JP2012069725A

JP2012069725A - 冷却装置

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Publication number: JP2012069725A
Application number: JP2010213152A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fukami; 武志深見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP5488368B2

Abstract

【課題】発熱体の発熱量が一時的に増加するときに、放熱体の冷却効率を十分に高めることができる冷却装置を提供すること。
【解決手段】発熱体２を冷却する冷却装置１０において、冷媒流路１２を流れる冷媒１４と熱交換する放熱体２０と、冷媒流路１２を覆う蓋体４０と、放熱体２０を蓋体４０に対して移動可能に支持する支持機構３０とを有し、支持機構３０は、所定温度に加熱されると融解して膨張する相変化材料、または所定温度に加熱されると形状回復する形状記憶材料で構成される駆動体３６を有し、駆動体３６は、相変化材料の融解による膨張を利用して、または形状記憶材料の形状回復を利用して、冷媒流路１２の断面積が小さくなるように、放熱体２０を蓋体４０に対して移動させる冷却装置１０を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置に関する。

従来から、半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置として、発熱体に熱的に接続される放熱体および蓄熱体を有する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置において、蓄熱体は、相変化材料で構成される。相変化材料は、一般的に、所定温度に加熱されると融解して潜熱を蓄熱し、所定温度に冷却されると凝固して潜熱を放熱する性質を有する。この性質を利用すれば、発熱体の発熱量が一時的に増加するとき、その増加した熱を、潜熱として、蓄熱体に蓄熱することができる。また、発熱体の発熱量が元に戻るとき、蓄熱体から放熱される潜熱を放熱体に伝達することができる。よって、放熱体からの放熱量を平準化することができる。

特開２００６−１４７７６１号公報

ところで、発熱体を冷却する冷却装置において、放熱体の冷却効率を高めるため、冷媒が流れる冷媒流路に放熱体を設置して、放熱体と冷媒との間で熱交換を行うことが考えられる。

しかしながら、単に、冷媒が流れる冷媒流路に放熱体を設置しただけでは、発熱体の発熱量が一時的に増加するときに、放熱体の冷却効率を十分に高めることができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、発熱体の発熱量が一時的に増加するときに、放熱体の冷却効率を十分に高めることができる冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
発熱体を冷却する冷却装置において、
冷媒流路を流れる冷媒と熱交換する放熱体と、
前記冷媒流路を覆う蓋体と、
前記放熱体を前記蓋体に対して移動可能に支持する支持機構とを有し、
該支持機構は、所定温度に加熱されると融解して膨張する相変化材料、または所定温度に加熱されると形状回復する形状記憶材料で構成される駆動体を有し、
該駆動体は、前記相変化材料の融解による膨張を利用して、または前記形状記憶材料の形状回復を利用して、前記冷媒流路の断面積が小さくなるように、前記放熱体を前記蓋体に対して移動させる冷却装置を提供する。

本発明によれば、発熱体の発熱量が一時的に増加するときに、放熱体の冷却効率を十分に高めることができる冷却装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態による冷却装置の概略断面図（１）である。本発明の第１の実施形態による冷却装置の概略断面図（２）である。本発明の第２の実施形態による冷却装置の概略断面図（１）である。本発明の第２の実施形態による冷却装置の概略断面図（２）である。本発明の第３の実施形態による冷却装置の概略断面図（１）である。本発明の第３の実施形態による冷却装置の概略断面図（２）である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態による冷却装置の概略断面図である。図１は、全ての発熱体２が負荷の低い処理を行っている状態を示し、図２は、図１に示す３つの発熱体２のうち、中央の発熱体２のみが負荷の高い処理を行っている状態を示す。

冷却装置１０は、発熱体２を冷却する装置である。発熱体２は、その種類に制限はないが、例えば半導体素子などの電子部品であって良い。半導体素子の具体例としては、ＩＣやＬＳＩ、ＩＧＢＴなどが挙げられる。

