(57)【要約】【課題】  電子回路部品間の温度差（ばらつき）を極力少なくすると同時に発熱体の熱を効果的に放熱できる熱伝達装置を得る。【解決手段】  発熱体２、放熱体３、および両者の間隙に、両者に密着して設置され、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料からなる熱伝達手段７を備える。熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料が、異種の材料からなる。熱伝達手段が扁平楕円形又は円筒状で、その一部が切り離されて間隙を有し、この間隙が発熱体あるいは放熱体の接触面のほぼ中央に位置して密着される。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体、放熱体、および両者の間隙に、両者に密着して設置され、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料からなる熱伝達手段を備えた熱伝達装置。
【請求項２】
熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料が、異種の材料からなる請求項１記載の熱伝達装置。
【請求項３】
熱伝導性材料とバネ性材料とからなり、熱伝導性材料が発熱体と放熱体に密着して設置されていることを特徴とする請求項２記載の熱伝達装置。
【請求項４】
熱伝達手段が扁平楕円形又は円筒状で、その一部が切り離されて間隙を有し、この間隙が発熱体あるいは放熱体の接触面のほぼ中央に位置して密着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱伝達装置。
【請求項５】
熱伝導性材料が発熱体あるいは放熱体のどちらかに接合されていることを特徴とする請求項３記載の熱伝達装置
【請求項６】
一つの発熱体と放熱体の間隙に、複数個の熱伝達手段が密着して設置されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱伝達装置。
【請求項７】
熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料で構成された熱伝達手段の各材料が温度上昇によって膨張することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱伝達装置。
【請求項８】
熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料で構成された熱伝達手段のバネ性材料でできた部品が熱伝導性材料できた部品に比して、その熱膨張率が大きいことを特徴とする請求項７記載の熱伝達装置。
【請求項９】
熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料で構成された熱伝達手段の、発熱体と放熱体に接触する面に、熱伝導性介在物を接合したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発熱体と放熱体の間に設置した熱伝導性のよい熱伝達装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１５は、従来の熱伝達装置である冷却装置の構成を示す断面図である。図１５において、１は配線板（電子回路基板ともいう）、２は配線板上に装着および配線接合されたＩＣなどの電子回路部品である。３は水冷あるいは空冷される放熱体である。４は伝熱マットであり、５ａ、５ｂは伝熱マット膜で、変形自在な材料で構成されている。６は熱媒体であり、例えば水などの液体が封入されている。伝熱マット４は、電子回路部品群２と放熱体３の間隙に設置されており、その自在に変形することから、凸凹のある電子回路部品群２と放熱体３に密着する。電子回路部品群２で発生した熱は、伝熱マット４の伝熱マット膜５ａに熱伝導で伝わり、次に熱媒体６中に対流熱伝達で伝わる。そして低温の放熱体６側の伝熱マット膜５ｂに対流熱伝達で伝わり、伝熱マット膜５ｂを経て、放熱体３に放熱される。伝熱マット４は、自在に変形できることから、凸凹のある電子回路部品群２と放熱体３との接触性をよくでき、いわゆる接触熱抵抗を軽減できる特徴を有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】実公昭６２−１０６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の熱伝達装置である伝熱マットにおいては、伝熱マット膜５ａ、５ｂが破損すると、熱媒体６が漏洩するという欠点があった。また、発熱する電子回路部品群２から放熱体３への熱の移動が、熱媒体６の対流熱伝達で行われるため、半導体技術の進展に伴い増大する発熱量を有する電子回路部品の冷却に十分対応できないという欠点があった。
