JP6932276B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートパイプで構成される冷却装置に関する。

電子部品の通電時の発熱による損傷を防ぐため、冷却部材が電子部品に熱的に接続される。冷却部材は、電子部品から伝達された熱を、冷却部材の周囲の空気に放熱する。その結果、電子部品が冷却される。冷却部材の一例として、ヒートパイプを有するヒートシンクがある。この種のヒートシンクの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているヒートシンクは、電子部品から熱が伝達されるベース板と、ヒートパイプと、を備える。ヒートパイプは、ベース板に固定された板型ヒートパイプと、板型ヒートパイプと連通する筒型ヒートパイプとで構成される。

特開２００３−３３６９７６号公報

特許文献１に開示されるヒートシンクが有するヒートパイプには、気液二相の状態の冷媒が封入される。電子部品から熱を伝達されて気化した冷媒は、板型ヒートパイプから筒型ヒートパイプに流入する。そして、気化した冷媒は、筒型ヒートパイプの内部を移動しながら、筒型ヒートパイプを介して筒型ヒートパイプの周囲の空気に熱を伝達する。冷媒が空気に熱を伝達すると、冷媒の温度は下がり、冷媒は液化する。液化した冷媒は、筒型ヒートパイプを伝って板型ヒートパイプに流入する。このように冷媒が気化と液化を繰り返してヒートパイプの内部を循環することで、電子部品が冷却される。

ヒートシンクが冷媒の融点以下の空気に接触する場所に設置されていると、冷媒が凍ることがある。例えば、冷媒として純水がヒートパイプに封入されていて、ヒートシンクが摂氏０度以下の空気に接触する場所に設置されている場合、ヒートパイプの内部に封入された純水が凍ることがある。このように冷媒が凍ると、ヒートパイプの内部で冷媒が循環しないため、ヒートシンクの冷却性能が低下する。その結果、電子部品を十分に冷却することができず、電子部品の温度が高くなり過ぎて、電子部品が故障してしまうことがある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、低温の環境でも冷却可能な冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却装置は、受熱ブロックと、第１ヒートパイプと、第２ヒートパイプと、気液二相の状態の第１冷媒と、気液二相の状態の第２冷媒と、を備える。受熱ブロックの第１主面には、発熱体が固定される。第１ヒートパイプは、受熱ブロックに固定される。第２ヒートパイプは、受熱ブロックに固定され、第１ヒートパイプに隣接する。第１冷媒は、第１ヒートパイプに封入されている。第２冷媒は、第２ヒートパイプに封入されている。常温において、第２ヒートパイプの体積に占める液体の状態の第２冷媒の割合は、第１ヒートパイプの体積に占める液体の状態の第１冷媒の割合より高い。第２ヒートパイプは、受熱ブロックに近い端部と受熱ブロックから遠い端部との間で蛇行する流路を形成する。

本発明に係る冷却装置は、第１ヒートパイプに隣接する第２ヒートパイプを備える。常温において、第２ヒートパイプの体積に占める液体の状態の第２冷媒の割合は、第１ヒートパイプの体積に占める液体の状態の第１冷媒の割合より高い。第１ヒートパイプより凍りにくい第２ヒートパイプが第１ヒートパイプに隣接することで、第１ヒートパイプの内部の凍った第１冷媒を速やかに溶かすことが可能である。その結果、低温の環境でも冷却装置による冷却が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置の斜視図 実施の形態１に係る冷却装置の図１のＡ−Ａ線での矢視断面図 実施の形態１に係る第２ヒートパイプを示す図 実施の形態１に係る電力変換装置の断面図 実施の形態１に係る電力変換装置の図４のＢ−Ｂ線での矢視断面図 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の斜視図 実施の形態２に係る冷却装置の図６のＣ−Ｃ線での矢視断面図 実施の形態２に係る第２ヒートパイプを構成する板状部材の上面図 本発明の実施の形態３に係る冷却装置の断面図 実施の形態３に係る第２ヒートパイプを構成する板状部材の上面図 本発明の実施の形態４に係る冷却装置の断面図 実施の形態４に係る第２ヒートパイプを構成する板状部材の上面図 実施の形態に係る冷却装置の変形例の斜視図 実施の形態に係るループヒートパイプの概要図

以下、本発明の実施の形態に係る冷却装置について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
通電時の電子部品の発熱による電子部品の故障を防止するため、電子部品には、電子部品を冷却する冷却装置が熱的に接続される。図１に示す実施の形態１に係る冷却装置１は、発熱体が固定された受熱ブロック１１と、受熱ブロック１１に固定され、発熱体から伝達された熱を放熱することで発熱体を冷却する第１ヒートパイプ１２と、受熱ブロック１１に固定され、第１ヒートパイプ１２に隣接する第２ヒートパイプ１３と、を備える。第１ヒートパイプ１２は、受熱ブロック１１に固定された母管１２ａと、母管１２ａと連通して受熱ブロック１１から離れる方向に延びる支管１２ｂとで構成される。なお固定は、一体に形成されることを含むものとする。具体的には、受熱ブロック１１に固定された母管１２ａは、受熱ブロック１１と一体に形成されてもよい。同様に、受熱ブロック１１に固定された第２ヒートパイプ１３は、受熱ブロック１１と一体に形成されてもよい。

