JPH02168697A

JPH02168697A - 電子機器の冷却装置

Info

Publication number: JPH02168697A
Application number: JP14087689A
Authority: JP
Inventors: Toshio Hatada; 畑田　敏夫; Takayuki Shin; 隆之新; Takahiro Oguro; 崇弘大黒; Akimine Kobayashi; 小林　暁峯; Shizuo Zushi; 頭士　鎮夫; Fumiyuki Kobayashi; 小林　二三幸; Susumu Iwai; 進岩井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1990-06-28
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JP2720072B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はコンピュータ等の発熱体を有する電子機器の冷
却装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の電子機器の冷却装置においては、特開昭５９−１
１６！５４号公報に記載のように、半導体冷却風洞とそ
れに並行するバイパス風洞とバイパス風洞の所定位置に
設けられ、前記冷却風洞に開口するバイパス流供給口を
備えた冷却システムの構成であった。

又、特開昭６３−８４１００号公報に記載のように隔壁
を設けてバイパス流を作り、隔壁に一部穴を開けて５温
度の高い発熱体を集中的に冷却する、実開昭６２−６５
８９５号公報に記載のように通風路を構成する側板の一
部に、吸気あるいは排気機構を設けて外気を導入する、
実開昭６２−１９２６９６号公報に記載のように隔壁を
おいて配設された複数のプリント基板の一部に通気孔を
あけ、冷気を高発熱部に導入する特開昭５５−１０８８
００公報に記載のように、風路の途中に複数の穴をもつ
風量調整板すなわち抵抗体を挿入して、流れを一部本流
から分離させてバイパス流とし、下流で再び本流に合流
させるとなっていた。

さらに、従来の放熱フィンにおいては、実開昭５８−１
５９７９５号公報に記載のように、放熱フィンの一部に
冷却流体の流れ方向と直角の方向に空気が通る切れ目を
設けるが、特開昭５５−１１３３５３号公報に記載のよ
うに、半導体素子から導出された円柱状スタッドとその
円柱状スタッドに素子収容容器の長辺の長さに略等しい
直径を有する円板を基体とし素子収容容器の長辺に沿っ
て切り落された形状を有する放熱フィンを略直角に取り
付け、放熱フィンに沿って冷却流体を流し、その冷却流
体の流れに沿う方向に切溝を配設するとなっていた。。

そして、放熱フィン廻りの冷却流体の速度分布を制御す
る構成とはなっていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子機器の冷却装置にあっては、冷却流体流出方
向に多段に設けられた半導体等の発熱体を冷却する場合
、通常、冷却流体を発熱体の一方端から他方端に一方向
的に流す方式が用いられるが、この場合、冷却流体が徐
々に加熱されて温度が上昇するため、十分な放熱が行わ
れず後段に向うに従って冷却効果が減少し、発熱体温度
が後段になるほど高くなるという問題を生じる。この傾
向は第４図中の実線で示す通りである。これに対して、
前記従来技術は冷却流体の流量を、隔壁などにより主流
とバイパス流に分は後段の特定部以降から合流させるこ
とにより、特定部以降の温度上昇を制御しようとするも
のである。

しかし、主流とバイパス流とが合流する付近は、流れの
ミキシング効果により、その付近の発熱体の熱伝達特性
は良くなり、第４図に示されるように発熱体の温度は低
下するが、それ以外の部分では混合のない単一の流れに
なるため前記ミキシング効果はほとんど期待できず、熱
伝達特性は悪く発熱体の温度は上昇する。そのため、後
段の発熱体に対しては十分な冷却が行えず、半導体チッ
プなどの性能が低下するという問題があった。

さらに、従来の放熱フィンにあっては、例えば実開昭５
８−１５９７９５号公報のものでは、放熱フィンの一部
に冷却空気の流れ方向と角度の方向に通る切れ目を設け
ているため、この切れ目により平板前縁効果を利用して
放熱フィンの熱伝達率向上ははかれるが、放熱面積が減
少するため放熱量の増加は期待できない点と放熱フィン
を有効に利用するにはフィン効率が大幅に低下しない程
度の板厚を確保する必要があり、又放熱フィン高さが高
くなるほど板厚を厚くしなければならないため、前記切
れ目を設けると放熱フィンの先端面で冷却流体の剥離が
生じる場所が増し、流動抵抗が増加して必要な流量を確
保できないという問題があった。又、特開昭５５−１１
３３５３号公報では、冷却流体は各放熱フィンの間を流
れるため、冷却流体の混合は生じに＜＜、後流側になる
ほど温度差がとれないため放熱性能を十分向上できない
という問題がある。

そして、放熱フィンは熱伝導率の良いＣｕ−ＡΩなどの
金属が多用されることが常であるが、その熱伝導率は有
限の値である。このため放熱フィンの根元部は空気との
温度差が大きくて放熱効率が良いが、放熱フィンの先端
部に向うに従って温度差が小さくなり、放熱効率が低下
する問題が避けられない。

本発明の目的は、冷却流体を主流と非主流とに分けてそ
れらの混合流により冷却効果を向上し、放熱フィンに冷
却流体の流れ方向に突起を設けて流動抵抗を減らすとと
もに、放熱フィンの根元部の流速分布を増加させて伝熱
性能を向上する電子機器の冷却装置及び該装置に用いる
放熱フィンを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明に係る電子機器の冷
却装置及び該装置に用いる放熱フィンは、電子機器の発
熱体に冷却流体を流通させて発熱体を冷却させる電子機
器の冷却装置において、発熱体を内蔵する１つの冷却流
路を設け、冷却流路の上流側の発熱体の最前段でかつ冷
却流体の流れに直交する方向の断面積をその方向の発熱
体の断面積より大きく形成し、前記方向の断面積を流れ
の下流方向に向けて漸減させることにより、発熱体を最
前段より直接冷却する冷却流体の主通路と発熱体に向け
て連続供給する冷却流体の副通路とを冷却流路に設けた
構成とする。

