技術 電気回路基板の冷却手段への取付構造

0001

本発明は、電気回路基板の冷却手段への取付構造に関し、例えば、極低温に冷却する必要のある超電導材料を利用した電気回路基板を、効率よく、かつ信頼性高く低温に冷却することのできるものに関する。

0002

近年、超電導材料の臨界温度が高温化するのに伴って、超電導材料を利用した電気回路の各種開発が進められている。しかし、超電導材料の臨界温度が高温化したといっても、例えば、７０Ｋ（絶対温度）などの極低温状態にする必要があるため、このような電気回路基板は冷凍機の冷却部に取り付けられて超電導材料による特性を得ている。

0003

この種の電気回路基板の冷却手段への取付構造としては、例えば、図６に示すようなものがある。この取付構造においては、ＨＴＳ（High Temperature Superconductor）フィルタ回路１ａを形成された基板１を銅製のフィルタケース２に収めて、このフィルタケース２の底面を不図示の真空チャンバー内に設置され外部と断熱されているパルス管冷凍機の冷却ヘッド（冷却部）３に面接触させることによって、ＨＴＳフィルタ基板１を所望の温度に冷却できるようにしている。また、このＨＴＳフィルタ基板１は、フィルターケース２に固定された外部装置からの同軸ケーブル４の信号線４ａを直接、ＨＴＳフィルタ回路１ａに接続することにより、電気信号を伝送可能に取り付けるようになっている。

0004

しかしながら、このような従来の電気回路基板の冷却手段への取付構造にあっては、ＨＴＳフィルタ基板１の裏面に相当する面積をフィルタケース２を介して冷却ヘッド３に面接触させていることから、１つの冷却ヘッド３にＨＴＳフィルタ基板１を１枚しかセットすることができず、効率が悪い。また、フィルターケース２には外部装置からの同軸ケーブル４が接続されるとともに、ＨＴＳフィルタ基板１にはその信号線４ａが直接接続されるので、フィルターケース２には同軸ケーブル４の伝熱による温度分布が生じて、またＨＴＳフィルタ回路１ａ自体にも信号線４ａの伝熱による温度分布が生じて、ＨＴＳフィルタ回路１ａの特性に影響するおそれがあり、信頼性に劣るという問題があった。なお、このような問題があることから、ＨＴＳフィルタ基板１は大面積で冷却ヘッド３に面接触させる必要もあった。

0005

そこで、本発明は、外部からの熱を電気回路基板に直接伝えることをなくして、該基板内に温度分布が生じることを防止することを目的とする。また、１つの電気回路基板が冷却手段の冷却部を占有してしまうことをなくして、複数の電気回路基板を冷却手段の冷却部にセットできるようにすることを目的とする。これら目的を達成することにより、外部からの伝熱による影響を受けることなく、複数の電気回路基板を１つの冷却手段により所望の温度に、効率よく、かつ信頼性高く均一に冷却できるようにすることを目的とする。

0006

上記目的達成のため、請求項１に記載の発明は、外部の装置に導線を介して接続される電気回路基板を、冷却手段の冷却部に取り付ける取付構造であって、前記導線を電気回路基板および外部装置の間で電気信号を伝送可能に保持する保持手段を有し、該保持手段を冷却手段の冷却部に配置したことを特徴とするものである。ここで、前記保持手段は、前記導線を把持することにより冷却部に保持するだけでなく、電気回路基板および外部装置の間で各々からの導線を接続して保持し、伝送する電気信号を中継するようにしてもよい。

0007

この請求項１に記載の発明では、電気回路基板は、外部装置と接続する導線を冷却部に配置された保持手段により保持されて電気信号を伝送可能に取り付けられる。したがって、外部装置側の導線から外部（外気温など）の熱伝導があったとしても、冷却部において冷却され、電気回路基板に伝熱することがない。請求項２に記載の発明は、電気回路基板を冷却手段の冷却部に取り付ける取付構造であって、前記電気回路基板自体に、あるいは電気回路基板に面接触させて該基板を組み付ける組付部材に、冷却手段の冷却部に面接触して該冷却部に固定される固定部と、該固定部に連設されて電気回路を冷却手段の冷却部に対して鉛直にまたは傾けた状態で支持する支持部と、を設けたことを特徴とするものである。

