JP5540693B2

JP5540693B2 - 冷却ファン及び電子機器

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Publication number: JP5540693B2
Application number: JP2009290782A
Authority: JP
Inventors: 知行三井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011132825A

Description

本発明は、内部装置の冷却に用いる冷却ファン、より詳しくは、回転軸に対して角度可変の羽を備え、冷却機構の冗長化に適した冷却ファン、及びこれを備える電子機器に関する。

コンピュータ装置などの電子機器は、近年では、従来にも増して高性能及び高機能が要求されている。この要求に応えるため、機器の内部のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit、大規模集積回路）などの電子部品や高密度実装に伴う全体の発熱により、電子機器の内部はより高温となりやすく、これらの高温となる部材の冷却方法が、機器の品質に影響を与える要因の一つとなっている。
電子機器内部の冷却における品質向上の方法の一つとして、たとえば、複数の冷却回転ファンを直列実装するなど、冷却回転ファンを複数設けて強制空冷を行うことによる冷却機構の冗長化があり、現在の殆どのコンピュータ装置に採用されている。

冷却機構の冗長化には、メンテナンス頻度の低減や、装置の使用不能状態の発生を低減する等いくつかのメリットがある。しかし、冗長化についてはまだ解決すべき課題が存在する。
例えば、冗長化の一方法として複数の冷却回転ファンを直列実装した場合、そのうちの１つが異常などにより停止すると、停止した冷却回転ファンの羽が、冗長稼動している他の冷却回転ファンからの冷却風の物理的障害となり、通風抵抗が上昇する。これは、電子機器の冷却性能の低下につながり、冗長化の目的が充分に果たせないことがある。

この問題に対して、特許文献１には、回転軸の停止時に送風フィン（羽）が回転軸の円周方向に向かって倒れこむ冷却回転ファンが提案されている。この冷却回転ファンでは、送風フィンは形状記憶性素材で形成され、回転軸の回転時には、当該回転軸の半径方向外方に向かって立ち上がるという。

特開２００８−１４４６８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷却回転ファンでは、フィンを形成する材料の形状記憶性によって送風時と停止時のフィンの形状を切り替えるので、形状の安定性が充分でない場合があり、冷却機能や冗長化についても安定しにくいことがあるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、冷却機能と冗長化がより高いレベルで両立された冷却ファンを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、冷却機能と冷却機構の冗長化とがより高いレベルで両立された電子機器を提供することである。

本発明の第一の態様である冷却ファンは、所定の回転軸回りに回転する冷却ファンであって、自身の軸線から離間する方向に突出する係合部を有し、前記回転軸と同軸に取り付けられた内軸と、前記内軸と同軸に配置され、前記内軸に対して前記回転軸回りに相対回転可能な筒状の外軸と、送風面と、前記係合部と係合する被係合部とを有し、前記外軸に回動可能に取り付けられた複数の羽根部材とを備え、前記羽根部材は、前記送風面が前記外軸の外周面から離間した第１の位置と、前記第１の位置よりも前記送風面が前記外周面に接近した第２の位置との間で回動可能であり、前記内軸が前記外軸に対して第１の方向に相対回転するときは、前記係合部と前記被係合部とが係合して前記羽根部材が前記第１の位置に回動し、前記内軸が前記外軸に対して前記第１の方向と反対の第２の方向に相対回転するときは、前記係合部と前記被係合部とが係合して前記羽根部材が前記第２の位置に向かって回動することを特徴とする。

本発明の第二の態様である電子機器は、本発明の冷却ファンが複数直列配置され、複数の前記冷却ファンの少なくとも１つが停止して通風抵抗が上昇したときに、他の前記冷却ファンが発生させる風の風圧を受けて、停止した前記冷却ファンの前記内軸が前記外軸に対して前記第２の方向に相対回転し、前記通風抵抗を小さくすることを特徴とする。

本発明の冷却ファンによれば、冷却機能と冗長化をより高いレベルで両立することができる。
また、本発明の電子機器によれば、冷却機能と冷却機構の冗長化とがより高いレベルで両立された構成とすることができる。

