JP2017188601A - 電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートパイプを用いて発熱体の発生する熱を放熱板に導いて放熱する電子機器において、筐体の薄型化を実現する。【解決手段】発熱体8が実装された基板5と、筐体内の全域に配置された放熱板40と、一端が発熱体8から熱を受ける位置に配置され、他端側が放熱板40に放熱するように配置されたヒートパイプ1を備える電子機器において、放熱板40を熱伝導率の異なる第1の放熱板41と第2の放熱板42とを積層して形成し、ヒートパイプ1の発熱体8から熱を受ける高温部1Hの対向位置にある放熱板40には貫通孔43を設けて、第2の放熱板42を高温部1Hに接触させることにより、電子機器の筐体を薄型化した。【選択図】図5

Description

本出願は電子機器に関する。
近年、スマートフォン、タブレット、モバイルPCなどの携帯型の電子機器が普及している。一方、これらの電子機器は、処理能力の高速化と処理の多様化が進むにつれて、機器内部に実装されている電子回路において発生する熱量が増大する傾向にある。電子回路、特に集積回路は発熱量が大きい発熱体であるので、電子機器は発熱体の近傍の筐体温度が局部的に上昇する虞がある。そこで、発熱体の発生する熱を逃がすか、分散して、電子機器の筐体温度が局部的に上昇することを防ぐことが要望されている。
電子機器の筐体温度の局部的な上昇を防止する方法として、電子機器の筐体内にヒートパイプを設置し、電子回路で発生した熱を放熱部に運ぶ方法がある。ここで、電子機器がスマートフォン10である場合のヒートパイプ1の設置について図1及び図2を用いて説明する。
図1(a)は、比較技術のスマートフォン10におけるヒートパイプ1の実装位置を示す、スマートフォン10の分解斜視図である。スマートフォン10は、タッチパネル2を備える筐体3の内部に、放熱板4、基板5及びバッテリ6を備えると共に、筐体3の背面側を封止するリヤカバー7を備える。図1(a)に示す基板5には、リヤカバー7側に部品8Aが実装された状態が示してあるが、発熱体8は基板5の放熱板4側の面に実装されている。部品8Aは普通の集積回路(IC)であり、発熱するものもあるが、発熱しないものもある。部品8Aについては、以後の説明を省略する。
ヒートパイプ1は、基板5の放熱板4側にある発熱体に一端が重ね合わされ、他端側は実装部品を避けるために、折り曲げられてバッテリ6の側面に沿って配置される。図1(b)は、図1(a)に示したヒートパイプ1、基板5及びバッテリ6がスマートフォン10の筐体3に取り付けられた状態を示す斜視図であり、ヒートパイプ1の配置位置が破線で示してある。
図2(a)は、基板5に実装された発熱体8の熱を放熱する、比較技術におけるヒートパイプ1の設置位置を示す断面図であり、図1(b)に示したスマートフォン10のX−X線における部分的な断面を示している。ただし、図2(a)には基板5の放熱板4側に実装された発熱体8だけを示してあり、基板5のリヤカバー7側にある部品8Aの図示は省略してある。
基板5に実装された発熱体8は一般的にCPUであり、電磁波の影響を避けるために発熱体8の周囲にはシールドフレーム11が設けられており、シールドフレーム11の開口部側はシールドキャップ12で封止されている。そして、発熱体8が発生する熱をヒートパイプ1で放熱する場合は、シールドキャップ12と放熱板4の間にヒートパイプ1が設置される。この場合、発熱体8とシールドキャップ12の間と、シールドキャップ12とヒートパイプ1の間に熱伝導シート13が設けられて、発熱体8からヒートパイプ1への熱伝導が良好にされる。
一方、電子機器は小型化、薄型化が進んでおり、電子機器でヒートパイプ使用する場合の基板5の外側から放熱板4の外側の間の距離Dを小さくすることが望まれている。このため、ヒートパイプ1の実装スペースを小さくするため、図2(b)に示すように、偏平型のヒートパイプ1の偏平度を大きくして肉厚を薄くした薄型のヒートパイプ1Aが使用される。薄型のヒートパイプ1Aを使用することにより、基板5の外側から放熱板4の外側の間の距離dは、通常のヒートパイプ1を使用した場合の距離Dよりも小さくすることができる。
