JP2007035722A - 車載機器の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内の冷却性能が高くてコンパクト実装が可能で、また、塵芥の進入による電子機器の信頼性の低下を防止する安価な車載機器の放熱構造を提供する。
【解決手段】筐体内に配置された熱源３からの熱をヒートパイプ２を介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、熱源３がヒートパイプ３に対して重力方向の下部に配置され、ヒートパイプ３を筐体リアパネル１内に埋め込む。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両に搭載されている電子機器筐体からの熱を外部に効率よく放熱する車載機器の放熱構造に関するものである。

近時、電子機器のデジタル化や高性能化に伴い、発熱量は増加傾向にあり、特に、車載機器では、表示機能・計算機能の高速化に伴う発熱量の増加が著しく、また、筐体の中心付近では十分な外気通風ができず、部品冷却が困難となっている。これは、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと云う）など民生機器でも同様の傾向である。
通常、車載機器では、筐体内の発熱量の増加・高密度実装化にも拘わらず、筐体サイズは規格値（コンソール取り付けの場合、１ＤＩＮ／２ＤＩＮなどの規格）で決められており、多機能化に伴う搭載デバイス、部品数の増加にともなって、放熱のための空気の通り道を確保するようにしている（例えば、特許文献１および２参照）。
また、特に、スピーカ出力を有する電子機器の場合、パワーアンプなど大型熱源が存在し、ヒートシンクによる放熱を行う場合があるが、高密度化によりヒートシンクの厚みや有効なフィン形状を確保するようにしている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１０−５１１７０号公報 特開平１１−８７９６１号公報 特開２００１−５７４９２号公報

しかしながら、上記特許文献１や上記特許文献２に記載されているような従来技術の場合には、ＰＣなどの民生機器を対象とした技術が主であり、筐体サイズの規格も余裕があるため、熱源から冷却ファンまでの有効な空気の通り道を確保することが前提となっているが、車載機器の場合、十分空気が流れる空間を、ナビの規格化された筐体内に設けるのは、困難なケースが多いという問題点があった。

また、上記特許文献３に記載されているような従来技術の場合には、筐体内の空きスペースがないため、筐体内部に放熱のためのフィンを設けると逆に内部発熱がこもる可能性も考えられるという問題点があった。
さらに、ＰＣなどは使用温度範囲として常温（０〜５０℃程度）を想定しているため、熱伝導部材としてヒートパイプを使用する場合でも単に熱源と冷却部との橋渡し的に使用できるが、車載機器の場合、内部の作動液が凍結し、ヒートパイプの管壁に亀裂が入ることも考えられるため、熱輸送性能の向上に加えてヒートパイプの密閉構造を維持するための工夫も必要であるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、筐体内の冷却性能が高くてコンパクト実装が可能で、また、塵芥の進入による電子機器の信頼性の低下を防止し、しかも騒音レベルも低下できる安価な車載機器の放熱構造を得ることを目的とする。

この発明に係る車載機器の放熱構造は、筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、熱源がヒートパイプに対して重力方向の下部に配置され、ヒートパイプが筐体内に埋め込まれているものである。
また、この発明に係る車載機器の放熱構造は、筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、熱源がヒートパイプに対して重力方向の下部に配置され、ヒートパイプとこのヒートパイプに連結された放熱フィンを筐体の外側に設置し、放熱フィンを冷却ファンの排気口に設けたものである。
また、この発明に係る車載機器の放熱構造は、筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、ヒートパイプを筐体の外部に設けられた車両側の液冷管に熱的に接触して放熱するようにしたものである。

