JP2019106522A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

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智洋 長谷川
Tomohiro Hasegawa
智洋 長谷川
前川 忠彦
Tadahiko Maekawa
忠彦 前川
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Abstract

【課題】電子機器の冷却装置の冷却効率を向上する。【解決手段】筐体3と、筐体3内に収納される複数のプリント基板2a〜2dと、筐体3内に備えられた発熱部品を冷却する冷却装置4を備えた電子機器1である。冷却装置4は、ファン5と、導風部材6を備える。ファン5を筐体3に形成された空気導入口3aに設けて、筐体3内に冷却風を供給する。導風部材6を、ファン5とプリント基板2a〜2dの間に設ける。導風部材6は、冷却風を発熱量の多い電子部品の直前まで導く導風部6aと、導風部6aの周囲に設けられる防護部6bを備える。また、導風部6aの端部に防振部6cを備え、防振部6cにプリント基板2bの端部を固定する。【選択図】図1

Description

本発明は、電子機器の冷却装置に関する。特に、冷却風を発熱部品に導く導風部材の構造に関する。
CPUボードや各種プリント基板を収納する電子機器の筐体は、その保護のために密閉型となっている。近年、CPU計算速度は著しく向上し、演算時に生じる発熱量が大きくなっている。そこで、CPUの冷却のための構造が重視される(例えば、特許文献1−3)。
筐体内にある各種プリント基板やHDD等のその他の部品は、過度な温度上昇を防ぐために、一般的に冷却用のファン等を用いた冷却装置により強制冷却される。筐体内に設けられる発熱部品の発熱量の増加に伴い、冷却用のファンは、大型・高速化している。また、CPU等に密着して取り付けられるヒートシンクも大型化している。
特開2001−127476号公報 特開平11−340665号公報 特開2010−203415号公報
冷却用のファンを大きくしたり、ヒートシンクを大きくしたりすることで、冷却装置の冷却性能を向上させることができる。
しかしながら、筐体の大きさは、従来と同様または小型化することが要求される。したがって、冷却用のファンやヒートシンク等の大型化を抑制して、冷却装置の冷却効率を向上させることが求められる。
例えば、特許文献1では、鉛直方向下向き方向に対して、発熱量の大きい順にプリント基板が並ぶように、複数のプリント基板を筐体内に収納することで、発熱量の大きなプリント基板によって他のプリント基板が熱せられることを防ぎ、冷却装置の冷却効率を向上させている。
また、プリント基板の発熱量に比例して、電子部品を実装したプリント基板面と他のプリント基板(または筐体)の距離を保持することにより、発熱量の大きなプリント基板の周囲ほど流れる空気の量を多くして、冷却装置の冷却効率を向上させている。
しかし、プリント基板等を収納する筐体の断面積を増加させた場合、冷却用のファンから流れる空気を略直線状にするためには筐体断面積とファン寸法を凡そ等しくする必要があり、筐体断面積に合わせてファンが大型化することとなる。その結果、少しだけ風を送れば十分に冷却できる部品に対しても略直線状の風を送り、過剰な冷却になることに加え、装置の大型化にもつながってしまう。
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、冷却用のファンやヒートシンクの大型化を抑制して、冷却装置の冷却効率を向上させることを目的としている。
上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の一態様は、
少なくとも1枚のプリント基板が収納される筐体と、前記筐体の外部から内部に空気を導入する空気導入口と、前記筐体の内部から外部に空気を排出する空気排出口を備える電子機器の冷却装置であって、
前記冷却装置は、
前記空気導入口に設けられ、前記筐体内に冷却風を供給するファンと、
前記ファンと前記プリント基板の間であって、前記空気導入口を覆うように設けられる導風部材を備え、
前記導風部材は、
