JP2016186995A - 放熱構造及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制可能な放熱構造を提供する。【解決手段】一つの実施の形態に係る放熱構造は、放熱部と、蓄熱部とを備える。前記放熱部は、第１の方向に延びた少なくとも一つの延部を有し、発熱する機器に熱的に接続される。前記蓄熱部は、蓄熱材を内部に封じられるとともに、前記延部に熱的に接続させられる収容部、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放熱構造及び装置に関する。

パワーデバイスのような半導体装置や他の機器は、当該機器の稼働に伴って発熱することがある。このため、例えば放熱構造によって機器が冷却される。放熱構造として、例えば放熱フィンのように空気の自然対流を利用する構造と、ファンのように空気の強制対流を利用する構造とが知られる。

特開２０１０−９８００４号公報

放熱構造は大型化されることによって、機器をより冷却することができる。しかし、放熱構造が大型化することで、機器全体が大型化してしまう。

一つの実施の形態に係る放熱構造は、放熱部と、蓄熱部とを備える。前記放熱部は、第１の方向に延びた少なくとも一つの延部を有し、発熱する機器に熱的に接続される。前記蓄熱部は、蓄熱材を内部に封じられるとともに、前記延部に熱的に接続させられる収容部、を有する。

図１は、第１の実施の形態に係る装置を分解して示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態の装置を、図１のＦ２−Ｆ２線に沿って概略的に示す断面図である。 図３は、第１の実施形態のヒートシンクに取り付けられた蓄熱パックを、図２のＦ３−Ｆ３線に沿って概略的に示す断面図である。 図４は、第１の実施形態の蓄熱パックを、図３のＦ４−Ｆ４線に沿って概略的に示す断面図である。 図５は、第１の実施形態の製造途中の蓄熱パックを示す断面図である。 図６は、第１の実施形態の蓄熱パックの一例を示す断面図である。 図７は、第１の実施形態の蓄熱パックの一例を、図６のＦ７−Ｆ７線に沿って概略的に示す断面図である。 図８は、第１の実施形態の製造途中の装置を分解して示す断面図である。 図９は、第１の実施形態の稼働する機器の温度変化の一例を示すグラフである。 図１０は、第２の実施の形態に係る装置を概略的に示す断面図である。

以下に、第１の実施の形態について、図１乃至図９を参照して説明する。なお、実施形態に係る構成要素や、当該要素の説明について、複数の表現を併記することがある。当該構成要素及び説明について、記載されていない他の表現がされることは妨げられない。さらに、複数の表現が記載されない構成要素及び説明について、他の表現がされることは妨げられない。

図１は、第１の実施の形態に係る装置１０を分解して示す斜視図である。図２は、第１の実施形態の装置１０を、図１のＦ２−Ｆ２線に沿って概略的に示す断面図である。装置１０は、機器１１と、放熱構造１２とを有する。装置１０は、例えば、アセンブルとも称され得る。機器１１は、例えば、装置、機械、及び電子機器とも称され得る。放熱構造１２は、例えば、冷却構造、放熱装置、及び冷却装置とも称され得る。

各図面に示されるように、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が定義される。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに直交する。Ｘ軸は、装置１０の幅に沿う。Ｙ軸は、装置１０の長さに沿う。Ｚ軸は、装置１０の高さに沿う。

機器１１は、例えば、防災無線送信機である。なお、機器１１はこれに限らず、例えば、充電池のような他の装置であっても良い。また、図１に示される機器１１は、防災無線装置の本体であっても良いし、防災無線装置の基板、アンプ、及びインバータのような一部であっても良い。

機器１１は、例えば、災害発生時やテスト放送時に電磁波を送信する。機器１１は、電磁波の送信時に、電磁波を送信しない待機状態のときよりも多く発熱する。すなわち、機器１１は、当該機器１１の使用時間のうちの短い時間に多く発熱する。言い換えると、機器１１が多く発熱する時間は、機器１１が発熱しない又は少し発熱する時間よりも短い。

放熱構造１２は、ヒートシンク２１と、蓄熱パック２２と、取付部２３とを有する。ヒートシンク２１は、放熱部の一例であり、例えば、放熱部材、冷却部材、及び伝熱部材とも称され得る。蓄熱パック２２は、蓄熱部の一例であり、例えば、蓄熱部材、蓄熱材、及びパックとも称され得る。取付部２３は、押部の一例であり、例えば、保持部、固定部、及び押圧部とも称され得る。

ヒートシンク２１は、例えば、アルミニウム合金によって作られる。なおヒートシンク２１はこれに限らず、金属、セラミックス、及び樹脂のような他の材料によって作られても良い。

ヒートシンク２１は、基部３１と、複数のフィン３２とを有する。基部３１は、例えば、接触部、接続部、及び部分とも称され得る。複数のフィン３２は、少なくとも一つの延部の一例であり、例えば、突出部、突起、板、及び壁とも称され得る。

基部３１は、例えば、略四角形の板状に形成される。なお、基部３１の形状はこれに限らず、円形のような他の形状に形成されても良い。図２に示すように、基部３１は、第１の面３１ａと、第２の面３１ｂとを有する。

第１の面３１ａは、Ｚ軸に沿う方向に向く略平坦な面であり、機器１１の表面１１ａに向く。機器１１の表面１１ａは、略平坦に形成されるが、例えば、曲面であっても良いし、凹凸を有しても良い。第１の面３１ａは、直接的に、又は電熱シートやグリスのような部材を介して、機器１１の表面１１ａに接触する。これにより、ヒートシンク２１は、機器１１に熱的に接続される。

