JPH05299547A - ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は，配置面積が小さく、ヒートパイプの
放熱冷却効果を損なうことなく例えば電気車両制御装置
内部に配置できるヒートパイプ式冷却器を提供すること
を目的とする。 【構成】２本の金属パイプ２、３を碍子筒４を介して接
続して構成され内部に作動液が封入され且つ一方の金属
パイプが発熱体を設ける入熱部とされ、他端部が放熱部
とされたヒートパイプ１と、このヒートパイプの放熱部
の外部に設けられヒートパイプの軸方向に沿ったフィン
１０とを具備したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートパイプを用いた冷
却器に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の冷却などに用いられるヒー
トパイプ式冷却器は、ヒートパイプを用いた冷却器であ
る。

【０００３】最近、ヒートパイプ式冷却器において、図
４に示すように２本の金属パイプ２２、２３を碍子筒２
４を介して接続し、一方の金属パイプ２２を入熱部と
し、他方の金属パイプ２３を放熱部とするとともに、内
部に作動液を封入した構成のヒートパイプ２１を用いた
ものが開発されている。なお、ヒートパイプ２１の各金
属パイプ２２、２３の内部には、毛細管現象を発生させ
る構造例えばグルーブ（細い溝）が形成されている。

【０００４】そして、この冷却器では、ヒートパイプ２
１において放熱部である金属パイプ２３に放熱体として
ヒートパイプ２１の軸方向に対して直角な方向に沿う複
数のフィン２５が並べて取付けられている。また、入熱
部である金属パイプ２２には発熱体として半導体素子２
７を装着した熱伝導ブロック２６が取付けられている。

【０００５】このように構成されたヒートパイプ冷却器
を使用する場合には、放熱部である金属パイプ２３が上
側となり、熱伝導ブロック２６が下側となるるようにし
てヒートパイプ２１をやや傾けて横置きする。

【０００６】すなわち、このヒートパイプ式冷却器で
は、半導体素子２８の熱が熱伝導ブロック２６を介して
金属パイプ２２に伝達されると、金属パイプ２２にある
作動液が加熱されて蒸発する。気体は金属パイプ２２か
ら碍子筒２４を経て金属パイプ２３に流れ、ここで凝縮
して作動液に戻る。作動液は金属パイプ２２、２３に形
成された毛細管現象発生構造例えばグルーブによる毛細
管現象により金属パイプ２２に戻る。

【０００７】この形式のヒートパイプ冷却器は、金属パ
イプ２２と金属パイプ２３との間に絶縁体である碍子筒
２４を設けて両方の金属パイプ２２、２３を電気的に絶
縁しているので、金属パイプ２２に電子部品や電気部品
例えば半導体素子を設けた場合に、その半導体素子の電
気が金属パイプ２２から金属パイプ２３のフィン２５に
流れず安全性が高いという特徴がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この形式のヒートパイ
プ冷却器は、フィン２５がヒートパイプ２１の軸方向に
対して直角な方向に沿うので、ヒートパイプ２１を横置
きにして設けている。しかし、このようにヒートパイプ
２１を横置きして設けると、横方向の長さ大きくなり横
方向の配置面積が大きくなる。

【０００９】このため、ヒートパイプ冷却器を横方向の
配置面積が制限されている箇所に設ける場合、例えば電
車車両制御装置に電子回路を構成する半導体素子の放熱
用として用いる場合に、他の部品との関係もあって配置
が困難になることがある。

【００１０】ここで、ヒートパイプ冷却器の上方にトラ
ンスなどの他の発熱部品を配置すると、フィン体の空気
の流れがヒートパイプの上方で発熱部品により阻害さ
れ、自然対流効果が低下する。また、ヒートパイプ冷却
器の下方に他の発熱部品を設けると、発熱部品の熱が上
昇してヒートパイプ付近の空気温度が上昇するので、ヒ
ートパイプ冷却器の冷却効果が低下する。

【００１１】本発明は前記事情に基づいてなされたもの
で、配置面積が小さく、ヒートパイプの放熱冷却効果を
損なうことなく配置できるヒートパイプ式冷却器を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明のヒートパイプ式冷却器は、２本の金属パイプ
を碍子筒を介して接続して構成され内部に作動液が封入
され且つ一方の金属パイプが発熱体を設ける入熱部とさ
れ、他端部が放熱部とされたヒートパイプと、このヒー
トパイプの前記放熱部の外部に設けられ前記ヒートパイ
プの軸方向に沿ったフィンとを具備したことを特徴とす
る。

【００１３】

【作用】フィンの間に空気を通して対流を効果的に発生
させるためにはフィンが垂直になるように配置する。フ
ィンが垂直になるようにするためにはヒートパイプを垂
直に配置する。ヒートパイプを垂直に配置すると、ヒー
トパイプを横置きした場合に比較してヒートパイプ冷却
器の配置面積が小さくなる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面について説明す
る。

