JPH07180982A - ヒートパイプ式冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ヒートパイプ式冷却装置１は、冷媒として水
２が封入されたヒートパイプ３の一端に、半導体素子６
が押圧された受熱部ブロック４が備えられ、他端には複
数枚の放熱フィン５が取りつけられている。又ヒートパ
イプ３の内壁には、ヒートパイプ３の内径と同じ直径を
もつ金網状の円板９が取りつけられている。 【効果】 水の凝固点以下の低温環境下でも使用可能
で、ヒートパイプ式冷却装置を大形化することなく、冷
却性能を上げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷媒液の沸騰・凝縮の相
変化の作用により半導体素子等の発熱体を冷却するヒー
トパイプ式冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体の冷却装置としては、ヒート
パイプ式冷却装置が広く用いられている。図８、図９は
従来のヒートパイプ式冷却装置を示す図で、図８は非絶
縁形のヒートパイプ式冷却装置の断面図、図９は絶縁形
のヒートパイプ式冷却装置の断面図である。

【０００３】図８においてヒートパイプ式冷却装置１
は、少量の液体２（以下冷媒という）が封入されたヒー
トパイプ３の一端に、熱伝導性が優れた銅、アルミニウ
ム等の材料からなる受熱部ブロック４が備えられ、他端
には複数枚の放熱フィン５が取りつけられて構成されて
いる。受熱部ブロック４には半導体素子６が取りつけら
れている。

【０００４】受熱部ブロック４側は密閉部７に収納さ
れ、放熱フィン５側は外気にさらされる開放部８に収納
される。このようなヒートパイプ式冷却装置１を電気車
の床下に設置する場合は、放熱フィン５側を車両の側面
方向に配置し、外気温度が低く、電気車の走行時の走行
風により放熱を行うようにしている。

【０００５】半導体素子６から発生する熱は、受熱部ブ
ロック４を介してヒートパイプ３へ伝わる。すると、ヒ
ートパイプ３内に封入されている冷媒２が沸騰して気化
する。気体となった冷媒２はヒートパイプ３内部を放熱
フィン５が取りつけられた方向に上昇し、凝縮して熱を
放熱フィン５を通じて外部へ放出する。液体に戻った冷
媒２は、ヒートパイプ３の傾斜に沿って受熱部ブロック
４方向へ戻る。この様に冷媒２の沸騰・凝縮作用により
半導体素子６から発生する熱をうばい、そして外部へ放
出する。ヒートパイプ３内に封入される冷媒２として、
熱伝達特性の優れた水を利用することで、ヒートパイプ
式冷却装置１の小形化をはかることができる。

【０００６】又半導体素子６が取りつけられた受熱部ブ
ロック４には、半導体素子６に加圧される電圧が印加さ
れるため、特に電気車の床下にヒートパイプ式冷却装置
１を設置する場合、金属性の異物等により放熱フィン５
が接地事故を起こすことを防止するために、受熱部ブロ
ック４と放熱フィン５とを絶縁しておくことが望まし
い。そこで図９に示されるようにセラミックス製の絶縁
管４ａをヒートパイプ３の中間に気密に接続して絶縁形
のヒートパイプ式冷却装置を構成する。この場合、冷媒
としては絶縁性の高いフロロカーボン系（例えばパーフ
ロロカーボンなど）を使用するのが一般的である。この
絶縁形のヒートパイプ式冷却装置も図８に示される非絶
縁形のヒートパイプ式冷却装置と同様に、フロロカーボ
ン系の冷媒２の沸騰・凝縮作用により半導体素子６から
発生する熱をうばい、放熱フィン５より大気の熱を放出
することで半導体素子６の冷却を行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図８に示される非絶縁
形のヒートパイプ式冷却装置において、冷媒２として水
を使用した場合、水は凝固点が０［℃］であるため、０
［℃］以下の環境下では凍結してしまい、ヒートパイプ
３が動作しなくなる。０［℃］以下の環境下で半導体素
子６が動作して熱を発生しはじめると、はじめは冷媒２
が凍結しているためヒートパイプ３は動作しないが、や
がて半導体素子６からの熱により受熱部ブロック４が高
温になり冷媒２が液化する。そしてヒートパイプ３が動
作を開始する。

