JPH10154889A

JPH10154889A - 冷却装置

Info

Publication number: JPH10154889A
Application number: JP33042696A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Sonoda; 広信園田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】装置の大きさに関わらず、軸流ファンからの
高速の吐出風を放熱フィンに供給して放熱フィン全面を
有効な熱伝達面として機能させることができ、高い冷却
性能を有する冷却装置を提供する。【解決手段】発熱体４との接触面を有するフィン基板
３１に立設された放熱フィン３２を備えるヒ−トシンク
３と、ヒートシンク３の上方に間隔を置いて設けた軸流
ファン１と、軸流ファン１とヒートシンク３との間に設
けられ軸流ファン１の空気吐出側からヒートシンク３に
向かって冷却空気を流出させる導風板８を有するベース
板９とからなる冷却装置において、ベース板９は中央に
貫通穴１０を備え、導風板８はベース板９の外周から貫
通穴１０との間で貫通穴１０を取り巻くように形成した
螺旋形状を有するため、放熱フィン３２間に高速噴流を
供給し全面を有効な熱伝達面として機能させることがで
き、冷却性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子機器に
使用されているＩＣなどの電子素子の冷却に利用する冷
却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、メモリやＣＰＵとして使用される
ＩＣなどの電子素子は、集積度の向上によって著しく発
熱量が増加しており、電子素子の過熱を防ぐために素子
を個別に冷却する手法が取られるようになってきた。従
来、このような目的で使用される冷却装置は、一般的に
ピンフィン型ヒートシンク構造のものがよく知られてい
る。第１の従来例として、図６の（ａ）にピンフィン型
ヒートシンク構造のものを示した。（ｂ）は（ａ）のＣ
Ｃ’線に沿う平面図である。ピンフィン型のヒートシン
ク３は、矩形状のフィン基板３１の上に、上端から下端
までが断面一様のピンフィン３４を高密度に多数配列し
て構成し、軸流ファン１と併用して強制空冷型の冷却装
置として使用されるものである。中央にモ−タ部１ａを
備えた軸流ファン１はケ−シング２の内側に取り付けら
れ、軸流ファン１の冷却風吐出側に、ピンフィン３４の
上端側を対向させるように、ケ−シング２をフィン基板
３１に対して支柱３１ａを挟んで図示しないネジ等で取
り付け、更にフィン基板３１の背面側に発熱体４を密着
させた構成にしたものである。このような構成におい
て、軸流ファン１が回転するとファンの作用により冷却
風５が発生する。冷却風５は軸流ファン１からフィン基
板３１へ向かって垂直に吹きだし、ピンフィン３４の間
の空隙で流れ方向を転換して、ヒートシンク３の外周か
ら排出する。一方、発熱体４で発生した熱は発熱体４と
フィン基板３１との接触面を介してフィン基板３１に伝
わり、さらに熱伝導でピンフィン３４に伝わる。ピンフ
ィン３４およびフィン基板３１の表面と冷却風５との間
の熱伝達により熱はヒートシンク３から冷却風５に伝わ
って、冷却風５と伴に外気へ放出される。この過程で、
冷却風５がピンフィン３４の間で流れ方向を転換する際
に乱流化するため、熱伝達率が大きくなり発熱体４に対
して高い冷却性能が得られる。また、第２の従来例とし
て渦巻状フィンを具備したヒ−トシンクが提案されてい
る（例えば、特開平７−２３４０３５号公報）。図７の
（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。（ａ）は（ｂ）
のＥＥ’線に沿う側断面図、（ｂ）は（ａ）のＤＤ’線
に沿う平面図である。図において、冷却装置は熱伝導部
材６を介して吸熱板７が固定された発熱体４１（熱電変
換素子）と、発熱体４１の放熱面に接合されたフィン基
板３１と、フィン基板３１の上方に直角な軸Ｏを中心に
回転する軸流ファン１を配設するとともに、軸流ファン
１からの風向きと略平行に形成される渦巻状フィン３５
をフィン基板３１に一体成形させてなるヒ−トシンク３
を具備するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
冷却装置の対象はＩＣなどの小さな寸法の物が多く、冷
却装置そのものも小形であることが要求される。第１の
従来例に示すように冷却装置用の軸流ファン１ではモー
タ部１ａの小形化に限界があるため、小形の軸流ファン
では軸方向投影面積におけるモータ部１ａの面積がケー
シング２を含む軸流ファン全体の投影面積に対して相対
的に広くなり、冷却風５が通過する面積すなわちケーシ
ング２の内周Ｄｃとモータ部１ａの外周Ｄｍとの間で示
される部分が狭くなり、その上、軸流ファン周辺部に遍
在することになる。そのため、ヒートシンク３では有効
に冷却される部分が周辺部に偏り、冷却装置としての冷
却性能が下がるという問題があった。また、第２の従来
例は放射状に配置していた直線上の平板フィンに軸流フ
ァンからの吐出風向に沿った曲率をつけたというもので
あるが、軸流ファン１からの吐出風が放熱フィン３５の
外側に向かって吹くとすると、冷却風５が勢いを持って
フィン間を流れるのは軸流ファン１の風吐出口よりも外
側に位置するフィンの間だけであり、冷却性能の向上は
風吐出口よりも外側のフィンが曲率を持ったことにより
増加した表面積の増加相当分しか望めず、逆に風吐出口
よりも内側にあるフィンの間では風が閉息状態になるた
め、軸流ファン１からの高速の吐出風を放熱フィン３５
に吹き付けてもフィン全体を有効な熱伝達面として機能
せしめることができないという問題があった。そこで、
本発明は装置の大きさに関わらず、軸流ファンの吐出風
を高速化して放熱フィンに供給し、かつ、放熱フィン全
面を有効な熱伝達面として機能させることによって、高
い冷却性能が得られることができる冷却装置を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は発熱体の放熱部との接触面を有するフィン
基板と前記フィン基板に立設された放熱フィンとを備え
たヒ−トシンクと、前記ヒートシンクの上方に間隔を置
いて設けた軸流ファンと、前記軸流ファンと前記ヒート
シンクとの間に設けられ前記軸流ファンの空気吐出側か
ら前記ヒートシンクに向かって冷却空気を流出させるよ
うにした導風板を有するベース板とからなる冷却装置に
おいて、前記ベース板は中央に貫通穴を備え、前記導風
板は前記ベース板の外周と前記貫通穴との間で前記貫通
穴を取り巻くように形成した螺旋形状を有する構成にし
たものである。上記の構成において、前記放熱フィンが
放射状または螺旋状の形状を有するものである。また、
前記フィン基板が放熱側に凹凸形状を有するものであ
る。また、前記ベース板と前記ヒートシンクとが一体構
造としたものである。また、前記貫通穴が穴径を変更す
る可動機構を備えたものである。また、前記発熱体また
は前記ヒートシンクに温度センサを設けるとともに、前
記温度センサによる検知温度を設定温度と比較して出力
信号を出力させる温度制御手段と、前記温度制御手段の
出力信号に基づいて前記貫通穴の可動機構を駆動する駆
動手段を備えたものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例を
示す冷却装置である。（ａ）は冷却装置の側面図を示
し、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線に沿うベース板に装着さ
れた導風板の平面図を示す。図２は図１の（ａ）のＢ
Ｂ’線に沿うヒートシンクの平面図を示す。なお、従来
例と同じ構成要素を示すものは同一符号を用いる。軸流
ファン１の冷却風吐出側には、ベース板９に固定された
冷却空気を誘導する螺旋形状の導風板８が装着してあ
る。導風板８の螺旋は、軸流ファン１のファン回転方向
に法線ベクトルを想定し、導風板８に沿ってそのベクト
ル方向に進んだときに次第にベース板９の中央に近づく
ように巻いた形状にしたものである。また、ベース板９
の中央には貫通穴１０を設けてあり、ベース板９の導風
板８と反対側にはヒートシンク３を設置する。ヒートシ
ンク３には放射状に立設した複数の放熱フィン３２を配
置し、ヒートシンク３のフィン基板３１の背面側に発熱
体４を密着させている。なお、軸流ファン１は、導風板
８を固定したベース板９を挟んでヒートシンク３に対し
て図示しないネジ等で装着したものである。

