JP2008267754A

JP2008267754A - ヒートパイプ式放熱装置

Info

Publication number: JP2008267754A
Application number: JP2007114497A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kumakura; 一裕熊倉
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】半導体素子などの発熱体が収納されたケーシングに装着する場合において、ケーシングにおける放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との間のシール作業を簡単に行いうるヒートパイプ式放熱装置を提供する。
【解決手段】ヒートパイプ式放熱装置１は、垂直板状の発熱体取付部２と、発熱体取付部２と直角をなすように発熱体取付部２の中央部に設けられ、かつ上端が発熱体取付部２よりも上方までのびる垂直板状の放熱部３とを備えており、上方から見てＴ字状となっている。発熱体取付部２における放熱部３側とは反対側の面を平坦面とし、発熱体取付面2Aとする。発熱体取付部２および放熱部３に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部4,5を形成し、作動液封入部4,5内に作動液を封入してヒートパイプ部６を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタなどの半導体素子からなる発熱体から発せられる熱を放熱するヒートパイプ式放熱装置に関する。

この明細書において、図１の上下を上下というものとする。

たとえば電気自動車、電車などの車両の制御装置や、産業用ロボットの制御装置や、工作機械の制御装置や、無停電電源装置などには、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタのような半導体素子からなる発熱体が用いられており、これらの発熱体から発せられる熱を放熱する必要がある。

上述した半導体素子からなる発熱体からの放熱を行うために、本出願人は、先に、垂直板状の発熱体取付部と、発熱体取付部と同一垂直面内に位置するように発熱体取付部と一体に設けられ、かつ上端が発熱体取付部よりも上方までのびる垂直板状の放熱部とを備えており、発熱体取付部および放熱部の全体が、互いに接合された２枚の金属板により形成され、両金属板間に、少なくともいずれか一方の金属板を外方に膨出させることにより、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる格子状の中空作動液封入部が形成され、作動液封入部内に作動液が封入されてヒートパイプ部が形成されている平板状ヒートパイプ式放熱装置を提案した（特許文献１参照）。

特許文献１記載のヒートパイプ式放熱装置は、次のようにして用いられていた。すなわち、たとえば上述した制御装置の半導体素子が収納されているケーシングの壁に発熱体取付部のみを通しうる放熱装置装着用貫通穴があけられ、ヒートパイプ式放熱装置の発熱体取付部のみが放熱装置装着用貫通穴を通して外側からケーシング内に差し込まれ、発熱体取付部の片面に半導体素子が取り付けられるとともに、ケーシングの外部に配された放熱部の両面に放熱フィンが取り付けて用いられていた。ところで、上述した制御装置のケーシング外には微細な塵埃などが存在しており、これがケーシング内に浸入すると、半導体素子に悪影響を及ぼす。そこで、ヒートパイプ式放熱装置の発熱体取付部と、ケーシングにおける放熱装置装着用貫通穴の周りの部分との間をシールする必要があるが、特許文献１記載のヒートパイプ式放熱装置は、互いに接合された２枚の金属板により形成され、両金属板間に、少なくともいずれか一方の金属板を外方に膨出させることにより、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる格子状の中空作動液封入部が形成されているので、表面に凹凸が存在しており、上述したシール作業が困難になり、シール性が低下するおそれがある。
特開平８−１８６２１０号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、半導体素子などの発熱体が収納されたケーシングに装着する場合において、ケーシングにおける放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との間のシール作業を簡単に行いうるヒートパイプ式放熱装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)垂直板状の発熱体取付部と、発熱体取付部と直角をなすように発熱体取付部に設けられ、かつ上端が発熱体取付部よりも上方までのびる垂直板状の放熱部とを備えており、発熱体取付部における放熱部側とは反対側の面が平坦面となされ、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部が形成され、作動液封入部内に作動液が封入されてヒートパイプ部が形成されているヒートパイプ式放熱装置。

2)発熱体取付部の作動液封入部内および放熱部の作動液封入部内に、それぞれ作動液を上下方向に流しうるインナーフィンが配置されている上記1)記載のヒートパイプ式放熱装置。

3)発熱体取付部における放熱部側とは反対側の平坦面が平坦な発熱体取付面となされている上記1)または2)記載のヒートパイプ式放熱装置。

4)発熱体取付部の幅方向の中央部に放熱部が設けられており、上方から見てＴ字状となっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のヒートパイプ式放熱装置。

