特開 2024-68292 電子機器の冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024068292

(43)【公開日】2024-05-20

(54)【発明の名称】電子機器の冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20240513BHJP

   H01L 23/467 20060101ALI20240513BHJP

   G06F 1/20 20060101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 G

H05K7/20 H

H01L23/46 C

G06F1/20 B

G06F1/20 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178623

(22)【出願日】2022-11-08

(71)【出願人】

【識別番号】000003562

【氏名又は名称】東芝テック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】眞田 強

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AB01

5E322AB04

5E322BA01

5E322BA03

5E322BA04

5E322BB03

5F136CA03

5F136CA11

(57)【要約】

【課題】放熱のための送風を行うファンの風下に障害物がある場合に、良好な放熱性能を得られる電子機器の冷却装置を提供する。
【解決手段】電子機器の冷却装置は、ヒートシンクと、ファンと、偏流リブと、を備える。ヒートシンクは、電子部品の熱を受けるベース部に、複数のフィンが厚さ方向に並んで立てられたものである。ファンは、回転による送風で、前記フィンの間に空気の流れをつくる。偏流リブは、前記ファンの幅方向中央部の送風方向下流側における前記フィンの先端側に位置して当該位置を流れる空気を前記フィンの根元側へ向けて導く斜面を有し、隣り合う前記フィンの間に挿し込まれる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子部品の熱を受けるベース部に、複数のフィンが厚さ方向に並んで立てられたヒートシンクと、
回転による送風で、前記フィンの間に空気の流れをつくるファンと、
前記ファンの幅方向中央部の送風方向下流側における前記フィンの先端側に位置して当該位置を流れる空気を前記フィンの根元側へ向けて導く斜面を有し、隣り合う前記フィンの間に挿し込まれる偏流リブと、
を備える電子機器の冷却装置。

【請求項2】

前記ヒートシンクと前記ファンとを覆い、前記ファンの送風方向上流側の吸気口および下流側の排気口が設けられたダクトをさらに備え、
前記ダクトは、前記排気口からの排気方向を二分する分岐壁を有し、
前記偏流リブは、前記分岐壁と前記ファンとの間に位置し、前記フィンの先端に対向する前記ダクトの内側の面から突出して設けられている
請求項１に記載の電子機器の冷却装置。

【請求項3】

前記分岐壁は、互いの一辺で連続する２つの板状部が前記ファンの送風方向下流側へ向かって互いに離れるように前記送風方向に対して傾斜して構成され、
前記分岐壁の前記ヒートシンクに対向する側の面から、前記分岐壁と前記ヒートシンクとの間隔よりも大きく突出し、最も突出した頂部が鋭角である山型の板状の形状を有し、前記ヒートシンクのフィンの間隔以下の厚さを有し、前記フィンの間に差し込まれる間隔で自身の厚さ方向に複数枚並んで設けられた分岐リブをさらに備える
請求項２に記載の電子機器の冷却装置。

【請求項4】

前記偏流リブの前記斜面は、前記ファンの側から見て、前記分岐リブの頂部と重ならない位置および大きさである
請求項３に記載の電子機器の冷却装置。

【請求項5】

前記偏流リブの前記斜面は、平面または曲面である
請求項１～４のいずれか１項に記載の電子機器の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電子機器の冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＰＣ（Personal Computer、パーソナルコンピュータ）などの電子機器は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等、高温になる部品を含んでいる。そのような部品には、一般に、放熱のためにヒートシンクが取り付けられ、さらには、ヒートシンクの周囲の気体（空気）が適切に流れるよう、ファンおよびダクトが設置され（例えば特許文献１）、ダクトの吸排気孔の位置が定められる。

【0003】

ここで、電子機器の筐体が内蔵するものの量や配置等によっては、ファンの風下に、気体の円滑な通り抜けを妨げる部品（障害物）が配置されることがある。この場合、放熱性能が低下してしまい、好ましくない。

