JP2019032134A - プレート型熱輸送装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱効率で異なる複数の発熱体の放熱に対応できるプレート型熱輸送装置及び該プレート型熱輸送装置を備える電子機器を提供する。【解決手段】プレート型熱輸送装置１０は、一対のプレート部材２２，２３の間に密閉空間２５を形成し、密閉空間２５に作動流体Ｆを封入した構成である。プレート型熱輸送装置１０は、板厚の薄い薄肉部２８を一部に設けている。【選択図】図２

Description

本発明は、プレート型熱輸送装置及び該プレート型熱輸送装置を備える電子機器に関する。

例えば特許文献１には、一対の金属プレート間に密閉空間を形成し、この密閉空間に作動流体を封入したベーパーチャンバが開示されている。ベーパーチャンバのようなプレート型熱輸送装置は、例えば作動流体の相変化を利用して熱輸送を行うため、薄型でありながら高い熱輸送能力が得られる。このため、プレート型熱輸送装置は、例えばタブレット型或いはノート型のパーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載された電子部品の放熱手段として広く利用されている。

特開２０１５−１３２３９９号公報

従来の電子機器では、プレート型熱輸送装置は主に最大の発熱体であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の放熱用として利用されている。ところが、近年の電子機器は、ＣＰＵ以外、例えばＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）やＤＣＤＣコンバータ等、ＣＰＵ以外の電子部品の発熱量も大きい傾向にある。一方、このような電子機器は薄型化が進んでいるため、ＣＰＵの放熱用のプレート型熱輸送装置をＳＳＤ等の別の発熱体の放熱用として兼用できることが望ましい。

ところが、上記のような種類の異なる電子部品は、それぞれ高さ寸法が異なるため、マザーボード等の電子基板の表面からの突出高さが異なる。その結果、１枚のプレート型熱輸送装置を複数種類の電子部品の放熱に利用する場合は、例えばプレート型熱輸送装置と各電子部品との間の隙間の違いをサーマルラバー等の熱伝導部材の厚みを調整することで対応する必要がある。その結果、高さ寸法の低い電子部品では、熱伝導部材の厚みが大きくなり、プレート型熱輸送装置との間の熱伝達性能が低下する。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、高い熱効率で異なる複数の発熱体の放熱に対応できるプレート型熱輸送装置及び該プレート型熱輸送装置を備える電子機器を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係るプレート型熱輸送装置は、一対のプレート部材の間に密閉空間を形成し、該密閉空間に作動流体を封入したプレート型熱輸送装置であって、板厚の薄い薄肉部を一部に設けている。

このような構成によれば、当該プレート型熱輸送装置は、例えば高さ寸法の異なる複数の発熱体のうち、高さ寸法の高い発熱体に薄肉部を配置し、高さ寸法の低い発熱体に薄肉部以外の部分を配置することができる。これにより、当該プレート型熱輸送装置は、例えばその外面と各発熱体との間に介在させるサーマルラバー等の厚みを最小限に抑えることができ、高い熱効率を確保した状態で異なる種類の発熱体の放熱に用いることができる。換言すれば、当該プレート型熱輸送装置は、高さ寸法の低い発熱体に対して使用する部分は密閉空間の流路断面積を最大限に確保しつつ、高さ寸法の高い発熱体に対しては薄肉部によって対応することができる。このため、当該プレート型熱輸送装置は、高い放熱性能と汎用性とが得られる。

前記薄肉部は、前記一対のプレート部材の少なくとも一方が前記密閉空間内へと凹んだ構造であってもよい。そうすると、薄肉部を簡素な構造で形成でき、製造効率や製造コストを低減できる。

前記密閉空間には、一方のプレート部材の内面から突出し、前記他方のプレート部材の内面に当接した支柱が複数設けられており、前記支柱は、前記薄肉部に対応する部分及び前記薄肉部以外に対応する部分にそれぞれ設けられた構成であってもよい。そうすると、外力によって密閉空間が潰れることを防止できる。

