JP2012163227A - ヒートパイプおよび電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスを必要とする電子部品を、より効率的に冷却でき得るヒートパイプを提供する。
【解決手段】ヒートパイプ２０は、平板を積層して構成される積層体２１であって、その内部に細管が形成される積層体２１と、前記細管に封入され、熱を輸送する作動液と、を備えている。前記積層体２１は、その表面に絶縁膜２８が形成された金属平板２６を積層して構成されており、絶縁材料からなる絶縁層と、金属材料からなる金属層と、が交互に積層されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、平板を積層した積層体と当該積層体の内部に封入された作動液とを備えたヒートパイプ、および、当該ヒートパイプを備えた電子部品に関する。

従来から、冷却用装置としてヒートパイプが広く知られている。周知のとおり、ヒートパイプは、密閉空間となっている細管の内部に、作動液として機能する水や代替フロンを封入したものである。このヒートパイプの一端で熱が生じると、封入された作動液が気化し、これにより、熱が潜熱（気化熱）として取り込まれる。そして、気化した作動液は、ヒートパイプの他端である低温部に移動し、そこで、冷やされて、液体に戻り、熱を放出する。液化した作動液は、毛細管現象などの作用により、発熱体近傍へと移動し、再び、発熱体から熱を受けて気化する。そして、以降も同様のサイクルを繰り返すことで、連続的に効率よく熱を移動し、発熱体を冷却する。

こうしたヒートパイプの中には、他の電子部品に一体的に組み込まれるものもある。例えば、特許文献１には、その内部に金属製で作動液が封入された細管を配置したプリント配線板が開示されている。この特許文献１における細管は、いわゆるヒートパイプとして機能する。そして、この特許文献１のように、プリント配線板の内部にヒートパイプを形成することで、当該プリント配線板に搭載された電子部品からの熱を効率的に外部に放出できる。

特開２００６−４１０２４号公報 特開２００７−１２９８１７号公報 特開２００９−２１２３８４号公報

しかし、この特許文献１の技術は、あくまでプリント配線板における冷却効率向上を目的としたものであり、他の電子部品への応用は困難であった。特に、例えば、リアクトルやトランス、モータ／ジェネレータのステータなどといったインダクタンスを必要とするような電子部品の冷却には応用しがたいという問題があった。

なお、特許文献２，３には、こうしたインダクタンスを必要とする電子部品の冷却技術が開示されている。具体的には、特許文献２には、リアクトルコアの外周面に放熱フィンを設けて、リアクトルコアを冷却する技術が開示されている。また、特許文献３では、上面視略環状のリアクトルコアの中央にヒートパイプを設けてリアクトルコアを冷却する技術が開示されている。しかし、これら特許文献２，３は、いずれも、リアクトルコアを外表面から冷却する構成となっており、冷却効率が悪いという問題があった。

そこで、本発明では、インダクタンスを必要とする電子部品を、より効率的に冷却でき得るヒートパイプ、および、当該ヒートパイプを備えた電子部品を提供することを目的とする。

本発明のヒートパイプは、平板を積層して構成される積層体であって、その内部に細管が形成される積層体と、前記細管に封入され、熱を輸送する作動液と、を備え、前記積層体は、絶縁材料からなる絶縁層と、金属材料からなる金属層と、が交互に積層されている、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記積層体は、予め溝や孔が形成されるとともに、その表面に絶縁膜が形成された金属平板を積層して構成される。

他の本発明である電子部品は、上述したヒートパイプと、前記ヒートパイプの外周囲に、巻回されたコイルと、を備える。

この場合、さらに、前記コイルが巻回されるコア材を備え、前記ヒートパイプのうち、熱を受け取る発熱部が前記コア材の内部に挿入され、受けた熱を外部に放出する放熱部が前記コア材の外側に突出している、ことが望ましい。また、前記ヒートパイプの放熱部の外表面には、熱を外部に放出する冷却部材が設置されている、ことが望ましい。また、前記コイルおよびコア材は、リアクトルコイルおよびリアクトルコアであってもよい。

本発明によれば、金属層と絶縁層とが交互に積層されているため、積層電磁鋼板と同様の作用を発揮することができ、コア材の冷却に用いたとき、インダクタンスを高く保つことができる。

本発明の実施形態であるリアクトルの概略斜視図である。 本実施形態で用いるヒートパイプの概略斜視図である。 図２における概略Ａ−Ａ断面図である。 他のヒートパイプの概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるリアクトル１０の概略斜視図である。

リアクトル１０は、周知のとおり、巻線を利用した受動素子で、インダクタンスを必要とする電子部品である。このリアクトル１０は、例えば、昇圧コンバータなどに搭載され、適宜、電磁エネルギの変換を行う。本実施形態のリアクトル１０は、上面視環状のリアクトルコア１２、当該リアクトルコア１２に巻回されたリアクトルコイル１４、および、リアクトルコア１２の内部に一部が挿入されたヒートパイプ２０と、を備えている。

