(57)【要約】【課題】  冷却能力もしくは冷却効率の向上を図れる発熱部材の冷却構造を提供する。【解決手段】  発熱部材３に対向して放射冷却板４が設けられるとともに、その放射冷却板４の表面の少なくとも一部にナノカーボン層１が設けられている。このナノカーボン層１に含まれるナノカーボンは、黒体に限りなく近い物質である。そのため、ナノカーボン層１は、発熱部材３から発生した熱をほぼ完全に吸収し、効率よく放射冷却板４に伝達する。その結果、放熱量を増大させて優れた放熱性能を得ることができるので、冷却能力もしくは冷却効率を向上できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部材から発生した熱を移動させて冷却する発熱部材の冷却構造であって、
前記発熱部材に対向して放射冷却板が設けられるとともに、その放射冷却板の表面の少なくとも一部にナノカーボン層が設けられていることを特徴とする発熱部材の冷却構造。
【請求項２】
前記発熱部材が筐体の内部に配置されるとともに、前記放射冷却板が前記筐体と一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱部材の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発熱部材から発生した熱を移動させて冷却する発熱部材の冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パソコン（ディスクトップ型やラップトップ型のパソコン）に搭載されているＣＰＵやＭＰＵなどの電子部品によるデータの処理速度の高速化やデータの記憶容量の大容量化に伴い、電子部品の発熱量が多くなってきており、このような電子部品などの発熱部材の熱を効率よく大気中に放散して冷却することが強く求められている。
【０００３】
この発熱部材の冷却には、例えばアルミニウム合金板などの金属薄板により構成された伝熱部材の表面に台座部を設け、この台座部に発熱部材を熱授受可能に接触させ、その接触面の反対側に設けた多数のフィンを有するヒートシンクにより、空気の自然対流を発生させて発熱部材を冷却する構造の冷却器や、その伝熱部材に送風ファンを取り付けて、その送風ファンを駆動することにより強制対流を発生させて発熱部材を冷却する構造の冷却装置などが利用されている。
【０００４】
上記のような冷却装置の冷却効率を更に向上させる一例として、ヒートパイプにフィンを設けて、前記フィンの設けられている部分をファンの吹出口に沿うように配置した構造の冷却装置がある。このような構造の冷却装置であれば、前記フィンによって放熱面積を増加することができるので、冷却効率を更に向上させることができる。このような冷却装置の一例が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２２１６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記冷却器や冷却装置における冷却構造では、空気に対して直接放熱するフィンが、パソコンケース（筐体）内に収納され、かつ発熱部材と離れた箇所にヒートパイプを介して取り付けられているので部品点数も多く、部品の収納スペースが大きくなる。また冷却装置では、送風ファンを備えているので送風ファンの駆動によりアコースティックノイズが発生する原因となり、またその送風ファンを駆動する場合には別途モータの消費電力が嵩む。すなわち、部品の収納スペースを小さくしたり、発熱部材を効率よく冷却することができなかった。
【０００６】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、冷却能力もしくは冷却効率の向上を図れる発熱部材の冷却構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、発熱部材から発生した熱を移動させて冷却する発熱部材の冷却構造であって、前記発熱部材に対向して放射冷却板が設けられるとともに、その放射冷却板の表面の少なくとも一部にナノカーボン層が設けられていることを特徴とする発熱部材の冷却構造である。
