JP2007250752A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品が内蔵されたモジュールに冷却板を接触させて、複数のモジュールを個々に液冷する場合、点検時にモジュールを１個毎に取り外す必要が有り、整備性が劣るという問題があった。
【解決手段】冷媒流路を有した冷却部１２と基板回路が実装され、長手方向に一様断面を有したフレームにより構成される格子状のシャーシに、モジュール９が複数個装着されたブロック４を挿入し、ブロックに内部発生熱を放熱する放熱板４２を設けて、フレームの冷却部とブロックの放熱板を当接させるように電子機器を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電子部品が実装され、液冷を行う電子機器に関する。

従来の電子機器は、冷媒の流れる冷却板に複数のエレクトロニクスモジュール（以下、モジュール）を接触させて、モジュール内部の電子部品を所定温度以下に維持するように冷却を行っていた。この冷却板は、薄肉平板で囲まれた矩形断面の流路が構成され、この流路内を冷媒が輸送される。冷媒が流路を流れ出すと冷却板の内圧が上昇し、内圧上昇により薄肉平板が膨張して、薄肉平板の表面がモジュールに密着する。これによって、モジュールと冷却板との接触面に介在する空気層を減じ、接触熱抵抗を小さくして、モジュールに実装された電子部品の発熱を抑えることができる。（例えば特許文献１参照）

特公平３−２２０７４号公報（第３頁、図３）

しかし、従来の電子機器では、冷却板の表面に個々のモジュールを接触させていたので、モジュールの点検時にモジュールを１個毎に取り外す必要があり、メンテナンス性に劣るという問題があった。例えば、複数のアンテナ素子を有したアクティブフェーズドアレイアンテナでは、各アンテナ素子に対応したモジュールの個数が、アンテナ素子に応じて数百個あり、モジュール取り外しの作業効率が著しく悪かった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、電子機器を構成する複数のモジュールの交換作業を軽減することのできる、電子機器の液冷構造を得ることを目的とする。

この発明による電子機器は、複数の隔室の周囲がそれぞれ壁面で取り囲まれて格子形状をなした枠体、枠体壁面の内部に配管された冷媒流路、枠体の隔室毎に設けられた回路基板、及び枠体の隔室毎に設けられ回路基板に接続された枠体側コネクタ、を有した筐体と、複数の電子部品、当該電子部品を内部に収容した容器、当該電子部品に接続されたブロック側コネクタ、及び当該電子部品と熱的に直接もしくは間接的に接続され冷媒の封入された内部流路が設けられるとともに容器の外表面に設けられた放熱板、を有した複数のブロックと、を備え、上記ブロックは、上記放熱板が枠体壁面に当接し、上記ブロック側コネクタが枠体側コネクタに嵌合した状態で、上記枠体の隔室内に挿入されて着脱可能に保持されたものである。

また、放熱板は、薄肉平板で囲まれて内部流路が形成され、薄肉平板の膨張作用により枠体の壁面に当接するものであっても良い。

また、ブロックは、内部に配管され、放熱板との間で冷媒を輸送する液管と、液管に接続され、冷媒を循環させるポンプとを有したものであっても良い。

この発明による電子機器は、複数の電子部品をブロック内部に実装し、ブロック内部の発生熱を放熱する冷媒の封入された放熱板を、ブロックの外表面に取り付けて、放熱板を筐体の壁面に接触させて冷却するので、ブロック内部の発熱性を有した複数の電子部品を効率的に冷却することができるとともに、発熱性を有した複数の電子部品を、ブロック単位で一度に着脱することが可能となり、整備性が向上するという効果を奏する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電子機器を示す斜視図である。図２は、図１の矢視ＡＡ断面図である。