リアクトルコア１２は、対向する二つの直方体状の部分と、当該直方体状の端部同士をつなぐ連結部分とを有し、各直方体状部分の一部または全部が、リアクトルコア１２が巻回されるコイル巻回部となる。こうしたリアクトルコア１２は、複数の磁性部材がギャップ部（図示せず）を介して接合されて構成されている。各磁性部材としては、例えば、柔磁性粉末の圧粉成型体や、電磁鋼板の積層体２１が用いられる。ギャップ部は、磁性部材の間に介在されて、リアクトルコア１２のインダクタンスを調節するために用いられ、アルミナなどの非磁性材料で構成されている。

リアクトルコイル１４は、環状に形成されたリアクトルコア１２のコイル巻回部に巻回される巻線からなる。巻線は、導体と導体の周囲を覆う絶縁性の皮膜とからなり、導体には導電性に優れる金属材料を、絶縁性の被膜にはエナメルなどを利用することができる。また、巻線として、その断面形状が円形、楕円形、多角形などの種々の形態を有するものを利用できる。

ここで、通常、リアクトル１０では、電磁エネルギ変換に伴い、リアクトルコア１２が発熱する。かかるリアクトルコア１２の発熱に伴う温度上昇は、当該リアクトル１０を利用する昇圧コンバータでの電圧変換効率の低下などの問題を招いていた。

こうした問題を解決するために、従来では、リアクトルコア１２の表面に放熱フィンを一体形成したり、二つのコイル巻回部の間にヒートパイプ２０を配置したりしていた。しかし、こうした技術は、いずれも、リアクトルコア１２の外側からの放熱であり、リアクトルコア１２の内部が高温になりやすかった。

本実施形態では、こうした問題を解決するために、図１に示すように、リアクトルコア１２の内部に、ヒートパイプ２０の一部を挿入し、リアクトルコア１２を内部から冷却するようにしている。

ただし、従来から多用されているヒートパイプ、例えば、円管チューブの内部に作動液を封入したようなヒートパイプ２０をリアクトルコア１２の内部に挿入した場合、挿入部分のインダクタンス値が低下するという問題があった。そして、このインダクタンスの損失を補填するために、リアクトルコア１２の体格を増加させなければならないという問題があった。本実施形態では、かかる問題を避けるために、挿入するヒートパイプ２０の構成を特殊なものとしている。以下、このヒートパイプ２０について詳説する。

図２は、本実施形態で用いるヒートパイプ２０の概略斜視図である。また、図３は、図２の概略Ａ−Ａ断面図である。

本実施形態のヒートパイプ２０は、複数の金属平板２６を積層した積層体２１と、当該積層体２１の内部に形成された細管３０に封入された作動液（図示せず）と、を備えている。積層体２１は、図２、図３に示すように、一方向に長尺な直方形状であり、その一部はリアクトルコア１２の内部に挿入され、他の部分はリアクトルコア１２の外側に突出している。積層体２１のうち、リアクトルコア１２に挿入された部分は、発熱体であるリアクトルコア１２から熱を受け取る発熱部２２として機能する。また、積層体２１のうちリアクトルコア１２の外側に突出する部分は、移送されてきた熱を外部に放出する放熱部２４として機能する。この放熱部２４には、熱を効率的に外部に放散する放熱部材１６、例えば、ヒートシンクや冷却フィンが設置される。

積層体２１の内部には、長尺方向（発熱部２２と放熱部２４とを結ぶ方向）に延びる細管３０が複数形成されている。この細管３０には、作動液が封入されている。作動液は、発熱部２２で生じた熱を放熱部２４に移送する液体で、水や代替フロンなどを用いることができる。この作動液が、蒸発（気化）と凝縮（液化）のサイクルを繰り返すことで、発熱部２２で生じた熱が、熱が効果的に外部へ放出されることになる。

すなわち、作動液は、積層体２１の発熱部２２において生じた熱を潜熱として吸収し、蒸発（気化）する。気化した作動液は、低温の放熱部２４近傍へ移動し、潜熱を放出し、凝縮（液化）する。液化した作動液は、毛細管現象や重力、作動液の沸騰に伴う自励振動などの作用により、発熱部２２近傍へと移動し、再度、気化する。そして、以降も、この蒸発と凝縮のサイクルを繰り返し、発熱部２２から受けた熱を放熱部２４を介して外部に放出することで、発熱部２２における熱が効果的に放出されることになる。

積層体２１は、既述したとおり、金属平板２６を積層したものである。この積層体２１を構成する金属平板２６の少なくとも一部には、予め孔または溝が形成されており、こうした金属平板２６を積層することで、積層体２１の内部に細管３０が形成されるようになっている。

