JP3688582B2 - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、演算素子などの通電することにより発熱する電子機器を冷却するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータにおける演算素子や記憶素子などの電子機器は、最近では、益々高集積化され、それに伴い動作時の発熱量が増大し、冷却の必要性が従来に増した高くなってきている。例えばパーソナルコンピュータやサーバーなどで使用されているマイクロプロセッサー（ＭＰＵ）の動作周波数が高くなってきており、そのために発熱量が増大し、誤動作を防止するために、より強力な冷却手段が必要になってきている。
【０００３】
従来、この種の電子機器の冷却には、多数のフィンを備えたヒーシンクによる自然空冷や、そのヒートシンクに向けてファンによって強制的に送風する強制空冷などの方法が採用されていた。しかしながら、上述したように、発熱量が増大することに伴って空冷では充分に冷却できない可能性が生じており、そのため例えば特開平１０−１１１０３９号に記載された発明では、ペルチェ素子を使用して冷却をおこなうように構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ペルチェ素子は、異種の導体もしくは半導体の接点に電流を通すことにより、その接点で熱の吸収が生じるペルチェ効果を利用した素子であり、これを使用すれば、ＭＰＵなどの電子機器から熱を吸収して冷却することができる。しかしながら、このペルチェ素子で冷却をおこなう場合には、電力を消費することになる。そのため、携帯の可能なノートブック型パーソナルコンピュータあるいはモバイルコンピュータもしくはパームトップコンピュータなどの蓄電池を電源とする装置では、蓄電池に掛かる負荷が更に増大することになる。その結果、蓄電池での動作可能時間が制限されたり、あるいは蓄電池を大型化することによって携帯性が悪化するなどの不都合を招来する問題がある。
【０００５】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、冷却効果に優れ、しかも電源に対する負荷の少ない電子機器の冷却装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、この発明は、通電することにより熱を吸収し、かつ加熱されることにより起電力を生じる手段を使用し、電子機器の冷却と電子機器の熱による起電力の蓄電とを選択的におこなうように構成したことを特徴とするものである。具体的には、請求項１の発明は、動作することにより発熱する電子機器から熱を奪って外部に放出する電気機器の冷却装置において、通電されることにより熱を吸収しかつ加熱されることにより起電力を生じる冷却・発電手段と、その冷却・発電手段に電気的に接続された、蓄電手段を含む電源部と、前記電子機器と前記冷却・発電手段とを熱授受可能に連結する熱伝達手段と、前記電子機器が外部からの給電で動作しているときには前記冷却・発電手段に通電して前記電子機器から熱を吸収させかつ前記電子機器が前記蓄電手段の電力で動作しているときには前記冷却・発電手段で起電力を生じさせる切換手段とを備えていることを特徴とする冷却装置である。
【０００７】
したがって、請求項１の発明では、電子機器が外部から供給される電力で動作している場合、冷却・発電手段に対しても通電され、その冷却・発電手段が熱を吸収することにより電子素子が冷却される。これに対して電子機器が電源部における蓄電手段の電力で動作している場合には、冷却・発電手段に対する通電が切換手段によって遮断され、したがって電子機器から発生した熱が熱伝達手段を介して冷却・発電手段に伝達される。その結果、冷却・発電手段で起電力が生じ、これが蓄電手段に供給されて電力が蓄積される。言い換えれば、蓄電手段からエネルギーのうち熱として消費されたエネルギーの一部が、電力として回収される。
【０００８】
このように、請求項１の発明では、外部から供給される電力を使用する場合、および蓄電手段の電力を使用する場合のいずれであっても、電子機器から熱を奪って電子機器を冷却することができる。特に蓄電手段の電力を使用する場合には、熱を電力に変換して回収するので、電力の消費を抑制することができ、携帯型の電子装置に好適な冷却装置とすることができる。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記熱伝達手段が、熱拡散板によって構成され、その熱拡散板の一部に前記電子機器が熱伝達可能に取り付けられるとともに、その熱拡散板の他の部分に前記冷却・発電手段が熱伝達可能に取り付けられ、さらに、その冷却・発電手段に、ヒートパイプを介して放熱部が連結されていることを特徴とする冷却装置である。
【００１０】
したがって請求項２の発明では、電子機器および冷却・発電手段が熱拡散板を介してユニット化される。その結果、電子機器と冷却・発電手段との間の熱伝達が効率よくおこなわれて電子機器の冷却効率が向上し、かつこれらの電子機器および冷却・発電手段を備えた装置の生産性を向上させることができる。
