JP2011144743A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内において圧電ファンの振動板の中央部下方に実装される発熱体を冷却する冷却能力を向上させるとともに、装置本体の小型化を図った冷却装置を提供する。
【解決手段】ケーシング３０内部では、発熱体５０、５１で発生する熱によって空気が暖められ、発熱体５０、５１の各上方に暖気が発生する。圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１１の自由端の腹Ｈ１がくる位置で、振動板１１１の幅方向が発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して垂直となるよう回路基板Ｐ２に固定される。圧電ファン１０１の駆動時、振動板１１１の２箇所の腹Ｈ１、Ｈ２のそれぞれが、発熱体５０及び発熱体５１の各上方で揺動する。これにより、発熱体５０、５１の各上方の暖気が拡散される気流ＡＦ_１、ＡＦ_２が生じ、発熱体５０と発熱体５１が同時に冷却される。
【選択図】図５

Description

この発明は、発熱体の発熱によって暖められた空気を圧電ファンで拡散し、発熱体を冷却す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、発熱体の発熱によって暖められた空気を圧電ファンで拡散し、発熱体を冷却する冷却装置が特許文献１において開示されている。この冷却装置は、圧電素子が夫々の両面に接合された複数枚の振動板を支持枠に連設した圧電ファンと、発熱体とをケーシング内に備える。

特開昭６１−１５５７００号公報

しかしながら、上記特許文献１の冷却装置は、ケーシング内における発熱体と圧電ファンとの位置関係が明確でない。そのため、ケーシング内において発熱体を圧電ファンの振動板の中央部下方に実装させる場合、どのように圧電ファンを配置するのが好ましいのか不明である。

そこで、本願の発明者は、以下に示す第１、第２の冷却装置を考案した。
図１（Ａ）は、第１、第２の冷却装置に用いる圧電ファンの非駆動時の構成を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、同圧電ファンの駆動時の構成を示す斜視図であり、図１（Ｃ）は、同圧電ファンの駆動時の構成を示す側面図である。圧電ファン１０は、振動板１１と、振動板１１の両面の一端側に貼付された圧電素子１２と、振動板１１の固定端を挟持する固定具１３とを備えている。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。

ここで、所定周波数の正弦波交流電圧を各圧電素子１２の電極と振動板１１との間に印加した場合、圧電ファン１０は、２枚の圧電素子１２の伸縮により、自由端の腹Ｈ０を生じる基本波で振動板１１が屈曲する（図１（Ｂ）（Ｃ）参照）。

図２は、第１の冷却装置の構成を示す上面図である。第１の冷却装置は、上述の圧電ファン１０と、回路基板Ｐ１と、吸気口４１と排気口４２が形成された直方体のケーシング４０とを備える。

ケーシング４０の内部には、発熱体５０を実装した回路基板Ｐ１が取付けられている。第１の冷却装置では、発熱体５０で発生する熱によって空気が暖められ、発熱体５０の上方に暖気が発生する。

圧電ファン１０の振動板１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１の中心位置Ｃがくる位置で、自由端を排気口４２に向け、振動板１１の幅方向が発熱体５０の上面に対して垂直となるように、固定具１３を介して回路基板Ｐ１に固定される。

以上の構成では、圧電ファン１０の駆動時、圧電ファン１０の振動板１１が、発熱体５０の上方であって発熱体５０の幅方向に発熱体５０の上面に当接することなく揺動する。これにより、発熱体５０の上方の暖気が排気口４２を通過してケーシング４０の外側へ排気される気流ＡＦが生じ、発熱体５０が冷却される。

図３は、第２の冷却装置の構成を示す側面断面図である。第２の冷却装置が第１の冷却装置と相違する点は、ヒートスプレッダ２０を設けた点と、圧電ファン１０の振動板１１の幅方向に発熱体５０の上面に対して平行に固定した点である。そのため、図３は、この２点を変更した場合における図２のＳ−Ｓ線の側面断面図である。第２の冷却装置では、発熱体５０の上面にヒートスプレッダ２０の底面が熱的に結合するように配置されている。この構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートスプレッダ２０に伝導し、ヒートスプレッダ２０によって空気が暖められ、ヒートスプレッダ２０の上方に暖気が発生する。

圧電ファン１０の振動板１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１の中心Ｃがくる位置で（図１（Ｃ）参照）、自由端を排気口４２に向け、発熱体５０の上面に対して振動板１１を平行に、固定具１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２２に固定される。

以上の構成では、圧電ファン１０の駆動時、圧電ファン１０の振動板１１が、ヒートスプレッダ２０の上方であってヒートスプレッダ２０の厚み方向にヒートスプレッダ２０の上面に当接することなく揺動する。これにより、ヒートスプレッダ２０の上方の暖気が振動板１１の自由端側へ排気される気流ＡＦが生じ、発熱体５０が冷却される。

