JP4652249B2 - 屋内無線基地局装置の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、冷却構造に関し、特に、集中発熱するＬＳＩ等を実装したプリント基板等を備える屋内無線基地局装置等を冷却するための構造に関する。

従来、携帯電話等を用いて通信を行うために多数設置された無線基地局装置は、プリント基板又はモジュールと、それらを実装するためのシェルフと、冷却のためのファン等で構成され、例えば、図８に示すように、２０〜４０枚のプリント基板３２をシェルフ３１に並列に実装し、冷却用のファン３３をプリント基板３２の上方又は下方に配置し、隣接するプリント基板３２の間に送風して冷却していた。

しかし、近年の携帯電話加入者数の増加と、携帯電話によるデータ通信量の飛躍的増加に伴い、無線基地局装置は、消費電力の増加と、ＬＳＩ等のデバイスの発熱量及び発熱密度の増加により、ファン等を用いた空冷のみではなく、パーソナルコンピュータのＣＰＵの冷却に代表されるような、集中発熱デバイスを冷却するための水冷モジュールが実用化されてきた。

例えば、ＬＳＩを効果的に冷却するため、特許文献１には、配線基板上に搭載された複数のＬＳＩケースと、発熱量の大きなＬＳＩを実装したＬＳＩケース上に固着された取付板と、この取付け板上に固着された放熱シートと、これら取付け板及び放熱シートを介してねじにより固定されるチャンバーを有する水冷ヒートシンクと、複数の水冷ヒートシンクを接続するホースとを含み、水冷ヒートシンク及びホースと、熱交換器とを接続する入口配管及び出口配管等で構成される水冷装置が提案されている。

また、特許文献２には、ラックに着脱自在に支持された回路基板の発熱する素子を冷却する冷却装置であって、発熱する素子を冷却する熱交換器を備えるとともに、熱交換器に液状の冷媒を供給して排出する配管部を備える冷却ユニットと、冷却ユニットと回路基板のいずれか一方を固定状態とし、固定状態の一方に対して他方を近接・離間する方向に移動させて、熱交換器を回路基板の発熱する素子に解除自在に当接させる当接手段等で構成される水冷装置が提案されている。

ここで、従来のＬＳＩの冷却方法を列挙すると、現在では採用されない自然空冷方式、ＬＳＩ表面にヒートシンクを実装するヒートシンク方式、ＬＳＩ表面に送風する強制空冷方式、ＬＳＩ表面にヒートシンクを実装するとともに、表面積を増加させて強制空冷を行う（ヒートシンク＋強制空冷）方式、ＬＳＩ表面に実装したプレートに水を循環させる水冷方式となる。

一方、屋内無線基地局に関するものではないが、自動車等のラジエータの冷却方法として、特許文献３には、ラジエータ（及びコンデンサ）の前方側に配置され、冷却用の圧縮空気をラジエータに吹付ける複数のノズルと、エンジンにより駆動され、冷却用の空気を圧縮し、加圧してノズルに供給する空気ポンプと、空気ポンプとノズルを連通する配管からなる圧縮空気の経路に設けられ、ノズルへの圧縮空気の供給を制御する制御バルブ手段とを備えることによって、軸流ファンによる送風に代えて、圧縮空気をノズルから吹き出すことによって送風するため、発生する騒音を少なくすることができる方法が提案されている。

特開平８−３２２６２号公報 特開２００５−１９１４７３号公報 特開平９−２８７４５０号公報

上記特許文献１に記載の冷却構造は、取付け板がねじによりＬＳＩに固定されているが、プリント基板が複数並列して実装された状態でねじを脱着することは困難であり、ねじを外さないとプリント基板を取り外せないため、プリント基板の脱着が容易ではないという問題があった。

さらに、水冷システムに備えられた冷媒である水を流す配管が、各プリント基板、同基板及びファンの間に張り巡らされているため、これらを有する配管を固定するためには、シェルフやガイドレールを実装するための構造と一体化して製造する必要があり、複雑な構造になるため、生産性が低下するという問題があった。また、水冷システムでは、冷媒である水を封入する工程が必要となるため、より生産性が悪化する。

