JP5972354B2 - 電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水平方向に実装されたパワーエレクトロニクス及び／又はいわゆるエンベッデッドシステムの、電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリの冷却装置に関する。この場合、コンポーネント及び／又はアセンブリは、例えば表面実装（ＳＭＴ）及び／又はいわゆるスルーホール実装（ＴＨＴ）のような実装技術を利用して、基板もしくはプリント配線板上に取り付けられ、その際、基板もしくはプリント配線板は実装側と冷却体側とを有する。基板の冷却体側には冷却体が設けられており、これは例えば高い損失電力を有するコンポーネント及び／又はアセンブリの冷却に用いられる。

背景技術
エレクトロニクスの開発ならびにとりわけ電子コンポーネントの進化の特徴は、半導体技術が導入されて以来、コンポーネント及び複数のコンポーネントから成るアセンブリも、コンポーネント／アセンブリが内部に組み込まれる機器も、小さくなり続けている点にある。

一般に、電子コンポーネントや電子アセンブリは、いわゆる表面実装技術（ＳＭＴ）あるいはいわゆるスルーホール実装技術（ＴＨＴ）によって、プリント配線板とも称する基板に取り付けられる。この場合、基板は、電子コンポーネント及び電子アセンブリのための支持体であり、これは例えばいわゆるリフローはんだ付けによって、実装プロセス中に基板に機械的に取り付けられる。基板は、コンポーネント及び／又はアセンブリから成る回路に必要とされる電気的な接続いわゆる導体路も有している。コンポーネント及び／又はアセンブリを備えた１つまたは複数の基板はケーシングに組み込まれ、このケーシングとともに１つの電子デバイスを形成し、これを保持装置に取り付けることができる。

電子デバイスのために普及している保持装置は、例えばいわゆる１９インチラックである。このラックは、規格化された１９インチ幅の電子デバイスのためのフレームであり、このラックに取り付け可能な個々のデバイスは、４６．２６ｃｍのフロントプレート幅を有している。このラックのいわゆるバーティカルユニット（vertical unit）は４．４４５ｃｍないしは１．７５インチとして規定されており、その際、１つのラックは一般に複数のバーティカルユニットを有している。コンピュータセンタには例えば高さ２メートルのラックが設置されていることも多く、そのようなラックには例えば４２個のバーティカルユニットが含まれている。１９インチラックについて記述されている規格は、例えばEIA 310-D, IEC 60297, DIN 41494 SC48Dなどである。ラックの規格が定められていることによって、それらの規格ないしはそこで規定されている寸法にも対応しているかぎり、任意の電子デバイスをラックに組み込むことができる。

保持フレームの仕様に基づき、電子デバイス及びそこに装着されている基板が、そのラックフォーマットに合わせて製造される。その結果、デバイスの高さがまえもって定まり、ひいては基板のデザインや装着の仕方もまえもって定まる。したがってコンポーネントやアセンブリは水平方向に構成され、すなわち基板は一般に、コンポーネント及び／又はアセンブリが装着される面いわゆる実装側を１つだけ有している。

電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリを稼動させる場合、それらの効率が制限されていることから損失が発生し、そのような損失は一般に熱として放出される。これは殊に電力用の電子コンポーネント（例えばリレー、サイリスタ、コンバータなど）の場合に問題となる。ただし放熱は、例えば集積回路（ＩＣ）やトランジスタ、ダイオード、電界効果トランジスタなどのような半導体エレクトロニクスにおいても、ますます重要になってきており、待機電流が比較的大きく、それ相応に熱が発生するいわゆるディープサブミクロン半導体素子において殊に、いっそう重要になってきている。例えば大きい電流に起因して基板の導体路においても熱が発生するし、及び／又は例えば周波数が高いときにコンデンサのところにも熱が発生する。

