JP2015012004A - ヒートシンクを備えた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強制空冷ヒートシンクを利用することなく、対流を利用した自然空冷でも、電子基板の冷却性能を低下させず、しかも、追加部品を必要とせずにヒートシンクの重量が基板に負荷されないようにするとともに、固有振動数を上昇させて、耐振動性の高い構造を備えたヒートシンクを備えた電子装置を提供する
【解決手段】ベース２１１と該ベース２１１に対し略垂直方向に延出するフィン２１２を備えたヒートシンク２１０と、ヒートシンク２１０に装着され、発熱部品２０２の発熱をヒートシンク２１０を介して放熱する電子基板２００と、電子基板２００及びヒートシンク２１０を格納するサブラック（構造体）２２０を備えている。ヒートシンク２１０をサブラック２２０に支持させるとともに、フィン２１１間に、対流方向の流路空隙が形成されるようにした。
【選択図】図７

Description

ヒートシンクを備えた電子基板等の電子装置に関し、特に大型ヒートシンクの固定構造に関する。

作動時の発熱量が高い発熱部品を有する電子基板については、図１に示すように、大型ヒートシンクを搭載する必要がある。こうした基板をサブラックのガイドレールに装填した場合には、ヒートシンクの質量によって、振動、重力等の負荷を受け、変形及び破損する可能性がある。そのため、ヒートシンク負荷を考慮した構造を採用することが必要である。
このような構造として、図２に示すように、基板の背面に補強部品を実装することでヒートシンク負荷による変形を低減させるものがある。しかし、補強部品の追加が必要となり、基板寸法や組立工程の増加を招く。また、ヒートシンクが大型になるほど負荷が増加するため、それに合わせて補強部品も大型化したり、多数設けることが必要となる。

この解決策として、特許文献１には、図３、図４に示すように、ヒートシンク１の荷重を、筐体（構造体）に設置されたガイドレール３により支持することで、コネクタへ荷重が負荷されることを防止することが示されている。このような構造によれば、ヒートシンク１の負荷は構造体が支えるため、基板への負荷が発生せず、基板の補強部品は不要となり、ヒートシンクが大型化した場合でも基板への負荷は増加しない。

特開２０１０−２２５８７４号公報

しかし、図３に示される支持構造は、ガイドレール３が、ヒートシンクの上端及び下端において、フィンの高さ方向全体を覆うよう支持するものであり、上端、下端においては、フィンがガイドレール３に対し平行に配置することになり、フィンを水平あるいは傾斜して横向きとなるような実装のみに限定され、フィンから放熱に伴う上向きの対流による自然空冷を利用することができない。
仮にフィンが縦向きとなるような実装に適用した場合、ガイドレール３が、フィン上下端でフィンの長手方向に対し直交する方向で塞ぐため、フィンからの放熱による対流を妨げて放熱性能が著しく低下する。すなわち、特許文献１に示される構造は、冷却ファンを用いてフィンの表面に沿って冷却風を強制的に送風する強制空冷ヒートシンクを前提としているものであり、フィンは、その長手方向を送風方向に沿うよう配置されればよく、フィン自体もガイドレールで覆われる程度の長さ（ベースからフィン先端までの寸法）でも、冷却ファンの容量や回転数を増加させることで、所望の冷却を行うことを前提としている。

しかし、強制空冷ヒートシンクは、冷却ファンを駆動する電動モータを始め、送風を行うための機器が必要となり、コストアップ、スペース増、消費電力の増加を招くばかりでなく、例えば、鉄道車両に搭載された場合、架線事故等により電源が突然遮断された際には、発熱部品が過熱し損傷を招くおそれがある。したがって、特に、鉄道車両に搭載される電子基板に関しては、フィンに沿う対流を利用した自然空冷で必要な冷却容量を確保することが好ましいが、特許文献１に示される構造では困難である。

また、特許文献１には、ヒートシンクの構造体への固定手段として、図３に示されるように、ヒートシンク１を直接構造体に固定する態様と、図４に示されるように、ヒートシンク１と構造体との間に固定用部材４を設けることで、ヒートシンクと構造体を間接的に固定する態様とが提案されている。両者を比較した場合、以下の理由によって前者のほうがヒートシンクの固有振動数を上昇させることができ、振動に強い構造とすることができる。

例えば、ヒートシンク固定部を構造体に直接固定する場合、ヒートシンク中央の固有振動数ω_１は、ヒートシンク質量ｍと、ヒートシンク中央からヒートシンク固定部（＝構造体）までのバネ定数ｋ_１より、以下のように与えられる。
ω_１＝（ｋ_１／ｍ）^1/2

