JP2006269629A - Heat pipe type cooler - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体素子などの機器を冷却するヒートパイプ式冷却器に関するものである。 The present invention relates to a heat pipe type cooler that cools devices such as semiconductor elements.
近年、電力変換装置では、半導体素子の大容量化、高速化に伴い発熱損失の増大が問題となっている。このため電力用半導体素子用冷却器の冷却効率の向上を図り、発熱損失の増大に対応して装置の大型化を避けることが重要な課題となっている。電力変換装置における電力用半導体素子としては、ダイオード、サイリスタ、GTO、IGBT等が用いられ、その冷却器としてはヒートパイプ式冷却器が使用されている。 In recent years, in power converters, an increase in heat generation loss has become a problem as the capacity and speed of semiconductor elements increase. For this reason, it is an important issue to improve the cooling efficiency of the cooler for power semiconductor elements and to avoid the enlargement of the apparatus in response to the increase in heat loss. Diodes, thyristors, GTOs, IGBTs, and the like are used as power semiconductor elements in the power converter, and heat pipe coolers are used as the coolers.
ヒートパイプ式冷却器は、直方体形状の受熱ブロックと、この受熱ブロックに取り付けられ、それぞれ受熱部および放熱部を有し、放熱部には多数の放熱フィンが取り付けられた複数本のヒートパイプとを備えている。ヒートパイプは、その内部に封入される冷媒(熱移送媒体)として、例えば特許文献1に記載されているように、一般に純水が使用されている。冷媒に純水を使用している理由は、熱伝達特性や熱容量などの特性が半導体素子の冷却に適してことから、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができるとともに環境汚染の問題も生じることがないからである。
ところで、冷媒として純水を封入したヒートパイプを使用したヒートパイプ式冷却器においては、周囲温度などの使用環境条件の幅が広い場合には、氷点下で使用される場合があり、0℃以下になると冷媒である純水が凍結する。純水が凍結した場合、冷媒としての機能が喪失するためにヒートパイプ式冷却器は、受熱ブロックの時定数だけで得られる冷却効果となり、冷却性能が大きく低下することになる。このため半導体素子の発生する熱量によっては、ヒートパイプ式冷却器の許容接合温度を逸脱し、最悪の場合には破損を生じる恐れがあった。 By the way, in a heat pipe type cooler using a heat pipe filled with pure water as a refrigerant, it may be used below freezing point when the range of environmental conditions such as ambient temperature is wide, and it may be used below 0 ° C. Then, pure water as a refrigerant freezes. When pure water freezes, the function as a refrigerant is lost, so the heat pipe type cooler has a cooling effect obtained only by the time constant of the heat receiving block, and the cooling performance is greatly reduced. For this reason, depending on the amount of heat generated by the semiconductor element, the allowable joining temperature of the heat pipe type cooler deviates, and in the worst case, there is a risk of damage.
一方、アンモニアなどの不凍液を封入したヒートパイプを使用することも考えられるが、このような冷媒を封入したヒートパイプを用いてヒートパイプ式冷却器を構成すると、凍結していない状態での冷却性能が純水入りヒートパイプのみで構成したヒートパイプ式冷却器に比べて冷却性能の劣るものとなる。 On the other hand, it is conceivable to use a heat pipe enclosing an antifreeze such as ammonia, but if a heat pipe type cooler is configured using a heat pipe enclosing such a refrigerant, the cooling performance in a state where it is not frozen However, the cooling performance is inferior to that of a heat pipe type cooler configured only with a heat pipe containing pure water.
このような冷媒の凍結を考慮したときの使用環境温度範囲を拡大するための技術として、特許文献2には、二種類の冷媒を用いた複合ヒートパイプが開示されている。しかし、ここに開示されているのは2本のヒートパイプを平行に並べた例だけであって、3本以上のヒートパイプをどのように並べたらよいかについては開示がない。
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、3本以上のヒートパイプを用いて、周囲温度などの使用環境条件の幅が広い場合においても、冷媒が機能的に作動して所望の冷却性能を確保することのできるヒートパイプ式冷却器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and the refrigerant operates functionally even when there are a wide range of environmental conditions such as ambient temperature using three or more heat pipes. It is an object of the present invention to provide a heat pipe type cooler that can ensure desired cooling performance.
