JP2023008498A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を高めることができる冷却モジュール及び該冷却モジュールを備えた電子機器を提供する。
【解決手段】冷却モジュールは、排気口を有する送風ファンと、ベースプレートと、該ベースプレートの第１面で起立し、互いに隙間を設けて並んだ複数のフィンとを有し、各フィンの相互間の隙間に前記送風ファンからの空気が流される空気流路を形成したヒートシンクと、ベースプレートの第２面に接続された熱輸送デバイスと、を備える。空気の流通方向に沿う方向での空気流路の流路長は、フィンの起立方向でベースプレートの第１面から先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却モジュール及び該冷却モジュールを備えた電子機器に関する。

ノート型ＰＣのような電子機器は、ＣＰＵ等の発熱体を冷却するための冷却モジュールを搭載している（例えば特許文献１参照）。この種の冷却モジュールとしては、ヒートパイプ等の熱輸送デバイスと、熱輸送デバイスで輸送されたＣＰＵ等の熱を筐体外に排出するヒートシンク及び送風ファンと、を備えた構成がある。

特開２０２１－０１２５９０号公報

一般的なヒートシンクは、平行に並んだ複数枚のプレート状のフィンを備え、各フィン相互間の隙間に送風ファンからの空気が流されることで、熱輸送デバイスから受けた熱を放熱する。従って、ヒートシンクの通風抵抗は大きく、送風ファンによる空気流量を低下させる。その結果、冷却モジュールは、送風ファンが本来の風量を発揮できず、モジュール全体での冷却効率を低下させる要因となっていた。他方、単にヒートシンクの空気流路の流路長を短縮し、或いはフィン間の隙間を拡大しただけでは、冷却領域が減少して冷却能力が低下し、熱輸送デバイスの接続面積の確保も難しくなる。

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、冷却効率を高めることができる冷却モジュール及び該冷却モジュールを備えた電子機器を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る冷却モジュールは、排気口を有する送風ファンと、ベースプレートと、該ベースプレートの第１面で起立し、互いに隙間を設けて並んだ複数のフィンと、を有し、各フィンの相互間の隙間に前記送風ファンからの空気が流される空気流路を形成したヒートシンクと、前記ベースプレートの第２面に接続された熱輸送デバイスと、を備え、前記空気の流通方向に沿う方向での前記空気流路の流路長は、前記フィンの起立方向で前記第１面から先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている。

本発明の第２態様に係る電子機器は、発熱体を搭載した筐体と、前記筐体内に搭載され、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、排気口を有する送風ファンと、ベースプレートと、該ベースプレートの第１面で起立し、互いに隙間を設けて並んだ複数のフィンと、を有し、各フィンの相互間の隙間に前記送風ファンからの空気が流される空気流路を形成したヒートシンクと、前記ベースプレートの第２面に接続された熱輸送デバイスと、を有し、前記空気の流通方向に沿う方向での前記空気流路の流路長は、前記フィンの起立方向で前記第１面から先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている。

本発明の一態様によれば、冷却効率を高めることができる。

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、筐体の内部構造を模式的に示す側面断面図である。 図４は、ヒートシンクの構成を模式的に示す斜視図である。 図５は、変形例に係る上流側端面を有するヒートシンクの模式的な側面断面図である。

以下、本発明に係る冷却モジュール及びこれを搭載した電子機器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、クラムシェル型のノート型ＰＣであり、ディスプレイ筐体１２と筐体１４とがヒンジ１５で相対的に回動可能に連結されている。本発明に係る電子機器は、ノート型ＰＣ以外、例えばデスクトップ型ＰＣ、タブレット型ＰＣ、携帯電話、スマートフォン、又は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１６が搭載されている。ディスプレイ１６は、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）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に示すように開いた状態としてディスプレイ１６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（筐体１４の厚み方向）を上下、と呼んで説明する。

筐体１４は、扁平な箱体である。ヒンジ１５は、筐体１４の後端部に連結されている。筐体１４は、上面及び四周側面を形成する上カバー部材１７と、下面を形成する下カバー部材１８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、本実施形態に係る冷却モジュール２２が搭載されている。

