JP2002118386A - 電子装置 - Google Patents

電子装置

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JP2002118386A
JP2002118386A JP2000305950A JP2000305950A JP2002118386A JP 2002118386 A JP2002118386 A JP 2002118386A JP 2000305950 A JP2000305950 A JP 2000305950A JP 2000305950 A JP2000305950 A JP 2000305950A JP 2002118386 A JP2002118386 A JP 2002118386A
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heat generating
electronic device
cooling
generating member
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JP2000305950A
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Shigehiro Tsubaki
繁裕 椿
Takahiro Oguro
崇弘 大黒
Yoshito Hayashi
義人 林
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却効率を向上することができる電子装置を提
供することにある。 【解決手段】基板12には、複数の発熱部材である半導
体素子20,22,24,26が搭載されている。半導
体素子20,22,24,26の上部には、バイパス流
路40が設けられている。バイパス流路40の流出口4
4,46は、冷却風の流れ方向において、半導体素子2
4,26の上流側に開口していて、冷却風を半導体素子
24,26に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子などの
発熱部材が実装された電子装置に係り、特に、実装され
た半導体素子等の発熱部材を冷却するに好適な電子装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の電子装置の冷却構造としては、例
えば、特開平3−250880号公報に記載されている
ように、発熱量の大きい半導体素子と発熱量の小さい半
導体素子が混在されている電子装置の基板内部の風量分
布を制御するために、発熱量の小さい半導体の上流側
に、冷却抵抗板を設けるものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電子装置の冷却構造では、冷却抵抗板の下流側で、冷却
風が発熱量の小さい半導体素子に流れ込み、冷却効率が
低下するという問題があった。また、冷却風が、半導体
素子の上部を通過することにより、冷却効率が低下する
という問題があった。
【0004】本発明の目的は、冷却効率を向上すること
ができる電子装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、複数の発熱部材が搭載された基板と、こ
の配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却す
るファンとを有する電子装置において、上記基板に搭載
された発熱部材の上部に取り付けられ、その内部を冷却
流体が流通するとともに、上記冷却流体の流れの方向に
おいて上記発熱部材の上流側に開口した流出口を有する
流体通路を備えるようにしたものである。かかる構成に
より、冷却流体を効率的に発熱部材に供給して、発熱部
材に対する冷却効率を向上し得るものとなる。
【0006】また、上記目的を達成するために、本発明
は、複数の発熱部材が搭載された基板と、この配線基板
上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却するファンと
を有する電子装置において、上記複数の発熱部材は、発
熱量の大きな第1の発熱部材と、発熱量の小さな第2の
発熱部材を有し、上記第1の発熱部材と上記第2の発熱
部材の間を、上記冷却流体の流れ方向に平行する方向に
仕切る仕切り板を備えるようにしたものである。かかる
構成により、発熱量の異なる発熱部材間の冷却流体の流
通を妨げて、発熱部材に対する冷却効率を向上し得るも
のとなる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、図1〜図3を用いて、本発
明の第1の実施形態による電子装置の構成について説明
する。図1は、本発明の第1の実施形態による電子装置
のパッケージの構成を示す斜視図であり、図2は、本発
明の第1の実施形態による電子装置の全体構成を示す平
面断面図であり、図3は、本発明の第1の実施形態によ
る電子装置の全体構成を示す側面断面図である。
【0008】パッケージ10を構成する基板12の上に
は、発熱部材であるLSIチップなどの半導体素子2
0,22,24,26が搭載され、固定されている。基
板の両側には、側壁30,32が固定されている。ここ
