特許 7191511 二相流体受動冷却システム、特に、航空電子機器等の電子機器を冷却するための二相流体受動冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-09

(45)【発行日】2022-12-19

(54)【発明の名称】二相流体受動冷却システム、特に、航空電子機器等の電子機器を冷却するための二相流体受動冷却システム

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20221212BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20221212BHJP

   F28D 15/04 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 R

F28D15/02 L

F28D15/02 101H

F28D15/04 E

【請求項の数】 2

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2017242747

(22)【出願日】2017-12-19

(65)【公開番号】P2018152550

(43)【公開日】2018-09-27

【審査請求日】2020-10-19

(31)【優先権主張番号】102016000129385

(32)【優先日】2016-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】517444584

【氏名又は名称】レオナルド・ソチエタ・ペル・アツィオーニ

【氏名又は名称原語表記】ＬＥＯＮＡＲＤＯ Ｓ．ｐ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【復代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【復代理人】

【識別番号】100100170

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 厚司

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】アントニオ・モスカテッリ

(72)【発明者】

【氏名】ピエルパオロ・ボレッリ

(72)【発明者】

【氏名】アントニオ・ロマーノ

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２６１４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１８１７６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２６９６１２６（ＣＮ，Ｙ）

【文献】中国実用新案第２８４２７３５（ＣＮ，Ｙ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００１２３００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１９６６３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２０９９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１９５２５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０６１６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０３５９８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｆ２８Ｄ １５／０２

Ｆ２８Ｄ １５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

使用時に、電子機器が収容されるケーシングの壁を形成し、前記電子機器に対向する第１面（１２a）と、前記第１面（１２ａ）とは反対側の第２面（１２ｂ）と、を有する少なくとも１つのプレート部材（１２）と、前記少なくとも１つのプレート部材（１２）に形成された流体回路（１４）とを備えた、航空電子機器等の電子機器を冷却するための冷却システム（１０）であって、
前記流体回路（１４）は、前記プレート部材（１２）の第１面（１２ａ）に形成され、第１ラビリンス通路に沿って延びる第１ダクト（１４ａ）と、前記少なくとも１つのプレート部材の第２面（１２ｂ）に形成され、第２ラビリンス通路に沿って延びる第２ダクト（１４ｂ）とを備え、
前記少なくとも１つのプレート部材（１２）は、前記第１ダクト（１４ａ）と前記第２ダクト（１４ｂ）を互いに連通させる第１貫通孔（１８）と第２貫通孔（２０）とを有し、
前記流体回路（１４）は、第１貫通孔（１８）内に配置され、第２ダクト（１４ｂ）から第１ダクト（１４ａ）に毛細管現象により作動流体が流れる多孔質分離要素（２２）であり、作動流体は、第１ダクト（１４ａ）において気相であり、第２ダクト（１４ｂ）において液相であり、
前記第１ラビリンス通路と前記第２ラビリンス通路は、それぞれ前記第１面（１２ａ）と前記第２面（１２ｂ）の全体に亘って延びており、
前記第１面（１２ａ）側には電子機器が配置されて前記第１ダクト（１４ａ）が蒸発装置として機能し、前記第２ダクト（１４ｂ）が凝縮装置として機能して前記第２面（１２ｂ）側から外部環境に放熱させる、冷却システム。

【請求項2】

前記第１および第２貫通孔（１８、２０）と同様に、前記第１面（１２ａ）と同じ面で、前記第１ダクト（１４ａ）をシールするために、前記少なくとも１つのプレート部材（１２）の前記第１面（１２ａ）に貼り付けられる第１フィルム（１６ａ）と、前記第１および第２貫通孔（１８、２０）と同様に、前記第２面（１２ｂ）と同じ面で、前記第２ダクト（１４ｂ）をシールするために、前記少なくとも１つのプレート部材（１２）の第２面（１２ｂ）に貼り付けられる第２フィルム（１６ｂ）とをさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に請求項１の前文に記載されるように、航空電子機器等の電子機器を冷却するために使用される冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

上述のタイプの冷却システムは、特許文献１により公知である。

【0003】

一般に、空気又は液体の冷却システムは、例えば、航空機に搭載される航空電子機器のような電子機器によって発生した熱を放散するために使用される。これらの冷却システムは、作動できるように電力を供給しなければならない構成要素（例えば、ファン、ポンプ等）を使用するという点で、アクティブシステムである。

