特許 5945047 携帯型電子機器用熱拡散板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5945047

(24)【登録日】2016年6月3日

(45)【発行日】2016年7月5日

(54)【発明の名称】携帯型電子機器用熱拡散板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/427 20060101AFI20160621BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20160621BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20160621BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 B

   F28D15/02 102B

   F28D15/02 L

   F28D15/02 101A

   H05K7/20 R

   H05K7/20 D

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-162134(P2015-162134)

(22)【出願日】2015年8月19日

【審査請求日】2016年3月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】100083998

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 丈夫

(72)【発明者】

【氏名】モハマド シャヘッド アハメド

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 祐士

(72)【発明者】

【氏名】高宮 明弘

(72)【発明者】

【氏名】高橋 真

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１６５５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２１１０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５５７９３４９（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

Ｆ２８Ｄ １５／０２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｇ０６Ｆ １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、金属製のパイプによってコンテナが形成され、前記コンテナの前記加熱領域に配置される部分が加熱部とされ、前記コンテナの前記加熱領域から離れた部分が前記金属板に放熱する放熱部とされ、
前記加熱部は、前記コンテナを押し潰して扁平状に形成されるとともに、前記放熱部は、前記扁平状の加熱部より厚く形成され、
前記金属板は、前記加熱領域に相当する部分に形成された所定長さの孔部を有し、
前記扁平状の前記加熱部は、前記孔部の内部に配置されるとともに、前記放熱部は、前記金属板の前記加熱領域から離れた箇所の表面に密着させられ、
前記加熱領域において前記発熱体から前記金属板と前記加熱部とに熱を伝達するように構成されている
ことを特徴とする携帯型電子機器用熱拡散板。

【請求項2】

前記加熱領域において、前記扁平状に形成された前記加熱部の表面に接触しかつ前記孔部を閉じるように伝熱材が設けられ、
前記伝熱材に前記発熱体が熱伝達可能に接触するように構成されている
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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

ヒートパイプによって発熱体の熱を低温部分に輸送するように構成された携帯情報端末が特許文献１に記載されている。そのヒートパイプは、銅管の両端部を封止して、その内部に作動流体を封入して構成されており、中央部が、発熱体であるＣＰＵの上面に配置され、両端部側がケーシングの側部に沿いかつバッテリー側に延びている。また、特許文献１に記載された構成では、ケーシングの厚さを薄くするなどのスペース上の制約で、ＣＰＵ上に配置されているヒートパイプの中央部が扁平に加工された潰し部とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１６５５９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている携帯型の情報端末などの電子機器では、基板（マザーボード）に実装されているＣＰＵの高さが他の素子に比較して高いから、特許文献１に記載されているようにヒートパイプの潰し部をＣＰＵの上に配置することにより、情報端末を薄くすることができる。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、ＣＰＵの熱のほぼ全量がヒートパイプに伝達され、その熱をヒートパイプが輸送することになるので、ヒートパイプに大きい熱輸送容量が要求され、大型もしくは大径のヒートパイプを使用せざるを得なくなり、それに伴って情報端末が大型化し、あるいは厚さの厚いものになってしまう。また、ヒートパイプに対するＣＰＵからの入熱量が多いことに加えて、ＣＰＵからの入熱部（もしくは加熱部）が潰し部となっていて、その入熱部での作動流体の保持量が少なくなるから、ＣＰＵの発熱量が多い場合には、ヒートパイプのドライアウトが生じやすく、結局は、ＣＰＵを冷却する能力が制限されてしまうおそれがある。

