特許 7628382 ヒートパイプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-31

(45)【発行日】2025-02-10

(54)【発明の名称】ヒートパイプ装置

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20250203BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20250203BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20250203BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 R

H01L23/46 B

F28D15/02 D

F28D15/02 104A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022036167

(22)【出願日】2022-03-09

(65)【公開番号】P2023131417

(43)【公開日】2023-09-22

【審査請求日】2024-04-09

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】近藤 晃司

(72)【発明者】

【氏名】有松 公治

【審査官】板澤 敏明

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－２２９４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２０１９／１３１８１４（ＪＰ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２６９６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００１２２８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０７１４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－０５７９５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４６

Ｆ２８Ｄ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源が取り付けられる受熱部と、
前記受熱部から延び第１冷媒が内部に封入された第１パイプと、
前記受熱部から延び第２冷媒が内部に封入された第２パイプと、
前記第１パイプと第２パイプとに設けられた放熱部と、
を備え、
前記第１冷媒は、前記第２冷媒よりも沸点が低くなっており、
前記第１パイプおよび前記第２パイプは、前記熱源から離れる方向に向かって並んで配置されており、
前記熱源から前記第１パイプまでの寸法は、前記熱源から前記第２パイプまでの寸法よりも長くなっているヒートパイプ装置。

【請求項2】

熱源が取り付けられる受熱部と、
前記受熱部から延び第１冷媒が内部に封入された第１パイプと、
前記受熱部から延び第２冷媒が内部に封入された第２パイプと、
前記第１パイプと第２パイプとに設けられた放熱部と、
を備え、
前記第１冷媒は、前記第２冷媒よりも沸点が低くなっており、
前記第１パイプおよび前記第２パイプは、前記熱源から離れる方向に向かって並んで配置されており、
前記熱源から前記第１パイプまでの寸法は、前記熱源から前記第２パイプまでの寸法よりも短くなっているヒートパイプ装置。

【請求項3】

前記受熱部は、前記熱源を取り付けるための取付平面を有し、
前記取付平面は、前記受熱部の一側面にのみ設けられている請求項１または２に記載のヒートパイプ装置。

【請求項4】

前記熱源と通電する端子を有し、
前記端子は、前記熱源とは反対側に位置して前記受熱部の側面に取り付けられている請求項３に記載のヒートパイプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、一般的にヒートパイプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子などの熱源の冷却に用いられるヒートパイプ装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－２６９６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ヒートパイプ装置は、熱源の発熱量に応じて、用いられる冷媒を検討する必要がある。そのため、ヒートパイプ装置を製造する場合には、用いられる熱源に応じてその都度設計する必要があり、コストが増加するおそれがある。

【0005】

本実施形態は、上述する課題に鑑みなされたもので、汎用性の高いヒートパイプ装置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】

【0006】

本実施形態は、熱源が取り付けられる受熱部と、前記受熱部から延び第１冷媒が内部に封入された第１パイプと、前記受熱部から延び第２冷媒が内部に封入された第２パイプと、前記第１パイプと第２パイプとに設けられた放熱部と、を備え、前記第１冷媒は、前記第２冷媒よりも沸点が低くなっているヒートパイプ装置である。

【発明の効果】

【0007】

本実施形態によれば、汎用性の高いヒートパイプ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態によるヒートパイプ装置を示す正面図である。

【図2】図１中のヒートパイプ装置を矢示Ａ－Ａ方向からみた側面図である。

【図3】図１中のヒートパイプ装置を矢示Ｂ－Ｂ方向からみた断面図である。

【図4】第１変形例によるヒートパイプ装置を示す図３と同様の断面図である。

【図5】第２変形例によるヒートパイプ装置を示す図３と同様の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１～図３を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態によるヒートパイプ装置を示す正面図である。
図２は、図１中のヒートパイプ装置を矢示Ａ－Ａ方向からみた側面図である。
図３は、図１中のヒートパイプ装置を矢示Ｂ－Ｂ方向からみた断面図である。

【0010】

図１、図２に示すように、ヒートパイプ装置１は、受熱部１０、第１パイプ２０、第２パイプ２５、および放熱部３０を備えている。ヒートパイプ装置１は、冷媒の潜熱を利用することにより、熱源４０を冷却させるものである。ヒートパイプ装置１は、例えば電力変換装置（図示せず）に設けられている。