5)平坦状の１枚の垂直状第１金属板と、上方から見て略Ｌ字状である２枚の垂直状第２金属板とよりなり、両第２金属板が、第１金属板に接合される第１部分と、第１部分と直角をなしかつ相互に接合される第２部分とを備えており、第２金属板の第１部分および第２部分を外方に膨出させることにより、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部が形成されている上記4)記載のヒートパイプ式放熱装置。

6)第１金属板が上方に延伸され、これにより片面が発熱体取付面と同一垂直面内に位置する垂直状シール板が設けられている上記5)記載のヒートパイプ式放熱装置。

7)第２金属板の第２部分における外方膨出部の外面が平坦面となされている上記5)または6)記載のヒートパイプ式放熱装置。

8)放熱部の作動液封入部の両面に、冷却気体を上下方向に流しうる放熱フィンが取り付けられている上記1)〜7)のうちのいずれかに記載のヒートパイプ式放熱装置。

上記1)のヒートパイプ式放熱装置は、たとえば次のようにして用いられる。すなわち、たとえば上述した制御装置の半導体素子が収納されているケーシングの壁に放熱装置装着用貫通穴があけられ、ヒートパイプ式放熱装置の発熱体取付部の平坦面の周縁部がケーシングの壁の外面における放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分に面接触させられた状態で、ヒートパイプ式放熱装置がケーシングに固定される。そして、ケーシングにおける放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との間のシールは、発熱体取付部の平坦面とケーシングの壁の外面における放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との面接触部を、たとえばシーラントで塞ぐことにより行われるので、シール作業を簡単に行うことができ、シール性が向上する。半導体素子等の発熱体は、発熱体取付部の平坦面における放熱装置装着用貫通穴を通してケーシング内に臨んだ部分に取り付けられる。

上記2)のヒートパイプ式放熱装置によれば、インナーフィンの働きによりヒートパイプ部の熱輸送性能が向上する。しかも、インナーフィンの働きによりヒートパイプ部の耐圧性が向上する。

上記3)のヒートパイプ式放熱装置によれば、上記1)のようにしてケーシングに装着され、平坦面からなる発熱体取付面に発熱体が取り付けられるので、発熱体取付部の均温性に優れるとともに、発熱電子部品から発熱体取付部への接触抵抗が小さくなり、その結果ヒートパイプ部における発熱体取付部に位置する蒸発部の作動液への熱伝導性が向上する。

上記5)のヒートパイプ式放熱装置によれば、中空状の作動液封入部を有する発熱体取付部および放熱部を比較的簡単につくることができる。

上記6)のヒートパイプ式放熱装置によれば、ケーシングの壁に縦長の放熱装置装着用貫通穴が形成されている場合にも、発熱体取付面および垂直状シール板における発熱体取付面と面一となった片面の周縁部が、ケーシングの壁の外面における放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分に面接触させられた状態で、ヒートパイプ式放熱装置がケーシングに固定される。そして、ケーシングにおける放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との間のシールは、発熱体取付部の平坦面および垂直状シール板における発熱体取付部の平坦面と面一の平坦面と、ケーシングの壁外面における放熱装置装着用貫通穴の周囲の部分との面接触部を、たとえばシーラントで塞ぐことにより行われるので、シール作業を簡単に行うことができ、シール性が向上する。

上記7)のヒートパイプ式放熱装置によれば、第２金属板の第２部分における外方膨出部の外面に放熱フィンを取り付けた場合、外方膨出部の外面と放熱フィンとの接触抵抗が小さくなり、ヒートパイプ部における放熱部に存在する凝縮部の作動液から放熱フィンへの熱伝導性が向上する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、図２の左右を左右といい、図２の上側を前、下側を後というものとする。また、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１はこの発明によるヒートパイプ式放熱装置の全体構成を示し、図２および図３は図１のヒートパイプ式放熱装置の使用状態を示す。

図１および図２において、ヒートパイプ式放熱装置(1)は、左右方向と平行な垂直板状の発熱体取付部(2)と、発熱体取付部(2)の左右方向の中央部に、発熱体取付部(2)と直角をなして前方に突出するように設けられ、かつ上端が発熱体取付部(2)よりも上方までのびる前後方向と平行な垂直板状の放熱部(3)とを備えており、上方から見てＴ字状となっている。発熱体取付部(2)および放熱部(3)に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部(4)(5)が形成され、作動液封入部(4)(5)内に作動液（図示略）が封入されてヒートパイプ部(6)が形成されている。ヒートパイプ部(6)における発熱体取付部(2)に位置する部分が蒸発部(6A)となり、放熱部(3)に位置する部分が凝縮部(6B)となっている。また、発熱体取付部(2)の後面（放熱部(3)側とは反対側の面）は平坦面となされ、この平坦面が発熱体取付面(2A)となっている。

