WO2006009267A1 - ヒートパイプヒートシンク - Google Patents

Abstract

　発熱性素子（４）が設けられたベース板（２）の一つの高温部（Ａ）に対し、高温部から異なる方向の低温部（Ｂ）へヒートパイプ（３）を配設したヒートシンク（１）。

Description

明 細 書 ヒートパイプヒートシンク 赚分野

本発明は、 電子部品や光部品などの 子を^¾するために用レヽられるヒートシン クに関し、 さらに詳しくは、 纖車両や自動車などに言耀され、 水平状態だけでなく傾け て使用することがあるヒートシンクに係るものである。 背景贿

従来から、 パワーエレクトロ二タスで用いられている I G B T (Insulated Gate Bipolar Transistor) などの 子を冷却するヒートシンクとしては、 一方の面に発 熱体を させたベース板を用！/ヽ、該ベース板の他方の面に複数の腿フィンを櫛形や格 に配設して構成した比較的安価なヒートシンクが多用されてレヽる。 しかし、 この構成 のヒートシンクでは、 その膽 )■生能が必ずしも十分ではないので、 特に、 高発 f ^度の半 導体素子を効果的に冷却させる齢などには、 その冷却性能を向上させるために、 m 性の高レ、銅製ヒートパイプによるヒートシンクを使用するとか、 あるレ、はヒ一トパイプ作 動液としてフッ素系化^を用レ、た沸 jgt^p式のヒートシンクを使用するのが一般的であ る。

また、 ベース板にヒートパイプを設置して放熱性能の向上を図ったヒートシンク ( 1 ) は、 例えば、 特開 2 0 0 2— 2 6 2 5 8 3号公報に提案されている。 これは図 6 ( a ) および 6 ( b ) に示すようにベース板 2に対してヒートパイプ 3を埋設させたもの で、 発熱体 ( 4 ) の発生熱をベース板全体に均謝匕でき、 これによつてお激フィン 5によ る繊乍用を広範囲に亘り有効に働力せて冷却性能の向上を図るものである。

しかしながら、 新幹線等の鉄道車両や自動車などは坂を昇る時やカーブを曲がる時など、 ヒートシンクがどちらに傾レヽた:^であっても、 ヒートシンクはその冷却†生肯 gを維 る 必要がある。 特開 2 0 0 2— 2 6 2 5 8 3号公報のようにヒートパイプを複数の発謝本に 共通に埋め込んだ^^、 ある方向の傾きでは所定の冷却性能力 S得られるものの、 另リ方向に 傾いた場合、 冷却性能が低下するといつた問題点があった。 これは、 特に形状や重量の制 約でヒートパイプを傾けて設置できず、 水平に近!/、状態で棚するヒートシンクの 、 特に致命的な問題であった。 また、 ベース内で高显部が中 ^(寸近にある ¾ ^には、 ヒート ノ ィプが械に働かな!/、といつた不具合があつ†

一方、 謝己高¾ ^度の素子の Pを行う：^でのフッ素系化合物 （例えば、 「フロリ ナート F X—3 2 5 0 J 商品名、 住友スリーェム （株） 製） の條液を用いる溯維式 ヒートシンクにおいては、 その全体的構成力 Sネ鎌化されて高価である。 纖負荷の少ない 冷媒が開発されてきているが、冷媒として地球灏爱化係数の大きいある種のフッ素化合物 を使う齢が多く、 比較的良好な P性能が得られるのではあるが、 驗颗匕防止の観点 力ゝら、 その使用力 s年々 t¾iされつつある。

また、 ヒートパイプを用いるヒートシンクでは、 発生熱をベース板からヒートパイプに 配した腿フィンにィ させて熱纖を図るのであるが、 新幹線等の車両や自動車用など 該ヒートシンク自体の高さが比較的低くされた構成の:^、 すなわち、 フィンを配した ヒ一トパイプにおける ¾ ^の長さ寸法が比較的短レ、構成では、 該ヒートパイプから纖 フィンへの効率的な |¾ (云導性に欠けることになり、 このため、 熱0¾激が十分にはなさ; な いという IJがある。

