JPH08303969A - 発熱体の放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発熱体の発生熱を効率良く放熱させて発熱体の
熱障害を防ぎ、もってその品質維持と信頼性向上を図
る。 【構成】主受熱体２には、一方の面に長手方向に沿って
発熱体としての半導体素子１が並設され、他方の面に放
熱フィン４が並べて立設される。副受熱体３には、その
厚さ方向の一方の面に、長手方向に沿って放熱フィン４
が並べて立設される。主受熱体２および副受熱体３の２
個を、放熱フィン４がそれぞれ主受熱体２，副受熱体３
の右側に位置するように、厚さ方向に並設する。Ｕ字形
に折り曲げられたヒートパイプ５，６が、主受熱体２と
各副受熱体３との間に、そのＵ字の両脚部分がそれぞれ
主，副の各受熱体２，３を長手方向に貫通するように配
設される。半導体素子１に対する空冷の度合いに応じ
て、副受熱体３と放熱フィン４の組を増設することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば無停電電源
装置などの電力変換装置に用いられる、発熱体としての
半導体素子の発生熱を効率良く放熱させて、半導体素子
の熱障害を防ぎ、もってその品質維持と信頼性向上を図
る発熱体の放熱構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例について、図５の従来例が用いら
れた無停電電源装置の斜視図を参照しながら説明する。
図５において、二点鎖線で囲って示した直方体が無停電
電源装置である。無停電電源装置は、主として入出力部
２１と、トランス・リアクトル部２２と、電力変換部２
３と、放熱ファン２４とから構成される。入出力部２１
はブレーカなどの保護機器を搭載し、電力変換部２３は
半導体素子１とこれから発生する熱の放熱体とからな
る。この放熱体については詳しく後述する。さて、装置
全体としての放熱は、上部に並設された３個の放熱ファ
ン２４による強制空気流に沿っておこなわれる。空気流
は、外気が装置前面下部の開口部１２から取り入れら
れ、入出力部２１の内部と、電力変換部２３の内部とを
上昇して天井部１３から排出される。入出力部２１と電
力変換部２３は、それぞれ直方体として模式的に図示さ
れているが、実際は電気機器や電気部品が内蔵されて、
通気性のある構造をとる。

【０００３】電力変換器２３における半導体素子１の放
熱体について、図４の斜視図を参照しながら説明する。
放熱体は、半導体素子１を並設した平板状の受熱体１４
と、これに取り付けられた放熱フィン１５とからなる。
この放熱フィン１５は、受熱体１４の背面に、その長手
方向に沿って立設される。半導体素子１は、損失エネル
ギーが熱の形で発生し自己加熱する。しかも、とくに大
容量の電力変換をするときには、半導体素子１を並列接
続するが、電気的に配線のインダクタンスを低く、かつ
均等にする必要があり、半導体素子１の間隔をなるべく
狭めて一箇所に集中する配置をとるから、熱発生が集中
的に起こりやすい。この熱は、前面側から直接に下から
上に向かって上昇する冷たい空気流に伝導する他に、受
熱体１４をへて放熱フィン１５に伝導し、ここで上昇す
る冷たい空気流に伝導し放熱される。この放熱効率は、
主として受熱体１４の材質と寸法に、また放熱フィン１
５の材質や寸法・形状、枚数によってきまる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来例における半導体
素子１は、自身を熱障害から防ぐために、発生熱を効率
良く放散させて空冷する必要がある。そのために、受熱
体１４を熱伝導性の良い材料で作り、なるべく寸法を大
きくする。また、放熱フィン１５も、熱伝導性の良い材
料で作り、なるべく寸法を大きく、枚数を多くする。し
かし、これら寸法や枚数にも、装置構成上のスペース的
な制約のため、とくに図４で前面の横幅方向に限度があ
る。一方、奥行き方向には余裕スペースがあるが、放熱
フィン１５の奥行き寸法を大きくするには、根元から先
端縁までの長さがある限度を超えると放熱効率が急速に
低下する理由で、おのずから限界がある。

【０００５】この発明が解決しようとする課題は、従来
の技術がもつ以上の問題点を解消して、発熱体の発生熱
を効率良く放熱させて発熱体の熱障害を防ぎ、もってそ
の品質維持と信頼性向上を図る発熱体の放熱構造を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、熱伝導性材
料からなる帯板状の主受熱体の、厚さ方向の一方の面に
発熱体を長手方向に並設し、他方の面に放熱フィンを長
手方向に並べて立設したもの、および、熱伝導性材料か
らなる帯板状の副受熱体の、厚さ方向の一方の面に放熱
フィンを長手方向に並べて立設したものの一または二以
上を受熱体の厚さ方向に並設し、主受熱体と各副受熱体
との間にそれぞれＵ字形のヒートパイプを、その両脚部
分がそれぞれ主，副の各受熱体を長手方向に貫通するよ
うに配設する、という構成である。ここで、放熱フィン
は、属する主受熱体，副受熱体に対しそれぞれ同じ側に
立設されたり、または、属する主受熱体，副受熱体に対
し互いに逆側に立設される。

