KR0159980B1 - 히트파이프형 냉각장치 - Google Patents

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고이찌 이사까
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가나이 쯔또무
가부시끼가이샤 히다찌세이사꾸쇼
하시모또 히로지
히다찌덴센 가부시끼갸이샤
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Abstract

반도체소자 등을 냉각하기 위해 사용되는 히트파이프형 냉각장치에 관한 것으로서, 겨울에 응축부의 능력을 저감시키는 것에 의해 예를 들어 작동액이 동결된 상태에서도 히트파이프가 원활하게 기동하고 또한 높은 열전송능력을 갖도록 하기 위해서, 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부가 블록에 매립되고, 블록에서 노출된 히트파이프의 부분에 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 히트파이프의 응축부를 구성하고, 방열수단이 마련된 히트파이프는 적어도 2개의 군으로 분리되고, 각 군의 히트파이프는 각각 다른 방열능력을 갖는 구성으로 하였다.
이러한 구성으로 하는 것에 의해, 여러개의 히트파이프로 이루어지는 히트파이프형 냉각장치에 있어서, 작동액의 동결온도보다 외기온도가 낮은 환경하에서도 냉각동작을 효과적으로 실행할 수 있고 또한 정상온작에서의 동작시에 있어서도 높은 열전송능력을 가질 수 있으므로, 반도체소자, IGBT모듈, GTO사이리스터 등의 냉각에 유효한 수단을 제공할 수 있는 효과가 얻어진다.

Description

히트파이프형 냉각장치
제1도는 본 발명의 냉각장치의 1실시예의 사시도.
제2도는 히트파이프형 냉각장치의 단면도 및 냉각장치의 히트파이프내의 작동액의 동작을 설명하는 설명도.
제3도는 히트파이프형 냉각장치의 과도특성을 나타내는 그래프.
제4도는 히트파이프형 냉각장치의 단면도 및 냉각장치의 히트파이프내의 작동액의 동작을 설명하는 설명도.
제5도는 히트파이프형 냉각장치의 과도특성을 나타내는 그래프.
제6도는 냉각장치의 다른 실시예의 사시도.
제7도는 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제8도는 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제9도는 본발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제10도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제11도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제12도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제13도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제14도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제15도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제16도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예를 도시한 종단면도 및 장치의 일부를 확대한 측면도.
제17도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제18도는 제 17도에 도시된 히트파이프의 횡단면도.
제19도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제20도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제21도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제22도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제23도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제24도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제25도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제26도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제27도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제28도는 본 발명을 구체화한 냉각장치가 탑재된 하우징의 단면도.
제29도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제30도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제31도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제32도는 본 발명의 히트파이프형 냉각장치의 종단면도 및 냉각장치의 히트파이프내의 작동액의 동작을 설명하는 설명도.
제33도는 본 발명의 히트파이프형 냉각장치의 과도특성을 나타내는 그래프.
제34도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예의 종단면도.
제35도는 본 발명의 실시예를 실제품에 적용한 예의 정면도.
제36도는 종래의 히트파이프형 냉각장치의 종단면도.
본 발명은 반도체소자 등을 냉각하기 위해 사용되는 히트파이프형 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체소자 등을 냉각하기 위한 히트파이프형 냉각장치는 여러개의 히트파이프를 사용한다. 제36도는 그러한 형태의 냉각장치의 주요부분을 도시한 도면이다. 각 히트파이프(1)은 열을 전송하기 위한 능력에 한계가 있기 때문에 이러한 종류의 냉각장치는 열전도성이 우수하고 또한 냉각될 반도체소자가 부착된 공통블럭에 여러개의 히트파이프가 접속되는 구조로 되어 있다. 이러한 종류의 냉각장치에 작동액으로서 물을 주입하면, 주위온도가 0℃이하로 강하했을 때 작동액이 동결하게 된다. 동결된 열매체(heat medium)의 냉각장치로는 효과적인 기능을 실행할 수 없다. 즉, 반도체소자의 최대 허용온도 예를 들면 100℃ 이상으로 가열되어 바람직하지 않다.
일본국 특허공개공보 평성 2-229455호에는 여러개의 히트파이프가 다른 종류의 열매체로 충전된 2개의 군으로 분리된 히트파이프형 냉각장치가 기재되어 있다. 즉 제1군의 히트파이프는 작동액으로서 프론 R-113을 충전하고, 다른 것은 순수한 물을 충전한다. 프론R-113은 주위온도가 0℃ 이하로 강하해도 동결하지 않으므로 저온에서도 우수한 기동특성을 얻고 또한 정상의 통상온도에서도 높은 성능을 얻을 수 있다. 또, 프론계 열매체를 사용하는 것은 지구의 환경보존의 관점에서 바람직하지 않다.
예를 들어, 반도체소자를 냉각하는 히트파이프형 냉각장치는 여름에 사용하는 것을 상정해서 최고 외기온도 약 0℃에서 반도체 온도가 일정한 표준온도 예를 들면 약 100℃를 넘지 않도록 설계된다. 또, 이 냉각장치를 겨울에 사용하는 경우에는 작동액의 종류에 따라서 작동액이 동결할 수도 있다. 예를 들어, 외기온도가 -30℃정도로 낮을 때 작동액으로서 물을 사용하는 히트파이프형 냉각장치는 물이 이와 같은 저온에서 동결하므로 용이하게 기동할 수 없게 된다. 반도체소자가 동작을 개시하면 열이 발생되지만, 물의 고체형상 즉 얼음이 녹은 후에만 열의 전송을 개시한다. 외기온도보다 응축기에서의 방열능력이 크므로, 작동액은 응축기에서 재차 동결하고, 그 결과 작동액은 증발부로 되돌아가지 않는다. 따라서, 히트파이프형 냉각장치는 액상의 부족으로 동작하지 못하므로 반도체소자는 최고 허용온도 이상의 온도로 과열된다.
따라서, 주지의 히트파이프형 냉각장치는 작동액의 동결에 의해 기동되지 않으므로 냉각기능을 실현할 수 없다. 히트파이프형 냉각장치가 작동액의 동결온도 이하의 온도에서 기동하기 위해서는 히트파이프의 응축부에서의 방열능력을 저감할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 겨울에 응축부의 능력을 저감시키는 것에 의해, 예를 들면 작동액이 동결된 상태에서도 히트파이프가 원활하게 기동하고 또한 높은 열전송능력을 갖는 히트파이프형 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부가 블록에 매립되고, 블록에서 노출된 히트파이프의 부분에 방열수단으로서 방열핀이 부착되어 히트파이프의 응축부를 구성하고, 방열수단을 갖는 히트파이프는 적어도 2개의 군으로 분리되고, 각 군의 히트파이프는 각기 다른 방열능력을 갖는다.
또, 각 군의 히트파이프에서 상기한 방열핀의 총면적이 다르게 되도록 설계하는 것에 의해, 각기 다른 방열능력을 실현할 수 있다.
