JP4334535B2

JP4334535B2 - ポータブル・コンピュータの冷却能力を高めるための方法およびポータブル・コンピュータ構造

Info

Publication number: JP4334535B2
Application number: JP2005345254A
Authority: JP
Inventors: 広明縣; タレク・ジェイ・ジャマルエッディン; ローレンス・エス・モク
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2004199675A; JP2006127538A; US6816371B2; JP3766830B2; CN1231826C; CN1508649A; US20040114322A1

Description

本発明は、ポータブル・コンピュータの冷却能力を高めるためのポータブル・コンピュータ構造および方法に関する。より詳細には、本発明は、コンピュータ内に位置し、冷却すべき半導体チップからの熱をラップトップ・コンピュータの液晶ディスプレイの裏面側に伝達および放熱させることにより、サイズ、重量、および電力消費量が制約を受けるラップトップ・コンピュータの冷却能力を向上させるための構成の提供を対象とする。

ラップトップ・コンピュータ、ノートブック・コンピュータなどのポータブル・パーソナル・コンピュータの能力および性能は近年、例えば１９９６年の始め以来、ポータブル・パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）の放熱要件が約１０ワットから現在の約５０ワットにまで上昇し、潜在的にはさらに高い値となる程度にまで向上した。この放熱要件の増大は、常に向上しているＣＰＵ性能、および今後のＰＣによって提供されるＤＶＤ、モデム、オーディオなどの追加の機能の結果である。Albert Yuによる論文「The Future of Microprocessors」、IEEE Micro.、1996年12月、46〜53ページで説明されているように、ポータブル・パーソナル・コンピュータに関する、熱の形でのワット損の上昇は、予測可能な将来において続くであろう。したがって、例えばポータブル・パーソナル・コンピュータについて広く使用されているＡ４のファームファクタでは、冷却ファンを備えないポータブルＰＣに関する冷却限界は現在２０ワットを超え、場合によっては５０ワットとなる。したがって、今後のポータブル・パーソナル・コンピュータの予測される放熱要件を満たすために、現在の限界よりも高い冷却能力を提供することは、業界での潜在的な競争上の利点であるだけでなく、現在入手可能な市販のポータブル・パーソナル・コンピュータとの著しい製品差別化をもたらす。

本質的には、上述のように、ラップトップ・コンピュータの電力消費、特にＣＰＵの電力はコンピュータ技術において継続的に増加している。したがって例えば、ラップトップ・コンピュータの全電力は通常１０ワットを超え、今や約３０ワットから５０ワットあるいはそれ以上の範囲にまで上昇したが、ＣＰＵの電力は約３ワットから６ワットまで増加し、おそらくは４０ワットもの範囲となる可能性がある。この電力の大部分は、最終的には熱の形で周囲に発散される。したがって、ラップトップ・コンピュータからの増加した熱量を放熱する能力が、ラップトップ・コンピュータの設計および商業上の側面において重要な要素となる。このことは、受動的放熱つまりフィン、ヒート・パイプなどのヒート・シンク構造だけでなく、あるいはファンや類似構造の形態の能動的熱伝達装置もコンピュータに組み込むことによって実施することができる。

ラップトップ・コンピュータまたはパーソナル・コンピュータの冷却能力を向上させるための様々な構成および装置が、当技術分野において現在知られている。

Janik等の米国特許第６２１２０６９号は、熱効率の高いポータブル・コンピュータを開示しており、そのポータブル・コンピュータでは、一方が電子部品用、他方がディスプレイ用の２つの別々のプレートを有するポータブル・コンピュータのディスプレイ側に電子部品が取り付けられる。２つのプレートは、ポータブル・コンピュータが閉じられたときに接触することができ、放熱板（heat spreader）が、ポータブル・コンピュータが使用されていないときにディスプレイ・モジュールにより近く、ポータブル・コンピュータの使用中にディスプレイ・モジュールから放熱板および絶縁リア・カバーを離すように動かす絶縁リア・カバーから分離された構成要素を備える。これにより、放熱板の放熱および効率的な冷却が可能となるが、コンピュータのメイン・ボックス内に位置するＣＰＵからの熱の伝達および放熱とは無関係である。

