JP3768598B2 - 発熱体冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送風機によって冷却されるヒートシンクを用いて電子素子等の発熱体を冷却する発熱体冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５，４８４，０１３号、米国特許第５，４５２，１８１号、米国特許第５，４２１，４０２号、実公平３−１５９８２号公報、特開平７−１１１３０２号公報等には、ＣＰＵやＭＰＵ等の電子素子を冷却するために、ヒートシンクと送風機とが組合わされて構成される発熱体冷却装置が開示されている。従来の発熱体冷却装置で用いるヒートシンクは、ベース部分の表面側に複数枚の放熱フィンが設けられ、ベース部分の裏面側に発熱体が配置される構成を有している。そして送風機は、ヒートシンクのベース部分の表面及び放熱フィンに空気を吹付けるようにヒートシンクに対して配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートシンクのベース部分の裏面側に配置される発熱体が、全体的に同じように発熱することはめずらしく、一般的には１以上の発熱源（または発熱点）を中心にして発熱する。特に、最近のマイクロコンピュータに使用されるＣＰＵやＭＰＵ等は、発熱密度が高く、１以上の発熱源（または発熱点）を中心にして集中的に発熱する傾向がある。このような発熱密度の高い発熱体を冷却する場合には、１以上の発熱源（または発熱点）からヒートシンクの外側部分まで熱が伝わり難く、どうしても熱源から離れた放熱フィンからの冷却効率が低下する。
【０００４】
この問題を解消するためには、例えばヒートシンクのベース部分の厚みを増して、ヒートシンクの外側部分への熱抵抗を小さくすることが考えられる。しかしながら、このようにするとヒートシンクの重量がかなり増加してしまう問題が生じる。また通常はアルミニウムによって形成されるヒートシンクを、熱伝導率の高い銅等の材料で形成することも考えられる。しかしながらヒートシンク全体を熱伝導率の高い銅等の材料で形成すると、ヒートシンクの重量がかなり増加する問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、全体の重量を大幅に増加させることなく、冷却効率を上げることができる発熱体冷却装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、熱伝導体の外側部分の放熱効率を高めることにより、更に冷却効率を上げることができる発熱体冷却装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、送風機から吐出される風を利用して熱伝導体を冷却することにより、更に冷却効率を上げることができる発熱体冷却装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、冷却効率を上げることができて、しかも設置面積が少なくてすむ発熱体冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ベース部分の表面側に複数枚の放熱フィンが設けられベース部分の裏面側に発熱体が配置されて、発熱体の熱をベース部分及び放熱フィンを通して放熱するヒートシンクと、ヒートシンクのベース部分及び放熱フィンに空気を吹付ける送風機とを具備してなる発熱体冷却装置を改良の対象とする。ヒートシンクの材質及び構造は任意である。また送風機の構造も任意であるが、風量を多くするためには、ブレードを回転させるための回転軸の軸線方向の一方の方向から吸引し主として軸線方向の他方の方向に空気を吐出する軸流送風機が好ましい。冷却効率を高めるためには、軸流送風機でも軸線方向だけでなく回転軸の径方向にも積極的に空気を吐出することができるタイプの軸流送風機を用いるのが好ましい。このような軸流送風機を用いる場合には、ヒートシンクの構造と送風機の構造は、送風機から吐出された空気が複数の放熱フィンを冷却しながらベース部分の外側に流れ出るように構成するのが好ましい。
【００１０】
