JP4714434B2 - ヒートパイプヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、電子部品や光部品などの発熱性素子を冷却するために用いられるヒートシンクに関し、さらに詳しくは、鉄道車両や自動車などに設置され、水平状態だけでなく傾けて使用することがあるヒートシンクに係るものである。

従来から、パワーエレクトロニクスで用いられているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの発熱性素子を冷却するヒートシンクとしては、一方の面に発熱体を保持させたベース板を用い、該ベース板の他方の面に複数の放熱フィンを櫛形や格子形に配設して構成した比較的安価なヒートシンクが多用されている。しかし、この構成のヒートシンクでは、その放熱性能が必ずしも十分ではないので、特に、高発熱密度の半導体素子を効果的に冷却させる場合などには、その冷却性能を向上させるために、熱伝導性の高い銅製ヒートパイプによるヒートシンクを使用するとか、あるいはヒートパイプ作動液としてフッ素系化合物を用いた沸騰冷却式のヒートシンクを使用するのが一般的である。

また、前記ベース板にヒートパイプを設置して放熱性能の向上を図ったヒートシンクは、例えば、特許文献１に提案されている。これは図６に示すようにベース板２に対してヒートパイプ３を埋設させたもので、発熱体の発生熱をベース板全体に均熱化でき、これによって放熱フィン５による放熱作用を広範囲に亘り有効に働かせて冷却性能の向上を図るものである。

特開２００２−２６２５８３号公報

しかしながら、新幹線等の鉄道車両や自動車などは坂を昇る時やカーブを曲がる時など、ヒートシンクがどちらに傾いた場合であっても、ヒートシンクはその冷却性能を維持する必要がある。特許文献１のようにヒートパイプを複数の発熱体に共通に埋め込んだ場合、ある方向の傾きでは所定の冷却性能が得られるものの、別方向に傾いた場合、冷却性能が低下するといった問題点があった。これは、特に形状や重量の制約でヒートパイプを傾けて設置できず、水平に近い状態で使用するヒートシンクの場合、特に致命的な問題であった。また、ベース内で高温部が中央付近にある場合には、ヒートパイプが有効に働かないといった不具合があった。

一方、前記高発熱密度の素子の冷却を行う場合でのフッ素系化合物（例えば、「フロリナートＦＸ−３２５０」商品名、住友スリーエム（株）製）の作動液を用いる沸騰冷却式ヒートシンクにおいては、その全体的構成が複雑化されて高価である。環境負荷の少ない冷媒が開発されてきているが、冷媒として地球温暖化係数の大きいある種のフッ素化合物を使う場合が多く、比較的良好な冷却性能が得られるのではあるが、環境悪化防止の観点から、その使用が年々敬遠されつつある。

また、ヒートパイプを用いるヒートシンクでは、発生熱をベース板からヒートパイプに配した放熱フィンに伝熱させて熱放散を図るのであるが、新幹線等の車両や自動車用など該ヒートシンク自体の高さが比較的低くされた構成の場合、すなわち、フィンを配したヒートパイプにおける放熱部の長さ寸法が比較的短い構成では、該ヒートパイプから放熱フィンへの効率的な熱伝導性に欠けることになり、このため、熱放散が十分にはなされないという不利がある。

そして、この構成のヒートシンクでは、冷却流体として冷却水を用いる場合、使用場所での外気温度が氷点下にまで達すると、該ヒートパイプ内の冷却水が放熱部側で凍結して受熱部側に還流しなくなるおそれを生ずるため、ヒートパイプとしての本来の機能を果たせなくなるという欠点がある。これに加えて、ヒートパイプ自体がベース板面の外部にむき出しになっているものもあり、使用中や輸送中などにおける内部冷却水の凍結で、そのむき出し部分が破壊されてしまうという問題点もあった。