第２の面３１ｂは、第１の面３１ａの反対側に位置し、Ｚ軸に沿う方向に向く略平坦な面である。言い換えると、第２の面３１ｂは、機器１１の反対側に向く。

複数のフィン３２は、基部３１と一体に形成される。なお、複数のフィン３２はこれに限らず、基部３１と別個の部品として形成され、基部３１に取り付けられても良い。複数のフィン３２は、基部３１の第２の面３１ｂから、それぞれＺ軸に沿う方向に延びる。Ｚ軸に沿う方向は、第１の方向の一例である。なお、複数のフィン３２は、他の方向に延びても良い。

複数のフィン３２はそれぞれ、先端部３２ａと、基端部３２ｂと、二つの側面３２ｃとを有する。先端部３２ａは、第１の端部の一例である。基端部３２ｂは、第２の端部の一例である。

先端部３２ａは、Ｚ軸に沿う方向におけるフィン３２の一方の端部である。基端部３２ｂは、Ｚ軸に沿う方向におけるフィン３２の他方の端部である。基端部３２ｂは、先端部３２ａの反対側に位置するとともに、先端部３２ａよりも機器１１に近く位置する。基端部３２ｂは、基部３１の第２の面３１ｂに取り付けられる。側面３２ｃは、Ｘ軸に沿う方向に向く略平坦な面である。なお、側面３２ｃは、他の方向に向いても良い。

複数のフィン３２は、Ｘ軸に沿う方向に、互いに間隔Ｃを介して配置されるとともに、Ｙ軸に沿う方向に延びる。Ｘ軸に沿う方向は、第２の方向の一例である。言い換えると、複数のフィン３２は、Ｘ軸に沿う方向に並べられる。なお、複数のフィン３２は、他の方向に互いに間隔Ｃを介して配置されても良い。フィン３２の側面３２ｃは、Ｘ軸に沿う方向に向く。このため、隣り合うフィン３２の側面３２ｃは、互いに対向する。

蓄熱パック２２は、収容部４１を有する。収容部４１は、例えば、パック部、蓄熱部、冷却部、充填部、及び部分とも称され得る。収容部４１に、蓄熱材４２が封じられる。言い換えると、収容部４１は、蓄熱材４２を液密に収容する。

本実施形態における蓄熱材４２は、潜熱蓄熱材（ＰＣＭ；Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）である。本明細書におけるＰＣＭは、相変化蓄熱材とも称され、水よりも蓄熱密度が大きい。ＰＣＭは、例えば、酢酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、又はパラフィンを含む物質である。なお、蓄熱材４２はこれに限らず、水のような他の蓄熱材であっても良い。

蓄熱材４２は、固体（固相）と液体（液相）との間で相転移（相変化）する。蓄熱材４２は、融点において固体から液体への相転移に伴い吸熱し、凝固点において液体から固体への相転移に伴い放熱する。

本実施形態の収容部４１は、第１のフィルム４５と、第２のフィルム４６とによって形成される。言い換えると、収容部４１は、フィルム状である。第１及び第２のフィルム４５，４６は、例えば、互いに貼り合わされることで、収容部４１を形成する。

第１及び第２のフィルム４５，４６は、例えば、蓄熱材４２の液圧や外部からの圧力によって変形可能な柔軟性を有する。言い換えると、収容部４１の第１及び第２のフィルム４５，４６は、液状の蓄熱材４２が流動することによって変形する。さらに、第１及び第２のフィルム４５，４６は、蓄熱材４２に対する耐性を有する。すなわち、第１及び第２のフィルム４５，４６は、蓄熱材４２によって腐食され難い。

収容部４１は、例えば、所定の剛性を有する箱状に形成されても良い。このような収容部４１は、例えば、所定の形状を保つとともに、蓄熱材４２の液圧や、外部からの圧力が高くなると、弾性的に変形する。なお、収容部４１は、フィルム状や箱状に限らず、他の形状に形成されても良い。

第１及び第２のフィルム４５，４６は、例えば、ビニールのような合成樹脂、アルミニウムのような金属、又は積層された複数の材料によって形成された複合材によって、作られる。なお、第１のフィルム４５の材料と、第２のフィルム４６の材料とが異なっていても良い。

図３は、第１の実施形態のヒートシンク２１に取り付けられた蓄熱パック２２を、図２のＦ３−Ｆ３線に沿って概略的に示す断面図である。図４は、第１の実施形態の蓄熱パック２２を、図３のＦ４−Ｆ４線に沿って概略的に示す断面図である。図３及び図４に示すように、収容部４１は、複数の封入部５１と、仕切部５２とを有する。封入部５１は、例えば、パック部、蓄熱部、冷却部、充填部、及び部分とも称され得る。仕切部５２は、例えば、溶着部、固着部、区画部、隔部、及び部分とも称され得る。

複数の封入部５１はそれぞれ、Ｘ軸に沿う方向に並んで配置されるとともに、Ｙ軸に沿う方向に延びる。複数の封入部５１の内部にそれぞれ、蓄熱材４２が封じられる。蓄熱材４２が封入される封入部５１の内部は、第１のフィルム４５と第２のフィルム４６との間に形成された空間である。封入部５１に封じられた蓄熱材４２は、封入部５１の形状に応じて、Ｙ軸に沿う方向に延びる。

仕切部５２は、第１のフィルム４５と、第２のフィルム４６とが互いに溶着された部分である。なお、仕切部５２は、これに限らず、例えば第１のフィルム４５と第２のフィルム４６とが互いに接着された部分であっても良い。仕切部５２は、三つの第１の外縁部５２ａと、第２の外縁部５２ｂと、複数の中間部５２ｃとを有する。

図３に示すように、第１のフィルム４５は、略四角形状に形成される。第２のフィルム４６も、同じく略四角形状に形成される。三つの第１の外縁部５２ａは、第１及び第２のフィルム４５，４６の四つの縁（辺）のうち、三つの縁に沿って形成される。言い換えると、第１の外縁部５２ａは、第１のフィルム４５の三つの縁と、第２のフィルム４６の三つの縁とが互いに溶着された部分である。

