JP2012186246A - ヒート・シンクの熱交換率を向上する方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒート・シンクの電位を基準電位に接近させて塵埃の堆積を抑制する。
【解決手段】携帯式コンピュータ１００は、システム筐体１０５に放熱ユニット２００を収納する。放熱ユニットは、ＣＰＵ１２１の熱をヒート・パイプ２０１およびヒート・シンク２０９を通じて放熱する。放熱ユニット２００は、ネジ２０６ａ、２０６ｄだけで金属フレーム１１１に結合される。ヒート・シンク２０９はマザー・ボード１１３上の帯電体３２５により静電誘導で電位が上昇する。ヒート・シンクはリード線３１７でグランド・プレーン３２１、筐体３２７電源ジャック３１１のグランド端子を通じてＡＣ／ＤＣアダプタに接続され帯電した電荷を中和する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ヒート・シンクの熱交換率を向上させる技術に関し、さらに詳細には電子機器の放熱用のヒート・シンクに対する塵埃の堆積を抑制する技術に関する。

コンピュータは、筐体の内部で発生した熱を放熱ファンで強制的に排気して放熱する放熱ユニットを搭載する。電子部品の実装密度が高いコンピュータの放熱ユニットは、一般に放熱ファン、ヒート・シンクおよびヒート・パイプを含む。ヒート・シンクは狭い幅のスリット状の空気流路を構成する多数の熱交換フィンを含む。放熱ファンは筐体の外部から取り入れた空気に筐体内部で発熱体が生成した熱を拡散させ、さらにその空気をヒート・シンクのスリット間を通過させて筐体の外に放出する。熱交換フィンはヒート・シンクとの直接接触またはヒート・パイプを通じた間接接触で発熱体の熱と空気の熱を熱交換する。

特許文献１は、液晶パネル表面から帯電した静電気を除去してファンから冷却用空気が吹き付けられたときに、空気に含まれるゴミが付着しないようにする技術を開示する。特許文献２は、ファン・ユニットが実装された電子機器の筐体の開口部近辺に静電力のあるシートを設けて内部から粉塵を収集する技術を開示する。

特開２００４−２１９５７２号公報 特開２００９−１７６１６１号公報

ヒート・シンクの熱交換率は、熱交換フィンと空気の接触面積および空気流路を通過する空気の量に大きく左右される。筐体の内部に流入する空気は塵埃を含んでいるが、これが空気流路の入り口や内部に堆積すると空気の流量が減り熱交換率が低下する。長時間動作した複数のコンピュータの放熱ユニットを分解すると、そのほとんどにおいてヒート・シンクの入り口に堆積した塵埃を観察することができる。

塵埃の多い環境で動作するコンピュータでは塵埃の堆積を抑制することは困難であるとして扱われ、定期的な分解清掃やファン・ユニットのフィルターなどで対処してきた。しかし、分解清掃はユーザにとって大きな負担であり、フィルターを設けてもそこを通過する小さな塵埃が熱交換フィンに堆積するため現実には有効な手立てがないのが現状であった。したがって、塵埃の堆積原因を究明してヒート・シンクの入り口に塵埃が堆積しないようにする必要がある。

そこで本発明の目的は、ヒート・シンクに対する塵埃の堆積を抑制した放熱ユニットを備える電子機器または携帯式コンピュータを提供することにある。さらに本発明の目的は、ヒート・シンクの熱交換率を向上させる方法を提供することにある。

塵埃は帯電した物体に付着しやすいことはよく知られているが、放熱ユニットは一般に筐体の金属部分に結合されているため、これまで塵埃の堆積原因がヒート・シンクの帯電にあるとは考えられてこなかったが、本発明では塵埃の堆積原因がヒート・シンクの帯電による電位上昇であることを特定した。本発明の原理は、ヒート・シンクの熱交換フィンの近辺を電荷中和導体に接続してその電位をアース電位に近づけることにある。本発明は、動作中の電子機器においては放熱ユニット全体の電位分布が一様ではないとの認識に基づいて、少なくともヒート・シンクの熱交換フィンの近辺を導電性材料で形成された電荷中和導体に接続してアース電位に接近させる。

本発明の第１の態様では電子機器の放熱ユニットが、空気流路を形成する複数の熱交換フィンを含むヒート・シンクとヒート・シンクに結合されたファン・チャンバに収納され空気流路に空気を送る放熱ファンとを含む。電荷中和導体は独立導体として所定の静電容量を保有し、ヒート・シンクとの間で電荷を交換してヒート・シンクの電荷を中和することができる。除電手段は熱交換フィンの近辺と電荷中和導体を接続する。したがって、熱交換フィンの近辺の電位は電荷中和導体の電位に接近する。