この発明は、熱源をヒートパイプに対して重力方向の下部に配置し、ヒートパイプを筐体内に埋め込むようにしたので、熱接触効果が増すとともに、作動液の凍結時の体積膨張によるヒートパイプの管壁の亀裂を防止できるという効果がある。
また、この発明は、熱源をヒートパイプに対して重力方向の下部に配置し、ヒートパイプとこのヒートパイプに連結された放熱フィンを筐体の外側に設置し、放熱フィンを冷却ファンの排気口に設けたので、内部温度上昇を抑制し、高速気流で直接外部へ排熱放出が可能となり、筐体内部への高温空気のこもりの影響を低減できるという効果がある。
また、ヒートパイプを筐体の外部に設けられた車両側の液冷管に熱的に接触して放熱するようにしたので、筐体内の通風量を低下し、塵芥の進入による機器の信頼性低下の問題を減少し、併せて、騒音レベルも低下することができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を、図１〜図１０を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車載機器の放熱構造を示す斜視図、図２はその側面図である。
図１および図２において、金属ダイキャスト例えばアルミダイキャストからなる筐体のリアパネル（以下、筐体リアパネルという）１にあらかじめ溝を形成し、熱輸送促進手段としてヒートパイプ２を埋め込む。この場合に、パワーアンプ等の大型熱源３即ちヒ−トパイプ２の蒸発部が、その放熱部即ちヒートパイプ２の凝縮部に対して、重力方向の下部にあるように配置する。また、筐体リアパネル１の所定の部分には、冷却ファン４が設けられている。

本実施の形態の場合、実質的にボトムヒート構造で、上下にヒートパイプ２を設置しているため、図２に示すように、ヒートパイプ２の作動液（水など）５は、熱源３近くに溜まる。この状態で作動液５が凍結した場合、作動液５の体積膨張でヒートパイプ２に亀裂が発生しないように、筐体リアパネル１でヒートパイプ２を覆う構造としている。なお、この場合、重力で作動液５は、ヒートパイプ２の下側に溜まるので、下側のみ覆えばよい。

このようにして、本実施の形態では、筐体リアパネル１のアルミダイキャストにあらかじめ溝を形成し、そこにヒートパイプ２を埋め込むことで、ヒートパイプ２と、その放熱先である筐体リアパネル１のアルミダイキャストとの熱接触効果が増すとともに、作動液５の凍結時の体積膨張（サイクル疲労）によるヒートパイプ２の管壁の亀裂を防止できる。
なお、ヒートパイプ２の溝への埋め込み領域は、重力方向の下部に当たる作動液５の溜まり部分のみでも効果的であるが、更に全体を完全に埋め込めば、より耐圧信頼性や熱接触性能が増して効果が増す。また、全体を完全に埋め込んだ場合、姿勢変化により作動液５が別部位に移動場合でも対応が可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による車載機器の放熱構造を示し、本実施の形態では、小型フィン付ヒートシンクとヒートパイプを一体化した場合であって、図３（ａ）は、その全体の斜視図、図３（ｂ）は、そのフィン付ヒートシンクの裏側イメージを示す斜視図である。なお、図３において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図３において、筐体内の空間スペースに余裕のある場合、筐体リアパネル１と小型フィン付ヒートシンク６とヒートパイプ２を一体モジュール化する。なお、フィンは筐体リアパネル１と一体成形しても、別部品をあとから設置しても同様の効果を実現できる。

このようにして、本実施の形態では、筐体リアパネル１と小型フィン付ヒートシンク６とヒートパイプ２を一体モジュール化する、つまり、冷却部材と筐体強度部材を兼ね合わせて一体化・統合モジュール化することで、金属材料最適化（薄肉化）・低コスト化が可能となる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による車載機器の放熱構造を示し、本実施の形態では、大型フィン付ヒートシンクとヒートパイプを一体化した場合であって、図４（ａ）は、その全体の斜視図、図４（ｂ）は、そのフィン付ヒートシンクの裏側イメージを示す斜視図である。なお、図４において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図４において、筐体内の空間スペースに余裕のある場合、筐体リアパネル１と大型フィン付ヒートシンク７とヒートパイプ２を一体モジュール化する。なお、この場合も、フィンは筐体リアパネル１と一体成形しても、別部品をあとから設置しても同様の効果を実現できる。

