JP6447267B2

JP6447267B2 - ユニット装置

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Publication number: JP6447267B2
Application number: JP2015048455A
Authority: JP
Inventors: 厚遠藤; 英樹木村; 克彦中田; 佐藤　陽一; 陽一佐藤; 隆司浦井; 正英児玉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: EP3068204A1; US20160270206A1; JP2016170514A; EP3068204B1; US9750128B2

Description

本発明は、ユニット装置に関する。

サーバ等のユニット装置においては、内部のCPU(Central Processing Unit)等の発熱部品を冷却するためのファンが設けられる。発熱部品を効率的に冷却するには、ファンで生成した風の大部分を発熱部品に当てるのが有効である。

特開２００７−１３３７１２公報特開平６−１７７５６６号公報

しかしながら、ユニット装置の内部においてはメモリ等の電子部品や配線基板が密集しているため、発熱部品に風を当てるのが難しい。このような問題は、複数の発熱部品が一つのユニット装置内にある場合に特に顕在化する。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の発熱部品に多くの風を当てることが可能なユニット装置を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、水平方向に互いに離れて設けられた二枚の第１の回路基板と、二枚の前記第１の回路基板の各々に設けられた発熱部品と、二枚の前記第１の回路基板の間に間隔をおいて立てられ、かつ開口を備えた二枚の第２の回路基板と、二枚の前記第２の回路基板の間に設けられ、一方の前記第２の回路基板の前記開口から吸気を行い、他方の前記第２の回路基板の前記開口から排気を行うことにより、二枚の前記第１の回路基板上の各々の前記発熱部品を冷却するファンとを有するユニット装置が提供される。

以下の開示によれば、第２の回路基板を二枚設けることにより、一枚のみしか第２の回路基板を設けない場合と比較して第２の回路基板の総表面積が増えるので、第２の回路基板において配線を引き回す余裕が増える。

そのため、配線と重ならないように第２の回路基板に開口を大きく形成することができ、第２の回路基板の各々の上の発熱部品に多くの風を当てることが可能となる。

図１は、本願発明者が検討した第１例に係るユニット装置の上面図である。図２は、本願発明者が検討した第１例に係るユニット装置の断面図である。図３は、本願発明者が検討した第２例に係るユニット装置の断面図である。図４は、本願発明者が検討した第３例に係るユニット装置の断面図である。図５は、第１実施形態に係るユニット装置の上面図である。図６は、第１実施形態において、二つの発熱部品の位置関係を示す拡大平面図である図７は、第１実施形態に係るユニット装置の断面図である。図８は、第２実施形態に係るユニット装置の上面図である。図９は、第３実施形態に係るユニット装置の断面図である。図１０は、第３実施形態に係るユニット装置の構成を示す模式斜視図である。図１１は、第３実施形態で使用する第２の回路基板とファンの正面図である。図１２は、第３実施形態において、開口と発熱部品との位置関係を模式的に示す拡大上面図である。図１３は、第４実施形態に係るユニット装置の上面図である。図１４は、第４実施形態に係るユニット装置の断面図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

（第１例）
図１は、本願発明者が検討した第１例に係るユニット装置の上面図である。

このユニット装置１は、例えばサーバであって、筐体２とその中に収容された第１の回路基板３及び第２の回路基板４とを有する。

第１の回路基板３は水平面内に設けられており、その上には発熱部品６としてCPUが設けられる。また、発熱部品６の上には、当該発熱部品６の放熱を促すヒートシンク等の放熱器６ａが固着される。

そして、その発熱部品６の周囲の第１の回路基板３にはメモリ等の第１の電子部品５が設けられる。

第１の回路基板３は、このように第１の電子部品５や発熱部品６を搭載するための回路基板として供せられる。なお、第１の電子部品５や発熱部品６に電源を供給するために、筐体２内には電源回路７も設けられる。

一方、第２の回路基板４は、筐体２内において鉛直方向に立てて設けられており、複数の開口４ｘを備える。

そして、筐体２の背面２ａ側には、発熱部品６を冷却する風Aを生成するための複数のファン８が設けられる。その風Aは、前述の各開口４ｘを通って発熱部品６にまで至り、その発熱部品６を冷却する。

