JP2008244320A

JP2008244320A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2008244320A
Application number: JP2007085452A
Authority: JP
Inventors: Satoru Sadahiro; 哲貞廣
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】潜熱輸送する複数の熱輸送手段と熱電変換手段との併用により熱抵抗値を低減させることで発熱体で発生した熱を効率良く放熱手段にまで長距離熱輸送する冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱体１０で発熱した熱を潜熱輸送する複数の熱輸送手段２０ａ〜２０ｃと、吸熱面３２ｂ，３２ｃから吸熱して発熱面３４ｂ，３４ｃから発熱するペルチェ効果を有し、２つの接続される熱輸送手段２０ａ〜２０ｃのうち発熱体１０に近い熱輸送手段２０ａ〜２０ｃ側に吸熱面３２ｂ，３２ｃを、遠い熱輸送手段２０ａ〜２０ｃ側に発熱面３４ｂ，３４ｃを面して配置された熱電変換手段３０ｂ，３０ｃと、発熱体１０から最も離れた熱輸送手段２０ｃの端部に配置され、熱輸送手段２０ａ〜２０ｃで潜熱輸送された熱を放熱する放熱手段４０とを備え、前記熱電交換手段を複数用いて前記熱輸送手段を多段に接続することにより、前記放熱手段まで熱を伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に静穏で効率良く発熱体を冷却することが可能な冷却装置に関する。

近年、エレクトロニクス機器は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高出力、高集積の半導体チップを内蔵している。ＣＰＵ及びＭＰＵ等の半導体チップは、集積度が極めて高くなり、高速で演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する発熱体となる。多量の熱により発熱した半導体チップ（発熱体）は、ファンを用いるフィン等のヒートシンク、ヒートパイプ（ＨＰ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、熱電変換手段（ＴＥＣ）等の冷却手段によって冷却されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、ヒートシンク等の放熱手段によって冷却する場合は、発熱量が大きくなったときにファンの風速を上げて冷却するためにノイズが大きくなってしまう。また、ヒートパイプによって冷却する場合は、熱を移動させる距離が長くなると熱抵抗値が大きくなってしまうので、熱を移動させる距離に限界ができてしまう。また、ループヒートパイプによって冷却する場合は、熱を移動させようとする距離が長くなるにつれてコンペンセーション・チャンバ（ＣＣ）等の装置が大掛かりになってしまい、スペースの制約を受けるようになってしまう。また、ベーパチャンバによって冷却する場合は、銅（Ｃｕ）等の金属部が顕熱での熱輸送を行うため、金属部では顕熱の要素により熱抵抗が大きくなってしまい熱輸送の観点では不利になってしまう。熱電変換手段によって冷却する場合は、電流を供給して電気エネルギーを熱エネルギーに変換することで対象物を電子的に冷却又は加熱するので、高温の発熱体を冷却するためには多量の電気エネルギーをエネルギーを必要とするためエネルギー効率が悪くなってしまう。
特開平８−７００６８号公報

本発明は、潜熱輸送する複数の熱輸送手段と熱電変換手段との併用により熱抵抗値を低減させることで発熱体で発生した熱を効率良く放熱手段にまで長距離熱輸送することを可能とし、放熱手段では自然空冷の利用効率を上昇させてファンの風速を上げることなく放熱させることでファンにて発生するノイズを減少させ、更に、大掛かりな装置は余剰のスペースに配置することでスペースの制約が外れる冷却装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、発熱体で発熱した熱を潜熱輸送する複数の熱輸送手段と、吸熱面から吸熱して発熱面から発熱するペルチェ効果を有し、２つの接続される熱輸送手段のうち発熱体に近い熱輸送手段側に吸熱面を、遠い熱輸送手段側に発熱面を面して配置された熱電変換手段と、発熱体から最も離れた熱輸送手段の端部に配置され、熱輸送手段で潜熱輸送された熱を放熱する放熱手段とを備え、熱電交換手段を複数用いて熱輸送手段を多段に接続することにより、放熱手段まで熱を伝達する冷却装置であることを要旨とする。