本発明では、ヒートシンクのベース部分よりも熱伝導性の良い（または高い）熱伝導体をベース部分の裏面側にベース部分に対して熱伝達可能に配置する（または取付ける）。そして熱伝導体を発熱体から出る熱をベース部分の外側端部に向かって伝達するように構成する。本願明細書において、「熱伝達可能に配置」または「熱伝達可能に取付」とは、発熱体から熱伝導体を介してヒートシンクのベース部分に熱が十分に伝達される配置または取付けであって、例えば熱伝導体をベース部分の裏面側に直接接触させて配置または取付ける場合や、熱伝導率の高い接着剤等を介して熱伝導体をベース部分の裏面側に配置または取付ける場合等を含むものである。
【００１１】
発熱体から出る熱をベース部分の外側端部に伝達する熱伝導体の構造は任意である。最も単純には、熱伝導体をヒートシンクのベース部分の裏面とほぼ全体的に接触するように構成すればよい。また熱伝導体を該熱伝導体の温度を均一化するように機能するヒートパイプ構造を備えた構造としてもよい。いずれにしても本発明によれば、発熱体の１以上の発熱源からヒートシンクの外側端部まで、熱伝導体を介して熱を良好に伝達することができて、送風機によって冷却されるヒートシンクによる放熱効率または放熱フィンからの冷却効率を高めることができる。また熱伝導体は発熱体から出る熱をベース部分の外側端部に伝達すればよいため、ヒーシンク全体を熱伝導率の高い材料で形成する場合と比べて、冷却装置全体の重量が重くなることはない。また特に熱伝導体としてヒートパイプ構造を備えた構造のものを用いると、冷却効率を高めることができる。
【００１２】
熱伝導体の外側部分の放熱率を高めると、熱伝導体を介してヒートシンクのベース部分の外側端部に伝達される熱量は増加する。そのため更に冷却効率を高めることができる。これを実現するためには、例えば熱伝導体にヒートシンクのベース部分よりも外側に延びる延長部分を設け、この延長部分に１以上の放熱フィンを設ければよい。この場合に、延長部分に設けた１以上の放熱フィンを送風機から吐出される空気（ヒートシンクから流れ出る空気）に晒されるように配置すると（送風機からの風で冷却するように配置すると）熱伝導体の外側部分の放熱率を更に高めることができて、結果として冷却装置の冷却効率を更に高めることができる。また熱伝導体を発熱体が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部と該発熱体取付部の外側に位置して延長部分を含む発熱体非取付部とから構成し、通電されると吸熱面から吸熱し放熱面から放熱する半導体冷却素子を、発熱体非取付部から吸熱するように前記発熱体非取付部に対して熱伝達可能に取付けてもよい。このようにすると熱伝導体の外側部分の放熱率を更に高めることができる。この場合に半導体冷却素子の放熱面に対して１以上の放熱フィンを備えた素子冷却用ヒートシンクを熱伝達可能に配置してもよい。更にこの１以上の放熱フィンを送風機から吐出する風で冷却するようにしてもよい。
【００１３】
熱伝導体を、発熱体が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部と該発熱体取付部の外側に位置して延長部分を含む発熱体非取付部とから構成すると、熱伝導体が大きくなって、冷却装置の設置面積が増加する。そこで熱伝導体の発熱体取付部を発熱体非取付部よりも厚み寸法が大きなものとし、発熱体取付部をヒートシンクのベース部分から離れる方向に突出させるようにする。このようにすると、発熱体非取付部の下側（ベース部分から離れる方向）に、発熱体取付部の突出寸法と発熱体の厚み寸法を加えた寸法に等しい寸法のギャップが形成できる。このギャップ内に発熱体の周囲に配置される部品を収納すれば、冷却装置の冷却効率を上げてしかも設置面積を小さくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の発熱体冷却装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の発熱体冷却装置をＣＰＵまたはＭＰＵ等の発熱する電子素子を冷却する冷却装置に適用した実施例の構成を示す概略構成図である。同図において、１は送風機、２はヒートシンク、３は熱伝導体、そして４は発熱体としての電子素子である。この送風機１とヒートシンク２との組合せからなる冷却装置の構造は、出願人の先願に係わる特開平７−１１１３０２号公報に開示されたものと同様である。即ち送風機は、複数枚のブレード５…を回転させる回転軸の軸線Ｘの軸線方向の一方から空気を吸引して、軸線方向の他方だけでなく積極的に回転軸の径方向にも空気を吐出する軸流送風機である。この軸流送風機は、実際には複数枚のブレード５…の一部がケーシング１ａから露出していて、ヒートシンク２の内部に収納されるように（ブレード５の一部がヒートシンク２の放熱フィンによって囲まれるように）構成されている。
