(57)【要約】      （修正有）【課題】発熱体の発生する熱の放熱を平準化するために固体の放熱体と蓄熱体とを組み合わせて構成した冷却装置において、放熱体および蓄熱体を最適に設計し、小形化することの可能な冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】発熱体３０に熱伝導的に結合された放熱体１０と、この放熱体１０に近接して設けられた蓄熱体２０と、前記放熱体１０の温度を感知しその温度によって体積を膨張収縮する熱変形手段によって、所定温度以上で前記蓄熱体２０を前記放熱体１０に押し付けて熱伝導的に結合し、所定温度以下になると蓄熱体２０を放熱体１０から離間させて熱伝導的結合を遮断する熱伝導開閉機構４０とにより構成する。【選択図】図１−ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体に熱伝導的に結合された放熱体と、この放熱体に近接して設けられた蓄熱体と、前記放熱体の温度を感知しその温度によって体積を膨張収縮する熱変形手段によって、所定温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に押し付けて熱伝導的に結合し、所定温度以下になると蓄熱体を放熱体から離間させて熱伝導的結合を遮断する熱伝導開閉機構とを備えることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、前記熱伝導開閉機構の熱変形手段に温度によって液体と気体の間で相変化する相変化物質を用いることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の冷却装置において、前記蓄熱体を相変化物質により構成することを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱体から発生した熱を放熱して冷却する冷却装置に係り、特に放熱を平準化するために固体の放熱体と蓄熱体とを組み合わせて構成した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の高密度化、高出力化にともなって、これを構成する電子機器の発熱量が大きくなり、その熱処理に問題が発生している。電子素子の発熱の特徴は、非常に狭い範囲から大きな熱量が発生する点であり、熱密度の大きい発熱に対する効果的な冷却が要求される。冷却には、一般にフィン付きの放熱体を用い、発熱量が大きい場合は、この放熱体を大形にするか、または、冷却ファン等を用いて冷却体に強制的に冷却風を当て放熱量の増大を図るようにしている。
【０００３】
また、電子機器の発熱は一定でなく、その機能によって時間的に大きく変化する場合がある。例えば、コンピュータ等の無停電電源装置に使用される電力変換器は、商用電源が停電していない正常状態では、負荷のコンピュータへは商用電源から直接給電されるため、コンピュータの電力は負担せず、バッテリの充電電力のみを負担するので、低負荷状態となる。ところが、商用電源が停電した非常状態では、この電力変換器は、バッテリからこれに充電されている電力を負荷へ給電するように働くので、低負荷状態の電力の１０倍以上の電力を供給するようになり、高負荷状態となる。そして、負荷がコンピュータである場合は、商用電源が停電した時、バッテリからコンピュータへの給電は、コンピュータが停電処理のための非常処理を行う間の５分程度の非常に短い時間だけ行えばよいので、無停電電源装置における電力変換器が高負荷状態となるのは極めて短時間である。
【０００４】
このように無停電電源装置は、定常的にはほとんど低負荷状態の運転となるが、その電力変換器を構成する半導体素子の冷却装置は、高負荷状態となる極めて短時間の非常運転期間の熱的条件に合わせて放熱体の放熱容量が決められていた。
【０００５】
しかしこれでは、運転状態によって発熱量が大幅に増減する電子機器における冷却装置の放熱体が必要以上に大形になるので、これを小形化するため、放熱体と蓄熱体を組み合わせて高負荷時と低負荷時の放熱体からの放熱を平準化するようにした冷却装置が、特許文献１によりすでに提案されている。
【０００６】
この特許文献１に示された冷却装置は、図３に示すように、電子機器等の発熱体３と熱伝導度の高い金属で構成された放熱体１との間に、蓄熱材で構成された蓄熱体２を一体的に設け、発熱体３で発生した熱を発熱体３と放熱体１との間にある蓄熱体２に一旦蓄熱し、次いでこの蓄熱体２に蓄熱された熱を放熱体１へ伝達し、最終的にこの放熱体１から大気へ放熱するものである。
