JP2011220620A - プレート型ヒートパイプモジュール及びこれを用いたパワー半導体の冷却装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体の冷却に適した、小型、薄型、軽量なプレート型ヒートパイプモジュールを提案する。
【解決手段】矩形金属板をプレス成形して放熱プレート１１を形成し、放熱プレート１１に、一方の側端から他方の側端に至る複数の並列路１２ａが、一方又は両方の側端で連通した偏平な膨出部１２を形成し、膨出部１２の平面形状より一回り小さな平面形状の蒸気誘導板を形成し、放熱プレート１１の平面形状と略同一平面形状の仕切板を形成し、膨出部１２の凹部空間内に蒸気誘導板を収納し、仕切板を挟んで２枚の放熱プレート１１を裏面を対向させて接合し、膨出部１２の凹部空間で仕切板の上下に区画された作動流体の通路を形成し、一方の側部を受熱部とし、他方の側部を放熱部とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、プレート間に封入した作動流体が相変化を伴う熱輸送して発熱体を冷却するプレート型ヒートパイプモジュール、及び、このプレート型ヒートパイプモジュールを用いたパワー半導体の冷却装置に関するものである。

プレート型ヒートパイプは、プレート間に作動流体の通路を形成し、真空引きした後に作動流体を通路内に封入して形成され、半導体素子等の発熱体の冷却に用いられている。作動流体は、受熱部にて発熱体の熱により蒸発し、蒸気が放熱部に移動して放熱し、液化して液滴が受熱部に戻り、こうした熱輸送作用により発熱体を冷却するものである。プレート型ヒートパイプの構造は、特許文献１に示す、アルミ押出し成型による多孔扁平管を用いるものや、特許文献２に示す、一方又は両方のプレートに溝を形成して接合したものがあり、プレート間に平行通路や蛇行通路を形成し、通路内に熱輸送を行う作動流体を封入して形成されている。これらのプレート型ヒートパイプは、ＣＰＵやＭＰＵ等の主に半導体チップの冷却に使用されている。

特開２００６−５２９４２号公報 特開２００４−３０９００２号公報

一方、太陽光発電装置等で大電力の制御に用いられるパワー半導体の冷却に、フィンタイプのヒートシンクを用いれば、そのサイズは巨大となり、代わってプレート型ヒートパイプを用いれば、薄型、軽量化が図られる。しかし、パワー半導体の冷却に用いるプレート型ヒートパイプは、半導体チップの冷却用のものに比べてプレートのサイズ（面積）は一桁大きなものとなり、その構造をそのまま適用することはできない。素材として、アルミよりも熱伝導性に優れた銅板を用いることで、プレートの小型化が可能であるが、柔らかな素材である銅は強度に課題がある。

この発明は、こうした課題を解決することを目的とするもので、パワー半導体の冷却に適した、小型、薄型、軽量なプレート型ヒートパイプモジュールを提案することを目的とするものである。また、このプレート型ヒートパイプモジュールを任意体数用い、小発熱量から大発熱量に至るパワー半導体の冷却に適用し、冷却性能に優れるとともに、組立作業性、生産性、メンテナンス性に優れたパワー半導体の冷却装置を提案することを目的とするものである。

こうした目的を達成するため、この発明のプレート型ヒートパイプモジュールは、矩形金属板をプレス成形して放熱プレート１１を形成し、放熱プレート１１に、一方の側端から他方の側端に至る複数の並列路１２ａが、一方又は両方の側端で連通した偏平な膨出部１２を形成し、膨出部１２の平面形状より一回り小さな平面形状の蒸気誘導板１４を形成し、放熱プレート１１の平面形状と略同一平面形状の仕切板１５を形成する。そして、膨出部１２の凹部空間内に蒸気誘導板１４を収納し、仕切板１５を挟んで２枚の放熱プレート１１を裏面を対向させて接合し、膨出部１２の凹部空間で仕切板１５の上下に区画された作動流体の通路を形成し、一方の側部を受熱部とし、他方の側部を放熱部とするものである。

