JP2020161840A - 放熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器等の筐体の内部にある発熱部を効率良く放熱させることができる放熱構造体を提供する。【解決手段】放熱構造体は、筐体の内部に設けられた発熱部と、筐体の内部に設けられ、発熱部からの熱を受ける内部放熱部と、筐体の外部に設けられ、長辺と短辺からなる主面を有するフィンが複数枚並んで配置された外部放熱部と、内部放熱部からの熱を外部放熱部に伝えるヒートパイプと、フィンに対しフィンの短辺に沿う方向に送風する送風機と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱構造体に関する。

電子機器等の筐体の内部にある発熱部を放熱させる放熱構造体が知られている。特許文献１には、放熱構造体において、筐体の内部に配置された発熱部と、筐体の外に配置されモータファンにより空気を流す空気通路と、発熱部と空気通路とを接続する熱部材と、を備え、熱部材の空気通路に位置する部分にフィンを有する構成が開示されている。

特開２００８−１６５６９９号公報

特許文献１における放熱構造体の構成図において、フィンは長辺と短辺を有する形状で、フィンの長辺に沿う方向に空気が流れるようにモータファンを配置した構成が示されている。しかしながら、このような構成では、筐体の内部に配置された発熱部を効率良く放熱させることができない場合があった。

本開示の目的は、上述した課題を鑑み、電子機器等の筐体の内部にある発熱部を効率良く放熱させることができる放熱構造体を提供することにある。

本発明の第１の態様にかかる放熱構造体は、筐体の内部に設けられた発熱部と、前記筐体の内部に設けられ、前記発熱部からの熱を受ける内部放熱部と、筐体の外部に設けられ、長辺と短辺からなる主面を有するフィンが複数枚並んで配置された外部放熱部と、前記内部放熱部からの熱を前記外部放熱部に伝えるヒートパイプと、前記フィンに対し前記フィンの短辺に沿う方向に送風する送風機と、を備えるものである。

本発明により、電子機器等の筐体の内部にある発熱部を効率良く放熱させることができる。

本発明の概要について説明する図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体の構造について説明する模式図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体の構造について説明する模式図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体における、内部放熱部及び外部放熱部に対する、ヒートパイプの位置関係を示す斜視図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体における、内部放熱部及び外部放熱部に対する、ヒートパイプの位置関係を示す斜視図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体の筐体における、固定部材の取り付け部分について示す模式図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体の筐体の構成を示す模式図である。 実施の形態１にかかる放熱構造体の外部放熱部の構成を示す模式図である。 シミュレーションにより求めた、強制空冷における理想的な放熱フィン群の形状を示す模式図である。 図８における斜線を付した領域Ａを示す模式図である。 外部放熱部において、フィンをカーリング工法で製造する方法について説明する模式図である。 実施の形態２にかかる放熱構造体の構造について説明する模式図である。 変形例１の筐体放熱面の構成を示す模式図である。 変形例１の筐体放熱面におけるヒートパイプの配置について説明する模式図である。 変形例２の筐体放熱面の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。なお、図に示した右手系ＸＹＺ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。

［本発明の特徴］
本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、電子機器等の筐体に用いられる放熱構造体に関するものである。

図１は、本発明の概要について説明する図である。図１に示すように、放熱構造体１は、発熱部２と、内部放熱部３と、外部放熱部４と、ヒートパイプ５と、送風機６と、を備えている。

発熱部２は、筐体８の内部に設けられている。内部放熱部３は、筐体８の内部に設けられ、発熱部２からの熱を受ける。外部放熱部４は、筐体の外部に設けられ、長辺と短辺からなる主面を有するフィン７ａが複数枚並んで配置されている。ヒートパイプ５は、内部放熱部３からの熱を外部放熱部４に伝える。送風機６は、フィン７ａに対しフィン７ａの短辺に沿う方向に送風する。このようにすることで、筐体８の内部にある発熱部２を効率良く放熱させることができる。

