特開 2019-212873 ヒートシンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-212873(P2019-212873A)

(43)【公開日】2019年12月12日

(54)【発明の名称】ヒートシンク

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20191115BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20191115BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20191115BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20191115BHJP

   F28D 15/04 20060101ALI20191115BHJP

   F25D 17/00 20060101ALN20191115BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 Z

   H01L23/46 B

   H05K7/20 R

   F28D15/02 L

   F28D15/02 101J

   F28D15/02 102D

   F28D15/02 101N

   F28D15/04 G

   F28D15/04 B

   F28D15/02 101A

   F25D17/00 301

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-110572(P2018-110572)

(22)【出願日】2018年6月8日

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(74)【代理人】

【識別番号】100143959

【弁理士】

【氏名又は名称】住吉 秀一

(72)【発明者】

【氏名】片山 敬大

(72)【発明者】

【氏名】松尾 昌裕

(72)【発明者】

【氏名】伊勢村 将和

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 義勝

(72)【発明者】

【氏名】三浦 達朗

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322DB08

5E322EA10

5E322FA01

5F136BA22

5F136BA24

5F136CC12

5F136CC13

5F136CC17

5F136CC18

5F136CC22

5F136CC24

5F136CC27

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA06

(57)【要約】

【課題】本発明は、寒冷地においても、ヒートパイプに封入された作動流体の凍結を抑制して、ヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止できるヒートシンクを提供することを目的とする。
【解決手段】発熱体と熱的に接続可能な背面部を有するベースブロックと、前記ベースブロックの正面部に固定され、前記ベースブロックの面内方向に沿って配設された第１筒部と、前記第１筒部に接続され、前記ベースブロックから立設する第２筒部とを有する主ヒートパイプの複数で構成されるヒートパイプ群と、前記主ヒートパイプ群の立設方向に並列して前記第２筒部に固定された複数のフィンで構成されるフィン群と、を備え、前記複数の主ヒートパイプのうち、少なくとも１つの前記主ヒートパイプ内部の、少なくとも前記第２筒部の部位に、前記第２筒部の長手方向に沿って延在した、少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されているヒートシンク。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体と熱的に接続可能な背面部を有するベースブロックと、
前記ベースブロックの正面部に固定され、前記ベースブロックの面内方向に沿って配設された第１筒部と、前記第１筒部に接続され、前記ベースブロックから立設する第２筒部とを有する主ヒートパイプの複数で構成されるヒートパイプ群と、
前記主ヒートパイプ群の立設方向に並列して前記第２筒部に固定された複数のフィンで構成されるフィン群と、
を備え、
前記複数の主ヒートパイプのうち、少なくとも１つの前記主ヒートパイプ内部の、少なくとも前記第２筒部の部位に、前記第２筒部の長手方向に沿って延在した、少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されているヒートシンク。

【請求項2】

前記管材が、ヒートパイプとして動作する補助ヒートパイプである請求項１に記載のヒートシンク。

【請求項3】

前記管材が、前記ベースブロックの部位から前記フィンの部位まで延在する請求項１または２に記載のヒートシンク。

【請求項4】

前記主ヒートパイプが、側面視Ｌ字状または側面視Ｕ字状であり、前記管材が、側面視直線状である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。

【請求項5】

前記主ヒートパイプが側面視Ｌ字状、且つ前記補助ヒートパイプが側面視Ｌ字状、または前記主ヒートパイプが側面視Ｕ字状、且つ前記補助ヒートパイプが側面視Ｕ字状若しくは側面視Ｌ字状である請求項２に記載のヒートシンク。

【請求項6】

前記主ヒートパイプの内部に設けられたウィック構造体が、細溝であり、前記補助ヒートパイプの内部に設けられたウィック構造体が、金属粉の焼結体または金属繊維の焼結体である請求項２に記載のヒートシンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気・電子部品等を冷却するヒートシンクに関し、例えば、鉄道の車両などの移動体に搭載される電気・電子部品を冷却するヒートシンクに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、半導体素子を利用した制御機器等の冷却に使用する冷却装置として、密閉のコンテナに封入された作動流体が相変化する際の潜熱を利用して発熱体を冷却するヒートシンク、すなわち、熱輸送手段としてヒートパイプを使用したヒートシンクが用いられることがある。このヒートパイプを使用したヒートシンクは、鉄道の車両などの移動体が寒冷地を走行する場合に、ヒートパイプの凝縮部で気相から液相へ相変化した作動流体がヒートパイプの蒸発部へ還流する前に凝縮部にて凍結してしまい、ヒートパイプの熱輸送機能が低下してしまう場合がある。

