JP2008311282A - ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプ式冷却器の受熱ブロックの両側にそれぞれ取り付けられた半導体素子相互に温度差が生じる場合であっても、それぞれの半導体素子を効率よく冷却する。
【解決手段】ヒートパイプ式冷却器１は、対向する面に平型半導体素子を取り付ける第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂが設けられた直方体形状の受熱ブロック２と、この受熱ブロック２の対向する第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの間に位置する面２ｃに取り付けられた複数本のヒートパイプ３と、これら複数本のヒートパイプ３の放熱部に設けられた複数枚の冷却フィン４ａ，４ｂとを備えている。複数本のヒートパイプ３は、第１の素子取付面２ａ側に配設される第１のヒートパイプ列３ａと、第２の素子取付面２ｂ側に配設される第２のヒートパイプ列３ｂに分離して配設され、独立して放熱するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電力変換装置における平型半導体素子の冷却用に用いられるヒートパイプ式冷却器に関するものである。

近年、電力変換装置では、電力用半導体素子の大容量化、高速化に伴い、発熱損失の増大が問題となっている。このため電力用半導体素子用冷却器の冷却効率の向上を図り、発熱損失の増大に対応して装置の大型化を避けることが重要な技術課題となっている。

電力変換装置における電力用半導体素子としては、平型に構成されるダイオード、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなどが用いられ、その冷却器にはヒートパイプ式冷却器が用いられている。

ヒートパイプ式冷却器は、平型半導体素子が取り付けられる直方体状の受熱ブロックと、この受熱ブロックに取り付けられ、それぞれ受熱部および放熱部を有し、放熱部に複数枚の冷却フィンが取り付けられた複数本のヒートパイプとを備えている。

ヒートパイプは、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良い金属からなる円筒管の内部に純水等の冷媒を封入して構成されている（特許文献１，２参照）。

この種のヒートパイプ式冷却器においては、平型半導体素子の構造上、その両面を冷却する必要があることから、特許文献１の図９（ａ）に記載されているように、１個の平型半導体素子を２個のヒートパイプ式冷却器の受熱ブロックで挟むようにして使用する構成が一般的である。

また電力変換装置では、その回路構成から複数個の平型半導体素子が用いられるので、これら複数個の半導体素子を、特許文献１の図９（ｂ）に記載されているように、複数個のヒートパイプ式冷却器の間に配設し、一括して積層したスタック構造として構成している。
特開２００４−１７２６３９号公報 特開２００６−２６９６２９号公報

しかしながら、上記のようなヒートパイプ式冷却器を用いた平型半導体素子の冷却構造では、ヒートパイプ式冷却器の受熱ブロックの両側に取り付けられる平型半導体素子の温度上昇に差が生じた場合、温度の低い側の平型半導体素子の冷却効率が低下する問題があった。

本発明は、上述のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ヒートパイプ式冷却器の受熱ブロックの両側にそれぞれ取り付けられる平型半導体素子相互に温度差が生じる場合であっても、それぞれの平型半導体素子を効率よく冷却することのできるヒートパイプ式冷却器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明によるヒートパイプ式冷却器は、対向する面に平型半導体素子を取り付ける第１および第２の素子取付面が設けられた直方体形状の受熱ブロックと、この受熱ブロックの対向する第１および第２の素子取付面の間に位置する面に取り付けられた複数本のヒートパイプと、これら複数本のヒートパイプの放熱部に設けられた複数枚の冷却フィンと、を備え、複数本のヒートパイプが、第１の素子取付面側に配設される第１のヒートパイプ列と、第２の素子取付面側に配設される第２のヒートパイプ列に分離して配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の素子取付面に取り付けられる平型半導体素子からの熱は、その近傍に位置する第１のヒートパイプ列のヒートパイプを介して冷却フィンから放熱され、第２の素子取付面に取り付けられる平型半導体素子からの熱は、その近傍に位置する第２のヒートパイプ列のヒートパイプを介して冷却フィンから放熱されることになり、第１および第２の素子取付面に温度差が生じても効率よく放熱することができる。

