JPH10190268A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却装置の所要体積を増やさずに単位体積当
たりの冷却能力を向上させることができる電子機器の冷
却装置を提供する。 【解決手段】 発熱体１の放熱部との接触面を有するフ
ィン基板２１に固着された複数枚の平板状のフィン２２
を有するヒ−トシンク２と、フィン２２の間を一方から
他方へ気流を強制的に流すファン３とを備え、発熱体１
の熱を放熱させる電子機器の冷却装置において、一端が
フィン基板２１のフィン取付け面に対向して設けられフ
ィン２２間に間隔をもって挿入された複数のピン４と、
ピン４の他端に固着されその表面がフィン２２の先端部
側に設けられた部材取付け板５とを備えるようにした。
また、ピン４に替えて可逆性形状記憶合金から成る短冊
板を具備させても良い。これにより、冷却装置の所要体
積を増やさずに単位体積当たりの冷却能力を向上させる
ことができ、高性能化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器に搭載さ
れる発熱体で発生した熱をフィンを介して流体に放熱す
る電子機器の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、ロボットや工作機械に使
用されるインバータ制御装置等の電子機器にはトランジ
スタ等のパワーデバイスや電源モジュールなどの大きな
発熱体が搭載されている。これらの電子機器には図６に
示すように、発熱体で発生した熱を周囲の流体に放熱す
るヒートシンクを取り付けた冷却装置が知られている。
第１の従来例を図６および図７に示す。１は発熱体（例
えば、パワ−モジュ−ル）、２は発熱体１に接触固定さ
れたヒートシンクで、フィン基板２１の上に平板状の形
をしたフィン２２が一体化されたものであり両部材とも
熱伝導性の良好な金属からできている。３は強制風を発
生させるファンで、ファン３から送られる冷却風の向き
をＡで表すものとする。このような構成において、発熱
体１で発生した熱は発熱体１とフィン基板２１との接触
面を介してフィン基板２１に伝わり、フィン基板２１の
中では伝導伝熱によって熱が拡がってフィン基板２１と
一体になっているフィン２２へと熱が伝わる。フィン基
板２１およびフィン２２と冷却風との間では強制対流に
よる熱伝達によって冷却風へ熱が伝えられる。その結
果、発熱体１の熱は冷却風に放熱されることになる。ま
た、第２の従来例として、図８および図９に示すように
発熱体１が例えば、複数のモジュールから成る電源装置
（１ａ〜１ｆ）であって、発熱体１の背面にベ−ス部８
を介して取り付けられるヒートシンク２のフィン基板２
１の上側に複数のフィン２２が取り付けられているもの
がある。ヒートシンク２の前端部２２ａに対向してファ
ン３が所定の間隔をおいて設けられ、ファン３から離れ
た後端部２２ｂに向かうに従ってフィン基板２１のフィ
ン２２の取付け面が直線的に高くなるように傾斜した形
状を有している。さらに、ヒートシンク２がファン３か
ら離れた後端部２２ｂに向かうに従ってフィン２２が扇
状に配置されたものもある（例えば、特開平７ー２４９
８８５号公報）。このような構成においては、ファン３
からの冷却風はこのファン３の近傍に位置するヒートシ
ンク２の前端部側２２ａで遮られることなく、ファン３
から離れたヒートシンク２の後端部側２２ｂにも直接当
たるようになる。これによりヒートシンク２全体の放熱
効果を高めるようにしてある。また、第３の従来例は、
図１０に示すように発熱体１がＩＣやＬＳＩ等の半導体
パッケージの場合であり、ケース９と、ヒートシンク１
５とを有するヒートシンク付き半導体パッケージにおい
て、ケース９内部には下面にＬＳＩチップ（図示せず）
を接着固定したＬＳＩチップ搭載板（図示せず）が設け
られ、ケース９の下面周縁部にはチップをボード（図示
せず）に接続するための複数個の接続ピン１０が立設さ
れている。また、ＬＳＩチップ搭載板上に平板状のフィ
ン２４を縦に複数並べ、その両端にある平板状のフィン
２３の長さを内部のフィン２４より長く形成してその端
縁を内部のフィン２４の端縁位置より外側に張り出させ
るようにしたものである（例えば、特開平５ー２１６６
５号公報）。このような構成において、内側のフィン２
４の列は、両端のフィン２３の張り出し部分に覆われる
ために強制空冷の空気がヒートシンク２の両端に漏れる
ことが少なくなり、大部分の空気が内部のフィン２４の
隙間を通過するため、ヒートシンク２の冷却性能を向上
させ、発熱体１であるパッケージの冷却効率を高めるよ
うにしてある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】小形化要求の強い電子
機器の中で比較的大きな体積を占めるこのような冷却装
置を小形化するためには単位体積当たりの冷却性能の向
上が不可欠である。ところが、従来技術のうち第１の従
