JP2007165423A - 電子機器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子機器内部の高発熱の部品の通風経路を確保しつつ、回路基板に実装された複数の発熱部品の放熱を容易に行うことができると共に信頼性が高く、小型、省スペースの電子機器装置を提供する。
【解決手段】電子機器装置において、階層構造にしたパワー基板３と制御基板４の間の空間にケース本体６の通気孔６１、６２に出入りする外気と通ずる開口部５２を有した高熱伝導性材料で構成される中空ダクト５を設けてあり、該中空ダクト５は、パワー基板３に実装した発熱部品のうち、高発熱の発熱部品に比べて立設部分の長さが大きい発熱部品３１の実装位置に対向する部位を切り欠くように成形されると共に、高発熱の発熱部品３２に密着するように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ケース本体に、各種の発熱部品を実装した複数の機能の異なる回路基板を、同一のケース内に各々の回路基板の間に空間を介して階層構造にして収納すると共に、例えば直流を交流に変換するインバータなどの高圧電源で動作する電力変換装置などの電子機器装置に関し、特に電子機器装置の冷却能力を向上させるための放熱構造に関するものである。

従来、ケース本体に、各種の発熱部品を実装した複数の機能の異なる回路基板を、同一のケース内に各々の回路基板の間に空間を介して階層構造にして収納すると共に、直流を交流に変換するインバータなどの高圧電源で動作する電力変換装置などの電子機器装置が用いられている。近年、産業機械設備の分野における省エネあるいは小型化やコストダウン志向を背景として、電子機器装置の小型化の要求がますます強くなってきている。以下、インバータの例を用いて説明する。
この電子機器装置には、高熱を発するＩＧＢＴ素子等の半導体素子を含むパワーモジュールが用いられており、該パワーモジュールをヒートシンクに密着固定させてパワーモジュールを直接的に冷却する放熱構造、あるいはパワーモジュールに隣接して、複数の機能の異なる回路基板の間にある空間を利用して通風路を形成することによりパワーモジュールを間接的に冷却する放熱構造、また、ファンによる冷却風を回路基板上の風上に実装された第１の発熱部品に対向するヒートシンクに強制的に当てた後、冷却風の向きをガイドにより強制的に変更することで、該冷却風により回路基板上の風下に実装された第２の発熱部品を冷却する構造が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平３-１６２９９号公報（第１頁〜第２頁、図２） 特開平１１−０９７８７２号公報（第４頁、図１）

図４は、第１従来技術を示す電子機器装置の分解斜視図で、特許文献１の技術に相当する。
図において、１は電子機器、２はヒートシンク、２１はパワーモジュール、２２はスタッド、２３は取り付けねじ、３はパワー基板、３２は高発熱の第１発熱部品、３１は第１発熱部品３２に比べて立設部分の長さが大きい第２発熱部品、４は制御基板、６はケース本体、６１、６２は通気孔である。
ケース本体６の内部には、機能の異なるパワー回路部分と制御回路部分とが収納されている。このパワー回路部分と制御回路部分としては、それぞれ各種の第２発熱部品３１や第１発熱部品３２を実装したパワー基板３および制御基板４からなる回路基板が用いられており、両基板３、４は同一のケース内に各々の基板の間に空間を介して階層構造的にして配置されている。
また、パワー基板３の背面には電力変換を行うための高発熱のパワーモジュール２１が電極を介して接続されている。該パワーモジュール２１の背面に放熱用のヒートシンク２を密着するように固定している。さらに、ヒートシンク２の四隅にスタッド２２などの固定部材が取り付けられており、パワー基板３および制御基板４の四隅に設けた穴部に取り付けねじ２３を挿入して、該スタッド２２に取り付けねじ２３をねじ込むことにより、各基板３、４およびヒートシンク２が固定される。それから、ケース本体６にはパワー基板３および制御基板４の長手方向と互いに対向する面に開口するようにスリット状をした通気孔６１、６２が形成されている。
このような電子機器装置において、一方のパワーモジュール２１で発生した熱はヒートシンク２により放熱が行われる。また、他方、ケース本体６の下部の面に設けた通気孔６１から上部の面に設けた通気孔６２に沿って外気を取り入れると、パワー基板３と制御基板４の間の空間に外気が流入し、各基板に実装された発熱部品から発生する熱を該流入した外気の自然対流によってケース本体６の外部に放出し、熱交換が行われる。