【０００７】また、この発明は、熱伝導性材料からなる
帯板状の主受熱体の、厚さ方向の一方の面に発熱体を長
手方向に並設したもの、および、熱伝導性材料からなる
帯板状の副受熱板の一または二以上を受熱体の厚さ方向
に並設し、互いに隣り合う各受熱体間に架け渡す形で放
熱フィンを並設し、主受熱体と各副受熱体との間にそれ
ぞれＵ字形のヒートパイプを、その両脚部分がそれぞれ
主，副の各受熱体を長手方向に貫通するように配設す
る、という構成である。

【０００８】また、この発明において、発熱体は、たと
えば半導体素子である。

【０００９】

【作用】この発明では、発熱体の発生熱が、主として主
受熱体から各ヒートパイプを介して対応する副受熱体に
伝導され、さらに主受熱体側，副受熱体側の各放熱フィ
ンを介してそれぞれ放熱され、発熱体を空冷することが
できる。また、この発明では、発熱体の発生熱が、主と
して主受熱体から各ヒートパイプを介して対応する副受
熱体に伝導され、さらに互いに隣り合う各受熱体間に架
け渡された放熱フィンを介してそれぞれ放熱され、発熱
体を空冷することができる。

【００１０】

【実施例】この発明に係る発熱体の放熱構造の三つの実
施例について、以下に図を参照しながら説明する。図１
は第１実施例に関し、(a) はその斜視図、(b) はその平
面図である。図１において、２は主受熱体で、熱伝導性
材料からなる帯板状部材である。この主受熱体２には、
その厚さ方向の左側の面に、長手方向に沿って発熱体と
しての半導体素子１が並設され、右側の面に、長手方向
に沿って放熱フィン４が並べて立設される。３は副受熱
体で、熱伝導性材料からなる帯板状部材である。この副
受熱体３には、その厚さ方向の右側の面に、長手方向に
沿って放熱フィン４が並べて立設される。主受熱体２お
よび副受熱体３の２個を、放熱フィン４がそれぞれ主受
熱体２，副受熱体３の右側に位置するように、厚さ方向
に並設する。ここで、放熱フィン４は、一方の縁で主受
熱体２，副受熱体３に立設されているが、その逆側の縁
は隣りの副受熱体３との間に若干の隙間がある。５，６
はそれぞれＵ字形に折り曲げられたヒートパイプで（図
２参照）、主受熱体２と各副受熱体３との間に、そのＵ
字の両脚部分がそれぞれ主，副の各受熱体２，３を長手
方向に貫通するように配設される。

【００１１】なお、ヒートパイプとは、真空状態にした
パイプ（アルミニウムやその合金、銅やその合金、ステ
ンレス鋼など）の中に、適量の作動液とその還流を促進
するウィックと呼ばれる毛細管構造を備えた熱伝導素子
である。ウィックは、パイプ内周面に形成された溝や、
内周面に装填されたメッシュ、ワイヤなどの形式をと
る。ヒートパイプは、その一方の端部で加熱されると、
蒸発した作動液が圧力差によって他方の端部に移動し、
ここで冷却されて凝縮する。凝縮した作動液は、ウィッ
クを通って加熱部に還流される。このサイクルを繰り返
すことによって、熱は作動液の潜熱に形を変え、しかも
微小な温度差で容易に蒸発，凝縮が繰り返されて一方の
端部から他方の端部へと移動する、つまり良好な熱伝導
性（たとえば銀の約1000倍）が得られる。

【００１２】したがって、半導体素子１の発生熱は主と
して、主受熱体２から各ヒートパイプ５，６を介して対
応する副受熱体３に良好に伝導され、さらに主受熱体
側，副受熱体側の各放熱フィン４を介してそれぞれ放熱
される。つまり、半導体素子１を良く空冷することがで
きる。ここで、副受熱体３と放熱フィン４の組は二つで
あるが、一般に半導体素子１に対する空冷の必要度合い
に応じて、副受熱体３と放熱フィン４の組を増設するこ
とができる。