【０００７】
このように構成すると、発熱体を構成する電子機器が一時的に高負荷となって発熱量が増大したとき、その発生熱を一旦蓄熱体に蓄熱し、負荷が減少した後に蓄熱体に蓄積された熱が放熱体を介して放熱されるようになるため、放熱体からの放熱量が平準化されて放熱体の最大放熱量が低下するので、放熱体１を小形にすることが可能となるのである。
【特許文献１】特開平８−１４８６１８号公報（第２〜３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来の冷却装置においては、次のような問題がある。
【０００９】
すなわち、発熱体と放熱体との間に蓄熱体が一体的に設けられているため、発熱体と放熱体との間の熱抵抗が大きくなり、放熱体の放熱効率が低下するということ、および発熱体で発生した熱を、蓄熱体に蓄熱させる必要のない場合でも、必ず蓄熱体に蓄熱されてしまい、蓄熱体を効果的に使用できないということである。したがって、この従来の冷却装置においては、放熱体および蓄熱体の小形化には限界があった。
【００１０】
この発明は、このような従来装置における問題点を解消して、放熱体および蓄熱体を最適に設計して小形化することの可能な冷却装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、この発明は、発熱体に熱伝導的に結合された放熱体と、この放熱体に近接して設けられた蓄熱体と、前記放熱体の温度を感知しその温度によって体積を膨張収縮する熱変形手段によって、所定温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に押し付けて熱伝導的に結合し、所定温度以下になると蓄熱体を放熱体から離間させて熱伝導的結合を遮断する熱伝導開閉機構とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明において、前記熱伝導開閉機構は、熱変形手段として温度によって液体と気体の間で相変化する相変化物質を利用することができる。
【００１３】
さらに、この発明において、蓄熱体は、融解時に大きな融解潜熱を必要とする相変化物質により構成するのが良い。
【発明の効果】
【００１４】
この発明による冷却装置は、発熱体に熱伝導的に結合された放熱体と、この放熱体に近接して設けられた蓄熱体と、前記放熱体の温度を感知しその温度によって体積を膨張収縮する熱変形手段によって、所定温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に押し付けて熱伝導的に結合し、所定温度以下になると蓄熱体を放熱体から離間させて熱伝導的結合を遮断する熱伝導開閉機構とを備える構成としたので、発熱体の発熱量が小さい間は、蓄熱体が発熱体または放熱体から熱伝導的に切り離されるため、発熱体から放熱器への熱伝導が蓄熱体によって阻害されることがなくなる。このため、放熱体の放熱効率の低下が防止される。また、発熱体の発熱量が増大して放熱体の温度が所定温度以上になると蓄熱体が放熱体に熱伝導的に接続され、放熱体の熱の一部を蓄熱することにより放熱体の温度上昇したがって発熱体の温度上昇を抑えることができるので、放熱体を発熱体の発熱量の小さいときの熱量にあわせて設計し、蓄熱体を発熱量の増大する短時間の熱量に合わせた最適設計することにより、放熱体および蓄熱体をより小形化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の実施の形態を、図に示す実施例について説明する。
【００１６】
図１−ａは、この発明の実施例を示すものである。この図において、１０は、銅やアルミニウムのような高熱伝導性の金属材料により形成した放熱体で、表面に複数の放熱フィン１１を備えている。２０は、温度によって凝固と融解を繰り返し、融解時に大きな融解潜熱を必要とするパラフィン等の相変化物質からなる熱媒体を内蔵した蓄熱体である。３０は、電子機器等の負荷を担ったとき負荷の大きさに応じて熱を発生する発熱体である。４０は、放熱体１０の温度を感知し、その温度によって蓄熱体２０と放熱体１０との熱伝導的接続の開閉を行う熱伝導開閉機構である。
【００１７】
放熱体１０は、発熱体３０に熱伝導的に結合され、発熱体３０から伝導される熱を放熱してこれを冷却する。蓄熱体２０は、熱伝導開閉機構４０を介して放熱体１０に機械的に結合される。
【００１８】
