JP2008192968A - 放熱装置、通信機器および機器の放熱方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型の通信機器内部の発熱体で生じる熱を効率よく外部に放出する。
【解決手段】携帯通信機1と冷却部9とがコネクタ7,11で接続される。携帯通信機1の内部のメイン基板4上に搭載された発熱体6が動作すると発熱する。発熱体6からの熱は、メイン基板4およびコネクタ7を介して冷却部9の冷却部コネクタ11に伝達され、冷却部コネクタ11から熱変換素子12に伝達される。冷却部9における熱変換素子12は2枚の導体板を張り合わせた構造であって、一方の導体板の温度の上昇に伴って導体板間に起電力を発生する。熱変換素子12で発生した電力は蓄電池14に充電される。これにより携帯通信機1内部の熱が外部の冷却部9において効率よく冷却される。
【選択図】 図3
【解決手段】携帯通信機1と冷却部9とがコネクタ7,11で接続される。携帯通信機1の内部のメイン基板4上に搭載された発熱体6が動作すると発熱する。発熱体6からの熱は、メイン基板4およびコネクタ7を介して冷却部9の冷却部コネクタ11に伝達され、冷却部コネクタ11から熱変換素子12に伝達される。冷却部9における熱変換素子12は2枚の導体板を張り合わせた構造であって、一方の導体板の温度の上昇に伴って導体板間に起電力を発生する。熱変換素子12で発生した電力は蓄電池14に充電される。これにより携帯通信機1内部の熱が外部の冷却部9において効率よく冷却される。
【選択図】 図3
Description
本発明は、機器の内部で発生した熱を放出するために用いる放熱装置、通信機器、および機器の放熱方法に関する。
携帯電話機に代表される携帯通信機において、高機能化および高性能化に伴って機器内部の電子部品の消費電力が増加し、結果として機器全体の温度が上昇する可能性がある。
このような機器の温度上昇を防ぐために、パーソナルコンピュータ等の電子機器では、筐体の内部にファンを取り付け、電子部品の発熱量(温度)が所定値を超えたときにファンを回転させて筐体内部の熱を外部に放熱している。しかし、近年の携帯電話機は非常に小型化されているため、スペースの制約からパーソナルコンピュータのようにファンによって放熱する対策をとることは困難である。
また、電子機器では、発熱量の多い電子部品の表面に放熱用の金属製ヒートシンクを取り付け、電子部品から生じる熱を筐体に効率よく拡散させることによって放熱する方法もとられている。しかし、携帯電話機は筐体の表面積が小さいため、筐体表面へ即座に熱を伝えてしまうと、一部の筐体表面のみ温度が局所的に上昇してしまうおそれがある。その結果、操作時に、ユーザに不快感を与える可能性がある。
このように、従来より一般的に利用されている放熱方法を携帯電話機などの小型の電子機器(通信機器)に適用することは困難であり、自然空冷では温度を下げるには限界がある。また、電子部品の消費電力を抑えれば(例えば、無線出力を下げるなどの電子部品の電流値制御を行えば)、機器の温度上昇を抑えることはできるが、機器の機能が低下する。
そこで、以下の特許文献1には、携帯電話機などの小型の電子機器に適用可能な放熱方法が提案されている。この特許文献1に記載されている電子機器では、熱電変換素子により電子部品からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを二次電池(バッテリ)に充電する。このような構成によって、小型の電子機器内の電子部品を効率よく冷却するとともに、二次電池の寿命を延ばしている。
なお、機器内の電子部品からの熱を放熱する方法ではないが、ユーザの掌(手のひら)から伝わる熱エネルギーを熱電素子で電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを充電用バッテリに充電する携帯電話機が特許文献2に記載されている。
しかし、特許文献1,2に記載されている構成では、熱電変換素子が機器内部に内蔵されているので、機器全体の温度が上昇した場合に、熱電変換素子の周囲の温度も上昇し、熱電変換素子の片側の面と他方の面との温度差が小さくなってしまうおそれがある。その場合、効率よく熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができず、電子部品の熱を効果的に放熱することができないことになる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型の機器内部の熱を効率よく外部に放出することができる放熱装置、通信機器および機器の放熱方法を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するため、本発明による放熱装置は、機器の内部に設けられた、基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達する第1の伝達部と、機器の外部に設けられ、第1の伝達部と接続可能であって、第1の伝達部によって伝達された熱を伝達する第2の伝達部と、機器の外部に設けられた、第2の伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子とを備えたことを特徴とする。