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、下カバー部材１８を取り外して上カバー部材１７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２６と、冷却モジュール２２とが収容されている。筐体１４の内部には、さらに無線通信用のアンテナ等、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、ＡＰＵ（Accelerated Processing Unit）２４ａの他、通信モジュール、メモリ等の各種電子部品が実装されたプリント基板である。マザーボード２４は、上面が上カバー部材１７に対する取付面となり、下面がＡＰＵ２４ａ等の実装面となる。マザーボード２４は、ＡＰＵ２４ａに代えて、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）を実装してもよい。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の裏面や上カバー部材１７の内面にねじ止めされている。マザーボード２４は、上面が上カバー部材１７に対する取付面となり、下面がＡＰＵ２４ａ等の実装面となる。

バッテリ装置２６は、電子機器１０の電源となる充電池である。バッテリ装置２６は、マザーボード２４の前方に配置され、筐体１４の前端部に沿って左右に延在している。

キーボード２０は、上カバー部材１７と一体又は別体で形成されたフレーム２７により各キー２０ａの周囲が仕切られたアイソレーション型キーボードである。

次に、冷却モジュール２２及びその周辺部の構成を説明する。

図３は、筐体１４の内部構造を模式的に示す側面断面図であり、ヒートシンク３０及びその周辺部を拡大したものである。冷却モジュール２２は、ＡＰＵ２４ａが発生する熱を吸熱して輸送し、筐体１４外へと排出する冷却装置である。冷却モジュール２２の冷却対象となる電子部品は、ＡＰＵ２４ａ以外、例えばＣＰＵやＧＰＵ等でもよい。冷却モジュール２２は、マザーボード２４の下面に積層されている。

図２及び図３に示すように、冷却モジュール２２は、熱輸送デバイス２８と、押付部品２９と、ヒートシンク３０と、送風ファン３１とを備える。

熱輸送デバイス２８は、ＡＰＵ２４ａとヒートシンク３０との間を熱的に接続している。熱輸送デバイス２８は、例えばヒートパイプであり、扁平な金属パイプに形成した密閉空間に作動流体を封入したものである。図２に示す熱輸送デバイス２８は、２本のヒートパイプを左右に並べた構成を例示している。熱輸送デバイス２８は、密閉空間内で作動流体が相変化を生じながら流通し、ＡＰＵ２４ａの熱をヒートシンク３０まで高効率に輸送する。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。密閉空間内には、例えば金属製の細線を綿状に編んだメッシュや多孔質層等で形成されたウィックが設けられている。熱輸送デバイス２８は、一方の端部が押付部品２９を介してＡＰＵ２４ａに押し付けられ、他方の端部がヒートシンク３０と接合されている。熱輸送デバイス２８は、ヒートパイプをプレート型に構成したベーパーチャンバ、又は熱伝導率が高い銅やアルミニウム等のプレート等で構成されてもよい。

押付部品２９は、熱輸送デバイス２８の表面に積層された銅板等の受熱板２９ａをＡＰＵ２４ａに押し付ける部品である。押付部品２９は、例えばマザーボード２４に板ばね２９ｂを用いてねじ止めされることで受熱板をＡＰＵ２４ａの頂面に対して付勢する。

送風ファン３１は、ファン筐体３２と、回転軸３３と、インペラ３４とを有する。送風ファン３１は、回転軸３３と一体化されたモータによってインペラ３４を回転させる遠心ファンである。ファン筐体３２は、例えば上面及び側面を形成する上カバープレート３２Ａと、上カバープレート３２Ａの下面開口を閉塞する下カバープレート３２Ｂとを有する。ファン筐体３２は、下カバープレート３２Ｂに第１吸気口３２ａが形成され、上カバープレート３２Ａの上面に第２吸気口３２ｂが形成されている。上カバープレート３２Ａは、ヒートシンク３０側の側面が開口しており、この開口が送風ファン３１の排気口３２ｃとなる。

図３に示すように、下カバー部材１８は、筐体１４の底面１４ａを形成している。下カバー部材１８は、複数のスリット状の孔部を並べた筐体吸気口１４ｂを有する。筐体吸気口１４ｂは、筐体１４の厚み方向（上下方向）で第１吸気口３２ａとオーバーラップしている。送風ファン３１は、インペラ３４の回転により、筐体吸気口１４ｂ及び第１吸気口３２ａを通して筐体１４外及び筐体１４内下部の空気Ａａを吸い込む（図２中に１点鎖線で示す矢印Ａａ参照）。同時に送風ファン３１は、第２吸気口３２ｂを通して筐体１４内上部の空気Ａｂを吸い込む（図２中に１点鎖線で示す矢印Ａｂ参照）。ファン筐体３２内に吸い込まれた空気Ａａ，Ａｂは、排気口３２ｃからヒートシンク３０に向けて排出される。

