JP4458800B2 - ファン及びこれを備えた情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、ノートパソコンなどの情報機器、及びこの情報機器内の冷却用に使用されるファンに関する。

ノートパソコンのような情報機器では、この機器の主要部分をつかさどるＣＰＵが演算や制御を行なうため、このＣＰＵの処理能力が情報機器の性能を決める。近年では、情報機器の高性能化にともないＣＰＵの消費電力及び演算速度は増加する傾向にある。ＣＰＵの消費電力及び演算速度が増加すると発熱量が大きくなり、ＣＰＵの動作が不安定になったりそれ自体が破壊されてしまうことがある。それ故に、ＣＰＵの発熱対策は機器を正常に動作させるのに必須となっている。これまでＣＰＵの発熱対策は、一般的にファンが用いられるが、例えばそのファンにて機器内部の空気を外部に排出してＣＰＵを間接的に冷却するもの、ＣＰＵに直接、密着させたヒートシンクをファンで冷却するもの、又はＣＰＵにヒートパイプを介してヒートシンクをファンで冷却するものなどが知られている。

そのようなファンは、扁平でありながら効率良く送風できるものが要求される。例えば、特許文献１に記載のファンは、上下面に吸気口を一つの側面に排気口をそれぞれ備える扁平なケーシングにファンモータが収容され、空気がファンモータの軸線方向にそってそれら吸気口から吸気され、その後、径方向に排気口を介して外部に排気される構造である。

このようなファンは、ファンの軸線方向に許容されるスペースが少ないため、その構成部品及び部材間の間隙の軸線方向の長さに厳しい制約を受け、特に、ハウジングの天面部及び底面部のそれぞれ内壁面にインペラが近接し、空気の流れが阻害されることがある。また、ファンの構造上、搭載される周辺環境においても同様の制約を受け、ハウジングの天面部及び底面部それぞれの吸気口の外部に電子部品等が近接して配置され、吸気口に案内される空気の流れが阻害されることもある。

このような種々の問題に対して、インペラの内径側の一部を切り欠く（特許文献１及び２）、又はインペラを連続してモータ本体に設けないことで（特許文献３）、吸気口のファン側近傍に大きな空隙が形成され空気の流れが円滑になることが知られている。

ところが、これまで知られているファンは、上述した空気の流れを良好にすることはできても、特許文献１又は２のような構成では、インペラの基部側が細くなりインペラとモータ本体との締結強度が低下してしまう。これにより、従来のファンは高速に回転させればさせる程インペラにかかる負荷が増大し、インペラの基端側を中心にして反りが発生し、これが原因となってインペラの振動や騒音が発生したり送風特性の低下を招くといった懸念がある。よって、風量を増量させる等のために回転数を上げる必要があっても、一定以上に回転することができなかった。

また、特許文献３のような構成では、インペラを連結する環状板が必要となることから、環状板の分だけ重量が重くなり、それだけモータの電流値が大きくなりモータが発熱してしまう。しかも、インペラが複雑になり成形しにくくなる。

また、ノートパソコンなどの情報機器を高性能化しようとすると、ＣＰＵの消費電力や演算速度が増加し発熱量が大きくなることからファンに一層の冷却能力が要求される。これまでのファンでは、回転数を上げることができないためその要求に答えることができず、情報機器を高性能化することができなかった。

特開２００２−２１７８２号公報（図１３乃至２０） 特開２０００−３４１９０２公報（図１） 実用新案登録第３０８０１９４号公報（図２）

解決しようとする第一の問題点は、軸線方向から取り込んだ空気を径方向に排出することができる扁平なファンがより高速に回転できない点にある。また。第二の問題点は、そのような扁平なファンが複雑なインペラになり形成しにくくかつ重量が大きくなる点にある。さらに、第三の問題点は、情報機器において発熱対策を十分に行うことができず高性能化が実現できない点にある。

