JP2012124246A - 電子機器の放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型の圧電マイクロブロアの特徴を利用し、薄型の筐体を持つ電子機器に適用しやすい放熱装置を提案する。
【解決手段】電子機器の筐体の一側面に空気流入口を形成し、この空気流入口に一端が接続されたダクトを、筐体の中間部で終点となるように筐体の主面方向に延びるように設け、ダクトの壁面に発熱素子を熱的に接続する。ダクトの終点近傍に圧電マイクロブロアをその主面が筐体の主面と実質的に平行になるように固定し、マイクロブロアの吸込み口をダクト内部と接続し、吐出口をダクト外部に開放する。ダクトは筐体に比べて熱伝導性のよい材料で形成され、ダクトに伝導された発熱素子の熱を、ダクトの中を流れる空気流によって冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧電マイクロブロアを用いた電子機器の放熱装置に関するものである。

ファンやブロア（以下、噴流発生器）とヒートシンク等の放熱系とを使用して電子機器を冷却する場合、両者をどのようにして組み合わせるかが冷却能力の観点から重要である。また、電子機器に内蔵する場合は、冷却システム全体の薄型化が要求される。それらを両立する方法として、噴流発生器と発熱源（例えばＣＰＵ等）とを金属板などの熱伝導体で熱的に接続させて電子機器を冷却する方法が公知となっている。

特許文献１では、筐体の一方の側面から他方の側面まで貫通したダクトを形成し、ダクトの排出口にモータファンを設けて、ダクト内の熱気を排出する構造の電子機器が提案されている。ダクトは筐体に比べて熱伝導性のよい材料で形成され、ダクトに熱的に接するように発熱素子（ＣＰＵ）が固定されている。発熱素子の熱はダクトに伝えられ、ダクトの中を流れる空気流によって冷やされる。

しかし、ノートパソコンのような薄型電子機器の場合、筐体の一方の側面から他方の側面まで貫通するダクトを形成することは、ダクトの容積が大きくなるため、電子機器の小型化を損なうと共に、ダクトが長い分だけダクトを流れる空気抵抗が大きくなる。また、出口側にモータファンを設ける必要上、出口側に大きな容積を必要とし、小型機器には適用しにくい。

モータファンに代わる噴流発生器として、効率よく噴流を発生させることができる圧電マイクロブロアが提案されている（例えば特許文献２）。圧電マイクロブロアは、周知のように圧電体の駆動によりダイヤフラムを屈曲振動させて空気を吐出するものである。圧電体をダイヤフラムに貼り付けて駆動体を構成しているので、薄型に構成でき、かつ低消費電力で大流量のマイクロブロアが得られる。

上述のように圧電マイクロブロアは、薄型化は容易であるが、横方向の寸法を小さくできない。また、原理的に背面側から空気を吸込み、正面側から垂直方向に空気を吐出する構造となっているため、空気の吐出方向を横向きにすることが難しい。そのため、特許文献１のように横方向に配設されたダクトの中に空気を流すには、圧電マイクロブロアを立てた状態にしなければならず、電子機器の筐体が分厚くなるため、適用しにくい。