次に、特許文献２に記載の冷却構造は、コールドプレート（文献中では「熱交換器」）と、ＬＳＩとの熱的接続のための押圧、解除のために冗長な機構を設けているが、この構造には、まだ利用可能なスペースも存在し、スペースの有効活用がなされていない。また、この構造では、複数のプリント基板を高密度で実装することができないという問題があった。

また、特許文献３に記載の冷却構造は、圧縮空気の減圧で温度が低下するときに結露が発生し、ラジエータが腐食したり、他の電気部品に結露した水滴が落下して付着し、短絡等の事故が発生するおそれがあった。

そこで、本発明は、上記特許文献等に記載の問題点に鑑みてなされたものであって、高い冷却性能を維持しながら、プリント基板の交換が容易で、高密度実装が可能で、生産性が高く、水漏れの危険を伴わない冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の部品と、該第１の部品より高温のＬＳＩとを備えるプリント基板を複数並置した屋内無線基地局装置の冷却構造であって、前記プリント基板と、前記第１の部品とを強制空冷する排熱ファンと、前記ＬＳＩに当接し、内部を流れる空気を冷媒として該ＬＳＩを冷却するコールドプレートと、該コールドプレートの空気流入口及び空気流出口とチューブを介して接続され、該コールドプレートからの排出空気を受け入れるとともに、内部を通過した空気を該コールドプレートに供給するラジエータと、該ラジエータと前記コールドプレートを繋ぐ空気流路上に配置され、該ラジエータと該コールドプレートの間で空気を循環させるシロッコファンとを備え、前記ラジエータの空気流出口にオリフィスを設け、該オリフィスによって、前記ラジエータ内を通過した空気を圧縮し、前記ラジエータを、前記排熱ファンによって冷却することを特徴とする。

そして、本発明によれば、第１の部品より高温のＬＳＩを冷却するコールドプレートの排出空気を受け入れるラジエータを、第１の部品及びプリント基板を冷却する排熱ファンによって冷却するため、ＬＳＩの発熱量の大部分を外部に持ち去ることが可能となり、装置全体を効率的に冷却することができ、装置の小型化も可能となる。

また、この冷却構造は、空気を冷媒として用いるため、フロン等の冷媒を用いた蒸発／凝縮の相変化における潜熱で冷却する、いわゆる冷凍サイクルではなく、高圧のコンプレッサを必要とせず、安価で小型のシロッコファンを用いることができ、配管も高圧に耐える剛性の高いチューブではなく、ゴムやナイロンチューブのような柔軟性のある安価なチューブを使用することができるため、安価な冷却構造を実現することができる。
また、オリフィスによって、ラジエータの内部で冷媒空気を圧縮膨張して昇温させ、排熱ファンによってラジエータからより効率よく熱を奪うことができ、冷却構造全体の冷却効率が向上する。

さらに、空冷であるため、水漏れなどの問題が発生せず、装置内の各部品を損傷するおそれもなく、部品の脱着又は交換も容易に行うことができる。

また、本発明によれば、屋内無線基地局装置を効率的に冷却することができ、装置の小型化も可能となるとともに、安価で、装置内のプリント基板、基板上に実装したＬＳＩ等の部品を損傷するおそれもなく、プリント基板の脱着又は交換も容易に行うことが可能となる。

前記屋内無線基地局装置の冷却構造において、前記コールドプレートは、内部に複数のフィンを有し、前記冷媒としての空気が内部を通過することができる。

さらに、前記屋内無線基地局装置の冷却構造において、前記コールドプレートと前記シロッコファンとの間を、マニホールドを介して繋ぐフレキシブルチューブを備えることができる。これによって、コールドプレートとファンとの間の配管構造を簡素化することができ、ひいては、プリント基板の脱着又は交換が容易となる。

また、前記屋内無線基地局装置の冷却構造において、フレキシブルチューブを脱着するためのカップリングを備えるマニホールドを備えることができる。これによって、フレキシブルチューブをマニホールドから容易に脱着することができ、プリント基板の脱着又は交換をより容易に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、冷却性能が高く、部品の交換が容易で、部品の高密度実装が可能で、装置の小型化も可能で、生産性が高く、水漏れの危険を伴わない冷却構造を提供することができる。

