JP2009216030A - 送風ファン - Google Patents

Abstract

【課題】送風ファンの電子部品を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化する。
【解決手段】送風ファンにおいて、モータ部のベース部２１１の一部が放熱性樹脂６１により形成され、放熱性樹脂６１は回路基板２１４に向かって突出する凸部６１２を有する。凸部６１２は熱伝導部材６２を介して回路基板２１４の発熱量の多い電子部品２１４１に間接的に接し、電子部品２１４１から発生した熱の大部分は、放熱性樹脂６１に伝わって放熱性樹脂６１の上側露出面６１３および下側露出面６１１１から放出される。これにより、電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに、アルミニウム等の金属が使用される場合に比べて送風ファンを軽量化することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ部によりインペラを回転する送風ファンに関するものであり、送風ファンは好ましくは電子機器の冷却に用いられる。

電子機器の高性能化に伴い電子機器の筐体内部の電子部品における発熱量が増加するとともに、電子機器の筐体は年々小型化されており、筐体内部の部品密度も増加している。従来より、電子機器内部の冷却を目的として送風ファンが用いられているが、冷却性能を向上するために送風ファンを高速回転すると、送風ファンの電子回路の発熱量も増加するため、送風ファンから効率よく放熱を行うことが必要となる。電子回路は送風ファンの底部近傍に配置されることが多く、このような送風ファンにおいて底部から放熱を行うために発熱量の多い電子部品に熱伝導率の高い物質を接触させる手法が知られている。

例えば、特許文献１に開示されるモータファンでは、発熱素子を有する制御回路を覆うように対向する固定子保持部内面に、各発熱素子外観形状に沿う形で一体を成す凹陥部を形成して、当該発熱素子と凹陥部との間の空間に熱伝導補助部材が設けられる。これにより、シリコンゴム等の高価な熱伝導補助部材の使用量の抑制が図られている。
特開２００６−７０８３６号公報

ところで、放熱性能を高めるためには送風ファンの底部における回路基板近傍の部位を熱伝導率の高い材料とする必要があるが、シリコンゴム等の高価な熱伝導部材の使用は最小限とされることが望ましい。一方、熱伝導率が高いアルミニウムのような金属を使用する場合においても、底部全体をアルミダイカストで形成すると製造コストが高くなってしまい、モータ全体の重さも樹脂を用いる場合に比べ大きくなってしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、送風ファンの電子部品を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することを主たる目的としている。

請求項１に記載の発明は、送風ファンであって、回転体であるロータ部および固定体であるステータ部を有するモータ部と、前記モータ部の中心軸を中心として前記ロータ部から径方向外方に向かって突出するとともに環状に配置された複数の翼を有し、前記中心軸を中心として回転することによりエアの流れを発生するインペラとを備え、前記ステータ部が、前記ロータ部の界磁用磁石との間においてトルクを発生する電機子と、前記中心軸から外側に垂直に広がる略円板状であって樹脂により形成されたベース部と、前記電機子と前記ベース部との間に配置され、前記ベース部に対向する面上に発熱する電子部品が実装された回路基板とを備え、前記ベース部のうち少なくとも前記電子部品に対向する部位が、炭素系材料またはセラミック系材料を含む放熱性樹脂により形成されるとともに、熱伝導部材を介して間接的に、または、直接、前記電子部品に接し、前記ベース部の前記回路基板とは反対側にて露出する、または、前記回路基板側にて露出する露出面を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の送風ファンであって、前記放熱性樹脂の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上１５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、熱放射率が０．７以上１未満である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の送風ファンであって、前記放熱性樹脂の熱放射率が０．９以上１未満である。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の送風ファンであって、前記炭素系材料または前記セラミック材料が、前記放熱性樹脂に４０体積％以上８０体積％以下含まれる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の送風ファンであって、前記電子部品が、前記回路基板において発熱量が最も多い部品である。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の送風ファンであって、前記ベース部の一部のみが前記放熱性樹脂により形成される。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の送風ファンであって、前記ベース部が、前記放熱性樹脂を予め金型内に固定して樹脂を射出成形するインサート成形により形成される。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の送風ファンであって、前記インペラが発生する前記エアの流れが、前記中心軸方向である。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の送風ファンであって、前記インペラの外周を覆うハウジングと、前記ハウジングと前記ベース部とを連結する複数の支持リブとをさらに備え、前記ハウジング、前記複数の支持リブおよび前記ベース部が、連続する１つの樹脂成形部品である。

