JP2008527709A - 冷却装置、システムおよび関連する方法 - Google Patents

Abstract

冷却装置、システムおよび方法を提供する。冷却装置は、対向する主要面を有する少なくとも１つのプリント基板と、少なくとも１つの電気部品、またはプリント基板の一方の主要面上に配置されるその他の熱源とを有する。冷却装置は、一方の主要面に沿ってこれに隣接して延伸するか、またはプリント基板内に組み込まれて配置される少なくとも１つの部分を有する振動型ヒートパイプも含む。振動型ヒートパイプ自体は、プリント基板から熱を伝達することが可能である。

Description

発明の背景
１）発明の技術分野
本発明は冷却システム、より詳細にはプリント基板冷却用の振動型ヒートパイプを用いた冷却システムに関する。

２）従来技術の説明
航空電子工学およびその他の用途において、プリント基板（ＰＣＢ）は、一般的に金属製のシャーシボックス内に取り付けられる。プリント基板により支持される電子装置により発生する熱は、プリント基板を通してシャーシボックスの金属（アルミニウム）壁に伝達されることにより放散される。続いて熱は、金属シャーシ壁部を通して伝導することにより外部のヒートシンクへ送られ、最終的にヒートシンク周囲を循環する冷気または冷却板により出される。熱伝導径路の高い熱抵抗により、一般にさらなる作動と共に廃熱負荷が増加し、これにより熱を発する電子装置とヒートシンクとの間の温度勾配（ΔＴ）が高くなる。この増加したΔＴは、電子装置の性能に影響を及ぼす可能性がある。したがって、この熱の問題に対応するために、より効果的な熱伝達方法を開発する必要があった。

発展した熱伝達方法の１つは、振動型ヒートパイプ（ＰＨＰ）技術である。振動型ヒートパイプは、図１に示されるような閉回路を形成する環状または非環状の曲折した毛細管により作成される。減圧された状態で維持される毛細管に部分的に液体を充填した後、振動型ヒートパイプは、蒸気泡により隔てられる複数の蒸気層、すなわち飽和液の領域を形成することにより平衡状態に達する。作動時には、熱は蒸発領域へ取り入れられ、凝縮領域から取り出される。定常状態では、異なる作動間における瞬間的な圧力不均衡により生じる、蒸発領域から凝縮領域への連続的な振動運動により熱伝達が達成される。両フェーズが変化し、熱伝達において顕熱交換が関与すると考えられる。

１９９０年代後半から、振動型ヒートパイプの作動特性および機構が広く研究されており、この技術はますます多くの分野に使用されるようになってきた。たとえば、振動型ヒートパイプ技術は、熱抵抗の低下のために航空電子部品の冷却のために採用されてきた。これには、アカチによる米国特許第４，９２１，０４１号、５，６９７，４２８号に開示されるシステムが採用される。特に、本発明の図２に示されるように、航空電子工学機器のシャーシボックスは、プリント基板を収容し、シャーシボックスの壁部内にトンネルプレートヒートパイプを含むことが開示される。シャーシボックスの別の壁部は、プリント基板からヒートパイプへ伝達された熱を出すために凝縮器に接続される冷却板であることが可能である。ヒートパイプを壁部内に配置することにより、熱抵抗が低減し熱伝導性が向上する。

航空電子工学機器およびその他のシステムにおいて、より多くの熱が生じる新たなおよび追加的な電子機器を採用することにより、プリント基板によってより多くの廃熱が発生する。たとえば、航空電子工学機器のシャーシに利用される新型の電子システムは、作動時に全体で１０００ワットの廃熱を放散させる必要がある。たとえば、各電源モジュールが約１００ワットを発生させ、これを放散させる必要がある。したがって、放熱要件が高まることにより、従来型の冷却方法が利用される場合は非常に大きな温度勾配が生じる。これにより、振動型ヒートパイプをシャーシボックスに組み込むことを含む航空電子工学機器の冷却に関する上述の改良に加えて、より多量の廃熱を扱うことが可能である追加的な改良が望まれる。

したがって、新型の電子システムにより生じる多量の廃熱を急速に放散させるための改良された冷却システムを提供することが有利である。この関連で、従来の冷却システムより高い熱伝導性および低い熱抵抗を提供する冷却システムを提供することが有利である。また、従来の冷却システムより、比較的簡単な構造であり、製造コストが低い冷却システムを提供することも望ましい。

発明の概要
本発明は、プリント基板を冷却するための振動型ヒートパイプを採用可能である改良された冷却システムを提供することにより上述の必要性に取り組み、その他の長所を達成する。たとえば、振動型ヒートパイプは、プリント基板の付近でシャーシハウジング内に配置されることが可能である。したがって振動型ヒートパイプは、冷却システムが容易にかつ効果的に熱をプリント基板から伝えるように、１つまたはそれ以上のプリント基板に沿って、またはこれに隣接して配置されることが可能である。一実施形態では、冷却システムは、振動型ヒートパイプとヒートシンクとの間の中間冷却を提供するために、振動型ヒートパイプと関連してループヒートパイプを利用することが可能である。

