JP2015170943A

JP2015170943A - 電子機器

Info

Publication number: JP2015170943A
Application number: JP2014043671A
Authority: JP
Inventors: 小林　裕; Yutaka Kobayashi; 裕小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】電子機器の小型化、薄型化に伴う発熱密度、熱抵抗の増大により、特にタイル方式のフェーズドアレイアンテナでは、発熱性電子部品の配置制約があるため、ある限られた領域で冷却性能を改善することが課題となっている。【解決手段】タイル式モジュールに冷却用柱の機能を付与し、伝熱面積拡大による冷却性能の改善を図り、またモジュールの電気的コネクタに冷却用柱の機能を追加することで、限られた領域で最大限の冷却性能改善効果を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、フェーズドアレイアンテナを構成する複数の発熱する電子部品を備え、電子部品の発熱を冷却する電子機器に関するものである。

従来の電子機器は、複数の発熱性電子部品が冷媒の流れる冷却板の面上に並べられ、十分な伝熱面積が得られるように実装される。フェーズドアレイアンテナは、アンテナ開口面から見て、電気性能として必要な縦横の寸法間隔で素子アンテナが配置され、それに伴い発熱性電子部品も同様に配置されることが多い。フェーズドアレイアンテナを構成する発熱性電子部品の実装方式としては、従来から採用されてきたブリック（brick）方式と、小型化、軽量化、コストの面でブリック（brick）方式より優れるタイル（tile）方式が提案されている。ブリック方式のフェーズドアレイアンテナは、アンテナ開口面に垂直に冷却面を複数並べることができるので、冷却面をフェーズドアレイアンテナの奥行方向へ伸ばすことで必要な放熱面積を確保することができる。また、ブリック方式の電子機器は、発熱性電子部品の電気接続用コネクタの設置面と部品の放熱面が異なる面に位置することから、その冷却面とコネクタ設置面の位置が競合することが無い。

また、特許文献１に記載されたブリック（brick）方式のフェーズドアレイアンテナは、複数の発熱性電子部品の搭載された回路基板を積層して実装することによって、回路の小型化、薄型化を図り、実装密度を高めている。フェーズアレイアンテナに用いられる発熱性電子部品は、例えばハイパワーアンプ（ＨＰＡ）のように出力の高いものが用いられる。また、液体冷却板に接続された拡散板を最下層に積層することで、発熱性電子部品から発生する熱を液体冷却板に放散する。

特表２０１０−５０７９２９号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来のタイル方式の電子機器は、液体冷却板に接続された拡散板を最下層に配置するので、発熱性電子部品と冷却板との接触面積、すなわち放熱面積が小さくなり、かつ冷却板から遠い発熱性電子部品の熱抵抗が増大することになって、発熱性電子部品の冷却特性が悪化するという問題がある。

特に、高出力なフェーズドアレイアンテナにおいて、電気的に必要な寸法間隔で発熱性電子部品を実装するタイル方式を採用した場合、従来のブリック方式のようにアンテナ開口面に垂直に冷却面を複数並べることができないので、必要な放熱面積を確保することができない。

また、タイル方式の電子機器は、電気接続用コネクタの設置面と部品の放熱面が同一面に設けられるので、その設置面及び放熱面の位置が競合し、ブリック方式と比べ放熱面積が減少するという問題がある。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、高密度に実装される発熱性電子部品を搭載した電子機器の冷却性能を、より向上することを目的とする。

この発明による電子機器は、発熱性電子部品を収容するとともに、当該発熱性電子部品に熱的に接続された冷却用柱を有した複数のモジュールと、上記それぞれのモジュールの冷却用柱がそれぞれ嵌合する穴が複数形成された冷却板と、を備えたものである。

この発明によれば、電子機器の発熱性電子部品に所望の冷却特性を与えることができるので、その部品温度を許容内に収めることができる。

実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。従来のブリック方式のフェーズドアレイアンテナの電子機器冷却構造を示す比較図である。従来のタイル方式のフェーズドアレイアンテナの電子機器冷却構造を示す比較図である。実施の形態２による電子機器の２つ目の態様の構成を示す図である。実施の形態２による電子機器の３つ目の態様の構成を示す図である。実施の形態３による電子機器の構成を示す図である。

図１は、この発明に係る実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。図１において、実施の形態１による電子機器１００は、複数のモジュール２０と、各モジュール２０が装着された冷却板１０から構成される。電子機器１００は、複数のモジュール２０が平面状に配置されたタイル方式のフェーズドアレイアンテナを形成する。

