特許 7294762 電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-12

(45)【発行日】2023-06-20

(54)【発明の名称】電子機器

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20230613BHJP

   H01L 23/467 20060101ALI20230613BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20230613BHJP

   G06F 1/20 20060101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 G

H01L23/46 C

H01L23/36 D

H01L23/36 Z

G06F1/20 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019046070

(22)【出願日】2019-03-13

(65)【公開番号】P2020150124

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-02-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】寺岡 宏敏

(72)【発明者】

【氏名】長葭 友之

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－０６８３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０７０１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３２７２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５８４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５８－１５８４４６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０００６０２８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５０５１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実開平０４－０１３９８２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－１５７６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５２６７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／３４－２３／４７３

Ｇ０６Ｆ １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体と、
回路基板と、を備える電子機器であって、
前記回路基板の一表面には、電子部品を有するモジュールが実装されており、
前記モジュールには、複数のフィン構造を有する放熱部品が取り付けられており、
両端に取り付け部を有する流路構成部品をさらに含み、前記流路構成部品は、前記取り付け部の一端が前記回路基板の前記一表面に取り付けられるとともに前記取り付け部の他端が前記放熱部品に取り付けられることで前記モジュールの周囲を覆っており、
前記流路構成部品は金属からなり、当該金属は、少なくとも前記回路基板に実装された前記電子部品と近接する部分で、その表面を絶縁材料で被覆されており、
前記モジュール、前記放熱部品、および前記流路構成部品が搭載された前記回路基板が、前記筐体の１つの面に沿って配置されて前記筐体に収容される、電子機器。

【請求項2】

前記絶縁材料は、樹脂材料からなる、請求項１に記載の電子機器。

【請求項3】

前記樹脂材料は、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、及びＰＥＥＫ樹脂のうちの、少なくとも１つを含む、請求項２に記載の電子機器。

【請求項4】

前記絶縁材料は、セラミック材料からなる、請求項１に記載の電子機器。

【請求項5】

前記絶縁材料は、空気よりも高い絶縁性を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子機器。

【請求項6】

前記流路構成部品の前記取り付け部の金属部分が、前記放熱部品と接するように固定部品により機械的に取り付けられる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子機器。

【請求項7】

前記筐体は、排気装置に覆われた排気口と、前記排気口の反対側に設けられた吸気口と、を含み、前記吸気口から外気が導入され、前記筐体内で前記外気が暖められ、前記排気装置が、前記暖められた外気を前記排気口から前記筐体の外に排気する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子機器。

【請求項8】

前記筐体、前記回路基板、及び前記流路構成部品で囲まれた部分が、前記吸気口から前記排気口へ流れる気体の流路を構成し、前記放熱部品は前記流路内に突出して配設されている、請求項７に記載の電子機器。

【請求項9】

前記流路構成部品は、前記放熱部品の前記フィン構造の間を通過する前記気体の流速を速くする、請求項８に記載の電子機器。

【請求項10】

前記流路構成部品を構成する前記金属は、前記回路基板及び前記放熱部品のそれぞれとの取り付け部分を除いて、その表面を前記絶縁材料で覆われている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流路構造を備える電子機器に関し、特に、絶縁材料で被覆された流路構成部品により構成された流路構造を備える電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

種々の電子部品を搭載する電子機器は、動作時に熱を発生する発熱素子を多数含み、これらを冷却するために、発熱素子に取り付けられた放熱部品、及び強制排気装置を用いた空冷機構を備えている。しかしながら、電子部品の実装の高密度化に伴い機器の小型化が進展し、電子機器内部における発熱密度は高くなる一方である。このことから、高密度実装された発熱素子を十分に冷却するために、更に、効率のよい冷却構造が求められている。

【0003】

この種の効率化された冷却構造としては、強制排気装置により生じる冷却空気の流れに沿って放熱部品及び発熱素子を配置する技術がある（引用文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－３５４９５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の冷却技術では、排気装置による空気の流れに沿って、発熱素子及び放熱部品を整列して配置することが求められ、筐体内に収納される電子部品やモジュールを設置する位置に制約が生じ、電子機器の更なる小型化には不向きである。

