JP2009111310A - 電子機器の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製筐体を有する電子機器からの発熱を金属製キャビネットに伝導して放熱する放熱構造を提供すること。
【解決手段】金属でできたキャビネットの内壁に樹脂製筐体９を有する電子機器を取り付けて電子機器の着脱可能な電子回路配線基板１４に実装されている発熱部品１３を冷却する電子機器の冷却構造において、電子機器はキャビネット取付面に熱伝導板４を有し、電子回路配線基板１４は電子機器のキャビネット取付面の反対側の面から前記電子機器内に着脱できる構造とし、発熱部品１３から熱伝導板４まで熱を伝達する熱伝導手段６を有し、熱伝導手段６は電子回路配線基板１４を電子機器に装着するときに互いに接続される熱伝導コネクタ５を有することを特徴とする電子機器の放熱構造。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器の筐体に関し、特に、その放熱構造に関する。

電子機器の筐体には、製造コストが安い、デザインや色の自由度が高く外観に優れる、軽量であるなどの理由から、射出成形した樹脂製筐体が用いられることが多い。
しかしながら、一般的に樹脂は熱伝導係数が低いために、該樹脂性筐体表面からの放熱量は少ない。一方、ＣＰＵの高クロック化、電子部品の高密度配置など電子機器の高性能化により、電子機器内部では発熱量は増加の一途を辿っている。
以上の状況にあって、ＣＰＵなどの半導体素子の温度上昇による信頼性や寿命の低下を防ぐために、これらの発熱部品に放熱フィンを設けたヒートシンクなどを設置して、冷却ファンで筐体外部から空気を吸い込んで、放熱フィンに風を当てて、温度の上昇した空気を筐体外部に排気するという技術が一般的に用いられている。

特開平１１−４０９５３号公報

しかし、電子機器筐体内部の総発熱量が増加するにしたがい、半導体素子や電子部品の過剰な温度上昇を防止するために充分な冷却を行おうとすると、冷却に用いる空気の風速や風量が増加し、冷却ファンへの負荷が過大になるという問題がある。そのため、冷却ファンの寿命が短くなることや、風量や風速の増加に伴って塵や埃などの異物の電子機器筐体内部への侵入が増加したりする。

数値制御装置などの産業用電子機器では、電子機器を単独で使用するより制御盤（キャビネット筐体）内に収納して使用することが多い。キャビネット筐体は強度の点から金属製であることが多い。金属は熱伝導係数が高く、また、キャビネット筐体の表面積は電子機器筐体の表面積よりも格段に広いことから、樹脂製筐体を持つ電子機器内部の発熱をキャビネット筐体に放熱できれば冷却ファンへの負荷を低減することができる。

しかし、発熱部品は通常、配線基板に実装されており、産業用電子機器にあっては、配線基板はメインテナンスを容易にするため、筐体内から配線基板が引き出せるようになっている場合が多い。この場合、発熱部品をキャビネット筐体への放熱によって冷却することが困難となっている。

そこで、本発明は、樹脂製筐体を有する電子機器からの発熱を前記電子機器が内蔵される金属製キャビネットに伝導して放熱することを可能とする、電子機器の放熱構造を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、金属でできたキャビネットの内壁に樹脂製筐体を有する電子機器を取り付けて該電子機器の着脱可能な電子回路配線基板に実装されている発熱部品を冷却する電子機器の冷却構造において、前記電子機器はキャビネット取付面に熱伝導板を有し、前記電子回路配線基板は前記電子機器のキャビネット取付面の反対側の面から前記電子機器内に着脱できる構造とし、前記発熱部品から前記熱伝導板まで熱を伝達する熱伝導手段を有し、該熱伝導手段は前記電子回路配線基板を前記電子機器に装着するときに互いに接続される少なくとも１組の熱伝導コネクタを有することを特徴とする電子機器の放熱構造である。

請求項２に係る発明は、前記熱伝導板が前記電子機器筐体の外側に凸状に反った状態に成形されており、前記電子機器をキャビネットへ取り付ける際に熱伝導板の周辺の互いに離散した位置に設けた２個以上の取り付け手段によりキャビネットに固定することにより、前記熱伝導板が変形して前記反りが緩和されて平板状に近づくと共に、前記熱伝導板が前記キャビネットに密着する力が働くことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造である。

