(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器の作動により発熱するマイクロプロセッサよりなる発熱部材と、
上記発熱部材の近傍に配置された熱交換部と、
上記熱交換部に一端が接続された再生熱交換部と、
上記再生熱交換部の他端が接続された第１及び第２の密閉空間と、
上記第１及び第２の密閉空間のそれぞれに配置され、外部からの信号の印加で変形する第１及び第２の圧電部材と、
上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するともに、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及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加し、機器の起動後には上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するための制御部と
を備え、
上記制御部による上記第１，第２の圧電部材の変形状態の位相差は、約９０度とした電子機器。
【請求項２】
機器の作動により発熱するマイクロプロセッサよりなる発熱部材と、
上記発熱部材の近傍に配置された熱交換部と、
上記熱交換部に一端が接続された再生熱交換部と、
上記再生熱交換部の他端が接続された第１及び第２の密閉空間と、
上記第１及び第２の密閉空間のそれぞれに配置され、外部からの信号の印加で変形する第１及び第２の圧電部材と、
上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するともに、機器の起動時には、上記第１及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加し、機器の起動後には上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するための制御部と
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及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するとともに、上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するステップと、
上記ステップに制御して機器を起動させた後、上記制御部が、上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するとともに、上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するステップとを有し、
上記制御部による上記第１，第２の圧電部材の変形状態の位相差を約９０度とした加熱・冷却方法。
【請求項３】
請求項２記載の加熱・冷却方法において、
上記発熱部材はマイクロプロセッサである加熱・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。
【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、
上記発熱部材の近傍に配置された熱交換部と、
上記熱交換部に一端が接続された再生熱交換部と、
上記再生熱交換部の他端が接続された第１及び第２の密閉空間と、
上記第１及び第２の密閉空間のそれぞれに配置され、外部からの信号の印加で変形する第１及び第２の圧電部材と、
上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するともに、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及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加し、機器の起動後には上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するための制御部と
を備え、
上記制御部による上記第１，第２の圧電部材の変形状態の位相差は、約９０度としたものである。
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、
上記発熱部材の近傍に配置された熱交換部と、
上記熱交換部に一端が接続された再生熱交換部と、
上記再生熱交換部の他端が接続された第１及び第２の密閉空間と、
上記第１及び第２の密閉空間のそれぞれに配置され、外部からの信号の印加で変形する第１及び第２の圧電部材と、
上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するともに、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及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加し、機器の起動後には上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するための制御部と
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、
機器の起動時に、上記制御部が、上記第１及び第２の密閉空間内を圧縮させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するとともに、上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するステップと、
上記ステップに制御して機器を起動させた後、上記制御部が、上記第１及び第２の密閉空間内を膨張させるように上記第１及び第２の圧電部材に信号を印加するとともに、上記第１の圧電部材の変形状態と上記第２の圧電部材の変形状態とが、所定の位相差となるように、それぞれの圧電部材に信号を印加するステップとを有し、
上記制御部による上記第１，第２の圧電部材の変形状態の位相差を約９０度としたものである。
【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及び第２の圧電部材を所定の位相差を持たせて所定の状態に振動させて、第１及び第２の密閉空間内を圧縮させることで、第１及び第２の密閉空間内の気体を熱交換部側に流れさせることができる。その際に、再生熱交換部が蓄積した熱を、熱交換部に送ることができ、結果的に熱交換部の近傍の発熱部材を加熱させることができる。
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、第１及び第２の圧電部材を所定の位相差を持たせて所定の状態に振動させて、第１及び第２の密閉空間内を膨張させることで、熱交換部内の気体を第１及び第２の密閉空間側に排出させて、熱交換部に発熱部材から伝わる熱を、第１及び第２の密閉空間側に導くことができる。その際に、再生熱交換部で熱が吸収されて、結果的に熱交換部の近傍の発熱部材を冷却することができる。
【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の上に熱電変換部１０を配置して、その熱電変換部１０でマイクロプロセッサ１１２で生じた熱を冷却させる構成としてある。
【００１７】
図１は、熱電変換部１０の内部構成を示す図である。この熱電変換部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る。本例の熱電変換部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である熱交換部１１が設定してある。
【００１８】
この熱交換部１１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３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、熱電変換部１０の熱交換部１１を配置する状態で、熱電変換部１０を回路基板１１１に固定するようにしてある。図３では熱電変換部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】