しかしながら、上記第１、第２の冷却装置は、ケーシング４０内において圧電ファン１０の振動板１１の中央部下方に位置する発熱体５０を冷却する能力が低かった。例えば正弦波交流電圧を各圧電素子１２の電極と振動板１１との間に印加した場合、振動板１１が、基本波で屈曲する。そのため、振動板の自由端の揺動により排気口４２から暖気が十分に排気されるものの、振動板１１の中心位置Ｃの振幅が自由端に比べ非常に小さいため、発熱体５０の上面近傍の暖気はあまり排気されなかった。よって、振動板１１の中央部下方に位置する発熱体５０が十分に冷却されなかった。

また、最も振幅が大きくなる自由端の振幅が大きいため、装置本体の内部に、他の部品と接触しないよう圧電ファン１０を配置するための大きなスペースが必要となり、装置本体の大型化の一因となっていた。

さらに、第２の冷却装置では、圧電ファン１０の駆動時に自由端がヒートスプレッダ２０の上面に接触しないよう、振動板１１をヒートスプレッダ２０の上面から浮かして圧電ファン１０を固定する必要がある。しかし、排出すべき暖気の高温部分はヒートスプレッダ２０の上面近傍に集中して存在する。また、ヒートスプレッダ２０の上方に空気を流したときの流速の分布は、ヒートスプレッダ２０の上面に対する空気の粘性抵抗が存在するため、ヒートスプレッダ２０の上面に近づくほど流速が低下する。そのため、第２の冷却装置では、ヒートスプレッダ２０の上面近傍に存在する高温の暖気があまり排気されず、発熱体５０の冷却効率が極めて低かった。

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、第１、第２の冷却装置では、そのようなＣＰＵを圧電ファン１０の振動板１１の中央部下方に実装させる場合、該ＣＰＵが十分に冷却されないという問題があった。

この発明の目的は、ケーシング内において圧電ファンの振動板の中央部下方に実装される発熱体を冷却する冷却能力を向上させるとともに、装置本体の小型化を図った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）ケーシングと、
所定周波数の交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が接合される振動板であって、前記圧電素子の伸縮により、自由端の腹を含む複数の腹を生じる３倍波以上の奇数倍波で屈曲する振動板と、を有する圧電ファンと、
前記ケーシング内に実装された第１の発熱体の上方に前記振動板の前記自由端以外の腹のうち少なくとも１つがくる位置で、前記圧電ファンの前記振動板の固定端を前記ケーシング内に固定する固定部と、を備えた。

この構成では、ケーシングの内部において、第１の発熱体で発生する熱によって空気が暖められ、第１の発熱体の上方に暖気が発生する。圧電ファンは、振動板の中央部で生じる自由端以外の腹のうち少なくとも１つが第１の発熱体の上方で揺動することにより、第１の発熱体の上方の暖気を振動板から離れる方向へ拡散する。
ここで、奇数倍波で屈曲する振動板の自由端の腹の振幅は、基本波で屈曲する振動板の自由端の腹の振幅に比べ数分の一に下がるものの、奇数倍波で屈曲する振動板の周波数は、基本波で屈曲する振動板の周波数の数倍となる。そのため、圧電ファンの振動板の自由端において、奇数倍波で屈曲する振動板の『振幅×周波数』の値が、基本波で屈曲する振動板の『振幅×周波数』の値と略等しくなる。
一方、奇数倍波で屈曲する振動板の自由端以外の腹の振幅は、基本波で屈曲する振動板の中心位置の振幅より少し下がるものの、奇数倍波で屈曲する振動板の周波数は、基本波で屈曲する振動板の周波数の数倍となる。そのため、圧電ファンの振動板の中央部において、奇数倍波で屈曲する振動板の『振幅×周波数』の値が、基本波で屈曲する振動板の『振幅×周波数』の値より大きい値となる。
よって、この構成における圧電ファンの自由端以外の腹の暖気拡散能力は、図２に示す第１の冷却装置の圧電ファン１０の中心位置Ｃの暖気拡散能力より高い。そのため、この構成における冷却装置は、第１の発熱体を第１の冷却装置より低い温度に冷却することができる。
以上より、この構成における冷却装置によれば、ケーシング内において圧電ファンの振動板の中央部下方に実装される第１の発熱体を冷却する冷却能力を向上させることができる。また、この構成における冷却装置によれば、自由端の腹の振幅が第１の冷却装置より小さいため、装置本体の内部に、他の部品と接触しないよう圧電ファンを配置するためのスペースも小さいもので済む。従って、装置本体の小型化を図ることができる。

（２）前記固定部は、前記ケーシング内に実装された第２の発熱体の上方に前記振動板の前記自由端の腹がくる位置で、前記圧電ファンの前記振動板の前記固定端を前記ケーシング内に固定した。