【００１３】図２は第２実施例に関し、(a) はその斜視
図、(b) はその平面図である。第２実施例が第１実施例
と異なる点は、主受熱体２に属する放熱フィン４と、各
副受熱体３に属する放熱フィン４属する放熱フィン４
が、互いに逆側に位置することである。第２実施例で
は、主受熱体２と各副受熱体３の間には、Ｕ字形の各ヒ
ートパイプ７，８が配設される。第２実施例は第１実施
例と機能的に基本的には同じであるが、次の点で第２実
施例が若干すぐれると考えられる。すなわち、放熱フィ
ン４が、第２実施例では両側の主，副の各受熱体２，３
または副受熱体３同士で挟まれ機械的に保護されるのに
対し、第１実施例では右端の一つが片側で開放され、副
受熱体３によって機械的に保護されない形である（図１
参照）。

【００１４】図３は第３実施例の平面図である。この第
３実施例では、主受熱体２と２個の副受熱体３を、厚さ
方向に並設し、この互いに隣り合う各受熱体間に架け渡
す形で、たとえば、ろう付けや、嵌め込み、カシメなど
によって放熱フィン９を並設する。なお、主受熱体２の
一方の面に半導体素子１を並設するのと、さらに、主受
熱体２と各副受熱体３との間にそれぞれＵ字形のヒート
パイプ１０，１１を、その両脚部分がそれぞれ主，副の
各受熱体２，３を長手方向に貫通するように配設するの
は、第１，第２の各実施例におけるのと同じである。こ
のような構成であるから、動作的には、第１，第２の各
実施例におけるのと同じであるが、全体が構造的に若干
強固になるのが利点である。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、次のような優れた効
果が期待できる。 (1) 主受熱体、副受熱体、ヒートパイプおよび放熱フィ
ンの総合的な利用によって、発熱体たとえば半導体素子
の発生熱を効率良く放熱させ、半導体素子を良く空冷す
ることができる。したがって、発熱体たとえば半導体素
子の熱障害を防ぐことができ、もって半導体素子自体お
よび搭載した装置、たとえば無停電電源装置などの電力
変換装置の品質維持と信頼性向上を図ることができる。 (2) 関連して発熱体を集中的，集約的に配置できるか
ら、設計上都合が良い。 (3) 主受熱体と各副受熱体とが並列配置されるから、並
列方向に副受熱体を増設することによって、放熱能力を
柔軟に向上させることができる。その結果、仕様に応じ
た適切な設計が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る第１実施例に関し、(a) はその
斜視図、(b) はその平面図

【図２】同じくその第２実施例に関し、(a) はその斜視
図、(b) はその平面図

【図３】同じくその第３実施例の平面図

【図４】従来例の斜視図

【図５】従来例が用いられた無停電電源装置の斜視図

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 主受熱体 ３ 副受熱体 ４ 放熱フィン ５，６，７，８ ヒートパイプ ９ 放熱フィン １０，１１ ヒートパイプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱伝導性材料からなる帯板状の主受熱体
   の、厚さ方向の一方の面に発熱体を長手方向に並設し、
   他方の面に放熱フィンを長手方向に並べて立設したも
   の、および、熱伝導性材料からなる帯板状の副受熱体
   の、厚さ方向の一方の面に放熱フィンを長手方向に並べ
   て立設したものの一または二以上を受熱体の厚さ方向に
   並設し、主受熱体と各副受熱体との間にそれぞれＵ字形
   のヒートパイプを、その両脚部分がそれぞれ主，副の各
   受熱体を長手方向に貫通するように配設したことを特徴
   とする発熱体の放熱構造。
2. 【請求項２】請求項１に記載の放熱構造において、放熱
   フィンは、属する主受熱体，副受熱体に対しそれぞれ同
   じ側に立設されることを特徴とする発熱体の放熱構造。
3. 【請求項３】請求項１に記載の放熱構造において、放熱
   フィンは、属する主受熱体，副受熱体に対し互いに逆側
   に立設されることを特徴とする発熱体の放熱構造。
4. 【請求項４】熱伝導性材料からなる帯板状の主受熱体
   の、厚さ方向の一方の面に発熱体を長手方向に並設した
   もの、および、熱伝導性材料からなる帯板状の副受熱板
   の一または二以上を受熱体の厚さ方向に並設し、互いに
   隣り合う各受熱体間に架け渡す形で放熱フィンを並設
   し、主受熱体と各副受熱体との間にそれぞれＵ字形のヒ
   ートパイプを、その両脚部分がそれぞれ主，副の各受熱
   体を長手方向に貫通するように配設したことを特徴とす
   る発熱体の放熱構造。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の放熱
   構造において、発熱体は、半導体素子であることを特徴
   とする発熱体の放熱構造。