JP2012059952A

JP2012059952A - 電子機器冷却構造

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Publication number: JP2012059952A
Application number: JP2010202254A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Ipposhi; 茂俊一法師; Kenji Kato; 健次加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】高効率に自冷放熱できる電子機器冷却構造を提供する。
【解決手段】Ｌ字状に屈曲したヒートパイプ１と、該ヒートパイプの略水平部１ｂに取り付けられた複数の放熱フィン２と、複数のヒートパイプの略垂直部１ａが取り付けられた受熱板３とを有する放熱器４と、受熱板に取り付けられた複数の電子機器７と、複数の電子機器７が収納される収納容器６とを有する電子機器冷却構造であって、ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を受熱板３の端面上に配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の冷却構造に係わるもので、特に放熱性が高い放熱構造を有する変圧器に関するものである。

発電所から需要家への電力供給は、高圧架線にて送電される電力を、電柱に支持される柱上変圧器により低電圧に変換することで行われる。従来の柱上変圧器は、円筒筐体内に電子機器を収容し、電子機器の発熱を筐体内に注入された油などを熱媒体として筐体壁に伝え、筐体側壁に設けられた放射状の自冷式放熱フィンにて放熱を行う。また、更なる放熱特性改善のために、筐体側壁に設けた放熱フィンの下方にファンを設け、自冷式放熱フィンに向けて送風する柱上変圧器も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平１−１５７４１１号公報（第１−４頁、第１図、第２図）

従来の柱上変圧器にあっては、筐体側壁に設ける自冷式放熱フィンの放熱効率が悪く、放熱量を増やすことが難しい。例えば、円筒筐体の側面に放射状に配置される各放熱フィンの長手方向（空気の通流方向）を長くすると、放熱フィン間の通風圧損が増加するため、放熱効率が悪くなる。また、放熱フィンの短手方向（円筒筐体の径方向）を長くした場合、変圧器としての全体体積の増加量に比して、放熱量の増加は少ない。一方、特許文献１のように放熱フィンの下方にファンを設けた変圧器は、強制空冷式であることから高効率に放熱することができるが、ファンの寿命が短くメンテナンスが必要であり、またファンの信頼性が低いことからライフラインに係わる用途では使用することが難しいという問題がある。

一方、近年では、太陽光発電やガス発電など需要家における発電設備の導入に伴い、需要家側の発電設備から高圧架線へ給電（売電）されることによる逆潮流による電圧変動が問題となっている。この対策として、架線に流れる無効電力を調整することにより電圧調整を行うＳＶＣ(Static Var Compensator,静止型無効電力補償装置)などの変圧器の導入が進められている。このようなＳＶＣは発熱量が大きく、特にＳＶＣに用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子などのパワーモジュールからの発熱量が大きく、その発熱を効率的に放熱することが必要となっている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、メンテナンスが不要または容易であり、高効率で自然空冷放熱することができ、電子機器をより高密度に実装することが可能な放熱構造を有する電子機器冷却構造を提供することを目的とする。

本発明に係る電子機器冷却構造は、Ｌ字状に屈曲したヒートパイプと、該ヒートパイプの略水平部に取り付けられた複数の放熱フィンと、複数のヒートパイプの略垂直部が取り付けられた受熱板とを有する放熱器と、受熱板に取り付けられた複数の電子機器と、複数の電子機器が収納される収納容器とを有する電子機器冷却構造であって、
ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を受熱板の端面上に配設したものである。

本発明によれば、メンテナンスが不要または容易であり、高効率で自然空冷放熱することができ、電子機器をより高密度に実装することが可能な電子機器冷却構造を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。実施の形態２に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。実施の形態２に係る異なる電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。実施の形態３に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態４に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態５に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態５に係る異なる電子機器冷却構造の全体構成図で、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図７に続く図面で、（ｃ）は図７（ｂ）のＣ部の斜視図、（ｄ）は図８（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。

