JP4153569B2 - ヒートシンク構造を有する電子装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に電子装置に関し、その好適実施例において、更に特定的に特別に設計されたヒートシンク構造を内蔵したコンピュータを提供する。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の設計技術においては、例えば、コンピュータの製造に利用される電子素子は、それらがコンピュータ内で動作中に熱を生成することは既知である。また、各電子素子は最大動作温度を有すること、およびその最大動作温度より高い温度で電子素子を動作させた場合、その寿命が短縮することも既知である。したがって、コンピュータが適正に動作するため、およびコンピュータが容認可能な寿命となるようにするためには、コンピュータ内の電子素子の動作温度を制御しなければならない。
コンピュータ又はその他の電子装置内の電子素子の動作温度を制御する一般的な方法は、強制的に周囲の空気流を電子素子上を通過させることである。空気が電子素子上を通過すると、電子素子と空気との間に対流熱伝達が発生し、電子素子がその動作の間に発生した熱を空気が運び去ることが可能となる。通常、周囲の空気の流れは、電子素子を密閉する匡体に取り付けられた、比較的平坦な軸流（ａｘｉａｌ）ファンによって生成される。通常は、空気が匡体を通過して巡回するように、匡体には開口が貫通されている。
【０００３】
しかしながら、強制空気熱発散方法にはいくつかの欠点がある。ファンは電力を消費してしまい、この電力は、コンピュータの他の素子を動作させるために利用可能なものである。最近の電池給電型のノートブックおよびサブノートブックコンピュータでは、容認可能な電池動作時間を達成するために、電力消費を最少に抑えることが望ましい。
最近のコンピュータにおいて、電子素子の温度を制御するために十分な体積の空気を移動することが可能なファンは、通常大量の空間を占める。典型的に、軸流ファンは、コンピュータ匡体内において、約２立方インチを占めている。最近のノートブックまたはサブノートブックコンピュータでは、空間は非常に貴重である。
【０００４】
ファンには信頼性についての問題もある。移動部品を有するあらゆる装置の場合と同様、移動部品は最終的には磨耗し、修理または交換が必要となる。ファンも電気的に動作し、典型的に、ファンのブレードを回転させるために電気モータを備えている。電気モータ、電気接点等も、修理または交換を必要とする可能性がある。他の欠点は、移動部品および電気部品は通常、不所望の雑音を発生することである。
強制空気熱発散方法は非常に効率的という訳ではない。何故なら、空気は通常、コンピュータ匡体内の全電子素子に送られるからである。その結果、匡体内の全体的な周囲空気温度は低下するが、大量の熱を生成する特定の電子素子は、その温度を最大動作温度未満に維持するために必要な追加の空気流を供給されない場合がある。かかる状況では、電子素子にフィン状のヒートシンクを付け加える必要がある。このヒートシンクは、典型的に、当該電子素子の近くに配しなければならず、コンピュータ匡体内に大きな容積を占め、コンピュータの全体的な収納効率を低下させるものである。
【０００５】
ファンの更に別の欠点は、コンピュータ匡体内で利用可能な空間に納まるような輪郭に形成できないことである。例えば、最近のサブノートコンピュータは、その匡体内に軸流ファンを収容するだけの十分な容積の空き空間を有する場合もあるが、その空間は匡体全体に分散されている。ファンを部分毎に匡体の異なる領域に分散し、しかもファンを適正に動作させることは不可能である。
コンピュータ内で発生した熱を発散させるために提案された他の解決案は、ヒートパイプの一端を熱発生素子に取り付け、このパイプの他端をコンピュータの金属シャーシの一部に接続するというものである。このようにすれば、大量の熱を発生する特定の素子を直接冷却することができる。しかし、この方法にも欠点がある。この方法の欠点は、コンピュータシャーシを伝わる伝導熱伝達のみを頼りに熱を発散することである。熱は対流によって結果的には周囲環境に伝達するが、シャーシは典型的に匡体内に配されているので、対流熱伝達が強制空気方法による補助を受けられない場合、非常に非効率的となる。