ヒートパイプ式放熱装置(1)は、平坦状の１枚の垂直状第１アルミニウム板(7)（第１金属板）と、上方から見て略Ｌ字状であり、かつ上端が第１アルミニウム板(7)よりも上方までのびる２枚の垂直状第２アルミニウム板(8)（第２金属板）とよりなり、両第２アルミニウム板(8)が、第１アルミニウム板(7)にろう付された第１部分(8a)と、第１部分(8a)と直角をなしかつ相互にろう付された第２部分(8b)とを備えている。そして、第２アルミニウム板(8)の第１部分(8a)および第２部分(8b)を外方に膨出させて外方膨出部(9)(11)を形成することにより、発熱体取付部(2)および放熱部(3)に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部(4)(5)が形成されている。第２アルミニウム板(8)の第２部分(8b)における外方膨出部(11)の外面は平坦面となっている。

ヒートパイプ式放熱装置(1)の発熱体取付部(2)の作動液封入部(4)内に、波頂部および波底部が上下方向にのびかつ作動液を上下方向に流しうるアルミニウム製のコルゲート状インナーフィン(12)が配置され、第１アルミニウム板(7)および第２アルミニウム板(8)の第１部分(8a)にろう付されている。また、放熱部(3)の作動液封入部(5)内に、波頂部および波底部が上下方向にのびかつ作動液を上下方向に流しうるアルミニウム製のコルゲート状インナーフィン(13)が配置され、両第２アルミニウム板(8)の第２部分(8b)にろう付されている。なお、両インナーフィン(12)(13)は、ヒートパイプ部(6)の蒸発部(6A)で蒸発した気相作動液の凝縮部(6B)内への流れ、および凝縮部(6B)で凝縮した液相作動液の蒸発部(6A)内への流れを妨げないように配置されている。ここで、第１アルミニウム板(7)が発熱体取付部(2)の後壁を形成し、第２アルミニウム板(8)の第１部分(8a)が発熱体取付部(2)の前壁を形成する。また、両第２アルミニウム板(8)の第２部分(8b)が放熱部(3)の左右両壁を形成する。第１アルミニウム板(7)は上方に延伸されており、これにより後面が発熱体取付面(2A)と同一垂直面内に位置する垂直状シール板(14)が一体に設けられている。

また、ヒートパイプ式放熱装置(1)の第２アルミニウム板(8)における第２部分(8b)の外方膨出部(11)の外面、すなわち放熱部(3)の作動液封入部(5)の左右両面に、冷却気体を上下方向に流しうる放熱フィン(15)が取り付けられている。各放熱フィン(15)は、アルミニウム製基板(16)と、基板(16)の片面にろう付され、かつ波頂部および波底部が上下方向を向いたアルミニウム製コルゲート状フィン本体(17)と、基板(16)およびフィン本体(17)にろう付されかつフィン本体(17)を覆うアルミニウム製カバー(18)とよりなる。両放熱フィン(15)の基板(16)におけるフィン本体(17)がろう付されていない平坦面が、第２アルミニウム板(8)における第２部分(8b)の外方膨出部(11)の外面に面接触させられており、両放熱フィン(15)の基板(16)および第２アルミニウム板(8)の第２部分(8b)における外方膨出部(11)が形成されていない部分を貫通したボルト(19)の先端部にナット(21)をねじ嵌められることによって、第２アルミニウム板(8)における両第２部分(8b)の外方膨出部(11)の外面に放熱フィン(15)が取り付けられている。

