JP5517850B2 - 電子機器放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の放熱構造に係わるもので、特に放熱性の高い放熱構造を有する変圧器に関するものである。

発電所から需要家への電力供給は、高圧架線にて送電される電力を、電柱に支持される柱上変圧器により低電圧に変換することにより行われる。従来の柱上変圧器は、円筒筐体内に電子機器を収容し、電子機器の発熱を筐体内に注入された油などを熱媒体として筐体壁に伝え、筐体側壁に設けられた放射状の自冷式放熱フィンにて放熱を行う。また、更なる放熱特性改善のために、筐体側壁に設けた放熱フィンの下方にファンを設け、自冷式放熱フィンに向けて送風するようにした柱上変圧器も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、フィンを設けたヒートパイプを用いて電子部品からの発熱を放熱するものとしては、電子部品を搭載した電子回路パッケージの基板を、低発熱部品が搭載されている伝熱領域区分と高発熱部品が搭載されている伝熱領域区分とに分割した電子装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

実開平０１−１５７４１１号公報（第１−４頁、第１図、第２図） 特開平０７−２８３５６４号公報（第５−６頁、図１−図４）

従来の柱上変圧器にあっては、筐体側壁に設ける自冷式放熱フィンの放熱効率が悪く、放熱量を増やすことが難しい。例えば、円筒筐体の側面に放射状に配置される各放熱フィンの長手方向（空気の通流方向）を長くすると、放熱フィン間の通風圧損が増加するため、放熱効率が悪くなる。また、放熱フィンの短手方向（円筒筐体の径方向）を長くした場合、変圧器としての全体体積の増加量に比して、放熱量の増加は少ない。一方、特許文献１のように放熱フィンの下方にファンを設けた変圧器は、強制空冷式であることから高効率に放熱することができるが、ファンの寿命が短くメンテナンスが必要であり、またファンの信頼性が低いことからライフラインに係わる用途では使用することが難しいという問題がある。

また、特許文献２では、電子部品を搭載した電子回路パッケージの基板を、低発熱部品が搭載されている伝熱領域区分と高発熱部品が搭載されている伝熱領域区分とに分割するとともに、各伝熱領域区分毎に基板の部品搭載面と反対面に、フィンを有し、かつコの字状に曲げられたヒートパイプを設けたものであるので、構成が複雑でコスト増となるうえに、放熱の熱干渉が生じやすいという問題がある。

また、近年では、太陽光発電やガス発電など需要家における発電設備の導入に伴い、需要家側の発電設備から高圧架線へ給電（売電）されることによる逆潮流による電圧変動が問題となっている。この対策として、架線に流れる無効電力を調整することにより電圧調整を行うSVC(Static Var Compensator，静止型無効電力補償装置)などの変圧器の導入が進められている。このようなSVCは発熱量が大きく、特にSVCに用いられるIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子などのパワーモジュールからの発熱量が大きく、その発熱を効率的に放熱することが必要となっている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、放熱の熱干渉を抑制して高効率に自然空冷放熱することができ、電子機器をより高密度実装することが可能な放熱構造を有する電子機器放熱構造を提供することを目的としている。

本発明に係る電子機器放熱構造は、複数の電子機器が取り付けられた受熱板と、前記受熱板に放熱フィンを有するヒートパイプが設けられた放熱器と、放熱器をそれぞれ有する複数の収納容器とを備えた電子機器放熱構造であって、
複数の電子機器が機器の許容温度帯により分けられて、それぞれ異なる収納容器に収納され、
高温の許容温度帯に属する電子機器を収納する収納容器が、低温の許容温度帯に属する電子機器を収納する収納容器よりも上方の位置に配設され、
前記受熱板は四角形であり、
上方から見て、複数の前記収納容器のそれぞれは、それぞれの受熱板の四角形の辺の方向が揃うように積層され、かつ、それぞれの受熱板に設けられた前記ヒートパイプが異なる方向に面する辺から突出するように設けられて、
隣接する収納容器の放熱フィンが収納容器積層方向に重ならないように配設されたこと
を特徴とするものである。

本発明の電子機器放熱構造では、隣接する収納容器の放熱フィンが上下方向に重ならないように配設されているので、放熱の熱干渉を抑制できるため高効率に自然空冷放熱することができ、また、複数の電子機器が機器の許容温度帯により分けられて、それぞれ異なる収納容器に収納されているので、電子機器をより高密度実装することができる。

本発明の実施の形態１に係る電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態１の別の例を示す電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態１のさらに別の例を示す電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）の側面図である。 本発明の実施の形態３に係る電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態３の別の例を示す電子機器放熱構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。

