(57)【要約】  電子装置２を冷却するための冷却ファン１が開示されている。前記冷却ファン１は、前記電子装置２に熱的に接続可能なヒートシンク５であって、前記ヒートシンク５の長手方向軸Ｌに中心が置かれた第１隙間側面６ａ、６ｂを持つヒートシンク５と、前記長手方向軸Ｌを中心とする環状に配設される幾つかの熱伝導ファンブレード１３とを有する。前記ファンブレード１３は、モータ１９によって前記ヒートシンク５に対して前記長手方向軸Ｌを中心に回転可能であり、各ファンブレード１３は、前記第１隙間側面６ａ、６ｂに面する第２隙間側面１４を持つ。前記第１隙間側面６と各第２隙間側面１４との間には隙間空間１８が設けられ、前記隙間空間１８の大半が、前記第１隙間側面６ａ、６ｂ及び対応する前記第２隙間側面１８に対して垂直な方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。
2017533374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子装置を冷却するための冷却ファンであり、
前記電子装置に熱的に接続可能なヒートシンクであって、前記ヒートシンクの長手方向軸に中心が置かれた第１隙間側面を持つヒートシンクと、
前記長手方向軸を中心とする環状に配設される幾つかの熱伝導ファンブレードとを有し、前記ファンブレードが、モータによって前記ヒートシンクに対して前記長手方向軸を中心に回転可能であり、各ファンブレードが、前記第１隙間側面に面する第２隙間側面を持つ冷却ファンであって、
前記第１隙間側面と各第２隙間側面との間に隙間空間が設けられ、前記隙間空間の少なくとも大半が、前記第１隙間側面及び対応する前記第２隙間側面に対して垂直な方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持ち、
前記ヒートシンクが、中実直円柱であることを特徴とする冷却ファン。
【請求項２】
前記第１隙間側面が、連続湾曲側面であり、
前記長手方向軸に沿って見たときに、前記ファンブレードが、前記ヒートシンクのまわりに配設され、
前記隙間空間が、前記長手方向軸に対して垂直な半径方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ請求項１に記載の冷却ファン。
【請求項３】
前記第１隙間側面が、連続的な平坦な側面であり、
前記ヒートシンク及び前記ファンブレードが、前記長手方向軸に沿って分離され、
前記隙間空間が、前記長手方向軸の方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ請求項１に記載の冷却ファン。
【請求項４】
前記隙間空間の前記サイズが、５０マイクロメートル未満であり、他の例においては、３０マイクロメートル未満又は１５マイクロメートル未満である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却ファン。
【請求項５】
前記第１隙間側面が、第１隙間側面面積を持ち、各第２隙間側面が、第２隙間側面面積を持ち、全ての前記ファンブレードの合計第２隙間側面面積が、前記第１隙間側面面積の約１０％から約５０％までである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却ファン。
【請求項６】
前記ファンブレードが、少なくとも１ワット毎メートル毎ケルビンの熱伝導率を持つ請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却ファン。
【請求項７】
前記ファンブレードが、ガラス、セラミック、熱伝導性プラスチック及び金属から成るグループから選ばれる材料で作成される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却ファン。
【請求項８】
各ファンブレードが、アルミニウム又はアルミニウム合金で作成される請求項７に記載の冷却ファン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の冷却ファンと、
前記ヒートシンクに熱的に接続される電子装置と、