特開２００７−１４２３６０号公報 ＷＯ２００８／０６９２６６号公報

そこで、本発明は薄型の圧電マイクロブロアの特徴を利用し、薄型の筐体を持つ電子機器に適用しやすい放熱装置を提案するものである。

前記目的を達成するため、本発明は、上下の主面と外周を取り囲む側面とを持つ電子機器の筐体と、前記筐体の一側面に形成された空気流入口と、一端部が前記空気流入口と接続され、他端部が前記筐体の中間部で終点となるように前記筐体の中に当該筐体の主面方向に延びるように設けられた、前記筐体に比べて熱伝導性の良いダクトと、前記電子機器の筐体の中に配置され、前記ダクトの壁面に熱的に接続された発熱素子と、ブロア本体と圧電素子を有するダイヤフラムとの間にブロア室を形成し、前記圧電素子に電圧を印加してダイヤフラムを屈曲振動させることにより、ブロア本体の一方の主面又は側面に形成した吸込み口から空気を吸込み、他方の主面に形成した吐出口より空気を吐出する圧電マイクロブロアであって、前記ダクトの終点近傍に前記ブロア本体の主面が前記筐体の主面と実質的に平行になるように設けられ、前記吸込み口がダクト内部と接続され、前記ダクトに対して垂直方向に空気を吐出するよう前記吐出口がダクト外部に開放された圧電マイクロブロアと、を備えたことを特徴とする電子機器の放熱装置を提供する。

本発明では、筐体の側面の空気流入口から入った空気は、筐体の中に設けたダクトの中を横方向に流れ、筐体の中間部で終点となる。その終点近傍にマイクロブロアを設けてあるので、空気はダクトから上向き又は下向きに吐出される。つまり、空気の流れを筐体の途中で垂直方向に変更している。ダクトは筐体に比べて熱伝導性のよい材料で形成され、ダクトの壁面に熱的に接するように発熱素子が配置されている。そのため、発熱素子の熱はダクトに伝導され、ダクトの中を流れる空気流によって冷やされる。

圧電マイクロブロアは、シート状のダイヤフラムを屈曲振動させて空気を吐出するものであるため、厚み方向の寸法に比べて主面方向の寸法が大きくなり、薄型化は容易であるが、横方向（主面方向）の寸法を小さくできない。また、原理的に空気の吐出方向がダイヤフラムと垂直方向になるため、吐出方向を横向きにすることが難しい。そこで、本発明ではダクトの終点近傍に圧電マイクロブロアを横向きに配置することにより、ダクトの中を流れた空気の流れを垂直方向に向きを変えると共に、ダクトの中の空気を強制的に排出するものである。そのため、電子機器の筐体の中を貫通するダクトを形成することなく、しかもダクトの中を流れる空気の流れを阻害せずに、効率よく放熱できる。しかも、マイクロブロアを縦置きにしなくてもよいので、薄型の筐体の中にコンパクトに配置できる。

圧電マイクロブロアをダクト内に配置し、マイクロブロアの吐出口をダクトの外部に開口させてもよい。この場合には、ダクトの内部をマイクロブロアの収納空間として利用できるので、よりコンパクトに構成できる。マイクロブロアは薄型に構成することが可能であるため、ダクト内に配置することも容易である。

また、圧電マイクロブロアをダクトの外壁に固定し、マイクロブロアの吸込み口をダクトの内部と接続してもよい。この場合には、マイクロブロアがダクトの外側に突出するが、マイクロブロアの厚みを薄くできるので、筐体に内蔵された他の部品との干渉を抑制できる。

圧電マイクロブロアの吐出口と対向する筐体の上側又は下側の主面に、空気排出口を形成してもよい。この場合には、ダクトと熱交換された空気は、そのまま空気排出口を介して外部へ排出されるので、筐体の内部温度の上昇を抑制できる。

筐体の内部に、圧電マイクロブロアの吐出口と対向する位置に熱拡散シートを配置し、圧電マイクロブロアから吐出される空気により熱拡散シートを冷却してもよい。熱拡散シートに発熱源が熱的に接続されている場合、マイクロブロアが吐出する空気流によって熱拡散シートが冷やされ、発熱源の熱を効率よく放熱できる。

筐体の内部に、圧電マイクロブロアの吐出口から吐出された空気流を筐体の主面と平行な方向に変更して発熱素子又は当該発熱素子に熱的に接続されたヒートシンクに吹き付ける空気流方向変更手段を設けてもよい。この場合には、マイクロブロアが吸い込む空気流によってダクトを介して発熱素子を冷却すると共に、マイクロブロアが吐出する空気流によって発熱素子又はヒートシンクを直接冷却するので、２重の冷却を行うことができ、冷却効率がさらに向上する。

