JP6115264B2

JP6115264B2 - 冷却板

Info

Publication number: JP6115264B2
Application number: JP2013077366A
Authority: JP
Inventors: 靖朗白井; 小林　裕; 裕小林; 隆二月舘; 裕紀原田; 千葉　博; 博千葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: JP2014203902A

Description

本発明は半導体素子、回路素子などの発熱体の一時的過熱を防止するために使用する冷却板に関するものである。特に、内部に蓄熱体を封入した蓄熱体封入冷却板に関するものである。

電子機器の高性能化、高出力化に伴って発熱密度が大きくなるに従い、より高い冷却性能を有する冷却板が求められている。一方で電子機器の小型、軽量化が進んでいるため、冷却板に許容される大きさと質量はますます小さくなっている。
電子機器の発熱は一定でなく、その機能によって時間内に大きく変化し一時的に高い発熱となるものがある。また、電子機器の用途によっては発熱が一時的にのみ発熱するものがある。これらの一時的過熱を防止して、電子機器の熱破壊を防ぐことを目的として物質が相変化する際の潜熱を利用した冷却板が提案されている。

特開２００５-９３８４８号公報

潜熱を利用した冷却方式では、冷却板内に所望の温度で相変化を起こす蓄熱体を配置する。そして、電子機器の発熱により蓄熱体の温度が融点または沸点を超えると電子機器の発熱が蓄熱体の相変化に利用されることにより電子機器を冷却する。蓄熱体には、一般に融解潜熱の大きいパラフィン等の高分子の相変化材が使用される。このように、熱輸送機構を持たないことにより小型化、構造の単純化を実現している。
しかし、これらの蓄熱体は液相時の熱伝導率が低く、発熱体の冷却時において伝熱面に液層が介在することにより、伝熱面と蓄熱体の間の熱抵抗が大幅に増大する。
そのため、蓄熱材を完全に溶融させることが難しく、発熱体を十分に冷却できないという課題があった。

特許文献１には内部に蓄熱体として液相時の熱伝導率が比較的大きい低融点合金を埋め込んだ冷却板が開示されている。特許文献１に開示された冷却板によれば、発熱体と蓄熱体の間の熱抵抗が小さくなり、発熱体の熱を効果的に蓄熱体が吸収できるため、冷却板の放熱効果を高く維持することが可能となる。
しかしながら、これらの低融点合金は一般に密度が大きく融解熱量も小さい。そのため、冷却性能を得るために必要な蓄熱体の量が増大し、装置全体の質量増加を招来するという課題があった。
さらに、低融点合金はその成分によって他の金属に腐食性を示すため、蓄熱材を封入する容器の材質が制限されるという課題があった。
また、低融点合金の成分によっては人体に悪影響を及ぼすものもあり、取扱いに注意を要するなどの問題もあった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、電子機器の質量増加を抑えつつ発熱体の熱を効果的に吸収できる、小型、軽量の冷却板を提供することを目的とする。あわせて蓄熱体には、腐食性がなく、低比重で融解熱量が高く、人体への影響の少ない相変化物質を適用した冷却板を提供することを目的とする。

この発明に係る冷却板は内部に蓄熱体を備えた冷却板であり、前記蓄熱体はブドウ糖甘味料、あるいは、パラフィン系合成ワックスからなるものである。

この発明に係る冷却板によれば、冷却板のケースとなる金属が腐食することなく、小型、軽量の冷却板を提供することができる。

本発明の実施の形態１による冷却板の組立斜視図である。本発明の実施の形態１による冷却板の分解斜視図である。本発明の実施の形態１による冷却板の上面図及び断面拡大図である。本発明の実施の形態２による冷却板の上面図及び断面拡大図である。本発明の実施の形態３による冷却板の上面図及び断面拡大図である。本発明の実施の形態４による冷却板の上面図及び断面拡大図である。（ａ）従来の冷却板を使用した場合と（ｂ）本発明に係る冷却板を使用した場合の発熱時間と発熱体の温度の関係を説明する図である。

本発明に係る冷却板では質量増加を抑えるため、蓄熱体に、金属に腐食性がなく、低比重、融解熱量の高い、人体に影響のない相変化物質としてブドウ糖甘味料、あるいは、パラフィン系合成ワックスを用いる。

ブドウ糖甘味料やパラフィン系合成ワックスは、低融点金属の１０倍近い融解潜熱を有し、低比重かつ人体に無害であるという特徴がある。
一方で、ブドウ糖甘味料やパラフィン系合成ワックスは、液相時の熱伝導率が低く、液相時に伝熱面と蓄熱体の間の熱抵抗が増大するという特性がある。
そこで本実施の形態では、蓄熱体溶融時の見かけの熱伝導率を高くすることにより、伝熱面と蓄熱体の間の熱抵抗を低減した冷却板について、以下説明する。

