JP7349854B2

JP7349854B2 - 電子アセンブリを冷却するための装置および方法

Info

Publication number: JP7349854B2
Application number: JP2019162652A
Authority: JP
Inventors: イェルク、サンダー; ティム、モーザー
Original assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2023-09-25
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP2020053682A; EP3620621A1; US10856440B2; US20200084916A1; EP3620621B1

Description

本発明は、電子アセンブリを冷却するための装置および方法に関連し、特に、統合されたエネルギー生成を有する冷却システムに関連する。

現代の電子的システムは、電力消費の増大を示しており、これらのシステムが顕著に発熱させる結果となっている。この発熱は、性能を低下させる可能性があるばかりか、対応する電子アセンブリの信頼性および機能性への制約となる。

このように、電子アセンブリの熱管理は、取り組むべき最も困難な課題のひとつである。電子アセンブリが正常に動作する温度まで電子アセンブリを冷却するために必要な冷房は、膨大なエネルギー量となる。これは、稼働コストを大幅に増加させる。

したがって、正常な動作を維持し、システム全体の効率を上げつつ、これらの電子アセンブリで必要なコストを低減させる需要がある。

上述の課題の少なくとも一部は、請求項１による電子アセンブリを冷却するための装置と、対応する請求項９による方法によって解決される。従属する請求項は、請求項１の装置の具体的に有利な実装について言及している。

本発明は、電子アセンブリを冷却するための装置に関する。装置は、電子アセンブリの熱を使って冷却媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷却媒体に（潜熱として）蓄えられたエネルギーを電力に変換するパワー変換器とを備えている。冷却媒体は、大気圧において50℃から80℃の温度範囲（または約65℃）の蒸発温度を有する。

蒸発器およびパワー変換器は、電子アセンブリ（例えば、マイクロプロセッサまたは、少なくともひとつのプロセッサのファン）と組み合わせて装置を用いるために、充分に小さいものであるとする。したがって、蒸発器だけでなく、パワー変換器は、例えば、対応する回路基板または、プロセッサに直接統合されたマイクロシステムとして形成されていてもよい。蒸発温度は、冷却媒体の完全な蒸発後にのみ超えられる温度の制限を規定しているため、相転移は、同様に、潜熱として冷却媒体に蓄えられた熱を大量に吸収する効果的な仕組みを提供する。このため、システムが当該温度を超過することはない。

任意的に、装置は、電子アセンブリを冷却することによって生成されたエネルギーを再利用するために、電子アセンブリに電力を供給するフィードバック配線をさらに備えている。この結果、システム全体の効率を上げつつ、全体で生成される熱が抑えられる。

任意的に、パワー変換器は、発電機、凝縮器、または、タービンの少なくともひとつを含む。タービンは、気化しており加圧されている冷却媒体によって駆動される。例えば、タービンホイールは、ガス状の冷却媒体によって回転するように駆動される。この回転は、電力を生成するために、発電機に伝達される。圧力を下げることによって、ガス状の冷却媒体は冷え、そして、液化によって圧力はさらに低下させられるため、タービンに追加で駆動力が供給される。

任意的に、タービンは、5から20mmの範囲（または、6mmと12mmの間）の直径の流路を提供するように構成されている。したがって、タービンは、生成された熱を直接電力に変換するために、電子回路内に統合可能であるか、電子回路の表面に直接統合することが可能であるマイクロタービン、または、ＭＥＭＳタービン（ＭＥＭＳ＝ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）として形成されていてもよい。このＭＥＭＳタービンは、同様に、電力を生成するための統合された発電機を備えていてもよい。

任意的に、装置は、液体の冷却媒体を貯蔵するために、蒸発器より上流に形成された冷却媒体の容器をさらに備えていてもよい。この容器は、電子アセンブリが高負荷にあっても、冷却が維持できるよう、充分な量の冷却媒体を貯蔵するのに足りる大きさに形成されていてもよい。

