WO2013153667A1

WO2013153667A1 - 放熱構造

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Publication number: WO2013153667A1
Application number: PCT/JP2012/060149
Authority: WO
Inventors: ベジ佐々木
Original assignee: フリージア・マクロス株式会社
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-17

Abstract

　基板（２）上の電子素子（３）からの熱を放熱する放熱構造（１、２１、３１）が、電子素子（３）の表面に吸熱面（６）が接合された冷却素子（５）と、冷却素子（５）の放熱面（７）の側に接続されて電子素子（３）からの熱が放熱される台座（１１）とを備える。台座（１１）は、冷却素子（５）の放熱面（７）の面積よりも大きく基板（２）の表面積以下の面を有する金属製の板材（１３）と、冷却素子（５）の放熱面（７）の面積よりも大きく基板（２）の表面積以下の面を有する熱伝導シート（１５）とを含む。熱伝導シート（１５）は、一方の面が板材（１３）に接合され他方の面が冷却素子（５）の放熱面（７）に接合される。

Description

放熱構造

　本発明は、プリント基板等の基板上に実装されたＣＰＵ等の電子素子の熱を効率的に放熱する放熱構造に関する。

　コンピュータ、携帯電話機等の電子機器においては、基板に対するＣＰＵ、コンデンサ、有機ＥＬ、ＬＥＤ等の電子素子の実装密度が高密度となっており、これに伴って電子素子からの熱を放熱する必要性が高まっている。特許文献１には、冷却素子としてペルチェ素子を用いた冷却構造が記載されている。ペルチェ素子は、電流を流すことにより一方の面から他方の面に熱が移動する特性を有しており、一方の面が吸熱面、他方の面が放熱面として機能する半導体部品である。

　特許文献１に記載された冷却構造は、ペルチェ素子の吸熱面を電子素子に接触させ、放熱面を高放熱体に接触させるように組み付け、この状態で電子素子から発生した熱量を吸収するためのペルチェ素子の消費電力量に対応するようにペルチェ素子への電流を制御するものである。

特開平４－７２７４６号公報

　しかしながら、関連する冷却構造においては、ペルチェ素子の放熱面側における面積が吸熱面側における面積と同じとなっており、吸熱面側で吸熱する熱量が増えても放熱効率が悪く、放熱面側から円滑に放熱できない問題を有している。

　本発明は、放熱面側における放熱性を高めて放熱効率を向上させることが可能な放熱構造を提供することを目的とする。

　本発明のアスペクトは、基板上の電子素子からの熱を放熱する放熱構造であって、前記電子素子の表面に吸熱面が接合された冷却素子と、前記冷却素子の放熱面の側に接続されて前記電子素子からの熱が放熱される台座と、を備え、前記台座は、前記冷却素子の放熱面の面積よりも大きく前記基板の表面積以下の面を有する金属製の板材と、前記冷却素子の放熱面の面積より大きく前記基板の表面積以下の面を有する熱伝導シートであって、一方の面が前記板材に接合され他方の面が前記冷却素子の放熱面に接合される熱伝導シートと、を含む放熱構造であることを要旨とする。

　また、前記台座の板材は、前記基板を支持する支持台座と、前記支持台座に支持された前記基板を覆うと共に内面側に前記熱伝導シートが接合された放熱台座とを含んでもよい。

　また、前記放熱構造は、前記台座と前記基板とを空間を隔てて連結する支持部材と、前記台座と前記基板との間の空間内の熱を外部に放出するマイクロファンとを備えてもよい。

　また、前記熱伝導シートは、グラファイトシートと、前記グラファイトシートの両面に接合されて前記グラファイトシートを挟み込む一対の伝熱性金属板とを含んでもよい。

　また、前記冷却素子は、ペルチェ素子であってもよい。

　また、前記台座又は前記熱伝導シートには、微小液滴が吹き付けられてもよい。

　本発明の実施形態においては、基板上の電子素子からの熱は冷却素子の吸熱面側から吸収され放熱面から台座の熱伝導シートに伝達される。この場合、熱伝導シートが冷却素子の放熱面側の面積より大きく基板の表面積以下の大きさに形成されているため、冷却素子の放熱面側から放熱された熱は熱伝導シートの全体に拡散して金属製の板材に伝わり、大気中へ放熱される。このような構成によれば、冷却素子と熱伝導シートとの組み合わせにより、放熱性を高めて基板上の電子素子の熱を効率的に放熱することができる。

