JPH09509281A - 小型モジュールにおける大型のマイクロプロセッサの冷却 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 機能モジュール（13）を受入れ、機能モジュールを内部のコンピュータ回路に接続するための装着ベイ（12Ａ、12Ｂ）を備えたモジュール方式のコンピュータ（11）は、機能モジュール（13）の作動によって発生される消費熱を取除くために、ベイに結合された機能モジュール（13）に接触するための移動可能なヒートシンク構造（17、19）を有する。その構造（17、19）は、機能モジュール（13）の挿入および取り出しのための隙間を与えるために後退するように機械的に動作され、或る場合においては、ヒートシンク構造（17、19）は、モジュール方式のコンピュータ（11）のＣＰＵからの信号によって作動される電気的に動作可能なアクチュエータによって移動される。これらの場合において、コンピュータ（11）は、モジュール（13）の取出しを可能にするヒートシンク構造（17、19）の後退のための安全コード或いは特別な入力シーケンスを要求するように形成されてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 小型モジュールにおける大型のマイクロプロセッサの冷却 発明の分野 本発明は、可搬式コンピュータの分野、特に小型の可搬式コンピュータにおけ る大型のマイクロプロセッサを使用する装置および方法に関する。 発明の背景 ノートブック型およびパームトップ型の可搬式コンピュータは、移動および仕 事にコンピュータを携帯しなければならないコンピュータのユーザの間で人気が ある。それらはラップトップ型よりも小型で軽量であり、したがって一層軽便で ある。現在、非常に小型のコンピュータを製造し、大量にモジュール方式を提供 してそのような機械の応用において柔軟性を与えることができる。 例えば、種々のモジュールがベイに挿入され、その中でバス構造に接続される パームトップ或いはノートブックコンピュータを製造することは知られている。 そのようなモジュール型の可搬式コンピュータにおいて、モジュールは分割可能 な電子機能を備えている。極端な場合、ほぼ全ての独立した機能を、周辺装置と してモジュールに組込むことができる。この型式のモジュールコンピュータにお いて、モジュールのないフレームワークは、実質的にバス構造および電力変換装 置を具備する。機能モジュールは、相互交換可能なＣＰＵ、種々の型式のメモリ 装置、システム制御論理装置、周辺通信 装置、Ｉ／Ｏ装置などを含む。さらに、モジュールは、良く知られているパーソ ナルコンピュータメモリカード国際アソシエーション（ＰＣＭＣＩＡ）が規定す る要素の標準規格（factor standard）にしたがって種々の形態および大きさを とる。 モジュールの概念は、ユーザに１つの可搬式コンピュータにおいて機能的形態 の１つの選択を与える。例えば、移動中のユーザは、フロッピディスクドライブ 以外のモデムを必要とし、モジュールの概念は、ユーザに必要な機能を選択させ る。可搬式コンピュータは、モジュールの概念によって必要でないものも含めて 全ての機能を組込まなければならないものよりも一層小型で軽便になる。寸法は 、市場占有率を支配する非常に競争的な基準である。しかしながら、一層小さく 軽量のモジュール方式のコンピュータの発展には問題がないわけではない。 そのようなモジュール方式のコンピュータにおける問題の１つは、個々のモジ ュールからの放熱である。ＣＰＵモジュールはＣＰＵ電力を他のモジュールおよ びソフトウエアの応用に対して調整する機能を備えているので、それを可搬式コ ンピュータ構造に組込むことが非常に望ましい。それが利用可能になると、コン ピュータの所有者はＣＰＵを一層強力なものにアップグレードすることもできる 。しかしながら、モジュール方式の可搬式コンピュータ用に構成されたモジュー ルにおいて大きいマイクロプロセッサを組込むことによって、著しい熱が集中的 に発生し放散される必要がある。 機能モジュールにおける大きいマイクロプロセッサによる熱発生は著しいので 、パッケージングは慎重な方法をとらなければならない。また、冷却ファンおよ びそれに類似するものによる従来の解決方法は、一層大きい空間および一層多く の電力供給を必要とし、可搬式コンピュータ設計に付加的な負担を与える。加え て、高動作温度は、コンピュータの性能を低下し、故障をもたらす可能性がある 。