JP2023043486A - 電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ベーパーチャンバの冷却作用を有効に利用することのできる電子機器を提供する。【解決手段】電子機器10は、筐体14と、筐体14内に設けられて表面24aにCPU30が実装されたマザーボード24と、2枚の金属プレート36a,36bの間に形成した密閉空間S1に作動流体を封入したベーパーチャンバ36と、ベーパーチャンバ36の上面36dに固定されたスタッド52と、スタッド52とマザーボード24とを固定するネジ58とを備える。CPU30は、ベーパーチャンバ36の上面36dに対して熱的に接続されている。マザーボード24には取付孔56が形成されており、ネジ58は、マザーボード24の裏面24bから取付孔56を通ってスタッド52に螺合されている。CPU30は矩形であり、スタッド52、ネジ58はそれぞれ4つ設けられ、CPU30の四隅の近傍位置に設けられている。【選択図】図5

Description

本発明は、ベーパーチャンバを備える電子機器に関する。
ノート型PCのような電子機器は、CPU等の発熱体を搭載している。このような電子機器は、筐体内に冷却モジュールを搭載し、発熱体が発生する熱を吸熱し、外部に放熱する。特許文献1には、CPUに対してプレート型のベーパーチャンバを接続した構成が開示されている。ベーパーチャンバは、2枚の金属プレートの間に形成した密閉空間に作動流体を封入しており、冷却効率が優れる。
特開2019-32134号公報
図7は、比較例にかかるノート型PC500における筐体の模式断面図である。ノート型PC500の筐体ではキーボード502を備える上カバー504と下カバー506との間にマザーボード508とベーパーチャンバ510とが積層するように配置されている。ベーパーチャンバ510はマザーボード508に実装されたCPU512と熱的に接触している。
このベーパーチャンバ510には複数の取付孔514が形成されている。そして、ネジ516が該取付孔514を通ってマザーボード508に設けられたスタッド518に螺合することによりベーパーチャンバ510が固定されている。取付孔514はCPU512の近傍に複数設けられており(例えば四隅近傍)、ベーパーチャンバ510とCPU512とを適度に強い圧力で接触させることができて伝熱性を向上させることができる。
しかしながら、ベーパーチャンバ510に取付孔514を設けることは、それだけ密閉空間の容積が小さくなるとともに作動流体の流れが阻害されて冷却効果が低下する。また、取付孔514の周辺にはネジ516のヘッドとのクリアランス確保、および隔壁510aの確保などから所定の面積を必要とし冷却効果の一層の低下が懸念される。取付孔514はCPU512の近傍に設けていると、該CPU512からの受熱・放熱に影響があり冷却効果がさらに低下する。ネジ516を取り付けるための取付片をベーパーチャンバ510の周囲から突出させて設けることも考えられるが、レイアウトスペースが増大するとともに、ネジ516がCPU512から離れてしまい、ベーパーチャンバ510とCPU512との接触圧力が低下する。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、ベーパーチャンバの冷却作用を有効に利用することのできる電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の態様に係る電子機器は、電子機器であって、筐体と、前記筐体内に設けられて表面に発熱体が実装された基板と、2枚の金属プレートの間に形成した密閉空間に作動流体を封入したプレート型のベーパーチャンバと、前記ベーパーチャンバの一方の面に固定されたスタッドと、前記スタッドと前記基板とを固定するネジと、を備え、前記発熱体は、前記ベーパーチャンバの前記一方の面に対して熱的に接続され、前記基板には取付孔が形成されており、前記ネジは、前記基板の裏面から前記取付孔を通って前記スタッドに螺合されている。
このような態様では、スタッドはベーパーチャンバにおける一方の面に設けられており、ネジは該一方の面の側から螺入される。したがって、ベーパーチャンバはネジが当接しまたは貫通することがなく、該ネジのための貫通孔や凹部などを設ける必要がない。これにより、ベーパーチャンバは性能ロスがなく、冷却作用を有効に利用することができる。
前記発熱体は矩形であり、前記スタッド、前記ネジおよび前記取付孔はそれぞれ4つ設けられ、前記発熱体の四隅の近傍位置に設けられていてもよい。これにより、ベーパーチャンバと発熱体とを適度に強い圧力で接触させることができて伝熱性を向上させることができる。
前記ベーパーチャンバの前記一方の面には2本のフレームバーが設けられており、前記フレームバーはそれぞれ、前記発熱体の平行する2つの縁に沿って延在する平行部と、前記平行部からさらに両方向に延在していて、2本の間隔を狭める向きに寄った接近部と、を備え前記スタッドは前記接近部に設けられていてもよい。スタッドは、接近部に設けることにより、発熱体の四隅近傍に配置しやすくなる。
