JP2011181880A - 電子機器の構造及び基地局の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内部で発生した熱を利用して省電力化および冷却を図ることが可能な電子機器の構造及び基地局の構造を提供することを目的とする。
【解決手段】熱を発生する発熱部材２１，２２と発熱部材２１，２２を収容する基地局１の筐体１０と、を有し、発熱部材２１，２２と基地局１の筐体１０との間に、発熱部材２１，２２で発生した熱を電気エネルギーに変換する熱電材料３１，３２が配置されていることを特徴とし、その電気エネルギーで基地局１の各種部材を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の構造及び基地局の構造に関する。

従来、携帯電話機、ＰＨＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｈａｎｄｙ-ｐｈｏｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ）端末等の無線端末との間で無線通信を行うための基地局が使用されている。この基地局は屋外に設けられ、建築構造物の外壁や電柱に取り付けられることが多く、近年、基地局の小型化やその内部に設けられる電源装置やパワーアンプ等の各種デバイスの高密度化が進んでいる。

ところで、この基地局の筐体は、その内部に設けられる各種デバイスを風雨から保護するために密閉構造となっている。また、筐体内部に設けられた各種デバイスで消費される電力は非常に大きくなっている。これにより、各種デバイスはその動作にともなって発熱する。このため、機器の小型化や高密度化も影響して、筐体内の冷却は自然空冷だけでは困難となっている。このようにして各種デバイスの動作にともない発生する熱により筐体内の温度が高くなると、基地局の正常な運転が妨げられるおそれがある。そこで、密閉構造を有する基地局において、その内部を冷却する技術が各種検討されている。

例えば特許文献１では、電源装置とこの電源装置から電力を供給される電子機器とを収納する電子機器筐体の放熱構造において、電源装置より発生する熱を筐体外部に放出する第１のファンと電子機器より発生する熱を筐体外部に放出する第２のファンとを有し、第１のファンで筐体内に導入され筐体外部に排出される空気の通路と第２のファンで筐体内に導入され筐体外部に排出される空気の通路とが仕切部により仕切られている構造が開示されている。

一方、特許文献１と異なる従来の基地局の冷却構造としては、電源装置やパワーアンプ等の熱を発生させる発熱部材と、前記発熱部材を収容する筐体と、を有し、前記発熱部材と前記筐体との間に高い熱伝導率を有する熱伝導シートを配置したり、前記発熱部材に近接してファンを設けたりする構造がある。

実開平１‐１３９４９５号公報

特許文献１に開示された技術によれば、筐体内部で発生した熱を効率良く放熱できると考える。しかしながら、筐体内部の熱を専ら外部に逃がす構造となっているだけであり、必ずしも省電力化に資するようにはなっていない。

本発明は、上述した事情を鑑みたものであり、筐体内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能な電子機器の構造及び基地局の構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る電子機器の構造は、熱を発生する発熱部材と前記発熱部材を収容する筐体と、を有し、前記発熱部材と前記筐体との間に、前記発熱部材で発生した熱を電気エネルギーに変換する熱電材料が配置されている、という手段を採用する。

また、本発明に係る電子機器の構造は、基地局内部の温度を検知する温度センサーを有し、前記温度センサーによって検知された温度が所定値をこえたときに駆動するファンが前記筐体の内部に設けられている、という手段を採用する。

また、本発明に係る電子機器の構造は、前記熱電材料が配置された側の筐体外部に放熱フィンが設けられている、という手段を採用する。

また、本発明に係る電子機器の構造は、前記熱電材料に接続されているとともに、前記熱電材料で変換された前記電気エネルギーを蓄える蓄電部材が設けられている、という手段を採用する。

また、本発明に係る基地局の構造は、上述した電子機器を構成する、という手段を採用する。

本発明によれば、発熱部材と筐体との間に配置された熱電材料によって、発熱部材で発生した熱が電気エネルギーに変換される。すなわち、発熱部材で発生したあと外部へ逃がされる熱（廃熱）を新たなエネルギー源として利用しうるエネルギー変換構造となっている。したがって、基地局の筐体内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。

第１実施形態に係る基地局の構造を示す模式図である。 第２実施形態に係る基地局の構造を示す模式図である。 第３実施形態に係る基地局の構造を示す模式図である。 従来の基地局の構造を示す模式図である。 第４実施形態に係る基地局の構造を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る基地局１を示す模式図である。なお、図１においては、基地局１の構造が分かるようにその断面を示している。基地局１は、屋外に設置され、携帯電話機、ＰＨＳ端末等の無線端末との間で無線通信を行うためのものである。

