JP2006085422A - 筐体の内部および表面の冷却装置を備える電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作時に電子機器の筐体表面を冷やすと同時に筐体内の発熱電子部品を冷やす。
【解決手段】 本発明の電子機器１０は、筐体１２、１４と、筐体内に配置された、電子部品１８、電子部品の発熱を筐体へ伝達するための伝熱機構１９、２０、２２、および筐体の外側表面と筐体の内側を冷やすための冷却装置２６、３０、２８、３２、３６、４２、４４を備える。本発明の電子機器は、冷却装置としてファン３０を含み、ファンからのエアーフロー４４を筐体の外側表面２９に沿って流すとともに筐体内部の電子部品１８へ導くエアーフロー３２がある。本発明の電子機器は、動作時に筐体表面２９を冷やすことにより、熱伝達の作用で、筐体表面２９の温度および筐体内の電子部品１８の温度を下げる。さらに、本発明の電子機器は、エアーフロー３２により筐体内の電子部品１８を冷却する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、筐体の内部および表面の冷却装置を備える電子機器に関する。

近年、小型電子機器（例えば携帯型のパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）など）では、内部の電子部品の高性能化、高密度化が進んでいる。その高性能化、高密度化にともなって、動作時の内部の電子部品からの発熱が大きな問題となっている。筐体サイズが薄型化、軽量化、小型化する傾向にあるため、筐体内の電子部品が発する熱が筐体内部にこもりやすい。電子部品の性能、信頼性を確保するためには、電子部品からの発熱を速やかに冷却する必要がある。

小型電子機器ではその筐体サイズが小さいので、その熱を除去するために、ファンなどの冷却装置を筐体内に配置することは困難である。そのため、銅板、アルミニュウム板、ヒートパイプのような部品を使って、発熱源から放熱可能な場所に熱を移動させる。または性能を犠牲にして、電子部品からの発熱量を抑えることも行われている。

筐体内にファンを配置して空冷する場合、ファンのサイズは非常に小さなものとなり、その風量は限られる。高密度であるが故にエアーフローは筐体内を流れにくく、電子部品などを十分に冷やすことができない。電子部品の冷却が十分になされない場合、電子部品の誤動作、故障などが生じ、安全性や信頼性の問題となる。

一方、電子部品の熱を筐体に伝達して、筐体表面から外気に熱を逃がす場合、筐体表面からの放熱は、外気と筐体表面の温度差に基づく自然放熱であるため、その放熱効果は十分ではない。さらに、動作時の筐体表面の温度は高温になることから、人がその表面に触れると「熱い」と感じて、非常な不快感を覚える。また、長時間筐体表面に触れていると低温火傷をおこす可能性もある。近年、モバイルＰＣのように、手で持ち運んだりあるいはひざの上に乗せて使用するというケースが増えている。したがって、この筐体表面の熱（高温）の問題も深刻な問題である。使用者の立場に立った、接触可能な筐体表面の熱対策（低温化、冷却）が必要である。従来、その対策として筺体表面を樹脂などの熱伝導率の低い物質で覆うことなどが行われている。その場合、筺体表面からの放熱量が非常に小さくなり、筐体内の電子部品の冷却効果が軽減される。

携帯型のＰＣの冷却装置の従来技術が、例えば、日本国の登録実用新案公報3064584号、3043379号に開示されている。しかし、これらの公報はいずれもＰＣの筐体内部の冷却のみを目的とするものであり、筐体表面の温度の冷却を目的とする技術を開示するものではない。
登録実用新案公報3064584号 登録実用新案公報3043379号

本発明の目的は、筐体内に動作時に発熱する電子部品を有する電子機器において、筐体の表面および内部の電子部品を冷やすことである。

本発明の電子機器は、筐体内に配置された、電子部品、電子部品の発熱を筐体へ伝達するための伝熱機構、および電子部品の熱が伝達する筐体の外側表面を冷やすための冷却装置を備える。

本発明の電子機器は、電子部品の熱が伝達する筐体の外側表面を冷やすための冷却装置を有するので、動作時の筐体表面の温度を下げ、同時に筐体内の電子部品の温度を下げる。その冷却効果により、本発明は電子機器の発熱に対する信頼性、安全性を向上させ、さらに使用者の熱に対する不快感を軽減する。

本発明について携帯型ＰＣを例にとり説明する。なお、本発明はＰＣに限定されず、他の電子機器にも適用できることは言うまでもない。図１は、本発明の一実施例である携帯型ＰＣ１０の背面斜め上から見た図である。図２は図１のＰＣをＡ方向から見た断面図である。