そして、電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて発熱
体を冷却させる電子機器の冷却装置において、発熱体に
放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの冷却流路を
設け、冷却流路の上流側の発熱体及び放熱体の最前段で
かつ冷却流体の流れに直交する方向の断面積をその方向
の発熱体及び放熱体の断面積より大きく形成し、前記方
向の断面積を流れの下流方向に向けて漸減させることに
より、発熱体及び放熱体を最前段より直接冷却する冷却
流体の主通路と発熱体及び放熱体に向けて連続供給する
冷却流体の副通路とを冷却流路に設けた構成でも良い。

また、放熱体は発熱体と結合しかつ冷却流体の流れ方向
に伸びる少なくとも１個の放熱フィンである構成とし、
放熱フィンの面上に少なくとも１個の傾斜突起を設け、
それぞれの傾斜突起は冷却流体を発熱体に近づける方向
に傾斜して配設されている構成でも良い。

さらに、冷却流路を形成する上面壁及び側面壁に所定の
傾斜面を接続して発熱体に漸近させ、冷却流体の流れに
直交する方向″の断面積を流れの下流方向に向けて漸減
させである構成でもよい。

そして、電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて発熱
体を冷却させる電子機器の冷却装置において、発熱体に
放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの冷却流路を
設け、冷却流路の上流側の発熱体及び放熱体の最前段で
かつ冷却流体の流れに直交する方向の断面積をその方向
の発熱体及び放熱体の断面積より大きく形成し、前記方
向の断面積を前記流れの下流方向に向けて漸減させるこ
とにより、発熱体及び放熱体を最前段より直接冷却する
冷却流体の主通路と発熱体及び放熱体に向けて連続供給
する冷却流体の副通路とを前記冷却流路に設け、副通路
に少なくとも１個のガイド板を備えてそれぞれのガイド
板の先端と冷却流路の壁面との距離を流れの下流方向に
向けて次第にｔＪｓさくするとともに、それぞれのガイ
ド板の先端の流れに対する傾斜角度を調整自在とした構
成でも良い。

また、冷却流体を送風する手段と、冷却流体を流通しか
つ発熱体及び放熱体を内蔵する筐体とからなる電子機器
の冷却装置を具備した電子機器においては、前記１，２
番目又は６番目に記載の電子機器の冷却装置を具備した
構成とする。

さらに、電子機器の発熱体に連結して冷却流体の流通に
より発熱体を冷却する放熱フィンにおいて、フィン基板
面上の冷却流体の流れ方向に、冷却流体の入口端より出
口端を発熱体に近い方向に方向に傾斜した面を有する少
なくとも１個の突起を部分的又は断続して配設した構成
とし、フィン基板とほぼ直角方向の突起の断面形状は、
少なくとも三辺に囲まれた角形である構成、フィン基板
とほぼ直角方向の突起の断面形状は半円形であるととも
に、冷却流体の流通方向の断面形状は流線形である構成
とする。

そして、電子機器の発熱体に連結して冷却流体の流通に
より発熱体を冷却する放熱フィンにおいて、発熱体に近
いフィン基板の根元部の通気抵抗を根元部以外の通気抵
抗より減する手段を備えた構成とし、通気抵抗を減する
手段は、突起の数又は高さを減するとともに、それぞれ
の突起の間の通気路を大きく形成されである構成である
。

〔作用〕

本発明によれば、第１の発明は、冷却流路の冷却流体を
流す方向に直交する方向の断面積を発熱体の前記方向の
断面積より大きくしているため。

冷却流体を発熱体の最前段より直接冷却する主流と直接
は冷却しない非主流とに分けることができ。

その冷却流路の前記方向の断面積を流れの下流方向に向
って漸減させているため、非主流の冷却流体を連続供給
することによって、連続的な混合流が形成される。そし
て後段発熱体を通過する冷却流体の流量は増加する。発
熱体実装面の法線方向により発熱体の表面に向う方向に
冷却流体を流す人気方式では、衝突噴流の様相を呈して
発熱体表面には極めて薄い温度境界層が形成されるため
、熱伝達率が極めて高くなる。この衝突人気方式のみで
冷却システムを構成することは、衝突後の冷却流体の排
出に特別の配慮が必要で、さもなければ流れのよどみ領
域が形成されて、伝熱が妨げられる要因が発生する。本
発明は前記両方の入流方式を混合させたものであるが、
このような混合方式にすると、まず冷却流体の排出は、
主流人気成分により確実に一方向に行われるため、衝突
人気単独の場合のような問題は生じない。次に、衝突人
気成分により、発熱体に衝突する流れが生じる点と非主
流の冷却流体である上面人気成分との混合による乱流化
の点が相乗されて、極めて高い熱伝達率が得られる。こ
の結果、発熱体と冷却空気間の熱抵抗は大幅に低減され
、発熱体の温度は低く抑えられる。又、主流と非主流と
を分岐させるための隔壁を設けていないため、両方の流
れ方式の混合流は連続的に形成されて発熱体の温度分布
を均一化する。

第２の発明は、フィン３面上にさらに複数の断続的に配
列され、後流側に向って発熱体に近接した傾斜突起を設
けているため、主流の冷却流体である直進人気成分と前
記上面人気成分の混合流とが傾斜突起に案内されて発熱
体に近接するように、かつ各傾斜突起の後流側でミクシ
ングを行うように流れ、両人気成分の混合促進、混合に
よる伝熱促進が発熱体に近い部分まで万遍に行われる。

さらに、放熱面積も増加する。

第３の発明は、冷却流路を形成する面の上面及び側面を
平面を含む曲面によって発熱体方向に漸近させているた
め、上面方向からの連続的な冷却流人気がおこなわれる
のに加え、側面方向からも同様な人気が行え、混合流に
よる伝熱促進は向上する。

第４の発明は、冷却流路を形成する側壁面とガイド板先
端間の距離を後流側に向かって小さくした複数板の平板
状のガイド板を冷却流路中に設けているため、上面人気
成分を強制的に特定方向に向けることが可能となり、ガ
イド板の傾斜角を調整することにより、発熱体に対しほ
ぼ垂直に流下させて衝突噴流効果を大きくするか各ガイ
ド板間を流れる上面人気成分の流量分配を変化させるこ
とにより、効果的な混合流が得られる。