なお、本実施形態の送風ファン３１は、筐体吸気口１４ｂを介して筐体１４外の空気Ａａを取り込める第１吸気口３２ａの吸気量が、キーボード２０の下面との僅かな隙間から筐体１４内の空気Ａｂを取り込む第２吸気口３２ｂよりも大きく支配的である。但し、例えばキーボード２０にも吸気口が形成された構成等では、第２吸気口３２ｂの吸気量が第１吸気口３２ａの吸気量よりも大きくなる場合もある。

図４は、ヒートシンク３０の構成を模式的に示す斜視図である。

図２～図４に示すように、ヒートシンク３０は、ベースプレート３５と、複数のフィン３６と、複数の空気流路３７とを備える。

ベースプレート３５は、例えばアルミニウム、銅、又はステンレスのような熱伝導率が高い金属のプレートである。ベースプレート３５は、各フィン３６の取付台であると共に、送風ファン３１との連結部でもある。本実施形態の場合、ベースプレート３５は、送風ファン３１のファン筐体３２の下カバープレート３２Ｂと兼用されている。ベースプレート３５は、下カバープレート３２Ｂと別体に構成されてもよい。

各フィン３６は、ベースプレート３５の上面（第１面３５ａ）から上方に向かって起立すると共に、互いに隙間Ｇを設けて前後方向に並んでいる。これにより各フィン３６の相互間の隙間Ｇがそれぞれ空気流路３７となる。空気流路３７は、排気口３２ｃからの空気が流通する流路であり、各フィン３６の長手方向（図２及び図３中の左右方向）に沿って延在している。なお、熱輸送デバイス２８は、ベースプレート３５の下面（第２面３５ｂ）に対して溶接等で接合されている。

各フィン３６の下端面は、ベースプレート３５の第１面３５ａに溶接等で接合されている。ベースプレート３５は空気流路３７の下面開口を閉塞している。各フィン３６の上端面には、カバーシート３８が貼り付けられている（図３中に破線で示すカバーシート３８参照）。カバーシート３８は、例えば粘着テープであり、各空気流路３７の上面開口を閉塞している。ヒートシンク３０は、カバーシート３８に代えて、ベースプレート３５と同様な金属プレートを上面に設けてもよい。

各フィン３６は、空気流路３７の上流側（図３中で右側）に位置する上流側端面３６ａと、下流側（図３中で左側）に位置する下流側端面３６ｂとを有する。上流側端面３６ａは、送風ファン３１の排気口３２ｃに面して配置される。下流側端面３６ｂは、筐体１４の側面（外壁１４ｃ）に形成された筐体排気口１４ｄに面して配置される。各フィン３６は、上流側端面３６ａ，３６ａ間の隙間Ｇが空気流路３７の入口となり、下流側端面３６ｂ，３６ｂ間の隙間Ｇが空気流路３７の出口となる。

図３及び図４に示すように、空気流路３７の流路長Ｌは、フィン３６の起立方向（上下方向）で第１面３５ａから先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている。つまり各フィン３６は、空気の流通方向に沿う長さＬが起立方向で先端に向かって次第に短くなっている。

本実施形態に係るヒートシンク３０は、このような空気流路３７の流路長Ｌの変化を各フィン３６の上流側端面３６ａの形状変化によって実現している。すなわち各フィン３６の上流側端面３６ａは、起立方向の先端に向かって次第に空気流路３７の上流側から下流側へと傾斜した傾斜面３６ｃを有する。図３及び図４に示す構成例では、上流側端面３６ａの全体が傾斜面３６ｃで形成されている。このため、この構成例では、空気流路３７の上下方向全体で流路長Ｌが漸次変化している。

送風ファン３１の排気口３２ｃも傾斜面３６ｃに沿って傾斜している。これにより排気口３２ｃと空気流路３７の入口との間に大きな隙間が形成されることを防ぎ、ここからの空気漏れを抑制している。なお、ベースプレート３５及びカバーシート３８も同様な空気漏れ効果を発揮する。

