(57)【要約】  複数の送信モジュール（２１）を有するブロック（２）を複数個配列したフェーズドアレイアンテナ（３０）であって、内部に冷媒の流路を複数備えたフロントプレート（１）と、複数の送信モジュール（２１）に接続された複数のアンテナ素子を備え、フロントプレート（１）の一方の面に密着配置された素子給電層（３）とを有し、ブロック（２）は、フロントプレート（１）の他方の面に密着して配置されたヒートスプレッダ（２２）を備え、送信モジュール（２１）は、ヒートスプレッダ（２２）に実装されており、送信モジュール（２１）で発生した熱を、ヒートスプレッダ（２２）及びフロントプレート（１）を介して冷媒に熱輸送する。
2017104790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信モジュールを有するブロックを複数個配列したフェーズドアレイアンテナであって、
内部に冷媒の流路を複数備えたフロントプレートと、
前記複数の送信モジュールの各々に接続されるアンテナ素子を備え、前記フロントプレートの一方の面に密着配置された素子給電層とを有し、
前記ブロックは、前記フロントプレートの他方の面に密着して配置されたヒートスプレッダを備え、
前記送信モジュールは、前記ヒートスプレッダに実装されており、
前記送信モジュールで発生した熱を、前記ヒートスプレッダ及び前記フロントプレートを介して前記冷媒に熱輸送することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記ブロックに電源を供給する電源配線と、
前記フロントプレートの他方の面に密着配置されて、前記ブロック同士の間を区画し、前記電源配線が密着配置されたフレームとを有し、
前記電源配線で発生した熱を、前記フレーム及び前記フロントプレートを介して前記冷媒に熱輸送することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記複数の流路は、前記フロントプレートの内部で折り返されており、前記流路の出入口が隣接して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記流路は、下流側ほど流路幅が狭いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記フロントプレートは、前記ブロックが密着配置される部分の前記流路に冷却フィンを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記ヒートスプレッダは、前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端面とに跨がって設置された高熱伝導性部材を備え、
前記高熱伝導性部材は、前記ヒートスプレッダの他の部分よりも熱伝導性が高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記高熱伝導性部材は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とが、複数の前記シート状部材の面方向において接続されていることを特徴とする請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記高熱伝導性部材は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とを結ぶ方向と直交する方向に前記複数のシート状部材の面方向が延び、前記送信モジュールの実装箇所を持つ第１の積層構造と、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とを結ぶ方向と平行な方向に面方向が延び前記フロントプレート側の端を含む第２の積層構造とを有することを特徴とする請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項９】
前記ヒートスプレッダは、ヒートパイプ構造であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配列された複数のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なフェーズドアレイアンテナは、素子アンテナ、給電回路、送信モジュールと、アンテナ筐体とを備えて構成されている。また、一般的なフェーズドアレイアンテナには、送信モジュールのような電子部品に搭載されている半導体素子を、規定の温度以下で安定して動作させるために、液体の冷媒を用いた冷却系が設けられている。【０００３】