前記ファンブレードを前記ヒートシンクに対して前記長手方向軸を中心に回転させるよう接続されるモータとを有する組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電子装置を冷却するための冷却ファンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ランプ、コンピュータ部品及び多くの他のタイプの電子装置は、動作中に熱を生成し、最適なパフォーマンスのためには冷却される必要があり得る。当業界では様々な冷却技術が知られており、それらのうちの１つは、ファンの使用による空冷である。冷却ファンは、一般に、電子装置から熱を取り除くヒートシンクを含み、前記ヒートシンクからの熱は、ファンによって生成される強制対流を通して周囲空気へ移される。
【０００３】
電子装置のための冷却装置の例は、US 8087905 B2に開示されている。この冷却装置は、冷却フィンを備えるヒートシンクを同軸で囲むモータ駆動インペラを持つ。インペラの回転は、フィンの間の空間を通って、半径方向にインペラの外への空気の流れを生成する。
【０００４】
冷却は、多くの電子装置の機能に重要であることから、冷却ファンの技術的パフォーマンスの改善は、応用研究の重要な領域である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示の目的は、電子装置を冷却するための改善された又は他の冷却ファンを提供することである。とりわけ関心があるのは、前記冷却ファンの冷却効率及びコンパクトさである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、独立請求項によって規定されている。実施例は、従属請求項、明細書及び図面に記載されている。
【０００７】
第１の態様によれば、電子装置を冷却するための冷却ファンが開示されている。前記冷却ファンは、前記電子装置に熱的に接続可能なヒートシンクであって、前記ヒートシンクの長手方向軸に中心が置かれた第１隙間側面を持つヒートシンクと、前記長手方向軸を中心とする環状に配設される幾つかの熱伝導ファンブレードとを有する。前記ファンブレードは、モータによって前記ヒートシンクに対して前記長手方向軸を中心に回転可能であり、各ファンブレードは、前記第１隙間側面に面する第２隙間側面を持つ。前記第１隙間側面と各第２隙間側面との間には隙間空間が設けられ、前記隙間空間の少なくとも大半が、前記第１隙間側面及び対応する前記第２隙間側面に対して垂直な方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。前記隙間空間の大半は、１００マイクロメートル以下のサイズを持つ隙間空間を持つ前記ファンブレードの少なくとも半分を指し得る。
【０００８】
「隙間空間」によって、前記ヒートシンクの前記第１隙間側面とファンブレードの前記第２隙間側面との間の三次元領域が意味される。隙間空間は、前記第１隙間側面及び対応する前記第２隙間側面に対して垂直な方向においてゼロでないサイズを持つことは理解されたい。
【０００９】
前記ヒートシンクに極めて接近して動く前記ファンブレードは、前記温度境界層、即ち、前記ヒートシンクの前記第１隙間側面のすぐ近くの空気の薄い低熱伝導層、熱の、前記ヒートシンクから遠くへの効率的な伝達に寄与するものの薄化効果を与える。前記ファンブレード、及び前記長手方向軸に中心が置かれた前記第１隙間側面を持つことは、重量の削減を伴う前記冷却ファンのコンパクトな設計を可能にする。
【００１０】
或る実施例によれば、前記第１隙間側面は、連続湾曲側面であり、前記長手方向軸に沿って見たときに、前記ファンブレードは、前記ヒートシンクのまわりに配設され、前記隙間空間は、前記長手方向軸に対して垂直な半径方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。前記ファンブレードは、この実施例においては、回転中に前記長手方向軸の方向に空気（又は前記冷却ファンが埋め込まれる何らかの気体若しくは流体）を排出するよう構成される。このようにして前記ファンブレードを前記ヒートシンクのまわりに配設することによって可能になる相対的に妨げられない気流は、多くの既知の冷却ファンと比べて、とりわけ、フィンにぶつかる気流が雑音を発生させるフィン付きヒートシンクを通る強制対流をベースにした既知の冷却ファンと比べて、雑音レベルの低下をもたらし得る。