第２の外縁部５２ｂは、第１の外縁部５２ａが設けられない第１及び第２のフィルム４５，４６の一つの縁から離間した位置に設けられる。第２の外縁部５２ｂは、第１及び第２のフィルム４５，４６の当該縁と同じくＸ軸に沿う方向に延び、平行に延びる二つの第１の外縁部５２ａの間を接続する。

複数の中間部５２ｃは、複数の封入部５１の間にそれぞれ介在する。このため、複数の中間部５２ｃはそれぞれ、Ｘ軸に沿う方向に並んで配置されるとともに、Ｙ軸に沿う方向に延びる。複数の中間部５２ｃは、複数の封入部５１の間を接続する。なお、複数の封入部５１は、中間部５２ｃによって接続されずに互いに切り離されても良い。すなわち、収容部４１は別個の部品としての複数の封入部５１を有しても良い。

複数の封入部５１は、第１の外縁部５２ａ、第２の外縁部５２ｂ、及び中間部５２ｃを有する仕切部５２によって互いに仕切られる。なお、複数の封入部５１は、例えば、Ｙ軸に沿う方向における端部において互いに接続されても良い。

本実施形態における蓄熱材４２は、例えば、封入部５１に真空包装される。このため、封入部５１の内部に、蓄熱材４２のみが収容される。なお、封入部５１の内部に、空気のような気体や、蓄熱材４２と異なる物体が収容されても良い。

複数の封入部５１の内部にそれぞれ、緩衝部５１ａが設けられる。緩衝部５１ａは、液状の蓄熱材が流入可能な部分の一例である。緩衝部５１ａは、封入部５１の内部において、第１のフィルム４５と第２のフィルム４６とが溶着されていない部分である。すなわち、緩衝部５１ａにおいて、第１のフィルム４５と第２のフィルム４６とは、互いに離間可能である。このため、液状の蓄熱材４２が、緩衝部５１ａの第１のフィルム４５と第２のフィルム４６との間に流入することが可能である。

言い換えると、封入部５１に封じられた蓄熱材４２の体積は、封入部５１の最大の体積よりも小さい。蓄熱材４２の体積は、固体又は液体である蓄熱材４２の体積である。封入部５１の最大の体積は、例えば、当該封入部５１に物体が満たされた場合における、当該物体の体積に等しい。

図２に示すように、複数の封入部５１はそれぞれ、複数のフィン３２の間の間隔Ｃに配置される。言い換えると、封入部５１はそれぞれ、隣り合うフィン３２の間に介在する。封入部５１は、フィン３２の側面３２ｃに接触することで、フィン３２に熱的に接続される。

本実施形態の封入部５１は、フィン３２の側面３２ｃに直接的に接触する。なお、封入部５１は、例えば伝熱性接着剤によってフィン３２の側面３２ｃに固定されるとともに、当該伝熱性接着剤を介してフィン３２の側面３２ｃに接触することで、フィン３２に熱的に接続されても良い。

蓄熱パック２２は、フィン３２の先端部３２ａに接触させられる。このため、封入部５１は、フィン３２の先端部３２ａ側から、複数のフィン３２の間の間隔Ｃに挿入される。なお、封入部５１は、他の方向から間隔Ｃに挿入されても良い。

フィン３２の側面３２ｃは、第１の領域Ａ１と、第２の領域Ａ２とを有する。第１の領域Ａ１に、封入部５１が接触する。言い換えると、第１の領域Ａ１は、封入部５１に覆われる。第２の領域Ａ２は、封入部５１に覆われずに露出される。言い換えると、第２の領域Ａ２は、外気に接触する。

第１の領域Ａ１は、フィン３２の先端部３２ａ近傍の部分である。すなわち、第１の領域Ａ１は、第２の領域Ａ２よりも、先端部３２ａに近い。このように、封入部５１は、フィン３２の基端部３２ｂから離間し、且つ、基端部３２ｂよりも先端部３２ａに近い位置で、フィン３２の側面３２ｃに熱的に接続される。

封入部５１が複数のフィン３２の間の間隔Ｃに配置されることで、仕切部５２の中間部５２ｃは、フィン３２の先端部３２ａに支持される。なお、封入部５１がフィン３２の先端部３２ａに支持されても良い。

取付部２３は、押圧部材６１と、図２に示すバネ部材６２とを有する。図１に示すように、押圧部材６１は、略四角形の板状に形成される。なお、押圧部材６１の形状はこれに限らず、円形のような他の形状に形成されても良い。

図２に示すように、押圧部材６１は、第３の面６１ａと、第４の面６１ｂとを有する。第３の面６１ａは、蓄熱パック２２を介して、フィン３２の先端部３２ａに面する。言い換えると、押圧部材６１とフィン３２の先端部３２ａとの間に、蓄熱パック２２が介在する。第３の面６１ａは、収容部４１の複数の封入部５１に接触する。第４の面６１ｂは、第３の面６１ａの反対側に位置する。

バネ部材６２は、二つの取付部６２ａと、付勢部６２ｂとを有する。二つの取付部６２ａは、例えば、ヒートシンク２１の基部３１にそれぞれ取り付けられる。なお、取付部６２ａは、機器１１のような他の部分に取り付けられても良い。

付勢部６２ｂは、二つの取付部６２ａの間に設けられる。付勢部６２ｂは、押圧部材６１の第４の面６１ｂに接触する。付勢部６２ｂは板バネであって、押圧部材６１を、フィン３２の先端部３２ａに向かって弾性的に押す。なお、バネ部材６２はこれに限らず、例えば、押圧部材６１を、フィン３２の先端部３２ａに向かって弾性的に押すコイルバネであっても良い。

