JP4712286B2 - 電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器、および、電気絶縁型ヒートパイプの検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子機器などの冷却に用いられる改良された電気絶縁型ヒートパイプ冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や電子機器の蒸発部の冷却にはヒートパイプ式冷却器が用いられている。このヒートパイプ式冷却器は、熱を集合または分散するためのブロック（即ち、ヒートシンク）に孔をあけてヒートパイプを挿入し、この部分を蒸発部とし、凝縮部にフィンを設けて放熱部とし、ブロック部の熱を放熱部により放熱するものである。そして、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部の熱流束変換のため、伝熱管長比を変更したり、蒸発部と凝縮部の管径を変化させたものである。また近年サイリスタ等の加工技術が向上して半導体素子の大容量化が進み、例えば鉄道車輛用、車輛用変電所用として使用されるようになった。鉄道車輛用の場合のような安全性が重要視される環境においては接触する虞のある場所は電気的に絶縁しておくことが望ましく蒸発部と凝縮部の間に電気絶縁部を設けたものが用いられる。
【０００３】
例えば、図９に示すように、銅などの熱伝導性の良いブロック２０５に１個または２個以上の管状の孔を設けてこの孔を蒸発部とし、管に多数のフィン２０６を設けて凝縮部管体とし、この蒸発部２０２と凝縮部２０４の間をアルミナ、セラミックスなどの絶縁体２０３と中間体２０９で接続し内部に絶縁性のフロンＲ１１３などの作動液２０８を封入して絶縁型ヒートパイプ冷却器２０１としたものである。なお、上記従来例では、ブロックそのものをヒートパイプの蒸発部としているが、１本１本独立したヒートパイプをブロックに設けられた孔に挿入してもよいことは言うまでもない。図１０は、従来の絶縁体を示す図である。図１０に示すように、絶縁体２０３は、アルミナ、セラミックス等からなる内孔を備えた管状体２１０であり、内壁２１１は、凹凸の無い平らな円筒形状を有している。
【０００４】
上述した作動液として、従来、比較的作動安定性のよいフロン（クロロフルオロカーボン、以下「ＣＦＣ」という）があり、例えば、通常使用温度範囲の−３０〜１００℃では、ＣＦＣ−１１（ＣＣｌ3Ｆ）、ＣＦＣ−１２（ＣＣｌ2Ｆ2）、ＨＣＦＣ−２１（ＣＨＣｌ2Ｆ）、ＨＣＦＣ−２２（ＣＨＣｌＦ2）、ＣＦＣ−１１３（ＣＣｌ2Ｆ・ＣＣｌＦ2）などが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＦＣには、次の問題点がある。
即ち、大気中に排出されるＣＦＣガスが成層圏まで拡散し、成層圏のオゾン層を破壊し、これが地上の紫外線量を増大させることが重大な環境問題となっている。このためＣＦＣの生産量および使用量の規制がなされている。
１００℃以上の温度で使用するとＣＦＣが分解して変質し、ヒートパイプの性能が劣化するため、長期にわたって安定性が良く寿命の永いものができない。また、作動温度が高い場合、ヒートパイプ内で器壁とＣＦＣの間で化学反応が起こり、容器内面が酸化または腐食することがある。
【０００６】
従来の沸騰冷却器にかわる、次の要件を満たす環境にやさしい素子冷却器の要求が強くなっている。
１）自然冷却方式であること、２）冷媒（作動液）はオゾン破壊のない、温暖化係数の少ない環境にやさしいこと、３）電気絶縁性の大きいこと、４）低温起動特性に優れていること。
【０００７】
従って、この発明の目的は、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器、電気絶縁型ヒートパイプの検査方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ヒートパイプのコンテナ内の真空度がヒートパイプの絶縁性に影響を及ぼすことが判明した。即ち、ヒートパイプのコンテナ内に不活性ガスを封入して、所定の真空度に維持すると、電気絶縁性作動液の代わりに、所定量の非電気絶縁性作動液、例えば水、を用いても、ヒートパイプの発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体を管状体で形成したヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。更に、不活性ガスを封入しない場合でも、ヒートパイプのコンテナ内の真空度を所定の範囲内に維持することによって、ヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。
【０００９】
更に、電気絶縁体、例えばセラミックス製の管状体の両端部に接続する金属製スリーブは、電気絶縁体との熱膨張率が等しい鉄系のコバールを用いていたが、約８００℃以上の使用温度域を考慮すると、銅製のスリーブを用いても、電気絶縁体に密着して接続することができる。更に、銅製スリーブが接続されるセラミックス製の管状体の両端部は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接続することができ、水を作動液として使用することが可能になることが判明した。
【００１０】
更に、複数の電気絶縁体、例えばセラミックス製の２本の管状体のそれぞれの一方端を直接接合することによって、電気絶縁体の耐電圧を向上することが判明した。更に、上述した金属粉等を用いて端部をメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、セラミックス製の２本の管状体のそれぞれの一方端を密着して直接接合することができることが判明した。
【００１１】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第２の態様は、前記電気絶縁体が複数個からなっており、前記複数個の電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第３の態様は、前記コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第４の態様は、前記ガス溜め部は前記コンテナの上端部からなっており、前記ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の１／５〜１／３０の範囲内である、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１５】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第５の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体は管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する金属スリーブを備えており、前記金属スリーブには銅メッキによる表面処理が施されている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１６】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第６の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体が少なくとも２個からなっており、前記少なくとも２個の電気絶縁体は、直接接合されている電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