JP4142334B2 - 電気絶縁型ヒートパイプ冷却器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子機器などの冷却に用いられる改良された電気絶縁型ヒートパイプ冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や電子機器の蒸発部の冷却にはヒートパイプ式冷却器が用いられている。このヒートパイプ式冷却器は、熱を集合または分散するためのブロック（即ち、ヒートシンク）に孔をあけてヒートパイプを挿入し、この部分を蒸発部とし、凝縮部にフィンを設けて放熱部とし、ブロック部の熱を放熱部により放熱するものである。そして、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部の熱流束変換のため、伝熱管長比を変更したり、蒸発部と凝縮部の管径を変化させたものである。また近年サイリスタ等の加工技術が向上して半導体素子の大容量化が進み、例えば鉄道車輛用として使用されるようになった。鉄道車輛用の場合のような安全性が重要視される環境においては接触する虞のある場所は電気的に絶縁しておくことが望ましく蒸発部と凝縮部の間に電気絶縁部を設けたものが用いられる。
【０００３】
例えば、図１９に示すように、銅などの熱伝導性の良いブロック２０５に１個または２個以上の管状の孔を設けてこの孔を蒸発部とし、管に多数のフィン２０６を設けて凝縮部管体とし、この蒸発部２０２と凝縮部２０４の間をアルミナ、セラミックスなどの絶縁体２０３と中間体２０９で接続し内部に絶縁性のフロンＲ１１３などの作動液２０８を封入して絶縁型ヒートパイプ冷却器２０１としたものである。なお、上記従来例では、ブロックそのものをヒートパイプの蒸発部としているが、１本１本独立したヒートパイプをブロックに設けられた孔に挿入してもよいことは言うまでもない。図２０は、従来の絶縁体を示す図である。図２０に示すように、絶縁体２０３は、アルミナ、セラミックス等からなる内孔を備えた管状体２１０であり、内壁２１１は、凹凸の無い平らな円筒形状を有している。
【０００４】
上述した作動液として、従来、比較的作動安定性のよいフロン（クロロフルオロカーボン、以下「ＣＦＣ」という）があり、例えば、通常使用温度範囲の−３０〜１００℃では、ＣＦＣ−１１（ＣＣｌ3Ｆ）、ＣＦＣ−１２（ＣＣｌ2Ｆ2）、ＨＣＦＣ−２１（ＣＨＣｌ2Ｆ）、ＨＣＦＣ−２２（ＣＨＣｌＦ2）、ＣＦＣ−１１３（ＣＣｌ2Ｆ・ＣＣｌＦ2）などが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、ＣＦＣには、次の問題点がある。
即ち、大気中に排出されるＣＦＣガスが成層圏まで拡散し、成層圏のオゾン層を破壊し、これが地上の紫外線量を増大させることが重大な環境問題となっている。このためＣＦＣの生産量および使用量の規制がなされている。
１００℃以上の温度で使用するとＣＦＣが分解して変質し、ヒートパイプの性能が劣化するため、長期にわたって安定性が良く寿命の永いものができない。また、作動温度が高い場合、ヒートパイプ内で器壁とＣＦＣの間で化学反応が起こり、容器内面が酸化または腐食することがある。
【０００６】
従来の沸騰冷却器にかわる、次の要件を満たす環境にやさしい素子冷却器の要求が強くなっている。
１）自然冷却方式であること、２）冷媒（作動液）はオゾン破壊のない、温暖化係数の少ない環境にやさしいこと、３）電気絶縁性の大きいこと、４）低温起動特性に優れていること。
【０００７】
従って、この発明の目的は、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、電気絶縁性作動液の代わりに、所定量の非電気絶縁性作動液、例えば水、を用い、ヒートパイプの発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体を管状体で形成し、管状体の内壁に付着する非電気絶縁性作動液を液切れさせることができる形状の溝部を備えることによって、非電気絶縁性作動液が蒸発・凝縮して、電気絶縁体を通過しても、電気絶縁体の絶縁性を維持することができることが判明した。特に、ヒートパイプの非作動時に凝縮部内の所定部位にのみ滞留する量の非電気絶縁性作動液をヒートパイプのコンテナ内に封入することによって、より効果的に、電気絶縁体の絶縁性を維持することができることが判明した。
【０００９】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液とを備えた、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第２の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体は管状体からなっており、前記管状体の内壁に付着した前記非電気絶縁性作動液の液切れ作用を備えた溝部を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第３の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部は、蛇腹（螺旋）形状からなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第４の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部は、相互に平行な複数個の溝部からなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第５の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部が傾斜面を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第６の態様は、前記管状体の内壁の前記傾斜面を備えた前記溝部の傾斜方向が前記内壁の上半部と下半部とで異なっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１５】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第７の態様は、前記管状体の内壁の中央部に少なくとも１つの肉厚部を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１６】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第８の態様は、前記管状体の内壁の中央部に１つの肉厚部を備えており、前記肉厚部の両端部に隣接して溝部が設けられている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第９の態様は、前記管状体の内壁にＯリングを備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１８】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１０の態様は、前記蒸発部および前記凝縮部の前記電気絶縁体側の端部の大きさが縮小され、前記管状体の内壁の大きさよりも小さい電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１９】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１１の態様は、前記蒸発部の内壁に沿ってメッシュが備えられている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１２の態様は、前記蒸発部の内部全体にメッシュが配置されている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１３の態様は、前記蒸発部の内部にフットウ石が配置されている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１４の態様は、前記電気絶縁体が複数個からなっており、前記複数個の電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１５の態様は、前記非電気絶縁性作動液が、前記ヒートパイプの非作動時に、前記凝縮部の所定位置に収まる量である項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
【００２４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１５の態様は、前記非電気絶縁性作動液が水である電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