熱伝導開閉機構４０は、例えば、発熱体３０の許容上限温度付近に沸点を有する水等の液体を、伸縮性を有する袋体内に封入して構成した温度によって体積を膨張収縮して変形する熱変形体４１と、この熱変形体４１に放熱体１０の熱を伝導する熱伝導板４２およびこれらを放熱体１０に機械的に取り付けるための取付け枠４３等を備えている。取付け枠４３内には蓄熱体２０が収納され、熱伝導板４２に固定された熱絶縁材製のガイド４４により図において水平方向に移動可能に支持されている。そして、この蓄熱体２０は、常時引張りばね４５によって放熱体１０から離間する方向に引張られている。さらに、熱変形体４１は、ガイド４４内において、熱絶縁体４６を介して蓄熱体２０と熱伝導板４２との間に挟まれている。
【００１９】
このように構成されたこの発明の冷却装置においては、発熱体３０が発熱すると、その熱は放熱体１０へ伝導される。放熱体１０へ伝導された熱は、放熱体１０の放熱フィン１１が大気と接しているので、放熱体１０と大気の温度差により放熱体１０から大気へ放熱され、発熱体１０が冷却される。その結果、放熱体１０および発熱体３０の温度上昇が抑えられる。
【００２０】
このような放熱体１０の熱が熱伝導板４２により熱伝導開閉装置４０の熱変形体４１へ伝導されるため、熱変形体４１は、放熱体１０と同じ温度に保たれ、放熱体１０温度を感知することができる。熱変形体４１と蓄熱体２０の間に熱絶縁体４６が介在するため、熱変形体４１から蓄熱体２０への熱伝導は抑制される。
【００２１】
発熱体が低負荷を担い発熱量の低い間は、放熱体１０によって十分に放熱され、その温度は許容温度以下に保たれている。このため、このときは、熱変形体１０は、熱膨張が小さく図１−ａに示すように厚さの薄い扁平形状を示すので、蓄熱体２０がこの熱変形体４１によって押圧されても放熱体１０から離間し、放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導が遮断されるため、低負荷状態では、蓄熱体２０は、放熱体１０に対して一切熱的に関与しない。したがってこの状態では、発熱体３０から放熱体１０への熱伝導が蓄熱体２０によって阻害されることなく直接行われるので、両者間の熱伝導効率が高く放熱体の却効果が向上する。
【００２２】
放熱体１０が高負荷状態となって発熱量を増大すると、放熱体１０温度が上昇し、熱変形体４１に封入されている液体の沸点を超えると、この液体が沸騰して気化し、体積が大きく膨張するため、この熱変形体４１は、図１−ｂに示すように変形して厚さを増大し、蓄熱体２０を引張りばね４５に抗して押圧し放熱体１０に接合する。
【００２３】
したがって発熱体３０の発熱量が小さく、放熱体１０の温度が所定の温度よりも低いときは、蓄熱体２０は、図１−ａに示すように放熱体１０から離間された位置にあり、放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導路が開かれ、熱伝導が遮断された状態となる。そして、発熱体１０の発熱量が増大し、放熱体１０の温度が所定温度より高くなると、熱変形体４１が体積膨張により変形し、蓄熱体２０を矢印方向へ移動させ、図１−ｂに示すように放熱板１０の側面に押し付けるようになる。これにより、放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導路が閉成される。
【００２４】
蓄熱体２０が放熱体１０に熱伝導的に接続されると、放熱体１０の発生熱の一部が蓄熱体２０に伝導されこれに吸収蓄熱されて放熱体１０の温度上昇が抑えられるので、発熱体３０が冷却されて許容温度以下の温度に抑えられる。そして、この蓄熱体２０は、温度によって凝固と融解を繰り返し、融解時に大きな融解潜熱を必要とするパラフィン等の相変化物質からなる熱媒体を内蔵したものであるので、小さい容積で大きな熱量を蓄積できることにより、小形に形成でき、装置を小形化するのに有効である。
【００２５】
発熱体３０の発熱量が低下すると、発熱体３０から蓄熱体２０へ伝導される熱量が減少するので、今度はその分だけ蓄熱体２０からこれに蓄積された熱が放熱体１０へ伝導され、この放熱体１０から大気へ放熱され、蓄熱体２０に蓄積された熱量が漸次減少する。そして、放熱体１０により放熱を賄えるまで発熱体の発熱量が低下すると、放熱体１０の温度も低下し、それにしたがって熱変形体４１の温度も低下するので、その内部の熱媒が液化して体積を収縮する。これにより蓄熱体２０の押圧が解除されるので、蓄熱体２０は引張りばね４５により引き戻され、放熱体１０から離間され、次の高負荷状態へ備える。
