JP5625835B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、内部に密閉空間を有する管体と、前記密閉空間内に封入された作動液と、を備えたヒートパイプに関する。

半導体素子などの電子部品は、その駆動に伴い発熱することが知られている。こうした発熱は、電子部品の効率低下や動作不良、破損といった問題を招く場合がある。そこで、従来から、電子部品の近辺に、冷却装置としてヒートパイプを設けることが提案されている。

周知のとおり、ヒートパイプは、密閉空間となっている管体の内部に、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が、近接配置された発熱体により加熱されると、封入された作動液が気化し、このとき潜熱（気化熱）として熱が取り込まれる。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。

国際公開第２００３／０５０４６６号パンフレット

しかしながら、従来のヒートパイプの多くは、管体として金属製の円管チューブを使用していた。かかる構成の場合、熱移送の過程で熱が外部に漏れてしまい、周囲温度がアップしたり、排熱効率が低下したりといった問題があった。また、円管チューブの場合、発熱体である電子部品や放熱のためのフィンを、当該円管チューブ上に直接載置することは困難であった。そのため、電子部品等の設置面を得るために、円管チューブを平板で挟んだり、円管チューブを金属ブロックに差し込むなど、平坦面を得るための作業が別途必要となり、製造の手間やコストの増加を招いていた。

こうした問題を避けるため、特許文献１には、溝や凹が形成された薄板を積層することで平板の内部に密閉空間を形成し、この密閉空間内に作動液を封入したヒートパイプが開示されている。かかるヒートパイプによれば、別途の作業をしなくても、平坦面が得られるため、電子部品やフィン等を容易に設置することができる。

しかしながら、この特許文献１記載のヒートパイプは、複数の平板を積層した構成であるため、部品点数が多くなり、また、製造工程も複雑になりやすかった。

そこで、本発明では、より簡易に製造でき得るヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明のヒートパイプは、内部に密閉空間を有する管体と、前記密閉空間内に封入された作動液と、を備えたヒートパイプであって、前記管体は、その表面が外部に露出するとともにその裏面が前記密閉空間に露出する導電性材料からなる平板であって、発熱体が実装される発熱部と、その表面が外部に露出するとともにその裏面が前記密閉空間に露出する高伝熱性材料からなる平板であって、外部との熱交換により放熱する放熱部と、断熱性および絶縁性を備えた材料からなり、少なくとも発熱部と放熱部との間に介在して両者を絶縁する絶縁部と、を備え、前記発熱部、放熱部、および、絶縁部が、インサート成型により一体成型されており、前記発熱部は、前記管体の対向する二面それぞれに設けられ、各発熱部は上アーム素子または下アーム素子として機能する半導体素子の電極として機能し、さらに、導電材料からなり、前記密閉空間内を横断して前記二面それぞれに設けられた二つの発熱部を連結する内部部材を有する、ことを特徴とする。

他の好適な態様では、前記内部部材は、前記作動液の移動方向に直交する方向に間隔を開けて複数配設されている。また、導電性材料からなり、二面それぞれに設けられた二つの発熱部を連結するとともに、その一端が管体の外部に突出した出力電極を備えることも望ましい。さらに、前記放熱部は、前記管体の対向する二面それぞれに設けられている、ことも望ましい。

本発明によれば、発熱部、放熱部、絶縁部がインサート成型により一体成型されているため簡易に、好適な形態のヒートパイプを得ることができる。

本発明の実施形態であるヒートパイプの概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面の概略図である。 第二実施形態のヒートパイプの概略断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面の概略図である。

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ヒートパイプ１０の概略斜視図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面概略図である。

ヒートパイプ１０は、管体１２と、当該管体１２の内部に真空封入された作動液と、から構成される。従来のヒートパイプ１０と同様、作動液としては、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、管体１２の一端近傍に設けられた発熱部１４において生じた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、管体１２の一端近傍に設けられた発熱部１４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１６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１４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１４から受けた熱を放熱部１６を介して外部に放出することで、発熱部１４における熱が効果的に放出されることになる。

管体１２は、金属平板と樹脂とを樹脂インサート成型により一体成型した管状体で、その内部には、作動液が封入される真空の密閉空間２０が形成されている。図１，２から明らかなとおり、本実施形態の管体１２は、断面略矩形の角筒形状となっており、その上面は平坦面となっている。また、この管体１２は、金属平板からなる発熱部１４および放熱部１６と、樹脂からなる絶縁部１８と、から構成されている。

