(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートシンクに備えられる放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンを用いた冷却装置に関するものであり、従来よりも放熱フィン間の通風性を向上させ、より冷却能力の高い冷却装置を提供する。【解決手段】電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子１１と、圧電素子１１が貼付されている振動板１２と、振動板１２の一端を固定する支持体１３とを備え、振動板１２の一端は固定端、他端は自由端であり、振動板１２の自由端側の領域は複数の分割板に分割されて形成されている圧電ファン１０と、ベース部２２と、ベース部２２の一方主面に設けられている複数の放熱フィン２１とを備えるヒートシンク２０とを有し、前記複数の分割板が前記放熱フィン２１の間にそれぞれ挿入されている冷却装置１であって、ベース部２２から放熱フィン２１の先端までの長さに対するベース部２２から振動板１２の自由端までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が貼付されている振動板と、前記振動板の一端を固定する支持体とを備え、前記振動板の一端は固定端、他端は自由端であり、前記振動板の自由端側の領域は複数の分割板に分割されて形成されている圧電ファンと、
ベース部と、前記ベース部の一方主面に設けられている複数の放熱フィンとを備えるヒートシンクとを有し、
前記複数の分割板が前記放熱フィンの間にそれぞれ挿入されている冷却装置であって、
前記ベース部から前記放熱フィンの先端までの長さに対する前記ベース部から前記振動板の自由端までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下であることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記放熱フィン間の前記ベース部の一方主面には低背の放熱フィンが設けられており、ベース部から前記低背の放熱フィンの先端までの長さは、前記ベース部から前記振動板の自由端までの長さ以下に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンクに備えられる放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンを用いた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器では、機器本体の小型化と部品の高密度化が進んだために、機器内部における発熱対策が課題となっている。例えば、パーソナルコンピュータにおいては、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）の高速化が進み発熱体であるＣＰＵの発熱量が増加し、さらに機器本体の小型化の影響により機器内部の通風性が低下してしまう環境になっている。そのため、発熱体の隣接面にヒートシンクを配置し、前記ヒートシンクに備えられる放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンを用いた冷却装置が望まれている。
【０００３】
このような冷却装置は、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されているのは、図７（Ａ）に示すように、ヒートシンク１２０に備えられているベース部１２２と複数の放熱フィン１２１の間の暖気を排出する圧電ファン１１０を用いた冷却装置１００である。
【０００４】
圧電ファン１１０は、図７（Ｂ）に示すように、圧電素子１１１と、前記圧電素子１１１が貼付されている振動板１１２とを備える。前記振動板１１２は、一端が固定部材１３０によってヒートシンク１２０に固定されて固定端１１３となり、他端が自由端１１４となる。前記振動板１１２は、曲げ部１１５で９０度に折れ曲がって形成されている。曲げ部１１５より自由端側の領域は放熱フィン１２１の間隔に合わせて熊手型に複数に分割されて形成されている。
【０００５】
前記圧電ファン１１０は、前記圧電素子１１１に形成されている電極（図示せず）と導体からなる前記振動板１１２とに駆動交流電源から電圧を印加して駆動させる。前記圧電素子１１１が伸縮を行うと、前記振動板１１２の自由端１１４がうちわ状に屈曲振動を行う。このようにして、圧電ファンによりヒートシンク１２０に設けられた放熱フィン１２１間の空気を交換することで、ヒートシンク１２０を冷却するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−６７９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような冷却装置では、放熱フィンの周囲の空気をより多く排出するために、振動板の自由端をベース部にめいっぱい近づけ、振動板の自由端とベース部との距離が短くなるような条件にしがちである。このように振動板の自由端とベース部との距離が近接して配置されている場合であっても、ある程度の冷却能力は得られている。しかし近年においては、さらなる冷却能力の高い冷却装置が要求されている。