特許文献１では、複数の送信モジュールをブロックに搭載し、ブロックをフェーズドアレイアンテナに整列して取付けることによって、送信モジュールを実装している。このとき、ホースのような部材を用いて各ブロックの配管を連結させることで、流路を構成している。ここで冷却性能を高めるために、送信モジュールの近くに冷却板を配置し、送信モジュールと冷媒との間の熱抵抗を下げる工夫がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５３１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、各ブロックの配管を連結するにあたり、ホース及びカプラといった配管部品を用いる必要があるため、配管が複雑な構造となるデメリットが存在する。そのため、特許文献１には、流路の圧力損失が高くなるという課題があった。同時に、特許文献１は、配管の簡素化が難しいために、冷却系の大幅な低コスト化及び軽量化を実現することは困難であった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷媒の流路の配管を簡素化したフェーズドアレイアンテナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の送信モジュールを有するブロックを複数個配列したフェーズドアレイアンテナであって、内部に冷媒の流路を複数備えたフロントプレートと、複数の送信モジュールの各々に接続されるアンテナ素子を備え、フロントプレートの一方の面に密着配置された素子給電層とを有する。ブロックは、フロントプレートの他方の面に密着して配置されたヒートスプレッダを備え、送信モジュールは、ヒートスプレッダに実装されている。本発明は、送信モジュールで発生した熱を、ヒートスプレッダ及びフロントプレートを介して冷媒に熱輸送する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、冷媒の流路の配管を簡素化できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図
【図２】実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの内部の構造を示す図
【図３】実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナでの送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図
【図４】本発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート内部の流路の構成を示す図
【図５】本発明の実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート内部の流路の構成を示す図
【図６】実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの断面図
【図７】実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの断面図
【図８】実施の形態４に係るフェーズドアレイアンテナの送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図
【図９】実施の形態４に係るフェーズドアレイアンテナの高発熱体である送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図
【図１０】本発明の実施の形態５に係るフェーズドアレイアンテナの高熱伝導性部材の構造を示す図
【図１１】本発明の実施の形態６に係るフェーズドアレイアンテナの高熱伝導性部材の構造を示す図
【図１２】実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの構造を部分的に示す図
【図１３】実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの構造を部分的に示す図
【図１４】実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの構造を部分的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイアンテナを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナの構成を示す図である。実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ３０では、冷却板であるフロントプレート１は、複数のアンテナ素子を有する発熱体である素子給電層３を前面に保持している。また、フロントプレート１の背面に取り付けられた格子状のフレーム４の枠内には、ブロック２が固定されている。ブロック２は、矢印Ａで示すブロック挿入方向に沿ってフレーム４の枠内に挿入される。
【００１２】
ブロック２は、内部に複数枚のヒートスプレッダ２２が整列した構造となっており、ヒートスプレッダ２２には発熱体である送信モジュール２１が複数個まとめて搭載されている。ここで、ヒートスプレッダ２２は高熱伝導性の素材を材料に用いている。ヒートスプレッダ２２は、矢印Ｂで示すヒートスプレッダ取り付け方向に沿ってフロントプレート１に取り付けられて整列している。なお、送信モジュール２１は、少なくとも送信機能を備えていれば良く、送受信機能を兼ね備えた送受信モジュールであっても良い。
