JP2009231701A - 電子機器用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、各種電子機器内のＩＣチップ周辺などを局所的に冷却する冷却性能の優れた電子機器用冷却装置を提供するものである。
【解決手段】 かゝる本発明は、ＩＣチップなどの発熱源５０に直接又は間接的に接触させると共に、そのベース部２１に多数の冷却フィン２２を適宜間隔で平行に立設させてなるヒートシンク２０を用いた電子機器用冷却装置１０において、ヒートシンク２０の多数の冷却フィン２２、２２間の間に、振動装置４０の振動板４３を挿入させる一方、ヒートシンク２０の多数の冷却フィン２２の全部又は一部に外気用の開口部２２ａを設け、かつ、開口部形成位置を振動装置４０の振動板の挿入長さの内側としてある電子機器用冷却装置にあり、外気用の開口部２２ａにより、振動装置４０の振動時、外気が導入され、冷却性能の向上が図られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種電子機器内のＬＳＩやＣＰＵなどのＩＣチップ周辺を局所的に冷却する電子機器用冷却装置に関するものである。

近年、各種電子機器、特にノートパソコンなどの場合、演算処理量の増大と処理の高速化に伴って、消費電力の大きいＣＰＵなどのチップが使用されており、これが局所的な発熱源となっている。この発熱源の熱量は、益々増加する傾向にある一方で、機器の他の電子部品にあっては、耐熱の信頼性や動作特性の温度依存性などから、当然その使用温度範囲は限定されている。このため、ノートパソコンなどの電子機器において、内部で発生する熱を効率よく外部に排出する技術の確立が急務となっている。

このような要求に答えるものとして、既に種々の構成からなる冷却装置が提案されている。例えば、多数の冷却フィンを適宜間隔で平行に立設させてなる、代表的な冷却部品であるヒートシンクや、このヒートシンクと送風ファンなどにより冷風を送る冷却送風装置を組み合わせたもの（引用文献１）、さらには、ヒートシンクと板状圧電素子への交流電圧の印加により弾性金属板（ブレード）を振動させる構造の圧電ファン装置を組み合わせたもの（引用文献２〜３）などが挙げられる。
特開２００２−０６４１７１号 特開平０８−３３０４８８号 特開平１０−０５６２１５号

ところが、ヒートシンクの場合、ＣＰＵなどの発熱源からの熱が熱伝導性の優れた冷却フィンに伝達されて、ここから放熱されるわけであるが、熱の自然伝導による放熱のみでは、十分な冷却性能が得られないという問題がある。

これに対して、ヒートシンクと冷却送風装置を組み合わせたものでは、冷却送風装置からの強制的な送風があるため、冷却性能の向上が得られるものの、冷却性能のさらなる向上のためには、冷却送風装置の送風ファンの送風性能を上げる必要がある。通常送風ファンはモータ駆動方式が取られるため、送風量の増大に伴って、騒音も増大するという問題が生じる。
一方、ヒートシンクと圧電ファン装置とを組み合わせたものでは、騒音発生などの問題はないが、圧電ファン装置の振動による場合、外気が狭いヒートシンクの冷却フィン間の間に効率的に導入できないという問題がある。

そこで、本発明者等は、ヒートシンクの多数の冷却フィンの一方側に、振動装置、例えば圧電ファン装置の振動板を挿入させる一方、ヒートシンクの多数の冷却フィン側の特定の位置に外気用の開口部を設けたところ、振動装置の振動時、冷却フィン間の内部に生じる内圧変動（負圧部の発生）により、外気が導入され、また、これが排気される気流の流れができるため、冷却性能の向上が得られることを見出した。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、優れた冷却性能が得られる電子機器用冷却装置を提供するものである。

請求項１記載の本発明は、ＩＣチップなどの発熱源に直接又は間接的に接触させると共に、そのベース部に多数の冷却フィンを適宜間隔で平行に立設させてなるヒートシンクを用いた電子機器用冷却装置において、前記ヒートシンクの多数の冷却フィン間の間に、振動装置の振動板を挿入させる一方、前記ヒートシンクの多数の冷却フィンの全部又は一部に外気用の開口部を設け、かつ、当該開口部形成位置を前記振動装置の振動板の挿入長さの内側としてあることを特徴とする電子機器用冷却装置にある。

請求項２記載の本発明は、前記外気用の開口部が、スリットであることを特徴とする請求項１記載の電子機器用冷却装置にある。

請求項３記載の本発明は、前記ヒートシンクのいずれかの側に、前記多数の冷却フィン間の間に冷風を送る冷却送風装置を設置させたことを特徴とする請求項１又は２記載の電子機器用冷却装置にある。