【０００８】
また、請求項２の発明は、請求項１における前記発熱部材が筐体の内部に配置されるとともに、前記放射冷却板が前記筐体と一体に形成されていることを特徴とする発熱部材の冷却構造である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、放射冷却板の表面の少なくとも一部にナノカーボン層が設けられている。このナノカーボンは、黒体に限りなく近い物質である。そのため、ナノカーボン層は、発熱部材から発生した熱をほぼ完全に吸収し、効率よく放射冷却板に伝達するので、放熱量を増大させて優れた放熱性能を得ることができる。
【００１０】
また、請求項２の発明によれば、前記放射冷却板と筐体とが一体に形成されているので、放熱量が増大し放熱性能に優れている。そのため、十分な放射冷却効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明によるナノカーボン層（ナノカーボンを含む膜）は、放射冷却板の表面の少なくとも一部に設けられている。より具体的には、図１に示すように、ナノカーボン層１は、筐体２の内壁面（上部壁面）２Ａ側で、筐体２の内部に配置された電子部品などの発熱部材３に対向するように設けられている。また、放射冷却板４は接着剤５を介して筐体２の内壁面（上部壁面）２Ａに熱授受可能に接合されており、発熱部材３は基板６上に配置されている。例えば、ナノカーボンを含む溶液は、液状のまま放射冷却板の表面に塗布されると、その中の液体が蒸発し、所定の時間経過した後に固化し、表面張力（もしくは表面エネルギー）によってその表面に密着し、ナノカーボン層となる。すなわち本実施例では、ナノカーボン層１が発熱部材３から放出（放射）された熱（遠赤外線）を吸収することになるので、その熱が放射冷却板４、接着剤５を経由して筐体２に伝達される。
【００１２】
上記放射冷却板４は、熱伝導性の良好な軟質プレートで構成されており、任意に表面形状を変えることができるので、ナノカーボン層１が設けられた（コーティング）面を自由に変えることができる。また、このナノカーボン層１が設けられた放射冷却板４を用いることにより、単純な冷却構造を実現することができる。すなわち、従来のような多数のフィンを有するヒートシンク、ヒートパイプ、送風ファン等が要らなくなるので、部品点数が少なくなり、部品の収納スペースを削減できる。
【００１３】
次に、この発明における放射冷却板に設けられたナノカーボン層の作用（吸熱作用）について説明する。図１では、まず発熱部材３から発生した熱は筐体２の内部に放出される。その放出された熱は、筐体２の内壁面２Ａ側の放射冷却板４およびナノカーボン層１によって吸収される。放射冷却板４およびナノカーボン層１に吸収された熱は、放射冷却板４から接着剤５を経由して筐体２の内壁面２Ａに伝達されて筐体２の外部に放出される。このナノカーボン層１は、後述するように吸熱作用があるので、筐体２の内部の熱をほぼ完全に吸収し、効率よく熱を伝達することができる。またこのナノカーボン層１は、放射冷却板４に設けられているので、放熱量を増大させて優れた放射性能を得ることができる。
【００１４】
ところで、発熱面上の放射冷却板の熱放射による放熱量は、いわゆるステファン・ボルツマンの放射の法則によって導き出される。すなわち、比例定数をｋとし、発熱部材のケルビン温度（絶対温度）をＴ１とし、受熱部材（放射冷却板、筐体等）のケルビン温度をＴ２とした場合、放熱量Ｑは、発熱部材のケルビン温度Ｔ１の４乗と受熱部材のケルビン温度Ｔ２の４乗との差に比例して、放熱量Ｑ＝ｋ×（Ｔ１4−Ｔ２4）＝（Ｔ１4−Ｔ２4）÷（１／ｋ）で表される。なお、比例定数ｋは、ステファン・ボルツマン定数、それら各部材同士間の射出率（放射率、輻射率）、放熱面（発熱面）上のナノカーボン層もしくは受熱面上のナノカーボン層のいずれか一方の表面積、放熱面上のナノカーボン層と受熱面上のナノカーボン層との幾何学的な位置関係のみで決まる形角係数等を含む。ここで、放熱量Ｑを増大させるためには、発熱部材のケルビン温度Ｔ１と受熱部材のケルビン温度Ｔ２との間の温度差（温度の高低差）をより大きくすればよい。