発熱部１４は、発熱体として機能する半導体素子などが実装される部位である。発熱部１４は、銅などの高伝熱性材料からなる平板で構成されており、当該平板表面は外部に、平板裏面は管体１２内部の密閉空間２０に露出している。

放熱部１６は、熱を外部に放出する部位で、例えば、冷却用のフィンなどが設置される部位である。この放熱部１６も、発熱部１４と同様、銅などの高伝熱性材料からなる平板で構成されており、当該平板の表面は外部に、裏面は管体１２内部の密閉空間２０に露出している。この放熱部１６は、発熱部１４とは離間した位置に設けられる。

管体１２のうち発熱部１４と放熱部１６以外の部分は、絶縁部１８となる。この絶縁部１８は、絶縁性と断熱性を備えた材料、例えば、樹脂やセラミックなどからなり、インサート成型により発熱部１４および放熱部１６と一体成型されている。

以上のような構成のヒートパイプ１０の作用について従来のヒートパイプ１０と比較して説明する。従来のヒートパイプ１０としては、金属製の円管を用いた円管タイプと、溝が形成された平板を積層した積層タイプと、が知られている。

円管タイプのヒートパイプ１０の場合、管体１２の上面が非平坦であるため、発熱体やフィンをヒートパイプ１０に直接実装することが困難であった。そのため、円管タイプのヒートパイプ１０の場合、その端部を金属製ブロックに差し込んだり、円管を平板で挟んだりして、発熱体等を実装するための平坦面を確保していた。このようにヒートパイプ１０と発熱体やフィンとの間に、ヒートパイプ１０以外の部材（金属製ブロックや平板）が介在すると、発熱体から作動液、作動液から放熱部１６への伝熱効率が低下し、結果として冷却効率が低くなるという問題があった。また、こうした他部材を介在させると、製造工程が複雑になり、コスト増加を招くことがあった。

また、円管タイプのヒートパイプ１０の場合、熱を受ける発熱部１４と熱を放出する放熱部１６以外の部位（蒸気輸送部）も、伝熱性の高い金属で構成されており、それらの部位から熱が外部に放出される熱リークが生じやすかった。かかる熱リークは、放熱部１６における温度低下（放熱部１６での放出熱量の低下）や、周辺温度アップの要因となり、結果として、冷却効率の低下を招くことがあった。また、こうした熱リークは正確に見積もることができないため、放熱フィンを熱リーク分込みで設計せざるを得ず、結果として設計効率が悪くなっていた。

また、円管タイプのヒートパイプ１０は、発熱部１４と放熱部１６とが金属で繋がっている関係上、発熱部１４に半導体素子などの発熱体を実装する場合には、当該発熱体とヒートパイプ１０（発熱部１４）との間に絶縁を別途設ける必要があった。かかる絶縁の設置は、手間であるばかりでなく、熱抵抗の向上、ひいては、冷却効率の悪化を招いていた。さらに、円管の屈曲角度には限界があるため、ヒートパイプ１０の形状設計に制限があるという問題もあった。

積層タイプのヒートパイプ１０の場合、こうした問題の一部は解決できる。例えば、積層タイプのヒートパイプ１０は、その上面が平坦面であるため、発熱体やフィン設置のための平坦面確保のための別部材を別途設ける必要はない。しかし、積層タイプのヒートパイプ１０の場合でも、薄板として金属平板を用いると、円管タイプのヒートパイプ１０と同様に、熱リークや絶縁確保といった問題が生じる。銅平板だけでなく、一部を絶縁性・断熱性部材で構成し、熱リーク等の問題を避けることも考えられるが、この場合、材質が異なる多くの部品を接合する必要があり、製造工程が非常に複雑になるという新たな問題が生じる。また、通常、薄板の接合にロウ付けなどを用いた場合には、作動液として安価な水を用いることができず、結果としてヒートパイプ１０の製造コスト増加を招くという問題があった。

こうした従来のヒートパイプ１０と比較して、本実施形態のヒートパイプ１０は、金属からなる発熱部１４および放熱部１６と、絶縁・断熱材料からなる絶縁部１８と、をインサート成型で角パイプ状に一体成型している。そのため、ヒートパイプ１０そのものの上面が平坦面となるため、別部材を介在させなくても、発熱体（半導体素子など）やフィン設置のための平坦面を容易に確保することができる。

