JPH11201667A - ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents

ヒートパイプ式冷却器

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JPH11201667A
JPH11201667A JP357298A JP357298A JPH11201667A JP H11201667 A JPH11201667 A JP H11201667A JP 357298 A JP357298 A JP 357298A JP 357298 A JP357298 A JP 357298A JP H11201667 A JPH11201667 A JP H11201667A
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JP
Japan
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heat
heat pipe
absorbing block
working fluid
water
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Pending
Application number
JP357298A
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English (en)
Inventor
Takeshi Takahashi
武志 高橋
Isao Tsukada
勲 塚田
Kazuhiro Konishi
和弘 小西
Takashi Murase
孝志 村瀬
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温環境での起動特性に優れたヒートパイプ
を提供すること。 【解決手段】 ループ型ヒートパイプ100〜102と
ループ型ヒートパイプ110〜113は吸熱ブロック3
0から立ち上がる長さが2段階に異なっている。その短
い方のループ型ヒートパイプ110〜113は吸熱ブロ
ック30に埋設された部分(埋設部分40)の容積の2
0%以上の水が作動流体として収容されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子等を冷却
するための冷却器に関し、特に寒冷地等の低温環境にお
いて好適な冷却器に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば電車等の車両に搭載される電流変
換器等の半導体部品は、その使用によってある程度の発
熱が避けがたく、従ってその過度の加熱を防止する手段
を講ずる必要がある。そのような部品の冷却方法とし
て、その部品に放熱用のフィンを取り付けたり、或いは
その部品が収容される筐体内の雰囲気を冷却したりする
方法が知られている。冷却が必要な部品に放熱用のフィ
ンを取り付けて冷却する場合、その部品に伝熱性のブロ
ックや板材を取り付け、そのブロックや板材を経由して
フィンを取り付ける構造が採用されることが多い。
【0003】近年はヒートパイプの伝熱性能が注目さ
れ、冷却を要する部品に取り付けた伝熱性のブロックや
板材とフィンとをヒートパイプを介して接続した構造の
冷却器が登場している。ヒートパイプは、その内部に空
洞部を有するコンテナと作動流体とを備えており、空洞
部に封入された作動流体の相変態と移動により熱の輸送
が行われるものである。もちろん、ヒートパイプを構成
する容器(コンテナ)を熱伝導することで運ばれる熱も
多少あるが、その量は相対的に少ない。
【0004】ヒートパイプの作動について簡単に記すと
次のようになる。即ち、ヒートパイプの吸熱側におい
て、ヒートパイプを構成する容器中のその肉厚方向に熱
伝導して伝わってきた熱により、内部の作動流体が加熱
され蒸発する。そしてその蒸気がヒートパイプの放熱側
に移動する。放熱側では、作動流体の蒸気は冷却され再
び液相状態に戻る。そして液相に戻った作動流体は再び
吸熱側に移動(還流)する。このような作動流体の相変
態や移動により熱の移動がなされる。ヒートパイプの内
部は作動流体の相変態が生じやすくなるよう真空密封し