ヒート・シンクが帯電する場合は、プラス電荷が帯電して電位が上昇する場合とマイナス電荷が帯電して電位が低下する場合があるが、いずれであってもアース電位に対する電位の絶対値が大きくなると塵埃が付着し易くなる。ヒート・シンクが帯電する原因には空気と熱交換フィンの摩擦による摩擦帯電とヒート・シンクの近辺に存在する帯電体からの静電誘導による誘導帯電がある。ここでは、帯電によりヒート・シンクの電位が上昇する場合を例にして説明する。

摩擦帯電の場合は、放熱ユニットの全体の中でヒート・シンクから離れた部位であっても電荷中和導体に接続されていればある程度電位の上昇を抑制することは可能である。しかし、誘導帯電の場合はヒート・シンクの近辺に帯電体が存在する限り、ヒート・シンクから離れた部位を電荷中和導体に接続してもヒート・シンクの電位上昇を抑制することができない。本発明によれば、熱交換フィンの近辺を電荷中和導体に接続することでヒート・シンクの電位上昇を抑制することができる。放熱ユニットは、ヒート・シンクに接続されたヒート・パイプと、ヒート・パイプに接続され中央演算処理装置に直接接触する受熱部とを有し、放熱ユニットが受熱部で筐体に結合されるように構成することができる。このとき受熱部と電荷中和導体が電気的に接続されていることも考えられる。

しかしこの場合、受熱部とヒート・シンクとは最も距離が離れており、受熱部の電位が電荷中和導体の電位に一致していてもヒート・シンクは誘導帯電で電位が上昇することがある。本発明ではこのように構成された放熱ユニットであってもヒート・シンクの電位を電荷中和導体の電位に接近させることができる。受熱部が中央演算処理装置に直接接触する場合は、特にその接触を確実にする必要があるためヒート・シンクを筐体に結合することはできないが、除電手段は受熱部の結合時にヒート・シンクが自由運動できるように熱交換フィンの近辺と中和物体を接続する。

除電手段は、リード線で構成することができる。リード線は、最も塵埃が堆積しやすいヒート・シンクの入り口の電位上昇を抑制するように接続することが望ましい。たとえば、リード線は、ヒート・シンクの熱交換フィンとファン・チャンバの境界に沿ってヒート・シンクまたはファン・チャンバの表面に接続することができる。電子機器に電力を供給する電源ケーブルがアース・ラインを備える場合は、除電手段を電源ジャックのアース端子に接続することができる。アース端子に接続することで、ヒート・シンクの電位を最も効果的にアース電位に近づけることができる。電荷中和導体は、電子部品や電気部品のグランド端子が接続されるグランド・プレーンとすることができる。

本発明の第２の態様では、除電手段が電気部品を収納するシステム筐体とパーム・レストとを備える携帯式コンピュータに適用される。携帯式コンピュータは電気部品に基準電位を与えるグランド・プレーンを含む。除電手段の一方はヒート・シンクとファン・チャンバの境界の近辺に存在するヒート・シンクまたはファン・チャンバの表面に接続され、他方はグランド・プレーンに接続される。

除電手段の一方はヒート・シンクの幅方向において一方の側面から他方の側面に渡って接続される。こうすることで、すべての熱交換フィンを効果的に基準電位に近づけることができる。携帯式コンピュータが、ＡＣ／ＤＣアダプタの電圧ラインが接続される電圧端子とグランド・ラインが接続されるグランド端子を備える電源ジャックを有する場合には、グランド端子とグランド・プレーンを接続することで、ＡＣ／ＤＣアダプタを電荷中和導体として利用することができる。

グランド・プレーンは、ＥＭＩ遮蔽の一部とすることができる。具体的には携帯式コンピュータが、電子デバイスが実装されたマザー・ボードと、マザー・ボードの上側に配置されグランド・プレーンに接続された金属フレームとを有する場合には、グランド・プレーンをマザー・ボードの下側に配置し、グランド・プレーンと金属フレームで電気部品に関するＥＭＩ遮蔽を構成することができる。ＥＭＩ遮蔽は、電気部品を全体的に包んでシールドするために面積が大きく、よって静電容量が大きいため効果的な電荷中和導体となる。また、システム筐体が導電材料で形成されている場合は、グランド・プレーンとシステム筐体を接続する接続手段を設けることで、電荷中和導体の静電容量を増加させることができる。

携帯式コンピュータは、ＡＣ／ＤＣアダプタの電圧ラインが接続される電圧端子とグランド・ラインが接続されるグランド端子を含む電源ジャック備えることができる。グランド・プレーンと電源ジャックのグランド端子を接続し、除電手段をグランド端子に接続しておけば、電源ジャックに接続されたＡＣ／ＤＣアダプタで電荷中和導体の静電容量を増大させることができる。