また、発熱体が実装される発熱部１４は、その裏面が管体１２内部の密閉空間２０に露出している。換言すれば、発熱体と、作動液が封入された密閉空間２０との間には、発熱部１４を構成する金属板しか存在しないことになる。同様に、フィン等が実装される放熱部１６も、その裏面が密閉空間２０に露出しており、フィン等と作動液が封入された密閉空間２０との間には、放熱部１６を構成する金属板しか存在しないことになる。その結果、発熱体から作動液、作動液からフィン等への伝熱効率が高まり、結果として発熱体の冷却効率を従来に比して向上させることができる。

また、本実施形態のヒートパイプ１０は、発熱体が実装される発熱部１４、放熱が行われる放熱部１６以外の部位である絶縁部１８は、断熱性を備えた材料（例えば樹脂など）から構成されている。かかる構成とすることで、蒸気輸送（熱輸送）の過程で、熱が外部に漏れる熱リークが効果的に防止される。そして、その結果、放熱部１６の温度を高く保つことができる一方で、周辺温度の増加を防止でき、結果として発熱体の冷却効率を従来に比して向上させることができる。また、熱リークが防止されることにより、フィン等を効率的に設計することができるという利点もある。

また、発熱体が実装される発熱部１４と放熱部１６との間には絶縁性材料からなる絶縁部１８が介在している。そのため、別途絶縁部材を設置しなくても、発熱部１４に実装された発熱体について絶縁を確保することができ、発熱体実装の手間を低減できる。

さらに、本実施形態では、絶縁性・断熱性材料からなる絶縁部１８と、金属からなる発熱部１４および放熱部１６を、インサート成型で一体成型している。インサート成型は、その成型の過程で異なる材料の部材を接合する成型方法である。したがって、部品をロウ付けなどで接合する必要がなく、作動液として安価で安全な水を使用することが可能となる。また、こうしたインサート成型は、成形性が高いため、従来技術に比して、ヒートパイプ１０の形状設計の自由度を大幅に向上させることができる。さらに、本実施形態のヒートパイプ１０は、その大部分を占める絶縁部１８は、安価・軽量な樹脂等からなるため、ヒートパイプ１０の素材費の低減や、軽量化を図ることができる。

なお、図１、図２では、説明を容易にするために、上面視略一直線状のヒートパイプ１０を例示しているが、ヒートパイプ１０（管体１２）の形状は適宜変更されてもよい。例えば、上面視略Ｌ字状や管状、あるいは、ヘアピン状に繰り返し屈曲する蛇行形状であってもよいし、始端と終端とが繋がったループ形状であってもよい。また、管体１２の断面形状も、略矩形に限らず、適宜、変更されてもよい。例えば、断面Ｌ字型や凸型などでもよいし、また、同じ断面略矩形であっても、その角部にＲが付されたような形状であってもよい。ただし、発熱体の設置を容易にするためには、管体の断面形状は、少なくとも管体上面が平坦面を有する形状であることが望ましい。また、液化した作動液の発熱部１４への移動には、毛細管現象や、重力のほか、作動液の蒸発・凝縮に伴う気泡の急激な発生と瞬断により生じる自励振動などを利用してもよい。

次に、他の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。図３は、第二実施形態のヒートパイプ１０の概略断面図、図４は、図３におけるＢ−Ｂ断面の概略図である。このヒートパイプ１０は、インバータやコンバータを構成する下側アーム素子および上側アーム素子の冷却に特に好適な構成となっている。

具体的に説明すると、このヒートパイプ１０は、上述の実施形態と同様に、金属製の発熱部１４および放熱部１６と、樹脂製の絶縁部１８と、が樹脂インサート成型により一体成型された管体１２を備えている。ただし、上述の実施形態と異なり、本実施形態では、発熱部１４が、管体１２の対向する二面それぞれに一つずつ、合計二つ設けられている。また、二つの発熱部１４を連結する内部部材２２や、二つの発熱部１４を連結するとともに外部に突出する出力電極２４なども備えている。以下、これについて詳説する。

既述したように、本実施形態では、管体１２の対向する二面それぞれに一つずつ、合計二つの発熱部１４が設けられている。本実施形態では、この二つの発熱部１４を、下側アーム素子または上側アーム素子の電極としている。すなわち、下側アーム素子または上側アーム素子を構成するＩＧＢＴなどの半導体素子には、通常、給電を受けるための電極が設けられている。本実施形態では、ヒートパイプ１０の発熱部１４を、この上下アーム素子の電極として用いている。かかる構成とすることにより上下アーム素子の通電部の構成を別途設ける必要がなくなり、発熱部１４に上下アーム素子を直接実装することが可能となる。また、上下アーム素子の電極そのものがヒートパイプ１０の発熱部１４として機能することにより、上下アーム素子の電極をヒートパイプ１０で直接冷却することができ、冷却効率をより向上させることができる。