【0004】

また、こういった用途において一般的なファンは、軸流ファン（プロペラファン）であって、その機構の都合上、回転軸の下流側にあたる領域では風速が遅くなりがちである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、放熱のための送風を行うファンの風下に障害物がある場合に、良好な放熱性能を得られる電子機器の冷却装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の電子機器の冷却装置は、ヒートシンクと、ファンと、偏流リブと、を備える。ヒートシンクは、電子部品の熱を受けるベース部に、複数のフィンが厚さ方向に並んで立てられたものである。ファンは、回転による送風で、前記フィンの間に空気の流れをつくる。偏流リブは、前記ファンの幅方向中央部の送風方向下流側における前記フィンの先端側に位置して当該位置を流れる空気を前記フィンの根元側へ向けて導く斜面を有し、隣り合う前記フィンの間に挿し込まれる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、第１の実施形態のダクトの外観の一例を示す斜視図である。

【図2】図２は、ダクトが取り付けられる電子機器の構造の一例を概略的に示す斜視図である。

【図3】図３は、電子機器に設けられた通風孔の一例を示す斜視図である。

【図4】図４は、ダクトの形状を説明する平面図である。

【図5】図５は、ダクトの形状を説明する縦断側面図である。

【図6】図６は、ダクトと排気口付近の部品との位置関係を説明する縦断側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１の実施形態）
実施形態について図面を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の冷却装置２００の外観の一例を示す斜視図である。図２は、冷却装置２００が取り付けられる電子機器１００の構造の一例を概略的に示す斜視図である。ここで、説明の便宜のため、図面には三次元座標系を併せて示した。三次元座標系は、冷却装置２００および電子機器１００の幅方向（左右方向）をＸ軸方向、奥行方向（前後方向）をＹ軸方向、高さ方向（上下方向）をＺ軸方向とした。なお、Ｙ軸の正方向は、電子機器１００の背面側から正面側へ向かう方向であって、Ｙ軸の正方向を「前方」とする。また、Ｚ軸の正方向は下から上へ向かう方向である。

【0009】

まず図１に示すように、冷却装置２００は、ダクト１と、ヒートシンク２と、ファン３とを備える。ダクト１は、略箱型の形状を有し、ヒートシンク２と当該ヒートシンク２に送風するファン３とを覆う。ファン３は、Ｙ軸の負方向（後方）に送風する。ダクト１の、ファン３の送風方向上流側となる位置には吸気口１１が設けられ、下流側となる位置には排気口１２が設けられている。

【0010】

以降、単に上流側と記載したものは、ファン３の送風方向（Ｙ軸の負方向）に基づいた上流側（風上）を意図したものである。同様に、単に下流側と記載したものは、ファン３の送風方向に基づいた下流側（風下）を意図したものである。

【0011】

ヒートシンク２は、発熱する電子部品に取り付けられる。この「発熱する電子部品」は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。ＣＰＵが発する熱はヒートシンク２に伝導し、ヒートシンク２の熱は周囲の気体（空気）に放散される。これにより、ＣＰＵの過熱による誤作動等が防止される。

【0012】

ヒートシンク２は、ベース部２１と複数枚のフィン２２とを備える。ベース部２１は、電子部品が発する熱の伝導を受ける。フィン２２は、ベース部２１の上に、厚さ方向に複数枚並んで、立てて設けられている。複数枚のフィン２２は、互いに所定の間隔をあけて隣り合う。ベース部２１はＣＰＵに接し、ＣＰＵの熱が伝導される。フィン２２は、自身と連続しているベース部２１から伝導する熱を、空中に放散する（放熱）。

【0013】

なお、ヒートシンク２は、所定間隔で層をなすフレーム４１～４３の上に、弦巻バネ４４およびねじ４５で固定される。フレーム４１とフレーム４２との間には、マザーボード１０１（図２参照）が挟まれる。