また、ファン８と第２の回路基板４とは不図示のケーブルにより電気的に接続されており、そのケーブルを伝う電力や制御信号により、ファン８に電力が供給されてその回転数が制御される。

このように、第２の回路基板４は、ファン８に電力や制御信号を供給する役割を担う。

図２は、このユニット装置１の断面図である。

図２に示すように、第１の回路基板３の端部には第１のコネクタ３ａが設けられる。その第１のコネクタ３ａは、第２の回路基板４の表面に設けられた第２のコネクタ４ａに嵌っており、これにより第１の回路基板３と第２の回路基板４の各々が電気的に接続される。

また、前述の開口４ｘの周囲の第２の回路基板４には、コンデンサや抵抗等の複数の第２の電子部品１２が設けられる。これらの第２の電子部品１２は、例えばファン８の回転数を制御するための制御回路や、ファン８に電力を供給する電源回路の一部を担う。

これらの第２の電子部品１２を第１の回路基板３に設けることも考えられるが、第１の回路基板３の上には前述のメモリ等の第１の電子部品５が高密度に設けられており、第１の回路基板３の上に第２の電子部品１２を設ける余裕はない。

そこで、このユニット装置１においては、前述のように第１の回路基板３とは別に第２の回路基板４を設け、その第２の回路基板４にファン８用の第２の電子部品１２を設けている。

また、第１の回路基板３と同じように第２の回路基板４も水平面内に設けることも考えられる。しかし、発熱部品６や第１の電子部品５（図１参照）等によって筐体２内は殆ど占められているため、筐体２内には第２の回路基板４を水平面内に設ける余裕が少ない。

更に、EIA(Electronic Industries Alliance)に準拠してユニット装置１の高さHが１U（１．７５インチ）と規格化されていることが多いため、筐体２の高さを高くして第２の回路基板４を収容するのも難しい。

そこで、この例では筐体２内に第２の回路基板４を前述のように鉛直方向に立てて設けると共に、風Aが通る開口４ｘを第２の回路基板４に設けることで、発熱部品６に風Aが当たるようにしている。

しかしながら、このユニット装置１においては、CPU等の発熱部品６が一つしか設けられていないので、演算処理能力等の性能向上には限界がある。

（第２例）
本願発明者は、性能向上を図るために別のユニット装置を検討した。

図３は、その検討に使用したユニット装置１５の断面図である。なお、図３において、図２で説明したのと同じ要素には図２におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

そのユニット装置１５においては、第１の回路基板３の上に二つの発熱部品６を並べる。発熱部品６の並べ方はいくつかある。但し、図１に示したように発熱部品６の横には第１の電子部品５があり発熱部品６を設けるスペースがない。そのため、この例では風Aの風上と風下に各発熱部品６を設ける。

このように発熱部品６を複数設けることで、各発熱部品６が協働して並列的に情報処理を行うことができ、ユニット装置１５の高性能化を実現できると考えらえる。

但し、各発熱部品６が協働して演算を行うには、これらの発熱部品６を電気的に接続するための配線を第１の回路基板３に設けなければならないが、第１の回路基板３には多くの第１の電子部品５が設けられているので、配線を引き回す余裕が少ない。

そのため、点線円内に示すように第２の回路基板４に配線１６を設け、その配線１６を利用して各発熱部品６を電気的に接続することになる。

しかし、これでは配線１６に開口４ｘが重ならないように当該開口４ｘの直径Dを小さくしなければならない。その結果、開口４ｘを通る風Aの風量が減ってしまい、各発熱部品６を効率的に冷却するのが難しくなる。

更に、発熱部品６の個数を増やしたのに伴い第２の回路基板４上の第２の電子部品１２の個数が増えることもあり、これにより開口４ｘの直径Dを大きくするのが一層困難となる。