Haley等の米国特許第６１８１５５５号は、ポータブル・コンピュータ内に配置された集積回路チップ用の冷却システムを開示しており、この冷却システムでは、放熱を必要とする集積回路の構成要素を有するふた（lid）が、ばねの作用で柔軟性のある拡張構造を有し、モジュールとディスプレイ・アセンブリとの間に冷却空気が流れることを可能にするための通路を提供する。

Goto等の米国特許第６０６９７９１号は、ノートブック型パーソナル・コンピュータ用の冷却装置を開示しており、その冷却装置では、冷却媒体用の流路が、パーソナル・コンピュータのカバー部分内の液晶ディスプレイの背後に位置する。この構成により、コンピュータのメイン・ボックスから、液晶ディスプレイの後方の空洞内にヒート・シンクが配置されたディスプレイ側への熱の伝達が容易となり、ヒート・シンクの周囲の空洞内に空気が流れることが可能となり、放熱が達成される。

Haley等の米国特許第５９８２６１７号は、液晶ディスプレイ・パネルの背後で上部に別々の構造として配置された電子部品の冷却用の構成を開示しており、この構成では、気流は、最初に間隔を置いて配置された構成要素の中間を通過することに適応している。

米国特許第６２１２０６９号米国特許第６１８１５５５号米国特許第６０６９７９１号米国特許第５９８２６１７号 Albert Yu、「The Future of Microprocessors」、IEEE Micro.、1996年12月、46〜53ページ

前述のパーソナル・コンピュータまたはラップトップ・コンピュータの構成はそれぞれ、パーソナル・コンピュータ内に配置されたコンピュータ・チップまたはＣＰＵなどの電子構成部品からの熱伝達および放熱を可能にするための様々なタイプの方法を提供するが、本発明は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）などの熱を生成する構成要素の大部分がメイン・ボックス内に位置する本質的に従来型のポータブル・コンピュータ向けの、放熱させる改良された構成および方法であって、メイン・ボックスにヒンジ式に接続され、液晶ディスプレイを取り付けるカバーなどのディスプレイ構成要素に熱が伝達される構成および方法を提供する。さらに、ＣＰＵから熱を伝達させ放熱させる本発明の構成は、従来技術とは異なっており、発生した熱を放熱させる適切かつ非常に効率的な方法を提供する。

本発明の第１の実施形態によれば、ＣＰＵを収容するメイン・ボックスとディスプレイを収容するカバーとを相互接続する熱的ヒンジが使用され、中央演算処理装置（ＣＰＵ）によって生成された熱の一部が液晶ディスプレイの背後に位置する放熱板に伝達され、一般に柔軟性のあるベロー形状のエア・ダクトが、ＣＰＵに近接して位置する冷却ファンの出口と、ディスプレイの背後の間隔を置いて配置された２つの放熱板によって画定されたチャネルの入口との間に接続される。空気が、カバーの底部からディスプレイを収容するカバーの上端に向かって強制的にチャネル内に流れこむ。その場合、ファンが、加熱された空気を電子部品またはＣＰＵからエア・ダクト内および放熱板によって形成されたチャネル内に取り出し、それによって熱が周囲に伝導される。

本発明の修正した実施形態によれば、コンピュータのメイン・ボックス構造内の電子部品またはＣＰＵによって発生した加熱空気が、ファンの動作によって後方に伝導され、メイン・ボックスの外部の自由空間に向けられ、液晶ディスプレイを取り付けるディスプレイ・カバーの後方に向けられる。自己格納式のエア・ダイバータ手段が使用され、ディスプレイ・カバーの外面近くに気流が維持される。

