(57)【要約】【課題】発熱体を含む複数のユニット構造が積み上げられた構成を持つ装置内の冷却を、行う場合、上方に位置する発熱体ほどその温度も高くなる。ファン自体を動作させるための電力が必要となり故障した場合に、装置内部温度が急上昇し部品の故障に繋がる。冷却ファンを使用せずに効率的かつ高い信頼性に行う方法に対する必要性がある。通信装置、情報処理装置および電源装置では、低消費電力化および信頼性の両立の要請は高い。【解決手段】発明の冷却機構を持つ装置は、冷気と暖気とを分離するための空気のフローを生成する複数の空気フロー制御構造（仕切り構造）を備え、さらに個々のユニットにおいて、発熱体の上下面の少なくとも一部に空気のフローを遮蔽する包囲構造と、冷気取り込み口および暖気排出口とを設けた。装置内において冷気のフローと暖気のフローとを分離することによって、発熱体（ユニット）の位置に関わらず各ユニットに対して同等の冷却効果を実現する。発熱体自体が発生する熱によって一連の空気のフローを作り出す。【選択図】図３
2013219072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つが発熱体を含み、各々の上面および下面が開放構造を持つ複数のユニットが垂直方向に配置され、前記複数のユニットより下方に配置された冷気取り入れ開口部および前記複数のユニットより上方に配置され前記発熱体からの暖気を排出する暖気排出開口部を有する装置において、
前記装置の内部であって前記複数のユニットよりも下方に配置され、前記冷気と前記暖気を分離して、垂直に配列された前記複数ユニットに接触する少なくとも１つの冷気のフローを形成するフロー制御構造と、
前記複数のユニットの各々の前記上面および前記下面の少なくとも一部を遮蔽し、かつ、前記ユニットの下方であって、前記少なくとも１つの冷気フローから分流した冷気を取り込む冷気取り入れ口と、前記ユニットの上方であって前記冷気取入れ口の対向する面に配置された、前記発熱体からの熱を排出する暖気排出口とを形成するように構成された、前記ユニット内に含まれる包囲構造と
からなる冷却機構を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記装置の内部であって前記複数のユニットよりも上方に配置され、前記寒気のフローを遮断し、前記複数のユニットの前記暖気排出口からの暖気を集合して暖気のフローを導く第２のフロー制御構造をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記冷気のフローの経路として、前記複数のユニットのフロントパネルにアクセスするための前記装置の最も表面側に構成された空間を利用し、前記複数のユニットの前記フロントパネル上に前記冷気取入れ口が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記冷気のフローの経路として、前記複数のユニットの最下段のユニットから最上段のユニットまでを垂直に貫いて、前記複数のユニットの各々の前記上面および前記下面に貫通穴が形成され、かつ、前記貫通穴を通る冷気のフローに接する内部面上に前記冷気取り入れ口が形成されるように前記包囲構造が構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記包囲構造において、前記冷気取り入れ口が形成される面は、前記発熱体の方向に向かって垂直面よりも傾斜した面となっており、前記暖気排出口が形成される面は、前記冷気取り入れ口の前記形成面と平行な傾斜した面となっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記包囲構造において、前記暖気排出口は、ユニットの前記上面よりも低い位置に形成され、前記暖気排出口の上辺近傍に、前記発熱体からの暖気のフローに沿った曲げ面を含む折り曲げ構造を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記包囲構造において、前記ユニットの前記上面および前記下面に隣接する包囲構造の上面および下面は、前記発熱体からの暖気のフローに沿って水平面よりも上向きに傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、半導体スイッチを含む遮断器ユニットが垂直方向に配置された分電装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、電源装置などの電気装置または通信装置、情報処理装置もしくは記憶装置などを含む電子装置の冷却機構に関する。より具体的には、複数の発熱体を含む装置における低コストで低消費電力の冷却機構に関する。
【０００２】
近年の携帯型の無線通信機器の幅広い普及にともなって、インターネットおよび基幹通信網は大容量化、高速化がますます進んでいる。とりわけ、スマートフォン端末の急激な広がりとともに無線通信ネットワークの輻輳が発生するなど、通信容量の増大が急がれており、ネットワーク側における通信機器の需要も急速に高まっている。
【０００３】
