JP2002518861A

JP2002518861A - 空気流を制御するための方法及び装置

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Publication number: JP2002518861A
Application number: JP2000555478A
Authority: JP
Inventors: マークビー．プルジラス; ロバートエイチ．３世ミムリッチ; エー．ブルースロバート
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2002-06-25
Also published as: DE69929336T2; DE69929336D1; MXPA00012435A; AU2002300007B2; AU750151B2; US6280317B1; EP1088472B1; AU4574399A; CN1314074A; CA2335233A1; ATE315328T1; EP1088472A1; WO1999066776A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、空気の流れを制御することによってカードケージ内またはその他のエンクロージャ内における回路カードの温度を制御するためのシステムを提供する。さらに詳しくは、本発明は、空気の流れを分岐、偏向、誘導、または再分布して、カードケージにおける各回路カードを通る一般に共通の首尾一貫した流量を得る機械的分流器を含む。本発明は分散部分として組み立てられ、ファン、カードケージ、またはその他の指示構造のいずれにも取り付けることができ、または本発明をカードケージの統合部分にすることもできる。本発明は、実際の要件に基づいて冷却空気の分布を変更することによって冷却効率を最大限に高め、これらの要件は局部的熱束および／または装置温度の限界に比例する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、概して回路カード組立品および付属電子構成部分の強制対流式冷却
に関する。さらに詳しくは、本発明は、回路カード配列内で空気流を制御および
分配して、結果的に電子エンクロージャの中に入れられた回路カード組立品の冷
却を改善するための改善された方法及び装置に関する。

【０００２】（発明の背景）電子構成部分および集積回路パッケージは、平坦な表面に接着された複雑な形
状を呈するパッケージの電子組立品を作る印刷回路カードの上に実装されること
が多い。１つのエンクロージャの中に複数の回路カード組立品を１つの配列（カ
ードケージと呼ぶ）にして置くこともでき、これによってパッケージ容積効率を
最大限に高めることができる。回路カード組立品をカードケージの中に接続する
ために、さまざまな数の回路カードを支持することができるいくつかの形式およ
び外形構成のエンクロージャが容易に入手可能である。これらのカードエンクロ
ージャのために、標準バス構成が定義されている。例えば、ＶＭＥバス標準規格
（ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ標準規格１０１４−１９８７）が、回路カードエンクロー
ジャ用の電気背面バスインタフェースのために定義されている。別のバス標準規
格として、ＶＭＥバス規格を６４ビット構成に改造したＶＭＥ６４標準規格、お
よび高速ディジタル信号および無線周波数またはマイクロ波信号とともに背面に
おいて低レベル信号が共存できるように設計されたＶＸＩ（「計装用のＶＭＥ拡
張品」）バスがある。

【０００３】より高いカード当り電子構成部分密度を有する回路カードが開発されており、
電子構成部分がより高い周波数とより大きな電力で動作し続けるにつれて、これ
らの電子エンクロージャの中にある回路カード組立品の冷却は、これらの電子構
成部分の正しい動作によってよりクリティカルなものになる。推奨された熱的制
約を越える状態で動作する電子構成部分は信頼できる動作をせず、熱応力のため
に回路カードの時期尚早の故障を引き起こす。電子構成部分の加熱に関連する問
題は、産業または軍事面における激しい適用などの苛酷な環境で回路カード組立
品が動作することを要求する適用において強まる可能性がある。

【０００４】従来から、電子エンクロージャ内の回路カード組立品の冷却は、電子エンクロ
ージャの入口または出口にファンまたはブロワーを置いて、カードケージ内で回
路カード組立品を横切って空気を強制通過させることによって実施されている。
この方法によって提供される冷却量は直接、電子構成部分を覆って流れる空気の
速度、温度、および大気圧に基づく。したがって、電子構成部分と回路板のメー
カーによって指定される冷却要件を満たすことは電子エンクロージャの設計者の
責任である。

【０００５】しかし、概して言えば、電子構成部分と回路板のメーカーによって指定される
冷却要件は、下に述べるように不完全であり適正に適用されない。さらにまた、
冷却要件を定義するためにメーカーが使用する首尾一貫した方法はない。２つの
一般のアプローチは（１）最高構成部分温度を指定すること、または（２）最高
動作環境条件を指定することである。しかしながら第１のアプローチは、すべて
の構成部分が内部および表面に存在する熱勾配を有することを認識しそこなう。
したがって、最高構成部分温度を指定するときは、この温度をどこで測定するか
に関する特定の位置を指定しなければならない。この詳細な情報は一般に装置の
メーカーによっては提供されず、技術見本から得ることは非常に困難である。同
様に、回路カードあるいは構成部分が動作することのできる最高動作環境条件を
指定するときには、メーカーはいくつかのパラメータを識別しなければならない
。これらのパラメータには、空気温度、空気速度プロファイル、および大気圧条
件が含まれる。メーカーは一般に空気温度と質量流量の要件を定義することにな
る。しかしながら、空気流プロファイルに対しては考察が行われないか、または
これは均一であると想定され、均一であることはほとんどない。最高構成部分温
度は最高空気温度と同じであると間違って想定されることが多い。

【０００６】電子構成部分と回路板のメーカーによって指定される冷却要件は不完全である
ことが多いので、構成部分と回路板の試験は実際の冷却要件を決定するための最
も簡単な方法である。これらの試験は、空気速度プロファイルを妨害することな
く装置の表面速度を測定できる技法を必要とする。さらに、これらの技法は、空
気速度プロファイルを測定してこのデータを実測装置表面温度と相関させるため
の手段を必要とする。最終的にこれらの技法は、装置表面速度および空気速度プ
ロファイルを入口空気温度および大気条件と相関させなければならない。

