JP5131323B2 - ヒートパイプ式冷却装置及びこれを用いた車両制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の冷却に用いられるヒートパイプ式冷却装置と、これを用いた車両制御装置に関する。

従来、半導体素子を冷却するヒートパイプ式冷却装置として、複数のヒートパイプが熱伝導の良好な吸熱ブロックに取り付けられ、このブロックに半導体素子等の発熱体が取り付けられ、冷却されていた。このヒートパイプの凝縮部には、凝縮を促がすための複数の放熱フィンが取り付けられて使用されることが多い。

特許文献１には、吸熱ブロックにループ状又は対向する２つの凝縮部が同長のほぼＵ字状のヒートパイプが取り付けられたヒートパイプ式冷却装置が記載されている。ヒートパイプの一部が水平な加熱部を形成しているため、熱交換効率がよい。しかし、ヒートパイプの作動液として例えば水を封入した場合に、周囲温度が０℃以下ではヒートパイプ内の水は凍結するため、この状態で半導体素子が発熱した場合に、対向する２つの凝縮部の同長ヒートパイプが充分に作動せず、半導体素子の温度が所定温度を超えてしまうことがある。

特許文献２には、複数の棒状のヒートパイプを２以上の群に分け、各群に異なる作動液を封入したヒートパイプ式冷却装置が記載されている。例えば一方の群のヒートパイプ作動液としてフロンＲ−１１３を、もう一方の群のヒートパイプ作動液として水を封入した場合、周囲温度が０℃以下でもフロンＲ−１１３は凍結しないため、低温においても充分に作動する。また、定常の使用温度においても高い性能を得ることを可能にしている。

特許文献３には、複数の棒状のヒートパイプを２以上の群に分け、各群のヒートパイプまたは放熱フィンをそれぞれ異ならせて各群が異なる凝縮能力を有するように構成されたヒートパイプ式冷却装置が記載されている。長いヒートパイプは短いヒートパイプに比べ、多数の放熱フィンが取り付けられているため、凝縮能力が高い。低温下では、長いヒートパイプの凝縮部の作動液が凍結する場合でも、短い方の凝縮部はヒートパイプとして作動するため、発熱体の冷却が可能になる。

特許第３７００８７０号公報 特開平２−２２９４５５号公報 特許第３０２０７９０号公報

上述したように、特許文献１に記載されているようなＵ字状のヒートパイプを使用すると上述のように周囲温度が０℃以下では冷却装置のヒートパイプが充分に作動しないという問題がある。特許文献２又は３に記載されているような複数の棒状ヒートパイプを使用する場合、各独立のヒートパイプを使用しているためにヒートパイプ本数が増えることで高価になるという問題がある。

そこで、特許文献１記載のＵ字状のヒートパイプに特許文献２を適用した場合、作動液として複数種類の冷媒を用いたヒートパイプを準備しなければならず、各ヒートパイプについて見れば、依然として各独立したヒートパイプとして充分に機能せず、配置が複雑になってしまうと共に高価になってしまう。

また、特許文献１記載のＵ字状のヒートパイプに特許文献３を適用した場合、複数種の長さのＵ字状ヒートパイプを用いることで、それぞれ異なる凝縮能力を有し、短い長さのＵ字状ヒートパイプは低温でも起動することで、性能を向上させることができるが、長いＵ字状のヒートパイプと、短いＵ字状のヒートパイプの配置が偏ったものとなり、各ヒートパイプについて見れば、依然として各独立したヒートパイプとして充分に機能せず、放熱フィンを効率良く利用できず、全体として冷却装置の性能が下がってしまうという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みて、各ヒートパイプが、各独立したヒートパイプとして機能して、発熱体との熱交換が効率よく行われ、高性能でかつ低温時にも安定して起動し、安価なヒートパイプ式冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために、ヒートパイプの一部が蒸発部（加熱部ともいう）として埋め込まれ、被冷却物である発熱体が取り付けられている吸熱ブロックと、前記ヒートパイプの他の一部が凝縮部として複数の放熱フィンが取り付けられたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは、２箇所曲げ加工されてＪ字形状をなすヒートパイプであり、中央部が蒸発部としてのヒートパイプ部と、前記蒸発部としてのヒートパイプ部以外で、複数の放熱フィンが取り付けられた凝縮部としての第１のヒートパイプ部と、前記蒸発部としてのヒートパイプ部と第１のヒートパイプ部以外で、第１のヒートパイプ部よりも長く、第１のヒートパイプ部に取り付けられた放熱フィンよりも多くの放熱フィンが取り付けられている凝縮部としての第２のヒートパイプ部と、を具備し、前記ヒートパイプ部が、前記蒸発部としてのヒートパイプ部の所定位置で、プレス加工もしくはかしめ加工部で２つに分けられていることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置を提供する。