【００１３】
ブロック２をフレーム４の枠内に挿入することにより、フロントプレート１に設けられた貫通穴を通じて各送信モジュール２１は素子給電層３内の不図示のアンテナ素子に個別に接続され、アンテナ素子を通じて電磁波を放射可能となる。
【００１４】
フレーム４には、発熱体である電源配線５が固定される。電源配線５は、矢印Ｃに示す方向に沿ってフレーム４に取り付けられる。電源配線５は、電源配線固定面５２のような格子内側面に沿って固定されている。
【００１５】
ブロック２、素子給電層３及び電源配線５は、後述するサーマルシート６、グリース又は接着剤を介して、フロントプレート１又はフレーム４と密着している。
【００１６】
フロントプレート１の背面の左側には、マニホールド１１が設置されており、フロントプレート１の背面の右側には、マニホールド１２が設置されている。外部の冷却装置から供給される冷媒は、マニホールド１１，１２を介してフロントプレート１内を通過する。なお、マニホールド１１，１２は、フロントプレート１に固定されている必要はなく、フロントプレート１から離して設置し、マニホールド１１，１２とフロントプレート１とをチューブで接続しても良い。すなわち、マニホールド１１，１２を省略して、フロントプレート１に直接冷媒を出入りさせるように構成することも可能である。冷媒の例には、エチレングリコール水溶液を挙げることができるが、これに限定はされない。
【００１７】
上記のように、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ３０は、複数の送信モジュール２１を有するブロック２が複数個配列されている。フェーズドアレイアンテナ３０は、内部に冷媒の流路を複数備えたフロントプレート１と、複数の送信モジュール２１に接続された複数のアンテナ素子を備え、フロントプレート１の一方の面に密着配置された素子給電層３とを有する。ブロック２は、フロントプレート１の他方の面に密着して配置されたヒートスプレッダ２２を備えており、送信モジュール２１は、ヒートスプレッダ２２に実装されている。また、フェーズドアレイアンテナ３０は、ブロック２に電源を供給する電源配線５と、フロントプレート１の他方の面に密着配置されて、ブロック２同士の間を区画し、電源配線５が密着配置されたフレーム４とを有している。
【００１８】
図２は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの内部の構造を示す図である。なお、図２には、フロントプレート１とともにフレーム４の配置位置を破線で示している。フロントプレート１は、アルミ材料で形成されており、内部には複数の流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈが設けられている。左側冷媒出入口１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈから流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈに流入した冷媒は、矢印Ｄで示すように流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈを通り、右側冷媒出入口１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ，１４Ｈから流出する。フロントプレート１のブロック配置領域２５の周辺に流路を設けることで、ブロック２、素子給電層３及び電源配線５で発生した熱が冷媒に排熱される。図２では、図示を省略しているが、各送信モジュール２１を素子給電層３内のアンテナ素子に接続するための貫通穴は、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈと重ならない位置に設けられている。
【００１９】
フロントプレート１は、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈに対応する部分に穴が形成された板材を複数枚積層することで構成可能である。
【００２０】
図３は、実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナでの送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図である。なお、図３では、フロントプレート１は一部分のみを示している。送信モジュール２１が固定されたヒートスプレッダ２２の端面は、サーマルシート６を介してフロントプレート１と接触している。一方、図２に示したように、フロントプレート１の内部には、ブロック２の配置位置に流路１５Ａ及び流路１５Ｂが設けられている。送信モジュール２１で発生した熱は、矢印Ｅで表す排熱経路が示すように、ヒートスプレッダ２２及びサーマルシート６を介してフロントプレート１に伝わり、流路１５Ａ及び流路１５Ｂを流れる冷媒によって熱輸送される。
【００２１】