本発明の一実施形態では、少なくとも１つのプリント基板と、プリント基板と熱伝導して配置される少なくとも１つの熱源とを含む冷却装置が提供される。冷却装置は、主要面の一方に沿ってこの付近で延伸して、またはプリント基板内に組み込まれて配置される少なくとも１つの部分を有する振動型ヒートパイプも含む。振動型ヒートパイプ自体は、プリント基板から熱を伝達することが可能である。

本発明の様々な態様では、冷却装置は振動型ヒートパイプおよびプリント基板に隣接してこれらの間に配置される熱伝導性材料から形成される少なくとも１つのシートを含む。振動型ヒートパイプの蒸発器が、熱源と反対側でプリント基板の主要面に隣接して配置されることが可能である。さらに、振動型ヒートパイプは、１組のプリント基板の間に配置されることが可能である。

冷却装置のさらに別の態様では、装置は、振動型ヒートパイプに熱的に結合したループヒートパイプを含み、ループヒートパイプは蒸発器と凝縮器とを含む。ループヒートパイプの蒸発器は、振動型ヒートパイプの凝縮器に熱的に結合することが可能である。

本発明は、冷却システム内に統合されることも可能である。冷却システムは、上述のようなシャーシハウジングならびに冷却装置を有する。プリント基板は、シャーシハウジング内に配置される。冷却システムの様々な実施形態において、振動型ヒートパイプは蒸発器と凝縮器とを含む。凝縮器はシャーシハウジングの壁部に隣接して配置され、蒸発器は１組のプリント基板の間に配置されることが可能である。さらに、蒸発器は凝縮器と同一線上に延伸することが可能である。また、冷却システムは、熱伝導性材料からなる１組のシートを含むことが可能であり、これはそれぞれ対応するプリント基板に隣接して配置され、振動型ヒートパイプはシートの組の間に配置される。

冷却システムのさらなる態様では、ループヒートパイプは、内面に隣接して、または外面に隣接して、またはシャーシハウジングの壁部内にて配置される。さらに、冷却システムは、振動型ヒートパイプの対向する端部に配置される１組のコネクタを含むことが可能である。コネクタは、振動型ヒートパイプからループヒートパイプへ熱を伝導することが可能である。

本発明の別の態様は、少なくとも１つのプリント基板を冷却するための方法を提供する。この方法は、上述の冷却システムを準備することを含む。さらに方法は、プリント基板から熱を振動型ヒートパイプにより伝達すること、ならびに振動型ヒートパイプを通して熱を移動させることにより、プリント基板およびシャーシハウジングから熱を出すことを含む。

本方法の別の態様では、準備のステップは、ループヒートパイプが振動型ヒートパイプに熱的に結合するように、ループヒートパイプを振動型ヒートパイプの外面に隣接して配置することを含む。これにより方法は、振動型ヒートパイプからループヒートパイプへ熱を伝達することを含むことが可能である。準備ステップは、複数のプリント基板をシャーシハウジング内に組み込むことを含むことも可能である。準備ステップは、振動型ヒートパイプをプリント基板の各組の間に配置することも可能である。

本方法のさらなる態様では、準備ステップはさらに、熱伝導性材料から形成される少なくとも１つのシートを振動型ヒートパイプとプリント基板の間にこれらに隣接して配置することを含む。準備ステップはさらに、振動型ヒートパイプの対向する端部に１組のコネクタを配置することを含み、その際コネクタは熱を振動型ヒートパイプからシャーシ壁部を通してループヒートパイプへ伝達することが可能である。方法は、熱をコネクタから、シャーシハウジングを介してループヒートパイプへ伝達することを含むことが可能である。準備ステップは、振動型ヒートパイプの蒸発器を、熱源と反対側のプリント基板の面に隣接して配置することを含むことも可能である。さらに、準備ステップは、振動型ヒートパイプの凝縮器を内面に隣接して、外面に隣接して、またはシャーシハウジングの壁部内にて配置することを含む。

したがって本発明は、シャーシハウジング内に設置されたプリント基板を冷却することが可能である冷却システムを提供する。冷却システムは、航空電子工学を含む様々な技術分野に応用可能であり、様々な冷却の必要性に応じて適合させることが可能である。１つの有利な実施形態による冷却システムは、蒸発器をプリント基板の組の間に配置し、凝縮器をシャーシハウジングの壁部内に配置することにより、必要なスペースが最小限である振動型ヒートパイプを採用している。さらに、振動型ヒートパイプは、従来の航空電子工学機器の冷却技術に比べ、製造コストがより低く、内部構造が簡単かつ軽量であり、熱伝導性がより高いということが一般に公知である。したがって、冷却システムは、熱源とヒートシンクとの間の温度勾配を低減し、プリント基板と振動型ヒートパイプとの間の熱抵抗を低減させることが可能である。熱伝導特性が向上するため、冷却システムは、航空電子工学およびその他の技術分野における新たな電子機器に対する高まる要求に、より適切に対応することが可能である。

