JP5970581B1 - 携帯型電子機器用熱拡散板 - Google Patents

Abstract

【課題】電子素子などの発熱体の温度上昇を抑制でき、しかも携帯型電子機器の薄型化を促進することのできる熱拡散板を提供する。【解決手段】発熱体５が密着させられる金属板２にヒートパイプ３が添わせて取り付けられ、金属板２の発熱体５が密着させられている加熱領域４の熱をヒートパイプ３によって金属板２の加熱領域４から離れた箇所に伝達する携帯型電子機器用熱拡散板であって、ヒートパイプは、所定の長さの第１ヒートパイプ３ａと、第１ヒートパイプ３ａより長い第２ヒートパイプ３ｂとを含み、第１ヒートパイプ３ａの一部が加熱領域４に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、多機能携帯電話（スマートフォン）やタブレット型パソコンなどの携帯型の電子機器に用いられる熱拡散板に関するものである。

演算素子や集積回路などの発熱部品が高密度で実装される携帯型電子機器では、局部的に温度が高くなるヒートスポットが生じ、その温度が演算速度の制限要因や耐久性の低下要因などになる。また、携帯型電子機器には、携行性を良好にするために薄型化や小型化、さらには軽量化が求められている。

従来、携帯型電子機器における放熱や冷却のための手段が種々提案されており、例えば特許文献１には、ＣＰＵなどの電子部品の熱を、回路基板と電池パックとの間に配置した極細ヒートパイプによって、筐体の背面あるいはディスプレイの背面を構成している金属板に運んで放熱するように構成された情報端末が記載されている。

特開２０１４−１３９５０１号公報

特許文献１に記載された構成では、金属板の広い範囲に極細ヒートパイプによって熱を運ぶことにより、発熱体の熱を広く拡散させ、発熱体の温度の上昇を抑制する。熱輸送を行う極細ヒートパイプに許容できるスペースは極めて限られており、特に最近では、０．５ｍｍ以下もしくはそれより薄くすることが求められている。このような極細ヒートパイプでは、熱輸送能力が限られるので、金属板の全体に極細ヒートパイプによって熱輸送することができず、電子部品から遠く離れた箇所には、金属板の熱伝導によって熱を運ばざるを得ず、電子部品で発生した熱を広く拡散させてヒートスポットの熱を下げることが困難であった。

本発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、携帯型電子機器に内蔵されている電子部品の熱を十分に広く拡散させて電子部品あるいはヒートスポットの温度を低下させることのできる熱拡散板を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成するために、発熱体が密着させられる金属板にヒートパイプが添わせて取り付けられ、前記金属板の前記発熱体が密着させられている加熱領域の熱を前記ヒートパイプによって前記金属板の前記加熱領域から離れた箇所に伝達する携帯型電子機器用熱拡散板であって、前記ヒートパイプは、所定の長さの第１ヒートパイプと、前記第１ヒートパイプより長い第２ヒートパイプとを含み、前記第１ヒートパイプの一部が前記加熱領域に配置されていることを特徴としている。

本発明では、前記第１ヒートパイプおよび第２ヒートパイプは扁平形状に形成され、前記金属板の表面に溝が形成され、扁平形状の前記第１ヒートパイプおよび前記第２ヒートパイプが前記溝の内部に配置されて、前記金属板の裏面から前記溝内の前記各ヒートパイプの表面までの寸法である厚さが０．４ｍｍ以下とされていてよい。

本発明では、前記第１ヒートパイプの端部は、前記加熱領域に配置され、前記第２ヒートパイプは、前記加熱領域から離れた位置に配置されていてよい。

本発明では、複数本の前記第１ヒートパイプが互いに平行に配置され、これらの複数本の前記第１ヒートパイプに対して平行に前記第２ヒートパイプが配置されていてよい。

本発明では、前記第１ヒートパイプは、一方の端部を前記加熱領域に配置された複数本のヒートパイプを含み、これらの複数本のヒートパイプの他方の端部同士の間隔は、前記加熱領域から離れるほど大きくなっており、かつ前記第２ヒートパイプは、前記複数本のヒートパイプを挟んだ両側に配置されていてよい。

