JP2007088043A

JP2007088043A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2007088043A
Application number: JP2005272328A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Matsumoto; 英昭松本; Kazuaki Kashiwada; 一章柏田; Kenji Joko; 憲二上甲; Masahiko Saito; 雅彦齊藤; Koji Sasaki; 宏二佐々木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05
Also published as: US20070064387A1; US7450377B2

Abstract

【課題】内部を冷却すべき筐体の前面にとり得る吸気口の面積が小さく制約されている場合であっても、従来よりも多量の冷却空気を、しかも特定の被冷却要素に選択的に噴射することのできる冷却装置を提供する。
【解決手段】吸気口４から筐体２内に袋状に広がるエアダクト５によって構成する。このエアダクト５の壁面６には少なくとも被冷却要素に向けられた小開口群７を設ける。そしてこの小開口群７から冷却空気を噴射して冷却を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、被冷却要素を収容する筐体（ｃａｓｅ）の内部を冷却するための冷却装置に関する。

本発明を適用することのできる、上記の被冷却要素を収容する筐体の例としては、各種産業分野において広範に存在する。ただし本発明においては、理解を早めるために、電子産業分野とりわけ情報通信分野における通信機器をその筐体の好適例として説明する。

上記通信機器は一般に多数のＩＣならびにＬＳＩを基板上に塔載しこれを筐体で囲むように構成している。これらＩＣならびにＬＳＩは近年、より高密度化し、さらにまたこれらの高機能化が進んで、その消費電力は一層大きくなっている。したがって当然その通信機器をなす筐体内での発熱もまた多大なものとなり、この発熱を効率良く筐体から逃がすことが必要となる。

ところが、その通信機器の上述した高機能化に伴って当該電子回路の動作周波数が益々高くなり、ＧＨｚオーダにまで達している。ここにいわゆるＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）対策が必要となり、このために、上記筐体には完全なシールド構造が求められる。しかしながらかかるシールド構造は、上述した多大な発熱を、上記筐体から効率良く逃がすことを一層困難にする。

かくして筐体内に収容される多数の被冷却要素（ＩＣ，ＬＳＩ等）を効率良く冷却するための冷却装置は、特に近年の通信機器にとって不可欠なものとなる。

さらに最近はインターネットの急速な普及により、例えば通信事業者によって使用される通信機器にはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ポートをインタフェースとして持つケースが多くなっている。具体的には、例えばＲＪ−４５／ＳＦＰ（Small Form-Factor Pluggable）モジュールが該インタフェースとして多数、上記通信機器の特に前面に実装されている。

ところがこのようなＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールを筐体の前面に実装した、通信事業者等における通信機器においては、後に図２０を用いて説明するように、特別な配慮が要求される。

なお本発明に関連する公知技術として、下記の〔特許文献１〕がある。しかしこの公知技術には本発明の特徴をなす後述の「エアダクトの採用」といった技術思想を示唆していない。

特開平４−２５２０９８号公報

前面に上記ＲＪ−４５／ＳＦＰモジュール等のポートを筐体前面に多数インタフェースとしてもつ通信機器においては、通常、その同じ前面に既述の吸気口も併せ持っている。このため、その前面内でその吸気口に割り当てることのできる面積はかなり小さいものになってしまう。加えて、例えば上記通信事業者によって使用される通信機器にあっては、同様の複数の通信機器が規定のサイズのラック内に多段積みされることから、１つ１つの通信機器に分け与えることのできる高さ、すなわち上記前面部分の高さは自ずと制限されてくる。結局、上記吸気口に割り当てることのできる面積を、冷却能力増大のために、さらに広げることは殆んど不可能である。