しかも、このように一方の発熱部品６を他方の風下に設けたのでは、風下側にある発熱部品６が風上側の発熱部品６の排熱を直接受けてしまうため、風下側の発熱部品６を冷却するのが困難となる。

（第３例）
本願発明者は、性能向上を図りながら、発熱部品を効率的に冷却することができる他のユニット装置を検討した。

図４は、その検討に使用したユニット装置の断面図である。

このユニット装置１７においては高さHが１Uの二つの筐体２を積み重ね、各筐体２内に第１の回路基板３を収容する。なお、それぞれの第１の回路基板３に設けられる発熱部品６の個数は１個である。また、筐体２のそれぞれが一つのファン８を共有し、そのファン８で二つの発熱部品６を冷却する。

更に、第２の回路基板４を第１例（図２参照）よりも大きくすることで、その第２の回路基板４に二枚の第１の回路基板３の各々を電気的に接続し、当該第２の回路基板４の配線１６を介して発熱部品６同士を電気的に接続する。

これによれば、第２例と同様に各発熱部品６同士が協働して演算を行うことができ、ユニット装置１７の高性能化を実現できる。

また、前述のように第２の回路基板４を大きくしたことで、開口４ｘの直径Dを大きくしても第２の回路基板４において配線１６を引き回すことができる。その結果、開口４ｘを通る風Aの風量が増えるので、風Aで発熱部品６を効率的に冷却できる。

更に、一つの筐体２が収容する発熱部品６は一個のみなので、図３のように風上の発熱部品６からの排熱を風下の発熱部品６が直接受けることがなく、複数の発熱部品６の各々を効率的に冷却することが可能となる。

しかしながら、このように二つの筐体２を二段に重ねたのではユニット装置１７の全体の高さが２Ｕとなってしまい、ユニット装置１７の小型化が図れない。

以下に、ユニット装置の大型化を招くことなく、複数の発熱部品に多くの風を当てることが可能な各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態と後述の各実施形態においては、ユニット装置としてサーバを例にしながら説明する。

図５は、本実施形態に係るユニット装置の上面図である。

このユニット装置２０は、筐体２１とその中に収容された二つサブユニット２２とを有する。

このうち、筐体２１は前面２１ｆと背面２１ｂとを備える。そして、二つのサブユニット２２は、それぞれが協働して情報処理を行うものであり、前面２１ｆや背面２１ｂ側から矢印Bの方向に沿って筐体２１に着脱自在である。

各サブユニット２２は、情報処理を行うためのCPU等の発熱部品２６とそれを搭載した第１の回路基板２３とを備える。なお、発熱部品２６の上には、当該発熱部品２６の放熱を促すための放熱器２６ａとしてヒートシンクが固着される。

また、第１の回路基板２３の各々は、いずれも水平面内に位置すると共に、上面視で互いに離れて設けられる。更に、これらの発熱部品２６の周囲の第１の回路基板２３にはメモリ等の第１の電子部品２５が設けられる。

各サブユニット２２内の第１の回路基板２３は、このように第１の電子部品２５や発熱部品２６を搭載するための回路基板として供せられる。なお、第１の電子部品２５や発熱部品２６に電源を供給するために、筐体２１には電源回路２７も設けられる。

そして、これらのサブユニット２２の間には、複数の開口２４ｘを備えた二枚の第２の回路基板２４が間隔をおいて立てて設けられる。更に、これら二枚の第２の回路基板２４の間には複数のファン２８が設けられる。

各ファン２８は、二枚の第２の回路基板２４の一方の開口２４ｘから吸気を行い、他方の開口２４ｘから排気を行うことにより風Aを生成し、その風Aで二つの発熱部品２６のそれぞれを冷却する。

なお、筐体２１の前面２１ｆと背面２１ｂの各々には、風Aを吸気したり排気したりするための開口２１ｘが設けられる。

複数のサブユニット２２の構造は特に限定されない。但し、サブユニット２２ごとに異なる構造を採用したのではサブユニット２２の設計コストが上昇してしまう。そこで、この例では複数のサブユニット２２の各々の構造を同一にすることで、ユニット装置２０の設計コストを削減する。

