(57)【要約】【課題】冷媒を流す冷却層の温度変化に関わらず複数のアンテナモジュール間の温度を一定に保つことができるレーダーアンテナ装置を提供する。【解決手段】実施形態のレーダーアンテナ装置は、冷却ユニットと、アンテナ装置本体とを具備する。前記冷却ユニットは、複数の冷却液通路が並設されている。前記アンテナ装置本体は、前記冷却ユニット上に配置されている。前記アンテナ装置本体は、複数のアンテナモジュールを含む。前記アンテナモジュールは、ベース基板と、アンテナ素子と、アンプ素子と、相変化媒質収容部とを具備する。前記相変化媒質収容部は、相変化媒質を収容する中空の空間および前記冷却ユニットと接離可能に接触する接触部を有する。そして、前記第１、第２の発熱部材からの伝熱時に前記相変化媒質の相変化による体積変化を利用して前記接触部の形状を前記接触状態に変形させる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ユニット本体内に冷却液を上流側から下流側に向けて一方向に流す複数の冷却液通路が並設された冷却ユニットと、
前記冷却ユニット上に配置されたアンテナ装置本体とを具備し、
前記アンテナ装置本体は、複数のアンテナモジュールを含み、
前記アンテナモジュールは、ベース基板と、前記ベース基板の表面に固定された第１の発熱部材であるアンテナ素子と、前記アンテナ素子と近接位置に配置される第２の発熱部材であるアンプ素子と、相変化媒質を収容する中空の空間および前記冷却ユニットと接離可能に接触する接触部を有する相変化媒質収容部とを具備し、
前記相変化媒質収容部は、前記接触部が前記冷却ユニットと接触する接触状態と、前記冷却ユニットと接触しない非接触状態とに変形可能であり、前記第１、第２の発熱部材からの伝熱時に前記相変化媒質の相変化による体積変化を利用して前記接触部の形状を前記接触状態に変形させるレーダーアンテナ装置。
【請求項２】
前記ベース基板は、前記アンプ素子を収容する中空のキャビティと、前記キャビティを閉塞し、前記アンプ素子が搭載される回路基板とを有し、
前記相変化媒質収容部は、金属材料で形成され、かつ上面に前記回路基板が配置され、下面に前記冷却ユニット側に突設されて前記接触部の変形動作を許容するスペーサを有する請求項１に記載のレーダーアンテナ装置。
【請求項３】
前記スペーサは、前記冷却ユニットに設けられている請求項２に記載のレーダーアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナ装置本体は、複数の前記アンテナモジュールが縦横にマトリックス状に配置され、
前記冷却ユニットは、前記マトリックス状の前記アンテナモジュールの配置方向の一方の配置方向に沿って前記冷却液通路が延設されている請求項１に記載のレーダーアンテナ装置。
【請求項５】
冷却ユニット本体内に冷却液を上流側から下流側に向けて一方向に流す複数の冷却液通路が並設された冷却ユニットと、
前記冷却ユニット上に配置されたアンテナ装置本体とを具備し、
前記アンテナ装置本体は、複数のアンテナモジュールを含み、
前記アンテナモジュールは、ベース基板と、前記ベース基板の表面に固定された第１の発熱部材であるアンテナ素子と、前記アンテナ素子と近接位置に配置される第２の発熱部材であるアンプ素子と、相変化媒質を収容する第１の空間を有する相変化媒質収容部と、前記アンプ素子を前記冷却ユニットと非接触状態で収容する第２の空間とを具備し、
前記相変化媒質収容部は、前記アンテナ素子と前記アンプ素子との間に配置され、前記第１、第２の発熱部材からの伝熱時に前記相変化媒質の相変化による体積変化を利用して前記アンプ素子を前記冷却ユニットと接触させるレーダーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーダーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーダー装置などの大口径のアレイアンテナ装置は、多数の送受信モジュールを含む。アレイアンテナ装置では、アンテナモジュール間の性能の違いがアンテナの性能を劣化させる要因となる可能性がある。送受信アンテナモジュールの性能は温度の影響を大きく受ける。そのため、可能な限りアンテナモジュール同士の温度差をなくしてアンテナモジュールの性能を一様に保つことが求められる。
【０００３】