【００１５】
ヒートシンク２は、板状のベース部分２ａとこのベース部分２ａの表面側に複数枚の放熱フィン２ｂ…が設けられた構造を有している。放熱フィン２ｂ…は、送風機１のケーシング１ａから露出するブレード５の周囲を囲むようにベース部分２ａの表面の外周寄り部分または外側端部寄りに設けられている。本実施例では、ヒートシンク２をアルミニウムのダイキャストで一体成形している。なお送風機１は、ヒートシンク２に対して図示しない複数のねじを用いてねじ止めされている。
【００１６】
熱伝導体３は、ヒートシンク２のベース部分２ａよりも熱伝導性の良い（高い）銅板で形成されている。そして熱伝導体３は、シートシンク２のベース部分２ａと対向して発熱体４が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部３ａと、この発熱体取付部３ａの外側に位置してヒートシンク２のベース部分２ａを越えて外側に延びる延長部分３ｃを含む発熱体非取付部３ｂとから構成される。熱伝導体３は、ヒートシンク２のベース部分２ａと相似形でベース部分２ａよりも大きく、しかもベース部分２ａと同心に配置されている。したがって熱伝導体３の延長部分３ｃがベース部分２ａを全周にわたって越えて延びている。そして熱伝導体３は、ヒートシンク２のベース部分２ａの裏面に対して熱伝達可能に取付けられている。具体的には、熱伝導体３とベース部分２ａとが図示しない複数本のねじを用いて結合されている。なお発熱体として電子素子４が装着されたホルダをヒートシンク２に対して引き付けるようにして取付ける取付金具が用いられる場合には、電子素子４とベース部分２ａとの間に熱伝導体３を挟持してもよい。さらに、熱伝導体３を熱伝導率の高い接着剤等を介してベース部分２ａに接合してもよい。
【００１７】
この例では、熱伝導体３の延長部分３ｃに、アルミニューム製の複数の放熱フィン６…が一体に設けられている。これらの放熱フィン６…は、送風機１から吐出されて、ヒートシンク２の各放熱フィン２ｂ…の間を通ってベース部分２ａの外側に排気される空気に晒されて冷却される。放熱フィン６…は、ヒートシンク２の放熱フィン２ｂ…を外側から全体的に囲むように設けられているが、理解を容易にするために、図１には２枚の放熱フィン６，６だけを図示してある。なお放熱フィン６…の枚数及び取付け位置は、電子素子４の発熱源の位置及び発熱量に応じて任意に定めればよい。
【００１８】
上記実施例においては、送風機１が動作すると図示の矢印の経路で空気が流れる。その結果、ヒートシンク２のベース部分２ａ及び複数の放熱フィン２ｂ…の表面がこの流れる空気に晒されて冷却される。同時に、熱伝導体３の放熱フィン６…もヒートシンク２から排気される空気に晒されて冷却され、熱伝導体３の外側端部から積極的に放熱が行われる。その結果、熱伝導体３は発熱体から出る熱を延長部分３ｃに向かって積極的に伝達し、熱伝導体３からヒートシンク２のベース部分２ａの外側端部にも積極的に熱が伝達されて、ヒートシンク２の放熱フィン２ｂ…からも積極的に放熱される。よってこの例によれば、従来よりも放熱フィン２ｂ…からの放熱が良好になって、放熱効率が増加する。
【００１９】
図２は、本発明の別の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。この実施例と図１に示した実施例と比較すると、熱伝導体３の放熱フィン６´と熱伝導体３の延長部分３ｃ（発熱体非取付部３ｂ）との間にペルチエ効果素子からなる半導体冷却素子７を配置した点で両者は相違する。したがって図２の実施例において、図１に示した実施例と同じ部材には、図１に付した符号と同じ符号を付してその説明を省略する。この実施例において、通電されると吸熱面７ａから吸熱し放熱面７ｂから放熱する半導体冷却素子７は、延長部分３ｃから吸熱するように延長部分３ｃに対して熱伝達可能に取付けられている。半導体冷却素子７は、１以上の放熱フィン６´に対応して設けられており、各放熱フィン６´は半導体冷却素子７の放熱面７ｂと全面的に接触する水平部６´ａを備えている。半導体冷却素子７は、半導体冷却素子７の図示しないケーシングを熱伝導体３の延長部分３ｃにねじ止めして固定されている。放熱フィン６´は、半導体冷却素子７の図示しないケーシングにねじ止めまたは接合されている。各半導体冷却素子７には、図示しないリード線を介して電力が供給される。なお円板状の半導体冷却素子７を用いる場合には、１つの半導体冷却素子７に対して複数の放熱フィン６´を取付けることができる。
