JP5324134B2

JP5324134B2 - 放熱モジュール

Info

Publication number: JP5324134B2
Application number: JP2008144171A
Authority: JP
Inventors: 國浩曾; 知志小坂部
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP2009290156A

Description

この発明は、ピエゾファンを用いた放熱モジュールに関するものである。

例えば、高輝度ＬＥＤにあっては、最近では集積化され、低消費電力型の各種光源、表示板、あるいは、ドットマトリクスディスプレイに用いられるなど、各種応用範囲が広げられつつある。この種のＬＥＤの寿命および輝度は、周囲温度により低下する傾向にあるため、放熱手段を併設する必要がある。その放熱手段としては、放熱用のヒートシンクに取付けて自然空冷したり、軸流ファンなどにより風を送り、強制冷却するなどの方法がある。

しかし、ヒートシンクによって自然空冷する場合、熱を積極的に運ぶために、またヒートシンクと空気との熱伝達量を増大させるために、ヒートシンクの比表面積（あるいは体積）を大きくせざるを得ず、その結果、全体としての構成が大型化し、また高価になる可能性がある。これに対して、軸流ファンを用いる強制冷却によれば、自然空冷による場合よりも放熱量を増大させることができるが、設置のための広いスペースを必要とし、また消費電力が多く、ノイズ発生のおそれもある。さらに、発熱体が離れた状態で複数ある場合には、それに応じた台数の軸流ファンを配置する必要があるため、さらに高コストとなる。

これに対し、最近では、特許文献１に記載されているように、この種の発熱体に対する冷却装置として、ピエゾファンが有効であるとされている。このピエゾファンは、圧電セラミックスの先端に送風板の一端を連結したものであり、圧電セラミックスを励振することにより、送風板が一次共振し、その先端が恰も団扇のように振れることにより、送風効果を得るようにしたものであり、低消費電力、長寿命で低ノイズであり、かつコンパクト化できる利点がある。また、従来、ピエゾファンと熱源もしくは発熱体との相対位置としては、送風板の先端側に、冷却風が垂直に当たるように熱源もしくは発熱体を配置し、あるいは送風板の先端部の側部に、冷却風の流線方向に対して平行に熱源もしくは発熱体を配置することが行われている。

特開昭６３−３２９７５号公報

ピエゾファンを使用して放熱を行う場合、上述したように従来では、ピエゾファンで生起させた冷却風を熱源や発熱体などの冷却対象物に直接当てることが行われている。そのため、熱源や発熱体が複数、並列されている場合や、放熱面積が広い場合には、放熱量の偏りや、局部的な過熱を避けるために、複数のピエゾファンを設けることになる。そのため、従来では、ピエゾファン自体が小型で低騒音であるとしても、冷却装置もしくは冷却モジュールの全体としては大型化したり、騒音が大きくなるなどの可能性があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、ピエゾファンで生起される冷却風を有効に利用して放熱効率もしくは冷却効率を向上させることを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電素子に取り付けられた送風板を、前記圧電素子によって振動させることにより送風するピエゾファンを備えた放熱モジュールにおいて、裏面に発熱体が熱伝達可能な状態に配置される放熱板と、前記ピエゾファンの前記圧電素子および前記送風板を挟んだ状態でかつ前記ピエゾファンによって生起される冷却風の流線方向と平行に前記放熱板に熱伝達可能に設置された第１のヒートシンクと、前記ピエゾファンの前記送風板の前方側でかつ前記冷却風の流線方向と平行に前記放熱板に熱伝達可能に設置された第２のヒートシンクと、前記ピエゾファンを挟んで配置されている前記第１のヒートシンクの内側でかつ前記送風板の可動範囲を外れた箇所に、前記第１のヒートシンクより放熱面積が小さく形成されるとともに前記放熱板に熱伝達可能に連結された第３のヒートシンクとを備えており、前記第３のヒートシンクは、前記ピエゾファンの下部に配置されかつ前記送風板の可動範囲に対向する箇所が前記送風板の送風動作に干渉しない傾斜形状であることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記放熱板における温度差の生じる箇所を熱的に連結するように配置されたヒートパイプを更に備えていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記第１のヒートシンクを挟んで前記第２のヒートシンクとは反対側に、前記放熱板に熱伝達可能でかつ前記冷却風の流線方向と平行に配置された第４のヒートシンクを更に備えていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記送風板は、前記放熱板に対して平行に配置されていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項１の発明によれば、圧電素子に電圧を繰り返し印加することにより圧電素子と共に送風板が振動し、冷却風が生起される。その冷却風は、送風板の先端部（圧電素子に対する取り付け端とは反対側の自由端部）が往復動することにより生起されるから、送風板の先端側に向けて流れる。すなわち、ピエゾファンの設置方向と平行な方向に冷却風が流れるから、結局、ピエゾファンを挟んでいる第１のヒートシンクおよびその延長方向に向けて設置されている第２のヒートシンクの表面に沿うように冷却風が流れ、それらのヒートシンクの表面から熱が奪われる。すなわち、一つのピエゾファンが生起させた冷却風が複数のヒートシンクの表面を流れるので、広い面積の放熱面からの放熱を促進させることができ、特に冷却風は各ヒートシンクの表面に対して平行流となるので、放熱量の部分的な偏りを低減でき、その結果、効率良く放熱もしくは冷却を行うことができる。ひいては、小型化や低コスト化を図ることができる。
また、ピエゾファンが配置されている第１のヒートシンクの内側に、第３のヒートシンクが配置され、これが放熱板に熱伝達可能に連結されているので、前記圧電素子などの冷却風の生起に直接には関与しない部分における放熱板からの放熱面積を増大させることができ、その結果、冷却風を有効に利用して効果的な放熱もしくは冷却を行うことができる。

