JP5537404B2 - 液冷シャシー - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電子部品を実装した複数枚の回路基板を収容した液冷シャシーに関する。

近年、航空機に搭載する電子機器は、小型・軽量化の要求に加えて、高機能化が進んでおり、信号処理の高速化に伴い、電子部品の発熱の問題が大きくなりつつある。特に、多数の電子部品を実装した回路基板を複数枚並べて収納したシャシーを航空機に搭載する場合、回路基板の高密度なレイアウトに起因して、電子部品を十分に冷却することが難しくなってきている。

このため、シャシーに収容した回路基板の冷却には、空冷と比較してより冷却能力の高い液冷の冷却システムが主流となりつつある。この冷却システムは、シャシーに取り付けた蛇腹状の流路を通して循環させる冷媒を送り込む、シャシーとは別体の冷却装置を備えている。航空機には、通常、複数台のシャシーが搭載されるため、冷却装置は、複数本のパイプを介して複数のシャシーと接続している。

ＤＡＶＥＳ．ＳＴＥＩＮＢＥＲＧ著「最新電子装置の冷却技術実用マニュアル」ジャテック出版、平成元年１１月２５日、ｐ．７１、図４．３、ｐ．２９２、図１０．９、ｐ．２９３、図１０．１０、図１０．１１

しかし、航空機には、上述したタイプのシャシーが多数搭載されていることに加えて、発熱する多数の電子部品を備えた他の電子機器が多数搭載されており、全ての電子機器およびシャシーに冷媒を送り込む役割を担う冷却装置には、比較的容量の大きなものが必要とされている。

つまり、このような冷却装置は、必然的に重く、大型なものになり、消費電力も多く、使用する冷媒の量も多くなる。特に、この冷却装置は、電子機器やシャシーとの間を連絡する冷媒流通のための複数本のパイプを必要とし、冷媒を循環させるためのポンプも大型化し、装置自体の発熱の問題も生じる。

特に、冷媒は、環境温度に応じて適切な粘性のものを使用する必要があることが知られており、環境温度の低い航空機で使用する冷媒は比較的粘性の高い不凍液を使用する必要がある。このため、電子機器やシャシーと冷却装置をつなぐパイプが長くなると、冷媒を循環させるためのポンプにも液送圧力の大きなものが必要とされ、比較的大型でパワーのあるポンプを使用する必要がある。

このため、このような冷却装置を必要としない、小型且つ軽量で消費電力の少ない液冷システムの開発が望まれている。

実施形態に係る液冷シャシーは、冷媒を流通させる蛇腹状の流路、冷媒を収容した容器、流路に冷媒を流通させるポンプ、および流路を流れる冷媒を冷やす送風装置を一体に備えている。また、この液冷シャシーは、送風装置に対して流路の反対側から外気を取り込むための窓部を有する。液冷シャシーに収容された複数枚の回路基板、すなわちこの回路基板に実装された電子部品は、流路を流れる冷媒によって熱を奪われ、送風装置の風によって流路を流れる冷媒が冷やされる。この液冷シャシーは、例えば、航空機などの移動体に着脱自在に搭載される。

図１は、第１の実施形態に係る液冷シャシーを示す外観斜視図である。 図２は、図１の液冷シャシーの要部を示す外観斜視図である。 図３は、第２の実施形態に係る液冷シャシーを示す外観斜視図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１には、第１の実施形態に係る液冷シャシー１０の外観斜視図を示してある。また、図２には、この液冷シャシー１０の要部の斜視図を示してある。以下の説明では、図示ｘ軸方向を前後方向と称し、図示ｙ軸方向を左右方向と称し、図示ｚ軸方向を上下方向と称する場合もある。

本実施形態の液冷シャシー１０は、複数個の電子部品（図示せず）を実装した複数枚の回路基板２を互いに近接させて前後方向に隙間を空けて並べて立位で収容するためのものである。この液冷シャシー１０は、例えば、飛行機、ヘリコプター、ジェット機、プロペラ機などの航空機に着脱自在に搭載され、或いは車両や船舶などの他の移動体にも搭載可能なユニットである。