【０００７】構成部分と回路カードメーカーによって定義された仕様に加えて、電子エンク
ロージャのメーカーは、カードケージ内の単一スロットの平均空気容積流量に基
づいて電子エンクロージャの冷却性能を指定する。電子構成部分のメーカーによ
って指定された冷却要件を満たすために、電子エンクロージャの設計者は伝統的
に、カードケージ内のスロットの数によって分けられると各回路カード組立品の
ために指定された特定の空気流量を満たす全空気流量を有するファンまたはブロ
ワーを選択してきた。この平均流量は、カードケースにおける各スロットを横切
って、また各回路カード組立品上の各種電子構成部分の各々を横切って均一に分
布すると想定されている。例えば、標準ＶＭＥカードケージエンクロージャの中
に６個の回路カード組立品を有する電子エンクロージャシステムを設計するとき
、選択されるファンは、回路カード組立品における必要な容積空気流量の６倍の
平均容積空気流量を提供しなければならない。容積空気流量要件は、装置におけ
る電子構成部分メーカーの空気流速要件から導かれる。電子構成部分が装置表面
において毎分３００直線フィート（９１ｍ）の空気流速を必要とする場合、回路
カード組立品を横切る全容積空気流量は、配列内の各回路カード組立品間の推定
断面積に基づいて導かれる。標準６Ｕ−ＶＭＥ回路カード組立品間の推定断面積
は２．５平方インチ（０．４”×６．０”）（１６．１３ｃｍ²）（１．０２ｃ
ｍ×１５．２４ｃｍ）であり、したがって各回路カード組立品を横切る必要な平
均容積空気流量は毎分５立方フィート（０．１４２ｍ³）である。伝統的な電子
エンクロージャのメーカーは、エンクロージャのために単一回路カード組立品の
平均容積流量の６倍、または毎分３０立方フィート（０．８５ｍ³）の全流量を
提供するファンまたはブロワーを選択した。

【０００８】しかしこの設計方法は、ファンおよびブロワーがすべての回路カード組立品に
均一の流量を提供せず、それでもカードケージ内の各回路カード組立品上の電子
構成部分へ均一の流量を提供しないことを認識していない。さらにまたこの方法
は、各回路カード組立品または回路カード組立品上における各電子構成部分の容
積流量の単一値が、電子エンクロージャ内の回路カード配列全体またはさらにカ
ードケージ内における単一回路カード組立品の実際の冷却要件を説明するには適
切でないことを認識していない。さらにこの方法は、電子エンクロージャシステ
ムにおける空気流の制限に関連する圧力低下が存在することを認識していない。
回路板とエンクロージャの設計がファンによって送出される空気流量を減少させ
る。したがって、より均一な空気流量を提供するどんな試みも、エンクロージャ
内の流体抵抗を大きく増加させることなく行うべきである。追加の圧力低下が受
け入れられる空気の量を急速に低下させる可能性があり、空気は均一になること
もあるが、空気の流速は冷却のあらゆる改善を否定するほど遅くなることがある
。

【０００９】軸流ファン、遠心ブロワー、およびその他の空気流源は、カードケージ内にお
ける回路カード上のあらゆるスロットまたは構成部分に均一の空気流量を提供し
ない。この問題は、所定の回路カード組立品におけるさまざまな構成部分または
カードケージ内の様々な個所が異なる冷却要件を有するときに倍加する。スロッ
トのいくつかが回路カード組立品を含んでいない場合には問題はさらに倍加する
。

【００１０】これらの環境の下で冷却を改善する目的で設計されたカードケージもある。例
えば、ＶＸＩカードケージのいくつかは、使用されないスロットに入口を閉じる
ための機械的装置を提供する。他のＶＭＥカードケージは、カードケージ内の使
用されないスロットを通る空気流を減少するためにスロット「ブロッカ」カード
を使用している。これらの設計は冷却要件を満足させることに関連する問題にあ
る程度の改善を提供するが、これらの設計はカードケージにおけるすべての構成
部分と回路カード組立品に均一の空気流を提供することを目的としていない。こ
れらの設計は、カードケージにおける回路カード組立品の特定の個所に冷却を提
供するために、空気流源から直接空気流を制御することを目的としていない。

【００１１】したがって、空気流をカードケージの特定の個所に提供して各装置が十分な空
気流を確実に受け取ることができるように、カードケージ内の空気流を制御する
ための永続的な必要性が存在する。回路板の装置の温度がカードケージ内の回路
板個所とは関係ないように、空気またはその他の気体がカードケージ内のパター
ンで流れるという、さらに均一な空気流が特に必要である。均一な空気流はカー
ドの正しくて適切な冷却のために必須である。また正しくて適切な冷却はカード
の信頼性ある効果的な動作のために必須である。

【００１２】（発明の概要）本発明は、電子エンクロージャにおけるまた特に回路カード組立品を横切る空
気流の方向と大きさを制御するための改善された方法と装置を提供する。広義に
は、本発明は、カードケージ内または他のエンクロージャ内における回路カード
の温度を、カードケージ配列内の空気の流れを制御することによって制御するた
めのシステムを含む。結果として得られる冷却の改善および実施形態のすべてを
、ＡｄｖａｎｃｅｄＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＡｉｒＦｌｏｗ
（新ベクトル制御空気流）システムまたはＡＶＣＡＦシステムと呼ぶ。本発明は
、一部には、カードケージを通過する空気流を認識し分析した結果である。した
がって、カードケージ内の空気流パターンは非常に不規則で予測不可能になり得
ることがわかった。また、空気流源を選択して冷却用の空気流を提供するための
過去の実施は、非能率的で不適切な設計をもたらしたことがわかった。これらの
欠点は少なくとも一部は、問題の基本的根源を、およびこれらの問題を分析して
解決する方法を認識するための他の欠陥によるものである。

【００１３】ある例では、空気の流量はある回路カードスロットから次のスロットまで、ま
たカードケージ内でカードの前縁部からカードの後縁部まで変化することもある
ことがわかっている。さらに、カード配列の中心またはコア部分を通過する流量
、ならびに配列の外部境界に沿った流量は、中間部分を通過するものよりも低速
になり得ることも判明している。ある部分における空気流が実際に流れ方向を逆
転することがある例もある。