来例において、フィンの表面積を増やさずに冷却性能を
向上させるには図７に示すようにフィン２２の間を流れ
る冷却風の風速を増加させるしかない。小形化の制約上
ファンを増やすことはできず、また設置できるファンの
大きさにも限度があるため、速い風速を得ることは難し
く、飛躍的な冷却性能の向上は望めないという問題があ
った。また、第２の従来例では図８に示すように、ヒー
トシンク２の前端部２２ａに対向して設けたファン３か
ら強制風を発生させ、ファン３から離れた後端部２２ｂ
に向かうに従ってフィン基板２１のフィン２２の取付け
面が直線的に高くなるような構成にしたり、さらに、後
端部２２ｂに向かうに従って扇状の形状を有した構成に
して、フィン２２間の風の浮き上がりを抑えて冷却効果
を上げているが、ヒ−トシンク２全体の所要体積が増え
るため、単位体積当たりの冷却能力は向上していないと
いう問題があった。また、第３の従来例では図１０に示
すように、発熱体であるＬＳＩチップの背面に固定され
たフィンの長さを内部側より両端部側を長くした構成に
して、両側のフィン２３廻りの風速を増加させている。
中心部にあるフィン２４の冷却効果は何ら変化していな
いため、全体として見ると冷却能力はさほど向上しない
という問題があった。そこで、本発明は冷却装置の所要
体積を増やさずに単位体積当たりの冷却能力を向上させ
ることができ、高性能化、高信頼性化を図ることのでき
る電子機器の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固着された複数枚の平板状のフ
ィンとを有するヒ−トシンクと、前記フィンの間を一方
から他方へ強制的に流体を流通させる流体駆動機構とか
らなる前記発熱体の熱を放熱させる電子機器の冷却装置
において、一端が前記フィン基板のフィン取付け面側に
対向して設けられ前記フィン間に間隔をもって挿入され
た複数の柱状部材と、前記柱状部材の他端に固着されそ
の表面が前記フィンの先端部側に設けられた部材取付け
板とを備えたものである。上記構成において、前記柱状
部材がピンまたは所定の温度でねじれるような変形特性
を付与した可逆性形状記憶合金から成る短冊板としたも
のである。また、前記流体駆動機構が前記ヒ−トシンク
の流体流通路中の前後に少なくとも一つ設けてある。ま
た、前記部材取付け板と前記ヒ−トシンクとが一体化し
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１
から図５まで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の分解斜視図、図２は図１
のフィン先端側から見たフィンとピン間の冷却風の流れ
を示す模式図である。図において、１〜３は従来例と同
じ構成要素であるため同一符号を付してその説明を省略
し、従来例と異なる構成要素のみ説明する。４は四角柱
状のピン、５はピン４が複数設置された部材取付け板で
ある。ピン４の断面形状は図では四角柱として示したが
実施に当たっては多角柱、多角錐、円柱、円錐であって
も良い。このような構成において、本発明に係る冷却装
置はピン４がフィン基板２１上に列状に配置された複数
のフィン２２間に配置できるようなピッチ間隔で部材取
付け板５に設置されたものである。部材取付け板５はフ
ィン基板２１の発熱体取り付け面と反対側のフィン２２
に対向し、また、ピン４がフィン２２間に挿入されるよ
うな状態になるように部材取付け板５をフィン２２の先
端部側に設けたものである。なお、部材取付け板５はフ
ィン２２の先端部に固着し、ヒ−トシンク２と一体化し
たものでも構わない。次に動作について説明する。図２
に示すようにフィン２２の間に流入した冷却風はピン４
に衝突してピン４とフィン２２との隙間に分流する。す
るとピン４の側面と後面の空間に圧力のアンバランスが
生じてピン４の側面を通過した冷却風はピン４の後面に
回り込んで渦を形成する。この渦はさらにその下流に対
して圧力のアンバランスを生じさせるため新たな渦が発
生することになり、フィン２２の間を流れる冷却風は乱
流状態になる。冷却風は下流に行くにしたがってフィン
２２によって流れが規制されるため次第に乱流がおさま
ってくるが、適当な距離Ｌを置いて設置されたピン４に
よって再び乱流化される。このようにしてフィン２２の
間を流れる冷却風を乱流化した状態に保つとフィン２２
の表面に構成される速度境界層はフィン２２の全面にわ
たって薄くなり、フィン２２と冷却風との間の熱伝達能
力が増大する。このような冷却装置では発熱体１とフィ
ン基板２１との接触やフィン基板２１およびフィン２２
内の伝導による熱抵抗は小さく、その冷却性能はフィン
２２と冷却風との間の熱伝達能力の如何にかかってい
る。したがって、本実施例のように構成してフィン２２
と冷却風との間の熱伝達能力が増大すると冷却装置の大
きさを変えることなく冷却装置の性能を向上させること
ができる。すなわち、単位体積当たりの冷却性能が向上
する。

