JP4834460B2 - 電子機器用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の高発熱体部品を冷却するに適する小型で簡単な構造の電子機器用冷却装置に関する。

電子機器においては、取り扱う情報量の増大等からその情報の処理速度の高速化が要求されている。また、電子機器に使用される半導体集積回路は、急速に高集積化が進んできている。それらに伴って半導体から発生する発熱量もますます増大している。一方、液晶表示機器などの電子機器は、画面の高輝度化の要求によって、照射する光量が増大しており、表示素子部品における発熱量が増大している。

半導体は、発熱によって所定の温度以上になると半導体の持つ性能を確保できなくなるだけでなく、半導体自体が破損する。また、液晶プロジェクタ等では光の照射によって生じる熱によって液晶パネルの品質や寿命の劣化が促進される。よって、電子機器においてこれらの発熱体の冷却を効率良く行うことは必須要件とされている。しかも、電子機器の小型化、高性能化に対応するために小型で、高効率な冷却装置の開発が期待されている。

近年、この電子機器の冷却方式としては、冷却能力に比して小型化、静音性で優位性を持つと考えられている液冷システムが使用されている。この液冷システムを使用したノートＰＣの例として特許文献１が挙げられる。
また、液冷システムよりも冷却性能の向上が期待できる方法として、冷却液の蒸発及び凝縮の相変化を利用した潜熱冷却システムがある。潜熱冷却としてヒートパイプによる小型の冷却装置が特許文献２に記載されている。

電子機器における増大する発熱量に対し、効率良く冷却を行うための冷却方式の開発とともに、電子機器の小型化や、特殊性などに合わせて受熱部材と放熱部材までの熱伝達、熱移送の工夫などによる冷却装置の小型化、簡素化の開発がなされている。具体的には、特許文献１では、ノートＰＣの表示部側に放熱部材を設け、表示部の開閉に対して、受熱部材と放熱部材との間の冷媒液を循環する熱移送手段をフレキシブルチューブによって行っている。特許文献２では、キーボード部に配したヒートパイプと発熱部に接続したヒートパイプとを柔軟性を有する高熱伝導性シートで接続して、キーボード側のヒートパイプと発熱体側のヒートパイプの間を屈曲可能としてキーボードの開閉を行う構造に対応している。さらには、特許文献３では、液晶プロジェクタの光源の照射による液晶パネルの発熱をヒートシンク部に熱移送するための熱伝達手段として柔軟性高熱伝導材を使用している。
特許文献２および特許文献３に記載された高熱伝導性シートを熱移送部材から直接の放熱部材とした実施例として特許文献４がある。

特開平７−１４２８８６号公報 特開平１０−３９９５５号公報 特開平１１−１３３３８９号公報 特開２００５−３１１０７９号公報

特許文献１に開示されている冷却システムは、ノートＰＣの薄型の構造に対応した液冷システムである。この液冷システムは、放熱部材を表示部側の背面に配置し、本体側に配置された発熱部材との間で冷媒液を循環する構成としている。よって、冷媒液を封入したフレキシブルチューブで発熱体の熱を放熱しやすい場所に配置した放熱部材に熱移送を行えるので、発熱体に大形のヒートシンクを直接取り付ける必要も無く、電子機器内の部品配列などの影響を受けずに冷却できるメリットを有している。しかし、冷媒液を使用しているために液漏れの懸念は自ずとして有することになる。

特許文献２に開示されている冷却システムは、ヒートパイプをノートＰＣに搭載した冷却装置である。この冷却装置は、開閉自在なキーボードや、ディスプレー部の筐体を放熱部材として利用するために、ヒンジ部における熱接続を高熱伝導性シートで行っている。ヒンジ部を柔軟性のある高熱伝導性シートで接続しているので、回動自在な装置においてもヒートパイプを使用可能として冷却効率を上げることができる。しかし、連結する二つのヒートパイプは蒸発温度を異にして管理される必要がある上に、両ヒートパイプの熱接続部分を完全に外気と断熱する構造等を必要とする。これらの管理が不十分であると、冷却装置として機能しない場合が生じる。

特許文献３に記載の冷却方式は、基本的にはヒートシンクによる空冷方式であるが、液晶プロジェクタの液晶パネルに発生した熱をヒートシンクに熱伝達移送する手段として柔軟性熱伝導部材を使用している。液晶パネルの配置状態のようにヒートシンクを配置するスペースなどに十分な余裕がない場合に置かれた発熱体の冷却や、液晶パネルに応力等を付加したくない場合の熱接続手段としてシート状のメリットは大いに期待できる。しかし、特許文献２同様に、単なる熱伝導移送手段として使用しているに過ぎず、放熱のための大形のヒートシンクを有するために電子機器の小型化は実現出来ていない。