　また、本発明の実施形態によれば、熱伝導シートを冷却素子の放熱面側の面積より大きく基板の表面積以下の面積とすることで、熱伝導シートを基板と略同じ大きさに設定することができ、基板から発生した熱を熱伝導シートを介して金属製の板材から放熱することができるため、基板上の電子素子からの局部的な熱だけでなく基板全体から発した熱を効率良く放熱することができる。

　さらに、冷却素子及び熱伝導シートを備えた台座のみの構成部品のため、簡単な構造で効率良く基板から発した熱を放熱することができる。

　さらに、マイクロファンを設ける場合には、基板と台座と間の熱を急速に放熱することができる。

　また、台座又は熱伝導シートに微小液滴を吹き付けることで、基板、台座、熱伝導シートの熱を急速に放熱することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱構造を示す断面図である。図２は、伝熱シートの構造を示す断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に係る放熱構造を示す断面図である。図４は、本発明の第３実施形態に係る放熱構造を示す断面図である。

　以下、本発明を図示する実施形態により具体的に説明する。なお、各実施形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。

　（第１実施形態）
　図１は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１の断面図、図２は熱伝導シート１５の断面図である。

　本実施形態の放熱構造１においては、電子素子３が実装面２ａに実装された基板２と、電子素子３に接合された冷却素子５と、冷却素子５が接合される台座１１とを備えている。

　電子素子３としては、ＣＰＵ、発光ダイオード、レーザダイオード、コンデンサ、有機ＥＬ、ＬＥＤ等の発熱性の電子部品が用いられる。電子素子３は、基板２の実装面２ａに形成された電極（図示省略）に電気的に接続された状態で実装される。電子素子３と基板２の電極との電気的な接続は、ワイヤ配線や導電性接着剤等により行われる。電子素子３は基板２の実装面２ａに１個が実装されているが、通常は複数であり、その数は特に限定されない。

　基板２としては、ガラスエポキシ板、セラミック板に配線パターンが印刷等により形成されたプリント配線基板が用いられる。

　冷却素子５は、一方の面が吸熱面６、他方の面が放熱面７となっており、吸熱面６が電子素子３の表面３ａに接合され、放熱面７が台座１１に接合される。すなわち、冷却素子５は電子素子３と台座１１との間に挟まれた状態となってこれらに接合される。接合手段としては、接着剤による接着、半田付け等を用いることができる。

　本実施形態において、冷却素子５は、電子素子３の表面積と略同じ大きさの面積を有したものが用いられる。これにより、電子素子３の表面３ａの表面積全体の熱を冷却素子５の吸熱面６の全体で吸熱することができると共に、冷却素子５を電子素子３に位置合わせすることが容易であり、冷却素子５を電子素子３に精度良く接合できる。

　冷却素子５としては、ペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子は、電流を流すことにより吸熱面６から放熱面７に熱が移動する特性を有したＰＮ半導体からなる半導体部品である。このようなペルチェ素子の吸熱面６を電子素子３の表面に接合することにより、電子素子３の熱を吸熱すると共に吸熱した熱を吸熱面６から放熱面７に移動させ、放熱面７に接合した台座１１に伝熱させることができる。ペルチェ素子への電力供給は、例えば、基板２に形成した電源電極（図示省略）とペルチェ素子の電極（図示省略）とをワイヤ配線によって接続することにより行うことができる。

　台座１１には、冷却素子５の放熱面７側が接合される。台座１１に冷却素子５の放熱面７が接合されることにより、吸熱面６から放熱面７に移動した熱が冷却素子５から台座１１に伝熱される。台座１１としては、金属製の板材１３と、熱伝導シート１５とを接合したものが用いられる。

　台座１１における金属製の板材１３は、冷却素子５の放熱面７の面積より大きく、基板２の表面積以下の面を有するサイズの平板状に形成されている。このような板材１３を用いることにより、放熱効率を向上させることができる。板材に用いる金属としては、アルミニウム、銅等の熱伝導性金属が選択される。

　台座１１における熱伝導シート１５は、板材１３と同様に、冷却素子５の放熱面７の面積より大きく、基板２の表面積以下の面を有するサイズのシート状に形成されている。図２は、本実施形態に用いられる熱伝導シート１５の一例を示す。図２に示す熱伝導シート１５は、グラファイトシート１６と、グラファイトシート１６を両側から挟み込む一対の伝熱性金属板１７とが接合されることにより形成されている。