【0006】

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電子部品が高密度実装されて発熱密度が高い電子機器において、薄い肉厚でも十分な機械的強度を有し、且つ隣接する電子部品との高い電気的絶縁性を実現する部品を用いて、その電子機器のより効率的な冷却を実現するための、冷却空気の流れを制御する流路構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様の電子機器は、筐体と、筐体に収納され、回路基板に実装された電子部品を有するモジュールと、モジュールに取り付けられ、複数のフィン構造を有する放熱部品と、回路基板及び放熱部品のそれぞれに取り付けられ、モジュールの周囲を覆う流路構成部品と、を備え、流路構成部品は金属からなり、当該金属は、少なくとも回路基板に実装された電子部品と近接する部分で、その表面を絶縁材料で被覆されている。

【0008】

本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、絶縁材料は、樹脂材料からなる。

【0009】

本発明の第３の態様によれば、上記第２の態様において、樹脂材料は、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、及びＰＥＥＫ樹脂のうちの、少なくとも１つを含む。

【0010】

本発明の第４の態様によれば、上記第１の態様において、絶縁材料は、セラミック材料からなる。

【0011】

本発明の第５の態様によれば、上記第１の態様乃至上記第４の態様のいずれか１つにおいて、絶縁材料は、空気よりも高い絶縁性を有する。

【0012】

本発明の第６の態様によれば、上記第１の態様乃至上記第５の態様のいずれか１つにおいて、流路構成部品は、前記放熱部品と機械的に取り付けられる。

【0013】

本発明の第７の態様によれば、上記第１の態様乃至上記第６の態様のいずれか１つにおいて、筐体は、排気装置に覆われた排気口と、排気口の反対側に設けられた吸気口と、を含み、吸気口から外気が導入され、筐体内で外気が暖められ、排気装置が、暖められた外気を排気口から筐体の外に排気する。

【0014】

本発明の第８の態様によれば、上記第７の態様において、筐体、回路基板、及び流路構成部品で囲まれた部分が、吸気口から排気口へ流れる気体の流路を構成し、放熱部品は流路内に突出して配設されている。

【0015】

本発明の第９の態様によれば、上記第８の態様において、流路構成部品は、放熱部品のフィン構造の間を通過する気体の流速を速くする。

【0016】

本発明の第１０の態様によれば、上記第１の態様乃至上記第９の態様のいずれか１つにおいて、流路構成部品を構成する金属は、回路基板及び放熱部品のそれぞれとの取り付け部分を除いて、その表面が絶縁材料で覆われている。

【発明の効果】

【0017】

本発明の電子機器によれば、電子部品が高密度実装されて発熱密度が高い電子機器において、薄い肉厚でも十分な機械的強度を有し、且つ隣接する電子部品との高い電気的絶縁性を実現する部品を用いて、その電子機器のより効率的な冷却を実現するための、冷却空気の流れを制御する流路構造を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の電子機器の一実施形態の斜視図である。

【図2】本発明の電子機器の一実施形態の斜視図である。

【図3】本発明の電子機器の一実施形態の排気装置が設置された側面図である。

【図4】本発明の電子機器の一実施形態の吸気口が配置された側面図である。

【図5】本発明の電子機器の一実施形態の内部の斜視図である。

【図6】本発明の電子機器の一実施形態の内部の斜視図である。

【図7】本発明の電子機器の一実施形態の側方から見た内部構造を示す図である。

【図8】本発明の電子機器の一実施形態に含まれるモジュールの拡大図である。

【図9】本発明の電子機器の一実施形態の冷却風の流路を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。

【0020】

図１及び図２は、本発明の電子機器の一実施形態の斜視図である。電子機器１は、直方体形状の筐体２を有し、その１つの側面には２つの排気口が設置され、それらの排気口のそれぞれを覆う２つの排気装置３が設置されている（図１）。そして、当該１つの側面と対向して反対側に位置する、別の側面には吸気口５が設置されている（図２）。

【0021】

排気装置３が設置された側面図を図３に示す。この側面の左側に２つの排気装置３が上下に並べて設置されている。これらの排気装置３は、例えば電動ファンであり、筐体２に開口された２つの排気口を通して、筐体２の内部の空気を排気することができる。

【0022】

排気装置３に覆われた排気口４に対向する位置に、吸気口５が設置されている（図４）。排気装置３が稼働して筐体２の内部の空気を排気口４から排気すると、筐体２に生じる圧力傾斜により反対側にある吸気口５から外気が筐体２の内部に導入される。この外気は筐体２の内部全体を通って排気口４から筐体２の外部へ排気される。このように排気装置３を稼働させることにより、吸気口５から排気口４への空気の流れを発生させることができる。