任意的に、冷却媒体は、適切な液体、例えば、アンモニア（ammonia）、エタノール（ethanol）、ｎ－ブタン(n-butane)、ｎ－ペンタン(n-pentane)、HFC-245fa、HFC-245ca、ｎ－ペルフルオロペンタン(n-perfluoropentane)、水、または、これらの混合物の少なくともいずれかによって構成されている。ただし、冷却媒体は、所望の蒸発温度を有するどのような適切な媒体であってもよい。本発明は、特定の液体に限定されない。

本発明は、少なくともひとつの電子回路と、上述の装置とを備え、電子回路に電力を供給するように構成されている電子アセンブリにも関連する。任意的に、電子回路は、少なくともひとつの高出力増幅器、または、その他の高消費電力の電子部品を含んでいる。

本発明は、さらに、電子アセンブリの熱を使い、冷却媒体を蒸発させるステップと、蒸発した冷却媒体に蓄えられたエネルギーを電力に変換させるステップとを含む、電子アセンブリを冷却する方法にも関連する。大気圧における蒸発温度は、同様に、50℃から80℃の温度範囲にある。

本発明の実施形態によれば、電子アセンブリの効率的な冷却だけでなく、同様に、電子アセンブリの追加的なエネルギーとして、生成された熱の使用も実現される。

このように、本発明の実施形態は、従来の熱パイプのように動作しうる相転移冷却システムに基づいている。ただし、従来の熱パイプとは異なり、実施形態では、相転移より抽出されたエネルギーを他の種類のエネルギーに変換するために、相転移のエネルギーが使用される。例えば、マイクロタービンを使って潜熱として気化した冷却媒体に蓄えられた熱を電力に変換することができる。このため、熱エネルギーを同一のシステムで再利用することができるし、熱エネルギーを他の分野で使うこともできる。

冷却媒体として、相転移を通じ、潜熱として相当量のエネルギーを蓄えることができる材料を使うことは有利となる。蒸発によって冷却媒体が膨張するため、電力を生成するタービンを駆動するために使うことができる圧力が増加する。実施形態の特に有利な点は、冷却システムが、再生可能なエネルギーを再利用する電子的システムと組み合わされており、再生可能なエネルギーは、高出力の電子アセンブリで使われていた従来の冷房されたシステムのように、無駄となっていない事実に関連している。

以下において、本発明の様々な実施形態は、例によってのみ、添付された図面を参照しながら、説明される。
図１は、本発明の実施形態による、電子アセンブリを冷却する装置を示している。図２は、本発明の実施形態による、パワー変換器をさらに詳細に示している。

ここでは、一部の例が示されている、添付の図面を参照しながら、様々な例がより完全に、説明される。

状況に応じて例は、様々な変更および代替的な形をとることができるものの、図にある理解を助けるための例は、本明細書で詳細に説明される。ただし、例を開示された特定の形に限定する意図はなく、むしろ、例は、本開示の範囲に含まれる変更、均等物および代替物のすべてを網羅するものと解釈される。図面の説明を通して、同じ番号は、同じ要素、または、同様の要素を示すものとする。

要素が他の要素と”connected”または”coupled”であると記載されている場合、要素は、他の要素と直接接続されていてもよいし、他の要素と直接連結されていてもよいし、介在する要素が存在してもよいものとする。これに対し、要素が他の要素と”directly connected”または”directly coupled”であると記載さあれている場合、介在する要素が存在しないものとする。要素間の関係を表現する他の単語は、同様に解釈されるべきである（例えば、”between”と”directly between”、”adjacent”と”directly adjacent”など）。

本明細書で用いられる専門用語は、理解を助けるための例を記述する目的のみを有するものであって、限定を行うことを意図したものではない。本明細書で使われているように、単数形”a”、” an”および”the”は、文脈で明確に異なる意味が示されていない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、”comprises”、”comprising”、”includes”および／または”including”の用語が本明細書で使われている場合、記載された機能、ステップ、動作、素子および／または要素が存在していることを示しているのであって、１または複数のその他の機能、ステップ、動作、素子、要素および／またはこれらの組み合わせの存在または追加を除外するものではないと解釈される。

