JP3793683B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＩＧＢＴやＩＰＭなどのパワー素子やパワーモジュール、あるいはこれらを備えたサーボアンプやインバータのような発熱源のための冷却装置に関し、特にヒートシンクとヒートパイプとを冷却効率を高めることができるように組み合わせた冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばサーボアンプやインバータ等の制御装置としてＩＧＢＴやＩＰＭのようなパワー素子やパワーモジュールを使用する場合、負荷が大きくなるとこれらの素子から発生する熱はかなり大きくなる。そのためこの熱を放熱するために冷却装置または放熱装置を付設しなければならない。
【０００３】
従来の冷却装置の代表例としては、例えばヒートシンクが挙げられる。一般にヒートシンクは、発熱源に近接して配置されるベースに複数枚の放熱フィンが固定された構成を有している。サーボアンプのように比較的発熱量の大きい素子を冷却する冷却装置で用いるヒートシンクは、間隔を空けて対向する一対の対向壁部と、一対の対向壁部の一端をそれぞれ結合する連結壁部と、対向壁部及び連結壁部により囲まれる空間内に配置された複数枚の放熱フィンとを有している。パワー素子やパワーモジュールのような発熱源は、一般にその底面を構成する基板に熱伝導性のよい材料、例えばアルミニウムからなる取付板を介してヒートシンクの連結壁部の外側の面に取り付けられる。パワーモジュール等は、取付板に熱伝導性を考慮してシリコングリス等のコンパウンド材を用いて固定される。発熱源から発生した熱は、取付板を伝わってヒートシンクの連結壁部に達し、各放熱フィンから放熱される。
【０００４】
また、ヒートシンクとヒートパイプとを組み合わせた冷却装置も提案されている。ヒートパイプは冷媒がその中を流れる筒形状または平板状のパイプであり、高温部から低温部へと熱を積極的に伝達するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートシンクのみからなる冷却装置を使用した場合、発熱源から発生する熱のうちヒートシンクの底部の発熱源との接触面から伝達される熱は、その接触面から放熱フィンに伝導されて拡散されるのみであるため、冷却効率は必ずしも十分ではなかった。そのためヒートシンクの側方や上方に伝導した熱を拡散するとともに、複数枚の放熱フィンの間で熱くなった空気を排出するために放熱フィンの間から空気を強制的に排出させる強制空冷手段としてのファンモータを併用する必要性もある。冷却効率を高めるために、大型のヒートシンクを使用することもできる。しかしながら大型のヒートシンクを用いることは、大きなスペースを必要し、実際上の問題点としては大型化に限界があった。
【０００６】
またヒートシンクにヒートパイプを組み合わせて冷却効率を高めることも提案されている。しかしながら一般的なヒートパイプは冷媒の移動方向に方向性を有しているので、発熱源とヒートシンクとの位置関係が限定されていた。またヒートパイプの熱交換の性能を十分発揮させるには、ヒートパイプがある程度の長さを有していなければならず、大きな設置スペースを必要としていた。
【０００７】
本発明の目的は、ヒートパイプを用いて、従来よりも高い冷却効率を実現することができる冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ヒートシンクと発熱源との間にヒートパイプが配置されている冷却装置を改良の対象とする。ヒートシンクとして、所定の間隔を空けて対向する一対の対向壁部と、一対の対向壁部の一端をそれぞれ連結する連結壁部と、一対の対向壁部及び連結壁部によって囲まれる空間内に位置する複数枚の放熱フィンとを有したものを用いる。ヒートパイプとしては、熱伝達に方向性を有しないプレート状ヒートパイプを加工して構成したものを用いる。ヒートパイプの形状は、ヒートシンク本体の一対の対向壁部の外面とそれぞれ接触する一対の対向平板部と一対の対向平板部を連結して連結壁部と接触する連結平板部とを有する構造とする。
【０００９】
本発明に係る冷却装置においては、発熱源から発生する熱は、方向性を有しないヒートパイプにより運ばれる。プレート状のヒートパイプは一対の対向平板部と、一対の対向平板部を連結する連結平板部とからなる。発熱源からの熱は、まず連結平板部に伝導され、一対の対向平板部にも素速く伝熱されてヒートパイプ全体の冷媒が熱せられる。冷媒の熱は、ヒートパイプからヒートシンクの一対の対向壁部及び連結壁部に伝導され、放熱フィンに伝導されて拡散される。