本発明の第２態様に係る電子機器は、上記構成のプレート型熱輸送装置と、該プレート型熱輸送装置と熱伝達可能に設けられた発熱体とを備える。

このような構成によれば、その板厚を最小限に抑えつつ、高い熱効率と汎用性が得られるプレート型熱輸送装置で発熱体である電子部品等を冷却できるため、当該電子機器の薄型化と高い放熱効率を確保できる。

前記発熱体は、同一の基板の同一の表面から突出するように設けられ、前記表面からの突出高さが異なる少なくとも２個の電子部品を含み、前記突出高さの大きな電子部品の頂面に対し、前記薄肉部が熱伝達可能に配置され、前記突出高さの小さな電子部品の頂面に対し、前記薄肉部以外の部分が熱伝達可能に配置された構成であってもよい。そうすると、１枚のプレート型熱輸送装置で基板の表面からの突出高さの異なる複数の電子部品の放熱を兼用でき、当該電子機器の筐体内のスペース効率が向上する。

前記発熱体は、同一の基板の同一の表面から突出するように設けられた複数の電子部品を含み、前記薄肉部は、前記電子部品と同数設けられると共に、それぞれ前記電子部品と対応する位置に設けられ、各薄肉部が、各電子部品の前記表面からの突出高さに応じた板厚を有し、それぞれ各電子部品と熱伝達可能に配置された構成であってもよい。そうすると、プレート型熱輸送装置の密閉空間内の流路断面積を最大限に確保しつつ、複数の電子部品の放熱に兼用でき、当該電子機器の放熱性能を向上させつつ、薄型化を図ることが可能となる。

前記発熱体は、基板の表面から突出するように設けられ、当該電子機器は、前記基板とは別体に設けられた部品を備え、前記薄肉部の少なくとも一部が、前記部品と重なる位置に配置された構成であってもよい。また、前記部品は、当該電子機器の電源となるバッテリ装置を含んでもよい。そうすると、バッテリ装置のような部品と筐体内面との間のデッドスペースを有効に利用して、プレート型熱輸送装置の密閉空間の容積を拡大でき、放熱効率が一層向上する。

本発明の上記態様によれば、高い熱効率で異なる複数の発熱体の放熱に対応することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るプレート型熱輸送装置を搭載した電子機器の内部構造を模式的に示した平面図である。 図２は、図１に示す電子機器の内部構造を模式的に示した縦断面図である。 図３は、プレート型熱輸送装置の構成を模式的に示した斜視図である。 図４は、密閉空間に支柱を持たずにメッシュ部材を充填した構成例を模式的に示した縦断面図である。 図５は、第１変形例に係るプレート型熱輸送装置を備えた電子機器の内部構造を模式的に示した縦断面図である。 図６は、第２変形例に係るプレート型熱輸送装置を備えた電子機器の内部構造を模式的に示した縦断面図である。

以下、本発明に係るプレート型熱輸送装置について、この装置を搭載した電子機器との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るプレート型熱輸送装置１０を搭載した電子機器１２の内部構造を模式的に示した平面図である。図２は、図１に示す電子機器１２の内部構造を模式的に示した縦断面図である。本実施形態では、電子機器１２としてタブレット型ＰＣを例示する。電子機器１２はタブレット型ＰＣ以外であってもよく、例えばデスクトップ型ＰＣ、ノート型ＰＣ、スマートフォン、携帯電話、電子手帳等であってもよい。

図１及び図２に示すように、電子機器１２は、筐体１３と、ディスプレイ１４とを備える。

筐体１３は、内部に各種電子部品や機器の収容空間を形成した薄い箱状部材である。筐体１３は、その前面開口にディスプレイ１４が設けられている。ディスプレイ１４は、例えばタッチ操作可能な液晶ディスプレイで構成されている。

