JP2005085908A - 集積回路の冷却装置及び筐体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却の構造が非常に簡単で、より高い冷却能力を有し、且つ、冷却によりプリント基板上に塵芥が集積することを排除して長期間の使用に対する信頼性を著しく向上させる。
【解決手段】筐体１０の内部スペースに配置されたプリント基板１２に実装した集積回路１１を内蔵する筐体装置である。この装置は、放熱用の冷却路Ｓの一部を形成する表面と当該一方の面に対向するもう裏面とを有するとともに、筐体１０の相互に対向する側部に夫々形成した開口同士を、冷却路Ｓを介して結合するように配置された熱伝導性材料で成る放熱体１４を備える。さらに、筐体装置は、放熱体１４に取り付けられ、且つ、放熱体１４の裏面に集積回路１１を当接させた状態でプリント基板１２を懸架する懸架手段１３と、筐体１０又は放熱体１４に、前記両方の開口のうちの一方を塞ぐように設けた冷却用のファンとを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、集積回路の冷却構造及び筐体装置に関し、とくに、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの装置として用いられる演算用集積回路を実装したプリンタ基板について、この基板上の集積回路からの発熱を外部に放熱する冷却装置と、この冷却装置やプリント基板を収容する筐体装置とに関する。

従来、工作機械などの産業用機械の制御に必要な演算用の集積回路は、多くの場合、プリント基板に実装され、このプリント基板を筐体装置の内部に収容した状態で、それらの産業用機械に組み込まれる。この筐体装置において、集積回路に安定した動作をさせるためにも、その集積回路からの発熱を積極的に放散させる冷却機構が必要になる。

従来では、そのようなプリント基板は、筐体内では筐体から機械的に離れた状態で装着されており、かかる状態で、集積回路の発熱を冷却させるための冷却機構が設けられている。この冷却機構には、一例として、発熱体である集積回路に金属製の放熱フィンを直接装着し、ファンにより冷却用空気を筐体の外部から内部に取り入れて循環させる仕組が知られている。また、他の例としては、ヒートパイプを用いる方式の冷却機構や、水冷による冷却機構、さらにはペルチェ素子などの電気的な冷却機構を備えることも知られている。

しかしながら、上述した演算用集積回路を実装したプリント基板を収容した筐体装置における従来の冷却機構にあっては、筐体の小形化・薄型化が難しいこと、冷却機構が複雑化することに因る信頼性の低下が避けられないこと、外部空気を単純に筐体内部に導入することにより、プリント基板上に塵芥が集積し易く、長期間の使用の間に電気的及び機械的な障害を発生させ易いことなどの不都合があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却の仕組みが非常に簡単でありながら、より高い冷却能力を有し、且つ、冷却によりプリント基板上に塵芥が集積することを排除して、長期間の使用に対する信頼性を著しく向上させることができる集積回路の冷却装置及び筐体装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る筐体装置によれば、筐体を備え、当該筐体の内部スペースに配置されたプリント基板に実装した集積回路を内蔵する筐体装置が提供される。この筐体装置は、前記集積回路の冷却のための放熱冷却路の少なくても一部を形成する一方の面と当該一方の面に対向するもう一方の面とを少なくても有するとともに、前記筐体の相互に対向する両方の側部に夫々形成した開口を、前記放熱冷却路を介して結合するように配置した熱伝導性材料で成る放熱体と、この放熱体に取り付けられ、且つ、前記もう一方の面に前記集積回路を当接させた状態で前記プリント基板を懸架する懸架手段と、前記筐体又は放熱体に、前記両方の開口のうちの少なくとも一方を塞ぐように設けた冷却用のファンとを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る冷却装置によれば、一方の面に、プリント基板に実装した集積回路を当接させるとともに、当該一方の面に対向するもう一方の面の側に空気を強制的に通過させる放熱冷却路を設けた放熱体を設けたことを特徴とする集積回路の冷却装置が提供される。

