JPH11289039A - ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寒冷地に好適なヒートパイプ式冷却器を得る
こと。 【解決手段】吸熱ブロック３に通常のヒートパイプ１０
〜１５と、可変コンダクタンスヒートパイプ４０〜４２
の一方端部を取り付け、これらの他方端部にフィン２を
取り付けた構造。

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の発熱
部品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
が行われるようになっている。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】電車等に搭載されるサ
イリスタ、インバータ、ＩＧＢＴ等の被冷却部品を冷却
するための冷却器として、例えば被冷却部品を吸熱ブロ
ックに接続し、その吸熱ブロックから外部に熱を放出す
る方法が知られている。吸熱ブロックからの放熱をより
効率的にするために、ヒートパイプを組み合わせた冷却
器が有効である。例えばヒートパイプの一端側（吸熱側
に該当）をその吸熱ブロックに埋め込む等して取り付
け、更にそのヒートパイプの他端側（放熱側となる）に
フィン等を取り付けた形態の冷却器が知られている。

【０００６】このような形態の冷却器の場合、被冷却部
品の熱は概ね、吸熱ブロック、ヒートパイプおよびフィ
ンを経由して外部に運ばれることになる。ヒートパイプ
の内部では、作動流体が吸熱側で加熱され蒸発する。そ
してその蒸気がヒートパイプの放熱側であるフィンが取
り付けられた部分に至り、そこで作動流体の蒸気は概ね
凝縮し、その熱はフィンを経て外部に放出される。凝縮
して液相に戻った作動流体は再び吸熱側に移動する（還
流する）。尚、放熱側を吸熱側より上方に配置しておけ
ば、作動流体の還流は重力作用によりなされることにな
る。

【０００７】電車等は屋外で使用されることが多いか
ら、特に寒冷地においては、相当な低温環境で使われる
ことになる。水を作動流体とするヒートパイプを用いた
場合、このような低温環境での使用に際して、その作動
流体たる水が凍結してしまうことがあった。作動流体が
凍結してしまうと、その冷却器の冷却性能が低下、また
は機能しなくなってしまう。具体的に説明すると、吸熱
側で蒸発した作動流体の蒸気は放熱側に移動するが、そ
こで凝縮して液相に戻った作動流体が更に凍結してしま
って、吸熱側に戻らず放熱側に留まってしまうのであ
る。そうなった作動流体が増えれば、そのヒートパイプ
の熱移動機能は低下、または停止してしまうことにな
る。従ってその冷却器による冷却機能も大幅に低下また
は停止してしまうのである。

【０００８】そこで、特に寒冷地にて使用される冷却器
の場合、作動流体として凍結しにくいパーフルオロカー
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の作動は確保される
からである。しかしパーフルオロカーボン等の溶剤で
は、熱移動性能という点では水に比べ不十分である。ま
た種々の事情により作動流体として水が望まれることも
多い。

【０００９】

【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
却性能が維持できうる冷却器を開発すべく鋭意研究を行
った。その結果得られた本発明のヒートパイプ式冷却器
は、水を作動流体とする複数のヒートパイプと、それら
の吸熱側に取り付けられている吸熱ブロックと、複数の
前記ヒートパイプの放熱側に取り付けられた放熱フィン
とを有し、更に複数の前記ヒートパイプおよび前記吸熱
ブロックに並列して取り付けられた可変コンダクタンス
ヒートパイプを有するというものである。

【００１０】また、前記可変コンダクタンスヒートパイ
プが水を作動流体とするものである場合を特に提案す
る。その可変コンダクタンスヒートパイプとして、その
空洞部内に作動流体の他に非凝縮性ガスとが収容された
タイプのものを用いると良い。更に、前記可変コンダク
タンスヒートパイプの配置であるが、それを複数の前記
ヒートパイプの各々と交互に配置すると効率的である。

