WO2014171262A1 - 電子機器の放熱構造 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、クーラーなどのコストのかかる空調手段が必要とされず、コンパクトであって、運転によるエネルギー消費が抑えられることにより環境にやさしい、屋外に設置される電子機器の放熱構造を提供することである。 屋外地面に設置されている精算機について、吸気部（２０１）、複数の発熱体（２０３a、２０３ｂ、２０３ｃ）を格納した本体部（２０２）、排気部（２０４）という構成が採用される。吸気部を上部に、排気部を下部に配置することにより、精算機の内部に下降気流を発生させる構造となっている。

Description

電子機器の放熱構造

本発明は、電子機器の放熱構造に関し、特に屋外に設置した精算機等の電子機器をクーラー等の空調手段を使用せず、ファン等の空気流発生手段を利用して強制空冷する放熱構造に関するものである。

従来、電子機器の放熱構造には、筺体内部の電子機器格納部に格納された電源や電気素子の熱を吸収した空気の浮力によって発生する上昇気流を生かした構造が採用されていた。
　本願図面の図１は、従来の放熱構造を採用した精算機を示した図である。
精算機は、屋外地面１００に設置されている。その構成部は、排気部１０１、複数の発熱体１０３a、１０３ｂ、１０３ｃを格納した電子部品格納部１０２、そして吸気部１０４である。ここで発熱体は、大規模集積回路（ＬＳＩ）や集積回路（ＩＣ）等の複数の電子部品が実装された回路基板、電源などの部品である。
従来の放熱構造において、熱を吸収した空気を排気するために、排気部は精算機の上部に配置せられ、下部に吸気部を配置される。ここで矢印に示すような上昇気流を生かす構造である。空気流を強制的に発生させるファン等は、上昇気流を促進する方向に設定される。
　しかしながら、屋外に設置された電子機器の場合において、従来の構造では放熱効果を発揮できない問題がある。非特許文献１に記載されたグラフ「直接地表に筺体を設置した時の筺体内部、表面の平均温度変化」（139ページ）に示されるように、地表面の温度が筺体内部の温度を超えることがあるからである。このようなケースでは、従来のような下部に吸気部を配置する放熱構造では、十分な放熱効果を発揮することが困難である。

一般に、屋外に設置された電子機器は、防水・防滴構造からなる屋外ボックス内に収容されて、屋外ボックスの空間体積を利用して放熱，冷却が図られている。真夏の日射等の影響を考慮して、屋外ボックスを大型化することで装置を冷却する大きな空間体積を確保される。ボックスの中にファンが実装され、屋外ボックス内の空気をこの内部ファンで循環させられることで、装置の冷却が図られる。
　しかしながら、このような方法は、精算機のように設置容積が限られている電子機器には、採用できない場合がある。

特許文献１において、屋外ボックス内に収容したＯＮＵ等の屋外設置装置の確実な放熱，冷却を可能するためのコンパクトな構造が開示されている。
上下に放熱穴が開口するメタルボックス内に電子部品が収容された屋外設置装置と、このメタルボックスの背面側外周に取り付くヒートシンクと屋外設置装置を密閉状態に収容する屋外ボックスと、該屋外ボックスの外周に取り付き、複数の吸気穴と排気穴が開口する放熱ボックスとからなる構造である。
　この屋外ボックスと放熱ボックスとの間にヒートシンク挿通口を設けられ、ヒートシンクをヒートシンク挿通口から放熱ボックス内に挿通させられて、メタルボックスの背面側をヒートシンク挿通口周縁の屋外ボックスに密着固定されると共に、放熱ボックス内に吸気穴からの冷却空気をヒートシンクへ案内する複数の整流ガイド板を設けられている。
　しかしながら、この構造には、特許文献１の図１の符号４３、４５に示すように吸気穴が屋外設置装置の下部に配置されているため、前述の夏場の日差し等により高熱となった地表面に接した空気を吸い込むために十分な放熱効果を発揮できなくなる問題がある。