以上、本発明の概要を説明した。添付の図面は下記の通りであるが、これらは必ずしも原寸と比例するわけではない。

発明の詳細な説明
以下に本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面では本発明のいくつかの実施形態が示されているが、全ての実施形態が示されている訳ではない。実際、本発明は多数の異なる形態で実施可能であり、以下に説明される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。これらの実施形態は、本開示が適用される法的要件を満たすために提供されたものである。終始、類似の符合は類似の要素を示している。

図面、特に図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る冷却システム１０が示されている。冷却システム１０は一般に、シャーシボックス１３内に設置される複数のプリント
基板１２（ＰＣＢ）を含む。振動型ヒートパイプ１４（ＰＨＰ）の一部が、対応するＰＣＢに隣接して、より典型的にはシャーシボックス１３内の１組のＰＣＢ１２との間に配置される。ＰＨＰ１４の残りの部分は、シャーシボックス１３の壁部に隣接して、またはこの内部に配置される。図３に示されるように、シャーシボックス壁部に隣接して、またはこの内部に配置されるＰＨＰ１４の部分は、直接的に、またはループヒートパイプ１６（ＬＨＰ）を介して、ヒートシンクに熱的に結合されている。

したがって、図３に示される一実施形態の冷却システム１０は、一般に３つのステージに分けられることが可能である。すなわち、電子部品がＰＨＰ１４と一体化されている第１ステージ（＃１）と、ＰＨＰがＬＨＰ１６と一体化されている第２ステージ（＃２）と、ＬＨＰがヒートシンクと一体化されている第３ステージ（＃３）とである。しかし以下に説明するように、冷却システム１０は本発明の別の実施形態では様々な構成を有することが可能であるため、これらのステージは限定するためではなく、例示的に示すためのものである。また、冷却システム１０はここでは航空電子工学機器における冷却システムとして示されているが、この冷却システムは、シャーシボックス１３内に設置されているＰＣＢ１２を含む多くの技術に応用可能であることは自明である。たとえば、冷却システム１０は、内部に電気部品を含むシャーシボックス１３に関連するあらゆる産業分野において応用可能である。

ここで使用されるシャーシボックス１３は、ＰＣＢ１２のような電気部品を収容するための、任意の適切なボックス、ハウジング、ケースまたはパックである。たとえば航空宇宙機は、複数のシャーシボックス１３を含むことが可能であり、これらはそれぞれ、異なる航空電子工学的機能を提供するための様々な電気部品を含む。この関連で、単一のシャーシボックス１３内に複数のＰＣＢ１２が設置されることが可能である。シャーシボックス１３自体は通常、１つまたは複数のＰＣＢを受けることが可能であるマザーボード、ならびにその他の構成部品および周辺機器を含む。シャーシボックス１３は通常、複合材料またはアルミニウムのような金属材料からなる。また、シャーシボックス１３は様々なサイズおよび構成を有することが可能である。

当業者にはよく知られているように、ＰＣＢ１２は、１つまたは複数の電気部品またはその他の熱の発生源（以下「熱源」とする）を受け、支持または相互に接続することが可能である対向する主要面を有する回路基板である。各ＰＣＢ１２の１方の主要面は金属化されるか、複合材料であるか、またはその他の金属材料により被覆される一方で、他方の面は１つまたは複数の熱源１８を受けることが可能である。たとえば熱源１８は、ＰＣＢ１２により支持されるコンピュータおよび制御部品、またはその他の電気部品であることが可能である。これらの部品１８は作動時に、廃熱を発生させる熱源となる。たとえば図３から７および９は、様々な数および構成の熱源１８により生じる廃熱が本発明の冷却システム１０により放散される実施形態を示す。さらに、ＰＣＢ１２は一般に、シャーシボックス１３内で相互に対して平行に積み重ねられた構成で配置されている。しかしＰＣＢはシャーシボックス内で所望の方向で配置されることが可能である。

この廃熱を除去し、電気部品の性能の低下を回避するために、ＰＣＢの冷却用にＰＣＢ１２の主要面に沿ってＰＨＰ１４が配置される。当業者によく知られるようにＰＨＰ１４は任意の適切なＰＨＰであることが可能である（図１を参照）。したがって、ＰＨＰ１４は、水、アセトンまたはエタノールのような作動流体を含み、これは、離間し、ＰＨＰ内で蒸気層により隔てられる、異なる液体区分に分かれる。ＰＨＰ１４は通常、蛇行し、多数のＵターン部を有する毛細管を含む。さらにＰＨＰ１４は一般に、蒸発器２０と凝縮器２２とを含み、蒸発器で受けた熱により液体および蒸気層が、吸収された熱により生じる圧力変動により振動する。圧力変動により、液体および蒸気層は、蒸発器２０と凝縮器２２との間で移動させられる。ＰＣＢ１２からの熱伝導によりＰＨＰ１４に蒸発器２０にお
いて熱が加えられた際、少なくとも一部の液体は蒸発器で蒸発する。蒸発器２０から到達する蒸気より凝縮領域が一般に低温である凝縮器２２に達すると、少なくとも一部の蒸気が液化する。蒸気による膨張および凝縮による縮小により、蒸気を凝縮器２２へ送るとともに液体を蒸発器２０へ返す作動流体の振動運動が引き起こされる。加熱および冷却条件が維持されている場合は、液体および蒸気層の振動運動は自立的である。したがって、ＰＨＰ１４は自立的であり、作動のために外部の機械的な装置（たとえばポンプ）またはエネルギーを必要としない。