각 군의 히트파이프의 길이를 다르게 설계하는 것에 의해 각기 다른 방열능력을 실현할 수 있다. 이 경우에 길이가 긴쪽의 히트파이프가 방열핀의 면적이 더 넓다. 2개의 다른 종류의 방열핀을 사용하며, 제1형의 핀은 냉각장치의 모든 히트파이프에 부착하고, 제2형의 핀은 선택된 히트파이프에만 부착한다.
히트파이프가 관통하는 구멍을 갖고 또한 모든 히트파이프에 부착될 정도의 크기의 길이를 갖는 2종류의 방열핀을 배치하고, 이 2종류중 1종류의 핀에 있어서 선택된 히트파이프에 대응하는 구멍의 내경을 히트파이프의 외경보다 크게 되도록 확장하는 것에 의해 각기 다른 방열능력을 실현할 수 있다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 핀사이의 공간으로의 공기의 유입을 막기 위해서 핀의 바깥영역에 방사상으로 스페이서를 마련한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 방열핀을 히트파이프의 각각에 독립적으로 부착하고 각 군의 히트파이프에 부착된 방열핀의 수를 다르게 하는 것에 의해, 각 군의 히트파이프는 각기 다른 방열능력을 갖는다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 방열핀을 히트파이프의 각각에 독립적으로 부착하고 각 군의 히트파이프에 부착된 방열핀이 다른 재료로 이루어지도록 한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 각 군의 히트파이프가 다른 재료로 이루어지도록 한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 각 군의 히트파이프가 다른 내부표면구조를 갖도록 형성된다. 이 경우에 있어서 제1군의 히트파이프의 내면에는 각각 긴쪽방향으로 연장하는 홈이 마련되어 있고, 제2군의 히트파이프의 내면은 각각 평할하게 형성된다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 히트파이프를 적어도 2개의 군으로 그룹화하고 각 군의 히트파이프를 다른 양의 작동액으로 충전한다.
또, 히트파이프군중 임의의 히트파이프의 응축부의 내면상에는 발수성재료를 코팅한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치에 있어서 각 군의 방열핀을 형상기억합금인 각기 다른 재료로 이루어지도록 한다. 또한, 상기 군중의 적어도 1개의 히트파이프는 작동액 이외에 비응축성 가스를 함유한다. 히트파이프형 냉각장치는 또 2개의 인접한 방열핀 사이에 배치된 적어도 하나의 부재를 포함하고, 이 부재는 방열핀보다 히트파이프의 긴쪽방향의 단면적이 크고 또한 각각의 히트파이프 사이의 열의 전송을 촉진시킬 수 있도록 높은 열전도성을 갖는다. 높은 열전도성을 갖는 상기 부재로서는 여러개의 방열핀을 서로 밀착해서 적층시킨 것을 사용해도 좋다. 또, 높은 열전도성을 갖는 부재는 히트파이프의 선단부에 부착된 보강부재로서도 기능한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 높은 열전도성을 갖는 부재가 냉각장치에 부착된 프레임을 탑재하는 부분으로서 기능하도록 구성된다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 히트파이프의 응축부에 부착된 발열부재를 더 포함한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 외기온도 또는 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 발열부재를 작동시키는 수단을 더 포함한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 인접한 방열핀 사이의 공간으로 공기를 유입시켜 방열핀을 냉각하는 냉각송풍기 및 외기온도 또는 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 냉각용 송풍기의 작동을 제어하는 제어수단을 포함한다.
또, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치는 인접한 방열핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 막기 위한 차폐판을 더 포함한다. 이 경우, 외기온도 또는 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 차폐판이 인접한 방열핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 막도록 차폐판의 위치를 변경하는 수단을 마련한다. 이 차폐판은 냉각장치를 덮은 하우징에 부착된다. 방열핀이 수직방향으로 연장하도록 히트파이프를 구부려도 좋다, 피발열체는 IGBT모듈 또는 GTO사이리스터이어도 좋다. 또한, 히트파이프형 냉각장치를 철도차량과 같은 차량의 제어시스템을 냉각하기 위해 적절하게 사용할 수도 있다.
상술한 특징에 따른 본 발명에 의하면, 냉각장치의 일부를 구성하는 히트파이프의 방열능력을 외기온도와 발열량에 대해 최적으로 설정할 수 있어 히트파이프의 응축부로 유입된 작동액은 동결온도까지 강하하지 않고도 응축할 수 있으므로, 히트파이프형 냉각장치를 용이하게 기동시킬 수 있고, 기동후 즉시 동작의 정상상태에 도달한다. 냉열에너지원인 외기온도가 낮을 때 모든 냉각장치의 히트파이프가 냉각동작을 실행할 필요는 없다. 작동액의 동결없이 냉각장치의 필요한 냉각능력을 확보하기 위해서는 냉각장치의 히트파이프중에서 선택된 적절한 수의 히트파이프를 다른 히트파이프보다 적은 방열능력을 갖도록 장치를 설계하는 것이 효과적이다. 이와 같은 설계로 하는 것에 의해, 장치를 넓은 온도범위에서 작동하도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 외기온도가 강하했을 때 냉각장치의 방열능력이 감소하도록 냉각장치를 설계하면 좋다. 그러한 설계에 의해서 냉각장치를 넓은 온도범위에 걸쳐서 효과적으로 작동시킬 수 있다. 또, 본 발명에 의하면 선택된 히트파이프의 방열능력을 가변이고 또한 외기온도 또는 열부하 즉 피발열체로부터의 발열량 등 여러 가지 요인에 관해 최적으로 설정하고, 인접한 히트파이프를 접속하기 위한 부재로서 방열핀보다 열전송능력이 큰 부재를 사용하도록 설계할 수 있다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해, 방열능력이 큰 히트파이프가 열매체의 동결에 의해 기동되지 않아도 이 히트파이프는 다른 히트파이프로부터 전송된 열에 의해 안정하게 재기동할 수 있으므로, 피발열체의 온도를 강하시키는 동작을 안정하게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 각 히트파이프의 응축부에 발열부재를 마련하고 응축부에서의 온도 또는 외기온도가 저하될 때 이 부재로부터의 발열율이 증가하도록 제어하는 것에 의해, 히트파이프내의 작동액의 동결에 의한 작동의 정지를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조해서 설명한다.
제1도는 본 발명의 냉각장치의 1실시예를 도시한 사시도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 히트파이프형 냉각장치의 1실시예는 주로 블록(3)에 부착된 히트파이프(1a) 및 (1b) 및 (1b)에 마련된 방열핀(2a) 및 (2b), 냉각체(피발열체) 예를 들면 블록(3)에 마련된 반도체(4)로 구성된다.
각각의 히트파이프(1a), (1b)는 열전도성이 높은 재료로 이루어지는 관형상의 파이프를 갖고, 이 파이프를 진공상태에서 베이킹처리(baking)하고, 이 파이프부재에 소량의 작동액(5)를 탈기주입하고, 파이프의 양끝을 봉입해서 형성된다. 여러개의 히트파이프(1a), (1b)(본 실시예에서는 5개)의 한쪽 끝부를 열전도성이 큰 재료로 이루어지는 블록(3)에 형성된 대응하는 구멍에 삽입한다. 히트파이프(1a), (1b)의 블록(3)에 형성된 구멍에 삽입된 부분은 이들 히트파이프(1a), (1b)의 증발부로 기능한다. 이들 히트파이프(1a), (1b)의 증발부와 블록(3)의 고정시에는 납땜접합이나 압력팽창 즉 파이프내의 압력을 증가시켜 파이프의 끝부를 확대해서 블록내에 형성된 구멍의 벽에 밀착시키는 기술이 사용되고 있다.