【０００６】次に本発明の第２の実施例を示す。図３の
（ａ）は第２の実施例を示す冷却装置の分解斜視図、
（ｂ）は（ａ）の短冊板のねじれ変形を示す模式図、図
４は図３（ａ）のフィン先端側から見たフィンとピン間
の冷却風の流れを示す模式図である。第１の実施例と異
なる点は図１に示す部材取付け板５に設置されたピンに
替えて、図３の（ａ）に示すように短冊板６を設置した
もので、短冊板６は可逆性の形状記憶合金から成り、
（ｂ）に示すように所定の温度になると板の長軸周りに
ねじれるような変形特性を付与しておいたものである。
このような構成において、短冊板６をフィン基板２１の
発熱体取り付け面の反対側からフィン２２に装着したも
のであって、短冊板６はヒ−トシンク２のフィン２２先
端に装着したときにフィン２２の間に配置できるような
ピッチ間隔で部材取付け板５に設置されている。次に動
作について説明する。発熱体１の熱がフィン２２まで伝
わり、これに装着された部材取付け板５と短冊板６の温
度が上がって短冊板６の変形温度になると短冊板６は図
に示すような形に変形する。フィン２２の間を流れる冷
却風は短冊板６に沿って流れるため短冊板６の両側には
風量のアンバランスが発生し、その結果風速のアンバラ
ンスができる。この風速のアンバランスが流体内の圧力
分布のアンバランスを誘起するので第１の実施例と同様
の現象によって冷却装置の性能が向上する。したがっ
て、フィン２２の温度がある程度上昇して短冊板６が変
形してから冷却能力が向上するので、本冷却装置は発熱
体１の発生熱が変化するような場合にその発熱量に関わ
らず温度上昇をある範囲内に保持しておくことができ
る。一般にパワ−デバイスは温度によって特性が変化す
るので、安定した電気特性を必要とするような電子装置
にとってはその効果は大きい。