［実施の形態１］

以下、実施の形態１について説明する。
実施の形態１にかかる放熱構造体は、例えば、屋外に設置する電子機器、例えば、アンテナなどの無線通信装置に用いられるものである。

図２及び図３は、実施の形態１にかかる放熱構造体１０１の構造について説明する模式図である。図２及び図３に示すように、放熱構造体１０１は、発熱部１０２と、内部放熱部１０３と、外部放熱部１０７と、ヒートパイプ１０５と、送風機１０６と、を備えている。

発熱部１０２は、筐体１０８の内部に設けられている。発熱部１０２は、例えば電子基板である。内部放熱部１０３は、筐体１０８の内部に設けられ、発熱部１０２からの熱を受ける。外部放熱部１０７は、筐体の外部に設けられ、フィン１０７ａを有している。ヒートパイプ１０５は、内部放熱部１０３からの熱を外部放熱部１０７に伝える。ヒートパイプ１０５は、パイプ状の容器の中に少量封入された作動液体の相変化（蒸発・凝縮）により熱を輸送する一般的なものである。一般的なヒートパイプには、熱伝導率が非常に高い（５０００〜３００００Ｗ／ｍ・Ｋ）、作動させるために外部動力を必要としない、熱の応答性が高い、可動部を持たない、といった特徴がある。送風機１０６は、フィン１０７ａに対し送風するものである。外部放熱部１０７及び送風機１０６は、カバー１０９で覆われている。

図４及び図５は、放熱構造体１０１における、内部放熱部１０３及び外部放熱部１０７に対する、ヒートパイプ１０５の位置関係を示す斜視図である。図４及び図５に示すように、ヒートパイプ１０５は、内部放熱部１０３の主面１０３ａに沿う方向に複数所定の間隔で並んで設置されている。内部放熱部１０３とヒートパイプ１０５の固定は、はんだ、かしめ、ロウ付けなどで行う。ヒートパイプ１０５は、内部放熱部１０３に接続された端部とは反対側の端部において外部放熱部１０７と接続されている。ヒートパイプ１０５における、内部放熱部１０３と外部放熱部１０７との間には、放熱構造体１０１を筐体１０８に固定するための固定部材１１０が設置されている。固定部材１１０には、ヒートパイプ１０５を貫通させるための貫通穴１１０ａと、ネジ止め用の貫通穴１１０ｂが形成されている。固定部材１１０とヒートパイプ１０５の固定は、はんだ、かしめ、ロウ付けなどで行う。筐体１０８がアンテナなどの無線通信装置用である場合、筐体１０８は雨風に晒される屋外に設置するので防水性が求められる。貫通穴１１０ａとヒートパイプ１０５との隙間はシリコーンなどの防水性部材で補填する。

図６は、筐体１０８における、固定部材１１０の取り付け部分について示す模式図である。図６に示すよう、放熱構造体１０１を筐体１０８の形成された開口１１２に挿入し、筐体１０８と固定部材１１０とをネジにより締結することで、筐体１０８に放熱構造体１０１を固定することができる。筐体１０８における、開口１１２の周縁部分にはパッキン部１１１が設けられている。これにより、筐体１０８と固定部材１１０とはパッキン部１１１を介して接触する。このようにすることで防水性や対候性を確保することができる。

図７は、筐体１０８の構成を示す模式図である。図７に示すように、筐体１０８は、カバー部１０８ａと、カバー部１０８ｂと、ケース部１０８ｃから構成される。ケース部１０８ｃは、中央に空洞がある構成である。内部放熱部１０３における、カバー部１０８ａとカバー部１０８ｂが対向する２面には、ケース部１０８ｃの中央の空洞に収容可能な任意の数の発熱部１０２を固定することが可能である。発熱部１０２を内部放熱部１０３に固定した後、カバー部１０８ａとカバー部１０８ｂをケース部１０８ｃに固定する。カバー部１０８ａ、カバー部１０８ｂ、ケース部１０８ｃのそれぞれの接触部分において、防水性ガスケットを設けることで防水性も確保することができる。ケース部１０８ｃと放熱構造体１０１は一体で加工することも可能である。具体例としては、ケース部１０８ｃに鋳込む形でヒートパイプ１０５を形成する方法や、ケース部１０８ｃにヒートパイプ１０５が通る貫通穴を形成し、隙間をシリコーンなどの部材で埋める方法がある。