図１におけるＡ−Ａ線での矢視断面図である図２に示すように、冷却装置１はさらに、支管１２ｂに固定されたフィン１４を備える。なお図１においては、図をわかりやすくするために、フィン１４の記載を省略した。冷却装置１はさらに、第１ヒートパイプ１２に封入された気液二相の状態の第１冷媒１５と、第２ヒートパイプ１３に封入された気液二相の状態の第２冷媒１６と、をさらに備える。

図１および図２において、Ｚ軸を鉛直方向とする。またＸ軸は、受熱ブロック１１の第１主面１１ａおよび第２主面１１ｂのそれぞれと直交する方向であり、Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に直交する方向である。

上記構成を有する冷却装置１の各部について、冷却装置１が４本の母管１２ａを備え、各母管１２ａに４本の支管１２ｂが連通する構成を例にして説明する。
図２に示すように、受熱ブロック１１の第１主面１１ａには、通電時に発熱する電子部品で構成される発熱体３１が固定される。また第１主面１１ａの反対側に位置する受熱ブロック１１の第２主面１１ｂには、Ｙ軸方向に延びる複数の溝１１ｃと、Ｙ軸方向に延びる複数の溝１１ｄが形成される。各溝１１ｃに母管１２ａが挿入され、接着剤による接着、はんだ付け等の任意の固定方法によって、母管１２ａが受熱ブロック１１に固定される。

また各溝１１ｄに第２ヒートパイプ１３が挿入され、接着剤による接着、はんだ付け等の任意の固定方法によって、第２ヒートパイプ１３が受熱ブロック１１に固定される。なお溝１１ｄは、溝１１ｃに隣接する。具体的には、溝１１ｄは、後述するように、溝１１ｄに挿入された第２ヒートパイプ１３から溝１１ｃに挿入された母管１２ａに熱を伝えて凍った第１冷媒１５を溶かすことが可能な程度に、溝１１ｃの近傍に形成される。なお受熱ブロック１１は、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

第１ヒートパイプ１２は、母管１２ａと、母管１２ａに連通する複数の支管１２ｂとで構成される。第１ヒートパイプ１２に第１冷媒１５が封入される。
母管１２ａは、溝１１ｃに挿入され、受熱ブロック１１に固定されている。なお母管１２ａは、一部が露出した状態で受熱ブロック１１に固定されている。なお母管１２ａは、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

支管１２ｂは、溶接、はんだ付け等によって、母管１２ａに固定され、母管１２ａに連通している。また支管１２ｂは、第２主面１１ｂから離れる方向に延びる。なお支管１２ｂは、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

第２ヒートパイプ１３の一端は、溝１１ｄに挿入され、受熱ブロック１１に固定されている。第２ヒートパイプ１３は、始点と終点が一致する流路であって、受熱ブロック１１に近い端部と受熱ブロック１１から遠い端部との間で蛇行する流路を形成する。また受熱ブロック１１に固定された第２ヒートパイプ１３は、Ｙ軸に直交する断面で、すなわち、ＸＺ平面で母管１２ａの外周の一部に沿う形状を有する。具体的には、図３に示すように、始点と終点が一致し、蛇行した流路を有する自励振動式の第２ヒートパイプ１３を、一点鎖線で示す折り曲げ線Ｌ１で９０度折り曲げたものが溝１１ｄに挿入され、受熱ブロック１１に固定される。

第２ヒートパイプ１３は、図２に示すように、Ｚ軸正方向に向く面１３ａと、Ｘ軸負方向に向く面１３ｂとを有する。また第２ヒートパイプ１３は、第１ヒートパイプ１２に隣接する。具体的には、第２ヒートパイプ１３は、発熱体３１から伝達された熱を、面１３ａ，１３ｂのそれぞれから母管１２ａに伝達して、凍った第１冷媒１５を溶かすことが可能な程度に、母管１２ａに隣接する。例えば、母管１２ａと第２ヒートパイプ１３との間隔は、１００ｍｍ以下に設定される。好ましくは、面１３ａ，１３ｂはそれぞれ、母管１２ａに当接してもよい。

フィン１４は、貫通孔を有し、貫通孔を支管１２ｂが通った状態で、支管１２ｂに固定される。フィン１４を設けることで、冷却装置１の冷却効率を高めることが可能である。

第１冷媒１５は、気液二相の状態で、第１ヒートパイプ１２に封入される。なお第１冷媒１５は、発熱体３１から伝達される熱で気化し、冷却装置１の周囲の空気に放熱することで液化する物質、例えば、水で構成される。