ヒートパイプ式放熱装置(1)によって、たとえば上述した工作機械の制御装置の半導体装置から発せられる熱を放熱する方法は、次の通りである。

すなわち、図２および図３に示すように、半導体素子が収納されているケーシング(30)の壁(31)に、発熱体取付部(2)の発熱体取付面(2A)および垂直状シール板(14)の後面（発熱体取付面(2A)と面一の垂直面）を合わせた縦長長方形よりも若干小さな縦長長方形の放熱装置装着用貫通穴(32)を複数形成しておく。ついで、放熱装置装着用貫通穴(32)と同数のヒートパイプ式放熱装置(1)を用意し、各ヒートパイプ式放熱装置(1)の第１アルミニウム板(7)および垂直状シール板(14)により、ケーシング(30)の外側から各放熱装置装着用貫通穴(32)を塞ぎ、この状態で適当な手段により壁(31)に固定する。このとき、第１アルミニウム板(7)および垂直状シール板(14)を合わせた縦長の板の周縁部が、ケーシング(30)の壁(31)外面における放熱装置装着用貫通穴(32)の周囲の部分に面接触するので、この面接触部分を適当なシール手段、たとえばシーラントを用いてシールする。そして、各ヒートパイプ式放熱装置(1)のケーシング(30)の内側に露出した発熱体取付部(2)の発熱体取付面(2A)に半導体素子を取り付ける。

半導体素子から発せられる熱は、第１アルミニウム板(7)を経てヒートパイプ部(6)の蒸発部(6A)内の液相の作動液に伝わり、作動液が蒸発する。蒸発した気相の作動液は、ヒートパイプ部(6)の凝縮部(6B)内に入って凝縮部(6B)内を上昇する。気相の作動液の有する熱は、凝縮部(6B)において、第２アルミニウム板(8)の第２部分(8b)を通って放熱フィン(15)の基板(16)を経てフィン本体(17)に伝わり、フィン本体(17)から放熱される。その結果、気相の作動液は凝縮し、液相の作動液はヒートパイプ部(6)の蒸発部(6A)に戻る。このような動作を繰り返して、半導体素子から発せられる熱が放熱される。

この発明によるヒートパイプ式放熱装置の全体構成を示す斜視図である。この発明によるヒートパイプ式放熱装置の使用状態を示し、発熱体取付部での水平断面図である。この発明によるヒートパイプ式放熱装置の使用状態を示し、複数のヒートパイプ式放熱装置を半導体素子が収納されたケーシングに取り付ける状態を示す斜視図である。

符号の説明

(1)：ヒートパイプ式放熱装置
(2)：発熱体取付部
(2A)：発熱体取付面
(3)：放熱部
(4)(5)：作動液封入部
(6)：ヒートパイプ部
(7)：第１アルミニウム板（第１金属板）
(8)：第２アルミニウム板（第２金属板）
(8a)：第１部分
(8b)：第２部分
(9)(11)：外方膨出部
(12)(13)：インナーフィン
(14)：垂直状シール板
(15)：放熱フィン

Claims

垂直板状の発熱体取付部と、発熱体取付部と直角をなすように発熱体取付部に設けられ、かつ上端が発熱体取付部よりも上方までのびる垂直板状の放熱部とを備えており、発熱体取付部における放熱部側とは反対側の面が平坦面となされ、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部が形成され、作動液封入部内に作動液が封入されてヒートパイプ部が形成されているヒートパイプ式放熱装置。
発熱体取付部の作動液封入部内および放熱部の作動液封入部内に、それぞれ作動液を上下方向に流しうるインナーフィンが配置されている請求項１記載のヒートパイプ式放熱装置。
発熱体取付部における放熱部側とは反対側の平坦面が発熱体取付面となされている請求項１または２記載のヒートパイプ式放熱装置。
発熱体取付部の幅方向の中央部に放熱部が設けられており、上方から見てＴ字状となっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載のヒートパイプ式放熱装置。
平坦状の１枚の垂直状第１金属板と、上方から見て略Ｌ字状である２枚の垂直状第２金属板とよりなり、両第２金属板が、第１金属板に接合される第１部分と、第１部分と直角をなしかつ相互に接合される第２部分とを備えており、第２金属板の第１部分および第２部分を外方に膨出させることにより、発熱体取付部および放熱部に、それぞれ互いに通じる中空状の作動液封入部が形成されている請求項４記載のヒートパイプ式放熱装置。
第１金属板が上方に延伸され、これにより片面が発熱体取付面と同一垂直面内に位置する垂直状シール板が設けられている請求項５記載のヒートパイプ式放熱装置。
第２金属板の第２部分における外方膨出部の外面が平坦面となされている請求項５または６記載のヒートパイプ式放熱装置。
放熱部の作動液封入部の両面に、冷却気体を上下方向に流しうる放熱フィンが取り付けられている請求項１〜７のうちのいずれかに記載のヒートパイプ式放熱装置。