請求項３に係る発明は、前記熱伝導板が、線膨張率の異なる金属板を張り合わせてキャビネット取付面側に熱膨張率の大きい金属板となる構造とし、前記熱伝導板の温度が上昇すると、前記電子機器筐体の外側に凸状に反ることにより前記熱伝導板が前記キャビネット内壁に密着するようになることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造である。
請求項４に係る発明は、前記熱伝導手段として、少なくとも一部にヒートパイプあるいは炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用したことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造である。

請求項５に係る発明は、前記熱伝導板の前記キャビネットに接する面と逆側の面に、ヒートパイプの一部が密着あるいは埋め込まれた状態で設置されており、前記ヒートパイプの前記熱伝導板に接している下端の位置から前記ヒートパイプが屈曲して前記熱伝導板から立ち上がり前記電子機器筐体内部にまで延伸して前記熱伝導手段として機能していることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造である。

請求項６に係る発明は、前記熱伝導板の前記キャビネットに接する面と逆側の面に、炭素繊維を含む高熱伝導部材からなる高熱伝導シートの一部が前記熱伝導板と密着した状態で設置されており、前記炭素繊維を含む高熱伝導部材からなる高熱伝導シートが屈曲して前記電子機器筐体内部にまで延伸して前記熱伝導手段として機能していることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造である。

本発明により、樹脂製筐体を有する電子機器内部で発生する熱を金属製キャビネットに放熱することが、熱伝導手段を用いることで可能となり、冷却ファンの負荷を低減でき、場合によってはファンレスを実現できる。さらに発熱量が少ない場合には、金属製キャビネットと同様に樹脂製筐体を有する電子機器も密閉構造とすることが可能になり、電子機器が設置される場所で発生しやすいオイルミストの電子機器への侵入が効果的に防止できる。

また、熱伝導手段として熱抵抗が低くなる構成を採用することで、効率よく金属製キャビネットへの熱伝導を行うことができる。
さらに、ヒートパイプ、高熱伝導シートを採用することにより、熱放熱板から効率よく伝熱することが可能となった。

以下、本発明の電子機器筐体からの放熱構造の一実施形態について図面とともに説明する。
図１は金属製キャビネット１内に３台の電子機器２が取り付けられ、扉３を開いた状態を示している。本発明の電子機器筐体からの放熱構造を用いて、電子機器２は金属製キャビネット１に取り付けられている。金属製キャビネット１に取り付けられる電子機器２の数は３台に限定されるわけではなく、１台でもよいし、２台、４台以上でもよい。電子機器２は樹脂製の電子機器筐体（以下「樹脂製筐体９」という）を有する。電子機器２は、樹脂製筐体９を有する電子機器２内部の発熱を金属製キャビネット１に放熱するための構造を備えている。以下、電子機器筐体からの放熱構造について説明する。

図２は図１の金属製キャビネット１内に収納される電子機器２の概観図である。図２（ａ）は熱伝導板４を取り付ける直前の樹脂製筐体９の外観斜視図である。樹脂製筐体９のキャビネットへの取付面７には、熱伝導手段６と、熱伝導手段６によって熱的に結合された熱伝導コネクタ５が配置された熱伝導板４が取り付けられ熱伝導手段６と熱伝導板４とが熱的に結合され、樹脂製筐体９内部の発熱が熱伝導手段６を経由して熱伝導板４に放熱される。熱伝導板４は単純な平板の金属板などでよく、その設置によるコストアップは殆ど無い。また、金属製キャビネット１への電子機器２の取り付けや取り外しなどのメインテナンス性も損なわれることが無い。

図２（ｂ）は熱伝導板４を取り付けた後の樹脂製筐体９の外観斜視図である。樹脂製筐体９はその上側側面に空気流出用開口部８ａが設けられている。熱伝導板４が取り付けられた樹脂製筐体９は、熱伝導板４が取り付けられた側面側を図１で示される金属製キャビネット１の内壁に固定される。樹脂製筐体９内部で発生した熱が熱伝導板４に放熱されることから、空気流出用開口部８ａから金属製キャビネット１内への放熱が減少する。
図２（ｃ）は樹脂製筐体９のキャビネットへの取付面７の反対側から見た外観斜視図である。樹脂製筐体９の下側側面（空気流出用開口部８ａの反対側側面）には空気流入用開口部８ｂが設けられている。そして、樹脂製筐体９のキャビネットへの取付面７と反対側の側面には、樹脂製筐体９内に挿入される電子回路配線基板１４の開口部１０が設けられている。そして、取り出し開口部１０は、樹脂製筐体９の内部に挿入される電子回路配線基板１４に設けられた蓋部材１１によって閉鎖される。