第２冷媒１６は、気液二相の状態で、第２ヒートパイプ１３に封入される。第２冷媒１６の表面張力の作用により、第２ヒートパイプ１３の内部は、第２冷媒１６の液滴で塞がれ、液体の状態の第２冷媒１６と気体の状態の第２冷媒１６とが分散して位置する。なお第２冷媒１６は、発熱体３１から伝達される熱で気化し、冷却装置１の周囲の空気に放熱することで液化する物質、例えば、水で構成される。

なお常温において、第２ヒートパイプ１３の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合は、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合より高い。このため、第２ヒートパイプ１３は、第１ヒートパイプ１２よりも凍りにくい。一例として、第２ヒートパイプ１３の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合を５０％とし、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合を２０％とすることが好ましい。

上記構成を有する冷却装置１は、図４および図５に示すように、電力変換装置３０に搭載される。なお図５は、図４におけるＢ−Ｂ線での矢視断面図である。電力変換装置３０は、筐体３２、筐体３２の内部に収容される発熱体３１、および、発熱体３１を冷却する冷却装置１を備える。筐体３２は、筐体３２の内部を密閉部３２ａと開放部３２ｂとに分ける仕切り３３を有する。密閉部３２ａには、発熱体３１が収容される。開放部３２ｂには、冷却装置１が収容される。仕切り３３は、開口部３３ａを有する。開口部３３ａは、冷却装置１が有する受熱ブロック１１の第１主面１１ａによって塞がれる。発熱体３１は、開口部３３ａを塞ぐ第１主面１１ａに取り付けられる。開口部３３ａが第１主面１１ａによって塞がれることで、密閉部３２ａに外部の空気、水分、塵埃等が流入することが抑制される。
また筐体３２は、開放部３２ｂに面し、かつ、Ｙ軸方向と直交する二面に、吸排気口３４を有する。一方の吸排気口３４から流入した冷却風は、フィン１４に沿って、支管１２ｂの間を通り、他方の吸排気口３４から排出される。冷却装置１が発熱体３１から伝達された熱を、冷却風に伝達することで、発熱体３１が冷却される。

上記構成を有する冷却装置１が発熱体３１を冷却する仕組みについて説明する。発熱体３１が発熱すると、発熱体３１から受熱ブロック１１および母管１２ａを介して、第１冷媒１５に熱が伝達される。その結果、第１冷媒１５の温度が上昇し、第１冷媒１５の一部が気化する。気化した第１冷媒１５は、母管１２ａから支管１２ｂに流入し、さらに支管１２ｂの内部を支管１２ｂの鉛直方向上端に向かって移動する。支管１２ｂの内部を支管１２ｂの鉛直方向上端に向かって移動する間に、第１冷媒１５は、支管１２ｂとフィン１４とを介して、冷却装置１の周囲の空気に放熱する。第１冷媒１５が放熱することで、第１冷媒１５の温度は下がる。この結果、第１冷媒１５は、液化する。液化した第１冷媒１５は、支管１２ｂの内壁を伝って母管１２ａに戻る。液化した第１冷媒１５は、受熱ブロック１１を介して発熱体３１から熱を伝達されると、再び気化し、支管１２ｂに流入し、支管１２ｂの鉛直方向上端に向かって移動する。第１冷媒１５が上述の気化と液化を繰り返して循環することで、発熱体３１で生じた熱は、冷却装置１の周囲の空気、具体的には支管１２ｂとフィン１４の周囲の空気に放熱されて、発熱体３１は冷却される。

また発熱体３１が発熱し、発熱体３１から受熱ブロック１１および母管１２ａを介して第１冷媒１５に熱が伝達されると、気化しなかった第１冷媒１５、すなわち、液体の状態の第１冷媒１５に温度差が生じて、対流が生じる。対流によって、第１冷媒１５が、発熱体３１から伝達された熱をＹ軸方向に拡散して伝達されるため、発熱体３１は効率よく冷却される。

また発熱体３１が発熱すると、発熱体３１から受熱ブロック１１および第２ヒートパイプ１３を介して、第２冷媒１６に熱が伝達される。その結果、液体の状態であった第２冷媒１６の一部が気化する。気化によって体積が増大した第２冷媒１６に押されて、液体の状態の第２冷媒１６と気体の状態の第２冷媒１６とが、受熱ブロック１１から遠い端部、換言すれば、鉛直方向上端に移動する。第２ヒートパイプ１３の内部を鉛直方向上方に移動する間に、気化した第２冷媒１６は、第２ヒートパイプ１３を介して、冷却装置１の周囲の空気に放熱する。第２冷媒１６が放熱することで、第２冷媒１６の温度は下がる。この結果、第２冷媒１６は、液化する。液化した第２冷媒１６は、第２ヒートパイプ１３の内壁を伝って鉛直方向下方に移動する。液化した第２冷媒１６は、受熱ブロック１１を介して発熱体３１から熱を伝達されると、再び気化する。このように第２冷媒１６が気化と液化を繰り返して循環することで、発熱体３１で生じた熱は、冷却装置１の周囲の空気、具体的には第２ヒートパイプ１３の周囲の空気に放熱されて、発熱体３１は冷却される。

