JP4737067B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に搭載され、回路基板に載置された発熱体の冷却に係わり、ファンの旋回流によって発熱体を効率よく冷却するための構成に関するものである。

電子機器は、高性能化、多機能化への進化、発展によって、コンピュータのＣＰＵに代表される半導体素子などの発熱量が急速に増大の方向にあるため、冷却装置の冷却性能が電子機器の性能を左右する状況にある。

電子機器の発熱体の冷却は、図５、図６にみるように、基本的には、発熱体にヒートシンクを付設し、発熱体の熱をヒートシンクに熱伝達、熱伝導させ、ファンによる風をヒートシンクに強制的に通風して、ヒットシンクから風に熱伝達することによって行われている。ファンにおける通風は、自ずと旋回流として送風されるものであることから、冷却装置の冷却性能を上げるためには、旋回流による風の乱流を被冷却体にいかに効率よく通風するかにある。

図５、図６に示す冷却方法は、従来のファンによる通風方法を説明したものであり、例えば、図５に示される通風方法は、比較的小さな被冷却体を冷却するに好適と目されるものであり、発熱体からの吸熱を風の圧力を高めることによって熱伝達効率を高めることを図っている。また、図６に示される通風方法は、比較的大面積を占める被冷却体を冷却するに好適と目され、発熱体からの吸熱を風との熱接触をより多く確保することによって熱伝達効率を高めることを図っている。

さらには、各々の通風方法においても、被冷却体への通風ダクトによる導風方法、および通風ダクトからの噴射方法、また、被冷却体に設けたヒートシンクの材質、および形状、さらには、被冷却体とのファンの配置、およびファンの通風量の増大などによって冷却性能の向上を図ることになる。

これらの送風に関する技術として、通風ダクトによる導風方法の技術が、特許文献１（特開平５−２６７８７４号公報）に開示されている。さらには、ファンにおける旋回流を導風板によって効率よく利用する技術が、特許文献２（特開平１０−１５４８８９号公報）、及び特許文献３（特開２００６−１０４９４３号公報）に開示されている。

また、発熱体のヒートシンクのフィンに風を均一に通風するために旋回流を整流する技術が、特許文献４（特開２００５−１６６９２３号公報）に開示されている。

また、旋回流のショートサーキットを回避し、風を効率よく利用する技術が、特許文献５（特開２００４−１５６８７７号公報）に開示されている。

特開平５−２６７８７４号公報 特開平１０−１５４８８９号公報 特開２００６−１０４９４３号公報 特開２００５−１６６９２３号公報 特開２００４−１５６８７７号公報

上記した従来技術は、ファンによる冷却装置における通風技術に関するものであるが、各々の従来技術には、以下のような解決すべき技術的な課題がある。

特許文献１に開示されている電子装置は、１つの送風ファンにより複数の基板の発熱体を均一に冷却することを目的とするものであり、複数の発熱体に対向して箱体の通風ダクトを設けて導風し、複数の被冷却体の基板に向けて各々のノズルにより加速流を送風する冷却装置を有している。１つのファンによる通風流をチャンバに分散し、複数の基板に対向した各々のノズルにより風を噴射することから、通風のルートが規制されることで風を有効に利用できるメリットを有している。しかしながら、通風ダクトによる電子機器の大型化となるばかりか、冷却性能に関してもチャンバから各々のノズルへの通風量が均一となる保証は無く、各ノズルの位置に対向した発熱体の冷却は、逆に不均一な通風量を受ける可能性を有する問題がある。

特許文献２に開示されている冷却装置は、軸流ファンからの吐出風を螺旋状の導風板によって中央部に導風して、導風板に対向配置されたヒートシンクの中央部より風を通風することで放熱フィンの全面間を確実に通風するようにしたものであり、放熱フィンと風との接触面識を増大するのに有効である。しかしながら、風を1箇所に集合させることから、1つの発熱体を冷却するのに好適なものであるが、逆に複数の発熱体を冷却する必要性がある場合には、被冷却体の数に合わせて冷却装置を搭載する必要性があり、電子機器の大型化になる問題を有している。

