JP2011192897A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンから送風される冷却風の流路上に複数の熱源を直列に並べて冷却する構成でありながら、各熱源の放熱特性をほぼ均一に構成する。
【解決手段】冷却ファン６から送風された冷却風は、冷却風案内箱５の吸気口８ａから入り、上流側の熱源１の放熱部３ａの下部に吹き付けられ、その後、下流側の熱源２の放熱部４ａの下部に吹き付けられ、その後、上部空間部１３と下部空間部１４を連通する開口１０を通り、上部空間部１４内へ入る。上部空間部１４内へ入った冷却風は、下流側の熱源２の放熱部４ａの上部に吹き付けられ、その後、上流側の熱源１の放熱部３ａの上部に吹き付けられた後、排気口１１ａを通って外部へ排気される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却風の流路上に複数の熱源を直列に並べて冷却するように構成された冷却装置に関する。

一般に冷却ファンから送風される冷却風の流路上に、複数の熱源を直列に並べた構成の場合、下流側に配置された熱源の放熱特性は、上流側に配置された熱源の放熱特性に比べて劣る。この構成で同程度の熱源の場合、下流側の熱源の放熱特性を向上させる対策を施す必要がある。例えば冷却ファンの送風能力を大きくして風量を増やせば解決するが、冷却ファンが大型化するという不具合が発生する。

特に、産業用ロボットを制御するロボットコントローラにおいては、全体構成の小型化の要求が強い。このため、ロボットコントローラの場合、下流側の熱源の放熱特性を向上させる対策として、冷却ファンを大型化するという対策を採用することができない。そこで、特許文献１に記載された冷却装置を採用すると、上流側および下流側の熱源の放熱特性を均一に構成することができる。この冷却装置においては、ヒートシンクのピンの高さを変えて、具体的には、上流側のピンを短くし、下流側のピンを長くして、上流側および下流側の放熱量のバランスを取るようにしている。この構成によれば、冷却ファンを大型化することなく、下流側の熱源の放熱特性を十分向上できる。

特開２００３−３２４１７３号公報

しかし、上記した特許文献１に記載された構成においては、ヒートシンクのピンの長さを上流側および下流側で細かく変えるような設計が必要となり、設計が複雑であり、生産の手間も増える。具体的には、押し出しに寄るピン成形のため、ピン先を整えるカッティングが必要となる。しかも、そのカッティングは斜めに１回のカッティングとなると鋭利なピン形状となって危険なので、当然ピン列の数だけ平行にカッティングすることになるから、カッティング作業が増え、手間が増してしまう。

そこで、本発明の目的は、冷却ファンから送風される冷却風の流路上に複数の熱源を直列に並べて冷却する構成でありながら、各熱源の放熱特性をほぼ均一に構成することができる冷却装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、冷却ファンから送風された冷却風は、冷却風案内箱の吸気口から下部空間部内へ入り、まず、上流側の熱源のヒートシンクの放熱部の下部に吹き付けられ、その後、下流側の熱源のヒートシンクの放熱部の下部に吹き付けられ、その後、上部空間部と下部空間部を連通する開口を通り、上部空間部内へ入る。そして、上部空間部内へ入った冷却風は、下流側の熱源のヒートシンクの放熱部の上部に吹き付けられ、その後、上流側の熱源のヒートシンクの放熱部の上部に吹き付けられた後、排気口を通って外部へ排気される。この構成の場合、上流側の熱源のヒートシンクの放熱部の下部には、最も温度の低い冷却風が吹き付けられ、上流側の熱源のヒートシンクの放熱部の上部には、最も温度の高い冷却風が吹き付けられる。そして、下流側の熱源のヒートシンクの放熱部の下部には、少し温度が高くなった冷却風が吹き付けられ、下流側の熱源のヒートシンクの放熱部の上部には、更に少し温度が高くなった冷却風が吹き付けられる。このため、上流側の熱源のヒートシンクの放熱部の放熱性能と、下流側の熱源のヒートシンクの放熱部の放熱性能とがほとんど等しくなる。従って、複数の熱源の放熱特性をほぼ均一に構成することができる。

