JP4655987B2

JP4655987B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP4655987B2
Application number: JP2006115940A
Authority: JP
Inventors: 秀朗大見
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP2007288061A; KR20070103700A; US20070247811A1; CN101072492A; KR100867916B1

Description

本発明は、電子機器に係り、詳しくは発熱部品及びその放熱を助勢するヒートシンクがプリント基板上に設置されるとともに、筐体内に収容された電源装置等の電子機器に関する。

発熱部品が筐体内に収納された電子機器において、発熱部品の過熱を防止するため、発熱部品毎にヒートシンクが取り付けられ、発熱部品の熱がヒートシンクを介して筐体内に放熱され、筐体内の熱せられた空気をファンにより筐体外に排出する放熱構造を有するものがある。ところが、電力の高出力化に伴い電子部品の発熱量が増加すると、ヒートシンクの放熱面積が不足するという問題がある。また、個々の発熱部品毎にヒートシンクを取り付けて、ファンにより筐体内の空気を外部に排出する構造の場合、筐体内で空気が流れ易い部分と流れ難い部分とが生じ、全体において空気の流れが各発熱部品のヒートシンクと対応する位置を通過するようにすることは難しい。

従来、半導体素子，電子部品，放熱ブロックを装着したプリント基板及びこのプリント基板が放熱ブロックを介して取り付けられた冷却フィンからなる主回路ユニットを、出力トランス、バッテリ及び入出力部品と１つのキャビネットに収納するとともに、冷却ファンを設けた無停電電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この無停電電源装置は、図５に示すように、発熱源である出力トランス６１と主回路ユニット６２とはキャビネット６３に設けられた吸気口６４と冷却ファン６５との間にほぼ一直線に平面配置されている。また、主回路ユニット６２のプリント基板６６と主回路ユニットケース６７とで矩形状の通風ダクトが形成されている。そして、矩形状の通風ダクト内に主回路ユニット６２の半導体素子、放熱ブロック及び冷却フィンを配設している。

また、放熱体と電子部品とファンとがプリント基板の同一実装面側に設置され、筐体に組み込まれた電子機器装置において、電子部品を効率的に冷却し、電子機器装置に外力が加わった際に放熱体（ヒートシンク）がプリント基板と筐体とを構造的に支持できる構造の電子機器装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この電子機器装置は、図６に示すように、プリント基板７１の実装面側に放熱体７２、ファン７３、電子部品７４が設置されている。放熱体７２は、プリント基板７１に略垂直に配置され、断面が略コ字状に形成されている。放熱体７２は、プリント基板７１の幅方向中央に配置され、発熱量の多い電子部品７４は放熱体７２に当接するようにプリント基板７１に配置されている。ファン７３は、放熱体７２の一端側に隣接して配置され、空気を放熱体７２の内側からファン７３を経由して図示しない筐体の外部に向かって送り出すように配置されている。
特許第２５９４２７４号公報特開２００５−１４２３７９号公報

ところが、冷却すべき部品数が多い場合、特許文献１に開示された放熱構造のように、吸気口６４と冷却ファン６５との間に冷却すべき部品をほぼ一直線に平面配置する冷却構造では、吸気口６４に対向する位置に配置された部品と、冷却ファン６５に対向する位置に配置された部品以外の部品の冷却効率が悪くなる。