【００１１】
さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明において、ディスプレイ部がヒンジを介して取り付けられたパソコン本体の内部に、前記熱拡散板と電子機器と冷却・発電手段とが収容され、また前記ディスプレイ部に前記放熱板が収容されていることを特徴とする冷却装置である。
【００１２】
したがって請求項３の発明では、ディスプレイ部を本体に一体に取り付けた構成の携帯型パソコンにおける演算素子などの電子機器を、冷却・発電手段の冷却機能により、あるいはその発電機能により効率よく冷却することができる。そのため、携帯型パソコンの携帯性を損なわず、その演算機能を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照してこの発明を具体的に説明する。図１にこの発明に係る冷却装置の一例を原理的に示してあり、通電して動作することにより発熱する電子機器の一例である演算素子（ＣＰＵ）１が、熱伝達手段に相当する熱拡散板２に熱授受可能に取り付けられている。なお、この熱拡散板２は、熱を伝達することを主目的とするものであって、電子回路の構成要素とならない場合があり、そのように場合には、前記演算素子１は、熱拡散板２に対して熱伝達可能に接触されてられ、積極的には固定されない構成とすることができる。このように熱拡散板２は、熱伝達を主な機能としているので、アルミニウム板やアルミ合金板もしくは銅板などの熱伝導率の高い金属板が使用され、さらに必要に応じてヒートパイプを熱の伝達方向に沿って一体的に取り付けた構成としてもよい。
【００１４】
その熱拡散板２の他の一部に冷却・発電素子３が熱授受可能に取り付けられ、もしくは接触されられている。この冷却・発電素子３は、この発明の冷却・発電手段に相当する素子であって、電流を流すことにより、熱拡散板２に接触する面の側から熱を吸収し、また熱拡散板２から熱を受けた加熱されることにより、起電力を生じるように構成されている。より具体的には、ペルチェ効果を生じる部材とゼーベック効果を生じる部材とを一体に組み込んだ素子、もしくはこれら両方の効果を生じる素子からなるものである。
【００１５】
したがってこの冷却・発電素子３には、蓄電池などの蓄電手段を含み、かつ外部から電力を導入することのできる電源部４が接続されている。そして、冷却・発電素子３とこの電源部４との間には、蓄電池から冷却・発電素子３に通電する状態と、冷却・発電素子３の起電力を蓄電池に充電する状態とに切り換えるこの発明の切換手段に相当するスイッチング機構５が設けられている。なお、電源部４は、前記演算素子１の電源となっている。
【００１６】
上記の冷却・発電素子３には、放熱機構が接続して設けられている。すなわち冷却・発電素子３は、通電して熱を吸収した場合、熱拡散板２に接触している面とは反対側の面の温度が高くなるので、その面からの放熱を促進することが好ましく、また熱拡散板２から伝達された熱で起電力を生じさせる場合には、ゼーベック効果を生じさせるのであるから、熱拡散板２から熱を受ける面側に配置されている、異種金属もしくは異種半導体の接点に対して、反対側の接点の温度を低下させて、これら二つの接点の間で温度差を生じさせる必要がある。このような要請を満たすための放熱部が設けられている。
【００１７】
その一例を説明すると、冷却・発電素子３の前記熱拡散板２とは反対側の面にヒートパイプ６の一端部が熱授受可能に接触して設けられており、そのヒートパイプ６の他方の端部に多数の放熱フィンを有するヒートシンク７が取り付けられている。このヒートパイプ６は、従来から知られているものと同様の構成であって、脱気したパイプの内部に水などの凝縮性の流体を作動流体として封入した熱伝導素子である。
【００１８】
上記の図１に示す装置では、演算素子１を外部から導入した電力で動作させる場合、冷却・発電素子３にも通電して冷却・発電素子３にペルチェ効果を生じさせる。演算素子１は、通電されて動作することにより発熱し、その熱が熱拡散板２に伝達される。熱拡散板２は上述したように熱伝導率の高い素材によって構成され、あるいはヒートパイプが付設されたものであるから、演算素子１の熱がこの熱拡散板２を介して冷却・発電素子３側に伝達される。
【００１９】
この冷却・発電素子３は、通電されて熱を吸収するので、熱拡散板２から積極的に熱を奪い、結局、演算素子１で生じた熱は、熱拡散板２を介して冷却・発電素子３によって吸収され、演算素子１が冷却される。そのため、演算素子１の温度上昇が抑制されるので、演算素子１を高速化あるいは高機能化することができる。
【００２０】
このようにして演算素子１を冷却している場合、冷却・発電素子３に通電するので電力を消費するが、このような動作形態は、外部から電力が供給されている場合に実施されるので、電源部４における蓄電池の容量を大きくする要因にはならない。すなわち、蓄電池などの携帯時の電源となる蓄電手段の容量を増大させることなく、演算素子１などの電子機器の冷却能力を高くすることができる。
【００２１】
