JP5353577B2

JP5353577B2 - ヒートシンク

Info

Publication number: JP5353577B2
Application number: JP2009204655A
Authority: JP
Inventors: 裕生伊藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: JP2011054883A; US20110056650A1

Description

本発明は、電子部品などから生じる熱を放熱する、ヒートシンクに関する。

情報機器などに使用される電子部品の１つに、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）がある。近年ではＬＳＩに、より高機能化、そしてより高性能化が望まれているため、従来よりも多くのトランジスタ、抵抗、コンデンサなどの素子を有する高集積化されたＬＳＩが製造されるようになってきている。このように、従来よりも高集積化されたＬＳＩは、素子の増加により作動時の消費電力が大きくなり、それに伴って作動時の発熱が大きくなるため、ＬＳＩが誤作動をする熱暴走を招く危険がある。ＬＳＩに限らず、作動時に発熱をする発熱体に対しては、誤作動の防止のために、発熱体の発熱による温度上昇を抑制し、発熱体の温度を一定に保つことが必要となってくる。

発熱体の温度を一定に保つものとしてヒートシンクがあり、関連技術の一例には、流路を有する複数の層を積層させて構成されたヒートシンクがある（例えば特許文献１）。ヒートシンク内部の流路はヒートシンクの外部に設けられた冷却システムと繋がっており、冷却システムから流路に冷媒が送られる。冷媒は、ヒートシンク内の流路を通過し、冷却システムに戻ってくる。このヒートシンクには、ヒートシンクの温度を検知するための温度検知部材が設置されている。温度検知部材が検知した温度データはヒートシンクの外部に設けられた制御システムに送られ、制御システムはヒートシンクが最適な温度になるように冷却システムに対して流路内に流す冷媒の流量を調節するように指示を与える。このように、ヒートシンクの温度データが冷却システムにフィードバックされることで、ヒートシンクの温度が一定になるようになっている。

また、関連技術の他の一例のヒートシンクを説明する。図５に、関連技術の他の一例のヒートシンクの概略図を示す。このヒートシンク２７は、発熱体２６が配置される１つの面が伝熱板２１からなる筐体２２と、筐体２２の伝熱板２１以外の面に設けられ、筐体２２の各面から垂直に外部に向かって延びる多数の外部フィン２３を有している。筐体２２の内部には、伝熱板２１に対して垂直に多数の内部フィン２４が設けられており、さらに、融点が４０〜１００℃の間である蓄熱体２５で満たされている（例えば特許文献２）。

伝熱板２１と発熱体２６を接触させた状態で発熱体２６が発熱すると、発熱体２６が発する熱の一部は伝熱板２１を介して、筐体２２の周囲に設けられた外部フィン２３から放熱される。また発熱体２６が発する熱の他の一部は、伝熱板２１や内部フィン２４から筐体２２内部の蓄熱体２５に伝熱される。伝熱された熱により蓄熱体２５は昇温していき、融点に達すると蓄熱体２５は融解を始める。蓄熱体２５が完全に融解してしまうまでの間、蓄熱体２５に伝えられる発熱体２６からの熱は、蓄熱体２５が融解する融解熱として使われるため、蓄熱体２５は温度上昇をしない。したがって、蓄熱体２５が融解を始めてから完全に融解してしまうまでの間は発熱体２６の温度も上昇せず、一定となる。蓄熱体２５が完全に融解すると、蓄熱体２５は発熱体２６からの熱を吸収できないので、筐体２２の周囲に設けられた外部フィン２３から放熱する。

特表２００７−５３４９７３号公報特開平１１−１１１８９８号公報

上述した関連技術の一例の温度を一定に保つヒートシンクの場合、ヒートシンク内部に流路や温度検知部材を設けたり、ヒートシンクの外部に冷却システムを設けたり、さらには、制御システムまで構築することが必要となっており、構成が非常に複雑になっている。

また、関連技術の他の一例の蓄熱体２５を用いるヒートシンク２７の場合、発熱体２６の熱は、Ａ：発熱体２６⇒伝熱板２１⇒内部フィン２４⇒蓄熱体２５⇒外部フィン２３と、Ｂ：発熱体２６⇒伝熱板２１⇒外部フィン２３との２つのルートで放熱される。そのため、Ａのルートでは、蓄熱体２５によって、発熱体２６の温度上昇をある程度一定にすることができる。しかし、Ｂのルートへも熱が伝わるため、ＡのルートとＢのルートとによって外部フィン２３に伝わる熱の総量に比べて、外部フィン２３から放熱される熱が小さいと、発熱体２６の熱を外部フィン２３から放熱しきれないため、発熱体２６の温度を一定に保つことができず、発熱体２６は昇温してしまう。これを解消してヒートシンクの温度を一定に保つため、ヒートシンクに温度検知部材を設け、さらに、ヒートシンクとは別に冷却ファンなどを設け、ヒートシンクの温度によって冷却ファンを作動させ、ヒートシンクを冷却したり空気の流れを作ったりするような機構を設けることとなる。