【0004】

二相流体冷却システム、いわゆるＬＨＰ（Loop Heat Pipe）回路も知られている。これらの冷却システムは受動的システムであり、作動するために電力供給を必要としない。知られているように、ＬＨＰ回路は基本的に、二相流体を含み、多孔質分離要素を介して互いに連通する第１および第２部分を有する蒸発装置を備える。タンクすなわち補償室として機能する第１部分では、流体は液相である。一方、実際の蒸発器として作用し、本体に接触し、本体から熱を受けるため、冷やされるように配置された第２部分では、流体は気相である。流体は、多孔質分離要素を通過して、毛細管現象によって蒸発装置の第１部分から第２部分へ流れた後、第２部分から導管を流れて（例えば、コイルで形成される）凝縮装置を通過して第１部分に戻り、気相から液相への変換が起こる。

【0005】

２０２０年から２０２５年に飛行する航空機は、より多くの電力を使用し、より多くの電子回路を同じ配電盤に搭載する。したがって、放熱密度は現在のものよりも高く、１００Ｗ／ｃｍ^２程度である。したがって、サイズ、質量、エネルギー消費、安全性および信頼性の点でそれらの特性に悪影響を及ぼすことなく、現在の二相流体冷却システムよりも大きな熱量を放散可能にする、電子機器、特に航空電子機器のための冷却システムを開発する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】ヨーロッパ特許第２８８７７８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、本発明は、電子機器の最高温度を変えることなく、より高い熱量を外部環境に放散させることを可能とすると共に、電子機器の局所の最高温度を低下させることを可能にする二相流体受動冷却システムを提供することを目的とする。これにより、同一機器の電子部品の信頼性と寿命を向上させることができる。なお、放散する熱量は、短時間に放散熱量を増加する場合（通常、「電力ピーク」という）での恒温熱容量に相当する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的および他の目的は、添付の請求項１に記載された特徴を有する本発明に係る冷却システムにより達成される。

【0009】

本発明の好ましい形態は従属項に記載されており、その構成要件は、以下の実施形態の一体的で統合された部分を形成するものとみなされるべきである。

【0010】

要するに、本発明は、電子機器が内部に搭載されるケーシングの一部を形成する、少なくとも１つのプレート部材と、該プレートに設けた流体回路とを備えた二相流体受動冷却システムを提供するという考えに基づいている。各プレート部材は、電子機器に向かう（すなわち、ケーシングの内側に面する）第１面と、第１面とは反対側の（すなわち、ケーシングの外側に面する）第２面とを有する。流体回路は、前記プレート部材の第１面に形成され、第１ラビリンス（labyrinth）経路に沿って延びる第１ダクトと、前記プレート部材の第２面に形成され、第２ラビリンス経路に沿って延びる第２ダクトとを備える。前記プレート部材は、前記第１ダクトと前記第２ダクトとを互いに連通する第１貫通孔および第２貫通孔を備える。前記流体回路は、前記第１ダクトと前記第２ダクトとの間に配置される多孔質分離要素を備え、作動流体は、毛細管現象により第２ダクトから第１ダクトに流れ、第１ダクト内では気相状態、第２ダクト内では液相状態となっている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の冷却システムをプレート部材の第１面から見た斜視図である。

【図2】本発明の冷却システムをプレート部材の第２面から見た斜視図である。

【図3】図１および図２の冷却システムを示す図１のIII-III線拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図面を参照すると、本発明に係る二相流体受動冷却システム（以下、単に冷却システムと記載する。）は、全体を符号１０で示されている。冷却システムは、特に航空機のための航空電子機器を冷却するが、後述する説明から明らかなように、多くの他のアプリケーションで使用できる電子機器（図示せず）を冷却するために使用することを想定している。

【0013】

冷却システム１０は、まず、電子機器を内部に収容するケーシングの１つの壁を形成するプレート部材１２を備える。プレート部材１２は、平坦な部材で構成されているのが好ましい。図示された実施形態では、プレート部材１２は正方形（より一般的には長方形）である。

【0014】

プレート部材１２は、作動状態において電子機器（すなわちケーシングの内面）に向かう第１面１２ａ（図１に示す）と、第１面１２ａとは反対側（つまり、作動状態ではケーシングの外面に向かう）第２面１２ｂ（図２に示す）とを有する。

【0015】

プレート部材１２には、作動流体として二相流体（例えば、水、アンモニア、プロピレン等）を含む流体回路１４が形成されている。流体回路１４は、互いに連通する第１ダクト１４ａと第２ダクト１４ｂとを備える。第１ダクト１４ａは、プレート部材１２の第１面１２ａに形成され、図１に示すように、第１ラビリンス経路に沿って延びている。第２ダクト１４ｂは、プレート部材１２の第２面１２ｂに形成され、図２に示すように、第２ラビリンス経路に沿って延びている。図３に示すように、第１ダクト１４ａをシールするための第１フィルム１６ａがプレート部材１２の第１面１２ａに貼り付けられ、同様に第２ダクト１４ｂをシールするための第２フィルム１６ｂがプレート部材１２の第２面１２ｂに貼り付けられている。第１および第２ダクト１４ａ、１４ｂに沿って延びる各ラビリンス経路は、各面１２ａ、１２ｂの全体に亘ってそれぞれ延び、ケーシングの温度をできるだけ均一にするようにしている。