【0005】

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、携帯型電子機器の薄型化と冷却能力の増大とを両立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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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において、前記ヒートパイプは、金属製のパイプによってコンテナが形成され、前記コンテナの前記加熱領域に配置される部分が加熱部とされ、前記コンテナの前記加熱領域から離れた部分が前記金属板に放熱する放熱部とされ、前記加熱部は、前記コンテナを押し潰して扁平状に形成されるとともに、前記放熱部は、前記扁平状の加熱部より厚く形成され、前記金属板は、前記加熱領域に相当する部分に形成された所定長さの孔部を有し、前記扁平状の前記加熱部は、前記孔部の内部に配置されるとともに、前記放熱部は、前記金属板の前記加熱領域から離れた箇所の表面に密着させられ、前記加熱領域において前記発熱体から前記金属板と前記加熱部とに熱を伝達するように構成されていることを特徴とするものである。

【0007】

本発明は、前記加熱領域において、前記扁平状に形成された前記加熱部の表面に接触しかつ前記孔部を閉じるように伝熱材が設けられ、前記伝熱材に前記発熱体が熱伝達可能に接触するように構成されていてよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、発熱体の熱は、加熱領域において、ヒートパイプの加熱部および金属板に伝達される。ヒートパイプの加熱部は、扁平状に形成されていることに加えて、金属板に形成された孔部の内部に配置されていて、発熱体とヒートパイプの加熱部との間に金属板が介在することがないので、熱拡散板あるいは熱拡散板を用いた携帯型電子機器を薄くすることができる。また、本発明においては、発熱体の熱は、ヒートパイプの加熱部だけでなく金属板にも伝達される。そのため、ヒートパイプの加熱部に対する入熱量が緩和されるので、加熱部が扁平状に形成されているとしてもヒートパイプのドライアウトが生じにくく、熱拡散性能あるいは発熱体の冷却性能が損なわれることがない。また、本発明では、ヒートパイプにおける放熱部が加熱部より厚くなっていることにより作動流体の蒸気が円滑に流動し、さらには放熱部が金属板に密着させられているので、ヒートパイプによる熱輸送性能が優れ、ひいては熱拡散性能が優れている。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例を模式的に示す斜視図である。

【図2】ヒートパイプの構造を説明するための断面図である。

【図3】図１のIII−III線に沿う断面図である。

【図4】図１のIV−IV線に沿う断面図である。

【図5】図１のV−V線に沿う断面図である。

【図6】伝熱材を設けた例を説明するための図であって、図３と同様の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明に係る熱拡散板１は、スマートフォンやタブレット型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの携帯型の電子機器に内蔵されて、ＣＰＵなどの発熱体の熱を拡散し、発熱体のピーク温度を低下もしくは抑制するためのものである。熱拡散板１の一例を図１に示してあり、拡散領域を広くするために、金属板２を主体として構成され、その金属板２にヒートパイプ３が取り付けられている。

【0011】

金属板２は、熱伝導率が高くかつ薄いことが望まれるので、０．２ｍｍ程度の厚さの薄い銅板が採用される。ヒートパイプ３は、コンテナの内部に封入した作動流体によって熱を輸送する公知の熱伝達素子であり、例えば銅パイプをコンテナとし、その内部に作動流体として水を封入し、さらに銅細線などの極細線や多孔構造の金属焼結体などをウイックとしてコンテナの内部に収容して構成されている。図１に示す例では、ヒートパイプ３は扁平状に形成されている。

【0012】

このヒートパイプ３は、例えば図２に示すようにして製造できる。断面円形の銅パイプをコンテナ３ａとして用意し、そのコンテナ３ａの内部にウイック３ｂを配置して焼結などの手段で固定する。ついで、コンテナ３ａの内部に作動流体を注入するとともに空気を脱気し、その状態でコンテナ３ａを密閉する。その後、所定の形状に曲げ加工するとともに、半径方向に荷重を掛けて押し潰し、扁平状に成形する。

【0013】

ヒートパイプ３の一方の端部側の所定の長さの部分が、外部からの入熱で作動流体が蒸発する加熱部４とされ、かつ他方の端部側の部分が外部に熱を放散する放熱部５とされている。その加熱部４は、放熱部５よりも薄くなるように押し潰されており、例えば０．４ｍｍ程度の厚さになっている。これに対して放熱部５は、０．８５ｍｍ程度の厚さの扁平状に成形されている。したがって、単位長さ当たりの内部容積は、加熱部４で小さく、放熱部５で大きくなっている。

