JP3927969B2 - ヒートスプレッダ、ヒートシンク、熱交換器及びｐｄｐシャーシベース - Google Patents

Description

本発明は、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、熱交換器及びＰＤＰシャーシベースに関し、詳しくは、互いに対向させて配置された２つの薄板と、この２つの薄板に挟まれた空間に封入された伝熱媒体とを含んで構成され、２つの薄板の間で熱を移動させるヒートスプレッダ等に関する。

近年、大型ディスプレイ市場を主導しているプラズマディスプレイパネル（以下「ＰＤＰ」という。）テレビは、大画面でありながら極薄型化が可能であるため、装着時の占有空間が小さく、壁掛装着が容易であるという特徴がある。反面、ＰＤＰ−ＴＶには、電気エネルギーから光エネルギーへの変換効率が低く、大部分の電気エネルギーが熱として放出されるという問題がある。現在主に生産されている４２インチ級のＰＤＰ−ＴＶでは、３５０〜４００Ｗ程度の電力が熱として消費されるが、全熱放出量のうち約２５０Ｗの熱が二重ガラス板により構成されたＰＤＰから放出され、約１００Ｗの熱が後面の映像信号及び電源部から放出される。また、ＰＤＰから放出される熱のうち約１５０Ｗの熱が自然対流及び輻射によりＰＤＰの前面から放出され、約１００Ｗの熱が熱伝達により後面から放出される。

このため、ＰＤＰでは、前面から放出される熱（４２インチ級のものでは、約１５０Ｗ）によりＰＤＰの表面温度が摂氏約５０度に達し、使用者に不快感を与えることになる。この問題に対し、ＰＤＰから放出される熱のうち後面に移動する熱の割合を増大させ、後面からの熱放出量を増大させることが考えられる。
この対策の一例として、厚さが約１．５〜２．５ｍｍのアルミニウム製のＰＤＰシャーシベースをＰＤＰの後面に取り付け、このＰＤＰシャーシベースを介して熱を移動させ、後面から放出させることが知られている。しかしながら、ＰＤＰの熱発生面は一様でなく、三原色の光が組み合わされる白色の表示が局部的に長時間に亘り継続される場合は、局部的な熱放出量が非常に大きく、ＰＤＰシャーシベースでは冷却効果が充分でないため、白色の表示が切り換えられた後もしばらくは残像が消えず、画質に大きな影響を与える。

他方、電子機器のＣＰＵや、移動通信中継器の信号増幅モジュール等の電子通信部品では、発生した熱を放出させるため、ヒートシンクが採用される。しかしながら、一般的なヒートシンクに用いられるヒートスプレッダでは、高集積電子部品から局部的に発生する熱を充分に拡散させることができない。このため、ヒートシンクにおいて、アルミニウム及び銅等のヒートスプレッダの材料の選択に加え、ヒートスプレッダの厚さを増加させることで、熱の拡散抵抗を減少させることが知られているが、ヒートシンクの重量の増加及び占有空間の拡大に伴うレイアウト上の制約等の問題がある。

この問題に対し、陥没部を形成することにより占有空間を減少させ、レイアウト上の制約を緩和することが知られているが（特許文献１）、金属を介する熱伝達により熱を拡散させることに変わりはなく、拡散抵抗を減少させるには金属の厚さを増大させるべきであるため、根本的な解決とはならない。
また、局部的に発生した熱を拡散させるための他の方法として、古典的なヒートパイプの原理による板状のヒートパイプを採用したヒートスプレッダが知られている（特許文献２）。このヒートスプレッダには、板状構造であるために薄く形成することができ、重量の低減及び小型化が可能であるうえ、高い熱拡散性を有するという長所がある。
大韓民国公開公報第２００２−００８３７１２号 大韓民国公開特許公報第２００３−００４２６５２号

しかしながら、このヒートパイプ式のヒートスプレッダでは、２つの薄板で挟まれた空間を動作温度範囲に応じた真空状態に維持しなければならず、長時間に亘る使用によりこの内部空間の真空状態が変化すると、ヒートパイプの特性により熱拡散性が低下する。たとえば、ヒートスプレッダの長さ方向を鉛直方向に対して垂直に設定した場合は、真空状態の変化に伴い重力に逆らった冷媒の帰還が困難となり、性能が著しく低下するため、適用範囲が限定されるという別の問題がある。

この問題は、ヒートスプレッダと同様な熱拡散部が形成されたヒートシンク、熱交換器及びＰＤＰシャーシベースにも共通して存在する。
本発明は、このような課題に鑑み、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、熱交換器及びＰＤＰシャーシベースの装着方向による性能変化をなくし、装着方向によらず熱を良好に拡散させるとともに、熱伝達性の向上により更なる薄型化を図り、重量の低減及び小型化を推進することを目的とする。