【0014】

ファン３は、軸流ファンであって、回転軸の周囲に１以上のプロペラを備えるプロペラファンである。ファン３は、回転するプロペラで、空気を連続的に送る。このファン３の回転による送風は、フィン２２の間に空気の流れをつくる。ファン３で送られる空気は、フィン２２やベース部２１が放散する熱を下流側へ運び、放熱を促進する。このようにファン３はヒートシンク２を冷却する。

【0015】

本実施形態においては、ファン３の送風方向上流側から下流側へ向かって、吸気口１１、ファン３、ヒートシンク２、排気口１２の順に、配置されている。ファン３が吸気口１１から取り込んで送る気体（空気）は、ヒートシンク２の主にフィン２２の周囲を流れてフィン２２の熱を奪い、排気口１２から排出される。

【0016】

ダクト１は、ファン３による送風を、ヒートシンク２の放熱に効率的に作用させ、放熱効果を向上させる。具体的には、ダクト１は、ヒートシンク２の周りを囲み、ヒートシンク２を冷却するファン３が送る空気が流れる範囲を区切る。ダクト１内の気体は、ファン３の回転により吸気口１１から取り込まれる気体と入れ替えられ、排気口１２から押し出される。これにより、ヒートシンク２の周囲の気体が速やかに入れ替わる。

【0017】

上述のような冷却装置２００の働きの都合上、排気口１２の風下には、排気を妨げる部品（障害物）は存在しないことが望ましい。しかしながら、冷却装置２００を備える電子機器１００の大きさや内蔵物の配置等によっては、排気口１２の下流側に障害物が配置されることがある。

【0018】

図２に示すように、電子機器１００は、マザーボード１０１、ＣＰＵ１０２、メモリー１０３、ＳＳＤ（Solid State Drive）１０４、ライザーカード１０５、Ｉ／Ｏボードなどの拡張ボード１０６，１０７、筐体１１０を備えている。

【0019】

筐体１１０は、上記各部（マザーボード１０１、ＣＰＵ１０２、メモリー１０３、ＳＳＤ１０４、ライザーカード１０５、Ｉ／Ｏボードなどの拡張ボード１０６，１０７）を収納する。

【0020】

マザーボード１０１は、ヒートシンク２により放熱される電子部品（本実施形態ではＣＰＵ１０２）が実装された基板の一例である。また、メモリー１０３、ＳＳＤ１０４も、動作に応じて発熱する。これらの熱も、ファン３の送風により作られる筐体１１０内の気体の流れで、放散される。

【0021】

拡張ボード１０６，１０７は、マザーボード１０１に直接接続することも可能であるが、その場合、拡張ボード１０６，１０７がマザーボード１０１に直立するため、筐体１１０の高さ方向の寸法を大きくする必要があり、電子機器１００が大型化してしまう。これを防止するためにライザーカード１０５が用いられる。

【0022】

ライザーカード１０５は、拡張ボード１０６，１０７とマザーボード１０１との接続を仲介する。ライザーカード１０５は、拡張ボード１０６，１０７の差し込みを受け付ける１以上のスロットを備え、マザーボード１０１が備えるスロットに差し込まれる。ライザーカード１０５により、拡張ボード１０６，１０７は、マザーボード１０１に直立することなく、マザーボード１０１に略平行に位置し、接続される。これにより、筐体１１０の高さ寸法を抑えることが可能となる。

【0023】

上述のような配置により、拡張ボード１０６，１０７が、ファン３の送風方向において排気口１２よりも下流側に位置している。この場合、仮に排気口１２からの排気方向が後ろ向き（Ｙ軸の負方向）であると、拡張ボード１０６，１０７が排気を妨げる障害物となってしまう。そこで本実施形態では、排気方向が拡張ボード１０６，１０７を避けるよう、構成している。

【0024】

図３は、電子機器１００に設けられた通風孔１６１～１６７の一例を示す斜視図である。なお、この斜視図は電子機器１００を背面側から見たものである。

【0025】

電子機器１００は、ダクト１と、ダクト１に覆われるヒートシンク２およびファン３と、マザーボード１０１と、筐体１１０とを備える。筐体１１０は、マザーボード１０１およびダクト１が収納されるものであり、筐体１１０には、吸排気のための通風孔１６１～１６７が設けられている。

