JP2720072B2

JP2720072B2 - 電子機器の冷却装置

Info

Publication number: JP2720072B2
Application number: JP1140876A
Authority: JP
Inventors: 敏夫畑田; 隆之新; 崇弘大黒; 暁峯小林; 鎮夫頭士; 二三幸小林; 進岩井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1998-02-25
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JPH02168697A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、コンピュータ等の発熱体を有する電子機器
の冷却装置に関する。

〔従来の技術〕従来の電子機器の冷却装置においては、特開昭59−11
654号公報に記載のように、半導体冷却風洞とそれに並
行するバイパス風洞とパイバス風洞の所定位置に設けら
れ、前記冷却風洞に開口するバイパス流供給口を備えた
冷却風洞構造が提案されている。

又、特開昭63−84100号公報記載の隔壁を設けてバイ
パス流を作り、隔壁に一部穴を開けて、温度の高い発熱
体を集中的に冷却する構造、特開昭62−65895号公報に
記載の通風路を構成する側板の一部に、吸気あるいは排
気機構を設けて外気を導入する構造、実開昭62−192696
号公報記載の隔壁をおいて配設された複数のプリント基
板の一部に通気孔をあけ、冷気を高発熱部に導入する構
造、特開昭55−108800号公報記載の風路の途中に複数の
穴をもつ風量調整板すなわち抵抗体を挿入して、流れを
一部本流から分離させてバイパス流とし、下流で再び本
流に合流させる構造など冷却流体の温度上昇を防止する
構造が提案されている。

さらに、従来の放熱フィンにおいては、実開昭58−15
9795号公報記載の放熱フィンの一部に冷却流体の流れ方
向と直角の方向に空気が通る切れ目を設けたフィン構
造、また特開昭55−113353号公報記載の半導体素子から
突出された円柱状スタッドと素子収容容器の長辺の長さ
に略等しい直径を有し、素子収容容器の長辺に沿って切
り落された形状を有する放熱フィンを円柱状スタッドに
を略直角に取り付け、放熱フィンに沿って冷却流体を流
し、その冷却流体の流れに沿う方向に切溝を配設したフ
ィン構造などが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子機器の冷却装置にあっては、半導体等の発
熱体が冷却流体の流れる方向に多段に設けられた場合、
冷却流体を発熱体の一方端から他方端に一方向的に流す
構造が通常用いられるが、この場合、冷却流体が発熱体
を通過するごとに徐々に加熱されて温度が上昇するた
め、冷却流体の下流側に位置する後段の発熱体の冷却効
果が減少し、発熱体温度が後段になるほど高くなるとい
う問題を生じる。この傾向は第４図中の実線（直進入気
方式）で示す通りである。これに対して、前記従来技術
は冷却流体の流量を、隔壁などにより主流とバイパス流
にと分け後段の特定部以降から合流させることにより、
特定部以降の温度上昇を制御しようとするものである。

しかし、第４図に破線（主流，バイハルス流合流方
式）で示すように、主流とバイパス流とが合流する付近
は、流れのミキシング効果により、その付近の発熱体の
熱伝達特性は良くなり、発熱体の温度は低下するが、そ
れ以外の部分では、発熱体近傍の温められた流体と離れ
た位置の比較的温度の低い流体との混合が良好に行われ
ない単調な流れになるため、前記ミキシング効果はほと
んど期待できず冷却性能は悪く発熱体の温度が上昇す
る。そのため、後段の発熱体に対しては十分な冷却が行
えず、半導体チップなどの動作性能が低下するという問
題が生じる。

さらに、従来の放熱フィンにあっては、例えば特開昭
58−159795号公報の放熱フィンは、放熱フィンの一部に
冷却空気の流れ方向と直角の方向にフィンに切れ目を設
けているため、この切れ目により平板前縁効果を利用し
た放熱フィンの熱伝達率向上ははかれるが、放熱面積が
減少するため放熱量の増加は期待できない点があり、放
熱フィンを有効に利用するにはフィン効率が大幅に低下
しない程度の板厚を確保する必要があり、又放熱フィン
高さが高くなるほど板厚を厚くしなければならないた
め、前記切れ目を設けると放熱フィンの先端面で冷却流
体の剥離が生じる場所が増し、流動抵抗が増加して必要
な流量を確保できないという問題があった。又、特開昭
55−113353号公報では、冷却流体は各放熱フィンの間を
流れるため、冷却流体の混合は生じにくく、後流側にな
るほど温度差がとれないため放熱性能を十分向上できな
いという問題がある。

そして、放熱フィンは熱伝導率の良いCu、Alなどの金
属が多用されることが常であるが、その熱伝導率は有限
の値である。このため放熱フィンの根元部は空気との温
度差が大きくて放熱効率が良いが、放熱フィンの先端部
に向うに従って温度差が小さくなり、放熱効率が低下す
る問題が避けられない。

本発明の目的は、冷却流体を主流と非主流とに分けて
それらの混合流により冷却効果を向上し、放熱フィンに
冷却流体の流れ方向の突起を設けて流動抵抗を減らすと
ともに、放熱フィンの根元部の流速分布を増加させて伝
熱性能を向上する電子機器の冷却装置及び該装置に用い
る放熱フィンを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明に係る電子機器の
冷却装置は、以下の（１）〜（７）項のうちの一つの構
成、あるいは複数の構成を具備した構成とする。

（１）電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、発熱体を内
蔵する１つの冷却流路を設け、冷却流路の上流側の発熱
体の最前段でかつ冷却流体の流れに直交する方向の流路
断面の断面積を同一方向の発熱体の断面積より大きく形
成し、前記方向の断面積の流れの下流方向に向けて漸減
させることにより、発熱体を最前段より直接冷却する冷
却流体の主通路と発熱体に向けて連続供給する冷却流体
の副通路とを冷却流路に設ける。

（２）電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、放熱体を搭
載した発熱体を内蔵する１つの冷却流路を設け、冷却流
路の上流側の発熱体及び放熱体の最前段でかつ冷却流体
の流れに直交する方向の流路断面の断面積を同一方向の
発熱体及び放熱体の断面積より大きく形成し、前記方向
の断面積の流れの下流方向に向けて漸減させることによ
り、発熱体及び放熱体を最前段より直接冷却する冷却流
体の主通路と発熱体及び放熱体に向けて連続供給する冷
却流体の副通路とを冷却流路に設ける。

