JP4712286B2 - 電気絶縁型ヒートパイプ、それを用いた冷却器、および、電気絶縁型ヒートパイプの検査方法 - Google Patents
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Description
【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、車輛用変電所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9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10は、従来の絶縁体を示す図である。図10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】
【発明が解決しようとする課題】
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、それを用いた冷却器、電気絶縁型ヒートパイプの検査方法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、ヒートパイプのコンテナ内の真空度がヒートパイプの絶縁性に影響を及ぼすことが判明した。即ち、ヒートパイプのコンテナ内に不活性ガスを封入して、所定の真空度に維持すると、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、を用いても、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たヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。更に、不活性ガスを封入しない場合でも、ヒートパイプのコンテナ内の真空度を所定の範囲内に維持することによって、ヒートパイプの絶縁性を維持することができることが判明した。
【0009】
更に、電気絶縁体、例えばセラミックス製の管状体の両端部に接続する金属製スリーブは、電気絶縁体との熱膨張率が等しい鉄系のコバールを用いていたが、約800℃以上の使用温度域を考慮すると、銅製のスリーブを用いても、電気絶縁体に密着して接続することができる。更に、銅製スリーブが接続されるセラミックス製の管状体の両端部は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接続することができ、水を作動液として使用することが可能になることが判明した。
【0010】
更に、複数の電気絶縁体、例えばセラミックス製の2本の管状体のそれぞれの一方端を直接接合することによって、電気絶縁体の耐電圧を向上することが判明した。更に、上述した金属粉等を用いて端部をメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、セラミックス製の2本の管状体のそれぞれの一方端を密着して直接接合することができることが判明した。
【0011】
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と、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−30〜100℃にわたって前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上5332.9Pa以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【0012】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第2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である。
【0013】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第3の態様は、前記コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0014】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第4の態様は、前記ガス溜め部は前記コンテナの上端部からなっており、前記ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の1/5〜1/30の範囲内である、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0015】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第5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、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する金属スリーブを備えており、前記金属スリーブには銅メッキによる表面処理が施されている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0016】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプの第6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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が6.67Pa以下である電気絶縁型ヒートパイプである。
【0017】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体が少なくとも2個からなっており、前記少なくとも2個の電気絶縁体は、直接接合されている電気絶縁型ヒートパイプである。
【0018】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記電気絶縁体の直接接合は、前記絶縁体の端部をメタライズ処理後、金属溶融接合によって行う、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0019】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、前記複数個の電気絶縁体の間の前記熱伝導性部材が銅からなっている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0020】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプのその他の態様は、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セラミックス製の管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する銅製のスリーブを備えている、電気絶縁型ヒートパイプである。
【0021】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第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と、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−30〜100℃にわたって前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上5332.9Pa以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、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を備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却である。
