JP2022094020A - 電子機器及び冷却モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】筐体の薄型化に対応可能でありながらも十分な冷却性能を確保する。
【解決手段】電子機器は、筐体と、筐体内に設けられた発熱体と、筐体内に設けられ、前記発熱体を冷却する冷却モジュールとを備える。冷却モジュールは、冷却フィンと、冷却フィンに送風する送風ファンと、密閉空間に作動流体を封入した熱輸送装置とを有する。熱輸送装置は、発熱体を覆うように配置され、発熱体が発生する熱を吸熱する受熱部と、冷却フィンの一面を覆うように該一面に接続され、受熱部から輸送された熱を前記冷却フィンに放熱する放熱部と、記放熱部から連続し、受熱部から離間する方向へと延びた延長部とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却モジュールを備えた電子機器及び冷却モジュールに関する。

ノート型ＰＣのような電子機器には、ＣＰＵ等の発熱体を冷却するための冷却モジュールが搭載されている（例えば特許文献１参照）。

特許第６４６９１８３号公報

従来の冷却モジュールとしては、例えばＣＰＵ等が発生する熱を吸熱するベーパーチャンバのような熱輸送装置と、熱輸送装置が輸送した熱を筐体外に排出する冷却フィン及び送風ファンとを備えた構成がある。熱輸送装置は、通常、ＣＰＵから冷却フィンまで延びている。

ところで、上記のような電子機器は、筐体の薄型化が急速に進んでおり、大型の送風ファンや冷却フィンの設置スペースを確保することが難しくなってきている。その結果、この種の電子機器では、熱輸送装置によって輸送された熱が冷却フィンから適正に放熱されずに冷却フィン及びその周辺部の温度が上昇し、筐体の外面に局所的な高温部（ヒートスポット）を生じる懸念がある。

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、筐体の薄型化に対応可能でありながらも十分な冷却性能を確保することができる冷却モジュールを備えた電子機器及び冷却モジュールを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る電子機器は、筐体と、前記筐体内に設けられた発熱体と、前記筐体内に設けられ、前記発熱体を冷却する冷却モジュールと、を備え、前記冷却モジュールは、冷却フィンと、前記冷却フィンに送風する送風ファンと、密閉空間に作動流体を封入した熱輸送装置と、を有し、前記熱輸送装置は、前記発熱体を覆うように配置され、前記発熱体が発生する熱を吸熱する受熱部と、前記冷却フィンの一面を覆うように該一面に接続され、前記受熱部から輸送された熱を前記冷却フィンに放熱する放熱部と、前記放熱部から連続し、前記受熱部から離間する方向へと延びた延長部と、を有する。

本発明の第２態様に係る冷却モジュールは、電子機器に搭載される冷却モジュールであって、冷却フィンと、前記冷却フィンに送風する送風ファンと、密閉空間に作動流体を封入した熱輸送装置と、を有し、前記熱輸送装置は、前記電子機器の筐体内に設けられる発熱体が発生する熱を吸熱するための受熱部と、前記冷却フィンの一面を覆うように該一面に接続され、前記受熱部から輸送された熱を前記冷却フィンに放熱する放熱部と、前記放熱部から連続し、前記受熱部から離間する方向へと延びた延長部と、を有する。

本発明の一態様によれば、筐体の薄型化に対応可能でありながらも十分な冷却性能を確保することができる。

図１は、一実施形態に係る電子機器を上から見下ろした模式的な平面図である。 図２は、筐体の内部構造を模式的に示す底面図である。 図３は、冷却モジュールの分解斜視図である。 図４は、図３に示す冷却モジュールの斜視図である。 図５は、図４に示す冷却モジュールを下側から見た斜視図である。

以下、本発明に係る電子機器及び冷却モジュールについて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、一実施形態に係る電子機器１０を上から見下ろした模式的な平面図である。図１に示すように、電子機器１０は、ディスプレイ筐体１２と筐体１４とをヒンジ１６で相対的に回動可能に連結したクラムシェル型のノート型ＰＣである。本発明に係る電子機器は、ノート型ＰＣ以外、例えば平板型のタブレット型ＰＣ、携帯電話、スマートフォン、又は携帯用ゲーム機等でもよい。