そしてフィン基板に突起を配設した複合フィン構造の場
合、フィン基板はある程度の厚さを確保してフィン効率
の低下を抑える。フィン基板面上の突起は、高さを小さ
くすればフィン効率の低下は全く問題がなく、その寸法
諸元を極めて小さくすることが可能である。従ってまず
、突起によって大きな流れの剥離を生じることがないた
め、冷却流体の流動抵抗を小さく抑えることができる。

２番目に、前記の突起の寸法諸元が小さいことから、突
起自体の熱伝達率が高く、加えて複数の傾斜突起群の存
在で、冷却流体の混合が促進され。

フィン基板の熱伝達率も向上する。この結果、フィン面
の総合伝熱効率が飛躍的に増大する。３番目に、本発明
の場合、フィン面の熱伝達率を向上させる手段として、
複合フィン構造としたため、従来技術のように放熱面積
の減少はなく、逆に増加する。本発明になる伝熱フィン
は以上の如き作用を奏するので、飛躍的な放熱量の増加
が可能である。

さらに、突起の流れ方向断面を山形に形成することは、
流動抵抗は若干増すものの流れの混合を促進するように
作用する。又、突起を流線形にすることは、剥離を少な
くし流動抵抗を小さくするように作用する。

又、フィン基板を冷却流体が通過する方４向に複数に分
割し、わずかなすきまを設けることは、フィンベースの
熱的なひずみを吸収するように作用し、且つ突起の配列
を突起間に次段の突起が位置するようにすることができ
る。

又、フィン間を通過する冷却空気は、フィンの根元部か
ら上端に至るまで、入口から出口までの圧力損失が等し
くなるような風速分布を形成する。

しかるに本発明になる放熱フィンは、フィン根元部の構
造が単純であるため、この部分の通気抵抗が小さく、そ
れ以外のフィン部は構造が複雑であるため、通気抵抗が
大きい。このため、フィン根元部とフィン部の流れ方向
の圧力損失が等しくなるように、フィン根元部では風速
が大、それ以外のフィン部で風速が小となるような風速
分析を生じる。この結果、温度差の大きいフィン根元部
の風量が増し、全体的に放熱量が増大する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例につき説明する（実施例に付した
番号は、請求項の番号と照合される）。

実施例１第１図は実施例１の構成図を示したものである。

ここで１ａ〜１ｃは冷却空気（冷却流体）の流路を構成
する通風ダクト（冷却流路）であり、１ａは送風機等か
ら送られてくる冷却空気を、ＬＳＩ等で構成された発熱
体２ａ、２ｂまで導くためのダクトで、その高さは前段
発熱体２ａの上部に設けられたフィン３ａの高さよりも
高く構成されている。ここで、放熱フィン３は、冷却空
気の流れ方向に伸びた平板形状の複数枚のフィンを平行
に配置してなるものである。また、ダクト１ｂはその上
面が傾斜しているダクトであり、前段発熱体２ａの後端
上部付近に位置するダクト１ａから後段発熱体２ｂの上
部に設けられたフィン３ｂの最後部まで傾斜している。

さらに１ｃは前記１ｂの後端から接続され、排気口へ向
かうダクトである。

本実施例においては、前記の如く前後２段の発熱体２ａ
、２ｂ及びフィン３ａ、３ｂが直列に配置されており、
冷却空気の流れ方向に対して直交する方向の断面の断面
積（以下、単に断面積という）の異なる通風ダクトｌａ
、ｌｂ、ｌｃで冷却空気の下流側程その断面積が小さく
なる通風路系を構成したところに基本的な特徴がある。

本実施例の如く冷却系を構成すると、下記のような作用
効果がある。まず冷却空気の振舞についてみると、送風
機からダクト１ａを通して送られてきた空気流４（人気
）は、前段発熱体２ａ及びフィン３ａの前方において、
フィン３と発熱体２が占める空間である主通路に直進流
入する空気流すなわち主流の冷却流体である直進人気成
分５ａとフィン３ａの上部空間すなわち前記主通路以外
の空間である副通路に流入する空気流すなわち非主流の
冷却流体である上面人気成分６ａに分配される。フィン
３ａの内部においては、直進人気成分５ａはほぼ発熱体
２ａと平行に進んで５ｂの如き流れとなる。一方上面人
気成分６ａはフィン３ａの上部を進み始めるが、その前
方に傾斜した上面（傾斜面）を有する通風ダクト１ｂが
存在するため、一部の流れの方向は斜め下向きになり、
フィン３ａの上端より発熱体２ａ方向に向かう流れ６ｂ
が発生する。すなわち、フィン３ａのそれぞれの間を通
過する流れは直進人気成分５ｂと上面人気成分６ｂの混
合流となる。次に後段発熱体２ｂとフィン３ｂの直前に
おいては、前段で生じる５ｂと６ｂの混合流が人気成分
５ｃとなって流れ込むのと同時に、前段で分配された上
面人気成分６ｃが到達し、全てフィン３ｂの上端より発
熱体２ｂ方向に流れ込む。従って、後段においても、直
進入気成分５ｃと上面人気成分６ｃの混合流が形成され
る。なお、後段発熱体２ｂの主通路を通過する流量は、
上面人気成分６ｃが加わった分量だけ、前段での発熱体
２ｂの主通路を通過する流量より増加する。ダクトＩＣ
では、送風機で送られた流量全てが集められて排風され
る。

本実施例では前記ダクト構成により、本発明の主眼であ
る発熱体２及び放熱フィン３への流入空気流を、直進人
気成分（主流）と上面人気成分（非主流）の両者の混合
流にすることを実施したが、この結果、下記伝熱上の作
用効果を奏する。

一般に、直進人気成分のみで流路を構成すると、冷却空
気流の流れ方向と放熱フィンにおける熱の伝導する方向
は直交し、第２図に示すような温度プロフィールになる
。すなわち、フィン上端部に向うに従って両者の温度差
ΔＴａは小さくなり、平均温度差ΔＴａも小さくなる。