【０００８】しかしながら液化した冷媒２が半導体素子
６の発熱により気化して、ヒートパイプ３内部を放熱フ
ィン５が取りつけられた方向に上昇していくと、外気に
さらされている放熱フィン５側は０［℃］以下の低温の
ままであるため、ヒートパイプ３の放熱フィン５側端部
で、冷媒２が再び凝固してしまい、氷となって付着しは
じめることがあった。ヒートパイプ３内部の受熱部ブロ
ック４側にある冷媒２が、全て放熱フィン５側の端部で
凍結した場合、半導体素子６から発生する熱が受熱部ブ
ロック４を伝わり、放熱フィン５側の端部の温度が上昇
して氷となった冷媒２が融解すれば、再びヒートパイプ
３は動作することができる。しかし放熱フィン５側の端
部に付着した氷が融解する以前に、半導体素子６を十分
に冷却することができずに半導体素子６の異常温度上昇
により、半導体素子６の破壊をまねくという問題が生じ
ていた。

【０００９】凝固点が水より低い他の冷媒を用いれば、
冷媒の凝固という問題は生じないが、熱伝導特性は水に
比べて劣るため、水と同じ冷却性能を得るには、ヒート
パイプ式冷却装置が大型化してしまう。

【００１０】又図９に示される絶縁形のヒートパイプ式
冷却装置において、冷媒２として絶縁性の高いフロロカ
ーボン系の冷媒を使用した場合、凝固点が水に比べてか
なり低いため、上述した冷媒の凝固という問題は防止で
きる。しかしながら低温状況下でのフロロカーボン系の
冷媒２のバーンアウト熱流束値が低いため、次の様な別
の問題が生じる。

【００１１】冷媒２が半導体素子６の熱をうけて沸騰す
る場合、熱流束をバーンアウト熱流束以下におさえ、沸
騰形態を核沸騰の領域で行い、膜沸騰の領域で行わない
ことが必要である。これは沸騰形態が核沸騰から膜沸騰
へと変わるバーンアウトがおこると、沸騰面の温度が一
気に高温となり、数 100度に達してしまうことを防ぐた
めである。バーンアウト熱流束は液温が低いほど小さな
値となるため、熱流束をバーンアウト熱流束以下におさ
えるためには、単位面積あたりの発熱量を低くしなけれ
ばならない。しかしながら受熱部ブロック４の半導体素
子６の取りつけ面のヒートパイプ３が占める面積は小さ
いため、熱流束は高くなってしまい、−30度以下の低温
環境下では、この熱流束がバーンアウト熱流束を越えて
しまう。

【００１２】そこで本発明は上述した問題点を解決する
ためになされたもので、熱伝達特性の優れた水を冷媒と
して使用した時に、水の凝固点以下の環境下において
も、ヒートパイプを正常に動作させて、半導体素子の発
熱による破壊を防止するヒートパイプ式冷却装置を提供
することを目的とする。

【００１３】又本発明では絶縁性の高いフロロカーボン
系の冷媒を使用した時に、低温環境下においても、ヒー
トパイプを正常に動作させて、半導体素子の発熱による
破壊を防止するヒートパイプ式冷却装置を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１乃至請求項３記載の発明は、少量の水が封入
されたヒートパイプと、このヒートパイプの一端に接合
され、半導体素子が押圧される受熱部ブロックと、ヒー
トパイプの他端に取りつけられた複数枚の放熱フィン
と、ヒートパイプ内壁に取りつけられた金網状の仕切り
板とを有してなる。又金網状の仕切り板は、所定の間隔
毎に、複数枚取りつけてもよい。更に金網状の仕切り板
は、ヒートパイプの内径と略同じ直径の金網状の円板で
もよい。

【００１５】又請求項４記載の発明は、冷媒が封入され
たヒートパイプと、このヒートパイプの一端に接合さ
れ、半導体素子が押圧される受熱部ブロックと、ヒート
パイプの他端に取り付けられた複数枚の放熱フィンと、
これら複数枚の放熱フィンのうち少なくとも一枚の放熱
フィンに接続される電熱器とを有してなる。

【００１６】又請求項５記載の発明は、冷媒が封入され
たヒートパイプと、このヒートパイプの一端に接合さ
れ、半導体素子が押圧される受熱部ブロックと、ヒート
パイプの他端に取り付けられた複数枚の放熱フィンと、
ヒートパイプの他端に取り付けられ、複数枚の放熱フィ
ンよりも小さい金属板と、この金属板に接続される電熱
器とを有してなる。

【００１７】又請求項６記載の発明は、冷媒が封入され
たヒートパイプと、このヒートパイプの一端に接合さ
れ、半導体素子が押圧される受熱部ブロックと、ヒート
パイプの他端に取りつけられた複数枚の放熱フィンと、
ヒートパイプの他端に複数枚の放熱フィンと交互に取り
つけられ、複数枚の放熱フィンよりも小さい複数枚の金
属板と、複数枚の放熱フィンに形成された穴を非接触に
貫通し、複数枚の金属板に形成された穴を貫通して複数
枚の金属板に接続される電熱器とを有してなる。