図１及び図２は、本発明にかかる冷却構造の一実施の形態を示し、この冷却構造は、屋内無線基地局装置に適用したものであって、大別して、プリント基板２及び同基板２に実装された部品を強制空冷する排熱ファン３と、高発熱ＬＳＩ１０を空気を冷媒として冷却する冷却ユニット等で構成される。

プリント基板２は、屋内無線基地局装置変復調シェルフ（以下、「シェルフ」という）１に複数並置され、図示しない部品、及び集中発熱する高発熱ＬＳＩ１０を実装している。

排熱ファン３は、無数の穴が空いた板状のグリル１４を介し、吸気口４から吸気された空気を、プリント基板２及び同基板２に実装された部品に送風することによって、プリント基板２及び同基板２に実装された部品を冷却し、その際に昇温された空気を排気口５から装置の外部に排気する。

冷却ユニットは、高発熱ＬＳＩ１０を空気を冷媒として冷却するため、シロッコファン９と、マニホールド８Ａ及び８Ｂと、ラジエータ１３と、冷媒空気用パイプ１２と、クイックカップリング７と、フレキシブルチューブ６と、コールドプレート１１とで構成される。尚、冷却ユニットの流路内部には空気が常圧で封入され、外部との空気の出入はない。

シロッコファン９は、グリル１４上に備えられ、第１マニホールド８Ａから流入した冷媒空気をラジエータ１３に向かって流出させる。

第１マニホールド８Ａは、第２マニホールド８Ｂ上に備えられ、フレキシブルチューブ６を介して流入した冷媒空気をシロッコファン９へ流出させる。

第２マニホールド８Ｂは、グリル１４上に備えられ、ラジエータ１３を介して流入した冷媒空気を、４本の冷媒空気用パイプ１２を介してシロッコファン９に流出させる。

ラジエータ１３は、図３に示すように、内部にフィン１３ａが狭い間隔で配置され、冷媒空気とラジエータ１３との熱伝達に十分な表面積を得ることができるように形成されている。また、ラジエータ１３の冷媒空気流出口１３ｃには、ラジエータ１３の内部で冷媒空気を圧縮膨張し、昇温させるため、図４に示すようなオリフィス１３ｄが備えられている。

図２に示した冷媒空気用パイプ１２は、プリント基板２、第１マニホールド８Ａ、第２マニホールド８Ｂ等に備えられ、冷媒空気用パイプ１２の先端部には、これらとの着脱を容易にするためのクイックカップリング７が備えられる。

クイックカップリング７は、上述のように、フレキシブルチューブ６を容易に脱着可能とするため、プリント基板２の前面と、冷媒空気用パイプ１２とに備えられる。また、プリント基板２からフレキシブルチューブ６を引き抜くと、電気的な導通が切断され、発熱が停止される。また、クイックカップリング７の機能によって、冷媒空気の流入及び流出が遮断されるため、２系統のうち１系統の冷媒空気流路のみに冷媒空気が流れる状態となり、交換しないプリント基板２の冷却に影響を与えることはない。

フレキシブルチューブ６は、冷媒空気を循環させるため、第２マニホールド８Ｂに備えられる４本の冷媒空気用パイプ１２と、コールドプレート１１と、第１マニホールド８Ａとを連結する。

コールドプレート１１は、プリント基板２に実装された高発熱ＬＳＩ１０を冷却するために備えられ、フレキシブルチューブ６を介して冷媒空気が流れる。また、コールドプレート１１内には、図５に示すように、フィン１１ａが狭い間隔で備えられ、熱伝達を行うのに十分な表面積を得るように形成されている。

次に、上記構成を有する冷却ユニットにおける空気の流れについて説明する。

図３に示すシロッコファン９からの冷媒空気は、ラジエータ１３の冷媒空気流入口１３ｂから内部のフィン１３ａの間を通過し、同図及び図４に示す冷媒空気流出口１３ｃのオリフィス１３ｄで圧縮拡散される。