図５は、第２従来技術を示す電子機器装置の側断面図であり、特許文献２の技術に相当する。
図において、１０１は電子機器、１０２はヒートシンク、１０３はヒートシンクベース、１０４は発熱部品接触面、１０５は冷却フィン、１０６は外枠、１０７は通風ダクト、１０８は冷却ファン、１０９は吸込み口、１１０は排出口、１１１は回路基板、１１２は第１発熱部品、１１３は第２発熱部品、１１４は通風穴、１１５はガイド、１１６は仕切り部である。
回路基板１１１の上面に第１発熱部品１１２、第２発熱部品１１３を取り付け、第１発熱部品１１２の背面をヒートシンクベース１０３の発熱部品接触面１０４に密着させている。
また、ヒートシンク１０２の前方に冷却ファン１０８を取り付け、ヒートシンクベース１０３の第２発熱部品１１３と対向する部分に冷却フィン１０５側と連通する通風穴１１４を設けると共に、通風穴１１４に第２発熱部品１１３に向かって延びる傾斜したガイド１１５を設けている。
このような構成において、第１発熱部品と第２発熱部品の冷却は次のように行われる。すなわち、冷却ファン１０８で発生した冷却風は、通風ダクトの吸込口１０９から空気を取り入れ、ヒートシンク１０２の冷却フィン１０５から第１発熱部品１１２の熱を奪った後、外枠１０６の仕切り部１１６に当たり方向転換するとともに、通風穴１１４を通ってヒートシンクベース１０３の反冷却フィン側に方向を変えて流れていく。ヒートシンク本体１０３の反冷却フィン側に流れていった冷却風は、ガイド１１５によって第２発熱部品１１３へ向かうように誘導され、第２発熱部品１１３から熱を奪って、排出口１１０から制御装置外に流れ出る。

