(57)【要約】【課題】フェールセーフモードに移行しにくく、フェールセーフモードに移行した後も比較的短時間で通常動作モードに戻ることができる電子機器及びその冷却方法を提供する。【解決手段】電子機器１０は、熱を発生する発熱部品（ＣＰＵ）１５と、発熱部品１５で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材１９と、蓄熱部材１９の温度が所定の温度になると駆動して発熱部品１５と蓄熱部材１９との間の間隔を変化させるアクチュエータ２１とを有する。発熱部品１５の温度が上昇すると、アクチュエータ２１が駆動して発熱部品１５と蓄熱部材１９との間の間隔が広がり、発熱部品２１と蓄熱部材１９との間の熱抵抗が高くなる。これにより、蓄熱部材１９の熱が、発熱部品１９に伝達されにくくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する発熱部品と、
前記発熱部品で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材と、
前記蓄熱部材の温度が所定の温度になると駆動して前記発熱部品と前記蓄熱部材との間の間隔を変化させるアクチュエータと
を有することを特徴とする電子機器。
【請求項２】
前記発熱部品と前記蓄熱部材との間に、圧力により熱抵抗が変化するサーマルシートが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
【請求項３】
前記蓄熱部材には、温度に応じて固相と液相とに相変化する潜熱蓄熱体が含まれることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
【請求項４】
前記発熱部品は当該発熱部品の温度がモード変更温度になると通常動作モードからフェールセーフモードに移行する機能を有し、前記潜熱蓄熱体の溶融温度が前記モード変更温度よりも低いことを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
【請求項５】
発熱部品と前記発熱部品で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材との間の間隔を、前記蓄熱部材の温度が所定の温度になると駆動するアクチュエータにより変化させることを特徴とする電子機器の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器及びその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンを初めとする多くの電子機器にはＣＰＵ（Central Processing Unit）が搭載されている。ＣＰＵは、動作に伴って多くの熱を発生する。
【０００３】
ＣＰＵの温度が許容上限温度以上になると故障や誤動作の原因となる。このため、ＣＰＵを搭載する電子機器には、ＣＰＵで発生した熱を筐体の外に排出する冷却機構が設けられている。例えばスマートファンでは、ＣＰＵで発生した熱を筐体（液晶パネルを含む：以下、同じ）に伝達し、筐体から外部に放散するようになっている。
【０００４】
しかし、ＣＰＵの高性能化に伴ってＣＰＵの発熱量は大きくなる傾向にあり、冷却機構の能力を超える熱がＣＰＵから発生することもある。そのため、ＣＰＵには、ＣＰＵの温度が許容上限温度に近づくと動作クロックの周波数を自動的に下げるフェールセーフモードが設けられている。
【０００５】
ＣＰＵが通常動作モードからフェールセーフモードに移行すると、動作クロックの周波数が低くなるため、ＣＰＵの発熱量が低くなる一方、ＣＰＵの処理能力は低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４７７６１号公報
【特許文献２】特開平７−３２６８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フェールセーフモードに移行しにくく、フェールセーフモードに移行した後も比較的短時間で通常動作モードに戻ることができる電子機器及びその冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示の技術の一観点によれば、熱を発生する発熱部品と、前記発熱部品で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材と、前記蓄熱部材の温度が所定の温度になると駆動して前記発熱部品と前記蓄熱部材との間の間隔を変化させるアクチュエータとを有する電子機器が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上記一観点に係る電子機器によれば、フェールセーフモードに移行しにくく、フェールセーフモードに移行した後も比較的短時間で通常動作モードに戻ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係る電子機器の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、サーマルシートに印加される圧力と熱抵抗との関係を示す図（その１）である。