発熱体２は、通常時には、負荷の低い処理を行っているが、外部からの要求に応じて、一時的に、負荷の高い処理を行うことがある。そのため、発熱体２の発熱量が、一時的に増加することがある。

冷却装置１０は、冷媒流路１２を流れる冷媒１４と熱交換する放熱体２０と、冷媒流路１２を覆う蓋体４０と、放熱体２０を蓋体４０に対して移動可能に支持する支持機構３０とを有している。以下、図１および図２に基づいて、各構成について説明する。

（冷媒流路）
冷媒流路１２は、放熱体２０と蓋体４０との間の隙間などで構成される。冷媒流路１２を流れる冷媒１４としては、水などの液体、空気などの気体などが用いられる。冷媒１４は、放熱体２０に接触しながら、冷媒流路１２を通って外部に移動することで、放熱体２０の熱、ひいては、発熱体２の熱を外部に排出する。冷媒１４は、外部に移動した後、冷却器によって冷却され、再び、冷媒流路１２に還流される。

（放熱体）
放熱体２０は、発熱体２に熱的に接続されており、発熱体２からの熱を、冷媒流路１２を流れる冷媒１４に放熱する。放熱体２０は、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。

放熱体２０は、板状の基体２２、および該基体２２の冷媒流路１２側の表面に間隔をおいて複数設けられるフィン２４で構成される。フィン２４の配列方向は、特に限定されないが、例えば図１などに示すように、冷媒１４の流れ方向（矢印Ｘ方向）であっても良いし、冷媒１４の流れ方向と直交する方向であっても良い。フィン２４の形状は、特に限定されないが、例えば図１などに示すように、冷媒１４の流れ方向に直交する板状であって良い。

放熱体２０は、冷媒流路１２に沿って間隔をおいて複数設けられており、各発熱体２に対向するように配置されている。各放熱体２０は、主に直近の発熱体２に熱的に接続されており、直近の発熱体２からの熱を、冷媒流路１２を流れる冷媒１４に放熱する。

（蓋体）
蓋体４０は、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。蓋体４０は、後述の支持機構３０の伝熱板３２や固定壁３４と一体化されている。

（支持機構）
支持機構３０は、放熱体２０を蓋体４０に対して移動可能に支持する機構である。支持機構３０は、例えば、伝熱板３２と、固定壁３４と、駆動体３６とを有している。

以下、駆動体３６が相変化材料で構成される場合について説明する。なお、駆動体が形状記憶材料で構成される場合については、後述の第３の実施形態で説明する。

（伝熱板）
伝熱板３２は、発熱体２と駆動体３６との間に設けられる。よって、駆動体３６を構成する相変化材料の体積変化（詳しくは後述）を、発熱体２と反対側、即ち、放熱体２０側に集中的に伝達させることができる。

伝熱板３２は、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。伝熱板３２の一面には、複数の発熱体２が固定されており、伝熱板３２の発熱体２と反対側の面には、複数の駆動体３６が密着している。

（固定壁）
固定壁３４は、伝熱板３２の発熱体２と反対側の面に固定される。固定壁３４は、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。固定壁３４は、放熱体２０を移動可能に支持している。固定壁３４は、隣り合う放熱体２０の間に配置され、複数の放熱体２０を独立に移動可能に支持している。

固定壁３４は、各駆動体３６を囲繞するように設けられる。よって、駆動体３６を構成する相変化材料の体積変化（詳しくは後述）を、放熱体２０側に集中的に伝達させることができる。

（駆動体）
駆動体３６は、伝熱板３２、固定壁３４および放熱体２０で囲まれる空間に配置され、周囲に密着している。駆動体３６を構成する相変化材料が体積変化すると、その体積変化を許容するように（または、その体積変化に追従するように）、放熱体２０が固定壁３４に対して移動する。その結果、放熱体２０が蓋体４０に対して移動し、冷媒流路１２の断面積が変化する。

