JP2015200465A - ヒートパイプ内蔵フレーム板及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器内に配置して発熱部品を冷却するヒートパイプ内蔵フレーム板を提供する。
【解決手段】フレーム板１２は、電子機器内に配置されて、配線基板１３や充電式電池１４等の部品を支持する。このフレーム板１２は、所定のパターンで開口部が設けられた複数の金属板を重ね合わせて形成されており、作動流体が封入されたヒートパイプ２０が内蔵されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプ内蔵フレーム板及びそのヒートパイプ内蔵フレーム板を有する電子機器に関する。

高度情報化社会の到来に伴い、スマートフォンやタブレット端末等のようなモバイル型電子機器が広く使用されるようになった。それらの電子機器に使用されるＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品は、稼働に伴って熱を発生する。

ＣＰＵ等の電子部品（以下、「発熱部品」という）の温度が許容上限温度を超えてしまうと、故障や誤動作、又は処理能力の低下を引き起こす。そのため、発熱部品を冷却する手段が必要となる。

ディスクトップ型電子機器では、発熱部品の冷却に冷却ファンが使用されている。しかし、モバイル型電子機器は持ち運びが容易なように薄型化されているため、モバイル型電子機器の筐体内に冷却ファンを配置することは困難である。

発熱部品を冷却する方法の一つに、熱伝導率が高い金属板又は熱拡散シートを使用し、発熱部品で発生した熱を他の場所に輸送して、そこから筺体の外に放散する方法がある。しかし、この方法では、輸送できる熱が金属板又は熱拡散シートの熱伝導率によって制限されてしまう。

例えば、熱拡散シートとして使用されるグラファイトシートの熱伝導率は５００Ｗ／ｍＫ〜２０００Ｗ／ｍＫ程度であり、この程度の熱伝導率では発熱部品の発熱量が多くなったときに、発熱部品を十分に冷却できなくなってしまう。

特開２００２−９８４８７号公報 特開２０１０−１９４９５号公報 特開２０１３−６９９２５号公報

スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器内に配置して発熱部品を冷却するヒートパイプ内蔵フレーム板、その製造方法、及びヒートパイプ内蔵フレーム板を有する電子機器を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、電子機器内に配置されて部品を支持するフレーム板であって、複数の金属板を重ね合わせて形成され、作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されているヒートパイプ内蔵フレーム板が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されたフレーム板と、前記フレーム板に支持される部品とを有し、前記フレーム板が、複数の金属板を重ね合わせて形成されている電子機器が提供される。

開示の技術の更に他の一観点によれば、複数の金属板にそれぞれ所定のパターンで開口部を形成する工程と、前記複数の金属板を重ね合わせて接合し、発熱部品で発生する熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体の蒸気を凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡する蒸気管部及び液管部とを有するヒートパイプを形成する工程とを有するヒートパイプ内蔵フレーム板の製造方法が提供される。

上記一観点に係るヒートパイプ内蔵フレーム板は、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器内に配置して発熱部品を冷却することができる。

また、上記一観点に係る電子機器によれば、ヒートパイプ内蔵フレーム板により、発熱部品で発生する熱を他の場所に迅速に輸送できる。

更に、上記一観点に係る製造方法によれば、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器内に配置して発熱部品を冷却するヒートパイプ内蔵フレーム板を比較的容易に製造できる。

図１は、実施形態に係るヒートパイプ内蔵フレーム板を有する電子機器の内部構造を示す模式断面図である。 図２は、フレーム板の斜視図である。 図３は、フレーム板の透視図である。 図４は、フレーム板に内蔵されたループ型ヒートパイプを示す斜視図である。 図５は、フレーム板に設けられた空洞を示す模式断面図である。 図６（ａ），（ｂ）は、蒸気管部の断面図である。 図７は、液管部の断面図である。 図８は、フレーム板及びループ型ヒートパイプを示す模式平面図である。 図９は、フレーム板を構成する金属板を示す平面図（その１）である。 図１０は、フレーム板を構成する金属板を示す平面図（その２）である。

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。

サーバ等の電子機器には、発熱部品の熱を効率的に輸送するデバイスとして、ヒートパイプが使用されている。ヒートパイプは、作動流体の相変化を利用して熱を輸送するデバイスであり、熱拡散シートよりも高い熱伝導率を有する。例えば、直径が３ｍｍのヒートパイプの場合、熱伝導率は１５００Ｗ／ｍＫ〜２５００Ｗ／ｍＫ程度である。

ヒートパイプには幾つかの種類があるが、特にループ型ヒートパイプは熱輸送効率が高い。しかしながら、サーバ等の電子機器に使用される既存のループ型ヒートパイプはサイズが大きく、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器に使用することができない。

