JP2806746B2 - ファン一体型発熱素子冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高発熱素子や高発熱ユ
ニットを冷却するための冷却装置すなわちヒートシンク
に関し、特に、高密度集積回路パッケージ等の高発熱素
子や高発熱ユニットを冷却するためのファン一体型発熱
素子冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パーソナルコンピュータ、ワークステー
ション等のデスクトップ型あるいはデスクサイド型のコ
ンピュータのように、比較的小型であるが多機能かつ高
性能の電子機器には、高密度の集積回路パッケージが用
いられており、それが局部的な高発熱源となっている。
通常、このような高密度の集積回路パッケージには個別
あるいは共通に放熱フィンすなわちヒートシンクが設け
られ、自然通風による自然冷却、あるいは、機器全体に
共通の冷却ファンによる強制冷却を用いて、他の素子や
ユニットとともに冷却されている。

【０００３】最近の高集積度のＬＳＩパッケージは、数
ワットの発熱を生じるものがあり、しかも、用いられる
クロック周波数の上昇とともにその発熱量は増大してお
り、特に５乃至６ワット以上の発熱を生じるＬＳＩパッ
ケージに対しては上述の通常のヒートシンクでは十分な
冷却を得ることができないという事情がある。強制冷却
用の冷却ファンとしては、例えば上述したデスクトップ
型のパーソナルコンピュータについては６０乃至８０ｍ
ｍ角、あるいは、デスクサイド型のコンピュータについ
ては１２０ｍｍ角のサイズのファンがかなりの高速、例
えば３０００乃至５０００ｒｐｍ、で回転されて用いら
れているが、より大型のものを用いるのは機器サイズや
コストの面から、また、ファンをより高速回転させるの
は騒音の面から困難であり、更に、大型のものを低速回
転させるようにしても機器サイズおよびコスト面のデメ
リットに見合う冷却効果および騒音面でのメリットが得
られないことから、そのような高発熱ＬＳＩパッケージ
のヒートシンクに対して十分な冷却用風量を供給するこ
とができない。

【０００４】それを解決するために、機器中に含まれて
いるそれらの高発熱素子やユニットは通常例えば数箇所
に限られているので、それらの高発熱素子あるいはユニ
ットに対して個別に（あるいは複数同時に）例えば２５
乃至４０ｍｍ角程度の小型の冷却ファンを配設して、局
所的にそれぞれの高発熱素子あるいはユニットのヒート
シンクに必要な量の冷却風を送って、各高発熱素子ある
いはユニットを十分に冷却することが考えられている。

【０００５】図１および図２は、そのような冷却ファン
と発熱素子のヒートシンクとが一体化された冷却構造、
すなわち、従来のファン一体型発熱素子冷却装置の二つ
の例について、それぞれ、それらの全体（Ａ）およびカ
バー（Ｂ）の構成を示す上面図および前面図である。こ
れらの例は、特に最近の高密度実装機器のために、ヒー
トシンク中に冷却ファンユニットを埋め込んで薄型に形
成された埋め込み実装型の冷却構造を持っており、図
中、１は冷却用ファンユニット、２は複数の放熱フィン
２−１、・・・を持つヒートシンク、３は吸気口３−１
を有するカバー、４は止めネジである。

【０００６】図１の例においては、例えばＬＳＩパッケ
ージ等の発熱素子の上面に、例えば接着剤あるいは固定
具により、取り付けられたヒートシンク２の中央部分に
ファンユニット１が埋め込まれるように装着されてお
り、ファンユニット１はカバー３の中央部に設けられて
いる吸気口３−１とそれに連接された円筒状突出部３−
２内に収納される。この円筒状突出部３−２はヒートシ
ンク２のベース面２−３との間に所定の間隙を持ち、絞
り機構を形成している。ファンユニット１により吸気口
３−１から吸い込まれた空気は、この絞り機構を経て、
図１（Ａ）に点線矢印により示されているように、冷却
のためのエアーフローを形成する。カバー３は、例えば
その四隅において、ヒートシンク２の四隅に形成されて
いる支持ブロック２−２、・・・に止めネジ４によって
固定されている。