この実施の形態１による電子機器は、シャーシ１０と、シャーシ１０の裏面に設けられた平板状のバックプレート１１と、シャーシ１０に装着された複数のブロック４と、を備えて構成される。シャーシ１０は、縦フレーム１２と横フレーム１３、１４、１５とを組合わせて、格子状の枠体が形成されている。すなわち、シャーシ１０は、縦横フレームの壁面に周囲を取り囲まれて、矩形状の隔室が複数個構成されている。各隔室には、直方体形状のブロック４が収納されている。ブロック４は、直方体形状の容器６００を有しており、容器６００の内部に、発熱性の電子部品を実装したモジュール９が複数個装着されている。モジュール９は、ブロック４に対して着脱可能に取り付けられている。

モジュール９は、複数の電子回路を収納した金属容器や、高周波回路に実装された基板や、回路部品等の、纏まった単位で取り扱われるものであり、纏まった機能を有している。例えば、電子機器が、複数のアンテナ素子を有したアクティブフェーズドアレイアンテナを構成する場合、モジュール９は各アンテナ素子に対応した送受信機を構成する機能モジュールとして動作する。この際、モジュール９には、例えば、アンテナ素子、マイクロ波スイッチ、移相器、受信系の低雑音増幅器、送信系の高出力増幅器等のマイクロ波回路や、配線基板等の所定の機能を有した電子回路が構成される。

図２に示すように、縦フレーム１２は、冷却部１２１と基板実装部１２２を備えた、長手方向に一様断面の壁面で構成される。冷却部１２１の壁面は中空構造で、冷媒となる冷却液６１の流れる流路が形成される。また、基板実装部１２２は、一端部のフランジにコネクタ（枠体側コネクタ）５１が実装され、側壁面に各ブロックとの電気信号の授受を行う回路基板５が収容される。コネクタ５１は回路基板５に接続されている。基板実装部１２２のフランジは、コネクタ５１を装着するための穴６０が設けられている。

図１の矢印２２は、シャーシ１０の内部を冷却液が流れる方向を示したものである。シャーシ１０の上下面を構成する横フレーム１４、１５には、冷却液入口部１６と冷却液出口部１７が備えられる。ここで、電子機器の外部から供給される冷却液６１が冷却液入口部１６から入り、横フレーム１４で各縦フレーム１２に分配される。各縦フレーム１２に分配された冷却液６１は、横フレーム１５で合流し、冷却液出口部１７で電子機器の外部に排出されるように、縦フレーム１２と横フレーム１４、１５が接続される。また、横フレーム１３は、縦フレーム１２、および横フレーム１４、１５を接続する構造強度部材として作用する。

ブロック４は、容器６００のフロントエンドに、シャーシ１０の上面に結合されるフランジ継手を有した、フロントパネル６５０が設けられる。フロントパネル６５０には、コネクタ（ブロック側コネクタ）４４が装着される。コネクタ４４は、ブロック４に装着された複数のモジュール９に接続され、モジュール９内部の電子部品に接続されている。また、コネクタ４４は、コネクタ５１に着脱可能に嵌合されて、ブロック外部の回路基板５との間で電気信号の授受を行う。ブロック４は、容器６００の内部に、モジュール９を収納するモジュール実装部４１を有する。モジュール実装部４１には、冷却板７と流路６５が取り付けられている。冷却板７は薄肉平板にて構成され、内部に冷却液が流れる流路６が形成される。流路６５は、各モジュール９の周辺を通過するように配管される。なお、モジュール９との密着性がそれ程必要でなければ、冷却板７は必ずしも冷却液によって膨張するものでなくても良く、内部に流路が配管されたものであれば良い。