【0003】

従って、寒冷地を走行する移動体に取り付けるヒートシンクには、作動流体の凍結防止対策が要求される。このようなヒートシンクに用いられるヒートパイプの凍結防止対策として、例えば、受熱部の基材となる冷却装置のベースブロックの温度を測定する受熱部温度センサおよび冷却装置に用いるヒートパイプの先端部の温度を測定する放熱部温度センサの各測定値の少なくとも一方がヒートパイプに封入された作動流体の融点以下になった場合に、受熱部温度センサおよび放熱部温度センサの各測定値に基づいて、作動流体が凍結しているかどうかを判断するための演算部を備えた装置を冷却装置に取り付けることが提案されている（特許文献１） 。

【0004】

しかし、特許文献１で開示された作動流体の凍結防止対策では、作動流体が凍結しているかどうかを判断する装置を、別途、設ける必要がある。従って、冷却装置とその周辺機器の構造が複雑化されてしまい、作動流体の凍結を精度よく検知することが十分ではない場合がある。

【0005】

また、特許文献１では、作動流体の凍結を感知してから、凍結した作動流体に熱を付与して作動流体を融解させるので、作動流体が凍結している間は、ヒートパイプの熱輸送機能が損なわれてしまう。従って、特許文献１では、特に、作動流体の凍結当初の期間において、発熱体に対する冷却機能が発揮できない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４−１３８４７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記事情に鑑み、本発明は、寒冷地においても、ヒートパイプに封入された作動流体の凍結を抑制して、ヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止できるヒートシンクを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様は、発熱体と熱的に接続可能な背面部を有するベースブロックと、
前記ベースブロックの正面部に固定され、前記ベースブロックの面内方向に沿って配設された第１筒部と、前記第１筒部に接続され、前記ベースブロックから立設する第２筒部とを有する主ヒートパイプの複数で構成されるヒートパイプ群と、
前記主ヒートパイプ群の立設方向に並列して前記第２筒部に固定された複数のフィンで構成されるフィン群と、
を備え、
前記複数の主ヒートパイプのうち、少なくとも１つの前記主ヒートパイプ内部の、少なくとも前記第２筒部の部位に、前記第２筒部の長手方向に沿って延在した、少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されているヒートシンクである。

【0009】

上記態様のヒートシンクでは、主ヒートパイプは、ベースブロックの面内方向に沿って延在した第１筒部とベースブロックから立設する方向に沿って延在した第２筒部とを有するので、主ヒートパイプの熱輸送方向に曲げ部が形成されている。また、複数の主ヒートパイプのうち、少なくとも１つの主ヒートパイプ内部では、少なくとも第２筒部の部位に、第２筒部の長手方向に沿って管材が収容されているので、第２筒部は二重管構造となっている。

【0010】

また、主ヒートパイプは、ベースブロックに固定される第１筒部が蒸発部として機能する。また、主ヒートパイプは、第２筒部のうち、フィン群が固定された部位が凝縮部として機能する。

【0011】

本発明の態様は、前記管材が、ヒートパイプとして動作する補助ヒートパイプであるヒートシンクである。

【0012】

上記態様のヒートシンクでは、ヒートパイプは、主ヒートパイプの内部にさらに補助ヒートパイプが収容されている二重構造となっている。なお、本明細書中、主ヒートパイプの内部にさらに補助ヒートパイプが収容されている二重構造のヒートパイプのことを、便宜上、単に「ヒートパイプ」ということがある。