請求項４記載の本発明は、前記振動装置の振動板の先端部長さを、前記ヒートシンクの冷却フィンの中央部付近までの長さとしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の電子機器用冷却装置にある。

請求項５記載の本発明は、前記振動装置の振動板の設置角度を、その先端部が前記ヒートシンクの底面側に向かう下向きとしたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電子機器用冷却装置にある。

請求項６記載の本発明は、前記振動装置が、板状圧電素子への交流電圧の印加により平板状の弾性振動板が振動する圧電ファン装置であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の電子機器用冷却装置にある。

本発明の電子機器用冷却装置によると、ヒートシンクの多数の冷却フィンの一方側に振動装置の振動板を挿入させる一方、ヒートシンクの多数の冷却フィン側の特定の位置に外気用の開口部を設けてあるため、振動装置の駆動時、この外気用の開口部から、外気が適宜導入される一方、この外気が排気される気流の流れができる。結果として、この外気導入量の増大により、冷却性能の向上が得られる。

また、ヒートシンクのいずれかの側に、多数の冷却フィン間の間に冷風を送る冷却送風装置を設置させた場合、この冷却送風装置からの送風が、システムフローとして、狭い間隔で立設された冷却フィン間の間に導入されるため、振動装置の振動板による振動と相まって、より良好な外気の導入が得られる。これによっても、冷却性能の向上が得られる。

図１〜図３は、本発明に係る電子機器用冷却装置の一例を示したものである。
図中、１０は電子機器用冷却装置で、これはヒートシンク２０、冷却送風装置３０及び振動装置である圧電ファン装置４０からなる。なお、振動装置はこの圧電ファン装置４０に限定されず、振動板を往復方向に電磁駆動させる装置とすることもできる。また、冷却送風装置３０は省略することもできる。

上記ヒートシンク２０は、ベース部（底面部）２１に多数の冷却フィン２２を適宜間隔で平行に立設させてなる。ベース部材料や冷却フィン材料としては、熱伝導性に優れた金属材料（アルミ、銅、ステンレス綱、各種合金など）が用いられる。そして、使用時には、ＩＣチップなどの発熱源５０が、そのベース部２１側に直接又は間接的に接触するようにして設置させる。

この冷却フィン２２には、図１、図３に示すように、上下方向に切り欠かれたスリットからなる外気用の開口部２２ａが設けてある。これは外気を導入するためのもので、必ずしも上記スリットに限定されない。例えば、連続的に配置させた穴や格子状の開口などであってもよい。この開口部２２ａの形成位置（図８中の長さＬｂ参照）は、後述する圧電ファン装置４０の振動板４３、即ち、弾性振動板の挿入長さ内に設ける必要がある。
つまり、圧電ファン装置４０の弾性振動板４３が、図２に示すように、ヒートシンク２０の隣接する冷却フィン２２、２２間の間に挿入されるわけであるが、その挿入長さ（弾性振動板の先端部までの水平方向の挿入長さ、図８中の長さＬａ参照）より、内側に開口部２２ａの形成する必要がある。
このように、開口部２２ａを弾性振動板４３の振動領域内に形成することで、外気の良好な導入効果が得られるからである。また、これらのことから、開口部２２ａがスリットの場合、その幅は、特に限定されないが、１〜５ｍｍ程度とすればよい。あまり狭いと、外気がスムーズに入らず、逆に、あまり広いと、弾性振動板４３の振動による内圧変動時、冷却フィン２２、２２間の間に生じる負圧が低下して、所望外気吸入作用が得られなくなる。

上記冷却送風装置３０は、システムフローを得るためのもので、図示しないが、送風ファンが内蔵させてあり、この送風ファンはモータ駆動させるようにしてある。
そして、この冷却送風装置３０は、ヒートシンク２０の多数の冷却フィン２２の一方側（圧電ファン装置４０の挿入側、図１〜図３の左側）に適宜離間させて設置させる。このとき、勿論装置の送風吹出口（図示省略）は、多数の冷却フィン２２側に向ける。送風吹出口の数は特に問わないが、ヒートシンク２０の冷却フィン２２の高さ方向に偏ることなく、冷風が吹き出されるようにする。

上記圧電ファン装置４０は、図４に示すように、その圧電ファン部４１が、２枚の板状圧電素子４２、４２を、これより長さの長い振動板（ブレード：弾性振動板）４３の両面に接着層４４、４４を介して貼り付けてあり（バイモルフ型）、また、両板状圧電素子４２、４２には電極４５、４５を設けてある。４６は両電極４５、４５間に交流電圧を印加するための交流回路、４７は圧電ファン部４１の一端側（中央などの途中も可）を片持ち型に支持する固定部品からなる支持部である。