本発明では送風ファンの電子部品を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することができる。また、請求項６の発明では送風ファンの製造コストの上昇を抑制することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る送風ファン１の縦断面図であり、図２は送風ファン１の底面図である。ただし、図２ではインペラ３の図示を省略している。送風ファン１はサーバ等の電子機器を空冷するためのファンであり、送風ファン１では、図１中の上側からエアが取り込まれ、下側へと送出されるように中心軸Ｊ１方向のエアの流れが発生する。以下の説明では、中心軸Ｊ１方向において、エアが取り込まれる側である図１中の上側を「吸気側」または単に「上側」と呼び、エアが送出される側である図１中の下側を「排気側」または単に「下側」と呼ぶ。「上側」および「下側」という表現は必ずしも重力方向に対する上側および下側と一致する必要はない。

送風ファン１は、モータ部２、モータ部２により中心軸Ｊ１を中心として回転することによりエアの流れを発生するインペラ３、インペラ３の外周を覆うハウジング４、および、モータ部２を支持する複数（本実施の形態では１１本）の支持リブ５を備える。送風ファン１では、ハウジング４の内側にインペラ３、モータ部２および支持リブ５が配置され、支持リブ５は、モータ部２の略円板状のベース部２１１の外周からハウジング４の内側面に向かって伸びるとともに周方向に配列されてベース部２１１とハウジング４とを連結する（図２参照）。

モータ部２は、回転体であるロータ部２２および固定体であるステータ部２１を備え、中心軸Ｊ１に沿ってロータ部２２がステータ部２１に対して上側に位置する。ロータ部２２は、中心軸Ｊ１を中心とする有蓋略円筒状であって磁性体である金属製のヨーク２２１、ヨーク２２１の内側に固定される略円筒状の界磁用磁石２２２、および、ヨーク２２１の上部中央から下方に突出するシャフト２２３を備える。

ステータ部２１は、既述のベース部２１１、ベース部２１１の中央から上方へと突出する略円筒状の軸受保持部２１２、軸受保持部２１２の外周に取り付けられた電機子２１３、および、電機子２１３の下側に取り付けられた略円環板状の回路基板２１４を備える。回路基板２１４は電機子２１３とベース部２１１との間に配置され、ベース部２１１に対向する下面上に発熱する電子部品２１４１が実装されている。また、回路基板２１４は電機子２１３に電気的に接続されるとともにリード線により外部電源に接続され、ロータ部２２の回転を制御する制御回路を有する。電機子２１３は、界磁用磁石２２２の内側に配置され、外部電源から回路基板２１４を介して駆動電流が供給されることにより電機子２１３と界磁用磁石２２２との間で中心軸Ｊ１を中心とするトルクが発生する。

軸受保持部２１２の内側には、軸受機構である玉軸受２１５，２１６が中心軸Ｊ１方向の上部および下部に設けられ、軸受保持部２１２に挿入されたシャフト２２３が、玉軸受２１５，２１６により回転可能に支持される。

インペラ３は、有蓋略円筒状のカップ３１、および、モータ部２の中心軸でもある中心軸Ｊ１を中心としてカップ３１の外側面から径方向外方に突出するとともに環状に配置された複数（本実施の形態では９枚）の翼３２を有し、カップ３１および翼３２は樹脂の射出成形により１つの部材として形成されている。モータ部２のロータ部２２では、ヨーク２２１がカップ３１に覆われることによりロータ部２２がインペラ３と一体の部品とされる。

図１では、図示の都合上、インペラ３の翼３２および支持リブ５の概略形状を中心軸Ｊ１の左右に示し、モータ部２は誇張して大きく示しており、各構成要素の断面に対する平行斜線の図示を適宜省略している。

