JP2005340745A - 電気・電子機器用電源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電気・電子機器用電源ユニットに騒音の大きな空冷用ファンを取り付けることなく、放熱の問題を解決することである。
【解決手段】電気・電子機器に用いられる電源ユニットにおいて、電源ユニットのケース内に電子機器用基板が少なくとも１つ配置され、該基板には高発熱素子が少なくとも１つ配置され、該高発熱素子には全て単数もしくは複数の熱伝導部材が密着し、該熱伝導部材は前記電源ユニットのケースの外部に突出させて放熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は電気・電子機器に用いられる電源のケース内に配列されている電気・電子部品を冷却するための冷却構造に関する。特に、コンピュータ用電源の冷却構造に関する。

発明の詳細な説明

本発明は電気・電子機器に用いられる電源のケース内に配列されている電気・電子部品を冷却するための冷却構造に関する。特に、コンピュータ用電源の冷却構造に関する。

パソコン等の電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の部品は、電力により動作するので、当該部品に電力を供給するために電源が必要となる。当該電源は、通常、電源ユニットとして電気・電子機器用ケースとは別の電源用ケースを持ち、該電源用ケース内に変圧素子、電力制御素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ・トランジスタ等）等の電源用素子が配置されている。該電源ユニットは電気・電子機器用ケースに固定され、外部電源から電力の供給を受け、電気・電子機器に必要な電流、電圧及び周波数に変換して電気・電子機器に電力を供給する。

近年、電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の部品は消費電力及び必要な電圧や周波数が多彩になってきているため、電源ユニットも大容量化してきている。そのため電源ユニット内の電力制御素子等の発熱も大きくなってきている。
この熱を放熱するため通常電源ユニットにはファンが取り付けられているが、電源ユニットの大容量化とともに当該ファンも大きな風量が求められるようになり、大型化もしくは回転数が大きくなってきている。そのため、ファンの音が大きくなり、静かな環境で用いられる電気・電子機器では、当該ファンの音を小さくすることが課題となってきた。

これを解決するためにファンを用いないで放熱を行う電源ユニットが近年開発されてきている。例えば引用文献１のようなものが該当する。
引用文献１のものは、ベースプレート１の一面を電源ユニット内の発熱素子に密着させ、他面にフィンを装着し、さらにベースプレートの一端部を電源用ケースにも密着させて、該密着部分の電源用ケース外側にもフィンを装着することにより、ファン無しで放熱を行う方法が考案されている。
ＤＥ２０、３０４、４９０Ｕ１公報

しかしながら、近年のさらなる電源の高発熱化に伴い、引用文献１の放熱方法では十分に放熱を行うことができないという問題が発生してきた。また、市場の要求として、小型化というニーズに対して、引用文献１の放熱方法では小型化により十分な放熱スペースを確保できなくなり、放熱装置として十分な性能を発揮することができなという問題も発生した。
本件発明の目的は上記問題に鑑み、騒音の大きな空冷用ファンを取り付けることなく、放熱の問題を解決することである。

請求項１の発明によれば、電気・電子機器に用いられる電源ユニットにおいて、電源ユニットのケース内に電子機器用基板が少なくとも１つ配置されており、該基板には高発熱素子が少なくとも１つ配置されており、該高発熱素子には全て単数もしくは複数の熱伝導部材が密着し、該熱伝導部材は前記電源ユニットのケースの外部に突出していることを特徴とする。該電源ユニットは通常電気・電子機器の筐体内に筐体に接触させて固定される。

請求項２の発明によれば、前記熱伝導部材と前記高発熱素子との間に伝熱部材を挟んだことを特徴とする。伝熱部材としては、シリコングリースや熱伝導シートがある。

請求項３の発明によれば、前記熱伝導部材として銅やアルミニウム等の高熱伝動性素材でできた金属板を用いたことを特徴とする。高熱伝動性素材としては、純金属だけではなく合金、樹脂、プラスチック等の素材でもよい。また、前記熱伝導部材にフィン又は及びヒートシンクを一体形成してもよい。