この構成では、ケーシングの内部において、第１の発熱体および第２の発熱体で発生する熱によって空気が暖められ、第１の発熱体および第２の発熱体の各上方に暖気が発生する。圧電ファンは、振動板の自由端以外の腹の少なくとも１つが第１の発熱体の上方で揺動することにより、第１の発熱体の上方の暖気を振動板から離れる方向へ拡散する。さらに、圧電ファンは、振動板の自由端の腹が第２の発熱体の上方で揺動することにより、第２の発熱体の上方の暖気を振動板から離れる方向へ拡散する。これらにより、この構成では、第１の発熱体および第２の発熱体の両方を同時に冷却することができる。

（３）前記ケーシングには、前記ケーシング外部の空気を前記ケーシング内部に吸気するための吸気口と、前記ケーシング内部の空気を前記ケーシング外部へ排気するための排気口とが形成され、
前記固定部は、前記振動板の前記自由端を前記排気口に向けて、前記圧電ファンの前記振動板の前記固定端を前記ケーシング内に固定した。

この構成において、圧電ファンは、振動板の自由端が排気口に向かって揺動することにより、ケーシング内の暖気を排気口からケーシングの外側へ排気する。そして、吸気口からケーシングの内部に進入した冷気が第１の発熱体の上方に流入する気流が生じる。そのため、この構成によれば、第１の発熱体を上記（１）又は（２）の冷却装置より低い温度に冷却することができる。従って、冷却能力を一層向上させることができる。

（４）前記固定部は、前記圧電ファンの前記振動板の幅方向が、前記第１の発熱体の上面に対して垂直となるように固定した。

排出すべき暖気は第１の発熱体の発熱によって空気が暖められたものである。そのため、第１の発熱体の上方の空間の温度分布は不均一であり、高温部分が第１の発熱体の上面近傍に集中する。
また、第１の発熱体の上方に空気を流したときの流速の分布は、第１の発熱体の上面に対する空気の粘性抵抗が存在するため、第１の発熱体の上面に近づくほど流速は低下する。
そこで、この構成においては、圧電ファンの振動板の幅方向が、第１の発熱体の上面に対して垂直に固定されている。これにより、第１の発熱体の上面近傍の高温の暖気が圧電ファンの振動板の側面により掻き取られるため、放熱効果が高まって、冷却能力が一層向上する。

（５）前記固定部は、前記圧電ファンの前記振動板の幅方向が、前記第１の発熱体の上面に対して平行となるように固定した。

第１の発熱体の上面に対して垂直に固定した圧電ファンでは、振動板における第１の発熱体から遠い部分があまり冷却に寄与しない。即ち、垂直固定した圧電ファンの短手方向（幅方向）の長さが長すぎると、冷却寄与度の低い部分の体積や質量によって、印加電圧に対する振動板の屈曲変位量がその分小さくなり、上述の暖気拡散能力が却って低下する。
そこで、この構成では、振動板の面全体を冷却に寄与させるよう、圧電ファンの幅方向が、前記第１の発熱体の上面に対して水平となるように固定している。

（６）前記圧電ファンは、前記圧電素子が前記振動板を両面から挟むように接合された。

この構成では、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、自由端の腹を含む複数の腹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、ケーシング内において圧電ファンの振動板の中央部下方に実装される発熱体を冷却する冷却能力を向上させるとともに、装置本体の小型化を図れる。

第１、第２の冷却装置に用いる圧電ファンの構成を示す図である。 第１の冷却装置の構成を示す上面図である。 第２の冷却装置の構成を示す側面断面図である。 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図である。 第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す上面図である。 第３の冷却装置の構成を示す上面図である。 第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す上面図である。 第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面断面図である。 第３の実施形態に係る冷却装置の主要部の構成を示す斜視図である。 第４の実施形態に係る冷却装置の主要部の構成を示す斜視図である。

《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（Ａ）は、第１の実施形態に係る冷却装置１に用いる圧電ファン１０１の非駆動時の構成を示す斜視図である。図４（Ｂ）は、同圧電ファン１０１の駆動時の構成を示す斜視図であり、図４（Ｃ）は、同圧電ファン１０１の駆動時の構成を示す側面図である。圧電ファン１０１は、図１に示す圧電ファン１０と同じものであり、振動板１１１と、圧電素子１１２と、固定具１１３とを備えている。ただし、圧電ファン１０１は、圧電ファン１０と動作が異なり、振動板１１１の両面に貼付された２枚の圧電素子１１２の伸縮により、自由端の腹Ｈ１を含む２つの腹Ｈ１、Ｈ２を生じる３倍波で振動板１１１が屈曲する。

振動板１１１は、例えば、幅１５ｍｍ×長さ９５ｍｍ×厚み０．１ｍｍのステンレススチール製の板である。

圧電素子１１２は、幅１５ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み０．０５ｍｍの寸法となっている。圧電素子１１２及び振動板１１１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。

以上の圧電ファン１０１において、各圧電素子１１２の電極と振動板１１１との間に、例えば２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した場合、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、自由端の腹Ｈ１を含む２つの腹Ｈ１、Ｈ２を生じる３倍波で振動板１１１が屈曲する。

