JP2006128388A - 電子機器およびその冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンと発熱体等を一体化することで占有空間を低減させ、小型化を可能とするとともに高い冷却性能を確保することができる電子機器を提供する。
【解決手段】係る電子機器は、筐体と、回転軸線を中心として同心円状に配設される複数のフィン２０と、複数のフィン２０を支持する支持部２１とを有する円筒ファン２２と、支持部２１に連接され円筒ファン２２を回転駆動するモータ３０と、複数のフィン２０により囲まれる領域に配設される発熱体５１とを備え、空気を円筒ファン２２の両端部の少なくとも一方から吸い込み、複数のフィン２０の間より吐き出す。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子機器およびその冷却構造に係り、特に、冷却ファンで発熱体を強制冷却する電子機器およびその冷却構造に関する。

近年、パーソナルコンピュータをはじめとして、電子機器の情報処理速度の向上は著しく、これを実現するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や周辺半導体デバイスの処理速度は従来に比べて格段と高速化が図られている。

ＣＰＵや周辺半導体デバイスの高速化に伴って、これらのデバイスの発熱量も増大してきており、特にＣＰＵの多くは強制冷却無しでは正常な動作を維持できなくなってきていいる。

また、電子機器の性能向上や多機能化に伴って部品点数や部品の種類は増加傾向にあるものの、他方では小型・軽量化への要望も益々高まってきており、特に携帯型情報機器の分野では小型・軽量化技術が必要不可欠となってきている。

従来から、ＣＰＵ等の発熱デバイスを強制冷却する方法として、冷却ファンを用いて冷却空気の流れを発生させ、この冷却空気をＣＰＵ等の発熱デバイスに熱的に接続された放熱フィンに吹き付けることによって冷却する方法が多くとられている。この場合例えば冷却ファンを筐体に取り付け、冷却ファンの近傍にＣＰＵ等の発熱デバイスを配設することが多い。

また、小型の冷却ファンをＣＰＵ等の発熱デバイスの上面に密着させて冷却させる形態も多くとられている。

冷却ファンの種類には種々のものがあるが、軸流ファンと呼ばれるものは、羽根車の回転軸に沿って直線的な空気の流れを発生させるものである。また、遠心型多翼ファン（シロッコファンとも呼ばれる）と呼ばれるものは、回転軸の中心から空気を吸い込み、遠心方向に空気を吐き出す方式のファンである。

この他、特許文献１には、円筒体の形状を有し、かつ、その軸方向に沿って複数のブレードが円周方向に配設され、回転軸に直交する一方から空気を吸い込み、反対方向に空気を吐き出す方式のファン（リニアフローファン）に関する技術が開示されている。このファンによれば、円筒体の長さ方向の全幅にわたって均一な強さの流れが発生できるとしている。
特開２００１−１６８５６４号公報

しかしながら、上述した冷却方法や冷却ファンは、いずれも発熱体（ＣＰＵ等）或いは発熱体と熱的に接続された受熱体（放熱フィン等）（以下発熱体等という。）と冷却ファンとが物理的に分離された形態となっている。

即ち、冷却ファンで発生させた空気流を、冷却ファンに近接して配置された発熱体等や、冷却ファンと所定の距離をもって配置された発熱体等に吹き付けて冷却する形態となっている。

このため、冷却ファンと発熱体等とはそれぞれ独立した空間を占有せざるを得ず、小型・高密度を必要とする電子機器にとっては部品配置上の大きな制約となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、冷却ファンと発熱体等を一体化することで占有空間を低減させ、小型化を可能とするとともに高い冷却性能を確保することができる電子機器およびその冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電子機器は、請求項１に記載したように、筐体と、回転軸線を中心として同心円状に配設される複数のフィンと、前記複数のフィンを支持する支持部とを有する円筒ファンと、支持部に連接され前記円筒ファンを回転駆動するモータと、複数のフィンにより囲まれる領域に配設される発熱体とを備え、空気を円筒ファンの両端部の少なくとも一方から吸い込み、複数のフィンの間より吐き出すことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る冷却構造は、請求項６に記載したように、回転軸線を中心として同心円状に配設される複数のフィンと、複数のフィンを支持する支持部とを有する円筒ファンと、支持部に連接され前記円筒ファンを回転駆動するモータと、複数のフィンにより囲まれる領域に配設される発熱体とを備え、空気を円筒ファンの両端部の少なくとも一方から吸い込み、複数のフィンの間より吐き出すことを特徴とする。