実施の形態１．
図１、図２は、実施の形態１に係る冷却板１００の組立斜視図、分解斜視図である。図３は実施の形態１に係る（ａ）冷却板１００の上面図と、（ｂ）上面図のＡ-Ａ’における断面拡大図である。
冷却板１００は発熱体１が装着される容器状の冷却板である。この容器は、開口面を有した略直方体の形状であり、内部に空洞の空間を備えたケース１１とシール材１３、カバー１２、これらを締結するねじ１４とを含む。
発熱体１として、例えば板状の半導体素子、回路素子などが想定される。また、ケース１１、カバー１２は例えばアルミニウム、銅などの材料からなる。また、シール材１３は例えば樹脂材料などを用いて蓄熱体２の融点においても気密を保てるものとする。

発熱体１は、サーマルグリス、はんだ、耐熱接着剤などを用いてケース１１の上面に熱伝導的に結合されている。ここで一般に、半導体素子、回路素子などの発熱体は、使用状態に応じて一時的な過熱状態に至り、熱破壊する場合がある。
そこで、容器内部に発熱体１の一時的過熱を防止するために板状の蓄熱体２が配置されている。
この蓄熱体２は、発熱体１が無負荷時又は低負荷時であって、即ち発熱量が小さい状態では固体である。そして蓄熱体は容器を介して伝わる発熱体からの熱を吸収して融点に達すると、液化するようになっている。
シール材１３はケース１１の開口面を塞ぎ、ケース内部の気密を保つように密閉する。このシール材１３は、蓄熱体２の相変化に伴う体積膨張をシール材の弾性変形により吸収できるように寸法・材質を決めてもよい。また、シール材１３とは別に弾性体を容器内に配置することで蓄熱体の相変化に伴う体積膨張を吸収してもよい。
以降の実施の形態では、単に「蓄熱体」と言うときは、固体の蓄熱体を指すものとする。

本実施の形態において、蓄熱体２は金属に腐食性がなく、低比重、融解熱量の高い相変化物質、例えばブドウ糖甘味料やパラフィン系ワックスなどとする。
また、容器内部に配置される蓄熱体２の量は発熱体の一時的過熱を抑制しようとする時間を基に決定することができるが、蓄熱体２を隙間無く満たしてもよい。
前述のように、ブドウ糖甘味料やパラフィン系合成ワックスは、低融点金属の１０倍近い融解潜熱を有し、低比重かつ人体に無害であるという特徴がある。しかしながら、ブドウ糖甘味料やパラフィン系合成ワックスは、液相時の熱伝導率が低く、液相時に伝熱面と蓄熱体の間の熱抵抗が増大するという特性がある。
そこで本実施の形態においては、図３のように、予め含芯材２１を含芯させた蓄熱体２を使用することとし、含芯材２１を含芯させた蓄熱体２をケース１１に封入する。

含芯材２１は高熱伝導率物質である。含芯材２１は高熱伝導率で、蓄熱体に比べて高い融点を有する物質、例えば窒化ホウ素や、酸化アルミニウムなどからなる。
図３において含心材２１は粒子状の形状を示しているが、形状は任意であり、例えば繊維状、粉末状などでもよい。

次に、蓄熱体として、この含芯材２１を含芯させた蓄熱体２を封入した冷却板１００により得られる効果について説明する。

蓄熱体２はケース１１上面から伝えられる発熱体１の熱を吸収し、融点に達すると液化する。
このとき、液化した蓄熱体（液相）３がケース１１と蓄熱体（固相）２の間に入り込むことで、伝熱面（ケース１１）と蓄熱体２の間の熱抵抗を増大させる。
しかしながら本実施の形態の冷却板では、蓄熱体（固相）２が液化した結果、蓄熱体（固相）２に含芯されていた含芯材２１も蓄熱体（液相）３に放出され、含芯材２１が蓄熱体（液相）３中を拘束されずに浮遊することとなる。
この含芯材２１がケース１１内壁と蓄熱体２の双方に接触すると、含芯材２１によりケース１１内壁と蓄熱体２を熱的に接合することができる。
このようにして、蓄熱体（液相）３の介在による熱抵抗の増大を抑制することができる。

