JP3739142B2 - 電子素子の冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、作動流体の潜熱として熱輸送するヒートパイプを利用して、電子素子の過熱を防止する電子素子の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの分野では、多機能化や処理速度の向上に伴って演算処理装置などの電子素子の出力が増大されている。また一方で、コンピュータの小型化および軽量化が強く望まれており、したがって当然、ケースの内部空間において演算処理装置などを冷却する装置が占有できるスペースも極めて限定されている。そこで従来では、冷却装置の一例として熱輸送能力に優れるヒートパイプが使用されている。
【０００３】
図２は、昭和６０年１０月２５日に日本国内で頒布された書籍「実用ヒートパイプ」（日刊工業新聞社発）に記載されているパーソナルユースのコンピュータ（以下、パソコンという。）用ヒートパイプの一例を示している。このヒートパイプ１は、いわゆる平板型ヒートパイプであり、コンテナは断面矩形に形成され、そのコンテナの図における下側の面が加熱部１ａとされ、かつ上側の面が放熱部１ｂとされている。この放熱部１ｂの外部には、多数の放熱フィン１ｃが設けられている。そして、コンテナの内部には、真空となるよう吸引された後、水等の凝縮性の作動流体３が所定量封入されている。
【０００４】
他方、プリント基板４の上に形成された回路の所定箇所には、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと記す）２が取り付けられており、またそのＣＰＵ２の上面には、ヒートパイプ１が加熱部１ａを密着させて取付けられている。
【０００５】
そして、このヒートパイプ１では、前記回路に通電されてＣＰＵ２が発熱し、その熱によって加熱部１ａが昇温した際に、封入されている作動流体３が加熱されて沸騰して蒸気となり、この作動流体３の蒸気が上方に移動して低温の放熱部１ｂおいて凝縮する。すなわち、作動流体３の蒸発潜熱の状態で運ばれた熱が、放熱部１ｂの外部に設けられた放熱フィン１ｃから放散される。
【０００６】
このように、ＣＰＵ２の冷却にヒートパイプ１を使うことによって、蒸発潜熱の状態で大量の熱輸送が可能となり、そのため、ＣＰＵ２の冷却を効果的に行うことができる。その結果、ＣＰＵ２の過熱によるパソコンの作動不能や機能低下等の発生を防止することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、ヒートパイプ１自体がパソコンケースの内部に設置される構成であるから、放熱フィン１ｃからの放熱は、当然、パソコン本体１の内部において行われ、したがって、パソコンケースの内部空間に熱が籠り易い不都合があった。
【０００８】
そこで従来では、パソコンケースに排気孔を備えるとともに、放熱フィン１ｃに対して送気する送風ファンを設けた構成が提案されている。すなわち、送風ファンを動作させると、パソコンケースの内部の空気が放熱フィン１ｃを通過した後に、排気孔を経由してパソコンケースの外部に流れ出るように流動する。したがって、この構成によれば、ＣＰＵ２の熱が流動する空気と共にパソコンケースの外部に運ばれるから、上述の課題を確実かつ容易に解消することができる。
【０００９】
しかしながら、送風ファンを備えた上記の構成では、ＣＰＵ２およびヒートパイプ１と接触して温度の高い空気がパソコンケースの内部を排気孔に向けて流動するため、その経路中に既設されている部品が不可避的に昇温する問題があった。
【００１０】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、電子素子に対する冷却能力が高く、また電子素子以外に筐体内に備えられる部材の昇温を防止できる電子素子の冷却構造を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、この発明は、筐体の内部に、発熱する電子素子が設置された電子素子の冷却構造において、前記電子素子に、小径でかつ可撓性のヒートパイプの一端部が熱授受可能に配設されるとともに、そのヒートパイプの他端部に、ヒートシンクが熱授受可能に配設され、さらに、前記筐体の内部の空気を吸入する吸込部が前記ヒートシンクに設けられ、かつ前記吸込部からヒートシンク内に入った空気を筐体の外部に向けて送気するファンが設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
したがって、この発明によれば、電子素子が発熱すると、まず、その熱はヒートパイプの一端部に伝達される。すると、液相の作動流体が加熱されて蒸発し、その作動流体蒸気はヒートパイプのコンテナのうち内部圧力の低いヒートシンクに配設された端部に向けて流動し、ヒートシンクに熱を奪われて凝縮する。