で、半導体素子20は、発熱量の大きな素子であり、例
えば、複数のLSIチップがモジュール化されたもので
ある。一方、半導体素子22,24,26は、発熱量の
小さな素子であり、例えば、単一のLSiチップであ
る。また、半導体素子20は、高さの高い素子であり、
半導体素子22,24,26は、高さの低い素子であ
る。なお、図中の半導体素子はヒートシンク無しで描か
れているが、ヒートシンクが取り付けられた場合にも適
用される。
【0009】半導体素子22,24,26の上部には、
流体通路となるバイパス流路40が取り付けられてい
る。バイパス流路40は、直方体の箱形形状であり、側
壁32の上部に固定されている。バイパス流路40は、
冷却風の導入口となる開口42と、冷却風の排出口とな
る開口44,46を備えている。これらの開口42,4
4,46以外の部分は、閉じられた形状である。開口4
2は、バイパス流路40の端面に設けられている。開口
44,46は、バイパス流路40の下面に設けられてい
る。矢印A1方向に開口42からバイパス流路40内に
流入した冷却風は、開口44,46から矢印A2,A3
方向に流れて、バイパス流路40から流出して、半導体
素子24,26を冷却する。また、開口42の下側から
は、矢印B1方向に冷却風が流入して、半導体素子22
及び、半導体素子22の下流側に位置する半導体素子2
4,26を冷却する。
【0010】また、発熱量の大きな半導体素子20と、
発熱量の小さな半導体素子22,24,26の間には、
仕切り板50が設けられている。仕切り板50は、発熱
量の大きな半導体素子20と、発熱量の小さな半導体素
子22,24,26の間の冷却風の流通を遮るものであ
り、半導体素子20と半導体素子22,24,26の間
に、冷却風の流れ方向に平行する方向に配置されてい
る。仕切り板50は、バイパス流路40に取り付けられ
ている。また、仕切り板50の下端と基板12の間の部
分Dは、直接接触しておらず、仕切り板50の荷重が基
板12に掛からないような構造となっている。
【0011】本実施形態では、基板12、半導体素子2
0,22,24,26、側壁30,32、バイパス流路
40、仕切り板50によって、電子装置のパッケージ1
0を構成している。
【0012】次に、図2及び図3を用いて、本実施形態
の電子装置の全体構成について説明する。図2は、図3
のY−Y断面を示し、図3は、図2のX−X断面を示し
ている。
【0013】図2に示すように、パッケージ10は、筐
体60の内部に収納されている。また、筐体60の内に
は、パッケージ10に冷却風を送風するためのファン6
2と、パッケージ10の内部から空気を流出させるため
のファン64とが設けられている。ファン62とファン
64より、パッケージ10の内部には、図示の右側から
左側に向けて流れる冷却風の流れが形成される。
【0014】パッケージ10の内部は、仕切り板50に
よって、図示の上下方向に2分割されている。上半分に
は、発熱量の大きなLSiなどのチップなどの半導体素
子20が基板12の上に搭載され、固定されている。ま
た、下半分には、発熱量の小さなLSiなどのチップな
どの半導体素子22,24,26が基板12の上に搭載
され、固定されている。なお、半導体素子22は、実際
には、複数の半導体素子22A,22B,…,22Hか
ら構成されている。半導体素子24,26についても、
同様にして、それぞれ、複数の半導体素子24A,24
B,…,24H、半導体素子26A,26B,…,26
Hから構成されている。半導体素子22と半導体素子2
4の間には、さらに発熱量の小さな半導体素子であるR
AMボード27(27A,27B,…,27H)が基板12の上に搭
載されている。また、半導体素子24と半導体素子26
の間には、さらに発熱量の小さな半導体素子であるRA
Mボード28(28A,28B,…,28H)が基板12の上に搭載
されている。
【0015】次に、図3に示すように、半導体素子2
2,24,26の上部には、バイパス流路40が取り付
けられている。バイパス流路40は、冷却風の導入口と
なる開口42と、冷却風の排出口となる開口44,46
を備えている。これらの開口42,44,46以外の部
分は、閉じられた形状である。開口42は、バイパス流
路40の端面に設けられている。開口44,46は、バ
イパス流路40の下面に設けられている。開口44は、
冷却風の流れ方向(ファン62からファン64の方向)
において、主たる冷却対象である半導体素子24の上流
側に設けられている。また、開口46は、冷却風の流れ
方向において、主たる冷却対象である半導体素子26の
上流側に設けられている。
【0016】次に、図2及び図3を用いて、冷却風の流
れについて説明する。図2に示すように、ファン62に
よって作り出された冷却風は、矢印C1方向にパッケー
ジ10の側端部から流入し、そのまま直進して、発熱量
の大きな半導体素子20に突き当たり、半導体素子20
を冷却する。半導体素子20を冷却した空気流は、さら
に、ファン64によって吸引され、矢印C2方向に流出
し、筐体60の外部に排出される。
【0017】また、ファン62によって作り出された冷
却風は、矢印B1方向にパッケージ10の側端部からバ
イパス流路40の下端部の内部に流入し、そのまま直進
して、発熱量の小さな半導体素子22に突き当たり、半