このようにして、本実施の形態では、筐体リアパネル１と大型フィン付ヒートシンク７とヒートパイプ２を一体モジュール化する、つまり、冷却部材と筐体強度部材を兼ね合わせて一体化・統合モジュール化することで、金属材料最適化（薄肉化）・低コスト化が可能となる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。なお、図５において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図５において、パワーアンプ等の大型熱源３からの熱伝導を行なうヒートパイプ２を筐体リアパネル１の外側に設置し、更に、冷却ファン４（図１）の排気口の直後に放熱フィン８を設けて、直接排熱する。

このようにして、本実施の形態では、ヒートパイプ２を筐体リアパネル１の外側に設置し、更に、冷却ファン４の排気口の直後に放熱フィン８を設けることで、内部温度上昇を抑制でき、高速気流で直接外部へ排熱放出が可能になり、筐体内部への高温空気のこもりの影響を低減できる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。なお、図６において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図６において、パワーアンプ等の大型熱源３からの熱伝導を行なうヒートパイプ２を筐体リアパネル１の外側に設置し、更に、冷却ファン（図１）の排気口の直後に放熱フィン８を設けて直接排熱するとともに、筐体リアパネル１の外側に放熱フィン９を設ける。

このようにして、本実施の形態では、ヒートパイプ２を筐体リアパネル１の外側に設置し、更に、冷却ファン４の排気口の直後に放熱フィン８を設け、また、筐体リアパネル１の外側に放熱フィン９を設けることで、筐体内部への高温空気のこもりの影響を低減できるとともに、筐体外の対流、赤外放射(輻射)による放熱を促進することができる。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。なお、図７において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図７において、筐体の側面シャーシに吸気口（サイドスリット）１０を設け、筐体内部の発熱で高温化していない冷たい外気を筐体リアパネル１の内壁に沿って矢印ａの方向に冷却ファン４(図１参照)の方に向かって流れさせる。この場合、熱交換効率は流体と固体の温度差に比例するため、排熱効果が促進する。

このようにして、本実施の形態では、筐体の側面シャーシに吸気口（サイドスリット）１０を設け、この吸気口１０から冷たい外気を取り込むことで、冷たい空気がダイレクトに放熱板として機能する筐体リアパネル１の内壁上を通過するために、熱伝達量が、固体と流体の温度差に比例して増加し、熱交換性能が向上する。

実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。
図８において、電子機器用の筐体１１に対してエンジン・ラジエータ冷却液等の車内液冷パイプ（車内の液冷管）１２が設けられ、この筐体１１の前面に伝熱接触材(シリコンラバー等）１３が設けられる。また、筐体１１内に例えばヒートパイプやＬ字型金属部材（ヒートシンク）等の熱伝導部材１４とメカデバイス１５が設けられると共に、基板１６が設けられ、この基板１６の熱伝導部材１４上に発熱素子１７が設けられる。
ここでは、筐体１１内部の発熱を熱伝導性の高い部材、即ち熱伝導部材１４で筐体１１外部へ輸送・表出し、筐体１１外部（車両側）の液冷管即ち液冷パイプ１２など冷却効果のある設備へ熱的に接触させて放熱する所謂間接液冷構造とする。

このようにして、本実施の形態では、筐体１１内部の熱源を熱伝導部材１４で熱輸送し、電子機器用筐体１１表面に熱集中・表出させ、車輌側の液冷パイプ１２を介して集中排熱する、つまり大型発熱を内部にこもらせずに直接に排熱することで、筐体１１内の通風量を低下でき、塵芥の進入による機器の信頼性低下の問題を減少し、併せて、騒音レベルも低下することができる。