【0022】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の第2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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が6.67Pa以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、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を備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【0023】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【0024】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第2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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【0025】
この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の第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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【0026】
【発明の実施の形態】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプおよびそれを用いた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の1つの態様は、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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上5332.9Pa以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水の他に、空気、アルゴン、窒素等の不活性ガスを意図的に封入させ、絶縁性を高めている。
【0027】
更に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの他の態様は、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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液を備えた、実使用温度範囲での前記コンテナ内の真空度が6.67Pa以下である電気絶縁型ヒートパイプである。即ち、この態様においては、非電気絶縁性作動液例えば水のみを封入させるだけで、真空度を所定の範囲内に特定することによって絶縁性を高めている。
【0028】
図1は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。グラフにおいて縦軸は耐電圧(KV)を示し、横軸は真空度(Pa)を示す。グラフから明らかなように、真空度6.67Pa以下では、6KVを超える優れた耐電圧を示している。真空度6.67Paを超えると急速に耐電圧が低下し、従来使用されている真空度133.3Pa〜400Pa付近では、耐電圧が低く、絶縁性が不十分であることがわかる。更に、真空度533.3Paでは、耐電圧がやや高まり、真空度666.6Pa以上では、耐電圧が急速に向上している。
【0029】
従って、コンテナ内の真空度が6.67Pa以下、または、コンテナ内の真空度が666.6Pa以上のときには、耐電圧は3kVを超え、優れた絶縁性を有していることがわかる。コンテナ内の真空度の上限は、ヒートパイプの実使用温度範囲で冷却部の放熱特性を有する値となる。従って、コンテナ内の真空度は、6.67Pa以下、または、666.6Pa以上5332.9Pa以下が望ましい。
【0030】
図2は、電気絶縁型ヒートパイプの1つの態様を示す図である。図2に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ11は、蒸発部12と、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2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てもよい。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。
【0031】
図3は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。図3に示す態様の電気絶縁型ヒートパイプ21は、蒸発部22と、第1電気絶縁体23aと、管状熱伝導性部材25と、第2電気絶縁体23bと、凝縮部24とからなっている。第1電気絶縁体23a、第2電気絶縁体23bの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。
【0032】
上述したように、複数個の電気絶縁体を使用するときには、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。なお、図3に示す態様においては、電気絶縁体23a、23bの上下端部には金属スリーブ17が取り付けられ、金属スリーブと金属スリーブの間には、熱伝導性部材からなるコンテナ25が設けられているが、熱伝導性部材からなるコンテナ25を用いることなく、金属スリーブのみによって電気絶縁体23a、23b間を接合してもよい。
【0033】
図4は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の1つ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の内部の上端部、中央部、下端部に、合計5箇所の肉厚部36、37、38、39、40が設けられている。即ち、肉厚部36において、管状体34の上端部の内径が小さくなり、肉厚部37、38、39において、管状体34の中央部の内径が小さくなり、肉厚部40において、管状体34の下端部の内径が小さくなっている。
【0034】
管状体34の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部36、37、38、39、40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、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、管状体の絶縁性が向上する。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、管状体の絶縁性が向上する。
なお、電気絶縁体の内部形状の一例を示したが、内部形状は絶縁性を高めるために適した各種形状をとることができる。
【0035】
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、電気絶縁体はその両端部に熱伝導性部材と接続する金属スリーブからなるコバール部を備えており、コバール部には銅メッキによる表面処理が施されている。図5は、電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。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。
【0036】
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。
【0037】
この発明の電気絶縁型ヒートパイプにおいて、コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えていてもよい。上述したガス溜め部はコンテナの上端部からなっており、ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の1/5〜1/30の範囲内であることが好ましい。ガス溜め部は、コンテナの先端部に別のガス溜め部を設けても良く、または、コンテナの上端部をそのままガス溜め部として使用してもよい。その場合には、コンテナの上端部のガス溜め部には、放熱フィン等を設置しない。このようにコンテナの上端部にガス溜め部を設けることによって、放熱性能を高めることができる。
【0038】
