JP2011241767A

JP2011241767A - 送気ファン

Info

Publication number: JP2011241767A
Application number: JP2010114985A
Authority: JP
Inventors: Fumitoshi Sato; 文俊佐藤
Original assignee: Inoue MTP KK; Inoac Corp
Current assignee: Inoac Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: JP5683131B2

Abstract

【課題】駆動モータに取り付けられ、熱源を有する熱源側空間と、該熱源側空間より相対的に温度が低い低温側空間との境界部に配置されて、相対的に温度の低い低温側空間から熱源側空間へ気体を送り込む送気ファンの冷却性能を高め、しかも重量及びコストの増大を抑えることを目的とする。
【解決手段】回転中心に位置して駆動モータの回転軸に固定される樹脂製のボス部１１と、ボス部１１から放射状に形成された樹脂製の複数のブレード部１５とを有し、ブレード部１５の両面に熱伝導層２１を連続して設け、ブレード部１５表面の熱伝導性を高めた構成とすることによって冷却性能を高め、ファン全体を金属製とする場合や熱伝導率の高い充填材を含む樹脂で構成した場合よりも重量及びコストの増大を抑えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動モータにより回転して相対的に温度の低い低温側空間の空気を相対的に温度の高い熱源側空間に空気を送り込む送気ファンに関する。

筐体内部に熱源を有し、熱による不具合を生じやすい情報機器等の電子・電気機器等においては、筐体表面の開口部に冷却用ファン装置が取り付けられている。例えば、発熱するＣＰＵを筐体内部に有するパソコン（パーソナルコンピュータ）においては、筐体内で空気の移動が少く熱がこもりやすいため、筐体表面の開口部に冷却用ファン装置を取り付け、内部の空気を外部へ排出することが行なわれている。図９に示すように、筐体Ｃの背面側の開口部Ｃ１に冷却ファン装置Ｆを取り付け、外部の空気を筐体内部へ送り込む構成では、冷却効率が悪いことが知られている。符号Ｃ２は排気口である。

従来の冷却用ファン装置は、図１０に示すように、前後面が開口した枠状のファンケース６１に送気ファン６３と送気ファン６３の駆動モータ６７が収容されている。前記送気ファン６３は、回転中心に位置するボス部６４と、前記ボス部６４から放射状に形成された複数のブレード部６６とで構成され、軽量性及び低コストなどの理由から樹脂で形成されている。前記ボス部６４は、駆動モータ６７の回転軸６８が挿入固定される部分であり、一方、ブレード部６６は、風を送る部分であって羽根とも称される。

近年、ＣＰＵのさらなる高速化や各種装置の高機能化等によって電子・電気機器等における筐体内の部品や装置等からの発熱量が増大しているため、より冷却性能の高い送気ファンが求められている。
なお、送気ファンによる冷却性能を高める方法として、送気ファン全体を金属製にしたり、熱伝導率の高い充填材を含む樹脂で構成することが考えられる。
しかしながら、送気ファン全体を金属製にした場合や、熱伝導率の高い充填材を含む樹脂で構成した場合、送気ファンの重量及びコストが大幅に上昇する問題がある

特開平０９−１０７６５３号公報特開平０９−３０８１８０号公報特開平１０−６６３０５号公報特開２０００−１１０７８７号公報特開２００９−１２７４２２号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであって、冷却性能が高く、しかも重量及びコストの増大を抑えることができる送気ファンの提供を目的とする。

請求項１の発明は、回転中心に位置して駆動モータの回転軸に固定されるボス部と前記ボス部から放射状に形成された複数のブレード部とを有し、熱源を有する熱源側空間と該熱源側空間より相対的に温度が低い低温側空間との境界部に配置されて、相対的に温度の低い低温側空間から熱源側空間へ気体を送り込む送気ファンにおいて、前記ボス部及びブレード部が樹脂からなり、前記ブレード部の両面に連続した熱伝導層を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記熱伝導層が金属層からなることを特徴とする。