筐体１３の内部には、電子基板１６、複数の電子部品１８，１９，２０、プレート型熱輸送装置１０、バッテリ装置２１、及びメモリ等の図示しない各種電子部品等が配設されている。

電子基板１６は、その表面１６ａに電子部品１８〜２０が実装されている。さらに電子基板１６の表面１６ａ或いはその裏面には、電子部品１８〜２０以外の他の電子部品、例えば各種ＩＣチップ等が実装されている。本実施形態の場合、電子部品１８はＣＰＵであり、電子部品１９はＤＣＤＣコンバータであり、電子部品２０はＳＳＤである。これら電子部品１８〜２０は、電子機器１２に搭載される電子部品の中でも発熱量の大きな発熱体である。そこで、本実施形態に係るプレート型熱輸送装置１０は、これら電子部品１８〜２０の放熱用として設置されている。プレート型熱輸送装置１０による冷却対象の電子部品は、ＣＰＵ、ＤＣＤＣコンバータ、ＳＳＤ以外であっても勿論よく、例えばＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の各種演算装置、カメラ用の画像チップや部品等、電子機器１２の動作中に発熱する各種発熱体を例示できる。

バッテリ装置２１は、筐体１３内で電子基板１６の側方に配置されている。バッテリ装置２１は、電子機器１２の電源であり、外部の電源装置から充電可能である。

図３は、プレート型熱輸送装置１０の構成を模式的に示した斜視図である。

プレート型熱輸送装置１０は、電子部品１８〜２０から発せられる熱を吸熱して拡散し、外部に放熱するためのプレート型構造の放熱用器具である。プレート型熱輸送装置１０は、例えばヒートパイプの一種類であるベーパーチャンバである。

図２及び図３に示すように、プレート型熱輸送装置１０（以下、単に「熱輸送装置１０」ともいう）は、一対のプレート部材２２，２３の間に作動流体Ｆが封入される密閉空間２５を形成した構造である。

プレート部材２２，２３は、アルミニウムや銅、ステンレスのような熱伝導率が高い金属によって形成されたプレートである。プレート部材２２，２３は、例えば長方形状である。プレート部材２２，２３は、その四周縁部が互いに溶接等によって接合されて封止されることで、内部に密閉空間２５が形成される。図２及び図３では、プレート部材２２，２３の四周縁部に形成される接合部２６をプレート部材２２，２３とは別の壁部として誇張して図示しているが、実際の接合部２６は、例えば両プレート部材２２，２３の縁部を板厚方向に潰して接合した薄いフランジ形状となる。

熱輸送装置１０は、プレート部材２３側の外面１０ａに板厚の薄い薄肉部２８を有する。薄肉部２８は、外面１０ａの大部分を占める厚肉部３０よりも板厚を薄く形成した部分である。薄肉部２８は、電子基板１６に対向配置されるプレート部材２３が密閉空間２５内へと板厚方向に凹んだ構造である。図２及び図３に示す構成例では、薄肉部２８は外面１０ａに形成された矩形状の凹部としている。このため、薄肉部２８は簡素な構造であり、当該熱輸送装置１０の製造効率や製造コストが低減される。

密閉空間２５は、封入された作動流体Ｆが相変化を生じながら流通する流路となる。作動流体Ｆとしては、例えば水、代替フロン、フロン、アセトン又はブタン等が用いられる。本実施形態では、作動流体Ｆは水である。作動流体Ｆは、密閉空間２５内で発熱体である電子部品１８〜２０からの熱で蒸発して拡散移動し、放熱して凝縮した後に再び電子部品１８〜２０に対する吸熱位置まで戻る相変化を繰り返して熱輸送を行う。密閉空間２５は、薄肉部２８に対応する部分での流路高さＨ１（熱輸送装置１０の板厚方向での距離）が、厚肉部３０に対応する部分での流路高さＨ２よりも小さい。本実施形態の場合、プレート部材２２，２３の板厚が０．１５ｍｍ程度、厚肉部３０に対応する部分での密閉空間２５の流路高さが０．３ｍｍ程度、薄肉部２８に対応する部分での密閉空間２５の流路高さが０．２〜０．１ｍｍ程度となっている。

