JP5367375B2 - 冷却構造体 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、発熱電子機器のプリント回路基板（ＰＣＢ）実装発熱構成要素と熱伝達熱接触状態にされるヒートシンクによって電子機器を冷却することに関する。

今日の電子機器は、一般に、チップ又はマイクロプロセッサなどのＰＣＢ実装構成要素を含む。それらの構成要素は大量の熱を発生する一方、過熱に対する感度が非常に高いため、許容動作温度に維持するための最適な冷却が要求される。有効な冷却を実現するための重要な前提条件の１つは、ヒートシンク及び構成要素の熱伝達接触面の間の接合部の熱抵抗を最小限にすることにより、構成要素とヒートシンクとの熱接触を最適化することである。これは、一般に、構成要素の面とヒートシンクの面との間で適切な面構造及び測定精度を提供し、平行関係を確保することによって実現される。理論上、それらの面の平坦度及び面の平行関係を確保し且つ双方の面を高精度に仕上げることにより、許容熱抵抗値を実現できる。しかし、実際には、面を研磨した場合、面の接触点の間に形成される空隙に捕捉される間隙空気を十分に減少するような表面仕上げはコスト高となる。

例えば、一般に使用されるアルミニウムのヒートシンクを機械加工することにより、適切な面構造を実現できるが、実際の用途においては、接触面の平行関係及びＰＣＢの上方における構成要素面の高さは厳密ではないことが多く、特にはんだ接合部によってばらつきがある。以上のような理由により、一般的な慣例として、面の粗さによって形成されたごく微小な空隙を充填し、それによって構成要素からヒートシンクへの熱伝達を向上させるために、熱グリース、熱テープ、熱相変化材料及び種々の熱伝導性空隙充填材料などの熱境界面材料を接触面の間に設けることにより熱接触を改善することが行われている。しかし、空隙充填材又は他の熱境界面材料は伝導度が十分に高くないため、「広い空隙」を充填するために使用させるべきではない。同様に、空隙充填材は、例えば、衝撃又は振動によって起こる空隙の動的変化を補償する目的で使用されるべきではない。

ヒートシンクと構成要素との熱接触は接触圧力によっても左右される。この意味で、接触圧力が大きければ空隙は狭くなり、それによってより良好な接触が得られる。従って、構成要素及びヒートシンクを一体に保持し、構成要素又はプリント回路基板のいずれかに過剰な荷重を加えることなく、接触面の間の密接な熱接触を確保するのに適切な接触圧力を与えるために、弾性クランプ及び／又はばね装着部材が使用される場合が多い。

発熱電子機器に使用される今日の冷却構体と関連する問題の１つは、電子機器の搬送中及びその動作中の双方で、構成要素とヒートシンクとの間の熱境界面の一体性が妨げられ、更には破壊されてしまうことである。そのような問題の原因は、熱膨張／収縮の相違又は塑性材料に影響を及ぼす空気中湿度の変化など異なる環境の中で起こる動的な寸法変化にある。また、搬送中の機械的衝撃、通常の動作環境の中での衝撃、偶然に受ける衝撃、更には構体が地震の起きやすい地域で動作している場合などの自然の力によって起こる機械的衝撃が電子機器に加えられた場合にも、そのような問題が起こることがある。小型で大量の熱を発生し、冷却のために相対的に大型で重いヒートシンクを必要とする構成要素を有する電子機器において、この問題が深刻であることは極めて明らかである。ヒートシンクは質量が大きく且つ構成要素の接触面を越えて大きく延出するため、あまり激しくない衝撃であっても、構成要素とヒートシンクとの密接な接触は破壊され、熱境界面に悪影響が及ぶ。

本発明の一般的な目的は、発熱構成要素を有する電子機器の有効且つ確実な冷却を実行することである。

特に、本発明の基本的な目的は、構成要素とヒートシンクとの間の熱境界面において熱抵抗を実質的に維持しつつ長期間にわたり安定した冷却を実行する電子機器冷却の原理を示唆することである。

本発明の特定の目的は、発熱電子構成要素と熱伝達熱接触する状態で回路基板に装着されたヒートシンクを含む冷却構体によって、回路基板上の発熱電子構成要素を長期間にわたり安定して冷却する改良された方法を提供すること及びそのように改良がなされた冷却方法を採用する電子機器を提供することである。

本発明の別の特定の目的は、発熱電子構成要素と熱伝達熱接触する状態で回路基板に装着されたヒートシンクを含み、回路基板上の発熱電子構成要素を長期間にわたり安定して冷却するための改善された冷却構体を提供することである。

本発明の別の特定の目的は、発熱電子構成要素と熱伝達熱接触する状態で装着されたヒートシンクによってＰＣＢ上の発熱電子構成要素を冷却するための冷却構体をプリント回路基板に長期間にわたり安定して装着する改良された方法を提供することである。

上記の目的及びその他の目的は、添付の請求の範囲により定義されるような発明により達成される。

本発明は、ＰＣＢ上に実装された発熱電子構成要素と熱接触する状態でＰＣＢに装着されたヒートシンクによって、前記構成要素から熱を除去することに関する。上記の目的は、ヒートシンクと発熱構成要素との間に調整された均一な圧力を確保することにより実現されることが認識されている。基本概念は、前記回路基板から一定の距離をおいた静止位置でヒートシンクをＰＣＢに固着し、構成要素をヒートシンクに対して弾性的に偏向することである。この結果、ＰＣＢの基板の弾性を利用することにより、動的寸法変化並びに機器の部品の組立て許容差及び製造許容差が自動的に自己補償される。