また、特許文献２に開示された放熱構造の場合も、放熱体７２に当接する状態で配置された電子部品７４は効率よく冷却されるが、放熱体７２に当接しない状態で放熱体７２の外側においてプリント基板７１に実装された部品の冷却効率は低い。従って、発熱部品として発熱素子やトランス、コイル等の発熱部品が多く使用される電源装置において、放熱を効率良く行ってヒートシンクの小型化を行うことは難しい。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、発熱素子やトランス、コイル等の発熱部品の冷却効率を高めることができ、ヒートシンクの小型化が可能な電子機器を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、発熱素子及びコイル部品が実装された回路基板と、複数のヒートシンクと、ファンとが筐体内に収容された電子機器であって、前記各ヒートシンクは通風路を構成する形状に形成されるとともに、前記各ヒートシンクは前記通風路が互いに平行になるように前記回路基板に取り付けられ、前記各ヒートシンクの一端側には、前記筐体外から取り込んだ空気を前記ヒートシンクの通風路に向かって吹き出すようにファンが配置され、前記発熱素子は前記ヒートシンクの側壁外面に取り付けられることで、伝導伝熱で自身の熱を前記ヒートシンクに伝達可能に設けられ、前記コイル部品は前記ヒートシンクに対して前記ファンが配置された側と反対側の風路に配置されており、前記筐体は前記ヒートシンクに固定されており、前記筐体には、前記ファンと対応する側壁の前記ファンと対向する箇所以外にも通風孔が設けられ、前記ファンから送り出されて前記コイル部品に当たって向きを変えた風が、前記筐体の内側面、前記回路基板及び前記ヒートシンクの側壁外面により構成される空間を通過して、前記通風孔から前記筐体外に排出可能である。ここで、「伝導伝熱で自身の熱をヒートシンクに伝達可能」とは、直接当接したり伝熱材が介在する状態で固定されたりして、熱が伝導伝熱でヒートシンクに伝達される状態を意味する。また、「風路」とは、ヒートシンクの通風路から吹き出される風又はヒートシンクの通風路に向かって進む風の通路を意味する。

従って、この発明では、ヒートシンクの通風路は、ファンの駆動時に空気の通路となり、かつ発熱素子がヒートシンクに伝導伝熱で自身の熱を伝達可能に設けられているため効率良く冷却される。また、コイル部品もファン駆動時の風路に配置されているため効率良く冷却される。その結果、発熱部品の冷却効率を高めることができ、ヒートシンクの小型化が可能になる。

また、コイル部品の冷却効率が向上する。また、ヒートシンクの通風路内にフィンが設けられた場合でもフィンの風切り音が低減される。

さらに、コイル部品に当たった風（空気）が筐体の内側面、回路基板及びヒートシンクの側壁外面により構成される空間を通過して筐体外に排出される。従って、その戻りの風がヒートシンクの側壁外面に取り付けられた発熱素子等の冷却に寄与する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ヒートシンクは断面コ字状に形成され、該ヒートシンクには、その側壁内面に直交するとともに前記ファン駆動時の風の流れに沿うようにフィンが設けられ、前記フィンにより、前記ヒートシンクの内側は、前記通風路と電子部品を収容可能な空間とに区画され、前記回路基板には前記電子部品を収容可能な空間と対応する箇所に電子部品が配置されている。この発明では、ヒートシンクの冷却効率（放熱効果）を高めた状態で、電子部品の実装効率を高めることができ、筐体の体格、即ち電子機器の体格の小型化が可能になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記筐体は鉄板で形成されている。従って、筐体をアルミニウム板で形成する場合に比較して、筐体を形成する際の曲げ加工や通風孔を構成するスリットの加工が容易になる。また、材料費を低減することができる。

本発明によれば、発熱素子やトランス、コイル等の発熱部品の冷却効率を高めることができ、ヒートシンクの小型化が可能な電子機器を提供することができる。

以下、本発明を電源装置に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、電子機器としての電源装置１１は、筐体１２内に、発熱素子１３（図２及び図３に図示）及びコイル部品１４等が実装された回路基板１５と、複数（この実施形態では２個）のヒートシンク１６，１７と、複数（この実施形態では２個）のファン１８とが収容されている。回路基板１５としてプリント配線板が使用されている。

筐体１２は、本体１２ａとカバー１２ｂとで構成され、それぞれ鉄板を所定の形状に加工することによって形成されている。本体１２ａ及びカバー１２ｂは、図示しないねじにより連結固定されるようになっている。また、カバー１２ｂはヒートシンク１６，１７に図示しないねじにより密着し固定されるようになっている。本体１２ａは、四角な箱の１つの側壁が除去された形状に形成されている。カバー１２ｂは、本体１２ａの開放部を覆うように側面略Ｌ字状に形成され、本体１２ａに固定された状態において本体１２ａの底壁と直交する状態に配置される壁としての側壁１２ｃには、ほぼ全面にスリットからなる通風孔１９が形成されている。また、本体１２ａの側壁のうち、カバー１２ｂに形成された通風孔１９と対向する側壁１２ｄのほぼ全面にスリットからなる通風孔２０が形成されている。スリットは直径１ｍｍの針金が通過不能な幅に形成されている。回路基板１５は、本体１２ａの底壁にねじ１５ａにより固定されている。

