JP3898183B2 - 冷却装置及び熱伝導の改善方法 - Google Patents

Description

本発明は、サイズ、重量、および消費電力が制約される、たとえばラップトップ・コンピュータのようなポータブル電子機器における放熱の分野に関し、特にそのような電子機器に用いられる半導体チップで発生する熱の熱伝導と冷却に関する。

ラップトップ・コンピュータの電力消費、特にコンピュータに用いられる半導体チップのような中央演算処理装置（ＣＰＵ）の電力は増加している。たとえば、ラップトップ・コンピュータの全電力は一般に、１０ワットの範囲であったが、現在では約５０ワットである。ＣＰＵ電力は２ワットから約１８ワットに増加し、将来は４０ワットに達するであろう。この電力の大部分は熱として周辺に放散される。ラップトップ・コンピュータからより効率的に熱を取り出すことが急務となってきている。

放熱のために、熱をある場所から別の場所に伝導させるアイデアはよく知られているが、用いられるポータブル・コンピュータ装置のタイプにおいて、上部にヒンジのある浅いベースの一般に用いられる筐体のタイプによって、およびその筐体内のエアー・フロー（空気流）によって、伝導できる能力には制約がある。以下の文献に見られるように、いくつかの技術的成果が公表されている。

米国特許第６１０５６６２号（発明の名称"Cooling System for Electronic Packages"）は、熱伝導のための特別なチューブ状の熱伝導構成要素によって熱伝導プレートに結合されるヒート・ラジアータ（放熱器）あるいはヒートシンクを含む、冷却装置を教示している。

米国特許第６１１１７４８号（発明の名称"Flat Fan Heat Exchanger and Use Thereof in a Computing Device"）は、同じレベルで、エアーがファン筐体の片側から吸入され、反対側に排出される、構造を有する平型ファンの一つタイプを含む、ファン熱交換器を教示している。この特許は、一般のコンピュータの筐体において、フィンでガイドされるエアーを移動させるいくつかのファンのタイプを示している。

米国特許第６１０５６６２号 米国特許第６１１１７４８号

本発明の目的は、ＣＰＵチップあるいはチップからの絶えず増加する熱を伝導するために、より多くのエアー量を、コンピュータ筐体の外へ運搬する技術を提供することである。

ファンのプロペラ・シャフトの近傍でファン筐体内部への吸気口（air inlet）の能力を有し、かつファン筐体の中を通るデュアル排気口（air outlet）を、コンピュータ筐体の中を通るデュアル・フィン付きのヒートシンクとともに具備する、平型ファンを用いるポータブル・コンピュータ用の冷却装置を提供する。コンピュータ筐体を貫通する排気口はそれぞれ、半導体チップのようなコンピュータの物理的に比較的小さな熱源に個別のヒート・パイプを介して、独立して結合される。排気とヒートシンクによる放熱はコンピュータ筐体の隣接する交差壁を介して排出し、入力エアーはファン筐体に対して平行に入り、かつシャフトもしくはファンの軸に対して垂直に出ていく状態を作り出す。各ヒートシンクの連結は、それぞれエアー・フローの体積が拡張される位置とともにフィンで提供される。チップからの熱は、このようにして伝達され、コンピュータ筐体から出口地点で、排出エアーに伝導される。

図１を参照すると、ラップトップ・コンピュータの筐体壁の横断部に配置される本発明の構成要素の斜視図が示され、図２を参照すると、フィンのあるヒートシンクと結合された平型ファン・アセンブリ（ファン筐体）の平面図が示されている。コンピュータのベース１は、交差壁２と３およびヒンジ式ディスプレイ部材４を具備する。
ファン筐体５は、交差壁２と３の交差点で水平位置にある。ファン筐体５は、上側に吸気口６Ａ（図２では取り外して示される）と、下側に吸気口６Ｂを有する。ファン筐体５はさらに排気口領域７Ａと７Ｂ（図１では見えない位置にある）を有し、これらは図２のファン筐体５の周辺部の周りで分離される。排気口領域７Ａと７Ｂは、それぞれエアー・フロー強化されたヒートシンク８と９と結合され、代わって、独立に、分離ヒート・パイプ１０と１１を介して、半導体チップのような物理的に小さな熱源１２（この図では見えないが、ヒート・パイプ１０と１１の端の下に配設され、かつ基板ボード１５の上に搭載される）に結合される。吸気口６Ａと６Ｂはファン筐体５の軸１６の近傍にある。図１と図２の構造は、入力エアーがファン筐体５に対して平行して入って、ファンの軸１６に対して垂直に出ていく状態を作り出す。