図１に示すように、基地局１の構造は、熱を発生する発熱部材２１，２２と、発熱部材２１，２２を収容する筐体１０と、を有し、発熱部材２１，２２と筐体１０との間に、発熱部材２１，２２で発生した熱を電気エネルギーに変換する熱電材料３１，３２が配置される構造となっている（以下、発熱部材２１，２２をそれぞれ第１発熱部材２１、第２発熱部材２２と称し、熱電材料３１，３２をそれぞれ第１熱電材料３１、第２熱電材料３２と称する）。具体的には、第１発熱部材２１と筐体１０との間には、第１発熱部材２１で発生した熱を電気エネルギーに変換する第１熱電材料３１が配置されている。一方、第２発熱部材２２と筐体１０との間には、第２発熱部材２２で発生した熱を電気エネルギーに変換する第２熱電材料３２が配置されている。

また、筐体１０の内部には、デジタルユニット４２及び温度センサー６０が配置されている。デジタルユニット４２には第１配線３３及び第２配線３４の一端がそれぞれ接続されている。そして、第１配線３３の他端が第１熱電材料３１に接続されるとともに第２配線３４の他端が第２熱電材料３２に接続されている。また、筐体１０の外部には、放熱フィン１１が設けられている。

本実施形態では、第１発熱部材２１として電源装置を用い、第２発熱部材２２としてパワーアンプを用いている。電源装置やパワーアンプで使用される電力は他のデバイスに比べて非常に大きい。これにより、電源装置やパワーアンプはその動作にともなって高熱を発生する。第１発熱部材２１及び第２発熱部材２２の外装（第１熱電材料３１及び第２熱電材料３２に接する側）は、高い熱伝導率を有する金属を用いて形成されている。

図１の筐体１０は、断面視矩形で示しており、その内部にそれぞれ断面視矩形の第１発熱部材２１、第２発熱部材２２、デジタルユニット４２、温度センサー６０等の各種デバイスが収容されている。筐体１０は、その内部に設けられる各種デバイスを外部の風雨から保護するために密閉構造となっている。また、筐体１０内部には各種デバイスが高密度に集約されている。そのため、内部の各種デバイスが動作とともに発する熱を、筐体１０を介して放熱することで、筐体１０内部の冷却を行うようになっている。筐体１０は、高い熱伝導率を有する金属を用いて形成されている。

第１熱電材料３１はその一端が第１発熱部材２１に接するとともにその他端が筐体１０の内面に接している。第１熱電材料３１は、第１発熱部材２１で発生した熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換材料である。これにより、第１熱電材料３１の一端と他端との間に温度差が与えられると、高温部と低温部の間に電位差（電圧）が生じる。これは、第１発熱部材２１及び筐体１０が金属電極として機能することにより、第１発熱部材２１、第１熱電材料３１及び筐体１０によって熱電モジュール（第１熱電モジュール）が構成されることによる。

第２熱電材料３２はその一端が第２発熱部材２２に接するとともにその他端が筐体１０の内面に接している。第２熱電材料３２は、第２発熱部材２２で発生した熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換材料である。これにより、第２熱電材料３２の一端と他端との間に温度差が与えられると、高温部と低温部の間に電位差（電圧）が生じる。これは、第２発熱部材２２及び筐体１０が金属電極として機能することにより、第２発熱部材２２、第２熱電材料３２及び筐体１０によって熱電モジュール（第２熱電モジュール）が構成されることによる。なお、このように熱電材料の温度差により電圧が生じるしくみについては後述する。

デジタルユニット４２は、例えばアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器およびＤＡ変換器を有し、その内部にプログラムによって様々な数値計算や情報処理、機器制御などを行うＣＰＵ４３を有するものである。本実施形態では、デジタルユニット４２に第１熱電材料３１及び第２熱電材料３２が各配線３３，３４を介して接続されている。これにより、第１発熱部材２１及び第２発熱部材２２で発生した熱が電気エネルギーに変換されると、この電気エネルギーがデジタルユニット４２を動作させるためのエネルギーとして利用されるようになっている。

温度センサー６０は、デジタルユニット４２の近傍に配置されており、デジタルユニット４２と不図示の配線を介して接続されている。この温度センサー６０は、筐体１０内部の温度を計測するものである。

放熱フィン１１は、第１熱電材料３１が配置された側の筐体１０外部及び第２熱電材料３２が配置された側の筐体１０外部に設けられている。また、放熱フィン１１は、板状の部材であり筐体１０の外面に複数並んで配置されている（図１では上下共に１７個ある）。この放熱フィン１１は、筐体１０の表面積を広げることによりその放熱能力を向上させるものである。放熱フィン１１は、筐体１０と同様に高い熱伝導率を有する金属を用いて形成されている。