図６は、二つの発熱部品２６の位置関係を示す拡大平面図である。

図６に示すように、本実施形態では二つの発熱部品２６同士を結ぶ仮想線分Lをファン２８の軸方向Mと平行にする。これにより、風Aの風下側にある発熱部品２６が風上側にある発熱部品２６の排熱を受けることになるが、本実施形態では二つの発熱部品２６の間にファン２８や第２の回路基板２４が介在しているので、各発熱部品２６同士の間隔Zが広くなる。そのため、図３の例とは異なり、風上側の発熱部品２６の排熱で風下側の発熱部品２６が温められ難くなり、風下側の排熱部品２６の冷却が阻害され難くなる。

図７は、本実施形態に係るユニット装置の断面図である。

図７に示すように、本実施形態では二つの発熱部品２６を水平方向に間隔をおいて設けることで、ユニット装置２０の高さHを１Uに抑え、各発熱部品２６を高さ方向に重ねる図４の例のように高さHが２Uになるのを防止する。

また、第１の回路基板２３の端部には第１のコネクタ２３ａが設けられる。その第１のコネクタ２３ａは、対応する第２の回路基板２４に設けられた第２のコネクタ２４ａに嵌められており、これにより対応する各回路基板２３、２４同士が電気的に接続される。

そして、二枚の第２の回路基板２４の間には、これらの第２の回路基板２４同士を電気的に接続するための接続板３１が水平面内に設けられる。接続板３１の構造は特に限定されないが、この例では接続板３１として配線基板を用いる。

二枚の第２の回路基板２４と接続板３１はそれぞれ別々に作製され、それらの完成後に不図示のコネクタ等により電気的に接続されて最終的には断面視で概略U字型とされる。

なお、設計コストを低減するために、二枚の第２の回路基板２４の各々は同一構造とするのが好ましい。

更に、第２の回路基板２４や接続板３１のそれぞれの表面には、コンデンサや抵抗等の複数の第２の電子部品３２が設けられる。これらの第２の電子部品３２は、例えばファン２８の回転数を制御するための制御回路や、ファン２８に電力を供給する電源回路の一部を形成する。

また、点線円内に示すように、第２の回路基板２４と接続板３１には配線３６が設けられる。その配線３６は、二つの発熱部品２６同士を電気的に接続する役割を担うものであり、これにより二つの発熱部品２６が通信し合って情報処理を並列的に行うことができ、ユニット装置２０の高性能化を実現できる。

以上説明した本実施形態によれば、第２の回路基板２４を二枚設けるので、一枚のみしか第２の回路基板２４を設けない場合と比較して第２の回路基板２４の総表面積が増え、第２の回路基板２４において配線３６を引き回す余裕が増える。

そのため、配線３６と重ならないように開口２４ｘの直径Dを大きくすることができるので、開口２４ｘを通る風Aの風量を増やすことができ、二つの発熱部品２６のそれぞれに多くの風Aを当てることが可能なる。

更に、接続板３１にも配線３６を分散して形成することで第２の回路基板２４において配線３６を引き回す余裕が更に増え、開口２４ｘを大きくするのが更に容易となる。

しかも、筐体２１内の発熱部品２６の個数を二個としたのに伴って第２の電子部品３２の個数が増えても、二枚の第２の回路基板２４や接続板３１に第２の電子部品３２を分散させることができるので、第２の電子部品３２と開口２４ｘとが重なり難くなる。

また、二つの発熱部品２６は水平方向に離れており、高さ方向には離れていない。そのため、ユニット装置２０の高さHを１Uに維持することができ、ユニット装置２０の大型化を招くことがない。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図６に示したように、二つの発熱部品２６同士を結ぶ仮想線分Lをファン２８の軸方向Mと平行にした。

これに対し、本実施形態では、以下のように各発熱部品２６の位置を変えることで、各発熱部品２６の冷却効率を高める。

図８は、本実施形態に係るユニット装置２０の上面図である。

なお、図８において第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態においては二つの発熱部品２６同士を結ぶ仮想線分Lをファン２８の軸方向Mから傾斜させる。