図３は電子回路配線基板１４に配置された熱伝導コネクタ５を接続する状態を示す図である。図３（ａ）および（ｂ）は熱伝導板４が取り付けられる樹脂製筐体９の透視図である。これらの透視図では、本発明の電子機器筐体からの放熱構造に直接関連しない電子機器２内部の部品などは省略している。電子回路配線基板１４には発熱部品１３、熱伝導コネクタ５、電気コネクタ１２が実装されている。電子回路配線基板１４を着脱可能とするために熱伝導手段６の途中に電子回路配線基板１４を装着する時に接続される熱伝導コネクタ５を用いる。熱伝導コネクタ５と同様に着脱自在の電気コネクタ１２も用いる。

また、電子回路配線基板１４には蓋部材１１が設けられている。蓋部材１１は電子回路配線基板１４の連続成形物、または、他の平板上部材を電子回路配線基板１４に取り付けたものとしてもよい。まず、電子回路配線基板１４を、樹脂製筐体９に設けられた電子回路配線基板１４を開口部１０から樹脂製筐体９内に挿入する。図３（ａ）は熱伝導コネクタ５が接続される前の状態、図３（ｂ）は熱伝導コネクタ５が接続された状態を表す。電子回路配線基板１４は適度な剛性を有しているので、開口部１０から押し込むように挿入し、熱伝導コネクタ５と電気コネクタ１２の接続を行うことができる。また、電子回路配線基板１４を引き出し易くするために蓋部材１１に突起部などの引き出し用部材を設けることも可能である。引き出し用部材については後述する。

図４は熱伝導板４に弾性を持たせた構造を採用した本発明の一実施形態を示している。
図４（ａ）は熱伝導板４を取り付けた電子機器２を金属製キャビネット１に取り付ける前の状態を示す図である。また、図４（ａ）は、熱伝導板４に弾性を持たせた構造であり電子機器２の外側方向に凸状に反った状態を示している。これにより、熱伝導板４が金属製キャビネット１の内壁側方向に反る力が働き、熱伝導板４と金属製キャビネット１の内壁との密着性が高まり、両者間の熱抵抗を低減することも可能である。
図４（ｂ）は図４（ａ）で示される状態を電子機器２の側面から示した図である。図４（ｂ）に示すように、熱伝導板４は金属製キャビネット１への取付手段１６の位置を支点として両位置間で最大たわみ量（δ）で電子機器２の外側に凸状に反っている。
図４（ｃ）は電子機器２を取付手段１６で金属製キャビネット壁１７に取り付けた状態を示す図である。図４（ｃ）は、反った熱伝導板４が電子機器２を金属製キャビネット１に取り付けられて平らになったことにより、金属製キャビネット１の内壁面に対して面圧力（数１参照）が生じることを示している。

図５は熱伝導板４に線膨張率の異なる２倍の金属板を張り合わせたバイメタル構造を採用した本発明の一実施形態を示している。
図５（ａ）は線膨張率の異なる２枚の金属板を張り合わせた熱伝導板４ａ,４ｂの温度が常温（Ｔ）の時の状態、（ｂ）は発熱部品からの熱で熱伝導板４ａ,４ｂの温度がＴ+ΔＴに上昇した時の熱伝導板４ａ,４ｂの仮想的なたわみ量（フリーな状態のたわみ量）を表している。図５（ｃ）は熱伝導板４ａ,４ｂの温度がＴ+ΔＴに上昇した時に、金属製キャビネット１内壁にかかる圧力の状態を表す。熱膨張率の異なる金属を張り合わせたバイメタル構造などを適用することにより、熱伝導板４が金属製キャビネット１の内壁側方向に反る力（数２参照）が働き、熱伝導板４と金属製キャビネット１の内壁との密着性が高まり、両者間の熱抵抗を低減することも可能である。