多数の送受信アンテナモジュールから発生する大きな熱を吸収するため、液冷により熱を吸収する液冷方式が主に採用される。液冷方式では、冷媒の温度管理を行う事によって送受信アンテナモジュールの温度を一定に保つことが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４１００６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液冷方式を用いると、冷媒の温度管理によってアンテナモジュールの温度を一定に保つことは出来るが、送受信アンテナモジュールの熱を吸収することにより冷媒の温度が上昇する。そのため、例えば冷媒の流路の上流側と下流側とで送受信アンテナモジュール間の温度差が発生する可能性がある。
【０００６】
それを避けるため、冷媒の流し方に合わせて冷媒の流路の形状を変えることで、送受信アンテナモジュール毎の冷却効率を変化させて冷媒の温度上昇による温度変化を抑える方法がある。しかし、この方法では冷媒の流し方と流路の形状に制限が出来る。
【０００７】
実施形態は、冷媒を流す冷却層の温度変化に関わらず複数のアンテナモジュール間の温度差を小さくすることができるレーダーアンテナ装置を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のレーダーアンテナ装置は、冷却ユニットと、アンテナ装置本体とを具備する。前記冷却ユニットは、板状の冷却ユニット本体内に冷却液を上流側から下流側に向けて一方向に流す複数の冷却液通路が並設されている。前記アンテナ装置本体は、前記冷却ユニット上に配置されている。前記アンテナ装置本体は、複数のアンテナモジュールを含む。前記アンテナモジュールは、ベース基板と、アンテナ素子と、アンプ素子と、相変化媒質収容部とを具備する。前記アンテナ素子は、前記ベース基板の表面に固定された第１の発熱部材である。前記アンプ素子は、前記アンテナ素子と近接位置に配置される第２の発熱部材である。前記相変化媒質収容部は、相変化媒質を収容する中空の空間および前記冷却ユニットと接離可能に接触する接触部を有する。さらに、前記相変化媒質収容部は、前記接触部が前記冷却ユニットと接触する接触状態と、前記冷却ユニットと接触しない非接触状態とに変形可能である。そして、前記第１、第２の発熱部材からの伝熱時に前記相変化媒質の相変化による体積変化を利用して前記接触部の形状を前記接触状態に変形させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態のレーダーアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施形態のレーダーアンテナ装置の１個のアンテナモジュールの一部を断面にして示す斜視図である。
【図３】図３は、図２のアンテナモジュールの縦断面図である。
【図４】図４は、図３のアンテナモジュールの相変化媒質の変形状態を示す縦断面図である。
【図５】図５は、第２の実施形態のレーダーアンテナ装置の１個のアンテナモジュールの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
図１乃至図４は、第１の実施形態のレーダーアンテナ装置１を示す。図１は、第１の実施形態のレーダーアンテナ装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施形態のレーダーアンテナ装置の１個のアンテナモジュールの一部を断面にして示す斜視図である。図３は、図２のアンテナモジュールの縦断面図である。図４は、図３のアンテナモジュールの相変化媒質の変形状態を示す縦断面図である。
【００１１】
本実施形態のレーダーアンテナ装置１は、図１に示すように、冷却ユニット２と、アンテナ装置本体３とを具備する。冷却ユニット２は、熱伝導率の良好な材質、例えばアルミニウム合金により製作される板状の冷却ユニット本体４を有する。この冷却ユニット本体４内には、冷却液を図１中に矢印で示すように上流側から下流側に向けて一方向に流す複数の冷却液通路５が並設されている。アンテナ装置本体３は、冷却ユニット２上に配置されている。
【００１２】
アンテナ装置本体３は、複数のアンテナモジュール６を含む。複数のアンテナモジュール６は、縦横にマトリックス状に配置されている。本実施形態では、図１に示すようにアンテナモジュール６を縦横にそれぞれ４個ずつ配置して組み合わせた例を示す。なお、図１中では、アンテナ装置本体３の表面に仮想線を記載して隣接するアンテナモジュール６間の境界部分を明示している。
【００１３】
図２〜４は、アンテナモジュール６のモジュール単体の構成を示す。アンテナモジュール６は、ベース基板７と、アンテナ素子８と、アンプ素子９と、相変化媒質収容部１０とを具備する。アンテナ素子８は、ベース基板７の表面の中央に固定された第１の発熱部材である。アンプ素子９は、アンテナ素子８と近接位置に配置される第２の発熱部材である。
