JP4495021B2 - 車両搭載用ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、車両搭載用ヒートシンク、特に、走行方向に発熱素子が配列されるもので電車の下面または側面等に配置されるインバーター冷却用のヒートシンクに関する。

車両用電力変換装置（インバーター）は、多数の半導体素子を備えており、十分に機能を発揮させるためには、放熱処理をし、常に一定の温度以下に維持する必要がある。図１１は、従来のインバーター冷却用ヒートシンクを説明する図である。図１１（ａ）は、インバーターを組み込んだ電車を説明する図である。図１１（ｂ）は、インバーターの断面図である。１１（ｃ）は、インバーターの下面図である。

図１１（ａ）に示すように、電車の車体１０２の下部中央に配置された誘導電動機１０７の両側の車輪１０５の付近にインバーター１０６が配置されている。図１１（ｂ）に示すように、インバーター内には、導体１２０によって接続された半導体素子１１５が配置されている。半導体素子１１５にはそれぞれ金属ブロック１１６、１１８が熱的に接続されている。金属ブロック１１６には複数の放熱フィン１１７が熱的に接続されている。金属ブロック１１８にはＬ字型ヒートパイプの一端が埋め込まれ、他方の端部が放熱フィンを貫通して熱的に接続されている。

放熱フィンは、電車の車体の外側に向かって配置され、走行時に空気によって放熱される。図１１（ｃ）に示すように、一方の端部が金属ブロックに埋め込まれ、他方の端部が放熱フィン１１７を貫通するように、複数のヒートパイプ１１９、１２１が車両の進行方向に直角に並列配置されている。
車両用のインバーターで発生する熱は、通常、インバーター装置１個あたり２〜１０ｋＷであり、一般的には６ｋＷ程度である。６ｋＷの熱を放熱、均熱化するためには、必要とされる放熱特性を満たすために１５．８８ｍｍ以上の径のヒートパイプを用いるのが普通であった。
特開２００４−２２９５００号公報

上述したように、従来のインバーター冷却用のヒートシンクは、車両の前傾、後傾、加速、減速によって作動液が偏りドライアウトを生じないように、半導体素子の熱を移動するヒートパイプが車両の進行方向に対しほぼ直角に配置されている。そのため、車両の発熱素子に対して個別に冷却を行っている。従って、走行風を利用することができるけれども、車両の走行方向（前後）において、発熱素子の熱を均熱化することが困難であった。更に、インバーターの半導体素子を車両の進行方向に高密度で配置することが困難であった。

従って、この発明の目的は、インバーターの発熱素子を車両の進行方向に高密度で配置することができ、車両の前傾、後傾、加速、減速によって作動液が偏りドライアウトを生じることなく、車両の走行方向において発熱素子の熱を均熱化することができ、放熱効率に優れた車両搭載用ヒートシンクを提供することにある。

本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、次の事項が判明した。即ち、細径のヒートパイプを車両の進行方向に配置することによって、ベース部の全体にわたって均熱化が可能になり、インバーターの発熱素子を車両の進行方向に高密度で配置することができる。ベース部に溝部を設け、その中に細径のヒートパイプを複数本並列に配置し、ヒートパイプの上面を覆うようにフィン部の底部を配置することによって、熱効率に優れたヒートシンクが得られる。

