JP5805587B2 - 放熱モジュール - Google Patents

Description

本発明は、放熱モジュールに関し、さらに詳しくは、共振効果を用いることによって気流を生じさせる放熱モジュールに関する。

近年、多くの電子デバイスが小型化、携帯性及び高性能に向かって開発されている。その結果、これらの電子デバイス内の電子コンポーネントは、ハイパワー又は高集積レベルを有さなければならない。電子デバイスの動作の間に、電子コンポーネントは、熱の形でエネルギーを生じさせ、この熱は、容易に蓄積して、放散させるのが困難である。熱を周囲の空気中に十分に移動させるための適切な放熱機構がなければ、動作温度が上って、電子コンポーネントの損傷、電子デバイス全体の故障又は動作効率の低下に繋がる。従って、電子コンポーネントから熱を放散させて、電子デバイスの温度を制御することは重要である。

一般に、電子デバイスで使用される放熱機構は、能動放熱機構と受動放熱機構に分けられる。

能動放熱機構によれば、軸流ファン又は送風機が電子デバイス内に配置され、比較的大容量の気流が生じる。その結果、電子デバイスによって生成される熱は、効果的に周囲に排出される。しかしながら、軸流ファンの動作の間、望まないノイズが生成される。さらに、軸流ファンは、嵩高い体積を有する。さらに、軸流ファン又は送風機の耐用年数が長くないので、軸流ファン又は送風機は、小型の携帯型電子デバイスでは熱を放散させるために適切に使用されない。

受動放熱機構によれば、ヒートパイプ及び/又はフィンが電子デバイス内に配置される。ヒートパイプ及び/又はフィンを通じて、電子デバイスによって生成される熱の電子コンポーネントが電子デバイスの筐体へ移される。この熱は、自然対流によって周囲空気へ移される。しかしながら、受動放熱機構の放熱効率は、能動放熱機構より劣っている。さらに、受動放熱機構の放熱効率を高めるために、ヒートパイプ及びフィンは、高熱伝導性材料で形成すべきである。この事情のために、製造コストが増加し、材料選択が制限される。

上記欠点を解決するために、圧電アクチュエーターを用いるいくつかの他の放熱機構が開示されてきた。圧電アクチュエーターを使用して、ブレードの振動を駆動させて、気流を生じさせる。

図1は、米国特許第7061161（名称：「気流の妨げのない小さい圧電エアポンプ」）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。図2は、米国特許第7358649（米国特許第7061161からの優先権を主張する。）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。これらの開示では、T形状ブレードの一端が圧電素子と接続される。圧電素子は、T形状ブレードの他端を駆動して上下に振動させることができる。その結果、気流が生成されて、電子デバイスが冷却される。

図3は、米国特許第7742299（名称：電子デバイスを冷却するための圧電ファン）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。この実施形態では、少なくとも１つの圧電ファンがプリント回路基板(PCB)の裏側に配置される。圧電ファンの動作の間、気流が生成されて、PCBが冷却される。

図4は、米国特許公開第20110014069（名称：圧電ファンデバイス及びこれを用いた冷却装置）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。圧電ファンは、ブレード及びアクチュエータを備える。圧電ファンは、支持部材上に固定される。電源によって提供された電圧が支持部材を通じてアクチュエータへ印加されると、アクチュエータがブレードを駆動して振動させ、その結果、気流が生成される。

図5は、米国特許公開第20110150669（名称：プロペラ無しのファン）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。フレキシブル膜の両端が固定される。電磁力を利用してフレキシブル膜の振動を駆動することによって、固定された方向で気流が生成される。

図6は、米国特許第7793709（名称：ジェット生成デバイス及び電子装置）で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。振動板がハウジング内に配置される。振動板によって、ハウジングが上部チャンバー及び下部チャンバーに区切られる。ボイスコイルモータがハウジング内に配置され、振動板上に部分的に取り付けられる。ボイスコイルモータは、振動板を駆動して振動させる。振動板の正弦波振動が上部チャンバー及び下部チャンバーでの体積増減させる。上部チャンバー及び下部チャンバーでの体積の変化により、気流がノズルから排出される。