本発明によれば、潜熱輸送する複数の熱輸送手段と熱電変換手段との併用により熱抵抗値を低減させることで発熱体で発生した熱を効率良く放熱手段にまで長距離熱輸送することを可能とし、放熱手段では自然空冷の利用効率を上昇させてファンの風速を上げることなく放熱させることでファンにて発生するノイズを減少させ、更に、大掛かりな装置は余剰のスペースに配置することでスペースの制約が外れる冷却装置を提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置は、図１に示すように、ＣＰＵ及びＭＰＵ等の発熱体（半導体チップ）１０で発熱した熱を潜熱輸送する複数の熱輸送手段２０ａ〜２０ｃと、吸熱面３２ｂ，３２ｃから吸熱して発熱面３４ｂ，３４ｃから発熱するペルチェ効果を有し、２つの接続される熱輸送手段２０ａ〜２０ｃのうち発熱体１０に近い熱輸送手段２０ａ〜２０ｃ側に吸熱面３２ｂ，３２ｃを、遠い熱輸送手段２０ａ〜２０ｃ側に発熱面３４ｂ，３４ｃを面して配置された熱電変換手段３０ｂ，３０ｃと、発熱体１０から最も離れた熱輸送手段２０ｃの端部に配置され、熱輸送手段２０ａ〜２０ｃで潜熱輸送された熱を放熱する放熱手段４０とを備える。

熱輸送手段２０ａ〜２０ｃとしては、例えば、中に冷媒を入れ、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱を行うヒートパイプ（ＨＰ）を用いることができる。

「ヒートパイプ」とは、液体である作動流体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した閉ループの電熱素子で、小さな温度差で大量の熱輸送を可能とする。ヒートパイプは、円管から作られ、取り付けられる段階で要求される形状に曲げたり、平板化したりすることができる。

熱電変換手段３０ｂ，３０ｃは、異なる材料でつくられた２つの導体からなり、２つの導体に直流電流（ＤＣ）を流した際に素子の片面が冷却（吸熱）、反対面が加熱（放熱）するヒートポンプとして動作するベルチェ素子である。熱電変換手段３０ｂ，３０ｃの基本的構成は、図２に示すように、２枚のセラミック等の絶縁伝熱板の間に、Ｐ型・Ｎ型の半導体素子が交互に配置されており、電気的には直列に、熱的には並列に接続される。図２に示すように、リード線から直流電流を流した際には、矢印方向に電流が流れ、上面が吸熱（冷却）面、下面が発熱（加熱）面になる。リード線は、熱電変換手段３０ｂ，３０ｃに供給する電圧を制御する電圧制御回路（図示せず）に接続される。

熱電変換手段３０ｂ，３０ｃの動作について詳細に説明する。熱電変換手段３０ｂ，３０ｃは、図３に示すように、直流電流電源につなぐと、電流はＮ型半導体の下側から上部の電極を通ってＰ型半導体の下側へ流れる。そのとき、エネルギーは電子と共に電流とは逆の方向に移動する。Ｎ型半導体では、電子が上部の電極からＮ型半導体に移動するためのエネルギーと、Ｎ型半導体の内部を下部の電極まで移動するためのエネルギーを上部の電極側から得るため、その結果上部の電極側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して下部の電極側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上昇する。一方、Ｐ型半導体では、正孔が同様の働きをする。その結果、冷却面で吸収する総熱量が総供給電力に相当する熱量と合算され、放熱側に放出される。熱の吸収（冷却効果）は、電流及び設置する半導体素子の数に比例する。

熱電変換手段３０ｂ，３０ｃの吸熱面３２ｂ，３２ｃ及び発熱面３４ｂ，３４ｃには、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスを塗布することが好ましい。

放熱手段４０は、連続して接続された熱輸送手段２０ａ〜２０ｃのうち、発熱体１０から最も離れた熱輸送手段２０ｃ端部側に配置される。放熱手段４０は、熱輸送手段２０ａ〜２０ｃで潜熱輸送された熱を放熱するフィン等のヒートシンクである。フィンは、熱を拡散しやすいように表面積が広くなるような形状に、熱伝導率が高い金属材料を整形したものである。放熱手段４０は、自然冷却だけでは冷却能力（熱の拡散能力）が足りない場合、ファンを取り付けて強制的に空気の移動量を増やすことで同じ大きさでも冷却能力を拡大させることができる。