特許文献３に開示されている冷却装置は、１つのファンによる旋回風を導風板によって複数の被冷却体を冷却するに適する構造としたものである。２つの被冷却体に対して1つのファンを一方側に偏らせて密閉体内において配置し、導風板によって旋回風を一方向に通流することにより、風を２つの被冷却体に直列に通風可能としたものである。しかしながら、この通風は、一方の発熱体により熱伝達されて温められた風を他方の発熱体の風とするために、２つの被冷却体の冷却性能に差異を有することになる。よって、発熱量の異なる被冷却体においてのみ有効な冷却装置であり、搭載可能な電子機器が限定されることになる問題を有している。

特許文献４に開示されている冷却装置は、ファンによる風をヒートシンクのフィンに均一に送風して冷却性能を向上させる構成のものである。ヒートシンクのピンフィンと平行フィンをファンに対し直列に配置し、ファンよりの旋回風をピンフィンにより整流化して、平行フィンに平行に通風したものである。風を整流化することにより、フィン間の流量と流速を均一にすることで、一様な放熱性能による冷却性能の向上を図るようにしている。しかしながら、フィンが異なる形状のものであるために、ヒートシンクとしての形成が複雑化し，加工方法が限定され、製造コスト的に増大する懸念を有している。

特許文献５に開示されている熱交換器は、熱交換器に通風した風がショートサーキットして熱交換器に戻ることのないようにして熱交換性能の向上を図っているものである。放熱器を電子機器等の筐体壁に対して所定の角度を持って設置し、放熱器を通風した風が一方向に通風される構成としている。しかしながら、放熱器を筐体の外部で傾斜して配置するため、占有するスペースファクタを悪化させるなどの問題を有することになる。

本発明の冷却装置は、上記した問題点を解決するためのものであり、ファンによる旋回流を整流する特別なフィン形状のヒートシンクや導風板を設けることなく、低コストで、かつ薄型、小型の構成を可能としながら、複数の発熱体に対しても効率の良い冷却を行うに適する冷却装置を提供することにある。

本発明の電子機器は、ファンの冷却風によって発熱体を冷却する電子機器において、前記電子機器は、前記発熱体を載置する回路基板と、該回路基板に対向配置されたファンとを有し、前記回路基板は、該ファンの回転平面と略平行に対向配置される第１の基板面と、該第１の基板面に延設され回動自在な折れ曲がり部を介して前記第１の基板面に対し所定の角度で傾斜された第２の基板面を有しており、前記発熱体は、前記回路基板の前記第２の基板面に載置されてなり、前記ファンからの冷却風が前記第２の基板面の前記ファンに近い位置から遠い位置に向けて導風され、該導風された冷却風によって前記第２の基板面に載置された前記発熱体を冷却することを特徴としている。

さらには、回路基板の第２の基板面の傾斜角度は、発熱体の発熱温度、およびファンの通風量に応じて異なる角度で設定される。

さらには、回路基板の第１の基板面は、ファンの中心部において構成され、第２の基板面はファンの周辺部を含んで複数個構成され、第２の基板面に載置する発熱体の複数個をファンによって冷却可能としている。

本発明により、ファンよるの旋回流の風を導風、あるいは整流するための専用の通風用構造物を設けることなく、発熱体を効率良く冷却できる。また、複数個の発熱体に対しても均一に効率良く冷却が可能であり、薄型，小型で、低コストで高性能な電子機器を提供できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照にして説明する。

図１は、本発明の電子機器の正面図である。

電子機器１は、回路基板２、および電源等を搭載している。回路基板２には、発熱体３である半導体素子等を載置しており、この発熱体３を冷却するためにファン４により風を通風する冷却装置を有している。ファン４は、電子機器１の筐体の外部より風を取り込んで、回路基板２に載置された発熱体３に向けて送風する。発熱体３に送風された風は、発熱体３から熱伝達により熱を受熱して、発熱体３を冷却する。発熱体３の熱を受熱した風は、電子機器１の外部に放出されるか、通風により筐体等に熱伝達して放熱される。