請求項２の発明によれば、均温特性に優れるヒートパイプが放熱板に配置されているので、放熱板における熱量の多い箇所の熱が、相対的に低温の箇所にヒートパイプによって運ばれ、こうして放熱板に分散させられた熱が各ヒートシンクを介して放熱される。言い換えれば、ヒートシンクに対する熱負荷の偏在が是正もしくは解消されるので、効率良く放熱もしくは冷却することができる。

請求項３の発明によれば、送風板が振動することにより、ピエゾファンの先端側に向けた冷却風が生起され、それに伴ってピエゾファンのいわゆる後端側に負圧が生じ、しかもピエゾファンが第１のヒートシンクの間に配置されているので、第１のヒートシンクにおけるいわゆる後端側で吸引作用が生じる。その吸引作用が生じる第１のヒートシンクの後端側に、第４のヒートシンクが冷却風の流線方向と平行な方向に向けて設けられているので、その第４のヒートシンクの内部にも空気流が生じ、これが第４のヒートシンクから熱を奪うので、全体としての放熱面積を増大させることができ、しかも効率良く放熱もしくは冷却を行うことができる。

請求項４の発明によれば、各ヒートシンクの表面を平行に流れる冷却風を生起させることができる。

図１は、本発明の参考例による放熱モジュールを示す。図における放熱モジュール１は、裏面に複数の発熱体を貼着可能とした平坦かつ長方形状の放熱板２と、放熱板２上にあって、その長手方向を分割してやや隙間をおいて立設された第１のヒートシンク３および第２のヒートシンク４とを備えている。その第１のヒートシンク３は放熱板１の幅方向両側に長手方向に沿って立設された二枚の放熱フィン３ａからなり、その間にピエゾファン５が配置されている。また、第２のヒートシンク４は、放熱板２の長手方向に沿って平行に立設された複数枚の放熱フィン４ａからなり、その合計面積が第１のヒートシンク３の面積より大であり、その放熱能力を第１のヒートシンク３よりやや大きく設定するとともに、放熱板２の長手方向に沿った通気を可能としている。

ピエゾファン５は、第１のヒートシンク３内に図示しない固定手段を介して取付けられたものであり、放熱板２上にやや間隔を開けて平行配置された圧電セラミックス５ａと、圧電セラミックス５ａの先端に一端を結合された送風板５ｂとを備え、送風板５ｂは放熱板２に平行に位置しているとともに、その先端部は第２のヒートシンク４に対向している。

