JP2008165699A - 放熱装置および放熱装置付き装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱機構を含む装置の配置構成を簡単化することができる放熱装置およびその放熱装置を装備した放熱装置付き装置を提供する。
【解決手段】 本体を収納する筐体５１に外付けされる放熱装置１０であって、筐体５１の外に取り付けられ、冷却媒体である空気を流す空気通路７と、空気通路に空気を吸入して流すモータファン３と、筐体を通り抜け、本体内に位置する発熱体５３と空気通路とを接続する放熱部材５とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱装置および放熱装置付き装置に関し、より具体的には、半導体デバイス等の発熱体から発生する熱を放熱する放熱装置およびその放熱装置付き装置に関するものである。

コンピュータを含む電子機器、各種機械装置、自動車を含む運輸機械等には多くの半導体デバイスが用いられており、これらの半導体デバイスからは損失電力に起因する多くの熱が発生する。これら装置では、装置の大容量化、小型化、処理の高速化などに伴い、半導体デバイスから発生する熱問題が深刻化している。十分な放熱をしない場合には、半導体デバイスの温度が上昇し、正常な動作を遂行することができなくなる。

上記半導体デバイスの温度上昇は、古くから問題とされ、とくに小型化、軽量化の要請の強いパソコンや自動車等では多くの取り組みがなされてきた。たとえば、パソコンのＭＰＵ(Micro Processing Unit）の熱を放熱するのに、パソコン筐体内に、放熱板の一端に取り付けたフィン付き外枠部に、ＭＰＵから発生した熱を放熱板経由で外枠フィンに伝導させて、フィン等をモータファンで冷却するとともに、モータファンによる空気流によってもＭＰＵを冷却する構成が提案されている（特許文献１）。上記構成によれば、フィンはモータファンの側に設けるため、送風装置が小型化され、またモータファンの外枠に熱伝導性を持たせるため放熱効率を高めることができる。

また、電子機器類、とくに携帯用パソコンの放熱機構の部品点数削減および放熱路の熱抵抗低減を目的に、筐体内に、構体（枠体）付き放熱ファンと、ヒートパイプとを配置して、ヒートパイプの冷却端側を放熱ファンの上記構体に押し当てる構成が提案された（特許文献２）。この構成によれば、従来、ヒートパイプと放熱ファン外枠との間に介在させていたヒートシンクを省略でき、かつ放熱路の熱抵抗も低減することができる。
特開平８−２７４４８０号公報 特開平１０−２７５０３２号公報

しかしながら、上記のように、筐体内に放熱ファンを配置する構成では、電子機器本体内で、半導体デバイスをはじめとする各種電子部品に混じって（発熱体−ヒートスプレッダー−放熱部材−放熱フィン−取付部、枠体等を含むモータファン）をすべて筐体内に配置する必要があり、筐体内において複雑な配置構成とならざるをえない。この結果、（発熱体−ヒートスプレッダー−放熱部材−放熱フィン−取付部、枠体等を含むモータファン）を形成しながら、装置本来の機能を果たす構造を形成する必要があり、装置全体の製造工程等が複雑となることは避けられない。また、この複雑な配置構成に伴い、部品間に無駄なスペースが少しずつ生じ、（発熱体−ヒートスプレッダー−放熱部材−放熱フィン−取付部、枠体等を含むモータファン）を含む筐体内の全体スペースは大きくなる傾向がある。

本発明は、放熱機構を含む装置の配置構成を簡単化することができる放熱装置およびその放熱装置を装備した放熱装置付き装置を提供することを目的とする。

本発明の放熱装置は、本体を収納する筐体の外に取り付けられ、冷却媒体である空気を流す空気通路と、空気通路に空気を吸入して流すモータファンと、筐体の開口部分を通り、本体内に位置する発熱体と空気通路とを接続する放熱部材とを備えることを特徴とする。