前記基板における裏面には前記発熱体の外形に沿った補強枠が設けられ、前記補強枠には前記取付孔と連通し、前記ネジが通る貫通孔が形成されていてもよい。補強枠が設けられていることにより、ネジを強く螺合させても基板が変形することがない。
前記筐体の上面には着脱可能なキーボードが設けられ、前記基板は裏面が上側となるように設けられ、前記ネジのヘッドは、前記キーボードが取り外された状態で前記筐体の上方に露呈してもよい。
本発明の上記態様によれば、スタッドはベーパーチャンバにおける一方の面に設けられており、ネジは該一方の面の側から螺入される。したがって、ベーパーチャンバはネジが当接しまたは貫通することがなく、該ネジのための貫通孔や凹部などを設ける必要がない。これにより、ベーパーチャンバは性能ロスがなく、冷却作用を有効に利用することができる。
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平面図である。 図3は、冷却モジュールの模式的な底面図である。 図4は、フレームが設けられたベーパーチャンバの斜視図である。 図5は、筐体の模式断面図である。 図6は、ベーパーチャンバおよびCPUとその周辺部の一部断面斜視図である。 図7は、比較例にかかるノート型PCにおける筐体の模式断面図である。
以下に、本発明にかかる電子機器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
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であり、いわゆるモバイルワークステーションと呼ばれるものである。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に示すように開いた状態とし、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(筐体14の厚み方向)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カバー部材14Aと、下面を形成するカバー部材14Bとで構成されている。上側のカバー部材14Aは、下面が開口した略バスタブ形状を有する。下側のカバー部材14Bは、略平板形状を有し、カバー部材14Aの下面開口を閉じる蓋体となる。カバー部材14A,14Bは、厚み方向に重ね合わされて互いに着脱可能に連結される。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は、後端部がヒンジ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平面図であり、筐体14をキーボード20の少し下で切断した模式的な平面断面図である。
図2に示すように、筐体14の内部には、冷却モジュール22と、マザーボード24と、サブボード25と、バッテリ装置26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、左右方向に沿って延在している。マザーボード24は、CPU(Central Processing Unit)30の他、通信モジュール、メモリ、接続端子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、キーボード20の下に配置され、キーボード20の裏面やカバー部材14Aの内面にねじ止めされている。マザーボード24は、上面がカバー部材14Aに対する取付面となり、下面がCPU30等の実装面24aとなる(図5参照)。CPU30は、マザーボード24の実装面24aの左右略中央に配置されている。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。図5中の参照符号30aは、CPU(ダイ)30が実装されるパッケージ基板である。図5中の参照符号30bは受熱板である。本願ではマザーボード24の表裏について、実装面24aを表面24aとも呼び、その反対側面を裏面24bと呼ぶ。表面24aはCPU30が実装されている面とする。マザーボード24では表面24aに多くの電子部品が実装されているが、裏面24bにCPU30以外の電子部品が実装されていてもよい。
サブボード25は、マザーボード24よりも小さな外形を有する拡張カードである。サブボード25は、GPU(Graphics Processing Unit)31やパワーコンポーネント32等の各種電子部品が実装されたプリント基板である。サブボード25は、マザーボード24の実装面24aの右端付近に積層され(図2参照)、その略中央にGPU31が実装されている。サブボード25は、マザーボード24に実装されたコネクタ33に接続され(図5参照)、これによりマザーボード24と電気的に接続される。サブボード25は、上面がマザーボード24の実装面24aに対する取付面となり、下面がGPU31等の実装面25aとなる。GPU31は、3Dグラフィックス等の画像描写に必要な演算を行う。図5中の参照符号31aは、GPU(ダイ)31が実装されるパッケージ基板である。