本発明に係る電子機器およびその冷却構造によれば、冷却ファンと発熱体等を一体化することで占有空間を低減させ、小型化を可能とするとともに高い冷却性能を確保することができる。

本発明に係る電子機器および冷却構造の実施形態について添付図面を参照して説明する。

（１）第１の実施形態の構造および動作
図１は、本発明に係る電子機器１の一例として、ノート型パーソナルコンピュータの断面図を例示したものである。

電子機器１は、電子機器本体２とパネル部３とを備えて構成される。パネル部３は、ヒンジ部４を介して電子機器本体２と開閉自在に結合さている。図１は、パネル部３を開いた状態を示したものであり、図１においてパネル部３の左側の面には各種情報を表示する液晶表示器５が設けられている。

電子機器本体２は、薄型で箱状の筐体５を備え、この筐体５に各種電子部品が内蔵されている。また、筐体５の上面には、各種情報を入力するキーボード６が配設されている。

筐体５が内蔵する電子部品は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の外部記憶装置（図示せず）やシステム基板７を含むものである。

システム基板７は、プリント基板８の上に各種半導体デバイスやコンデンサチップ部品などが実装されて構成されている。

プリント基板８が実装する半導体デバイスには、比較的発熱量が少なく冷却を必要としない半導体デバイスも含まれるが、その一方でＣＰＵ等のように発熱量が多く、強制冷却が必要不可欠なものも含まれる。

図１は、発熱量が多く冷却を必要とする電子部品のひとつであるＣＰＵ９、およびＣＰＵ９を冷却する冷却構造１０がプリント基板８には実装された状態を示しており、その他の実装部品は省略している。

なお、本発明に係る電子機器１は、広く発熱部品を具備する電子機器を含むものであり、図１に示したノート型パーソナルコンピュータの形態に限定されるものではない。

図２は、本発明に係る電子機器１が備える冷却構造１０の第１の実施形態の外観例を示す図である。

冷却構造１０は、円筒形状をなし複数のフィン２０を回転軸線Ａの周囲に備える円筒ファン２２と、円筒ファン２２を回転軸線Ａを中心に回転駆動させるモータ３０と、円筒ファン２２の内側に形成される円柱形状の領域（以下この領域を熱交換室４０と呼ぶ。）に配設されるヒートパイプ５０の放熱端部５１（発熱体）とを備えて構成される。

ヒートパイプ５０は、一端が放熱端部５１として円筒ファン２２の熱交換室４０に配設され、他端の受熱端部５２は、接続部材５５を介して受熱板５４に熱的に接続されている。ヒートパイプ５０の放熱端部５１と受熱端部５２との間は、連接部５３を介して連接される。

また、受熱板５４は、電子機器１の発熱デバイスであるＣＰＵ９と例えば伝熱性グリスや伝熱性フィルムを介して熱的に接続されている。

円筒ファン２２に連接するモータ３０は、モータ本体３１とモータケース３２とを備えて形成されている。モータ本体３１のモータ軸（図示せず）は円筒ファン２２の支持部２１と連結されており、接続ケーブル（図示せず）から電力を供給することで円筒ファン２２を回転軸線Ａ周りに回転駆動させる。

図３は、円筒ファン２２の細部構造を示したものである。

円筒ファン２２は、回転軸線Ａの周囲の円周方向に配設される複数のフィン２０と、これらのフィン２０を支持する円環状の支持部２１とを備えて構成される。

各フィン２０は、軸方向に直線状に伸びた細長の略短冊形状をなし、幅方向は適宜の曲率をもって湾曲している。

各フィン２０の両端は図３に示したように円環状の支持部２１の支持面２１ａの円周方向に連接され、複数のフィン２０と支持部２１とで両端に円形状の開口２２ａ、および２２ｂを備えた略円筒形状を形成する。

略円筒形状の内部には円柱状の領域が形成される。この領域において発熱体が熱交換されるため熱交換室４０と呼ぶ。

また、隣接する各フィン２０の間には細長い隙間２２ｃが形成されており、熱交換室４０はこの複数の隙間２２ｃを介して外部に開放されている。

フィン２０の数、細部形状、或いはフィン２０の支持部２１に対する取り付け角度等は、必要とする冷却性能等によって適宜最適なものに設定されるもので、本発明において特に限定するものではない。