第1の伝達部は第1のコネクタを含み、第2の伝達部は第1のコネクタに接続可能な第2のコネクタを含み、第1のコネクタと第2のコネクタとが接続されたときに、基板上の部品で生じる熱が第1のコネクタおよび第2のコネクタを通じて伝達するように構成されていてもよい。このような構成によれば、機器と機器外部の装置とが取り外し可能な構成となり、機器の温度が上昇しないような動作状態のときに機器外部の装置を取り外しておくことによって、機器外部の装置が邪魔になってしまうのを回避することができる。
第1のコネクタを、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとしてもよい。このような構成によれば、機器の構成を大幅に変更する必要がなく、開発・製造コストを抑えることができる。
第1のコネクタを、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとは別のコネクタとしてもよい。このような構成によれば、機器を充電しながら、そのときに発生する機器内部の熱を放熱することができる。
熱変換素子で変換された電力を機器の内部に設けられた電池に充電するようにしてもよい。このような構成によれば、機器の使用可能な時間を長くすることができる。
機器の外部に設けられた、熱変換素子で変換された電力で起動して熱変換素子に送風する送風部を備えていてもよい。このような構成によれば、熱変換素子の両面の温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換を促進することができる。
また、本発明による通信機器は、機器本体と冷却装置とを備えた通信機器であって、機器本体は、機器内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達する機器側伝達部を含み、冷却装置は、機器伝達部と接続可能であって、機器伝達部によって伝達された熱を伝達する冷却側伝達部と、冷却側伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子とを含むことを特徴とする。
さらに、本発明による機器の放熱方法は、機器の内部で発生した熱を放出する機器の放熱方法であって、機器の内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達し、筐体外部に伝達された熱を機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、熱変換素子で熱を電力に変換することを特徴とする。
以上のように、本発明では、機器の内部の基板上の部品で生じる熱を機器の筐体外部に伝達し、筐体外部に伝達された熱を機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、熱変換素子で熱を電力に変換するように構成されているので、機器内部の熱を効率よく外部に放熱することができ、機器の表面温度の上昇を効果的に抑制することができる。その結果、機器の筐体表面の局所的な温度上昇を低減することができる。また、熱変換素子における熱から電力への変換効率を向上させることができる。また、機器の筐体の厚みが増してしまうのを防止することができる。さらに、機器内部の熱を効率よく放熱することができるので、消費電力が大きい高性能の電子部品を使用することができる。
以下、本発明の実施の一形態を図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明による携帯通信機の本体の構成を示す断面図である。図1に示すように、携帯通信機1の本体の外観が上筐体2と下筐体3によって構成されている(形付けられている)。そして、携帯通信機1の本体内部に、メイン基板4と、電子部品5と、発熱体6と、本体コネクタ7と、電池8とが実装されている。
図1は、本発明による携帯通信機の本体の構成を示す断面図である。図1に示すように、携帯通信機1の本体の外観が上筐体2と下筐体3によって構成されている(形付けられている)。そして、携帯通信機1の本体内部に、メイン基板4と、電子部品5と、発熱体6と、本体コネクタ7と、電池8とが実装されている。