前記プリント基板のうち、発熱量の多い電子部品が備えられたプリント基板方向に冷却風を導く導風部と、
前記導風部に隣接して備えられ、前記冷却風が流通する風穴が複数形成された防護部と、を備えた、ことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の他の態様は、上記電子機器の冷却装置において、
前記導風部材は、
前記プリント基板の端部が固定される防振部を備えた、ことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の他の態様は、上記電子機器の冷却装置において、
前記導風部材は、複数の防振部を備え、
前記複数の防振部には、それぞれ異なるプリント基板の端部が固定された、ことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の他の態様は、上記電子機器の冷却装置において、
前記防振部と前記防振部に固定されたプリント基板の間に、前記防振部よりも高い弾性を有する保護キャップが備えられた、ことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の他の態様は、上記電子機器の冷却装置において、
前記防振部に固定されたプリント基板において、当該プリント基板に形成される配線層や該プリント基板に実装される電子部品は、前記防振部および前記保護キャップから所定の距離離して備えられた、ことを特徴としている。
また、上記目的を達成する本発明の電子機器の冷却装置の他の態様は、上記電子機器の冷却装置において、
前記導風部、前記防護部および前記防振部は、一体成型された、ことを特徴としている。
以上の発明によれば、電子機器の冷却装置の冷却効率を向上することができる。
本発明の第1実施形態に係る電子機器の概略図である。 導風部材の正面図である。 (a)防振部の拡大斜視図、(b)プリント基板に備えられた防振部の概略図である。 プリント基板の平面図である。 本発明の第2実施形態に係る電子機器の概略図である。
本発明の実施形態に係る電子機器の冷却装置について、図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る電子機器1は、複数のプリント基板2a〜2dと、プリント基板2a〜2dが収納される筐体3と、筐体3内に備えられた発熱部品を冷却する冷却装置4を備える。冷却装置4は、筐体3内に冷却風を供給する冷却用のファン5と、筐体3に形成された空気導入口3aに設けられる導風部材6を備える。筐体3内には、プリント基板2a〜2dの他に、HDD7等の電気部品が備えられる。なお、筐体3内に、HDD7の他に、SSDといった記憶装置、USBメモリ等のUSB機器を接続する接続部またはその他電気部品を収納することもできる。
プリント基板2a〜2dは、板状またはフィルム状に形成されており、その表面には、CPU8やヒートシンク9の他に、図示していない、集積回路、抵抗器、コンデンサ、LED等の電子部品が備えられる。また、プリント基板2a〜2d上には、配線層(図示せず)が形成されており、プリント基板2a〜2d上に配置された電子部品間が配線層により接続され電子回路が構成される。
ファン5は、例えば、空気導入口3aに備えられ、筐体3の外部から筐体3の内部に空気を供給する。ファン5により、空気導入口3aから筐体3内に冷却風が供給され、この冷却風は、筐体3に形成された空気排出口(図示せず)から排出される。電子機器1の場合、ファン5として、例えば、回転数3000rpm以下の小型送風機が好適に用いられる。
導風部材6は、例えば、ファン5とプリント基板2a〜2dの間に設けられる。導風部材6は、筐体3内に備えられた電子部品の発熱量に応じて、電子部品に供給される冷却風の供給量を調節する。導風部材6は、冷却風を発熱量の多い電子部品(例えば、CPU8やCPU8上に設けられたヒートシンク9等)の直前まで導く導風部6aと、導風部6aの周囲に設けられる防護部6bを備える。また、導風部6aの端部には、プリント基板2bの端部を固定する防振部6cが備えられる。導風部材6は、例えば、鉄等の金属や、ABS樹脂等の熱可塑性樹脂等により形成される。なお、実施形態の説明では、導風部材6の導風部6aは、CPU8が設けられたプリント基板2bに冷却風を導いているが、導風部6aはCPU8(およびCPU8上に設けられたヒートシンク9)に限定されるものではなく、発熱量の多い電子部品に対して必要な冷却風を導くように備えられる。
