(57)【要約】【課題】  筐体内部への放熱を遮断し、ベースプレートから放熱フィンへの熱伝導を高めることができる、ヒートシンクおよびそれを備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】  発熱体１を搭載するベースプレート１１と、ベースプレート１１における該発熱体搭載面と反対側に配置された複数の放熱フィン１２と、を有するヒートシンク１０において、ベースプレート１１の発熱体搭載面に沿って発熱体が取り付けられる位置の近傍に、薄型で平板状の密閉容器をベースプレート１１の厚さ方向に２室に区切って形成された熱伝導体３１が設けられており、該熱伝導体３１は密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、ベースプレート１１側に対向して接触させてなるヒートパイプ３３と、該密閉容器の他方の部屋に非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部３２と、から構成される。【選択図】    図１
2008130715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を搭載するベースプレートと、前記ベースプレートにおける該発熱体搭載面と反対側に配置された複数の放熱フィンと、を有するヒートシンクにおいて、
ベースプレートの発熱体搭載面に沿って前記発熱体が取り付けられる位置の近傍に、平板状の密閉容器を前記ベースプレートの厚さ方向に２室に区切って形成された熱伝導体が設けられており、該熱伝導体は密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、前記ベースプレート側に対向して接触させてなるヒートパイプと、該密閉容器の他方の部屋に非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部と、から構成されたものであることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記熱伝導体の断熱部が低熱伝導の無機物を充填したもので構成されたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記熱伝導体の断熱部に前記発熱体より少し大きな孔部を設けて該発熱体を配置し、前記ヒートパイプに該発熱体を直接接触させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記熱伝導体を前記ヒートシンクのベースプレートと一体化する構成にしたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記熱伝導体と前記ベースプレート間に熱伝達性を向上させるためのサーマルコンパウンドもしくは熱伝導グリースを塗布したことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載のヒートシンクを備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール等の発熱体を備えると共に、主に高圧電源で動作するインバータなどの電力変換装置に関し、特に電力変換装置の放熱効果を上げるためのヒートシンクおよびそれを用いた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、主に高圧電源で動作するインバータなどの電力変換装置において、パワーモジュール（ＰＭ）、ダイオードモジュール（ＤＭ）、ＩＧＢＴ、電解コンデンサなどの半導体素子類は電力変換時の電気的損失により発熱するが、これらの半導体素子類は、一般に放熱フィンを有するヒートシンクと冷却ファンからなる冷却装置により除熱され、温度上昇による素子類の破壊が防止されている。このような冷却装置を備えたインバータ装置については、例えば図５のようになっている（特許文献１および特許文献２を参照）。
図５は従来の電力変換装置を示す全体斜視図である。
図５において、１は発熱体、２はプリント基板、３は電解コンデンサ、１０はヒートシンク、１１はベースプレート、１２は放熱フィン、２０は筐体である。
筐体２０は電力変換装置の本体を構成する直方体状の箱体で構成され、この筐体２０の内部にはパワーモジュールなどの発熱体１が収容されている。この発熱体１はベースプレート１１を介してヒートシンク１０にねじ締めなどにより連結されている。このヒートシンク１０は矩形状のベースプレート１１に直交するようにカシメ加工などにより接合された多数の放熱フィン１２を備えており、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料で製作されている。
また、筐体２０内には、ヒートシンク１０上に電子部品が実装されたプリント基板２、電解コンデンサ３が突き出すように設置されており、さらに、ヒートシンク１０と筐体２の上部との間に必要に応じて図示しない冷却ファンが取り付けられている。それから、筐体の底部には外気を吸引するための吸気孔が、側面には排気を行うための排気孔がそれぞれ設けられている。
【０００３】
次に動作について説明する。