【0013】

本発明の態様は、前記管材が、前記ベースブロックの部位から前記フィンの部位まで延在するヒートシンクである。

【0014】

上記態様のヒートシンクでは、主ヒートパイプの内部に収容された管材が、主ヒートパイプの蒸発部から凝縮部まで延在している。

【0015】

本発明の態様は、前記主ヒートパイプが、側面視Ｌ字状または側面視Ｕ字状であり、前記管材が、側面視直線状であるヒートシンクである。

【0016】

本発明の態様は、前記主ヒートパイプが側面視Ｌ字状、且つ前記補助ヒートパイプが側面視Ｌ字状、または前記主ヒートパイプが側面視Ｕ字状、且つ前記補助ヒートパイプが側面視Ｕ字状若しくは側面視Ｌ字状であるヒートシンクである。

【0017】

本発明の態様は、前記主ヒートパイプの内部に設けられたウィック構造体が、細溝であり、前記補助ヒートパイプの内部に設けられたウィック構造体が、金属粉の焼結体または金属繊維の焼結体であるヒートシンクである。

【発明の効果】

【0018】

本発明の態様によれば、主ヒートパイプ内部の、少なくとも前記第２筒部の部位に、第２筒部の長手方向に沿って、少なくとも一方端が閉塞された管材が延在していることにより、管材の内部空間にて第２筒部の長手方向に沿って熱が輸送される。従って、寒冷地においても、第２筒部の長手方向に沿って輸送された熱によって主ヒートパイプの凝縮部における作動流体の凍結を抑制して、主ヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止できる。

【0019】

本発明の態様によれば、管材がヒートパイプとして動作する補助ヒートパイプであることにより、補助ヒートパイプが主ヒートパイプの蒸発部方向から凝縮部方向へ熱輸送を行うので、主ヒートパイプに封入された作動流体の凍結を確実に防止できる。

【0020】

本発明の態様によれば、管材がベースブロックの部位からフィンの部位まで延在することにより、管材の内部空間にて主ヒートパイプの蒸発部から凝縮部まで熱が輸送されるので、主ヒートパイプに封入された作動流体の凍結を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す断面図である。

【図2】図１のヒートシンクの詳細構成を示す部分断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第１実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。

【図4】第１実施形態例に係るヒートパイプに封入された作動流体の状態を示す説明図である。

【図5】本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第２実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。

【図6】本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第３実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に、本発明の実施形態のヒートシンクを、図面を用いながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す断面図である。図２は、図１のヒートシンクの詳細構成を示す部分断面図である。図３は、本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第１実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。図４は、第１実施形態例に係るヒートパイプに封入された作動流体の状態を示す説明図である。図５は、本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第２実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。図６は、本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第３実施形態例に係るヒートパイプを概略的に示す側面断面図である。

【0023】

図１に示すように、鉄道等の車両１００の床下面１０１には、アタッチメント１０２を介して密閉状の筐体２００が取り付けられている。筐体２００の一方の側壁２０１には、開口部２０２が形成され、この開口部２０２を開閉する開閉カバー２０３が上部のヒンジ２０４によって取り付けられている。この開閉カバー２０３は、開口部２０２を閉じたとき図示しないロック手段によってロックできるように構成されている。

【0024】

一方で、筐体２００の他方の側壁２０５には窓孔２０６が形成されている。窓孔２０６は、側壁２０５に外側から取り付けられたベースブロック１０によって閉塞されており、これにより筐体２００内が密閉状態で保持されている。このベースブロック１０は、後述する本発明の実施形態に係るヒートシンク１のベースブロック１０である。ベースブロック１０の筐体２００の内部に面する部分には、発熱体、例えば半導体モジュールなどの電気部品３００の複数が取り付けられている。また、筐体２００内には、例えば、他の発熱体として、スナバ抵抗器，スナバコンデンサ及びゲートアンプでそれぞれ構成される他の部品３０１，３０２，３０３が設置されている。

【0025】

筐体２００の側壁２０５には、車両１００の走行に伴う風（走行風）に沿うように筒状のカバー２０７が取り付けられており、このカバー２０７内にヒートシンク１が収容されている。また、カバー２０７内には、ヒートパイプ群２０を補強的に支持する支持板２０８ａ，２０８ｂが取り付けられている。支持板２０８ａは、ヒートパイプ群２０を重力方向下方から支持しており、例えば、その一端部がカバー２０７の底壁２０９に固定され、他端部がヒートパイプ群２０の一部に固定されている。支持板２０８ｂは、ヒートパイプ群２０を重力方向上方から支持しており、例えば、その一端部がカバー２０７の上壁２１０に固定され、他端部がヒートパイプ群２０の一部に固定されている。また、これら支持板２０８ａ，２０８ｂは、ヒートパイプ群２０と熱的に接続されており、放熱プレートを兼ねている。