本発明は、先に述べたようにSVCを柱上に設ける場合の放熱構造に好適であるが、これに限定されるものでなく、その他の電子機器、変圧器にも適用可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、参照符号については、図１〜図６において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電子機器放熱構造の概略構成を示す全体構成図であり、図１（ａ）はこの電子機器放熱構造の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここでは、電柱が鉛直方向に立設され、図１（ａ）における紙面垂直方向および図１（ｂ）における上下方向が電柱の上下方向（鉛直方向）と一致するものとして説明する。また、図１に示す電子機器放熱構造は不図示の支持部材により電柱上に支持される。

本実施の形態に係る電子機器放熱構造１０は、両端部に放熱フィン２が設けられたヒートパイプ１と、ヒートパイプ１の中央部に取り付けられた受熱板３とを有する放熱器４を備えている。受熱板３には電子機器群を雨水の浸入や日射等から保護するためのカバー５が取り付けられており、それぞれ受熱板３を有する複数の収納容器６が上下に設けられている。そして、複数の電子機器７、８が機器の許容温度帯により分けられて、それぞれ異なる収納容器６に収納されており、高温の許容温度帯に属する電子機器７を収納する収納容器６が、低温の許容温度帯に属する電子機器８を収納する収納容器６よりも上方の位置に配設され、隣接する収納容器６の放熱フィン２が上下方向に重ならないように配設されている。以下においては、高温の許容温度帯に属する電子機器７を「高許容温度機器７」と称し、低温の許容温度帯に属する電子機器８を「低許容温度機器８」と称するものとする。

ヒートパイプ１は、受熱板３の各端面に複数、略水平に配設され、当該複数のヒートパイプの各端部に、共通の放熱フィン２が所定の間隔で複数略垂直に取り付けられている。なお、受熱板３及び収納容器６の平面形状は四角形となっているが、これに限定されるものではなく、多角形や円形等でもよい。

次に、上記のように構成された電子機器放熱構造１０の動作について説明する。所望の機能を得るために電子機器放熱構造１０に電力が供給されると、電子機器放熱構造１０内に収容された電子機器７、８が発熱する。本実施の形態１では、機器の許容温度帯により高許容温度機器７と低許容温度機器８に分類している。例えば、素子許容温度が１２５℃のパワーモジュール（ＩＧＢＴやＤｉｏｄ）などを高許容温度機器７群とし、素子で発生する温度差を考慮して受熱板３の許容温度を１００℃として設計された放熱フィン２を有する放熱器４、つまり高許容温度機器７群を収納した収納容器６を重力に関して上方に設置し、一方、機器許容温度が８５℃のコンデンサや基板などを低許容温度機器８群とし、機器で発生する温度差を考慮して受熱板３の許容温度を７０℃として設計された放熱フィン２を有する放熱器４、つまり低許容温度機器８群を収納する収納容器６を重力に関して下方に設置している。なお、それぞれの収納容器６間は配線９で結線されている。

上記の電子機器７、８が発熱することにより、それぞれの受熱板３が温度上昇する。そのため、ヒートパイプ１内の作動流体がヒートパイプ１の管壁を介して受熱板３から受熱し、作動流体が潜熱として吸熱すると共に蒸発し、より低温で低圧の放熱フィン２取付部へヒートパイプ１内を蒸気が移動する。上記放熱フィン２取付部内では、放熱フィン２が周囲空気と接することから温度が低く、移動してきた蒸気はヒートパイプ１の管内壁に凝縮して蒸気が保有していた潜熱を放出し、ヒートパイプ１の管壁を介して、放熱フィン２、さらに周囲空気へ熱を放出する。受熱した空気は高温空気となり、その高温空気の密度が周りの空気より小さくなるため、上方へ移動し始め、上昇流が発生し、放熱フィン２の周囲は自然空冷される。これらの動作は、高許容温度機器７群および低許容温度機器８群を収納する収納容器６間の違いとしては動作温度程度であり、動作としてはほぼ同一である。

ここで、ヒートパイプ１の形態について説明する。図１は直管のヒートパイプ１を複数使用した場合であるが、図２はＬ型に曲がったヒートパイプ１を複数使用した場合であり、図３は両端部が同じ方向を向くようにコの字型に形成したヒートパイプ１を使用した場合である。各図の（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図３は特にヒートパイプ１の両端部を同一の放熱フィン２で接続する構成となっている。このように放熱フィン２を共有化することにより、製造が容易になる。なお、図３は一部直管のヒートパイプ１の片側端部に放熱フィン２を設けたものと組み合わせているが、このように一部形状の異なる形態で放熱フィン２を設けても良い。

本発明の一つの特徴は、下方に設置した低許容温度機器８群を収納する収納容器６の放熱フィン２を上昇する高温空気が、上方に設置した高許容温度機器７群を収納する収納容器６の放熱フィン２に流入しないように、重力に関して高さ方向にそれぞれの放熱フィン２が重ならないようにしたことである。したがって、図１から図３の構成に制限されるものではなく、放熱フィン２が重ならないような構成であれば良い。

