WO2021152668A1 - ヒートパイプ式冷却器及びヒートパイプ式冷却器の製造方法 - Google Patents

Abstract

本開示におけるヒートパイプ式冷却器（１００）は、発熱体（４）が設置される面を有する受熱部（５）及び受熱部（５）と対向する接続部（６）を有する主管体（１）と、内部が主管体（１）の内部と連通するように接続部（６）に接続される枝管体（２）と、を有するヒートパイプユニットと、枝管体（２）に取り付けられるフィン（３）と、を備え、受熱部（５）と接続部（６）との間の空間領域が多段に分割されて複数の空間部が形成され、複数の空間部のそれぞれの内部には冷媒（８）が配置されるものである。

Description

ヒートパイプ式冷却器及びヒートパイプ式冷却器の製造方法

　本開示はヒートパイプ式冷却器及びヒートパイプ式冷却器の製造方法に関するものである。

　断面積の大きな、例えば断面円形のタンクの側面に、複数の細いパイプが設けられ、細いパイプには、フィンが取り付けられているヒートパイプユニットが開示されている。タンクは、金属からなるベースブロックに埋めこまれており、タンクとベースブロックとの間で、熱移動が行われる。ベースブロックは、タンクを埋め込んだ面と反対側の面には、発熱する半導体素子が取り付けられている（特許文献１参照）。

特開２００４－１２５３８１号公報

　しかしながら、特許文献１の技術では、ベースブロックによって半導体素子と複数のヒートパイプユニットを接続する場合、ヒートパイプユニットへの熱輸送のためにタンクを深く埋め込む必要があり、ベースブロックの体積が増加し、ヒートパイプ式冷却器の重量が増加してしまうという課題があった。

　本開示は、上述の問題を解決するためになされたもので、重量増加を抑制できるヒートパイプ式冷却器及びヒートパイプ式冷却器の製造方法を提供することを目的とする。

　本開示にかかるヒートパイプ式冷却器は、発熱体が設置される面を有する受熱部及び受熱部と対向する接続部を有する主管体と、内部が主管体の内部と連通するように接続部に接続される枝管体と、を有するヒートパイプユニットと、枝管体に取り付けられるフィンと、を備え、受熱部と接続部との間の空間領域が多段に分割されて複数の空間部が形成され、複数の空間部には冷媒が配置されるものである。

　本開示にかかるヒートパイプ式冷却器の製造方法は、第１の板部材を曲げ、連続した凹凸形状を形成し、凹凸部材を形成する凹凸部材形成工程と、凹凸部材に第２の板部材を取り付け取付部材とし、凹凸部材と取付部材との間の空間領域が凹凸形状の凹部によって分割され、多段構造を有する主管体を形成する主管体形成工程と、凹凸部材又は取付部材に枝管体を取り付け、主管体の内部と枝管体の内部とを連通させて接続する枝管体接続工程と、主管体の凹凸形状の凸部に冷媒を注入する冷媒注入工程と、枝管体にフィンを取り付けるフィン取付工程とを有するものである。

　本開示によれば、ヒートパイプ式冷却器の重量増加を抑制できる。

実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器の概略構成図。 実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器の概略側面図。 実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器の概略断面図。 実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器の製造方法を示す工程図。 実施の形態２にかかるヒートパイプ式冷却器の概略断面図。 実施の形態２にかかるヒートパイプ式冷却器の製造方法を示す工程図。 実施の形態３にかかるヒートパイプ式冷却器の概略断面図。 実施の形態３にかかるヒートパイプ式冷却器の製造方法を示す工程図。 実施の形態４にかかるヒートパイプ式冷却器の概略断面図。 実施の形態５にかかるヒートパイプ式冷却器の概略断面図。 実施の形態５にかかるヒートパイプ式冷却器の製造方法を示す工程図。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器１００の概略構成図である。図２は、実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器１００の概略側面図であり、図１の紙面左側からヒートパイプ式冷却器１００を見た概略側面図である。図３は、実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器１００の概略断面図であり、図１のＡＡ断面を示す概略断面図である。