このような状況で、例えば、ネットワークセンタに置かれる通信機器にはより低電力化と低コスト化が望まれている。通信の高速化によって例えばインターネットを支えるルータ、スイッチなどの通信機器および記憶装置の高速化は著しく、これらの装置における発熱量は膨大量になると考えられている。さらに、これらの通信機器などに電力を供給するための電源装置の数も増加する。上述の状況は、多くのコンピュータや記憶装置を備えたデータセンタなどにおいても同様である。
【０００４】
例えば、通信装置は、典型的には収納架やフレーム、壁などに固定され、別個の電源装置から給電される。電源装置は、外部から交流電力を受電して、変圧または整流等を行い、複数の電源系統に分岐をして、他の通信機器に交流電力または直流電力を供給する。電源装置も、通信装置と類似した収納架やフレーム内に収められる構成を持ち、床、壁などに固定される。電源装置では、事故電流などを遮断して負荷側の設備を保護するために、各分岐系統の過電流を検出して、電流の供給経路を遮断する遮断器が使用されている。遮断器としては、従来、ヒューズまたはブレーカなどが使用されてきたが、一旦遮断動作が実行されると部品交換をする必要が生じる。したがって、遮断器を電源装置の前面に置いて、遮断器を交換するために必要な作業がしやすいような位置に設置する必要があり、電源装置のラック前面に大きなスペースを確保する必要がある。
【０００５】
近年は、ヒューズやブレーカに変わって、半導体スイッチを使用した遮断器が使用されるようになっている。半導体スイッチを使用した遮断器は、電流を検出して、過電流が生じたときにスイッチをオフとする装置である。ヒューズなどのように交換をする必要がないので、半導体スイッチを含む遮断器装置をラックの前面に配置するのではなく、内部に配置することが可能となり、ラック前面での占有面積を抑えることも可能となる。一方で、通常の動作時には、半導体スイッチの内部を負荷電流が流れるため、半導体素子のオン抵抗による発熱が生じる。ヒューズなどと比べて、電源装置内部での発熱量はむしろ増加する傾向にある。
【０００６】
電子装置における発熱量に着目すれば、情報処理装置、通信装置においては、例えばＣＰＵなどの半導体デバイスが熱の発生源となる。また、電源装置においては、上述の半導体スイッチを使用した遮断器が大きな発熱源として注目されている。以下、電源装置の中で、遮断器を含む分電装置を例にして発熱量に関する問題点を説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６４６１８８号  明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１は、半導体スイッチを用いた遮断器を含む分電装置の構造を示す図である。分電装置１は、金属などでできた全体フレーム構造の内部に、水平方向（ｘ軸方向）に並んだ複数の遮断器ユニット２ａ〜２ｅが、垂直方向（ｙ軸方向）にも複数段に積み上げられるように（２ａ〜２ｄ）配列されている。分電装置１の前面から手前方向（ｚ方向）に各ユニットを引き出すことができるようにアクセス可能な構造の場合もある。図１のユニット配列面の反対側（ｚ軸の奥）にも遮断器ユニットが配列される場合もある。装置１の上部には、ファン３が設置されており、装置内部に空気のフローを生じさせ、各遮断器ユニットで発生した熱の排熱が行われる。装置の下部には、図示していないが、空気を取り入れる開口部が設けられる。分電装置の前面は扉によって囲われて、分電装置内部では、下方から上方へ向かった空気のフローが形成される。
【０００９】
図２は、分電装置内を側面から見た空気のフローを模式的に示した図である。図１に示した分電装置１を右側の側面から見た図に対応する。図２の左半分に配置された遮断器ユニット２ａ〜２ｄは、図１におけるｘ軸上の特定の位置における装置前面にあるユニットを示している。右半分に配置された遮断器ユニット４ａ〜４ｄは、図１における装置後面にあるユニットを示している。各遮断器ユニットの内部には、半導体スイッチなどの発熱体５ａ〜５ｄ、５ｅ〜５ｈを概念的に示してある。
【００１０】
半導体スイッチを含む遮断器は、故障した際に故障した遮断器毎に取り出せるようにユニット化されている。各ユニットは、例えば、その外形を保持するためのフレーム構造および前面（ｘ−ｙ面）および側面（ｙ−ｚ面）の板などで構成されている。一体の筺体として構成される場合もある。一方、各ユニットの上面および下面（ｘ−ｚ面）は、空気のフローを確保するためにメッシュ状構成またはほとんど何も存在しない開放面の構成となっている。従来技術の電源装置における排熱は、図２に示すように、ファン３を装置の上部または下部に設けて、装置下方の開口部から取り入れた空気を上方に向かって流すことによって行われていた。
【００１１】
しかしながら、図２に示したような構成の分電装置では、以下に述べるような問題が生じていた。図２のように、各々が発熱体を含む複数のユニットが垂直方向（ｙ軸方向）に配置されている装置構成の場合、ファン３によって冷却を行う機構には、次のような問題がある。第１に、分電装置内で上方であるほど周囲温度が高くなるため、上方に位置する発熱体ほどその温度も高くなる。上方の空気は、下方の発熱体によって既に暖まっており、空気の温度は段々と上昇する。上方の空気には冷却能力があまり無いために、上方の発熱体ほどその温度が高くなり、故障の可能性が高まってしまう。第２に、ファン３自体を動作させるための電力が必要となる。第３に、ファン３が故障した場合に、装置内部の温度が急激に上昇し、装置内の部品の故障に繋がる危険がある。さらに、ファンの冷却を温度に応じて適応的に行うためには、ファンの回転速度の制御機構が追加で必要となる。
