JP4039316B2 - 電子機器の冷却構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子機器の冷却構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器、特にネットワーク装置の多様化、高機能化、小形化、高密度化等に対する要求が強まっている。従来、低発熱量で自然空冷であったこれらの装置は、高機能化、高性能化に伴って発熱量が増加する傾向にある。特に、CPUの高速化によるCPUの発熱量増大が著しく、低消費電力化が図られているものの、ヒートシンクやファンを用いた冷却を必要としている。このため、小形化、軽量化、携帯性及び意匠性等を損なうことなく、冷却特性が高い自然空冷の筺体構造が求められている。
【0003】
現在、電子機器の冷却は、内部に実装されているLSIなどを中心とした素子からの発熱をいかに効率よく冷却するかが課題である。CPUや特定用途のLSIは高速、多機能であり、発熱量が大きい。現状での素子の冷却は、これらの素子に放熱板やヒートシンクなどを取り付けて、素子の温度上昇を抑制していた。図4は従来の小形電子機器の冷却構造の断面図を示し、1は上ケース、2は下ケースであり、これらにより筺体を形成する。3は下ケース2内の底面上に立設されたスペーサであり、スペーサ3上にはプリント板4が取付ねじ5により略水平に取り付けられ、プリント板4の下面には素子6が取り付けられ、素子6と下ケース2内の底面との間には熱伝導ゴム7が設けられている。この例では、素子6の熱を熱伝導ゴム7を介して下ケース2に伝え、放熱するようにしている。
【0004】
図5は他の従来の小形電子機器の冷却構造を示し、プリント板4の上面に取り付けられた素子6の上面にヒートシンク8を取り付けている。この例では、素子6の熱をヒートシンク8に伝達し、矢印で示す空気の流れにより放熱するようにしている。図6(a),(b)は従来のCPUの冷却構造を示し、何れもプリント板4上に設けられたCPU9上に熱伝導ゴム10を介してヒートシンク11を取り付けており、CPU9の熱を熱伝導ゴム10及びヒートシンク11を介して放出するようにしている。
【0005】
なお、その他の従来の電子機器の冷却構造としては、特許文献1及び特許文献2がある。
【0006】
【特許文献1】
【0007】
特開2002−217575号公報
【特許文献2】
特開2000−156570号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示した従来の電子機器の冷却構造では、熱伝導ゴム7を介して放熱を行っており、素子6の放熱冷却は有効に行われるが、プリント板4には素子12,13等も取り付けられており、素子12,13等の放熱は有効に行われない。又、下ケース2とプリント板4との距離を小さくする必要があるとともに、下ケース2とプリント板4とにより空間を閉じてしまうので温度が上昇し易く、実装上の制約が大きい。さらに、素子6に変わってCPUを実装した場合、発熱量が大きくなり、下ケース2の表面温度が上がり、人が触ると危険又は不快感を与えることとなった。又、図5の冷却構造では、プリント板4が水平実装であるため、空気の対流が悪くなり、ヒートシンク8への冷気の供給が困難となり、効率的な冷却ができない。
【0009】
さらに、図6の場合には、特に(b)に示すように、CPU9がFBGAやFPGAなどのようにチップ部9aの搭載型の場合には、チップ部9aの発熱量に比べてチップ部9aの熱伝導ゴム10との接触面積が小さくなり、CPU9とヒートシンク11との間の熱抵抗が大きくなり、冷却効率が低下した。又、図5に示すように素子6に直接ヒートシンク8を取り付けた場合には熱抵抗は小さいが、図6に示すように熱伝導ゴム10を介在させると、やはり接触面積などの影響により熱抵抗が大きくなり、冷却効率が低下した。
【0010】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、素子、特に発熱量が大きいCPU等の冷却を効率よく行うことができるとともに、筺体への熱伝導を調整して筺体の温度上昇を調整することができる電子機器の冷却構造を得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1に係る電子機器の冷却構造は、筐体内にプリント板を水平に取り付け、プリント板の上面上に素子を実装した電子機器の冷却構造において、筺体の側面に設けられた吸気口と、筺体の上面に設けられた排気口と、素子上に熱拡散板及び板状の熱伝導ゴムを介して密着固定されるとともに、筺体内に取り付けられ、かつ熱抵抗の調整孔を有する放熱板と、放熱板上に取り付けられたヒートシンクとを備えたものである。