次に、外部放熱部１０７の構成の詳細について説明する。本発明者らは、外部放熱部１０７のような、フィンを有する強制空冷方式の放熱器に対して、フィンの主面における短辺に沿う方向に風を流すと放熱効率が良くなることをシミュレーションにより見いだした。図８は、外部放熱部１０７の構成を示す模式図である。図８に示すように、外部放熱部１０７は、長辺１０７ｂＡと短辺１０７ｂＢからなる主面１０７ｂを有するフィン１０７ａがＸ方向に複数枚並んで配置されている。送風機６(図３参照)からの風Ｆ１は、フィン１０７ａの短辺７ｂＢに沿う方向（すなわちＹ方向）に流れる。

また、ヒートパイプ１０５は、フィン１０７ａにおいて、フィンの主面１０７ｂの短辺１０７ｂＢの中央で、かつ、フィン１０７ａの主面１０７ｂの長辺１０７ｂＡに沿う方向に所定の間隔Ｌ１で並んで配置される。所定の間隔Ｌ１は、所定の間隔Ｌ１の半分の長さが、フィン１０７ａの主面１０７ｂの短辺１０７ｂＢの長さＬ２よりも短く設定される（Ｌ１／２＜Ｌ２）。また、フィン１０７ａの主面１０７ｂの短辺１０７ｂＢの長さＬ２は、フィン１０７ａが並ぶ方向の一端と他端に位置するフィンの間の長さＬ３よりも短く設定される。

ヒートパイプ１０５の本数を増やすと、熱輸送量が向上し放熱性能が上がるが、本数を増やしすぎると、隣り合うフィン１０７ａの隙間における風の流れを阻害するので逆に放熱性能が低下する。よって、ヒートパイプ１０５の本数は、ヒートパイプ１０５の熱輸送量とフィン１０７ａ間の風の流れを考慮して決定する。フィン１０７ａの材質は、一般的にアルミニウムを選定するが、銅を選定してもよい。フィン１０７ａとヒートパイプ１０５の固定は、はんだ、かしめ、ロウ付けなどで行う。

図９は、シミュレーションにより求めた、強制空冷における理想的な放熱フィン群９０７の形状を示す模式図である。図９に示すように、フィン９０７ａが並ぶ方向の一端と他端に位置するフィンの間の長さＬｘに対し、主面９０７ｂにおける、送風方向に垂直な辺９０７ｂＡの長さＬｚ及び送風方向Ｆに沿う辺９０７ｂＢの長さＬｙを短くした方が、放熱効率が良いことが分かった（Ｌｘ＞Ｌｙ、Ｌｘ＞Ｌｚ）。また、送風方向に垂直な辺９０７ｂＡの長さＬｚが、送風方向に沿う辺９０７ｂＢの長さＬｙよりも短い方が、放熱効率が良いことが分かった（Ｌｙ＞Ｌｚ）。しかしながら、放熱フィン群９０７をこのような形状とすると、放熱効率は良いものの、フィン９０７ａの枚数を増やす必要があり、Ｘ方向の長さが長くなってしまう。

図２及び図３に示すように、外部放熱部１０７のＸ方向の長さが長くなると、外部放熱部１０７及び送風機１０６を覆うカバー１０９のＸ方向の長さも長くする必要がある。カバー１０９のＸ方向の長さが長くなると、それだけ装置サイズが大きくなってしまう。このため装置サイズに制約がある無線通信装置に適用する場合、外部放熱器１０７のＸ方向の長さはできるだけ短くする必要がある。これに対し、カバー１０９のＺ方向及びＹ方向の寸法は、筐体１０８と一致させている。よって、外部放熱部１０７のＺ方向及びＹ方向の寸法は、カバー１０９のＺ方向及びＹ方向の寸法より小さくする必要がある。図２及び図３に示す無線通信装置の例では、筐体１０８における、Ｚ方向の長さがＹ方向の長さよりも長い。つまり、外部放熱部１０７において、Ｘ方向及びＹ方向の長さに対し、Ｚ方向の長さはある程度長くすることができる。