本発明の更なる面によれば、いくつかの互いに密接に実装された更なる構成要素を有する電子機器に対しても、改善された最適な冷却が実現されうる。本発明のこの面の基本概念は、前記更なる構成要素の各々に対して別個の１つのヒートシンクを設けること及び前記追加のヒートシンクを更なる構成要素に対して弾性的に押圧するために主発熱構成要素のヒートシンクを使用することである。この構造によって、構成要素の許容差の不一致が回避され、ヒートシンクが構成要素ごとに個別に最適化されうる。

ヒートシンクの外側領域の複数の個別の位置でヒートシンクをＰＣＢに固着することにより、装着部材がヒートシンクとＰＣＢとの間の冷却空気の流れ全体に与える影響が非常に小さくなるため、主ヒートシンクと直接に熱伝達接触していない他の構成要素に対しても有効な冷却を実現できる。

ヒートシンクはその外周部領域においてＰＣＢに固着され、構成要素のすぐ外側に偏向力が加えられるのが好ましい。この方法により、ヒートシンクがＰＣＢに固着される領域と偏向力が加えられる領域とが大きく離間されることになるので、許容差及び熱膨張を補償するためにＰＣＢ基板の可撓性を有効に利用することができる。このような方法は、非常に大型であるため非常に重いヒートシンクを必要とする発熱構成要素を有する電子機器に対しても有効である。

既存の許容差を補償し、それによって熱境界面の低い熱抵抗を確保するためにＰＣＢ基板の調整された撓みを実現する特に好都合な条件を提供する一実施形態においては、構成要素の領域においてＰＣＢ基板の下方に位置してＰＣＢ基板を安定させる裏当てフレームを介して偏向力が加えられる。

ＰＣＢの上方におけるヒートシンクの指定高さは、ＰＣＢの上方における実装された発熱構成要素の公称高さに対して電子機器ごとに規定され、そのような公称高さとほぼ等しくなるように選択されるのが好ましい。

他の実施形態においては、ＰＣＢの上方におけるヒートシンクの指定高さは、ＰＣＢとヒートシンクとの間に設けられる指定長さのスペーサによって規定され、スペーサはヒートシンクと一体に形成されるか又はヒートシンクとは別個に形成される。

本発明による冷却原理は、
−ヒートシンク、構成要素保持部材、構成要素、ＰＣＢ及びはんだ接合部の機械的許容差、熱膨張などによるばらつきを補償し；
−大型で重いヒートシンクと相対的に小型な構成要素との間であっても調整された均一な接触圧力を加え；
−それにより、ヒートシンクと構成要素との間に適切な熱接触を確保でき；
−構成要素ごとにヒートシンクを個別に最適化でき；
−固着構造が基板上で占めるスペースが最小限であり；
−ヒートシンクと構成要素との間の熱抵抗が低く且つ予測可能であり、個々の基板間のばらつきが少なく；
−機械的に堅牢であるため、振動及び衝撃（例えば、輸送、オフィスの振動又は地震などによる）に関して要求される機械的強度及び耐久性の条件に適合するという多くの利点を提供する。

以上説明した利点に加えて、本発明により提供される利点は、以下の本発明の実施形態の詳細な説明を読むことにより容易に理解されるであろう。

添付の図面の図に示され、電子機器に装着された冷却構体を含む電子機器における本発明の冷却原理の利用を例示する実施形態を参照しながら本発明について説明する。本発明の第１の実施形態は図１及び図２Ａ〜図２Ｂに示すとおりであり、一部が非常に概略的に示されるプリント回路基板（ＰＣＢ）を含む電子機器１に関する。プリント回路基板上には、プロセッサ又は他の大量の熱を発生する構成要素の形態をとる同様に概略的に示される電子構成要素３が実装される。なお、図面は本発明の好適な実施形態を説明する目的で示すものであり、本発明を当該説明の詳細に限定することを意図するものではない。

この電子機器１において、電子構成要素３により発生された熱は、主に剛性ヒートシンク６から構成される冷却構体によって構成要素３から取り除かれる。ヒートシンク６は発熱電子構成要素３と熱伝達熱接触する状態でＰＣＢ２に装着され、熱は、ヒートシンクにより、特定して示されていない適切な方法、例えば強制空気流れ、ヒートパイプなどによって電子機器１から伝達される。本発明特有の特徴は、組立て後の電子機器１において、ヒートシンク６がプリント回路基板２の上方の指定高さＬ（図２Ａ及び図３Ｂを参照）でＰＣＢに対して固定位置又は静止位置に保持されるように、ヒートシンク６の外側領域が回路基板２に固着されることである。特に、図示される実施形態においては、回路基板２と平行な方向のヒートシンクの延長に関してヒートシンクの外側領域、好ましくはヒートシンク６の外周領域において、言い換えれば、ヒートシンク６の外周部６Ｃに近接して、ヒートシンク６は個別の第１の位置９〜１２（図２Ｂを参照）において回路基板２に固定される。図示される実施形態においては固定位置９〜１２の数は４つであるが、各電子機器で使用されるヒートシンクの形状、大きさ及び／又は重量に応じて、この数は変更されてもよい。いずれにしても、ヒートシンク６の周囲に沿った第１の固定位置９〜１２の数及び分布は、ＰＣＢに対してあらゆる方向にヒートシンクを静止固定するのに十分でなければならない。