また、圧電素子１１２及び振動板１１１はバイモルフ型振動子を構成しているため、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、腹Ｈ１、Ｈ２の振幅をより効果的に増大できる。本実施形態における圧電ファン１０１では、２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した場合における腹Ｈ１、Ｈ２の振幅が、それぞれ９．０ｍｍ、６．０ｍｍであることが実験により確認された。

固定具１１３は、振動板１１１の固定端を挟持するよう振動板１１１の両面に貼付されたガラスエポキシ製の板部材であり、その寸法は、幅１５ｍｍ×長さ６ｍｍ×厚み１．５ｍｍである。

図５は、第１の実施形態に係る冷却装置１の構成を示す上面図である。この冷却装置１は、上述の圧電ファン１０１と、回路基板Ｐ２と、直方体のケーシング３０とを備える。

ケーシング３０の内部には、発熱体５０と発熱体５１とを実装した回路基板Ｐ２が取付けられている。発熱体５０及び発熱体５１は、例えばＣＰＵ、ノースブリッジ、又はサウスブリッジであり、それぞれ幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍの寸法となっている。ケーシング３０の内部では、発熱体５０及び発熱体５１で発生する熱によって空気が暖められ、発熱体５０及び発熱体５１の各上方に暖気が発生する。
なお、発熱体５０が、本発明の「第１の発熱体」に相当し、発熱体５１が、本発明の「第２の発熱体」に相当する。

上記回路基板Ｐ２には、圧電ファン１０１の固定具１１３を装着して圧電ファン１０１を固定するための装着部（不図示）が形成されており、当該装着部に固定具１１３が装着される。
圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２（図４参照）がくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１１の自由端の腹Ｈ１（図４参照）がくる位置で、固定具１１３を介して回路基板Ｐ２に固定される。さらに、当該振動板１１１の固定端は、当該振動板１１１の幅方向が発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して垂直となるよう、発熱体５０及び発熱体５１の各上面から振動板１１１を所定間隔（この実施形態では1mm）浮かして、固定具１１３を介して回路基板Ｐ２に固定される。

以上の構成では、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０１の２箇所の腹Ｈ１、Ｈ２のそれぞれが、発熱体５０及び発熱体５１の各上方で発熱体５０及び発熱体５１の各上面に当接することなく揺動する。これにより、発熱体５０の上方の暖気が振動板１１１から離れる方向へ拡散される気流ＡＦ_１が生じるとともに、発熱体５１の上方の暖気が振動板１１１の自由端側へ拡散される気流ＡＦ_２が生じる。この結果、発熱体５０と発熱体５１の両方が同時に冷却される。

ここで、比較例であり第１の冷却装置の変形例である第３の冷却装置の冷却能力と本実施形態の冷却装置１の冷却能力とを比較するため、第３の冷却装置の構成について説明する。

図６は、第３の冷却装置の構成を示す上面図である。第３の冷却装置が第１の冷却装置と相違する点は、ケーシング４０をケーシング３０に置き換え、発熱体５０及び発熱体５１を実装した回路基板Ｐ２をケーシング３０に取り付けた点である。即ち、第３の冷却装置は、圧電ファン１０だけが本実施形態の冷却装置１と相違しており、他の構成は同じである。そのため、第３の冷却装置においても、発熱体５０及び発熱体５１で発生する熱によって空気が暖められ、発熱体５０及び発熱体５１の各上方に暖気が発生する。

図６に示すように、圧電ファン１０の振動板１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１の中心位置Ｃがくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１の自由端の腹Ｈ０がくる位置で（図１参照）、振動板１１の幅方向が発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して垂直となるよう固定具１３を介して回路基板Ｐ２に固定される。

第３の冷却装置では、圧電ファン１０の駆動時、圧電ファン１０の振動板１１が、発熱体５０及び発熱体５１の各上方で発熱体５０及び発熱体５１の各上面に当接することなく揺動する。これにより、発熱体５０及び発熱体５１の各上方の暖気が振動板１１の自由端側へ拡散される気流ＡＦが生じる（図６参照）。この結果、第３の冷却装置においても、発熱体５０と発熱体５１の両方が同時に冷却される。

次に、上記第３の冷却装置の冷却能力と本実施形態の冷却装置１の冷却能力とを比較する。ケーシング３０内の気温が２５℃の環境下において発熱体５０及び発熱体５１のそれぞれに４Ｗの電力を与えた条件で、両装置に実装される発熱体５０及び発熱体５１の温度を測定した実験結果について以下説明する。
なお、この実験では、第３の冷却装置の圧電ファン１０に対して２４Ｖｐｐの１５Ｈｚの正弦波交流電圧を印加し、本実施形態の圧電ファン１０１に対して２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した。

まず、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の非駆動時、発熱体５０及び発熱体５１の温度は共に８３℃であった。
そして、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の駆動時、第３の冷却装置では発熱体５０の温度が８１℃及び発熱体５１の温度が７３℃であるのに対し、本実施形態の冷却装置１では発熱体５０の温度が７７℃及び発熱体５１の温度が７３℃にまで低下した。

