JPH05206337A - 放射熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 収納容器内の発熱体の熱放散効率を向上す
る。 【構成】 基板４に搭載された発熱体１を包むように所
定の面積の開口３ａを有する放射熱伝達部材３を基板４
上に装着して収納容器２内へ収納して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、容器内に収納される発
熱体からの放熱を促進するための装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は、発熱体と該発熱体の収納容器か
ら成る従来の装置の基本的構造を示す断面図であり、発
熱体で発生した熱の殆どをその表面から放射だけで収納
容器に伝達して外部へ放出することにより、該発熱体の
温度を許容温度以下に維持する形式の装置を示してい
る。

【０００３】この装置は、熱伝導率の低い基板４上に取
り付けられた発熱体１と、これらを収納する内面が低放
射率の収納容器２より構成されており、類似構成の装置
としては例えば、発熱体であるＬＳＩチップを金メッキ
されたケースに収納したものを想定することができる。
そのような構造の装置における放熱の基本は、基板４を
経由して熱伝導により収納容器２に伝達される熱量は僅
かであるため、発熱体１で発生した熱を発熱体表面と収
納容器２の内面との間の放射熱伝達により収納容器２に
伝達した後、収納容器２の外面から対流および放射等に
より周囲の環境へ放熱する構造である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】対象となる発熱体に対
する性能要求や、使用可能な材料あるいは加工に関する
制約から、前記のＬＳＩチップの例からも想定されるよ
うに、発熱体を熱伝導率の低い基板上、例えば、半導体
基板上に取り付け、しかも内面が低放射率の収納容器、
例えば、内面に金メッキを施した収納容器内に収納せざ
るを得ない場合がある。そのような構造の装置では、基
板の熱伝導を利用して発熱体から収納容器へ伝達できる
熱量は極めて少ないため、発熱体が発生した熱を収納容
器まで伝達するには、発熱体表面と収納容器内面との間
の放射熱伝達を主としなければならない。

【０００５】しかしながら、収納容器内面の放射率も低
いため、放射により伝達できる熱量も少なく、発熱体の
発熱量自体を制限せざる得ないという問題があった。

【０００６】このような放熱上の制約は発熱体である機
器の高出力化を制約する大きな要因となっており、発熱
体が電子回路のような場合においても高出力化を妨げる
主たる要因となっている。

【０００７】一方、発熱体そのものに関しては、電子回
路の例にもみられるように近年ますます性能向上による
高出力化が図られており、放熱能力の向上に対する必要
性は一層強くなっているが、上記に説明したように従来
の技術では放射熱伝達による放熱能力の向上は困難とな
っている。

【０００８】本発明の目的は、以上に述べた従来の発熱
体と発熱体収納容器との間の放射熱伝達の欠点を除去
し、放熱能力の高い放射熱伝達装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の放射熱伝達装置では、収納容器内に、所
定の面積を有する複数の開口を全面に、均等に穿設し、
内面を黒色に形成した放射熱伝達部材により、発熱体を
包囲するように、該部材を基板上の所定の位置に装着し
て構成する。

【００１０】このような構成とすることにより、収納容
器（以下、容器という）内面は、前記放射熱伝達部材
（以下、熱伝達部材という）の開口を通して、該熱伝達
部材の内面を見ることになる。該内面は黒色に形成され
ており、放射率が高く発熱体から放射される熱を受熱し
やすく、しかも低放射率の容器内面同志が向き合う割合
を減らすことができる。また同時に、熱伝達部材の発熱
体側の放射率は容器内面の放射率より高いから、熱伝達
部材は容器内面よりも効率的に発熱体からの放射熱を吸
収することができ、吸収した熱を再び熱伝達部材内面か
らその開口を通して対向する容器内面へ、ならびに、該
部材の外表面から対向する容器内面へ、放射により熱を
伝達することができる。ただし、熱伝達部材の単位面積
に占める該部材自身の実質的な面積を有効面積比と呼ぶ
ことにすると、有効面積比は発熱体表面や収納容器内面
および使用する熱伝達部材の両面の放射率、ならびに発
熱体と収納容器の大きさを考慮した適切な値とする必要
がある。