第１冷媒１５が凍った状態では、上述した第１冷媒１５の循環と対流が起こらないため、冷却装置１は発熱体３１を冷却することができない。具体的には、発熱体３１を構成する電子部品が通電されていない状態で、冷却装置１の周囲の空気が摂氏０度以下になると、水で構成される第１冷媒１５が凍ることがある。冷却装置１の冷却効率の低下を抑制するためには、第１冷媒１５を溶かす必要がある。

凍った第１冷媒１５を溶かす冷却装置１の仕組みについて説明する。発熱体３１が発熱すると、受熱ブロック１１および第１ヒートパイプ１２を介して、第１冷媒１５に熱が伝達される。さらに発熱体３１で生じた熱は、第２ヒートパイプ１３に伝達され、母管１２ａに隣接する第２ヒートパイプ１３の面１３ａ，１３ｂのそれぞれから、母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達される。このため、母管１２ａの受熱ブロック１１に面している部分だけでなく、母管１２ａの受熱ブロック１１に面していない部分からも第２ヒートパイプ１３を介して凍った第１冷媒１５に多面的に熱が伝達される。したがって、冷却装置１は、第２ヒートパイプ１３を備えない従来のヒートパイプ式冷却装置と比べて、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る冷却装置１によれば、第２ヒートパイプ１３を備えることで、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。その結果、低温の環境でも、冷却装置１による発熱体３１の冷却が可能である。

（実施の形態２）
第２ヒートパイプ１３の構造は、第１ヒートパイプ１２より凍りにくく、凍った第１冷媒１５を溶かすことができる構造であれば、任意である。図６および図７に示す実施の形態２に係る冷却装置２は、第２ヒートパイプ１３に代えて、第２ヒートパイプ１７を備える。冷却装置２の構造は、第２ヒートパイプ１７と、受熱ブロック１１の形状とを除いて、冷却装置１の構造と同じである。また冷却装置２は、冷却装置１と同様に、電力変換装置３０に搭載可能である。

冷却装置２が有する受熱ブロック１１には、複数の溝１１ｄに加えて、複数の溝１１ｅが形成される。各溝１１ｄに第２ヒートパイプ１７の一端が挿入される。

第２ヒートパイプ１７は、一端が溝１１ｄに挿入され、接着剤による接着、はんだ付け等によって、受熱ブロック１１に固定される。また第２ヒートパイプ１７は、内部に流路１８を有する板状部材１９で構成される。具体的には、図８に示すように、内部に始点と終点が一致し、蛇行する流路１８が形成された平らな板状部材１９を、一点鎖線で示す折り曲げ線Ｌ２で９０度折り曲げることで、第２ヒートパイプ１７が得られる。流路１８には、実施の形態１と同様に、気液二相の状態の第２冷媒１６が封入される。なお板状部材１９は、熱伝導率が高く、加工が容易な材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で構成される。

上述のように板状部材１９を折り曲げて形成された第２ヒートパイプ１７は、図７に示すように、Ｚ軸正方向に向く面１７ａと、Ｘ軸負方向に向く面１７ｂとを有する。また第２ヒートパイプ１７は、第１ヒートパイプ１２に隣接する。具体的には、第２ヒートパイプ１７は、発熱体３１から伝達された熱を、面１７ａ，１７ｂのそれぞれから母管１２ａに伝達して、凍った第１冷媒１５を溶かすことが可能な程度に、母管１２ａに隣接する。好ましくは、面１７ａ，１７ｂはそれぞれ、母管１２ａに当接する。

なお実施の形態１と同様に、常温において、第２ヒートパイプ１７の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合は、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合より高い。このため、第２ヒートパイプ１７は、第１ヒートパイプ１２よりも凍りにくい。一例として、第２ヒートパイプ１７の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合を５０％とし、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合を２０％とすることが好ましい。

上記構成を有する冷却装置２が発熱体３１を冷却する仕組みについて説明する。第１ヒートパイプ１２が発熱体３１を冷却する仕組みは、実施の形態１と同様であるため、第２ヒートパイプ１７が発熱体３１を冷却する仕組みについて説明する。

発熱体３１が発熱すると、発熱体３１から受熱ブロック１１と板状部材１９を介して、第２冷媒１６に熱が伝達される。その結果、液体の状態であった第２冷媒１６の一部が気化する。気化によって体積が増大した第２冷媒１６に押されて、液体の状態の第２冷媒１６と気体の状態の第２冷媒１６とが、受熱ブロック１１から遠い端部、換言すれば、鉛直方向上端に移動する。流路１８を鉛直方向上方に移動する間に、気化した第２冷媒１６は、板状部材１９を介して、冷却装置２の周囲の空気に放熱する。第２冷媒１６が放熱することで、第２冷媒１６の温度は下がる。この結果、第２冷媒１６は、液化する。液化した第２冷媒１６は、流路１８の内壁を伝って、鉛直方向下方に移動する。液化した第２冷媒１６は、受熱ブロック１１と板状部材１９を介して発熱体３１から熱を伝達されると、再び気化する。このように第２冷媒１６が気化と液化を繰り返して循環することで、発熱体３１で生じた熱は、冷却装置２の周囲の空気、具体的には第２ヒートパイプ１７の周囲の空気に放熱されて、発熱体３１は冷却される。