【０００６】
時として、熱パイプの一端にフィンを設けて、そこから対流熱伝達を可能としたものがある。このようなフィンは、典型的に、熱パイプにはんだ付けまたは蝋付けされたものである。この方法の欠点は、はんだ付けまたは蝋付け処理が熱パイプに損傷を与える可能性があり、しかもこの損傷は、熱パイプをコンピュータに設置しコンピュータを動作させるまで発見されないことがあり、素子が過熱のために故障することである。この方法の別の欠点は、フィンをコンピュータのシャーシに取り付けなければならないが、その構造的部分を形成できないことである。更に、組み立て中フィンが損傷を受け、コンピュータの適合性に影響を与え、熱伝達の有効性を低下させる可能性がある。
【０００７】
以上のことから、電力を消費せず、匡体内に占める空間が最少で済み、雑音を発生せず、移動部品または電気部品がなく、匡体内の利用可能な空間に納まるような輪郭に形成可能であり、特定の素子が発生する熱を発散するように構成可能であり、はんだ付け、蝋付け、または同様の処理を必要とせず、コンピュータシャーシの構造的部分となり得る、コンピュータ匡体内において素子が発生する熱を発散する効率的な手段を提供することが大いに望まれていることがわかる。したがって、本発明の目的は、このような熱発散手段を提供することである。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の原理を実施するに当たり、その好適実施例によれば、ヒートシンク構造を内蔵した、コンピュータに代表される電子装置を提供する。ヒートシンク構造は、コンピュータのシャーシの構造的部分を形成し、コンピュータ内の電子素子からの熱を効率的に環境に伝達させる。この熱構造は電力を全く消費せず、移動部品がなく、しかも雑音を発生しない。
広い観点からは、シャーシと熱発生素子を内蔵したタイプのコンピュータに代表される電子装置に、ヒートシンクを備える。このヒートシンクは、熱吸収部分、導管部分、熱発散部分、チャネル、およびチャネル内に配置されたヒートパイプを含んでいる。
【０００９】
熱吸収部分は、熱発生素子に対して共形的に取り付けるように形成する。開示する好適実施例では、熱吸収部分は、全体的に平面状の熱発生素子に対応して、全体的に平坦なプレートがその上に形成されている。
導管部分は、熱吸収部分に取り付けられ、これから外側に延びている。導管部分は、動作的に熱吸収部分を熱発散部分に相互接続し、熱吸収部分に対して、熱発散部分を遠くに配置可能とする。
熱発散部分は、本体と、この本体から横方向に外側に向かって延び、軸方向に離間されている一連のフィンとを有する。フィンは、本体から環境への対流熱伝達を可能にする。チャネルは本体の一表面から軸方向に延び、ヒートパイプとフィンとの間に、短い伝導熱伝達経路のみが形成されるようにする。
チャネルは熱吸収部分、導管部分、および熱発散部分と連続的に形成される。ヒートパイプは、したがって、チャネル内で保護される。熱伝導性エポキシを利用して、ヒートパイプをチャネルに固着する。
ヒートパイプは、チャネル内に長手方向に配置され、熱吸収部分から熱発散部分まで延びている。ヒートパイプを熱発生素子に熱的に結合する手段が、ヒートパイプの熱吸収端において用いられている。
【００１０】
本発明の一好適実施例では、コンピュータも提供する。このコンピュータは、シャーシ、回路基板、ヒートパイプ、および構造的部材を含む。シャーシ上には側面が形成されており、この側面には、複数の開口が貫通形成されている。回路基板はシャーシに取り付けられ、その表面上には電子素子が実装されている。ヒートパイプは対向端を有し、対向端の一方は電子素子に熱的に結合されている。