加えて、上記通信機器において、筐体の内部に配置されるＩＣやＬＳＩ等の電気系部品には、例えば０℃〜１１０℃といった範囲の温度を保証できる反面、該筐体の前面に配置される上記ＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールには、例えば０℃〜７５℃といった比較的狭い範囲の温度しか保証できない。これは、該モジュールが光／電気および電気／光変換を行う光インタフェースであって、その内部の素子に、きわめて変化しやすい温度−波長特性を有するものを含んでいるからである。このため、筐体の内部（電気系部品）よりも筐体の前面（光インタフェース・モジュール）の方に高い冷却能力を必要とする。しかし従来の冷却装置では、上述した前面の高さ制限に起因して、かかる問題を解決できていない。

したがって本発明は、前面に十分広い面積の吸気口を確保することができないような筐体に設けられる冷却装置であって、そのような小面積の吸気口でありながら、筐体の前面にある被冷却要素（光インタフェース・モジュール）に対しても、また筐体の内部にある被冷却要素（電気系部品）に対しても、その吸気口から十分な冷却空気を供給することのできる冷却装置を提供することを目的とするものである。

図１は本発明に係る冷却装置の基本構成を示す断面図である。本断面図において、本発明に係る冷却装置１は、前面３に設けられた吸気口４とこの吸気口４から内部へ吸気するための排気ファン８とを少なくとも備える筐体２内に設けられてこの筐体２の内部を冷却するための冷却装置である。ここに本発明の装置１の特徴はこれを、吸気口４から筐体２内に袋状に広がるエアダクト５によって構成し、かつこのエアダクト５の壁面６の少なくとも一部に小開口群７を設けることにある。

ここにエアダクト５は、筐体２内の少なくとも所定の被冷却要素（１１，１２）に対し小開口群７を通して吸気口４からの流入空気９を噴射する。なお、上記所定の被冷却要素として本図では、第１被冷却要素１１と第２被冷却要素１２とを示している。第１被冷却要素１１は例えば前述したＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールであり、また第２被冷却要素１２は例えば放熱フィン付ＬＳＩである。本図によれば、既述した温度−波長特性として厳しい条件が課せられるＲＪ−４５／ＳＦＰモジュール（１１）に集中的に流入空気９が噴射され、効率の良い冷却がこれらに対して行われることが理解される。

後に図２１〜図２３を参照して明らかなとおり、既述したＥＭＣ対策用の小開口群（図１の参照番号７）は、従来、筐体２の前面３における吸気口４の入口に、該前面３と同一の平面内に形成されていた。この場合小開口群７の総開口面積、すなわち流入空気９の総噴射面積はＳ１である。これに対し、本発明においては、小開口群７の総開口面積、すなわち流入空気９の総噴射面積はＳ１の数倍以上（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋…）にもなる。これは冷却能力の飛躍的な増大を意味する。これを図解的に表すと次のようになる。

図２は本発明による冷却能力の増大を図解的に表す図であり、図１の矢視IIによる平断面図である。なお、全図を通じて同様の構成要素には同一の参照番号または記号を付して示す。

従来型である図２（ａ）において、小開口群７からの流入空気９の総噴射面積は上記のＳ１である。これに対し、本発明に基づく図２（ｂ）においては、小開口群７から筐体２内への流入空気９の総噴射面積はＳ１に止まらず、さらにＳ２，Ｓ３…と大幅に増大する。しかもその流入空気９の噴射先をスポット的に設定しあるいは変更することができる。かくして、本発明によれば、従来の数倍以上の冷却空気を筐体２内に送り込むことができ、かつ、その冷却対象を自由に設定することができる。

まず初めに本発明がなされるに至った背景について簡単に触れ、その後、本発明の実施例について説明する。

図２０は本発明の適用例である通信機器の使用形態を示す図である。本図において、図１の筐体２をなす好適例としての通信機器を参照番号２０として示す。例えば既述の通信事業者においては、多数の通信機器２０を、支柱や平板で組まれた、例えば幅約５０cmのいわゆるオープンラック２１に収納する。

この収納は、通信機器２０をオープンラック２１内に多段に積み上げるようにして行う。この場合、通信機器２０（筐体２）の左右両端に突き出したリブ２２および２３を、支柱２４および２５にネジ止めして行う。なお簡単のために最上段の通信機器２０のみ詳しく図示する。