本発明のさらなる実施形態では、ＰＨＰはあらゆる大きさおよび構成を有することが可能であるため、本発明のＰＨＰ１４は特定の構成に限定されるべきではない。たとえばＰＨＰ１４は様々な寸法を有することが可能であり、管は様々な直径および構成を有することが可能であり、蒸発器２０および凝縮器２２は様々な長さおよび転向部を有することが可能である。たとえば管は、５個の転向部と１０個のパイプを有することが可能であり（図８を参照）、ＰＨＰ１４の幅は約９から３０ｃｍであることが可能である。さらに、作動流体の量（すなわち充填率）、種類および作動流体の特性、および管の材料は、異なる熱伝導結果を得るために変更可能である。たとえば充填率は約３０から７５％であり、管は銅材料からなり、外径が約３から４ｍｍ、内径が１から２ｍｍであることが可能である。さらに、ＰＨＰ１４は様々な位置に向けられる開放した、または閉鎖したループであることが可能である。したがってＰＨＰ１４は、図３に示されるような、管が端部と端部で結合される閉ループであることが可能である。

しかし、本発明の有利な実施形態に係り、ＰＨＰ１４はＰＣＢ１２（または図３に示されるように１組のＰＣＢ）の主要面に沿ってこの付近で延伸する。ＰＣＢ１２全体およびその熱源１８に対して比較的均等に冷却を行うために、ＰＨＰ１４は一般に、電気部品およびその他の熱源が取り付けられる面とは反対側であるＰＣＢの面に沿って延伸する。しかしＰＨＰは、以下に説明するように、ＰＣＢに近接する、または隣接する場所に配置されることが可能である。この構成の結果、ＰＨＰ１４の蒸発器２０の領域は一般に、ＰＣＢ１２に沿って延伸し、ここからの熱を吸収するＰＨＰの部分から形成されおり、凝縮器２２の領域は通常、シャーシボックス１３の壁部に隣接して、またはシャーシボックス外部に配置され、ＰＣＢから離間している。

図３および９は、冷却システム１０にＬＨＰ１６が含まれることが可能であることも示す。当業者には知られているように、ＬＨＰは受動的であり熱により生じる圧力差に基づき作動するという点で、ＬＨＰ１６はＰＨＰ１４と類似である。この関連でＬＨＰ１６は通常、液体および蒸気ライン２８と、蒸発器２４と、凝縮器２６と、補償室またはタンク（図示せず）とを含む。蒸発器２４は一般に、第１ウィックのみ、または第１および第２ウィックを有するウィック構造を含み、ここでは蒸発器において吸収された熱により蒸気が蒸気ラインを通り凝縮器２６へ流される。図３に示される実施形態では、ＰＨＰからＬＨＰへ熱が伝達されるように、ＬＨＰ１６の蒸発器２４は一般に、ＰＨＰ１４の凝縮器２６に近接するとともにこれと熱的に結合している。凝縮器２６では蒸気が凝結され、液体は液体ラインを通り蒸発器２４へ戻る。補償室は通常、２段階式のタンクであり、ＬＨＰ１６内の圧力および温度、ならびにシステム内の作動液の量を維持するためのものである。補償室は、ウィック構造が乾燥し、蒸発器２４で形成される蒸気が集まることを回避する。液体ラインは補償室を通り蒸発器２４へ達し、ここで液体は第２ウィックを湿らすか、または補償室へ戻る。第２ウィックは、第１ウィックが常に湿っていることを保証するために使用される。

ＬＨＰは、いかなる材料、大きさおよび構成を有することも可能であるため、ＬＨＰ１６は上記の、または図３および９に示される例に限定されるべきではない。たとえばＬＨＰ１６は、凝縮器２６内においてあらゆる数および構成の曲折管を有することが可能であ
る。液体および蒸気ライン２８は、凝縮器２６があらゆる所望の位置に配置可能であるように、多様な長さおよび直径を有することが可能である。たとえば凝縮器２６は、当業者にはよく知られる展開可能であるラジエータとして組み込まれることが可能であり、これにより凝縮器は宇宙船、または様々な量の冷却が必要である類似の車両に使用することが可能である。さらに図９は、本発明のさらなる実施形態ではＬＨＰ１６がシャーシボックス１３の外面に隣接して配置可能であることを示している。