本発明に係る集積回路の冷却装置及び筐体装置によれば、冷却のための放熱冷却路の少なくても一部を形成する一方の面と当該一方の面に対向するもう一方の面とを少なくても有するとともに、筐体の一方の側部に形成した開口と当該一方の側部に対向するもう一方の側部に形成した開口とを前記放熱冷却路を介して結合するように配置された熱伝導性材料で成る放熱体と、この放熱体に取り付けられ、且つ、前記もう一方の面に前記集積回路を当接させた状態で前記プリント基板を懸架する懸架手段と、前記筐体又は放熱体に、前記両方の開口のうちの少なくとも一方を塞ぐように設けた冷却用のファンとを備えたことから、放熱体と筐体とによる両方の放熱効果を得ながらファンの強制空冷の能力を十分に発揮させることができるので、冷却の仕組みが非常に簡単でありながら、より高い冷却能力を有し、且つ、冷却によりプリント基板上に塵芥が集積することを排除して、長期間の使用に対する信頼性を著しく向上させることができるという優れた冷却能力を発揮することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜３に基づいて説明する。

図１に、本実施形態に係る筐体装置の概観を示し、図２に、その筐体装置の内部の構造を概略的に示す。

この筐体装置は、平たい箱状の筐体１０と、この筐体１０の内部に配置された演算用の集積回路１１を実装したプリント基板１２と、この基板１２を懸架状態で指示する懸架手段１３と、この集積回路１１からの発熱を放散させて当該集積回路１１を冷却する放熱体１４、冷却用ファン１５Ａ，１５Ｂとを備える。なお、図１において、筐体１０の幅方向をＸ軸、高さ方向をＹ軸、奥行き方向をＺ軸として表し、同図に描出されている筐体の状態を通常の使用状態とする。

このうち、筐体１０は、熱伝導性に優れた金属性の材料で成り、通常の使用状態おいて上面になる天井面１０Ａと当該天井面１０Ａから立ち下がる両壁面部（左右の壁面部とする）１０Ｂ、１０Ｃとを含み、その全体とし薄い箱状に一体に形成される。この筐体１０の左右（Ｘ軸方向）の両壁面部１０Ｂ、１０Ｃを除く前後（Ｚ軸方向）の２つの壁部分は、前カバー１０Ｄ及び後カバー１０Ｅにより夫々、着脱自在に塞がれる。

放熱体１４は、熱伝導性に優れた金属製の材料で所定厚さに形成される。この放熱体１４は、その底面部１４Ａと、底面部１４Ａの両側端部（左右端部）の夫々から垂直に立ち上がる左右側面部１４Ｂ，１４Ｃと、この左右側面部１４Ｂ，１４Ｃの上端部の夫々から直角に折れ曲がるリム部１４Ｄ、１４Ｅとの各部を有し、それらが図示のように一定に形成されている。これにより、底面部１４Ａと左右側面部１４Ｂ，１４Ｃとにより、３方が囲まれた空間が画成される。

なお、この底面部１４Ａの表面（図１における上側の面）を本発明に係る「一方の面」とし、その裏面（図１における下側の面）を本発明に係る「もう一方の面」とする。

この放熱体１４には、さらに、底面部１４Ａから、その空間側において複数の短冊状を成す放熱用フィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７（例えば７枚）が同空間Ｓの前後方向に沿い且つ相互に所定間隔を空けて立設されている。本実施形態にあっては、底面部１４Ａと複数のフィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７とは同一材料で一体成形されている。また、この複数のフィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７の高さは左右側面部１４Ｂ，１４Ｃと同一になっている。

このように形成された放熱体１４は、図２に示す如く、そのリム部１４Ｄ、１４Ｅを筐体１０の天井面１０Ａの裏側に固設させた状態で、筐体１０に取り付けられる。この結果、前述した空間は、筐体１０の天井面１０Ａにより４面が囲まれるとともに、フィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７により分割された８本の流路が形成される。このとき、フィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７の上端部は、天井面１０Ａの裏面に当接する。この複数の流路（すなわち空間）は、後述するように、強制的に循環させる冷却用空気の流路Ｓとなる。

さらに、図２に示すように、演算用の集積回路１１を実装したプリント基板１２は、懸架手段１３により放熱体１４の底面部１４Ａに懸架されている。この懸架手段１３は、コイルばね１３Ａを個別に介挿させた複数本のネジ１３Ｂ，…，１３Ｂにより基板反り返り防止金具１３Ｃを垂下した状態で支持し、この基板反り返り防止金具１３Ｃと放熱体１４との間にプリント基板１２が位置する。この位置状態において、基板上のソケット１５（実際には複数個のソケット）に嵌め込まれた集積回路１１（実際には複数個の集積回路）の上面は、放熱体１４の底面部１４Ａの裏側に確実に且つ適度な圧着力で当接させられるようになっている。