【０００６】このような構成において、軸流ファン１が
回転すると冷却風５が発生する。軸流ファン１から導風
板８の間に吹き出した冷却風５は、軸流ファン１のファ
ンの回転による法線方向の慣性速度成分を持っているた
め、導風板８の間をファンの回転と同じ向きで周方向に
吹く。導風板８の螺旋は軸流ファン１のファン回転方向
に沿って進んだときに次第にベース板９の中央に近づく
ように巻いてあるので、軸流ファン１から導風板８の間
に吹き出した冷却風５は全て導風板８に沿ってその中央
部に集まる。導風板８の間の冷却風５は中央部に近づく
につれて風量が増加するため冷却風速は加速され、ベー
ス板９の中央にある貫通穴１０を通ってヒートシンク３
のフィン基板３１の中央表面に吐出するときは高速噴流
となって鉛直下方に吹き出す。フィン基板３１に衝突し
た冷却風５は、方向を転換して放射状に立設した放熱フ
ィン３２の間を通過してヒートシンク３の外へ排出され
る。図１に示すような構成において、発熱体４で発生し
た熱はフィン基板３１との接触面を介してフィン基板３
１に伝わった後、熱伝導でヒートシンク３全体に拡が
る。ヒートシンク３では、中央に吹き込んだ冷却風５に
よって全ての放熱フィン３２が全面を洗われるため、ヒ
ートシンク３全体から冷却風５に効率良く熱が伝えられ
る。したがって、このような冷却装置は、軸流ファン１
の冷却風の吐出位置や面積に関わらず、導風板８を介し
て冷却風５をいったん放熱フィン３２の中央に集めた
後、放熱フィン３２の外部に向かってヒートシンク３全
体を満遍なく冷却するような経路で排出する構成にして
あるので、軸流ファン１からの高速の吐出風を放熱フィ
ン３２に供給でき、ヒートシンク３全面を有効な熱伝達
面として機能させることができるため、装置の大小に関
係なく常に軸流ファンとヒートシンクの組み合わせによ
る最高の冷却能力を引き出すことができる。