（３）放熱体は発熱体と結合しかつ冷却流体の流れ方向
に伸びる少なくとも１個の放熱フィンである構成とし、
放熱フィンの面上に少なくとも１個の傾斜突起を設け、
それぞれの傾斜突起は冷却流体を発熱体に近づける方向
に傾斜して配設される。

（４）冷却流路を形成する上面壁及び側面壁に所定の傾
斜面を接続して発熱体に漸近させ、前記流体の流れに直
交する方向の流路断面の断面積を流れの下流方向に向け
て漸減する冷却流路を設ける。

（５）電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて発熱体
を冷却させる電子機器の冷却装置において、放熱体を搭
載した発熱体を内蔵する１つの冷却流路を設け、冷却流
路の上流側の発熱体及び放熱体の最前段でかつ冷却流体
の流れに直交する方向の流路断面の断面積を同一断面の
発熱体及び放熱体の断面積より大きく形成し、前記方向
の断面積を前記流れの下流方向に向けて漸減させること
により、発熱体及び放熱体を最前段より直接冷却する冷
却流体の主通路と発熱体及び放熱体に向けて連続供給す
る冷却流体の副通路とを前記冷却流路に設け、副通路に
少なくとも１個のガイドベーンを備え、それぞれのガイ
ドベーンの先端と冷却流路の壁面との距離を流れの下流
方向に向けて次第に小さくするとともに、それぞれのガ
イドベーンの先端の流れに対する傾斜角度を調整自在と
する。

（６）電子機器の発熱体に搭載され、多数の平板状の放
熱フィンにより構成される放熱体において、放熱体の冷
却流体入口端より出口端の方向に発熱体に向って傾斜し
た面を有する少なくとも１個の突起を部分的又は断続し
て各フィンの表面に、フィン面の流線方向の突起の断面
形状が、矩形，あるいは半円形であるとともに、フィン
面の接戦方向の断面形状が流線形である構成とする。

（７）電子機器の発熱体に搭載され、多数の平板状の放
熱フィンにより構成される放熱体において、発熱体に近
いフィンの根元部の通気抵抗を根元部以外の通気抵抗よ
り減ずる手段を備えた構成とし、通気抵抗を減ずる手段
は、各放熱フィンの表面に設けられた突起の数又は高さ
を減ずるとともに、それぞれの突起の間の通気路を大き
く形成した構成とする。

〔作用〕

本発明によれば、第１の発明は、冷却流路の冷却流体
を流す方向に直交する方向の流路断面の断面積を冷却流
体の最上流側に位置する発熱体の前記方向の断面積より
大きくしているため、冷却流体を発熱体の最前段より直
接冷却する主流と直接は冷却しない非主流とに分けるこ
とができ、その冷却流路の前記方向の断面積を流れの下
流方向に向って漸減させているため、非主流の冷却流体
を適宜発熱体に連続供給することができ、連続的な主流
と非主流との混合流が形成される。また後段発熱体を通
過する冷却流体の流量は増加する。発熱体実装面の法線
方向上空より発熱体の表面に向う方向に冷却流体を流す
ダウンフロー型入気方式では、発熱体表面近傍に形成さ
れる温度分布を持った冷却流体の層、すなわち温度境界
層が薄く形成されるため、熱伝達率が極めて高くなる。
一方、発熱体に対し概略垂直に冷却流体を流入させる衝
突入気方式のみで冷却システムを構成することは、発熱
体に冷却流体が衝突した後の冷却流体の排出に特別の配
慮が必要で、排出が良好でなければ流れのよどみ領域が
形成されて、熱伝達が妨げられる要因が発生する。本発
明は発熱体表面の接線方向に冷却流体を流す平行流方式
と、法線方向に冷却流体を流す衝突入気方式双方の入流
方式を混合させたものであるが、このような混合方式に
すると、冷却流体の排出は、主流入気成分（平行流成
分）により確実に一方向に行われるため、衝突入気単独
の場合のような問題は生じない。一方、衝突入気成分に
より、発熱体に衝突する流れが生じる点と非主流の冷却
流体である上面入気成分との混合による乱流化の点が相
乗されて、極めて高い熱伝達率が得られる。この結果、
発熱体と冷却空気間の熱抵抗は大幅に低減され、発熱体
の温度は低く抑えられる。又、主流と非主流とを分岐さ
せるための隔壁を設けていないため、両方の流れ方式の
混合流は連続的に形成されて発熱体の温度分布を均一化
する。

第２の発明は、発熱体に装着された放熱体を形成する
多数の平板状フィンの面上にさらに複数の断続的に配列
され、冷却流体の後流側に向って発熱体に近接した傾斜
突起を設けているため、主流の冷却流体である直進入気
成分と前記上面入気成分の混合流とが傾斜突起に案内さ
れて発熱体に近接するように、かつ、各傾斜突起の後端
部でミキシングを行うように冷却流体が流れ、両入気成
分の混合促進，混合による伝熱促進が発熱体に近いフィ
ンの底部に至るまで良好に行われる。さらに、放熱面積
も増加する。

第３の発明は、冷却流路を形成する面の上面、側面及
び平面を含む曲面によって冷却流体の流れ方向に沿って
発熱体の方向に漸近させているため、上面方向からの発
熱体への連続的な冷却流入気がおこなわれるのに加え、
側面方向からも同様な入気が行え、混合流による伝熱が
一層促進される。

第４の発明は、冷却流路を形成する側壁面とガイド板
先端間の距離を冷却流体の後流側に向かって小さくした
複数板の平板状のガイド板を冷却流路中に設けているた
め、上面入気成分を強制的に特定方向に向けることが可
能となり、ガイド板の傾斜角を調整することにより、発
熱体に対しほぼ垂直に流下させて温度境界層を薄くし熱
伝達率を向上させるとともに、各ガイド板間を流れる上
面入気成分の流量分配を変化させることができ、効果的
な混合流が得られる。