従来の放熱機構は、単一の方向に熱を放散させることができるので、気流の方向が制限され、電子デバイスの体積を減少させることが難しい。

従って、従来技術の欠点を除去する改良された放熱モジュールを提供することの必要性がある。

本発明は、放熱モジュールを提供する。この放熱モジュールは、少なくとも１つの振動素子、ブラケット、駆動ユニット、及び基体を含む。振動素子は、動作部及び自由端を含む。振動素子の動作部は、ブラケットを通じて駆動ユニットと接続される。駆動ユニットは、振動素子を駆動して上下に振動させることができる。さらに、共振振動によって、振動素子の自由端に大きな変位が生じる。その結果、気流が生成され、電子デバイスの熱源を冷却する。振動素子が軸流ファン又はフィンより小さくて薄いので、放熱モジュールの全体の体積及び厚さが明らかに低減され、電子デバイスのスペース利用が高められ、電子デバイスがスリムになる。

本発明の一観点によれば、放熱モジュールが提供される。この放熱モジュールは、少なくとも１つの振動素子、ブラケット、及び駆動ユニットを含む。振動素子は、動作部及び自由端を含む。ブラケットは、少なくとも１つの振動素子の動作部と接続される。駆動ユニットは、ブラケットと接続される。駆動ユニットがブラケットを駆動して、ある振動周波数で振動させると、振動素子は、ブラケットと一緒に動き、共振振動によって振動素子の自由端に変位が生じ、振動素子の自由端に気流が生成される。

本発明の別の観点によれば、放熱モジュールが提供される。この放熱モジュールは、少なくとも１つの振動素子及び駆動ユニットを含む。振動素子は、動作部及び自由端を含む。駆動ユニットは、少なくとも１つの振動素子と接続される。駆動ユニットは、少なくとも１つの振動素子を駆動して、ある振動周波数で振動させると、共振振動によって振動素子の自由端に変位が生じ、振動素子の自由端に気流が生成される。

本発明のさらに別の観点によれば、放熱モジュールが提供される。この放熱モジュールは、電子デバイス内に配置される。放熱モジュールは、少なくとも１つの振動素子及び駆動ユニットを含む。振動素子は、動作部及び自由端を含む。駆動ユニットは、少なくとも１つの振動素子と接続される。駆動ユニットが少なくとも１つの振動素子を駆動して、ある振動周波数で振動させると、共振振動によって振動素子の自由端に変位が生じ、振動素子の自由端に気流が生成され、電子デバイスが冷却される。

本発明の上記内容は、次の詳細な説明及び添付図面を通じて、よりよく理解されるであろう。

図1は、米国特許第7061161で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図2は、米国特許第7358649で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図3は、米国特許第7742299で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図4は、米国特許公開第20110014069で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図5は、米国特許公開第20110150669で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図6は、米国特許第7793709で開示された従来の放熱機構を概略的に示す。

図7は、本発明の第１実施形態による放熱モジュールを概略的に示す。

図8は、図7の放熱モジュールの振動素子、ブラケットと駆動ユニットの間の関係を概略的に示す。

図9は、図7の放熱モジュールの変形例を概略的に示す。

図10は、図7及び8に示す放熱モジュールの動作を概略的に示す。

図11は、本発明の第２実施形態による放熱モジュールを概略的に示す。

図12は、図11の放熱モジュールの変形例を概略的に示す。

本発明を次の実施形態を参照してより詳しく説明する。なお、この発明の好ましい実施形態の次の説明は、例示及び説明の目的のためにのみ、ここで示すものであり、開示された実施形態が本発明を網羅するものであるとか、開示された実施形態そのものに本発明が限定されるといったことは意図しない。