以下、本発明によるヒートパイプ式冷却器の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）ないし（ｄ）は、本発明による第１の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図、（ｄ）は（ａ）の上面図である。図１（ａ）ないし（ｄ）において、ヒートパイプ式冷却器１は、直方体形状の受熱ブロック２と、複数本のヒートパイプ３と、複数枚の冷却フィン４ａ，４ｂとを備えている。

受熱ブロック２は、高い熱伝導性を有する金属で直方体形状に構成され、その対向する面に平型半導体素子を取り付ける第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂが設けられている。複数本のヒートパイプ３は、それぞれ円筒管の内部に冷媒を封入して構成されており、受熱部および放熱部を有している。

これら複数本のヒートパイプ３は、受熱ブロック２の対向する第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの間に位置する面２ｃに、それぞれの受熱部が所定の間隔をおいて埋設されるように取り付けられており、また第１の素子取付面２ａ側に配設される第１のヒートパイプ列３ａと、第２の素子取付面２ｂ側に配設される第２のヒートパイプ列３ｂに分離して配設されている。

第１のヒートパイプ列３ａを構成する複数本（図示では３本）のヒートパイプ３の放熱部には、これらヒートパイプ３に共通に複数枚の冷却フィン４ａがヒートパイプ３の軸方向に沿って所定の間隔をおいて設けられており、また第２のヒートパイプ列３ｂを構成する複数本（図示では３本）のヒートパイプ３の放熱部には、これらヒートパイプ３に共通に複数枚の冷却フィン４ｂがヒートパイプ３の軸方向に沿って所定の間隔をおいて設けられている。

各冷却フィン４ａ，４ｂは、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの対向する方向に対して直交する方向に給排気が行われるように、両端部が傾斜するように折り曲げられている。

これにより、第１の素子取付面２ａに取り付けられる図示しない平型半導体素子からの熱は，その近傍に位置する第１のヒートパイプ列３ａのヒートパイプ３を介して冷却フィン４ａから放熱され、第２の素子取付面２ｂに取り付けられる図示しない平型半導体素子からの熱は、その近傍に位置する第２のヒートパイプ列３ｂのヒートパイプ３を介して冷却フィン４ｂから放熱されることになる。

また図示しないが、第２の素子取付面２ｂに取り付けられる平型半導体素子の反対側にさらにヒートパイプ式冷却器を配設するようにして複数個の半導体素子とヒートパイプ式冷却器を交互に積層するスタック構造とした場合においても、１個の平型半導体素子は、その両側の近傍に位置するヒートパイプ列によって確実に放熱されることになり、隣合う平型半導体素子との間で発熱に温度差が生じても、その影響を受けることなく効率的に冷却されることになる。

図２（ａ）および（ｂ）は、本発明による第２の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの冷却フィン１４ａ，１４ｂは、ヒートパイプ３の軸方向の取付位置を相対的に長さLだけずらして２列の冷却フィン１４ａ，１４ｂが千鳥状配置となるように構成されているところにある。長さLは、たとえば、冷却フィン１４ａ，１４ｂのピッチ（ヒートパイプ３の軸方向）の半分である。

これにより、各ヒートパイプ列３ａ，３ｂは、互いの冷却フィン１４ａ，１４ｂにおける冷却風の流れが分離し、それぞれ円滑な流れが構成されることから、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの放熱効率を向上させることができる。

図３（ａ）および（ｂ）は、本発明による第３の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの冷却フィン２４ａ，２４ｂが、それぞれ近傍に位置する素子取付面２ａ，２ｂ側から吸気し、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの間から排気するように両端部を傾斜させて構成されているところにある。

各冷却フィン２４ａ，２４ｂは、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの対向する方向と同じ方向であるが、ヒートパイプ式冷却器１の外側から内側にそれぞれ独立して給排気が行われる。