図３は、流路１５Ａ及び流路１５Ｂが設けられた部分のフロントプレート１を部分的に示しているが、流路１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈが設けられた部分における伝熱経路も同様である。
【００２２】
送信モジュール２１の中で発熱源となる電子部品をフロントプレート１に近い位置の基板上に実装することで、伝熱距離の短縮を図ることができる。
【００２３】
上記のようにして、送信モジュール２１で発生した熱は、冷媒に伝熱され、送信モジュール２１が冷却される。
【００２４】
同様に、素子給電層３で発生した熱も、接触面を通じてフロントプレート１へ伝わり、冷媒によって熱輸送される。電源配線５で発生した熱は、フレーム４を介してフロントプレート１へ伝わり、冷媒によって熱輸送される。
【００２５】
実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ３０は、送信モジュール２１に対しての冷却能力を保持しつつ、送信モジュール２１を間接的に冷却することが実現できる。配管継ぎ手は、マニホールド１１，１２に取り付けられ、各ブロック２に設置する必要がないため、配管の簡素化がなされる。また、整備時に送信モジュール２１に冷媒が付着して故障するリスクを低減し、信頼性向上を実現できる。さらに、ブロック２の冷却用とは別系統の冷却装置を設けなくても素子給電層３及び電源配線５を冷却することが可能である。
【００２６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート内部の流路の構成を示す図である。なお、図４には、フロントプレート１とともにフレーム４の配置位置を破線で示している。実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート１は、左側冷媒出入口１３Ａを入口とする流路１５Ａは、左側冷媒出入口１３Ｂが出口となっており、右側冷媒出入口１４Ａを入口とする流路１５Ｂは、右側冷媒出口１４Ｂが出口となっている。また、左側冷媒出入口１３Ｃを入口とする流路１５Ｃは、左側冷媒出入口１３Ｄが出口となっており、右側冷媒出入口１４Ｃを入口とする流路１５Ｄは、右側冷媒出口１４Ｄが出口となっている。この他については実施の形態１と同様である。
【００２７】
実施の形態１においては、左側冷媒出入口１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈから流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈに流入した冷媒は、右側冷媒出入口１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ，１４Ｈから流出する。冷媒の温度は、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈの上流側ほど低く、下流に向かうにつれ送信モジュール２１からの熱を吸収して温度が上昇する。
【００２８】
これに対し、実施の形態２では、左側冷媒出入口１３Ａから流路１５Ａに流れ込んだ冷媒は、矢印Ｆで示すように流路１５Ａを通りフロントプレート１の右端まで到達したあと、矢印Ｇで示すように折り返された流路１５Ａ’を通って左側冷媒出入口１３Ｂへと到達し、流れ出る。右側冷媒出入口１４Ａから流路１５Ｂに流れ込んだ冷媒は、流路１５Ｂを通りフロントプレート１の左端まで到達したあと、折り返された流路１５Ｂ’を通って右側冷媒出入口１４Ｂへと到達し、流れ出る。左側冷媒出入口１３Ｃから流路１５Ｃに流れ込んだ冷媒は、流路１５Ｃを通りフロントプレート１の右端まで到達したあと、折り返された流路１５Ｃ’を通って左側冷媒出入口１３Ｄへと到達し、流れ出る。右側冷媒出入口１４Ｃから流路１５Ｄに流れ込んだ冷媒は、流路１５Ｄを通りフロントプレート１の左端まで到達したあと、折り返された流路１５Ｄ’を通って右側冷媒出入口１４Ｄへと到達し、流れ出る。
【００２９】
このとき、流路１５Ａと流路１５Ａ’とが隣り合う箇所では、冷媒の温度差が生じている。冷媒の温度差は、左側冷媒出入口１３Ａと左側冷媒出入口１３Ｂとが隣接する部分で最も大きい。同様に、流路１５Ｃと流路１５Ｃ’とでの冷媒の温度差は、左側冷媒出入口１３Ｃと左側冷媒出入口１３Ｄとが隣接する部分で最も大きい。また、流路１５Ｂと流路１５Ｂ’とが隣り合う箇所では、冷媒の温度差が生じている。冷媒の温度差は、右側冷媒出入口１４Ａと右側冷媒出入口１４Ｂとが隣接する部分で最も大きい。同様に、流路１５Ｄと流路１５Ｄ’とでの冷媒の温度差は、右側冷媒出入口１４Ｃと右側冷媒出入口１４Ｄとが隣接する部分で最も大きい。
【００３０】