　グラファイトシート１６は、無定形炭素を黒鉛化したグラファイト（石墨）をシート状に形成したものであり、グラファイト独特の良好な熱伝導性を有している。グラファイトシート１６としては、０．１～１０ｍｍ程度の厚さのものが使用されるが、これに限定されるものではない。伝熱性金属板１７は、銅、アルミニウム等の良好な伝熱性を有した金属が使用される。伝熱性金属板１７は、０．５～２０ｍｍ程度の厚さのものが使用されるが、これに限定されるものではない。伝熱性金属板１７をグラファイトシート１６に接合することにより、良好な伝熱性を有した熱伝導シート１５とすることができる。又、伝熱性金属板１７によってグラファイトシート１６を両側から挟み込むことにより、熱伝導シート１５の表裏が無関係となり、熱伝導シート１５の使用が簡単となる。

　以上の熱伝導シート１５においては、グラファイトシート１６を伝熱性金属板１７によって挟み込むことにより、熱を拡散させる熱拡散効果が大きくなる。このような熱伝導シート１５を冷却素子５の放熱面７側に接合することにより、冷却素子５の放熱面７の熱が熱伝導シート１５に拡散し、熱伝導シート１５から伝熱性金属板１７に伝熱され、伝熱性金属板１７から外部に放熱される。

　本実施形態において、金属製の板材１３及び熱伝導シート１５からなる台座１１は、冷却素子５の放熱面７の面積より大きく基板２の表面積以下の大きさのものとなっていることから、冷却素子５の放熱面７よりも大きな放熱面積となっている。冷却素子５の放熱面７から放熱された熱は、台座１１を構成する熱伝導シート１５の全体に拡散するが、熱伝導シート１５が大きな放熱面積となっているため、放熱面７の熱が迅速且つ良好に熱伝導シート１５に伝熱され、その後、金属製の板材１３から外部に放熱される。

　図１に示すように、本実施形態の放熱構造１においては、基板２の実装面２ａと台座１１とが対向しており、これらが支持部材９を介して連結されている。支持部材９は基板２における電子素子３の実装部位を除くように基板２及び台座１１の外周部分を連結している。支持部材９によって連結されることにより、基板２と台座１１との間に間隔が設けられており、基板２と台座１１との間を空気が流通可能となっている。

　さらに放熱構造１には、マイクロファン１９が設けられている。本実施形態のマイクロファン１９は、支持部材９に取り付けられた状態で基板２に電気的に接続されており、電力が供給されることにより作動する。この作動によって基板２と台座１１との間に空気流が流通する。従って、基板２と台座１１の間の熱を急速に放熱することができる。マイクロファン１９は、基板２に設けても良く、基板２及び支持部材９の双方に設けても良く、必要がない場合には省略しても良い。

　以上の第１実施形態によれば、電子素子３からの熱が冷却素子５の吸熱面６側から吸収され冷却素子５の放熱面７側から台座１１の熱伝導シート１５に伝達される。熱伝導シート１５は冷却素子５の放熱面７側の面積より大きな放熱面積となっている。したがって、冷却素子５の放熱面７から放熱された熱が大きな放熱面積の熱伝導シート１５の全体に拡散するため、放熱面７の熱が迅速且つ良好に熱伝導シート１５に伝熱される。その後、金属製の板材１３から外部に放熱される。このような構造では、冷却素子５と熱伝導シート１５との組み合わせにより、放熱性を高めて電子素子３の熱を効率的に放熱することができる。

　熱伝導シート１５は、冷却素子５の放熱面７側の面積より大きく基板２の表面積以下の面積となっている。これにより、熱伝導シート１５を基板２と略同じ大きさに設定することができ、基板２から発生した熱を熱伝導シート１５を介して金属製の板材１３から放熱することができる。このため、基板２上の電子素子３からの局部的な熱だけでなく基板２全体から発した熱を効率良く放熱することができる。