付勢部６２ｂに押されることで、押圧部材６１は、蓄熱パック２２の複数の封入部５１を押す。押圧部材６１は、封入部５１を、当該封入部５１が配置された間隔Ｃの中に向かって押す。言い換えると、押圧部材６１は、フィン３２が延びる方向（Ｚ軸に沿う方向）に、封入部６１を押す。

押圧部材６１が封入部５１を押すことで、蓄熱材４２が液状である場合、封入部５１に封じられた蓄熱材４２がフィン３２の側面３２ｃに向かう方向（Ｘ軸に沿う方向）に広がる。なお、蓄熱材４２は、フィン３２の側面３２ｃのみならず、例えば、ヒートシンク２１の基部３１に向かう方向（Ｚ軸に沿う方向、下方）にも広がる。

蓄熱材４２が広がることで、蓄熱材４２が封じられた封入部５１は、フィン３２の側面３２ｃに押し当てられる。すなわち、取付部２３は、蓄熱パック２２を押すことで封入部５１をフィン３２に押し当て、封入部５１とフィン３２とを密着させる。

次に、装置１０の製造方法の一部について例示する。なお、装置１０の製造方法は以下の方法に限らず、他の方法を用いても良い。図５は、第１の実施形態の製造途中の蓄熱パック２２を示す断面図である。

図５に示すように、まず、第１のフィルム４５と第２のフィルム４６とが、例えば互いに溶着されることで、仕切部５２の三つの第１の外縁部５２ａと、複数の中間部５２ｃとが形成される。これにより、第１の外縁部５２ａ及び中間部５２ｃの間と、複数の中間部５２ｃの間とに、それぞれ空洞Ｈが形成される。空洞Ｈは、Ｙ軸に沿う方向に延びるとともに、Ｙ軸に沿う方向における一方の端部が解放される。

次に、それぞれの空洞Ｈに、蓄熱材４２が供給される。例えば、液状の蓄熱材４２が空洞Ｈに供給されても良いし、粉状の蓄熱材４２が空洞Ｈに供給されても良い。空洞Ｈに供給される蓄熱材４２の体積は、空洞Ｈの体積よりも小さい。

次に、第１のフィルム４５と第２のフィルム４６とが、例えば互いに溶着されることで、仕切部５２の第２の外縁部５２ｂが形成される。図５は、第２の外縁部５２ｂが形成される部分を二点鎖線で示す。

図６は、第１の実施形態の蓄熱パック２２の一例を示す断面図である。図７は、第１の実施形態の蓄熱パック２２の一例を、図６のＦ７−Ｆ７線に沿って概略的に示す断面図である。図６に示すように、第２の外縁部５２ｂが形成されることにより、開放された空洞Ｈの端部が閉じられ、蓄熱材４２が封じられた複数の封入部５１が形成される。仕切部５２の第２の外縁部５２ｂが形成される際に、空洞Ｈから空気が抜かれる。これにより、上述のように、蓄熱材４２は、封入部５１に真空包装される。

図８は、第１の実施形態の製造途中の装置１０を分解して示す断面図である。図８に示すように、Ｘ軸に沿う方向における封入部５１の長さＬ１は、Ｘ軸に沿う方向における間隔Ｃの長さＬ２よりも長くされることが可能である。長さＬ２は、例えば、フィン３２のピッチとも称され得る。

例えば、蓄熱パック２２がＸ軸に沿う方向に最大限延ばされた場合、Ｘ軸に沿う方向における封入部５１の長さＬ１は、Ｘ軸に沿う方向における間隔Ｃの長さＬ２よりも長い。このように、蓄熱パック２２は、フィン３２のピッチＬ２よりも大きい幅Ｌ１の封入部５１が形成されるように区切られる。

例えば蓄熱材４２が液状である状態において、蓄熱パック２２は変形可能である。例えば、蓄熱パック２２は、Ｘ軸に沿う方向における封入部５１の長さＬ１が小さくなるように、Ｘ軸に沿う方向に縮められることが可能である。

次に、蓄熱パック２２が、ヒートシンク２１に取り付けられる。例えば、蓄熱パック２２の温度が、蓄熱材４２の融点よりも高く加熱される。これにより、蓄熱材４２が液状になり、変形（流動）可能となる。

蓄熱材４２が液状である状態で、当該蓄熱材４２が封じられた封入部５１が、フィン３２の間の間隔Ｃに挿入される。この際、封入部５１が対応する間隔Ｃに挿入可能となるように、蓄熱パック２２がＸ軸に沿う方向に縮められる。これにより、Ｘ軸に沿う方向における封入部５１の長さＬ１は、Ｘ軸に沿う方向における間隔Ｃの長さＬ２と略同一となる。図８は、縮められた蓄熱パック２２を二点鎖線で示す。

次に、押圧部材６１の第３の面６１ａが蓄熱パック２２の複数の封入部５１に接触させられる。この状態で、図２のバネ部材６２が、ヒートシンク２１及び押圧部材６１に取り付けられる。これにより、取付部２３が蓄熱パック２２を押し、封入部５１がフィン３２に押し当てられる。

次に、封入部５１がフィン３２に密着させられた状態で、蓄熱パック２２が冷却される。これにより、蓄熱材４２が固体状になる。なお、蓄熱材４２が固体状である状態で、当該蓄熱材４２が封じられた封入部５１が、フィン３２の間の間隔Ｃに挿入されても良い。以上により、装置１０が製造される。以上の工程によれば、蓄熱材４２の液化の回数を少なくすることが可能であり、蓄熱材４２を他の物質と混合したり撹拌したりすることが不要である。

以上の装置１０において、放熱構造１２は、例えば以下に説明されるように機器１１を冷却する。なお、放熱構造１２が機器１１を冷却する方法は、以下に説明される方法に限られない。

図９は、第１の実施形態の稼働する機器１１の温度変化の一例を示すグラフである。図９の横軸は、機器１１が発熱を開始してからの経過時間を示す。図９の縦軸は、機器１１の表面１１ａの温度を示す。