さらに本発明の平板状フィンの表面に突起を配設した
複合フィン構造は、フィン基板はある程度の厚さを確保
してフィン効率の低下を抑える。フィン面上の突起は、
高さを小さくすればフィン効率の低下は全く問題がな
く、その寸法諸元を極めて小さくすることが可能であ
る。従ってまず、突起によって大きな流れの剥離を生じ
ることがないため、冷却流体の流動抵抗を小さく抑える
ことができる。２番目に、前記の突起の寸法諸元が小さ
いことから、突起自体の熱伝達率が高く、加えて複数の
傾斜突起群の存在で、冷却流体の混合が促進され、フィ
ンの熱伝達率も向上する。この結果、フィン面の総合伝
熱効率が飛躍的に増大する。３番目に、本発明の場合、
フィン面の熱伝達率を向上させる手段として、複合フィ
ン構造としたため、従来技術のように放熱面積の減少は
なく、逆に増加する。本発明になる放熱フィンは以上の
如き作用を奏するので、飛躍的な放熱量の増加が可能で
ある。

さらに、突起の流れ方向断面を山形に形成すること
は、流動抵抗は若干増すものの流れの混合を促進するよ
うに作用する。又、突起を流線形にすることは、剥離を
少なくし流動抵抗を小さくするように作用する。

又、フィンを冷却流体が通過する方向に複数に分割
し、わずかなすきまを設けることは、フィンベースの熱
的なひずみを吸収するように作用し、且つ突起の配列を
突起間に次段の突起が位置するようにすることができ
る。

又、フィン間を通過する冷却空気は、フィンの根元部
から上端に至るまで、入口から出口までの圧力損失が等
しくなるような風速分布を形成する。しかるに本発明に
なる放熱フィンは、フィン根元部の構造が単純であるた
め、この部分の通気抵抗が小さく、それ以外のフィン部
は構造が複雑であるため、通気抵抗が大きい。このた
め、フィン根元部とフィン部の流れ方向の圧力損失が等
しくなるように、フィン根元部では風速が大、それ以外
のフィン部で風速が小となるような風速分析を生じる。
この結果、温度差の大きいフィン根元部の風量が増し、
全体的に放熱量が増大する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例につき説明する。

一実施例第１図は本発明の一実施例の構成図を示したものであ
る。ここで1a〜1cは冷却空気（冷却流体）の流路を構成
する通風ダクト（冷却流路）であり、1aは送風機等から
送られてくる冷却空気を、LSI等で構成された発熱体2a,
2bまで導くためのダクトで、その高さは前段発熱体2aの
上部に設けられたフィン3aの高さよりも高く構成されて
いる。ここで、放熱フィン３は、冷却空気の流れ方向に
伸びた平板形状の複数枚のフィンを平行に配置してなる
ものである。また、ダクト1bはその上面が傾斜している
ダクトであり、前段発熱体2aの後端上部付近に位置する
ダクト1aから後段発熱体2bの上部に設けられたフィン3b
の最後部まで傾斜している。さらに1cは前記1bの後端か
ら接続され、排気口へ向かうダクトである。本実施例に
おいては、前記の如く前後２段の発熱体2a,2b及びフィ
ン3a,3bが直列に配置されており、冷却空気の流れ方向
に対して直交する方向の断面の断面積（以下、単に断面
積という）の異なる通風ダクト1a,1b,1cで冷却空気の下
流側ほどその断面積が小さくなる通風路系を構成したと
ころに基本的な特徴がある。

本実施例の如く冷却系を構成すると、下記のような作
用効果がある。まず冷却空気の振舞についてみると、送
風機からダクト1aを通して送られてきた空気流４（入
気）は、前段発熱体2a及びフィン3aの前方において、フ
ィン３と発熱体２が占める空間である主通路に直進流入
する空気流すなわち主流の冷却流体である直進入気成分
5aとフィン3aの上部空間すなわち前記主通路以外の空間
である副通路に流入する空気流すなわち非主流の冷却流
体である上面入気成分6aに分配される。フィン3aの内部
においては、直進入気成分5Aはほぼ発熱体2aと平行に進
んで5bの如き流れとなる。一方上面入気成分6aはフィン
3aの上部を進み始めるが、その前方に傾斜した上面（傾
斜面）を有する通風ダクト1bが存在するため、一部の流
れの方向は斜め下向きになり、フィン3aの上端より発熱
体2a方向に向かう流れ6bが発生する。すなわち、フィン
3aのそれぞれの間を通過する流れは直進入気成分5bと上
面入気成分6bの混合流となる。次に後段発熱体2bとフィ
ン3bの直前においては、前段で生じる5bと6bとの混合流
が入気成分5c（混合流5cは、フィン3bのフィン2b側の端
面よりの入気を示す）となって流れ込むと同時に、前段
で分配された上面入気成分6cが到達し、全てフィン3bの
上端より発熱体2b方向に流れ込む。従って、後段におい
ても、直進入気成分5bと上面入気成分6cとの混合流5cが
形成される。なお、後段発熱体2bの主通路を通過する流
量は、上面入気成分6cが加わった分量だけ、前段での発
熱体2aの主通路を通過する流量より増加する。ダクト1c
では、送風機で送られた流量全てが集められて排風され
る。