本発明では、前記第１ヒートパイプは、前記加熱領域から互いに反対方向に延びた後に屈曲した少なくとも二本のヒートパイプを含み、前記第２ヒートパイプは、前記屈曲した二本のヒートパイプを挟んだ両側に配置されていてよい。

本発明によれば、発熱体の熱がヒートパイプに伝達され、ヒートパイプによって金属板の全体に拡散するように熱輸送される。第１ヒートパイプの一部が加熱領域に配置されていることにより第１ヒートパイプに対する入熱量が多くなる。第１ヒートパイプは第２ヒートパイプよりも短く、熱輸送する距離が短いことにより入熱量が多くてもドライアウトすることなく熱輸送する。第２ヒートパイプは、第１ヒートパイプより長いことにより熱輸送する距離が長くなるが、第１ヒートパイプが上記のように熱輸送することにより第２ヒートパイプに対する入熱量が低減され、また加熱領域から離れて配置されている場合には入熱量が第１ヒートパイプよりも少なくなり、そのため第２ヒートパイプはドライアウトすることなく、金属板の広い範囲に熱を輸送して拡散させる。その結果、第１ヒートパイプと第２ヒートパイプとが協働して熱を金属板の広い範囲に拡散させるので、発熱体の温度が高くなることを抑制することができる。

本発明の一実施例を模式的に示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、（ａ）は銅板とアルミニウム板とを積層した例を示し、（ｂ）は銅板とアルミニウム板と他の銅板とを積層した例を示す。 金属板上でのヒートパイプの配列の一例を示す模式的な平面図である。 温度および熱抵抗の計測実験における計測点を示す模式図である。 本発明例と比較例とにおける計測点の温度の測定結果を示す図である。 本発明例と比較例とにおける熱抵抗の測定結果を示す図である。 本発明における金属板上でのヒートパイプの配列の他の例を示す模式的な平面図である。 本発明における金属板上でのヒートパイプの配列の更に他の例を示す模式的な平面図である。

図１に本発明に係る熱拡散板１の一例を示してある。熱拡散板１は、金属板２の一方の面（以下、表面とする）に複数本のヒートパイプ３を添わせて取り付けることにより構成されている。金属板２は、その一部に伝達された熱を広い範囲に拡散させるためのものであって、平坦度を維持する所定の強度を有し、熱伝導性に優れるように構成されている。その一例として、図２の（ａ）に例示するように、銅板２ａにアルミニウム板（もしくはその合金板）２ｂを積層して構成されている。その銅板２ａの厚さは、一例として０．０５ｍｍとし、アルミニウム板２ｂの厚さは、０．３ｍｍとすることが好ましい。また、図２の（ｂ）に例示するように、銅板２ａの上にアルミニウム板２ｂと他の銅板２ｃとを順に積層した構成とすることができる。その場合、銅板２ａの厚さは０．０５ｍｍとし、アルミニウム板２ｂの厚さは、０．２５ｍｍとし、他の銅板２ｃの厚さは、０．０５ｍｍとすることが好ましい。このようなアルミニウム板２ｂを含むクラッド材であれば、アルミニウム板２ｂを使用していることにより、湾曲や撓みなどの変形を防止して平坦度を維持することができ、併せて軽量化を図ることができる。特に銅板２ａ，２ｃによってアルミニウム板２ｂを挟んだ構成の金属板２は、銅の熱伝導率が大きいことにより金属板２の熱抵抗が小さくなるため、熱拡散板として好適である。

図１に示す例では、金属板２は方形状もしくは矩形状に形成されており、その所定の一辺の近傍が加熱領域４とされている。金属板２の他方の面（以下、裏面とする）の所定箇所に電子部品などの発熱体５が密着させられる。この発熱体５が密着させられる箇所、もしくはその密着箇所の面積の範囲における厚さ方向の部分が加熱領域４である。したがって、金属板２の表面における、前記発熱体５が密着させられる箇所と同位置で同面積の箇所も加熱領域４である。