上記のように構成された圧電セラミックス５ａに正弦波や矩形波などの電圧信号などを繰り返し印加し、励振することにより、送風板４ｂが上下に扇ぐような形で放熱板２に送風動作を行い、冷却風が生起される。その冷却風の流れ方向は、図中に矢印で示すように、圧電セラミックス５ａの配置側である第１のヒートシンク３の長手方向端部を吸引端側とし、第２のヒートシンク４の長手方向端部を排出端側として、これらの端部を結ぶ方向であり、より具体的には、第１のヒートシンク３および第２のヒートシンク４をそれぞれ構成している放熱フィン３ａ，４ａの表面に平行な方向である。したがって冷却風が生起される箇所の近傍に限らず、各ヒートシンク３，４の全体に亘って冷却風が流通して放熱が生じ、その結果、実質的な放熱面積が広くなって各発熱体で生じた熱を効率的に放散して各発熱体を空冷することができる。

一例として、長さ寸法が１２０mm、幅寸法が１０mmの放熱板に、四つの発熱体が一列に均一に配列されている場合に、発熱体の間の最大温度差が０．５℃以内であることが確認された。また、以上の構成により、同一冷却性能を得るために、放熱モジュール１の体積（比表面積）が、自然空冷方式のヒートシンクで構成した場合に比べて１／４まで減少することも確認された。

なお、複数の発熱体がＬＥＤなどの発光または表示ユニットである場合には、実際には、発熱体は放熱板２の表面側に貼着され、ヒートシンク３，４は背面に位置する。

図２は、この発明の他の参考例を示す。なお、以後の説明では、上記の参考例と同一箇所には同一符号を付して、その説明を省略し、新たに付加された部材にのみ異なる符号を付して説明する。図において、放熱板２上にはその長手方向のほぼ全体に亘って、扁平なヒートパイプ１０が設置され、第２のヒートシンク４の内側の放熱フィン４ａの下端がヒートパイプ１０に接触している以外は、上記の参考例と同じである。

ヒートパイプ１０は、周知のごとく、凝縮性の流体を密封した管体もしくは中空体であり、その凝縮性流体の蒸発・凝縮による潜熱の吸収・放出を利用して微小温度差であっても効率的な熱輸送を行うように構成され、温度差を緩和する均温特性に優れた伝熱素子であり、放熱板２の長さが長く、発熱体の配置個数が更に増した場合において、前記ピエゾファン５と組合わせることにより、ヒートシンク３，４の体積を増すことなく、前記と同様に効率的な放熱を行うことができる。なお、第１、第２のヒートシンク３，４の最外側部の放熱フィン同士は一体につなげることもできる。

図３は、本発明の実施の形態を示す。図において、第１のヒートシンク３に囲われた内部であって、ピエゾファン５の下部には放熱板２に接する複数の放熱フィン２０ａからなる第３のヒートシンク２０が並列配置されている以外は、上記の参考例と同じである。なお、第３のヒートシンク２０が前記送風板５ｂの先端に対向する位置は、傾斜形状に形成され、送風板５ｂの送風動作に干渉することを防止している。

本実施形態では、第１のヒートシンク３側の実効放熱面積を第３のヒートシンク２０により増し、可級的に放熱性能を向上するものである。なお、本実施形態においても、上記他の参考例と同様に、ヒートパイプ１０を放熱板２上に設置しても良い。

図４は、本発明の実施形態のように第３のヒートシンク２０を第１のヒートシンク３内に配置することもできるものである。図において、放熱板２の長さは上記各参考例および本発明の実施の形態に比べて長く形成され、第１のヒートシンク３およびこれに囲われたピエゾファン５を、放熱板２の中央に配置し、その両側（すなわち第１のヒートシンク３を挟み、かつ冷却風の流れ方向での両側）に第２のヒートシンク４を配置している以外は、上記の参考例と同じである。