本発明の目的を達成するために、ヒートシンク６は、ＰＣＢ基板と比較して、ヒートシンク６と構成要素３との間に要求される接触圧力を加えるために使用される後述の力に対して剛性を有する。ヒートシンク６は、例えば、押出し成形アルミニウムから製造されるのが好ましい。

ヒートシンク６は、前記第１の位置９〜１２において回路基板２の高さより指定距離Ｈだけ上方の高さに下方熱接触面６Ｔ（図２Ａを参照）が規定されるような状態で回路基板２に対して固定される。特に、ヒートシンク６は、本実施形態の場合にはねじ又はボルト状のファスナとして概略的に示される第１の装着部材７によってプリント回路基板２に確実に固定される。ＰＣＢ２上の構成要素３の実装に関して、前記第１の装着部材７は、ＰＣＢ２の下面２ＢからＰＣＢ２の対応する穴３２を通して挿入され、第１の位置９〜１２においてＰＣＢ２の上面２Ｃとヒートシンク６の下面６Ｂとの間に規定された指定長さＬのスペーサ８の下端部に形成されたねじ穴３３（図１に概略的に示される）と係合される。図示される実施形態においては、スペーサ８は、ほぼ矩形のヒートシンク６の各角領域にヒートシンク６と一体に形成される。

それらのスペーサ８の長さＬは、前記第１の位置９〜１２における回路基板２の上方に固着されるヒートシンク６の高さを規定し、下方熱接触面６Ｔがヒートシンク６の下面６Ｂと同じ高さにある図示される実施形態においては、前記高さＬ及びＨは等しい。しかし、ヒートシンクの図示されない変形例においては、熱接触面６Ｔは実際のヒートシンク６の下面６Ｂから離間して、異なる高さに位置していてもよい。その場合、前記高さＬ及びＨはそれぞれ異なる。スペーサ８の長さＬは、回路基板２の上方の実装される構成要素３の熱接触面３Ｔの公称高さＨＮ（図２Ａを参照）に対して、適用可能な場合にはヒートシンクの下面６Ｂ及び熱接触面６Ｔの相対的位置に対して、熱接触面６Ｔの高さＨが構成要素３の公称高さＨＮとほぼ等しくなるように選択される。これは以下に更に詳細に説明する理由によるヒートシンク６及び構成要素３の関連する熱接触面６Ｔ、３Ｔは、それぞれ、構成要素３からヒートシンク６への有効な熱伝達を可能にする相当に広い面積を有する。それらの面は、図示されるように完全に平坦であるのが好ましいが、同一の半径の凹形円弧及び凸形円弧のように、密接且つ平行に接触させるための他の相補形状を有してもよい。

更に、本発明によれば、ヒートシンク６は、ヒートシンク６とプリント回路基板２との間に加えられる偏向力Ｆ（図３Ｂ及び図４Ｂを参照）によって回路基板２に弾性を伴って結合される。その場合、前記第１の位置９〜１２でヒートシンク６がＰＣＢに固定装着されているため、ヒートシンク６は固定台（fixed anvil）として作用する。偏向力Ｆは、発熱構成要素３の外側の領域、好ましくは構成要素３を密接に取り囲む領域においてＰＣＢ２に加えられる。特に、図示される実施形態においては、ヒートシンク６は、構成要素３の外周部３Ｃ（図２Ａ）のすぐ外側の個別の第２の位置２１〜２４において、ヒートシンク６を回路基板２に弾性を伴って結合する第２の装着部材１３を介してＰＣＢ２に装着される。

前記第２の装着部材１３は、ＰＣＢ２の基板の下面２Ｂ側、すなわち、回路基板２の構正要素３とは反対の側に設けられ且つ構成要素と整列された裏当てフレーム１５を具備する。フレーム１５を軽量化するために、構成要素３の中央領域の下方に位置する中央切欠き１７が設けられるのが好ましい。裏当てフレームは、図示される実施形態においては４つである複数のボルト状ファスナ１６を支持する。ファスナ１６は裏当てフレームから上方へ延出し、組立て後の状態においては、回路基板２に形成された関連する開口部３０を貫通する。回路基板の前記開口部３０は発熱構成要素３の外周部３Ｃに沿って均等に分布しているのが好ましく、前記第２の位置２１〜２４に対応する場所に設けられる。ファスナ１６は更に上方へ延出し、組立て後の状態において前記第２の位置２１〜２４で回路基板の開口部３０と整列されるヒートシンク開口部３１を貫通する。

ファスナ１６は、ヒートシンク６の上面から突出する部分において、それぞれ中間偏向手段１４を支持する。本実施形態においては、中間偏向手段１４は、両側で座金１９及び２０とそれぞれ当接するコイルばねの形状を有する。ファスナ１６の末端部はナット部材１８を支持し、前記構成要素３の領域において回路基板２に弾性偏向力Ｆを加えるために、ナット部材１８は、組立て中、偏向手段１４を介してヒートシンク６と間接的に係合するように締め付けられる。組立て後の状態においては、偏向手段１４及びナット部材１８はヒートシンク６のフィンの付いた上面６Ａに形成された切欠き３４〜３７に受入れられる。以下に更に詳細に説明されるように、偏向力Ｆは、ヒートシンク６及び構成要素３のそれぞれの熱接触面６Ｔ、３Ｔの間で所望の一様な接触及び要求される接触圧力を確保するために採用される。