【０００８】
そこで本発明は、ベース部から放熱フィンの先端までの長さとベース部から振動板の自由端までの長さの関係に着目してなされたものであり、放熱ベース部の周囲の通風性をより向上させ、従来よりも冷却能力の高い冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の冷却装置は、電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が貼付されている振動板と、前記振動板の一端を固定する支持体とを備え、前記振動板の一端は固定端、他端は自由端であり、前記振動板の自由端側の領域は複数の分割板に分割されて形成されている圧電ファンと、ベース部と、前記ベース部の一方主面に設けられている複数の放熱フィンとを備えるヒートシンクとを有し、前記複数の分割板が前記放熱フィンの間にそれぞれ挿入されている冷却装置であって、前記ベース部から前記放熱フィンの先端までの長さに対する前記ベース部から前記振動板の自由端までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下であることを特徴とする。
【００１０】
この場合は、ヒートシンクのベース部と振動板の自由端との間に適正な距離を設けることで、ベース部と分割板との間の通風性が向上するため、空気の入れ変えが活発になり、冷却装置の冷却能力を高くすることができる。
【００１１】
また本発明の冷却装置は、前記放熱フィン間の前記ベース部の一方主面には低背の放熱フィンが設けられており、ベース部から前記低背の放熱フィンの先端までの長さは、前記ベース部から前記振動板の自由端までの長さ以下に形成されていることが望ましい。
【００１２】
この場合は、ベース部と振動板の自由端との間に、振動板に干渉しない高さの低背の放熱フィンを更に設けることで、ヒートシンクの表面積を大きくし、冷却能力を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
ベース部と振動板の自由端との間に適正な距離を設けることで、ベース部と分割板との間の通風性が向上するため、空気の入れ変えが活発になり、冷却装置の冷却能力を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１による冷却装置の斜視図である。
【図２】実施形態１による冷却装置の正面図である。
【図３】実験例１〜７に基づく熱抵抗を示す図である。
【図４】（Ａ）は実施形態１の変形例１による冷却装置の斜視図、（Ｂ）は同冷却装置の一部である圧電ファンの斜視図である。
【図５】本発明の実施形態２による冷却装置の正面図である。
【図６】（Ａ）は実施形態２の変形例１による冷却装置の斜視図、（Ｂ）は同冷却装置の正面図である。
【図７】（Ａ）は従来の冷却装置の斜視図、（Ｂ）は従来の圧電ファンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態に係る冷却装置について説明する。
【００１６】
（実施形態１）
以下、実施形態１について、図１と図２を参照しながら説明を行う。本実施形態１の冷却装置１は図１に示すように、圧電ファン１０とヒートシンク２０とから構成されている。
【００１７】
圧電ファン１０は、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子１１と、振動板１２と、支持体１３とから構成されている。
【００１８】
圧電素子１１は、振動板１２の両主面に固着されている。振動板１２は、一方主面の一端が支持体１３に支持されている。振動板１２の支持体１３によって支持されている一端を固定端１４、他端を自由端１５とする。
【００１９】
振動板１２は、幅４６ｍｍ×長さ４６ｍｍ×厚み１００μｍの薄い板状に形成されている。振動板１２の自由端１５側の領域では、振動板１２が７枚の分割板１２ａに分割されて熊手型に形成されており、各分割板１２ａは等間隔に形成されている。各分割板１２ａの幅はそれぞれ４．５ｍｍである。振動板１２は、例えばＮｉ−Ｆｅ合金から構成されている。
【００２０】
圧電素子１１は、幅４０ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み１００μｍの板状であり、両主面に電極（図示せず）が形成されている。圧電素子１１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子１１は、振動板１２の固定端１４側の領域に固着されている。
【００２１】
支持体１３は、幅４８ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み３ｍｍの直方体形状であり、例えばガラスエポキシ樹脂から構成されている。支持体１３は、例えば両端の２箇所でねじ止めされることで電子機器（図示せず）に支持されるものである。