【００１８】又請求項７記載の発明は、請求項４乃至請
求項６のいずれかに記載の発明に加えて、放熱フィンに
取り付けられた温度センサと、この温度センサで検出さ
れた温度値があらかじめ設定された所定値以下となった
際に電熱器に電力を供給する制御装置とを有してなる。

【００１９】又請求項８記載の発明は、請求項４乃至請
求項７のいずれかに記載の発明に加えて、ヒートパイプ
の受熱部ブロックが接続された側と放熱フィンが取りつ
けられた側とを絶縁する絶縁管を有してなる。

【００２０】

【作用】上述した構成により請求項１乃至請求項３記載
の発明では、半導体素子から発生する熱は、受熱部ブロ
ックに伝わってヒートパイプ内部に封入された水が沸騰
して気化する。水蒸気はヒートパイプ内部を放熱フィン
が取りつけられた方向に上昇する。そして放熱フィンよ
り外部へ熱を放出して水蒸気は凝縮し、ヒートパイプ内
部を受熱部ブロックが接合された方向に戻る。このサイ
クルを繰り返して、半導体素子を冷却する。０［℃］以
下の環境下では、ヒートパイプ内部に封入された水が凍
結してしまうが、半導体素子が動作して熱を発生する
と、融解して水に戻る。そして半導体素子から発生する
熱により水が沸騰して気化する。水蒸気はヒートパイプ
内部を放熱フィンが取りつけられた方向に上昇するが、
放熱フィン側は外気にさらされているため、０［℃］以
下の環境下では水蒸気が凝縮して金網状の仕切り板に氷
となって付着する。金網状の仕切り板部位の温度は、比
較的早期に受熱部ブロックからの熱が伝わり上昇するた
め、付着した氷は液化して再びヒートパイプ内部を受熱
部ブロックが接合された方向へ戻る。このサイクルを繰
り返すうちに水蒸気はヒートパイプ内部を金網状の仕切
り板部分で氷となって付着せずに、放熱フィンが取りつ
けられた方向へ上昇する。ヒートパイプの放熱フィンが
取りつけられた方向の端部が未だ低温である場合は、水
蒸気が凝縮して氷となって付着してしまうが、すでに金
網状の仕切板部位まで温度が上昇しているため、このヒ
ートパイプの端部の温度も比較的早期に上昇する。この
ように低温環境下で、ヒートパイプ内の水蒸気の移動を
段階的に行うことで、すべての水蒸気が凝縮して氷とな
ることなく、ヒートパイプの動作を行うことができる。

【００２１】又請求項４記載の発明では、電熱器から発
生する熱は放熱フィンを介してヒートパイプへ伝わり、
ヒートパイプの放熱フィン側の端部の温度を上昇させ
る。半導体素子が動作して熱を発生しはじめると、受熱
部ブロック側は次第に温度が上昇する。そして半導体素
子の発熱により冷媒は気化してヒートパイプ内部を放熱
フィンが取りつけられた方向に上昇する。放熱フィン側
の端部は、電熱器からの熱により保温されているため、
冷媒が水の場合は、放熱フィン側の端部で水が気化した
水蒸気が再び氷となって付着することを防ぐことができ
る。又冷媒が絶縁性の高い冷媒の場合は、バ−ンアウト
を防ぐことができる。

【００２２】又請求項５又は請求項６記載の発明では、
電熱器から発生する熱は金属板を介してヒートパイプへ
伝わり、ヒートパイプの放熱フィン側の端部の温度を上
昇させることにより、冷媒が水の場合は、放熱フィン側
の端部で水が気化した水蒸気が再び氷となって付着する
ことを防ぐことができる。又冷媒が絶縁性の高い冷媒の
場合は、バ−ンアウトを防ぐことができる。

【００２３】又請求項７記載の発明では、制御装置によ
り温度センサで検出された温度値が所定値以下となった
際に電熱器に電力を供給する。従って温度値が所定値以
下の時のみ電熱器に電力が供給されるため、低温時以外
の通常時の半導体素子の冷却性能の低下を防ぐことがで
きる。又請求項８記載の発明では、絶縁管でヒ−トパイ
プの受熱部が接続された側と放熱フィンが接続された側
とを絶縁することができる。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照し詳細に説明す
る。図１は請求項１乃至請求項３記載の発明の一実施例
を示す図で、図１（ａ）はヒートパイプ式冷却装置の断
面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部拡大図である。