【0011】

受熱部１０は、熱源４０が取り付けられる部分となっている。受熱部１０は、熱伝導率が高い材料（例えば、銅材料）により形成されたブロック体となっている。熱源４０は、例えば半導体素子となっており、受熱部１０の側面に取り付けられている。なお、熱源４０は、半導体素子に限らず、例えばその他の素子（電気機器）などでもよい。

【0012】

端子１５は、受熱部１０に取り付けられている。この例では、端子１５は、熱源４０とは反対側に位置して受熱部１０の側面に取り付けられている。端子１５は、受熱部１０を介して熱源４０と通電する。端子１５は、図示しない外部機器に接続されている。

【0013】

例えば、熱源４０が半導体素子である場合、受熱部１０は、熱源４０と熱的に結合し、熱源４０の冷却を行うとともに、熱源４０と電気的に結合し、熱源４０への通電を行う。受熱部１０は、熱源４０を取り付けるための取付平面を有する。

【0014】

受熱部１０は、取付平面を介して熱源４０と接触することにより、熱源４０と熱的に結合するとともに、熱源４０と電気的に接続される。なお、熱源４０は、受熱部１０の取付平面に直接的に接してもよいし、他の部材などを介して間接的に接してもよい。また、受熱部１０の形状は、上記に限ることなく、少なくとも熱源４０と熱的な結合可能な任意の形状でよい。

【0015】

第１パイプ２０および第２パイプ２５は、受熱部１０から上方に向けて延びている。第１パイプ２０および第２パイプ２５は、基端側（下端側）が受熱部１０の内部に挿入されている。第１パイプ２０および第２パイプ２５は、例えば銅材料により形成された筒体となっている。熱源４０から発せられた熱は、受熱部１０から第１パイプ２０および第２パイプ２５に伝達される。

【0016】

放熱部３０は、受熱部１０の上方に位置して第１パイプ２０と第２パイプ２５とに設けられている。放熱部３０は、例えば熱伝導率が高い材料で形成された複数の放熱フィンとなっている。放熱部３０は、第１パイプ２０および第２パイプ２５から突出しており、熱を外気に放出する。

【0017】

第１パイプ２０および第２パイプ２５には、それぞれ冷媒が封入されている。冷媒は、第１パイプ２０および第２パイプ２５に伝達された熱を吸収して蒸気となる。蒸気となった冷媒は、第１パイプ２０内および第２パイプ２５内を上方に移動する。

【0018】

第１パイプ２０内および第２パイプ２５内を上方に移動した蒸気は、放熱部３０により冷やされて液体となる。液体となった冷媒は、重力により第１パイプ２０内および第２パイプ２５内を下方に移動する。このように、ヒートパイプ装置１は、パイプ内の冷媒を循環させることにより熱を移動させる。

【0019】

第１パイプ２０と第２パイプ２５とは、内部に封入されている冷媒が異なっている。第１パイプ２０には、第１冷媒Ｒ１が封入されている。一方、第２パイプ２５には、第２冷媒Ｒ２が封入されている。第１冷媒Ｒ１は、第２冷媒Ｒ２よりも沸点が低くなっている。

【0020】

第１冷媒Ｒ１は、例えば沸点が８０℃に設定されたＰＦＣ（パーフルオロカーボン）となっている。第２冷媒Ｒ２は、例えば沸点が１００℃の純水となっている。なお、第１冷媒Ｒ１が純水であり、第２冷媒Ｒ２が沸点１００℃以上のＰＦＣとしてもよい。また、冷媒は、純水やＰＦＣに限らず、沸点が異なっていれば任意に用いることができる。例えば、第１冷媒Ｒ１が沸点４０℃に設定されたＰＦＣであり、第２冷媒Ｒ２が沸点７０℃に設定されたＰＦＣでもよい。

【0021】

このように、沸点が異なる第１冷媒Ｒ１と第２冷媒Ｒ２とを用いることにより、汎用性の高いヒートパイプ装置１とすることができる。ヒートパイプ装置１は、熱源４０のロスが高い用に設計されたヒートパイプ装置と比較して、熱源４０のロスが低くても、熱効率の低下を少なくすることができる。そのため、熱源４０のロスが異なっていても共通して使用可能な画一なヒートパイプ装置１とすることができる。その結果、ヒートパイプ装置１を熱源４０を考慮することなく、一括にて製造することができるためコストを低減できる。また、例えば不具合などにより、熱源４０に過剰なロスが増加した場合でも、沸点が高い第２冷媒Ｒ２により対応させることができる。