請求項４の発明によれば、前記熱伝導部材として可曉性偏平金属管でできたヒートパイプを用いたことを特徴とする。ヒートパイプとしては管状のヒートパイプを偏平させたものや、内部に複数の細孔トンネルが形成されている偏平管を用いる。

請求項５の発明によれば、前記可曉性偏平金属管は、多孔細孔トンネルを有し、該トンネルは所定の手段で蛇行もしくは全ての細孔が所定の手段で連通する構造とし、該可曉性多孔偏平金属管内には所定の作動液が所定量封入され、該細孔は作動液が表面張力により管内を閉塞するような内径であることを特徴とする。トンネルの形状としては作動液が表面張力により管内を閉塞するような構造なら、円形，楕円形、三角形、四角形や多角形等どのような形状でもよい。また封入する作動液としては使用する温度領域によるが、水、フロン系、代替フロン系（ハイドロフロロカーボン（ＨＦＣ）、ハイドロフロロエーテル（ＨＦＥ）等）作動液やブタン等の炭素・水素系作動液が用いられる。

請求項６の発明によれば、前記熱伝導部材にフィンを直接装着又は及びヒートシンクを密着したことを特徴とする。フィンとしてはスタックフィン、コルゲートフィンやその変形型フィン、ヒートシンクとしては波型や、押し出しヒートシンクがある。

請求項７の発明によれば、前記電気・電子機器用電源ユニットの電源用ケースに吸気用開口部と排気用開口部を設けたことを特徴とする。排気用開口部は前記熱伝導部材の外部への突出口として用いることもできる。また、排気用開口部を吸気側開口部よりも重力方向上側に配置するとよい。

請求項８の発明によれば、前記吸気用開口部及び排気用開口部のどちらか一方が前記電気・電子機器用ケース内に開口し、他方が前記電気・電子機器用ケース外に開口するように設けたことを特徴とする。ファンにより発生する気流は電源ユニット電子機器用ケース内のき

請求項９の発明によれば、前記熱伝導部材の一端部が前記電気・電子機器用ケース外に設けた穴から前記電気・電子機器用ケース外に突出していることを特徴とする。前記熱伝導部材の突出部を覆うように前記電気・電子機器用ケースに網状の保護具装着することもできる。

請求項１０の発明によれば、前記電源ユニットを前記電気・電子機器用ケースの重力方向上方に設けたことを特徴とする。また、外部に突出した熱伝導部材の放熱部も前記電気・電子機器用ケース外に設けた穴よりも高い位置にはいちすることができる。

請求項１１の発明によれば、前記電気・電子機器用ケース又は前記電源ユニットのケースの内部あるいは外部に少なくとも１つのファンを持つことを特徴とする。当該フィンにより発生した気流ができるだけ電源ユニット内を通るようにフィンを配置する。

請求項１２の発明によれば、前記少なくとも１つのフィンが前記電気・電子機器用ケース又は前記電源ユニットのケースの内部あるいは外部に取り付けてある温度検出手段により回転数が０ｒｐｍから６０００ｒｐｍまで変化することを特徴とする。温度検出手段としては熱電対等を熱伝導部材や発熱素子に直接接触させること等により検出する。当該回転数はファンの発生する音に関連しており、通常は５０ｄＢ以下になるようにする。つまり、大きなプロペラを持つファンを用いる場合は当該最高回転数は低くなり、小さなプロペラを用いる場合は６０００ｒｐｍまでファンの回転数を上げてもファンの発生する音を５０ｄＢ以下に抑えることができる。

請求項１の発明によれば、狭い空間内に密接に配置されている高発熱素子がら放熱するために、高回転数のフィンを用いる必要がなくなるので、電源ユニットを静音化することができる。

