JP2016181636A

JP2016181636A - 冷却板

Info

Publication number: JP2016181636A
Application number: JP2015061906A
Authority: JP
Inventors: 裕紀原田; Hironori Harada; 昂大田坂; Takahiro Tasaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP6365370B2

Abstract

【課題】冷却板の内部に蓄熱材を封入し潜熱を利用して温度上昇を抑制する際に、蓄熱材の融解に伴った体積膨張を吸収するための空間が必要になる。しかし、冷却板内部の発熱体近傍に空間が存在すると、半導体装置等の発熱体から蓄熱材までの熱抵抗が増加し、発熱体の温度が上昇する。さらに、振動や加速度等の慣性力を受ける環境下で使用した場合、放熱部材から蓄熱材が剥離して熱抵抗が増加する。
【解決手段】冷却板内部を、絞り部を備えた仕切板を用いて２つの隣接する空間に分け、一方を、蓄熱材を収容した充填部とし、他方を気相部とした。これにより、振動や加速度等の慣性力を受ける環境下でも、蓄熱材を発熱体近傍に保持することが可能となり蓄熱材の潜熱を効率良く利用でき、かつ、蓄熱材の体積膨張を許容する構造を実現した。
【選択図】図２

Description

この発明は、電気部品を有した電子機器を冷却する冷却板に関する。

近年、マイクロ波で動作する高周波半導体を複数個集積したマイクロ波回路は、高集積化され、単位面積当たりの発熱量が増加傾向にある。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体からなる増幅器は、単位面積当たりの発熱量が特に大きく、マイクロ波回路の冷却板に高い放熱能力が望まれている。通常の冷却板は、アルミ、銅等の金属板に複数の突起（ヒートシンク）を設けることで、放熱面積を増やし、放熱能力を向上させている。

また、マイクロ波回路で構成されるアクティブフェーズドアレイアンテナは、その高出力化及び信号処理の高速化に伴い発熱量が増加する一方で、小型化及び軽量化が求められている。発熱量増分に応じて冷却能力を向上させると、冷却板が必然的に大型化、重量化せざるを得ず、要求仕様を満足しない。従来の冷却板は放熱能力に限度があり、放熱能力を上げるには冷却板の面積を増大する必要がある。

ここで、短時間の冷却であれば、冷却能力が高くかつ軽量な冷却器が知られている。この冷却器は蓄熱材と呼ばれるもので、所要温度で固体から液体へ状態変化を起こす相変化物質を封入することで、蓄熱材の潜熱を利用し、マイクロ波回路のような電気部品を有した電子機器について、その温度上昇を抑制する。

従来、蓄熱材を融解させた状態で冷却器の内部に密閉し、凝固する際に体積が収縮することを利用して、冷却器内部を低圧にし、これにより、電子機器の動作時に蓄熱材が融解し、体積が膨張する際に冷却器内部は大気圧以上の圧力にならず、冷却器に内圧による負荷が加わらないようにした冷却板が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２４７４２３号公報

冷却板の内部に蓄熱材を封入し、電子機器の発熱部に冷却板を接触させることで、電子機器の放熱能力を向上するとともに、軽量化することができる。ただし、蓄熱材が固体から液体へ溶融する際には、体積の増加を伴う。

従来の冷却板では、体積の増加を吸収するために、箱体内部に低圧の空間を生じさせているが、半導体装置等の発熱体近傍に空間が生じると、発熱体から蓄熱材までの熱抵抗が増加し、発熱体の温度が上昇するという課題があった。さらに、振動や加速度等の慣性力を受ける環境下で使用した場合、放熱部材から蓄熱材が剥離して熱抵抗が増加するという課題があった。また、蓄熱材が融解している高い温度を維持しながら、高い気密性を持って密閉する必要があり、製造コストが大きくなるという課題があった。

本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、発熱体近傍に蓄熱材を保持しつつ体積膨張を吸収可能であり、かつ安価な冷却板を提供することを目的とする。

この発明に係る冷却板は、内部に、仕切板により区分された隣接する空間を備え、一方の空間には蓄熱材が収容され、上記蓄熱材が収容された空間と、隣接する他方の空間とは、上記仕切板に設けられた絞り部により連通する。

