JP2008192968A - 放熱装置、通信機器および機器の放熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の通信機器内部の発熱体で生じる熱を効率よく外部に放出する。
【解決手段】携帯通信機１と冷却部９とがコネクタ７，１１で接続される。携帯通信機１の内部のメイン基板４上に搭載された発熱体６が動作すると発熱する。発熱体６からの熱は、メイン基板４およびコネクタ７を介して冷却部９の冷却部コネクタ１１に伝達され、冷却部コネクタ１１から熱変換素子１２に伝達される。冷却部９における熱変換素子１２は２枚の導体板を張り合わせた構造であって、一方の導体板の温度の上昇に伴って導体板間に起電力を発生する。熱変換素子１２で発生した電力は蓄電池１４に充電される。これにより携帯通信機１内部の熱が外部の冷却部９において効率よく冷却される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、機器の内部で発生した熱を放出するために用いる放熱装置、通信機器、および機器の放熱方法に関する。

携帯電話機に代表される携帯通信機において、高機能化および高性能化に伴って機器内部の電子部品の消費電力が増加し、結果として機器全体の温度が上昇する可能性がある。

このような機器の温度上昇を防ぐために、パーソナルコンピュータ等の電子機器では、筐体の内部にファンを取り付け、電子部品の発熱量（温度）が所定値を超えたときにファンを回転させて筐体内部の熱を外部に放熱している。しかし、近年の携帯電話機は非常に小型化されているため、スペースの制約からパーソナルコンピュータのようにファンによって放熱する対策をとることは困難である。

また、電子機器では、発熱量の多い電子部品の表面に放熱用の金属製ヒートシンクを取り付け、電子部品から生じる熱を筐体に効率よく拡散させることによって放熱する方法もとられている。しかし、携帯電話機は筐体の表面積が小さいため、筐体表面へ即座に熱を伝えてしまうと、一部の筐体表面のみ温度が局所的に上昇してしまうおそれがある。その結果、操作時に、ユーザに不快感を与える可能性がある。

このように、従来より一般的に利用されている放熱方法を携帯電話機などの小型の電子機器（通信機器）に適用することは困難であり、自然空冷では温度を下げるには限界がある。また、電子部品の消費電力を抑えれば（例えば、無線出力を下げるなどの電子部品の電流値制御を行えば）、機器の温度上昇を抑えることはできるが、機器の機能が低下する。

そこで、以下の特許文献１には、携帯電話機などの小型の電子機器に適用可能な放熱方法が提案されている。この特許文献１に記載されている電子機器では、熱電変換素子により電子部品からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを二次電池（バッテリ）に充電する。このような構成によって、小型の電子機器内の電子部品を効率よく冷却するとともに、二次電池の寿命を延ばしている。

なお、機器内の電子部品からの熱を放熱する方法ではないが、ユーザの掌（手のひら）から伝わる熱エネルギーを熱電素子で電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを充電用バッテリに充電する携帯電話機が特許文献２に記載されている。

特開２０００−１４０２６号公報（段落０００４，０００５，００１１−００２０、図１、図２） 特開２００４−５６８６６号公報（段落００３１，００３２，００４３−００４５、図２）

しかし、特許文献１，２に記載されている構成では、熱電変換素子が機器内部に内蔵されているので、機器全体の温度が上昇した場合に、熱電変換素子の周囲の温度も上昇し、熱電変換素子の片側の面と他方の面との温度差が小さくなってしまうおそれがある。その場合、効率よく熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができず、電子部品の熱を効果的に放熱することができないことになる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型の機器内部の熱を効率よく外部に放出することができる放熱装置、通信機器および機器の放熱方法を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明による放熱装置は、機器の内部に設けられた、基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達する第１の伝達部と、機器の外部に設けられ、第１の伝達部と接続可能であって、第１の伝達部によって伝達された熱を伝達する第２の伝達部と、機器の外部に設けられた、第２の伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子とを備えたことを特徴とする。

第１の伝達部は第１のコネクタを含み、第２の伝達部は第１のコネクタに接続可能な第２のコネクタを含み、第１のコネクタと第２のコネクタとが接続されたときに、基板上の部品で生じる熱が第１のコネクタおよび第２のコネクタを通じて伝達するように構成されていてもよい。このような構成によれば、機器と機器外部の装置とが取り外し可能な構成となり、機器の温度が上昇しないような動作状態のときに機器外部の装置を取り外しておくことによって、機器外部の装置が邪魔になってしまうのを回避することができる。