【００１１】そこで、本発明による放射熱伝達の増大効
果を計算モデルを用いて定量的に説明する。図４（ａ）
は本発明の効果を定量的に説明するためのモデルを示す
断面図であって、熱伝達に対する寄与が極めて小さい発
熱体の取り付け基板は省略してモデル化されている。同
図において、発熱体１と収納容器２および熱伝達部材３
は同心球となっており、発熱体１の半径はｒ１、容器２
の半径はｒ４、熱伝達部材３の半径はｒ２である。それ
ぞれの構造体表面の放射率は、発熱体１の表面の放射率
をε１＝０．４、容器２の内面の放射率をε４＝０．０
３、熱伝達部材３の容器２側表面の放射率をε３＝０．
０３とし、熱伝達部材３の発熱体側内面の放射率ε２を
変化可能な変数とする。また、このモデルで熱伝達部材
３の有効面積比をＰとし、Ｐも変数として扱うことにす
る。最初に、熱伝達部材３が存在しない場合の発熱体１
と容器２との間の放射熱伝達の度合いを示す放射係数を
ｆとすると、放射係数ｆは次式で表すことができる。

【００１２】

【数１】

【００１３】上式の出典 （Siegel, R.,and Howell, J.R.,“Thermal Radiation
Heat Transfer ”,2nd ed.,(1981) Hemisphere, New Yo
rk,（米）P.286 ） また、熱伝達部材３を設けた場合の放射係数ｆ_m は以下
により導かれる。ただし、以下の式で用いるＦ_ij（ｉ，
ｊ＝１，２，３，４は図４（ａ）に示した表面について
の値である。）は放射熱伝達において一般的に使用され
る形態係数であり、次のようになる。

【００１４】 Ｆ₁₂＝Ｐ Ｆ₁₄＝１−Ｐ Ｆ₂₁＝１ Ｆ₃₄＝１ Ｆ₄₁＝１−Ｐ Ｆ₄₃＝Ｐ また、Ｒ_ij，Ｂ_ijを次式のように定義する。

【００１５】

【数２】

【００１６】これらを用いると発熱体と容器４との間の
定常状態における放射係数ｆ_m は

【００１７】

【数３】

【００１８】となる。ただし、

【００１９】

【数４】

【００２０】そこで、熱伝達部材３を設けた場合の発熱
体と容器２との間の放射係数ｆ_m と、それが存在しない
場合の上記の放射係数ｆとの比をＥεとすると、Ｅεは
次式で表わされる。

【００２１】

【数５】

【００２２】よって、Ｅεが１．０より大きくなる範囲
で熱伝達部材３を設けたことによる放射熱伝達の増大効
果が得られる。

【００２３】熱伝達部材３の発熱体側内面の放射率とε
２と有効面積比Ｐを変化させたときの上記放射係数のＥ
εの計算結果が図４（ｂ）である。この計算例の結果よ
り、有効面積比Ｐ＝０．２２５の熱伝達部材３を、発熱
体側内面の放射率ε２を０．９（黒色塗装に相当す
る。）として、ｒ１／ｒ２＝０．５２，ｒ２／ｒ４＝
０．９６、の位置に装着することにより発熱体と収納容
器との間の放射熱伝達は１７％増加できることがわか
る。このことは、計算例において熱伝達部材３が存在し
ない場合の発熱体の温度を仮に１５０℃、容器の温度を
外部の周囲環境と同じ２７℃とすると、本発明による放
射熱伝達の増大効果により発熱体の温度を１３８℃に低
下させることが可能になることを示している。したがっ
て、発熱体の許容温度が１５０℃であれば、さらに発熱
体の発熱量を増加することができることになる。