本願の請求項１に係る発明は、上記態様の幾つかをまとめたもので、管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内壁には、螺旋形状の溝部を設けると共に、前記内壁の中央部には、前記溝部に比して幅の大きな底面の平な環状の溝部が形成されていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、被冷却体としての発熱素子および蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、ヒートパイプのコンテナ内に封入され、ヒートパイプの非作動時に凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液とを備えた、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２６】
更に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器においては、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体は管状体からなっており、管状体の内壁には、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を備えた溝部が備えられている。
図１は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の１つの態様を示す図である。図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、基板７が熱的に接続されるブロック５に複数個の孔が形成され、その孔に蒸発部２が挿入されている。個々の蒸発部２の上端には、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体３が設けられ、更に、電気絶縁体の上端には、多数のフィン６が取り付けられた凝縮部４が設けられている。電気絶縁体３は管状体からなっており、管状体の内壁には、溝部が備えられ、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を有している。上述した蒸発部、電気絶縁体、凝縮部からなる密閉されたコンテナの内部には、非電気絶縁性作動液例えば水が封入されている。
【００２７】
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器１は、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続されている複数本のヒートパイプを備えている。蒸発部は熱伝導性ブロックに設けられた管状の孔に挿入された管状体であり、凝縮部はフィンを設けた管状体である。電気絶縁体の貫通孔の内面は、下に詳述するように、凹凸面を備え、封入された作動液の液切れ作用を生じさせて、絶縁性を保っている。
【００２８】
電気絶縁体は、ヒートパイプ内圧に耐えるような十分な強度を有していること、
および、熱伝導性ブロックに装着される被冷却体である半導体素子または電子機器が電位を有することを考慮して、耐電圧のための沿面距離を有していることが必要である。
図２は、電気絶縁体を示す図である。電気絶縁体１３は、例えば９２％アルミナ等のセラミックスの絶縁性部材によって形成された貫通孔１５を有する管状体１４からなっており、内壁には複数の連続する環状溝部１６が形成されている。電気絶縁体１３の上下端部には、蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための金属スリーブ１７が取り付けられている。金属スリーブ１７は、Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％のフェルニコ系合金であるコバール（Ｋｏｖａｒ）によって調製され、異種金属に起因する電食を防止するために、その表面に銅メッキが施されている。ＦｅＮｉ電気絶縁体の貫通孔を通過する気相または液相の作動液は、環状溝部によって、電気的に分断されるので、絶縁体の絶縁特性は確保されることができる。
【００２９】
図３は、電気絶縁体の別の態様を示す図である。図３に示す態様の電気絶縁体２３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔２５を有する管状体２４からなっており、管状体２４の内壁には、相互に平行な複数個の溝部２６からなっている。個々の溝部２６は環状に形成され、作動液の液切れ作用を発揮することができる深さを備えている。更に、電気絶縁体２３の貫通孔２５の中央部には、幅の大きな溝部が形成されている。中央部に設けられた幅広の溝部によって、作動液の液切れ作用を更に高めている。
【００３０】
図４は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図４に示す態様の電気絶縁体３３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔３５を有する管状体３４からなっており、管状体３４の内壁には、螺旋状の溝部３６が形成されている。螺旋状の溝部３６は上半部、下半部にそれぞれ設けられている。溝部は、作動液の液切れ作用を発揮することができる深さを備えている。更に、電気絶縁体３３の貫通孔３５の中央部には、２つの螺旋状の溝部の間に、幅の大きな、底面の平な環状の溝部が形成されている。螺旋状の溝部によって、付着した気相または液相の作動液を下方に速やかに移動することができる。中央部に設けられた幅広の溝部によって、２つの螺旋状の溝部を分断し、作動液の液切れ作用を更に高めている。
【００３１】
図５は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図５に示す態様の電気絶縁体４３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔４５を有する管状体４４からなっており、管状体４４の内部の中央部に肉厚部４７が設けられている。即ち、肉厚部４７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が著しく小さくなっている。更に、肉厚部の上端部および下端部に環状の溝部４６、４８が形成されている。管状体４４の内部の中央部に形成された肉厚部４７およびその上端部および下端部に形成された環状の溝部４６、４８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、作動液の流れが絞られて、管状体４４の上半部の内壁に接触するのを抑制して、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られて、管状体４４の下半部の内壁に接触するのを抑制して、管状体の絶縁性を確保する。
環状の溝部は、作動液の液切れ作用をより効果的に発揮することができる深さを備えている。
【００３２】
図６は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図６に示す態様の電気絶縁体５３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔５５を有する管状体５４からなっており、管状体５４の内部の上半部および下半部に傾斜面を有する環状の溝部５６、５８が形成されている。上半部の環状の溝部と下半部の環状の溝部においては、傾斜方向が逆になっている。即ち、上半部の環状の溝部においては、上方に向かって末広になるように傾斜が形成されており、他方、下半部の環状の溝部においては、下方に向かって末広になるように傾斜が形成されている。管状体５４内部の中央部には内壁表面が平らな円筒形状の部分５７が設けられている。
【００３３】
管状体５４の内部の上半部および下半部に設けられた傾斜面を有する環状の溝部５６、５８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、上半部に形成された環状の溝部の頂部６０には、蒸発した作動液の流れが到達しないので、管状体の絶縁性を確保することができる。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、下半部に形成された傾斜面を有する環状の溝部の頂部５９には、液相の作動液の流れが到達しないので、管状体の絶縁性を確保することができる。環状の溝部の深さおよび傾斜角は、作動液の液切れ作用をより効果的に発揮することができるように決定される。