特許文献４には、高熱伝導シートを単に熱伝導手段として利用しただけではなく、その高熱伝導性を活かして熱移送と放熱を行う冷却装置が記載されている。ただ、高熱伝導シートの熱伝導率が優れるのは、平面内における熱伝導であるため、発熱体とヒートシンクの間に介在させての熱伝達方法では、逆にヒートシンクへの熱伝達効率は阻害されることになる。よって、熱伝導の方法も、まず、発熱体とヒートシンクを接触させて発熱体の熱を一旦ヒートシンクに伝達し、次にヒートシンクと熱伝導シートを接触している部分によってヒートシンクに伝達された熱を熱伝導シートに伝達して放熱しなければならない。したがって、ヒートシンクからの放熱とともに熱伝導シートからも放熱する補助機能として作用させるものでしかない。

本発明は、上述した冷却装置の問題を解決して、小型、薄型の電子機器に対応できる簡素構造の小型で、高効率な冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、上記のような小型の電子機器における発熱体の形状や配置状態に関する冷却上の課題を解決するために、発熱体の状況に容易に対応できるように冷却装置を構成するものである。即ち、発熱体から熱を受熱する受熱部と受熱した熱を放熱部まで移送する移送部と移送された熱を放熱する放熱部とを少なくとも１つの高熱伝導シートの平面上に構成され、受熱部と移送部と放熱部とが前記高熱伝導シートの熱伝達平面内で熱接続される構成としている。

さらには、受熱部を第１の高熱伝導シートで構成し、放熱部を複数の第２の高熱伝導シートで構成して、移送部を第１の高熱伝導シート、または第２の高熱伝導シートのどちらか一方に配置し、複数の第２の高熱伝導シートと第１の高熱伝導シートを熱接続する熱接続部材を有し、熱接続部材を操作することによって、第１の高熱伝導シートと複数の第２の高熱伝導シートのどれか１つとの熱接続について前記熱接続部材を介して切り替え可能とする構成を有している。

また、この切り替え可能な熱接続部材は、同一の高熱伝導シートで構成されるものであり、この熱接続部材の切り替え速度を制御することが可能な構成とすれば、電子機器に対応したさらに最適な冷却装置とすることが可能である。

上記のような構成とした本発明によれば、冷却装置をシート状の高熱伝導材で構成するため、発熱体で発生する熱を小スペースで簡単な構成で冷却することができる。即ち、薄型、小型の電子機器において空冷による冷却方式しか採り難かった限られた領域に配置される発熱体や、特殊な形状や場所に配置される発熱体においても冷却可能とする小型で高効率な冷却装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照にして説明する。なお、以下に説明する実施例では電子機器としてノートＰＣを説明するが、電子機器はノートＰＣに限定されない。

実施例１を図１および図２を参照して説明する。ここで、図１は冷却装置が搭載されたノートＰＣの構成を説明する透視側面図である。図２は冷却装置の展開図である。

図１において、ノートＰＣ１は、筐体４の内部にプリント基板６に実装された半導体集積回路である発熱体２と冷却装置３とを有する。冷却装置３の受熱部３１は発熱体２に接触して熱伝達されてて受熱する。熱移送部３２は受熱部３１で受熱した熱を放熱部３３に熱伝導する。放熱部３３は移送部３２によって伝導された熱を表示部５から放熱する。

次に冷却装置３の構成の詳細と作用について、図２を用いて説明する。図２において、受熱部３１、熱移送部３２、放熱部３３は、１枚の高熱伝導シート（カーボングラファイトシート）で構成されている。ここで、受熱部３１や放熱部３３の表面積は、発熱体２の形状や発熱温度、電子機器（ノートＰＣ）としての冷却温度の仕様、発熱体の発熱温度や電子機器の冷却温度の仕様に対する放熱量などによって定められる。一般的には、放熱部３３の面積は冷却効果をあげるために受熱部３１の面積より広くなり、図２に示す各部３１〜３３の形状はそれを概念的に示した。

図２の冷却装置３は、その基本形として１枚のシート状の高熱伝導材に一体的に受熱部３１、熱移送部３２、放熱部３３を形成した。しかし、１枚の高熱伝導シートで形の異なる受熱部３１、熱移送部３２および放熱部３３を一体的に形成すると、高熱伝導シートの素材の無駄部分が生じることになる。このため、各部３１〜３３を個別に分離して形成して接続しても良い。また、熱移送部３２を受熱部３１、放熱部３３のどちらかに一体的に形成して２つの部材として接続しても良い。

さらに、熱移送部３２は、移送を行う特別な形状を特定するものものでもなく、熱移送部３２においても放熱作用が働くことから、放熱部３３と熱移送部３２を区別して形成するのではなく、熱移送部３２としての形状を割愛して形成しても良い。よって、電子機器における受熱部３１と放熱部３３の配置された状態に対応させて熱伝達するのに最適な形状、構成を用いれば良い。