各ヒートシンク８と９は、エアー・フローを強化するフィンを具備する。フィンは図１では見えないが、図２では４０と４１の符号を付されている。熱は分離されたヒート・パイプ１０と１１を介して、チップ１２から分離されたヒートシンク８と９に伝達され、その結果ヒート・パイプ１０と１１はそれぞれコンピュータ筐体の出口（壁３を通して４０、壁２を通して４１）へすべての熱を伝達する。図１のクランプ機構１８が、２つのヒート・パイプ端１３と１４を保持するために用いられ、チップ・パッケージと良好な熱接触を行う。小型冷却装置の詳細な構造をさらに図２に示すが、これはフィン付のヒートシンク８と９と結合される、ファン筐体５の平面図を示す。図２において、本発明の構造および動作を考慮すると、図１のファン筐体５で吸気口６Ａを有するカバーを取り外して、吸気口６Ｂを見えるようにしたものである。

ファン筐体５は、吸気口６Ａと６Ｂを別々に有するパーツを保持し、排気口領域７Ａと７Ｂを画定する部分２１と２１Ａを具備する。シャフト２３はファン・モータ２２（図示せず）を保持する。多数のファン・ブレード２４がシャフト２３に取り付けられる。反時計回りの回転で、排出エアー（符号２５の矢印で示される）がより大体積で移動する。ここでヒートシンク８と９はコンピュータ筐体の交差壁２と３に対して直角より狭い角度である。

ファン筐体５の形、ファン・ブレード２４の数、および吸気口６Ａと６Ｂでの開口部の数は例示的なものであり、図に示されたこれらに制限されないことは明らかである。本発明のフィン４０と４１の構成は、最大のエアー・フロー体積拡張が得られるように配設され、それらのフィンは、長さと離す距離が異なり、かつフィン・アセンブリは交差壁２と３に垂直であり、ファン内部でエアー・フロー２５の方向に対して接線方向で離れて置かれる。

図３を参照すると、図１と図２におけるファン筐体５の内部のファンが、図２の点線III−IIIに沿った図３の断面図で示されている。モータとシャフト２３が中央にある。モータを駆動する電子部品の大部分はシャフト２３と一体になっている。吸気口６Ａは上部カバーを貫通し、吸気口６Ｂは下部カバーを貫通する。ファン筐体の排気口２７と２８は、図３の見えないところにある構成要素２１と２１Ａによって方向付けられるように、ヒートシンク８と９を通してエアー排出を方向付ける。

図４を参照すると、図２の点線で示され、ヒートシンク８のフィン・アセンブリを通り抜ける、ヒート・パイプ１１の端の側面図と平面図をそれぞれ図４のＡとＢに示す。２つのヒートシンク８と９は、図２に示すように、原則的には同一である。図４のＡのヒートシンク９の側面で示されるように、ヒート・パイプ１１の一端は外へ突出した多数のフィン４０でその本体部に挿入される。ヒートシンク９とそのフィン４０は、たとえばアルミニウムもしくは銅のような熱伝導材料で形成される。フィンを保護しエアー・フローをガイドするために、フィン４０を取り囲むカバー４５が提供され得る。図４のＢに示すように、フィンの間の間隔（ピッチ）４６はフィンの長さに従って異なる。さらに、図２と図４の両方に示すように、フィンの長さは、ファン筐体の排気口２７の形と適合するようにさまざまである。

図５を参照すると、熱を発生する半導体チップ１２とヒート・パイプを接触させるクランプ機構の側面図である。半導体チップ１２は、プリント配線基板５２の上にはんだ付けされる。ヒート・パイプ１０と１１が内部に挿入された２つの接続ブロック１３と１４は、半導体チップ１２の上に配置される。プリント配線基板５２の上にしっかり固定されるクランプ５１を用いて、接続ブロックは２つのエラストマーあるいはスプリング・ピース５０によってチップ１２と強制的に良好な熱的接触をさせられる。