【００１４】本発明は広くは、空気がカードケージに入る前に空気流源から流れる空気のパ
ターンを変えて、空気流のより高い均一性を作り出すためのシステムを含む。さ
らに詳しくは、本発明は、各回路カードを通過する一般に共通の首尾一貫した空
気流量を達成するために流量を分流、偏向、誘導、またはそうでなければ再分配
することもできる機械的分流器を含む。

【００１５】もう１つの広い態様における本発明は、エンクロージャ全体の中で流れパター
ンを変更して望みの熱流パターンを達成する助けになるための、気体流源とカー
ドケージまたは他のエンクロージャとの間に位置する１つまたは複数の分流器を
含む。本発明のこの態様は、部分的には経験的なアプローチを必要とするかもし
れない。したがって、複数の温度と流量の調査が必要となり、その結果分流器が
変更されて望みの空気流パターンを達成することになろう。

【００１６】本発明とこの利点をさらに完全に理解するために、添付の図面に則して行う下
記の説明を参照するが、添付図面における同様の参照番号は同様の特徴を示す。

【００１７】（図示された実施形態の説明）本発明は、強制空気対流冷却される電子回路カード組立品の冷却性能を改善す
るものである。改善された冷却は、カードケージを通過する冷却媒体の分布を制
御し改善する技法の結果として得られる。この技術の適用には、適用に特有の冷
却要件、ファンの代表的な空気流プロファイル、カードケージ設計、および電子
エンクロージャシステムの空気流絞りを十分に理解する必要がある。

【００１８】軸流ファン、遠心ブロワー、またはその他の空気流源からカードケージを通る
気体の独特な不規則性を有する流れパターンを決定するためには、様々な技法を
使用することができる。カードケージ内の様々な点における空気流速および温度
を測定するために、手持ち式テストプローブを作ることもできる。別の事例とし
て、データ監視システムと組み合わせた特別設計のテストプローブカード組立品
を使用して、カードケージ内の様々な点における空気流速を測定することもでき
る。また、ＡＧＥＭＡＩｎｆｒａｒｅｄＳｙｓｔｅｍ社製造のＴｈｅｒｍｏ
ｖｉｓｉｏｎ９００カメラなどの熱画像システムを使用して、カードケージ内
における温度変化を測定することもできる。経験則に基づいて、均一の回路板熱
束を想定すれば、カードケージ内のより熱い区域は特定の領域内で低い空気流量
を示す傾向があるが、カードケージ内のより冷たい領域は一領域で高い空気流量
を示す傾向がある。

【００１９】回路板を有する複雑なカードケージ通って空気がどのように流れるかを理解で
きる前に、簡単なダクト空気流の基線を確立しなければならない。第１に、軸流
ファンがファンとほぼ同じ断面積を有する分流器のない単一ダクトを通して、空
気をどのように動かすかを考察する。分流器のない単一のダクトは、回路板が取
り付けられていない単一カードケージを正確に示す。図１は、長方形ダクトの内
部においてファンの１インチ（２．５４ｃｍ）下流で生ずる断面速度プロファイ
ルである。ｚ軸２はフィート／分で測定した空気流速を示す。このテストデータ
は、空気の速度を測定するための前述の技法を使用して得ることもできる。図１
に示すように、ファンの噴射区域は結果として高速の環状リング１０となる。こ
の環状リング１０はファンのブレード区域と一致する。この領域における速度ベ
クトルはダクト壁に平行ではなく、円錐形の渦流を形成する。空気はコルク抜き
の様式でダクトを通って移動する。図１に示すように、ファンのハブ区域はファ
ンハブから下流に非常に低速の領域１２を作る。領域１２における低速の方向は
、ファンの形状寸法、ファンを支える構造、および下流の圧力域に応じて、ファ
ンに向かう方向にもファンから離れる方向にもなる可能性がある。同様に、ダク
トの隅領域１４も非常に低い速度を有し、やはりいずれの方向にも空気流を有す
ることがある。

【００２０】図２は、図１に関連して述べた長方形ダクトにおけるファンから９．５インチ
（２４．１ｃｍ）下流の空気流プロファイルを示す。図２に示すように、長方形
ダクト内部の流れプロファイルは、ファンから９．５インチにおいても均一な大
きさには達しない。低速領域２０がなおもファンハブから下流にはっきり見える
。多くの商業的電子エンクロージャメーカーが伝統的に、軸流ファンによって生
ずる不均一な流れは下流の流れプロファイルが発達するにつれてより均等に分布
するであろうと考えてきた。しかしながら、この図で示すように、環状リングを
作り出す「旋回する」回転ベクトルは９．５インチ下流の流れを消散させること
もできるが、空気流は極めて不均一のままである。

【００２１】エンクロージャメーカーは、カードケージの中に回路カードを取り付けること
は流れの分布を改善すると信じているが、空気流の不均一性は実際にはいっそう
大きくなる。図３は、単一の長方形ダクトが６本のより小さな長方形ダクトの配
列に変更され区分されたときの、断面速度プロファイルにおいて生ずる劇的な変
化を示す、空気流プロファイルのグラフである。空気流プロファイルは図４に関
して識別される命名座標系に基づいてグラフ化されている。

【００２２】より小さな長方形ダクトの壁厚は約０．８０インチ（約２ｃｍ）である。この
条件は、構成部分のない６つの回路板をカードケージの中に置くことに似ている
。６つのダクトの組み合わせた断面積は最初の単一ダクトとほぼ同じである。単
一ダクトと６つの平行ダクトの静圧はほぼ同じである。この結果、同じ量の空気
が単一ダクトにおけるように６つの平行ダクトを通過する。しかしながら、空気
のプロファイルは非常に異なる。図３に見ることができるように、ハブ区域３５
とカードケージ３６、３８の２つの対向する隅部は低流量領域のままであり、２
つの残りの隅部４０、４２は非常に高い速度プロファイルを有する。これらのプ
ロファイルは、軸流ファンによって作られるコルク抜き渦流の結果である。この
結果得られる不均一な流れ分布は大抵の市販のエンクロージャ製品に一般的なも
のである。