第１のコネクタを、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとしてもよい。このような構成によれば、機器の構成を大幅に変更する必要がなく、開発・製造コストを抑えることができる。

第１のコネクタを、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとは別のコネクタとしてもよい。このような構成によれば、機器を充電しながら、そのときに発生する機器内部の熱を放熱することができる。

熱変換素子で変換された電力を機器の内部に設けられた電池に充電するようにしてもよい。このような構成によれば、機器の使用可能な時間を長くすることができる。

機器の外部に設けられた、熱変換素子で変換された電力で起動して熱変換素子に送風する送風部を備えていてもよい。このような構成によれば、熱変換素子の両面の温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換を促進することができる。

また、本発明による通信機器は、機器本体と冷却装置とを備えた通信機器であって、機器本体は、機器内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達する機器側伝達部を含み、冷却装置は、機器伝達部と接続可能であって、機器伝達部によって伝達された熱を伝達する冷却側伝達部と、冷却側伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子とを含むことを特徴とする。

さらに、本発明による機器の放熱方法は、機器の内部で発生した熱を放出する機器の放熱方法であって、機器の内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達し、筐体外部に伝達された熱を機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、熱変換素子で熱を電力に変換することを特徴とする。

以上のように、本発明では、機器の内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達し、筐体外部に伝達された熱を機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、熱変換素子で熱を電力に変換するように構成されているので、機器内部の熱を効率よく外部に放熱することができ、機器の表面温度の上昇を効果的に抑制することができる。その結果、機器の筐体表面の局所的な温度上昇を低減することができる。また、熱変換素子における熱から電力への変換効率を向上させることができる。また、機器の筐体の厚みが増してしまうのを防止することができる。さらに、機器内部の熱を効率よく放熱することができるので、消費電力が大きい高性能の電子部品を使用することができる。

以下、本発明の実施の一形態を図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明による携帯通信機の本体の構成を示す断面図である。図１に示すように、携帯通信機１の本体の外観が上筐体２と下筐体３によって構成されている（形付けられている）。そして、携帯通信機１の本体内部に、メイン基板４と、電子部品５と、発熱体６と、本体コネクタ７と、電池８とが実装されている。

図１に示す構成において、メイン基板４は、複数の電子部品５，６などを組み込み配線するためのプリント板である。電子部品５，６は、通話や電子メールの送受信などの携帯通信機１の各種機能を実現するための制御を実行する部品である。例えば、図４，図５に示すように、無線信号を送受信する送受信部２１、液晶画面（図示せず）に各種情報を表示する表示部２２、ユーザによる操作に応じて各種情報を入力する操作部２３、スピーカからの音声出力やマイクによる音声入力を行う音声部２４、各部の制御を司るプロセッサを搭載した制御部２５などである。発熱体６は、電子部品のうち、動作しているときに発熱する電子部品（特に発熱量の多い電子部品）である。例えば、プロセッサを搭載した制御部２５や増幅器を含む送信電力制御回路である。

本体コネクタ７は、携帯通信機１の電池８を充電するときに、商用電源（例えば家庭用の１００Ｖの電源）のコンセントに接続されたアダプタからのケーブルを接続するための充電用のコネクタである。また、本体コネクタ７は、後述する冷却部９を接続するためのコネクタでもある。つまり、本体コネクタ７は、アダプタからのケーブルを接続するためのみならず、冷却部９を接続するためにも用いる兼用のコネクタである。図１に示すように、本体コネクタ７は機器内部でメイン基板４と接合されている。また、本体コネクタ７の接続部（ケーブル、冷却部９を接続する端子を備えた部分）が、携帯通信機１の筐体２，３の側面（携帯通信機１における底面）において露出している。電池８は、外部電源からの電力を蓄え、電子部品５，６に電力を供給するバッテリ（二次電池）である。電池８は、機器内部でメイン基板４と接合されている。

図２は、本発明による冷却部の構成を示す断面図である。図２に示すように、冷却部９は、筐体１０内部に、冷却部コネクタ１１と、熱変換素子１２と、サブ基板１３と、蓄電池１４とが実装されている。

冷却部コネクタ１１は、携帯通信機１の本体コネクタ７と接続するためのコネクタである。この冷却部コネクタ１１は、既存の携帯通信機１における充電用コネクタに接続することが可能なコネクタ、すなわち、既存の携帯通信機１における充電用コネクタの規格に合ったコネクタである。