【0016】

プレート部材１２は、第１ダクト１４ａと第２ダクト１４ｂとを互いに連通する第１貫通孔１８と第２貫通孔２０とを有する。第１ダクト１４ａは、第１貫通孔１８から第２貫通孔２０に向かう流体の流動方向に延びている。一方、第２ダクト１４ｂは、第２貫通孔２０から第１貫通孔１８に向かう流体の流動方向に延びている。作動流体は、第１ダクト１４ａでは気相であり、第２ダクト１４ｂでは液相である。第１貫通孔１８には、作動流体が毛細管現象によって第２ダクト１４ｂから第１ダクト１４ａへ流動する多孔質分離要素２２が配置されている。第１面１２ａに向かい、多孔質分離要素２２と第１フィルム１６ａとの間に設けられる第１貫通孔１８の一部は、第１ダクト１４ａと共に蒸発装置として機能する。第２ダクト１４ｂから多孔質分離要素２２を介して流動する液相の作動流体は、電子機器からの放熱により蒸発する。第２ダクト１４ｂは凝縮装置として機能し、第１ダクト１４ａから第２貫通孔２０を介して流動する気相の作動流体から外部環境に放熱させて液相に戻る。第２面１２ｂに向かい、多孔質分離要素２２と第２フィルム１６ｂとの間に設けた第１貫通孔１８の一部は、補正チャンバとして機能し、液相の作動流体を、毛細管現象によって多孔質分離要素２２を流動する前に回収する。

【0017】

図面では、１つのプレート部材１２のみが図示されているが、冷却システムは、より高い熱出力を放散できるように（放散熱出力がプレート部材の表面積に比例して）、上述するように、流体回路１４を備えたより多くのプレート部材１２を備えることができる。

【0018】

冷却システム１０は以下のように動作する。

【0019】

流体回路１４の第２ダクト１４ｂ内の液相の作動流体は、毛細管現象によって多孔質分離要素２２を流動し、第１ダクト１４ａに到達し、（第１ダクトが対向する）電子機器からの放熱により気相となる。そして、気相状態の作動流体は、第１ダクト１４ａ内を第１貫通孔１８から第２貫通孔２０に流動し、第２貫通孔２０から第２ダクト１４ｂに戻る。 第２ダクト１４ｂに沿って第２貫通孔２０から第１貫通孔１８に至ると、外部環境に放熱して気相から液相となり、最終的に多孔質分離要素２２を通過して、再び第１ダクト１４ａに戻る。

【0020】

本発明に係る冷却システムは、二相流体を使用する公知の受動的冷却システムに比べて多くの利点がある。

【0021】

まず、ここで提案された冷却システムは、使用時に電子機器が収容されるケーシングの１以上の壁の厚さに形成されているので、利用可能な専用の自由空間を必要としない。

【0022】

次に、本発明の冷却システムは、製造が容易で高価ではなく、プレート部材に、第１および第２のダクトを形成するのと同様に、第１および第２ダクトに作動流体を充填するための第１および第２貫通孔を形成し、最終的に第１および第２フィルムを、（例えば、接着剤によって）プレート部材の第１および第２面にそれぞれ貼り付ける必要があるだけとなっている。

【0023】

さらに、本発明の冷却システムは、蒸発によって、温度をほぼ一定に維持してピークの放熱出力を吸収すると共に、プレート部材上の温度が均一であることにより、電子機器の最大温度が同じとなるように、（プレート部材の表面積に比例する）より高い熱出力を外部環境に放散できる。

【0024】

当然のことながら、本発明の原理は変更されないままであり、実施形態および構成上の詳細は、単に非限定的な例として説明および図示されたものとは大きく異なり得る。

【符号の説明】

【0025】

１０…二相流体受動冷却システム
１２…プレート部材
１２ａ…第１面
１２ｂ…第２面
１４…流体回路
１４ａ…第１ダクト
１４ｂ…第２ダクト
１６ａ…第１フィルム
１６ｂ…第２フィルム
１８…第１貫通孔
２０…第２貫通孔
２２…多孔質分離要素

【図1】

【図2】

【図3】