JP2009276054A - 相変換冷却器及び携帯機器 - Google Patents

Abstract

【課題】使用姿勢によらず冷却効果が大きい相変換冷却器及び携帯機器を提供する。
【解決手段】冷却対象物に接する第１の面２ａを有する冷却ヘッド２と、第２の面２ｂに設けられた第１給排口３と、第３の面２ｃに設けられた第２給排口４と、第１給排口３に接続された第１配管５と、放熱環境に置かれる放熱部６と、第２給排口４に接続された第２配管７とを備え、冷却ヘッド２から放熱部６を経由して冷却ヘッド２に戻る内部空間に、液相が所定の割合以上を占めるように冷媒が収容され、冷却ヘッド２の第３の面が冷却ヘッド２の下側に位置する姿勢において冷媒の液面が第３の面より上に位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、使用姿勢によらず冷却効果が大きい相変換冷却器及び携帯機器に関する。

コンピュータ内に設けられている部品のうち、大きな発熱を伴う部品については、自然放熱に頼らず、強制的な放熱対策が施される。例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）などのＬＳＩ（大規模集積回路）は、集積度が高いほど、また、処理速度が速いほど発熱が深刻となるため、放熱対策は省けない。

このような電子部品に適用する冷却器として、相変換冷却器が知られている。

図６に示されるように、従来の相変換冷却器１０１は、冷却対象物に接する第１の面（図示裏側の正面）を有した冷却ヘッド１０２と、冷却ヘッド１０２の第１の面とは対向しない第２の面１０２ｂに設けられた第１給排口１０３と、冷却ヘッド１０２の第１の面とも第２の面１０２ｂとも対向しない第３の面１０２ｃに設けられた第２給排口１０４と、第１給排口１０３に接続された第１配管１０５と、第１配管１０５に繋がり放熱環境に置かれた放熱部１０６と、放熱部１０６に繋がり第２給排口１０４に接続された第２配管１０７とを備える。

冷却ヘッド１０２は、ほぼ直方体状に形成された熱伝導率の高い金属製の容器である。冷却ヘッド１０２の第１の面（図示裏側の正面）が冷却対象物であるＬＳＩの放熱面に接している。

第１給排口１０３に接続された第１配管１０５は、冷却ヘッド１０２の第２の面１０２ｂに直角な方向に十分に長く延ばされ放熱部１０６に繋がる。図示した状態では、冷却ヘッド１０２の第２の面１０２ｂは、冷却ヘッド１０２の上側に位置するので、第１配管１０５は上に伸びている。

放熱部１０６は、熱伝導率の高い金属管を複数回折り返すなどして表面積を大きくしたものである。放熱部１０６は、冷却対象物から十分に離れた放熱環境に置かれる。放熱環境とは、放熱に適した環境のことであり、大気に触れやすい環境、大気に触れている熱伝導性の良い部材に接する環境、周囲に熱源や熱に弱い部材が無い環境などを指す。

第２給排口１０４に接続された第２配管１０７は、冷却ヘッド１０２の第３の面１０２ｃに直角な方向に比較的短く延ばされ、放熱部１０６の方向に曲げられ、第１配管１０５と平行に長く延ばされ放熱部１０６に繋がる。図示した状態では、冷却ヘッド１０２の第３の面１０２ｃは、冷却ヘッド１０２の横側に位置するので、第２配管１０７は、いったん横に伸びてから上に伸びている。

第１配管１０５と放熱部１０６と第２配管１０７は、１本の連続した管で形成することができる。

相変換冷却器１０１は、冷却ヘッド１０２から第１配管１０５、放熱部１０６、第２配管１０７を経由して冷却ヘッド１０２に戻る内部空間に冷媒を収容している。

この相変換冷却器１０１において、冷却対象物からの熱が冷却ヘッド１０２に熱伝導し、その熱で冷却ヘッド１０２内の冷媒が気化（沸騰）して気相となる。気相となった冷媒は、冷却ヘッド１０２内を上昇し第１給排口１０３を介して第１配管１０５に流れ込み放熱部１０６に導かれる。気相の冷媒は、放熱部１０６で熱を奪われて、液化（凝縮）して液相となる。液相となった冷媒は、放熱部１０６から第２配管１０７を降下し第２給排口１０４を介して冷却ヘッド１０２に流れ込む。このようにして、従来の相変換冷却器１０１では、冷媒が冷却対象物の熱を気化熱によって奪い、放熱部１０６で系外（大気など）に熱を放出し、液相となって冷却ヘッド１０２に戻る、という冷媒の循環が繰り返される。これにより、冷却対象物は継続的に強制冷却される。