各通信機器２０の前面３には、上述の吸気口４とＲＪ−４５／ＳＦＰモジュール（第１被冷却要素１１）とが設けられる。このモジュール（１１）には送受一対のファイバケーブル２６が多数対接続しており、これらファイバケーブル２６の何本かは自ラック（２１）内の他の通信機器と接続し、また残りの何本かは他ラック（図示）に接続する。

かくして各通信機器２０は上下方向に多段積みされ、例えば規格によれば一段当たり高々４４．４５mmという高さを確保できるのみである。このために、各通信機器２０の前面３において、上記モジュール（１１）の取付スペースをとった残りのきわめて小さな領域で吸気口４を形成することになる。したがってこの吸気口４は自ずと小面積になってしまう。

なお、オープンラック２１の左右両側には上記の支柱や引きまわし用のケーブルダクトがあるから、通常、冷却機構としては前面吸気／裏面排気といった構造になる。この冷却機構の従来例について以下に説明する。

図２１は従来の通信機器２０の全体斜視図であり、
図２２は図２１の一部拡大図であり、
図２３は図２１のＥ−Ｅ断面図である。これら図２１〜図２３のうち、本発明との相違が顕著に表されているのが図２３である。

この従来例の図２３と本発明に係る前述の図１とを対比すると、図２３のＦ部分には冷却装置と呼べる程の機構は一切ない。このため、従来例（図２３）においては、吸気口４の小開口群７からの流入空気９は単に筐体２の裏面（８）に向って流れ出るのみである。つまり、プリント基板２７上に塔載された種々多数の被冷却要素２８のうち特定の要素に対して選択的に流入空気９を噴射し、しかも従来より多量の流入空気９をそこに供給するといったこともできない。なお、上記被冷却要素２８としては、多種多様のＩＣやＬＳＩが描かれている（図２１）。

図３は本発明の第１実施例に基づく冷却装置１の全体斜視図であり、
図４は図３の一部拡大図であり、
図５は図３のＡ−Ａ断面図である。なお、図５は最初に述べた図１と全く同じである。

図３〜図５に示す第１実施例は、要するに、筐体２内の所定の被冷却要素が、前面３に沿って横長に配置される第１被冷却要素１１であるとき、エアダクト５は、この第１被冷却要素１１を被うように対面する壁面６′を備えると共に、複数の壁面６のうち少なくとも当該壁面６′に小開口群７を有することを特徴とするものである。

本図によれば、上記の第１被冷却要素１１は電子回路部品としてのＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールである。このモジュール１１は既述のように温度保証範囲が小さいことから、強い冷却を必要とする。このため直上の壁面６′に設けた小開口群７から、このモジュール１１に向けて集中的に流入空気９を噴射する。この場合、小開口群７はその壁面６′にのみに設ければ十分であるが、図３〜図５の例では、４つの壁面全てに小開口群７を設け、筐体２内の奥深くまでも流入空気９を行き渡らせている。本発明では、前面３における吸気口４は従来例と異なって完全にオープンであって空気の流入を阻害するものは何もなく、大量の空気が容易にエアダクト５内に入り込むことができる。言い換えれば、従来の吸気口４の面積が、本発明のもとで実質的に数倍以上に（壁面６の数の分だけ）、拡大したものと考えることができる。このため、限られた前面３の高さの範囲で小面積しかとることのできない吸気口４を実質的に拡大することができたのである。

図６は本発明の第２実施例に基づく冷却装置１の全体斜視図であり、
図７は図６の一部拡大図であり、
図８は図６のＢ−Ｂ断面図である。

図６〜図８に示す第２実施例は、要するに、筐体２内の所定の被冷却要素が、前面３より離隔して配置される第２被冷却要素１２であるとき、エアダクト５は、この第２被冷却要素１２まで縦長に伸びると共に、複数の壁面のうち少なくともこの第２被冷却要素１２近傍に位置する壁面６′に小開口群７を有することを特徴とするものである。

