JP2003121039A

JP2003121039A - 電子装置の液体冷却方法

Info

Publication number: JP2003121039A
Application number: JP2002206768A
Authority: JP
Inventors: Osamu Otsusaka; 修乙坂; Makoto Senjiiwa; 誠千地岩
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】故障が起き難く、冷却効率が向上し、冷却効果
が小さくならない電子装置の液体冷却方法を提供する。【解決手段】冷却用の液体を流す冷却管のコーナー部を
少なくするため、熱源を直線的に、かつ集中的に配置す
ることによって、コーナー部を極力減らすことが可能と
なり、信頼性の高い、高効率な冷却を実現した。また、
圧力損失が減少し、装置全体の信頼性を上げる。また、
トランジスタなどのジャンクション温度等、比熱が小さ
く、温度上昇し易く、温度が上がると動作異常や破壊し
易い熱源から順に（即ち、熱的な余裕の少ない熱源のも
のから順に）冷却水温度の低い入口付近に配置したもの
である。これによって、トランジスタなど熱的な余裕の
少ない熱源の温度を下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力増幅器等の電
子装置に関わり、特に、電子装置の冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、多数の半導体素子等の電子部
品を、プリント基板等の配線基板上に搭載して、電力増
幅器等の電子装置を構成している。近年、高密度実装化
または高電力化に伴って、電子装置内の発熱密度が高く
なっている。このような高密度実装または高電力の電子
装置内の温度上昇を抑えるためには、例えば、水等の液体
冷媒を冷却管内に流し、冷却管を電子装置の発熱部位
（熱源）に密着させて熱を液体冷媒に伝達する液体冷却
方法が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の液体冷却方法に
は、冷却管を熱源に隣接した配置とするため、熱源が諸
所に点在するような場合に、冷却するために点在するそ
れぞれの熱源をあたかも一筆書きするように結んで冷却
管を配置する必要がある。熱源が諸所にばらばらに点在
する場合には、必然的に、コーナー部の多い冷却管とせ
ざるを得なくなり、その結果、圧力損失が増え、冷却効
率の悪い欠点があった。また、一部または全てを複数の
冷却管で冷却する場合も同様であった。また、コーナー
部は乱流が大きく、冷却管内に侵食及び不純物が堆積す
るため、冷却管の目詰まり、腐食による液漏れ、等の故
障が起き易い欠点があった。更に、それぞれの熱源が発
生する熱量は、電子装置の使用状況によって異なり、ま
た、冷却管内の液体の温度も、熱源から伝達される熱に
よって上昇して、冷却管の終端になるほど冷却効果が小
さくなる。このため、冷却管の終端付近に発生する熱量
が多い熱源が存在した場合は、冷却効果が小さいので、
効果的に冷却されない欠点があった。本発明の目的は、
上記のような欠点を除去し、故障が起き難く、冷却効率
が大きく、冷却効果の劣化の少ない電子装置の液体冷却
方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電子装置の液体冷却方法は、冷却用の液体
を流す冷却管のコーナー部を少なくするため、熱源を直
線的に、かつ集中的に配置したものである。これによっ
て、コーナー部を極力減らすことが可能となり、信頼性
の高い、高効率な冷却を実現した。また、トランジスタ
などのジャンクション温度等、比熱が小さく、温度上昇
し易く、温度が上がると動作異常や破壊し易い熱源から
順に（即ち、熱的な余裕の少ない熱源のものから順に）
冷却水温度の低い入口付近に配置したものである。これ
によって、トランジスタなど熱的な余裕の少ない熱源の
温度を下げることができる。

【０００５】即ち、本発明の電子装置の液体冷却方法は、
複数の熱源を有する電子装置において、複数の熱源を直
線的に配置し、複数の熱源のうち、温度上昇の高いもの
から順に、液体冷媒入口側に配置し冷却するものであ
る。また、本発明の電子装置の液体冷却方法は、複数の熱
源を有する電子装置において、複数の熱源を直線的に配
置するにあたって、電子装置に異常が発生したときに、
温度上昇する複数の熱源を液体冷媒入口側に配置するも
のである。