上記の課題を解決するため、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した3本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを並置方向に交互に配置したことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a heat pipe type cooler in which three or more heat pipes each enclosing a refrigerant are attached to a heat receiving block. It is constituted by two kinds of enclosed heat pipes, and these two kinds of heat pipes are alternately arranged in the juxtaposition direction.
また、他の態様では、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した4本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した二種類のヒートパイプにより構成し、これら二種類のヒートパイプを相互に密着させた組を複数組作り、各組同士の間隔をおいて配置したことを特徴とする。 In another aspect, the present invention provides a heat pipe type cooler in which four or more heat pipes each enclosing a refrigerant are attached to a heat receiving block, and the heat pipe is enclosed with a refrigerant having a different operating region. It is characterized by comprising two sets of heat pipes, a plurality of sets in which these two types of heat pipes are brought into close contact with each other, and arranged with an interval between each set.
さらに他の態様では、本発明は、それぞれ内部に冷媒を封入した4本以上のヒートパイプを受熱ブロックに取り付けてなるヒートパイプ式冷却器において、前記ヒートパイプを、作動領域の異なる冷媒を封入した複数種類のヒートパイプにより構成し、冷媒の異なる複数種類のヒートパイプを冷媒の異なる種類毎に分離し、それぞれの種類毎に分離した放熱フィンを設けたことを特徴とする。 In still another aspect, the present invention relates to a heat pipe type cooler in which four or more heat pipes each enclosing a refrigerant are attached to a heat receiving block, and the heat pipe is encapsulated with a refrigerant having a different operation region. It is configured by a plurality of types of heat pipes, and a plurality of types of heat pipes having different refrigerants are separated for different types of refrigerants, and heat radiation fins separated for each type are provided.
本発明のヒートパイプ式冷却器によれば、ヒートパイプ冷却器全体の作動温度領域が広く、周囲温度が大きく変動しても、その温度変化に対応して冷媒が機能的に作動し、所望の冷却性能を確保することができる。 According to the heat pipe type cooler of the present invention, the operating temperature range of the entire heat pipe cooler is wide, and even if the ambient temperature fluctuates greatly, the refrigerant operates functionally in response to the temperature change, Cooling performance can be ensured.
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(a)および(b)はそれぞれ、本発明のヒートパイプ式冷却器における第1の実施の形態を示す正面図および側面図である。図1において、ヒートパイプ式冷却器1は、直方体形状の受熱ブロック2と、この受熱ブロック2に取り付けられた8本のヒートパイプ3a,3bを備えている。ヒートパイプ3a,3bは、アルミニウムや銅等の熱伝導性の良好な材料で形成した金属管の内部に熱移送媒体としての冷媒を封入して構成したもので、半導体素子が発生した熱を、受熱ブロック2を介して受熱部で吸収し、内部の冷媒を蒸発させて放熱部に移送し、放熱部を介して外部に放出するものである。またヒートパイプ3a,3bの放熱部には、それぞれヒートパイプ3a,3bと直交する方向に、熱伝導性の良好な材料で形成した多数の放熱フィン4が取り付けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B are a front view and a side view, respectively, showing a first embodiment of the heat pipe type cooler of the present invention. In FIG. 1, a
ここで、本実施の形態においては、二列に配設した計8本のヒートパイプ3a,3bのうち、並置方向の両端角部に位置する2本ずつ計4本のヒートパイプ3aについては、その内部に純水(作動領域30℃〜200℃)を冷媒として封入して構成したものであり、他方、並置方向の中間部に位置する計4本のヒートパイプ3bについては、その内部に不凍液であるアンモニア(作動領域−60℃〜100℃)を冷媒として封入して構成したものである。
Here, in the present embodiment, out of a total of eight
このように構成したヒートパイプ式冷却器1によれば、周囲温度が氷点下に至らないような温度の場合には、冷却効率の良い純水入りヒートパイプ3aと、純水入りヒートパイプ3aよりも冷却能力が劣る不凍液入りヒートパイプ3bとの両方が作動して冷却が行なわれる。また、周囲温度が氷点下になり、純水が凍結する温度になったときには、不凍液入りヒートパイプ3bのみが作動して冷却が行われることになる。したがってヒートパイプ式冷却器1の作動領域が広がり、純水が凍結する周囲温度になったときでも冷却機能が完全に失われることがなくなる。
According to the heat