本図によれば、上記の第２被冷却要素１２は、電子回路部品としては放熱フィン付きＬＳＩである。このＬＳＩ１２は、かなりの高熱を発するので集中的な冷却を必要とする。しかし従来例の冷却では（図２３参照）、十分な流入空気９をこのＬＳＩ１２に選択的に供給することができなかった。本発明によればこのＬＳＩ１２に集中的に十分な流入空気９を送り込むことができる。

なおこの場合は、本発明に基づく吸気口４は小開口の構成となるので、前面３においてこの吸気口４を形成する部分以外の領域は、従来どおりの小開口群７を有する吸気口４′とする（図２０〜図２２の４と同じ）。

図９は、本発明の第３実施例に基づく冷却装置１の全体斜視図であり、
図１０は図９の一部拡大図であり、
図１１は図９のＣ−Ｃ断面図である。

図９〜図１１に示す第３実施例は、要するに、筐体２内の所定の被冷却要素が、前面３より離隔して配置される第３被冷却要素１３および第４被冷却要素１４であるとき、エアダクト５は、これら第３および第４被冷却要素１３，１４近傍まで縦長に伸びさらにこれら第３および第４被冷却要素１３，１４に近接するところまで略Ｙ字状に分岐して伸びると共に、複数の壁面のうち少なくともこれら第３および第４被冷却要素１３，１４に対面する壁面６′，６″に小開口群７を有することを特徴とするものである。

本図によれば、上記の第３被冷却要素１３は放熱フィン付きＬＳＩであり、上記の第４被冷却要素１４もまた、同様の放熱フィン付きＬＳＩである。図９および図１０ではエアダクト５の先端を２分岐した例を示すが、必要ならば３分岐としても良い。かくして筺体中央部における複数の発熱体に冷却空気を同時に、しかも十分な量をもって供給することができる。なお、吸気口４の部分は図６〜図８に示す第２実施例の場合と同様とした。

図１２は本発明の第４実施例に基づく冷却装置１の全体斜視図であり、
図１３は図１２の一部拡大図であり、
図１４は図１２のＤ−Ｄ断面図である。図１２〜図１４に示す第４実施例は、要するに、筐体２内の所定の被冷却要素が、吸気口４の横幅より広い横幅をもって配置される第５被冷却要素１５であるとき、エアダクト５は、この吸気口４から放射状に広がると共に、複数の壁面のうち少なくともその第５被冷却要素１５に対面する壁面６′に小開口群７を有することを特徴とするものである。

本図によれば、上記の第５被冷却要素１５は、既述のＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールでありかつ、その近傍の局部高発熱部品をなすＩＣ群である。

以上、本発明に係る冷却装置の第１〜第４実施例について述べたが、これらの実施例に共通の構成要素として小開口群７がある。これについて考察すると、これら小開口群７の各開口は、既述のＥＭＣを考慮した当該電子回路の動作周波数に基づく開口径を有する孔からなる。その孔径はさらに詳しくは、公知の下記式から算出することができる。

Ｓ＝１０log（λ／２Ｌ）〔１〕
ここに、Ｓは遮蔽効果〔ｄＢ〕、Ｌはスロット最大寸法〔ｍ〕、λは波長〔ｍ〕である。上記電子回路の動作周波数（λ）が決まり、また、該電子回路に設計上期待される遮蔽効果（Ｓ）が決まると、上記〔１〕式から、上記の孔径がＬとして求まる。

また上述した第１〜第４実施例に共通の課題としてエアダクト５の構造設計がある。これについて考察すると、次の構造を採用することができる。図１５の（ａ）は独立型のエアダクト、（ｂ）は共用型のエアダクトの各構造を断面にてそれぞれ示す図である。

図１５（ａ）および（ｂ）において、２は筐体であって特にその上面板２Ｔを示し、６はエアダクト５の壁面の断面、２７はプリント基板の断面を示す。図１５（ａ）の場合は、エアダクト５は、流入空気９の流れ（紙面に垂直方向）に直交する平面で見た壁面６の断面が、略矩形をなすものである。これは、すなわち筐体２に対して独立型である。

