JP5605174B2

JP5605174B2 - 冷却装置

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Publication number: JP5605174B2
Application number: JP2010249366A
Authority: JP
Inventors: 伸拓田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: CN102072137A; US20110120679A1; JP2011127588A; US8581471B2; CN102072137B

Description

この発明は、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備える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実装化が進むにつれて、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、機器本体の小型化とともに、情報処理性能を向上させるためにＣＰＵの高速化が進んでいる。そのため、電子機器内部は、部品の高密度実装により電子機器内部の通風性が低下する一方で、発熱体であるＣＰＵの発熱量が増大する環境となっている。よって、当該環境下において、ＣＰＵの上面に配置するヒートシンクに備えられる放熱フィン間で暖められた暖気を、放熱フィンから放出させてＣＰＵの温度上昇を抑えることが重要な課題となっている。

そこで、例えば非特許文献１において、ヒートシンクの放熱フィン間の暖気を放熱フィンから排出する圧電ファンが提案されている。以下、非特許文献１に示されている圧電ファンと該圧電ファンを備える冷却装置との構造について、図１〜図３を用いて説明する。

図１は、非特許文献１の圧電ファンの構成を示す斜視図である。図２、図３は、非特許文献１の圧電ファンを備える冷却装置の構成を示す斜視図である。圧電ファン１０は、振動板１１と、圧電素子１２と、支持板１３とを備えている。ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図２、図３では回路基板にＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置１は、圧電ファン１０をアルミニウム製のヒートシンク２０に固定することによって構成している。

圧電素子１２は、圧電セラミクスの両面に電極が形成され、さらに分極処理が施されたもので、電圧印加に応じて伸縮する振動子である。

振動板１１は、圧電素子１２が両面の中間部に貼付され、その圧電素子１２が伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１には、その屈曲により揺動される複数のブレード１４が圧電素子１２の貼付位置より前方に形成されている。

さらに、圧電素子１２の貼付位置より後方にある振動板１１の後端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に複数のブレード１４のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に支持板１３を介してネジ１５で固定される。

以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０は、複数のブレード１４の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。

金子寛人、"振動して風を送るヒートシンクを実演展示"、［online］、平成２１年９月２５日、日経WinPC、［平成２１年１０月１６日検索］、インターネット＜URL：http://pc.nikkeibp.co.jp/article/news/20090925/1018872/?f=news＞

しかしながら、非特許文献１の圧電ファン１０では、放熱フィン２２の上方が振動板１１で覆われるため放熱フィン２２の通風性が悪化してしまう。また、非特許文献１の圧電ファン１０では、印加電圧に対する振動板１１の屈曲変位量が小さく、ブレード１４に伝わる振動が弱かった。そのため、ブレード１４の振幅が小さく、送風能力が低かった。

よって、非特許文献１の圧電ファン１０をヒートシンク２０に装着しても、放熱フィン２２からの放熱効果が低かった。従って、近年、発熱量の大きい高速なＣＰＵが多数登場しているが、非特許文献１の圧電ファン１０では、そのようなＣＰＵに対して冷却能力が十分でないという問題があった。

この発明の目的は、ブレードの送風能力を高めるとともに放熱フィンへの通風性を向上させて冷却能力を向上させた圧電ファンを備える冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）ヒートシンクと圧電ファンを備える冷却装置であって、
前記圧電ファンは、電圧印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が主面の一部に接合されて前記圧電素子の伸縮により屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される複数のブレードが一端側に形成された振動板と、を有し、
前記振動板の前記圧電素子が接合された部位は、前記ヒートシンクの上面に沿って配置され、
前記複数のブレードは、前記ヒートシンクに備えられる複数の放熱フィン間の溝側に折り曲げられ、前記複数の放熱フィン間に挿入された。
（２）前記振動板は、前記圧電素子の接合位置の両側に、除去された領域を有する形状とした。