【００２３】図４は、カードケージ４６の下に置かれたファン４４からカードケージ４６の
中へ流れる空気流をグラフにするために使用される座標系と命名を識別する助け
をする。ｘ軸３０は、回路板がカードケージの中に挿入される方向と一列に並ん
でいる。原点はカードケージの背面にあり、回路板前面に向かって動くときには
正である。カードケージ背面と回路板前パネルとの間の相対距離は、Ｄの接頭部
によって識別され、例えばＤ１、Ｄ２、Ｄ３などで識別される。ｙ軸３２はカー
ドケージ背面と一列に並んでいる。原点は背面のスロット１にあり、左から右に
動くときは正である。これはスロット番号付けＳ１、Ｓ２、Ｓ３などに該当する
。ｚ軸３４はファンからカードケージの中への空気流の方向にあり、カードケー
ジにおける該当するスロットと深さにおける実測空気流（フィート／分）を示す
。

【００２４】図５は、噴射空気すなわち軸流ファンからのファンを出る空気流が、図４に示
すカードケージスロットを横切ってどのように分布するかを示す。噴射区域５０
はファンのブレード区域と一致する区域である。軸流ファンからの一次空気流は
噴射区域５０へ向かう。ハブ区域５２はファンハブと一致する区域である。この
区域は一般的には、軸流ファンからの大量の噴射空気を受け入れない。次の表は
、所定のファンの２．２インチ（５．５９ｃｍ）の内径と４．５インチ（１１．
４３ｃｍ）の外径を有する噴射区域を各スロットについて列挙する。スロット２
、４はより大きな噴射面積を有し、したがってより多くの空気流を受け入れる。
スロット１、６は最も曲がった空気流を有するのみならず、最も小さな噴射面積
を有する。スロット噴射面積全噴射区域に対するパーセンテージ
スロット１１．４２平方インチ（９．１６ｃｍ²）１１．７％スロット２２．７０平方インチ（１７．４２ｃｍ²）２２．３％スロット３１．９３平方インチ（１２．４５ｃｍ²）１６．０％スロット４１．９３平方インチ（１２．４５ｃｍ²）１６．０％スロット５２．７０平方インチ（１７．４２ｃｍ²）２２．３％スロット６１．４２平方インチ（９．１６ｃｍ²）１１．７％図６〜８は、図３に関して検討した６つの長方形ダクトの平行ダクトに入って
これを通過する空気流速ベクトルを示す。図４に示すように反時計方向に回転す
るファンが備えられている。

【００２５】図６は、ファンの左側に位置するスロット１において挿入された回路カード６
１を横切る入口速度ベクトルを示す。最高速度はスロット１の入口の中央領域６
０近くで生ずる。ベクトルは左に図の向こう側に曲げられる。この空気はカード
ケージ６１における構成部分に当たる。空気量はダクトの左領域６２を上昇し、
低速再循環区域６４は右側に形成される。カードケージの寸法外形に応じて追加
の再循環区域がダクトの頂隅部と底隅部に形成されることもある。

【００２６】図７は、ファンの中央近くに位置するスロット３、４において挿入された回路
カード７１を横切る入口速度ベクトルを示す。２つの最高速度領域７０、７２が
形成されている。これらはファンブレードによって作り出される噴射区域と一致
する。前方パネル領域７０の近くの高速入口ベクトルは左に図の手前に曲げられ
る。この空気はカードケージにおける次の隣接回路板のピン側に衝突する。この
領域７０からの空気はダクトの左領域７４を上向きに流れる。背面連結部領域７
２近くの高速入口ベクトルは右に図の向こう側に曲げられる。この空気はこのス
ロットの回路板上における構成部分に衝突する。領域７２からの空気はダクトの
右領域７６を上向きに流れる。２つの低速再循環区域７８、７９はハブ区域の上
に直接形成される。これらの渦がファンの上に及ぶ距離は寸法形状とファンの速
度によって異なる。カードケージの寸法外形に応じて追加の再循環区域がダクト
の頂隅部と底隅部に形成されることもある。

【００２７】図８は、ファンの右側に位置するスロット６において挿入された回路カード８
１を横切る入口速度ベクトルを示す。図８に図示する空気流は図６における空気
流の鏡像である。最高速度は入口の中央領域８０近くで生ずる。ベクトルは右に
図の手前側に曲げられる。この空気はカードケージの側壁に衝突する。空気量は
ダクトの右領域８２を上昇し、再循環区域８４が左側に形成される。カードケー
ジの寸法外形に応じて追加の低速再循環区域がダクトの頂隅部と底隅部に形成さ
れることもある。

【００２８】代りのシステムでは、ファン回転方向が変化することもある。これらの代りの
システムでは、図８がスロット１の速度を示し、図６がスロット６を示す。入口
ベクトルはスロット１については図の向こう側に向き、スロット６については図
の手前側に向く。図７に示すスロット３、４については、前方パネル近くの入口
ベクトルは図の向こう側に向くが、背面連結部Ｐ２近くの入口ベクトルは図の手
前側に向く。