以上のように、本発明によれば、ダクトの終点近傍に圧電マイクロブロアを配置することにより、ダクトの中を横向きに流れた空気の流れを垂直方向に向きを変えると共に、ダクトの中の空気を強制的に排出するので、電子機器の筐体を貫通するダクトを形成する必要がなく、ダクトに伝導された発熱素子の熱を効率よく放熱できる。しかも、マイクロブロアを縦置きにしなくてもよいので、薄型の筐体の中にコンパクトに配置できる。

本発明に係る電子機器の第１実施形態の縦断面図及びＩ−Ｉ線断面図である。 図１の電子機器に用いられる圧電マイクロブロアの一例の拡大断面図である。 本発明に係る電子機器の第２実施形態の縦断面図である。 本発明に係る電子機器の第３実施形態の縦断面図及びIV−IV線断面図である。 本発明に係る電子機器の第４実施形態の縦断面図である。 本発明に係る電子機器の第５実施形態の縦断面図である。 本発明に係る電子機器の第６実施形態の縦断面図である。

〔第１実施形態〕
図１は本発明にかかる電子機器Ａの第１実施形態を示す。ここで、電子機器とは、例えばノートパソコン、タブレットコンピュータ、携帯情報端末のような発熱素子を内蔵した機器のことである。電子機器Ａは、上下の主面と外周を取り囲む側面とを持ち、横方向（主面方向）の寸法より厚みが小さい（例えば厚みが横寸法の１／１０以下）薄型の筐体１を備えている。筐体１は、樹脂材料又は金属材料で形成され、機械的な剛性を備えた材料が望ましい。図１では筐体１が一部材で形成されているが、上下に複数の部材に分割された構造や、左右に複数の部材に分割された構造であってもよい。また、筐体１の一部がキーボードや液晶パネル、タッチパネル等で構成されていてもよい。

筐体１の内部には、電子回路を備えたプリント基板２が水平方向（筐体１の主面と平行）に配置されており、このプリント基板２上にはＣＰＵ等の発熱素子３を含む複数の電子部品（図示せず）が実装されている。

筐体１の内部には、ダクト４が横向き、つまり筐体１の主面方向に延びるように固定されており、このダクト４の一端４ａは筐体１の一側面に形成された空気流入口５と接続されている。ダクト４の他端４ｂは筐体１の中間部で終点となるように閉じられている。ダクト４は、筐体１に比べて熱伝導性の良い材料、例えばアルミニウムで筒状に形成されている。特に、幅寸法に比べて厚み寸法の小さい薄型筒状とするのが望ましい。発熱素子３の上面は、熱伝導性の良好な接着剤６又はシートを介してダクト４の他端部下面に熱的に接続された状態で取り付けられている。そのため、発熱素子３が発生する熱はダクト４に効果的に伝えられる。なお、図１では発熱素子３が取り付けられたダクト４の他端側に空間が形成されているが、この空間は熱伝導性の良好なスペーサによって閉じられていても良いし、放熱面積を増やすために放熱フィンなどを設けてもよい。

ダクト４の終点近傍の下面には、圧電マイクロブロア１０が横向きに取り付けられている。つまり、マイクロブロア１０の主面が筐体１の主面と実質的に平行になるように、筐体１の内部に配置されている。このマイクロブロア１０の一例の概略構造を図２に示す。マイクロブロア１０はダクト４より熱伝導性の低い材料よりなるブロア本体１１を備え、ブロア本体１１の内部に形成した第１壁部１２とダイヤフラム１３との間にブロア室１４を形成してある。ダイヤフラム１３の背面側には圧電素子１５が接着されている。ブロア本体１１の下面（下側主面）には第２壁部１６が設けられ、第１壁部１２と第２壁部１６との間に空気流入通路１７が形成されている。空気流入通路１７はブロア本体１１の上面（上側主面）外周部に形成した複数（ここでは２個）の吸込み口１８と連通している。第１壁部１２と第２壁部１６との中心部にはそれぞれ穴１２ａ及び吐出ノズル１９が形成されている。圧電素子１５に交流電圧を印加してダイヤフラム１３を厚み方向に振動させることにより、穴１２ａに大きな圧力波が発生し、その圧力波によって空気流入通路１７に存在する空気が巻き込まれ、高速空気流として吐出ノズル１９から外部へ吐出される。圧電マイクロブロア１０は、全体厚みを数ｍｍ程度に抑えることができるので、ダクト４とプリント基板２との間の狭い空間でも配置できる。なお、ブロア本体１１の外部には圧電素子１５に電圧を印加するための一対の端子（図示せず）が突設され、これら端子はプリント基板２の回路と接続されている。