【００１５】
この発明におけるナノカーボンは、ダイヤモンド以上の熱伝導率をもち、黒体に限りなく近い物質であることが知られている。この場合、ステファン・ボルツマン定数を５．６７×１０-8Ｗ・ｍ-2・Ｋ-4とすることができる。したがって、ナノカーボン層の放熱量は、いわゆるステファン・ボルツマンの放射の法則により表された放熱量（Ｑ＝５．６７×１０-8×（Ｔ１4−Ｔ２4）＝（Ｔ１4−Ｔ２4）÷（１／５．６７×１０-8））に近い値になる。すなわち、上記放射冷却板は、ナノカーボン層が設けられた部分が黒体に限りなく近い物質を含んだものとなるので、その部分によって熱（遠赤外線）がほぼ完全に吸収され、熱伝達効率が良好となる。そのため、上記実施例では、このようなナノカーボン層の吸熱作用によって発熱部材と受熱部材との間の温度差が大きくなるので、放熱量を増大させることができる。
【００１６】
ここで、本発明者らは、筐体（室）の一つの外側面（外壁面）に、該外側面と同じ領域（横幅×奥行き）に亘って、ナノカーボン層が設けられた放射冷却板の表面を接着剤などを介して接合することにより、筐体と放射冷却板との接合面を受熱面とし、一方所定の電力（Ｗ）を印加することによって発熱する発熱部材（熱電対やヒーターなど）に、該発熱部材の一つの外側面に、該面と同じ領域（横×縦）に亘って、ナノカーボン層が設けられた放射冷却板を接着剤などを介して接合するか、もしくは直接発熱部材の一つの外側面に、全体に亘ってナノカーボン層が設けられることにより、発熱部材と放射冷却板との接合面、もしくは放射冷却板のコーティング面を放熱面とし、発熱部材の印加電力を一定とした場合に、筐体内部の基底温度（室内温度）ＲＴ（Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐ）（℃）、放熱面の温度Ｔ１（℃）、受熱面の温度Ｔ２（℃）等を計測する実験を行った。なお、筐体の形状は、横幅が１００ｍｍ、奥行きが１００ｍｍ、高さが５０ｍｍの直方体であり、また発熱部材の形状は、横（横幅）が４０ｍｍ、縦（奥行き）が４０ｍｍ、高さが３０ｍｍの直方体である。
【００１７】
図３では、上記発熱部材もしくは筐体に、ナノカーボン層が設けられた場合およびナノカーボン層が設けられていない場合における各温度Ｔ１，Ｔ２の変化状態（生データ）を示しており、図４では、各温度Ｔ１，Ｔ２から前記基底温度ＲＴ（℃）をそれぞれ引くことによって算出された各温度差（Ｔ１−ＲＴ），（Ｔ２−ＲＴ）、および温度Ｔ１からＴ２を引いて電力Ｐ（Ｐｏｗｅｒ）で割ることによって算出された各熱抵抗値Ｒｔｈ（＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｐ）（℃／Ｗ）の変化状態（加工データ）を示している。なお、この実験では発熱部材もしくは筐体にナノカーボン層が設けられた部材（サンプル）を２つ用意しており、それぞれ「タイプＡ（Ｔｙｐｅ−Ａ）」、「タイプＢ（Ｔｙｐｅ−Ｂ）」とし、また発熱部材もしくは筐体にナノカーボン層が設けられていない部材を「ノーコーティング」として、図３，４に示してある。
【００１８】
この実験の結果、「タイプＡ」および「タイプＢ」は、「ノーコーティング」の冷却性能を超える性能をもつことが確認された。図３では、「タイプＡ」および「タイプＢ」における各温度Ｔ１が「ノーコーティング」における温度Ｔ１よりも減少し、「タイプＡ」および「タイプＢ」における各温度Ｔ２が「ノーコーティング」における温度Ｔ２よりも増加している。図４では、「タイプＡ」および「タイプＢ」の各熱抵抗値Ｒｔｈが「ノーコーティング」の熱抵抗値Ｒｔｈよりも小さくなっており、この熱抵抗値Ｒｔｈの減少は、上記ナノカーボン層の吸熱作用に起因するものと考えられる。このことは、「ノーコーティング」における熱抵抗値Ｒｔｈが１１．６４（℃／Ｗ）となり、「タイプＡ」および「タイプＢ」における熱抵抗値Ｒｔｈが１０．４４〜１０．４５（℃／Ｗ）となっていることから明らかである。すなわち、「タイプＡ」および「タイプＢ」では、上述したナノカーボン層の吸熱作用により「タイプＡ」および「タイプＢ」の各熱抵抗値Ｒｔｈが「ノーコーティング」の熱抵抗値Ｒｔｈよりも小さくなるので、放熱量を増大させて優れた放熱特性を得ることができる。