本発明によれば、ブレード部の両面に連続した熱伝導層を設けたことにより、ブレード部は相対的に温度の高い空気と接触している熱源側空間から、相対的に温度の低い空気と接触している低温側空間へ熱源側空間の熱が伝導し、低温側空間の相対的に温度の低い空気によって冷却されるため、その熱伝導による冷却と、相対的に温度の低い空気と接触している低温側空間から熱源側空間へ送気ファンの回転によって送り込まれる空気による熱源側空間の直接冷却との相乗効果により熱源側空間を効率よく冷却することができる。さらに、ブレード部表面の熱伝導層を金属層で構成した場合、熱源からの輻射熱をブレード部表面の金属層で反射してブレード部表面の温度上昇を抑制できるため、ブレード部の金属層と接しながら熱源側空間に送り込まれる空気の温度上昇を抑えることができ、熱源側空間を一層効率よく冷却することができる。しかも、送気ファンは、ボス部及びブレード部が樹脂からなり、ブレード部の表面に熱伝導層を設けたため、送気ファン全体が金属からなるものや熱伝導率の高い充填材を含む樹脂かなる場合と比べて、重量及びコストの増大を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る送気ファンの正面図である。図１の送気ファンの裏面図である。図１の送気ファンの側面図である。図１の送気ファンの断面図である。図１の送気ファンを取り付けた冷却用ファン装置の前面図及び裏面図である。冷却性能測定用筐体及び空気の流れを示す筐体の側面図である。冷却性能測定試験の結果を示すグラフである。放熱確認試験の結果を示すグラフである。冷却用ファン装置を取り付けたパソコン用筐体の背面側斜視図である。従来の冷却用ファン装置の一部切り欠き側面図である。

図１乃至図４に示す本発明の一実施形態に係る送気ファン１０は、駆動モータＭ（図４に示す）の回転軸Ｍ１に取り付けられて、図９に示したような筐体Ｃの表面の開口部Ｃ１に配置され、駆動モータＭの回転によって筐体外部の空気を筐体内に送り込むのに用いられ、あるいは車体とトランクボードに囲まれたハイブリッド車のバッテリーの冷却ファン、あるいは車やバイクのラジエーターの冷却ファンとして用いられるものであり、樹脂製のボス部１１及び樹脂製のブレード部１５と前記ブレード部１５の両面に設けられた熱伝導層２１とよりなる。なお、前記筐体Ｃは本発明における熱源を有する熱源側空間に相当し、一方、前記筐体Ｃの外部が本発明における熱源側空間より相対的に温度が低い低温側空間に相当する。また、前記筐体Ｃにおいて開口部Ｃ１の設けられている筐体部表面が、本発明における熱源を有する熱源側空間と該熱源側空間より相対的に温度が低い低温側空間との境界部に相当する。

前記ボス部１１は、回転中心に位置する筒状からなり、内部には駆動モータＭの回転軸Ｍ１が挿入固定される孔部１３を有する。なお、前記ボス部１１は、駆動モータＭの前部側が挿入可能とされる場合もある。
前記ブレード部１５は、２以上の複数からなり、前記ボス部１１から放射状に形成されている。前記ブレード部１５は、回転によって空気をブレード部１５の一側から他側へ送ることができるように捻られた状態で前記ボス部１１に形成されている。また、前記ボス部１１及び前記ブレード部１５は、セル構造を有する多孔質樹脂で構成すれば、前記送気ファン１０をより軽量にすることができる。多孔質樹脂としては、発泡させたポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン等を挙げることができる。

前記熱伝導層２１は、前記ブレード部１５の側面で分断されることなく連続して両面に形成されている。前記熱伝導層２１としては、熱伝導性充填材を含む塗膜、アルミニウム箔等の金属箔、蒸着やメッキにより形成された金属膜などを挙げることができる。前記塗膜は、熱伝導性充填材を含む塗料をブレード部１５の両面に塗装することによって形成することができる。前記塗料は、エポキシ系、シリコーン系、ウレタン系樹脂に熱伝導性充填材として、例えば亜鉛、アルミニウム、銅、ニッケル、マグネシウム、ガラス球、ガラスフレーク、ガラス繊維、カーボンブラック（チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック）、炭素繊維、グラファイト、アスベスト、カオリンクレー、ロウ石クレー、タルク、カスミ石、クリオライト、ケイ灰石、ケイソウ土、スレート粉、ホワイティング、長石粉、マイカ、セッコウ、石英粉、微粉珪酸、アタバルジャイト、セリサイト、火山灰、蛭石、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、珪酸カルシウム、ゼオライト、チタン酸カリウム、ボロンナイトライト、二硫化モリブデン、炭化珪素、酸化亜鉛、アルミナ、窒化アルミニウム、フェライト（亜鉄酸塩）、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化窒化アルミニウム、水酸化アルミニウムなどを混合したものがあげられる。また、前記熱伝導層２１として金属箔を用いる場合には、前記ブレード部１５の両面または金属箔の裏面に両面接着テープや接着剤等を設けた後、金属箔でブレード部１５の両面を包み込むことによりブレード部１５の両面に金属箔を連続して設けることができる。前記熱伝導層２１を金属層とする場合、金属層の厚みは１０〜４００μｍが好ましい。１０μｍより薄い金属箔は汎用ではなく高価であり、一方、４００μｍより厚い場合にはブレード部１５が重くなり過ぎてしまう。