また、蒸気誘導板１４をステンレス製金網で形成するものである。

また、仕切板１５に複数の開孔１５ａを形成し、仕切板１５で区画された作動流体の通路を連通させるものである。

また、放熱プレート１１の表面に、並列路１２ａ間の溝に底部を嵌入してフィン１６を設けるものである。

また、放熱プレート１１及び仕切板１５を銅板で形成し、ろう付けして接合するものである。

この発明のパワー半導体の冷却装置は、上記のプレート型ヒートパイプモジュール１０を用い、一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、任意体数のプレート型ヒートパイプモジュール１０を適宜のピッチ間隔を設けて取り付けるものである。

また、放熱部が受熱部より高い位置となるように、プレート型ヒートパイプモジュール１０を台座２０に取り付けるものである。

また、台座２０の内部に、各プレート型ヒートパイプモジュール１０用に独立した作動流体の滞留部２７を形成し、各滞留部２７と各プレート型ヒートパイプモジュール１０の作動流体の通路を連通させるものである。

この発明のプレート型ヒートパイプモジュールの特徴的な効果は、次の諸点である。
１）仕切板１５を挟んで２枚の放熱プレート１１を接合し、仕切板１５の上下に区画された２室２系統の作動流体の通路を形成し、この通路は、一方の側端から他方の側端に至る複数の偏平通路として形成され、且つ内部に蒸気誘導板１４を収納したので、受熱部にて蒸発した蒸気及び放熱部にて液化した液滴の移動が円滑に行われ、熱輸送特性に優れるものである。
２）作動流体の通路を形成する偏平な膨出部１２は、放熱プレート１１の周縁を除いて表面に亘って形成され、放熱面積の最大化が図られ、小型、薄型、軽量に製作される。
３）放熱プレート１１、蒸気誘導板１４、仕切板１５はプレス成形で簡単に形成され、製作コストが安価であり、２枚の放熱プレート１１と仕切板１５は周縁で堅固に接合され、３層構造であるから強度に優れる。

４）蒸気誘導板１４をステンレス製金網で形成することで、蒸気及び液滴の移送性の向上が図られる。
５）仕切板１５に複数の開孔１５ａを形成し、仕切板１５で区画された作動流体の通路を連通させることで、２室２系統の作動流体の通路間で熱移動可能とされ。熱分布が均一化される。
６）放熱プレート１１の表面に、並列路１２ａ間の溝に底部を嵌入してフィン１６を設けることで、放熱面積の増大により冷却性能の向上が図られる。
７）３層構造で強度に優れるので、放熱プレート１１及び仕切板１５を銅板で形成し、ろう付けして接合することで、熱伝導性に優れた銅材が適用され、さらなる小型化が可能である。

この発明のパワー半導体の冷却装置の特徴的な効果は、次の諸点である。
１）一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、プレート型ヒートパイプモジュール１０を適宜のピッチ間隔を設けて取り付けたので、プレート型ヒートパイプモジュール１０が高密度に設けられ、小体積でありながら冷却性能に優れるものである。
２）プレート型ヒートパイプモジュール１０の使用体数の増減により、小発熱量から大発熱量に至るパワー半導体の冷却装置に適用可能である。
３）使用するプレート型ヒートパイプモジュール１０を台座２０に任意手段で固定して簡単に組み立てられ、組立作業性、生産性に優れるとともに、液漏れ等の故障時には、故障したプレート型ヒートパイプモジュール１０だけの取替で修理され、メンテナンスも容易である。

４）放熱部が受熱部より高い位置となるように、プレート型ヒートパイプモジュール１０を台座２０に取り付けることで、高温部が低温部より下側となるボトムヒートモードで作動し、熱輸送特性の向上が図られる。
５）台座２０の内部に、各プレート型ヒートパイプモジュール１０用に独立した作動流体の滞留部２７を形成し、各滞留部２７と各プレート型ヒートパイプモジュール１０の作動流体の通路を連通させることで、パワー半導体の発熱を滞留部２７で直接受熱することができるとともに、作動流体の容量が増大され、冷却性能の向上が図られる。また、滞留部２７が独立しているので、１体の故障が冷却装置全体の故障に至ることを防止することができる。

