JP2014134356A - 冷却装置とこれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に冷却するヒートパイプ型の冷却装置を提供する。
【解決手段】一方の面に発熱体２が取り付けられる受熱部７を設けた中空の基部４と、この基部４の受熱部７に対向する面に突出して設けられ、内部が基部４の内部と連通した中空の複数の放熱ピン３と、基部４と放熱ピン３の内部に封入した作動液と、基部４の受熱部７の内側部分に設けたウィック５と、このウィック５の周囲に設けた溝６とで構成されるものであるので、効率よく冷却することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の電子部品の発熱を放熱する冷却装置に関するものである。

近年の技術開発によって、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の電子部品の小型化が進むとともに、中央演算処理装置（ＣＰＵ）や大規模集積回路（ＬＳＩ）等では処理量が膨大になり、発光ダイオード（ＬＥＤ）では高輝度化進むことで、電子部品の発熱量が大きくなり、あわせて発熱密度も高くなってきた。そのため、これら電子部品を効率よく冷却する冷却装置が要求されている。

例えば、特許文献１の冷却装置は、図６に示すように、一方の面を発熱体１００に接触させる中空のベース部１０１とこのベース部１０１の他方の面に突出して設けられる中空の放熱部１０２とで構成されている。そして、ベース部１０１と放熱部１０２の内部には、作動液（純水など）が封入されている。

このような放熱装置によれば、発熱体で発生した熱は、ベース部１０１内部の液体状態の作動液を蒸発させ、その結果、発熱体の高温化を抑える、すなわち冷却することになる。蒸発した作動液は、放熱部１０２において外部の冷たい空気にさらされて凝縮され、再び液体の状態でベース部１０１に供給される。

特開平４―１９８６９０号公報

しかしながら、上記従来例による放熱装置では、近年の小型で大きな発熱量を有する発熱体に対しては、効果的に放熱できないという課題があった。効果的に放熱できない理由は、発熱体により高温となったベース部に接する液体状態の作動液が蒸発し、凝縮部であるピン状突起の内部において再び凝縮し、作動液を封入している密閉空間内壁に設けたウィックの作用にて、ピン状突起の内部からベース部に凝縮した液体状態の作動液が戻ることとなるが、ピン状突起の内部と蒸発部との距離が大きく、液体状態の作動液が蒸発部に戻る途中に徐々に蒸発し、蒸発部に均一に戻らずに蒸発部であるベース部の一部においてドライアウトを生じ、効果的に冷却ができないためである。

また、ベース部においてドライアウトを生じさせないようにするためには、液体状態の作動液が常にベース部に溜まるように作動液の封入量を増加させる対策をとることができるが、ベース部に溜まった液体状態の作動液が熱拡散の抵抗となり、結果として効果的に放熱できないという課題があった。

そこで、本発明は、効率的に放熱できる放熱装置を提供することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明の冷却装置は、
一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を設けた中空の基部と、
この基部の前記受熱部に対向する面に突出して設けられ、内部が前記基部の内部と連通した中空の複数の放熱ピンと、
前記基部と前記放熱ピンの内部に封入した作動液と、
前記基部の前記受熱部の内側部分に設けたウィック部と、
このウィック部の周囲に設けた溝とで構成されるものであり、
これにより所期の目的を達成するものである。

以上のごとく本発明の冷却装置は、一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を設けた中空の基部と、この基部の前記受熱部に対向する面に突出して設けられ、内部が前記基部の内部と連通した中空の複数の放熱ピンと、前記基部と前記放熱ピンの内部に封入した作動液と、前記基部の前記受熱部の内側部分に設けたウィック部と、このウィック部の周囲に設けた溝とで構成されるものであるので、効率よく冷却することができる。

すなわち、本発明においては、まず、受熱部の内側に設けたウィック部は、基部内の液体状態の作動液を受熱部全体に拡げるという作用がある。そして、受熱部の周囲に設けた溝は、液体状態の作動液を溜めておき、ウィック部へ作動液を供給するという作用を有する。このように、受熱部には、溝に溜められた作動液が常に供給され、ウィック部によって薄く作動液の膜を形成する。従って、受熱部へ供給された作動液は、熱を受けて蒸発しやすくなっている。すなわち、発熱体を効率よく冷却できるのである。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した照明装置の外観図 同冷却装置の斜視図 同冷却装置の内部を示すための斜視図 同冷却装置の断面図 同冷却装置の（ａ）溝の部分の拡大図、（ｂ）傾けたときの溝の部分の拡大図 従来の冷却装置の概略図

以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１を適用した照明装置５０の外観を表すものである。図１に示すように、照明装置５０は、下方が開放されたケース５１内に発熱体２となる光源部と冷却装置１とが備えられている。ケース５１は、天井５２の天井裏などに設置され、表側には、時には反射板を兼ねたカバー５３が設けられている。冷却装置１は、放熱のため、一部ケース５１から露出した状態になっている。