構造的部材は対向端を有し、構造的部材の対向端の一方はシャーシの側面に取り付けられている。構造的部材の対向端の他方は、回路基板に取り付けられている。更に、構造的部材は、その表面に長い凹部が形成されており、ヒートパイプはこの凹部に受容され、ヒートパイプは構造的部材に熱的に結合されている。構造的部材がシャーシの側面に取り付けられると、構造的部材はシャーシを補強することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に代表的に示すのは、携帯用ノートブックコンピュータ１０に代表される電子装置であり、そのシャーシ１２の背面部分および印刷回路基板（ＰＣＢ）１４を含む。回路基板１４は、シャーシ１２に形成された開口１６内に、シャーシに動作的に取り付けられている。ＰＣＢの上側２２が開口１６に対向するように、ネジ１８、２０に代表される締結具が、ＰＣＢ１４をシャーシ１２に固着する。
シャーシ１２は、その後部直立側面３２を貫通するポート２４、２６、２８、３０を有している。好ましくは、シャーシ１２はダイキャスト構造であるが、本発明の原理から逸脱することなく、シャーシを板状金属から作るというような、他のシャーシ製造方法も利用可能である。代表的に示したシャーシ１２では、システムの幾何学的制約のために、ポート２４、２６、２８、３０の各々は、シャーシ内に完全に密閉される代わりに、開放側面を有している。したがって、代表的に示すシャーシ１２では、ポート２４、２６、２８は、上側３４、３６、３８が開放して後部側面３２上に形成され、ポート３０は、下側４０を開放して後部側面上に形成されている。開放状の下側４０は、開口１６と一体的に形成されている。
【００１２】
後部側面３２上に形成されたポート２４、２６、２８、３０は、開放側３４、３６、３８、４０との組み合わせによって、シャーシ１２の後部側面の強度を著しく低下させることは明らかであろう。特に、後部側面３２の曲げ強さが弱くなる。したがって、図１に代表的に示すシャーシ１２の後部側面３２に曲げモーメント、即ち、後部側面によって規定される面に直交する軸を有する曲げモーメントが加えられると、後部側面は、開放端３４、３６、３８、４０が解放していなければ耐えられるはずである程度の曲げにも耐えることができない。開放端３４、３６、３８、４０に材料がないために、後部側面３２が容易に屈曲するだけでなく、曲げモーメントが十分に大きい場合、破断または可塑性変形によるシャーシ１２の破壊に至る可能性もある。
【００１３】
ＰＣＢ１４には、多数の電子素子４２、４４がその上に配されている。従来の慣習によれば、電子素子４２、４４は、ＰＣＢ１４上で電気的に相互接続することができ、コンピュータ１０内部で種々の計算機能を実行することができる。素子４４は、代表的には中央演算装置であり、大量の熱を発生するので、その温度が最大動作温度を越えるのを防止するために、そこからの熱伝達を補強する必要がある。素子４４はプロセッサ以外の素子としてもよく、また素子４４は印刷回路基板以外の構造に実装してもよいことは理解されよう。この場合も、本発明の原理から逸脱する訳ではない。
ＰＣＢ１４には、それを貫通する開口４６、４８、５０形成されている。ネジ１８、２０が開口４６、４８をそれぞれ貫通し、シャーシ１２に形成した開口５２、５４に嵌入する。
【００１４】
ここで図２〜図５を参照すると、本発明の原理を実施したヒートパイプリテイナ６０が代表的に示されている。ヒートパイプリテイナ６０は、細長いフィン状の熱発散部分６２、導管部分６４、および熱吸収部分６６を有する。好ましくは、リテイナ６０はダイキャストマグネシウムで作られるが、本発明の原理から逸脱することなく、アルミニウムのような他の材料を利用することも可能である。
熱吸収部分６６は、全体的に矩形状のプレート６８、横方向に延びる安定化アーム７０、７２、および横方向に延びる取り付けアーム７４を含む。リテイナ６０をＰＣＢ１４に取り付けると、以下でより詳しく説明するが、プレート６８がＰＣＢ上のプロセッサ４４を覆い、安定化アーム７０、７２がＰＣＢの表面２２と接触し、応力のプロセッサ４４への伝達を防止すると共に、プレート６８をＰＣＢに対して平行に離間した関係に保持する。
【００１５】
取り付けアーム７４、導管６４、および熱発散部分６２に形成された開口７６、７８、８０はそれぞれ、リテイナ６０のシャーシ１２およびＰＣＢ１４への固定を可能にする。開口７６にはネジが切ってあり、ネジ２０が開口５４において取り付けアーム５４をシャーシ１２に、更に開口４８においてＰＣＢ１４に螺着可能となっている。