ＣＰＵの性能に直接に悪影響を与える熱の問題に対処しない製造者は、マイク ロプロセッサの早期の故障を生じる危険がある。過熱状態にされたＣＰＵは、デ ータの破損から、マイクロプロセッサ自身の遮断となるファイル割当て表が失わ れる等の種々の問題をもたらす。 開発における将来の方向は一層高速で、一層高温となるマイクロプロセッサが 使用される傾向にあり、周囲に熱を伝達するためにさらに一層効果的な方法を必 要とする。１つの例として、マイクロプロセッサの４８６ファミリーを継続する ように設計されたインテルの新しいPentium（商標名）は、約３百万個のトラン ジスタを有し、高速度で熱を生成し、適切に配置されない場合にチップの性能が 制限される可能性がある。PentiumのＣＰＵは動作中に１６ワットの熱を発生す ると椎定される。 インテルは、安全なPentiumの使用のために汎用コンピュータの品質を高める ためにマイクロコンピュータの製造者によって保証手順を設定したが、保証を完 全にするような十分な冷却を行う製造者は少ない。機能モジュールにおけるこれ らの装置、および可搬式コンピュータにおいて使用するその他の電子装置を意図 されるように使用するには、消費電力による発熱を除去するために特別な努力を 必要とする。 本発明は、特にモジュール方式の可搬式汎用コンピュータにおける高性能のマ イクロプロセッサの使用に関する上記された問題を解決するものである。光処理 機能、耐用性、および信頼性を保証しながら、モジュール方式の可搬式コンピュ ータの小さい領域内で経済的で効果的にＣＰＵで発生された消費熱を取除く方法 が必要とされる。 本発明の概要 本発明の実施形態において、機能モジュールを受入れるための装着ベイを有す るコンピュータは、装着された位置における機能モジュールと接触し、冷却する ための装着ベイ内のヒートシンク構造と、モジュールからの熱吸収を行うように 装着された位置においてモジュールへヒートシンク構造を移動するための移動手 段とを具備するモジュール冷却システムを有する。種々の実施形態において、ヒ ートシンク構造は、モジュールと緊密に適合させるための可撓性の熱伝導性の境 界部、および装着されたモジュールを確実に保持する特定の形状を行する。電気 的に動作可能なアクチェータを備えた実施形態において、コンピュータは、装着 ベイから除去するためにモジュールを解放するための特定の入力シーケンスまた はその他の安全コードを必要とする。 本発明の実施形態に基く冷却装置および方法において、互換性のあるコンピュ ータ構造へ付加されるように構成された 機能モジュールから熱は効果的に除去される。効率的な冷却を行うことによって 、モジュール、特に高性能のマイクロプロセッサを有するモジュールの完全な動 作が保証される。 図面の簡単な説明 図１は、装着位置の機能モジュールを示す、モジュール方式の可搬式汎用コン ピュータの斜視図を示す。 図２Ａは、図１の線２−２に沿う断面図であり、本発明の実施形態に基く結合 していない冷却素子を有するモジュール方式のコンピュータにおける１つのモジ ュール装着ベイを示す。 図２Ｂは、伸縮性のばねを有する垂直方向の誘導ピンに沿って誘導され、移動 可能なカムバーによって作動される冷却構造の一部分を示す側部断面図を示す。 図３は、結合された冷却素子を示す図１の線２−２に沿う別の側部断面図を示 す。 図４は、素子に組込まれたロック手段を有する冷却素子を示す図２に類似した 断面図を示す。 図５は、結合された冷却素子を示す図４に類似した断面図を示す。 図６は、それぞれがモジュールに面している圧縮性の熱伝送材料層を有するロ ック手段を備えた対向する冷却素子を示す図５に類似した断面図を示す。 図７は、記載された実施形態におけるベイの開口部に平行な平面における２つ の隣接するベイの内側の断面図を示す。 好ましい実施形態の説明 図１は、本発明の実施形態に基く可搬式汎用コンピュータのフレームワーク11 の斜視図を示す。フレームワーク11の２つの側部に沿って、機能モジュール13を 受けるように形成されたベイ（bay）12Ａおよび12Ｂのような一連の装着ベイが ある。モジュールは、上記で説明されたようなコンピュータシステムのための機 能的な特性を与えるように形成されている。特に、著しい消費熱を発生するマイ クロプロセッサおよびそれに類似するものを構成しているモジュールが使用され ることが期待される。例示的な機能的なモジュール13は、ベイ12Ａ内に挿入され た位置で示されている。 図２Ａは、図１の矢印２−２の方向における装着ベイ12Ａの断面図であり、装 着ベイ12Ａに挿入され、内部バス構造に電気的に接続を形成するコネクタ15と結 合している機能モジュール13を示す。