블록(3)은 직방체(직육면체) 형상이다. 이 실시예에서는 히트파이프(1a), (1b)의 배열에 대해 평행한 블록(3)의 표면만을 냉각용으로 사용한다. 따라서, 반도체(4)와 같은 냉각체(피발열체)가 히트파이프(1a), (1b)의 배열면에 대해 평행한 블록(3)의 면중의 한면에 부착된다. 한편, 히트파이프(1a), (1b)의 응축부에는 히트파이프(1a), (1b)를 삽입하기 위한 여러개의 구멍을 각각 갖는 여러개의 방열핀(2a), (2b)가 히트파이프(1a), (1b)의 축에 대해서 이들 방열핀(2a), (2b)의 면이 수직으로 되도록 마련된다. 이 실시예에서는 일정한 피치로 19개의 핀을 배열해서 사용한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 이 핀(2a)는 5개의 히트파이프(1a), (1b)에 부착되어 있고, 핀(2b)는 3개의 히트파이프(1a)에만 부착된다. 방열핀(2a), (2b)는 납땜접합 또는 압입에 의해 히트파이프(1a), (1b)에 고정된다. 작동액의 순환을 촉진시키기 위해, 히트파이프는 응축부를 증발부보다 상측에 또는 수평으로 배치한다. 그러나, 경우에 따라서 히트파이프는 응축부를 증발부보다 하측에 배치한다.
작동시에 반도체(4)와 같은 냉각체(피발열체)는 전력이 공급될 때 발열한다. 이렇게 발생된 열은 블록(3)을 거쳐서 블록(3)에 매립된 히트파이프(1a), (1b)의 증발부로 전송된다. 이 히트파이프의 증발부에서는 열에 의해 히트파이프내의 작동액(5)가 증발하고, 이렇게 발생된 작동액(5)의 증기는 증발잠열과 함께 히트파이프(1a), (1b)로 이동한다. 히트파이프(1a), (1b)의 증발부에서는 작동액(5)가 방열핀(2a), (2b)에 의해서 방열되어 냉각된다. 즉, 작동액의 증기가 갖는 열은 히트파이프의 내면으로 전송된 후 방열핀(2a) 및 (2b)로 전송되고, 작동액(5)는 응축된다. 이 응축된 작동액(5)는 중력에 의해 히트파이프의 증발부로 되돌아간다. 히트파이프의 내면이 모세관작용을 하도록 가공되어 있으면, 작동액(5)는 이 모세관작용에 의해 증발부로 용이하게 되돌아간다. 따라서, 냉각체(피발열체)로부터 전송된 열은 응축부의 히트파이프의 벽을 거쳐서 열전도에 의해 전달되고, 그 후 방열핀으로 전달된 열은 자연공냉 또는 송풍기에 의한 강제냉각에 의해서 외기로 방출된다.
이 실시예에서는 2종류의 방열핀, 즉 5개의 히트파이프 모두에 부착되는 크기의 제1군의 방열핀(2a)와 중앙의 3개의 히트파이프에만 부착되는 크기의 제2군의 방열핀(2b)를 사용하였다. 제1군의 방열핀(2a)는 제2군의 방열핀(2b)보다 증발부에 가깝게 위치하고 있다. 즉, 제2군의 방열핀(2b)는 히트파이프의 응축부에 가깝게 위치하고 있다. 결과적으로, 중앙의 3개의 히트파이프(1a)는 외부의 2개의 히트파이프보다 방열능력이 더 크다. 그 결과, 파이프길이를 변경하지 않고 방열능력을 변경할 수 있다. 이상, 5개의 히프파이프와 2군의 방열핀을 갖는 냉각장치에 대해서 기술했지만, 히트파이프와 방열핀의 수는 이것에 한정되지 않고 자유롭게 결정할 수 있다.
이 실시예의 히트파이프형 냉각장치의 동작에 대해서 제2도∼제5도를 사용해서 설명한다.
제2도는 본 실시예의 냉각장치에 있어서 1개의 중앙부의 히트파이프(1a)에 해당하는 방열능력을 갖는 냉각장치의 종단면도를 도시한 도면이다. 또, 이 도면은 1개의 히트파이프(1a)와 동일한 방열능력을 갖는 히트파이프내의 작동액의 동작을 도시한 것이다. 작동액(5)는 예를 들어 물이고, 작동액(5)는 증발부에 있어서 외기온도 -30℃에서 동결한다고 가정한다. 또한, 모든 시스템이 일정한 열입력률로 가동된다고 가정한다. 입력된 열은 증발부내의 동결된 작동액의 온도를 점차 상승시키고, 동결된 작동액은 녹기 시작하여 증기로 되고, 응축부로의 열의 전송을 개시한다. 히트파이프(1a)에 부착된 방열핀(2a), (2b)의 수는 다음에 제4도에서 설명할 히트파이프(1b)에 부착된 방열핀(2a)의 수보다 많다. 따라서, 제2도에 도시한 히트파이프(1a)는 제4도에 도시한 히트파이프(1b)보다 방열능력이 크다. 그러므로, 작동액은 응축부에서 재차 동결되어 고체상태(5c)로 되고, 증발부에서는 작동액의 액상이 부족하게 되어 작동액이 증발부로 되돌아가는데 장해로 되기 때문에 제2도에 도시한 바와 같이 히트파이프의 작동불량으로 된다.
제3도는 발열 개시시의 시각을 0으로 하고, 히트파이프의 선단온도와 블록부분의 온도의 경시변화를 도시한 도면이다. 히트파이프의 선단온도라는 것은 방열핀이 마련되어 있는 히트파이프의 선단부의 온도이고, 블록부분의 온도라는 것은 히트파이프의 증발부가 매립되어 있는 블록의 외부표면상의 1점에서 측정한 온도이다. 발열개시부터 소정의 시간이 흐른뒤에 작동액이 녹기 시작하고 열의 전송이 개시된다. 이 때, 히트파이프의 선단온도는 급상승하지만, 응축부에서 발생하는 동결로 인해 재차 온도는 강하하기 시작한다. 일단 동결이 발생하면, 히트파이프가 정상 동작으로 되돌아가지 않고 열의 전송이 중단되어 전체 블록의 온도가 급상승하고, 반도체(4)의 온도가 계속 과열되어 허용가능한 최대허용온도예를 들면 100℃를 초과해 버리게 된다.
