(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部熱源を含むポータブル・コンピュータのための冷却構造において、
前記局部熱源において生成される熱を受け取り貯蔵する蓄熱器と、
前記ポータブル・コンピュータを配置するための支持及び位置決め支援部材と、
第１端子、第２端子及び低温部分を有し、前記第１端子及び第２端子間に印加されるパワーに応答して、前記低温部分において冷たくなるペルチェ効果素子とを含み、
前記蓄熱器は、前記ポータブル・コンピュータの電源として働く電解液タイプのバッテリであって充電の間に冷却され、前記ポータブル・コンピュータの開口内に配置されて前記ポータブル・コンピュータの表面と同一平面にある外面部分を含み、
前記ペルチェ効果素子の前記低温部分は、前記支持及び位置決め支援部材の開口内に、前記支持及び位置決め支援部材の表面と同一平面になるように配置され、
前記ポータブル・コンピュータ並びに前記支持及び位置決め支援部材が互いに接触して位置決めされ、
前記蓄熱器の前記外面部分及び前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が押圧力の下で接触される
冷却構造。
【請求項２】
前記支持及び位置決め支援部材がポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションにおける支持及び位置決め支援部材である、請求項１記載の冷却構造。
【請求項３】
前記局部熱源において生成される熱を前記蓄熱器に伝達する低熱インピーダンスの熱伝達部材を含む、請求項１又は２記載の冷却構造。
【請求項４】
前記蓄熱器がリチウム・イオン電解液タイプのバッテリである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却構造。
【請求項５】
局部熱源と前記局部熱源において生成される熱を受け取り貯蔵する蓄熱器とを含むポータブル・コンピュータであって、前記蓄熱器が、前記ポータブル・コンピュータの電源として働く電解液タイプのバッテリであって充電の間に冷却され、前記ポータブル・コンピュータの開口内に配置されて前記ポータブル・コンピュータの表面と同一平面なるように形成された外面部分を含む前記ポータブル・コンピュータを配置するための支持及び位置決め支援部材を有するポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションであって、
前記ポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションが、第１端子、第１端子及び低温部分を有し、前記第１端子及び第２端子間に印加されるパワーに応答して、前記低温部分において冷たくなるペルチェ効果素子を含み、
前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が、前記支持及び位置決め支援部材の開口内に、前記支持及び位置決め支援部材の表面と同一平面になるように配置され、
前記ポータブル・コンピュータが前記支持及び位置決め支援部材に配置されたとき、前記蓄熱器の前記外面部分及び前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が接触するように構成されている
ポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーション。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子装置のハウジング内に組み込まれる蓄熱器への熱の伝達及びそこからの熱の取り出しに関する。蓄熱器は、局部的熱源から発生される熱を受け取り、熱を一時的に保持し、最終的にハウジングの外部へ放散する。本発明は特に、ポータブル・コンピュータ技術において貴重である。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の構成が、性能及びコンパクト性において進歩するにつれ、熱放散を制御することがより困難となる。これは特に、例えば、性能の進歩が著しいポータブル・コンピュータ技術の状況に当てはまり、そこでは半導体チップなどの特定の個々の小さな部品は、取り出しまたは制御するのが困難な多大な熱を局部的に生成し得る。通常、電子装置の携帯性、部品密度及び性能において達成される成果の結果、従来式の熱伝導、熱対流及び熱放射のような物理作用を使用するだけでは、個々の高熱生成部品からの局部熱を除去するのは困難になっている。
【０００３】