次に、プリント回路基板２への冷却構体６〜８及び１３の装着について説明する。第１の位置９〜１２においてヒートシンク６を回路基板２に固着するために、まず、ヒートシンク６の下面６Ｂが上を向くようにヒートシンク６は裏返される。次に、実装された構成要素３がヒートシンク６の下面６Ｂに面し且つ構成要素３の熱伝達接触面３Ｔがヒートシンク６の熱接触面６Ｔと整列された状態で、プリント回路基板２がヒートシンク６の上に位置決めされる。前記第１の位置９〜１２において、第１の装着部材７が回路基板２の開口部３２に挿入され、スペーサ８の孔３３と係合される。次に、前記第１の位置９〜１２で回路基板２から指定距離Ｌ、Ｈだけ離間してヒートシンク６の下方熱接触面６Ｔが規定されるように、ヒートシンク６を静止位置で回路基板２に固定するために第１の装着部材７が締め付けられる。機械的許容差に応じて、特に構成要素３の実装位置に応じて、ヒートシンク６をＰＣＢ２に固定するための第１の装着部材７のこの締め付けの結果、以下に更に詳細に説明されるように、ＰＣＢ基板が局所的に弾性変形するか、あるいはヒートシンク６と構成要素３との間に狭い間隙が残されることがある。しかし、ＰＣＢ２の上方における実装された構成要素３の接触面３Ｔの実際の高さＨＡが公称高さＨＮとほぼ等しく且つ接触面６Ｔ、３Ｔの間に平行関係が成立している理想の状態を図２Ａに示す。この場合、第１の装着部材７の締め付けにより、熱接触面６Ｔ、３Ｔは、好ましくは構成要素の接触面３Ｔに予め塗布されていた間隙充填材料（特に図示せず）を介して、ＰＣＢ基板の大きな弾性変形を伴わずに互いに密接に接触する。

ヒートシンク６がＰＣＢ２に固定された状態で、裏当てフレーム１５がＰＣＢ２の下面２Ｂと係合するまでボルト状ファスナ１６を回路基板の開口部３０に挿入することにより、前記第２の位置２１〜２４で第２の装着部材１３が装着される。次に、電子機器１全体が１８０°反転され、ヒートシンク６の開口部３１及び切欠き３４〜３７を貫通するファスナ１６の自由端部に偏向手段１４がかぶせられる。最後に、ナット１８がファスナ１６と係合される。ナット１８は指定されたトルクＲで締め付けられ、ヒートシンク６と構成要素３との間に正しい接触圧力を確保する。

図３Ａ〜図３Ｂには異なる実施例の状況が示される。この場合、構成要素３は、例えば、はんだ接合部２Ａが不適正に形成された結果、構成要素３の実際の最大高さＨＡ１が明らかに公称高さＮＨを超えているなどの理由により、傾いて実装されている。ただし、図３Ａ〜図３Ｂ（並びに後に説明される図４Ａ〜図４Ｂ及び図６）においては、傾き及び高さの差は極めて誇張して示されており、実際には図示される測定値と比べてごくわずかである。

この場合、図３Ａは、第１の装着部材７の締め付け前の状況、すなわち、接触面６Ｔ及び３Ｔの間の平行関係の欠如及び高さの差を簡潔に示す。この状況においては、その後に第１の装着部材７を介して力が加えられると、図３Ｂに概略的に示されるように、ヒートシンク６及び構成要素３のそれぞれの接触面６Ｔ、３Ｔの間の高さの差及び平行関係の欠如に対応するために、ＰＣＢ基板の下向きの撓みが起こる。ＰＣＢの撓みは、１つには第１の位置９〜１２と第２の位置２１〜２４とが相対的に大きく離間しているという理由によって、傾き及び高さの差を有効に補償する。従って、本発明によれば、機器の部品の組立て許容差及び製造許容差のみならず、電子機器の輸送中及び動作中の動的寸法変化をも有効に自動的に自己補償するために、ＰＣＢ２基板の弾性が利用される。そこで、裏当てフレーム１５の支持を受けながら第２の装着部材１３を締め付けることにより、ヒートシンク６の面６Ｔと構成要素３の面３Ｔとの間に調整された接触圧力を実現するために要求される弾性力Ｆが与えられる。

本発明を使用する際の更なる実施状況が図４Ａ〜図４Ｂに示される。この場合、構成要素の接触面３Ｔの実際の高さＨＡ２は公称高さＨＮより低い。図４Ａは、第１の装着部材７を締め付けた後の状況を簡潔に示す。固着されたヒートシンク６の接触面６Ｔと構成要素の接触面３Ｔとの間には、狭い間隙が依然として存在する。この場合、第２の装着部材１３を締め付けることにより加えられる弾性力Ｆは、同様に裏当てフレーム１５の支えを受けて、まず、ＰＣＢ基板の上向きの弾性変形によりヒートシンク６と構成要素３との間の狭い間隙を閉鎖し、次にヒートシンクの面６Ｔと構成要素の面３Ｔとの間に調整された均一な接触圧力を与える。