제4도는 실시예에서 사용된 5개의 히트파이프의 양끝부에 각각 배치된 1개의 히트파이프(1b)에 대응하는 응축능력을 갖는 상기한 냉각장치를 도시한 종단면도이다. 또한 제4도는 히트파이프내의 작동액의 동작을 도시한 도면이다. 제2도에 도시한 냉각장치와 마찬가지로 물을 작동액으로 사용하고, -30℃와 같이 낮은 외기온도에서 작동액이 증발부에서 동결한다고 가정한다. 또한, 냉각장치가 일정한 열입력률로 기동한다. 냉각장치가 기동하고 나서 잠시후 동작액이 동결된 증발부에서 온도가 상승하므로, 동결된 동작액이 녹기 시작하여 증기로 되고, 응축부로의 열의 전송을 개시한다. 이 경우, 방열핀의 1종류 즉 핀(2a)만이 히트파이프(1b)에 부착된다. 따라서, 제4도에 도시한 히트파이프(1b)는 제2도에 도시한 히트파이프(1a)보다 방열능력이 작으므로, 히트파이프(1b)내의 증발된 작동액은 응축부에서 동결되지 않고 증발부로 되돌아온다. 이 경우, 액상으로 응축된 작동액(5d)가 제4도에서 알 수 있는 바와 같이 정상적으로 증발부로 계속해서 되돌아가므로, 히트파이프는 작동액의 액상의 부족함없이 계속 작동할 수 있다.
제5도는 발열 개시시의 시각을 0으로 하고, 히트파이프의 선단온도와 블록부분의 온도의 경시변화를 도시한 도면이다. 발열 개시부터 소정 시간이 흐른후에 작동액이 녹기 시작하고 열의 전송이 개시된다. 이 때, 히트파이프의 선단온도는 급상승하여 블록부분의 온도와 거의 동일한 레벨로 된다. 이러한 방식으로 히트 파이프의 동작이 계속되므로 블록부분의 온도가 정상상태에 도달한다.
상술한 바와 같이, 이 실시예는 어러종류의 히트파이프를 조립해서 사용한다. 예를 들면, 물을 작동액으로서 사용할 때 작동액을 동결시킬 정도로 외기온도가 낮으면 방열능력이 작은 히트파이프(1b)가 먼저 기동하므로, 냉각장치가 효율적으로 작동하여 필요한 냉각성능을 얻을 수 있지만, 반대로 외기온도가 동결을 일으킬 만큼 낮지 않을 때에는 모든 히트파이프(1a), (1b)가 기동해서 필요한 냉각효과를 얻을 수 있다. 따라서, 상술한 본 발명의 냉각장치를 넓은 온도범위에서 작동시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예인 냉각장치를 본 실시예의 사시도인 제6도를 참조하면서 설명한다.
이 실시예의 구조는 히트파이프(1a), (1b)가 반도체기판(4)를 탑재한 면과 대향하는 방향으로 블록(3)과 방열핀(2a), (2b) 사이의 부분에서 약 90°로 구부러져 있는 것을 제외하면, 제1도에 도시한 것과 마찬가지이다.
이 실시예에서 방열핀(2a), (2b)는 히트파이프의 증발부가 수직으로 실장된 경우에도 수직방향으로 연장할 수 있으므로, 인접핀간의 공간으로의 공기의 흐름이 촉진되어 자연대류에 의한 방열의 효과를 크게 한다. 히트파이프의 구부림각도는 90°로 제한되지 않고, 냉각장치의 설치방법에 따라 방열핀이 실질적으로 수직으로 연장하도록 원하는 구부림각도를 선택할 수 있다.
본 발명에 사용된 냉각장치에 대해서 이들 냉각장치의 종단면도인 제7도 및 제8도를 참조해서 설명한다. 이 실시예의 구조는 모든 히트파이프에 부착된 방열핀(2a)가 히트파이프의 증발부와 떨어져서 배치되어 있고, 선택된 히트파이프에만 부착된 방열핀(2b)가 히트파이프의 증발부에 가갑게 배치되어 있는 것을 제외하고, 제1도에 따라 설명한 실시예와 동일하다.
특히, 제8도에 도시된 실시예에 있어서 히트파이프의 증발부에 인접한 방열핀은 중앙부의 히트파이프가 아니라 바깥측의 히트파이프의 각각에 독립적으로 마련된다.
제8도에 도시한 구성으로 하는 것에 의해, 중앙부의 히트파이프와 바깥측의 히트파이프는 제1도에 도시된 실시예에 있어서의 바깥측과 중앙부의 히트파이프에 의해 실행되는 기능을 실행하지만, 이러한 구성에 의해 얻어지는 효과는 제1도에 도시된 실시예에 의해 얻어지는 것과 동일하다.
본 발명을 구체화한 다른 냉각장치에 대해서 그의 종단면도인 제9도와 제10도를 참조해서 설명한다.
이들 실시예의 구성도 상술한 제1도에서 설명한 실시예와 동일하다. 그러나, 제9도에 도시한 실시예에 있어서는 히트파이프(1a), (1b)에 방열핀(2a) 및 (2b)를 히트파이프(1a), (1b)의 길이방향으로 교대로 부착한다. 제10도에 도시한 실시예에서는 모든 히트파이프에 방열핀(2a)를 부착하고, 바깥측의 2개의 히트파이프의 각각에는 방열핀(2a)와 방열핀(2c)가 히트파이프의 길이방향으로 교대로 나타나도록 독립적으로 배열된 방열핀(2c)를 마련한다.
제10도에 도시한 구성에 의하면, 중앙부의 히트파이프와 바깥측의 히트파이프는 제1도에 도시된 실시예에 있어서의 바깥측과 중앙부의 히트파이프에 의해 실행되는 기능을 실행하지만, 이러한 구성에 의해 얻어지는 효과는 제1도에 도시된 실시예에 의해 얻어지는 것과 동일하다.
본 발명의 다른 실시예를 본 발명에 사용된 냉각장치의 종단면도인 제11도∼제15도를 참조해서 설명한다. 이들 실시예는 히트파이프의 위치에 따라서 히트파이프의 응축부의 길이가 변화된다는 공통적인 특성을 갖는다. 즉, 제11도에 도시한 실시예에서 바깥측의 2개의 히트파이프(1c)의 응축부의 길이는 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)의 길이보다 짧다. 히트파이프(1a), (1c)의 응축부에는 이들 모든 히트파이프에 부착되는 크기의 방열핀(2)가 부착되어 있다. 따라서, 바깥측의 히트파이프(1c)의 응축부는 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)보다 길이가 짧으므로, 바깥측의 2개의 히트파이프(1c)는 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)에 부착되는 방열핀의 수보다 방열핀의 수가 적다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 바깥측의 2개의 히트파이프(1c)는 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)보다 방열능력을 작게 할 수 있다.
1종류만의 방열핀을 사용하고, 히트파이프의 길이를 서로 다르게 하는 것에 의해, 방열능력이 다른 히트파이프를 사용한 냉각장치를 실현할 수 있다.
제12도에 도시한 실시예에서는 바깥측의 2개의 히트파이프(1a)의 응축부의 길이를 길게하고, 중앙부의 3개의 히트파이프(1c)의 응축부의 길이를 짧게하고 있다.
제11도 및 제12도에 도시한 길이가 다른 응축부를 갖는 히트파이프의 구조는 단지 예시적인 것으로서 임의로 변경할 수 있다.