ペルチェ原理を使用する熱電冷却装置が、益々注目を集めている。通常テルル化合物から成るこうした装置は、局部冷却器領域を生成することにより電流に応答する。装置のたくさんの構造及びアプリケーションが、１９９７年９月のScience Newsの１５２ページ及び１５３ページに掲載される、C．Wuによる論文で述べられている。
【０００４】
しかしながら、こうした装置は当時の技術段階では、サイズ及びヒートポンプ効率のために、高熱負荷を有する状況において使用されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電子装置のハウジング内に組み込まれる蓄熱器への熱の伝達及び熱の取り出しを行うための技術に関する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、局部熱源を含むポータブル・コンピュータのための冷却構造に関する。この冷却構造は、前記局部熱源において生成される熱を受け取り貯蔵する蓄熱器と、前記ポータブル・コンピュータを配置するための支持及び位置決め支援部材と、第１端子、第２端子及び低温部分を有し、前記第１端子及び第２端子間に印加されるパワーに応答して、前記低温部分において冷たくなるペルチェ効果素子とを含む。前記蓄熱器は、前記ポータブル・コンピュータの電源として働く電解液タイプのバッテリであって充電の間に冷却され、前記ポータブル・コンピュータの開口内に配置されて前記ポータブル・コンピュータの表面と同一平面にある外面部分を含み、前記ペルチェ効果素子の前記低温部分は、前記支持及び位置決め支援部材の開口内に、前記支持及び位置決め支援部材の表面と同一平面になるように配置され、前記ポータブル・コンピュータ並びに前記支持及び位置決め支援部材が互いに接触して位置決めされ、前記蓄熱器の前記外面部分及び前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が押圧力の下で接触される。
【０００７】
特定の態様において、前記支持及び位置決め支援部材はポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションにおける支持及び位置決め支援部材であり、冷却構造は、さらに、前記局部熱源において生成される熱を前記蓄熱器に伝達する低熱インピーダンスの熱伝達部材を含む。
【０００８】
本発明のもう１つの態様は、局部熱源と、前記局部熱源において生成される熱を受け取り貯蔵する蓄熱器とを含むポータブル・コンピュータであって、前記蓄熱器が、前記ポータブル・コンピュータの電源として働く電解液タイプのバッテリであって充電の間に冷却され、前記ポータブル・コンピュータの開口内に配置されて前記ポータブル・コンピュータの表面と同一平面なるように形成された外面部分を含む前記ポータブル・コンピュータを配置するための支持及び位置決め支援部材を有するポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションに関する。前記ポータブル・コンピュータ・ドッキング・ステーションは、第１端子、第２端子及び低温部分を有し、前記第１端子及び第２端子間に印加されるパワーに応答して、前記低温部分において冷たくなるペルチェ効果素子を含み、前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が、前記支持及び位置決め支援部材の開口内に、前記支持及び位置決め支援部材の表面と同一平面になるように配置され、前記ポータブル・コンピュータが前記支持及び位置決め支援部材に配置されたとき、前記蓄熱器の前記外面部分及び前記ペルチェ効果素子の前記低温部分が接触するように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、電子装置ハウジング内の蓄熱器との間の熱の伝達を制御するために、ペルチェ効果素子を使用するパッケージング境界面が提供される。蓄熱器の少なくとも１つの熱伝達パッドが、装置ハウジングの表面に配置され、ペルチェ効果素子の低温部分が、支持及び位置決め支援部材の開口内に配置され、ペルチェ素子の低温部分と熱伝達パッドとを互いに押圧する力の下で、良好な熱伝達境界面が生成される。本発明のバッテリ式ポータブル・コンピュータでは、バッテリ再充電サイクルの間にペルチェ効果冷却作用が発生する。チップなどの局部熱源において生成される熱は、低熱インピーダンス路またはヒートパイプを通じて即時伝導され、蓄熱器に貯蔵される。蓄熱器は高密度の貯蔵材料内に熱を保存し、これは貯蔵材料の相転移における潜在エネルギの使用を含み得る。ドッキング・ステーション内のペルチェ効果素子は、貯蔵された熱を外気に伝達するために、蓄熱器または熱緩衝器のための冷却装置として作用するように配置され、必要に応じて、蓄熱器を前置冷却することにより蓄熱器の容量を増加する。バッテリ電源を有するポータブル・コンピュータでは、バッテリが蓄熱器として作用し、２つ以上のバッテリが使用される場合、１つのバッテリは、電解液の相転移を潜在エネルギ蓄積として使用する蓄熱器として作用し、他のバッテリは動作電力を提供する。