プリント基板１２の四隅の部分は、筐体１０の天井面１０Ａにそれぞれ一端を取り付けた複数のスペーサ１６，…，１６で高さ方向の位置決めがなされている。このため、この状態でネジ１３Ｂ，…，１３Ｂの締め付け具合を調整することで、集積回路１１（パッケージ部分）の放熱体１４の底面部１４Ａに対する圧着力を所定の値に設定できる。なお、集積回路１１（パッケージ部分）と底面部１４Ａとの間には、ジェルなどの隙間を埋める充填剤を入れてもよい。

スペーサ１６，…，１６それぞれの下端部は、上述のようにプリント基板１２を保持するとともに、さらに別にスペーサ１６Ａ，…，１６Ａに連結され、この別にスペーサ１６Ａ，…，１６Ａが底板１７を保持するようになっている。この底板１７は、筐体１０の底面全体をカバーするもので、筐体１０の天井面１０Ａからスペーサ１６，…，１６及び１６Ａ，…，１６Ａにより支持される。

さらに、２個の冷却用ファン１５Ａ，１５Ｂは、前述した流路Ｓの一方の側を覆うように放熱体１４の側端部に併置状態で固設される。つまり、この冷却用ファン１５Ａ，１５Ｂのフレーム部分は、その２つで冷却用空気が流れる流路Ｓの一方を塞ぐように、そのサイズが設定されている。このため、冷却用ファン１５Ａ，１５Ｂが回転すると、その回転に伴って取り入れられる外気は、その殆どが冷却用の流路Ｓの端部（つまり、空気取入口）を通って、その内部に流れ込むことになる。この流れ込んだ空気は、流路Ｓを通ってその反対側の端部（すなわち、空気出口）から放出される。

前カバー１０Ｄは、筐体１０の前側端部における冷却ファン１５Ａ，１５Ｂに相当する開口ＯＰ１（図３参照）以外の面を覆うように形成される。また、後カバー１０Ｅは、筐体１０の後側端部の全体を覆うとともに、流路Ｓの出口に対向する開口ＯＰ２（図３参照）を形成するようになっている。

なお、冷却用ファンは上述したように必ずしも２個に限定されるものでは無く、１個でもよい。また、この冷却用ファンは、もう一方の端部（空気出口）側のみに設けてもよいし、流路Ｓの両端部、すなわち空気取入口及び空気出口の両方に装備するようにしてもよい。また、冷却ファン１５Ａ，１５Ｂは、前カバー１０Ｄに取り付けるようにしてもよい。

次いで、本実施形態に係る筐体装置の作用効果を説明する。

冷却ファン１５Ａ，１５Ｂが回転すると、図３に示すように、このファン１５Ａ，１５Ｂを介して外気が空気取入口を介して冷却用流路Ｓに強制的に取り込まれる。この外気は、フィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７で分割された流路（すなわち流路Ｓ）を通って、空気出口から排出される。この外気の取入及び排出に伴って、集積回路１１で発生した熱は放熱体１４を介して流入する外気と熱交換する。このため、空気が流路Ｓから排出されることで、集積回路１１は強制空冷される。

この強制空冷の際、ファン１５Ａ，１５Ｂにより取り込まれた外気はストレートに冷却用流路Ｓを流れるので、簡単な構造でありながら、空気の循環がスムーズで効率良い冷却が行なわれる。とくに、集積回路１１で発生した熱は放熱体１４のみならず、放熱体１４の左右側面部１４Ｂ，１４Ｃ及びフィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７を介して筐体１０の特にその天井面１０Ａに伝わる。このため、フィン１４Ｎ１〜１４Ｎ７により外気との接触面積が増えるのみならず、筐体１０も積極的に冷却に参加できることから、従来のように筐体が冷却に使用されない構造のもものに比べて、格段に冷却効率が向上する。