実施の形態１．
本発明においては、先に述べたＳＶＣを柱上に設ける場合の放熱構造を例にとり説明するが、本発明はこれに限定されるものでなく、その他の電子機器、変圧器にも適用可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、参照符号については、図１〜図５において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１は本発明の実施の形態１に係る放熱構造を有する電子機器冷却構造の概略構成を示す構成図であり、図１（ａ）はこの電子機器冷却構造の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここでは、不図示の電柱上に当該電子機器冷却構造が支持され、図１（ａ）における紙面垂直方向および図１（ｂ）における上下方向が電柱の上下方向（鉛直方向）と一致するものとして説明する。

本実施の形態１に係る電子機器冷却構造１０においては、図１に示すように、ＳＶＣに用いられるＩＧＢＴやリアクトル等の発熱する電子機器７が受熱板３に取り付けられており、Ｌ字状に屈曲したヒートパイプ（以下、「Ｌ字型ヒートパイプ」ともいうものとする。）１の一端側（略垂直部）１ａが受熱板３に取り付けられ、他端側（略水平部）１ｂが折曲部１ｃを介して略水平に曲げられて受熱板３よりも上方に配置されている。そして、複数のＬ字型ヒートパイプ１が受熱板３の上端面に沿って所定の間隔で配設されており、これらＬ字型ヒートパイプ１群の各他端側１ｂには、同一の放熱フィン２が複数、所定の間隔で垂直に設けられ、複数の放熱フィン２の間を空気が下から上方向へ通流できるように、各放熱フィン２は上下方向に伸延している。また、電子機器７は、防水構造のカバー５内に収められる。なお、図１（ａ）ではカバー５内部の構成を説明するため、当該防水カバー５の上面を取り去った状態を図示している。

受熱板３の側面（ここでは、両側面）に複数の電子機器７（７ａ〜７ｄ）が取り付けられ、上端面の取付穴からＬ字型ヒートパイプ１の略垂直部１ａが挿入され固定されている。複数の電子機器７ａ〜７ｄは、発熱量の大きい方の電子機器７ａ、７ｃが発熱量の小さい方の電子機器７ｂ、７ｄよりも上方に位置するように受熱板３へ取り付けられる。電子機器７が許容温度の高いリアクトル等の電子機器である場合には、受熱板３ではなく、カバー５の内面に当該電子機器７を取り付けるようにしてもよい。また、受熱板３の左右両面に電子機器７を取り付けてもよく、受熱板３の左右一方の面にのみ電子機器７を取り付けてもよい。

Ｌ字型ヒートパイプ１の他端側１ｂは、折曲部１ｃを介して略水平方向に伸びており、即ち、Ｌ字型ヒートパイプ１が受熱板３の両脇方向に向かって伸びている。このようなＬ字型ヒートパイプ１が受熱板３の上端面の長手方向（図１（ａ）の紙面上下方向、図１（ｂ）の紙面垂直方向）に複数並んで設けられており、それら複数のＬ字型ヒートパイプ１が受熱板３またはＬ字型ヒートパイプ１の略垂直部１ａを中心として、交互に反対方向に折れ曲がっている。

本実施の形態１では、受熱板３と、Ｌ字型ヒートパイプ１と、放熱フィン２とにより放熱器４が形成され、受熱板３と、電子機器７と、カバー５とにより収納容器６を構成し、それら放熱器４と収納容器６とにより電子機器冷却構造１０を構成している。

なお、図１では、Ｌ字型ヒートパイプ１の折曲部１ｃがほぼ直角に折れ曲る例を示しているが、それ以上、または、それ以下の角度で折れ曲るようにしてもよい。

また、カバー５の側方周囲を覆うように不図示の遮光板を設けることにより、直射日光によるカバー５の温度上昇を抑制するようにしてもよい。また、カバー５の側方に不図示の放熱フィンを更に設けて、放熱量を更に増加させてもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態１の電子機器冷却構造１０の動作について説明する。ＳＶＣの動作に伴い電子機器冷却構造１０内に収容された電子機器７が発熱する。電子機器７が発熱することにより、受熱板３は温度上昇し、Ｌ字型ヒートパイプ１内の作動流体がヒートパイプ１の管壁を介して受熱板３から受熱し、ヒートパイプ１内の作動流体が潜熱として吸熱すると共に蒸発し、より低温で低圧の放熱フィン２取付部付近、すなわち略水平部１ｂへヒートパイプ１内を蒸気が移動する。ヒートパイプ１内の放熱フィン２取付部近傍では、放熱フィン２が周囲空気と接することから温度が低く、移動してきた蒸気はヒートパイプ１の管内壁で凝縮し、それにより蒸気が保有していた潜熱を放出し、ヒートパイプ１の管壁を介して、放熱フィン２、さらに周囲空気へ熱を放出する。放熱フィン２より受熱した空気は高温空気となり、その高温空気の密度が周りの空気より小さくなるため、上方へ移動し始め、上昇流が発生し、放熱フィン２周りは自然空冷される。