図11は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図11に示すように、この態様の電気絶縁体は、2個の電気絶縁体43、43がそれぞれの一方端において直接接合されており、そして、それぞれの他方の端部には蒸発部、凝縮部との接続を容易にするための銅製スリーブ47、47が取り付けられている。直接接合されるそれぞれの電気絶縁体は、図4を参照して説明したように、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43からなっており、管状体43の内部の上端部、中央部、下端部に、合計5箇所の肉厚部36、37、38、39、40が設けられている。即ち、肉厚部36において、管状体43の上端部の内径が小さくなり、肉厚部37、38、39において、管状体43の中央部の内径が小さくなり、肉厚部40において、管状体43の下端部の内径が小さくなっている。
【0039】
管状体43の内部の上端部、中央部、下端部に形成された肉厚部36、37、38、39、40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、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、管状体の絶縁性が向上する。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、管状体の絶縁性が向上する。
【0040】
2個の電気絶縁体43、43のそれぞれの一方端40、36における直接接合は、金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって金属溶融接合することによって、密着して接合することができる。2個の電気絶縁体43、43の直接接合されない他方の端部36、40には、銅製のスリーブが接続される。電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
【0041】
銅製のスリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【0042】
図12は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。図12に示すように、この態様の電気絶縁体は、2個の電気絶縁体53、53が、銅製の熱伝導性部材によって接続されている。即ち、図3を参照して説明したように、この態様の電気絶縁型ヒートパイプは、(図示しない)蒸発部と、第1電気絶縁体53と、管状熱伝導性部材55と、第2電気絶縁体53bと、(図示しない)凝縮部とからなっている。第1電気絶縁体53a、第2電気絶縁体53bの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。なお、この態様においては、第1電気絶縁体53a、第2電気絶縁体53bの2個の電気絶縁体のそれぞれの端部に、銅製スリーブが接続されている。
【0043】
電気絶縁体の端部と銅製スリーブの接続は、図11を参照して説明したと同様に、電気絶縁体の端部を金属粉等を用いてメタライズ処理し、銀ろう、またはハンダ等によって銅製スリーブを金属溶融接合する。
このように銅製スリーブを用いることによって、異種金属に起因する電食を防止することができ、更に、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができる。
【0044】
次に、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の1つの態様は、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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、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を備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器である。
【0045】
図6は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の1つの態様を示す図である。図6(a)は平面図を、図6(b)は側面図をそれぞれ示す。図6(a)、図6(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。
【0046】
電気絶縁体3は管状体からなっており、管状体の内壁は、付着した非電気絶縁性作動液の液切れ作用を有する、図4、5に示すような形状をしている。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と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が666.6Pa以上(5332.9Pa以下)に維持されている。不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が6.67Pa以下に維持されている。
【0047】
上述したように、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器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、上述した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、絶縁性を向上している。
【0048】
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。
【0049】
次に、この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の第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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの温度降下のある領域、および、温度降下の無い領域を測定し、所定の基準点から前記温度降下のある領域の長さを測定し、測定した距離によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【0050】
図7は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。蒸発部2と凝縮部4が貫通孔のある電気絶縁体3を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを、約50℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。即ち、ヒートパイプを作動させた状態で、ヒートパイプの温度降下のある領域X、温度降下のない領域Yを調べて、所定の基準点から温度降下のある領域Xの長さを測定し、その長さに基づいて、ヒートパイプの真空度を推定する。
【0051】
この発明のヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法の他の態様は、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と、前記コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、前記コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、および、ヒートパイプの不活性ガス部の影響で温度降下する所定位置部温度をそれぞれ測定し、前記基部温度および前記所定位置部温度の差によって、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法である。
【0052】
即ち、図7に示したと同様にして、電気絶縁型ヒートパイプを、約50℃の温度の湯槽または加熱器に挿入して、作動させて作動状態を測定する。その際、電気絶縁型ヒートパイプの作動状態において、ヒートパイプの基部における基部温度、加熱温度、および、ヒートパイプの温度降下のある所定位置としての先端部をとり、基部、加熱部の温度を測定して、それぞれまたはどちらか一方とヒートパイプ先端部温度との差によって、ヒートパイプの真空度を測定する。