その結果、本発明の目的に対して、メイン・ボックス内に含まれる電子部品の改良型の冷却が、ＣＰＵに近接して位置するファンから放出される空気流によって実施され、空気が、熱的ヒンジを通じて、メイン・ボックスにヒンジ式に接続されるカバー部分内に収容された液晶ディスプレイの背後の放熱板間のチャネル内に流れる、ポータブル・パーソナル・コンピュータなどのポータブル装置を提供することが可能となる。

本発明の別の目的に対して、気流が、ファンから、液晶ディスプレイを取り付けるカバー部分と熱を発生する電子構成部品を収容するメイン・ボックスとを相互接続する柔軟性のあるベロー型の熱的ヒンジを通じて送られ、そこから、液晶ディスプレイの背後の放熱板とポータブル・コンピュータのカバーとの間に延びる放熱チャネル内に送られ、それによって周囲に伝導される。

本発明のさらに別の目的に対して、電子構成部品またはＣＰＵを含むメイン・ボックスから出る気流が、液晶ディスプレイを収容するカバーの背後の自由空間に向けて送られ、ディスプレイ・カバーの開閉に自動的に応答してエア・ダイバータを開閉するように適合された機構が設けられて、加熱された気流をコンピュータ・カバー背後の周囲に放出することが可能となる。

図面のうち図１および図２の実施形態を具体的かつ詳細に参照すると、コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）１４などの電子構成部品を収容するメイン・ボックス構造１２を備えるラップトップ・コンピュータ１０が示されている。ファン１６を含む冷却ファン・アセンブリ４０が、ＣＰＵ１４を一般に備え、コンピュータ１０の動作中の主な熱発生源の代表である半導体チップの上に配置される。

ヒンジ式の構成では、長方形の部材（member）を有するカバー２０が、コンピュータ１０のメイン・ボックス１２の後部上端１８に接続され、液晶ディスプレイ（図１には図示せず）が、カバー２０の内部表面２２に配置される。

図２を参照すると、液晶ディスプレイ２４の背後には、少なくとも１つの放熱板２６が配置されている。放熱板２６は、液晶ディスプレイ２４を取り付けるプレートの形態でよく、その間に断熱材料層２８を設け、それによって放熱板２６の任意の加熱面または暖まった面から液晶ディスプレイ２４に伝導するのを防止する。

本発明によれば、プレートの形態で第２の放熱板３２を、放熱板２６の背面から間隔を置いて配置することができ、この放熱板３２は、カバー２０の内部表面２２に接着剤で固定されて、良好な熱接触をし、第１の放熱板２６に平行して、放熱板２６、３２の間に狭い通路つまりチャネル３４が設けられ、それがカバーの全高に沿って延長されると共に、一般にカバーの上端と下端の両方で開く。

コンピュータ１０は、大部分の半導体チップと、ＣＰＵ１４を形成する関連する電子部品（新規な冷却機構をより明確に示すため、それらを詳細には図示していない）とを含むメイン・ボックス１２を有する。ファン・アセンブリ１６が、主に熱を発生する半導体チップ（通常、コンピュータの中央演算処理装置（ＣＰＵ）１４である）の上に配置され、それによってファン・アセンブリ１６の出口がエア・ダクト４２に接続される。ＣＰＵから発生した熱の一部は、ファン・アセンブリからの空気によって搬送され、熱の別の部分は、ファン１６と熱ヒンジ４４の間に取り付けられるヒート・パイプ４６を介して熱的ヒンジ４４に伝達される。別のヒート・パイプ４６ａは、熱ヒンジ４４からの熱を放熱板２６および３２に伝達するように、ディスプレイ・カバー２０の底部に近接して取り付けられる。好ましくは、放熱板２６、３２は共に、アルミニウム、銅、またはグラファイト繊維複合材などの熱伝導性材料で形成され、コンピュータ・ディスプレイ２４とディスプレイ・カバー２０の間にエアー・チャネル（air channel）３４を形成する。この２つの放熱板間の距離は、エアー・チャネル３４を形成するために０．５から１０ｍｍである。代わって、４つの壁すべてが熱伝導性材料で作成された高アスペクト比の長方形ダクトによってエアー・チャネルを形成することもできる。図２の矢印Ａは、ファン１６からエア・ダクト４２を通じてエア・ダクト４２とディスプレイ・カバー２０の間のギャップ４８を横切り、２つの放熱板２６と３２の間のチャネル３４への気流の経路を示している。エア・ダクト４２は、エア・ダクトの出力端が入力端よりも広くなるようにテーパがつけられ、好ましくは、その出力端が放熱板間のチャネル３４への入口に対して押し付けられるように、柔軟性のあるベロー型の壁構造によって形成される。エア・ダクト出力端を確実にチャネル３４に対向させるための機械的構造体は図示していない。空気は、ディスプレイ・カバー２０の他端でチャネル３４から出て、それによってグリル（図示せず）を設けることができる。