これにより、筐体１０内部の各種デバイスが動作するとともに発する熱を、筐体１０及び放熱フィン１１を介して放熱することで、筐体１０内部の冷却を行うようになっている。また、図１に示した各部材の配置により、放熱フィン１１側に面した第１熱電材料３１の一端と発熱部材２１側に面した他端との間の温度差を大きくするとともに同様に第２熱電材料３２の一端と他端との間の温度差を大きくすることが可能になっている。

なお、筐体１０の冷却効率を高めるため、第１熱電材料３１が配置された側の筐体１０外部及び第２熱電材料３２が配置された側の筐体１０外部とは異なる筐体１０外部に、放熱フィン１１を形成してもよい。具体的には、放熱フィン１１を、筐体１０の外面の上下のみに限らずさらに左右に形成してもよい。

ところで、従来、基地局の冷却構造は、筐体内部で発生した熱を効率良く放熱できるようにはなっているものの、必ずしも省電力化に資するようにはなっていない。

図４は、従来の基地局１０００の構造を示す模式図である。図４に示すように、基地局１０００の構造は、熱を発生する発熱部材１０２１，１０２２と、１０２１，１０２２を収容する筐体１０１０と、を有し、発熱部材１０２１，１０２２と筐体１０１０との間には熱伝導率の高い材料からなる熱伝導シート１０３１，１０３２が配置される構造となっている。また、筐体１０１０の内部には、ＣＰＵ１０４３を有するデジタルユニット１０４２、ファン１０５０及び温度センサー１０６０が配置されている。また、熱伝導シート１０３１，１０３２が配置された側の筐体１０１０外部には、放熱フィン１０１１が配置されている。

このような構成により、温度センサー１０６０が所定の温度（例えばＣＰＵ１０４３の限界温度）を検出したとき、デジタルユニット１０４２からの制御信号によりファン１０５０が駆動する。すると、このファン１０５０の駆動により発熱部材１０２１，１０２２が冷却されるようになっている。また、発熱部材１０２１，１０２２から発生する熱は、それぞれ熱伝導シート１０３１，１０３２、筐体１０１０、放熱フィン１０１１を経由して外部へ放出される。したがって、基地局１０００の構造は、筐体１０１０内部で発生した熱を効率良く放熱できるようにはなっているものの、その熱を利用しうる構造にはなっていない。

そこで、基地局１では、第１発熱部材２１と筐体１０との間に、第１発熱部材２１で発生した熱を電気エネルギーに変換する第１熱電材料３１が配置されるとともに、第２発熱部材２２と筐体１０との間に、第２発熱部材２２で発生した熱を電気エネルギーに変換する第２熱電材料３２が配置される構造としている。これにより、第１発熱部材２１及び第２発熱部材２２で発生したあと外部へ逃がされる熱（廃熱）を新たなエネルギー源として利用しうるエネルギー変換構造となっている。

ここで、第１熱電材料３１（第２熱電材料３２）が熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換の機構について説明する。なお、第１熱電材料３１及び第２熱電材料３２のエネルギー変換機構は同様であるため、第１熱電材料３１を挙げて説明する。

第１熱電材料３１は、ｎ型（電流の担い手が電子）とｐ型（電流の担い手が正孔）の２種類の熱電材料を含んで構成されている。例えば、ｎ型熱電材料としては半金属のＢｉ２Ｔｅ３が使用され、ｐ型熱電材料としては半金属のＢｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ３が使用される。この第１熱電材料３１は、一端と他端の温度差に応じて電圧を発生する。また、熱の流れる向きによって、発生する電圧の符号が変化する。

この原理について、ｎ型熱電材料に着目する。ｎ型熱電材料の一端が第１発熱部材２１に接するとともにその他端が筐体１０に接する場合を考える。このとき、ｎ型熱電材料の一端が第１発熱部材２１から発する熱により高温になっているとともに、他端が筐体１０による冷却により低温になっている。すると、電子は周囲から熱のエネルギーをもらうため、高温部では大きなエネルギーをもつ電子の割合が高くなる。十分に大きなエネルギーをもった電子は、ｎ型熱電材料の高エネルギー側の許容帯（電子のとりうるエネルギー領域、つまり隣り合う２つの禁止帯の間の領域）に入ることができる。この結果、ｎ型熱電材料の高エネルギー側の許容帯では、高温側の方が電子の濃度が高くなる。このように電子の濃度に偏りがあると、濃度が均一になるように、自然と高濃度側から低濃度側へ電子が移動する。この電子の移動の結果、高温側が正に、低温側が負に帯電し、第１熱電材料３１の一端と他端との間に電圧が生じる。したがって、第１熱電材料３１の両端の温度差を維持することにより、熱電発電（温度差によって電圧が生じる現象）を発生させることができる（ゼーベック効果）。