本実施例では前記ダクト構成により、本発明の主眼で
ある発熱体２及び放熱フィン３への流入空気流を、直進
入気成分（主流）と上面入気成分（非主流）の両者の混
合流にすることを実施したが、この結果、下記伝熱上の
作用効果を奏する。一般に、直進入気成分のみで流路を
構成すると、冷却空気流が流れ方向と熱が放熱フィンを
伝導により伝わる方向、すなわち発熱体に装着されてい
るフィンの根元部から発熱体と遠ざかるフィンの高さ方
向は互いに直交し、第２図に示す温度プロフィールにな
る。すなわち、フィン上端部に向うに従って両者の温度
差ΔTaは小さくなり、平均温度差ΔTaも小さくなる。Δ
Taは放熱能力に比例する量であるため、大きい方が望ま
しい。一方、上面入気方式の場合は、第３図に示すよう
に空気流の流れ方向と上記フィン内の熱の伝導方向は完
全に逆方向、すなわち空気流はフィン上端部から根元部
へ、熱はフィン根元部から上端部へと流れるため、平均
温度差ΔTaは大きくなる。従って、本実施例のように直
進入気成分に、上面入気成分を加えた混合流形態にする
と、第１に前記上面入気成分による放熱量増加作用と、
第２に上面入気成分の衝突噴流効果、すなわち、フィン
上部での空気流が持つ動圧がフィン内で静圧に変換さ
れ、温度境界層厚さが薄くなるため、熱伝達率が高めら
れる効果による伝熱性能の向上と、第３に両入気方式が
混合することによる、乱流化から生じる伝熱性能の向上
とが相乗され、放熱フィンの熱交換性が著しく向上す
る。第４図に示す一点鎖線は、本実施例の冷却特性を示
したものであるが、上面入気成分が前段から後段にかけ
て、連続的に作用するため、伝熱促進効果は発熱体に満
遍なく作用し、温度分布が均一化されるとともに、発熱
体の温度上昇は極めて小さく抑えされる。

又、従来技術では、バイパス流をつくため隔壁を設け
てバイパス流路をつくる必要があったが、本発明では、
その必要がなく部品点数は増加しない。さらに、従来技
術のように隔壁で仕切られたバイパス流路の一部に開口
部を設ける必要がなく、縮流・拡大が生じないめ圧力損
失を小さくできる。

他の実施例第５図，第６図は一実施例に対しその上面（傾斜面）
が傾斜しているダクト1bの面形状を変えた構造図であ
る。まず第５図はダクト1dの上面形状を凹面形状とした
実施例を示している。この形状にすると、上面入気成分
６がダクト1dに案内されて極めて滑らかにフィン3a,3b
内に導入されるため、風路系の通気抵抗が極めて小さく
抑えられ、送風機動力低減に対しても最も効果的であ
る。次に第６図はダクト1eの上面形状を凸面形状とした
実施例を示している。この形状にすることにより、上入
気成分６と直進入気成分５との交角が極めて大きくな
り、衝突噴流作用及び混合作用が最も大きくなるため、
伝熱促進効果が著しい。なお、この冷却装置は、複数列
にわたって発熱体がある場合にも適用可能である。

他の実施例第７図，第８図はフィン構造を変えた他の実施例を示
す図である。この例の場合第７図に示すように、放熱フ
ィン３面上にさらに複数の断続的に配列され、後流側に
向って発熱体２に近接した小さい突起、すなわち、傾斜
突起７が設けられている。フィンを本構造のように複合
構造にすると、第７図に示すように、直進入気成分5aと
上面入気成分6b,6cの合流8a,8bが傾斜突起７に案内され
て発熱体２に近接するように、かつそれぞれの傾斜突起
７の後流側でミキシングを行うように流れるため、両入
気成分の混合が極めて円滑に行われるとともに、混合に
よる伝熱促進効果が放熱フィン３の発熱体２に近い根元
部まで満遍なく行われる。さらに、傾斜突起による放熱
面積増加の効果がこれに加わるため、実施例中でも最も
伝熱促進作用が大きい。

他の実施例次に第９図〜第11図は、混合流形態に上面入気成分に
加え側面入気成分も利用できるようにした他の実施例を
示す図である。第10図は第９図の縦断面方向の構造を示
した図であり、第11図は第９図の横断面方向の構造を示
した図である。すなわち、本実施例の場合、傾斜ダクト
は上面９のみではなく、側面10にも設けている。このた
め、入気は直進成分5a、上面成分６及び側面成分12a,12
bの３成分から成る。このような構成にすることによ
り、上面方向からの連続的な冷たい冷却流体の入気が行
なわれるのに加え、側面方向からの連続的な冷たい冷却
流体の入気が行なわれるため、冷却流体を十分供給で
き、混合流による伝熱促進効果が著しく大きくなる。本
実施例は、放熱フィンのない発熱体に対しても特に有効
な冷却が行える特徴がある。

他の実施例第12図は本発明の他の実施例の構成を示す横断面図で
ある。本実施例では、フィン3a,3bの上部空間、すなわ
ち副通路にガイドベーン（ガイド板）13a,13b,13cを設
けた点が特徴である。ガイドベーン13a,13b,13cの役割
は、上面入気成分６を強制的に特定方向に向けることで
あり、上面入気成分はこれにより確実に放熱フィンの発
熱体に近い方向へと導かれる。又このガイドベーンは、
その傾斜角を調整することにより上面入気成分の流量分
配を変化させることができ、発熱体の大きさ及び発熱量
の大きさにより最も効果的な混合流を実現できる。従っ
て、一実施例の冷却性能上の効果を更に大きいものとす
ることができる。

第13図は第12図の実施例の他の構成を示した図であ
る。本実施例では、フィン3a,3bの上部に、後段に向う
ほど長さが長くなる、言いかえれば流路を形成する壁面
とガイド板の先端との距離を後流側に向って小さくした
ガイド板14a,14bを発熱体にほぼ垂直に設けた点が特徴
である。このような構成にすることにより、前段、後段
の放熱フィン上部から、ほぼ一定の上面入気成分が得ら
れ、更に上面入気成分はほぼ垂直に流下する流れになっ
ている。

従って、本実施例の場合、上面上気成分による衝突噴
流効果が極めて大きくなり、実施例１の冷却性能上の効
果を一層大きいものとすることができる。

第14図は第12図の実施例の他の実施例の構成を示した
図である。本実施例の放熱フィンのない複数列の発熱体
15a,15b,15cを冷却する場合であり、直進入気成分５に
対して、ガイドベーン（ガイド板）16により上面入気成
分を確実に下方に導く作用を実現させた構造である。放
熱フィンのない場合は、主に上面入気成分による衝突噴
流効果と、両入気成分の混合流による乱流化作用によ
り、発熱体と冷却空気流との間の熱抵抗が大幅に低減さ
れる。