密閉空間２５には、複数の支柱３２が所定間隔で配列されている。各支柱３２は、例えば一方のプレート部材２２の内面から突出し、他方のプレート部材２３の内面に当接している。支柱３２は、薄肉部２８に対応する部分及び厚肉部３０に対応する部分にそれぞれ設けられている。各支柱３２は、密閉空間２５が外力で潰れることを防止している。薄肉部２８に対応する部分に設けられた各支柱３２の高さは、厚肉部３０に対応する部分に設けられた各支柱３２の高さよりも小さい。これにより、各支柱３２は、薄肉部２８で低い流路高さＨ１となった部分にも適切に配置できる。支柱３２は、プレート部材２３の内面から突出し、プレート部材２２の内面に当接する構造でもよい。

各支柱３２の先端面とプレート部材２３の内面との間には、例えばメッシュ部材３４が介在している。メッシュ部材３４は、例えば金属製の細線を綿状に編んだメッシュである。メッシュ部材３４は、凝縮した作動流体Ｆを毛細管現象で送液するためのウィックとなる部分である。メッシュ部材３４は、プレート部材２３の内面に沿ったシート形状でもよいし、各支柱３２間の隙間を埋めるように密閉空間２５に充填されてもよい。各支柱３２間の隙間がウィックとして機能する場合等には、メッシュ部材３４は省略してもよい。図４に示すように、熱輸送装置１０は、支柱３２を省略し、メッシュ部材３４を密閉空間２５を満たすように充填した構成としてもよい。

図２に示すように、各電子部品１８〜２０は、電子基板１６の同一の表面１６ａから突出するように設けられている。各電子部品１８〜２０は、その機能や種類によって厚みが異なるため、表面１６ａからの突出高さがそれぞれ異なる。本実施形態の場合は、ＳＳＤである電子部品２０の突出高さが最も高く、ＤＣＤＣコンバータである電子部品１９の突出高さが次に高く、ＣＰＵである電子部品１８の突出高さが最も低い構成となっている。

そこで、熱輸送装置１０は、外面１０ａを吸熱面として各電子部品１８〜２０の頂面１８ａ〜２０ａに対して熱伝達可能に対面配置される。この際、最も高い電子部品２０は、外面１０ａのうちで一段凹んだ薄肉部２８に対応配置される。これにより、熱輸送装置１０は、筐体１３内に収納可能な薄い板厚を確保した状態で、電子基板１６の表面１６ａからの突出高さの異なる複数の電子部品１８〜２０の放熱用として兼用可能となっている。換言すれば、熱輸送装置１０は、厚肉部３０での十分な流路高さＨ２（流路容積）による高い熱輸送効率を確保しつつ、薄肉部２８によって高さの高い電子部品２０に対応することもできる。

各頂面１８ａ〜２０ａと外面１０ａとの間には、それぞれ熱伝導部材３６〜３８を介在させている。熱伝導部材３６〜３８は、例えば高い熱伝導率を持ったゴム材料（サーマルラバー）である。これにより、各頂面１８ａ〜２０ａと外面１０ａとの間の密着性が高まり、熱伝達性能が向上する。各頂面１８ａ〜２０ａと外面１０ａとは熱伝導部材３６〜３８を介さずに直接的に当接させてもよい。なお、熱輸送装置１０は、薄肉部２８に最も高さ寸法の高い電子部品２０が配置されるため、図２に示すように外面１０ａと各頂面１８ａ〜２０ａとの間の隙間を略一定に構成できる。このため、熱伝導部材３６〜３８の厚みは略一定となり、熱伝導部材３６〜３８が過度な厚みとなって熱効率が低下することが抑制される。換言すれば、熱輸送装置１０は、熱伝導部材３６〜３８の厚みを必要最小限に構成しつつ、高さ寸法の異なる各電子部品１８〜２０に対応できる。