図９の実線は、本実施形態の放熱構造１２が機器１１を冷却する場合の、機器１１の表面１１ａの温度変化を示す。図９の破線は、比較例として、ヒートシンク２１のみで機器１１を冷却する場合の、機器１１の表面１１ａの温度変化を示す。

本実施形態の放熱構造１２は、例えば、一点鎖線で示される時間ｔａまでの間、機器１１の表面１１ａの温度を二点鎖線で示される温度Ｔａよりも低く保つように設定される。なお、放熱構造１２の設定はこれに限らない。

時間ｔａは、例えば、機器１１が発熱するように稼働する時間の想定される最大値である。温度Ｔａは、例えば、機器１１の稼働が推奨される温度の最大値である。なお、時間ｔａ及び温度Ｔａはこれに限らない。

本実施形態の装置１０において、機器１１が発した熱は、ヒートシンク２１の基部３１から、複数のフィン３２に伝導する。フィン３２は、側面３２ｃの第２の領域Ａ２で、空気の自然対流により冷却される。言い換えると、フィン３２に伝導した熱は、第２の領域Ａ２で外気に放出されながら、第１の領域Ａ１に向かってフィン３２の内部を伝導する。

第１の領域Ａ１に伝導した熱は、当該第１の領域Ａ１に接触した蓄熱パック２２の封入部５１を介して、当該封入部５１に封じられた蓄熱材４２に伝導する。このように、フィン３２は、封入部５１を介して、蓄熱材４２によって冷却される。

蓄熱材４２の温度は、フィン３２及び封入部５１を介して伝導された機器１１の熱により上昇する。固体状である蓄熱材４２の温度は、蓄熱材４２の融点に達するまで、加えられる熱に従って上昇する。

蓄熱材４２の温度が融点に達すると、蓄熱材４２が固体から液体に相転移する。蓄熱材４２は、液体から固体への相転移に伴い吸熱する。このため、蓄熱材４２は、相転移の間、所定量の熱を受け取るまで一定の温度（融点）に保たれる。

蓄熱材４２の融点は、例えば、温度Ｔａと同一か、温度Ｔａよりも低く設定される。蓄熱材４２の温度が相転移の間、当該融点に保たれる。このため、少なくとも蓄熱材４２の相転移が完了するまで、機器１１の表面１１ａの温度が、温度Ｔａより低く保たれる。なお、蓄熱材４２の融点は、温度Ｔａより高く設定されても良い。

以上のように、蓄熱材４２が、固体から液体への相転移に伴い吸熱するため、少なくとも蓄熱材４２の相転移が完了するまで、機器１１の表面１１ａの温度上昇が緩やかになる。これにより、機器１１の表面１１ａの温度が、時間ｔａまで、温度Ｔａより低く保たれる。一方、図９の破線で示すように、ヒートシンク２１のみで機器１１を冷却する場合、機器１１の表面１１ａの温度が、時間ｔａより前に、温度Ｔａに達する。

以下に本実施形態の蓄熱材４２の重量の設計手順の一例について説明する。
Ａ_ＦＩＮ：フィン３２が空気と接している面積［ｍ^２］
Ａ_{ＰＣＭ,ＯＵＴ}：蓄熱材４２が空気と接している面積［ｍ^２］
Ａ_{ＰＣＭ,ＩＮ}：蓄熱材４２がフィン３２と接している面積［ｍ^２］
Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}：蓄熱材４２の液体時の比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］（物性値）
Ｃ_{ＰＣＭ,Ｓ}：蓄熱材４２の固体時の比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］（物性値）
Ｃ_Ｓ:発熱する機器１１の熱容量［Ｊ／Ｋ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
Ｈ：発熱する機器１１の高さ［ｍ］
ｋ_ＡＩＲ：温度Ｔ_ＡＩＲにおける空気の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（物性値）
ｋ_ＦＩＮ：フィン３２の材質の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（物性値）
ｋ_ＰＣＭ：蓄熱材４２の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（物性値）
Ｌ：フィン３２の長さ［ｍ］
Ｐｒ：温度Ｔ_ＡＩＲにおける空気のプラントル数［−］（物性値）
ｔ_ＰＣＭ：蓄熱材４２の厚さ［ｍ］
Ｔ_ＡＩＲ：空気の温度、３８［℃］
Ｔ_ｍｐ：蓄熱材４２の融点［℃］
Ｖ：蓄熱材４２の体積［ｍ^３］
ｙ_ｂ：フィン３２の厚さの０．５倍の長さ［ｍ］
β：温度Ｔ_ＡＩＲにおける空気の体積膨張率［１／Ｋ］（物性値）
ν：温度Ｔ_ＡＩＲにおける空気の動粘度［ｍ^２／ｓ］（物性値）
Δｈｆ：蓄熱材４２の融解潜熱［Ｊ／ｋｇ］（物性値）
ρ：蓄熱材４２の密度［ｋｇ／ｍ^３］（物性値）
と物性値と寸法を定義した場合において、フィン３２と蓄熱パック２２の表面に空気が自然対流で流れることから、
自然対流によるフィン３２の熱伝達率ｈ_ＮＣ,Ｓ＝４／３・Ｃ・Ｒａ_Ｓ ^０．２５・ｋ_ＡＩＲ／Ｈ
自然対流による蓄熱パック２２表面の熱伝達率ｈ_{ＮＣ, ＰＣＭ}＝４／３・Ｃ・Ｒａ_ＰＣＭ ^０．２５・ｋ_ＡＩＲ／Ｈ
となる。