この構成に従えば、筐体内で高温になる発熱体の熱を、筐体外の空気通路へと運ぶ放熱部材の部分が、筐体内と外とに位置することになる。筐体内においては、放熱部材の高温側端部に発熱体と十分な熱交換をさせるために、十分高い熱伝導性を確保する構造を形成し、かつ筐体にその放熱部材を通す開口などを形成するだけですむ。このため、筐体内における放熱機構の配置構成を非常に簡単化することができる。また、その結果として、放熱機構付き装置の製作工程を簡単化することが可能となる。さらに装置本体の部品とは離れて空気流を流すので、放熱部材の低温側端部以外の部品による流動抵抗を減らすことができ、放熱部材の低温側端部からの放熱効率のアップにつながる。なお、発熱体は、半導体デバイスに限定されず、熱が生じる物であれば何でもよい。

さらに、副次的な効果として、上記の放熱部材が通る筐体壁の開口の形態にもよるが、冷却媒体である空気流が筐体内を通らず筐体外の空気通路を通り抜けるため、筐体内を空気流が通らない。このため、空気流による粉塵の舞い上がりを嫌う装置、また空気流による乾燥促進作用を嫌う装置に対して、好適である。

また、上記の放熱部材にヒートパイプを用いることができる。これにより、発熱体で発生する熱を、効率よく空気通路にまで運び、ヒートパイプの低温側においてその熱を空気流に放散することができる。

また、上記の空気通路を筒状に構成することができる。この構成により、筐体内に本体の部品と混在させた場合に比べて、空気の流動抵抗を低くすることができる。とくにストレートな軸線の筒状体の場合は、画期的に流動抵抗を低くできる。この結果、放熱部材の低温側端部での熱放散を向上させ、全体の放熱性能を高めることが可能となる。これは、空気を熱媒体とした上で、空気流路を外付けにすることによってはじめて実現可能となる作用効果である。すなわち、液体の熱媒体では液体流路を閉じた経路で形成しなければならず、空気以外の気体の場合には同じく閉じた経路の回収経路を必要とするために、流動抵抗の低減を空気の場合ほど大幅な効果とすることができない。なお、筒状体の横断面形状は、円、半円、楕円、正方形、長方形、六角形など形状を問わず、筒状でありさえずればよい。そして、空気流路の断面の１つの辺を、本体装置の筐体に分担させることは、当然あってもよい。

また、上記のモータファンを空気通路内に位置させ、そのモータファンの回転軸を空気通路の空気流の方向に揃える配置にすることができる。この構成により、空気通路をコンパクトに構成し、空気流のコンダクタンスを高めることができ、このため、この放熱装置が取り付けられた装置全体のサイズを小型化、薄型化することが可能となる。

また、上記のモータファンを、ステータがロータに取り付けられたファン翼の外側に位置する構成とすることができる。これにより、ファン翼へ作用するトルクを大きくすることができ、このトルク増大分を、ファン翼やステータの小型化、薄型化、軽量化、エネルギ節約（二次電池充電サイクルの長期間化）等に利用することができる。また、空気流の流速や流量の向上に用いることができる。
また、

また、上記のモータファンでは、ステータのコア鉄心の端部が、当該モータファンの回転軸に沿って見て、ファン翼の回転の際、当該ファン翼の先端部に取り付けられた永久磁石に重なように配置されていてもよい。これにより、さらにトルクを高めて、モータファンまたは放熱装置および放熱装置付き装置の小型化、薄型化に貢献することができる。

本発明の放熱装置付き装置は、筐体内に本体が収納され、上記のいずれかの放熱装置が、放熱部材の一方の端部に筐体の開口部分を通らせて筐体内に装着した状態で、当該筐体に取り付けられていることを特徴とする。

この構成により、装置の配置構成を簡単化することができ、この結果、製作工程を簡略化することが可能となる。また、装置本体の部品とは離れて空気流を流すことができるので、放熱部材の低温側端部以外の部品による流動抵抗を低減できるので、その分を放熱部材の低温側端部での熱放散強化に利用することが可能となる。なお、放熱装置付き装置は、電子機器類に限定されず、どのような分野の装置でもよい。たとえば、筐体内の空気流による装置内粉塵ダマリが原因のショート等の電気的トラブル発生防止を重視する各種印刷装置などでもよいし、筐体内における空気流による塵埃の空気中拡散を避けることが重要な装置であってもよい。