ただ、複数の高熱伝導シートを接続する場合には、分離形成した各部は、異方性を有する高熱伝導性の特性を考慮して熱伝導面同志を接触させることが好ましい。なぜならば、高熱伝導シート（カーボングラファイトシート）は、一般的に熱伝導効率に異方性を有しているからである。すなわち、平面方向の熱拡散率は銅の約２倍程度に優れるものであるが、厚さ方向の熱拡散率は銅の約数１０分の１程度になり、厚さ方向への熱伝導は逆に熱抵抗として作用するからである。ここで、発熱体２の熱を受熱部３１から受熱し、熱伝導して放熱部３３から放熱して発熱体２を冷却する作用は、この異方性の高熱伝導性の特性を利用している。

本実施例の冷却装置３は、前述のように非常に熱伝導率に優れるために、発熱体２の熱を受熱部３１によって受熱して、熱移送部３２から放熱部３３に向けて非常に速やかに熱伝達する。よって、放熱部３３よりの放熱量が十分であれば、薄型で簡単な冷却装置が実現できる。

実施例２について図３を参照して説明する。ここで、図３は冷却装置の構成を説明する斜視図である。
なお、図３を説明する前に、一般的な冷却装置において使用される部材の物性から、放熱部の必要面積を求める。

表１ 冷却装置の部材の物性
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カーボン アルミ
グラファイト 水 銅 ニウム
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比熱(J/g/K) 0.75〜0.85 4.22 0.379 0.88
密度(kg/m³) 1.55〜1.80 1 8.9 2.8
熱伝導率(W/m/K) 600〜800 0.58 350〜400 200〜240
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表１は、一般的な冷却装置において使用される物質の物性を比較して示したものである。カーボングラファイトの熱伝導性が優れることは上述した通りである。よって、熱伝導の問題はない。一方、カーボングラファイトシートの比熱は、銅やアルミニウム等の放熱部材の材質と比較しても見劣りのない、小さくない値を有する。これから、十分な受熱作用と、放熱作用を発揮できるものである。

このことは、冷媒液による冷却装置において対応されているような、受熱部を熱伝導の良い銅などの材質で構成し発熱体の熱を受熱しながら、比熱が大きくて温まり難い冷媒液に熱伝達するために冷媒液との接触面積を増大するフィン等を流路内に設ける構成としたり、放熱部を冷め難い冷媒液から放熱するためにアルミニウム等による材質で外気と接触面積を増大させるフィンを設ける構成としたりする等の複雑で大形の構造が不要となる。このことからも冷却装置の簡素化と小型が可能である。

ここで、所定の発生熱量Ｑを所定の温度に冷却する場合、発熱温度と冷却温度との温度差ΔＴとすると、熱容量Ｃとの関係は（１）式に示すものであるから、放熱部には所定の熱容量Ｃを必要とすることである。

Ｑ＝ΔＴ・Ｃ………（１）
また、熱容量Ｃは、物質の比熱Ｃｐと質量Ｍとの関係において（２）式に示されるものである。

Ｃ＝Ｃｐ・Ｍ………（２）
即ち、カーボングラファイトシートと冷媒液との熱容量の比率は、表１に示される比熱と密度とから算出すると、おおよそ、カーボングラファイトシート：水＝１：４である。よって、発生熱量Ｑと、冷却温度差ΔＴと物質の特性Ｃｐ、Ｍの関係は（３）式に示されるため、液冷の冷媒液による冷却と同性能の冷却を行うには冷媒液の単位あたり時間に放熱部を通流する流量体積の４倍程度の放熱部面積を有すればよいこととなる。

Ｑ＝ΔＴ・Ｃｐ・Ｍ………（３）
図３を参照して、小型の電子機器における放熱部面積を確保するための構成を説明する。図３に示す冷却装置３Ａは、放熱部３３として、２面の放熱部３３ａ、３３ｂを併設して設けている。冷却装置３Ａは、図１に示した冷却装置３と置き換えることが可能であり。ノートＰＣ１において薄型のシート状の放熱部３３ａ、３３ｂを併設することによって、ノートＰＣ１内の放熱部の投影面積を拡大することなく放熱面積を等価的に拡大することを図ったものである。

ここで、発熱体２の発熱を受熱部３１によって受熱し、受熱した熱を放熱部３３に伝達する方法として、熱伝達部材３４を矢印Ａ方向、あるいはＢ方向にスライドして、受熱部３１と放熱部３３ａ（熱移送部３２ａ）の熱接続状態と、受熱部３１と放熱部３３ｂ（熱移送部３２ｂ）の熱接続状態とに切り替え可能な構造としている。この伝達部材３４のスライド操作手段は、モータ７の軸の回転運動を複数のリンク機構８ａ〜８ｃを介して往復運動とすることにより、周期的に切り替える。この往復スライド操作を行う手段は、リニアモーションモータ、タイミングベルト等の他の機構で行っても良い。