【００１９】
次に、この発明の他の実施例を示す。図２は、筐体２と一体となって形成された放射冷却板（放射冷却部）４Ａを示す図である。この放射冷却板４Ａの内面（受熱面）および外面（放熱面）の各部分にはナノカーボン層１が設けられている。したがって、ナノカーボン層１は放射冷却板４Ａの両面に均一に接触し熱授受可能となる。また図２では、放射冷却板４Ａと筐体２とが一体に形成されているので、筐体２の内部に放出された熱は、放射冷却板４Ａおよびナノカーボン層１によって吸収され、放射冷却板４Ａの外面（筐体２の外壁面）２Ｂに伝達され、その外面２Ｂに設けられたナノカーボン層１によって再び吸収され、筐体２の外部に放出される。このナノカーボン層１は、上記吸熱作用により筐体２の熱をほぼ完全に吸収するので、放熱量を増大させて優れた放熱性能を得ることができる。またこのナノカーボン層１は、放射冷却板４Ａの外面２Ｂに設けられているので、放熱量を増大させて優れた放熱特性を得ることができる。その結果、冷却能力もしくは冷却効率を向上できる。
【００２０】
この発明は上記冷却構造に限定されるものではなく、放射冷却板と発熱部材とを熱授受可能に接合もしくは一体化した構造であってもよく、この構造の放射冷却板もしくは発熱部材にナノカーボン層が設けられた構造であってもよい。また、この発明は上記ナノカーボン層の実施例に限定されるものではなく、ナノチューブ（カーボンナノチューブ）を構成するもの、例えば単層ナノチューブの懸濁液から沈殿する方法によって設けられたナノチューブマットであってもよく、薄い紙状に形成されたものであってもよい。このナノチューブは熱伝導性繊維に付与してシート状に設けられていてもよい。
【００２１】
さらに、この発明は上記放射冷却板の実施例に限定されるものではなく、アルミ、銅等によって構成されたプレートやシート（網状シート）等であってもよく、ナノカーボン層を補強することが可能な硬質部材であってもよく、熱に応じて形状（大きさ）を任意に変えることが可能な部材、例えば形状記憶合金などで構成されたプレートやシートであってもよい。そして、この発明における冷却構造は、上記パソコンだけでなく、常温付近において、発熱部材のケルビン温度と受熱部材のケルビン温度との温度差がとれるもの、例えば燃料電池、コンビネーション、ガスタービン等にも適用されていてもよい。
【００２２】
また、一般的に放射冷却による伝熱性能は従来の冷却装置もしくは冷却器の冷却による伝熱性能より低いとされていることから、この発明における冷却構造は、僅かな冷却効果（低い冷却性能）しか得られないものとして製品化を考慮した場合には、補助的な冷却を行うもの（従来の冷却装置もしくは冷却器の冷却を補助するもの）として用いてもよい。さらに、ナノチューブを放射冷却板に合成させる方法として、例えばレーザーオーブン法、アーク放電法、触媒ＣＶＤ等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の冷却構造の一具体例を簡略的に示す断面図である。
【図２】図１に示す冷却構造の他の具体例を示す断面図である。
【図３】この発明の冷却構造における冷却性能についての実験で得られデータを示す図表である。
【図４】そのデータを加工したデータを示す図表である。
【符号の説明】
【００２４】
１…ナノカーボン層、  ２…筐体、  ３…発熱部材、  ４…放射冷却板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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