【0026】

図２に示すように、ヒートシンク１は、冷却対象の発熱体である電気部品３００と熱的に接続された背面部１０ａを有するベースブロック１０と、ベースブロック１０の正面部１０ｂに固定され、ベースブロック１０の面内方向に沿って配設された第１筒部２１ａと、第１筒部２１ａに接続、連通され、ベースブロック１０から立設する第２筒部２１ｂとを有する第１実施形態例に係るヒートパイプ２１の複数で構成されるヒートパイプ群２０と、ヒートパイプ群２０の立設方向、すなわち、第２筒部２１ｂの延在方向に並列して第２筒部２１ｂに固定された複数のフィン３１，３１，・・・で構成されるフィン群３０と、を備える。

【0027】

ベースブロック１０は、板状部材であり、電気部品３００からの熱を受ける受熱部材である。ベースブロック１０は、背面部１０ａが筐体２００側に、正面部１０ｂがカバー２０７側に向くように、側壁２０５に沿って筐体２００に取り付けられている（図１を参照）。ベースブロック１０は、例えば、背面部１０ａ及び正面部１０ｂが、鉛直方向に沿って配置される。ベースブロック１０の材料は、特に限定されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス鋼などの金属材料で構成されている。

【0028】

ヒートパイプ群２０を構成する複数のヒートパイプ２１，２１，・・・は、重力方向に対して略平行方向に、所定の間隔を空けて並べて設けられており、ヒートシンク１では、鉛直方向に並設されている。

【0029】

第１筒部２１ａは、ベースブロック１０からの熱によって加熱される蒸発部としての機能を有する。第１筒部２１ａの長手方向の形状は、直線状となっている。第２筒部２１ｂは、第１筒部２１ａからの熱を放出する凝縮部としての機能を有する。第２筒部２１ｂの長手方向の形状は、直線状となっている。

【0030】

フィン群３０を構成する複数のフィン３１，３１，・・・は、第２筒部２１ｂの延在方向に、所定の間隔を空けて並設されており、例えば、ヒートシンク１では、複数のフィン３１，３１，・・・の主面が略平行となるように並設されている。フィン３１は、ヒートパイプ２１の第２筒部２１ｂの位置、形状及び寸法に対応する１又は複数の孔部を有しており、例えば、この孔部に第２筒部２１ｂを嵌挿することによって、フィン３１は、ヒートパイプ２１に固定されている。

【0031】

フィン３１は、第２筒部２１ｂからの熱を放出する熱交換手段としての機能を有する。フィン３１が熱交換手段としての機能を発揮し得る構成であれば、フィン３１の形状は、特に限定されず、ヒートシンク１では、薄い平板状となっている。また、フィン３１は、ヒートパイプ群２０の並設方向に関して複数のヒートパイプ２１，２１，・・・の全てと連結されているのが好ましい。但し、ヒートパイプ群２０の並設方向に関して複数のヒートパイプ２１，２１，・・・のうちの一部と連結されたフィン３２が設けられてもよい。

【0032】

複数の第１筒部２１ａ，２１ａ，・・・が、ベースブロック１０を介して相互に連結されていると共に、複数の第２筒部２１ｂ，２１ｂ，・・・が、フィン群３０を介して相互に連結されている。すなわち、複数のヒートパイプ２１，２１，・・・に連結された複数のフィン３１，３１，・・・で構成されるフィン群３０は、フィン肉厚とその枚数を乗算した値の厚みを有する剛体と捉えることができる。よって、車両１００の走行時に、ヒートパイプ群２０及びフィン群３０で構成されるヒートシンク１に振動が加えられた場合であっても、複数のヒートパイプ２１，２１，・・・の各ヒートパイプ２１間距離がフィン群３０によって維持され、その結果、立設された各ヒートパイプ２１とベースブロック１０との各固定部に力のモーメントが生じ難い構造となっている。