【００２４】なお、図４（ｂ）において放射係数の比Ｅ
εが１．０以下となる範囲では、熱伝達部材３が放射伝
熱に対する遮蔽材として作用するため放射熱伝達の増大
効果は得られず、Ｐ＝１．０のときの放射係数の比Ｅε
は発熱体と容器の間に隙間のない板状の構造体を設けた
ときの断熱効果に相当するものとなる。これは放射熱伝
達理論より知られる一般的事実と一致するものである。

【００２５】

【作用】本発明は前記のように構成することにより、収
納容器に収納された発熱体が発生する熱を放射熱伝達部
材を介して、３つの経路によって収納容器へ伝達し、発
熱体の温度を下げることができるのである。

【００２６】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面により説
明する。図１は本発明の一実施例の基本的構造を示す図
で、（ａ）は収納容器２の一部を破断した平面図、
（ｂ）は図１の（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【００２７】図１において、１は発熱体、４は発熱体１
を搭載する基板、３は放射熱伝達部材、３ａは該部材３
に形成された開口、２は基板４に搭載された発熱体１を
収納する収納容器である。

【００２８】本実施例は、内面が低放射率の箱状の収納
容器２の内部に平板状の発熱体１が低熱伝導率の取り付
け基板に搭載されて入れられ、収納容器２の空間内にケ
ージ型の格子状またはメッシュ状の放射熱伝達部材３が
発熱体側内面が高放射率で収納容器側表面が低放射率と
なるようにして設けられている。

【００２９】本実施例において、放射熱伝達部材３を装
着することにより、低放射率の収納容器内面同志が向き
合う割合、すなわち発熱体１と収納容器２との間の放射
熱伝達に寄与しない割合を減少している。

【００３０】図２は、放射熱伝達経路の説明図である。
図２に示すように、発熱体１で発生した熱の放射熱伝達
は、放射熱伝達部材３の開口３ａを通って直接、収納容
器２に達する経路Ａと、放射熱伝達部材３に一旦吸収さ
れた後に該部材の内面から放射され、該部材の対向する
面にある開口３ａを通って、収納容器２に達する経路Ｂ
と、放射熱伝達部材３に一旦吸収された後に、放射熱伝
達部材３の外面から収納容器２に達する経路Ｃの３経路
で行われる。したがって、収納容器内面が低放射率であ
っても、放射熱伝達部材３の内面の放射率を高くして有
効面積比すなわち、開口３ａの面積の割合を適切に選択
することにより、発熱体と収納容器の間の放射熱伝達量
を増加させることができる。

【００３１】なお、上記の実施例では発熱体１を平板
状、収納容器２を箱状、放射熱伝達部材３をケージ型と
したが、他の形状であっても収納容器２により閉空間が
形成されていれば、同様の効果が得られることは放射熱
伝達の理論より容易に推察できるので説明を省略する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、発熱体の
収納容器内に、放射熱伝達部材を設け、その内面すなわ
ち発熱体側の面を収納容器内面の放射率より高い放射率
に形成することにより、発熱体と低放射率の収納容器と
の間の放射熱伝達を増加させることができるので、収納
容器外面からの熱放出の高効率化が可能であり、内面が
低放射率の収納容器内に取り付けられた発熱体の温度を
低下することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の基本的構造を示す図であ
る。

【図２】放射熱伝達経路の説明図である。

【図３】従来の装置の基本的構造を示す断面図である。

【図４】（ａ）は本発明の効果を定量的に説明するため
のモデルを示す断面図である。（ｂ）は放射熱伝達部材
の内面の放射率ε２と有効面積比Ｐを変えたときの放射
係数の比Ｅεの計算結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 発熱体 ２ 収納容器 ３ 放射熱伝達部材 ３ａ 開口 ４ 発熱体搭載基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に搭載された発熱体を収納容器に
   収納し、該発熱体が放出する熱を放射により前記収納容
   器へ伝達する放射熱伝達装置において、 前記収納容器と前記発熱体の間に、所定の面積を有する
   複数の開口を全面に穿設し、内面を黒色に形成した放射
   熱伝達部材を前記基板上の所定の位置に装着してなるこ
   とを特徴とする放射熱伝達装置。