WO1986003089A1 - Cooling structure of a rack for electronic devices - Google Patents

Description

明 細 書 電子装置用架の冷却構造

技術分野

本発明は、 複数枚のプリ ン ト板を収容したシェルフユニッ トを複数段に積層した通信装置、 交換装置等の電子装置用架 の冷却構造に関し、 特にフ ァ ンを用いた強制空冷式冷却構造 関する。 背景技術

通信装置等の電子装置において、 1 つの機能を有するシ ルフユニッ ト内に複数枚のプリ ン ト板を収容し、 この シヱル 'フユニッ トを上下関係に複数段積重ねキャビネ ッ ト内又はフ レームに装着して. 1つの機能を有する架を構成する。 シェル フユニッ ト内の各プリ ン ト板を長期間安定して機能させるた めにシヱルフユニッ トを冷却しなければならない。 近年プリ ン ト板上の部品の高密度実装配置および部品自体の高集積化 に伴い、 プリ ン ト板およびプリ ン ト板収容シヱルフの発熱密 度が増大している。 例えば、 第 1 7図に示すように、 従来の プリ ン ト板においては黒丸で示すように 10 W Z の発熱密度 であつたが、 近年の技術向上により消費電力が 1 ノ 2になり 容積が 1 ノ 4になると、 白丸で示すように発熱密度は 20 W Z ^ と 2倍になる。

このような発熱密度の大きいプリ ン ト板を収容したシヱル フユニッ トを冷却するためには、 ファ ンを用いた強制空冷式 冷却構造が用いられている。 このような冷却方式において、 有効な放熱効果を得るためには、 温度とともにプリ ン ト板を 通過する風速が大きな要素となる。

従来の冷却構造を第 1 5図および第 1 6図に示す。 上下 2 段に積重ねられたシヱルフユニッ ト 101 の上段に冷却ュニッ ト 102 が設けられている。 このような 3つのュニッ トからな る積層体を 1つの冷却ブ口 ックとしこの冷却ブロ ックをさら に複数段 （図の例では 2段） に重ねキャビネッ ト （図示しな い） 内に収納して全体として架 105 を構成する。 シェルフユ ニッ ト 101 内には第 1 6図に示すように多数のプリ ン ト板 103 が並列して収容されている。 冷却ュニッ ト 102 内には 4 つのファ ン （送風機） が吹出方向を前面にして設けられてい る。 これらのファ ン 104 により、 各 2段のシヱルフユニッ ト 毎に、 矢印 A (第 1 5図） で示すように、 外気を 2段のシュ ルフユニツ トの下側より取入れ 2段のシヱルフユニッ トを通 過させて架の前面より前面扉 （図示しない） を通して排気し ている。

上記従来の冷却構造にあつては次のような問題点があつた, ① ファ ンユニッ ト 104 の下側に積層された複数偭 （この 場合は 2偭） のシヱルフユニッ ト 101 は、 下側のュニッ トで 奪熱して温められた冷却風がそのま 、上側のュニッ トを通過 して上側のュニッ トで奪熱して冷却する方法であるため、 上 側ュニ ッ トの冷却風温度が下側ュニッ トの冷却風温度より高 く なり、 上側ュニッ トと下側ュニッ ト とに温度差が生じる。 このため上側ュニッ トの冷却能力が低下し、 また各冷却プロ ック内の全体許容発熱量は高温となるユニッ ト （通常は下側 ュニッ ト） の温度を基準として設定されるので、 その温度差 分だけ上側ュニッ トの発熱量が制限される。

② 上記①項の問題点を解消するため、 各シェルフュニッ ト上にファ ンユニッ トを個別に設置すると、 これらのファ ン ュニッ トの占める空間が大となり、 キャビネ ッ ト全体として の高密度実装が不可能になる。

③ 冷却風 （矢印 A ) がファ ンユニッ ト 102 の後部傾斜面 102 aによって上下方向から横方向 （水平方向） に急激に流れ 方向を変えられるので流れ抵抗が大となり、 冷却効率が良く ない。

Φ ファ ンの故障時に、 当該ファ ンュニ ッ ト下部のシヱル フユニッ トが高温になり易く 、 このため信頼性に欠ける。

⑤ 冷却風がキャビネ ッ トの前面扉を介して横方向 （水平 方向） に排気されるため、 保守者に不快感を与えると共に、 ファ ンの騒音が大となる。 発明の開示

本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであつ て、 上下方向のスペースを増大させることな く各シェルフュ ニッ トを効率良く 冷却し放熱に必要な所定の風速を確保可能 とした電子装置用架の冷却構造の提供を目的とする。