【0033】

第１筒部２１ａのベースブロック１０への接続方法は、特に限定されず、例えば、図２に示すように、ベースブロック１０の正面部１０ｂに設けられた凹溝１１に第１筒部２１ａを嵌合し、この嵌合部をはんだ等の接合手段で固定することで、第１筒部２１ａをベースブロック１０に固定することができる。

【0034】

次に、ヒートパイプ２１の構造の詳細について、図面を用いながら説明する。図３、４に示すように、ヒートパイプ２１は、主ヒートパイプ４１と、主ヒートパイプ４１内部の、少なくとも第２筒部２１ｂの部位に、第２筒部２１ｂの長手方向に沿って延在した、少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されている。第１実施形態例に係るヒートパイプ２１では、少なくとも一方端が閉塞された上記管材として、ヒートパイプとして動作する補助ヒートパイプ４２が収容されている。

【0035】

上記から、ヒートパイプ２１は、主ヒートパイプ４１と補助ヒートパイプ４２とからなる二重構造のヒートパイプとなっている。また、第２筒部２１ｂの部位は、二重管構造となっている。

【0036】

補助ヒートパイプ４２は、熱輸送方向である長手方向の形状が直線状の管状体であり、側面視直線状となっている（図３参照）。補助ヒートパイプ４２は、主ヒートパイプ４１のコンテナ２４内部を、ベースブロック１０の部位からフィン３１の部位まで延在している。

【0037】

主ヒートパイプ４１は、一方端２２の端面と他方端２３の端面とが封止された管形状のコンテナ２４と、コンテナ２４の内面に設けられたウィック構造体（図示せず）と、コンテナ２４の内部空間である空洞部２５に封入された作動流体２６と、を備えている。主ヒートパイプ４１のコンテナ２４が、ヒートパイプ２１のコンテナ２４でもあり、主ヒートパイプ４１の一方端２２と他方端２３が、それぞれ、ヒートパイプ２１の一方端２２と他方端２３でもある。また、ヒートパイプ２１の第１筒部２１ａが主ヒートパイプ４１の第１筒部２１ａでもあり、ヒートパイプ２１の第２筒部２１ｂが主ヒートパイプ４１の第２筒部２１ｂでもある。上記から、主ヒートパイプ４１の熱輸送方向が、ヒートパイプ２１の熱輸送方向に対応している。

【0038】

主ヒートパイプ４１のコンテナ２４は、密閉された管材である。また、コンテナ２４の空洞部２５は、減圧処理されている。主ヒートパイプ４１の熱輸送方向である長手方向の形状は、特に限定されないが、主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）では、熱輸送方向に曲げ部２７が形成されている。すなわち、直線状である第１筒部２１ａと直線状である第２筒部２１ｂとの間に曲げ部２７が設けられている。より具体的には、主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）は、１つの第１筒部２１ａと２つの第２筒部２１ｂを有する側面視Ｕ字形状を有する管状体であり、第１筒部２１ａを介して第２筒部２１ｂが対向配置されている。上記から、主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）には、２つの曲げ部２７が形成されている。コンテナ２４の長手方向に対して直交方向の断面形状は、円形状、扁平形状、四角形等の多角形状など、特に限定されず、ヒートパイプ２１では、略円形状となっている。補助ヒートパイプ４２は、２つの第２筒部２１ｂに、それぞれ１本ずつ、合計２本収容されている。

【0039】

主ヒートパイプ４１のコンテナ２４の内面には、一方端２２から他方端２３まで、コンテナ２４の長手方向に沿ってウィック構造体（図示せず）が設けられている。すなわち、ウィック構造体は、コンテナ２４の長手方向に沿って延在している。ウィック構造体としては、毛細管力を生じる構造体であれば、特に限定されず、例えば、コンテナ２４の長手方向に沿って延在した複数の細溝（グルーブ）、金属粉の焼結体、金属繊維の焼結体、金属メッシュ等を挙げることができる。このうち、液相の作動流体２６の還流抵抗の増大を防止する点からグルーブが好ましい。