１８】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体の直接接合は、前記絶縁体の端部をメタライズ処理後、金属溶融接合によって行う、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１９】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記複数個の電気絶縁体の間の前記熱伝導性部材が銅からなっている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００２０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体はセラミックス製の管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する銅製のスリーブを備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００２１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却である。
【００２２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第２の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【００２３】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００２４】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第２の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００２５】
この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却器の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。この発明の電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水の他に、空気、アルゴン、窒素等の不活性ガスを意図的に封入させ、絶縁性を高めている。
【００２７】
更に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの他の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水のみを封入させるだけで、真空度を所定の範囲内に特定することによって絶縁性を高めている。
【００２８】
図１は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。グラフにおいて縦軸は耐電圧（ＫＶ）を示し、横軸は真空度（Ｐａ）を示す。グラフから明らかなように、真空度６．６７Ｐａ以下では、６ＫＶを超える優れた耐電圧を示している。真空度６．６７Ｐａを超えると急速に耐電圧が低下し、従来使用されている真空度１３３．３Ｐａ〜４００Ｐａ付近では、耐電圧が低く、絶縁性が不十分であることがわかる。更に、真空度５３３．３Ｐａでは、耐電圧がやや高まり、真空度６６６．６Ｐａ以上では、耐電圧が急速に向上している。
【００２９】
従って、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下、または、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上のときには、耐電圧は３ｋＶを超え、優れた絶縁性を有していることがわかる。コンテナ内の真空度の上限は、ヒートパイプの実使用温度範囲で冷却部の放熱特性を有する値となる。従って、コンテナ内の真空度は、６．６７Ｐａ以下、または、６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下が望ましい。
【００３０】
図２は、電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。図２に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ１１は、蒸発部１２と、電気絶縁体１３と、凝縮部１４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体とは密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図２の下部に示すように、内壁にそって全面に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されていてもよい。内壁に沿って全面に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００３１】
図３は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。図３に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ２１は、蒸発部２２と、第１電気絶縁体２３ａと、管状熱伝導性部材２５と、第２電気絶縁体２３ｂと、凝縮部２４とからなっている。第１電気絶縁体２３ａ、第２電気絶縁体２３ｂの２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。この場合においても、作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定することが好ましい。
【００３２】
上述したように、複数個の電気絶縁体を使用するときには、電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている。なお、図３に示す態様においては、電気絶縁体２３ａ、２３ｂの上下端部には金属スリーブ１７が取り付けられ、金属スリーブと金属スリーブの間には、熱伝導性部材からなるコンテナ２５が設けられているが、熱伝導性部材からなるコンテナ２５を用いることなく、金属スリーブのみによって電気絶縁体２３ａ、２３ｂ間を接合してもよい。
【００３３】
図４は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の１つの態様を示す図である。図４に示す態様の電気絶縁体３３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔３５を有する管状体３４からなっており、管状体３４の内部の上端部、中央部、下端部に、合計５箇所の肉厚部３６、３７、３８、３９、４０が設けられている。即ち、肉厚部３６において、管状体３４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部３７、３８、３９において、管状体３４の中央部の内径が小さくなり、肉厚部４０において、管状体３４の下端部の内径が小さくなっている。
【００３４】
管状体３４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部３６、３７、３８、３９、４０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。
なお、電気絶縁体の内部形状の一例を示したが、内部形状は絶縁性を高めるために適した各種形状をとることができる。
【００３５】