0008

この請求項２に記載の発明では、電気回路基板自体にあるいは電気回路基板を組み付ける組付部材に固定部および支持部が設けられ、冷却手段の冷却部に固定部が面接触するとともに、その固定部に連設する支持部が電気回路を冷却部に対して鉛直あるいは傾く状態で支持する。したがって、電気回路基板は、冷却手段の冷却部に大面積で面接触することなく立てた状態で取り付けられて、任意の温度に冷却される。

0009

請求項３に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載の電気回路基板の冷却手段への取付構造を備え、前記保持手段は冷却手段の冷却部に複数配置すると共に、該冷却部は前記固定部を複数固定できる面積を有することを特徴とするものである。この請求項３に記載の発明では、複数の電気回路基板が、冷却手段の冷却部に大面積で面接触することなく、支持部および固定部により立てられた状態でその冷却部に取り付けられると共に、電気回路基板の各々には冷却部に配置された保持手段に保持された導線が接続される。したがって、複数の電気回路基板は、外部の熱により温度分布が生じることもなく、任意の温度に冷却される。

0010

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１および図２は本発明に係る電気回路基板の冷却手段への取付構造の第１実施形態を示す図である。両図において、11、12は上下に対面する一対の冷却ヘッドであり、冷却ヘッド11、12は、冷却手段の冷却部を構成するように、例えば、パルス管冷凍機のパルス管の低温部を嵌挿穴13ａ内に嵌入されそのパルス管内のガスとの間で熱交換（吸熱）を行なう熱交換器13の上下に熱伝導率の大きなＣｕにより一体に作製されている。この冷却ヘッド11、12は、真空チャンバー内に配置されて外部から断熱した状態でパルス管冷凍機を駆動させることにより７０Ｋなどの極低温まで均一に冷却することができるようになっており、上部の冷却ヘッド11には、例えば、ＨＴＳフィルタ回路21をＭｇＯ基板22の一面側に形成されたＨＴＳフィルタ基板（電気回路基板）23を複数枚固定してセットする一方、下部の冷却ヘッド12には、真空チャンバー外の外部装置との間で電気信号を伝送する同軸ケーブル（導体）31を貫通させた状態でその周面（外被あるいはＧＮＤ電極）に面接触し保持する貫通穴（保持手段）14が穿孔されている。このため、同軸ケーブル31に外部装置側から伝熱してきたとしても下部の冷却ヘッド12により冷却され、ＨＴＳフィルタ基板23の冷却に影響することがない。

0011

ＨＴＳフィルタ基板23のＭｇＯ基板22は、略Ｌ字型に形成されてその下部に位置する短尺の固定部22ａを冷却ヘッド11の上面に面接触させてねじ止めされるとともに、その固定部22ａに直交するように連設されている支持部22ｂの一面側にＨＴＳフィルタ回路21が形成されることにより、そのＨＴＳフィルタ回路21の延長面が冷却ヘッド11に交叉するように、すなわち、ＨＴＳフィルタ回路21を立てる状態（本実施形態では鉛直状態）で支持して複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を冷却ヘッド11に固定できるようになっている。このＭｇＯ基板22は、固定部22ａと冷却ヘッド11の間にＩｎ箔を挟み込むことにより、あるいは冷却ヘッド11の上面に金メッキなどすることにより、固定部22ａと冷却ヘッド11とを密着させて面接触させている。ここで、ＭｇＯ基板22は、低温にするほどＣｕよりも熱伝導率が大きくなって、ＨＴＳフィルタ回路21を均一に極低温にすることができる。このため、ＨＴＳフィルタ回路21を形成したＭｇＯ基板22の支持部22ｂを冷却ヘッド11に面接触させることなく、その固定部22ａから熱を奪ってＨＴＳフィルタ基板23全体を極低温に均一に冷却することができ、複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を冷却ヘッド11にセットすることができる。

0012

したがって、冷却ヘッド11に複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を立てた状態でセットして、同軸ケーブル31からの伝熱を下部の冷却ヘッド12により冷却することによって、１枚のＨＴＳフィルタ基板23が冷却ヘッド11を占有してしまうことなく、それぞれのＨＴＳフィルタ回路21に温度分布を生じさせることなく、複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を極低温に均一に冷却することができる。