本発明は、上述した課題である、ヒートシンクとは別の装置を用いないと発熱体を所望の温度に保つことは困難である、という問題を解決するヒートシンクを提供することである。

本発明のヒートシンクは、断熱材で覆われた密閉容器と、発熱体と接触する伝熱部と伝熱部の発熱体と接触する面の反対側の面から延びるように設けられた伝熱フィンとからなる伝熱部材と、熱を放熱する放熱フィンと、密閉容器内に封入されている蓄熱体とが設けられている。伝熱部材の伝熱部は、密閉容器の１つの面を貫通するようにその面に組み込まれており、伝熱部の発熱体と接触する面は外部に突出し、伝熱フィンは密閉容器内部に位置している。放熱フィンは、密閉容器の伝熱部が位置している面と対向する面を貫通し、一方の端部が密閉容器内部に位置し、他方の端部が密閉容器の外部に位置している。また、放熱フィンと伝熱フィンは互いに接触しないように配置されている。

本発明によると、ヒートシンクとは別の装置を用いることなく、発熱体を所望の温度に保つことができる、ヒートシンクを提供する。

本発明に係るヒートシンクの一実施形態を示す概略図である。蓄熱体が固相から液相に変化するときの温度変化を示すグラフである。蓄熱体の変化の様子を示す概略図であり、（ａ）は蓄熱体の融解が始まった直後、（ｂ）は蓄熱体の融解が進んだときの様子を示す図である。発熱体への投入電力量の変化と発熱体の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は発熱体への投入電力と時間の関係であり、（ｂ）は（ａ）に示す電力を発熱体へ投入した時の発熱体の温度と時間の関係である。関連技術のヒートシンクの概略図である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態の詳細について説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明に係るヒートシンクの一実施形態を示す概略図である。

本発明のヒートシンク１１は、ＬＳＩなどの発熱体１の熱をヒートシンク１１内部に伝える伝熱部１０と伝熱フィン５とで構成される伝熱部材１２と、ヒートシンク１１内部の熱をヒートシンク１１の外部に放熱する放熱フィン７と、発熱体１から伝熱部材１２に伝わった熱が放熱フィン７以外から放熱しないようにヒートシンク１１の内部と外部との伝熱を防止する断熱材２で覆われた密閉容器（筐体）３と、密閉容器３の内部に封入した蓄熱体４とで構成される。

次にヒートシンク１１の構造について詳細に説明する。

伝熱部材１２は、伝熱部１０の一方の面に伝熱フィン５が設けられ、伝熱フィン５が設けられたのとは反対の面が発熱体１と接するようになっている。伝熱部材１２の伝熱部１０は密閉容器３の１つの面に貫通するようにその面に組み込まれており、発熱体１と接する面が外部に突出している。そして、伝熱フィン５は密閉容器３内に収容されている。

また、密閉容器３の内部から外部へ延びる放熱フィン７が設けられている。この放熱フィン７は、一方の端部が密閉容器３の内部にあり、他方の端部が密閉容器３の外部に位置するように密閉容器３の伝熱部１０が位置している面とは対向する面を貫通して延びている。密閉容器３の内部では放熱フィン７は、伝熱フィン５と接しないように配置されている。伝熱フィン５、放熱フィン７とも１つでも複数でも構わないが、複数の場合は、伝熱フィン５同士は等間隔離れており、放熱フィン７は隣り合う伝熱フィン５同士の間の中心に位置するのが好ましい。

伝熱部１０、伝熱フィン５、および放熱フィン７は、いずれも熱伝導率の高い材料、例えば銅などの金属からなることが望ましい。また、伝熱フィン５と放熱フィン７は、平板状、柱状、あるいは平板状と柱状の組み合わせであっても構わない。

密閉容器３の内部には、常温では固相である蓄熱体４が封入されている。蓄熱体４は常温では固相だが、加熱され、固相から液相に変化すると体積が増加する。従って、加熱時に蓄熱体４が密閉容器３からあふれたり、密閉容器３、伝熱フィン５または放熱フィン７を加圧し破損させたりしないように、常温において密閉容器３の内部を蓄熱体４で満たすのではなく、隙間８を設けるようにする。