【００２２】
圧電ファン１０は、圧電素子１１に形成されている一方の電極（図示せず）と導体からなる振動板１２とに、駆動交流電源から電圧を印加して駆動させる。圧電素子１１が長さ方向に伸縮を行うと、振動板１２は一端が固定されているために、自由端１５が圧電素子１１の厚み方向にうちわ状に屈曲振動を行い、圧電ファンとして駆動する。
【００２３】
ヒートシンク２０は、ベース部２２と、ベース部２２から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２１とを備える。ベース部２２は、幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×高さ３ｍｍの板状である。放熱フィン２１は、幅１．２ｍｍ×長さ５０ｍｍ×高さ２４ｍｍの板状である。放熱フィン２１はベース部２２上に等間隔に設けられている。放熱フィン２１間の間隔は５．５ｍｍである。ヒートシンク２０は例えばアルミニウムから構成されている。
【００２４】
圧電ファン１０の振動板１２は、ベース部２２に対して垂直に設けられており、振動板１２の複数の分割板１２ａが放熱フィン２１の間にそれぞれ挿入され、放熱フィン２１に当接することなく振動するように設けられている。
【００２５】
このような冷却装置は、例えば発熱体にヒートシンク２０の底面を当接させて駆動させるものである。このように配置すると、発熱体で発生する熱はヒートシンク２０に伝導して、放熱フィン２１から暖気として空気中に放出される。これらの放熱フィン２１間の暖気と周囲の冷気とを圧電ファン１０が振動して入れ替えることによって、冷却装置として駆動するものである。
【００２６】
本実施形態では、ベース部２２から放熱フィン２１の先端までの長さに対するベース部２２から振動板１２の自由端１５までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下として形成されている。このように構成しているので、従来よりも冷却装置の冷却能力を高くすることができる。
【００２７】
以下に、上記の範囲が望ましいことを示す実験結果を記述する。
【００２８】
本実験では、図１に示す冷却装置１を用いて実験を行った。本実験では、ベース部２２から放熱フィン２１の先端部までの長さ、すなわち図２に示す距離Ｂを変化させずに、ベース部２２から振動板１２の自由端１５までの長さ、すなわち図２に示す距離Ａを変化させる。
【００２９】
このようにして、ベース部２２から放熱フィン２１の先端部までの長さに対するベース部２２から振動板１２の自由端１５までの長さの比を変化させる。すなわち、図２に示す距離Ｂに対する距離Ａの長さの比を変化させる。詳しい条件については表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示す７条件で、冷却装置を駆動させた時の冷却装置の熱抵抗を測定して比較を行った。具体的には、ヒートシンクのベース部の他方主面に２０Ｗの熱源を設置し、冷却装置を駆動させてベース部の一方主面の中央部の熱抵抗を測定した。熱抵抗は、（ヒートシンクの温度−外気温度）／発熱体の発熱量によって決定される。熱抵抗は、１Ｗあたりの温度上昇のしやすさを表し、一般的に低いと冷却能力が高いといえる。
【００３２】
各圧電ファンに印加する電圧は正弦波交流電圧であり、電圧は３０Ｖｐｐ、周波数は９５．０Ｈｚとした。ヒートシンクの温度は、ヒートシンクのベース部の一方主面の中央部に熱電対を設けて測定を行った。また、外気温度は２５℃であった。
【００３３】
実験結果を図３と表１に示す。
【００３４】
実験例１〜７を比較すると、実験例１の冷却装置の熱抵抗は１．８９Ｋ／Ｗ、実験例２の冷却装置の熱抵抗は１．８０Ｋ／Ｗ、実験例３の冷却装置の熱抵抗は１．７５Ｋ／Ｗ、実験例４の冷却装置の熱抵抗は１．７３Ｋ／Ｗ、実験例５の冷却装置の熱抵抗は１．７２Ｋ／Ｗ、実験例６の冷却装置の熱抵抗は１．７８Ｋ／Ｗ、実験例７の冷却装置の熱抵抗は１．８３Ｋ／Ｗであった。
【００３５】
実験結果から、実験例２ないし実験例５では実験例１よりも冷却装置の熱抵抗が順次低くなっているので、ベース部から放熱フィンの先端部までの長さに対するベース部から振動板の自由端までの長さの比が大きくなると、ベース部と分割板との間の空気の流入量が増加し、冷却装置の熱抵抗が減少する傾向があるといえる。
【００３６】
また、実験例６および実験例７ではベース部から放熱フィンの先端部までの長さに対するベース部から振動板の自由端までの長さの比が大きくなっているにもかかわらず、実験例５よりも冷却装置の熱抵抗が高くなっている。このようにベース部から振動板の自由端までの距離が大きくなりすぎると、ヒートシンクのベース部の放熱性が悪くなり、冷却装置の熱抵抗が増加する傾向があるといえる。
【００３７】