ところが、従来の電子機器装置では以下の問題があった。
（１）第１従来技術では、パワー基板３の下端（通風路の風上）に配置した第２発熱部品３１の立設部分の長さがパワー基板３の略中央部（通風路の風下）に配置した高発熱の第１発熱部品３２の立設部分の長さに比べて大きいため、冷却風が最初の風上の第２発熱部品３１のみに当たり、風上の第２発熱部品３１を通過した冷却風は風下の第１発熱部品３２に到達する前に拡散してしまい、冷却風が第１発熱部品３２に行き難くなり、良好な放熱ができない。その結果、発熱部品を実装する回路基板の発熱により、発熱部品の寿命が短くなり誤動作を生じるなどの信頼性の問題がある。
また、機器内部に立設部分の長さが大きい第２発熱部品３１が比較的多く実装されている場合は、通風経路を確保することが困難になり、通風路を確保するためにケース本体５の内部に階層構造にして収納する基板の間隔を広げようとすると、機器全体の小型化、省スペース化の要求に応えることは極めて厳しいという問題がある。
（２）第２従来技術では、基板上の各々の発熱部品と通風経路は別々の空間に配置されているため、省スペースの観点から発熱部品は通風経路上に配置される必要があり、部品配置に大きな制約が発生してしまう。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電子機器内部の高発熱の部品の通風経路を確保しつつ、回路基板に実装された複数の発熱部品の放熱を容易に行うことができると共に信頼性が高く、小型、省スペースの電子機器装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、各種の発熱部品を実装した複数の機能の異なる回路基板と、前記各々の回路基板の間に空間を介して該基板を階層構造にして収納するケース本体と、前記ケース本体の前記回路基板の長手方向と互いに対向する面に開口するように形成した通気孔と、を備え、前記ケース本体に設けた一方の通気孔から他方の通気孔に向かって外気を取り入れるようにした電子機器装置において、前記階層構造にした回路基板は、少なくとも２個以上の基板の間の空間に前記通気孔に出入りする外気と通ずる開口部を有した高熱伝導性材料で構成される中空ダクトを設けてあり、前記中空ダクトは、前記回路基板に実装した発熱部品のうち、高発熱の第１発熱部品に比べて立設部分の長さが大きい第２発熱部品の実装位置に対向する部位を切り欠くように成形されると共に、前記工第１発熱部品に密着するように配置されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電子機器装置において、前記中空ダクトの内側に、前記第１発熱部品の放熱面と接する部位に対向するように複数のフィンを設けたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の電子機器装置において、前記中空ダクトから離れた位置に高発熱の前記第１発熱部品を配置したときに、前記中空ダクトの外側の一側面に、前記第１発熱部品の放熱面と接するように延長した延長プレートを設けたことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の電子機器装置において、前記中空ダクトは、高剛性材料で構成されると共に、前記中空ダクトの四隅に、前記各々の回路基板の間に対向して実装される前記発熱部品が干渉しないように前記各々の回路基板の間の間隔を一定に保持する突起を設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、高発熱の発熱部品を、高熱伝導性の中空ダクトに密着させる構成にしたので、中空ダクト内での放熱に必要な通風経路を確保し、この通風により放熱することができる。その結果、電子機器内における高発熱の発熱部品の熱拡散と放熱を良好に行うことができると共に、発熱部品の寿命が長くなり誤動作を生じるなどの問題を解消し、信頼性の高い電子機器装置を得ることができる。
それから、中空ダクトを、階層構造にした複数の基板の間に立設部分の長さが高い発熱部品に対向する部位を切り欠くように成形して各基板間に配置したので、各基板間のスペースを狭くすることができ、小型で、省スペースの電子機器装置を得ることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、中空ダクト内部にフィンを設ける構成にしたので、中空ダクトの放熱面積を拡大させることができ、その結果、電子機器内の高発熱の部品の放熱能力を良好に行うことができる。
また、請求項３に記載の発明によると、中空ダクトに直接密着できない高発熱の発熱部品を中空ダクト外側に延長プレートを介して密着させる構成にしたので、中空ダクトに効率よく伝熱することができ、その結果、電子機器内の高発熱の部品の放熱を良好に行うことができる。
また、請求項４に記載の発明によると、ダクトを高剛性材料で構成し、また、回路基板の保持部材として中空ダクトの突起で兼用する構成にしたので、回路基板自体に保持部材を別途設けて、この保持部材を避けるように中空ダクトを成形する必要がなく、各々の回路基板間を強固に保持すると共に、中空ダクトの大きさを維持することができ、その結果、電子機器内の高発熱の部品の放熱を良好に行うことができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す電子機器装置の分解斜視図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じ点についてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１および図２において、５は中空ダクト、５１は突起、５２は開口部である。

本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、電子機器装置は、階層構造にしたパワー基板３と制御基板４の間の空間にケース本体６の通気孔６１、６２に出入りする外気と通ずる開口部５２を有した高熱伝導性材料で構成される中空ダクト５を設けてあり、該中空ダクト５は、パワー基板３に実装した発熱部品のうち、高発熱の第１発熱部品３２に比べて基板上における部品の立設部分の長さが大きい第２発熱部品３１の実装位置に対向する部位を切り欠くように成形されると共に、高発熱の第１発熱部品３２に密着するように配置されている点である。
具体的には、中空ダクト５の厚みは、基板上に配置された発熱部品のうち、立設部分の長さが最も大きいものより若干大きい程度が好ましい。
また、中空ダクト５は、高剛性材料で構成されると共に、該中空ダクト５の四隅に、パワー基板３と制御基板４の間に対向して実装される発熱部品３１、３２が干渉しないように各々の基板３、４の間の間隔を一定に保持する突起５１を設けてある。

