JP2014187254A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発熱品を一列に配置した状態でも、冷却装置の形態に制約を受けにくくする。
【解決手段】 ファン６によって背面壁４側から正面壁側に向けて外気が通過する通路に、一列に放熱体１０、１２が配置され、外気の通過方向に沿って仕切り壁１８を配置し、放熱体１０、１２に近い通路２２と、放熱体１０、１２から遠い通路２４とに仕切ってある。仕切り壁１８の先端にあり、かつ放熱体１２の近傍にある傾斜壁２０に、通路２２、２４を連通させるように開口２６が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体素子のような発熱品を、気体、例えば空気によって冷却する冷却装置に関し、特に、一列に配置された複数の発熱品を冷却するものに関する。

従来、一列に配置された複数の発熱品を冷却する技術としては、例えば特許文献１に開示されたようなものがある。特許文献１の技術によれば、発熱量が少ない第１の熱源と、発熱量が多い第２の熱源とを一列にケーシング内に配置してある。ケーシングは、第１の熱源が配置されている部屋と第２の熱源が配置されている部屋とを有し、これら２つの部屋の境界部分が第１及び第２の部屋よりも絞られており、この境界部分に、ファンが配置されている。ファンによる空気の移動方向に垂直な第１の部屋の壁に外気導入口が設けられ、ファンによる空気の移動方向に平行な第２の部屋の壁の天井側に近い位置に外気導出口が設けられている。更に、第２の部屋の縦断面積は、境界部分の縦断面積よりもかなり大きく形成してある。ファンを作動させることによって、ケーシングの第１の部屋の外気導入口から導入した空気が第１の部屋で第１の熱源を冷却した後、第２の部屋に導入され、ファンによる空気の流れに垂直な壁に衝突し、上方に移動し、外気導出口から一部が外部に導出され、残りは再び下方に移動する。即ち、渦状の流れを生じる。ファンによる空気の流れに平行な壁に設けた補助外気導入口から、ファンの作動によって発生した負圧によって第２の部屋内に外部から空気が導入され、この空気も上述したのと同様に渦状の流れを生じる。これによって、第１の部屋側で第１の熱源を冷却することによって昇温している空気と第２の部屋に外部から導入された空気とが攪拌される。この攪拌によって冷却された空気が第２の熱源を冷却する。

特開２０１０−３９２０２号公報

特許文献１の技術によれば、渦状の流れを第２の部屋で起こすために、第１の部屋と第２の部屋とを別々に設け、その境界を絞って、その絞った位置にファンを取り付けねばならず、また、第２の部屋の外気導出口は、空気の流れに平行な第２の部屋の側壁の上部に設けなければならない。そのため冷却装置の形状がかなり制約される。

本発明は、複数の発熱品を一列に配置した状態でも、形態に制約を受けにくい冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の冷却装置は、複数の発熱品を有している。発熱品としては、例えば電子部品、具体的には、放熱手段を備えた半導体素子を使用することができる。複数の発熱品は、上流側から下流側に一列に配置されている。なお、発熱品の列を複数列設けることもできる。前記複数の発熱品が支持される支持体とケーシングの壁とで通路が構成され、この通路を、送風手段によって前記上流側から前記下流側に向かって気体が通過する。前記気体としては、例えば空気を使用することができる。前記通路は、気体の移動方向（上流側から下流側に向かう方向）に直交する縦断面がほぼ一定であることが望ましい。送風手段は、上流側に設けることもできるし、下流側に設けることもできる。前記通路内に仕切り壁が前記気体の通過方向に沿って配置され、この仕切り壁は、前記通路を前記発熱品に近い第１の通路と、前記発熱品に遠い第２の通路とに仕切っている。前記仕切り壁における前記上流側の発熱品と下流側の発熱品との間に、第１及び第２の通路を連通させるように開口が形成されている。

このように構成された冷却装置では、送風手段を動作させることによって、第１及び第２の通路を上流側から下流側に気体が流れる。第１の通路を気体が流れることにより、上流側の発熱品が冷却される。上流側の発熱品を冷却したことによって温度が上昇した気体は、下流側の発熱品に向かうが、ここで、第２の通路を上流側から下流側に流れてきた気体が、開口を介して第１の通路に流れ、第１の通路を上流側から流れてきた昇温されている気体と混合され、上流側から流れてきた気体を冷却し、この冷却された気体によって下流側の発熱品が冷却される。

前記開口は、前記仕切り壁の前記第２の通路側に傾斜した傾斜壁に形成することができる。このように構成することによって、第２の通路を流れてきた気体の大部分が開口を介して第１の通路に流れるので、第１の通路内の下流側の発熱品を高効率に冷却することができる。