あるいは、変形した形態によれば、間隔を置いて配置された２つの放熱板２６および３２の代わりに、液晶ディスプレイ２４を支持する第１の放熱板と、カバー２０の内壁面２２だけでチャネルつまり通路３４を形成することができ、それによって、図２の図面に示す第２の放熱板３２が不要となる。

前の実施形態と類似または同一の部分が同じ参照数字で識別される図３乃至図５の実施形態によれば、カバー２０の背面を超えて空気が吹き出し、それによって、以下で述べるように放熱板２６が不要となる。

この実施形態では、ファン１６からメイン・ボックス１２の背面側に空気が吹き出る。エア・ダイバータ５０は、コンピュータのメイン・ボックス１２の後部端壁５２の外側に配置され、エア・ダイバータ５０の底縁部５４は、図４に示すピボット５６を用いてメイン・ボックスの内部に固定される。エア・ダイバータ５０は、ディスプレイ・カバー２０の開閉中にこのピボット５６の周りに回転することができる。特に図４を参照すると、エア・ダイバータ５０とディスプレイ・カバー２０の外面との間に確実にすき間（clearance）６２を形成するように、エア・ダイバータ５０の上縁部６０にいくつかのスタンドオフ（stand off：離隔絶縁器）５８が設けられている。エア・ダイバータ５０をディスプレイ・カバー２０に向けて引っ張るために、いくつかの引張り型のバネ６６を用いることができる。したがって、ディスプレイ・カバー２０が閉じた位置にあるとき、バネ６６はエア・ダイバータ５０を引き戻し、図５に示すようにメイン・ボックスの背面壁５２と接触する。しかし、ねじり型など別のタイプのバネもこの目的で容易に用いることができる。図４の矢印Ｂは、ディスプレイ・カバー２０が開いた位置にあるときにおきる典型的な気流パターンを示す。図３を参照すると、図１および図２の実施形態と同様に、ヒート・パイプ４６が、ファン１６と、コンピュータのメイン・ボックス１２の背面壁の内側に配置される熱ヒンジ４４との間に接続されている。別のヒート・パイプ４６ａを使用して、熱ヒンジ４４を放熱板３２に結合する。ここで放熱板３２は、ディスプレイ・カバー２０との良好な熱的接触を確保するように、接着剤を使用してディスプレイ・カバー２０の内部表面２２に取り付けられる。

以上から、放熱を改良するための様々な方法および構成を組み込む様々な実施形態が、コンピュータ内の電子部品または熱発生構成部品から周囲への、安価でかつ優れたタイプの熱伝導を提供できることは容易に明らかとなるであろう。

本発明の好ましい実施形態に関連して本発明を具体的に図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記およびその他の形態および細部の変更を行えることは当業者には理解できるであろう。

新規な冷却構成を提供するラップトップ・コンピュータなどのポータブル・コンピュータの開いた状態を示す斜視図である。図１の直線２−２に沿った、放熱および伝導構成の断片部分の拡大図である。自動エア・ダイバータを備えるラップトップ・コンピュータ用の変形した冷却機構の斜視図である。図３の、直線４−４に沿った断片の拡大図である。図３のラップトップ・コンピュータの閉じた状態での斜視図である。