この相変換冷却器１０１は、冷却対象物を空冷する冷却ファンよりも小型で簡素であり、冷媒を機械的な力で押し流して循環させるポンプ機構も必要としない。

相変換冷却器全体（冷却ヘッド１０２から、第１配管１０５、放熱部１０６、第２配管１０７を経由して冷却ヘッド１０２に戻る内部空間）における液相の比率は体積比で冷媒総量の２０〜３０％である。冷却ヘッド１０２内においても、冷媒が気相と液相に適宜な比率で存在している。

液相の冷媒は、冷却ヘッド１０２の下に溜まり、液面ｓが第２給排口１０４を越えている。気相の冷媒は、液面ｓよりも上部の空間を占めている。第１給排口１０３はその空間の上にある。よって、気化によって体積を増した気相の冷媒は第１配管１０５に容易に流れ込み、かつ、第１配管１０５にしか流れ込まない。また、放熱部１０６で液相となった冷媒は重力に従って第２配管１０７に流れ落ち冷却ヘッド１０２に戻る。これにより、気相の冷媒が冷却ヘッド１０２から上昇して放熱部１０６に流れ込み、液相の冷媒が放熱部１０６から下降して冷却ヘッド１０２に流れ込むという冷媒の循環を促進・円滑化させている。

特開２００４−８５１８６号公報 特開平７−１４２８８６号公報 特開２００６−１２５７１８号公報

ところで、従来の相変換冷却器１０１は、デスクトップ型パソコンなどに搭載されていた。しかし、この相変換冷却器１０１を携帯電話機やノートパソコンなどの携帯機器（モバイル機器）に搭載しようとすると、問題が生じる。

モバイル機器、特に携帯電話機は、パソコンのような定置式の機器と異なり、使用時の姿勢に自由度がある。例えば、使用者が立って通話をしているときの姿勢を携帯電話機の正立姿勢と定義する。図６に示した相変換冷却器１０１は、携帯電話機が正立姿勢のときの状態を示している。前述した動作説明は、相変換冷却器１０１が図６に示した通りの姿勢にあるときに該当するものである。

使用者が仰向けに寝て右耳に携帯電話機をあてがうと、携帯電話機は右傾姿勢となる。携帯電話機が右傾姿勢のとき、相変換冷却器１０１は、図７に示されるように、第１配管１０５が冷却ヘッド１０２の比較的下側の位置で横向き、第２配管１０７が冷却ヘッド１０２の上側の面から上向きとなる。第２給排口１０４が液面ｓの上に位置し、第１給排口１０３が液面ｓの下に位置する。このとき、冷媒の循環経路は図６の逆向きとなるが、冷媒の循環が円滑に繰り返されることには変わりない。

しかし、使用者が仰向けに寝て左耳に携帯電話機をあてがうと、携帯電話機は左傾姿勢となる。携帯電話機が左傾姿勢のとき、相変換冷却器１０１は、図８に示されるように、第１配管１０５が冷却ヘッド１０２の比較的上側の位置で横向き、第２配管１０７が冷却ヘッド１０２の下側の面から下向きとなる。第２配管１０７は下向きに伸びてから適宜な位置で横に曲げられ、そのまま横に伸びて放熱部１０６に至る。液相の冷媒は、第２配管１０７に溜まり、液面ｓは冷却ヘッド１０２の第３の面１０２ｃよりも下に位置する。

この状態では、冷却ヘッド１０２内に液相の冷媒が存在しないため、冷却ヘッド１０２では冷媒の気化による冷却の効果は失われる。したがって、気相の冷媒による対流と配管を通じての熱伝導はあるものの、本来の相変換冷却ができず冷却効率が著しく低下する。