この発明によれば、冷却板内部を、絞り部を備えた仕切板で、充填部と気相部に分けることにより、振動や加速度等の慣性力を受ける環境下でも、蓄熱材を発熱体近傍に保持することが可能になり、蓄熱材の潜熱を効率良く利用でき、かつ、蓄熱材の体積膨張を許容する構造が安価に実現できる。

実施の形態１による冷却板に発熱体を搭載した状態を示す斜視図である。（ａ）実施の形態１による冷却板の構造を示す断面図である。（ｂ）図２（ａ）のＡ-Ａ位置における断面図である。実施の形態１による冷却板の構造の一例を示す断面図である。実施の形態２による冷却板の構造を示す断面図である。実施の形態３による冷却板の構造を示す断面図である。実施の形態４による冷却板の構造の一部を示す断面図である。

本発明の実施の形態を以下で図を参照しながら説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による冷却板１に発熱体を搭載した状態を示す斜視図である。

図１において、冷却板１は上面と下面の面積が広い直方体の形状を成しており、金属部材からなる蓋部１ａと収容部１ｂから構成される。収容部１ｂには後述のように内部空間が形成されており、この内部空間には蓄熱材３が収容され蓋部１ａにより密閉される。
電子機器等の複数の発熱体２は、冷却板１の上下面に接触して実装される。

図２は実施の形態１による冷却板１の構造を説明するための断面図であり、上面、下面に平行となる面で冷却板１を切断したときの断面図である。
図２（ａ）に示すように、内部空間は仕切板７を介して仕切られている。一方の空間は充填部５であり、他方の空間は気相部６である。
このように、収容部１ｂには仕切板７で仕切られた内部空間が形成されており、充填部５と気相部６は仕切板７を介して隣接している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ-Ａの位置における断面図である。
充填部５の内部空間には蓄熱材３を収容している。詳しくは、充填部５は、内部空間に複数の冷却フィン５ａを挿入し、冷却フィン５ａと冷却フィン５ａの間、すなわち隣接する冷却フィン５ａの間に蓄熱材３を収容するようにしている。

仕切板７の一部には絞り部８が形成されており、充填部５の内部空間は、絞り部８を介して気相部６に連通している。
気相部６は、蓄熱材３の融解時の体積膨張による内圧上昇を所要の値に抑制するために必要な容積を有している。

蓄熱材３は、金属に腐食性がなく、低比重、融解熱量の高い相変化物質、例えばブドウ糖甘味料やパラフィン系ワックスなどとする。

次に、実施の形態１に係る冷却板１の動作について説明する。
冷却板１は、上下面に設置された発熱体２の発熱により温度が上昇する。温度上昇に伴う熱は充填部５の内部空間に収容された蓄熱材３に伝達する。
この伝達により蓄熱材３の温度が上昇し、ついには融解温度して融解が始まる。
融解した蓄熱材３は液化し、液状の蓄熱材４になり、冷却板１内部の充填部５と気相部６の間に位置する仕切板７に設けられた絞り部８を通り抜け、気相部６に移動する。
気相部６の内部圧力は、気相部６に移動した液状の蓄熱材４の体積により増加するが、気相部の体積の設定によって、内部圧力を必要以上に高くならないよう予め設計しておく。

ここで、絞り部８について説明する。
絞り部８の断面積（Ａ）は、蓄熱材３融解時の体積膨張により上昇した充填部５の内部圧力（Ｐ１）と、気相部６の内部圧力（Ｐ２）の差圧が、絞り部８を通過する液状の蓄熱材４が受ける慣性力（ＭＧ）を穴の断面積で除した値を上回るように設定する。
この絞り部８では、液状の蓄熱材４が、気相部６から充填部５へ逆流することはないため、簡易な形状により、気相部６の気体が充填部５に入り込むことを抑制し、防止することができる。

