JP4193207B2 - 冷却モジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子機器内に主として配置される冷却モジュールに関する。

従来、例えば電子機器の筐体内には、発熱部品が搭載されており、こうした発熱部品を冷却するために冷却モジュールが備えられている。このような冷却モジュールでは、筐体内での使用に適することから、ファンの回転軸に沿って一方方向から吸気するファンが広く使用されている。
（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２１７８１号公報

しかし、このようなファンを用いた冷却モジュールは、電子機器の所定方向から空気を取り込む関係で、電子機器内に実装する際の冷却モジュールの取り付け方向が自ずと規定されると共に、外形が大きい為、電子機器への実装時の制限が大きく、電子機器等の性能低下を招いていた。さらに、冷却モジュールと電子機器との間の僅かな隙間を利用して空気の流路を確保しなくてはならず、電子機器が大きくなって、商品としての小型化の阻害要因となっていた。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、空気の流路を形成するための空間を特に設ける必要がなく、ファンの送風量を高めながらも、電子機器等への実装時の制約を少なくすることができる冷却モジュールを提供することを目的とする。

本発明の請求項１における冷却モジュールは、少なくともファンの周囲の異なる３方向に吸気孔が設けられているので、薄型電子機器内の短手方向若しくは長手方向に沿ってシャフトを配置させたとしても、薄型電子機器の短手方向を避けて、別な任意の方向からファン内に空気を大きく取り込むことができる。また、ケーシングと薄型電子機器内の短手方向（上下方向）内面との間に、空気を吸い込むためのスペースをわざわざ確保する必要がなく、ファンの送風量を高めながらも、薄型電子機器等への実装時の制約が少なく自由度が大きくなり、薄型電子機器の性能を向上できると共に、薄型電子機器の省スペースおよび薄型化を実現できる。しかも、従来の遠心ファンなどよりも、より多くの方向からファンに向けて空気を分散して取り込むことができることから、冷却モジュールとしての静音化を実現できる。

また、請求項１に記載の冷却モジュールは、発熱源からの熱を受熱部で受け、この熱がヒートパイプにより速やかに放熱部へと移動して、送風量を高めたファンからの排気風により効率よく冷却モジュールの外部に放散される。したがって、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

請求項２に記載の冷却モジュールでは、発熱源からの熱を受熱部で受け、この熱がヒートパイプにより速やかにファンの周囲にあるケーシングへと移動して、そこからファンにより流れる空気に奪われる。したがって、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

請求項３に記載の冷却モジュールでは、一方のヒートパイプを移動する熱が放熱部に達し、他方のヒートパイプを移動する熱がケーシングに達するので、冷却モジュールの放熱部のみならずケーシングをも利用して、外部に効率よく熱を放散することが可能になる。

請求項４に記載の冷却モジュールは、一方の受熱部で受けた熱がヒートパイプを移動して放熱部に達し、他方の受熱部で受けた熱が別のヒートパイプを移動してケーシングに達するので、冷却モジュールの放熱部のみならずケーシングを利用して、受熱部と熱的に接続する発熱源からの熱を速やかに奪って、効率よく熱を放散することが可能になる。

請求項１における冷却モジュールによると、空気の流路を形成するための空間を特に設ける必要がなく、ファンの送風量を高めながらも、薄型電子機器への実装時の制約を少なくできるとともに、薄型電子機器の省スペースおよび薄型化を実現できる。また、冷却モジュールとしての静音化を実現できる。

請求項１における冷却モジュールによると、発熱源からの熱を放熱部に速やかに伝えることで、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

請求項２における冷却モジュールによると、発熱源からの熱をケーシングに速やかに伝えることで、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

請求項３における冷却モジュールによると、冷却モジュールの放熱部のみならずケーシングをも利用して、外部に効率よく熱を放散することが可能になる。

請求項４における冷却モジュールによると、受熱部で受けた熱を冷却モジュールの放熱部のみならずケーシングに伝導させて、外部に効率よく熱を放散することが可能になる。

以下、本発明における冷却モジュールの一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、実施形態における冷却モジュールはノート型パソコンなどの薄型電子機器に使用されるものであるが、それ以外の各種機器に搭載してもよい。