ＡＣ／ＤＣアダプタの２次側回路が１次側回路と静電気的に絶縁されている場合では、ＡＣ／ＤＣアダプタの２次側回路が保有する静電容量がヒート・シンクの電位を低下させることができる。また、ＡＣ／ＤＣアダプタの２次側回路のグランド・ラインが１次側回路のアース・ラインに静電気的に接続されている場合は、ヒート・シンクの電位をアース電位に近づけることができる。

パーム・レストが金属で形成されているときは、グランド・プレーンをパーム・レストに接続する接続手段を設けることで電荷中和導体の静電容量を増大させることができるとともに、パーム・レストにユーザが手を触れたときにはユーザの体の静電容量も電荷中和導体として利用することができる。また、パーム・レストがプラスチックの場合は、そこに金属部を埋め込み、ヒート・シンクと金属部を電気的に接続することで人体の静電容量を電荷中和導体として利用することができる。

本発明により、ヒート・シンクに対する塵埃の堆積を抑制した放熱ユニットを備える電子機器または携帯式コンピュータを提供することができた。さらに本発明により、ヒート・シンクの熱交換率を向上させる方法を提供することができた。

本発明の実施の形態にかかるノートＰＣ１００を前方および後方からみた斜視図である。 ノートＰＣ１００の分解斜視図である。 放熱ユニット２００の外形を示す斜視図である。 図３の放熱ユニット２００を裏返しにしてファン・チャンバ２１５の蓋を取り除いた様子を示す斜視図である。 静電界の様子を示すためにノートＰＣ１００をモデル化した図である。 リード線３１７、３１９をヒート・シンク２０９、２１１に接続したときの効果を測定するための塵埃の堆積加速試験を行った結果を示す図である。 ヒート・シンク２０９を中心に示したファン・ユニット２００の平面図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかるノートＰＣ１００を前方および後方からみた斜視図である。図２は、ノートＰＣ１００の分解斜視図である。図３は、放熱ユニット２００の外形を示す斜視図である。図４は、図３の放熱ユニット２００を裏返しにしてファン・チャンバ２１５の蓋を取り除いた様子を示す斜視図である。図５は、静電界の様子を示すためにノートＰＣ１００をモデル化した図である。

図１においてノートＰＣ１００は、液晶ディスプレイ装置（ＬＣＤ）１０２を保持するディスプレイ筐体１０１がシステム筐体１０５から開かれている状態になっている。システム筐体１０５には、キーボード１０４および光学ディスク・ドライブ（ＯＤＤ）１０３が取り付けられている。システム筐体１０５の側面にはそれぞれルーバが形成された排気口１０６、１０７および吸気口１０８、１０９が形成されている。

システム筐体１０５の表面にはキーボード１０４の手前にキーボード操作の際に手のひらを固定するパーム・レスト３１３が配置されている。パーム・レスト３１３は非絶縁性のＡＢＳ樹脂で形成されている。パーム・レスト３１３には細長い金属バンド３１５がシステム筐体１０５の左右方向の全体に渡って埋め込まれている。システム筐体１０５の側面には、ノートＰＣ１００に電源を供給するＡＣ／ＤＣアダプタを接続するための電源ジャック３１１が設けられている。本明細書においては、「接続」という用語を電気的に接続される意味で使用し、「結合」という用語を機械的な目的で結合し電気的に接続されているか否かは問わないという意味で使用する。電源ジャック３１１は、ＡＣ／ＤＣアダプタから直流電圧が供給される電圧端子３１１ａとグランド端子３１１ｂ（図５）を含む。

本明細書の全体を通じて、グランド・ラインまたはグランド端子は直流電源系統の２本の配線のうち、グランド・プレーン３２１（図５）に接続される系統を意味し、アース・ラインまたはアース端子は、電位ゼロとみなすことができる大地に接続される系統を意味するものとする。グランド・ラインはＡＣ／ＤＣアダプタまたは電源ケーブルのアース・ラインを通じてアース・ラインに接続される場合は大地の電位に近付く。ノートＰＣ１００が机の上などの絶縁性の高い物体の上に置かれ、かつ、周囲の空気の湿度が低いときは、ノートＰＣ１００は静電気的な視点で独立導体となり、グランド・ラインは大地と異なる電位になるが、帯電したときのヒート・シンク２０９、２１１の電位よりははるかに大地の電位に近いとして扱うことができる。

システム筐体１０５は、全体が導電性のマグネシウム合金で形成されている。システム筐体１０５は、特開２００９−１６９４９８号公報に記載しているように、側壁と側壁に連絡する底面の周辺部分を非導電性の材料であるガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）で形成し、底面の中央部分を導電性の材料である炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で形成することもできる。

