(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器の作動により発熱する発熱部材と、
加わる力により力により変形する第１の圧電素子がピストンとして配置された第１のシリンダと、
上記第１のシリンダと対向して接続されて、加わる力により変形する第２の圧電素子がピストンとして配置された第２のシリンダと、
上記発熱部材の近傍に配置され、上記発熱部材からの熱で膨張した圧力を上記第１のピストンの内の上記第１の圧電素子に供給して上記第１の圧電素子を所定の設置位置から上記第２のシリンダ側に変形させ、上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形したことによって発生した熱で上記発熱部材を加熱する吸熱部と、
上記第２のピストン内の上記第２の圧電素子の変形で発生した熱を外部に排出する放熱部と、
上記吸熱部と上記放熱部との間を接続する再生熱交換部と、
上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが、所定の位相差となるように制御するとともに、機器を起動させる際に周囲温度が低い状態であるときに、上記第１の圧電素子を上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形させるように電圧を印加するための制御部と、
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子の変形によって発生した電力が充電される二次電池を備え、
上記制御部は該二次電池を電源として作動する電子機器。
【請求項２】
機器の作動により発熱する発熱部材と、
加わる力により変形する第１の圧電素子がピストンとして配置された第１のシリンダと、
上記第１のシリンダと対向して接続されて、加わる力により変形する第２の圧電素子がピストンとして配置された第２のシリンダと、
上記発熱部材の近傍に配置され、上記発熱部材からの熱で膨張した圧力を上記第１のピストンの内の上記第１の圧電素子に供給して上記第１の圧電素子を所定の設置位置から上記第２のシリンダ側に変形させ、上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形したことによって発生した熱で上記発熱部材を加熱する吸熱部と、
上記第２のピストン内の上記第２の圧電素子の変形で発生した熱を外部に排出する放熱部と、
上記吸熱部と上記放熱部との間を接続する再生熱交換部と、
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子に電圧を印加する制御部と、
第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子の変形によって発生した電力が充電される二次電池とを備えた電子機器における上記発熱部材の加熱・冷却方法において、
機器を起動させる際に周囲温度が低い状態であるときに、上記制御部が、上記第１の圧電素子を上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形させるとともに、上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが所定の位相差となるように制御するステップと、
上記ステップの制御を行って機器を起動させた後、上記発熱部材が発熱して上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダ側に変形したとき、上記制御部が、上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが所定の位相差となるように制御するステップとを有し、
上記それぞれのステップでの上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子の変形によって発生した電力を上記二次電池に充電させる加熱・冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロプロセッサを内蔵したパーソナルコンピュータ装置のような発熱部材を内蔵した電子機器と、その加熱・冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パーソナルコンピュータ装置等が備えるマイクロプロセッサは、動作中の発熱量が大きく、一般には何らかの冷却装置を取付けるようにしてある。例えば、モータにより回転するファンをマイクロプロセッサの近傍に配置して、そのファンの回転で、マイクロプロセッサの近傍の空気を、コンピュータ装置の外部に排出させて、マイクロプロセッサを冷却させる構成としたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなファンを使用した冷却装置は、ファンを回転させるのに電力が必要であり、コンピュータ装置の消費電力を増大させてしまう問題がある。また、ある程度の冷却効果を得るためには、比較的大型のファンが必要であり、ファンの回転に伴ってある程度の騒音が発生する問題がある。さらに、マイクロプロセッサを冷却した空気を、装置の外部に排出させる必要があり、その排出される空気の熱で、コンピュータ装置が設置された部屋の温度を上昇させてしまう問題がある。