【００１０】
図１では、本発明の要素の位置関係が示される。本発明に関わる要素の相互関係を実現する広い柔軟性が存在することが明らかであろう。図１を参照すると、本発明のパッケージング境界面１は、電子装置ハウジング４の表面を通じて延び、それと本質的に同一平面にある蓄熱器３の外面部分２を含む。電子装置ハウジング４は、支持及び位置決め支援部材５上に配置される。支持及び位置決め支援部材５は、装置の支持部分６の全体上に配置され、支持される。ペルチェ効果素子７は、支持及び位置決め支援部材５を通じて延びる支持部分６内の開口８を通して配置され、ペルチェ効果素子７の低温部分９は、本質的に、ハウジング４及び蓄熱器３の外面部分２と接触する、支持及び位置決め支援部材５の表面と同一平面である。支持及び位置決め支援部材５上の突起１０によりハウジング４を位置決めするための位置決め支援能力が提供される。端子１１及び１２は、ペルチェ効果素子７にパワーを供給する。矢印１３及び１４により示される力が、外面部分２及び低温部分９を互いに押圧し、それにより蓄熱器３とペルチェ効果素子７の低温部分９との間の境界面を介して良好な熱伝達が提供される。熱伝導性のエラストマ材料が外面部分２及び低温部分９の境界面において使用される。ドッキング・ステーション上に載置するポータブル・コンピュータの場合など、多くのアプリケーションにおいて支持材上の電子装置の重さが、蓄熱器とペルチェ効果素子の低温部分とを互いに押圧する力として作用する。
【００１１】
本発明のパッケージング境界面では、ペルチェ効果素子の低温部分９が、支持及び位置決め支援部材５を通じて、本質的にそれと同一平面に配置される。
【００１２】
ペルチェ効果素子の要素が、図２に示される。図２を参照すると、図１の素子７として示される半導体タイプのペルチェ効果素子の機能図が示される。低温部分９が、"ｎ"１５及び"ｐ"１６半導体素子間の接合部分に存在し、半導体素子上にはセグメント１７及び１８が存在し、これらはパワーが端子１１及び１２間に供給されるとき発熱する。ペルチェ効果素子は、許容電力範囲内で、個別部品として使用可能である。構造内で使用される材料は、一般にテルル化合物ベースであり、最も一般的なものはテルル化ビスマスである。既知のサプライヤはマーロウ・インダストリ社（Malow Industries、Dallas Tex．）である。ペルチェ効果素子７は、図１の支持及び位置決め支援部材５並びに支持部分６を通して配置され、低温部分９が蓄熱器３と良好に熱伝達接触される。
【００１３】
本発明の熱伝達機構では、電子装置ハウジング内に、ヒートパイプ、蓄熱器、及び外部に実装されるペルチェ効果素子の低温部分と圧力の下で結合するハウジング表面接触が存在し、これらの組み合わせがペルチェ効果素子の制御の下で、ハウジング内の局部領域で生成された熱を即時外部に伝達し、蓄熱器においてその熱を一時的に蓄積し、その熱をハウジングから取り出す。蓄熱器はその熱を高熱密度貯蔵材料内に一時的に保存する。電子装置の部品において通常高レートで生成される局部熱が、部品領域から低熱インピーダンス路またはヒートパイプを通じて蓄熱器に即時に伝達される。蓄熱器内の熱は、外部電源に接続されるペルチェ効果素子によって制御される。外部電源は、ペルチェ効果素子が熱を除去するレート及び範囲を選択できるようにし、ペルチェ効果素子により蓄熱器を事前冷却すれば、蓄熱器の熱容量を増加させることができる。
【００１４】
本発明の利点は、特に、消費電力及び重さが重要なパラメータであり、ドッキング・ステーション・タイプ構造が格納及びバッテリ再充電のために使用される、ポータブル・コンピュータ技術において有用である。バッテリ電源を有するポータブル・コンピュータでは、ドッキング・ステーション内の再充電パワーに加え、ペルチェ効果素子がドッキング・ステーション内に配置され、蓄熱器の外面部分との境界面における接触圧が、ポータブル・コンピュータの重さにより供給される。更に、ペルチェ効果素子は、ドッキング・ステーションの一部に含まれ、従ってポータブル・コンピュータの重さ及びサイズを低減させる。更に、ペルチェ効果素子を通る全ての熱伝達は、ポータブル・コンピュータ・バッテリの再充電時間と独立に行われる。
【００１５】
本発明の原理では、蓄熱器として使用される構造に柔軟性がある。例えば、形状は、一方ではハウジングの寸法の薄い平坦な層形状から、他方ではバッテリなどのコンパクトな素子形状まで変化し得る。蓄熱器の周辺の断熱材は、スペースが許容され、湿気の存在の下で大きな温度差がある状況では、通常有利である。局部的に生成される熱の蓄熱器内における一時的貯蔵は、通常、使用される他の従来の熱放散と並列に作用し、それに影響しない。熱の一時的貯蔵と従来の熱放散とのこの組み合わせは、最大の熱生成を受け入れる一方で、電子装置ハウジングの外側において許容可能な温度を維持する。