【０００７】次に、第１の実施例において、その他の実
施例を説明する。本実施例では図２に示すヒートシンク
３に用いた放射状の放熱フィン３２に替えて、図３に示
す螺旋状の放熱フィン３３にしたものである。螺旋の巻
きは、軸流ファン１のファン回転方向に法線方向のベク
トルを想定し、放熱フィン３３に沿ってそのベクトル方
向に進んだときに次第にヒートシンク３の外周に近づく
方向にとる。導風板８に沿って流れる冷却風５はベース
板９の中央に集中しても周方向の速度成分を持ってお
り、全体が大きな渦を作る。ベース板９の貫通穴１０が
大きいと冷却風５は渦を形成したままでヒートシンク３
に流入する。ヒートシンク３の放熱フィン３３が図３に
示すような螺旋形状をしているので、ヒートシンク３に
流入した冷却風５は周方向の速度成分を保ったまま放熱
フィン３３間に流入し、放熱フィン３３に沿ってフィン
を冷却しながら外部へ排出される。したがって、このよ
うな構成にすることで、ヒートシンク３に流入した冷却
風５は極端な方向転換を強いられることがないので通風
抵抗が小さくなる。また、放熱フィン３３を螺旋形状に
することで直線状のフィンなどに比べて単位体積当たり
のフィン表面積が大きくとれるので冷却性能の高いヒー
トシンクが実現できる。また、その他の実施例とし
て、上記導風板８は放熱フィン３３と同じく螺旋形状を
しているため、その単位体積当たりの表面積は大きい。
したがって、導風板８を固定したベース板９とヒートシ
ンク３をロー付けなどによって一体化すると、フィン基
板３に取り付けた発熱体４の熱が伝導によって導風板８
とベース板９にも拡がる。その結果、導風板８やベース
板９でも冷却風５との熱交換が生じるため、冷却能力が
いっそう向上する。

