JP2018181973A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】間欠動作により一時的な高発熱状態をとなる部品を有する電子機器において、機器の小型化を可能にする。
【解決手段】 定常状態の発熱を冷却液を用いた冷却方式で冷却するとともに、部品の許容温度以下で相変化する蓄熱体により、間欠動作による一時的な高発熱を吸熱し、吸熱して相変化することで膨張した蓄熱体の体積変化を利用して冷却液との伝熱面に接触させることで、冷却液に必要な流量、熱伝達率を小さくし、電子機器の小型化を可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、間欠動作により一時的に高発熱となる電子機器の冷却方式に関する。

電子機器の高性能化、高出力化に伴って発熱密度が大きくなっており、高い冷却性能を有する冷却システムが必要となっている。一方で電子機器の小型、軽量化が進んでいるため冷却システムに許容される大きさ、質量は小さくなっている。電子機器の発熱は一定でなく、その機能によっては、一時的に高い発熱となるものがある。従来の電子機器においては、一時的なピーク発熱量に合わせて熱設計を行い、冷却システムを構成しているため、機器の大型化を招いている。
そこで、これらの一時的な高発熱状態から電子機器の熱破壊を防ぐことを目的として物質が相変化する際の潜熱を利用した冷却方式が提案されている。潜熱を利用した冷却方式は、電子部品の許容温度より低い温度で相変化を起こす蓄熱体を選定し、発熱部品と熱的に接続することで、蓄熱体の温度が融点を超えた場合に発熱が蓄熱体の相変化に利用されることにより、電子機器が許容温度を超えないようにすることができる（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２０１４−２０３９０２号公報 特開２００５−９３８４８号公報 特許第２８４５２２１号公報

例えば特許文献１は、密閉ケースの中に封入された蓄熱体の融解潜熱を用いて冷却する方式であり、一時的な発熱のみを行う電子機器を対象とすることで、溶融した蓄熱体を冷却するための構造を排除して機器を小型化している。
そのため、定常状態で発熱があるような電子機器には不向きな冷却方式であった。
参考文献２、３では空冷ヒートシンクの内部に蓄熱体を含有した冷却方式を提案している。これらの冷却方式では、定常状態の発熱は空冷ヒートシンクによって放熱し、一時的な高発熱状態においては空冷ヒートシンクによる放熱の不足分を蓄熱体の相変化に充てることで電子機器を許容温度以下に保つ構造としている。
そのため、定常状態での発熱量が少ない電子機器には有効であるが、定常状態においても高発熱である電子機器においては強制空冷用のファンの追加やヒートシンクの大型化を招くこととなるという課題があった。また、発熱体近傍にヒートシンクを実装可能な領域が必要であり、機器の小型化、高密度実装化には限界があるという課題があった。

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、冷媒を用いた液冷方式と蓄熱体の潜熱を利用した冷却方式を組み合わせて、間欠動作による一時的な高発熱状態となる部品を有する電子機器において、機器の小型化を可能にする電子機器を提供することを目的とする。

この発明に係る電子機器は、冷媒を用いた液冷方式を採用する電子機器であって、間欠動作により一時的に高発熱状態となる複数の発熱素子と、蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱体容器とを備え、前記蓄熱体容器は、前記蓄熱体の相変化時の体積膨張によって弾性変形し、前記弾性変形した状態の前記蓄熱体容器は、前記冷媒の流路と密着する。

本発明によれば、間欠動作によって一時的に高発熱となる電子機器において、電子機器を小型化できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１における電子機器の構成ユニットの一例を示す模式図である。 （ａ）本発明の実施の形態１における冷却方式の模式図である。（ｂ）Ａ-Ａにおける断面図である。 本発明の実施の形態１における蓄熱体容器の断面図の一例である。 本発明の実施の形態２における蓄熱体容器の断面図の一例である。

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．
本発明の対象とする電子機器は、間欠動作によって一時的に高発熱状態となる電子機器であって、定常状態においても相応の発熱がある電子機器、例えば送受信アンテナ装置などである。
送受信アンテナ装置においては、定常時の低出力状態においても相応の発熱があり、一時的な高出力送信時は低出力状態の数倍以上発熱する。

図１は、本発明の対象とする電子機器１、及びその構成ユニット１０の例を示す模式図である。電子機器１は複数の構成ユニット１０を有し、構成ユニット１０は発熱素子２１を有する発熱素子ユニット２０が複数配列されて構成される。