発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体は管状体からなっており、電気絶縁体はその両端部に熱伝導性部材と接続する金属スリーブからなるコバール部を備えており、コバール部には銅メッキによる表面処理が施されている。図５は、電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。電気絶縁体１３は、例えば９２％アルミナ等のセラミックスの絶縁性部材によって形成された貫通孔１５を有する管状体１４からなっており、内壁には複数の連続する環状溝部１６が形成されている。
【００３６】
電気絶縁体１３の上下端部には、蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための金属スリーブ１７が取り付けられている。金属スリーブ１７は、Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％のフェルニコ系合金であるコバール（Ｋｏｖａｒ）によって調製され、異種金属に起因する電食を防止するために、その表面に銅メッキが施されている。ＦｅＮｉ電気絶縁体の貫通孔を通過する気相または液相の作動液は、環状溝部によって、電気的に分断されるので、絶縁体の絶縁特性は確保されることができる。
【００３７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプにおいて、コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えていてもよい。上述したガス溜め部はコンテナの上端部からなっており、ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の１／５〜１／３０の範囲内であることが好ましい。ガス溜め部は、コンテナの先端部に別のガス溜め部を設けても良く、または、コンテナの上端部をそのままガス溜め部として使用してもよい。その場合には、コンテナの上端部のガス溜め部には、放熱フィン等を設置しない。このようにコンテナの上端部にガス溜め部を設けることによって、放熱性能を高めることができる。
【００３８】
図１１は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図１１に示すように、この態様の電気絶縁体は、２個の電気絶縁体４３、４３がそれぞれの一方端において直接接合されており、そして、それぞれの他方の端部には蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための銅製スリーブ４７、４７が取り付けられている。直接接合されるそれぞれの電気絶縁体は、図４を参照して説明したように、絶縁性部材によって形成された貫通孔４５を有する管状体４３からなっており、管状体４３の内部の上端部、中央部、下端部に、合計５箇所の肉厚部３６、３７、３８、３９、４０が設けられている。即ち、肉厚部３６において、管状体４３の上端部の内径が小さくなり、肉厚部３７、３８、３９において、管状体４３の中央部の内径が小さくなり、肉厚部４０において、管状体４３の下端部の内径が小さくなっている。
【００３９】
管状体４３の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部３６、３７、３８、３９、４０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。
【００４０】
２個の電気絶縁体４３、４３のそれぞれの一方端４０、３６における直接接合は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接合することができる。２個の電気絶縁体４３、４３の直接接合されない他方の端部３６、４０には、銅製のスリーブが接続される。電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
【００４１】
銅製のスリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【００４２】
図１２は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図１２に示すように、この態様の電気絶縁体は、２個の電気絶縁体５３、５３が、銅製の熱伝導性部材によって接続されている。即ち、図３を参照して説明したように、この態様の電気絶縁型ヒートパイプは、（図示しない）蒸発部と、第１電気絶縁体５３と、管状熱伝導性部材５５と、第２電気絶縁体５３ｂと、（図示しない）凝縮部とからなっている。第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂの２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。なお、この態様においては、第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂの２個の電気絶縁体のそれぞれの端部に、銅製スリーブが接続されている。
【００４３】
電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、図１１を参照して説明したと同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
このように銅製スリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【００４４】
次に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【００４５】
図６は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様を示す図である。図６（ａ）は平面図を、図６（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、基板７が熱的に接続されるブロック５に複数個の孔が形成され、その孔に蒸発部２が挿入されている。個々の蒸発部２の上端には、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体３が設けられ、更に、電気絶縁体の上端には、多数のフィン６が取り付けられた凝縮部４が設けられている。
【００４６】
電気絶縁体３は管状体からなっており、管状体の内壁は、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を有する、図４、５に示すような形状をしている。上述した蒸発部、電気絶縁体、凝縮部からなる密閉されたコンテナの内部には、非電気絶縁性作動液例えば水と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上（５３３２．９Ｐａ以下）に維持されている。不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下に維持されている。
【００４７】
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器１は、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続されている複数本のヒートパイプを備えている。蒸発部は熱伝導性ブロックに設けられた管状の孔に挿入された管状体であり、凝縮部はフィンを設けた管状体である。電気絶縁体の貫通孔の内面は、上述したように凹凸面を備え、封入された作動液の液切れ作用を生じさせて、絶縁性を向上している。
【００４８】
電気絶縁体は、ヒートパイプ内圧に耐えるような十分な強度を有していること、
および、熱伝導性ブロックに装着される被冷却体である半導体素子または電子機器が電位を有することを考慮して、耐電圧のための沿面距離を有していることが必要である。