金属板２の表面には、ヒートパイプ３を配置するための溝６が形成されている。図２にその溝６を模式的に示してある。溝６は、金属板２を銅の単板で形成する場合には、プレス加工や切削加工などによって形成することができる。また、前述したように、銅板２ａの上にアルミニウム板２ｂや他の銅板２ｃを積層する場合には、積層するアルミニウム板２ｂや他の銅板２ｃに、溝６に相当する孔を形成しておき、そのアルミニウム板２ｂや他の銅板２ｃを前記銅板２ａに重ねることにより溝６を形成してもよい。なお、溝６が金属板２の長手方向の全体、もしくは幅方向の全体に亘る場合には、アルミニウム板２ｂや他の銅板２ｃを、溝６に相当する間隔をあけて前記銅板２ａに配置すればよい。なお、金属板２を銅の単板で形成する場合には、溝６の深さは、０．３ｍｍ程度である。銅板２ａの上にアルミニウム板２ｂおよび他の銅板２ｃを順に積層して金属板２を構成する場合には、溝６の深さは０．３ｍｍ程度である。

つぎにヒートパイプ３について説明すると、本発明では、長短二種類のヒートパイプが使用されている。短いヒートパイプ（以下、第１ヒートパイプとする）３ａおよび長いヒートパイプ（以下、第２ヒートパイプとする）３ｂのいずれも扁平形状のヒートパイプであり、図２に示すように、銅などの金属管Ｃの内部に、銅などの極細線束や多孔性焼結体などからなるウイックＷを配置し、その金属管Ｃを押しつぶして扁平形状に成形し、その後、水などの作動流体を封入して構成されている。その厚さＴ_Ｈ は、例えば図２に示すように、０．３ｍｍである。各ヒートパイプ３ａ，３ｂは前述した溝６の内部に嵌め込まれて、半田付けなどの接合手段によって金属板２に一体化されている。前記溝６の深さＤ_G が０．２５ｍｍであり、また積層構造とした場合の前記銅板２ａの厚さＴ_Ｍ が０．０５ｍｍであることにより、全体としての厚さＴ_Ｔ 、すなわち金属板２の裏面からヒートパイプ３の表面までの寸法は０．３５ｍｍ、もしくはこれに製造誤差あるいは測定誤差を加えた寸法になっている。したがって、熱拡散板１はスマートフォンなどの携帯型電子機器に十分内蔵できる厚さになっている。

各ヒートパイプ３ａ，３ｂの配列について説明すると、図３はその一例を示しており、二本の第１ヒートパイプ３ａが互いに平行でかつ接近して配置され、その一方の端部（以下、「一端部」という）は加熱領域４に配置されている。図３に示す例では、加熱領域４が矩形状の金属板２の長手方向の一端部側に偏って設けられているので、第１ヒートパイプ３ａはその加熱領域４から金属板２の中央部に向けて延びている状態に配置されている。これら第１ヒートパイプ３ａの長さについて説明すると、第１ヒートパイプ３ａは加熱領域４に接触させられていて、加熱領域４からの入熱量がヒートパイプ３ｂに対する入熱量より多くなる。これに対して、長さが長いと、熱輸送距離や液相作動流体の還流距離が長くなってドライアウトが生じやすくなる。一方、ヒートパイプ３ａの機能は、金属板２の熱伝導では不足する熱の拡散を補って、加熱領域４の熱を金属板２の広い範囲に拡散させることであるから、ヒートパイプ３ａは可及的に長いことが望まれる。したがって、ヒートパイプ３ａの長さは、ドライアウトが生じないこと、および熱拡散する範囲が広いことの両方の要請を満たすよう、可能な限り長くする。より具体的には、ヒートパイプ３ａの長さは、発熱体５の発熱量やヒートパイプ３ａの熱輸送特性を考慮して、加熱領域４からヒートパイプ３ａに伝達される熱量が最大の場合であってもドライアウトが生じない範囲で可及的に長い長さとされる。一例を挙げると、厚さが０．３ｍｍ、幅が３．１ｍｍ、最大入熱量が６Ｗ（ワット）の場合、長さは４０〜６０ｍｍ程度が好ましい。

第２ヒートパイプ３ｂは、第１ヒートパイプ３ａより長さが長く、それ以外の構造は第１ヒートパイプ３ａと同様のヒートパイプである。図３に示す例では二本の第２ヒートパイプ３ｂが用いられており、上記の加熱領域４および二本の第１ヒートパイプ３ａを挟んだ両側に、第１ヒートパイプ３ａと平行に配置されている。したがって、第２ヒートパイプ３ｂは加熱領域４には接触していない。なお、第２ヒートパイプ３ｂは、第１ヒートパイプ３ａから離隔していてもよく、あるいは接触していてもよい。また、第２ヒートパイプ３ｂは金属板２のほぼ全長に亘って配置されている。