送信モジュール２１で生じた熱は、フロントプレート１へと熱輸送され、流路１５Ａを流れる冷媒及び流路１５Ａ’を流れる冷媒の両方に熱が伝えられる。このとき、ヒートスプレッダ２２内及びフロントプレート１内の熱の移動では、温度が低い流路１５Ａの冷媒に多くの熱が伝わる。流路１５Ａ及び流路１５Ａ’の各々において、上流側ほど冷媒に熱が伝わりやすいが、流路１５Ａと流路１５Ａ’とでは流れの向きが反対であるため、流路１５Ａでは熱が最も冷媒に伝わりにくいフロントプレート１の右端のブロック２は、流路１５Ａ’では熱が最も冷媒に伝わりやすい上流側に位置することになる。すなわち、流路１５Ａの冷媒で冷却されにくいブロック２ほど、流路１５Ａ’の冷媒で冷却されやすい。そのため、流路１５Ａ及び流路１５Ａ’の右端にあるモジュールと左端にあるモジュールとの温度差を、従来よりも均一に近づけることができる。流路１５Ｂ，１５Ｂ’，１５Ｃ，１５Ｃ’，１５Ｄ，１５Ｄ’に関しても同様である。このため、流路１５Ａから流路１５Ｈに左から右へ同じ向きで冷媒を流す実施の形態１に係るフェーズドアレイアンテナ３０と比較して、フロントプレート１の右側部分において、ブロック２に設置された送信モジュール２１、電源配線５及び素子給電層３の温度上昇を抑えることができる。
【００３１】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート内部の流路の構成を示す図である。図６は、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの断面図である。図６は、図５中のVI-VI線に沿った断面を示している。なお、図５には、フロントプレート１とともにフレーム４の配置位置を破線で示している。実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナの高発熱体配置領域２７には、他の領域に固定される構成品よりも高発熱量の部品がフロントプレート１に密着固定されている。実施の形態３では、実施の形態１と同様に、図５中に矢印Ｈで示すようにフロントプレート１の左端から右端へと冷媒が流れる。フロントプレート１内では、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｇ，１５Ｈの内部の高発熱体配置領域２７に対応する部分に冷却フィン１６が設けられている。図６に示すように、冷却フィン１６は凹凸のある形状をなしていて、流路の伝熱面積が増加することにより、冷媒の対流熱伝達率を局所的に向上させ、高発熱体の温度上昇を低減することができる。なお、図５では、マトリクス状に配列される配置領域のうち、四隅に位置する高発熱体配置領域２７に、ブロックの代わりに電源といった高発熱構成部品が配置された形態を示している。
【００３２】
図７は、実施の形態３に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレートの断面図であり、図５中のVII−VII線に沿った断面を示している。図７に示すように、流路１５Ｆの幅は、下流側ほど狭くなっている。流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｇ，１５Ｈも同様に、下流ほど幅が狭くなっている。流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈの幅が下流ほど狭くなることにより、冷媒の流速が増大し、下流側の対流熱伝達率が向上する。したがって、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈの下流側に配置される発熱体の温度上昇を低減することができる。
【００３３】
この他については実施の形態１と同様である。
【００３４】
上記のように、フロントプレート１内部に設ける流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈにおいて、高発熱体が接触する箇所に局所的に冷却フィン１６を形成したり、下流側の流路幅を狭くすることで、発熱体の温度上昇を緩和することができる。
【００３５】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係るフェーズドアレイアンテナの送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図である。実施の形態４においては、図１に示したブロック２は、サーマルシート６、送信モジュール２１、ヒートスプレッダ２２及び高熱伝導性部材３１で構成されている。なお、フロントプレート１はブロック２の内部の構造ではないが、構造説明のため図８には一部のみ表示している。図９は、実施の形態４に係るフェーズドアレイアンテナの発熱体である送信モジュールから冷媒までの排熱経路を示す図であり、図８の矢印Ｉ方向から見た状態を示している。高熱伝導性部材３１は、ヒートスプレッダ２２の強度を確保しつつ排熱効率を向上するために、送信モジュール２１の高発熱部２８に接するよう局所的に適用されている。高熱伝導性部材３１は、サーマルシート６との接触面積を広げ冷媒への熱輸送を効率的に行うために、Ｌ字型の形状とされている。また、高熱伝導性部材３１以外のヒートスプレッダ２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。すなわち、ヒートスプレッダ２２の主構造材料はアルミニウム又はアルミニウム合金である。
【００３６】