図１〜図３は本発明にける冷却モジュールの第１実施形態を示すものである。同図において、本実施形態の冷却モジュール１は、回転自在な１本のシャフト２と、このシャフト２の軸方向に複数（本実施例では４つ）の羽根部７を連設したファン３とを備え、各羽根部７をそれぞれ囲繞するように、シャフト２の軸方向に沿って所定の間隔毎にファン収容体４が設けられている。また、隣り合うファン収容体４を後述する架橋部16でつなぎ合わせることで、ファン３全体を囲んで収容するケーシング５が、冷却モジュール５の外郭部材として設けられている。ファン３の送風経路を決めるケーシング５は、シャフト２に沿うように横長略円筒形状を有し、ファン３の排気側には、このファン３の排気方向に沿って複数のフィン６Ａを等間隔に配置した放熱部６が配設される。

ファン３を構成する各々の羽根部７は、その回転軸であるシャフト２の両方向より吸気して遠心（放射）方向に送風する両面吸気型の遠心ファンの構造を有している。ここでの羽根部７は、図２に示すように、シャフト２を中心として等角度毎に配置された複数枚（例えば６枚）のブレード７Ａからなり、各ブレード７Ａは板状でシャフト２の軸方向に沿って取付けられている。こうして、一つのシャフト２に複数の羽根部７を並設したファン構造とすることで、ファン３として必要な吸排気量が確保される。なお、ファン３はターボファン，シロッコファン又は斜流ファン等の遠心ファンに限定されず、例えば横流式のクロスフローファンや、軸流式のプロペラファン等何れの種類のものであってもよく、後述する吸気孔17の数や形状を考慮して最適なものを採用すればよい。また、羽根部７及びこの羽根部７を構成するブレード７Ａの数も特に限定されず、必要に応じて変形が可能である。さらにシャフト２は、羽根部７を貫通していなくてもよい。

各々の羽根部７を囲繞するファン収容体４は、羽根部７の放射方向を囲む周壁９と、羽根部７の軸方向両端面を囲む側面ケーシングに相当する一対の側壁10，10とにより構成され、側壁10は略Ｒ形状を有する。本実施形態における周壁９は、偏平状をなす薄型電子機器の筐体Ａの一側面（下面）に沿うように、凹凸のない略平坦状に形成された底面９Ａと、この底面９Ａの一端面から円弧状に形成された湾曲面９Ｂとからなるが、周壁９の形状は筐体Ａに合わせて適宜変形してよい。12は前記放熱部６に臨んで周壁９の一方に設けられた排気孔で、この排気孔12を除く羽根部７の周囲に、ケーシング５を構成するファン収容体４の周壁９が設けられる。また、13はファン収容体４内に空気を取り込むと共に、前記シャフト２を挿通するために各ファン収容体４の側壁10，10にそれぞれ設けられた孔で、この孔13により羽根部７の軸方向両端面は、その外周部が部分的に覆われるようになる。なお、孔13の形状は本実施形態のような円形に限定されず、空気を効率よく取り込み、かつ騒音を発生させなければどのような形状であってもよい。

前述したように、４つのファン３の中心にはシャフト２が取付け固定されており、シャフト２の両端は、最外にあるファン収容体４の側壁10まで延びている。そして、このシャフト２の突出部の一端には、シャフト２に回転力を与える駆動部としてのモータ14が取り付けられ、他端にはシャフト２を回動可能にする軸受け（図示せず）等が取り付けられている。なお、本実施形態ではシャフト２の一端に単独のモータ14を取り付けたが、これに限定されず、必要なトルクを得ることができるように、例えば各々の羽根部７に対してモータ14を設けてもよい。また、図１に示すように、孔13の中心部においてモータ14をケーシング５から脱落しないように取付けるために、モータ14を取付ける孔13には、その周辺の側壁10とつながったブリッジ15が設けられる。