他の実施例第15図は本発明の混合流による冷却装置を空冷コンピ
ュータに応用した場合の構成を示す縦断面図である。こ
こで、筐体17、排風用チエンバ18、送風機19、排風口を
形成するためのルーバ20が示される。本実施例では、冷
却系を２つ用いた実装形態を示しており、各冷却系内
に、LSIチップ等の発熱体２と放熱フィン３が設けられ
ている。コンピュータ稼働時は送風機19が運転され、冷
却空気流が主通路を流れる直進入気成分5aと副通路を流
れる上面入気成分6aに分れて冷却系内に供給される。放
熱フィン３の内部は本発明の混合流（5aと6b）による伝
熱促進作用が有効に機能し、極めて高い伝熱性能が得ら
れ、連続的な上面入気成分によりLSIチップは均一に冷
却される。この結果、LSIチップ等の実装密度を大幅に
増大させても、部分的にLSIチップの温度が高くなるこ
とがなく、空冷コンピュータの高速化が達成できる。

他の実施例第16図は本発明の放熱フィンをコンピュータ，電子機
器に取付けた実施例を示す斜視図である。この図におい
て、マルチチップモジュール等の発熱体21,フィンベー
ス22,フィン基板（放熱フィン）23であり、フィン基板2
3上に断続的に設けられた細長い傾斜突起24,25が示され
る。破線は、フィン基板23の裏面側の細長い傾斜突起25
を示す。これらの傾斜突起24,25の断面は第18図に示す
ように、矩形（角形）に形成したが、第19図および第20
図に示すように、三角形（角形）の断面、半円形の断面
のいずれか、あるいはそれらの複合的形状に形成されて
もよい。本実施例における傾斜突起24及び25の特徴的な
点は、傾斜突起24,25の長手方向の向きを、冷却流体26
の流入端から流出端に向うに従って、フィンベース22側
に近づくように傾斜させている点である。フィン基板23
と傾斜突起24,25よりなる複合フィンを一要素とし、こ
れを所定間隔で複数枚フィンベース22に接合して放熱フ
ィンを構成している。

第17図は第16図で示した実施例の製法の一例を示した
ものである。まず第１工程（100で示す）で押出し成形
により、連続平行突起フィンを製作する。次に第２工程
（200で示す）で、100で示した破線のように切断を行っ
て連続傾斜突起フィン27aを製作する。第３工程（300で
示す）では、200で製作したフィンの突起部を部分的に
カッティングし、断例傾斜突起フィン24,25を製作す
る。最後に第４工程（400で示す）では、工程300で製作
したフィンを所定間隔で並べ、下端をフィンベース22に
接合する。以上のような一連の工程により連続的製作が
可能になる。

次に本実施例の動作につき第21図〜第23図を参照しな
がら説明する。

まず第21図は、冷却流体として用いる空気流の振舞を
示した図である。フィン基板23に空気流26が流入する
と、空気流はフィン内部では傾斜突起24に案内されて、
フィンベース22すなわち発熱体21の方向に流れが曲げら
れ、32に示すような軌跡をたどって流出する。従って、
流出空気の速度分布は後流側にいく程34に示すように全
体的にフィンベース22に近いほど早くなる様相を呈す
る。次に、空気流32が傾斜突起24の周囲に到着すると、
前述したように、空気流32は斜め下方に向うとは言え、
最下部はフィンベース22で拘束されているため、水平方
向成分があり、流れの方向は傾斜突起24の方向より、や
や水平に近い向きになる。このため、各傾斜突起24の周
囲に形成される温度（速度）境界層33は図に示すよう
に、その後端は下流部傾斜突起の位置よりやや上方にそ
れ、それより下流部にある傾斜突起の先端が、上流部傾
斜突起によって形成されている境界層33の影響を受ける
ことはない。又、前述のように、冷たい斜め下向きの流
れ成分と水平向きの流れ成分の相互干渉により、流れの
混合が促進される。

前述の流れの振舞いは次のような高架をもたらす。流
れの混合促進作用と、流れの境界層の様相は、傾斜突起
24とフィン基板23の熱伝達率を極めて大きくする。こと
に、上流側の温度境界層の影響を受けないで傾斜突起24
の１つ１つが放熱に対して有効に働くという点はフィン
の伝熱性能を高める上で飛躍的な進展をもたらす。次
に、速度分布が34のように形成されることは以下の点で
効果がある。第22図は、フィン温度35と空気温度36の、
フィンの高さＬ方向の分布を示したものであるが、両者
の温度差ΔTafは、フィンベース22に近いほど大きくな
る。このことは、流れの混合を促進させた時、フィンベ
ース22付近の風速を速くするほど放熱量が増加すること
を意味している。具体的にその傾向を検討した結果を第
23図に示す。ここで、V₁はフィン上半分、V₂はフィン下
半分の平均風速で、Q/Q₀はV₂/V₁＝１のとき（均一風速
分布）のときの放熱量Q₀に対する、放熱量Ｑの比率を示
している。明らかに、フィン下部の流速が速くなるよう
な風速分布にする方が放熱量Ｑを大きくできることがわ
かる。つまり、第21図に示す風速分布34を作ることによ
り、放熱量Ｑを増加させることができる。以上述べた諸
効果が複合され、本実施例になる放熱フィンは飛躍的な
放熱性の向上を達成する。

第24図は本発明フィンを、コンピュータ冷却に利用し
た実施例を示しており、２段のマルチチップモジュール
（発熱体）41の冷却に用いた例である。ここで送風用フ
ァン38、風速の片寄りを除く制御体39、出口ルーバ40が
示され、これらが筐体37に納められている。送風機38に
よって送られた空気は制御体39によって整流され、一様
な流速分布となってマルチチップモジュールの冷却装置
に送られる。前述したように、傾斜突起24によってフィ
ンベース22の方向に空気流が曲げられ、かつ十分な空気
流のの混合が行われるため、放熱量の増大がはかれ、マ
ルチチップモジュールの実装密度が増大しても適切な放
熱が行える。

次に本発明のさらに他の実施例につき説明する。

第25図は、フィン基板（放熱フィン）42が、冷却流体
26の通過方向にわずかなすきまを有して、複数に分割さ
れたもので、第26図は、そのＢ−Ｂ断面である。このよ
うに、分割することによりフィン基板42が熱的に歪んで
も、その歪みを吸収できるようにしている他、傾斜突起
43間に次段の傾斜突起43を設置することが出来、温度境
界層の次段への影響をより与えないようにでき、流れの
混合もより促進できる。