本発明の一実施形態の冷却ファンの配置例を示す斜視図である。同冷却ファンを分解して示す斜視図である。同冷却ファンの外軸を示す平面図である。（ａ）及び（ｂ）は、いずれも同冷却ファンにおける羽根部材と内軸との係合態様を示す図である。同冷却ファンの通常運転時における動作を示す図である。同冷却ファンの通常運転時における動作を示す図である。同冷却ファンの停止時における動作を示す図である。同冷却ファンの停止時における動作を示す図である。本発明の冷却ファンの効果を概念的に示すグラフである。本発明の冷却ファンを電子機器に適用した例を示す斜視図である。

本発明の一実施形態について、図１から図１０を参照して説明する。図１は本実施形態の冷却ファン１を示す図である。
冷却ファン１は、所定の回転軸回りに回転することにより送風を行うもので、冷却機能の冗長化に好適に使用できるものである。冗長化に使用される場合は、図１に示すように、複数の冷却ファン１を互いの回転軸が同軸（略同軸を含む）となるように直列配置するのが好ましい。

図２は、冷却ファン１を分解して示す斜視図である。冷却ファン１は、回転軸を有するフレーム１０と、フレーム１０に取り付けられた内軸２０と、内軸２０と同軸に取り付けられた外軸３０と、外軸３０に取り付けられた複数の羽根部材４０とを備えている。

フレーム１０は、概ね公知の構成を有し、筒状の枠体１１と、枠体１１の軸線付近に設けられた駆動部１２とを有する。駆動部１２は、図示しないモータ等の駆動機構を有し、枠体１１の軸線と一致（略一致を含む）する位置に配置された図示しない回転軸を回転させることができる。駆動部１２と回転軸とは直接接続されていてもよいし、ギヤや無端ベルト等の伝達部材を介して接続されていてもよい。

内軸２０は、有底の円筒状に形成された部材であり、外周面２１と、中心軸２２とを有する。中心軸２２は、回転軸と同軸となるように回転軸に接続される。回転軸と中心軸２２との接続方法には特に制限はなく、例えば筒状の回転軸に棒状の中心軸２２が挿入嵌合されてもよいし、棒状の回転軸が筒状の中心軸に挿入されてもよい。また、中心軸が筒状に形成される場合は、内軸２０が略円柱状に形成されてもよい。さらに、その他の方法で回転軸と中心軸２２とが接続されてもよい。内軸２０は、中心軸２２が回転軸に接続されているため、駆動部１２が回転軸を回転させると、回転軸回りに回転される。

外周面２１には、複数の係合部２３が中心軸２２から離間する方向に突出して形成されている。係合部２３は、後述する羽根部材４０の被係合部と係合することにより、羽根部材４０を回動させる機能と、内軸２０と外軸３０とを一体に回転させる機能との２つの機能を発揮する。
係合部２３の形状は、上述の２つの機能を発揮できる程度に被係合部と係合可能であれば特に制限はない。本実施形態では、係合部２３は、中心軸２２の延在方向に延びる板状に形成されている。

外軸３０は、外周面の断面形状が八角形、内周面の断面形状が円形の筒状に形成されている。外軸３０は、内軸２０を自身の内腔に収容するようにして内軸２０に取り付けられる。外軸３０は、例えば図示しないベアリング等の機構を介して内軸２０と同軸に接続されており、内軸２０の係合部２２と羽根部材４０の被係合部が係合していない状態では、内軸２０に対して回転軸回りの両方向に相対回転可能である。

図３は、外軸３０の平面図である。外軸３０の外周面を構成する８つの平面３１の各々には、羽根部材４０を取り付けるためのヒンジ部３２と、被係合部が挿通される貫通孔３３が形成されている。なお、図３においては、図面を見やすくするため、１つの平面３１についてのみヒンジ部３２及び貫通孔３３を示し、他の平面３１においては省略している。
ヒンジ部３２は、平面３１の長手方向に延びる２辺にそれぞれ一箇所形成されて一組となっている。一組のヒンジ部３２を結ぶ直線Ｌ１は、外軸３０の軸線に対して角度をなすように傾斜しており、直線Ｌ１が羽根部材４０の回動軸となる（以降の説明において、直線Ｌ１を「回動軸Ｌ１」と称することがある。）。
貫通孔３３は、直線Ｌ１に直交する方向に延びる長孔であり、平面３１を貫通して外軸３０の内腔に達している。貫通孔３３は、直線Ｌ１の延在方向に離間して２箇所形成されている。