さらに、冷却システム１０は通常、空気、液体、ファン、冷却板のようなヒートシンク、または当業者によく知られるその他のヒートシンクを使用する。ＬＨＰ１６がＰＨＰ１４と共に利用されている場合、ヒートシンクはＬＨＰ、特にＬＨＰ１６の凝縮器２６に熱的に結合されることが可能である。または、ヒートシンクは、ＬＨＰ１６が不要であるように、直接ＰＨＰ１４に結合またはその他の方法で取り付けられることが可能である。

図３、５および６を参照すると、ＰＨＰ１４の蒸発器２０が、１組のＰＣＢ１２の間に、これに隣接して配置されていることが示されている。特に、各ＰＣＢ１２が対向する面を含み、その間の厚さにおいて蒸発器２０が通常配置されており、各ＰＣＢの対向する主要面の一方に沿ってこれに隣接する。１つまたはそれ以上の熱源１８がＰＣＢ１２の表面に設置されている場合、蒸発器２０は通常、熱源の反対側の面に配置される。したがって、ＰＨＰ１４は、各熱源１８に近い領域内のＰＣＢ１２の局所的な冷却に限定されない。熱源１８の作動時にＰＣＢ１２に熱が加わると、蒸発器２０は熱をＰＣＢから除去する、またはＰＣＢから移動させることが可能である。蒸発器２０は、ＰＣＢ１２の外面全体または一部に沿って延伸することが可能であり、また図７に示されるように、蒸発器２０は１つのＰＣＢ１２に取り付けられることが可能である。ＰＨＰ１４は、熱源とは反対のＰＣＢ１２の面上に示されているが、ＰＨＰは熱源と同じ面の付近またはこれに隣接して配置可能であり、もしくはＰＨＰがＰＣＢに組み込まれるようにＰＣＢ内に配置されることも可能である。

図３に示されるＰＨＰ１４の凝縮器２２は、凝縮器がシャーシボックス内部で場所をとらないようにシャーシボックス１３の壁部内に配置される。たとえば凝縮器２２は、シャーシボックス１３内の溝またはその他の類似の開口部内に配置されることが可能である。あるいは、凝縮器は、シャーシボックス１３の内側または外側壁部に隣接して、またはこの付近に配置されることも可能である。図示される実施形態のＰＨＰ１４は、ＰＨＰとＬＨＰが熱的に結合されるように、ＬＨＰ１６に統合されている。特に、ＰＨＰ１４の凝縮器２２は通常、ＬＨＰ１６の蒸発器２４と統合されている。ＬＨＰ１６の蒸発器２４自体は、ＰＨＰ１４の凝縮器２２からさらに熱を除去し、熱をＬＨＰの凝縮器２６へ伝達することが可能であり、ここでヒートシンクにより追加的に冷却を行うことが可能である。したがって、ＬＨＰ１６は基本的に、ＰＨＰ１４とヒートシンクとの間の中間の冷却および／または熱伝導システムである。

図５に示される別の実施形態の冷却システム１０では、１組のＰＨＰ１４が対応するＰＣＢ１２の間に配置される。ＰＨＰ１４と反対側のＰＣＢ１２の部分は、複数の熱源１８を有する。各ＰＣＢ１２付近にありこれに沿って延伸するＰＨＰ１４の部分は通常、蒸発器２０を形成する。たとえばコネクタ３２内の部分のように、ＰＣＢ１２を越えて延伸するＰＨＰ１４の部分は通常、凝縮器２２を形成する。したがって、この実施形態のＰＨＰ１４は実質的に平坦であり、これによりＰＨＰの蒸発器２０および凝縮器２２は同一線上にある。図５および６のＰＨＰ１４の各端部には、通常金属またはその他の導体材料から形成されるコネクタ３２が取り付けられる。コネクタ３２は通常、ＰＣＢのクランプ３４内で受けられる。コネクタ３２は、図８に示されるように各ＰＨＰ１４の長さ全体に渡り延伸することが可能であり、１つ（図７を参照）または複数（図５および６を参照）のＰＣＢ１２に対応可能である。この実施形態では、ＬＨＰ１６がシャーシボックス１３の外
面に取り付け可能であり、図９に示されるようにシャーシボックスに複数のＬＨＰが取り付けられることが可能である。したがって、各ＰＨＰ１４は、各端部において、対応するＬＨＰ１６に熱的に結合する凝縮器２２を含むことが可能である。ＰＨＰ１４の蒸発器２０により除去され、ＰＨＰの凝縮器２２に伝達された熱は、シャーシ壁部１３を通りコネクタ３２およびＰＣＢクランプ３４へ、またＬＨＰ１６の蒸発器２４へさらに伝達されることが可能である。

上述の冷却システム１０では、ＰＨＰ１４の蒸発器２０は、接着剤、はんだ、固定具、または対応するＰＣＢの表面に蒸発器を直接固定する類似の技術によりＰＣＢ１２に取り付けられることが可能である。さらに、ＰＨＰ１４は、ＰＣＢ内に画定される予め設けられる溝内でＰＨＰを締め付けまたは固定することにより、ＰＣＢ１２に固定されることが可能である。ＰＣＢ１２に直接取り付けることにより、ＰＨＰ１４の蒸発器２０への熱伝導が容易になり、また不要なスペースを取ることなくシャーシボックス１３内に蒸発器を配置することが可能になる。