제13도에 도시한 실시예는 제11도에 도시한 것과 마찬가지이다. 그러나, 이 실시예에서는 증발부에 인접한 방열핀(2a)를 모든 히트파이프(1a) 및 (1c)에 부착하고, 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)에만 부착되는 크기의 방열핀군(2b)를 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)의 끝부에 부착한다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 냉각장치 전체의 치수를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
제14도에 도시한 실시예는 제12도에 도시한 실시예와 마찬가지이다. 이 실시예에서는 방열핀(2a)가 모든 히트파이프(1a) 및 (1c)에 부착되어 있고, 방열핀 (2c)는 히트파이프군(1c)의 양 바깥측에 위치한 히트파이프(1a)에만 부착되어 있다. 히트파이프(1a)는 독립된 방열핀(2c)의 수를 다르게 해도 좋다.
제15도에 도시한 실시예에서는 블록(3)에 그들의 한쪽 끝부가 매립된 3개의 히트파이프(1d) 및 (1e)를 사용한다. 이들 히트파이프의 각각에는 독립된 핀(2d) 및 (2e)가 부착되어 있다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 히트파이프마다 방열능력을 다르게 할 수 있으므로, 방열핀의 수와 그 핀의 재료를 임의로 선택할 수 있다. 즉, 히트파이프에 따라서 핀의 수를 변경할 수 있고 또 핀의 재료도 변경할 수 있으므로, 히트파이프(1d)에 부착된 핀의 재질을 동으로 하고, 히트파이프(1e)에 부착된 핀의 재질을 알루미늄으로 해도 좋다.
본 발명의 냉각장치의 다른 실시예를 이 냉각장치의 종단면도인 제16도를 참조해서 설명한다.
제16도에서 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서는 외경이 동일한 2종류의 방열핀(2a) 및 (2f)를 사용한다. 그러나, 제16도중에 확대해서 도시한 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 1종류의 방열핀(2f)는 5개중 2개의 히트파이프(1b)에 대응하여 형성된 구멍이 이들 히트파이프(1b)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 확대된 구성이다. 즉, 원형갭(22)가 이 각각의 히트파이프(1b)와 핀(2f) 사이에 형성된다. 따라서, 히트파이프(1b)에서 방열핀(2f)로의 열 전송이 거의 발생하지 않으므로, 히트파이프(1b)는 히트파이프(1a)보다 작은 발열능력을 갖게 된다.
이 실시예에서는 상술한 방열핀(2f)와 모든 히트파이프에 부착된 다른 종류의 방열핀(2a)를 이들 2종류의 핀이 히트파이프의 길이방향으로 교대로 나타나도록 배열한다. 모든 핀(2f)에 대해 확대된 구멍의 수나 위치를 동일하게 할 필요는 없다. 따라서 이 실시예에서는 동일한 외경을 갖지만 선택적으로 확대된 히트파이프 삽입구멍을 갖도록 구성된 2종류의 방열핀을 사용하는 것에 의해, 동일한 길이의 히트파이프를 사용하지만 히트파이프에 따라서 방열능력을 변경할 수 있다.
또, 상술한 실시예에서 사용된 여러종류의 방열핀의 배치는 한정되지 않고, 또 이들 핀의 배치를 규칙적으로 하지 않아도 좋다.
본 발명을 구체화한 다른 냉각장치에 대해서 제17도∼제21도를 참조해서 설명한다. 제17도는 본 발명의 실시예의 종단면도이고, 제18도는 제17도에 도시한 냉각장치에 사용된 히트파이프(1f) 및 (1g)의 각각의 횡단면도이고, 제19도∼제21도는 본 발명의 냉각장치의 다른 실시예를 도시한 종단면도이다.
제17도에 있어서, 냉각장치는 내부 또는 중앙부의 3개의 히트파이프(1f)와 히트파이프군의 양 바깥측에 배치된 2개의 히트파이프(1g)를 합해서 5개의 히트파이프를 사용한다. 중앙부의 3개의 히트파이프(1f)의 내면에는 각각 히트파이프의 길이방향으로 다수의 홈이 마련되어 있고, 바깥측의 2개의 히트피이프(1g)의 내면은 각각 평활하게 형성되어 있다. 모든 히트파이프(1f) 및 (1g)에는 여러개의 방열핀(2a)가 공통으로 부착되어 있다.
제18도는 이들 2종류의 히트파이프(1f), (1g)를 각각 도시한 횡단면도이다. 그 안에 홈이 형성된 히트파이프(1f)쪽이 내면이 평활한 히트파이프(1g)보다 응축능력이 크다. 따라서 히트파이프의 응축부에서의 능력을 제어할 수 있다.
제19도에 도시된 실시예에 있어서는 방열핀(2)가 공통으로 부착된 여러개의 히트파이프를 사용한다. 바깥측의 2개의 히트파이프의 응축부의 내면이 발수성부재(6)으로 코팅되어 있다. 이러한 구성으로하는 것에 의해, 코팅(6)이 실시된 히트파이프는 코팅되지 않은 히트파이프보다 응축능력이 작다. 이 실시예에서는 테프론 등을 발수성재료로서 사용할 수 있다. 각 히트파이프마다 다른 재료를 사용하는 것에 의해 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 동으로 이루어진 히트파이프와 알루미늄으로 이루어진 히트파이프의 조합에 의해, 제19도에 도시한 실시예에 의해서 얻어진 것과 동일한 효과가 얻어진다.
제20도에 도시한 실시예에서는 방열핀(2)가 공통으로 부착된 동일길이의 히트파이프를 사용한다. 히트파이프군중 양 바깥측에 위치한 2개의 히트파이프를 비응축성가스(7)로 충전한다. 비응축성가스는 히트파이프(1)의 내부 체적의 일부를 차지하므로, 이 가스가 충전된 히트파이프는 그 가스를 함유하지 않는 히트파이프보다 응축능력과 발열능력이 적다. 또, 외기온도가 낮아지면 비응축성가스가 차지하는 체적은 커진다. 반대로, 외기온도가 높아지면 비응축성가스가 차지하는 비응축성가스의 체적은 작아진다. 따라서, 제20도에 도시한 실시예에서는 작동액이 동결할 정도로 외기온도가 낮을 때 장치가 기동되면, 비응축성가스가 충전된 히트파이프의 응축능력과 방열능력은 동결의 위험이 없을 정도로 낮게 유지되고, 외기온도가 상승함에 따라서 이 히트파이프의 능력은 점차 비응축성가스가 없는 히트파이프의 성능에 가까워진다. 예를 들면, 비응축성가스로서는 질소나 공기를 사용하는 것이 적당하다.
제21도에 도시한 실시예에서는 비응축성가스가 충전된 히트파이프(1)의 끝부에 리저버(reservior)(23)을 접속해서 구성한 것을 제외하고, 기본적으로 제20도와 동일하다. 또, 리저버 대신 벨로즈(bellows) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 냉각장치의 다른 실시예를 본 실시예의 종단도인 제22도를 참조해서 설명한다. 이 실시예는 동일한 길이의 히트파이프를 여러개 사용하고, 모든 히트파이프(1)에는 거의 동일한 면적의 방열핀(2)를 공통으로 부착한다. 히트파이프군의 양 바깥측의 끝부에 배치된 히트파이프에는 히트파이프군의 중앙부에 배치된 내부의 3개의 히트파이프보다 작동액(5)가 더 많이 충전된다. 작동시, 중앙부의 3개의 히트파이프에서보다 높은 레벨에서의 비등에 의한 액체의 기포에 의해, 바깥측의 2개의 히트파이프의 각각에 있어서 작동액이 상승하고 응축부의 효과적인 열전송면적이 작아지므로, 많은 작동액을 포함하는 히트파이프는 적은 작동액을 포함하는 히트파이프보다 응축능력과 발열능력이 작아진다.