ブロック４における容器６００の側面には、中央部からフロントエンドと反対のバックエンド側にかけて、放熱板４２が取り付けられている。放熱板４２は薄肉平板にて構成され、内部に流路６３を有する。また、放熱板４２の流路６３は流路６５を介して冷却板７の流路６に接続されて、相互に閉じた流路を構成している。モジュール９は、放熱面が冷却板７に接触し密着するようにモジュール実装部４１の内部に取り付けられ、フロントパネル６５０にねじ締結される。ポンプ４３は、放熱板４２の流路６３とモジュール実装部４１内の冷却板７の流路６との間で、冷却液（冷媒）６２の流れを発生させ、上記閉じた流路内で冷却液６２を循環できる構成となっている。また、流路６内部の冷却液６２が加圧され、冷却板７が膨張する。このため、冷却板７はモジュール９の放熱面に密着する。また、図示は略すが、ブロック４の両側に装着された放熱板４２は、流路６５を通じてブロック４内外に設けられた他の流路とともに、閉じられた循環ループを形成するように接続されている。

なお、必要とされる冷却性能によっては、次に示すいくつかの態様があっても良い。
例えば、冷却板７を設ける代わりに、モジュール実装部４１内のモジュール９の近傍に流路６５を配置して、流路６５を冷却用配管として機能させるものであっても良い。モジュール９はヒートシンクを介在して流路６５に熱的に接続される。この場合、冷却用配管としての流路６５はモジュール９の放熱面に密着しないので、冷却板７に比べて排熱効果が劣るが、比較的簡単な構造で、流路６３を放熱板４２の流路６３に接続することができる。

また、他の態様として、冷却板７の代わりにヒートパイプ（図示せず）を設けたものであっても良い。流路６５をヒートパイプに熱的に接続することによって、ヒートパイプと放熱板４２との間で熱交換ができるように構成する。この場合、ヒートパイプは、ヒートシンクを介在してモジュール９に熱的に接続されるように配置すれば良い。

さらに、他の態様として、冷却板７と流路６５を設ける代わりに、モジュール９と放熱板４２の間を熱的に接続するヒートポンプ（図示せず）を設けたものであっても良い。ヒートポンプは、例えば伝熱性の高いアルミや銅等からなる伝熱パイプと、伝熱パイプに接続されたペルチェ素子とを用いて構成する。

いずれの態様にしても、ブロック４の外部表面に放熱板４２を配置して、ブロック４の内部に、放熱板４２に熱伝達する伝熱経路を設けて、この伝熱経路を通じて複数のモジュール９のそれぞれの近傍を冷却するように構成すれば良い。

この実施の形態１は以上のように構成され、次のように動作する。
ブロック４は、格子状に配置されたシャーシ１０の各隔室内に、挿入、もしくは抜去される。この際、放熱板４２と縦フレーム１２との間には隙間が設けられ、図１の２１の挿抜方向にブロック４の挿抜が可能となる。一方、ブロック４をシャーシ１０に装着した状態においては、流路６３内部の冷却液６２が加圧され、放熱板４２が膨張する。このため、シャーシ１０の冷却部１２１と放熱板４２は密着する。放熱板４２を膨張させるための構造については、後述する。また、ブロック４は、フロントパネル６５０のフランジ継手がフレーム１０の上面に当接し、図示しないねじにより締結される。

また、ブロック４をシャーシ１０に装着する際、ブロック４のコネクタ４４が回路基板５のコネクタ５１に嵌合する。これによって、モジュール９とブロック４外部との電気信号の授受が可能となる。

発熱性の電子部品を内蔵したモジュール９を所定の温度に保持するために、ブロック４とシャーシ１０の間で、冷却液６１、６２を用いて、次のように放熱を行う。
モジュール９で発生した熱は、近傍で当接した冷却板７に熱伝導する。冷却板７に伝導した熱は、冷却板７の内部を流れる冷却液６２を媒介として、熱伝達により放熱板４２に熱移送される。ポンプ４３は、冷却板７と放熱板４２の間で冷却液６２を移送する。放熱板４２は冷却部１２１に当接しているため、冷却液６２の熱は放熱板４２を介して冷却部１２１に伝達される。冷却部１２１は、放熱板４２から伝達された熱を、冷却液６１を媒介として熱移送し、冷却液６１の流れと共に冷却液出口部１７から外部に排出する。