同様に、各ＰＨＰ１４があらゆる技術によってシャーシボックス１３に固定されることが可能である。たとえば上述のように、コネクタ３２がＰＨＰ１４の対向する端部に適合するように寸法決めおよび構成されるとともにこれに係合し、これによりコネクタが、シャーシボックス１３の内面に取り付けられるＰＣＢクランプ３４に結合することが可能になる。コネクタ３２はさらにＰＣＢクランプ３４に固定されるか、または単にＰＣＢクランプの間に配置されることも可能である。これによりコネクタ３２は特定のＰＨＰ１４に専用に作成され、コネクタがＰＨＰの端部に単純に挿入されるか、またはコネクタが接着剤、はんだ、固定具、または類似の技術によりＰＨＰに圧入または取り付けられることが可能である。コネクタ３２およびＰＣＢクランプ３４は、銅またはアルミニウムのような任意の適切な導体材料であることが可能である。さらに、ＰＨＰ１４をＰＣＢ１２に取り付けるために高伝導エポキシを使用してもよい。また、凝縮器２２は、接着剤、固定具、クランプ、または類似の技術により、シャーシボックス１３の壁部の内面に直接取り付けられることが可能である。さらに、図９においては、ＬＨＰ１６をシャーシボックス１３の外面に固定するためにも接着剤、固定具、または類似の技術を使用可能である。

冷却システムは本発明の別の実施形態では様々な構成を有することが可能であるため、図３および５から９に示される冷却システム１０は限定するものではないことは自明である。たとえばＰＣＢ１２、ＰＨＰ１４およびＬＨＰ１６の配置は、異なる配向で配置可能であり、これに影響を受けない。したがって、冷却システム１０は配向性とは無関係にＰＣＢ１２を冷却可能であり、これは配向および重力が常に変化する航空電子工学機器における応用に関しては有用である。さらに、図３に示されるＰＨＰ１４は、蒸発器２０が凝縮器２２に対して概ね垂直に延伸する実質的にＬ字形の構成を有する平坦なＰＨＰであり、図５から９に示されるＰＨＰ１４は、凝縮器２２と同一線上にある蒸発器２０を有すが、ＰＨＰは様々な冷却システムへの対応のためにあらゆる適切な構成であることが可能である。

さらに、図３には１組のＰＣＢ１２と、１つのＰＨＰ１４と、１つのＬＨＰ１６とのみが示されているが、様々な電子部品への応用および所望の冷却特性を達成するために、任意の数のＰＣＢ、ＰＨＰおよびＬＨＰを備えることが可能である。たとえば図５は、４つのＰＣＢ１２と、２つのＰＨＰとがあることが可能であることを示すが、図９は６つのＰＣＢと、３つのＰＨＰと、１つのＬＨＰ１６とがあることが可能であることを示している。したがって、個別の蒸発器２０は、上述の通り１組のＰＣＢの間に配置され、凝縮器２２は、ＰＨＰ１４が相互に独立しているように、シャーシボックス１３の内側壁部に隣接して配置されることが可能である。さらに、各ＰＨＰ１４は１つまたは複数のＬＨＰ１６に熱的に結合するか、または複数のＰＨＰが単一のＬＨＰに熱的に結合することが可能で
ある。さらに、ＬＨＰ１６は、シャーシボックス１３の外側壁部に隣接して、またはシャーシボックスから離間した様々な位置に配置されることが可能である。

図４は本発明の別の実施形態を示す。ここでは、金属またはその他の熱伝導性材料から形成される１組のシート３０が、対応するＰＣＢ１２に隣接してこの間に配置され、ＰＨＰ１４がシートの組に隣接してこの間に配置されている。これにより、シート３０はＰＣＢ１２の主要面に沿って延伸し、ＰＨＰ１４はシート組の間を延伸する。ＰＣＢ１２は通常、導電特性が低いため熱抵抗が高い。その結果、シート３０をＰＣＢ１２およびＰＨＰ１４両方に隣接して配置することによって、熱抵抗が低下し、熱がより簡単にＰＣＢから除去されＰＨＰへ伝達されるように、ＰＣＢとＰＨＰとの間の熱伝導性が高まる。シート３０自体は、たとえば銅のような熱を伝導可能である任意の適切な材料であることが可能である。

図４は、ＬＨＰ１６がない場合にも冷却システム１０が利用可能であることを示している。廃熱を除去するためにＬＨＰ１６が利用されていない場合には、通常はＰＨＰ１４の凝縮器２２にヒートシンクが直接取り付けられることが望ましい。しかし、図４に示される冷却システム１０が、所望の場合はＬＨＰ１６を利用することも可能であることは自明である。