次に、ヒートシンク固定部と構造体の間にバネ定数ｋ_２を持つ固定用部材を挿入した場合、ヒートシンク中央から構造体までのバネ定数ｋ_１２は、ｋ_１及びｋ_２を直列に結合した値となるため、以下のようになる。
ｋ_１２＝（ｋ_１・ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）＜ｋ_１
また、このときの固有振動数ω_１２は、次のように求めることができる。
ω_１２＝（ｋ_１２／ｍ）^1/2

ここで、ω_１とω_１２を比較すると、ｋ_１２＜ｋ_１であることからω_１２＜ω_１となり、ヒートシンクと構造体を直接固定する構造の方が、固有振動数が高くなる。すなわち、振動に強い構造とすることができる。逆に、ヒートシンクと構造体の間に直列に実装される固定用部材が増加するほど、振動に弱い構造となる。すなわち、前述の理由からヒートシンクは直接構造体に固定することが望ましい。
そのため、図４の構造では、図３の構造と同様、対流を利用した自然空冷により十分な冷却能力が得られないばかりでなく、固有振動数を低下させ、振動に弱い構造となってしまう。

そこで、本発明の目的は、強制空冷ヒートシンクを利用することなく、対流を利用した自然空冷でも、電子基板の冷却性能を低下させず、しかも、追加部品を必要とせずにヒートシンクの重量が基板に負荷されないようにするとともに、固有振動数を上昇させて、耐振動性の高い構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明のヒートシンクを備えた電子装置においては、ベースと該ベースに対し略垂直方向に延出するフィンを備えたヒートシンクと、該ヒートシンクに装着され、発熱部品の発熱を前記ヒートシンクを介して放熱する電子基板と、前記電子基板及びヒートシンクを格納する構造体とを備え、前記ヒートシンクを前記構造体に支持させるとともに、前記フィン間に対流方向の流路空隙を形成する固定構造を具備するようにした。

また、上記のヒートシンクを備えた電子装置において、前記構造体の上下に前記ヒートシンクを支持するガイドレールを設けるとともに、前記ヒートシンクに前記ガイドレールと結合する結合部を設け、前記ヒートシンクを前記ベースと平行に誘導して、前記構造体に格納するようにした。

本発明の電子装置によれば、ヒートシンクを追加部品を必要とせずに、直接ガイドレールや筐体などの構造体に固定することができ、電子基板にヒートシンクの負荷が掛からないようにすることができる。また、ヒートシンクを直接構造体に固定することで、固定用部材を介して間接的にヒートシンクを構造体に固定する場合と比較して、剛性が増加し固有振動数が上昇するために振動に強くなる。さらに、ヒートシンクと構造体との固定部を増やすことで、より固有振動数を上昇させることができる。
また、自然空冷ヒートシンクでは、一般的にフィンの長さ（ベースからフィン先端までの寸法）を十分に確保することが必要であることから、これを利用し、フィンにガイドレールとの結合部を設けてフィンを構造体に固定することで、ヒートシンクと構造体との固定点を増加させ、固有振動数をさらに上昇させ、振動に強い構造とすることができる。

また、ガイドレール、ガイドレールとの結合部は適宜設計可能であり、幅を縮小することができるため、縦置きヒートシンクの上下にレールを設置しても対流を塞ぐことがなく、自然空冷効果を最大限に高めることができる。特に、レールを熱伝導率の高い金属で形成した場合、ヒートシンクの熱がガイドレールを経由してサブラック等の構造体に伝導するため、ヒートシンクの放熱性能を向上することができる。

しかも、ヒートシンクが備える固定部を、ガイドレールに挿入可能な構造とすることで、ガイドレールを備えたサブラック（もしくはレールを備えたバックプレーン）に挿入して搭載するような、ヒートシンク実装基板に対して、搭載と同時にヒートシンクが直接ガイドレールに固定される構造となり、容易に上述の固定構造及び効果が実現可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、大型ヒートシンクを搭載した場合に電子基板に作用する負荷を説明する図である。 図２は、補強部品を採用した従来技術を説明する図である。 図３は、先行技術におけるヒートシンク固定構造を示す図である。 図４は、先行技術におけるヒートシンク固定構造の別の例を示す図である。 図５は、本発明の実施例１において、各フィンと構造体としてのガイドレールとの関係を示す斜視図である。 図６は、実施例１の上面図である。 図７は、実施例１の前面図である。 図８は、上下で固定点数を変えた実施例１の変形例を示す図である。 図９は、実施例２の全体構造を示す図である。 図１０は、実施例２の変形例を示す図である。 図１１は、実施例２の変形例を示す図である。 図１２は、実施例２の変形例を示す図である。 図１３は、実施例３の全体構造を示す図である。 図１４は、実施例４の全体構造を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

