JP2014181874A - 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５を略中央部に設けた中空の基部４と、この基部の受熱部５に対向する面に、受熱部５の反対側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部３と、基部４と放熱部３の内部に封入した作動流体とで構成され、受熱部５へ作動流体を集める集液機構を設けたものであるので、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）では高輝度化が進むことで、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８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、作動流体（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流体を蒸発させ、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。蒸発した作動流体は、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、効率的に放熱できないという課題があった。効率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相の作動流体が蒸発し、凝縮部であるピン状突起の内部において再び凝縮し、作動流体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相の作動流体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、液相の作動流体が蒸発部に戻る途中に徐々に蒸発し、気相になった作動流体が、液相になって戻って来ず、ベース部の一部が乾ききってしまうという現象、すなわちドライアウトが生じ、効率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、液相の作動流体が常にベース部に溜まるように作動流体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相の作動流体の厚みが熱拡散の抵抗となり、結果として効率的に冷却ができないという課題がある。

そこで、本発明は、効率的に冷却できる冷却装置を提供することを目的とするものである。

一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を略中央部に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前記受熱部の反対側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部と、
前記基部と前記放熱部の内部に封入した作動流体とで構成され、
前記受熱部へ前記作動流体を集める集液機構を設けたものであり、
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略中央部に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前記受熱部の反対側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部と、前記基部と前記放熱部の内部に封入した作動流体とで構成され、前記受熱部へ前記作動流体を集める集液機構を設けたものであるので、効率よく冷却することができる。

すなわち、本発明においての集液機構は、放熱部において液相状態となった作動流体を、受熱部へ移動させ、効率よく滴下させるという作用があり、作動流体は常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくてもドライアウトを防ぐ。また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなるので、効率よく冷却することができるのである。

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（ａ）集液面の厚みが不均等な断面図、（ｂ）集液面の厚みが均等な断面図 本発明の実施の形態２の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 同冷却装置の集液板を表す図 従来の冷却装置の概略図

本発明の請求項１記載の冷却装置は、一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を略中央部に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前記受熱部の反対側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部と、前記基部と前記放熱部の内部に封入した作動流体とで構成され、前記受熱部へ前記作動流体を集める集液機構を有する。これにより、放熱部において液相となった作動流体を、受熱部へ効率的に滴下させるという作用があり、作動流体は常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぐ。また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなるので、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、集液機構は、前記基部の前記受熱部に対向する面に、前記受熱部の略中央部の直上部が最も低くなる勾配を設けた集液面とした構成としてもよい。これにより、放熱部において液相となった作動流体は、下降し集液面へたどり着くと、集液面の勾配により、受熱面近傍上まで移動し、集液面から受熱部に滴下する。よって、この集液機構は、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぐ。また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなるので、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、集液面の略中央部には、前記受熱部側に突出し、前記作動流体が伝う突起を有したものでもよい。これにより、放熱部において液相となった作動流体は、集液面の勾配により、受熱部直上まで移動し、集液面の略中央部の受熱部側に突出した突起に沿って伝わり、受熱部に滴下するという作用がある。よって、この集液面は、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぐ。また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなるので、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、集液機構は、略中央部に液相通過孔を有し、前記受熱部の略中央部の直上部が最も低くなる勾配を有する集液板を、前記基部の内部に設ける構成としてもよい。これにより、放熱部において液相となった作動流体は、集液板上へ滴下されると、集液板の勾配により液相通過孔へ集まり、そこから受熱部へ直接滴下されるという作用がある。よって、この集液板は、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぐ。また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなるので、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、集液板は、前記作動流体が移動する気相通過孔を有する構成としてもよい。これにより、放熱部において液相となった作動流体は、集液板上へ滴下されると、集液板の勾配により液相通過孔へ集まり、そこから受熱部へ直接滴下される。また、受熱部において熱を受け、蒸発し気相となった作動流体は、液相通過孔または気相通過孔を通過することで、放熱部方向へ移動ができるという作用がある。よって、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぎ、また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなり、放熱部方向へ移動するという循環が滞りなく行われることにより、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、気相通過孔周縁の放熱部側に立ち上がり壁を設けた構成にしてもよい。これにより、受熱部において熱を受け蒸発し気相となった作動流体は、液相通過孔または気相通過孔を通過することで、放熱部方向へ移動ができる。また、放熱部において液相となった作動流体は、集液板上へ滴下されると、集液板の勾配により液相通過孔方向へ移動するが、気相通過孔にある立ち上がり壁にさえぎられることにより、集液板上を移動する液相の作動流体は、気相通過孔からは滴下されることなく、液相通過孔に集まり、そこから受熱部へ直接滴下されるという作用がある。よって、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぎ、また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなり、放熱部方向へ移動するという循環が滞りなく行われることにより、効率よく冷却することができるという効果を奏する。