吸込み口１８と対応したダクト４の部分には開口部４ｃが形成されているので、ダクト４を流れた空気は開口部４ｃを介してマイクロブロア１０の内部へ吸い込まれる。マイクロブロア１０の下面はプリント基板２の上面に接するか、又は近接しており、吐出ノズル１９はプリント基板２に形成された窓穴２ａに挿通されている。窓穴２ａと対応する筐体１の底面（下側主面）には、空気排出口７が形成されている。そのため、吐出ノズル１９から吐出された空気は、窓穴２ａ、空気排出口７を介して外部へ排出される。なお、この実施形態ではマイクロブロア１０をダクト４の下面に固定したが、プリント基板２の上面に固定してもよく、要するにマイクロブロア１０の吸込み口１８がダクト４内と連通しておればよい。

上述の構成の電子機器Ａにおいて、発熱素子３が発熱すると、その熱は接着剤６を介してダクト４に伝導される。ダクト４は熱伝導性のよい材料で形成されているので、ダクト４全体に熱が伝わる。マイクロブロア１０を駆動すると、空気流入口５からダクト４内に外気が吸い込まれ、吐出ノズル１９から外部へ排出される。その際、発熱素子３の熱はダクト４内を流れる冷気と熱交換され、外部へ放出される。特に、ダクト４が電子機器Ａの中間部で終端となり、その終端部近傍に設けたマイクロブロア１０によって直交方向に空気を排出するので、ダクト４を必要最低限の長さにすることができ、ダクト４の専有体積を小さくできる。そのため、多数の部品が集約された電子機器においても、他の部品とダクト４とが干渉することなく配置することができる。この実施形態では、ダクト４と熱交換された空気は、その大半が空気排出口７を介して外部へ排出されるので、筐体１の内部温度の上昇を抑制できる。

〔第２実施形態〕
図３は本発明にかかる電子機器Ｂの第２実施形態を示し、第１実施形態と同一箇所には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の電子機器Ｂでは、圧電マイクロブロア１０をダクト４の中に配置してある。マイクロブロア１０の上面に形成された吸込み口１８とダクト４の上壁との間には、空気が流通できる隙間δが設けられている。吐出ノズル１９と対応するダクト４の部位には開口部４ｄが形成され、吐出ノズル１９から吐出された空気は、プリント基板２の窓穴２ａ、空気排出口７を介して外部へ排出される。この実施形態では、マイクロブロア１０がダクト４内に配置されているので、第１実施形態よりさらにコンパクトな放熱装置を実現できる。また、吐出ノズル１９とプリント基板２の窓穴２ａとが離れている場合には、吐出ノズル１９から吐出された空気流によってプリント基板２の上側及び下側の空気も巻き込まれて排出されるので、筐体１の内部温度上昇を抑制する効果がある。