さらに、含心材２１がケース１１内壁と接触していることによる伝熱面積の拡大効果によって、熱抵抗を低減することができる。
また、含芯材２１がケース１１内壁または蓄熱体２、もしくはその両方と接触していない状態においても、高熱伝導体が介在することにより、見かけ上の液相厚みを低減することとなり、発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗を低減することができる。

図７は、従来の冷却板と本発明に係る冷却板における、発熱時間と発熱体の温度の関係を模式的に説明した図である。図７（ａ）は従来の冷却板を使用した場合における発熱体温度と発熱時間との関係を示したものである。電子機器等の発熱体の発熱により蓄熱体が融解温度を超えると、発熱体の発熱が蓄熱体の相変化に利用されることにより、発熱体は冷却される。しかしながら、蓄熱体２の蓄熱により発熱体が冷却されている間（蓄熱体の潜熱時間帯）においても、液化した蓄熱体（液相）３が介在することで熱抵抗が増大し、結果として発熱体の温度が上昇していくことを示している。
これに対し、図７（ｂ）で示す本発明に係る冷却板を使用した場合では、蓄熱体２に含芯されていた含芯材２１がケース１１内壁と蓄熱体２の双方に接触することで、含芯材２１を介したケース１１内壁と蓄熱体２を熱的に接合する熱経路ができる。これにより冷却効果が向上し、発熱体の温度上昇を抑えることができる。
また、含芯材２１がケース１１内壁または蓄熱体２、もしくはその両方と接触していない状態においても、高熱伝導体が介在することにより、見かけ上の液相厚みを低減することとなり、発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗を低減することができ、冷却効果を向上させることができる。

このように本実施の形態に係る冷却板においては、蓄熱体２として、金属に腐食性がなく、低比重、融解熱量の高い相変化物質、例えばブドウ糖甘味料やパラフィン系ワックスなどを適用した。そしてこの蓄熱体２に、例えば窒化ホウ素や、酸化アルミニウムなどの含芯材２１を予め含芯させておき、この蓄熱体２を冷却板のケース内に封入した。
このようにして作製した冷却板においては、蓄熱体の潜熱により発熱体を冷却している時間帯においても、含芯材２１がケース１１内壁と蓄熱体２の双方に接触することで、ケース１１内壁と蓄熱体２を熱的に接合する熱経路が形成される。
これにより、従来、ブドウ糖甘味料やパラフィン系合成ワックスの課題であった液相時に熱伝導率が低下する点を解消し、発熱体１からの熱はケース１１を介して蓄熱体２に効果的に吸収され、冷却板の質量増加を伴うことなく発熱体１の一時的過熱による熱破壊を防止することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る冷却板の上面図および断面拡大図である。
実施の形態２に係る冷却板は、実施の形態１に係る冷却板と同様の構成を有するため、以下では実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。

実施の形態２に係る冷却板は、ケース１１の内部に高熱伝導体ばね２２を備える。
図４において、高熱伝導体ばね２２は例えば銅合金のような熱伝導率の高い材料からなる。高熱伝導体ばね２２はあらかじめ圧縮された状態でケース１１の内部に配置され、その後、溶融した蓄熱体２をケース１１内部に充填する。
これにより、高熱伝導体ばね２２をケース１１の内壁上面および下面と確実に接触させることができる。

本実施の形態では、高熱伝導体ばね２２をケース１１内部に配置することにより、発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗を低減することとなり、発熱体１からの熱が効果的に蓄熱体２に吸収される効果が得られる。

なお、実施例２において高熱伝導体の形状は図４に示すようなばね形状に限定するものでなく、ポスト形状、格子金網形状、綿状などケース１１の内壁上面および下面を熱的に結合することができる形状であればよい。

あるいは、実施の形態２に係る冷却板の他の形態として、ケース１１内部に固相の蓄熱体２を挿入し、蓄熱体２とケース１１の内壁上面との間にできた隙間に、あらかじめ圧縮された状態の高熱伝導体ばね２２を配置するようにしてもよい。これにより、常時、ケース１１の内壁下面と蓄熱体２の下面との接触性を向上させることができ、また、ケース１１の内壁上面と蓄熱体２の上面との熱抵抗を低減することができ、発熱体１からの熱が効果的に蓄熱体２に吸収されるという効果が得られる。

実施の形態３.
図５は、本発明の実施例３に係る冷却板の上面図および断面拡大図である。
実施の形態３に係る冷却板は、実施形態１と同様の構成を有するため、以下では実施の形態１の冷却板と異なる点についてのみ説明する。