請求項２の発明によれば、熱抵抗の最も大きくなる発熱素子と熱伝導部材の接触部に伝熱部材を設けているので、効率よく熱を運搬することができる。

請求項３の発明によれば、容易に熱伝導部材を加工することができる。

請求項４の発明によれば、多くの熱を輸送することができる。

請求項５の発明によれば、多くの熱を重力による影響をあまり受けることなく、遠くまで輸送することができる。

請求項６の発明によれば、放熱部での放熱量を大幅に増加することができる。従って高発熱素子から多くの熱を奪うことができる。

請求項７の発明によれば、電源ユニット内に風の流れができることにより、電源原ユニット内に高温の空気が滞留することを防ぐことができる。

請求項８の発明によれば、電気・電子機器用ケース内の温度の高い空気を電気・電子機器用ケース外にさらに高温の電源ユニット内を通って排気することができ、電源ユニット内の電気・電子部品のみならず電気・電子機器の電気・電子部品も発熱暴走することを防止することができる。

請求項９の発明によれば、放熱部を温度の低い大気中に突出できるので、より方熱効率を向上することができる。

請求項１０の発明によれば、温度の高い空気が上昇する自然な流れにより、電気・電子機器用ケース内や電源ユニット内、さらには熱伝導部材の放熱部を空冷することができる。

請求項１１の発明によれば、強制的な風の流れを電気・電子機器用ケース内や電源ユニット内に作り出すことにより、さらに放熱効率を上げることができる。

請求項１２の発明によれば、ファンの発生する最大の音を人が聞いて不快感を感じない５０ｄＢ以下にしても大容量の電源を構成することができる。
や操作方法に応じて左右の側端部を使い分けられるという利点がある。＜ＢＲ＞

以下に本発明の第１実施形態を示す。
図１及び図２は本件発明の電源ユニット１００の上視断面図、図２は本件発明の電源ユニット１００の下視図である。図１において、１０１は電源ユニット１００のケースである。ケース１０１内には複数の電子回路基板１０３が固定されており該回路基板１０３には高発熱するＭＯＳＦＥＴや変圧器等の電子・電気素子１０５が複数配置されている。該電子・電気素子１０５には電子・電気素子１０５から熱を吸収し、多孔細孔偏平ヒートパイプ１０９に熱を伝導するための銅の合金でできた熱伝導率の良いベースプレート１０７が固着されている。多孔細孔偏平ヒートパイプ１０９は略Ｕの字状になるように２ヶ所の折り曲げ部１１５があり両端部をケース１０１内にベースプレート１０７と固着するように配置し、折り曲げ部１１５はケース１０１外に突出するように配置されている。該突出部１１５にはヒートシンク１１７が多孔細孔プレート型ヒートパイプ１０９の両面に固着されている。固着方法としては熱伝導性のよい接着剤で固着、ねじを用いて圧着する等の方法がある。該電子機器には外部電源ケーブル１１１により電力が供給される。該電力は電源ユニット１００により対象の電気・電子機器に必要な電力に変換されて電気・電子機器用電源ケーブル１１３より電気・電子機器に電力が供給される。電源ユニット１００内の電子・電気素子１０５から多孔細孔偏平ヒートパイプ１０９に伝導された熱は前記ヒートシンク１１７でケース１０１外に放熱される。該構造にすることにより、ファンを用いなくても高発熱する電源ユニット１００から十分に放熱することができる。

さらにケース１０１の底部１１９に開口部１２１及びケース１０１のヒートプレート１０７の突出部に開口部を開けることにより、ケース１０１内に自然な空気の流れができ、これにより直接電子・電気素子１０５及びヒートプレート１０７を冷却することもできる。