上記のように構成された熱拡散板１は、スマートフォンなどの携帯型電子機器の内部に配置され、前述した加熱領域４にＣＰＵなどの電子部品（発熱体）５が密着させられ、また金属板２の他の箇所がケースやディスプレイパネルあるいはバッテリなどに密着させられる。発熱体５で発生した熱は、加熱領域４に伝達される。加熱領域４には第１ヒートパイプ３ａが配置されているので、加熱領域４に伝達された熱によって第１ヒートパイプ３ａの一端部が加熱される。第１ヒートパイプ３ａの他方の端部（以下、「他端部」という）は、金属板２の中央部側に延びていて金属板２に熱を伝達するようになっているから、第１ヒートパイプ３ａの一端部と他端部との間に温度差が生じ、したがって第１ヒートパイプ３ａでは、一端部側で作動流体が蒸発し、その蒸気が他端部側に流動した後、放熱して凝縮し、作動液はウイックＷで生じる毛管力によって加熱領域４側に還流する。すなわち、第１ヒートパイプ３ａによる熱輸送が生じる。その場合、加熱領域４には第１ヒートパイプ３ａの一端部が配置されているので、第１ヒートパイプ３ａに対する入熱量が第２ヒートパイプ３ｂに比較して多くなる。その第１ヒートパイプ３ａは前述したように第２ヒートパイプ３ｂよりも短く、熱輸送する距離、あるいは作動液が還流する距離が短いことにより、入熱量が多くてもドライアウトすることなく熱輸送を行う。

一方、第２ヒートパイプ３ｂは加熱領域４から離れているので、第２ヒートパイプ３ｂに対しては金属板２を介した熱伝導によって入熱される。そのため、加熱領域４あるいは発熱体５から第２ヒートパイプ３ｂまでの間の熱抵抗が、加熱領域４あるいは発熱体５と第１ヒートパイプ３ａとの間の熱抵抗より大きい。そのため、第２ヒートパイプ３ｂの熱負荷あるいは熱輸送量が第１ヒートパイプ３ａよりも少なく、したがって第２ヒートパイプ３ｂの熱輸送距離が長くても、第２ヒートパイプ３ｂはドライアウトを生じることなく熱輸送を行う。

また、第１ヒートパイプ３ａの他端部（先端部）から金属板２に伝達された熱は、金属板２を介して第２ヒートパイプ３ｂの中間部に伝達され、その熱を第２ヒートパイプ３ｂが温度の低い箇所に輸送する。すなわち、第１ヒートパイプ３ａから第２ヒートパイプ３ｂへの熱の受け渡しが生じて、金属板２の広い範囲に向けて熱が輸送される。

このように、本発明に係る熱拡散板１によれば、第１ヒートパイプ３ａと第２ヒートパイプ３ｂとが協働して加熱領域４から金属板２の広い範囲に熱を輸送して拡散させるから、加熱領域４や発熱体５に熱が溜まってその温度が高くなるなどの事態を解消もしくは抑制することができる。すなわち、ヒートスポットの温度を下げることができる。特に、本発明に係る熱拡散板１では、加熱領域４に一端部が配置されて熱負荷の大きくなる第１ヒートパイプ３ａを熱輸送距離の短いものとしたので、ドライアウトなどの熱輸送不良を生じることなく第１ヒートパイプ３ａを円滑に動作させることができ、しかも第１ヒートパイプ３ａによる熱輸送距離の不足あるいは熱拡散範囲の不足を、長さの長い第２ヒートパイプ３ｂによって更に熱輸送を行って補うので、金属板２全体の広い範囲に熱を輸送して拡散させることができる。