〔第３実施形態〕
図４は本発明にかかる電子機器Ｃの第３実施形態を示し、第１実施形態と同一箇所には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の電子機器Ｃでは、圧電マイクロブロア１０をダクト４の終端部の外面に配置し、空気流入口５とマイクロブロア１０との中間位置に発熱素子３を配置してある。また、発熱素子３に対応したダクト４の内部には、複数の放熱フィン８がダクト４の長さ方向と平行に形成されている。そのため、空気とダクト４との接触面積が増え、熱交換が一層効率よく行われる。放熱フィン８がダクト４の長さ方向、つまり空気の流通方向と平行に形成されているので、放熱フィン８が空気抵抗になるのを抑制できる。この実施形態では、ダクト４の中間部に発熱素子３が配置され、終端にマイクロブロア１０が配置されているので、空気流入口５から入った外気が発熱素子３の部位を通過した後でマイクロブロア１０に吸い込まれ、空気と発熱素子３との熱交換が一層良好となる。

〔第４実施形態〕
図５は本発明にかかる電子機器Ｄの第４実施形態を示し、第１実施形態と同一箇所には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の電子機器Ｄでは、圧電マイクロブロア１０をダクト４の終端部であってかつダクト４の内部に配置し、空気流入口５とマイクロブロア１０との中間位置に発熱素子３を配置している。発熱素子３と対応するダクト４の内部には、複数の放熱フィン８がダクト４の長さ方向と平行に形成されている。この実施形態では、第２実施形態と第３実施形態の効果を併せ持つことができる。

〔第５実施形態〕
図６は本発明にかかる電子機器Ｅの第５実施形態を示し、第１実施形態と同一箇所には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の電子機器Ｅでは、圧電マイクロブロア１０をダクト４の終端部であってかつダクト４の内部に配置し、空気流入口５とマイクロブロア１０との中間位置に発熱素子３を配置している点で第４実施形態と共通している。マイクロブロア１０の吐出ノズル１９から吐出された下方向の空気流を、発熱素子３の側面に当たるように、横向きに変更するアタッチメント（空気流方向変更手段）２０がプリント基板２上に固定されている。この場合には、マイクロブロア１０が吸い込む空気流によってダクト４を介して発熱素子３を冷却すると共に、マイクロブロア１０が吐出する空気流によって発熱素子３を直接冷却するので、２重の冷却を行うことができ、冷却効率がさらに向上する。

図６では、アタッチメント２０によって横向きに変更された空気流が発熱素子３の側面に直接当たる例を示したが、発熱素子３がヒートシンクに取り付けられている場合には、横向きの空気流をヒートシンクに当てるようにしてもよい。発熱素子３に吹き付けられた空気は、筐体１の側面に形成された排気口７ａから外部へ排出してもよい。なお、筐体１の外周壁（側面）には微小な開口部が存在するので、格別な排気口７ａを設けなくても、その開口部から排気することもできる。

〔第６実施形態〕
図７は本発明にかかる電子機器Ｆの第６実施形態を示し、第１実施形態と同一箇所には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の電子機器Ｆでは、圧電マイクロブロア１０をダクト４の外側に配置し、吐出ノズル１９から吐出された空気流を筐体１の底部に配置された熱拡散シート２１に吹き付けるように構成したものである。熱拡散シート２１には、発熱素子３とは別の発熱源２２が配置されている。熱拡散シート２１の大きさは任意である。熱拡散シート２１と熱交換した空気は、例えば筐体１の底面（下側主面）に形成された排気口７ｂから排出される。なお、排気口７ｂは省略可能である。

この場合には、発熱源２２の熱が熱拡散シート２１に伝わり、そこをマイクロブロア１０で空気を吹き付けて冷却している。つまり、マイクロブロア１０が吸い込む空気流によってダクト４を介して発熱素子３を冷却すると共に、マイクロブロア１０が吐出する空気流によって別の発熱源２２を冷却できるので、マイクロブロア１０の駆動エネルギーを有効活用できる。

本発明で使用できる圧電マイクロブロアの構造は、図２に限るものではなく、圧電素子を持つダイヤフラムを備えたマイクロブロアであれば使用できる。図２では吸込み口１８をブロア本体１１の背面（吐出ノズルと対向する面）に形成したが、ブロア本体１１の側面（外周面）に形成することもできる。第２、第４実施形態のようにマイクロブロア１０をダクト４の内部に配置する場合には、マイクロブロア１０とダクト４の壁面との間に隙間δを確保する必要があるが、吸込み口１８をブロア本体１１の側面に形成することで、隙間δを無くすこともできる。そのため、ダクト４の厚みをさらに薄くできる。

