JP6180881B2

JP6180881B2 - 基板の冷却機構

Info

Publication number: JP6180881B2
Application number: JP2013225978A
Authority: JP
Inventors: 良純太田
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: JP2015088625A

Description

本発明は、基板の冷却機構に関する。

ある種の電子部品等は、その使用に際して発熱するため、これを冷却しなければならない。この冷却手段として、電子部品が搭載された基板を強制冷却する機構が提案されている。

例えば、特許文献１には、非冷却部品である燃料電池の空気供給部に取り付けるダイヤフラムエアーポンプが記載されている。当該ダイヤフラムエアーポンプは、上部ケースの流入開口に流入チェック弁が、また、ダイヤフラムの中間開口に中間チェック弁が設けられ、下部ケースの側面に設けられた排出開口より外部の空気のような流体を排出する。同文献において、ダイヤフラムは圧電素子により駆動される。

また、特許文献２には、パーソナルコンピュータ等の液冷システムに用いられるダイヤフラム式マイクロポンプが記載されている。当該マイクロポンプにおいて、流体の流れ方向は、ハウジングの底面に、流体の流れに向かって直径が小さくなるように側面がテーパー状に形成された孔により規制される。同文献において、ダイヤフラムは形状記憶合金膜又はバイメタルにより駆動される。

特許第４０５７００１号公報特開２０１２−１１７４１６号公報

冷却機構において求められる性能としては小型で且つ冷却効率が高いことが挙げられる。特に、近年照明用途等に用いられる発光ダイオードでは、高輝度の発光をさせると発熱量が大きく、また既存の照明器具の代替用途においては冷却機構を配置するスペースが限られることから、小型であることと冷却効率が高いことへの要求が高い。しかしながら、特許文献１に記載のダイヤフラムエアーポンプは、上部ケース及びダイヤフラムにチェック弁を有する複雑な構造から信頼性が低く、小型化すると十分に機能しないと予想される。また、特許文献２に記載のダイヤフラム式マイクロポンプは、当該マイクロポンプの他に電子部品に取り付ける冷却部と熱交換器を必要とするため、小型化することが難しい。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、発熱を伴う基板の冷却機構を小型であっても冷却効率の高いものとすることである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）発熱体を有する基板と、前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、を有し、前記流路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より大きい流入路と、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい流出路を有する基板の冷却機構。

（２）発熱体を有する基板と、前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、を有し、前記容積可変機構は、ダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動するボイスコイルモータを有しており、前記ボイスコイルモータに使用されるマグネットは、前記基板に対して熱的に絶縁される、基板の冷却機構。

（３）（１）又は（２）において、前記流路の総容積よりも、前記容積可変機構による前記ポンプ室の容積の変動量の方が大きい基板の冷却機構。

（４）（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記流路の断面は、前記基板に対する垂直方向の高さが、前記基板に対する水平方向の幅より小さい基板の冷却機構。

（５）（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記基板の前記一の面の前記流路を形成する領域の少なくとも一部分に凹凸が設けられる基板の冷却機構。

