JP4426943B2 - 筐体の内部の冷却装置を備える電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、筐体の内部の冷却装置を備える電子機器に関する。

近年、小型の電子機器（例えば携帯型のパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）等）では、内部の電子部品の高性能化、高密度化が進んでいる。その高性能化、高密度化にともなって、動作時の内部のＣＰＵ等の電子部品からの発熱が大きな問題となっている。筐体サイズが薄型化、軽量化、小型化する傾向にあるため、筐体内の電子部品が発する熱が筐体内部にこもりやすい。電子部品の性能、信頼性を確保するためには、電子部品からの発熱を速やかに冷却する必要がある。

多くの電子機器では、筐体内の熱を除去するために、以下の冷却メカニズムを採用している。まず電子部品の熱を熱伝導率の高い材料からなる放熱板に伝える。ファンを用いて外気を筐体内に取り込み、エアーフローを作る。そのエアーフローで放熱板を冷やす。電子部品の発熱は、放熱板の表面からエアーと伴に除去される。そのエアーフローを作るために、筐体は外気を取り入れるための吸気口と熱を伴うエアーを排出するための排気口を持つ。

しかし、小型電子機器では、筐体内にファンを配置して空冷する場合、筐体サイズが薄型化、小型化の傾向にあるため、そのファンのサイズは小さなものに制限される。その結果、ファンの風量は小さくなり、さらに筐体内は高密度であるが故にエアーフローは筐体内を流れにくい。その結果、上述した放熱板の表面に冷却に十分な量のエアーを送ることができにくい。すなわち、小型電子機器では、上述した“放熱板＋エアーフロー”の冷却メカニズムだけでは十分な冷却ができない。ＣＰＵ等の電子部品の冷却が十分でない場合、電子部品の誤動作、故障などが生じ、安全性や信頼性の問題となる。

小型電子機器（ＰＣ）の冷却に関する従来技術が、例えば、日本国の登録実用新案公報3064584号、3043379号に開示されている。しかし、これらの公報はいずれも単にファンを用いてＰＣの筐体内部を冷却することを開示するのみであり、特に小型電子機器の冷却として十分な技術を開示していない。
登録実用新案公報3064584号 登録実用新案公報3043379号

本発明の目的は、筐体内に動作時に発熱する電子部品を有する電子機器において、その電子部品を冷やすことである。

本発明の目的は、筐体内の電子部品の熱を筐体外に排出する放熱経路を変えることを可能にし、熱設計を行う自由度を上げ、かつ熱を必要な場所にスポット的に伝えることができる電子機器を提供することである。

本発明の電子機器は、筐体と、筐体内に配置された、基板、基板に取り付けられた電子部品、電子部品に接続する放熱板、筐体内の温度に応じて放熱板を筐体に接続して電子部品から筐体への熱伝導路を形成するための接続手段、および筐体内に冷却用のエアーを流すためのファンを備える。

本発明の電子機器は、筐体内の温度に応じて放熱板を筐体に接続して、電子部品から筐体への熱伝導路を形成する接続手段を有するので、温度に応じて、ファンによる冷却に加えて放熱板から放射面積の大きい筐体への熱伝導を促進する。その結果、動作時の筐体内の電子部品の温度を下げる。特に、ＣＰＵの性能を維持する。その冷却効果により、本発明は電子機器の発熱に対する信頼性、安全性を向上させる。

本発明について携帯型ＰＣを例にとり説明する。なお、本発明はＰＣに限定されず、他の電子機器にも適用できることは言うまでもない。図１は、本発明の一実施例である携帯型ＰＣ１０の背面斜め上から見た図である。図２は図１のＰＣをＡ方向から見た断面図である。図３は図２の符号Ｂ部分の拡大図である。以下、これらの図を参照しながら説明する。