そして、 この構成のヒートシンクでは、 冷却流体として冷却水を用いる齢、 使用場所 での外気? カ氷点下にまで針ると、 該ヒートパィプ内の冷却水力 ¾¾i ^側で雄して 受 i¾¾側に衝巟しなくなるおそれを生ずるため、 ヒートパイプとしての本来の; T幾能を果た せなくなるという欠点がある。 これに加えて、 ヒートパイプ自体がベース板面の外部にむ き出しになっているものもあり、使用中や輸送中などにおける内部冷却水の 洁で、 その むき出し部分が破壊されてしまうという問題点もあった。 発明の開示

本発明によれば、 以下の手段が衝共される：

( 1 ) 発熱性素子力 S設けられたベース板の一つの高温部に対し、 高温部から異なる方向の 低温部へヒートパイプを配設したことを頻敦とするヒートシンク、

( 2 ) fflt己ヒートパイプは、 高温部内で近接して並列におよび/又は重ねるように、 配設 したことを樹款とする （1) 記載のヒートシンク、

(3) 簡己ヒートパイプは、 高温部から低温部へ、 放射状に配設したことを特徴とする (1) または （2) 記載のヒートシンク、 ·

(4) 魔己ヒートパイプの数は、 高温部から風下の低温部へ配設する数が、 高温部から風 上の低温部へ配設する数を越えるものであることを 敫とする （1)〜（3) のいずれか

1項記載のヒートシンク、

(5) 簡己ベース板は複数の穴の開いた押出材を含み、 その穴ごとに、 ヒートパイプの長 さと位置を変えて配設したことを糊敷とする （1)〜（4) のレ、ずれか 1項記載のヒート シンク、 および、

(6) ^1車両および自動車に使用することを稱敫とする （1)〜（5) のいずれか 1項 に記載のヒートシンク。

本発明によれば、 ヒートパイプによって 体からベース板の広範囲に熱繊させて、 該ベース板の均謝匕を図ることで、 ヒートシンク力 Sいずれの方向に俱斜しても、 高い冷却 性能を維持し得るようにし、 ¾1生素子が高温になることを防止したヒートシンクを ¾f共 することができる。

本発明の上記及 也の擀 ひ利点は、 謝の図面とともに考慮することにより、 下記 の記載からより明ら力 こなるであろう。 図面の簡単な説明

図 1 (a) および 1 (b) は、 本発明の一実施形態である櫛形ヒートシンクの概穀冓成 を示すものであり、 図 1 (a) はその放熱フィンの反対側からの正面図、 およぴ図 1 (b) はその側面図である。

図 2は、 本発明のヒートシンクにおけるヒ一トパイプの配設の一例を示す断面図である。 図 3は、 本発明のヒートシンクにおけるヒートパイプの配設の他の一例を示す断面図で、 ベース板部分のみを示したものである。

図 4は、 本発明の他の実施形態である無ヒートシンクの概對冓成を示す平面図である。 図 5は、 本発明のさらに他の実施形態でぁる衞ヒ一トシンクの概難成を示す平面図 である。 図 6 ( a ) および 6 (b ) は、 先行例のヒートパイプを有する櫛形ヒートシンクの概要 構成を示すものであり、 図 6 ( a ) はその平面図、 および図 6 (b ) は C— C矢視断面図 である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明のヒートシンクの好ましい具体的な実 について図 1 ( a ) 〜図 5を 参照して詳細に説明する 、 本発明は図示した 態様に限定されるものではな!/ヽ。 尚、 各図において同一要素には同一符号を付して ®iする説明を省略する。

図 1 ( a ) および 1 (b ) は本発明のヒートシンクの第 1の実施形態を示すもので、櫛 形ヒートシンクの 的な概^ It成であり、 図 1 ( a ) はその ¾ ¾フィンの反対側からの 正面図、 およぴ図 1 (b ) はその側面図である。

図 1 ( a ) および 1 (b ) は、 ベース板 2力 S鉛直に設置されている:^の例示であるが、 ベース板 2は水平であつても構わな！/、。 tilt己ベース板 2と各方燃フイン 5は、 アルミ押出 し成形によつて " 本成形してもよいし、 あるレヽはベース板 2に対して各お熱フイン 5を口 ゥ付けやはんだ付け、 もしくは溶接、 カシメ付けなどによっても製造し得ることはいうま でもない。

