JP6267686B2 - 冷却構造を備える一体型電子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、冷却構造及び電子部品を備える基板を有する一体型電子モジュールに関する。

一体型電子モジュールは、例えば特許文献１等で知られている。この既知の一体型電子モジュールは、集積電子基板を備えた熱交換装置として形成されている。この一体型電子基板は、プリント基板と、該プリント回路基板から分離した対向基板（反対側の基板）とを有する。電子部品はプリント基板へ実装されている。
プリント回路基板と対向基板との間の空間は、貯留層を形成する。貯留槽に流体的に連通する流体導管の本体が、電子部品の上面に実装されている。冷却剤である新鮮な空気が導管に入り、プリント回路基板と対向基板との間の貯留層を通して運び去られる。
さらに、特許文献２は、プラスチック制御板を開示している。このプラスチック制御板は、アルミニウム熱伝導体の上に配置される回路基板を備える。チャネルを通って流れる冷却媒体が熱伝導体に直に接して流れるように、熱伝導体はチャネル上に配置される。

米国特許７，３９７，６６５号公報 米国出願２００４/００３５２４５号公報

本発明の目的は、磁気共鳴環境と適合し、単純な部品から製造することができる一体型電子モジュールを提供することにある。

本発明の目的は、本発明の一体型電子モジュールによって達成され、該一体型電子モジュールは、
・基板；
・前記基板の実装面に実装される、電子部品；
・前記基板の冷却面に配置される熱伝導層であり、前記冷却面と前記実装面とは、前記基板の反対側の面である、熱伝導層；及び
・スリット加工された銅層として形成される前記熱伝導層へ熱接触して実装される流体導管を有する、非磁性材料の流体冷却構造；
を有する。

本発明のこれら及び他の態様は、添付の図面を特徴とし、以下を参照して説明した実施形態を参照して説明される。

本発明における一体型電子モジュールの概略側面図である。

図１は、本発明における一体型電子モジュールの概略側面図である。基板１の実装面１１において、複数の電子部品２が実装されている。基板１はプリント回路基板（printed circuit board:ＰＣＢ）であってもよく、又は電気絶縁層であってもよい。
電子部品２は、電気接続部２１によって、ＰＣＢ表面１１１にある導電トレース１１２に電気的に接続されている。この種のＰＣＢは、熱伝導性を最大にするため、典型的に単一のレイヤーボードであり、それゆえ、接続は、ＰＣＢの部品側でのみ行われる。
絶縁層が基板１として用いられる場合、電気接続部２２は、電子部品２間に直接的に設けられ得る。電子部品２間の接続又はＰＣＢ内に設けられた電気接続は、一体型電子モジュールの機能性を規定する電子回路を形成する。
このような絶縁金属基板ＰＣＢは、基本的に、表面実装部品が組立てられることを可能にするのみである（スルーホール又はビアなしで組み立てられる）。このようなタイプのＰＣＢは、単一の層のみを備えるので、可能な限り比較的簡潔な回路が好まれ、そうでなければ、信号の経路制御が困難になるおそれがある。従って、このタイプのＰＣＢは、典型的に、アンプ、レギュレーター、パワーＬＥＤ、又はパワー抵抗等のたくさんの電力を消費する部品、のみを有している。
電子部品２は基板１の実装面１１に実装される。基板１の実装面１１の反対側は、冷却面１２と呼ばれる。

動作中、電子部品は熱を発生するものである。熱伝導層３は、高い熱伝導性を持つ連続的な層として、冷却面１２上に配置されている。例えば、熱伝導層３は、連続的な銅の層であってもよい。熱伝導層３は、基板１と流体冷却構造４との間の良好な熱交換を提供する。故に、本発明の一体型電子モジュールの過熱を回避するように、流体冷却構造４は、電子部品２によって発生した熱を運び去ることができる。
熱伝導層３の適切な材料は、銅（熱伝導率：３８５Ｗ／ｍ Ｋ）又はアルミニウム（熱伝導率：２０５Ｗ／ｍ Ｋ）である。アルミニウムの熱伝導率で、十分に良好であることが多く、アルミニウムを用いることによって構造を軽量化できる。

