JP2017162893A - 冷却装置、冷却装置を備える電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子機器を冷却する冷却装置において、冷却液が周囲温度の変化による熱膨張に伴う体積変化を生じた場合であっても、冷却配管の破損を防ぐことのできる冷却装置を提供する。【解決手段】 電子機器に冷却液を供給する上で、ポンプから送りだされた冷却液が微細気泡発生装置を通過することで冷却液に微細気泡を含有させるようにした。ポンプへ供給される冷却液が微細気泡を含む場合、ポンプ軸受部が摩耗発熱により損傷しポンプ寿命を低下させ、冷却液の正常な循環を阻害する。このため、冷却液から微細気泡を除去する気泡除去装置３を更に設けるようにした。【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品が実装された送信モジュールなどの発熱体を冷却液により冷却する冷却装置に関わるものである。特に電子部品として、着脱可能な配管部品で連結された複数ユニットによる構成品、例えばフェーズドアレイアンテナを冷却する冷却装置に関するものである。

一般的なフェーズドアレイアンテナは、素子アンテナ、給電回路、送信モジュール（または送受信モジュール）、アンテナ筐体などから構成されている。また、送信モジュールなどに搭載されている半導体素子を、規定の温度以下で安定して動作させるために、液体の冷媒を用いた冷却系が設けられている。
フェーズドアレイアンテナでは、多数の送信モジュールの組込みに際し、複数の送信モジュールをモジュールユニットに搭載している。モジュールユニットをフェーズドアレイアンテナに整列して取付けることによって、送信モジュールを実装している。このとき、各モジュールユニットの配管を連結させることで、流路を構成している。
従来の冷却方式は、内部に冷却水を充填した状態で電子機器ユニットを保管する際、外気温の変動による内部冷却水の膨張により電子機器内の配管内部の圧力が上昇し、破損に至る恐れがある。そのため、機器外部との接続部（冷却水の出入口）に熱膨張補償用のアキュムレータまたはリザーブタンクを取り付け、内部圧力を機器の耐圧以下に保持し、機器の破損を防いでいる（例えば、特許文献１参照）。
または、冷却配管内部に冷却水の圧力を受ける弾性体を挿入し、挿入された弾性体を介して、冷却配管内部の空気溜まり部の体積が変化することで冷却液の熱膨張による体積変化を補償する機能を有することで機器の破損を防いでいる （例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−５９９０３号公報 特開２０１１−１９８８０３号公報

特許文献１に記載の着脱式のアキュムレータを用いる場合、アキュムレータの取り付けを忘れた状態で機器を保管した場合、機器は修復不可能な破損に至る恐れがある。また、保管時に閉空間となる配管系の全てにアキュムレータを用意し、取り付ける必要があり、特にフェーズドアレイアンテナのように複数ユニットを配列することにより構成される電子機器では、数量が多く、コスト上昇、取り付けの手間が増加するという課題がある。
また、一般的なアキュムレータは、熱膨張補償の機能以外に、エネルギ蓄積器、脈動吸収などの機能を主として有しており、電子機器内部への実装を考えた場合、その大きさは許容できないことが多い。
また、特許文献２に記載の熱膨張補償の機能を機器内部に設ける場合、内部に摺動運動を行う機構を設けることにより、冷却装置の小型化・高密度化が難しくなるという課題がある。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、冷却装置の大きさを変えることなく、また、冷却装置の保管時の冷却液の熱膨張による体積変化を生じた場合でも装置の破損を防止可能な冷却装置を得ることを目的とする。

この発明に係る冷却装置は、電子機器に接続された配管内の冷却液が循環することで前記電子機器を冷却する冷却装置であって、前記冷却液は、前記配管の途中に設けられ微細気泡を発生する気泡発生装置により発生した微細気泡を含有する。