ディスプレイ筐体１２は、薄い扁平な箱体である。ディスプレイ筐体１２には、ディスプレイ１８が搭載されている。ディスプレイ１８は、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ：Organic Light Emitting Diode）や液晶で構成される。

以下、筐体１４及びこれに搭載された各要素について、筐体１２，１４間を図１に示すように開き、キーボード２０を操作しながらディスプレイ１８を視認する姿勢を基準とし、手前側を前、奥側を後、幅方向を左右、高さ方向を上下、と呼んで説明する。

筐体１４は、薄い扁平な箱体である。筐体１４は、上面及び四周側面を形成する上カバー材１４ａと、下面を形成する下カバー材１４ｂとで構成されている。筐体１４の上面には、キーボード２０及びタッチパッド２１が設けられている。筐体１４の内部には、冷却モジュール２２が搭載されている。筐体１４は、その後端部１４ｃがヒンジ１６を用いてディスプレイ筐体１２と連結されている。

図２は、筐体１４の内部構造を模式的に示す底面図である。図２は、下カバー材１４ｂを取り外して上カバー材１４ａの内面側から筐体１４内を見た図である。

図２に示すように、筐体１４の内部には、マザーボード２４と、バッテリ装置２５と、冷却モジュール２２とが設けられている。筐体１４の内部には、さらに各種の電子部品や機械部品等が設けられる。

マザーボード２４は、電子機器１０のメインボードである。マザーボード２４は、筐体１４の後方寄りに配置され、左右方向に亘って延在している。マザーボード２４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０、通信モジュール３１、ＳＳＤ（Solid State Drive）３２等が実装されたプリント基板である。マザーボード２４は、キーボード２０の下に配置され、キーボード２０の底面或いは上カバー材１４ａの内面にねじ止めされている。マザーボード２４は、上面が上カバー材１４ａに対する取付面となり、下面がＣＰＵ３０や通信モジュール３１等の電子部品の実装面となる。

ＣＰＵ３０は、電子機器１０の主たる制御や処理に関する演算を行う。ＣＰＵ３０は、筐体１４内に搭載された電子部品中で最大級の発熱体である。通信モジュール３１は、ディスプレイ筐体１２や筐体１４に搭載されたアンテナを介して送受信される無線通信の情報処理を行うデバイスである。通信モジュール３１は、例えばワイヤレスＷＡＮや第５世代移動通信システムに対応している。ＳＳＤ３２は、ディスクドライブの代わりに半導体メモリを用いた記憶装置である。これら通信モジュール３１及びＳＳＤ３２は、ＣＰＵ３０に次ぐ発熱体である。さらにマザーボード２４には、バッテリ装置２５から供給される直流電力の電圧をＣＰＵ３０等の各電子部品に要求される電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ等の発熱体が実装されている。

バッテリ装置２５は、電子機器１０の電源となる充電池である。バッテリ装置２５は、マザーボード２４の前方に配置され、筐体１４の前方略半分の面積を占めている。

本実施形態のマザーボード２４は、バッテリ装置２５と後端部１４ｃとの間に形成された前後方向に幅狭な領域に設置されている。このため、ＣＰＵ３０と、通信モジュール３１及びＳＳＤ３２とが、後述する送風ファン３８，３９を間に挟んで左右に離間している。マザーボード２４は、送風ファン３８，３９を挟んで左右に分断された構成でもよい。この場合、例えばＣＰＵ３０が実装された部分がメインボードとなり、通信モジュール３１等が実装された部分がサブボードとなる。これらマザーボード２４の形状やＣＰＵ３０等の配置は適宜変更可能である。