ここで、
Ｃ＝ ３／４・（Ｐｒ／（２．４＋４．９・Ｐｒ^０．５＋５・Ｐｒ））^０．２５
ＧｒＳ＝ｇ・β・｜ＴＳ−Ｔ_ＡＩＲ｜・Ｈ^３／（ν^２）
Ｒａ_Ｓ＝Ｇｒ_Ｓ・Ｐｒ
Ｇｒ_ＰＣＭ＝ｇ・β・｜Ｔ_ＰＣＭ−Ｔ_ＡＩＲ｜・Ｈ^３／（ν^２）
Ｒａ_ＰＣＭ＝Ｇｒ_ＰＣＭ・Ｐｒ
として各熱伝達率を求め、また、
ｍ＝（ｈ_ＮＣ,Ｓ／（ｋ_ＦＩＮ・ｙ_ｂ））^０．５
ｕ_ｂ＝ｍ・Ｌ
フィン効率φ=ｔａｎｈ（ｕ_ｂ）／ｕ_ｂ
フィン先端の温度Ｔ_ＦＩＮ＝Ｔ_ＡＩＲ＋（Ｔ_Ｓ−Ｔ_ＡＩＲ）／ｃｏｓｈ（ｕ_ｂ）
からフィン効率とフィン先端温度を求める。これらを用いて、
フィンからの放熱量Ｑ_ＦＩＮ＝φ・ｈ_ＮＣ,Ｓ・Ａ_ＦＩＮ・（Ｔ_Ｓ−Ｔ_ＡＩＲ）
蓄熱パック表面からの放熱量Ｑ_{ＰＣＭ,ＯＵＴ}＝ｈ_{ＮＣ, ＰＣＭ}・Ａ_{ＰＣＭ,ＯＵＴ}・（Ｔ_ＰＣＭ−Ｔ_ＡＩＲ）
フィンから蓄熱パックへの伝熱量Ｑ_{ＰＣＭ,ＩＮ}＝ｋ_ＰＣＭ／（ｔ_ＰＣＭ／２）・Ａ_{ＰＣＭ,ＩＮ}・（Ｔ_ＦＩＮ−Ｔ_ＰＣＭ）
から求まるＱ_ＦＩＮ，Ｑ_{ＰＣＭ,ＯＵＴ}，Ｑ_{ＰＣＭ,ＩＮ}を用いて、
所望の温度維持時間ｔ_{ｕｐｋｅｅｐ}の１／１０以下の値をΔｔとした場合、ある時間ｔの熱源の温度Ｔ_Ｓ［℃］，蓄熱材４２の温度Ｔ_ＰＣＭ［℃］，熱源の発熱量Ｑ_Ｓ［Ｗ］を用いて、ある時間ｔのΔｔ秒後の熱源の温度Ｔ_Ｓ’［℃］，蓄熱材４２の温度Ｔ_ＰＣＭ’［℃］を
ある時間ｔのΔｔ秒後の蓄熱材４２の比エンタルピ
ｈ_ＰＣＭ’＝ｈ_ｐｃｍ＋（Ｑ_{ＰＣＭ,ＩＮ}−Ｑ_{ＰＣＭ,ＯＵＴ}）／（ρ・Ｖ）・Δｔ
ある時間ｔのΔｔ秒後の蓄熱パック２２の温度
Ｔ_ＰＣＭ’＝
１） ｈ_ＰＣＭ’＜Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・Ｔ_ｍｐのとき、ｈ_ＰＣＭ’／Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}
２） Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・Ｔ_ｍｐ≦ｈ_ＰＣＭ’＜Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・Ｔ_ｍｐ＋Δｈ_ｆのとき、Ｔ_ｍｐ
３） ｈ_ＰＣＭ’≧Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・Ｔ_ｍｐ＋Δｈ_ｆのとき、｛ｈ_ＰＣＭ’−（Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・Ｔ_ｍｐ＋Δｈ_ｆ）｝／Ｃ_{ＰＣＭ,Ｓ}＋Ｔ_ｍｐ
ある時間ｔのΔｔ秒後の発熱する機器１１の温度
Ｔ_Ｓ’＝Ｔ_Ｓ＋（Ｑ_Ｓ−Ｑ_ＦＩＮ−Ｑ_{ＰＣＭ,ＩＮ}）・Δｔ／Ｃ_Ｓ
で求めるという手法で、時間０秒のときの初期値を
ｈ_ＰＣＭ＝ ｉ） Ｔ_ＡＩＲ＜Ｔ_ｍｐのとき、Ｃ_{ＰＣＭ,Ｓ}・Ｔ_ＡＩＲ
ｉｉ） Ｔ_ＡＩＲ＝Ｔ_ｍｐもしくはＴ_ＡＩＲ＞Ｔ_ｍｐのとき、Ｃ_{ＰＣＭ,Ｓ}・Ｔ_ｍｐ＋Δｈ_ｆ＋Ｃ_{ＰＣＭ,Ｌ}・（Ｔ_ＡＩＲ−Ｔ_ｍｐ）
Ｔ_ＰＣＭ＝Ｔ_ＡＩＲ
Ｔ_Ｓ＝Ｔ_ＡＩＲ
とすることで、時間０秒から所望の温度維持時間ｔ_{ｕｐｋｅｅｐ}までの発熱する機器１１の温度Ｔ_Ｓを算出し、時間０秒から所望の温度維持時間ｔ_{ｕｐｋｅｅｐ}までの発熱する機器１１の温度Ｔ_Ｓが所望の温度以下になるように蓄熱材４２の体積Ｖを調整することで、蓄熱材４２の体積Ｖを得る。そして重量はこのようにして得られたＶに蓄熱材４２の密度ρを乗じて得るのだが、想定外の気温の上昇、周辺構造の影響による自然対流の阻害、蓄熱パック２２の不均一性などを考慮して、蓄熱材４２を搭載する体積はＶ以上に設定される。