【００１４】
ベース基板７は、アンプ素子９を収容する中空のキャビティ１１を有する。このベース基板７は、例えばテフロン（登録商標）基板またはセラミクス基板が用いられる。このベース基板７のキャビティ１１を形成する空間の下面は、例えばアンプ素子９が搭載される回路基板１２によって閉塞されている。回路基板１２は、アンテナ素子８およびアンプ素子９に接続され、アンテナモジュール６の送信用増幅回路、受信用増幅回路、移相回路、サーキュレータなど（図示せず）の回路を含む。本実施形態では、アンプ素子９は、アンテナ素子８の真下に対応する位置に配置されている。
【００１５】
相変化媒質収容部１０は、相変化媒質を収容する中空の空間１３および冷却ユニット２と接離可能に接触する接触部１４を有する。本実施形態では、相変化媒質収容部１０は、金属材料で形成された厚い基板の内部に中空の空間１３を作り、この中空の空間１３に相変化媒質１５を注入して拡散接合等の技術によって密閉した構造である。中空の空間１３は、平面形状が例えば矩形状、または円形状に形成されている。
【００１６】
相変化媒質１５は、ある温度で相変化を起こし、体積が大きく変化する増大率が大きい媒質が好ましい。例えば、ブドウ糖甘味料、あるいは、パラフィン系合成ワックスなどの蓄熱体や、水などを使用している。本実施形態では、水が気化するときの圧力変化を利用することを想定している。ここでは、相変化媒質収容部１０は、中空の空間１３内の相変化媒質１５が水（液体）の状態を相変化していない状態と定義する。そして、中空の空間１３内の相変化媒質１５の水（液体）が気化する状態を相変化状態と定義する。なお、液体と気体の相変化だけでなく、固体と液体の相変化や、固体と気体との相変化を利用しても良い。アンプ素子９の保ちたい温度近辺で相変化を起こす媒質を選定して利用することが好ましい。
【００１７】
また、相変化媒質収容部１０は、中空の空間１３の下面側に板厚ｔが中空の空間１３の上側の板厚よりも小さい薄肉部１６が形成されている。さらに、相変化媒質収容部１０は、中空の空間１３の周壁部の部分に薄肉部１６の下方（冷却ユニット２側）に突出する矩形枠状または円環状の凸部１７が形成されている。凸部１７の形状は、中空の空間１３と対応する形状に形成されている。この凸部１７によって接触部１４の変形動作を許容するスペーサ１８が形成されている。
【００１８】
さらに、相変化媒質収容部１０は、接触部１４が冷却ユニット２と接触する接触状態（図４参照）と、冷却ユニット２と接触しない非接触状態（図３参照）とに可逆的に変形可能である。本実施形態では、相変化媒質収容部１０は、相変化媒質１５が相変化していない状態（水（液体）の状態）では、中空の空間１３の内圧が比較的低い第１の圧力状態で保持される。このとき、接触部１４は、図３に示すように平板状の非変形状態で保持される。この状態では、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触面積は、相変化媒質収容部１０の凸部１７と冷却ユニット２との接触面積のみである。
【００１９】
そして、相変化媒質収容部１０の相変化媒質１５の水（液体）が気化する相変化状態では、中空の空間１３が膨張して内圧が比較的高い第２の圧力状態に変化する。このとき、相変化媒質収容部１０の接触部１４（薄肉部１６）は、図４に示すように下向きに湾曲変形し、この接触部１４の中央部分が冷却ユニット２に圧接される。そのため、この状態では、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触面積は、相変化媒質収容部１０の凸部１７と冷却ユニット２との接触面積と、接触部１４の中央部分の圧接部分の面積との合計分に変化（増加）する。
【００２０】
次に、上記構成の本実施形態のレーダーアンテナ装置１の作用について説明する。本実施の形態のレーダーアンテナ装置１では、運転中は、冷却ユニット２の冷却液通路５内に冷却液が図１中に矢印で示すように上流側から下流側に向けて一方向に流されてアンテナ装置本体３が冷却されている。
【００２１】
また、レーダーアンテナ装置１の動作中は、レーダーアンテナ装置１の各アンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９とが発熱する。このとき、アンテナ素子８と、アンプ素子９からの熱は、ベース基板７と、相変化媒質収容部１０とを経て冷却ユニット２に伝熱される。このとき、冷却液通路５内を流れる冷却液は、アンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱を吸収しながら流れる。これにより、アンテナモジュール６が冷却される。