図２において、システム筐体１０５には、金属フレーム１１１、マザー・ボード１１３、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）１１７、電池パック１１９などが実装されている。金属フレーム１１１はマグネシウム合金で形成された強度部材であり、放熱ユニット２００もこれに取り付けられている。マザー・ボード１１３には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１２１、ビデオ・チップ１２５、ノース・ブリッジ１２７、メイン・メモリ１２９、およびその他の半導体素子が実装されている。

ノートＰＣ１００は、システム筐体１０５の内部に高周波信号で動作する電子デバイスおよび電気部品を収納しているため外部に電磁波を放出したり、外部から進入した電磁波の影響を受けたりしやすい。したがって、ノートＰＣ１００にはこのような電磁波障害（ＥＭＩ：Electro Magnetic Interference）を防ぐために電磁遮蔽が施されている。以後この電磁遮蔽をＥＭＩ遮蔽という。ＥＭＩ遮蔽は、アルミニウムや銅などの導電性の材料で形成した板材で電子デバイスを覆うことにより内部から放出する電磁波および外部から進入する電磁波を反射させたり吸収させたりして通過させない構造になっている。

ノートＰＣ１０では、マザー・ボード１１３の下面のほぼ全体に渡って配置されたグランド・プレーン３２１（図５参照）と金属フレーム１１１が相互に電気的に接続されＥＭＩ遮蔽として機能する。マザー・ボード１１３に実装された電子デバイスおよびその他の電気部品は、高周波のパルス信号が通過する信号ラインと信号ラインに基準電位を与えるグランド・ラインで構成されている。ＥＭＩ遮蔽はノートＰＣ１００の電子デバイスおよび電気部品に共通の基準電位を与えるようになっており、グランド・ラインはＥＭＩ遮蔽に接続される。金属フレーム１１１は、ネジ３２３ａ、３２３ｂなどでシステム筐体１０５に固定される（図５参照）。

図３において、放熱ユニット２００は、ファン・チャンバ２１５、遠心式の放熱ファン２１３、ヒート・パイプ２０１、２０３、ヒート・シンク２０９、２１１、受熱部２０５、２０７を含んで構成されている。ファン・チャンバ２１５、ヒート・シンク２０９、２１１はそれぞれアルミニウムや銅などの熱伝導率のよい金属材料で形成されている。ファン・チャンバ２１５はヒート・シンク２０９およびヒート・シンク２１１に熱的に結合されている。ファン・チャンバ２１５、ヒート・パイプ２０１、２０３、ヒート・シンク２０９、２１１、受熱部２０５、２０７は電気的に接続されている。

ヒート・シンク２０９、２１１は、金属材料と空気の接触面積を増大させて熱交換率を高めるために内部にスリット状の複数の空気流路が形成されている。ヒート・シンク２１１を例にして説明すると上板２１１ａと下板２１１ｂ（図４）の間に複数の熱交換フィン２１１ｃが平行に配置され、各熱交換フィン２１１ｃの間に空気流路となる複数のスリットが形成される。上板２１１ａには、ヒート・パイプ２０３の低温側の端部が結合される。

ヒート・シンク２０９、２１１は、内部を通過する空気の温度が低いほど、また、空気量が多いほど多量の熱を放散することができる。受熱部２０５はＣＰＵ１２１が生成した熱を吸収してヒート・パイプ２０１に伝達し、ヒート・パイプ２０１はその熱をヒート・シンク２０９に伝達する。受熱部２０７は、ビデオ・チップ１２５およびノース・ブリッジ１２７の熱を吸収してヒート・パイプ２０３に伝達し、ヒート・パイプ２０３はヒート・シンク２１１に伝達する。

放熱ユニット２００がフレーム１１１に取り付けられたときに、ヒート・シンク２０９は排気口１０６に位置が整合し、ヒート・シンク２１１は排気口１０７に位置が整合する。放熱ユニット２００は、受熱部２０５の四隅を４つのネジ２０６ａ〜２０６ｄで金属フレーム１１１に固定する。受熱部２０５は、ノートＰＣ１００の中で最も発熱量の大きいＣＰＵ１２１の熱を吸収する。受熱部２０５は平坦な接触面でＣＰＵ１２１の平坦な表面と直接接触して熱を吸収する。

したがって、受熱部２０５の接触面とＣＰＵ１２１の表面は隙が開かないように密着させる必要がある。そのために、放熱ユニット２００は受熱部２０５とＣＰＵ１２１の表面を完全に接触させるようにしながらネジ２０６ａ〜２０６ｄで固定する。放熱ユニット２００の固定の際に、ヒート・シンク２０９、２１１、ファン・チャンバ２１５、ヒート・パイプ２０１、２０３はシステム筐体のどこにも接触しないように自由運動をする。もし、ヒート・シンク２０９、２１１を金属フレーム１１１に固定するとすれば、受熱部２０５とＣＰＵ１２１の間に隙間があいて接触が不良になったり、放熱ユニット２００に機械的なストレスが生じたりするので、受熱部２０５以外の部位をフレーム１１１に固定することは望ましくない。

