JP2012182185A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【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能力の高い冷却装置を提供する。
【解決手段】圧電素子１１と、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、曲げ部より固定端側には圧電素子１１が貼付されており、曲げ部より自由端側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、振動板１２は、圧電素子１１を貼付した面が放熱フィン２１の先端部を覆うように設けられており、複数の分割板が放熱フィン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から振動板１２の固定端までの長さに対するベース部２２から放熱フィン２１の先端部までの長さの比が６５．６％以上７５．０％以下である。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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５（Ａ）に示すように、ヒートシンク１２０に備えられている複数の放熱フィン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。

圧電ファン１１０は、図５（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。

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。

特開２０１０−６７９０９号公報

このような冷却装置では、冷却装置自体の大きさが大きくならないように、圧電ファンの振動板を折り曲げて形成している。しかし、ヒートシンクに設けられた複数の放熱フィンの先端部の直上に振動板の曲げ部より固定端側の面が配置されているために、放熱フィンの周囲の通風性が悪化し、発熱量の大きな機器に対して冷却能力が十分ではないという問題があった。

そこで本発明は、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。

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、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、前記振動板には曲げ部が形成されており、前記曲げ部より固定端側には前記圧電素子が貼付されており、前記曲げ部より自由端側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、前記振動板は、前記圧電素子を貼付した面が前記放熱フィンの先端部を覆うように設けられており、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振動板の固定端までの長さに対する前記ベース部から前記放熱フィンの先端部までの長さの比が６５．６％以上７５．０％以下であることを特徴とする。

振動板の固定端と放熱フィンの先端部との間に適正な距離を設けることで、圧電素子を貼付した面と放熱フィンの先端部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。

本発明の実施形態１による冷却装置の斜視図である。 （Ａ）は実施形態１による冷却装置の一部である圧電ファンの斜視図、（Ｂ）は同側面図である。 実施形態１による冷却装置の正面図である。 実験例１〜４に基づく熱抵抗を示す図である。 （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。

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。

（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。

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、圧電素子１１が両主面に固着されている振動板１２と、振動板１２の一方主面に接着されており、前記振動板１２の一端を支持する支持体１３とを備える。振動板１２の支持体１３によって固定されている一端を固定端１４、他端を自由端１５とする。

振動板１２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１２は長さ方向の中央にＬ字型の曲げ部１６が設けられており、曲げ部１６にて支持体１３側に約９０度に折り曲げて形成されている。自由端１５から曲げ部１６までの長さは２５ｍｍである。振動板１２の幅は曲げ部１６を境に変化しており、曲げ部１６よりも自由端１５側の振動板１２の幅は４６ｍｍ、曲げ部１６よりも固定端１４側の振動板１２の幅は３５ｍｍに加工されて形成されている。振動板１２の曲げ部１６よりも自由端１５側では、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。

圧電素子１１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の曲げ部１６よりも固定端１４側に固着されている。

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、両端の２箇所でネジ止めされることでヒートシンク２０に支持されるものである。

図２（Ｂ）に示すように、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１７から電圧を印加して駆動させる。前記圧電素子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、曲げ部１６が圧電素子１１の厚み方向に振動する。その結果、自由端１５が圧電素子１１の長さ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。

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３２ｍｍの板状である。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。

圧電ファン１０は放熱フィン２１の上端部に幅方向に支持されている。振動板１２は、圧電素子１１を貼付した面が放熱フィン２１の先端部を覆うようにヒートシンク２０のベース部２２に対して平行に設けられており、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。

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間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。

本実施形態では、ベース部２２から振動板１２の固定端１４までの長さに対するベース部２２から放熱フィン２１の先端部までの長さの比が６５．６％以上７５．０％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。

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。

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から振動板１２の固定端１４までの長さ、すなわち図３に示す距離Ｂを変化させずに、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３に示す距離Ａを変化させる。

このようにして、ベース部２２から振動板１２の固定端１４までの長さに対するベース部２２から放熱フィン２１の先端部までの長さの比を変化させる。すなわち、図３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。