非特許文献１には、前述のとおり電子機器を屋外に設置する場合に地表面が電子機器周囲の温度に比べて２０度以上高温になる問題についての記載はある。
しかしながら、ここで紹介される熱設計の例において、すべて電子機器の下部に吸気部を備えられ、上部の排気部へ向けて空気が上昇する方式が採用されている。
石塚　勝著　「よくわかる電子機器の熱設計」秀和システム　２００９年

本発明の課題は、クーラーなどのコストのかかる空調手段が必要とされず、コンパクトであって、運転によるエネルギー消費が抑えられることにより環境にやさしい、屋外に設置される電子機器の放熱構造を提供することである。
　特に、地表面に設置する精算機のような電子機器に対して、夏場の日差し等により上昇した筺体内部の熱を経済的かつ環境に与える負担を小さく放熱する構造を提供することにある。
　また、上記放熱構造を採用することに伴い発生する吸気部の防水、排水の問題を解決する構造を提供することも課題となる。

本発明の課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、電子機器の放熱構造であって、
ａ）該電子機器の電子部品を格納する電子部品格納部と、
ｂ）該電子部品格納部の上部に設けられ、
該電子部品格納部との間に通風領域が設けられ、
外気に面した吸気穴形成領域を設けた外壁を有する吸気部と、
ｃ）前記電子部品格納部の空気を外部へ排気する方向へ設定された送風手段を有する排気部とを備え、
該電子機器が屋外に設置される場合に、日本における夏場のように太陽光によって高温となる地表付近の空気を吸気するのを回避するために、該地表付近に比べて比較的温度の低い空気のある該電子機器の上部に前記吸気部を位置付けると共に前記排気部を該電子機器の下部に位置付けることにより、該電子機器内部を下降する空気流を形成させることを特徴とする放熱構造が提供される。
　このような放熱構造が採用されることにより、空調手段による冷気を用いない場合において、電子機器上部の高さから取り込んだ外気を強制的に下降させる空気流が形成され、電子機器内部の熱を吸収した空気が電子機器下部から排出されることが可能となる。

前記通風領域には、吸気した外気を下降させる方向に設定された送風手段が備えられるとしてもよい。

前記吸気部には防水手段が備えられているとしてもよい。

又、本発明の第二の観点によれば、電子機器の放熱構造であって、
ａ）該電子機器の電子部品を格納する電子部品格納部と、
ｂ）該電子部品格納部の上部に設けられ、
該電子部品格納部との間に通風領域が設けられ、
外気に面した吸気穴形成領域を設けた外壁を有する吸気部と、
ｃ）前記電子部品格納部の空気を外部へ排気する方向へ設定された送風手段を有する排気部と、
ｄ）前記吸気穴形成領域の一部を下方から所定間隔を置いて覆う防水板を含む防水手段と、
を備え、
さらに前記通風領域には、吸気した外気を下降させる方向に設定された送風手段が備えられ、
該電子機器が屋外に設置される場合に、夏場に高温となる地表付近の空気を吸気するのを回避するために、該地表付近に比べて比較的温度の低い空気のある該電子機器の上部に前記吸気部を位置付けると共に前記排気部を該電子機器の下部に位置付けることにより、該電子機器内部を下降する空気流を形成させることを特徴とする放熱構造が提供される。

前記防水手段は、前記吸気穴形成領域の一部を上方から所定間隔を置いて覆う防水板を含むとしてもよい。

前記防水手段は、前記吸気穴形成領域の一部を覆うように、所定の間隔を置いて上方からと下方からと交互に設けられた少なくとも一組の防水板を含むとしてもよい。

前記吸気穴形成領域には、排水用網状シートが吸気穴形成面に点接固定させて覆うことによって形成される、該吸気穴に付着した水を排水する排水手段が備えられているとしてもよい。

