JPH10256766A - 電子機器の強制空冷構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高密度実装系の冷却構造で、基板と概略平行方
向に送風する方式で、冷却空気流の上流側及び下流側に
配置された各発熱部材の温度を低圧損のもとに所定の温
度に保つことができる冷却構造を提供する。 【解決手段】冷却空気の気流方向１，２に配置された電
子素子３に設置するヒートシンク３０のフィン部に熱伝
導率の高い部材５０を挿入して両ヒートシンクを熱的に
接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子機器の強制空冷
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータをはじめとする電子
機器は、処理能力の向上，小型化及び低コスト化等の要
求が強い。このため、電子機器に搭載される電子部品の
発熱量、並びに搭載数は増加する。一方、筐体サイズが
小型化傾向にあるため、筐体内部の発熱密度は著しく増
加している。また、演算処理用の電子素子には、信号伝
搬遅延時間を短縮するために、多数のチップをセラミッ
ク等の配線基板上に搭載し、一括して冷却するマルチチ
ップモジュールという実装形態が多く用いられる。

【０００３】マルチチップモジュールなどの電子素子や
他の発熱部品が複数混在する高密度実装系を空気冷却す
る場合の送風構造として、ブロアやファンなどの送風手
段を用いて、基板に対して概略平行に空気を流す平行流
方式の構造と、基板に対して概略垂直に空気を流す噴流
方式の構造がある。平行流方式では、送風構造が簡単で
あるが、冷却風の下流側に位置する発熱部品では上流側
で熱交換された空気の風温上昇の影響を受け易い。ま
た、噴流方式では、個別冷却のため風温上昇の影響はな
いが、ダクトを個別に要するため、構造が複雑且つ大形
化する。このため、構造が簡単な平行流方式が用いられ
る場合が多い。

【０００４】それぞれの発熱部材は、過度な温度上昇に
よる素子の損傷や誤動作のないように定格温度以下に保
たれる必要がある。そのため、電子機器の冷却には、放
熱面積を拡大して冷却性能を向上させるヒートシンクを
用いた構造が多く見られる。特に、高発熱する発熱部材
には、その発熱密度と仕様温度に応じて様々な形状の強
制冷却用ヒートシンクが、その表面に熱伝導接着剤や熱
伝導グリースなどを介して設置される。そのヒートシン
クは、高熱伝導性の材質例えばアルミニウムや銅製であ
り、金属製平面板に複数の平行平面板を１〜３mm程度の
間隔で複数積層させる平板フィン形ヒートシンクや、円
柱及び角柱を数ミリ間隔で設置したピンフィン形ヒート
シンクなどがある。平板フィン形ヒートシンクは、製作
が比較的容易且つ安価であり、放熱面積が多く取れる割
に圧力損失が小さいという利点があるため、その適用範
囲も広く、高密度実装される電子機器の強制空冷構造に
多く用いられる。また、ピンフィン形ヒートシンクの場
合、圧力損失は大きいものの風向きに対する指向性が小
さいという利点から使用されており、使用条件によって
使い分けられる。

【０００５】最近の電子機器では、高発熱密度化に加
え、筐体内部で大きさの異なる電子素子が冷却媒体の流
れ方向に隣接して並ぶ混在実装化の傾向が進んでいる。
混在実装された電子機器を空気冷却する場合の課題の一
つに、冷却空気の流れ方向に電子素子が複数ある場合、
流れの下流側にある電子素子の冷却性能の悪化が挙げら
れる。上流側の電子素子に設置されたヒートシンクは、
低温の冷却空気がフィン部に高流速で流入し、フィン間
で熱交換されるため、高い冷却性能が得られる。しか
し、下流側に配置されたヒートシンク程、フィン間に流
入する空気は、高温且つ低流速になるため、下流側の電
子素子の冷却が非常に困難となる。