【0026】

筐体１１０は、前カバー１１１、後カバー１１２、Ｉ／Ｏパネル１１３を備えている。前カバー１１１は、筐体１１０の正面を構成するパーツである。前カバー１１１には、通風孔１６１～１６３が設けられている。後カバー１１２は、筐体１１０の背面を構成するパーツである。後カバー１１２には、通風孔１６４，１６５が設けられている。通風孔１６４は、筐体１１０の背面の上部に位置する。通風孔１６５は、筐体１１０の背面の下部に位置する。

【0027】

Ｉ／Ｏパネル１１３は、筐体１１０の背面の一部を構成するものである。Ｉ／Ｏパネル１１３には、通風孔１６６，１６７が設けられている。通風孔１６６，１６７は、筐体１１０の背面の下部に位置する。通風孔１６６は、Ｉ／Ｏボード（拡張ボード１０６，１０７）へのコネクタの差込みを受け付ける開口部である。

【0028】

各通風孔１６１～１６７は、気体（空気）を吸入または排出する。中でも、筐体１１０の背面側に設けられた通風孔１６４～１６６は、主に排気を担当する。

【0029】

本実施形態の電子機器１００においては、ＣＰＵ１０２の後方に拡張ボード１０６，１０７が配置されている。このため、ダクト１の排気口１２は、排気が拡張ボード１０６，１０７を避けるよう、後ろ上方に向かって開口する排気口１２１と、後ろ下方に開口した排気口１２２とに、分岐壁１３および分岐リブ１４によって分けられている（図１参照）。

【0030】

ここで、分岐壁１３および分岐リブ１４の形状について、図４および図５を参照してさらに詳しく説明する。図４は、ダクト１の形状を説明する平面図である。図５は、ダクト１の形状を説明する縦断側面図である。なお、図５の断面位置は、図４に示すＡ－Ａ線の位置である。

【0031】

分岐壁１３は、排気口１２の縁の内側に配置され、排気口１２を排気口１２１と排気口１２２とに二分する。分岐壁１３は、側面視において断面が略Ｖ字型の形状を有し、屈曲部分はヒートシンク２側に突出している。これにより、ヒートシンク２を経た気体の流れ方向が二分される。

【0032】

より詳しくは、分岐壁１３は、２つの板状部１３１，１３２を有している。板状部１３１，１３２は、互いの上流側の辺で連続している。また、板状部１３１，１３２は、下流側ほど互いの距離があくよう、ファン３の送風方向に対して傾斜している。第１の板状部１３１は、気体の流れ方向を斜め上向きに導く。第２の板状部１３２は、気体の流れ方向を斜め下向きに導く。これにより、分岐壁１３は、自身の下流側の一部範囲を避けるよう排気を導き、排気を分岐させる。

【0033】

分岐壁１３が有する２つの板状部１３１，１３２とファン３の送風方向（Ｙ軸の負方向）とがなす角の角度はそれぞれ４５°以上であり、２つの板状部１３１，１３２がなす角の角度は、直角（９０°）或いはそれよりやや大きい程度の鈍角である。この分岐壁１３の角度設定等は、金型の寿命や作りやすさ等が考慮されて、定められる。

【0034】

分岐リブ１４は、分岐壁１３のヒートシンク２側の面に立てられている。また、分岐リブ１４は、複数枚が左右方向に並んで一定間隔で設けられている。より詳しくは、分岐リブ１４は、フィン２２の間に差し込まれる間隔で、自身の厚さ方向に複数枚並んで、設けられている。そして分岐リブ１４は、少なくとも先端部分が、フィン２２の間に差し込まれる。

