JPH0817980A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 動作中発熱する電子デバイスを備えた電子機
器に適用して好適な冷却装置を提供する。 【構成】 動作中発熱する電子デバイス（１）を備えた
電子機器に、発熱体を冷却するための電子冷却素子
（２）、放熱用ヒートパイプ（４）および電子冷却素子
と放熱用ヒートパイプの間に熱伝導性が良く、可撓性の
ある、金属製の伸縮可能な熱伝導機構（３）を介挿させ
て構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像素子のよう
な動作中発熱する電子デバイスを備えたビデオカメラや
電子カメラなどの電子機器に適用できる冷却装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来ビデオカメラや電子カメラなどの電
子機器ではＣＣＤなどの固体撮像素子を用い、光学レン
ズを通して素子上に結像された像を撮像する撮像装置が
利用されている。しかしながら上記のような撮像装置を
駆動すると、固体撮像素子、及びその駆動回路が発熱
し、それらの発熱による固体撮像素子の温度上昇に伴っ
て暗電流が増加するため画像が劣化する。暗電流は１０
℃につき約２倍の増加があり、駆動電力が小さい素子で
も１０℃前後の上昇があるため、特性の良い状態で安定
して駆動することが困難となっている。特に、暗い撮影
条件下においてアンプゲインを大きくしたり、電荷蓄積
時間を長くして高感度を得ようとすると、暗電流の影響
が大きくなって画像劣化が著しくなる。そこで、前記暗
電流を抑えて固体撮像素子を特性の良い状態で駆動する
ためには、固体撮像素子を冷却しながら駆動することが
考えられる。

【０００３】固体撮像素子を備えた電子機器の冷却装置
または冷却による恒温化法としては、幾つかの方法が既
に提案されている。例えば、図２に示す実開平５−２９
２３６６号公報「電子機器の冷却装置」に記載されたも
のなどがある。これは内側に摺動自在に嵌合されたピス
トン７を含むシリンダ８がペルチェ素子２に接続されて
おり、そのピストン７の先端は球面に形成され、その球
面に沿って摺動自在に嵌合された自在スペーサ６をピス
トン７を介して固体撮像素子１の背面に平行に当ててコ
イルバネ９で押し付ける構造をしている。ペルチェ素子
２の放熱側はループ型細管放熱用パイプ１０に接続され
ており、このパイプを通してカメラ筐体外部へ放熱する
ようになっている。自在スペーサ６の凹面はピストン７
の先端の凸面と接し、シリンダ８の円筒側壁はピストン
７の円柱側面と接し、２つのすり合わせ面が存在するた
め、回転運動と前後運動の両方について自由度を持ち、
ペルチェ素子の取り付け位置や取り付け姿勢にバラツキ
があっても、固体撮像素子に機械的なストレスを与えな
いようにできる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先願例は発熱
体１と電子冷却素子２との間に２つのすり合わせ面（ス
ペーサ６とピストン７の間およびピストン７とシリンダ
８の間）が存在するため、熱伝達効率が悪くなる欠点が
ある。すなわち、すな合わせ面が可動であるためには僅
かのすき間が必要であり、この隙間には気体または液体
からなる流動体が存在することになるが、気体または液
体の熱伝導率は固体のそれに比べて著しく悪いことは明
らかである。例えば０℃での空気の熱伝導率は２．４１
×１０^-2Ｗ／ｍＫ、油の熱伝導率は０．１３６Ｗ／ｍＫ
で、銅の熱伝導率４０３Ｗ／ｍＫと比べて約３桁以上悪
くなっている。また自在スペーサなどを含む複雑な緩衝
性機構は製作精度がないと熱伝達効果が落ち、安価に製
造することは容易ではなく、重量も大きくなるという欠
点がある。さらに、スペーサなどを含む緩衝性の電熱機
構は、熱容量や表面積が大きく、ペルチェ素子の冷却に
対して重い負荷となってしまう欠点があった。そこで本
発明の目的は、前述の問題点を解消し、動作中発熱する
電子デバイスを備えた電子機器を冷却し、簡単な構造で
冷却効率を落とすことのない伸縮可能な熱伝導機構を有
する冷却装置を提供せんとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明電子機器の冷却装置は、すなわち、動作中発熱
する電子デバイスを備えた電子機器において、前記発熱
する電子デバイスに密着させた電子冷却素子と、電子機
器の外部へ熱を輸送する放熱用ヒートパイプと、伸縮可
能な熱伝導機構とを具えるとともに、前記電子冷却素子
と前記ヒートパイプとの間に前記伸縮可能な熱伝導機構
を熱的に密着させたことを特徴とするものである。