請求項２の発明によれば、仕切板の上下方向の高さ位置または冷却風案内箱の上壁部の上下方向の高さ位置を上下方向に移動させることにより、複数の熱源の放熱特性を制御するように構成したので、複数の熱源の放熱特性の均一化をより一層達成することができると共に、複数の熱源の放熱特性に差を積極的に設けることも可能になる。

本発明の第１実施形態を示す冷却装置の縦断側面部 冷却風案内箱とヒートシンクの斜視図 冷却風案内箱の下面側の斜視図 本発明の第２実施形態を示す図１相当図 図２相当図 図３相当図 本発明の第３実施形態を示す冷却風案内箱の斜視図 本発明の第４実施形態を示す冷却風案内箱の縦断側面図 本発明の第５実施形態を示す図８相当図 本発明の第６実施形態を示す図８相当図 本発明の第７実施形態を示す図８相当図

以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図３を参照して説明する。まず、図１および図２は、本実施形態の冷却装置の縦断側面図および分解斜視図である。これら図１および図２に示すように、冷却装置は、熱源であるパワーＩＣ１と、熱源であるパワーＩＣ２と、これらパワーＩＣ１、２にそれぞれ取り付けられたヒートシンク３、４と、これらヒートシンク３、４のブレード（放熱部）３ａ、４ａを覆う冷却風案内箱５と、冷却風案内箱５の図１中の左方に配設された冷却ファン６とを備えて構成されている。

ヒートシンク３、４は、平板部３ｂ、４ｂと、これら平板部３ｂ、４ｂの上面に立設された複数のブレード３ａ、４ａとを有する。複数のブレード３ａ、４ａは、平行に立設されている。平板部３ｂ、４ｂの下面には、パワーＩＣ１、２が密着するように接着またはねじ止めされている。尚、パワーＩＣ１、２は、図示しない共通の１枚のプリント配線基板に（または別々の２枚のプリント配線基板にそれぞれ）実装されている。

冷却風案内箱５の本体７の図１および図２中の左側壁８における下半部には、吸気口８ａが形成されている。本体７の内部には、仕切板９が吸気口８ａの上端の位置で本体７内部を上下にほぼ２分するように設けられている。仕切板９の図１中の左端部は、左側壁８の下端部（即ち、吸気口８ａの上端）に連結されている。仕切板９の図１中の右端部には、２分された本体７内の上部空間部１３と下部空間部１４を連通する開口１０が形成されている。本体７の上壁部１１における図１および図２中の左端部には、排気口１１ａが形成されている。

また、本体７の下壁部１２には、図３に示すように、ヒートシンク３、４のブレード３ａ、４ａを挿通させるための溝１２ａが複数形成されている。更に、本体７の仕切板９には、ヒートシンク３、４のブレード３ａ、４ａを挿通させるための溝９ａが複数形成されている。

そして、パワーＩＣ１が取り付けられたヒートシンク３を本体７の下壁部１２における左側（冷却風の流路の上流側）に配置すると共に、パワーＩＣ２が取り付けられたヒートシンク４を本体７の下壁部１２における右側（冷却風の流路の下流側）に配置しながら、ヒートシンク３、４のブレード３ａ、４ａを下壁部１２の溝１２ａ内および仕切板９の溝９ａ内に挿通させ、更に、ヒートシンク３、４の平板部３ｂ、４ｂを下壁部１２の下面に密接させ、ヒートシンク３、４を本体７に接着またはねじ止めする。

この構成の場合、ヒートシンク３、４のブレード３ａ、４ａは、仕切板９により２分された本体７内の上空間部１３と下空間部１４の両方に存在する構成となっている。冷却ファン６から送風された冷却風は、図１中の矢印で示すように、本体７の吸気口８から下空間部１４内に流入し、下空間部１４内を通り、本体７内の図１中の左端部（奥部）で上方へ進み、開口１０を通り、上空間部１３内に流入し、上空間部１３内を通り、本体７内の図１中の右端部（手前部）で上方へ進み、排気口１１ａを通り排気される構成となっている。