本発明はまた、前記ヒートパイプ式冷却装置において、前記蒸発部としてのヒートパイプ部がストレート部からなることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置を提供する。

本発明はまた、前記ヒートパイプ式冷却装置において、前記第１のヒートパイプ部と第２のヒートパイプ部がストレート部からなることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置を提供する。

本発明はまた、複数のヒートパイプが設置されている前記ヒートパイプ式冷却装置において、前記凝縮部としての第１のヒートパイプ部と、第２のヒートパイプ部が交互の配置関係になるように吸熱ブロックに埋め込まれていることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置を提供する。

本発明はまた、車両を駆動する電動機を制御する制御装置において、前記制御装置の主回路である半導体を冷却するヒートパイプ式冷却装置として、前記ヒートパイプ式冷却装置を用いたことを特徴とする車両制御装置を提供する。

本発明によれば、ヒートパイプ式冷却装置は、第２のヒートパイプ部が第１のヒートパイプ部よりも長く構成され、第１のヒートパイプ部に取り付けられた放熱フィンよりも多くの放熱フィンが取り付けられているので、作動液の凝固点より外気温度が低いような環境下で所定の冷却性能を有し、かつ常温下においても高い冷却性能を有するため、半導体素子等を効率良く冷却することができる。また、本発明のヒートパイプ式冷却装置を、車両制御装置の有効な冷却装置として使用することが可能となる。

本発明の参考例であるヒートパイプ式冷却装置の上面図である。 本発明の参考例であるヒートパイプ式冷却装置の正面図である。 本発明の参考例であるヒートパイプ式冷却装置の側面図である。 参考例に対する比較例を示す図である。 本発明の実施例であるヒートパイプ式冷却装置の上面図である。 実施例に対する比較例を示す図である。

以下、本発明の参考例及び実施例を図面に基づいて説明する。

［参考例］
図１〜図３は、本発明の参考例を示す。本参考例のヒートパイプ式冷却装置は、主として吸熱ブロック３に取り付けられた複数のヒートパイプ１と、このヒートパイプ１の長さ方向に取り付けられた複数の放熱フィン２と、吸熱ブロック３に取り付けられた半導体などの発熱体４から構成される。図１および図２においては、一番手前に見えるヒートパイプのみ図示している。

ヒートパイプ１の容器材料としては銅、作動液として水を用いている。吸熱ブロック３は、銅やアルミなどの熱伝導性が良好な材料を用い、吸熱ブロック３とヒートパイプ１の接合には、ハンダ接合やかしめ接合、ヒートパイプを加熱膨張させる加熱拡管接合等を使用することができる。ヒートパイプ１と放熱フィン２との接合についても、ハンダ接合やかしめ接合、加熱拡管接合等を使用することができる。

ヒートパイプ１は、２箇所曲げ加工が施され、Ｊ字形状をなしており、中央ストレート部が中央ストレート部７（ヒートパイプ部７という）を形成して吸熱ブロック３に取り付けられ、蒸発部として作動する。蒸発部としてのヒートパイプ部７の端部ストレート部で、複数の放熱フィンが取り付けられている第１のヒートパイプ部６は、凝縮部として作動する。また、ヒートパイプ部７のもう一方の端部ストレート部である第２のヒートパイプ部５も凝縮部として作動する。

第１のヒートパイプ部６と第２のヒートパイプ部５は意図的に長さが異なるように構成されている。放熱フィン２は吸熱ブロック３と並行に設置され、一様な平板フィンでフィン間も一様である。凝縮部としての第１のヒートパイプ部６と第２のヒートパイプ部５の長さが違うため、第２のヒートパイプ部５には、第１のヒートパイプ部６に比べて多数の放熱フィンが取り付けられ、必然的に放熱面積が大きくなる。このような構造とすることで、長い方の第２のヒートパイプ部５と短い方の第１のヒートパイプ部６の凝縮能力を変えることが可能となる。

実際には、第２のヒートパイプ部５の長さが３００ｍｍ〜４００ｍｍの場合には、第１のヒートパイプ部６の長さはその１／２〜２／３程度に設定されることが望ましく、放熱フィンの間隔は、３ｍｍ〜７ｍｍ程度の間隔で取り付けられることが多い。図１には長さの比が３対２で構成された例を示す。第２のヒートパイプ部５と第１のヒートパイプ部６に取り付けられる放熱フィンは、上記の間隔で長さの比に対応した枚数で構成される。図１の例では、長さの比が３対２であるため、第１のヒートパイプ部６には６枚、第２のヒートパイプ部５には９枚の放熱フィンが取り付けられている。