このような欠点を解決する方法として、例えば、図１６に示すように、市販されている熱伝導性のシート状のラバー５１を電子回路部品群２と放熱体３の間に用いることが考えられる。しかしながら、このようなシート状のラバー５１では、図１６に示すような、凸凹のある複数の電子回路部品２の場合、シート状のラバー５１を介在させても、なお放熱体３とシート状のラバー５１の間に空隙５２が存在する。なお、電子回路部品群２の凸凹は、最大で５００μｍ程度が想定される。また、対象とする電子装置としては、おおよそ２００〜３００ｍｍ角の配線板上に、１０〜２０個程度のＬＳＩなどの電子回路部品が設置されたものを想定している。このため、図１７に示すように、電子回路部品群２と放熱体３の間の据付熱抵抗が電子回路部品間でおおいにばらつくことになる。ここで、据付熱抵抗R［K／W］とは、電子回路部品1個の発熱量をＱ［W］、電子回路部品の表面温度をTj（℃）、放熱体３の表面温度をTh（℃）とすると、次式で定義される値である。
R=（Tj−Th）／Q                                (1)
据付熱抵抗Rがばらつくと言うことは、電子回路部品の発熱量Qと放熱体３の表面温度Thがどの部品も同じとすると、電子回路部品の表面温度Tj、すなわち、電子回路部品の中心部温度がばらつくことを意味する。一般的に、電子回路部品はその温度上昇によって、故障率が異なり、温度上昇が大きい部品ほど動作が不安定になると同時に壊れ易くなる。従って、温度上昇が異なる複数の電子回路部品からなる配線板１では、その動作が不安定になると同時に、配線板１としての故障率も増大することになる。  
【０００５】
この発明は、上記のような従来のものの欠点を解決するためになされたもので、発熱体と放熱体の間の間隙に、両者に密着されて設置され、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料からなり、電子回路部品間の温度差（ばらつき）を極力少なくすると同時に発熱体の熱を効果的に放熱できる熱伝達装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る熱伝達装置は、発熱体、放熱体、および両者の間隙に、両者に密着して設置され、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料からなる熱伝達手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は以上説明したとおり、発熱体と放熱体との間隙に、熱伝導性とバネ性を有する熱伝達手段を密着させて置くことにより、熱輸送能力を増大させ、また、電子回路部品間の温度差（ばらつき）を抑えることにより発熱体の熱を効果的に放熱できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１及び図２はこの発明を実施するための実施の形態１における熱伝達装置及び熱伝達手段を示すものである。図１において、１は配線板（電子回路基板ともいう）、２は配線板１上に装着および配線接合されたＩＣなどの電子回路部品である。３は水冷あるいは空冷される放熱体である。７はこの発明になる熱伝達手段であり、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料、例えばリン青銅、ステンレス板などからなる。この熱伝達手段７は、発熱体である電子回路部品群２と放熱体３の間に密着されて設置されている場合は、図１のように変形し、それ自身が持つバネ特性により、発熱体である電子回路部品群２と放熱体３の対抗面に強力にその圧接力で密着させている。そして、熱伝達手段７単独では、例えば、図２のように円筒状となっている。図１のように、熱伝達手段７が電子回路部品群２と放熱体３の間に密着された状態では、発熱体である電子回路部品群２からの熱は、熱伝達手段７に伝わり、放熱体３に至る極めて単純な熱移動形式となっている。また、図１５に示した従来例のような熱媒体６の漏れなどの心配もない。また、この発明になる熱伝達手段７では、それ自身が持つバネ性ゆえに、最大で５００μｍ程度の凸凹がある電子回路部品群２にも自在に変形して追従することができる。なお、回路部品の配線板への実装では、おおよそ最大５００μｍ程度の凸凹が想定されるが、この発明になる熱伝達装置では、それ以上の凸凹にも追従できる。また、対象とする電子装置としては、おおよそ２００〜３００ｍｍ角の配線板上に、１０〜２０個程度のＬＳＩなどの電子回路部品が設置されたものを想定している。なお、パソコンなど、大きい発熱量を有するＣＰＵなどの冷却にもこの発明になる熱伝達装置が使用できることはいうまでもない。
【０００９】
実施の形態２．