【0040】

コンテナ２４の材質は、特に限定されず、例えば、熱伝導率に優れた点から銅、銅合金、軽量性の点からアルミニウム、アルミニウム合金、強度の改善の点からステンレス等を使用することができる。その他、使用状況に応じて、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を用いてもよい。

【0041】

また、コンテナ２４に封入する作動流体２６としては、コンテナ２４の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。

【0042】

図３、４に示すように、ヒートパイプ２１では、補助ヒートパイプ４２は、第２筒部２１ｂの部位をベースブロック１０の部位からフィン３１の部位まで直線状に延在している。上記から、補助ヒートパイプ４２は、ベースブロック１０から立設された状態となっている。一方で、第１筒部２１ａの部位には、補助ヒートパイプ４２は設けられていない。

【0043】

ベースブロック１０が発熱体から受熱すると、第２筒部２１ｂのうち、ベースブロック１０側の部位はフィン３１側の部位よりも高温状態となる。従って、補助ヒートパイプ４２のうち、ベースブロック１０側の部位は蒸発部として機能し、フィン３１側の部位は凝縮部として機能する。上記から、補助ヒートパイプ４２は、第２筒部２１ｂ内部をベースブロック１０側の部位からフィン３１側の部位へ熱輸送することができる。

【0044】

補助ヒートパイプ４２は、一方端５２の端面と他方端５３の端面とが封止された管形状のコンテナ４４と、コンテナ４４の内面に設けられたウィック構造体（図示せず）と、コンテナ４４の内部空間である空洞部４５に封入された作動流体４６と、を備えている。補助ヒートパイプ４２のコンテナ４４は、密閉された管材である。また、コンテナ４４の空洞部４５は、減圧処理されている。上記から、補助ヒートパイプ４２に封入された作動流体４６は、主ヒートパイプ４１に封入された作動流体２６と分離されており、主ヒートパイプ４１に封入された作動流体２６の動作は、補助ヒートパイプ４２に封入された作動流体４６の動作とは独立している。

【0045】

補助ヒートパイプ４２の熱輸送方向である長手方向の形状は、直線状である。コンテナ４４の長手方向に対して直交方向の断面形状は、円形状、扁平形状、四角形等の多角形状など、特に限定されず、ヒートパイプ２１では、略円形状となっている。

【0046】

補助ヒートパイプ４２のコンテナ４４の内面には、一方端５２から他方端５３まで、コンテナ４４の長手方向に沿ってウィック構造体（図示せず）が設けられている。すなわち、補助ヒートパイプ４２のウィック構造体は、コンテナ４４の長手方向に沿って延在している。ウィック構造体としては、毛細管力を生じる構造体であれば、特に限定されず、例えば、コンテナ４４の長手方向に沿って延在した複数の細溝（グルーブ）、金属粉の焼結体、金属繊維の焼結体、金属メッシュ等を挙げることができる。このうち、ウィック構造体の毛細管力を向上させて補助ヒートパイプ４２に優れた熱輸送特性を付与する点から金属粉の焼結体が好ましい。

【0047】

補助ヒートパイプ４２のコンテナ４４の材質は、特に限定されず、主ヒートパイプ４１のコンテナ２４の材質と同じでもよく、異なっていてもよい。コンテナ４４の材質としては、例えば、熱伝導率に優れた点から銅、銅合金、軽量性の点からアルミニウム、アルミニウム合金、強度の改善の点からステンレス等を使用することができる。その他、使用状況に応じて、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を用いてもよい。

【0048】

また、補助ヒートパイプ４２のコンテナ４４に封入する作動流体４６としては、主ヒートパイプ４１のコンテナ２４に封入する作動流体２６と同じでもよく、異なっていてもよい。補助ヒートパイプ４２の作動流体４６は、コンテナ４４の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。