また、二つの発熱部１４（上下アーム素子の電極）を互いに対向する二面に設けることで、二つの発熱部１４を均等に冷却でき、また、ヒートパイプ１０の長さを短くすることができる。すなわち、二つの発熱部１４を同一平面に設けた場合、当然ながら、その分、ヒートパイプ１０の長さを長くする必要がある。また、二つの発熱部１４を同一平面に設けた場合、作動液の移動方向に二つの発熱部１４が並ぶことになる。この場合、二つの発熱部１４のうち、放熱部１６より遠い位置に設けられた発熱部１４が優先的に冷却されることになり、二つの発熱部１４の冷却効率が不均一になるという問題がある。一方、本実施形態のように、二つの発熱部１４を互いに対向する位置に設けた場合、二つの発熱部１４で生じた熱は、同じタイミングで作動液に受け渡されることになり、結果として二つの発熱部１４が均等に冷却されることになる。

内部部材２２は、管体１２内部の密閉空間２０を横断して、互いに対向する二つの発熱部１４を連結する平板である。この内部部材は、伝熱性および導電性を備えた材料（例えば銅などの金属）からなる。本実施形態では、この内部部材２２を、管体１２の幅方向に間隔を開けて複数配設している。このように、幅方向に間隔を開けて複数の内部部材２２を配設することで、内部部材２２の表面積の合計を大きくしつつも、作動液が円滑に移動することができる。なお、本実施形態では、作動液の移動方向を管体１２の長さ方向、二つの発熱部１４が配された二面間の距離方向を管体１２の厚み方向、長さ方向および厚み方向に直交する方向を幅方向と呼ぶ。

こうした内部部材２２は、発熱部１４や放熱部１６、絶縁部１８とともに樹脂インサート成型により一体成型される。なお、内部部材２２は、発熱部１４と別個の部品であってもよいが、発熱部１４と一体成型された同一部品であることが望ましい。換言すれば、発熱部１４と内部部材２２とが同一の一個の部品として取り扱えることが望ましい。かかる構成とすることで、部品点数を低減できる。

ここで、この内部部材２２は、二つの発熱部１４に物理的に接触しており、当該二つの発熱部１４（すなわち上下アーム素子の電極）を電気的に接続するバスバーとして機能する。このようにバスバーとして機能する内部部材２２を設けることにより、給電構造を別途設ける必要がなく、上下アーム素子の実装作業をより簡略化できる。

また、この内部部材２２は、ヒートパイプ１０の管体１２内部において大きな表面積を有しているため、作動液との熱交換を効率的に行うことができる。したがって、かかる内部部材２２は、作動液を効果的に蒸発させる蒸発フィンとして機能することになる。このように蒸発フィンとして機能する内部部材２２を設けることにより、冷却効率をより向上することができる。さらに、この内部部材２２は、熱を蓄積する熱マスとしても機能する。かかる熱マスとして機能する内部部材２２を設けることで、発熱部１４および当該発熱部１４に接続された内部部材２２で保持しうる熱容量を増加させることができる。そして、その結果、上下アーム素子からの発熱量が同じであっても、内部部材２２を有さない場合に比して、温度上昇を低く抑えることができる。

つまり、本実施形態では、バスバー、蒸発フィンおよび熱マスとして機能する内部部材２２を設けることにより、上下アーム素子の実装作業をより簡略化でき、冷却効率をより向上でき、さらに、上下アーム素子の温度上昇を低く抑えることができる。なお、本実施形態では、内部部材２２を略平板としているが、作動液の移動を阻害することなく、二つの発熱部１４を連結するのであれば、その形状や個数は適宜変更されてもよい。例えば、内部部材２２は、断面略蛇行形状となる波打った板材であってもよい。このように波打った板材とすることで、表面積をより大きくすることができ、作動液との熱交換率、および、熱容量を増加させることができる。また、内部部材２２は、板材ではなく、二つの発熱部１４を連結する複数の棒部材であってもよい。棒部材を内部部材２２とする場合、内部部材２２は、管体１２の幅方向だけでなく、長さ方向にも間隔を開けて複数配設されることが望ましい。