ここで蓄熱体４の役割について説明する。

図２は、蓄熱体４が固相から液相に変化するときの温度変化を示すグラフである。ここでは蓄熱体４は、６０℃の融点を有するパラフィン（パラフィンワックス）とする。常温（２０℃）で固相である蓄熱体４に熱を加えると蓄熱体４の温度は上昇する（Ａの範囲）。やがて、蓄熱体４の融点である６０℃まで蓄熱体４の温度が上昇すると、蓄熱体４は融解を始める。蓄熱体４が固相から液相に変化している間に蓄熱体４に加えられる熱は、蓄熱体４が融解するための融解熱として消費されるため、蓄熱体４の温度上昇はほとんど止まる（Ｂの範囲）。蓄熱体４が完全に融解すると、再び蓄熱体４の温度が上昇する（Ｃの範囲）。つまり、伝熱部１０と伝熱フィン５とを介して蓄熱体４に伝わる発熱体１の熱は、蓄熱体４が完全に融解してしまうまでは、蓄熱体４の融解熱として消費され続けるため、発熱体１の温度上昇をほとんど止めることが可能となる。

次に、蓄熱体４の融解が始まった直後と、融解が進んだときの様子を示す図３を用いて、本発明のヒートシンク１１の動作原理を説明する。

発熱体１が発熱すると、発熱体１の熱が伝熱部１０と伝熱フィン５を介して蓄熱体４に伝熱する。つまり発熱体１の温度が上昇するにつれて、蓄熱体４の温度も上昇する。やがて、蓄熱体４の温度が融点にまで達すると、図３（ａ）に示すように、蓄熱体４の融解が始まり、液相の蓄熱体４’に変化する。蓄熱体４の融解が始まると、発熱体１の熱は、蓄熱体４が融解するための融解熱として消費されるため、発熱体１と蓄熱体４の温度上昇が止まる。

また、ヒートシンク１１の外部より蓄熱体４の温度が高くなると、放熱フィン７によって蓄熱体４の熱はヒートシンク１１の外部に放熱されるため、蓄熱体４は冷却される。したがって、蓄熱体４が融解を始めるまでの時間を延ばすことができ、さらに、図３（ｂ）に示すように、融解が進み液相になった蓄熱体４’が多くなった場合でも、放熱フィン７により液相の蓄熱体４’の熱をヒートシンク１１の外部に放熱することができるので、液相になった蓄熱体４’の一部を再び凝固させることができる。したがって、放熱フィン７が存在しない場合よりも、蓄熱体４の温度上昇を緩やかにすることができるので、蓄熱体４の固相と液相の混合状態をより長く維持することができ、発熱体１の温度上昇をより長く止めることが可能となる。

また、仮に蓄熱体４がすべて液相になった場合でも、今度は熱により液体内に対流が生じるため、蓄熱体４がない場合に比べて効率よく放熱フィン７から放熱することができるので、発熱体１の温度上昇を緩やかにすることができる。

次に、発熱体１が発熱したときにどのような温度変化をするかの一例を説明する。

図４は、発熱体１への投入電力量の変化と発熱体１の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は発熱体１への投入電力と時間の関係を示しており、（ｂ）は（ａ）のように発熱体１へ電力を投入した時の発熱体１の温度と時間の関係を示している。なお、蓄熱体４として、融点が６０℃のパラフィン（パラフィンワックス）を用いた。

図４（ａ）に示すように、電力の投入を開始してから蓄熱体４が融解を始めて少し経過するまでの間は、発熱体１に対して一定の電力（１００Ｗ）を投入し、その後、投入電力を大きくしたり小さくしたり変化させてみる。すると、図４（ｂ）に示すように、発熱体１は、蓄熱体４が融解を始めるまではほぼ一定に温度が上昇するが、その後、投入電力を大きくしても小さくしても、発熱体１は、蓄熱体４の融点の温度である６０℃をほぼ一定に保つようになる。

上述した関連技術の他の一例の蓄熱体２５を用いるヒートシンク２７（例えば特許文献２）では、発熱体２６の熱は、Ａ：発熱体２６⇒伝熱板２１⇒内部フィン２４⇒蓄熱体２５⇒外部フィン２３と、Ｂ：発熱体２６⇒伝熱板２１⇒外部フィン２３との２つのルートで放熱される。しかしながら、本発明では、発熱体１の熱は、ヒートシンク１１が断熱材２で覆われているため、発熱体１⇒伝熱部１０⇒伝熱フィン５⇒蓄熱体４⇒放熱フィン７の１つのルートで放熱される。つまり、この１つのルートの温度調節ができれば、ヒートシンク１１の温度調節が可能となっている。また、関連技術の一例の冷却システムを設けて温度を一定に保つヒートシンク（例えば特許文献１）とは異なり、本発明では、発熱体１の維持したい温度と、蓄熱体４の融点とを一致させることで、他の構成要素を用いなくても発熱体１を所望の温度で維持することが可能になる。

蓄熱体４の材料の一例としては、パラフィン（パラフィンワックス）が挙げられる。パラフィンはパラフィンを構成する炭素分子の連鎖数量により融点がそれぞれ異なる。したがって、所望の融点をもつパラフィンを選択し、蓄熱体４として用いればよい。