【００２２】
また、アンテナモジュール６は、アンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱量が比較的小さい状態では、相変化媒質収容部１０は、相変化媒質１５が相変化していない状態（水（液体）の状態）で保持される。このとき、中空の空間１３の内圧は、比較的低い第１の圧力状態で保持されているので、接触部１４は、図３に示すように平板状の非変形状態で保持される。この状態では、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触面積は、相変化媒質収容部１０の凸部１７と冷却ユニット２との接触面積のみである。
【００２３】
そして、アンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱量が大きくなると、相変化媒質収容部１０の相変化媒質１５の水（液体）が気化する相変化状態に変化する。この場合には、中空の空間１３の体積が膨張して内圧が比較的高い第２の圧力状態に変化する。このとき、相変化媒質収容部１０の接触部１４（薄肉部１６）は、図４に示すように下向きに湾曲変形し、この接触部１４の中央部分が冷却ユニット２に圧接される。そのため、この状態では、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触面積は、相変化媒質収容部１０の凸部１７と冷却ユニット２との接触面積と、接触部１４の中央部分と冷却ユニット２との圧接部分の面積との合計分に変化（増加）する。これにより、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触面積が大きくなるので、アンテナモジュール６側から冷却ユニット２側への伝熱量が増え、アンテナモジュール６が効果的に冷却される。
【００２４】
また、アンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱量が大きいほど相変化媒質１５が相変化を起こして体積が膨張するが、相変化が完了するまでは温度は上昇しない。そして、相変化媒質１５が相変化を起こすほど、相変化媒質収容部１０は膨張して冷却ユニット２とより広い面、より強い圧力で接触する。そのため、接触熱抵抗が減少してアンテナモジュール６の冷却効率が向上する。その結果、相変化媒質１５の相変化が完了しない範囲において、アンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱量が増加するほど冷却効率が増加するが、温度は変化しない状態となる。
【００２５】
そして、本実施の形態のレーダーアンテナ装置１の運転中、冷却液通路５の内部を流れる冷却液は、冷却液通路５の上流側に配置されたアンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９の発熱を吸収した状態で下流側に流れる。そのため、冷却液通路５の下流側に向かうにしたがって冷却液通路５内の冷却液の温度が上昇する。
【００２６】
このとき、下流側のアンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９が上流側のアンテナモジュール６のアンテナ素子８と、アンプ素子９と同じ冷却効率ではアンテナモジュール６毎に温度を上流側から下流側まで一様に保つ事が難しい。しかし、本実施形態では、相変化媒質収容部１０の相変化媒質１５の相変化が完了するまでは冷却効率を向上して温度を一定に保とうとする働きがある。そのため、アンテナモジュール６毎の冷却効率を変化させる事で、冷却液通路５の下流のアンテナモジュール６の温度と上流のアンテナモジュール６の温度が一様に保たれる。したがって、本実施形態では、相変化媒質収容部１０の中に規定の温度で相変化する相変化媒質１５を入れることで、相変化時の大きな体積変化を利用して相変化媒質収容部１０の形状を変形させる。これにより、アンテナモジュール６と冷却ユニット２との接触熱抵抗を変化させることができる。その結果、冷却液を流す冷却ユニット２の温度変化に関わらず複数のアンテナモジュール６間の温度を差を小さくすることができ、ほぼ一定に保つことができる。
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態のレーダーアンテナ装置１の１個のアンテナモジュールの縦断面図を示す。本実施形態は、第１の実施形態のアンテナ装置本体３の構成を変更したアンテナ装置本体３Ａを設けたものである。なお、図５中で、図１乃至図４と同一部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