駆動体３６は、複数の放熱体２０を、蓋体４０に対して、独立に移動させるため、複数設けられている。各駆動体３６は、主に直近の発熱体２に熱的に接続されており、直近の発熱体２からの熱を、密着する放熱体２０に伝達する。

駆動体３６は、相変化材料で構成される。相変化材料は、所定温度に加熱されると融解して潜熱を蓄熱し、所定温度に冷却されると凝固して潜熱を放熱する性質を有する。この性質を利用すれば、発熱体２の発熱量が一時的に増加するとき、その増加した熱を、潜熱として、駆動体３６に蓄熱することができる。また、発熱体２の発熱量が元に戻るとき、駆動体３６から放熱される潜熱を放熱体２０に伝達することができる。よって、放熱体２０からの放熱量を平準化することができる。

相変化材料は、蓄熱材料として一般的なものが用いられ、発熱体２の種類などに応じて適宜選定される。例えば、相変化材料には、パラフィンやテトラコサンなどが用いられる。パラフィンは、炭素数などによるが、通常、４２℃〜４４℃の間に固相−液相の相変化を示し、この相変化によって７．４％程度の体積変化を示す。テトラコサンは、４８℃で固相−固相の相変化を示し、５０℃で固相−液相の相変化を示し、これらの相変化によって１５％程度の体積変化を示す。

このように、相変化材料は、所定温度に加熱されると融解して膨張し、所定温度に冷却されると凝固して収縮する性質を有する。この性質を利用して、駆動体３６は、放熱体２０を蓋体４０に対して移動させる。その結果、冷媒流路１２の断面積が変化する。

駆動体３６は、相変化材料の融解による膨張を利用して、冷媒流路１２の断面積が小さくなるように、放熱体２０を蓋体４０に対して移動させる。よって、発熱体２の発熱量が一時的に増加するとき、冷媒流路１２の断面積を小さくすることができる。そうすると、冷媒流路１２を流れる冷媒１４の流量を維持しつつ、放熱体２０に接触する冷媒１４の流量を増やすことができ、放熱体２０の冷却効率を高めることができる。

また、駆動体３６は、相変化材料の凝固による収縮を利用して、冷媒流路１２の断面積が大きくなるように、放熱体２０を蓋体４０に対して移動させる。よって、発熱体２の発熱量が元に戻るとき、冷媒流路１２の断面積を大きくすることができる。そうすると、冷媒流路１２を流れる冷媒１４の流量を維持しつつ、冷媒１４を圧送するポンプの負荷を低減することができる。よって、長時間、高い能力を発揮することができるポンプの代わりに、短時間だけ高い能力を発揮することができるポンプを使用することができ、ポンプのコストを削減することができる。

ところで、本実施形態では、放熱体２０は、各発熱体２に対向して複数設けられ、それぞれ、蓋体４０に対して独立に移動可能となっている。そのため、図２に示すように、一部の発熱体２のみが高負荷の処理を行っている場合、一部の発熱体２に直近の放熱体２０のみを移動させることができる。一部の発熱体２に直近の駆動体３６では、相変化材料が所定温度に加熱され、溶解して膨張するが、残りの駆動体３６では、相変化材料が、所定温度に達しないので、固相の状態を保つからである。よって、必要な時に、必要な場所の冷却効率を高めることができ、無駄を省くことができる。また、冷却装置１０の均温化を図ることができ、冷却装置１０の熱変形を低減することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、駆動体３６は、所定温度に加熱されると溶解して膨張する相変化材料で構成され、その相変化材料の性質を利用して冷媒流路１２の断面積を小さくする。よって、発熱体２の発熱量が一時的に増加した場合に、冷媒流路１２の断面積を小さくすることができ、冷媒流路１２を流れる冷媒１４の流量を維持しつつ、放熱体２０に接触する冷媒１４の流量を増やすことができる。よって、冷媒流路１２に設置される放熱体２０の冷却効率を高めることができる。

