JPH0650355U - 半導体素子冷却用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】受熱ブロックに取り付けられた冷却風の上流側
の素子と下流側の素子の温度差を減らす。 【構成】受熱ブロック２の上下に貫設されたヒートパイ
プのうち、上半のヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内径
を、下半のヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの内径よりも
大きくする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、複数本のヒートパイプを内蔵した半導体素子冷却用ヒートシンクに 関する。

【０００２】

【従来の技術】

周知のように、半導体装置においては、電力変換器の高性能化のために、高速 スイッチング素子を使った高周波ＰＷＭ制御方式の採用が増え、半導体装置の大 容量化に伴い大容量の素子を並列にして用いられている。また、高周波ＰＷＭ制 御方式では、高速スイッチング素子間のリアクタンスを減らして、スイッチング で発生するサージ電圧を抑える必要があるので、高速スイッチング素子は互いに 近接して取り付けられている。

【０００３】 したがって、高速スイッチング素子で発生した熱は、局部的に集中するので、 この局部に集中した熱を冷やすために、従来から空冷式のヒートシンクが用いら れている。

【０００４】 図３は、従来の半導体素子冷却用ヒートシンク（以下、ヒートシンクという） の一例を示す図で、図３の左側面図を図４に示す。図３及び図４において、ヒー トシンク11は、図３の左側に示す略正方形の厚板の受熱ブロック２と、この受熱 ブロック２に対して、図３において右側から加工された平行な円柱状の穴に気密 に挿入され内部に冷媒として純水が注入されたヒートパイプ３Ａ１，３Ｂ１，３ Ｃ１，３Ｄ１，３Ｅ１，３Ｆ１と、これらのヒートパイプ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ １，３Ｄ１，３Ｅ１，３Ｆ１のうち、受熱ブロック２から突き出た部分に中間部 が挿着されたアルミニウム板材の長方形の複数枚の放熱フィン14で構成されてい る。このうち、受熱ブロック２の両面には、冷却対象となる同定格の高速スイッ チング素子（以下、素子という）５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄが図３において上下左 右に取り付けられている。

【０００５】 図５は、上述のヒートシンク11と各素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄでなる半導体 スタック12が電力変換装置の箱体７に収納された状態を示す右側面図、図６は図 ５の左側面図（すなわち、電力変換装置の正面図）である。

【０００６】 図５及び図６において、箱体７の前面には、二点鎖線で示す扉９が開閉自在に 取り付けられ、この扉９の下部には、図示しないエヤフィルタが着脱自在に取り 付けられた吸気口９ａが設けられ、箱体７の内部には、天井面の下部に、排気扇 ８が取り付けられている。

【０００７】 この排気扇８の下側には、図３で示した半導体スタック12が受熱ブロック２の 前端を扉９に近接させ後端をやや上向きにし、受熱ブロック２を縦にして、３個 前後方向に収納されている。

【０００８】 このように箱体７に配置収納された半導体スタック12においては、電力変換装 置の運転時には、吸気口９ａから矢印Ｄに示すように箱体７の内部に流入した冷 却空気が、半導体スタック12の放熱フィン14で加熱された後、排気扇８によって 矢印Ｅに示すように箱体７の上方に排出されることで冷却される。

【０００９】 一方、保守面においては、受熱ブロック２を扉９の直後に位置させることで、 保守・点検時には扉９を開いて、各素子を箱体の前面から容易に点検したり交換 できるように考慮されている。

【００１０】 さらに、素子の冷却と箱体７の実装密度の面においては、受熱ブロック２の両 面にそれぞれ４個の素子を取り付けることで、素子取付部と受熱部の小形化を図 るとともに、受熱ブロック２を箱体７の内部では縦にして取り付けることで、受 熱ブロック２の両面を流れる冷却空気による冷却条件を均一にして、各素子の冷 却温度が等しくなるように考慮されている。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、このように構成され箱体７の内部で冷却されるヒートシンク11にお いては、図３に示すヒートパイプのうち、図５において下端となるヒートパイプ ３Ｆ１はよく冷えるが、上方に位置するヒートパイプは、その下方のヒートパイ プと放熱フィン14で暖められた冷却空気で冷却される。すると、冷却温度が順に 上ってきて、最上位のヒートパイプ３Ａ１では温度が最高となる。したがって、 受熱ブロック２も下部は冷えるが上部になるほど冷えないので、素子５Ａ，５Ｃ と素子５Ｂ，５Ｄが並列に接続されて使われるときには、受熱ブロック２の上部 に取り付けられた素子５Ａ，５Ｃで電力変換装置の定格が決まって、電力変換装 置の定格容量が低下するおそれもある。

【００１２】 そこで、本考案の目的は、受熱ブロックに取り付けられた冷却風の上流側の素 子と下流側の素子の温度差を減らし、電力変換装置の定格の低下を防ぐことので きる半導体素子冷却用ヒートシンクを得ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】

本考案は、複数の半導体素子が取り付けられ縦に設置される受熱ブロックの端 面から列をなして突設された複数のヒートパイプに複数枚の冷却フィンの中間部 が挿着された半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、列をなすヒートパイプの うち、上半のヒートパイプの内径を大とし、列をなすヒートパイプのうち、下半 のヒートパイプの内径を小とすることで、冷却空気の上流側のヒートパイプで加 熱された冷却空気の下流側のヒートパイプへの影響による下流側のヒートパイプ の熱移送の低下を防いで、受熱ブロックに取り付けられた冷却風の上流側の素子 と下流側の素子の温度差を減らし、電力変換装置の定格の低下を防いだ半導体素 子冷却用ヒートシンクである。