【００１０】
このように本発明に係る冷却装置によると、発熱源から発生する熱は方向性を有しないヒートパイプにより広い範囲に迅速に運ばれ、広い範囲でヒートシンク内に拡散されるので、大きなスペースを占めることなく、従来よりも高い冷却効率を得ることができる。
【００１１】
好ましくは、ヒートシンクの複数の放熱フィンは一対の対向壁部に連結され且つ連結壁部から離れる方向に所定の間隔を空けるように配置されている。このように、ヒートシンクの一対の対向平板部に外面が接触する対向壁部に、連結壁部から離れる方向に間隔を空けて放熱フィンを配置することにより、ヒートパイプの対向平板部からヒートシンクの対向壁部に伝わった熱が効率良く放熱フィンへと伝わって放熱効率が更に高くすることができる。
【００１２】
また好ましくはヒートシンクを、一対の対向壁部と連結壁部の一部を構成する連結壁部分とを有するヒートシンク本体と、連結壁部分が熱伝達可能に固定され且つ連結壁部分の外側にフランジ部を設ける板状のフランジ板とから構成する。そしてヒートシンク本体の連結壁部分と該連結壁部分が接触するフランジ板の部分とによりヒートシンクの連結壁部を構成する。この場合、フランジ板にはヒートパイプの一対の対向平板部を挿入する一対のスリットを形成する。そしてフランジ板には一対のスリットにより挟まれる部分に、ヒートパイプの連結平板部が嵌合される凹部を形成し、この凹部の深さを凹部に収納された連結平板部の表面とフランジ板の表面とが面一になるように定める。
【００１３】
このような構成にすると、ヒートパイプの連結平板部はフランジ板の凹部に収納される。そして連結平板部の表面とフランジ板の表面とが面一になっているため、連結平板部及びフランジ板の面一の表面に堅固に発熱源を密着させて、良好な熱伝導を得ることができる。好適には発熱源は例えばシリコングリス等のコンパウンド材により面一の表面に据え付けられる。さらにボルトやねじを利用して補強してもよい。またヒートパイプとヒートシンクとの間をろう付けすることができる。ヒートパイプの一対の対向平板部はフランジ板に設けられた一対のスリットに挿入される。さらにヒートシンクの一対の対向壁部の外面には、ヒートパイプの一対の対向平板部が嵌合される一対の凹部をそれぞれ形成する。これにより対向平板部は対向壁部の外面に密着して良好な熱伝導性を実現することができる。さらにまた、ヒートシンクの一対の対向壁部に固定される１以上の押さえ金具により、ヒートパイプの一対の対向平板部をヒートシンクの一対の対向壁部の外面に押しつけるようにすることができる。このような各部材が相互に嵌合する構成を採用すると、一層密着の度合いが強められるとともに、各部材同士の取付を補強して振動や衝撃による相互の剥離や脱落を防止できる。
【００１４】
また本発明は、ヒートシンクと発熱源との間にヒートパイプが配置されている冷却装置であって、ヒートシンクが、所定の間隔を空けて対向する一対の対向壁部と、一対の対向壁部の一端をそれぞれ連結する連結壁部と、一対の対向壁部及び連結壁部によって囲まれる空間内に位置する複数枚の放熱フィンとを有しており、連結壁部の外面には、ヒートパイプが嵌合される１本以上の嵌合溝が形成され、嵌合溝に嵌合されたヒートパイプを嵌合溝の底部に押しつけるように連結壁部に熱伝導性の良い材料で形成された取付板が固定され、この取付板に発熱源が取付けられているように冷却装置を構成することができる。
【００１５】
このような冷却装置によると、発熱源から発生した熱は、熱伝導性のよい材料で形成された取付板に伝導され、さらにヒートパイプに伝導される。取付板により、ヒートパイプはヒートシンクの連結壁部の外面に形成された嵌合溝の底部に押しつけられているので、ヒートパイプと連結壁部の底部とは密着され、そのため熱をよく伝導する。連結壁部に伝導された熱は放熱フィンによりヒートシンク内に放散される。
【００１６】
取付板は、典型的にはアルミニウム製であり、ヒートパイプの全体に被されて固定される。発熱源と取付板、取付板とヒートパイプ、ヒートパイプとヒートシンクとの間は、それぞれ熱が伝導しやすいようにろう付けまたはシリコングリス等のコンパウンド材を使用することが好ましい。なお、層を成すこれらの部材は、層を貫く方向にすべての部材が必ず重畳していなければならないということはなく、例えば嵌合溝の設けられていない箇所においては、取付板は連結壁部の外面に直接接していることはいうまでもない。また発熱源に重畳する箇所を越えて、発熱源に重畳していない箇所にまでヒートパイプが延びていてもよく、この延長部分から熱がヒートシンクの連結壁部に伝導されるので、より好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明に係る冷却装置の実施の形態について説明する。