　図１のＸ軸方向は、ヒートパイプ式冷却器１００の幅方向を示し、Ｙ軸方向は高さ方向、すなわちヒートパイプ式冷却器１００の上下方向を示す。－Ｙ軸方向は、ヒートパイプ式冷却器１００の設置面方向（ヒートパイプ式冷却器１００の下側）を示し、＋Ｙ軸方向は、反設置面方向（ヒートパイプ式冷却器１００の上側）を示す。図１のＺ軸方向はヒートパイプ式冷却器１００の奥行き方向を示す。これらは、以下の図面も同様である。ここで、設置面とは、ヒートパイプ式冷却器１００が設置される車両の床面等を指す。反設置面とは、設置面と対向する仮想の面又は車両の天井等を指す。

　ヒートパイプ式冷却器１００は、内部に冷媒８が配置される主管体１と、主管体１に接続される枝管体２と、枝管体２を貫通させて取り付けられるフィン３とを備える。主管体１と枝管体２とを合わせて、ヒートパイプユニットと記す。以下、詳細を説明する。

　主管体１は、発熱体４が取り付けられる面を有する受熱部５と、枝管体２が接続される接続部６とを有する。ここで、発熱体４とは、半導体素子が搭載された電気機器等を指す。受熱部５及び接続部６は対向して配置される。ここで、受熱部５及び接続部６が対向するとは、例えば受熱部５の発熱体４が取り付けられる面と、接続部６の枝管体２が取り付けられる面とが対向していることを指す。受熱部５と接続部６との間、すなわち主管体１の内部には空間領域が形成される。主管体１は、中空状とも言える。主管体１の内部には、受熱部５と接続部６との間を仕切るように仕切板７が配置される。主管体１の内部は、仕切板７よって分割され形成された複数の空間部を有し、複数の空間部には、それぞれ冷媒８が配置される。主管体１は、Ｙ軸方向に複数の空間部が形成された多段構造を有する。仕切板７は、Ｘ軸方向に延伸している。

　枝管体２は、例えば円管状である。枝管体２は、主管体１の接続部６に取り付けられる。枝管体２の内部は、主管体１の内部と連通して接続される。このとき、主管体１の各空間部に対して、少なくとも１つの枝管体２が接続される。

　また、ヒートパイプ式冷却器１００が鉄道車両用インバータの冷却に使用される場合、走行中等に車両が傾き枝管体２へ冷媒が流入してしまうと、主管体１の冷媒量が少なくなり、十分な沸騰が起こらず、冷却効率が低下する。枝管体２を主管体１の接続部６に接続する際に、冷媒８の液面よりも上方に接続すれば、車両が傾いても冷媒８が枝管体２に流入することを抑制できる。

　また、図２及び図３に示すように、枝管体２を反設置面に対して傾けて接続部６に接続すればよい。このとき、主管体１と枝管体２とのなす角度は、８０°～８５°であることが望ましいが、この限りではない。これにより、発熱体４の熱を受けとり蒸発した冷媒８が、フィン３によって枝管体２の内部で凝縮し、重力によって主管体１へ戻ることができる。

　図１に戻るが、主管体１の各空間部に対して、少なくとも１つ以上の枝管体２が接続されている。各空間部に接続された枝管体２のうち、少なくとも１つは、先端部に冷媒注入孔２０が形成された注入管の役割を果たす。各注入管から主管体１の各空間部に冷媒８が注入される。

　フィン３は、枝管体２を貫通させて、枝管体２に取り付けられる。換言すると、枝管体２にフィン３が串刺しとなるように取り付けられる。

　ここで、ヒートパイプ式冷却器１００を用いた発熱体４の冷却の流れについて説明する。発熱体４から発生した熱は、受熱部５から主管体１内の冷媒８へと伝わる。この熱は、冷媒８の蒸発に使用され、蒸気は枝管体２へと輸送される。枝管体２へと輸送された蒸気は、フィン３によって冷却されて凝縮し、液体となる。液体となった冷媒８は、重力によって主管体１へと還流する。冷媒８がこの循環を繰り返すことによって、発熱体４から発生した熱は、相変化の潜熱によって効率よく大気中に放熱され、高効率な冷却が実現される。