【0023】

図５～図７には筐体２の内部の構造を示す。図５及び図６はそれぞれ、図１及び図２と同じ方向から見た斜視図であり、図７は、内部の構造を真横から見た図である。

【0024】

筐体２の内部には、筐体２の底面に沿って配置された第１の回路基板１１と、筐体２の上面に沿って配置された第２の回路基板１２が配置され、第１の回路基板１１及び第２の回路基板１２のそれぞれに設置された電子部品やモジュールが収納されている。筐体２の底面には、更に、内部ケース１０が設置されている。

【0025】

第１の回路基板１１には、排気口４側に第１のモジュール２１が設置され、内部ケース１０に隣接して第２のモジュール２２設置されている。また、第１のモジュール２１と第２のモジュール２２の間には、電子部品１４が設置されている。

【0026】

第１のモジュール２１及び第２のモジュール２２は発熱素子を含み、第１のモジュール２１には第１の放熱部品２６が、第２のモジュール２２には第２の放熱部品２７が取り付けられ、各モジュールからの発熱は、各放熱部品に伝導され放熱される。第１の放熱部品２６及び第２の放熱部品２７は、例えば、フィン構造を多数備え、熱伝導性が良好な金属材料により構成することができる。

【0027】

第２の回路基板１２には、吸気口５側に第３のモジュール２３が設置され、排気口４側に第４のモジュール２４及び電子部品２５が配置されている。また、第３のモジュール２３と第４のモジュール２４の間には、３つの電子部品１５、１６、１７が設置されている。これら、２つのモジュール及び３つの電子部品はいずれも、筐体２の上面に沿って設置されている第２の回路基板１２から、筐体２の内部の中央に向かって突出して設置されている。

【0028】

第３のモジュール２３及び第４のモジュール２４は発熱素子を含み、第３のモジュール２３に第３の放熱部品２８が、第４のモジュール２４に第４の放熱部品２９が取り付けられ、それぞれのモジュールからの発熱は各放熱部品に伝導され放熱される。第３の放熱部品２８及び第４の放熱部品２９は、例えばフィン構造を多数備え、熱伝導性が良好な金属材料により構成することができる。

【0029】

第１のモジュール２１の、排気口４側に面する側面を、第１の放熱部品２６から第１の回路基板１１に亘って延在するように取り付けられた第１の流路構成部品３１により覆う。そして、第１のモジュール２１の他の側面を覆うように、第２の流路構成部品３２の両端のそれぞれが、第１の放熱部品２６及び第１の回路基板１１に取り付けられている。第１のモジュール２１の側面は、その全体を、第１の流路構成部品３１及び第２の流路構成部品３２で覆われて、第１の放熱部品２６だけが筐体２の内部に露出した構造となっている。

【0030】

又、第２のモジュール２２と内部ケース１０との間は、第２の放熱部品２７から内部ケース１０に亘って延在するように取り付けられた第３の流路構成部品３３で覆っている。そして、第２のモジュール２２の他の側面は、第２の放熱部品２７及び第１の回路基板１１に、その両端を取り付けられた第４の流路構成部品３４で覆われている。これらにより、第２のモジュール２２は、その側面の全体を、第３の流路構成部品３３及び第４の流路構成部品３４で覆われて、第２の放熱部品２７だけが筐体２の内部に露出した構造となっている。

【0031】

更に、第３のモジュール２３の吸気口５側に面した側面を、第３の放熱部品２８及び第２の回路基板１２に、その両端を取り付けられた第５の流路構成部品３５により覆う。そして、第３のモジュール２３の他の側面を覆うように、第６の流路構成部品３６の両端が、それぞれ第３の放熱部品２８及び第２の回路基板１２に取り付けられている。第３のモジュール２３の側面は、その全体を、第５の流路構成部品３５及び第６の流路構成部品３６で覆われて、第３の放熱部品２８だけが筐体２の内部に露出した構造となっている。