（６）（５）において、前記凹凸は、前記流路中の空気の流れ方向に沿った溝又は畝である基板の冷却機構。

（７）（１）〜（６）のいずれかにおいて、前記発熱体は発光素子であり、前記基板の
前記一の面とは反対側の面に設けられる基板の冷却機構。

上記（１）の側面によれば、流体の流れ方向が規制されるため熱交換の効率が良く、かつ弁等の複雑な機構が必要なく信頼性の高い小型の基板の冷却機構が得られる。

上記（２）の側面によれば、簡易かつ安価な機構であって、発熱量の大きい基板に対しても磁石が磁性を失うことがなく信頼性の高い小型の基板の冷却機構が得られる。

上記（３）の側面によれば、弁等の複雑な機構が必要なく、信頼性の高い基板の冷却機
構が得られる。

上記（４）の側面によれば、基板の冷却機構における冷却効率が高い。

上記（５）又は（６）の側面によれば、冷却効率の高い基板の冷却機構が得られる。

上記（７）の側面によれば、基板の冷却機構が発光素子からの発光を妨げることがない。

本実施形態に係る冷却機構の分解斜視図である。冷却機構を組み立てた状態における図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。容積可変機構の変形例を示す図である。ハウジングの変形例を示す斜視図である。冷却機構を組み立てた状態における、図１のＶ矢印方向から見た部分の例を示す拡大図である。冷却機構を組み立てた状態における、図１のＶ矢印方向から見た部分の別の例を示す拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る冷却機構１００の分解斜視図である。同図中、１は冷却対象となる基板であり、その上面には発熱体２、ここでは、発光素子である発光ダイオード素子が設けられている。基板１は発熱体２からの熱を速やかに冷却できるよう、熱抵抗の低い材質が選択され、ここでは絶縁被覆を施したアルミニウム基板が用いられている。なお、基板１の材質は本実施形態のような金属基板以外にも熱伝導性の良い各種の材質、例えばアルミナセラミックス基板であってよい。

基板１の下面、すなわち、発熱体２が設けられた面と反対の面には、ハウジング３が固定される。ハウジング３は、好ましくは熱伝導性の良い材質、例えばアルミニウム等の金属で形成され、その上面（基板１の下面と向き合う面）に、後述するポンプ室を形成するための凹部又は開口である空洞３０と、後述する流路を形成するための流路溝３１が設けられている。

さらに、ハウジング３の下面側には容積可変機構４が取り付けられる。容積可変機構４は、後述するポンプ室の容積を可変する機構であり、本実施形態では、その上面に設けられたダイアフラム４０を図に表れないボイスコイルモータにより上下に振動させることによりポンプ室の容積を可変するものである。

空洞３０は及び容積可変機構４は、発熱体２が設けられている位置に対応する位置に設けられる。その結果、基板１の下面（発熱体２と反対側の面）と、空洞３０、及び、容積可変機構４により空間が規定されることになるが、この空間がポンプ室となる。一方、流路溝３１はその上面が、基板１の下面により蓋をされることになるので、それぞれ、ポンプ室とハウジング３の外側とに開口する流路を形成することとなる。すなわち、ポンプ室は、基板１の一の面である下面とハウジング３との間に形成され、また、流路は基板１の同じく一の面とハウジング３との間に形成され、ポンプ室を外気と接続することになる。この結果、少なくとも、ポンプ室及び流路を規定する壁の少なくとも一面は、基板１の面であることになる。

図２は、冷却機構１００を組み立てた状態における図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。図示の通り、基板１の下面とハウジング３の空洞３０、及び容積可変機構４のダイアフラム４０によってポンプ室５が区画され、また、同じく基板１の下面とハウジング３の流路溝３１との間に流路６が形成される。

容積可変機構４は、いわゆるスピーカーと類似した構造をしている。枠となるケース４１にはダイアフラム４０の外周端縁が固定され、さらにその下側にはヨーク４３を取り付けられたマグネット４２が固定される。ヨーク４３により導かれた磁界が集中する間隙には、ダイアフラム４０の下側に取り付けられたコイル４４が配置される。コイル４４に電流を流すと、その電流の方向によって上向きまたは下向きの力が発生し、ダイアフラム４０を変形させ、その位置を上下に移動させることになる。これによって、容積可変機構４は、ポンプ室５の容積を増加しあるいは減少させることにより可変させる。なお、マグネット４２、ヨーク４３及びコイル４４はいわゆるボイスコイルモータ４５を形成している。

ケース４１の材質は特に限定されないが、合成樹脂等の断熱性に優れる（熱伝導性が低い）材質であることが好ましい。ヨーク４３は、一般的な軟磁性材料でよく、軟鉄やパーマロイ等を用いる。マグネット４２の種類も特に限定されないが、一般的なフェライト磁石やネオジム磁石であってよい。ダイアフラム４０の材質も特に限定はされないが、耐熱性に優れた材質であることが好ましく、例えば、フッ素樹脂製とする。