次に、この電子機器装置内部の放熱過程を図２に基づいて説明する。
図２は、第１実施例の電子機器装置からケース本体、制御基板、中空ダクトの片側面を取り除いた後の中空ダクトおよびパワー基板並びにヒートシンクの組立斜視図である。
高発熱の第１発熱部品３２に比べて立設部分の長さの大きい第２発熱部品３１と対向する部位を避けるように切り欠いて成形してなる中空ダクト５に、パワー基板３に実装された高発熱の第１発熱部品３２を密着させている状態の下で、第１発熱部品３２が発熱すると、その熱は中空ダクト５へと伝熱し、中空ダクト５の表面に拡散する。これにより広範囲に中空ダクト表面に伝熱した熱は、ケース本体６の通気孔６１から中空ダクト下部の開口部５２に流入した空気により放熱され、熱を奪った空気は中空ダクト上部の開口部５２を経由してケース本体６の通気孔６２の外に排出される。このため、パワー基板３の風下に実装されている第１発熱部品３２は、該第１発熱部品３２の立設部分の長さより大きい立設部分を持つ第２発熱部品３１により通風が遮られる位置にあっても、風上に実装されている第２発熱部品３１を避けた中空ダクトに通風されると、中空ダクト５内部表面全体に熱が拡散するので、良好な放熱が行われる。

したがって、本発明の第１実施例は高発熱の第１発熱部品を高熱伝導性の中空ダクトに密着させる構成にしたので、中空ダクト内での放熱に必要な通風経路を確保し、この通風により放熱することができ、その結果、電子機器内の高発熱の部品の熱拡散と放熱を良好に行うことができると共に、発熱部品の寿命が長くなり、誤動作を生じるなどの問題を解消し、信頼性の高い電子機器装置を得ることができる。
それから、中空ダクトを、階層構造にした複数の基板の間に立設部分の長さが高い発熱部品に対向する部位を切り欠くように成形して各基板間に配置したので、各基板間のスペースを狭くすることができ、小型で、省スペースの電子機器装置を得ることができる。

図３は本発明の第２実施例を示す電子機器装置の組立斜視図であって、電子機器装置からヒートシンク、パワーモジュール、パワー基板、中空ダクトの片側面を取り除いた後の中空ダクトおよびパワー基板並びにヒートシンクの組立斜視図に相当するものである。
３３、３４は高発熱の第１発熱部品、５３はフィン、５４は延長プレートである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、中空ダクト５の内側に、高発熱の第１発熱部品３３の放熱面と接する部位に対向するように複数のフィン５３を設けた点と、中空ダクト５の外側の一側面に、該中空ダクト５から離れた位置に配置してなる高発熱の第１発熱部品３４の放熱面と接するように延長した薄板状の延長プレート５４を設けた点である。

次に、この電子機器装置内部の放熱過程を図３に基づいて説明する。
第１発熱部品３３が発熱すると、その熱は第１発熱部品３３と密着している中空ダクト５の内側に設けた複数のフィン５３に伝熱し、中空ダクト５の内部通気はこのフィン５３にも通るため、フィンがない場合と比べて多くの熱を通気により逃がすことが可能となる。これにより、第１発熱部品３３のように多くの熱を発生する発熱部品でも容易に放熱が行われる。
また、中空ダクト５に直接密着できない第１発熱部品３４が発熱すると、その熱は中空ダクト５の外側の一側面に延長された延長プレート５４に伝熱し、この延長プレート５４から中空ダクト５の本体に伝熱する。これにより、中空ダクト５の内部通気にて放熱が行われる。

したがって、本発明の第２実施例は、電子機器の放熱構造において、前記中空ダクト内側に複数のフィンを設けることにより、中空ダクト内部の放熱面積を拡大させることができ、放熱能力を向上させることができる。その結果、電子機器内の高発熱の部品の放熱を良好に行うことができる。
また、電子機器の放熱構造において、前記中空ダクト外側の一側面に延長された延長プレートを設けることにより、中空ダクトに直接密着できない高発熱の部品を、中空ダクト外側に密着させることができ、中空ダクトに伝熱することができる。その結果、電子機器内の高発熱の部品の放熱を良好に行うことができる。