さらに、前記傾斜壁は、その先端が前記上流側に位置しているものとすることができる。このように構成すると、第２の通路を流れてきた気体を拘束することなく、円滑に第１の通路の下流側の放熱体側に流すことができる。

さらに、前記傾斜壁の先端に、前記下流側の発熱品側に前記開口を通過した気体を案内する案内壁を設けることもできる。このように構成すると、第２の通路から第１の通路に流れた気体は、案内壁によって案内されて、第１の通路内の気体と良好に混和される。

更に、前記案内壁を、前記傾斜壁の先端から前記下流側の発熱品に向かって突出した傾斜壁とすることもできる。このように構成すると、第２の通路から第１の通路に流れた気体は、下流側の発熱品にも向かい、第２の通路からの気体によっても下流側の発熱品が良好に冷却される。

また、上記態様において、ケーシングの壁に下流側の発熱品側に開口を通過した気体を案内する案内壁を設けることもできる。このように構成すると、第２の通路から第１の通路に流れた気体は、案内壁によって案内されて、第１の通路内の気体と良好に混和される。特に、ケーシングの壁に固定した案内壁の基端部と仕切り壁の先端との間で前記開口を形成すると、開口を設けた傾斜壁を設置する必要が無い。

また、前記通路に沿って前記発熱品の側方に側壁を配置し、この側壁における前記下流側の発熱品の近傍に、外界と連通する外気導入部を形成することもできる。この場合、側壁は、例えば内部に発熱品を収容するケーシングの一部とすることができる。外気導入部としては、開口を形成し、この開口の側方に側壁の内部に外気を導入する案内を設けることもできる。外気導入部を設けることにより、第１の通路内の気体に第２の通路内の気体が混じる上に、外気も混じり、これらが下流側の発熱品を冷却するので、より効率的に下流側の発熱品を冷却することができる。

以上のように本発明によれば、一列に配置された複数の発熱品をそれぞれ冷却することができる上に、通路に気体を流すための送風手段は、通路の上流側または下流側に設ければよく、また通路も同じ縦断面積のものを使用することが可能であるので、形態に制約を受けずに、冷却装置を構成することができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の冷却装置を実施した電気機器の縦断側面図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第２の実施形態の冷却装置を実施した電気機器の横断底面図である。 図３（ａ）は本発明の第３の実施形態の冷却装置を実施した電気機器の縦断側面図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

本発明の第１の実施形態の冷却装置は、発熱品として半導体素子を備えた電気機器、例えば電気溶接機の電源装置に実施したもので、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ケーシング２を有している。ケーシング２は、例えば概略直方体状に形成され、その背面壁４には、送風手段、例えばファン６が設けられており、気体、例えば外気をケーシング２内に引き込む。背面壁４と対向するように正面壁（図示せず）が設けられており、この正面壁にはファン６と対向するように排気口が設けられている。従って、ファン６の作動によってケーシング２内に引き込まれた外気は、上流側、例えば背面壁４側から下流側、例えば正面壁４側にケーシング２内を流れ、排気口から外部に流出する。

図１（ａ）に示すように、ファン６による外気の流れ内に位置するように、ケーシング２内の底壁８から幾分離れた位置に、複数、例えば２つの発熱品、例えば放熱体１０、１２が配置されている。これら放熱体１０、１２には、インバータのスイッチング素子として使用する半導体素子が取り付けられている（図示せず）。これら放熱体１０、１２は、背面壁４側から正面壁側に一列に配置されて、半導体素子の熱が放熱体１０、１２に伝導されている。

なお、符号１４で示すのは、放熱体１０、１２の支持体で、例えばファン６の設置位置から正面パネルまでの間に設置されている。支持体１４を設けたことで、ケーシング２内における支持体１４と底壁８との間に、ファン６の作動によって形成される外気の流れに対する垂直な方向の縦断面積が一様な通路が形成されている。

また、この実施形態では、放熱体１０、１２は、ケーシング２の側壁１６の近傍に配置されている。必ずしも側壁１６の近傍に放熱体１０、１２を配置する必要は無い。

放熱体１０、１２と底壁８との間に平板状の仕切り壁１８が配置されている。この仕切り１８は、ファン６の設置位置から放熱体１０の正面パネル側の先端付近まで設置されており、図１（ｂ）に示すように放熱体１０を覆うのに充分な幅寸法を有している。この仕切り壁１８は、その正面パネル側の先端に、傾斜壁２０を有している。傾斜壁２０も、仕切り壁１８と同一の幅寸法を有し、傾斜壁２０の底壁１６側の端及びこれと反対側の端は、それぞれ仕切り壁１８の底壁８側の端及びこれと反対側の端とにそれぞれ一致している。傾斜壁２０は、正面パネル側に向かって、底壁８にほぼ接するまで底壁８側に傾斜している。即ち、仕切り壁１８に対して鈍角をなすように配置され、その先端は、底壁８にほぼ接し、かつ放熱体１２の背面壁４側の端付近に対応する位置にある。即ち、傾斜壁２８の先端は、放熱体１２の背面壁４の端よりも正面壁側には突出せず、背面壁４側にある。仕切り壁１８と傾斜壁２０を設けたことにより、底壁１４と底壁８との間にある通路は、第１の通路、例えば放熱体１０側の通路２２と、第２の通路、例えば底壁８側の通路２４とに、仕切られている。