図２及び図４に示すように、ヒートシンク１６は、通風路を構成する形状に、具体的には一対の側壁１６ａ，１６ｂと、側壁１６ａ，１６ｂの上端間に連続する上壁１６ｃとを備えた断面コ字状に形成されるとともに、側壁１６ａ，１６ｂ間には複数のフィン２１が上壁１６ｃと平行に形成されている。図４に示すように、フィン２１のうち、回路基板１５に最も近い位置に配置されたフィン２１は、回路基板１５との間に電子部品を収容可能な空間Ｓを有する状態で設けられている。即ち、フィン２１は、側壁１６ａ，１６ｂの内面に直交するとともにファン１８駆動時の風の流れに沿う状態で、かつ回路基板１５との間に電子部品を収容可能な空間Ｓを有する状態で設けられている。ヒートシンク１７は、ヒートシンク１６と基本的に同じ構成に形成されているが、長さがヒートシンク１６より短く形成されている。

図１及び図３に示すように、ヒートシンク１６，１７は、通風路が平行となるように配置され、各ヒートシンク１６，１７の一端側にそれぞれファン１８が配置されている。ファン１８は、通風孔１９から筐体１２外の空気を取り込んで、ヒートシンク１６，１７の通風路に向かって吹き出すように設けられている。ファン１８は、ボルト２２によりヒートシンク１６，１７に固定されている。

回路基板１５に実装された電子部品のうち発熱量が多い発熱素子１３は、図３及び図４に示すように、ヒートシンク１６，１７の両側壁外面にねじ２３により固定されている。即ち、発熱素子１３は、ヒートシンク１６，１７に伝導伝熱で自身の熱を伝達可能に設けられている。発熱素子１３としては、スイッチング素子やダイオードがある。

また、ヒートシンク１６，１７は、発熱素子１３と本体１２ａとの間、及びヒートシンク１６に固定された発熱素子１３とヒートシンク１７に固定された発熱素子１３との間に所定の空間が存在するように回路基板１５上に配置されている。従って、ヒートシンク１６，１７に固定されたファン１８は、筐体１２の通風孔１９全面と対応する状態で配置されているのではなく、筐体１２には、ファン１８と対応する側壁１２ｃのファン１８と対向する箇所以外にも通風孔１９が設けられている。

コイル部品１４としてのトランス２４及びコイル２５はヒートシンク１６，１７に対してファン１８が配置された側と反対側の風路に配置されている。
また、回路基板１５上には、トランス２４及びコイル２５の配置位置より通風孔２０側と、トランス２４及びコイル２５の配置位置の間と、ヒートシンク１７及びコイル２５の配置位置の間と、両ヒートシンク１６，１７の配置位置の間とにも発熱素子１３、トランス２４及びコイル２５以外の電子部品２６が実装されている。電子部品２６にはコンデンサ、抵抗、ＣＰＵ、メモリ等がある。

また、図４に示すように、ヒートシンク１６，１７のフィン２１と対応する回路基板１５上（空間Ｓ内）にも電子部品２６が実装されている。
なお、この実施形態においては、筐体１２の底壁側を電源装置１１の下側として説明したが、電源装置１１は必ずしも筐体１２の底壁が下側となる状態で使用されるとは限らず、例えば、底壁が鉛直状態あるいは傾斜した状態で使用箇所に取り付けられる場合もある。

次に、前記のように構成された電源装置１１の作用を説明する。電源装置１１は、電源に接続されて使用可能な状態となる。電源装置１１の駆動時にはファン１８が駆動される。ファン１８が駆動されると、筐体１２の外の空気がファン１８と対向する箇所の通風孔１９から筐体１２内に取り込まれるとともに、ヒートシンク１６，１７の通風路に向けて吹き出される。通風路に向けて吹き出された空気は、ヒートシンク１６，１７の通風路からトランス２４及びコイル２５に向けて吹き出され、トランス２４及びコイル２５当たった後、一部はその上面とカバー１２ｂとの間を通った後、他の電子部品２６の配置位置を通って通風孔２０から筐体１２の外に排出される。また、一部はトランス２４及びコイル２５の間の部分を通って他の電子部品２６と接触した後、通風孔２０から筐体１２の外に排出される。