【0032】

更に、第４のモジュール２４の排気口４側に面した側面を、第４の放熱部品２９及び第２の回路基板１２に、その両端を取り付けられた第７の流路構成部品３７により覆う。そして、第４のモジュール２４の他の側面を覆うように、第８の流路構成部品３８の両端が第４の放熱部品２９及び第２の回路基板１２に取り付けられている。第４のモジュール２４の側面は、その全体を、第７の流路構成部品３７及び第８の流路構成部品３８で覆われて、第４の放熱部品２９だけが筐体２の内部に露出した構造となっている。

【0033】

一方、第１の回路基板１１に設置された電子部品１４、及び第２の回路基板１２に設置された３つの電子部品１５、１６、１７のそれぞれは、その全体が筐体２の内部に露出している。これらは、発熱量が少なく、放熱部品を取り付けなくても加熱することはない部品である。

【0034】

図８は、第４のモジュール２４の拡大図である。第２の回路基板１２に第４のモジュール２４が設置され、第４のモジュール２４には第４の放熱部品２９が取り付けられている。第４のモジュール２４の側面を覆う第８の流路構成部品３８は、この図では省略されている。

【0035】

第７の流路構成部品３７はその両端に、第４の放熱部品２９に取り付けるための取り付け部３２１及び第２の回路基板１２に取り付けるための取り付け部３２２を有し、第４の放熱部品２９及び第２の回路基板１２のそれぞれには、固定部品４０、例えば螺子により固定されている。第７の流路構成部品３７は、第４の放熱部品２９に効率よく冷却風をあてるために、側方整流部３２３を有してもよい。

【0036】

高密度実装がなされた電子機器において、冷却風を整流するための流路構成部品は、狭隘な部分に設置できなければならない。従って、形状加工性に優れ、厚さが薄くても機械的な強度が強く、螺子やボルトなどの汎用的な固定部品を用いて取り付け及び取り外しが容易にでき、且つ放熱部品と接することから熱伝導性が高いことが求められる。例えば、流路構成部品を金属で作成することにより、これらの要件を満たすことができる。

【0037】

但し、金属などの導電材料からなる流路構成部品を設置する場合、近接して配置される電子部品との間（図８の第７の流路構成部品３７と電子部品２５）で、例えば放電により、絶縁破壊を生じる可能性がある。これを防止するためには、流路構成部品と電子部品との間の電位差に対して相応の絶縁距離が必要となる。このことは、電子部品をより高密度で実装して電子機器を小型化したい要求とは相反するため好ましくない。

【0038】

そのため、金属からなる流路構成部品を用いる場合は、その表面を、取り付け部を除いて絶縁材料で被覆することが好ましい。このことにより、流路構成部品と電子部品との間の絶縁距離は非常に小さくすることができ、更に、被覆する絶縁材料の絶縁性に対して流路構成部品と電子部品との間の電位差が十分に小さければ、接触するように設置されてもよい。

【0039】

このような絶縁材料として、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、及びＰＥＥＫ樹脂のような樹脂材料を用いることができる。又、セラミック材料を用いてもよい。いずれにしても、空気よりも絶縁破壊電圧が高く、且つ金属を被覆することができる材料であれば使用することができる。

【0040】

図９には、排気装置３の稼働により、吸気口５から外気５１が吸入され、筐体２の内部を流れて、排気口４から外部に排気される冷却風の流路を示す。排気装置３を稼働することにより、矢印５０に示すように筐体２の内部の暖気が排気され、そのときに生じる圧力傾斜により吸気口５から外気５１が筐体２の内部に導入される。

【0041】

導入された外気５１は、第３の放熱部品２８の中を流れる冷却風７１となる。第５の流路構成部品３５により外気５１は第３のモジュール２３の周囲に回り込むことなく、第３の放熱部品２８に流れ込むように整流（矢印６１）される。又、外気５１の一部は、内部ケース１０と第３の放熱部品２８との間を通過する冷却風５２となる。

【0042】

図５及び図６に示されたとおり、第３の放熱部品２８は、吸気口５から排気口４に向かって流れる冷却風の流れに対して平行な複数のフィン構造を有する。冷却風７１は、これらの複数のフィン構造の間を流れて第３の放熱部品２８を効率よく冷却する。同様に、第１の放熱部品２６、第２の放熱部品２７、及び第４の放熱部品２９のそれぞれも、吸気口５から排気口４に向かって流れる冷却風の流れに対して平行な複数のフィン構造を有する。