また、上記弾性振動板４３としては、通常平板状の真鍮やＳＵＳなどの金属板、或いはＰＥＴなどの硬質樹脂板などが用いられる。
そして、好ましくは、図１〜図２に示すように、その先端部長さを、ヒートシンク２０の冷却フィン２２の中央部付近に達する長さとするとよい。また、弾性振動板４３の設置角度（ヒートシンクに対する挿入角度）を、その先端部が、ヒートシンク２０の底面側に向かう下向きとするとよい。例えば、ヒートシンク２０の底面側に対して、１０〜７０度程度の角度とする。
このように設定すれば、通常ヒートシンク２０の底面側のほぼ中央部分に直接又は間接的に接触させたＩＣチップなどの発熱源５０に対して、ほぼその真上で弾性振動板４３の振動振幅が大きくなり、また、その振動風が、発熱源５０側に効果的、かつ集中的に吹き付けられるようになる。これにより、良好な冷却性能が得られる。

なお、圧電ファン装置４０の場合、上記した板状圧電素子４２、４２を２枚有するバイモルフ型の方が、大きな振幅振動が得られるものの、用途によっては、図５に示すように、１枚の板状圧電素子４２からなるモノモルフ型のものを使用することもできる。

上記のような構造からなる本発明の電子機器用冷却装置１０の場合、使用時、ＩＣチップなどの発熱源５０が、ヒートシンク２０の底面側に直接又は間接的に接触するようにして設置させる。そして、冷却送風装置３０及び圧電ファン装置４０を駆動させる。そうすると、先ず、圧電ファン装置４０の弾性振動板４３の振動により、弾性振動板４３の挿入された、隣接する冷却フィン２２、２２内の内部空気に対して、所望のファン効果が得られる。このとき、内圧変動（負圧部の発生）によって、外気が冷却フィン２２の外気用の開口部２２ａのスリットから導入され、同時にまた、この導入外気が排気される気流の流れが生じる。この外気導入量の増大、気流の流れによって、冷却性能の向上が得られる。

一方、冷却送風装置３０からシステムフローにより、通常狭い間隔である立設されている、多数の冷却フィン２２間の間に、外気が効率的に導入される。この外気導入によりフィン内の内部空気が良好に排気されるため、冷却性能の向上が得られる。
つまり、ヒートシンク２０の冷却フィン２２、２２間の間隔が狭いことから、内部空気が滞留し易いわけであるが、冷却送風装置３０の強制送風により、迅速かつ効果的に排気されることになる。このとき、冷却フィン２２側に外気用の開口部２２ａがあると、両者、即ち冷却送風装置３０と開口部２２ａとの相乗効果が得られる。

また、上記冷却送風装置３０は、図６に示すように、圧電ファン装置４０の設置側とは反対側に設置することもできる。この場合も、基本的には、上記装置と同様の作用、効果が期待できる。また、構造的には、圧電ファン装置４０側との干渉がなくなり、装置全体の小型化が可能となる。ヒートシンク２０側に直接接触させて設置した場合、さらなる装置の小型化が得られる。さらにまた、上記圧電ファン装置４０にあっては、図７に示すように、弾性振動板４３が、ヒートシンク２０の底面側に対して、ほぼ水平になるように設置することもできる。

〈実施例・比較例〉
このような本発明に係る電子機器用冷却装置の効果を確認するため、図１〜図２に示す本発明の電子機器用冷却装置１０と同構造であって、ヒートシンク２０の冷却フィン２２の図８に示す箇所に開口幅２２ａを設けたもの（実施例１、Ｌａ＞Ｌｂ）と、ヒートシンク２０の冷却フィン２２の図９に示す箇所に開口幅２２ａを設けたもの（比較例２、Ｌａ＜Ｌｂ）と、ヒートシンク２０の冷却フィン２２に開口幅２２ａを設けなかったもの（比較例１）とからなる各サンプルを製造した。そして、各サンプルにおける振動装置は、図４に示した圧電ファン装置（バイモルフ型）と同構造のもので、±１２Ｖの交流電圧を印加し、弾性振動板を振動させて熱抵抗（℃／Ｗ）を求める試験を行なった。その結果は表１の如くであった。