【００１３】
また、ファンを動作させれば、ヒートシンクを通過するように空気が流動し、その空気は更に筐体の外部に流れ出る。その場合、ヒートシンクの保有する電子素子の熱が、流動する空気と共に筐体の外部に運ばれる。したがって、筐体の内部空間に熱が籠らず、電子素子が良好に冷却される。
【００１４】
このように、発熱源である電子素子の熱が熱輸送能力の高いヒートパイプを介してヒートシンクに一旦集められた状態で、そこから直接に筐体の外部に排出されるから、電子素子に対する冷却能力が高いだけでなく、筐体内に備えられる他の部材を不要に昇温させるおそれがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の具体例を図面を参照して説明する。ここに示す例は、ノートブック型のパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）に搭載したＣＰＵの冷却に適用した例である。この発明の筐体に相当するパソコンケース５は、プラスチックパネルあるいはマグネシウム合金などの金属パネルによって形成された中空容器である。このパソコンケース５の図１での上面部には、回動軸（図示せず）を中心とした所定範囲内で自在に開閉するディスプレイ６が備えられている。
【００１６】
パソコンケース５の内部の底部付近には、プリント基板（図示せず）がほぼ水平に設けられている。このプリント基板の図１での上面には、この発明の電子素子に相当するＣＰＵ７が取り付けられている。ＣＰＵ７の上面には、ヒートパイプ８の一端部および伝熱ブロック９が取り付けられている。より詳細には、一例としてヒートパイプ８は、幅の狭い中空扁平形状の銅製コンテナの内部に、作動流体として純水を封入したものが採用されている。なお、このヒートパイプ８は、可撓性を有していてコンテナの中間部分を自在に屈曲させることができる。
【００１７】
これに対して、伝熱ブロック９は、ＣＰＵ７とヒートパイプ８との熱伝達を促進させるために必要に応じて備えられるものであり、一例として銅あるいはアルミ合金等から形成された板状体であって、その図１での下面には、ヒートパイプ８のコンテナ形状に倣った凹部が形成されている。そして、この伝熱ブロック９は、凹部にヒートパイプ８を緊密に嵌め込んだ状態でＣＰＵ７の上面に図示しない適宜手段によって密着して固定されている。したがって、ＣＰＵ７とヒートパイプ８とは、互いに熱伝達可能になっている。
【００１８】
他方、パソコンケース５の底部には、一例として矩形断面のアルミニウム製パイプの内面に、多数の平板体（フィン）を狭い間隔で平行に備えた構成のヒートシンク１０が布設されている。そして、このヒートシンク１０の上面部には、ヒートパイプ８の他端部がコンテナの下面を沿わせた状態で取り付けられている。なお、ヒートパイプ８の中間部分は、パソコンケース５の内部に備えられた図示しないパーツ同士の隙間、いわゆるデッドスペースを通るようにして適宜に折り曲げられている。また、ヒートシンク１０の布設状態での高さは、ＣＰＵ７の高さよりも大きく設定されており、したがって、ヒートパイプ８は、このヒートシンク１０に配設された端部がＣＰＵ７に配設された端部に対して上方に位置している。
【００１９】
なお、必要に応じてヒートパイプ８のうちＣＰＵ７およびヒートシンク１０と接触しない中間箇所の外周部を断熱被覆してもよい。このように構成すれば、ヒートパイプ動作中にコンテナからパソコンケース５の内部空間に放出される熱を減少させることができる。
【００２０】
ヒートシンク１０のうちＣＰＵ７から離れた側の開口端には、小型のファン１１が一体に取り付けられている。より詳細には、このファン１１は、一例として下部水平吐出し型の半径流ファンであって、その吸込み部１２側の開口箇所は、ヒートシンク１０の開口端に気密状態に取り付けられている。これに対して、ファン１１の吐出し部１３の開口箇所は、パソコンケース５に設けられた排気孔（図示せず）の近傍に配設されている。すなわち、このファン１１を動作させた場合、パソコンケース５の内部の空気は、ヒートシンク１０のうちのＣＰＵ７に接近した側の開口端から、その内側に入り込むとともに、ファン１１の吐出し部１３に向けて流動した後、更に排気孔を経て外部に送り出される。
【００２１】
つぎに、上記のように構成された電子素子の冷却構造の作用について説明する。まず、ファン１１を動作させる。すると、パソコンケース５内の空気がヒートシンク１０の内側を矢印方向に通過して、そのままパソコンケース５の外部に排気孔を経由して流れ出る。このような空気の流動は、当然、ファン１１が停止するまで継続して生じる。
