JPH1098139A - 強制空冷構造およびその電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑化された高密度実装系について、基板上に
搭載されたすべての発熱部材を効率よく冷却できる空冷
構造を提供する。 【解決手段】高発熱部材を冷却する噴流構造の他に、基
板と平行な気流１を強制的に設けた。噴流の噴出部８０
高さを発熱部材３０高さ以下にし、ヒートシンク２０の
フィン面を流れと交差する向きに設置する。気流１と２
は混合し、発熱部材後方で、基板近傍に高流速領域を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子素子等の発熱部
材を有する電子機器において、電子機器筐体内に積層さ
れる単数あるいは、複数の基板上に配置された電子素子
の冷却構造に係わり、基板上に高密度且つ複雑に実装さ
れた複数の発熱部材を効率よく冷却する強制空冷構造に
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
機器では、処理能力の向上，小型化，低コスト化等が強
く要求され、電子機器に搭載される電子素子の発熱量、
並びに搭載数は増加する傾向にある。一方、筐体サイズ
は小型化が進むため、筐体内部の発熱密度は大きく増加
することになる。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。マル
チチップモジュールは、発熱量，発熱密度ともに大き
く、それ自体の冷却も重要であるが、空気冷却の場合マ
ルチチップモジュールにより加熱された空気が周囲の発
熱部材に与える影響も大きい。

【０００３】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
たれていなければならない。このため、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
電子素子には、その発熱密度と仕様温度に応じて様々な
強制空冷用ヒートシンクがその表面に設置される。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、一般的に一金属製平面板に複数の平
行平面板を１〜３mm程度の間隔で複数並べた平板フィン
形ヒートシンク（図１１(ａ）)や金属製平面板上に角柱
あるいは円柱が多数配置されたピンフィン形ヒートシン
ク（図１１(ｂ)）が多く用いられている。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わりに圧力損失が小さいという利点
がある。また、ピンフィン形ヒートシンクには、流れに
対して無指向性であるという利点があり、それぞれ目的
に応じて使用されている。

【０００４】強制空冷構造では、主にファンあるいはブ
ロアを用いて、それぞれの発熱部材に冷却空気が送風さ
れる。その送風方式には、基板と概略水平方向から送風
する平行流方式の冷却構造と、基板に対して概略垂直方
向から送風する噴流方式の冷却構造があり、特に発熱密
度の高い発熱部材の冷却には、交換熱量の大きい噴流方
式の冷却構造が用いられる。

【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空気の流
れ方向に並ぶ傾向が進んでいる。このため、高密度実装
された電子素子を空気冷却する場合の課題として、マル
チチップモジュール等に代表されるような大きく，高さ
の高い発熱部材に隣接して配置された、小さく，高さの
低い電子素子の冷却性能の悪化が挙げられる。大きく，
高さの高い発熱部材の下流部には冷却空気が入りにく
く、基板近傍に流速が低く風温の高い領域が広範囲に形
成される。この領域に小さく，高さの低い発熱部材が配
置されると、その冷却性能は著しく悪化する。

【０００６】前述のように、高密度実装化の傾向が進ん
でいるため、図１１（ａ）や（ｂ）に示すヒートシンク
を高発熱する発熱部材に設置し、単に冷却空気を送風す
るだけでは基板上のすべての電子素子まで十分に冷却で
きない。また、発熱密度の高いマルチチップモジュール
の冷却には、交換熱量の大きい噴流冷却が有効であるた
め、この冷却構造を活かした方法が必要である。しか
し、従来の噴流冷却の構造例（特開平5−291447 号公
報）では、図１１（ｃ）のように発熱部材に設置された
ヒートシンクに集中的に衝突させ、その発熱部材のみを
冷却するものであった。その構造は、基板上に滞留する
ヒートシンクから出た暖かい空気の排出手法に重点が置
かれており、図１１（ｃ）では基板に対して平行な気流
の流れを利用して排出するものである。また、この他の
特開平6−112382号，特開平6−112383号、及び特開平6
−120387 号公報等の噴流冷却構造は、いずれも、冷却
対象である発熱部材のみを集中冷却するための構造であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の噴流冷却の構造
例では、発熱密度の高いマルチチップモジュールが、一
基板上に規則的に配列された場合で個々の冷却を目的と
した構造であるため、一基板上に大小様々な発熱部材が
不規則的に配置された実装系の冷却を考慮していない場
合が多い。つまり、高密度実装された基板上で、発熱密
度の高い発熱部材のみを噴流冷却する構造では、同じ基
板上に搭載される他の小さい発熱部材に十分な冷却空気
が送風されず、誤動作等の障害を起こす原因になり易
い。このため、それらの電子素子にも十分な冷却空気を
導風する手段が必要となる。ここで、導風構造やヒート
シンク形状の複雑化は、圧力損失の増加に影響するた
め、冷却設計上十分な配慮を要する。