【００１１】
他の実施例によれば、前記第１隙間側面は、連続的な平坦な側面であり、前記ヒートシンク及び前記ファンブレードは、前記長手方向軸に沿って分離され、前記隙間空間は、前記長手方向軸の方向において１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。前記ファンブレードは、この実施例においては、半径方向に空気（又は前記冷却ファンが埋め込まれる何らかの気体若しくは流体）を排出するよう構成され、これは、平らな基板に取り付けられる電子装置、例えば、プリント回路基板上の中央処理ユニットを冷却するのにとりわけ適切であり得る。前記ファンブレードの大半、例えば、半分に１００マイクロメートルの隙間空間を設けることは、所望の冷却を得るために十分であり得る。
【００１２】
幾つかの実施例によれば、前記ヒートシンクは、中実直円柱である。このようなヒートシンクは、製造するのが相対的に簡単である。
【００１３】
更に小さい隙間空間は、前記冷却ファンの冷却効率を改善し得る。それ故、幾つかの実施例においては、前記隙間空間の前記サイズは、５０マイクロメートル未満であってもよく、他の例においては、３０マイクロメートル未満又は１５マイクロメートル未満であってもよい。
【００１４】
幾つかの実施例によれば、前記第１隙間側面は、第１隙間側面面積を持ち、各第２隙間側面は、第２隙間側面面積を持ち、全ての前記ファンブレードの合計第２隙間側面面積は、前記第１隙間側面面積の約１０％から約５０％までである。これは、前記冷却ファンの冷却効率を改善するのに役立ち得る、特定のアプリケーションのための最適なパーセンテージは、例えば、前記冷却ファンの回転速度に依存する。
【００１５】
前記冷却ファンの冷却効率は、高い熱伝導率を持つファンブレードを用いることによって高められ得る。前記ファンブレードの熱伝導率は、一般に、少なくとも１ワット毎メートル毎ケルビン(W/m/K)である。前記ファンブレードは、ガラス、セラミック、熱伝導性プラスチック及び金属から成るグループから選ばれる材料で作成され得る。各ファンブレードは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で作成され得る。これらの金属は、それらを本発明に適したものにする高い熱伝導率を持つ。
【００１６】
上記のような冷却ファンは、前記ヒートシンクに熱的に接続される電子装置、及び前記ファンブレードを前記ヒートシンクに対して前記長手方向軸を中心に回転させるよう接続されるモータも有する組立体に有利に含まれ得る。
【００１７】
本発明は、請求項において列挙されている特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
ここで、本発明の実施例を示す添付の図面を参照して、本発明のこの及び他の態様についてより詳細に記載する。
【図１】軸流タイプの冷却ファンである冷却ファン、電子装置及びモータの実施例の概略的な分解図を遠近法によって示す。
【図２】図１の概略的な側断面図である。
【図３】図２の線Ａ−Ａに沿った概略的な断面図である。
【図４】ラジアルタイプの冷却ファンである冷却ファン、電子装置及びモータの他の実施例の概略的な側面図を示す。
【００１９】
図に図示されているような層及び領域のサイズは、説明の目的のために誇張されており、従って、本発明の実施例の大まかな構造を説明するために示されている。同様の参照符号は、全体を通して、同様の要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の現在好ましい実施例が示されている添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本願明細書に記載されている実施例に限定されるものとして解釈されるべきではない。もっと正確に言えば、これらの実施例は、完全及び完璧を期すために示されており、当業者に本発明の範囲を十分に伝える。