【００３４】
図７は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図７に示す態様の電気絶縁体６３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔６５を有する管状体６４からなっており、管状体６４の内部の中央部に肉厚部６７が設けられている。即ち、肉厚部６７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が著しく小さくなっている。更に、管状体６４の内部の上半部および下半部には、それぞれ、複数の環状の溝部６６、６８が形成されている。管状体６４の内部の中央部に形成された肉厚部６７およびその内部の上半部および下半部に形成された環状の溝部６６、６８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、更に、環状の溝部によって分離され、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、更に、環状の溝部によって分離され、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３５】
図８は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図８に示す態様の電気絶縁体７３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔７５を有する管状体７４からなっており、管状体７４の内部の上端部、中央部、下端部に肉厚部７１、７７、７２が設けられている。即ち、肉厚部７７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が小さくなっている。肉厚部７１において、管状体７４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部７２において、管状体７４の下端部の内径が小さくなっている。管状体７４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部７１、７７、７２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３６】
図９は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図９に示す態様の電気絶縁体８３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔８５を有する管状体８４からなっており、管状体８４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部にそれぞれ肉厚部８１、８２、８９、９０が設けられている。即ち、肉厚部８１において、管状体８４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部８２において、管状体８４の第１中間部の内径が小さくなり、肉厚部８９において、管状体８４の第２中間部の内径が小さくなり、そして、肉厚部９０において、管状体８４の下端部の内径が小さくなっている。管状体８４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部に形成された肉厚部８１、８２、８９、９０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３７】
図１０は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図１０に示す態様の電気絶縁体９３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔９５を有する管状体９４からなっており、管状体９４の内部の上端部、中央部、下端部にそれぞれ肉厚部９８、９９、１００が設けられている。即ち、肉厚部９８において、管状体９４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部９９において、管状体９４の中央部の内径が小さくなり、肉厚部１００において、管状体９４の下端部の内径が小さくなっている。更に、管状体９４の上半部の中央部および下半部の中央部にはぞれぞれ環状凸部９１、９２が設けられている。管状体９４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部９８、９９、１００、および、管状体９４の上半部の中央部および下半部の中央部に設けられた環状凸部９１、９２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、環状凸部によって流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３８】
図１１は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図１１に示す態様の電気絶縁体１０３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔１０５を有する管状体１０４からなっており、管状体１０４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部にそれぞれ肉厚部１０９、１１０、１１１、１１２が設けられている。即ち、肉厚部１０９において、管状体１０４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部１１０において、管状体１０４の第１中間部の内径が小さくなり、肉厚部１１１において、管状体１０４の第２中間部の内径が小さくなり、肉厚部１１２において、管状体１０４の下端部の内径が小さくなっている。更に、管状体１０４の中央部１０７に所定の間隔を隔てて環状凸部９１、９２が設けられている。管状体１０４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部に形成された肉厚部１０９、１１０、１１１、１１２および、管状体１０４の中央部に設けられた環状凸部９１、９２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、環状凸部によって流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３９】
図１２は、ヒートパイプの１つの態様を示す図である。図１２に示す態様のヒートパイプ１１は、蒸発部１２と、内部の形状が上述したような電気絶縁体１３と、凝縮部１４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体とは密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図１２の下部に示すように、内壁にそって全面に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されている。内壁に沿って全面に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４０】
図１３は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１３に示す態様のヒートパイプ２１は、蒸発部２２と、内部の形状が上述したような電気絶縁体２３と、凝縮部２４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体と密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図１３の下部に示すように、内部の全体に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されている。蒸発部の内部の全体に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４１】
図１４は、ヒートパイプの１つの態様の部分を説明する図である。図１４に示す態様のヒートパイプ３１においては、蒸発部３２と、内部に環状の溝部が形成された電気絶縁体３３とが、密閉されて接続され、凝縮部３４と、電気絶縁体３３とが密閉されて接続されている。図１４に示すように、管状の蒸発部の上端部３２ａは内径が小さくなり、その大きさは、電気絶縁体３３の下端部の内径よりも小さい。更に、管状の凝縮部の下端部３４ａは内径が小さくなり、その大きさは、電気絶縁体３３の上端部の内径よりも小さい。