【０００７】図２の例においては、図１の例と同様な構
造であるが、ファンユニット１、およびそれに対向する
カバー３の吸気口３−１がヒートシンク２の中央部から
一隅の方に偏位、すなわち、オフセット配置されてい
る。この構成は、前述した高密度実装のための薄型の冷
却装置においてはヒートシンク２が薄くなるために、発
熱素子中央部の発熱を十分に周囲に伝導することができ
ず、中央部が高く周辺部が低いという温度分布、すなわ
ち、不十分な均熱化が生じるが、この中央の高温部分の
冷却効果を高めるとともに、その高温によるファンモー
タの軸受けの寿命低下を避けるために採用される。な
お、本例においては、ファンユニット１が近接する隅の
支持ブロック２−２’は幅広に形成されて、エアーフロ
ーが中央部に向かうようにされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のファン
一体型発熱素子冷却装置によれば、ファンユニット１が
埋め込まれているために、吸入空気は冷却に十分寄与し
ないうちに外部に放出されることとなり、冷却効率が低
いという問題点を持っている。また、図３はこのような
冷却装置の複数台を並設して実装する場合の実装状態を
示す斜視図であり、図４はその上面図である。図中、１
０、・・・は冷却装置、（ａ）は機器の冷却用エアーフ
ロー、（ｂ）は各冷却装置のエアーフローである。この
ような実装状態においては、特に図１に示されている構
造の冷却装置が用いられる場合は少なくとも二方向に排
気されるため、図４に示されているように、並設された
冷却装置１０、１０間において排気の衝突が生じ、全体
の冷却効率が低下するという問題点がある。

【０００９】加えて、上記した冷却効率の低下を補うた
めに、従来のファン一体型発熱素子冷却装置において
は、高回転のファンユニットを用いており、そのために
騒音が比較的大きくなり、機器全体の騒音値を押し上げ
ることとなっている。次に、前述したように、ヒートシ
ンク２は例えばＬＳＩパッケージ等の発熱素子上に接着
剤あるいは固定具により取り付けられているが、接着剤
により全面を接着すると、素子とヒートシンク２との熱
膨張率の違いにより熱応力が発生し、素子に亀裂が入る
という危険性があり、また、接着シート等によって全面
を接着する場合には、接着剤に比較して流動性がないた
めに、平面度の差により隙間が生じて、剥離し易くなる
という問題点がある。更に、金具等によって固定させる
場合には、ソケットを必要としたり、また、基板に加工
を施すことが必要となる等のために、実装に当たっての
制約が多いという問題点がある。

【００１０】本発明は、上記した埋め込み実装型のファ
ン一体型発熱素子冷却装置において、その冷却効率を向
上し、また、発熱素子と冷却装置との間の結合を簡易化
し、しかも、冷却作用に寄与させることができる素子お
よび冷却装置の結合構造を提供することを目的とする。
本発明の具体的な目的は、上記した埋め込み実装型のフ
ァン一体型発熱素子冷却装置にいて、その絞り機構を改
良して冷却作用に寄与させることにより、冷却効率の向
上を図ることである。

【００１１】本発明の具体的な他の目的は、上記した埋
め込み実装型のファン一体型発熱素子冷却装置を並設し
て用いる場合に、冷却装置相互間の干渉を無くして、冷
却効率の向上を図ることである。本発明の具体的な更に
他の目的は、上記した埋め込み実装型のファン一体型発
熱素子冷却装置の発熱素子への結合構造を改良して、冷
却装置実装上の制約を無くすとともに、冷却効率の向上
に寄与することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によるファン一体
型発熱素子冷却装置は、基板に装着された発熱素子の上
面に配設され、かつ、ベース面、ベース面に支持された
冷却風絞り機構およびその絞り機構の周囲のベース面上
に配設された複数の放熱フィンを有するヒートシンク
と、ヒートシンクの上面を覆い、かつ、絞り機構に対向
する位置に形成された吸排気口を有する平板状のカバー
と、そのカバーの吸排気口の下部に位置し、かつ、絞り
機構内に収納されるように装着された冷却用ファンユニ
ットとにより構成される。

【００１３】また、本発明によれば、発熱素子の上面に
配設され、かつ、ベース面上に少なくともファン装着部
分を除いて配設された複数の放熱フィンを有するヒート
シンクと、そのファン装着部分に対向する位置に吸排気
口を有し、かつ、ヒートシンクの上面を覆うように装着
されたカバーと、そのカバーの吸排気口の下部に位置す
るファン装着部分内に埋め込まれるように装着された冷
却用ファンユニットとを備えた埋め込み型のファン一体
型発熱素子冷却装置において、カバーの一側部に発熱素
子の直上部外方に延びる延長部とその延長部の端縁に連
接して下方に延びる遮蔽板とが形成される。

【００１４】更に、本発明によれば、埋め込み型のファ
ン一体型発熱素子冷却装置が、発熱素子の上面の中央部
付近に固定される良好な熱伝導性材料のオネジ部材を更
に備え、そして、ヒートシンクにおいてはファン装着部
分が中央部から偏位した位置に形成され、かつ、オネジ
部材と係合するメネジ部が中央部付近に形成されて構成
される。