即ち、冷却風は、最初に、上流のパワーＩＣ１のヒートシンク３のブレード３ａの下部に吹き付けられ、その後、下流のパワーＩＣ２のヒートシンク４のブレード４ａの下部に吹き付けられ、その後、下流のパワーＩＣ２のヒートシンク４のブレード４ａの上部に吹き付けられ、その後、上流のパワーＩＣ１のヒートシンク３のブレード３ａの上部に吹き付けられて排気される構成となっている。

ここで、ヒートシンク３、４からの放熱において、ブレード３ａ、４ａ（放熱部）の温度とそこに入り込む空気の温度との温度差が大きいほど、また、空気の速さが速いほど、放熱特性が良くなることがわかっている。

そして、上記した本実施形態の場合、冷却風の流路については密閉された空間となるので、上流および下流において空気の速さはほぼ一定である。このため、冷却風の流路と照らし合わせると、上流のヒートシンク３のブレード３ａの下部、下流のヒートシンク４のブレード４ａの下部、下流のヒートシンク４のブレード４ａの上部、上流のヒートシンク３のブレード３ａの上部という４つのブレード部分の放熱特性について、以下述べるような関係が得られることがわかる。

即ち、上流のヒートシンク３のブレード３ａの下部に吹き付けられる空気は温度が冷たく、温度差が最も大きい（最も熱飽和していない）ので、上記４つのブレード部分の放熱特性の中では、上流のヒートシンク３のブレード３ａの下部の放熱特性は、「高」となる。そして、下流のヒートシンク４のブレード４ａの下部に吹き付けられる空気は温度が少し高くなり、温度差が少し小さくなる（熱飽和が少し進む）ので、上記４つのブレード部分の放熱特性の中では、下流のヒートシンク４のブレード４ａの下部の放熱特性は、「中の上」となる。

次に、下流のヒートシンク４のブレード４ａの上部に吹き付けられる空気は温度が更に高くなり、温度差が更に小さくなる（熱飽和が更に進む）ので、上記４つのブレード部分の放熱特性の中では、下流のヒートシンク４のブレード４ａの上部の放熱特性は、「中の下」となる。そして、上流のヒートシンク３のブレード３ａの上部に吹き付けられる空気は温度が最も高くなり、温度差が最も小さくなる（熱飽和が最も進む）ので、上記４つのブレード部分の放熱特性の中では、上流のヒートシンク３のブレード３ａの上部の放熱特性は、「低」となる。

これにより、上流のヒートシンク３の平均の放熱特性は、
（「高」＋「低」）／２＝「中」
となる。そして、下流のヒートシンク４の平均の放熱特性は、
（「中の上」＋「中の下」）／２＝「中」
となる。従って、上流のヒートシンク３の放熱特性と下流のヒートシンク４の放熱特性とが、だいたい等しくなり、パワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化される。

ここで、本実施形態の冷却装置によって２個のパワーＩＣ１、２を冷却（放熱）した場合について、実験（シミュレーション）して２個のパワーＩＣ１、２の温度を測定した結果は、次の通りとなった。即ち、上流のパワーＩＣ１の温度は７３℃となり、下流のパワーＩＣ２の温度は７９℃となり、両者の温度差は６℃と、かなり小さくなった。これに対して、従来構成の冷却構成、即ち、冷却風を上流から下流へ一方向へ流しながら、２個のヒートシンクを上流と下流に直列に配置した構成において、実験（シミュレーション）して２個のパワーＩＣの温度を測定した。この測定結果は、上流のパワーＩＣの温度は６７℃となり、下流のパワーＩＣの温度は８８℃となり、両者の温度差は２１℃と、かなり大きかった。従って、本実施形態によれば、上流のヒートシンク３の放熱特性と下流のヒートシンク４の放熱特性をほぼ均一に設定することができる。

