(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6180881
(24)【登録日】2017年7月28日
(45)【発行日】2017年8月16日
(54)【発明の名称】基板の冷却機構
(51)【国際特許分類】
H05K 7/20 20060101AFI20170807BHJP
H01L 23/473 20060101ALI20170807BHJP
H01L 33/64 20100101ALI20170807BHJP
【FI】
H05K7/20 D
H05K7/20 H
H01L23/46 Z
H01L33/64
【請求項の数】7
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2013-225978(P2013-225978)
(22)【出願日】2013年10月30日
(65)【公開番号】特開2015-88625(P2015-88625A)
(43)【公開日】2015年5月7日
【審査請求日】2016年4月27日
(73)【特許権者】
【識別番号】000001960
【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000131430
【氏名又は名称】シチズン電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000154
【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】太田 良純
【審査官】
白石 圭吾
(56)【参考文献】
【文献】
特開2007−078253(JP,A)
【文献】
特表2004−516421(JP,A)
【文献】
特開2006−310673(JP,A)
【文献】
特開平03−116961(JP,A)
【文献】
特開2005−085808(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H05K 7/20
H01L 23/473
H01L 33/64
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発熱体を有する基板と、
前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、
少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、
前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、
前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、
を有し、
前記流路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口部断面積より大きい流入路と、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい流出路を有する基板の冷却機構。
【請求項2】
発熱体を有する基板と、
前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、
少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、
前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、
前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、
を有し、
前記容積可変機構は、ダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動するボイスコイルモータを有しており、前記ボイスコイルモータに使用されるマグネットは、前記基板に対して熱的に絶縁される、
基板の冷却機構。
【請求項3】
前記流路の総容積よりも、前記容積可変機構による前記ポンプ室の容積の変動量の方が大きい請求項1又は2に記載の基板の冷却機構。
【請求項4】
前記流路の断面は、前記基板に対する垂直方向の高さが、前記基板に対する水平方向の幅より小さい請求項1〜3のいずれか1項に記載の基板の冷却機構。
【請求項5】
前記基板の前記一の面の前記流路を形成する領域の少なくとも一部分に凹凸が設けられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の基板の冷却機構。
【請求項6】
前記凹凸は、前記流路中の空気の流れ方向に沿った溝又は畝である請求項5に記載の基板の冷却機構。
【請求項7】
前記発熱体は発光素子であり、前記基板の前記一の面とは反対側の面に設けられる請求項1〜6のいずれかに記載の基板の冷却機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板の冷却機構に関する。
【背景技術】
【0002】
ある種の電子部品等は、その使用に際して発熱するため、これを冷却しなければならない。この冷却手段として、電子部品が搭載された基板を強制冷却する機構が提案されている。
【0003】