ここで、多孔細孔偏平ヒートパイプ１０９の構造について説明する。
本実施例による電源ユニットに用いられる多孔細孔プレート型ヒートパイプ１０９は図３及び図４の様な蛇行細孔プレート型ヒートパイプもしくは平行細孔プレート型ヒートパイプで構成されている。これら多孔細孔プレート型ヒートパイプについて蛇行細孔プレート型ヒートパイプを例にとって説明する。なお、ここで、蛇行細孔プレート型ヒートパイプの基本原理である蛇行細管ヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細管（熱媒体通路）の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細管のある部分は受熱部、他のある部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配設されており、両部の間を細管が蛇行している。
（４）細管内には２相凝縮性作動流体が封入されている。
（５）細管の内壁は、上記作動流体が常に管内を閉塞した状態のままで循環又は移動することが出来る最大流体直径以下の直径である。
このような多孔細孔プレート型ヒートパイプを用いることにより、発熱体への細管ヒートパイプの取り付け姿勢に関係なく熱輸送させることができる。
多孔細孔プレートはアルミニウムやマグネシウム等の可曉性純金属やその合金を押出し成形することにより容易に形成することができる。当該多孔細孔プレートの細孔トンネル間を仕切る隔壁部を端部で削除することにより隣り合うトンネル間の連通路を形成する方法で、多孔細孔プレート全体で所定の経路を形成し、端部を溶接、ろう接、圧接、キャップ等の所定の手段で封止し、所定の作動液を所定の手段で封入することにより多孔細孔プレート型ヒートパイプを構成する。
このような可曉性純金属もしくはその合金でできた多孔細孔プレート型ヒートパイプを用いることことにより容易に曲げ加工でき、配置の自由度が増す。

図３に示す蛇行細孔プレート型ヒートパイプは、全体として平板状の外形を有する多孔扁平管５１の内部に平行に配置された多数の貫通細孔５７ａ，５７ｂの一端面の隔壁５７を一条おきに所定の深さだけ切除し、他端面では前記一端面で切除していない隔壁５７を一条毎にずらして切除する。各細孔は端部で連通して一連の蛇行トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体が封入される。
また図４に示す平行細孔プレート型ヒートパイプは、全体として平板状の外形を有する多孔扁平管５１の内部に平行に配置された多数の貫通細孔５７ａ，５７ｂの一端面及び他端面の隔壁５７を全て所定の深さだけ切除する。これにより各細孔は端部で連通して平行トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体が封入される。

次に本件発明における第２実施例を、図５を用いて説明する。
第２実施例のファン以外の構成は第一実施例と同じであるので省略する。
第２実施例においては放熱部２０１での放熱効率をさらに上げるために低速回転するファン２０３を電源ユニットのケース２０５内分のヒートパイプ２０７を電源ユニット外に突出させるために空けた穴部２０９に装着する。当該部分にファンを装着することにより電源ユニット内の熱い空気を電源ユニット外に放出すると共に、ヒートシンク２１１にもファン２０３からの空気の流れが生ずることにより放熱効率をさらに上げることができる。ここでファンの選択としては、通常、人の聴覚に対して不快感を与えない程度の大きさの音を発生するものを選択する。例えば一般的なオフィスの騒音である５０ｄＢ以下の騒音のファンを選択する。

図６は本件発明の第３実施例である。
本件は第２実施例においてファンの配置位置を変えたものである。
本件実施例では、ファン３０１の位置を電源ケース外のヒートシンク３０３に固着した。当該位置にファン３０１を配置することにより、電源ケース外の温度の低い空気でヒートシンク３０３を冷却することができるので、ヒートシンク３０３から効率よく放熱することができる。

次に図７の斜視図を用いて本件発明の電源ケースを電気・電子機器に装着した概略について示す。図７において４０１は電気・電子機器のケースである。電源ユニット４０３は電気・電子機器のケース４０１内の重力方向最上方近辺に固定される。該電源ユニット４０３には底面に通気用の穴４０５が空いている。さらに電気・電子機器のケース４０１及び電源ユニット４０３の接触面には別の通気用の穴４０７が貫通している。電気・電子機器のケース４０１内には電源ユニット４０３と同様に発熱素子４０９を含む電子基板が配置されており、該発熱素子４０９により熱せられた電気・電子機器のケース４０１内の空気により電気・電子機器のケース４０１内に上昇する空気の流れ４１１が自然に発生する。当該自然な空気の流れ４１１を底面に通気用の穴４０５から取り込み通気用の穴４０７から電気・電子機器のケース４０１外に熱せられた空気を排出することにより、電気・電子機器のケース４０１及び電源ユニット４０３を効率よく冷却することができる。

