JP3895817B2 - 冷却ファンを有する冷却システム - Google Patents
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- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0275—Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却ファンおよびヒートパイプを用いた冷却システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータの分野では、多機能化や処理速度の向上に伴って演算処理装置などの電子素子の出力が増大されている。また、電子素子を冷却する装置について種々提案されている。
【0003】
その一例として従来では、パーソナルユースのコンピュータ(以下、パソコンという。)のケース内部にマイクロファンを内部に設置して、マイクロファンによって生起させた流動空気と共に電子素子から生じた熱をケースの外部に排出させるよう構成した冷却装置がある。
【0004】
また一方で、ヒートパイプの一端部を電子素子に熱伝達可能に連結するとともに、このヒートパイプの他端部をキーボートの裏面(パソコンケース側の面)に取り付けられているアルミプレートからなる電磁シールド板に配設して、ここを放熱面とした構成の冷却装置がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コンピュータは小型化および軽量化が強く望まれており、したがって当然、ケースの内部空間において冷却装置が占有できるスペースも極めて限定されている。
【0006】
しかしながら、マイクロファンを用いた冷却装置では、多数の部品が密集するケースの空間内に空気を流動させる構成であって、これらの部品が大きな流動抵抗となるから、ケース内には熱が籠り易い。また、これらの部品では、熱を帯びた空気流と積極的に接触する箇所が不可避的に昇温する。この両方を解消するためには、マイクロファン自体を風力の強い大型なものとせざるを得ず、そのため、この種の冷却装置は小型化および軽量化が望まれるコンピュータに好適な手段ではなかった。
【0007】
これに対して、ヒートパイプを採用した冷却装置では、ケースの内部に設置される電磁シールド板を放熱面とした構成であるから、ヒートパイプの作動流体によって輸送された電子素子の熱は、当然、ケースの内部に放出される。したがって、電子素子を冷却することはできるものの、ケースの内部空間に熱が籠り易く、電子素子以外の既設部品を不可避的に昇温させてしまう問題があった。
【0008】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、発熱部に対する冷却能力が高く、かつ発熱部以外に設けられる部品の昇温を防止できる冷却ファンを有する冷却システムを提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項1に記載した発明は、金属製のハウジングの内部に、冷却用空気流を生起させるための回転駆動されるブレードが設けられた冷却ファンを有する冷却システムにおいて、一端部を発熱部に熱授受可能に連結したヒートパイプの他端部が、該ヒートパイプの上側を覆う押え板によって前記ハウジングに密着状態に添わせて取り付けられ、前記押え板は前記ヒートパイプを覆うように折り曲げられた屈曲部を備え、前記ハウジングの羽根車の軸線方向に凹となる係止溝が形成され、該係止溝に嵌め込まれるように前記屈曲部に爪部が設けられて前記ハウジングに熱授受可能に連結されていることを特徴とするものである。
【0010】
したがって、請求項1の発明によれば、発熱部が発熱すると、まず、その熱はヒートパイプの一端部に伝達される。すると、液相の作動流体が加熱されて蒸発し、その作動流体蒸気はヒートパイプのコンテナのうち内部圧力の低い冷却ファンに配設された端部に向けて流動し、ハウジングに熱を奪われて凝縮する。また、冷却ファンを動作させれば、ブレードが回転駆動して空気の流動が生じ、その空気と共にハウジングの保有する発熱部の熱が他方に流される。
【0011】