ここで図３を参照すると、この図では、チャネル８２がリテイナ６０の底面側表面８４上に形成されていることを明確に示している。チャネル８２は、底面側表面８４の輪郭に一致し、対角線に沿ってプレート６８を横切り、導管部分６４を横切って軸方向に延び、更に、熱発散部分６２に沿って軸方向に延びる。以下でより詳しく説明するが、チャネル８２は内部にヒートパイプ８６（図６参照）を受容し、熱吸収部分６６からの熱をリテイナ６０の熱発散部分６２に伝達させる。
【００１６】
リテイナ６０上に多数のチャネル８２を形成し、その中に対応するヒートパイプ８６の多数の部分を受容したり、あるいは多数のヒートパイプをその中に受容してもよいことは、当業者には容易に理解されよう。このように、熱発散部分６２は、例えば、多数の電子素子４２からの熱を発散するために使用することができ、多数のヒートパイプ８６は、単一の電子素子４４からの熱を伝達するために利用することができ、あるいは熱発散部分６２は、例えば、多数の部分を有し、コンピュータシャーシ１２上で利用可能な空間に一致させるようにすることも可能であり、ヒートパイプは熱発散部分の各部分に熱を伝達する。本発明の原理から逸脱することなく、このような変更およびその他の変更をリテイナ６０に行うことも可能である。
【００１７】
図４には、リテイナ６０の背面図が示されている。この図では、導管部分６４が熱吸収部分６６および熱発散部分６２を構造的に相互接続している様子を明確に見ることができる。また、導管部分６４は、熱吸収および熱発散部分間における横方向のずれを考慮して、熱吸収部分６６から熱発散部分６２まで連続的にチャネル８２を形成可能にし、コンピュータ１０内で利用可能な空間に一致させる等のために、必要に応じてチャネル８２の方向を変化させる。加えて、先に述べたように、導管部分６４にはこれを貫通する開口７８が形成されており（図４では見えない。図２参照）、リテイナ６０のＰＣＢ１４への構造的取り付けを可能にする。
図４において、熱発散部分６２の独特な形状も明確に示されている。熱発散部分６２には、横方向に延び長手方向に離間された一連のフィン８８が形成されている。フィン８８は、熱発散部分６２の長手方向に延びる本体９０から外側に向かって延びている。したがって、チャネル８２内に配されたヒートパイプ８６（図６参照）を通じて、熱吸収部分６６から熱発散部分６２に熱を伝達させるときに、伝導によって本体９０からヒートパイプに、そして対流によってフィン８８から周囲環境に熱が伝達される。当業者には容易に認められるように、熱発散部分６２の独特な形状は、ヒートパイプ８６からフィン８８までの熱伝導経路を非常に短くする。伝導による熱伝達よりも対流による熱伝達のほうが格段に効率的であるので、これは望ましいことである。
【００１８】
加えて、熱発散部分６２の本体９０は、シャーシ１２の構造的部分も与えている。これについて次により詳細に説明する。図５には、リテイナ６０の側面図が示されている。この図では、本体９０が比較的厚く、したがって、シャーシ１２の構造的部分が得られることがわかる。
次に図６および図７を参照すると、これらの図にはヒートシンク構造体９２が示されている。ヒートシンク構造体９２は、ヒートパイプリテイナ６０、ヒートパイプ８６、およびエラストマ製の熱伝達パッド９４を含んでいる。ヒートパイプ８６は、底面側表面８４上に形成されたチャネル８２内に受容されており、したがって、ヒートパイプは、チャネルの輪郭に一致するように形成される。
【００１９】
熱伝達パッド９４は、プレート６８とプロセッサ４４（図８参照）との間にインターフェースを提供する。好ましくは、パッド９４は、オハイオ州クリーブランドのThermagon社から入手可能なＴ-ｐｌｉ２３０Ａという材料で作るが、本発明の原理から逸脱することなく、他の材料もパッド９４に利用可能であることは理解されよう。パッド９４は、プロセッサ４４（またはそれが取り付けられているあらゆる他の熱生成素子）からの熱を、プレート６８およびヒートパイプ８６に伝導的に伝達可能とすると共に、熱吸収部分６６のプロセッサ４４への柔軟な取り付けも可能とし、それに対する損傷を防止する。