ここで重要なのは、直方体形状のブロック４の外部表面に放熱板４２を設け、放熱板４２をブロック４の内部に設けた複数の発熱性の電子部品とそれぞれ熱的に接続し、放熱板４２を内部の冷却液によって膨張させ、シャーシ１０に密着させることによって、ブロック４内部の複数の電子回路で発生した熱を、効率的にシャーシ１０に放熱することである。これにより、発熱部位をブロック外表面に露出させなくても良い。また、ブロック４の容器６００は直方体形状なので、発熱性の電子部品を内部に多数配置することができる。

以上説明したように、この実施の形態１では、複数の発熱性の電子部品を、外部表面に放熱板４２を備えた容器６００の内部に実装して、ブロック４を構成している。
すなわち、縦横フレームの壁面により周囲が矩形状に取り囲まれた隔室が複数配列され格子形状をなしたシャーシ１０と、シャーシ１０壁面の内部に配管された冷媒の流路６１と、シャーシ１０の隔室毎に設けられた回路基板５、及びシャーシ１０の隔室毎に設けられ、回路基板５に接続されたシャーシ１０側のコネクタ５１を有したシャーシ１０と、電子部品を実装した複数のモジュール９、各モジュール９に接続されたブロック側のコネクタ４４、及びモジュール９内部の電子部品と熱的に直接もしくは間接的に接続され冷媒の封入された内部流路が設けられ外表面に設けられた放熱板４２を有した複数のブロック４を備える。ブロック４は、放熱板４２がシャーシ１０の壁面に当接し、ブロック側のコネクタ４４がシャーシ１０側のコネクタ５１に嵌合した状態で、シャーシ１０の各隔室内に挿入されて着脱可能に保持されている。

また、ブロック４内部の電子部品で発生した熱は、冷却液の封入された閉じた流路を通じて、ポンプ４３によって放熱板４２に熱移送される。この移送された熱は、放熱板４２とシャーシ１０との接触熱伝導によってシャーシ１０に伝達され、シャーシ１０の内部流路を介して外部に放熱される。

これによって、ブロック内部に実装された複数の電子部品で発生した熱を、効率的に外部に移送することができる。さらに、ブロック４の挿抜によって、複数のモジュール９をブロック単位で一度に着脱することができるので、モジュール９の交換時や試験時等において整備性が飛躍的に向上する。

また、ブロック４を長手方向に一様断面のフレーム１０にて構成されるため、フレームに押出材、引抜材を適用して、安価にフレームを製造することが可能となる。さらに電子機器を構成するブロックの数の変更が発生した場合においても、押出材、引抜材の長さの変更により容易に電子機器の構成を変更することが可能となる。

また、ブロック４のバックプレート１１側において、放熱板４２の膨張によってフレーム１０とブロック４の間で接触力が発生する。このため、フロントパネル６５０をフレーム１０に固定すれば、ブロック４はフレーム１０に強固に保持されるため、ブロック４を挿抜する際の作業性を低下させることなく、かつブロック保持部の耐振性、耐衝撃性を向上させることができる。さらに、バックプレート１１がフレーム１０に接合されると、バックエンド側が閉口され、フレーム１０の機械強度がさらに向上する。

なお、バックプレート１１側は、ブロック４を挿抜する作業者からはアクセスが難しいが、フレーム１０のフロントエンド側からのみ、ブロック４の挿抜と固定作業が行える点で、整備性に優れている。このため、フレーム１０のバックエンド側からねじを挿入してブロック４を固定する必要がなく、バックプレート１１を用いてフレーム１０を強固に結合できる。

また、ブロック４の放熱部に膨張する放熱板４２を適用しているので、ブロック４からフレーム１０への高い放熱性能を得ることができる。特に、電子機器が大型化し、フレーム１０の平面が歪んだ場合においても、放熱板４２の膨張によってブロック４の放熱部がフレーム１０と密接に接触するので、ブロック４からフレーム１０の冷却部１２１への十分な放熱性能を確保することができる。