前記第一及び二の問題点に対する本発明の解決手段は、円筒状ボス部の外周面から延在する羽根部を有するインペラの回転により、軸線方向から取り込んだ空気を径方向に排出すことができるファンであって、
該ボス部の内部には該インペラに回転力を発生させる駆動手段が収容され、
該羽根部は、該ボス部の外周面から間隔をあけて放射状に設けられ、且つ内径側の軸線方向の長さが外径側の軸線方向の長さよりも小さく、
該ボス部の外周面と各羽根部との間には、軸線方向の最大長が該羽根部内径側の軸線方向の最小長よりも小さく、回転方向の肉厚が該羽根部の回転方向の肉厚よりも厚肉である連結部が設けられている、ことを特徴とする。

より具体的には、前記羽根部は、その軸線方向の最大長は前記ボス部の軸線方向の最大長と同等以下であることが望ましい。

より具体的には、前記羽根部は、出口角が９０度以下であることが望ましい。

また、前記羽根部は、平坦面を有する板状や湾曲面を有する板状であるものを挙げることができる。

また、前記羽根部は、内径側の軸線方向の長さが外径側よりも小さいことが望ましい。

前記第三の問題点に対する本発明の解決手段は、情報機器に前記ファンを備えることを特徴とする。

本発明のファンは、扁平でありながら高速回転が可能であることから、良好な送風特性が得られる。しかも、そのファンのインペラは単純な形状であるため軽量で容易に形成することができる。

また、本発明の情報機器は、高さ方向のスペースが少なくても発熱体を適切に冷却できることから、より高性能化が実現できる。

本発明のファンを実施するための最良の形態について図１乃至６を用いて説明する。図２は当該ファンの平面図、図３は説明の都合上、当該ファンの天面板を外した状態の平面図、図１は図２のC1-C2線で切断した断面図、図４は図１のインペラ部の斜視図、図５は図４の平面図、図６は図１のインペラ部の要部断面図、をそれぞれ示す。なお、以下の説明において、軸線方向とは、モータ部の回転軸の軸線がのびる方向であって図１のｙ方向に相当し、径方向とはその回転軸の軸線に直交する方向であって図１のｘ方向に相当する。出口角とは、インペラ部の羽根部の先端を通る円においてその羽根部が突出する方向とこの点の接線とがなす角のうち、回転方向の後側の角をいう。

ファン１は、図１乃至３に示すように、主として、ハウジング２、モータ部４（駆動手段に相当）、インペラ部６から構成されている。

ハウジング２は、天面板２１及び底面板２２の２つの部品からなり、ともに熱伝導性が良好なアルミニウムが使用されている。通常、ファン１は冷却用に使用されることから高温下に設置される場合が多く、ハウジング２の材質がアルミニウムであるとそれ自体が放熱作用をなし、空気の温度上昇を抑制することができるが、それほどの放熱効果を必要としない場合は、樹脂を使用してもよい。天面板２１は、平面視がＵ字状の薄板で略中央に円形の開口２１ａが形成されている。この開口２１ａは、天面側の吸気口である。この吸気口２１ａを挟んで径方向に対向する天面板２１の周縁には、２個のネジ孔が形成されている。これらネジ孔は、後述する底面板２２のネジ孔とともにネジ止めされ、両板２１、２２の締結に使用される。

底面板２２は、天面板２１と同様に平面視がＵ字状の薄板で、このＵ字の開口を除く周縁に側壁２２ａが一体的に形成されている。側壁２２ａの高さは、底面板２２の幅よりも十分に小さく、後述するインペラ部６の高さ（軸線方向の長さ）より幾分大きい。側壁２２ａには、前述の天面板２１のネジ孔に合致する位置にネジ孔が形成されている。底面板２２の略中央にも開口２２ｂが形成され、底面側の吸気口となる。吸気口２２ｂは、内部に後述するモータ部４を支持する部分があるため、周方向に配列された３つの円弧状の開口からなる。

モータ部４を支持する部分とは、吸気口２２ｂの略中央に一方が閉塞された円筒状体２２ｃとこの筒状体２２ｃの一方の端部の外周面から径方向外方に延びる鍔状部に相当し、３個の等配されたリブ２２ｄを介して支持されている。リブ２２ｄは、吸気口２２ｂの周縁から中央下方側に幾分傾斜している。これにより、モータ部４を支持する部分と、吸気口２２ｂを形成する周縁部分とに段差が形成され、底面板２２の外部を流れる空気が吸気口２２ｂに案内されやすくなり、送風特性の向上に寄与する。