【００１５】

【作用】このような構成によれば、埋め込み型のファン
一体型発熱素子冷却装置において、ヒートシンクに形成
された絞り機構を放熱に利用し、また、カバーの延長部
に設けた遮蔽板により、並設された冷却装置相互間にお
ける排気の干渉を無くし、かつ、発熱素子の底面に排気
を導入させることにより、冷却効率を向上させることが
できる。

【００１６】更に、そのようなファンユニットが埋め込
まれたヒートシンクと発熱素子とのネジ止めにより結合
し、そして、発熱素子に固定されたオネジを熱伝導性の
大きい構造とし、かつ、ヒートシンクに設けたメネジを
冷却風に触れる構造とすることにより、信頼性の高い結
合構造にするとともに、冷却効率の向上に寄与すること
ができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を、いくつかの具体的な実施例
に基づいて、詳細に説明する。図５は、本発明によるフ
ァン一体型発熱素子冷却装置の第１の実施例について、
その全体（Ａ）およびカバー（Ｂ）の構成を示す上面図
および前面図である。また、図６は、図５におけるヒー
トシンクのみの構成を示す構造図である。本実施例は図
１に示されているファンユニット１がヒートシンク２の
中央部に配設されている従来装置の冷却構造と同様な構
造を有しており、図５および図６において同等の部材に
は同一の符号が付されている。

【００１８】しかしながら、本実施例においては、カバ
ー３に、図１に示されているような絞り機構を形成する
円筒状突出部３−２が設けられておらず、ヒートシンク
２のベース面２−３上に植立された支持脚５−１、・・
・により支持された円筒部材５が絞り機構として配設さ
れている。図７は、このヒートシンク２上の絞り機構部
分の構造を拡大して示す拡大斜視図であり、図６および
図７から明らかなように、円筒部材５とヒートシンク２
のベース面２−３との間に隙間が形成されており、冷却
風がこの隙間を通過することとなる。

【００１９】この円筒部材５および支持脚５−１、・・
・は良好な熱伝導性材料により形成されており、ヒート
シンク２からの放熱のための表面積を増大している。し
たがって、それらはヒートシンク２と同一の材料により
形成することができ、また、それらを一体的に形成する
こともできる。このように円筒部材５および支持脚５−
１、・・・をヒートシンク２と一体に形成するようにす
れば、その周囲に放熱フィン２−１、・・・を近接して
配設し、配設密度を高めることができる。また、図７に
示されているように、円筒部材５の内外周を含む外表面
には、例えば細い溝６や突起等の凹凸が設けられ、更に
放熱のための表面積を増大させることもできる。

【００２０】本実施例はこのように構成されているの
で、従来装置においてはカバーに取り付けられていた絞
り機構を有効にヒートシンク２の放熱のために利用する
ことができ、しかも、この絞り機構を支える複数の支持
脚の間を高速の空気が流れることにより、更に冷却効果
を上げることができので、冷却装置全体の冷却効率の向
上に役立つこととなる。また、上述したように、従来装
置においてはカバーに取り付けた絞り機構をヒートシン
クに嵌合させるために必要とされていたスペースが不要
となり、その分放熱フィンを増設することができ、冷却
装置全体の冷却効率の向上に寄与することができる。

【００２１】図８は、本発明によるファン一体型発熱素
子冷却装置の第２の実施例の構成を示す上面図、前面図
および側面図である。本実施例は図１に示されているフ
ァンユニット１がヒートシンク２の中央部に配設されて
いる従来装置の冷却構造と同様な構造を有しており、同
等の部材には同一の符号を付すか、あるいは、符号を省
略している。本実施例においては、更に、カバー３が、
その一側縁において、ヒートシンク２（あるいはその下
の発熱素子）の直上から外方に延長されて、延長部３−
３が形成され、そして、その先端縁に下方に垂下して、
ヒートシンク２の側面にほぼ平行となるように、折曲部
すなわち遮蔽板７が形成されている。このように構成さ
れているので、図８に点線矢印により示されているよう
に、ファンユニット１により供給されるエアーフローが
この遮蔽板７に衝突し、下方に反射され、図示されては
いないが、ヒートシンク２の下部にある発熱素子の底面
にエアーフローが当たることとなる。