【００２９】図９は、図３に関連して検討した軸流ファンを有するカードケージのスロット
１、スロット３、スロット６に取り付けられた同じ回路板の３つの赤外線画像を
示す。２０℃〜６０℃の範囲の温度目盛９０が設けられている。より高温の動作
領域は明るい影で、より低温の領域は暗い影で表されている。各赤外線画像にお
いて、回路板は安定状態の動作温度に達するまで動作可能にされた。入口空気温
度は３つの画像すべてについて同じであった。これらの結果は明らかに、図６、
図７、図８に示す様々な速度プロファイルの大きな影響を示す。最高装置温度は
、カードがスロットからスロットに移動すると２０℃だけ変化する。電子部品の
寿命は、アレニウスの関数を使用して推定されるように、１０℃低い温度で動作
させると２倍に、１０℃高い温度で動作させると半分になる。したがって回路板
の寿命を、単に、これが置かれているカードケージにおけるスロットと結果とし
て得られる空気速度プロファイルとに基づいて２倍にすることができる。

【００３０】回路カードエンクロージャにおける空気流不良に関連する問題に対処するため
に、本発明は、空気流源からの空気流を再指向、分岐、誘導、偏向、または再分
布して、カードケージのスロット内でより平衡した流れを作るための様々な設計
方法と装置を提供する。特に、空気流を変えるための様々な空気流分流器を提供
する。

【００３１】図１０、図１１、図１２は初期速度ベクトルを理解し、次に本発明の空気流分
流器を使用して速度ベクトルを再指向することによってなされる空気流プロファ
イルの改善を示す。図１０、図１１は軸流ファンのための改善を図示し、図１２
は複式ブロワーのための改善を図示する。

【００３２】図１０Ａは、図３に関連して説明したように軸流ファンから生じる空気流速度
のテストデータのグラフである。空気流経路はファンの中に真直ぐに向い、直接
カードケージの中に入り、カードケージから真直ぐに出た。入口においても出口
においてもエンクロージャの形状による追加の絞りはなかった。図１０Ｂは、均
一な空気流を提供するために適切な分流器を選択することによって得られた改善
をグラフにしたものである。示された結果を収集し、図１４Ａに示す分流器を使
用した。図２０と図２２に示す分流器からも同様な結果が得られよう。

【００３３】同様に、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄは、３／４ＡＴＲシャーシ
に取り付けられた９スロットＶＭＥカードケージにおいて本発明の分流器の一実
施形態を使用して得られた改善を示す。初期の空気流経路は、エンクロージャの
設計特徴が不良であったためにエンクロージャの入口ダクトおいて絞られた。空
気流経路はファンの中に真直ぐに向い、直接カードケージの中に入り、カードケ
ージから真直ぐに出た。出口においてエンクロージャの形状による大きな絞りは
なかった。図１１Ａは、軸流ファンを使用するカードケージの入口空気流プロフ
ァイルを示す。図１１Ｂは、軸流ファンの出口空気流プロファイルを示す。図１
１Ｃと図１１Ｄは、適切な分流器を選択して入口ダクトを僅かに増すことによっ
て得られたカードケージの入口と出口における改善された均一な空気流を示す。
図２０に示す分流器はデータ収集中に取り付けられた。

【００３４】図１２Ａと図１２Ｂは、複式遠心ブロワーとＵ形空気流経路を使用する１９イ
ンチ・ラックマウントシャーシの上に取り付けたカードケージ用に得られた改善
を示す。Ｕ形空気流経路は、空気をブロワーから出して９０度曲げてカードケー
ジに入れることによって作られた。それから空気流はカードケージの頂部を出た
後に９０度曲げられた。カードケージの上下に１．５インチ（３．８１ｃｍ）有
するようにカードケージはエンクロージャに取り付けた。この距離は、空気がど
のようにカードケージに入ってカードケージを出るかに大きな影響を有する。図
１２Ａは、カードケージにおける不均一な空気流プロファイルを示す。本発明の
空気流分流器の一実施形態を導入して、図１２Ｂに示す改善された空気流を得る
こともできる。図１８に示す分流器を利用して、図１２Ｂに示すデータを収集し
た。

【００３５】図１０、１１、１２に関して説明した実施形態は単に説明目的のためであるこ
とを理解すべきである。本発明は、どのサイズと形状のカードケージにおいても
空気流パターンを変更するために使用することができる。例えば本発明は、本出
願と同じ日に提出されて内容は本明細書に参照として組み込まれている「Ａｎ
ＩｍｐｒｏｖｅｄＣａｒｄｃａｇｅｆｏｒＣｉｒｃｕｉｔＣａｒｄｓ（
回路カード用の改善されたカードケージ）」と題する、同時係属中の米国特許出
願第号に記載のカードケージとともに使用することができる。さらに
、適切な分流器の選択には、複数の温度および流量の調査が必要で、結果として
望みの空気流パターンを達成するための分流器の改善となる経験的なアプローチ
が要求されることは、容易に理解されるはずである。

【００３６】空気流に対するこのような変更および改善がカードケージの流れ抵抗を大きく
増すことなく行われることは、本発明の重要な一態様である。カードケージの流
れ抵抗の許容増加量は選択されるファンの性能に依存する。各ファン形式は図１
３に示すものに類似の性能曲線１３０を有する。自由空間に懸架されたファンは
流れ抵抗を持たず、点１３１に示すようなその最大の流れを提供し、これは自由
送出と呼ばれることが多い。ファンの周りにある形状が加えられると、空気流の
絞りは増加する。どの所定のダクト構成および関連形状についても、システム抵
抗曲線１３２または１３４と一般に呼ばれる流れ抵抗曲線は発生可能である。フ
ァン曲線１３０とシステム曲線１３２の挿入は、この所定の外形の動作点を定義
する。システムが変更されてシステム抵抗曲線が増すと、ファンによって提供さ
れる空気の量は減少する。例えば、本発明の分流器の一実施形態を加えることに
よって、変更された抵抗曲線１３４が作られる。分流器を加えることによって、
静圧は増すが容量空気流は減少する。乱暴なやり方を用いて均一な空気流を得た
場合には、容量空気流は大幅に低下する。次いでこれは装置を流れる空気の速度
を低下させる。空気は均一であるがシステムは何もしなかったときが一層よかっ
たという程度にまで減少する、というのが最終的な結果である。したがって、分
流器が流れ抵抗を大きく増加させないことが本発明の重要な一態様である。下流
圧力域を大幅に変えることによって流れの絞りを改良するために使用される技法
の例には、連続多孔板または連続気泡発泡体の使用がある。流れ抵抗を大きく増
加させない分流器のための他の材料を本発明の範囲を逸脱することなく使用でき
ることは、当業者には容易に理解されるはずである。