筐体は、コア筐体１２とクレードル筐体１４から構成される。コア筐体１２の中には、プリント配線板１６上のＣＰＵ１８、ＣＰＵ１８に熱伝導性弾性体１９を介して接続するヒートシンク２０、ヒートシンク２０をコア筐体１６に固定するリブ（ＬＩＢ）２２がある。さらに、コア筐体１２は、メモリ、各種制御用IC、ＨＤＤなどの電子部品２４（詳細は省略）を含む。

コア筐体１２の端部３３には、電気的接続をとるためのコネクタ（図示なし）がある。そのコネクタは、クレードル筐体１４の開口４０の底部にあるインターフェイス（Ｉ／Ｏ）４６用プリント配線板上にあるコネクタ（図示なし）に脱着可能となっている。コア筐体１２はクレードル筐体１４のコネクターに結合した状態でPCとして動作する。動作時、コア筐体１２の表面の温度は上昇し高温になる。コア筐体１２はクレードル筐体１４からはずして持ち運びできる。別の場所にあるクレードル筐体に装着することで、PCとして動作する。

クレードル筐体１４は、主に電源や外部機器（デイスプレイ、キーボード、マウスなど）のインターフェース（Ｉ／Ｏ）を内蔵する。図１の符号４６はＩ／Ｏのコネクタ類を示す。クレードル筐体１４の中にはファン３０がある。ファン３０によりクレードル筐体１４の開口部３６からエアーが筐体内に取り込まれる。ファン３０からのエアーはコア筐体１２の表面に吹き付けられる。そのエアーの一部がコア筐体１２の表面に沿って流れるようにクレードル筐体１４の上部に開口４２がある。エアーの一部は開口４２から出て、矢印４４で示されるように、コア筐体１２の表面２９に沿って流れる。

エアーフロー４４の風量は、ファン３０の容量、開口３６、２６、２８、４２の大きさなどに依存する。エアーフロー４４は、必ずしもコア筐体１２の上端部（符号２８の近傍）まで届く必要はないが、少なくともリブ２２より伝導した熱の放熱を促進させる必要がある。エアーフロー４４の風量は、そのニーズを満たすように決められる。ファン３０とクレードル筐体１４は、開口３６、４２以外はできる限り密閉して、エアーフロー４４、３２（詳細は後述）以外に空気の流れ（漏れ）がないようにする。これによりクレードル筐体１４内の圧力は周囲に比べて高くなり、気圧の低いコア筐体内１２と上端部２８に空気は流れやすくなる。このエアーフロー４４により、ＰＣ動作時のコア筐体１２の表面２９が冷やされる。その結果、コア筐体１２の表面２９の温度が下がる。同時に、ＣＰＵ１８などからヒートシンク２０および固定リブ２２を介してコア１２に伝達する熱の除去（冷却）効果が促進される。

ファン３０からのエアーの一部は、コア筐体１２の開口部２６からコア筐体１２内に入り上部の開口部２８から外へ出るエアーフロー３２となってコア筐体１２内を流れる。エアーフロー３２により動作時のＣＰＵ１８などの発熱する電子部品、ヒートシンク２０と筐体１２の裏面が冷やされる。このように、図２のＰＣでは、エアーフロー４４、３２が、コア筐体１２の表面上および内部の両方に同時に流れる。その結果、筐体内の電子部品の冷却効果がさらに向上すると同時に、筐体表面の温度上昇を抑えることができる。なおエアーフロー３６、３２、４４の向きを図２と逆方向に流しても同様な効果を得ることができる。

図２のリブ２２は、その断面形状が縦長になっている。その理由は、筐体とヒートシンクとの接触面積を大きくして、ヒートシンク２０からコア筐体１２への熱伝導をより良くするためである。また、風路に対しても抵抗とならず、放熱作用を効果的に行える構造となっている。

図３はヒートシンク上のリブの位置および形状の例を示す平面図である。（ａ）は符号５０で示す４点に円柱状のリブがある例である。（ｂ）は４点のリブをＬ字型にした例である（符号５２）。（ｃ）は図２のＰＣで採用している２つの縦長リブの例である（符号５４）。携帯型PCの筐体の大きさ、内蔵する電子部品からの発熱量、発熱素子の基板上での位置、ファンからの空気の取り入れ位置、ファンからの風量、空気の流れに応じて、リブの形状、大きさ、および体積をその携帯PCにあわせて最適化する。その結果、伝熱量を調整することができ発熱素子からの熱を筐体表面に効率よく伝熱することができる。

図２の例では、リブ２２の形状を縦長にすることで、ヒートシンク２０の筐体への固定強度が増し、ＣＰＵとの接続のときに加わる荷重に対して、ヒートシンク２０がたわみにくくなる。また、リブ２２は少なくとも２つ離間して設けられる。その理由は、コア筐体１２内を流れるエアーフロー３２の流路を確保するためである。