ΔＴａは放熱量に比例する量であるため、大きい方が望
ましい。

一方、上面人気方式の場合は、第３図に示すように空気
流の流れ方向とフィンにおける熱の伝導方向は完全に対
向する形となり、平均温度差ΔＴａは大きくなる。従っ
て、本実施例のように直進人気成分に、上面人気成分を
加えた混合流形態にすると、第１に前記上面人気成分に
よる放熱量増加作用と、第２に上面人気成分の衝突噴流
効果による伝熱性能の向上と、第３に両人気力式が混合
することによる、乱流化から生じる伝熱性能の向上とが
相乗され、放熱フィンの熱交換性が著しく向上する。第
４図に示す一点鎖線は１本実施例の冷却特性を示したも
のであるが、上面人気成分が前段から後段にかけて、連
続的に作用するため、伝熱促進効果は発熱体に満遍なく
作用し、温度分布が均一化されるとともに、発熱体の温
度上昇は極めて小さく抑えされる。

又、従来技術では、バイパス流をつくるため隔壁を設け
てバイパス流路をつくる必要があったが、本発明では、
その必要がなく部品点数は増加しない。さらに、従来技
術のように隔壁で仕切られたバイパス流路の一部に開口
部を設ける必要がなく、縮流・拡大が生じないぬ圧力損
失を小さくできる。

第５図、第６図はその上面（傾斜面）が傾斜しているダ
クト１ｂの面形状を変えた実施例に関する図である。ま
ず第５図はダクト１ｄの上面形状を凹面形状とした実施
例を示している。この形状にすると、上面人気成分６が
ダクト１ｄに案内されて極めて滑らかにフィン３ａ、３
ｂ内に導入されるため、風路系の通気抵抗が極めて小さ
く抑えられ、送風機動力低減に対して最も効果的である
。

次に第６図はダクト１ｅの上面形状を凸面形状とした実
施例を示している。この形状にすることにより、上面人
気成分６と直進人気成分５との交角が極めて大きくなり
、衝突噴流作用及び混１合作用が最も大きくなるため、
伝熱促進効果が著しい。

なお、この冷却装置は、複数列にわたって発熱体がある
場合にも適用することは可能である。

実施例３第７図、第８図はフィン構造を変えた実施例３を示す図
である。この例の場合第７図に示すように、放熱フィン
３面上にさらに複数の断続的に配列され、後流側に向っ
て発熱体２に近接した小さい突起、すなわち、傾斜突起
７が設けられている。

フィンを本構造のように複合構造にすると、第７図に示
すように、直進人気成分５と上面人気成分６の合流８ａ
、８ｂが突起７に案内されて発熱体２に近接するように
、かつぞれぞれの傾斜突起７の後流側でミキシングを行
うように流れるため、両人気成分の混合が極めて円滑に
行われるとともに、混合による伝熱促進効果が放熱フィ
ン３の発熱体２に近い根元部まで満遍なく行われる。さ
らに、傾斜突起による放熱面積増加の効果がこれに加わ
るため、実施例中でも最も伝熱促進作用が大きい。

実施例５次に第９図〜第１１図は、混合流形態に上面人気成分に
加え側面人気成分も利用できるようにした実施例５を示
す図である。第１０図は第９図の縦断面方向の構造を示
した図であり、第１１図は第９図の横断面方向の構造を
示した図である。すなわち、本実施例の場合、傾斜ダク
トは上面９のみではなく、側面１ｏにも設けている。こ
のため、人気は直進成分５ａ、上面成分６及び側面成分
２１ａ、２１ｂの３成分から成る。このような構成にす
ることにより、上面方向からの連続的な冷たい冷却流体
の人気が行なわれるのに加え、側面方向からの連続的な
冷たい冷却流体の人気が行なわれるため、冷却流体を十
分供給でき、混合流による伝熱促進効果が著しく大きく
なる。本実施例は、放熱フィンのない発熱体に対しても
特に有効な冷却が行える特徴がある。

実施例６第１２図は実施例６の構成を示す横断面図である６本実
施例では、フィン３ａ、３ｂの上部空間、すなわち副通
路にガイドベーン（ガイド板）７ａ。

７ｂ、７ｃを設けた点が特徴である。ガイドベーン７ａ
、７ｂ、７ｃの役割は、上面人気成分６を強制的に特定
方向に向けることであり、上面人気成分はこれにより確
実に放熱フィンの発熱体に近い方向へと導かれる。又こ
のガイドベーンは、その傾斜角を調整することにより上
面人気成分の流呈分配を変化させることができ１発熱体
の大きさ及び発熱量の大きさにより最も効果的な混合流
を実現できる。従って、実施例１の冷却性能上の効果を
更に大きいものとすることができる。

第１３図は実施例６の他の構成を示した図である。本実
施例では、フィン３ａ、３ｂの上部に、後段に向うほど
長さが長くなる、言いかえれば流路を形成する壁面とガ
イド板の先端との距離を後流側に向って小さくしたガイ
ド板１４ａ、１４ｂを発熱体にほぼ垂直に設けた点が特
徴である。このような構成にすることにより、前段、後
段の放熱フィン上部から、はぼ一定の上面人気成分が得
られ、更に上面人気成分はほぼ垂直に流下する流れにな
っている。

従って、本実施例の場合、上面人気成分による衝突噴流
効果が極めて大きくなり、実施例１の冷却性能上の効果
を一層大きいものとすることができる。

第１４図は実施例６の他の構成を示した図である。本実
施例の放熱フィンのない複数列の発熱体９ａ、９ｂ、９
ｃを冷却する場合であり、直進人気成分５に対して、ガ
イドベーン（ガイド板）１６により上ｌ入気成分を確実
に下方に導く作用を実現させた構造である。放熱フィン
のない場合は、主に上面人気成分による衝突噴流効果と
、両人気成分の混合流による乱流化作用により、発熱体
と冷却空気流との間の熱抵抗が大幅に低減される。