次に、冷却モジュール２２の構成を説明する。

冷却モジュール２２は、ＣＰＵ３０が発生する熱を吸熱及び拡散し、さらに筐体１４外へと排出する冷却装置である。本実施形態の冷却モジュール２２は、さらに通信モジュール３１やＳＳＤ３２が発生する熱を吸熱及び拡散し、筐体１４外へと排出することもできる。冷却モジュール２２の冷却対象となる電子部品は、ＣＰＵ３０、通信モジュール３１、ＳＳＤ３２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１０の動作中に発熱する各種発熱体を例示できる。冷却モジュール２２は、マザーボード２４の下面（ＣＰＵ３０等の実装面）に積層される。

図３は、冷却モジュール２２の分解斜視図である。図４は、図３に示す冷却モジュール２２の斜視図であり、冷却モジュール２２を上側から見た図である。図５は、図４に示す冷却モジュール２２を下側から見た斜視図である。図３～図５に示すように、冷却モジュール２２は、ベーパーチャンバ３４と、冷却フィン３６，３７と、送風ファン３８，３９と、熱伝導プレート４０と、を備える。

図３～図５に示すように、ベーパーチャンバ３４は、ヒートパイプの一種類であるプレート型の熱輸送装置である。ベーパーチャンバ３４は、２枚の薄い金属プレート３４ａ，３４ｂ間に密閉空間３４ｃを形成し、この密閉空間３４ｃに作動流体を封入したものである。金属プレート３４ａ，３４ｂは、アルミニウム、銅、又は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。密閉空間３４ｃは、封入された作動流体が相変化を生じながら流通する流路となる。作動流体としては、例えば水、代替フロン、アセトン又はブタン等を例示できる。密閉空間３４ｃ内には、凝縮した作動流体を毛細管現象で送液するウィックが配設される。ウイックは、例えば金属製の細線を綿状に編んだメッシュや微細流路等で形成される。ベーパーチャンバ３４は、パイプ型の熱輸送装置（ヒートパイプ）でもよい。

図２に示すように、ベーパーチャンバ３４は、マザーボード２４の下面側を覆うように左右方向に亘って延在する。図３～図５に示すように、ベーパーチャンバ３４は、受熱部４２と、放熱部４３と、延長部４４と、を有する。

受熱部４２は、ベーパーチャンバ３４の左端部に位置している。受熱部４２は、ＣＰＵ３０が発生する熱を吸熱する部分であり、ＣＰＵ３０を覆うように配置される。受熱部４２は、前後に並んだ孔部３４ｄ，３４ｅ間に挟まれた領域である。孔部３４ｄは、ベーパーチャンバ３４の後縁部を略ブーメラン状に凹ませた切欠形状部である。孔部３４ｅは、ベーパーチャンバ３４を板厚方向に貫通するブーメラン状の孔部である。孔部３４ｄは、延長部４４に形成された切欠形状部３４ｆと孔部３４ｅの両機能を兼用している。切欠形状部３４ｆは、ヒンジ１６等の他の部品との干渉を避ける逃げ部である。勿論、他の部品との干渉を考慮する必要がない構造の場合、切欠形状部３４ｆは省略されてもよく、この場合、孔部３４ｄも孔部３４ｅと同様な孔部で構成してもよい。

孔部３４ｄ，３４ｅには、それぞれ板ばね４６が挿入される。各板ばね４６は、上方に向かって付勢力を付与可能な形状である。各板ばね４６は、両端部の下面が孔部３４ｄ，３４ｅを通して下カバー材１４ｂの内面等に当接し、中央部の上面が受熱板３０ａの下面に当接する。受熱板３０ａは、アルミニウムや銅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。受熱板３０ａは、上面がＣＰＵ３０の頂面に当接し、下面が受熱部４２に接合される。図５では、受熱板３０ａの図示を省略している。

このような受熱部４２は、板ばね４６の付勢力により受熱板３０ａを介してＣＰＵ３０に強く押し付けられる。これにより受熱部４２は、ＣＰＵ３０と熱的に接続される。

放熱部４３は、ベーパーチャンバ３４の後縁部に沿って配置され、左右方向で略中央に位置している。放熱部４３は、冷却フィン３６，３７の下面を覆うように配置され、この下面に接合される。これにより放熱部４３は、受熱部４２と放熱部４３との間の経路を通して輸送されたＣＰＵ３０からの熱を効率よく冷却フィン３６，３７へと伝達することができる。本実施形態のベーパーチャンバ３４は、放熱部４３の前側にも広がり、送風ファン３８，３９の下面を覆っているが、この部分は省略されてもよい。つまり放熱部４３は、延長部４４と同様に前後方向に幅狭な形状で構成されてもよい。