【０００６】

【実施例】以下添付図面、図１および図３〜図９を参照
し、本発明装置をカラーＣＣＤカメラに適用した冷却装
置の実施例について説明する。図１に伸縮可能な熱伝導
機構として蛇腹型のベローズを用いた第１の実施例を示
す。吸熱側をＣＣＤ１に密着させたペルチェ素子２の放
熱側にベローズ３の一端を密着させ、他端には棒状や板
状をした放熱用部材であるヒートパイプ４が密着されて
いる。ベローズ３はアルミニウム、銅またはそれらの合
金などのような熱伝導性に優れた材質で作られている小
型のもで、ペルチェ素子２の放熱側とは銀ペーストや、
銀フェラが配合された無溶剤エポキシ系の熱伝導性接着
剤、あるいは低温ハンダなどで密着されている。ベロー
ズ３の他端も同様にヒートパイプ４と密着されている。
ベローズは構造上伸縮性に優れており、かつ回転、傾
き、煽りなどの機械的自由度を持つものであり、特に溶
接ベローズでは小型で短くてもバネ定数が小さいものを
作ることができる。

【０００７】さらにこのベローズの詳細な構造例を図３
を用いて説明する。図３（ａ）は四方を囲むように蛇腹
を配置したもので、その両端部には平たい金属板を取り
付け熱的な密着を容易にしている。図３（ｂ）は、複数
枚の蛇腹を並列に並べたものである。図３（ｃ）は丸形
の蛇腹からなるものである。また、これらの例を組み合
わせたり、切り出したりしても良く、図３（ｄ）のよう
に変形させても良い。また蛇腹の段数を変えることで、
最大変形量を任意に設計可能である。図４に蛇腹の製作
加工方法の例を断面図として具体的に示す。図４（ａ）
は折り曲げ加工、図４（ｂ）は溶接加工、図４（ｃ）は
プレス加工または押し出し加工によって製作したもの
で、いずれの場合にも同様の効果がある。

【０００８】図５は上記第１の実施例を用いた場合の全
体図を示し、カラーＣＣＤカメラへの取り付け例につい
て示している。カメラの後部には回路基板１５が、また
カメラ前部にはレンズ１６が取り付けられている。レン
ズ１６を介して入ってきた光はプリズム１１でＲ
（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光に分解される。プリズ
ム１１の光の出口には各々ＣＣＤが取り付けられる。本
発明をＲ、Ｇ、ＢそれぞれのＣＣＤ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂに
対して同様に用いて冷却を行う。２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは冷
却用のペルチェ素子で、３Ｒ、３Ｇ，３Ｂは熱伝導性の
ベローズである。放熱のための各ヒートパイプ４Ｒ、４
Ｇ、４Ｂは上方に向けて配置し、カメラ本体外筐１４の
上部から３本まとめて外部へ出す。各ヒートパイプが筐
体から外部に突出した部分には放熱フィン１２を複数枚
取り付け、ヒートパイプと放熱フィンはハンダ等で熱的
に密着する。この放熱フィン１２の表面積は大きく、こ
の熱を取り除くようにファン１３で送風することで、熱
を外気へ効率良く放出することがてきる。ヒートパイプ
の形状や配置、筐体からのヒートパイプの出口等はカメ
ラ筐体の形状、内部駆動回路の配置に合わせて変化させ
ても良い。また、本願発明の実施例では固体撮像素子と
してＣＣＤを用いる説明をしたが、ＭＯＳ型、ＡＭＩ型
など他の固体撮像素子でもかまわない。

【０００９】図６に伸縮可能な熱伝導機構として良熱伝
導性金属の細線を多数並べた構造にした幅広のリボン状
のものを用いた第２の実施例を示す。ＣＣＤ１にペルチ
ェ素子２の吸熱側を密着させて、かつペルチェ素子２の
放熱側に、良熱伝導性金属の細線を多数並べた幅広のリ
ボン状のもの５の一端を密着させ、他端は棒状や板状を
したヒートパイプ４と密着させる。上記２ケ所の接合部
は第１の実施例と同様にして密着されている。良熱伝導
性金属細線を幅広のリボン状にしたもの５は、金属細線
を多数並べたもの以外に、縦横に編んだものでもさしつ
かえない。さらに取り付け易くするために、両端には図
７に示すように、銅などの熱伝導性の良い金属からなる
平らな伝熱板１７を取り付けてもよい。また良熱伝導性
金属の細線を多数並べた幅広のリボン状のもの５は機械
的自由度が得やすいように、適度に撓ませて装着するの
が良いが、その形状は楕円やジグザグ型もしくはその一
部を切り出したものなど、自由に変形できる。

【００１０】本発明に係る冷却装置では、固体撮像素子
を直接冷却するペルチェ素子の放熱側からの熱を効率的
にヒートパイプに送ることがてきる。ヒートパイプの蒸
発部へ流入された熱は、ヒートパイプ内に封入された作
動流体の液相と気相との潜熱の流れによってパイプ内を
運ばれ、上方へ引かれてカメラ本体外筐の上部を抜け、
外部へ出されたヒートパイプの凝縮部から外気へ放出さ
れる。板状のヒートパイプの蒸発部に発熱体を直接接続
して、放熱側には放熱フィンを取り付け、そのフィンを
空冷したときのヒートパイプの蒸発部と凝縮部との温度
の変化を図８に示す。図は発熱体に毎秒約１．２Ｊ（ジ
ュール）の熱量を与えたときの温度上昇を測定したもの
である。Ｔ１はこの熱量を与えたときの発熱体のみの温
度上昇を表したもので、発熱体の温度と室温との差で示
してあり、２０分後に４５℃となっている。この発熱体
をヒートパイプに接続したときの蒸発部の温度を表した
ものがＴ２、同じ時にヒートパイプの放熱部の温度を表
したものがＴ３であり、それぞれ室温との差で示してあ
る。図８より、Ｔ２とＴ３の差が極めて少なく、ヒート
パイプは十分に熱輸送能力を持つものであることがわか
る。