図１０は、本発明の方法を実施するためのステップのフローチャートを示す。一般にシャーシボックス１３が設けられ（ブロック３０）、少なくとも１つのＰＣＢ１２がシャーシボックス内に設置される（ブロック３２）。少なくとも１つの熱源１８がＰＣＢの表面に配置される（ブロック３４）。さらに、少なくとも１つのＰＨＰ１４の少なくとも一部、すなわち蒸発器２０が、ＰＣＢの主要面に沿ってこれに隣接して配置されるか、またはＰＣＢ内に組み込まれる（ブロック３６）。ＰＨＰ１４がＰＣＢ１２に隣接して延伸可能であるのに対して、シート３０は各ＰＣＢ１２とＰＨＰ１４との間に配置可能であり、これによりＰＨＰがシートによってＰＣＢから離間している場合にもＰＨＰはＰＣＢの付近にある。ＰＣＢ、およびＰＣＢに支持される１つまたは複数の熱源１８から、ＰＣＢ１２により熱が吸収され、これによりＰＨＰの蒸発器２０内の圧力変動が生じ、冷却工程が開始される（ブロック３８）。その結果、ＰＨＰ１４によって、ＰＣＢ１２からシャーシボックス１３外へ熱が伝達される（ブロック４０）。特に、上述のように、コネクタ３２およびＰＣＢクランプ３４が、廃熱をＰＨＰ１４の凝縮器２２からシャーシ壁部１３を通り、ＬＨＰ１６の蒸発器２４へ伝導する。その後、さらに廃熱を除去するために、ＬＨＰ１６にヒートシンクが熱的に結合されることが可能である。

予め実施された実験結果により、本発明の冷却システム１０が、従来の冷却技術より効果的であることが示されている。図１１は、入力電力に対する温度勾配のグラフを示す。入力電力は、熱源１８を通して適用される電力に対応する。温度勾配は、熱源とヒートシンクとの間の温度差に対応する。図１１は、５５、１１０および１６５ワットの入力電力および各種作動液の充填率４０％において、各作動液のＰＨＰ１４内における熱伝導特性が、熱をヒートシンクへ伝達するために単に銅板を使用するときよりも優れていることを示している。

したがって、本発明の実施形態は、シャーシボックス１３内に設置されるＰＣＢ１２を冷却可能である冷却システム１０を提供する。冷却システム１０は、航空電子工学を含む様々な技術分野に対応し、様々な冷却の需要に関して対応させることが可能である。１つの有利な実施形態に係る冷却システム１０は、蒸発器２０をＰＣＢ１２の組の間に配置し、凝縮器２２をシャーシボックス１３の壁部内またはこれに隣接して配置することにより、必要なスペースが最小限であるＰＨＰ１４を使用している。さらに、ＰＨＰ１４は一般に、従来の航空電子工学における冷却技術より、製造コストがより低く、内部構造が簡単
かつ軽量であり、より高い熱伝導性を有することが知られている。したがって、冷却システム１０は、熱源１８とヒートシンクとの間の温度勾配を低減し、またＰＣＢ１２とＰＨＰ１４との間の熱抵抗を低減させる。熱伝導特性の向上により、冷却システム１０は航空電子工学およびその他の技術分野における新しい電子機器に対する高まる需要に、より適切に対応することが可能である。電子機器の信頼性および性能は、熱源１８およびＰＣＢ１２の温度が低下することにより向上する。

ここで説明された発明について、本発明に関連し、上述の説明および関連の図面において示される教示の利点を有する多くの変形例およびその他の実施形態が、当業者には考えられるであろう。したがって、本発明は開示されている特定の実施形態に限定されず、変形例およびその他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれることは自明である。ここでは特定の用語が使用されたが、これらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されており、限定を目的として使用されるものではない。

従来技術に係る振動型ヒートパイプの断面図である。 従来技術に係る、シャーシボックスの壁部内に配置される振動型ヒートパイプを有する航空電子工学冷却システムの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却システムの断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却システムの一部分の拡大断面図である。 本発明の別の実施形態に係る冷却システムの一部分の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、２つのプリント基板の間に配置される振動型ヒートパイプの断面図である。 本発明の一実施形態に係る、プリント基板に隣接して配置される振動型ヒートパイプの断面図である。 本発明の一実施形態に係る、プリント基板に隣接して配置される振動型ヒートパイプの水平断面図である。 本発明の別の実施形態に係る冷却システムの断面図である。 本発明の一実施形態に係る、冷却システムの使用方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る、入力電圧に対する冷却システム内の様々な作動流体の温度勾配を示すグラフである。

Claims (26)