また発熱体３１から受熱ブロック１１を介して第２ヒートパイプ１７を構成する板状部材１９に伝達された熱の一部は、板状部材１９から周囲の空気に直接的に放熱されて、発熱体３１は冷却される。

次に、凍った第１冷媒１５を溶かす冷却装置２の仕組みについて説明する。実施の形態１と同様に、発熱体３１が発熱すると、受熱ブロック１１および第１ヒートパイプ１２を介して、第１冷媒１５に熱が伝達される。
さらに発熱体３１で生じた熱は、第２ヒートパイプ１７に伝達され、母管１２ａに隣接する第２ヒートパイプ１７の面１７ａ，１７ｂのそれぞれから、母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達される。このため、母管１２ａの受熱ブロック１１に面している部分だけでなく、母管１２ａの受熱ブロック１１に面していない部分からも第２ヒートパイプ１７を介して凍った第１冷媒１５に多面的に熱が伝達される。したがって、冷却装置１は、第２ヒートパイプ１７を備えない従来のヒートパイプ式冷却装置と比べて、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る冷却装置２によれば、第２ヒートパイプ１７を備えることで、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。その結果、低温の環境でも、冷却装置２による発熱体３１の冷却が可能である。
また第２ヒートパイプ１７の流路１８は板状部材１９の内部に形成されているため、冷却装置１の周囲の空気の温度変化の影響を受けにくく、実施の形態１に係る冷却装置１が有する第２ヒートパイプ１３よりも凍りにくい。

また第２ヒートパイプ１７と発熱体３１との距離は、母管１２ａと発熱体３１との距離より短い。そのため、発熱体３１で生じた熱は、第２ヒートパイプ１７に、母管１２ａよりも速く伝達される。その結果、第２ヒートパイプ１７から母管１２ａを介して第１冷媒１５に効率よく熱を伝達し、凍っている第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

（実施の形態３）
第２ヒートパイプ１３の構造は、第１ヒートパイプ１２より凍りにくく、凍った第１冷媒１５を溶かすことができる構造であれば、任意である。図９に示す実施の形態３に係る冷却装置３は、第２ヒートパイプ１３に代えて、第２ヒートパイプ２０を備える。冷却装置３の構造は、第２ヒートパイプ２０と、受熱ブロック１１の形状とを除いて、冷却装置１の構造と同じである。また冷却装置３は、冷却装置１，２と同様に、電力変換装置３０に搭載可能である。

冷却装置３が有する受熱ブロック１１には、冷却装置２が有する受熱ブロック１１と同様の溝１１ｅと、複数の溝１１ｆが形成される。各溝１１ｅに第２ヒートパイプ２０の一端が挿入され、この溝１１ｄとの間に２つの溝１１ｃを挟んで溝１１ｅより鉛直方向上側に位置する溝１１ｆに第２ヒートパイプ２０の他端が挿入される。

第２ヒートパイプ２０の一端は、溝１１ｅに挿入され、他端は、溝１１ｆに挿入される。そして第２ヒートパイプ２０は、接着剤による接着、はんだ付け等によって、受熱ブロック１１に固定される。また第２ヒートパイプ２０は、実施の形態２と同様の板状部材１９を折り曲げて形成される。具体的には、図１０に示す内部に始点と終点が一致し、蛇行した流路１８が形成された平らな板状部材１９を一点鎖線で示す折り曲げ線Ｌ３，Ｌ４のそれぞれで板状部材１９を９０度折り曲げることで、第２ヒートパイプ２０が得られる。なお折り曲げ線Ｌ３で板状部材１９を折り曲げる方向と、折り曲げ線Ｌ４で板状部材１９を折り曲げる方向とは同じである。

上述のように板状部材１９を折り曲げて形成された第２ヒートパイプ２０は、図９に示すように、Ｚ軸正方向に向く面２０ａと、Ｘ軸負方向に向く面２０ｂと、Ｚ軸負方向に向く２０ｃと、を有する。また第２ヒートパイプ２０は、第１ヒートパイプ１２に隣接する。具体的には、第２ヒートパイプ２０は、発熱体３１から伝達された熱を、面２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれから母管１２ａに伝達可能な程度に、母管１２ａに隣接する。好ましくは、第２ヒートパイプ２０の面２０ａ，２０ｂ，２０ｃはそれぞれ、母管１２ａに当接する。

なお実施の形態１と同様に、常温において、第２ヒートパイプ２０の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合は、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合より高い。このため、第２ヒートパイプ２０は、第１ヒートパイプ１２よりも凍りにくい。一例として、第２ヒートパイプ２０の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合を５０％とし、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合を２０％とすることが好ましい。