　図４は、実施の形態１にかかるヒートパイプ式冷却器１００の製造方法を示す工程図である。以下、詳細を説明する。

　ステップＳＴ１では、１枚の板部材である受熱部材の４辺を、例えばプレス加工によってＬ字状に曲げ、受熱部５を形成する（受熱部形成工程）。受熱部材を曲げることによって、発熱体４が取り付けられる面を有する受熱部５と、受熱部５を囲む側面部とが形成される。なお、発熱体４となる板部材に、側面部となる板部材をろう付け等によって接続してもよい。また、受熱部５とは、発熱体４が設置されている面を含む部分を指すものである。

　ステップＳＴ２では、受熱部５の、発熱体４が取り付けられる面とは反対の面に、仕切板７を配置する（仕切板配置工程）。仕切板７は、例えばろう付けによって受熱部５の取付面部及び側面部に接続される。

　ステップＳＴ３では、仕切板７と、仕切板７によって仕切られた受熱部５とに、例えばろう付けによって、接続部材を取り付け、接続部６とする（接続部取付工程）。これにより、内部に多段構造を有する主管体１が形成される。なお、接続部６には、接続される枝管体２の取付孔を予め形成しておくか、受熱部５に取り付けた後に形成する。また、接続部取付工程は主管体形成工程とも言える。

　ステップＳＴ４では、各取付孔に枝管体２を配置し、例えばろう付けによって接続部６に取り付け、枝管体２の内部と主管体１の内部と連通して接続させる（枝管体接続工程）。このとき、複数の枝管体２のうち少なくとも１つは、先端部に冷媒注入孔２０が形成された注入管とする。冷媒注入孔２０は、枝管体２を接続部６に接続する前に形成してもよいし、接続してから形成してもよい。

　ステップＳＴ５では、主管体１及び枝管体２の内部を十分に真空引きした後、冷媒注入孔２０から主管体１の内部の各空間部に冷媒８を注入する（冷媒注入工程）。冷媒８の注入量は各空間部の３０％程度となることが望ましい。冷媒８の注入後、冷媒注入孔２０を、例えば圧接によって塞ぐ。これにより、主管体１及び枝管体２内の気密性を保持することができる。

　ステップＳＴ６では、枝管体２にフィン３を取り付ける（フィン取付工程）。フィン３には、予め枝管体２が貫通する位置に所定の間隔で枝管体通し孔を開け、例えばバーリング加工を施してフリンジを形成すればよい。枝管体通し孔に枝管体２を通し、例えば圧接によって枝管体２にフィン３を取り付ける。これにより、ヒートパイプ式冷却器１００が形成される。

　これにより、発熱体４が設置される面を有する受熱部５及び受熱部５と対向する接続部６を有する主管体１と、内部が主管体１の内部と連通するように接続部６に接続される枝管体２と、を有するヒートパイプユニットと、枝管体２に取り付けられるフィン３と、を備え、受熱部５と接続部６との間の空間領域が多段に分割されて複数の空間部が形成され、複数の空間部のそれぞれの内部には冷媒８が配置されるヒートパイプ式冷却器１００を製造できる。

　上述の構成によって、ヒートパイプ式冷却器１００の重量増加を抑制できる。

　さらに、ベースブロックを介さずに、主管体１に発熱体４が取り付けられるため、冷却効率を向上できる。

実施の形態２．
　図５は、実施の形態２にかかるヒートパイプ式冷却器１１０の概略断面図である。ヒートパイプ式冷却器１１０は、半円状の接続部６を有する点で、ヒートパイプ式冷却器１００と異なる。

　図６は、実施の形態２にかかるヒートパイプ式冷却器１１０の製造方法を示す工程図である。ステップＳＴ３０では、半円状の接続部６を、板状の受熱部５に配置し、取り付ける（接続部取付工程）。このとき、半円状の接続部６は、受熱部５のＹ軸方向に複数配置されるため、ヒートパイプ式冷却器１１０は多段構造を有する。半円状の接続部６が、ヒートパイプ式冷却器１００の受熱部５の側面部も兼ねているため、ステップＳＴ１及びステップＳＴ２に相当するステップは記載していない。ステップＳＴ４～ＳＴ６は、ヒートパイプ式冷却器１００の製造方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