この目的を達成するため、 本発明に係る電子装置用架の冷 却構造においては、 複数枚のプリ ン ト扳を収納しかつ上下面 部それぞれに通風穴を有するシェルフユニ ッ トをキャビネ ッ ト内に複数個上下方向に積み重ねて成る電子装置用架の冷却 構造において、 上記各シヱルフユニッ ト上に少く とも 1 つの フ ァ ンを有するフ ァ ンュニッ トを偭別に設けて偭々の冷却ブ ロ ックを形成し、 これら各冷却ブロ ックのフ ァ ンュニッ トに よって冷却風を上記各シェルフュニッ トの下方から上方に向 けて直線状に通過させ、 かづ該冷却風の流速を利用して上記 各フ ァ ンユニッ トの側面部に形成した通風穴より外気を導入 して上記冷却風に混入し、 上記各フア ンュニッ トの上方への 吹込み力の加算により上方の冷却ブロ ックに進むに従って冷 却風の流量を漸次増大化するように構成している。 図面の簡単な説明

第 1図は本発明に係る冷却構造の基本構成図、 第 2図は本 発明に係る冷却構造を備えた電子装置用架の構成図、 第 3図 は本発明に係る冷却構造を備えた電子装置用架の別の例の構 成図、 第 4図は本発明に係る冷却構造の基本構成の斜視図、 第 5図は第 4図に示した構成のフ ァ ンュニ ッ ト部の断面図、 第 6図および第 7図は本発明に係るフ ァ ンュニ ッ ト の各別の 例の斜視図、 第 8図および第 9図は各々、 従来構造および本 発明構造の温度上昇実験の説明図、 第 1 0図は上記実験効果 のグラフ、 第 1 1図は本発明構造を用いた別の実験の説明図 第 1 2図は第 1 1図の実験結果のグラフ、 第 1 3図は本発明 構造を用いたさ らに別の実験の説明図、 第 1 4図は第 1 3図 の実験結果のグラフ、 第 1 5 Iは従来の電子装置用架の構成 説明図、 第 1 6図は従来の架の一部を示す斜視図、 第 1 7図 はシェルフユニッ トの発熱密度の增大を説明するための図で ある。 発明を実施するための最良の形態

第 1図に本発明の基本構成を示す。 複数のプリ ン ト板 3

( 1枚のみ図示） を収容した各シヱルフユニッ ト 1 の上段に ファ ンュニ ッ ト 9が設けられる。 各ファ ンュニ ッ ト 1 にはそ の上下面に冷却空気を通過させるための通風穴 （図示しない） が設けられている。 各ファ ンュニッ ト 9内には複数のファ ン 4 ( 1 つのみ図示） が吹出方向を上に向けて水平に配置され ている。 各ファ ン 4は支持枠 7に固定され、 この支持枠 7が、 各ファ ンュニ ッ ト 9 のフ レームを構成するサボ一 トプレー ト'

6 に装着される。 サポー トプレー ト 6 の前端部および後端部 にはファ ンュニッ ト 9 の前面 （図の左側） および後面 （図の 右側） から矢印 Bのように外気を取入れるための傾斜ガイ ド 部 6 aが設けられる。 ファ ン 4 はその下段のシヱルフユニッ ト 1から矢印 Cのように空気を吸引してその上段のシヱルフ ュニ ッ ト内に送り込むとともに各ファ ンュニ ッ ト毎に矢印 B のように外気を取入れてこれをその上段のシュルフユニッ ト 内に圧送する。 このよう に 1 つのシェルフユニ ッ ト 1 に対し 1 つのファ ンュニッ ト 9を組合せて 1 つの冷却ブロ ックを構 成する。 このような冷却ブロ ックを複数段積層してキャビネ ッ ト （図示しない） 内に収納し架を構成する。