【０００８】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図４は本発明の第２の実施例を示す冷却装置で、
（ａ）は凸面形状のフィン基板を有する冷却装置の側面
図、（ｂ）は凹面形状のフィン基板を有する冷却装置の
側面図を示したものである。断面が平坦なフィン基板３
１を装着したヒートシンク３を備え、導風板８から吐出
した冷却風５を高速噴流としてフィン基板３１に衝突さ
せた後、９０度の急激な方向転換を強いて放熱フィン３
２間を通過させることによってヒートシンク３全面を冷
却するようにした第１の実施例に対して、第２の実施例
は図４（ａ）に示すように、ヒートシンク３のフィン基
板３１の冷却側に、ベース板９から吐出する冷却風５に
対して凸面を構成する曲率をつけるようにしたものであ
る。フィン基板３１の表面をこのような形状にすると、
ベース板９から吐出する冷却風５はフィン基板上の凸面
に沿った緩やかな方向転換を促されるため、通風路内で
渦や吹き戻しが生ずることがなくなり、その場所での通
風抵抗が小さくなる。したがって、冷却風量の減少を抑
えることができる。また、（ｂ）はヒートシンク３のフ
ィン基板３１の冷却側に、ベース板９から吐出する冷却
風５に対して凹面を構成する曲率をつけるようにしたも
のである。このような形状にすると、吐出風の吹き戻し
や渦の発生を促進し、放熱フィン３２間を通過する冷却
風５が乱流化し易くなる。したがって、冷却風５の乱流
化の促進による熱伝達率の増加を図ってヒートシンク３
の冷却能力を向上させることができる。また、このよう
な構成で、導風板８を固定したベース板９とヒートシン
ク３を一体化させても良く、こうすることにより導風板
８やベース板９でも冷却風５との熱交換が生じるため、
冷却能力がいっそう向上する。

【０００９】次に、本発明の第３の実施例について説明
する。図５に本発明の第３の実施例を示す。冷却装置の
構成は第１の実施例に示すものと基本的には同じである
が、第１の実施例と異なる点はベース板９の中央に明け
た貫通穴１０の径の大きさを自在に調節する可動機構１
２を設け、貫通穴１の径を狭めたり、拡げたりすること
で貫通穴１０の位置における冷却風通過断面積を変化さ
せヒートシンク３への吐出風速を変えるようにしたもの
である。また、上記の貫通穴１０の径の可動機構１２を
自動的に制御し駆動する手段を設けるようにしても構わ
ない。例えば発熱体４の温度を検知する温度センサ１１
と、温度センサ１１によって検知された検知温度と予め
設定した設定温度とを比較して、その結果に応じた信号
を出力する温度制御装置１３と、温度制御装置１３の出
力信号に応じて貫通穴１０の径の可動機構１２を制御す
るアクチュエータ１４を設け、発熱体４の温度変化に応
じてアクチュエータ１４によって貫通穴１０の径を自動
的に変更して風速を自在に制御するように構成する。こ
のような機構を付加することによって、貫通穴１０の径
の可動機構１２により風速を自在に変更したり、さらに
発熱体やヒ−トシンクの温度を検知し、温度制御装置１
３とアクチュエータ１４により貫通穴１０の径の可動機
構１２を駆動して風速が自動的に変わるようになるの
で、冷却装置の能力を負荷変動に追従させることができ
る。また、発熱体４の発熱量が変動した場合、若しくは
発熱体４そのものを他の発熱体に変更し取り替えるよう
な場合であっても、発熱体４の発熱量に応じた最適な冷
却性能が得られるように貫通穴１０の径を変更して風速
を変えることにより、発熱体４の温度を一定に保ち、そ
の特性の安定化を図ることができるとともに、必要に応
じた冷却能力を設定することができる。さらに、軸流フ
ァンとヒートシンクを備えた冷却装置の設計の自由度が
向上する利点もある。