前記防水手段は、前記吸気部の外部であって、前記排気穴形成領域の上部に設けられた庇を含むとしてもよい。

図１は従来の放熱構造を示した説明図である。 図２は実施例１の放熱構造を示した説明図である。 図３は実施例１の吸気部を示した部分図である。 図４は実施例１の吸気部の水平断面図である。 図５は従来の排気部を示した部分図である。 図６は実施例１の排気部を示した部分図である。 図７は従来の吸気部を示した部分図である。 図８は実施例２の放熱構造を示した説明図である。 図９は実施例２の排気部を示した部分図である。 図１０は実施例２の排気部の背面図である。

クーラー等の空調手段採用しない電子機器の放熱構造として、吸気穴形成領域と外気を精算機の電子部品格納部へ送風する通風領域とを有する吸気部と、排気穴形成領域と内部の空気を外部へ排気する方向へ設定された送風手段を有する排気部とを備え、この精算機の上部に吸気部を位置付けると共に排気部を下部に位置付けることにより、精算機筺体の内部を下降する空気流を形成させることにより本発明に係る放熱構造を実現した。
以下、実施例によって説明する。

　図２は、本実施例の放熱構造を採用した精算機を示した図である。
精算機は、屋外地面２００に設置されており、吸気部２０１、複数の発熱体２０３a、２０３ｂ、２０３ｃを格納した電子部品格納部２０２、排気部２０４という構成が採用されている。
　矢印は、吸気部が吸い込んだ外気の空気流を示したイメージ図であり、発熱体に沿って下降する気流を形成するように構成されている。
ここで発熱体は、大規模集積回路（ＬＳＩ）や集積回路（ＩＣ）等の複数の電子部品が実装された回路基板、電源などの部品であり、ここでは、２０３a、２０３ｂ、２０３ｃという３つの発熱体としているが、本願発明の放熱構造はここで示した発熱体の構成に限らず、ユーザーが実装しようとする電子機器の構成に応じて適宜採用可能である。
ここでは、放熱構造適用の対象電子機器として精算機を選択しているが、屋外に設置する自動販売機、通信中継器、基地局など他の電子機器にも適宜採用可能である。

このように吸気部を上部に、排気部を下部に配置することにより、精算機の内部に下降気流を発生させる構造となっている。吸気部及び排気部の動作の詳細については、後で述べる。

夏場における地面は、日差しにより高温になっている場合があり、図１に示すような従来の放熱構造の電子機器では、下部に設けられた吸気部から地表近くの高温の外気を吸い込む結果となる。
　精算機が、夏の昼間において摂氏７０度を超えるようなことがあるコンクリート面に設置されているような場合、本体筐体内部の正常動作を害する温度域となった外気を精算機内部に取り込む結果となり、内部の熱を放熱する効果が著しく失われる。

図２に示す実施例１の放熱構造であれば、少なくとも高温となった地表面近くの外気を避けて、比較的温度の低い精算機上部の高さの外気を取り込むことができるので、夏場であって高温とはいっても、摂氏４０度程度の外気を取り込むことができる。

図３は、実施例１の放熱構造における吸気部２０１の詳細を示した図である。
吸気穴が形成された後部壁３０１、吸気部の底面となる本体部との隔壁３０２に設けられた上向き防水板３０３ａ、３０３ｂ、吸気部の天井板に設けられた下向き防水板３０４、天井板の端部に設けられた庇３０５、後部壁の吸気穴形成領域に設置された排水用網状シート３０６、そしてファン３０７ａ、３０７ｂという構成である。
　図４は、吸気部２０１の平面断面図である。ＡＡ線４０１の高さの断面で切った平面図が４０３、ＢＢ線４０２の高さの断面で切った平面図が４０４である。