さらに、一部はトランス２４、コイル２５あるいは他の電子部品２６に当たって向きを両ヒートシンク１６，１７の間、ヒートシンク１６と筐体１２の側壁との間あるいはヒートシンク１７と筐体１２の側壁との間を通る方向に変更して、通風孔１９から筐体１２の外に排出される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電源装置１１は、発熱素子１３及びコイル部品１４（トランス２４及びコイル２５）等が実装された回路基板１５と、複数のヒートシンク１６，１７と、ファン１８とが筐体１２内に収容されている。各ヒートシンク１６，１７は通風路を構成する形状に形成されるとともに、通風路が平行になるように配置され、各ヒートシンク１６，１７の一端側にそれぞれファン１８が配置されている。発熱素子１３はヒートシンク１６，１７に当接する状態で設けられ、コイル部品１４はヒートシンク１６，１７に対してファン１８が配置された側と反対側の風路に配置されている。従って、ファン１８の駆動時にヒートシンク１６，１７の通風路が空気の通路となり、かつ発熱素子１３がヒートシンク１６，１７に当接しているため効率良く冷却される。また、コイル部品１４もファン１８の駆動時の風路に配置されているため効率良く冷却される。その結果、発熱部品の冷却効率を高めることができ、ヒートシンク１６，１７の小型化が可能になる。

（２）ファン１８は筐体１２外から取り込んだ空気をヒートシンク１６，１７の通風路に向かって吹き出すように設けられている。従って、筐体１２外から取り込まれた空気をコイル部品１４、即ちトランス２４及びコイル２５に向かって効率良く接触させることができ、コイル部品１４の冷却効率が向上する。また、ヒートシンク１６の通風路内にフィン２１が設けられた場合に、筐体１２内の空気をヒートシンク１６，１７の通風路から吸い込んで通風孔１９のファン１８と対向する箇所から排出する構成では、フィン２１の風切り音が発生し易い。しかし、筐体１２外から取り込んだ空気をヒートシンク１６，１７の通風路に向かって吹き出す構成では、前記風切り音の発生が抑制される。

（３）筐体１２には、ファン１８と対応する側壁１２ｃのファン１８と対向する箇所以外にも通風孔１９が設けられ、ファン１８から送り出された風が当該通風孔１９から筐体１２外に排出可能に構成されている。従って、コイル部品１４に当たった風（空気）が戻るように、ヒートシンク１６，１７の外側を通過して通風孔１９のファン１８と対向する箇所以外の部分から筐体１２外に排出され、その戻りの風がヒートシンク１６，１７の外側と対応する部分に配置されている発熱素子１３や電子部品２６の冷却に寄与する。

（４）フィン２１はヒートシンク１６，１７の側壁１６ａ，１６ｂに形成されているため、上壁１６ｃに形成した場合に比較して、発熱素子１３の冷却効率が高くなる。
（５）ヒートシンク１６，１７は断面コ字状に形成されるとともに、フィン２１が壁の内面に直交するとともにファン１８の駆動時における風の流れに沿う状態で、かつ回路基板１５との間に電子部品２６を収容可能な空間Ｓを有する状態で設けられ、回路基板１５には空間Ｓと対応する箇所に電子部品が配置されている。従って、ヒートシンク１６，１７の冷却効率（放熱効果）を高めた状態で、電子部品２６の実装効率を高めることができ、筐体１２の体格、即ち電源装置１１の体格の小型化が可能になる。

（６）筐体１２は鉄板で形成されている。従って、筐体１２をアルミニウム板で形成する場合に比較して、筐体１２を形成する際の曲げ加工や通風孔１９，２０を構成するスリットの加工が容易になる。また、アルミニウム板で形成する場合に比較して、材料費を低減することができる。なお、鉄板の熱伝導率はアルミニウム板の熱伝導率より低いが、筐体１２内の発熱素子１３及びコイル部品１４から発生した熱がヒートシンク１６，１７の作用により、効率良く筐体１２外に排出されるため、カバー１２ｂを鉄板製にしても発熱素子１３及びコイル部品１４の冷却が効率良く行われる。

（７）筐体１２（カバー１２ｂ）は、ヒートシンク１６，１７にねじで固定されているため、筐体１２を介してヒートシンク１６，１７の熱が放熱される効果もある。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ ファン１８は、筐体１２外から取り込んだ空気をヒートシンク１６，１７の通風路に向かって吹き出す構成に代えて、ヒートシンク１６，１７の通風路を介して筐体１２内の空気を吸い込み、通風孔１９から排出する構成であってもよい。