これにより、風Aの風上側にある発熱部品２６の排熱で風下側の発熱部品２６が温められ難くなるため、風下側の発熱部品２６を効率的に冷却できるようになる。

（第３実施形態）
第１実施形態では、図５に示したように、一つのユニット装置２０が備えるサブユニット２２の個数を２個とした。本実施形態では、サブユニット２２の個数をこれよりも増やす。

図９は、本実施形態に係るユニット装置３０の斜視図である。

なお、図９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態においても筐体２１内に二枚の第２の回路基板２４が間隔をおいて立てられており、更にこれらの第２の回路基板２４の間に複数のファン２８が設けられる。

そして、そのファン２８を回転させることにより、風Aが筐体２１の開口２１ｘを通って筐体２１内に取り込まれる。

図１０は、このユニット装置３０の構成を示す模式斜視図である。

図１０に示すように、本実施形態ではサブユニット２２を二段構造にすると共に、一層あたりのサブユニット２２の個数を４個とすることで、筐体２１内に収容されるサブユニット２２の総数を８個とする。

なお、８個のサブユニット２２は、それぞれ矢印Bの方向に沿って筐体２１に着脱自在であると共に、各コネクタ２３ａ、２４ａ（図７参照）を介して二枚の回路基板２４のいずれかと電気的に接続される。

本実施形態によれば、一つの筐体２１に収容されるサブユニット２２の個数が第１実施形態よりも増えるため、ユニット装置３０の高性能化が図られる。

図１１は、本実施形態で使用する第２の回路基板２４とファン２８の正面図である。

図１１に示すように、各ファン２８は回転軸Cを中心にして回転する羽根２８ａを有する。本実施形態では、正面視でその羽根２８ａと開口２４ｘとを重ねる。

これにより、羽根２８ａで生成された強い風A（図９参照）を開口２４ｘに効率的に通すことができる。

この場合、正面視でファン２８の回転軸Cから開口２４ｘを外すのが好ましい。回転軸Cの近傍のファン２８においては、ファン２８を回転駆動させる不図示のモータがあるのみで風Aを生成する羽根２８ａがないため、そもそも風Aの風量が弱い。よって、開口２４ｘを無駄に大きくするよりも、このように回転軸Cを外すように開口２４ｘを形成することで、開口２４ｘを出入りする風Aの風速を高めることができる。

図１２は、開口２４ｘと発熱部品２６との位置関係を模式的に示す拡大上面図である。

図１２に示すように、発熱部品２６は、開口２４ｘからファン２８の軸方向Mに延びる仮想直線Q上に位置する。

これにより、開口２４ｘを出入りする風Aの大部分が発熱部品２６に当たるようになり、風Aで発熱部品２６を効率的に冷却することができる。

（第４実施形態）
第１実施形態では、図７を参照して説明したように、二枚の第２の回路基板２４を電気的に接続する接続板３１として配線基板を用いた。本実施形態ではその接続板３１の他の例について説明する。

図１３は、本実施形態に係るユニット装置の上面図である。

図１３に示すように、このユニット装置４０においては、二枚の第２の回路基板２４の端部２４ｅ同士を接続板３１で電気的に接続すると共に、その接続板３１として銅板等の導電板を用いる。

このようにしても、二つの発熱部品２６が接続板３１と第２の回路基板２４とを介して通信でき、各発熱部品６が協働して並列的に情報処理を行うことができる。

図１４は、本実施形態に係るユニット装置の断面図である。

図１４に示すように、本実施形態では接続板３１を筐体２１内に立てて設ける。

これにより、図７のように第１の回路基板２３の下の水平面内に接続板３１を設けるスペースを確保する必要がないので、第１の回路基板２３の下の筐体２１内に余裕がない場合でも接続板３１で二枚の第２の回路基板２４同士を電気的に接続できる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）水平方向に互いに離れて設けられた二枚の第１の回路基板と、
二枚の前記第１の回路基板の各々に設けられた発熱部品と、
二枚の前記第１の回路基板の間に間隔をおいて立てられ、かつ開口を備えた二枚の第２の回路基板と、
二枚の前記第２の回路基板の間に設けられ、一方の前記第２の回路基板の前記開口から吸気を行い、他方の前記第２の回路基板の前記開口から排気を行うことにより、二枚の前記第１の回路基板上の各々の前記発熱部品を冷却するファンと、
を有することを特徴とするユニット装置。