これら天面板２１と底面板２２は、それぞれのネジ孔を合わせてネジ止めすることで、内部に扁平な空間を有するハウジング２が形成される。なお、側壁２２ａがない底面板２２の周縁は、天面板２１とで矩形の開口が形成され排気口２３となる。

モータ部４は、静止側と回転側とからなり、その静止側は、上記円筒状体２２ｃの外周面にステータ４１が嵌合固定され、このステータ４１に金属ピンを介して円筒状体２２ｃの周囲に回路基板４２が保持されている。円筒状体２２ｃの内周面には、樹脂製の円筒状のスペーサ４９とともに金属製の円筒状軸受４３が嵌合固定されている。

ステータ４１は、強磁性鋼板を積層してなるステータコアに絶縁体を介して巻線が巻かれてなる。回路基板４２は、モータ部４の回転側の位置を検出する検出手段、ステータ４１との電気的接続を図るための金属ピン、外部電源に接続するための引出線等が実装されている。軸受４３は、多孔質性の焼結金属体で潤滑油が含浸され、軸受面となる内周面に動圧発生溝が形成されたもので、後述する回転軸の径方向の荷重を潤滑油に発生する動圧により回転自在に支持する。スペーサ４９は、外径が円筒状体２２ｃの内径とほぼ同一で、内径が軸受４３の外径よりも幾分小さい関係にあるため、軸受４３と共に円筒状体２２ｃに嵌合すると幾分拡径し、円筒状体２２ｃに軸受４２とともに強固に固定される。スペーサ４９は、円筒状体２２ｃ及び軸受４２よりも軟らかいため、適度の応力が作用してもそれらの部材を変形させることはない。また、円筒状体２２ｃの内側の底面には、高潤滑性の樹脂製薄板４４が設けられ、後述する回転軸の軸線方向の荷重を摺動しながら回転自在に支持する。さらに、スペーサ４９と軸受４３の上面には、断面がＬ字状の環状体４５が当接して円筒状体２２ｃに嵌合固定されている。

モータ部４の回転側は、金属製の円柱状回転軸４６が軸受４３に抜き差し可能に嵌合しかつ薄板４４に当接し、回転軸４６の一端に後述するインペラ部６が設けられ、インペラ部６の内周面に強磁性金属からなる円筒状のヨーク４７が圧入により嵌合固定され、ヨーク４７の内周面に円筒状のマグネット４８が接着固定されている。インペラ部６の内周面には部分的に突起があり、これがマグネット４８を押圧し固定している。マグネット４８は、ステータ４１の外周面に微小間隙をあけて対向し、かつその軸線方向の磁気中心がステータコアの軸線方向の中心よりも上方に位置している。そのため回転軸４６は、マグネット４８がステータ４１を下方に磁気吸引し、その吸引力により薄板４４を押圧するスラスト力が常時作用する。

ステータ４が通電されるとマグネット４８との磁気相互作用により、マグネット４８を含むモータ部４の回転側が回転する。また、回転軸４６は、環状体４５の内周面が微小間隙を介して対向するが、この微小間隙に軸受４３の潤滑油の界面が形成され、この毛細管力により潤滑油が保持され軸受４３内部に潤滑油が保持される。

インペラ部６は、図４乃至６に示すように、ボス部６１と１１枚の羽根部６２と１１個の連結部６３とからなり、上記回転軸４４とともに合成樹脂で射出成形されている。ボス部６１は、モータ部４の一部を構成する円筒状の側面部６１ａとこれの一端を閉塞する天面部６１ｂとからなる逆カップ状である。側面部６１ａの内周面は、ヨーク４７とマグネット４８を保持し、その外周面は連結部６３及び羽根部６２が設けられている。天面部６１ｂの中心は、ここに埋設された回転軸４４がボス部６１の内側に突出する。ボス部６１は、側面部６１ａを形成する円の半径ｒが側面部６１ａの軸線方向の最大長ｈ１の約２倍程度の寸法関係にあり、扁平形状となっている。