【0014】

金属板２は、使用する電子機器の形状に応じた形状をなしており、図１に示す例では、ほぼ矩形状になっている。金属板２の長手方向での一端側のほぼ中央部が、ＣＰＵなどの発熱体６から熱を受ける加熱領域７とされている。加熱領域７には、前述した加熱部４より幅が広く、かつ加熱領域７より幅が狭いいわゆる長孔である孔部８が形成されている。その孔部８に前記加熱部４が嵌め込まれている。

【0015】

孔部８に加熱部４を嵌め込んである状態を図３に断面図として示してある。加熱部４は図３における下面が金属板２の下面にほぼ一致する状態で孔部８に嵌め込まれている。孔部８の内面（もしくは内縁）と加熱部４との間の隙間には、適宜の固定材（例えばハンダ）９が充填されて加熱部４が金属板２に対して固定されている。加熱部４は前述したように扁平状に形成されていてもその厚さは金属板２より厚いから、図３における上面側は金属板２の上面より上側に突出している。しかしながら、加熱部４は金属板２の孔部８に嵌め込まれていて、加熱部４（ヒートパイプ３）と発熱体６との間に金属板２が介在していないので、発熱体６が設けられている箇所における高さ（例えば加熱部４の下面（金属板２の下面）から発熱体６の上面までの寸法）Ｈは、金属板２の厚さ分、低くなる。すなわち、熱拡散板１自体が薄くなっており、この熱拡散板１を使用することにより携帯型電子機器を薄型化することができる。なお、発熱体６の下面は加熱部４の上面に接触しているものの、発熱体６の下面と金属板２の上面とが離れているので、これら発熱体６の下面と金属板２の上面との間にサーマルグリースＧｔｈなどの熱伝導材を充填する。

【0016】

ヒートパイプ３は、上記の孔部８から引き出されている箇所でクランク状に曲げられて金属板２の表面（図１および図３での上面）に添わされている。また、孔部８から引き出されて金属板２の表面に沿わせた箇所で、金属板２の一方の側部に向けてほぼ直角に曲げられ、さらに金属板２の側部の近い箇所で、金属板２の側部に沿うようにほぼ直角に曲げられている。ヒートパイプ３をこのように曲げてあるのは、電子機器に内蔵されている部品との干渉を避けるためである。したがって、ヒートパイプ３を曲げる形状は電子機器の内部構造に合わせた形状であってよい。

【0017】

ヒートパイプ３のうち、このように金属板２の表面に添わされている状態で金属板２の側部に向け、かつその側部に沿うように曲げられている部分が放熱部５となっている。この放熱部５のうち、前記加熱部４から前記金属板２の側部に向けて延びている部分５ａの断面形状を図４に示し、また前記金属板２の側部に沿っている部分５ｂの断面形状を図５に示してある。

【0018】

金属板２の側部に向けて延びている部分５ａは、扁平状に形成されているものの加熱部４より幾分厚くなっている。また、金属板２の側部に沿う部分５ｂは扁平状をなしているものの加熱部４よりも更に厚くなっている。このように放熱部５を加熱部４より厚く形成してあるのは、作動流体が蒸発して容積を増大することに合わせて、内容積を増大させておくためである。また、放熱部５は金属板２に密着させられており、さらにハンダなどの適宜の手段で金属板２に固定されている。

【0019】

上記の熱拡散板１は、スマートフォンなどの携帯型電子機器の内部に収容されることにより、前記加熱領域７にＣＰＵなどの発熱体６が熱伝達可能に接触させられる。その場合、ヒートパイプ３の加熱部４の幅Ｗ３より発熱体６の幅Ｗ６が大きいから、発熱体６はヒートパイプ３の加熱部４と金属板２との両方に熱伝達可能に接触する。また、金属板２の前記加熱領域７から離れた箇所は、図示しないバッテリーなどの温度の低い部分に接触させられ、あるいは配置される。