図１（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、本発明に係る冷却装置の第１の実施の形態を示す平面図、正面図、左側面図、右側面図及び底面図であり、図１（Ｂ）の正面図では一部部材を切り欠いて示してあり、また図１（Ｄ）では、ヒートパイプは除いて図示してある。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１において、発熱源であるパワートランジスタモジュール１１はフランジ板２２に固定されており、フランジ板２２は直方体形状のヒートシンク２１の一方の側壁を構成し、さらに外方向に延びるフランジ部を有している。フランジ板２２は所定の間隔を空けて対向する一対の対向壁部を構成する正面壁部２３及び背面壁部２４の一端をそれぞれ連結する第１の連結壁部を構成している。正面壁部２３及び背面壁部２４の他端は、第２の連結壁部２５により連結されている。フランジ板と、正面壁部２３と、背面壁部２４と連結壁部２５とにより囲まれる空洞部の長手方向の両端にはそれぞれ開口２６が設けられている。各壁部及びフランジ板２２により囲まれるヒートシンク２１の空洞部内には、複数枚の放熱フィン２８が並置されている。各放熱フィン２８はそれぞれフランジ板２２と平行に延びており、すなわち正面壁部２３及び背面壁部２４に両端が連結され、且つフランジ板２２から離れる方向に所定の間隔をあけて配置されている。これにより、後述するヒートパイプ３の一対の対向平板部３１、３１から正面壁部２３及び背面壁部２４に伝導される熱を効率よく拡散することができる。
【００１９】
またフランジ板２２の長手方向の一端には、一方の開口２６から他方の開口に向かって空洞部の内部に風を送り込み、後述する複数枚の放熱フィン２８を積極的に冷却する強制冷却用のファンモータ２７が配置されている。
【００２０】
ヒートパイプ３は熱伝達に方向を有しないプレート状でのヒートパイプであって、例えばアクトロニクス社製の商品名「ヒートレーン」を用いることができる。ヒートパイプ３は、このプレート状のヒートパイプをコの字型に折り曲げて構成され、相互に平行な一対の対向平板部３１、３１と、この一対の対向平板部３１、３１のそれぞれの端部から直角方向に延び、一対の対向平板部３１、３１を連結する連結平板部３２とを備えている。
【００２１】
フランジ板２２には、ヒートパイプ３の一対の対向平板部３１、３１が挿入される一対のスリット２２１、２２１が形成されている。そして一対のスリット２２１、２２１により挟まれる部分に、ヒートパイプ３の連結平板部３２が嵌合される凹部２２２が形成されている。凹部２２２の深さは、凹部２２２に収納された連結平板部３２の表面とフランジ板２２の表面とが面一になるように定められている。またヒートシンク２１の正面壁部２３及び背面壁部２４の外面には、ヒートパイプ３の一対の対向平板部３１、３１が嵌合される一対の凹部２３１、２４１がそれぞれ形成されており、スリット２２１、２２１を通った対向平板部３１、３１が凹部２３１、２４１内に嵌り込んで収納されるようになっている。
【００２２】
パワートランジスタモジュール１１とフランジ板２２及びヒートパイプ３の連結平板部３２との間、ヒートパイプ３の連結平板部３２とフランジ板２２の凹部２２２の底面との間、及びヒートパイプ３の一対の対向平板部３１、３１と凹部２３１、２４１の底面との間のそれぞれの面同士は、熱が伝導しやすいように、いずれもろう付けまたはシリコングリス等のコンパウンド材により接合されている。ヒートパイプ３の一対の対向平板部３１、３１は、外側面から押さえ金具２９、２９により凹部２３１、２４１にそれぞれ押しつけられて固定されている。また、パワートランジスタモジュール１１はフランジ板２２にねじ１３、１３によりねじ止めされている。
【００２３】
次に第１の実施の形態の作用について説明する。
【００２４】
パワートランジスタモジュール１１の駆動により発生する熱はヒートパイプ３の連結平板部３２に伝導される。ヒートパイプ３は熱伝達に方向性を有しないので、熱は連結平板部３２だけでなく一対の対向平板部３１、３１にも素速く伝熱されて、ヒートパイプ３全体の冷媒が熱せられる。熱はヒートパイプ３からヒートシンク２１に伝導され、さらに放熱フィン２８に伝導されて、ファンモータ２７の送り込む空気の流れの中に拡散される。
【００２５】
よって第１の実施の形態の冷却装置によると、パワートランジスタモジュール１１から発生する熱はヒートパイプ３により広い範囲に迅速に運ばれ、広い範囲でヒートシンク２１内に拡散されるので、大きなスペースを占めることなく、従来よりも高い冷却効率を得ることができる。