【００２６】
この実施例の冷却装置は、放熱体と蓄熱体を組み合わせて、発熱体３０の発熱量が増大したときに発熱体３０の発生熱の一部を蓄熱体２０により一時的に蓄積して吸収することにより放熱体１０の大きさを一定のままにして冷却容量の増大を図るものであるが、熱伝導開閉機構４０の作用により、発熱体３０の発熱量が小さく放熱体１０の温度が低い間は、蓄熱体２０を放熱体１０から離間させ、放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導路を遮断し、発熱体３０の発熱量が増大して放熱体１０の温度が所定の温度を超えてはじめて蓄熱体２０を放熱体１０に接合して放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導路を閉成するようにしているので、発熱体１０の発熱量の小さい間は、発熱体２０と放熱体１０とが直接熱伝導的に接続され、その間の熱抵抗が小さくなり、発熱体３０から放熱体１０への熱伝導が効率よく行なわれ、放熱体１０による冷却効果が高くなる。また、蓄熱体２０は、発熱体３０の発熱量が大きくなって大きな冷却能力を必要とするときにだけ放熱体１０に熱伝導的に結合されるため、この放熱体１０の冷却能力を損なうことなく効果的に冷却作用を補助することができる。
【００２７】
図２にこの発明による冷却特性を示す。（ａ）は、発熱体３０発熱量Ｑの変化を示すもので、Ｑｌが低発熱量レベルを、Ｑｈが高発熱量レベルを示す。発熱体３０の発熱量Ｑがｔ1時点で低発熱量から高発熱量Ｑｈに上昇し、ｔ2時点で高発熱量から低発熱量Ｑｌに減少するような変化を示したときの放熱体１０の温度の変化を（ｂ）に示す。
【００２８】
図２の（ｂ）において、点線は、蓄熱体２０を備えていない場合の放熱体１０の温度変化であり、実線は蓄熱体２０を備えたこの発明の装置における放熱体１０の温度変化を示している。
【００２９】
発熱体３０が低発熱量Ｑｌを呈しているｔ1時点までは、放熱体１０の温度は、放熱体１０の放熱要領で決まる温度Ｔ１に保たれているが、発熱体３０の発熱量が増大するＴ１時点から増大に転じる。そして放熱体１０の温度が熱変形体４１に内蔵された熱媒の沸点Ｔｂに達すると、この熱変形体４１の体積膨張による変形によって蓄熱体２０が放熱体に熱伝導的に接合されることになる。これによって、蓄熱体２０の温度が放熱体１０の温度に達するまでの期間ｔｓの間は発熱体の発生する熱の一部がこの蓄熱体に伝導され吸収蓄積されるので、放熱体１０の温度は、ほぼＴｂに一定に保たれる。蓄熱体２０と放熱体１０の温度差がなくなると蓄熱体と放熱体の合成した熱容量にしたがって放熱体１０の温度が緩やかにＴ２まで上昇する。
【００３０】
ｔ２時点で発熱体３０の発熱量がＱｌに低下すると、放熱体１０の温度は緩やかに低下し、当初のＴ1まで戻る。
【００３１】
蓄熱体２０を備えない場合は、発熱体３０の発熱量が高発熱量レベルＱｈになったとき、放熱体１０の温度が（ｂ）に点線で示すように比較的急激に上昇し、場合によっては、発熱体１０の許容温度Ｔmaxを超えることもある。この場合は、放熱体１０を大きくして放熱容量を増大する必要がある。
【００３２】
この発明によれば、発熱体３０の高発熱量の部分を蓄熱体２０により吸収することになるので、放熱体の放熱容量を増加する必要がなく、したがって放熱体および装置全体を小形にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１−ａ】この発明の実施例による冷却装置の低発熱状態を示す正面図。
【図１−ｂ】この発明の実施例による冷却装置の高発熱状態を示す正面図。
【図２】この発明の実施例の冷却装置の冷却特性線図。
【図３】従来の冷却装置を示す正面断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１０：放熱体、１１：放熱フィン、２０：蓄熱体、３０：発熱体、４０：熱伝導開閉機構、４１：熱変形体。
【図１−ａ】
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【図１−ｂ】
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【図２】
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【図３】
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