1. 対向する主要面を有する少なくとも１つのプリント基板と、
   プリント基板の一方の主要面に配置される少なくとも１つの熱源と、
   振動型ヒートパイプがプリント基板から熱を伝達可能であるように、少なくとも一部分が主要面の一方に沿ってこの付近で延伸して、またはプリント基板内に組み込まれて配置されている振動型ヒートパイプと、
   を備える冷却装置。
2. 振動型ヒートパイプおよびプリント基板に隣接してこれらの間に配置される熱伝導性材料から形成される少なくとも１つのシートをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 振動型ヒートパイプに熱的に結合されるループヒートパイプをさらに備え、ループヒートパイプが蒸発器と凝縮器とを備える、請求項１に記載の装置。
4. 振動型ヒートパイプが蒸発器と凝縮器とを備え、ループヒートパイプの蒸発器が振動型ヒートパイプの凝縮器に熱的に結合している、請求項３に記載の装置。
5. 振動型ヒートパイプが蒸発器と凝縮器とを備え、振動型ヒートパイプの蒸発器が、熱源と反対のプリント基板の主要面に隣接して配置される、請求項１に記載の装置。
6. １組のプリント基板をさらに備え、振動型ヒートパイプが１組のプリント基板の間に配置される、請求項１に記載の装置。
7. シャーシハウジングと、
   対向する主要面を有し、シャーシハウジング内に配置される少なくとも１つのプリント基板と、
   プリント基板の一方の主要面に配置される少なくとも１つの熱源と、
   振動型ヒートパイプが熱をプリント基板からシャーシハウジング外へ伝達することが可能であるように、少なくとも一部分が、一方の主要面に沿ってこの付近で延伸して、またはプリント基板内に組み込まれて配置されている振動型ヒートパイプと、
   を備える冷却システム。
8. 振動型ヒートパイプが、蒸発器と凝縮器とを備える、請求項７に記載のシステム。
9. 凝縮器が、内面に隣接して、外面に隣接して、およびシャーシハウジングの壁部内のいずれかに配置される、請求項８に記載のシステム。
10. １組のプリント基板をさらに備え、蒸発器が１組のプリント基板の間に配置される、請求項８に記載のシステム。
11. 蒸発器が凝縮器と同一線上に延伸する、請求項８に記載のシステム。
12. 振動型ヒートパイプに熱的に結合するループヒートパイプをさらに備え、ループヒートパイプが蒸発器と凝縮器とを備える、請求項７に記載のシステム。
13. 振動型ヒートパイプが蒸発器と凝縮器とを備え、ループヒートパイプの蒸発器が、振動型ヒートパイプの凝縮器に熱的に結合している、請求項１２に記載のシステム。
14. ループヒートパイプが、シャーシハウジングの外面に隣接して配置される、請求項１２
    に記載のシステム。
15. 振動型ヒートパイプの対向する端部に配置される１組のコネクタをさらに備え、コネクタは、振動型ヒートパイプからループヒートパイプへ熱を伝導可能である、請求項１２に記載のシステム。
16. 熱伝導性材料から形成される１組のシートをさらに備え、これらはそれぞれ対応するプリント基板に隣接して配置され、振動型ヒートパイプが１組のシートの間に配置される、請求項７に記載のシステム。
17. シャーシハウジングと、
    対向する主要面を有するとともにシャーシハウジング内に配置される少なくとも１つのプリント基板と、
    プリント基板の一方の主要面に配置される少なくとも１つの熱源と、
    一方の主要面に沿ってこの付近で延伸して、またはプリント基板内に組み込まれて配置されている少なくとも１つの部分を有する振動型ヒートパイプと、
    を備える冷却システムを準備することと、
    振動型ヒートパイプによりプリント基板から熱を伝達することと、
    振動型ヒートパイプを通して熱を移動させることによりプリント基板から熱を除去しシャーシハウジング外へ伝達することと、
    を備える、少なくとも１つのプリント基板を冷却するための方法。
18. 熱伝導性材料から形成される少なくとも１つのシートを振動型ヒートパイプおよびプリント基板に隣接してこれらの間に配置することが準備にさらに含まれる、請求項１７に記載の方法。
19. ループヒートパイプが振動型ヒートパイプと熱的に結合するように、ループヒートパイプを振動型ヒートパイプの外面に隣接して配置することが準備にさらに含まれる、請求項１７に記載の方法。
20. 振動型ヒートパイプからループヒートパイプへ熱を伝達することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 振動型ヒートパイプの対向する端部に１組のコネクタを配置することが準備にさらに含まれ、コネクタは振動型ヒートパイプとループヒートパイプとの間で熱を伝導することが可能である、請求項１９に記載の方法。
22. コネクタからシャーシハウジングを通りループヒートパイプへ熱を伝達することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 熱源と反対側のプリント基板の主要面に隣接して振動型ヒートパイプの蒸発器を配置することが準備にさらに含まれる、請求項１７に記載の方法。
24. 振動型ヒートパイプの凝縮器を内面に隣接して、外面に隣接して、およびシャーシハウジングの壁部内のいずれかに配置することが準備にさらに含まれる、請求項１７に記載の方法。
25. 複数のプリント基板をシャーシハウジング内に設置することが準備にさらに含まれる、請求項１７に記載の方法。
26. 振動型ヒートパイプをプリント基板の各組の間に配置することが準備にさらに含まれる、請求項２５に記載の方法。

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