高度なエレクトロニクス集積を行うと、例えばデバイスの構造及び／又は例えばいわゆるエンベッデッドシステムの場合のように換気に関する制約に起因して、コンポーネント及び／又はアセンブリの損失電力がたとえ僅かであってもすでにデバイスの信頼性に影響を及ぼすおそれのある熱が、それらのコンポーネント及び／又はアセンブリにおいて発生する可能性がある。熱の発生もしくはコンポーネント及び／又はアセンブリの損失電力による障害を回避するために、適切な冷却ないしは放熱について配慮しなければならない。デバイスの高度な信頼性が重要となる例えば衛星技術などの分野においては殊に、このことが重要な問題となる。

ある程度までは、コンポーネント及び／又はアセンブリの損失熱を基板自体から放出させることができる。この場合、電気的に絶縁性の材料（例えば繊維強化プラスチック等）から成り、電気導体が塗布されていることから例えば多くの銅を有する基板は、例えばいわゆる冷却体として動作する。コンポーネント（例えば電力用電子コンポーネント等）の損失熱出力がいっそう大きくなると、熱を排出して障害のない機能が得られるようにするには、基板は冷却体としてはもはや不十分である。

このため損失熱出力がいっそう大きい場合には、例えばいわゆるボトムサイドクーリング方式に従い、基板においてコンポーネント及び／又はアセンブリが装着された側とは反対側に、別個の冷却体が取り付けられる。基板におけるこの側を、冷却体側と称することもできる。この場合、損失熱は例えばいわゆるサーマルビアにより支援されて基板を通って冷却体へと導かれ、冷却体から例えば熱放射及び／又は対流によって、周囲の冷却媒体（例えば空気など）へ送出される。一般に冷却体は、熱伝導性のよい金属（例えばアルミニウム、銅など）から成り、できるかぎり多くの熱を放出させる表面（例えばウェブ、リブなど）を有していることが多い。冷却体として、電子デバイスのケーシングの一部を利用する場合もある。冷却体において、いわゆるパッシブな冷却体とアクティブな冷却体を区別することができる。

パッシブな冷却体はまずは対流によって作用し、つまり周囲の空気が加熱されて周囲空気が比較的軽くなって上昇し、その結果、空気流が発生して、比較的冷たい空気があとから流れる。ただしパッシブな冷却体は、例えば１９インチラックに収納されたデバイスの場合のようにコンポーネント及び／又はアセンブリが水平方向に組み込まれる場合には特に、自然な対流による熱の搬送が殊に高さが比較的低いことによりきわめて少ない、という欠点を有している。つまりこの場合、損失熱による障害を回避するためには、ないしは信頼性を損なわないようにするためには、自然な対流では不十分である。

特に水平方向での組み込みの場合に対流を改善し、ひいてはコンポーネントもしくはアセンブリの冷却を達成するために、いわゆるアクティブな冷却体が使用される。例えばDE 198 06 978 A1に記載されているようなアクティブな冷却体には、適切な空気流を発生させるために１つまたは複数の軸流ファンが設けられており、これによればインペラの回転軸が空気流に対し平行にもしくは軸線方向に延在している。軸流ファンの配置ゆえに（例えば冷却体の側方、回転軸はケーシングと平行に延在）、軸流ファンは高さの低いケーシング内で小さい直径を有していることが多く、したがって相応の冷却を生じさせるためには、かなり高い回転数で駆動させなければならない。軸流ファンを使用することの問題点は、ノイズがかなり大きいことである。ノイズの発生とともに欠点となるのは、回転数が高いことから寿命が短くなること、埃や塵などによって加熱が発生し、それによってファンが停止し、ひいては電子デバイスに障害が引き起こされるおそれがあることである。

例えばラップトップコンピュータなどのようにスペースが狭い状況において、高性能のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）のグラフィックカードやプロセッサ等を冷却するために、あるいは高密度に実装された電力用エレクトロニクスユニットにおいては、いわゆるヒートパイプ方式が用いられる。この場合、たいていは銅によって製造されているいわゆるヒートパイプから冷却体へ向けて、コンポーネント、アセンブリ、基板等からの熱が搬送される。例えばグラフィックカード "Nvidia GeForce GTX 470" のようなＰＣ用の高性能グラフィックカードの場合、例えばヒートパイプは冷却体とヒートパイプの側方に配置されたラジアルファンによって補われている。さらに従来技術の文献としてUS 4, 027, 206、US 2009/019039 A1あるいはUS 5 663 868が挙げられる。

