JP2006105139A - 高性能冷却用ファン - Google Patents

Abstract

【課題】顕著な回転数の増加をせずに吐出流量を増加することが可能な冷却用ファンを提供する。
【解決手段】冷却用ファン（１４）は、空気流を生成するように構成されたロータ（２４）を備える。冷却用ファン（１４）は、ロータ（２４）によって生成された空気流を受け入れ、その空気流をロータ（２４）に関して実質的に軸方向に向けるように構成された出口案内翼（２６）をさらに備える。冷却用ファン（１４）は、出口案内翼（２６）から出た空気流を受け入れ、ディフューザ（３４）入口より高い静圧を有する空気流を生成するディフューザ（３４）をさらに備える。冷却用ファン（１４）は、１．６より大きい仕事係数、および０．４以上の流量係数を達成する。
【選択図】図２

Description

本発明は一般に回転ファンに関し、より詳細には、熱の除去のために大量の流れが望まれる電子素子や他の構成部品を冷却するファンに関する。

電子装置中のサーバ、プロセッサ、メモリチップ、グラフィックチップ、バッテリ、高周波部品、およびその他の素子は熱を発生し、その熱は損傷を避けるために放散されなければならない。熱を効果的に除去することにより、素子を高速で作動させることができて、素子の性能も向上する。パッケージや素子の内部で発生した廃熱が除去されないと、素子の信頼性が損なわれる。部品の性能および作動速度が向上するにつれて、発生する熱もまた増加する傾向にある。発生熱の増加によって、熱の放散を改善する必要性が増してきている。

熱除去の１つの方法は、熱を発生している素子上の周囲の空気を移動させることである。素子を筐体中の最も涼しい位置に配置することによっても、その冷却は改善される。熱除去の他の熱的解決法には、ヒートシンク、ヒートパイプ、または液冷ヒートパイプを使用することを含んでもよい。

最新の技術、特にコンピュータの冷却では、冷却用ファンは重要な役割を果たしている。ファンは、空気やガスを移動させるのに使用する装置である。ファンは、空間の中で、または空間と空間の間で、ある位置から別の位置へ空気やガスを移動させるのに用いられる。空気流量を増加すると、素子から空気へ熱を移動させることによって熱源素子の温度を著しく低下させ、筐体全体に対しても追加冷却効果をもたらす。

１つまたは複数のファンを筐体内に配置してヒートシンクを横切る空気流を生成し、そのヒートシンクを熱源素子に直接連結して熱を集めて除去することができる。素子が発生する熱が十分に大きいと、熱を所望のレベルまで放散させるのに足りる空気流を生じるために複数のファンが必要になることがある。そのような場合、複数のファンが、素子筐体内で相対的に大きな面積を占めるのは望ましくない。その上、複数のファンによって消費される電力が、設計上の望ましい閾値を超えることになる。
特開２００３−１６７６４８号公報

したがって、顕著な回転数の増加をせずに吐出流量を増加することが可能な冷却用ファンの設計が必要とされている。

本技法の一態様によれば、冷却用ファンは空気流を発生するように構成されたロータを備える。冷却用ファンは、ロータによって生成された空気流を受け入れ、その空気流を実質的にロータに関して軸方向に向けるように構成された出口案内翼を備える。冷却用ファンは、出口案内翼から空気流を受け入れ、静圧がその入口より高い空気流を生成するように構成されたディフューザを備える。ファンは、１．６より大きい仕事係数、および０．４以上の流量係数を達成する。

本技法の別の態様では、筐体内の電子構成部品を冷却する方法は、空気流を生成するためにロータを駆動するステップを含む。方法は出口案内翼を介して、ロータが生成した空気流を受け入れ、ロータに関して実質的に軸方向に空気流を向けるステップを含む。方法は、出口案内翼から空気流を受け入れ、静圧がディフューザの入口より高い空気流を生成するステップを含む。方法は、１．６より大きい仕事係数および０．４以上の流量係数を達成するステップを含む。

本発明の、上述およびその他の特徴、側面、および長所は、添付図面に関し下記の詳細な説明を読めばより良く理解されるようになろう。添付図面では全て、同様な部品は同様な符号で表される。