即ち、本実施形態の冷却装置１によれば、第３の冷却装置と比べ冷却能力が大幅に向上していることが実験により明らかとなった。

以上の実験結果は、本実施形態の冷却装置１の『振幅×周波数』で示される暖気拡散能力が第３の冷却装置の暖気拡散能力より優れるためであると考えられる。詳述すると、３倍波で屈曲する振動板１１１の自由端の腹Ｈ１の振幅（９ｍｍ）は、基本波で屈曲する振動板１１の自由端の振幅（３８ｍｍ）の約１／４倍であるものの、振動板１１１の周波数（６４Ｈｚ）は振動板１１の周波数（１５Ｈｚ）の約４倍である。このため、両者の『振幅×周波数』はほぼ等しいため、両者の自由端の暖気拡散能力はほぼ等しい。一方、３倍波で屈曲する振動板１１１の腹Ｈ２の振幅（６ｍｍ）は、基本波で屈曲する振動板１１の中心位置Ｃの振幅（１０ｍｍ）の０．６倍であるものの、振動板１１１の周波数（６４Ｈｚ）は振動板１１の周波数（１５Ｈｚ）の約４倍である。このため、振動板１１１の『振幅×周波数』の値（３８４ｍｍ／ｓ）が振動板１１の『振幅×周波数』の値（１５０ｍｍ／ｓ）より大きい。よって、本実施形態の圧電ファン１０１の腹Ｈ２の暖気拡散能力は、第３の冷却装置の圧電ファン１０の中心位置Ｃの暖気拡散能力より高い。

以上より、本実施形態の冷却装置１によれば、ケーシング３０内において圧電ファン１０１の振動板１１１の中央部下方に実装される発熱体５０を冷却する冷却能力を向上させることができる。また、上記の実験例では、自由端の腹Ｈ１の振幅が９ｍｍであるため、装置本体の内部に、他の部品と接触しないよう圧電ファン１０１を配置するためのスペースも小さいもので済む。従って、装置本体の小型化を図ることができる。

なお、この実施形態では、発熱体５０と発熱体５１とを実装した回路基板Ｐ２がケーシング３０の内部に取り付けられているが、実施の際は、発熱体５０のみを実装した回路基板Ｐ１（後述の図７参照）をケーシング３０の内部に取り付けても構わない。この場合、圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくる位置で、振動板１１１の幅方向が発熱体５０の上面に対して垂直となるように固定される。

《第２の実施形態》
図７は、第２の実施形態に係る冷却装置２の構成を示す上面図である。この実施形態の冷却装置２が図５に示す冷却装置１と相違する点は、ケーシング３０をケーシング４０に置き換え、発熱体５０だけを実装した回路基板Ｐ１をケーシング４０に取り付けた点である。即ち、この実施形態の冷却装置２は、圧電ファン１０１が図２に示す第１の冷却装置と相違しており、他の構成は同じである。

ケーシング４０は、ケーシング４０外部の空気をケーシング４０内部に吸気するための吸気口４１とケーシング４０内部の空気をケーシング４０外部へ排気するための排気口４２とが側面に形成された直方体のケースである。また、ケーシング４０の内部には、発熱体５０を実装した回路基板Ｐ１が取付けられている。そのため、冷却装置２のケーシング４０内部においては、発熱体５０で発生する熱によって空気が暖められ、発熱体５０の上方に暖気が発生する。

圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２（図４（Ｃ）参照）がくる位置で、自由端を排気口４２に向け、振動板１１１の幅方向が発熱体５０の上面に対して垂直になるように、固定具１１３を介して回路基板Ｐ１に固定される。

ここで、圧電ファン１０１と回路基板Ｐ１との位置関係は、以下のとおりである。
・回路基板Ｐ１の縦の長さＹ＝１２０ｍｍ
・回路基板Ｐ１の横の長さＸ_１＝１００ｍｍ
・発熱体５０の当該固定端側の端から回路基板Ｐ１の当該固定端側の端までの長さＸ_２＝４５ｍｍ
・振動板１１１の固定端から回路基板Ｐ１の当該固定端側の端までの長さＸ_３＝５ｍｍ。

以上の構成では、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０１の２箇所の腹Ｈ１、Ｈ２のそれぞれが、発熱体５０の上方と回路基板Ｐ１の排気口４２側の端部の上方とで発熱体５０及び当該端部の各上面に当接することなく揺動する。これにより、本実施形態の冷却装置２においても、発熱体５０の上方の暖気が振動板１１１から離れる方向へ拡散される気流ＡＦ_１が生じる。さらに、本実施形態の冷却装置２では、ケーシング４０内の暖気が排気口４２を通過してケーシング４０の外側へ排気される気流ＡＦ_２が生じるとともに、吸気口４１からケーシング４０の内部に進入した冷気が発熱体５０の上方に流入する気流が生じる。そのため、本実施形態の冷却装置２は、発熱体５０を本実施形態の冷却装置１より低い温度に冷却することができる。