このように構成された参考例のヒートパイプ式冷却装置の動作及び作用について説明する。参考例のヒートパイプ式冷却装置を作動液の水の凍結温度０℃より低い温度で使用した場合、起動時に作動液は、蒸発部である蒸発部としてのヒートパイプ部７に凍結している。半導体などの発熱体４の発熱で、熱が吸熱ブロック３を介して蒸発部としてのヒートパイプ部７に伝えられると、ヒートパイプ部７の温度は上昇して作動液が溶け出して蒸気となり、凝縮部へ熱の輸送を開始する。

ここで、長い方の第２のヒートパイプ部５には短い方の第１のヒートパイプ部６に比べて放熱フィン２が多く設置されているため、凝縮能力が大きく、作動液である水が第２のヒートパイプ部５で再凍結してしまう場合がある。このとき、第２のヒートパイプ部５はヒートパイプとして作動せず、熱輸送を行わない。これに対し、短い方の第１のヒートパイプ部６には、放熱フィン２が少なく設置されているため、凝縮能力は小さくなり、作動液は凝縮部で凍結することなく、蒸発部へ還流するので依然としてヒートパイプとして作動する。

このとき、ヒートパイプとして作動している凝縮部は、第１のヒートパイプ部６のみとなってしまい、冷却装置全体の放熱性能は低下してしまうが、外気温度が作動液である水の凍結温度より低い温度であり、発熱体４の仕様温度と充分な温度差があるため、問題とならない。ヒートパイプ内に封入される作動液量は、長い方の第２のヒートパイプ部５で作動液が凍結しても、短い方の第１のヒートパイプ部６に蒸気が供給される量に設定することが好ましい。

このように、第１のヒートパイプ部６は凍結防止に有効であるので、冷媒として代替フロンを用いることなく、水を使用することを可能にして、環境に与える負担を小さくすることができる。

これに対し、本冷却装置を常温（作動液の凍結温度より高い温度）で使用した場合には、全ての凝縮部（第１のヒートパイプ部６と第２のヒートパイプ部５）がヒートパイプとして作動し、高い冷却性能が発揮される。このように本参考例によれば、１つの吸熱ブロック３に対応し、中央部のヒートパイプ部７、第１のヒートパイプ部６及び第２のヒートパイプ部５は１つの独立したヒートパイプを形成し、高性能でかつ低温下でも所定の冷却性能を有するヒートパイプ式冷却装置を得ることができる。

本参考例においては、重力方向は、図２の正面図矢印Ａによって示す方向となっている。図２において、ヒートパイプ１は地面と水平に配置されているが、ヒートパイプ１内の凝縮された作動液の還流を促がすために、５〜１０度程先上がり傾斜させても良い。

図４に参考例であるヒートパイプ式冷却装置との比較例を示す。比較されるヒートパイプ式冷却装置は、第１のヒートパイプ部と第２のヒートパイプ部の長さが同じで、凝縮部が長いＵ字形状のヒートパイプ８と凝縮部が短いＵ字形状のヒートパイプ９が使用されている。それぞれの凝縮能力に差を持たせて、水の凍結温度より低い低温下で所定の性能を得る方式は、参考例と同じである。

このようにした場合、冷却装置中で、長いヒートパイプ８と短いヒートパイプ９の配置が偏ってしまい、放熱フィンを効率良く利用できず、冷却装置全体の性能が低下してしまう。これに対し、図１〜３に示す参考例であるヒートパイプ式冷却装置は、各ヒートパイプが独立構成としているので、長いヒートパイプ（第２のヒートパイプ部５）と短いヒートパイプ（第１のヒートパイプ部６）が均一に配置されることが可能になるにより、放熱フィン２を効率良く利用でき、高性能な冷却装置を得ることが可能となる。

図５に、本発明の実施例を示す。ヒートパイプ式冷却装置全体の構造および作動原理・使用方法は図１〜３に示す参考例と同じであり、同一の構成には同一の番号が付してある。図５では１つのヒートパイプに着目して図示してある。ヒートパイプ１ｂに２箇所曲げ加工が施され、凝縮部長さを意図的異なるようにし、凝縮能力に差を持たせてあることは、参考例と同じである。このとき、ヒートパイプ１ｂの中央ストレート部のヒートパイプ部７（蒸発部）の所定位置に、ヒートパイプ容器を分離するためにプレス・かしめ加工が施され、プレス・かしめ加工部が形成されている。このプレス・かしめ加工部１２は最小の長さとすることができるために、非動作部分を最小の長さとすることが出来る。

このようにすることで、１本のヒートパイプを用いていながらヒートパイプ１ｂは、あたかも長さの違うＬ字状ヒートパイプ２本が設置されているようになり、参考例のように長い方の凝縮部６の作動液凍結量を考慮しないで、各ヒートパイプ部５、６内の作動液を設定することが可能となり、更に自由度が増す。このとき、ヒートパイプ部７で分離される各ヒートパイプ部５、６の長さの比は、前述の凝縮能力の差に応じて設定すれば良い。すなわち、第２のヒートパイプ部５（長い方の凝縮部）と第１のヒートパイプ部６（短い方の凝縮部）の凝縮能力の比に合うように、それぞれの長さの比を決めれば良い。