上記のような電力変換装置において、まず、冷却ファン（不図示）を駆動すると、冷却風となる外気が筐体２０の底部にある吸気孔（不図示）から吸引された後、複数の電解コンデンサ３の隙間およびヒートシンク１０の放熱フィン１２間を通過して冷却ファン（不図示）側に向かって強制的に排気される。その場合、一方の電解コンデンサ３から発生した熱は、吸気孔から吸引された直後の冷却風により冷却される。また、他方の発熱体１から発生した熱は、熱伝導によりヒートシンク１０のベースプレート１１内に拡散した後、放熱フィン１２に伝熱し、その表面から強制対流に伴う熱伝達により冷却風に放熱される。
【特許文献１】特開２０００―２３２２８８号公報（明細書第３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電力変換装置では図５に示すように、発熱体の発した熱はヒートシンクを介して大気中に放熱されると同時に、その一部はヒートシンクのベースプレート表面から筐体内部にも放熱され、筐体内の雰囲気温度を上昇させているため、電子部品を実装したプリント基板、電解コンデンサの動作特性（性能）や寿命（信頼性）に影響を与えるという問題があった。そのため、電力変換装置の性能、信頼性を確保するためにはヒートシンクのベースプレート表面から筐体内への放熱を抑える必要があった。
ここで、図６は従来の電力変換装置であって、（ａ）はヒートシンクを上面から見た発熱体の配置図、（ｂ）はベースプレート上の温度分布図を示したものである。
図６において、発熱体１に挟まれた領域Ａではベースプレート１１表面の温度は高いがベースプレート１１の端部や発熱体１から離れた領域Ｂでは該ベースの表面温度は低く、ベースプレート１１の長手方向に渡って表面温度分布に不均一が生じることから、ヒートシンク１０のベースプレートにおける端部や発熱体から離れた領域Ｂでは放熱フィンへの放熱を高めることができず、ベースプレート１１の表面から筐体２０内部への放熱が増えるため、ヒートシンク自体の冷却能力を充分使い切れていなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ヒートシンクのベースプレートから筐体２０内部への放熱を遮断し、ベースプレートから放熱フィンへの熱伝導を高めることができる、ヒートシンクおよびそれを備えた電力変換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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、発熱体を搭載するベースプレートと、前記ベースプレートにおける該発熱体搭載面と反対側に配置された複数の放熱フィンと、を有するヒートシンクにおいて、ベースプレートの発熱体搭載面に沿って前記発熱体が取り付けられる位置の近傍に、平板状の密閉容器を前記ベースプレートの厚さ方向に２室に区切って形成された熱伝導体が設けられており、該熱伝導体は密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、前記ベースプレート側に対向して接触させてなるヒートパイプと、該密閉容器の他方の部屋に非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部と、から構成されたものであることを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱伝導体の断熱部が低熱伝導の無機物を充填したもので構成されたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱伝導体の断熱部に前記発熱体より少し大きな孔部を設けて該発熱体を配置し、前記ヒートパイプに該発熱体を直接接触させるようにしたことを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱伝導体を前記ヒートシンクのベースプレートと一体化する構成にしたことを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱伝導体と前記ベースプレート間に熱伝達性を向上させるためのサーマルコンパウンドもしくは熱伝導グリースを塗布したことを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載のヒートシンクを備えた電力変換装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、ヒートパイプを利用してベースプレートの熱伝導を高め冷却体の放熱性能を高めることができると共に脱気して封止した断熱部を利用して冷却体表面から筐体内部への放熱を遮断することができ、電力変換装置の性能、信頼性を確保することができる。
請求項２に記載の発明によると、断熱部は脱気する必要がないため断熱部の性能を維持しやすくなると共に、充填する無機物を適宜選択することで断熱性能とコストを最適化することができる。
請求項３に記載の発明によると、冷却体表面全体を覆うことが容易になり、冷却体全体の放熱性能をより高めることができると共に、筐体内部への放熱もさらに抑えることができる。
請求項４に記載の発明によると、る熱伝導体をヒートシンクのベースプレートに一体化することで、部品点数を削減し、組立作業性を向上させることができる。
請求項５に記載の発明によると、熱伝導体とベースプレート間にサーマルコンパウンドもしくは熱伝導グリースを塗布することで、熱伝導体とベースプレートの間の熱伝導を向上させることができる。