【0043】

冷却風５２の多くは、第２の放熱部品２７の中を流れる冷却風７２となる。第３の流路構成部品３３により第２のモジュール２２と内部ケース１０との間が塞がれているので、その間に冷却風が回り込むことはなく（矢印６２）、その全てが第２の放熱部品２７に流入する。そして、冷却風７２は第２の放熱部品２７の中を通過してそれを冷却した後、第１の放熱部品２６に向かう。

【0044】

その冷却風７２の一部は、第１の回路基板１１の方向に矢印６４に示したように回り込んで電子部品１４を冷却する。但し、第１のモジュール２１は第２の流路構成部品３２で、その側面の周囲を覆われ、第２のモジュール２２は第４の流路構成部品３４で、その側面の周囲を覆われているので、それらのモジュールの周囲に冷却風が流れ込むことなく第１の回路基板１１の表面近傍まで回り込んだ流れ（矢印６４）も第１の放熱部品２６に向かう。

【0045】

一方、冷却風５２の一部及び冷却風７１は、筐体２の中央を流れる冷却風５３となり、３つの電子部品１５、１６、１７を冷却する。その一部は、第２の回路基板１２の方向へ回り込む（矢印６３）が、第３のモジュール２３及び第４のモジュール２４のそれぞれの周囲は第６の流路構成部品３６及び第８の流路構成部品３８で覆われているので、冷却風がモジュールの周囲に流れ込むことはない。

【0046】

排気口４側では、排気装置３の稼働により冷却風が筐体２の外部へ排気されている。ここで、第１のモジュール２１の排気口４側の側面は第１の流路構成部品３１で覆われ、第４のモジュール２４の排気口４側の側面は第７の流路構成部品３７で覆われている。従って、筐体２の内部の空気は、第１の放熱部品２６を流れる冷却風７４、第４の放熱部品２９を流れる冷却風７３、及び第１の放熱部品２６と第４の放熱部品２９の間を流れる冷却風５４のいずれかとなって排気口４から排気される。

【0047】

このように、吸気口５から導入された外気は、筐体２内の各々の放熱部品及び各々の電子部品を冷却することにより暖められ暖気となり、その暖気は排気口４を通って、排気装置３により、筐体２の外部へ排気される。

【0048】

又、吸気口５から排気口４に流れる気体（冷却風）が流れる経路（流路）は、筐体２の側壁、第１の回路基板１１及び第２の回路基板１２、並びに第１の流路構成部品３１～第８の流路構成部品３８のそれぞれで囲まれた領域である。そして、その流路内には、各々の放熱部品が突出して配設され、放熱部品はそれぞれ冷却風の流れに平行な複数のフィン構造を有する。

【0049】

更に、排気口４は、筐体２の底面近傍の第１の回路基板１１から、上面近傍の第２の回路基板１２の間全体に亘って排気できる大きさで開口されているが、冷却風の流れは、第１の流路構成部品３１及び第７の流路構成部品３７により整流され、第１の放熱部品２６と第４の放熱部品２９、及びその間からなる、狭い流路に規制される。これにより、第１の放熱部品２６と第４の放熱部品２９の中を通過する冷却風の流速が速くなり、冷却能力を向上している。吸気口５側の第５の流路構成部品３５も同様に、吸気口５から導入される外気を整流して、第３の放熱部品２８の中を通過する冷却風の流速を速くしている。

【0050】

以上説明したとおり、本発明の電子機器によれば、電子部品が高密度実装されて発熱密度が高い電子機器において、薄い肉厚でも十分な機械的強度を有し、且つ隣接する電子部品との高い電気的絶縁性を実現する部品を用いて、その電子機器のより効率的な冷却を実現するための、冷却空気の流れを制御する流路構造を提供することができる。

【符号の説明】

【0051】

１ 電子機器
２ 筐体
３ 排気装置
４ 排気口
５ 吸気口
８ コネクタ
１０ 内部ケース
１１ 第１の回路基板
１２ 第２の回路基板
１４、１５、１６、１７、２５ 電子部品
２１、２２、２３、２４ モジュール
２６、２７、２８、２９ 放熱部品
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 流路構成部品
３２１、３２２ 取り付け部
３２３ 側方整流部
４０ 固定部品
５０－５３、６１－６６、７１－７４ 冷却気体の流れ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】