【００２６】
またヒートパイプ３の連結平板部３２はフランジ板２２の凹部２２２に収納され、連結平板部３２の表面とフランジ板２２の表面とが面一になっているため、連結平板部３２及びフランジ板２２の面一の表面に堅固にパワートランジスタモジュール１１を密着させて、より良好な熱伝導を実現することができる。
【００２７】
加えて、ヒートパイプ３の一対の対向平板部３１はフランジ板に設けられた一対のスリット２２１、２２１に挿入され、ヒートシンク２１の正面壁部２３及び背面壁部２４の外面には一対の対向平板部３１が嵌合される一対の凹部２３１、２４１がそれぞれ形成されている。これらの相互の嵌合構造は、相互の面を密着して熱伝導をより良好にするとともに、振動や衝撃によりろう付け箇所がひび割れたり剥がれたり、相互に部材が脱落したりするのを防止することができる。
【００２８】
図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、図１の実施の形態の冷却装置をサーボアンプに適用した状態の平面図、正面図及び左側面図である。この例に示すように、冷却装置のフランジ板２２はサーボアンプのケース１０の一方の開口部を塞ぐようにしてケース１０に取付けられている。そのため２つのパワートランジスタモジュール１１は、サーボアンプのケース１０の内部に配置されている。このような場合でも、この冷却装置は冷却効率が高いため、支障なくケース１０内の発熱源からの熱を外部に排出することができる。
【００２９】
図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、本発明に係る冷却装置の第２の実施の形態を示す平面組立図、正面組立図、左側面図及び底面図である。
【００３０】
この実施の形態では、パワートランジスタモジュール１１は熱伝導性のよいアルミニウム製の取付板１２の外面にろう付けにより接合されている。ヒートシンク６は角筒形状であり、所定の間隔を空けて対向する正面壁部６３及び背面壁部６４（一対の対向壁部）と、正面壁部６３及び背面壁部６４の一端をそれぞれ連結するフランジ板（第１の連結壁部）６２と、正面壁部６３及び背面壁部６４の他端をそれぞれ連結する第２の連結壁部６５とから構成されている。
【００３１】
正面壁部６３、背面壁部６４、フランジ板６２及び連結壁部６５により囲まれて形成される空洞部の長手方向の両端には開口６６がそれぞれ形成されている。各壁部及びフランジ板６２により囲まれるヒートシンク６の空洞部内には、複数枚の放熱フィン６８が並置されている。各放熱フィン６８はそれぞれフランジ板６２と平行に延びている。各放熱フィン６８は正面壁部６３及び背面壁部６４にそれぞれ両端が連結され、且つフランジ板６２から離れる方向に所定の間隔をあけて配置されている。これにより、後述する２本のヒートパイプ３から連結壁部を構成するフランジ板６２に伝導される熱を効率よく拡散することができる。
【００３２】
熱伝達に方向性を有しないプレート状の２枚のヒートパイプ５、５はいずれも平板のままであり、フランジ板６２の外面に形成された２本の嵌合溝６２１、６２１にそれぞれ嵌合される。各嵌合溝６２１はヒートパイプ５とほぼ同一の形状に形成されており、嵌合溝６２１に嵌合されたヒートパイプ５の表面はフランジ板６２の表面と面一になる。取付板１２は、フランジ板６２とは輪郭のサイズ及び形状が同一であり、パワートランジスタモジュール１１が取り付けられた外面とは反対側の内面がヒートパイプ５及びフランジ板６２により形成される表面に固定されて、ヒートパイプ５全体を覆ってヒートパイプ５を嵌合溝６２１の底部に押しつけている。
【００３３】
パワートランジスタモジュール１１と取付板１２との間、取付板１２とヒートパイプ５及びフランジ板６２との間、及びヒートパイプ５とフランジ板６２との間の各面同士は、熱伝導性を良くするためにろう付けまたはシリコングリス等のコンパウンド材により接合されている。
【００３４】
この例では、パワートランジスタモジュール１１から発生した熱は取付板１２に伝導され、さらにヒートパイプ５に伝導される。取付板１２により、ヒートパイプ５はヒートシンク６のフランジ板６２の嵌合溝６２１の底部に押しつけられているので、ヒートパイプ５と嵌合溝６２１の底部とは密着され、そのためヒートパイプ５の熱は効率よく迅速にフランジ板６２に伝導される。フランジ板６２に伝導された熱は放熱フィン６８によりヒートシンク６内に放散される。
【００３５】
