JP2004221604A

JP2004221604A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2004221604A
Application number: JP2004028401A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Hashimoto; 信行橋本; Noriyasu Iwane; 典靖岩根; Chika Sasaki; 千佳佐々木; Masaru Omi; 勝大海
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】パソコン特にノート型パソコン等の筐体内に収容される半導体素子等の各種電子部品を冷却するための放熱性能に優れた冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱部品５０に熱的に接続されたヒートパイプ１０と、ファン３０およびそれに近接したまたはダクトで連結されたフィン部２０を備える放熱部４０とを有しており、前記ファン３０による排気が前記フィン部２０を通過する方向を横断するように前記ヒートパイプ１０の放熱側１００が前記フィン部２０に接続されており、前記ヒートパイプ１０を含む放熱部４０の１部が前記ファン３０の空気吸い込み口より上部に位置している、冷却装置７０。
【選択図】図１

Description

本発明は、パソコン特にノート型パソコン等の筐体内に収容される半導体素子等の各種電子部品を冷却するための冷却装置に関する。

近年、パソコンの等の各種電気・電子機器において、その内部に備えられる半導体素子等の冷却が重要な技術課題として注目されている。筐体内に備えられる半導体素子等の発熱部品を冷却する方法は種々知られている。例えば電気・電子機器の内部に備わる各種部品の冷却方法として、ファンを用いた強制空冷方式がある。これはファンを用いて、外気を電気・電子機器の筐体内に導入、排気することで強制空冷する方式である。

このような方式は、筐体内の雰囲気温度の上昇を抑えることで、内部の部品をまとめて冷却する利点がある一方、特定の、即ち特に冷却が必要な部品の冷却が不充分になりやすい。また近年は、電気・電子機器も小型化される傾向にあり、筐体の内部空間の制限も強くなってきている。このように内部空間の制限が大きくなると、上述のような強制空冷方式では充分な冷却機能の実現が難しくなりやすい。

そこで、図８に示すような電気・電子機器９０（例えばノート型パソコン）の中の冷却が必要な特定の発熱部品５０にファン３４を取り付け、その発熱部品５０を集中的に冷却する方法が注目されてきている。また図９に示されるような電気・電子機器９１の中の発熱部品５０とファン３５との間にヒートシンク３５０を配置し放熱効果を高める手法も知られている（特許文献１）。このような方式によれば、特に冷却が必要な発熱部品が効率的に冷却できる利点がある。

その他、図１０に示すような、ファンを用いない方式も知られている（特許文献２）。この冷却方式は、金属プレート８３とヒートパイプ１６とを備えるもので、発熱部品５０の熱は金属プレート８３に伝わり放熱される。ヒートパイプ１６は発熱部品５０の熱を金属プレート８３の広い領域に分散する役割を奏する。

特開平３−０９６２５８号公報特開平８−２５５８５８号公報

図８〜１０に示したような冷却方式はそれぞれ有効なものであるが、より高い冷却性能の実現は容易ではない。図１０に示したような冷却方法は、金属プレート８３からの放熱量を大きくすることが難しい。図８、９に示されるような冷却方法も、電気・電子機器が小型化される傾向にあるため、ファン３４、３５による空気の対流が起こりにくく、従ってファン３４、３５による風量を大きくしにくい。また、ファン３４、３５によって吸い込む空気の温度が上昇しているため、大きな冷却効果が期待しにくくなる。

加えて図８、９に示すように、発熱部品５０、５０に近接してファン３４、３５を配置すると、その発熱部品５０、５０に塵や埃が堆積しやすくなるという問題もある。例えば発熱部品５０、５０が半導体素子である場合、その回路基板上に塵や埃が堆積すると電気ショート等のトラブルの原因になりかねないという問題があった。

そこで最近では、図７に示すように、発熱部品５０とファン３０とをある程度離して、その間はヒートパイプ１５を用いて熱を運ぶ、という方式が提案、実用化されている。この図において、発熱部品５０の熱は一旦、伝熱ブロック６０が受け、更にその熱はヒートパイプ１５に伝わりファン３０に運ばれる。ファン３０からその熱が放熱されることで発熱部品５０が冷却される。この方式であれば、発熱部品とファンとを近接させた場合に比べ、その発熱部品に塵や埃が堆積しにくい効果がある。