第 2図は本発明に係る冷却構造を備えた電子装置用架の一 例の構成図である。 2つの架 5a , 5bが相互に背面を対向させ て床上に設けた空気通路 4 6上に設置される。 両架 5a , 5b間 には床上の空気通路 4 6 と連通する空気通路 4 7が形成され る。 各架 5a , 5bの前面には適当な外気導入用開口 （図示しな い） を有する前面扉 8が備わる。 各架 5a , 5bは複数段 （この 例では 5段） のシヱルフユニッ ト 1からなり、 各シヱルフユ ニッ ト 1 の上段には少く とも 1 つの水平配置のフア ン 4 ( 1 つのみ図示） を有するファ ン ニッ ト 9が設けられる。 各フ ア ンュニッ ト 9 は矢印 Cのように下側のシヱルフユニッ ト 1 から空気を吸引して上へ送り出すとともに各フ ァ ンュニ ッ ト の前面および後面より矢印 Bい B ₂ のように外気を取入れて これを上側のシヱルフユニッ トに圧送する。 即ち、 冷却空気 は床上の空気琿路 4 6から、最下段のシヱルフユニッ ト内に導 入され矢印 Cのように順次直線的に上段のシェルフユニッ ト を通過して最上段のシェルフユニッ トよりその上面に排出さ れるとともに各段のシヱルフユニッ トにおいて矢印 Bい B ₂ のように外気が導入される。 従って、 上段に進むほど各シェ ルフで熟せられて温度上昇する矢印 Cの冷却空気は各シェル フ毎に導入される矢印 Bい B ₂ の外気により冷却され上段側 のシ ルフの冷却空気の温度上昇は比較的低く抑えられる。 さらに、 各シェルフ毎に外気が導入されるため上段に進む程 流量が多 く なり風速が大き く なる。 このため、 上段シエルフ での放熱効果が大き く なり、 冷却空気温度が多少上昇しても 各シェルフ機能を安定に保っために必要な冷却効果が得られ る。 冷却空気は各シェルフ通過後上方に吹出され架の前面に は排出されない。 従って、 架の前面にいる保守作業者に不快 感を与えず、 またフ ァ ンの回転による騒音も低く抑えられる < 各ファ ンは吹出方向を上方に向けた水平配置であるため上下 方向のスペースは少く てすみ、 機器設置スペースを高密度に 効率良く利用できる。 また、 各シヱルフユニッ ト毎にフ ァ ン ュニッ 卜が設けられているため、 1 つのシヱルフユニッ トに ついてみればその上下にファ ンが備わることになる。 従って- 一方のファ ンが故障等で停止しても冷却空気の強制対流作用 はほとんど支障なく行われ冷却作用の信頼性が増加する。 ま た上下のシヱルフ同士でプリ ン ト板の厚さ、 配列ピッチ等が 異つていても通気作用は円滑に行われるため、 プリ ン ト板実 装の自由度が增加する。 なお、 発熱量のさほど大き く ないシ エルフュニッ トに対してはその直接上段のファ ンュニッ トを 省略すること'も可能である。

第 3図は本発明に係る冷却構造を備えた架の別の例の構成 図である。 この例においては、 各架 5a , 5 bの最上段のシヱル フユニッ ト 1 a の上段にはフ ァ ンュニッ トを設けず、 ガイ ド 板 4 9を設けて熱気の排気方向を中央の空気通路 4 7内に向 け、 最上段シヱルフユニッ ト 1 a の上面には排気されないよ うに構成している。 このような構成は、 例えば各架 5a ， 5bの 最上段スペース 4 0 にケーブル等を配設する場合、 ケーブル を排気熟から保護するために必要である。 その他の構成、 作 用、 効果は第 2図の例と同様である。

フ ァ ンュニ ッ ト 9 の一例の外観を第 4図に示す。 シヱルフ ユニッ ト 1 内には各々縦置にされた複数のプリ ン ト板 3が並 列して収容されている。 このシヱルフユニッ ト 1上に設置さ れたフア ンユニッ ト 9 は、 側枠 10 aおよび横断枠 10 bからな るュニッ トフ レーム 1 0 に 4つのファ ン 4を水平配置で装着 したものである。 横断梓 10 b は第 5図に示すようにほぼ三角 形断面であり、 前面に複数の外気取入口 1 1を有し、 上面に 通気口 1 2を有し、 下面には外気を上方へ案内し （矢印

B ₂)かつ下からの空気をファ ンへ導く （矢印 C ) ための傾斜 ガイ ド部 1 3が設けられている。 各ファ ン 4はフレーム 4 a を介してネジ等の適当な手段で横断枠 10 bに固定される。 第 6図はファ ンュニッ ト 9 の別の例の斜視図である。 この 例においては、 外気取入口 1 1、 通気口 1 2および傾斜ガイ ド部 1 3からなる前後の支持枠 1 5 とファ ン 4 とを予め一体 に形成して個々別々のカセ ッ ト式ファ ン 1 4を構成し、 この カセ ッ ト式ファ ン 1 4を矢印 Dのよう にュニ ッ ト フ レーム . 1 0 に対し前面から装着するように構成した'ものである。 こ のよう なカセ ッ ト構造を用いることにより ファ ンの着脱作業 が容易になり保守、 交換時等の作業性が向上する。