実施例７第１５図は本発明の混合流による冷却装置を空冷コンピ
ュータに応用した場合の構成を示す縦断面図である。こ
こで、筺体１７、排風用チェンバ１８、送風機１９、排
風口を形成するためのルーバ２ｏが示される。本実施例
では、冷却系を２つ用いた実装形態を示しており、各冷
却系内に、ＬＳＩチップ等の発熱体２と放熱フィン３が
設けられている。コンピュータ稼動時は送風機１９が運
転され、冷却空気流が主通路を流れる直進入気成分５ａ
と副通路を流れる上面人気成分６ａに分れて冷却系内に
供給される。放熱フィン３の内部は本発明の混合流（５
ａと６ｂ）による伝熱促進作用が有効に機能し、極めて
高い伝熱性能が得られ、連続的な上面人気成分により各
ＬＳＩチップは均一に冷却される。この結果、ＬＳＩチ
ップ等の実装密度を大幅に増大させても、部分的にＬＳ
Ｉチップの温度が高くなることがなく、空冷コンピュー
タの高速化が達成できる。

実施例８第６図は本発明の放熱フィンをコンピュータ。

電子機器に取付けた実施例を示す斜視図である。

この図において、マルチチップモジュール等の発ｆｉ体
２１．フィンベース２２．フィン基板２３であり、フィ
ン基板２３上に断続的に設けられた細長い傾斜突起２４
．２５が示される。破線は、フィン基板２３の裏面側の
細長い傾斜突起２５を示す、これらの傾斜突起２４．２
５の断面は第１８図に示すように、矩形（角形）に形成
したが、第１９図および第２０図に示すように、三角形
（角形）の断面、半円形の断面のいずれか、あるいはそ
れらの複合的形状に形成することも可能である。

本実施例における傾斜突起２４及び２５の特徴的な点は
、傾斜突起２４．２５の長平方向の向きを、冷却流体２
６の流入端から流出端に向うに従って、フィンベース２
２側に近づくように傾斜させている点である。フィン基
板２３と傾斜突起２４，２５よりなる複合フィンを一要
素とし、これを所定間隔で複数枚フィンベース２２に接
合して放熱フィンを構成している。

第１７図は第１６図で示した実施例の製法の一例を示し
たものである。まず第１工程（１００で示す）で押出し
成形により、連続傾斜突起フィンを製作する。次に第２
工程（２００で示す）で、１００で示した破線のように
切断を行って連続平行突起フィンを製作する。第３工程
（３０Ｑで示す）では、２００で製作したフィンの突起
部を部分的にカッティングし、断続傾斜突起フィンを製
作する。最後に第４工程（４００で示す）では、工程３
００で製作したフィンを所定間隔で並べ、下端をフィン
ベース２２に接合する。以上のような一連の工程により
連続的製作が可能になる。

次に本実施例の動作につき第２１図〜第２３図を参照し
ながら説明する。

まず第２１図は、冷却流体として用いる空気流の振舞を
示した図である。フィン群２３に空気流２６が流入する
と、フィン内部では傾斜突起２４に案内されて、フィン
ベース２２すなわち発熱体２１の方向に流れが曲げられ
、３２に示すような軌跡をたどって流出する。従って、
流出空気の速度分布は後流側にいく程３４に示すように
全体的にフィンベース２２に近いほど速くなる様相を呈
する。次に、傾斜突起２４の周囲の温度（速度）境界層
３３に到着すると、前述したように、空気流３２は斜め
下方に向うとは言え、最下部はフィンベース２２で拘束
されているため、水平方向成分があり、流れの方向は傾
斜突起２４の方向より、やや水平に近い向きになる。こ
のため、各傾斜突起２４の周囲に形成される温度（速度
）境界Ｍ３３は図に示すように、その後端は下流部傾斜
突起の位置よりやや上方にそれ、それより下流部にある
傾斜突起の先端が、上流部傾斜突起によって形成されて
いる境界層３３の影響を受けることはない。又、前述の
ように、冷たい斜め下向きの流れ成分と水平向きの流れ
成分の相互干渉により、流れの混合が促進される。

前述の流れの振舞いは次のような効果をもたらす。流れ
の混合促進作用と、流れの境界層の様相は、傾斜突起２
４とフィン基板２３の熱伝達率を極めて大きくする。こ
とに、上流側の温度境界層の影響を受けないで傾斜突起
２４の１つ１つが放熱に対して有効に働くという点はフ
ィンの伝熱性能を高める上で飛躍的な進展をもたらす。

次に、速度分布が３４のように形成されることは以下の
点で効果がある。第２２図は、フィン温度３５と空気温
度３６の、フィンの高さＬ方向の分布を示したものであ
るが、両者の温度差ΔＴａｚは、フィンベース２２に近
いほど大きくなる。このことは、流れの混合を促進させ
た時、フィンベース２２付近の風速を速くするほど放熱
量が増加することを意味している。具体的にその傾向を
検討した結果を第２３図に示している。ここで、ｖｌは
フィン上半分、ｖ２はフィン下半分の平均風速で、Ｑ／
Ｑ０はＶ　２／　Ｖ　ｘ　＝１のとき（均一風速分布）
のときの放熱量Ｑ０に対する、放熱量Ｑの比率を示して
いる。明らかに、フィン下部の流速が速くなるような風
速分布にする方が放熱量Ｑを大きくできることがわかる
。つまり、第２１図に示す風速分布３４を作くることに
より、放熱量Ｑを増加させることができる。以上述べた
諸効果が複合され。

本実施例になる放熱フィンは飛躍的な放熱性の向上を達
成する。

第２４図は本放熱フィンを、コンピュータ冷却に利用し
た実装例を示しており、２段のマルチチップモジュール
（発熱体）４１の冷却に用いた例である。ここで送風用
ファン３８、風速の片寄りを除く制御体３９、出口ルー
バ４ｏが示され、これらが筐体３７に納められている。

送風機３８によって送られた空気は制御体３９によって
整流され、−様な流速分布となってマルチチップモジュ
ールの冷却装置に送られる。前述したように、傾斜突起
２４．２５によってフィンベース２２の方向に空気流が
曲げられ、かつ十分な空気流のの混合が行われるため、
放熱量の増大がはかれ、マルチチップモジュールの実装
密度が増大しても適切な放熱が行える。

次に本発明の他の実施例につき説明する。

第２５図は、フィン基板４２が、冷却流体２６の通過方
向にわずかなすきまを有して、複数に分割されたもので
、第２６図は、そのＢ−Ｂ断面である。このように、分
割することによりフィン基板４２が熱的に歪んでも、そ
の歪みを吸収できるようにしている他、傾斜突起４３間
に次段の傾斜突起４３を設置することが出来、温度境界
層の次段への影響をより与えないようにでき、流れの混
合もより促進できる。