図１を参照すると、全体を参照符号１０で表わされる電子装置が示されている。当業者には理解されるように、電子装置には、サーバ、コンピュータ、携帯電話、テレコムスイッチなどがあり得る。電子装置１０は、筐体１２、冷却用ファン１４、およびヒートシンク１８を備える。冷却用ファン１４およびヒートシンク１８は筐体１２の内部に収容されている。熱源には、ハードドライブ、マイクロプロセッサ、メモリチップ、グラフィックチップ、バッテリ、高周波部品ビデオカード、システムユニット、電源ユニット、周辺機器などがなり得る。

当業者には周知のように、冷却用ファン１４は、単一の熱源またはそれを組み合わせて冷却するのに使用される。ファンは通常電気モータによって駆動される。高い仕事係数およびその用途のために、毎分２００００回転（ＲＰＭ）を超える高回転速度が必要になり得る。ある好ましい実施形態では、作動信頼性を向上するために、モータおよびファンロータは、流体力学的または空気軸受けで構成し、それによりファンロータアセンブリの寿命を延ばすことができる。別の好ましい実施形態では、モータおよびファンロータは、転動体接触軸受けで構成することができる。もちろん、どんな数の軸受けでも考えられることを当業者は理解するであろう。図示の実施形態では、冷却用ファン１４は、ケーシング２０、吸入口２２、ロータ２４、出口案内翼２６、ディフューザセンタボディ２８を備える。図示の実施形態では、ファンアセンブリ１４からの空気流１６が、熱除去のためにヒートシンク１８に導かれるように、ファンアセンブリ１４がヒートシンク１８に対して上流に配置されている。他の実施形態では、空気をヒートシンク１８から受け入れた後、ファンアセンブリ１４を通過させるように空気吸入口２２を構成することが可能なように、ファンアセンブリをヒートシンク１８に対して下流に配置する。別の実施形態では、出口案内翼をヒートシンクとして、またはヒートシンクの一部として使用することができる。さらに別の実施形態では、ヒートシンクを空気吸入口と一体にすることもできる。

ヒートシンク１８は、能動的なヒートシンクにすることができる。ヒートシンクは、表面積を増加するためにフィンや突出部を備えるように設計することができる。一実施形態では、冷却用ファン１４は、ヒートシンクに空気を直接供給し、それによってヒートシンクを能動的な構成要素にすることができる。ファンが生成する空気流が増加すれば、熱源の温度を低下させ、筐体１２内部に設けられた全ての構成部品にも追加冷却効果をもたらす。空気流を増加するとヒートシンクの冷却効率も向上し、相対的に小さなヒートシンクで十分に冷却機能を果たすことができるようになる。効率が高いファン１基だけで構成することにより、必要な空気流が吐出され、占有空間が小さくなり、消費電力が少なくなる。

図２を全体的に参照すると、本技法の一態様による冷却用ファンが図示されている。図示されている実施形態では、吸入口２２がケーシング２０の一端部に設けられている。ロータ２４、出口案内翼２６、およびディフューザセンタボディ２８がケーシング２０の内部に設けられている。さらに、駆動モータ２９もケーシング２０の内部に設けられている。吸入口２２は、空気をロータ２４に導くように構成されている。図示されている実施形態では、ロータ２４は、複数の動翼３０およびロータハブ３２を備える。外側ケーシング２０とディフューザセンタボディ２８とがディフューザ３４を形成している。

ファンのレイノルズ数は、空気または他の流体の慣性力と粘性力の比として定義される。レイノルズ数が小さいときは、粘性因子が支配的で、動翼の負圧面で空気の剥離が生じるようになる。小型のファンは、通常、低レイノルズ数を有する。図示の実施形態では、ロータが、比較的少数の動翼を有する（例示的目的で８枚の動翼が示されている）。動翼は比較的長いコード長を有する。動翼のコードは、動翼の前縁と後縁の間の軸方向長さとして定義される。レイノルズ数はコード長に比例する。少ない動翼枚数、および長い動翼コード長などの因子は、本技法の実施形態に関しレイノルズ数を増加させる方向である。その結果、粘性力の影響が減る。

ロータのコードソリディティは以下の関係式に基づいて決まる。

図示の実施形態では、コードソリディティは１〜２．５の範囲であり得る。

一実施形態では、冷却用ファン１４は、１Ｕコンピュータ筐体などの小型形状の電子装置用として、１００，０００以下のレイノルズ数で作動する。別の実施形態では、冷却用ファン１４は、より大型形状の電子装置用として、５００，０００以下のレイノルズ数で作動する。例示的冷却用ファンは、１００，０００以下のレイノルズ数で、０．４を超える流量係数を達成する。流量係数は以下の関係式に従って定義される。