ヒート・パイプ構造は各種の配置に適合する。図６に示すように、接続ブロック５５は２つのピース（構成要素）から構成される。接続ブロック・ピースの一端は溝状カット５６を具備する。ヒート・パイプ１０が互いに対向する溝状カットを有する２つの接続ブロック・ピースの内部に挿入される。２つの接続ブロック・ピースは、クリアランス（隙間）５７で分離される。溝状カットの寸法はヒート・パイプの直径より大きく形成され、その結果、自由スペース５８がカット５６内部のヒート・パイプの下および周辺にできる。２つの接続ブロック・ピースは、半導体チップから熱を受け取り、ヒート・パイプに伝導する。この接続ブロックの２ピース構造は、接続ブロックが半導体チップの表面と素直に接触するためのある程度の自由度を提供する。それゆえ、信頼性が有りかつ効果的な熱的接触が確保される。ブロック・ピースにおいて、ブロック・ピースと溝状カット内部のスペースの間のスペースが、熱ペーストのような熱伝導性流体状あるいはゲル状材料で充填される場合、熱的接触は、さらに改善され得る。

以上、サイズ、重量、および消費電力が制約される、たとえばラップトップ・コンピュータのようなポータブル電子機器において、放熱のための装置原理を述べてきた。

ラップトップ・コンピュータの筐体壁の横断部に配置される本発明の構成要素の斜視図である。 フィン付きのヒートシンクと結合されたファン筐体の平面図である。 吸気口と排気口を示している本発明のファン筐体の断面図である。 フィン・アセンブリを通り抜けるヒート・パイプの端のための平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。 プリント回路基板上の半導体チップのような単一の熱発生源と接触する分離ヒート・パイプのアセンブリを示す側面図である。 ヒート・パイプの端を保持するために用いる接続ブロックの斜視図である。

符号の説明

１ （コンピュータ）ベース
２、３ 交差壁
４ ディスプレイ部材
５ 平型ファン・アセンブリ（ファン筐体）
６Ａ、６Ｂ 吸気口
７Ａ、７Ｂ 排気口領域
８、９ ヒートシンク
１０、１１ヒート・パイプ
１２ 半導体チップ（熱源）
１３、１４ 接続ブロック（ヒート・パイプ端）
１５ 基板ボード
１６ ファンの軸
１８ クランプ機構
２１ 構成要素
２２ ファン・モータ
２３ シャフト
２４ ファン・ブレード
２５ エアー・フロー
２７、２８ ファン筐体の排気口
４０、４１ フィン
４５ カバー
４６ 間隔（ピッチ）
５０ スプリング・ピース
５１ クランプ
５２ プリント配線基板
５５ 接続ブロック
５６ 溝状カット
５７ クリアランス
５８ 自由スペース

Claims (17)