流体冷却構造４は、冷却流体が通る複数の流体導管４１を備える。冷却流体との接触領域が大きいほど、また、流体の流れが速いほど、より多い電力が消散されて冷却される。例えば、消散される電力は、通常、５０〜５００Ｗの範囲にある。この種の電力レベルは、通常、空気冷却で行うことができるが、ファンが動作しないＭＲＩ環境ではそうでなく、また、より長い距離から十分な冷却空気を運ぶことは困難であり、実用的ではない。

冷却流体を流体導管４１へ挿入するとともに、加熱された流体を運び去るように、流体入力部/出力部４３が、流体導管４１に流体的に連通して設けられている。流体導管４１の１つが熱伝導層３と接するときに、良好な熱接触が顕著に形成される。流体導管は、液体入力コネクタから液体出力コネクタへの、例えば単一の、溝として形成される。また、複数の溝が形成されてもよい。これらの溝は、プラスチックブロック内に簡単に加工されることができる。
ここでは熱伝導層３との境界における流体冷却構造４の周りのリングの形態の、流体密封シール４２が、流体導管の外へ流体が漏れるのを防止する流体密封バリアを形成するように設けられている。例えば、Ｏリングが、ＭＲ適合性があるバイトン（登録商標）で作成される。

流体導管４１は、筐体４４へ収容される。流体導管４１と筐体４４の両方は、例えばプラスチック等の、非磁性で、非導電性の、比較的安価な材料で作製される。冷却流体のための導管４１は例えば、単一の層の中のみに配置される。流体が流れるために、単純に、プラスチック冷却ブロックの底部に溝がある。
流体冷却構造４は、ＲＦ場に応答してＲＦ周波数領域の信号を生成することはなく、また、勾配磁場パルスに応答して渦電流を生成することもない。
熱伝導層３は銅又はアルミニウムの薄い層であると好ましい。

本発明は、撮像容積のすぐ近くではないが、ＭＲ撮像中にＭＲ患者テーブルにて使用されることができる程度に、ＭＲ適合性がある、冷却システムを提案する。特に、そのＭＲ適合性要求は、例えば、ＭＲ受信コイルに関して要求されるものほど厳しくない。銅層の厚みが最小化される場合、提案する本発明のＭＲ適合性が改善される。
複数の実在物（entity）への銅層のスリット加工は、渦電流効果を低減する。渦電流を避けるためのスリット加工の必要性は、ＭＲ撮像容積への距離によって決定される。

流体冷却構造を備えた熱伝導層は、電子部品から一体型電子モジュールの外部へ非常に良好な熱交換を実現する。電子部品の動作中に発生した熱は、基板を介して熱伝導層に伝達される。熱伝導層は銅又はアルミニウムの層であってもよい。銅の熱伝導層は、その高い熱伝導率により、非常に均一な空間温度分布を提供する。冷却流体は、一体型電子モジュールの外部へ熱を運び去る。実際には、蒸留水が良好な冷却剤となりうる。

熱伝導層は、電子部品間の電気接続を有する、プリント回路基板（ＰＣＢ）又は電気絶縁性基板等の標準的な基板が用いられることを可能にする。この基板は、薄く熱抵抗が低いので、基板の実装面上の電子部品と、反対側の冷却面上の熱伝導層との間で良好な熱交換が存在する。基板の材料の熱抵抗の典型的な値は、ＣＣＡＦ−０１で：１℃／Ｗ、またはＣＣＡＦ−０６で：０．４℃／Ｗである。

流体冷却構造は、非磁性材料から作られているので、一体型電子回路モジュールは、磁気共鳴検査システムの動作に影響を与えない。なお、さまざまなレベルのＭＲＩ適合性がある。電子部品が、撮像容積の内側又は非常に接近している部品（ＭＲＩ、ＲＦ受信コイル等）へ適用される場合、ＭＲＩ適合性がほぼ完全である必要がある。
本発明では、ＭＲＩ適合性は、なおも完全な磁場中であって、磁気共鳴検査システムの勾配とＲＦフィールドによって影響を受ける、患者テーブルで、何らかの制御電子回路を使用することができる程度にすべきである。このレベルのＭＲＩ適合性のための、磁気共鳴検査システムの撮像容積への距離は、典型的には１メートル以上である。