【００４２】
図１５は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１５に示す態様のヒートパイプ４１においては、蒸発部４２と、上述した各種の内部形状を有する電気絶縁体４３とが、密閉されて接続され、凝縮部４９と、電気絶縁体４３とが密閉されて接続されている。蒸発部４２の内部には、石、例えば、直径１．５〜３ｍｍの大きさのフットウ石が充填されている。充填されたフットウ石によって、作動液の突沸を防止し、絶縁体の絶縁特性を確保することができる。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４３】
図１６は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１６に示す態様のヒートパイプ５１は、蒸発部５２と、第１電気絶縁体５３ａと、管状熱伝導性部材５０ａと、第２電気絶縁体５３ｂと、凝縮部５０ｂとからなっている。第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂは、上述した各種の内部形状を有している。２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。この場合においても、作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定することが好ましい。
【００４４】
図１７は、他の態様のヒートパイプの部分を説明する図である。図１７に示す態様のヒートパイプ６１は、蒸発部６２、凝縮部６９と密閉して接続される電気絶縁体６３を備えており、電気絶縁体６３は、図１７の上部に示すように、内壁に環状の溝部６６が形成されている。更に、環状の溝部６６に、例えば、Ｏリング７０が配置されている。環状の溝部および溝部に配置されたＯリング７０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、突出したＯリングにおいて流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００４５】
図１８は、ヒートパイプの非作動時に、コンテナ内に封入される作動液の量を説明する図である。図１８に示す円は、伝熱ブロックに接続されるサイリスタを示す。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、図１８に示すように、各蒸発部の底部から円の中心部までの距離をａ、円の上端部までの距離をｂとしたときに、ａ×１／３以上、ｂ以下が望ましい。さらに、ａ以上、ｂ以下がより望ましい。
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプによると、電気絶縁体の内部の形状が液切れ作用を有しているので、蒸発部から凝縮部へ移動する気相の作動液、および、凝縮部から蒸発部へ移動する液相の作動液が、電気絶縁体の内部において、内壁に接触しない部分を生じて絶縁特性を確保することができる。従って、作動液として、水等の非電気絶縁性作動液を使用することができ、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の１つの態様を示す図である。図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図２】図２は、電気絶縁体を示す図である。
【図３】図３は、電気絶縁体の別の態様を示す図である。
【図４】図４は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図５】図５は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図６】図６は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図７】図７は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図８】図８は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図９】図９は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１０】図１０は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１１】図１１は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１２】図１２は、ヒートパイプの１つの態様を示す図である。
【図１３】図１３は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１４】図１４は、ヒートパイプの１つの態様の部分を説明する図である。
【図１５】図１５は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１６】図１６は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１７】図１７は、他の態様のヒートパイプの部分を説明する図である。
【図１８】図１８は、ヒートパイプの非作動時に、コンテナ内に封入される作動液の量を説明する図である。
【図１９】図１９は、従来の電気絶縁型ヒートパイプを示す図である。
【図２０】図２０は、従来の絶縁体を示す図である。
【符号の説明】
１．電気絶縁型ヒートパイプ冷却器
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２．蒸発部
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３．電気絶縁体
４、１４、２４、３４．凝縮部
５．金属ブロック
６．放熱フィン
７．基板
１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４．管状体
２６、３６、４６、５６、６６．環状の溝部
４７、６７、７７、８１、８２、８９、９０．肉厚部
９１、９２．環状凸部
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子機器などの冷却に用いられる改良された電気絶縁型ヒートパイプ冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や電子機器の蒸発部の冷却にはヒートパイプ式冷却器が用いられている。このヒートパイプ式冷却器は、熱を集合または分散するためのブロック（即ち、ヒートシンク）に孔をあけてヒートパイプを挿入し、この部分を蒸発部とし、凝縮部にフィンを設けて放熱部とし、ブロック部の熱を放熱部により放熱するものである。そして、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部の熱流束変換のため、伝熱管長比を変更したり、蒸発部と凝縮部の管径を変化させたものである。また近年サイリスタ等の加工技術が向上して半導体素子の大容量化が進み、例えば鉄道車輛用として使用されるようになった。鉄道車輛用の場合のような安全性が重要視される環境においては接触する虞のある場所は電気的に絶縁しておくことが望ましく蒸発部と凝縮部の間に電気絶縁部を設けたものが用いられる。
【０００３】
例えば、図１９に示すように、銅などの熱伝導性の良いブロック２０５に１個または２個以上の管状の孔を設けてこの孔を蒸発部とし、管に多数のフィン２０６を設けて凝縮部管体とし、この蒸発部２０２と凝縮部２０４の間をアルミナ、セラミックスなどの絶縁体２０３と中間体２０９で接続し内部に絶縁性のフロンＲ１１３などの作動液２０８を封入して絶縁型ヒートパイプ冷却器２０１としたものである。なお、上記従来例では、ブロックそのものをヒートパイプの蒸発部としているが、１本１本独立したヒートパイプをブロックに設けられた孔に挿入してもよいことは言うまでもない。図２０は、従来の絶縁体を示す図である。図２０に示すように、絶縁体２０３は、アルミナ、セラミックス等からなる内孔を備えた管状体２１０であり、内壁２１１は、凹凸の無い平らな円筒形状を有している。
【０００４】
上述した作動液として、従来、比較的作動安定性のよいフロン（クロロフルオロカーボン、以下「ＣＦＣ」という）があり、例えば、通常使用温度範囲の−３０〜１００℃では、ＣＦＣ−１１（ＣＣｌ3Ｆ）、ＣＦＣ−１２（ＣＣｌ2Ｆ2）、ＨＣＦＣ−２１（ＣＨＣｌ2Ｆ）、ＨＣＦＣ−２２（ＣＨＣｌＦ2）、ＣＦＣ−１１３（ＣＣｌ2Ｆ・ＣＣｌＦ2）などが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、ＣＦＣには、次の問題点がある。