前述のように、本発明は、例えば、前記公称高さＨＮと前記回路基板２の上方における構成要素３の実際の最大高さＨＡ１、ＨＡ２との差異、並びにヒートシンク及び構成要素にそれぞれ関連する熱接触面６Ｔ、３Ｔの間の平行関係の欠如を回路基板の局所的な弾性変形によって補償することにより、全ての機械的製造許容差並びに組立て許容差を自動的に補償する。これにより、ヒートシンクと構成要素との間の調整された均一な接触圧力と、それらの間の同様に調整された熱境界面とによって初期の厳密な組立てが確保され、電子機器の有効な冷却が保証される。固定されて静止したヒートシンク及び熱境界面の弾性偏向によって、動的機械力並びに熱力も、熱境界面を劣化又は破壊することなく同様に吸収される。

次に、図５Ａ〜図５Ｂ及び図６に示される電子機器１０１を特に参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。この場合、同様に、冷却構体は大型ヒートシンク１０６と、スペーサ１０８と、指定距離ＬだけＰＣＢ２から上方の高さでヒートシンク１０６をプリント回路基板２に装着するための第１の装着部材１０７及び第２の装着部材１１３とから構成される。しかし、この場合、図示される実施形態においては５つである複数の二次発熱電子構成要素１０４Ａ〜Ｅが、主ヒートシンク１０６の投影領域１０６Ａ内でプリント回路基板２に実装される。二次ヒートシンク１４０〜１４４は、本実施形態においてはばねとして概略的に示される弾性支持部材１４５によって、それぞれ対応する二次構成要素１０４Ａ〜Ｅと接触するように押圧される。装着された状態において、ばね１４５は、装着状態で回路基板２に対向するヒートシンク１０６の下面１０６Ｂと、それぞれ対応する二次ヒートシンク１４０〜１４４との間で作用し、関連するヒートシンク１４０〜１４４を偏向して、それぞれ対応する二次構成要素１０４Ａ〜Ｅと熱伝達熱接触させる力Ｆ’を加える。第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、ヒートシンク１０６はプリント回路基板２上の１つの主発熱電子構成要素１０３だけと実質的に熱伝達熱接触している。従って、この構造はいくつかの構成要素を密接に実装できる一方で、構成要素ごとにヒートシンクを個別に最適化できる。冷却構体１０６〜１０８、１１３のこの第２の実施形態においては、第１の装着部材１０７及び第２の装着部材１１３をそれぞれ通過する冷却空気の自由な流れを実現するために、ヒートシンク１０６と回路基板２との間に相当に広い自由空間が残るように、ヒートシンク１０６の外周部１０６Ｃに近接する個別の第１の位置１０９〜１１２及び構成要素１０３の外周部１０３Ｃの外側の個別の第２の位置１２１〜１２４のみでヒートシンク１０６を回路基板２に装着することが更に重要である。大型ヒートシンク１０６はどの二次ヒートシンク１４０〜１４４とも実質的に熱伝達接触していないため、二次ヒートシンクにより発生された熱は、そのような冷却空気の流れにより電子機器１０１から除去される。

プリント回路基板２を裏返しにしてヒートシンク１０６上に位置決めする前に、適切な熱境界面材料（特に図示せず）によって二次ヒートシンク１４０〜１４４がそれぞれ対応する二次発熱電子構成要素１０４Ａ〜Ｅに固着されること、及び、ヒートシンク１０６の下面１０６Ｂの関連する皿穴領域（同様に特に図示せず）の所定の位置に弾性支持部材１４５が設置されることを除いて、冷却構体１０６〜１０８、１１３の装着は第１の実施形態と同一である。弾性支持部材１４５によって、二次ヒートシンク１４０〜１４４は力Ｆ’によりそれぞれ対応する二次構成要素１０４Ａ〜Ｅに向かって押圧される。二次ヒートシンク１４０〜１４４をヒートシンク６に関してこのように「浮動」支持することにより、調整された圧力が、機械的製造許容差及び組立て許容差のみならず、第１の装着部材１０７及び／又は第２の装着部材１１３によって起こるＰＣＢ基板の変形も補償する。

いくつかの構成要素に対して１つのヒートシンクを使用する場合の従来の問題は、全ての構成要素によりヒートシンクが加熱されること、すなわち、熱計算を実行するのが困難であることである。構成要素は異なる動作温度で動作することもあり、１つの構成要素には適正であっても別の構成要素には高温になる場合も考えられる。従って、ヒートシンクは最も感度の高い構成要素の温度を抑制するように寸法を規定されなければならない。ＰＣＢの面積を節約し且つ構成要素を密接に実装できるようにするために、示唆されるこの方法の変形構成によって、主構成要素を冷却するために１つの大型ヒートシンクを使用し、ＰＣＢ上のいくつかの更なる構成要素を冷却する熱絶縁された複数のヒートシンクを使用することが可能である。各ヒートシンクには１つの構成要素だけが熱接続され、その結果、機械的許容差に関して各ヒートシンク／構成要素を個別に適応させることが可能になる。

図６は、主ヒートシンク１０６及び実装された主構成要素１０３の機械的許容差に関して図３Ｂに示される状況に類似している状況において電子機器１０１に固着された冷却構体１０６〜１０８、１１３の第２の実施形態を示す図である。この図は、主ヒートシンク及び二次ヒートシンク並びに構成要素の双方の機械的許容差の補償に関する第２の実施形態の上述の利点を明確に示す。