第 7図にカセ ッ ト式ファ ンの別の例を示す。 この例におい ては、 第 1図に示した断面形状の傾斜ガイ ド部 6 aを有する サポー トプレー ト 6がュニッ ト フ レーム 1 0 に固定され、 こ のサポー トプレー ト 6 のガイ ドレール 2 4に沿ってカセ ッ ト 式ファ ン 1 4の側片 2 2をスライ ドさせてカセ ッ トを矢印 D のようにュニ ッ ト 9 の前面から挿入する。 サポー トプレー ト 6 にはファ ン 4の位置に孔 2 3が設けられる。 2 5 はカセ ッ ト固定手段である。 カセ ッ ト固定手段は、 例えば 2つの弾発 的に係合するローラ間にカセッ ト側の突起を挾んで固定保持 する機械的手段又はマグネッ ト式手段であってもよい。 カ セ ッ ト式フ ァ ン 1 4は、 外気導入口 1 1、 引出し用つまみ 1 7、 電源供給用コネクタ 1 9、 プリ ン ト板 1 8等を有する前面パ ネル 2 0をフ ァ ン 4 とともに支持枠 2 1 に一体的に固定した ものである。

本発明構造の温度上昇についての実験を第 8図から第 1 0 図を用いて説明する。

第 8図および第 9図において、 符号 S i と S ₂ はそれぞれ 1段目と 2段目のシェルフユニッ トを示し、 P6 , P8 , P 16 , P 19 , P20はプリ ン ト板を示すと同時にその配列番号を示す。 例えば、 P 6 は図に向かって左から 6列目のプリ ン ト板、 P 8 は 8列目のプリ ン ト板を示し、 他の符.号もこれと同じ要領 で示している。 そして、 符号 102 は従来のファ ンュニッ ト、 104 はそのファ，ン > 9 は本発明のフ ァ ンユニ ッ ト 、 4はその フ ァ ンを示す、 この場合の実験条件としては、 従来例 （第 8 図） と本発明の実施例 （第 9図） の全消費電力 （供給電力） 、 各プリ ン ト板の個別消費電力及び発熱分布、 及びフア ンュニ ッ トの送風量は全く 同一条件とした。 このような条件で各プ リ ン ト板上の周囲温度を測定して、 第 1 0図に示すような実 測値が得られた。

第 1 0図は縦軸に温度上昇値 （で） をとり、 横軸に測定位 置をとり、 かつ黒丸は従来例の測定値、 白丸は本発明実施例 の測定値を示している。 同図から明らかなように、 従来例は 1段目のシヱルフユニッ ト S , における温度上昇値が実施例 に比べて大幅に大であり、 このためその消費電力 （供給電力） が制限される。 これに対して実施例の場合は温度上异値が小 であるため消費電力 （供給電力） を大とすることが可能、 換 言すると許容発熱量を増大化することができる。 また、 2段 目のシヱルフユニッ ト S ₂ においても実施例の温度上昇値は 従来例より も全体として小となる。 なお実施例の場合は、 第 9図において、 実際上はシヱルフユニッ ト S ₂ 上にさ らに別 のフ ァ ンュニ ッ トを配設する。 従って、 本発明構造の冷却効 果は実際にはさらに大きいものである。

第 1 1図と第 1 2図は本発明に係る架装置 6 0 における温 度上昇の実測値の説明図である。 第 1 1図は架装置 6 0の正 面図であって各シヱルフユニッ ト （30-1〜30-5) における消 費電力値 （W) を示す図、 第 1 2図は第 1 1図の各段のシェ ルフユニッ ト （3.0-1〜30-5) における温度上昇の実測値を示 す図である。

第 1 1図において、 消費電力は、 各シヱルフユニッ ト 30-1

〜 30-4においてはそれぞれ 620 W (但し、 プリ ン ト板 1枚当 り最大 45W) 、 シヱルフユニッ ト 30-5においては 312W (但 し、 ブリ ン ト扳 1枚当り最大 13W) であり、 合計 2792Wであ る。 この消費電力に対して各シェルフュニッ ト 30-1〜 30- 5に おける最高温度を測定して、 第 1 2図に示すような実測値が 得られた。