前記の結果から、ベース部から放熱フィンの先端部までの長さに対するベース部から振動板の自由端までの長さの比には適正な値があり、ベース部から放熱フィンの先端部までの長さに対するベース部から振動板の自由端までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下として形成されていると、より望ましいといえる。
【００３８】
（実施形態１の変形例１）
図４（Ａ）は本実施形態１の変形例１に係る冷却装置１Ａの斜視図、図４（Ｂ）は同冷却装置の一部である圧電ファンの斜視図である。実施形態１と同一の部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３９】
本実施形態１の変形例１の冷却装置１Ａは、図４（Ａ）に示すように、圧電ファン３０とヒートシンク２０とから構成されている。圧電ファン３０は、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子３１と、振動板３２と、支持体３３とから構成されている。圧電素子３１は、振動板３２の両主面に固着されている。振動板３２は、一方主面の一端が支持体３３に支持されている。振動板３２の一端は固定端３４、他端は自由端３５であり、振動板の自由端３５側の領域は複数の分割板３２ａに分割されて形成されている。ヒートシンク２０はベース部２２と、ベース部２２の一方主面に設けられている複数の放熱フィン２１とを備える。
【００４０】
本実施形態１の変形例１における実施形態１との異なる箇所は、振動板３２の形状である。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、振動板３２は長さ方向の中央にＬ字型の曲げ部３６が設けられており、曲げ部３６にて支持体３３をとりつけた側に約９０度に折り曲げ加工がなされている。
【００４１】
本変形例１においても、ベース部から放熱フィンの先端までの長さに対するベース部から振動板の自由端までの長さの比が１２．５％以上２９．２％以下として形成されているので、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００４２】
なお、上記実施形態１の変形例１では、振動板は長さ方向の中央部に設けられたＬ字型の曲げ部にて折り曲げているが、これに限るものではない。例えば、Ｕ字型やＶ字型の曲げ部であってもよい。
【００４３】
（実施形態２）
図５は本実施形態２に係る冷却装置６０の正面図である。本実施形態の冷却装置６０は、圧電ファン４０とヒートシンク５０とから構成されている。圧電ファン４０は、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子４１と、振動４２と、支持体４３とから構成されている。圧電素子４１は、振動板４２の両主面に固着されている。振動板４２は、一方主面の一端が支持体４３に支持されている。振動板４２の一端は固定端４４、他端は自由端４５であり、振動板の自由端４５側の領域は複数の分割板４２ａに分割されて形成されている。ヒートシンク５０はベース部５２と、ベース部５２の一方主面に設けられている複数の放熱フィン５１と、放熱フィン５１間に設けられている低背の放熱フィン５１ａとを備える。
【００４４】
本実施形態では、ベース部５２から振動板４２の自由端４５との間に、振動板４２に干渉しない高さの低背の放熱フィン５１ａを更に設けることで、ヒートシンク５０の表面積を大きくし、従来よりも冷却装置６０の冷却能力を高くすることができる。
【００４５】
（実施形態２の変形例１）
図６（Ａ）は本実施形態２の変形例１に係る冷却装置６０Ａの斜視図、図６（Ｂ）は同冷却装置６０Ａの正面図である。実施形態２と同一の部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４６】
本実施形態２の変形例１の冷却装置６０Ａは、図６（Ａ）に示すように、圧電ファン７０とヒートシンク５０とから構成されている。圧電ファン７０は、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子７１と、振動板７２と、支持体７３とから構成されている。圧電素子７１は、振動板７２の両主面に固着されている。振動板７２は、一方主面の一端が支持体７３に支持されている。振動板７２の一端は固定端７４、他端は自由端７５であり、振動板の自由端７５側の領域は複数の分割板７２ａに分割されて形成されている。ヒートシンク５０はベース部５２と、ベース部５２の一方主面に設けられている複数の放熱フィン５１と、放熱フィン５１間に設けられている低背の放熱フィン５１ａとを備える。
【００４７】
本実施形態２の変形例１における実施形態２との異なる箇所は、振動板７２の形状である。具体的には、図６（Ａ）に示すように、振動板７２は長さ方向の中央にＬ字型の曲げ部７６が設けられており、曲げ部７６にて支持体７３をとりつけた側に約９０度に折り曲げ加工がなされている。
【００４８】
以下に、低背の放熱フィンの形成が望ましいことを示す実験結果を記述する。
【００４９】