第１ヒートパイプ１２が発熱体３１を冷却する仕組みは、実施の形態１と同様である。また第２ヒートパイプ２０が発熱体３１を冷却する仕組みは、実施の形態２と同様である。ただし、第２ヒートパイプ２０を構成する板状部材１９の両端が受熱ブロック１１に固定されており、流路１８の両端が発熱体３１から受熱ブロック１１を介して伝達された熱によって暖められる。このため、気化によって体積が増大した第２冷媒１６に押されて、液体の状態の第２冷媒１６と気体の状態の第２冷媒１６とは、流路１８の中央部分、換言すれば、板状部材１９の長手方向の中央部分に向かって移動する。

次に、凍った第１冷媒１５を溶かす冷却装置３の仕組みについて説明する。発熱体３１が発熱すると、受熱ブロック１１および第１ヒートパイプ１２を介して、第１冷媒１５に熱が伝達される。
さらに発熱体３１で生じた熱は第２ヒートパイプ２０に伝達され、母管１２ａに隣接する第２ヒートパイプ２０の面２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれから、母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達される。このため、母管１２ａの受熱ブロック１１に面している部分だけでなく、母管１２ａの受熱ブロック１１に面していない部分からも第２ヒートパイプ２０を介して凍った第１冷媒１５に多面的に熱が伝達される。したがって、冷却装置３は、第２ヒートパイプ２０を備えない従来のヒートパイプ式冷却装置と比べて、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

また第２ヒートパイプ２０の両端は受熱ブロック１１に固定されているため、発熱体３１で生じた熱は、第２ヒートパイプ２０の両端から第２ヒートパイプ２０に伝達される。そのため、第２ヒートパイプ１３，１７よりも速く、第２ヒートパイプ２０の全体に熱が伝達される。その結果、第２ヒートパイプ１３，１７と比べて、より速やかに第１冷媒１５を溶かすことができる。

以上説明したとおり、本実施の形態３に係る冷却装置３によれば、第２ヒートパイプ２０は、発熱体３１から伝達された熱を面２０ａ，２０ｂ，２０ｃから母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達することで、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。その結果、低温の環境でも、冷却装置３による発熱体３１の冷却が可能である。

（実施の形態４）
実施の形態１−３では、ＸＺ平面で母管１２ａの外周の一部に沿う形状を有する第２ヒートパイプ１３，１７，２０について説明したが、第２ヒートパイプ１３，１７，２０は、ＸＺ平面で母管１２ａの外周の一部に沿う形状を有し、かつ、支管１２ｂに沿って延びる形状を有してもよい。図１１に示すように、実施の形態４に係る冷却装置４は、第２ヒートパイプ１３に代えて、第２ヒートパイプ２１を備える。冷却装置４の構造は、第２ヒートパイプ２１と、受熱ブロック１１の形状とを除いて、冷却装置１の構造と同じである。また冷却装置４は、冷却装置１−３と同様に、電力変換装置３０に搭載可能である。

冷却装置４が有する受熱ブロック１１には、複数の溝１１ｄの代わりに、複数の溝１１ｇが形成される。各溝１１ｇに、第２ヒートパイプ２１が挿入される。なお各溝１１ｇは、溝１１ｃの鉛直方向上側の位置で、溝１１ｃに隣接して形成される。具体的には、溝１１ｇは、溝１１ｇに挿入された第２ヒートパイプ２１から溝１１ｃに挿入された母管１２ａに熱を伝えて凍った第１冷媒１５を溶かすことが可能な程度に、溝１１ｃに隣接して形成される。

第２ヒートパイプ２１は、溝１１ｇに挿入され、接着剤による接着、はんだ付け等によって、受熱ブロック１１に固定される。また第２ヒートパイプ２１は、内部に流路１８を有する。具体的には、図１２に示す内部に始点と終点が一致し、蛇行した流路１８が形成された平らな板状部材１９を一点鎖線で示す折り曲げ線Ｌ５で板状部材１９を９０度折り曲げ、一点鎖線で示す折り曲げ線Ｌ６で水平方向と支管１２ｂが延びる方向とが成す角にあわせて板状部材１９を折り曲げることで、第２ヒートパイプ２１が得られる。なお折り曲げ線Ｌ５で板状部材１９を折り曲げる際の折り曲げる方向と、折り曲げ線Ｌ６で板状部材１９を折り曲げる際の折り曲げる方向とは逆である。第２ヒートパイプ２１は、水平方向と支管１２ｂが延びる方向とが成す角にあわせて板状部材１９を折り曲げて形成されているため、受熱ブロック１１に固定された状態で、支管１２ｂに沿って延びる。