羽根部材４０は、図１に示すように平板状の部材であって、表裏２つの送風面４１を有し、外軸３０外周面の各平面３１に１つずつ取り付けられている。したがって、本実施形態では、羽根部材４０は８枚設けられている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、各々の羽根部材４０は、ヒンジ部３２に取り付けられる軸部４２と、貫通孔３３に挿通される被係合部４３を有する。各羽根部材４０は、被係合部４３が貫通孔３３に挿入されて外軸３０の内腔に突出した状態で、軸部４２がヒンジ部３２に挿入されることにより外軸３０に取り付けられている。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５、及び図７では、図を見やすくするために、羽根部材４０を一枚だけ示して残りは省略している。

外軸３０に取り付けられた各羽根部材４０は、被係合部４３と内軸２０の係合部２３とが係合することにより、回動軸Ｌ１回りに所定の範囲で回動可能である。羽根部材４０が回動軸Ｌ１回りに回動すると、羽根部材４０が取り付けられた平面３１と羽根部材４０の送風面４１とのなす角度が変化し、冷却ファン１全体としての通風抵抗が変化する。
なお、冷却ファン１使用時の羽根部材４０の動きについては、後述する冷却ファン１の使用時の動作において詳しく説明する。

上記のように構成された本実施形態の冷却ファン１の使用時の動作について説明する。
冷却ファン１の通常運転時には、駆動部１２が回転軸を図５に示す第１の方向Ａ１に回転させる。すると、回転軸とともに内軸２０が回転軸回りに第１の方向Ａ１に回転する。

内軸２０が方向Ａ１に回転すると、各係合部２３が各羽根部材４０の一対の被係合部４３のうち、方向Ａ１においてより前方に位置する被係合部４３Ａに係合する。係合部２３は、駆動部１２の駆動力によってさらに被係合部４３を方向Ａ１に向かって押圧する。その結果、羽根部材４０は、回動軸Ｌ１回りに回動して、図５及び図６に示すように、軸部４２が設けられた端部と反対側の端部が外軸３０の平面３１から離間するように立ち上がる。これが各羽根部材４０の第１の位置である。各羽根部材４０が第１の位置にあるときは、冷却ファン１が回転軸回りに回転することによって、送風面４１により効率よく送風を行うことができる。各羽根部材４０が第１の位置まで回動した後は、内軸２０と外軸３０とが一体となって第１の方向Ａ１に回転する。

図１のように冷却ファン１が２台直列配置されている状態において、例えば一方の冷却ファン１Ａが駆動部１２のトラブル等により停止した場合、回転軸の回転が停止して内軸２０及び外軸３０も回転を停止する。
このとき、他方の冷却ファン１Ｂは、通常運転を継続している。冗長化のために冷却ファンを直列配置する場合、各々の冷却ファンが同一方向に送風（すなわち同一方向に回転）するように配置される。その結果、停止した冷却ファン１Ａの羽根部材４０は、送風面４１に冷却ファン１Ｂが発生させる風の風圧を受けて、外軸３０のみが第１の方向Ａ１に回転する。

図７に示すように、外軸３０のみが方向Ａ１に回転するとき、内軸２０は回転を停止しているので、内軸２０は、外軸３０に対して、方向Ａ１と反対回りの第２の方向Ａ２に相対回転することになる。その結果、被係合部４３Ａと係合していた各係合部２３は、被係合部４３Ａから離間し、各羽根部材４０におけるもう一方の被係合部４３Ｂに接近して係合する。さらに外軸３０が方向Ａ１に回転すると、図７及び図８に示すように、被係合部４３Ｂが係合部２３を方向Ａ１に向かって押圧し、羽根部材４０は回動軸Ｌ１回りに回動して、送風面４１が外軸３０の平面３１に接近するように倒れこむ。これが羽根部材４０の第２の位置である。羽根部材４０が第２の位置にあるときは、羽根部材４０が第１の位置にあるときよりも通風抵抗が小さくなっており、停止していても、冷却ファン１Ｂの冷却効率を低下させにくい。

