JP3936613B2 - ヒートシンクおよび該ヒートシンクからなる素子冷却器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器、電力機器に搭載される半導体素子などの小型部品、サイリスタ、インバータ、ＩＧＢＴなど、変電用機器、車両用電源装置に用いられる大型部品を冷却するためのヒートシンク、詳しくはヒートパイプ式ヒートシンクおよび該ヒートシンクからなる素子冷却器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートシンク式ヒートパイプは、図５に示すように、ヒートパイプ４に直角方向に多数の放熱フィン５を取り付け、これを発熱体６に取り付けた受熱ブロック７に鉛直に突出して設けてなるもので、熱は、発熱体６から受熱ブロック７へ伝達され、ヒートパイプ４の吸熱側から放熱側へ移動し、放熱フィン５を介して外気へ放出される。
【０００３】
このヒートパイプ式ヒートシンク３は、放熱フィン５が取り付けられて放熱面積が大きく採れるため、装置を小型化することが可能となるが、放熱フィン５はヒートパイプ４に対して直角に取り付けられているために、ヒートパイプ４が鉛直になるようにヒートシンクを設置すると、放熱フィン５が水平となるため、放熱フィン５の温度上昇により温められた外気の上方への移動が妨げられ、対流が円滑に行われずヒートシンクの放熱効率を損なうという難点がある。
【０００４】
この難点を解決するために、図６に示すように、ヒートパイプ４を鉛直に配設し、ヒートパイプ４に対して傾斜して取り付けられた放熱フィン５を有するヒートシンク２が提案されている（特開２０００−２８３６７０号公報）。提案のヒートシンク２においては、放熱フィン５が傾斜して配置されることにより温められた外気が上昇し易くなり対流がより円滑に行われるようになる。
【０００５】
しかしながら、上記提案のヒートシンク２においても、設置態様によっては温められた外気の移動、対流、放熱フィンへの空気の流入が十分に行われないことがあり、また、上方へ移動する発熱体６自身からの熱を直接放熱フィン５が受けることとなるため、発熱体６の熱が受熱ブロック７へ伝達され、ヒートパイプ４の吸熱側から放熱側へ移動し、放熱フィン５を介して外気へ放出されるという本来のヒートパイプ式ヒートシンクの作用が十分行われず、熱交換性能の面でさらに改善の余地があることが判明した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ヒートパイプ式ヒートシンクにおける熱交換性能をさらに改善するためになされたものであり、その目的は、温められた外気の移動、対流、放熱フィンへの新しい空気の流入をより円滑に行うことができ、一層優れた放熱効率を達成することを可能とするヒートシンクおよび該ヒートシンクからなる素子冷却器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１によるヒートシンクは、発熱体を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロックと、該一対の受熱ブロックのうち一方の受熱ブロックから鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、他方の受熱ブロックから前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプと互いに平行に突出する複数本のヒートパイプと、これらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィンから構成され、前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと前記他方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンとはそれぞれより鉛直方向に傾く方向にヒートパイプと直角な方向に対してβ：５°〜３０°の角度傾斜して互いに平行に取り付けらるとともに、発熱体の上方には放熱フィンの間に空間が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２によるヒートシンクは、発熱体を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロックと、該一対の受熱ブロックのうち一方の受熱ブロックから鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、他方の受熱ブロックから鉛直方向に対して前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプとは反対方向に鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、これらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィンから構成され、前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと前記他方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンとはそれぞれ発熱体側から外方に向けてヒートパイプと直角な方向に対してβ：５°〜３０°の角度下方に傾斜して取り付けらるとともに、発熱体の上方には放熱フィンの間に空間が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３による素子冷却器は、請求項１または２記載のヒートシンクが複数並設されてなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のヒートシンク１におけるヒートパイプと放熱フィンの配置例は、図１に示すように、発熱体６に取り付けられた受熱ブロック７と受熱ブロック７から突出するヒートパイプ４とヒートパイプ４に取り付けられた放熱フィン５から構成されるヒートパピイプ式ヒートシンクにおいて、ヒートパイプ４が受熱ブロック７鉛直方向に対してαの角度傾斜して突出し、放熱フィン５がより鉛直方向に傾く方向にヒートパイプと直角な方向に対し