符号の説明

１０ラップトップ・コンピュータ
１２メイン・ボックス
１４ＣＰＵ（中央演算処理装置）
１６ファン・アセンブリ
２０カバー
２２内部表面
２４液晶ディスプレイ
２６第１の放熱板
２８断熱材料層
３２第２の放熱板
３４エアー・チャネル（通路）
４０冷却ファン・アセンブリ
４２エア・ダクト
４４熱ヒンジ
４６ヒート・パイプ
４６ａヒート・パイプ
４８ギャップ
５０エア・ダイバータ
５４底縁部
５６ピボット
５８スタンドオフ
６０上縁部
６６バネ

Claims

コンピュータの動作中に熱を発生する少なくとも１つの電子構成部品を含む筐体と、前記筐体の背面端部に近接して前記筐体にヒンジ式に接続されたディスプレイ・パネルを含む前記筐体用のカバーとを有するポータブル・コンピュータの冷却能力を高めるための構造であって、
前記少なくとも１つの電子構成部品から加熱された空気の少なくとも一部の熱を取り出すために、ヒート・パイプを介して前記筐体とカバーの間の熱ヒンジと通じている、前記少なくとも１つの電子構成部品に近接して位置する前記筐体内のファン・アセンブリと、
前記筐体の前記背面端部に取り付けられ、バネ手段により前記カバーに向けて引っ張られ、前記筐体上の前記カバーを開き、閉じることによってそれぞれ自動的に開閉動作されるエア・ダイバータ構造と、
加熱された空気の別の部分を、前記少なくとも１つの電子構成部品から前記カバーの外部表面向けに取り出すために、前記ファン・アセンブリと前記エア・ダイバータ構造をつなぎ、それによって前記加熱された空気の別の部分を周囲に放熱させるエア・ダクトとを備えるポータブル・コンピュータ構造。
前記エア・ダイバータ構造が、前記筐体に回転できるように接続される下端部と、前記カバーの開いた位置で、前記カバーと前記エア・ダイバータ構造との間に空きスペースを設け、前記カバーと前記エア・ダイバータ構造との間から外部カバー表面に沿って周囲に気流が通ることを可能にするように前記カバーに対向するスタンドオフが設けられた上端部とを有する請求項１に記載の構造。
コンピュータの動作中に熱を発生する少なくとも１つの電子構成部品を含む筐体と、前記筐体の背面端部に近接して前記筐体にヒンジ式に接続されたディスプレイ・パネルを含む前記筐体用のカバーとを有するポータブル・コンピュータの冷却能力を高めるための方法であって、
前記少なくとも１つの電子構成部品から加熱された空気の少なくとも一部の熱を取り出すために、ヒート・パイプを介して前記筐体とカバーの間の熱ヒンジと通じているファン・アセンブリを、前記筐体内の前記少なくとも１つの電子構成部品に近接して配置する工程と、
前記筐体の前記背面端部に搭載され、バネ手段により前記カバーに向けて引っ張られ、前記筐体上の前記カバーを開き、閉じることによってそれぞれ自動的に開閉動作されるエア・ダイバータ構造を取り付ける工程と、
前記少なくとも１つの電子構成部品から加熱された空気の別の部分を取り出すために、前記ファン・アセンブリと前記エア・ダイバータ構造をつなぐエアー・ダクトを取り付ける工程によって前記加熱された空気の別の部分を周囲に放熱させることを含む方法。
前記エア・ダイバータ構造が、前記筐体に回転できるように接続される下端部と、前記カバーの開いた位置で、前記カバーと前記エア・ダイバータ構造との間に空きスペースを設け、前記カバーと前記エア・ダイバータ構造との間から外部カバー表面に沿って周囲に気流が通ることを可能にするように前記カバーに対向するスタンドオフが設けられた上端部とを有する請求項３に記載の方法。