【０００８】本発明の目的は、高密度実装された電子機
器の強制空冷構造について、一基板上の様々な発熱部材
に対し、平行流方式と噴流方式の送風構造を同時に取り
入れることで、圧力損失が大きく増加することなく、す
べての発熱部材温度を所定の温度に保つことができる強
制空冷構造を提供することにある。

【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、大きく発熱密度の高い発熱部材を噴流
構造により冷却し、その他の高さの低い発熱部材に対し
ては、基板に概略沿って流れる気流と噴流による気流を
混合気流を利用して冷却する。この時、噴流の噴出部高
さを個別冷却する発熱部材高さとヒートシンク高さの和
の１.４ 倍以下にするとともに、その発熱部材に設置す
るヒートシンクのフィン面を流れと交差させる。この構
造により、基板に沿う気流の高流速域は基板近傍に形成
する。さらに、基板に沿う気流の高流速域が基板近傍に
形成する導風板を基板に概略沿う気流の上流側に設ける
ため、基板近傍に気流の主流域が形成する。

【００１０】また、個別冷却する発熱部材に設置された
ヒートシンク及び発熱部材周辺に、気流を制御する板を
設け、個別冷却に用いた暖かい空気が気流流路上部を流
れる構造とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１及び図２に本発明の強制空冷
構造の第一の実施例の斜視図及び断面図を示す。電子機
器の筐体内部は、複数基板が積層される実装形態になっ
ている。その基板５０の１枚１枚は、メモリ９０が多数
搭載されたカード列９５とマルチチップモジュール３０
やその他の電子素子４０等が交互に数列搭載される。基
板上に搭載された、これらのマルチチップモジュール３
０や電子素子４０は、冷却空気の気流方向３に不規則的
に搭載される。発熱密度の高いマルチチップモジュール
３０には、平板フィン形ヒートシンク２０が気流方向に
対してフィン面が概略交差するように設置されている。
その上部には、噴流ノズル８０が設けられ、エアダクト
８５から送風される空気を直接ヒートシンクベース面に
衝突させる。

【００１２】平板フィン形ヒートシンク２０は、高熱伝
導性の材質、例えば、アルミニウムや銅製であり、一金
属製平面板に複数の平行平面板が１〜３mm程度の間隔で
複数積層されたものである。そのため、製作が容易であ
り放熱面積が大きく取れる利点がある。また、流れに対
して指向性をもっているため、フィン間に流入した空気
を決まった方向に排出できる。

【００１３】送風手段は、ファンあるいはブロア等で送
風された冷却空気の一部をエアダクト８５を介して高発
熱するマルチチップモジュール３０に、その他の冷却空
気を基板に対して概略平行に送風する構造である。ま
た、各々個別送風方式でもよい。この時の気流な流れに
ついて説明すると、まずマルチチップモジュール３０
は、発熱密度が高いため、噴流冷却構造により個別冷却
の必要がある。そのため、そこで熱交換された空気４が
気流方向に対して概略垂直方向に両側のフィン部から流
出される。一方、基板に概略平行に送風される冷却空気
流１は、噴流冷却されるマルチチップモジュール部でそ
の流路が縮小され、加速される。さらに、ヒートシンク
部では、基板に概略平行な気流に対して噴流冷却した空
気流が概略直角に噴出しているため、二つの空気流は混
合され、基板近傍に高速流領域を形成して、モジュール
側面を通ることになる。よって、モジュール周辺の小さ
い電子素子４０にも混合された十分な冷却空気が送ら
れ、電子素子４０及び図１１(ａ)，（ｂ）の従来型ヒー
トシンクが設置された電子素子４５，４６に十分な低温
空気送風ができる。各電子素子では、その表面及びフィ
ン面での熱伝達率が高くなるので、電子素子温度を所定
の温度に冷却することができる。