例えば、特許文献1には、非冷却部品である燃料電池の空気供給部に取り付けるダイヤフラムエアーポンプが記載されている。当該ダイヤフラムエアーポンプは、上部ケースの流入開口に流入チェック弁が、また、ダイヤフラムの中間開口に中間チェック弁が設けられ、下部ケースの側面に設けられた排出開口より外部の空気のような流体を排出する。同文献において、ダイヤフラムは圧電素子により駆動される。
【0004】
また、特許文献2には、パーソナルコンピュータ等の液冷システムに用いられるダイヤフラム式マイクロポンプが記載されている。当該マイクロポンプにおいて、流体の流れ方向は、ハウジングの底面に、流体の流れに向かって直径が小さくなるように側面がテーパー状に形成された孔により規制される。同文献において、ダイヤフラムは形状記憶合金膜又はバイメタルにより駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第4057001号公報
【特許文献2】特開2012−117416号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
冷却機構において求められる性能としては小型で且つ冷却効率が高いことが挙げられる。特に、近年照明用途等に用いられる発光ダイオードでは、高輝度の発光をさせると発熱量が大きく、また既存の照明器具の代替用途においては冷却機構を配置するスペースが限られることから、小型であることと冷却効率が高いことへの要求が高い。しかしながら、特許文献1に記載のダイヤフラムエアーポンプは、上部ケース及びダイヤフラムにチェック弁を有する複雑な構造から信頼性が低く、小型化すると十分に機能しないと予想される。また、特許文献2に記載のダイヤフラム式マイクロポンプは、当該マイクロポンプの他に電子部品に取り付ける冷却部と熱交換器を必要とするため、小型化することが難しい。
【0007】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、発熱を伴う基板の冷却機構を小型であっても冷却効率の高いものとすることである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。
【0009】
(1)発熱体を有する基板と、前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、
少なくとも前記一の面と前記ハウジング
により画成されるポンプ室と、前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、を有
し、前記流路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より大きい流入路と、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい流出路を有する基板の冷却機構。
【0010】
(2)発熱体を有する基板と、前記基板の一の面側に配置されるハウジングと、少なくとも前記一の面と前記ハウジングにより画成されるポンプ室と、前記一の面と前記ハウジングとの間に形成され、前記ポンプ室を外気と接続する流路と、前記ポンプ室の容積を可変する容積可変機構と、を有し、前記容積可変機構は、ダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動するボイスコイルモータを有しており、前記ボイスコイルモータに使用されるマグネットは、前記基板に対して熱的に絶縁される、基板の冷却機構。
【0011】
(3)(1)又は(2)において、前記流路の総容積よりも、前記容積可変機構による前記ポンプ室の容積の変動量の方が大きい基板の冷却機構。
【0012】
(4)(1)〜(3)のいずれかにおいて、前記流路の断面は、前記基板に対する垂直方向の高さが、前記基板に対する水平方向の幅より小さい基板の冷却機構。
【0015】
(
5)(1)〜(
4)のいずれかにおいて、前記基板の前記一の面の前記流路を形成する領域の少なくとも一部分に凹凸が設けられる基板の冷却機構。
【0016】
(
6)(
5)において、前記凹凸は、前記流路中の空気の流れ方向に沿った溝又は畝である基板の冷却機構。
【0017】
(
7)(1)〜(
6)のいずれかにおいて、前記発熱体は発光素子であり、前記基板の
前記一の面とは反対側の面に設けられる基板の冷却機構。
【発明の効果】
【0018】
上記(1)の側面によれば、
流体の流れ方向が規制されるため熱交換の効率が良く、かつ弁等の複雑な機構が必要なく信頼性の高い小型の基板の冷却機構が得られる。
【0019】
上記(2)の側面によれば、
簡易かつ安価な機構であって、発熱量の大きい基板に対しても磁石が磁性を失うことがなく信頼性の高い小型の基板の冷却機構が得られる。
【0020】
上記(3)の側面によれば、弁等の複雑な機構が必要なく、信頼性の高い基板の冷却機
構が得られる。
【0021】
上記(4)の側面によれば、基板の冷却機構における冷却効率が高い。
【0024】
上記(
5)又は(
6)の側面によれば、冷却効率の高い基板の冷却機構が得られる。
【0025】
上記(