このような配置構成はNvidia GeForce GTX 470に関して、例えばホームページhttp://www.bit-tech.netのhttp://www.bit-tec.net/hardware/graphics/ 2010/03/28/nvidiageforce-gtx-470-l-1280mb-review/2、あるいはインターネットサイトhttp : //www. computerbase. de/artikel/grafikkarten /2010/testnvidia-geforce-gtx-470/3/に示されている。側方に配置されたラジアルファンによって、空気または冷却媒体が駆動軸に対し平行または軸線方向に吸引され、ラジアルインペラの回転により９０°向きを変えられて半径方向に吐出される。たしかにこのようなラジアルファンにより、熱せられた空気はケーシングから押し出されるが、冷却体及び／又はヒートパイプを冷却するための空気流は形成されない。つまりラジアルファンによる空気の案内もしくは吸引作用は部分的にしか利用されず、コンポーネントの冷却のためにはほとんど使われないため、いわゆるホットスポットすなわち加熱の強まった個所が発生するリスクがある。

発明の概要
したがって本発明の課題は、電子デバイスの高さが低い場合でも電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリを高い信頼性で効率的かつ比較的ノイズを抑えて冷却できるようにする装置を提供することにある。

本発明によればこの課題は、基板の装着面にカバーが設けられた冒頭で述べた形式の装置において、以下の構成により解決される。この場合、基板と冷却体との間に、例えば空気などの冷却媒体のためのガイドダクトが設けられており、基板は少なくとも１つの開口部を有している。この少なくとも１つの開口部の上方にファンが取り付けられており、このファンによって形成された冷却媒体の冷却流が冷却媒体のためのガイドダクトを通って基板の下方を案内されるとともに、基板の実装側上方も案内される。

本発明により提案される解決手段の主要な着想は以下の点にある。すなわち本発明による装置によれば、少なくとも１つのファンにより例えば空気等の冷却媒体の冷却流が形成され、冷たい冷却媒体がガイドダクトを通り基板の実装側上方に吸引され、ついで流れの作用で、及び／又はファンを用いることで、加熱された冷却媒体が例えば電子デバイスのケーシングから放出される。この場合、冷却媒体にそれ相応の流れを生じさせるために、例えば低速回転のファンを使用することができる。これにより、例えば冷却体側方に配置された比較的小さい軸流ファンよりも著しく小さいノイズレベルが達成される。しかも本発明による装置によれば、ファンの回転数が低速であることから装置の寿命が延び、ひいては過剰な温度や過熱によるコンポーネントもしくはアセンブリの故障や障害が著しく低減される。

本発明による装置のさらに別の利点は、電子コンポーネントもしくは電子アセンブリから基板の両面で、つまり実装側上でも冷却体面上でも、損失電力もしくは損失熱を冷却媒体へ送出することができる。これに加えて本発明による装置によれば、基板を冷却体として、及び／又は冷却体に加えて、大面積で両面において冷却に利用することができる。これにより効率的な冷却が簡単に達成され、信頼性の高い電子デバイスの動作が得られる。つまりは本発明による装置によって、効率的なサーマルマネージメントないしは放熱に対するマネージメントを容易に実現することができ、これによればホットスポットも回避される。冷却における効率がいっそう高まることによって電力密度を高めることができるとともに、冷却のためのエネルギー消費の節約が可能となり、つまりは付加的に電子デバイスのコストも低減される。

本発明による装置によれば、冷却媒体の冷却流は基板の実装側上方へ案内され、及び／又は過熱された冷却媒体の放出がカバーを利用して行われる。この場合、冷却流を最適かつ効率的に案内する目的で、ファンは、あるいは複数の開口部が基板に設けられているならば、開口部ごとに１つのファンが、有利には実装側つまり天井側でカバーに取り付けられている。つまり、１つまたは複数のファンによって、冷却媒体が基板の方向から吸引され、さらに基板における少なくとも１つの開口部を通して吸引される。加熱された冷却媒体例えば空気は一般に上へ向かって流れていく、という作用もここでは利用され、このことによって冷却のためのエネルギーとコストを節約することができる。