【0049】

ヒートパイプ２１では、主ヒートパイプ４１内部の第２筒部２１ｂの部位に、第２筒部２１ｂの長手方向に沿って、補助ヒートパイプ４２がベースブロック１０の部位からフィン３１の部位まで延在していることにより、補助ヒートパイプ４２によって、第２筒部２１ｂの長手方向に沿って主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）の蒸発部から凝縮部方向へ熱が輸送される。また、補助ヒートパイプ４２の空洞部４５は、主ヒートパイプ４１の空洞部２５よりも、外気温の影響を受け難い。よって、補助ヒートパイプ４２の空洞部４５においては、寒冷地においても作動流体４６の凍結が防止され、補助ヒートパイプ４２の熱輸送特性を維持することができる。 従って、寒冷地においても、補助ヒートパイプ４２の熱輸送機能にて第２筒部２１ｂの長手方向に沿って蒸発部から凝縮部方向へ輸送された熱によって、主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）の凝縮部における作動流体２６の凍結を抑制できる。結果として、主ヒートパイプ４１（ヒートパイプ２１）の熱輸送機能の低下を防止できる。従って、寒冷地を走行する車両１００に本発明の実施形態に係るヒートシンク１が設置されても、ヒートパイプ２１の熱輸送特性が得られて、ヒートシンク１の冷却特性を維持することができる。

【0050】

次に、本発明の実施形態に係るヒートシンク１の冷却メカニズムについて説明する。ヒートシンク１のベースブロック１０が背面部１０ａにて発熱体である電気部品３００から受熱すると、ベースブロック１０の背面部１０ａから正面部１０ｂへ熱が伝達され、正面部１０ｂへ伝達された熱は、さらに、正面部１０ｂからヒートパイプ２１（主ヒートパイプ４１）の第１筒部２１ａへ伝達される。第１筒部２１ａへ熱が伝達されると、第１筒部２１ａが主ヒートパイプ４１の蒸発部として機能する。蒸発部にて主ヒートパイプ４１の作動流体２６が液相から気相へ相変化する。気相に相変化した作動流体２６が、主ヒートパイプ４１の空洞部２５を、コンテナ２４の長手方向に蒸発部から第２筒部２１ｂの凝縮部へ流れることで、発熱体である電気部品３００からの熱が主ヒートパイプ４１の蒸発部から凝縮部へ輸送される。主ヒートパイプ４１の蒸発部から凝縮部へ輸送された熱は、熱交換手段であるフィン３１の設けられた第２筒部２１ｂの凝縮部にて、気相の作動流体２６が液相へ相変化することで、潜熱として放出される。

【0051】

第１筒部２１ａが主ヒートパイプ４１の蒸発部として機能し、第２筒部２１ｂが主ヒートパイプ４１の凝縮部として機能するとともに、補助ヒートパイプ４２は、ベースブロック１０側の部位は蒸発部として機能し、フィン３１側の部位は凝縮部として機能する。このとき、補助ヒートパイプ４２が、その熱輸送機能により、第２筒部２１ｂ内部をベースブロック１０側の部位からフィン３１側の部位へ熱を輸送する。補助ヒートパイプ４２によって第２筒部２１ｂ内部をベースブロック１０側の部位からフィン３１側の部位へ輸送された熱により、寒冷地においても、主ヒートパイプ４１の凝縮部にて液相へ相変化した作動流体２６の凍結が防止される。

【0052】

主ヒートパイプ４１の凝縮部にて放出された潜熱は、主ヒートパイプ４１の凝縮部に設けられたフィン３１を介して、主ヒートパイプ４１の凝縮部からヒートシンク１の外部環境へ放出される。また、主ヒートパイプ４１の凝縮部にて液相に相変化した作動流体２６は、主ヒートパイプ４１に設けられたウィック構造体の毛細管力によって、主ヒートパイプ４１の凝縮部から蒸発部へ還流される。

【0053】

次に、第１実施形態例に係るヒートパイプ２１の製造方法について説明する。前記製造方法は、特に限定されず、例えば、側面視Ｕ字状である管材の一方の端部から、補助ヒートパイプ４２を挿入する。この管材は、両方の端部が開口しており、管材の内面には、管材の長手方向に沿って複数のグルーブが設けられている。次に、封入口を残して管材の両方の端部を封止し、上記封入口から作動流体２６を注入した後、管材内部を、加熱脱気、真空脱気等の脱気処理をして減圧状態とする。その後、封入口を封止することでコンテナ２４が形成されて、ヒートパイプ２１を製造することができる。

【0054】

次に、本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第２実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係るヒートパイプ２１と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