図３及び図４はこの発明の実施の形態２における熱伝達手段及び熱伝達装置を示すものである。熱伝達手段７を別の形状、すなわち、扁平楕円形状に構成されたものである。この扁平楕円形状は、バネ特性を確保するためと、破損の危険性を回避するために、両端部を鋭角とせずに円弧状７ａとし、かつ上面中央部を切り離して間隙８を形成している。この間隙８は熱伝達手段７を板状の材料で作成する場合にできるものである。また間隙８は発熱体２と放熱体３の間隙に密着して設置された状態では、図４のように変形してほぼ閉じられることになる。また、熱伝達手段７自身のバネ特性で、発熱体２と放熱体３の両者を強力に圧接する。なお、図２に示した円筒状の熱伝達手段７において、その途中が図３に示すように切り離して間隙８を形成していても良い。ただし、図４に示したように、間隙８は必ず、発熱体２あるいは放熱体３の接触面のほぼ中央部に位置する必要がある。例えば、図５のように間隙８が一方の側面に位置すると、発熱体２で発生した熱は、熱移動が一方の側面では間隙８で遮断され、他方の側面のみしか熱移動ができない。
現在、入手できる、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料として、前述したうように、例えば、リン青銅、ステンレスなどが考えられる。一般に、このような材料は温度上昇とともに膨張するため、図２、又は図３に示した形状の熱伝達手段７では、発熱体２および放熱体３との圧接力が増大するという利点がある。
ところで、熱伝導性とバネ性を兼ね備えた材料の熱伝導率は、リン青銅が８４（W／m・K）、ステンレスが１６（W／m・K）で、熱伝導性に優れた銅の３９８（W/m・K）に比べて、極めて小さい。
【００１０】
実施の形態３．
図６及び図７はこの発明の実施の形態３における熱伝達手段を示すものである。熱伝導性材料からなる部品９とバネ性材料からなる部品１０の異種材料から熱伝達手段７が構成されている。また、熱伝導性材料からなる部品９は、図１又は図４のように、発熱体２と放熱体３の間隙に密着して設置される場合は、図６又は図７のように外周側に位置するように構成される。これにより、図８に示すように、発熱体２と放熱体３に熱的に強固にバネ性材料からなる部品１０によって内部から圧接され、密着されることになる。この実施の形態３においては、熱伝導性材料からなる部品９として銅板を用い、バネ性材料からなる部品１０としてステンレス板を用い、いずれの部品も厚さ０．１ｍｍのものとする。銅板が熱を主に伝えることから、銅板の厚みは厚いほど据付熱抵抗は低減できる。ただし、あまり厚いと弾力性がなくなるため、その厚さには限界がある。この発明が対象とする電子回路部品の冷却では１ｍｍ以下となる。また、ステンレス板のバネ性も、板の厚さＴと長さＬに影響される。板厚をＴ、長さをＬとすると、バネ性は、L３／T3に比例して大きくなる。本実験結果によれば、L３／T3＝２７×１０６である。
図７の実施の形態３では、熱伝導性材料からなる部品９とバネ性材料からなる部品１０とは、一体化される必要はない。そのため、分離・分解が可能となり、再利用などリサイクル性が優れたものとすることができる。
【００１１】
実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４における熱伝達装置を示すものである。一つの発熱体２と放熱体３の間隙に複数個の熱伝達手段７が密着されて設置されている。熱伝導性材料からなる部品９を通して熱が伝わる流路が多くなるので、熱輸送能力が一段と増大する。
【００１２】
実施の形態５．
図１０及び図１１はこの発明の実施の形態５における熱伝達装置及び熱伝達手段を示すものである。この実施の形態５における熱伝達手段７は、図１１に示すように、単一材料からなる円弧状の熱伝達手段又は異種の複合材料からなる円弧状の熱伝達手段である。この円弧状の熱伝達手段７を図１０に示すように、多数の熱伝達手段７が発熱体２と放熱体３の間隙に設置できることから、熱輸送能力が一段と増大する。
なお、上述した異種材料で構成される熱伝達手段７において、発熱体２から熱伝達される熱によって熱伝達手段７が温度上昇すると、熱伝達手段７が熱膨張し、熱伝達手段７と発熱体２および放熱体３のその密着性が更に良くなる。特に、バネ性材料１０の熱膨張率が熱伝導性材料９のそれに比して大きい場合には、熱伝導性材料９の発熱体２と放熱体３への圧接力が増大し、接触熱抵抗が低くできるという利点がある。
上述した例では、熱伝達手段７が単独で存在する場合について述べたが、発熱体２あるいは放熱体３に直接接合されていてもよい。接合されていると、熱伝達手段７と発熱体２あるいは放熱体３との接触熱低下の低減がはかれると同時に、熱伝達手段の実装（着脱など）が容易になるという利点がある。
【００１３】
実施の形態６．
図１２及び図１３はこの発明の実施の形態６における熱伝達手段を示すものである。この  実施の形態６における熱伝達手段７は、発熱体、及び放熱体に密着する面側に、その密着性を良くするために、柔らかくて薄い熱伝導性介在物１１が接合されている。この熱伝導性介在物１１としては、例えば、熱伝導性のよいアルミナ粉末などのフィラーが混入された高分子材料などが適している。熱伝導性介在物１１の厚みは、その熱抵抗が無視できる程度に薄いことが望ましい。