定義されていない限り、本明細書で使われたすべての用語（技術的用語および科学的用語を含む）は、一般に、例が属する分野における当業者によって理解されるものと同じ意味を有するものとする。さらに、例えば、一般的に使われる辞書で定義されている用語は、関連技術における文脈と整合する意味を有するように解釈されるべきであって、本明細書で明示的に規定されていない限りは、理想化された形、または、過度に形式的な意味で解釈されるものではない。

図１は、電子アセンブリ50を冷却するのに適した装置100を示している。装置100は、電子アセンブリ50の熱Qを使って冷却媒体を蒸発させる蒸発器110と、蒸発した冷却媒体に蓄えられたエネルギーを電力に変換するパワー変換器120とを備えている。冷却媒体は、大気圧において50℃から80℃の温度範囲、または、60℃から70℃の温度範囲、または、約65℃の蒸発温度を有する。蒸発器は、蒸発した冷却媒体を高圧（大気圧より高圧）でパワー変換器120に供給してもよい。

図２は、本発明の他の実施形態による装置100をさらに詳細に示したものであって、パワー変換器120は、発電機122と、タービン126と、凝縮器124とを備えている。さらに、液体の冷却媒体を貯蔵するために、凝縮器124と、蒸発器110との間に冷却媒体の容器140が配置されている。図２の実施形態は、発電機122で生成された電力を電子アセンブリ50に供給する、任意的なフィードバック配線130を備えている。電子アセンブリ50は、例えば、蒸発器110内の冷却媒体を蒸発させるために使われる相当量の熱を生成する高出力増幅器である。

気化しており加圧されている冷却媒体は、蒸発器110からタービン126に供給される。タービン126では、気化した冷却媒体の圧力は減少させられ、これにより、タービン126を駆動し、凝縮器124に減圧された冷却媒体の少なくとも一部が供給される。凝縮器124内で、気化した冷却媒体は、相を液相に再び変化させるために凝縮される。冷却媒体の容器140から凝縮器124への逆流を防止するため、凝縮器124と容器140との間に、（例えば、蒸発器110によって生成された圧力によって駆動される）逆止弁150が設けられていてもよい。

回転するタービン126は、配線130を介して電子アセンブリ50に供給される電力を生成する発電機122を駆動させる。

タービン126は、電子アセンブリにマイクロタービンを統合できるよう、例えば、冷却媒体のために、直径5mm…15mm、または、直径3mmから20mmの範囲の流路を有している。タービン126、または、蒸発器110の寸法は、例えば、コンパクトな設計を実現するために、個別の電子アセンブリ50に適合させられていてもよい。蒸発器110は、例えば、電子アセンブリ50のファン基板に直接配置されていてもよく、これにより、電子アセンブリ50によって生成された熱エネルギーを吸収することができる。

タービン126は、ＭＥＭＳタービンとして形成されていてもよい。任意的に、得られる冷却システムを電子アセンブリに直接配置することが容易となるよう、蒸発器110と、パワー変換器120とを有するシステム全体は、ひとつのユニットにまとめられ、統合されていてもよい。例えば、冷却システム全体は、数センチメートルの小ささで形成されていてもよい。

実施形態は、ＭＥＭＳデバイスとして、タービン126のみを含んでいてもよく、ポンプ、または、コンプレッサが含まれていなくてもよい。冷却媒体の循環は、（液相において）重力駆動のみ、または、（気相において）熱駆動のみであってもよい。このため、循環を実現し、追加のエネルギーと必要する、いかなる動的な装置も不要となる。同様に、実施形態は、循環を駆動するための、追加の熱源が不要である。電子アセンブリ50の熱は、循環を駆動するために充分なものになりうる。したがって、実施形態は、充分な熱を生成するパワー電子アセンブリ50において、特に利点を有している。