送信モジュール２１が固定されたヒートスプレッダ２２の端面は、サーマルシート６を介して、フロントプレート１と接触している。ヒートスプレッダ２２の内部には、高熱伝導性部材３１が送信モジュール２１の底面に接するように局所的に配置されている。したがって、排熱経路２６Ｂにおいて、送信モジュール２１で発生した熱は、まず高熱伝導性部材３１へ伝達され、サーマルシート６を介してフロントプレート１へと伝えられ、フロントプレート１の流路１５Ａ，１５Ｂ内部の冷媒によって熱輸送が行われる。
【００３７】
ヒートスプレッダ２２の内部に局所的に適用する高熱伝導性部材３１には、銅のような金属材料又は熱的な異方性を持つグラファイトのような高熱伝導性材料を適用できる。高熱伝導性部材３１の材料は、ヒートスプレッダ２２の主構造材料と比較して高い熱伝導性を有する。
【００３８】
特許文献１では、複数の送信モジュールをブロックに搭載し、ブロックをフェーズドアレイアンテナに整列して取付けることによって、送信モジュールを実装している。このとき、ホースのような部材を用いて各ブロックの配管を連結させることで、流路を構成している。ここで冷却性能を高めるために、送信モジュールの近くに冷却板を配置し、送信モジュールと冷媒との間の熱抵抗を下げる工夫がなされている。特許文献１のフェーズドアレイアンテナでは、各ブロックの配管を連結するにあたり、ホース及びカプラといった配管部品を多数用いる必要があるため、配管が複雑な構造となる。配管の簡略化を図るために、各送信モジュールをヒートスプレッダに実装し、冷媒の流路を備えた冷却板に各ヒートスプレッダを接触させる構造を採用すると、送信モジュールから冷却板までの熱抵抗を小さくすることが求められる。しかし、ヒートスプレッダの熱抵抗を小さくするためには、ヒートスプレッダを厚くする必要があり、冷却性能と軽量化とを両立することが困難になる。
【００３９】
実施の形態４に係るフェーズドアレイアンテナにおいては、ヒートスプレッダ２２は、送信モジュール２１の実装箇所とフロントプレート１側の端面とに跨がって設置された高熱伝導性部材３１を備え、高熱伝導性部材３１は、ヒートスプレッダ２２の他の部分よりも熱伝導性が高い材料で形成されている。したがって、全体が主構造材料で形成されているヒートスプレッダと比較して、発熱体である送信モジュール２１で発生した熱がフロントプレート１に伝わりやすい。したがって、冷却性能を確保しつつヒートスプレッダ２２を薄くして、軽量化を図ることが可能である。
【００４０】
実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係るフェーズドアレイアンテナの高熱伝導性部材の構造を示す図である。実施の形態５において、高熱伝導性部材３１は、同一の面内方向の高熱伝導性を持った材料であるグラファイトの積層構造を１段有する。高熱伝導性部材３１は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、送信モジュール２１の実装箇所とフロントプレート１側の端とが、複数の前記シート状部材の面方向において接続されている。
【００４１】
図１０において、高熱伝導性部材３１における高熱伝導面をＹＺ平面とすると、Ｙ方向およびＺ方向が高熱伝導方向４１となり、Ｘ方向が低熱伝導方向４２となる。グラファイトの熱伝導率は、高熱伝導方向４１では１５００Ｗ／ｍＫから２０００Ｗ／ｍＫ、低熱伝導方向４２では５Ｗ／ｍＫから１０Ｗ／ｍＫ程度である。
【００４２】
実施の形態５に係るフェーズドアレイアンテナにおける排熱経路２６Ｂは、図９に示した実施の形態４と同様に、まず送信モジュール２１の熱を高熱伝導性部材３１に伝達し、サーマルシート６を介して、フロントプレート１へと伝えるというものである。したがって、図１０に示すように、高熱伝導性部材３１の内部では、まず送信モジュール２１から熱をＺ方向に拡散させ、その後Ｙ方向へ輸送する。
【００４３】
グラファイトといった高熱伝導性を有した異方性材料で形成された高熱伝導性部材３１をヒートスプレッダ２２と送信モジュール２１との接触面に配置することにより、アルミニウムのような金属材料のみを用いたヒートスプレッダ２２と比較し、熱伝導性能が向上する。金属材料と比較して比重の小さいグラファイトのような高熱伝導性の材料をヒートスプレッダ２２の内部に局所的に配置することにより、ヒートスプレッダ２２の強度を維持しつつ軽量化を実現することができる。
【００４４】
実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６に係るフェーズドアレイアンテナの高熱伝導性部材の構造を示す図である。実施の形態６に係るフェーズドアレイアンテナの高熱伝導性部材３１は、異なる面内方向の高熱伝導性を持った材料による２層の積層構造である。１層目の第１の積層構造４３は、高熱伝導面をＸＺ平面とすることで、Ｘ、Ｚ方向が高熱伝導方向４１１、Ｙ方向が低熱伝導方向４２１となる。２層目の第２の積層構造４４では、高熱伝導面をＹＺ平面とすることで、Ｙ、Ｚ方向が高熱伝導方向４１２、Ｘ方向が低熱伝導方向４２２となる。したがって、高熱伝導性部材３１は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、送信モジュール２１の実装箇所とフロントプレート１側の端とを結ぶ方向と直交する方向に複数のシート状部材の面方向が延び、送信モジュール２１の実装箇所を持つ第１の積層構造４３と、送信モジュール２１の実装箇所とフロントプレート１側の端とを結ぶ方向と平行な方向に面方向が延びフロントプレート１側の端を含む第２の積層構造４４とを有する。