【００２５】ヒートパイプ式冷却装置１は、冷媒として
水２が封入されたヒートパイプ３の一端に、熱伝導性が
優れた銅、アルミニウム等の材料からなる受熱部ブロッ
ク４が備えられ、他端には複数枚の放熱フィン５が取り
つけられて構成されている。受熱部ブロック４には半導
体素子６が取りつけられている。受熱部ブロック４側は
密閉部７に収納され、放熱フィン５側は外気にさらされ
る開放部８に収納される。又ヒートパイプ３内部には、
金網状の仕切り板として金網状の円板９が取りつけられ
ている。金網状の円板９の外形は、ヒートパイプ３の内
径と同じ直径をもつほぼ円形状の形状をしており、ヒー
トパイプ３の内壁をろう付等の方法により固定される。

【００２６】０［℃］より高い温度の環境下では、半導
体素子６から発生する熱は、受熱部ブロック４を介して
ヒートパイプ３へ伝わり、ヒートパイプ３内に封入され
ている水２が沸騰して気化する。水２は水蒸気となりヒ
ートパイプ３内を金網状の円板９を介して放熱フィン５
が取りつけられた方向に上昇し、凝縮して熱を放熱フィ
ン５を通じて外部へ放出する。水蒸気が凝縮して水２に
戻ると、水２はヒートパイプ３の傾斜に沿って金網状の
円板９を介して受熱部ブロック４方向へ戻る。この様に
水２の沸騰・凝縮作用により半導体素子６から発生する
熱をうばい、そして外部へ放出する。

【００２７】０［℃］以下の環境下では、水２は受熱部
ブロック４側で凍結する。半導体素子６が動作して熱を
発生しはじめると、受熱部ブロック４側は次第に温度が
上昇し、氷が融解して水２に戻る。そして半導体素子６
の発熱により水２は気化してヒートパイプ３内部を放熱
フィン５が取りつけられた方向に上昇する。金網状の円
板９が取りつけられた部位は、外気にさらされるため、
水２が気化した水蒸気は金網状の円板９の部分で再び氷
となって付着する。この金網状の円板９の取りつけ位置
は、受熱部ブロック４側に近いため、受熱部ブロック４
からの熱伝導により、金網状の円板９の取りつけ位置の
温度は比較的早期に上昇する。従って、金網状の円板９
の部分で付着した氷は融解して水２となり、受熱部ブロ
ック４側へ戻る。この水２は再び半導体素子６から発生
した熱を受熱部ブロック４から受けることで気化し、ヒ
ートパイプ３内部を放熱フィン５が取りつけられた方向
に上昇していく。こうして金網状の円板９で凝固して付
着した氷はヒートパイプ３内部を受熱部ブロック４が取
り付けられた側と金網状の円板９間で気化・液化を繰り
返す。やがて金網状の円板９が取りつけられた部位の温
度が上昇して、水２が気化した水蒸気は金網状の円板９
の部位で凝固することなく、放熱フィン５が取りつけら
れた方向に上昇していく。ヒートパイプ３の放熱フィン
５側端部の温度が未だ外気と同様に水２が凝固するよう
な低温であれば、再びその端部で氷となって付着しはじ
めるが、すでに金網状の円板９が取りつけられた部位ま
で、温度が上昇しているため、ヒートパイプ３の放熱フ
ィン５側端部は比較的早期に熱伝導により温度が上昇
し、氷は融解して水２となることができる。従って０
［℃］以下の低温環境下でも、水を冷媒としたヒートパ
イプ式冷却装置により半導体素子を確実に冷却すること
ができる。