シャフト２の軸方向に沿って各ファン収容体４を所定の間隔で配置するために、隣り合うファン収容体４，４の間にはブリッジ状の架橋部16が設けられる。そして、このファン収容体４，４と架橋部16により区画された複数（３以上）の吸気孔17が、ファン３の周囲の方向に臨んでケーシング５に設けられる。隣り合うファン収容体４，４の距離は、ファン３の吸気に支障をきたすことがない最小限の長さに決定されている。ここでの冷却モジュール１は、シャフト２が筐体Ａの短手（垂直）方向にではなく、長手（水平）方向に沿うように、筐体Ａの内部に配置される。

図３や図４に示すように、吸気孔17はケーシング５の上側および下側のみならず、放熱部６に対向する側や、またその反対側の放熱部６に対向しない側にも形成される。特に放熱部６に対向する側では、排気孔12を設けた部分で、ファン３からの排気風が放熱部６を通って外部に排出される一方で、吸気孔17を設けた部分では、逆に放熱部６を通過してケーシング５内に空気が取り込まれる構造になっている。その際、排気孔12および吸気孔17に連なる放熱部６内の流通経路は、フィン６Ａによって区画されるため、放熱部６内で互いに逆方向に流れる吸気と排気が干渉し合うことがない。

ファン３は前記吸気孔17を介して、その全周のどの方向からも空気を取り込むことが可能であるため、筐体Ａの短手方向において、ケーシング５内に十分な空気を取り込むスペースが筐体Ａの内面とケーシング５の外面との間に確保されていなくても、それ以外の方向からケーシング５内に十分な空気を取り入れることができる。また、必要に応じてケーシング５の形状を変更することで、特定の方向から空気を取り込むことも可能である。本実施形態では、ファン収容体４とは別に吸気孔17を設けているが、複数の羽根部７に共通するファン収容体４でファン３全体を囲い、このファン収容体４の適所に吸気孔17を設けてもよい。

ケーシング５の排気孔12に臨んで配置された放熱部６は、お互いが平行に間隔を有しつつ保持された複数の矩形板材からなるフィン６Ａにより構成される。また、各々のフィン６Ａの略中央部にはパイプ挿通孔19が設けられ、各パイプ挿通孔19を突き刺すように熱伝導部材に相当する第１のヒートパイプ20の他端部が設けられる。そして、このヒートパイプ20から奪った熱を効率よく空気に放散できるように、放熱部６は好ましくはヒートパイプ20と同材質の熱伝導性に優れた部材で形成される。本実施形態では、排気孔12からの排気風をヒートパイプ20の他端部に直接当てられるような構造を採用しているが、放熱部６とヒートパイプ20との熱的な接続は、本実施形態にあるものに限定されない。

これとは別に、ケーシング５の各ファン収容体４，４は、底面９Ａと湾曲面９Ｂとの接続部分となる下角部に、第２のヒートパイプ30の外形に対応した形状の凹部22が形成され、この凹部22にヒートパイプ30の他端部が着脱可能に嵌合固定される。ここでも、ケーシング５とヒートパイプ30との熱的な接続は、本実施形態にあるものに限定されない。また、ヒートパイプ30からケーシング５に伝えた熱を、ファン３による風を利用して効率よくケーシング５から効率よく奪えるように、ケーシング５は好ましくはヒートパイプ30と同材質の熱伝導性に優れた部材で形成される。ヒートパイプ30は前記架橋部16と同様に、隣り合うファン収容体４，４を間隔を有しつつ連結するものでもあり、このヒートパイプ30によって複数の吸気孔17をさらに細区画できる。