延長部４４は、ベーパーチャンバ３４の右端部に位置している。延長部４４は、放熱部４３から連続し、受熱部４２から離間する方向（右方）へと半島状に突出している。延長部４４は、ＣＰＵ３０から離間した位置にあり、その周辺はある程度低温な領域である。延長部４４には、放熱部４３で冷却フィン３６，３７へと放熱できなかった熱が輸送される。つまり延長部４４は、冷却フィン３６，３７及び送風ファン３８，３９の冷却能力を超えた熱を受ける部分である。延長部４４の前部上面には、熱伝導プレート４０が接続される。切欠形状部３４ｆは、延長部４４の後縁部に形成されている。切欠形状部３４ｆを省略した構成の場合等では、熱伝導プレート４０は延長部４４の上面全域を覆うように配置してもよい。

延長部４４は、半島状の幅狭な形状ではなく、例えば送風ファン３８，３９が配置された隣接部分と同様に幅広な前後方向幅を有する形状でもよい。但し、延長部４４は、冷却フィン３６，３７が接合される放熱部４３と隣接している必要がある。延長部４４は、冷却フィン３６，３７で放熱ができなかった熱を受けるための部分であるからである。

従って、ベーパーチャンバ３４は、作動流体がＣＰＵ３０からの熱を受熱部４２で受けて蒸発して拡散移動し、放熱部４３で冷却フィン３６，３７に放熱して凝縮した後、再び受熱部４２まで戻る相変化を繰り返しながら高効率な熱輸送を行う。この際、放熱部４３で凝縮できなかった余剰の熱を含む蒸気は、延長部４４に輸送されて放熱し、凝縮する。さらに延長部４４に輸送された熱は、熱伝導プレート４０へと伝達される。

図２に示すように、冷却フィン３６，３７は、筐体１４の後端部１４ｃに形成された排気口に面して配置される。冷却フィン３６，３７は、アルミニウム、銅、又はステンレスのような熱伝導率が高い金属のブロックに筐体１４の内外方向（前後方向）に貫通する複数のスリットを形成したものである。冷却フィン３６，３７は、ベーパーチャンバ３４の放熱部４３の上面に接合されている。

送風ファン３８，３９は、ベーパーチャンバ３４の上面に取り付けられている。左側の送風ファン３８は、排気口が左側の冷却フィン３６に面して配置され、筐体１４内から吸い込んだ空気を冷却フィン３６のスリットを通して筐体１４外へと排気する。右側の送風ファン３９は、排気口が右側の冷却フィン３７に面して配置され、筐体１４内から吸い込んだ空気を冷却フィン３７のスリットを通して筐体１４外へと排気する。送風ファン及び冷却フィンは、１組だけが設置されてもよい。本実施形態の場合は、筐体１４の上下方向の板厚が極めて薄いため、薄型の送風ファン３８，３９を２台並設することで必要な冷却能力を確保している。

図３～図５に示すように、熱伝導プレート４０は、延長部４４の上面に両面テープや接着剤等で固定され、延長部４４から前方に張り出すように配置されたプレート状部材である。熱伝導プレート４０は、例えばグラファイトプレートである。熱伝導プレート４０は、例えばグラフェンを含むプレート（グラフェンプレート）でもよいし、アルミニウムや銅のような金属プレートでもよい。