また、これらの冷却装置を搭載した天井取付型の照明装置という構成にしてもよい。これにより、作動流体が常に受熱部へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぎ、また、受熱部においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなり、放熱部方向へ移動するという循環が滞りなく行われることにより、照明装置の光源部の発熱を効率的に冷却するという効果を相奏する。

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に示すように、冷却装置１は、板状の基部４の一面に複数の放熱部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の内部を示す斜視図である。図３に示すように、放熱部３、基部４は中空で、放熱部３と基部４は、内部が連通している。基部４には放熱部３を設けた面と対抗する面に発熱体２を取り付ける受熱部５が設けられている。また、基部４と放熱部３の接続部である、受熱部５に対向する面は、受熱部５の略中央部の直上部が最も低くなるように勾配を設けた集液機構としての集液面６が設けられている。そして、冷却装置１には、図３では図示していないが、作動流体が封入されている。作動流体としては、純水、エタノール、フロンなどが用いられる。

図４に示す冷却装置１の断面図を用いて、冷却装置１の作用、動作について説明する。

図４（ａ）において、液相の作動流体は、冷却装置１内においては、下部、すなわち、基部４側に留まる。受熱部５近傍では、作動流体は、発熱体２の発する熱を受けて蒸発し、発熱体２を冷却する。一方、蒸発した気相の作動流体は、上昇して放熱部３内に充満する。放熱部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、放熱部３内の気相の作動流体が凝縮することになる。そして、凝縮した液相の作動流体は、放熱部３の内壁を伝って下降し、さらに、集液面６や集液面６に設けられた突起部７を伝い受熱部５上、または受熱部５周縁付近へ滴下され、再び基部４内に溜まることになる。このように作動流体が蒸発、凝縮のサイクルを繰り返すことにより、発熱体２を冷却する。

このような冷却装置１によれば、液相の作動流体が凝縮し、基部４内へ戻る過程において、放熱部３の内壁で小さな液滴だった作動流体は、集液面６において、複数ある他の放熱部３より下降してきた液滴と繋がり徐々に大きくなる。集液面６の勾配により、その液滴は、受熱部５直上付近に向かって移動しながら、他の液滴と繋がっていく。また、大きくなった液滴は重力により、集液面６の面上を離れ易くなるため、集液面６上で移動している液相の作動流体は、受熱部５付近で、多く滴下されることとなる。よって、作動流体が常に受熱部５へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぎ、また、受熱部５においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部５で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなり、放熱部３方向へ移動するという循環が滞りなく行われることにより、効率よく冷却することができる。

なお、図４（ａ）では、集液面６の放熱部３が接続していない部分の垂直断面の厚みは、集液面６の中央に向かうにつれて厚みを増す構造であり、厚みは不均一となっているが、これに限らず、この部分の厚みを略均一としてもよい。図４（ｂ）に示すように、集液面６の放熱部３が接続していない部分の垂直断面の厚みを均一の厚みとすると、放熱部３の外気に触れる部分の表面積を増やすことになるので、外気との熱交換を効率よくできることとなる。

また、突起部７は、集液面６の受熱部５の直上に、受熱部５の方向へ突き出すように複数本設けられた、ピン状のものである。集液面６の勾配により、集液面６に付着しながら受熱部５直上まで移動してきた液相の作動流体は、この突起部７を伝うことで、確実に受熱部５上へ滴下されることになる。

なお、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）、パワー半導体などの冷却に適用することが可能である。