本実施の形態１では、重量物である受熱板３や電子機器７をより中央に配設し、また放熱フィン２を軸対称に配設するため、電子機器冷却構造１０の重心がより中央になることから、補強材等を軽減しても所望の構造体としての強度を確保することができ、軽量化することができる。特に、固定し易い受熱板３を中央に設置することから取り付けが容易になる。また、受熱板３を垂直に配置し、その片面または両面に電子機器７を取り付け、カバー５にて覆うため、収納容器６部は任意の設置面積（上部から見た投影面積）が生じるが、収納容器６上部に放熱フィン２を設けるため、上記設置面積と放熱フィン２占有面積とが重なることから、全体の設置面積を小さくしながら放熱フィン２占有面積を大きくすることができ、高効率に放熱することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）はこの電子機器冷却構造の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図１に示した実施の形態１では、一つの受熱板３の両側方に放熱フィン２を有するＬ字型ヒートパイプ１が取り付けられていたが、本実施の形態２では、図２に示すように、それぞれの受熱板３にＬ字型ヒートパイプ１の略水平部１ｂが揃えられ放熱フィン２が取付けられ、Ｌ字型ヒートパイプ１の略垂直部１ａが受熱板３に取り付けられた放熱器４を対称に２ヶ設置したものである。この場合、実施の形態１よりも製造性が向上する。

図３は本発明の実施の形態２に係る異なる電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）はこの電子機器冷却構造の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２では、受熱板３に同一形状のＬ字型ヒートパイプ１が取り付けられていたが、本実施の形態３では、図３に示すように、略垂直部１ａの長さが異なる二つ以上のＬ字型ヒートパイプ１を交互に受熱板３に取付け、略水平部１ｂが多段になったことを特徴とする。多段になった略水平部１ｂそれぞれの段毎に放熱フィン２群を設けても良く、それぞれの段をまたがるように一括した放熱フィン２を設けても良い。
このように構成することにより、放熱フィンのフィン効率を低下させること無く、放熱フィン面積を大きくすることができ、放熱特性が向上する。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）はこの電子機器冷却構造の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態４では、図４に示すように、上記２ヶの放熱器４の受熱板３間に支柱８を設け、支柱８に受熱板３を固定したものである。
このように構成することにより、より構造物としての安定性または強度が向上する。また、支柱８と受熱板３を熱的に接触させることにより、熱容量が大きくなり、過渡温度変化をより小さくすることができる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）はこの電子機器冷却構造の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態３では、Ｌ字型ヒートパイプ１の一方に放熱フィン２を、もう一方に受熱板３を設けた２ヶの放熱器４からなり、受熱板３間に断熱部９を設けたことを特徴としている。このように構成することにより、受熱板３間の熱干渉を低減することができる。

また、高温の許容温度帯に属する電子機器を「高許容温度機器７Ａ」と称し、低温の許容温度帯に属する電子機器を「低許容温度機器７Ｂ」と称するものとすると、例えば、図５において、右側の収納容器６内には高許容温度機器７Ａ群を、左側の収納容器６内には低許容温度機器７Ｂ群を収納することにより、高許容温度機器７Ａ群を収納する放熱器４は、周囲空気温度とのより大きな温度差を利用して高効率に放熱し、一方、低許容温度機器７Ｂ群を収納する放熱器４は、上記より小さな温度差を利用するが、高許容温度機器７Ａ群からの熱干渉が抑制されるため、より高効率に放熱することが可能となる。例えば、素子許容温度が１２５℃のパワーモジュール（ＩＧＢＴやＤｉｏｄ）などを高許容温度機器群とし、素子で発生する温度差を考慮して受熱板許容温度を１００℃として設計された放熱フィンを有する放熱器、つまり高許容温度機器７Ａ群を収納した収納容器６を右側に設置し、一方、機器許容温度が８５℃のコンデンサや基板などを低許容温度機器７Ｂ群とし、機器で発生する温度差を考慮して受熱板許容温度を７０℃として設計された放熱フィンを有する放熱器、つまり低許容温度機器７Ｂ群を収納する収納容器６を左側に設置し、それぞれの受熱板３間に断熱材を装着する。