【００２０】
本実施例のように、放熱フィン６´と熱伝導体３との間に半導体冷却素子７を配置すると、熱伝導体３における熱移動量が増加する。特にこの例では、放熱フィン６´が送風機１から吐出される空気の流れによって冷却されるため、半導体冷却素子７の放熱面が積極的に冷却され、半導体冷却素子７の冷却性能の低下を防止できる。
【００２１】
図３は、本発明の更に別の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。この実施例と図１に示した実施例と比較すると、熱伝導体３´の形状が異なる点で両者は相違する。したがって図３の実施例において、図１に示した実施例と同じ部材には、図１に付した符号と同じ符号を付してその説明を省略する。この熱伝導体３´は、電子素子４（発熱体）が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部３´ａが発熱体非取付部３´ｂよりも厚み寸法が大きく形成されており、発熱体取付部３´ａはヒートシンク２のベース部分２ａから離れる方向に突出している。このような構成にすると、図３に示すように、発熱体非取付部３´ｂの下側（ベース部分２ａから離れる方向）に、発熱体取付部３´ａの突出寸法と電子素子４（発熱体）の厚み寸法を加えた寸法に等しい寸法のギャップが形成できる。このギャップ内に基板９に実装された電子部品８，８を収納すれば、冷却装置の冷却効率を上げてしかも設置面積を小さくすることができる。なおこの例でも、図２の実施例と同様に放熱フィン６と熱伝導体３´の延長部分３´ｃとの間に半導体冷却素子を配置してもよい。
【００２２】
図４は、本発明の更に他の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。図１に示した実施例と比較すると、熱伝導体１３の形状が異なる点と熱伝導体１３に放熱フィンが設けられていない点で両者は相違する。したがって図４の実施例において、図１に示した実施例と同じ部材には、図１に付した符号と同じ符号を付してその説明を省略する。この実施例では、銅板からなる熱伝導体１３がヒートシンク２のベース部分２ａよりも僅かに小さい輪郭形状を有している。このような熱伝導体１３を電子素子（発熱体）４とヒートシンク２のベース部分２ａとの間に熱伝達可能に配置した場合でも、熱伝導体１３を通して電子素子（発熱体）４の外側端部近傍まで熱が伝達できるので、放熱効率または冷却効率を従来よりも上げることができる。
【００２３】
なお上記各実施例においては、熱伝導体３，３´，１３として、単なる銅板を用いたが、熱伝導体として該熱伝導体の温度を均一化するように機能するヒートパイプ構造を備えているものを用いてよいのは勿論である。ヒートパイプ構造付きの熱伝導体を用いると、更に放熱効率または冷却効率を高めることができる。またヒートパイプ構造付きの熱伝導体を用いた場合でも、図２の実施例と同様に、半導体冷却素子を用いることができるのは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱体の発熱源からヒートシンクの外側端部まで、熱伝導体を介して熱を良好に伝達することができるので、送風機によって冷却されるヒートシンクによる放熱効率または放熱フィンからの冷却効率を高めることができる。また熱伝導体は発熱体から出る熱をベース部分の外側端部に伝達すればよいため、ヒーシンク全体を熱伝導率の高い材料で形成する場合と比べて、冷却装置全体の重量が重くなることがないという利点がある。
【００２５】
また熱伝導体にヒートシンクのベース部分よりも外側に延びる延長部分を設け、この延長部分に１以上の放熱フィンを設ければ、熱伝導体の外側部分の放熱率を高めることができて、結果として冷却装置の冷却効率を更に高めることができる。
【００２６】
また熱伝導体としてヒートパイプ構造を備えた構造のものを用いると、更に冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の発熱体冷却装置をＣＰＵまたはＭＰＵ等の発熱する電子素子を冷却する冷却装置に適用した実施例の構成を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の他の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。