【００１２】
半導体スイッチを用いた遮断器を含む分電装置を、ファンを使用しないで冷却する技術も提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載された分電盤では、熱伝導を利用しているが、このような構成でも、十分な冷気がなければ、発熱体からの熱を大気中に逃がして分電盤の筺体を冷やすことはできない。
【００１３】
上述のように、発熱体を含む複数のユニット構造が垂直方向に配置された構成を持つ装置内の冷却を、冷却ファンを使用せずに効率的かつ高い信頼性に行う方法に対する必要性がある。特に、低消費電力化を求められている通信装置、情報処理装置および電源（分電）装置においては、低消費電力化および信頼性の両立が可能な冷却の仕組みの要請は高い。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低消費電力で信頼性の高い電気設備、電子装置などの冷却機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも１つが発熱体を含み、各々の上面および下面が開放構造を持つ複数のユニットが垂直方向に配置され、前記複数のユニットより下方に配置された冷気取り入れ開口部および前記複数のユニットより上方に配置され前記発熱体からの暖気を排出する暖気排出開口部を有する装置において、前記装置の内部であって前記複数のユニットよりも下方に配置され、前記冷気と前記暖気を分離して、垂直に配列された前記複数ユニットに接触する少なくとも１つの冷気のフローを形成するフロー制御構造と、前記複数のユニットの各々の前記上面および前記下面の少なくとも一部を遮蔽し、かつ、前記ユニットの下方であって、前記少なくとも１つの冷気フローから分流した冷気を取り込む冷気取り入れ口と、前記ユニットの上方であって前記冷気取入れ口の対向する面に配置された、前記発熱体からの熱を排出する暖気排出口とを形成するように構成された、前記ユニット内に含まれる包囲構造とからなる冷却機構を備えたことを特徴とする装置である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の装置であって、前記装置の内部であって前記複数のユニットよりも上方に配置され、前記寒気のフローを遮断し、前記複数のユニットの前記暖気排出口からの暖気を集合して暖気のフローを導く第２のフロー制御構造をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１の装置であって、前記冷気のフローの経路として、前記複数のユニットのフロントパネルにアクセスするための前記装置の最も表面側に構成された空間を利用し、前記複数のユニットの前記フロントパネル上に前記冷気取入れ口が配置されたことを特徴とする。
【００１８】
逆に、前記暖気のフローの経路として、前記複数のユニットのフロントパネルにアクセスするための前記装置の最も表面側に構成された空間を利用し、前記複数のユニットの前記フロントパネル上に前記暖気排出口が配置される構成でも良い。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１の装置であって、前記冷気のフローの経路として、前記複数のユニットの最下段のユニットから最上段のユニットまでを垂直に貫いて、前記複数のユニットの各々の前記上面および前記下面に貫通穴が形成され、かつ、前記貫通穴を通る冷気のフローに接する内部面上に前記冷気取り入れ口が形成されるように前記包囲構造が構成されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１の装置であって、前記包囲構造において、前記冷気取り入れ口が形成される面は、前記発熱体の方向に向かって垂直面よりも傾斜した面となっており、前記暖気排出口が形成される面は、前記冷気取り入れ口の前記形成面と平行な傾斜した面となっていることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５の装置であって、前記包囲構造において、前記暖気排出口は、ユニットの前記上面よりも低い位置に形成され、前記暖気排出口の上辺近傍に、前記発熱体からの暖気のフローに沿った曲げ面を含む折り曲げ構造を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１の装置であって、前記包囲構造において、前記ユニットの前記上面および前記下面に隣接する包囲構造の上面および下面は、前記発熱体からの暖気のフローに沿って水平面よりも上向きに傾斜していることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１の装置であって、記装置は、半導体スイッチを含む遮断器ユニットが垂直方向に配置された分電装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によって、発熱体を含む複数のユニット構造が垂直方向に配置された構成を持つ装置内の冷却を、冷却ファンを使用せずに効率的にかつ高い信頼性で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、半導体スイッチを用いた遮断器を使用した遮断器を含む電源装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、分電装置内を側面から見た空気のフローを示した図である。