一方、電源部４に含まれる蓄電池によって演算素子１を動作させる場合、その蓄電池から冷却・発電素子３に対しては通電せずに、冷却・発電素子３で熱起電力を生じさせる。すなわち、演算素子１は蓄電池から通電されて動作することにより熱を発生し、その熱が熱拡散板２を介して冷却・発電素子３側に伝達される。その結果、冷却・発電素子３における熱拡散板２側の面が加熱される。これに対して冷却・発電素子３における熱拡散板２とは反対側の面は、ここに接触させて設けられたヒートパイプ６によって熱を奪われて冷却されている。そのため、冷却・発電素子３においては、熱拡散板２側の面とこれとは反対側の面とで温度差が生じ、それに伴ってゼーベック効果による起電力が生じる。こうして生じた電力は、電源部４における蓄電池に供給され、ここに蓄えられ、もしくは演算素子１の電源として使用される。
【００２２】
このように、蓄電池によって演算素子１を動作させている状態では、演算素子１で生じた熱が冷却・発電素子３に与えられて冷却・発電素子３が発電機能を生じる。すなわち演算素子１で生じた熱が電力として回収され、その結果、演算素子１の熱が積極的に奪われて演算素子１が冷却される。そして、その冷却機能は、演算素子１で生じた熱を電力として回収することにより生じるので、演算素子１の冷却のために電力を消費することがなく、むしろ回収することができる。したがって演算素子１を冷却・発電素子３によって冷却することが電源部４に対する電力負荷とならず、蓄電池などの電源部４の容量を大きくする要因とはならない。
【００２３】
つぎに、この発明を携帯可能なノートブック型パソコンの演算素子を冷却する装置に適用した例を説明する。図２はその一例を模式的に示しており、マザーボート１０およびキーボード（図示せず）などを備えた本体１１に、液晶板を主体とするディスプレイ部１２がヒンジ（図示せず）を介して回動自在に取り付けられている。
【００２４】
その本体１１に収容されているマザーボート１０の上面側には、通電して動作することにより発熱する電子機器、例えば演算素子１が装着されている。その演算素子１と図示しないキーボードとの間に、ヒートパイプを備えた熱伝達手段である熱拡散板２が配置されており、その熱拡散板２の中間部が、演算素子１の上面に熱授受可能に接触させられている。なお、この熱拡散板２と演算素子１との間にペースト状のサーマルジョイントなどの介在物を配置し、もしくは両者を熱伝導性の接着剤で固着することは任意である。
【００２５】
上記の熱拡散板２の一方の端部は、本体１１の周辺部にまで延びて配置されており、その端部には、送風ファン（図示せず）を有するヒートシンク１３が取り付けられている。また、熱拡散板２の他方の端部には、前述した冷却・発電素子３が熱授受可能に取り付けられている。具体的には、通電することにより熱を吸収しかつ加熱されることにより起電力を生じる面が、熱拡散板２に接触させられている。
【００２６】
その冷却・発電素子３の他方の面にヒートパイプ６の一端部が熱授受可能に接触もしくは取り付けられている。そのヒートパイプ６の他方の端部は、本体部１１からディスプレイ部１２に延びており、ディスプレイ部１２においてはその内部に設けられた放熱板１４に熱授受可能に連結されている。この放熱板１４は、放熱のために特別に設けたものであってもよく、あるいは既存の電磁遮蔽板などの金属板で兼用してもよい。
【００２７】
なお、ヒートパイプ６は、ディスプレイ部１２の開閉に伴って屈曲する必要があるので、そのような屈曲機能を有するヒートパイプを使用する替わりに、ディスプレイ部１２の回動中心軸線を中心にして互いに回転するように連結された２本のヒートパイプによって構成することができる。
【００２８】
そして、特には図示しないが、上記の演算素子１に通電して動作させ、また冷却・発電素子３に通電するとともにその起電力で充電する機能を備え、さらに外部から電力を導入できる電源部が備えられている。また、図１を参照して説明したスイッチング機構５と同様な切換手段が設けられている。
【００２９】
上記の図２に示すパソコンでは、外部から導入した電力で動作させる場合、前記演算素子１および冷却・発電素子３に対して通電される。演算素子１は通電されて動作することにより発熱し、その熱は熱拡散板２を介して、一方で冷却・発電素子３に対して伝達される。この冷却・発電素子３は、通電されていることによりペルチェ効果を生じ、熱拡散板２から熱を吸収する。すなわち、演算素子１で生じた熱を、冷却・発電素子３が熱拡散板２を介して吸収し、その結果、演算素子１が冷却される。
【００３０】
冷却・発電素子３は上記のように熱を吸収することにより、熱拡散板２とは反対側の面の温度が高くなるが、その面に放熱部として機能するヒートパイプ６が接続されているので、冷却・発電素子３の熱がそのヒートパイプ６を介してディスプレイ部１２側の放熱板１４に伝達され、ここから外部に放散させられる。
【００３１】
また一方、演算素子１で生じた熱の一部は、熱拡散板２を介してヒートシンク１３に伝達され、ここから外部に放散させられる。すなわち、演算素子１は、冷却・発電素子３による熱吸収およびヒートシンク１３での強制空冷の二つの手段によって冷却される。