【0012】
請求項2に係る電子機器の冷却構造は、筐体内にプリント板を水平に取り付け、プリント板の上面上に素子を実装した電子機器の冷却構造において、筺体の側面に設けられた吸気口と、筺体の上面に設けられた排気口と、素子上に熱拡散板及び板状の熱伝導ゴムを介して密着固定された熱伝導板と、筺体内に取り付けられ、筺体の吸気口と連通する吸気口及び熱抵抗の調整孔が形成され、かつ熱伝導板が挿入される開口を有する放熱板と、熱伝導板及び放熱板上に取り付けられたヒートシンとを備えたものである。
【0013】
請求項3に係る電子機器の冷却構造は、放熱板上に熱を放射する熱放射板を設けたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施形態1
以下、この発明の実施の形態を図面とともに説明する。図1(a)〜(d)はこの発明の実施形態1による電子機器の冷却構造の平面図、側面図、縦断正面図、及びそのA部拡大図であり、14は上方が開放された筺状の下ケース、15は下方が開放された筺状の上ケースであり、上ケース15は下ケース14を覆う。上ケース15と下ケース14とは実際には共に底板に取り付けられ、直接取り付けられていないが、直接取り付けても良い。下ケース14の対向する一対の側部には吸気口14aが設けられるとともに、上ケース15の吸気口14aと対応した側部にも吸気口15aが設けられ、上ケース15の上面には排気口15bが設けられる。下ケース14内の底面上にはスペーサ3が立設され、スペーサ3上にはプリント板4が取付ねじ5を介して水平に取り付けられる。プリント板4の上面にはCPU16が設けられ、CPU16は上面中央にチップ部16aを有する。
【0015】
チップ部16a上には、熱拡散板17及び板状の熱伝導ゴム18を介して熱伝導板19が設けられる。又、プリント板4上ではCPU16の周囲においてスペーサ20が取付ねじ21を介して取り付けられ、スペーサ20上には放熱板22が取り付けられる。放熱板22はU字状に形成され、その側壁は下ケース14の側壁の内側に取り付けられ、吸気口14aと対応した位置に吸気口22aが形成され、また放熱板22の中央には開口22bが設けられ、開口22bに熱伝導板19が同一高さで挿入される。また、放熱板22には4箇所の熱抵抗の調整孔22cが設けられる。熱伝導板19及び放熱板22の上部にはヒートシンク23が取り付けられ、ヒートシンク23の両側において放熱板22上には一対の熱放射板24が設けられる。熱放射板24からは熱放射が行われる。
【0016】
上記構成において、吸気口15a,14a,22aから筺体内に吸気され、排気口15bから排気される。CPU16をプリント板4の上面に設けており、CPU16の発熱が大きい場合でもCPU16が発生した熱は上方に逃げ易く、筺体内の大きな温度上昇を招かない。CPU16の放熱ルートには三つのルートがある。まず、第1の熱ルートにおいては、放熱板22が下ケース14に取り付けられているので、熱が放熱板22から下ケース14に伝わり、下ケース14から放熱される。放熱板22は熱伝導板19等からの放熱、あるいはヒートシンク23から伝導された熱により加熱される。この場合、放熱板22のサイズが大きいと、下ケース14への熱の移動が大きくなり、下ケース14の温度が許容温度以上になってしまう。そこで、放熱板22の大きさを小さくして熱抵抗を大きくし、また下ケース14の温度上昇を抑えるため、放熱板22に熱抵抗の調整孔22cを設けている。あるいは、放熱板22の長さを長くするなどによって下ケース14側への熱抵抗を大きくし、下ケース14において冷却可能な範囲の熱が下ケース14側へ伝わるように調整する。熱伝導ゴム18は熱伝導板19と放熱板22の高さのバラツキを調整するために設けてある。
【0017】