図7は、本発明の第１実施形態による放熱モジュールを概略的に示す。図8は、図7の放熱モジュールの振動素子、ブラケットと駆動ユニットの間の関係を概略的に示す。本発明の放熱モジュール1は、小型の携帯型電子デバイス(図示せず)へ適用してもよい。小型の携帯型電子デバイスの例は、タブレットパソコン又は電子ブックを含むがこれに限定されない。さらに、放熱モジュール1は、電子デバイスを冷却するための気流生成デバイスとして使用可能である。図7及び8に示すように、放熱モジュール1は、少なくとも１つの振動素子10、ブラケット11、駆動ユニット12、及び基体13を備える。振動素子10の例は、フレキシブル膜を含むがこれに限定されない。例えば、フレキシブル膜は、ポリエチレンテレフタレート(PET)で作られる。さらに、振動素子10は、動作部101及び自由端102を備える。ブラケット11は、少なくとも１つの振動素子10の動作部101と接続される。駆動ユニット12は、基体13上に配置され、ブラケット11と接続される。駆動ユニット12は、ブラケット11を駆動して振動周波数Fで振動させる。振動素子10の動作部101は、ブラケット11と接続されているので、動作部101は、ブラケット11と一緒に動く。振動周波数Fは、振動素子10の固有周波数fと一致する。共振振動によって、振動素子10の自由端102は、変位を有する。その結果、放熱モジュール1は、振動素子10の自由端102で気流を生成し、この気流が電子デバイスを冷却する。この実施形態では、ブラケット11は、接続アーム110、第１表面111、及び第２表面112を備える。ブラケット11の第１表面111及び第２表面112は、対向している。振動素子10は、接続アーム110のエッジ110aに位置し、ブラケット11の第１表面111上に配置される。駆動ユニット12は、接続アーム110の中間部110b上に配置され、ブラケット11の第２表面112と接続される。この実施形態では、駆動ユニット12の駆動部121は、接着手段又は取付手段によってブラケット11と接続される。別のいくつかの実施形態では、振動素子10の動作部101は、接着手段又は取付手段によって駆動ユニット12の駆動部121と直接接続される(図9を参照)。この実施形態では、駆動ユニット12は、ボイスコイルモータ又は圧電アクチュエーターである。ボイスコイルモータ及び圧電アクチュエーターの動作原理は、周知であり、ここでは冗長な説明を行わない。

この実施形態では、振動素子10は、扇形形状を有する。さらに、振動素子10の動作部101は、接続アーム110のエッジ110aに位置し、ブラケット11の第１表面111上に配置される。駆動ユニット12は、ブラケット11の振動を駆動し、これによって振動素子10の動作部101の運動を駆動することができる。いくつかの実施形態では、振動素子10は、10〜200Hzの固有周波数を有するフレキシブル膜である。好ましくは、振動素子10は、薄くて軽い材料（例：PET)で作られる。図7及び8に示すように、放熱モジュール1は、２つの振動素子10を有する。さらに、これらの２つの振動素子10は、ブラケット11の接続アーム110の２つのエッジ110aに対称的に位置する。その結果、放熱モジュール1は、２つの領域で熱源を冷却することができる。振動素子10の数は、実際的要求に従って変更可能である。例えば、いくつかの実施形態では、放熱モジュールは、１又は３以上（例：３)の振動素子10を有してもよい。さらに、放熱効率を高めるために、振動素子の位置及び寸法は、電子デバイス内の熱生成コンポーネント(図示せず)の位置及び電子デバイスの筐体上の気流出入口の位置に従って決定可能である。例えば、放熱モジュールが単一の振動素子を有する場合、放熱モジュールによって生成される気流は、特定の熱源へ向かって単一の方向で流れるようにしてもよい。さらに、大量の気流を生じさせるために、大型の振動素子が使用可能である。

