(57)【要約】【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の放熱効率を高めて装置を小形化することを目的とする。【解決手段】発熱体に接触される放熱体と、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、その温度が所定の温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に熱伝導的に接続し、所定温度以下で蓄熱体を放熱体から熱伝導的に遮断する熱伝導開閉手段とを設け、発熱体の発熱量が小さい間は、蓄熱体を放熱体から熱伝導的に離間させ、発熱量が増大したとき、蓄熱体を放熱体に熱伝導的に接続する。【選択図】        図１
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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、その温度が所定の温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に熱伝導的に接続し、所定温度以下で蓄熱体を放熱体から熱伝導的に遮断する熱伝導開閉手段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、前記熱伝導開閉手段として、加熱によって変形する熱変形板により構成した手段を用いることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１記載の冷却装置において、前記熱伝導開閉手段として、放熱体に熱的に結合され、加熱により熱膨張を起こす材料で形成された棒状部材と、この棒状部材が低温状態で僅かな隙間をもって挿入可能な大きさの蓄熱体に設けられた嵌合穴とにより構成した手段を用いることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載の冷却装置において、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ことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、電動ファンを用いて冷却体に強制的に冷却風を当て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なえばよいので、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９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。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１４８６１８号公報（第２〜３頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、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、その温度が所定の温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に熱伝導的に接続し、所定温度以下で蓄熱体を放熱体から熱伝導的に遮断する熱伝導開閉手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明において、前記熱伝導開閉手段として、加熱によって変形する形状記憶合金またはバイメタル等からなる熱変形板により構成した手段を用いることができる。
【００１４】
また、前記熱伝導開閉手段として、放熱体に熱的に結合され、加熱により熱膨張を起こす材料で形成された棒状部材と、この棒状部材が低温状態で僅かな隙間をもって挿入可能な大きさの蓄熱体に設けられた嵌合穴とにより構成した手段を用いることもできる。
【００１５】
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。
【００１６】
この発明において、発熱体の熱が放熱体を介して放熱される際、発熱体の発熱量が放熱体で放熱容量の範囲にある間は、放熱体の温度は所定の温度以下に保たれているが、発熱量がこれより増加すると、放熱体の温度が上昇し、所定の温度を越えるようになる。そして、熱伝導開閉手段は、放熱体の温度が所定温度以下においては、蓄熱体を放熱体から離間させて熱伝導的に接続を遮断し、所定温度以上においては、蓄熱体を放熱体に接触させて熱伝導的に接続するので、発熱体の発熱量が放熱体の放熱容量より小さい範囲にある間は、放熱体の温度が所定温度以下に保たれるため、蓄熱体が放熱体から離間され、蓄熱は行なわれないが、発熱体の発熱量が増大して放熱体の放熱容量を越えると放熱体の温度が上昇して所定温度を超えるため、蓄熱体が放熱体に熱伝導的に接続され、発熱体の発生熱の一部が放熱体を介して蓄熱体に伝導されこれに蓄熱されるようになる。したがって、この発明によれば、発熱体の発熱量が放熱体の放熱容量をを超えるときのみ蓄熱体が有効に作用して発熱体を冷却しその温度上昇を抑える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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。
【００１８】
図１および図２には、この発明の第１の実施例を示すものである。これらの図において、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、その温度によって変形する、例えば形状記憶金属や、バイメタル等によって形成された熱変形板である。
【００１９】
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、熱変形板４０を介して放熱体１０に機械的に結合される。
【００２０】
このように構成されたこの発明の実施例による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。
【００２１】