熱伝導プレート４０は、ベーパーチャンバ３４の放熱部４３で冷却フィン３６，３７に放熱されなかった余剰の熱を延長部４４から受け取って拡散し、蓄熱する。また、熱伝導プレート４０は、ＣＰＵ３０等の発熱量が低下した際には、蓄えていた熱を延長部４４及び放熱部４３を介して、冷却フィン３６，３７へと放熱する。つまり熱伝導プレート４０は、熱拡散部材（ヒートスプレッダ）としての機能と、蓄熱部材（サーマルストレージ）の機能とを有する。そこで、熱伝導プレート４０は、大きな熱容量を確保できるように、ある程度の板厚を有することが望ましい。本実施形態の熱伝導プレート４０は、３～５ｍｍの板厚のグラファイトプレートであり、ベーパーチャンバ３４と同等の板厚である。熱伝導プレート４０は、省略されてもよい。

図２に示すように、熱伝導プレート４０は、発熱体である通信モジュール３１やＳＳＤ３２を覆うように配置されてもよい。そうすると、熱伝導プレート４０は、通信モジュール３１等からの熱を冷却フィン３６，３７へと放熱することもできる。熱伝導プレート４０は、通信モジュール３１等の発熱体を覆わない位置に設けられてもよい。

以上のように、本実施形態に係る電子機器１０は、冷却フィン３６，３７と、冷却フィン３６，３７に送風する送風ファン３８，３９と、密閉空間３４ｃに作動流体を封入した熱輸送装置であるベーパーチャンバ３４とを有する冷却モジュール２２を備える。ベーパーチャンバ３４は、発熱体であるＣＰＵ３０を覆う受熱部４２と、冷却フィン３６，３７の一面を覆うようにこの一面に接続され、受熱部４２から輸送された熱を冷却フィン３６，３７に放熱する放熱部４３と、放熱部４３から連続して延びた延長部４４と、を有する。

すなわち、当該電子機器１０は、筐体１４の薄型化の影響により、冷却フィン３６，３７及び冷却フィン３６，３７の大型化が困難である。このため、冷却モジュール２２は、ＣＰＵ３０の発熱量が大きいときは、冷却フィン３６，３７からの排熱が間に合わない場合がある。そうすると、この部分が局所的に高温になり、筐体１４の外面にヒートスポットが形成される懸念がある。

そこで、当該冷却モジュール２２のベーパーチャンバ３４は、冷却フィン３６，３７に接続された放熱部４３から連続し、ＣＰＵ３０から離間する方向に延びた延長部４４を備える。この際、延長部４４は、最も高温なＣＰＵ３０に積層される受熱部４２から離間する方向に延びているため、その周囲は比較的低温である。これにより、冷却フィン３６，３７の放熱量を超えた熱は、延長部４４に送られてここで拡散し、放熱する。その結果、当該電子機器１０は、筐体１４の薄型化を図りながらも十分な冷却性能を確保することができる。

特に、冷却フィン３６，３７や送風ファン３８，３９は、冷却モジュール２２の各部品中で最も厚みの大きな部品である。このため、冷却フィン３６，３７と下カバー材１４ｂの内面との間の隙間は極めて微小であり、筐体１４の下面にヒートスポットを生じ易い。そこで、当該冷却モジュール２２は、この部分に配置された放熱部４３に隣接する位置に延長部４４を設けることで、ヒートスポットの発生を効果的に抑制できる。

図２に示すように、延長部４４は、ディスプレイ筐体１２に対する筐体１４の連結端部である後端部１４ｃに沿って配置されている。すなわち、筐体１４の左右側面は、各種コネクタ等が設置されるため、冷却フィン３６，３７や延長部４４を配置し、さらに排気口を設けるスペースの確保が難しい。そこで、当該電子機器１０は、冷却フィン３６，３７を後端部１４ｃに面して設置し、その側方に延長部４４を設けることで、ある程度の長さが必要な延長部４４の設置スペースを確保している。

しかも本実施形態の冷却モジュール２２は、延長部４４に熱伝導プレート４０が接続されている。このため、延長部４４に送られた熱は、熱伝導プレート４０で放熱されると同時に、蓄熱される。その結果、ＣＰＵ３０の負担が減って発熱量が低下した場合には、熱伝導プレート４０に貯められた熱が延長部４４を通して冷却フィン３６，３７へと排出される。図５中に１点鎖線で示す矢印は、熱の移動を模式的に示したものである。