以下の実施形態では、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型電子機器内に配置して発熱部品を冷却するヒートパイプ内蔵フレーム板について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係るヒートパイプ内蔵フレーム板を有する電子機器の内部構造を示す模式断面図である。また、図２はフレーム板１２の斜視図であり、図３は同じくそのフレーム板１２の透視図である。

図１に示す電子機器では、筺体（図示せず）内に、液晶パネル１１、フレーム板１２、配線基板１３、及び充電式電池１４等が配置されている。液晶パネル１１は筐体の一方の面に配置され、その表面（図１では下側の面）にはタッチパネルが設けられている。

液晶パネル１１の裏面（図１では上側の面）にはフレーム板１２が配置されている。また、フレーム板１２の上には、配線基板１３及び充電式電池１４が配置されている。

図３に示すように、フレーム板１２には、ループ型ヒートパイプ２０が内蔵されている。また、図１，図２に示すように、フレーム板１２の上側の面には複数の凹部１２ａ，１２ｂが設けられており、それらの凹部１２ａ，１２ｂ内に、配線基板１３に搭載されたＣＰＵ１３ａ及び充電式電池１４等が配置される。フレーム板１２の幅は例えば６０ｍｍであり、長さは例えば９０ｍｍである。

フレーム板１２には、配線基板１３及び充電式電池１４等の部品を支持するという役割と、発熱部品（この例ではＣＰＵ１３ａ）を冷却するという役割とがある。

フレーム１２の凹部１２ａ，１２ｂは必要に応じて設ければよく、フレーム板１２の表面は平坦であってもよい。フレーム板１２の厚さは、モバイル型電子機器の内部に配置するという観点から５ｍｍ以下とすることが好ましく、１ｍｍ以下とすることがより一層好ましい。

図４はフレーム板１２に内蔵されたループ型ヒートパイプ２０を示す斜視図である。図４に示すように、ループ型ヒートパイプ２０は、蒸発部２１と、凝縮部２２と、蒸発部２１と凝縮部２２との間を連絡する蒸気管部２３及び液管部２４とを有する。また、凝縮部２２には、放熱性を十分に確保するために、多数のフィン２５が設けられている。但し、フィン２５は必要に応じて設ければよく、必須ではない。

詳細は後述するが、フレーム板１２は複数の金属板を重ね合わせて形成されており、それらの金属板にそれぞれ所定のパターンで開口部を設けることで、蒸発部２１、凝縮部２２、蒸気管部２３及び液管部２４となる空間を形成している。

ループ型ヒートパイプ２０内には、作動流体が封入されている。作動流体は、液相と気相とに相変化しながらループ型ヒートパイプ２０内を移動することで、蒸発部２１側から凝縮部２２側に熱を輸送する。作動流体として、例えばアンモニア、水、フロン、アルコール又はアセトン等が使用される。ループ型ヒートパイプ２０内の空間は、作動流体が蒸発しやすいように減圧されている。

図３，図４に示すように、蒸気管部２３及び液管部２４の途中には、蒸発部２１側が低く、凝縮部２２側が高くなるように傾斜が設けられている。凝縮部２２は、蒸発部２１から離れた位置であって、外部に熱を排出しやすい位置に配置される。また、フレーム板１２には、例えば図５の模式断面図に示すように、軽量化のために空洞２７が設けられている。

図６（ａ）は蒸気管部２３の一部の断面図であり、図６（ｂ）は蒸気管部２３の他の一部の断面図である。図６（ａ），（ｂ）中の符号２８は、フレーム板１２を構成する金属板を示している。

図６（ａ）の断面図に示すように、蒸気管部２３は断面が矩形の管状の空間である。蒸気管部２３の幅は例えば８ｍｍであり、高さは例えば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである。但し、蒸気管部２３の幅が大きいと強度が不足するおそれがあるため、図６（ｂ）に示すように、本実施形態では蒸気管部２３の長さ方向のところどころに支柱２３ａを設けて、蒸気管部２３の強度を確保している。

図７は、液管部２４の断面図である。この図７に示すように、液管部２４も、断面が矩形の管状の空間であるが、その内側には多孔質構造体２６ａが配置されている。この多孔質構造体２６ａは、上下方向に重なる金属板２８に多数の微細な孔を設けて形成されている。

図８は、フレーム板１２及びループ型ヒートパイプ２０を示す模式平面図である。この図８に示すように、蒸発部２１内の液管部２４側の部分にも多孔質構造体２６ｂが配置されており、液管部２４内の多孔質構造体２６ａと蒸発部２１内の多孔質構造体２６ｂとは接続している。なお、セラミック又は樹脂等により形成された多孔質構造体（ウィック）を、液管部２４及び蒸発部２１内に配置してもよい。