ケーシング５，放熱部６，およびヒートパイプ20，30は、熱伝導性の高い銅等の材料で形成されているが、これに限定されず、例えばアルミニウム、マグネシウム等の熱伝導率が高い他の金属材料でもよい。また、ケーシング５は例えば軽量化を目的としてプラスチック等で形成することもできる。更に、熱伝導部材はヒートパイプ20，30に限定されず、同様の熱輸送能力を持った部材、すなわち液冷管や、熱伝導性の高い板状のヒートプレートや、ヒートパイプに類似する板状のペーパチャンバ等であってもよい。

ヒートパイプ20，30はいずれも周知のように、脱気した状態の密閉金属管体内に作動流体（図示せず）が封入されており、この作動流体の蒸発潜熱を利用して熱の輸送を行なうものである。ヒートパイプ20，30の一端部には、筐体Ａ内に実装されるＭＰＵ等の発熱部品（図示せず）と熱接続可能な受熱部に相当する受熱板21が設けられる。本実施形態では、ヒートパイプ20，30に共通して単独の受熱板21が設けられているが、各ヒートパイプ20，30毎に受熱部を設けてもよく、また受熱部を設けない構成であってもよい。さらに、いずれか一方のヒートパイプ20，30だけ備えていてもよい。

次に、上記構成における冷却モジュール１の作用について説明する。ノート型パソコン等の薄型電子機器が通電されると、筐体１内に設けられた発熱部品が温度上昇し、その熱が受熱板21から各ヒートパイプ20，30の一端部へと伝わる。すると、ヒートパイプ20は受熱板21よりも温度の低い放熱部６に向けて熱を輸送すると共に、ヒートパイプ30も同じく温度の低いケーシング５のファン収容体４に向けて熱を輸送する。放熱部６並びにファン収容体４は、いずれも熱伝導性の高い金属材料で形成されるため、ヒートパイプ20，30の他端部に輸送された熱は、これらの放熱部６および各ファン収容体４の全体に速やかに伝導する。

一方、前記薄型電子機器が通電されるのに伴い、モータ14にも通電が行なわれてシャフト２に回転駆動力が与えられ、図２の矢印Ｓに示すように、シャフト２を中心にしてファン３を構成する各羽根部７が回転し始める。このケーシング５内におけるファン３の回転によって、ファン収容体４，４の間に形成された吸気孔17を通過して、ファン３の周囲360°の方向から筐体Ａ内の空気が取り込まれ、それらの空気の流れがファン３の放射方向からファン３の軸方向へと転換しながら、孔13から各ファン収容体４内に進入する。また、ケーシング５の最外部に位置するファン収容体４の側壁10周辺にある空気も、この側壁10に設けた孔13を通過して、ファン３の軸方向に沿って吸込まれる。このときのケーシング５への空気の流れ込みは、図２〜図４における矢印Ｆ１で示されている。

各々のファン収容体４内において、ファン３の軸方向に沿って吸い込まれる空気は、羽根部７の回転に伴って流れの向きを再び変え、各羽根部７の放射方向に開口する排気孔12からファン収容体４の外部へと排気される。その際、ファン収容体４にはヒートパイプ30により発熱部品からの熱がその全体に伝わっているので、羽根部７の軸方向両側にある側壁10，10の各孔13からファン収容体４内に進入する空気が、ファン収容体４から熱をまんべんなく奪い取って、排気孔12に送り出すことが可能になる。また、本実施形態では特に放熱部６に対向して吸気孔17が設けられているので、この部位にある吸気孔17から吸い込まれる空気は、ヒートパイプ20の他端部およびフィン６Ａの一部分からも熱を奪い取ることが可能になる。