モジュール13の上および下に示されている 冷却構造17および19は、この実施形態において、銅のような、高い熱伝伝導性お よび熱吸収性の材料から作られた熱吸収および伝導板である。冷却構造17および 19は、挿入および取り出しラインの上および下に一定の間隔を隔てて、モジュー ルの挿入位置から離され、したがってそれらはモジュールの挿入および引出しを 妨害しない。 冷却構造17および19の配置および寸法は、装着ベイ内に収容されるモジュール の寸法を含み、システムの形状に応じて種々に変化することができる。また、本 発明の実施形態において２つの対向する冷却構造17および19が示されているが、 その他の実施形態においては、１つだけ、すなわち装着ベイ 内のモジュール結合位置の上或いは下の何れかだけに配置されてもよい。 装着ベイ内のモジュールを積極的に冷却するために、冷却構造はモジュールと 緊密に接触させられなければならない。これを実行する多数の方法がある。 図２Ｂは、本発明の実施形態における１つの冷却構造17の一部分の側面図を示 し、冷却構造17は３つ以上の垂直方向の誘導ピンに沿って誘導される。この場合 、冷却構造17に貫通して固定された２つの誘導ピン16および18が示されている。 固定は、半田付け、溶接、ねじ留め、或いはその他の通常の手段によって行われ ることができる。 この実施形態において、ピン16および18は、特定の装着ベイの上部壁構造24内 の誘導孔20および22を通り、壁24の上方の容器中へ延在する。伸縮ばね32および 34は、壁24から離すように（装着ベイ内に結合される機能モジュールの位置の方 向へ）冷却構造17を押付けるために組立て構造体内に配置されている。 ピン16および18、並びに図示されていないその他のもののそれぞれは、カムバ ー30を通すためのスロット26および28のような長手方向のスロットを有する。カ ムバー30は、ピン16および18に対して直角方向に移動可能であり、機械的技術に おいて知られているように、ピン16および18、したがって冷却構造17を引込めた り伸ばしたりするために隆起部および平坦部を有する形態である。 カムバー30は、多数の異なる方法で動作（移動）すること ができる。図示された実施形態において、各モジュールベイにおけるカムバーは 、モジュール方式のコンピュータの外側のケースの縁部上に形成された摺動レバ ー（図示されていない）に接続されている。機能モジュールが適所に位置すると 、ユーザは冷却構造と結合するために外部レバーを作動する。ベイ内の機能モジ ュールの位置の上および下の両方に冷却構造が配置される場合、下方の構造およ び上方の構造のために付加的なカムバーおよび誘導ピンが設けられることができ る。 挿入された機能モジュールを結合するために要求される方法において冷却構造 を移動するのに有益な多くの他の機械的システムがあることは当業者には明白で ある。説明されたカムバーの代りに、例えば回転カムが使用されてもよく、カム 装置を作動し、冷却構造と結合するために、外部レバー、滑動子、およびそれに 類似するものを配置する多くの方法がある。ここで説明された機構は単なる例示 である。 別の実施形態において、冷却構造の作動は、モジュールをモジュールベイ中へ 移動する最後の部分において動かされる機構によって達成される。そのような機 構は当業者には良く知られている。この場合、冷却構造17および19を分離するた めに、ユーザによって操作可能なリンケージが利用にされて、それによってモジ ュールが取出されることができる。 冷却構造17および19は、幾つかの実施形態において、ソレノイド、モータ、お よびそれに類似する電気的に付勢可能なアクチュエータによって作動されて、機 能モジュールの挿入において自動的に近付けられる。この作動形式は、最大の安 全性のために特に有効である。これらの実施形態において、モジュール方式のコ ンピュータにおいて動作可能な制御ルーチンがアクチュエータを動作させる。幾 つかの実施形態において、制御ルーチンは、結合および取外しをするために、ユ ーザがアクチュエータを作動させるためのキーボード或いは他の入力にコードを 入力することを要求する。別の実施形態において、運転開始手順の一部分として システムＢＩＯＳによって動作が行われる。 制御ルーチンは、さらに安全手段としてパスワード保護を含む。別の実施形態 において、アクチュエータは、挿入後にＣＰＵの機能モジュールを介して利用可 能な制御ルーチンによって信号を送られる。