液冷シャシー１０は、複数枚の回路基板２それぞれの一端辺（図示左端辺）を接触せしめたサイドパネル４（吸熱部材）、このサイドパネル４の反対側で複数枚の回路基板２それぞれの他端辺（図示右端辺）を接触せしめたサイドパネル６（吸熱部材）、これら２枚の互いに離間した平行なサイドパネル４、６の前端側をつないだフロントパネル８、およびこれら３枚のパネルの下端辺をつなぐとともに各回路基板２の下端辺を当接せしめたボトムパネル１を有する。

２枚のサイドパネル４、６には、それぞれ、冷媒を流通させるための蛇腹状の流路４ａ、６ａ（吸熱流路）が設けられている。これら流路４ａ、６ａは、それぞれ、複数枚の前後方向に延びた仕切り板５を入れ子状に配置することで蛇腹状に一本につながった流路を構成している。つまり、２枚のサイドパネル４、６それぞれの外側の略全面を覆う図示しないカバーを貼設することで、複数枚の仕切り板５によって区画された蛇腹状の流路４ａ、６ａが形成される。なお、ここでは、一方のサイドパネル４の流路４ａを構成する複数枚の仕切り板５のみを図示したが、他方のサイドパネル６も同じ構造を有する。

フロントパネル８は、当該液冷シャシー１０を航空機などの機体に搭載する際に、作業員が把持する取っ手８ａを備えている。この他に、フロントパネル８には、当該液冷シャシー１０に収容した複数枚の回路基板２を周辺の他の電子機器（図示せず）に接続するための複数の外部コネクタ（図示せず）が設けられている。なお、この外部コネクタは、後述する液冷ユニット２０のポンプ２６やブロアー２８に給電するための給電コネクタとしても機能する。

ボトムパネル１の上面１ａ、すなわち液冷シャシー１０の底面１ａ上には、各回路基板２の下端辺に設けられた図示しないコネクタを接続するための図示しない複数のコネクタが設けられている。また、ボトムパネル１には、図示しないマザーボードが設けられている。

つまり、複数枚の回路基板２は、それぞれ、図示しないコネクタを介して、マザーボードに電気的に接続されている。また、ボトムパネル１のフロント側には、フロントパネル８の図示しない外部コネクタにマザーボードを接続するための図示しないコネクタが設けられている。

複数枚の回路基板２は、それぞれ、その両端辺をサイドパネル４、６の内面に接触せしめた状態で液冷シャシー１０の上面側（図１では解放されている）から挿入され、図示のように前後方向に等間隔で並べて液冷シャシー１０内に収容配置される。このとき、各回路基板２の下端辺にある図示しないコネクタが図示しないマザーボードのコネクタに接続される。

そして、２枚のサイドパネル４、６、およびフロントパネル８それぞれの上端辺を閉じるように図示しないアッパーパネルが取り付けられる。このアッパーパネルは、必ずしも発明に必須の構成ではない。

液冷シャシー１０のリア側には、上述したサイドパネル４、６の流路４ａ、６ａに冷媒を循環させるための液冷ユニット２０が設けられている。この液冷シャシー１０で使用する冷媒は、例えば、自動車のラジエターに入っているクーラントのような不凍液であり、本実施形態では、環境温度に応じて濃度を比較的濃くしたエチレングリコール水溶液を用いた。

図２に示すように、この液冷ユニット２０は、リザーバータンク２２（容器）、ラジエター２４（放熱部材）、ポンプ２６、および複数（本実施形態では４つ）のブロアー２８（送風装置）を有する。ラジエター２４は、図示しない蛇腹状の放熱流路を備えている。この放熱流路は、サイドパネル４、６の流路４ａ、６ａと同様に、左右方向に延びた複数本の流路を蛇腹状につなげて構成されている。

一方のサイドパネル４の後端辺近くまで延びた流路４ａの上端は、パイプ２１ａを介してリザーバータンク２２に接続され、他方のサイドパネル６の後端辺近くまで延びた流路６ａの上端も、パイプ２１ｂを介してリザーバータンク２２に接続されている。また、ラジエター２４の図示しない放熱流路の一端（図示上側の端部）は、リザーバータンク２２の底に接続されている。