7)の側面によれば、基板の冷却機構が発光素子からの発光を妨げることがない。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【
図1】本実施形態に係る冷却機構の分解斜視図である。
【
図2】冷却機構を組み立てた状態における
図1のII−II線による断面図である。
【
図5A】冷却機構を組み立てた状態における、
図1のV矢印方向から見た部分の例を示す拡大図である。
【
図5B】冷却機構を組み立てた状態における、
図1のV矢印方向から見た部分の別の例を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【0028】
図1は、本実施形態に係る冷却機構100の分解斜視図である。同図中、1は冷却対象となる基板であり、その上面には発熱体2、ここでは、発光素子である発光ダイオード素子が設けられている。基板1は発熱体2からの熱を速やかに冷却できるよう、熱抵抗の低い材質が選択され、ここでは絶縁被覆を施したアルミニウム基板が用いられている。なお、基板1の材質は本実施形態のような金属基板以外にも熱伝導性の良い各種の材質、例えばアルミナセラミックス基板であってよい。
【0029】
基板1の下面、すなわち、発熱体2が設けられた面と反対の面には、ハウジング3が固定される。ハウジング3は、好ましくは熱伝導性の良い材質、例えばアルミニウム等の金属で形成され、その上面(基板1の下面と向き合う面)に、後述するポンプ室を形成するための凹部又は開口である空洞30と、後述する流路を形成するための流路溝31が設けられている。
【0030】
さらに、ハウジング3の下面側には容積可変機構4が取り付けられる。容積可変機構4は、後述するポンプ室の容積を可変する機構であり、本実施形態では、その上面に設けられたダイアフラム40を図に表れないボイスコイルモータにより上下に振動させることによりポンプ室の容積を可変するものである。
【0031】
空洞30は及び容積可変機構4は、発熱体2が設けられている位置に対応する位置に設けられる。その結果、基板1の下面(発熱体2と反対側の面)と、空洞30、及び、容積可変機構4により空間が規定されることになるが、この空間がポンプ室となる。一方、流路溝31はその上面が、基板1の下面により蓋をされることになるので、それぞれ、ポンプ室とハウジング3の外側とに開口する流路を形成することとなる。すなわち、ポンプ室は、基板1の一の面である下面とハウジング3との間に形成され、また、流路は基板1の同じく一の面とハウジング3との間に形成され、ポンプ室を外気と接続することになる。この結果、少なくとも、ポンプ室及び流路を規定する壁の少なくとも一面は、基板1の面であることになる。
【0032】
図2は、冷却機構100を組み立てた状態における
図1のII−II線による断面図である。図示の通り、基板1の下面とハウジング3の空洞30、及び容積可変機構4のダイアフラム40によってポンプ室5が区画され、また、同じく基板1の下面とハウジング3の流路溝31との間に流路6が形成される。
【0033】
容積可変機構4は、いわゆるスピーカーと類似した構造をしている。枠となるケース41にはダイアフラム40の外周端縁が固定され、さらにその下側にはヨーク43を取り付けられたマグネット42が固定される。ヨーク43により導かれた磁界が集中する間隙には、ダイアフラム40の下側に取り付けられたコイル44が配置される。コイル44に電流を流すと、その電流の方向によって上向きまたは下向きの力が発生し、ダイアフラム40を変形させ、その位置を上下に移動させることになる。これによって、容積可変機構4は、ポンプ室5の容積を増加しあるいは減少させることにより可変させる。なお、マグネット42、ヨーク43及びコイル44はいわゆるボイスコイルモータ45を形成している。
【0034】
ケース41の材質は特に限定されないが、合成樹脂等の断熱性に優れる(熱伝導性が低い)材質であることが好ましい。ヨーク43は、一般的な軟磁性材料でよく、軟鉄やパーマロイ等を用いる。マグネット42の種類も特に限定されないが、一般的なフェライト磁石やネオジム磁石であってよい。ダイアフラム40の材質も特に限定はされないが、耐熱性に優れた材質であることが好ましく、例えば、フッ素樹脂製とする。
【0035】
ここで、冷却機構100による冷却作用は、ボイスコイルモータ45に交番電流を印加して、ダイアフラム40を上下に振動させることにより行われる。ここでダイアフラム40が上方に変形して、ポンプ室5の容積が減少した場合を考えると、ポンプ室5の容積減少分だけポンプ室5内部の高温の流体、ここでは空気が流路6を通過してハウジング3の外部に放出される。このとき、流路6の開口断面積は小さいため、流路6中を流れる流体の流速は高くなり、結果として慣性作用により高温の空気は図中太矢印Aのように、勢いよく放出され、ハウジング3から遠くまで移動する。一方、ダイアフラム40が下方に変形して、ポンプ室5の容積が増大した場合を考えると、ポンプ室5の容積増大分だけハウジング3外部の低温の流体、ここでは外気が流路6を先ほどとは逆方向に通過してポンプ室5内に流入する。このとき、流路6にとりいれられる外気は、図中細矢印Bのように、流路6の開口近傍のものが取り入れられるため、ポンプ室5から排出された高温の空気はほとんどポンプ室5内に再流入することがない。このようにして、冷却機構100はポンプ室5内の流体交換を円滑に行う。