【００１０】上記手段により、軸流ファンから吐出した
冷却風をいったん螺旋状の導風板の中央部に集めた後
で、導風板から吐出した冷却風を導風板に固定されたベ
ース板の貫通穴から高速噴流としてヒートシンクのフィ
ン基板中央部へ吐出させ、この冷却風を放射状あるいは
螺旋状に配置した冷却フィンに沿って外部へ排出するよ
うにしたので、冷却風が常にヒートシンクを満遍なく洗
うようになり冷却装置の大きさに関わらず高い冷却性能
を確保することができる。また、フィン基板の冷却側
に、吐出してくる冷却風の方向転換を促す凸面を設ける
ことによりその位置における通風抵抗を小さくできるの
で、断面が平坦なフィン基板を装着したヒートシンクを
備えた装置に比べ、冷却風量の減少を抑えることができ
る。また、ヒートシンクのフィン基板の冷却側に、ベー
ス板から吐出する冷却風に対して凹面を構成する曲率を
設けたことで、吐出風の吹き戻しや渦の発生による乱流
化を促進し、熱伝達率の増加を図ってヒートシンクの冷
却能力を向上させることができる。また、ベース板の中
央に明けた貫通穴の位置における冷却風通過断面積を狭
めたり、拡げたりする貫通穴の径の可動機構を設けた
り、また、貫通穴の径を自動的に制御し駆動するアクチ
ュエータおよび温度制御手段を組合わせるようにする
と、放熱フィンの間を通過する冷却風の風速を自在に変
えることができるので、放熱フィンと冷却風との間の熱
伝達率を変動させ最適な冷却性能を得ることができる。
また、発熱体の発熱量が変動した場合であっても貫通穴
の風速を変えることにより冷却装置の能力を負荷の変動
に追従して自在に変えることができ、発熱体の発熱量に
応じて最適な冷却性能が得られる。さらに、軸流ファン
とヒートシンクを備えた冷却装置の設計の自由度が向上
するという利点もある。

【００１１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば冷却
装置の大きさに関わらず、軸流ファンからの高速の吐出
風を放熱フィンに供給して、冷却フィン全面を有効な熱
伝達面として機能させることができるので、高い冷却性
能が得られる高信頼性の冷却装置を得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例を示す冷却装置
の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線に沿う導風板形状
の平面図である。

【図２】図１（ａ）のＢＢ’線に沿う放射状フィンを有
するヒ−トシンクの平面図である。

【図３】図１（ａ）のＢＢ’線に沿う螺旋状フィンを有
するヒ−トシンクの平面図である。

【図４】（ａ）は本発明の第２の実施例を示す凸面形状
のフィン基板を有する冷却装置の側面図、（ｂ）は凹面
形状のフィン基板を有する冷却装置の側面図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す貫通穴の径可動機
構およびその温度制御装置を備えた冷却装置の側面図で
ある。

【図６】（ａ）は第１の従来例を示す冷却装置の側面
図、（ｂ）は（ａ）のＣＣ’線に沿う平面図である。

【図７】（ａ）は第２の従来例を示す冷却装置で、
（ｂ）のＥＥ’線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ
Ｄ’線に沿う平面図である。

【符号の説明】

１：軸流ファン１ａ：モータ部３：ヒートシンク３１：フィン基板３２：放熱フィン（放射状）３３：放熱フィン（螺旋状）４：発熱体５：冷却風８：導風板９：ベース板１０：貫通穴１１：温度センサ１２：可動機構１３：温度制御装置１４：アクチュエ−タ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱体の放熱部との接触面を有するフィ
ン基板と前記フィン基板に立設された放熱フィンとを備
えたヒ−トシンクと、前記ヒートシンクの上方に間隔を
置いて設けた軸流ファンと、前記軸流ファンと前記ヒー
トシンクとの間に設けられ前記軸流ファンの空気吐出側
から前記ヒートシンクに向かって冷却空気を流出させる
ようにした導風板を有するベース板とからなる冷却装置
において、前記ベース板は中央に貫通穴を備え、前記導風板は前記
ベース板の外周と前記貫通穴との間で前記貫通穴を取り
巻くように形成した螺旋形状を有するものであることを
特徴とする冷却装置。
【請求項２】前記放熱フィンが放射状または螺旋状の
形状を有するものである請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】前記フィン基板が放熱側に凹凸形状を有
するものである請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】前記ベース板と前記ヒートシンクとが一
体構造である請求項１から３までの何れか１項に記載の
冷却装置。
【請求項５】前記貫通穴が穴径を変更する可動機構を
備えた請求項１から４までの何れか１項に記載の冷却装
置。
【請求項６】前記発熱体または前記ヒートシンクに温
度センサを設けるとともに、前記温度センサによる検知
温度を設定温度と比較して出力信号を出力する温度制御
手段と、前記温度制御手段の出力信号に基づいて前記貫
通穴の可動機構を駆動する駆動手段を備えた請求項１か
ら５までの何れか１項に記載の冷却装置。