この発明に係る冷却装置は、電子機器を冷却するための冷却液に微細気泡を含有させることで、液冷電子機器において外部との配管接続がなされていない状態での機器保管時における冷却液の熱膨張による体積変化を、冷却液が含有する微細気泡の圧縮による体積変化で補償することが可能となる。
これにより、冷却装置の小型化を阻害することなく、圧力上昇による冷却装置の破損を防止する効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置の模式図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却装置で冷却する電子機器の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。各図において同一または相当部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の冷却装置１００を示す模式図である。冷却装置１００は、気泡発生装置１、ポンプ２、気泡除去装置３、リザーバタンク４、熱交換器５、バイパス６ａ、冷却器出口バルブ６ｂ、冷却器入口バルブ６ｃを備え、各構成は図１に示すように冷却装置配管３１で接続される。
電子機器１０とは、冷却器出口バルブ６ｂ、冷却器入口バルブ６ｃより先に接続された冷却装置配管３１により、電子機器１０側の冷媒入口継手１１ａ、冷媒出口継手１１ｂにより接続される。このように接続された配管内を冷却液が循環し、電子機器１０が冷却される。

本実施の形態の電子機器１０は、複数のユニットが配列されて構成される。
ここでは、電子機器１０として図２に示すように、複数のモジュールユニット２０が配列されたアクティブフェーズドアレイアンテナ１０を構成した場合を例として説明する。
モジュールユニット２０は内部に冷却板または冷却配管を有しており、これらの内部を通過する冷却液によってモジュールユニット２０内部の発熱を外部に輸送する。
アクティブフェーズドアレイアンテナ１０ではモジュールユニット２０群が並列に複数配置され、それらがまた直列に複数配置された構成となっており、各モジュールユニット２０は配管マニホールド１２ａ、１２ｂやホース１３、１４などの外部配管により接続されており、アクティブフェーズドアレイアンテナ１０内は冷却液で充填されている。

この冷却液はアルコール、水、またはその混合液などによって構成される。例えばエチレングリコール水溶液が用いられると良いが、必ずしもこれに限られるものではない。
冷却装置より送り出された冷却液は、アクティブフェーズドアレイアンテナ入口側カプラ１１ａから流入し、分岐マニホールド１２ａにより複数の並列に並んだモジュールユニット２０群に供給され、集合マニホールド１２ｂにより集められてアクティブフェーズドアレイアンテナ出口側カプラ１１ｂより冷却装置へ戻っていくこととなる。

本実施の形態に係る冷却装置１００では、フェーズドアレイアンテナ１０に冷却液を供給するにあたり、図１に示すように冷却液を送り出すポンプ２とフェーズドアレイアンテナ１０の間にマイクロバブルや微細気泡を発生させるエジェクタ等の気泡発生装置１を有している。マイクロバブルや微細気泡は例えば直径数ミクロンから数百ミクロン程度の気泡である。
このとき、冷却液に含有する微細気泡量は、使用する冷却液の体積膨張係数および温度領域を考慮して決定される。例えばエチレングリコール水溶液を１００Ｋの温度領域で使用する場合においては数％程度の微細気泡量が必要となる。
これにより、ポンプ２より送り出された冷却液は微粒化した気泡を含有した状態でフェーズドアレイアンテナ１０へ供給される。