図2に示すように、ファン5からの冷却風が流通する導風部材6の開口部は、導風部6aと防護部6bに区分される。導風部材6は、ファン5の中心軸を対称軸として対称(上下対称および/または左右対称)に形成することが好ましい。すなわち、導風部材6は、上下対称および/または左右対称で、その対称軸がファン5の中心軸と重なるように配置されることが好ましい。中央部に導風部6aを備えた導風部材6を設けることで、冷却効果の薄いファン5中央部の冷却風を導風部材6によりCPU8(およびヒートシンク9)等の発熱量の多い電子部品に集めることができ、冷却効率を高めることができる。また、導風部材6を対称にすることで、導風部材6から流れ出る冷却風に偏りが生じることが抑制され、ファン5中央部により強い冷却風を発生させることができ、冷却効率が向上する。
導風部6aは、冷却風を発熱部品に導く風ガイドである。導風部6aは、例えば、角筒状であり、一方の開口部はファン5と対向して設けられ、他方の開口部は冷却対象となる発熱部品(例えば、CPU8やヒートシンク9)方向に向かって備えられる。したがって、導風部6aを通って筐体3内に供給される冷却風は、主にCPU8やヒートシンク9が設けられたプリント基板2b上を流通することとなる。導風部6aの開口面積は、CPU8やヒートシンク9に当たる冷却風の速度に応じて設定される。
防護部6bは、導風部材6の導風部6a以外の開口部である。防護部6bは、導風部6aに隣接して備えられる。防護部6bには、例えば、格子状の枠体6dが備えられる。枠体6dは、導風部6aの冷却風流入側の開口部と横に並んで備えられる。枠体6dの形状によって、ファン5から発生する冷却風を導風部6a方向と、それ以外のプリント基板2a、2c、2d方向等の任意の方向に分配させることが可能である。また、防護部6bは、フィンガーガードとして機能し、筐体3内からファン5と作業者の指等が接触することを防止し、筐体3内の安全性を確保する。つまり、ファン5を覆うように導風部材6を設け、格子状の枠体6dにより形成される風穴6e(風穴6eの一例を図中点線で示す)を成人の指が入らない大きさに設計することで、作業の安全性が確保される。また、冷却効率の観点から風穴6eは周期的に形成されることが好ましい。風穴6eを周期的に形成することで、防護部6bから流れ出る冷却風の偏りや圧力損失が低減し、冷却効率が向上する。防護部6bを通って筐体3内に供給される冷却風は、主に、他のプリント基板2a、2c、2d上に実装された電子部品やHDD7等のその他電気部品等に流れることとなる。
防振部6cは、図3に示すように、導風部6aの開口端部からプリント基板2b方向に延在する固定部6fと、固定部6fの端部に形成される溝部6gと、固定部6fの端部に溝部6gを挟んで設けられる一対の爪6hを備える。溝部6gは、プリント基板2bの端面と向かい合う面が凹んで形成される。プリント基板2bの端部には、保護キャップ10が被せられ、保護キャップ10は溝部6gに嵌め込まれる。防振部6cが保護キャップ10の上部を抑え、防振部6cの爪6h、6hが保護キャップ10を挟み込むことで、プリント基板2bが保護キャップ10を介して防振部6cに固定される。なお、爪6h、6hの間にのみ、保護キャップ10とプリント基板2bを備える態様とすることもできる。つまり、防振部6cの他例として、固定部6fの先端に保護キャップ10が嵌め込まれる溝を形成し、保護キャップ10が備えられたプリント基板2bを一対の爪9h、9hで固定する態様とすることもできる。
保護キャップ10は、例えば、断面コ字状であり、プリント基板2bの3面と接するようにプリント基板2bの端部に備えられる。保護キャップ10は、強度や靭性に優れる高分子材料(例えば、ポリアミド合成樹脂等)で形成される。より好ましくは、保護キャップ10は、防振部6cよりも靭性や弾性に優れた材料で形成される。保護キャップ10をプリント基板2bと防振部6cの間に介在させることで、プリント基板2bの振動抑制の効果が向上する。