【０００４】
また、従来の冷却装置は、基本的に空気の流れで冷却するものであるため、冷却以外の用途に使用することは困難であった。
【０００５】
なお、ここではコンピュータ装置のマイクロプロセッサを例にして説明したが、その機器の動作中に発熱する種々の電子機器に同様な問題が存在する。
【０００６】
本発明の第１の目的は、電子機器が備える発熱部を、少ない電力で効率良く冷却できるようにすることにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、電子機器が備える冷却機構を、他の用途に使用できるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子機器は、
機器の作動により発熱する発熱部材と、
加わる力により力により変形する第１の圧電素子がピストンとして配置された第１のシリンダと、
上記第１のシリンダと対向して接続されて、加わる力により変形する第２の圧電素子がピストンとして配置された第２のシリンダと、
上記発熱部材の近傍に配置され、上記発熱部材からの熱で膨張した圧力を上記第１のピストンの内の上記第１の圧電素子に供給して上記第１の圧電素子を所定の設置位置から上記第２のシリンダ側に変形させ、上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形したことによって発生した熱で上記発熱部材を加熱する吸熱部と、
上記第２のピストン内の上記第２の圧電素子の変形で発生した熱を外部に排出する放熱部と、
上記吸熱部と上記放熱部との間を接続する再生熱交換部と、
上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが、所定の位相差となるように制御するとともに、機器を起動させる際に周囲温度が低い状態であるときに、上記第１の圧電素子を上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形させるように電圧を印加するための制御部と、
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子の変形によって発生した電力が充電される二次電池を備え、
上記制御部は該二次電池を電源として作動するものである。
また、本発明の加熱・冷却方法は、
機器の作動により発熱する発熱部材と、
加わる力により変形する第１の圧電素子がピストンとして配置された第１のシリンダと、
上記第１のシリンダと対向して接続されて、加わる力により変形する第２の圧電素子がピストンとして配置された第２のシリンダと、
上記発熱部材の近傍に配置され、上記発熱部材からの熱で膨張した圧力を上記第１のピストンの内の上記第１の圧電素子に供給して上記第１の圧電素子を所定の設置位置から上記第２のシリンダ側に変形させ、上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形したことによって発生した熱で上記発熱部材を加熱する吸熱部と、
上記第２のピストン内の上記第２の圧電素子の変形で発生した熱を外部に排出する放熱部と、
上記吸熱部と上記放熱部との間を接続する再生熱交換部と、
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子に電圧を印加する制御部と、
第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子の変形によって発生した電力が充電される二次電池とを備えた電子機器における上記発熱部材の加熱・冷却方法において、
機器を起動させる際に周囲温度が低い状態であるときに、上記制御部が、上記第１の圧電素子を上記設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形させるとともに、上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが所定の位相差となるように制御するステップと、
上記ステップの制御を行って機器を起動させた後、上記発熱部材が発熱して上記第１の圧電素子が上記設置位置から上記第２のシリンダ側に変形したとき、上記制御部が、上記第１の圧電素子の変形状態と上記第２の圧電素子の変形状態とが所定の位相差となるように制御するステップとを有し、
上記制御部は上記二次電池を電源として作動するものである。
【０００９】