ここで、本発明の回路基板２に載置された発熱体３をファン４によって冷却する方法を詳細に説明する。図２及び図３は、本発明の電子機器１における回路基板２に載置された発熱体３を冷却するための実施形態を示す概略図である。図２は、半導体素子のような比較的小さな形状の発熱体３がファン４に対して限られた領域で対向載置されている電子機器１において、その発熱体３を冷却するに対応されたものであり、図３は、半導体素子のような発熱体３が複数個載置されており、ファン４によって冷却すべき対象が比較的広い範囲に及ぶような電子機器１において、その発熱体３を冷却するに対応されたものである。

図２、図３の各実施形態において、回路基板２は、ファン４と略並行に配置される第１の基板面２１と、第１の基板面２１に延在して設けられた折れ曲がり可能にフレキシブルに形成された回動部材２３を介して第１の基板面２１と所定の傾斜角（α度、β度）を有して設置される第２の基板面２２とを有している。

図２は、第２の基準面２２を１つのみ設けた実施形態であり、図３は、４つの第２の基準面２２を設けた実施形態を示したものである。各々の第２の基板面２２には、披冷却体である発熱体３を載置している。すなわち、第２の基準面２２は、載置される被冷却体の数に基づいて、必要数を任意に設定されるものである。

ファン４は、電子機器１の外部より吸引した風を図中の白抜きの矢印で示さすように通風して、回路基板２の第２の基板面２２に載置された半導体素子である発熱体３に送風している。発熱体３は、冷却のために風との熱伝達面積を拡大するために一般的なフィンを含むヒートシンク（図示せず）を発熱体３に一体的に設けていることが好ましい。

さらには、発熱体３からの熱を風に熱伝達により受熱させるには、風への熱伝達率を向上する通風方法が好ましい。そのためには、ヒートシンクのフィンにおける熱接続面積を拡大すると共に、発熱体３に送風する風の流速や圧力を増加させることが好ましい。

ここで、風の風速（風量）及び圧力（静圧）について説明する。図４は、ファン４における風の風量と静圧の特性を概念的に示した図である。図４において、横軸は風量：Ｑ（ｍ²／ｍｉｎ）を示し、縦軸は静圧：Ｐ（Ｎ／ｍ²）を示す。グラフ（イ）、及びグラフ（ロ）は、同一の駆動力を有しながら異なる形状の翼によるファンの風量・静圧特性を示したものである。グラフ（イ）は、比較的投影面積の小さな翼によるファン４の特性を示しており、風量が少ない割には、圧力が高い送風がなされるものである。グラフ（ロ）は、比較的投影面積の大きな翼によるファン４の特性を示し、送風の圧力はあまり高くないが、多くの風量を送風できるものである。グラフ（イ）、（ロ）どちらのファン４においても、風量を増加させるには静圧を低減させる必要があり、静圧を高めると風量が抑制されることを示している。

ここで、再び、図２及び図３に戻り、各実施形態における発熱体３の冷却の状態を説明する。前述したように、図２の実施形態においては、被冷却体は、回路基板２に載置された半導体素子のような比較的小面積の発熱体３を想定している。図３の実施形態においては、被冷却体は、半導体素子のような発熱体３を複数個冷却することを想定している。ともに、被冷却体の発熱体３を載置する回路基板２とファン４は、電子機器１の小型、薄型化を図るために対向して直面させている。これにより、ファン４による風は、導風板を設置することなく、発熱体３に直接送風される。

ここで、回路基板２の発熱体３を載置した第２の基板面２２は、ファン４の回転平面に対して所定の角度（α度、及びβ度）傾斜して設定されることにより、ファン４より送風される風が、第２の基板面２２の傾斜面のファン４に近い部分から、ファン４に遠く位置される方向に向けて導風される。よって、発熱体３を第２の基板面の傾斜終端近傍位置に載置することによって、ファン４の風がほとんど漏れなく通風されることになり、効率の良い風の通風が実現できる。