表１に示す４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。

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２０Ｖｐｐまたは３０Ｖｐｐ、周波数は４２．３Ｈｚ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。

実験結果を図４と表１に示す。

印加電圧が２０Ｖｐｐのとき、実験例１〜４を比較すると、実験例１の冷却装置の熱抵抗は２．６５Ｋ／Ｗ、実験例２の冷却装置の熱抵抗は２．６１Ｋ／Ｗ、実験例３の冷却装置の熱抵抗は２．５６Ｋ／Ｗ、実験例４の冷却装置の熱抵抗は２．７７Ｋ／Ｗであった。

実験結果から、実験例２及び実験例３は実験例１よりも冷却装置の熱抵抗が低くなっているので、ベース部から振動板の固定端までの長さに対するベース部から放熱フィンの先端部までの長さの比が小さくなると、振動板の圧電素子を貼付した面と放熱フィンの先端部との間へ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。

これに対して、実験例４ではベース部から振動板の固定端までの長さに対するベース部から放熱フィンの先端部までの長さの比が小さくなっているにもかかわらず、実験例１よりも冷却装置の熱抵抗が高くなっている。これは、ヒートシンクの表面積が減少することにより、ヒートシンクの放熱性が悪くなり、冷却装置の熱抵抗が増加したためである。

また、印加電圧が３０Ｖｐｐのとき、同様に実験例１〜４を比較すると、図４と表１に示すように、実験例１の冷却装置の熱抵抗は２．２６Ｋ／Ｗ、実験例２の冷却装置の熱抵抗は２．０１Ｋ／Ｗ、実験例３の冷却装置の熱抵抗は２．２０Ｋ／Ｗ、実験例４の冷却装置の熱抵抗は２．２６Ｋ／Ｗであった。

この結果から、印加電圧が３０Ｖｐｐのときにも印加電圧が２０Ｖｐｐのときと同様の傾向があるといえる。

前記の結果から、ベース部から振動板の固定端までの長さに対するベース部から放熱フィンの先端部までの長さの比には適正な値があり、ベース部から振動板の固定端までの長さに対するベース部から放熱フィンの先端部までの長さの比が６５．６％以上７５．０％以下として形成されていると、より望ましいといえる。

一般的には、従来例は放熱フィンの周囲の空気をより多く排出するため、放熱フィンを振動板の圧電素子を貼付した面にめいっぱい近づけ、実験例４のように振動板の圧電素子を貼付した面と放熱フィンの先端部との間の距離が短くなるような条件にしがちである。しかし、従来例に比べて上記範囲の方が冷却装置の熱抵抗が低くなっているという結果から、ベース部から振動板の固定端までの長さに対するベース部から放熱フィンの先端部までの長さの比が小さくなると、振動板の圧電素子を貼付した面と放熱フィンの先端部との間への空気の流入量が増加し、従来よりも冷却装置の冷却能力が高くなる傾向があるといえる。

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。

前記実施形態では、圧電素子１１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。

前記実施形態では、振動板１２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。

前記実施形態では、振動板１２を両面から挟むように圧電素子１１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１２の一方主面のみに圧電素子１１を接合したユニモルフ型振動子を構成してもよい。

１、１００…冷却装置
１０、１１０…圧電ファン
１１…圧電素子
１２…振動板
１２ａ…分割板
１３…支持体
１４…固定端
１５…自由端
１６…曲げ部
１７…駆動交流電源
２０…ヒートシンク
２１…放熱フィン
２２…ベース部

Claims (1)

1. 電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、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、前記振動板には曲げ部が形成されており、前記曲げ部より固定端側には前記圧電素子が貼付されており、前記曲げ部より自由端側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、
   前記振動板は、前記圧電素子を貼付した面が前記放熱フィンの先端部を覆うように設けられており、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振動板の固定端までの長さに対する前記ベース部から前記放熱フィンの先端部までの長さの比が６５．６％以上７５．０％以下であることを特徴とする冷却装置。

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