こうして、各々のファン収容体４から排気孔12を通して排出された空気は、放熱部６のフィン６Ａ，６Ａ間を通過し、ここで各フィン６Ａからの熱を奪って、冷却モジュール１の外部へと送り出される。このときの空気の流れは、図２における矢印Ｆ２で示されている。ファン収容体４および放熱部６のそれぞれから熱を奪い取ることによって、受熱板21に熱接続された発熱部品の温度上昇を効果的に抑制することができる。すなわち、単に受熱板21付きのヒートパイプ20を放熱部６に接続して、発熱部品の放熱を行なうだけでなく、別の受熱板21付きのヒートパイプ30を、空気吸込み用の孔13を備えたファン収容体４の側壁10と熱的に接続すると、冷却モジュール１としての冷却効果が著しく高まる。理想的には、ファン収容体４の少なくとも側壁10が、熱伝導性に優れた材料（銅，アルミニウム，マグネシウムなど）であることが好ましい。

以上のように、本実施形態の冷却モジュール１は、シャフト２とともに回転する送風用のファン３と、このファン３に回転力を与える駆動部としてのモータ14と、ファン３を囲むケーシング５とを備え、ファン３の周囲３以上の方向に臨んでケーシング５に複数の吸気孔17を設け、ファン３の排気側に放熱部６を設けている。

このようにすると、少なくともファン３の周囲の異なる３方向（上，下，両側）に吸気孔17が設けられているので、薄型電子機器の外郭をなす筐体Ａ内の短手方向若しくは長手方向に沿ってシャフト２を配置させたとしても、筐体Ａの短手（上下）方向を避けて、別な任意の方向からファン３内に空気を大きく取り込むことができる。また、ケーシング５と筐体Ａの短手方向内面との間に、空気を吸い込むためのスペースをわざわざ確保する必要がなく、ファン３の送風量を高めながらも、筐体Ａへの実装時の制約が少なく自由度が大きくなり、筐体Ａをなす薄型電子機器の性能を向上できると共に、薄型電子機器の省スペースおよび薄型化を実現できる。しかも、従来の遠心ファンなどよりも、より多くの方向からファン３に向けて空気を分散して取り込むことができることから、冷却モジュール１としての静音化を実現できる。こうして、空気の流路を形成するための空間を特に設ける必要がなく、ファン３の送風量を高めながらも、薄型電子機器等への実装時の制約を少なくすることが可能になる。

また本実施形態では、ケーシング５に熱輸送機能を有する例えばヒートパイプ30などの熱伝導部材を備えている。こうすると、発熱源（発熱部品）からの熱をヒートパイプ30が輸送して、ファン３の周囲にあるケーシング５に伝導することができ、ケーシング５を利用しての放熱効果を得ることが可能になる。

また本実施形態では、ヒートパイプ20と受熱部である受熱板21とを放熱部６に熱接続して備えている。こうすると、発熱源からの熱を受熱板21で受け、この熱がヒートパイプ20により速やかに放熱板21へと移動して、送風量を高めたファン３からの排気風により効率よく冷却モジュール１の外部に放散される。したがって、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

また本実施形態では、ヒートパイプ30と受熱部である受熱板21とをケーシング５に熱接続して備えている。こうすると、受熱板21で受けた発熱源からの熱が、ヒートパイプ30により速やかにファン３の周囲にあるケーシング５へと移動して、そこからファン３により流れる空気に奪われる。したがって、発熱源の温度上昇を速やかに抑えて、冷却能力を高めることが可能になる。

さらに本実施形態では、放熱部６とケーシング５のそれぞれにヒートパイプ20，30を具備している。こうすることで、一方のヒートパイプ20を移動する熱が放熱部６に達し、他方のヒートパイプ30を移動する熱がケーシング５に達する。そのため、冷却モジュール１の放熱部６のみならずケーシング５をも利用して、外部に効率よく熱を放散することが可能になる。

こうした各ヒートパイプ20，30においては、それぞれ共通若しくは別々の受熱部たる受熱板21を設けてもよい。こうすると、一方の受熱板21で受けた熱がヒートパイプ20を移動して放熱部６に達し、他方の受熱板21で受けた熱が別のヒートパイプ30を移動してケーシングに達するので、冷却モジュール１の放熱部６のみならずケーシング５を利用して、受熱板21と熱的に接続する発熱源からの熱を速やかに奪って、効率よく熱を放散することが可能になる。

