JP4039316B2

JP4039316B2 - 電子機器の冷却構造

Info

Publication number: JP4039316B2
Application number: JP2003163496A
Authority: JP
Inventors: 哲也岩木
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2023-06-09
Also published as: JP2004363525A

Description

【０００１】
【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

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。