本発明のヒートシンク１１では、発熱体１の熱が、発熱体１⇒伝熱部１０⇒伝熱フィン５⇒蓄熱体４⇒放熱フィン７の１つのルートとなるため、蓄熱体４が固相から液相に変化する融解を利用することで、外部装置なしに発熱体１を所望の温度に保つことができる。放熱フィン７が直接蓄熱体４に接しているため、効率よく蓄熱体４の熱を外部に放熱できるので、蓄熱体４が融解を始めるまでの時間と、固相から液相に完全に変化するまでの時間の両方を延ばし、投入電力に左右されず、長時間一定の温度を保つことが可能となる。また、外部装置など用いずに、ヒートシンク１１単体で機能することができるため、現在使用しているヒートシンクと交換することができる。さらには、本発明のヒートシンク１１では、蓄熱体４の融点の温度に発熱体１の温度を保つため、さまざまなヒートシンクを準備しなくても、蓄熱体４を交換するだけで発熱体１をさまざまな温度で維持することが可能となる。

なお、ＬＳＩなどの発熱体１の外部の雰囲気温度が低く、暖める必要がある場合は、密閉容器３内であり、伝熱部材１２と放熱フィン７とに接触しない位置に、ヒータを設けることで、発熱体１を暖めることも可能となる。

１発熱体
２断熱材
３密閉容器（筐体）
４蓄熱体（固相）
４’液相の蓄熱体
５伝熱フィン
７放熱フィン
８隙間
１０伝熱部
１１ヒートシンク
１２伝熱部材
２１伝熱板
２２筐体
２３外部フィン
２４内部フィン
２５蓄熱体
２６発熱体
２７ヒートシンク

Claims

断熱材で覆われた密閉容器と、発熱体と接触する伝熱部と前記伝熱部の前記発熱体と接触する面の反対側の面から延びるように設けられた伝熱フィンとからなる伝熱部材と、熱を放熱する放熱フィンと、前記密閉容器内に封入されている蓄熱体とを有するヒートシンクであり、
前記伝熱部材の前記伝熱部は、前記密閉容器の１つの面を貫通するようにその面に組み込まれており、前記伝熱部の発熱体と接触する面は外部に突出し、前記伝熱フィンは前記密閉容器内部に位置しており、
前記放熱フィンは、前記密閉容器の前記伝熱部が位置している面と対向する面を貫通し、一方の端部が前記密閉容器内部に位置し、他方の端部が前記密閉容器の外部に位置しており、
前記放熱フィンと前記伝熱フィンは互いに接触しないように配置されている、ヒートシンク。
複数の前記伝熱フィン同士の間は等間隔の幅を有しており、前記放熱フィンの一方の端部は前記伝熱フィン同士の間に位置している、請求項１に記載のヒートシンク。
前記伝熱フィンおよび前記放熱フィンは平板状または柱状である、請求項１または２に記載のヒートシンク。
前記伝熱部材および前記放熱フィンは、金属材料で構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
前記密閉容器の内部に前記蓄熱体で満たされていない隙間が設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
前記蓄熱体はパラフィンである、請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
断熱材で覆われた密閉容器と、発熱体と接触する伝熱部と前記伝熱部の前記発熱体と接触する面と反対側の面から延びるように設けられた伝熱フィンとからなる伝熱部材と、ヒートシンクの外部に熱を放熱する放熱フィンと、前記密閉容器内に封入されている蓄熱体とを有するヒートシンクの温度の調整方法であり、
前記放熱フィンは、前記密閉容器の前記伝熱部が位置している面と対向する面を貫通し、一方の端部が前記密閉容器内部に位置し、他方の端部が前記密閉容器の外部に位置しており、
前記発熱体の発する熱を、前記密閉容器の１つの面の外部に位置する前記伝熱部を介して、前記密閉容器の内部に収容されている前記伝熱フィンに伝熱し、前記伝熱フィンに伝わった熱を前記伝熱フィンと接している前記蓄熱体に伝熱し、前記蓄熱体に伝熱された熱を、前記放熱フィンから放熱するとともに、前記断熱材によって前記密閉容器自体からの外部への放熱を抑制し、前記発熱体の温度を前記蓄熱体の融点に合わせる、ヒートシンクの温度の調整方法。
前記放熱フィンと前記蓄熱体とを接触させ、前記蓄熱体が液相になったときに前記放熱フィンで前記蓄熱体の熱を前記密閉容器の外部に放熱させることによって、前記蓄熱体を冷却し液相の前記蓄熱体を再び凝固させる、請求項７に記載のヒートシンクの温度の調整方法。
前記発熱体を保持すべき温度と等しい融点を有する材料からなる前記蓄熱体を、前記密閉容器内に封入する、請求項７または８に記載のヒートシンクの温度の調整方法。