カバーを例えば付加的に中間面によってそれぞれ２つのチャンバに分割することができ、この場合、基板実装側近くに位置する下部チャンバは、実装側上方への冷たい冷却媒体の搬送を支援する。例えばデバイスケーシングに近い方の上部チャンバは、加熱された冷却媒体の放出に利用することができる。この目的で、カバーは理想的には上方の外側側縁及び／又は側面に、例えばスリット状または矩形状に形成された開口部を有しており、この開口部を介して、加熱された冷却媒体が例えばデバイスから放出される。冷却媒体を案内する際、カバーを使用もしくはカバーにより支援することによって、例えば冷たい冷却媒体と熱せられた冷却媒体とが分離され、加熱された冷却媒体が所期のように放出される。

カバーは有利にはプレキシガラスまたはアクリルガラスあるいはポリメチルメタクリレートから成り、これはガラスと類似した熱可塑性の合成プラスチックである。プレキシガラスはミリケルビンあたり約０．１９Ｗの熱伝導性を有している。プレキシガラスは、他と比べて天候及び老化に耐性があり、接着剤や溶接による接合が可能であり、しかも比較的軽い、という利点も有している。これに対する代案として、電子デバイスのケーシング上部をカバーとして用い、ファンの取り付けに利用するだけとすることも可能である。この場合、材料として例えばアルミニウムを使用することができる。アルミニウムは加工が容易であり、導電性と熱伝導性が良好である。

さらに好適であるのは、ファンにより形成される冷却流が、放射状に、すなわちある点から直線で延びて、もしくは放射に沿って、基板の少なくとも１つの開口部に向かう流れの方向を有することである。理想的には例えば、基板下方のガイドダクト内に存在する冷却媒体は、基板の開口部に向かって流れ、ファンにより開口部を通って吸引される。これは付加的にポジティブな効果を有しており、すなわち流れの速度はいわゆる煙突効果によって速められ、これは例えば冷却媒体の温度が最も高い個所で発生する。したがって加熱された冷却媒体は、いっそう迅速にコンポーネント及びアセンブリから離れて案内され、これにより場合によっては温度の過剰上昇が低減される。

その際にとりわけ有利であるのは、ベンチレータとしてラジアルファンを使用することである。なぜならば、同じ量の冷却媒体であってもラジアルファンによって、いっそう大きな圧力上昇が達成されるからである。ラジアルファンの場合、冷却媒体（例えば空気等）は、ラジアルファンの駆動軸に対し平行もしくは軸線方向に吸引され、ついでインペラの回転により９０°向きが変えられて、半径方向に吐出される。カバー上面にファンを取り付けることによりファンは理想的なかたちで、例えばカバーの下部チャンバから基板上方の冷却媒体を吸引し、さらに冷却媒体のガイドダクトから基板の開口部上方に向かって吸引を行うことができる。その後、吸引された冷却媒体はそれ相応に向きが変えられ、例えばカバーの上部チャンバへと向きが変えられて放出される。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、基板に設けられた少なくとも１つの開口部は環状に形成されている。これにより基板に設けられた少なくとも１つの開口部が、その上方に取り付けられたファンの形状殊にラジアルファンの形状に簡単に整合される。このようにしてファン例えばラジアルファンは、基板に設けられた開口部上方の中央に垂直方向で冷却媒体を移動させることができ、つまり基板表面に対し直角に冷却媒体を移動させることができ、均質で最適な基板の冷却が達成される。その際、熱が著しく多く発生するコンポーネントもしくはアセンブリのために、基板下方の冷却体へのコネクションを設けて冷却を強めることができる。このようにすれば冷却体はデバイスの構造に応じて熱をじかに外部へ放出することができるし、あるいは下方のケーシング部分を介して熱を外部へ放出することができ、あるいは部分的にガイドダクト中の冷却流に向けて放出することができる。ただしガイドダクト内において冷却体上面にインシュレーション材料を取り付けることもでき、このインシュレーション材料により冷却体の熱がガイドダクト内の冷却媒体に放出されるのが回避され、それによってガイドダクト内の冷却流を、コンポーネント及び／又はアセンブリもしくは基板の冷却のためだけに利用できるようになる。