したがって、請求項1の発明の冷却システムを例えば筐体などの密閉空間内に設置した場合でも、筐体の内部空間に熱が籠らず、発熱部が良好に冷却されるうえ、筐体内に備えられる他の部品などを不要に昇温させるおそれもない。
【0012】
また、請求項1の発明によれば、ハウジングに対する押え板の締結力によってヒートパイプをマイクロファンに固定した構成であるから、マイクロファンに対するヒートパイプの取り付け強度が向上する。さらに、ヒートパイプのうちマイクロファンに連結された箇所の外面全域が覆われているから、ヒートパイプとマイクロファンとの間での熱損失が小さく、したがって、CPUに対する冷却能力が上記具体例に比べて更に良好になる。
【0013】
さらにまた、請求項1の発明によれば、ヒートパイプがハウジングの形状に倣っているから、ヒートパイプから冷却ファンへの熱伝達が良好に行われ、その結果、冷却能力が向上する。
【0014】
又、請求項2に記載した発明は、請求項1の発明において、前記ヒートパイプと前記ハウジングと前記押え板とが、爪部とこれに対応した数の係止溝のみにより連結されていることを特徴とするものである。
【0016】
また、請求項3に記載した発明は、請求項1又は請求項2に記載した冷却ファンに対して、前記ハウジングのうち冷却用空気流と接触する箇所に、その冷却用空気流の流動方向に沿った多数条の溝部が形成されていることを特徴とするものである。
【0017】
したがって、請求項3の発明によれば、冷却用空気流とハウジング自体との熱交換面積が上記各請求項に記載した冷却ファンと比べて大きくなるから、ハウジングから熱が奪われ易くなる。また一方で、溝部が上記の向きに形成されていることから、冷却用空気流の流動は妨げられず、すなわち冷却ファンに作用する圧力損失が増大しないから、冷却ファンの実質的な風量(冷却用空気流の量)は低下しない。したがって、冷却システムとしての冷却能力が更に向上する。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明に係る具体例について図1および図2を参照して説明する。ここに示す例は、ノートブック型のパソコンに搭載したCPUの冷却に適用した例である。参照符号14は、パソコンケースを示している。このパソコンケース14は、プラスチックパネルあるいはマグネシウム合金などの金属パネルによって形成された中空容器である。このパソコンケース14の図1での上面部には、回動軸を中心とした所定範囲内で自在に開閉するディスプレイ(共に図示せず)が備えられている。
【0019】
また、パソコンケース14の内部の底部付近には、プリント基板(図示せず)がほぼ水平に設けられている。このプリント基板の図1での上面には、この発明の発熱部に相当するCPU15が取り付けられている。CPU15の上面には、ヒートパイプ16の一端部および伝熱ブロック17が取り付けられている。より詳細には、一例としてヒートパイプ16は、幅の狭い中空扁平形状の銅製コンテナの内部に、作動流体として純水を封入したものが採用されている。なお、このヒートパイプ16は、可撓性を有していてコンテナの中間部分を自在に屈曲させることができる。
【0020】
これに対して、伝熱ブロック17は、CPU15とヒートパイプ16との熱伝達を促進させるために必要に応じて備えられるものであり、一例として銅あるいはアルミ合金等から形成された板状体であって、その図1での下面には、ヒートパイプ16のコンテナ形状に倣った凹部が形成されている。そして、この伝熱ブロック17は、凹部にヒートパイプ16を緊密に嵌め込んだ状態でCPU15の上面に図示しない適宜手段によって密着して固定されている。したがって、CPU15とヒートパイプ16とは、互いに熱伝達可能になっている。
【0021】
他方、パソコンケース14の底部には、この発明の冷却ファンに相当するマイクロファン18が設けられている。より詳細には、このマイクロファン18は、一例として円筒部18aとその半径方向に延びたフランジ18bとからなる金属製ハウジング18cのうち、回転駆動する羽根車18dを円筒部18aの内部に同軸状に設けた構成の軸流ファンである。
【0022】