図3(b)に示すように、保護キャップ10および爪6hの周囲には、プリント基板2b上に実装する電子部品(図示せず)や表層の銅箔配線等が配置されない領域2e(以後、電子部品・銅箔配線等が配置されない領域2eとする)が設けられる。図3(b)において斜線で示すように、電子部品・銅箔配線等が配置されない領域2eを設けることより、電子機器1の製造時および電子機器1の使用時において電子機器1に損傷を与えることなく、プリント基板2bの振動を抑制できる。すなわち、プリント基板2b上の電子部品と保護キャップ10または爪9hとの干渉によるプリント基板2bの破壊が防止される。また、保護キャップ10とプリント基板2bとの接触面における摩耗による銅箔配線の削れが抑制され、銅箔配線等の切粉の発生が抑制される。保護キャップ10や爪9hと、プリント基板2b上の電子部品・銅箔配線等が実装される領域2fの離隔距離d1、d2は、製造上の加工精度や絶縁仕様により適宜決定される。例えば、離隔距離d1、d2が、1〜5mm程度となるように、電子部品・銅箔配線等が配置されない領域2eが設定される。
図4に示すように、通常、プリント基板2bの端部には、筐体3に設けられた端子等(図示せず)に接続されるコネクタ部11が備えられており、コネクタ部11は、筐体3に実装されると同時に強固に固定される。また、コネクタ部11が備えられるプリント基板2bの端部と隣接するプリント基板2bの端部には、プリント基板2bと他のプリント基板2a(または、プリント基板2c)を電気的に接続する接続部12が備えられる。接続部12は、プリント基板2b実装時に図示省略のコネクタ(例えば、筐体3の底面に固定されたプリント基板に備えられたコネクタ)に接続され、強固に固定される。そのため、プリント基板2bの1次の固有振動モードは、プリント基板2bの非固定部である角部(図中点線で示す)が最も加速度が大きくなるように振動する。つまり、コネクタ部11や接続部12が備えられていないプリント基板2bの端部側の角部が、最も振動する箇所となる。したがって、この角部を、防振部6cで固定することで、プリント基板2bにおいて1次の固有振動モードの振動が発生することを抑制することができる。防振部6cにおけるプリント基板2bの拘束力を高めれば高めるほど、プリント基板2bの固有振動モードは高周波側に移動する。一般的に、電子機器1にかかる振動は、100Hz以下であるので、プリント基板2bは、100Hz以下の振動を考慮して防振部6cに固定される。また、保護キャップ10とプリント基板2bの接触距離を長くし、かつ保護キャップ10と防振部6cとの接触面積を大きく設定して、防振部6cにおけるプリント基板2bの拘束力を高め、100Hz以下の固有振動モードをなくすこともできる。
防護部6bの風穴6eの開口率(={(風穴6eの開口面積の総和)/(防護部6bの断面積(枠体6dの断面積と風穴6eの開口面積の総和の合計))}×100(%))は、CPU8やヒートシンク9に当たる冷却風の割合と相関関係がある。したがって、風穴6eの開口率は、目的に応じて適切な大きさに設計される。例えば、風穴6eの開口率は、70%〜90%に設定される。
風穴6eの開口率が0%の場合、導風部6aに流れ込む冷却風は、100%となるが、ファン5に対する圧力損失が著しく上昇して冷却風の風量が減少するためエネルギー効率が良くない。
また、風穴6eの開口率が70%の場合、風穴6eの開口率が100%の場合(枠体6dがない場合)と比較して、ヒートシンク9の温度を10℃以上下げることが可能であった。つまり、防護部6bにおける冷却風の流通抵抗(または、枠体6dの整流作用)により、導風部6a(延いては、CPU8やヒートシンク9側)に流れる冷却風の流量が増加し、CPU8やヒートシンク9の温度を下げる効果が向上したものと考えられる。もし、他のプリント基板2a、2c、2dやHDD7等といった他の電気部品の温度を下げたい場合は、風穴6eの開口率を上げればよい。
以上のような、本発明の第1実施形態に係る電子機器1の冷却装置4によれば、導風部材6を設けることにより、プリント基板2bに実装された比較的発熱量の多い電子部品(CPU8やヒートシンク9)と、それ以外のプリント基板2a、2c、2dやHDD7等のその他電気部品を効率的に冷却することができる。