第１の実施の形態に係る冷却装置は、潜熱輸送を行う熱輸送手段２０ａ〜２０ｃのそれぞれを熱電変換手段３０ｂ，３０ｃを介して接続することで効率良く熱輸送を行うものである。具体的には、図１に示すように、熱輸送手段２０ａ，２０ｂを接続する場合、発熱体１０に近い熱輸送手段２０ａ側に吸熱面３２ｂを面して配置し、発熱体１０から遠い熱輸送手段２０ｂ側に発熱面３４ｂを面して熱電変換手段３０ｂを配置する。熱電変換手段３０ｂに電力を供給することで、吸熱面３２ｂに接触している熱輸送手段２０ａの箇所と発熱面３４ｂに接触している熱輸送手段２０ｂの箇所との温度を調整して熱抵抗値を減少させる。熱輸送手段２０ａ，２０ｂ間の熱抵抗値を減少させることで、発熱体１０で発生した熱を効率良く熱輸送することができる。このように、複数の熱輸送手段２０ａ〜２０ｃと、複数の熱電変換手段３０ｂ，３０ｃを用いて接続することで、熱抵抗値を低減させることができ、発熱体１０で発生した熱を効率良く放熱手段４０にまで長距離熱輸送することができる。

更に、第１の実施の形態に係る冷却装置は、図４に示すように、例えば熱輸送手段２０ｃを屈曲させることで障害物を避けて、障害物に影響されることなく、余剰のスペースに放熱手段４０を配置することができるので、スペースを有効に利用することが可能となる。

更に、第１の実施の形態に係る冷却装置は、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態で放熱手段４０まで長距離輸送することができるため、放熱手段４０の温度は高くなり、自然空冷の利用率が向上する。放熱手段４０で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、ファンの風速を上げて放熱させることがないのでファンにて発生するノイズを減少させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置は、図５に示すように、図１で示した冷却装置と比して、発熱体１０に接して配置された熱電交換手段３０ａと、放熱手段４０に接して配置された熱電交換手段３０ｄとを更に備える点が異なる。他は図１に示した冷却装置と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。

熱電交換手段３０ａは、吸熱面３２ａが発熱体１０と面して配置され、発熱面３４ａが熱輸送手段２０ａと面して配置される。熱電交換手段３０ｄは、吸熱面３２ｄが熱輸送手段２０ｃと面して配置され、発熱面３４ｄが放熱手段４０と面して配置される。熱電交換手段３０ａ，３０ｄの動作等は、熱電変換手段３０ｂ，３０ｃと同様であるため記載を省略する。

第２の実施の形態に係る冷却装置は、潜熱輸送を行う熱輸送手段２０ａ〜２０ｃのそれぞれを熱電変換手段３０ｂ，３０ｃを介して接続することで効率良く熱輸送を行うものである。そして、発熱体１０と熱輸送手段２０ａの間に熱電交換手段３０ａと、放熱手段４０と熱輸送手段２０ｃの間に熱電交換手段３０ｄとを備えることで、熱電交換手段３０ａ，３０ｄに電力を供給して発熱体１０及び放熱手段４０の温度を調整して、熱抵抗を減少させることで、発熱体１０で発生した熱を更に効率良く放熱手段４０にまで長距離熱輸送することができる。

更に、第２の実施の形態に係る冷却装置は、図６に示すように、例えば熱輸送手段２０ｃを屈曲させることで障害物を避けて、障害物に影響されることなく、余剰のスペースに放熱手段４０を配置することができるので、スペースを有効に利用することが可能となる。

更に、第２の実施の形態に係る冷却装置は、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態で放熱手段４０まで長距離輸送することができるため、放熱手段４０の温度は高くなり、自然空冷の利用率が向上する。放熱手段４０で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、ファンの風速を上げて放熱させることがないのでファンにて発生するノイズを減少させることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る冷却装置は、図７に示すように、図１で示した冷却装置と比して、ヒートパイプとして示した熱輸送手段２０ａ〜２０ｃが、ループヒートパイプである熱輸送手段２２ａ〜２２ｃに変更した点が異なる。他は図１に示した冷却装置と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。