実施の形態８．
図９は、この発明の実施の形態８による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。なお、図９において、図８と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
本実施の形態では、車内コンソール部等の所定の位置に車載機器を装着・設置すれば、その際に液冷パイプと機器放熱面の良好な密着（熱接触）がとれるような構造とする。
また、上記実施の形態７における排熱システムを効果的に実現する上で、機器放熱面と車内の液冷パイプの良好な密着（熱接触圧）がとれるような接触圧を維持する設置構造が効果的である。具体的には、電子機器の所定の設置位置（車内コンソールなど）に電子機器のガイドレール、またはスロットを設けて、最終的にネジや丁ばね機構で締め付けて固定することで、車内の液冷パイプと冷却対象機器が密着する形態が望ましい。

図９において、電子機器用筐体１１に対してエンジン・ラジエータ冷却液等の車内液冷パイプ（車内の液冷管）１２が設けられ、筐体１１の前面に伝熱接触材(シリコンラバー等）１３が設けられる。また、筐体１１内に例えばヒートパイプやＬ字型金属部材（ヒートシンク）等の熱伝導部材１４とメカデバイス１５が設けられると共に、基板１６が設けられ、この基板１６の熱伝導部材１４上に発熱素子１７が設けられる。なお、図９において、矢印ｂはスロット挿入の方向を示しており、また、矢印ｃはコンソール・スロット挿入の方向を示しており、ここでは、ヒートパイプ即ち熱伝導部材１４と液冷管即ち車内液冷パイプ１２を熱的に密着する接触圧維持手段としての接触圧維持構造をなし、必要に応じてネジやバネ機構を用いて締結・密着を行なう。

このようにして、本実施の形態では、筐体１１の外壁を通じて、強力に間接液冷されるので、従来の筐体用の換気空冷ファンが不要となって密閉化が可能となり、システムの静音化・高信頼性が実現される。また、今後、益々高機能化・小型化が要求される車載電子機器の冷却にはこうした構造が不可欠となる。なお、車両側の液冷管２は、熱負荷量に応じて、空冷ダクト、外部ファン等の他の冷却設備でもよい。

実施の形態９．
図１０は、この発明の実施の形態９による車載機器の放熱構造を示す側面図である。
本実施の形態では、上記実施の形態８における車内の液冷パイプと冷却対象機器が密着する形態の実現方法として、電子機器と液冷管の位置関係（クリアランス）を接触圧が生じる寸法範囲とし、機器をネジ圧（または、バネ圧）などで最終固定する構造とするものである。
また、円形の液冷管と矩形の電子機器の場合には、相互接触する面積が小さいため、その中間に形状差異を吸収する熱伝達用の金属ブロック（コールドプレート）を介在させればよい。

図１０において、矩形の電子機器１８は、フロント面１８ａとリア面１８ｂを有するが、この電子機器１８のリア面１８ｂ側に円形の液冷管即ち車内の液冷パイプ（円管）１９が設けられ、そして、リア面１８ｂと液冷パイプ１９の間に例えばアルミや銅等の熱伝達用金属部材として熱伝達用コールドブロック２０を設けて、その形状差異を吸収し、熱伝達を促進するようにする。このとき、熱伝達用コールドブロック２０がリア面１８ｂと接触する部分には、伝熱接触圧維持部（必要部）２１が設けられており、これは必要に応じて熱伝導ラバー、例えばシリコンラバー等の伝熱シートを介在するようにしてもよい。このように、シリコンラバー等の伝熱シートをコールドブロック２０と電子機器１８のリア面１８ｂの間に介在させて締結すれば、その弾性変形（つぶれ）による反力が接触圧を増加するため効果的である。