各金属平板２６は、金属からなり、その表面に絶縁膜２８、例えば、ポリイミド膜やセラミック膜などが形成された金属製の薄板である。なお、図２，３では、見易さのために、各金属平板２６を積層体２１のサイズに比して厚めに図示しているが、実際にはより薄い金属平板２６が、より多数枚、積層されている。

この積層体２１は、絶縁膜２８が施された金属平板２６を積層して構成されており、積層電磁鋼板と同様に、絶縁膜２８により形成される絶縁層と、金属平板２６により形成される金属層と、が交互に積層された状態となっている。かかる積層体２１は、リアクトルコア１２に挿入した場合、積層電磁鋼板と同様に、渦電流の発生が効果的に防止され、高いインダクタンスを保つことができる。また、本実施形態では、金属平板２６として伝熱性に優れた銅製の金属平板を使用しているが、より高いインダクタンスを得ること目的とする場合には、銅に変えて強磁性材料、例えば鉄などからなる金属平板を用いてもよい。いずれにしても、金属平板２６の表面に絶縁膜２８を形成したうえで、これら金属平板２６を積層することで、積層電磁鋼板と同様に、インダクタンスを高く保つことができる。

なお、本実施形態では、金属平板２６に施された絶縁膜２８により絶縁層を形成しているが、絶縁材料からなる薄板である絶縁板で絶縁層を形成してもよい。すなわち、絶縁膜２８が形成されていない金属平板２６と絶縁板とを交互に重ねて積層することで、絶縁層と金属層が交互に積層された積層体２１を構成してもよい。

次に、かかる構成のリアクトル１０の作用について説明する。リアクトル１０が搭載された昇圧コンバータなどの駆動に伴い、リアクトルコイル１４に電流が流れると、リアクトルコイル１４およびリアクトルコア１２において熱が生じる。ここで生じた熱の一部は、リアクトルコイル１４およびリアクトルコア１２の外表面から外部空間に伝達され、放熱される。ただし、かかる外表面からの放熱は十分とは言いがたく、外表面からの放熱だけでは、多大な熱がリアクトルコア１２に残存する。そして、結果として、リアクトルコア１２の温度上昇、ひいては、昇圧コンバータにおける電圧変換効率の低下などの問題を招く。特にリアクトルコア内部の熱は、外表面から放出されにくく、リアクトル内部に残存しやすい。

しかし、本実施形態では、既述したように、リアクトルコア１２の内部にヒートパイプ２０を挿入している。したがって、リアクトルコア１２の内部に残存する熱は、このヒートパイプ２０に効率的に伝達されることになる。すなわち、リアクトルコア１２において発生した熱は、ヒートパイプ２０の発熱部２２（積層体２１のうちリアクトルコア１２との接触部分）を介して、細管３０内に封入された作動液に伝達される。作動液は、伝達された熱を潜熱として吸収し、気化する。気化した作動液は、低温の放熱部２４（積層体２１のうちリアクトルコア１２からの突出部分）の直下へ移動し、放熱部２４と熱交換する。この熱交換に伴い、作動液は潜熱を放出し、液化する。作動液から熱を受けた放熱部２４は、当該放熱に設けられた放熱部材１６（冷却フィンやヒートシンク）を介して、熱を外部へと放出する。液化した作動液は、重力や毛細管現象、自励振動などの作用により、再び、発熱部２２の直下まで移動する。そして、以降も同様の流れで気化と液化のサイクルを繰り返し、リアクトルコア１２の熱を効率的に外部に放出する。

ここで、従来技術の多くは、リアクトルコア１２を外部のみから冷却しており、内部から冷却することは殆どしていなかった。しかし、これまでの説明で明らかなとおり、本実施形態では、ヒートパイプ２０の発熱部２２をリアクトルコア１２の内部に挿入し、リアクトルコア１２を内部から冷却している。その結果、効率的にリアクトルコア１２を冷却することができる。そして、結果として、リアクトルコア１２の温度上昇を防止でき、当該リアクトル１０が搭載された各種電子機器（例えば昇圧コンバータなど）の効率悪化を防止できる。

ただし、従来、多用されていた銅製円管チューブなどからなるヒートパイプを用いた場合には、リアクトル１０のインダクタンスが低下するという問題があった。すなわち、挿入されるヒートパイプ２０の体積分、リアクトルコア１２の断面積が低下し、結果としてインダクタンスの低下を招いていた。

一方、本実施形態では、積層電磁鋼板と同様に、金属層と絶縁層が交互に積層された積層体２１からなるヒートパイプ２０を用いている。この場合、ヒートパイプ２０を構成する積層体２１そのものが、リアクトルコア１２の一部として機能するため、インダクタンスの低下が防止される。そのため、本実施形態によれば、リアクトルコア１２の体格を増加しなくても、高いインダクタンスを保ちつつ、効果的にリアクトルコア１２を冷却できる。