筐体は、コア筐体１２とクレードル筐体１４から構成される。コア筐体１２の中には、プリント配線板１６上のＣＰＵ１８、ＣＰＵ１８に熱伝導性弾性体１９を介して接続する放熱板２０、放熱板２０の端部をコア筐体１２に接続する手段２１、２２がある。さらに、コア筐体１２は、メモリ、各種制御用IC、ＨＤＤなどの電子部品２４（詳細は省略）を含む。

コア筐体１２の端部３３には、電気的接続をとるためのコネクタ（図示なし）がある。そのコネクタは、クレードル筐体１４の開口４０の底部にあるインターフェイス（Ｉ／Ｏ）４６用プリント配線板上にあるコネクタ（図示なし）に脱着可能となっている。コア筐体１２はクレードル筐体１４のコネクタに結合した状態でPCとして動作する。コア筐体１２はクレードル筐体１４からはずして持ち運びできる。別の場所にあるクレードル筐体に装着することで、PCとして動作する。クレードル筐体１４は、主に電源や外部機器（デイスプレイ、キーボード、マウスなど）のインターフェース（Ｉ／Ｏ）を内蔵する。図１の符号４６はＩ／Ｏのコネクタ類を示す。クレードル筐体１４の中にはファン３０がある。

ファン３０によりクレードル筐体１４の開口部３６からエアーが筐体内に取り込まれる。ファン３０からのエアーは、コア筐体１２の開口部２６からコア筐体１２内に入り、上部の開口部２８から外へ出るエアーフロー３２となってコア筐体１２内を流れる。エアーフロー３２は、基板１６と放熱板２０の間のスペースおよび放熱板２０と筐体１２の間のスペースに流れる。エアーフロー３２により、動作時のＣＰＵ１８などの発熱する電子部品、放熱板２０の両面と筐体１２の裏面が冷やされる。特に高温になるＣＰＵ１８の熱は、熱伝導性弾性体１９を介して放熱板２０からエアーとともに除去される。なおエアーフロー３２の向きを図２と逆方向に流しても同様な効果を得ることができる。この“放熱板＋エアーフロー”の冷却メカニズムは従来の技術と同様である。

図４は、コア筐体１２をノート型PC４０に装着した場合の立体図を示す。図５は、図４のPCをB方向から見た断面図を示す。PC４０は、ファン４２と放熱板を内蔵している。図４のように、クレードル筐体１４の代わりに、ノート型PCの筐体や自動車のカーナビケーションの筐体等にコア筐体１２を装着した場合、その装置に用いるファンのサイズは、スペースの制約からかなり小さなものになってしまう。図２で示すファンの羽根はコア筐体１２と垂直な位置に設置することができ、ファンのサイズもある程度の大きさを確保することが可能なため、十分な風量が期待できる。例えば50角サイズのファン（風量：0.25m³/min程度）を用いることができる。

一方、ノート型PC等になると筐体の厚みは薄く、ファンは厚み方向にしか設置できないため、ファンのサイズは小型の横置きタイプ（Blower Fan）となる。例えば、ファンサイズは、40角から30角程度となる。その風量は40角で0.12〜0.08m³/min程度、30角で0.09〜0.055m³/minと約1/２から1/３程度に低下してしまう。その結果、発熱素子（CPU）と接触した放熱板２０だけでは十分な冷却効果が得られない。その結果、コア筐体１２の内部に熱がこもって温度が上昇して、CPUのパフォーマンスの低下あるいは熱暴走が発生する恐れがある。

コア筐体１２は、クレードル筐体１４あるいはノート型PCのいずれに装着しても、その電子部品（CPU）の性能が低下しないことが求められる。特に、コア筐体１２をクレードル筐体１４の代わりにファンのサイズが小さい風量の少ない装置に装着した場合、“放熱板＋エアーフロー”の冷却メカニズムだけでは冷却効果は十分ではない。そこで、本発明ではさらに以下の新しい工夫をしている。