一方、図５（ｂ）の場合、断面が略矩形をなす壁面６のうち、筐体２の上面板２Ｔに対面する側の壁面は、この上面板を共用して形成するようにする。すなわち筐体２との共用型である。この共用型の場合、通信機器２０の上面板２Ｔを取り外すと、エアダクト５も一緒に取り外されるので、例えばプリント基板２７上の電子回路部分（２８）に対する保守点検が容易になる。

最後に、本発明に基づく「エアダクト有り」の場合と従来例の「エアダクト無し」の場合とについて、各種性能を対比してみる。

図１６は風量に関する従来との対比を示す図であり、
図１７は温度に関する従来との対比を示す図であり、
図１８は個別冷却による風量についての従来との対比を示す図であり、
図１９は個別冷却による温度についての従来との対比を示す図である。なおいずれもシミュレーションによる結果を表したものである。

まず図１６について見てみると、本グラフは、通信機器の筐体（「装置」と称す）における３つの測定ポイント、すなわち「装置前面／エアダクト下部」、「装置中央」および「装置後面」においてそれぞれの「風量」を測定したものであり、白抜きの棒グラフは「エアダクト無し」（従来）の場合、ハッチングの棒グラフは「エアダクト有り」（本発明）の場合を示す。いずれの測定ポイントにおいても、冷却のための風量が従来よりも増大していることが分かる（図２参照）。

次に図１７について見てみると、本グラフは、上記装置における３つの測定ポイント、すなわち「装置前面／ＳＦＰモジュールのケース」、「装置中央部の雰囲気」および「装置後面」においてそれぞれの「温度」を測定したものであり、いずれの測定ポイントにおいても、従来に比べて本発明の方が冷却能力が優れていることが分かる。特に、ＳＦＰモジュールのケース温度にあっては従来よりも１０℃以上低くなっている。

さらに図１８および図１９について見てみると、これらのグラフは、前述した図７の形態すなわち個別冷却型装置における「風量」と「温度」についてそれぞれ測定した結果を表している。この例ではその測定ポイントとして、「フィン付きＬＳＩ（１２）のフィン前面」および「フィンケース自体」を選択し、その風量および温度をそれぞれ測定して得た結果である。特に図１９を見ると、本発明によればフィンケース温度は従来に比べて約４０℃も低くなっており、本発明による冷却効果がきわめて顕著であることが分かる。

以上詳述した本発明の実施態様は、以下のとおりである。

（付記１）
前面に設けられた吸気口と該吸気口から内部へ吸気するための排気ファンとを少なくとも備える筐体内に設けられて該筐体の内部を冷却する冷却装置であって、
前記吸気口から前記筐体内に袋状に広がるエアダクトによって構成され、かつ該エアダクトの壁面の少なくとも一部に小開口群を有することを特徴とする冷却装置。

（付記２）
前記エアダクトは、前記筐体内の少なくとも所定の被冷却要素に対し前記小開口群を通して前記吸気口からの流入空気を噴射することを特徴とする付記１に記載の冷却装置。

（付記３）
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記前面に沿って横長に配置される第１被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該第１被冷却要素を被うように対面する壁面を備えると共に、前記壁面のうち少なくとも当該壁面に前記小開口群を有することを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記４）
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記前面より離隔して配置される第２被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該第２被冷却要素まで縦長に伸びると共に、前記壁面のうち少なくとも該第２被冷却要素近傍に位置する壁面に前記小開口群を有することを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記５）
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記前面より離隔して配置される第３被冷却要素および第４被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該第３および第４被冷却要素近傍まで縦長に伸びさらに該第３および第４被冷却要素に近接するところまで略Ｙ字状に分岐して伸びると共に、前記壁面のうち少なくとも該第３および第４被冷却要素に対面する壁面に前記小開口群を有することを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記６）
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記吸気口の横幅より広い横幅をもって配置される第５被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該吸気口から放射状に広がると共に、前記壁面のうち少なくとも該第５被冷却要素に対面する壁面に前記小開口群を有することを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記７）
前記被冷却要素が電子回路部品からなるとき、前記小開口群の各開口は、ＥＭＣを考慮した当該電子回路の動作周波数に基づく開口径を有する孔からなることを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記８）
前記エアダクトは、前記流入空気の流れに直交する平面で見た前記壁面の断面が、略矩形をなすことを特徴とする付記２に記載の冷却装置。