図10は、図7及び8に示す放熱モジュールの動作を概略的に示す。駆動ユニット12が起動されると、駆動部121は、ブラケット11を駆動して上下に振動させ、これによってブラケット11の変位Tを生じさせることができる。振動素子10の動作部101がブラケット11と接続されているので、振動素子10の動作部101も上下に振動する。駆動ユニット12の振動周波数Fが振動素子10の固有周波数fと一致すると、共振現象が起こる。共振現象によって、振動素子10の自由端102は、上下に振動して変位Hを生じさせる。変位Hは、変位Tより大きい。言い換えると、振動素子10の動作部101が駆動ユニット12によって駆動されて小さい変位Tが生じると、振動素子10の自由端102には、より大きな変位Hが生じる。その結果、振動素子10の自由端102で気流が生成され、電子デバイスの電子コンポーネントから熱を放散させる。さらに、従来の放熱機構で使用される軸流ファン又はフィンは、本発明の放熱モジュール1の振動素子10によって置換可能である。振動素子10は、軸流ファン又はフィンより小さくて薄いので、放熱モジュール1の全体の体積及び厚さは、明らかに低減される。これによって、電子デバイスは、スリムになる。

放熱モジュール1の振動素子10の形状は、実際的要求に従って変更可能であることに注目すべきである。図11は、本発明の第２実施形態による放熱モジュールを概略的に示す。図11に示すように、放熱モジュール2は、振動素子20、ブラケット21、駆動ユニット22、及び基体23を備える。駆動ユニット22及び基体23の構成は、第１実施形態のものに類似し、ここでは冗長な説明を行わない。この実施形態では、振動素子20は、円形ディスク形状を有する。振動素子20は、動作部201及び自由端202を備える。振動素子20の動作部201は、ブラケット21と接続されているので。駆動ユニット22は、ブラケット21の中間部と接続される。駆動ユニット22が起動されると、駆動ユニット22は、ブラケット21を駆動して上下に振動させることができる。振動素子20の動作部201は、ブラケット21と接続されているので、振動素子20の動作部201も上下に振動する。駆動ユニット22の振動周波数Fが振動素子20の固有周波数fと一致すると、共振現象が起こる。共振現象によって、振動素子20の自由端202が上下に振動して、変位を生じる。振動素子20の動作部201が駆動ユニット22によって駆動されて小さい変位を生じさせると、振動素子20の自由端202がより大きな変位を生じさせることができる。その結果、振動素子20の自由端202に気流が生成され、電子デバイスの電子コンポーネントから熱を放散させる。さらに、振動素子20が円形ディスク形状を有するので、振動素子20の円形の自由端202で生成される気流が完全に円形の気流である。完全に円形の気流によって、フラットな電子デバイスの放熱効率が高められる。

別のいくつかの実施形態では、放熱モジュール2の振動素子20は、リング形状を有してもよい。この構成及び動作原理は、上記実施形態のものに類似しており、ここでは冗長な説明を行わない。

さらに、振動素子20の形状を変化させることによって、振動素子20の振動モード及び固有周波数は、調節可能である。例えば、振動素子20の重量を増減させることによって、振動素子20の振動モード及び固有周波数は、調節可能である。図12は、図11の放熱モジュールの変形例を概略的に示す。図12に示すように、振動素子20は、１又は複数の調節構造203をさらに備える。調節構造203は、振動素子20の振動モード及び固有周波数を調節するために使用される。さらに、駆動ユニット22へ入力される電圧の周波数を交互に変化させることによって、振動素子20の異なる領域に交互に共振現象が生じる。一実施形態では、調節構造203は、複数の重り構造2031を含む。これらの重り構造2031は、振動素子20の自由端202上に配置され、振動素子20の全重量を増加させる。例えば、２つの重り構造2031が振動素子20の自由端202の２つの対向する第１領域202aに位置し、振動素子20の全重量を増加させる。さらに、重り構造2031は、円弧形（これに限定されない）であり、重り構造2031のエッジを、振動素子20の自由端202のエッジと一致させることができる。重り構造2031は、自由端202のエッジに沿って振動素子20の表面上に取り付け又は接着される。いくつかの他の実施形態では、調節構造203は、複数の穿孔2032又は複数の凹構造(図示せず)をさらに含む。これらは、振動素子20の表面に形成され、振動素子20の重量を減少させる。その結果、振動素子20の固有周波数がそれに合わせて調節される。