更に、ベース部の溝部内に配置される細径の複数本のヒートパイプ群の配置を車両の進行方向に２以上配置する、または、個々のヒートパイプの長さを変化させることによって、作動液が実質的にベース部の全般にわたって配置され、車両の前傾、後傾、加速、減速によって作動液が偏っても、偏った作動液がベース部の全般に位置するので、ドライアウトを生じることがない。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、以下の（１）〜（５）の車両用ヒートシンクを提供する。
（１）一方の面に車両の進行方向に沿って配置された複数個の発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、車両の進行方向に沿って形成された溝部を有するベース部と、前記溝部に、前記進行方向に沿うように収納された外径が１２．７ｍｍ以下の複数本のヒートパイプと、前記溝部に収納された前記ヒートパイプの上面を覆うように配置され、前記ヒートパイプと熱的に接続される底部および複数のフィンからなるフィン部とを備えた車両搭載用ヒートシンクであって、前記複数のヒートパイプを並列配置してなる群が、前記進行方向に２以上配置されている車両搭載用ヒートシンク。
（２）一方の面に車両の進行方向に沿って配置された複数個の発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、車両の進行方向に沿って形成された溝部を有するベース部と、前記溝部に、前記進行方向に沿うように収納された外径が１２．７ｍｍ以下の複数本のヒートパイプと、前記溝部に収納された前記ヒートパイプの上面を覆うように配置され、前記ヒートパイプと熱的に接続される底部および複数のフィンからなるフィン部とを備えた車両搭載用ヒートシンクであって、前記複数本のヒートパイプが、複数本の第１ヒートパイプ、及び当該第１ヒートパイプよりも長い、複数本の第２ヒートパイプから構成され、前記第１ヒートパイプ及び前記第２ヒートパイプを、前記進行方向に直列配置してなる第１列と、前記第１ヒートパイプ及び前記第２ヒートパイプの前記進行方向の配置が、前記第１列と反転している第２列とが交互に並列配置された構造を有することを特徴とする、車両搭載用ヒートシンク。
（３）前記溝部内に、前記ヒートパイプが扁平形状になるように押し付けて固定した、（１）又は（２）に記載のヒートシンク。
（４）前記ヒートパイプが、前記ベース部と前記フィン部の底部間に、ハンダで固定されている、（１）〜（３）何れかに記載の車両用ヒートシンク。
（５）前記溝部の底部には、長手方向に形成された突起部があり、突起部が隣り合う前記ヒートパイプの間の隙間を埋めて、ヒートパイプとベース部の伝熱性を向上させている、（１）〜（４）何れかに記載の車両用ヒートシンク。

この発明の車両搭載用ヒートシンクによると、インバーターの発熱素子を車両の進行方向に高密度で配置することができ、車両の前傾、後傾、加速、減速によって作動液が偏りドライアウトを生じることなく、車両の走行方向において発熱素子の熱を均熱化することができ、放熱効率に優れた車両搭載用ヒートシンクを提供することができる。即ち、ヒートパイプを車両の進行方向に沿って配置することによって、進行方向における発熱素子の熱を均熱化することができる。

更に、短いヒートパイプを車両の進行方向に沿って、複数本ならべることにより、作動液の偏りが生じても、全体として、偏った作動液が分散配置されるので、ドライアウトが生じ難くなる。更に、ヒートパイプの径を１２．７ｍｍ以下、望ましくは９．５３ｍｍや６．３５ｍｍ、６．０ｍｍ等の細径にすることにより、１５．８８ｍｍ以上の太径のヒートパイプにくらべて毛細管力が高くなり、ドライアウトが生じ難くなる。ヒートパイプの径が細いと、ドライアウトが生じ難くなるけれども、一方で、熱輸送量が小さくなるので、ヒートパイプを横に複数本ならべ、放熱に見合う熱輸送量を確保した。

この発明の車両搭載用ヒートシンクを図面を参照しながら説明する。
この発明の車両搭載用ヒートシンクの１つの態様は、一方の面に車両の進行方向に沿って配置された複数個の発熱素子が熱的に接続され、他方の面に車両の進行方向に沿って少なくとも１本のヒートパイプが収納される溝部を備えたベース部と、溝部に収納されたヒートパイプの上面を覆うように配置され、ヒートパイプと熱的に接続される底部および複数のフィンからなるフィン部とを備えた車両搭載用ヒートシンクである。

図１は、この発明の車両搭載用ヒートシンクを説明する図である。図１に示すように、この発明の車両搭載用ヒートシンク１は、ベース部２とフィン部４からなっている。ベース部２は、下面に車両の進行方向（図中、矢印で示す方向）に配置された複数個の発熱素子（例えば、半導体素子）が熱的に接続され、上面にヒートパイプ７が収納される溝部３を備えている。フィン部４は、溝部３に収納されたヒートパイプ７の上面を覆うように配置されて、ヒートパイプに熱的に接続される底部５および複数のフィン６からなっている。