図２は、冷却装置１の斜視図である。図２に示す通り、冷却装置１は、板状の基部４の一面に複数の放熱ピン３が突出して設けられているものである。

図３は、冷却装置１のカット図（斜視図）である。図３に示されるように、放熱ピン３、基部４は中空で、内部が連通している。基部４には、放熱ピン３を設けた面と対向する面に（図３では図示しないが）発熱体２を取り付ける受熱部７が設けられている。この受熱部７の内側には、ウィック５（表面を網目状、あるいは繊維状に細い溝加工したもの）が設けられている。さらに、このウィック５の周囲を取り囲んで溝６が設けられている。そして、冷却装置１内には、図３では図示していないが、作動液が封入されている。作動液としては、純水、フロンなどの冷媒が用いられる。特に、冷却装置１内を減圧した上で純水を封入することによって、環境への負荷が小さく、安全で安価な冷却装置１となる。

そして、基部４の底面の周縁部、すなわち、溝６よりも外周側は、溝６に向けて下がる下り勾配が設けられている。

図４を用いて、冷却装置１の作用、動作について説明する。

液相の作動液は、冷却装置１内においては、下部、すなわち、基部４側に溜まる。特に、基部４の底面周縁部には、溝６に向けて下り勾配が設けられ、溝６が最も低い位置になっている。そのため、液相の作動液は、溝６に溜められる。溝６に溜まった作動液は、ウィック５の毛細管現象によって、受熱部７の内面側に拡がる。受熱部７では、発熱体２の発する熱を受けて作動液が蒸発し、発熱体２を冷却する。

一方、蒸発した気相の作動液は、上昇して放熱ピン３内に充満する。放熱ピン３は、外部の比較的冷たい空気によって冷却される。すなわち、放熱ピン３内の気相の作動液が凝縮することになる。そして、凝縮した液相の作動液は、放熱ピン３の内壁を伝って下降し、再び基部４内に溜まることになる。このように作動液が蒸発、凝縮のサイクルを繰り返すことによって、発熱体２を冷却する。

このような冷却装置１によれば、液体の作動液が溝６に溜められているので、受熱部７全体に液体が浸ることがなくなる。そして、溝６が作動液の供給源となって、液相の作動液が常に受熱部７のウィック５全体を薄く覆う状態になる。すなわち、作動液が蒸発しやすい環境を常につくっていることになるので、効率的に発熱体２から発生する熱を奪って冷却できるものである。

また、図５で詳細に示すように、溝６は内周側と外周側で溝６を形成する壁面の立てる角度を変えている。すなわち、外周壁６ａは、内周壁６ｂよりも急な傾斜をつけて設けられている。言い換えると、基部４を水平に置いたとき、外周壁６ａは、内周壁６ｂよりも鉛直面に近くなっている（図５（ａ）において、角度θ＜角度φ）。

そして、内周壁６ｂには、ウィック５を溝６の底近傍まで形成させてもよい。

このような構成によれば、内周壁６ｂは、ゆるい傾斜になっているので、溝６に溜められた液相の作動液は、受熱部７のウィック５に吸い上げられやすくなっている。そして、急な外周壁６ａ側には流出し難い構成になっている。また、内周壁６ｂ下部まで設けられたウィック５によって、作動液がより吸い上げられやすくなっている。

図５（ｂ）では、冷却装置１が傾けられて据え付けられた場合を示している。図５（ｂ）で示されているように、外周壁６ａは急な壁面なので、傾けた状態においても溝６内の作動液が外周側に流出し難くなっている。また、内周側では、溝６の底近傍まで内周壁６ｂにウィック５が設けられているので、溝６内の作動液が吸い上げられやすくなっている。

本実施の形態による冷却装置１は、発熱体２に対して、比較的水平に近い状態で据え付けられるものに適している。すなわち、天井面に備え付けられるようなＬＥＤを用いた照明装置に適している。また、前記条件を満たせば、本実施の形態で適用した照明装置５０以外にも、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの冷却に適用することが可能である。

以上のごとく本発明の冷却装置は、一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を設けた中空の基部と、この基部の前記受熱部に対向する面に突出して設けられ、内部が前記基部の内部と連通した中空の複数の放熱ピンと、前記基部と前記放熱ピンの内部に封入した作動液と、前記基部の前記受熱部の内側部分に設けたウィック部と、このウィック部の周囲に設けた溝とで構成されるものであるので、効率よく冷却することができる。

そして、このような冷却装置は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、パワー半導体などの冷却に広く活用されることが期待される。

１ 冷却装置
２ 発熱体
３ 放熱ピン
４ 基部
５ ウィック
６ 溝
６ａ 外周壁
６ｂ 内周壁
７ 受熱部

Claims (5)

1. 一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を設けた中空の基部と、
   この基部の前記受熱部に対向する面に突出して設けられ、内部が前記基部の内部と連通した中空の複数の放熱ピンと、
   前記基部と前記放熱ピンの内部に封入した作動液と、
   前記基部の前記受熱部の内側部分に設けたウィック部と、
   このウィック部の周囲に設けた溝とで構成される冷却装置。
2. 前記基部の内部は、前記溝の周囲に、溝側に下り勾配を持つ傾斜面を設けた請求項１記載の冷却装置。
3. 前記溝は、内周側の壁面よりも外周側の壁面の傾斜を急にした請求項１または２記載の冷却装置。
4. 前記溝の内周側の壁面にウィックを設けた請求項１〜３いずれかひとつに記載の冷却装置。
5. 請求項１〜４いずれかひとつに記載の冷却装置を搭載した天井取付型の照明装置。

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