【図３】図３は、サーマルシートに印加される圧力と熱抵抗との関係を示す図（その２）である。
【図４】図４は、実施形態において使用可能な潜熱蓄熱体の融点、潜熱、密度及び蓄熱量をまとめて示す図である。
【図５】図５は、アクチュエータの構造を示す模式断面図である。
【図６】図６は、実施形態において使用可能な駆動媒体の一例を示す図である。
【図７】図７は、アクチュエータとして、バイメタル又は形状記憶合金を使用した例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１２】
前述したように、ＣＰＵが通常動作モードからフェールセーフモードに移行すると、ＣＰＵの発熱量が低くなる一方、ＣＰＵの処理能力は低下する。このため、できるだけフェールセーフモードに移行しないようにすることが好ましい。
【００１３】
フェールセーフモードに移行しにくくするために、ＣＰＵと筐体との間に蓄熱容量が大きい部材（以下、「蓄熱部材」という）を配置し、ＣＰＵと蓄熱部材とを熱的に接続することが考えられる。これにより、ＣＰＵの発熱量が一時的に増えても、ＣＰＵで発生した熱が蓄熱部材に吸収されて、ＣＰＵの温度上昇が抑制される。蓄熱部材に吸収された熱は、筐体を介して外部に徐々に放散される。
【００１４】
しかし、上述した方法では、以下に示す問題点がある。すなわち、ＣＰＵの発熱量が多い状態がある程度の時間継続すると、蓄熱部材の温度がＣＰＵの許容上限温度に近づき、ＣＰＵを冷却することができなくなって、ＣＰＵがフェールセーフモードに移行してしまう。そして、フェールセーフモードに移行してしまうと、蓄熱部材の熱が筐体を介して外部に放散される速度が遅いため、蓄熱部材の温度が低下するのに時間がかかる。
【００１５】
そのため、フェールセーフモードに移行してＣＰＵの発熱量が少なくなっているのにもかかわらず、ＣＰＵの温度は高いままとなり、通常動作モードに戻るまで長時間かかってしまう。
【００１６】
以下の実施形態では、フェールセーフモードに移行しにくく、フェールセーフモードに移行した後も比較的短時間で通常動作モードに戻ることができる電子機器及びその冷却方法について説明する。
【００１７】
（実施形態）
図１は、実施形態に係る電子機器の一例を示す断面図である。
【００１８】
図１に示す電子機器１０では、筐体１１の一方の面側（以下、図１では下側）に、タッチパネル１２ａを有する液晶パネル１２が配置されている。そして、液晶パネル１２の裏面側（図１では上側）にはバッテリー１３が配置されており、バッテリー１３の上にＣＰＵ１５及びその他の電子部品（図示せず）が搭載された配線基板１４が配置されている。なお、ＣＰＵ１５は発熱部品の一例である。
【００１９】
ＣＰＵ１５及び配線基板１４は、金属薄板からなるシールド板１６に覆われている。シールド板１６は、ＣＰＵ１５に接触するように配置されている。
【００２０】
シールド板１６は、電磁波による電子回路の誤動作を防止するとともに、強度保持のために配置されている。ＣＰＵ１５で発生する熱の多くは、液晶パネル１２を介して外部に放散される。
【００２１】
ＣＰＵ１５の上方のシールド板１６の上には、サーマルシート１７が配置されている。また、サーマルシート１７の上には支持板１８が配置されており、支持板１８の上には蓄熱部材１９が配置されている。更に、蓄熱部材１９と筐体１１との間にはサーマルシート２０が、蓄熱部材１９及び筐体１１の両方に接触して配置されている。
【００２２】
なお、本実施形態では蓄熱部材１９がサーマルシート２０を介してプラスチック製の筐体１１と熱的に接続されているものとしている。しかし、蓄熱部材１９は、例えば金属製の放熱器と熱的に接続されていてもよい。
【００２３】
配線基板１４上のシールド板１６の縁部と支持板１８との間には、複数のアクチュエータ２１が配置されている。これらのアクチュエータ２１は温度に応じて伸縮し、それに伴ってＣＰＵ１５と支持板１８及び蓄熱部材１９との間の距離が変化する。そして、ＣＰＵ１５と支持板１８及び蓄熱部材１９との間の距離の変化に伴って、サーマルシート１７，２０に印加される圧力が変化する。
【００２４】