第27図は、第25図で示した実施例の変形例を示してお
り、フィンベース22に近い方にすきまを有するように分
割したフィン基板42を組み立てている。第28図は、突起
44,45が、部分的に設けられた構造のもので、そのＣ−
Ｃ断面が第29図である。この例の場合、突起が少いた
め、フィン面の伝熱促進効果はやや下がるが、風速分布
制御効果は第21図で示した実施例と同様に得られる。第
30図は、突起46の流れ方向断面形状が山形に形成された
もので、そのＤ−Ｄ断面が第31図である。この例の場
合、山形の突起46により混合促進作用が大きくなるが、
冷却流体の流動抵抗もやや増す。第32図は、突起47の流
れ方向の断面形状が流線形のもので、そのＥ−Ｅ断面が
第33図のである。この例の場合、突起が流線形であるこ
とから、前記流動抵抗を小さく抑えることができる。さ
らに、第34図は、突起48が、フィン基板23より橋状に切
り出された形態になっているもので、そのＦ−Ｆ断面第
35図である。この例は、フィン基板23が比較的薄い場合
に一つの行程で製作でき、製作上の効果も大きい。

前記実施例はいずれも、若干の相異はあるが第16図に
示した実施例と同様の作用効果を奏する。

他の実施例第36図は本発明になる放熱フィンを用いたコンピュー
タ等の放熱システムの他の実施例を示す構成図であり、
発熱体51の上部に設けられたフィン基板（放熱フィン）
52とそれを囲む空気ダクト53から成り立っている。冷却
空気（冷却流体）54は送風機（図示しない）により空気
ダクト53の一方より流入し、他方へ流出する。ここでフ
ィン基板52は第37図（第36図Ｇ−Ｇ断面）に示す構造を
有する。すなわち、フィン基板52は、斜め下向きに設け
られた微小突起群57を有するフィン部52aと微小突起の
ない平面フィン部（フィン根元部）52bとからなる。こ
の微小突起は第38図に示すような例えば矩形状の断面形
状になっている。微小突起のない平面フィン部52bは、
発熱体51に接するフィン最下部からフィン上部方向に所
定の割合を占めるが、通常２分の１以下に設定する方が
フィン効果の風量の増加による効果とのバランスから考
えて効果的である。

次に本実施例の作用効果について説明する。

第37図において微小突起57は、放熱面積の増加に寄与
するばかりでなく、フィン基板52及び微小突起57近傍に
形成される温められた空気層の厚さ、すなわち温度境界
層を薄くしてフィン面の伝熱性能を向上させる作用効果
を奏するが、当然の事ながら平面フィン部52bと比較す
ると通気抵抗は大きい。従って、フィン基板の前面に達
した冷却空気54はフィン基板52の直前において風速分布
55を生じさせる。更に、フィン間に入った空気流56は、
フィン部52aでは傾斜突起57に案内されて斜め下向きに
進み、平面フィン部52bではそのまま速い速度で図に示
すフィン右端へと進む。この結果、フィン出口部では、
風速分布55a,55bを呈する。第39図はこの放熱システム
において放熱が行われているときの、フィン間平均風速
分布Ｖと、入気温度Ta、フィンTfのプロフィールを示し
たものである。すなわち、一定の入気温度Taに対し、フ
ィン温度Tfはフィンベースに近いほど高くなっており、
フィン間風速分布Ｖも、フィンベースに近い平面フィン
部に多くの空気流が流れ込む様子を示している。この結
果、放熱フィンから放出される放熱量Ｑは、第40図に示
すように、従来の一様風速分布（Vb/Va＝１）時に比較
して増大する。この傾向は総風量が一定としたときでも
同様である。なぜなら、第39図のフィン温度Tfのプロフ
ィールに示すように、第37図に示すフィン基板52の上部
52aは、フィン基板52を熱伝導により熱が伝わるため、
もともとTfが小さく、従って入気温度Taとの温度差Tf−
Taが小さい。一方、フィン基板52の根元部52bは同様の
理由でもともとTfが大きく、従って温度差Tf−Taが大き
い。このため、温度差Tf−Taに比例して空気に伝えられ
る熱量は、上部52aで小さく、根元部52bで大きくなる。
そこでもともと伝熱量の小さな上部52Aの流速Vaを遅く
して、この部分の伝熱量をより小さくしたとしても、伝
熱量の大きな根元部52bの流速Vbを速くして、この部分
の伝熱量をより大きくした方が、フィン基板52全体とし
ての伝熱量が増大する。

以上説明したように、前記実施例では微小突起群を有
するフィン部を、フィン根元部付近を除いて設けること
により、フィン下部とフィン上部に通気抵抗の分布を持
たせ、通気抵抗が低いフィン根元部付近の風速を速くし
た。この作用効果は、特に前記の微小突起群57という構
造に限定されるものではなく、そのねらいは、通気抵抗
をフィン根元部に対し、増大させる構造であることに集
約される。従って、本発明になるフィン構造は、他の実
施例第41図〜第46図に示すものであっても同様の作用効
果を奏する。

まず第41,42図は、フィン根元部（平面フィン部）52b
を除く他の部分のフィン部52aに半球状突起58を多数設
けたものである。この場合も、フィン部52aの部分は通
気抵抗が大きいため第37図に示す実施例と同様の作用効
果が得られる。次に第43,44図は、フィン根元部61bを除
く他の部分61aを、59,60のような凸部凹部をくり返す波
状フィンにした構造の例である。この場合もフィン部61
aの部分はやはり通気抵抗が大となる結果、第37図に示
す実施例と同様の作用効果を奏する。また、第45,46図
は、フィン根元部62bの基本フィンを除いて、その上部
に続くフィン部62aを分岐フィンとした構造の例であ
る。この場合は、いずれも平板フィンであるが、フィン
部62aの部分のように枚数が増加することにより通過空
気の摩擦面が増し、やはり通気抵抗が増大する。このた
め本実施例の場合も、第37図に示す実施例と同様の作用
効果を奏する。