【００１４】図９は、本実施例に示した平行流と噴流の
組み合わせによる冷却空気の流速分布を表す。長方形断
面ダクト（高さＨｄ，幅Ｗｄ）中に搭載された発熱部材
（高さＨｄ／２）、及びその表面のフィン部（高さＨｄ
／２）で構成されている。ダクト内への冷却風の流入
は、流入域Ａ断面とヒートシンク設置向きにより異なる
流入域Ｂ断面或いはＣ断面である。本実施例の冷却構造
（流入域Ａ，Ｂの場合）では、高流速域が基板近傍に気
流後方まで続いていることが分かる。Ａから流入した空
気は、Ａに直交したＢの流れと混合し、基板側に流され
る。そのため、基板近傍に形成された高速域は、狭い発
熱部材側面を通過後もその領域が下流まで残ることにな
る。一方、噴流冷却（流入域Ｂの場合）のみでは、その
気流が発熱部材後方で急速に拡散していることが分か
る。噴流のみでは、ヒートシンクから流出された空気流
が、下流側に流されにくいため、ダクト上部方向へ拡散
する流速成分が強くなる。よって、基板に搭載された下
流の小さい電子素子の冷却が困難である。また、本実施
例に対し、ヒートシンクの設置向きを９０度変えた場合
（流入域Ａ，Ｃの場合）では、気流の主流がダクト隅に
片寄っていることが分かる。この場合においても、ダク
ト中央付近後方の小さい電子素子の冷却には不向きであ
る。

【００１５】図３に本発明の強制空冷構造の第二の実施
例の断面図を示す。基板５０上にマルチチップモジュー
ル３０と電子素子４０が気流方向に不規則的に配置され
た、図２と同様の実装形態である。基板上で発熱密度の
高い発熱部材は、エアダクト８５から個別に冷却空気５
が送風され、噴流ノズル８０を介して、発熱部材３０に
設置されたヒートシンク２０に基板５０と概略垂直方向
から空気２が流入する。基板５０と概略平行な気流に対
して交差するように設置されたヒートシンク２０内で熱
交換された空気流４は、２方向に分かれてフィン間を流
出し、気流と混合して排出される。一方、基板５０と概
略平行方向に小さい電子素子冷却用の空気１が送風され
る。この平行な空気流１は、個別冷却部で流れを抑制さ
れ、基板近傍にその高流速域が保たれるが、誘導板７０
をこの平行流の上流側に設けることにより、基板上流で
平行な流れの高流速域を基板側に保つことができる。こ
のため、個別冷却部以降の高流速域をさらに基板側に寄
せることができるので、基板上の小さい電子素子４０に
多量の冷却空気を送ることができる。そのため、電子素
子面での熱伝達は上昇し、冷却効果を高めることができ
る。