また、上記の本体がパソコン本体であり、発熱体が半導体デバイスであり、筐体が扁平状箱体であり、放熱装置が筐体の側部に取り付けられる構成をとることができる。これにより、ノート型パソコンの薄型化を実現することができる。また、半導体デバイスを放熱装置近くの筐体壁直近に配置することにより、ヒートパイプを短くでき、軽量化にも資することができる。

本発明の放熱装置および放熱装置付き装置によれば、筐体内の本体部品と放熱機構との配置構成を簡単化することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における放熱装置１０および放熱装置付き装置５０を示す斜視図である。放熱装置１０は、装置本体の筐体５１の外に取り付けられ、空気通路７が放熱装置の筐体１１と、装置本体の筐体５１の側部とで形成されている。空気通路７は、モータファン３が位置する開口部７ａから、筐体１１の他端に設けた排気口７ｂへと形成される。また、放熱装置１０の空気通路７内に放熱フィン５ａが設けられた放熱部材５は、装置本体の筐体５１の側部に設けられた開口部（図示せず）を通って、ヒートスプレッダー９にまで延びている。ヒートスプレッダー９の裏面には半導体デバイス５３が配置されている。

半導体デバイス５３で発生した熱は、ヒートスプレッダー９→放熱部材５→放熱フィン５ａに伝導される。放熱フィン５ａには、モータファン３により吸入され駆動された空気流が当たり、放熱フィン５ａから熱を奪って排気口７ｂから放出される。空気流は、空気通路７をストレートに通り抜けるので、従来のように装置本体の筐体５１内に混載する場合と比較して、空気流のコンダクタンスを大きく向上でき、その結果、空気流の点で放熱性を高めることができる。

また、放熱フィン５ａは、装置本体の機能を果たす他の部品に妨げられることなく空気通路７が許す限りその面積を拡げることができる。すなわち、本実施の形態では、従来の装置本体の筐体５１内に配置される場合に比較して、放熱フィン５ａに対する空間的制約が小さくなり、放熱フィンにおける放熱性を高めることができる。

また、放熱装置付き装置５０の部品の配置構成についてみれば、半導体デバイス５３の位置を放熱装置１０に近い位置に配置することにより、装置本体の部品の配置に殆ど影響せずに、簡単化した配置構成を作り上げることができる。これは、装置本体の部品の配置についても、また放熱装置の部品の配置についてもいえることである。たとえば、装置本体側では、放熱装置１０についての考慮しておくことは、放熱部材５を通す開口部を筐体５１の側部に設けること、モータファン３の電源取り、および放熱装置１０の筐体１１の取り付けを配慮すればよい程度である。このため、放熱装置１０の製作は、装置本体の製作とは殆ど無関係に行うことができ、装置本体および放熱装置１０の製作を簡単化することができる。この結果、所定の場合には、放熱装置付き装置の製作費を低減することができる。

また、放熱装置１０では、空気流は装置本体の筐体５１の内部に影響することは殆どなく、たとえば図示しない装置本体の筐体５１に設けた図示しない開口部を小さくしたり、放熱部材５と上記開口部との隙間を埋める処置を施すことにより、空気流の影響を排除することができる。装置によっては、たとえば印刷機械等では、装置内粉塵ダマリが原因のショート等の電気的トラブル発生防止から筐体内での空気流の発生は望ましくない。また、装置本体の筐体５１内で塵埃の流動が好ましくない装置もある。本実施の形態の放熱装置付き装置は、上記のような装置に好適に用いることができる。

上記の放熱部材は、熱伝導性が良いものであれば、何でもよく銅やアルミ等を用いることができるが、とくにヒートパイプは、小さな温度差での熱輸送量が大きく、かつ最大熱輸送量も非常に大きいので、放熱部材に使用するのがよい。ヒートパイプは、市販の各種仕様のものを用いることができる。

図１では、放熱装置１０を装置本体の筐体５１の側部に取り付ける場合を示したが、放熱装置１０は、装置本体の筐体５１の上部にでも、また下部（底面）にでも取り付けることができる。また、図１の空気通路では、モータファン３の回転軸は、空気通路７の空気流の方向に揃う構造をとったが、装置によっては、図１の構造にできないものもある。図２は、モータファンの回転軸の方向が、空気流と交差する配置となる場合の放熱装置１０を示す図である。このような構成は、放熱装置１０の本体筐体５１への取付面積を大きくとれないような場合に適している。