即ち、大気中に排出されるＣＦＣガスが成層圏まで拡散し、成層圏のオゾン層を破壊し、これが地上の紫外線量を増大させることが重大な環境問題となっている。このためＣＦＣの生産量および使用量の規制がなされている。
１００℃以上の温度で使用するとＣＦＣが分解して変質し、ヒートパイプの性能が劣化するため、長期にわたって安定性が良く寿命の永いものができない。また、作動温度が高い場合、ヒートパイプ内で器壁とＣＦＣの間で化学反応が起こり、容器内面が酸化または腐食することがある。
【０００６】
従来の沸騰冷却器にかわる、次の要件を満たす環境にやさしい素子冷却器の要求が強くなっている。
１）自然冷却方式であること、２）冷媒（作動液）はオゾン破壊のない、温暖化係数の少ない環境にやさしいこと、３）電気絶縁性の大きいこと、４）低温起動特性に優れていること。
【０００７】
従って、この発明の目的は、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、電気絶縁性作動液の代わりに、所定量の非電気絶縁性作動液、例えば水、を用い、ヒートパイプの発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体を管状体で形成し、管状体の内壁に付着する非電気絶縁性作動液を液切れさせることができる形状の溝部を備えることによって、非電気絶縁性作動液が蒸発・凝縮して、電気絶縁体を通過しても、電気絶縁体の絶縁性を維持することができることが判明した。特に、ヒートパイプの非作動時に凝縮部内の所定部位にのみ滞留する量の非電気絶縁性作動液をヒートパイプのコンテナ内に封入することによって、より効果的に、電気絶縁体の絶縁性を維持することができることが判明した。
【０００９】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１の態様は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液とを備えた、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第２の態様は、前記発熱部と前記凝縮部を電気的に絶縁する前記電気絶縁体は管状体からなっており、前記管状体の内壁に付着した前記非電気絶縁性作動液の液切れ作用を備えた溝部を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第３の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部は、蛇腹（螺旋）形状からなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第４の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部は、相互に平行な複数個の溝部からなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第５の態様は、前記管状体の内壁の前記溝部が傾斜面を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第６の態様は、前記管状体の内壁の前記傾斜面を備えた前記溝部の傾斜方向が前記内壁の上半部と下半部とで異なっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１５】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第７の態様は、前記管状体の内壁の中央部に少なくとも１つの肉厚部を備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１６】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第８の態様は、前記管状体の内壁の中央部に１つの肉厚部を備えており、前記肉厚部の両端部に隣接して溝部が設けられている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１７】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第９の態様は、前記管状体の内壁にＯリングを備えている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１８】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１０の態様は、前記蒸発部および前記凝縮部の前記電気絶縁体側の端部の大きさが縮小され、前記管状体の内壁の大きさよりも小さい電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００１９】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１１の態様は、前記蒸発部の内壁に沿ってメッシュが備えられている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２０】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１２の態様は、前記蒸発部の内部全体にメッシュが配置されている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２１】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１３の態様は、前記蒸発部の内部にフットウ石が配置されている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２２】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１４の態様は、前記電気絶縁体が複数個からなっており、前記複数個の電気絶縁体の間は、熱伝導性部材からなるコンテナからなっている電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２３】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１５の態様は、前記非電気絶縁性作動液が、前記ヒートパイプの非作動時に、前記凝縮部の所定位置に収まる量である項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
【００２４】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の第１５の態様は、前記非電気絶縁性作動液が水である電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
本願の請求項１に係る発明は、上記態様の幾つかをまとめたもので、管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内壁には、螺旋形状の溝部を設けると共に、前記内壁の中央部には、前記溝部に比して幅の大きな底面の平な環状の溝部が形成されていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器は、少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備え、電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、被冷却体としての発熱素子および蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、ヒートパイプのコンテナ内に封入され、ヒートパイプの非作動時に凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液とを備えた、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器である。
【００２６】
更に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器においては、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体は管状体からなっており、管状体の内壁には、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を備えた溝部が備えられている。