0013

なお、ＨＴＳフィルタ基板23の固定は、ねじ止めに限らず、板ばねやスプリングの弾性力により冷却ヘッド11の上面にＭｇＯ基板22を押し付けて固定するようにしてもよい。このように本実施形態においては、外部装置側から熱がＨＴＳフィルタ回路21に伝熱することを防止するとともに、冷却ヘッド11に立てた状態でＨＴＳフィルタ基板23を均一に冷却することができるので、ＨＴＳフィルタ基板23毎に冷却ヘッド11を準備する必要がなく、１つのパルス管冷凍機により複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を極低温に、効率よく、かつ、信頼性高く均一に冷却することができる。

0014

また、本実施形態の他の態様としては、図３に示すように、冷却ヘッド11に固定用のリブ11ａが立てられているときには、支持部22ｂを延長した固定部22ｃをＭｇＯ基板22に形成して、そのリブ11ａの側面に固定部22ｃを面接触させねじ止めする構成にすることによって、ＨＴＳフィルタ回路21を立てる状態で支持し、複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を冷却ヘッド11に固定できるようにする。すなわち、ＭｇＯ基板22の固定部は、冷却ヘッド11の形状に対応して支持部22ｂが支持するＨＴＳフィルタ回路21を立てる状態となるように形成すればよい。

0015

なお、本実施形態では、複数枚のＨＴＳフィルタ基板23を冷却する場合を説明したが、１枚のＨＴＳフィルタ基板23を冷却する場合には冷却ヘッド11を小型にすることもできる。また、同一種の電気回路基板に限るものではないことはいうまでもなく、例えば、ローノイズアンプを構築する場合には、ＨＴＳフィルタ基板23と共に、個々の基板を冷却ヘッド11上に立てた状態で併置して各々を極低温に均一に冷却することもできる。また、ＨＴＳフィルタ基板23は、ＭｇＯ基板22に限らず、ＬａＡｌＯ3基板、ＳｒＴｉＯ3基板、あるいはＡｌ2Ｏ3基板などの超電導材料の薄膜を形成可能なセラミックス基板を利用してもよい。

0016

次に、図４は本発明に係る電気回路基板の冷却手段への取付構造の第２実施形態を示す図である。なお、本実施形態は、上述実施形態と略同様に構成されているため、同様な構成には同一の符号を付してその説明を省略する。同図において、冷却ヘッド11は、上述実施形態の冷却ヘッド12と対にされることなく、熱交換器13の上部に一体に作製されており、この冷却ヘッド11の上面には、同軸ケーブル31の信号線（中心導体）31ａおよびＨＴＳフィルタ回路21から引き出した導線24を接続するコネクタ部（保持手段）41がそのＨＴＳフィルタ回路21のＩＮ側およびＯＵＴ側に１対１に対応して両側辺側の複数箇所に配設されている。なお、同軸ケーブル31は、外被側の外導体（ＧＮＤ）をコネクタ部41近傍の冷却ヘッド11に固定することにより保持するようになっている。

0017

コネクタ部41は、信号線31ａおよび導線24を公知の方式により電気的に接続して保持させ電気信号を中継（伝送）するように、例えば、信号線31ａおよび導線24を同一の電極間に挟み込んだり、半田付けあるいは溶着などの方法により接続する。このコネクタ部41は、冷却ヘッド11から電気的に絶縁されている一方、その冷却ヘッド11の他の部分と略同一の温度に冷却できるように構成されている。

0018

したがって、同軸ケーブル31の信号線31ａは、上述実施形態においては外導体や絶縁材料を介して冷却ヘッド11により冷却されるため、冷却ヘッド11と略同等に冷却することは難しかったが、その信号線31ａは冷却ヘッド11と略同等な温度に冷却されるコネクタ部41に接続しているので、確実に冷却される。このように本実施形態においては、上述実施形態の作用効果に加え、同軸ケーブル31の信号線31ａを冷却ヘッド11と略同様な温度に冷却されるコネクタ部41を介してＨＴＳフィルタ回路21に接続するので、その信号線31ａを同軸ケーブル31の外被側と同様に冷却ヘッド11により冷却することができ、外部装置側からの伝熱がＨＴＳフィルタ回路21に影響することをより確実に防止することができる。したがって、信頼性をより向上させることができる。