【００１６】
図３では、図１及び図２と同一の参照番号が同一の要素に対して使用され、図１のハウジング４などの電子装置ハウジング内における、局部熱源２０、ヒートパイプ２１、及び蓄熱器２２の配置関係が示される。ここで蓄熱器２２は図１の蓄熱器３に対応するが、図１の外面部分２を側部に有する点で、それとは異なる。局部熱源２０は、ハウジング４全体の面積に比較して電子装置の比較的小さな部品であり、例えば半導体チップなどである。ハウジング１は一般に、絶縁プラスチックまたは複合材料である。金属ハウジングも使用され得る。要素２１は、周知の様々なタイプのヒートパイプの１つなどの低熱インピーダンスの熱伝達装置であり、高効率の熱伝達のために使用される。ヒートパイプは一般に、端部が封止された液体を含む導管であり、液体は熱源の位置に配置される一方の端部において蒸発され、熱が伝達される位置に配置される他端において液体が圧縮される。ヒートパイプ２１は、はんだ付けなどにより局部熱源２０との良好な熱伝達接続２３を有する。また、ヒートパイプ２１が蓄熱器２２のハウジング２４に結合されることにより、または点線で示されるように、蓄熱器へのヒートパイプ２１の端部の挿入２５により蓄熱器２２へ良好に熱伝達される。
【００１７】
本発明に従う蓄熱器３は、多数の利点を提供する熱一時貯蔵装置と見なされ得る。こうした利点には、熱がヒートパイプ２１を通じてあるレートで伝達され、続いてペルチェ効果素子の制御の下で外面部分２及び低温部分９の境界面を超えて別のレートで解放される。液体から固体への変化などの物理形態の変化は、相転移に関連する潜熱の多大な吸収または解放を伴い、相転移を有する蓄熱器２２としての材料は、通常、より効率的な蓄熱材料である。本発明は更に、独立にパワー供給されるペルチェ効果素子７をハウジング４の外側に設け、外面部分２と低温部分９の境界面を、ハウジング４を通る開口８内の結合パッドとし、蓄熱器２２を蓄熱器材料の相転移により、独立の時間スケールで事前冷却し、それによりヒートパイプ２１により伝達される熱吸収容量を拡大することができる。ポータブル・コンピュータにパワー供給するために使用されるタイプのバッテリは、蓄熱器として作用し、バッテリの電解液が相転移材料として作用し得る。
【００１８】
図３の構成では、ハウジング４が点線で示される要素２６（図１の位置決め突起１０に相当）により位置決めされるとき、ハウジング４は外面部分２及び低温部分９の接触パッド境界面を互いに押圧し、良好な熱伝達接触を提供する。本発明の高度に有利なアプリケーションは、本発明がドッキング・ステーション構造と関連して使用されるときに発生する。ペルチェ効果素子７は、ポータブル・コンピュータの重さと関係がなく、それらのサイズ及び電力量は制限されない。
【００１９】
図４を参照すると、ポータブル・コンピュータ・ハウジングなど、電子装置ハウジング内における本発明の要素の相対位置を示す透視図が示される。図示のハウジング３５は、プロセッサ・チップ３６などの局部熱源部品が、図示されないキーボード下のベース３７内に配置されるタイプである。チップ３６は標準のヒートシンク３８上に実装されて示される。本発明の一時貯蔵式熱除去能力は、任意の標準タイプのヒートシンク放散と独立に、一般に並列に作用する。ハウジング３５はまた、表示装置４０を含むヒンジ部分３９を有する。ヒンジ部分３９は、ベース３７上に閉じられるとき、カバーとして作用する。蓄熱部材３のサイズ及び形状は柔軟であり、図では矩形ブロックとして示される。ポータブル・コンピュータ・アプリケーション内の蓄熱部材３は、局部熱源３６においてヒートシンク３８が放散できるよりも大きなレートで生成される全ての過度な熱を一時貯蔵するための、十分な熱容量を有することが必要なだけである。蓄熱器に貯蔵される熱に対する外部への熱放散のレートの比率は、設計時に柔軟に選択でき、特定のアプリケーションに対して最適化されるべきである。蓄熱器３は、ヒートパイプ２１を通じる熱伝達に適応化され、更にドッキング・ステーション結合部材、すなわち図１に示されるペルチェ効果素子７の低温部分への良好な熱伝達を有するように局部熱源３６に対してベース・ハウジング３７の部分内に配置されるべきである。蓄熱器３はポータブル・コンピュータのバッテリと統合され、ドッキング・ステーションの電気ケーブル敷設は、バッテリ充電パワーだけでなく、ペルチェ効果素子の冷却パワーも供給するように変更され得る。
【００２０】