【００４９】
次に、この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００５０】
図７は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを、約５０℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。即ち、ヒートパイプを作動させた状態で、ヒートパイプの温度降下のある領域Ｘ、温度降下のない領域Ｙを調べて、所定の基準点から温度降下のある領域Ｘの長さを測定し、その長さに基づいて、ヒートパイプの真空度を推定する。
【００５１】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の他の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００５２】
即ち、図７に示したと同様にして、電気絶縁型ヒートパイプを、約５０℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。その際、電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、加熱温度、および、ヒートパイプの温度降下のある所定位置としての先端部をとり、基部、加熱部の温度を測定して、それぞれまたはどちらか一方とヒートパイプ先端部温度との差によって、ヒートパイプの真空度を測定する。
【００５３】
次に、この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【００５４】
図８は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。図８（ａ）に示すように、恒温槽内に、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液凝固点以下において、耐電圧試験機によって、検査する。または、図８（ｂ）に示すように、槽内に、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液を凍らせた状態において、耐電圧試験機によって、検査する。
【００５５】
耐電圧は、真空度によって変化する特性があるので、絶縁耐力は、周囲温度や作動条件によって変化する。即ち、ヒートパイプ内の真空度は、作動液の飽和蒸気圧によって大きく変化する。従って、作動液の凝固点以下において耐電圧検査を実施する。
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプによると、非電気絶縁性作動液例えば水と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上（５３３２．９Ｐａ以下）に維持されているので、更に、不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下に維持されているので、耐電圧が高く、絶縁特性を確保することができる。従って、作動液として、水等の非電気絶縁性作動液を使用することができ、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却器を得ることができる。
【００５６】
更に、真空度の管理は製品では困難であるが、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの検査方法によると、ヒートパイプの真空度およびヒートパイプの耐電圧を効率的に検査することができる。
【００５７】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器を提供することができる。更に、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の両端部に銅製スリーブを接続することができるので、異種金属に起因する電食を防止することができ、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。
【図２】図２は、電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。
【図３】図３は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図４】図４は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の１つの態様を示す図である。
【図５】図５は、電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【図６】図６は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様を示す図である。図６（ａ）は平面図を、図６（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図７】図７は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。
【図８】図８は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。
【図９】図９は、従来の電気絶縁型ヒートパイプを示す図である。
【図１０】図１０は、従来の絶縁体を示す図である。
【図１１】図１１は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【図１２】図１２は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【符号の説明】
１．電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器
２、１２、２２．蒸発部
３、１３、２３、４３．電気絶縁体
４、１４、２４．凝縮部
５．金属ブロック
６．放熱フィン
７．基板
３４．管状体
３５、４５．貫通孔
３６、３７、３８、３９、４０．肉厚部
２３ａ、５３ａ．第１電気絶縁体
２３ｂ、５３ｂ．第２電気絶縁体
４７、５７．銅製スリーブ
１００．湯槽
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子機器などの冷却に用いられる改良された電気絶縁型ヒートパイプ冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や電子機器の蒸発部の冷却にはヒートパイプ式冷却器が用いられている。このヒートパイプ式冷却器は、熱を集合または分散するためのブロック（即ち、ヒートシンク）に孔をあけてヒートパイプを挿入し、この部分を蒸発部とし、凝縮部にフィンを設けて放熱部とし、ブロック部の熱を放熱部により放熱するものである。そして、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部の熱流束変換のため、伝熱管長比を変更したり、蒸発部と凝縮部の管径を変化させたものである。また近年サイリスタ等の加工技術が向上して半導体素子の大容量化が進み、例えば鉄道車輛用、車輛用変電所用として使用されるようになった。鉄道車輛用の場合のような安全性が重要視される環境においては接触する虞のある場所は電気的に絶縁しておくことが望ましく蒸発部と凝縮部の間に電気絶縁部を設けたものが用いられる。
【０００３】