본 발명을 구체화한 다른 냉각장치에 대해서 본 실시예의 종단면도인 제23도 및 제24도를 참조해서 설명한다.
제23도에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 길이의 히트파이프(1)에 거의 동일한 면적의 방열핀(2)를 부착하고 있다. 이들 방열핀 사이의 공간부에 부분적으로 배치된 스페이서(8)에 의해 바깥측의 2개의 히트파이프의 선단부상의 방열핀(2)의 주위로의 공기의 유입이 방지되므로, 이들 바깥측의 2개의 히트파이프의 방열능력을 다른 히트파이프보다 작게 할 수 있다. 스페이서(8)은 방열핀의 선단부측에 일괄 부착된다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 선택된 히트파이프의 방열능력을 용이하게 감소시킬 수 있다.
또, 스페이서(8) 대신 방열핀 주위로의 공기의 유입을 방지하는 차폐판(baffle plate) 등의 다른 종류의 부재를 사용해도 좋다.
제24도에 도시한 실시예는 스페이서(8)을 일정한 간격으로 히트파이프의 응축부에 배치하는 것을 제외하고, 제 23도에 도시한 것과 기본적으로 동일하다. 제3도 및 제24도에 도시한 스페이서(8)의 배치는 단지 예시적인 것으로서, 임의로 변경이 가능하다.
본 발명을 구체화하는 다른 냉각장치에 대해서 제25도 및 제26도를 참조해서 설명한다. 제25도 및 제 26도는 히트파이프가 배치된 평면과 평행한 방향에서 본 장치의 다른 상태를 도시한 측면도이다.
이 실시예에서는 여러개의 히트파이프의 한쪽 끝부를 각각 블록(3)에 부착하는 공통특성을 갖고, 히트파이프(1)의 다른쪽끝부에는 여러개의 방열핀(2a)를 부착하고, 일부의 방열핀은 형상기억합금(9)로 이루어진다.
형상기억합금은 다음과 같은 작용을 한다. 대기온도가 정상일 때 형상기억합금으로 이루어진 방열핀은 다른 핀과 동일한 형태를 유지한다. 제26도는 대기온도가 강하했을 때의 장치의 상태를 도시한 도면이다. 형상기억합금으로 이루어진 핀은 저온으로 되는 것에 의해 파이프 삽입구멍 아래의 각각의 핀 부분이 그의 인접하는 핀측으로 편향하도록 그 형상이 변화하고, 이들 핀사이의 공간으로의 공기의 유입을 방지한다. 따라서, 방열능력이 감소한다. 이 실시예에서는 정상 외기온도에서의 능력을 손상시키지 않고 외기온도가 낮을 때 히트파이프로부터의 방열이 감소된다.
본 발명에 따른 냉각장치의 다른 실시예를 냉각장치의 측면도인 제27도를 참조해서 설명한다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예의 냉각장치는 블록(3)에 형성된 구멍에 한쪽 끝부가 각각 삽입된 여러개의 히트파이프(1)을 사용한다. 히트파이프(1)의 다른쪽 끝부에는 여러개의 방열핀(2)가 부착된다.) 방열핀(2)는 착탈가능한 커버(10)으로 둘러싸여 있다. 외기온도가 낮을 때 커버(10)이 방열핀(2)를 둘러싸도록하여 방열핀(2)와 접촉하는 공기의 유입을 막거나 유입률을 낮춘다. 반대로, 외기 온도가 낮지 않을 때에는 커버(10을 제거하여 공기를 유입시키고 방열핀과 접촉시키는 하는 것에 의해 방열능력을 증가시킨다. 또, 착탈가능한 커버(10) 대신 히트파이프형 냉각장치와 일체화되고, 방열핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 제어하는 기구, 예를 들면 셔터, 차폐판 등이 마련된 고정커버를 사용할 수 있다.
다른 실시예의 냉각장치를 이 냉각장치가 부착된 하우징의 측면도인 제28도를 참조해서 설명한다.
특히, 제28도는 하우징(11)을 도시한 것으로서, 제어장치의 일부와 함께 철도차량의 섀시에 부착된 제어장치를 수납하는 하우징을 도시한 도면이다. 블록(3)에는 여러개의 히트파이프의 한쪽 끝부가 각각 부착되어 있다. 히트파이프에는 여러개의 방열핀(2)가 부착되어 있다. 또, 방열핀이 접지표면에 대해 거의 수직으로 연장하도록 히트파이프(1)을 구부린다. 이러한 냉각장치 2개를 다른 장치 위에 배치해서 한쌍의 반도체소자(4)를 냉각시킨다. 하우징(11)의 방열핀(2)를 둘러싼 부분은 하우징(11)내의 공간의 공기의 흐름을 촉진시키기 위해서 다수의 구멍이 마련되어 있거나 또는 망형상의 판으로 형성되어 있다. 구멍 또는 망의 개폐시에 셔터기구를 사용한다. 외기온도가 낮은 예를 들면 겨울에 셔터(12)를 닫는 것에 의해서 히트파이프의 방열능력을 감소시킨다. 제27도에 도시한 다른 실시예의 경우와 마찬가지로, 방열핀 주변영역으로의 공기의 유입이나 공기의 유출을 제어하는 기구는 셔터에 한정되지 않는다.
본 발명의 다른 냉각장치에 대해서 이들 냉각장치의 종단면도인 제29도 및 제30도를 참조해서 설명한다. 우선, 제29도에 있어서 블록(3)에는 여러개의 히트파이프의 한쪽 끝부가 각각 고정되어 있다. 히트파이프(1)의 응축부에는 여러개의 방열핀(2)가 부착되어 있다. 히트파이프의 선단부에는 발열부재(14)와 감온(監溫)소자(13)이 부착되어 있다. 감온소자(13)에 의해 감지된 히트파이프의 온도는 증폭기(15)를 거쳐서 비교기(16)에 입력되어 온도설정기(17)에 의해 설정된 온도와 비교된다. 히트파이프의 선단부의 감지온도가 설정온도보다 낮으면, 온도차에 대응하는 전력이 구동회로(18)을 거쳐서 발열부재로 공급된다. 설정온도를 동작액이 동결되는 온도와 동일하게 설정하는 것에 의해 히트파이프내의 동작액의 동결을 방지할 수 있다.