熱変換素子１２は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。熱変換素子１２としては、一般的にペルチェ素子が用いられている。ペルチェ素子は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した半導体素子である。ペルチェ素子は、異種の導体板を２枚貼り合わせた構成であり、２枚の導体板のうち、一方の導体板の温度が他方の導体板よりも高くなると、導体板間に起電力が生じ、熱を電気に変換することができる。なお、このように温度差を与えることで金属の間に電圧が生じ、電流が流れることをゼーベック効果という。図２に示すように、熱変換素子１２は、冷却部コネクタ１１とサブ基板１３の間に設けられている。

サブ基板１３には、熱変換素子１２が接合され、また蓄電池１４が搭載されている。サブ基板１３は、熱変換素子１２で発生される電流（電力）を蓄電池１４に伝達できるように、熱変換素子１２の２枚の導体板のそれぞれと蓄電池１４とがサブ基板１３上で配線されている。蓄電池１４は、熱変換素子１２からの電力を蓄えるバッテリ（二次電池）である。

図３は、接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示す断面図である。図３に示すように、携帯通信機１の本体コネクタ７に冷却部９の冷却部コネクタ１１を差し込む（組み合わせる、嵌め込む）ことにより、携帯通信機１と冷却部９とが接続（連結）される。

次に、携帯通信機１の内部で発生した熱を外部に放出する場合の動作について説明する。

携帯通信機１の発熱体（電子部品）６が動作すると、発熱体６で熱が発生する。発熱体６で発生した熱は、物が接触している方向に伝わりやすい。特に、熱伝導率の高い部品には熱が伝わりやすく、空気には伝わりにくい性質がある。メイン基板４の熱伝導率は、他の部材、特に空気と比較して１００倍以上大きいため、筐体２，３内部の空気よりもメイン基板４に熱が伝わる。

ここで、従来の携帯通信機（冷却部９を接続不可能な携帯通信機）では、発熱体６からメイン基板４に伝わった熱のほとんどが、メイン基板４から上筐体２、下筐体３へと伝わっていく。この場合、全体の熱量に対して、筐体２，３表面から自然空冷によって冷却される熱量は限られているため、どのように最適化しても筐体２，３表面の温度は高温になってしまう。

一方、本発明の携帯通信機（冷却部９が接続された状態の携帯通信機１）では、発熱体６からメイン基板４に伝わった熱は、メイン基板４から本体コネクタ７に伝わる。そして、本体コネクタ７と冷却部コネクタ１１とが接続されていると、本体コネクタ７から冷却部コネクタ１１に熱が伝わる。これにより、携帯通信機１の発熱体６で発生した熱が冷却部９側に伝達されることになる。

冷却部コネクタ１１に伝わった熱は、熱変換素子１２によって電力に変換される。すなわち、熱変換素子１２において、冷却部コネクタ１１と接合されている導体板がサブ基板１３と接合されている導体板よりも高温になり、導体板間で起電力が生じる。このとき、熱変換素子１２における冷却部コネクタ１１との接合面において吸熱が行われる。このように、本体コネクタ７から冷却部コネクタ１１に伝達された熱が熱変換素子１２で電力に変換されるため、携帯通信機１の筐体２，３表面に伝達される熱が低減される。

熱変換素子１２からサブ基板１３に流れる電流がサブ基板１３上の配線を通って蓄電池１４に導かれ、蓄電池１４において充電される。

以上のように、この実施の形態１によれば、携帯通信機１と冷却部９とをコネクタ７，１１で接続し、携帯通信機１の内部（発熱体６）で発生した熱をコネクタ７，１１を介して携帯通信機１外部の冷却部９側に伝達し、その熱を冷却部９にて冷却するように構成されているので、携帯通信機１内部の熱を効率よく外部に放熱することができ、携帯通信機１の表面温度の上昇を効果的に抑制することができる。その結果、携帯通信機１の筐体２，３表面の局所的な温度上昇を低減することができる。

また、熱変換素子１２が携帯通信機１外部の冷却部９に内蔵されているので、従来における熱変換素子が携帯通信機本体に内蔵されていた場合のように携帯通信機全体の温度上昇に伴って熱変換素子の周囲の温度も上昇し、熱変換素子における２枚の導体板の温度差が小さくなってしまうことがない。そして、熱変換素子１２における２枚の導体板の温度差が大きければ、電気に変換される熱も大きくなるため、携帯通信機１本体に熱変換素子を内蔵する場合よりも、２枚の導体板の温度差を大きくすることができ、熱から電気への変換効率を向上させることができる。