また、図７に示すような、ヒートパイプ１５とファン３０とを用いた冷却方式は、発熱部品５０の実装スペースの関係で、発熱部品５０をファン３０と近接させて配置できない場合にも有効である。即ち、ファン３０は当然ながら当該電気・電子機器の筐体外壁付近に設置するのが望ましいが、冷却すべき発熱部品５０は必ずしも筐体外壁付近に配置されるとは限らないからである。このような場合、図７に示すような冷却方式であれば、発熱部品５０の実装配置の自由度が高まる。

図７に示すような冷却方式の場合、発熱部品５０の冷却性能を高めるには、ヒートパイプ１５で運ばれた発熱部品５０の熱がファン３０の部分でより効率的に放熱されるようにする必要があり、従ってその開発が望まれていた。

請求項１発明は、発熱部品に熱的に接続されたヒートパイプと、ファンおよびそれに近接したまたはダクトで連結されたフィン部を備える放熱部とを有しており、前記ファンによる排気が前記フィン部を通過する方向を横断するように前記ヒートパイプの放熱側が前記フィン部に接続されており、前記ヒートパイプを含む放熱部の１部が前記ファンの空気吸い込み口より上部に位置している、冷却装置である。

本発明の冷却装置では、前記ファンを構成する筐体と前記フィン部とが一体になっていると望ましい。

本発明の冷却装置は、優れた放熱性能を実現するものである。またヒートパイプを適用することで、冷却すべき発熱部品とファンとを近接して配置する必要がなくなるので、より放熱性能が高まる箇所にファンを配置して高い放熱性能を実現させることができる。またファンによる塵や埃の堆積を抑制することもできる。このように本発明の冷却装置は優れたものである。

図１を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１（ア）は斜視図で、図１（イ）はその一部断面の正面図である。図示する冷却装置７０は、パソコン等の電気・電子機器内に備えられるもので、冷却すべき発熱部品５０は、伝熱ブロック６０に接続される。ヒートパイプ１０の一端側は伝熱ブロック６０に接合或いは埋め込まれている。図中の符号１０１はヒートパイプ１０の吸熱側である。

ヒートパイプ１０の吸熱側１０１から吸熱された熱は、ヒートパイプ１０の長手方向を伝わり放熱部１００（図１（イ））で放熱される。ファン３０にフィン部２０が近接して設けられてなる放熱部４０は、図示するようにファン３０の上方から吸気された空気がファン３０の側面であるフィン部２０のフィン要素２０１の部分を通過して排気されるように空気が流れるものである。

フィン部２０は、ファン３０から送られる空気の入側２０４と出側２０５を除いてカバー２０２、２０３で覆った形態にすると良い（図１（イ）参照）。フィン部２０として、例えばアルミニウムシートを波形に成形したコルゲートフィンからなるフィン要素２０１を、アルミニウム製のカバー２０２、２０３で覆って形成すれば良い。フィン部２０はファン３０の吹き出し口直後に設けられており、その風は高速でフィン要素２０１の部分を通過し排出される。

ヒートパイプ１０の放熱側１００は、ファン３０による排気がフィン部２０を通過する方向を横断するようにフィン部２０に接続されている。この図の例では、上面部分のカバー２０３を利用して、ヒートパイプ１０の放熱側１００を固定している。

以上のような構成の冷却装置７０は上述したようにパソコン等の電気・電子機器内に備えられるものである。発熱部品５０の熱の多くは伝熱ブロック６０を経て、ヒートパイプ１０により放熱部４０に移動し、そこで放熱される。

ヒートパイプ１０の放熱側１００はフィン部２０に、ファン３０による排気がフィン２０を通過する方向を横断するように接続されているので、コルゲートフィンからなるフィン要素２０１の全長に渡り放熱側１００から熱が効率的に伝わる。またカバー２０２、２０３にも熱は伝わるが、これらのカバー２０２、２０３も伝熱性の良いアルミニウムで形成すると良い。また、ファン３０の筐体３２とフィン部２０とを接合する等して一体にしておくと、放熱部４０の伝熱面積が増大したことになるのでより望ましい。