この発明のプレート型ヒートパイプモジュールの平面図。 同じく正面図。 図２中Ａ−Ａ線で切断した拡大断面図。 蒸気誘導板の平面図。 仕切板の平面図。 組み立て方法を示す説明図。 フィンの取り付け状態を示す斜視図。 別のフィンの形状を示す説明図。 第１実施例の平面図。 同じく正面図。 第２実施例の斜視図。 組み立て方法を示す斜視図。 第３実施例の正面図。 台座の斜視図。 第４実施例で用いるプレート型ヒートパイプモジュールの平面図。 同じく正面図。 図１６中Ｂ−Ｂ線で切断した拡大断面図。 第４実施例の平面図。 同じく正面図。 台座の分解斜視図。 中板の平面図。 作動流体の通路を示す説明図。

以下に、この発明を実施するための形態について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１から８に、この発明のプレート型ヒートパイプモジュールの基本的な構成を示す。図において、矩形銅板をプレス成形して放熱プレート１１が形成され、放熱プレート１１に、一方の側端から他方の側端に至る複数の並列路１２ａが小間隔で並び、並列路１２ａの一方又は両方の側端で連通した偏平な膨出部１２が形成されている。図面の放熱プレート１１は、並列路１２ａの一方の側端（左側端）が連通し、他方の側端（右側端）が閉塞し、膨出部１２は櫛歯状に形成され、偏平な膨出部１２は、放熱プレート１１の周縁を除いて表面に亘って形成されている。

図４に示すように、膨出部１２の平面形状より一回り小さな平面形状の蒸気誘導板１４が形成され、図５に示すように、放熱プレート１１の平面形状と略同一平面形状の仕切板１５が形成されている。蒸気誘導板１４はステンレス製金網製で、仕切板１５は矩形銅板である。

図６に示すように、このプレート型ヒートパイプモジュール１０は、上下２枚の放熱プレート１１を用い、間に仕切板１５を挟んで裏面を対向させ、膨出部１２の凹部空間内に蒸気誘導板１４を収納した状態とし、放熱プレート１１と仕切板１５との間に箔ろう等のろう材を設置して組み立て、ろう付けして接合される。その結果、膨出部１２の凹部空間で仕切板１５の上下に区画された２室２系統の作動流体の通路が形成され、この通路は、一方の側端から他方の側端に至る複数の偏平通路として形成されている。なお、仕切板１５の任意の位置に複数の開孔１５ａが形成され、上下に区画された作動流体の通路が連通され、熱移動可能とされている。

膨出部１２の任意の位置にチャージ孔１２ｂが開孔され、作動流体の通路を真空引きした後、作動流体（例えば純水）を注入してチャージ孔１２ｂを閉塞し、通路内に作動流体が封入される。このようにして製作されたプレート型ヒートパイプモジュールは、一方の側部を受熱部とし、他方の側部を放熱部とし、作動流体が相変化を伴う熱輸送して発熱体を冷却する。参考までに、このプレート型ヒートパイプモジュールの平面サイズは、縦１２４ｍｍ、横２７５ｍｍである。

図７、８に、放熱プレート１１の表面に設けられるフィン１６を示す。図７に示すフィン１６は、銅板をＵ字状に折り曲げて形成され、その底部を並列路１２ａ間の溝に嵌入し、上下放熱プレート１１の表面に接合される。図８に示すフィン１６は、より幅広で底部に段付き突部１６ａを形成し、並列路１２ａ間の溝に突部１６ａを嵌入するとともに、底部の両袖が並列路１２ａに当接した状態で上下放熱プレート１１の表面に接合され、伝熱面積の増大を図ったものである。これらのフィン１６を設けることで放熱面積が増大され、求められる冷却性能に応じて要否が決定される。

図９，１０に、比較的小発熱量のパワー半導体に用いる冷却装置の適用例を示す。図に示すように、プレート型ヒートパイプモジュールは単体で使用され、上側の放熱プレート１１の一方の側部に台座２０を当接させ、台座２０上にパワー半導体３０が取り付けられる。

パワー半導体３０の発熱を台座２０を介してヒートパイプモジュール１０の受熱部にて受熱し、作動流体が蒸発し、蒸気が他方の側部の放熱部に移動して放熱し、液化して液滴が受熱部に戻る。こうした作動流体の熱輸送作用により、台座２０上のパワー半導体３０が冷却される。