逆に言えば、実のように放熱体１４と筐体１０とを一体化することで放熱効果が上がる（つまり、熱分散され自然空冷の量が増加する）ので、冷却用流路Ｓへの風量を減らすことが可能になる。つまり、ファン１５Ａ，１５Ｂをより小形化することができる。

また、本実施形態にあっては、下記のような更なる作用効果も得られる。

第１に、放熱体１４の底面部１４Ａの形状とプリント基板１２上に実装されている集積回路１１の配置を整合させて、プリント基板１２と放熱体１４を機械的に圧着させることで、本来の放熱装置として機能を阻害することなく、放熱体１４を筐体構造物の一部として力学的に作用させることができる。

第２に、放熱体１４により形成される冷却用流路Ｓ平行フィン形状とし、さらに筐体１０の天井面１０Ａで成るカバー部を被せることで、チューブ状の流路を確保できるとともに、筐体１０内部（流路Ｓ以外の部分）には、空気が通過・還流しないようにすることができる。この結果、流路Ｓにおける空気の十分な流速を確保しながら、冷却に伴って外部から塵埃等が筐体１０内の進入することを防止することができる。この結果、プリント基板１２上に堆積する塵芥の量を大幅に減らすことができ、プリント基板１２の電気的・機械的な不具合の発生を減らすことができる。したがって、より信頼性の高い筐体装置を提供することができる。

第３に、冷却ファン（本実施形態の場合はファン１５Ａ，１５Ｂ）は、発熱体である集積回路１１の近傍に取り付けるのではなく、放熱体１４により少なくとも一部が画成される流路Ｓの両端部のどちらかに取り付けてあれば良く、発熱量の大きい高性能演算集積回路を使用した場合でも、筐体１０の厚みを薄くすることができ、より一層の小形化が可能になる。

第４に、金属性放熱体１４とプリント基板１２の当接に係る利点がある。演算用集積回路１１が実装されたプリント基板１２は放熱体１４に懸架手段１３を使用して圧着させている。加えて、放熱体１４は、プリント基板１２の固定用シャシとして力学的に作用する。このため、従来の外部筐体と放熱フィンとを分離した構造に起因する、ケース（筐体）の大型化及び冷却機構の複雑化を解消でき、さらに、これまで難しいとされてきた発熱量の大きい演算用集積回路を実装したプリント基板の小型化／薄型化が可能となる。懸架手段はプリント基板１２を機械的に常時圧着させるスプリング機構（コイルばね１３Ａ）を有し、長期にわたる圧着力を確保でき、さらにプリント基板１２へは必要以上の圧着力がかからないように調整することができる。

このように上述した利点を更にまとめると、
１）冷却機構の単純化に伴って、筐体を薄型化／小型化できる、
２）外部からの導入空気が筐体内の電子部品の部分を通過・還流しないことから、筐体内の塵埃集積が激減し、信頼性と長期的な安定性が向上する、
３）埃等の発生環境下でも高性能な演算用集積回路を実装したプリント基板の使用が可能になる、
４）熱量の大きい集積回路であっても、金属製放熱体の蓄熱／放熱量をシュミレートし、基本構造を変更することなく実装検討が可能になる、
５）従来は、組込みが難しかった産業用配電盤や制御盤内に、冷却用ファンの取り付け方向を変更するだけで、基本構造に大きな変更をせずに組込みが可能となる、
６）冷却用ファンの取り付けは、方向にかかわらず筐体外となり電子部品に比べ短寿命の機械部品であるファンのメンテナス性が向上する、
などの効果を得ることができる。

なお、本発明を実施できる筐体装置は、上述した実施形態のものに限定されることなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない範囲で更に適宜な形態に変更できる。

その幾つかの例を図４，５に示す。図４に示す筐体装置によれば、筐体１０と放熱体１４とを一体に形成している。これにより、筐体１０と放熱体１４と組み付けが簡単になる。また、図５に示す筐体装置は、図１〜３に示した前述の実施形態において、筐体１０の天井面１０Ａの放熱体１４に対向する部分を局所的に着脱自在なカバー１０Ａａで覆うようになっている。これにより、前述した実施形態のものと同等の冷却能力を維持しながら、カバー１０Ａａを外して懸架手段１３を組み立てることができるなど、製造が簡単になって製造コストを低減させることができる。