また、ヒート・シンク２０９、２１１の出口と排気口１０６、１０７の内側の面との隙間には、プラスチック材料のスポンジが充填される。したがって、放熱ユニット２００は４本のネジ２０６ａ〜２０６ｄで結合される受熱部２０５以外の部位が、金属フレーム１１１やシステム筐体１０５の側壁と電気的に接続される可能性は少ない。また、ネジ２０６ａ〜２０６ｄは機械的な結合を目的としたものであるため、電荷を放電するのに適した電気的な接続ができていない場合もあり得る。本発明は、受熱部２０５と金属フレーム１１１が電気的に接続されているか否かは問わずに適用することができる。

放熱ユニット２００は、ファン・チャンバ２１５の中に取り付けられた放熱ファン２１３が回転してファン・チャンバ２１５の上面と下面に形成された開口部から放熱ファン２１３の軸方向に空気を吸引してヒート・シンク２０９、２１１から排気することにより熱をシステム筐体１０５の外部に放散する。放熱ユニット２００は、受熱部２０５、２０７から受け取った熱だけでなく、システム筐体１０５の内部に収納された他の電子デバイスの熱も放熱する。

システム筐体１０５には、吸気口１０８、１０９の他に、ネットワーク・ケーブル、ＵＳＢデバイス、および外部ディスプレイなどの端子やメモリ・カードの取り付け部などにも実質的に開口部が形成されている。放熱ファン２１３が回転するとシステム筐体１０５の内部が負圧になり、それらの開口部から空気が流入して生成された空気流が電子デバイスの熱を拡散し、排気口１０６、１０７を通じて排気されることで外部に熱を放散する。システム筐体に流入する空気は、小さな塵埃を含む。

ファン・チャンバ２１５に連絡する帯電したヒート・シンク２０９、２１１の入り口に塵埃が付着すると、それが帯電して他の塵埃を吸着する。一旦吸着した塵埃は、ヒート・シンク２０９、２１１の電荷が放電しても離れることはなく、つぎにノートＰＣ１００が動作したときにさらに他の塵埃を吸着する。ヒート・シンク２０９、２１１の入り口に塵埃が堆積すると、ヒート・シンク２０９、２１１を通過する空気の流量が減るため、十分な熱交換ができなくなり、ヒート・シンク２０９、２１１の温度が上昇したり、放熱ファン２１３の回転速度が上昇したり、さらにはシステムが停止したりする。また、ヒート・シンク２０９、２１１の温度上昇は、システム筐体１０５の温度上昇をもたらし、ノートＰＣ１００を膝の上に置いて作業をするユーザに不快感を与える。

図４において、ヒート・シンク２０９、２１１には、帯電防止用のリード線３１７、３１９が半田で接続されている。リード線３１７、３１９は、ヒート・シンク２０９、２１１と接触する位置では被覆が剥がされている。リード線３１７、３１９は、ヒート・シンク２０９、２１１のすべての熱交換フィンに対応する位置において下板２０９ｂ、２１１ｂに接続されるようにヒート・シンク２０９、２１１の一方の端から他方の端まで延びている。

図４では、リード線３１７、３１９が、ヒート・シンク２０９、２１１とファン・チャンバ２１５の境界に沿って下板２０９ｂ、２１１ｂの表面に接続されている。図５に示すようにリード線３１７、３１９の端部は電源ジャック３１１のグランド端子３１１ｂに接続されている。なお、グランド端子３１１ｂは、リード線３２９でグランド・プレーン３２１に接続される。リード線３１７、３１９の端部はさらに、パーム・レスト３１３に形成された金属バンド３１５にも接続される。

ここで図７を参照して、ヒート・シンク２０１１側においてリード線３１９を接続する望ましい位置を説明する。図７は、ヒート・シンク２１１を中心に示したファン・ユニット２００の平面図である。塵埃が堆積する位置は、ヒート・シンク２１１の入り口であるため、この位置での熱交換フィン２１１ｃの電位をできるだけ基準電位に近づけることが塵埃の堆積防止には効果的である。

いま、ヒート・シンク２１１の空気流Ａの方向を奥行き方向といい、それに直角な方向を幅方向ということにする。幅方向において、リード線３１９は、ヒート・シンク２１１とファン・チャンバ２１５の境界２１１ｆに沿って一方の側面２１１ｄから他方の側面２１１ｅまで接続されている。こうすることで、すべての熱交換フィン２１１ｃに対応する下板２１１ｂの位置がグランド端子３１１ｂおよびグランド・プレーン３２１に接続されることになる。