図１に示す態様においては、ベース部２は、幅広の複数の溝部３を備えており、それぞれの溝部には、複数本の細径のヒートパイプが並列に配置されている。ヒートパイプとヒートパイプの間、および、ヒートパイプの上面とフィン部の底部の間には低融点ロウ付け等を配置して、ベース部、ヒートパイプ、フィン部の底部の間の熱抵抗を小さくする。低融点ロウ付けとしては、例えば、ハンダ付けがあり、ハンダ付けとして具体的には、クリームハンダを塗布してハンダ付けがある。なお、クリームハンダは、ハンダ粉末をフラックスで練ってペースト状にしたものであり、塗布後、加熱してハンダ付けされる。

図２は、この発明の車両搭載用ヒートシンクの端部の部分拡大図である。図２に示すように、ベース部２の上に底部５およびフィン６からなるフィン部４が、熱抵抗が小さくなるように熱的に接続されて配置されている。ベース部２には、複数の溝部３が設けられ、溝部の各々に複数の細径のヒートパイプ７が並列配置されている。複数のヒートパイプは隣接するヒートパイプと相互に側面が接触して、配置されている。溝部の表面とヒートパイプの表面との間の隙間には、例えばクリームハンダが配置されて、熱伝導性を高めている。溝部に複数の細径ヒートパイプが並列配置されたベース部の上面には、フィン部の底部の一方の面が、熱抵抗が小さくなるように、押し付けられている。溝部３、ヒートパイプ７、底面５の間の間隙は、同様に、クリームハンダ等によって、充填されて、熱抵抗を小さくして熱的に接続している。フィン部４は、底部５に矩形の溝が形成されて、その溝にフィンが挿入され、ハンダ付けによって接合されている。

図２に示すように、ベース部に進行方向に沿って形成された溝部に細径の複数のヒートパイプを並列に配置することによって、高密度で配置された半導体素子の熱がベース部の材質中を移動してヒートパイプの吸熱部内に位置する作動液を蒸発させ、蒸発した作動液が放熱部に移動してフィン部の底部およびフィンに移動して空気中に放熱される。即ち、細径のヒートパイプは毛管力が高く、しかも、複数のヒートパイプが並列配置されているので、所望の量の熱輸送が可能である。

図２においては、溝部に４本の細径のヒートパイプが並列配置されているが、複数のヒートパイプを各種組み合わせて使用してもよい。その際には、組み合わせが、２個以上の発熱素子の配置に対応して、ヒートパイプの数、長さ、径、および／または配置位置において変化させて、ベース部の長軸中心に関して、対称または非対称に配列することからなっている。
例えば、４本の並列配置したヒートパイプの群を、車両の走行方向に沿って、２以上配置してもよい。

図３は、ベース部の溝部に配置されるヒートパイプの組み合わせの例を示す図である。
図３に示すように、ベース部２の一方の面には、車両の進行方向に沿って伸びる複数の溝部３が形成されている。溝部３のそれぞれには、並列に配置された細径の５本のヒートパイプからなる群が、進行方向に沿って複数個（図の場合は２個）重畳に配置されている。更に、ヒートパイプの上面を覆うようにして底部およびフィンからなるフィン部が配置される。このように配置されたヒートパイプ、溝部、フィン部の底部の間の間隙をクリームハンダによって埋めて、熱移動面積を広くして、熱伝導性を高める。

図３に示すように、このように溝部を形成し、複数のヒートパイプを配置することによって、概ねベース部の全域にわたってヒートパイプを配置することができる。上述したように、毛管力の高い細径ヒートパイプをベース部の概ね全域に配置することによって、所望の量の熱輸送を確保しながら極めて効率の高い放熱機能を備えることができる。従って、インバーターに使用される半導体素子を高密度で配置しても十分効果的に放熱することができる。