さらに、ケーシング５が熱伝導性に優れた材料で形成されれば、このケーシング５に速やかに伝達した熱を、ファン３の送風によって冷却モジュール１の外部に放散することができ、ファン３の排気側に放熱部６を設けたことと相俟って、冷却効果を更に高めることができる。

図５は、本発明の第２実施形態を示すものである。なお、上記第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の説明は重複するため極力省略する。

本実施形態では、ここでは図示しない放熱部６に対向して、ファン３を構成する羽根部７の放射方向一側に排気孔12が設けられるものの、同方向における隣り合うファン収容体４の間には、吸気孔17に代わって連結板32が設けられていて、吸気と排気が干渉し合うのを回避している。この場合においても、吸気孔17はファン３の周囲３方向（上，下，他側）に臨んでケーシング５にそれぞれ設けられており、筐体Ａの短手（上下）方向を避けて、別な任意の方向からファン３内に空気を大きく取り込むことができる。なお、それ以外の構成は第１実施形態のものと共通している。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えばケーシング５を構成するファン収容体４の周壁９と側壁10は、各々別部材であってもよく、好ましくは周壁９と側壁10のいずれもが、熱伝導性に優れた材料で構成される。

本発明の第１実施形態における冷却モジュールの全体斜視図である。 同上、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 同上、正面方向から見た冷却モジュールの一部切欠き断面図である。 同上、冷却モジュールの背面図である。 本発明の第２実施形態における放熱部を外した状態の冷却モジュールの全体斜視図である。

符号の説明

２ シャフト
３ ファン
４ファン収容体
５ ケーシング
６放熱部
７羽根部
７Ａブレード
14 モータ（駆動部）
21 受熱板（受熱部）
20，30 ヒートパイプ（熱伝導部材）

Claims (4)

1. シャフトと、該シャフトの軸方向に複数の羽根部を連設したファンとを備え、シャフトの軸方向に沿って所定の間隔毎にファン収容体を設け、前記ファンに回転力を与える駆動部と、前記ファンを囲むケーシングとを備え、前記ファン収容体間で、前記ファンの上側、下側及び両側の方向に臨んで前記ケーシングに吸気孔を設け、前記ファンの排気側に放熱部を設け、羽根部は、シャフトを中心として等角度毎に配置された複数枚のブレードからなり、前記放熱部にヒートパイプと受熱部とを具備したことを特徴とする冷却モジュール。
2. シャフトと、該シャフトの軸方向に複数の羽根部を連設したファンとを備え、シャフトの軸方向に沿って所定の間隔毎にファン収容体を設け、前記ファンに回転力を与える駆動部と、前記ファンを囲むケーシングとを備え、前記ファン収容体間で、前記ファンの上側、下側及び両側の方向に臨んで前記ケーシングに吸気孔を設け、前記ファンの排気側に放熱部を設け、羽根部は、シャフトを中心として等角度毎に配置された複数枚のブレードからなり、前記ケーシングにヒートパイプと受熱部とを具備したことを特徴とする冷却モジュール。
3. シャフトと、該シャフトの軸方向に複数の羽根部を連設したファンとを備え、シャフトの軸方向に沿って所定の間隔毎にファン収容体を設け、前記ファンに回転力を与える駆動部と、前記ファンを囲むケーシングとを備え、前記ファン収容体間で、前記ファンの上側、下側及び両側の方向に臨んで前記ケーシングに吸気孔を設け、前記ファンの排気側に放熱部を設け、羽根部は、シャフトを中心として等角度毎に配置された複数枚のブレードからなり、前記放熱部と前記ケーシングのそれぞれにヒートパイプを具備したことを特徴とする冷却モジュール。
4. 前記放熱部と前記ケーシングのそれぞれに受熱部を具備したことを特徴とする請求項３記載の冷却モジュール。