【０００７】次に本発明の第３の実施例を示す。図５は
第３の実施例を示す冷却装置の分解斜視図である。第１
および第２の実施例で示したように、フィン２２の間に
ピン４や短冊板６を挿入すると冷却風流路の拡大縮小に
よる通風抵抗が増加し、また、渦による圧力損失が生じ
るため、本来有する流体駆動装置だけでは十分な流量が
確保できないことがある。そこで、本冷却装置は風上側
に設置した冷却用のファン３とは別に、部材取付け板５
の冷却風の下流側の位置に冷却風をヒ−トシンク２間か
ら吸い出すように風向を設定した別体のファン７を設け
たものである。また、例示ではファン７を風下側に設置
しているが、ファン７をファン３と部材取付け板５の前
端部との間に設けて、冷却風を部材取付け板５の下流側
へ押し出すような風向設定をしても良く、その位置は限
定されるものではない。また、ファンに替えてポンプを
用いてもよく、流体を駆動させる機構は限定されるもの
ではない。このように、ファン７を新たに設置すること
で冷却装置前後の冷却風誘起圧力差を大きくして十分な
冷却流量を確保することができる。

【０００８】上記手段により、フィン間を流れる冷却風
がピンに衝突することあるいは短冊板によって風量分布
のアンバランスができることによって冷却風が乱流化
し、フィン表面の速度境界層が薄くなるのでフィン表面
と冷却風との間の熱伝達能力が増大して冷却装置として
の冷却性能が向上する。

【０００９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば平板
状のフィンを設置して成る電子機器の冷却装置におい
て、フィン間にピンやねじれ変形を起こす形状記憶合金
から成る短冊板を挿入してフィン間を流れる冷却風を乱
流化するようにしたので、冷却装置の所要体積を増やさ
ずに単位体積当たりの冷却能力を向上させることがで
き、高性能化、高信頼性化を図ることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す冷却装置の分解斜
視図である。

【図２】図１のフィン先端側から見たフィンとピン間の
冷却風の流れを示す模式図である。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例を示す冷却装置
の分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の短冊板のねじれ変形を
示す模式図である。

【図４】図３（ａ）のフィン先端側から見たフィンとピ
ン間の冷却風の流れを示す模式図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す冷却装置の分解斜
視図である。

【図６】第１の従来例を示す冷却装置の斜視図である。

【図７】図６のフィン間の冷却風の流れ図を示す模式図
である。

【図８】第２の従来例を示す冷却装置の斜視図である。

【図９】第２のその他の従来例を示す冷却装置の斜視図
である。

【図１０】第３の従来例を示す冷却装置の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１：発熱体 ２：ヒ−トシンク ２１：フィン基板 ２２：フィン ３：ファン ４：ピン ５：部材取付け板 ６：短冊板 ７：ファン Ａ：冷却風 Ｌ：ピン間または短冊板間の冷却風方向の距離

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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固着された複数枚の平板状の
   フィンとを有するヒ−トシンクと、前記フィンの間を一
   方から他方へ強制的に流体を流通させる流体駆動機構と
   からなる前記発熱体の熱を放熱させる電子機器の冷却装
   置において、 一端が前記フィン基板のフィン取付け面側に対向して設
   けられ前記フィン間に間隔をもって挿入された複数の柱
   状部材と、前記柱状部材の他端に固着されその表面が前
   記フィンの先端部側に設けられた部材取付け板とを備え
   たことを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記柱状部材がピンまたは所定の温度で
   ねじれるような変形特性を付与した可逆性形状記憶合金
   から成る短冊板である請求項１記載の電子機器の冷却装
   置。
3. 【請求項３】 前記流体駆動機構が前記ヒ−トシンクの
   流体流通路中の前後に少なくとも一つ設けてある請求項
   １または２に記載の電子機器の冷却装置。
4. 【請求項４】 前記部材取付け板と前記ヒ−トシンクと
   が一体化したものである請求項１から３までの何れか１
   項に記載の電子機器の冷却装置