次に、モータファン３について説明する。図３〜図５は、いずれも図１または図２に示す放熱装置１０に用いられるモータファン３を示す図である。ステータは、円周に沿って鉄心３ｄに巻線が巻き回されたコイル３ｃが配置され、各コイルの間にバックヨーク３ｂが渡されている。いずれのモータファン３も、ファン翼３ａが付されたロータの外周側にステータを配置した構造をとる点に特徴がある。また、ロータのファン翼３ａの先端には永久磁石３ｍが取り付けられて、ステータに配置されたコイル３ｃによる磁束との間で回転駆動力が得られるようにされている。永久磁石の極性は、隣り合うファン翼３ａでは互いに逆向きになるように配置される。

図３のモータファン３では、ファン翼３ａが軟磁性材料で形成されヨークとして機能する。この結果、モータファン３の磁気回路において磁束の漏れを抑制することができる。また、図４のモータファン３では、各ファン翼３ａの先端同士を連結する翼連結環３ｙが軟磁性材料で形成されており、ヨークとして機能する。軟磁性材料で形成された翼連結環３ｙも磁束の漏れを抑制して、モータのトルクを高める。この場合、ファン翼３ａは樹脂であっても良いし、軟磁性材料であっても良い。また、図５のモータファン３では、鉄心３ｄの形状を図示するようにして、鉄心３ｄの端部とファン翼３ａの先端部とが、回転軸（軸線）に沿って見て、回転時に相互に重複するようにしている。これにより、モータのトルクをさらに高めることが可能となる。図３〜図５のいずれのモータファンのステータの鉄心も、積層鋼板または圧粉磁性体で製造することができるが、図５のステータの鉄心３ｄは、圧粉磁性体で製造するのがよい。

従来は、円環状に配置した永久磁石を有するロータと、その円環の内側に配置したステータとによってモータファンが形成されていたので、トルクが小さく、ファン翼を大型にしないと十分な量および流速の空気流を得ることが難しかった。上述のように、ステータをロータのファン翼３ａの外周側に配置することにより、高いトルクを発生することができ、この高いトルクをモータファンの小型化に利用することができる。したがって、上記のモータファンを図１または図２に示す放熱装置１０のモータファン３に用いることにより、放熱装置１０の小型化および薄型化が容易となる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における放熱装置１０および放熱装置付きパソコン５０を示す図である。パソコン５０の筐体５１の側部に放熱装置１０が取り付けられている。放熱装置１０では、空気通路７は、パソコンの筐体５１と、放熱装置１０の筐体１１とで形成されており、直線状の筒状体となっている。モータファン３の電力はパソコン本体の電源からリード線２３によって供給されるが、パソコンに外付けの電源コンセントからプラグによって供給されてもよい。

放熱部材５にはヒートパイプを用い、半導体デバイス５３で発生した熱を空気通路側に運搬する。ヒートパイプ５は、温度差が小さくても多量の熱を運搬でき、また最大熱運搬量も大きい。ヒートパイプ５は、半導体デバイス５３と熱交換するヒートスプレッダー９と高温側端部で十分大きな熱交換をするように面状接触を確保するのがよい。ヒートパイプ５は、パソコン５０の筐体側部に設けられた図示しない孔を通り抜け、ヒートスプレッダー側を高温側端部、空気流側（放熱フィン５ａ側）を低温側端部として熱運搬を行う。モータファン３によって吸入され駆動される空気流は、放熱フィン５ａに当たって、熱を奪って排気開口部７ｂから排出される。

図７および図８は、図６の放熱装置付き装置を空気吸入側から見た側面図である。図７は、空気通路７の断面が角筒状である場合、また図８は、空気通路７の断面が半円状の場合を示す。どちらの場合も、パソコンの筐体５１の側部を空気通路を囲む筒壁に利用している。また、モータファン３には、図３〜図５に示すいずれかのものを用いることができ、小型化、薄型化を容易化する。