【図３】図３は、本発明の冷却機構を含む装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１の装置の冷却機構の構成を示した図である。
【図５】図５は、本発明の実施例１におけるユニット単体の構造例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施例２の装置の冷却機構の構成を示した図である。
【図７】図７は、本発明の実施例２におけるユニット単体の構造例を示す図である。
【図８】図８は、ユニットの包囲構造の変形例の構成を示す図である。
【図９】図９は、ユニットの包囲構造のさらなる変形例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、発熱体を含む複数のユニットが垂直方向に配置された構成を含む装置において、冷気と暖気とを分離するための空気のフローを生成する複数の空気フロー制御構造（仕切り構造）を備え、さらに個々のユニットにおいて、発熱体の上下面の少なくとも一部に空気のフローを遮蔽する遮蔽構造と、冷気取り込み口および暖気排出口とを設けたことと特徴とする冷却機構を提供する。装置内において冷気のフローと暖気のフローとを分離することによって、発熱体（ユニット）の位置に関わらず各ユニットに対して同等の冷却効果を実現する。装置全体の空気のフローを作るための冷却ファンを必要としないため、装置における消費電力を減らすとともに、発熱体自身が発生する熱による気流で冷却を行う。以下、詳細に本発明の冷却機構を含む装置の構成を説明する。
【００２７】
図３は、本発明の冷却機構を含む装置の構成を示す図である。図３は、本発明の冷却機構を、図２で説明をした半導体スイッチを含む遮断器ユニットを備えた分電装置を例にとって説明する。図３の分電装置３０は、図２で示した分電装置１と基本的に同一の構成を持っている。すなわち、発熱体５ａを含むユニット２ａが、垂直方向（ｙ軸方向）に積み上げられるように配置された構成を持っている。図３ではユニットは垂直方向に６つ配置された構成が例示されているが、２以上のユニットが配置されていれば本発明の冷却機構が適用できる。ユニットは、装置３０の前面（図３では左側の列）に１列および後面（図３では右側の列）に１列それぞれ配置されている。図３は、分電装置を側面から見た断面図であり、図３の右側または左側から正面（または背面）見た場合には、図１に示したように２次元（ｘ−ｙ面）にユニットが配置されている。したがって、図３は、ｘ軸上のある位置における垂直方向に並んだ２列のユニットの断面（ｙ−ｚ面）を示している点に留意されたい。
【００２８】
ユニットとは、同一のまたは異なる一定の機能を有し、一定の外形を規定する構造物の内部に収納された機構部品および電気部品などによってその機能が実現されているものを言う。ユニット毎に装置から取り外すことができる構成も可能であるが、本発明でユニットが取り外しが可能であることは必須ではない。ユニットの形状およびサイズは、必ずしも同一である必要は無く、例えば、高さ（ｙ軸方向）が異なるユニットが、垂直方向に配列された構成でも良い。また、ユニットの内部には、例えば半導体スイッチのような発熱体が含まれている。垂直方向に配列されたすべてのユニット中に発熱体が含まれている必要は無い。
【００２９】
以下の説明では、簡単のため、すべてのユニット同じ構造であって、すべてのユニット内に同一種類の発熱体５ａ、例えば半導体スイッチがあるものとして説明する。図２において従来技術のユニットの構造について説明したように、本発明の冷却機構の一部を構成するユニットは、従来技術同様に、これに限定はされないが例えば直方体形状の構造物とする。ユニットの上面および下面（ｘ−ｚ面）は、垂直方向の空気のフローが確保されるように、開放面構造となっているか、または、例えばメッシュ状構造の面となっている。
【００３０】
本発明の冷却機構を含む装置では、従来技術の構成と比べて、２つの異なる構成要素を含んでいる。すなわち、既存のユニット構造の遮断器などに対して、追加の要素を加えることによって本発明の冷却機構を構成できる。
【００３１】