その１つは、放熱板２０を筐体１２の裏面から０．５ｍｍ以上の間隔で配置することである。これにより、エアーフロー３２が放熱板２０と筐体１２の間を流れ、放熱板２０の冷却と同時に筐体の内側の面をも冷却することができる。その結果、電子部品の冷却とともに筐体表面の高温化をも抑制することが可能となる。なお、放熱板としては、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム（Ａｌ）のＡ１０１０を使用している。また、筐体としては、軽くて剛性の高い金属、例えばＡｌ、Ｍｇ合金、Ｔｉ合金などを用いる。

２つめの工夫は、接続手段２１、２２を設けたことである。接続手段は、筐体内の温度に応じて放熱板２０の端部を筐体に接続して、ＣＰＵ１８から筐体への熱伝導路を形成する。図３において、接続手段は、２つの圧縮バネ２１、２２からなる。バネ２１は、温度に応じて伸縮するバネである。バネの材料としては、形状記憶特性が良くかつ繰り返し寿命の長い、例えばNi―Tiからなる形状記憶合金を用いる。形状記憶合金として、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金などを用いることもできる。バネ２２は、温度依存性のないステンレス製の圧縮バネである。

ここで、バネ２１としてＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金コイルバネを用いた場合の適用例について説明する。形状記憶合金コイルバネは、一般のコイルバネと違って、弾性係数が一定ではなく温度によって変化する。したがって、バネの特性を考慮する場合、一般のバネのたわみと荷重の関係に温度の因子を加える必要がある。以下、この温度を加味した場合のバネ特性について説明する。

図６はコイルバネの動作を示す模式図である。図６（ａ）は無負荷時のバネの状態を示す。図６（ｂ）は低温時（温度TL℃）にバネ２２から加わるバイアス力ＰＬと釣り合う状態を示す。図６（ｃ）は高温時（温度ＴＨ℃）にバイアス力ＰＨと釣り合う状態を示す。図３のバネ２２は圧縮バネ（バイアススプリング）を想定しているので、通常ＰＨ＞ＰＬとして計算する。今回は計算を簡単にするため、バイアス力が一定として計算する。

形状記憶合金コイルバネにおいても、一般のバネの公式が成り立つ。すなわち、荷重Ｐ、たわみσは、それぞれのねじり応力τ、ねじり歪γに置き換えると以下の式のように表される。
τ＝８ｋ・D・P/（πn・D³） ・・・（１）
γ＝ｋ・ｄ・σ/（πn・D²） ・・・（２）
ｋ：応力修正係数、ｋ＝c/(c-1)+1/2c、c=D/d (woodの式）
ｄ：コイル線の径、D：コイル平均の径（図６参照）

一定のたわみσでの温度と荷重との関係を図７に示す。形状記憶合金は通常、温度の昇降に応じて作動させる。したがって、ねじり応力τとねじり歪γの間のτ―γ線図は、温度と荷重あるいは温度とたわみの関係図より求められる。τ―γ線図の一例を図８に示す。τ―γ線図（図８）を用いて、図６の荷重ＰＨ，ＰＬよりコイルの変位量σＨ、σＬを求める。その際、まず荷重ＰＨ，ＰＬを応力値τに変換する。
τＨ＝８ｋ・D・ＰＨ /（πn・ｄ³）・・・（３）
τＬ＝８ｋ・D・ＰＬ /（πn・ｄ³）・・・（４）

τＨ、τＬよりτ―γ線図（図８）を用いてそれぞれの温度ＴＨ，ＴＬでの歪量γＨ、γＬを求める。そして、既出の式（２）からコイルの変位量σは、以下の式で求められる。
σ＝πn・D²・γ/（ｋ・ｄ） ・・・（５）

高温時と低温時の各コイルの変位量σＨ、σＬはそれぞれ次のようになる。
σＨ＝πn・D²・γ/（ｋ・ｄ） ・・・（６）
σＬ＝πn・D²・γ/（ｋ・ｄ） ・・・（７）
したがって、図６の形状記憶合金コイルのストローク量（変化量）Ｈは、
Ｈ＝σＨ―σＬ
＝πn・D²・（τＨ―τＬ）/（ｋ・ｄ）・・（８）
となる。