特開2015−95629号公報
ところが、薄型のヒートパイプ1Aはヒートパイプ1を潰して作るため、潰しすぎると熱が伝わり難くなり、ヒートパイプ1Aの熱伝導効果が小さくなっていた。しかも、ヒートパイプ1Aは曲げて発熱部の熱を放熱部まで導くので、発熱体から放熱部までのヒートパイプの長さが長く、薄型化したヒートパイプでは、熱が伝わり難くなって、ヒートパイプの熱伝導効果が小さくなっていた。
1つの側面では、ヒートパイプを用いた電子機器において、ヒートパイプを薄型化することなく、電子機器の筐体の厚さを薄くすることができる電子機器を提供することを目的とする。
1つの形態によれば、電子機器であって、発熱体が実装された基板と、放熱板と、一端が発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、放熱板が熱伝導率の異なる第1の放熱板と第2の放熱板とが積層されて形成され、発熱体の対向位置にある放熱板は、第1の放熱板が非積層状態である電子機器が提供される。
開示の電子機器によれば、ヒートパイプを薄型化することなく、電子機器の筐体の薄型化を図ることができるという効果がある。
(a)は比較技術のスマートフォンにおけるヒートパイプの実装構造を示すスマートフォンの組立斜視図、(b)は(a)に示したヒートパイプ、基板及びバッテリがスマートフォンの筐体に取り付けられた状態を示す斜視図である。 (a)は、図1(b)のX−X線におけるヒートパイプの設置構造を示す断面図、(b)は(a)に示したヒートパイプの設置構造において、ヒートパイプの厚さを変更した手法を示す断面図である。 開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプの実装構造の、第1の実施例を説明する組立斜視図である。 (a)は、図3に示した放熱板の上にヒートパイプが実装された状態を示す組立斜視図、(b)は(a)に示した放熱板の上に基板、ヒートパイプ及びバッテリが実装された状態を示す斜視図である。 (a)は図3に示した放熱板へのヒートパイプと基板及びバッテリを実装する手順を示す組立背面図、(b)は(a)のA−A線における部分拡大断面図、(c)は(a)のB−Bにおける部分拡大断面図である。 開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプの実装構造の第2の実施例を説明する分解斜視図である。 図6に示した放熱板の上に、放熱板側シールドフレーム、ヒートパイプ、及びバッテリが実装された状態を示す組立斜視図である。 (a)は図6に示した放熱板に、ヒートパイプ、基板及びバッテリが実装された状態を示す背面図、(b)は(a)のC−C線における部分拡大断面図である。 開示の電子機器の内部に実装する放熱板の別の実施例を説明する斜視図である。 放熱板に発熱体が接触する場合の、放熱板における熱分布の一例を示す等温線図である。 放熱板を形成する第1と第2の放熱板の材質に応じた熱伝導率、縦弾性係数、引張強さ、比重及び発熱体温度の相違を比較する図である。
以下、添付図面を用いて本出願に係る電子機器の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、図1及び図2を用いて説明した比較技術のスマートフォンにおけるヒートパイプの実装構造において説明された部材と同じ部材であって、開示の電子機器にも使用される部材については、同じ符号を付して説明する。
図3及び図4(a)は、開示の電子機器の内部に実装するヒートパイプ1の実装構造の第1の実施例を説明する組立斜視図であり、図1に示した電子機器の筐体の図示は省略してある。図1及び図2で説明した比較技術では、放熱板4は一枚板であったが、第1の実施例では、放熱板40は第2の放熱板42の上に第1の放熱板41が重ね合わされて形成される。以後、第2の放熱板42に第1の放熱板41を重ね合わせることを、第2の放熱板42に第1の放熱板41を積層すると記すことがある。