つまり、ファン5から供給される冷却風を、発熱量の多い電気部品が備えられるプリント基板2b方向と、それ以外のプリント基板2a、2c、2dやHDD7等のその他電気部品方向に任意に分配し、冷却風を有効に利用することができる。その結果、発熱量に応じてファン5からの冷却風を調整して、効率的に筐体3内に備えられた電子部品等を冷却することができる。
特に、風穴6eを周期的に施した防護部6b(フィンガーガード)を、導風部6aと並列に配置することで、ファン5からの冷却風を比較的発熱量の多い電子部品が備えられたプリント基板2b方向とそれ以外のプリント基板2a、2c、2d方向またはその他電気部品方向に任意に分配することができる。さらに、防護部6bにより、CPU8等の発熱量が高い電子部品と、比較的発熱量の低い抵抗素子やHDD等に対する安全性が確保される。また、ファン5動作中にプリント基板2a〜2dの入替え作業を行った場合でも、防護部6bにより、ファン5に作業者の指等が接触することが防止される。
また、導風部材6に防振部6cを設け、防振部6cでプリント基板2bの端部を固定することで、プリント基板2bの振動抑制効果が向上する。具体的には、防振部6cの溝部6gにプリント基板2b(または、プリント基板2bの端部に設けられた保護キャップ10)を嵌合することで、プリント基板2bの共振が抑制され、プリント基板2bの防振対策を行うことができる。
また、防振部6cにプリント基板2bの端部を固定することで、筐体3内の電子部品の共振現象が抑制される。例えば、ヒートシンク9の大型化に伴い、ヒートシンク9等の固有振動数が低下し、電子部品の固定面等から受ける低振動により電子部品が共振を起こし、CPUボードやプリント基板2b上の素子にクラックが発生するおそれがある。そこで、プリント基板2bの端部を防振部6cで固定して、ヒートシンク9等の重量の大きい部品を装着したプリント基板2bの振動を抑制することで、プリント基板2bに備えられた電子部品の共振を効果的に抑制することができる。
また、導風部材6(例えば、導風部6aと防護部6bおよび防振部6c)を一体化した構造物として射出成型することで、導風部材6の製造コストを低減でき、電子機器1のコストを低減することができる。
図5は、本発明の第2実施形態に係る電子機器13の概略図である。本発明の第2実施形態に係る電子機器13の冷却装置14は、導風部材15にプリント基板2a〜2dの端部をそれぞれ固定する防振部15c〜15fを備えたものである。よって、第2実施形態に係る電子機器13の冷却装置14の説明において、第1実施形態に係る電子機器1と同様の構成については、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
本発明の第2実施形態に係る電子機器13は、複数のプリント基板2a〜2dと、プリント基板2a〜2dが収納される筐体3と、筐体3内に備えられた発熱部品を冷却する冷却装置14を備える。冷却装置14は、冷却用のファン5と、空気導入口3aに設けられる導風部材15を備える。
導風部材15は、例えば、ファン5とプリント基板2a〜2dの間に設けられる。導風部材15は、筐体3内に備えられた電子部品の発熱量に応じて、電子部品に供給される冷却風の供給量を調節する。導風部材15は、冷却風を発熱量の多い電子部品の直前まで導く導風部15aと、導風部15aの周囲に設けられる防護部15bを備える。また、導風部材15には、プリント基板2a〜2dの端部をそれぞれ固定する防振部15c〜15fが備えられる。防振部15c〜15fは、プリント基板2a〜2dの間隔に応じて並んで配置される。導風部材15は、例えば、鉄等の金属や、ABS樹脂等の熱可塑性樹脂等により形成される。なお、導風部材15(例えば、導風部15aと防護部15bおよび防振部15c〜15f)を一体化した構造物として射出成型することで、導風部材15の製造コストを低減でき、電子機器13のコストを低減することができる。