第１の実施の形態に係る装置１０において、蓄熱材４２が封じされる収容部４１が、ヒートシンク２１のフィン３２に熱的に接続させられる。これにより、機器１１により生じた熱が、フィン３２及び収容部４１を介して蓄熱材４２に伝導する。蓄熱材４２に熱伝導することにより機器１１が冷却されるため、ヒートシンク２１のみによって機器１１を冷却する場合よりも、放熱構造１２が大型化することが抑制される。さらに、機器１１からヒートシンク２１のフィン３２に伝導した熱が、蓄熱材４２の固体から液体への相転移に伴って、当該蓄熱材４２に吸熱される。このため、蓄熱材４２の融点を所望の値に設定することで、少なくとも蓄熱材４２の相転移が完了するまでの間、機器１１の温度が所望の温度Ｔａよりも高くなることを抑制できる。さらに、例えば蓄熱材４２を他の物体と混合することが不要であり、収容部４１の体積の殆どを蓄熱材４２で占めることが可能である。このため、より少ない体積の蓄熱材４２により機器１１の温度上昇を抑制でき、放熱構造１２が大型化することが抑制される。

収容部４１は、フィン３２に接触することでフィン３２に熱的に接続される。すなわち、収容部４１は、直接的にフィン３２に熱的に接続される。これにより、収容部４１が間接的に蓄熱材４２へ熱的に接続された場合よりも、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

収容部４１は、液状の蓄熱材４２が流動することによって変形するよう構成される。すなわち、蓄熱材４２が液状にされることで収容部４１が変形可能となる。このため、例えば、収容部４１をフィン３２に容易に接触させることができ、収容部４１とフィン３２との間の接触面積をより大きく設定することができる。従って、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

蓄熱材４２を封じられるとともに互いに仕切られた複数の封入部５１が、複数のフィン３２の間の間隔Ｃに配置される。これにより、放熱構造１２が大型化することが抑制される。さらに、封入部５１が、フィン３２の側面３２ｃに熱的に接続されるため、封入部５１とフィン３２との間の接触面積をより大きく設定することができる。従って、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

Ｘ軸に沿う方向におけるそれぞれの封入部５１の長さＬ１は、Ｘ軸に沿う方向におけるフィン３２の間のそれぞれの間隔Ｃの長さＬ２よりも長くされることが可能である。これにより、蓄熱材４２が封じられた封入部５１が、間隔Ｃを形成する二つのフィン３２により確実に接触させられ、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

取付部２３が、蓄熱パック２２を押すことで収容部４１をフィン３２に押し当てる。これにより、収容部４１とフィン３２との間の接触面積が大きくなりやすく、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。例えば、加熱された蓄熱材４２が液体に相転移すると、収容部４１の封入部５１において流動可能となる。取付部２３がこのような収容部４１をフィン３２に押し当てると、収容部４１の封入部５１は、当該封入部５１とフィン３２との接触面積が拡大するように変形する。さらに、封入部５１とフィン３２との間の接触面における面圧も増大する。これにより、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

取付部２３は、封入部５１を、フィン３２の間のそれぞれの間隔Ｃの中に向かって押す。これにより、取付部２３が封入部５１をフィン３２に向かって押す場合よりも、押された封入部５１がフィン３２を変形させることや、フィン３２によって封入部５１が損傷することが抑制される。さらに、封入部５１が、フィン３２の間のそれぞれの間隔Ｃから出ることが抑制される。例えば、加熱された蓄熱材４２が液体に相転移すると、当該蓄熱材４２の体積が増大する。このため、蓄熱材４２が封じられた封入部５１の体積も増大する。封入部５１は、間隔Ｃの外へ出る方向（例えば、図２における上方向）に拡大するが、取付部２３が当該封入部５１を間隔Ｃの中（図２における下方向）に押すことで、封入部５１が、フィン３２の間のそれぞれの間隔Ｃから出ることが抑制される。

取付部２３は、蓄熱パック２２を弾性的に押す。これにより、蓄熱材４２が膨張又は収縮したとしても、蓄熱パック２２が取付部２３によって常に押されるため、例えば蓄熱材４２が収縮した場合に、収容部４１がフィン３２から離間することが抑制される。従って、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

フィン３２は、収容部４１に覆われた第１の領域Ａ１と、露出された第２の領域Ａ２とを有する。これにより、熱が第２の領域Ａ２から外気に放熱されるため、例えばフィン３２の全域が覆われる場合よりも、蓄熱材４２の相転移が完了するまでの時間が長くなる。従って、所望の時間ｔａの間、機器１１の温度が所望の温度Ｔａよりも高くなることをより確実に抑制できる。さらに、蓄熱材４２の相転移が完了したとしても、フィン３２が機器１１の放熱を行うことができる。

封入部５１は、フィン３２の基端部３２ｂから離間した位置でフィン３２に熱的に接続される。これにより、フィン３２の、基端部３２ｂと封入部５１に接続された部分との間の部分（第２の領域Ａ２）が、空気中に放熱を行う。すなわち、機器１１からヒートシンク２１に伝導した熱は、第２の領域Ａ２によって空気中に放熱されてから、蓄熱材４２に伝導する。これにより、例えば封入部５１が基端部３２ｂに熱的に接続される場合よりも、蓄熱材４２の相転移が完了するまでの時間が長くなる。従って、所望の時間ｔａの間、機器１１の温度が所望の温度Ｔａよりも高くなることをより確実に抑制できる。

封入部５１は、基端部３２ｂよりも先端部３２ａに近い位置で、フィン３２に熱的に接続される。これにより、封入部５１が先端部３２ａよりも基端部３２ｂに近い位置でフィン３２に熱的に接続される場合よりも、フィン３２の、基端部３２ｂから第１の領域Ａ１までの距離が大きくなる。従って、蓄熱材４２の相転移が完了するまでの時間がより長くなり、所望の時間ｔａの間、機器１１の温度が所望の温度Ｔａよりも高くなることをより確実に抑制できる。