【００３７】図１４Ａと図１４Ｂは、流れの絞りを減らして流れ分布を改善するために連続
多孔板をどのように改造するかを示している。図１４Ａに示す実施形態では、多
孔板１４０はカードケージにおいて使用されるファンとほぼ同じ寸法であり、フ
ァンとカードケージとの間に置くことができる。板１４０はタブ１４１、１４３
を経て直接にカードケージまたはファンのいずれかに連結することができる。多
孔板の中央領域１４２と２つの対向隅部１４４、１４６は除去されて、これらの
区域により多くの空気流を可能にする。

【００３８】図１４Ｂに示す代替実施形態では、多孔板１４８は、ファン噴射区域に相当す
る円形区域１４９のみが残るように設計されている。ファン噴射区域においても
たらされる追加の抵抗は、ハブ区域と隅区域において空気をより均一に分布させ
る。さらに、板１４８はタブ１４５、１４７を経て直接にカードケージまたはフ
ァンのいずれかに連結することができる。

【００３９】さらにまた、均一な空気流を提供するために多孔板または連続気泡発泡体の他
の外形も形成できることは、容易に理解されるはずである。さらに、望むならば
不均一の空気流を提供するために他の外形も使用することができる。

【００４０】さらに別の実施形態では、外形による圧力の絞りを変えることとは対照的に、
空気速度ベクトルの方向を変えることによって空気流プロファイルを制御するた
めに、分流器を使用することができる。流れ絞り羽根と指向羽根との組合せが結
果的に大きな流れの改善になる場合もある。指向羽根は図１５Ａ、図１５Ｂに示
すような簡単なフランジか、または円錐状ダクトである。図１５Ａは円錐形分流
器１５０である。空気は環状リング１５２によって軸流ファンのハブ領域に向け
て分流される。複数の開口部１５４によって、空気の一部分は環状リングを通っ
て流れることができる。図１５Ｂも円錐形分流器１５６である。この実施形態で
は、環状リング１５８は追加の開口部のない軸流ファンのハブ領域に向けて空気
を分流する。

【００４１】システムの空気流抵抗を大きく増加させることなく速度プロファイルの大きな
変化を得るように、他の外形も使用することができる。本発明の分流器の適切な
実施形態を選択することが部分的には経験的であるアプローチを必要とすること
を理解すべきである。したがって、複数の温度および流量の調査が必要となり、
結果的に望みの空気流パターンを達成するための分流器の改善となる。

【００４２】図１４Ａと図１５Ａに関して詳細に説明した実施形態を組み合わせることによ
って、図１６Ａに示すように分流器の代替実施形態が得られる。円錐形分流器と
組み合わせた多孔板は、均一な空気流の提供とカードケージにおける空気流の制
御に役立つ。図に示す円錐形ダクトは無穴または多孔にすることができる。図１
６Ｂは、図１６Ａに図示する分流器の代替実施形態を示す。この代替実施形態は
空気流を方向指定するための２つの方向指定羽根（１６０、１６２）を含む。

【００４３】図１４Ｂと図１５Ａに関して詳細に説明した実施形態を組み合わせることによ
って、図１７に示すように分流器の代替実施形態が得られる。やはり、図に示す
円錐形ダクトは無穴または多孔にすることができる。

【００４４】本発明は、複式ブロワーからの空気流を変えるために使用することもできる。
ブロワーには軸流ファンに関連する同じ種類の空気流の問題はないが、空気流を
変えることが必要となる。図１８は、複式ブロワーとともに使用するための方向
指定羽根１８２、１８４を有する多孔板１８０を示す。多孔板１８０はどのよう
な適当なパターンでもよく、カードケージにおいてスロット毎に変ってもよい。
図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃ、図１９Ｄ、図１９Ｅ、図１９Ｆ、図１９Ｇは、
様々な空気流プロファイルを得るために使用できる代替多孔パターンを示す。

【００４５】開示した実施形態のすべてにおいて、分流器をカードケージの入口の外側に取
り付けるか置くか、またはカードケージと統合することもできる。図２０は、カ
ードケージ２０２に統合された多孔板２００の代替適用に特定の設計を示す。開
いた中央領域２０４はファンハブから下流の空気流を増す。開いた隅部領域２０
８はカードケージ隅部における空気流を増す。領域２０１と２０３を含む密な穴
の区域と、領域２０５と２０６を含む穴数の少ない区域は、隅部領域から低流領
域への空気の再分布を助ける。板の頂部における絞りの小さい個所である領域２
０７は、対応する区域のための局部的流れ要件を提供する。

【００４６】前述の内容に基づいて、多孔板、絞り部、および方向指定羽根のいかなる組合
せも空気流源からの空気流を変えるために使用することができることは、容易に
理解されるはずである。さらに、これらの装置を使用してカードケージのスロッ
ト内に特定の不平衡流を作り、カードケージへの入口に均一流を作り、またはフ
ァンとブロワーの噴射区域を補償することができる。これらの板、絞り部、およ
び方向指定羽根は一般的にアルミニウム、ステンレス鋼、または射出成形プラス
チックで作られる。しかし、どの適当な材料も分流器のために選択できることは
容易に理解されるはずである。