次に、第2の熱ルートは、筺体内で効果的な自然空冷のエアフローを発生させるための熱ルートである。この際、ヒートシンク23の冷却効率を向上させる構造とする。即ち、チップ部16aの熱は熱拡散板17及び熱伝導ゴム18を介して熱伝導板19に熱伝導により伝えられ、さらにヒートシンク23に熱伝導により伝えられる。これによって、ヒートシンク23の温度が放熱板22の温度より高くなる。ヒートシンク23は温度が高くなるほど放熱効率が高くなるので、CPU16の温度が許容温度の範囲内となるようヒートシンク23の温度を高くする。又、ヒートシンク23は筺体の中央に実装し、ヒートシンク23の左右の吸気口15a,14a,22aから吸気し、筺体の中央上部の排気口15bから排気する。必要以上に多くの孔を設けないことにより、冷却特性を維持しつつ、デザイン性やコストを最適なバランスにすることができる。
【0018】
次に、第3のルートにおいては、放熱板22に熱放射板24を取り付けることにより、熱放射板24から上ケース15等に熱放射により熱が伝わり、冷却効果が向上する。この場合、上ケース15の排気口15bのない部分では熱放射により上ケース15に熱が伝わり、上ケース15の排気口15bがある部分では熱放射板24から直接外部への熱放射が行われる。上ケース15には熱伝導による熱は伝わらず、温度を低めに設定できる。熱放射板24は温度が高いために、放射による熱伝達が活発に行われるが、上ケース15は薄板で比熱も小さいために、熱容量が小さい。このため、上ケース15に人が触れた場合、その温度が容易に下がり、危険は生じない。熱放射板24には、放射率が高くなるよう塗装、アルマイト処理などを行うと効果的である。
【0019】
又,CPU16がFPGA、FBGAのように小形チップ16aを搭載している場合には、熱伝導ゴム18だけでは熱抵抗が大きくなる。このため、チップ部16aの上部に熱拡散板17、熱伝導ゴム18、熱伝導板19及びヒートシンク23を重ね合わせるとともに、ヒートシンク23と放熱板22とを接続しており、熱伝導と空冷によって効率のよい冷却を行う。熱拡散板17は、CPU16のチップ部16aの大きさと発熱量に応じて適当な厚みと面積を選定する。熱拡散板17及び放熱板22には、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料を使用する。また、厚みを薄くしたい場合には、カーボンフィルムなどの高熱伝導のフィルムを用いても良い。
【0020】
上記のような冷却構造によって、効果的な冷却を行うことができる。この冷却構造は、一般的な材料と部品で構成できるので、安価に実現できる。放熱板22やヒートシンク23の大きさは、CPU16の発熱量に合わせて調整する。又、CPU16と熱伝導板19とを取り付ける際には、両者を熱的にも構造的にも固定密着させねばならないが、CPU16の高さのバラツキに対応するためにはばねなどを用いた特殊な構造が必要になる。しかし、狭いスペースではこのような構造を用いることは困難である。実施形態1では、柔らかい熱伝導ゴム18を用いることで高さのバラツキを吸収している。ただし、チップ部16aの大きさが小さいCPU16の場合には、熱伝導ゴム18だけでは熱抵抗が大きくなりすぎるため、熱拡散板17を設けて熱抵抗を小さくするようにした。また、放熱板22を下ケース14に取り付けることにより、各部の寸法のバラツキの影響を最小限にするようにしている。又、実施形態1の冷却構造では、組み立て時の調整が不要であり、安価となる。さらに、CPU16のチップ部16aからの熱を直接ヒートシンク23に熱伝導により伝えるようにしているので、温度バランスを最適化できる。
【0021】
実施形態1においては、CPU16の熱をヒートシンク23に伝導し、ヒートシンク23の熱を空冷により冷却し、あるいは放熱板22に熱を伝達し、この熱を下ケース14を介して放熱し、あるいは放熱板22に取り付けた熱放射板24を介して熱放射しており、CPU16の熱を効率良く冷却することができる。又、放熱板22の大きさやその熱抵抗の調整孔22cの数や大きさ、さらには熱拡散板17やヒートシンク23の大きさの調整等によって下ケース14への熱伝導量を調整することができるとともに、熱放射板24の大きさの調整等により上ケース15への熱伝達量を調整することができるので、筺体の温度が高くなりすぎないようにコントロールすることができる。また、プリント板4やヒートシンク23等が水平配置となるので、電子機器の薄型化が可能となる。又、熱伝導ゴム18を用いることにより、CPU16の高さのバラツキを吸収することができる。さらに、チップ部16aの大きさが小さい場合、熱伝導ゴム18だけでは熱抵抗が大きくなるが、熱拡散板17を設けたことにより熱抵抗を小さくすることができる。