なお、熱抵抗の測定にあたっては、ヒートシンク底面側のほぼ中央で、ＩＣチップなどの発熱源（１００Ｗ、大きさ３０×３０ｍｍ）上の温度Ｔｃと、ヒートシンク外の外気の温度Ｔａとを求めて行った。また、上記各サンプルの電子機器用冷却装置において、ヒートシンクの冷却フィンの大きさは、長さ（横幅）＝９０ｍｍ、高さ＝４５ｍｍ、厚さ＝１ｍｍ、開口部のスリット幅＝２ｍｍである。冷却送風装置からの風量（システムフロー）は０．１ｍ³ ／ｓとした。振動装置である圧電ファン装置の弾性振動板の設置角度（ヒートシンクに対する挿入角度）は４５°、弾性振動板の非振動時のヒートシンクのベース部（底面部）からの高さは１５ｍｍである。弾性振動板の厚さは０．０５ｍｍ、長さは２０ｍｍのＳＵＳ３０、弾性振動板に設置された各板状圧電素子（ＰＺＴ使用）の長さ１０ｍｍ、厚さは０．２０ｍｍである。
また、圧電ファン装置の弾性振動板の挿入長さ（ヒートシンクのベース部に対する水平長さ）はＬａ、冷却フィンの開口部形成位置（圧電ファン装置側の冷却フィン縁部からの長さ位置）はＬｂとしてある。

表１の測定データ（開口部の有無、開口部形成位置、熱抵抗）からすると、本発明の電子機器用冷却装置の場合（実施例１）、冷却フィンの開口部が、弾性振動板の挿入長さの内側にあるため（Ｌａ＞Ｌｂ）、熱抵抗が小さく（０．２９）、良好な冷却性能が得られることが分かる。
これに対して、冷却フィンの開口部が、弾性振動板の挿入長さの外側となる（Ｌａ＜Ｌｂ）電子機器用冷却装置の場合（比較例２）や、冷却フィンの開口部がない電子機器用冷却装置の場合（比較例１）には、熱抵抗が大きく（０．３４）、良好な冷却性能が得られないことが分かる。

なお、上記と同様の試験を、圧電ファン装置がモノモルフ型のものにおいても行ったところ、同様の結果が得られることが確認できた。また、上記の説明では、ヒートシンクの全ての冷却フィンに開口部を設ける構成であったが、本発明は、これに限定されない。多数の冷却フィンのうちの一部に、例えば間欠的に設けることも可能である。また、振動装置が振動板を電磁駆動させる装置として、電磁モーター駆動式の冷却ファンを挙げることができる。

本発明に係る電子機器用冷却装置の一例を示した一部縦断概略側面図である。 図１の電子機器用冷却装置の概略平面図である。 図１の電子機器用冷却装置の概略分解斜視図である。 図１の電子機器用冷却装置に用いられる圧電ファン装置の一例を示した概略縦断側面図である。 図１の電子機器用冷却装置に用いられる圧電ファン装置の他の例を示した概略縦断側面図である。 本発明に係る電子機器用冷却装置の他の例を示した一部縦断概略側面図である。 本発明に係る電子機器用冷却装置の他の例を示した一部縦断概略側面図である。 本発明の電子機器用冷却装置における熱抵抗試験の概略説明図である。 他の電子機器用冷却装置における熱抵抗試験の概略説明図である。 他の電子機器用冷却装置における熱抵抗試験の概略説明図である。

符号の説明

１０・・・電子機器用冷却装置、２０・・・ヒートシンク、２１・・・ベース部、２２・・・冷却フィン、２２ａ・・・開口部、３０・・・冷却送風装置、３１・・・送風吹出ノズル、４０・・・振動装置、４１・・・圧電ファン部、４２・・・板状圧電素子、４３・・・振動板、４５・・・電極、４６・・・交流回路、４７・・・支持部

Claims (6)

1. ＩＣチップなどの発熱源に直接又は間接的に接触させると共に、そのベース部に多数の冷却フィンを適宜間隔で平行に立設させてなるヒートシンクを用いた電子機器用冷却装置において、前記ヒートシンクの多数の冷却フィン間の間に、振動装置の振動板を挿入させる一方、前記ヒートシンクの多数の冷却フィンの全部又は一部に外気用の開口部を設け、かつ、当該開口部形成位置を前記振動装置の振動板の挿入長さの内側としてあることを特徴とする電子機器用冷却装置。
2. 前記外気用の開口部が、スリットであることを特徴とする請求項１記載の電子機器用冷却装置。
3. 前記ヒートシンクのいずれかの側に、前記多数の冷却フィン間の間に冷風を送る冷却送風装置を設置させたことを特徴とする請求項１又は２記載の電子機器用冷却装置。
4. 前記振動装置の振動板の先端部長さを、前記ヒートシンクの冷却フィンの中央部付近までの長さとしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の電子機器用冷却装置。
5. 前記振動装置の振動板の設置角度を、その先端部が前記ヒートシンクの底面側に向かう下向きとしたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電子機器用冷却装置。
6. 前記振動装置が、板状圧電素子への交流電圧の印加により平板状の弾性振動板が振動する圧電ファン装置であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の電子機器用冷却装置。
   

Images