また、円筒ファン２２が形成する円柱状の熱交換室４０の軸方向の長さ、或いは内径も、熱交換室４０に配設される発熱体の大きさや形状に応じて適宜設定されるものである。

ＣＰＵ９による発熱を伝熱するヒートパイプ５０の放熱端部５１を熱交換室４０に配設するような場合においては、例えば、軸方向の長さは約５０ｍｍ程度、内径は約１０ｍｍ弱程度に設定される。

また、図３では、２つの支持部２１をフィン２０の両端の端部において連接する形態としているが、支持部２１の位置や数量はフィン２０の数や軸方向の長さ等に応じて適宜設定すればよい。

円筒ファン２２を形成する材質は特に限定するものではないが、例えば軽量化の点から合成樹脂等を用いて形成できる。また、複数のフィン２０と支持部２１とを合成樹脂等で一体的に成形する形態であっても良い。

次に、図２および図３のように構成された冷却構造１０の動作について説明する。

電子機器１に電源が投入されると、電子機器１のプリント基板８に実装されたＣＰＵ９は動作を開始し発熱する。ＣＰＵ９で発熱した熱は伝熱性グリス等（図示せず）を介して受熱板５４に伝熱し、さらに、受熱板５４からヒートパイプ５０の受熱端部５２に伝熱する。

受熱端部５２で受熱した熱は、ヒートパイプ５０の連接部５３を伝わって、円筒ファン２２の熱交換室４０に配設されている放熱端部５１に伝熱する。

一方、電子機器１に電源が投入されると、モータ３０にも電源が供給されモータ本体３１は回転を開始する。モータ本体３１の回転によってモータ本体３１の回転軸に連結された円筒ファン２２も回転軸線Ａを中心に回転を開始する。

円筒ファン２２の回転によって円筒ファン２２の熱交換室４０内に空気の流れ、即ち冷却風が発生し、熱交換室４０に配設されたヒートパイプ５０の放熱端部５１と冷却風との間で熱交換が行われ、ヒートパイプ５０の放熱端部５１は熱交換室４０の内部で冷却される。

ヒートパイプ５０の放熱端部５１が熱交換室４０で冷却されることによって、ＣＰＵ９で発熱する熱はヒートパイプ５０の内部を順次伝熱し、ＣＰＵ９は継続的に冷却されることになる。

図４および図５は、円筒ファン２２の回転による冷却風の流れを示したものである。

円筒ファン２２が矢印Ｂの方向に回転すると、各フィン２０の先端近傍の空気は回転に基づく遠心力によって円筒ファン２２の外部に向かって吐き出される。この際、フィン２０が有する湾曲の効果によって、図５に示したように矢印Ｂの回転方向に所定の傾斜をもって円筒ファン２２の外部に空気が吐き出される。

円筒ファン２２の外部に向かう空気流の発生の結果、フィン２０の基部近傍および円筒ファン２２の内部の熱交換室４０の圧力が低下し、熱交換室４０からフィン２０の隙間２２ｃを通って円筒ファン２２の外部に向かう空気の流れ、即ち排気流Ｆoutが発生する。

各フィン２０は、円筒ファン２２の軸方向に沿って一様な形状に形成されている。この結果、排気流Ｆoutは、軸方向に沿って一様な強さを有することになる。

一方、円筒ファン２２の回転が継続している限り、熱交換室４０の圧力は外気圧に比べて低く維持される。この結果、図４に示したように円筒ファン２２の開口２２ａ、および２２ｂから熱交換室４０に向かう空気の流れ、即ち吸気流Ｆinが発生する。

なお、図４は説明の都合上、円筒ファン２２の両端の開口２２ａ、２２ｂから吸気流Ｆinが発生する状態を示しているが、一端がふさがれている場合には他端からのみ熱交換室４０に空気が流入する。

例えば、図２のように円筒ファン２２の開口２２ｂがモータ３０でふさがれている場合には、開口２２ａ（ヒートパイプ５０が挿入されている方向の開口）からのみ空気が流入する。