次に、添付の図面を参照しながら実施例に基づき本発明を説明する。

電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリを冷却するための本発明による装置を例示する概略図

図１には、例えば１９インチラックＲなどのようなラックＲが概略的に例示されており、このラックＲに電子デバイスが組み込まれている。この場合、ラックは電子デバイスを組み込むためのスライド式挿入部ＨＥを有しており、これは４．４４５ｃｍまたは１．７５インチの規格化された高さを有している。電子デバイスの上方と下方には例えば、電子デバイスのエネルギー供給のためのエネルギー供給ユニットＰＳが設けられている。

一例として略示されているこの電子デバイスには、電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリが装着された基板ＬＰが含まれている。ここで基板ＬＰは、コンポーネント及び／又はアセンブリが取り付けられる実装側と、冷却体側とを有している。基板ＬＰの冷却体側には冷却体ＫＫが設けられており、この冷却体ＫＫは殊に、かなり高い損失熱を伴うコンポーネント及び／又はアセンブリを冷却する役割を担っている。冷却体ＫＫには、熱放出面を拡大する目的で例えばリブなどを設けることができる。これらに加えて、著しく多くの熱を発生するコンポーネント及び／又はアセンブリの場合には、損失熱を冷却体ＫＫにダイレクトに伝達する目的で、基板ＬＰと冷却体ＫＫとの間に接続体を設けることができる。

基板ＬＰの冷却体側と冷却体ＫＫとの間にガイドダクトが存在しており、これは冷却媒体（例えば空気等）の搬送に用いられる。さらにガイドダクトには、電気的及び／又は熱的に絶縁するためにインシュレーション材料ＩＳを取り付けることもでき、これによってガイドダクト内の冷却媒体ＫＭに冷却体ＫＫの熱が放出されるのが回避され、その結果として、コンポーネント及び／又はアセンブリもしくは基板ＬＰを冷却するためだけに、冷却媒体ＫＭが用いられることになる。

基板ＬＰの実装側上方にカバーＡＢが取り付けられており、これは例えばプレキシガラスにより製造されており、冷却体とともに基板ＬＰのための一種のケーシングを成している。この場合、基板は例えば２つのチャンバを有しており、これらのチャンバは中間面を介して形成され、冷却媒体の効率的な搬送のために用いられる。下部チャンバは基板ＬＰの実装側を覆っており、基板ＬＰとは離れている上部チャンバは冷却媒体ＫＭの放出に用いられる。カバーＡＢの中間面には開口部が設けられており、カバーＡＢの上部カバーに取り付けられたファンＶ例えばラジアルファンＶがこの開口部に嵌め込まれている。冷却媒体の循環のためカバーＡＢの２つのチャンバを、中間面における開口部の領域でオープンな状態になるように形成することができる。

電子デバイスの基板ＬＰは少なくとも１つの開口部ＯＳを有しており、これを例えば環状に形成することができる。この開口部ＯＳの上方に、カバーＡＢの中間面の開口部とファンＶも設けられている。ファンＶによって、冷却媒体ＫＭの冷却流が形成される。この冷却流によって、冷たい冷却媒体ＫＭが電子デバイスの外側から吸引される。ついで冷却媒体ＫＭは、基板ＬＰの下方ではガイドダクトを通って搬送され、基板ＬＰの上方ではカバーの下部チャンバ内を開口部ＯＳの方向に搬送される。搬送中、冷却媒体ＫＭはコンポーネント及び／又はアセンブリの損失熱により基板ＬＰの上で加熱され、ないしはコンポーネント及び／又はアセンブリが冷却媒体ＫＭによって冷却される。