図４は、車両に搭載された場合に、車両の減速、加速によって生じる作動液の偏りの状態を示す図である。図３を参照して説明したように、ベース部２の一方の面には、車両の進行方向に沿って伸びる複数の溝部３が形成されている。溝部３のそれぞれには、並列に配置された細径の５本のヒートパイプからなる群が、進行方向に沿って複数個（図の場合は２個）重畳に配置されている。更に、ヒートパイプの上面を覆うようにして底部およびフィンからなるフィン部が配置される。

このように配置されたヒートシンクが車両に搭載され、急速に減速した場合には、個々のヒートパイプの進行方向の最先端部に作動液８が溜まる。その結果、ベース部２の先端部分および中央部分に実質的に作動液が存在した状態になる。ヒートパイプの長さが相対的に短く、更に、細径のヒートパイプは毛管力が高いので、このように作動液の偏りが生じた状態でも、速やかに作動液が放熱部側に移行して、効果的に放熱機能を果すことができる。

図５は、ベース部の溝部に配置されるヒートパイプの組み合わせの他の１つの例を示す図である。
図５に示すように、ベース部２の一方の面には、車両の進行方向に沿って伸びる複数の（図の場合は３つの）溝部３が形成されている。溝部３のそれぞれには、並列に配置された細径の長さの異なる５本のヒートパイプからなる群が、進行方向に沿って複数個（図の場合は２個）重畳に配置されている。即ち、１つの群の短いヒートパイプと他の群の長いヒートパイプが組み合わされて、概ねベース部の全体にわったってヒートパイプが存在するように配置されている。このように組み合わされたヒートパイプの上面を覆うようにして底部およびフィンからなるフィン部が配置される。このように配置されたヒートパイプ、溝部、フィン部の底部の間の間隙をクリームハンダによって埋めて、熱移動面積を広くして、熱伝導性を高める。

図５に示すように、このように溝部を形成し、複数のヒートパイプを配置することによって、概ねベース部の全域にわたってヒートパイプを配置することができる。上述したように、毛管力の高い細径ヒートパイプをベース部の概ね全域に配置することによって、所望の量の熱輸送を確保しながら極めて効率の高い放熱機能を備えることができる。従って、インバーターに使用される半導体素子を高密度で配置しても十分効果的に放熱することができる。

図６は、車両に搭載された場合に、車両の減速、加速によって生じる作動液の偏りの状態を示す図である。図５を参照して説明したように、ベース部２の一方の面には、車両の進行方向に沿って伸びる複数の溝部３が形成されている。溝部３のそれぞれには、並列に配置された長さの異なる細径の５本のヒートパイプからなる群が、進行方向に沿って複数個（図の場合は２個）重畳に配置されている。即ち、１つの群の短いヒートパイプと他の群の長いヒートパイプが組み合わされて、概ねベース部の全体にわったってヒートパイプが存在するように配置されている。

更に、ヒートパイプの上面を覆うようにして底部およびフィンからなるフィン部が配置される。このように配置されたヒートシンクが車両に搭載され、急速に減速した場合には、個々のヒートパイプの進行方向の最先端部に作動液８が溜まる。ヒートパイプは長いヒートパイプおよび短いヒートパイプが組み合わされているので、図に示す３箇所において作動液８が溜まる状態になる。即ち、実質的に、短いヒートパイプの群を３つ配置したのと同じ状態になる。ヒートパイプの長さが相対的に短く、更に、細径のヒートパイプは毛管力が高いので、このように作動液の偏りが生じた状態でも、速やかに作動液が放熱部側に移行して、効果的に放熱機能を果すことができる。

なお、図に示した以外のヒートパイプの組み合わせも可能である。即ち、上述したように、ヒートパイプの組み合わせは、２個以上の発熱素子の配置に対応して、ヒートパイプの数、長さ、径、および／または配置位置において変化させて、ベース部の長軸中心に関して、対称または非対称に配列するようにすることができる。

