JP2000232191A - ヒートパイプ式冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡潔な構造であって、かつヒートパイプのフ
ィンに対して充分な冷却風を送ることで、効果的な冷却
効果を得ることができるヒートパイプ式冷却装置を提供
することである。 【解決手段】 半導体素子２と、半導体素子２が装着さ
れ、半導体素子２のヒートシンクとなりうるブロック１
と、ブロック１に連設され内部に冷媒が封入されたヒー
トパイプ３と、を組み合わせてなる半導体素子スタック
４と、複数個の半導体素子スタック４の、各々のヒート
パイプ３を１つにまとめて囲む風胴５３と、よりなるヒ
ートパイプ式冷却装置Ｗ１であって、風胴５３の吸気部
と排気部の一方、若しくは双方がラッパ状に広げられた
構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電鉄変電所用ヒ
ートパイプ自冷式変換器等に用いられるヒートパイプ式
冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】変電所などで用いられる変換器に利用さ
れる半導体素子を冷却するための方法や装置について、
今までにも様々な提案がなされている。そして、以前は
直接水冷方式による冷却も行われていたが、ヒートパイ
プを使用する事により安価な通風方式でも効果的な冷却
作用が得られるようになり、やがて様々なヒートパイプ
式冷却装置が提案されるようになった。

【０００３】この従来のヒートパイプ冷却装置として
は、例えば特公平８−２８４４５号公報では強制風冷を
行うようにしたヒートパイプ方式が開示されている。こ
のヒートパイプ冷却装置について、図面を参照しつつ簡
単に説明する。

【０００４】図５は、この特公平８−２８４４５号公報
に示された、従来のヒートパイプ式冷却装置Ｘ１の構造
を示す断面図であり、図中１はヒートパイプブロック、
２は半導体素子、３はヒートパイプ、３１はヒートパイ
プフィン、７は冷媒、５１はヒートパイプ３全体を覆う
風胴、６はファンを示す。

【０００５】このヒートパイプ冷却装置Ｘ１の動作につ
いて、以下に説明する。まず、ヒートパイプブロック１
に取り付けられた半導体素子２に通電されると、半導体
素子２の内部抵抗により半導体素子２が発熱する。この
熱がヒートパイプブロック１を経てヒートパイプ３に伝
わり、ヒートパイプ３内部の冷媒７が加熱される。加熱
された冷媒７は沸騰或いは蒸発して気化し、ヒートパイ
プ３の上方に移動する。

【０００６】一方、ファン６により風胴５内部は強制通
風されており、その風によって、ヒートパイプフィン３
１は常に冷却されているので、ヒートパイプ３の上部は
常に冷却されていることになる。

【０００７】そして、下方から移動してきた気化した冷
媒が、このヒートパイプ３の壁面で熱交換することによ
り凝縮液化し、ヒートパイプ３の内壁面に沿って再び下
方に移動する。そして冷却された冷媒７は、再び上述の
ように、発熱した半導体素子２の熱を奪い、これを冷却
するのである。

【０００８】このように、冷却はヒートパイプフィン３
１をファン６による強制通風が通過する事により行わ
れ、熱はヒートパイプフィン３１から放散される。ま
た、ヒートパイプフィン３１に確実に風が通るように、
ヒートパイプ３を風胴５で囲んでいるのである。

【０００９】しかし、このようにヒートパイプ３全体を
風胴５で覆うことにより、風胴３１に生じた風がヒート
パイプフィン３１同士の隙間やヒートパイプ３同士の間
隙を通らずに、ヒートパイプ３と風胴５の壁面との間を
通ってしまい、その結果このヒートパイプ式冷却装置Ｘ
１だと、必ずしも予期した通りの冷却効果を得ることが
できなかった。

【００１０】また、各ヒートパイプ３に充分な風が当た
るように工夫したものとしては、実開昭５８−１９５４
５１号公報において従来例として開示された冷却装置が
ある。そこで、この冷却装置について簡単に説明する。

【００１１】図６はこの昭５８−１９５４５１号公報に
おいて従来例として開示されたヒートパイプ式冷却装置
Ｘ２の構造を示す図であり、図６（ａ）はヒートパイプ
式冷却装置Ｘ２の背面図、図６（ｂ）はヒートパイプ式
冷却装置Ｘ２の平面図である。また、図６中において、
１はヒートパイプブロック、２は半導体素子、３はヒー
トパイプ、３１はヒートパイプフィン、４はヒートパイ
プブロック１と半導体素子２とヒートパイプ３を組み合
わせた半導体素子スタック、５２はヒートパイプ３各々
を仕切っている風胴である。