【0036】
ここで、かかる流体交換が円滑に、且つ効率よく行われるためには、容積可変機構4の1ストロークの動作において、流路6内の気体が全て排出されることが望ましい。すなわち、容積可変機構4によるポンプ室5の容積の変動量Vvが、流路6の総容積Vcよりも大きい、すなわち、
Vv>Vc
が成立していることが望ましい。
【0037】
さらに、流路6内を高速で通過する気体は、発熱体2により加熱された基板1の下面に直接沿って流れる。このことにより、冷却機構100は、単に基板1に隣接する流体の交換を行う構造に比して、はるかに高い効率で基板1から空気への熱伝達がなされるため、冷却効率が高いものとなる。また、流路6の断面形状は、
図1より明らかなように、基板1に対する垂直方向の高さが基板1に対する水平方向の幅より小さい、扁平な形状となっている。このような形状では、流路6を通過する流体がより広い面積で冷却対象である基板1に沿って流れるため、冷却効率が高くなる。
【0038】
また、冷却機構100は、いわゆるチェック弁等の機械的な開閉部材が不要であるため、埃等が付着して固着する等の作動不良が生じにくく、信頼性に優れ、長期にわたって安定した動作が可能である。
【0039】
ここで、ハウジング3は、熱伝導性の良い材質が好ましいと述べたが、これは、基板1の熱をさらにハウジング3に伝導させ放熱を促進させることができるためである。この場合、ここでは図示しないが、ハウジング3にフィン等の構造を設けてハウジング3自身をいわゆるヒートシンクとして用いても、ハウジング3を別途適宜の構造を有するヒートシンクと接合するようにしてもよい。
【0040】
また、容積可変機構4のケース41は断熱性に優れる材質が好ましいと述べたが、これは、発熱体2からの熱をマグネット42へと伝えないようにするためである。本実施形態のように、発熱体2が発光ダイオードである場合には、その温度は百数十度にも達する場合がある。一般的なマグネットは、そのような高温にさらされるとその磁力を失うか(消磁)、又は磁力が減少してしまい(減磁)、長期にわたる使用に耐えることはできない。そこで、本実施形態のように、ボイスコイルモータ45に使用されるマグネット42を基板1に対して熱的に絶縁することにより、その加熱を防ぐことにより安定した着磁を維持することができる。ここでは、マグネット42は、ケース41によりハウジング3を介しての熱の流入が防止されるほか、基板1下面からの熱放射や、ポンプ室5内の高温空気からはダイアフラム40により遮断されることになる。
【0041】
本実施形態では、容積可変機構4にボイスコイルモータ45を用いたのは、ボイスコイルモータ45がムービングコイル型の機構であるため、マグネット42を発熱体2から熱的に絶縁しやすいためである。ムービングマグネット型の機構では、マグネットを加熱から防ぐための設計が難しい、質量の大きいマグネットが可動部分となるため機械的な負担が大きい等のデメリットがある。しかしながら、発熱量や機構等の条件によっては、ムービングマグネット型の機構を用いても何ら差し支えない。
【0042】
以上説明した実施形態では、基板1、ハウジング3はその平面形状が矩形であり、またポンプ室5はその平面形状が円形のものであるが、これは一例として示したものであり、その平面形状は図示のものに限定されない。また、基板1とハウジング3の平面形状は必ずしも一致している必要はない。さらに、容積可変機構4をハウジング3の下側から取り付けることとした都合上、空洞30はハウジング3の上面にも下面にも開口している穴となっているが、容積可変機構4をハウジング3の上側から取り付けるようにするならば、空洞30はハウジング3の上面にのみ開口する凹部であってもよい。また、流路6の位置や数は任意である。
【0043】
さらに、基板1とハウジング3との固定方法はどのようなものでもよく、例えば、伝熱性接着剤による接着をしてもよいし、ネジ等の機械的な固定によってもよい。また、ハウジング3と容積可変機構4との固定方法もまた限定されず、接着や圧入、その他の機械的な固定によってよい。容積可変機構4のケース41を断熱性のある材質とする代わりに、断熱性のシート等の断熱部材を間に挟んでハウジング3と容積可変機構4を固定してもよい。
【0044】
図3は、容積可変機構4の変形例を示す図である。本変形例では、可動部分をダイアフラムに換えて、平板形状のプランジャ46としている点が先の実施形態と異なっている。ボイスコイルモータ45を用いる点は先の例と同様である。
【0045】
プランジャ46は適宜の合成樹脂を成形する等して作成され、図示のように、所定のストロークの範囲内で上下方向に動くように配置される。プランジャ46を用いた場合には、ポンプ室5とボイスコイルモータ45内部の空間とが厳密に区画されないが、プランジャ46とケース41との隙間が小さく、またプランジャ46の動作が十分に速いため、ポンプ室5とボイスコイルモータ45内部間での気体の流入出はほとんどないか、あってもごくわずかなものとなり、ポンプ室5で生じた容積変化の大半は流路6による外部への気体の流入出となる。このように、必ずしもダイアフラムを用いなくとも、ポンプ室5の容積を可変することは可能である。あるいは、容積可変機構4としてさらに他の機構を用いてもよい。しかしながら、先の実施形態及びこの変形例で示した機構はその構造が単純であり、信頼性が高く小型化にも適している。