ここで、図２及び図３の実施形態において使用されるファン４は、図４のグラフ（イ）（ロ）の特性を含む種々のファンから最適な風量静圧特性を有するものを選択されることが好ましい。また、第２の基板面２２の傾斜角（α度、β度）もファン４の選定を基に最適な角度を選定されることが好ましい。

すなわち、図２に示される実施形態においては、限られた領域に載置された発熱体３を冷却する方法であり、風を集中的に通風するに適する図４のグラフ（イ）に示される方向のファン４を設定されることが好ましいといえる。

この場合、第２の基板面２２の傾斜角（α度）を大きく設定して風の通風を容易にして静圧Ｐを下げても風量の増加量変化が大きくないため、第２の基板面２２の傾斜角は、小さめに設定し、風の噴射圧力による冷却を主体にした冷却方法を設定することで冷却性能を向上させることになる。

一方、図３に示される実施形態においては、被冷却体の発熱体３が比較的広い範囲に広がっているため風の風量を多く通風できるに適した図４のグラフ（ロ）に示される方向のファン４を設定されることが好ましいといえる。この場合、第２の基板面２２の傾斜角（β度）は、静圧Ｐを下げることにより風量を大きく増加させることができることから第２の基板面２２の傾斜角は大きめに設定し、風の風量による冷却を主体にした冷却方法を設定することで冷却性能を向上させることになる。

ここで、図２及び図３の実施形態における回路基板２の第２の基板面２２の第１の基板面２１の対する傾斜角度（α度、β度）は予め異なる最適な傾斜角度（α度＜β度）で設定され、図示しない保持部材等により保持されて、各々の電子機機１に搭載されるものである。しかし、発熱体の発熱変動の大きな電子機器においては、発熱体３の最適な冷却を行うため第２の基板面２２の傾斜角度を発熱量の増減変化等に応じて、第２の基板面を自動的に変化させることも可能である。この場合には、発熱体の発熱を検出する温度センサや、第２の基板面２２を回動する駆動部材や、温度センサによる駆動部材を制御する制御手段等を設けることは言うまでもないことである。

このような発熱体の発熱状態に応じて冷却装置を最適な状態に制御可能とすることによって、電子機器の省電力化等も実現できるものである。

本発明の電子機器を示す正面図である。 本発明の電子機器による発熱体の冷却の実施形態を示す概略図である。 本発明の電子機器による発熱体の冷却の他の実施形態を示す概略図である。 ファンにおける風の風量と静圧の特性を概念的に示した図である。 従来の発熱体のファンによる冷却の実施例を示す図である。 従来の発熱体のファンによる冷却の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１…電子機器、２…回路基板、２１…第１の基板面、２２…第２の基板面、２３…回動部材、３…発熱体、４…ファン

Claims (3)

1. ファンの冷却風によって発熱体を冷却する電子機器において、
   前記電子機器は、前記発熱体を載置する回路基板と、該回路基板に対向配置されたファンとを有し、
   前記回路基板は、該ファンの回転平面と略平行に対向配置される第１の基板面と、前記第１の基板面に延設され回動自在な折れ曲がり部を介して前記第１の基板面に対し所定の角度で傾斜された第２の基板面を有しており、
   前記発熱体は、前記回路基板の前記第２の基板面に載置されてなり、
   前記ファンからの冷却風が前記第２の基板面の前記ファンに近い位置から遠い位置に向けて導風され、該導風された冷却風によって前記第２の基板面に載置された前記発熱体を冷却することを特徴とした電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記回路基板の第２の基板面の傾斜角度は、前記発熱体の発熱温度、および前記ファンの通風量に応じて異なる角度で設定されることを特徴とする電子機器。
3. 請求項１または２に記載の電子機器において、
   前記回路基板の第１の基板面は、前記ファンの中心部において構成され、前記第２の基板面は前記ファンの周辺部を含んで複数個構成され、前記第２の基板面に載置する前記発熱体の複数個を前記ファンによって冷却可能としたことを特徴とする電子機器。

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