【００１２】この冷却装置の動作について説明すると、
まず、ヒートパイプブロック１に取り付けられた半導体
素子２に通電されると、半導体素子２の内部抵抗により
半導体素子２が発熱する。この熱がヒートパイプブロッ
ク１を経てヒートパイプ３に伝導し、ヒートパイプフィ
ン３１から放熱される。

【００１３】風胴５２は各ヒートパイプ３を囲う煙突状
の筒となって、各ヒートパイプ３を仕切っているので、
ヒートパイプフィン３１からの放熱によりその周囲の空
気が加熱される。加熱された空気は、そのまま自然に風
胴５２内部を上方へ流れ出し、やがて上部の排気部から
抜け出す。それに伴い、風胴５２下部の吸入部から冷た
い空気が流入してくることにより、風胴５２内で下方か
ら上方へ向かう空気の流れが自然発生する。つまり、常
に下方から冷たい空気が流入することで、ヒートパイプ
フィン３１も常に冷却されることになる。

【００１４】しかし、このようにヒートパイプ３個々を
風胴５２で覆うことにより、風胴５２内部に生じた風が
フィン３１同士の隙間を通らずに、ヒートパイプ３と風
胴５２の壁面の間を通ってしまい、その結果、このヒー
トパイプ式冷却装置Ｘ２だと、必ずしも予期した通りの
冷却効果を得ることができなかった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のヒ
ートパイプ式冷却装置であれば、ヒートパイプ周囲に設
けた風胴内部に充分な風が入らなかったり、また風胴内
部に強制通風してもヒートパイプに充分な冷却風が当た
らないし、同時に強制通風のための設備が余分に必要で
ある、等の理由により、充分な冷却効果を得ることが出
来なかった。

【００１６】そこで、本発明はこのような状況に鑑みて
なされたものであり、その目的は、構造は簡潔なものと
し、かつヒートパイプのフィンに対して充分な冷却風を
送ることで、効果的な冷却効果を得ることができるヒー
トパイプ式冷却装置を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決する為
に、本発明の請求項１に係るヒートパイプ式冷却装置で
は、半導体素子と、前記半導体素子が装着され、前記半
導体素子のヒートシンクとなりうるブロックと、前記ブ
ロックに連設されたヒートパイプと、を組み合わせてな
る半導体素子スタックと、前記半導体素子スタックのヒ
ートパイプ全体をまとめて囲む１つの風胴と、よりなる
ヒートパイプ式冷却装置であって、前記風胴の吸気部と
排気部の一方、若しくは双方がラッパ状に広げられたこ
と、を特徴とする。

【００１８】また、本発明の請求項２に係るヒートパイ
プ式冷却装置では、半導体素子と、前記半導体素子が装
着され、前記半導体素子のヒートシンクとなりうるブロ
ックと、前記ブロックに連設されたヒートパイプと、を
組み合わせてなる半導体素子スタックと、前記半導体素
子スタックのヒートパイプを、１つ１つを独立して囲ん
だ風胴と、よりなるヒートパイプ式冷却装置であって、
前記風胴各々の吸気部と排気部の一方、若しくは双方が
ラッパ状に広げられたこと、を特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るヒートパイプ
式冷却装置について図面を参照しながら説明する。尚、
ここで示す実施の形態はあくまでも一例であって、必ず
しもこの実施の形態に限定されるものではない。

【００２０】実施の形態１．まず、本発明の請求項１に
係るヒートパイプ式冷却装置Ｗ１について、図面を参照
しつつ説明する。

【００２１】図１（ａ）は本発明に係るヒートパイプ式
冷却装置Ｗ１の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ
−Ａ線によるヒートパイプ式冷却装置Ｗ１の断面図、図
１（ｃ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ線によるヒートパイプ
式冷却装置Ｗ１の断面図である。そしてこれらの図中に
おいて、１はヒートパイプブロック、２は半導体素子、
３はヒートパイプ、３１はヒートパイプフィン、４はヒ
ートパイプブロック１と半導体素子２とヒートパイプフ
ィン３を組み合わせた半導体素子スタック、５３は半導
体スタック４のヒートパイプ３全体を囲むように配置さ
れ、かつ下部の吸気部をラッパ状に広げた風胴である。