例えば、図９に示すように、銅などの熱伝導性の良いブロック２０５に１個または２個以上の管状の孔を設けてこの孔を蒸発部とし、管に多数のフィン２０６を設けて凝縮部管体とし、この蒸発部２０２と凝縮部２０４の間をアルミナ、セラミックスなどの絶縁体２０３と中間体２０９で接続し内部に絶縁性のフロンＲ１１３などの作動液２０８を封入して絶縁型ヒートパイプ冷却器２０１としたものである。なお、上記従来例では、ブロックそのものをヒートパイプの蒸発部としているが、１本１本独立したヒートパイプをブロックに設けられた孔に挿入してもよいことは言うまでもない。図１０は、従来の絶縁体を示す図である。図１０に示すように、絶縁体２０３は、アルミナ、セラミックス等からなる内孔を備えた管状体２１０であり、内壁２１１は、凹凸の無い平らな円筒形状を有している。
【０００４】
上述した作動液として、従来、比較的作動安定性のよいフロン（クロロフルオロカーボン、以下「ＣＦＣ」という）があり、例えば、通常使用温度範囲の−３０〜１００℃では、ＣＦＣ−１１（ＣＣｌ3Ｆ）、ＣＦＣ−１２（ＣＣｌ2Ｆ2）、ＨＣＦＣ−２１（ＣＨＣｌ2Ｆ）、ＨＣＦＣ−２２（ＣＨＣｌＦ2）、ＣＦＣ−１１３（ＣＣｌ2Ｆ・ＣＣｌＦ2）などが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＦＣには、次の問題点がある。
即ち、大気中に排出されるＣＦＣガスが成層圏まで拡散し、成層圏のオゾン層を破壊し、これが地上の紫外線量を増大させることが重大な環境問題となっている。このためＣＦＣの生産量および使用量の規制がなされている。
１００℃以上の温度で使用するとＣＦＣが分解して変質し、ヒートパイプの性能が劣化するため、長期にわたって安定性が良く寿命の永いものができない。また、作動温度が高い場合、ヒートパイプ内で器壁とＣＦＣの間で化学反応が起こり、容器内面が酸化または腐食することがある。
【０００６】
従来の沸騰冷却器にかわる、次の要件を満たす環境にやさしい素子冷却器の要求が強くなっている。
１）自然冷却方式であること、２）冷媒（作動液）はオゾン破壊のない、温暖化係数の少ない環境にやさしいこと、３）電気絶縁性の大きいこと、４）低温起動特性に優れていること。
【０００７】
従って、この発明の目的は、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器、電気絶縁型ヒートパイプの検査方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ヒートパイプのコンテナ内の真空度がヒートパイプの絶縁性に影響を及ぼすことが判明した。即ち、ヒートパイプのコンテナ内に不活性ガスを封入して、所定の真空度に維持すると、電気絶縁性作動液の代わりに、所定量の非電気絶縁性作動液、例えば水、を用いても、ヒートパイプの発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体を管状体で形成したヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。更に、不活性ガスを封入しない場合でも、ヒートパイプのコンテナ内の真空度を所定の範囲内に維持することによって、ヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。
【０００９】
更に、電気絶縁体、例えばセラミックス製の管状体の両端部に接続する金属製スリーブは、電気絶縁体との熱膨張率が等しい鉄系のコバールを用いていたが、約８００℃以上の使用温度域を考慮すると、銅製のスリーブを用いても、電気絶縁体に密着して接続することができる。更に、銅製スリーブが接続されるセラミックス製の管状体の両端部は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接続することができ、水を作動液として使用することが可能になることが判明した。
【００１０】
更に、複数の電気絶縁体、例えばセラミックス製の２本の管状体のそれぞれの一方端を直接接合することによって、電気絶縁体の耐電圧を向上することが判明した。更に、上述した金属粉等を用いて端部をメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、セラミックス製の２本の管状体のそれぞれの一方端を密着して直接接合することができることが判明した。
【００１１】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第２の態様は、前記電気絶縁体が複数個からなっており、前記複数個の電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第３の態様は、前記コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第４の態様は、前記ガス溜め部は前記コンテナの上端部からなっており、前記ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の１／５〜１／３０の範囲内である、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１５】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第５の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体は管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する金属スリーブを備えており、前記金属スリーブには銅メッキによる表面処理が施されている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１６】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第６の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体が少なくとも２個からなっており、前記少なくとも２個の電気絶縁体は、直接接合されている電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１８】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体の直接接合は、前記絶縁体の端部をメタライズ処理後、金属溶融接合によって行う、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００１９】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記複数個の電気絶縁体の間の前記熱伝導性部材が銅からなっている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００２０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体はセラミックス製の管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する銅製のスリーブを備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【００２１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却である。
【００２２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第２の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【００２３】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００２４】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第２の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００２５】