図１１，１２に、中発熱量のパワー半導体に用いる冷却装置の適用例を示す。図に示すように、複数体のプレート型ヒートパイプモジュール１０が用いられ、一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、プレート型ヒートパイプモジュール１０が適宜の上下ピッチ間隔を設けて取り付けられている。各ヒートパイプモジュール１０の一方の側端に鉤片１０ａが両端に形成され、台座２０の左右の小口面に溝２１が形成され、図１２に示すように、重ねたヒートパイプモジュール１０の上方から、溝２１に鉤片１０ａを嵌入させて組み立て、取付片１０ｂにてビス止めして各ヒートパイプモジュール１０が台座２０に固定されている。

パワー半導体３０の発熱を台座２０を介して各ヒートパイプモジュール１０の受熱部にて受熱し、作動流体が蒸発し、蒸気が他方の側部の放熱部に移動して放熱し、液化して液滴が受熱部に戻る。こうした各ヒートパイプモジュール１０の作動流体の熱輸送作用により、台座２０に取り付けたパワー半導体３０が冷却される。

図１３，１４に、大発熱量のパワー半導体に用いる冷却装置の適用例を示す。図に示すように、多数のプレート型ヒートパイプモジュール１０が用いられ、一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、プレート型ヒートパイプモジュール１０が適宜の上下ピッチ間隔を設けて取り付けられている。本例では、プレート型ヒートパイプモジュール１０の並列路１２ａが閉塞した側端を受熱部とし、並列路１２ａの膨出形状に適合したコルゲート状の壁面２２ａが対向したコの字状の保持金具２２が形成されている。図１４に示すように、この保持金具２２が台座２０に適宜のピッチ間隔で並置して接合され、これに各ヒートパイプモジュール１０の受熱側の側端部を挿入して組み立てられる。

パワー半導体３０の発熱を台座２０、保持金具２２を介して各ヒートパイプモジュール１０の受熱部にて受熱し、作動流体が蒸発し、蒸気が他方の側部の放熱部に移動して放熱し、液化して液滴が受熱部に戻る。こうした各ヒートパイプモジュール１０の作動流体の熱輸送作用により、台座２０に取り付けたパワー半導体３０が冷却される。

図１５〜２０は、冷却性能の向上を図った冷却装置の適用例である。この冷却装置で用いられるプレート型ヒートパイプモジュール１０は、図１５，１６，１７に示すように形成され、同じく仕切板１５を挟んで２枚の放熱プレート１１を接合し、仕切板１５の上下に区画された作動流体の通路を形成するとともに、膨出部１２に連通した作動流体の導入口１８が長手方向両側縁に形成されている。受熱側の側端には、直角よりも若干の角度鋭角で折り曲げられた端縁部１０ｃが形成されている。

図１８、１９に組み立てた状態を示す。一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、８本のプレート型ヒートパイプモジュール１０が適宜の上下ピッチ間隔を設けて取り付けられている。各プレート型ヒートパイプモジュール１０は、端縁部１０ｃを台座２０に当接して上から押え板２５をビス止めして固定されている。端縁部１０ｃが直角よりも若干の角度鋭角で折り曲げられたので、図１９に示すように、各プレート型ヒートパイプモジュール１０は、台座２０に対して上方に傾斜した状態で固定され、放熱部が受熱部より高い位置とされている。

図２０、２１に台座２０の構成を示す。図に示すように、台座２０は、底板２０ａ、２枚の中板２０ｂ、２０ｃ、天板２０ｄの４枚の銅板を接合して形成され、２枚の中板２０ｂ、２０ｃには、ヒートパイプモジュール１０のピッチ間隔に適合した間隔で８本の溝孔２６が開孔されている。これらの４枚の板を重ねて接合した状態で、溝孔２６により作動流体の滞留部２７が形成され、この滞留部２７は、各プレート型ヒートパイプモジュール１０用に独立して形成されている。