このようにして、本実施の形態では、金属ブロック等で出来た接触用コールドブロック、即ち熱伝達用コールドブロック２０は、電子機器の放熱面（矩形）と液冷パイプ（円管）の間の形状差異を吸収して伝熱を中間促進し、より効果的に液冷パイプへの排熱を仲介することができる。また、筐体外壁を通じて良好な熱コンタクトが維持され、強力に間接液冷されるので、機器筐体内に従来設置されていた換気空冷ファンが不要となって密閉化が可能となり、システムの静音化・高信頼性が実現できる利点がある。今後、ますますの高機能化・小型化要求から空冷化が困難となる車載電子機器の冷却には、車として全体最適な高性能冷却システムが不可欠となる。なお、車両側の液冷管は、熱負荷量に応じて、空冷ダクト、外部ファン等の他の冷却設備でもよい。

この発明の実施の形態１による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による車載機器の放熱構造を示す側面図である。 この発明の実施の形態２による車載機器の放熱構造を示し、図３（ａ）は、その全体の斜視図、図３（ｂ）は、小型フィン付ヒートシンクの裏側イメージを示す斜視図である。 この発明の実施の形態３による車載機器の放熱構造を示し、図４（ａ）は、その全体の斜視図、図４（ｂ）は、大型フィン付ヒートシンクの裏側イメージを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態６による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態７による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態８による車載機器の放熱構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態９による車載機器の放熱構造を示す側面図である。

符号の説明

１ 筐体リアパネル、２ ヒートパイプ、３ 大型熱源、４ 冷却ファン、５ 作動液、６，７ フィン付ヒートシンク、８，９ 放熱フィン、１０ 吸気口、１１ 電子機器筐体、１２ 車内液冷パイプ、１３ 伝熱接触材、１４ 熱伝導部材、１５ メカデバイス、１６ 基板、１７ 発熱素子、１８ 電子機器、１９ 液冷パイプ、２０ 熱伝達用コールドブロック、２１ 伝熱接触圧維持部。

Claims (10)

1. 筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、
   上記熱源が上記ヒートパイプに対して重力方向の下部に配置され、上記ヒートパイプが上記筐体内に埋め込まれていることを特徴とする車載機器の放熱構造。
2. 上記ヒートパイプは、上記筐体に予め形成された溝に埋め込まれ、その埋め込み領域は、上記ヒートパイプの少なくとも重力方向の下部にあたる液留り部分を含むことを特徴とする請求項１記載の車載機器の放熱構造。
3. 上記筐体内にフィン付きヒートシンクを設け、該ヒートシンクと上記筐体およびヒートパイプを一体モジュール化したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車載機器の放熱構造。
4. 上記筐体の側面シャーシに吸気口を設け、上記筐体内部の発熱で高温化してない冷たい外気を上記筐体内壁に沿って流すようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の車載機器の放熱構造。
5. 筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、
   上記熱源が上記ヒートパイプに対して重力方向の下部に配置され、上記ヒートパイプと該ヒートパイプに連結された放熱フィンを上記筐体の外側に設置し、上記放熱フィンを上記冷却ファンの排気口に設けたことを特徴とする車載機器の放熱構造。
6. 上記筐体の外側に、上記放熱フィンと隣接して別な放熱フィンを設置したことを特徴とする請求項５記載の車載機器の放熱構造。
7. 上記筐体の側面シャーシに吸気口を設け、上記筐体内部の発熱で高温化していない冷たい外気を上記上記筐体内壁に沿って流すようにしたことを特徴とする請求項５または請求項６記載の車載機器の放熱構造。
8. 筐体内に配置された熱源からの熱をヒートパイプを介して筐体外に放出する車両機器の放熱構造において、
   上記ヒートパイプを上記筐体の外部に設けられた車両側の液冷管に熱的に接触させて放熱するようにしたことを特徴とする車載機器の放熱構造。
9. 上記ヒートパイプと上記液冷管を熱的に密着する接触圧維持手段を設けたことを特徴とする請求項８記載の車載機器の放熱構造。
10. 上記ヒートパイプの取り付けられた車載機器と上記液冷管の間にその形状の差異を吸収する熱伝達用金属部材を設けたことを特徴とする請求項８または請求項９記載の車載機器の放熱構造。

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