図１および図２に示すように、ベース部２１１は中心軸Ｊ１から外側に垂直に広がる略円板状であり、ベース部２１１、ハウジング４および支持リブ５は連続する１つの樹脂成形部品とされる。図２に示すように、ベース部２１１の一部であり中心軸Ｊ１を中心とする扇状の部位は後述するように放熱部６となっており、放熱部６は図１に示すように回路基板２１４の電子部品２１４１に上下に対向するように当接する。電子部品２１４１は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や集積回路（ＩＣ）等の回路基板２１４上において発熱量が多い部品とされる。

図３は放熱部６を拡大して示す縦断面図であり、放熱部６はベース部２１１の本体のうち電子部品２１４１に対向する部位である放熱性樹脂６１、および、放熱性樹脂６１の上面に取り付けられたシリコンゴム等の熱伝導部材６２を備える。放熱性樹脂６１はベース部２１１の本体と中心軸Ｊ１（図１参照）方向の厚さが等しい底部６１１、および、底部６１１から上方に突出する凸部６１２を有し、凸部６１２は上面（以下、「凸部上面６１２１」と言う。）にて熱伝導部材６２を介して電子部品２１４１に間接的に接する（すなわち、電子部品２１４１と放熱性樹脂６１との間に熱伝導部材６２が介在する。）。以下の説明では、放熱性樹脂６１の凸部６１２を除く上面であって回路基板２１４側に露出する面を「上側露出面６１３」と呼び、底部６１１の下側（回路基板２１４とは反対側）に露出する面を「下側露出面６１１１」と呼ぶ。なお、ベース部２１１は、予め形成された放熱性樹脂６１が金型内に固定されて樹脂が射出成形されるインサート成形により形成される。

放熱性樹脂６１はフィラーとして炭素系材料およびセラミック系材料を約５０体積％含み、熱伝導率が約５Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱放射率が約０．９である。なお、フィラーは炭素系材料またはセラミック材料のみであってもよく、通常の樹脂に比べ熱伝導率を向上するために４０体積％以上とされ、樹脂の強度が低下することを避けるために８０体積％以下とされる。また、放熱性能を高めるために熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋ以上（好ましくは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上）とされることが好ましく、通常、１５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とされる。熱放射率は当然に１未満であるが、放熱性樹脂６１においては０．７以上であればよく、好ましくは０．９以上とされる。

放熱部６により、電子部品２１４１から発生した熱の大部分は熱伝導率の高い熱伝導部材６２を介して放熱性樹脂６１に伝導し、上側露出面６１３および下側露出面６１１１からの熱放射および外気への熱伝達により放出される。

以上に説明したように、送風ファン１では、放熱部６に通常の樹脂よりも熱伝導率が高く、金属よりも軽量な放熱性樹脂６１が使用されることにより、電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに、ベース部にアルミニウム等の金属材料が使用される場合に比べて送風ファン１を軽量化することができ、製造コストの削減、金型の超寿命化および追加工の省略も実現される。また、ベース部２１１の一部のみが放熱部６とされることにより、高価な放熱性樹脂６１の使用量を増やすことなく電子部品２１４１を冷却することができ、送風ファン１の製造コストの上昇を抑制することができる。

図４は第２の実施の形態に係る送風ファンにおける放熱部６ａを拡大して示す縦断面図である。放熱部６ａは放熱性樹脂６１の単位体積当たりの価格が熱伝導部材６２よりも高い場合に採用され、図３の放熱部６と比較して、放熱性樹脂６１および熱伝導部材６２の形状が異なり、他は同様である。放熱部６ａでは図３の凸部６１２に代えて放熱性樹脂６１の上面から下方に向かって凹状となる凹部６１４が設けられ、熱伝導部材６２が中心軸Ｊ１（図１参照）に平行な方向（以下、「軸方向」と呼ぶ。）に厚くされて凹部６１４と電子部品２１４１との間に配置される。放熱性樹脂６１は、凹部６１４以外の領域にて上方に露出する上側露出面６１３と、下側に露出する下側露出面６１１１とを有し、電子部品２１４１から発生した熱の大部分が、熱伝導部材６２を介して電子部品２１４１に間接的に接する放熱性樹脂６１に伝導し、上側露出面６１３および下側露出面６１１１から放出される。