てβの角度傾斜して取り付けらる。
【００１１】
角度αおよびβは、使用態様や設置場所に応じて、０°を超え４５°以下とすることができるが、αおよびβを５°〜３０°の角度とするのが、自然対流の促進により、放熱効率を大きくするのにより効果的である。ヒートパイプ４が鉛直方向から傾斜して配設されているから、発熱体６の上方に放熱フィン５が位置していないため、発熱体６自身からの熱を直接放熱フィン５が受けることがなく、放熱フィン５には新鮮な空気が流入して冷却効果を高めることができ、発熱体６の熱は受熱ブロック７へ伝達され、ヒートパイプ４の吸熱側から放熱側へ移動し、放熱フィン５を介して外気へ放出されるという本来のヒートパイプ式ヒートシンクの作用が行われ、熱交換性能が向上する。
【００１２】
ヒートシンクは多数並設して素子冷却器を構成する。以下、素子冷却器の実施形態について説明する。図２（ａ）は、第１の実施形態に係る素子冷却器の主要部を示す正面図、図２（ｂ）は、同じく側面図である。
【００１３】
この実施形態において、素子冷却器１０を構成するヒートシンクは、発熱体６を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂと一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂからそれぞれ突出する３本のヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 とこれらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィン５Ａ、５Ｂからなり、放熱フィン５Ａ、５Ｂがヒートパイプと直角な方向に対して同方向にβの角度傾斜して取り付けられ、ヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 は、放熱フィン５Ａ、５Ｂがさらに鉛直方向に近い状態に傾くように、鉛直方向から同方向にαの角度傾斜して配設されている。
【００１４】
図２（ｂ）に示すように、上記の構成のヒートシンク１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは、前後に並設され、前後のヒートシンク１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは互いに基部から上端に向かって開くように形成され、合計８個のヒートシンクによって素子冷却器１０が構成されている。図２の構成においては、ヒートシンクを並列させても、放熱フィンには新鮮な空気を流入させることができるから、ヒートシンク間の間隙を小さくして設置面積を抑えることが可能となる。
【００１５】
図３（ａ）は、第２の実施形態に係る素子冷却器の主要部を示す正面図、図３（ｂ）は、同じく側面図である。
【００１６】
この実施形態において、素子冷却器１１を構成するヒートシンクは、発熱体６を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂと一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂからそれぞれ突出する３本のヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 とこれらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィン５Ａ、５Ｂからなり、放熱フィン５Ａ、５Ｂがヒートパイプと直角な方向に対して同方向にβの角度傾斜して取り付けられ、ヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 は、放熱フィン５Ａ、５Ｂがさらに鉛直方向に近い状態に傾くように、鉛直方向から同方向にαの角度傾斜して配設されいる。
【００１７】
図３（ｂ）に示すように、上記の構成のヒートシンク１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄが前後に並設され、前後のヒートシンク１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄは互いに平行に形成され、合計８個のヒートシンクによって素子冷却器１１が構成されている。図３の構成においては、ヒートシンクを並列させても、放熱フィンには新鮮な空気を流入させることができるから、ヒートシンク間の間隙を小さくして設置面積を抑えることが可能となる。
【００１８】