また、この筐体装置は、図１に示した姿勢を逆さまにした状態、９０°だけ回転した状態、または斜めに傾けた状態を通常の使用状態としてもよい。更に、冷却用流路、すなわち放熱体１４の冷却風が通る空間は、湾曲又は蛇行していてもよい。

本発明は以上のように構成され機能することから、工場内の工作機械、産業用配電盤、制御盤など、演算用集積回路を実装したプリント基板を組み込んで当該集積回路により制御や処理を実行する装置について、塵芥などの比較的多い厳しい環境下においても好適に適用可能な集積回路の冷却装置及び筐体装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る筐体装置（冷却装置を含む）の概観を説明する、一部破断した斜視図。 図１に示す筐体装置の、Ｚ軸方向のある位置において同Ｚ軸に直交するＸＹ面に沿った内部構造を示す断面図。 放熱体と筐体とで共同して画成される冷却用の流路を説明する部分斜視図。 本発明の別の実施形態に係る筐体装置（冷却装置を含む）を説明する断面図。 本発明の更に別の実施形態に係る筐体装置（冷却装置を含む）の概観を説明する、前後のカバーを外した状態の斜視図。

符号の説明

１０ 筐体
１０Ａ 筐体の天井面
１１ 集積回路
１２ プリント基板
１３ 懸架手段
１４ 放熱体
１４Ａ 放熱体の底面部（一方の面及びもう一方の面を有する）
１４Ｂ，１４Ｃ 放熱体の側面部
１４Ｎ１〜１４Ｎ７ 放熱体のフィン
１５Ａ，１５Ｂ 冷却用ファン
Ｓ 両端に開口を形成する冷却用流路

Claims (8)

1. 筐体を備え、当該筐体の内部スペースに配置されたプリント基板に実装した集積回路を内蔵する筐体装置において、
   前記集積回路の冷却のための放熱冷却路の少なくても一部を形成する一方の面と当該一方の面に対向するもう一方の面とを少なくても有するとともに、前記筐体の相互に対向する両方の側部に夫々形成した開口を、前記放熱冷却路を介して結合するように配置した熱伝導性材料で成る放熱体と、
   この放熱体に取り付けられ、且つ、前記もう一方の面に前記集積回路を当接させた状態で前記プリント基板を懸架する懸架手段と、
   前記筐体又は放熱体に、前記両方の開口のうちの少なくとも一方を塞ぐように設けた冷却用のファンとを備えたことを特徴とする筐体装置。
2. 請求項１に記載の筐体装置において、
   前記筐体と放熱体は互いに別部材であって、当該筐体が前記放熱冷却路の一つの壁面部を形成し且つ前記放熱体が前記放熱冷却路の残りの壁面部を形成するように前記筐体と前記放熱体とを当接・配置させたことを特徴とする筐体装置。
3. 請求項１に記載の筐体装置において、
   前記放熱体は、前記放熱冷却路の流路長手方向に沿って垂設された少なくとも１枚のフィンを有し、このフィンの筐体側端部は当該筐体の放熱冷却路を形成する面に当接する高さを有することを特徴とする筐体装置。
4. 請求項１に記載の筐体装置において、
   前記筐体と放熱体は互いに同一部材で一体又は略一体に形成したことを特徴とする筐体装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の筐体装置において、
   前記放熱体が当接又は固着する前記筐体の壁面部は、当該筐体装置の通常の使用状態における天井壁であることを特徴とする筐体装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の筐体装置において、
   前記放熱冷却路は、前記筐体の一方の側部に形成した開口と当該一方の側部に対向するもう一方の側部に形成した開口とが直線上で相互に対向し且つ当該放熱冷却路に導入された冷却風の送風方向に直交する断面が略矩形状であることを特徴とする筐体装置。
7. 一方の面に、プリント基板に実装した集積回路を当接させるとともに、当該一方の面に対向するもう一方の面の側に空気を強制的に通過させる放熱冷却路を設けた放熱体を設けたことを特徴とする集積回路の冷却装置。
8. 請求項７に記載の冷却装置において、
   前記放熱体は、熱伝導性の筐体に結合されていることを特徴とする集積回路の冷却装置。

Images