放熱部６ａにおいても電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することができ、放熱性樹脂６１の使用量が削減されることにより、送風ファンの製造コストの上昇を抑制することができる。

図５は第３の実施の形態に係る送風ファンにおける放熱部６ｂを拡大して示す縦断面図であり、放熱部６ｂは図４の放熱部６ａと比較して、回路基板２１４の電子部品２１４１とベース部２１１とが軸方向に近づけられるとともに回路基板２１４の外径が小さくされ、放熱性樹脂６１と電子部品２１４１との間の熱伝導部材６２が薄くされる点で異なり、他は同様である。すなわち、放熱性樹脂６１の凹部６１４の内底面および内側面に薄くされた熱伝導部材６２が取り付けられ、電子部品２１４１の下部が凹部６１４内に収められて熱伝導部材６２を介して放熱性樹脂６１と間接的に接する。また、放熱部６ｂは放熱部６ａと同様の上側露出面６１３および下側露出面６１１１を有し、電子部品２１４１から発生する熱がこれらの露出面から効率よく放出される。

放熱部６ｂにおいても電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することができ、さらに、放熱性樹脂６１の使用量が削減されて送風ファンの製造コストの上昇が抑制される。また、回路基板２１４をベース部２１１に近づけることにより送風ファンの軸方向の大きさを小さくすることができる。

図６は第４の実施の形態に係る送風ファンにおける放熱部６ｃを拡大して示す縦断面図であり、放熱部６ｃは図５の放熱部６ｂと比較して、放熱性樹脂６１が軸方向に厚くされて放熱性樹脂６１の凹部６１４が熱伝導部材６２を介して電子部品２１４１の大部分を覆っている点で異なり、他はほぼ同様である。放熱性樹脂６１のうちベース部２１１の本体より上側に位置する部位において、中心軸Ｊ１（図１参照）とは反対側の側面が回路基板２１４側に露出する上側露出面６１３となっている。また、放熱性樹脂６１の下面は他の実施の形態と同様の下側露出面６１１１となっており、上側露出面６１３および下側露出面６１１１により電子部品２１４１から発生する熱が効率よく放出される。

放熱部６ｃでは、電子部品２１４１と放熱性樹脂６１および熱伝導部材６２との接触面積が大きいため放熱性樹脂６１による冷却能力が向上される。放熱部６ｃにおいても電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することができる。

図７は第５の実施の形態に係る送風ファンにおける放熱部６ｄを拡大して示す縦断面図である。放熱部６ｄはベース部２１１の本体の上側の一部とされており、放熱部６，６ａ〜６ｃと比較して下方に露出する下側露出面６１１１を有しない点で異なる。放熱部６ｄの放熱性樹脂６１は上側に凹部６１４を有し、薄い熱伝導部材６２を介して電子部品２１４１の下部が凹部６１４に間接的に接している。また、放熱性樹脂６１の上面において凹部６１４を除く面は上側露出面６１３となっており、上側露出面６１３はベース部２１１の外縁まで径方向外側に拡大される。これにより、電子部品２１４１から熱伝導部材６２を介して放熱性樹脂６１に伝導した熱の大部分が、上側露出面６１３から放出される。放熱部６ｄにおいても電子部品２１４１を効率よく冷却するとともに送風ファンを軽量化することができ、さらに、放熱性樹脂６１の使用量が削減され、送風ファンの製造コストの上昇が抑制される。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、放熱部６，６ｂ〜６ｄの放熱性樹脂６１は熱伝導部材６２を介さずに直接電子部品２１４１に接してもよい。放熱性樹脂６１は最も発熱量が多い電子部品に接していることが好ましく、他の電子部品にさらに接していてもよい。放熱性樹脂６１の上側露出面６１３および下側露出面６１１１上にはフィンが形成されてもよく、これにより冷却性能が向上される。

また、放熱性樹脂６１はベース部２１１のうち電子部品２１４１に対向する部位のみに設けられるのではなく、例えば、電子部品２１４１よりも十分に大きい範囲に放熱性樹脂６１が設けられてもよく、ベース部２１１全体が放熱性樹脂６１にて形成されてもよい。逆に、放熱性樹脂６１の上面が電子部品２１４１と同じ大きさとされ、上側露出面６１３が省略されてもよい。この場合、放熱性樹脂６１は主として下側露出面６１１１から熱の放出を行う。