このため、本発明に係るヒートスプレッダは、熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板とを含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、本体の内部空間を第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、この伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段とを含んで構成され、第１及び第２の薄板の内面に、波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させる。

また、本発明に係るヒートシンクは、熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板とを含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、前記２つの薄板のうち少なくとも一方の外面に取り付けられた放熱フィンと、本体の内部空間に第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段とを含んで構成され、第１及び第２の薄板の内面に、波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させる。

また、本発明に係る熱交換器は、熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板とを含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、前記２つの薄板の各外面に取り付けられた熱交換フィンと、本体の内部空間に第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段とを含んで構成され、第１及び第２の薄板の内面に、波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させる。

また、本発明に係るＰＤＰシャーシベースは、熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板とを含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、本体の内部空間に第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、この伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段とを含んで構成され、第１及び第２の薄板の内面に、波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させる。

本発明によれば、装置の装着方向に拘わりなく、長時間に亘り良好な熱拡散性を得ることができるとともに、熱拡散性の向上により更なる薄型化が可能であり、装置の軽量化及び小型化を推進することができる。

以下に図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダの構成を示しており、図１は、ヒートスプレッダの切断斜視図である。図２は、ヒートスプレッダの縦断面図であり、薄板の内面に形成される凹凸の変形例を示している。
図１のように、本実施形態に係るヒートスプレッダ１０は、本体１０１と、この本体１０１に封入された伝熱媒体としての冷却液体と、この冷却液体に振動を発生させる振動発生手段とを含んで構成される。本体１０１は、第１及び第２の薄板としての２つの薄板１１，１２を含んで構成され、この２つの薄板１１，１２が互いに対向させて、平行に配置されて、両者の間に本体の内部空間２０が形成されている。この内部空間２０は、実質的に液密に形成されており、冷却液体は、この内部空間２０に封入されている。

薄板１１，１２は、熱伝導率の高い金属としてのアルミニウム及び銅により形成されるのが好ましい。薄板１１，１２の内面には、脈動流動による渦流を形成するために凹凸１３が形成されており、本実施形態において、この凹凸１３は、断面で矩形状に形成されている（図１）。凹凸１３は、断面で三角形状に形成されてもよい（図２）。
冷却液体には、水又はＦＣ−７２若しくはＦＣ−７７のフッ素系不活性液体等、熱拡散係数の大きな冷媒が採用される。ＦＣ−７２及びＦＣ−７７は、韓国スリーエム株式会社のフロリナート(Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ)溶液の製品名である。本実施形態では、冷却液体は、内部空間２０に大気圧で封入される。１００℃以上の高温度下で使用する場合は、冷却液体として製品名ＦＣ−３２５５、ＦＣ−３２８３、ＦＣ−４０、ＦＣ−４３又はＦＣ−７０のフッ素系不活性液体を採用するのが好ましく、熱拡散性を高めるため、この冷却液体に銅及びアルミニウム等の金属粒子を混入させることができる。他の冷却液体としてＲ−１１３、シリコンオイル又はアルコールを採用することもできる。

振動発生手段は、振動子３０と、この振動子３０に周波数信号を出力する信号発生器４０とで構成される。振動子３０は、薄板１１，１２に対して平行に波が進行するように配置され、信号発生器４０は、高周波又は低周波信号を発生させる。
次に、このように構成された本実施形態に係るヒートスプレッダ１０の動作について説明する。

本実施形態では、図１のように一方の薄板１２が局部熱源７０に接触し、ヒートスプレッダ１０は、この局部熱源７０に曝された状態にある。局部熱源７０が発生させた熱は、薄板１２の外面に対して集中的に伝達する。ここで、ヒートスプレッダ１０の内部空間２０には、振動子３０が発生させた波と、各薄板１１，１２の内面に形成された凹凸１３との作用により渦流が形成されている。この渦流により冷却液体の攪拌作用が促進され、内部空間２０での熱拡散が促進される。このため、局部熱源７０から薄板１２に伝達した熱を、冷却液体を介して薄板１１，１２の全体に効率的に拡散させ、ヒートスプレッダ１０による優れた冷却効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態に係るヒートスプレッダ１０は、一般的なヒートパイプ式のヒートスプレッダに比べて熱拡散性が高いうえ、この高い熱拡散性を装着方向に拘わりなく得ることができる。
また、ヒートスプレッダ１０は、内部空間２０に冷却液体を大気圧で封入したことで、熱拡散性を長時間に亘り維持することができる。