【０００６】

【発明の実施の形態】冷却水を流す冷却管はコーナー部
が少ないほど抵抗が少なくなり、不純物の堆積が少なく
なる。そこで、熱源を直線的に集中した配置とすること
で、冷却管のコーナー部を極力減らすことが可能とな
り、信頼性の高い、高効率な冷却を実現できる。また、
トランジスタのジャンクション温度などの温度上昇が大
きく、性能的に熱的な余裕の少ない熱源のものから順
に、冷却水温度の低い入口付近に配置することにより、
電子装置の温度を下げることができる。

【０００７】本発明の一実施例を図１によって説明す
る。図１は、本発明の液体冷却方法によって、電力増幅
器を基板上に配置した一例を示す平面図である。電力増
幅器は、電力増幅部 1 と電源部 2 の２つのブロックで
構成され、同一の配線基板 100 の表側（上面）に搭載
されている。配線基板 100 の裏面（図１は、表側から
見た平面図である）には、配線基板 100 に密着して、
液体冷媒（図１の場合には、液体冷媒として水を用い
る）を流す冷却管 3 を配置している。この冷却管 3 に
対応する配線基板 100 の上側近傍に、熱源である電力
増幅器を構成する複数のトランジスタ 4 、電源部トラ
ンジスタ 5 、抵抗 6 、トランス 7 を配置している。
なお、電力増幅器の構成要素のうち、電力増幅部 1 と
電源部 2 以外の構成要素を省略している。更に、電力
増幅部 1 は、トランジスタ 4 以外の構成要素を省略し
ている。また同様に、電源部 2 も、電源部トランジス
タ 5 、抵抗 6 、トランス 7 以外の構成要素を省略し
ている。更に、配線基板 100 を構成する通常の配線パ
ターン、スルホール、はんだその他の要素も省略してい
る。

【０００８】図１において、破線で示す冷却管 3 は、
配線基板 100 の上に搭載されている構成要素の下を通
るように配線基板 100 の裏面に密着して取り付けら
れ、冷却媒体が冷却水入口 8 から給水され、冷却管 3
を通って、冷却水出口 9 から出て行く。冷却管 3 は、
冷却水入口 8 から一点鎖線で示した直線 31 に沿って
伸びる第１の配管部と、冷却水出口 9 から一点鎖線で
示した直線 32 に沿って伸びる第２の配管部と、第１の
配管部と第２の配管部とを結ぶ第３の配管部とで構成さ
れている。

【０００９】電力増幅部 1 の複数のトランジスタ 4
は、第１の配管部の上側（図１では、平面図であるか
ら、重なって見える）にそれぞれ直線状に配置され、電
源部 2の４つの電源部トランジスタ 5 、２つの抵抗 6
、及びトランス 7 は、第２の配管部の上側（図１で
は、平面図であるから、重なって見える）にそれぞれ直
線状に配置されている。なお、第３の配管部は、第１の
配管部と第２の配管部とを結合するための配管であっ
て、冷却水を抵抗なく流すためのものであるから、直線
である必要は無く、直線であってもコーナー部を曲線に
したり、第３の配管部全体の形状を曲線状に形成しても
良い。

【００１０】また、図１において、第１の配管部と第２
の配管部とは、それぞれ、概直線状とするが、図１に示
すように、それぞれに対して平行の配置である必要はな
く、第３の配管部の付近で交差するような斜角を有する
相対的な配置でも良い。また、図１の電源部 2 の配置
の例でも明らかなように、例えば、直線 32 上に４つの
電源部トランジスタ 5 、２つの抵抗 6 、及びトランス
7 等の熱源を完全に一致させて配置する必要はなく、
概一直線状に配置することでも良い。

【００１１】図５は、図１の本発明の一実施例につい
て、冷却管と熱源との配置を簡単に説明するための断面
図である。熱源 51 は、配線基板 52 上に搭載され、配
線基板 52 の下側（熱源 51 の直下）には、冷却管 53
が配置されている。冷却管 53 は、例えば、内径 9.5 m
mの銅管である。冷却管 53 の密着固定と熱源 51 の熱
が効率よく伝導されるように、銅等の材質でできた伝導
ブロック 54 が設けられている。