熱電変換部１０の構成の説明に戻ると、熱電変換部１０内の熱交換部１１には、再生熱交換部１２を介して第１のピストン１３及び第２のピストン１４が接続してあり、これらの部材１１，１２，１３，１４で密閉された空間が形成してある。再生熱交換部１２は、熱交換部１１内の気体と両ピストン１３，１４内の気体との間で、熱の移動を少なくした状態で気体が移動できるように構成したものである。再生熱交換部１２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気体の特性によって、適切な構成を選択すれば良い。
【００２０】
第１のピストン１３には第１の圧電膜１５が配置してあり、第２のピストン１４には第２の圧電膜１６が配置してある。それぞれの圧電膜１５，１６は、電源回路２０により印加される電圧で振動するように構成してある。即ち、両圧電膜１５，１６は、電圧の印加で湾曲する部材が張り合わせて構成され、その湾曲する程度が印加する電圧値により制御できると共に、湾曲する方向が印加する電圧の極性により制御できるようにしてある。電源回路２０は、例えばパーソナルコンピュータ装置１００に内蔵された二次電池２１から供給される電源で作動する。なお、本例では信号の印加により振動する部材として圧電膜を使用したが、同様に振動する部材であれば、他の圧電部材を使用しても良い。
【００２１】
それぞれのピストン１３，１４内で、圧電膜１５，１６が振動することで、再生熱交換部１２と接続された側の空間の容積が変化して、内部の空気を再生熱交換部１２側に押し出したり、逆に再生熱交換部１２側から吸い出したりするように作用し、ピストンとして機能する。この場合、両ピストン１３，１４内の容積は、例えば熱交換部１１内の容積よりも大きく設定し、圧電膜１５，１６の振動で熱交換部１１に対して十分な空気流が発生するようにする。
【００２２】
電源回路２０の制御による第１，第２の圧電膜１５，１６の振動状態としては、両圧電膜が同じ変形状態であるときを位相差なしとし、一方の圧電膜が一方に変形した状態で、他方の圧電膜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、両圧電膜１５，１６の位相差が約９０度となるように、電源部２０が両圧電膜１５，１６に印加する電圧を制御する。なお、ここでの同じ変形状態とは、ピストン１３，１４の機能から見て同じ状態であることを示し、具体的には例えば再生熱交換部１２側に気体を押し出すように第１の圧電膜１５が変形しているとき、第２の圧電膜１６も同じように再生熱交換部１２側に気体を押し出すような状態であるときが位相差なしである。
【００２３】
図２は、電源回路２０が第１，第２の圧電膜１５，１６に印加する電圧波形の一例を示したものである。第１の圧電膜１５に印加する電圧をサイン波形ａとしたとき、第２の圧電膜１６に印加する電圧であるサイン波形ｂは、波形ａから９０°遅れた波形とし、第１の圧電膜１５の動きと第２の圧電膜１６の動きとに９０°の位相差があるようにして共振運動させる。なお、両圧電膜１５，１６に印加する電圧は、このようなアナログ波形を電源回路２０内で直接生成させる他に、デジタル信号をアナログ変換した波形であっても良い。
【００２４】
このように第１，第２の圧電膜１５，１６を共振運動させることで、効率の高いスターリングエンジンが構成されて、熱交換部１１を冷却することができる。即ち、パーソナルコンピュータ装置１００を作動させることで、マイクロプロセッサ１１２が発熱し、そのマイクロプロセッサ１１２からの熱が伝わる熱交換部１１内の気体についても発熱する。ここで、第１及び第２の圧電部材を所定の位相差を持たせて所定の状態に振動させて、第１，第２の圧電膜１５，１６を共振運動させて、熱交換部１１内の気体を第１及び第２のピストン１３，１４側に排出させることで、熱交換部１１に伝わる熱を再生熱交換部１２側に送ることになり、この再生熱交換部１２内で熱が吸収されて、結果的に熱交換部１１及びその熱交換部１１に近接したマイクロプロセッサ１１２を冷却することになる。
【００２５】
なお、図１に示した熱電変換部１０は、部材１１，１２，１３，１４で密閉された空間内に気体が充填されているものとしたが、何らかの液体を充填するようにしても良い。
【００２６】
また、図１に示した熱電変換部１０は、例えばマイクロマシンの技術を使用して、半導体上に部材１１，１２，１３，１４などを形成する構成としても良い。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、熱電変換部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３に示した例では、マイクロプロセッサ１１２に比べて熱電変換部１０を若干大きな形状としたが、熱電変換部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。
【００２７】
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）に取付けられた熱電変換部１０によると、内部の発熱体（マイクロプロセッサ）を冷却することができる。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熱電変換部１０内での圧電膜１６，１６の振動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。
【００２８】
なお、ここまでの説明では、熱電変換部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、熱電変換部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、第１，第２の圧電膜１５，１６を冷却時とは逆の状態で、９０°の位相差を持たせて共振運動させることで、熱交換部１１（及びその周辺）を加熱させるスターリングエンジンとなる。具体的には、第１及び第２のピストン１３，１４内の圧電膜１５，１６を振動させることで、ピストン１３，１４内の気体を圧縮させて、その気体を熱交換部１１側に流れさせることができる。その際に、再生熱交換部１２が蓄積した熱を、熱交換部１１に送ることができ、結果的に熱交換部１１とその周囲を加熱させることができる。
【００２９】
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、最初に熱電変換部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、熱電変換部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、熱電変換部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。
【００３０】
また上述した実施の形態では、機器の内部に本例の熱電変換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、本例の熱電変換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。
【００３１】
さらに上述した実施の形態では、熱電変換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。
【００３２】
【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の圧電部材の振動と第２の圧電部材の振動とを繰り返し行うことで、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の圧電部材の振動と第２の圧電部材の振動とを繰り返し行うことで、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熱電変換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り２つの圧電膜に発生する電圧波形の例を示す波形図である。
【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。
【符号の説明】
１０…熱電変換部、１１…熱交換部、１２…再生熱交換部、１３…第１のピストン部、１４…第２のピストン部、１５…第１の圧電膜、１６…第２の圧電膜、２０…電源回路、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】
0004329204.tif 000002
【図２】
0004329204.tif 000003
【図３】
0004329204.tif 000004