従って、電子機器１２では、電子部品１８〜２０から発せられた熱は、熱伝導部材３６〜３８から熱輸送装置１０へと伝わって拡散される。これにより、電子部品１８〜２０の熱は、熱輸送装置１０から筐体１３内へと放熱され、最終的には例えば筐体１３の外面から筐体１３外へと放熱される。なお、当該電子機器１２では、筐体１３内に冷却ファン４０を設置し（図１参照）、より効率的に熱輸送装置１０で輸送した熱を筐体１３外に排出可能となっている。

このような熱輸送装置１０の製造方法の一例としては、例えば、先ず支柱３２分の高さを含めた厚みを持ったプレート部材２２を形成する。次いで、このプレート部材２２に対してプレス加工等によって薄肉部２８の原型となる段差を形成する。続いて、段差を形成したプレート部材２２に対してエッチング加工や機械加工によって支柱３２を形成すると共に密閉空間２５を形成する。そうすると、プレート部材２２の薄肉部２８を形成する部分については、支柱３２や密閉空間２５の高さが他の部分よりも小さく形成される。次に、このようなプレート部材２２に対してメッシュ部材３４を介してプレート部材２３を接合し、最後に作動流体Ｆを封入すればよい。

図５は、第１変形例に係るプレート型熱輸送装置１０Ａを備えた電子機器１２の内部構造を模式的に示した縦断面図である。

図４に示すように、この熱輸送装置１０Ａは、図２に示した熱輸送装置１０と比べて、外面１０ａ側に薄肉部４２，４４を追加した構造である。なお、図５ではメッシュ部材３４の図示を省略しており、図６についても同様である。

薄肉部４２は電子部品１８と対応配置され、薄肉部４４は電子部品１９と対応配置される。薄肉部４２，４４は、薄肉部２８と同様な矩形状の凹部である。このようにプレート型熱輸送装置１０Ａは、電子部品１８〜２０と同数の薄肉部４２，４４，２８を有し、薄肉部４２，４４，２８がそれぞれ電子部品１８〜２０と対応する位置に設けられている。これにより、熱輸送装置１０Ａは、薄肉部２８，４２，４４を設けていない厚肉部３０の厚みを拡大できる。すなわち、熱輸送装置１０Ａでは、厚肉部３０の流路高さＨ３を熱輸送装置１０の厚肉部３０の流路高さＨ２よりも大きく形成できる。この際、厚肉部３０は、デッドスペースとなる各電子部品１８〜２０間に配置される。このため、熱輸送装置１０Ａは、熱輸送効率を一層向上させつつも、筐体１３内での実質的な設置スペースの厚み増加を回避できる。熱輸送装置１０Ａは、２番目に高さ寸法の大きな電子部品１９に対応する薄肉部４４のみを形成し、薄肉部４２は省略した構成でもよい。