式（１）から（８）に用いた記号を以下に示す。
ｄ：コイル線径（mm）
Ｄ：コイル平均径（mm）
ｎ：コイル有効巻数
Ｌ：コイル自由長（mm）
τ：ねじれ応力（kg/mm²）
γ：ねじれ歪
Ｐ：荷重（Kg）
σ：たわみ（mm）
Ｃ：バネ指数
ｋ：応力修正係数

ここで、図３のバネ２１の具体例を示す。形状記憶合金の歪量を１．０％とし、コイル線の径ｄ＝1.0ｍｍ、コイル平均の径Ｄ＝７ｍｍ、コイル有効まき数Ｎ＝５とする。図７の歪量１．０％のグラフから、温度５０℃の時の荷重は約０．３Ｋｇ、温度６０℃の時の荷重は約０．７ｋｇとなる。それぞれの温度時のねじれ応力τＨ、τＬは15.447 kg/mm²、6.620 kg/mm²となる。ねじれ歪γＨ、γＬは、それぞれ1.1%、0.3% となる。コイルの変位量σＨ＝6.839mm、σＬ＝１.865mmとなる。したがって、形状記憶合金のストローク量Ｈは4.974mmとなる。図３におけるバネ２２は、０．３Ｋｇのバネ力を有することで低温（５０℃）では図３（ａ）の状態を保つ。筐体内の温度が上昇して高温（６０℃）になるとバネ２１は4.974mm伸びて約０．７Ｋｇの力を発生し、放熱板２０を約400ｇの力で押すことになる。その結果、放熱板は筐体に押さえつけられる（図３（ｂ））。

図３の接続手段２１、２２の機能をまとめると以下のようになる。ＰＣが動作して、筐体内の温度上昇とともに、バネ２１はその伸び率（ｍｍ／℃）に応じて徐々に伸びていく。図３（ａ）は、バネ２１が伸びていく途中の様子を示している。バネ２１の伸びに応じてバネ２２は圧縮されていき、同時に放熱板２０は筐体１２に近づく。温度が予め決めた温度（例えば５０℃）になると、放熱板２０の端部は筐体１２に押し付けられる（図３（ｂ））。その設定温度以上では、放熱板２０の端部は筐体に接続したままになる。ＣＰＵ１８の熱は、熱伝導性弾性体１９と放熱板２０を経由して筐体１２に伝導する。筐体に伝導した熱は、筐体の裏面を流れるエアーフロー３２により除去される。同時に、筐体の表面から外気へ放熱される。このとき、表面積の大きい筐体自身が新たな放熱板の役割を果たす。この筐体への熱伝導および筐体からの放熱によりＣＰＵ１８の冷却効果が向上する。コア筐体１２内の温度が低下して、設定温度（例えば５０℃）よりも下がると、バネ２１の縮み量が大きくなり、放熱板２０の端部は筐体から離れる。バネ２２は、この高温から低温への放熱板の動きを迅速にする。また、バネ２２は放熱板２０を筐体から一定距離（例えば０．５ｍｍ）に保つ働きをする。

＜測定データ＞
クレードル筐体１４に、コア筐体１２を接続したときのCPUの温度、筐体内部の温度、筐体表面の温度を、従来技術と本発明について測定したデータを下記に示す。

（１） （２）
CPUの温度 ： 72.0℃ 68.1℃
筐体内部の温度 ： 62.7℃ 59.3℃
筐体表面の温度 ： 53.7℃ 54.1℃

（１）：従来技術（50角ファンの40％動作、放熱板と筐体は非接触）
（２）：本発明（50角ファンの40％動作、放熱板と筐体は接触）

ＣＰＵの温度は熱弾性体付近の温度を、筐体内部の温度は放熱板の平均温度を、筐体表面温度は筐体ＣＰＵ寄りの表面平均温度をそれぞれ意味する。使用した放熱板の大きさは50mmｘ100mmｘ0.3mmのAl（A1010）である。この測定結果から、コア筐体を風量が確保できないクレードル筐体に装着した場合、本発明は従来技術よりも、CPUの温度を約4℃、筐体内部の温度を約3℃それぞれ下げることができた。