本発明の一体型電子モジュールは、制御されるシステム・コンポーネントの近くに制御電子部品を配置することを可能にする。
例えば、ＭＲ画像ガイド下での高密度焦点式超音波治療（high-intensity focused ultrasound therapy：ＨＩＦＵ）において、高密度焦点の超音波ビームを生成するために、システムドライバアンプを振動子（Transducer）の近くに取り付けることができる。
また、電気モーターを制御するための電子部品を、モーターの近くに設けることができる。機械的位置決め部/ロボットを制御する、（例えば５つの）長いネジを回転させるために使用される、特殊な非磁性モーターを備える機械的な位置決め装置が利用可能である。ＨＩＦＵシステムの超音波送信振動子は、この位置決め装置に固定される。そして、モーターは、振動子を５つの自由度で要求された位置と角度へ移動させるために使用することができる。
従来の機械的な位置決め装置は、それ自体、国際出願のＷＯ２００８／０２６１３４及びＷＯ２０１１／０３６６０７から知られている。
直腸又は経尿道のＨＩＦＵ前立腺アプリケーション用の機械的位置決め装置は、回転スティックのみ備える、よりシンプルなモータシステムを備えていてもよく、可能であれば、振動子スティックを「入力/出力」間で移動させるための第二モーターを備えていてもよい。

本発明のこれら及び他の態様はさらに、従属請求項に規定される実施形態を参照して詳述する。

一体型電子モジュールの好ましい実施形態では、流体導管は、熱伝導層に接して配置されている。これは、非常に効率的な熱交換が達成されるように、熱伝導層と冷却構造の特に流体導管内の冷却剤との間の優れた熱的接触を提供する。これは、熱伝導層と流体導管内の冷却流体との間の最適な熱交換を実現する。
流体導管と熱伝導層とが接触する場所から流体が漏れないように、流体密封シールが、例えばＯリングシールの形態で、流体導管と熱伝導層との間に設けられている。

本発明のさらなる実施形態において、流体導管は、冷却面の領域にわたって分布される。流体導管は、例えば、液体入力コネクタから液体出力コネクタへの単一の溝として形成されている。

本発明のさらなる実施形態において、流体冷却構造において、複数の流体導管が設けられている。また、複数の溝が形成されてもよい。熱伝導層と冷却流体との接触面積が最大となるとき、また、流体の流れが最大となるとき、熱伝達能力が増大する。

本発明の別の好ましい実施形態では、流体導管は、熱伝導層に接している。

１ 基板
２ 電子部品
３ 熱伝導層
４ 流体冷却構造
１１ 実装面
１２ 冷却面
２１，２２ 電気接続部
４１ 流体導管
４２ 流体密封シール
４３ 流体入出力部
４４ 筐体

Claims (4)

1. 磁気共鳴検査システムに適合した一体型電子モジュールであって、
   基板と、
   前記基板の実装面に実装される、複数の電子部品と、
   前記基板の冷却面に配置される熱伝導層であり、前記冷却面と前記実装面とは、前記基板の反対側の面であり、当該熱伝導層は、渦電流効果を抑制するために複数の物体へとスリット加工された銅層を有する、熱伝導層と、
   前記熱伝導層へ熱接触した流体導管を有する、非磁性材料の流体冷却構造と、
   を有する、
   一体型電子モジュール。
2. 前記流体導管は、前記熱伝導層に接しており、
   流体密封シールが、前記流体導管の外周及び前記熱伝導層の表面に接して備えられている、
   請求項１記載の一体型電子モジュール。
3. 前記流体導管は、前記冷却面の領域にわたって分布される、請求項１記載の一体型電子モジュール。
4. 前記流体冷却構造は、複数の流体導管を備える、
   請求項１又は２記載の一体型電子モジュール。

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