図1に示す構成において、メイン基板4は、複数の電子部品5,6などを組み込み配線するためのプリント板である。電子部品5,6は、通話や電子メールの送受信などの携帯通信機1の各種機能を実現するための制御を実行する部品である。例えば、図4,図5に示すように、無線信号を送受信する送受信部21、液晶画面(図示せず)に各種情報を表示する表示部22、ユーザによる操作に応じて各種情報を入力する操作部23、スピーカからの音声出力やマイクによる音声入力を行う音声部24、各部の制御を司るプロセッサを搭載した制御部25などである。発熱体6は、電子部品のうち、動作しているときに発熱する電子部品(特に発熱量の多い電子部品)である。例えば、プロセッサを搭載した制御部25や増幅器を含む送信電力制御回路である。
本体コネクタ7は、携帯通信機1の電池8を充電するときに、商用電源(例えば家庭用の100Vの電源)のコンセントに接続されたアダプタからのケーブルを接続するための充電用のコネクタである。また、本体コネクタ7は、後述する冷却部9を接続するためのコネクタでもある。つまり、本体コネクタ7は、アダプタからのケーブルを接続するためのみならず、冷却部9を接続するためにも用いる兼用のコネクタである。図1に示すように、本体コネクタ7は機器内部でメイン基板4と接合されている。また、本体コネクタ7の接続部(ケーブル、冷却部9を接続する端子を備えた部分)が、携帯通信機1の筐体2,3の側面(携帯通信機1における底面)において露出している。電池8は、外部電源からの電力を蓄え、電子部品5,6に電力を供給するバッテリ(二次電池)である。電池8は、機器内部でメイン基板4と接合されている。
図2は、本発明による冷却部の構成を示す断面図である。図2に示すように、冷却部9は、筐体10内部に、冷却部コネクタ11と、熱変換素子12と、サブ基板13と、蓄電池14とが実装されている。
冷却部コネクタ11は、携帯通信機1の本体コネクタ7と接続するためのコネクタである。この冷却部コネクタ11は、既存の携帯通信機1における充電用コネクタに接続することが可能なコネクタ、すなわち、既存の携帯通信機1における充電用コネクタの規格に合ったコネクタである。
熱変換素子12は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。熱変換素子12としては、一般的にペルチェ素子が用いられている。ペルチェ素子は、2種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した半導体素子である。ペルチェ素子は、異種の導体板を2枚貼り合わせた構成であり、2枚の導体板のうち、一方の導体板の温度が他方の導体板よりも高くなると、導体板間に起電力が生じ、熱を電気に変換することができる。なお、このように温度差を与えることで金属の間に電圧が生じ、電流が流れることをゼーベック効果という。図2に示すように、熱変換素子12は、冷却部コネクタ11とサブ基板13の間に設けられている。
サブ基板13には、熱変換素子12が接合され、また蓄電池14が搭載されている。サブ基板13は、熱変換素子12で発生される電流(電力)を蓄電池14に伝達できるように、熱変換素子12の2枚の導体板のそれぞれと蓄電池14とがサブ基板13上で配線されている。蓄電池14は、熱変換素子12からの電力を蓄えるバッテリ(二次電池)である。
図3は、接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示す断面図である。図3に示すように、携帯通信機1の本体コネクタ7に冷却部9の冷却部コネクタ11を差し込む(組み合わせる、嵌め込む)ことにより、携帯通信機1と冷却部9とが接続(連結)される。
次に、携帯通信機1の内部で発生した熱を外部に放出する場合の動作について説明する。
携帯通信機1の発熱体(電子部品)6が動作すると、発熱体6で熱が発生する。発熱体6で発生した熱は、物が接触している方向に伝わりやすい。特に、熱伝導率の高い部品には熱が伝わりやすく、空気には伝わりにくい性質がある。メイン基板4の熱伝導率は、他の部材、特に空気と比較して100倍以上大きいため、筐体2,3内部の空気よりもメイン基板4に熱が伝わる。
ここで、従来の携帯通信機(冷却部9を接続不可能な携帯通信機)では、発熱体6からメイン基板4に伝わった熱のほとんどが、メイン基板4から上筐体2、下筐体3へと伝わっていく。この場合、全体の熱量に対して、筐体2,3表面から自然空冷によって冷却される熱量は限られているため、どのように最適化しても筐体2,3表面の温度は高温になってしまう。