サーマルシート１７，２０は、適度の弾力性と適度の熱伝導性とを有するシート状の部材である。サーマルシート１７として、例えば富士高分子工業株式会社製シリコーンゴム（サーコン15GTR：厚さ１５０μｍ）を使用することができる。また、サーマルシート２０として、例えば信越化学工業株式会社製シリコーンゴム（TC-50CAD-30：厚さ５００μｍ）を使用することができる。
【００２５】
一般的に、サーマルシートは、印加される圧力に応じて熱抵抗が変化する。図２，図３は、横軸に圧力をとり、縦軸に熱抵抗をとって、サーマルシートに印加される圧力と熱抵抗との関係を示す図である。
【００２６】
シールド板１６と支持板１８との間に配置するサーマルシート１７は、図２に示すように、印加される圧力範囲（図２中にＡで示す範囲）において、圧力が小さくなると熱抵抗が大きくなるものを使用する。また、蓄熱部材１９と筐体１１との間に配置するサーマルシート２０は、図３に示すように、印加される圧力範囲（図３中にＢで示す範囲）において、圧力が変化しても熱抵抗が常に小さいものを使用する。
【００２７】
蓄熱部材１９は蓄熱容量が大きい部材であればよく、例えば銅等の金属板を使用することができる。しかし、温度に応じて固相と液相との間で相変化するいわゆる潜熱蓄熱体を使用するほうが、蓄熱部材１９の蓄熱容量が大きくなる。この場合、潜熱蓄熱体の融点は、ＣＰＵ１５が通常動作モードからフェールセーフモードに移行するときの温度（以下、「モード変更温度」という）よりも低い温度であることが重要である。
【００２８】
本実施形態において使用可能な潜熱蓄熱体には、パラフィン（Ｃ20Ｈ42、Ｃ22Ｈ46、及びＣ24Ｈ50等）、シアナミド及びカンフェン等の有機物、又はＺｎ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏ、ＣａＢｒ2・６Ｈ2Ｏ及びＮａ2Ｓ2Ｏ3・５Ｈ2Ｏ等の水和塩などがある。これらの融点、潜熱、密度及び蓄熱量（１０ｃｃ当たりの蓄熱量）を、図４にまとめて示す。
【００２９】
蓄熱部材１９として、これらの潜熱蓄熱体を封入したカプセルを含む樹脂製のシートや、一対の薄板間に潜熱蓄熱体を封入したシート状の部材などを使用することができる。
【００３０】
支持板１８は、剛性が高く、且つ熱伝導率が高い材料により形成されている。支持板１８として、例えば銅等の金属板を使用することができる。支持板１８は、蓄熱部材１９を支持するものであり、蓄熱部材１９自体の剛性が高い場合は支持板１８がなくてもよい。
【００３１】
図５は、アクチュエータ２１の構造を示す模式断面図である。この図５に示すように、アクチュエータ２１は、固定シリンダー２１ａと可動シリンダー２１ｂとにより構成される空間内に駆動媒体を封入したものであり、温度により駆動媒体の体積が変化することにより、可動シリンダー２１ｂが上下方向に移動する。固定シリンダー２１ａはシールド板１６に接続され、可動シリンダー２１ｂは支持板１８に接続される。
【００３２】
アクチュエータ２１内に封入する駆動媒体には、フロン等のように液相と気相との間で相変化するものを使用することが好ましい。本実施形態において使用可能な駆動媒体の一例を図６に示す。潜熱蓄熱体を含む蓄熱部材１９を使用した場合、駆動媒体は、その沸点が潜熱蓄熱体の融点付近であるものが好ましい。本実施形態では、駆動媒体として、沸点が潜熱蓄熱体の融点よりも高く、モード変更温度よりも低いものを使用する。
【００３３】
以下、本実施形態に係る電子機器の動作について説明する。
【００３４】
初期状態では、ＣＰＵ１５が通常動作モードで駆動しており、ＣＰＵ１５の発熱量が比較的少ないとする。この場合、ＣＰＵ１５で発生した熱の一部は液晶パネル１２に伝達され、液晶パネル１２から空気中に放散される。また、ＣＰＵ１５で発生した熱の他の一部はサーマルシート１７、蓄熱部材１９及びサーマルシート２０を介して筐体１１（裏面側）に伝達され、筺体１１から外部に放散される。
【００３５】
このとき、アクチュエータ２１内の駆動媒体は液体の状態であり、アクチュエータ２１は収縮している。このため、サーマルシート１７には比較的大きな圧力が印加されており、サーマルシート１７の熱抵抗は低い。従って、ＣＰＵ１５で発生した熱は蓄熱部材１９に速やかに伝達される。
【００３６】
また、ＣＰＵ１５の発熱量が少ないため、蓄熱部材１９中の蓄熱体は固体の状態であり、相変化しない。このため、蓄熱部材１９に蓄積される熱量は比較的小さく、蓄熱部材１９に伝達された熱は筐体１１に比較的速やかに伝達される。
【００３７】
ＣＰＵ１５の負荷が高くなると、ＣＰＵ１５で発生する熱量が多くなり、それに伴って蓄熱部材１９の温度も上昇する。そして、蓄熱部材１９の温度が蓄熱体の融点温度に到達すると、蓄熱体が溶融し始める。その後、蓄熱体が殆ど全て溶融するまでの間、ＣＰＵ１５から蓄熱部材１９に伝達された熱は蓄熱体の溶融に使用されるため、蓄熱部材１９の温度はほぼ蓄熱体の溶融温度に維持される。