【0022】

図３に示すように、ヒートパイプ装置１は、例えば、複数の第１パイプ２０と、複数の第２パイプ２５と、を備える。この例では、３本の第１パイプ２０と、３本の第２パイプ２５と、が設けられている。３本の第１パイプ２０は、端子１５側に位置して、端子１５に沿って並列している。一方、３本の第２パイプ２５は、熱源４０側に位置して熱源４０に沿って並列している。換言すると、熱源４０から第１パイプ２０までの寸法Ｌ１は、熱源４０から第２パイプ２５までの寸法Ｌ２よりも長くなっている。なお、ヒートパイプ装置１に設けられる第１パイプ２０の数および第２パイプ２５の数は、上記に限ることなく、任意の数でよい。

【0023】

これにより、熱源４０の発熱量が小さい場合には、第１パイプ２０により熱源４０の冷却を行うことができる。また、熱源４０の発熱量が大きい場合には、第２パイプ２５により熱源４０の冷却を行うことができる。また、第１パイプ２０は、第２パイプ２５よりも熱源４０から離れているので、第１パイプ２０の内圧が過度に上昇するのを抑制することができる。

【0024】

図４は、第１変形例によるヒートパイプ装置を示す図３と同様の断面図である。
上述した実施形態では、第１パイプ２０が第２パイプ２５よりも熱源４０から離れている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の態様はこれに限らず、例えば図４に示す第１変形例のように、熱源４０から第１パイプ２０までの寸法は、熱源４０から第２パイプ２５までの寸法よりも短くなっていてもよい。すなわち、沸点の低い第１冷媒Ｒ１が封入された第１パイプ２０が熱源４０に近い位置に設けられていてもよい。

【0025】

これにより、熱源４０の発熱量が小さい段階で、第１パイプ２０により早期に熱源４０の冷却を行うことができる。また、熱源４０の発熱量が大きくなった場合には、第１パイプ２０と第２パイプ２５との両方で熱源４０の冷却を行うことができる。

【0026】

図５は、第２変形例によるヒートパイプ装置を示す図３と同様の断面図である。
上述した実施形態では、第１パイプ２０が第２パイプ２５よりも熱源４０から離れている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の態様はこれに限らず、例えば図５に示す第２変形例のように、第１パイプ２０と第２パイプ２５とは、熱源４０に沿って交互に並んでいてもよい。

【0027】

複数の第１パイプ２０と複数の第２パイプ２５とを備える場合、複数の第１パイプ２０および複数の第２パイプ２５は、例えば取付平面と平行な方向において側方に交互に並ぶ。また、図５に示すように、複数の第１パイプ２０および複数の第２パイプ２５は、複数列に並べて設けられる。この場合、複数の第１パイプ２０および複数の第２パイプ２５は、取付平面と直交する方向においても側方に交互に並ぶ。

【0028】

このように、第１パイプ２０と第２パイプ２５とを熱源４０に沿って交互に配設することにより、熱源４０を効率よく冷却させることができる。例えば熱源４０への通電量が一定ではなく、熱源４０の発熱量が変化するような場合でも、第１パイプ２０と第２パイプ２５とにより効率よく熱源４０を冷却させることができる。その結果、熱源４０の安定性を向上できる。そして、複数の第１パイプ２０および複数の第２パイプ２５を取付平面と直交する方向に側方に交互に並べることにより、熱源４０をより効率よく冷却することができる。

【0029】

上述した実施形態では、受熱部１０の側面に熱源４０を１つ取り付けた場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の態様はこれに限らず、例えば複数個の熱源４０が受熱部１０に取り付けられていてもよい。

【0030】

上述した実施形態では、第１パイプ２０と第２パイプ２５とがともに３本ずつ設けられた場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の態様はこれに限らず、例えば第１パイプ２０と第２パイプ２５とは、それぞれ少なくとも１本ずつ設けられていればよい。また、第１パイプ２０と第２パイプ２５とは、同じ本数でなくてもよい。

【0031】

上述した実施形態では、沸点が異なる２種類の冷媒を用いた場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の態様はこれに限らず、例えば沸点がそれぞれ異なる３種類以上の冷媒を用いていてもよい。すなわち、ヒートパイプ装置は、第１パイプ２０と第２パイプ２５とに加えて、第１冷媒Ｒ１および第２冷媒Ｒ２とは沸点が異なる第３冷媒が封入された第３パイプを設けていてもよい。

【0032】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0033】

１ ヒートパイプ装置
１０ 受熱部
１５ 端子
２０ 第１パイプ
２５ 第２パイプ
３０ 放熱部
４０ 熱源
Ｒ１ 第１冷媒
Ｒ２ 第２冷媒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】