熱伝導プレート４０は、冷却フィン３６，３７や送風ファン３８，３９と共に、ベーパーチャンバ３４の同一面（本実施形態では上面）に接続され、積層されている。上記した通り、冷却フィン３６，３７や送風ファン３８，３９は、冷却モジュール２２の各部品中で最も厚みの大きな部品である。そこで、熱伝導プレート４０は、ベーパーチャンバ３４に対して冷却フィン３６等と同一面に配置されることで、冷却モジュール２２の厚みに対する影響を実質的になくしている。また熱伝導プレート４０が、ベーパーチャンバ３４の裏面（下面）に突出することもない。本実施形態の冷却モジュール２２では、ベーパーチャンバ３４の板厚は０．５ｍｍ程度であり、冷却フィン３６，３７及び送風ファン３８，３９の板厚は２．７ｍｍ程度であり、熱伝導プレート４０の板厚は０．３～０．５ｍｍ程度である。

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。

１０ 電子機器
１２ ディスプレイ筐体
１４ 筐体
１８ ディスプレイ
２２ 冷却モジュール
２４ マザーボード
３０ ＣＰＵ
３４ ベーパーチャンバ
３６，３７ 冷却フィン
３８，３９ 送風ファン
４０ 熱伝導プレート
４２ 受熱部
４３ 放熱部
４４ 延長部

Claims (7)

1. 電子機器であって、
   筐体と、
   前記筐体内に設けられた発熱体と、
   前記筐体内に設けられ、前記発熱体を冷却する冷却モジュールと、
   を備え、
   前記冷却モジュールは、
   冷却フィンと、
   前記冷却フィンに送風する送風ファンと、
   密閉空間に作動流体を封入した熱輸送装置と、
   を有し、
   前記熱輸送装置は、
   前記発熱体を覆うように配置され、前記発熱体が発生する熱を吸熱する受熱部と、
   前記冷却フィンの一面を覆うように該一面に接続され、前記受熱部から輸送された熱を前記冷却フィンに放熱する放熱部と、
   前記放熱部から連続し、前記受熱部から離間する方向へと延びた延長部と、
   を有することを特徴とする電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器であって、
   前記冷却モジュールは、さらに、前記延長部から張り出すように前記延長部に接続され、前記冷却フィンから前記延長部へと輸送された熱を蓄熱可能な熱伝導性のプレート状部材を有する
   ことを特徴とする電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器であって、
   前記冷却フィン及び前記プレート状部材は、互いに並んだ状態で前記熱輸送装置の同一面に接続されている
   ことを特徴とする電子機器。
4. 請求項３に記載の電子機器であって、
   前記送風ファンは、前記熱輸送装置の前記同一面に配置されている
   ことを特徴とする電子機器。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の電子機器であって、
   さらに、前記筐体の後端部にヒンジを用いて相対的に回動可能に接続された第２の筐体を備え、
   前記冷却フィンは、前記後端部に面して配置され、
   前記延長部は、前記後端部に沿って延在している
   ことを特徴とする電子機器。
6. 電子機器に搭載される冷却モジュールであって、
   冷却フィンと、
   前記冷却フィンに送風する送風ファンと、
   密閉空間に作動流体を封入した熱輸送装置と、
   を有し、
   前記熱輸送装置は、
   前記電子機器の筐体内に設けられる発熱体が発生する熱を吸熱するための受熱部と、
   前記冷却フィンの一面を覆うように該一面に接続され、前記受熱部から輸送された熱を前記冷却フィンに放熱する放熱部と、
   前記放熱部から連続し、前記受熱部から離間する方向へと延びた延長部と、
   を有することを特徴とする冷却モジュール。
7. 請求項６に記載の冷却モジュールであって、
   さらに、前記延長部から張り出すように前記延長部に接続され、前記冷却フィンから前記延長部へと輸送された熱を蓄熱可能な熱伝導性のプレート状部材を有する
   ことを特徴とする冷却モジュール。
   

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