また、携帯通信機１に熱変換素子１２を内蔵しないので、携帯通信機１の筐体２，３の厚みが増してしまうのを防止することができる（携帯通信機１を小型化することができる）。

また、携帯通信機１内部の熱を効率よく放熱することができるので、消費電力が大きい高性能の電子部品を使用することができる。

また、携帯通信機１と冷却部９とはコネクタ７，１１で接続されるので、携帯通信機１と冷却部９とが取り外し可能な構成である。従って、携帯通信機１の温度が上昇しないようなとき（例えば、発熱体６が動作していないとき）は冷却部９を取り外しておくことによって、携帯通信機１をカバンに収納するような場合に冷却部９が邪魔になってしまうことがない。

例えば、通話しているときやインターネットのサイトを閲覧しているとき、動画像を見ているときなどのように携帯通信機１を使用しているときは、携帯通信機１が発熱する可能性が高いので、ユーザは冷却部９を携帯通信機１に取り付けて携帯通信機１内部の熱を放熱するようにする。一方、携帯通信機１を使っていないとき（着信を待ち受けているとき）は、携帯通信機１が発熱しないので、ユーザは携帯通信機１から冷却部９を取り外しておく。

また、上記の実施の形態１では、携帯通信機１の充電用のコネクタである本体コネクタ７に冷却部９の冷却部コネクタ１１を接続するように構成されている。すなわち、冷却部コネクタ１１は、既存の携帯通信機１における充電用コネクタの規格に合ったコネクタとされている。従って、既存の携帯通信機１に冷却部９を接続することが可能であり、携帯通信機１の構成を大幅に変更する必要がなく、開発・製造コストを抑えることができる。また、携帯通信機１のバージョンアップなどにも容易に対応することができる。

なお、上記の実施の形態１では、携帯通信機１の充電用のコネクタ（本体コネクタ７）に冷却部９の冷却部コネクタ１１を接続するようにしていたが、このような構成に限られるわけではなく、携帯通信機１において充電用のコネクタとは別に、冷却部９接続用の専用のコネクタを設け、そのコネクタに冷却部９の冷却部コネクタ１１を接続するようにしてもよい。このような構成によれば、携帯通信機１を充電しながら、そのときに発生する携帯通信機１の熱を放熱することができる。

また、図１に示すように、メイン基板４上の発熱体６は、本体コネクタ７に近い位置に配置されている。従って、発熱体６で発生した熱が効率よく本体コネクタ７に伝達され、本体コネクタ７から冷却部コネクタ１１（すなわち冷却部９）に伝達されることになる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、熱変換素子１２で生じた起電力を蓄電池１４に充電（蓄積）するように構成されていたが、蓄電池１４に充電された電力の利用法については説明していなかった。この実施の形態２では、蓄電池１４に充電された電力を携帯通信機１の電池８に戻すように構成したものである。

図４は、実施の形態２における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。図４に示すように、携帯通信機１の熱を冷却部９に伝達するための経路（携帯通信機１の本体コネクタ７から冷却部９の冷却部コネクタ１１および熱変換素子１２への経路；なお、図４では制御部２５から熱変換素子１２への経路が示されている）のほかに、蓄電池１４に蓄積されている電力を電池８に戻す経路（図４における冷却部９の蓄電池１４から携帯通信機１の電池８への経路）が設けられている。

具体的には、電池８と本体コネクタ７とがメイン基板４を介して配線され、蓄電池１４と冷却部コネクタ１１とがサブ基板１３を介して配線される。そして、本体コネクタ７と冷却部コネクタ１１とが接続されると、電池８から本体コネクタ７への配線と蓄電池１４から冷却部コネクタ１１への配線とが接続され、蓄電池１４に充電された電力が電池８に送られる。

このような構成によれば、蓄電池１４に充電された電力を電池８に蓄積することができ、携帯通信機１の使用可能な時間を長くすることが可能となる。

なお、上記の実施の形態では、熱変換素子１２で生じた電力を一旦、蓄電池１４に充電し、蓄電池１４から電池８に蓄積するように構成されているが、蓄電池１４に充電せずに、熱変換素子１２で生じた電力を電池８に直接戻して充電するようにしてもよい。この場合、熱変換素子１２の２枚の導体板間で生じた起電力が冷却部コネクタ１１、本体コネクタ７およびメイン基板４を介して電池８に送られることになる。