なお、図１では、一つのリアクトルコイル１４の直下にのみ、ヒートパイプ２０を挿入しているが、他のリアクトルコイル１４の直下にもヒートパイプ２０を挿入してもよい。すなわち、一つのリアクトルコア１２の内部に二つのヒートパイプ２０を挿入するようにしてもよい。

また、本実施形態では、リアクトルコア１２の内部に、ヒートパイプ２０を挿入しているが、ヒートパイプ２０そのものリアクトルコア１２として用いてもよい。すなわち、本実施形態で用いた積層型のヒートパイプ２０に直接リアクトルコイル１４を巻回するようにしてもよい。

また、ここではリアクトル１０を例に挙げて説明したが、本実施形態の技術は、インダクタンスを必要とする電子部品、例えば、トランスや、モータのステータなどに応用してもよい。すなわち、トランスのコアや、モータのステータコアに、本実施形態で用いた積層型ヒートパイプ２０の一部を挿入、あるいは、ヒートパイプ２０そのものをコアとして利用してもよい。

また、これまでの説明では、直方形状のヒートパイプ２０のみを例示しているが、金属層と絶縁層とが交互に積層された積層型ヒートパイプ２０であれば、その形状は、適宜、変更されてもよい。また、内部に形成される細管３０も、直線である必要はなく、屈曲したり、ヘアピン状に蛇行していたりしてもよい。

ところで、これまでの説明で明らかなように、本実施形態のヒートパイプ２０は、その最上層が絶縁層となる。このように最も上面が絶縁層となっているヒートパイプ２０は、コアの冷却だけでなく、半導体素子のような電子部品の冷却にも有効である。

すなわち、半導体素子などの電子部品をヒートパイプ２０で冷却する場合、通常、当該電子部品をヒートパイプ２０の発熱部２２に実装する。しかし、従来のヒートパイプ２０の多くは、その上面が金属で形成されていたため、発熱体と発熱部２２との間に絶縁体を別途設ける必要があった。かかる絶縁体の設置は、手間であるばかりでなく、（発熱体と作動液間の）熱抵抗の向上、ひいては冷却効率の悪化を招いていた。

一方、半導体素子が実装される最上層が絶縁層となっている場合、あらためて発熱体と発熱部２２との間に絶縁体を設ける必要がない。その結果、半導体素子の実装の手間を軽減できる。また、別途の絶縁体を省略することで、当該絶縁体の厚さ分だけ、発熱体と発熱部２２との距離を低減することができ、発熱体と作動液間の熱抵抗を低減できる。そして、その結果、より効率的な冷却が可能となる。

なお、半導体素子を冷却するような場合には、金属平板２６の表面の絶縁膜２８に変えて、絶縁材料からなる平板（絶縁板）を用いて最上層の絶縁層を構成することが望ましい。すなわち、図４に示すように、ヒートパイプ２０の上面に、シリコンなどの絶縁材料からなる絶縁板３２を設置しておく。かかる絶縁板３２を用いることで、半導体素子を、より確実に絶縁することができる。

１０ リアクトル、１２ リアクトルコア、１４ リアクトルコイル、１６ 放熱部材、２０ ヒートパイプ、２１ 積層体、２２ 発熱部、２４ 放熱部、２６ 金属平板、２８ 絶縁膜、３０ 細管。

Claims (6)

1. 平板を積層して構成される積層体であって、その内部に細管が形成される積層体と、
   前記細管に封入され、熱を輸送する作動液と、
   を備え、
   前記積層体は、絶縁材料からなる絶縁層と、金属材料からなる金属層と、が交互に積層されている、
   ことを特徴とするヒートパイプ。
2. 請求項１に記載のヒートパイプであって、
   前記積層体は、予め溝や孔が形成されるとともに、その表面に絶縁膜が形成された金属平板を積層して構成される、ことを特徴とするヒートパイプ。
3. 請求項１または２に記載のヒートパイプと、
   前記ヒートパイプの外周囲に、巻回されたコイルと、
   を備えた電子部品。
4. 請求項３に記載の電子部品であって、さらに、
   前記コイルが巻回されるコア材を備え、
   前記ヒートパイプのうち、熱を受け取る発熱部が前記コア材の内部に挿入され、受けた熱を外部に放出する放熱部が前記コア材の外側に突出している、
   ことを特徴とする電子部品。
5. 請求項４に記載の電子部品であって、
   前記ヒートパイプの放熱部の外表面には、熱を外部に放出する冷却部材が設置されている、ことを特徴とする電子部品。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載の電子部品であって、
   前記コイルおよびコア材は、リアクトルコイルおよびリアクトルコアである、ことを特徴とする電子部品。

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