第１の実施形態に係る冷却構造１０では、熱交換室４０にヒートパイプ５０の放熱端部５１を配設する形態としている。

従来の冷却構造では、ヒートパイプ５０の放熱端部５１を冷却する場合には、円筒ファン２２の外部にヒートパイプ５０の放熱端部５１を近接して配設し、円筒ファン２２が発生する排気流Ｆoutによって放熱端部５１を冷却する形態であった。このため、円筒ファン２２とヒートパイプ５０の放熱端部５１とで２つの独立した空間を占有することになっていた。

これに対して、第１の実施形態に係る冷却構造１０では、円筒ファン２２の内部に形成される熱交換室４０に放熱端部５１を配設し、円筒ファン２２が発生する吸気流Ｆinによって放熱端部５１を冷却する形態としている。

この結果、円筒ファン２２とヒートパイプ５０の放熱端部５１を一体化（内蔵化）することになり、円筒ファン２２が占有する空間のみで放熱端部５１を冷却することが可能となる。このような冷却構造１０によって、電子機器１の高密度実装が実現でき、ひいては電子機器１の小型化が可能となる。

また、第１の実施形態に係る冷却構造１０は、ヒートパイプ５０の放熱端部５１のように円柱形状をなす発熱体に対しては、その円周の全方向から熱を吸収することが可能となる。

図５に示したように、排気流Ｆoutは、熱交換室４０から円筒ファン２２の外部に向かって円周方向に一様の強さで生成される。このため、排気流Ｆoutによって放熱端部５１を円周方向に均一に冷却することが可能となる。

従来の冷却構造では、冷却ファンで発生する冷却風を、冷却ファンの外部に配設される発熱体に向けて吹き付ける形態が多い。このため、ヒートパイプ５０の放熱端部５１ような円柱形状をなす発熱体に対して冷却風を吹き付ける場合には、冷却風が吹き付けられる面は十分冷却されるものの、その反対方向の面には冷却風が十分吹き付けられない状態が発生する。このため、放熱端部５１の円周方向を均一に冷却することが困難であった。

第１の実施形態に係る冷却構造１０では、円柱形状をなす発熱体に対してもその円周方向を均一に冷却することが可能となり、高い冷却性能を実現することができる。

また、従来の冷却構造においては、冷却ファンで発生する冷却風を、冷却ファンの外部に配設される発熱体に向けて集中的に吹き付ける場合には適宜の導風部材を用いて冷却風を発熱体の方向に導風する形態が多い。

第１の実施形態に係る冷却構造１０では、発熱体を円筒ファン２２の内部に配設し、円筒ファン２２と発熱体とを一体的にする形態であるため、上記のような導風部材を必要としない。このため冷却構造１０の部品点数が削減されコストも低減する。

さらに、導風部材を用いて所定の方向に冷却風を導く場合には、導風部材によって一定の圧力損失が発生する。これに対して、第１の実施形態に係る冷却構造１０では、導風部材を必要としないためこのような圧力損失は生じない。したがって、冷却ファンの性能が同一（同一の静圧）であると仮定した場合には、導風部材を有する従来の冷却構造に比べて風量が多くなり、より高い冷却性能を実現することができる。

（２）その他の実施形態
図６は、第２の実施形態に係る冷却構造１０に配設されるヒートパイプ５０ａの放熱端部５１の外観を示したものである。

本実施形態に係るヒートパイプ５０ａの放熱端部５１は、放熱端部５１の円周方向に放射状に広がる複数の放熱フィン６０を備えて形成される。放熱フィン６０を備えた放熱端部５１が円筒ファン２２の熱交換室４０に配設されて冷却構造１０を構成する。

放熱フィン６０の形状は特に限定するものではないが、板状フィンの場合には、熱交換室４０を軸方向に流れる冷却風を妨げないように、板状フィンの放熱面が軸方向に平行になるように形成することが好ましい。

この他、複数の突起状放熱フィンを放熱端部５１の周囲に設ける形態であっても良い。

本実施形態に係るヒートパイプ５０ａの放熱端部５１によれば、放熱フィン６０がない場合に比べて放熱面積が増大する。このため、放熱端部５１に対する冷却性能が向上し、ヒートパイプ５０に連接されるＣＰＵ９を効率よく冷却することができる。