図１は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の１つの態様を示す図である。図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、基板７が熱的に接続されるブロック５に複数個の孔が形成され、その孔に蒸発部２が挿入されている。個々の蒸発部２の上端には、発熱部と凝縮部を電気的に絶縁する電気絶縁体３が設けられ、更に、電気絶縁体の上端には、多数のフィン６が取り付けられた凝縮部４が設けられている。電気絶縁体３は管状体からなっており、管状体の内壁には、溝部が備えられ、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を有している。上述した蒸発部、電気絶縁体、凝縮部からなる密閉されたコンテナの内部には、非電気絶縁性作動液例えば水が封入されている。
【００２７】
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器１は、蒸発部２と凝縮部４が貫通孔のある電気絶縁体３を介して接続されている複数本のヒートパイプを備えている。蒸発部は熱伝導性ブロックに設けられた管状の孔に挿入された管状体であり、凝縮部はフィンを設けた管状体である。電気絶縁体の貫通孔の内面は、下に詳述するように、凹凸面を備え、封入された作動液の液切れ作用を生じさせて、絶縁性を保っている。
【００２８】
電気絶縁体は、ヒートパイプ内圧に耐えるような十分な強度を有していること、
および、熱伝導性ブロックに装着される被冷却体である半導体素子または電子機器が電位を有することを考慮して、耐電圧のための沿面距離を有していることが必要である。
図２は、電気絶縁体を示す図である。電気絶縁体１３は、例えば９２％アルミナ等のセラミックスの絶縁性部材によって形成された貫通孔１５を有する管状体１４からなっており、内壁には複数の連続する環状溝部１６が形成されている。電気絶縁体１３の上下端部には、蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための金属スリーブ１７が取り付けられている。金属スリーブ１７は、Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％のフェルニコ系合金であるコバール（Ｋｏｖａｒ）によって調製され、異種金属に起因する電食を防止するために、その表面に銅メッキが施されている。ＦｅＮｉ電気絶縁体の貫通孔を通過する気相または液相の作動液は、環状溝部によって、電気的に分断されるので、絶縁体の絶縁特性は確保されることができる。
【００２９】
図３は、電気絶縁体の別の態様を示す図である。図３に示す態様の電気絶縁体２３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔２５を有する管状体２４からなっており、管状体２４の内壁には、相互に平行な複数個の溝部２６からなっている。個々の溝部２６は環状に形成され、作動液の液切れ作用を発揮することができる深さを備えている。更に、電気絶縁体２３の貫通孔２５の中央部には、幅の大きな溝部が形成されている。中央部に設けられた幅広の溝部によって、作動液の液切れ作用を更に高めている。
【００３０】
図４は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図４に示す態様の電気絶縁体３３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔３５を有する管状体３４からなっており、管状体３４の内壁には、螺旋状の溝部３６が形成されている。螺旋状の溝部３６は上半部、下半部にそれぞれ設けられている。溝部は、作動液の液切れ作用を発揮することができる深さを備えている。更に、電気絶縁体３３の貫通孔３５の中央部には、２つの螺旋状の溝部の間に、幅の大きな、底面の平な環状の溝部が形成されている。螺旋状の溝部によって、付着した気相または液相の作動液を下方に速やかに移動することができる。中央部に設けられた幅広の溝部によって、２つの螺旋状の溝部を分断し、作動液の液切れ作用を更に高めている。
【００３１】
図５は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図５に示す態様の電気絶縁体４３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔４５を有する管状体４４からなっており、管状体４４の内部の中央部に肉厚部４７が設けられている。即ち、肉厚部４７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が著しく小さくなっている。更に、肉厚部の上端部および下端部に環状の溝部４６、４８が形成されている。管状体４４の内部の中央部に形成された肉厚部４７およびその上端部および下端部に形成された環状の溝部４６、４８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、作動液の流れが絞られて、管状体４４の上半部の内壁に接触するのを抑制して、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られて、管状体４４の下半部の内壁に接触するのを抑制して、管状体の絶縁性を確保する。
環状の溝部は、作動液の液切れ作用をより効果的に発揮することができる深さを備えている。
【００３２】
図６は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図６に示す態様の電気絶縁体５３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔５５を有する管状体５４からなっており、管状体５４の内部の上半部および下半部に傾斜面を有する環状の溝部５６、５８が形成されている。上半部の環状の溝部と下半部の環状の溝部においては、傾斜方向が逆になっている。即ち、上半部の環状の溝部においては、上方に向かって末広になるように傾斜が形成されており、他方、下半部の環状の溝部においては、下方に向かって末広になるように傾斜が形成されている。管状体５４内部の中央部には内壁表面が平らな円筒形状の部分５７が設けられている。
【００３３】
管状体５４の内部の上半部および下半部に設けられた傾斜面を有する環状の溝部５６、５８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、上半部に形成された環状の溝部の頂部６０には、蒸発した作動液の流れが到達しないので、管状体の絶縁性を確保することができる。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、下半部に形成された傾斜面を有する環状の溝部の頂部５９には、液相の作動液の流れが到達しないので、管状体の絶縁性を確保することができる。環状の溝部の深さおよび傾斜角は、作動液の液切れ作用をより効果的に発揮することができるように決定される。
【００３４】
図７は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図７に示す態様の電気絶縁体６３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔６５を有する管状体６４からなっており、管状体６４の内部の中央部に肉厚部６７が設けられている。即ち、肉厚部６７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が著しく小さくなっている。更に、管状体６４の内部の上半部および下半部には、それぞれ、複数の環状の溝部６６、６８が形成されている。管状体６４の内部の中央部に形成された肉厚部６７およびその内部の上半部および下半部に形成された環状の溝部６６、６８によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、更に、環状の溝部によって分離され、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、更に、環状の溝部によって分離され、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３５】