제30도에서는 블록(3)에 여러개의 히트파이프의 한쪽 끝부가 각각 부착되고, 이들 히트파이프에는 여러개의 방열핀(2)가 부착되어 있다. 냉각송풍기(19)는 방열핀의 근방에 배치되고, 핀 사이의 공간으로 공기를 유입시켜 강제냉각을 실행한다. 히트파이프의 선단부에 부착된 감온소자(13)은 이 선단부의 온도를 감지한다. 감지된 온도에 대응하는 신호는 증폭기(15)를 거쳐서 비교기(16)으로 공급되어 온도설정기(17)에 의해 설정된 온도와 비교된다. 감지된 온도와 설정온도 사이의 차에 따라서 구동회로(18)이 작동하여 송풍기(19)를 구동시키고, 송풍기의 속도제어를 실행한다. 외기온도가 소정의 온도보다 낮을 때 송풍기가 작동하지 않거나 저속으로 작동하도록하여 히트파이프의 방열능력을 선택적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 냉각장치의 다른 실시예를 이 냉각장치의 종단면도인 제31도를 참조해서 설명한다.
이 실시예는 제1도에 도시한 실시예와 기본적으로 동일하다. 이 실시예에서는 핀보다 두꺼운 동(銅)블록(20)을 히트파이프의 선단부와 중간부에 부착하였다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 히트파이프 사이의 열전송이 촉진되므로 방열능력이 큰 히트파이프가 작동액의 동결후에 재기동하는 온도를 강하시킬 수 있다. 제31도에 도시된 본 실시예의 동작을 제32도 및 제33도를 참조해서 설명한다.
제32도는 작동액으로서 물을 사용하고 -30℃의 매우 낮은 외기온도에 있어서 장치가 작동할 때의 작동액의 동작과 열전송 상태를 도시한 도면이다. 이 상태에서 방열능력이 큰 중앙부의 3개의 히트파이프(la)는 작동하지 않고 응축부내에서 작동액(5c)가 동결한다. 한편, 히트파이프군의 양끝부에 배치된 방열능력이 작은 2개의 히트파이프는 정상상태로 작동한다. 이 경우에 히트파이프(1a)의 응축부의 온도는 히트파이프(1b)의 응축부의 온도보다 낮다. 이 경우, 열은 바깥측 히트파이프(1b)로부터 동불럭(20)을 거쳐서 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)로 전송되므로, 히트파이프(1a)가 동작하지 않아도 중앙부의 3개의 히트파이프의 응축부의 온도는 외기온도보다 높은 레벨까지 상승한다.
제33도는 외기온도가 -30℃에서 상승할 때 블록(3)의 온도가 상승하는 것을 도시한 도면이다. 실선은 동블럭(20)이 없는 장치에서 관찰한 블록(3)의 온도를 나타내는 것이고, 점선은 동블럭(20)을 사용했을 때의 관찰온도를 나타내는 것이다. 동블럭(20)을 사용하지 않았을 때, 히트파이프(1a)내의 작동액이 동결하여 히트파이프(1a)내의 작동액의 액상의 부족을 초래한다. 따라서, 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)는 열전송을 실행하지 않는다. 그 결과, 응축부의 온도는 외기온도와 거의 동일한 온도를 유지한다.
히트파이프(1a)를 재기동시키기 위해서는 외기온도가 약 0℃로 상승해야 한다. 제33도에서 실선은 외기온도가 0℃로 될 때 중앙부의 히트파이프(1a)가 작동을 개시하기 때문에 블록부의 온도가 일단 낮아지고, 외기온도가 상승함에 따라서 재차 상승하기 시작하는 것을 나타낸다. 제33도에서는 외기온도가 약 0℃일 때 블록부에서의 온도가 약 80℃에 도달한다. 한편, 동블럭(20)을 사용하면 방열능력이 큰 중앙부의 3개의 히트파이프의 응축부의 온도는 제32도에서 설명한 이유에 의해 외기온도 이상의 레벨까지 상승하게 된다. 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)의 응축부의 온도는 동블럭(20)의 효과로 인해 외기온도보다 높은 10℃레벨까지 상승하는 것으로 가정한다. 이것은 외기온도가 -10℃정도로 낮을 때 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)의 응축부의 온도가 0℃ 정도로 상승하게 되고, 이들 히트파이프는 재기동된다. 제33도의 점선은 외기온도가 약 -10℃정도에 도달하면 중앙부의 3개의 히트파이프(1a)가 기동하여 블록부의 온도를 일단 저감시키고, 그후 외기온도가 상승함에 따라서 블록부의 온도가 상승하는 것을 나타낸다. 제33도는 외기온도가 약 -10℃일 때 블록부의 온도가 약 60℃에 도달하는 것을 도시한 도면이다. 따라서, 동블럭(20)을 사용하는 것에 의해 외기온도가 0℃이하일 때 블록부의 최고온도를 저감할 수 있다. 경우에 따라서는 사용 온도범위 전체에 걸쳐서 최고온도를 저감할 수 있다.
본 발명을 구체화한 다른 냉각장치에 대해서 이 냉각장치의 종단면도인 제34도를 참조해서 설명한다. 이 실시예에서는 제31도에서 사용된 동블록(20) 대신 방열핀의 스택(stack)(2g)를 사용하는 것으로서, 각각의 스택은 모든 히트파이프에 부착되는 크기이고 인접핀 사이에 틈새 없이 밀착 적층된 여러개의 방열핀으로 이루어진다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 각각의 스택(2g)의 핀의 표면은 공기와 차단되도록 유지되므로, 스택(2g)는 히트파이프 사이의 열전송을 촉진시키는 기능을 한다. 이 실시예에서는 동블록과 같은 특별한 부재를 마련하지 않고 방열핀으로 방열핀의 스택을 용이하게 형성할 수 있으므로, 히트파이프 사이의 열전도성을 촉진시킬 수 있다. 특히, 냉각장치를 구성하는 히트파이프의 끝부에 냉각장치를 탑재하는 부재로서 열전도성이 큰 부재를 사용해도 좋다.
본 발명을 구체화한 다른 냉각장치에 대해서 철도차량에 냉각장치를 적용한 제35도를 참조해서 설명한다. 특히, 제35도는 철도차량의 차량제어장치가 부착된 부분을 도시한 도면이다.
제35도에 있어서, 차량의 전동기를 제어하는 제어회로의 주구성요소인 반도체소자를 냉각하기 위해, 냉각장치는 철도차량섀시(21)의 바닥 아래에 배치되어 있다. 본 발명을 구체화한 히트파이프형 냉각장치의 예는 제35도의 아래측에 확대해서 도시하였다. 이 도면에 있어서 알 수 있는 바와 같이, 냉각할 반도체소자는 예를 들면 IGBT모듈과 같은 평면실장형 소자로 하였다.
냉각할 반도체소자가 GTO사이리스터와 같은 적층형이면 반도체소자와 냉각장치의 블록을 교대로 적층한다.
본 발명의 냉각장치는 철도차량의 제어장치 뿐만 아니라 낮은 외기온도 예를 들면 한랭지에서 사용할 수 있는 여러종류의 반도체소자의 냉각에도 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 냉각장치는 한랭지에서 사용하는 교류전동기 제어용 범용 인버터의 냉각이나 한랭지에서의 통신용 광전송시스템의 냉각을 위해서도 적용가능하다.