実際には、第２のヒートパイプ部５の長さが３００ｍｍ〜４００ｍｍの場合には、第１のヒートパイプ部６の長さはその１／２〜２／３程度に設定されることが望ましく、放熱フィンの間隔は、３ｍｍ〜７ｍｍ程度の間隔で取り付けられることが多い。

図６に実施例との比較例を示す。図５のヒートパイプと同等の効果を出すために、長い方のＬ字状ヒートパイプ１０と短い方のＬ字状ヒートパイプ１１が設置されている。このようにすることで、似かよった形状のものが提供されることになるが、ヒートパイプ製作本数が２倍となってしまい、高価となってしまう。また、ヒートパイプ先端には、絞り、溶接などの容器端未封止加工が施されているので、非動作部分が存在する。図６のように設置することで、ヒートパイプ１０、１１が吸熱ブロック３に接触されている非動作部分が隣接することで有効長さが減少してしまい、スペース効率も悪くなって熱交換効率が悪くなり、冷却装置全体の性能低下が生じてしまう。

参考例と実施例を車両制御装置の主回路素子の冷却に用いる場合、図１の矢印Ｂの方向に車両が進行するように配置することによって、走行風を冷却に使用でき、放熱フィン２は移動方向に沿っているので、放熱フィン２部分で通風性が良く、放熱フィン２が移動方向に対向している場合と比較し放熱効率が向上する。放熱フィン２が移動方向に沿っていれば、冷却装置の設置方向はいかなる方向でもよく、例えば重力方向上向きにヒートパイプ先端が向く方向でもよい。また、吸熱ブロック３を、車両制御装置の筐体を兼ねるように設置すれば、空間効率が向上し、装置縮小に寄与する。

本発明の実製品の適用は、上記の車両制御装置のみならず、例えば交流電動機を制御する汎用インバータ装置を寒冷地で使用する場合や、通信に用いられる光伝送装置を寒冷地で使用する場合など、寒冷地における半導体冷却装置へ広く応用が可能である。

以上述べた実施例においては、ヒートパイプの容器材料としては銅、作動液として水を用いているが、これに限定されるものではなく、ヒートパイプの容器材料及び作動液は如何なるものでもよい。また、吸熱ブロックと放熱フィンの材質も上記に限定されるものではなく、如何なるものでもよい。

１…ヒートパイプ、２…放熱フィン、３…吸熱ブロック、４…発熱体、５…第２のヒートパイプ部（長い方の凝縮部）、６…第１のヒートパイプ部（短い方の凝縮部）、７…中央ストレート部（蒸発部）、８…凝縮部が長いＵ字形状のヒートパイプ、９…凝縮部が短いＵ字形状のヒートパイプ、１０…長い方のＬ字状のヒートパイプ、１１…短い方のＬ字状のヒートパイプ、１２…プレス・かしめ加工部。

Claims (5)

1. ヒートパイプの一部が蒸発部として埋め込まれ、被冷却物である発熱体が取り付けられている吸熱ブロックと、前記ヒートパイプの他の一部が凝縮部として複数の放熱フィンが取り付けられたヒートパイプ式冷却装置において、
   前記ヒートパイプは、２箇所曲げ加工されてＪ字形状をなすヒートパイプであり、中央部が蒸発部としてのヒートパイプ部と、
   前記蒸発部としてのヒートパイプ部以外で、複数の放熱フィンが取り付けられた凝縮部としての第１のヒートパイプ部と、
   前記蒸発部としてのヒートパイプ部と第１のヒートパイプ部以外で、第１のヒートパイプ部よりも長く、第１のヒートパイプ部に取り付けられた放熱フィンよりも多くの放熱フィンが取り付けられている凝縮部としての第２のヒートパイプ部と、
   を具備し、
   前記ヒートパイプ部が、前記蒸発部としてのヒートパイプ部の所定位置で、プレス加工もしくはかしめ加工部で２つに分けられていることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
2. 請求項１に記載のヒートパイプ式冷却装置において、前記蒸発部としてのヒートパイプ部がストレート部からなることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載のヒートパイプ式冷却装置において、前記第１のヒートパイプ部と第２のヒートパイプ部がストレート部からなることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
4. 複数のヒートパイプが設置されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載のヒートパイプ式冷却装置において、前記凝縮部としての第１のヒートパイプ部と、第２のヒートパイプ部が交互の配置関係になるように吸熱ブロックに埋め込まれていることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
5. 車両を駆動する電動機を制御する制御装置において、前記制御装置の主回路である半導体を冷却するヒートパイプ式冷却装置として、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヒートパイプ式冷却装置を用いたことを特徴とする車両制御装置。

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