本発明の上述の全ての実施形態において、主発熱構成要素３、１０３と熱接触しているヒートシンクは、回路基板２上に投影した場合、関連する電子構成要素３、１０３の上面３Ａ、１０３Ａの面積の数倍の面積を有する上面６Ａ、１０６Ａを有する大型で重いシンク６、１０６として示した。これは、衝撃及び振動が従来の構体の熱境界面に対して最大の動的問題を引き起こすようなケースであって、かつ、本発明の原理の適用が最大の効果を生み出すようなケースである。更に、これは、第１の装着位置と第２の装着位置との間に利用可能な十分な距離を確保でき、かつ、高さ及び平行関係の許容差の自動的補償を実現するために回路基板の弾性を利用するための広い面積を確保できるため、本発明が最も有利に働くケースでもある。上記の利点にもかかわらず、本発明は特定の大きさのヒートシンクには限定されず、理論上、別個の第１の装着部材及び第２の装着部材を提供するのに十分なスペースを利用できる任意の電子機器で本発明を使用でき且つ本発明はそのような電子機器を含んでいてもよい。

本発明の特に図示されない別の実施形態においては、本発明の趣旨から逸脱せずに、冷却構体の図示される種々の部品の変形が採用されてもよい。その一例は、同一のヒートシンク構造が使用されるいくつかの電子機器に対して適切なスペーサ長さが選択されるように、実際のヒートシンクとは別個であるスペーサを使用することである。電子機器ごとにヒートシンク接触面の所望の高さを実現するためにスペーサとＰＣＢとの間に薄い「シム」が挿入されることで、一体型スペーサを有するヒートシンク構造についても同様の結果が得られる。特に、本発明は、第１の装着部材及び第２の装着部材の特に実施例として示された構造以外の他の構造、中でも偏向手段の他の構造を使用する可能性も含む。

現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものについて本発明を説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されないことはいうもまでもない。従って、本発明は、添付の請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成が含まれる。

本発明による電子機器の冷却構体の第１の実施形態を示す上から見た展開等角投影図である。 図１の電子機器に実装された第１の実施形態の冷却構体の第１の実施例を示す部分概略側面図である。 図２Ａの装置の同様の部分概略平面図である。 図２Ａ〜図２Ｂの電子機器の変形例においてＰＣＢ上の傾斜した構成要素を著しく誇張して示した冷却構体実装前の概略図である。 図３Ａの概略的な電子機器に実装された第１の実施形態の冷却構体の第２の実施例を同様に著しく誇張して示した図２Ｂの線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。 図２Ａ〜図２Ｂの電子機器の更なる変形例であってＰＣＢ上のより低い高さに実装された構成要素を著しく誇張して示した冷却構体設置前の概略側面図である。 図４Ａの概略的な電子機器に実装された第１の実施形態の冷却構体の第３の実施例を同様に著しく誇張して示す側面図である。 本発明による別の電子機器に実装された冷却構体の第２の実施形態を示す部分概略側面図である。 図４Ａの構体を示す同様の部分概略平面図である。 ＰＣＢ上に実装された傾斜した構成要素を有する図５Ａの電子機器に実装された第２の実施形態の冷却構体の一実施例を著しく誇張して示した図５Ｂの線Ｂ−Ｂに沿った概略断面図である。

Claims (21)