また、上記説明では、高許容温度機器７群と低許容温度機器８群の二分割にしたものとして説明したが、この構成に制限されること無く、３分割、４分割など多段に分割することもできる。例えば、３分割（３段）の場合、収納容器６中央を基準に１２０°角ごとに空間を３分割して放熱フィン２が重ならないように設けても良い。また、直方体形状の放熱フィン２群に制限されること無く、扇型形状の放熱フィン２群でも良い。

また、従来円筒状の収納容器に電子機器が収納され、円筒容器内壁の曲率面を介して周囲へ放熱しなければならなかったが、本実施の形態１では平面板状の受熱板３に電子機器７、８を直接取付けることができるので、接触部で発生する接触熱抵抗をより小さくすることができる。また、受熱板３にて受熱した熱を複数のヒートパイプ１により分散し、放熱部が略水平に設置された放熱フィン２が空気の上昇流方向とほぼ直交方向に配設されているので、放熱フィン２を通流する長さが短くなる（圧力損失が小さい）。また、周囲空気が通流する放熱部の断面積が大きく（通風速度が小さいため、圧力損失が小さい）、より通風量を大きくすることができることから、より高効率に放熱することができる。

以上のように、本実施の形態１の電子機器放熱構造１０は、機器の許容温度帯別に電子機器７、８を収納容器６に収納することにより、収納容器６内機器間の熱干渉を抑制し、またより高温の許容温度帯の電子機器８群を収納する収納容器６を、より上部に配設することにより、収納容器６周りおよび放熱フィン２を上昇する高温空気による熱の干渉を抑制する。また、より下方の放熱フィン２を通過した高温の空気が、上方の放熱フィン２を通流せず、周囲空気が当該放熱フィン２を通流することにより、当該放熱フィン２の放熱特性を向上させる。さらに、より上部に設置された収納容器６ほど許容温度が高いことから、日射などの輻射熱の影響が抑制される。また、各放熱器４のメンテナンスが容易であり、製造も容易である。さらに放熱器４を多段に設置することで、電子機器７、８をより高密度に実装することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る電子機器放熱構造１０の概略構成を示す全体構成図であり、図４（ａ）はこの電子機器放熱構造１０の上面図、図４（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図４（ｃ）は（ｂ）の側面図である。
本実施の形態２に係る電子機器放熱構造１０は、３個以上の収納容器６が積層された場合に、例えば最下層と最上層の放熱フィン２が上下に重なる構成であった場合、最下層と最上層の放熱フィン２間に導風板１１を設置することにより、放熱フィン２同士の熱干渉を抑制する構成としたものである。

このように構成することにより、下方の隣接する収納容器６の放熱フィン２を通流した高温空気が、上方の隣接する収納容器６の放熱フィン２に吸気されることを抑制し、上方の隣接する収納容器６の放熱フィン２の熱特性劣化を抑制することができる。また、３個以上多段に収納容器６を積層させた場合でも同様に高効率に放熱することができる。
なお、導風板１１は上記二つの放熱フィン２同士の熱干渉を抑制することができれば良く、図４に示す傾斜板だけでなく、平板、Ｖ字板、Ｕ字板、溝付板などでも良い。また、導風板１１は、カバー５または受熱板３と連結または一体構造でも良い。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る電子機器放熱構造１０の概略構成を示す全体構成図であり、図５（ａ）はこの電子機器放熱構造１０の上面図、図５（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態３に係る電子機器放熱構造１０は、ヒートパイプ１の作動流体が、重力の作用により受熱板３取付部に、より停滞できることを目的とした構造であり、受熱板３取付部と放熱フィン２取付部の間で、受熱板３取付部より放熱フィン２取付部が上方に位置するようにヒートパイプ１を曲げたことを特徴としている。

このように構成することにより、放熱フィン２が取り付けられたヒートパイプ１端部に作動流体が過剰に停滞すること無く、受熱し蒸気化するための必要な作動流体が受熱板３取付部に常に補給される構造になり、安定した熱輸送が可能になる。つまり、作動流体が存在せず、ヒートパイプ１の管壁温度が上昇し続けるといったドライアウト現象が発生し難い。また、周囲環境が極低温の場合にヒートパイプ１端部に作動流体が過剰に停滞することを抑制するため、作動流体の凍結によるヒートパイプ管壁の変形または破壊を抑制することができる。

特に、作動流体として水を使用した場合、凍結温度０℃以下では作動流体が氷に相変化するため、電子機器放熱構造１０の動作停止時（非加熱時）に低温になっても重力の作用にて受熱板３取付部に作動流体が還流することができ、凍結しても受熱板３取付部に作動流体が氷として存在していることから、起動時においても氷が水に相変化し適正にヒートパイプ１が動作することができ、起動特性が改善される。