導風部15aおよび防護部15bは、第1実施形態の電子機器1に備えられた導風部材6の導風部6aおよび防護部6bと同様である。また、防振部15c〜15fは、第1実施形態で説明した導風部材6の防振部6cと同様である(図3(a)参照)。すなわち、防振部15c〜15fは、例えば、導風部材15からプリント基板2a〜2d方向に延在する固定部と、固定部の端部に形成される溝部と、固定部の端部に溝部を挟んで設けられる一対の爪を備える。溝部は、防振部15c(または、防振部15d〜15f)に備えられるプリント基板2a(または、プリント基板2b〜2d)の端面と向かい合う面が凹んで形成された溝である。そして、プリント基板2a〜2dの端部には、それぞれ保護キャップ10が被せられ、プリント基板2a〜2dがそれぞれ保護キャップ10を介して防振部15c〜15fの溝部に固定される。なお、防振部15c〜15fは、導風部15aの筐体3内部側の開口端部(例えば、防振部15d、15e)や導風部材15の筐体3内部側の端縁部(例えば、防振部15c、15f)等に設けられる。
本発明の第2実施形態に係る電子機器13の冷却装置14によれば、第1実施形態の電子機器1の冷却装置4の奏する効果に加えて、発熱量の多い電子部品が備えられたプリント基板2b(例えば、CPUボード)以外のプリント基板2a、2c、2dの振動を抑制することができる。
以上、具体的な実施形態を示して本発明の電子機器の冷却装置について説明したが、本発明の電子機器の冷却装置は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。
例えば、防護部6bに備えられる風穴6eは、フィンガーガードとして機能できるものであれば、周期的に形成されることに限定されるものではなく、任意の大きさや形状、任意の配置とすることができる。
また、防振部6cは、導風部6aの端部に備える態様だけでなく、導風部材6の任意の場所(例えば、導風部材6の端部)に備えることができる。
1、13…電子機器
2a〜2d…プリント基板
2e…電子部品・銅箔配線等が配置されない領域
2f…電子部品・銅箔配線等が実装される領域
3…筐体
3a…空気導入口
4、14…冷却装置
5…ファン
6、15…導風部材
6a…導風部、6b…防護部、6c…防振部、6d…枠体
6e…風穴、6f…固定部、6g…溝部、6h…爪
7…HDD
8…CPU(発熱量の多い電子部品)
9…ヒートシンク(発熱量の多い電子部品)
10…保護キャップ
15a…導風部、15b…防護部、15c〜15f…防振部

Claims (6)

  1. 少なくとも1枚のプリント基板が収納される筐体と、前記筐体の外部から内部に空気を導入する空気導入口と、前記筐体の内部から外部に空気を排出する空気排出口を備える電子機器の冷却装置であって、
    前記冷却装置は、
    前記空気導入口に設けられ、前記筐体内に冷却風を供給するファンと、
    前記ファンと前記プリント基板の間であって、前記空気導入口を覆うように設けられる導風部材を備え、
    前記導風部材は、
    前記プリント基板のうち、発熱量の多い電子部品が備えられたプリント基板方向に冷却風を導く導風部と、
    前記導風部に隣接して備えられ、前記冷却風が流通する風穴が複数形成された防護部と、を備えた、ことを特徴とする電子機器の冷却装置。
  2. 前記導風部材は、
    前記プリント基板の端部が固定される防振部を備えた、ことを特徴とする請求項1に記載の電子機器の冷却装置。
  3. 前記導風部材は、複数の防振部を備え、
    前記複数の防振部には、それぞれ異なるプリント基板の端部が固定された、ことを特徴とする請求項1に記載の電子機器の冷却装置。
  4. 前記防振部と前記防振部に固定されたプリント基板の間に、前記防振部よりも高い弾性を有する保護キャップが備えられた、ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電子機器の冷却装置。
  5. 前記防振部に固定されたプリント基板において、当該プリント基板に形成される配線層や該プリント基板に実装される電子部品は、前記防振部および前記保護キャップから所定の距離離して備えられた、ことを特徴とする請求項4に記載の電子機器の冷却装置。
  6. 前記導風部、前記防護部および前記防振部は、一体成型された、ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の電子機器の冷却装置。
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