高許容温度機器７Ａ群を収容した放熱器４は、大きな温度差を利用して、より大きな熱量を放熱しても良く、一方大きな温度差を利用して放熱することができることから、より小型の放熱フィンを設けてコンパクトにしても良い。一方、低許容温度機器７Ｂ群を収納した放熱器４は、一般に高発熱である高許容温度機器７Ａ群が収納されないことから、総発熱量が小さく、より小さな温度差であっても十分放熱することができる。したがって、電子機器の熱干渉を軽減でき、低許容温度機器７Ｂの放熱特性を向上させることができる。なお、断熱部９は、一般的なグラスウールなどの断熱材でも良く、風が通る通風路でも良い。ファンにより通風しても良い。

実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態５では、上記電子機器冷却構造１０を筐体１１に収納したもので、風雨等の影響を軽減し環境耐性を向上したものである。放熱フィン２取付部（放熱部）より上部の上部筐体壁１１ａに排気口１３を設け、放熱フィン２取付部（放熱部）より下部の下部筐体壁１１ｂに吸気口１４を設けている。排気口１３は放熱部より上方にあれば良く、筐体１１の側壁だけでなく筐体１１の天井に設けても良い。逆に、吸気口１４は放熱部より下方にあれば良く、筐体１１の側壁だけでなく筐体１１の底面に設けても良い。例えば、筐体１１の側壁であれば、よろい窓のように雨や埃など入り難い構造が望まれ、筐体１１の天井としては多段の傘状の開口を設けた構造の方が望まれる。また、筐体１１としてさらに二重構造の筐体１１でも良く、また側壁のみ二重構造にしてもよい。このように構成することにより風雨だけでなく、太陽からの直射日光による影響を小さくすることができ、さらに耐環境性を向上させることができる。

また、筐体１１内に放熱フィン２取付部（放熱部）の周囲を囲繞する遮蔽板１２を設けることにより、通風する空気が放熱フィン２のみを通過することにより、より高効率に放熱することができる。

図７は本発明の実施の形態５に係る異なる電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図８（ｃ）は図７（ｂ）のＣ部の斜視図、図８（ｄ）は図８（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。

図６では、吸気口１４および排気口１３を有する筐体１１内に電子機器冷却構造１０を収容した構成であったが、図７では筐体１１を上部と下部に仕切り板１５により区分けし、筐体１１上部の放熱フィン２より上方の上方壁面に排気口１３を、筐体１１上部の放熱フィン２より下方の下方壁面に吸気口１４を設け、仕切り板１５より下方の筐体１１下部に、電子機器冷却構造１０の収納容器６を収容したことを特徴とする。

このように構成することにより、風雨により吸気口１４または排気口１３から流入する雨水が、仕切り板１５により筐体１１下部の電子機器冷却構造１０を収容する部分に流入することを抑制することができ、電子機器の防水耐性が向上する。なお、この場合、筐体１１下部は密閉構造となっているため、収納容器６のカバー５は無くても良い。
さらに、筐体１１の天井をより開口率の大きな排気口１３にしても良く、さらに上記筐体１１上部を開放空間にさらしても良い（天井および側壁を除去）。
このように構成することにより、吸気口１４および排気口１３部の圧力損失が発生せず、放熱フィン２をより通風させることができ、放熱特性が向上する。