【００３２】
これに対して蓄電池によって上記のパソコンを動作させる場合、演算素子１に対しては蓄電池から通電されるが、冷却・発電素子３に対しては通電せずに、その起電力が蓄電池に供給される。すなわち、演算素子１に通電して動作させると、演算素子１が熱を発生し、その熱が熱拡散板２を介して冷却・発電素子３に伝達される。その冷却・発電素子３の他方の面がヒートパイプ６を介して冷却されているので、冷却・発電素子３では、熱拡散板２側の面とヒートパイプ６側の面との温度差に起因して起電力が生じる。
【００３３】
その結果、演算素子１で生じた熱の一部は、冷却・発電素子３によって電気エネルギーに変換され、その電力が蓄電池に供給されるので、演算素子１が冷却・発電素子３によって冷却される。なお、演算素子１で生じた熱の他の一部は、熱拡散板２を介してヒートシンク１５に伝達され、ここから外部に放散させられ、したがって演算素子１は、間接的に強制空冷される。
【００３４】
したがってこの発明に係る冷却装置を使用したパソコンでは、外部の電力を使用している場合、および内蔵している蓄電池を使用している場合のいずれであっても、演算素子１などの電子機器が動作することにより生じた熱を、冷却・発電素子３によって吸収するので、単に空冷する以上の電子機器を冷却することができる。すなわち、演算素子１などの電子機器の冷却性能に優れているので、電子機器の容量や集積度さらには動作周波数を高くすることが可能になる。そして、特に、内蔵している蓄電池を使用する場合には、演算素子１で生じる熱の一部を電力として回収するので、電力の使用量がその分、削減され、蓄電池の使用継続時間が長くなる。言い換えれば、蓄電池を大型化する必要がなくなるため、パソコンの携帯性が良好になる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、外部から供給される電力を使用する場合、および蓄電手段の電力を使用する場合のいずれであっても、電子機器から熱を奪って電子機器を冷却することができ、特に蓄電手段の電力を使用する場合には、熱を電力に変換して回収するので、電力の消費を抑制することができ、携帯型の電子装置に好適な冷却装置とすることができる。
【００３６】
また、請求項２の発明によれば、電子機器および冷却・発電手段が熱拡散板を介してユニット化されるので、電子機器と冷却・発電手段との間の熱伝達が効率よくおこなわれて電子機器の冷却効率が向上し、かつこれらの電子機器および冷却・発電手段を備えた装置の生産性を向上させることができる。
【００３７】
さらに、請求項３の発明によれば、ディスプレイ部を本体に一体に取り付けた構成の携帯型パソコンにおける演算素子などの電子機器を、冷却・発電手段の冷却機能により、あるいはその発電機能により効率よく冷却することができるため、携帯型パソコンの携帯性を損なわず、その演算機能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る冷却装置の一例を原理的に示す模式図である。
【図２】 この発明に係る冷却装置をノートブック型パソコンに適用した例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…演算素子、 ２…熱拡散板、 ３…冷却・発電素子、 ４…電源部、 ５…スイッチング機構、 ６…ヒートパイプ、 ７，１３，１５…ヒートシンク、
１１…本体、 １２…ディスプレイ部、 １４…放熱板。

Claims (3)

1. 動作することにより発熱する電子機器から熱を奪って外部に放出する電気機器の冷却装置において、
   通電されることにより熱を吸収しかつ加熱されることにより起電力を生じる冷却・発電手段と、
   その冷却・発電手段に電気的に接続された、蓄電手段を含む電源部と、
   前記電子機器と前記冷却・発電手段とを熱授受可能に連結する熱伝達手段と、前記電子機器が外部からの給電で動作しているときには前記冷却・発電手段に通電して前記電子機器から熱を吸収させかつ前記電子機器が前記蓄電手段の電力で動作しているときには前記冷却・発電手段で起電力を生じさせる切換手段と
   を備えていることを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 前記熱伝達手段が、熱拡散板によって構成され、その熱拡散板の一部に前記電子機器が熱伝達可能に取り付けられるとともに、その熱拡散板の他の部分に前記冷却・発電手段が熱伝達可能に取り付けられ、さらに、その冷却・発電手段に、ヒートパイプを介して放熱部が連結さ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冷却装置。
3. ディスプレイ部がヒンジを介して取り付けられたパソコン本体の内部に、前記熱拡散板と電子機器と冷却・発電手段とが収容され、また前記ディスプレイ部に前記放熱板が収容されていることを特徴とする請求項２に記載の電子機器の冷却装置。

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