この構成において、振動板は、圧電素子の接合位置の両側に除去領域として開口部または切欠部が形成された形状となっている。
この構成では、発熱体で発生する熱がヒートシンクに伝導し、放熱フィンによって空気が暖められ、放熱フィン間に暖気が発生する。圧電ファンは、ブレードの揺動により放熱フィン間の当該暖気を放熱フィンから排出する。
この際、開口部または切欠部の存在により、振動板の圧電素子の両側部分の体積や質量が減り、印加電圧に対する振動板の屈曲変位量がその分大きくなる。そのため、この構成における圧電ファンでは全ブレード先端の平均振幅が増大する。特に、両端のブレード先端の振幅が大幅に増大する。よって、この構成によれば、ブレードの送風能力を向上させることができる。
また、圧電ファンを駆動させてブレードが揺動した際、開口部または切欠部の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が開口部または切欠部の上方から放熱フィンに流入する気流、又は放熱フィンで暖められた暖気が開口部または切欠部の下方から上方へ抜ける気流が生じる。よって、この構成によれば、放熱フィンへの通風性を向上させることができる。
従って、この構成によれば、ブレードの送風能力を高めるとともに放熱フィンへの通風性を向上させて、冷却能力を向上させることができる。

また、この構造では、振動板をそのまま用いるのでなく、振動板をその中央部で折り曲げて用いる。これにより、当該圧電ファンがヒートシンクに装着された場合、冷却装置の外形形状を低背化できる。
また、除去領域がヒートシンクの放熱フィン間の溝の上方にくる位置で振動板が固定されるため、冷気が開口部または切欠部の上方から放熱フィン及び放熱フィン間の溝に流入する気流、又は放熱フィンで暖められた暖気が開口部または切欠部の下方から上方へ抜ける気流が生じる。よって、放熱フィンへの通風性を一層向上させることができる。
従って、この構成によれば、冷却能力を一層高めつつ冷却装置全体の大型化を抑えることができる。

（３）前記振動板は、前記放熱フィン間の溝の数以下の数のブレードが形成された形状とした。

この構造では、最も振幅の大きい両端のブレードが放熱フィン間の溝に必ず挿入される。即ち、最も送風能力の高いブレードが放熱フィン間の溝に必ず挿入されるため、冷却能力が高まる。

（４）前記圧電素子は、前記振動板の一部を両面から挟むように前記振動板に接合された。

この構造では、圧電素子および振動板がバイモルフ型振動子を構成している。この構造により、印加電圧に対する屈曲変位量が大きくなり、ブレードの振幅が大きくなる。そのため、冷却能力が一層向上する。

この発明によれば、ブレードの送風能力を高めるとともに放熱フィンへの通風性を向上させて、冷却能力を向上させることができる。

非特許文献１の圧電ファンの構成を示す斜視図である。非特許文献１の圧電ファンを備える冷却装置の構成を示す斜視図である。非特許文献１の圧電ファンを備える冷却装置の構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す斜視図である。回路基板に実装されている発熱体の上面に配置された、第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面図である。圧電ファンの各ブレードとその振幅との関係を示すグラフである。第２の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図である。回路基板に実装されている発熱体の上面に配置された第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面図である。第３の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図である。第４の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図である。

《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態に係る冷却装置について以下説明する。

図４は、第１の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの構成を示す斜視図である。図５、図６は、同冷却装置の構成を示す斜視図である。図７は、回路基板に実装されている発熱体の上面に配置された同冷却装置の構成を示す側面図である。

圧電ファン１０１は、振動板１１１と、圧電素子１１２と、支持板１１３とを備えている。一方、ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図５〜図７では回路基板ＰにＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置２は、この圧電ファン１０１とアルミニウム製のヒートシンク２０とを備える装置である。

振動板１１１は、圧電素子１１２が振動板１１１の両面に貼付され、圧電素子１１２が伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１１には、その屈曲により揺動される７枚のブレード１４１〜１４７が振動板１１１の一端側に形成されている。さらに、振動板１１１は、７枚のブレード１４１〜１４７が放熱フィン２２間の溝側へ約９０°に折り曲げられている。
また、振動板１１１は、幅４５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み０．１ｍｍのステンレススチールの板に対して切欠部１１８をプレス金型で打ち抜いたものである。これにより、振動板１１１は、圧電素子１１２が貼付られた両側、具体的には、ブレードの長手方向に対して垂直な方向に位置する両側が除去された形状となる。

ここで、振動板１１１の寸法は、以下のとおりである。
・全幅（即ち７枚のブレード１４１〜１４７部分の幅）４５ｍｍ
・各ブレードの幅２.０ｍｍ
・圧電素子１１２の貼付部分の幅３５ｍｍ
・全長５０ｍｍ
・振動板１１１の他端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・７枚のブレード１４１〜１４７の先端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・厚み０．１ｍｍ。