次に、放熱板４２を膨張させるための構造について説明する。
図３はこの本発明の実施の形態２におけるブロックの図である。図３（ａ）は外観図、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢視ＢＢ断面図である。

モジュール実装部４１内の冷却板７に接続された流路６５は、連通孔４８、４９に水密的に接続されている。ポンプ４３と放熱板４２、ポンプ４３と連通孔４８、及び放熱板４２と連通孔４９は、配管４７で相互に水密的に接続されている。ポンプ４３内は図中の点線のように流路が形成されている。配管４７には冷却液６２の流路が構成されている。また、ブロック４内部で配管４７に接続された流路６５（図中一点鎖線で示す）には、分岐管を構成するシリンダ４５４が接続されている。シリンダ４５４の内部には、プラグ４５１が挿入される。プラグ４５１は外周にＯリング４５３が嵌合されている。プラグ４５１はＯリング４５３によりシリンダ４５４に圧入されており、シリンダ４５４内部流路の水密を保持しながら、ボルト４６により上下に摺動できる構成となっている。このシリンダ４５４とプラグ４５１とＯリング４５３とで、流路内部の圧力開放部が構成される。

ブロック４の内外を循環する流路６、６３には、冷却液６２が充填されている。冷却液は通常非圧縮性であり、圧力により体積が殆ど変化しない。このことを利用して、プラグ４５１をシリンダ４５４内部に押し込むことにより、各冷却流路を構成する部材の中で、最も剛性の低い放熱板４２を膨張させることができる。また、冷却板７に剛性の低い薄肉板を用いて流路６を構成する場合、プラグ４５１の押し込みに応じて冷却板７も同時に膨張する。

ブロック４をシャーシ１０より挿抜する際には、プラグ４５１を押し込まず、放熱板４２を膨張させないことで、放熱板４２とフレーム１０の冷却部１２１との間に隙間が設けられ、ブロック４の着脱性を確保することができる。一方、ブロック４をシャーシ１０に装着した状態においては、ボルト４６をねじ込んでシリンダ４５４内でプラグ４５１を押し込み、放熱板４２を膨張させることで、放熱板４２とフレーム１０の冷却部１２１とを密着させることができる。

以上により、ブロック４内の冷却液の流路６に接続されたシリンダ４５４のプラグ４５１の押し込み量を、ブロック抜去時とブロック挿入時とで変化させることにより、放熱板４２を膨張させることができ、放熱板４２とシャーシ１０との接触熱抵抗を低減する効果を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、この本発明の実施の形態２におけるブロック４の図である。図４（ａ）はブロック４をシャーシ１０に装着途中の状態を示す図、図４（ｂ）はブロック４をシャーシ１０に装着した状態を示す図である。

この実施の形態２では、シリンダ４５４がバックプレート１１側に設けられ、プラグ４５２がシリンダ４５５に挿入され、プラグ４５２の端部がバックエンド側のブロック外形よりバックプレート１１側に突出していること以外は、実施の形態２と同様の構成である。

ブロック４をシャーシ１０に装着する際、ブロック４が図４（ａ）の挿入方向２３の方向に挿入されると、プラグ４５２がバックプレート１１と接触することにより、図４（ｂ）の挿入方向２４の方向に押し込まれる。このようにプラグ４５２が押し込まれることにより、実施の形態２と同様に放熱板４２が膨張し、放熱板４２とフレーム１０の冷却部を密着させることができる。

一方、ブロック４をシャーシ１０から抜去する際、ブロック４が図４（ａ）の挿入方向２３と逆方向に移動すると、プラグ４５２とバックプレート１１の接触によるプラグ４５２の拘束力が解放され、放熱板４２の膨張による応力が解放されて、放熱板４２が膨張前の元の状態に戻る。これによって、プラグ４５２が図４（ｂ）の挿入方向２４と反対方向に突き出る。このようにしてプラグ４５２が突き出るとともに、放熱板４２とフレーム１０の冷却部１２１接触面との間に隙間が生じる。