前記実施形態では、ダクト４の平面形状を直線状としたが、Ｌ字形やＵ字形など任意の形状とすることができる。また、ダクト４の断面形状は一定である必要はなく、ダクトの途中で幅や厚みが変化してもよい。さらに、前記実施形態ではダクト４に対して１個の発熱素子３だけを熱的に接続した例を示したが、複数個の発熱素子３を接続してもよい。その場合、一部の発熱素子はマイクロブロアよりダクトの終端側に、他の発熱素子はマイクロブロアよりダクトの空気流入側に配置されていてもよい。

なお、圧電マイクロブロアのブロア本体の主面が筐体の主面と実質的に平行であるとは、圧電マイクロブロアの主面と筐体の主面とが厳密に平行である必要はなく、多少の傾きがあってもよい。また、ダクトが筐体の主面方向に延びるとは、ダクトの延びる方向と筐体の主面とが厳密に平行である必要はなく、多少の傾きがあってもよい。

Ａ〜Ｆ 電子機器
１ 筐体
２ プリント基板
３ 発熱素子
４ ダクト
５ 空気流入口
６ 熱伝導性接着剤
７ 空気排出口
８ 放熱フィン
１０ 圧電マイクロブロア
１１ ブロア本体
１３ ダイヤフラム
１４ ブロア室
１５ 圧電素子
１８ 吸込み口
１９ 吐出ノズル（吐出口）

Claims (6)

1. 上下の主面と外周を取り囲む側面とを持つ電子機器の筐体と、
   前記筐体の一側面に形成された空気流入口と、
   一端部が前記空気流入口と接続され、他端部が前記筐体の中間部で終点となるように前記筐体の中に当該筐体の主面方向に延びるように設けられた、前記筐体に比べて熱伝導性の良いダクトと、
   前記電子機器の筐体の中に配置され、前記ダクトの壁面に熱的に接続された発熱素子と、
   ブロア本体と圧電素子を有するダイヤフラムとの間にブロア室を形成し、前記圧電素子に電圧を印加してダイヤフラムを屈曲振動させることにより、ブロア本体の一方の主面又は側面に形成した吸込み口から空気を吸込み、他方の主面に形成した吐出口より空気を吐出する圧電マイクロブロアであって、前記ダクトの終点近傍に前記ブロア本体の主面が前記筐体の主面と実質的に平行になるように設けられ、前記吸込み口がダクト内部と接続され、前記ダクトに対して垂直方向に空気を吐出するよう前記吐出口がダクト外部に開放された圧電マイクロブロアと、を備えたことを特徴とする電子機器の放熱装置。
2. 前記圧電マイクロブロアは前記ダクト内に配置され、前記吐出口が前記ダクトの外部に開口していることを特徴とする、請求項１に記載の圧電マイクロブロア。
3. 前記圧電マイクロブロアは前記ダクトの外壁に固定され、前記吸込み口が前記ダクトの内部と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電マイクロブロア。
4. 前記筐体には、前記圧電マイクロブロアの吐出口と対向する上側又は下側の主面に、空気排出口が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電マイクロブロア。
5. 前記筐体の内部に、前記圧電マイクロブロアの吐出口と対向する位置に熱拡散シートが配置され、前記圧電マイクロブロアから吐出される空気により熱拡散シートが冷却されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電マイクロブロア。
6. 前記筐体の内部に、前記圧電マイクロブロアの吐出口から吐出された空気流を前記筐体の主面と平行な方向に変更して前記発熱素子又は当該発熱素子に熱的に接続されたヒートシンクに吹き付ける空気流方向変更手段が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電マイクロブロア。

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