図６は、第２変形例に係るプレート型熱輸送装置１０Ｂを備えた電子機器１２の内部構造を模式的に示した縦断面図である。

図６に示すように、この熱輸送装置１０Ｂは、図２に示した熱輸送装置１０と比べて、薄肉部２８を熱輸送装置１０Ｂの一側部まで延出した薄肉延出部４６を備える。

薄肉延出部４６は、薄肉部２８と同様にプレート部材２３を密閉空間２５内へと凹ませた構造であるが、熱輸送装置１０Ｂの一端部を含んで形成されている点が薄肉部２８と異なる。薄肉延出部４６は、電子基板１６とは別体で筐体１３内に設置される部品、ここではバッテリ装置２１と重なる位置まで延在している。つまり、薄肉延出部４６は、筐体１３内でデッドスペースとなるバッテリ装置２１と筐体１３との間の隙間に配設されている。これにより、熱輸送装置１０Ｂは、作動流体Ｆが封入された密閉空間２５の容積を可及的に拡大して熱輸送効率を向上させつつも、筐体１３内での実質的な設置スペースの増加を回避できる。つまり、熱輸送装置１０Ｂは、バッテリ装置２１上のデッドスペースを放熱空間として有効に利用できる。薄肉延出部４６は、バッテリ装置２１以外の部品、例えばプレート型熱輸送装置１０Ｂによる熱輸送対象となる電子部品１８等を実装した電子基板１６以外の基板やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）装置等に重なる位置に設けられてもよい。薄肉延出部４６は、図５に示す熱輸送装置１０Ａに設けてもよい。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

上記では、薄肉部２８，４２，４４として、矩形状の凹部である構造を例示したが、薄肉部２８，４２，４４は矩形以外の形状であってもよい。また、プレート部材２２側に薄肉部を設けてもよい。また、１つの薄肉部２８，４２，４４に２つ以上の電子部品を熱伝達可能に当接配置してもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ プレート型熱輸送装置
１０ａ 外面
１２ 電子機器
１３ 筐体
１６ 電子基板
１６ａ 表面
１８〜２０ 電子部品
１８ａ〜２０ａ 頂面
２１ バッテリ装置
２２，２３ プレート部材
２５ 密閉空間
２８，４２，４４ 薄肉部
３０ 厚肉部
３２ 支柱
３４ メッシュ部材
３６〜３８ 熱伝導部材
４６ 薄肉延出部
Ｆ 作動流体

Claims (8)

1. 一対のプレート部材の間に密閉空間を形成し、該密閉空間に作動流体を封入したプレート型熱輸送装置であって、
   板厚の薄い薄肉部を一部に設けたことを特徴とするプレート型熱輸送装置。
2. 請求項１に記載のプレート型熱輸送装置において、
   前記薄肉部は、前記一対のプレート部材の少なくとも一方が前記密閉空間内へと凹んだ構造であることを特徴とするプレート型熱輸送装置。
3. 請求項１又は２に記載のプレート型熱輸送装置において、
   前記密閉空間には、一方のプレート部材の内面から突出し、前記他方のプレート部材の内面に当接した支柱が複数設けられており、
   前記支柱は、前記薄肉部に対応する部分及び前記薄肉部以外に対応する部分にそれぞれ設けられていることを特徴とするプレート型熱輸送装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレート型熱輸送装置と、該プレート型熱輸送装置と熱伝達可能に設けられた発熱体とを備えることを特徴とする電子機器。
5. 請求項４に記載の電子機器において、
   前記発熱体は、同一の基板の同一の表面から突出するように設けられ、前記表面からの突出高さが異なる少なくとも２個の電子部品を含み、
   前記突出高さの大きな電子部品の頂面に対し、前記薄肉部が熱伝達可能に配置され、
   前記突出高さの小さな電子部品の頂面に対し、前記薄肉部以外の部分が熱伝達可能に配置されていることを特徴とする電子機器。
6. 請求項４に記載の電子機器において、
   前記発熱体は、同一の基板の同一の表面から突出するように設けられた複数の電子部品を含み、
   前記薄肉部は、前記電子部品と同数設けられると共に、それぞれ前記電子部品と対応する位置に設けられ、
   各薄肉部が、各電子部品の前記表面からの突出高さに応じた板厚を有し、それぞれ各電子部品と熱伝達可能に配置されていることを特徴とする電子機器。
7. 請求項４に記載の電子機器において、
   前記発熱体は、基板の表面から突出するように設けられ、
   当該電子機器は、前記基板とは別体に設けられた部品を備え、
   前記薄肉部の少なくとも一部が、前記部品と重なる位置に配置されていることを特徴とする電子機器。
8. 請求項７に記載の電子機器において、
   前記部品は、当該電子機器の電源となるバッテリ装置を含むことを特徴とする電子機器。
   

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