熱輸送手段（ループヒートパイプ）２２ａは、水、アルコール、アンモニア等の作動流体を蒸発させて気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発部２２１ａと、この蒸発部２２１ａで気化された気体を放熱して液化する凝縮部２２２ａと、蒸発部２２１ａで気化された気体を凝縮部２２２ａまで送る蒸気流管２２３ａと、凝縮部２２２ａで液化された作動流体を蒸発部２２１ａまで送る液流管２２４ａと、液流管２２４ａを介して蒸発部２２１ａまで供給される作動流体を蒸発部２２１ａの手前で保留するコンペンセーション・チャンバ（ＣＣ）２２５ａとを備えている。蒸発器２２１ａは、一端側を開口し且つ他端側を蒸気流管２２３ａに連通して閉塞する円筒形状のグルーブ管と、このグルーブ管の円筒形状の内部に接触して挿入される円筒形状をなすと共にこの円筒形状の内部に作動液を供給するウィックとを備えている。ウィックには、例えば多孔質性の焼結金属体、金属繊維、ガラス繊維、ポリエチレン等の高分子体等を用いることができる。

ループヒートパイプ２２ｂ，２２ｃは、ループヒートパイプ２２ａと同様な構成であるため記載を省略する。

ループヒートパイプ２２ａ〜２２ｃは、蒸発部２２１ａ〜２２１ｃに伝達された発熱体で発熱した熱によって、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は蒸気流管２２３ａ〜２２３ｃを介して蒸発部２２１ａ〜２２１ｃから送り出される。一方、液相の作動流体は、液流管２２４ａ〜２２４ｃからウィックに供給され、そのウィックが蒸発部２２１ａ〜２２１ｃの内周面に接触しているので、ウィックの外周面で毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体はウィックの外周面すなわち蒸発部２２１ａ〜２２１ｃの内周面に供給される。そして、液相の作動流体が加熱蒸発して蒸気流管２２３ａ〜２２３ｃを経て凝縮部２２２ａ〜２２２ｃに流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。したがって、ループヒートパイプ２２ａ〜２２ｃは、発熱体で発熱した熱を輸送することで、結果的に、発熱体を冷却することになる。ループヒートパイプ２２ａ〜２２ｃの構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、飛散限界などによる熱輸送能力の制約がない。

第３の実施の形態に係る冷却装置は、潜熱輸送を行う熱輸送手段２２ａ〜２２ｃのそれぞれを熱電変換手段３０ｇ，３０ｈを介して接続することで効率良く熱輸送を行うものである。具体的には、図７に示すように、熱輸送手段２２ａ，２２ｂを接続する場合、発熱体１０に近い熱輸送手段２２ａの凝縮部２２２ａ側に吸熱面３２ｇを面して配置し、発熱体１０から遠い熱輸送手段２２ｂの蒸発部２２１ｂ側に発熱面３４ｇを面して熱電変換手段３０ｇを配置する。熱電変換手段３０ｇに電力を供給することで、吸熱面３２ｇに接触している熱輸送手段２２ａの凝縮部２２２ａと発熱面３４ｇに接触している熱輸送手段２２ｂの蒸発部２２１ｂとの温度を調整して熱抵抗値を減少させる。熱輸送手段２０ａ，２０ｂ間の熱抵抗値を減少させることで、発熱体１０で発生した熱を効率良く熱輸送することができる。このように、複数の熱輸送手段２２ａ〜２２ｃと、複数の熱電変換手段３０ｇ，３０ｈを用いて接続することで、熱抵抗値を低減させることができ、発熱体１０で発生した熱を効率良く放熱手段４０にまで長距離熱輸送することができる。

更に、第３の実施の形態に係る冷却装置は、コンペンセーション・チャンバ（ＣＣ）等の大掛かりな装置を余剰のスペースに配置することができるので、スペースを有効に利用することが可能となる。

更に、第３の実施の形態に係る冷却装置は、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態で放熱手段４０まで長距離輸送することができるため、放熱手段４０の温度は高くなり、自然空冷の利用率が向上する。放熱手段４０で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、ファンの風速を上げて放熱させることがないのでファンにて発生するノイズを減少させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る冷却装置は、図８に示すように、図７で示した冷却装置と比して、発熱体１０に接して配置された熱電交換手段３０ｆと、放熱手段４０に接して配置された熱電交換手段３０ｉとを更に備える点が異なる。他は図７に示した冷却装置と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。