放熱フィン 5の形態はどのようであってもよく、 図では櫛状の例を示しているが、 格子 状でもよい。

櫛形ヒートシンク 1は、 ¾ (本としての I G B Tなどの ¾ | "生素子 4を一方の面に固定 的に^させたベース板 2を用！/ヽ、該ベース板 2の他方の面に複数個の ¾S¾フイン 5を並 設させてある。 また、 ベース板 2には、 ヒートパイプ 3が配設、 固定されている。

ヒートパイプ 3は、 ベース板 2の一つの高温部 Aに対して少なくとも 2本配設され、 該 高温部 Aから^¾ "側の異なる方向の低温部 Bへ向けてそれぞれ配設されて！/ヽる。

高温部とは、 ベース板面に ¾ ^生素子 4力 S付設された部位であり、低温部とは発熱生素 子 4の付設されてレヽなレヽ部位や、 それより低 性の素子 4 aの付設された部位を意味す る。

高温部 Aが複数ある （猶 M生素子が複数付設されている） には同様に、 それぞれの 高温部に対し、 それぞれから反対側の異なる方向 仮対方向） の低温部へそれぞれヒート ノイブを配設する。 図 1 ( a ) には、 素子直下の高温部 Aから右方向の低温部 Bと左方向 の低温部 Bの 2方向にヒートパイプを並列に配設している例力 S示してあり、 その中央の高 温き 15 Aからのようにそれぞれ一方向に複数のヒートパイプを配設してもよい。 ここに示す ものは、ィ 斜用としてきわめて有効なものである。

ヒートシンク 1が図 1 ( a ) および 1 ( b ) に示すように鉛直に識される時には、 図 1 ( a ) に矢印 A rで示す左右方向に傾く齢、 ヒートパイプ 3は、 水平方向に配設する の力 s好ましい。 さらに、 纖被!^受齊被はり上方になるようにヒートパイプの角度を水平 より 以上 1 5 ° 程度までにやや傾けて配設しておけば、 作用液の温度に基づく比重 差あるいは気化に依り難動の効果がよりネ ^いものとなる。 図 1 ( a ) では、 ヒートパ ィプ 3は水平方向に配設されたものが示されているが、 ヒートパイプ 3は水平から鉛直ま での間に配設することもできる。

ヒートシンク 1のベース板 2が水平に設置される時には、 ベース板 2力 M頃く惧斜軸に対 し、 垂 tt^向にヒートパイプ 3をほぼ TOに配設するのが好ましい。 例えば、 ベース板 2 力 S左右方向に愠斜するならば、 惧斜軸は前後方向であるので、 ヒートパイプ 3は高温部か らそれぞれ左方向および右方向に TOに配設し、 ペース板 2が前後方向に俱斜するならば、 ヒートパイプ 3は高温部からそれぞれ前方およ ¾¾方^^？に配設する。

このヒートシンクでは、 高温部から反対側の異なる方向の低温部へヒートパイプを酉己設 することによって、 特定の傾きだけではなく、複数の所定の傾きに対しても、傾きが大き ければ大きいほどヒートパイプを効率良く働力せることができ、 更にそのヒートパイプは 傾きにより惧斜角が大きくなるためヒートパイプの熱移動量が増大し、 素子の熱をベース 板の広範,こ広げ、 素子が高温になることを効果的に防ぐものである。

また、 ベース板内にヒートパイプを全長に渡って埋めた齢で高温部がその途中にある 時 （図 6 ( a ) および 6 (b ) に示すような例） には、 ヒートパイプ内の冷媒が途中でド ライアウトして熱を全長に渡って効率良く運べないことが多!/ヽ。 これに対して、 本宪明で は、 各ヒートパイプは 1つの高温部から所定の低温部へ配設してあるから、.それにより高 温部で受熱した熱を低温部で放出するため、 ヒートパイプを効率良く働力せることができ るものである。

ヒートパイプは銅、 ァノレミニゥム、 黄銅など謝云導性のょレ、金属でィ樓するの力 子まし く、 その断面形状は円形、 楕円形あるいは四角形など、 どのような形状でもよいが、熱移 動量の点から円形が好ま Lヽ。

ヒ一トパイプのベース板への固定は、 繊虫謝氐抗の比較的小さ V、ろう付けやハンダ付け によるのが好ましいが、 力シメゃ伝熱性のグリス、 接着斉 IJ等特に問わない。