一方、ラジエター２４の図示しない放熱流路の他端（図示下側の端部）は、ポンプ２６の入力端に接続されている。さらに、ポンプ２６の出力端は、２方向に分岐され、一方の出力端がパイプ２７ａを介してサイドパネル４の後端辺近くまで延びた流路４ａの下端に接続されているとともに、他方の出力端がパイプ２７ｂを介してサイドパネル６の後端辺近くまで延びた流路６ａの下端に接続されている。

しかして、ポンプ２６を作動させると、リザーバータンク２２内に貯蔵された冷媒がラジエター２４の放熱流路に流れ込み、放熱流路から出た冷媒がポンプ２６の入力端に流入する。このとき、ラジエター２４の蛇腹状の放熱流路を流れる冷媒は、重力方向に沿って下方に流れるため、冷媒をその自重によって流すことができ、ラジエター２４の放熱流路の上流側にはポンプを設ける必要がない。

そして、ポンプ２６から送り出された冷媒は、それぞれ、パイプ２７ａ、２７ｂを介して、サイドパネル４、６の流路４ａ、６ａに流入し、各流路４ａ、６ａ内を重力に逆らって上方に流通する。このとき、冷媒は、流路を前後方向に行き来しながら重力に逆らう方向（図示上方）に流れるが、各流路４ａ、６ａがポンプ２６の直ぐ下流に接続されているため、冷媒を上昇させるに十分な液圧を生じさせることができる。

さらに、サイドパネル４、６の流路４ａ、６ａを流れて上昇した冷媒は、各流路４ａ、６ａの上端から、パイプ２１ａ、２１ｂを介してリザーバータンク２２へ戻される。このようにしてリザーバータンク２２へ戻される冷媒は、サイドパネル４、６の流路４ａ、６ａを流れる際に加熱され、その温度が上昇している。つまり、複数枚の回路基板２に接触した２枚のサイドパネル４、６に伝達された熱が、サイドパネル４、６の流路４ａ、６ａを流れる冷媒によって吸熱され、冷媒の温度が上昇する。

このように温度が上昇された冷媒は、リザーバータンク２２から送り出されてラジエター２４の放熱流路を流れるとき、ラジエター２４の放熱流路に複数のブロアー２８を介して風を当てることで、放熱流路を流れる間に徐々に冷却される。望ましくは、冷媒は、ラジエター２４の放熱流路から流出するとき、雰囲気温度まで冷却される。

航空機に当該液冷シャシー１０を搭載する場合、人がいるスペースに液冷シャシー１０を配置するのが一般的であり、この場合の雰囲気温度は、２０度前後となる。つまり、当該液冷シャシー１０では、加熱された冷媒を２０度前後の温度まで冷却できることになる。

なお、冷媒を冷やすための冷却風は、各ブロアー２８によって吸引されて液冷シャシー１０のリア側へ排気されるが、冷却風が各ブロアー２８へ向かう流入経路は、各サイドパネル４、６のリア側に設けられた窓部４ｂ、６ｂとなる。これら窓部４ｂ、６ｂは、複数台の液冷シャシー１０を左右に並べて取り付けた状態で、両側の液冷シャシー１０の窓部とつながり、冷却風を効果的に取り入れることができる。

以上のように、本実施形態によると、航空機などの移動体の機体側に冷媒を冷却するためのシャシーとは別体の冷却装置を設ける必要がなくなり、当該液冷シャシー１０単体で、自己完結型の液冷システムを提供できる。これにより、比較的大型でスペースをとる冷却装置が不要となり、その分、機体の内部空間を有効に活用することができる。また、比較的重い冷却装置が不要となるため、その分、機体重量を軽くすることができる。その上、比較的大型の冷却装置が不要となることから、システム全体としての消費電力も低く抑えることができる。