本実施形態の基地局１の構造によれば、第１発熱部材２１と筐体１０との間、第２発熱部材２２と筐体１０との間のそれぞれに配置された第１熱電材料３１、第２熱電材料３２によって、それぞれ第１発熱部材２１、第２発熱部材２２で発生した熱が電気エネルギーに変換される。すなわち、第１発熱部材２１、第２発熱部材２２で発生したあと外部へ逃がされる熱（廃熱）を新たなエネルギー源として利用しうるエネルギー変換構造となっている。したがって、基地局１の筐体１０内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。

また、この構成によれば、第１熱電材料３１が配置された側の筐体１０外部、第２熱電材料３２が配置された側の筐体１０外部のそれぞれに放熱フィン１１が設けられているので、第１熱電材料３１の他端（筐体１０側の端部）及び第２熱電材料３２の他端（筐体１０側の端部）が冷却されやすくなる。これにより、第１熱電材料３１の一端と他端との間の温度差を大きくするとともに第２熱電材料３２の一端と他端との間の温度差を大きくすることができる。このため、第１熱電材料３１の一端と他端との間及び第２熱電材料３２の一端と他端との間に高い電圧が生じることになり熱電発電を発生させることができる。したがって、基地局１の筐体１０内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。

また、この構成によれば、第１発熱部材２１として電源装置を用い、第２発熱部材２２としてパワーアンプを用いているので、第１熱電材料３１の一端（第１発熱部材２１側の端部）及び第２熱電材料３２の一端（第２発熱部材２２側の端部）が高温に熱せられやすくなる。これは、電源装置やパワーアンプで消費される電力は他のデバイスに比べて非常に大きいため、電源装置やパワーアンプはその動作にともなって高熱を発生することによる。これにより、第１熱電材料３１の一端と他端との間の温度差を大きくするとともに第２熱電材料３２の一端と他端との間の温度差を大きくすることができる。このため、第１熱電材料３１の一端と他端との間及び第２熱電材料３２の一端と他端との間に高い電圧が生じることになり熱電発電を発生させることができる。したがって、基地局１の筐体１０内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、発熱部材として２つの発熱部材を用いているがこれに限らない。例えば、発熱部材として１つの発熱部材を用いてもよいし、３つ以上の発熱部材を用いてもよい。すなわち、発熱部材の配置数は、必要に応じて適宜変更することができる。

また、本実施形態では、発熱部材として電源装置またはパワーアンプを用いているがこれに限らない。すなわち、発熱部材としては、熱を発生するものであれば種々のデバイスを適用することができる。

また、本実施形態では、熱電材料として２つの熱電材料を用いているがこれに限らない。例えば、熱電材料として１つの熱電材料を用いてもよいし、３つ以上の熱電材料を用いてもよい。すなわち、熱電部材の配置数は、必要に応じて適宜変更することができる。また、熱電材料を構成するｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料の配置数についても、必要に応じて適宜変更することができる。
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る基地局２を示す模式図である。本実施形態の基地局２の構造は、筐体１０の内部にファン５０が設けられている点で第１実施形態の基地局１と異なる。その他の点は第１実施形態の基地局１と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

図２に示すように、ファン５０が第１発熱部材２１に近接して配置されている。このファン５０は、温度センサー６０が所定の温度（例えばＣＰＵ４３の耐熱限界温度）を検出したとき、デジタルユニット４２からの制御信号により駆動される。すると、このファン５０の駆動により第１発熱部材２１が冷却されるようになっている。

また、このファン５０の駆動によって第１発熱部材２１から発生する熱の温度変化が抑えられる。つまり、ファン５０が配置されていない場合、第１発熱部材２１は自然に冷却されることになる。このため、第１発熱部材２１から発生する熱の温度変化が不規則となる。しかしながら、本実施形態ではファン５０が配置されているため、第１発熱部材２１から発生する熱の温度変化がないように調整することができる。具体的には、温度センサー６０が第１発熱部材２１の表面温度をある許容範囲内で検出するように、デジタルユニット４２からの制御信号によりファン５０の駆動を制御しファン５０の冷却作用を調整することができる。また、基地局２は、ＣＰＵ４３やデジタルユニット４２を保護することができる。