【００２２】図９は、本実施例によるファン一体型発熱
素子冷却装置の複数台を並設して実装する場合の実装状
態を示す斜視図であり、図１０はその上面図である。図
中、１０’、・・・は本実施例による冷却装置、（ａ）
は機器の冷却用エアーフロー、（ｂ）は各冷却装置のエ
アーフローである。各冷却装置１０’はその遮蔽板７が
機器の冷却用エアーフロー（ａ）に平行となるように設
置されている。図１０から明らかなように、並設された
冷却装置１０’、・・・の相互間には遮蔽板７が介在す
ることとなり、図３および図４において前述した各冷却
装置間のエアーフロー（ｂ）、・・・の干渉を回避する
ことができる。したがって、本実施例によれば、複数台
実装された場合に冷却装置相互間の排気が衝突すること
による冷却効率の低下を防止することができるととも
に、排気を発熱素子の底面に導入させることによって冷
却効率を向上することができるという二重の効果を奏す
ることができる。

【００２３】なお、上記したように、遮蔽板７を機器の
冷却用エアーフロー（ａ）と平行となるように設置する
ことによって、冷却装置の冷却ファンが停止した場合に
も、ヒートシンク内に機器の冷却用エアーフロー（ａ）
が通るようにすることができる。また、図示してはいな
いが、遮蔽板７の少なくとも折り曲げ部分、すなわち、
少なくとも延長部３−３と遮蔽板７との接続部分、を形
状記憶合金等の形状記憶材料により形成し、高温時に、
例えば、延長部３−３とほぼ同一平面、すなわち、ほぼ
平板状となるような形状を記憶させておくことができ
る。こうすることにより、例えば１台の冷却装置の冷却
用ファンが停止した場合に、それが実装されている発熱
素子が高温化して遮蔽板７を開き、隣接する冷却装置の
エアーフロー（ｂ）をも取り込むようにすることができ
る。

【００２４】図１１は、本発明によるファン一体型発熱
素子冷却装置の第３の実施例の構成を示す上面図および
前面図である。本実施例は、発熱素子およびヒートシン
クが円形の場合を例示しているが、図２に示されている
ファンユニット１がヒートシンク２の中央部から偏位さ
れて配設されているオフセット型の従来装置の冷却構造
と同様な構造を有しており、同等の部材には同一の符号
を付すか、あるいは、符号を省略している。なお、ファ
ンユニット１の図示は省略されているが、その背部すな
わち放熱フィンが配設されていない側のヒートシンク２
の端縁には、側壁２−２’が設けられて、冷却風を逃が
さないようにしており、また、カバー３はヒートシンク
２に接着等の方法によって取り付けられており、取り付
け用ブロック２−２および止めネジ４は除去されてい
る。

【００２５】本実施例においては、ヒートシンク２の中
央部付近には底面から発熱素子に固定されたオネジが螺
入されるメネジ部１２が形成されており、このメネジ部
１２はヒートシンク２のベース面２−３から立ち上が
り、放熱フィン２−１、・・・が占める空間内に延在し
ている。こうして、このメネジ部１２はヒートシンク２
の内部において冷却風にさらされることとなり、放熱の
補助機能を果たす。そのため、このメネジ部１２は、そ
の放熱効果をあげることができるように、表面積が大き
くなる形状に形成される。また、図１１に示されている
ように、このメネジ部１２の周囲の放熱フィン２−１は
間引きされて、冷却風が通過する際の圧損を減少させ、
冷却風量を確保するように構成されている。

【００２６】図１２は、発熱素子の上面に配設されるオ
ネジ部材１３の一例の構成を示す上面図および前面図で
あり、オネジ部材１３は、熱伝導性が良好な材料により
形成され、例えば、図１１のヒートシンク２に設けられ
ているメネジ部１２に螺入されるネジ部１３−１と、発
熱素子の上面に接着等の方法により固定されるフランジ
部１３−２を有している。このオネジとメネジとによ
り、発熱素子と冷却ファンが装着されたヒートシンク２
とを緊密に締結することができ、その締めつけ力によっ
て、それらの間の接触熱抵抗を小さくすることができ
る。なお、このオネジ部材１３は、発熱素子の上面に一
体的に形成することもできる。

【００２７】図１３は、オネジ部材１３の各種の構造例
を示すための図１２の切断面Ａ−Ａにおける断面図であ
る。オネジ部材１３は、発熱素子からの発熱を効率的に
メネジ部１２に伝え、ヒートシンク２の冷却空間におい
て放熱し、発熱素子の冷却を補助するものであるので、
熱伝導性の良好な構造をも有するようにされる。すなわ
ち、オネジ部材１３は、図１３（Ａ）に示されているよ
うな単一の良好な熱伝導性材料により形成されるのみな
らず、図１３（Ｂ）に示されているように、例えば黄銅
により形成された周囲部分１３−３と、純銅により形成
された中心部１３−４を有する構造とすることができ
る。また、図１３（Ｃ）に示されているように、内部に
空洞１３−５を設けて真空状態とし、その中にヒートパ
イプ用媒体となる作動液を封入した構造とすることもで
きる。これにより、ヒートパイプの原理を利用して、熱
輸送量の拡大を図ることが可能となる。