【００２８】図２は請求項１乃至請求項３記載の発明の
他の実施例を示すヒートパイプ式冷却装置の断面図であ
る。本実施例では金網状の円板９ａ，９ｂ，９ｃをある
間隔をとってヒートパイプ３内に固着している。ヒート
パイプ３の放熱フィン５側、つまり水２の凝縮側の長さ
が長い時、０［℃］以下の環境下ではヒートパイプ３の
放熱フィン５側の端部の温度は、受熱部ブロック４が受
ける半導体素子６からの熱が伝わって上昇するまでに時
間がかかる。従って本実施例のようにヒートパイプ３内
部に複数の金網状の円板９ａ，９ｂ，９ｃを取りつけ、
段階的に水２が気化した水蒸気をヒートパイプ３の放熱
フィン５側の端部まで上昇させる。０［℃」以下の環境
下では、水２は受熱部ブロック４側で凍結する。半導体
素子６が動作して熱を発生しはじめると、受熱部ブロッ
ク４は次第に温度が上昇し氷が融解して水２に戻る。そ
して半導体素子６の発熱により水２は気化してヒートパ
イプ３内部を放熱フィン５が取りつけられた方向に上昇
する。金網状の円板９ａが取りつけられた部位は外気に
さらされているため、水２が気化した水蒸気は金網状の
円板９ａの部分で再び氷となった付着する。しかし受熱
部ブロック４からの熱伝導により、金網状の円板９ａの
取りつけ部位の温度は比較的早期に上昇するため氷が融
解して水２に戻り、再び受熱部ブロック４へと戻る。こ
うして金網状の円板９ａで凝固して付着した氷はヒート
パイプ３内部を受熱部ブロック４が取りつけられた側と
金網状の円板９ａ間で、気化・液化を繰り返す。やがて
金網状の円板９ａが取りつけられた部位の温度が上昇し
て、水２が気化した水蒸気は金網状の円板９ａの部位で
凝固することなく、放熱フィン５が取りつけられ方向に
上昇する。金網状の円板９ｂが取りつけられた部位が未
だ外気と同様に低温である場合、水２が気化した水蒸気
は金網状の円板９ｂの部分で再び氷となった付着する。
しかしすでに金網状の円板９ａが取りつけられた部位ま
で温度が上昇しているため、金網状の円板９ｂが取りつ
けられた部位も比較的早期に熱伝導により温度が上昇
し、氷は融解して水２となることができる。こうして水
２はヒートパイプ３内部を受熱部ブロック４側と金網状
の円板９ｂ間で気化・液化を繰り返す。やがて金網状の
円板９ｂが取りつけられた部位の温度が上昇して、水２
が気化した水蒸気は、金網状の円板９ｂの部位で凝固す
ることなく、放熱フィン５が取りつけられた方向に上昇
する。金網状の円板９ｃが取りつけられた部位が、未だ
外気と同様に低温である場合、水２が気化した水蒸気
は、金網状の円板９ｃ部分で再び氷となって付着する。
しかし金網状の円板９ｂが取りつけられた部位まで温度
が上昇しているため、金網状の円板９ｃが取りつけられ
た部位も比較的早期に熱伝導により温度が上昇し、氷は
融解して水２となることができる。こうして水２は受熱
部ブロック４と金網状の円板９ｃ間で気化・液化を繰り
返す。金網状の円板９ｃの取りつけ部位の温度が上昇す
れば、受熱部ブロック４側の水２は気化してヒートパイ
プ３の放熱フィン５側端部まで上昇する。ここで未だヒ
ートパイプ３の放熱フィン５側端部が外気と同様に低温
である場合、水２が気化した水蒸気は、ヒートパイプ３
の放熱フィン５側端部で再び氷となった付着する。しか
し金網状の円板９ｃが取りつけられた部位まで温度が上
昇しているため、ヒートパイプ３の放熱フィン５側端部
も比較的早期に熱伝導により温度が上昇し、氷は融解し
て水２となることができる。このように金網状の円板９
ａ，９ｂ，９ｃで段階的に気化した水蒸気を上昇させる
ことができるので、寸法の長いヒートパイプ３を使用し
た時でも水が全て氷となるという事態は生じず、半導体
素子の冷却に寄与することができる。

【００２９】本実施例では金網状の円板を３つ設けた例
を示したが、これに限られるものではない。また金網状
の仕切り板は円形のものに限られず、ヒートパイプ内部
の受熱部ブロック側と放熱フィン側への水蒸気の移動を
段階的に行うように仕切るものであればよい。

【００３０】次に請求項４記載の発明について図３を用
いて説明をする。図３は請求項４記載の発明の一実施例
を示すヒートパイプ式冷却装置の正面図である。ヒート
パイプ式冷却装置１は冷媒として水２が封入されたヒー
トパイプ３の一端に、熱伝導性が優れた銅、アルミニウ
ム等の材料からなる受熱部ブロック４が備えられ、他端
には複数枚の放熱フィン５が取りつけられて構成されて
いる。受熱部ブロック４には半導体素子６が取りつけら
れている。受熱部ブロック４側と放熱フィン５側は仕切
り板７ａで仕切られ、受熱部ブロック４側は図示しない
密閉部に収納され、放熱フィン５側は外気にさらされる
開放部に収納される。又放熱フィン５を貫通して筒形の
ヒータ10が圧入方式やハンダ付けなどにより接続され
る。ヒータ10はバッテリ等の電源11に電気的に接続され
る。

【００３１】０［℃］より高い温度の環境下では、半導
体素子６から発生する熱は、受熱部ブロック４を介して
ヒートパイプ３へ伝わり、ヒートパイプ３内に封入され
ている水２が沸騰して気化する。水２は水蒸気となりヒ
ートパイプ３内部を放熱フィン５が取りつけられた方向
に上昇し、凝縮して熱を放熱フィン５を通じて外部へ放
出する。水蒸気が凝縮して水２に戻ると、水２はヒート
パイプ３の傾斜に沿って受熱部ブロック４方向へ戻る。
この様に水２の沸騰・凝縮作用により半導体素子６から
発生する熱をうばい、そして外部へ放出する。