図１０は、図８における斜線を付した領域Ａを示す模式図である。図１０に示すように、領域Ａは、１本のヒートパイプ１０５の半分の部分から伝えられる熱を放熱するために割り当てられる領域といえる。フィン１０７ａの領域Ａにおける形状は、図９に示す、フィン９０７ａの形状と等価である。つまり、領域Ａでは、フィン１０７ａの主面１０７ａにおける、Ｚ方向の長さＬ４（＝Ｌ１／２）がＹ方向（すなわち、送風方向Ｆ１）の長さＬ２よりも短い。

図８に示す外部放熱部１０７における、フィン１０７ａが並ぶ方向の一端と他端に位置するフィンの間の長さＬ３は、図９に示す放熱フィン群９０７における、フィン９０７ａが並ぶ方向の一端と他端に位置するフィンの間の長さＬｘよりも短くできる。これは、図８に示す外部放熱部１０７では、ヒートパイプ１０５をＺ方向に所定の間隔で並んで複数配置させ、フィン１０７ａのＺ方向の長さを、図９に示す放熱フィン群９０７のフィン９０７ａのＺ方向の長さよりも長くしているためである。このようにすることで、放熱性能を、強制空冷における理想的な放熱フィン群９０７と同等に維持しつつ、スペース的な制約の厳しいｘ方向の長さの増大を抑えることができる。これにより、本実施の形態にかかる放熱構造体１０１を無線通信装置に適用する場合、装置サイズの増大を抑制することができる。

また、強制空冷方式の放熱器においては、隣り合うフィンの間隔を短くすればするほど、表面積が増え、放熱性能が向上する傾向にあるが、フィンの間隔を極端に狭くすると逆に風の流れを阻害する。このため、図８に示す外部放熱部１０７では、隣り合うフィン１０７ａの間隔は、おおよそ０．５ｍｍ以上にするのが好ましい。フィン１０７ａは、一般的に切削や鋳物、押し出しといった工法で作製するが、これらの工法では数ｍｍの隙間が空いてしまう。このため、隣り合うフィンの間隔を０．５ｍｍ程度に狭くする場合にはカーリング工法により形成してもよい。

図１１は、外部放熱部１０７において、フィン１０７ａをカーリング工法で製造する方法について説明する模式図である。図１１に示すように、カーリング工法では、短辺１０７ｂＢの少なくとも一方に屈曲部１０７ｄが設けられたフィン１０７ａを、１枚ずつ、貫通穴１０７ｃにおいてヒートパイプ１０５に嵌め合わせる。屈曲部１０７ｄの、フィン１０７ａが並ぶ方向における高さｈは、所望のフィン間隔に設定する（例えば、０．５ｍｍ）。このようにすると、フィン１０７ａを、貫通穴１０７ｃにおいてヒートパイプ１０５に嵌め込んだときに、フィン１０７ａの屈曲部１０７ｄの先端が隣のフィン１０７ａに当接し、フィン間隔が高さｈより近づかないように規制される。これにより、外部放熱部１０７において、隣り合うフィン１０７ａの間隔を所望のフィン間隔とすることができる。なお、図１１に示すフィン１０７ａにおいて、屈曲部１０７ｄは、主面１０７ｂに対し略垂直に折り曲げられて形成されているが、これに限らず、例えば、主面１０７ｂに対し所定の曲率で折り曲げられて形成されてもよい。

上述したカーリング工法のようにする代わりに、フィン１０７ａを、１枚ずつ、貫通穴１０７ｃにおいてヒートパイプ１０５に嵌め込む際に、隣り合うフィン１０７ａの隙間にそれぞれスペーサを挿入するようにしてもよい。スペーサの、フィン１０７ａが並ぶ方向における高さは所望のフィン間隔に設定する。このようにすると、カーリング工法の場合と同様に、フィン間隔が高さｈより近づかないようにスペーサにより規制される。