この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却器の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。この発明の電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水の他に、空気、アルゴン、窒素等の不活性ガスを意図的に封入させ、絶縁性を高めている。
【００２７】
更に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの他の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水のみを封入させるだけで、真空度を所定の範囲内に特定することによって絶縁性を高めている。
【００２８】
図１は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。グラフにおいて縦軸は耐電圧（ＫＶ）を示し、横軸は真空度（Ｐａ）を示す。グラフから明らかなように、真空度６．６７Ｐａ以下では、６ＫＶを超える優れた耐電圧を示している。真空度６．６７Ｐａを超えると急速に耐電圧が低下し、従来使用されている真空度１３３．３Ｐａ〜４００Ｐａ付近では、耐電圧が低く、絶縁性が不十分であることがわかる。更に、真空度５３３．３Ｐａでは、耐電圧がやや高まり、真空度６６６．６Ｐａ以上では、耐電圧が急速に向上している。
【００２９】
従って、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下、または、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上のときには、耐電圧は３ｋＶを超え、優れた絶縁性を有していることがわかる。コンテナ内の真空度の上限は、ヒートパイプの実使用温度範囲で冷却部の放熱特性を有する値となる。従って、コンテナ内の真空度は、６．６７Ｐａ以下、または、６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下が望ましい。
【００３０】
図２は、電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。図２に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ１１は、蒸発部１２と、電気絶縁体１３と、凝縮部１４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体とは密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図２の下部に示すように、内壁にそって全面に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されていてもよい。内壁に沿って全面に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００３１】
図３は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。図３に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ２１は、蒸発部２２と、第１電気絶縁体２３ａと、管状熱伝導性部材２５と、第２電気絶縁体２３ｂと、凝縮部２４とからなっている。第１電気絶縁体２３ａ、第２電気絶縁体２３ｂの２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。この場合においても、作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定することが好ましい。
【００３２】
上述したように、複数個の電気絶縁体を使用するときには、電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている。なお、図３に示す態様においては、電気絶縁体２３ａ、２３ｂの上下端部には金属スリーブ１７が取り付けられ、金属スリーブと金属スリーブの間には、熱伝導性部材からなるコンテナ２５が設けられているが、熱伝導性部材からなるコンテナ２５を用いることなく、金属スリーブのみによって電気絶縁体２３ａ、２３ｂ間を接合してもよい。
【００３３】
図４は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の１つの態様を示す図である。図４に示す態様の電気絶縁体３３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔３５を有する管状体３４からなっており、管状体３４の内部の上端部、中央部、下端部に、合計５箇所の肉厚部３６、３７、３８、３９、４０が設けられている。即ち、肉厚部３６において、管状体３４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部３７、３８、３９において、管状体３４の中央部の内径が小さくなり、肉厚部４０において、管状体３４の下端部の内径が小さくなっている。
【００３４】
管状体３４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部３６、３７、３８、３９、４０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。
なお、電気絶縁体の内部形状の一例を示したが、内部形状は絶縁性を高めるために適した各種形状をとることができる。
【００３５】
発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体は管状体からなっており、電気絶縁体はその両端部に熱伝導性部材と接続する金属スリーブからなるコバール部を備えており、コバール部には銅メッキによる表面処理が施されている。図５は、電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。電気絶縁体１３は、例えば９２％アルミナ等のセラミックスの絶縁性部材によって形成された貫通孔１５を有する管状体１４からなっており、内壁には複数の連続する環状溝部１６が形成されている。
【００３６】
電気絶縁体１３の上下端部には、蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための金属スリーブ１７が取り付けられている。金属スリーブ１７は、Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％のフェルニコ系合金であるコバール（Ｋｏｖａｒ）によって調製され、異種金属に起因する電食を防止するために、その表面に銅メッキが施されている。ＦｅＮｉ電気絶縁体の貫通孔を通過する気相または液相の作動液は、環状溝部によって、電気的に分断されるので、絶縁体の絶縁特性は確保されることができる。
【００３７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプにおいて、コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えていてもよい。上述したガス溜め部はコンテナの上端部からなっており、ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の１／５〜１／３０の範囲内であることが好ましい。ガス溜め部は、コンテナの先端部に別のガス溜め部を設けても良く、または、コンテナの上端部をそのままガス溜め部として使用してもよい。その場合には、コンテナの上端部のガス溜め部には、放熱フィン等を設置しない。このようにコンテナの上端部にガス溜め部を設けることによって、放熱性能を高めることができる。