【0053】
次に、この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法について説明する。この発明のヒートパイプの耐電圧検査方法の1つの態様は、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、電気絶縁体と共に形成される密閉されたコンテナと、コンテナ内に封入される非電気絶縁性作動液および不活性ガスとを備えた、コンテナ内が所定の真空度である電気絶縁型ヒートパイプにおいて、作動液を凍結させた状態において耐電圧試験を行う、ヒートパイプの耐電圧検査方法である。
【0054】
図8は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。図8(a)に示すように、恒温槽内に、蒸発部2と凝縮部4が貫通孔のある電気絶縁体3を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液凝固点以下において、耐電圧試験機によって、検査する。または、図8(b)に示すように、槽内に、蒸発部2と凝縮部4が貫通孔のある電気絶縁体3を介して接続された密閉されたコンテナの中に非電気絶縁性作動液としての水と不活性ガスとしての空気が封入され所定の真空度の電気絶縁型ヒートパイプを配置し、作動液を凍らせた状態において、耐電圧試験機によって、検査する。
【0055】
耐電圧は、真空度によって変化する特性があるので、絶縁耐力は、周囲温度や作動条件によって変化する。即ち、ヒートパイプ内の真空度は、作動液の飽和蒸気圧によって大きく変化する。従って、作動液の凝固点以下において耐電圧検査を実施する。
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、非電気絶縁性作動液例えば水と不活性ガスとが封入され、コンテナ内の真空度が666.6Pa以上(5332.9Pa以下)に維持されているので、更に、不活性ガスを含まず、非電気絶縁性作動液例えば水だけの場合には、コンテナ内の真空度が6.67Pa以下に維持されているので、耐電圧が高く、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およびそれを用いた冷却器を得ることができる。
【0056】
更に、真空度の管理は製品では困難であるが、この発明の電気絶縁型ヒートパイプの検査方法によると、ヒートパイプの真空度およびヒートパイプの耐電圧を効率的に検査することができる。
【0057】
【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、それを用いた冷却器を提供することができる。更に、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の両端部に銅製スリーブを接続することができるので、異種金属に起因する電食を防止することができ、水を作動液として使用することができるので、優れたヒートパイプ効果を得ることができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、真空度による耐電圧変動を示すグラフである。
【図2】図2は、電気絶縁型ヒートパイプの1つの態様を示す図である。
【図3】図3は、電気絶縁型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図4】図4は、電気絶縁型ヒートパイプの電気絶縁体の内部形状の1つ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の構造を示す図である。
【図6】図6は、この発明の電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器の1つの態様を示す図である。図6(a)は平面図を、図6(b)は側面図をそれぞれ示す。
【図7】図7は、ヒートパイプの真空度を測定する真空度検査方法を説明する図である。
【図8】図8は、ヒートパイプの耐電圧検査方法を説明する図である。
【図9】図9は、従来の電気絶縁型ヒートパイプを示す図である。
【図10】図10は、従来の絶縁体を示す図である。
【図11】図11は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【図12】図12は、この発明の電気絶縁体の他の態様の構造を示す図である。
【符号の説明】
1.電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器
2、12、22.蒸発部
3、13、23、43.電気絶縁体
4、14、24.凝縮部
5.金属ブロック
6.放熱フィン
7.基板
34.管状体
35、45.貫通孔
36、37、38、39、40.肉厚部
23a、53a.第1電気絶縁体
23b、53b.第2電気絶縁体
47、57.銅製スリーブ
100.湯槽
Claims (10)
- 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と、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−30〜100℃にわたって前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上5332.9Pa以下である電気絶縁型ヒートパイプ。
- 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、請求項1に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記電気絶縁体が少なくとも2個からなっており、前記少なくとも2個の電気絶縁体は、直接接合されている、請求項1に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記電気絶縁体の直接接合は、前記絶縁体の端部をメタライズ処理後、金属溶融接合によって行う、請求項3に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記熱伝導性部材が銅からなっている、請求項2に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記コンテナの上端部に不活性ガス用のガス溜め部を更に備えている、請求項1または2に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 前記ガス溜め部は前記コンテナの上端部からなっており、前記ガス溜め部の大きさは、コンテナ全体の1/5〜1/30の範囲内である、請求項6に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 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、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する金属スリーブを備えており、前記金属スリーブには銅メッキによる表面処理が施されている、請求項1、2、6、7の何れか1項に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 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セラミックス製の管状体からなっており、前記電気絶縁体はその両端部に前記熱伝導性部材と接続する銅製のスリーブを備えている、請求項1または2に記載の電気絶縁型ヒートパイプ。
- 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と、前記コンテナ内に封入される水および不活性ガスとを備えた、−30〜100℃にわたって前記コンテナ内の真空度が666.6Pa以上5332.9Pa以下であるヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと、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を備えた、電気絶縁型ヒートパイプを用いた冷却器。
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