以上より、本実施形態の冷却装置２によれば、冷却能力を一層向上させることができる。また、本実施形態の冷却装置２においても自由端の腹Ｈ１の振幅が小さいため、装置本体の小型化を図ることができる。

なお、この実施形態では、発熱体５０のみを実装した回路基板Ｐ１をケーシング４０の内部に取り付けているが、実施の際は、発熱体５０と発熱体５１とを実装した回路基板Ｐ２（図５参照）をケーシング４０の内部に取り付けても構わない。この場合、圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１１の自由端の腹Ｈ１がくる位置で、自由端を排気口４２に向け、発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して振動板１１１を垂直に、固定具１１３を介して回路基板Ｐ１に固定される。

《第３の実施形態》
図８は、第３の実施形態に係る冷却装置３の構成を示す側面断面図であり、図９は、同冷却装置３の主要部の構成を示す斜視図である。この実施形態の冷却装置３が図７に示す冷却装置２と相違する点は、アルミニウム製のヒートスプレッダ２０を設けた点と、圧電ファン１０１の振動板１１１の幅方向が発熱体５０の上面に対して平行になるように固定した点である。そのため、図８は、この２点を変更した場合における図７のＴ−Ｔ線の側面断面図である。即ち、この実施形態の冷却装置３は、圧電ファン１０１が図３に示す第２の冷却装置と相違しており、他の構成は同じである。

冷却装置３では、発熱体５０の上面にヒートスプレッダ２０の底面が熱的に結合するように配置されている。そして冷却装置３のケーシング３０内部では、発熱体５０で発生する熱がヒートスプレッダ２０に伝導し、ヒートスプレッダ２０によって空気が暖められ、ヒートスプレッダ２０の上方に暖気が発生する。

ヒートスプレッダ２０の上面には、圧電ファン１０１の固定具１１３を装着して圧電ファン１０１を固定するための支持板２５が形成されており、当該支持板２５に固定具１１３が装着される。
そして、圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくる位置で、自由端を排気口４２に向け、固定具１１３を介して支持板２５に固定される。さらに、当該振動板１１１の固定端は、振動板１１１の幅方向が発熱体５０の上面（即ちヒートスプレッダ２０の上面）に対して平行に、固定具１１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２５に固定される。

以上の構成では、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０１の２箇所の腹Ｈ１、Ｈ２のそれぞれが、発熱体５０の上方と回路基板Ｐ１の排気口４２側の端部の上方とでヒートスプレッダ２０の上面に当接することなく揺動する。これにより、振動板１１１の中央部とヒートスプレッダ２０との間の暖気が振動板１１１の腹Ｈ２から遠ざかる方向へ拡散される気流ＡＦ_３が生じるとともに、ケーシング４０内の暖気が排気口４２を通過してケーシング４０の外側へ排気される気流ＡＦ_４が生じる。さらに、吸気口４１からケーシング４０の内部に進入した冷気がヒートスプレッダ２０の上方に流入する気流が生じる。この結果、発熱体５０が冷却される。

ここで、冷却装置３では、圧電ファン１０１の振動板１１１における自由端の腹Ｈ１の振幅が小さい（例えば９ｍｍ）。そのため、冷却装置３では、圧電ファン１０１の駆動時に自由端がヒートスプレッダ２０の上面に接触しないよう、振動板１１１をヒートスプレッダ２０の上面から少なくとも振幅の１／２（例えば４．５ｍｍ）浮かして圧電ファン１０１を固定すれば良い。よって、本実施形態の冷却装置３では、振動板１１１とヒートスプレッダ２０とを第２の冷却装置より近づけることができる。従って、冷却装置３では、ヒートスプレッダ２０の上面近傍に存在する高温の暖気が十分に拡散され、発熱体５０の冷却効率を大幅に向上できる。そのため、本実施形態の冷却装置３は、発熱体５０を第２の冷却装置より低い温度に冷却することができる。

次に、比較例である第２の冷却装置の冷却能力と本実施形態の冷却装置３の冷却能力とを比較する。ケーシング４０内の気温が２５℃の環境下において発熱体５０に８Ｗの電力を与えた条件で、両装置に実装される発熱体５０の温度を測定した実験結果について以下説明する。

なお、この実験では、第２の冷却装置の圧電ファン１０に対して２４Ｖｐｐの１５Ｈｚの正弦波交流電圧を印加し、本実施形態の圧電ファン１０１に対して２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した。

まず、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の非駆動時、発熱体５０の温度は両装置共に９０℃であった。
そして、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の駆動時、第２の冷却装置では発熱体５０の温度が８６℃（即ち冷却効果−４℃）であるのに対し、本実施形態の冷却装置３では発熱体５０の温度が７２℃（即ち冷却効果−１８℃）にまで低下した。

即ち、本実施形態の冷却装置３によれば、比較例である第２の冷却装置と比べ冷却能力が大幅に向上していることが実験により明らかとなった。

以上より、本実施形態の冷却装置３によれば、冷却能力を向上させることができる。また、本実施形態の冷却装置３においても自由端の腹Ｈ１の振幅が小さいため、装置本体の小型化を図ることができる。