連結部６３は、側面部６１ａの外周面における軸線方向の略中心から径方向に突出する基部６３ａと、この基部６３ａの突出端側が径方向に直角に屈曲する先端部６３ｂとからなり、基部６３ａ及び先端部６３ｂとも円柱状で平面視が略Ｌ字状を形成している。基部６３ａ及び先端部６３ｂの断面の直径ｄ１は、側面部６１ａの軸線方向の最大長ｈ１の約４分の１程度である。基部６３ａの突出方向は、図３(b)に示す通り、後述する羽根部６２とほぼ平行となる方向である。連結部６３をこの方向にすることにより、側面部６１ａとの接触面積をより大きく確保でき連結部６３を強固に連結できる。基部６３ａの突出長ｈ２は、側面部６１ａを形成する円の半径ｒの約３分の１程度である。このような連結部６３が、側面部６１ａの外周面に周方向等間隔に１１個設けられている。

羽根部６２は、両面ともに平坦面を有する略長方形の板であり、長辺が軸線向に直交する方向に平行でかつ平坦面が軸線方向に平行に設けられている。さらに、羽根部６２は、側面部６１ａの軸線方向の範囲からはみ出ないようにその内径縁が先端部６３ｂに連設され、これによりインペラ部６全体の軸線方向の長さが大きくならないようになっている。羽根部６２の突出方向は、出口角αが約６０度となる方向である。羽根部６２の出口角が９０度以下のファンはターボファンと呼ばれることがあり、空気の流れに逆らわないため効率がよい。羽根部６２の長辺の長さｈ３は、側面部６１ａを形成する円の半径ｒとほぼ同等である。

羽根部６２と側面部６１ａの寸法関係は、図６に示すように、羽根部６２の軸線方向の長さｈ４、ｈ５が側面部６１ａの軸線方向の長さｈ１よりも小さい（ｈ４、ｈ５＜ｈ１）。そして、羽根部６２の径方向の中心付近から内径側は両端が幾分切り欠かれ、この切り欠かれた部位の軸線方向の長さｈ４は外径側の長さｈ５よりも小さい（ｈ４＜ｈ５）。また、羽根部６２と連結部６３の寸法関係は、図６に示すように、羽根部６２の軸線方向の長さｈ４、ｈ５が連結部６３の断面の円の直径ｄ１よりも大きく、外径側の長さｈ５で約４倍程度で内径側の長さｈ４で約３倍程度である。羽根部６２の軸線方向の両側には、天面板２１と底面板２２が接近しておりあまり間隙はないが、羽根部６２の内径側は、その切り欠いた分（ｈ５−ｈ４）だけ余計に間隙６５が確保されている。

つまり、この切り欠き部分は、ハウジング２の両面に設けられた吸気口２１ａ、２２ｂにほぼ対向することから、ハウジング２の内部におけるその羽根部６２の切り欠き部分に比較的大きな空隙６５が形成されている。羽根部６２の肉厚ｄ２は、図５及び６に示すように、連結部６３の断面の円の直径ｄ１よりも小さく約３分の１程度である。

このような羽根部６２は、連結部６３を介してボス部６１に設けられていることから、羽根部６２とボス部６１とが不連続となり、各々の羽根部６２とボス部６１との間には、連結部６３を挟む両端に空隙６６が形成されている（つまり、ボス部６１と羽根部６２との間に間隔があいている）。

ファン１は、図３に示すように、反時計回り（矢印Ｒ）に回転すると吸気口２１ａ、２２ｂの両側からハウジング２内部に軸線方向に沿って空気が取り込まれ、その後、その空気はハウジング２の側壁２２ａに向かって径方向に流れ、側壁２２ａの内周面に沿って周方向に案内され排気口２３から排出される（矢印Ｆ）。羽根部６２と側壁２２ａとの間の間隙は、排気口２３側のネジ孔付近の間隙Ｓから反時計回りに次第に大きくなり、空気が排気口２３へ円滑に流れるようになっている。なお、そのネジ孔付近の間隙Ｓの側壁２２ａの内周面は、底面側から天面側に向けて羽根部６２から次第に離れる傾斜面２２ａ１を有し、この傾斜面２２ａ１と羽根部６２とで形成される間隙Ｓが排気口２３付近の大きな空間との気圧差による乱流の発生を緩和して、騒音の発生を防止している。