一方、本発明の携帯通信機(冷却部9が接続された状態の携帯通信機1)では、発熱体6からメイン基板4に伝わった熱は、メイン基板4から本体コネクタ7に伝わる。そして、本体コネクタ7と冷却部コネクタ11とが接続されていると、本体コネクタ7から冷却部コネクタ11に熱が伝わる。これにより、携帯通信機1の発熱体6で発生した熱が冷却部9側に伝達されることになる。
冷却部コネクタ11に伝わった熱は、熱変換素子12によって電力に変換される。すなわち、熱変換素子12において、冷却部コネクタ11と接合されている導体板がサブ基板13と接合されている導体板よりも高温になり、導体板間で起電力が生じる。このとき、熱変換素子12における冷却部コネクタ11との接合面において吸熱が行われる。このように、本体コネクタ7から冷却部コネクタ11に伝達された熱が熱変換素子12で電力に変換されるため、携帯通信機1の筐体2,3表面に伝達される熱が低減される。
熱変換素子12からサブ基板13に流れる電流がサブ基板13上の配線を通って蓄電池14に導かれ、蓄電池14において充電される。
以上のように、この実施の形態1によれば、携帯通信機1と冷却部9とをコネクタ7,11で接続し、携帯通信機1の内部(発熱体6)で発生した熱をコネクタ7,11を介して携帯通信機1外部の冷却部9側に伝達し、その熱を冷却部9にて冷却するように構成されているので、携帯通信機1内部の熱を効率よく外部に放熱することができ、携帯通信機1の表面温度の上昇を効果的に抑制することができる。その結果、携帯通信機1の筐体2,3表面の局所的な温度上昇を低減することができる。
また、熱変換素子12が携帯通信機1外部の冷却部9に内蔵されているので、従来における熱変換素子が携帯通信機本体に内蔵されていた場合のように携帯通信機全体の温度上昇に伴って熱変換素子の周囲の温度も上昇し、熱変換素子における2枚の導体板の温度差が小さくなってしまうことがない。そして、熱変換素子12における2枚の導体板の温度差が大きければ、電気に変換される熱も大きくなるため、携帯通信機1本体に熱変換素子を内蔵する場合よりも、2枚の導体板の温度差を大きくすることができ、熱から電気への変換効率を向上させることができる。
また、携帯通信機1に熱変換素子12を内蔵しないので、携帯通信機1の筐体2,3の厚みが増してしまうのを防止することができる(携帯通信機1を小型化することができる)。
また、携帯通信機1内部の熱を効率よく放熱することができるので、消費電力が大きい高性能の電子部品を使用することができる。
また、携帯通信機1と冷却部9とはコネクタ7,11で接続されるので、携帯通信機1と冷却部9とが取り外し可能な構成である。従って、携帯通信機1の温度が上昇しないようなとき(例えば、発熱体6が動作していないとき)は冷却部9を取り外しておくことによって、携帯通信機1をカバンに収納するような場合に冷却部9が邪魔になってしまうことがない。
例えば、通話しているときやインターネットのサイトを閲覧しているとき、動画像を見ているときなどのように携帯通信機1を使用しているときは、携帯通信機1が発熱する可能性が高いので、ユーザは冷却部9を携帯通信機1に取り付けて携帯通信機1内部の熱を放熱するようにする。一方、携帯通信機1を使っていないとき(着信を待ち受けているとき)は、携帯通信機1が発熱しないので、ユーザは携帯通信機1から冷却部9を取り外しておく。
また、上記の実施の形態1では、携帯通信機1の充電用のコネクタである本体コネクタ7に冷却部9の冷却部コネクタ11を接続するように構成されている。すなわち、冷却部コネクタ11は、既存の携帯通信機1における充電用コネクタの規格に合ったコネクタとされている。従って、既存の携帯通信機1に冷却部9を接続することが可能であり、携帯通信機1の構成を大幅に変更する必要がなく、開発・製造コストを抑えることができる。また、携帯通信機1のバージョンアップなどにも容易に対応することができる。
なお、上記の実施の形態1では、携帯通信機1の充電用のコネクタ(本体コネクタ7)に冷却部9の冷却部コネクタ11を接続するようにしていたが、このような構成に限られるわけではなく、携帯通信機1において充電用のコネクタとは別に、冷却部9接続用の専用のコネクタを設け、そのコネクタに冷却部9の冷却部コネクタ11を接続するようにしてもよい。このような構成によれば、携帯通信機1を充電しながら、そのときに発生する携帯通信機1の熱を放熱することができる。
また、図1に示すように、メイン基板4上の発熱体6は、本体コネクタ7に近い位置に配置されている。従って、発熱体6で発生した熱が効率よく本体コネクタ7に伝達され、本体コネクタ7から冷却部コネクタ11(すなわち冷却部9)に伝達されることになる。
実施の形態2.