第２７図は、第２５図で示した実施例の変形例を示して
おり、フィンベース２２に近い方にすきまを有するよう
に分割したフィン基板４２を組み立てている。第２８図
は、突起４４．４５が、部分的に設けられた構造のもの
で、そのＣ−Ｃ断面が第２９図である。この例の場合、
突起が少いため、フィン面の伝熱促進効果はやや下がる
が、風速分布制御効果は第１６図で示した実施例と同様
に得られる。第３０図は、突起４６の流れ方向断面形状
が山形に形成されたもので、そのＤ−Ｄ断面が第３１図
である。この例の場合、山形の突起４６により混合促進
作用が大きくなるが、冷却流体の流動抵抗もやや増す。

第３２図は、突起４７の流れ方向の断面形状が流線形の
もので、そのＥ−Ｅ断面が第３３図のである。この例の
場合、突起が流線形であることから、前記流動抵抗を小
さく抑えることができる。さらに、第３４図は、突起４
８が、フィン２３より橋状に切り出された形態になって
いるもので、そのＦ−Ｆ断面第３５図である。この例は
、フィン基板２３が比較的薄い場合に一つの行程で製作
でき、製作上の効果も大きい。

前記実施例はいずれも、若干の相異はあるが第１６図に
示した実施例と同様の作用効果を奏する。

実施例１１第３６図は本発明になる放熱フィンを用いたコンピュー
タ等の放熱システムの構成図であり、発熱体５１の上部
に設けられた放熱フィン５２とそれを囲む空気ダクト５
３から成り立っている。冷却空気（冷却流体）５４は送
風機（図示しない）により空気ダクト５３の一方より流
入し、他方へ流呂する。ここで放熱フィン５２は第３７
図（第３６図Ｇ−Ｇ断面）に示す構造を有する。すなわ
ち、放熱フィン５２は、斜め下向きに設けられた微小突
起群５７を有するフィン部５２ａと微ノ」）突起のない
平面フィン部（フィン根元部）５２ｂとからなる。この
微小突起は第３８図に示すような例えば矩形状の断面形
状になっている。微小突起のない平面フィン部５２ｂは
、発熱体５１に接するフィン最下部からフィン上部方向
に所定の割合を占めるが、通常２分の１以下に設定する
方がフィンの効果と風量の増加による効果とのバランス
から考えて効果的である。

次に本実施例の作用効果について説明する。

第３７図において微小突起５７は、放熱面積の増加に寄
与するばかりでなく、空気流れの温度境界層を薄くして
フィン面の伝熱性能を向上させる作用効果を奏するが、
当然の事ながら平面フィン部２ｂと比較すると通気抵抗
は大きい。従って、フィンの前面に達した冷却空気５４
はフィン５２の直前において風速分布５５を生じさせる
。更に、フィン間に入った空気流５６は、フィン部５２
　ａでは傾斜突起５７に案内されて斜め下向きに進み、
平面フィン部５２ｂではそのまま速い速度で図に示すフ
ィン右端へと進む。この結果、フィン出口部では、風速
分布５５ａを呈する。第３９図はこの放熱システムにお
いて放熱が行われているときの、フィン間平均風速分布
Ｖと、空気温度Ｔａ、フィン温度Ｔｆのプロフィールを
示したものである。すなわち、一定の人気温度Ｔａに対
し、フィン温度Ｔｆはフィンベースに近いほど高くなっ
ており、フィン間風速分布Ｖも、フィンベースに近い平
面フィン部に多くの空気流が流れ込む様子を示している
。この結果、放熱フィンから放出される放熱量Ｑは、第
４６図に示すように、従来の一様風速分布（Ｖａ／Ｖｂ
＝１）時に比較して増大する。この傾向は総風量が一定
としたときでも同様である。なぜなら、第３９図におい
てＶ　ａ　＜（Ｖａ＋Ｖｂ）／２＝平均風速であっても
、Ｖａに係るフィン部はもともと空気温度Ｔａとフィン
温度Ｔｆの差が小さく、放熱量の絶対値が小さいからで
ある。

以上説明したように、前記実施例では微小突起群を有す
るフ・イン部を、フィン根元部付近を除いて設けること
により、フィン下部とフィン上部に通気抵抗の分布を持
たせ１通気抵抗が低いフィン根元部付近の風速を速くし
た。この作用効果は、特に前記の微小突起群５７という
構造に限定されるものではなく、そのねらいは、通気抵
抗をフィン根元部に対し、増大させる構造であることに
集約される。従って、本発明になるフィン構造は、別の
実施例第４１図〜第４６図に示すものであっても同様の
作用効果を奏する。

まず第４１，４２図は、フィン根元部（平面フィン部）
５２ｂを除く他の部分のフィン部５２ａに半球状突起５
８を多数設けたものである。この場合も、フィン部５２
ａの部分は通気抵抗が大きいため実施例１１と同様の作
用効果が得られる。

次に第４３．４４図は、フィン根元部６１ｂを除く他の
部分６１ａを、５９．６０のような凸部四部をくり返す
波状フィンにした構造の例である。

この場合もフィン部６１ａの部分はやはり通気抵抗が大
となる結果、実施例１１と同様の作用効果を奏する。ま
た、第４５．４６図は、フィン根元部６２ｂの基本フィ
ンを除いて、その上部に続くフィン部６２ａを分岐フィ
ンとした構造の例である。この場合は、いずれも平板フ
ィンであるが、フィン部６２ａの部分のように枚数が増
加することにより通過空気の摩擦面が増し、やはり通気
抵抗が増大する。このため本実施例の場合も、実施例１
１と同様の作用効果を奏する。

以上説明したように、本発明によれば、フィンと空気の
温度差の大きいフィン根元部の空気流量が増し、放熱量
が著しく増大する。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したような構成及び作用を奏するため
、以下に記載されるような効果がある。

第１の発明は、直進人気成分に対して冷たい冷却流体で
ある上面人気成分が連続的に供給されるため、平均温度
差を大きくでき、衝突噴流効果及び乱流化により熱交換
性能を著しく向上できる。