　上述の構成によって、ヒートパイプ式冷却器１１０の重量増加を抑制できる。

　また、半円状の接続部６を受熱部５に取り付けることにより、ろう付けの回数を減らすことができ、作業性を向上できる。そして、主管体１の複数の空間部の間で冷媒８がリークすることを抑制できる。

　なお、実施の形態２において、半円状の接続部６を受熱部５に取り付ける例を示したが、半円状とは、楕円状及び扁平状も含む。

実施の形態３．
　図７は、実施の形態３にかかるヒートパイプ式冷却器１２０の概略断面図である。ヒートパイプ式冷却器１２０は、受熱部５が凹凸形状である点で、ヒートパイプ式冷却器１００と異なる。

　図８は、実施の形態３にかかるヒートパイプ式冷却器１２０の製造方法を示す工程図である。ステップＳＴ１０では、受熱部材を曲げ、連続した凹凸形状を有する受熱部５を形成する（受熱部形成工程）。受熱部５の凹凸形状は、例えば金型を用いた押出加工、又はプレス加工等によって、一枚の板状の受熱部材を曲げて形成すればよい。

　ここで、受熱部５の凹凸形状について説明する。凹凸形状は、図８に示すように、ヒートパイプ式冷却器１００の設置面から反設置面方向へ連続して形成されている。凹凸形状のうち、例えば、凸部によって主管体１の内部の複数の空間部が形成される。そして、各凸部の内部に冷媒８が配置される。また、受熱部５の凹部、すなわち接続部６側に突き出した部分は、ヒートパイプ式冷却器１００の仕切板７に相当する。

　ステップＳＴ３～ＳＴ６は、ヒートパイプ式冷却器１００の製造方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

　このように、ヒートパイプ式冷却器１２０の製造方法は、受熱部材（第１の板部材）を曲げ、連続した凹凸形状を形成し、受熱部５（凹凸部材）を形成する受熱部形成工程（凹凸部材形成工程）と、受熱部５に接続部材（第２の板部材）を取り付け接続部６（取付部材）とし、受熱部５と接続部６との間の空間領域が凹凸形状の凹部によって分割され、多段構造を有する主管体１を形成する主管体形成工程と、受熱部５又は接続部６に枝管体２を取り付け、主管体１の内部と枝管体２の内部とを連通させて接続する枝管体接続工程と、主管体１の凹凸形状の凸部に冷媒８を注入する冷媒注入工程と、枝管体２にフィン３を取り付けるフィン取付工程とを有するものである。

　上述の構成によって、ヒートパイプ式冷却器１１０の重量増加を抑制できる。

　また、仕切板７を用いずに主管体１の多段構造を形成できるため、部品数を削減できる。

　また、仕切板７を用いないため、例えばろう付による接続箇所を削減できるため、作業性を向上できる。

　なお、受熱部５を第１面、接続部６を第２の板部としたが、逆でもよい。凹凸形状は受熱部５に限ることなく、接続部６が凹凸形状、又は受熱部５及び接続部６の両方が凹凸形状を有していてもよい。

実施の形態４．
　図９は、実施の形態４にかかるヒートパイプ式冷却器１３０の概略断面図である。ヒートパイプ式冷却器１３０は、受熱部５の、発熱体４に設置される面とは反対の面に、ウィック９が配置される点で、ヒートパイプ式冷却器１００と異なる。

　ウィック９は、例えば微粒子を素材とした多孔質焼結体又は網状体等である。ウィック９は、例えば半田によって、受熱部５に取り付けられる。

　上述の構成によって、ヒートパイプ式冷却器１３０の重量増加を抑制できる。

　また、受熱部５にウィック９が配置されることにより、ウィック９の毛細管力によって冷媒８が吸い上げられ、冷媒８が保持されるため、冷媒８の沸騰の促進及び冷却効率を向上できる。