【００１６】図４に本発明の強制空冷構造の第三の実施
例を示す。基板５０上にマルチチップモジュール３０と
電子素子４０が気流方向に不規則的に配置された図２及
び図３と同様な構造である。本実施例では、噴流ノズル
８０部にヒートシンク２０の上方空間高さと概略同じ高
さの平面板７７を設けた。噴流ノズル高さによるヒート
シンク２０上方を流れる通過空気量がほぼ零となり、基
板近傍の流速が高まるので、小さい電子素子４０の冷却
を促進できる。図１０は、図９の流入域Ａ，Ｃ構造で、
ダクト高さＨｄのみを増加させた場合で、Ｈｄと増加後
のダクト高さＨｄ* の比に対する流速を記した。流速
は、基板近傍Ｚ＝３mm位置でｙ方向に０.２Ｗｄ，０.４
Ｗｄの２ケ所について示した。ここで、図１０の縦軸
は、流入域Ａに対する流速比である。図１０から、基板
近傍の流速がダクト高さ１.４ 倍以上では、基板近傍を
流れる気流の流速比が１以下に減少していることが分か
る。よって、噴流ダクト８０の高さを発熱部材３０とヒ
ートシンク２０高さの和の１.４ 倍以下にすることで、
高密度実装された場合の小さい電子素子に冷却に十分な
空気流を送ることができる。

【００１７】図５に本発明の強制空冷構造の他の実施例
の斜視図を示す。メモリ９０が多数搭載されたカード列
と９５マルチチップモジュール３０と電子素子４０が気
流方向に不規則的に配置された基板５０が並んだ、図１
と同様の実装形態である。高発熱するマルチチップモジ
ュール３０は、冷却空気２から噴流方式で個別に冷却
し、その他の電子素子冷却用に基板５０と平行な気流１
を送風する。本実施例では、個別冷却部の空気流出部に
誘導板７３及びその他の基板上に誘導板７２を設けてい
る。誘導板７３は、発熱部材３０と概略同じ高さであ
り、基板との設置部は、平面板で支持している。誘導板
７２は、基板上に同様に設置されており、これらの誘導
板が、基板近傍の気流流路を構成している。誘導板と基
板の設置部の平面板を流れ方向に対して傾けて設置する
ことにより、冷却空気の入りにくい位置に十分な空気を
送ることができるので、高密度実装でもすべて電子素子
を冷却できる。ここで、誘導板は、基板に対して傾斜が
あっても良い。また、基板との設置部は、平面板でな
く、曲面板であれば滑らかに流れの向きを変えられる。

【００１８】図６に本発明の強制空冷構造の第五の実施
例の斜視図を示す。メモリ９０が多数搭載されたカード
列と９５マルチチップモジュール３０と電子素子４０が
気流方向に不規則的に配置された基板５０が並んだ実装
形態であり、誘導板７５を概略基板全面に構成した。誘
導板７５は、個別冷却部に貫通孔が設けられ、マルチチ
ップモジュール３０に設置されたヒートシンク２０がそ
の上部に突き出るようになっている。このため、個別冷
却による気流２と平行流１の流れは、概略切り分けられ
る。また、誘導板７５は板面の数カ所の切り欠き部を基
板側に折り曲げた支持部７９であるため、切り欠き形状
や切り欠き角度により、基板近傍の流れを基板全体に誘
導し、すべての発熱部材を冷却することができる。ま
た、図７に示すように、平板７６を片面からプレス加工
し、容易に製作できる。

【００１９】図８（ａ)，(ｂ）に本発明の強制空冷構造
で、個別冷却用ヒートシンクの構造に関する実施例を示
す。（ａ）のヒートシンク２１では、ベース部を延長
し、ベース面に対して傾斜θを設けた。よって、冷却空
気２は、噴流ダクト８０を介してフィン間に流入し、ヒ
ートシンク部で熱交換し流出する。この時、流出部の傾
斜により、ベース面と逆向きに空気が流れるため、平行
流による冷却空気が基板側に入りやすくなる。このた
め、基板近傍の混合気流温度を下げることができる。ま
た、（ｂ）のヒートシンク２２でも同様に、ヒートシン
クのフィン面を傾斜を付けることで、上流側の比較的低
温な空気流を基板側に向けるため、混合空気流温度を下
げられる。よってこれらのヒートシンクを用いること
で、噴流冷却される発熱部材以外の電子素子の冷却効果
が促進できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、大小様々な発熱部材が
複雑に配置した高密度実装系の冷却構造に対して、発熱
密度の高い発熱部材を個別冷却する一方、個別冷却をし
ない他の発熱部材についても十分な冷却空気が送風され
るので、各発熱部材から発生する熱を効率よく放熱し、
各発熱部材温度を所定の温度に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第一の実施例の斜視図。