第１に、装置３０内部全体で、冷気のフローと暖気のフローとを分離する空気フロー制御構造３１ａ、３１ｂ、３２が設けられている。装置内部で垂直方向に配列された複数のユニットの下方に配置された第１の空気フロー制御構造３２は、図３には示されていない装置下部の冷気取り入れ開口部からの冷気を所定の方向に導く。例えば、図３にあるように、装置の前面（ｘ−ｙ面）と後面（ｘ−ｙ面）の２つの方向に冷気を導く。分流した２つの通路の冷気は、垂直方向に流れる冷気のフロー３４、３５を形成する。第１の空気フロー制御構造３２は、装置内部で装置下部の冷気取り入れ開口部と複数のユニットとの間を仕切る板で良いが、冷気取り入れ開口部からの空気のフローをよりスムーズに導くように、冷気のフロー３４、３５に向かって傾斜しているのが好ましい。
【００３２】
一方、装置３０内部で垂直方向に配列された複数のユニットの上方には、第２の空気フロー制御構造３１ａ、３１ｂを備える。第２の空気フロー制御構造３１ａ、３１ｂは、冷気のフロー３４、３５を遮断するとともに、各ユニットから排出される暖気を集合して、装置内部の中心部における上方へ向かう暖気のフロー３６を形成する。暖気のフロー３６は、装置上部の暖気排出開口部から排出される。第１の空気フロー制御構造３２および、第２の空気フロー制御構造３１ａ、３１ｂによって、装置内部における冷気および暖気が完全に分離される。
【００３３】
図２に示した従来技術の装置構造では、下方にある発熱体を冷却した後の暖気が、さらに上のユニット内の発熱体のための冷気として再び利用されており、装置内で冷気と暖気とが混合していた。本発明の装置構造では、冷気と暖気とが混合することはない。さらに、空気のフローが、複数の発熱体の冷却のために何度も繰り返し使用されることもない。
【００３４】
本発明の冷却機構を含む装置における新規な第２の要素は、発熱体の熱を奪う空気のフローを生成するために各々のユニット内に設けられた包囲構造８ａ、９ａである。図３では、各々のユニットが同一の包囲構造を持っているものとする。従来技術でも述べたように、ユニットの上面および下面は、垂直方向に空気が十分に流れるように開放面構造またはメッシュ状面などの構造を持っていた。本発明では、ユニットの上面および下面の少なくとも一部を遮断し、かつ、ユニットの冷気フロー側でユニット下部に冷気取り込み口６ａ、ユニットの暖気フロー側でユニット上部に暖気排出口７ａを形成するために、包囲構造８ａ、９ａを新たに設けている。
【００３５】
この包囲構造８ａ、９ａは、従来技術で空気が垂直方向に十分に流れるように開放面またはメッシュ状面などとしていたユニットの上面および下面で、逆に空気のフローを遮断するように動作する。包囲構造８ａ、９ａによって、従来技術の装置において下方から上方へ向かって流れていた空気のフローを遮断するとともに、同時に形成される冷気取り込み口６ａおよび暖気排出口７ａによって、ユニット２ａ内の発熱体５ａで発生する熱を奪うための空気のフロー３３を作り出す。
【００３６】
図３において、各ユニットは、そのｙ−ｚ面の断面が表示されている。したがって、包囲構造８ａ、９ａは、２つの別個の部分であるかのように描かれているが、一体の構造物として構成できる。一体の構造物のより具体的な構成は、図５および図７でさらに説明する。
【００３７】
包囲構造８ａ、９ａは、ユニット内の下面から上面への空気のフローを遮断できれば良い。したがって、従来のユニット構造の下面および上面の少なくとも一部を覆うように新たな遮蔽板などを追加すれば良い。したがって、包囲構造８ａ、９ａは、既存のユニットの外形構造に新たな枠構造を加えて構成できる。また、あらかじめ遮蔽板などの包囲構造を含むユニットとして構成しても良い。ユニットは、従来から、ｘ軸方向に配列される隣り合うユニット間を分離するために、ｙ−ｚ面は空気のフローを遮蔽する構造となっている場合が多い。したがって、上下面（ｘ−ｚ面）だけに新たな遮蔽板などの枠を追加して、包囲構造８ａ、９ａを簡単に構成できる。
【００３８】
また、垂直方向に隣り合うユニット間で、ユニット上面の包囲構造８ａと隣のユニットの下面の包囲構造９ａを兼ねるような構成でも良い。要は、従来のユニットに対して、下面および上面の少なくとも一部を覆い、かつ、冷気取り込み口と暖気排出口によって、ユニット内の発熱体の熱を奪うための空気のフローを作り出すことのできるような包囲構造であれば良い。
【００３９】
本発明では、装置の下部に設けられた第１の空気フロー制御構造３２によって、暖気と分離された寒気のフロー３４、３５を形成し、さらにこの寒気のフローが各ユニット内に導かれて、冷気取り込み口６ａおよび暖気排出口７ａの間の空気のフロー３３が形成される。各ユニットからの暖気は、第２の空気フロー制御構造３１ａ、３１ｂによって、寒気と混合することなく装置上部の暖気排出開口部から暖気として排出される。
【００４０】
本発明の冷却機構によって、冷気と暖気とが分離された空気のフローを形成できる。さらに、１つの発熱体の冷却のために使用された空気を再使用しないため、どの発熱体に対する冷却能力もほぼ同一の空気のフローを形成できる。装置内におけるユニットの位置に関係なく発熱体を冷却できる。従来技術では、空気のフローは幅広く、しかも直列に多くの発熱体を経由していたため、流速も比較的遅い。これに対して、本発明の構成では、個々の空気のフローの断面積が小さくより早い流速が実現できる。装置上部にファンを必要としないため、冷却機構が新たな電力を消費する必要が無い。また、発熱体における発熱量が多いほど、大きなフローが発生するため、発熱量が多い場合でも少ない場合でも、適切な風量と冷却能力を得ることができる。