以下、本実施形態に係るフレーム板１２に内蔵されたループ型ヒートパイプ２０の動作について説明する。

ＣＰＵ１３ａが稼働していないとき（初期状態）には、作動流体は液体の状態である。そして、液体の作動流体は、毛細管現象により、蒸発部２１及び液管部２４内の多孔質構造体２６ａ，２６ｂ内に保持されている。

稼働によりＣＰＵ１３ａが熱を発生すると、その熱が蒸発部２１に伝達されて、多孔質構造体２６ｂに保持されていた作動流体が蒸発する。作動流体が蒸発するときには周囲から蒸発熱を奪うため、蒸発部２１及びその上に配置されたＣＰＵ１３ａが冷却される。

液管部２４内には液体の作動流体が充満しているため、蒸発部２１で発生した蒸気は液管部２４内を通ることができず、蒸気管部２３を通って凝縮部２２に移動する。

作動流体の蒸気は比重が小さいため上に移動しようとする。本実施形態では、前述したように蒸気管２３に傾斜が設けられており、蒸発部２１から凝縮部２２に作動流体の蒸気が移動しやすいようになっている。

蒸発部２１内の多孔質構造体２６ｂから作動流体が蒸発すると、毛細管現象により液管部２４内の多孔質構造体２６ａから蒸発部２１内に液体の作動流体が移動する。そして、この移動してきた液体の作動流体も、ＣＰＵ１３ａが発生する熱により蒸発する。

このように、ＣＰＵ１３ａの発熱に伴い、液管部２４から蒸発部２１内に液体の作動流体が連続的に供給され、蒸発部２１内で作動流体の蒸気が連続的に発生する。そして、蒸発部２１内で発生した作動流体の蒸気は、蒸気管部２３を通って凝縮部２２に移動する。

一方、蒸気管部２３を通って凝縮部２２に移動した作動流体の蒸気は、凝縮部２２で冷却されて液体になる。このとき、作動流体の液化に伴って凝縮熱が発生し、凝縮部２２の温度が上昇する。しかし、凝縮部２２の周囲の温度が低いため、凝縮部２２で発生した熱は周囲に拡散し、最終的に筐体の表面から外部に放散される。特に、本実施形態では、凝縮部２２の周囲にフィン２５が設けられているため、凝縮部２２の放熱性が高い。

凝縮部２２で液体となった作動流体は、多孔質構造体２６ａに触れると、毛細管現象により多孔質構造体２６ａ内に吸収される。そして、液体の作動流体は、液管部２４内を凝縮部２２側から蒸発部２１側に移動する。液体の作動流体は比重が大きいため下に移動しようとする。本実施形態では、前述したように液管部２４に傾斜が設けられており、凝縮部２２から蒸発部２１に液体の作動流体が移動しやすくなっている。

このようにして、ＣＰＵ１３ａで発生した熱が作動流体により蒸発部２１から凝縮部２２に輸送され、凝縮部２２から筐体の外に放散される。

図９（ａ）〜（ｄ），図１０（ａ）〜（ｄ）は、フレーム板１２を構成する金属板を下側に配置されるものから順に示す平面図である。これらの図９（ａ）〜（ｄ），図１０（ａ）〜（ｄ）において、網掛けした部分は多孔質構造体となる部分であり、微細な孔が形成されている。

本実施形態に係るフレーム板１２は、図９（ａ）〜（ｄ），図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、開口パターンが相互に異なる８種類の金属板２８ａ〜２８ｈにより形成されている。金属板２８ａ〜２８ｈは例えば銅又は銅合金よりなる。各金属板２８ａ〜２８ｈの厚さは同一でもよく、異なっていてもよい。また、各金属板２８ａ〜２８ｈの枚数はそれぞれ１枚ずつであってもよく、金属板２８ａ〜２８ｆ毎に枚数が異なっていてもよい。

これらの金属板２８ａ〜２８ｈは、接着剤等により接合してもよいが、本実施形態では拡散接合法により接合している。すなわち、各金属板２８ａ〜２８ｈを重ね合わせて減圧雰囲気中に配置し、加圧及び加熱して金属板２８ａ〜２８ｈを一体化している。接合時には、ループ型ヒートパイプ２０内に適量の作動流体を封入する。

以上説明したように、本実施形態に係るフレーム板１２は、ループ型ヒートパイプ２０を内蔵しているため、別個にヒートパイプ又は熱拡散シートを使用しなくても発熱部品（上記の例ではＣＰＵ１３ａ）を冷却できる。これにより、モバイル型電子機器のより一層の薄型化及び軽量化が可能になる。