図６は熱伝導手段６の一部としてヒートパイプやグラファイトシート等の炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用した本発明の一実施形態を示している。図６（ａ）は熱伝導手段６の一部にヒートパイプとグラファイトシートなどの炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用した実施形態である。符号６ａはヒートパイプを使用した熱伝導手段６の例である。また、符号６ｂは炭素繊維を含む高熱伝導部材であり、ヒートパイプ６ａと熱的に結合し発熱部品１３から発生した熱をヒートパイプ６ａに伝える。また、図６（ｂ）は熱伝導手段６の一部として炭素繊維を含む高熱伝導部材６ｂを使用した実施形態である。シート状の炭素繊維を含む高熱伝導部材６ｂは、電子回路配線基板１４に実装されている発熱部品１３を覆い、発熱部品１３で発生した熱を熱伝導コネクタ５ａを介して熱伝導手段６から熱伝導板４に伝える。

図７は熱伝導手段であるヒートパイプを熱伝導板４が金属製キャビネット１に接する面と反対側面に、そのヒートパイプ一部が密着した状態で取り付け、屈曲させて熱伝導板４に密着した方の他端側を樹脂製筐体９内部まで延伸した本発明の一実施形態を示す図である。図７において、熱伝導手段であるヒートパイプ６ａは延伸部６ａ−１の一端を熱伝導コネクタ５に接続されている。そして、ヒートパイプはヒートパイプ屈曲位置６ａ−２で熱伝導板４に沿う方向に屈曲する。屈曲して延伸した部位６ａ−３はヒートパイプが熱伝導板４に密着し、ヒートパイプから熱伝導板４へ熱を伝える。もしくは、ヒートパイプの延伸した部位６ａ−３を熱伝導板４に埋め込まれた状態で設置してもよい。この構成により熱伝導板４の温度差が減少して熱伝導板４の取付面全面で効率的に金属製キャビネット１に放熱されるとともに、熱伝導板４と熱伝導手段との接触熱抵抗も低減できる。特に、熱伝導手段がヒートパイプ６ａの場合、下端の位置から屈曲して熱伝導板４から立ち上がり温度の高い樹脂製筐体９内部にまで延伸させることによって、ヒートパイプ６ａの最も効率的な使用状態であるボトムヒートの条件が満たされるので非常に低い熱抵抗が実現できる。なお、図７の実施形態において、樹脂製筐体９内の熱伝導手段６も図６の実施形態と同様にヒートパイプを採用してもよい。

図８は熱伝導手段６として炭素繊維を含む高熱伝導部材を用いた本発明の一実施形態を示す図である。この実施形態では、高熱伝導部材であるグラファイト熱伝導シートを熱伝導板４が金属製キャビネット１に接する面と反対側面に、そのグラファイト熱伝導シートの一部６ｂ−３を密着した状態で取り付け、符号６ｂ−２の位置で屈曲させて熱伝導板４に密着した方と逆側の樹脂製筐体９内部６ｂ−１まで延伸させ熱伝導コネクタ５に接続している。熱伝導手段が炭素繊維を含む高熱伝導部材の場合、炭素繊維が揃った方向の熱伝導率が、ヒートパイプ程ではないが銅を大幅に上回る程高く、熱伝導板４に密着した状態から屈曲して温度の高い樹脂製筐体９内部にまで延伸させることによって、その高い熱伝導率がそのまま利用でき、ヒートパイプと異なり、設置方向の影響を受けることなく、分岐なども可能でありパターニングに自由度が高いメリットがある。

図９は、樹脂製筐体９内に取り付け・取り外し可能な電子回路配線基板１４の引き出し用部材の一実施形態を示す図である。図９（ａ）は樹脂製筐体９を側面から見た外観図であり、図９（ｂ）はその側面に垂直な断面図である。引き出し部弾性板材部１９ｂを下方に押して撓ませることによって嵌合用開口部１８ａからロック用突起部１８ｂを押し出し、その状態で引き出し部把手部１９ａを右側に引けば電子回路配線基板１４を樹脂製筐体９から引き出すことができる。反対に、蓋部材１１の付いた電子回路配線基板１４を樹脂製筐体９内に押し込めば、引き出し部弾性板材部１９ｂが撓んで押し込まれたロック用突起部１８ｂが嵌合用開口部１８ａに嵌りこんでロックされ、電子回路配線基板１４が樹脂製筐体９内から抜け出さなくなる。