　冷却素子５及び熱伝導シート１５を備えた台座１１のみの構成部品のため、簡単な構造で効率良く基板から発した熱を放熱することができる。

　マイクロファン１９を設けているため、基板２と台座１１と間の熱を急速に放熱することができる。

　（第２実施形態）
　図３は、本発明の第２実施形態に係る放熱構造２１を示す。

　第２実施形態の放熱構造２１においても、基板２の実装面２ａに電子素子３が実装され、この電子素子３の表面に吸熱面６が接合されて冷却素子５が取り付けられている。冷却素子５の放熱面７は台座１１を形成する熱伝導シート１５に接合されている。電子素子３としては、ＣＰＵ、発光ダイオード、レーザダイオード、コンデンサ、有機ＥＬ、ＬＥＤ等の発熱性の電子部品が用いられ、冷却素子５としては、ペルチェ素子が用いられる。

　本実施形態における台座１１の板材１３は、支持台座３１と放熱台座３３とによって形成されている。

　支持台座３１は、銅、アルミニウム等の熱伝導性金属により平板状に形成されている。支持台座３１は、電子素子３が実装された基板２と略同じ大きさのサイズか、基板２よりも幾分大きなサイズに形成されている。基板２は、支持台座３１に支持部材９を介して支持されている。支持部材９を介した支持により、基板２と支持台座３１との間には、空気が流通可能な間隔が形成されている。

　放熱台座３３は、基板２における電子素子３及び冷却素子５の配置側に設けられている。放熱台座３３は、基板２の周囲を囲む蓋形状に形成されており、基板２に被せられることにより基板２を覆うようになっている。本実施形態において、放熱台座３３は、基板２と対向する平板状の本体部３３ａと、本体部３３ａの外周部分から屈曲された屈曲壁部３３ｂとからなる。屈曲壁部３３ｂが支持台座３１の周面部分に当接し、この当接により放熱台座３３が基板２を覆う構造となっている。このように屈曲壁部３３ｂが支持台座３１に当接することにより、本体部３３ａと基板２との間には、空気が流通可能な間隔が形成される。かかる放熱台座３３もアルミニウム、銅等の熱伝導性金属によって形成されるものである。

　本実施形態において、以上の放熱台座３３及び支持台座３１によって箱形状に形成され、基板２はこの箱形状の内部に収容される。

　放熱台座３３の内面（本体部３３ａの内面）には、熱伝導シート１５が接合されている。熱伝導シート１５は、放熱台座３３の内面（本体部３３ａ）の略全体に対して接合されている。熱伝導シート１５は、図２に示すと同様に、グラファイトシート１６の両側を銅やアルミニウム等の一対の伝熱性金属板１７で挟み込んだ構造となっている。したがって、熱伝導シート１５は、熱を拡散させる熱拡散効果を大きく有している。

　このような放熱台座３３及び熱伝導シート１５は、冷却素子５の放熱面７の面積より大きく、基板２の表面積以下のサイズに形成されるものであり、本実施形態では、冷却素子５の放熱面７の面積より大きく、且つ基板２の表面積とほぼ同等の大きさとなっている。この場合、熱伝導シート１５は、電子素子３に吸熱面６が接合された冷却素子５の放熱面７側に接合される。

　このような第２実施形態においても、マイクロファン１９が設けられる。マイクロファン１９は、放熱台座３３における屈曲壁部３３ｂに設けられているが、基板２に設けても良く、放熱台座３３及び基板２の双方に設けても良く、必要がない場合には省略することができる。このようなマイクロファン１９が作動することにより基板２と放熱台座３３との間に空気流が流通すると共に基板２と支持台座３１との間に空気流が流通し、支持台座３１及び放熱台座３３によって形成される箱形状の内部を空気流が流通する。このため、基板２と支持台座３１及び放熱台座３３との間の熱を急速に放熱することができる。

　このような第２実施形態においても、電子素子３からの熱が冷却素子５の吸熱面６側から吸収され冷却素子５の放熱面７側から台座１１における放熱台座３３の熱伝導シート１５に伝達される。熱伝導シート１５は、冷却素子５の放熱面７側の面積より大きな放熱面積となっており、冷却素子５の放熱面７から放熱された熱が大きな放熱面積の熱伝導シート１５の全体に拡散するため、放熱面７の熱が迅速且つ良好に熱伝導シート１５に伝熱される。その後、放熱台座３３から外部に放熱される。このような構造では、冷却素子５と熱伝導シート１５との組み合わせにより、放熱性を高めて電子素子３の熱を効率的に放熱することができる。