【0055】

第１実施形態例に係るヒートパイプ２１では、補助ヒートパイプ４２は直線状であり、２つの第２筒部２１ｂに、それぞれ１本ずつ、合計２本収容されていたが、これに代えて、図５に示すように、第２実施形態例に係るヒートパイプ６１では、側面視Ｕ字状である主ヒートパイプ４１のコンテナ２４と同じく、補助ヒートパイプ６２のコンテナ６４も、側面視Ｕ字状となっている。ヒートパイプ６１では、コンテナ２４の一方端２２から他方端２３まで、二重構造のヒートパイプとなっている。従って、ヒートパイプ６１では、第２筒部２１ｂだけではなく、第１筒部２１ａにも、補助ヒートパイプ６２が延在している。第２実施形態例に係るヒートパイプ６１でも、第１実施形態例に係るヒートパイプ２１と同様に、補助ヒートパイプ６２に封入された作動流体４６は、主ヒートパイプ４１に封入された作動流体２６と分離されている。

【0056】

第２実施形態例に係るヒートパイプ６１でも、第１実施形態例に係るヒートパイプ２１と同様に、補助ヒートパイプ６２の熱輸送機能によって第２筒部２１ｂ内部をベースブロック１０側の部位からフィン３１側の部位へ輸送された熱により、寒冷地においても、主ヒートパイプ４１の凝縮部にて液相へ相変化した作動流体２６の凍結を防止することができる。

【0057】

次に、本発明の実施形態に係るヒートシンクに用いられる第３実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１、第２実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

【0058】

第１実施形態例に係るヒートパイプ２１では、第２筒部２１ｂの長手方向に沿って延在した、少なくとも一方端が閉塞された管材として、ヒートパイプ（補助ヒートパイプ４２）が用いられていたが、これに代えて、図６に示すように、第３実施形態例に係るヒートパイプ７１では、一方端が閉塞され、他方端が開放された管部材７２が用いられている。管部材７２は、重力方向上方側の一方端が閉塞され、重力方向下方側であるベースブロック１０側が開放されている。

【0059】

上記から、第３実施形態例に係るヒートパイプ７１では、主ヒートパイプ４１に封入された作動流体２６が、管部材７２内部も流通する。管部材７２の内部空間は、補助ヒートパイプ４２と同様に、主ヒートパイプ４１の空洞部２５よりも、外気温の影響を受け難い。従って、管部材７２の内部空間においては、寒冷地においても作動流体２６の凍結を防止することができ、主ヒートパイプ４１の熱輸送特性を維持することができる。

【0060】

次に、本発明のヒートシンクの他の実施形態について説明する。上記実施形態例では、主ヒートパイプの形状は、側面視Ｕ字状であったが、これに代えて、側面視Ｌ字状等、熱輸送方向に曲げ部を有する他の形状でもよい。また、上記実施形態例では、補助ヒートパイプの形状は、側面視Ｕ字状または直線状であったが、これに代えて、側面視Ｌ字状でもよい。

【0061】

また、本発明のヒートシンクでは、ヒートシンクの使用条件等に応じて、複数の主ヒートパイプの全てに、補助ヒートパイプ等の少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されている態様でもよく、複数の主ヒートパイプのうち、一部の主ヒートパイプの内部に補助ヒートパイプ等の少なくとも一方端が閉塞された管材が収容され、他の主ヒートパイプの内部には補助ヒートパイプ等の少なくとも一方端が閉塞された管材が収容されていない態様でもよい。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明のヒートシンクは、寒冷地においても、ヒートパイプに封入された作動流体の凍結を抑制して、ヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止できるので、広汎な分野で利用可能であり、例えば、寒冷地を走行する鉄道の車両などの移動体に搭載される電気・電子部品を冷却する分野、寒冷地に設置される、太陽光発電用のパワーコンディショナー等の屋外設置型のインバータ設備に搭載される電気・電子部品を冷却する分野等で利用価値が高い。

【符号の説明】

【0063】

１ ヒートシンク
１０ ベースブロック
２０ ヒートパイプ群
２１、６１、７１ ヒートパイプ
３０ フィン群
３１ フィン
４１ 主ヒートパイプ
４２、６２ 補助ヒートパイプ
７２ 管部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】