【００２１】
図１、２及び３は、電子装置２を冷却するための冷却ファン１の実施例を示している。電子装置２は、幾つかの光源３を備えるランプである。光源３は、半導体発光ダイオード、有機発光ダイオード、ポリマ発光ダイオード又はレーザダイオードなどの固体光源であり得る。ランプ２は、例えば、スポットライト、アルミニウム被覆放物面反射器スポットライト、バルジリフレクタ・スポットライト(bulged reflector spot lamp)、メタルハライドランプ、高輝度放電ランプ、劇場用スポットライト又はダウンライトであり得る。中央処理ユニット、グラフィックス処理ユニット及びメモリユニットなどのコンピュータ部品は、ファン冷却器１によって冷却され得る他のタイプの電子装置２の例である。
【００２２】
光源３は、一般に、担体４に取り付けられる。担体４は、光源３の動作のために必要な電気回路を供給するプリント回路基板などの回路基板を含み得る。担体４は、光源３によって生成される熱をヒートシンク５が吸収し得るようにヒートシンク５に取り付けられる。従って、ヒートシンク５及び電子装置２は、互いに熱的接触している。ヒートシンク５の形状は、円柱の形状であり、より正確には、中実直円柱の形状である。ヒートシンク５は、中央長手方向軸Ｌ、半径方向Ｒ及び接線方向Ｔを規定する。ヒートシンク５の半径ｒ１及び長手方向長さｌ１の両方ともアプリケーションに依存する。一般に、長手方向長さｌ１は、５センチメートル未満であり、半径ｒ１は、１センチメートルと１デシメートルとの間である。ヒートシンク５は、長手方向軸Ｌに中心が置かれた連続湾曲側面６ａの形態の第１隙間側面を持つ。湾曲側面６ａは、ヒートシンク５の外側側面を形成する。湾曲側面６ａは、湾曲側面６ａの面法線が、どこでも、半径方向Ｒと平行であるように、環状であり、且つ長手方向に延在する。ヒートシンク５は、アルミニウム、銅又はアルミニウム合金などの金属又は金属合金で作成され得る。ヒートシンク５は、複合材料、例えば、金属マトリックス複合材料で作成され得る。ヒートシンク５は、熱拡散の改善のためにヒートパイプ又はベイパーチャンバを含み得る。
【００２３】
ヒートシンク５は、ファンホイール７がヒートシンク５を囲むように、ファンホイール７の内側に取り付けられる。ファンホイール７は、ヒートシンク５と同軸上に配設され、長手方向軸Ｌが、共通の軸である。ファンホイール７は、環状側壁８と、一般に、１センチメートル又は数センチメートルだけ、ヒートシンク５の半径ｒ１より大きい半径ｒ２とを持つ。例として、ファンホイール７の半径ｒ２は、３センチメートルと１０センチメートルとの間であり得る。側壁８は、前方縁端部９及び後方縁端部１０を持ち、前方縁端部９は、ファンホイール７の、電子装置２と同じ側に位置している。前方縁端部９及び後方縁端部１０は、長手方向軸Ｌに沿って、ヒートシンク５の長手方向長さｌ１と一般に等しい又は実質的に等しい長さｌ２だけ分離される。１つ以上のスポーク１１が、後方縁端部１０によって側壁８に取り付けられ、長手方向軸Ｌを中心とするハブ１２の方へ半径方向に延在してもよい。他の実施例によれば、冷却ファン１には、ファンブレード１３と一体化しており、ファンブレード１３の間に開口部があるようにｒ１とｒ２との間にスポークを有するフロントプレートが設けられる。
【００２４】
幾つかのファンブレード１３は、壁８と一体化している。ファンブレード１３の数は、通常、２つ以上である。ファンブレード１３は、例えば成形によって、壁８と一体型に形成されてもよい。他の例においては、ファンブレード１３は、例えばはんだ付けによって、壁８に固定して取り付けられてもよい。ファンブレード１３は、熱伝導性であり、一般に、少なくとも1W/m/Kの熱伝導率を持つ。ガラス、熱伝導性プラスチック、セラミック及び金属が、ファンブレード１３が形成され得る適切な材料の例である。ファンブレード１３は、例えば、アルミニウムで作成され得る。
【００２５】