図７は、第３の実施形態に係る冷却構造１０ａの外観を示したものである。

第３の実施形態に係る冷却構造１０ａは、モータ３０ａの両側に２つの円筒ファン２２ａを設け、円筒ファン２２ａの両端に開口２２ａ、２２ｂがそれぞれ形成される形態となっている。

モータ３０ａが回転駆動されると、開口２２ａ、２２ｂからそれぞれ冷却風が吸気され、２つの円筒ファン２２ａの円周方向に排気される。

即ち、第３の実施形態に係る冷却構造１０ａは、モータ３０の両側に２つの熱交換室４０を形成する形態となっている。

本実施形態に係る冷却構造１０ａによれば、熱交換室４０を２つ備えているため、２つのヒートパイプ５０の放熱端部５１を同時に冷却することが可能となる。

ＣＰＵ９以外にも強制冷却を必要とする電子部品が電子機器１のプリント基板８に実装される場合には、本実施形態に係る冷却構造１０ａが有効である。

なお、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。例えば、第２の実施形態に係る放熱フィン６０を有したヒートパイプ５０の放熱端部５１を、第３の実施形態に組み合わせた形態でも良い。

本発明に係る電子機器の第１の実施形態の断面の一例を示す図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第１の実施形態の外観例を示す図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第１の実施形態における円筒ファンの外観例を示す図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第１の実施形態における冷却風の流れを説明する第１の図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第１の実施形態における冷却風の流れを説明する第２の図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第２の実施形態におけるヒートパイプの放熱端部の外観例を示す図。 本発明に係る冷却構造および電子機器が備える冷却構造の第３の実施形態の外観例を示す図。

符号の説明

１ 電子機器
２ 電子機器本体
８ プリント基板
９ ＣＰＵ
１０、１０ａ 冷却構造
２０ フィン
２１ 支持部
２２、２２Ａ 円筒ファン
２２ａ、２２ｂ 開口
２２ｃ 隙間
３０、３０ａ モータ
３１ モータ本体
４０ 熱交換室
５０、５０ａ ヒートパイプ
５１ 放熱端部（発熱体）
５２ 受熱端部
５３ 連接部
５４ 受熱板
６０ 放熱フィン
Ａ 回転軸線
Ｂ 回転方向
Ｆin 吸気流
Ｆout 排気流

Claims (10)

1. 筐体と、
   回転軸線を中心として同心円状に配設される複数のフィンと、前記複数のフィンを支持する支持部とを有する円筒ファンと、
   前記支持部に連接され前記円筒ファンを回転駆動するモータと、
   前記複数のフィンにより囲まれる領域に配設される発熱体と、
   を備え、
   空気を前記円筒ファンの両端部の少なくとも一方から吸い込み、前記複数のフィンの間より吐き出すことを特徴とする電子機器。
2. 前記発熱体は、発熱部品に熱的に接続されたヒートパイプの端部であることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記ヒートパイプの端部には、前記空気の流れに沿った複数の放熱フィンが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
4. 前記モータは、前記円筒ファンの一方の端部に配設され、前記空気は前記円筒ファンの他方の端部から吸い込まれることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
5. 前記モータは、前記円筒ファンの中央部に配設され、前記空気は前記円筒ファンの両方の端部から吸い込まれることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
6. 回転軸線を中心として同心円状に配設される複数のフィンと、前記複数のフィンを支持する支持部とを有する円筒ファンと、
   前記支持部に連接され前記円筒ファンを回転駆動するモータと、
   前記複数のフィンにより囲まれる領域に配設される発熱体と、
   を備え、
   空気を前記円筒ファンの両端部の少なくとも一方から吸い込み、前記複数のフィンの間より吐き出すことを特徴とする冷却構造。
7. 前記発熱体は、発熱部品に熱的に接続されたヒートパイプの端部であることを特徴とする請求項６に記載の冷却構造。
8. 前記ヒートパイプの端部には、前記空気の流れに沿った複数の放熱フィンが設けられたことを特徴とする請求項６に記載の冷却構造。
9. 前記モータは、前記円筒ファンの一方の端部に配設され、前記空気は前記円筒ファンの他方の端部から吸い込まれることを特徴とする請求項６に記載の冷却構造。
10. 前記モータは、前記円筒ファンの中央部に配設され、前記空気は前記円筒ファンの両方の端部から吸い込まれることを特徴とする請求項６に記載の冷却構造。

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