ファン１のように扁平であると、ノートパソコンのような薄型の情報機器へ搭載しやすくなるものの、それだけその機器においてファンが占有できるスペースは限られてしまう。従って、ファン１の構成部品及び部品間の間隙における軸線方向の長さに厳しい制約を受ける。そのことが、モータ部４及びインペラ部６に対してハウジング２との間に許容される軸線方向の間隙を小さくし、ハウジング２内部への空気の流れを阻害する恐れがあるが、このファン１では羽根部６２の内径側の両端が切り欠かれることによって空隙６５が形成されており、また連結部６３を挟む両端に空隙６６が形成されていることから、ハウジング２の吸気口２１ａ、２２ｂの内側付近に十分な空隙が確保されている。

よって、このファン１では、羽根部６２の切り欠きによる空隙６５、及び羽根部６２が連結部６３を介してボス部６１に設けることによる空隙６６が形成されていることから、吸気口２１ａ、２２ｂの内側に一層、大きな空隙が確保され、空気をより一層多く取り込むことができる。

また、インペラ部６は、薄肉の羽根部６２が厚肉の連結部６３を介してボス部６１に設けられているため、羽根部６２とボス部６１との間に十分な空隙を確保しながらも、強固に羽根部６２がボス部６１に設けられている。つまり、羽根部６２は、これの内径側を支点とする曲げ剛性が大きい状態でボス部６１に設けられている。それ故に、ファン１を従来以上に高速に回転させる等して羽根部６２に過大な負荷がかかってもても羽根部６２が反らないため、インペラ部６の振動や騒音の発生や送風特性の低下を防止することができる。

また、インペラ部６は、特許文献３のような環状板が不要で複数の羽根部６２が互いに独立して設けられた構成であるため、形成しやすい簡単な形状でありしかも重量も大きくならない。なお、ファン１は、ボス部６１の内部にモータ部４を収容するため、駆動手段を外部に設ける必要がなく、極めてコンパクトな構造の送風手段である。

次に、ファン１の変形例として、図７及び８を参照して説明するが、基本構造は同じであるので、相違点を中心に説明する。上記ファン１では、羽根部６２の軸線方向の長さｈ４、ｈ５がボス部６１の側面部６１ａの軸線方向の最大長ｈ１よりも小さい関係にあるが、変形例のファン１’では、図７に示すように羽根部６２’の方が大きい関係にある（ｈ１＜ｈ５）。これは羽根部６２’の長さｈ４もその長さｈ１よりも大きくてもよい（ｈ１＜ｈ４）。これは、上記ファン１に対して、羽根部６２’の面積が大きくなるため、一層、風量を上げることができる。或いは、インペラ部６に必要なトルクに対してモータ部４をより扁平な大きさでも所望の特性を得ることができる場合に適用できる。この場合、ハウジング２の天面部２１及び底面部２２は、平坦な面としてインペラ部６に対向しているが、ボス部６１よりも軸線方向に突出する羽根部６２’に対向する領域のみを逃がし凹凸面や傾斜面にて対応するようにすることができる。

さらに上記ファン１、１’では、ボス部６１の角部分（側面部６１ａと天面部６１ｂの連結部分）がほぼ直角になっているが、別の変形例のファン１’’は、図８に示すように内側に傾斜させた形状となっている。このボス部６１’’ではその角部分に空隙６６’’をあらたに確保することができるため、上記ファン１に比べて吸気口２１ａ側に空隙が増え風量を上げることができる。

次に、本発明のファンを備えた情報機器を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。この情報機器とは、筐体が薄型で内部に強制冷却を必要とする発熱体が搭載されてもので、例えばノートパソコンである。図９にその情報機器８の断面を示すが、入力部、表示部、出力部、演算部、記憶部などは公知であるため詳細な説明を省略する。