また、上記実施形態によれば、ヒートシンク３、４として、一般規格（即ち、市販）のヒートシンクを使用することができる。即ち、一般規格のヒートシンクのブレードを冷却風案内箱５の下壁部１２の溝１２ａおよび仕切板９の溝９ａ内に挿通させるだけで、ヒートシンクを新規設計することなく（即ち、ヒートシンクのブレードの形状等に対して一切の手を加えることなく）、上流側のヒートシンク３の放熱特性と下流側のヒートシンク４の放熱特性をほぼ均一に設定することができる。

尚、上記実施形態においては、冷却風案内箱５の本体７の吸気口８ａの開口面積は、従来構成の半分となるから、吸気口８ａを通して本体７内に流入させる冷却風の流速をある程度高く設定することが好ましい。この場合、冷却風の流速を高くするに際しては、冷却ファンと吸気口８ａとの間に冷却風を案内するためのダクトを設けるように構成することが好ましい。このように構成すると、冷却ファンの送風能力を高くしなくても、冷却風の流速を高くすることが可能である。

また、上記実施形態において、本体７の内部における図１中の右端部の上下部または図１中の左端部の上部に、冷却風の流れに乱流が発生することを極力防止するための風案内板を配設することが好ましい。

図４ないし図６は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第２実施形態では、冷却風案内箱５の本体７において、下壁部を設けない構成、即ち、本体７の下部に下部開口部１５を形成した構成とした。

そして、ヒートシンク１６は、本体７の下部開口部１５を閉塞する大きさの平板部１７と、この平板部１７の上面に立設された多数のピン１８とから構成されている。平板部１７の下面には、図４に示すように、パワーＩＣ１、２が密着するように接着またはねじ止めされている。パワーＩＣ１は平板部１７の下面における図４中の左側（上流側）に配設され、パワーＩＣ２は平板部１７の下面における図４中の右側（下流側）に配設されている。

冷却風案内箱５の仕切板９には、図６に示すように、ヒートシンク１６のピン１８を挿通させるための孔９ｂが多数形成されている。この構成の場合、冷却風案内箱５の仕切板９の孔９ｂにヒートシンク１６のピン１８を挿通させながら、冷却風案内箱５でヒートシンク１６のピン１８を覆い、ヒートシンク１６の平板部１７で冷却風案内箱５の下部開口部１５を閉塞し、冷却風案内箱５の側壁部をヒートシンク１６の平板部１７に例えばねじ止めすることにより、冷却風案内箱５をヒートシンク１６に取り付けている。

上記構成においては、冷却ファン６から送風された冷却風は、図４中の矢印で示すように、本体７の吸気口８から下空間部１４内に流入し、下空間部１４内を通り、本体７内の図１中の左端部（奥部）で上方へ進み、開口１０を通り、上空間部１３内に流入し、上空間部１３内を通り、本体７内の図１中の右端部（手前部）で上方へ進み、排気口１１ａを通り排気される構成となっている。

即ち、冷却風は、最初に、上流のパワーＩＣ１からの熱が伝達されるヒートシンク１６のピン１８の下部に吹き付けられ、その後、下流のパワーＩＣ２からの熱が伝達されるヒートシンク１６のピン１８の下部に吹き付けられ、その後、下流のパワーＩＣ２からの熱が伝達されるヒートシンク１６のピン１８の上部に吹き付けられ、その後、上流のパワーＩＣ１からの熱が伝達されるヒートシンク１６のピン１８の上部に吹き付けられて排気される構成となっている。

上記第２実施形態と、前述した第１実施形態とが異なる点は、ヒートシンク１６の放熱部がピン１８であるか、ブレード３ａ、４ａであるかであるため、冷却風との放熱部の接触面積が異なるだけである。従って、第２実施形態においても、第１実施形態と同様にして、パワーＩＣ１、２の放熱特性を均一化することができる。尚、第２実施形態のピン１８の方が冷却風との接触面積が大きくなるので、第１実施形態に比べて、パワーＩＣ１、２の放熱特性を高くすることができる。