図８（ｃ）は、ヒートパイプ１周りおよび筐体１１壁と仕切り板１５の防水構造を示す斜視図で、垂直流路１６を伴う接合部構造を示す。二つに分離された仕切り板１５、１５の端部がヒートパイプ１を挿着する部分において上方へ折れ曲がり、一方の折れ曲がり部１７ａがもう一方の折れ曲がり部１７ｂを覆うように、さらに下方へ折れ曲がった構成となっている。そして、ヒートパイプ１装着部は、折れ曲がり部１７ａ、１７ｂがヒートパイプ１に沿うように膨らんだ形状（例えば半円弧状）になっており、さらにヒートパイプ１にキャップ１８を装着し、このキャップ１８により、仕切り板１５の当該部分が覆われるように構成する。このように構成することにより、ヒートパイプ１周りの接合部に侵入する雨水は、形成される垂直流路１６を通らない限り仕切り板１５下方に流入できず、防水することができる。
なお、キャップ１８は、ヒートパイプ１外壁に固着（接着、半田付け、ロウ付けなど）させても良く、ヒートパイプ１外壁とキャップ１８接触部にＯリングを設け、気密を保つ構造でかつキャップ１８がスライドできる構成にしても良い。

また、仕切り板１５と筐体１１壁部との、垂直流路１６を有する接合部構造は次のようになっている。すなわち、仕切り板１５の端部は筐体１１壁部で下方へ折れ曲がり、一方この折れ曲がり部１７ｃを収容する受け１９が筐体１１側壁に設けられている。このように構成することにより、上記同様仕切り板１５と筐体１１側壁の接合部に侵入する雨水は、形成される垂直流路１６を通らない限り仕切り板１５下方に流入できず、防水することができる。
なお、受け１９を設けた筐体１１壁に排水口２０を設けた方が良い。排水口２０を設けることにより、受け１９部に溜まった雨水を筐体１１外に排出することができる。なお、受け１９下部に排水流路を設けても同様の効果がある。

なお、折れ曲がり部１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよび受け１９または筐体１１壁から構成される通路内に防水シール（ゴムパッキンなど）を設けた方が、より防水効果が向上する。
また、図８（ｄ）に示すように、放熱フィン２はヒートパイプ１を基準に、下方の放熱フィン２が短く、上方の放熱フィン２が長い方が、放熱効果が向上する。

１ヒートパイプ、２放熱フィン、３受熱板、４放熱器、５カバー、６収納容器、７電子機器、８支柱、９断熱部、１０電子機器冷却構造、１１筐体、１２遮蔽板、１３排気口、１４吸気口、１５仕切り板、１６垂直流路、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ折れ曲がり部、１８キャップ、１９受け、２０排水口。

Claims

Ｌ字状に屈曲したヒートパイプと、該ヒートパイプの略水平部に取り付けられた複数の放熱フィンと、複数のヒートパイプの略垂直部が取り付けられた受熱板とを有する放熱器と、
前記受熱板に取り付けられた複数の電子機器と、
前記複数の電子機器が収納される収納容器とを有する電子機器冷却構造であって、
ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を前記受熱板の端面上に配設したことを特徴とする電子機器冷却構造。
ヒートパイプ群の略水平部が多段に配設されたことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
複数の受熱板の間に支柱を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
許容温度帯別に複数の電子機器を分けて、複数の収納容器にそれぞれ収納したことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
前記受熱板の両面に複数の電子機器を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
高温の許容温度帯に属する電子機器を、低温の許容温度帯に属する電子機器より上方になるように、前記受熱板に取り付けたことを特徴とする請求項５記載の電子機器冷却構造。
複数の収納容器間に断熱部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
電子機器冷却構造を収容する筐体を備え、放熱部より上部の筐体壁に排気口を、放熱部より下部の筐体壁に吸気口を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却構造。
前記放熱器の放熱部の周囲を囲繞するように、前記筐体内に遮蔽部を設けたことを特徴とする請求項８記載の電子機器冷却構造。
電子機器冷却構造を収容する筐体を備え、筐体を上部と下部とに区画する仕切り板を設け、放熱部より上部の筐体壁に排気口を、放熱部より下部で、前記仕切り板より上部の筐体壁に吸気口を設け、前記仕切り板より下部の筐体内部に収納容器を設けたことを特徴とする請求項８記載の電子機器冷却構造。
前記仕切り板は二つ以上に分離され、分離された仕切り板と仕切り板、および、分離された仕切り板と筐体側壁とは、該仕切り板の端部を折れ曲げることにより垂直流路を伴う接合構造となっていることを特徴とする請求項１０記載の電子機器冷却構造。