冷却ファン１が停止した状態において、内軸２０は回転しないように固定されてもよいし、回転軸回りに自由に回転するように構成されてもよい。
内軸が固定されている場合、各羽根部材４０が第２の位置に移動したところで、外軸２０は停止し、冷却ファン１Ｂの風圧によって、係合部２３と被係合部４３Ｂとが係合した状態が保持される。
一方、内軸２０が自由回転可能に構成された場合、方向Ａ１に回転した外軸３０は、内軸２０を方向Ａ１に押圧する。そして、羽根部材４０が第２の位置に保持されつつ、外軸３０と内軸２０とが一体となって方向Ａ１に回転する。
このような回転を可能にするためには、羽根部材４０が第２の位置にあるときに、一対の被係合部４３の少なくとも一方が係合部２３と係合可能な程度に外軸３０の内腔に突出している必要があるが、この場合、停止した冷却ファン１Ａの通風抵抗をさらに小さくすることができる。

図９は、本発明の冷却ファンの効果を概念的に示すグラフである。縦軸Ｐは静圧を示し、横軸Ｑは風量を示している。曲線Ｃ１は、羽根部材が固定された従来型ファンがある電子機器に２台直列配置された状態において、うち１台が故障により停止したときの通風抵抗曲線を示す。曲線Ｃ２は、本発明の冷却ファン（例えば冷却ファン１）が当該電子機器に２台直列配置された状態において、うち１台が故障により停止したときの通風抵抗曲線を示す。曲線Ｃ３は、本発明の冷却ファンが当該電子機器に２台直列配置されて通常運転されているときの通風抵抗曲線を示す。
なお、以下の説明においては、従来型ファンの風量・静圧特性は、本発明の冷却ファンにおいて各羽根部材が第１の位置に保持されて通常運転されているときの風量・静圧特性と同一とする。

冷却ファンが２台とも通常運転されている場合、通風抵抗はもっぱら冷却ファンが配置された電子機器に依存し、当該電子機器における内部装置の配置や実装度等によって決定される。この場合の風量は、冷却ファン２台が通常運転されている時の風量・静圧特性を示す曲線Ｇ２（図９参照）と曲線Ｃ３との交点の横軸座標Ｑ３として示される。

２台の冷却ファンのうち一台が停止すると、停止した冷却ファンの通風抵抗が上乗せされるため、通風抵抗曲線の傾きは大きくなり、冷却ファンが従来型である場合は曲線Ｃ１のように変化する。また、運転している冷却ファンが１台となるため、風量・静圧特性も曲線Ｇ１（図９参照）で示すように変化する。
したがって、従来型冷却ファン２台が配置され、そのうち１台が故障等により停止した時の風量は、曲線Ｇ１と曲線Ｃ１との交点の横軸座標Ｑ１として示され、上述のＱ３よりも大きく低下することがわかる。これは、冗長化自体は達成されているものの、冷却ファンの冗長稼動時における冷却効率が大きく低下することを意味する。

一方、本発明の冷却ファンが停止した場合、上述のように羽根部材が第２の位置に向かって回動して通風抵抗が減少されるため、通風抵抗曲線は曲線Ｃ１よりも傾きの小さい曲線Ｃ２のように変化する。したがって、本発明の冷却ファン２台が配置され、そのうち１台が故障等により停止した時の風量は、曲線Ｇ１と曲線Ｃ２との交点の横軸座標Ｑ２として示され、上述のＱ１の場合よりも冷却効率の低下が抑制される。

以上説明したように、本発明の冷却ファンによれば、故障等に停止した場合、直列配置された他の冷却ファンの風圧によって羽根部材が第２の位置に向かって回動し、羽根部材が送風に適した第１の位置にあるときよりも空気抵抗が小さくなり、停止による通風抵抗の増加を抑制する。その結果、冗長化の目的を達成しつつ、停止による冷却効率の大幅な低下を抑え、より高いレベルで冗長化と冷却効率とを両立させることができる。

また、本実施形態の冷却ファン１によれば、内軸２０に設けられた係合部２３と羽根部材４０に設けられた被係合部４３とが機械的に係合することにより、羽根部材４０が第１の位置と第２の位置との間で回動軸Ｌ１回りに回動される。したがって、羽根部材の位置の切り替えが確実に行われ、送風機能と通風抵抗の減少とをより確実に両立することができる。

さらに、被係合部４３は、外軸３０に設けられた貫通孔３３を通って係合部２３と係合しているので、貫通孔３３の形状を適宜設定することにより、第１の位置及び第２の位置を容易に設定することができる。