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。
CPU30及びGPU31は、筐体14内に搭載された電子部品中で最大級の発熱量の発熱体である。そこで、冷却モジュール22は、CPU30及びGPU31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。冷却モジュール22は、マザーボード24及びサブボード25の下面(実装面24a,25aの下)に積層される。
図3は、冷却モジュール22の模式的な底面図である。
図2、図3に示すように、冷却モジュール22は、左右に並んだベーパーチャンバ36,37と、2本1組で構成されたヒートパイプ38と、2本1組で構成されたヒートパイプ39と、左右一対の冷却フィン40,41と、左右一対の送風ファン42,43と、熱伝導プレート44と、を備える。
ベーパーチャンバ36,37は、プレート型の熱輸送デバイスである。ベーパーチャンバ36は、2枚の薄い金属プレート36a,36bの間に密閉空間S1を形成し(図5参照)、この密閉空間S1に作動流体を封入したものである。金属プレート36a,36b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で形成されている。密閉空間S1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S1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36cが配設される(図5参照)。ウィック36c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の多孔質体で形成される。ベーパーチャンバ37は、ベーパーチャンバ36よりも外形が大きく、板厚が多少薄い以外、基本的な構成は上記したベーパーチャンバ36と同一である。
ベーパーチャンバ36,37は、薄く変形し易い。そこで、ベーパーチャンバ36,37は、それぞれ上面36d,37dの外周縁部や中央部にフレーム46,47が接合(例えば半田付け)され、補強されている(図2及び図4参照)。フレーム46,47は、ステンレス等の金属で構成され、ベーパーチャンバ36,37よりも厚い棒体を枠状に構成したものである。フレーム46の構成についてはさらに後述する。
ヒートパイプ38は、パイプ型の熱輸送デバイスである。本実施形態では、2本のヒートパイプ38,38を前後に2本1組で並列して用いているが、ヒートパイプは1本や3本以上で用いてもよい。ヒートパイプ38は、金属パイプを薄く扁平に潰して断面楕円形状に形成したものであり、金属パイプ内に形成された密閉空間に作動流体が封入されている。金属パイプは、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で形成されている。密閉空間は、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。ウィックは、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の多孔質体で形成される。ヒートパイプ39は、長さや経路が異なる以外、基本的な構成は上記したヒートパイプ38と同一である。
ヒートパイプ38は、中央部が前側に湾曲しており、全体として左右方向に延在している。ヒートパイプ38は、受熱部となる略中央部がCPU30とオーバーラップする位置でベーパーチャンバ36の下面36eに接合される。ヒートパイプ39は、全体として略L字状に配置されている。ヒートパイプ39は、受熱部となる略中央部がGPU31とオーバーラップする位置でベーパーチャンバ37の下面37eに接合される。
以上により、CPU30及びGPU31が発生した熱は、ベーパーチャンバ36,37で吸熱及び拡散されると共に、ヒートパイプ38,39を介して冷却フィン40,41まで効率よく輸送された後、送風ファン42,43の送風によって筐体14の外部へと排出される。なお、本実施の形態ではベーパーチャンバ36とベーパーチャンバ37とは連結部50で連結されているが、それぞれは独立的なものであってもよい。以下の図4、図5、図6では連結部50を省略している。
以下、ベーパーチャンバ36とマザーボード24との固定構造についてさらに説明する。まず、ベーパーチャンバ36に設けられたフレーム46について説明する。
図4は、フレーム46が設けられたベーパーチャンバ36の斜視図である。図4において仮想線で示す矩形の範囲はCPU30が当接する箇所である。つまり、CPU30は矩形である。ベーパーチャンバ36はCPU30の当接面積よりも十分広い面積を有している。上記の通り、フレーム46は半田などによってベーパーチャンバ36の上面36dに接合されている。