また、本実施形態によると、従来のようにシャシーと別体の冷却装置と複数のシャシーをつなぐパイプも不要となり、その分、配管スペースを削減できるとともに、パイプ重量の分だけ機体を軽くできる。特に、航空機で使用する冷媒（不凍液）の粘度は比較的高いことが知られており、冷却装置とシャシーをつなぐパイプが長くなるとポンプの容量も大型化するが、本実施形態のようにパイプが不要になると、大型のポンプも不要となり、その分、消費電力およびスペースの点で有利となる。

また、本実施形態の液冷シャシー１０は、従来の冷却装置を持たないシャシーの代りに取り付けできるため、シャシーと別体に冷却装置を持たない機体にも搭載可能である。言い換えると、冷却装置を搭載するスペースの無い機体であっても、本実施形態の液冷シャシー１０なら搭載可能であり、冷却システムを自由に設計できるばかりか、機体側のシステムレイアウトの設計の自由度も高めることができる。

さらに、本実施形態のように自己完結型の液冷シャシー１０を使用すれば、他の電子機器の冷却システムとの関連性を持つ必要がなくなり、液冷シャシー１０の取り付けおよび取り外しも容易にできる。

次に、第２の実施形態に係る液冷シャシー３０について、図３を参照して説明する。なお、この液冷シャシー３０は、互いに独立した２組の液冷ユニット３０ａ、３０ｂを備えている以外、上述した第１の実施形態の液冷シャシー１０と略同じ構造を有するため、ここでは、同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

この液冷シャシー３０は、一方の液冷ユニット３０ａとして、一方のサイドパネル４（第１の吸熱部材）の蛇腹状の流路４ａ（第１の吸熱流路）の一端に接続された冷媒（第１の冷媒）を収容するリザーバータンク３１ａ（第１の容器）、このリザーバータンク３１ａの底に接続されたラジエター３２ａ（放熱部材）、このラジエター３２ａの出口側に入力端を接続され且つ流路４ａの他端に出力端を接続されたポンプ３３ａ（第１のポンプ）、およびラジエター３２ａの図示しない蛇腹状の放熱流路（第１の放熱流路）に風を当てるように対向して配置された複数（本実施形態では２つ）のブロアー３４ａ（第１の送風装置）を有する。

また、この液冷シャシー３０は、他方の液冷ユニット３０ｂとして、他方のサイドパネル６（第２の吸熱部材）の蛇腹状の流路６ａ（第２の吸熱流路）の一端に接続された冷媒（第２の冷媒）を収容するリザーバータンク３１ｂ（第２の容器）、このリザーバータンク３１ｂの底に接続されたラジエター３２ｂ（放熱部材）、このラジエター３２ｂの出口側に入力端を接続され且つ流路６ａの他端に出力端を接続されたポンプ３３ｂ（第２のポンプ）、およびラジエター３２ｂの図示しない蛇腹状の放熱流路（第２の放熱流路）に風を当てるように対向して配置された複数（本実施形態では２つ）のブロアー３４ｂ（第２の送風装置）を有する。

一方の液冷ユニット３０ａのポンプ３３ａを作動すると、リザーバータンク３１ａ内に収容された冷媒がラジエター３２ａの図示しない放熱流路に流れ込み、放熱流路から出た冷媒がポンプ３３ａの入力端に流入する。そして、ポンプ３３ａから送り出された冷媒は、サイドパネル４の流路４ａの下端側から流入し、流路４ａ内を重力に逆らって上方に流通する。さらに、サイドパネル４の流路４ａを流れて上昇した冷媒は、流路４ａの上端からリザーバータンク３１ａへ戻される。このように、冷媒は液冷ユニット３０ａ内を循環する。

なお、このようにしてリザーバータンク３１ａへ戻される冷媒は、サイドパネル４の流路４ａを流れる際に加熱され、その温度が上昇している。つまり、複数枚の回路基板２に接触したサイドパネル４に伝達された熱が、サイドパネル４の流路４ａを流れる冷媒によって吸熱され、冷媒の温度が上昇する。このように温度が上昇された冷媒は、リザーバータンク３１ａから送り出されてラジエター３２ａの放熱流路を流れるとき、ラジエター３２ａの放熱流路に複数のブロアー３４ａを介して風を当てることで、放熱流路を流れる間に徐々に冷却される。