【０００６】つまり、平板フィン形ヒートシンクなどを
発熱部材毎に設置するだけでは、風温上昇の影響によ
り、下流の発熱部材を十分に冷却できない。そこで、図
１９（ａ）から（ｃ）のように、ヒートシンクに冷却空
気が十分に流入する誘導手段（図中の導入口）を設けて
冷却性能を向上させる構造例（特開平 −259325 号公
報）及び、流れの下流側における冷却性能を向上させる
ためにヒートシンクにエアダクトを設ける構造（特開平
4−56155号公報）などが提案されている。また、特開平
8−２２２６７２ 号公報は、ヒートパイプを用いて冷却
空気の流れ方向に並んだ電子素子に設置されているヒー
トシンクを接続した構造を提案している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の平板フィン形ヒ
ートシンクなどを用いた冷却構造は、大きさの異なる発
熱部材が高密度実装された場合、流れの下流側ほど、風
温上昇の影響を受けるために十分な冷却が行われず、素
子温度の異常上昇による誤動作や破損などの障害を起こ
し易い。このため、下流側の発熱部材も十分に冷却でき
る強制空冷構造が必要である。従来例である、図１９
（ａ）のヒートシンク（特開平 −259325 号公報）は、
フィン間に流路上部の冷却空気を流入させるように、導
入口を高さ方向に広げ、電子素子を冷却するものであ
る。しかし、これら誘導構造を従来構造に付加した場
合、冷却性能の向上に伴い、圧力損失が増加する問題が
避けられない。同様に、図１９（ｂ）の構造（特開平4
−56155号公報）でも、下流側のマルチチップパッケー
ジは十分冷却できるが、全体の圧力損失が増加する。ま
た、図１９（ｃ）の構造（特開平8−222672 号公報）
は、ヒートシンク間をヒートパイプで接続する構造であ
り、圧力損失上昇は小さいが、ヒートシンクにヒートパ
イプを付加する作業は、構造上非常に困難である。ま
た、各ヒートシンクのベース部をヒートパイプが貫通す
る構造であるため、貫通孔の基板面よりの高さ位置を揃
えなければならず、高さ調節するラバーシートが必要と
なる。ここで、ラバーシートの熱伝導率は、ヒートシン
ク材であるアルミニウムや銅の１／２００〜１／３００
である。このため、ラバーシート部で熱抵抗が大きくな
り、冷却性能が低下するという問題が生じる。

【０００８】本発明の目的は、電子素子をはじめとする
大小様々な発熱部材が混在して実装された電子機器の冷
却構造について、発熱部材に設置された各々のヒートシ
ンクの一部をそれぞれ熱的に接続し、下流側の熱を上流
側に熱輸送して、流れ方向に設置された発熱部材の温度
を所定内の温度に保つ一方、冷却構造の付加による圧力
損失上昇の少ない強制空冷構造を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、冷却空気の流れ方向に配置された電子
素子に設置されたヒートシンクのフィン部を互いに熱伝
導率の高い部材（例えばアルミ，銅あるいは、等価熱伝
導率の高いヒートパイプや振動制御形熱輸送管）で熱的
に接続した。

【００１０】また、それらの熱輸送部材に、微細な二次
フィンを設けた。

【００１１】また、それらの熱輸送部材に、冷却空気の
誘導構造を設けた。

【００１２】あるいは、下流側ヒートシンクの熱を基板
を介して上流側に輸送する構造にした。さらに、基板内
部に、配線層以外の金属層（熱輸送層）を設け、基板の
等価熱伝導率を増加させる構造にした。

【００１３】また、その金属層から、基板表面に熱的に
連絡するパスを設けた。

【００１４】また、基板表面にヒートシンクと熱的に接
続できる構造を設けた。

【００１５】また、ヒートシンクが熱伝導部材を介して
電子素子と接触するとともに、ヒートシンクが基板と熱
的に接続できる構造を基板上に設けた。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１に本発明の強制空冷構造の第
一の実施例の斜視図を示す。電子機器などに用いられる
配線基板１０上に電子素子３が冷却空気の流れ方向１，
２に並んで実装され、それらの素子表面には、強制空冷
用ヒートシンク３０が設置されている。そのヒートシン
クは、高熱伝導性の材質例えばアルミニウムや銅製で、
一金属製平面板に複数の平行平面板が数mm程度以下の間
隔で複数積層されている。その金属製平行平面板間に
は、熱輸送部材(例えば銅等の高熱伝導材やヒートパイ
プ)５０が高熱伝導性の接着剤あるいは熱伝導性グリー
スを介して挿入され、両ヒートシンク間を熱的に接続す
る形状になっている。