図２（ａ）は、本発明における発熱素子ユニット２０の冷却方式を示す模式図である。図２（ｂ）は、図中のＡ-Ａにおける断面図である。
発熱素子ユニット２０は、基板２２上に発熱素子２１が実装されており、ユニット底面でヒートスプレッダ２３と熱的に接続する。
ヒートスプレッダ２３は冷却板３０と接続されており、発熱素子ユニット２０で発生した発熱は、冷却板３０の内部を通過する冷却液３２によって外部に輸送される。
一方、発熱素子２１は上面で蓄熱体容器４０と熱的に結合しており、蓄熱体容器４０の他の一面は冷却板３０と接するように配置する。

蓄熱体容器４０は例えばアルミニウム、銅などの熱伝導率の高い金属からなる中空容器であり、後述のように、内部に蓄熱体４１が隙間なく充填されている。
蓄熱体４１は発熱素子２１の許容温度に対して幾らか低い温度に融点を持つ相変化物質であり、金属に腐食性がなく、低比重、融解熱容量の高い、人体に影響のない物質、例えばパラフィン系ワックス、又はエリスリトール、スレイトールなどのブドウ糖甘味料などとする。

図３は、蓄熱体容器４０の断面図である。図３（ａ）は蓄熱体４１が固相時の断面図であり、図３（ｂ）は蓄熱体４１が液相時の断面図である。
図３（ａ）に示すように、実施の形態１に係る蓄熱体容器４０は冷却板３０側の面に切欠き部４２が設けられており、蓄熱体４１が固相時には、容器の一部の肉厚が薄くなる波状の切欠き部４２が形状として表れている。

次に、本発明の実施の形態１に係る電子機器の動作を説明する。
定常状態においては、発熱素子ユニット２０の発熱は冷却液３２によって外部に輸送されており、発熱素子ユニット２０及び蓄熱体容器４０は、発熱素子ユニット２０の許容温度以下の一定温度に保持されている。

次に、間欠動作による一時的な高発熱状態が生じた場合、冷却板３０及び冷却液３２の熱輸送能力では不足し、発熱素子ユニット２０及び蓄熱体容器４０の温度が上昇していく。
ひとたび蓄熱体容器４０の温度が内部の蓄熱体４１の融点まで達すると、発熱素子２１からの吸熱は蓄熱体４１の相変化に利用され、蓄熱体４１と蓄熱体容器４０と発熱素子２１の温度は蓄熱体４１の融点で保持される。
ここで蓄熱体４１は固相から液相へ相変化することで体積膨張し、膨張した蓄熱体４１により、本実施の形態の蓄熱体容器４０は切欠き部４２を圧して、切欠き部４２を有する冷却板側へ膨らむように弾性変形する（図３（ｂ））。図３（ｂ）において、切欠き部４２が弾性変形し、蓄熱体容器４０が冷却板３０側に膨らんだ部分を突起部４２ｂとする。
前述の通り、蓄熱体容器４０は例えばアルミニウム、銅などでできており、弾性変形し易い金属である。蓄熱体容器４０の材料としてアルミニウムや銅以外にも、弾性変形のし易い材料を用いることができる。

今まで冷却板３０に接するように配置されていた蓄熱体容器４０は、蓄熱体容器４０の切欠き部４２が膨らみ変形することにより、変形により生じた突起部４２ｂが冷却板３０に密着するようになる。
蓄熱体容器４０と冷却板３０とが密着することにより、蓄熱体容器４０と蓄熱容器の冷却板３０の間の空気層を減じ、接触熱抵抗を減じることとなり、蓄熱体４１から冷却板への放熱経路を確保することができる。

そのため、実施の形態１に係る電子機器によれば、サーマルシートやサーマルグリースなどを使用することなく発熱素子２１の一時的な高発熱により溶融した蓄熱体４１の潜熱を、冷却板３０に放熱することが可能となるため、効率的に蓄熱体を冷却することができる。

このように、実施の形態１に係る電子機器によれば、一時的な高発熱により溶融した蓄熱体４１の潜熱を冷却板３０に放熱することが可能となる。

従来は、一時的な高発熱状態に対応するため、構成ユニットごとに冷却板を設けて発熱素子の直下に冷却液を流し、冷却構造の複雑化や機器の大型化を招いていた。これに対し、本発明の実施の形態１に係る電子機器によれば、間欠動作によって一時的に高発熱状態となる電子機器であって、定常状態においても相応の発熱がある電子機器の液冷について、定常時の発熱状態に合わせて冷却構造を簡素化することができる。
さらには、流路の縮小、冷媒循環装置の小型化が可能となり電子機器全体の小型化・軽量化が可能となる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電子機器における蓄熱体容器４０の断面図である。
図４（ａ）は蓄熱体４１が固相時の断面図であり、図４（ｂ）は蓄熱体４１が液相時の断面図である。
実施の形態２に係る蓄熱体容器４０では、実施の形態１の切欠きとは異なり、図４（ａ）に示すように、蓄熱体容器４０の冷却板３０側の面を一面薄肉とした、薄肉壁面４３としている。