そして、このマイクロファン18は、吸込み部19となる円筒部18aの開口端をCPU15側に突出させるとともに、吐出部20となるフランジ18b側をパソコンケース14に設けられた排気孔(図示せず)の近傍に配置させた状態で適宜手段によってパソコンケース14に固定されている。すなわち、このマイクロファン18を動作させた場合、パソコンケース14の内部の空気は、CPU15側から円筒部18aの内側に入り込むとともに、吐出部20および排気孔を経て外部に送り出される。
【0023】
また、マイクロファン18のハウジング18cのうち円筒部18aの外周には、ヒートパイプ16の他端部が巻き付けた状態で取り付けられている。したがって、ヒートパイプ16とマイクロファン18とは、互いに熱授受可能な構成になっている。なお、ヒートパイプ16の中間部分は、パソコンケース14の内部に備えられた図示しないパーツ同士の隙間、いわゆるデッドスペースを通るようにして適宜に折り曲げられている。
【0024】
また、マイクロファン18の設置状態での高さは、CPU15の高さよりも大きく設定されており、したがって、ヒートパイプ16は、このマイクロファン18に配設された端部がCPU15に配設された端部に対して上方に位置している。なお、必要に応じてヒートパイプ16のうちCPU15およびマイクロファン18と接触しない中間箇所の外周部を断熱被覆してもよく、このように構成すれば、ヒートパイプ動作中にコンテナからパソコンケース14の内部空間に放出される熱を減少させることができる。
【0025】
つぎに、上記のように構成されたこの発明の作用について説明する。まず、マイクロファン18を動作させる。すると、パソコンケース14内の空気がマイクロファン18の円筒部18aの内部を流通するとともに、矢印方向に排気孔を経由してパソコンケース14の外部に流れ出る。
【0026】
他方、パソコンの使用に伴う通電によってCPU15が発熱すると、その熱はヒートパイプ16の一端部および伝熱ブロック17に伝達される。その場合、ヒートパイプ16の外周部が伝熱ブロック17によって覆われているために、ヒートパイプ16に対してCPU15の熱が無駄なく伝達されて、コンテナの底部に溜まっている作動流体が加熱されて蒸発する。したがって、ヒートパイプ16のうち伝熱ブロック17に取り付けられた端部の内面が蒸発部となる。
【0027】
蒸気となった作動流体は、内部圧力および温度が共に低いハウジング18cに配設された端部に向けて流動し、マイクロファン18に熱を奪われて凝縮する。したがって、ヒートパイプ16のうちこの端部の内面が凝縮部となる。前述の通り、ヒートパイプ16は、勾配を持たせた状態に配設されているから、その動作態様はボトムヒートモードとなり、作動流体の蒸発・凝縮サイクルがスムースに行われ、その結果、熱輸送能力が高くなる。なお、凝縮して液相に戻った作動流体は、コンテナ中間部の内面を伝わって蒸発部まで還流し、そこで再度加熱・蒸発する。
【0028】
他方、ヒートパイプ16から円筒部18aに伝達されたCPU15の熱は、ハウジング18cのほぼ全域に伝導される。前述の通り、ハウジング18cの内側には、空気の流動が生じており、その空気によってマイクロファン18の保有するCPU15の熱が排気孔を経由してパソコンケース14の外部まで運ばれる。すなわち、CPU15の熱は、空気と共にパソコンケース14の外部に排出される。したがって、パソコンケース14の内部に熱が籠らず、パソコン使用中におけるCPU15の過熱が防止される。
【0029】
このように、CPU15の熱をヒートパイプ16によって金属製のハウジング18cに集めた状態で、その熱をマイクロファン18の送風力によってパソコンケース14の外部に排出させるため、パソコンケース14の内部空間に熱が籠らず、従来の冷却構造よりも冷却能力が向上し、また、CPU15以外の既存パーツの過剰な昇温が防止される利点も生じる。
【0030】
また、上記具体例では、ヒートパイプ16の端部をマイクロファン18に固定させておくための専用部材が不要な構成であるから、その分だけ装置全体がコンパクトになるとともに、マイクロファン18とヒートパイプ16との着脱を容易に行うことができる利点もある。なお、扁平状コンテナのヒートパイプ16に替えて、例えば一般的な円形断面のコンテナ形状のヒートパイプを用いることもできる。