上記の実施の形態1では、熱変換素子12で生じた起電力を蓄電池14に充電(蓄積)するように構成されていたが、蓄電池14に充電された電力の利用法については説明していなかった。この実施の形態2では、蓄電池14に充電された電力を携帯通信機1の電池8に戻すように構成したものである。
上記の実施の形態1では、熱変換素子12で生じた起電力を蓄電池14に充電(蓄積)するように構成されていたが、蓄電池14に充電された電力の利用法については説明していなかった。この実施の形態2では、蓄電池14に充電された電力を携帯通信機1の電池8に戻すように構成したものである。
図4は、実施の形態2における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。図4に示すように、携帯通信機1の熱を冷却部9に伝達するための経路(携帯通信機1の本体コネクタ7から冷却部9の冷却部コネクタ11および熱変換素子12への経路;なお、図4では制御部25から熱変換素子12への経路が示されている)のほかに、蓄電池14に蓄積されている電力を電池8に戻す経路(図4における冷却部9の蓄電池14から携帯通信機1の電池8への経路)が設けられている。
具体的には、電池8と本体コネクタ7とがメイン基板4を介して配線され、蓄電池14と冷却部コネクタ11とがサブ基板13を介して配線される。そして、本体コネクタ7と冷却部コネクタ11とが接続されると、電池8から本体コネクタ7への配線と蓄電池14から冷却部コネクタ11への配線とが接続され、蓄電池14に充電された電力が電池8に送られる。
このような構成によれば、蓄電池14に充電された電力を電池8に蓄積することができ、携帯通信機1の使用可能な時間を長くすることが可能となる。
なお、上記の実施の形態では、熱変換素子12で生じた電力を一旦、蓄電池14に充電し、蓄電池14から電池8に蓄積するように構成されているが、蓄電池14に充電せずに、熱変換素子12で生じた電力を電池8に直接戻して充電するようにしてもよい。この場合、熱変換素子12の2枚の導体板間で生じた起電力が冷却部コネクタ11、本体コネクタ7およびメイン基板4を介して電池8に送られることになる。
また、熱変換素子12で生じた電力を冷却部コネクタ11および本体コネクタ7を介して携帯通信機1側に戻すように構成されていたが、冷却部コネクタ11および本体コネクタ7とは別に、熱変換素子12で生じた電力を戻すための信号線を接続するためのコネクタを設けてもよい。
実施の形態3.