また、他方の液冷ユニット３０ｂのポンプ３３ｂを作動すると、リザーバータンク３１ｂ内に収容された冷媒がラジエター３２ｂの図示しない放熱流路に流れ込み、放熱流路から出た冷媒がポンプ３３ｂの入力端に流入する。そして、ポンプ３３ｂから送り出された冷媒は、サイドパネル６の流路６ａの下端側から流入し、流路６ａ内を重力に逆らって上方に流通する。さらに、サイドパネル６の流路６ａを流れて上昇した冷媒は、流路６ａの上端からリザーバータンク３１ｂへ戻される。このように、冷媒は液冷ユニット３０ｂ内を循環する。

なお、このようにしてリザーバータンク３１ｂへ戻される冷媒は、サイドパネル６の流路６ａを流れる際に加熱され、その温度が上昇している。つまり、複数枚の回路基板２に接触したサイドパネル６に伝達された熱が、サイドパネル６の流路６ａを流れる冷媒によって吸熱され、冷媒の温度が上昇する。このように温度が上昇された冷媒は、リザーバータンク３１ｂから送り出されてラジエター３２ｂの放熱流路を流れるとき、ラジエター３２ｂの放熱流路に複数のブロアー３４ｂを介して風を当てることで、放熱流路を流れる間に徐々に冷却される。

以上のように、本実施形態によると、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏することができることに加えて、２系統の独立した液冷ユニット３０ａ、３０ｂを設けたため、上述した第１の実施形態と比較して、動作の信頼性を高めることができる。つまり、一方の液冷ユニットがダウンした場合であっても、他方の液冷ユニットで回路基板２を冷やすことができ、電子部品が故障するような重大な不具合を防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態では、冷媒を流通させる流路をサイドパネルに設けた場合について説明したが、これに限らず、各回路基板２に蛇腹状の流路を設けて冷媒を流通させるようにしても良い。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
それぞれ電子部品を実装した複数枚の回路基板を並べて取り付けた液冷シャシーであって、
冷媒を流通させるための少なくとも一部が蛇腹状の流路と、
この流路に流通させる冷媒を収容した容器と、
この容器内の冷媒を上記流路を通して流すためのポンプと、
上記流路の少なくとも一部に風を当てて当該流路を流れる冷媒を冷やす送風装置と、
を一体に備えた液冷シャシー。
［２］
上記蛇腹状の流路は、少なくとも、上記複数枚の回路基板が接触した当該液冷シャシーの吸熱部材に沿って配置されている［１］の液冷シャシー。
［３］
上記流路は、上記複数枚の回路基板が接触した当該液冷シャシーの吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された吸熱流路と、当該液冷シャシーの放熱部材に沿って蛇腹状に配置された放熱流路と、を含み、
上記送風装置は、上記放熱流路に対向して配置されている［１］の液冷シャシー。
［４］
それぞれ電子部品を実装した複数枚の回路基板を並べて取り付けた液冷シャシーであって、
上記複数枚の回路基板の一端辺が接触した当該液冷シャシーの第１の吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された第１の吸熱流路と、
この第１の吸熱流路に連絡して上記第１の吸熱部材に隣接する当該液冷シャシーの放熱部材に沿って蛇腹状に配置された第１の放熱流路と、
上記第１の吸熱流路および上記第１の放熱流路に流通させる第１の冷媒を収容した第１の容器と、
この第１の容器内の上記第１の冷媒を上記第１の吸熱流路および上記第１の放熱流路を通して流すための第１のポンプと、
上記第１の放熱流路の少なくとも一部に風を当てて当該第１の放熱流路を流れる上記第１の冷媒を冷やす第１の送風装置と、
上記第１の吸熱部材と反対側で上記複数枚の回路基板の他端辺が接触した当該液冷シャシーの第２の吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された第２の吸熱流路と、
この第２の吸熱流路に連絡して上記放熱部材に沿って蛇腹状に配置された第２の放熱流路と、
上記第２の吸熱流路および上記第２の放熱流路に流通させる第２の冷媒を収容した第２の容器と、
この第２の容器内の上記第２の冷媒を上記第２の吸熱流路および上記第２の放熱流路を通して流すための第２のポンプと、
上記第２の放熱流路の少なくとも一部に風を当てて当該第２の放熱流路を流れる上記第２の冷媒を冷やす第２の送風装置と、
を一体に備えた液冷シャシー。