従って、本発明の目的は、ヒートパイプによって発熱体からベース板の広範囲に熱放散させて、該ベース板の均熱化を図ることで、ヒートシンクがいずれの方向に傾斜しても、高い冷却性能を維持し得るようにし、発熱性素子が高温になることを防止したヒートシンクを提供することである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は下記の手段により達成される。
（１）発熱性素子が設けられたベース板の一つの高温部に対し、複数のヒートパイプが、高温部から異なる方向の低温部へそれぞれ配設されたヒートシンクであって、前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、並列に配設され、前記ヒートパイプの数は、高温部から風下の低温部へ配設する数が、高温部から風上の低温部へ配設する数を越えるものであることを特徴とするヒートシンク。
（２）前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、多段に重ねるように配設されたことを特徴とする（１）記載のヒートシンク。
（３）発熱性素子が設けられたベース板の一つの高温部に対し、複数のヒートパイプが、高温部から異なる方向の低温部へそれぞれ配設されたヒートシンクであって、前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、多段に重ねるように配設されたことを特徴とするヒートシンク。
（４）前記ベース板は複数の穴の開いた押出材を含み、その穴ごとに、ヒートパイプの長さと位置を変えて配設したことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載のヒートシンク。
（５）鉄道車両および自動車に使用することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のヒートシンク。

本発明に係るヒートシンクによれば、高温部から異なる方向の低温部へヒートパイプを配設することで、従来できなかった種々の傾きが起こった場合でも、いずれかのヒートパイプが機能し、優れた冷却性能を発揮するものである。そして、高温部内でヒートパイプを近接して、並列に配設したり、近接して、多段に重ねるように配設したりすることで、局部的に素子が高温にならないようにすることができる。
また、高温部から低温部へ、放射状にヒートパイプを配設することで、様々な方向の傾きに対しても、いずれかのヒートパイプが機能し優れた冷却性能を発揮し対応できる。
さらに、高温部から風下の低温部に配設するヒートパイプ数を、高温部から風上の低温部に配設するヒートパイプ数より多くすることで、ヒートパイプにより熱を風下側にも多く運んで、素子の高温化を防ぐことができる。
また、ベース板の複数の穴の開いた押出材に、穴ごとにヒートパイプの長さと位置を変えて配設することで、安価に製造することができる。
本発明は、以上のような優れた放熱効果が得られるものであるので、鉄道車両や自動車用などヒートシンクを傾斜して設置したり、使用時に傾斜したりする場合に好適である。

以下、本発明のヒートシンクの好ましい具体的な実施態様について図１ないし図５を参照して詳細に説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は本発明の櫛形ヒートシンクの基本的な概要構成であり、（ａ）はその放熱フィンの反対側からの正面図および（ｂ）はその側面図である。
図１は、ベース板２が鉛直に設置されている場合の例示であるが、ベース板２は水平であっても構わない。前記ベース板２と各放熱フィン５は、アルミ押出し成形によって一体成形してもよいし、あるいはベース板２に対して各放熱フィン５をロウ付けやはんだ付け、もしくは溶接、カシメ付けなどによっても製造し得ることはいうまでもない。
放熱フィン５の形態はどのようであってもよく、図では櫛状の例を示しているが、格子状でもよい。
櫛形ヒートシンク１は、発熱体としてのＩＧＢＴなどの発熱性素子４を一方の面に固定的に保持させたベース板２を用い、該ベース板２の他方の面に複数個の放熱フィン５を並設させてある。また、ベース板２には、ヒートパイプ３が配設、固定されている。

ヒートパイプ３は、ベース板２の一つの高温部Ａに対し、そこから反対側の異なる方向の低温部Ｂへ向けてそれぞれ配設されている。
高温部とは、ベース板面に発熱性素子４が付設された部位であり、低温部とは発熱性素子４の付設されていない部位や、それより低発熱性の素子４ａの付設された部位を意味する。
高温部Ａが複数ある（発熱性素子が複数付設されている）場合には同様に、それぞれの高温部に対し、それぞれから反対側の異なる方向（反対方向）の低温部へそれぞれヒートパイプを配設する。図１には、素子直下の高温部Ａから右方向の低温部Ｂと左方向の低温部Ｂの２方向にヒートパイプを並列に配設している例が示してあり、その中央の高温部Ａからのようにそれぞれ一方向に複数のヒートパイプを配設してもよい。ここに示すものは、傾斜用としてきわめて有効なものである。

ヒートシンク１が図１に示すように鉛直に設置される時には、図１に矢印Ａｒで示す左右方向に傾く場合、ヒートパイプ３は、水平方向に配設するのが好ましい。さらに、放熱部が受熱部より上方になるようにヒートパイプの角度を水平より１°以上１５°程度までにやや傾けて配設しておけば、作用液の温度に基づく比重差あるいは気化に依り熱移動の効果がより得易いものとなる。図１では、ヒートパイプ３は水平方向に配設されたものが示されているが、ヒートパイプ３は水平から鉛直までの間に配設することもできる。
ヒートシンク１のベース板２が水平に設置される時には、ベース板２が傾く傾斜軸に対し、垂直方向にヒートパイプ３をほぼ平行に配設するのが好ましい。例えば、ベース板２が左右方向に傾斜するならば、傾斜軸は前後方向であるので、ヒートパイプ３は高温部からそれぞれ左方向および右方向に平行に配設し、べース板２が前後方向に傾斜するならば、ヒートパイプ３は高温部からそれぞれ前方および後方へ平行に配設する。