また、本実施形態に係るフレーム板１２に内蔵されたループ型ヒートパイプ２０は、作動流体の相変化を利用して熱を輸送するので、金属板や熱拡散シートに比べて熱伝導率が高く、モバイル型電子機器に使用されるＣＰＵ等の発熱部品を十分に冷却できる。

更に、本実施形態に係るフレーム板１２に内蔵されたループ型ヒートパイプ２０は、前述したように作動流体が流れる方向が一方向となる。このため、本実施形態に係るフレーム板１２に内蔵されたループ型ヒートパイプ２０は、１本の管内を液相の作動流体と気相の作動流体とが移動する方式のヒートパイプに比べて、作動流体が受ける抵抗が少なく、効率的に熱を輸送できる。

更にまた、本実施形態に係るフレーム板１２は、所定のパターンの開口部が設けられた複数の金属板２８ａ〜２８ｈを重ね合わせて製造するので、製造が比較的容易である。

なお、上記実施形態では凹部１２ａ，１２ｂの深さを金属板の枚数により決定しているが、凹部１２ａ，１２ｂの底となる金属板をハーフエッチングすることにより、凹部１２ａ，１２ｂの深さを微調整することができる。

また、図９，図１０に示す例では８枚の金属板２８ａ〜２８ｆの全てにフィン２５となるパターンを設けている。しかし、金属板２８ｂ〜２８ｅのうちのいずれか１枚又は２枚の金属板にフィンとなるパターンを設けないことで、２段構造又は３段構造のフィンを形成することができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）電子機器内に配置されて部品を支持するフレーム板であって、
複数の金属板を重ね合わせて形成され、作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されていることを特徴とするヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記２）前記ヒートパイプは、発熱部品で発生する熱により前記作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体の蒸気を凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡する蒸気管部及び液管部とを有し、前記蒸発部、前記凝縮部、前記蒸気管部及び前記液管部は、前記金属板に設けられた開口部により形成されていることを特徴とする付記１に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記３）前記液管部には第１の多孔質構造体が配置され、前記蒸発部の一部には前記第１の多孔質構造体に連結された第２の多孔質構造体が配置されていることを特徴とする付記２に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記４）前記複数の金属板の合計の厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記５）前記蒸気管部及び前記液管部には前記金属板の厚さ方向に傾斜が設けられていることを特徴とする付記２又は３に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記６）前記凝縮部の周囲に、フィンが設けられていることを特徴とする付記２又は３に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。

（付記７）作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されたフレーム板と、
前記フレーム板に支持される部品とを有し、
前記フレーム板が、複数の金属板を重ね合わせて形成されていることを特徴とする電子機器。

（付記８）複数の金属板にそれぞれ所定のパターンで開口部を形成する工程と、
前記複数の金属板を重ね合わせて接合し、発熱部品で発生する熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体の蒸気を凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡する蒸気管部及び液管部とを有するヒートパイプを形成する工程と
を有することを特徴とするヒートパイプ内蔵フレーム板の製造方法。

（付記９）前記複数の金属板は、拡散接合法により接合することを特徴とする付記８に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板の製造方法。

１１…液晶パネル、１２…フレーム板、１２ａ，１２ｂ…凹部、１３…配線基板、１３ａ…ＣＰＵ、１４…充電式電池、２０…ヒートパイプ、２１…蒸発部、２２…凝縮部、２３…蒸気管部、２４…液管部、２５…フィン、２６ａ，２６ｂ…多孔質構造体、２８，２８ａ〜２８ｈ…金属板。

Claims (6)

1. 電子機器内に配置されて部品を支持するフレーム板であって、
   複数の金属板を重ね合わせて形成され、作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されていることを特徴とするヒートパイプ内蔵フレーム板。
2. 前記ヒートパイプは、発熱部品で発生する熱により前記作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体の蒸気を凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡する蒸気管部及び液管部とを有し、前記蒸発部、前記凝縮部、前記蒸気管部及び前記液管部は、前記金属板に設けられた開口部により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。
3. 前記液管部には第１の多孔質構造体が配置され、前記蒸発部の一部には前記第１の多孔質構造体に連結された第２の多孔質構造体が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。
4. 前記複数の金属板の合計の厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ内蔵フレーム板。
5. 作動流体が封入されたヒートパイプが内蔵されたフレーム板と、
   前記フレーム板に支持される部品とを有し、
   前記フレーム板が、複数の金属板を重ね合わせて形成されていることを特徴とする電子機器。
6. 複数の金属板にそれぞれ所定のパターンで開口部を形成する工程と、
   前記複数の金属板を重ね合わせて接合し、発熱部品で発生する熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体の蒸気を凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡する蒸気管部及び液管部とを有するヒートパイプを形成する工程と
   を有することを特徴とするヒートパイプ内蔵フレーム板の製造方法。

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