導体素子20を冷却する。さらに、半導体素子22を冷
却した空気流は、RAMボード27を冷却する。さら
に、半導体素子24にも、矢印B2方向の空気流が当た
る。しかしながら、矢印B2方向の空気流は、半導体素
子22によって加熱されているため、このままでは、半
導体素子24の冷却のために不十分である。
【0018】一方、ファン62によって作り出された冷
却風は、矢印A1方向にパッケージ10の側端部からバ
イパス流路40の内部に流入する。バイパス流路40の
下面には、開口44と開口46が形成されているため、
矢印A1方向の冷却風は、矢印A2方向の冷却風と、矢
印A3方向の冷却風とに分離される。半導体素子24に
は、矢印B2方向の冷却風と、矢印A2方向の冷却風が
当たるが、矢印A2方向の冷却風の温度は低いため、半
導体素子24を十分に冷却することができる。
【0019】半導体素子24を冷却した空気流は、RA
Mボード28を冷却する。さらに、半導体素子26に
も、矢印B3方向の空気流が当たる。また、バイパス流
路40の下面の開口46からの矢印A3方向の冷却風
も、半導体素子26に当たることにより、半導体素子2
6は、矢印B3方向の冷却風と、矢印A3方向の冷却風
によって冷却される。
【0020】ここで、各部の発熱量と各部の寸法の一例
について説明する。半導体素子20の発熱量は、例え
ば、850Wである。半導体素子22A,22B,…,
22Hの個々の発熱量は、例えば、10Wとあり、8個
の半導体素子があるため、合計の発熱量は80Wであ
る。半導体素子24A,24B,…,24Hの個々の発
熱量は、例えば、16Wとあり、8個の半導体素子があ
るため、合計の発熱量は128Wである。半導体素子2
6A,26B,…,26Hの個々の発熱量は、例えば、
18Wとあり、8個の半導体素子があるため、合計の発
熱量は144Wである。また、RAMボード27A,2
7B,…,27H,28A,28B,…,28Hの個々
の発熱量は、例えば、1Wとあり、16個のRAMボー
ドがあるため、合計の発熱量は16Wである。半導体素
子20以外の発熱部品の発熱量の合計は、390Wであ
る。
【0021】パッケージ10の長さL1は、560mm
である。パッケージ10の幅W1は、360mmである
とともに、仕切り板50によって仕切られた半導体素子
20側の部分の幅W2は、180mmであり、残りの部
分の幅W3は、180mmである。パッケージ10の高
さH1は、75mmである。半導体素子20の高さH2
は、70mmである。筐体60の内部には、複数のパッ
ケージが上下方向に積み重ねるようにして配置されるた
め、パッケージ10の上には、他のパッケージの基板が
配置されることになり、半導体素子20の上面には、5
mm程度の隙間が形成されている。また、バイパス流路
40の高さH3は、35mmであり、半導体素子22,
24,26等が配置される部分の高さH4は、40mm
である。また、バイパス流路40の出口側の開口44の
長さL2は、20mmとし、開口46の長さL3は、1
0mmとしている。開口44,46の幅は、幅W3より
僅かに狭いものである。
【0022】以上、発熱量と各部の寸法について述べた
が、上述した構成とすることにより、発熱部材である半
導体素子20,22,24,26等をほぼ同じ温度まで
冷却して、冷却効率を向上することができる。バイパス
流路の入口の高さH3については、基板上に配置される
半導体素子22,24,26等の高さによって制限され
るので、出口の開口44,46の長さL2,L3につい
ては、半導体素子22,24,26が配置される部分の
流路抵抗や矢印B2,B3方向の冷却風による冷却効率
を勘案して、設定されるものである。
【0023】なお、以上の説明では、矢印A1方向の冷
却風の流量QA1と矢印B1方向の冷却風の流量QB1と
は、ほぼ等しいものとしているが、例えば、矢印B1方
向の冷却風の流量QB1を、矢印A1方向の冷却風の流量
QA1よりも小さくしたい場合(QB1<QA1)には、バイ
パス流路40の下側の部分の入口に、破線で示すよう
に、冷却風調整板70を設けるようにすればよいもので
ある。冷却風調整板70の構成については、図5を用い
て後述するが、平板に等間隔で円形の開口を形成したも
のや、入口の一部を閉鎖するような板材である。
【0024】以上のようにして、配線基板上に実装され
た複数個の半導体の発熱量及び部品高さに顕著な差があ
る場合にも、発熱量の大きい半導体素子にターゲットを
合わせて基板全体に対する冷却風量の設計を行う必要が
なく、それぞれの半導体素子の発熱量に合わせた風量の
最適化が可能となり、効率的な配線基板の冷却を行うこ
とができる。また、上流部と下流部に位置する半導体素
子の温度差を小さくすることにより、半導体素子の動作
の安定性を高めることができる。
【0025】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、発熱量の異なる半導体素子20と、半導体素子2
2,24,26の間を仕切り板50によって仕切り、両
者の間の空気流の流れを遮断することにより、それぞれ
の流路の冷却風によって半導体素子等の発熱部材を効率
的に冷却することができる。また、半導体素子の上部
に、バイパス流路を設け、バイパス流路の出口の開口を