［実施例１］
図５〜図７は、本発明に係るヒートシンクを備えた電子装置の実施例１を示すもので、図５は、ヒートシンクの各フィンと、構造体としてのガイドレールとの関係を示す斜視図、図６は上面図、図７は前面図をそれぞれ示している。
なお、本実施例は、例えば、鉄道車両など、特に振動の大きい移動体に搭載される電子装置へ適用することで高い効果が得られるものである。こうした移動体においては、ＡＴＣ用車上装置に代表されるように、数多くの電子部品が搭載されており、例えば、電源部、送信部、受信部、外部接続部といった機能毎に区分けされた電子部品が、規格化されたサイズの電子基板上に搭載されている。こうした電子基板類を、やはり規格化された、構造体としてのサブラックに装着されたガイドレールに差し込んで挿入することで装填し、相互に接続することにより車上装置の送受信部を構成するのが一般的である。

本実施例では、電子基板をサブラックのガイドレールに差し込むのに代えて、電子基板に装着されたヒートシンクをガイドレールで支持するようにした。
具体的には、図６に示すように、こうした基板類のうち、例えば、送信部のように、発熱量の高い発熱部品２０２を搭載する電子基板２００には、ヒートシンク２１０が装着される。ヒートシンク２１０は、アルミニウム等の軽量で熱伝達率の高い素材で成型されたもので、電子基板２００に直交する方向に延びるフィン２１２、及び電子基板に略平行なベース２１１から構成され、ベース２１１に発熱部品２０２が装着されることで、発熱部品２０２で発生した熱量がベース２１２を介してフィン２１２に伝達され、外気に放熱する機能を有している。

この実施例では、図７に示すように、各フィン２１２及びベース２１１の上下端に、ベース２１１に略平行な基板挿入方向に、直線上に整列するよう、レール挿入部２１３ａ〜２１３ｃをそれぞれ備えている。
これらのレール挿入部２１３ａ〜２１３ｃは、サブラック２２０に奥行き方向に取り付けられたガイドレール２３０ａ〜２３０ｃの凹部にそれぞれ嵌合して結合される。
すなわち、ベース２１１の上下端面に形成されたレール挿入部２１３ａは、基板挿入方向、すなわち電子基板２００と平行に延びており、ガイドレール２３０ａの凹部に嵌合するよう挿入されて結合される。
同様に、各フィン２１２の上下端面から延びるレール挿入部２１３ｂ、２１３ｃも、電子基板２００と平行に整列しており、それぞれガイドレール２３０ｂ、２３０ｃの凹部に挿入されて結合される。

ガイドレール２３０の幅は、フィン２１２の長さ（ベースからフィン先端までの寸法）と比較してもできるだけ小さくするとともに、各ガイドレール間の距離は、対流が円滑に行われる程度の距離を確保して配置されている。また、図６に示されるように、この実施例では、サブラック２２０の上面及び下面はともに外気に開放されていることから、ガイドレール２３０が対流を塞ぐことない。このため、ヒートシンク２１０のフィン２１２からの放熱により発生する上昇気流が妨げられることはなく、サブラック２２０の下面から導入された外気が、フィン２１２と効率よく熱交換を行い、サブラック２２０の上面から円滑に排出されることで、フィン２１２の長手方向に沿う対流によりヒートシンク２１０の放熱性能を確保することができる。

本実施例によれば、ヒートシンク２１０に形成されたレール挿入部２１３ａ〜２１３ｃが、サブラック２２０に装着されているガイドレール２３０に固定されることで、電子基板２００には、ヒートシンク２１０の重量がなんら負荷されない構造となる。
また、本実施例では、レール挿入部２１３ａにより、ベース２１１をガイドレール２３０ａで固定するのに加え、フィン２１２にもガイドレール２３０ｂ、２３０ｃへの固定点を設けることで、ヒートシンク２１０の固定可能箇所を増加することができる。また、フィン２１２の長さが大きいヒートシンク２１０を搭載する場合においても、フィン２１２が長い分、レール２３０の実装可能数を増加することができるため、ヒートシンク２１０の固定点を増加し、固定強度を維持可能となる。さらに、固定点が増加する場合、以下の理由によって固有振動数が上昇するため、振動強度が向上する。