【００３８】
図１１は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図１１に示すように、この態様の電気絶縁体は、２個の電気絶縁体４３、４３がそれぞれの一方端において直接接合されており、そして、それぞれの他方の端部には蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための銅製スリーブ４７、４７が取り付けられている。直接接合されるそれぞれの電気絶縁体は、図４を参照して説明したように、絶縁性部材によって形成された貫通孔４５を有する管状体４３からなっており、管状体４３の内部の上端部、中央部、下端部に、合計５箇所の肉厚部３６、３７、３８、３９、４０が設けられている。即ち、肉厚部３６において、管状体４３の上端部の内径が小さくなり、肉厚部３７、３８、３９において、管状体４３の中央部の内径が小さくなり、肉厚部４０において、管状体４３の下端部の内径が小さくなっている。
【００３９】
管状体４３の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部３６、３７、３８、３９、４０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性が向上する。
【００４０】
２個の電気絶縁体４３、４３のそれぞれの一方端４０、３６における直接接合は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接合することができる。２個の電気絶縁体４３、４３の直接接合されない他方の端部３６、４０には、銅製のスリーブが接続される。電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
【００４１】
銅製のスリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【００４２】
図１２は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図１２に示すように、この態様の電気絶縁体は、２個の電気絶縁体５３、５３が、銅製の熱伝導性部材によって接続されている。即ち、図３を参照して説明したように、この態様の電気絶縁型ヒートパイプは、（図示しない）蒸発部と、第１電気絶縁体５３と、管状熱伝導性部材５５と、第２電気絶縁体５３ｂと、（図示しない）凝縮部とからなっている。第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂの２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。なお、この態様においては、第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂの２個の電気絶縁体のそれぞれの端部に、銅製スリーブが接続されている。
【００４３】
電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、図１１を参照して説明したと同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
このように銅製スリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【００４４】
次に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【００４５】
図６は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様を示す図である。図６（ａ）は平面図を、図６（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、基板７が熱的に接続されるブロック５に複数個の孔が形成され、その孔に蒸発部２が挿入されている。個々の蒸発部２の上端には、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体３が設けられ、更に、電気絶縁体の上端には、多数のフィン６が取り付けられた凝縮部４が設けられている。
【００４６】
電気絶縁体３は管状体からなっており、管状体の内壁は、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を有する、図４、５に示すような形状をしている。上述した蒸発部、電気絶縁体、凝縮部からなる密閉されたコンテナの内部には、非電気絶縁性作動液例えば水と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上（５３３２．９Ｐａ以下）に維持されている。不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下に維持されている。
【００４７】
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器１は、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続されている複数本のヒートパイプを備えている。蒸発部は熱伝導性ブロックに設けられた管状の孔に挿入された管状体であり、凝縮部はフィンを設けた管状体である。電気絶縁体の貫通孔の内面は、上述したように凹凸面を備え、封入された作動液の液切れ作用を生じさせて、絶縁性を向上している。
【００４８】
電気絶縁体は、ヒートパイプ内圧に耐えるような十分な強度を有していること、
および、熱伝導性ブロックに装着される被冷却体である半導体素子または電子機器が電位を有することを考慮して、耐電圧のための沿面距離を有していることが必要である。
【００４９】
次に、この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００５０】
図７は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを、約５０℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。即ち、ヒートパイプを作動させた状態で、ヒートパイプの温度降下のある領域Ｘ、温度降下のない領域Ｙを調べて、所定の基準点から温度降下のある領域Ｘの長さを測定し、その長さに基づいて、ヒートパイプの真空度を推定する。
【００５１】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の他の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【００５２】
即ち、図７に示したと同様にして、電気絶縁型ヒートパイプを、約５０℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。その際、電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、加熱温度、および、ヒートパイプの温度降下のある所定位置としての先端部をとり、基部、加熱部の温度を測定して、それぞれまたはどちらか一方とヒートパイプ先端部温度との差によって、ヒートパイプの真空度を測定する。
【００５３】