なお、この実施形態では、発熱体５０のみを実装した回路基板Ｐ１をケーシング４０の内部に取り付けているが、実施の際は、発熱体５０と発熱体５１とを実装した回路基板Ｐ２（図５参照）をケーシング４０の内部に取り付けても構わない。この場合、圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１１の自由端の腹Ｈ１がくる位置で、自由端を排気口４２に向け、振動板１１１の幅方向が発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して平行となるように、固定具１１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２５に固定される。

《第４の実施形態》
図１０は、第４の実施形態に係る冷却装置４の主要部の構成を示す斜視図である。この実施形態の冷却装置４が図８、図９に示す冷却装置３と相違する点は、圧電ファン１０１の振動板１１１の幅方向が発熱体５０の上面に対して垂直となるように圧電ファン１０１を固定した点である。即ち、この実施形態の冷却装置４は、ヒートスプレッダ２０を設けた点で図７に示す冷却装置２と相違しており、他の構成は同じである。

圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくる位置で（図４（Ｃ）参照）、自由端を排気口４２（図８参照）に向け、固定具１１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２６に固定される。さらに、当該振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上面（即ちヒートスプレッダ２０の上面）に対して振動板１１１の幅方向が垂直となるように、ヒートスプレッダ２０の上面から振動板１１１を所定間隔（この実施形態では1mm）浮かして、固定具１１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２６に固定される。

以上の構成では、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０１の２箇所の腹Ｈ１、Ｈ２のそれぞれが、発熱体５０の上方と回路基板Ｐ１の排気口４２側の端部の上方とでヒートスプレッダ２０の上面に当接することなく揺動する。これにより、発熱体５０の上方の暖気が振動板１１１から離れる方向へ拡散される気流ＡＦ_５が生じるとともに、ケーシング４０内の暖気が排気口４２を通過してケーシング４０の外側へ排気される気流ＡＦ_６が生じる。さらに、吸気口４１からケーシング４０の内部に進入した冷気がヒートスプレッダ２０の上方に流入する気流が生じる。この結果、発熱体５０が冷却される。

ここで、比較例であり第２の冷却装置の変形例である第４の冷却装置の冷却能力と本実施形態の冷却装置４の冷却能力とを比較する。この第４の冷却装置が冷却装置４と相違する点は、圧電ファン１０１を圧電ファン１０に置き換えた点のみである。
ケーシング４０内の気温が２５℃の環境下において発熱体５０に８Ｗの電力を与えた条件で、両装置に実装される発熱体５０の温度を測定した実験結果について以下説明する。

なお、この実験では、第４の冷却装置の圧電ファン１０に対して２４Ｖｐｐの１５Ｈｚの正弦波交流電圧を印加し、本実施形態の圧電ファン１０１に対して２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した。

まず、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の非駆動時、発熱体５０の温度は両装置共に９０℃であった。
そして、圧電ファン１０及び圧電ファン１０１の駆動時、第４の冷却装置では発熱体５０の温度が８２℃（即ち冷却効果−８℃）であるのに対し、本実施形態の冷却装置４では発熱体５０の温度が７５℃（即ち冷却効果−１５℃）にまで低下した。

即ち、本実施形態の冷却装置４によれば、比較例である第４の冷却装置と比べ冷却能力が大幅に向上していることが実験により明らかとなった。

以上の実験結果は、本実施形態の圧電ファン１０１の振動板１１１の『振幅×周波数』の値（３８４ｍｍ／ｓ）が、比較例である圧電ファン１０の振動板１１の『振幅×周波数』の値（１５０ｍｍ／ｓ）より大きく、本実施形態の圧電ファン１０１の腹Ｈ２の暖気拡散能力が圧電ファン１０の中心位置Ｃの暖気拡散能力より高いためであると考えられる。

以上より、本実施形態の冷却装置４によれば、冷却能力を向上させることができる。また、本実施形態の冷却装置４においても自由端の腹Ｈ１の振幅が小さいため、装置本体の小型化を図ることができる。

なお、この実施形態では、発熱体５０のみを実装した回路基板Ｐ１をケーシング４０の内部に取り付けているが、実施の際は、発熱体５０と発熱体５１とを実装した回路基板Ｐ２（図５参照）をケーシング４０の内部に取り付けても構わない。この場合、圧電ファン１０１の振動板１１１の固定端は、発熱体５０の上方に振動板１１１の自由端以外の腹Ｈ２がくるとともに発熱体５１の上方に振動板１１１の自由端の腹Ｈ１がくる位置で、自由端を排気口４２に向け、振動板１１１の幅方向が発熱体５０及び発熱体５１の各上面に対して垂直となるように、固定具１１３を介してヒートスプレッダ２０の支持板２６に固定される。