ておく。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図4はヒートパイプを
用いた従来の冷却器の例を説明する図である。発熱部品
60は、電車等に搭載されるサイリスタやインバータを
想定している。発熱部品60は吸熱ブロック33に直接
または伝熱物を介して接続される。その吸熱ブロック3
3にはそれから立ち上がる部分の長さが実質等しい4本
のヒートパイプ150の吸熱側が埋設されている。
【0006】さて発熱部品60はその運転に際し発熱す
るが、その熱の多くは吸熱ブロック33に伝わり、更に
その熱によりヒートパイプ150の内部の作動流体が加
熱され蒸発する。そしてその蒸気がヒートパイプ150
の放熱側であるフィン22が取り付けられた部分に至
り、そこで作動流体の蒸気の熱はフィン22を経て外部
に放出される。その際、作動流体の蒸気は凝縮して液相
に戻る。吸熱ブロック33が取り付けられたヒートパイ
プ150の吸熱側に対し、フィン22が取り付けられた
ヒートパイプ150の放熱側を上方に配置しておけば、
放熱側で液相状態に戻った作動流体は重力作用によりヒ
ートパイプ150の下方、即ちその吸熱側に戻る。
【0007】ところでヒートパイプ150に用いられる
作動流体としては水がその代表例である。しかし発熱部
品60が搭載される電車等は、冬季に寒冷地において使
用される場合もある。そうなると当然、ヒートパイプ1
50もそのような低温状況に置かれることになるから、
場合によってはその内部に収容されている作動流体
(水)が凍結してしまうことがありえる。
【0008】発熱部品150が搭載される車両の運転中
であれば、それに伴う発熱部品60の発熱程度によって
は、ヒートパイプ150内部の水の凍結が防げる。しか
し長く運転を停止した後の起動時、特に朝の起動時など
においては、作動流体が凍結しており実質的にヒートパ
イプ150が作動しない状態にある場合が多い。
【0009】そこで、ヒートパイプ150に収容される
作動流体として、水に替えて凝固点が低いパーフロオロ
カーボン(パーフロオロカーボン)等の溶剤を適用する
ことが考えられる。そうすれば、氷点下の環境にある寒
冷地においても、その作動流体は凍結せず、従ってヒー
トパイプ150の作動は確保されるからである。
【0010】しかしパーフロオロカーボン等は沸点も低
く、その潜熱が小さいため、その相変態と移動による熱
移動性能が低く、従って、所定の冷却性能を実現するに
は、その冷却器のサイズを相対的に大きくする必要があ
る等の問題がある。また寒冷地において使用される電車
等の車両であっても、運転中や、気温が上昇している日
中の使用中においては作動流体の凍結の問題が起きない
場合もある。このような状況において、冷却性能が低い
ということは効率的とは言えない。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
問題点を踏まえ、低温環境下においても、ある程度の冷
却性能が実現する冷却器を開発すべく鋭意研究を行っ
た。本発明のヒートパイプ式冷却器は、空洞部に作動流
体として水が収容された複数の略4辺形状でループ型の
ヒートパイプの一辺部分が冷却対象である電気部品から
熱を吸収する吸熱ブロックに埋め込まれており、複数の
前記ヒートパイプは、それが前記吸熱ブロックからその
上方に立ち上がる部分の長さが少なくとも2段階以上で
異なっており、その長さが最も短い段階のヒートパイプ
には、前記吸熱ブロックに埋め込まれた部分の空洞部の
内容積の20%以上(液相状態での換算)の水が収容さ
れている、という構造のものである。
【0012】またループ型のヒートパイプに替えて、略
U字状のものを適用した構造のものもある。作動流体は
水である。その複数の略U字状のヒートパイプの底辺部
分が冷却対象である電気部品から熱を吸収する吸熱ブロ
ックに埋め込まれており、複数の前記ヒートパイプは、
それが前記吸熱ブロックからその上方に立ち上がる部分
の長さが少なくとも2段階以上で異なっており、その長
さが最も短い段階のヒートパイプには、前記吸熱ブロッ
クに埋め込まれた部分の空洞部の内容積の20%以上
(液相状態での換算)の水が収容されているヒートパイ
プ式冷却器も提案する。
【0013】更に略L字状のヒートパイプを適用する形
態もある。即ち、空洞部に作動流体として水が収容され