図７は、本発明の第３実施形態を示すものである。尚、第１実施形態および第２実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第３実施形態では、冷却風案内箱５の本体７の下部に、下壁部１２を設けた。そして、この下壁部１２に、ヒートシンク１６のピン１８を挿通させるための孔１２ａを多数形成した。上記第３実施形態においては、冷却風案内箱５の下壁部１２の孔１２ａおよび仕切板９の孔９ｂにヒートシンク１６のピン１８を挿通させながら、冷却風案内箱５でヒートシンク１６のピン１８を覆い、ヒートシンク１６の平板部１７を冷却風案内箱５の下壁部１２の下面に密接させて接着またはねじ止めする。

尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態および第２実施形態と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

図８は、本発明の第４実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第３実施形態では、冷却風案内箱５の本体７の仕切板９の高さ方向（図８中の上下方向）の配設位置を、２点鎖線で示す中央よりも、少し下方へ移動させるように構成した。この構成の場合、仕切板９の下方への移動距離は、実験等によりパワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化されるように調整する。尚、仕切板９の高さ方向の配設位置を下方へ移動させただけでは、パワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化できないときには、反対に、中央よりも少し上方へ移動させるように構成すれば良い。

また、上記第４実施形態においては、仕切板９の配設位置を上下方向に移動させるための調節機構を設けることが好ましい。この構成の場合、冷却風案内箱５の本体の図８中の左側壁８は、上下方向に伸縮可能な部材（蛇腹や鎧戸等）で構成することが良い。

更に、上記第４実施形態では、パワーＩＣ１、２の放熱特性を均一化するために、仕切板９の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させるように構成したが、均一化とは反対に、パワーＩＣ１の放熱特性とパワーＩＣ２の放熱特性を大きく異ならせるために、仕切板９の高さ方向の配設位置を上下方向へ大きく移動させるように構成しても良い。この構成によれば、仕切板９の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させることにより、パワーＩＣ１、２の各放熱特性を制御することが可能になる。

図９は、本発明の第５実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第５実施形態では、冷却風案内箱５の仕切板９の高さ方向の配設位置を、仕切板９の下流側部分だけを、２点鎖線で示す中央よりも、上方向へ移動させるように構成した。この構成の場合、仕切板９の上方への移動距離は、実験等によりパワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化されるように調整する。尚、仕切板９の下流側部分の高さ方向の配設位置を上方へ移動させただけでは、パワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化できないときには、反対に、中央よりも少し下方へ移動させるように構成すれば良い。また、仕切板９の下流側部分は中央に配置し、仕切板９の上流側部分を上下方向に移動させるように構成しても良い。

更に、上記第５実施形態では、パワーＩＣ１、２の放熱特性を均一化するために、仕切板９の下流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させるように構成したが、均一化とは反対に、パワーＩＣ１の放熱特性とパワーＩＣ２の放熱特性を大きく異ならせるために、仕切板９の下流側部分または上流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ大きく移動させるように構成しても良い。この構成によれば、仕切板９の下流側部分または上流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させることにより、パワーＩＣ１、２の各放熱特性を制御することが可能になる。

図１０は、本発明の第６実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第６実施形態では、冷却風案内箱５の上壁部１１の高さ方向の配設位置を、２点鎖線で示す第１実施形態の配設位置よりも、上方向へ移動させるように構成した。この構成の場合、上壁部１１の上方への移動距離は、実験等によりパワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化されるように調整する。尚、上壁部１１の配設位置を上方へ移動させただけでは、パワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化できないときには、反対に、上壁部１１の配設位置を下方へ移動させるように構成しても良い。

また、上記第６実施形態では、パワーＩＣ１、２の放熱特性を均一化するために、上壁部１１の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させるように構成したが、均一化とは反対に、パワーＩＣ１の放熱特性とパワーＩＣ２の放熱特性を大きく異ならせるために、上壁部１１の高さ方向の配設位置を上下方向へ大きく移動させるように構成しても良い。この構成によれば、上壁部１１の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させることにより、パワーＩＣ１、２の各放熱特性を制御することが可能になる。