なお、冷媒の量を増やすことで、図８の姿勢においても液面ｓを冷却ヘッド１０２内に上げることができる。しかし、冷媒を冷却ヘッド１０２に、例えば、冷却ヘッド１０２の容積の８０％以上に充満させると、冷媒が気化されにくくなり、十分な冷却効果を得ることが難しくなる。このため、冷媒の量を増やすことには限界がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、使用姿勢によらず冷却効果が大きい相変換冷却器及び携帯機器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の相変換冷却器は、冷却対象物に接する第１の面を有する冷却ヘッドと、該冷却ヘッドの上記第１の面とは対向しない第２の面に設けられた第１給排口と、上記冷却ヘッドの上記第１の面とも上記第２の面とも対向しない第３の面に設けられた第２給排口と、上記第１給排口に接続された第１配管と、該第１配管に繋がり放熱環境に置かれる放熱部と、該放熱部に繋がり上記第２給排口に接続された第２配管とを備え、上記冷却ヘッドから上記第１配管、上記放熱部、上記第２配管を経由して上記冷却ヘッドに戻る内部空間に、液相が所定の割合以上を占めるように冷媒が収容され、上記冷却ヘッドの第３の面が上記冷却ヘッドの下側に位置する姿勢において上記冷媒の液面が上記第３の面より上に位置するものである。

上記第２配管は、上記第１配管側に傾斜した傾斜部を有してもよい。

上記第２配管の長さは、上記第１の配管よりも長くてもよい。

上記第２給排口が設けられている上記第３の面は、上記放熱部と対向していない面であってもよい。

上記冷却ヘッドの第１の面が上記冷却ヘッドの下側に位置する姿勢において、上記第１給排口と上記第２給排口の上下方向の高さが異なっていてもよい。

本発明の携帯機器は、上記相変換冷却器を搭載したものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）使用姿勢によらず冷却効果が大きい。

本発明の一実施形態を示す相変換冷却器の正立姿勢における正面図である。 本発明の一実施形態を示す相変換冷却器の右傾姿勢における正面図である。 本発明の一実施形態を示す相変換冷却器の左傾姿勢における正面図である。 本発明の一実施形態を示す相変換冷却器の水平姿勢における斜視図である。 （ａ）は本発明の相変換冷却器を搭載した携帯電話機の斜視図、（ｂ）は同携帯電話機の側断面図である。 従来の相変換冷却器の正立姿勢における正面図である。 従来の相変換冷却器の右傾姿勢における正面図である。 従来の相変換冷却器の左傾姿勢における正面図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る相変換冷却器１は、冷却対象物に接する第１の面２ａ（図４参照）を有した冷却ヘッド２と、冷却ヘッド２の第１の面２ａとは対向しない第２の面２ｂに設けられた第１給排口３と、冷却ヘッド２の第１の面２ａとも第２の面２ｂとも対向しない第３の面２ｃに設けられた第２給排口４と、第１給排口３に接続された第１配管５と、第１配管５に繋がり放熱環境に置かれる放熱部６と、放熱部６に繋がり第２給排口４に接続された第２配管７とを備える。

本発明の相変換冷却器１は、冷却ヘッド２から第１配管５、放熱部６、第２配管７を経由して冷却ヘッド２に戻る内部空間に液相が例えば体積比で２０％以上を占めるように冷媒が収容され、冷却ヘッド２の第３の面２ｃが冷却ヘッド２の下側に位置する姿勢において冷媒の液面ｓが第３の面２ｃより上に位置するものである（図３参照）。具体的には、第２配管７に、第１配管５に対して傾斜した傾斜部８が形成されていることにより、冷媒の液面ｓが第３の面２ｃより上に保持されている。

冷却ヘッド２は、ほぼ直方体状に形成された熱伝導率の高い金属製の容器か又は、ほぼ直方体状に形成された樹脂製の容器に金属板を付加したものである。冷却ヘッド２の第１の面２ａ（図示裏側の正面）は、冷却対象物であるＬＳＩの放熱面に接している。ＬＳＩの放熱面に接する冷却ヘッド２の面を受熱面という。冷却ヘッド２が樹脂製の場合、受熱面には金属板が付加される。

第１給排口３に接続された第１配管５は、冷却ヘッド２の第２の面２ｂに直角な方向に十分に長く延ばされ放熱部６に繋がる。図示した状態では、冷却ヘッド２の第２の面２ｂは、冷却ヘッド２の上側に位置するので、第１配管５は上に伸びている。

放熱部６は、熱伝導率の高い金属管を複数回折り返すなどして表面積を大きくしたものである。放熱部６は、冷却対象物から十分に離れた放熱環境に置かれる。放熱環境とは、放熱に適した環境のことであり、大気に触れやすい環境、大気に触れている熱伝導性の良い部材に接する環境、周囲に熱源や熱に弱い部材が無い環境などを指す。