ここで、冷却機構１００による冷却作用は、ボイスコイルモータ４５に交番電流を印加して、ダイアフラム４０を上下に振動させることにより行われる。ここでダイアフラム４０が上方に変形して、ポンプ室５の容積が減少した場合を考えると、ポンプ室５の容積減少分だけポンプ室５内部の高温の流体、ここでは空気が流路６を通過してハウジング３の外部に放出される。このとき、流路６の開口断面積は小さいため、流路６中を流れる流体の流速は高くなり、結果として慣性作用により高温の空気は図中太矢印Ａのように、勢いよく放出され、ハウジング３から遠くまで移動する。一方、ダイアフラム４０が下方に変形して、ポンプ室５の容積が増大した場合を考えると、ポンプ室５の容積増大分だけハウジング３外部の低温の流体、ここでは外気が流路６を先ほどとは逆方向に通過してポンプ室５内に流入する。このとき、流路６にとりいれられる外気は、図中細矢印Ｂのように、流路６の開口近傍のものが取り入れられるため、ポンプ室５から排出された高温の空気はほとんどポンプ室５内に再流入することがない。このようにして、冷却機構１００はポンプ室５内の流体交換を円滑に行う。

ここで、かかる流体交換が円滑に、且つ効率よく行われるためには、容積可変機構４の１ストロークの動作において、流路６内の気体が全て排出されることが望ましい。すなわち、容積可変機構４によるポンプ室５の容積の変動量Ｖｖが、流路６の総容積Ｖｃよりも大きい、すなわち、
Ｖｖ＞Ｖｃ
が成立していることが望ましい。

さらに、流路６内を高速で通過する気体は、発熱体２により加熱された基板１の下面に直接沿って流れる。このことにより、冷却機構１００は、単に基板１に隣接する流体の交換を行う構造に比して、はるかに高い効率で基板１から空気への熱伝達がなされるため、冷却効率が高いものとなる。また、流路６の断面形状は、図１より明らかなように、基板１に対する垂直方向の高さが基板１に対する水平方向の幅より小さい、扁平な形状となっている。このような形状では、流路６を通過する流体がより広い面積で冷却対象である基板１に沿って流れるため、冷却効率が高くなる。

また、冷却機構１００は、いわゆるチェック弁等の機械的な開閉部材が不要であるため、埃等が付着して固着する等の作動不良が生じにくく、信頼性に優れ、長期にわたって安定した動作が可能である。

ここで、ハウジング３は、熱伝導性の良い材質が好ましいと述べたが、これは、基板１の熱をさらにハウジング３に伝導させ放熱を促進させることができるためである。この場合、ここでは図示しないが、ハウジング３にフィン等の構造を設けてハウジング３自身をいわゆるヒートシンクとして用いても、ハウジング３を別途適宜の構造を有するヒートシンクと接合するようにしてもよい。

また、容積可変機構４のケース４１は断熱性に優れる材質が好ましいと述べたが、これは、発熱体２からの熱をマグネット４２へと伝えないようにするためである。本実施形態のように、発熱体２が発光ダイオードである場合には、その温度は百数十度にも達する場合がある。一般的なマグネットは、そのような高温にさらされるとその磁力を失うか（消磁）、又は磁力が減少してしまい（減磁）、長期にわたる使用に耐えることはできない。そこで、本実施形態のように、ボイスコイルモータ４５に使用されるマグネット４２を基板１に対して熱的に絶縁することにより、その加熱を防ぐことにより安定した着磁を維持することができる。ここでは、マグネット４２は、ケース４１によりハウジング３を介しての熱の流入が防止されるほか、基板１下面からの熱放射や、ポンプ室５内の高温空気からはダイアフラム４０により遮断されることになる。

本実施形態では、容積可変機構４にボイスコイルモータ４５を用いたのは、ボイスコイルモータ４５がムービングコイル型の機構であるため、マグネット４２を発熱体２から熱的に絶縁しやすいためである。ムービングマグネット型の機構では、マグネットを加熱から防ぐための設計が難しい、質量の大きいマグネットが可動部分となるため機械的な負担が大きい等のデメリットがある。しかしながら、発熱量や機構等の条件によっては、ムービングマグネット型の機構を用いても何ら差し支えない。