このヒートシンクでは、高温部から反対側の異なる方向の低温部へヒートパイプを配設することによって、特定の傾きだけではなく、複数の所定の傾きに対しても、傾きが大きければ大きいほどヒートパイプを効率良く働かせることができ、更にそのヒートパイプは傾きにより傾斜角が大きくなるためヒートパイプの熱移動量が増大し、素子の熱をベース板の広範囲に広げ、素子が高温になることを効果的に防ぐものである。
また、ベース板内にヒートパイプを全長に渡って埋めた場合で高温部がその途中にある時（図６に示すような例）には、ヒートパイプ内の冷媒が途中でドライアウトして熱を全長に渡って効率良く運べないことが多いが、本発明ではヒートパイプは高温部から低温部へ配設してあるから、それにより高温部で受熱した熱を低温部で放出するため、ヒートパイプを効率良く働かせることができるものである。

ヒートパイプは銅、アルミニウム、黄銅など熱伝導性のよい金属で作製するのが好ましく、その断面形状は円形、楕円形あるいは四角形など、どのような形状でもよいが、熱移動量の点から円形が好ましい。
ヒートパイプのベース板への固定は、接触熱抵抗の比較的小さいろう付けやハンダ付けによるのが好ましいが、カシメや伝熱性のグリス、接着剤等特に問わない。
ここで、ヒートパイプの配設に関しては、傾斜の方向の他に、前記ベース板２や高温になる素子４の位置、素子やパイプの固定用ネジの位置による制約などを勘案することで、ヒートパイプ３の長さや位置、段数や列数などを設定する。

図２、図３は本発明のヒートシンク１におけるヒートパイプの配設をその断面で示すものである。なお、図２は、放熱フィン５が図１と異なりヒートパイプ３に対し垂直方向に配列された態様を示すものである。また、図３はヒートパイプの配設をベース板部分のみで示したものである。ヒートパイプ３は図２に示すように、発熱性素子４の付設された部位直下のベース板２の高温部Ａに同一面に配設するだけでなく、図３のように並列に且つ多段に重ねるように配設しても良い。ベース板２はアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金の板等で作製するが、アルミニウム押出し材で作れば比較的安価に製造することができる。また、単位ベース板を作製し、これを角度を変えたりして複数枚積層させて接合することにより、より適した形状を有する構造のベース板２を容易に製造することもできる。

この櫛形ヒートシンク１の構成では、前記ベース板２に対してヒートパイプ３を埋設配設させたので、起動時にあって該ヒートパイプ３内の冷却水がたとえ凍結したとしても、該起動に伴うベース板２自体の温度上昇によって該凍結状態にある水が容易かつ迅速に溶けるため、ヒートパイプ３としての機能が失なわれるようなことは全くない。しかも、このようにヒートパイプ３がベース板２内に埋め込まれ、その全長が外部にむき出しにされていないので、使用中あるいは輸送中などに内部の冷却水が凍結しても、パイプ自体が破壊するおそれを確実に避けることができるのである。

また、図２のように高温部内でヒートパイプ３を並列に近接して配設したり、図３のように高温部内でヒートパイプ３を並列に、かつ、重ねるように近接して配設したりすることで、熱移動量が大きくでき、傾いても何れかのヒートパイプが働き、素子が局部的に高温になることを防ぐことができるものである。
さらに、ベース板２として複数の穴の開いた押出材を使うことで、ベース板に複数の穴を安価に製造でき、それぞれの穴ごとに所定の方向（穴の前後方向）の傾きでヒートパイプが働くよう配設できるものである。