第２給排口４に接続された第２配管７は、冷却ヘッド２の第３の面２ｃに直角な方向に比較的短く延ばされ、放熱部６の方向に曲げられ、冷却ヘッド２の第２の面２ｂの辺りから第１配管５に対して近付く方向に傾斜して長く延ばされ放熱部６に繋がる。図示した状態では、冷却ヘッド２の第３の面２ｃは、冷却ヘッド２の横側に位置するので、第２配管７は、少し横に伸び、少し上に伸びてから、大部分を占める傾斜部８が斜めに伸びている。

以下、図１〜図３を用いて本発明の相変換冷却器の動作を説明する。

図１は、本発明の相変換冷却器１を搭載している携帯電話機が正立姿勢のときの状態を示している。相変換冷却器１は、冷却ヘッド２の第２の面２ｂが冷却ヘッド２の上側に位置する姿勢である。このとき、第２給排口４より上に冷媒の液面ｓが位置する。

この相変換冷却器１において、冷却対象物からの熱が冷却ヘッド２に熱伝導し、その熱で冷却ヘッド２内の冷媒が気化（沸騰）して気相となる。気相となった冷媒は、冷却ヘッド２内を上昇し第１給排口３を介して第１配管５に流れ込み放熱部６に導かれる。気相の冷媒は、放熱部６で熱を奪われて、液化（凝縮）して液相となる。液相となった冷媒は、放熱部６から第２配管７を降下し第２給排口４を介して冷却ヘッド２に流れ込む。このようにして、本発明の相変換冷却器１では、冷媒が冷却対象物の熱を気化熱によって奪い、放熱部６で系外（大気など）に熱を放出し、液相となって冷却ヘッド２に戻る、という冷媒の循環が繰り返される。これにより、冷却対象物は継続的に強制冷却される。

使用者が仰向けに寝て右耳に携帯電話機をあてがうと、携帯電話機は右傾姿勢となる。携帯電話機が右傾姿勢のとき、相変換冷却器１は、図２に示されるように、第１配管５が冷却ヘッド２の比較的下側の位置で横向き、第２配管７が冷却ヘッド２の上側の面から上向きとなる。第２給排口４が液面ｓの上に位置し、第１給排口３が液面ｓの下に位置する。このとき、冷媒の循環経路が図１のちょうど逆向きとなるが、冷媒の循環が円滑に繰り返されることには変わりない。

このように、冷却ヘッド２の第３の面２ｃが冷却ヘッド２の上側に位置する姿勢においては、第１給排口３より上に冷媒の液面ｓが位置する。冷却ヘッド２内に液相の冷媒が存在することにより、受熱面を介して冷却対象物を相変換冷却することができる。

使用者が仰向けに寝て左耳に携帯電話機をあてがうと、携帯電話機は左傾姿勢となる。携帯電話機が左傾姿勢のとき、相変換冷却器１は、図３に示されるように、第１配管５が冷却ヘッド２の比較的上側の位置で横向き、第２配管７が冷却ヘッド２の下側の面から下向きとなる。第２配管７は下向きに少し伸びてから横に曲げられ、少し横に伸びてから斜め上向きに傾斜して放熱部６に至る。傾斜部８を設けることにより、第２配管７の長さが短くなることに加え、冷却ヘッド２の第３の面２ｃより下に位置する第２配管７の長さが短くなる。これにより、冷媒が充満している第２配管７の長さが図８の従来技術に比べて短くなるため、液面ｓは冷却ヘッド２の第３の面２ｃよりも上に位置するようになる。

図３の本発明の相変換冷却器１と図８の従来の相変換冷却器１０１とを比較すると、第２配管が第１配管５に対して傾斜した傾斜部８を有するために、冷媒の液面ｓが相変換冷却器１０１の場合より高くなっている。

このように、本発明の相変換冷却器１では、冷却ヘッド２の第３の面２ｃが冷却ヘッド２の下側に位置する姿勢において、第３の面２ｃより上に冷媒の液面ｓが位置する。したがって、冷却ヘッド２内に液相の冷媒が存在することにより、受熱面を介して冷却対象物を相変換冷却することができる。また、第１給排口３が液面ｓの上に位置し、第２給排口４が液面ｓの下に位置するので、図１と同じ冷媒の循環経路で、冷媒の循環が円滑に繰り返される。

傾斜部８の具体的な長さや角度については、液相の比率や各部の容積を考慮して設定すると良い。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４に示されるように、相変換冷却器１の冷却ヘッド２は、第１の面２ａが冷却対象物であるＬＳＩ４１に接するように実装される。