【００１２】上述の図１の実施例のように、直線的に配
置することで、少ないコーナー部数で冷却管を構成で
き、効率のよい冷却が可能となる。更に、冷却水は、最
初に発熱量の大きい熱源、即ち、電力増幅部 1 のトラ
ンジスタ 4 を通り、次に、発熱量の小さい電源部 2 を
通り、冷却水出口 9 を介して、例えば、熱交換器（図
示しない）へ排出され、熱交換器によって冷やされ、再
び、冷却水入り口 8 に給水される。即ち、冷却水の液
温が低い順番に、発熱量の大きい熱源を通る（熱を奪
う）ように配置することによって、優れた冷却効果を実
現することができる。また、この配置の順番は、概ね発
熱量の大きい熱源の順番であって、レイアウトの関係
上、いくつかの電子部品は、発熱量の大きい熱源の順番
と異なる場合がある。

【００１３】図２によって、本発明の別の実施例を説明
する。図２は、本発明の液体冷却方法によって、電力増
幅器を基板上に配置した一例を示す図である。図２は、
電力増幅器 200 の実装状態の概略を示す平面図であ
る。配線基板 201 の上に、DC 電源部33 、プリアンプ
部 20 、増幅部 21 〜 26、及び、方向性結合器 35 そ
の他の構成部品（熱源）が搭載され、冷却管34 が、配
線基板 201の下側（裏面）に密着して取り付けられてい
る。冷却水は、冷却水入口 28 から給水され、冷却管 3
4 の中を通って、配線基板 201 の上に搭載されている
熱源からの熱を吸収して、冷却水出口 29 から排水され
る。冷却管 34 は、配線基板201 の裏面を通っているた
め、図２では見にくいが、冷却水入口 28 から増幅部 2
6 、増幅部 25 、増幅部 24 、増幅部 23 、増幅部 22
、増幅部 21 、プリアンプ部 20 、及び、DC 電源部 3
3 の中央部の下側を順次通って、冷却水出口29 迄配置
されている。

【００１４】信号は、入力端子 31 を介して入力し、プ
リアンプ 20 、増幅部 21 〜 26 に与えられる。図２に
示すように、増幅部 21 〜 26はそれぞれ２つの増幅部
で構成されている。増幅部 21 〜 26 で増幅された信号
は、合成されて出力端子 32を介して出力される。電力
増幅器 200 は、SW 30 によって立ち上げられ、DC 電源
部からの電力が電力増幅器 200 の各部に与えられる。
冷却管 34 の直線部の長さは、約 800 mm 、約 150 mm
、または約 650 mm であり、その間隔は、約 120 mm
、または約 145 mm である。

【００１５】図３によって、本発明の更に別の実施例を
説明する。図３は、本発明の液体冷却方法によって、電
力増幅器を基板上に配置した一例を示す図である。図３
は、図１の配線基板 100 に対して、アイソレータ 36
と出力端子 37 を追加したもので、図１の電力増幅器と
同様の機能の電力増幅器であり、図１とほぼ同様の機能
を持つものは、同一の番号を付している。図３の配線基
板 100′では、アイソレータ 36 を冷却管 3 の冷却水入
口 8 に一番近い位置に、電力増幅部 1 と共に直線 31
上に並べて配置したものである。

【００１６】図３において、電力増幅部 1 とアイソレー
タ 36 及び出力端子 37 とは、例えば、図４に示すような
回路配置で構成されている。図４は、図３の電力増幅器
の出力側についての回路配置を示す図である。ただし、
図３の配線基板 100′では、図１、図２と同様に配線パタ
ーン等を省略して図示していない。図４において、電力
増幅部トランジスタ 4 には、それぞれ、信号が並列に供
給され、電力増幅部トランジスタ 4 の出力は、２つずつ
の出力が二合成器 38 で合成され、更に３つずつの出力
が三合成器 38′で合成され、更にまた２つずつの出力が
二合成器 38″で合成され、最終的に１つの合成信号と
なってアイソレータ 36を介して出力端子 37から出力さ
れる。ダミー 39 は、不平衡電力を吸収するためのもの
である。