第 1 2図は、 縦軸に温度上昇値 （'C ) をとり、 横軸に各段 の シヱルフユニッ ト （30-1〜30-5) をとつてその測定値を示 している。 同図において、 温度上昇値 2 5 'C (図中斜線部） は発熱部品の信頼度を保証するための許容値 （設計目標） を 示している。 同図が示すように、 温度上昇値は各シヱルフユ 二ッ ト 30 - 1〜30 - 5の下段から上段に進むに従って漸次上昇し， 最上段のシヱルフユニッ ト 30 - 5において 2 5 でに抑えられて おり、 上下の各シェルフュニッ 卜の温度差が小さい。 このよ うな温度上舁値を有する冷却方式を用いれば、 第 1 1図に示 すような架装置 6 0 において、 合計 2792 Wの電力を消費する ことができる。 こ の消費電力は従来の略 2倍に相当するもの である。

第 1 3図および第 1 4図を参照して、 本発明構造における 風速についての実験結果について説明する。 実験の架 5 は第 1 4図左側に示すような 4段のシヱルフユニッ ト 1 の各々の 上段にフ ァ ンュニ ッ ト 9を設けたものである。 各フ ァ ンュニ ッ ト 9 には 4 つのフ ァ ン （ 1段目 00〜 03、 2段目 10〜： L 3 ······· で示す） が備わる。 各シヱルフユニッ ト 1 内には 3 2枚のブ リ ン ト板 3が収容され、 左から 1 9番目のプリ ン ト板につい て第 1 3図に示す A〜 Lの各位置での風速を測定した。 2 6 はプリ ン ト板上に搭載された電子部品である。 測定プリ ン ト 板の位置はほぼ左から 3番目のフ ァ ン （02 , 12 , 22 , 32 ) の 下側である。 測定結果のグラフはグラフの左側に図示した 4 段の架に対応して示してある。 各段のシヱルフユニッ トにお いて、 フ ァ ンを正常動作させた状態 （実線折れ線） とフ ァ ン を 1台停止させた状態 （破線折れ線） での結果を示している 右側に示した数値は各測定結果の平均値である。 グラフから 分るように、 上段に進む程風速が大き く なり、 従って放熱が 効果的に行われ冷却空気の温度が上舁しても装置機能を安定 に保持するのに必要な冷却作用が達成される。 産業上の利用可能性

本発明は、 プリ ン ト板収容シエルフからなる架により構成 した通信装置、 交換装置等の電子装置産業において適用でき る。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 複数枚のプリ ン ト扳を収納しかつ上下面部それぞれに 通風穴を有するシェルフユニッ トをキ ャ ビネ ッ ト内に複数個 上下方向に積み重ねて成る電子装置用架の冷却構造において- 上記各シヱルフユニッ ト上に少く とも 1 つのファ ンを有する ファ ンュニッ トを個別に設けて個々の冷却プロ ックを形成し- これら各冷却プロ ックのファ ンュニッ トによって冷却風を上 記各シ ルフユニッ トの下方から上方に向けて直線状に通過 させ、 かつ該冷却風の流速を利用して上記各フア ンュニッ ト の側面部に形成した通風穴より外気を導入して上記冷却風に 混入し、 上記各ファ ンュニ ッ ト の上方への吹込み力の加算に より上方の冷却.ブ口 ックに進むに従って冷却風の流量を漸次 増大化するように構成したことを特徴とする電子装置用架の 冷却構造。

2. 前記各フ ァ ンはフ ァ ンュニ ッ ト のフ レームに対し前面 より挿抜可能なカセ ッ ト式ファ ンとして構成した請求の範囲 第 1項記載の電子装置用架の冷却構造。

3. 前記フ ァ ンユニ ッ ト のフ レームは各カセ ッ ト式フ ァ ン に共通の外気導入用傾斜ガイ ド部を有するサボ一 トプレー ト を含み、 前記カセ ッ ト式フ ァ ンを該サボ一 トプレー ト上に装 着した請求の範囲第 2項記載の電子装置用架の冷却構造。

4. 前記サボ一 トプレー トは各カセ ッ ト式ファ ン揷入用ガ ィ ド レールおよび挿入したカセ ッ ト式フ ァ ンの固定保持手段 を有する請求の範囲第 3項記載の電子装置用架の冷却構造。

5. 前記複数段のシヱルフユ二ッ トのう ち最上段のシヱル フユニッ 卜の上段には、 フ ァ ンュニッ 卜に代えて、 架内を通 過した冷却空気を最上段シュルフユニッ 卜 の上面以外に案内 するための排気案内板を設けた請求の範囲第 1項記載の電子 装置用架の冷却構造。

6. 前記各シヱルフユニ ッ ト の発熱量に応じて該シエルフ ュニッ トの直接上段のフ ァ ンュニッ トを省略可能とした請求 の範囲第 1項記載の電子装置甩架の冷却構造。