【００１１】上記と同じ発熱体とヒートパイプに本発明
の第１の実施例に示した伸縮可能な熱伝導機構を用いた
温度測定結果の一例を図９に示す。この時の発熱体とベ
ローズとの接合部の温度を表したものがＴ４、ヒートパ
イプの放熱部の温度を表したものがＴ５であり、それぞ
れ室温との差で示してある。Ｔ２、Ｔ３は図８の同記号
を付したものと同じである。Ｔ４とＴ５の温度差が小さ
いという結果より、本発明が熱伝導性に優れた装置であ
ることは明らかである。また、放送用のカラーＣＣＤカ
メラに本発明を適用した例では、ＣＣＤの温度を従来よ
りも３０℃低くすることができ、暗電流が約１０分の１
に減少した。そのためカメラのアンプゲインを上げて使
用したり、長時間の電荷蓄積動作を行っても良好な画像
が得られた。以上の実施例では、電子デバイスが固体撮
像素子の場合について説明してきたが、本発明はこれに
限定されることなく、前記電子デバイスとしては各種の
半導体素子、半導体集積回路、表示素子など動作中発熱
して特性の劣化するものに本発明冷却装置が適用されて
好適なことは自明であろう。

【００１２】

【発明の効果】以上詳細に説明してきたように、本発明
に係る冷却装置を適用することにより、動作中発熱する
電子デバイスを備えた電子機器において、電子デバイス
による発熱熱量をぺルチェ素子およびヒートパイプを介
して有効に放熱することができ、前記電子デバイスが固
体撮像素子の場合には動作中その暗電流の増加を抑圧し
て、固体撮像素子の動作の安定化と性能向上に資するこ
とができる。また、本発明冷却装置は、熱伝導性のみな
らず伸縮性も合わせ持つため、固体撮像素子まはたペル
チェ素子等の電子部品に対して機械的ストレスを与える
ことがなく、長期間にわたって安定して動作させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る冷却装置第１の実施例の断面図。

【図２】従来の冷却装置例の断面図。

【図３】第１の実施例の伸縮可能な熱伝導機構の形状例
を示す図。

【図４】第１の実施例の伸縮可能な熱伝導機構の加工例
を示す図。

【図５】本発明装置をカラーＣＣＤカメラの外筐体へ取
り付けた例の断面図。

【図６】本発明に係る冷却装置第２の実施例の断面図。

【図７】第２の実施例の伸縮可能な熱伝導機構への伝熱
板の取付け例を示す図。

【図８】ヒートパイプの動作測定結果の一例。

【図９】本発明に係る熱伝導機構を用いた温度測定結果
の一例。

【符号の説明】

１ 固体撮像素子（発熱体） ２ 電子冷却素子 ３ ベローズ（伸縮可能な熱伝導機構） ４ 放熱用ヒートパイプ ５ 良熱伝導性金属の細線をリボン状にしたもの（伸縮
可能な熱伝導機構） ６ 自在スペーサ ７ ピストン ８ シリンダ ９ コイルバネ １０ ループ型細管放熱用パイプ １１ プリズム １２ 放熱フィン １３ ファン １４ カメラ外筐体 １５ 回路基板 １６ レンズ １７ 伝熱板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 文彦 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動作中発熱する電子デバイスを備えた電
   子機器において、前記発熱する電子デバイスに密着させ
   た電子冷却素子と、電子機器の外部へ熱を輸送する放熱
   用ヒートパイプと、伸縮可能な熱伝導機構とを具えると
   ともに、前記電子冷却素子と前記ヒートパイプとの間に
   前記伸縮可能な熱伝導機構を熱的に密着させたことを特
   徴とする電子機器の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記電子デバイスが固体撮像素子である
   ことを特徴とする請求項１記載の電子機器の冷却装置。
3. 【請求項３】 前記伸縮可能な熱伝導機構が、熱伝導性
   に優れた金属の薄板を複数回折り曲げて形成され、また
   は熱伝導性に優れた金属の細線を多数並べて形成される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電子機器の冷
   却装置。
4. 【請求項４】 前記熱伝導性に優れた金属が、銅、アル
   ミニウム、ニッケル、鉄あるいはそれらの金属のうち少
   なくとも１つを含む合金であることを特徴とする請求項
   ３記載の電子機器の冷却装置。