又、前記伝熱促進効果は発熱部に万遍なく作用し、温度
分布が均一化されるとともに、発熱体温度上昇は小さく
抑えられる。

第３の発明は、直進人気成分と上面人気成分の混合流が
、フィン面上に設けた傾斜突起によって案内されて、発
熱体に近接していく、かつ各傾斜突起の後流側でミクシ
ングを生じる流れとなるため、伝熱促進効果がフィンの
発熱体に近い部分まで作用を及ぼし、又、放熱面積も増
加する効果が加わるため、伝熱促進効果がより大きくな
り、発熱体温度上昇はより小さく抑えられる。

第５の発明は、前記上面人気成分に加え側面人気成分も
利用しているため、冷却流体を十分供給でき１発熱体に
フィンを結合しなくても十分な発熱体の冷却ができる。

第６の発明は、ガイド板によって１強制的に上面人気成
分を発熱体に向う流れをつくることができ、そのガイド
板の傾斜角度を調整することにより、上面人気成分をほ
ぼ垂直に流下する流れによる衝突噴流効果を大きくでき
るか各ガイド板間の流量分配を変化させ、最も効果的な
混合流を実現できる。この結果、発熱体の温度上昇を小
さく抑えられ、温度分布も均一にできる。

以上のように、本発明によれば、ＬＳＩチップ等の発熱
体の温度上昇を小さく抑えられ、かつ温度分布も均一化
できるため、ＬＳＩチップ等の実装密度を増大しても信
頼性の高い、高速コンピュータが実現できる。

前記冷却装置を組み込んだ第７の発明である電子機器に
おいても同様な効果を奏する。

そして、本発明によれば、冷却流体の流動抵抗を増大さ
せることなく、放熱面積を増加でき、冷却流体の混合を
促進してかつ高温部であるフィンベース近傍の流速を速
くできるため、放熱量を著しく増大できて高密度実装の
コンピュータ及び電子機器の効果的な冷却が行える。

さらに、突起の流れ方向断面を山形に形成することによ
って、流れの混合を促進する効果があり、突起を流線形
にすることによって、はくりを少なくシ、流動抵抗を小
さくできる効果がある。

又、フィン基板を冷却流体が通過する方向に複数に分割
することによって、フィン基板の熱的な歪みを吸収でき
るし、突起の配列を突起間に次段の突起を配置できるた
め温度境界層の次段への影響をより与えないようにでき
、流れの混合もより促進できて熱伝達率が向上する効果
がある。

そして、放熱フィンのフィン根元部の通気抵抗を減する
ことによって、同一の送風量の場合においても、フィン
と冷却空気との温度差が大きいフィン根元部に多くの流
量を流す作用を奏するため、放熱フィンの伝熱性能を著
しく向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の構造を示す斜視図、第２図
は従来の冷却系の温度分布特性説明図、第３図は本発明
の冷却系の温度分布特性説明図、第４図は冷却系の冷却
特性の比較を示す図、第５図は本発明の実施例３の構造
を示す縦断面図、第６図は本発明の実施例３の他の構造
を示す縦断面図、第７図は本発明の実施例５の構造を示
す縦断面図。第８図は実施例５に用いるフィンの構造を示す斜視図、
第９図は本発明の実施例６の構造を示す斜視図、第１０
図は実施例６の構造を示す縦断面図、第１１図は実施例
６の構造を示す横断面図、第１２図は実施例７の構造を
示す縦断面図、第１３図は実施例７の他の構造を示す縦
断面図、第１４図は実施例７の他の構造を示す縦断面図
、第１５図は本発明を応用した冷却装置全体の構造を示
す縦断面図、第１６図は本発明の実施例８の部分斜視図
、第１７図は本発明の実施例８の製作工程を示す図、第
１８図は第１６図に示す本発明の放熱フィンの実施例８
における突起のＡ−Ａ断面図、第１９図および第２０図
はそれぞれ本発明の放熱フィンを構成する突起の他の例
を示す断面図、第２１図は本発明の実施例の動作説明図
、第２２図は本発明の実施例の効果の説明図、第２３図
は本発明の実施例の効果の説明図、第２４図は本発明の
放熱フィンをコンピュータの冷却に応用した例を示す図
、第２５図は本発明の他の実施例の構造図、第２６図は
第２５図で示すフィンのＢ−Ｂ断面図、第２７図は本発
明の他の実施例を示す図、第２８図は本発明の他の実施
例を示す図、第２９図は第２８図で示すフィンのＣ−Ｃ
断面図、第３０図は本発明の他の実施例を示す図、第３
１図は第３０図で示すフィンのＤ−Ｄ断面図、第３２図
は本発明の他の実施例を示す図、第３３図は第３２図に
示すフィンのＥ−Ｅ断面図、第３４図は本発明の他の実
施例を示す図、第３５図は第３４図に示すフィンのＦ−
Ｆ断面図、第３６図は本発明の実施例１１の構造を示す
構成図、第３７図は第３６図のＧ−Ｃ断面図、第３８図
は第３７図のＨ−Ｈ断面図、第３９図は本発明の実施例
の動作説明図、第４０図は本発明の実施例の効果説明図
、第４１〜第４６図は本発明の他の実施例を示す構成図
である。ｌａ、ｌｂ、ｌｃ・・・通気ダクト（冷却流路）、２ａ
、２ｂ・・・発熱体、３ａ、３ｂ・・・放熱フィン（放
熱体）、５ａ・・・直進（主通路）人気成分、６ａ・・
・上面（副通路）人気成分、７・・・傾斜突起、９・・
・上面傾斜ダクト、１０・・・側面傾斜ダクト。１３　ａ　、　ｌ　３　ｂ　、　１３　ｃ−ガイドベー
ン（ガイド板）。１４　ａ　、　ｌ　４　ｂ−ガイド板、ｌ　５　ａ、１
５　ｂ、１５Ｃ・・・発熱体、１６・・・ガイドベーン
（ガイド板）、１７・・・筐体、１８・・・チェンバ、
１９・・・送風機、２０・・・レーμ、２１・・・ガイ
ドベーン、２１・・・発熱体、２２・・・フィンベース
、２３・・・フィン基板、２４・・・傾斜突起、２５・
・・傾斜突起、２６・・・冷却流体、２７・・・連続突
起、２７ａ・・・傾斜連続突起。２８・・・切断面、２９・・・矩形突起、３０・・・三
角形突起、３１・・・半円形突起、３２・・・空気流の
軌跡、３３・・・温度（速度）境界層、３４・・・出口
空気流速分布、３５・・・フィン温度分布、３６・・・
入口空気温度分布、３７・・・コンピュータ筐体、３８
・・フィン、３９・・・風速制御体、４０・・・出口ル
ーバ、４１・・・マルチチップモジュール、４２・・・
フィン基板、４３・・傾斜突起、４４・・・傾斜突起、
４５・・・傾斜突起、４６・・・山形突起、４７・・・
流線形突起、４８・・・傾斜切起し突起、５１・・・発
熱体、５２・・・フィン基板、５２ａ・・・フィン部、
５２ｂ・・・平面フィン部（フィン根元部）、５３・・
・空気ダクト、５４・・・冷却空気（冷却流体）、５５
・・・入口風速分布、５５ａ・・・出口風速分布、５６
・・・フィン間空気流、５７・・・フィン間空気流、５
７・・・突起。第　１　　図１ａ、ｌｂ、ＩＣ：Ｊ凰？”’７１− ２０．２ｂ：発熱イ本３ａ、３ｂ　：わ暖リフイン４　・人気（シ９ｔｎ　空りデ【）５ａ、　５ｂ、５ｃ：ｉＪＬ入ｉｎ分６ａ、６ｂ、６ｃＪ：？ｆ３人ｉｏ分