第２給排口４は、冷却ヘッド２の第３の面２ｃの第１の面２ａに近い位置に形成されている。一方、第１給排口３は、冷却ヘッド２の第１の面２ａに対向する面２ｆに近い位置に形成されている。つまり、冷却ヘッド２の第１の面２ａが冷却ヘッド２の下側に位置する姿勢において、第１給排口３と第２給排口４の上下方向の高さが異なっている。

この構成において、相変換冷却器１の姿勢が、図示の通り、ＬＳＩ４１の上に冷却ヘッド２が位置し、冷却ヘッド２の第１の面２ａがＬＳＩ４１と接している姿勢であるとする（この姿勢を水平姿勢とする）。このとき、第２給排口４は液面ｓよりも下に位置し、第１給排口３は液面ｓよりも上に位置する。よって、本実施形態によれば、図１〜図３に示される相変換冷却器１の姿勢に加えて、水平姿勢の場合でも、冷媒の循環が円滑に繰り返される。

次に、本発明の相変換冷却器１を携帯電話機に実装した実施形態を説明する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、携帯電話機５１は、キー操作部５２と表示器部５３とをヒンジ５４で回動自在に連結してなる。キー操作部５２には基板（図示せず）に実装されたＬＳＩ４１が内蔵され、ＬＳＩ４１の放熱面に相変換冷却器１の冷却ヘッド２が実装される。表示器部５３には、放熱部６が内蔵される。第１配管５と第２配管７は、キー操作部５２内から表示器部５３内に配管される。

図示のように、相変換冷却器１を平坦地に置くか手に持つなどして、キー操作部５２を水平にし、表示器部５３を開いてキー操作部５２に対する開き角が１２０°になるようにしたとする。このとき、冷却ヘッド２は、図４に示した水平姿勢となる。したがって、相変換冷却器１は、相変換冷却が行われると共に、冷媒の循環が円滑に繰り返されるため、冷却効果が大きい。

この携帯電話機５１を開き角が１８０°に開いて通話に使用したとする。使用者の姿勢により、携帯電話機は正立姿勢、左傾姿勢、右傾姿勢となるが、図１〜図３で説明したように、相変換冷却器１は、使用姿勢によらず相変換冷却を十分に行うことができるため、冷却効果が低下することはない。

本発明の相変換冷却器１は、図５に示した携帯電話機５１に限らず、ノートパソコン、電子辞書、デジタルカメラ、ゲーム機等の携帯機器の全てに搭載することができる。

１ 相変換冷却器
２ 冷却ヘッド
２ａ 第１の面
２ｂ 第２の面
２ｃ 第３の面
３ 第１給排口
４ 第２給排口
５ 第１配管
６ 放熱部
７ 第２配管
８ 傾斜部

Claims (6)

1. 冷却対象物に接する第１の面を有する冷却ヘッドと、該冷却ヘッドの上記第１の面とは対向しない第２の面に設けられた第１給排口と、上記冷却ヘッドの上記第１の面とも上記第２の面とも対向しない第３の面に設けられた第２給排口と、上記第１給排口に接続された第１配管と、該第１配管に繋がり放熱環境に置かれる放熱部と、該放熱部に繋がり上記第２給排口に接続された第２配管とを備え、
   上記冷却ヘッドから上記第１配管、上記放熱部、上記第２配管を経由して上記冷却ヘッドに戻る内部空間に、液相が所定の割合以上を占めるように冷媒が収容され、
   上記冷却ヘッドの第３の面が上記冷却ヘッドの下側に位置する姿勢において上記冷媒の液面が上記第３の面より上に位置することを特徴とする相変換冷却器。
2. 上記第２配管は、上記第１配管側に傾斜した傾斜部を有することを特徴とする請求項１記載の相変換冷却器。
3. 上記第２配管の長さは、上記第１の配管よりも長いことを特徴とする請求項２記載の相変換冷却器。
4. 上記第２給排口が設けられている上記第３の面は、上記放熱部と対向していない面であることを特徴とする請求項２又は３記載の相変換冷却器。
5. 上記冷却ヘッドの第１の面が上記冷却ヘッドの下側に位置する姿勢において、上記第１給排口と上記第２給排口の上下方向の高さが異なることを特徴とする請求項１から４記載の相変換冷却器。
6. 請求項１から５記載の相変換冷却器を搭載したことを特徴とする携帯機器。

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