放熱部４０ではファン３０から送られる風が高速でフィン部２０を通過するので、ヒートパイプ１０により放熱部４０に運ばれた熱は効果的に放熱される。かくして高い冷却性能で発熱部品５０を冷却することができる。

また本発明の冷却装置７０は、冷却すべき発熱部品５０の熱をヒートパイプ１０により放熱部４０に移動させて放熱するものであるので、ヒートパイプ１０のルートを適宜設定すれば、発熱部品５０の位置と、放熱部４０の位置に関する設計自由度が高まる利点がある。

また放熱部４０を構成するファン３０による空気の強制循環は、その周辺部に塵や埃を堆積させる原因となりえるが、図１に示すような冷却装置７０のように発熱部品５０と放熱部４０とをある程度離して配置すれば、塵や埃の発熱部品５０への堆積が抑制され望ましい。

尚、ファン３０の空気吸い込み口３１の前方には、空気を効率的に吸い込むためにある程度の空間を確保しておくことが望ましい。図１（イ）に示すｈが
その空間を構成する隙間になるが、この隙間空間にヒートパイプ１０を配置するとスペース効率の面で優れたものとなる。そこでヒートパイプ１０とフィン部２０との
接続部をファン３０の空気吸い込み口より上部に位置させると良い。

本発明を実施例に則して説明する。
実施例１
図１に示すような構成の冷却装置７０を用意した。本実施例においては、発熱部品５０に替え、広さ２０ｍｍ×２０ｍｍのラバーヒーターを取り付けた。フィン部２０やファン３０を構成する筐体は何れも熱伝導性に優れるアルミニウム製である。また伝熱ブロック６０もアルミニウム製である。さて、ファン３０を定格電圧で作動させた状態で、ラバーヒーターに８Ｗ、１２Ｗの一定電力で通電して熱抵抗を測定した。

熱抵抗の測定は、図１（ア）に示す★の位置（発熱部品５０の位置に取り付け等ラバーヒーターから約５ｍｍの位置）の温度と、ファン３０で吹き込む空気の温度を測定し、その温度差を、入力した熱で除した値として算出した。その結果を表１に記す。

比較例として、図６に示すように（発熱部品の図示は省略してある）、ファン３０にヒートパイプ１５を取り付けた例についても上記同様に熱抵抗を測定した。上記本発明の実施例では、ヒートパイプ１０としてＬ字型に曲げられたものを用い、その放熱側をフィン部２０に、ファン３０による排気がフィン部２０を通過する方向を横断するように取り付けたが、図６に示すような比較例では、直線形のヒートパイプ１５を用い、それをファン３０に取り付けた。結果を表１に併記する。

表１を見ると、本発明の実施例は、比較例に比べ熱抵抗が大幅に小さく、優れた放熱性能が実現しうる冷却装置であることが判る。

実施例２
図２に示すような構成の冷却装置７１を用意した。発熱部品の図示は省略してある。伝熱ブロック６０、放熱部４０（ファン３０、フィン２０）は図１の例と同様であるが、伝熱ブロック６０をヒートパイプ１１の一方端部でなく概ね中央部に取り付け、伝熱ブロック６０を挟んで、ヒートパイプ１１の放熱部４０の反対側には放熱プレート８０を取り付けた。図中の符号８１は取り付け金具である。

この本発明例の場合、ファン３０が備わる放熱部４０での放熱の他、放熱プレート８０による放熱もあるので、一層高い放熱性能が実現する。

また放熱プレート８０による放熱量が充分に大きい場合等にファン３０の運転を停止しておくことも可能であり、ファン３０の運転負荷を低減させることもできる。例えば、図示しない発熱部品（伝熱ブロック６０に接続）の温度が一定温度以上になったときにファン３０の運転が開始されるよう制御するシステムにしても良い。それによってファン３０の寿命を延ばし、また電力コストの低減にも寄与する。この冷却装置７１を例えばノート型パソコンに適用する場合、放熱プレート８０をキーボードの下部に設置すると良い。

ところで、ファン３０の吸い込み口３１の前方には、空気を効率的に吸い込むためにある程度の空間を確保しておくことが望ましい。図１（イ）に示すｈがその空間を構成する隙間になる。この実施例２についても実施例１と同様の熱抵抗測定（ラバーヒーターの通電電力は１２Ｗ）を行ったが、その際、上記隙間ｈの大きさを変化させた。その結果を表２に記す。