［実施の形態２］
以下、実施の形態２について説明する。
図１２は、実施の形態２にかかる放熱構造体２０１の構造について説明する模式図である。実施の形態１にかかる放熱構造体１０１（図３参照）との相違点は、筐体の一部に放熱部を有することである。図１２に示すように、放熱構造体２０１は、筐体２０８を構成する壁面の所定の部位に設けられた筐体放熱面２０８ｄをさらに備える。筐体放熱面２０８ｄは、発熱部２０２と対向する。筐体放熱面２０８ｄと発熱部２０２との間には障害物が存在しない。このようにすることで、放熱性能をより向上させることができる。

［変形例１］
図１３は、筐体放熱面の変形例の構成を示す模式図である。図１３に示すように、放熱構造体３０１において、筐体３０８を構成する壁面の所定の部位に設けられた筐体放熱面３０８ｄとヒートパイプ３０５とは接続されていてもよい。ヒートパイプ３０５は、パイプ状の容器の中に少量封入された作動液体の蒸発・凝縮の相変化で熱を輸送する一般的なものである。図１４は、筐体放熱面３０８ｄにおけるヒートパイプ３０５の配置について説明する模式図である。図１４に示すように、ヒートパイプ３０５の一部が筐体放熱面３０８ｄの内部に埋め込まれていてもよい。このようにすることで、放熱性能をより向上させることができる。

［変形例２］
図１５は、筐体放熱面の別の変形例の構成を示す模式図である。図１５に示すように、放熱構造体４０１において、筐体４０８が筒状の形状である場合、筐体４０８の蓋を筐体放熱面４０８ｄとしてもよい。このようにすることで、放熱性能をより向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、以上で説明した複数の例は、適宜組み合わせて実施されることもできる。

１、１０１、２０１、３０１、４０１ 放熱構造体
２、１０２、２０２ 発熱部
３、１０３ 内部放熱部
５、１０５、３０５ ヒートパイプ
６、１０６ 送風機
７、１０７ 外部放熱部
７ａ、１０７ａ フィン
８、１０８、２０８、３０８、４０８ 筐体
２０８ｄ、３０８ｄ、４０８ｄ 筐体放熱面

Claims (6)

1. 筐体の内部に設けられた発熱部と、
   前記筐体の内部に設けられ、前記発熱部からの熱を受ける内部放熱部と、
   筐体の外部に設けられ、長辺と短辺からなる主面を有するフィンが複数枚並んで配置された外部放熱部と、
   前記内部放熱部からの熱を前記外部放熱部に伝えるヒートパイプと、
   前記フィンに対し前記フィンの短辺に沿う方向に送風する送風機と、を備える、放熱構造体。
2. 前記ヒートパイプを複数備え、前記ヒートパイプは、前記フィンにおいて、前記フィンの主面の短辺の中央で、かつ、前記フィンの主面の長辺に沿う方向に所定の間隔で並んで配置される、請求項１に記載の放熱構造体。
3. 前記所定の間隔は、前記所定の間隔の半分の長さが、前記フィンの主面の短辺の長さよりも短く設定され、
   前記フィンの主面の短辺の長さは、前記フィンが並ぶ方向の一端と他端に位置するフィンの間の長さよりも短く設定される、請求項２に記載の放熱構造体。
4. 筐体を構成する壁面の所定の部位に設けられた筐体放熱面をさらに備え、前記筐体放熱面は、前記発熱部と対向し、かつ、前記筐体放熱面と前記発熱部との間には障害物が存在しない、請求項１から３のいずれか一項に記載の放熱構造体。
5. 前記ヒートパイプの一部が前記筐体放熱面の内部に埋め込まれている、請求項４に記載の放熱構造体。
6. 前記筐体は、屋外に設置する無線通信装置用の筐体である、請求項１から５のいずれか一項に記載の放熱構造体。