次に、ラジエータ１３から排出された冷媒空気は、図２に示すように、マニホールド８Ｂを経由して４本の冷媒空気用パイプ１２に分かれ、クイックカップリング７で接続されたフレキシブルチューブ６を通り、プリント基板２へと導かれる。そして、コールドプレート１１内のフィン１１ａの間を通過し、図５に示すように、コールドプレート１１内で折り返して排出され、フレキシブルチューブ６を介してマニホールド８Ａで１本の流路に集合し、シロッコファン９に戻る。

次に、上記構成を有する冷却構造全体の動作について、図１、図２及び図６を参照しながら説明する。

まず、排熱ファン３の運転により、吸気口４から取り入れられた冷却空気がプリント基板２上を流れ、各プリント基板２と、同基板２上に実装された部品とを冷却する。

冷媒空気用パイプ１２により接続された閉流路において、シロッコファン９から吹き出された冷媒空気がラジエータ１３の内部を通過し、ラジエータ１３の下流の配管内部に形成されたオリフィス１３ｄで圧縮膨張された後、コールドプレート１１の内部を流れ、シロッコファン９に戻る。ここで、コールドプレート１１は、プリント基板２上の高発熱ＬＳＩ１０と当接し、高発熱ＬＳＩ１０を冷却する。

上記ラジエータ１３は、排熱ファン３によって吸気口４から取り入れられ、プリント基板２及び同基板２上に実装された部品を冷却した後の空気によって冷却される。従って、ラジエータ１３を冷却する空気は、プリント基板２の発熱により昇温された空気であるが、冷却ユニットの内部空気がラジエータ１３のオリフィス１３ｄによって圧縮されて昇温することにより、ラジエータ１３の表面温度の方が、プリント基板２の発熱により昇温された空気よりも十分に高温となるため、排熱ファン３による強制空冷を利用して冷却することができる。

次に、上記冷却構造における熱の流れについて説明する。

高発熱ＬＳＩ１０からコールドプレート１１に伝達された熱の一部は、雰囲気に放散され、プリント基板２及び他のプリント基板２上の部品の熱とともに、排熱ファン３により排熱される。また、高発熱ＬＳＩ１０からコールドプレート１１に伝達された残りの大部分の熱は、コールドプレート１１の内部を流れる空気に伝達される。これによって昇温された空気は、シロッコファン９によってオリフィス１３ｄを通過する過程で圧縮膨張され、温度が上昇する。この空気の昇温によりラジエータ１３の内部の温度も上昇し、ラジエータ１３の内部に蓄積された熱は、排熱ファン３によって導入された冷却空気を介して外部に放出される。

次に、上記冷却構造における各部の温度の計算例を示す。

シロッコファン９は、静圧２ｋＰａのとき、流量１５０リットル／ｍｉｎであり、高静圧小型シロッコファンとして開発されたものである。標準大気圧は、１０１．３ｋＰａであるから、圧縮したときに約１．０２気圧となる。ラジエータ１３の内部でこの圧力になるように、冷媒空気流出口１３ｃのオリフィス１３ｄの形状を決定する。

上記シェルフ１には、２４枚のプリント基板２が実装され、総発熱量は２０００Ｗである。そのうち、５０Ｗの４個の高発熱ＬＳＩ１０には、コールドプレート１１が取り付けられ、排熱ファン３で持ち去る熱量は１８００Ｗとなる。排熱ファン３は、２台合計で６００ｍ³／ｈの流量を有する。そこで、外気温度が４０℃のとき、排気温度は以下のようになる。

Ｑ＝ρＣｐＦΔＴ
ΔＴ＝Ｑ／ρＣｐＦ＝１８００／１．１３／１００８／（６００／３６００）＝９．５度
ここで、空気の密度ρ＝１．１３ｋｇ／ｍ³、定圧比熱Ｃｐ＝１００８Ｊ／ｋｇＫとしている。
よって、ラジエータ１３の冷却空気温度は、４０＋９．５＝４９．５℃
となる。

ラジエータ１３からの放熱量は、４個の高発熱ＬＳＩ１０の２００Ｗであり、ラジエータ１３の熱抵抗は、数値計算により０．０３℃／Ｗであるため、ラジエータ１３の温度は、
温度上昇：２００×０．０３＝６度、
ラジエータ温度＝４９．５＋６＝５５．５℃
となる。