【００４１】
本発明の冷却機構は、半導体スイッチの遮断器ユニットが搭載された分電装置などに好適である。しかし、分電装置だけに限られず、発熱体を含む複数のユニットが垂直方向に配置されている装置に適用できる。各々のユニット内に空気のフローが形成できるように内部にある程度の隙間を持つユニットであれば、どのような機能のユニットを含む装置にも適用できる。個々のユニットは、ガイド構造によって装置から取り外し可能な構造でも良いし、装置内に固定された状態でも良い。また、個々のユニットが密着していても、または  ユニット間に隙間があっても良い。
【００４２】
例えば、ハードディスクドライブなどの記憶装置デバイスをユニット内に含み、このユニットが垂直方向に積み上げられた構成の情報処理装置などに適用できる。また、個々のユニットが異なる機能を持つ場合でも良い。例えば、１つのユニットが記憶装置であり、その上にユニットがＣＰＵを含む制御ユニットであって良い。また、１つまたは複数の基板（パッケージ）が垂直に立てて挿入された機能ユニットが、垂直方向に多く積み上げられた構成の電子装置、電気設備にも適用できる。以下、本発明の冷却機構を含む装置のより具体的な実施例について詳細に述べる。
【実施例１】
【００４３】
図４は、本発明の実施例１に係る装置の冷却機構の構成を示した図である。図４も、図２で説明をした半導体スイッチを含む遮断器ユニットを備えた分電装置４０を例にとって説明する。本実施例は、図３で説明した基本的な装置構成において、冷気が流れる通路として装置４０の前面および後面の各扉と各ユニットが収納されている面（フロントパネル）との間の空間を利用したものである。電気設備または電子装置などの、金属などでできたフレーム構造を持つ架構成の装置では、ユニットが搭載される正面に、ユニットの操作や保守を行うために開閉可能な扉を持っており、この扉とユニットが配列された面との間には空間４３、４４がある。この空間を利用して冷気のフローの通路４５、４６を形成できる。
【００４４】
本実施例では、装置下部にある第１の空気フロー制御構造４２によって、装置の前面側の空間４３および後面側の空間４４に冷気を導く。装置外部からの冷気が、装置下部に開けられた冷気取り入れ開口部（図示せず）などを介して導入される。本実施例では、各ユニットの正面の下部にそれぞれ冷気取り込み口６ａが形成され、装置中心側にあるユニット背面の上部に暖気排出口７ａが形成されるように、ユニット２ａへ包囲構造８ａ、９ａが追加される。空間４３、４４を流れた冷気は、冷気取り込み口６ａに入る。冷気取り込み口６ａおよび暖気排出口７ａの間で、各ユニット内の発熱体５ａを冷やす空気のフロー４７が形成される。各ユニットの暖気排出口７ａからの暖気は合流して、第２の空気フロー制御構造４１ａ、４１ｂによって形成される暖気のフロー４８となって装置上部の暖気排出開口部から排出される。
【００４５】
図５は、本発明の実施例１におけるユニット単体の構造例を示す図である。ユニットは、全体として、正面（ｘ−ｙ面）のユニット下方に、冷気取り込み口６ａを備え、ユニットの背面の上部に、暖気排出口７ａを備える。冷気のフロー４５の一部は、概ねｚ方向のユニット内の空気のフロー４７となり、装置中心部における暖気のフロー４８に合流する。図５から明らかなように、図３、図４に示した包囲構造８ａ、９ａは、別個のものではなく、ユニット筐体（外形）の一部として取り込まれて形成され、ユニット毎に一体のものとして構成できる。
【００４６】
第１の実施例では、装置の中心部分に暖気４８を流し、装置の表面側に冷気４５、４６を流す構成である。しかし、暖気および冷気の通路の位置を逆とする構成も可能である。この場合には、装置下部にある第１の空気フロー制御構造４２は、中心部分に開口部を持つものとなり、中心分に向かって傾斜した構造とするのが好ましい。逆に、装置上部にある第２の空気フロー制御構造４１ａ、４１ｂは、開口部をなくして、一体で単純に装置の上面を閉じるものとなる。暖気の通路となる空間４３、４４の最上部はいずれも開口部となる。
【００４７】
暖気および冷気の通路を逆とする構成では、各ユニットの冷気取り込み口６ａおよび暖気排出口７ａの位置は図面上で左右反転させたものとなるのは言うまでも無い。したがって、本発明において、暖気および冷気の通路を装置内のどこに配置するかは選択可能である。本発明の冷却機構では、装置内の発熱体によって生じる、装置下部から上部へ向かう空気のフローを利用できるように、装置の下部に配置した第１の空気フロー制御構造と、装置の上部に配置した第２の空気フロー制御構造とにより、冷気と暖気が混合しないようなフローを形成する点に特徴がある。したがって、装置内の冷気の通路と暖気の通路の配置構成に応じて、各ユニットに、冷気の通路側であってユニット下部に形成した冷気取り込み口と、暖気の通路側であってユニット上部に形成した暖気排出口を併せ持っていれば良い。
【００４８】