【００３２】０［℃」以下の環境下では、水２は受熱部
ブロック４側で凍結する。一方、ヒータ10は電源11より
電力が供給され、ヒータ10から発生する熱は放熱フィン
５を介してヒートパイプ３へ伝わり、０［℃］以下の環
境下でも、ヒートパイプ３の放熱フィン５側の端部は０
［℃］以上に保温される。半導体素子６が動作して熱を
発生しはじめると、受熱部ブロック４側は次第に温度が
上昇し、氷が融解して水２に戻る。そして半導体素子６
の発熱により水２は気化してヒートパイプ３内部を放熱
フィン５が取りつけられた方向に上昇する。放熱フィン
５側の端部は、ヒータ10からの熱により０［℃］以上に
保温されているため、水２が気化した水蒸気は放熱フィ
ン５側の端部で再び氷となって付着することを防ぐこと
ができる。従ってヒートパイプ３内部を放熱フィン５が
取りつけられた方向に上昇した水蒸気は、放熱フィン５
で凝縮して熱を外部へ放出し、液体となった水２は受熱
部ブロック４方向へ戻る。この様に半導体素子６から発
生する熱は、ヒートパイプ３内部を受熱部ブロック４側
から放熱フィン５側へ移動し、放熱フィン５から外気へ
熱が放出される。

【００３３】環境温度が低温となる冬期以外は電源11か
らヒータ10への電力供給を行わないことで夏期などの高
温時でもヒートパイプ式冷却装置としての機能を従来通
り果たすことができる。従って０［℃］以下の低温環境
下でも水を冷媒としたヒートパイプ式冷却装置により半
導体素子を確実に冷却することができる。

【００３４】次に請求項５、請求項６記載の発明につい
て図４を用いて説明する。図４は請求項５、請求項６記
載の発明の一実施例を示すヒートパイプ式冷却装置の断
面図である。

【００３５】本実施例は図３に示されるヒートパイプ式
冷却装置と同様に、冷媒として水２が封入されたヒート
パイプ３の一端に受熱部ブロック４が備えられ、他端に
は複数枚の放熱フィン５が取りつけられている。又放熱
フィン５と交互に放熱フィン５よりも面積の小さい金属
板12がヒートパイプ３に取りつけられている。放熱フィ
ン５と金属板12にはそれぞれヒータ10が貫通する穴が設
けられているが、放熱フィン５に設けられた穴５ａはヒ
ータ10の断面形状よりも大きく形成され、金属板12に設
けられた穴はヒータ10の断面形状とほぼ同じ大きさに形
成されている。従って、ヒータ10を放熱フィン５と金属
板12へ挿入すると、放熱フィン５とヒータ10とは接続さ
れず、一方金属板12とヒータ10とは圧入方式やハンダ付
けなどにより接続される構成となる。

【００３６】０［℃］以下の環境下では、水２は受熱部
ブロック４側で凍結する。一方ヒータ10は電源11から電
力が供給され、ヒータ10から発生する熱は金属板12を介
してヒートパイプ３へ伝わり、０［℃」以下の環境下で
もヒートパイプ３の放熱フィン５側の端部は０［℃］以
上に保温される。本実施例ではヒータ10から発生する熱
を放熱フィン５から直接ヒートパイプ３へ伝えず金属板
12を介して行うことで、ヒータ９からの熱が放熱フィン
５から外気へ放出してしまうことを防ぎ、放熱フィン５
よりも面積の小さい金属板12からの最小の熱放散のみに
抑えることができる。又熱放散を最小限に抑えられるた
め、電源11からヒータ10への電力供給も少なくてすむ。
更に放熱フィン５はヒータ10からの直接の熱伝導がない
ので温度上昇を抑えられて、ヒートパイプ３よりも低い
温度になるため、効率良く大気へ半導体素子６から発生
した熱を放出することができる。

【００３７】図５は請求項５、請求項６記載の発明の他
の実施例を示すヒートパイプ式冷却装置の断面図であ
る。請求項５、請求項６記載の発明では半導体素子６か
ら発生した熱は、受熱部ブロック４を介してヒートパイ
プ３へ伝わり、ヒートパイプ３内に封入された水２が沸
騰して気化する。そして水２が気化した水蒸気はヒート
パイプ３内部を放熱フィン５が取りつけられた方向に上
昇し、凝縮して熱を放熱フィン５を通じて外部へ放出す
る。水蒸気が凝縮して水２に戻ると、水２は重力を利用
してヒートパイプ３の傾斜に沿って受熱部ブロック４方
向へ戻る。一方本実施例ではヒートパイプ３の内部に焼
結金属層（以下、ウィックという）13を備え、放熱フィ
ン５側で水蒸気が凝縮して水２に戻ると、この水２はウ
ィック13の毛細管力によりヒートパイプ３の内部を放熱
フィン５側から受熱部ブロック４側へと移動する。ヒー
トパイプ３内に封入された水２はウィック13の毛細管力
によりヒートパイプ３の内部全域に渡って存在するた
め、ヒートパイプ３の放熱フィン５側から受熱部ブロッ
ク４側への熱の移動が可能となる。従ってヒータ10はヒ
ートパイプ３の放熱フィン５側を温めるだけではなく、
受熱部ブロック４側も温めることができるため、ヒート
パイプ３内の受熱部ブロック４側で水２が凝固すること
なく、半導体素子６の起動当初から良好な冷却を行うこ
とができる。なお本実施例は金属板12によりヒータ10か
ら発生する熱をヒートパイプ３へ伝える請求項５、請求
項６記載の発明の実施例であるが、請求項４記載の発明
の実施例に対応させてもよい。