ラジエータ１３の内部は、フィン１３ａにより十分に広い表面積があるため、ラジエータの温度と、ラジエータ内部の冷媒空気の温度は、略々同じとなる。

冷媒空気が１．０２気圧に圧縮されて５５．５℃になるとき、これがオリフィス１３ｄで常圧に戻ると、絶対温度比と圧縮比が比例するため、（５５．５＋２７３）／１．０２＝３２２Ｋ＝４９℃となる。すなわち、４９℃の冷媒空気によりコールドプレート１１を冷却する。

コールドプレート１１の熱抵抗は、コールドプレート１１を通過する冷媒空気の持ち去ることのできる熱量から求められる。１個のコールドプレート１１を流れる冷媒空気の流量は、シロッコファンの流量１５０リットル／ｍｉｎの１／２の７５リットル／ｍｉｎであり、熱抵抗は、
１／ρＣｐＦ＝１／１０１３／１００８／（７５／６０／１０００）＝０．７℃／Ｗ
となる。

コールドプレート１１の内部には、微細なフィン１１ａが多数配置されているため、上記計算による熱抵抗がコールドプレート１１自体の熱抵抗と考えても差し支えない。従って、５０Ｗの高発熱ＬＳＩ１０に取り付けられたコールドプレート１１の温度は、
４９＋５０×０．７＝４９＋３２＝８４℃
となる。

この温度は、一般的なＬＳＩの表面温度として十分許容できるものである。ヒートシンクをＬＳＩに実装して冷却する方法では、５Ｗ〜１０Ｗ程度しか冷却できないが、本実施の形態では、５０Ｗの高発熱ＬＳＩ１０を冷却することができ、高い冷却性能を実現できることが分かる。

次に、本発明にかかるプリント基板２を交換するときの動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

プリント基板２を引き抜くと、電気的な導通が切断され、発熱が停止する。プリント基板２の前面に取り付けられたクイックカップリング７により、フレキシブルチューブ６を容易に取り外すことができる。取り外されたフレキシブルチューブ６は、クイックカップリング７の機能により、冷媒空気の流入流出が遮断され、２系統のうち１系統の冷媒空気流路のみに冷媒空気が流れる状態となるため、交換しないプリント基板２の冷却には影響しない。

次に、プリント基板２をシェルフ１に装着する場合には、プリント基板２を挿入し、フレキシブルチューブ６をプリント基板２の前面のクイックカップリング７によって接続し、同基板２を奥まで挿入して電気的な接続を行う。フレキシブルチューブ６を接続した時点で、プリント基板２に実装されたコールドプレート１１に冷媒空気が供給されるため、プリント基板２上のコールドプレート１１等の冷却を問題なく行うことができる。

次に、本発明にかかる冷却構造のもう１つの実施の形態について、図７を参照しながら説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、大別して、複数のプリント基板２を実装するシェルフ１と、プリント基板２及び同基板２に実装された部品等を冷却する排熱ファン３と、プリント基板２に実装された高発熱ＬＳＩ１０を冷却する冷却ユニットとで構成される。尚、排熱ファン３、シロッコファン９等、第１の実施の形態と同様の符号を付した構成要素は、第１の実施の形態と同様の構成及び機能を有するため説明を省略する。

プリント基板２に実装されている高発熱ＬＳＩ１０に取り付けられたコールドプレート１１から、バックボード２２の方向に冷媒空気用パイプ１２が配管されて固定される。バックボード２２の上には、電気信号用コネクタ２０とともに、冷媒空気用プラグインコネクタ２１が実装され、プリント基板２を実装すると、電気信号用コネクタ２０と冷媒空気用プラグインコネクタ２１とがバックボード２２に接続される。

この構成により、バックボード２２のプリント基板２が配置されている側とは反対側から、冷媒空気用プラグインコネクタ２１を挿入することで、冷却ユニットの冷媒空気流路を形成することができるため、プリント基板２の交換作業をより容易に行うことができる。