冷却対象の発熱部材である半導体素子24,26の上流
側に設けることにより、冷却風を、発熱部材に効率的に
導いて、発熱部材の冷却効率を向上することができる。
さらに、仕切り板は、基板12からは浮いた状態で保持
されているため、電子回路基板内部の配線の都合あるい
は半導体素子の実装位置の制約により、直付けできない
場合にも、設置することが可能である。
【0026】次に、図4〜図6を用いて、本発明の第2
の実施形態による電子装置の構成について説明する。図
4は、本発明の第2の実施形態による電子装置のパッケ
ージの構成を示す平面図であり、図5は、図4の正面図
である。なお、図1〜図3を同一符号は、同一部分を示
している。
【0027】図4に示すように、パッケージ10Jを構
成する基板12Jの上には、LSIチップなどの半導体
素子20J,22J,24Jや、RAMボードのような
半導体素子27J,27K,27Lが搭載され、固定さ
れている。基板の両側には、側壁30,32が固定され
ている。ここで、半導体素子20Jは、発熱量の大きな
素子である。一方、半導体素子22J,24Jは、発熱
量の小さな素子である。
【0028】発熱量の大きな半導体素子20Jと、発熱
量の小さな半導体素子22J,24Jの間には、仕切り
板50が設けられている。仕切り板50は、半導体素子
20Jと、半導体素子22J,24Jの間の冷却風の流
通を遮るものである。
【0029】半導体素子20Jは、矢印D1で示される
冷却風によって冷却される。また、半導体素子22J,
24J,27J,27K,27Lは、矢印D1で示され
る冷却風によって冷却される。さらに、仕切り板50と
側壁32の右側端部には、風量調整板70が設けられて
いる。
【0030】ここで、図5を用いて、風量調整板70の
構成について説明する。図5は、図4の矢印D1,E1
方向から見た正面図である。風量調整板70は、複数の
円形の開口72が形成されている。開口72の数や開口
径を変えることにより、開口面積率を変えることができ
る。風量調整板70は、矢印E1の冷却風の流れを一部
を遮り、半導体素子22Jに当たる風量を調整するもの
である。発熱量の大きな半導体素子20Jと、発熱量の
小さな半導体素子22J,24J,27Jのように、発
熱量が相違するとき、冷却に必要な風量も異なるので、
風量調整のために、風量調整板70を設けている。風量
調整板70の開口形状として、円形開口72を板材に均
一に形成することにより、風量調整板70を通過して、
半導体素子22J,24J,27J等に当たる風量を均
一化することができる。特に、半導体素子27J,27
K,27Lのように、高さが高い素子があるときは、風
量を均一化することは冷却を均一化する上で、効果的で
ある。
【0031】図6は、他の形態の風量調整板70Aを示
している。図6は、本発明の第2の実施形態による電子
装置のパッケージに用いる風量調整板の他の構成を示す
正面図である。なお、図4及び図5と同一符号は、同一
部分を示している。
【0032】風量調整板70Aは、風の流通を遮るため
の板材部73と、開口部74とを備えている。このよう
に、開口面積の一部を遮蔽することにより、風量を調整
することができる。この例では、RAMボードのような
高さの高い素子がなく、LSIチップのように高さの低
い素子だけの場合に、効率よく、半導体素子を冷却する
ことができる。
【0033】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、発熱量の異なる半導体素子と、半導体素子の間を仕
切り板50によって仕切り、両者の間の空気流の流れを
遮断することにより、それぞれの流路の冷却風によって
半導体素子等の発熱部材を効率的に冷却することができ
る。また、半導体素子の上流側に風量を調整する風量調
整板70を設けることにより、半導体素子を効率よく冷
却することができる。
【0034】次に、図7及び図8を用いて、本発明の第
3の実施形態による電子装置の構成について説明する。
図7は、本発明の第3の実施形態による電子装置のパッ
ケージの構成を示す斜視図であり、図8は、本発明の第
3の実施形態による電子装置のパッケージの構成を示す
側面図である。
【0035】パッケージ10Mを構成する基板12の上
には、LSIチップなどの半導体素子22M,24M,
26Mが搭載され、固定されている。基板の両側には、
側壁30,32が固定されている。
【0036】半導体素子22M,24M,26Mの上部
には、バイパス流路40Mが取り付けられている。バイ
パス流路40Mは、直方体の箱形形状であり、側壁3
0,32の上部に固定されている。バイパス流路40M
は、冷却風の導入口となる開口42Mと、冷却風の排出
口となる開口44Mを備えている。これらの開口42
M,44M以外の部分は、閉じられた形状である。開口
42Mは、バイパス流路40Mの端面に設けられてい
る。開口44Mは、バイパス流路40Mの下面に設けら
れている。矢印F1方向に開口42Mからバイパス流路
40M内に流入した冷却風は、開口44Mから矢印F2
方向に流れて、バイパス流路40Mから流出して、半導
体素子24M,26Mを冷却する。また、開口42Mの
下側からは、矢印G1方向に冷却風が流入して、半導体
素子22M及び、半導体素子22Mの下流側に位置する