次に、本発明の実施の形態２に係る電子機器の動作を説明する。
実施の形態１と同じく、定常状態においては発熱素子ユニット２０の発熱は冷却液３２によって外部に輸送されており、発熱素子ユニット２０及び蓄熱体容器４０は発熱素子ユニットの許容温度以下の一定温度に保持されている。
間欠動作による一時的な高発熱状態が生じた場合、冷却板３０及び冷却液３２の熱輸送能力では不足し、発熱素子ユニット２０及び蓄熱体容器４０の温度が上昇していく。ひとたび蓄熱体容器４０の温度が内部の蓄熱体４１の融点まで達すると、発熱素子２１からの吸熱は蓄熱体４１の相変化に利用され、蓄熱体４１及び蓄熱体容器４０、発熱素子２１の温度は蓄熱体４１の融点で保持される。蓄熱体４１は固相から液相へ相変化することで体積膨張し、膨張した蓄熱体４１により蓄熱体容器４０は薄肉壁面４３を有する冷却板側へ弾性変形する（図４（ｂ））。
なお、図４（ｂ）において、４３が薄肉壁面が変形により冷却板３０側に膨らんで変形した部分を突起部４３ｂとする。

蓄熱体容器４０の変形により、蓄熱体容器４０表面が突起部４３ｂにおいて冷却板３０に密着する。蓄熱体容器４０と冷却板３０とが密着することにより、蓄熱体容器４０と蓄熱容器の冷却板３０の間の空気層を減じ、接触熱抵抗を減じることとなり、蓄熱体４１から冷却板への放熱経路を確保することができる。
そのため、サーマルシートやサーマルグリースなどを使用することなく発熱素子２１の一時的な高発熱により溶融した蓄熱体４１の潜熱を冷却板３０に放熱することが可能となるため、効率的に蓄熱体を冷却することができる。

このように、実施の形態２に係る電子機器は、一時的な高発熱により溶融した蓄熱体４１の潜熱を冷却板３０に放熱することが可能となる。
従来は、一時的な高発熱状態に対応するため、構成ユニットごとに冷却板を設けて発熱素子の直下に冷却液を流し、冷却構造の複雑化や機器の大型化を招いていた。
本発明の実施の形態１に係る電子機器によれば、間欠動作によって一時的に高発熱状態となる電子機器であって、定常状態においても相応の発熱がある電子機器の液冷について、定常時の発熱状態に合わせて冷却構造を簡素化することができる。さらには、流路の縮小、冷媒循環装置の小型化が可能となり電子機器全体の小型化・軽量化が可能となる。

１ 電子機器、１０ 構成ユニット、２０ 発熱素子ユニット、２１ 発熱素子、２２ 基板、２３ ヒートスプレッダ、３０ 冷却板、３２ 冷却液、４０ 蓄熱体容器、４１ 蓄熱体、４２ 切欠き部、４２ｂ 突起部、４３ 薄肉壁面、４３ｂ 突起部。

Claims (4)

1. 冷媒を用いた液冷方式を採用する電子機器であって、
   間欠動作により一時的に高発熱状態となる複数の発熱素子と、
   蓄熱体と、
   前記蓄熱体を収容する蓄熱体容器と、
   を備え、
   前記蓄熱体容器は、前記蓄熱体の相変化時の体積膨張によって弾性変形し、前記弾性変形した状態の前記蓄熱体容器は、前記冷媒の流路と密着することを特徴とする電子機器。
2. 前記蓄熱体容器は、容器を形成する面の中の一面の肉厚が薄い部分と厚い部分が交互にある波状の切欠き部が形成されており、前記切欠き部が弾性変形して前記冷媒の流路と密着することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 前記蓄熱体容器は、容器を形成する面の中の一面の肉厚が薄く形成されており、前記肉厚が薄い薄肉壁面が弾性変形して前記冷媒の流路と密着することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
4. 前記蓄熱体は、パラフィン系ワックス、エリスリトール、スレイトールのいずれかであり、
   前記蓄熱体容器の材料は、アルミニウムあるいは銅であることを特徴とする請求項２または３に記載の電子機器。

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