ただし、ｃ_ｚはロータ吸入口平均軸方向流速、「ｕ」はロータの吸入口ピッチライン周速である。

図示された実施形態では、例示的冷却用ファンは、１．６を超える仕事係数を達成する。仕事係数は、以下の関係式に従って定義される。

ただし、ΔＨはエンタルピ上昇である。

ロータハブ３２の形状は傾斜しており、すなわちロータハブの半径が動翼の前縁から動翼の後縁に向かって増加している。ロータハブの形状が傾斜していることによって、同じ回転速度でより高い圧力上昇を得ることができ、レイノルズ数を下げることができる。形状を傾斜させることによって、ロータの空気力学的負荷も下がる。流量係数も改善される。ロータはまた、動翼高とコード長の比として定義されるアスペクト比が実質的に低い。好ましい実施形態では、アスペクト比は、０．３〜２の範囲内にある。図示されている実施形態では、ロータのアスペクト比は０．４である。一実施形態では、ロータはまた、円筒状のチップを備えており、その結果、ロータとケーシングの間の間隙は、ロータの軸方向位置の影響を受けない。別の実施形態では、ロータは先細円錐形状のチップを備える。さらに別の実施形態では、ロータは先太円錐形上のチップを備える。ロータの安定作動範囲を拡大するために、円周溝、じゃま板付き溝、または傾斜じゃま板付き溝をロータのチップに設けてもよい。

出口案内翼２６は、ロータが生成した空気流を受け、それを実質的にロータに関して軸方向に向ける。出口案内翼２６を通ることによりある程度の空気静圧上昇が達成される。ロータ２４のエーロフォイル形状動翼数と出口案内翼２６の静翼数の比は、静翼動翼比と呼ばれる。好ましい実施形態では、静翼動翼比は２より大きい。図示されている実施形態では、静翼動翼比は２．９である。出口案内翼２６の環状構成は、出口案内翼のエリアルールに則っている。図示されている実施形態では、ロータ２４および出口案内翼２６はエーロフォイルを構成する。当業者は理解するように、低レイノルズ数での動翼負圧面の剥離を防ぐように動翼エーロフォイル形状を設計するために、計算流体力学ツールが使用される。

ディフューザ３４は、出口案内翼２６から空気流を受け入れるように構成されている。空気流の軸方向速度がディフューザ３４を介して減速される。ディフューザ３４によって、同じ圧力比でファンを通る空気流量が実質的に増加する。ディフューザ３４の役目は空気を排出し、剥離を最低限に抑えることである。ディフューザ３４内の空気の拡散では、ディフューザ３４の出口面積がその入口面積より実質的に大きいので空気速度が減少するが、それによる圧力ヘッドの大部分が回復される。ディフューザ３４は軸対称形状でも、非軸対称形状でもよい。

図３を全体的に参照すると、冷却用ファン１４の別の実施形態が示されている。図示の実施形態では、冷却用ファン１４は、ロータ２４、電気モータ２９、出口案内翼２６、ストラットフレーム２７、および蒸気チャンバ３６を備える。例示的ストラットフレーム２７は、ディフューザセンタボディ（図示せず）に機械的支持を提供するために複数のストラットを備える。図示の実施形態では、ストラットは蒸気チャンバから空気に熱を放散させるフィンとしても作用する。図示の蒸気チャンバ３６は、作動流体を有する真空容器である。熱が加えられると流体が直ちに蒸発し、蒸気がたちまち真空に充満する。蒸気が冷却部壁領域に接触すると、凝結が生じ、気化潜熱が放出される。凝結した流体は熱源に戻り、再び蒸発させられるのを待つ。そしてサイクルが繰り返される。蒸気チャンバは、熱を発散させて、局所的なホットスポットを無くすのを援ける。

図４を参照すると、非軸対称吸入口２２を有する冷却用ファン１４が示されている。図示の実施形態では、非軸対称吸入口２２は、円形部分３８と長方形部分４０を備える。非軸対称吸入口２２は、空気をロータ２４に最小限の損失で導くために設けられている。

図５を参照すると、軸対称吸入口２２を有する冷却用ファン１４が示されている。図示の実施形態では、軸対称吸入口２２は、軸方向に沿って対称なベルマウス部分を備える。

図６は、本技法の実施形態による冷却プロセスを示すフローチャートである。参照番号４２によって表される冷却プロセスは、図６のステップ４４によって示されるように、空気流を生成するためにロータを駆動することから開始することができる。ステップ４６で、吸入口を介して空気をロータに導く。空気は、損失を最低限に抑えるような方法でロータに導くことができる。動翼の負圧面の空気剥離は減少させるか、または最小限に抑える。ロータへの空気力学的負荷も軽減することができる。