以上説明したように、本発明によれば、フィンと空気
の温度差の大きいフィン根元部の空気流量が増し、放熱
量が著しく増大する。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したような構成及び作用を奏するた
め、以下に記載されるような効果がある。

第１の発明は、直進入気成分に対して冷たい冷却流体
である上面入気成分が連続的に供給されるため、平均温
度差を大きくでき、衝突噴流効果及び乱流化により熱交
換性能を著しく向上できる。又、前記伝熱促進効果は発
熱部に万遍なく作用し、温度分布が均一化されるととも
に、発熱体温度上昇は小さく抑えられる。

第２の発明は、直進入気成分と上面入気成分の混合流
が、フィン面上に設けた傾斜突起によって案内されて、
発熱体に近接していく、かつ各傾斜突起の後流側でミキ
シングを生じる流れとなるため、伝熱促進効果がフィン
の発熱体に近い部分まで作用を及ぼし、又、放熱面積も
増加する効果が加わるため、伝熱促進効果がより大きく
なり、発熱体温度上昇はより小さく抑えられる。

第３の発明は、冷却流路を形成する面の上面、側面及
び平面を含む曲面によって冷却流体の流れ方向に沿って
発熱体の方向に漸近させているため、上面方向から発熱
体への連続的な冷却流入気が行われるのに加え、側面方
向からも同様な入気が行え、混合流による伝熱が一層促
進される。

第４の発明は、前記上面入気成分に加え側面入気成分
も利用しているため、冷却流体を十分供給でき、発熱体
にフィンを結合しなくても十分な発熱体の冷却ができ
る。

第５の発明は、ガイド板によって、強制的に上面入気
成分を発熱体に向う流れをつくることができ、そのガイ
ド板の傾斜角度を調整することにより、上面入気成分を
ほぼ垂直に流下する流れによる衝突噴流効果を大きくで
きるか各ガイド板間の流量分配を変化させ、最も効果的
な混合流を実現できる。この結果、発熱体の温度上昇を
小さく抑えられ、温度分布も均一にできる。

以上のように、本発明によれば、LSIチップ等の発熱
体の温度上昇を小さく抑えられ、かつ温度分布も均一化
できるため、LSIチップ等の実装密度を増大しても信頼
性の高い、高速コンピュータが実現できる。

前記冷却装置を組み込んだ第６の発明である電子機器
においても同様な効果を奏する。

そして、本発明によれば、冷却流体の流動抵抗を増大
させることなく、放熱面積を増加でき、冷却流体の混合
を促進してかつ高温部であるフィンベース近傍の流速を
速くできるため、放熱量を著しく増大できて高密度実装
のコンピュータ及び電子機器の効果的な冷却が行える。

さらに、流れ方向とほぼ直交する突起の断面の先端を
半円形に形成することによって、流れの混合を促進する
効果があり、突起を流線形に、かつ断続的に形成するこ
とによって、はくりを少なくし、流動抵抗を小さくでき
るとともに、各突起の表面に生じる温度境界層を小さく
できるので、各突起より確実に放熱されて放熱量の総量
を著しく大きくできる効果がある。

又、傾斜突起を冷却流体が通過する方向に複数に分割
することによって、フィンの熱的な歪みを吸収できる
し、突起の配列を突起間に次段の突起を配置できるため
温度境界層の次段への影響をより与えないようにでき、
流れの混合もより促進できて熱伝達率が向上する効果が
ある。