また、本実施形態によれば、駆動体３６は、所定温度に加熱されると溶解して潜熱を蓄熱する相変化材料で構成されるので、発熱体２の発熱量が一時的に増加した場合に、その増加した熱を、潜熱として駆動体３６に蓄熱することができ、発熱体２の過熱を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、駆動体３６は、所定温度に冷却されると凝固して収縮する相変化材料で構成され、その相変化材料の性質を利用して冷媒流路１２の断面積を大きくする。よって、発熱体２の発熱量が元の状態に戻る場合に、冷媒流路１２の断面積を大きくすることができ、冷媒流路１２を流れる冷媒１４の流量を維持しつつ、冷媒１４を圧送するポンプの負荷を軽減することができる。よって、ポンプのコストを削減することができる。

さらに、本実施形態によれば、放熱体２０は、各発熱体２に対向して複数設けられ、それぞれ、蓋体４０に対して独立に移動可能となっている。そのため、図２に示すように、一部の発熱体２のみが高負荷の処理を行っている場合、一部の発熱体２に直近の放熱体２０のみを移動させることができる。よって、必要な時に、必要な場所の冷却効率を高めることができ、無駄を省くことができる。また、冷却装置１０の均温化を図ることができ、冷却装置１０の熱変形を低減することができる。

（第２の実施形態）
図３および図４は、本発明の第２の実施形態による冷却装置の概略断面図である。図３は、全ての発熱体２が負荷の低い処理を行っている状態を示し、図４は、図３に示す３つの発熱体２のうち、中央の発熱体２のみが負荷の高い処理を行っている状態を示す。なお、図３および図４において、図１および図２と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の冷却装置１０Ａは、放熱体２０Ａと、支持機構３０Ａと、蓋体４０とを有している。以下、図３および図４に基づいて、各構成について説明する。

放熱体２０Ａは、複数の板状のフィン２４Ａで構成される。フィン２４Ａは、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。

支持機構３０Ａは、伝熱板３２、固定壁３４、駆動体３６の他、支持体３８Ａを有している。支持体３８Ａは、固定壁３４の冷媒流路１２側の開口部を覆うように、固定壁３４に固定されている。支持体３８Ａは、熱伝導率の良い材料で構成され、例えばアルミニウムや銅などで構成される。

支持体３８Ａには、フィン２４Ａを移動可能に支持する貫通溝が複数設けられている。各フィン２４Ａは、支持体３８Ａの冷媒流路１２側の表面から突出しており、各フィン２４Ａの端部は、駆動体３６に密着している。

駆動体３６は、伝熱板３２、固定壁３４、支持体３８Ａ、および放熱体２０Ａで囲まれる空間に配置され、周囲に密着している。駆動体３６を構成する相変化材料が体積変化すると、その体積変化を許容するように（または、その体積変化に追従するように）、放熱体２０Ａが支持体３８Ａに対して移動する。その結果、放熱体２０Ａが蓋体４０に対して移動し、冷媒流路１２の断面積が変化する。

本実施形態では、固定壁３４の冷媒流路１２側の開口部を覆うように支持体３８Ａを設置してあるので、駆動体３６の冷媒流路１２側の表面のうち一部のみが変形可能となっている。よって、駆動体３６の体積変化時に、放熱体２０Ａの冷媒流路１２に対する移動量を大きくすることができ、冷媒流路１２の断面積の変動幅を大きくすることができる。