以上説明した実施形態では、基板１、ハウジング３はその平面形状が矩形であり、またポンプ室５はその平面形状が円形のものであるが、これは一例として示したものであり、その平面形状は図示のものに限定されない。また、基板１とハウジング３の平面形状は必ずしも一致している必要はない。さらに、容積可変機構４をハウジング３の下側から取り付けることとした都合上、空洞３０はハウジング３の上面にも下面にも開口している穴となっているが、容積可変機構４をハウジング３の上側から取り付けるようにするならば、空洞３０はハウジング３の上面にのみ開口する凹部であってもよい。また、流路６の位置や数は任意である。

さらに、基板１とハウジング３との固定方法はどのようなものでもよく、例えば、伝熱性接着剤による接着をしてもよいし、ネジ等の機械的な固定によってもよい。また、ハウジング３と容積可変機構４との固定方法もまた限定されず、接着や圧入、その他の機械的な固定によってよい。容積可変機構４のケース４１を断熱性のある材質とする代わりに、断熱性のシート等の断熱部材を間に挟んでハウジング３と容積可変機構４を固定してもよい。

図３は、容積可変機構４の変形例を示す図である。本変形例では、可動部分をダイアフラムに換えて、平板形状のプランジャ４６としている点が先の実施形態と異なっている。ボイスコイルモータ４５を用いる点は先の例と同様である。

プランジャ４６は適宜の合成樹脂を成形する等して作成され、図示のように、所定のストロークの範囲内で上下方向に動くように配置される。プランジャ４６を用いた場合には、ポンプ室５とボイスコイルモータ４５内部の空間とが厳密に区画されないが、プランジャ４６とケース４１との隙間が小さく、またプランジャ４６の動作が十分に速いため、ポンプ室５とボイスコイルモータ４５内部間での気体の流入出はほとんどないか、あってもごくわずかなものとなり、ポンプ室５で生じた容積変化の大半は流路６による外部への気体の流入出となる。このように、必ずしもダイアフラムを用いなくとも、ポンプ室５の容積を可変することは可能である。あるいは、容積可変機構４としてさらに他の機構を用いてもよい。しかしながら、先の実施形態及びこの変形例で示した機構はその構造が単純であり、信頼性が高く小型化にも適している。

以上示した実施形態では、流路には流入路と流出路の区別がなく、空気は流路内を双方向に通過していた。しかしながら、流路の流路抵抗に方向性をもたせ、ポンプ室５内の空気交換をより効率化してもよい。

図４は、ハウジング３の変形例を示す斜視図である。本変形例では、ハウジング３の上面に設けられる流路溝は、主として外気がポンプ室に流入する流入路を形成する流入路溝３２と、主としてポンプ室から空気がハウジング３の外部へと流出する流出路を形成する流出路溝３３からなっている。

ここで、流入路は、空気がポンプ室に流入する際の流路抵抗がポンプ室から流出する際の流路抵抗より小さいような流路である。流出路はその逆となり、空気がポンプ室に流入する際の流路抵抗がポンプ室から流出する際の流路抵抗より大きいような流路となる。

具体的に本実施形態では、流入路溝３２、流出路溝３３の形状より明らかなように、流入路は、ハウジング３の外側となる外気への開口部断面積がポンプ室への開口断面積より大きく、流出路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい。また、流路自体は、外気への開口部とポンプ室への開口部との間を滑らかに接続した、平面視において楔状の形状となっている。

この場合、ポンプ室から外へと流出する空気は、ポンプ室側の開口が小さい流入路へはあまり流れ込まず、大半はポンプ室側の開口が大きい流出路へと流れる。ハウジング３の外部からポンプ室へと流入する空気は、外側の開口が小さい流出路へはあまり流れ込まず、大半は外側の開口が大きい流入路へと流れる。この結果、図中太矢印で示したような一定方向の空気の流れが生じ、ポンプ室内の空気が効率よく交換されるため、さらに冷却効率が高いものとなる。