【００３８】次に請求項７記載の発明を図６を用いて説
明する。図６は請求項７記載の発明の一実施例を示すヒ
ートパイプ式冷却装置の正面図である。本実施例では放
熱フィン５のヒートパイプ３の貫通する近傍に温度セン
サ14を設け、温度センサ14によりヒータ10と電源11とを
電気的に接続又は開放する接点15を駆動する制御装置16
を備えたものである。

【００３９】温度センサ14で検出された温度値Ｃは、制
御装置16に入力される。制御装置16にはあらかじめ所定
値Ｃ１が設定されている。この所定値Ｃ１は例えば水の
凝固点０［℃］などである。制御装置16では温度センサ
14で検出された温度値Ｃと所定値Ｃ１とを比較し、温度
値Ｃが所定値Ｃ１以下となった際に接点15を閉成してヒ
ータ10に電源11を接続する。従って温度値Ｃが所定値Ｃ
１以下の時のみヒータ10に電源11が接続されるため、低
温時以外の通常時の半導体素子６の冷却性能の低下を防
ぐことができる。

【００４０】次に請求項８記載の発明を図７を用いて説
明する。図７は請求項８記載の発明の一実施例を示すヒ
ートパイプ式冷却装置の断面図である。本実施例は、絶
縁管４ａをヒートパイプ３の中間に設け、受熱部ブロッ
ク４と放熱フィン５とを絶縁した絶縁形のヒートパイプ
式冷却装置の実施例である。ヒートパイプ３の内部には
フロロカーボン系（例えばパーフロロカーボンなど）の
冷媒２ａが封入されているため、低温環境下での冷媒２
ａの凍結によりヒートパイプ３が動作できないという問
題はないが、従来の技術で説明したようにバーンアウト
熱流束の問題があるため、低温環境下での使用は問題と
なる。

【００４１】そこで本実施例では筒形のヒータ10を圧入
方式又はハンダ付け等の方法により放熱フィン５に接続
し、ヒータ10を電源11に電気的に接続する。又ヒートパ
イプ３ａの内部にはウィック13が備えられる。更に放熱
フィン５のヒートパイプ３の貫通する近傍に温度センサ
14が設けられ、温度センサ14の出力によりヒータ10と電
源11とを電気的に接続又は開放する接点15を駆動する制
御装置16が備えられている。制御装置16は、温度センサ
14で検出された温度値Ｃを入力し、あらかじめ設定され
た所定値Ｃ１と比較して、温度値Ｃが所定値Ｃ１以下と
なった際に接点15を閉成してヒータ10に電源11を接続す
る。この所定値Ｃ１は例えばフロロカーボン系の冷媒２
ａがバーンアウトを起こす−30［℃］などである。従っ
て、温度値Ｃが所定値Ｃ１以下となった際には、接点15
が閉成してヒータ10に電源11が接続され、ヒータ10によ
りヒートパイプ３の放熱フィン５側を昇温させ冷媒２ａ
の液温を上昇させる。従って冷媒２ａの液温を上昇させ
ることによってバーンアウト熱流束を大きくすることが
でき、冷媒２ａが半導体素子６からの熱により沸騰する
際の熱流束がバーンアウト熱流束以上となることを防ぐ
ことができる。又ウィック13を設けたヒートパイプ３ａ
内の冷媒２ａの液面は絶縁管４ａの上方にまでくるよう
に多く封入され、ヒータ10からの熱をウィック13の毛細
管力により受熱部ブロック４側へ移動することもでき
る。