微細気泡を含んだ冷却液は冷却液入口側カプラ１１ａからフェーズドアレイアンテナ１０内に流入し、直列または並列もしくはその両方で連結されているモジュールユニット２０内の、冷却板または冷却配管を通ることでモジュールユニット２０の熱を外部に放熱する。
フェーズドアレイアンテナ出口側カプラ１１ｂからフェーズドアレイアンテナ１０外へ流出した冷却液は外部配管を通過してポンプ手前のリザーバタンク４に流入する。
リザーバタンク４の冷却液は、熱交換器５により冷却されてポンプ２へ供給され、ポンプ２より送り出されるものと、バイパスバルブ６ａを通過しポンプ２の後段で熱交換器５により冷却された冷却液と混合されて再び気泡発生装置１を通過しフェーズドアレイアンテナ１０へ供給されることで循環する。
このとき、ポンプ２へ供給される冷却液が微細気泡を含んでいる場合、気泡がポンプ２の回転体と主軸の間の薄流に紛れ込むと、気泡によって間隙が封鎖され主軸と回転体の間が半乾燥潤滑または個体潤滑状態になるエア噛みが発生し、ポンプ軸受部が急激な摩耗発熱により損傷しポンプ寿命を低下させる、また、冷却液の正常な循環を阻害する恐れがある。
したがって冷却液をリザーバタンク４へ供給する手前で、マイクロバブル除去フィルターなどの気泡除去装置３を設けて微細気泡を除去する。これにより、ポンプの保護を行うとともに、フェーズドアレイアンテナ１０へ供給する冷却液に含有する微細気泡の量を安定化することができる。
なお、微細気泡混入液体を対象としているポンプを使用し、微細気泡の含有量を制御できる場合においては、気泡除去装置３はなくてもよい。

モジュールユニット２０非使用時は、外部制御装置からの制御信号や電源の供給が止まり冷却液の循環も停止する。この時、整備や保管のために外部配管やモジュールユニット間の接続配管が取り外されると、配管系として独立されたモジュールユニット２０またはフェーズドアレイアンテナ１０全体の流路が閉空間を構成し、流路が冷却液で充填された状態となる。冷却液は、微細気泡を含有している為、フェーズドアレイアンテナ１０におけるどの位置で配管接続が切断されても各配管系内部に微細気泡、または微細気泡が消滅したことにより空気だまりを有することができる。これにより、フェーズドアレイアンテナ１０またはモジュールユニット２０周囲の温度変化に応じて流路に充填された冷却液の温度が変化し、冷却液の体積が変化した場合においても、冷却液の体積変化を気泡の体積変化で補償することができる。

なお、冷却液の循環停止により内部に空気だまりが形成されるため、所望の冷却能力を得るために空気だまりを解消する必要がある。そのため、フェーズドアレイアンテナ１０は、外部制御装置からの制御信号や電源を再供給する前に、一定時間冷却液を循環させて空気だまりを除去するためのプロセスを組み入れた、再起動シークエンスを持つこととする。

以上説明したように、この実施の形態１では、外部配管の取り外されたフェーズドアレイアンテナ１０や、フェーズドアレイアンテナ１０から取外したモジュールユニット２０に設けられた流路に充填された冷却液は、周囲の温度変化により体積が変化するが、その体積変化による圧力は冷却液内部のマイクロバブルの体積が変化することで、液体の体積変化により生じる圧力上昇が緩和され配管系の破損を防止することが可能となる。
これによって、アキュムレータの取付け忘れによる配管系の破損を防止することができる。また、電子機器にアキュムレータを具備した場合や、電子機器内部に空気だまりと摺動機構を具備した場合と比較して小型軽量化が可能となる。さらに、既存の電子機器においてアキュムレータの取付けが必要であったものに対し適用することで既存電子機器のメンテナンス性を向上することができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る冷却装置１０１の模式図である。実施の形態２では、実施の形態１において冷却液に含有する微細気泡の替わりに、内部に気体を包容したマイクロカプセルを使用したものである。また、気泡発生装置１、気泡除去装置３の替わりにマイクロカプセルタンク７、分離装置８を備えている。このようにして、マイクロカプセルを含有した冷却液がポンプ２を通過することによるカプセルの決壊を防止しているとともに、冷却液内のマイクロカプセル含有量が変化しないようにしている。

実施の形態２においては、マイクロカプセルを含んだ冷却液は冷却液入口側カプラ１１ａからフェーズドアレイアンテナ１０内に流入し、直列または並列もしくはその両方で連結されているモジュールユニット２０内の、冷却板または冷却配管を通ることでモジュールユニット２０の熱を外部に放熱する。