図７は、ベース部に溝部に突起部を備えた態様を示す図である。図７に示すように、ベース部２の溝部３の底面には並列に配置される複数のヒートパイプ７の間に突起部９が設けられている。突起部の形状は、ヒートパイプの外形に対応して設定され、例えば、並列配置された隣接するヒートパイプの間隙を埋めるような形状が望ましい。このように突起部を形成することによって、ベース部とヒートパイプの接触面積が拡大し、発熱素子からベース部に移動した熱がヒートパイプに移動しやすくなり、熱伝導性が高まる。

図８は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの１つの形状を示す部分拡大図である。図８に示すように、ヒートシンクのフィン部のフィンが板状フィンからなっており、板状フィンの表面に長手方向の溝が形成されている。その断面形状が波形からなっている。このようなフィンを使用することによってアスペクト比の大きいフィンが形成され、フィンの放熱量を大きくすることができる。

図９は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの他の１つの形状を示す部分拡大図である。図９に示すように、ヒートシンクのフィン部のフィンが板状フィンからなっており、板状フィンの断面の形状が底部側が広く、底部から離れるに従って次第に薄くなっている。このようなフィンを使用することによって、同様にアスペクト比の大きいフィンが形成され、フィンの放熱量を大きくすることができる。

図１０は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの他の１つの形状を示す部分拡大図である。図１０に示すように、フィンが板状フィンからなっており、板状フィンの断面形状が階段状になっている。断面形状が波形のフィンと同様にアスペクト比の大きいフィンが形成され、フィンの放熱量を大きくすることができる。
なお、底部とフィンを別々に製作し、底部の面にフィン用の溝部を形成して、溝部にフィンを挿入してハンダ等によって接合してもよい。同様に溝部を形成し、溝部にフィンを挿入して、フィンが挿入された溝部の両端部を機械的にカシメてフィンを固定しても良い。また、押し出し成形によって、底部とフィンが一体型のフィン部であってもよい。

上述したように、この発明の車両搭載用ヒートシンクにおいては、ヒートパイプを進行方向に沿って配置し、発熱素子の熱を進行方向に均熱化する。更に、相対的に短い複数のヒートパイプを１つの群として、進行方向に複数のヒートパイプ群を重畳して配置することによって、作動液の偏りをベース部全体に分散させて、ドライアウトが生じ難くしている。

更に、ヒートパイプの径を１２．７ｍｍ以下、望ましくは９．５３ｍｍや６．３５ｍｍ、６．０ｍｍ等にすることにより、従来使用されている１５．８８ｍｍ以上の太い径のヒートパイプに比べて毛細管力が高くなり、ドライアウトが生じ難くしている。上述したヒートパイプ群の配置と併用するとより効果的である。
ヒートパイプの径が細いと、ドライアウトが生じ難くなる一方、熱輸送量が小さくなるので、細径のヒートパイプを横に複数本ならべて、所望の放熱に見合う熱輸送量を確保した。

１つのベースの溝部の中に複数本のヒートパイプを隣接して並列配置することによって、幅の大きさに制限があるヒートシンクのベース部に、より多数本のヒートパイプを埋め込むことができ、発熱素子の熱をより効率的に均熱化することができる。上述したように、溝部の底部に長手方向に突起を形成することによって、隣り合うヒートパイプの間の隙間を埋めて、ヒートパイプとベース部の伝熱性能を向上させ、ベース部全体にわたってより効果的に発熱素子の熱を均熱化することができる。

使用するヒートパイプの径を細くすることによって、ヒートシンクを構成するベース部を薄く、軽量化し、ヒートシンク全体のサイズを小さく、軽量化することができる。
フィン部を底部と板状フィンに分け、底部に形成した溝に板状のフィンをはめ込み、ハンダやロウで接合することで、押出しやダイキャストではできない、アスペクト比の大きいフィンを形成し、フィンの放熱量を大きくすることができる。
板状フィンの表面に長手方向の溝を形成することによって、フィンの表面積を増加して、フィンの放熱量を大きくすることができる。