封入部５１に封じられた蓄熱材４２の体積は、封入部５１の最大の体積よりも小さい。このため、封入部５１の内部に、液状の蓄熱材４２が流入可能な緩衝部５１ａが設けられる。これにより、蓄熱材４２が熱膨張したとしても、膨張した蓄熱材４２が緩衝部５１ａに流入可能であるため、封入部５１が損傷することが抑制される。

収容部４１はフィルム状である。これにより、収容部４１は、液状の蓄熱材４２が流動することによって容易に変形する。さらに、収容部４１が薄いため、蓄熱材４２とフィン３２との間の熱抵抗が低減可能となる。

蓄熱材４２として、潜熱蓄熱材（ＰＣＭ）が利用される。潜熱蓄熱材は、融点より低い温度から熱を与えた場合、融点に達するまでは温度上昇しながら顕熱として吸熱する点において、顕熱蓄熱材と同様である。しかし、潜熱蓄熱材は、温度が融点に達して相変化して潜熱として吸熱する際に温度が変化しない点と、顕熱だけでなく潜熱を利用することで蓄熱容量が顕熱蓄熱材よりも大きくなるという点において、顕熱蓄熱材と異なる。

以下に、第２の実施の形態について、図１０を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明において、既に説明された構成要素と同様の機能を持つ構成要素は、当該既述の構成要素と同じ符号が付され、さらに説明が省略される場合がある。また、同じ符号が付された複数の構成要素は、全ての機能及び性質が共通するとは限らず、各実施形態に応じた異なる機能及び性質を有していても良い。

図１０は、第２の実施の形態に係る装置１０を概略的に示す断面図である。図１０に示すように、第２の実施形態の放熱構造１２は、第１の実施形態の取付部２３の代わりに、筐体８１を有する。

筐体８１は、機器１１と、ヒートシンク２１と、蓄熱パック２２とを収容する。筐体８１は、押圧部材６１を有する。第２の実施形態における押圧部材６１は、押部の一例である。

押圧部材６１は、筐体８１の一部であり、例えば、筐体８１の壁の一部を形成する。押圧部材６１は、第１の実施形態の押圧部材６１と同じく、蓄熱パック２２を押すことで封入部５１をフィン３２に押し当てる。

第２の実施形態の装置１０において、筐体８１が、ヒートシンク２１と蓄熱パック２２とを収容するとともに、押圧部材６１を有する。このため、放熱構造１２が大型化することが抑制される。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、蓄熱材を内部に封じられた収容部が、放熱部の延部に熱的に接続させられる。これにより、放熱構造の大型化が抑制される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…装置、１１…機器、１２…放熱構造、２１…ヒートシンク、２２…蓄熱パック、２３…取付部、３２…フィン、３２ａ…先端部、３２ｂ…基端部、４１…収容部、４２…蓄熱材、５１…封入部、５１ａ…緩衝部、８１…筐体、Ｃ…間隔、Ａ１…第１の領域、Ａ２…第２の領域、Ｌ１，Ｌ２…長さ。

Claims (16)

1. 第１の方向に延びた少なくとも一つの延部を有し、発熱する機器に熱的に接続された放熱部と、
   蓄熱材を内部に封じるとともに、前記延部に熱的に接続させられる収容部、を有する蓄熱部と、
   を備える放熱構造。
2. 前記蓄熱材は、固体から液体への相転移に伴い吸熱する、請求項１の放熱構造。
3. 前記収容部は、液状の前記蓄熱材の流動を伴って変形する、請求項１又は請求項２の放熱構造。
4. 前記放熱部は、前記第１の方向に対して交差する第２の方向に互いに間隔を介して配置された複数の前記延部を有し、
   前記収容部は、前記複数の延部の間の間隔に配置される、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの放熱構造。
5. 前記収容部は、それぞれ前記蓄熱材を内部に封じられるとともに互いに仕切られた複数の封入部を有し、
   前記複数の封入部はそれぞれ、前記複数の延部の間の間隔に配置される、
   請求項４の放熱構造。
6. 前記第２の方向におけるそれぞれの前記封入部の長さは、前記第２の方向における前記複数の延部の間のそれぞれの間隔の長さよりも長くされることが可能である、請求項５の放熱構造。
7. 前記蓄熱部を押すことで前記収容部を前記延部に押し当てる押部をさらに備える、請求項６の放熱構造。
8. 前記押部は、前記封入部を、前記複数の延部の間のそれぞれの間隔の中に向かって押す、請求項７の放熱構造。
9. 前記押部は、前記蓄熱部を弾性的に押す、請求項７又は請求項８の放熱構造。
10. 前記放熱部と前記蓄熱部とを収容する、前記押部を有する筐体、をさらに備える請求項７乃至請求項９のいずれか一つの放熱構造。
11. 前記延部は、前記収容部に覆われた第１の領域と、露出された第２の領域と、を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか一つの放熱構造。
12. 前記延部は、前記第１の方向における第１の端部と、前記第１の端部の反対側に位置するとともに前記第１の端部よりも前記機器に近く位置する第２の端部と、を有し、
    前記封入部は、前記第２の端部から離間した位置で前記延部に熱的に接続される、
    請求項１１の放熱構造。
13. 前記封入部は、前記第２の端部よりも前記第１の端部に近い位置で、前記延部に熱的に接続される、請求項１２の放熱構造。
14. 前記蓄熱部は、前記収容部の内部に、液状の前記蓄熱材が流入可能な部分が設けられる、請求項１乃至請求項１３のいずれか一つの放熱構造。
15. 前記収容部は、フィルム状である、請求項１乃至請求項１４のいずれか一つの放熱構造。
16. 発熱する前記機器と、
    請求項１乃至請求項１５のいずれか一つの放熱構造と、
    を備える装置。

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