フェーズドアレイアンテナ出口側カプラ１１ｂからフェーズドアレイアンテナ１０外へ流出した冷却液は外部配管を通過してポンプ手前のリザーバタンク４に流入する。
リザーバタンク４の冷却液は、熱交換器５により冷却されてポンプ２へ供給され、ポンプ２より送り出されるものと、バイパスバルブ６ａを通過しポンプ２の後段で熱交換器５により冷却された冷却液と混合されて再びマイクロカプセルタンク７を通過しフェーズドアレイアンテナ１０へ供給されることで循環する。

このとき、ポンプ２へ供給される冷却液がマイクロカプセルを含んでいる場合、気泡がポンプ２の回転体と主軸の間の薄流に紛れ込むと、気泡によって間隙が封鎖され主軸と回転体の間が半乾燥潤滑または個体潤滑状態になるエア噛みが発生し、ポンプ軸受部が急激な摩耗発熱により損傷しポンプ寿命を低下させる、また、冷却液の正常な循環を阻害する恐れがある。

したがって冷却液をリザーバタンク４へ供給する手前で、分離装置８を設けてマイクロカプセルを除去する。
これにより、ポンプ２の保護を行うとともに、フェーズドアレイアンテナ１０へ供給する冷却液に含有する微細気泡の量を安定化することができる。なお、微細気泡混入液体を対象としているポンプを使用し、微細気泡の含有量を制御できる場合においては、気泡除去装置３はなくてもよい。

実施の形態１の時と同様に、モジュールユニット２０非使用時は、外部制御装置からの制御信号や電源の供給が止まり冷却液の循環も停止する。この時、整備や保管のために外部配管やモジュールユニット間の接続配管が取り外されると、配管系として独立されたモジュールユニット２０またはフェーズドアレイアンテナ１０全体の流路が閉空間を構成し、流路が冷却液で充填された状態となる。冷却液は、マイクロカプセルを含有している為、フェーズドアレイアンテナ１０におけるどの位置で配管接続が切断されても各配管系内部にマイクロカプセル、またはマイクロカプセルが消滅したことにより空気だまりを有することができる。
これにより、フェーズドアレイアンテナ１０またはモジュールユニット２０周囲の温度変化に応じて流路に充填された冷却液の温度が変化し、冷却液の体積が変化した場合においても、冷却液の体積変化を気泡の体積変化で補償することができる。

１ 気泡発生装置、２ ポンプ、３ 気泡除去装置、４ リザーバタンク、５ 熱交換器、６ａ バイパスバルブ、６ｂ 冷却器出口バルブ、６ｃ 冷却器入口バルブ、１０ フェーズドアレイアンテナ、１１ａ 冷媒入口継手、１１ｂ 冷媒出口継手、１２ａ マニホールド（分岐）、１２ｂ マニホールド（集合）、１３ モジュールユニット外部配管、１４ モジュールユニット間配管、２０ モジュールユニット、３１ 冷却装置配管、１００、１０１ 冷却装置。

Claims (5)

1. 電子機器に接続された配管内の冷却液が循環することで前記電子機器を冷却する冷却装置であって、
   前記冷却液は、前記配管の途中に設けられ微細気泡を発生する気泡発生装置により発生した微細気泡を含有することを特徴とする冷却装置。
2. 前記気泡発生装置は、前記電子機器に接続される配管であって、前記配管内の冷却液が前記電子機器に流入する配管に設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記電子機器に接続される配管であって、前記配管内の冷却液が前記電子機器から排出する配管に、前記気泡発生装置により発生した微細気泡を除去する気泡除去装置を備えることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 電子機器に接続された配管内の冷却液が循環することで前記電子機器を冷却する冷却装置であって、
   前記冷却液は、内部に気体を包容するマイクロカプセルを含有することを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれか記載の冷却装置と配管で接続される、冷却装置を備える電子機器であって、
   前記電子機器は、内部に前記冷却液が循環する配管を有したモジュールユニットが並列に複数配列されたアクティブフェーズドアレイアンテナであることを特徴とする冷却装置を備える電子機器。

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