【００２２】
他方、パソコンの使用に伴う通電によってＣＰＵ７が発熱すると、その熱はヒートパイプ８の一端部および伝熱ブロック９に伝達される。その場合、ヒートパイプ８の外周部が伝熱ブロック９によって覆われているために、ヒートパイプ８に対してＣＰＵ７の熱が無駄なく伝達されて、コンテナの底部に溜まっている作動流体が加熱されて蒸発する。したがって、ヒートパイプ８のうち伝熱ブロック９に取り付けられた端部の内面が蒸発部となる。
【００２３】
蒸気となった作動流体は、内部圧力および温度が共に低いヒートシンク１０に配設された端部に向けて流動し、ヒートシンク１０に熱を奪われて凝縮する。したがって、ヒートパイプ８のうちこの端部の内面が凝縮部となる。前述の通り、ヒートパイプ８は、勾配を持たせた状態に配設されているから、その動作態様はボトムヒートモードとなり、作動流体の蒸発・凝縮サイクルがスムースに行われ、その結果、熱輸送能力が高くなる。なお、凝縮して液相に戻った作動流体は、コンテナ中間部の内面を伝わって蒸発部まで還流し、そこで再度加熱・蒸発する。
【００２４】
他方、ヒートパイプ８からヒートシンク１０の上面部に伝達されたＣＰＵ７の熱は、ヒートシンク１０のほぼ全域に伝導される。前述の通り、ヒートシンク１０の内側には、ファンによって空気の流動が生じており、その空気によって、ヒートシンク１０の保有するＣＰＵ７の熱が排気孔を経由してパソコンケース５の外部まで運ばれる。すなわち、ＣＰＵ７の熱は、空気と共にパソコンケース５の外部に排出される。したがって、パソコンケース５の内部に熱が籠らないため、パソコン使用中におけるＣＰＵ７の過熱が防止される。
【００２５】
このように、ヒートパイプ８によってＣＰＵ７の熱をヒートシンク１０に一旦集めた状態で、パソコンケース５の外部に直接に排出させるため、パソコンケース５の内部空間に熱が籠らず、従来の冷却構造よりも冷却能力が向上し、また、ＣＰＵ７以外の既存パーツの過剰な昇温が防止される利点も生じる。
【００２６】
さらに、この具体例の冷却構造では、ＣＰＵ７からファン１１への熱輸送をヒートパイプ８を用いて行うため、通常、パソコンケース５の壁面付近に設置せざるを得ないファン１１にＣＰＵ７を隣接させる必要がなく、そのため、パソコンケース５の内部におけるＣＰＵ７のレイアウトの自由度が向上する。また、ヒートパイプ８がデッドスペースに配設されているから、従来の冷却構造よりもパソコンケース５自体を小規模化することができる。
【００２７】
なお、上記具体例では、ノートブック型パソコンのＣＰＵの冷却を例示したが、この発明は上記具体例に限定されるものではなく、例えばデスクトップ型パソコンやサーバー等に搭載される電子素子に適用することもできる。また、扁平状コンテナのヒートパイプを採用したが、これに替えて例えば一般的な円形断面のコンテナ形状のヒートパイプを用いるとともに、ヒートシンクの上面部に、Ｕ字状断面の取り付け溝を形成し、そこにヒートパイプを沿わせた状態で緊密に嵌め込むように構成してもよい。
【００２８】
さらに、上記具体例では、下部水平吐出し型の半径流ファンに替えて、例えば従来知られた構成の軸流ファンを採用することもできる。また、ヒートシンクとファンとは、その作用として一体に連通した構成であればよく、したがって、例えば両者の間に吸込ダクトを設けることもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、ヒートパイプの一端部を電子素子に熱授受可能に配設するとともに、そのヒートパイプの他端部に、ヒートシンクを熱授受可能に配設し、さらに、吸込部をヒートシンクに一体に連通させ、かつ筐体の外部に向けて送気するファンを設けているので、電子素子に対する冷却能力を従来になく向上させることができる。また、電子素子以外の筐体内に備えられる部品の昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一具体例を示す概略図である。
【図２】従来技術であるパソコン冷却用のヒートパイプを示す概略図である。
【符号の説明】
５…パソコンケース、 ７…ＣＰＵ、 ８…ヒートパイプ、 ９…伝熱ブロック、 １０…ヒートシンク、 １１…ファン、 １２…吸込部。

Claims (1)

1. 筐体の内部に、発熱する電子素子が設置された電子素子の冷却構造において、
   前記電子素子に、ヒートパイプの一端部が熱授受可能に配設されるとともに、そのヒートパイプの他端部に、ヒートシンクが熱授受可能に配設され、さらに、前記筐体の内部の空気を吸入する吸込部が前記ヒートシンクに設けられ、かつ前記吸込部からヒートシンク内に入った空気を筐体の外部に向けて送気するファンが設けられていることを特徴とする電子素子の冷却構造。

Images