図４は、本発明の他の実施形態である櫛形ヒートシンク１の基本的な概要構成を示す平面図である。ここでは、ベース板２は水平状態に設置された場合であるが、ベース板２はどのような角度に設置されてもよい。
発熱性素子４の付設部位である高温部Ａから低温部Ｂへ、放射状に複数のヒートパイプ３を配設したものである。このようにヒートパイプ３が配設されれば、ヒートシンク１がどのような角度に置かれてどの方向に傾いても、中央の素子からの発熱はいずれかのヒートパイプの作用により低温部へ導かれ、高温化が防止される。このように、放射状に複数のヒートパイプを配設することにより、様々な方向の傾きに対応できるものである。
図４では、ヒートパイプ３が同一面上に配設されているものを示しているが、ヒートパイプの配設を図３に示すように積層構造にして、できるだけヒートパイプの多くの部分が高温部にかかるよう配設した方が、ヒートパイプの機能を効率よく引き出すことができる。

次に、図５は本発明のさらに他の実施形態である櫛形ヒートシンク１の概要構成を示す平面図であり、送風により冷却を促進する場合である。ここでは、ベース板２は水平に設置された場合であるが、ベース板２はどのような角度に設置されてもよい。
発熱性素子４の付設位置である高温部Ａから風下の低温部Ｂに向かうヒートパイプの配設数を、高温部Ａから風上の低温部Ｂに向かうヒートパイプの配設数より多く（同数は含まない）したものである。
風上、風下へのヒートパイプ数が同数であれば、風下で温度が上昇しやすく、ベース温度が上昇してヒートパイプの受熱部との温度差が小さくなり、風下への熱移動量が低下しがちであった。しかし、風下側へのヒートパイプ数を多くし、風下側により多くの熱を移動でき、風下側が上に傾いた場合でも素子の高温化を抑制することができる。
したがって、新幹線車両などのように一方向からファンで強制空冷を行うヒートシンクに適用する場合に好ましいものである。

また、本発明のヒートシンクは、ヒートパイプがベース板に埋め込まれているものであるから、起動時に該ヒートパイプ内の冷却水がたとえ凍結していたとしても、該起動に伴うベース板自体の温度上昇で容易に解けるため、ヒートパイプとしての機能が失なわれるようなことはない。しかも、このようにヒートパイプがベース板内に埋め込まれ、その全長が外部にむき出しにされていないので、使用中あるいは輸送中などに内部の冷却水が凍結しても、パイプ自体の破壊のおそれが避けられる。
なお、本発明では冷媒として、水だけではなく、ヒートシンクで利用されている各種の冷媒を使用することができる。

本発明のヒートシンクは、すでに述べたように、傾斜して設置したり、使用時に傾斜したりした場合でも、優れた放熱効果を有するものでるので、特に使用時にあらゆる方向に傾斜することの多い、鉄道車両や自動車に使用するのに適したものである。

本発明の櫛形ヒートシンクの概要構成を示すものであり、（ａ）はその放熱フィンの反対側からの正面図、および（ｂ）はその側面図である。 本発明のヒートシンクにおけるヒートパイプの配設の一例を示す断面図である。 本発明のヒートシンクにおけるヒートパイプの配設の他の一例を示す断面図で、ベース板部分のみを示したものである。 本発明の他の実施形態である櫛形ヒートシンクの概要構成を示す平面図である。 本発明のさらに他の実施形態である櫛形ヒートシンクの概要構成を示す平面図である。 先行例のヒートパイプを有する櫛形ヒートシンクの概要構成を示すものであり、（ａ）はその平面図、および（ｂ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。

符号の説明

１ ヒートシンク
２ ベース板
３ ヒートパイプ
４ 発熱性素子
４ａ 低発熱性素子
５ 放熱フィン
Ａ 高温部
Ｂ 低温部

Claims (5)

1. 発熱性素子が設けられたベース板の一つの高温部に対し、複数のヒートパイプが、高温部から異なる方向の低温部へそれぞれ配設されたヒートシンクであって、前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、並列に配設され、前記ヒートパイプの数は、高温部から風下の低温部へ配設する数が、高温部から風上の低温部へ配設する数を越えるものであることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、多段に重ねるように配設されたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 発熱性素子が設けられたベース板の一つの高温部に対し、複数のヒートパイプが、高温部から異なる方向の低温部へそれぞれ配設されたヒートシンクであって、前記ヒートパイプは、高温部内で近接して、多段に重ねるように配設されたことを特徴とするヒートシンク。
4. 前記ベース板は複数の穴の開いた押出材を含み、その穴ごとに、ヒートパイプの長さと位置を変えて配設したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 鉄道車両および自動車に使用することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
   

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