この情報機器８は、図９に示すように、筐体８１内部に、ＣＰＵなどの発熱体Ｈを含む演算部を構成するマザーボード８２が配置されている。マザーボード８２には、一部に開口８２ａが設けられ、この開口８２ａに合わせてファン１１が固定されている。このファン１１は、前述のファン１と基本構成は同一であるが、その天面板２１はマザーボード８２が兼用している。つまり、ファン１の底面板２２がマザーボード８２の開口８２ａに合わせて直接、固定されている。そのため、マザーボード８２の演算部における発熱によりマザーボード８２の周辺温度は極めて高温になるが、その高温の空気はファン１１により矢印Ｆのように流れ筐体８１外部へ排気され、筐体８１内部の温度上昇を抑制することができる。ファン１１は、前述したファン１と同様の特徴を有するものであり、高速回転が可能である。そのため、情報機器の高性能化に伴いＣＰＵの消費電力が増加し発熱量が大きくなっても、十分に冷却することができる。従って、このファン１１を備えた情報機器８は高性能化が可能になる。

以上、本発明のファン及びこれを備えた情報機器についての最良の形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。

例えば、上述したファン１、１’、１’’は、高速回転に対応できる構成として、ボス部６１、羽根部６２、６２’、連結部６３の形状や寸法関係について詳述したが、羽根部６２、６２’の曲げ剛性が大きくなるのであればそれらに限定されるものではなく、種々の変更は可能である。

上述したファン１、１’、１’’は、軸線方向の両側から吸気できる構造となっているが、片側から吸気できる構造としても適用することができる。羽根部６２、６２’は、両面ともに平坦面を有する略長方形の板であるが、図１０に示すように、平面視で円弧線を描くように両面ともに湾曲面を有する略長方形の板としてもよい。また、羽根部が湾曲面を有する場合は、径方向に捻れる面であってもよい。

羽根部６２の突出方向は、送風特性に応じて変更してもく、例えば出口角を１３０度から１８０度程度にすると風圧を大きくすることができる。

また、インペラ部６は、樹脂による射出成形が好適であるが、その使用環境に合わせて例えば、アルミニウム等の金属にしてもよい。

また、ファン１は、ハウジング２を備えているが、ハウジング２を省略してモータ部４とインペラ部６からなるファンとして使用してもよい。

また、ファン１がＣＰＵ等の発熱体を直接冷却して使用する場合には、ハウジング２の天面部２１または底面部２２にその発熱体を熱伝導可能なように当接して配置させるか、天面板２１または底面板２２を延長して吸気口２３の外側に多数の放熱フィンを設け、その放熱フィンの近傍に発熱体を熱伝導可能に当接して配置させるか、或いは、ヒートパイプのような手段を介して発熱体と放熱フィンとを熱伝導可能に配置するようにしてもよい。

本発明のファンを実施するための最良の形態を示す断面図。 図１のファンを示す平面図。 図１のファンの天面板を取り除いた状態を示す平面図。 図１のファンのインペラ部を示す斜視図。 図１のファンのインペラ部を示す平面図。 図１のファンの要部を示す断面図。 図１に示すファンの変形例の要部を示す断面図。 図１に示すファンの別の変形例の要部を示す断面図。 本発明の情報機器を実施するための最良の形態を示す断面図。 図１のファンのさらに別の変形例の要部を示す平面図。

符号の説明

１ ファン
２ ハウジング
４ モータ部
６ インペラ部
８ 情報機器
６１ ボス部
６２ 羽根部
６３ 連結部
６５、６６ 空隙

Claims (6)

1. 円筒状ボス部の外周面から延在する羽根部を有するインペラの回転により、軸線方向から取り込んだ空気を径方向に排出すことができるファンであって、
   該ボス部の内部には該インペラに回転力を発生させる駆動手段が収容され、
   該羽根部は、該ボス部の外周面から間隔をあけて放射状に設けられ、且つ内径側の軸線方向の長さが外径側の軸線方向の長さよりも小さく、
   該ボス部の外周面と各羽根部との間には、軸線方向の最大長が該羽根部内径側の軸線方向の最小長よりも小さく、回転方向の肉厚が該羽根部の回転方向の肉厚よりも厚肉である連結部が設けられている、ことを特徴とするファン。
2. 前記羽根部は、その軸線方向の最大長は前記ボス部の軸線方向の最大長と同等以下であることを特徴とする請求項１に記載のファン。
3. 前記羽根部は、出口角が９０度以下であることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のファン。
4. 前記羽根部は、平坦面を有する板であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のファン。
5. 前記羽根部は、湾曲面を有する板であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のファン。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のファンと、
   該ファンによって冷却される電子部品と、を備えることを特徴とする情報機器。

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