その他の実施形態によれば、蒸発器110から出る流路は、（渦流形素子においてそうであるように、）凝縮器124から容器140または蒸発器110に向かう流路と熱接触していないか、少なくとも直接熱接触していない。これにより、液体（冷却媒体）は、凝縮器124から蒸発器110への輸送中に再加熱されないため、効率が上がる。さらに、ポンプを必要とせずに、蒸発器110への連続的な冷えた液体の流れを提供するため、容器140は、蒸発器110と同じ高さにあってもよい。

冷却媒体として、約65℃の温度、または、50℃から80℃の温度範囲で蒸発する媒体を使うことには利点がある。ありうる材料は、例えば、メタノール、または、一定量の水を含むアルコールのその他の混合物である。

明細書および図面は、単に開示の原則を示すものである。したがって、技術分野に習熟している者は、ここで、明示的に記述されていたり、示されていたりしなくても、本開示の原則を具体化し、その範囲に含まれる様々な構成を考案することができることがわかる。

さらに、それぞれの実施形態は、個別の例として、独立していてもよいが、他の実施形態において、規定されている機能は、異なる形で組み合わされていてもよいことに留意すべきであり、例えば、ひとつの実施形態で説明された特定の機能は、他の実施形態においても実現されていてもよい。このような組み合わせは、特定の組み合わせが意図されていないと記載されていない限り、本明細書の開示に含まれているものとする。

50 電子アセンブリ／回路
110 蒸発器
120 パワー変換器
122 発電機
124 凝縮器
126 タービン
130 フィードバック配線
140 容器
150 逆止弁

Claims

電子アセンブリ(50)を冷却するための装置(100)であって、
前記電子アセンブリ(50)の熱を使って冷却媒体を蒸発させる蒸発器(110)と、
蒸発した前記冷却媒体に蓄えられたエネルギーを電力に変換するパワー変換器(120)と、
前記蒸発器(110)より上流に形成された前記冷却媒体の容器(140)とを備え、
前記冷却媒体は、大気圧において50℃から80℃の温度範囲の蒸発温度を有し、
前記パワー変換器(120)は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）タービンとして形成されたタービン(126)、および凝縮器(124)を含み、
前記凝縮器(124)と前記容器(140)との間に設けられ、前記容器(140)から前記凝縮器(124)への冷却媒体の逆流を防止するための逆止弁(150)を備える、
装置(100)。
前記パワー変換器(120)が生成した電力を使うために、前記パワー変換器(120)から前記電子アセンブリ(50)に電力を供給するフィードバック配線(130)をさらに備える、
請求項１に記載の装置(100)。
前記パワー変換器(120)は、発電機(122)をさらに含む、
請求項１または２に記載の装置(100)。
前記タービン(126)は、蒸発した前記冷却媒体のために、5から20mmの範囲の直径、または、関連する適切な切断面積を有する流路を提供するように構成されている、
請求項３に記載の装置(100)。
前記冷却媒体は、アンモニア、エタノール、ｎ－ブタン、ｎ－ペンタン、HFC-245fa、HFC-245ca、ｎ－ペルフルオロペンタン、水、または、これらの混合物の少なくともいずれかにより構成されている、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置(100)。
少なくともひとつの電子回路と、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置(100)とを備え、
前記装置(100)は、前記電子回路に電力を供給するように構成されている、
電子アセンブリ。
前記電子回路は、少なくともひとつの高出力増幅器などの高放熱の電子部品を含む、
請求項６に記載の電子アセンブリ。
電子アセンブリ(50)の熱を使い、冷却媒体を蒸発させるステップであって、前記冷却媒体は、大気圧において50℃から80℃の温度範囲の蒸発温度を有するステップと、
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）タービンとして形成されたタービン(126)、および凝縮器(124)とを含むパワー変換機(120)を設けるステップと、
蒸発器(110)を設けるステップと、
前記蒸発器(110)より上流に形成された前記冷却媒体の容器(140)を設けるステップと、
前記凝縮器(124)と前記容器(140)との間に逆止弁(150)を設けて、前記容器(140)から前記凝縮器(124)への冷却媒体の逆流を防止するステップと、
蒸発した前記冷却媒体に蓄えられたエネルギーを電力に変換させるステップとを含む、
電子アセンブリを冷却する方法。