以上により、ブロック４をフレーム１０に装着する際、ブロック４内の冷却液の流路６に接続されたシリンダ４５５内でプラグ４５２が押し込まれることにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、ブロック４の装着に応じてブロック４内の冷却液の流路６に接続されたシリンダ４５５内でプラグ４５２が押し込まれることから、プラグを押し込むためのねじ締め等の作業を伴うことなく、放熱板４２を膨張させることができるので、整備性がさらに向上する。

この発明の実施の形態１による電子機器を示す図である。 この発明の実施の形態１によるブロックとフレームの構造を示す図である。 この発明の実施の形態１によるブロックの接続構造を示す図である。 この発明の実施の形態２によるブロックの構造を示す図である。

符号の説明

４ ブロック、５ 基板、９ モジュール、１０ シャーシ、１１ バックプレート、１２ 縦フレーム、１３ 横フレーム、１４ 横フレーム、１５ 横フレーム、１６冷却液入口部、１７冷却液出口部、２１ 挿抜方向、２２ 冷却液の流れ、２３ 挿入方向、２４ 挿入方向、４１ モジュール実装部、４２放熱板、４３ ポンプ、４４ コネクタ、４６ ボルト、４７ 配管、６１ 冷却液、６２ 冷却液、６３ 流路、６５ 流路、１２１ 冷却部、１２２ 基板実装部、４５１ プラグ、４５２ プラグ、４５３ Ｏリング、４５４ シリンダ、４５５ シリンダ、６００ 容器。

Claims (6)

1. 複数の隔室の周囲がそれぞれ壁面で取り囲まれて格子形状をなした枠体、枠体壁面の内部に配管された冷媒流路、枠体の隔室毎に設けられた回路基板、及び枠体の隔室毎に設けられ回路基板に接続された枠体側コネクタ、を有した筐体と、
   複数の電子部品、当該電子部品を内部に収容した容器、当該電子部品に接続されたブロック側コネクタ、及び当該電子部品と熱的に直接もしくは間接的に接続され冷媒の封入された内部流路が設けられるとともに容器の外表面に設けられた放熱板、
   を有した複数のブロックと、
   を備え、
   上記ブロックは、上記放熱板が枠体壁面に当接し、上記ブロック側コネクタが枠体側コネクタに嵌合した状態で、上記枠体の隔室内に挿入されて着脱可能に保持されたことを特徴とする電子機器。
2. 放熱板は、薄肉平板で囲まれて内部流路が形成され、薄肉平板の膨張作用により上記枠体の壁面に当接することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. ブロックは、一端部に上記枠体の壁面上部に結合するための継手を有し、他端部側の側面に上記枠体の壁面に当接する上記放熱板を設けたことを特徴とする請求項２記載の電子機器。
4. ブロックは、
   内部に配管され、上記放熱板との間で冷媒を輸送する液管と、
   上記液管に接続され、冷媒を循環させるポンプとを有したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれ１項に記載の電子機器。
5. ブロックは、
   内部に配管され、上記放熱板との間で冷媒を循環輸送する液管と、
   上記液管に接続され、冷媒を循環させるポンプと、
   上記液管に接続されたシリンダと、
   上記シリンダ内に圧入され、シリンダ内面で水密を保持して摺動するプラグと、を備えたことを特徴とする請求項２もしくは請求項３記載の電子機器。
6. シリンダは、上記ブロック内部の他端部側に設けられ、
   プラグは、上記ブロックの他端部に突出し、上記枠体の隔室内へのブロックの挿抜に応じて上記シリンダ内を摺動するように設けられたことを特徴とする請求項２もしくは請求項５記載の電子機器。

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