本実施形態のアンテナ装置本体３Ａは、第１の実施形態の相変化媒質収容部１０の厚い基板に相当する金属材料で形成された主基板（ベース基板）２２にアンテナ素子８と、アンプ素子９とを配置する構成にしたものである。ここでは、主基板２２の表面に、例えばテフロン（登録商標）基板またはセラミクス基板などで形成される矩形状のアンテナ基板２１が配置されている。このアンテナ基板２１の中央位置にはアンテナ素子８が配置されている。
【００２８】
主基板２２の内部には、上側に相変化媒質２４を収容する第１の空間（相変化媒質収容部）２３、下側にアンプ素子９を収容する第２の空間２５がそれぞれ形成されている。第１の空間２３と第２の空間２５は、平面形状が同一形状で同一面積に形成されている。
【００２９】
第１の空間２３と第２の空間２５との間の仕切り壁には、板厚ｔが第１の空間２３の上側の壁板の板厚よりも小さい薄肉部２６が形成されている。薄肉部２６の下面には、例えばアンプ素子９が搭載される回路基板２７が配置されている。薄肉部２６は、平板状の非変形状態と、下向きに湾曲変形した変形状態とに変形可能である。
【００３０】
また、アンプ素子９は、相変化媒質２４の相変化に応じて冷却ユニット２との接触状態が変化する。すなわち、相変化媒質２４が相変化していない状態（水（液体）の状態）では、第１の空間２３の内圧は、比較的低い第１の圧力状態で保持されている。この場合は、薄肉部２６は、平板状の非変形状態で保持される。また、相変化媒質２４の水（液体）が気化する相変化状態では、第１の空間２３が膨張して内圧が比較的高い第２の圧力状態に変化する。このとき、薄肉部２６は、下向きに湾曲変形し、アンプ素子９が冷却ユニット２に圧接される。
【００３１】
したがって、本実施形態のアンテナ装置本体３Ａでは、相変化媒質２４の相変化に応じてアンプ素子９と冷却ユニット２との接触状態が変化する。そのため、本実施形態のアンテナ装置本体３Ａであっても、第１の実施形態のアンテナ装置本体３と同様の作用効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、第１の実施形態のアンテナ装置本体３に比べて部品数を減らして構造を簡易化することが出来る。また、アンプ素子９を冷却ユニット２に直接当てる事が出来るため、より強く冷却することが出来る。
【００３３】
また、上記実施形態では、冷却ユニット２の上にアンテナモジュール６を縦横にそれぞれ４個ずつ配置したアンテナ装置本体３の例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、アンテナ装置本体３は、アンテナモジュール６を縦横にそれぞれ４個以外の複数個ずつ配置した構成でもよい。さらに、１つの冷却ユニット２の上に複数のアンテナ装置本体３を並設させる構成にしてもよい。
【００３４】
さらに、第１の実施形態では、相変化媒質収容部１０における中空の空間１３の周壁部の部分に凸部１７を形成し、この凸部１７によって接触部１４の変形動作を許容するスペーサ１８を形成した例を示した。これに対し、冷却ユニット本体４の上面に相変化媒質収容部１０側に突出する凸部を設け、この凸部により接触部１４の変形動作を許容するスペーサ１８を形成してもよい。また、冷却ユニット本体４の上面に接触部１４の変形動作を許容する凹陥部を形成してもよい。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
１…レーダーアンテナ装置、２…冷却ユニット、３…アンテナ装置本体、３Ａ…アンテナ装置本体、４…冷却ユニット本体、５…冷却液通路、６…アンテナモジュール、７…ベース基板、８…アンテナ素子、９…アンプ素子、１０…相変化媒質収容部、１１…キャビティ、１２…回路基板、１３…中空の空間、１４…接触部、１５…相変化媒質、１６…薄肉部、１７…凸部、１８…スペーサ、２１…アンテナ基板、２２…主基板、２３…第１の空間、２４…相変化媒質、２５…第２の空間、２６…薄肉部、２７…回路基板。
【図１】
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【図２】
2020153769.tif 000004
【図３】
2020153769.tif 000005
【図４】
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【図５】
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