２…回路基板、４、６…サイドパネル、４ａ、６ａ…流路、８…フロントパネル、１０…液冷シャシー、２０、３０ａ、３０ｂ…液冷ユニット、２２、３１ａ、３１ｂ…リザーバータンク、２４、３２ａ、３２ｂ…ラジエター、２６、３３ａ、３３ｂ…ポンプ、２８、３４ａ、３４ｂ…ブロアー。

Claims (4)

1. それぞれ電子部品を実装した複数枚の回路基板を並べて取り付けて航空機などの移動体に着脱自在に搭載される液冷シャシーであって、
   冷媒を流通させるための少なくとも一部が蛇腹状の流路と、
   この流路に流通させる冷媒を収容した容器と、
   この容器内の冷媒を上記流路を通して流すためのポンプと、
   上記流路の少なくとも一部に風を当てて当該流路を流れる冷媒を冷やす送風装置と、
   この送風装置に対して上記流路の反対側から外気を取り込むための窓部と、
   を一体に備えた液冷シャシー。
2. 上記蛇腹状の流路は、少なくとも、上記複数枚の回路基板が接触した当該液冷シャシーの吸熱部材に沿って配置されている請求項１の液冷シャシー。
3. 上記流路は、上記複数枚の回路基板が接触した当該液冷シャシーの吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された吸熱流路と、当該液冷シャシーの放熱部材に沿って蛇腹状に配置された放熱流路と、を含み、
   上記送風装置は、上記放熱流路に対向して配置されている請求項１の液冷シャシー。
4. それぞれ電子部品を実装した複数枚の回路基板を並べて取り付けて航空機などの移動体に着脱自在に搭載される液冷シャシーであって、
   上記複数枚の回路基板の一端辺が接触した当該液冷シャシーの第１の吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された第１の吸熱流路と、
   この第１の吸熱流路に連絡して上記第１の吸熱部材に隣接する当該液冷シャシーの放熱部材に沿って蛇腹状に配置された第１の放熱流路と、
   上記第１の吸熱流路および上記第１の放熱流路に流通させる第１の冷媒を収容した第１の容器と、
   この第１の容器内の上記第１の冷媒を上記第１の吸熱流路および上記第１の放熱流路を通して流すための第１のポンプと、
   上記第１の放熱流路の少なくとも一部に風を当てて当該第１の放熱流路を流れる上記第１の冷媒を冷やす第１の送風装置と、
   この第１の送風装置に対して上記第１の放熱流路の反対側から外気を取り込むため上記第１の吸熱部材に設けた第１の窓部と、
   上記第１の吸熱部材と反対側で上記複数枚の回路基板の他端辺が接触した当該液冷シャシーの第２の吸熱部材に沿って蛇腹状に配置された第２の吸熱流路と、
   この第２の吸熱流路に連絡して上記放熱部材に沿って蛇腹状に配置された第２の放熱流路と、
   上記第２の吸熱流路および上記第２の放熱流路に流通させる第２の冷媒を収容した第２の容器と、
   この第２の容器内の上記第２の冷媒を上記第２の吸熱流路および上記第２の放熱流路を通して流すための第２のポンプと、
   上記第２の放熱流路の少なくとも一部に風を当てて当該第２の放熱流路を流れる上記第２の冷媒を冷やす第２の送風装置と、
   この第２の送風装置に対して上記第２の放熱流路の反対側から外気を取り込むため上記第２の吸熱部材に設けた第２の窓部と、
   を一体に備えた液冷シャシー。

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