　なお、実施の形態４において、発熱体４に設置されたウィック９の高さ、すなわち受熱部５から接続部６に向かう方向への長さは、受熱部５から接続部６までの長さ未満とする。ウィック９の長さが、受熱部５から接続部６までの長さ以上であると、ウィック９が枝管体２内に入り、これによって、ウィック９に付着した冷媒８が枝管体２内に冷媒が流入するおそれがある。その結果、主管体１内の冷媒量が少なくなり、十分な沸騰が起こらず、冷却効率が低下する。ウィック９の長さが、受熱部５から接続部６までの長さ未満であれば、ウィック９に付着した冷媒８が、枝管体２に流入することを抑制できる。

実施の形態５．
　図１０は、実施の形態５にかかるヒートパイプ式冷却器１４０の概略断面図である。ヒートパイプ式冷却器１４０は、受熱部５に埋込部１０を形成し、埋込部１０に発熱体４を取り付ける点で、ヒートパイプ式冷却器１００と異なる。

　図１１は、実施の形態５にかかるヒートパイプ式冷却器１４０の製造方法を示す工程図である。ステップＳＴ１１では、受熱部材の一部に埋込部１０を形成し、受熱部５を形成する（受熱部形成工程）。埋込部１０は、例えばプレス加工によって形成される。形成された埋込部１０は、主管体１の各空間部の内部、すなわち接続部６側へ突き出すように形成される。発熱体４の少なくとも一部、例えば図１１に示すように、３面を覆うように、受熱部５の埋込部１０は発熱体４に設置される。埋込部１０は、設置される発熱体４の形状に沿って形成することが望ましいが、この限りではない。

　ステップＳＴ２～ＳＴ６は、ヒートパイプ式冷却器１００の製造方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

　上述の構成によって、ヒートパイプ式冷却器１４０の重量増加を抑制できる。

　また、発熱体４を受熱部５の凸形状に埋め込むように取り付けることにより、発熱体４と受熱部５との接触面積が増え、より冷却効率を向上できる。

　なお、実施の形態５において、仕切板７を配置する例を示したが、ヒートパイプ式冷却器１３０のように、凹凸形状を有する受熱部５としてもよい。

　なお、本開示において、発熱体４ごとにヒートパイプユニットを分割しているが、この分割方法に限定することなく、発熱体４の数とヒートパイプユニットの分割数は自由に設定すればよい。

　また、本開示において、受熱部５の厚みは、受熱部５と接続部６との間の長さよりも薄く形成する。これにより、ヒートパイプユニットを軽量化できるとともに、発熱体４からの熱を効率よく冷媒８に伝えることができる。

　また、実施の形態４及び実施の形態５の受熱部５にウィック９を配置する例を示したが、いずれの実施の形態にも適用できる。

　また、本開示において、主管体の断面は、実施の形態１の長方形、又は実施の形態２の半円状に限られず、受熱部５を複数の空間部に分割できれば良いものとする。

　また、本開示において、主管体１の各空間部の断面形状は、限定されないが、Ｙ軸方向を長辺、Ｚ軸方向を短辺とした長方形となっていることが望ましい。これは、各空間部の内部で冷媒８が十分な水位を保つようにするためである。冷媒８の水位が高ければ高いほど、発熱体４と冷媒８とが受熱部５を介して接している面積が大きくなり、冷媒の沸騰が促進される。

　また、本開示において、主管体１の分割の間隔、すなわち主管体１の各空間部は等間隔形成されているが、発熱体４の大きさが異なる場合等は、不等間隔に分割すればよい。

　また、本開示において、枝管体２の接続端部が主管体１内に貫通せずに接続部６に接続されているが、枝管体２を接続部６へ貫通させてもよい。これにより、枝管体２の接続端部を接続部６に合わせてカットする必要がなくなるため、作業性が向上するとともに、製造コストを削減できる。