【００１７】本実施例は、ファンあるいはブロアなどで
送風する強制空冷構造であり、電子素子３が実装された
基板１０に対して、概略平行に送風する構造（平行流冷
却構造）になっている。冷却空気１は、配線基板５に対
して概略平行方向に流入し、流れの上流側にある電子素
子及びヒートシンクに衝突する。そこでその空気は、ヒ
ートシンクを迂回する流れと、フィン間に入る流れに分
けられる。フィン間を流れる空気量は、フィン部の流路
縮小抵抗によりフィン入口付近に比べて低下する。ま
た、ヒートシンク後方の流速は、フィン部からの流路拡
大抵抗によりフィン入口付近の流速に比べて非常に減少
する。さらに、下流側に設置されたヒートシンクのフィ
ン部は、その低速空気流の一部の空気が流入し、フィン
間を通って排気２される。このため、流れ方向に並んだ
電子素子は、下流に行くほどフィン間に流入する冷却空
気量は減少することになる。

【００１８】次に熱の流れは、まず配線基板１０に沿っ
て流れる低温の冷却空気１が、上流側ヒートシンクのフ
ィン間に入り、熱交換された暖かい空気がフィン間を出
る。そして、その暖かい低流速の空気は、下流側のヒー
トシンクのフィン間に流入する。下流側のヒートシンク
は、低流量高温空気がフィン間に入り、さらに高温な空
気を下流側に送ることになる。このため、下流側ほど高
温空気がフィン間に流れるため、電子素子を冷却するた
めの十分な冷却性能を得ることができない。よって、上
流側のヒートシンクと下流側のそれとは、大きな温度差
が生じることとなる。ここで、本実施例に示すヒートパ
イプあるいは銅やアルミなどの高熱伝導金属により構成
される熱輸送部材５０は、下流側ヒートシンクより上流
側ヒートシンクへと熱を吸い上げ、大きなヒートシンク
間の温度差を解消する熱輸送経路を構成する。また、本
熱輸送部材５０では、空気の流れを遮る抵抗がほとんど
ないため、付加部材による圧力損失上昇があまり見られ
ない。また、本構造では、ヒートシンク３０を基板１０
上に実装した後に熱輸送部材５０を装着することができ
るため、熱輸送部材５０の数，等価熱伝導率を電子素子
の熱量及び冷却風量によって最適に選ぶことができる。

【００１９】下流側に空気の流れ方向の影響を低減でき
る従来例（図１９(ａ)(ｂ)）の冷却構造では、気流の向
きを極端に変化させて冷却空気をフィン部に誘導するた
め、圧力損失の上昇が大きくなる。このため、送風動力
当たりの放熱能力で見ると、改善された冷却効果は非常
に小さい。本発明の実施例（図１）の場合、ヒートシン
ク間に設けた熱輸送部材５０は、ヒートシンク後流に設
置されるため、圧力損失の上昇はほとんどない。また、
ヒートシンクベース部にヒートパイプを埋め込む構造で
ある従来構造（図１９(ｃ)）では、ヒートシンク設置後
の取付けが非常に困難であるが、本実施例では、柔軟性
に富んでおり、様々な実装構造に適用できる。