フレーム46は、ベーパーチャンバ36の連続する3つの縁に沿った枠部46aと、2つのフレームバー46b,46cとを有する。フレームバー46bは枠部46aの端部同士を接続している。フレームバー46cは枠部46aの対向する2つの縁の間を横断して接続している。フレームバー46b,46cは枠部46aよりも厚く形成されていて高強度である。
2本のフレームバー46b,46cは、CPU30の平行する2つの縁に沿って延在する平行部46ba,46caと、該平行部46ba,46caからさらに両方向に延在していて、2本の間隔を狭める向きに寄った接近部46bb,46cbとを備えている。4つの接近部46bb,46cbには、それぞれスタッド52が設けられている。スタッド52にはネジ穴52aが形成されている。ネジ穴52aには雌ねじが形成されているが、後述するネジ58の螺合によってタッピングされるものであってもよい。
スタッド52は、例えばSUS材であり、接近部46bb,46cbに圧入されている。つまり、スタッド52はフレーム46を介してベーパーチャンバ36の上面36dに固定されている。図4から明らかなように、4つのスタッド52はCPU30が当接する矩形部の四隅の近傍に設けられている。フレーム46は、ベーパーチャンバ36を補強する機能と、スタッド52を介してマザーボード24に固定する機能とを有している。
図5は、筐体14の模式断面図である。図6は、ベーパーチャンバ36およびCPU30とその周辺部の一部断面斜視図である。
図5、図6に示すように、マザーボード24の裏面24bには補強枠54が固定(例えば粘着テープによる)されている。補強枠54は、例えば金属板を打ち抜き加工したものである。補強枠54は矩形であって、その内側矩形はCPU30の外側矩形にほぼ等しい。補強枠54は透過平面視でCPU30を囲うように配置されている。そして、ベーパーチャンバ36の上面36dがCPU30に対して受熱板30bを介して当接する。受熱板30bは、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属で形成されたプレートである。
マザーボード24には4つの取付孔56が形成されている。補強枠54の四隅には取付孔56と連通する位置に貫通孔54aが形成されている。それぞれ4つの貫通孔54aおよび取付孔56は、スタッド52のネジ穴52aに対応した位置に設けられている。スタッド52とマザーボード24とは4つのネジ58によって固定される。つまり、ネジ58のネジ部が貫通孔54aおよび取付孔56を通ってスタッド52に螺合することによってヘッド58aが補強枠54を介して裏面24bを押圧し、マザーボード24とベーパーチャンバ36とが固定される。表面24aとスタッド52の端面との間にはわずかに隙間が確保されている。したがって、ネジ58の締め付け具合によってCPU30とベーパーチャンバ36との接触圧力を十分に高くすることができる。
補強枠54とネジ58のヘッド58aとの間にはスプリング60が設けられている。スプリング60は、ネジ58を取り外す際に、スタッド52から抜けやすくする作用と、スプリングワッシャとしての作用がある。ネジ58は補強枠54に対する抜け止めの機能が設けられていてもよい。
このように、本実施形態にかかる電子機器10では、ネジ58がマザーボード24の裏面24bから取付孔56を通って表面24a側に抜けて、さらにスタッド52に螺合することによってベーパーチャンバ36が固定されている。スタッド52はベーパーチャンバ36における一方の面である上面36dに設けられている。ネジ58は上方から螺入され、しかもその先端は上面36dに当接しない長さとなっている。
したがって、ベーパーチャンバ36はネジ58が当接しまたは貫通することがなく、該ネジ58のための貫通孔や凹部などを設ける必要がない。これにより、ベーパーチャンバ36はほぼ全面にわたって一定の厚みを確保することができ、性能ロスがなく、冷却作用を有効に利用することができる。ベーパーチャンバ36はネジ58が通る貫通孔がないため平板状であり、仮に対象となる発熱体がCPU30とは異なる位置にある場合にはフレーム46だけを適合するものに代えれば足りる。ベーパーチャンバ36は貫通孔がない単純形状であり、製造コストを抑制することができる。
設計上、スタッド52を設ける位置には自由度があってCPU30の四隅近傍に配置可能である。本実施形態では、スタッド52、ネジ58および取付孔56はそれぞれ4つ設けられ、CPU30の四隅の近傍位置に設けられていることから、ベーパーチャンバ36とCPU30とを適度に強い圧力で接触させることができて伝熱性を向上させることができる。また、マザーボード24の裏面24bには補強枠54が設けられていることから、ネジ58を強く螺合させてもマザーボード24が変形することがない。