【図２】本発明における第一の実施例の断面図

【図３】本発明における第二の実施例の断面図

【図４】本発明における第三の実施例の断面図

【図５】本発明における第四の実施例の斜視図。

【図６】本発明における第五の実施例の斜視図。

【図７】本発明における第六の実施例の斜視図。

【図８】本発明における第七の実施例の斜視図。

【図９】本発明よる流速分布を表す計算結果の説明図。

【図１０】本発明よる流速変化を表す計算結果の説明
図。

【図１１】従来例の説明図。

【符号の説明】

１，２…冷却空気、２０…ヒートシンク、３０…マルチ
チップモジュール、４０…電子素子、５０…基板、７０
…誘導板、８０…噴流ノズル、８５…エアダクト、９０
…メモリ、９５…カード列。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大黒 崇弘 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 新 隆之 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却空気の流れ方向に発熱部材が複数搭載
   された基板上で、前記基板に概略沿って前記発熱部材に
   冷却空気を送風し、前記基板に対して概略垂直方向から
   前記発熱部材の一部に冷却空気を個別に送風し、個別冷
   却する発熱部材に、金属平面板上に垂直に他の金属板が
   複数枚並べられたヒートシンクが設置された電子機器の
   強制空冷構造において、 個別冷却する前記発熱部材に設置された前記ヒートシン
   クの金属平面板を基板に概略沿って流れる気流方向と交
   差するように設置したことを特徴とする強制空冷構造。
2. 【請求項２】請求項１において、個別冷却される前記発
   熱部材に設置されたヒートシンクの冷却風上流側フィン
   底部に気流方向に対して、傾斜して張り出す流れ誘導部
   材を設けた強制空冷構造。
3. 【請求項３】請求項１において、個別冷却される前記発
   熱部材に設置されたヒートシンクベース部金属板をフィ
   ン長手方向に傾斜を設けて突出させた強制空冷構造。
4. 【請求項４】請求項１において、発熱部材が搭載された
   基板上に、個別冷却される前記発熱部材と概略同じ高さ
   の板を基板面上に少なくとも１ケ以上設置した強制空冷
   構造。
5. 【請求項５】請求項４において、基板面上に、個別冷却
   される前記発熱部材と概略同じ高さに設置された板の支
   持部が、基板上の流れ方向に対し、傾斜を設けた平面状
   あるいは曲面状の板である強制空冷構造。
6. 【請求項６】請求項４において、基板面上に、個別冷却
   される前記発熱部材と概略同じ高さに設置された板が基
   板に対して傾斜をもって設置される強制空冷構造。
7. 【請求項７】請求項４において、基板面上に、個別冷却
   される前記発熱部材と概略同じ高さに設置された板の面
   に、少なくとも一つ以上の切り欠き部を設けた強制空冷
   構造。
8. 【請求項８】請求項７において、切り欠き部を片面から
   の局部的な加圧により形成される強制空冷構造。
9. 【請求項９】請求項１において、個別冷却される発熱部
   材に設置されたヒートシンク上部に冷却空気を流入する
   導入部と概略同じ高さの平面板あるいは曲面板を設置し
   た強制空冷構造。
10. 【請求項１０】請求項９において、ヒートシンク上部に
    設置された板が基板と概略平行な気流に対して傾斜をも
    つ強制空冷構造。
11. 【請求項１１】請求項１から１０の冷却構造のいずれか
    において、個別冷却される発熱部材に設置されたヒート
    シンクに、冷却空気を導入するダクト部の高さが、前記
    発熱部材高さと前記ヒートシンク高さの和の１.４ 倍以
    下である強制空冷構造。
12. 【請求項１２】単数あるいは複数の配線基板上に少なく
    とも一つ以上搭載された発熱部材に送風手段を設け、請
    求項１から１１のいずれかの強制冷却構造を単独あるい
    は複数設けた電子機器。