　熱伝導シート１５は、冷却素子５の放熱面７側の面積より大きく基板２の表面積以下の面積となっている。熱伝導シート１５を基板２と略同じ大きさに設定することができ、基板２から発生した熱を熱伝導シート１５を介して放熱台座３３から放熱することができる。このため、基板２上の電子素子３からの局部的な熱だけでなく基板２全体から発した熱を効率良く放熱することができる。

　冷却素子５及び熱伝導シート１５を備えた放熱台座３３及び支持台座３１のみの構成部品のため、簡単な構造で効率良く基板から発した熱を放熱することができる。

　本実施形態においては、放熱効率が良好な場合には支持台座３１を省略しても良い。

　台座１１を樹脂等で形成された電気接続箱３５内に収納する場合には、電気接続箱３５の壁部に、ファン３６を設けて電気接続箱３５内に外気を取り入れ、取り入れた外気を放熱台座３３の表面に矢印Ａで示すように吹き付けて放熱台座３３の表面からの放熱性を向上させても良い。

　（第３実施形態）
　図４は、本発明の第３実施形態に係る放熱構造３１を示す。

　本実施形態では、放熱台座３３の表面側に微小液滴（霧）を吹き付けることで放熱台座３３の表面側の温度をさげて冷却する。本実施形態に係る放熱構造３１は、ファン３６の代わりに後述のノズル３７、管路３９、ミスト発生装置４１を備えている点が第２実施形態に係る放熱構造２１と異なる。

　図４に示すように、電気接続箱３５の両側の壁部には、微細な液滴を噴出するノズル３７がそれぞれ配置されている。これらのノズル３７、３７は、ミスト発生装置４１と管路３９を介してそれぞれ連結されている。ノズル３７、３７から噴出するミスト（霧）は、３０μ以下の液滴であり、ノズル３７、３７から噴出後に直ぐに気化する。このとき放熱台座３３の表面の熱を奪うことによって放熱台座３３の表面を冷却する。

　この場合、ノズル３７、３７から噴出するミストは基板２にも降りかかるが、３０μ以下の微小液滴なので、基板２の導通に影響を与えることはない。

　本実施形態では、放熱台座３３の表面を微小液滴からなるミストによって冷却することによって、放熱台座３３を効率良く冷却することができ、放熱台座３３に貼着された熱伝導シート１５の熱を効率良く放熱台座３３に伝えることができる。この結果、冷却素子５の放熱面からの熱が、熱伝導シート１５、放熱台座３３を介して効率良く放出され、ひいては冷却素子５の冷却能力を効率良く利用することができる。

　本実施形態では、上記微小液滴（霧）は３０μ以下の液滴であって、基板２に触れても導電性を損なうことのない液滴であり、仮に基板２に触れたとしても直ぐに気化する程度の微小液滴からなるミストを用いている。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

Claims

　基板上の電子素子からの熱を放熱する放熱構造であって、
　前記電子素子の表面に吸熱面が接合された冷却素子と、
　前記冷却素子の放熱面の側に接続されて前記電子素子からの熱が放熱される台座と、を備え、
　　前記台座は、
　　　前記冷却素子の放熱面の面積よりも大きく前記基板の表面積以下の面を有する金属製の板材と、
　　　前記冷却素子の放熱面の面積よりも大きく前記基板の表面積以下の面を有する熱伝導シートであって、一方の面が前記板材に接合され他方の面が前記冷却素子の放熱面に接合される熱伝導シートと、を含む
放熱構造。
　前記台座の板材は、
　　前記基板を支持する支持台座と、
　　前記支持台座に支持された前記基板を覆うと共に内面側に前記熱伝導シートが接合された放熱台座と、を含む
請求項１記載の放熱構造。
　前記台座と前記基板とを空間を隔てて連結する支持部材と、
　前記台座と前記基板との間の空間内の熱を外部に放出するマイクロファンと、
を備えた請求項１又は２記載の放熱構造。
　前記熱伝導シートは、
　　グラファイトシートと、
　　前記グラファイトシートの両面に接合されて前記グラファイトシートを挟み込む一対の伝熱性金属板と、を含む
請求項１～３のいずれかに記載の放熱構造。
　前記冷却素子は、ペルチェ素子である
請求項１～４のいずれかに記載の放熱構造。
　前記台座又は前記熱伝導シートには、微小液滴が吹き付けられる
請求項１～５のいずれかに記載の放熱構造。