リード線３１９を接続する奥行き方向の範囲２５１は、ヒート・シンク２０９の全域と境界２１１ｆからヒート・シンク２０９の奥行き寸法Ｌの範囲にあるファン・チャンバ２１５の表面とすることができる。リード線をファン・チャンバ２１５の表面に接続する場合は、リード線３１９ａのようにファン・チャンバ２１５の一方の側面から他方の側面まで接続することが望ましい。リード線３１９は上板２１１ａにだけ接続することでもよいし、上板２１１ａと下板２１１ｂの両方に接続してもよい。ファン・チャンバ２１５およびヒート・シンク２０９についても同様である。

図５に示すように、グランド・プレーン３２１とシステム筐体１０５はリード線３２７で電気的に接続されている。グランド・プレーン３２１とシステム筐体１０５の接続箇所は複数あることが望ましい。ヒート・シンク２０９の近辺には帯電体３２５が存在する。帯電体３２５はノートＰＣ１００が動作をしている間に徐々にマイナス電荷が蓄積されてヒート・シンク２０９を静電誘導で帯電させる。

帯電体３２５は、マザー・ボード１１３上の半導体デバイスであったり、配線パターンであったりする。帯電体３２５はマザー・ボード１１３に実装されている電子デバイスに限定する必要はなく、システム筐体１０５の内部に存在し、かつ、ヒート・シンク２０９に静電誘導を引き起こす電気部品や金属体でもよい。帯電体３２５は電荷が蓄積される物体であっても他の帯電体３２５から静電誘導の影響を受けて帯電する物体であってもよい。

これまで、ファン・ユニット２００はネジ２０６ａ〜２０６ｄで金属フレーム１１１に結合されていたこともあり、塵埃が堆積する原因がヒート・シンク２０９、２１１の帯電にあることは知られていなかったが、図５のモデルでは、たとえファン・ユニット２００の受熱部２０５が金属フレーム１１１に電気的に接続されていてもヒート・シンク２０９、２１１は帯電して塵埃を吸着する。つぎに図５、図６に基づいて、ヒート・シンク２０９を例にして帯電を抑制する原理を説明する。

図６は、リード線３１７、３１９をヒート・シンク２０９、２１１に接続したときの効果を測定するための塵埃の堆積加速試験を行った結果を示す図である。図６（Ａ）は、ノートＰＣ１００が加速試験器の中で動作した時間に対するヒート・シンク２０９の電位の相対値を示し、図６（Ｂ）は、ヒート・シンク２０９、２１１の入り口に付着した塵埃の重さを示す。ライン４０１、４０５は、リード線３１７、３１９をグランド端子３１１ｂに接続しない場合を示し、ライン４０３、４０７はリード線３１７、３１９をグランド端子３１１ｂに接続した場合を示す。図６（Ａ）は、ライン４０１で１０時間経過したときのヒート・シンク２０９の電圧を１００とする相対値を示している。

ノートＰＣ１００が動作を開始すると、放熱ファン２１３が回転して、ヒート・シンク２０９のスリットから排気口１０６を通じて空気が流出する。空気流と熱交換フィンとの摩擦でヒート・シンク２０９には摩擦帯電により電荷が生成される。もし、受熱部２０５と金属フレーム１１１が電気的に接続されていれば、生成された電荷はグランド・プレーン３２１に移動して中和されグランド・プレーン３２１と放熱ユニット２００の電位は接近する。

受熱部２０５と金属フレーム１１１の電気的な接続が不十分ならば時間の経過とともにヒート・シンク２０９に電荷が蓄積されてその電位はアース電位に対して上昇または下降する。ここでは、帯電体３２５がマイナス電荷に帯電しヒート・シンク２０９にプラスの電荷が発生して電位が上昇する場合を例にして説明するが、マイナスの電荷が発生する場合も同様に理解することができる。なお、ヒート・シンク２１１に生じている現象も同様に考えてよい。

ノートＰＣ１００の動作によりマザー・ボード１１３上の電子デバイスおよびその他の電気部品が動作し、徐々に帯電体３２５にマイナス電荷が蓄積され、ヒート・シンク２０９に静電誘導による誘導帯電でプラス電荷が生成される。ヒート・シンク２０９に誘導されたプラス電荷は、たとえ、受熱部２０５と金属フレーム１１１が接続されても帯電体３２５が存在する限り中和されない。摩擦帯電と誘導帯電で生成された電荷の極性が同じ場合は両者が重畳してヒート・シンク２０９の電位が上昇する。

リード線３１７が接続されていないときのヒート・シンク２０９の電位はライン４０１のように上昇し、塵埃はライン４０５のように増大する。つぎに、ヒート・シンク２０９がリード線３１７でグランド端子３１１ｂに接続され、リード線３２９でグランド・プレーン３２７に接続される。したがってヒート・シンク２０９に生じた電荷は、グランド・プレーン３２１の電荷と中和されてヒート・シンク２０９の電位はグランド・プレーンの電位に接近して低下する。グランド・プレーン３２１は、ヒート・シンク２０９に対して電荷を中和するための電荷中和導体として作用する。