1. プリント回路基板（２）に実装された複数の発熱電子構成要素（３；１０３、１０４Ａ〜１０４Ｅ）を有する電子機器（１；１０１）を、１つの発熱電子構成要素（３；１０３）と熱伝達熱接触（heat transferring thermal contact）する状態で前記回路基板に装着されたヒートシンク（６；１０６）を含む冷却構造体を用いて冷却する方法であって、
   前記ヒートシンクが熱伝達熱接触する前記１つの発熱電子構成要素の高さと略等しい指定高さ（Ｌ）となるように、前記ヒートシンク（６；１０６）を、該ヒートシンク（６；１０６）の外周領域の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において前記回路基板に固着する工程と、
   前記ヒートシンクの、前記１つの発熱電子構成要素を密接に取り囲む第２の位置（２１〜２３；１２１〜１２４）において、裏当てフレーム（１５）を固着することで、前記回路基板に対して裏側から力（Ｆ）を加える工程と、を備え、
   これにより、前記ヒートシンクに向かう方向または前記ヒートシンクから離間する方向のいずれかの方向に前記回路基板を局所的に弾性変形させ、前記ヒートシンクと前記１つの発熱電子構成要素との間に、熱抵抗を低減させるための均一に調整された接触圧力を確保し、
   更に、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記ヒートシンクの下面には、前記１つの発熱電子構成要素よりも高さの低い二次発熱電子構成要素（１０４Ａ〜Ｅ）と熱伝達熱接触状態となるように配された二次ヒートシンク（１４０〜１４２）を付勢するための弾性支持体（１４５）が設けられていることを特徴とする方法。
2. 前記ヒートシンクは、前記第１の位置において前記回路基板（２）に対して、前記ヒートシンクの下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）が前記回路基板より指定距離（Ｈ）だけ上方になるように固定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ヒートシンクの外周領域において、前記ヒートシンクを前記回路基板に固着することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において前記回路基板（２）の上方に固着された前記ヒートシンク（６；１０６）の前記下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）の高さ（Ｈ）を、前記回路基板の上方に実装された前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の熱接触面（３Ｔ；１０３Ｔ）の公称高さ（ＨＮ）に関連して規定することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記ヒートシンク（６；１０６）を前記回路基板（２）に対して全方向に静止固定するために、各電子機器（１；１０１）で使用される前記ヒートシンクの形状、大きさ及び重量のいずれかに応じて、前記ヒートシンクの外周領域における前記第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）それぞれの数及び分布を選択することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 回路基板（２）と、前記回路基板上に実装された複数の発熱電子構成要素（３；１０３、１０４Ａ〜１０４Ｂ）と、前記回路基板上の１つの発熱電子構成要素（３；１０３）と熱伝達熱接触状態にある剛性ヒートシンク（６；１０６）を具備する冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）と、を備える電子機器（１；１０１）であって、
   前記ヒートシンクによって熱伝達熱接触される前記１つの発熱電子構成要素の高さと略等しい指定高さ（Ｌ）となるように、前記ヒートシンク（６；１０６）は、該ヒートシンク（６；１０６）の外周領域の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において、前記回路基板に固着されており、
   前記ヒートシンクの、前記１つの発熱電子構成要素を密接に取り囲む第２の位置（２１〜２４；１２１〜１２４）において、裏当てフレーム（１５）が固着されることで、前記回路基板に対して裏側から力（Ｆ）が加えられており、
   更に、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記ヒートシンクの下面には、前記１つの発熱電子構成要素よりも高さの低い二次発熱電子構成要素（１０４Ａ〜Ｅ）と熱伝達熱接触状態となるように配された二次ヒートシンク（１４０〜１４２）を付勢するための弾性支持体（１４５）が設けられていることを特徴とする電子機器（１；１０１）。
7. 前記ヒートシンク（６；１０６）は、前記ヒートシンクの外周領域の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）それぞれにおいて前記回路基板（２）に固着されており、前記ヒートシンクの下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）は、前記第１の位置において前記回路基板より指定距離（Ｈ）だけ上方の高さに規定されていることを特徴とする請求項６に記載の電子機器（１；１０１）。
8. 前記第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において前記回路基板（２）の上方に固着された前記ヒートシンク（６；１０６）の前記下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）の高さ（Ｈ）は、前記回路基板の上方に実装された前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の熱接触面（３Ｔ；１０３Ｔ）の公称高さ（ＨＮ）とほぼ等しいことを特徴とする請求項７に記載の電子機器（１；１０１）。
9. 前記ヒートシンク（６；１０６）の前記外周領域の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において前記ヒートシンクを前記回路基板（２）に確実に固定する第１の装着部材（７；１０７）と、
   前記ヒートシンクの、前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の外周部（３Ｃ；１０３Ｃ）の外側の前記第２の位置（２１〜２４；１２１〜１２４）において、前記回路基板（２）の弾性変形を伴って前記裏当てフレームを結合する第２の装着部材（１３；１１３）と、
   を備えることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
10. 前記ヒートシンクと前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とを、要求された圧力で接触させるために加えられる前記力（Ｆ）に関して、前記ヒートシンク（６；１０６）は、前記回路基板（２）と比較して剛性を有することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
11. 前記冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）は、前記第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）における前記回路基板（２）の上方の前記ヒートシンク（６；１０６）の熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）の高さ（Ｈ）を規定する指定高さ（Ｌ）の複数のスペーサ（８；１０８）を備えることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
12. 前記第２の装着部材（１３；１１３）は、前記ヒートシンク（６；１０６）の前記熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）と前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の熱接触面（３Ｔ；１０３Ｔ）とを要求された圧力で接触させるために、前記力（Ｆ）を加える付勢部材（１４；１１４）を備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電子機器（１；１０１）。
13. 前記第２の装着部材（１３；１１３）は、
    前記回路基板（２）の前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とは反対の側に設けられた前記裏当てフレーム（１５）と、
    前記第２の位置（２１〜２４；１２１〜１２４）に対応する回路基板開口部（３０）及びヒートシンク開口部（３１）を通して導入され、付勢部材（１４；１１４）を介してナット部材（１８；１１８）と係合される複数の支持ファスナ（１６）と、を備え、