（付記９）
断面が略矩形をなす前記壁面のうち、前記筐体の上面板に対面する側の壁面は、該上面板を共用して形成することを特徴とする付記８に記載の冷却装置。

（付記１０）
前記被冷却要素が電子回路部品からなるとき、前記第１被冷却要素は、ＲＪ−４５／ＳＦＰモジュールであることを特徴とする付記３に記載の冷却装置。

（付記１１）
前記被冷却要素が電子回路部品からなるとき、前記第２被冷却要素は、放熱フィン付ＬＳＩであることを特徴とする付記４に記載の冷却装置。

（付記１２）
前記被冷却要素が電子回路部品からなるとき、前記第３および第４被冷却要素は、放熱フィン付ＬＳＩであることを特徴とする付記５に記載の冷却装置。

上述の説明は通信機器の冷却を主体にして行ったが、これに限らず、発熱を伴う各種部品が多数１つの筐体内に密集して配置されるような一般の機器あるいは装置内の冷却に本発明を利用することができる。

本発明に係る冷却装置の基本構成を示す断面図である。本発明による冷却能力の増大を図解的に表す図である。本発明の第１実施例に基づく冷却装置の全体斜視図である。図３の一部拡大図である。図３のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２実施例に基づく冷却装置の全体斜視図である。図６の一部拡大図である。図６のＢ−Ｂ断面図である。本発明の第３実施例に基づく冷却装置の全体斜視図である。図９の一部拡大図である。図９のＣ−Ｃ断面図である。本発明の第４実施例に基づく冷却装置の全体斜視図である。図１２の一部拡大図である。図１２のＤ−Ｄ断面図である。（ａ）は独立型のエアダクトの構造、（ｂ）は共用型のエアダクトの構造を示す断面図である。風量に関する従来との対比を示す図である。温度に関する従来との対比を示す図である。個別冷却による風量についての従来との対比を示す図である。個別冷却による温度についての従来との対比を示す図である。本発明の適用例である通信機器の使用形態を示す図である。従来の通信機器の全体斜視図である。図２１の一部拡大図である。図２１のＥ−Ｅ断面図である。

符号の説明

１冷却装置
２筐体
２Ｔ上面板
３前面
４吸気口
５エアダクト
６壁面
７小開口群
８排気ファン
９流入空気
１１〜１５第１〜第５被冷却要素
２０通信機器

Claims

前面に設けられた吸気口と該吸気口から内部へ吸気するための排気ファンとを少なくとも備える筐体内に設けられて該筐体の内部を冷却する冷却装置であって、
前記吸気口から前記筐体内に袋状に広がるエアダクトによって構成され、かつ該エアダクトの壁面の少なくとも一部に小開口群を有することを特徴とする冷却装置。
前記エアダクトは、前記筐体内の少なくとも所定の被冷却要素に対し前記小開口群を通して前記吸気口からの流入空気を噴射することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記前面に沿って横長に配置される第１被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該第１被冷却要素を被うように対面する壁面を備えると共に、前記壁面のうち少なくとも当該壁面に前記小開口群を有することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
前記筐体内の前記所定の被冷却要素が、前記前面より離隔して配置される第２被冷却要素であるとき、前記エアダクトは、該第２被冷却要素まで縦長に伸びると共に、前記壁面のうち少なくとも該第２被冷却要素近傍に位置する壁面に前記小開口群を有することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
前記被冷却要素が電子回路部品からなるとき、前記小開口群の各開口は、ＥＭＣを考慮した当該電子回路の動作周波数に基づく開口径を有する孔からなることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。