傾斜壁２０には、その幅方向に沿って矩形の開口２６が形成されている。この開口２６の一端は、放熱体１０の一方の側壁よりも支持体１４側に位置し、開口２６の他端は、放熱体１０の他方の側壁よりも側壁１６側に位置している。この開口２６を形成したことにより、通路２２と２４とは、互いに連通している。また、この開口２６は、傾斜壁２６の先端を放熱体１２の背面壁４側の端よりも正面壁側に突出させていないので、即ち、放熱体１０と放熱体１２との間に位置し、放熱体１２の背面壁４側を向いている。

傾斜壁２０の先端には、通路２２内において放熱体１２側を向いて平板状の案内壁２８が形成されている。案内壁２８も、仕切り壁１８及び傾斜壁２０と同一の幅寸法を有し、それらの両端は、傾斜壁２０の両端にそれぞれ連なっている。案内壁２８の先端は、底壁８から見た仕切り壁１８の高さ位置とほぼ同じ高さ位置にあり、案内壁２８は、傾斜壁２０に対して鋭角をなすように配置されている。

このように構成された電気機器では、ファン６を作動させると、外気が通路２２、２４を通過し、通路２２の外気によってファン６側の放熱体１０が冷却される。これによって、放熱体１０を冷却した外気の温度は上昇するが、そのまま放熱体１２に向かう。一方、通路２４を流れる外気は、傾斜板２０の開口を介して通路２２内に入り、放熱体１２に向かう。ここで、図１（ｂ）に示すように放熱体１０を通って来た外気と通路２４を流れる外気は放熱体１２付近で合流し、攪拌され、放熱体１０を通って来た外気の温度を低下させ、温度の低下した外気によって放熱体１２が冷却される。このとき、傾斜板２０に設けた開口２６は、放熱体１２の背面壁４側の端を向いているので、開口２６を通った外気は、殆ど放熱体１２の背面壁４側の端付近に向かう。しかも、案内壁２８も開口２６を通過した外気を放熱体１２に案内するので、開口２６を通過した外気は、益々円滑に放熱体１２に向かう。

従って、放熱体１０を冷却した外気を冷却して使用して、放熱体１０と同様に発熱している放熱体１２を良好に冷却することができる。しかも、支持体１４と底壁８との間の縦断面積が一定の通路を使用することができ、ケーシング２に特異な形状のものを使用する必要が無い。その上ファン６は、この通路の一方の端に設けることができ、放熱体１０、１２が一列に配置されているにも拘わらず、ファン６は放熱体１０、１２の間に設ける必要が無い。

第２の実施形態の冷却装置を実施した電気機器では、図２に示すように、側壁１６における放熱体１４の近傍に、外気導入部３０を設け、ファン６に代えて背面壁４に空気導入口３６を設け、正面壁に排気ファン（図示せず）を取り付けた以外、第１の実施形態の電気機器と同様に構成されている。同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

外気導入部３０は、開口３２と案内壁３４とからなる。開口３２は、放熱体１２と放熱体１４との間に対応する側壁１６に上下方向に沿って形成されたもので、放熱体１０、１２の長さ方向に間隔を空けて、複数、例えば２つ設けられている。各開口３２の背面壁４側及び正面壁側の縁に案内壁３４がそれぞれ設けられている。これら案内壁３４は、ケーシング２内において放熱体１２側を向いている。そして、正面壁側に設けた排気ファンを作動させることによって背面壁４ｂの空気導入口３６からケーシング２内に外気を引き込むと共に、各開口３２からも外気を引き込む。

このように構成すると、通路２２側において放熱体１０を冷却した外気は、第１の実施形態と同様に開口２６を通過した外気と攪拌されるが、これに加えて開口３２を介して導入され案内壁３４によって案内された外気とも攪拌される。従って、放熱体１０を冷却したことにより昇温されている外気は、第１の実施形態よりも冷却され、放熱体１２をより冷却する。なお、この場合、放熱体１２は、その各フィン間に各開口３２からの外気が導入されやすくするために、放熱体１２が備えるフィンが側壁１６に対して垂直な方向を向くように放熱体１２を配置することが望ましい。或いは、放熱体１２に代えて、変圧器のような発熱品を冷却するのに使用することもできる。