なお、本発明の実施例では、高発熱の部品と中空ダクトを密着させるために、中空ダクトをフィンあるいは延長プレートに替えて、高発熱の部品と中空ダクトの間において、中空ダクトの一部に突起を設けたり、熱伝導性シートやオイルコンパウンドを挿入しても良い。
また、中空ダクト内部に設けたフィンの形状については特に限定されるものでない。
また、延長プレートについても、中空ダクトの外部の配置される高発熱の部品に密着できる構成であれば、形状は特に限定されるものでない。

本発明の電子機器装置によれば、直流を交流に変換するインバータのほか、交流を直流に変換するコンバータなどの高圧電源で動作する電力変換装置あるいはサーボアンプに代表されるモータを駆動するモータ制御装置などの電子機器装置すべてに適用できる。

本発明の第１実施例を示す電子機器装置の分解斜視図 第１実施例の電子機器装置からケース本体、制御基板、中空ダクトの片側面を取り除いた後の中空ダクトおよびパワー基板並びにヒートシンクの組立斜視図 本発明の第２実施例を示す電子機器装置の組立斜視図であって、電子機器装置からヒートシンク、パワーモジュール、パワー基板、中空ダクトの片側面を取り除いた後の中空ダクトおよびパワー基板並びにヒートシンクの組立斜視図に相当するもの 第１従来技術を示す電子機器装置の分解斜視図 第２従来技術を示す電子機器装置の側断面図

符号の説明

１ 電子機器
２ ヒートシンク
２１ パワーモジュール
２２ スタッド
２３ 取り付けねじ
３ パワー基板（回路基板）
４ 制御基板（回路基板）
３１ 第２発熱部品（立設部の長さ大）
３２、３３、３４ 第１発熱部品（高発熱）
５ 中空ダクト
５１ 突起
５２ 開口部
５３ フィン
５４ 延長プレート
６ ケース本体
６１ 通気孔
１０１ 電子機器
１０２ ヒートシンク
１０３ ヒートシンク本体
１０４ 発熱部品接触面
１０５ 冷却フィン
１０６ 外枠
１０７ 通風ダクト
１０８ 冷却ファン
１０９ 吸込み口
１１０ 排出口
１１１ 回路基板
１１２ 第１発熱部品
１１３ 第２発熱部品
１１４ 通風穴
１１５ ガイド
１１６ 仕切り部

Claims (4)

1. 各種の発熱部品を実装した複数の機能の異なる回路基板と、
   前記各々の回路基板の間に空間を介して該基板を階層構造にして収納するケース本体と、
   前記ケース本体の前記回路基板の長手方向と互いに対向する面に開口するように形成した通気孔と、
   を備え、前記ケース本体に設けた一方の通気孔から他方の通気孔に向かって外気を取り入れるようにした電子機器装置において、
   前記階層構造にした回路基板は、少なくとも２個以上の基板の間の空間に前記通気孔に出入りする外気と通ずる開口部を有した高熱伝導性材料で構成される中空ダクトを設けてあり、
   前記中空ダクトは、前記回路基板に実装した発熱部品のうち、高発熱の第１発熱部品に比べて立設部分の長さが大きい第２発熱部品の実装位置に対向する部位を切り欠くように成形されると共に、前記第１発熱部品に密着するように配置されていることを特徴とする電子機器装置。
2. 前記中空ダクトの内側に、前記第１発熱部品の放熱面と接する部位に対向するように複数のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器装置。
3. 前記中空ダクトから離れた位置に高発熱の前記第１発熱部品を配置したときに、前記中空ダクトの外側の一側面に、前記第１発熱部品の放熱面と接するように延長した延長プレートを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の電子機器装置。
4. 前記中空ダクトは、高剛性材料で構成されると共に、前記中空ダクトの四隅に、前記各々の回路基板の間に対向して実装される前記各種の発熱部品が干渉しないように前記各々の回路基板の間の間隔を一定に保持する突起を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器装置。

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