【００４５】
積層方向が異なる高熱伝導性の材料同士を組み合わせるには、グラファイトでは高熱伝導性のろう材を介して接合を行うという手法を適用できる。さらに、同様の技術によってグラファイトと銅板といった金属製の材料を接合することが可能である。また、高熱伝導性部材３１の配置は、図８で示した実施の形態４の配置と同様である。
【００４６】
実施の形態６における排熱経路は、図９に示した排熱経路２６Ｂと同様であるが、高熱伝導性部材３１の内部における熱の流れが異なっている。図１１に示すように、まず送信モジュール２１の熱を、第１の積層構造４３の内部でＸ方向に拡散させつつ第２の積層構造４４へ伝達する。そして第２の積層構造４４であるＬ字型のブロックの内部でＹＺ面内の方向に熱を拡散し、冷却部へと輸送する。これにより、実施の形態４と比較して、Ｘ方向への熱拡散を効率的に行うことができ、送信モジュール２１の温度上昇をより低減することができる。
【００４７】
実施の形態６では、積層構造におけるＸ方向の熱拡散を効率的に行うために、第１の積層構造４３と第２の積層構造４４とで熱伝導面の向きが異なる構造を適用したものであるが、他にもＸ方向の熱拡散を効率的に行うための手法には、第１の積層構造４３に銅板といった金属製の材料を適用する手法、又は第２の積層構造４４の表面に銅といっためっきを付与する手法も適用可能である。
【００４８】
実施の形態７．
図１２は、実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの構造を部分的に示す斜視図である。図１３は、実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの部分断面図であり、図１２中のXIII-XIII線に沿った断面を示す。図１４は、実施の形態７に係るフェーズドアレイアンテナのヒートスプレッダの部分断面図であり、図１２中のXIV-XIV線に沿った断面を示す。ヒートスプレッダ２２は、平面型のヒートパイプ構造３２を備えている。実施の形態４から６とは異なり、実施の形態７では、ヒートスプレッダ２２の内部に局所的に適用するだけではなく、内部構造の全体に任意の形状で適用することも可能である。ヒートスプレッダ２２の内部に適用するヒートパイプ構造３２は、内部にウィック３３を有したものであり作動流体となる冷媒が封入されている。ウィック３３は、毛細管作用により冷媒を効率的に還流する構造を有している。ウィック３３には、溝型のスリットが高発熱部から放射状に広がりフロントプレート１の周辺部まで達する構造、銅線といった高熱伝導性の材料を網目状に編んだ構造又は焼結金属を有する構造を適用できる。
【００４９】
送信モジュール２１で発生した熱は、ヒートパイプ構造３２に伝達され、ヒートパイプ構造３２の内部の冷媒が気化する。気化した冷媒は排熱経路２６Ｃ方向のヒートスプレッダ２２のフロントプレート１側へ流れ、サーマルシート６を介してフロントプレート１内部の流路１５Ａを流れる冷媒へ排熱を行い、液化する。液化した冷媒は、ヒートスプレッダ２２内部の送信モジュール２１の発熱部側へ流れ、上記のサイクルを繰り返す。この手法により、送信モジュール２１の内部で発生する熱を効率よく輸送することができる。
【００５０】
図１２から図１４に示すヒートパイプ構造３２は中空構造であるが、この形状は必要な冷却性能及び強度に応じて任意に変更することが可能である。
【００５１】
上記の各実施の形態では、フェーズドアレイアンテナを用いた場合について説明したが、これに限定されることはなく、実装された電子部品の冷却のために冷却液が供給されるカードを複数実装した電子機器に適用しても良い。また、ほかの電子部品の冷却の手法への適用、例えば基板を実装する際の筐体の構造への適用も可能である。また、上記の説明では冷媒がエチレングリコール水溶液であるとしたが、他の液体又は気体であっても良い。また、高熱伝導性の材料にはグラファイトの例を用いたが、他の高熱伝導性の材料でもよい。