本発明の効果を確認するために本発明者等が行った実験の結果を以下に示す。本発明例と比較例とにおける加熱領域４に密着している発熱体５の表面温度と、熱抵抗とを測定した。本発明例は、二本の第１ヒートパイプ３ａと二本の第２ヒートパイプ３ｂとを図３に示すように配置した熱拡散板１であり、比較例は四本の長い第２ヒートパイプ３ｂを使用し、二本は加熱領域４に接触させ、他の二本は加熱領域４には接触させずに、それぞれ互いに平行に配置した熱拡散板である。すなわち、比較例では短い第１ヒートパイプ３ａは使用していない。なお、実験は、図４に模式的に示すように、ヒーター７を金属板２の裏面の加熱領域４に密着させ、そのヒーター７と金属板２との間を温度の計測点８とした。また、熱拡散板の周囲の環境温度を２５℃に維持して、ヒーター７の出力（熱拡散板への入熱量）を４Ｗ、５Ｗ、６Ｗに変化させて、計測点８の温度を求めた。また、ヒーター７の出力を４Ｗ、５Ｗ、６Ｗに変化させて熱抵抗を求めた。熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）は、計測点８の温度Ｔ_ｈと環境温度（室温）Ｔroomとの差を、ヒーター７の発熱量Ｑで除して求めた。
Ｒ＝（Ｔ_ｈ−Ｔroom）／Ｑ

計測点８での温度の測定結果は図５に示すようになった。計測点８の温度は、ヒーター７の出力の増大に従って高くなるが、本発明例における温度は、いずれの出力においても、比較例より低くなった。その温度差は、ヒーター７の出力が４Ｗの場合に３．２℃であったのに対して、５Ｗの場合には５．０℃、６Ｗの場合には７．４℃となり、一般的な要求出力である５Ｗ以上の場合には本発明例の熱拡散効果（もしくは冷却効果）が、より優れていることが認められた。

また、熱抵抗Ｒの測定結果を図６に示してある。本発明例における熱抵抗Ｒは比較例の熱抵抗Ｒより小さく、本発明例の熱拡散性能（もしくは冷却性能）が優れていることが認められた。また、本発明例では、ヒーター７の出力が増大しても熱抵抗Ｒが変化せず、あるいは幾分低下した。これに対して比較例においてはヒーター７の出力が増大するのに従って熱抵抗Ｒが増大した。熱抵抗Ｒは、計測点８の温度が上昇することによって増大するから、比較例においてはヒーター７の出力の増大に従ってヒートパイプによる熱輸送量が低下したために熱抵抗Ｒが増大したものと考えられ、その原因はヒートパイプが部分的にドライアウトし始めたことにあるものと推定される。

結局、本発明によれば、第１ヒートパイプ３ａと第２ヒートパイプ３ｂとを併用し、かつ第１ヒートパイプ３ａを加熱領域４から熱輸送するように配置したことにより、発熱体５の発熱量が多い場合であっても、金属板２の広い範囲に安定して熱を輸送し、拡散させることができ、そのため発熱体５の温度上昇を抑制して、いわゆるヒートスポットの温度を下げることができることが認められた。

なお、本発明における各ヒートパイプ３ａ，３ｂの配列の仕方は、前述した図３に示す例に限られない。例えば図７に示すように、二本の第１ヒートパイプ３ａは、その一方の端部を加熱領域４に位置させ、かつ他方の端部（先端部）同士の間隔が拡がるように配置し、二本の第２ヒートパイプ３ｂは、これら二本の第１ヒートパイプ３ａおよび加熱領域４を挟んだ両側に互いに平行に配置してもよい。各ヒートパイプ３ａ，３ｂを図７に示すように配置した場合には、第１ヒートパイプ３ａが金属板２の長手方向だけでなく幅方向に向けても熱を輸送するので、加熱領域４から離れていて温度が低く、あるいは放熱しやすい箇所への熱輸送もしくは熱拡散が促進される。第１ヒートパイプ３ａによって輸送された熱を第２ヒートパイプ３ｂが更に輸送もしくは拡散させるので、加熱領域４に入力された熱を金属板２の全体の広い範囲に拡散させ、ヒートスポットの温度低下効果を更に向上させることができる。