【００１５】本発明のヒートパイプ式冷却器の一実施例
を図１について説明する。この実施例は半導体素子の放
熱冷却用に用いるものに適用した例である。

【００１６】図中１はヒートパイプで、２本の金属パイ
プ２、３と碍子筒４とで構成されている。２本の金属パ
イプ２、３は、金属材料からなる例えば丸パイプからな
るもので、一端が開放され他端が閉塞されている。碍子
筒４はセラミックスなどの絶縁材料からなるもので、両
端が開放されている。金属パイプ２、３は夫々の開放端
を碍子筒４の開放端に接続固定されている。すなわち、
金属パイプ２、３が碍子筒４を介してろう付けにより接
続固定され、全体が１本の閉塞されたパイプとして構成
されている。

【００１７】金属パイプ２、３の内部には作動液が封入
されており、また、金属パイプ２、３の内壁には作動液
に毛細管現象を発生させる構造例えばグルーブが形成さ
れている。そして、ヒートパイプ１は複数本が平行に並
べて配置されている。

【００１８】図中５は各ヒートパイプ１における例えば
金属パイプ２に取り付けられた熱伝導ブロックで、これ
は熱伝導性に優れた材料例えばアルミニウムで形成され
ている。熱伝導ブロック５には半導体素子６が取り付け
られており、且つ複数のパイプ挿通孔７が平行に並べて
形成されている。

【００１９】そして、各ヒートパイプ１における金属パ
イプ２はそれぞれ熱伝導ブロック５に形成されたパイプ
挿通孔７に挿入されて半田つけによって固定されてい
る。

【００２０】８はヒートパイプ１における例えば金属パ
イプ３に取り付けられた放熱フィン体で、ベース９とフ
ィン１０とを有している。ベース９は平板状をなすもの
で、熱伝導性に優れた金属材料例えばアルミニウムで形
成されている。このベース９には複数のパイプ挿通孔１
１が平行に並べて形成されている。

【００２１】フィン１０はベース９の一対の板面に夫々
設けられ、熱伝導性に優れた金属材料例えばアルミニウ
ムで形成されている。フィン１０はベース９の板面から
パイプ挿通孔１１の軸線方向に対して直角な方向に張出
し、且つパイプ挿通孔１１の軸線方向に沿って配置され
ている。フィン１０はベース９の一対の板面において夫
々複数づつ所定間隔を存して平行に並べて配置され、ベ
ース９に一体に形成されている。ベース９と各フィン１
０はアルミニウム押出し成形加工により一体に成形され
ている。これにより各フィン１０はヒートパイプ１の軸
線方向に平行に沿って配置される。

【００２２】そして、ベース９の複数のパイプ挿通孔１
１には各ヒートパイプ１の金属パイプ３が夫々挿入され
例えば接着剤または半田つけによって固定されている。
これにより放熱フィン体８の各フィン１０はヒートパイ
プ１の軸線方向に沿って位置する。

【００２３】このように構成されたヒートパイプ式冷却
器を使用する場合には、図１に示すように金属パイプ２
が下側、金属パイプ３が上側に夫々するように垂直に設
けられる。これにより熱伝導ブロック５が下側に位置さ
れ、放熱フィン体８が上側に位置される。すなわち、ヒ
ートパイプ１はボトムモードにして設けられる。ここ
で、放熱フィン体８の各フィン１０はヒートパイプ１の
軸線方向に沿って垂直（鉛直）方向に沿って配置され
る。

【００２４】この状態で各ヒートパイプ１に封入された
作動液はヒートパイプ１の金属パイプ２の下部に溜る。
半導体素子６が発した熱が熱伝導ブロック５を介してヒ
ートパイプ１の金属パイプ２すなわち入熱部に伝達され
ると、金属パイプ２の内部にある作動液が加熱されて気
化して蒸発する。作動液が気化する時に蒸発潜熱が吸収
される。作動液の蒸気は金属パイプ２から碍子筒４を経
て金属パイプ３すなわち放熱部に上昇し、ここで凝縮し
て液化し作動液に戻る。液体が液化する時に蒸発潜熱を
放出する。凝縮した作動液は金属パイプ２、３および碍
子筒４の内面に形成された複数のグルーブに添って金属
パイプ３に流れ落ちる。

【００２５】ここで、金属パイプ３にて液体が液化する
時に放出された熱は金属パイプ３を介して放熱フィン体
８のベース９に伝達され、さらにベースの一対の板面に
夫々形成された複数のフィン１０に伝達され、各フィン
１０から空気中に放出される。このため、隣接する各フ
ィン１０に挟まれて形成される垂直方向に沿う空間部に
ある空気は、各フィン１０から放出される熱に加熱され
て上昇し空間部からその上側に出る。