その後、基板ＬＰにおける開口部ＯＳの領域で、加熱された冷却媒体ＫＭが垂直方向で上方へ向かって、つまりカバーＡＢの上部チャンバの方向へ、ファンＶによって吸引される。基板ＬＰの開口部に対し垂直方向もしくは放射状ないしは半径方向に流れる向きが付加的に有する効果とは、加熱された冷却媒体ＫＭの流れの速度が高められることである。加熱された冷却媒体ＫＭはその後、ファンＶによりカバーＡＢの上部チャンバへと方向を変えられ、例えばカバーＡＢの後方端部及び／又はカバーＡＢの外側へ向かって案内される。電子デバイスのカバーＡＢの外面の上方側縁及び／又は後方外面に、スリット状もしくは矩形状に形成可能な開口部Ｓが設けられている。開口部Ｓを通して、加熱された冷却媒体ＫＭ例えば空気が吐出される。

冷却体ＫＫとファンＶにより形成された冷却流との組み合わせにより、損失熱の効率的な放出が達成され、基板ＬＰ上でいわゆるホットスポットの発生が回避され、すなわちコンポーネント及び／又はアセンブリに大きな熱が発生するのが回避される。冷却媒体ＫＭの冷却流が両面に流れることによって、基板ＬＰ自体も大面積で両面を冷却に利用することができる。ファンＶを基板ＬＰにおける開口部ＯＳの上に配置したことによって、低速で回転しつまりはノイズの少ないファン（例えばラジアルファン）を使用することができる。このようなファンは他と比べて寿命がかなり長く、したがって電子デバイスの信頼性をさらに高めることができる。

Claims (8)

1. 実装側と冷却体が設けられた冷却体側とを有する基板（ＬＰ）上に取り付けられている電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリを冷却するための冷却装置において、
   前記基板（ＬＰ）の実装側にカバー（ＡＢ）が設けられており、
   該カバー（ＡＢ）は、１つの中間面により形成された２つのチャンバを有しており、下部チャンバは前記基板（ＬＰ）の実装側を覆っており、
   前記基板（ＬＰ）と前記冷却体（ＫＫ）との間に、冷却媒体（ＫＭ）のためのガイドダクトが設けられており、
   前記基板（ＬＰ）は少なくとも１つの開口部（ＯＳ）を有しており、
   該少なくとも１つの開口部（ＯＳ）の上方にファン（Ｖ）が取り付けられていて、該ファン（Ｖ）により形成される前記冷却媒体（ＫＭ）の冷却流が、前記ガイドダクトを通って前記基板（ＬＰ）の下方を案内され、かつ前記カバー（ＡＢ）の下部チャンバ内で前記基板（ＬＰ）の実装側上方を案内され、
   加熱された前記冷却媒体の流れの向きが、前記ファンにより前記カバー（ＡＢ）の上部チャンバへと変えられ、さらに該カバー（ＡＢ）の外側に向かって案内され、
   前記基板（ＬＰ）は、１９インチラック内に収納された基板である、
   ことを特徴とする、電子コンポーネント及び／又は電子アセンブリの冷却装置。
2. 前記冷却流は前記基板（ＬＰ）の実装側上方を案内され、及び／又は加熱された前記冷却媒体（ＫＭ）の放出はカバー（ＡＢ）によって行われる、請求項１記載の装置。
3. 前記ファン（Ｖ）によって形成される冷却流は、放射状に前記基板（ＬＰ）の少なくとも１つの開口部（ＯＳ）に向かう方向を有する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記ファン（Ｖ）は前記カバー（ＡＢ）の、前記基板の実装側に向いた面に取り付けられている、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記ファン（Ｖ）はラジアルファンとして構成されている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記基板（ＬＰ）の少なくとも１つの開口部（ＯＳ）は環状に形成されている、請求項１から５のいずれか１項記載の装置。
7. 前記カバー（ＡＢ）は外縁及び／又は側面に開口部（Ｓ）、例えばスリット状の開口部を有している、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記カバー（ＡＢ）はプレキシガラスによって形成されている、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。

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