図８に示す例は、二本の第１ヒートパイプ３ａを「Ｌ」字状に屈曲した形状とした例である。これらの第１ヒートパイプ３ａの短い腕の部分は、金属板２の幅方向で互いに反対方向に向けて加熱領域４に密着させられており、また長い腕の部分は、加熱領域４から互いに反対方向に延びた短い腕の部分の先端部で屈曲して金属板２の長手方向に延び、互いに平行になっている。したがって、これらの第１ヒートパイプ３ａにおける長い腕の部分同士の間隔は、加熱領域４の幅より広くなっている。そして、二本の第２ヒートパイプ３ｂは、これら二本の第１ヒートパイプ３ａおよび加熱領域４を挟んだ両側に互いに平行に配置されている。図８に示す例においては、加熱領域４に接触している第１ヒートパイプ３ａにおける短い腕の部分が、金属板２の幅方向に向けて熱を輸送する。そのため、第２ヒートパイプ３ｂの一方の端部に対する熱の輸送もしくは伝達が促進され、第２ヒートパイプ３ｂによる熱輸送量が増大する。また、加熱領域４に接触している第１ヒートパイプ３ａにおける長い腕の部分が金属板２の長手方向に向けて配置されているので、加熱領域４から離れている箇所への熱輸送あるいは熱拡散が促進される。特に、加熱領域４に接触している第１ヒートパイプ３ａにおける長い腕の部分は、金属板２の幅方向に離れて配置されているので、第１ヒートパイプ３ａによる金属板２の幅方向への熱拡散が促進される。このように図８に示す例では、第１ヒートパイプ３ａによる金属板２の幅方向および長手方向への熱の拡散と、第２ヒートパイプ３ｂによる金属板２の長手方向への熱の拡散とが促進されるので、加熱領域４に入力された熱を金属板２の全体の広い範囲に拡散させ、ヒートスポットの温度低下効果を更に向上させることができる。

１…熱拡散板、 ２…金属板、 ２ａ…銅板、 ２ｂ…アルミニウム板（もしくはその合金板）、 ２ｃ…他の銅板、 ３…ヒートパイプ、 ３ａ…短いヒートパイプ（第１ヒートパイプ）、 ３ｂ…長いヒートパイプ（第２ヒートパイプ）、 ４…加熱領域、 ５…発熱体、 ６…溝、 ７…ヒーター、 ８…計測点、 Ｃ…金属管、 Ｗ…ウイック。

Claims (4)

1. 発熱体が密着させられる金属板にヒートパイプが添わせて取り付けられ、前記金属板の前記発熱体が密着させられている加熱領域の熱を前記ヒートパイプによって前記金属板の前記加熱領域から離れた箇所に伝達する携帯型電子機器用熱拡散板において、
   前記ヒートパイプは、第１端部及び第２端部を含む所定の長さの第１ヒートパイプと、前記第１ヒートパイプより長い第２ヒートパイプとを含み、
   前記第１ヒートパイプの前記第１端部の一部が前記加熱領域に配置され、
   前記第２ヒートパイプは、前記加熱領域から離れて配置され、
   前記第１ヒートパイプの前記第２端部が前記第２ヒートパイプの中間部に近接するように配置される
   ことを特徴とする携帯型電子機器用熱拡散板。
2. 前記第１ヒートパイプおよび第２ヒートパイプは扁平形状に形成され、
   前記金属板は複数の異なる種類の板を有し、
   前記金属板の表面に溝が形成され、
   扁平形状の前記第１ヒートパイプおよび前記第２ヒートパイプが前記溝の内部に配置されて、前記金属板の裏面から前記溝内の前記各ヒートパイプの表面までの寸法である厚さが０．４ｍｍ以下とされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯型電子機器用熱拡散板。
3. 前記第１ヒートパイプは、一方の端部が前記加熱領域に配置された複数本のヒートパイプを含み、
   これらの複数本のヒートパイプの他方の端部同士の間隔は、前記加熱領域から離れるほど大きくなっており、かつ
   前記第２ヒートパイプは、前記複数本のヒートパイプを挟んだ両側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の携帯型電子機器用熱拡散板。
4. 前記第１ヒートパイプは、前記加熱領域から互いに反対方向に延びた後に屈曲した少なくとも二本のヒートパイプを含み、
   前記第２ヒートパイプは、前記屈曲した二本のヒートパイプを挟んだ両側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の携帯型電子機器用熱拡散板。

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