図５を参照すると、図４に示されるポータブル・コンピュータ３５が、本発明の要素を組み込むドッキング・ステーション５１にドッキングされたときの、本発明の要素の位置を示す透視図が示される。ポータブル・コンピュータ３５が、図１の支持及び位置決め支援部材５に対応する支持及び位置決め支援部材５２、及び図１の突起１０に対応する位置決めリッジ５３上に配置されるとき、熱伝導性のエラストマ要素６３及び６４が、コンピュータ３５のベース３７内の外面部分２に延び、ドッキング・ステーション５１内に実装されるペルチェ効果素子の低温部分６１及び６２との熱境界面を形成し、図示されない電源接続により供給される。動作において、ポータブル・コンピュータ３５のベース３７内の蓄熱器３内の熱が、ペルチェ効果素子の制御の下で取り出され、ドッキング・ステーション５１内に配置されるヒートシンク７１において放散される。ヒートシンク７１は、要素７２として記号で示される比較的大きなファンにより冷却される。コンピュータ内の部品が過熱する心配なく、コンピュータが実行されるように蓄熱器の温度がモニタされ、調整される。
【００２１】
本発明の原理は、インプリメンテーション及び装置アプリケーションのタイプに応じて多様な構造変化を許容できる。現在注目を集めているこうした装置変化の１つのタイプは、ポータブル・コンピュータに一層の高性能を詰め込む一方で、ポータブル・コンピュータの全体サイズをノートブックに匹敵させ、全重量を約２．３Ｋｇ（５ポンド）に保ち、それをユーザの膝に載置したとき、外部温度が快適に維持されるように保つことである。
【００２２】
汎用のリチウム・イオン電解液タイプのポータブル・コンピュータ・バッテリは、蓄熱器タイプのアプリケーションにおいて有利な幾つかの有用な特徴を有する。バッテリはかなり小型であり、取り外し可能ユニットとして適応可能である。バッテリはかなり広い動作温度範囲を有し、電源及び蓄熱器としての２重の役割においては、バッテリの充電サイクル期間にその温度範囲の下限へ事前冷却すると、温度範囲の上限付近まで局部生成熱を貯蔵し、再充電が実施されるまでの時間を延長することができる。バッテリはまた、ペルチェ効果素子の快適な温度範囲内の約２０℃において相転移を生じる電解液を有し、潜熱が熱貯蔵物理機構の一部を成すようにする。蓄熱器としての潜熱の有効性は、次の事実から示される。すなわち、一般的なポータブル・コンピュータ・バッテリの容量に相当する３５５ミリリットルの量において、固体への相転移後の電解液は再溶融において、水のそれと匹敵して、約１．５時間の間に２５Ｗのコンピュータ・プロセッサ・チップを冷却するのに十分な潜熱を吸収する。ポータブル・コンピュータにパワー供給するために使用されるバッテリは、本発明によれば、コンピュータの電源及び蓄熱器の両方として作用するように適応化され得る。
【００２３】
以上、蓄熱器の熱伝達機構、並びに電子装置の部品において局部的に生成される熱の伝達における、ペルチェ効果素子制御のについて述べた。本発明は、より大きなペルチェ効果素子の使用や、蓄熱器の事前冷却におけるより大きな自由度を可能にし、またペルチェ効果素子がドッキング・ステーション内に配置される場合に、より軽量のポータブル・コンピュータを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱伝達パッケージング機構における要素の位置関係を示す図である。
【図２】ペルチェ効果素子内の要素及びそれらの位置を示す図である。
【図３】局部熱源、ヒートパイプ、及び熱伝達パッドの透視図である。
【図４】ポータブル・コンピュータ・ハウジング内における本発明の要素の位置を示す透視図である。
【図５】ポータブル・コンピュータが、ペルチェ効果素子を組み込むドッキング・ステーションにドッキングされたときの、本発明の要素の位置を示す透視図である。
【符号の説明】
１  パッケージング境界面
２  蓄熱器の外面部分（結合パッド）
３、２２  蓄熱器
４  ハウジング
５、５２  支持及び位置決め支援部材
６  装置の支持部分
７  ペルチェ効果素子
８  開口
９、６１、６２  ペルチェ効果素子の低温部分
１０、２６、５３  位置決め突起
１１、１２  端子
１５、１６  半導体素子
１７、１８  セグメント
２０  熱源
２１  ヒートパイプ
２３  熱伝達接続
２４  蓄熱器ハウジング
２５  挿入部
３５  ハウジング
３６  プロセッサ・チップ
３７  ベース
３８、７１  ヒートシンク
３９  ヒンジ部分
４０  表示装置
５１  ドッキング・ステーション
６３、６４  熱伝導性エラストマ
７２  ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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