半導体素子24M,26Mを冷却する。
【0037】さらに、図8に示すように、パッケージ1
0Mの入口側の端部には、風量調整板70M,70Nが
設けられている。風量調整板70Mは、バイパス流路4
0Mの入口に設けられており、風量調整板70Nは、バ
イパス流路40Mの下側の流路入口に設けられている。
風量調整板70M,70Nは、図5に示したように、板
材の全面に複数の円形開口が均一に形成されているもの
や、図6に示したように入口の一部を遮る形状のものが
用いられる。
【0038】ファン等によって作り出された冷却風は、
矢印G1方向にパッケージ10Mの側端部からバイパス
流路40Mの下端部の内部に流入し、そのまま直進し
て、半導体素子22Mに突き当たり、半導体素子22M
を冷却する。さらに、半導体素子22Mを冷却した空気
流は、半導体素子24M,26Mにも、矢印G2方向の
空気流が当たる。一方、ファン等によって作り出された
冷却風は、矢印F1方向にパッケージ10Mの側端部か
らバイパス流路40Mの内部に流入する。バイパス流路
40Mの下面には、開口44Mが形成されているため、
矢印F1方向の冷却風は、開口44Mから半導体素子2
4M,26Mに辺り、半導体素子24M、26Mを十分
に冷却することができる。
【0039】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、半導体素子の上部に、バイパス流路を設け、バイパ
ス流路の出口の開口を冷却対象の発熱部材である半導体
素子の上流側に設けることにより、冷却風を、発熱部材
に効率的に導いて、発熱部材の冷却効率を向上すること
ができる。さらに、半導体素子の上流側に風量を調整す
る風量調整板を設けることにより、半導体素子に当たる
風量を調整して、半導体素子を効率よく冷却することが
できる。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、電子装置における冷却
効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態による電子装置のパッ
ケージの構成を示す斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施形態による電子装置の全体
構成を示す平面断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態による電子装置の全体
構成を示す側面断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態による電子装置のパッ
ケージの構成を示す平面図である。
【図5】図4の正面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態による電子装置のパッ
ケージに用いる風量調整板の他の構成を示す正面図であ
る。
【図7】本発明の第3の実施形態による電子装置のパッ
ケージの構成を示す斜視図である。
【図8】本発明の第3の実施形態による電子装置のパッ
ケージの構成を示す側面図である。
【符号の説明】
10…パッケージ 12…基板 20,22,24,26…半導体素子 27,28…RAMボード 30,32…側壁 40…バイパス流路 42,44,46…開口 50…仕切り板 60…筐体 62,64…ファン 70…風量調整板 72,74…開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 義人 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社日 立製作所エンタープライズサーバ事業部内 Fターム(参考) 5E322 AA11 BA01 BA03 BA04 BA05 BB03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の発熱部材が搭載された基板と、この
    配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却する
    ファンとを有する電子装置において、 上記基板に搭載された発熱部材の上部に取り付けられ、
    その内部を冷却流体が流通するとともに、上記冷却流体
    の流れの方向において上記発熱部材の上流側に開口した
    流出口を有する流体通路を備えることを特徴とする電子
    装置。
  2. 【請求項2】複数の発熱部材が搭載された基板と、この
    配線基板上の発熱部材に冷却流体を流通させて冷却する
    ファンとを有する電子装置において、 上記複数の発熱部材は、発熱量の大きな第1の発熱部材
    と、発熱量の小さな第2の発熱部材を有し、 上記第1の発熱部材と上記第2の発熱部材の間を、上記
    冷却流体の流れ方向に平行する方向に仕切る仕切り板を
    備えることを特徴とする電子装置。
  3. 【請求項3】請求項2記載の電子装置において、さら
    に、 上記第2の発熱部材の上流側に配置され、上記第2の発
    熱部材に流れる冷却流体の流量を調整する調整板を備え
    ることを特徴とする電子装置。
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