熱変形板４０は、温度の低いときは図１に示すようにへ字型に屈曲した形状を示しているが、放熱体１０の温度上昇とともに矢印方向へ変形する。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、熱変形板４０が変形し、蓄熱体２０を矢印方向へ移動させ、図２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、熱変形板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から離間され熱伝導的に遮断し、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に熱伝導的に接続するようにしているので、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、大きな冷却能力を必要とする発熱体３０の発熱量が大きくなったときにだけ放熱体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補助することができる。
【００２５】
図３ないし図８にこの発明の第２の実施例を示す。
【００２６】
これらの図において、１０、２０および３０は、前記第１の実施例の場合と同じく、それぞれ放熱体、蓄熱体および発熱体である。この実施例においては、放熱体１０と蓄熱体２０との熱伝導的接続の開閉手段として、放熱体１０の側面に断面円形の棒状部材１２を一体的に形成し（図５、図６参照）、蓄熱体２０側に、この棒状部材１２の挿入される断面円形の嵌合穴２１を設け（図７、図８参照）、図３に示すように放熱体１０の棒状部材１２を蓄熱体２０の嵌合穴２１に挿入して互いを結合する。
【００２７】
このとき、棒状部材の直径Ｄ１と嵌合穴の内径Ｄ２とは、次のようにな関係になるようにする。
【００２８】
すなわち、発熱体放熱体１０の温度が低い状態、すなわち棒状部材の熱膨張が小さい状態のとき、図４に示すように、棒状部材直径Ｄ１を嵌合穴の直径Ｄ２より僅かに小さくなるように選び、棒状部材１２を嵌合穴２１に挿入して嵌め込んだとき両者間に僅かな隙間ｇが生じるようにするのである。
【００２９】
このようにすると、発熱体３０の発熱量が小さい間は、発生された熱が放熱体１０によって十分放熱されるため放熱体１０の温度は所定の温度より低い値に保たれているので、棒状部材１２の温度も低く、熱膨張も小さいため、棒状部材１２の嵌合された蓄熱体２０の嵌合穴２１の内周面との間に隙間ｇが生じており、放熱体１０と蓄熱体２０との間の熱伝導的接続が遮断される。したがってこの状態では発熱体３０で発生された熱の放熱は放熱体１０のみによって行なわれる。
【００３０】
ところが、発熱体３０の発熱量が増大すると、放熱体１０の放熱能力は規定されているので、放熱体１０の温度が次第に上昇し、棒状部材１２の温度も上昇する。放熱体１０の温度が所定の温度以上になると放熱体１０の棒状部材１２が熱膨張によりその外径が嵌合穴２１の内周面に接触するまで拡大し、両者間の隙間ｇがなくなり、放熱体１０と蓄熱体２０とが熱伝導的に接続されるようになるため、放熱体１０を介して発熱体３０の発生する熱の一部が蓄熱体２０へ伝導されこれに吸収蓄熱される。したがって放熱体１０の温度はそれ以上上昇せず、発熱体３０の温度上昇も抑制される。
【００３１】
発熱体３０の発熱量が減少すると発熱体３０から放熱体２０への伝導熱量が減少し、その分が蓄熱体２０からその分の蓄積熱が放熱体１０へ伝導されここから大気へ放熱される。蓄熱体２０の蓄積熱量が減少すると放熱体１０の温度が次第に低下し、所定の温度より低くなると棒状部材１２の膨張が収縮し、再び嵌合穴２１内に隙間ｇができ、蓄熱体２０と放熱体１０との熱伝導路が開かれ、放熱体１０から蓄熱体２０への熱伝導が遮断され、元の状態に戻る。
【００３２】
第１および第２実施例のいずれの冷却装置においても、発熱体の発生熱量が蓄熱体２０の蓄熱容量を越えると、蓄熱体２０の蓄熱能力が消失するので、発熱体１０および放熱体の温度がさらに上昇する危険があるが、発熱体１０が、無停電電源装置の電力変換器を構成する電子機器のように発熱量を増大する期間が限定されるものの場合は、この発熱量増大期間に合わせて蓄熱体２０の蓄熱容量を選定するようにすれば、このような危険はなくなる。蓄熱体２０の蓄熱材に相変化時に大きな潜熱を必要とする相変化物質を用いるようにすると、小容量の蓄熱材でより多くの蓄熱が可能となるため、蓄熱体２０の容積を小さくすることができる。
【００３３】
そして、前記の熱伝導的接続の開閉手段における動作温度すなわち、蓄熱体と放熱体との熱伝導的接続を開閉する温度を、発熱体の最高許容温度付近の温度に選んでおくと発熱体の温度は最高許容温度以下に抑えらるで、発熱体が過熱により焼損することがなくなる。
【００３４】
【発明の効果】
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、その温度が所定の温度以上で前記蓄熱体を前記放熱体に熱伝導的に接続し、所定温度以下で蓄熱体を放熱体から熱伝導的に遮断する熱伝導開閉手段とを備える構成としたので、発熱体の発熱量が大きい間は、発熱量の一部を蓄熱器へ移動させることができ、放熱器の温度上昇を抑制することができるため、放熱体の放熱効率が向上し放熱体を小形化することが可能となる。また蓄熱体は、発熱体の発熱量が増大したときだけ放熱体に熱伝導的に接続されるので、放熱体は、発熱体の発熱量が小さいときの放熱設計で最適化でき、放熱器および装置の小形化と低価格化を達成できる。
【００３５】
さらに、発熱体の発熱量が小さいときの発熱体の温度差が小さくなり、発熱体となる半導体素子等を長寿命化できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による冷却装置の低発熱状態を示す正面図。
【図２】この発明の第１の実施例による冷却装置の高発熱状態を示す正面図。
【図３】この発明の第２の実施例の冷却装置を示す正面図。
【図４】この発明の第２の実施例の冷却装置を示す側面図。
【図５】この発明の第２の実施例の冷却装置における放熱体の正面図。
【図６】この発明の第２の実施例の冷却装置における放熱体の側面図。
【図７】この発明の第２の実施例の冷却装置における蓄熱体の正面図。
【図８】この発明の第２の実施例の冷却装置における蓄熱体の側面図。
【図９】従来の冷却装置を示す正面断面図。
【符号の説明】
１０：放熱体、１１：放熱フィン、１２：棒状部材、２０：蓄熱体、２１：嵌合穴、３０：発熱体、４０：熱変形板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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