第1の実施例の第1の放熱板41には、ヒートパイプ1の高温部1Hが載置される位置の部分が矩形状に切り欠かれて貫通孔43が形成されている。第2の放熱板42の上に第1の放熱板41が積層された状態では、図4(a)に示すように、貫通孔43の中に第2の放熱板42が露出する。貫通孔43の寸法は、ヒートパイプ1の高温部1Hを、余裕をもって受け入れることが可能な寸法とすれば良い。
第1の放熱板41と第2の放熱板42は、同一金属を用いても良いが、異なる金属を積層して2層化することができる。第1の放熱板41と第2の放熱板42に、同一金属を使用した場合と、異種金属を使用した場合の、熱伝導率、縦弾性係数、引張強さ、比重及び発熱体温度を比較したものを図11に示す。発熱体温度とは、同じ条件で発熱させた発熱体に、第2の放熱板42に第1の放熱板41を積層した放熱板40を取り付けた場合に、放熱板40によって低下した発熱体の温度のことである。
図10は、放熱板40の点Hに2Wの発熱体が接触し、点線の位置にヒートパイプ1が配置された場合の、放熱板40の温度分布の一例を示すものである。放熱板40の温度は点Hから離れるほど低くなるが、放熱板40のヒートパイプ1が配置された側の長手方向の辺に沿った温度の方が、ヒートパイプ1が配置されていない側の長手方向の辺に沿った温度よりも高くなる。
図11に示す放熱板Aは、第1と第2の放熱板41、42が共にステンレス鋼で形成され、放熱板Bは第1と第2の放熱板41、42が共に銅で形成され、放熱板Cは第1の放熱板41がステンレス鋼、第2の放熱板42が銅で形成されている。放熱板Dと放熱板Eは、放熱板Cと同様に2種類の金属が積層されたものであり、第1の放熱板41が共にステンレス鋼で形成され、第2の放熱板42が、放熱板Dはアルミ合金、放熱板Eはマグネシウム合金で形成されている。但し、第1と第2の放熱板41、42の板厚はそれぞれ0.1mmとする。
図11から分かるように、第1と第2の放熱板41、42が共に、熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きいステンレス鋼で形成された放熱板Aは、強度は強いが冷却能力が低い。また、第1と第2の放熱板41、42が共に、ステンレス鋼に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい銅で形成された放熱板Bは、強度は弱いが冷却能力が高い。
一方、放熱板Cは、第1の放熱板41に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きいステンレス鋼を使用し、第2の放熱板42にステンレス鋼に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい銅を使用している。この組合せを備える異種金属で形成された放熱板Cは、冷却能力が銅と同程度に高く、且つ強度が銅よりも強くステンレス鋼よりもやや弱い程度である。なお、放熱板Cの物性値は、ステンレス鋼SUS304と銅C1020の物性値を足して2で割った値である。また、放熱板Dと放熱板Eについては、データを記載していないが、放熱板Cと同様に冷却能力が高く、且つ強度も強い。
以上から、第1の放熱板41に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属を使用し、第2の放熱板42に第1の放熱板41に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属を使用すると冷却能力が高く、強度も強い放熱板が得られる。よって、開示の電子機器に使用する放熱板としては、第1と第2の放熱板41、42に、放熱板Cのような異種金属の組合せを使用すれば良い。
すなわち、第1の放熱板41をステンレス合金で形成し、第2の放熱板42を銅で形成した場合は、同じ厚さのステンレス合金のみの放熱板より熱伝導性が向上する。そして、この場合は、銅製のヒートパイプを銅製の第2の放熱板42に半田付けすることになるので、ヒートパイプの第2の放熱板42への半田付け時に、熱膨張率の相違により発生する反りを軽減できる。