図８は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図８に示す態様の電気絶縁体７３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔７５を有する管状体７４からなっており、管状体７４の内部の上端部、中央部、下端部に肉厚部７１、７７、７２が設けられている。即ち、肉厚部７７において、貫通孔の狭隘部が形成され、内径が小さくなっている。肉厚部７１において、管状体７４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部７２において、管状体７４の下端部の内径が小さくなっている。管状体７４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部７１、７７、７２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３６】
図９は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図９に示す態様の電気絶縁体８３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔８５を有する管状体８４からなっており、管状体８４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部にそれぞれ肉厚部８１、８２、８９、９０が設けられている。即ち、肉厚部８１において、管状体８４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部８２において、管状体８４の第１中間部の内径が小さくなり、肉厚部８９において、管状体８４の第２中間部の内径が小さくなり、そして、肉厚部９０において、管状体８４の下端部の内径が小さくなっている。管状体８４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部に形成された肉厚部８１、８２、８９、９０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３７】
図１０は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図１０に示す態様の電気絶縁体９３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔９５を有する管状体９４からなっており、管状体９４の内部の上端部、中央部、下端部にそれぞれ肉厚部９８、９９、１００が設けられている。即ち、肉厚部９８において、管状体９４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部９９において、管状体９４の中央部の内径が小さくなり、肉厚部１００において、管状体９４の下端部の内径が小さくなっている。更に、管状体９４の上半部の中央部および下半部の中央部にはぞれぞれ環状凸部９１、９２が設けられている。管状体９４の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部９８、９９、１００、および、管状体９４の上半部の中央部および下半部の中央部に設けられた環状凸部９１、９２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、環状凸部によって流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３８】
図１１は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。図１１に示す態様の電気絶縁体１０３においては、絶縁性部材によって形成された貫通孔１０５を有する管状体１０４からなっており、管状体１０４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部にそれぞれ肉厚部１０９、１１０、１１１、１１２が設けられている。即ち、肉厚部１０９において、管状体１０４の上端部の内径が小さくなり、肉厚部１１０において、管状体１０４の第１中間部の内径が小さくなり、肉厚部１１１において、管状体１０４の第２中間部の内径が小さくなり、肉厚部１１２において、管状体１０４の下端部の内径が小さくなっている。更に、管状体１０４の中央部１０７に所定の間隔を隔てて環状凸部９１、９２が設けられている。管状体１０４の内部の上端部、第１中間部、第２中間部、下端部に形成された肉厚部１０９、１１０、１１１、１１２および、管状体１０４の中央部に設けられた環状凸部９１、９２によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、肉厚部において作動液の流れが絞られ、環状凸部によって流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが絞られ、分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００３９】
図１２は、ヒートパイプの１つの態様を示す図である。図１２に示す態様のヒートパイプ１１は、蒸発部１２と、内部の形状が上述したような電気絶縁体１３と、凝縮部１４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体とは密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図１２の下部に示すように、内壁にそって全面に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されている。内壁に沿って全面に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４０】
図１３は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１３に示す態様のヒートパイプ２１は、蒸発部２２と、内部の形状が上述したような電気絶縁体２３と、凝縮部２４とからなっている。蒸発部と電気絶縁体、凝縮部と電気絶縁体と密閉されて接続されて、コンテナを形成している。蒸発部の内部には、図１３の下部に示すように、内部の全体に、例えば、＃１２０りん青銅メッシュが配置されている。蒸発部の内部の全体に配置されたメッシュによって、作動液の還流が促進される。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４１】
図１４は、ヒートパイプの１つの態様の部分を説明する図である。図１４に示す態様のヒートパイプ３１においては、蒸発部３２と、内部に環状の溝部が形成された電気絶縁体３３とが、密閉されて接続され、凝縮部３４と、電気絶縁体３３とが密閉されて接続されている。図１４に示すように、管状の蒸発部の上端部３２ａは内径が小さくなり、その大きさは、電気絶縁体３３の下端部の内径よりも小さい。更に、管状の凝縮部の下端部３４ａは内径が小さくなり、その大きさは、電気絶縁体３３の上端部の内径よりも小さい。
【００４２】
図１５は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１５に示す態様のヒートパイプ４１においては、蒸発部４２と、上述した各種の内部形状を有する電気絶縁体４３とが、密閉されて接続され、凝縮部４９と、電気絶縁体４３とが密閉されて接続されている。蒸発部４２の内部には、石、例えば、直径１．５〜３ｍｍの大きさのフットウ石が充填されている。充填されたフットウ石によって、作動液の突沸を防止し、絶縁体の絶縁特性を確保することができる。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定する。
【００４３】
図１６は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。図１６に示す態様のヒートパイプ５１は、蒸発部５２と、第１電気絶縁体５３ａと、管状熱伝導性部材５０ａと、第２電気絶縁体５３ｂと、凝縮部５０ｂとからなっている。第１電気絶縁体５３ａ、第２電気絶縁体５３ｂは、上述した各種の内部形状を有している。２個の電気絶縁体を備えることによって、絶縁体の絶縁特性を向上させることができる。この場合においても、作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、凝縮部内にのみ滞留するように設定することが好ましい。
【００４４】