図2は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第2の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態が上記第1の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ3aと不凍液入りヒートパイプ3bを並置方向に2本ずつ交互に配置したところにある。本実施の形態によれば、受熱ブロックに対する8本のヒートパイプ3a,3bの冷却能力が平準化され、受熱ブロックを幅広く均一に冷却することができる。
FIG. 2 is a top view showing a second embodiment of the heat pipe type cooler of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that two
図3は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第3の実施の形態を示す上面図である。本実施の形態が上記第1の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ3aと不凍液入りヒートパイプ3bを密着させて配置したところにある。本実施の形態によれば、純水入りヒートパイプ3aの純水が凍結する周囲温度になっても、作動している不凍液入りヒートパイプ3bの熱が純水入りヒートパイプ3aに伝導して内部の純水を暖めるように作用するので、純水の凍結を回避して純水入りヒートパイプ3bの冷却機能を確保することができる。
FIG. 3 is a top view showing a third embodiment of the heat pipe type cooler of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that the
図4は、本発明のヒートパイプ式冷却器における第4の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態が上記第1の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ3aと不凍液入りヒートパイプ3bを並置方向に二群に分けて配置し、各群のヒートパイプ3a,3bにそれぞれ分離した放熱フィン4a,4bを個別に取り付けたところにある。
FIG. 4 is a front view and a side view showing a fourth embodiment of the heat pipe type cooler of the present invention. The difference between this embodiment and the first embodiment is that the
本実施の形態によれば、冷却特性の異なるヒートパイプ3a,3b毎に最適化された放熱フィン4a,4bを取り付けることが可能となり、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができる。
According to the present embodiment, it is possible to attach the
図5は本発明のヒートパイプ式冷却器における第5の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態が上記第4の実施の形態と異なる点は、純水入りヒートパイプ3aと不凍液入りヒートパイプ3bを二列に分けて配置し、各列のヒートパイプ3a,3bにそれぞれ放熱フィン4a,4bを個別に取り付けたところにある。本実施の形態においても第4の実施の形態と同様に、冷却特性の異なるヒートパイプ3a,3b毎に最適化された放熱フィン4a,4bを取り付けることが可能となり、ヒートパイプ式冷却器の小型化を図ることができる。
FIG. 5 is a front view and a side view showing a fifth embodiment of the heat pipe type cooler of the present invention. This embodiment is different from the fourth embodiment in that the
なお、上記各実施の形態では、8本のヒートパイプを用いた場合について説明したが、2本以上のヒートパイプを用いた場合であれば、同様に実施できるものである。また不凍液としてアンモニアを例にとり説明したが、エチレングリコールやアルコールなどの他の不凍液を使用することもできる。さらに不凍液単独を冷媒として用いる場合に限らず、純水に混入した水溶液を使用することもできる。また純水入りヒートパイプと不凍液入りヒートパイプの本数を同数で構成した場合について説明したが、使用環境条件によっては、異なる本数で構成することができる。さらに複数本のヒートパイプにおける作動領域の異なる冷媒として、純水と不凍液の組み合わせに限らず、純水以外の作動領域の異なる二種類以上の冷媒を組み合わせて使用することもできる。 In each of the above embodiments, the case where eight heat pipes are used has been described. However, the case where two or more heat pipes are used can be similarly implemented. In addition, although ammonia has been described as an example of the antifreeze liquid, other antifreeze liquids such as ethylene glycol and alcohol can also be used. Furthermore, not only when using antifreeze liquid alone as a refrigerant, it is also possible to use an aqueous solution mixed in pure water. Moreover, although the case where the number of heat pipes containing pure water and the number of heat pipes containing antifreeze was configured in the same number has been described, it can be configured with different numbers depending on the use environment conditions. Furthermore, the refrigerant having different operation areas in the plurality of heat pipes is not limited to the combination of pure water and antifreeze liquid, and two or more kinds of refrigerants having different operation areas other than pure water can be used in combination.
1…ヒートパイプ式冷却器
2…受熱ブロック
3a,3b…ヒートパイプ
4a,4b…放熱フィン
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