凸
４００熱源となる物質が通る通路
４０１放熱フィンとなる部分
４０２終端部分
４０３折り返し部分

Claims

放熱フィンと熱源が直接接することを特長とする放熱装置
放熱または熱交換させるために液体または気体またはガスなどの流体を使用する構造を特長とする請求項１記載の放熱装置
熱源となる物質が接触する部分と放熱フィンを板材から整形することを特長とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の放熱装置
熱源となる物質が接する面に放熱特性の良い物質を少なくとも一部分に装着している事を特徴とする請求項１から請求項３記載の放熱装置
放熱フィンとなる部分と熱源となる物質が通るパイプ部分の少なくとも一部に放熱特性の良い物質を装着していることを特徴とする請求項１から請求項４記載の放熱装置