なお、第1の放熱板41に熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属を使用し、第2の放熱板42に熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属を使用する構造も可能である。本構造の放熱板の場合は、面方向への拡散力が低下するので、発熱体の温度は上昇する。しかし、本構造の放熱板を採用した場合は、タッチパネル面への熱が伝わり難くなるため、タッチパネルの温度が下がる可能性がある。
図3に戻って、第1と第2の放熱板41、42が積層された放熱板40の上(電子機器の背面側)には、貫通孔43から遠い側にバッテリ6が実装される。図4(a)にバッテリ6が放熱板40の上に実装された状態を示す。比較技術と同様に、基板5には発熱体8が実装されており、発熱体8の周囲には電磁波の影響を避けるためにシールドフレーム11が設けられている。シールドフレーム11の開口部側は、熱伝導シート13を挟んでシールドキャップ12で封止される。この状態が図4(a)に示される。よって、基板5を放熱板40に取り付けた時には、貫通孔43の周囲の二点鎖線で示す位置には、基板5に実装された発熱体8を覆うシールドキャップ12が配置される。
第1の実施例では、ヒートパイプ1の高温部1Hが、図4(a)に示すように、貫通孔43の中に配置され、貫通孔43の内部に露出する第2の放熱板42に半田付けされて固定される。第2の放熱板42が銅製である場合は、ヒートパイプ1を半田付けする場合のメッキが不要であり、コストダウンになる。また、ヒートパイプ1は、貫通孔43の内部で第2の放熱板42に半田付けされるので、半田のはみ出しを防ぐことができる。ヒートパイプ1は、高温部1Hに対して低温部1Lが直交する方向に折り曲げられており、ヒートパイプ1の低温部1Lは、第1の放熱板41の上に実装されたバッテリ6の側面に配置される。ヒートパイプ1の第1の放熱板41の上に実装される部分は、第1の放熱板41に半田付けされて固定される。バッテリ6の放熱板40の上への実装位置は、図5(a)に二点鎖線BTで示される。
また、図4(a)及び図5(a)に示すように、基板5を放熱板40の上に実装する場合は、ヒートパイプ1の高温部1Hに熱伝導シート13が取り付けられ、熱伝導シート13にシールドキャップ12が接触するように、基板5が放熱板40の上に実装される。放熱板40の上に、ヒートパイプ1、基板5及びバッテリ6が実装された状態が図4(b)に示される。
図5(b)は、図5(a)は図3に示した放熱板40とヒートパイプ1及び基板5との接続構造を示すものであり、図5(a)のA−A線における部分拡大断面図を示している。また、図5(c)は、図5(a)のB−Bにおける部分拡大断面図を示しており、ヒートパイプ1の高温部1Hが折り曲げによって一段低くなった状態で貫通孔43の内部に露出する第2の放熱板42の上に取り付けられる状態が示されている。第1の実施例では、ヒートパイプ1の高温部1Hは、第2の放熱板42に半田付けされて固定される。
ここで、第1の実施例における放熱板40の厚さが図2(a)に示した比較技術における放熱板4の厚さと同じであり、ヒートパイプ1も同じであり、基板5に実装された部材も同じであるとする。すると、第1の実施例では、基板5の外側から放熱板40の外側(第2の放熱板42の外側)の間の距離D1を、図2(a)に示した基板5の外側から放熱板4の外側の間の距離Dに比べて、第1の放熱板41の厚さ分(0.1mm程度)だけ低くすることができる。
すなわち、同じヒートパイプ1を使用しても、基板5の外側から放熱板40の外側の間の距離D1を小さくすることができる。なお、発熱体8が実装されている基板5の部分以外の領域では、基板5の上に実装された他の部品9の背が低いので、第1の放熱板41の上に配置されたヒートパイプ1には干渉しない。この結果、第1の実施例の電子機器では、筐体の厚さを比較技術の電子機器の筐体に比べて薄くすることができる。なお、筐体の厚さが第1の放熱板41の厚さ分だけ低くなった分のうち、ヒートパイプ1の厚さを0.1mm程度厚くできれば、ヒートパイプ1の性能アップが見込める場合がある。