仮に、質量ｍのヒートシンクが固定点Ｐ_１で構造体に固定される場合、ヒートシンク中央の固有振動数ω_１は、ヒートシンク中央から構造体（固定部Ｐ_１）までのバネ係数ｋ_１によって以下のように与えられる。
ω_１＝（ｋ_１／ｍ）^1/2
次に、ヒートシンクが固定点Ｐ_２を追加した場合、ヒートシンク中央からＰ_２までのバネ係数をｋ_２とすると、ヒートシンク中央から構造体までのバネ係数ｋ_１２は、ｋ_１及びｋ_２を並列に結合することで、以下のように与えられる。
ｋ_１２＝ｋ_１＋ｋ_２
よって、前記固有振動数の式より、ヒートシンクがＰ_１及びＰ_２で固定された場合のヒートシンク中央の固有振動数ω_１２は以下となる。
ω_１２＝（ｋ_１２／ｍ）^1/2＝（（ｋ_１＋ｋ_２）／ｍ）^1/2＞ω_１

すなわち、Ｐ_１のみで固定した場合と比較して、Ｐ_１及びＰ_２で固定した場合の方が、固有振動数が高いことが分かる。また、固定点を増加させるほど、ヒートシンク中央から構造体までのバネ係数が増加するため、固有振動数が上昇する。固有振動数が高いことは、すなわちヒートシンクが共振する周波数が高いことであり、振動に強いことを意味する。よって、ヒートシンクの固定点が多いほど振動に強い固定構造であることが分かる。
なお、固定点の数や位置は任意に設計可能であるため、例えば、図８に示すように、上方で１点、下方で２点のように、上下の固定点数を変えるなど、条件ごとに最適な設計とすることができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク２１０の上下を、構造体としてのガイドレール２３０に直接固定する固定構造であるため、固定のための追加部品が不要であり、かつ、電子基板２００及びヒートシンク２１０の寸法を増大させずに固定可能となる。
さらに、フィン２１２の上下のみで固定する場合、ヒートシンク２１０の電子基板２００側にガイドレール２３０の淵が突出することがないため、電子基板２００とガイドレール２３０との干渉がなくなり、特許文献１のように電子基板２００をヒートシンク２１０より小さくする必要がなくなる。

特に、規格化されたサブラックシステム（例えば、１９インチラックシステム）に本実施形態を適用する場合、レール挿入部２１３の幅を、やはり規格化された電子基板の厚さ（例えば、１．６ｍｍ）と同じ寸法とすることで、ガイドレール２３０に電子基板を挿入するための規格化されたガイドレールを使用することができる。このガイドレールは標準化されているために安価で容易に入手可能であるため、ガイドレール２３０を個別に設計、製造する必要がなくなり、製造コストを削減することができる。

図７に示されるように、サブラック２２０にはバックプレーン２２１と、ガイドレール２３０が固定されている。電子基板２００は、発熱部品２０２に加え、コネクタ２０１を搭載し、レール挿入部２１３を備えたヒートシンク２１０には、発熱部品２０２と接触するように電子基板２００が搭載される。ヒートシンク２１０は、レール挿入部２１３ａ〜ｃをガイドレール２３０ａ〜ｃに挿入することで、バックプレーン２２１に誘導され、コネクタ２０１をバックプレーン２２１に接続する。
また、サブラック２２０は、フロントパネル２２２（図６参照）を備えており、フロントパネル２２２は、電子基板２００をサブラック２２０に搭載することにより、サブラック２２０の電子基板２００挿入口を塞ぎ、サブラック２２０に固定される。また、ヒートシンク２１０は、フロントパネル２２２により固定されており、それによって、サブラック２２０と間接的に固定されている。
さらに、ヒートシンク２１０をバックプレーン２２１と固定してもよい。ヒートシンク２１０をフロントパネル２２２及びバックプレーン２２１に固定することで、ヒートシンク２１０はレールの長手方向への振動に対する強度が向上する。