【0035】

分岐リブ１４は、分岐壁１３のヒートシンク２に対向する側の面から、分岐壁１３とヒートシンク２との間隔よりも大きく突出して設けられている。また、分岐リブ１４は、ヒートシンク２のフィン２２の間隔以下の厚さを有し、略山型の板状の形状を有している。分岐リブ１４の山型の縁の形状は、直線状でもよいし、曲線状でもよい。

【0036】

分岐リブ１４の山型の縁は、送風方向に対して傾斜している。分岐リブ１４の山型の縁と、ファン３の送風方向（Ｙ軸の負方向）とがなす角の角度は、２０～４５°の範囲であると効果的であり、さらに好ましくは３０°程度である。また、最も突出した部分である頂部１４１における山型の角度は、鋭角である。

【0037】

上述の分岐リブ１４の角度設定等は、冷却効果をシミュレーションした結果に基づいて、所望の効果が得られ、且つ金型として設計可能であるよう、定められる。

【0038】

例えば、分岐リブ１４の山型の縁とファン３の送風方向とがなす角の角度は、大きすぎては所望の効果を得られず、所望の効果を得るためには少なくとも４５°以下とすることが望ましい。

【0039】

また、分岐リブ１４の山型の縁とファン３の送風方向とがなす角の角度が小さすぎると（例えば２０°未満であると）、分岐リブ１４の頂部１４１が鋭くなりすぎて金型成形時に充填不良が起こりやすくなってしまうので、好ましくない。さらにこの場合に、根元の高さ方向寸法を十分にとるために分岐リブ１４を長く（頂部１４１から根元までの寸法が大きく）すると、分岐リブ１４が平面視（Ｚ軸負方向視点）において排気口１２１内に収まらなくなり、金型の構造が複雑化する。

【0040】

上述のような不都合を回避して所望の効果を得つつ、充填不良が起こりにくく構造がシンプルな金型で成形可能とするためには、分岐リブ１４の山型の縁とファン３の送風方向とがなす角は、２０°以上４５°以下であることが望ましく、約３０°前後であると好ましい。

【0041】

なお、分岐リブ１４の根元の厚さは、３ｍｍ以下であればヒケが起こりにくく、金型で肉盗みを施す必要がない。また、分岐リブ１４の上下は壁が無いので、通常のキャビティおよびコアで成形可能である。よって、分岐リブ１４の先端は、鋭利な形状とすることができる。

【0042】

図６は、ダクト１と排気口１２（１２１，１２２）付近の部品（拡張ボード１０６，１０７）との位置関係を説明する縦断側面図である。なお、図６の断面位置は、図４に示すＢ－Ｂ線の位置である。ここに示すように、排気口１２１，１２２の排気方向は、付近の部品（拡張ボード１０６，１０７）を避け、それらの周囲を排気が通るように設定される。

【0043】

さてここで図５に戻り、ダクト１は、天面１９に、偏流リブ１５を備えている。天面１９は、ダクト１の内側の面のうち、フィン２２の先端に対向する面である。偏流リブ１５は、ヒートシンク２のフィン２２の間隔以下の厚さを有し、隣り合うフィン２２の間に挿し込まれる。

【0044】

偏流リブ１５は、側面視において略山型の形状を有している。より詳しくは、偏流リブ１５の形状は、天面１９に対して傾斜した斜面１５１と、天面１９に略直立する端面１５２とで頂部１５３を挟んだ山型である。斜面１５１は、ファン３が送る風を受ける。斜面１５１は、側面視における山型の縁を構成するもので、ファン３の送風方向に対して傾斜している。

【0045】

偏流リブ１５は、ファン３の幅方向（Ｘ軸方向）中央部の下流側にあたる位置に、設けられている。当該位置は、本実施形態の構成では、ダクト１の幅方向中央部でもあり、ヒートシンク２のフィン２２の並び方向中央部でもある。また、偏流リブ１５のＹ軸方向の位置は、ファン３と分岐壁１３との間である。