なお、流入路及び流出路の配置や数、形状は必要な冷却性能や容量可変機構の性能に応じて適宜変更して差し支えない。また、本実施形態では、流入路及び流出路自体の形状を流れ方向に沿って変化させることで流体の流れ方向に方向性を付与したが、かかる構造以外にも、いわゆるチェック弁などの機械的構造を設けるようにしてもよい。ただし、可動部分のある構造は複雑であるためコスト面で不利であり、埃等の付着等による作動不良も生じやすいため、本実施形態で例示したような流入路及び流出路自体の形状を工夫することにより流体の流れ方向に方向性を付与することが好ましい。

さらに、熱伝達効率を向上するため、基板１の下面に凹凸を設けてもよい。

図５Ａは、冷却機構１００を組み立てた状態における、図１のＶ矢印方向から見た部分の例を示す拡大図である。基板１の下面の流路６に対応する領域に、溝１０が設けられ、流路６中を流れる流体との接触断面積が大きくなるようになされている。なお、この溝１０は、流路６に沿って、すなわち、流路６中の空気の流れ方向に沿って延びる形状となっている。

図５Ｂは、冷却機構１００を組み立てた状態における、図１のＶ矢印方向から見た部分の別の例を示す拡大図である。この例では、基板１の下面の流路６に対応する領域に、畝１１が設けられ、流路６中を流れる流体との接触断面積が大きくなるようになされている。

このように、基板１の下面に凹凸を設けることにより、基板１から空気への熱伝達効率が向上するため、冷却機構１００の冷却効率を高くすることができる。なお、以上の図５Ａ、図５Ｂでは、凹凸構造として、空気の流れ方向に沿って延びる溝又は畝を例示したが、これ以外の構造を用いてもよい。例えば、不規則な凹凸を形成してもよいし、多数の突起が林立する、いわゆるピンフィン構造を形成してもよい。また、凹凸が設けられる位置は、高速で流体が通過するため基板１との熱交換が盛んにおこなわれる流路６に対応する領域の少なくとも一部分、好ましくは全部であることが好ましいが、ポンプ室５に対応する領域に設けてもよいことはもちろんである。

ところで、以上説明した実施形態においては、発熱体２は基板１の上面に配置され、ポンプ室５は基板１の下面側に形成されるものとされていたが、必ずしもこのような配置関係をとる必要はなく、発熱体２を基板１の下面、すなわち、ポンプ室５内に配置してもよい。ただし、本実施形態で例示したように、発熱体２が発光素子である場合には、その発光を基板１の上面側に取り出す必要があるため、発熱体２とポンプ室５を基板１の同じ側に配置することはできない。本実施形態に係る冷却機構１００は、このように、基板１の発熱体２が配置された面とは反対の面から基板１を冷却する際にも極めて有用である。

以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１基板、２発熱体、３ハウジング、４容積可変機構、５ポンプ室、６流路、１０溝、１１畝、３０空洞、３１流路溝、３２流入路溝、３３流出路溝、４０ダイアフラム、４１ケース、４２マグネット、４３ヨーク、４４コイル、４５ボイスコイルモータ、４６プランジャ、１００冷却機構。

Claims

発熱体を有する基板と、
前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、
少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、
前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、
前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、
を有し、
前記流路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口部断面積より大きい流入路と、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい流出路を有する基板の冷却機構。
発熱体を有する基板と、
前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、
少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、
前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、
前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、
を有し、
前記容積可変機構は、ダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動するボイスコイルモータを有しており、前記ボイスコイルモータに使用されるマグネットは、前記基板に対して熱的に絶縁される、
基板の冷却機構。
前記流路の総容積よりも、前記容積可変機構による前記ポンプ室の容積の変動量の方が大きい請求項１又は２に記載の基板の冷却機構。
前記流路の断面は、前記基板に対する垂直方向の高さが、前記基板に対する水平方向の幅より小さい請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板の冷却機構。
前記基板の前記一の面の前記流路を形成する領域の少なくとも一部分に凹凸が設けられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板の冷却機構。
前記凹凸は、前記流路中の空気の流れ方向に沿った溝又は畝である請求項５に記載の基板の冷却機構。
前記発熱体は発光素子であり、前記基板の前記一の面とは反対側の面に設けられる請求項１〜６のいずれかに記載の基板の冷却機構。