【００３８】
蓄熱部材１９中の蓄熱体の殆ど全てが溶融してしまうと、ＣＰＵ１５で発生する熱により蓄熱部材１９の温度は上昇する。そして、蓄熱部材１９の温度がアクチュエータ２１の駆動温度に到達すると、アクチュエータ２１内の駆動媒体が気化して、アクチュエータ２１内の圧力が上昇する。
【００３９】
これにより、アクチュエータ２１が伸長して支持板１９を上方に押し上げる。その結果、サーマルシート１７に印加される圧力が減少し、サーマルシート１７の熱抵抗が高くなる。そのため、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間が熱的にほぼ遮断された状態となる。
【００４０】
ＣＰＵ１５とサーマルシート１７との間が熱的にほぼ遮断された状態になると、ＣＰＵ１５の温度は更に上昇し、モード変更温度に到達する。これにより、ＣＰＵ１５はフェールセーフモードに移行する。
【００４１】
フェールセーフモードに移行すると、ＣＰＵ１５の動作クロックの周波数が低くなるので、ＣＰＵ１５の発熱量が減少する。このとき、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間は熱的にほぼ遮断された状態であるので、蓄熱部材１９からＣＰＵ１５への熱の移動は殆どなく、フェールセーフモードに移行後、ＣＰＵ１５の温度は比較的速やかに低下する。そして、ＣＰＵ１５の温度がモード変更温度よりも低くなると、ＣＰＵ１５は通常動作モードに移行する。
【００４２】
通常動作モードに移行後、ＣＰＵ１５の負荷が高い状態が続くと、ＣＰＵ１５の温度は容易にモード変更温度に到達する。そして、ＣＰＵ１５はフェールセーフモードに移行し、ＣＰＵ１５の発熱量が低下する。これにより、ＣＰＵ１５の温度は急速に低下して、ＣＰＵ１５は通常動作モードに移行する。
【００４３】
このように、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間が熱的にほぼ遮断された状態のときにＣＰＵ１５の負荷が高い状態が続くと、ＣＰＵ１５はフェールセーフモードによる動作と通常動作モードによる動作とを交互に繰り返す。
【００４４】
なお、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間が熱的にほぼ遮断された状態のときにＣＰＵ１５の負荷が低くなると、液晶パネル１２からの放熱によりＣＰＵ１５の温度をモード変更温度以下に維持できるので、ＣＰＵ１５はフェールセーフモードに移行することなく、通常動作モードで動作する。
【００４５】
一方、サーマルシート１７によりＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間が熱的にほぼ遮断された後、蓄熱部材１９に蓄積された熱は、サーマルシート２０を介して筐体１１（裏面側）に伝達され、筐体１１から外部に放散される。但し、蓄熱部材１９に蓄積された熱量が大きいため、蓄熱部材１９が蓄熱体の溶融温度以下になるまでには時間がかかる。
【００４６】
蓄熱部材１９の温度がアクチュエータ２１の駆動温度よりも低くなると、アクチュエータ２１内の駆動媒体が液化して、アクチュエータ２１は収縮する。これにより、サーマルシート１７に印加される圧力が大きくなり、サーマルシート１７の熱抵抗が減少する。その結果、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９とが熱的に接続された状態となる。
【００４７】
蓄熱部材１９の温度が更に低下して蓄熱体の溶融温度以下になると、蓄熱部材１９中の蓄熱体は凝固して初期状態に戻る。これにより、蓄熱部材１９は、ＣＰＵ１５で発生した熱を大量に蓄積可能な状態となる。その結果、ＣＰＵ１５はフェールセーフモードに移行しにくくなる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係る電子機器は、ＣＰＵ１５と筐体１１との間に蓄熱部材１９が配置されている。これにより、ＣＰＵ１５で発生した熱が蓄熱部材１９に吸収され、ＣＰＵ１５の温度上昇が抑制される。その結果、フェールセーフモードに移行する頻度が低下し、温度上昇によるＣＰＵ１５の処理能力の低下が抑制される。
【００４９】
特に、本実施形態では相変化により熱を蓄積する蓄熱体を使用しているので、蓄熱部材１９の蓄熱量が大きく、ＣＰＵ１５の温度上昇を遅らせる効果が極めて高い。
【００５０】