【００１７】図３または図４において、電力増幅器、ま
たは、その周辺電子装置に異常が生じた場合、出力端子 3
7 からの反射波がアイソレータ 36 に戻ってくる。この
とき、アイソレータ 37 は、反射波が電力増幅器側に入力
しないようにしているが、大量の熱を発生する。この異
常は、電力増幅器の温度上昇を引き起こすと共に、電力増
幅器を破壊する恐れがあるため、通常は、例えば、反射波
が所定以上のレベルで所定時間続く場合には、電力増幅
器の電源を自動的にオフとする機能を持たせる。しか
し、電源がオフされるまでは、所定時間経過するため、熱
源としてのアイソレータ 36 の付近の温度が急上昇し、
電力増幅器や周囲の装置に悪影響を与えることが考えら
れる。

【００１８】従って、本発明の図３の実施例は、異常時に
大量の熱量を発生する熱源を、一番冷却水の温度が低い
冷却水入口 8 側に配置し、異常時の温度上昇をできるだ
け抑える構成としたものである。また、通常動作時には、
このアイソレータ 36 は、あまり熱を発生しないため、一
番冷却水の温度が低い冷却水入口 8 側に配置しても、冷
却水の温度が上がらないため、次に続く熱源の冷却には
影響を与えない。

【００１９】上述の実施例では、配線基板を介して、熱源
と冷却管を密着させていたが、熱源部分の下側の配線基
板を除去し、熱導電性の良い物質、例えば、銅の放熱板等
の伝導ブロックを介して熱源と冷却管を密着させてさら
に熱伝導性を向上させることもできる。更に、上記実施
例は、電力増幅器を例に挙げたが、電力増幅器だけでな
く、熱を発生し、冷却が必要などんな電子装置にも適用で
きることはいうまでもない。また、配線基板が１枚で構
成される必要はなく、冷却管が本発明の実施例のように
配管がなされ、熱源と配線基板、または、熱導電性の物質、
あるいは直接熱源と冷却管とが密着して取り付けられる
ならば、複数の配線基板であっても良いし、その複数の配
線基板の厚さが同一でなくても良い。

【００２０】

【発明の効果】最も温度上昇の大きい熱源を、冷却水の
入口近くに配置し最も温度が低い冷却水を供給すること
で、効率良く冷却することができる。また、冷却管の形
状が簡略化されることで、圧力損失が減少し、また、冷
却管の目詰まり、腐食による液漏れ、等の故障が減少で
き、装置全体の信頼性を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体冷却方法によって、電力増幅器
を基板上に配置した一例を示す図。

【図２】本発明の液体冷却方法によって、電力増幅器
を基板上に配置した一例を示す図。

【図３】本発明の液体冷却方法によって、電力増幅器
を基板上に配置した一例を示す図。

【図４】電力増幅器の出力側の回路配置を示す図。

【図５】冷却管と熱源との配置を簡単に説明するため
の断面図。

【符号の説明】

1：電力増幅部、 2：電源部、 3：冷却管、 4：電力
増幅部トランジスタ、5：電源部トランジスタ、 6：抵
抗器、 7：トランス、 8：冷却水入口、9：冷却水出
口、 20：プリアンプ部、 21 〜 26：増幅部、 28：
冷却水入口、 29：冷却水出口、 30：SW、 31，32：
直線、 33：DC 電源部、 35：方向性結合器、 36：
アイソレータ、 37：出力端子、 38，38″：二合成
器、38′：三合成器、 39：ダミー、 51：熱源、 5
2：配線基板、 53：冷却管、54：伝導ブロック、 10
0，100′：配線基板、 200：電力増幅器、201：配線基
板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の熱源を有する電子装置において、
該複数の熱源を直線的に配置し、該複数の熱源のうち温
度上昇の高いものから順に、液体冷媒入口側に配置し冷
却することを特徴とする電子装置の液体冷却方法。
【請求項２】請求項１記載の電子装置の液体冷却方法
において、前記電子装置に異常が発生したときに、温度上
昇する複数の熱源を前記液体冷媒入口側に配置すること
を特徴とする電子装置の液体冷却方法。