【0046】
以上示した実施形態では、流路には流入路と流出路の区別がなく、空気は流路内を双方向に通過していた。しかしながら、流路の流路抵抗に方向性をもたせ、ポンプ室5内の空気交換をより効率化してもよい。
【0047】
図4は、ハウジング3の変形例を示す斜視図である。本変形例では、ハウジング3の上面に設けられる流路溝は、主として外気がポンプ室に流入する流入路を形成する流入路溝32と、主としてポンプ室から空気がハウジング3の外部へと流出する流出路を形成する流出路溝33からなっている。
【0048】
ここで、流入路は、空気がポンプ室に流入する際の流路抵抗がポンプ室から流出する際の流路抵抗より小さいような流路である。流出路はその逆となり、空気がポンプ室に流入する際の流路抵抗がポンプ室から流出する際の流路抵抗より大きいような流路となる。
【0049】
具体的に本実施形態では、流入路溝32、流出路溝33の形状より明らかなように、流入路は、ハウジング3の外側となる外気への開口部断面積がポンプ室への開口断面積より大きく、流出路は、外気への開口部断面積が前記ポンプ室への開口断面積より小さい。また、流路自体は、外気への開口部とポンプ室への開口部との間を滑らかに接続した、平面視において楔状の形状となっている。
【0050】
この場合、ポンプ室から外へと流出する空気は、ポンプ室側の開口が小さい流入路へはあまり流れ込まず、大半はポンプ室側の開口が大きい流出路へと流れる。ハウジング3の外部からポンプ室へと流入する空気は、外側の開口が小さい流出路へはあまり流れ込まず、大半は外側の開口が大きい流入路へと流れる。この結果、図中太矢印で示したような一定方向の空気の流れが生じ、ポンプ室内の空気が効率よく交換されるため、さらに冷却効率が高いものとなる。
【0051】
なお、流入路及び流出路の配置や数、形状は必要な冷却性能や容量可変機構の性能に応じて適宜変更して差し支えない。また、本実施形態では、流入路及び流出路自体の形状を流れ方向に沿って変化させることで流体の流れ方向に方向性を付与したが、かかる構造以外にも、いわゆるチェック弁などの機械的構造を設けるようにしてもよい。ただし、可動部分のある構造は複雑であるためコスト面で不利であり、埃等の付着等による作動不良も生じやすいため、本実施形態で例示したような流入路及び流出路自体の形状を工夫することにより流体の流れ方向に方向性を付与することが好ましい。
【0052】
さらに、熱伝達効率を向上するため、基板1の下面に凹凸を設けてもよい。
【0053】
図5Aは、冷却機構100を組み立てた状態における、
図1のV矢印方向から見た部分の例を示す拡大図である。基板1の下面の流路6に対応する領域に、溝10が設けられ、流路6中を流れる流体との接触断面積が大きくなるようになされている。なお、この溝10は、流路6に沿って、すなわち、流路6中の空気の流れ方向に沿って延びる形状となっている。
【0054】
図5Bは、冷却機構100を組み立てた状態における、
図1のV矢印方向から見た部分の別の例を示す拡大図である。この例では、基板1の下面の流路6に対応する領域に、畝11が設けられ、流路6中を流れる流体との接触断面積が大きくなるようになされている。
【0055】
このように、基板1の下面に凹凸を設けることにより、基板1から空気への熱伝達効率が向上するため、冷却機構100の冷却効率を高くすることができる。なお、以上の
図5A、
図5Bでは、凹凸構造として、空気の流れ方向に沿って延びる溝又は畝を例示したが、これ以外の構造を用いてもよい。例えば、不規則な凹凸を形成してもよいし、多数の突起が林立する、いわゆるピンフィン構造を形成してもよい。また、凹凸が設けられる位置は、高速で流体が通過するため基板1との熱交換が盛んにおこなわれる流路6に対応する領域の少なくとも一部分、好ましくは全部であることが好ましいが、ポンプ室5に対応する領域に設けてもよいことはもちろんである。
【0056】
ところで、以上説明した実施形態においては、発熱体2は基板1の上面に配置され、ポンプ室5は基板1の下面側に形成されるものとされていたが、必ずしもこのような配置関係をとる必要はなく、発熱体2を基板1の下面、すなわち、ポンプ室5内に配置してもよい。ただし、本実施形態で例示したように、発熱体2が発光素子である場合には、その発光を基板1の上面側に取り出す必要があるため、発熱体2とポンプ室5を基板1の同じ側に配置することはできない。本実施形態に係る冷却機構100は、このように、基板1の発熱体2が配置された面とは反対の面から基板1を冷却する際にも極めて有用である。
【0057】
以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。
【符号の説明】
【0058】
1 基板、2 発熱体、3 ハウジング、4 容積可変機構、5 ポンプ室、6 流路、10 溝、11 畝、30 空洞、31 流路溝、32 流入路溝、33 流出路溝、40 ダイアフラム、41 ケース、42 マグネット、43 ヨーク、44 コイル、45 ボイスコイルモータ、46 プランジャ、100 冷却機構。