【００５２】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  フロントプレート、２  ブロック、３  素子給電層、４  フレーム、５  電源配線、６  サーマルシート、１１，１２  マニホールド、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ  左側冷媒出入口、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ，１４Ｈ  右側冷媒出入口、１５Ａ，１５Ａ’，１５Ｂ，１５Ｂ’，１５Ｃ，１５Ｃ’，１５Ｄ，１５Ｄ’，１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈ  流路、１６  冷却フィン、２１  送信モジュール、２２  ヒートスプレッダ、２５  ブロック配置領域、２６Ｂ，２６Ｃ  排熱経路、２７  高発熱体配置領域、２８  高発熱部、３０  フェーズドアレイアンテナ、３１  高熱伝導性部材、３２  ヒートパイプ構造、４１，４１１，４１２  高熱伝導方向、４２，４２１，４２２  低熱伝導方向、４３  第１の積層構造、４４  第２の積層構造、５２  電源配線固定面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年1月18日(2018.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信モジュールを有するブロックを複数個配列したフェーズドアレイアンテナであって、
内部に冷媒の流路を複数備えたフロントプレートと、
前記複数の送信モジュールの各々に接続されるアンテナ素子を備え、前記フロントプレートの一方の面に密着配置された素子給電層とを有し、
前記ブロックは、前記フロントプレートの他方の面に密着して配置されたヒートスプレッダを備え、
前記送信モジュールは、前記ヒートスプレッダに実装されており、
前記送信モジュールで発生した熱を、前記ヒートスプレッダ及び前記フロントプレートを介して前記冷媒に熱輸送することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記ブロックに電源を供給する電源配線と、
前記フロントプレートの他方の面に密着配置されて、前記ブロック同士の間を区画し、前記電源配線が密着配置されたフレームとを有し、
前記電源配線で発生した熱を、前記フレーム及び前記フロントプレートを介して前記冷媒に熱輸送することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記流路は、前記フロントプレートの内部で折り返されており、前記流路の出入口が隣接して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記流路は、下流側ほど流路幅が狭いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記フロントプレートは、前記ブロックが密着配置される部分の前記流路に冷却フィンを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記ヒートスプレッダは、前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端面とに跨がって設置された高熱伝導性部材を備え、
前記高熱伝導性部材は、前記ヒートスプレッダの他の部分よりも熱伝導性が高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記高熱伝導性部材は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とが、複数の前記シート状部材の面方向において接続されていることを特徴とする請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記高熱伝導性部材は、面方向の熱伝導性が法線方向の熱伝導性よりも高い複数のシート状部材の積層構造であり、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とを結ぶ方向と直交する方向に前記複数のシート状部材の面方向が延び、前記送信モジュールの実装箇所を持つ第１の積層構造と、
前記送信モジュールの実装箇所と前記フロントプレート側の端とを結ぶ方向と平行な方向に面方向が延び前記フロントプレート側の端を含む第２の積層構造とを有することを特徴とする請求項６に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【請求項９】
前記ヒートスプレッダは、ヒートパイプ構造であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフェーズドアレイアンテナ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート内部の流路の構成を示す図である。なお、図４には、フロントプレート１とともにフレーム４の配置位置を破線で示している。実施の形態２に係るフェーズドアレイアンテナのフロントプレート１は、左側冷媒出入口１３Ａを入口とする流路１５Ａは、左側冷媒出入口１３Ｂが出口となっており、右側冷媒出入口１４Ａを入口とする流路１５Ｂは、右側冷媒出入口１４Ｂが出口となっている。また、左側冷媒出入口１３Ｃを入口とする流路１５Ｃは、左側冷媒出入口１３Ｄが出口となっており、右側冷媒出入口１４Ｃを入口とする流路１５Ｄは、右側冷媒出入口１４Ｄが出口となっている。この他については実施の形態１と同様である。
【国際調査報告】
2017104790.tif 000017
2017104790.tif 000018