이상, 본 발명을 특정 형식으로 설명하였지만, 상기 실시예는 단지 예시적인 것으로서 여러 가지로 변경 및 변형이 가능한 것은 물론이다. 즉, 각 실시예는 5개의 히트파이프를 갖는 냉각장치에 대해서 기술하였지만, 본 발명의 냉각장치에서는 임의의 수의 히트파이프를 사용해도 좋다. 또, 각 실시예에서는 1 또는 2종류의 방열핀을 사용했지만, 각 실시예에 있어서 3종류 이상의 방열핀을 사용할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 여러개의 히트파이프로 이루어지는 히트파이프형 냉각장치에 있어서, 작동액의 동결온도보다 외기온도가 낮은 환경하에서도 냉각동작을 효과적으로 실행할 수 있고 또한 정상온도에서의 동작시에 있어서도 높은 열전송능력을 가질 수 있으므로, 반도체소자, IGBT모듈, GTO사이리스터 등의 냉각에 유효한 수단을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (29)

  1. 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부가 블럭에 매립되고, 상기 블럭에서 노출된 상기 히트파이프의 부분에 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 상기 히트파이프의 응축부를 구성하고, 상기 방열수단이 마련된 상기 히트파이프는 적어도 2개의 군으로 분리되고, 각 군의 히트파이프는 각각 다른 방열능력을 갖는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 군의 히트파이프는 대응하는 상기 방열핀의 총면적이 다른 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 군의 히트파이프는 길이가 다른 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 방열핀은 2종류이고, 상기 각각의 핀은 상기 히트파이프가 관통하는 구멍을 갖고 또한 상기 모든 히트파이프에 부착될 정도의 크기를 갖고, 상기 2종류중 1종류의 핀에 있어서 선택된 히트파이프에 대응하는 구멍의 내경은 상기 히트파이프의 외경보다 크게 확장되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방열핀은 상기 모든 히트파이프에 부착되는 크기를 갖고, 상기 핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 막도록 상기 핀의 바깥영역에 방사상으로 스페이서를 마련한 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 방열핀은 상기 히트파이프의 각각에 독립적으로 부착되고, 각 군의 히트파이프가 다른 방열능력을 갖도록 각 군의 히트파이프에 부착된 방열핀의 수를 다르게 하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방열핀은 상기 히트파이프의 각각에 독립적으로 부착되고, 각 군의 히트파이프에 부착된 방열핀은 다른 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 각 군의 히트파이프는 다른 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 히트파이프는 제1군과 제2군으로 분리되고, 상기 제1군의 히트파이프는 알루미늄으로 이루어지고, 상기 제2군의 히트파이프는 동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 각 군의 히트파이프는 다른 내부표면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 히트파이프는 제1군과 제2군으로 분리되고, 상기 제1군의 히트파이프의 내면에는 각각 긴쪽방향으로 연장하는 홈이 마련되어 있고, 상기 제2군의 히트파이프의 내면은 각각 평할하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  12. 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부는 블록에 매립되어 증발부로서 기능하고, 상기 히트파이프에는 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 있고, 상기 히트파이프에 있어서 이 방열핀이 마련된 부분이 히트파이프의 응축부를 구성하고, 상기 히트파이프는 적어도 2개의 군으로 분리되어 있고, 각 군의 히트파이프에는 다른 양의 작동액을 충전하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 히트파이프군중의 1개의 히트파이프의 응축부의 내면상에는 발수성재료의 코팅이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 발열핀은 적어도 2개의 군으로 분리되고, 각 군의 방열핀은 형상기억합금인 각기 다른 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  15. 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부는 상기 블록에 매립되어 증발부로서 기능하고, 상기 히트파이프에는 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 있고, 상기 히트파이프에 있어서 이 방열핀이 마련된 부분이 상기 히트파이프의 응축부를 구성하고, 상기 군중의 적어도 1개의 히트파이프는 작동액 이외에 비응축성가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  16. 제2항에 있어서, 2개의 인접한 방열핀 사이에 배치된 적어도 하나의 부재를 더 포함하고, 상기 부재는 각각의 히트파이프 사이의 열의 전송이 촉진되도록 높은 열전도성을 갖고 상기 방열핀보다 상기 히트파이프의 긴쪽방향의 단면적이 큰 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  17. 제16항에 있어서, 높은 열전도성을 갖는 상기 부재는 상기 여러개의 방열핀을 서로 밀착해서 적층한 스택인 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  18. 제16항에 있어서, 높은 열전도성을 갖는 상기 부재는 상기 히트파이프의 끝부에 부착된 보강부재로서 기능하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  19. 제16항에 있어서, 높은 열전도성을 갖는 상기 부재는 상기 냉각장치에 부착된 프레임을 탑재하는 부분으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  20. 여러개의 히트파이프, 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록 및 상기 히트파이프의 응축부에 부착된 발열부재를 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부는 상기 블록에 매립되어 증발부로서 기능하고, 상기 히트파이프에는 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 있고, 상기 히트파이프에 있어서 이 방열핀이 마련된 부분이 상기 히트파이프의 응축부를 구성하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  21. 제20항에 있어서, 외기온도 또는 상기 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 상기 발열부재를 작동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  22. 여러개의 파이프, 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록, 인접한 방열핀 사이의 공간으로 공기를 유입시켜 상기 발열핀을 냉각시키는 냉각송풍기 및 외기온도 또는 상기 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 상기 냉각송풍기의 작동을 제어하기 위한 제어수단을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부는 상기 블록에 매립되어 증발부로서 기능하고, 상기 히트파이프에는 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 있고, 상기 히트파이프에 있어서 이 방열핀이 마련된 부분이 상기 히트파이프의 응축부를 구성하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  23. 여러개의 히트파이프, 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록 및 인접한 방열핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 막기 위한 차폐판을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부는 상기 블록에 매립되어 증발부로서 기능하고, 상기 히트파이프에는 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 있고, 상기 히트파이프에 있어서 이 방열핀이 마련된 부분이 상기 히트파이프의 응축부를 구성하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  24. 제23항에 있어서, 외기온도 또는 상기 히트파이프의 온도가 소정의 온도 이하로 강하했을 때 인접한 방열핀 사이의 공간으로의 공기의 유입을 막는 상기 차폐판의 위치를 변경하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 차폐판은 상기 냉각장치를 수납하는 하우징에 부착되는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  26. 제1항에 있어서, 상기 발열핀이 수직방향으로 연장하도록 상기 히트파이프가 구부러여 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 피발열체는 IGBT모듈인 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 피발열체는 GTO사이리스터인 것을 특징으로 하는 히트파이프형 냉각장치.
  29. 여러개의 히트파이프 및 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지고 또한 피발열체가 부착된 블록을 포함하고, 상기 각각의 히트파이프의 한쪽 끝부가 매립되고, 상기 블록에서 노출된 상기 히트파이프의 부분에 방열수단으로서 방열핀이 마련되어 상기 히트파이프의 응축부를 구성하고, 상기 방열수단이 마련된 상기 히트파이프는 적어도 2개의 군으로 분리되고, 각 군의 히트파이프는 각각 다른 방열능력을 갖는 히트파이프형 냉각장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량제어장치.
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