絞り部８は、断面積（Ａ）であれば形状、設置数を自由に設定可能である。断面積（Ａ）の算出式を（１）式に示す。

ここで、
Ｐ１：蓄熱材３融解時の体積膨張により上昇した充填部５の内部圧力
Ｐ２：気相部６の内部圧力
ＭＧ：絞り部８を通過する液状の蓄熱材４が受ける慣性力

なお、液状の蓄熱材４を絞り部８へ誘導し、充填部５の内部圧力の上昇を抑制するために、蓄熱材充填時に予めワイヤ等を挿入しておき、液状の蓄熱材４が冷却されて凝固し蓄熱材３に変化した後に、挿入していたワイヤを抜き取るようにしてもよい。
図３は蓄熱材充填時にワイヤ等を挿入したときの例であり、図３に示すように絞り部８に至るまでのワイヤ等を挿入する貫通穴９を設置するようにしてもよい。

このように本実施の形態に係る冷却板１は内部空間を有し、内部空間は仕切板７を介して仕切られ、一方は充填部５の内部空間を形成し、他方は気相部６を形成する。
充填部５の内部空間と気相部６は仕切板７を介して隣接し、仕切板７の一部には絞り部８が形成されており、充填部５の内部空間は、絞り部８を介して気相部６に連通するようにした。
これにより、振動や加速度等の慣性力を受ける環境下でも、冷却板に収容した蓄熱材を発熱体近傍に保持することが可能となり、蓄熱材の潜熱を効率良く利用でき、かつ、蓄熱材の体積膨張を許容することができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２による冷却板１ｂの構造を示す断面図である。
なお、実施の形態１と同一または同等の構成については同一番号を付し、以下では実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

図４において、実施の形態２に係る冷却板１ｂは、気相部６の壁面に通気口１０を設置する。
そして、この通気口１０を、気体は透過するものの蓄熱材を透過しない素材１１、例えば多孔質物質で覆う。

これにより、本実施の形態に係る冷却板１ｂは、気相部６の内部圧力の増加を防ぐことができ、小型化が可能になる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３による冷却板１の構造を示す断面図である。
なお、実施の形態１と同一または同等の構成については同一番号を付し、以下では実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

図５に示すように、実施の形態３に係る冷却板１は、実施の形態１で説明した気相部６を無くしており、充填部５に収容した蓄熱材３が絞り部８を介して外部と連通している。

これにより、本実施の形態に係る冷却板１は、蓄熱材の冷却板１外への漏出を許容することにより、冷却板１の形状を最小限の容積にすることができる。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４による冷却板１ｄ（図示せず）の絞り部８周辺の構造を示す断面図である。
なお、実施の形態１と同一または同等の構成については同一番号を付し、以下では実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

図６に示すように、実施の形態４に係る冷却板１ｄは、絞り部８を、テープ１２もしくは接着剤１３等により塞ぎ、内圧印加時に貫通もしくは剥離する仕組みにする。

これにより、本実施の形態に係る冷却板１ｄによれば、蓄熱材３を充填部５に保持する機能を向上させることができる。

１、１ｂ、１ｃ、１ｄ冷却板、２発熱体、３蓄熱材、４液状の蓄熱材、５充填部、６気相部、７仕切板、８絞り部、９貫通穴、１０通気口、１１気体を透過する素材、１２テープ、１３接着剤

Claims

内部に、仕切板により区分された隣接する空間を備え、
一方の空間には蓄熱材が収容され、
上記蓄熱材が収容された空間と、隣接する他方の空間とは、上記仕切板に設けられた絞り部により連通することを特徴とする冷却板。
温度上昇により融解した上記蓄熱材は、上記絞り部を通り、上記隣接する他方の空間に移動することを特徴とする請求項１記載の冷却板。
上記隣接する他方の空間は通気口を備え、
上記通気口は上記蓄熱材を透過しない素材で覆われることを特徴とする請求項１記載の冷却板。
上記絞り部は予めテープまたは接着剤により塞がれており、
融解した上記蓄熱材は、上記テープあるいは接着剤を剥離して上記隣接する他方の空間に移動することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の冷却板。
上記蓄熱材には、上記絞り部に至る貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項1〜４いずれか記載の冷却板。
内部に、蓄熱材を収容した充填部を備え、
上記充填部は絞り部により冷却板の外部と連通することを特徴とする冷却板。
温度上昇により融解した上記蓄熱材は、上記絞り部を通り冷却板の外部に移動することを特徴とする請求項６記載の冷却板。