第３の実施形態を図３（ａ）、（ｂ）に示す。この実施形態では、第１の実施形態において設けた傾斜壁２０を除去し、案内壁２８を底壁８に取り付けたものである。他の構成は、第１の実施形態の電気機器と同様に構成されている。同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。この電気機器においても、仕切り壁２８の先端と底壁８に固定されている案内壁２８の基端部との間には、仕切り壁２８の先端の幅と同じ幅の開口２６ａが形成されており、通路２４の空気は、この開口２６ａを通過して、放熱体１２の背面壁４側の端付近に向かうので、第１の実施形態の電気機器よりも効率よく外気を取り込むことができる。しかも、仕切り壁１８と案内壁２８とを別体に設けることによって、傾斜壁２０を除去できるので、コストを低減することができる。

上記の各実施形態では、本発明による冷却装置を、電気機器に実施したが、他の機器、例えば電子機器にも同様に実施することができる。上記の第１及び第３の実施形態では、ファン６を背面壁４側に設けたが、第２の実施形態のように正面壁側に設けることもできる。また、上記の各実施形態では、放熱体１０、１２を冷却したが、例えば半導体素子自体を冷却することもできるし、放熱体１０、１２以外に、例えば変圧器を冷却することもできる。また、上記の各実施形態では、２つの放熱体１０、１２を一列に配置したが、例えば３つ以上の放熱体を一列に配置することもできる。この場合、第１及び第２の実施形態では傾斜壁２６の仕切り壁１８に対する角度を図１（ａ）に示したものより、さらに大きくして、開口２６が多くの放熱体を向くようにすることができる。また、放熱体１０、１２を一列に設けたが、このような放熱体１０、１２の列を互いに平行に複数配置することもできる。この場合、仕切り壁１８は、複数列の放熱体のうちファン６に最も近い放熱体を覆う幅寸法を有するものとし、第１及び第２の実施形態では傾斜壁２０及び案内壁２８も同じ幅寸法を有するものとし、第３の実施形態では傾斜壁２０が存在しないので、案内壁２８のみを仕切り壁１８と同じ幅寸法とすることができる。上記の第１及び第２の実施形態では、１つの開口２６を設けたが、開口２６よりも小さい複数の開口を傾斜壁２０にその幅方向に間隔をおいて形成することもできる。上記の第１及び第２の実施形態では、傾斜壁２０は、仕切り壁１８に対して鈍角をなすように配置したが、鋭角または直角をなすように配置することもできる。また、各実施形態において案内壁２８は、傾斜壁２０に対して鋭角をなすように配置したが、その角度を図１（ａ）または図３（ａ）に示すよりも大きくすることができ、底壁８に対して直角または鋭角をなすように配置することができる。また、案内壁２８は、場合によっては除去することもできる。

６ ファン（送風手段）
１０ １２ 放熱体（発熱品）
１８ 仕切り壁
２０ 傾斜壁
２２ （第１の通路）
２４ （第２の）通路
２６ 開口
２８ 案内壁

Claims (7)

1. 上流側から下流側に一列に配置された複数の発熱品と、
   前記複数の発熱品が支持される支持体とケーシングの壁とで構成され、送風手段によって前記上流側から前記下流側に向かって気体が通過する通路と、
   前記通路内に前記気体の通過方向に沿って配置され、前記通路を前記発熱品に近い第１の通路と、前記発熱品に遠い第２の通路とに仕切る仕切り壁と、
   前記仕切り壁における前記上流側の発熱品と前記下流側の発熱品との間に、第１及び第２の通路を連通させるように形成された開口とを、
   具備する冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、前記開口は、前記仕切り壁の前記第２の通路側に傾斜した傾斜壁に形成されている冷却装置。
3. 請求項２記載の冷却装置において、前記傾斜壁は、その先端が前記上流側に位置している冷却装置。
4. 請求項３記載の冷却装置において、前記傾斜壁の先端に、前記下流側の発熱品側に前記開口を通過した気体を案内する案内壁を設けた冷却装置。
5. 請求項１記載の冷却装置において、前記壁に前記下流側の発熱品側に前記開口を通過した気体を案内する案内壁を設けた冷却装置。
6. 請求項３または４記載の冷却装置において、前記案内壁は、前記傾斜壁の先端から前記下流側の発熱品に向かって突出した傾斜壁である冷却装置。
7. 請求項１乃至６いずれか記載の冷却装置において、前記通路に沿って前記発熱品の側方に配置された側壁と、前記側壁における前記上流側の発熱品と前記下流側の発熱品の間に形成され、外界と連通する外気導入部とを、有する冷却装置。

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