図１７は、他の態様のヒートパイプの部分を説明する図である。図１７に示す態様のヒートパイプ６１は、蒸発部６２、凝縮部６９と密閉して接続される電気絶縁体６３を備えており、電気絶縁体６３は、図１７の上部に示すように、内壁に環状の溝部６６が形成されている。更に、環状の溝部６６に、例えば、Ｏリング７０が配置されている。環状の溝部および溝部に配置されたＯリング７０によって、蒸発した作動液が上方に向かって移動するときに、突出したＯリングにおいて流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。同様に、凝縮して液状に戻った作動液が下方に移動するときに、作動液の流れが分離されて、内壁に作動液が接触しない部分が形成されて、管状体の絶縁性を確保する。
【００４５】
図１８は、ヒートパイプの非作動時に、コンテナ内に封入される作動液の量を説明する図である。図１８に示す円は、伝熱ブロックに接続されるサイリスタを示す。作動液の量は、ヒートパイプの非作動時に、図１８に示すように、各蒸発部の底部から円の中心部までの距離をａ、円の上端部までの距離をｂとしたときに、ａ×１／３以上、ｂ以下が望ましい。さらに、ａ以上、ｂ以下がより望ましい。
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプによると、電気絶縁体の内部の形状が液切れ作用を有しているので、蒸発部から凝縮部へ移動する気相の作動液、および、凝縮部から蒸発部へ移動する液相の作動液が、電気絶縁体の内部において、内壁に接触しない部分を生じて絶縁特性を確保することができる。従って、作動液として、水等の非電気絶縁性作動液を使用することができ、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱性能を確保しながら、自然環境に配慮した電気絶縁性の大きい、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器を提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器の１つの態様を示す図である。図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図２】図２は、電気絶縁体を示す図である。
【図３】図３は、電気絶縁体の別の態様を示す図である。
【図４】図４は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図５】図５は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図６】図６は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図７】図７は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図８】図８は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図９】図９は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１０】図１０は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１１】図１１は、電気絶縁体の他の態様を示す図である。
【図１２】図１２は、ヒートパイプの１つの態様を示す図である。
【図１３】図１３は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１４】図１４は、ヒートパイプの１つの態様の部分を説明する図である。
【図１５】図１５は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１６】図１６は、ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１７】図１７は、他の態様のヒートパイプの部分を説明する図である。
【図１８】図１８は、ヒートパイプの非作動時に、コンテナ内に封入される作動液の量を説明する図である。
【図１９】図１９は、従来の電気絶縁型ヒートパイプを示す図である。
【図２０】図２０は、従来の絶縁体を示す図である。
【符号の説明】
１．電気絶縁型ヒートパイプ冷却器
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２．蒸発部
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３．電気絶縁体
４、１４、２４、３４．凝縮部
５．金属ブロック
６．放熱フィン
７．基板
１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４．管状体
２６、３６、４６、５６、６６．環状の溝部
４７、６７、７７、８１、８２、８９、９０．肉厚部
９１、９２．環状凸部
Claims (10)
- 管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内壁には、螺旋形状の溝部を設けると共に、前記内壁の中央部には、前記溝部に比して幅の大きな底面の平な環状の溝部が形成されていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。 - 管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内壁には、相互に平行な複数個の溝部を設けると共に、前記内壁の中央部には、前記溝部に比して幅の大きな底面の平な環状の溝部が形成されていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。 - 管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内壁の中央部に少なくとも１つの肉厚部を備えており、前記肉厚部の両端部に隣接して相互に平行な複数個の溝部が設けられていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。 - 管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
前記管状体の内部の上端部、中央部、下端部にそれぞれ肉厚部が設けられ、更に、管状体の上半部の中央部および下半部の中央部にはそれぞれ環状凸部が設けられていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。 - 管状体からなる少なくとも１個の電気絶縁体を介して接続された熱伝導性部材からなる蒸発部と凝縮部を備えた、前記電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナを有するヒートパイプと、
被冷却体としての発熱素子および前記蒸発部が熱的に接続される伝熱ブロックと、
前記ヒートパイプの前記コンテナ内に封入され、前記ヒートパイプの非作動時に前記凝縮部内にのみ滞留する非電気絶縁性作動液と、
から構成される電気絶縁型ヒートパイプ冷却器であって、
管状体の内部の上半部および下半部に傾斜面を有する環状の溝部がそれぞれ設けられ、前記上半部の環状の溝部においては、上方に向かって末広になるように前記傾斜面が形成され、前記下半部の環状の溝部においては、下方に向かって末広になるように前記傾斜面が形成され、更に、管状体の中央部に内壁表面が平らな円筒形状の部分が設けられていることを特徴とする、電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。 - 前記蒸発部および前記凝縮部の前記電気絶縁体側の端部の大きさが縮小され、前記管状体の内壁の大きさよりも小さいことを特徴とする、請求項１または５に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
- 前記蒸発部の内壁に沿ってメッシュが備えられていることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
- 前記蒸発部の内部全体にメッシュが配置されていることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
- 前記蒸発部の内部にフットウ石が配置されていることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
- 前記非電気絶縁性作動液が水であることを特徴とする、請求項１から９の何れか１項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ冷却器。
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