出力電極２４は、二つの発熱部１４（上下アーム素子の電極）を連結するとともに外部に突出する板材である。この出力電極２４は、導電性を備えた材料、例えば、銅などの金属材料からなる。本実施形態では、この出力電極２４を、内部部材２２よりも放熱部１６から遠い位置に設けており、内部部材２２と放熱部１６との間での作動液の移動を極力阻害しないようにしている。

この出力電極２４も内部部材２２と同様、発熱部１４や放熱部１６、絶縁部１８とともに樹脂インサート成型により一体成型される。また、この出力電極２４も、発熱部１４や内部部材２２と一体成型された同一部品であることが望ましい。

放熱部１６も、対向する二面それぞれに一つずつ、合計二つ設けられている。対向する二面に放熱部１６を設けることにより、管体１２をサイズアップすることなく、放熱部１６の面積を広げることができ、より効率的な放熱が可能となる。

以上のような構成のヒートパイプ１０の作用について説明する。このヒートパイプ１０の二つの発熱部１４には、インバータまたはコンバータといった電力変換装置を構成する上側アーム素子および下側アーム素子が実装される。このとき、この発熱部１４そのものが上下アーム素子の電極として機能するため、上下アーム素子を、直接実装することが可能となる。

実装された上下アーム素子がその駆動に伴い発熱すると、その熱は、電極として機能する発熱部１４およびバスバーとして機能する内部部材２２に伝わる。このとき、本実施形態では、熱を蓄積する熱マスとして機能する内部部材２２が存在するため、発熱部１４および当該発熱部１４に実装された上下アーム素子の温度上昇を穏やかに抑えることができる。

管体１２内部に封入された作動液が、発熱部１４および内部部材２２からの熱を受けて気化する。このとき、対向する二面に発熱部１４を設けるとともに、管体１２内部を横断する内部部材２２を設けることにより、熱を保有した部位と作動液とが接触する面積が大きくなり、より効率的に作動液に熱を渡すことができ、ひいては、冷却効率を向上させることができる。

気化した作動液は、低温の放熱部１６付近へ移動し、放熱部１６と熱交換する。この熱交換に伴い、作動液は温度低下し、液化する。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１４近傍（内部部材２２近傍）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、発熱部１４に実装された上下アーム素子を冷却する。

以上の説明で明らかなとおり、本実施形態によれば、発熱部１４を上下アーム素子の電極として用いるため、より効率的に上下アーム素子を冷却でき、また、上下アーム素子の実装作業をより簡易化できる。さらに、管体１２内部を横断して二つの発熱部１４（上下アーム素子の電極部）を接続する内部構造を設けることで、上下アーム素子の接続バスバーを別途設ける手間を省くことができ、また、より効率的な冷却が可能となる。

１０ ヒートパイプ、１２ 管体、１４ 発熱部、１６ 放熱部、１８ 絶縁部、２０ 密閉空間、２２ 内部部材、２４ 出力電極。

Claims (4)

1. 内部に密閉空間を有する管体と、前記密閉空間内に封入された作動液と、を備えたヒートパイプであって、
   前記管体は、
   その表面が外部に露出するとともにその裏面が前記密閉空間に露出する導電性材料からなる平板であって、発熱体が実装される発熱部と、
   その表面が外部に露出するとともにその裏面が前記密閉空間に露出する高伝熱性材料からなる平板であって、外部との熱交換により放熱する放熱部と、
   断熱性および絶縁性を備えた材料からなり、少なくとも発熱部と放熱部との間に介在して両者を絶縁する絶縁部と、
   を備え、前記発熱部、放熱部、および、絶縁部が、インサート成型により一体成型されており、
   前記発熱部は、前記管体の対向する二面それぞれに設けられ、
   各発熱部は上アーム素子または下アーム素子として機能する半導体素子の電極として機能し、
   さらに、導電材料からなり、前記密閉空間内を横断して前記二面それぞれに設けられた二つの発熱部を連結する内部部材を有する、
   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、
   前記内部部材は、前記作動液の移動方向に直交する方向に間隔を開けて複数配設されている、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であって、
   導電性材料からなり、二面それぞれに設けられた二つの発熱部を連結するとともに、その一端が管体の外部に突出した出力電極を備えることを特徴とするヒートパイプ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートパイプであって、
   前記放熱部は、前記管体の対向する二面それぞれに設けられている、ことを特徴とするヒートパイプ。

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