【図３】 本発明の更に他の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。
【図４】 本発明の更に他の実施の形態の実施例の構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 送風機
２ ヒートシンク
２ａ ベース部分
２ｂ 放熱フィン
３ 熱伝達体
４ 電子素子（発熱体）
６ 放熱フィン

Claims (6)

1. ベース部分の表面側に複数枚の放熱フィンが設けられ前記ベース部分の裏面側に発熱体が配置されて、前記発熱体の熱を前記ベース部分及び前記放熱フィンを通して放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの前記ベース部分及び前記放熱フィンに空気を吹付ける送風機とを具備してなる発熱体冷却装置であって、
   前記ベース部分よりも熱伝導性の良い熱伝導体が前記ベース部分の前記裏面側に前記ベース部分に対して熱伝達可能に配置されており、
   前記熱伝導体は前記発熱体から出る熱を前記ベース部分の外側端部に伝達するように構成され、
   前記熱伝導体は、前記ヒートシンクの前記ベース部分よりも外側に延びる延長部分を有しており、
   前記延長部分に１以上の放熱フィンが設けられており、
   前記延長部分に設けられた前記１以上の放熱フィンは、前記送風機から吐出される前記空気に晒されるように配置されていることを特徴とする発熱体冷却装置。
2. ベース部分の表面側に複数枚の放熱フィンが設けられ前記ベース部分の裏面側に発熱体が配置されて、前記発熱体の熱を前記ベース部分及び前記放熱フィンを通して放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの前記ベース部分及び前記放熱フィンに空気を吹付けるように前記ヒートシンクに対して固定された送風機とを具備し、
   前記送風機が、複数枚のブレードを回転させる回転軸の軸線方向の一方の方向から空気を吸引して前記軸線方向の他方の方向及び前記回転軸の径方向の両方向に前記空気を吐出するように構成され、
   前記ヒートシンクが、前記送風機から吐出された前記空気が前記複数の放熱フィンを冷却しながら前記ベース部分の外側に流れ出るように構成されている発熱体冷却装置であって、
   前記ベース部分よりも熱伝導率の高い熱伝導体が前記ベース部分の前記裏面側に前記ベース部分に対して熱伝達可能に取付けられており、
   前記熱伝導体は前記発熱体から出る熱を前記ベース部分の外側端部に伝達するように構成され、
   前記熱伝導体は、前記ヒートシンクの前記ベース部分よりも外側に延びる延長部分を有しており、
   前記延長部分に１以上の放熱フィンが設けられており、
   前記延長部分に設けられた前記１以上の放熱フィンは、前記送風機から吐出される前記空気に晒されるように配置されていることを特徴とする発熱体冷却装置。
3. 前記熱伝導体は前記ベース部分の裏面とほぼ全体的に接触するように構成されている請求項１または２に記載の発熱体冷却装置。
4. 前記熱伝導体は該熱伝導体の温度を均一化するように機能するヒートパイプ構造を備えている請求項１または２に記載の発熱体冷却装置。
5. 前記熱伝導体は、前記発熱体が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部と該発熱体取付部の外側に位置して前記延長部分を含む発熱体非取付部とからなり、前記発熱体取付部は前記発熱体非取付部よりも厚み寸法が大きく、前記発熱体取付部は前記ヒートシンクの前記ベース部分から離れる方向に突出している請求項１または２に記載の発熱体冷却装置。
6. 前記熱伝導体は、前記発熱体が熱伝達可能に取付けられる発熱体取付部と該発熱体取付部の外側に位置して前記延長部分を含む発熱体非取付部とからなり、
   通電されると吸熱面から吸熱し放熱面から放熱する半導体冷却素子が、前記発熱体非取付部から吸熱するように前記発熱体非取付部に対して熱伝達可能に取付けられている請求項１または２に記載の発熱体冷却装置。

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