ヒートパイプ８６は、ペンシルバニア州ランカスタのThermacore社が製造するタイプのものが好ましいが、本発明の原理から逸脱することなく、他の熱伝達装置も利用可能である。ヒートパイプ８６は、熱吸収部分６６において吸収される熱の熱発散部分６２への効率的な伝達を可能とし、熱発散部分６２の長手方向に沿って伝達される熱の分散を可能とし、更に、コンピュータ１０内部の利用可能な空間に、このような熱伝達を適合可能とする。
【００２０】
ヒートパイプ８６は、マサチューセッツ州ビレリカのEpoxy Technology社から入手可能なEpo-Tek H67-MPのような、熱伝導性エポキシによって、チャネル８２内のリテイナ６０に固着することが好ましいが、本発明の原理から逸脱することなく、他の接着剤または締結具を利用してヒートパイプ８６を固着してもよい。エポキシ９６は熱伝導インターフェースを提供し、該インターフェースは、ヒートパイプ８６とリテイナ６０との間で、ヒートパイプのほぼ全長に沿って延長している。このように、ヒートシンク構造体９２においては、エポキシ９６は、リテイナ６０およびヒートパイプ８６における伝導熱伝達経路の長さを最短化するのに役立つ。
ここで図８を参照すると、該図にはコンピュータ１０の分解図が示されている。ネジ２０は、開口４８においてＰＣＢ１４を、開口５４においてシャーシ１２を、およびねじ切り開口７６において取り付けアーム７４を固着する。ネジ１８は、開口４６においてＰＣＢ１４を、およびネジ切り開口５２においてシャーシ１２を固着する。このように、ＰＣＢ１４は、その上側２２がシャーシ上の開口に対向するように、シャーシ１２上に配置される。
【００２１】
ネジ９８で代表される締結具は、開口５０およびネジ切り開口７８によって、ＰＣＢ１４をヒートシンク構造体９２に固着する（図３参照）。このようにヒートシンク構造体９２をＰＣＢ１４に固着することにより、熱伝達パッド９４はプロセッサ４４と接触状態となる。ネジ９８、２０は、プロセッサ４４を両側から支えている(straddling)ことに留意すべきである。したがって、ネジ９８、２０によってプロセッサ４４に加えられる圧力は、プロセッサ表面全体に均等に分配される。また、ネジ９８、２０によりＰＣＢ１４をヒートシンク構造体９２に固着する場合、安定化アーム７０、７２がプロセッサ４４を両側から支え、ＰＣＢ面２２と接触するので、プロセッサに対するプレート６８のたわみを防止することができる。このたわみは、損傷を与える可能性のある局在的応力を、プロセッサに与える可能性がある。
【００２２】
ネジ１００に代表される締結具は、ネジ切り開口１０２（図３参照）および上向きにシャーシの後部側面３２に貫通形成された開口１０２によって、ヒートシンク構造体９２をシャーシ１２に固着する。このようにして、ヒートシンク構造体９２は、シャーシ１２の後部側面３２のための構造的支持を提供し、ポート２６、２８の開放側３６、３８を橋架する。尚、本発明の原理から逸脱することなく、ヒートシンク構造体９２も、適正に変更を加えれば、ポート２４、３０の開放側３４、４０を橋架可能であることは理解されよう。このような開放側３６、３８の橋架は、シャーシ１２の後部側面３２の強度を大幅に高めるものであることは、当業者には容易に理解されるであろう。ヒートシンク構造体９２をシャーシに固着すると、ヒートパイプリテイナ６０の本体９０がシャーシ１２の構造的要素となることが、以上の説明から十分に明らかであろう。
ヒートシンク構造体９２は、ＰＣＢ１４およびシャーシ１２に固着された後、囲い板１０４によって覆われる。囲い板１０４には、開口１０６が長手方向に離間されて貫通形成されており、プラスチック材料で形成することが好ましいが、本発明の原理から逸脱することなく、板状金属のようなその他の材料も利用可能である。開口１０６によって、空気が熱発散部分６２上のフィン周囲を巡回可能となり、言い換えれば、コンピュータ１０内の素子に通気を与えることになる。これによって、コンピュータ内１０における対流による熱伝達を最大に高めることが可能となる。
【００２３】