図３、図４の構成では、装置の前面および後面の両方（２列）にそれぞれユニットが積み上げられた構成であるため、冷気の通路も装置の前面および後面に構成されている。しかし、装置内に１列だけユニットが積み上げられている場合であれば、１つの冷気の通路と１つの暖気の通路が構成されれば良い。
【００４９】
図５のユニット構成では、ユニットの正面（ｘ−ｙ面）は、水平面に対して垂直のように描かれているが、傾斜角で５度程度ユニットを奥に向かって立て掛けるように傾斜させることで、冷気４５が効率よくユニット内部に取り込まれる。同様に、ユニットの背面（ｘ−ｙ面）も、水平面に対して垂直のように描かれているが、暖気４８側（装置の中心部）に向かって傾斜させることで、ユニット内部の空気のフロー４７が効率よく排出される。すなわち、包囲構造において、冷気取り入れ口が形成される面（正面）は、発熱体の方向に向かって垂直面よりも傾斜した面となっており、暖気排出口が形成される面（ユニット背面）は、冷気取り入れ口の形成面と平行な傾斜した面となっている。このユニット正面および背面の傾斜は、図３、図４において包囲構造８ａ、９ａのｙ軸辺の傾斜で表されている。ユニットの外形自体を傾斜させるのが難しい場合は、ユニットの内部に補助的な板などで包囲構造を追加すれば良い。
【実施例２】
【００５０】
図６は、本発明の実施例２に係る装置の冷却機構の構成を示した図である。図６も、図２で説明をした半導体スイッチを含む遮断器ユニットを備えた分電装置６０を例にとって説明する。本実施例は、図３で説明した基本的な装置構成において、冷気が流れる通路のために、各ユニット内で装置６０の前面（後面）近傍に、装置全体を貫く冷気の通路を構成できるような貫通穴を形成したものである。従来技術の装置において、空気が十分に流れるように開放面構造またはメッシュ状面などであったユニットの上面および下面で、最下段のユニットから最上段のユニットまでを垂直に貫く通路を形成する貫通穴６９ａ〜６９ｄを形成する。ただし、最上段にあるユニットの上面は冷気が発熱体の冷却をしないまま装置外部へ出ないように、貫通穴を形成しない。
【００５１】
上述の構成によって、ユニットの装置の周囲側（前面および後面）の近傍に冷気のフロー６５、６６を形成することができる。ｚ軸方向についての穴６９ａの位置は、ユニット内の空気のフロー６７を生じて発熱体５ａを冷却するような位置でなければならないのは言うまでも無い。第１の空気フロー制御構造６２によって装置下部の冷気取り入れ開口部（図示せず）から、冷気のフロー６５、６６を導くのは実施例１と同様である。また各ユニットの内部において、冷気のフロー６５、６６に面したユニット内部面の下部にそれぞれ冷気取り込み口６ａが形成され、装置中心側にあるユニットの背面の上部に暖気排出口７ａが形成されるように、ユニット２ａへ包囲構造８ａ、９ａが追加されるのも実施例１と同様である。包囲構造８ａ、９ａは一体のものとして、貫通穴とともに構成できる。
【００５２】
図７は、本発明の実施例２におけるユニット単体の構造例を示す図である。ユニットは、正面７１（ｘ−ｙ面）近傍に、装置全体を貫通する冷気のフロー６５を形成できるように、上下面に貫通穴６９ａ、６９ｂが形成されている。さらに、ユニットの内部であって、貫通穴６９ａ、６９ｂによって導かれる冷気のフロー６５に面した内部面７２の下方に、冷気取り込み口６ｂを備え、ユニットの背面の上方に、暖気排出口７ｂを備える。冷気のフロー６５の一部は、概ねｚ方向のユニット内の空気のフロー６７となり、装置中心部における暖気のフロー６８に合流する。図７から明らかなように、図６に示した包囲構造８ａ、９ａは、別個のものではなく、ユニット筐体（外形および内部の仕切り）の一部として取り込まれて形成され、ユニット毎に一体のものとして構成できる。
【００５３】
第１の実施例の構成と同様に、本実施例でも暖気および冷気の通路の位置を逆とする構成も可能である。また、図６の構成では、装置の前面および後面の両方（２列）にそれぞれユニットが積み上げられた構成であるため、冷気の通路も装置の前面および後面に構成されている。しかし、装置内に１列だけユニットが積み上げられている構成の場合であれば、１つの冷気の通路と１つの暖気の通路が構成されれば良い。
【００５４】
図７のユニット構成では、ユニットの内部面７２（ｘ−ｙ面）は、水平面に対して垂直であるかのように描かれているが、内部面７２を傾斜角で５度程度、奥に向かって立て掛けるように傾斜させることで、冷気６５が効率良く各ユニット内部へ取り込まれる。同様に、ユニット背面（ｘ−ｙ面）も、水平面に対して垂直であるかのように描かれているが、暖気６８側（装置の中心部）に向かって傾斜させることで、ユニット内部の空気のフロー６７が効率よく排出される。すなわち、包囲構造において、冷気取り入れ口が形成される面（内部面７２）は、発熱体の方向に向かって垂直面よりも傾斜した面となっており、暖気排出口が形成される面（ユニット背面）は、冷気取り入れ口の形成面と平行な傾斜した面となっている。このユニット内部面および背面の傾斜は、図６において包囲構造８ａ、９ａのｙ軸辺の傾斜で表されている。
【００５５】