【００１４】

【実施例】

以下、本考案の半導体素子冷却用ヒートシンクの一実施例を図面を参照して説 明する。但し、従来の図３及び図４と重複する部分には、同一符号を付して説明 を省く。

【００１５】 図１は、本考案のヒートシンク１を示す図、図２は、図１の左側面図である。 図１及び図２において、受熱ブロック２とヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ ，３Ｅ，３Ｆの取付関係及び受熱ブロック２と素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの取 付関係は、従来の図３及び図４と同一である。但し、受熱ブロック２の上方に位 置するヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの直径と受熱ブロック２の下方に位置する ヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの直径が従来のヒートシンクと異なっている。

【００１６】 すなわち、上側に位置するヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、図３で示す従来 のヒートパイプ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１よりも内外径が僅かに大きく、下側に位 置するヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆは、図３で示すヒートパイプ３Ｄ１，３Ｅ １，３Ｆ１よりも内外径が僅かに小さくなっている。したがって、放熱フィン４ は、ヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの貫通穴とヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの 貫通穴では直径が異っている。

【００１７】 このように構成されたヒートシンクにおいては、従来と同様、箱体の天井部に 排気扇が取り付けられた箱体の内部に収納されたときには、図５で示した吸気の 流れを示す矢印Ｄから矢印Ｅで示す排気の流れの経路において、最下部に位置す るヒートパイプ３Ｆは、従来と同様に吸気口９ａから箱体７の内部に矢印Ｄに示 すように吸入された冷却空気によって冷却され、以下、ヒートパイプ３Ｅ，３Ｄ ，３Ｃ，３Ｂ，３Ａは下位に位置するヒートパイプと冷却フィン14の下部で暖め られた冷却空気で冷却される。

【００１８】 しかし、本考案のヒートシンクにおいては、上側に位置するヒートパイプ３Ａ ，３Ｂ，３Ｃの直径が大きく、受熱部２で気化する水蒸気の量が増え、受熱部２ からヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの図３において右側に移送される熱移送量を 増やすことができるので、ヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの両端の温度差を減ら すことができ、たとえ、下方に位置するヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの影響で 冷却温度が上っても、熱移送量の低下を防ぐことができる。

【００１９】 したがって、上側のヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃと、下側のヒートパイプ３ Ｄ，３Ｅ，３Ｆで冷却される受熱ブロック２は、上半と下半がほぼ均等に冷却さ れるので、上下に位置する素子５Ａ，５Ｃと素子５Ｂ，５Ｄの温度差を減らすこ とができる。

【００２０】 なお、上記実施例においては、上側に位置するヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ の内外径を従来のヒートパイプの内外径よりも僅かに大きく、下側に位置するヒ ートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの内外径を従来のヒートパイプの内外径よりも僅か に小さいときで説明したが、下側のヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆは、従来と同 一径とし、上側のヒートパイプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内外径を大としてもよい。又 、逆に、下側のヒートパイプ３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの内外径だけを従来のヒートパイ プよりも小としてもよい。

【００２１】 また、上下のヒートパイプは、外径を同一とし、内径だけを変えてもよい。こ の場合には、放熱フィン14に形成されるヒートパイプの貫通穴を上下同一とする ことができるので、加工時間の増加を抑えることができる利点がある。

【００２２】 さらに、上下のヒートパイプの内外径の違いは、二種類としたが、上下のヒー トパイプを下から上に順に大きくしてもよい。また、上記実施例では、受熱ブロ ックを箱体内に縦に取り付けたときで説明したが、横に取り付けられて冷却空気 が横から強制通風されるときでも、内径が小さいヒートパイプを冷却空気の上流 側とすることで同様に対応することができる。

【００２３】

【考案の効果】

以上、本考案によれば、複数の半導体素子が取り付けられ縦に設置される受熱 ブロックの端面から列をなして突設された複数のヒートパイプに複数枚の冷却フ ィンの中間部が挿着されたヒートシンクにおいて、列をなすヒートパイプのうち 、上半のヒートパイプの内径を大とし、列をなすヒートパイプのうち、下半のヒ ートパイプの内径を小とすることで、冷却空気の上流側のヒートパイプで加熱さ れた冷却空気に上る下流側のヒートパイプへの影響による下流側のヒートパイプ の熱移送の低下を防いだので、受熱ブロックに取り付けられた冷却風の上流側の 素子と下流側の素子の温度差を減らすことのできる半導体素子冷却用ヒートシン クを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の半導体素子冷却用ヒートシンクの一実
施例を示す図。

【図２】図１の左側面図。

【図３】従来の半導体素子冷却用ヒートシンクの一例を
示す図。

【図４】図３の左側面図。

【図５】従来の半導体素子冷却用ヒートシンクが収納さ
れた電力変換装置の箱体を示す右側面図。

【図６】図５の左側面図。

【符号の説明】

１…ヒートシンク、２…受熱ブロック、３Ａ，３Ｂ，３
Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ…ヒートパイプ、４…放熱フィ
ン、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ…半導体素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体素子が取り付けられ縦に設
   置される受熱ブロックの端面から列をなして突設された
   複数のヒートパイプに複数枚の冷却フィンの中間部が挿
   着された半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、前記
   列をなすヒートパイプのうち、上半のヒートパイプの内
   径を大とし、前記列をなすヒートパイプのうち、下半の
   ヒートパイプの内径を小としたことを特徴とする半導体
   素子冷却用ヒートシンク。