上記のとおり、筐体14の上面であるカバー部材14Aにはキーボード20が設けられており、該カバー部材14Aは下面が開口した略バスタブ形状を有する。キーボード20はカバー部材14Aのバスタブ形状部分に対して着脱可能となっている。図5に示すように、マザーボード24は裏面24bが上側となるように設けられ、ネジ58のヘッド58aは、キーボード20が取り外された状態で筐体14の上方に露呈するように構成されている。つまり、各ネジ58のヘッド58aはカバー部材14Aにおけるバスタブ形状部の開口部62から操作可能になっている。
電子機器10の組み立て工程では下面のカバー部材14Bを取り外しておき、CPU30が実装されたマザーボード24をカバー部材14Aに固定し、その後ベーパーチャンバ36を所定位置に位置決めして、ネジ58を開口部62から操作してスタッド52に螺合させればよい。さらにその後、カバー部材14Aに対してカバー部材14Bとキーボード20とを取り付けることにより筐体14が組み立てられる。
ベーパーチャンバ36を含む冷却モジュール22は、構造上でやや脆弱な箇所を含み得るが、カバー部材14Aに固定されて安定しているマザーボード24に対して後から取り付けることで組み立て工程上での損傷を防ぐことができる。また、マザーボード24の裏面24bが上側になっている場合、開口部62が設けられていることによりネジ58の操作が可能である。開口部62はキーボード20によって覆われ、ユーザーから視認されることはない。組み立て工程における条件によっては、ベーパーチャンバ36をマザーボード24に対してネジ58で固定した後に、該マザーボード24をカバー部材14Bに取り付けてもよい。
なお、本実施形態にかかる電子機器10では、ベーパーチャンバ37(図3参照)はレイアウトなどの設計条件に基づいてベーパーチャンバ36とは異なる固定手段を採用している。設計条件によってはベーパーチャンバ37とサブボード25との固定手段についても、ベーパーチャンバ36とマザーボード24との間の固定構造と同様にしてもよい。ベーパーチャンバ36,37が冷却する対象はCPU30.GPU31に限らず他の発熱体であってもよい。
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
12,14 筐体
14A,14B カバー部材
20 キーボード
24 マザーボード(基板)
24a 実装面(表面)
24b 裏面
30 CPU(発熱体)
36 ベーパーチャンバ
36d 上面
36e 下面
46,47 フレーム
46b,46c フレームバー
46a 枠部
46ba,46ca 平行部
46bb,46cb 接近部
52 スタッド
54 補強枠
54a 貫通孔
56 取付孔
58 ネジ
58a ヘッド
60 スプリング
62 開口部

Claims (5)

  1. 電子機器であって、
    筐体と、
    前記筐体内に設けられて表面に発熱体が実装された基板と、
    2枚の金属プレートの間に形成した密閉空間に作動流体を封入したプレート型のベーパーチャンバと、
    前記ベーパーチャンバの一方の面に固定されたスタッドと、
    前記スタッドと前記基板とを固定するネジと、
    を備え、
    前記発熱体は、前記ベーパーチャンバの前記一方の面に対して熱的に接続され、
    前記基板には取付孔が形成されており、
    前記ネジは、前記基板の裏面から前記取付孔を通って前記スタッドに螺合されていることを特徴とする電子機器。
  2. 請求項1に記載の電子機器において、
    前記発熱体は矩形であり、
    前記スタッド、前記ネジおよび前記取付孔はそれぞれ4つ設けられ、前記発熱体の四隅の近傍位置に設けられていることを特徴とする電子機器。
  3. 請求項2に記載の電子機器において、
    前記ベーパーチャンバの前記一方の面には2本のフレームバーが設けられており、
    前記フレームバーはそれぞれ、
    前記発熱体の平行する2つの縁に沿って延在する平行部と、
    前記平行部からさらに両方向に延在していて、2本の間隔を狭める向きに寄った接近部と、
    を備え
    前記スタッドは前記接近部に設けられていることを特徴とする電子機器。
  4. 請求項2または3に記載の電子機器において、
    前記基板における裏面には前記発熱体の外形に沿った補強枠が設けられ、
    前記補強枠には前記取付孔と連通し、前記ネジが通る貫通孔が形成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において、
    前記筐体の上面には着脱可能なキーボードが設けられ、
    前記基板は裏面が上側となるように設けられ、
    前記ネジのヘッドは、前記キーボードが取り外された状態で前記筐体の上方に露呈することを特徴とする電子機器。
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