［実施例２］
図９に示す実施例では、電子基板３００に搭載されるヒートシンク３１０は、フィン３１２全体をレール３３０に挿入されることで固定される。すなわち、ガイドレール３３０の幅は、ヒートシンク３１０のフィン３１２を長さ方向に覆うように設定されており、上下面に通気口３３１が形成されている。
これにより、ヒートシンク３１０が熱せられてフィン３１２の間に対流が発生した場合においても、ガイドレール３３０が対流を塞ぐことなく、ヒートシンク３１０の放熱性能を確保可能となっている。
なお、図１０に示すように、ガイドレールを設けることなく、サブラック３２０に直接支持させ、ヒートシンク３１０の上端、下端において、左右（フィン３１２の先端とベース３１１の背面）を固定部３４０で支持する構造としてもよい。

さらに、図１１に示すように、フィン３２１の中央部付近に凹部を形成し、挿入方向に形成した固定部３４０に嵌合するようにしてもよい。また、図１２に示すように、固定部３４０をＬ字型として、ヒートシンク３１０の上端、下端において、左右を支持するようにしてもよい。
これらの固定部３４０は、電子基板３００に搭載されるヒートシンク３１０の挿入方向に連続的に設けてもよく、断続的に設けてもよい。
本実施例によれば、ヒートシンク３１０をサブラック３２０に装填する際は、上下にレール挿入部を設けるための加工が不要となるため、ヒートシンク３１０の製造コストが減少する。

［実施例３］
図１３は、ヒートシンク３１０の上下をサブラック３２０で直接支持し、ヒートシンク３１０にレール挿入用部品３５０を連結し、電子基板３００の上下を挟むようにした例である。本実施例によれば、サブラック３２０に装填する際には、レール挿入用部品３５０の上下に形成したレール挿入部を、対応するガイドレール３３０に嵌合させて挿入すればよく、フィンやベースにレール挿入部加工が不要となる。また、レール挿入用部品３５０を電磁シールド効果のある材質で形成することで、電磁ノイズの放射を抑制することもできる。

［実施例４］
図１４は、ヒートシンク３１０に形成したレール挿入部、ガイドレール３３０に形成した凹部を、三角形状に接触させるようにした例である。本実施例によれば、ヒートシンク３１０に形成したレール挿入部とガイドレール３３０との接触部の角度が大きくなり、接触面積も増大できるため、接合部の応力集中が軽減でき、強度が向上する。また、レール挿入部を三角形とすることで、レール挿入部の寸法精度が低い場合においても、高い位置精度で実装することが可能となる。
両者の接触形状は、三角形に限らず、円形、あるいは、ガイドレールの両外側に密着するような凹型等、ヒートシンク３１０の形態に応じて、様々なものを採用することができる。また、ヒートシンク３１０に形成したレール挿入部とガイドレール３３０との接触部の両方、あるいはいずれか一方に、自己潤滑性樹脂等の樹脂皮膜を形成しておくと、サブラック３２０への挿入を円滑にするとともに、固有振動数を高めることができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ 電子基板
１１０ ヒートシンク
１１１ ベース
１１２ フィン
１１３ レール挿入部
１３０ レール
２００ 電子基板
２０１ コネクタ
２０２ 発熱部品
２１０ ヒートシンク
２１２ フィン
２１３ レール挿入部
２２０ サブラック
２２１ バックプレーン
２２２ フロントパネル
２３０ ガイドレール
３００ 電子基板
３１０ ヒートシンク
３３０ レール
３３１ 通気口
３４０ 固定部

Claims (4)

1. ベースと該ベースに対し略垂直方向に延出するフィンを備えたヒートシンクと、該ヒートシンクに装着され、発熱部品の発熱を前記ヒートシンクを介して放熱する電子基板と、前記電子基板及びヒートシンクを格納する構造体とを備え、
   前記ヒートシンクを前記構造体に支持させるとともに、前記フィン間に対流方向の流路空隙を形成する固定構造を具備することを特徴とするヒートシンクを備えた電子装置。
2. 前記構造体の上下に前記ヒートシンクを支持するガイドレールを設けるとともに、前記ヒートシンクに前記ガイドレールと結合する結合部を設け、前記ヒートシンクを前記ベースと平行に誘導して、前記構造体に格納するようにしたことを特徴とする請求項１に記載されたヒートシンクを備えた電子装置。
3. 前記結合部の幅が前記電子基板の厚さと同じであることを特徴とする請求項２に記載されたヒートシンクを備えた電子装置。
4. 前記ガイドレール及び前記結合部は、前記ヒートシンクの前記ベース及び前記フィンの少なくとも一方に対応して配置されていることを特徴とする請求項３に記載されたヒートシンクを備えた電子装置。

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