以上、ヒートシンク構造体９２を内蔵したコンピュータ１０において、このコンピュータ内にあるプロセッサ４４によって発生される熱を効率的に発散することについて説明した。ヒートシンク構造９２は全く電力を消費せず、コンピュータ１０内に占める空間は最少で済み、ノイズを発生せず、移動部品も電気部品も有さず、コンピュータ内で利用可能な空間内に納まるような輪郭とすることができ、多数の素子または特定の素子からの熱を発散するように構成可能であり、ヒートパイプ８６のはんだ付けや蝋付けを必要とせず、シャーシ１２の構造的部分とすることができる。以上の詳細な説明は、例示および一例を占め下に過ぎず、本発明の技術思想および範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されることは、当然理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シャーシの背面部分および印刷回路基板を示す、コンピュータの分解平面斜視図である。
【図２】 本発明の原理を実施したヒートパイプリテイナの平面図である。
【図３】 本発明の原理を実施したヒートパイプリテイナの底面図である。
【図４】 本発明の原理を実施したヒートパイプリテイナの背面図である。
【図５】 本発明の原理を実施したヒートパイプリテイナの側面図である。
【図６】 図２〜図５に示したヒートパイプリテイナを内蔵した、本発明の原理を実施したヒートシンク構造体の分解正面図である。
【図７】 図２〜図５に示したヒートパイプリテイナを内蔵したヒートシンク構造体の底面図である。
【図８】 図６及び図７のヒートシンク構造体を内蔵させた図１のコンピュータの上面斜視図である。

Claims (3)

1. シャーシと熱発生素子とを内部に有するコンピュータからなる電子装置用のヒートシンクにおいて、
   熱発生素子に共形的に取り付けられる形状の熱吸収部分であって、該熱吸収部分が熱発生素子に取り付けられたときに、熱発生素子が保持された電子装置内の表面に接触しかつ横方向に延びて熱吸収部分を安定化させるための安定化アームを備えている熱吸収部分と、
   熱吸収部分に取り付けられ、該熱吸収部分から外側に延在する導管部分と、
   導管部分に取り付けられ、本体と、該本体から横方向に外側に向かって延びかつ軸方向に離間している一連のフィンとを有する熱発散部分と、
   熱吸収部分、導管部分、及び熱発散部分上に形成された連続チャネルと、
   連続チャネル内に配置され、熱吸収部分から熱発散部分まで延びているヒートパイプと、
   ヒートパイプを熱発生素子に熱的に結合させる手段と
   からなることを特徴とするヒートシンク。
2. 電子装置において、
   複数の開口が貫通形成された側面を有するシャーシと、
   シャーシに取り付けられ、表面に電子素子が実装された回路基板と、
   一対の端部を有し、該端部の一方が電子素子に熱的に結合されたヒートパイプと、
   一対の端部を有する構造部材であって、該端部の一方がシャーシの側面に取り付けられ、他方が回路基板に取り付けられており、構造部材の一表面上に細長い凹部が形成され、該凹部に構造部材に熱的に結合されたヒートパイプが受容され、構造部材がシャーシの側面に取り付けられた状態で該シャーシを補強しており、構造部材はさらに、熱吸収部分及び導管部分を備え、熱吸収部分は該部分から横方向に延びかつ取り付け用の第１の開口を有するアームを備え、導管部分は取り付け用の第２の開口が形成され、第１及び第２の開口は、熱吸収部分が熱を発生する電子素子に共形的に取り付けられたときに、該電子素子の両側に配置される、構造部材と
   からなることを特徴とする電子装置。
3. コンピュータ装置において、
   ハウジングと、
   ハウジング内に配置された熱発生素子と、
   ヒートパイプと、
   ハウジング内に配置されてヒートパイプを保持するリテイナであって、熱発生素子と接触している熱吸収部分であって横方向に延びて熱吸収部分を安定化させるための少なくとも２つの安定化アームを備えている熱吸収部分と、ハウジングから少なくとも部分的に離間している導管部分と、離間配置された一連のフィンを備えた熱発散部分とを含み、ヒートパイプが、熱吸収部分から導管部分を横切って熱発散部分まで延びるリテイナの連続チャネル内に配置されている、リテイナと
   からなることを特徴とするコンピュータ装置。

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