本発明によるヒートシンクは、図４に示すような構成とすることもできる。すなわち、図４はその側面図を示すものであるが、ヒートシンク１２Ａは、発熱体６を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂと一対の受熱ブロック７Ａ、７Ｂからそれぞれ突出する１本または複数本のヒートパイプ、例えば３本のヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 と該ヒートパイプに取り付けられた放熱フィン５Ａ、５Ｂから構成され、放熱フィン５Ａ、５Ｂが、発熱体６側から外方に向けて下方に傾斜して取り付けられ、ヒートパイプ４ａ1 、４ｂ1 、４ｃ1 および４ａ2 、４ｂ2 、４ｃ2 は、放熱フィン５Ａ、５Ｂがさらに鉛直方向に近い状態に傾くように、鉛直方向から互いに反対方向に傾斜して配設されいる。放熱フィン５Ａ、５Ｂの傾斜角度は、ヒートパイプと直角な方向に対してβの角度であり、ヒートパイプの傾斜角度は鉛直方向に対してαの角度である。図４において、８は凍結防止用のヒータである。
【００１９】
上記の構成のヒートシンク１２Ａを、図２〜３に示すように複数個並列させることによって素子冷却器を構成する。この形態においても、ヒートシンク間の間隙を小さくした場合でも放熱フィンには新鮮な空気を流入させることができるから、第１〜２の実施形態と同様、設置面積を抑えることが可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、温められた外気の移動、対流、放熱フィンへの新しい空気の流入をより円滑に行うことができ、一層優れた放熱効率を達成することを可能とするヒートシンクが提供され、このヒートシンクを用いることにより設置面積を抑えた効率の良い素子冷却器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のヒートシンクにおけるヒートパイプと放熱フィンの配置例を示す側面図である。
【図２】 本発明の素子冷却器の実施例を示す正面図、側面図である。
【図３】 本発明の素子冷却器の他の実施例を示す正面図、側面図である。
【図４】 本発明のヒートシンクの他の実施例を示す側面図である。
【図５】 従来のヒートシンクを示す側面図である。
【図６】 従来のヒートシンクを示す側面図である。
【符号の説明】
１ 本発明のヒートシンク
２ 従来のヒートシンク
３ 従来のヒートシンク
４ ヒートパイプ
４a1 ヒートパイプ
４b1 ヒートパイプ
４c1 ヒートパイプ
４a2 ヒートパイプ
４b2 ヒートパイプ
４c2 ヒートパイプ
５ 放熱フィン
５Ａ 放熱フィン
５Ｂ 放熱フィン
６ 発熱体
７ 受熱ブロック
７Ａ 受熱ブロック
７Ｂ 受熱ブロック
８ 凍結防止用ヒータ
１０ 素子冷却器
１０Ａ ヒートシンク
１０Ｂ ヒートシンク
１０Ｃ ヒートシンク
１０Ｄ ヒートシンク
１１ 素子冷却器
１１Ａ ヒートシンク
１１Ｂ ヒートシンク
１１Ｃ ヒートシンク
１１Ｄ ヒートシンク

Claims (3)

1. 発熱体を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロックと、該一対の受熱ブロックのうち一方の受熱ブロックから鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、他方の受熱ブロックから前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプと互いに平行に突出する複数本のヒートパイプと、これらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィンから構成され、前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと前記他方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンとはそれぞれより鉛直方向に傾く方向にヒートパイプと直角な方向に対してβ：５°〜３０°の角度傾斜して互いに平行に取り付けらるとともに、発熱体の上方には放熱フィンの間に空間が形成されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 発熱体を挟んで取り付けられた一対の受熱ブロックと、該一対の受熱ブロックのうち一方の受熱ブロックから鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、他方の受熱ブロックから鉛直方向に対して前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプとは反対方向に鉛直方向に対してα：５°〜３０°の角度傾斜してそれぞれ平行に突出する複数本のヒートパイプと、これらのヒートパイプに取り付けられた放熱フィンから構成され、前記一方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと前記他方の受熱ブロックから突出する複数本のヒートパイプに取り付けられた放熱フィンとはそれぞれ発熱体側から外方に向けてヒートパイプと直角な方向に対してβ：５°〜３０°の角度下方に傾斜して取り付けらるとともに、発熱体の上方には放熱フィンの間に空間が形成されていることを特徴とするヒートシンク。
3. 請求項１または２記載のヒートシンクが複数並設されてなることを特徴とする素子冷却器。

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