また、プリント基板２、及び同基板２上に配置された部品並びに高発熱ＬＳＩ１０を冷却するにあたって、排熱ファン３の運転によって取り入れられた冷却空気がプリント基板２上を流れ、プリント基板２と、同基板２上に実装された部品とを冷却する。

さらに、冷媒空気用パイプ１２により接続された閉流路において、シロッコファン９からの冷媒空気がラジエータ１３の内部を通過し、冷媒空気用プラグインコネクタ２１及び冷媒空気用パイプ１２を介してコールドプレート１１の内部を流れ、シロッコファン９に戻る。ここで、コールドプレート１１は、プリント基板２上の高発熱ＬＳＩ１０と当接し、高発熱ＬＳＩ１０から熱を奪うことによって、高発熱ＬＳＩ１０を冷却する。

また、ラジエータ１３は、排熱ファン３によって取り入れられプリント基板２及び同基板２上に実装された部品とを冷却した後の空気によって冷却されるが、ラジエータ１３の表面温度の方が、プリント基板２の発熱により昇温された空気よりも十分に高温となるため、排熱ファン３による強制空冷を利用して冷却することができる。

本発明にかかる冷却構造は、ブレードサーバや、ルーター等、複数のプリント基板や電子機器モジュールを並置して実装する通信機器、制御機器、コンピュータ機器の冷却ユニットへ適用することができる。

本発明にかかる冷却構造を適用した屋内無線基地局装置を示す外観斜視図である。 図１の屋内無線基地局装置の冷却ユニットを示す外観斜視図である。 図２の冷却ユニットのラジエータの内部構造を示す概略断面図である。 図３のラジエータの内部に形成されたオリフィスを示す概略断面図である。 図２の冷却ユニットのコールドプレートの内部構造を示す概略断面図である。 図１の冷却構造の作用を説明するための模式図である。 本発明にかかる冷却構造の第２の実施の形態を示す側面図である。 従来の屋内無線基地局装置の外観斜視図である。

符号の説明

１ シェルフ
２ プリント基板
３ 排熱ファン
４ 吸気口
５ 排気口
６ フレキシブルチューブ
７ クイックカップリング
８Ａ 第１マニホールド
８Ｂ 第２マニホールド
９ シロッコファン
１０ 高発熱ＬＳＩ
１１ コールドプレート
１１ａ フィン
１２ 冷媒空気用パイプ
１３ ラジエータ
１３ａ フィン
１３ｂ 冷却空気流入口
１３ｃ 冷却空気流出口
１３ｄ オリフィス
１４ グリル
２０ 電気信号用コネクタ
２１ 冷媒空気用プラグインコネクタ
２２ バックボード

Claims (4)

1. 第１の部品と、該第１の部品より高温のＬＳＩとを備えるプリント基板を複数並置した屋内無線基地局装置の冷却構造であって、
   前記プリント基板と、前記第１の部品とを強制空冷する排熱ファンと、
   前記ＬＳＩに当接し、内部を流れる空気を冷媒として該ＬＳＩを冷却するコールドプレートと、
   該コールドプレートの空気流入口及び空気流出口とチューブを介して接続され、該コールドプレートからの排出空気を受け入れるとともに、内部を通過した空気を該コールドプレートに供給するラジエータと、
   該ラジエータと前記コールドプレートを繋ぐ空気流路上に配置され、該ラジエータと該コールドプレートの間で空気を循環させるシロッコファンとを備え、
   前記ラジエータの空気流出口にオリフィスを設け、該オリフィスによって、前記ラジエータ内を通過した空気を圧縮し、
   前記ラジエータを、前記排熱ファンによって冷却することを特徴とする屋内無線基地局装置の冷却構造。
2. 前記コールドプレートは、内部に複数のフィンを有し、前記冷媒としての空気が内部を通過することを特徴とする請求項１に記載の屋内無線基地局装置の冷却構造。
3. 前記コールドプレートと前記シロッコファンとの間を、マニホールドを介して繋ぐフレキシブルチューブを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の屋内無線基地局装置の冷却構造。
4. 前記マニホールドは、前記フレキシブルチューブを脱着するためのカップリングを備えることを特徴とする請求項３に記載の屋内無線基地局装置の冷却構造。

Images