図１０は、本実施形態の冷却ファン１を電子機器１００に適用した例を示す図である。この例では、冗長化のために筒状風洞１０１の端部開口に２台の冷却ファン１を直列配置し、筒状風洞１０１内に放熱器１０３の取り付けられたＬＳＩ１０２が配置されている。これはあくまで一例であり、電子機器に筒状風洞が設けられていなくてもよいし、冷却される部品もＬＳＩに限定されない。また、２台の冷却ファン１は、完全な直列に配置される必要はなく、一方が停止した際に他方の風圧により外軸３０が回転可能であれば、配置態様は特に限定されない。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、内軸が外軸の内部に収容される例を示したが、内軸は外軸内に完全に収容される必要はなく、回転軸の延在方向において、一部が外軸の外に位置するように配置されてもよい。

また、外軸の平面数や羽根部材の数は、求められる冷却機能等にもとづいて適宜設定することが可能である。このとき、必ずしもすべての平面に羽根部材が取り付けられなくてもよい。
また、羽根部材の送風面や外軸の外周面の形状は平面に限られず、曲面状に形成されてもよい。
さらに、被係合部及び貫通孔の数も、上記実施形態の２つに限定されるものではなく、１箇所であっても、３箇所以上であってもよい。

さらに、羽根部材の回動範囲を規定する第１及び第２の位置は、適宜設定することが可能である。第１及び第２の位置の調節方法としては、上述した貫通孔の形状によるもののほか、被係合部の形状により調節する方法や、羽根部材と外軸とのなす角度が所定の値となった状態で外軸に当接して当該状態を保持するストッパを羽根部材に設けることにより調節する方法も挙げられる。
このとき、第２の位置の設定によっては、羽根部材が第２の位置に回動したときに係合部と被係合部との係合が外れる場合も考えられる。このような場合、羽根部材は常に第２の位置に保持されず、重力や遠心力等により第１の位置に向かってある程度回動するが、その過程において再び係合部と係合し、逐次第２の位置に向かって回動されるので、通風抵抗は一定量減少される。もちろん、羽根部材が第２の位置に回動した状態が保持される方が、通風抵抗の減少効果が安定し、より好ましい。

加えて、本発明の冷却ファンは、従来型の冷却ファンと組み合わせて電子機器に搭載されてもよく、この場合は、本発明の冷却ファンが１台だけ電子機器に配置されてもよい。ただし、搭載する冷却ファンをすべて本発明の冷却ファンとするほうが、冗長稼動時の通風抵抗減少効果がより確実となることは言うまでもない。

１、１Ａ、１Ｂ冷却ファン
２０内軸
２３係合部
３０外軸
３３貫通孔
４０羽根部材
４１送風面
４３、４３Ａ、４３Ｂ被係合部
１００電子機器

Claims

所定の回転軸回りに回転する冷却ファンであって、
自身の軸線から離間する方向に突出する係合部を有し、前記回転軸と同軸に取り付けられた内軸と、
前記内軸と同軸に配置され、前記内軸に対して前記回転軸回りに相対回転可能な筒状の外軸と、
送風面と、前記係合部と係合する被係合部とを有し、前記外軸に回動可能に取り付けられた複数の羽根部材と、
を備え、
前記羽根部材は、前記送風面が前記外軸の外周面から離間した第１の位置と、前記第１の位置よりも前記送風面が前記外周面に接近した第２の位置との間で回動可能であり、
前記内軸が前記外軸に対して第１の方向に相対回転するときは、前記係合部と前記被係合部とが係合して前記羽根部材が前記第１の位置に回動し、前記内軸が前記外軸に対して前記第１の方向と反対の第２の方向に相対回転するときは、前記係合部と前記被係合部とが係合して前記羽根部材が前記第２の位置に向かって回動することを特徴とする冷却ファン。
前記羽根部材が前記第２の位置まで回動したときに、前記係合部が前記被係合部との係合状態を保持し、前記羽根部材が前記第２の位置に保持されることを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。
前記外軸は、外周面に貫通孔を有し、前記被係合部は、前記貫通孔を通って前記外軸の内腔側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。
請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却ファンが複数直列配置され、
複数の前記冷却ファンの少なくとも１つが停止して通風抵抗が上昇したときに、他の前記冷却ファンが発生させる風の風圧を受けて、停止した前記冷却ファンの前記内軸が前記外軸に対して前記第２の方向に相対回転し、前記通風抵抗を小さくする
ことを特徴とする電子機器。