【００４７】図２１は、軸流ファンの中央における低出力を補償する分流器の別の実施形態
を示す。分流器の外形は標準的な軸流ファンとほぼ同じサイズに形成される。分
流器２１０は、平坦フレーム２１２、中実円形ディスク２１４、および中実円形
ディスク２１４から平坦フレーム２１２へ延びる複数の羽根２１６から構成され
ている。羽根２１６はファンからの空気流を対向回転させるような構成となって
いる。分流器２１０は、様々な金属およびプラスチック、およびさらに特定すれ
ばアルミニウムおよび熱可塑性合成物を含む、どの適当な材料によっても作るこ
とができる。分流器を適当なファスナによって軸流ファンまたはダクト組立品に
直接連結できるように、いくつかの穴２１８が設けられている。

【００４８】図２２は分流器の別の代替設計を示す。図２１の分流器におけると同様に、分
流器２２０は、平坦フレーム２２２、中実円形ディスク２２４、および中実円形
ディスク２２４から平坦フレーム２２２へ放射状に延びる複数の羽根２２６を含
む。追加の羽根２２８が中実円形ディスクと同心状に設けられている。追加の同
心羽根２２８は、低い中央ファン流を補償する意図で、カードケージに中央に向
って空気を方向指定する。同心羽根２２８は、空気を環状リングから他のスロッ
トへの分布に影響しない領域へ再方向指定するように置かなければならない。や
はり、分流器を適当なファスナによって軸流ファンまたはダクト組立品に直接連
結できるように、いくつかの穴２３０が設けられている。

【００４９】ここに開示し特許請求した方法および／または装置のすべては、本開示に照ら
して過度の実験をすることなく作製し実施することができる。本発明の装置と方
法を特定の実施形態に関して説明したが、本発明の概念、精神、および範囲を逸
脱することなく、ここに説明した方法および／または装置に、および方法のステ
ップまたはステップの連続に変形を適用できることは当業者には明らかであろう
。したがって、当業者には明白なこのような代用および変更はすべて、添付の特
許請求の範囲に定義されているように、本発明の精神、範囲、および概念の中に
あると思われる。

【００５０】例えば、開示された設計技法および装置は、カードケージにおける空気流の変
更に限定されるものではない。本発明は、ファンと遠心ブロワーを使用する他の
適用のための均一な空気流を作り出すために使用することができる。他の適用に
は、熱交換器用の均一な空気流を提供することも含まれるが、必ずしもこれに限
定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】軸流ファンの１インチ（２．５４ｃｍ）下流の位置にある回路カード組立品ま
たは他の障害物のない長方形ダクトの内部における、断面空気流プロファイルの
グラフである。

【図２】軸流ファンの９．５インチ（２４．１ｃｍ）下流の位置にある回路カード組立
品または他の障害物のない長方形ダクトの内部における、断面空気流プロファイ
ルのグラフである。

【図３】図１のダクトと同じ正味断面積を有する６本の平行長方形ダクトの配列内にお
ける断面空気流プロファイルのグラフである。

【図４】ファン、カードケージ、および回路板に関する命名と軸配列方向を示す概略図
である。

【図５】カードケージ入口に関するファン送風区域の図である。

【図６】ファンの左側に位置するスロット１に入ってこれを通って流れる空気速度ベク
トルの図である。

【図７】ファンの中央に位置するスロット３またはスロット４に入ってこれを通って流
れる空気速度ベクトルの図である。

【図８】ファンの右側に位置するスロット６に入ってこれを通って流れる空気速度ベク
トルの図である

【図９】赤外線テストデータをファンに対する回路板の位置の関数としてプロットした
図である。

【図１０】図１０Ａは、代表的なカードケージの入口に置かれた軸流ファンから生じる空
気流速度のテストデータのグラフである。図１０Ｂは、空気流分流器を加えた後
の、図１０Ａにおいて使用された軸流ファンから生じる空気流速度のテストデー
タのグラフである。

【図１１】図１１Ａは、代表的なカードケージの入口に置かれた軸流ファンによってカー
ドケージの入口において生じる空気流速度のテストデータのグラフである。図１
１Ｂは、代表的なカードケージの入口に置かれた軸流ファンによってカードケー
ジの出口において生じる空気流速度のテストデータのグラフである。図１１Ｃは
、空気流分流器を加えた後の、図１１Ａ〜図１１Ｂにおいて使用された軸流ファ
ンによってカードケージの入口において生じる空気流速度のテストデータのグラ
フである。図１１Ｄは、空気流分流器を加えた後の、図１１Ａ〜図１１Ｂにおい
て使用された軸流ファンによってカードケージの出口において生じる空気流速度
のテストデータのグラフである。

【図１２】図１２Ａは、代表的なカードケージの入口に置かれた複式ブロワーによって生
じるカードケージの内部における空気流速度のテストデータのグラフである。図
１２Ｂは、空気流分流器を加えた後の、図１２Ａにおいて使用されたブロワーに
よって生じる代表的なカードケージの内部における空気流速度のテストデータの
グラフである。

【図１３】ファンの性能曲線、カードケージの抵抗曲線、および結果として得られた動作
点を示す図である。

【図１４】図１４Ａは、空気流源からの空気流を分流するために多孔板を使用する本発明
の実施形態を示す図である。図１４Ｂは、空気流源からの空気流を分流するため
に多孔板を使用する本発明の別の実施形態を示す図である。

【図１５】図１５Ａは、空気流源からの空気流を分流するために円錐状ダクトを使用する
本発明の実施形態を示す図である。図１５Ｂは、空気流源からの空気流を分流す
るために円錐状ダクトを使用する本発明の別の実施形態を示す図である。

【図１６】図１６Ａは、空気流源からの空気流を分流するために円錐状ダクトと組み合わ
せた多孔板を使用する本発明の実施形態を示す図である。図１６Ｂは、空気流源
からの空気流を分流するために円錐状ダクトと組み合わせた多孔板を使用する本
発明の別の実施形態を示す図である。