ちなみに、第１の実施形態では、複数のフィン２４が基体２２を介して一体化されているので、冷却装置１０の部品点数を削減することができる。

なお、本実施形態では、駆動体３６が相変化材料で構成されているので、また、放熱体２０Ａは、各発熱体２に対向して複数設けられ、それぞれ、蓋体４０に対して独立に移動可能となっているので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図５および図６は、本発明の第３の実施形態による冷却装置の概略断面図である。図５は、全ての発熱体２が負荷の低い処理を行っている状態を示し、図６は、図５に示す３つの発熱体２のうち、中央の発熱体２のみが負荷の高い処理を行っている状態を示す。なお、図５および図６において、図１および図２と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の冷却装置１０Ｂは、放熱体２０と、支持機構３０Ｂと、蓋体４０とを有している。以下、図５および図６に基づいて、主に、支持機構３０Ｂについて説明する。

支持機構３０Ｂは、伝熱板３２と、固定壁３４と、駆動体３６Ｂとを有する。駆動体３６Ｂは、例えば図５などに示すように、伝熱板３２に固定される一端部と、放熱体２０に固定される他端部とを有する。駆動体３６Ｂは、固定壁３４から離間している。

駆動体３６Ｂは、複数の放熱体２０を、蓋体４０に対して、独立に移動させるため、複数設けられている。各駆動体３６Ｂは、主に直近の発熱体２に熱的に接続されており、直近の発熱体２からの熱を、密着する放熱体２０に伝達する。

駆動体３６Ｂは、所定温度に加熱されると形状回復する形状記憶材料で構成される。形状記憶材料は、一般的なものが用いられ、発熱体２の種類などに応じて適宜選定される。例えば、形状記憶材料としては、形状記憶合金、形状記憶樹脂などが用いられる。これらの中でも、冷却効率の観点から、熱伝導率の高い形状記憶合金が好適に用いられる。

形状記憶合金は、低温相（例えば、マルテンサイト相）と、高温相（例えば、オーステナイト相）との間で可逆的に相変態し、低温相から高温相に相変態する際に形状回復する。形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ系合金（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金）、Ｆｅ系合金（例えば、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ合金）などがある。

駆動体３６Ｂは、所定温度未満で予め変形されたうえで、伝熱板３２と放熱体２０との間に介装される。駆動体３６Ｂは、所定温度未満では、変形後の形状を保ち、所定温度に加熱されると、変形前の形状に形状回復する。

駆動体３６Ｂは、この形状記憶材料の形状回復を利用して、冷媒流路１２の断面積が小さくなるように、放熱体２０を蓋体４０に対して移動させるので、発熱体２の発熱量が一時的に増加した場合に、冷媒流路１２の断面積を小さくすることができる。そうすると、冷媒流路１２を流れる冷媒１４の流量を維持しつつ、放熱体２０に接触する冷媒１４の流量を増やすことができ、放熱体２０の冷却効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、放熱体２０は、各発熱体２に対向して複数設けられ、蓋体４０に対して独立に移動可能となっている。よって、必要な時に、必要な場所の冷却効率を高めることができ、無駄を省くことができる。また、冷却装置１０Ｂの均温化を図ることができ、冷却装置１０Ｂの熱変形を低減することができる。

以上、本発明の第１〜第３の実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した実施形態において、フィン２４（２４Ａ）は、板状であるとしたが、その形状に制限はなく、例えば、ピン状であっても良い。

２発熱体
１０冷却装置
１２冷媒流路
１４冷媒
２０放熱体
２２基体
２４フィン
３０支持機構
３２伝熱板
３４固定壁
３６駆動体
４０蓋体

Claims

発熱体を冷却する冷却装置において、
冷媒流路を流れる冷媒と熱交換する放熱体と、
前記冷媒流路を覆う蓋体と、
前記放熱体を前記蓋体に対して移動可能に支持する支持機構とを有し、
該支持機構は、所定温度に加熱されると融解して膨張する相変化材料、または所定温度に加熱されると形状回復する形状記憶材料で構成される駆動体を有し、
該駆動体は、前記相変化材料の融解による膨張を利用して、または前記形状記憶材料の形状回復を利用して、前記冷媒流路の断面積が小さくなるように、前記放熱体を前記蓋体に対して移動させる冷却装置。