後部壁３０１には吸気穴形成領域４０５が設定されてスリット状の穴を設けられている。内側の壁面には排水用網状シート３０６を張り付けて水滴が吸気穴に溜まらないようにしている。ここでは、後部壁面に吸気穴形成領域を設定しているが、本願発明の吸気穴形成領域の設定はこれに限られるものではなく、側壁、正面壁など採用する電気機器に応じて適宜採用可能である。また、穴もスリット状に限られるものではなく丸状でもよく、さらには網としてもよい。
　排水用網状シート３０６は、吸気穴形成面に点接固定させて覆ってある。ここで網状シートの固定はホットボンドによる接着などにより行う。
少し詳しく説明すると、この網状シートと後部壁表面との間に形成した隙間によって引き起こされる毛細管現象によって網状シートで覆われた後部壁面表面において水分が自由に移動できる経路が網目状に張り巡らせた状態を作り出すことができる。そして水の移動は重力、表面張力、サイフォン作用など対象となる水や構造に内在する力によって起こり、特別な動力を必要とするような強制力に頼ることなく、構造やその場に内在する自然現象の力によって排水させる排水手段として機能する。この原理は、すでに公知となっており、本願出願人による特許第４３８４２３５号（発明の名称：構造物の排水構造）に記載されている。

下方からの防水板３０３ａ、３０３ｂは、雨の時に進入した水が本体の中に流れ込むこと、吸気穴から吹き込む水滴が通風領域に直接飛び込んでしまうことを防ぐためのものである。
　本体との隔壁から上向きに立ち上がるように設けてあり、吸気穴形成領域の下部分を覆うように設けられている。さらに、通風領域の周囲を囲んで水が流れ込まない構造となっている。上記囲むように設けた下方からの防水板は切れ目なく隔壁から立ち上げて水が入り込む隙間をなくすように設けることが望ましい。
　また、吸気の流れを阻害することは望ましくないので、吸気穴形成領域の下部分の一定面積を覆う高さに形成する。

上方からの防水板３０４は、雨の時などに吸気穴から吹き込む水滴を防ぐものである。吹き込む勢いによって内部奥まで入り込むのを防止しつつ、吸気そのものを妨げないために吸気穴形成領域の上部の一定面積を覆う高さに設定して天井板から下向きに形成してある。
　ここで下方からの防水板と上方からの防水板は、交互に対向して吸気穴形成領域を覆う一組の防水板を構成しているが、本願発明の防水手段はこの構成に限定されるわけではなく、下方からの防水板のみの構成、上方からの防水板のみの構成、複数組の対向する防水板を含む構成などを採用することが可能である。
このような構成を採用することにより、降水によって吸気部から侵入する水が電子機器内部に取り込んでしまうことを防ぐことも、上記放熱機能に合わせて実現されうる。

庇３０５により直接に吸気穴に雨水が当たるのをある程度防ぐことができる。ここで後部壁は、本体の外周からセットバックした位置に設けることにより、庇の先端が本体外周の範囲に収まる。
スペース的に余裕がない場所でも庇が周囲と干渉するのを防ぐ効果がある。

ファン３０７ａ、３０７ｂは、下にある本体筺体内部を発熱体に沿って、空気が下降する方向に設定してある。このような向きにファンを設けることにより、強制的に精算機上部の外気をより効率的に取込み、筺体内部に下降気流を形成する。
ここでは、本体部内部への通風領域に２つのファンを設ける方式を採用したが、２つに限られるものでなく、又隔壁平面におけるレイアウトも本実施例の前後の位置取りに限れるものではなく、本体部内部の発熱体の配置や発熱量に応じて適宜変更可能である。本願発明の趣旨に適する空気流を発生させる送風手段であれば、ファン以外の送風機器を採用可能である。例えば、リードバルブなどのバルブ装置、ポンプ装置、気体中の放電現象を利用したイオン風発生装置などである。

図５は、従来の放熱構造に置ける排気部１０１を示した図である。一見すると、実施例１における吸気部と似た構成となっているが、ここで後部壁５０１に設けられた穴は、排気穴として機能する。又、ファン５０２ａ、５０２ｂは、電子部品格納部の空気を排気部１０１に吸い込む方向に設定してあり、発熱体から拡散した熱をもった空気を上昇する空気流によって外部に排出する構造となっている。