【図１７】空気流源からの空気流を分流するために円錐状ダクトと組み合わせた多孔板を
使用する本発明のもう１つの実施形態を示す図である。

【図１８】空気流源からの空気流を分流するための本発明の一実施形態を示す図である。

【図１９】図１９Ａ−Ｇは、本発明の様々な実施形態として使用できるいくつかの多孔パ
ターンを示す図である。

【図２０】カードケージと統合された多孔板を使用する本発明の一実施形態を示す図であ
る。

【図２１】本発明による分流器の一実施形態を示す図である。

【図２２】本発明による分流器の一実施形態を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ロバートエー．ブルースアメリカ合衆国 75402 テキサスグリーンビルウェストミニスターレーン 1000 Ｆターム(参考） 5E322 AB10 BA01 BA03 BA04 BB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カードケージを設けること、カードケージを通る空気流プロファイルを有する空気流を設けること、空気流制御装置を選択すること、空気流制御装置によって空気流プロファイルを変更して、変更された空気流プ
ロファイルを作り出すことを含む、カードケージの中の空気流を制御するための方法。
【請求項２】カードケージ内の空気流プロファイルを決定すること、およ
び望みの変更された空気流プロファイルに基づいて空気流制御装置を選択するこ
とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】変更された空気流プロファイルが均一の空気流分布である、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】変更された空気流プロファイルは、カードケージ内部で他の
区域よりさらに冷却を必要とするカードケージ内部の区域に空気が分流するよう
になっている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】所定の空気流プロファイルを有する空気流源、および所定の空気流プロファイルを変更して望みの空気流プロファイルを形成するた
めに、空気流源とカードケージとの間に位置する少なくとも１つの空気流分流器
を含む、カードケージ内の回路カードを冷却するための装置。
【請求項６】前記空気流源が軸流ファンである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】前記空気流源が遠心ブロワーである、請求項５に記載の装置
。
【請求項８】前記遠心ブロワーが単式遠心ブロワーである、請求項７に記
載の装置。
【請求項９】前記遠心ブロワーが複式遠心ブロワーである、請求項７に記
載の装置。
【請求項１０】前記空気流分流器が多孔板である、請求項５に記載の装置
。
【請求項１１】前記多孔板が、望みの空気流プロファイルを達成するため
に増加空気流が必要である所に、減少空気流絞りを提供するために形成される、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記多孔板が、望みの空気流プロファイルを達成するため
に減少空気流が必要である所に、増加空気流絞りを提供するために形成される、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】前記多孔板が、減少空気流を望む所に増加空気流絞りを、
増加空気流を望む所に減少空気流絞りを提供するために形成される、請求項１０
に記載の装置。
【請求項１４】前記空気流分流器が拡散発泡体である、請求項５に記載の
装置。
【請求項１５】前記拡散発泡体が、望みの空気流プロファイルを達成する
ために増加空気流が必要である所に、減少空気流絞りを提供するために形成され
る、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】前記拡散発泡体が、望みの空気流プロファイルを達成する
ために減少空気流が必要である所に、増加空気流絞りを提供するために形成され
る、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】前記拡散発泡体が、減少空気流を望む所に増加空気流絞り
を、増加空気流を望む所に減少空気流絞りを提供するために形成される、請求項
１４に記載の装置。
【請求項１８】前記空気流分流器が前記軸流ファンの効果を低下させる働
きをする、請求項６に記載の装置。
【請求項１９】前記分流器が、望みの空気流プロファイルを達成するため
に増加空気流が必要である所に、減少空気流絞りを提供するために形成される、
請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】前記分流器が、望みの空気流プロファイルを達成するため
に減少空気流が必要である所に、増加空気流絞りを提供するために形成される、
請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】前記分流器が、減少空気流を望む所に増加空気流絞りを、
増加空気流を望む所に減少空気流絞りを提供するために形成される、請求項１８
に記載の装置。
【請求項２２】ファンブレードと共に放射状に置かれた複数の指向羽根を
含む複数のファンブレードを有する軸流ファンからの空気の流れを変更するため
の装置であって、前記複数の指向羽根が軸流ファンに通常関連する望ましくない
流れパターンを減少させる働きをする装置。
【請求項２３】ファンハブを有するファンからの空気の流れを変更するた
めの装置であって、平らなシート、平らなシートに対して中央に配置された円形板、および前記平らなシートから前記円形板へ放射状に延びる複数の指向羽根を有し、前記複数の指向羽根が軸流ファンに通常関連する望ましくない流れパタ
ーンを減少させる働きをする装置。
【請求項２４】少ない空気流が必要な区域では空気流を減少し、ファンハ
ブの背後では空気流を増加させる働きをする複数の同心指向羽根をさらに含む、
請求項２３の空気の流れを変更するための装置。
【請求項２５】前記装置が金属で作られている、請求項２３の空気の流れ
を変更するための装置。
【請求項２６】前記円形板に同心の複数の指向羽根をさらに含む、請求項
２３の空気の流れを変更するための装置。
【請求項２７】カードケージの中に配置された回路カードの温度を制御す
る方法であって、ケージ内の回路板を通って回路板の間に冷却気体を噴射すること、一般にケージ全体にわたって３次元マトリクス位置で気体の温度と流量を確か
めること、およびケージに入る気体の流れの流れパターンを変更することによって、前記の温度
の変化を減少することを含む方法。
【請求項２８】１つまたは複数の回路カードを含むエンクロージャを通じ
て気体の温度パターンを得る方法であって、エンクロージャに気体を十分に流して、エンクロージャの内部に第１気体流パ
ターンを確立すること、一般にエンクロージャ全体にわたる複数の位置における気体流の温度を検出す
ること、エンクロージャの内部における気体流のパターンを変化させて、変更された気
体流パターンを作り出すこと、および一般にエンクロージャ全体にわたる複数の位置における気体流の温度を再度検
出することを含む方法。
【請求項２９】所定の空気流プロファイルを有する空気流を提供する手段
、および所定の空気流プロファイルを変更して望みの空気流プロファイルを形成する手
段を含む、空気流を制御するための装置。