本発明によると、機器の作動により発熱する発熱部材を有する電子機器において、機器の起動時には、第１のシリンダ内の第１の圧電素子を設置位置から上記第２のシリンダとは反対側に変形させることで、充填された流体が膨張し、その膨張により発生した熱で、発熱部材が加熱される。ここで、第１の圧電素子と第２の圧電素子が一定の位相関係になるように制御することで、第２の圧電素子についても変形し、第２のシリンダに充填された流体に力が加わるが、放熱部での放熱が行われることで、放熱部の流体が圧縮し、その圧縮力で第２のシリンダ内の第２の圧電素子が逆方向に変形すると、第１の圧電素子についても変形し、元の状態に戻る。そして、第１の圧電素子と第２の圧電素子の駆動を行う限り、この発熱動作を繰り返す。
そして、起動後、電子機器の作動によって発熱部材が発熱すると、吸熱部の内部が発熱し、その発熱により充填された流体が膨張し、その膨張による圧力で第１のシリンダ内第１の圧電素子が第２のシリンダ側に変形する。ここで、第１の圧電素子と第２の圧電素子が一定の位相関係になるように制御することで、第２の圧電素子についても変形し、第２のシリンダに充填された流体に力が加わり、放熱部に熱が伝わり、その伝わった熱が外部に排出される。この熱の排出で、放熱部の流体が圧縮し、その圧縮力で第２のシリンダ内の第２の圧電素子が逆方向に変形すると、第１の圧電素子についても変形し、元の状態に戻る。そして、機器が作動して発熱部材が発熱し続ける限り、この動作を繰り返す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施の形態においては、内部に発熱体を備えた電子機器としたものである。即ち、例えば図３に示すように、ここでは電子機器として携帯用に小型に構成されたいわゆるノート型のパーソナルコンピュータ装置１００に適用した例としてある。このパーソナルコンピュータ装置１００は、キーボード部１０１と表示パネル部１０２とが回動自在な状態で接続してあり、例えばキーボード部１０１の内部に配置した回路基板１１１の所定位置にマイクロプロセッサ１１２が配置してある（図３ではマイクロプロセッサ１１２は破線で示す）。
【００１６】
マイクロプロセッサ１１２は、パーソナルコンピュータ装置１００を作動させたとき、装置内で必要な演算処理を実行する半導体素子の１つであり、作動中には比較的高い温度に発熱する発熱体となる。ここで本例においては、このマイクロプロセッサ１１２の上に冷却部１０を配置して、その冷却部１０でマイクロプロセッサ１１２で生じた熱を外部に排出させる構成としてある。
【００１７】
図１は、冷却部１０の内部構成を示す図である。この冷却部１０は、いわゆるスターリングエンジンの原理で構成したものであり、全体が金属，磁器，合成樹脂などで構成され、外部熱源による作動流体の閉回路を構成してある。即ち、本例の冷却部１０は内部に、マイクロプロセッサ１１２で生じた熱で加熱される吸熱部１１ａが設定してある。
【００１８】
この吸熱部１１ａの表面は、マイクロプロセッサ１１２の表面の最も高温になる部分と接触させてある。即ち、例えば図２に示すように、回路基板１１１上に配置されたマイクロプロセッサ１１２の上に、冷却部１０の吸熱部１１ａを配置する状態で、冷却部１０を回路基板１１１に固定するようにしてある。図２では冷却部１０を固定する機構については省略してあるが、例えば何らかの固定用金具を使用して固定したり、ネジ等の接続用部材を使用して固定する。
【００１９】
冷却部１０の構成の説明に戻ると、冷却部１０内の吸熱部１１ａには、流体が充填されたパイプ１１が配置してある。このパイプ１１の一端は、第１のシリンダ２１の一端部２１ａに接続してあり、他端は再生熱変換部１２が接続してある。再生熱変換部１２については後述する。
【００２０】
第１のシリンダ２１内には、第１の圧電素子２２が配置してある。第１の圧電素子２２は、パイプ１１側から加わる力（膨張力又は圧縮力）により変形する素子であり、その膨張力又は圧縮力による変形で、起電力が発生して電極部から所定の電圧を取り出すことができる素子である。この変形が図１に矢印ａで示すように起こることで、第１のシリンダ２１内の一端部２１ａの内部の容積は変化する。また、外部から第１の圧電素子２２の電極部に電圧を印加することで、その電圧値に対応して変形させることができる。
【００２１】
そして、第１のシリンダ２１に対向して、第２のシリンダ３１が配置してある。この第２のシリンダ３１内には、第２の圧電素子３２が配置してある。第２の圧電素子３２についても、第１の圧電素子２２と同様に、接続されたパイプから加わる力膨張力又は圧縮力）により変形する素子であり、その膨張力又は圧縮力による変形で起電力が発生して電極部から所定の電圧を取り出すことができる素子である。膨張及び圧縮の変形が図１に矢印ｂで示すように起こることで、第２のシリンダ３１内の一端部３１ａの内部の容積は変化する。また、外部から第２の圧電素子３２の電極部に電圧を印加することで、その電圧値に対応して変形させることができる素子である。
【００２２】
第１の圧電素子２２と第２の圧電素子３２との間には、固定部１５が配置してあり、各圧電素子２２，３２は、それぞれの圧電素子２２，３２の設置位置が定まるようにしてある。
【００２３】