本実施形態によれば、筐体１０内部に第１発熱部材２１に近接してファン５０が設けられているので、第１発熱部材２１から発生する熱の温度変化を抑えることができる。これにより、第１熱電材料３１の一端と他端との間の温度差が経時的にばらつくことなく安定して大きくすることができる。このため、第１熱電材料３１の一端と他端との間に一定の電圧が生じやすくなり熱電発電を発生させることができる。したがって、基地局２の筐体１０内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、ファンが第１発熱部材２１に近接して配置されているがこれに限らない。例えば、ファンが第２発熱部材２２に近接して配置されていてもよい。また、ファンが第１発熱部材２１及び第２発熱部材２２の両方に近接して配置されていてもよい。すなわち、ファンは少なくとも筐体１０の内部に設けられていればよく、その配置は必要に応じて適宜変更することができる。
（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る基地局３を示す模式図である。本実施形態の基地局３の構造は、第１熱電材料３１に接続されているとともに、第１熱電材料３１で変換された電気エネルギーを蓄える蓄電部材４１が設けられている点で第２実施形態の基地局２と異なる。その他の点は第２実施形態の基地局２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態では、デジタルユニット４２に第１熱電材料３１が第１配線３３を介して接続されていない。つまり、第１配線３３に替えて、蓄電部材４１に第１熱電材料３１が第３配線３５を介して接続されている。これにより、第１発熱部材２１で発生した熱が電気エネルギーに変換されると、この電気エネルギーが蓄電部材４１に蓄えられるためのエネルギーとして利用されるようになっている。なお、蓄電部材４１としては、例えば予備バッテリーを用いることができる。

本実施形態によれば、第１熱電材料３１に接続されるとともに、第１熱電材料３１で変換された電気エネルギーを蓄える蓄電部材４１が設けられている。このような構成においても、基地局３の筐体１０内部で発生した熱を利用して省電力化を図ることが可能となる。また、基地局３は、蓄電部材４１で蓄えられた電気エネルギーでファン５０を駆動するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、第１配線３３に替えて、蓄電部材４１に第１熱電材料３１が第３配線３５を介して接続されているがこれに限らない。例えば、第２配線３４に替えて、蓄電部材４１に第２熱電材料３２が第４配線を介して接続されていてもよい。すなわち、蓄電部材４１が第１熱電材料３１と第２熱電材料３２の少なくとも一方に蓄電部材４１が接続されていればよく、その配置は必要に応じて適宜変更することができる。
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る基地局４を示す模式図である。本実施形態の基地局４の構造は、ＣＰＵ４３の上に熱電材料３３が設けられている点で、第１実施形態の基地局１と異なる。その他の点は第２実施形態の基地局２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

図５に示すように、ＣＰＵ４３の上に熱電材料３３が設けられている。ＣＰＵ４３の冷却に熱電材料３３を使用し、ＣＰＵ４３が極度に温度上昇するのを改善している。

また、熱電材料３３で発電した電力で温度センサー６０またはファン５０を駆動するように構成するようにしてもよい。この場合、例えば、電流制御ＩＣ回路等を介して熱電材料３３電力を用いて温度センサー６０またはファン５０に電流が入力されるよう構成する。このような構成を採用することで、基地局４の筐体１０内部で発生した熱を利用してより一層の省電力化を図ることが可能となる。

以上、上述した実施形態では、筐体１０が断面視矩形であるが、これに限らない。例えば、筐体１０が、断面視多角形であってもよいし、断面視円形もしくは楕円形であってもよい。このような形状においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上述した実施形態では、筐体を備える基地局を例に挙げて述べたが、これに限らず、ＰＨＳ端末、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機などの各種電子機器におけるエネルギー変換構造にも適用することができる。

１，２，３…基地局
１０…筐体、
１１…放熱フィン、
２１…第１発熱部材（発熱部材）
２２…第２発熱部材（発熱部材）
３１…第１熱電材料（熱電材料）
３２…第２熱電材料（熱電材料）
３３…第３熱電材料（熱電材料）
５０…ファン

Claims (5)

1. 熱を発生する発熱部材と
   前記発熱部材を収容する筐体と、を有し、
   前記発熱部材と前記筐体との間に、前記発熱部材で発生した熱を電気エネルギーに変換する熱電材料が配置されていることを特徴とする電子機器の構造。
2. 基地局内部の温度を検知する温度センサーを有し、前記温度センサーによって検知された温度が所定値をこえたときに駆動するファンが前記筐体の内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の構造。
3. 前記熱電材料が配置された側の筐体外部に放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器の構造。
4. 前記熱電材料に接続されているとともに、前記熱電材料で変換された前記電気エネルギーを蓄える蓄電部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子機器の構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子機器を構成する基地局の構造。
   
   

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