図８は、ユニットの包囲構造の変形例の構成を示す図である。図４および図６に示した実施例１および実施例２のユニットの構成では、包囲構造８ａ、９ａは、ユニットの外形と概ね一致する構造を持っていた。図８の（ａ）は実施例２の装置におけるユニットの断面構造を示している。ユニットの前面側（冷気側）の下方にある冷気取り込み口６ａと、ユニットの背面の上方に、暖気排出口７ａとの間に、高さの差があるため、発熱体５ａの熱を吸収して、等価的に斜め上方向の自然な空気のフロー４７が生じる。
【００５６】
ここで、暖気排出口７ａの構成を図８の（ｂ）に示すように変形することによって空気のフローをさらにスムーズに良くすることができる。すなわち、上側の包囲構造８ａの位置を下げて、折り曲げ構造８１を付加した暖気排出口８３ａとすることで、よりスムーズな空気のフローを得ることがでる。すなわち、包囲構造において、暖気排出口８３ａは、ユニットの上面よりも低い位置に形成され、暖気排出口８３ａの上辺近傍に、発熱体からの暖気のフローに沿った曲げ面を含む折り曲げ構造８１を持つ。
【００５７】
本発明では、装置内部の冷気と暖気が上下の空気フロー制御構造によって分離され、かつ、ユニット内部の冷気取り込み口６ｂと暖気排出口７ｂとの間の高さの差によってユニット内に斜め上方向の自然なフロー４７が生じる。装置の下方から上方へ至る一連の空気のフローの経路を適切に形成することで、冷却は発熱体自体によって生じるフローを利用して行われる。ここで、ユニット内部のフローの経路を傾斜させることで、さらに空気のフローをスムーズとして、冷却効果を高めることができる。
【００５８】
図９は、ユニットの包囲構造のさらなる変形例の構成を示す図である。本構成では、ユニット２ａ〜２ｃ自体が水平でなく、わずかに装置内部側（ｘ軸方向）に向かって傾斜するように配置されている。このような傾斜した配置では、装置にユニットを取り付ける傾斜したガイド構造が必要となる場合がある。しかしながら、ユニット自体が装置内部方向（ｘ軸方向）に向かって上方に傾斜していることで、冷気取り込み口から暖気排出口までの空気のフローがよりスムーズになる。ユニット自体が図９のように傾斜しておらず水平な場合であっても、包囲構造の上面および下面を装置内部方向（ｘ軸方向）に向かって上方に傾斜させることもできる。
【００５９】
ユニット内の発熱体には、例えばアルミなどの金属でできた放熱フィンが取り付けられる。すなわち、発熱体と接触をさせる底面を持ち、その上に形成された多数のアルミのフィン（ひれ状の薄板）が隙間をあけて同一方向に並べられた放熱フィンを利用することができる。この場合には、ユニット内で、空気のフロー４７と放熱フィンの隙間の方向とが一致するように、放熱フィンを設置すれば良い。放熱フィンの隙間の方向が、冷気取り込み口６ｂと暖気排出口７ｂとを結ぶようにユニット内に放熱フィンを設置することにより、ユニット内部での空気のフローを制御することができるようになる。
【００６０】
以上詳細に述べてきたように、本発明の冷却機構を持つ装置は、冷気と暖気とを分離するための空気のフローを生成する複数の空気フロー制御構造（仕切り構造）を備え、さらに個々のユニットにおいて、ユニットの上面および下面の少なくとも一部に、垂直方向の空気のフローを遮蔽する包囲構造と、冷気取り込み口および暖気排出口とを設けた。これによって、発熱体を含む複数のユニット構造が積み上げられた構成を持つ装置内の冷却を、冷却ファンを使用せずに効率的かつ高い信頼性で行うことができる。装置内において冷気のフローと暖気のフローとを分離することによって、発熱体（ユニット）の位置に関わらず各ユニットに対して同等の冷却効果を実現する。発熱体自体が発生する熱によって一連の空気のフローを作り出すことで、装置全体で強制的なフローを作るファンを必要とせずに、装置における不要な消費電力を減らすことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、電源装置などの電気装置または通信装置、情報処理装置もしくは記憶装置などを含む電子装置の冷却機構に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１、３０、４０、６０  装置
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｘ、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ  ユニット
３  ファン
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ  発熱体
６ａ、６ｂ  冷気取り入れ口
７ａ、７ｂ、８３ａ  暖気排出口
８ａ、９ａ、８１ａ、８１ｂ  包囲構造
３１ａ、３１ｂ、３２、４１ａ、４１ｂ、４２  空気フロー制御構造
３３、４７、６７  ユニット内の空気のフロー
３４、３５、４５、４６、６５、６６  冷気フロー
３６、４８、６８  暖気フロー
６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄ  貫通穴
７１  ユニットフロント面
８１  折り曲げ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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