そして、放熱フィンのフィン根元部に通気抵抗を減ず
ることによって、同一の送風量の場合においても、フィ
ンと冷却空気との温度差が大きいフィン根元部に多くの
流量を流す作用を奏するため、放熱フィンの伝熱性能を
著しく向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造を示す斜視図、第２図
は従来の冷却系の温度分布特性説明図、第３図は本発明
の冷却系の温度分布特性説明図、第４図は冷却系の冷却
特性の比較を示す図、第５図は本発明の他の実施例の構
造を示す縦断面図、第６図は第５図の実施例の他の実施
例の構造を示す縦断面図、第７図は第６図の実施例の他
の構造を示す縦断面図、第８図は第６図の実施例に用い
るフィンの構造を示す斜視図、第９図は本発明の他の実
施例の構造を示す斜視図、第10図は第９図の縦断面図、
第11図は第９図の横断面図、第12図は他の実施例の構造
を示す縦断面図、第13図は第12図の実施例の他の構造を
示す縦断面図、第14図は第12図の実施例の他の構造を示
す縦断面図、第15図は本発明を応用した冷却装置全体の
構造を示す縦断面図、第16図は本発明の他の実施例を示
す部分斜視図、第17図は第16図の実施例の製作工程を示
す図、第18図は第16図に示す突起のＡ−Ａ断面図、第19
図および第20図はそれぞれ本発明の放熱フィンを構成す
る突起の他の例を示す断面図、第21図は本発明の実施例
の動作説明図、第22図は本発明の実施例の効果の説明
図、第23図は本発明の実施例の効果の説明図、第24図は
本発明の放熱フィンをコンピュータの冷却に応用した例
を示す図、第25図は本発明の他の実施例の構造図、第26
図は第25図で示すフィンのＢ−Ｂ断面図、第27図は本発
明の他の実施例を示す図、第28図は本発明の他の実施例
を示す図、第29図は第28図で示すフィンのＣ−Ｃ断面
図、第30図は本発明の他の実施例を示す図、第31図は第
30図で示すフィンのＤ−Ｄ断面図、第32図は本発明の他
の実施例を示す図、第33図は第32図に示すフィンのＥ−
Ｅ断面図、第34図は本発明の他の実施例を示す図、第35
図は第34図に示すフィンのＦ−Ｆ断面図、第36図は本発
明の他の実施例の構造を示す構成図、第37図は第36図の
Ｇ−Ｇ断面図、第38図は第37図のＨ−Ｈ断面図、第39図
は本発明の実施例の動作説明図、第40図は本発明の実施
例の効果説明図、第41〜第46図は本発明の他の実施例を
示す構成図である。 1a,1b,1c……通気ダクト（冷却流路）、2a,2b……発熱
体、3a,3b……放熱フィン（放熱体）、5a……直進（主
通路）入気成分、 6a……上面（副通路）入気成分、７……傾斜突起、９…
…上面傾斜ダクト、 10……側面傾斜ダクト、13a,13b,13c……ガイドベーン
（ガイド板）、 14a,14b……ガイド板、15a,15b,15c……発熱体、 16……ガイドベーン（ガイド板）、17……筐体、18……
チェンバ、 19……送風機、20……レーバ、21……ガイドベーン、21
……発熱体、 22……フィンベース、23……フィン基板、24……傾斜突
起、25……傾斜突起、 26……冷却流体、27……連続突起、27a……傾斜連続突
起、28……切断面、 29……矩形突起、30……三角形突起、31……半円形突
起、32……空気流の軌跡、 33……温度（速度）境界層、34……出口空気流速分布、
35……フィン温度分布、 36……入口空気温度分布、37……コンピュータ筐体、38
……フィン、 39……風速制御体、40……出口ルーバ、41……マルチチ
ップモジュール、 42……フィン基板、43……傾斜突起、44……傾斜突起、
45……傾斜突起、46……山形突起、47……流線形突起、
48……傾斜切起し突起、51……発熱体、 52……フィン基板、52a……フィン部、52b……平面フィ
ン部（フィン根元部）、 53……空気ダクト、54……冷却空気（冷却流体）、55…
…入口風速分布、55a……出口風速分布、56……フィン
間空気流、57……フィン間空気流、57……突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林暁峯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 (72)発明者頭士鎮夫神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内 (72)発明者小林二三幸神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内 (72)発明者岩井進神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内 (56)参考文献特開昭64−28896（ＪＰ，Ａ) 実開平１−154691（ＪＰ，Ｕ) 実開平５−76091（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−138496（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて
該発熱体を冷却させる電子機器の冷却装置において、前
記発熱体を内蔵する１つの冷却流路を設け、該冷却流路
の上流側の前記発熱体の最前段でかつ前記冷却流体の流
れに直交する方向の断面積を該方向の前記発熱体の断面
積より大きく形成し、前記方向の断面積を前記流れの下
流方向に向けて漸減させることにより、前記発熱体を前
記最前段より直接冷却する前記冷却流体の主通路と前記
発熱体に向けて連続供給する前記冷却流体の副通路とを
前記冷却流路に設けたことを特徴とする電子機器の冷却
装置。
【請求項２】電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて
該発熱体を冷却させる電子機器の冷却装置において、前
記発熱体に放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの
冷却流路を設け、該冷却流路の上流側の前記発熱体及び
放熱体の最前段でかつ前記冷却流体の流れに直交する方
向の断面積を該方向の前記発熱体及び放熱体の断面積よ
り大きく形成し、前記方向の断面積を前記流れの下流方
向に向けて漸減させることにより、前記発熱体及び放熱
体を前記最前段より直接冷却する前記冷却流体の主通路
と前記発熱体及び放熱体に向けて連続供給する前記冷却
流体の副通路とを前記冷却流路に設けたことを特徴とす
る電子機器の冷却装置。
【請求項３】放熱体は発熱体と結合しかつ冷却流体の流
れ方向に伸びる少なくとも１個の放熱フィンであること
を特徴とする請求項２記載の電子機器の冷却装置。
【請求項４】放熱フィンの面上に少なくとも１個の傾斜
突起を設け、それぞれの傾斜突起は冷却流体を発熱体に
近づける方向に傾斜して配設されていることを特徴とす
る請求項３記載の電子機器の冷却装置。
【請求項５】冷却流路を形成する上面壁及び側面壁に所
定の傾斜面を接続して発熱体に漸近させ、冷却流体の流
れに直交する方向の断面積を前記流れの下流方向に向け
て漸減させてあることを特徴とする請求項１又は２記載
の電子機器の冷却装置。
【請求項６】電子機器の発熱体に冷却流体を流通させて
該発熱体を冷却させる電子機器の冷却装置において、前
記発熱体に放熱体を連結してそれぞれを内蔵する１つの
冷却流路を設け、該冷却流路の上流側の前記発熱体及び
放熱体の最前段でかつ前記冷却流体の流れに直交する方
向の断面積を該方向の前記発熱体及び放熱体の断面積よ
り大きく形成し、前記方向の断面積を前記流れの下流方
向に向けて漸減させることにより、前記発熱体及び放熱
体を前記最前段より直接冷却する前記冷却流体の主通路
と前記発熱体及び放熱体に向けて連続供給する前記冷却
流体の副通路とを前記冷却流路に設け、前記副通路に少
なくとも１個のガイド板を備えてそれぞれのガイド板の
先端と前記冷却流路の壁面との距離を前記流れの下流方
向に向けて次第に小さくするとともにそれぞれのガイド
板の先端の前記流れに対する傾斜角度を調整自在とした
ことを特徴とする電子機器の冷却装置。
【請求項７】冷却流体を送風する手段と、該冷却流体を
流通しかつ発熱体及び放熱体を内蔵する筐体とからなる
電子機器の冷却装置を具備した電子機器において、請求
項1,2又は６記載の電子機器の冷却装置を具備したこと
を特徴とする電子機器。
【請求項８】発熱体に少なくとも一つの基板を連結する
とともに、それぞれの基板の表面に複数のフィンを形成
してそれぞれのフィンの間に冷却流体を流通し前記発
熱体を冷却する電子機器の冷却装置において、それぞれ
のフィンは、前記冷却流体の入口側より出口側を前記発
熱体側に傾斜して突設され、かつ複数列の断続した突起
により形成されることを特徴とする電子機器の冷却装
置。
【請求項９】それぞれのフィンは、冷却流体の流通方向
とほぼ直交する断面形状の先端が半円形に形成されると
ともに、前記流通方向の断面形状が流線形に形成される
ことを特徴とする請求項８記載の電子機器の冷却装置。
【請求項１０】それぞれのフィンは、発熱体に近い根元
部の流通抵抗を減ずる手段を有し、前記流通抵抗を減ず
る手段は、それぞれの突起の数又は高さを減ずるととも
に、それぞれの突起の間の流通間隔を大きく形成するも
のであることを特徴とする請求項８記載の電子機器の冷
却装置。