このように、本発明のＰＣ１０では、筐体内の温度が比較的低い温度（例えば５０℃以下）では、ファンによるエアーフローのみで冷却をおこなう。この時、放熱板と筐体の間隔が０．５ｍｍ以上あるので、エアーフロー３２が放熱板と筐体の間を流れ、筐体表面の高温化を抑制することができる。高温（例えば５０℃以上）では、エアーフローによる冷却に加えて、筐体を追加の放熱板として利用し、放熱面積を大きくして、放熱（冷却）効果を向上させる。その結果、動作時の筐体内の電子部品の温度が下がり、ＰＣの発熱に対する信頼性、安全性が向上する。

本発明について、図１−図５のＰＣを例にとり説明をした。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本発明の接続手段としては、温度依存性のバネを利用する以外に、温度センサの信号を受けて駆動する電磁石などを用いたスイッチング手段でもよい。所定の温度で放熱板の一部と筐体を接続し熱伝導路を形成できるものであれば、いかなる手段でもよい。ファンも一つの連続する筐体内に配置される場合でもよい。いずれの構成を採用するにしても、筐体内の発熱電子部品の冷却をエアーフローと筐体への熱伝導の双方を利用することにより、本発明はより冷却効果を発揮する。この本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形が可能であることは当業者には明らかであろう。

本発明のＰＣの斜め背面図である。 図１の本発明のＰＣの断面を示す図である。 図2の符号Bの部分の拡大図である。 ノート型PCに本発明のコア筐体を装着した立体図である。 図４のノート型PCのB方向の断面図である。 コイルバネの動作を示す模式図である。 一定のたわみσでのNi-Ti形状記憶合金の温度と荷重との関係を示す図である。 Ni-Ti形状記憶合金のねじり応力τとねじり歪γの間のτ―γ線図を示す。

符号の説明

１０ ＰＣ
１２ コア筐体
１４ クレードル筐体
１６ プリント配線板
１８ ＣＰＵ
１９ 熱弾性体
２０、４４ 放熱板
２１、２２ 接続手段（バネ）
２６、２８、３６ 開口
３０、４２ ファン
３２ エアーフロー
３３ コア筐体の底部
４０ ノート型PC

Claims (6)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置された、基板、当該基板に取り付けられた電子部品、前記電子部品に接続する放熱板、前記筐体内の温度に応じて前記放熱板を前記筐体に接続して前記電子部品から前記筐体への熱伝導路を形成するための接続手段、およびファンを備え、
   前記筐体は、第１開口と第２開口を有し、
   前記ファンは、前記第１開口から筐体内に取り入れたエアーを、前記基板と前記放熱板の間のスペースおよび前記放熱板と前記筐体の間のスペースに流して、前記第２開口から排出する、電子機器。
2. 前記接続手段は、前記基板と前記放熱板の端部領域に接続し、かつ温度に応じて形状が変化する部材を含み、当該部材の変化する力により前記放熱板の端部領域の前記接続手段が接続する表面の裏側の表面を前記筐体に接続あるいは非接続にして、
   前記接続手段は、前記筐体内の温度が予め決められた温度よりも高いか又は低いかに応じて、前記放熱板の少なくとも一部を前記筐体に接続又は非接続にする、請求項１の電子機器。
3. 前記部材は形状記憶合金からなるコイルバネを含む、請求項２の電子機器。
4. 前記形状記憶合金は、Ｎｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金である、請求項３の電子機器。
5. 前記筐体は、前記基板、前記電子部品、前記放熱板、および前記接続手段を内蔵するコア筐体部と、前記ファンを内蔵するクレードル筐体部を含み、
   前記第１開口は前記コア筐体部に、前記第２開口は前記クレードル筐体部にそれぞれ設けられる、請求項１の電子機器。
6. 前記電子部品はＣＰＵを含み、前記電子機器はパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）である、請求項５の電子機器。

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