ここで、 ヒートパイプの配設に関しては、 斜の方向の他に、 廳己ベース板 2や高温に なる素子 4の位置、 素子やパイプの固定用ネジの位置による制約などを勘案することで、 ヒ一トパイプ 3の長さや位置、段数や列数などを設定する。

図 2、 図 3 tt^:発明のヒートシンク 1におけるヒートパイプの酉己設の例をその断面で示 すものである。 なお、 図 2は、 フィン 5が図 1 ( a ) および 1 ( b ) と異なりヒート ノイブ 3に対し垂鼓向に配列された纖を示すものである。 また、 図 3はヒートパイプ の配設をベース板部分のみで示したものである。 ヒートパイプ 3は図 2に示すように、 発 熱 !·生素子 4の付設された部位直下のベース板 2の高温部 Αに同一面に配設するだけでなく、 図 3のように並列に且つ多段に重ねるように配設しても良レ、。 ベース板 2はアルミニゥム、 アルミニウム合金、 銅、銅合金の板等でィ懷するが、 アルミニウム押出し材で作れば比較 的安価に製造することができる。 また、 単位ベース板を燥し、 これを角度を変えたりし て複 層させて接合することにより、 より適した形状を有する «のベース板 2を容 易に製造することもできる。

この櫛形ヒートシンク 1の構成では、 ΙΐίΙ己ベース板 2に対してヒートパイプ 3を埋設配 設させたので、 起動時にあって該ヒートパイプ 3内の^ fekがたとえ^^したとしても、 該起動に伴うベース板 2自体の 上昇によつて該 状態にある水力 S容易力つ迅速に溶 けるため、 ヒートパイプ 3としての機能が失なわれるようなことは全くなレ、。 しかも、 こ のようにヒートパイプ 3力 Sベース板 2内に埋め込まれ、 その全長力 S外部にむき出しにされ ていないので、 使用中あるいは輸送中などに内部の冷却水が 結しても、 ノィプ自体が破 壌するおそれを確実に避けることができるのである。

' また、 図 2、 図 3のように高温部内でヒートパイプ 3を並列に、 および Z又は重ねるよ うに近接して配設することで、 熱移動量が大きくでき、傾レ、ても何れかのヒ一トパイプが 働き、 素子が局部的に高温になることを防ぐことができるものである。

さらに、 ベース板 2として複数の穴の開いた押出材を使うことで、 ベース板に複数の穴 を安価に製造でき、 それぞれの穴ごとに所定の方向 （穴の前後方向） の傾きでヒートパイ プが働くよう配設できるものである。

図 4は、 本発明の他の実施形態でぁる膨ヒートシンク 1の鉢的な 誠を示す平 面図である。 ここでは、 ベース板 2は水平状態に言耀された齢である力 ベース板 2は どのような角度に言^ gされてもよい。

発熱性素子 4の付設咅啦である高温部 Aから低温部 Bへ、 腿状に複数のヒートパイプ 3を配設したものである。 このようにヒ一トパイプ 3力 S配設されれば、 ヒートシンク 1が どのような角度に置力、れてどの方向に傾レ、ても、 中央の素子からの はレ、ずれかのヒ一 トパイプの作用により低温部へ導かれ、 高温化が防止される。 このように、 藤状に複数 のヒートパイプを配設することにより、 様々な方向の傾きに対応できるものである。

図 4では、 ヒートパイプ 3が同一面上に配設されているものを示しているが、 ヒートパ イブの配設を図 3に示すように積層構造にして、 できるだけヒートパイプの多くの部分が 高温部に力かるよう配設した方が、 ヒートパイプの機能を効率よく引き出すことができる。 次に、 図 5 ί鉢発明のさらに他の実施形態である櫛形ヒートシンク 1の概對冓成を示す 平面図であり、送風により^ ¾]を促進する である。 ここでは、 ベース板 2は水平に設 置された である 、 ベース板 2はどのような角度に設置されてもよレ、。

性素子 4の付設位置である高温部 Αから風下の低温部 Βに向かうヒートパイプの酉己 設数を、 高温部 Aから風上の低温部 Bに向かうヒートパイプの配設数より多く （同数は含 まない） したものである。