【００２６】そして、代りに各フィン１０に挟まれた空
間部にはその下側から冷たい空気が流れ込み、またこの
空気も各フィン１０から放出される熱に加熱されて上昇
し空間部から出る。このようにして各フィン１０に挟ま
れた垂直方向に沿う空間部にはいわゆる煙突効果により
自然対流風が発生する。この自然対流風によりヒートパ
イプ１における対流熱伝導が促進される。

【００２７】各フィン１０は上下方向に沿って位置する
ために、各フィン１０によって空気の自然対流が効率良
く発生する。この自然対流により空気が上下方向すなわ
ちヒートパイプ１の軸方向に流れ、このため空気が上下
方向に沿って上昇する時に半導体素子６および熱伝導ブ
ロック５に触れてこれを直接冷却し、さらにヒートパイ
プ１に触れてこれを直接冷却できる。このため、半導体
素子８の熱が良好に放出される。

【００２８】この実施例において、放熱フィン体１８の
各フィン２０はヒートパイプ１の軸線方向に沿って位置
されている。そして、各フィン１０の間の空間部に無理
無く効率良く空気を通すためには各フィン１０を垂直方
向に位置する必要がある。各フィン１が垂直になるよう
にするためにはヒートパイプ１を垂直に配置する。ヒー
トパイプ１を垂直に配置すると、ヒートパイプ１を横置
きした場合に比較してヒートパイプ冷却器の配置面積が
小さくなる。

【００２９】従って、ヒートパイプ式冷却器の側方に隣
接して他の発熱部品を配置することができ、限定された
空間部にヒートパイプ式冷却器を他の部品とともに効率
良く配置できる。このことは特に電気機器の配置空間部
が限定された条件、例えば電車車両制御装置内にヒート
パイプ式冷却器を設ける場合に効果がある。

【００３０】なお、ヒートパイプ１は金属パイプ２と金
属パイプ３との間に絶縁体である碍子筒４を設けて両方
の金属パイプ２、３を電気的に絶縁しているので、半導
体素子の電気が金属パイプ２から金属パイプ３のフィン
体８に流れず安全性が高い。このため、半導体素子がサ
イリスタのように高い電圧で動作する素子の場合にも安
全であり、電車車両制御装置の回路への搭載にも適用で
きる。

【００３１】図１に示す実施例におけるヒートパイプ式
冷却器の一具体例をあげる。

【００３２】ヒートパイプの金属パイプ２、３は外径２
２．２３mm、長さ２７５mm、碍子筒４はセラミックス
製、熱伝導ブロック５は銅製、１２０mm×１００mm×３
０mm、放熱フィン体８のフィン１０はアルミニウム製、
１２４mm×３００mm×１．０mmで５０枚積層されてい
る。半導体素子はポスト径６０mmのサイリスタである。

【００３３】実機状態で使用した結果、縦に長いために
放熱フィン体８のフィン１０での自然通風空気の対流速
度約１m ／秒が得られた。この時、サイリスタからのパ
ワーロスをトータルで５００Ｗ印加して自然対流特性を
測定したところ、素子取付け面〜環境温度上昇４０℃
（トータル熱抵抗値０．０８℃／Ｗ）の値が得られた。

【００３４】なお、本発明は前述した実施例に限定され
ずに種々変形して実施することができる。

【００３５】例えば放熱フィン体８の構成は実施例に限
定されない。フィン１０はベース９と別体としてベース
９に固定することもできる。図２および図３はこの構成
の例を示しており、図２はコルゲート形をなすフィン１
２を、図３は碁盤の目形をなすフィン１３をベース９に
固定している。フィンをベースに固定するためにはねじ
止め、接着、ブレージングなどの手段が採用される。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のヒートパイ
プ式冷却器によれば、中間部に碍子筒を介在して設けた
ヒートパイプを用いたものであって、ヒートパイプに軸
線方向に沿うフィンを取付けたので、配置面積が小さ
く、ヒートパイプの放熱冷却効果を損なうことなく例え
ば電気車両制御装置内部に配置できるとともに、ヒート
パイプの放熱冷却効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるヒートパイプ式冷却
器を示す図。

【図２】放熱フィン体の他の例を示す図。

【図３】放熱フィン体の他の例を示す図。

【図４】ヒートパイプ式冷却器の従来例を示す概略的構
成図。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、２，３…金属パイプ、４…碍子筒、
５…放熱フィン体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２本の金属パイプを碍子筒を介して接続
   して構成され内部に作動液が封入され且つ一方の金属パ
   イプが発熱体を設ける入熱部とされ、他端部が放熱部と
   されたヒートパイプと、このヒートパイプの前記放熱部
   の外部に設けられ前記ヒートパイプの軸方向に沿ったフ
   ィンとを具備したことを特徴とするヒートパイプ式冷却
   器。