図６は、本実施例の排気部２０４の詳細を示した図である。後部壁に排気穴形成領域６０１を設定して、スリット状の穴を形成してある。ここでは、後部壁面に排気穴形成領域を設定しているが、本願発明の吸気穴形成領域の設定はこれに限られるものではなく、側壁、正面壁など採用する電気機器に応じて適宜採用可能である。また、穴もスリット状に限られるものではなく丸状でもよく、さらには網としてもよい。

電子部品格納部との隔壁６０２には、通風領域が設定され、ファン６０３ａ、６０３ｂが設けられている。これらのファンは、本体内部の空気を下方向に吸い込む方向に設定されている。ファンにより排気部内部に吸い込まれた空気流の圧力により、前述の排気穴から熱を吸収した本体内部の空気が排出されることにより、放熱される構造となっている。

図７は、従来の電子機器の下部に設けた吸気部１０４の詳細を示した図である。
ここで後部壁７０１に設けられた穴は、吸気穴として機能する。本体部との隔壁には、通風領域７０２が設けられており、本体部に格納された発熱体により熱せられた空気が上昇気流を発生させるので、上昇する本体部の空気を補うように外気を吸い込み、通風領域を通って上昇する空気流を形成する構造となっている。

（本実施例の放熱動作についての説明）
一方、本実施例では、上部に配置した吸気部のファンにより外気を下降させる方向に強制的に気流を発生させることにより、上記排気部の吸出しによる効果と協働して本体筐体内部の下降気流をより効果的なものとする。
本実施例では、電子機器の下部に配置した排気部２０４から電子部品格納部の空気を吸い出すことにより、精算機内部を下降する空気流が発生する。図２における矢印は、その空気流を示したイメージである。
ここでは、吸気部に送風手段を設けることとしたが、少なくとも排気部にファンを設けることにより、その内部空気を吸出す作用により下降気流を発生させる構成を採用することが本願発明では可能である。
　なお、上述の発熱体の冷却上必要な風量により、上記ファンの大きさや回転速度を適切に選択されねばならない。さらには、発熱体の位置により、発熱体に沿って空気流が流れるようにファンの位置を設定すると、より効果的に放熱を行う効果が発揮される。

図８は、実施例２の放熱構造を採用した精算機を示した説明図である。
精算機は、屋外地面８００に設置されており、吸気部８０１、複数の発熱体８０３a、８０３ｂ、８０３ｃを格納した電子部品格納部８０２、排気部８０４という構成である。
　矢印は、吸気部が吸い込んだ外気の空気流を示したイメージ図であり、発熱体に沿って下降する気流を形成するように設定する。
ここで発熱体は、大規模集積回路（ＬＳＩ）や集積回路（ＩＣ）等の複数の電子部品が実装された回路基板、電源などの部品であり、ここでは、３つの発熱体としているが、本願発明の放熱構造はここで示した発熱体の構成に限らず、ユーザーが実装しようとする電子機器の構成に応じて適宜採用可能である。
また、放熱構造適用の対象電子機器として精算機を選択しているが、屋外に設置する自動販売機、通信中継器、基地局など他の電子機器にも適宜採用可能である。

実施例２の放熱構造は、排気部８０４の部分構造が異なるのみで、それに係らない部分においては、動作、機能そして効果は、実施例１と同様である。以下、実施例１と異なる部分について説明する。

図９は、実施例２の排気部を示した説明図である。
ここでファン９０１は、筐体下部の後部壁に設けてあり、筐体内の空気を強制的に外部に吸い出す方向に設けてある。ここでは、ファンは地面と平行方向の空気流を発生させる方向であるが、本体部８０２との隔壁９０２の傾きに応じて所定角度だけ下向きに角度を付けてもよい。