この場合、ＣＰＵの機能モジュール は最初に挿入されて、設定されたバスプロトコルによって電力を供給される。機 械制御ルーチンは、冷却構造の結合を制御して、モジュール方式のコンピュータ の機械化されたフレームワークを始動する。 冷却構造を機能モジュールと結合するように移動する機構を動作させて、制御 ルーチンを実行する幅広い種々の方法があることは当業者に良く知られている。 図３は、図２に類似した断面図であり、冷却構造17および19は機能モジュール 13に対して駆動されて結合された状態を示している。支持および結合機構は、図 ３には示されていない。この緊密な結合において、モジュール13によって発生さ れる消費熱は冷却構造17および19によって容易に吸収される。 冷却構造或いは機能モジュールに対して押付ける構造は、 装着ベイ中でモジュールの位置を保持することを助けるように形成されることが 好ましい。偶発的な変位に対してモジュールを保持する手段を設けることに加え て、保持のために形成された構造は、高額なモジュールのための安全手段を設け られている。 図４は、図２に類似した側面図であり、機能モジュールが結合された時、機能 モジュールを保持するように構成された延長部40および42をそれぞれ有する冷却 構造36および38を示している。図４において示される解除状態において、冷却構 造36および38は、延長部40および42が挿入処理を妨害しないだけの十分な距離を 離される（引っ込められる）ことができる。 図５は、冷却構造36および38が機能モジュール13と結合するために移動されて いることを除いて、図４に類似しているが、その結果延長部40および42は、冷却 構造が結合されているとき、機能モジュールが引出されることを阻止する。 延長部40および42は、コネクタ15と完全に結合した最終的位置に機能モジュー ルを移動するために形成されている。 上記で説明された実施形態において、冷却構造は、熱吸収および伝導材料の板 として形成されたヒートシンクである。別の実施形態において、冷却構造はペル チエ装置である。それらはさらに別の形態をとる可能性もある。ヒートシンクの 寸法および設計は、モジュールの機能によって消費熱の生成において相違する特 定のモジュールに適合するために特定の装着ベイによって異なる。例えば、ＣＰ Ｕのモジュールは消 費熱の発生における最大の犯人であると予想される。多くの場合において、モジ ュール方式のコンピュータは、ＣＰＵモジュールのために設けられた１つのみの 冷却された装着ベイを必要とする。 図６は、商標名Chomericsという酸化アルミニウムが充填されたゴム或いは可 撓性のポリマのような圧縮可能な熱伝導性材料の層27を有する冷却構造36および 38を示している。本発明のこの態様において、そのような材料のパッドは、各冷 却構造に対する熱抵抗性の接着剤によって装着される。本発明のこの態様におい て、層状の熱伝導材料は挿入された機能モジュールを圧縮する。一層長く継続す る熱接触によって、機能モジュールと冷却構造との間の境界面を横切る効果的な 熱伝導が保証される。別の実施形態において、圧縮可能な材料は、コンピュータ モジュールの対応する側部に固定されることもできる。 図７は、ベイの開口部に平行な平面における図１の２つの隣接するベイ12Ａお よび12Ｂの直ぐ内側における断面図である。モジュールベイの開口部12Ａは、端 部ベイであり、一方で12Ｂは内側のベイである。挿入途中のモジュール13が示さ れている。冷却構造17および19は、完全に開放されている或いは閉鎖の途中の段 階で示されている。実施形態のこの態様において、冷却構造17および19は、機能 モジュール13を固定し、付加的な熱伝導構造の相互結合されたバスシステム33お よび31と接触するために閉じる。距離Ｄ１およびＤ２は、ほぼ等しく、対向する 冷却構造が閉じる時、占められた装着ベ イとその他の内部伝導構造との間に熱ループを形成する。 この実施形態において、移動しているヒートシンクと固定しているヒートシン クとの問の共通の接触部の全ての領域内で、この結合表面は隣接する表面間の連 続的な熱接触を保証する圧縮可能な熱伝導材料で彼覆される。伝導構造31は、外 部の空気に露出され、可搬式コンピュータのケースの構造的部分であってもよい 。伝導構造31は、ケースの外側の全周囲を取り囲むリングであってもよく、伝導 構造33として示される内側のヒートシンクのバスに対する相互結合することがで きる。この実施形態における内側のヒートシンクのバスは、可搬式コンピュータ の支持フレームワークの一体構成の部分である。 