図４においては、ピエゾファン５が冷却風を生起させることに伴って、第１のヒートシンク３における後端部側（すなわち圧電セラミックス５ａ側）に負圧が生じ、これが要因となって吸引作用が生じる。その吸引作用によって第１のヒートシンク３の後端側に配置されている第２のヒートシンク４の内部に、その放熱フィン４ａの表面に沿った空気流すなわち冷却風が生じる。そのため、放熱板の長さ寸法をピエゾファン５の前後に５００mm延長した場合であっても、ピエゾファン５の吸引効果を利用して、ヒートシンクの効率を上げることが可能であり、より多数の発熱体の放熱に適用できる。なお、上記他の参考例のように、ヒートパイプ１０を配置しても良い。

図５は、更に他の参考例を示す。本参考例では、放熱板２の長手方向中央部において、ピエゾファン５の圧電素子５ａおよび送風板５ｂを、ヒートシンク３，４に対して平行に配置している以外は、上記の参考例と同じである。

本参考例では、圧電素子５ａの励振によって、送風板５ｂが、その左右の放熱フィン３ａの内面に送風して直接強制空冷するため、放熱効率が高いものとなる。なお、本参考例においても、本発明の実施形態および上記本発明の実施形態を適用できるものならびに上記各参考例のような構造を取り得ることは勿論である。

なお、この発明におけるヒートシンクは、電子素子などの発熱体が接触させられる放熱板と、これに一体化された放熱フィンとから構成されていてもよく、したがってこの発明における第１のヒートシンクと第２のヒートシンクあるいは第３のヒートシンクは、一つのヒートシンクにおける放熱フィンの形状や枚数の異なる部分であってもよい。また、この発明では、送風板の自由端がその厚さ方向に振動するから、圧電素子や送風板を、放熱板や放熱フィンもしくはヒートシンクから離隔させて配置することになるので、圧電素子を固定するためには、適宜の治具もしくは台座などの部材を用いて放熱板もしくは放熱フィンあるいはヒートシンクに固定すればよい。

本発明の参考例による放熱モジュールの斜視図である。本発明の他の参考例による放熱モジュールの斜視図である。本発明の実施形態による放熱モジュールの斜視図である。本発明の実施形態を適用できる放熱モジュールの斜視図である。本発明の更に他の参考例による放熱モジュールの斜視図である。

符号の説明

１…放熱モジュール、２…放熱板、３…第１のヒートシンク、３ａ…放熱フィン、４…第２のヒートシンク、４ａ…放熱フィン、５…ピエゾファン、５ａ…圧電セラミックス、５ｂ…送風板、１０…ヒートパイプ、２０…第３のヒートシンク、２０ａ…放熱フィン。

Claims

圧電素子に取り付けられた送風板を、前記圧電素子によって振動させることにより送風するピエゾファンを備えた放熱モジュールにおいて、
裏面に発熱体が熱伝達可能な状態に配置される放熱板と、
前記ピエゾファンの前記圧電素子および前記送風板を挟んだ状態でかつ前記ピエゾファンによって生起される冷却風の流線方向と平行に前記放熱板に熱伝達可能に設置された第１のヒートシンクと、
前記ピエゾファンの前記送風板の前方側でかつ前記冷却風の流線方向と平行に前記放熱板に熱伝達可能に設置された第２のヒートシンクと、
前記ピエゾファンを挟んで配置されている前記第１のヒートシンクの内側でかつ前記送風板の可動範囲を外れた箇所に、前記第１のヒートシンクより放熱面積が小さく形成されるとともに前記放熱板に熱伝達可能に連結された第３のヒートシンクと
を備えており、
前記第３のヒートシンクは、前記ピエゾファンの下部に配置されかつ前記送風板の可動範囲に対向する箇所が前記送風板の送風動作に干渉しない傾斜形状である
ことを特徴とする放熱モジュール。
前記放熱板における温度差の生じる箇所を熱的に連結するように配置されたヒートパイプを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の放熱モジュール。
前記第１のヒートシンクを挟んで前記第２のヒートシンクとは反対側に、前記放熱板に熱伝達可能でかつ前記冷却風の流線方向と平行に配置された第４のヒートシンクを更に備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱モジュール。
前記送風板は、前記放熱板に対して平行に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の放熱モジュール。