【００２８】本実施例は、上記のように構成されている
ので、前述した従来装置における発熱素子と冷却装置と
の接合部に生じる熱応力による亀裂や剥離現象を回避す
ることができ、しかも、上記したように発熱素子の放熱
を補助し、結果として、冷却効率を向上させることがで
きる。また、本発明によるファン一体型の冷却装置の固
定をネジにより行うことができ、冷却ファンが故障した
場合の取り外しが容易になり、信頼性を向上させること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によるファン一体
型発熱素子冷却装置によれば、最近の高密度実装機器に
有効な薄型の埋め込み型冷却構造を有する冷却装置の冷
却効率を向上させることができ、しかも、その冷却効率
の向上により、冷却ファンを低回転に設計することを可
能とし、結果として、機器騒音を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のファン一体型発熱素子冷却装置の第１の
例の全体（Ａ）およびカバー（Ｂ）の構成を示す上面図
および前面図である。

【図２】従来のファン一体型発熱素子冷却装置の第２の
例の全体（Ａ）およびカバー（Ｂ）の構成を示す上面図
および前面図である。

【図３】従来のファン一体型発熱素子冷却装置の複数台
を並設して実装する場合の実装状態を示す斜視図であ
る。

【図４】従来のファン一体型発熱素子冷却装置の複数台
を並設して実装する場合の実装状態を示す上面図であ
る。

【図５】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置の
第１の実施例の全体（Ａ）およびカバー（Ｂ）の構成を
示す上面図および前面図である。

【図６】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置の
第１の実施例におけるヒートシンクのみの構成を示す構
造図である。

【図７】絞り機構部分の構造を拡大して示す拡大斜視図
である。

【図８】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置の
第２の実施例の構成を示す上面図、前面図および側面図
である。

【図９】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置の
第２の実施例の複数台を並設して実装する場合の実装状
態を示す斜視図である。

【図１０】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置
の第２の実施例の複数台を並設して実装する場合の実装
状態を示す上面図である。

【図１１】本発明によるファン一体型発熱素子冷却装置
の第３の実施例の構成を示す上面図および前面図であ
る。

【図１２】オネジ部材の一例の構成を示す上面図および
前面図である。

【図１３】オネジ部材の各種の構造例を示すための図１
２の切断面Ａ−Ａにおける断面図である。

【符号の説明】

１…ファンユニット ２…ヒートシンク ２−１…放熱フィン ２−２、２−２’…支持ブロック ２−３…ベース面 ３…カバー ３−１…吸排気口 ３−２…円筒状突出部 ３−３…延長部 ４…止めネジ ５…円筒部材 ５−１…支持脚 ６…溝 ７…遮蔽板 １０、１０’…冷却装置 １２…メネジ部 １３…オネジ部材 １３−１…ネジ部 １３−２…フランジ部 １３−５…空洞 １３−６…作動液

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に装着された発熱素子の上面に配設
   され、かつ、ベース面、該ベース面に支持された冷却風
   絞り機構および該絞り機構の周囲の該ベース面上に配設
   された複数の放熱フィンを有するヒートシンクと、 上記ヒートシンクの上面を覆い、かつ、上記絞り機構に
   対向する位置に形成された吸排気口を有する平板状のカ
   バーと、 上記カバーの吸排気口の下部に位置し、かつ、上記絞り
   機構内に収納されるように装着された冷却用ファンユニ
   ットとを備えたファン一体型発熱素子冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のファン一体型発熱素子
   冷却装置において、上記絞り機構が、上記ヒートシンク
   のベース面に植立された少なくとも１個以上の支持脚
   と、該支持脚により支持されて該ヒートシンクのベース
   面との間に隙間を形成する円筒部材とを有している装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のファン一体型発熱素子
   冷却装置において、上記支持脚および上記円筒部材が良
   好な熱伝導性材料により一体的に形成されている装置。
4. 【請求項４】 請求項２あるいは請求項３のいずれかに
   記載のファン一体型発熱素子冷却装置において、上記円
   筒部材がその外周および内周表面の少なくとも一部に凹
   凸を有している装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のファン一体型発熱素子
   冷却装置において、上記複数の放熱フィンの内、上記絞
   り機構の周囲に近接する放熱フィンは、該絞り機構の外
   周との間に間隙を置くことなく略接触して配設されてい
   る装置。