上記の実施の形態2では、蓄電池14に充電された電力を携帯通信機1の電池8に戻すように構成していたが、この実施の形態3では、蓄電池14に充電された電力を利用してファンを起動させ、熱変換素子12の片側の導体板(サブ基板13と接合された導体板)を冷却するように構成したものである。
上記の実施の形態2では、蓄電池14に充電された電力を携帯通信機1の電池8に戻すように構成していたが、この実施の形態3では、蓄電池14に充電された電力を利用してファンを起動させ、熱変換素子12の片側の導体板(サブ基板13と接合された導体板)を冷却するように構成したものである。
図5は、実施の形態3における接続状態の携帯通信機の本体と冷却部の構成を示すブロック図である。図5に示すように、冷却部9には、ファン31が設けられている。ファン31は、冷却部9が携帯通信機1に接続されたときに熱変換素子12の片側の導体板(サブ基板13と接合された導体板)に風を送り冷却する。なお、ファン31は、携帯通信機1と冷却部9とが接続されると、自動的に起動して回転するように構成されていてもよいし、スイッチなどが設けられ、スイッチのオンに応じて起動して回転するように構成されていてもよい。
このような構成によれば、ファン31を起動させて冷却することにより、熱変換素子12の導体板の温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換を促進することができる。
なお、ファン31は、携帯通信機1と冷却部9が接続された状態で携帯通信機1に向かって風を送り、携帯通信機1を冷却するように構成されていてもよい。
また、熱変換素子12で生じた電力を一旦、蓄電池14に充電し、蓄電池14の電力をファン31の駆動電力としていたが、蓄電池14に充電せずに、熱変換素子12で生じた電力を直接、ファン31の駆動電力とするようにしてもよい。
なお、上記の実施の形態1〜3では、携帯通信機1の放熱方法について説明したが、筐体内の収容スペースが小さい小型の機器であれば、携帯通信機1に限られず、例えば、PHS、ノートパソコン、PDAなどの装置にも適用可能である。
なお、携帯通信機1と冷却部9とを含めて携帯通信機(通信機器)と考えてもよい。すなわち、冷却部9を携帯通信機1の一部と考えてもよい。
本発明は、携帯通信機などのような小型の電子機器内部の熱を放出する装置に適用される。
1 携帯通信機
4 メイン基板
5 電子部品
6 発熱体
7 本体コネクタ
8 電池
9 冷却部
11 冷却部コネクタ
12 熱変換素子
13 サブ基板
14 蓄電池
4 メイン基板
5 電子部品
6 発熱体
7 本体コネクタ
8 電池
9 冷却部
11 冷却部コネクタ
12 熱変換素子
13 サブ基板
14 蓄電池
Claims (8)
- 機器の内部に設けられた、基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達する第1の伝達部と、
前記機器の外部に設けられ、前記第1の伝達部と接続可能であって、前記第1の伝達部によって伝達された熱を伝達する第2の伝達部と、
前記機器の外部に設けられた、前記第2の伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子と、を備えた
ことを特徴とする放熱装置。 - 第1の伝達部は第1のコネクタを含み、
第2の伝達部は前記第1のコネクタに接続可能な第2のコネクタを含み、
前記第1のコネクタと前記第2のコネクタとが接続されたときに、基板上の部品で生じる熱が前記第1のコネクタおよび前記第2のコネクタを通じて伝達する
ことを特徴とする請求項1記載の放熱装置。 - 第1のコネクタは、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタである
ことを特徴とする請求項2記載の放熱装置。 - 第1のコネクタは、機器の内部に設けられた電池を充電する場合に充電用のケーブルが接続される充電用コネクタとは別のコネクタである
ことを特徴とする請求項2記載の放熱装置。 - 熱変換素子で変換された電力を機器の内部に設けられた電池に充電する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の放熱装置。 - 機器の外部に設けられた、熱変換素子で変換された電力で起動して前記熱変換素子に送風する送風部を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の放熱装置。 - 機器本体と冷却装置とを備えた通信機器であって、
前記機器本体は、機器内部の基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達する機器側伝達部を含み、
前記冷却装置は、
前記機器伝達部と接続可能であって、前記機器伝達部によって伝達された熱を伝達する冷却側伝達部と、
前記冷却側伝達部によって伝達された熱を電力に変換する熱変換素子と、を含む
ことを特徴とする通信機器。 - 機器の内部で発生した熱を放出する機器の放熱方法であって、
前記機器の内部の基板上の部品で生じる熱を前記機器の筐体外部に伝達し、
前記筐体外部に伝達された熱を前記機器の外部に設けられた熱変換素子に伝達し、
前記熱変換素子で熱を電力に変換する
ことを特徴とする機器の放熱方法。
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