次に、図6から図8を用いて開示の電子機器の筐体における、ヒートパイプの実装構造の第2の実施例を説明する。図6に示すように、第2の実施例は、第1の実施例に比べて、発熱体8のシールド構造が異なる。第1の実施例では、基板5に実装された発熱体8の周囲にシールドフレーム11が設けられており、シールドフレーム11の開口部側が、シールドキャップ12で封止されていた。一方、第2の実施例では、基板5に実装された発熱体8の周囲にシールドフレーム11が設けられている点は第1の実施例と同じであるが、シールドキャップ12の代わりに、放熱板側シールドフレーム14が設けられる点が異なる。発熱体8の上に熱伝導シート13が取り付けられる点は、第1の実施例と同じである。
放熱板側シールドフレーム14は、その外寸が、第1の放熱板41に設けられたシールドフレーム用貫通孔44の内部に収まる寸法であり、第2の放熱板42に第1の放熱板41が積層された状態で、第2の放熱板42に半田付けされて固定される。また、放熱板側シールドフレーム14には、その1つの辺に、ヒートパイプ1を通すための切欠き14Cが設けられている。第2の実施例に使用されるヒートパイプ1は第1の実施例に使用されるヒートパイプ1と同じであり、略L字状をしていて、短い辺が高温部1Hであり、長い辺が低温部1Lである。
第2の実施例では、ヒートパイプ1の高温部1Hが、図7に示すように、シールドフレーム用貫通孔44の中に配置され、シールドフレーム用貫通孔44の内部に露出する第2の放熱板42に半田付けされて固定される。このとき、ヒートパイプ1の高温部1Hの低温部1Lに続く部分は、シールドフレーム用貫通孔44に設けられた切欠き14Cの中に配置される。そして、ヒートパイプ1の低温部1Lが、第1の放熱板41の上に実装されたバッテリ6の側面に配置される。基板5は、この状態で、シールドフレーム11を放熱板側シールドフレーム14の内部に嵌め込んで放熱板40の上に実装され、この状態が図8(a)に示される。
図8(b)は、図8(a)は図3に示した放熱板40とヒートパイプ1及び基板5との接続構造を示すものであり、図8(a)のC−C線における部分拡大断面図を示している。図8(b)に示されるように、第2の実施例では、第1の実施例のシールドキャップ12に対応する放熱板側シールドフレーム14が、シールドフレーム用貫通孔44の内部で、第2の放熱板42の上に半田付けによって固定されている。すなわち、第2の実施例では、発熱体8を電磁波から遮蔽する第1の実施例のシールドキャップ12の役割りを、金属製の第1の放熱板41に受け持たせている。
ここで、第2の実施例における放熱板40の厚さが、第1の実施例における放熱板40の厚さと同じであり、ヒートパイプ1も同じであり、基板5に実装された部材も同じであるとする。すると、第2の実施例では、基板5の外側から放熱板40の外側の間の距離D2を、第1の実施例における基板5の外側から放熱板40の外側までの厚さD1に対して、シールドキャップ12の厚さと、熱伝導シート13の厚さ分だけ更に薄くできる。すなわち、第2の実施例の電子機器は、第1の実施例の電子機器に比べて、筐体の厚さを更に薄くすることができる。
なお、以上説明した第1と第2の実施例では、第1の放熱板41が、ヒートパイプ1の高温部1Hのみを受け入れるように切り欠かれて貫通孔43、44が形成されて、第2の放熱板42に積層されていた。このため、第2の放熱板42に接するのは、ヒートパイプ1の高温部1Hだけであった。一方、図9に示す実施例では、第1の放熱板41に、ヒートパイプ1の全長に渡って切欠き部45が設けられている。このように、第1の放熱板41に設ける切欠き部の大きさ、形状は特に限定されるものではない。
以上、本出願を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明した。本出願の容易な理解のために、本出願の具体的な形態を以下に付記する。
(付記1)電子機器であって、
発熱体が実装された基板と、
放熱板と、
一端が前記発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が前記放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、
前記放熱板が熱伝導率の異なる第1の放熱板と第2の放熱板とが積層されて形成され、