1. チップによって駆動されるポータブル・コンピュータのための冷却装置であって、前記コンピュータは基本的に長方形のベースを取り囲む交差壁を有する前記ベースを含む筐体を具備するものであり、
   a)前記コンピュータ筐体の前記ベース内部に配置され、それぞれ吸気口を備える上部カバー及び下部カバーと、シャフト及び前記シャフトとともに回転する前記シャフトに結合されるファン・ブレードとを具備するファン筐体と、
   b)前記ファン筐体の排気口に位置し、かつ前記コンピュータ筐体を通してコンピュータ筐体の出口に延長している少なくとも１つのヒートシンクとを具備し、
   前記ヒートシンクは、内部に複数のフィンを有し、前記複数のフィンの間隔は、前記フィンの長さに従って異なるように構成された冷却装置。
2. 前記ヒートシンクにおいて、エアー・フロー体積拡張が得られるように配設されたフィンが、前記ファン筐体の排気口から前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口まで延長して配置される請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記シャフトの位置の周りで前記ベースを貫通する吸気口を具備する請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記シャフトの位置の周りで前記ベースを貫通する吸気口を具備する請求項２に記載の冷却装置。
5. 前記シャフトは前記交差壁の交差地点に隣接する前記ベースの上に位置し、前記少なくとも１つのヒートシンクは前記ファン筐体の排気口に位置し、かつ前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口に延長している、２つの前記ヒートシンクは、前記ファン筐体内部で回転方向に連続的な分離された前記ファン筐体の排気口にそれぞれ隣接し、前記交差地点で異なる前記コンピュータ筐体の前記交差壁において、前記コンピュータ筐体の出口を貫通してそれぞれ延長している請求項４に記載の冷却装置。
6. チップによって駆動されるポータブル・コンピュータのための冷却装置であって、前記コンピュータは基本的に長方形のベースを取り囲む交差壁を有する前記ベースを含む筐体を具備する形態であって、
   a)前記コンピュータ筐体の前記ベース内部に配置され、それぞれ吸気口を備える上部カバー及び下部カバーと、シャフト及び前記シャフトとともに回転する前記シャフトに結合されるファン・ブレードとを具備するファン筐体と、
   b)前記ファン筐体の排気口に位置し、かつ前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口に延長している少なくとも１つのヒートシンクと、
   c)前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口で、前記チップから前記ヒートシンクへのヒート・パイプ熱伝導部とを具備し、
   前記ヒートシンクは、内部に複数のフィンを有し、前記複数のフィンの間隔は、前記フィンの長さに従って異なるように構成された冷却装置。
7. 前記ヒートシンクにおいて、エアー・フロー体積拡張が得られるように配設されたフィンが、前記ファン筐体の排気口から前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口に延長して配置され、かつ前記チップから前記ヒートシンクまでの前記ヒート・パイプ熱伝導部の終端が熱的に前記フィンに結合される請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記シャフトの位置の周りで前記ベースを貫通する吸気口を具備する請求項７に記載の冷却装置。
9. 前記シャフトは前記交差壁の交差地点に隣接する前記ベースの上に位置し、前記少なくとも１つのヒートシンクは前記ファン筐体の排気口に位置し、かつ前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口に延長している、２つのヒートシンクは、前記ファン筐体内部で回転方向に連続的な分離された前記ファン筐体の排気口にそれぞれ隣接し、前記交差地点で異なる筐体の交差壁において、前記コンピュータ筐体の出口を貫通してそれぞれ延長しており、前記チップから前記ヒートシンクへの前記ヒート・パイプ熱伝導部は前記コンピュータ筐体を通して前記コンピュータ筐体の出口で、前記チップから各前記ヒートシンクへの分離ヒート・パイプであり、熱的に前記フィンに接続されている請求項８に記載の冷却装置。
10. 基本的に長方形のベースを取り囲む交差壁を有する前記ベースを含むコンピュータ筐体内部に位置する、半導体チップのような比較的小さな中央演算処理装置によって駆動される形態のポータブル・コンピュータ装置における、熱伝導の改善方法であって、
    a)上部カバー及び下部カバーを貫通する吸気口を有するファン筐体内で回転できる羽根車を有し、前記羽根車の回転が前記シャフトに垂直であるシャフトの上に位置する平板タイプのファンを、前記ベース内部の場所で、第１および第２の前記交差壁の交差部分に配置し、前記交差部分の前記交差壁はそれぞれ前記ファン筐体と接線方向の位置関係にあり、
    b)入力エアーが前記シャフトに近接して前記ファン筐体に進入し、前記羽根車が回転するとき、前記第１と第２の前記交差壁と接線方向の関係の位置と一致する前記ファン筐体内部の第１および第２の排気口から強制的に排出され、
    c)前記コンピュータ筐体の前記ベースの前記交差壁を通して、前記接線方向関係の位置で、第１および第２のコンピュータ筐体の出口を備え、
    d)前記ファン筐体の排気口との間で最大のエアー・フロー体積拡張が得られるように内部に複数のフィンを配設したヒートシンクを具備し、前記複数のフィンの間隔は、前記フィンの長さに従って異なっており、前記コンピュータ筐体の前記ベースの前記交差壁を通して前記コンピュータ筐体の出口から前記入力エアーが排出されるようにした熱伝導の改善方法。
11. 前記最大のエアー・フロー体積拡張が得られるように前記ヒートシンクの内部でのフィンの配設を含む請求項１０に記載の熱伝導の改善方法。
12. 前記ベース内部の前記中央演算処理装置から前記ベースの前記交差壁を通して、前記コンピュータ筐体の出口までのヒート・パイプ熱伝導能力を備える請求項１１に記載の熱伝導の改善方法。
13. 前記最大のエアー・フロー体積拡張が得られるようにフィンの間隔およびヒート・パイプの位置決めの調整を含む請求項１０に記載の熱伝導の改善方法。
14. 前記ベース内部の前記中央演算処理装置から各前記フィンまで貫通する前記ヒート・パイプ熱伝導能力を備える請求項１２に記載の熱伝導の改善方法。
15. 前記ヒート・パイプの第１の端から前記ベース内部の前記中央演算処理装置への、および前記ヒート・パイプの残りの端から前記フィンへの熱的結合を備える請求項１４に記載の熱伝導の改善方法。
16. 前記中央演算処理装置から各前記ヒートシンクへ延長する分離ヒート・パイプを備える請求項１５に記載の熱伝導の改善方法。
17. 前記中央演算処理装置から各前記ヒートシンクへ延長する分離ヒート・パイプを備え、かつ前記ヒートシンク内部の各フィンとの熱的結合を備える請求項１６に記載の熱伝導の改善方法。

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