放熱モジュール2の駆動ユニット22へ入力される電圧の周波数を交互に変化させることによって、駆動ユニット22の振動周波数がそれに合わせて変更される。駆動ユニット22の振動周波数に従って、調節構造203を有する振動素子20の振動モードが変更される。その結果、振動素子20の異なる領域に交互に共振現象が生じる。例えば、調節構造203（例：重り構造2031及び穿孔2032)を有する振動素子20は、複数の固有周波数（例：第１固有周波数f1及び第２固有周波数f2)を有する。駆動ユニット22へ入力された電圧の第１周波数F1が振動素子20の第１固有周波数f1と一致すると、振動素子20の自由端202の第１領域202aで共振現象が起こる。その結果、駆動ユニット22は、第１領域202aを第２領域202bよりも大きな振幅で上下に振動させる。この状況下では、放熱モジュール2の第１領域202aからより大きな気流が生成される。一方、駆動ユニット22へ入力された電圧の第２周波数F2が振動素子20の第２固有周波数f2と一致すると、振動素子20の自由端202の第２領域202bで共振現象が起こる。その結果、駆動ユニット22は、第２領域202bを第１領域202aよりも大きな振幅で上下に振動させる。この状況下では、放熱モジュール2の第２領域202bからより大きな気流が生成される。言い換えると、振動素子20は、駆動ユニット22へ入力される電圧の周波数を変化させることによって異なる振動周波数で異なる振動モードで振動可能である。駆動ユニット22は、振動素子20の異なる領域の自由端202を選択的に駆動して振動させるので、電子デバイスの異なる熱源を冷却するために、気流の方向が変更可能である。

上記説明から、本発明の放熱モジュールは、少なくとも１つの振動素子、ブラケット、駆動ユニット、及び基体を備える。振動素子は、動作部及び自由端を備える。振動素子の動作部は、ブラケットを通じて駆動ユニットと接続される。駆動ユニットは、振動素子を駆動して上下に振動させることができる。さらに、共振振動によって、振動素子の自由端に、大きな変位が生じる。その結果、気流が生成され、電子デバイスの熱源が冷却される。さらに、振動素子は、軸流ファン又はフィンより小さくて薄い。その結果、放熱モジュールの全体の体積及び厚さが明らかに低減される、電子デバイスのスペース利用が高められ、電子デバイスがスリムになる。さらに、放熱効率を高めるために、振動素子の位置及び数は、電子デバイス内の熱生成コンポーネント(図示せず)の位置及び電子デバイスの筐体上の気流出入口の位置に従って決定可能である。

最も実用的で好ましい実施形態であると現在は考えているものについて本発明の説明を行ったが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要がないことが理解されるべきである。逆に、本発明は、添付の請求項の精神と範囲内に含まれる種々の修正及び類似の構成を含むことが意図される。添付の請求項は、全てのこのような修正及び類似構造を包含するように最も広い解釈が与えられる。

Claims (17)