【００２０】図２〜図４に図１に示した以外の熱輸送部
材の実施例を示す。図２はフィン間に挿入される熱輸送
部材５１の挿入部以外の部分を大きくした形状になって
いる。このため、ヒートシンク間による熱輸送経路の熱
抵抗が低減でき、冷却空気の下流側にあるヒートシンク
から、上流側のそれへの熱輸送量を増加させることがで
きる。また、図３は熱輸送部材５２を折り曲げた形状に
なっており、流れ方向にあるヒートシンク間を容易に接
続できる。また、部材５２は曲面状になっていても同様
の効果がある。図４に示す熱輸送部材５３は、部材の一
部にフィンを有する構造にしたものである。このため、
ヒートシンク間で熱輸送するのみでなく、空冷二次フィ
ンとしての効果がある。

【００２１】図５〜図９は、フィン部の上面（ベースの
対面）に熱輸送部材を設置して、下流側の電子素子の熱
を上流側の熱輸送させる実施例である。図５はフィン部
の上面を概略覆うように熱輸送部材（銅やアルミなどの
金属部材）５４を接触させてフィン部の熱を上流側ヒー
トシンクに熱輸送する構造である。熱輸送部材には、電
子素子３高さ及びヒートシンク３６形状に合わせた切り
欠き部５５を設け、ヒートシンク３６と熱輸送部材５４
を密着させる。ここで、切り欠き部５５は、熱輸送部材
５４とヒートシンク３０を熱的に接続する一構造例であ
り、単に平面状であってもよい。また、図６に示すよう
な二次フィンを設けた熱輸送部材５６を設置すれば、効
率よく熱輸送部材が設置されたヒートシンクを冷却でき
る。また、図７（ａ）及び（ｂ）に、ヒートシンク間を
熱的に接続する他の熱輸送部材５７を示す。熱輸送部材
５７では、端部をヒートシンク側に折り曲げた突起５８
を設けることにより、冷却空気が下流のヒートシンクの
フィン部に流入し易くなる。このため、部材５７は熱輸
送のみならず、冷却空気を自由に誘導して電子素子を効
率よく冷却できる。ここで、切り欠き部の大きさや形状
は、基板上の電子素子配置に依存する。また、図８はヒ
ートシンクのフィン端に熱輸送部材５９をはめ込んだ構
造である。コの字上に製作した部材をフィン端に接触さ
せることで、前述と同様な冷却効果がある。また、図９
及び図１０のような微細なフィン８１を形成する熱輸送
部材５９及び６０にすれば、熱輸送部材から熱輸送のみ
でなく、放熱効果が期待できる。

【００２２】図１１に他の実施例を示す。図は基板１０
上に電子素子４が冷却空気の流れ方向に設置されてい
る。基板の積層間隔が狭い場合、各電子素子には、薄型
ヒートシンク３１が熱伝導グリースなどの熱伝導部材を
介して接触される。そのヒートシンク３１は、平板フィ
ン形ヒートシンクの側面フィンに概略垂直に二次フィン
３１を有するものである。その二次フィン部には、ヒー
トパイプあるいは金属製の熱輸送部材６３がフィン間に
挿入され、下流ヒートシンクの熱を上流側に熱輸送する
構造になっており、上述の同様な熱輸送効果がある。ま
た、本実施例で二次フィン部に熱輸送部材の取付け部を
金属で製作した場合も同様である。

【００２３】図１２〜図１８の実施例は熱輸送部材とし
て、基板を用いた場合の構造である。図１２は、電子素
子の設置された基板１１の一部に配線層以外の金属面１
２を形成し、ヒートシンク３２のベース部に挿入する熱
輸送部材６４を介してヒートシンクの熱を基板に熱輸送
するものである。基板１１は、配線層を何層も含んでお
り、基板面方向の熱輸送性能が良い。よって、基板１１
にヒートシンクの熱を各基板面１２で伝熱することで、
下流側から上流側への熱輸送が行われる。また、図１３
及び図１４は、等価熱伝導率の低い基板厚さ方向に熱パ
ス１８及び２１を設けたものである。図１３は、基板１
７表面から金属層１８までの熱経路に、熱輸送部材が設
置できる取付孔１９を設けており、熱輸送部材６５を介
してヒートシンクと基板を熱的に接続させる。また、図
１４は、基板２０表面の金属部２２と基板内部の金属層
２１を接続しており、熱輸送部材６６を介して、同様に
ヒートシンクと基板を熱的に接続できる。これらの構造
によって、基板厚さ方向熱伝導率を補うことにより、基
板面方向の熱輸送量を増加させることができる。つま
り、基板にヒートシンク及び熱輸送部材を介して熱輸送
する、下流側に設置された電子素子を十分に冷却するこ
とができる。ここで、基板内部に形成する金属層は、１
層以上で層の位置はどこでも良い。