第４の実施の形態に係る冷却装置は、潜熱輸送を行う熱輸送手段２２ａ〜２２ｃのそれぞれを熱電変換手段３０ｇ，３０ｈを介して接続することで効率良く熱輸送を行うものである。そして、発熱体１０と熱輸送手段２０ａの間に熱電交換手段３０ｆと、放熱手段４０と熱輸送手段２０ｃの間に熱電交換手段３０ｉとを備えることで、熱電交換手段３０ｆ，３０ｉに電力を供給して発熱体１０及び放熱手段４０の温度を調整して、熱抵抗を減少させることで、発熱体１０で発生した熱を更に効率良く放熱手段４０にまで長距離熱輸送することができる。

更に、第４の実施の形態に係る冷却装置は、コンペンセーション・チャンバ（ＣＣ）等の大掛かりな装置を余剰のスペースに配置することができるので、スペースを有効に利用することが可能となる。

更に、第４の実施の形態に係る冷却装置は、発熱体１０で発生した熱を熱抵抗がほとんどない状態で放熱手段４０まで長距離輸送することができるため、放熱手段４０の温度は高くなり、自然空冷の利用率が向上する。放熱手段４０で自然空冷の利用率が向上すれば、ファンを用いた強制空冷を行わない、又はファンを用いた強制空冷は補助的に使用することになるので、ファンの風速を上げて放熱させることがないのでファンにて発生するノイズを減少させることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、第１〜第４の実施の形態で示した冷却装置は一例であり、熱輸送手段は複数であればいくつであっても構わない。そして、熱電変換手段の数は、熱輸送手段の数に依存して決定される。例えば、ｎ個の熱輸送手段を接続する場合には、ｎ−１個又はｎ＋１個の熱電変換手段が必要となる。

更に、第１〜第４の実施の形態では、潜熱を利用した熱輸送手段として、ヒートパイプ及びループヒートパイプを記載したが、ベーパチャンバを用いても構わない。ベーパチャンバとは、平面型のヒートパイプである。ベーパチャンバの内部は、基本的にはヒートパイプと同じく、蒸気流路と作動流体の環流を促すウィック構造からなっている。ベーパチャンバは、発熱体で発熱し、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率が高い金属材料で形成された熱伝導板で吸熱した熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い方に向かって流れることで、発熱体で発熱した熱が拡散し、結果的に、発熱体が冷却されることになる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図（その１）である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の熱電変換手段を説明するための図（その１）である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の熱電変換手段を説明するための図（その２）である。本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図（その２）である。本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図（その１）である。本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図（その２）である。本発明の第３の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図である。本発明の第４の実施の形態に係る冷却装置の模式的断面図である。

符号の説明

１０…発熱体
２０ａ〜２０ｃ，２２ａ〜２２ｃ…熱輸送手段
３０ａ〜３０ｉ…熱電変換手段
３２ａ〜３２ｉ…吸熱面
３４ａ〜３４ｉ…発熱面
４０…放熱手段
２２１ａ〜２２１ｃ…蒸発部
２２２ａ〜２２２ｃ…凝縮部
２２３ａ〜２２３ｃ…蒸気流管
２２４ａ〜２２４ｃ…液流管

Claims

発熱体で発熱した熱を潜熱輸送する複数の熱輸送手段と、
吸熱面から吸熱して発熱面から発熱するペルチェ効果を有し、２つの接続される前記熱輸送手段のうち前記発熱体に近い前記熱輸送手段側に前記吸熱面を、遠い前記熱輸送手段側に前記発熱面を面して配置された熱電変換手段と、
前記発熱体から最も離れた前記熱輸送手段の端部に配置され、前記熱輸送手段で潜熱輸送された熱を放熱する放熱手段
とを備え、前記熱電交換手段を複数用いて前記熱輸送手段を多段に接続することにより、前記放熱手段まで熱を伝達することを特徴とする冷却装置。
前記熱輸送手段は、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、及びベーパーチャンバの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記放熱手段は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記発熱体と前記熱輸送手段の間に、前記熱電交換手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記熱輸送手段と前記放熱手段の間に、前記熱電交換手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。