ここで、本実施形態のうち第３実施形態の冷却装置３の冷却能力と第４実施形態の冷却装置４の冷却能力とを比較する。ケーシング４０内の気温が２５℃の環境下において発熱体５０に８Ｗの電力を与えた条件で、両装置に実装される発熱体５０の温度を測定した実験結果について以下説明する。

なお、この実験では、両装置共に、圧電ファン１０１に対して２４Ｖｐｐの６４Ｈｚの正弦波交流電圧を印加した。

まず、圧電ファン１０１の非駆動時、発熱体５０の温度は両装置共に９０℃であった。
そして、圧電ファン１０１の駆動時、冷却装置４では発熱体５０の温度が７５℃（即ち冷却効果−１５℃）であるのに対し、冷却装置３では発熱体５０の温度が７２℃（即ち冷却効果−１８℃）にまで低下した。

即ち、本実施形態の冷却装置３の方が、冷却装置４より冷却能力が僅かに高いことが実験により明らかとなった。

以上の実験結果は、圧電ファン１０１の幅が、例えば１５mmと長いためであると考えられる。詳述すると、水平固定型の冷却装置３では振動板１１１の面全体が冷却に寄与しているのに対し、垂直固定型の冷却装置４では振動板１１１におけるヒートスプレッダ２０から遠い部分があまり冷却に寄与しない。即ち、垂直固定した圧電ファン１０１の幅が長すぎると、冷却寄与度の低い部分の体積や質量によって、印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量がその分小さくなり、上述の暖気拡散能力が却って低下すると考えられる。

そこで、圧電ファン１０１の幅を例えば５ｍｍに変更し、第３実施形態の冷却装置３の冷却能力と第４実施形態の冷却装置４の冷却能力とを同じ条件で比較した。この結果、圧電ファン１０１の駆動時、冷却装置３では発熱体５０の温度が８２℃（即ち冷却効果−８℃）であるのに対し、冷却装置４では発熱体５０の温度が８０℃（即ち冷却効果−１０℃）にまで低下した。

即ち、圧電ファン１０１の幅を５ｍｍに変更した場合、本実施形態の冷却装置４の方が、冷却装置３より冷却能力が僅かに高いことが実験により明らかとなった。従って、大きな圧電素子を使えない場合や、冷却対象物（ヒートスプレッダ２０など）の幅が狭い場合など、圧電ファン１０１の幅を小さくする必要のある場合、垂直固定型の冷却装置４の方が好ましい。これは、発熱体５０の上面近傍の高温の暖気が圧電ファンの振動板１１１の側面により、直接的に掻き取られるため、放熱効果が高まって、冷却能力が向上したものと推定される。

《その他の実施形態》
以上に示した実施形態では、自由端の腹Ｈ１を含む複数の腹Ｈ１、Ｈ２を生じる３倍波で圧電ファン１０１の振動板１１１を屈曲させたが、実施の際は、３倍波以上の奇数倍波で振動板１１１を屈曲させても構わない。この場合、圧電ファン１０１は、自由端の腹Ｈ１以外の腹のうち少なくとも１つが発熱体５０上に位置するように固定されればよい。
また、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、振動板１１１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、２、３、４…冷却装置
１０…圧電ファン
１１…振動板
１２…圧電素子
１３…固定具
２０…ヒートスプレッダ
２２…支持板
２５…支持板
２６…支持板
３０…ケーシング
４０…ケーシング
４１…吸気口
４２…排気口
５０、５１…発熱体
１０１…圧電ファン
１１１…振動板
１１２…圧電素子
１１３…固定具
Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２…腹
Ｐ１、Ｐ２…回路基板

Claims (6)

1. ケーシングと、
   所定周波数の交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が接合される振動板であって、前記圧電素子の伸縮により、自由端の腹を含む複数の腹を生じる３倍波以上の奇数倍波で屈曲する振動板と、を有する圧電ファンと、
   前記ケーシング内に実装された第１の発熱体の上方に前記振動板の前記自由端以外の腹の少なくとも１つがくる位置で、前記圧電ファンの前記振動板の固定端を前記ケーシング内に固定する固定部と、を備えた冷却装置。
2. 前記固定部は、前記ケーシング内に実装された第２の発熱体の上方に前記振動板の前記自由端の腹がくる位置で、前記圧電ファンの前記振動板の前記固定端を前記ケーシング内に固定した、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ケーシングには、前記ケーシング外部の空気を前記ケーシング内部に吸気するための吸気口と、前記ケーシング内部の空気を前記ケーシング外部へ排気するための排気口とが形成され、
   前記固定部は、前記振動板の前記自由端を前記排気口に向けて、前記圧電ファンの前記振動板の前記固定端を前記ケーシング内に固定した、請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記固定部は、前記圧電ファンの前記振動板を、前記振動板の幅方向が前記第１の発熱体の上面に対して垂直となるように固定した、請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記固定部は、前記圧電ファンの前記振動板を、前記振動板の幅方向が前記第１の発熱体の上面に対して平行となるように固定した、請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記圧電ファンは、前記圧電素子が前記振動板を両面から挟むように接合された、請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。

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