【0031】
つぎに、図3ないし図5を参照して請求項1及び請求項2に係る発明の具体例について説明する。パソコンケースの内部には、上面にヒートパイプの一端部および伝熱ブロックを取り付けたCPUが設けられている。また、パソコンケースの内部には、ヒートパイプの他端部が連結されたマイクロファンが設けられている。
【0032】
より具体的には、このマイクロファン18は、図3の(B)での上方箇所が左右に張り出したプレート形状の金属製のハウジング18cに、空気流Aがハウジング18cの厚さ方向に生じるように羽根車18dを取り付けた構成の軸流ファンである。ハウジング18cのうち図3の(A)での下側の面には、紙面の奥行き方向に向けて凹となる係止溝21が2条形成されている。また、ハウジング18cの上面部のうち、各係止溝21と図3の(A)での上下方向にそれぞれ対向する位置には、ネジ孔22が形成されている。
【0033】
そして、ハウジング18cの上面部には、ヒートパイプ16の一端部が沿った状態に布設されており、更にヒートパイプ16はその上側を覆う押え板23によってハウジングに取り付けられている。この押え板23は、金属薄板からなり、ハウジング18cのネジ孔22と一致するネジ孔23aが形成された平坦部23bと、ヒートパイプ16を覆うように折り曲げられた屈曲部23cとを備えた構成となっている。また、押え板23の屈曲部23cには、図4の(B)での上方に突出する爪部24が2個設けられている。
【0034】
すなわち、押え板23は、各爪部24を係止溝21にそれぞれ嵌め込み、またネジ25を締結することによって自身をハウジング18cの上面部に固定し、同時にヒートパイプ16をハウジング18c側に押し付けて固定する構成となっている。
【0035】
したがって、この具体例においてもCPU15の冷却を行う場合には、上記第一具体例と同様に、マイクロファン18を動作させれば、ヒートパイプ16を介してハウジング18cに集められたCPU15の熱が、流動する空気に運ばれてパソコンケース14の外部に排出される。その結果、CPU15以外の部品の昇温を防止しつつ、CPU15の過熱を防止できる。
【0036】
また、上記の具体例によれば、ハウジング18cに対する押え板23の締結力によってヒートパイプ16をマイクロファン18に固定した構成であるから、マイクロファン18に対するヒートパイプ16の取り付け強度が上記具体例に比べて向上する。また、ヒートパイプ16のうちマイクロファン18に連結された箇所の外面全域が覆われているから、ヒートパイプ16とマイクロファン18との間での熱損失が小さく、したがって、CPU15に対する冷却能力が上記具体例に比べて更に良好になる。
【0037】
なお、上記具体例では、爪部24を係止溝21に嵌合させ、かつネジ止めによってヒートパイプ16とハウジング18cと押え板23とを一体に係合する構成を例示したが、この発明は上記具体例に限定されず、爪部24とこれに対応した数の係止溝21のみによって三者を連結する構成としてもよい(図6参照)。
【0038】
また、上記各具体例では、CPU15からマイクロファン18への熱輸送をヒートパイプ16を用いて行うため、通常、パソコンケース14の壁面付近に設置せざるを得ないマイクロファン18にCPU15を隣接させる必要がなく、そのため、パソコンケース14の内部におけるCPU15のレイアウトの自由度が向上する。また、ヒートパイプ16がデッドスペースに配設されているから、従来の冷却構造よりもパソコンケース14自体を小規模化することができる。
【0039】
つぎに、図7を参照して請求項3の発明に係る具体例について説明する。ここに示すマイクロファン18は、中央部に円筒状の貫通部18eを備えた全体として矩形を成す金属製のハウジング18cを備え、その貫通部18eに羽根車18dが回転可能に収容されており、ハウジング18cの厚さ方向に空気流Aが生じるよう構成された軸流ファンである。また、ハウジング18cのうちの貫通部18eの内周面には、羽根車18dの回動軸18fと同じ方向に沿って延びる多数条の溝部26が形成されている。すなわち、これらの溝部26は、羽根車18dの回転によって生じる空気流Aの流動方向に倣う向きに形成されている。
【0040】