圧電素子１１２は、幅３０ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み５０μｍの寸法となっている。圧電素子１１２は、中間電極となる振動板１１１を両面から挟むように２枚の圧電素子１１２を貼付してなるバイモルフ型振動子である。２枚の圧電素子１１２は、それぞれの圧電セラミクッス表面に電極膜を形成している。そして、各電極と中間電極となる振動板１１１との間に、圧電素子１１２の分極方向に応じた駆動電圧を印加することによって振動板１１１が長手方向に撓んで屈曲振動するよう分極処理している。このようにバイモルフ型にすることによって、圧電素子１１２による振動板１１１の印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量を大きくすることができ、ブレード１４１〜１４７の振幅をより効果的に増大できる。

振動板１１１の他端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚のブレード１４１〜１４７のそれぞれが挿入され、且つ切欠部１１８が放熱フィン２２の溝の上方にくる状態で、ヒートシンク２０の上部に支持板１１３を介してネジ１１５で固定される。これにより、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０の７枚のブレード１４１〜１４７のそれぞれが、隣接する放熱フィン２２の間で放熱フィン２２に当接することなく揺動する。支持板１１３は、ガラスエポキシ製であり、その寸法は、幅５０ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み２ｍｍである。

以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０１は、ブレード１４１〜１４７の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。

ここで、まず、非特許文献１の圧電ファン１０の送風能力と本実施形態の圧電ファン１０１の送風能力とを比較する。
なお、圧電ファン１０と圧電ファン１０１は、図５〜図７で示されるそれぞれのブレード１４１〜１４７がヒートシンク２０の放熱フィンの溝に挿入した状態で比較する。このとき、送風能力を比較するため、ヒートシンク２０の上面と支持板１１３との間であって、圧電ファン１０１の切欠部１１８の下方に位置する部分に、ダミーのＰＣＢ板（図示せず）を配置する。

図８は、圧電ファンの各ブレードとその振幅との関係を示すグラフである。この図では、圧電ファン１０と圧電ファン１０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に２４Ｖｐｐの９０Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について示している。
なお、図８の横軸に示される振動羽板Ｎｏ．１〜７は、それぞれブレード１４１〜１４７に対応している。

図８に示すように、非特許文献１の圧電ファン１０では全ブレード先端の平均振幅が７．８ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では全ブレード先端の平均振幅が８．７ｍｍにまで増大することが実験により明らかとなっている。そして、ヒートシンク２０の熱抵抗も３．２Ｋ／Ｗから２．８Ｋ／Ｗに改善することが明らかとなっている。
また、非特許文献１の圧電ファン１０では両端のブレード先端の振幅が８.７ｍｍと８．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では両端のブレード１４１、１４７先端の振幅が１１.５ｍｍと９．７ｍｍにまで大幅に増大することも実験により明らかとなっている。ここで、図５、図６に示すようにヒートシンク２０の両端の放熱フィン２２の外側にはブレードが存在しないため両端の放熱フィン２２の温度が下がり難い。しかし、本実施形態の圧電ファン１０１によれば両端のブレード１４１、１４７先端の振幅が大幅に増大するため、ヒートシンク２０の熱抵抗も２．８Ｋ／Ｗから２．６Ｋ／Ｗに改善することが明らかとなっている。
即ち、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、ブレード１４１〜１４７の送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。

以上の両実験結果は、切欠部１１８を振動板１１１に形成することにより、振動板１１１の圧電素子１１２の両側部分の体積や質量が減り、印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量がその分大きくなるためであると考えられる。

次に、圧電ファン１０１の通風性について説明する。ヒートシンク２０の上面と支持板１１３との間に配置されたダミーのＰＣＢ板を取り除いた状態で、圧電ファン１０１を駆動させてブレード１４１〜１４７が揺動した際、切欠部１１８の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が切欠部１１８の上方から放熱フィン２２及び放熱フィン２２間の溝に流入する気流、又は放熱フィン２２間で暖められた暖気が切欠部１１８の下方から上方へ抜ける気流が生じる。このため、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、放熱フィン２２への通風性を向上させることができる。これにより、ヒートシンク２０の熱抵抗が２．６Ｋ／Ｗから２．３Ｋ／Ｗに改善した。従って、放熱フィン２２の放熱効果が高まる。