ヒート・シンク２０９が帯電する前にはグランド・プレーン３２１の電位がアース電位に近いとしたときに、リード線３１７の接続によりグランド・プレーン３２１の電位はできるだけ上昇しないことが望ましい。それには、電荷中和導体としてのグランド・プレーン３２１は静電容量が大きいことが望ましい。電荷中和導体の電位がアース電位に近くかつ静電容量が大きければ、ヒート・シンク２０９から電荷が移動しても電気的に一体になったヒート・シンク２０９とグランド・プレーン３２１の電位をアース電位近くに維持することができる。

ヒート・シンク２０９をアース電位にするには、ヒート・シンク２０９がアース・ラインを通じて大地に接続する必要がある。しかし、ノートＰＣ１００は電池パック１１９で動作するときや、電源ジャック３１１に接続されるＡＣ／ＤＣアダプタの２次側回路が１次側回路と静電気的に絶縁されている場合は、孤立導体として存在する。

しかし、２次側回路が１次側回路と絶縁されたＡＣ／ＤＣアダプタであっても電源ジャック３１１に接続されたときは、その静電容量がグランド・プレーン３２１に加えられて電荷中和導体として作用するためヒート・シンク２０９の電位の低下に寄与する。また、システム筐体１０５が金属で形成されている場合は、グランド・プレーン３２１とシステム筐体１０５をリード線３２７で接続することで，グランド・プレーン３２１を含めた電荷中和導体の静電容量を増加させることができる。パーム・レスト３１３が金属で形成されているときも同様に接続して電荷中和導体の静電容量を増大させることができる。

ＡＣ／ＤＣアダプタの中には、交流側の電源プラグがアース・ラインを含み、かつ、２次側回路のグランド・ラインがアース・ラインに接続されている場合がある。この場合は、ヒート・シンク２０９の電位を交流側のアース・ラインを通じて最も効果的にアース電位に接近させることができる。この実験では、電源ジャック３１１には交流側の電源プラグにアース端子付きのＡＣ／ＤＣアダプタを接続した。したがってライン４０３、４０７は、グランド端子３１１ｂがアース・ラインに接続されたときの様子を示している。

ノートＰＣ１００が電池パック１１９で動作している場合は、ＡＣ／ＤＣアダプタの電荷中和導体としての効果または大地への接続効果を得ることはできないが、ユーザはノートＰＣ１０の使用時に金属バンド３１５に手のひらを触れるため、人体を電荷中和導体として作用させてヒート・シンク２０９の電荷を中和することができる。図６（Ａ）、（Ｂ）から明らかなようにリード線３１７を接続することで、ヒート・シンク２０９、２１１の電位が下がって塵埃の堆積量が減っている。

なお、交流電源側の電源プラグにアース端子のないＡＣ／ＤＣアダプタを接続した場合、ＡＣ／ＤＣアダプタを接続しない場合、および人体を金属バンド３１５に接触させた場合についても、ライン４０３ほどではないが、ライン４０１よりもヒート・シンク２０９の電位が下がることを確認している。コンピュータの中には、外部からアース・ラインを含む電源ケーブルで交流電圧を受け取ってコンピュータの内部で直流電圧に変換するタイプのものがある。この場合は、電源ケーブルが接続される電源ジャックのアース端子にリード線３１９を接続することでヒート・シンク２０９をアース電位に接近させることができる。

本発明にかかる放熱ユニットは、塵埃の堆積を抑制する効果がコンピュータに搭載した場合にだけ得られるものではない。本発明はコンピュータ・ゲームに使用するゲーム機、オフィス・ビジネスに使用するプロジェクタなどの電子機器、音楽再生やビデオ再生などに使用する家庭用電気機器、自動車に搭載するナビゲーション・システムまたは工場で使用する産業用電気機器などのような電気機器に広く適用することができる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１０５…システム筐体
１１１…金属フレーム
１１３…マザー・ボード
１２１…ＣＰＵ
２００…放熱ユニット
２０１、２０３…ヒート・パイプ
２０５、２０７…受熱部
２０９、２１１…ヒート・シンク
２２５…ファン・チャンバ
３１１…電源ジャック
３１３…パーム・レスト
３１５…金属バンド
３１７、３１９、３２７、３２９…リード線
３２１…グランド・プレーン
３２５…帯電体

Claims (20)