図１０は、排気部８０４を後ろから見た背面図である。後部壁１００１に２つのファン９０１ａ、９０１ｂが設けてある。
　ここでは送風手段として２つのファンを採用したが、ファンの数を変更することは勿論のこと、送風機器の種類も本願発明の趣旨に沿うであれば、適宜変更可能である。

隔壁９０２は、地面の湿気や埃が本体内部に進入するのを防ぐ保護壁として機能するだけでなく、所定の角度傾けて設置してあることにより本体内部を下降する空気流をスムーズにファンへ導く機能も発揮する。これにより、より効率的に本体部内部の空気流を流すことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

なお、本願については、日本国特許出願２０１３－０８５３４０号を基礎とする優先権を主張し、当該基礎出願の内容をすべて本願にとりこむものとする。

　本発明で開示した発明は、屋外に設置する電子機器に利用可能である。特に夏場において日射により地面の温度が高熱になり、電子機器が機能しなくなるおそれのある場所に設置するときに効果を発揮するので、電子機器を屋外に設置する必要のある自動販売機、自転車や自動車の精算機などの分野での利用が期待される。

　２０１　　吸気部
　２０２　　本体部
　２０３　　発熱体
２０４　　排気部

Claims (8)

1. 電子機器の放熱構造であって、
   ａ）該電子機器の電子部品を格納する電子部品格納部と、
   ｂ）該電子部品格納部の上部に設けられ、
   該電子部品格納部との間に通風領域が設けられ、
   外気に面した吸気穴形成領域を設けた外壁を有する吸気部と、
   ｃ）前記電子部品格納部の空気を外部へ排気する方向へ設定された送風手段を有する排気部とを備え、
   該電子機器が屋外に設置される場合に、日本における夏場のように太陽光によって高温となる地表付近の空気を吸気するのを回避するために、該地表付近に比べて比較的温度の低い空気のある該電子機器の上部に前記吸気部を位置付けると共に前記排気部を該電子機器の下部に位置付けることにより、該電子機器内部を下降する空気流を形成させることを特徴とする放熱構造。
2. 前記通風領域には、吸気した外気を下降させる方向に設定された送風手段が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
3. 前記吸気部には防水手段が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
4. 電子機器の放熱構造であって、
   ａ）該電子機器の電子部品を格納する電子部品格納部と、
   ｂ）該電子部品格納部の上部に設けられ、
   該電子部品格納部との間に通風領域が設けられ、
   外気に面した吸気穴形成領域を設けた外壁を有する吸気部と、
   ｃ）前記電子部品格納部の空気を外部へ排気する方向へ設定された送風手段を有する排気部と、
   ｄ）前記吸気穴形成領域の一部を下方から所定間隔を置いて覆う防水板を含む防水手段を備え、
   さらに前記通風領域には、吸気した外気を下降させる方向に設定された送風手段が備えられ、
   該電子機器が屋外に設置される場合に、夏場に高温となる地表付近の空気を吸気するのを回避するために、該地表付近に比べて比較的温度の低い空気のある該電子機器の上部に前記吸気部を位置付けると共に前記排気部を該電子機器の下部に位置付けることにより、該電子機器内部を下降する空気流を形成させることを特徴とする放熱構造。
5. 前記防水手段は、前記吸気穴形成領域の一部を上方から所定間隔を置いて覆う防水板を含むことを特徴とする請求項４に記載の放熱構造。
6. 前記防水手段は、前記吸気穴形成領域の一部を覆うように、所定の間隔を置いて上方からと下方からと交互に設けられた少なくとも一組の防水板を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の放熱構造。
7. 前記吸気穴形成領域には、排水用網状シートが吸気穴形成面に点接固定させて覆うことによって形成される、該吸気穴に付着した水を排水する排水手段が備えられていることを特徴とする請求項１乃至６に記載の放熱構造。
8. 前記防水手段は、前記吸気部の外部であって、前記排気穴形成領域の上部に設けられた庇を含むことを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載の放熱構造。

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