た複数の略L字状のヒートパイプの一辺部分が冷却対象
である電気部品から熱を吸収する吸熱ブロックに埋め込
まれており、複数の前記ヒートパイプは、それが前記吸
熱ブロックからその上方に立ち上がる部分の長さが少な
くとも2段階以上で異なっており、その長さが最も短い
段階のヒートパイプには、前記吸熱ブロックに埋め込ま
れた部分の空洞部の内容積の20%以上(液相状態での
換算)の水が収容されている、ヒートパイプ式冷却器も
提案する。
【0014】
【発明の実施の形態】図1を参照しながら本発明のヒー
トパイプ式冷却器を説明する。図示しないが冷却対象で
ある発熱部品は吸熱ブロック30の図の下面側に接続さ
れる。吸熱ブロック30には7個のループ型ヒートパイ
プ100〜102、110〜113の一辺部分が埋め込
まれている。ループ型ヒートパイプ100〜102、1
10〜113の吸熱ブロック30から立ち上がる部分に
は放熱用のフィン20が取り付けられる。このようなヒ
ートパイプ式冷却器が寒冷地で使用されている場合を想
定して以下説明する。
【0015】さてこのヒートパイプ式冷却器では、7個
あるループ型ヒートパイプは、その吸熱ブロック30か
ら立ち上がる部分の長さが2段階で異なっている。即ち
ループ型ヒートパイプ110〜113は短く、ループ型
ヒートパイプ100〜102は長くなっている。
【0016】そして、短い方のループ型ヒートパイプ1
10〜113は、作動流体である水が、吸熱ブロック3
0に埋め込まれた部分(埋設部分40)の内部の空洞部
の容積の20%以上の量(液相状態での体積換算)で収
容されている。より望ましくは吸熱ブロック30に埋め
込まれた部分の内部の空洞部の容積の30%以上で水を
収容すると良い。
【0017】このようにすることで、寒冷地のような低
温環境において、その起動時の吸熱ブロック30の一時
的な過熱が抑制されるようになる。図5は発熱部品の運
転開始からの経過時間と吸熱ブロック30の温度の関係
を大まかに示したグラフである。図5(a)は、ループ
型ヒートパイプ100〜102内に収容される水の量
を、吸熱ブロック30に埋設された部分の空洞部の15
%に、ループ型ヒートパイプ110〜113内に収容さ
れる水の量を、吸熱ブロック30に埋設された部分の空
洞部の20%にしたものである。
【0018】図5(b)は、ループ型ヒートパイプ10
0〜102、およびループ型ヒートパイプ110〜11
3の内に収容される水の量を、吸熱ブロック30に埋設
された部分の空洞部の15%にした場合の大まかな結果
を示している。図5(c)は、図1のループ型ヒートパ
イプ110〜113に替えて、ループ型ヒートパイプ1
00〜102と実質同じものを適用した場合の大まかな
結果を示している。
【0019】図5(a)〜(c)の結果を見れば判るよ
うに、本発明のヒートパイプ式冷却器の結果である図5
(a)では、吸熱ブロック30の急激な温度上昇が抑制
され、優れた起動特性が実現している。これに対し短い
方のループ型ヒートパイプ110〜113の内部の水の
量が少ない場合の図5(b)や、ループ型ヒートパイプ
110〜113をループ型ヒートパイプ100〜102
と同じ長さのものにした場合である図5(c)では、起
動開始から早期に吸熱ブロック30の過熱が生じてい
る。
【0020】上述の例では、複数のループ型ヒートパイ
プは、その吸熱ブロックから立ち上がる部分の長さが2
段階で異なっている場合を示したが、更に他段階に異な
っていいても良い。図2は吸熱ブロック31から立ち上
がる部分の長さが3段階で異なっている場合の例を示
す。即ちループ型ヒートパイプ130、132が最も短
く、次に短いのがループ型ヒートパイプ131、13
3、最も長いのがループ型ヒートパイプ120、12
1、122、となったものである。図中の符号21はフ
ィンである。この例でも、少なくとも3段階の内の最も
短い段階のループ型ヒートパイプ130、132につい
ては、吸熱ブロック31の埋設部分41の内部の空洞部
の容積の20%以上の量(液相状態での体積換算)の作
動流体として水を収容する。望ましくは30%以上で収
容すると良い。
【0021】またループ型ヒートパイプに替えて、略U
字形状のヒートパイプを適用しても良い。この場合、U
字形状の底辺に相当する部分を吸熱ブロックに埋設す
る。また、略L字形状のヒートパイプを適用しても良