前記熱伝導層２１を前記ブレード１５の両面に連続して設けたことにより、前記送気ファン１０を駆動モータに取り付けて例えば筐体表面の開口部に配置した場合、送気ファン１０を駆動モータで回転させて筐体外部の空気を筐体内部に送り込む際に、筐体内部の温度の高い空気と接触しているブレード部１５の筐体内部側から、温度の低い筐体外部の空気と接触しているブレード部１５の筐体外部側へ熱伝導し、筐体外部の空気で冷却されるため、その熱伝導による冷却と、前記送気ファン１０の回転よって筐体外部から筐体内部に押し込まれる空気による筐体内部の直接冷却との相乗効果によって筐体内部を効率よく冷却することができる。さらに、前記熱伝導層２１を金属層で構成した場合、筐体内部の熱源からの輻射熱を前記ブレード部１５の表面の金属層で反射してブレード部１５の表面の温度上昇を抑制できるため、前記ブレード部１５の金属層と接しながら筐体内に送り込まれる空気の温度上昇を抑えることができ、筐体内部を一層効率よく冷却することができる。

しかも前記送気ファン１０は、前記ボス部１１及びブレード部１５が樹脂からなり、前記ブレード部１５の表面に熱伝導層２１を設けた構成からなるため、ファン全体が金属からなるものや熱伝導率の高い充填材を含む樹脂かなる場合と比べて、重量及びコストの増大を抑えることができる。また、前記ボス部１１及び前記ブレード部１５を、セル構造を有する多孔質樹脂で構成した場合、軽量性が高くなる利点がある反面、多孔質による断熱性によってブレード部１５の熱伝導性が低下して蓄熱され易くなる。しかし、多孔質樹脂からなるブレード部の両面に熱伝導層を連続的に設けることによって、ブレード部の表面の熱伝導性が良好になり、ブレード部の蓄熱性を低下させることができると共に送気ファンの回転によって前記のように効率的に筐体内部（熱源側空間）を冷却することができる。

図５に示す冷却用ファン装置３０は、前記送気ファン１０を駆動モータＭに取り付けて枠状のファンケース３１に収容したものである。符号３３は駆動モータＭの固定部であって前記ファンケース３１と一体に形成されている。前記冷却用ファン装置３０は、パソコンの筐体あるいは電子機器の筐体等における表面の開口部に取り付けられ、あるいはハイブリッド車にバッテリーの冷却用として取り付けられ、またラジエーターの冷却用として車やバイクに取り付けられる。なお、前記冷却用ファン装置３０は、筐体に取り付けられる場合、前記送気ファン１０の回転により、筐体外部（低温側空間）から筐体内部（熱源側空間）に空気を送り込むことができるように、前記送気ファン１０の回転方向及び筐体に対する向きが設定される。

本発明の送気ファンによる冷却性能を確認するため、以下のようにして冷却性能測定試験を行った。
前記ボス部１１及び前記ブレード部１５がポリアミド樹脂からなり、ブレード部の羽根数：７枚からなる樹脂製ファン本体の各ブレード部１５の両面に、両面接着テープによって厚み１２μｍのアルミニウム箔を接着して実施例のファンを形成した。なお、アルミニウム箔は、ブレード部を包み込むようにしてブレード部の両面に連続的に設けた。前記送気ファンのボス部を駆動モータの回転軸に取り付け、駆動モータを枠状のファンケース内の中央に固定して図６に示す冷却用ファン装置５６を形成した。冷却用ファン装置５６の外形は１２０×１２０×３８ｍｍである。

また、図６に示すように４００×４００×１５０ｍｍの筐体５１をアクリル樹脂板で形成した。筐体５１の背面５２には左下に空気排出口（１２０×１２０ｍｍ）５４を形成すると共に右上に冷却用ファン装置用開口部５５を形成し、この冷却用ファン装置用開口部５５に前記冷却用ファン装置５６を、送気ファンの回転により筐体５１の外部から筐体５１の内部に空気を送り込む（吸い込む）ことができるように取り付けた。また、筐体５１内には空気排出口５４と対向する筐体前面５３の裏側に白金カイロ５７とヒートシンク５８を積層して配置し、ヒートシンク５８の白金カイロ５７とは反対側の表面５９の温度をサーモグラフで測定するようにした。その状態でヒートシンク５８を５０℃になるまで白金カイロ５７で加熱した後、冷却用ファン装置５６の送気ファンを駆動モータ（定電圧１２Ｖ、定格電流０．３Ａ、回転数２６００回／分、最大風量１０２．４ＣＦＭ）で回転させてヒートシンク５８の表面温度を測定した。なお、筐体外部の温度は２３℃、相対湿度は５５％であった。また、比較のため、送気ファンのブレード部の両面にアルミニウム箔を設けなかった比較例の冷却用ファン装置を用いて、同様の冷却性能測定試験を行った。