    前記ナット部材は前記付勢部材を介して剛性の前記ヒートシンクと間接的に係合するように締め付けられることで、前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の領域において前記回路基板（２）に力（Ｆ）が加えられるよう構成され、
    前記力（Ｆ）は、熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ、３Ｔ；１０３Ｔ）との平行関係及び前記回路基板の上方の前記１つの発熱構成要素の高さ（ＨＡ１；ＨＡ２）における許容差を補償するために、前記回路基板を上方、あるいは下方に向けて局所的に撓ませることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
14. 前記回路基板（２）上に投影した場合、前記ヒートシンク（６；１０６）は、前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の領域（３Ａ；１０３Ａ）の数倍の大きさの領域（６Ａ；１０６Ａ）を有することを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
15. 前記ヒートシンク（６；１０６）は前記プリント回路基板（２）上において前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とだけ実質的な熱伝達熱接触状態にあることを特徴とする請求項６乃至１４のいずれか１項に記載の電子機器（１；１０１）。
16. 発熱電子構成要素（３；１０３）との間に熱伝達熱接触（６Ｔ、３Ｔ；１０６Ｔ、１０３Ｔ）を成立させるための熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）を有するヒートシンク（６；１０６）を含み、回路基板（２）上に実装された少なくとも１つの発熱電子構成要素（３；１０３、１０４Ａ〜Ｅ）の電子機器を冷却する冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）であって、
    前記ヒートシンクが熱伝達熱接触する１つの発熱電子構成要素の高さと略等しい指定高さ（Ｌ）となるように、前記ヒートシンクを、該ヒートシンクの外周領域の第１の位置において、前記回路基板に固着する複数の第１の装着部材（７；１０７）と、
    前記熱伝達熱接触（６Ｔ、３Ｔ；１０６Ｔ、１０３Ｔ）する前記１つの発熱電子構成要素を密接に取り囲む第２の位置において、付勢部材（１４；１１４）を介して前記ヒートシンクに固着されることで、前記回路基板に対して裏側から力（Ｆ）を加える第２の装着部材（１３；１１３）と、を備え、
    前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記ヒートシンクの下面には、更に、前記１つの発熱電子構成要素よりも高さの低い二次発熱電子構成要素（１０４Ａ〜Ｅ）と熱伝達熱接触状態となるように配された二次ヒートシンク（１４０〜１４２）を付勢するための弾性支持体（１４５）が設けられていることを特徴とする冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）。
17. 前記ヒートシンク（６；１０６）は、
    前記ヒートシンクと前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とを、要求された圧力で接触させるために前記回路基板に対して裏側から加えられる前記力（Ｆ）に関して、前記回路基板（２）と比較して剛性を有し、
    前記第１の装着部材（７；１０７）は、
    外周領域の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）それぞれにおいて、前記ヒートシンクの外周部（６Ｃ；１０６Ｃ）に近接して前記ヒートシンクと係合することを特徴とする請求項１６に記載の冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）。
18. 前記回路基板（２）の上方において固着された前記ヒートシンク（６；１０６）の前記熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）の高さ（Ｈ）を規定するために指定長さ（Ｌ）の複数のスペーサ（８；１０８）を備えることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）。
19. 前記第２の装着部材（１３；１１３）は、
    回路基板（２）に対して、前記回路基板の前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）の位置とは反対の側（２Ｂ）において係合する裏当てフレーム（１５）と、
    前記第２の位置（２１〜２４；１２１〜１２４）において前記ヒートシンク（６；１０６）の関連する開口部（３１）を通して挿入され、前記付勢部材（１４；１１４）を介してナット部材（１４；１１８）と係合し、前記ヒートシンクと間接的に係合する複数の支持ボルト状ファスナ（１６）と
    を備えることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）。
20. 冷却構造体（６〜８、１３；１０６〜１０８、１１３）の剛性ヒートシンク（６；１０６）と１つの発熱電子構成要素（３；１０３）との間の熱伝達熱接触（３；１０３；６Ｔ；１０６Ｔ）を介して回路基板（２）上に実装された少なくとも１つの発熱電子構成要素（３；１０３、１０４Ａ〜Ｅ）の電子機器（１；１０１）を冷却するために、前記冷却構造体を前記回路基板に装着する方法であって、
    前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）との接触部分から外側へ離間した複数の第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において、第１の装着部材により前記ヒートシンク（６；１０６）を前記回路基板に固着する工程を備え、これにより、該第１の位置において、前記ヒートシンクが熱伝達熱接触する前記１つの発熱電子構成要素の高さと略等しい指定高さ（Ｈ）だけ前記回路基板から離れて下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）が規定された状態で、前記ヒートシンクが前記回路基板に対して静止固定され、
    さらに、前記ヒートシンク（６；１０６、３Ｔ；１０３Ｔ）の前記下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）と前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とを要求された圧力で接触させるために、前記１つの発熱電子構成要素を密接に取り囲む第２の位置において、第２の装着部材を固着させることで、前記回路基板に対して裏側から力（Ｆ）を加える工程を、備え、
    前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記ヒートシンクの下面には、更に、前記１つの発熱電子構成要素よりも高さの低い二次発熱電子構成要素（１０４Ａ〜Ｅ）と熱伝達熱接触状態となるように配された二次ヒートシンク（１４０〜１４２）を付勢するための弾性支持体（１４５）が設けられていることを特徴とする方法。
21. 実装された前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）が前記ヒートシンク（６；１０６）の下面（６Ｂ；１０６Ｂ）に対向し且つ前記１つの発熱電子構成要素の熱接触面（３Ｔ；１０３Ｔ）が前記ヒートシンクの熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）と整合する状態で、前記プリント回路基板（２）を前記ヒートシンク上に位置決めし、
    前記第１の位置（９〜１２；１０９〜１１２）において前記回路基板を通して前記第１の装着部材（７；１０７）を延出させることにより、前記第１の装着部材を前記ヒートシンクに装着し、前記第１の装着部材を前記ヒートシンクと係合させ、
    前記第１の位置において前記ヒートシンクの前記下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）が前記回路基板の上方の前記指定高さ（Ｈ）にある状態で、前記ヒートシンクを前記回路基板に静止固定するために、前記第１の装着部材を締め付け、
    前記第２の装着部材（１３；１１３）を前記回路基板及び前記ヒートシンクを通して延出させることにより、前記第２の装着部材を前記ヒートシンクに装着し、前記第２の装着部材を前記回路基板を介して前記ヒートシンクと係合させ、
    前記ヒートシンク（６；１０６、３Ｔ；１０３Ｔ）の前記下方熱接触面（６Ｔ；１０６Ｔ）と前記１つの発熱電子構成要素（３；１０３）とを要求された圧力で接触させるよう前記回路基板に対して裏側から力（Ｆ）を加えるために、付勢部材（１４；１１４）を介して前記第２の装着部材を締め付けることを特徴とする請求項２０に記載の方法。

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