【００２２】このヒートパイプ式冷却装置の動作につい
て説明する。まず、ヒートパイプブロック１に取り付け
られた半導体素子２に通電されると、半導体素子２の内
部抵抗により半導体素子２が発熱する。この熱がヒート
パイプブロック１を経てヒートパイプ３に伝わり、ヒー
トパイプ３が加熱され、それに伴い、ヒートパイプフィ
ン３１も加熱される。

【００２３】ヒートパイプフィン３１が加熱されると、
その周囲の空気も加熱される。そして加熱された空気は
自然と上昇し、風胴内部の上方から外部へと流れ出てい
く。すると、風胴の下方から新しい、冷たい空気が自然
に流れ込んでくる。

【００２４】このような空気の流れが自然と発生するの
で、常にヒートパイプフィン３１の冷却が可能となるの
であるが、本実施の形態では、風胴の下部である吸気部
をラッパ状に広げる、という工夫をしているので、流入
する空気量を増やすことができ、即ち自然風が風胴内に
入り易くなり、従来のヒートパイプ式冷却装置のよう
に、自然風が圧力損失の小さい風胴外部を流れる不具合
も防止出来、また冷却効果を向上させることも出来るよ
うになり、好適である。

【００２５】尚、ここでは図示していないが、風胴の下
方にファンを設け、このファンにより風胴内部を強制通
風することで高い冷却効果を得ることも考えられ、この
場合であれば、風胴下方がラッパ状であることから、よ
り高い冷却効果を得ることが考えられる。

【００２６】実施の形態２．先述した第１の実施の形態
では、風胴５３の構造として、下方をラッパ状に広げた
ものとしたが、この第２の実施の形態では、図２に示す
ように、風胴５４上部である排気部をラッパ状に広げる
ことにより、今度は自然風の排気を容易とした、ヒート
パイプ式冷却装置Ｗ２とした。

【００２７】風胴の形状をこのようにして、自然風の排
気を容易とすることにより、自然風の風胴内への流入も
容易なものとなる。つまり、風胴内から短期の間に大量
の空気を排出することにより、短期の間に大量の空気が
流入するのである。

【００２８】そして、短期の間に大量の空気が流入する
ことにより、即ち自然風が風胴内に入り易くなること
で、従来のヒートパイプ式冷却装置のように、自然風が
圧力損失の小さい風胴外部を流れる不具合も防止出来、
また冷却効果を向上させることも出来るようになり、好
適である。

【００２９】さらにまた、風胴上部が長くなった事によ
り、煙突効果がよりよくなり、即ち風速が上がる事によ
り、より冷却効果を高める事が出来るので、好ましい。

【００３０】また、ここでは図示及び詳述はしないが、
第１の実施の形態又は第２の実施の形態において、風洞
５３又は風洞５４の吸気部及び排気部を共にラッパ状と
することにより、より一層冷却効果を向上させることも
考えられる。さらに、ヒートパイプ３内部に冷媒を封入
することにより、より効果的な冷却を行うことも考えら
れる。

【００３１】実施の形態３．上述した第１の実施の形
態、及び第２の実施の形態では、風胴５３、風胴５４を
ヒートパイプ３全体を囲むように構成したが、この第３
の実施の形態では、図３に示すように、各々のヒートパ
イプ３を風胴５５で囲み、かつ風胴５５下部の吸気部を
ラッパ状に広げた、ヒートパイプ冷却装置Ｗ３とした。

【００３２】このような構成とすることにより、ヒート
パイプ３それぞれに対して確実に冷たい自然風を吸い込
み、当てることが可能となる。即ち、１本のヒートパイ
プ３に対して１つの独立した風胴５５を設けることによ
り、より確実に、各ヒートパイプ３を冷却することとな
り、しかも風胴５５の形状は下方がラッパ状に広げられ
ていることから冷たい自然風が吸い込みやすくなってお
り、ひいては、より高い冷却効果を得ることが出来るの
である。

【００３３】実施の形態４．上述した第３の実施の形態
では、夫々のヒートパイプ３に対して、下部の吸気部を
ラッパ状に広げた風胴５５を個々に与えることで各々の
ヒートパイプ３をより効果的に冷却しようとしたが、こ
の第４の実施の形態では、図４に示すように、風胴５６
の上部の排気部をラッパ状に広げたヒートパイプ式冷却
装置Ｗ４とした。