【0022】
実施形態2
図2(a),(b)は実施形態2による電子機器の冷却構造の縦断面図及びそのB部拡大図を示し、プリント板4上に設けたCPU16のチップ部16a上に熱拡散板17及び熱伝導ゴム18を介して放熱板25を密着固定し、放熱板25上にヒートシンク26を取り付ける。放熱板25は下ケース14に取り付けるとともに、プリント板4上に立設されたスペーサ20に取り付けられる。その他の構成は実施形態1と同様である。
【0023】
実施形態2においても、空気は吸気口15a,14aから下ケース14と上ケース15からなら筺体内に入り、排気口15bから排気される。CPU16は筺体内の大きな温度上昇を防ぐために、プリント板4の上面に実装する。CPU16で発生した熱は熱拡散板17及び熱伝導ゴム18を介して放熱板25に熱伝導され、さらに下ケース14に熱伝導され、下ケース14から放熱される。又、CPU16で発生した熱は、吸気口15a,14aから筺体内に入り、排気口15bから排出される空気により冷却される。チップ部16aが小さい場合には熱伝導ゴム18だけでは熱抵抗が大きくなり、冷却効果が悪くなる。このため、CPU16、熱拡散板17、熱伝導ゴム18、放熱板25及びヒートシンク26を重ね合わせ、熱伝導と空冷が効率良く行われるようにする。熱拡散板17はチップ部16aの大きさと発熱量に応じて適切な厚みと面積にする。熱拡散板17及び放熱板25には、アルミや銅などの熱伝導率の高い材料を使用する。厚みを薄くしたい場合には、カーボンフィルムなどの高熱伝導のフィルムを用いても良い。放熱板25に熱伝導された熱はヒートシンク26にも熱伝導され、ヒートシンク26から放熱される。この際、冷却のための風速が大きくなるように吸気口15a,14a及び排気口15bを設けている。放熱板25やヒートシンク26の大きさも、CPU16の発熱量に応じて調整する。
【0024】
上記のような冷却により、CPU16は効果的に冷却される。この冷却構造は、一般的な材料と部品で構成できるので、安価に実現できる。
【0025】
また、CPU16に放熱板25を取り付ける際には、CPU16のチップ部16aと放熱板25とを熱的にも構造的にも固定密着させなければならないが、放熱板25をCPU16に直接取り付ける場合、CPU16に高さのバラツキがあっても放熱板25を密着して取り付けるためには、ばねなどを用いた特殊な構造が必要となり、狭いスペースでの取付は困難である。そこで、やわらかい熱伝導ゴム18によりこの高さのバラツキを吸収するようにしている。しかし、チップ部16aのサイズが小さいCPU16の場合、熱伝導ゴム18を設けただけでは熱抵抗が大きくなりすぎるため、熱拡散板17も設けることにより効果的な冷却が可能となる。このような構造で放熱板25を下ケース14に取り付けることにより、各部の寸法のバラツキの影響を最小限とし、確実に熱が伝導できる冷却構造が得られる。又、このような冷却構造により、組み立て時の調整等が不要で安価な組立が可能となる。
【0026】
実施形態2においては、大きな発熱量のCPU16の熱を熱拡散板17、熱伝導ゴム18及び放熱板25を介して下ケース14に伝導しており、熱を下ケース14からの放熱、あるいは放熱板25からの冷却風による放熱、さらにはヒートシンク26からの放熱により、効率よく冷却することができる。又、熱拡散板17、放熱板25及びヒートシンク26の材質や大きさを調整することにより、下ケース14への熱伝導の熱量を調整することができるので、下ケース14の温度が高くなりすぎないようにコントロールすることができる。さらに、熱拡散板17を設けてCPU16から放熱板25までの熱抵抗を小さくしたので、放熱板25からの放熱が良好に行われ、チップ部16aが小さいCPU16にも対応することができる。また、熱伝導ゴム18を設けたことにより、CPU16の高さのバラツキを調整することができる。
【0027】
実施形態3
図3(a)〜(c)は実施形態3による電子機器の冷却構造の平面図、側面図及び正面図を示し、図1の実施形態1と比べると、下ケース14及び上ケース15の4つの側面に吸気口15a,14aを設け、また放熱板22も4つの側面を設け、それぞれの側面に各吸気口15a,14aと連通する吸気口22aを設ける。又、放熱板22上のヒートシンク23の両側部分には熱放射板24を設けずに、ヒートシンク27を設ける。また、放熱板22には大小8つの熱抵抗の調整孔22cを設ける。