モジュール２０は、複数個の発熱性電子部品２１と、複数個の電気的接続コネクタ２２と、収納容器２３と、冷却用柱１２から構成される。発熱性電子部品２１は、発熱体であるハイパワーアンプ（ＨＰＡ）から構成される。モジュール２０は、複数個の発熱性電子部品２１を搭載した複数枚の基板が上下に積層されて実装され、当該基板が収納容器２３に収容されている。収納容器２３は、その底面から冷却用柱１２が突出している。収納容器２３は冷却用柱１２と熱的に接続される。また、収納容器２３は、冷却用柱１２の周囲に複数個の電気的接続コネクタ２２が配置される。発熱性電子部品２１は電気的接続コネクタ２２に電気的に接続される。

冷却板１０は、冷媒１１が流れる複数の流路１６が形成されている。また、冷却板１０は、隣接する流路１６の間に、モジュール２０の冷却用柱１２が挿入される複数の穴１３が形成されている。また、冷却板１０は、穴１３の周囲に、モジュール２０の電気的接続コネクタ２２に接続される電気的接続コネクタ１７が設けられている。電気的接続コネクタ１７は給電用分配結合基板５１に接続される。冷却板１０は、冷媒１１の流れる放熱領域３２が形成されている。

実施の形態１によるモジュール２０は、発熱性電子部品２１が積層され実装されている。また、モジュール２０は、冷却用柱１２が付与されて冷却板１０との放熱領域３２を拡大している。モジュール２０は、冷却板１０との接触面側で、柱軸が当該接触面に垂直になるように、冷却用柱１２を設けている。冷却用柱１２が、冷却板１０に設けた穴１３に嵌合することで、発熱性電子部品２１から発生する熱を冷却板１０内の冷媒１１に放熱可能な冷却構造としている。

このとき、冷却用柱１２の外径と穴１３の内径を近接させることで、冷却用柱１２と冷却板１０間の放射冷却を向上させる。加えて、冷却用柱１２の外周が穴１３に接触する、もしくは冷媒または熱伝導グリスを穴１３に充填し熱伝導媒体として介在させることで、冷却用柱１２と穴１３の接触面での熱伝達率を向上させるようにしても良い。これにより、モジュール２０の放熱面積は、冷却用柱１２の外周面の面積分が増加し、冷却用柱１２の数、径、長さを増やすことで、ブリック方式と同等の放熱面積を確保することが可能となる。

図２、図３は、比較例として示す電子機器の構成を示す図である。図２（ａ）は、ブリック方式のフェーズドアレイアンテナの冷却構造を示す斜視図である。図２（ｂ）は、ブリック方式の冷却板１０ｂと発熱性電子部品２１の放熱領域３２ｂを示すための図であり、図２（ａ）の矢視Ａから見た図である。また、図３（ａ）は、タイル方式のフェーズドアレイアンテナの冷却構造を示す斜視図である。図３（ｂ）は、タイル方式の冷却板１０ｃと発熱性電子部品２１の放熱領域３２ｃを示すための図であり、図３（ａ）の矢視Ｂから見た図である。

図２のブリック方式のフェーズドアレイアンテナでは、複数の冷却板１０ｂが積重なるように配置固定され、冷却板１０ｂの両面、または片面にモジュール２０ｂが固定される。外部装置から供給される冷媒１１は、各冷却板１０ｂの内部、すなわちモジュール２０ｂの直下を流れることで、モジュール２０ｂの内部の発熱性電子部品２１の熱を外部に排熱する。発熱性電子部品２１と冷媒１１の間の熱抵抗により部品温度が決まるため、部品の許容温度以下となるよう、この熱抵抗を低減する。

図３のタイル方式のフェーズドアレイアンテナでは、複数の冷却板１０ｃが積重なるように配置固定され、冷却板１０ｃの両面、または片面にモジュール２０ｃが固定される。外部装置から供給される冷媒１１は、各冷却板１０ｃの内部、すなわちモジュール２０ｃの直下を流れることで、モジュール２０ｃの内部の発熱性電子部品２１の熱を外部に排熱する。発熱性電子部品２１と冷媒１１の間の熱抵抗により部品温度が決まるため、部品の許容温度以下となるよう、この熱抵抗を低減する。

図２、図３に示す従来のフェーズドアレイアンテナでは、モジュール２０ｂ，２０ｃの出力を直線的に素子アンテナに給電することで、部品点数の削減や電気的な損失の面で利点が多いため、電波放射面であるアンテナ開口面から見て、モジュール縦配置寸法３０、及び横配置寸法３１をある電気的に決まった寸法で並べている。