【0020】

発熱体６が動作することにより生じた熱は、加熱領域７においてヒートパイプ３と金属板２とに伝達される。ヒートパイプ３では、加熱部４において作動流体が蒸発し、その蒸気が温度および圧力が低くなっている放熱部５に向けて流動し、作動流体は放熱部５において熱を放散して凝縮する。したがって、ヒートパイプ３に伝達された熱は、作動流体の潜熱の形で放熱部５に輸送され、放熱部５から金属板２に熱が拡散する。凝縮した作動流体はウイック３ｂで生じる毛管力によって加熱部４に還流させられ、再度、加熱されて蒸発することにより熱輸送を行う。

【0021】

また、発熱体６から金属板２に伝達された熱は、金属板２の温度の低い箇所に伝導される。このように、上記の熱拡散板１では、発熱体６の熱がヒートパイプ３および金属板２によって、発熱体６から離れた箇所に拡散させられ、また発熱体６から離れた箇所から外部に放散させられる。その結果、発熱体６が冷却されてその動作不良が防止される。

【0022】

本発明に係る上記の熱拡散板１では、発熱体６の熱が加熱領域７においてヒートパイプ３と金属板２とに伝達され、かつこれらヒートパイプ３および金属板２によって拡散させられるから、ヒートパイプ３に対する入熱量が抑制される。そのため、ヒートパイプ３の加熱部４が薄い扁平状に形成されていて作動流体の保持量が制限されるとしても、加熱部４における作動流体の量が不足して熱輸送が制限されるいわゆるドライアウトが生じることを回避もしくは抑制することができる。また、放熱部５は加熱部４より厚く形成されていて内部容積が加熱部４より大きくなっているので、蒸発して体積が増大して作動流体が加熱部４から放熱部５に向けて円滑に流動し、ヒートパイプ３による熱輸送を十分に行わせることができる。結局、本発明に係る上記の熱拡散板１によれば、ヒートパイプ３と金属板２とによる発熱体６の冷却能力の増大と携帯型電子機器の薄型化とを両立させることができる。

【0023】

図６は本発明の他の実施例を示す断面図であり、前記加熱部４を配置してある孔部８が伝熱材１０によって閉じられている。伝熱材１０は、金属板２より薄い銅などの金属製の板材もしくはシート材であって、幅方向での中央部が加熱部４の表面（図６における下面）に密着し、かつ両端部が加熱部４の両脇から孔部８を通って金属板２の図６での上面側に引き出され、かつ金属板２の上面に接合されている。また、伝熱材１０は、その輪郭が発熱体６の下面の輪郭と同じになる大きさ、もしくは発熱体６の下面の輪郭を超える大きさに形成されている。図６に示す構成では、発熱体６は図６の上面側に配置され、伝熱材１０によって保持されているヒートパイプ３の加熱部４に直接接触する。また、発熱体６の下面と伝熱材１０の上面との間には、サーマルグリースなどの熱伝導材（図６では省略してある）が充填される。発熱体６の熱は、直接ヒートパイプ３に伝達されるとともに、熱伝導材を介して伝熱材１０ならびに伝熱材１０を介して金属板２に伝達される。伝熱材１０は、図６に示すように、ヒートパイプ３における加熱部４の下面に接触しているので、ヒートパイプ３には伝熱材１０からも熱が伝達される。なお、発熱体６を金属板２の下面側に配置することも可能であって、その場合は、発熱体６の熱が伝熱材１０を介してヒートパイプ３に伝達されるとともに、発熱体６から金属板２に直接熱が伝達される。これらいずれの場合であっても、発熱体６から金属板２に伝達された熱の一部が、伝熱材１０を介してヒートパイプ３に伝達されるので、金属板２による熱拡散の不足をヒートパイプ３による熱輸送で補うことができる。そのため、ヒートパイプ３による熱輸送および金属板２による熱伝達によって発熱体６の熱を効率よく拡散させて加熱領域７側での温度の上昇を抑制し、発熱体６を効果的に冷却することができる。