接続部材３４が、高熱伝導シートのとき、受熱部３１と接続部材３４、および接続部材３４と放熱部３３ａ、（３３ｂ）の熱接続は熱伝達平面で接触させる。この放熱部３３ａ、あるいは放熱部３３ｂとの熱接続部材３４による熱接続の切り替え操作によって、放熱部３３ａまたは放熱部３３ｂのどちらか一方の放熱部が熱接続された状態では、他方の放熱部は受熱部３１と熱接続を開放されるようにする。この熱接続が開放された側の放熱部は、高熱伝導シートの熱伝導性の特性を利用して外気温度まで急速に下がる。即ち、受熱部３１と放熱部３３ａ、３３ｂの熱接続のＯＮ・ＯＦＦの作用は、液冷システムにおいて放熱部材で放熱された冷媒液を循環して受熱部材に通流する作用に相当することを示すものである。さらには、受熱部３１と放熱部３３ａ、３３ｂとの熱接続のＯＮ・ＯＦＦの切り替え速度は放熱部材で放熱した冷媒液を循環して受熱部材に通流する流量に相当することを示すものである。したがって、熱接続部材の切り替え速度（頻度）を制御することで、冷却装置の冷却性能を制御可能である。

図３における熱接続部材３４の切り替え操作は、２面の放熱部３３ａ、３３ｂを切り替えのためにスライド操作によって行っているが、３面以上の放熱部３３を切り替えることによって放熱量を増大させる効果を得たい場合には、回動操作や回転操作等の切り替え操作方法を行うことが好都合である。

本実施例においては、熱熱移送部３２ａ、３２ｂを放熱部３３ａ、３３ｂに一体的に設けているが、特別に熱移送部３２ａ、３２ｂとしての形状を形成しないで、受熱部３１と放熱部３３を接続部材３４で直接熱接続する構成としても良い。また、切り替え操作の時間を制御する装置を設けることで、電子機器対するより好的な冷却性能を実現できうる。勿論、受熱部と放熱部は、薄型の高熱導電性シートにて構成されるため発熱体の形状や放熱部の形状によって適宜最適な形状を選定できる。これらのことからも、小型で高性能な電子機器用の小型で簡略構造の冷却装置が可能である。

接続部材３４は、銅板またはアルミニウム板等の金属であっても良い。この場合、熱移送部３２と受熱部３１を近接させ、面的に接続部材３４と熱移送部３２と受熱部３１と接触させる。

冷却装置が搭載されたノートＰＣの構成を説明する透視側面図である。 冷却装置の展開図である。 冷却装置の構成を説明する斜視図である。

符号の説明

１…ノートＰＣ（電子機器）、２…発熱体、３…冷却装置、４…筐体、５…表示部、６…プリント基板、７…モータ、８…リンク、３１…受熱部、３２…熱移送部、３３…放熱部、３４…熱接続部材。

Claims (3)

1. 電子機器の発熱体を冷却する冷却装置において、
   前記発熱体に熱接続して受熱する受熱面と、該受熱面より伝達された熱を熱伝達する第１の熱接続面とが、同一面に設けられ、面方向に高熱拡散性をもつ一枚の第１の高熱伝導シートと、
   前記第１の熱接続面からの伝導熱を受熱する第２の熱接続面と、該第２の熱接続面より伝達された熱を放熱する第１の放熱面が、同一面に設けられ、面方向に高熱拡散性をもつ一枚の第２の高熱伝導シートと、
   前記第１の熱接続面からの伝導熱を受熱する第３の熱接続面と、該第３の熱接続面より伝達された熱を放熱する第２の放熱面が、同一面に設けられ、面方向に高熱拡散性をもつ一枚の第３の高熱伝導シートと、
   前記第１の熱接続面への接続面と、前記第２の熱接続面または前記第３の熱接続面への接続面とが同一面に設けられ、面方向に高熱拡散性をもつ一枚の第４の高熱伝導シートと、
   前記第４の高熱伝導シートの移動手段と、を備え、
   前記第４の高熱伝導シートの移動により、前記発熱体の発生熱は、前記第１の高熱伝導シート、前記第４の高熱伝導シート、前記第２の高熱伝導シートの順と、前記第１の高熱伝導シート、前記第４の高熱伝導シート、前記第３の高熱伝導シートの順と、を切り替えて熱伝達されることを特徴とする電子機器用冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子機器用冷却装置であって、
   前記放熱部は前記電子機器内に併設して設けられることを特徴とする電子機器用冷却装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子機器用冷却装置であって、
   前記第４の高熱伝導シートの切り替え速度を制御可能としたことを特徴とする電子機器用冷却装置。

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