また、熱変換素子１２で生じた電力を冷却部コネクタ１１および本体コネクタ７を介して携帯通信機１側に戻すように構成されていたが、冷却部コネクタ１１および本体コネクタ７とは別に、熱変換素子１２で生じた電力を戻すための信号線を接続するためのコネクタを設けてもよい。

実施の形態３．
上記の実施の形態２では、蓄電池１４に充電された電力を携帯通信機１の電池８に戻すように構成していたが、この実施の形態３では、蓄電池１４に充電された電力を利用してファンを起動させ、熱変換素子１２の片側の導体板（サブ基板１３と接合された導体板）を冷却するように構成したものである。

図５は、実施の形態３における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。図５に示すように、冷却部９には、ファン３１が設けられている。ファン３１は、冷却部９が携帯通信機１に接続されたときに熱変換素子１２の片側の導体板（サブ基板１３と接合された導体板）に風を送り冷却する。なお、ファン３１は、携帯通信機１と冷却部９とが接続されると、自動的に起動して回転するように構成されていてもよいし、スイッチなどが設けられ、スイッチのオンに応じて起動して回転するように構成されていてもよい。

このような構成によれば、ファン３１を起動させて冷却することにより、熱変換素子１２の導体板の温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換を促進することができる。

なお、ファン３１は、携帯通信機１と冷却部９が接続された状態で携帯通信機１に向かって風を送り、携帯通信機１を冷却するように構成されていてもよい。

また、熱変換素子１２で生じた電力を一旦、蓄電池１４に充電し、蓄電池１４の電力をファン３１の駆動電力としていたが、蓄電池１４に充電せずに、熱変換素子１２で生じた電力を直接、ファン３１の駆動電力とするようにしてもよい。

なお、上記の実施の形態１〜３では、携帯通信機１の放熱方法について説明したが、筐体内の収容スペースが小さい小型の機器であれば、携帯通信機１に限られず、例えば、ＰＨＳ、ノートパソコン、ＰＤＡなどの装置にも適用可能である。

なお、携帯通信機１と冷却部９とを含めて携帯通信機（通信機器）と考えてもよい。すなわち、冷却部９を携帯通信機１の一部と考えてもよい。

本発明は、携帯通信機などのような小型の電子機器内部の熱を放出する装置に適用される。

本発明による携帯通信機の本体の構成を示す断面図である。 本発明による冷却部の構成を示す断面図である。 接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示す断面図である。 実施の形態２における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。 実施の形態３における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 携帯通信機
４ メイン基板
５ 電子部品
６ 発熱体
７ 本体コネクタ
８ 電池
９ 冷却部
１１ 冷却部コネクタ
１２ 熱変換素子
１３ サブ基板
１４ 蓄電池

Claims (8)

1. 機器の内部に設けられた、基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達する第１の伝達部と、
   前記機器の外部に設けられ、前記第１の伝達部と接続可能であって、前記第１の伝達部によって伝達された熱を伝達する第２の伝達部と、
   前記機器の外部に設けられた、前記第２の伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子と、を備えた
   ことを特徴とする放熱装置。
2. 第１の伝達部は第１のコネクタを含み、
   第２の伝達部は前記第１のコネクタに接続可能な第２のコネクタを含み、
   前記第１のコネクタと前記第２のコネクタとが接続されたときに、基板上の部品で生じる熱が前記第１のコネクタおよび前記第２のコネクタを通じて伝達する
   ことを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
3. 第１のコネクタは、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタである
   ことを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
4. 第１のコネクタは、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとは別のコネクタである
   ことを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
5. 熱変換素子で変換された電力を機器の内部に設けられた電池に充電する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。
6. 機器の外部に設けられた、熱変換素子で変換された電力で起動して前記熱変換素子に送風する送風部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。
7. 機器本体と冷却装置とを備えた通信機器であって、
   前記機器本体は、機器内部の基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達する機器側伝達部を含み、
   前記冷却装置は、
   前記機器伝達部と接続可能であって、前記機器伝達部によって伝達された熱を伝達する冷却側伝達部と、
   前記冷却側伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子と、を含む
   ことを特徴とする通信機器。
8. 機器の内部で発生した熱を放出する機器の放熱方法であって、
   前記機器の内部の基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達し、
   前記筐体外部に伝達された熱を前記機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、
   前記熱変換素子で熱を電力に変換する
   ことを特徴とする機器の放熱方法。

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