本実施の形態に係る冷却板は、ケース１１の形状を、伝熱面積を拡大するために、内部に鋸状の突起形状を付したものとする。
このようにケース１１の内部に鋸状の突起を形成することで、同一外形寸法の冷却板１００において、伝熱面積を拡大することができる。
これにより、発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗を低減することとなり、発熱体１からの熱が効果的に蓄熱体２に吸収される効果が得られる。

なお、実施の形態３の説明では（図５）、ケース１１の内部の突起形状として鋸状の例を示しているが、突起形状は鋸状に限定されるものでなく、このほか、凹凸状や、鈎型状など伝熱面積を拡大することができる形状であればよい。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る冷却板の上面図および断面拡大図である。
本実施の形態では、基本的に実施の形態１と同様の構成を有するため、以下では実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

実施の形態４に係る冷却板では、ケース１１は弾性体からなり、ケース１１の内部の形状を、図６（ｃ）に示すように両端が丸の形をしたＩ字形状のものとする。
このように内部がＩ字形状のケース１１を用意し、次に、蓄熱体２を図６（ｄ）に示すようにケース１１の弾性変形領域内でケース１１が膨らむように、液化した蓄熱体を高圧力下で封入する。液化した蓄熱材を封入する際、Ｉ字形状の両端の丸の箇所に空隙が残るように、例えば両端に円柱などを配置した状態で液化した蓄熱材を封入し、封入した蓄熱体（液相）が硬化した後に円柱を引き抜くようにする。

次に、このようにして作製した冷却板の動作、作用について説明する。
図６（ｄ）に示すように、ケース１１の弾性変形領域内でケース１１が膨らむように、液化した蓄熱体を高圧力下で封入した状態では、ケース１１の弾性力により、蓄熱体２の上面、下面は常にケース１１の内壁（内壁上面、下面）と接触することとなる。

発熱体１の発熱により液化した蓄熱体（液相）３は、ケース１１の弾性力によってケース１１の内壁と蓄熱体（固相）２の間から押し出されて、内部のＩ字形状の両端に作られた空隙に送り出される（図６（ｂ））。
これにより、熱伝導率の低い液化した蓄熱体（液相）３はケース１１の伝熱面から排除される。
結果として、発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗が低減するため、発熱体１からの熱を効果的に蓄熱体２に吸収することが可能となる。

このように実施の形態４に係る冷却板は、ケース１１の内部に、ケース１１の弾性変形領域内でケース１１が膨らむように液化した蓄熱体を高圧力下で封入し、その後硬化した蓄熱材の両端には空隙が残った構造を有する。
発熱体１の発熱により液化した蓄熱体（液相）３は、ケース１１の弾性力によってケース１１の内壁と蓄熱体（固相）２の間から押し出されて、予めケース内部の両端に作られた空隙に蓄積される。
これにより、熱伝導率の低い蓄熱体（液相）３はケース１１の伝熱面から排除されることとなり、潜熱の時間帯においても発熱体１と蓄熱体２の間の熱抵抗を低減させる効果を奏する（図６（ｂ）参照）。

なお、実施の形態４に係る冷却板において、ケース１１の形状は図６に示すものに限定されるものではなく、蓄熱体を封入することでケース１１を膨らまし、膨らんだケース１１の弾性力により、蓄熱体（固相）２とケース１１の間に滞留する液化した蓄熱体３を排除する構造であればよい。

１発熱体、２蓄熱体(固相)、３蓄熱体(液相)、１１ケース、１２カバー、１３シール材、１４ねじ、２１含芯材、２２高熱伝導体ばね、１００冷却板。

Claims

開口面を有し、前記開口面につながる空洞空間を内部に備えた略直方体形状のケースと、
ブドウ糖甘味料あるいはパラフィン系合成ワックスからなる固相の蓄熱体と、
前記空洞空間に前記固相の蓄熱体を収納した前記ケースを密閉するシール材と、
前記ケースに蓋をするカバーとを備え、
前記ケースは固相の前記蓄熱体と接する弾性体からなり、前記ケースは前記空洞空間の面に接して固相の前記蓄熱体が収納される前記弾性体の弾性変形領域の両端に、かつ液化した前記蓄熱体が蓄積される固相の前記蓄熱体と接しない空隙を有することを特徴とする冷却板。
前記蓄熱体は、窒化ホウ素あるいは酸化アルミニウムの高熱伝導体を含芯することを特徴とする請求項１記載の冷却板。
前記空洞空間は略直方体形状を成し、冷却対象となる発熱体が搭載される前記ケースの上面に近い側に位置する前記空洞空間の上側内面と、前記上側内面と対向する下側内面との間に、圧縮された高熱伝導体ばねが設置されることを特徴とする請求項１記載の冷却板。