金属製キャビネット１内に３台の電子機器２が取り付けられ、扉３を開いた状態を示す図である。 金属製キャビネット１内に収納される熱伝導板４を取り付けた電子機器２の概観図である。 熱伝導板４が取り付けられる樹脂製筐体９の透視図である。 熱伝導板４に弾性を持たせた構造を採用した本発明の一実施形態の図である。 熱伝導板４に線膨張率の異なる２倍の金属板を張り合わせたバイメタル構造を採用した本発明の一実施形態の図である。 熱伝導手段６の一部としてヒートパイプやグラファイトシート等の炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用した本発明の一実施形態を示す図である。 熱伝導手段６としてヒートパイプを使用した本発明の一実施形態を示す図である。 熱伝導手段６としてグラファイトシート等の炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用した本発明の一実施形態を示す図である。 電子回路配線基板１４の引き出し用部材の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 金属製キャビネット
２ 電子機器
３ 金属製キャビネット扉
４ 熱伝導板
５ 熱伝導コネクタ
５ａ 熱伝導コネクタ
６ 熱伝導手段
６ａ ヒートパイプ
６ｂ 炭素繊維を含む高熱伝導部材（高熱伝導シート）
７ キャビネットへの取付面
８ａ 空気流出用開口部
８ｂ 空気流入用開口部
９ 樹脂製筐体
１０ 開口部
１１ 蓋部材
１２ 電気コネクタ
１３ 発熱部品
１４ 電子回路配線基板
１５ 金属製キャビネット１への取付用孔
１６ 取付手段
１７ 金属製キャビネット壁
１８ａ 嵌合用開口部
１８ｂ ロック用突起部
１９ａ 引き出し部把手部
１９ｂ 引き出し部弾性板材部

Claims (6)

1. 金属でできたキャビネットの内壁に樹脂製筐体を有する電子機器を取り付けて該電子機器の着脱可能な電子回路配線基板に実装されている発熱部品を冷却する電子機器の冷却構造において、
   前記電子機器はキャビネット取付面に熱伝導板を有し、
   前記電子回路配線基板は前記電子機器のキャビネット取付面の反対側の面から前記電子機器内に着脱できる構造とし、
   前記発熱部品から前記熱伝導板まで熱を伝達する熱伝導手段を有し、
   該熱伝導手段は前記電子回路配線基板を前記電子機器に装着するときに互いに接続される少なくとも１組の熱伝導コネクタを有する、
   ことを特徴とする電子機器の放熱構造。
2. 前記熱伝導板が前記電子機器筐体の外側に凸状に反った状態に成形されており、前記電子機器をキャビネットへ取り付ける際に熱伝導板の周辺の互いに離散した位置に設けた２個以上の取り付け手段によりキャビネットに固定することにより、前記熱伝導板が変形して前記反りが緩和されて平板状に近づくと共に、前記熱伝導板が前記キャビネットに密着する力が働くことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造。
3. 前記熱伝導板が、線膨張率の異なる金属板を張り合わせてキャビネット取付面側に熱膨張率の大きい金属板となる構造とし、前記熱伝導板の温度が上昇すると、前記電子機器筐体の外側に凸状に反ることにより前記熱伝導板が前記キャビネット内壁に密着するようになることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造。
4. 前記熱伝導手段として、少なくとも一部にヒートパイプあるいは炭素繊維を含む高熱伝導部材を使用したことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造。
5. 前記熱伝導板の前記キャビネットに接する面と逆側の面に、ヒートパイプの一部が密着あるいは埋め込まれた状態で設置されており、前記ヒートパイプの前記熱伝導板に接している下端の位置から前記ヒートパイプが屈曲して前記熱伝導板から立ち上がり前記電子機器筐体内部にまで延伸して前記熱伝導手段として機能していることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造。
6. 前記熱伝導板の前記キャビネットに接する面と逆側の面に、炭素繊維を含む高熱伝導部材からなる高熱伝導シートの一部が前記熱伝導板と密着した状態で設置されており、前記炭素繊維を含む高熱伝導部材からなる高熱伝導シートが屈曲して前記電子機器筐体内部にまで延伸して前記熱伝導手段として機能していることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の放熱構造。

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