これにより、第１の素子取付面２ａからの熱は，その近傍に位置する第１のヒートパイプ列３ａの冷却フィン２４ａから放出され、第２の素子取付面２ｂからの熱は、その近傍に位置する第２のヒートパイプ列３ｂの冷却フィン２４ｂから放出され、各ヒートパイプ列３ａ，３ｂの放熱系統が相互に干渉することなく独立して放熱を行うことから、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの放熱効率を向上させることができる。

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明による第４の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。本実施の形態が第３の実施の形態と異なる点は、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの冷却フィン３４ａ，３４ｂが、それぞれ第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの間から吸気し、近傍に位置する素子取付面２ａ，２ｂ側から排気するように両端部を傾斜させて構成されているところにある。

本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、第１の素子取付面２ａからの熱は，第１のヒートパイプ列３ａの冷却フィン３４ａから放出され、第２の素子取付面２ｂからの熱は、第２のヒートパイプ列３ｂの冷却フィン３４ｂから放出されることになり、各ヒートパイプ列３ａ，３ｂの放熱系統が相互に干渉することなく独立して放熱を行うので、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの放熱効率を向上させることができる。

図５（ａ）ないし（ｃ）は、本発明による第５の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は（ａ）の上面図である。
本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの冷却フィン４４が、第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの各ヒートパイプ３に共通に一体に取り付けられており、その第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの間に位置する部分に通気口５が形成されているところにある。

これにより、冷却フィン４ａ，４ｂは、両端部の傾斜により流れる冷却風のみならず、通気口５を上昇する冷却風も取り込んで放熱することができ、しかも対峙する第１および第２のヒートパイプ列３ａ，３ｂの熱的な干渉も低減されることになるので、第１および第２の素子取付面２ａ，２ｂの放熱効率を向上させることができる。

（ａ）ないし（ｄ）は、本発明による第１の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図、（ｄ）は（ａ）の上面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による第２の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による第３の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による第４の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 （ａ）ないし（ｃ）は、本発明による第５の実施の形態に係るヒートパイプ式冷却器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は（ａ）の上面図である。

符号の説明

１：ヒートパイプ式冷却器
２：受熱ブロック
２ａ，２ｂ：素子取付面
３：ヒートパイプ
３ａ，３ｂ：ヒートパイプ列
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，４４：冷却フィン
５：通気口

Claims (7)

1. 対向する面に平型半導体素子を取り付ける第１および第２の素子取付面が設けられた直方体形状の受熱ブロックと、
   この受熱ブロックの対向する第１および第２の素子取付面の間に位置する面に取り付けられた複数本のヒートパイプと、
   これら複数本のヒートパイプの放熱部に設けられた複数枚の冷却フィンと、
   を備え、前記複数本のヒートパイプが、前記第１の素子取付面側に配設される第１のヒートパイプ列と、前記第２の素子取付面側に配設される第２のヒートパイプ列に分離して配設されていることを特徴とするヒートパイプ式冷却器。
2. 前記第１および第２のヒートパイプ列に、互いに独立した複数枚の冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ式冷却器。
3. 前記第１および第２のヒートパイプ列の冷却フィンは、前記第１および第２の素子取付面の対向する方向と直交する方向に給排気が行われるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ式冷却器。
4. 前記第１および第２のヒートパイプ列の冷却フィンは、前記ヒートパイプの軸方向の取付位置を異ならせて千鳥状配置となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートパイプ式冷却器。
5. 前記第１および第２のヒートパイプ列の冷却フィンは、それぞれ近傍に位置する素子取付面側から吸気し、前記第１および第２のヒートパイプ列の間から排気するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ式冷却器。
6. 前記第１および第２のヒートパイプ列の冷却フィンは、それぞれ前記第１および第２のヒートパイプ列の間から吸気し、それぞれ近傍に位置する素子取付面側から排気するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ式冷却器。
7. 前記第１および第２のヒートパイプ列の冷却フィンは、前記第１および第２のヒートパイプ列に共通に一体に取り付けられ、前記第１および第２のヒートパイプ列の間に位置する部分に通気口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ式冷却器。

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