【００４２】なお上述した実施例では１つのヒータでヒ
ートパイプの放熱フィン側を昇温させる場合を示した
が、ヒータ10は複数設けてもよく、ヒータの設置場所も
これに限られるものではない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、冷
媒として熱伝達特性の優れた水を使用したヒートパイプ
式冷却装置が、水の凝固点以下の低温環境下でも使用可
能となり、ヒートパイプ式冷却装置を大形化することな
く、冷却性能を上げることができる。又冷媒として水を
使用することで、環境を傷つけず、無公害化がはかれ
る。又冷媒として絶縁性の高いフロロカーボン系の液体
を使用した際にも、低温環境下でのバーンアウトを防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１乃至請求項３記載の発明の一実施例を
示す図で、図１（ａ）はヒートパイプ式冷却装置の断面
図、図１（ｂ）は要部拡大図である。

【図２】請求項１乃至請求項３記載の発明の他の実施例
を示すヒートパイプ式冷却装置の断面図である。

【図３】請求項４記載の発明の一実施例を示すヒートパ
イプ式冷却装置の正面図である。

【図４】請求項５、請求項６記載の発明の一実施例を示
すヒートパイプ式冷却装置の断面図である。

【図５】請求項５、請求項６記載の発明の他の実施例を
示すヒートパイプ式冷却装置の断面図である。

【図６】請求項７記載の発明の一実施例を示すヒートパ
イプ式冷却装置の正面図である。

【図７】請求項８記載の発明の一実施例を示すヒートパ
イプ式冷却装置の断面図である。

【図８】従来の非絶縁形のヒートパイプ式冷却装置の断
面図である。

【図９】従来の絶縁形のヒートパイプ式冷却装置の断面
図である。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ式冷却装置 ２…水（冷媒） ２ａ…冷媒 ３，３ａ…ヒートパイプ ４…受熱部ブロック ５…放熱フィン ９，９ａ，９ｂ，９ｃ…金網状の円板 10…ヒータ 11…電源 12…金属板 13…ウィック 14…温度センサ 15…接点 16…制御装置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒として水が封入されたヒートパイプ
   と、 このヒートパイプの一端に接合され、半導体素子が押圧
   される受熱部ブロックと、 前記ヒートパイプの他端に取り付けられた複数枚の放熱
   フィンと、 前記ヒートパイプ内壁に取り付けられた金網状の仕切板
   とを有するヒートパイプ式冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のヒートパイプ式冷却装置
   において、 前記ヒートパイプの内壁に、前記金網状の仕切り板を複
   数枚所定の間隔毎に、取りつけてなるヒートパイプ式冷
   却装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のヒートパ
   イプ式冷却装置において、 前記金網状の仕切り板は、前記ヒートパイプの内径と略
   同じ直径を有する金網状の円板であるヒートパイプ式冷
   却装置。
4. 【請求項４】 冷媒が封入されたヒートパイプと、 このヒートパイプの一端に接合され、半導体素子が押圧
   される受熱部ブロックと、 前記ヒートパイプの他端に取り付けられた複数枚の放熱
   フィンと、 これら複数枚の放熱フィンのうち少なくとも一枚の放熱
   フィンに接続される電熱器とを有するヒートパイプ式冷
   却装置。
5. 【請求項５】 冷媒が封入されたヒートパイプと、 このヒートパイプの一端に接合され、半導体素子が押圧
   される受熱部ブロックと、 前記ヒートパイプの他端に取り付けられた複数枚の放熱
   フィンと、 前記ヒートパイプの他端に取り付けられ、前記複数枚の
   放熱フィンよりも小さい金属板と、 この金属板に接続される電熱器とを有するヒートパイプ
   式冷却装置。
6. 【請求項６】 冷媒が封入されたヒートパイプと、 このヒートパイプの一端に接合され、半導体素子が押圧
   される受熱部ブロックと、 前記ヒートパイプの他端に取りつけられた複数枚の放熱
   フィンと、 前記ヒートパイプの他端に前記複数枚の放熱フィンと交
   互に取りつけられ、前記複数枚の放熱フィンよりも小さ
   い複数枚の金属板と、 前記複数枚の放熱フィンに形成された穴を非接触に貫通
   し、前記複数枚の金属板に形成された穴を貫通して前記
   複数枚の金属板に接続される電熱器とを有するヒートパ
   イプ式冷却装置。
7. 【請求項７】 請求項４乃至請求項６のいずれかに記載
   のヒートパイプ式冷却装置において、 前記放熱フィンに取り付けられた温度センサと、 この温度センサで検出された温度値があらかじめ設定さ
   れた所定値以下となった際に前記電熱器に電力を供給す
   る制御装置とを有するヒートパイプ式冷却装置。
8. 【請求項８】 請求項４乃至請求項７のいずれかに記載
   のヒートパイプ式冷却装置において、 前記ヒートパイプの前記受熱部ブロックが接続された側
   と前記放熱フィンが取りつけられた側とを絶縁する絶縁
   管を有するヒートパイプ式冷却装置。