本件発明の電源ユニットの第１実施例の上視図である。 本件発明の電源ユニットの第１実施例の下視図である。 本件発明に用いる蛇行細孔プレート型ヒートパイプの断面図である。 本件発明に用いる平行細孔プレート型ヒートパイプの断面図である。 本件発明の電源ユニットの第２実施例の上視図である。 本件発明の電源ユニットの第３実施例の上視図である。 本件発明の電源ユニットの電気・電子機器げの装着時の透過斜視図である。

符号の説明

１００、４０３ 電源ユニット
１０１、２０５ 電源ユニットのケース
１０３ 電子回路基板
１０５、４０９ 素子
１０７ ベースプレート
１０９、２０７ 多孔細孔偏平ヒートパイプ
１１１ 外部電源ケーブル
１１５ 折り曲げ部
１２１ 突出部
１１３ 電気・電子機器用電源ケーブル
１１９ 底部
１２１ 開口部
５１ 多孔扁平管
５７ａ，５７ｂ 貫通細孔
５７ 隔壁
２０１ 放熱部
２０３、３０１ ファン
２１１、３０３ ヒートシンク
４０１ 電気・電子機器のケース

Claims (12)

1. 電気・電子機器に用いられる電源ユニットにおいて、電源ユニットのケース内に電子機器用基板が少なくとも１つ配置され、該基板には高発熱素子が少なくとも１つ配置され、該高発熱素子には全て単数もしくは複数の熱伝導部材が密着し、該熱伝導部材は前記電源ユニットのケースの外部に突出していることを特徴とする電気・電子機器用電源ユニット。
2. 前記熱伝導部材と前記高発熱素子との間に伝熱部材を挟んだことを特徴とする請求項１に記載の電気・電子機器用電源ユニット。
3. 前記熱伝導部材として銅やアルミニウム等の高熱伝動性素材でできた金属板を用いたことを特徴とする請求項２に記載の電気・電子機器用電源ユニット。
4. 前記熱伝導部材として可曉性偏平金属管でできたヒートパイプを用いたことを特徴とする請求項２に記載の電気・電子機器用電源ユニット。
5. 前記可曉性偏平金属管は、多孔細孔トンネルを有し、該トンネルは所定の手段で蛇行もしくは全ての細孔が所定の手段で連通する構造とし、該可曉性多孔偏平金属管内には所定の作動液が所定量封入され、該細孔は作動液が表面張力により管内を閉塞するような内径であることを特徴とする請求４に記載の電気・電子機器用電源ユニット。
6. 前記熱伝導部材にフィン又は及びヒートシンクを密着したことを特徴とする請求項１〜５に記載の電気・電子機器用電源ユニット。
7. 前記電気・電子機器用電源ユニットの電源用ケースに吸気用開口部と排気用開口部を設けたことを特徴とする請求項１〜６に記載の電源ユニット。
8. 前記吸気用開口部及び排気用開口部のどちらか一方が前記電気・電子機器用ケース内に開口し、他方が前記電気・電子機器用ケース外に開口するように設けたことを特徴とする請求項７に記載の電源ユニット。
9. 前記熱伝導部材の一端部が前記電気・電子機器用ケース外に設けた穴から前記電気・電子機器用ケース外に突出していることを特徴とする請求項１〜８に記載の電源ユニット。
10. 前記電源ユニットを前記電気・電子機器用ケースの上方に設けたことを特徴とする請求項１〜９に記載の電源ユニット。
11. 前記電気・電子機器用ケース又は前記電源ユニットのケースの内部あるいは外部に少なくとも１つのファンを持つことを特徴とする請求項１〜１０に記載の電源ユニット。
12. 前記少なくとも１つのフィンが前記電気・電子機器用ケース又は前記電源ユニットのケース内部あるいは外部に取り付けてある温度検出手段により回転数が０ｒｐｍから６０００ｒｐｍまで変化することを特徴とする請求項１１に記載の電源ユニット。

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