以上より、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、ブレード１４１〜１４７の送風能力を高めるとともに放熱フィン２２への通風性を向上させて、冷却能力を向上させることができる。
また、圧電ファン１０１によれば両端のブレード１４１、１４７先端の振幅が大幅に増大するため、上述した温度の下がり難い両端の放熱フィン２２を重点的に冷却することができる。
また、振動板１１１はその全長が長いにもかかわらず折り曲げることで冷却装置２の外形形状を低背化できるため、冷却装置２全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
また、ヒートシンク２０の上方に送風ファン（不図示）を配置したとき、送風ファンにより送出される冷気が切欠部１１８を通って放熱フィン２２の内部に流入する気流が生じる。このため、本実施形態の圧電ファン１０１によれば送風ファンを併用することで、放熱フィン２２への通風性を一層向上させることができ、冷却能力を一層高めることができる。

《第２の実施形態》
図９は、第２の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図であり、図１０は、回路基板に実装されている発熱体の上面に配置された同冷却装置の構成を示す側面図である。図５、図６では振動板１１１を放熱フィン２２間の溝側へ折り曲げていたが、図９、図１０に示すように、後端上部に取付板２３を設けたヒートシンク３０を用意して振動板１１１を折り曲げずにそのまま固定しても構わない。この冷却装置３では、圧電ファン１０２の振動板１１１の後端部が、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に複数のブレード１４１〜１４７のそれぞれが挿入され、且つ切欠部１１８が放熱フィン２２の溝の上方にくる状態で、ヒートシンク２０の取付板２３に支持板１１３を介してネジ１１５で固定される。

《第３の実施形態》
図１１は、第３の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図である。図５、図６では振動板１１１に切欠部１１８を形成した圧電ファン１０１をヒートシンク２０に固定したが、図１１に示すように、振動板１１１に開口部１１９を形成した圧電ファン１０３をヒートシンク２０に固定しても構わない。この圧電ファン１０３では、冷気が開口部１１９の上方から放熱フィン２２及び放熱フィン２２間の溝に流入する気流、又は放熱フィン２２間で暖められた暖気が開口部１１９の下方から上方へ抜ける気流が生じる。
なお、圧電ファン１０３の送風能力に関しては、圧電ファン１０１と同様の送風能力が確認された。

《第４の実施形態》
図１２は、第４の実施形態に係る冷却装置に用いる圧電ファンの斜視図である。図１１では振動板１１１を放熱フィン２２間の溝側へ折り曲げていたが、図１２に示すように、開口部１１９を形成した振動板１１１を折り曲げずにそのままヒートシンク３０に固定しても構わない。

《その他の実施形態》
以上に示した実施形態では、振動板１１１を両面から挟むように圧電素子１１２をそれぞれ接合して、圧電素子１１２および振動板１１１でバイモルフ型振動子を構成するタイプを示したが、実施の際は、振動板１１１の一方の面に圧電素子１１２を接合したユニモルフ型振動子を構成するタイプであっても構わない。
また、以上に示した各実施形態において、ブレード１４１〜１４７はステンレススチール以外にリン青銅などバネ性の高い金属板や樹脂板を用いてもよい。

なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１〜３…冷却装置
１０…圧電ファン
１１…振動板
１２…圧電素子
１３…支持板
１４…ブレード
１５…ネジ
２０…ヒートシンク
２１…ベース部
２２…放熱フィン
２３…取付板
３０…ヒートシンク
５０…発熱体
１０１〜１０４…圧電ファン
１１１…振動板
１１２…圧電素子
１１３…支持板
１１５…ネジ
１１８…切欠部
１１９…開口部
１４１…ブレード
Ｐ…回路基板

Claims

ヒートシンクと圧電ファンを備える冷却装置であって、
前記圧電ファンは、電圧印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が主面の一部に接合されて前記圧電素子の伸縮により屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される複数のブレードが一端側に形成された振動板と、を有し、
前記振動板は、前記圧電素子の接合位置の両側に、除去された領域を有し、
前記振動板の前記圧電素子が接合された部位は、前記ヒートシンクの上面に沿って配置され、
前記複数のブレードは、前記ヒートシンクに備えられる複数の放熱フィン間の溝側に折り曲げられ、前記複数の放熱フィン間に挿入されたことを特徴とする冷却装置。
前記振動板は、前記放熱フィン間の溝の数以下の数のブレードが形成された形状とした、請求項１に記載の冷却装置。
前記圧電素子は、前記振動板の一部を両面から挟むように前記振動板に接合された、請求項１又は２に記載の冷却装置。