図５に示すように、傾斜面３６ｃは、上流側端面３６ａの一部のみに形成されてもよい。この場合、傾斜面３６ｃは、少なくとも各フィン３６の起立高さの中央を含む位置から、各フィン３６の上端面又はその近傍まで連続していることが好ましい。後述する通風抵抗の低下効果を十分に発揮できるようにするためである。この際、送風ファン３１の排気口３２ｃも上流側端面３６ａ及び傾斜面３６ｃの形状に応じた形状とすればよい。

図２～図４に示すように、各フィン３６の下流側端面３６ｂは、ベースプレート３５の第１面３５ａと直交している。つまり下流側端面３６ｂは、フィン３６の起立方向に沿って直立している。従って、冷却モジュール２２は、下流側端面３６ｂ，３６ｂ（空気流路３７の出口）を、立壁である外壁１４ｃに形成された筐体排気口１４ｄに面して配置できる。つまり電子機器１０は、空気流路３７の出口が実質的に筐体排気口１４ｄに直結され、ヒートシンク３０を通過した空気が効率的に筐体１４外に排出される。

以上のように、本実施形態に係る冷却モジュール２２は、送風ファン３１と、送風ファン３１の排気口３２ｃに面して配置されたヒートシンク３０と、ヒートシンク３０と接続された熱輸送デバイス２８とを備える。ヒートシンク３０は、ベースプレート３５の第１面３５ａで起立し、相互間の隙間Ｇに送風ファン３１からの空気が流される空気流路３７を形成した複数のフィン３６を有する。熱輸送デバイス２８は、ベースプレート３５の第２面３５ｂに接続されている。そして空気流路３７は、その流路長Ｌがフィン３６の起立方向で第１面３５ａから先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている。

このようにヒートシンク３０は、熱輸送デバイス２８が接続されるベースプレート３５から各フィン３６の起立方向に向かって次第に空気流路３７の流路長Ｌが短くなる構造を有する。ここで、例えば図３に示すように、空気流路３７を通過する空気を上下方向で３等分し、それぞれを空気Ａ１～Ａ３（図３中に１点鎖線で示す矢印Ａ１～Ａ３参照）と呼ぶものとする。そうすると、空気流路３７の上部領域を流れる空気Ａ１の通風抵抗が最も小さく、中部領域を流れる空気Ａ２の空気Ａ２の通風抵抗が２番目に小さく、下部領域を流れる空気Ａ３の通風抵抗が最も大きくなる。このため、冷却モジュール２２は、ヒートシンク３０の空気流路３７全体での通風抵抗を抑制して空気流量を増大させることができ、その冷却効率が向上する。

同時に、冷却モジュール２２は、ヒートシンク３０に対する熱輸送デバイス２８の接続面積も大きく確保でき、熱輸送デバイス２８とヒートシンク３０との間での熱伝達効率を高めることができる。ヒートシンク３０は、空気流路３７の流路長Ｌをベースプレート３５から離間するのに伴って短くする構成としている。このため、熱輸送デバイス２８が接続されるベースプレート３５は大きな表面積を容易に確保できるからである。

特に本実施形態では、ヒートシンク３０の一側面に傾斜面３６ｃを設けることで空気流路３７の流路長Ｌを変化させている。このため、当該ヒートシンク３０は、傾斜面３６ｃを形成したフィン３６をベースプレート３５上に並べるか、又はベースプレート３５上にフィン３６を接合した後に角部を面取り状にカットして傾斜面３６ｃを形成するだけで容易に製造でき、流路長Ｌのコントロールも容易である。

次に、本実施形態に係るヒートシンク３０と、単にプレート状のフィンを並列した一般的なヒートシンク（以下、「比較例」と呼ぶ）とを用いた場合の冷却性能についての実験結果を説明する。実験は、ヒートシンク３０を搭載した冷却モジュール２２と、冷却モジュール２２のヒートシンク３０を比較例のものに変更した冷却モジュールとをそれぞれノート型ＰＣに搭載して行った。そして、双方の発生ノイズを一定（３２ｄＢ）とした状態で、送風ファン３１による空気流量と、ＡＰＵ２４ａ及び各カバー部材１７，１８の表面温度とを測定して冷却性能を比較した。なお、ノイズを一定値とした理由は、通常、ノート型ＰＣのような電子機器は、発生するノイズの上限値を設定し、これを超えない範囲で所望の冷却性能を得ることを目標としてサーマル設計を実施しているためである。周囲温度は２５℃とした。