1. 電気部品を収納する筐体を備える電子機器であって、
   他の物体との間で電荷を交換することが可能な電荷中和導体と、
   空気流路を形成する複数の熱交換フィンを含むヒート・シンクと該ヒート・シンクに結合されたファン・チャンバに収納され前記空気流路に空気を送る放熱ファンとを含む放熱ユニットと、
   前記熱交換フィンの近辺と前記電荷中和導体を接続する除電手段と
   を有する電子機器。
2. 前記ヒート・シンクの近辺に前記電子機器の動作時に前記ヒート・シンクを静電誘導で帯電させる帯電体を有する請求項１に記載の電子機器。
3. 前記放熱ユニットが、前記ヒート・シンクに接続されたヒート・パイプと、前記ヒート・パイプに接続され中央演算処理装置に直接接触する受熱部とを有し、前記放熱ユニットは前記受熱部で前記筐体に結合される請求項１または請求項２に記載の電子機器。
4. 前記除電手段が、前記受熱部の結合時に前記ヒート・シンクが自由運動できるように前記熱交換フィンの近辺と前記電荷中和導体を接続する請求項３に記載の電子機器。
5. 前記除電手段が、一方が前記ヒート・シンクとファン・チャンバの境界の近辺に沿って前記ヒート・シンクまたは前記ファン・チャンバの表面に接続されるリード線である請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子機器。
6. 前記除電手段が、前記電子機器に電力を供給する電源ケーブルが接続される電源ジャックのアース端子に接続される請求項１から請求項５のいずれかに記載の電子機器。
7. 前記電荷中和導体が、前記電気部品に基準電位を与えるグランド・プレーンである請求項１から請求項６のいずれかに記載の電子機器。
8. 電気部品を収納するシステム筐体とパーム・レストとを備える携帯式コンピュータであって、
   前記電気部品に基準電位を与えるグランド・プレーンと、
   空気流路を形成する複数の熱交換フィンを含むヒート・シンクと該ヒート・シンクに結合されたファン・チャンバに収納され前記空気流路に空気を送る放熱ファンとを含む放熱ユニットと、
   一方が前記ヒート・シンクと前記ファン・チャンバの境界の近辺に存在する前記ヒート・シンクまたは前記ファン・チャンバの表面に接続され他方が前記グランド・プレーンに接続された除電手段と
   を有する携帯式コンピュータ。
9. 前記除電手段の一方が前記ヒート・シンクの幅方向において一方の側面から他方の側面に渡って接続されている請求項８に記載の携帯式コンピュータ。
10. ＡＣ／ＤＣアダプタの電圧ラインが接続される電圧端子とグランド・ラインが接続されるグランド端子を備える電源ジャックを有し、前記グランド端子が前記グランド・プレーンに接続されている請求項８または請求項９に記載の携帯式コンピュータ。
11. 前記除電手段の他方が前記グランド端子に接続されている請求項１０に記載の携帯式コンピュータ。
12. 電子デバイスが実装されたマザー・ボードと、
    前記マザー・ボードの上側に配置され前記グランド・プレーンに接続された金属フレームとを有し、
    前記グランド・プレーンが前記マザー・ボードの下側に配置され、前記グランド・プレーンと前記金属フレームが前記電気部品に関する電磁波障害を抑制するＥＭＩ遮蔽を構成する請求項８から請求項１１のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
13. 前記システム筐体が導電材料で形成されており、前記システム筐体と前記グランド・プレーンを電気的に接続する接続手段を有する請求項８から請求項１２のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
14. 前記パーム・レストが金属で形成されており、
    前記除電手段の他方が前記パーム・レストに接続されている請求項８から請求項１３のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
15. 前記パーム・レストがプラスチックで形成されており、前記パーム・レストの一部に埋め込まれた金属部を備え、前記除電手段の他方が前記金属部に接続されている請求項８から請求項１３のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
16. 空気流路を形成する複数の熱交換フィンを含むヒート・シンクと該ヒート・シンクに結合されたファン・チャンバに収納され前記空気流路に空気を送る放熱ファンとを含む放熱ユニットを備える電気機器において、前記ヒート・シンクの熱交換率を向上させる方法であって、
    前記熱交換フィンの近辺を電荷中和導体に接続するステップと、
    前記電気機器に電力を供給し前記ヒート・シンクの近辺に存在する物体を帯電させるステップと、
    前記放熱ユニット動作させるステップと、
    前記帯電した物体が前記ヒート・シンクに誘起した電荷を前記電荷中和導体が中和するステップと
    を有する方法。
17. 前記電荷中和導体が前記電気機器に基準電位を与えるグランド・プレーンを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記電荷中和導体が前記電気機器の電磁波障害を抑制するＥＭＩ遮蔽を含む請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 前記電荷中和導体が前記電気機器に電力を供給するＡＣ／ＤＣアダプタを含む請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記電荷中和導体とアース・ラインを接続するステップを有する請求項１６から請求項１９のいずれかに記載の方法。

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