　また、本開示において、フィン３と設置面との角度は直交としているが、この限りではなく、枝管体２とフィン３との角度を直交としてもよい。ただし、フィン３と設置面との角度を直交させることにより、図示しないヒートパイプ式冷却器カバーの網目と方向を合わせることができるため、走行風が流入しやすくする。

　また、本開示において、枝管体２の配置は、左右、上下等間隔になっているが、枝管体２の配置方法はこの配置に限定されることなく、不等間隔や千鳥配置を行ってもよい。千鳥配置を行った場合、枝管体２周りの温度境界層の発達を抑制でき、高効率な冷却が期待できる。

　また、本開示のヒートパイプ式冷却器１００～１４０には、冷媒８として、アセトン、メタノール、又はエタノール等の不凍液を用いることができる。さらに、水又は水にアルコール等を混合させた液体等も用いることができる。

　また、冷媒注入孔２０の位置を、各注入管の先端としているが、この位置に限るものではない。

　また、本開示において、主管体１及び枝管体２の材料は、熱伝導率及び加工性の良い銅又はアルミ等とすればよい。フィン３の材料は、熱伝導率の良いアルミ又は銅等とすればよい。

　また、本開示において、主管体１と枝管体２とを別体として接続し、ヒートパイプユニットとする例を示したが、主管体１と枝管体２とを一体に形成してもよい。

　また、本開示において、ヒートパイプ式冷却器１００～１４０を、設置面に対して垂直に配置する例を示したが、発熱体４の形状によって傾斜させて配置してもよい。

　なお、本開示は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１　主管体、２　枝管体、３　フィン、４　発熱体、５　受熱部、６　接続部、７　仕切板、８　冷媒、９　ウィック、１０　埋込部、２０　冷媒注入孔、１００、１１０、１２０、１３０、１４０　ヒートパイプ式冷却器。

Claims (9)

1. 　発熱体が設置される面を有する受熱部及び前記受熱部と対向する接続部を有する主管体と、内部が前記主管体の内部と連通するように前記接続部に接続される枝管体と、を有するヒートパイプユニットと、
   　前記枝管体に取り付けられるフィンと、を備え、
   　前記受熱部と前記接続部との間の空間領域が多段に分割されて複数の空間部が形成され、前記複数の空間部には冷媒が配置される
   ヒートパイプ式冷却器。
2. 　前記ヒートパイプユニットは、前記受熱部と前記接続部との間の空間領域を多段に分割する仕切板をさらに備える、
   請求項１に記載のヒートパイプ式冷却器。　　　　
3. 　前記接続部は半円状である、
   請求項１に記載のヒートパイプ式冷却器。
4. 　前記受熱部又は前記接続部は凹凸形状である、
   請求項１に記載のヒートパイプ式冷却器。
5. 　前記受熱部の厚みは、前記受熱部から前記接続部までの長さよりも薄い、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のヒートパイプ式冷却器。
6. 　前記受熱部は、前記発熱体が設置される面とは反対の面に、ウィックが配置される、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のヒートパイプ式冷却器。
7. 　前記ウィックにおける、前記受熱部から前記接続部に向かう方向の長さが、前記受熱部から前記接続部までの長さ未満である、
   請求項６に記載のヒートパイプ式冷却器。
8. 　前記受熱部は、前記発熱体の外周の少なくとも一部を覆うように形成される、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のヒートパイプ式冷却器。
9. 　第１の板部材を曲げ、連続した凹凸形状を形成し、凹凸部材を形成する凹凸部材形成工程と、
   　前記凹凸部材に第２の板部材を取り付け取付部材とし、前記凹凸部材と前記取付部材との間の空間領域が前記凹凸形状の凹部によって分割され、多段構造を有する主管体を形成する主管体形成工程と、
   　前記凹凸部材又は前記取付部材に枝管体を取り付け、前記主管体の内部と前記枝管体の内部とを連通させて接続する枝管体接続工程と、
   　前記主管体の前記凹凸形状の凸部に冷媒を注入する冷媒注入工程と、
   　前記枝管体にフィンを取り付けるフィン取付工程と
   を有するヒートパイプ式冷却器の製造方法。

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