【００１１】

【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１は本発明のヒートパ
イプ式冷却器の例を示したもので、（ア）はその正面
図、（イ）はその側面図である。この図ではヒートパイ
プ１０〜１５と可変コンダクタンスヒートパイプ４０〜
４２としてループ型のものを例示しているが、他に直状
型のもの、Ｕ字型のもの、Ｌ字型のもの等を適用しても
構わない。また直状型、Ｕ字型、Ｌ字型等のものを適宜
組み合わせても構わない。

【００１２】吸熱ブロック３には図示しない冷却すべき
発熱部品（被冷却部品）が熱的に接続される。それは直
接接触させる場合もあるが、伝熱グリス等を介在させて
接触させる場合もある。また半田付け等により被冷却部
品を吸熱ブロック３に接合することもありえる。

【００１３】図中の符号４０〜４２が可変コンダクタン
スヒートパイプで、それ以外は可変コンダクタンスタイ
プでない通常作動のヒートパイプである（図中の符号１
０〜１５）。各々の可変コンダクタンスヒートパイプ４
０、４１、４２はそれぞれヒートパイプ１０とヒートパ
イプ１１、ヒートパイプ１２とヒートパイプ１３、ヒー
トパイプ１４とヒートパイプ１５の間に配置されてい
る。

【００１４】この図に示したヒートパイプ式冷却器が電
車等に搭載される際には、可変コンダクタンスヒートパ
イプ４０〜４２およびヒートパイプ１０〜１５の各々の
放熱側（フィン２が取り付けられた側）が各々の吸熱側
（吸熱ブロック３に取り付けられた側）より上方に位置
するように配置しておく。

【００１５】ヒートパイプ１０〜１５および可変コンダ
クタンスヒートパイプ４０〜４２は、いずれも水を作動
流体とし、可変コンダクタンスヒートパイプ４０〜４２
は更に非凝縮性ガスとして窒素ガスを空洞部内に収容し
たものとする。ここでは非凝縮性ガスとは、可変コンダ
クタンスヒートパイプ１１、１３、１７の通常の使用状
況においては実質的に凝縮しないガスを指す。

【００１６】さてこのヒートパイプ式冷却器が低温環境
にて使用されるとする。その初期の段階においては、ヒ
ートパイプ１０〜１５および可変コンダクタンスヒート
パイプ４０〜４２の下部（吸熱ブロック３に取り付けら
れた側）に溜まっている作動流体は全てまたは一部が凍
結している。しかし吸熱ブロック３に接続されている図
示しない被冷却部品の運転が開始されると、その熱が吸
熱ブロック３を介してヒートパイプ１０〜１５および可
変コンダクタンスヒートパイプ４０〜４２の下部の凍結
した作動流体が融解し、更に蒸発し始める。

【００１７】ヒートパイプ１０〜１５内の蒸気は上方
（フィン２が取り付けられた側）に移動するが、そこで
放熱して液相に戻った作動流体の一部または大部分は更
に凍結してしまって、下方に落ちてこなくなってってし
まう。このような作動を繰り返して、ヒートパイプ１０
〜１５の上方で凍結してしまった作動流体が増加してい
くと、これらのヒートパイプ１０〜１５の熱移動機能は
低下、または実質的に停止してしまうことになる。尚、
熱移動という点で言えば、作動流体が凍結してしまって
も、そのヒートパイプのパイプ材質中を伝わる熱伝導が
なくなる訳ではない。しかしその熱移動量は相対的に小
さいものである。

【００１８】一方、可変コンダクタンスヒートパイプ４
０〜４２では、その内部の作動流体が蒸発し上方に移動
しようとするのは同様であるが、上方に溜まる非凝縮性
ガスのためにその上方への移動が妨げられる。ここで、
フィン２が取り付けられている各々のヒートパイプの部
分を、凝縮部と呼ぶことにする。非凝縮性ガスのために
作動流体の蒸気の上方への移動が妨げられている可変コ
ンダクタンスヒートパイプ４０〜４２の場合は、作動流
体の蒸気が到達している凝縮部が少ないことになる。従
ってその蒸気は放熱して液相に戻っても、過度に冷却さ
れて凍結するには至りにくい。