表面53Ａ、53Ｂ、および53Ｃは、例えば溝或いはフィンによって、放射および 対流によって外側の空気への熱伝導を最大にするように形成されている。別の実 施形態において、ヒートシンクバス或いは個々の熱伝導構造は、熱伝導装置を介 して外側の熱伝導機、装置或いは構造へ接続される。例えば、表面53Ａ、53Ｂ、 および53Ｃに沿う任意の点において、一層大きいヒートシンクは、コンピュータ の内側から熱をさらに伝導するように取付けられる。 本発明の技術的範囲から逸脱することなく説明された実施形態に対して種々の 多くの変更を行うことが可能であることは当業者にとって明白である。相互接続 されたヒートシンクバスシステムを具備するもの、および作動機構を形成する多 くの方法のような、これらの別の実施形態の幾つかが既に説 明された。本発明の技術的範囲内に含まれる多くの寸法の変更および材料の変化 が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．機能モジュールを受けるための装着ベイを有するコンピュータにおけるモジ ュール冷却システムにおいて、 装着された位置において機能モジュールに接触し冷却するための装着ベイ内の ヒートシンク構造と、 モジュールからの熱吸収を行うためにモジュールの装着された位置においてモ ジュールに対してヒートシンク構造を移動するための移動手段とを具備するモジ ュール冷却システム。 ２．装着ベイが、ＰＣＭＣＩＡ標準規格に基いて形成された機能モジュールを結 合するように構成された請求項１記載のモジュール冷却システム。 ３．ヒートシンク構造が実質的に平坦な金属の冷却板である請求項１記載のモジ ュール冷却システム。 ４．ヒートシンク構造と結合された機能モジュールとの間の密着した境界部を設 けるためにヒートシンク構造に固定された可撓性の熱伝導材料層をさらに具備し ている請求項１記載のモジュール冷却システム。 ５．移動手段が、ヒートシンク構造を移動するためにユーザによって操作可能な レバーを含むヒートシンク構造を移動するための機械的手段を具備している請求 項１記載のモジュール冷却システム。 ６．移動手段がヒートシンク構造を移動するための機械的手段を具備し、機械的 手段が電気的に動作可能なアクチュエータによって動作される請求項１記載のモ ジュール冷却システ ム。 ７．電気的に動作可能なアクチュエータがＣＰＵによって生成される電気信号に 応答する請求項６記載のモジュール冷却システム。 ８．機能モジュールを装着するための装着ベイと、 装着された機能モジュールと接触する位置へ移動可能な装着ベイ内のヒートシ ンク構造と、 モジュールからの熱吸収を行うために装着された位置においてモジュールに対 してヒートシンク構造を移動するための移動手段とを具備するコンピュータシス テム。 ９．装着ベイが、ＰＣＭＣＩＡ標準規格に基いて形成された機能モジュールを結 合するように構成された請求項８記載のコンピュータシステム。 １０．ヒートシンク構造が、実質的に平坦な金属の冷却板である請求項８記載の コンピュータシステム。 １１．ヒートシンク構造と機能モジュールとの間の密着した境界部を設けるため のヒートシンク構造に固定された可撓性の熱伝導材料層をさらに具備している請 求項８記載のコンピュータシステム。 １２．移動手段が、ヒートシンク構造を移動するためにユーザによって操作可能 なレバーを含むヒートシンク構造を移動するための機械的手段を具備している請 求項８記載のコンピュータシステム。 １３．移動手段がヒートシンク構造を移動するための機械的手段を具備し、機械 的手段が電気的に動作可能なアクチュエ ータによって動作される請求項８記載のコンピュータシステム。 １４．電気的に動作可能なアクチュエータがＣＰＵによって生成された電気信号 に応答する請求項１３記載のコンピュータシステム。 １５．移動手段が、ヒートシンク構造を装着されたモジュールから分離させるよ うに移動することができる予めプログラムされた安全コードを要求するように構 成された請求項１４記載のコンピュータシステム。 １６．ヒートシンク構造が、モジュールの装着された位置において装着されたモ ジュールと接触してモジュールを保持するように形成されている請求項８記載の コンピュータシステム。 １７．モジュール装着ベイ中に機能モジュール構造を装着し、 ヒートシンク構造を機能モジュールと接触させ、 機能モジュールからヒートシンク構造へ熱を抽出するステップを有するモジュ ール方式のコンピュータの装着ベイにおける機能的モジュールを冷却する方法。