0019

また、同軸ケーブル31は、コネクタ部41近傍の冷却ヘッド11に固定するので、同軸ケーブル31を取り廻して直接、ＨＴＳフィルタ回路21に信号線31ａを接続する必要がなく、ＨＴＳフィルタ基板23の交換も容易に行なうことができ、また、同軸ケーブル31がＨＴＳフィルタ基板23のセットなどに邪魔にならないようにまとめることもできる。したがって、作業性を向上させることもできる。

0020

なお、上述第１、第２実施形態の何れも、図５に示すように、冷却ヘッド11にＭｇＯ基板22の全面を接触させて１枚のＨＴＳフィルタ基板23をセットするときにも適用することができ、第２実施形態を適用する場合には、そのまま同軸ケーブル31の信号線31ａおよびＨＴＳフィルタ回路21からの導線24をコネクタ部41（不図示）に接続すればよく、上述第１実施形態を適用する場合には、冷却ヘッド12を設けることなく貫通穴14を冷却ヘッド11に穿孔して同軸ケーブル31を冷却可能に保持させ、その信号線31ａをＨＴＳフィルタ回路21に接続するようにすることもできる。

0021

また、上述第１、第２実施形態の何れもＨＴＳフィルタ基板23（ＭｇＯ基板22）自体を冷却ヘッド11に固定しているが、これに限らず、熱伝導率の大きなホルダなどの組付部材を用いて同様に冷却ヘッド11にセットできるようにしてもよく、また、冷却ヘッド11に対する姿勢も鉛直に限らず、セットするスペースなどの事情に応じて傾けるなどしてもよいことはいうまでもない。

0022

請求項１に記載の発明によれば、電気回路基板および外部装置の間の導線は、冷却部に配置された保持手段がその途中で電気信号を伝送可能に保持するので、外部装置側から外部の熱が電気回路基板に直接伝熱することがなく、電気回路基板に温度分布が生じることを防止することができる。したがって、電気回路基板を大面積で冷却部に面接触させる必要がなく、電気回路基板の一部から熱を奪って均一に冷却することができ、電気回路基板の占有面積を小さくして、冷却部の小型化や複数の電気回路基板のセットを実現することができる。

0023

請求項２に記載の発明によれば、電気回路基板は、立てた状態で支持部が電気回路を支持するとともに、その支持部に連設する固定部が冷却部に面接触して冷却するので、冷却部に大面積で面接触させることなく電気回路基板を冷却することができる。したがって、電気回路基板が冷却部を占有してしまうことなく、電気回路基板の一部から熱を奪って均一に冷却することができ、電気回路基板の占有面積を小さくして、冷却部の小型化や複数の電気回路基板のセットを実現することができる。

0024

請求項３に記載の発明によれば、上記する請求項１および２に記載の発明に係る電気回路基板の冷却手段への取付構造を採用するので、これら発明の効果を得ることができ、複数の電気回路基板を外部装置との間で電気信号を伝送可能に１つの冷却部に取り付けて、外部からの伝熱による温度分布を生じさせることなく冷却することができる。したがって、複数の電気回路基板を１つの冷却手段により効率よくかつ信頼性高く均一に冷却することができる。

0025

図１本発明に係る電気回路基板の冷却手段への取付構造の第１実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す斜視図である。
図２その要部を示す一方向からの立面図である。
図３その要部の他の態様を示す図２と同一方向からの立面図である。
図４本発明に係る電気回路基板の冷却手段への取付構造の第２実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す斜視図である。
図５その１枚の電気回路基板を取り付ける場合を説明する一方向からの立面図である。
図６その従来技術を説明する一方向からの立面図である。

0026

11、12冷却ヘッド（冷却部）
13熱交換器
14貫通穴（保持手段）
21ＨＴＳフィルタ回路
22ＭｇＯ基板
22ａ、22ｃ 固定部
22ｂ 支持部
23 ＨＴＳフィルタ基板（電気回路基板）
24導線
31同軸ケーブル（導線）
31ａ信号線（導線）
41コネクタ部（保持手段）