ファンブレード１３は、長手方向軸Ｌに沿って見たときに、ヒートシンク５のまわりに配設されると共に、長手方向軸Ｌを中心とする環状に配設される。ファンブレード１３は、ヒートシンク５に対して、長手方向軸Ｌを中心に回転可能である。ファンブレード１３は、モータ１９によるファンホイール７の回転中、軸方向気流Ｆを生成するよう、即ち、長手方向軸Ｌに沿って、空気を吸い込み、空気を排出するよう、構成される。このような気流を生成するためには、ファンブレード１３をどのように設計すべきか、並びにそれらを、互いに対して及び回転方向Ωに対してどのように向けるべきかは、当業界でよく知られている。モータ１９は、長手方向軸Ｌが共通の軸になるように、ファンブレード１３、ヒートシンク５及び電子装置２と同軸上に配設される。一般に、モータ１９は、これらの他の構成要素と同軸にならないように配設されてもよい。モータ１９は、電気モータであってもよく、200rpmと2000rpmとの間の回転速度でファンホイール７を回転させるよう構成されてもよい。一般に、冷却ファン１のサイズが小さければ小さいほど、回転速度は大きい。冷却ファン１、電子装置２及びモータ１９が、装置２３を形成する。
【００２６】
各ファンブレード１３は、第２隙間側面１４、外側側面１５、前方側面１６及び後方側面１７を持つ。第２隙間側面１４は、湾曲側面６ａに面し、長手方向軸Ｌ及び接線方向Ｔに延在する。全てのファンブレード１３の第２隙間側面１４の合計面積は、通常、湾曲側面６ａの面積の約１０％から約５０％までである。別の言い方をすれば、隣接する２つのファンブレード１４の間の距離ｄの、第２隙間側面１４の厚さｔに対する比は、０．１と１との間にあり、即ち、０．１＜ｔ／ｄ＜１である。
【００２７】
第２隙間側面１４は、長手方向軸Ｌから距離ｒ３のところで、長手方向軸Ｌを中心にして、環状に配設される。距離ｒ３は、ヒートシンク５の半径ｒ１と比べて１００マイクロメートルしか大きくない。各ファンブレード１３の第２隙間側面１４と、ヒートシンク５の湾曲側面６ａとの間には、隙間空間１８が設けられる。隙間空間１８は、長手方向軸Ｌの方向において開いている。半径方向Ｒにおいては、各隙間空間１８は、対応するファンブレード１３の第２隙間側面１４及びヒートシンク５の湾曲側面６ａによって、境界を定められる。各隙間空間１８は、湾曲側面６ａ及び対応する第２隙間側面１４に対して垂直な方向に、即ち、長手方向軸Ｌに対して垂直な半径方向Ｒに、１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。隙間空間の、半径方向Ｒのサイズは、例えば、２５マイクロメートルから５０マイクロメートルまでの範囲内であってもよく、他の例においては、１５マイクロメートルから３０マイクロメートルまでの、又は１０マイクロメートルから２０マイクロメートルまでの範囲内であってもよい。この実施例においては、各隙間空間１８は、半径方向Ｒにおいて一定のサイズを持つ。第２隙間側面１４及び湾曲側面６ａは、長手方向軸Ｌの方向において平行に配設される。他の実施例においては、隙間空間１８は、半径方向Ｒにおいて一定のサイズを持たない。
【００２８】
前方側面１６は、第２隙間側面１４と前方縁端部９との間に延在し、後方側面１７は、第２隙間側面１４と後方縁端部１０との間に延在する。外側側面１５は、側壁８に取り付けられ、前方側面１６と後方側面１７との間に延在する。この実施例においては、第２隙間側面１４、外側側面１５、前方側面１６及び後方側面１７は、全て、湾曲している。しかしながら、他の実施例においては、第２隙間側面１４、外側側面１５、前方側面１６及び後方側面１７の１つ以上が、まっすぐであってもよい。
【００２９】
図４は、電子装置２及びモータ１９と一緒に装置２３を形成する冷却ファン１の実施例を示している。この冷却ファン１は、図１、２及び３に関連して上で記載したものと同様である。しかしながら、図４に示されている実施例においては、第１隙間側面は、連続的な平坦な側面６ｂであり、ヒートシンク５及びファンブレード１３が、長手方向軸Ｌに沿って分離されている。各隙間空間１８は、長手方向軸Ｌにおいて、対応するファンブレード１３の第２隙間側面１４及びヒートシンク５の平坦な側面６ｂによって境界を定められる。