上述のように板状部材１９を折り曲げて形成された第２ヒートパイプ２１は、図１１に示すように、Ｚ軸負方向に向く面２１ａと、Ｘ軸負方向に向く面２１ｂと、支管１２ｂに沿って延びる面２１ｃと、を有する。また第２ヒートパイプ２１は、母管１２ａに隣接する。具体的には、第２ヒートパイプ２１は、発熱体３１から伝達された熱を、面２１ａ，２１ｂのそれぞれから母管１２ａに伝達可能な程度に、母管１２ａに隣接する。好ましくは、第２ヒートパイプ２１の面２１ａ，２１ｂはそれぞれ、母管１２ａに当接してもよい。また第２ヒートパイプ２１は、発熱体３１から伝達された熱を、面２１ｃから支管１２ｂに伝達可能な程度に、支管１２ｂに隣接し、支管１２ｂに沿って延びる。好ましくは、第２ヒートパイプ２１の面２１ｃは支管１２ｂに当接してもよい。

なお実施の形態１と同様に、常温において、第２ヒートパイプ２１の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合は、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合より高い。このため、第２ヒートパイプ２１は、第１ヒートパイプ１２よりも凍りにくい。一例として、第２ヒートパイプ２１の流路１８の体積に占める液体の第２冷媒１６の割合を５０％とし、第１ヒートパイプ１２の体積に占める液体の第１冷媒１５の割合を２０％とすることが好ましい。

第１ヒートパイプ１２が発熱体３１を冷却する仕組みは、実施の形態１と同様である。また第２ヒートパイプ２０が発熱体３１を冷却する仕組みは、実施の形態２と同様である。

次に、凍った第１冷媒１５を溶かす冷却装置４の仕組みについて説明する。発熱体３１が発熱すると、受熱ブロック１１および第１ヒートパイプ１２を介して、第１冷媒１５に熱が伝達される。
さらに発熱体３１で生じた熱は第２ヒートパイプ２１に伝達され、母管１２ａに隣接する第２ヒートパイプ２１の面２１ａ，２１ｂのそれぞれから、母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達される。このため、母管１２ａの受熱ブロック１１に面している部分だけでなく、母管１２ａの受熱ブロック１１に面していない部分からも第２ヒートパイプ２０を介して凍った第１冷媒１５に多面的に熱が伝達される。
また第２ヒートパイプ２１に伝達された熱は、面２１ｃから、支管１２ｂを介して第１冷媒１５に伝達される。このため、支管１２ｂで凍った第１冷媒１５にも熱が伝達される。したがって、冷却装置４は、第２ヒートパイプ２１を備えない従来のヒートパイプ式冷却装置と比べて、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。また冷却装置１は、支管１２ｂで凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態４に係る冷却装置４によれば、第２ヒートパイプ２１は、発熱体３１から伝達された熱を面２１ａ，２１ｂのそれぞれから母管１２ａを介して第１冷媒１５に伝達し、面２１ｃから支管１２ｂを介して第１冷媒１５に伝達することで、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。その結果、低温の環境でも、冷却装置４による発熱体３１の冷却が可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限られない。一例として、上述の実施の形態の内、複数の実施の形態を任意に組み合わせてもよい。具体的には、冷却装置１が有する第２ヒートパイプ１３の形状を、第２ヒートパイプ２０，２１と同様の形状としてもよい。

受熱ブロック１１の形状は、板状の形状に限られず、第１主面１１ａに発熱体３１が固定可能であって、かつ、第１ヒートパイプ１２が固定可能な形状であれば、任意である。

第１ヒートパイプ１２の構造および形状は、発熱体３１から伝達された熱を放熱可能な構造および形状であれば、任意である。一例として、第１ヒートパイプ１２は、母管１２ａのみから構成されてもよい。
また母管１２ａの長手方向に直交する断面の形状は、円形に限られず、扁平形状でもよい。同様に、支管１２ｂの長手方向に直交する断面の形状は、円形に限られず、扁平形状でもよい。なお扁平形状は、円の一部の幅を元の円より狭く変形することで得られる形状であり、楕円、流線型、長円等を含む。なお長円は、同一の直径の円の外縁を直線で繋いだ形状を意味する。この場合、扁平形状の長手方向がＺ軸方向に平行する向きで母管１２ａを受熱ブロック１１に固定すると、受熱ブロック１１から母管１２ａへの熱の伝達効率が向上する。また支管１２ｂの長手方向が冷却風の流れる方向に一致する向きで支管１２ｂを母管１２ａに固定すると、支管１２ｂの近傍での乱流が抑制され、冷却効率が向上する。

第２ヒートパイプ１３，１７，２０，２１，２２の形状は、凍った第１冷媒１５を溶かすことが可能な形状であれば、任意である。一例として、第２ヒートパイプ１７，２０，２１，２２は、内部に流路１８を有する任意の形状の部材で構成されてもよい。
また他の一例として、一部がＸＺ平面で母管１２ａの外周の一部に沿う形状を有し、他の一部が支管１２ｂに沿って延びる形状を有する第２ヒートパイプ２２を図１３に示す。第２ヒートパイプ２２は、第２ヒートパイプ１７と同様に、ＸＺ平面で母管１２ａの外周の一部に沿う形状を有する折り曲げ部２２ａと、受熱ブロック１１の第２主面１１ｂから支管１２ｂに沿って延びる形状を有する直線部２２ｂとで、構成される。