ステップ４８で、ロータから出た空気流を、ロータに関して実質的に軸方向に導く。ステップ５０で、ディフューザは、出口案内翼から出た空気流を受け入れ、ディフューザの入口に対して静圧が高い空気流を生成する。ディフューザは空気流の軸方向速度を減少させる。ステップ５２で、ディフューザを介して生成した空気流を、電子装置の筐体内部に備えられている熱発生構成部品を冷却するために使用する。一実施形態では、ファンアセンブリから出た空気流は、熱除去のためにヒートシンクに導かれる。別の実施形態では、熱除去のために、空気流吸入口がヒートシンク１８からの空気流を受け取った後にファンアセンブリを通過させるように構成されている。本技法によれば、冷却用ファンは１．６より大きい仕事係数、および０．４以上の流量係数を達成する。

本明細書には、本発明のある一部の特徴しか図示または記述してこなかったが、多くの変更形態や変形形態が当業者には考え付くであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本技法の例示的実施形態による電子装置の線図である。 本技法の例示的実施形態による冷却用ファンの概略図である。 本技法の例示的実施形態による冷却用ファンの概略図である。 本技法の例示的実施形態による冷却用ファンの非軸対称吸入口の概略図である。 本技法の例示的実施形態による冷却用ファンの軸対称吸入口の概略図である。 本技法の態様に従って電子装置を冷却する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 電子装置
１２ 筐体
１４ 冷却用ファン
１６ 空気流
１８ ヒートシンク
２０ ケーシング
２２ 吸入口
２４ ロータ
２６ 出口案内翼
２７ ストラットフレーム
２８ ディフューザセンタボディ
２９ 駆動モータ、電気モータ
３０ 動翼
３２ ロータハブ
３４ ディフューザ
３６ 蒸気チャンバ
３８ 円形部分
４０ 長方形部分
４２ 冷却プロセス

Claims (10)

1. 空気流を生成するように構成されたロータ（２４）と、
   ロータ（２４）によって生成された空気流を受け入れ、その空気流を実質的にロータ（２４）に関して軸方向に向けるように構成された出口案内翼（２６）と、
   出口案内翼（２６）から出た空気流を受け入れ、ディフューザ（３４）の入口より高い静圧を有する空気流を生成するように構成されたディフューザ（３４）と
   を備える、冷却用ファン（１４）であって、
   １．６より大きい仕事係数、および０．４以上の流量係数を達成する、筐体（１２）内の電子構成部品を冷却するための冷却用ファン（１４）。
2. 電子構成部品が発生する熱を発散するように構成された蒸気チャンバ（３６）をさらに備える、請求項１記載の冷却用ファン（１４）。
3. ロータ（２４）がロータハブ（３２）および複数の動翼（３０）を備える、請求項１記載の冷却用ファン（１４）。
4. ロータハブ（３２）の半径が、動翼の前縁から動翼の後縁に向かって増加している、請求項３記載の冷却用ファン（１４）。
5. 出口案内翼（２６）が、エリアルールが成立するように構成されている、請求項１記載の冷却用ファン（１４）。
6. 空気流を生成するためにロータを駆動するステップ（４４）と、
   出口案内翼を介して、前記ロータで生成された空気流を受け入れ、その空気流を実質的に前記ロータに関して軸方向に向けるステップと、
   出口案内翼から出た前記空気流を受け入れ、ディフューザの入口より高い静圧を有する空気流を生成するステップと
   を有する方法であって、
   １．６より大きい仕事係数、および０．４以上の流量係数を達成する、冷却用ファン（１４）を介して筐体内部の電子構成部品を冷却する方法（４２）。
7. ５００，０００以下のレイノルズ数で冷却用ファンを作動させるステップをさらに含む、請求項６記載の方法（４２）。
8. １００，０００以下のレイノルズ数で冷却用ファンを作動させるステップをさらに含む、請求項６記載の方法（４２）。
9. 吸入口を介して前記ロータに空気を導くステップ（４６）をさらに含む、請求項６記載の方法（４２）。
10. 前記空気流を電子装置を冷却するために使用する（５２）、請求項６記載の方法（４２）。
    

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