また、ヒートパイプ５に伝導された熱は、フランジ板６２の厚み方向だけでなく、フランジ板６２の長手方向ににも迅速に伝熱される。すなわち、この実施の形態においてはパワートランジスタモジュール１１に対向していない部分にまでヒートパイプ５が延びており、この延長部分にも伝熱されて延長部分から熱がヒートシンク６のフランジ板６２に伝導されるので、より高い冷却効果を得ることができる。
【００３６】
さらに、ヒートパイプ５を嵌合溝６２１に収納し、またヒートパイプ５とフランジ板６２とを面一にして取付板１２を被せたので、ヒートパイプ５を保護することができるとともに、振動や衝撃により各部材の間のろう付けがひび割れたり剥離したり各部材が脱落したりするのを防止することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る冷却装置によると、大きなスペースを占めることなく、高い冷却効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、本発明に係る冷却装置の第１の実施の形態を示す平面図、正面図、左側面図、右側面図及び底面図である。
【図２】図２（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、図１の実施の形態の冷却装置をサーボアンプに適用した例の平面図、正面図及び左側面図である。
【図３】図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、本発明に係る冷却装置の第２の実施の形態を示す平面組立図、正面組立図、左側面図及び底面図である。
【符号の説明】
１１ パワートランジスタモジュール
２１ ヒートシンク
２２ フランジ板
２２１ スリット
２２２ 凹部
２３ 正面壁部（対向壁部）
２３１ 凹部
２４ 背面壁部（対向壁部）
２４１ 凹部
２６ 開口
２７ ファンモータ
２８ 放熱フィン
２９ 押さえ金具
３ ヒートパイプ
３１ 対向平板部
３２ 連結平板部

Claims (5)

1. ヒートシンクと発熱源との間にヒートパイプが配置されている冷却装置であって、
   前記ヒートシンクは、所定の間隔を空けて対向する一対の対向壁部と、前記一対の対向壁部の一端をそれぞれ連結する連結壁部と、前記一対の対向壁部及び前記連結壁部によって囲まれる空間内に位置する複数枚の放熱フィンとを有しており、
   前記ヒートパイプは、熱伝達に方向性を有しないプレート状ヒートパイプが加工されて構成されており、
   前記ヒートパイプは、前記ヒートシンク本体の一対の対向壁部の外面とそれぞれ接触する一対の対向平板部と前記一対の対向平板部を連結して前記連結壁部と接触する連結平板部とを有しており、
   前記発熱源とヒートシンクとの間に前記連結平板部が位置していることを特徴とする冷却装置。
2. 前記ヒートシンクの前記複数の放熱フィンは前記一対の対向壁部に連結され且つ前記連結壁部から離れる方向に所定の間隔を空けるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ヒートシンクは、前記一対の対向壁部と前記連結壁部の一部を構成する連結壁部分とを有するヒートシンク本体と、前記連結壁部分が熱伝達可能に固定され且つ前記連結壁部分の外側にフランジ部を設ける板状のフランジ板とから構成されており、
   前記ヒートシンク本体の前記連結壁部分と該連結壁部分が接触する前記フランジ板の部分とにより前記ヒートシンクの前記連結壁部が構成されており、
   前記フランジ板には、前記ヒートパイプの前記一対の対向平板部が挿入される一対のスリットが形成されており、
   前記フランジ板には前記一対のスリットにより挟まれる部分に、前記ヒートパイプの前記連結平板部が嵌合される凹部が形成されており、
   前記凹部の深さが前記凹部に収納された前記連結平板部の表面と前記フランジ板の表面とが面一になるように定められている請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記ヒートシンクの前記一対の対向壁部の外面には、前記ヒートパイプの前記一対の対向平板部が嵌合される一対の凹部がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記ヒートシンクの前記一対の対向壁部に固定される１以上の押さえ金具により、前記ヒートパイプの前記一対の対向平板部が前記ヒートシンクの前記一対の対向壁部の外面に押しつけられている請求項１に記載の冷却装置。

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