1. それぞれが動作部及び自由端を備える第一及び第二振動素子と、
   前記第一及び第二振動素子のそれぞれの動作部と接続されたブラケットと、
   前記ブラケットと接続された駆動ユニットを備え、
   前記第一及び第二振動素子は、それぞれ前記ブラケットから第一及び第二方向へ延伸し、前記駆動ユニットが前記ブラケットを駆動して、ある振動周波数で振動させると、前記第一及び第二振動素子が前記ブラケットと一緒に動き、共振振動によって前記第一及び第二振動素子のそれぞれの自由端に変位が生じて、これらの自由端に気流が生成され、
   前記駆動ユニットへ入力される電圧の周波数を交互に変化させることによって、前記第一及び第二振動素子は、異なる振動モードを有し、これによって、前記気流の方向が調節可能である、放熱モジュール。
2. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記振動周波数は、前記第一及び第二振動素子の固有周波数と一致する、放熱モジュール。
3. 請求項2に記載の放熱モジュールであって、前記固有周波数は、10と200Hzの間の範囲である、放熱モジュール。
4. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二振動素子は、フレキシブル膜である、放熱モジュール。
5. 請求項4に記載の放熱モジュールであって、前記フレキシブル膜は、ポリエチレンテレフタレート(PET)で作られる、放熱モジュール。
6. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記放熱モジュールは、基体をさらに備え、前記駆動ユニットは、前記基体上に配置される、放熱モジュール。
7. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記ブラケットは、接続アーム、第１表面、及び第２表面を備え、前記第一及び第二振動素子のそれぞれの動作部は、前記接続アームと接続され、前記ブラケットの前記第１表面上に配置され、前記駆動ユニットは、前記ブラケットの前記第２表面と接続される、放熱モジュール。
8. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記駆動ユニットは、ボイスコイルモータ又は圧電アクチュエーターである、放熱モジュール。
9. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二振動素子は、扇形形状、円形ディスク形状又はリング形状を有する、放熱モジュール。
10. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二振動素子は、少なくとも１つの調節構造をさらに備え、前記少なくとも１つの調節構造は、前記第一及び第二振動素子のそれぞれの表面上に配置されて前記第一及び第二振動素子のそれぞれの重量を増減させ、これによって前記第一及び第二振動素子のそれぞれの前記固有周波数を変化させる、放熱モジュール。
11. 請求項１０に記載の放熱モジュールであって、前記調節構造は、前記第一及び第二振動素子のそれぞれの重量を増加させる重り構造である、放熱モジュール。
12. 請求項１０に記載の放熱モジュールであって、前記調節構造は、前記第一及び第二振動素子のそれぞれの表面に形成され且つ前記第一及び第二振動素子のそれぞれの重量を減少させる穿孔又は凹構造である、放熱モジュール。
13. 請求項１に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二の方向が、互いに反対の方向である、放熱モジュール。
14. それぞれが動作部及び自由端を備える第一及び第二振動素子と、
    前記第一及び第二振動素子のそれぞれと接続された駆動ユニットを備え、
    前記第一及び第二振動素子は、それぞれ前記駆動ユニットから第一及び第二の方向へ延伸し、前記駆動ユニットが前記第一及び第二振動素子を駆動して、ある振動周波数で振動させると、共振振動によって前記第一及び第二振動素子のそれぞれの自由端に変位が生じて、これらの自由端に気流が生成され、
    前記駆動ユニットへ入力される電圧の周波数を交互に変化させることによって、前記第一及び第二振動素子は、異なる振動モードを有し、これによって、前記気流の方向が調節可能である、放熱モジュール。
15. 請求項１４に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二の方向が、互いに反対の方向である、放熱モジュール。
16. 電子デバイス内に配置される放熱モジュールであって、前記放熱モジュールは、
    それぞれが動作部及び自由端を備える第一及び第二振動素子と、
    前記第一及び第二振動素子のそれぞれと接続された駆動ユニットを備え、
    前記第一及び第二振動素子は、それぞれ前記駆動ユニットから第一及び第二の方向へ延伸し、前記駆動ユニットは前記第一及び第二振動素子を駆動して、ある振動周波数で振動させると、共振振動によって前記第一及び第二振動素子のそれぞれの自由端に変位が生じて、これらの自由端に気流が生成されて前記電子デバイスが冷却され、
    前記駆動ユニットへ入力される電圧の周波数を交互に変化させることによって、前記第一及び第二振動素子は、異なる振動モードを有し、これによって、前記気流の方向が調節可能である、放熱モジュール。
17. 請求項１６に記載の放熱モジュールであって、前記第一及び第二の方向が、互いに反対の方向である、放熱モジュール。