更に、ヒートスプレッダ１０は、熱拡散性が向上したことで、より薄く形成することができ、重量を低減し、小型化を推進することができる。
本実施形態に係るヒートスプレッダ１０は、図３のように一方の薄板の上面に複数の放熱フィン５０を取り付けることで、ヒートシンクとして構成することができる。また、図４のように各薄板１１，１２の外面に複数の熱交換フィン６０ａ，６０ｂを交叉させて取り付けることで、熱交換器として構成することもできる。

また、本実施形態に係るヒートスプレッダは、図５のようにＰＤＰのディスプレイガラス１２０，１３０を支持するＰＤＰシャーシベースとして構成することで、ＰＤＰのディスプレイガラス１２０，１３０から放出される多量の熱を、このＰＤＰシャーシベースを介してＰＤＰ−ＴＶの後面に移動させることができる。なお、図５において、符号１４０は、サーマルパッドを、１５０は、本実施形態に係るヒートスプレッダを、１６０は、ＰＣＢモジュールを夫々示している。このＰＤＰシャーシベースに図示しない放熱フィンを取り付け、ヒートシンクを構成することもできる。

以上では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、この説明は例示的なものであり、本発明の範囲は、このような特定の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適切に変更することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダの構成 同上ヒートスプレッダに形成される凹凸の変形例 同上ヒートスプレッダを含んで構成されるヒートシンクの構成。 同上ヒートスプレッダを含んで構成される熱交換器の構成 図１のヒートスプレッダをＰＤＰシャーシベースに採用したＰＤＰ−ＴＶの構成

符号の説明

１０…ヒートスプレッダ、１０１…本体、１１，１２…薄板、１３…凹凸、２０…内部空間、３０…振動子、４０…信号発生器、５０…放熱フィン、６０ａ，６０ｂ…熱交換フィン、７０…局部熱源。

Claims (13)

1. 熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板と、を含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、
   この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、
   前記内部空間を前記第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段と、を含んで構成され、
   前記第１及び第２の薄板の内面に、前記波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、
   前記第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させるヒートスプレッダ。
2. 前記第１及び第２の薄板が金属で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ。
3. 前記凹凸が矩形状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載のヒートスプレッダ。
4. 前記凹凸が三角形状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載のヒートスプレッダ。
5. 前記伝熱媒体が水であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートスプレッダ。
6. 前記伝熱媒体がＦＣ−７２、ＦＣ−７７、ＦＣ−３２５５、ＦＣ−３２８３、ＦＣ−４０、ＦＣ−４３又はＦＣ−７０であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートスプレッダ。
7. 前記伝熱媒体が水、アルコール、Ｒ−１１３液体又はシリコンオイルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートスプレッダ。
8. 前記伝熱媒体がアルミニウム又は銅の金属粒子を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載のヒートスプレッダ。
9. 前記振動発生手段が、
   前記第１及び第２の薄板の間に装着されて、伝熱媒体に振動を伝達させる振動子と、
   この振動子に周波数信号を出力する信号発生器と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のヒートスプレッダ。
10. 熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板と、を含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、
    この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、
    前記第１及び第２の薄板のうち少なくとも一方の外面に取り付けられた放熱フィンと、
    前記内部空間に前記第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段と、を含んで構成され、
    前記第１及び第２の薄板の内面に、前記波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、
    前記第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させるヒートシンク。
11. 熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板と、を含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、
    この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、
    前記第１及び第２の薄板の各外面に取り付けられた熱交換フィンと、
    前記内部空間に前記第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段と、を含んで構成され、
    前記第１及び第２の薄板の内面に、前記波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、
    前記第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させる熱交換器。
12. 熱伝達性を有する第１の薄板と、この第１の薄板に対して間隔を空け、かつ対向させて平行に配置された、熱伝達性を有する第２の薄板と、を含んで構成され、この第１及び第２の薄板の間に密閉された内部空間が形成された本体と、
    この本体の内部空間に封入された伝熱媒体と、
    前記内部空間に前記第１及び第２の薄板に対して平行に進行する波を生じさせて、前記伝熱媒体に振動を発生させる振動発生手段と、を含んで構成され、
    前記第１及び第２の薄板の内面に、前記波の進行方向に連続する凹凸が夫々形成され、
    前記第１及び第２の薄板の間で熱を伝達させるＰＤＰシャーシベース。
13. 前記第１及び第２の薄板のうち一方の外面に放熱フィンが取り付けられたことを特徴とする請求項１２に記載のＰＤＰシャーシベース。

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