実験例８として、図６（Ａ）に示す冷却装置６０Ａを用い、実験例９として、図４（Ａ）に示す冷却装置１Ａを用いて実験を行った。実験例８は低背の放熱フィンが設けられている冷却装置、実験例９は低背の放熱フィンが設けられていない冷却装置である。
【００５０】
本実験で用いる冷却装置の圧電ファンの振動板は、幅４６ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み５０μｍの薄い板状に形成されている。振動板は長さ方向の中央にＬ字型の曲げ部が設けられており、固定端から曲げ部までの長さは２５ｍｍ、自由端から曲げ部までの長さは２５ｍｍである。振動板の幅は曲げ部を境に変化しており、曲げ部よりも自由端側の振動板の幅は４６ｍｍ、曲げ部よりも固定端側の振動板の幅は３５ｍｍに加工されて形成されている。振動板の自由端側の領域では、振動板が７枚の分割板に分割されて熊手型に形成されており、各分割板は等間隔に形成されている。各分割板の幅はそれぞれ４．５ｍｍである。振動板は、例えばＮｉ−Ｆｅ合金から構成されている。
【００５１】
圧電素子は、幅３３．４ｍｍ×長さ１５．８ｍｍ×厚み５５μｍの板状であり、両主面に電極（図示せず）が形成されている。圧電素子は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子は、振動板の固定端側の領域に固着されている。
【００５２】
支持体は、幅４８ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み３ｍｍの直方体形状であり、例えばガラスエポキシ樹脂から構成されている。
【００５３】
ヒートシンクは、ベース部から放熱フィンの先端部までの長さが２１ｍｍとして形成されている。ベース部から振動板の自由端までの長さは６ｍｍとする。また、実験例８のベース部５２から低背の放熱フィン５１ａの先端部までの長さは３．５ｍｍとする。
【００５４】
上記の２条件で、冷却装置を駆動させた時の冷却装置の熱抵抗を測定して比較を行った。具体的には、ヒートシンクのベース部の他方主面に２０Ｗの熱源を設置し、冷却装置を駆動させてベース部の一方主面の中央部の熱抵抗を測定した。
【００５５】
各圧電ファンに印加する電圧は正弦波交流電圧であり、電圧は３０Ｖｐｐ、周波数は４５．０Ｈｚとした。ヒートシンクの温度は、ヒートシンクのベース部の一方主面の中央部に熱電対を設けて測定を行った。また、外気温度は２５℃であった。
【００５６】
実験結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
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【００５８】
実験例８及び９を比較すると、実験例８の冷却装置の熱抵抗は２．１２Ｋ／Ｗ、実験例９の冷却装置の熱抵抗は２．０５Ｋ／Ｗであった。
【００５９】
これは、ベース部と振動板の自由端との間に、振動板に干渉しない高さの低背の放熱フィンを設けることで、ヒートシンクの表面積が増大し、ヒートシンクの放熱性が高くなったためである。
【００６０】
前記の結果から、放熱フィン間のベース部の一方主面に低背の放熱フィンが設けられており、ベース部から低背の放熱フィンの先端までの長さがベース部から振動板の自由端までの長さ以下に形成されていると、より望ましいといえる。
【００６１】
なお、上記実施形態２の変形例１では、振動板の長さ方向の中央部に設けられたＬ字型の曲げ部にて折り曲げているが、これに限るものではない。例えば、Ｕ字型やＶ字型の曲げ部であってもよい。
【００６２】
なお、本発明に係る冷却装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。
【００６３】
前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。
【００６４】
前記実施形態では、振動板はＮｉ−Ｆｅ合金から形成されているが、これに限るものではない。例えばＳＵＳなど、ばね性のある材料であればどのようなものを用いてもよい。
【００６５】
前記実施形態では、振動板を両面から挟むように圧電素子をそれぞれ固着して、バイモルフ型振動子を構成したが、振動板の一方主面のみに圧電素子を接合したユニモルフ型振動子を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１、６０、１００…冷却装置
１０、３０、４０、７０、１１０…圧電ファン
１１、３１、４１、７１、１１１…圧電素子
１２、３２、４２、７２、１１２…振動板
１２ａ、３２ａ、４２ａ、７２ａ…分割板
１３、３３、４３、７３…支持体
１４、３４、４４…固定端
１５、３５、４５、７５…自由端
２０、５０、１２０…ヒートシンク
２１、５１…放熱フィン
２２、５２…ベース部
３６、７６…曲げ部
５１ａ…低背の放熱フィン
【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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