また、ヒートパイプ１端部に水が過剰にある場合、周囲温度の低下と共に作動流体が自ら氷に変化し、その際体積膨張することから、ヒートパイプ管の破壊が生じることがある。しかし、受熱板３取付部は圧肉の構造体であることから、ヒートパイプ１管壁を受熱板３が補強し、上記体積膨張に対する耐性も向上することができる。

なお、ヒートパイプ１は、受熱板３内に中央部を埋設（板材で挟み込みも含む）してもよく、受熱板３の片面または両面に溝を設け、溝内にヒートパイプ１を設置しても良い。溝内にヒートパイプ１を設置する場合、ヒートパイプ１および溝を覆う補強板を設けることにより、上記体積膨張に対する耐性をさらに向上させることができる。

また、図示するように、隣接する収納容器６間に通路１２を設け、通路１２内に両収納容器６内に収納されている電子機器７、８を接続する配線９を設けても良い。このようにすることにより、台風などにより風雨による配線９の断線などを抑制することができ、より高信頼性になる。なお、図５では上下のカバー５の間に通路１２を設けた例を示したが、カバー５と受熱板３間に通路１２を設けても良い。また、受熱板３が、一部カバー５の役割を担う構成でも良い。

さらに、図５に示すように、収納容器６間に断熱層や断熱材などからなる断熱部１３を設けても良い。このようにすることにより、各収納容器６間の熱干渉を抑制することができる。さらに、隣接する収納容器６のそれぞれのカバー５が一体化され、その内部を断熱部１３で仕切った構成でも良い。

図６は本発明の実施の形態３の別の例を示す電子機器放熱構造１０の全体構成図で、図６（ａ）はこの電子機器放熱構造１０の上面図、図６（ｂ）はこの電子機器放熱構造１０の正面図である。
図６に示すように、屋外に設置される柱上電子機器放熱構造１０では、風雨により放熱フィン２が破壊する恐れがあることから、放熱フィン２群の側方に補強ガイド１４を設けたことを特徴としている。補強ガイド１４は、上下に通気口を有するフレーム構造をしている。このように補強ガイド１４を放熱フィン２群の側方に設けることにより、屋外設置した場合でも台風等による強風の影響および飛来物の衝突の影響を抑制することができる。つまり、耐環境性が向上する。
なお、この電子機器放熱構造１０を吸気口および排気口を有する筐体内に収納しても良い。

１ ヒートパイプ、２ 放熱フィン、３ 受熱板、４ 放熱器、５ カバー、６ 収納容器、７ 高許容温度機器、８ 低許容温度機器、９ 配線、１０ 電子機器放熱構造、１１ 導風板、１２ 通路、１３ 断熱部、１４ 補強ガイド。

Claims (6)

1. 複数の電子機器が取り付けられた受熱板と、
   前記受熱板に放熱フィンを有するヒートパイプが設けられた放熱器と、
   前記放熱器をそれぞれ有する複数の収納容器とを備えた電子機器放熱構造であって、
   複数の電子機器が機器の許容温度帯により分けられて、それぞれ異なる収納容器に収納され、
   高温の許容温度帯に属する電子機器を収納する収納容器が、低温の許容温度帯に属する電子機器を収納する収納容器よりも上方の位置に配設され、
   前記受熱板は四角形であり、
   上方から見て、複数の前記収納容器のそれぞれは、それぞれの受熱板の四角形の辺の方向が揃うように積層され、かつ、それぞれの受熱板に設けられた前記ヒートパイプが異なる方向に面する辺から突出するように設けられて、
   隣接する収納容器の放熱フィンが収納容器積層方向に重ならないように配設されたこと
   を特徴とする電子機器放熱構造。
2. 上方から見て前記受熱板の一辺からは複数のヒートパイプが略水平に突出して配設され、当該複数のヒートパイプの各端部に共通の放熱フィンが取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の電子機器放熱構造。
3. 各収納容器間に断熱部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器放熱構造。
4. 前記ヒートパイプは、受熱板取付部に対し放熱フィン取付部が上方に位置するように曲げられていることを特徴とする請求項１記載の電子機器放熱構造。
5. 前記放熱フィンを前記収納容器ごと囲繞し、前記放熱フィンの上下に通気口を有する補強ガイドを各収納容器のそれぞれに設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器放熱構造。
6. 前記ヒートパイプは、両端に前記放熱フィンの取付部を有し、前記両端の取付部の中央が前記受熱板に取り付けられて、前記両端の取付部のそれぞれが上方から見て前記受熱板の異なる辺から突出していることを特徴とする請求項１記載の電子機器放熱構造。

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