前記発熱体の対向位置にある前記放熱板は、前記第1の放熱板が非積層状態である電子機器。
(付記2) 前記放熱板は、前記電子機器の筐体の全域にわたって配置されており、前記発熱体の対向位置にある前記放熱板の前記第1の放熱板には、前記第2の放熱板を露出させる貫通孔が設けられている付記1に記載の電子機器。
(付記3) 前記第1の放熱板と前記第2の放熱板は、特性の異なる異種金属で形成され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。
(付記4) 前記第1の放熱板は熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属で形成され、前記第2の放熱板は前記第1の放熱板に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属で形成されることを特徴とする付記3に記載の電子機器。
(付記5) 前記ヒートパイプの前記一端は、貫通孔の内側で、前記第2の放熱板に半田付けによって固定されることを特徴とする付記2から4の何れかに記載の電子機器。
(付記6) 前記ヒートパイプの前記他端側は、前記一端側に対して折り曲げられ、前記放熱板の長手方向の辺に沿って配置されることを特徴とする付記1から5の何れかに記載の電子機器。
(付記7) 前記基板に実装された前記発熱体の周囲の前記基板には、電磁波を遮断するシールドフレームが実装されており、
前記シールドフレームの開口部はシールドキャップで封止されており、
前記基板が前記放熱板に取り付けられた状態では、前記シールドキャップを通じて前記発熱体の熱が前記ヒートパイプに伝えられることを特徴とする付記1から6の何れかに記載の電子機器。
(付記8) 前記基板に実装された前記発熱体の周囲の前記基板には、電磁波を遮断するシールドフレームが実装されており、
前記放熱板の前記貫通孔の内部には、前記基板の前記放熱板への取付時に、前記シールドフレームに嵌め合わされる放熱板側シールドフレームが半田付けされて取り付けられており、
前記基板が前記放熱板に取り付けられた状態では、前記発熱体の熱が直接前記ヒートパイプに伝えられることを特徴とする付記2から6の何れかに記載の電子機器。
(付記9) 前記放熱板側シールドフレームの1つの辺には、前記ヒートパイプの前記一端に続く部分を、前記貫通孔から外に出すための切欠きが設けられている付記8に記載の電子機器。
1 ヒートパイプ
5 基板
6 バッテリ
8 発熱体
11 シールドフレーム
12 シールドキャップ
13 熱伝導シート
14 放熱板側シールドフレーム
40 放熱板
41 第1の放熱板
42 第2の放熱板
43、44 貫通孔

Claims (5)

  1. 電子機器であって、
    発熱体が実装された基板と、
    放熱板と、
    一端が前記発熱体から熱を受ける位置に配置され、他端側が前記放熱板に放熱するように配置されたヒートパイプを備え、
    前記放熱板が熱伝導率の異なる第1の放熱板と第2の放熱板とが積層されて形成され、
    前記発熱体の対向位置にある前記放熱板は、前記第1の放熱板が非積層状態である電子機器。
  2. 前記放熱板は、前記電子機器の筐体の全域にわたって配置されており、前記発熱体の対向位置にある前記放熱板の前記第1の放熱板には、前記第2の放熱板を露出させる貫通孔が設けられている請求項1に記載の電子機器。
  3. 前記第1の放熱板と前記第2の放熱板は、特性の異なる異種金属で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子機器。
  4. 前記第1の放熱板は熱伝導率は低いが縦弾性係数と引張強さが大きい金属で形成され、前記第2の放熱板は前記第1の放熱板に比べて熱伝導率は高いが縦弾性係数と引張強さが小さい金属で形成されることを特徴とする請求項3に記載の電子機器。
  5. 前記ヒートパイプの前記一端は、貫通孔の内側で、前記第2の放熱板に半田付けによって固定されることを特徴とする請求項2から4の何れか一項に記載の電子機器。
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