放熱部６の形成はインサート成形には限定されず、予め形成されたベース部２１１が配置された金型に対して放熱性樹脂６１が射出成形して追加されるアウトサート成形、または、放熱性樹脂６１およびベース部２１１となる樹脂が同時に金型内に射出成形される２色成形によるものでもよい。

放熱性樹脂６１を有する放熱部は、放熱部の近傍をエアが通過する軸流ファン（ハウジングは省略されてもよい。）に採用されることが好ましいが、遠心ファン等の他の構造のファンに採用されてもよい。

第１の実施の形態に係る送風ファンの縦断面図である。 送風ファンの底面図である。 放熱部の拡大図である。 第２の実施の形態に係る放熱部の拡大図である。 第３の実施の形態に係る放熱部の拡大図である。 第４の実施の形態に係る放熱部の拡大図である。 第５の実施の形態に係る放熱部の拡大図である。

符号の説明

１ 送風ファン
２ モータ部
３ インペラ
４ ハウジング
５ 支持リブ
２１ ステータ部
２２ ロータ部
３２ 翼
６１ 放熱性樹脂
６２ 熱伝導部材
２１１ ベース部
２１３ 電機子
２１４ 回路基板
２２２ 界磁用磁石
６１３ 上側露出面
２１４１ 電子部品
６１１１ 下側露出面
Ｊ１ 中心軸

Claims (9)

1. 送風ファンであって、
   回転体であるロータ部および固定体であるステータ部を有するモータ部と、
   前記モータ部の中心軸を中心として前記ロータ部から径方向外方に向かって突出するとともに環状に配置された複数の翼を有し、前記中心軸を中心として回転することによりエアの流れを発生するインペラと、
   を備え、
   前記ステータ部が、
   前記ロータ部の界磁用磁石との間においてトルクを発生する電機子と、
   前記中心軸から外側に垂直に広がる略円板状であって樹脂により形成されたベース部と、
   前記電機子と前記ベース部との間に配置され、前記ベース部に対向する面上に発熱する電子部品が実装された回路基板と、
   を備え、
   前記ベース部のうち少なくとも前記電子部品に対向する部位が、炭素系材料またはセラミック系材料を含む放熱性樹脂により形成されるとともに、熱伝導部材を介して間接的に、または、直接、前記電子部品に接し、前記ベース部の前記回路基板とは反対側にて露出する、または、前記回路基板側にて露出する露出面を有することを特徴とする送風ファン。
2. 請求項１に記載の送風ファンであって、
   前記放熱性樹脂の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上１５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、熱放射率が０．７以上１未満であることを特徴とする送風ファン。
3. 請求項２に記載の送風ファンであって、
   前記放熱性樹脂の熱放射率が０．９以上１未満であることを特徴とする送風ファン。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の送風ファンであって、
   前記炭素系材料または前記セラミック材料が、前記放熱性樹脂に４０体積％以上８０体積％以下含まれることを特徴とする送風ファン。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の送風ファンであって、
   前記電子部品が、前記回路基板において発熱量が最も多い部品であることを特徴とする送風ファン。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の送風ファンであって、
   前記ベース部の一部のみが前記放熱性樹脂により形成されることを特徴とする送風ファン。
7. 請求項６に記載の送風ファンであって、
   前記ベース部が、前記放熱性樹脂を予め金型内に固定して樹脂を射出成形するインサート成形により形成されることを特徴とする送風ファン。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の送風ファンであって、
   前記インペラが発生する前記エアの流れが、前記中心軸方向であることを特徴とする送風ファン。
9. 請求項８に記載の送風ファンであって、
   前記インペラの外周を覆うハウジングと、
   前記ハウジングと前記ベース部とを連結する複数の支持リブと、
   をさらに備え、
   前記ハウジング、前記複数の支持リブおよび前記ベース部が、連続する１つの樹脂成形部品であることを特徴とする送風ファン。

Images