実験の結果、本実施形態に係るヒートシンク３０は、比較例の場合と比べて、送風ファン３１の回転数が２５０ｒｐｍ上昇し、空気流量が０．２５ｃｆｍ（cubic feet/minute）増加した。さらに本実施形態に係るヒートシンク３０は、比較例の場合と比べて、ＡＰＵ温度が４．７℃低下し、上カバー部材１７の表面温度が２．６℃低下し、下カバー部材１８の表面温度が３．４℃低下した。この実験結果により、同一ノイズならばヒートシンク３０が比較例よりも高い冷却性能を発揮できることが明らかとなった。

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
１４ｂ 筐体吸気口
１７ 上カバー部材
１８ 下カバー部材
２２ 冷却モジュール
２８ 熱輸送デバイス
３０ ヒートシンク
３１ 送風ファン
３２ ファン筐体
３２ｃ 排気口
３５ ベースプレート
３６ フィン
３６ａ 上流側端面
３６ｃ 傾斜面
３７ 空気流路

本発明は、冷却モジュールを備えた電子機器に関する。

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、冷却効率を高めることができる冷却モジュールを備えた電子機器を提供することを目的とする。

Claims (7)

1. 冷却モジュールであって、
   排気口を有する送風ファンと、
   ベースプレートと、該ベースプレートの第１面で起立し、互いに隙間を設けて並んだ複数のフィンと、を有し、各フィンの相互間の隙間に前記送風ファンからの空気が流される空気流路を形成したヒートシンクと、
   前記ベースプレートの第２面に接続された熱輸送デバイスと、
   を備え、
   前記空気の流通方向に沿う方向での前記空気流路の流路長は、前記フィンの起立方向で前記第１面から先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている
   ことを特徴とする冷却モジュール。
2. 請求項１に記載の冷却モジュールであって、
   前記フィンは、
   前記空気流路の上流側に位置し、前記排気口に面して配置された上流側端面と、
   前記空気流路の下流側に位置した下流側端面と、
   を有し、
   前記上流側端面は、前記第１面から前記先端に向かう方向に沿って次第に前記空気流路の上流側から下流側に向かって傾斜した傾斜面を有する
   ことを特徴とする冷却モジュール。
3. 請求項２に記載の冷却モジュールであって、
   前記送風ファンの前記排気口は、前記傾斜面に沿って傾斜している
   ことを特徴とする冷却モジュール。
4. 請求項３に記載の冷却モジュールであって、
   前記下流側端面は、前記第１面と直交している
   ことを特徴とする冷却モジュール。
5. 電子機器であって、
   発熱体を搭載した筐体と、
   前記筐体内に搭載され、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、
   排気口を有する送風ファンと、
   ベースプレートと、該ベースプレートの第１面で起立し、互いに隙間を設けて並んだ複数のフィンと、を有し、各フィンの相互間の隙間に前記送風ファンからの空気が流される空気流路を形成したヒートシンクと、
   前記ベースプレートの第２面に接続された熱輸送デバイスと、
   を有し、
   前記空気の流通方向に沿う方向での前記空気流路の流路長は、前記フィンの起立方向で前記第１面から先端に向かう方向に向かって次第に短くなっている
   ことを特徴とする電子機器。
6. 請求項５に記載の電子機器であって、
   前記筐体は、底面に筐体吸気口を有し、
   前記送風ファンは、
   回転軸と、
   前記回転軸周りに回転するインペラと、
   前記回転軸の軸方向で一方側に設けられた第１カバープレートと、他方側に設けられた第２カバープレートとの間で前記インペラを収容したファン筐体と、
   前記第１カバープレートに形成された第１吸気口と、
   前記第２カバープレートに形成された第２吸気口と、
   を有し、
   前記第１吸気口は、前記筐体の厚み方向で前記筐体吸気口とオーバーラップしている
   ことを特徴とする電子機器。
7. 請求項６に記載の電子機器であって、
   前記フィンは、
   前記空気流路の上流側に位置し、前記排気口に面して配置された上流側端面と、
   前記空気流路の下流側に位置した下流側端面と、
   を有し、
   前記上流側端面は、前記第１面から前記先端に向かう方向に沿って次第に前記空気流路の上流側から下流側に向かって傾斜した傾斜面を有し、
   前記下流側端面は、前記第１面と直交すると共に、前記筐体の側面に形成された筐体排気口に臨んでいる
   ことを特徴とする電子機器。

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