【実施例】
【００１４】
図１４は、この発明の実施の形態３になる熱伝達手段７と、市販の熱伝導性シート状ラバー５１と、電子回路部品と放熱体の間に何も介在しない（空気）の場合の据付熱抵抗Ｒの実験結果の一例を示したものである。この実験例では、２５０ｍｍ角の配線板上に電子回路部品２が１６個のＬＳＩ（ＬＳＩ１１〜ＬＳＩ４４、１個のＬＳＩの放熱体への接触面積は３０×３０ｍｍ）が装着された場合であり、水で冷却された放熱体３を用いた実験が行われた場合の結果である。この発明になる熱伝達手段７では、そのバネ性と熱伝導性により、電子回路部品２の凸凹に追随して、据付熱抵抗Ｒのばらつきが小さくなっているのがわかる。また、据付熱抵抗の値自体も小さくなっている。この実験例では、最小の据付熱抵抗は２［Ｋ／Ｗ］となっている。これは電子回路部品と放熱体とに空隙ができたためである。この空隙はおおよそ
Ｒ＝Ｇ／（ｋ・Ａ）
より計算すると、４７μｍに相当する。最大値は８．６［Ｋ／Ｗ］で、これは２００μｍに相当する。ここで、Ｇは平均的な空隙距離、ｋは空気の熱伝導率、Ａは回路部品の見かけの接触面積である。
空気のデータで、２．０［Ｋ／Ｗ］という最小値を示している。１６個の回路部品に放熱体を設置すると、どれか１個は接触が最もよくなる。他は何らかの空隙を持つことになる。最も接触のよいのが、２．０［Ｋ／Ｗ］である。この発明の実施の形態３では、回路部品と放熱体の熱の伝導路は、両端の円弧状部７ａから上方に向かう図３の矢印２個所のみである。このため、図９に示すように、複数個の熱伝達手段を用いると、熱の伝導路が増加し、据付熱抵抗が減少することになる。最終的には、空気のデータで最小値を示す２．０［Ｋ／Ｗ］に全ての回路部品が到達することになる。更に、回路部品、放熱体、熱伝達手段の各接触面に、熱伝導性のグリースなどを薄く塗布し、空隙を無くす工夫をすることで、据付熱抵抗の軽減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１における熱伝達装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における熱伝達手段の斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２における熱伝達手段を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態２における熱伝達装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２における熱伝達装置の欠点を説明するための断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３における熱伝達手段の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３における熱伝達手段の断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３における熱伝達装置を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４における熱伝達装置を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態５における熱伝達装置を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態５における熱伝達手段の斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態６における熱伝達手段の断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態６における熱伝達手段の断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態３になる熱伝達手段と市販の熱伝導性シートラバーの据付熱抵抗を比較した実験例である。
【図１５】従来の熱伝達装置を示す断面図である。
【図１６】従来の熱伝導性シートラバーを用いた熱伝達装置を示す断面図である。
【図１７】従来の熱伝導性シートラバーを用いた熱伝達装置の据付熱抵抗を示す特性図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  発熱体である電子回路部品
２  配線板
３  放熱体
７  熱伝達手段
７ａ  円弧状部
８  間隙
９  熱伝導性材料からなる部品
１０  バネ性材料からなる部品
１１  熱伝導性介在物
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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