表２の結果から、吸い込み口の隙間ｈが１ｍｍのときに比べ、３ｍｍのときは熱抵抗が０．２℃／Ｗ程度低い値になった。これは実際の発熱部品の温度差に換算すると２．５℃程度に相当する。従って、隙間ｈはある程度確保することが放熱性能の観点で望ましいことが判る。尚、ヒートパイプ１１として、例えば径３ｍｍ程度のものを用いたとすると、そのヒートパイプ１１の配置スペースとして、この隙間を利用するとスペース効率の観点で望ましい。

尚、図示しないが、放熱プレート８０に別途ヒートパイプを取り付けて均熱性を高めたり、或いは放熱プレート８０に替わり平板型のヒートパイプを適用したりすると、より放熱性が高まる。

実施例３
図２に示した実施例２の冷却装置７１を改良し、ファン３０やフィン部２０の部分にまで広がる放熱プレート８２を適用した例が実施例３である（図３参照）。ヒートパイプ１２は、伝熱ブロック６１と放熱プレート８２とで挟み込む構造で固定した。またヒートパイプ１２は、放熱プレート８２の下から上に交差させている。図示しないが、フィン部２０のフィン要素として、アルミニウム製の３層に重ねたオフセットフィンを適用した。この冷却装置７２について放熱性能を調べたところ、ファン３０やフィン部２０の部分にまで広がる放熱プレート８２を適用することでより高い放熱性能が実現することが確認できた。

以上説明した実施例２、３における放熱プレート８１、８２は、放熱性能を高めるだけでなく、場合によっては電磁シールドとしての機能を持たせることも可能である。

実施例４
上記実施例においては、ファンによる排気方向は一方向であったが、この方向を多方向にしても構わない。図４、５は２方向にした場合であるが、この場合、図４に示すようにヒートパイプ１３をそれに合わせて２方向に接続すると一層効果的である。また図５に示すように、各々の方向のフィン部２２、２２０にそれぞれ別個のヒートパイプ１４、１４０を取り付けることもできる。

本発明に係わる冷却装置の構成の１例を説明する斜視図（ア）と、一部断面正面図（イ）である。本発明に係わる冷却装置の構成の他の例を説明する斜視図である。本発明に係わる冷却装置の構成の他の例を説明する斜視図である。本発明に係わる冷却装置の構成の他の例の要部である。本発明に係わる冷却装置の構成の他の例の要部である。比較例の冷却装置の構成の例を説明する斜視図である。従来の冷却装置の構成の例を説明する斜視図である。従来の冷却装置の構成の例を説明する斜視図である。従来の冷却装置の構成の例を説明する斜視図である。従来の冷却装置の構成の例を説明する斜視図である。

符号の説明

１０ヒートパイプ
１００放熱側
１０１吸熱側
２０フィン部
２０１フィン要素
２０２カバー
２０３カバー
２０４入側
２０５出側
３０ファン
３１吸い込み口
３２筐体
４０放熱部
５０発熱部品
６０伝熱ブロック
７０冷却装置
１１ヒートパイプ
８０放熱プレート
７１冷却装置
１２ヒートパイプ
６１伝熱ブロック
８２放熱プレート
７２冷却装置
１３ヒートパイプ
２１フィン部
３１ファン
１４ヒートパイプ
１４０ヒートパイプ
２２フィン部
２２０フィン部
３２ファン
１５ヒートパイプ
３４ファン
９０電気・電子機器
３５ファン
３５０ヒートシンク
９１電気・電子機器
１６ヒートパイプ
８３金属プレート
９２電気・電子機器

Claims

発熱部品に熱的に接続されたヒートパイプと、ファンおよびそれに近接したまたはダクトで連結されたフィン部を備える放熱部とを有しており、前記ファンによる排気が前記フィン部を通過する方向を横断するように前記ヒートパイプの放熱側が前記フィン部に接続されており、前記ヒートパイプを含む放熱部の１部が前記ファンの空気吸い込み口より上部に位置している、冷却装置。
前記ファンを構成する筐体と前記フィン部とが一体になっている、請求項１に記載の冷却装置。