○ 筐体１２のファン１８と対応する側の側壁１２ｃに形成される通風孔１９は、ファン１８と対向する箇所のみに設けてもよい、
○ 発熱素子１３は、伝導伝熱で自身の熱をヒートシンク１６，１７に伝達できればよく、ヒートシンク１６，１７に当接する状態ではなく、放熱シート等の伝熱材がヒートシンク１６，１７との間に介在する状態で配置されてもよい。この場合、発熱素子１３がヒートシンク１６，１７に当接する状態でねじ２３により固定される場合に比較して、発熱素子１３で発生した熱を効率良くヒートシンク１６，１７に伝えることができる。

○ ヒートシンク１６，１７に設けられるフィン２１は、両側壁間に跨る状態に限らず、各側壁から片持ち状態で突設するように設けられた構成でもよい。
○ ヒートシンク１６，１７に設けられるフィン２１は、上壁と平行に側壁に設ける代わりに、上壁から垂下する状態に設けてもよい。しかし、側壁に設けた方が、発熱素子１３に対する冷却効果が高くなる。

○ フィン２１を省略してもよい。
○ 筐体１２は鉄板製に限らず、例えば、アルミニウム板製であってもよい。
○ 筐体１２の本体１２ａ及びカバー１２ｂの形状は、前記実施形態の形状に限らず、例えば、本体１２ａを上方が開放された有底箱状とし、カバー１２ｂは開放部を覆う略平板状としてもよい。

○ 各ファン１８はヒートシンク１６，１７との間に隙間が存在する状態で配設されてもよい。
○ ヒートシンク１６，１７の数は２個に限らず、３個以上であってもよい。

○ ヒートシンク１６，１７は、断面コ字状に限らず、例えば、上壁が屈曲あるいは湾曲した形状であってもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

・前記フィンはヒートシンクの側壁に形成されている。

一実施形態の電子機器のカバーを外した状態の一部省略斜視図。ヒートシンクの斜視図。回路基板に対する発熱素子等の各部品の配置状態を示す平面図。ヒートシンクの下における電子部品の配置を示す図。従来技術の電源装置の内部配置を示す平面図。別の従来技術を示す斜視図。

符号の説明

Ｓ…空間、１１…電子機器としての電源装置、１２…筐体、１２ｃ，１２ｄ…側壁、１３…発熱素子、１４…コイル部品、１５…回路基板、１６，１７…ヒートシンク、１６ａ，１６ｂ…側壁、１８…ファン、１９，２０…通風孔、２１…フィン、２６…電子部品。

Claims

発熱素子及びコイル部品が実装された回路基板と、複数のヒートシンクと、ファンとが筐体内に収容された電子機器であって、
前記各ヒートシンクは通風路を構成する形状に形成されるとともに、前記各ヒートシンクは前記通風路が互いに平行になるように前記回路基板に取り付けられ、前記各ヒートシンクの一端側には、前記筐体外から取り込んだ空気を前記ヒートシンクの通風路に向かって吹き出すようにファンが配置され、前記発熱素子は前記ヒートシンクの側壁外面に取り付けられることで、伝導伝熱で自身の熱を前記ヒートシンクに伝達可能に設けられ、
前記コイル部品は前記ヒートシンクに対して前記ファンが配置された側と反対側の風路に配置されており、前記筐体は前記ヒートシンクに固定されており、前記筐体には、前記ファンと対応する側壁の前記ファンと対向する箇所以外にも通風孔が設けられ、
前記ファンから送り出されて前記コイル部品に当たって向きを変えた風が、前記筐体の内側面、前記回路基板及び前記ヒートシンクの側壁外面により構成される空間を通過して、前記通風孔から前記筐体外に排出可能である電子機器。
前記ヒートシンクは断面コ字状に形成され、該ヒートシンクには、その側壁内面に直交するとともに前記ファン駆動時の風の流れに沿うようにフィンが設けられ、
前記フィンにより、前記ヒートシンクの内側は、前記通風路と電子部品を収容可能な空間とに区画され、前記回路基板には前記電子部品を収容可能な空間と対応する箇所に電子部品が配置されている請求項１に記載の電子機器。
前記筐体は鉄板で形成されている請求項１又は請求項２に記載の電子機器。