（付記２）二枚の前記第２の回路基板を電気的に接続する接続板を更に有することを特徴とする付記１に記載のユニット装置。

（付記３）前記接続板を水平面内に設け、
前記接続板と二枚の前記第２の回路基板とを断面視で概略Ｕ字型としたことを特徴とする付記２に記載のユニット装置。

（付記４）前記接続板を鉛直面内に設けたことを特徴とする付記２に記載のユニット装置。

（付記５）二つの前記発熱部品同士を結ぶ仮想線分を、前記ファンの軸方向から傾斜させたことを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載のユニット装置。

（付記６）前記ファンは羽根を有し、正面視で前記羽根と前記開口とを重ねたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれかに記載のユニット装置。

（付記７）正面視で前記ファンの回転軸から前記開口を外したことを特徴とする付記６に記載のユニット装置。

（付記８）前記開口から前記ファンの軸方向に沿って延びる仮想直線上に前記発熱部品が位置することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載のユニット装置。

（付記９）一枚の前記第１の回路基板と、該第１の回路基板に設けられた前記発熱部品とが、前記筐体に着脱自在なサブユニットを形成し、
複数の前記サブユニットが前記筐体に着脱自在に設けられたことを特徴とする付記１乃至付記８のいずれかに記載のユニット装置。

（付記１０）複数の前記サブユニットの各々の構造は同一であることを特徴とする付記９に記載のユニット装置。

１、１７、２０、３０…ユニット装置、２、２１…筐体、３、２３…第１の回路基板、３ａ、２３ａ…第１のコネクタ、４、２４…第２の回路基板、４ａ、２４ａ…第２のコネクタ、４ｘ、２４ｘ…開口、５、２５…第１の電子部品、６、２６…発熱部品、６ａ、２６ａ…放熱器、７、２７…電源回路、８、２８…ファン、１２…第２の電子部品、１６、３６…配線、２１ｘ…開口、２２…サブユニット、２８ａ…羽根、３１…接続板、A…風、C…回転軸、L…仮想線分、M…軸方向、Q…仮想直線。

Claims

水平方向に互いに離れて設けられた二枚の第１の回路基板と、
二枚の前記第１の回路基板の各々に設けられた発熱部品と、
二枚の前記第１の回路基板の間に間隔をおいて立てられ、かつ開口を備えた二枚の第２の回路基板と、
二枚の前記第２の回路基板の間に設けられ、一方の前記第２の回路基板の前記開口から吸気を行い、他方の前記第２の回路基板の前記開口から排気を行うことにより、二枚の前記第１の回路基板上の各々の前記発熱部品を冷却するファンと、
を有することを特徴とするユニット装置。
二枚の前記第２の回路基板を電気的に接続する接続板を更に有することを特徴とする請求項１に記載のユニット装置。
前記接続板を水平面内に設け、
前記接続板と二枚の前記第２の回路基板とを断面視で概略Ｕ字型としたことを特徴とする請求項２に記載のユニット装置。
前記接続板を鉛直面内に設けたことを特徴とする請求項２に記載のユニット装置。
二つの前記発熱部品同士を結ぶ仮想線分を、前記ファンの軸方向から傾斜させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のユニット装置。
前記ファンは羽根を有し、正面視で前記羽根と前記開口とを重ねたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のユニット装置。
正面視で前記ファンの回転軸から前記開口を外したことを特徴とする請求項６に記載のユニット装置。
前記開口から前記ファンの軸方向に沿って延びる仮想直線上に前記発熱部品が位置することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のユニット装置。