【００２４】図１５は伝導部材１３及び１４を電子素子
幅より大きいヒートシンク３３に接触する構造になって
いる。伝導部材は、電子素子高さと概略同程度になるよ
うに、基板１１に半田あるいは溶接接合する。伝導部材
１４は矩形で基板に接合しているが、伝導部材１３のよ
うな傾斜を設け、基板との接触面を大きく取ると熱伝導
抵抗を低減できる。図１６は、電子素子近傍に設けた基
板の伝導部材１６を微細な凹凸形状に製作し、電子素子
に接触するヒートシンク４０にも、同様な凹凸形状５１
を設け、それらが互いに噛み合うようにして接触面積
（伝熱面積）を増加させた構造である。本実施例は、ヒ
ートシンク４０から基板１５への熱輸送抵抗を少なくで
きるので、効果的に基板を通じて熱輸送ができる。

【００２５】図１７に他の実施例を示す。電子素子３が
実装された基板１６上の設置孔２２に、突起部を設けた
ヒートシンク４１を挿入する構造になっている。ヒート
シンク４１が熱輸送部材である基板と直接接触する構造
であるため、熱輸送経路が簡略化し、熱抵抗が低減され
るため、ヒートシンクの熱を効率よく基板に伝えること
ができる。また、図１８に示すようにヒートシンク３０
に設置する熱輸送部材５３を基板１６内部に挿入する構
造であれば、基板上の電子素子及び設置孔の配置による
制約が少なくできる

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、大小様々な発熱部材が
混在する高密度実装系の冷却構造に対して、基板と概略
平行方向に送風する方式でおいても、冷却空気流の上流
側及び下流側に配置された各発熱部材の温度を少ない圧
力損失上昇で所定の温度に保つよう冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の斜視図。

【図２】本発明の第二の実施例の斜視図。

【図３】本発明の第三の実施例の斜視図。

【図４】本発明の第四の実施例の斜視図。

【図５】本発明の第五の実施例の斜視図。

【図６】本発明の第六の実施例の斜視図。

【図７】本発明の第七の実施例の説明図。

【図８】本発明の第八の実施例の斜視図。

【図９】本発明の第九の実施例の斜視図。

【図１０】本発明の第十の実施例の斜視図。

【図１１】本発明の第十一の実施例の斜視図。

【図１２】本発明の第十二の実施例の斜視図。

【図１３】本発明の第十三の実施例の斜視図。

【図１４】本発明の第十四の実施例の斜視図。

【図１５】本発明の第十五の実施例の斜視図。

【図１６】本発明の第十六の実施例の斜視図。

【図１７】本発明の第十七の実施例の正面図。

【図１８】本発明の第十八の実施例の正面図。

【図１９】従来のヒートシンク及び強制空冷構造の説明
図。

【符号の説明】

１，２…冷却空気、３…電子素子及びマルチチップモジ
ュール、１０…配線基板、３０…ヒートシンク、５０…
熱輸送手段。

フロントページの続き (72)発明者 中島 忠克 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板面に対し、概略水平方向から冷却空気
   が送風され、上記基板面に複数個の電子素子が上記冷却
   空気の流方向に複数設置される電子機器であって、複数
   の上記電子素子面に接触され、金属平面板あるいは金属
   製平面板上に複数のフィンを有するヒートシンクをそれ
   ぞれ熱的に接続させる熱輸送手段をフィン群の外部から
   フィン部に一つ以上挿入して設けたことを特徴とする電
   子機器の強制空冷構造。