例えば、蓄熱体としてＮａ2Ｓ2Ｏ3・５Ｈ2Ｏを使用し、蓄熱部材１９の大きさを６０ｍｍ×１００ｍｍ×１００μｍとすると、蓄熱部材１９で０．２０ｋＪの熱を蓄積することができる。ＣＰＵ１５の発熱量を１Ｗ程度とし、ＣＰＵ１５で発生する熱の８０％〜９０％は液晶パネル１２から放散されるとすると、蓄熱部材１９への伝熱量は０．２Ｗ程度となる。この場合、ＣＰＵ１５で発生する熱を、熱熱部材１９で１０００秒間にわたり吸収し続けることができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る電子機器は、ＣＰＵ１５（発熱部品）の温度が高くなると、ＣＰＵ１５と蓄熱部材１９との間の熱抵抗が高くなる。これにより、蓄熱部材１９の熱がＣＰＵ１５に移動しにくくなり、ＣＰＵ１５の温度を急速に下げることができる。その結果、フェールセーフモードから通常動作モードに移行する時間が短縮される。
【００５２】
（変形例）
上記実施形態では駆動媒体の相変化により伸縮するアクチュエータを使用しているが、アクチュエータとしてバイメタル又は形状記憶合金を使用してもよい。例えば図７（ａ），（ｂ）に示すように、アクチュエータ２２として、バイメタル又は形状記憶合金をＵ字状に加工し、シールド板１６と支持板１８との間に配置してもよい。図７（ａ）はバイメタル又は形状記憶合金よりなるアクチュエータ２２が収縮した状態を示し、図７（ｂ）はバイメタル又は形状記憶合金よりなるアクチュエータ２２が伸長した状態を示している。この場合も、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５３】
なお、上記の実施形態では電子機器がスマートファンである場合について説明しているが、開示した技術はスマートファン以外の電子機器に適用することもできる。
【００５４】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００５５】
（付記１）熱を発生する発熱部品と、
前記発熱部品で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材と、
前記蓄熱部材の温度が所定の温度になると駆動して前記発熱部品と前記蓄熱部材との間の間隔を変化させるアクチュエータと
を有することを特徴とする電子機器。
【００５６】
（付記２）前記発熱部品と前記蓄熱部材との間に、圧力により熱抵抗が変化するサーマルシートが配置されていることを特徴とする付記１に記載の電子機器。
【００５７】
（付記３）前記蓄熱部材が、筐体又は放熱器に熱的に接続していることを特徴とする付記１又は２に記載の電子機器。
【００５８】
（付記４）前記アクチュエータが、温度に応じて気相と液相とに相変化する駆動媒体を含むことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。
【００５９】
（付記５）前記アクチュエータが、温度に応じて形状が変化するバイメタル又は形状記憶合金により形成されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。
【００６０】
（付記６）前記蓄熱部材には、温度に応じて固相と液相とに相変化する潜熱蓄熱体が含まれることを特徴とする付記１に記載の電子機器。
【００６１】
（付記７）前記発熱部品は当該発熱部品の温度がモード変更温度になると通常動作モードからフェールセーフモードに移行する機能を有し、前記潜熱蓄熱体の溶融温度が前記モード変更温度よりも低いことを特徴とする付記６に記載の電子機器。
【００６２】
（付記８）前記アクチュエータは、前記蓄熱部材の温度が前記所定の温度以上になると、前記発熱部品と前記蓄熱部材との間隔が大きくなるように駆動することを特徴とする付記７に記載の電子機器。
【００６３】
（付記９）前記所定の温度が、前記潜熱蓄積体の溶融温度よりも高く、前記モード変更温度よりも低いことを特徴とする付記８に記載の電子機器。
【００６４】
（付記１０）発熱部品と前記発熱部品で発生した熱を蓄積可能な蓄熱部材との間の間隔を、前記蓄熱部材の温度が所定の温度になると駆動するアクチュエータにより変化させることを特徴とする電子機器の冷却方法。
【符号の説明】
【００６５】
１０…電子機器、１１…筐体、１２…液晶パネル、１２ａ…タッチパネル、１３…バッテリー、１４…配線基板、１５…ＣＰＵ、１６…シールド板、１７，２０…サーマルシート、１８…支持板、１９…蓄熱部材、２１…アクチュエータ。
【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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【図６】
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【図７】
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