図１１は、本発明の第７実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第７実施形態では、冷却風案内箱５の上壁部１１の下流側部分の高さ方向の配設位置を、２点鎖線で示す第１実施形態の配設位置よりも、上方向へ移動させるように構成した。この構成の場合、上壁部１１の下流側部分の上方への移動距離は、実験等によりパワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化されるように調整する。尚、上壁部１１の下流側部分の高さ方向の配設位置を上方へ移動させただけでは、パワーＩＣ１、２の放熱特性が均一化できないときには、反対に、上壁部１１の下流側部分の高さ方向の配設位置を下方へ移動させるように構成しても良い。また、上壁部１１の下流側部分は２点鎖線で示す第１実施形態の配設位置と同じにし、上壁部１１の上流側部分を上下方向に移動させるように構成しても良い。

更に、上記第７実施形態では、パワーＩＣ１、２の放熱特性を均一化するために、上壁部１１の下流側部分または上流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させるように構成したが、均一化とは反対に、パワーＩＣ１の放熱特性とパワーＩＣ２の放熱特性を大きく異ならせるために、上壁部１１の下流側部分または上流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ大きく移動させるように構成しても良い。この構成によれば、上壁部１１の下流側部分または上流側部分の高さ方向の配設位置を上下方向へ移動させることにより、パワーＩＣ１、２の各放熱特性を制御することが可能になる。

尚、上記各実施形態においては、２個のパワーＩＣ（熱源）１、２を備える構成に適用したが、３個以上のパワーＩＣ（熱源）を備える構成に適用しても良い。また、上記各実施形態においては、冷却ファン６を冷却風案内箱５の吸気口８から離れた部位に配置するように構成したが、これに代えて、冷却風案内箱の吸気口に冷却ファンを直接配設するように構成しても良い。

図面中、１はパワーＩＣ（熱源）、２はパワーＩＣ（熱源）、３はヒートシンク、３ａはブレード（放熱部）、４はヒートシンク、４ａはブレード（放熱部）、５は冷却風案内箱、６は冷却ファン、７は本体、８ａは吸気口、９は仕切板、９ａは溝、１０は開口、１１は上壁部、１１ａは排気口、１２は下壁部、１２ａは溝、１３は上空間部、１４は下空間部、１５は下部開口部、１６はヒートシンク、１７は平板部、１８はピン（放熱部）を示す。

Claims (2)

1. 複数の熱源を冷却する冷却装置において、
   平板部とこの平板部の一方の面に立設された放熱部とを有し、前記平板部の他方の面に前記熱源が取り付けられた複数のヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに冷却風を送風する冷却ファンとを備え、
   前記複数の熱源および前記複数のヒートシンクは前記冷却風の流路上において上流から下流へ向けて直列に並んで配置されるように構成され、
   前記複数のヒートシンクの前記放熱部を覆うものであって、内部を前記冷却風が流れる冷却風案内箱を備え、
   前記冷却風案内箱は、前記冷却ファンが設置されている側の面の下部に設けられた吸気口と、
   前記吸気口の上端の位置で前記冷却風案内箱の内部を２分する仕切板と、
   前記仕切板のうちの前記吸気口と反対側の端部に設けられ、前記２分された上部空間部と下部空間部を連通する開口と、
   前記冷却風案内箱の上壁部のうちの前記吸気口側の端部に設けられた排気口とを備え、
   前記複数のヒートシンクの前記放熱部は、前記仕切板により上下に２分された上部空間部および下部空間部の両方に存在するように構成したことを特徴とする冷却装置。
2. 前記仕切板の上下方向の高さ位置または前記冷却風案内箱の上壁部の上下方向の高さ位置を上下方向に移動させることにより、前記複数の熱源の放熱特性を制御するように構成したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。

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