空気流は、空気通路７をストレートに通り抜けるので、従来のようにパソコンの筐体５１内に収納する場合と比較して、空気流のコンダクタンスを大きく向上でき、その結果、空気流の点で放熱性を高めることができる。また、放熱フィン５ａは、パソコンの機能を果たす他の部品に妨げられることなく空気通路７が許す限りその面積を拡げることができる。すなわち、本実施の形態では、従来のパソコンの筐体５１内に配置される場合に比較して、放熱フィン５ａに対する空間的制約が小さくなり、放熱フィンにおける放熱性を高めることができる。

また、放熱装置付きパソコン５０の部品の配置構成についてみれば、半導体デバイス５３の位置を放熱装置１０に近い位置に配置することにより、パソコンの部品の配置に殆ど影響せずに、簡単化した配置構成を作り上げることができる。これは、パソコンの部品の配置についても、また放熱装置の部品の配置についてもいえることである。たとえば、パソコン側では、放熱装置１０についての考慮しておくことは、放熱部材５を通す開口部を筐体５１の側部に設けること、モータファン３の電源取り、および放熱装置１０の筐体１１の取り付けを配慮すればよい程度である。このため、放熱装置１０の製作は、パソコン本体の製作とは殆ど無関係に行うことができ、パソコン本体および放熱装置１０の製作を簡単化することができる。この結果、所定の場合には、放熱装置付きパソコンの製作費を低減することができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の放熱装置付き装置によれば、半導体デバイスの温度上昇を抑えた上で、筐体内の本体部品と放熱機構との配置構成を簡単化することができ、製作工程の簡単化や、装置の小型化、薄型化を実現するのに有効に作用する。

本発明の実施の形態１における放熱装置および放熱装置付き装置を示す図である。 図１の放熱装置の変形例を示す図である。 モータファンの説明図である。 図３のモータファンの変形例を示す図である。 図３のモータファンのさらに別の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２における放熱装置および放熱装置付き装置を示す図である。 図６の装置の空気吸入側から見た側面図である。 図６の装置の変形例を示す図である。

符号の説明

３ モータファン、３ａ ファン翼、３ｂ バックヨーク、３ｃ コイル、３ｄ 鉄心、３ｍ 永久磁石、３ｙ 翼連結環、５ 放熱部材（ヒートパイプ）、５ａ 放熱フィン、７ 空気通路、７ａ 吸入開口部、７ｂ 排気口、９ ヒートスプレッダー、１０ 放熱装置、１１ 放熱装置の筐体、２３ モータファン電源リード線、５０ 放熱装置付き装置（パソコン）、５１ 筐体、５３ 半導体デバイス。

Claims (8)

1. 本体を収納する筐体の外側に取り付けられ、冷却媒体である空気を流す空気通路と、
   前記空気通路に空気を吸入して流すモータファンと、
   前記筐体の開口部分を通り、前記本体内に位置する発熱体と前記空気通路とを接続する放熱部材とを備えることを特徴とする、放熱装置。
2. 前記放熱部材がヒートパイプであることを特徴とする、請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記空気通路が筒状に構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の放熱装置。
4. 前記モータファンが空気通路内に位置し、当該モータファンの回転軸が前記空気通路の空気流の方向に揃っていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の放熱装置。
5. 前記モータファンでは、ステータがロータに取り付けられたファン翼の外側に位置する構成をとることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
6. 前記モータファンでは、ステータのコア鉄心の端部が、当該モータファンの回転軸に沿って見て、ファン翼の回転の際、当該ファン翼の先端部に取り付けられた永久磁石に重なるように配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
7. 筐体内に本体が収納され、前記請求項１〜６のいずれかに記載の放熱装置が、前記放熱部材の一方の端部に前記筐体の開口部分を通らせて筐体内に装着した状態で、取り付けられていることを特徴とする、放熱装置付き装置。
8. 前記本体がパソコン本体であり、前記発熱体が半導体デバイスであり、前記筐体が扁平状箱体であり、前記放熱装置が前記筐体の側部に取り付けられていることを特徴とする、請求項７に記載の放熱装置付き装置。

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