より正確には、各隙間空間１８は、平坦な側面６ｂ及び対応する第２隙間側面１４に対して垂直な方向において、即ち、長手方向軸Ｌの方向において、１００マイクロメートル以下のサイズを持つ。この実施例においては、各隙間空間１８は、長手方向軸Ｌの方向において、一定のサイズを持つ。第２隙間側面１４及び平坦な側面６ｂは、平行に配設され、且つ長手方向軸Ｌの方向に対して垂直に配設される。他の実施例においては、隙間空間１８は、長手方向軸Ｌの方向において、一定のサイズを持たない。ヒートシンク５の半径ｒ１は、ファンホイール７の半径ｒ２以上であってもよい。ファンブレード１３は、この実施例においては、回転中に半径方向気流(radial airflow)Ｆを生成するよう構成される。即ち、ファンブレード１３は、ファンホイール７の回転中、長手方向に空気を吸い込み、半径方向Rに空気を排出するよう構成される。このような気流を生成するためには、ファンブレード１３をどのように設計すべきか、並びにそれらを、互いに対して及び回転方向Ωに対してどのように向けるべきかは、当業界でよく知られている。
【００３０】
冷却ファン１の動作中、モータ１９は、長手方向軸Ｌを中心に、回転方向Ωに、ファンホイール７を回転させ、それによって、空気が、長手方向において隙間空間１８に吸い込まれる。ヒートシンク５は、冷却ファン１の動作中、静止しており、このことは、ヒートシンク５は、ファンホイール７と一緒に回転しないことを意味する。空気は、その後、冷却ファン１の構成に依存して、長手方向に又は半径方向に、ファンホイール７から排出される。ファンホイール７が回転するにつれて、幾つかのメカニズムを介して、電子装置２から熱を受け取るヒートシンク５から、周囲空気へ、熱が移される。
【００３１】
熱は、隣接する２つのファンブレード１３の間の温度境界層を通しての伝導によって周囲空気へ移される。おそらく、この温度境界層の半径方向厚さは、回転方向Ωの反対側の方向に増加する。しかしながら、第１隙間側面６ａ、６ｂの近くで動くファンブレード１３による弧を描く動作のため、隣接する２つのファンブレード１３の間の温度境界層の有効厚さは、小さくなりやすい。温度境界層は、低い熱伝導率を持つことから、その半径方向厚さが小さければ小さいほど、その層を通しての熱の移転はより効率的になる。境界層を通して移された熱は、ファンブレード１３の間に位置する空気であって、強制対流によってファンホイール７から絶え間なく排出される空気によって、吸収される。
【００３２】
熱はまた、ファンブレード１３を介して、ヒートシンク５から周囲へ移される。このメカニズムは、ヒートシンク５から隙間空間１８を介してファンブレード１３への熱の伝導（及び放射）を含む。隙間空間１８の半径方向サイズが小さければ小さいほど、それによって熱がこれらのプロセスを通してファンブレード１３へ移される効率は大きくなる。ファンブレード１３によって吸収された熱は、温度勾配による伝導により、ファンブレード１３の全体にわたって広がり、その後、対流（及び放射）によってファンブレード１３を離れる。移された熱は、ファンブレード１３の間に位置する空気であって、強制対流によってファンホイール７から絶え間なく排出される空気によって、吸収される。
【００３３】
当業者には、本発明が、決して、上記の好ましい実施例に限定されないことは分かるであろう。逆に、添付の請求項の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。例えば、ヒートシンク５は、截頭円錐形のものであり得る。
【００３４】
更に、当業者は、請求項記載の発明の実施において、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する変形を、理解し、達成することができる。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。
【図１】
2017533374.tif 000003
【図２】
2017533374.tif 000004
【図３】
2017533374.tif 000005
【図４】
2017533374.tif 000006
【国際調査報告】
2017533374.tif 000007
2017533374.tif 000008