次に、この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の１つの態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【００５４】
図８は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。図８（ａ）に示すように、恒温槽内に、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液凝固点以下において、耐電圧試験機によって、検査する。または、図８（ｂ）に示すように、槽内に、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液を凍らせた状態において、耐電圧試験機によって、検査する。
【００５５】
耐電圧は、真空度によって変化する特性があるので、絶縁耐力は、周囲温度や作動条件によって変化する。即ち、ヒートパイプ内の真空度は、作動液の飽和蒸気圧によって大きく変化する。従って、作動液の凝固点以下において耐電圧検査を実施する。
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプによると、非電気絶縁性作動液例えば水と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上（５３３２．９Ｐａ以下）に維持されているので、更に、不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が６．６７Ｐａ以下に維持されているので、耐電圧が高く、絶縁特性を確保することができる。従って、作動液として、水等の非電気絶縁性作動液を使用することができ、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却器を得ることができる。
【００５６】
更に、真空度の管理は製品では困難であるが、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの検査方法によると、ヒートパイプの真空度およびヒートパイプの耐電圧を効率的に検査することができる。
【００５７】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器を提供することができる。更に、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の両端部に銅製スリーブを接続することができるので、異種金属に起因する電食を防止することができ、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。
【図２】図２は、電気絶縁型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。
【図３】図３は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図４】図４は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の１つの態様を示す図である。
【図５】図５は、電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【図６】図６は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の１つの態様を示す図である。図６（ａ）は平面図を、図６（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図７】図７は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。
【図８】図８は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。
【図９】図９は、従来の電気絶縁型ヒートパイプを示す図である。
【図１０】図１０は、従来の絶縁体を示す図である。
【図１１】図１１は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【図１２】図１２は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【符号の説明】
１．電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器
２、１２、２２．蒸発部
３、１３、２３、４３．電気絶縁体
４、１４、２４．凝縮部
５．金属ブロック
６．放熱フィン
７．基板
３４．管状体
３５、４５．貫通孔
３６、３７、３８、３９、４０．肉厚部
２３ａ、５３ａ．第１電気絶縁体
２３ｂ、５３ｂ．第２電気絶縁体
４７、５７．銅製スリーブ
１００．湯槽
Claims (10)
- 少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下である電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記電気絶縁体が複数個からなっており、前記複数個の電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている、請求項１に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記電気絶縁体が少なくとも２個からなっており、前記少なくとも２個の電気絶縁体は、直接接合されている、請求項１に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記電気絶縁体の直接接合は、前記絶縁体の端部をメタライズ処理後、金属溶融接合によって行う、請求項３に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記熱伝導性部材が銅からなっている、請求項２に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えている、請求項１または２に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記ガス溜め部は前記コンテナの上端部からなっており、前記ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の１／５〜１／３０の範囲内である、請求項６に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体は管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する金属スリーブを備えており、前記金属スリーブには銅メッキによる表面処理が施されている、請求項１、２、６、７の何れか１項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体はセラミックス製の管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する銅製のスリーブを備えている、請求項１または２に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−３０〜１００℃にわたって前記コンテナ内の真空度が６６６．６Ｐａ以上５３３２．９Ｐａ以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックとを備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器。
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