い。図3に示すように、略L字形状のヒートパイプ14
0の一辺に相当する部分を吸熱ブロック32に埋設す
る。作動流体である水は、吸熱ブロック32に埋設され
た空洞部の容積(埋設部容積50、図中、点々で示して
いる)の20%以上、より望ましくは30%以上の量を
収容する。尚、図3ではフィンの図示は省略した。
【0022】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のヒートパ
イプ式冷却器は、低温環境下でも起動特性に優れたもの
である。従って冬季の寒冷地に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヒートパイプ式冷却器の一例を説明す
る図である。
【図2】本発明のヒートパイプ式冷却器の他の例を説明
する図である。
【図3】本発明のヒートパイプ式冷却器の他の例の要部
を説明する図である。
【図4】従来のヒートパイプ式冷却器の例を説明する図
である。
【図5】ヒートパイプ式冷却器の起動特性を示す概略的
グラフである。
【符号の説明】
100 ループ型ヒートパイプ 101 ループ型ヒートパイプ 102 ループ型ヒートパイプ 110 ループ型ヒートパイプ 111 ループ型ヒートパイプ 112 ループ型ヒートパイプ 113 ループ型ヒートパイプ 20 フィン 30 吸熱ブロック 40 埋設部分 120 ループ型ヒートパイプ 121 ループ型ヒートパイプ 122 ループ型ヒートパイプ 130 ループ型ヒートパイプ 131 ループ型ヒートパイプ 132 ループ型ヒートパイプ 133 ループ型ヒートパイプ 21 フィン 31 吸熱ブロック 41 埋設部分 140 ヒートパイプ 32 吸熱ブロック 50 埋設部容積 150 ヒートパイプ 22 フィン 33 吸熱ブロック 60 発熱部品
フロントページの続き (72)発明者 村瀬 孝志 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空洞部に作動流体として水が収容された
    複数の略4辺形状のループ型ヒートパイプの一辺部分が
    冷却対象である電気部品から熱を吸収する吸熱ブロック
    に埋め込まれており、複数の前記ヒートパイプは、それ
    が前記吸熱ブロックからその上方に立ち上がる部分の長
    さが少なくとも2段階以上で異なっており、前記長さが
    最も短い段階のヒートパイプには、前記吸熱ブロックに
    埋め込まれた部分の空洞部の内容積の20%以上(液相
    状態での換算)の水が作動流体として収容されている、
    ヒートパイプ式冷却器。
  2. 【請求項2】 空洞部に作動流体として水が収容された
    複数の略U字状のヒートパイプの底辺部分が冷却対象で
    ある電気部品から熱を吸収する吸熱ブロックに埋め込ま
    れており、複数の前記ヒートパイプは、それが前記吸熱
    ブロックからその上方に立ち上がる部分の長さが少なく
    とも2段階以上で異なっており、前記長さが最も短い段
    階のヒートパイプには、前記吸熱ブロックに埋め込まれ
    た部分の空洞部の内容積の20%以上(液相状態での換
    算)の水が作動流体として収容されている、ヒートパイ
    プ式冷却器。
  3. 【請求項3】 空洞部に作動流体として水が収容された
    複数の略L字状のヒートパイプの一辺部分が冷却対象で
    ある電気部品から熱を吸収する吸熱ブロックに埋め込ま
    れており、複数の前記ヒートパイプは、それが前記吸熱
    ブロックからその上方に立ち上がる部分の長さが少なく
    とも2段階以上で異なっており、前記長さが最も短い段
    階のヒートパイプには、前記吸熱ブロックに埋め込まれ
    た部分の空洞部の内容積の20%以上(液相状態での換
    算)の水が作動流体として収容されている、ヒートパイ
    プ式冷却器。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002059823A (ja) * 2000-08-21 2002-02-26 Toshiba Transport Eng Inc 半導体冷却装置
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