このため、発熱性電子部品２１と冷却板１０ｂ，１０ｃの放熱領域３２に着目すると、ブリック方式では、電子機器の奥行寸法３３を広げることで発熱体を冷却板上に並べ、所望の放熱領域３２を得ることが可能である。一方、タイル方式では通常、複数の発熱性電子部品２１の実装上の占有寸法に対して、モジュール２０ｃの配置寸法が小さくなるため、発熱性電子部品２１を積層して実装することになり、放熱領域３２を広げることができない。

これに対し、実施の形態１による電子機器１００は、タイル方式のフェーズドアレイアンテナにおいて、モジュール２０に設けられた冷却用柱１２が冷却板１０との放熱領域３２を拡大する。これにより、モジュール２０の放熱面積が増加し、ブリック方式と同等の放熱面積を確保することが可能となる。かくして、電子機器の発熱性電子部品に所望の冷却特性を与えることができるので、その部品温度を許容内に収めることができる。また、タイル方式のフェーズドアレイアンテナと同等な配置で、発熱性電子部品が実装される電子機器において、ブリック方式のフェーズドアレイアンテナと同等の冷却特性を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２による１つ目の態様の冷却性能向上策を施した電子機器は、実施の形態１による電子機器の熱抵抗をさらに低減するため、冷却用柱１２の材質をカーボンナノチューブ、炭素繊維強化プラスチックス等の高熱伝導材で構成する。これによって、冷却用柱１２自体の熱伝導率を向上させ、発熱性電子部品２１と冷却用柱１２の外周面の間の熱抵抗を更に低減する。

また、実施の形態２による２つ目の態様の冷却性能向上策を施した電子機器は、冷却用柱１２と冷却板１０との熱抵抗を更に低減するため、図４のように冷却用柱１２の断面を星形状外形１４にして伝熱面積を拡大する。これによって、冷却用柱１２の外周面と冷媒１１の間の熱抵抗が低減され、冷却性能を更に向上することが可能となる。

また、実施の形態２による３つ目の態様の冷却性能向上策を施した電子機器は、図５に示すように冷却用柱１２と冷却板１０の接続部にＯリング１５を介在させる。これによって、冷却用柱１２と冷却板１０の間の気密性または水密性を確保し、冷却用柱１２の外周面に直接冷媒を接触させる。

これらにより、冷却用柱１２の外周面と冷媒１１の間の熱抵抗が低減され、冷却性能を向上させることが可能となる。これら複数の冷却性能向上策は、単独または複数同時に実施することが可能であり、いずれも実施の形態１の性能を上回ることが可能となる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３による電子機器の構成を示す図である。実施の形態３による電子機器は、実施の形態１、２による電子機器の冷却用柱１２に加えて、更に冷却用柱１２の周囲にコネクタ外導体２４を設けたことを特徴とする。

給電用分配結合基板５０は、冷却板１０における給電用分配結合基板５１と反対側（冷却板１０の裏面）に設けられる。コネクタ外導体２４は、電気的接続コネクタ２２の無線周波数（ＲＦ）用の信号線の周りを囲み、グランドに接続される。また、コネクタ外導体２４は、モジュール２０から冷却板１０を貫通して、冷却板１０の裏側に実装される給電用分配結合基板５０に接続される。コネクタ外導体２４は、放熱経路を増やすことで、モジュール２０と冷却板１０の限られた接触面積を有効に活用し、冷却特性を改善させる。なお、冷却用柱１２の機能を付与する対象は、コネクタ外導体２４だけでなく、制御信号用コネクタの空きピン、電源供給用コネクタのグランドピンなどの他の電気的接続部品であってもよい。

１０冷却板、１１冷媒、１２冷却用柱、１３穴、１４星形形状外形、１５Ｏリング、２０モジュール、２１発熱性電子部品、２２電気的接続コネクタ、２３プリント基板、２４コネクタ外導体、５０給電用分配結合基板、５１給電用分配結合基板。

Claims

発熱性電子部品を収容するとともに、当該発熱性電子部品に熱的に接続された冷却用柱を有した複数のモジュールと、
上記それぞれのモジュールの冷却用柱がそれぞれ嵌合する穴が複数形成された冷却板と、
を備えた電子機器。
上記冷却用柱は、星形状であることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
上記冷却用柱は、Ｏリングを介して上記冷却板の穴に嵌合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子機器。
上記モジュールと接続される電気的接続コネクタ及び上記冷却用柱の周囲に配置され、上記冷却板を貫通するコネクタ外導体を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電子機器。