流路１８の形状は、内部に封入された第２冷媒１６が循環可能な形状であれば、任意である。一例として、流路１８の形状は、環状でもよい。
また第２ヒートパイプ１３，１７，２０，２１は、自励式のヒートパイプに限られず、図１４に示すループヒートパイプ２３で構成されてもよい。ループヒートパイプ２３は、発熱体３１で生じた熱を第２冷媒１６に伝達して、第２冷媒１６を気化させる蒸発器２３ａと、気化した第２冷媒１６が通る蒸気管２３ｂと、第２冷媒１６から伝達された熱を放熱することで、第２冷媒１６を液化させる凝縮器２３ｃと、液化した第２冷媒１６が通る液管２３ｄと、液管２３ｄを流れる第２冷媒１６の一部を貯留することで、液管２３ｄから蒸発器２３ａに流れる第２冷媒１６の量を調整するリザーバ２３ｅと、を備える。この場合、蒸発器２３ａが受熱ブロック１１に固定される。
またループヒートパイプ２３は、第２ヒートパイプ１７，２０，２１のように、板状部材の内部に形成されてもよい。この場合、蒸発器２３ａが受熱ブロック１１に隣接するように、ループヒートパイプ２３が内部に形成された板状部材が受熱ブロック１１に固定される。

発熱体３１として、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されるスイッチング素子を受熱ブロック１１に取り付けてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを含む。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、ケイ素を用いたスイッチング素子に比べて、小型化されているため、単位面積当たりの発熱量が大きい。第１ヒートパイプ１２より凍りにくい第２ヒートパイプ１３，１７，２０，２１，２２がワイドバンドギャップ半導体で生じた熱を受けることで、凍った第１冷媒１５を速やかに溶かすことが可能である。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１，２，３，４ 冷却装置、１１ 受熱ブロック、１１ａ 第１主面、１１ｂ 第２主面、１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ 溝、１２ 第１ヒートパイプ、１２ａ 母管、１２ｂ 支管、１３，１７，２０，２１，２２ 第２ヒートパイプ、１３ａ，１３ｂ，１７ａ，１７ｂ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 面、１４ フィン、１５ 第１冷媒、１６ 第２冷媒、１８ 流路、１９ 板状部材、２２ａ 折り曲げ部、２２ｂ 直線部、２３ ループヒートパイプ、２３ａ 蒸発器、２３ｂ 蒸気管、２３ｃ 凝縮器、２３ｄ 液管、２３ｅ リザーバ、３０ 電力変換装置、３１ 発熱体、３２ 筐体、３２ａ 密閉部、３２ｂ 開放部、３３ 仕切り、３３ａ 開口部、３４ 吸排気口、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 折り曲げ線。

Claims (8)

1. 発熱体が第１主面に固定される受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックに固定される第１ヒートパイプと、
   前記受熱ブロックに固定され、前記第１ヒートパイプに隣接する第２ヒートパイプと、
   前記第１ヒートパイプに封入された気液二相の状態の第１冷媒と、
   前記第２ヒートパイプに封入された気液二相の状態の第２冷媒と、
   を備え、
   常温において、前記第２ヒートパイプの体積に占める液体の状態の前記第２冷媒の割合は、前記第１ヒートパイプの体積に占める液体の状態の前記第１冷媒の割合より高く、
   前記第２ヒートパイプは、前記受熱ブロックに近い端部と前記受熱ブロックから遠い端部との間で蛇行する流路を形成する、
   冷却装置。
2. 発熱体が第１主面に固定される受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックに固定される第１ヒートパイプと、
   前記受熱ブロックに固定され、前記第１ヒートパイプに隣接する第２ヒートパイプと、
   前記第１ヒートパイプに封入された気液二相の状態の第１冷媒と、
   前記第２ヒートパイプに封入された気液二相の状態の第２冷媒と、
   を備え、
   常温において、前記第２ヒートパイプの体積に占める液体の状態の前記第２冷媒の割合は、前記第１ヒートパイプの体積に占める液体の状態の前記第１冷媒の割合より高く、
   前記第１ヒートパイプは、前記受熱ブロックに固定され、前記第１主面に沿って延びる母管を有し、
   前記第２ヒートパイプは、前記母管が延びる方向に直交する断面で、前記母管の外周の一部に沿う形状を有する、
   冷却装置。
3. 前記第２ヒートパイプは、前記母管に当接する、
   請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記第１ヒートパイプは、前記母管と連通し、前記第１主面と向き合う前記受熱ブロックの第２主面から離れる方向に延びる支管をさらに備える、
   請求項２または３に記載の冷却装置。
5. 前記第２ヒートパイプは、前記支管に沿って延びる、
   請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記第２ヒートパイプは、前記支管に当接する、
   請求項４または５に記載の冷却装置。
7. 前記第２ヒートパイプは、内部に流路を有する部材で構成される、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 前記第２ヒートパイプは、始点と終点が一致する流路を形成する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却装置。

Images