図２に示すように、両圧電素子２２，３２に接続される回路である電源部６０については、ここでは冷却部１０の外部に配置してある。この電源部６０では、第１の圧電素子２２と第２の圧電素子３２の状態が一定の状態となるように、両圧電素子２２，３２の電極部に電圧を印加するようにしてある。即ち、両圧電素子が同じ変形状態であるときを位相差なしとし、一方の圧電素子が一方に変形した状態で、他方の圧電素子が逆方向に変形した状態のときを位相差１８０度としたとき、両圧電素子２２，３２の位相差が約９０度となるように、電源部６０が両圧電素子２２，３２の電極部の電圧を常時検出して、その９０度の位相差を維持するように、両圧電素子２２，３２の電極部に電圧を印加するようにしてある。
【００２４】
電源部６０には、例えば二次電池６１が接続され、この二次電池６１からの電源で電源部６０が作動する。また、両圧電素子２２，３２から電力が電源部６０に得られた場合には、その電力で二次電池６１を充電させるようにしてある。
【００２５】
図１の説明に戻ると、第２の圧電素子３２が配置された第２のシリンダ３１の一端部３１ａには、パイプ１３の一端部が接続してある。このパイプ１３の他端部は、再生熱交換部１２を介してパイプ１１の他端と接続してある。再生熱交換部１２は、パイプ１１内の流体とパイプ１３の流体との間で、熱の移動を少なくした状態で流体が移動できる状態にしたものである。再生熱交換部４２の具体的な構成としては、例えばメッシュ状の金属を配置する構成にしたり、スポンジ状の樹脂を充填する構成などがある。パイプの内部に充填される流体の特性によって、適切な構成を選択すれば良い。
【００２６】
第２のシリンダ３１と再生熱交換部１２との間に接続されたパイプ１３は、途中が熱交換部１４として設定された場所に配置してある。熱交換部１４は、パイプ１３に近接して熱輸送管５０の一端部５１が配置してある。熱輸送管５０は、ヒートパイプ等で形成され、図２に示すように、冷却部１０から引き出されて、その引き出された先端部には放熱板などで構成される熱交換器５２が接続してある。熱輸送管５０をヒートパイプで構成した場合には、例えば図２に示すように、内壁部５０ａを粗面としてあり、その熱輸送管５０の内部に水，フッ化炭素（ＦＣ）などの流体を所定量充填してあり、その流体により高温側から低温側に熱を輸送できる構成としてある。
【００２７】
熱交換器５２は、例えば図４に示すように、ノート型のパーソナルコンピュータ装置１００の背面側の開口部１０３に露出させたヒートシンクで構成してあり、パーソナルコンピュータ装置１００の外部に熱を放出できる構成としてある。なお、熱輸送管５０の長さＬ（図２参照）は、熱を放出する効率の点からは短い方が良く、出来るだけ短い距離になるように配置する必要がある。
【００２８】
なお、図１に示したシリンダ２１，３１の内部２１ａ，３１ａとパイプ１１，１３及び再生熱変換部１２に充填される流体としては、スターリングエンジンに使用できる各種流体（液体，気体）が適用できるが、沸点が常温以上でかつ常温に近い流体を使用するのが好ましい。
【００２９】
また、図１に示した冷却部１０は、例えばマイクロマシンの技術を使用して、半導体上にシリンダやパイプなどを形成する構成とすることができる。或いは、樹脂基板上に金属のエッチングを施して形成したり、さらには金属，磁器又は樹脂をレーザ加工により形成しても良い。いずれの場合でも、本例のようなパーソナルコンピュータ装置１００のマイクロプロセッサ１１２の冷却用に使用する場合には、マイクロプロセッサ１１２が非常に小型の素子であるため、冷却部１０についても出来るだけ小型に構成するのが好ましい。従って、例えば図２に示した例では、マイクロプロセッサ１１２に比べて冷却部１０を若干大きな形状としたが、冷却部１０をマイクロプロセッサ１１２とほぼ同等の形状に製作できるのであれば、そのような大きさとしても良い。
【００３０】
次に、本例のパーソナルコンピュータ装置１００に内蔵させた冷却部１０の動作を説明する。本例の冷却部１０は、スターリングエンジンの原理を利用して冷却動作を行うものであり、第１，第２のシリンダ２１，３１に配置された第１，第２の圧電素子２２，３２は、スターリングエンジンにおける作動流体制御ピストン及びパワーピストンとして機能するものである。
【００３１】
以下具体的に冷却動作を説明すると、まずパーソナルコンピュータ装置１００が作動して、マイクロプロセッサ１１２が発熱したとする。このとき、この発熱で冷却部１０の吸熱部１１ａが加熱されて、パイプ１１内の流体が発熱して膨張し、その膨張による圧力が第１のシリンダ２１の内部２１ａに伝わり、第１のシリンダ２１内の第１の圧電素子２２が第２のシリンダ３１側に変形したとする。この変形が発生すると、第２のシリンダ３１内の第２の圧電素子３２については９０度の位相遅れで同様に変形し、パイプ１３内の流体が圧縮されて加熱されて、放熱部１４に熱が伝わる。この放熱部１４に熱が伝わることで、熱輸送管５０側に熱が移り、熱輸送管５０に接続された熱交換器５２で輸送された熱が、パーソナルコンピュータ装置１００の外部に排出される。
【００３２】