【0028】
実施形態3においては、放熱板22上にヒートシンク23,27を十字状に設けるとともに、吸気口15a,14a,22aを増設したことにより、空冷効果を高めることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項1によれば、素子の熱を熱拡散板及び熱伝導ゴムを介して放熱板に熱伝導し、さらに放熱板から筺体及びヒートシンクに熱伝導し、筺体からの放熱及びヒートシンクからの冷却風による放熱により放熱しており、素子の熱を効率的に冷却することができる。又、放熱板やヒートシンクの大きさを調整することにより筺体への熱伝導量を調整することができ、筺体の温度上昇を抑えて人体への危険を防止することができる。さらに、熱拡散板を設けたことにより、素子がチップ部の小さいCPUなどであっても、素子から放熱板までの熱抵抗を小さくすることができ、効率の良い冷却を行うことができる。また、熱伝導ゴムを設けたことにより、素子の高さのバラツキを吸収することができる。又、放熱板に熱抵抗の調整孔を設けたので、放熱板から筺体への熱伝導量が調整され、筺体の温度上昇による人体への危険を防止することができる。
【0030】
請求項2によれば、素子の熱をヒートシンクに伝導して冷却風により冷却し、あるいは素子の熱を放熱板を介して筺体に伝達して放熱しており、素子からの熱の冷却を効率よく行うことができる。又、熱拡散板、放熱板、ヒートシンクの大きさの調整等により筺体への熱伝導量を調整することができ、筺体の温度上昇による人体への危険性を防止することができる。さらに、熱伝導ゴムを用いることにより、素子の高さのバラツキを吸収することができる。また、素子がチップサイズの小さいCPUなどの場合でも、熱拡散板を設けたことにより、熱抵抗を小さくし、冷却効率を向上することができる。又、放熱板に熱抵抗の調整孔を設けたので、放熱板から筺体への熱伝導量が調整され、筺体の温度上昇による人体への危険を防止することができる。
【0031】
請求項3によれば、放熱板上に熱放射板を設けたので、熱放射板から筺体や外部へ熱放射が行われ、冷却効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施形態1による電子機器の冷却構造の平面図、側面図、縦断正面図、及びそのA部拡大図である。
【図2】 実施形態2による電子機器の冷却構造の縦断正面図及びそのB部拡大図である。
【図3】 実施形態3による電子機器の冷却構造の平面図、側面図及び正面図である。
【図4】 従来の小形電子機器の冷却構造の断面図である。
【図5】 他の従来の小形電子機器の冷却構造の断面図である。
【図6】 さらに他の従来の電子機器の冷却構造の要部断面図である。
【符号の説明】
4…プリント板
14…下ケース
14a,15a,22a…吸気口
15…上ケース
15b…排気口
16…CPU
16a…チップ部
17…熱拡散板
18…熱伝導ゴム
19…熱伝導板
22,25…放熱板
22b…開口
22c…調整孔
23,26,27…ヒートシンク
24…熱放射板
Claims (3)
- 筐体内にプリント板を水平に取り付け、プリント板の上面上に素子を実装した電子機器の冷却構造において、筺体の側面に設けられた吸気口と、筺体の上面に設けられた排気口と、素子上に熱拡散板及び板状の熱伝導ゴムを介して密着固定されるとともに、筺体内に取り付けられ、かつ熱抵抗の調整孔を有する放熱板と、放熱板上に取り付けられたヒートシンクとを備えたことを特徴とする電子機器の冷却構造。
- 筐体内にプリント板を水平に取り付け、プリント板の上面上に素子を実装した電子機器の冷却構造において、筺体の側面に設けられた吸気口と、筺体の上面に設けられた排気口と、素子上に熱拡散板及び板状の熱伝導ゴムを介して密着固定された熱伝導板と、筺体内に取り付けられ、筺体の吸気口と連通する吸気口及び熱抵抗の調整孔が形成され、かつ熱伝導板が挿入される開口を有する放熱板と、熱伝導板及び放熱板上に取り付けられたヒートシンクとを備えたことを特徴とする電子機器の冷却構造。
- 放熱板上に熱を放射する熱放射板を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載の電子機器の冷却構造。
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