ヒートシンク２０、リブ２２の材料としては、熱伝導性のよいアルミニュウム合金、銅、ステンレス、マウグネシウム合金などを用いる。伝熱機構としてヒートシンクとヒートパイプを併用するとさらに冷却効果が向上する。

筐体表面を流れるエアーフロー４４のよる冷却効果について調べるために、以下の実験をおこなった。図４は、図２のＰＣにおいて、クレードル筐体１４の中にダクト３４を設けて、ファンからのエアーフローが開口４２から外へ出ていかないようにしたＰＣ１０'の断面図である。図４のＰＣ１０'では、ファンからのエアーは、開口部２６からコア筐体１２内に入り上部の開口部２８から外へ出るエアーフロー３２となってコア筐体１２内を流れる。

図２、図４のＰＣについて、同一の縦長のリブ２２（サイズ：２ｍｍ ｘ ２５ｍｍ ｘ １ｍｍ、材料はＡｌ５０５２）をヒートシンク（サイズ：５０ｍｍ ｘ １００ｍｍ ｘ ０．５ｍｍ、材料：Aｌ１０５０）に２本取り付け、筐体表面を流れるエアーフロー４４による冷却効果について調べた。その結果、エアーフロー３２と４４を有する図２のＰＣ１０では、エアーフロー４４が無く、エアーフロー３２だけの図４のＰＣ１０'に比べて、筐体表面２９の温度を約２℃、ＣＰＵ１８の温度を約４℃低くすることができた。下記にそのときのデータを示す。

・ＣＰＵクロック：１ＧＨｚ
・ファン ：４２００ｒｐｍ
・筐体表面温度 ：エアーフロー４４有り：４８．９℃
エアーフロー４４無し：５０．８℃
・ＣＰＵ温度 ：エアーフロー４４有り：７７．２℃
エアーフロー４４無し：８１．３℃
・環境温度 ：３５℃

本発明について、図１−図４のＰＣを例にとり説明をした。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本発明の冷却装置としては、ファンを用いたエアーフローを利用する以外に、筐体表面に配置された細い配管に冷媒を流す方式、あるいは特に熱くなる部分（ヒート・スポット）にペルチェ素子のような冷却素子を配置する方式なども利用可能である。本発明では、電子機器の形状やサイズ、発熱状態などを考慮して、適切な冷却装置を採用することができる。いずれの冷却装置を採用するにしても、筐体内の発熱電子部品の冷却と筐体表面の冷却の双方を同時におこなうことにより、本発明はより冷却効果を発揮する。この本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形が可能であることは当業者には明らかであろう。

本発明のＰＣの斜め背面図である。 図１の本発明のＰＣの断面を示す図である。 ヒートシンク上のリブの位置、形状の例を示す平面図である。 図２の本発明のＰＣにダクト３４をつけた断面図である。

符号の説明

１０、１０' ＰＣ
１２ コア筐体
１４ クレードル筐体
１６ プリント配線板
１８ ＣＰＵ
１９ 熱弾性体
２０ ヒートシンク
２２ リブ
２６、２８、３６、４２ 開口
３０ ファン
３４ ダクト

Claims (9)

1. 筐体と、前記筐体内に配置された、電子部品、前記電子部品の発熱を前記筐体へ伝達するための伝熱機構、および前記電子部品の熱が伝達する筐体の外側表面を冷やすための冷却装置を備える、電子機器。
2. 前記伝熱機構は、前記電子部品に接続するヒートシンクと、前記ヒートシンクを前記筐体に接続するリブを含む、請求項１の電子機器。
3. 前記リブはヒートシンクの一部をなす、請求項２の電子機器。
4. 前記冷却装置はファンを含み、前記筐体は、前記ファンからのエアーフローを、前記リブが固定する筺体の外側表面に沿って流すための開口を含む、請求項２の電子機器。
5. 前記ファンからのエアーフローは、同時に前記筐体内部の電子部品へ流れる、請求項３の電子機器。
6. 前記リブは、前記電子部品の近傍のヒートシンク部分に設けられる、請求項２の電子機器。
7. 前記伝熱機構は、さらに前記電子部品に接続するヒートパイプを含む、請求項２の電子機器。
8. 前記筐体は、前記電子部品および伝熱機構を内蔵するコア筐体部と、前記冷却装置を内蔵するクレードル筐体部を含み、 前記開口は前記コア筐体部と前記クレードル筐体部が接合する領域に設けられる、請求項４の電子機器。
9. 前記電子部品はＣＰＵを含み、前記電子機器は小型コンピュータ（ＰＣ）である、請求項８の電子機器。

Images