風上、 風下へのヒートパイプ数が同数であれば、 風下で が上昇し付く、 ベース温 度が上昇してヒートパイプの受 |¾¾との 差が小さくなり、 風下への熱移動量が低下し がちであった。 しかし、 風下側へのヒートパイプ数を多くし、 風下側により多くの熱を移 動でき、 風下側が上に傾レ、た齢でも素子の高温化を抑制することができる。

したがって、新幹線車両などのように一方向からフ了ンで強制空冷を行うヒートシンク に適用する： ^に好ましいものである。

また、 本発明のヒートシンクは、 ヒートパイプがベース板に埋め込まれているものであ る力 、 起動時に該ヒートパイプ内の冷却水がたとえ 結していたとしても、 該起動に伴 うベース板自体の 上昇で容易に解けるため、 ヒートパイプとしての機能が失なわれる ようなことはない。 し力も、 このようにヒートパイプがベース板内に埋め込まれ、 その全 長が外部にむき出しにされてレ、なレ、ので、 中あるレ、は輸送中などに内部の.冷却水が凍 結しても、 ノィプ自体の破壊のおそれが避けられる。

なお、 本発明では冷媒として、 水だけではなく、 ヒートシンクで利用されている各種の 冷媒を使用することができる。

本発明のヒ一トシンクは、 すでに述べたように、 して設置したり、使用時に惧斜し たりした場合でも、 優れたお^]果を有するものでるので、 特に使用時にあらゆる方向に 惧斜することの多レヽ、 鍾車両や自動車にィ魏するのに適したものである。

本発明に係るヒートシンクによれば、 高温部から異なる方向の低温部へヒートパイプを 配設することで、 従来できなかった種々の傾き力 s起こった齢でも、 レ、ずれかのヒートパ イブが機能し、 優れた P性能を発揮するものである。 そして、 高温部内でヒートパイプ 力 s近接して並列に、 および Z又は重ねるようにヒートパイプを配設することで、 局部的に 素子が高温にならないようにすることができる。

また、 高温部から低温部へ、 腿状にヒートパイプを配設することで、 様々な方向の傾 きに対しても、 レ、ずれかのヒートパイプが機能し優れた P性能を発揮し対応できる。 さらに、 高温部から風下の 显部に配設するヒートパイプ数を、 高温部から風上の低温 部に配設するヒ一トパイプ数より多くすることで、 ヒートパイプにより熱を風下側にも多 く運んで、 素子の高温化を防ぐことができる。

また、 ベース板の複数の穴の開いた押出材に、 穴ごとにヒートパイプの長さと位置を変 えて配設することで、 安価に製造することができる。 産業上の利用の可能性

本発明は、 以上のような優れた勝効果が得られるものであるので、 髓車両や自動車 用などヒートシンクを俱斜して設置したり、 使用時に银斜したりする: ½に好適である。 本発明をその とともに説明したが、 我々は特に指定しなレヽ限り我々の発明を説 明のどの細部にぉレヽても限定しょうとするものではなく、 ^(寸の請求の範囲に示した発明 の精神と範囲に反することなく幅広く角截されるべきであると考える。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ¾ ^生素子力 S設けられたベース板の一つの高温部に対し、 高温部から異なる方向の 低温部へヒートパイプを配設したことを糊敷とするヒートシンク。

2. 編己ヒートパイプは、 高温部内で近接して並列におよび/又は重ねるように、 配設 したことを糊敷とする請求項 1記載のヒートシンク。

3. tUt己ヒートパイプは、 高温部から低温部へ、 方谢状に配設したことを赚とする請 求項 1または請求項 2記載のヒートシンク。

4. 歸己ヒートパイプの数は、 高温部から風下の低温部へ配設する数が、 高温部から風 上の低温部へ配設する数を越えるものであることを |敫とする請求項 1〜請求項 3のレ、ず れか 1項に記載のヒートシンク。

5 . 鍵己ベース板は複数の穴の開いた押出材を含み、 その穴ごとに、 ヒートパイプの長 さと位置を変えて配設したことを赚とする請求項 1〜請求項 4のレ、ずれか 1項に記載の ヒートシンク。

6 . |¾1車両および自動車に使用することを樹敫とする請求項 1〜請求項 5のレ、ずれか 1項に記載のヒートシンク。