（実施の形態２）
次に、図５は、本発明の実施の形態２を表す冷却装置１の内部を示す斜視図である。実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示した通り、実施の形態１と異なる点は、基部４内部に、集液機構としての集液板８を設けた構成としたことである。集液板８は、基部４内部の受熱部５と、受熱部５に対向する面との間の空間にあり、受熱部５の略中央部の直上部が最も低くなるように勾配を設けている。また、集液板８の、受熱部５の略中央部の直上部には、液相通過孔９を有し、放熱部３において液相となった作動流体は、集液板８上へ滴下されると、その液滴は、集液板８の勾配により液相通過孔９へ向かって移動する。この移動時に、液滴は隣の液滴と繋がり、徐々に大きくなり、液滴は重力により、付着面を離れ易くなるため、受熱部５付近により多くの液相の作動流体が滴下されることとなる。

図６にこの冷却装置１の断面図を、図７に集液板８の斜視図を示す。図６に示す通り、液相の作動流体は、冷却装置１内においては、冷却装置１内においては、下部、すなわち、基部４側に留まる。受熱部５近傍では、作動流体は、発熱体２の発する熱を受けて蒸発し、発熱体２を冷却する。 一方、蒸発した気相の作動流体は、集液板８の液相通過孔９、または図７に示すような、受熱部５の反対側に突出した中空の放熱部３の直下となるように設けられた気相通過孔１０を通り、放熱部３へ移動し、充満することとなる。そして、放熱部３で冷却され凝縮した液相の作動流体は、集液板８に滴下された後、集液板８の勾配により液相通過孔９へ向かって移動することとなるが、このとき、液相の作動流体は、図７に示すような、気相通過孔１０周縁の放熱部３側に設けられた立ち上がり壁１１によりさえぎられることにより、集液板８上を移動する液相の作動流体は、気相通過孔１０からは受熱部５側へ滴下することなく、液相通過孔９に集まり、そこから受熱部５へ直接滴下される。

このような冷却装置１によれば、作動流体が常に受熱部５へ供給されることで、作動流体が少なくても、ドライアウトを防ぎ、また、受熱部５においては液相厚みが薄くなることで、蒸発した気相の作動流体が拡散する抵抗が、液相厚みが厚い場合に比べ小さくなる。すなわち、受熱部５で得た熱により液相から気相となった作動流体が拡散する抵抗が小さくなり、放熱部３方向へ移動するという循環が滞りなく行われることにより、効率よく冷却することができる。

なお、図６に示した気相通過孔１０は、放熱部３の直下に設ける構成としているが、このとき、気相通過孔１０の直径は放熱部３の直径よりも小さくなるような構成とするのが良い。これにより、放熱部３より下降し、落下してきた液相の作動流体は、気相通過孔１０を通過することなく、集液板８へ落下し、液相通過孔９へ集約することとなる。

なお、図６に示した気相通過孔１０は、放熱部３の直下に設ける構成としているが、これによらず、放熱部３の直下以外に気相通過孔１０を設けても良い。

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略中央部に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前記受熱部の反対側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部と、前記基部と前記放熱部の内部に封入した作動流体とで構成され、前記受熱部へ前記作動流体を集める集液機構を設けたものであるので、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 放熱部
４ 基部
５ 受熱部
６ 集液面
７ 突起部
８ 集液板
９ 液相通過孔
１０ 気相通過孔
１１ 立ち上がり壁
５０ 照明装置
５１ ケース
５２ 天井
５３ カバー

Claims (7)

1. 一方の面に発熱体が取り付けられる受熱部を略中央部に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前記受熱部の反対側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部と、
   前記基部と前記放熱部の内部に封入した作動流体とで構成され、
   前記受熱部へ前記作動流体を集める集液機構を設けた冷却装置。
2. 前記集液機構は、前記基部の前記受熱部に対向する面に、前記受熱部の略中央部の直上部が最も低くなる勾配を設けた集液面である請求項１の冷却装置。
3. 前記集液面の略中央部に、前記受熱部側に突出し、前記作動流体が伝う突起を有した請求項２の冷却装置。
4. 前記集液機構は、略中央部に液相通過孔を有し、前記受熱部の略中央部の直上部が最も低くなる勾配を有する集液板を、前記基部の内部に設けたものである請求項１の冷却装置。
5. 前記集液板に、前記作動流体が移動する気相通過孔を設けた請求項４記載の冷却装置。
6. 前記気相通過孔周縁の放熱部側に立ち上がり壁を設けた請求項５の冷却装置。
7. 請求項１〜６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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