【００３４】このような風胴の形状とすることにより、
自然風の風胴内への流入も容易なものとし、またこの風
胴を各ヒートパイプ３ごとに独立して設けたので、各ヒ
ートパイプ３の冷却効果を高くすることができ、好適で
ある。また風胴上部が長くなった事により、煙突効果が
よりよくなり、風速が上がる事により、より冷却効果を
高める事が出来る。

【００３５】また、ここでは図示及び詳述はしないが、
第３の実施の形態又は第４の実施の形態において、風洞
５５又は風洞５６の吸気部及び排気部を共にラッパ状と
することにより、より一層冷却効果を向上させることも
考えられる。さらに、ヒートパイプ３内部に冷媒を封入
することにより、より効果的な冷却を行うことも考えら
れる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１のヒートパイプ式冷却装置によ
れば、半導体素子スタックの各々のヒートパイプをまと
めて囲む風胴の上部又は下部の何れか一方若しくは双方
をラッパ状としたので、自然風の風胴内への流入が容易
となり、その結果ヒートパイプの冷却効果を高めること
ができ、また自然風が圧力損失の小さい風胴外部を流れ
る不具合も防止出来るようになり、好適である。

【００３７】請求項２のヒートパイプ式冷却装置によれ
ば、半導体素子スタックの各々のヒートパイプを１つ１
つ独立して囲む風胴の上部又は下部の何れか一方若しく
は双方をラッパ状としたので、自然風の風胴内への流入
が容易となり、その結果ヒートパイプの冷却効果を高め
ることができ、また自然風が圧力損失の小さい風胴外部
を流れる不具合も防止出来るようになり、好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ） 本発明の第１の実施の形態に係るヒー
トパイプ式冷却装置の平面図である。 （ｂ） （ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 （ｃ） （ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図２】（ａ） 本発明の第２の実施の形態に係るヒー
トパイプ式冷却装置の平面図である。 （ｂ） （ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 （ｃ） （ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。

【図３】（ａ） 本発明の第３の実施の形態に係るヒー
トパイプ式冷却装置の平面図である。 （ｂ） （ａ）におけるＥ−Ｅ断面図である。 （ｃ） （ａ）におけるＦ−Ｆ断面図である。

【図４】（ａ） 本発明の第４の実施の形態に係るヒー
トパイプ式冷却装置の平面図である。 （ｂ） （ａ）におけるＧ−Ｇ断面図である。 （ｃ） （ａ）におけるＨ−Ｈ断面図である。

【図５】 従来のヒートパイプ式冷却装置の構造を示す
断面図である。

【図６】（ａ） 従来の別のヒートパイプ式冷却装置の
背面図である。 （ｂ） 従来の別のヒートパイプ式冷却装置の平面図で
ある。

【符号の説明】

１ ヒートパイプブロック、２ 半導体素子、３ ヒー
トパイプ、３１ ヒートパイプフィン、４ 半導体素子
スタック、５１ 風胴、５２ 風胴、５３ 風胴、５４
風胴、５５ 風胴、５６ 風胴、６ ファン、７ 冷
媒、Ｗ１ ヒートパイプ式冷却装置、Ｗ２ ヒートパイ
プ式冷却装置、Ｗ３ ヒートパイプ式冷却装置、Ｗ４
ヒートパイプ式冷却装置、Ｘ１ ヒートパイプ式冷却装
置、Ｘ２ ヒートパイプ式冷却装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子と、 前記半導体素子が装着され、前記半導体素子のヒートシ
   ンクとなりうるブロックと、 前記ブロックに連設されたヒートパイプと、 を組み合わせてなる半導体素子スタックと、 前記半導体素子スタックのヒートパイプ全体をまとめて
   囲む１つの風胴と、よりなるヒートパイプ式冷却装置で
   あって、 前記風胴の吸気部と排気部の一方、若しくは双方がラッ
   パ状に広げられたことを特徴とする、 ヒートパイプ式冷却装置。
2. 【請求項２】 半導体素子と、 前記半導体素子が装着され、前記半導体素子のヒートシ
   ンクとなりうるブロックと、 前記ブロックに連設されたヒートパイプと、を組み合わ
   せてなる半導体素子スタックと、 前記半導体素子スタックのヒートパイプを、１つ１つを
   独立して囲んだ風胴と、よりなるヒートパイプ式冷却装
   置であって、 前記風胴各々の吸気部と排気部の一方、若しくは双方が
   ラッパ状に広げられたことを特徴とする、 ヒートパイプ式冷却装置。