測定結果は、図７に示すように、送気ファンの回転前の時点で既に実施例ではヒートシンクの表面温度が比較例よりも低くなっていた。これは、実施例では、送気ファンのブレード部の両面に設けたアルミニウム箔が熱源や外部からの輻射熱を反射し、かつブレード部内の樹脂に熱が伝わった場合にも、温度の低い筐体外部側におけるブレード部外面のアルミニウム箔へ伝熱して放熱するため、送気ファンが回転前のときに送気ファンが蓄熱し難く、アルミニウム箔の無い比較例と比べて蓄熱量が少ないことによると考えられる。

また、送気ファンの回転初期において、実施例は比較例よりも急速にヒートシンクの表面温度が低下している。特に５０℃から４０℃までの温度低下時間は、実施例では４８秒であったのに対し、比較例では１０９秒であり、その間の温度低下速度は、実施例が−０．２０８℃／秒であったのに対し、比較例が−０．０９２℃／秒であった。この結果から本発明の送気ファンは速やかに冷却することができることが分かる。なお、送気ファンの回転開始後しばらくすると、駆動モータが発熱し、その熱がブレード部の表面を熱伝導して筐体内に送り込まれるため、冷却効果は減少するようになる。さらに一定の時間が経過すると、駆動モータの発熱と放熱が均衡するため、実施例と比較例は同様の冷却カーブとなる。

なお、樹脂製のブレード部の表面に金属層を設けることによって、ブレード部の樹脂内に蓄熱し難くなって放熱性が向上することを確認するため、４０×３０×１．５ｍｍのポリアミド樹脂からなる平板の前面にアルミニウム箔を両面接着テープで固定してアルミニウム箔有り試験片を形成し、この試験片のアルミニウム箔の無い背面側を３８℃のヒーターで１８０秒間加熱した後に加熱を停止し、加熱開始から３６０秒経過するまでの間、ヒーターとは反対側の試験片表面の温度をサーモグラフにより測定する放熱確認試験を行った。また、比較のため、同様の平板にアルミニウム箔を設けなかったアルミニウム箔無し試験片についても同様に加熱し、ヒーターとは反対側の試験片表面の温度を測定した。

測定結果は図８に示すように、加熱開始直後から加熱停止までの間は、アルミニウム箔有りの試験片の方がアルミニウム箔無しの試験片よりも温度が高く、また加熱停止後は逆にアルミニウム箔無しの試験片の方がアルミニウム箔有りの試験片よりも温度が高くなった。これは、加熱期間中、アルミニウム箔有りの試験片ではアルミニウム箔とは反対側の平板の樹脂表面が加熱されることによって与えられた熱が、加熱側とは反対側のアルミニウム箔に伝わって放熱されているためであり、一方、アルミニウム箔無しの試験片では、加熱によって与えられた熱が樹脂内に蓄熱されて放熱が少ないことにより、加熱側とは反対側の表面温度がアルミニウム箔有りの試験片よりも低くなっていると考察される。また、アルミニウム箔有りの試験片は加熱中の放熱によって樹脂内への蓄熱が少なくなるのに対し、アルミニウム箔無しの試験片は、加熱中の放熱が少ないことにより樹脂内への蓄熱が多くなるため、加熱停止後は加熱中とは逆にアルミニウム箔無しの試験片の方がアルミニウム箔有りの試験片よりも温度が高くなると考えられる。これらのことから、アルミニウム箔等からなる金属層を樹脂製ブレード部の表面に設けることによって、送気ファンの放熱性が向上し、送気ファンに蓄熱し難くなることが理解できる。

１０送気ファン
１１ボス部
１５ブレード部
２１熱伝導層

Claims

回転中心に位置して駆動モータの回転軸に固定されるボス部と前記ボス部から放射状に形成された複数のブレード部とを有し、熱源を有する熱源側空間と該熱源側空間より相対的に温度が低い低温側空間との境界部に配置されて、相対的に温度の低い低温側空間から熱源側空間へ気体を送り込む送気ファンにおいて、
前記ボス部及びブレード部が樹脂からなり、前記ブレード部の両面に連続した熱伝導層を設けたことを特徴とする送気ファン。
前記熱伝導層が金属層からなることを特徴とする請求項１に記載の送気ファン。