ここで、放熱部１４で熱輸送管５０側に放熱されることで、パイプ１３内の流体が圧縮することになり、その圧縮力で第２のシリンダ３１内の第２の圧電素子３２が逆方向に変形（第１のシリンダ２１側に変形）する。この変形が発生すると、第１のシリンダ２１内の第１の圧電素子２２については９０度の位相遅れで同様に変形し、第１の圧電素子２２が元の状態に戻る。そして、パーソナルコンピュータ装置１００が作動してマイクロプロセッサ１１２が発熱し続ける限り、この動作を繰り返す。このように作動することで、熱輸送管５０を介して外部に排出される熱量と、マイクロプロセッサ１１２が発生する熱量とバランスされて、マイクロプロセッサ１１２の表面温度を一定の状態に均衡させることが可能になり、結局マイクロプロセッサ１１２を冷却することになる。
【００３３】
このように本例の電子機器（パーソナルコンピュータ装置１００）に取付けられた冷却部１０によると、内部の発熱体（マイクロプロセッサ）が発する熱を機器の外部に排出して、冷却を行うことができる。特に、本例のようなパーソナルコンピュータ装置のマイクロプロセッサのように、発熱部が１箇所（又は数カ所）に集中している場合に効率の良い冷却ができ、この種の小型の電子機器に好適である。また、冷却時の作動音としては、密閉された空間である冷却部１０内での圧電素子２２，３２の変形に伴って発生する音だけであり、ファン装置などで冷却を行う場合に比べて非常に静かである。
【００３４】
なお、ここまでの説明では、冷却部１０を冷却装置として使用した場合の動作について説明したが、冷却部１０を逆に作動させて、加熱装置として機能するようにしても良い。即ち、最初に第１のシリンダ２１内の第１の圧電素子２２を、第２のシリンダ３１とは反対側に変形させて、その変形でパイプ１１内に圧縮力を発生させて、パイプ１１内の流体を加熱させ、その加熱で発生した熱で吸熱部１１ａの近傍に配置したもの（加熱体）を加熱させる。このとき、第２のシリンダ３１内の第２の圧電素子３２は、第１の圧電素子２２と約９０度の位相で変形するように制御することで、冷却時と同様に熱循環が発生する。
【００３５】
このような加熱動作は、例えば機器を起動させる際に、周囲温度が低い状態であるとき、最初に冷却部１０を加熱装置として作動させて、その部分をある程度の温度（機器が安定して作動する温度）まで加熱させてから、機器を起動させた後、その起動後にその箇所が機器の動作で発熱したとき、冷却部１０を冷却装置として作動させて、冷却動作を行うようにしても良い。なお、冷却部１０を加熱装置としてだけ作動させて、冷却動作は行わないようにしても良い。
【００３６】
また上述した実施の形態では、機器の内部に本例の冷却部だけを冷却機構として配置したが、他の冷却用の機構と組み合わせるようにしても良い。例えば、冷却用のファンで装置の内部全体を冷却させながら、本例の冷却部で特に発熱温度の高い部分を集中的に冷却させても良い。この場合のファンを駆動させる電源として、冷却部で発生した電力を使用しても良い。
【００３７】
さらに上述した実施の形態では、冷却部をノート型のパーソナルコンピュータ装置内のマイクロプロセッサの冷却装置とした例を説明したが、他のデスクトップ型のパーソナルコンピュータ装置などの他の形状のコンピュータ装置用の冷却装置としても良く、或いはコンピュータ装置以外のその他の各種電子機器における冷却装置や加熱装置として使用できることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によると、機器の作動により発熱する発熱部材を有する電子機器において、周囲温度が低い状態で機器を起動させる際に、第１の圧電素子と第２の圧電素子が変形を繰り返しながら、効率的に発熱部材をある程度の温度（機器が安定して作動する温度）まで加熱させてから、電子機器を起動させることができる。
そして、起動後、発熱部材が電子機器の動作で発熱したとき、第１の圧電素子と第２の圧電素子が変形を繰り返しながら、効率的に発熱部材を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による冷却部の内部構成を示す略線図である。
【図２】本発明の一実施の形態による冷却部の配置例を示す側面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による電子機器の例を一部破断して示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態による電子機器の背面を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…冷却部、１１…パイプ、１１ａ…吸熱部、１２…再生熱交換部、１３…パイプ、１４…放熱部、１５…固定部、２１…第１のシリンダ、２２…第１の圧電素子、３１…第２のシリンダ、３２…第２の圧電素子、５０…熱輸送管、５２…熱交換器、１００…パーソナルコンピュータ装置、１１１…回路基板、１１２…マイクロプロセッサ
【図１】
0004264613.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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