【0046】

偏流リブ１５は、ファン３の回転軸の下流側の領域に位置するフィン２２の、先端側から根元側へ向かって、ダクト１の天面１９から突出している。偏流リブ１５の天面１９からの突出寸法は、ファン３の送風方向下流側ほど大きい。つまりこれにより、斜面１５１は、ファン３の送風口に対し傾斜して対面する。ファン３の外周部から送られる空気は、斜面１５１に沿って流れる。このように斜面１５１により、当該位置の風の向きが導かれ、ファン３の回転軸側へ向けられる。

【0047】

なお、斜面１５１の角度は、冷却効果のシミュレーション等により、所望の効果が得られ且つ金型として設計可能であるよう、定められる。

【0048】

また、偏流リブ１５の突出高さは、ファン３の側から見て（つまりＹ軸の負方向から見て）、頂部１５３が分岐リブ１４の頂部１４１に重ならない程度であると好適と考えられる。これは、仮に、頂部１５３と頂部１４１とがＹ軸の負方向から見て重なっていると、排気口１２１からの排気が妨げられるおそれがあるためである。

【0049】

このような構成において、電子機器１００が通電され稼働すると、ＣＰＵ１０２やＳＳＤ１０４等は発熱して、温度が上昇する。ファン３が稼働し送風することにより、ダクト１および筐体１１０内の気体が流れて換気されるので、ＣＰＵ１０２等の熱が奪われ、それらの過熱が防止される。

【0050】

分岐壁１３および分岐リブ１４は、ヒートシンク２を経て温まり排気口１２から排出される空気の流れ方向を、排気口１２１と排気口１２２とに分ける。シミュレーションによれば、分岐壁１３および分岐リブ１４がなく障害物（拡張ボード１０６，１０７）が影響する場合に比べ、分岐壁１３および分岐リブ１４がある場合の方が、効率よく換気され、ＣＰＵ１０２等の熱上昇が抑えられる。

【0051】

このように、ダクト１によれば、ダクト１の風下に障害物があってもそれを避けて排気させることができるので、電子機器１００の内部に発生する熱を適切に放散することができる。

【0052】

さらに、上述のような冷却装置２００において、ダクト１に設けられた偏流リブ１５が、ファン３の外周部から送られる風を、下向きに導く。軸流ファンの特性として、回転の中心部の下流側の風速は遅く、外側の風速は速い。偏流リブ１５は、ファン３の外周部が送る速い流れを、回転の中心がある側へ向けて導く。これにより、回転軸の下流側あたりに速い流れが足されるので、当該位置の風速を上げることができる。

【0053】

また、発熱する電子部品（ＣＰＵ１０２など）は、一般に、ヒートシンク２の下になる範囲の中央部に位置する。したがって、ヒートシンク２の中央部は、高熱になりやすいと考えられる。にもかかわらず、発熱する電子部品の真上が回転軸の下流側にあたるのでは、当該位置の流速が遅く放熱が捗々しくないと考えられる。このため、本実施形態のように、回転の中心あたりの風速を上げる工作を施すことで、風を効率よく使用することができ、放熱性能を向上させることができる。

【0054】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0055】

１００…電子機器、
１０１…マザーボード、１０２…ＣＰＵ、１０３…メモリー、
１０４…ＳＳＤ、１０５…ライザーカード、１０６，１０７…拡張ボード、
１１０…筐体、１１１…前カバー、１１２…後カバー、
１１３…Ｉ／Ｏパネル、１６１～１６７…通風孔、
２００…冷却装置、
１ …ダクト、１１…吸気口、１２，１２１，１２２…排気口、
１３ …分岐壁、１３１，１３２…板状部、
１４ …分岐リブ、１４１…頂部、
１５ …偏流リブ、１５１…斜面、１５２…端面、１５３…頂部、
１９ …天面、
２ …ヒートシンク、２１…ベース部、２２…フィン、
３ …ファン、
４１～４３…フレーム、４４…弦巻バネ、４５…ねじ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0056】

【特許文献1】特開２００３－２８３１７１号公報

【特許文献2】特開２０２１－１８５５９２号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】