そして、このマイクロファン18は、特に図示はしないが、上記各具体例と同様にパソコンケースの内部に設置されるとともに、CPUに一端部を連結させたヒートパイプの他端部を熱授受可能に連結している。なお、ヒートパイプをハウジング18cに対して取り付ける手段としては、例えば上記第二具体例と同様に押え板を用いた構成が挙げられる。
【0041】
したがって、上記の構成によれば、空気流Aとハウジング18cとの熱交換面積が上記各具体例に比べて溝部26の分だけ大きく、ハウジング18c自体がいわゆるヒートシンクとして作用するようになるから、ハウジング18cの保有する熱が空気流Aによって良好に奪われるようになり、その結果、CPUに対する冷却能力を更に向上させることができる。
【0042】
なお、上記の構成によれば、例えば溝部26を備えていない従来一般の冷却ファンの吐出口あるいは吸入口に、ヒートシンクを設置するとともに、熱源に一端部を連結したヒートパイプの他端部をヒートシンクに連結させた構成の冷却装置と比べると、空気流Aがヒートシンクを通過しない分だけ冷却ファンに作用する圧力損失が少なくなり、それに伴って冷却ファンの実質的な風量が大きくなるから、良好な冷却能力を得ることができる。
【0043】
なお、上記各具体例では、ノートブック型パソコンのCPUの冷却を例示したが、この発明は上記具体例に限定されるものではなく、例えばデスクトップ型パソコンやサーバー等に搭載される電子素子に適用することもできる。
【0044】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1の発明によれば、ヒートパイプの凝縮部となる端部が冷却ファンのハウジングに直接取り付けられているので、発熱部以外の昇温を防止しつつ、発熱部に対する冷却能力を従来になく向上させることができる。
【0045】
また、請求項3の発明によれば、空気流量の低下を招くことなく、ハウジングと冷却用空気流との熱交換面積を増大させる多数条の溝部を設けているから、冷却能力をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1および請求項2の発明に係る具体例を示す概略図である。
【図2】その具体例のマイクロファンとヒートパイプとの連結状態を示す概略図である。
【図3】マイクロファンを示す概略図である。
【図4】押え板を示す概略図である。
【図5】請求項1および請求項3の発明に係る具体例のマイクロファンとヒートパイプとの連結状態を示す概略図である。
【図6】マイクロファンとヒートパイプとの連結状態の他の例を示す概略図である。
【図7】請求項4の発明に係るマイクロファンを示す概略図である。
【符号の説明】
14…パソコンケース、 15…CPU、 16…ヒートパイプ、 18…マイクロファン、 18c…ハウジング、 18d…羽根車、 26…溝部。
Claims (3)
- 金属製のハウジングの内部に、冷却用空気流を生起させるための回転駆動されるブレードが設けられた冷却ファンを有する冷却システムにおいて、
一端部を発熱部に熱授受可能に連結したヒートパイプの他端部が、該ヒートパイプの上側を覆う押え板によって前記ハウジングに密着状態に添わせて取り付けられ、前記押え板は前記ヒートパイプを覆うように折り曲げられた屈曲部を備え、前記ハウジングの羽根車の軸線方向に凹となる係止溝が形成され、該係止溝に嵌め込まれるように前記屈曲部に爪部が設けられて前記ハウジングに熱授受可能に連結されていることを特徴とする冷却ファンを有する冷却システム。 - 前記ヒートパイプと前記ハウジングと前記押え板とが、爪部とこれに対応した数の係止溝のみにより連結されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却ファンを有する冷却システム。
- 前記ハウジングのうち冷却用空気流と接触する箇所に、その冷却用空気流の流動方向に沿った多数条の溝部が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した冷却ファンを有する冷却システム。
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