【００１９】更に吸熱ブロック３に取り付けられた被冷
却部品の熱量が上昇していくと、可変コンダクタヒート
パイプ４０〜４２内の作動流体の蒸発も促され、従って
蒸気圧も上昇していく。こうなると可変コンダクタンス
ヒートパイプ４０〜４２における凝縮部も広がる（上方
に移動していく）ことになり、放熱性能が高まってい
く。同時に可変コンダクタンスヒートパイプ４０〜４２
のパイプ材質中を伝わる熱伝導量も増加していくから、
凝縮部が更に上方に移動しても、作動流体の蒸気が過度
に冷却されて凍結することが起こりにくくなる。

【００２０】作動流体の凍結によって作動が実質停止し
ているヒートパイプ１０〜１５は、吸熱ブロック３に取
り付けられた被冷却部品の熱量が非常に高まれば、それ
らのパイプ材質中を伝わる熱伝導量も増大していき、や
がてヒートパイプの作動も回復していくであろう。可変
コンダクタンスヒートパイプ４０〜４２の場合は、作動
はある程度維持されるので、これらをヒートパイプ１０
〜１５に隣接するように配置すれば、可変コンダクタン
スヒートパイプ４０〜４２からフィン２に伝わった熱が
熱伝導によりヒートパイプ１０〜１５にも伝わりやすく
なる。このため、ヒートパイプ１０〜１５の作動回復が
促進される。従って図示するように、可変コンダクタン
スヒートパイプ４０〜４２とヒートパイプ１０〜１５と
を交互に配置すると効率的である。

【００２１】以上述べたように、本発明のヒートパイプ
式冷却器はヒートパイプ１０〜１５の作動が実質停止し
ている段階においても、可変コンダクタンスヒートパイ
プ４０〜４２の作動はある程度維持されるので、このヒ
ートパイプ式冷却器の冷却性能もある程度維持されてい
ることになる。通常、低温環境での使用においては冷却
性能も相対的に低くて良い場合が多いから、要求される
冷却性能の応じて、可変コンダクタンスヒートパイプの
本数や、それらの内部の非凝縮性ガスの量等を適宜設定
すれば良い。

【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、作動流体が凍結してしまうような低温
環境においてもその冷却性能がある程度維持されるもの
である。また所定の冷却性能への回復も比較的速やかに
なされるものである。従って特に寒冷地で使われる車両
等に搭載される各種半導体部品等の冷却に好適なもので
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を説明する図
で、（ア）はその正面図、（イ）はその側面図である。

【符号の説明】

１０ ヒートパイプ １１ ヒートパイプ １２ ヒートパイプ １３ ヒートパイプ １４ ヒートパイプ １５ ヒートパイプ ２ フィン ３ 吸熱ブロック ４０ 可変コンダクタンスヒートパイプ ４１ 可変コンダクタンスヒートパイプ ４２ 可変コンダクタンスヒートパイプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水を作動流体とする複数のヒートパイプ
   と、それらの吸熱側に取り付けられている吸熱ブロック
   と、複数の前記ヒートパイプの放熱側に取り付けられた
   放熱フィンとを有し、更に複数の前記ヒートパイプおよ
   び前記吸熱ブロックに並列して取り付けられた可変コン
   ダクタンスヒートパイプを有する、ヒートパイプ式冷却
   器。
2. 【請求項２】 前記可変コンダクタンスヒートパイプが
   水を作動流体とするものである、請求項１記載のヒート
   パイプ式冷却器。
3. 【請求項３】 前記可変コンダクタンスヒートパイプ
   が、その空洞部内に作動流体の他に非凝縮性ガスが収容
   されたものである、請求項２記載のヒートパイプ式冷却
   器。
4. 【請求項４】 前記可変コンダクタンスヒートパイプ
   が、複数の前記ヒートパイプの各々と交互に配置されて
   いる、請求項１〜３のいずれかに記載のヒートパイプ式
   冷却器。