Claims

【特許請求の範囲】

１．電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて該発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、前記発熱体
を内蔵する１つの冷却流路を設け、該冷却流路の上流側
の前記発熱体の最前段でかつ前記冷却流体の流れに直交
する方向の断面積を該方向の前記発熱体の断面積より大
きく形成し、前記方向の断面積を前記流れの下流方向に
向けて漸減させることにより、前記発熱体を前記最前段
より直接冷却する前記冷却流体の主通路と前記発熱体に
向けて連続供給する前記冷却流体の副通路とを前記冷却
流路に設けたことを特徴とする電子機器の冷却装置。
２．電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて該発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、前記発熱体
に放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの冷却流路
を設け、該冷却流路の上流側の前記発熱体及び放熱体の
最前段でかつ前記冷却流体の流れに直交する方向の断面
積を該方向の前記発熱体及び放熱体の断面積より大きく
形成し、前記方向の断面積を前記流れの下流方向に向け
て漸減させることにより、前記発熱体及び放熱体を前記
最前段より直接冷却する前記冷却流体の主通路と前記発
熱体及び放熱体に向けて連続供給する前記冷却流体の副
通路とを前記冷却流路に設けたことを特徴とする電子機
器の冷却装置。
３．放熱体は発熱体と結合しかつ冷却流体の流れ方向に
伸びる少なくとも１個の放熱フィンであることを特徴と
する請求項２記載の電子機器の冷却装置。
４．放熱フィンの面上に少なくとも１個の傾斜突起を設
け、それぞれの傾斜突起は冷却流体を発熱体に近づける
方向に傾斜して配設されていることを特徴とする請求項
３記載の電子機器の冷却装置。
５．冷却流路を形成する上面壁及び側面壁に所定の傾斜
面を接続して発熱体に漸近させ、冷却流体の流れに直交
する方向の断面積を前記流れの下流方向に向けて漸減さ
せてあることを特徴とする請求項１又は２記載の電子機
器の冷却装置。
６．電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて該発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、前記発熱体
に放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの冷却流路
を設け、該冷却流路の上流側の前記発熱体及び放熱体の
最前段でかつ前記冷却流体の流れに直交する方向の断面
積を該方向の前記発熱体及び放熱体の断面積より大きく
形成し、前記方向の断面積を前記流れの下流方向に向け
て漸減させることにより、前記発熱体及び放熱体を前記
最前段より直接冷却する前記冷却流体の主通路と前記発
熱体及び放熱体に向けて連続供給する前記冷却流体の副
通路とを前記冷却流路に設け、前記副通路に少なくとも
１個のガイド板を備えてそれぞれのガイド板の先端と前
記冷却流路の壁面との距離を前記流れの下流方向に向け
て次第に小さくするとともにそれぞれのガイド板の先端
の前記流れに対する傾斜角度を調整自在としたことを特
徴とする電子機器の冷却装置。
７．冷却流体を送風する手段と、該冷却流体を流通しか
つ発熱体及び放熱体を内蔵する筐体とからなる電子機器
の冷却装置を具備した電子機器において、請求項１，２
又は６記載の電子機器の冷却装置を具備したことを特徴
とする電子機器。
８．電子機器の発熱体に連結して冷却流体の流通により
該発熱体を冷却する放熱フィンにおいて、フィン基板面
上の前記冷却流体の流れ方向に、前記冷却流体の入口端
より出口端を前記発熱体に近い方向に傾斜した面を有す
る少なくとも１個の突起を部分的又は断続して配設した
ことを特徴とする放熱フィン。
９．フィン基板とほぼ直角方向の突起の断面形状は、少
なくとも三辺に囲まれた角形であることを特徴とする請
求項８記載の放熱フィン。
１０．フィン基板とほぼ直角方向の突起の断面形状は半
円形であるとともに、冷却流体の流通方向の断面形状は
流線形であることを特徴とする請求項８記載の放熱フィ
ン。
１１．電子機器の発熱体に連結して冷却流体の流通によ
り該発熱体を冷却する放熱フィンにおいて、発熱体に近
いフィン基板の根元部の通気抵抗を該根元部以外の通気
抵抗より減する手段を備えたことを特徴とする請求項８
，９，又は１０記載の放熱フィン。
１２．通気抵抗を減する手段は、突起の数又は高さを減
するとともに、それぞれの突起の間の通気路を大きく形
成されてあることを特徴とする請求項８〜１１のいずれ
か１項記載の放熱フィン。