天板２０ｄには、溝孔２６の両端位置に適合した位置にフレキシブル継手２３の取付孔２３ａが形成され、これにフレキシブル継手２３を挿入し、フレキシブル継手２３に配管したＴチーズ継手２４を導入口１８に接続し、各滞留部２７と各プレート型ヒートパイプモジュール１０の作動流体の通路が連通されている。接続にフレキシブル継手２３を用いたことで、ヒートパイプモジュール１０の傾斜した取り付けが可能とされ、Ｔチーズ継手２４の一方にて作動流体の通路を真空引きした後、作動流体を注入して通路内に作動流体が封入される。このように、Ｔチーズ継手は、真空引き及び作動流体の注入のために用いられ、別途チャージ孔を設けるなどの他の注入手段を用いるならば、Ｔチーズ継手に代えてエルボ継手で配管してもよい。２５ａは、天板２０ｄに設けた押え板２５の固定用ビス穴である。

図２２は、この冷却装置の作動流体の通路をハッチングで示したものである。図に示すように、各滞留部２７と各プレート型ヒートパイプモジュール１０の作動流体の通路が、フレキシブル継手２３、Ｔチーズ継手２４を介してループ状に連通され、これに作動流体が封入された状態である。したがって、作動流体が、滞留部２７とプレート型ヒートパイプモジュール１０との間を自在に移動して熱輸送し、パワー半導体の発熱が滞留部２７で直接受熱されるとともに、作動流体の容量の増大、高温部が低温部より下側となるボトムヒートモードでの作動と相俟って、冷却性能の向上が図られている。このように構成した冷却装置をユニットとし、各種の電力施設、装置等において使用されるパワー半導体３０の冷却装置として、必要なユニット数を連結して適用する。

１０ プレート型ヒートパイプモジュール
１１ 放熱プレート
１２ 膨出部
１２ａ 並列路
１４ 蒸気誘導板
１５ 仕切板
１５ａ 開孔
１６ フィン
２０ 台座
２７ 滞留部
３０ パワー半導体

Claims (8)

1. 矩形金属板をプレス成形して放熱プレート１１を形成し、放熱プレート１１に、一方の側端から他方の側端に至る複数の並列路１２ａが、一方又は両方の側端で連通した偏平な膨出部１２を形成し、
   膨出部１２の平面形状より一回り小さな平面形状の蒸気誘導板１４を形成し、放熱プレート１１の平面形状と略同一平面形状の仕切板１５を形成し、
   膨出部１２の凹部空間内に蒸気誘導板１４を収納し、仕切板１５を挟んで２枚の放熱プレート１１を裏面を対向させて接合し、膨出部１２の凹部空間で仕切板１５の上下に区画された作動流体の通路を形成し、
   一方の側部を受熱部とし、他方の側部を放熱部としたプレート型ヒートパイプモジュール。
2. 蒸気誘導板１４をステンレス製金網で形成した請求項１に記載のプレート型ヒートパイプモジュール。
3. 仕切板１５に複数の開孔１５ａを形成し、仕切板１５で区画された作動流体の通路を連通させた請求項１又は２に記載のプレート型ヒートパイプモジュール。
4. 放熱プレート１１の表面に。並列路１２ａ間の溝に底部を嵌入してフィン１６を設けた請求項１、２又は３に記載のプレート型ヒートパイプモジュール。
5. 放熱プレート１１及び仕切板１５を銅板で形成し、ろう付けして接合した請求項１、２３又は４に記載のプレート型ヒートパイプモジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のプレート型ヒートパイプモジュール１０を用い、
   一方の側面にパワー半導体３０を取り付けた台座２０の他方の側面に、任意体数のプレート型ヒートパイプモジュール１０を適宜のピッチ間隔を設けて取り付けたパワー半導体の冷却装置。
7. 放熱部が受熱部より高い位置となるように、プレート型ヒートパイプモジュール１０を台座２０に取り付けた請求項６に記載のパワー半導体の冷却装置。
8. 台座２０の内部に、各プレート型ヒートパイプモジュール１０用に独立した作動流体の滞留部２７を形成し、各滞留部２７と各プレート型ヒートパイプモジュール１０の作動流体の通路を連通させた請求項６又は７に記載のパワー半導体の冷却装置。

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