この発明によると、インバーターの発熱素子を車両の進行方向に高密度で配置することができ、車両の前傾、後傾、加速、減速によって作動液が偏りドライアウトを生じることなく、車両の走行方向において発熱素子の熱を均熱化することができ、放熱効率に優れた車両搭載用ヒートシンクを提供することができ、産業上利用価値が高い。

図１は、この発明の車両搭載用ヒートシンクを説明する図である。 図２は、この発明の車両搭載用ヒートシンクの端部の部分拡大図である。 図３は、ベース部の溝部に配置されるヒートパイプの組み合わせの例を示す図である。 図４は、車両に搭載された場合に、車両の減速、加速によって生じる作動液の偏りの状態を示す図である。 図５は、ベース部の溝部に配置されるヒートパイプの組み合わせの他の１つの例を示す図である。 図６は、車両に搭載された場合に、車両の減速、加速によって生じる作動液の偏りの状態を示す図である。 図７は、ベース部に溝部に突起部を備えた態様を示す図である。 図８は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの１つの形状を示す部分拡大図である。 図９は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの他の１つの形状を示す部分拡大図である。 図１０は、この発明の車両搭載用ヒートシンクのフィンの他の１つの形状を示す部分拡大図である。 図１１は、従来のインバーター冷却用ヒートシンクを説明する図である。

符号の説明

１ この発明の車両搭載用ヒートシンク
２ ベース部
３ 溝部
４ フィン部
５ 底部
６ 放熱フィン
７ ヒートパイプ
８ 作動液
９ 突起部
１０２ 車体
１０５ 車輪
１０６ インバーター
１０７ 誘導電動機
１１５ 半導体素子
１１６ 金属ブロック
１１７ 放熱フィン
１１８ 金属ブロック
１１９ ヒートパイプ
１２０ 導体
１２１ ヒートパイプ

Claims (5)

1. 一方の面に車両の進行方向に沿って配置された複数個の発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、車両の進行方向に沿って形成された溝部を有するベース部と、
   前記溝部に、前記進行方向に沿うように収納された外径が１２．７ｍｍ以下の複数本のヒートパイプと、
   前記溝部に収納された前記ヒートパイプの上面を覆うように配置され、前記ヒートパイプと熱的に接続される底部および複数のフィンからなるフィン部とを備えた車両搭載用ヒートシンクであって、
   前記複数のヒートパイプを並列配置してなる群が、前記進行方向に２以上配置されていることを特徴とする、車両搭載用ヒートシンク。
2. 一方の面に車両の進行方向に沿って配置された複数個の発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、車両の進行方向に沿って形成された溝部を有するベース部と、
   前記溝部に、前記進行方向に沿うように収納された外径が１２．７ｍｍ以下の複数本のヒートパイプと、
   前記溝部に収納された前記ヒートパイプの上面を覆うように配置され、前記ヒートパイプと熱的に接続される底部および複数のフィンからなるフィン部とを備えた車両搭載用ヒートシンクであって、
   前記複数本のヒートパイプが、複数本の第１ヒートパイプ、及び当該第１ヒートパイプよりも長い、複数本の第２ヒートパイプから構成され、
   前記第１ヒートパイプ及び前記第２ヒートパイプを、前記進行方向に直列配置してなる第１列と、前記第１ヒートパイプ及び前記第２ヒートパイプの前記進行方向の配置が、前記第１列と反転している第２列とが交互に並列配置された構造を有することを特徴とする、車両搭載用ヒートシンク。
3. 前記溝部内に、前記ヒートパイプが扁平形状になるように押し付けて固定した、請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. 前記ヒートパイプが、前記ベース部と前記フィン部の底部間に、ハンダで固定されている、請求項１〜３何れかに記載の車両用ヒートシンク。
5. 前記溝部の底部には、長手方向に形成された突起部があり、突起部が隣り合う前記ヒートパイプの間の隙間を埋めて、ヒートパイプとベース部の伝熱性を向上させている、請求項１〜４何れかに記載の車両用ヒートシンク。

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