【0024】

ここで、本発明による効果を確認するために行った本発明例と比較例とを説明する。
（本発明例１）
金属板として厚さが０．２ｍｍの銅板を使用し、ヒートパイプとして銅パイプの内部に銅細線のウイックを配置するとともに、水を作動流体として封入したヒートパイプを使用した。加熱部は、厚さが０．４ｍｍとなるように扁平に加工し、放熱部は０．６ｍｍの厚さに扁平加工した。ヒートパイプの加熱部は金属板に形成した孔部の内部に配置し、したがって加熱領域の厚さは、加熱部で最大となるものの、０．４ｍｍとなっている。加熱領域に発熱体の代用として、出力の調整可能なヒータを接触させ、ヒータの出力を３Ｗ、４Ｗ、５Ｗとした場合の加熱部の温度を測定した。温度の測定結果を表１に示してある。

【0025】

（本発明例２）
上記の本発明例１と同様の金属板およびヒートパイプを使用した。加熱領域には前述した図６に示す伝熱材を設け、伝熱材の厚さは、０．０５ｍｍとした。それに伴って、加熱部の厚さは０．３５ｍｍに設定し、したがって加熱領域の最大厚さは、本発明例１と同様に０．４ｍｍとした。上記の本発明例１と同様に、加熱領域に発熱体の代用として、出力の調整可能なヒータを接触させ、ヒータの出力を３Ｗ、４Ｗ、５Ｗとした場合の加熱部の温度を測定した。温度の測定結果を表１に示してある。

【0026】

（比較例）
上記の本発明例１および２と同様の金属板およびヒートパイプを使用した。加熱領域には前述した孔部を設けずに、ヒートパイプの加熱部を金属板に直接密着させた。加熱領域の最大厚さを０．４ｍｍとするために、加熱部を薄く扁平加工し、その厚さを０．２ｍｍとした。他の条件は、上述した本発明例１および２と同様にし、加熱領域に発熱体の代用として、出力の調整可能なヒータを接触させ、ヒータの出力を３Ｗ、４Ｗ、５Ｗとした場合の加熱部の温度を測定した。温度の測定結果を表１に示してある。

【表1】

【0027】

本発明例１および２ならびに比較例のいずれも、加熱領域の最大厚さが０．４ｍｍであって薄型化されている。しかしながら、表１に示す測定結果から明らかなように、比較例では、加熱部の温度が本発明例１および２に比較して高くなってしまい、熱拡散板の全体として熱抵抗が大きく、発熱体の冷却効果が劣ることが認められた。これに対して、本発明例１および２では、熱拡散板の熱抵抗が実用上十分に小さく、加熱部側から放熱部側への熱輸送もしくは熱拡散を促進して、発熱体を効果的に冷却でき、薄型化と冷却性能とを両立できることが認められた。

【符号の説明】

【0028】

１…熱拡散板、 ２…金属板、 ３…ヒートパイプ、 ３ａ…コンテナ、 ３ｂ…ウイック、 ４…加熱部、 ５…放熱部、 ６…発熱体、 ７…加熱領域、 ８…孔部、 ９…固定材（例えばハンダ）、 １０…伝熱材。

【要約】

【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】ヒートパイプ３は、加熱部４と放熱部５とを有し、加熱部４は、扁平状に形成されるとともに、放熱部５は、加熱部４より厚く形成され、金属板２は、加熱領域７に相当する部分に形成された所定長さの孔部８を有し、加熱部４は、孔部８の内部に配置されるとともに、放熱部５は、金属板２の加熱領域７から離れた箇所の表面に密着させられ、加熱領域７において発熱体６から金属板２と加熱部４とに熱を伝達するように構成されている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】