請求項６に記載の発明によると、請求項１〜４の何れか１項に記載のヒートシンクをインバータ装置などの電力変換装置に適用することで、顕著な冷却効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す電力変換装置の斜視図、図２は平板状の熱伝導体３０ａ、３０ｂの側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。また、筐体内に配置される電子部品を実装したプリント基板、電解コンデンサの図示は何れも省略したものとなっている。
図１において、３０ａ、３０ｂ、３０ｃは平板状の熱伝導体、３１は熱伝導体、３２は断熱部、３３はヒートパイプ、３４は断熱部の孔部である。
本発明が第１実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、ベースプレート１１の発熱体搭載面に沿って発熱体１が取り付けられる位置の近傍に、薄型で平板状の密閉容器をベースプレート１１の厚さ方向に２室に区切って形成された銅やアルミなどの熱伝導性の良い金属からなる熱伝導体３０ａ、３０ｂ、３０ｃが設けられている点、また、該熱伝導体３０ａ、３０ｂ、３０ｃは何れも、該密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、ベースプレート１１側に対向して接触させてなるヒートパイプ３３と、該密閉容器の他方の部屋に加熱追出法や真空ポンプなどを用いて非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部３２と、から構成されており、それぞれを一体化したものとなっている。
具体的には、熱伝導体３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、例えばプレスによる鍛造成形や鋳造、切削による機械加工など適宜の方法で形成したコの字形状の２つの部材と１つの平板とをろう付けもしくは耐熱性の接着剤あるいは溶接などの方法で接合することで密閉容器を形成するようになっている。
また、ヒートパイプ３３は該パイプを構成する密閉容器の内表面に細溝加工をしたり多孔質の薄板を挿入することでウイックとして機能する構造を形成しており、フロンガスや水、エタノールなどの凝縮性流体を封入して、ヒートシンク１０のベースプレート１１に沿った長手方向の熱伝導を高めている。
なお、断熱部３２は脱気する替わりに石英やガラス粒といった低熱伝導の無機物を充填したもので構成しても良い。
また、平板状の熱伝導体３１とベースプレート１１の表面を機械加工や研磨することで平面度、表面粗度を向上させて密着性を高めており、さらに熱伝導体３１とベースプレート１１間の熱伝達性を向上させる目的で良好なコンパウンド、グリースを塗布するようにしている。
【０００９】
次に動作について説明する。
例えば、図５に示すインバータなどの電力変換装置において、装置に入力した交流電源をダイオードモジュールで直流に変換し、電解コンデンサ３で平滑したのち、プリント基板２上に形成した電子回路でＩＧＢＴを制御し交流に変換出力するように動作するようになっている。図５に示す電力変換装置に図１に示す本発明のヒートシンクを適用すると、上記の半導体素子などで構成される発熱体１から発生した熱は、ベースプレート１１に伝達し、ベースプレート１１に伝達された熱の一部が平板状の熱伝導体３０ａ、３０ｂのヒートパイプ３３に伝達されると、ヒートパイプ３３はその内部に温度差が生じることにより動作する。具体的には、図２において、ヒートパイプ３３の加熱部（蒸発部）で作動流体が蒸発するとともに、作動流体の蒸気はヒートパイプ３３の冷却部に流動して放熱・凝縮し、凝縮した作動液は、密閉容器内のウィックの毛細管作用で加熱部に還流することにより、作動流体の潜熱として加熱部から冷却部へ熱の伝達が行われる。このようにして、ベースプレート１１の表面の一部に伝達された熱が、ヒートパイプの熱輸送機能により、ベースプレート１１の表面の平面方向に分散される。このため、ベースプレート１１の表面の平面方向に分散された熱は、筐体内部へ放熱されることなく、放熱フィン１２の長手方向の全体に亘って放熱がおこなわれ、電力変換装置に対するヒートシンク１０の実効的な冷却性能が向上する。
【００１０】
したがって、本発明の第１実施例は、平板状の密閉容器を厚さ方向で２室に区切ってヒートパイプと断熱部とより構成した熱伝導体をベースプレート上の発熱体の近傍に設けたので、ヒートパイプを利用してベースプレートから放熱フィンへの熱伝達、放熱性能を高め、断熱部を利用して筐体内部への放熱を遮断することができ、電力変換装置の性能、信頼性を確保することができる。
また、断熱部を脱気する替わりに石英やガラス粒といった低熱伝導の無機物を充填することで、断熱性能の維持を容易にすると共に充填する材料を適宜選択することで断熱性能と材料コストを最適化することができる。
【実施例２】
【００１１】
図３は本発明の第２実施例の構成を示す全体斜視図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は。平板状の熱伝導体３０ｃの断熱部側には発熱体１よりも少し大きな孔部３４を設けてヒートパイプ３１を露出させている。平板状の熱伝導体３０ｃがヒートパイプ３１側をベースプレート１１に接触させて取り付けてある。発熱体１を断熱部の孔部３４から平板状の熱伝導体３０ｃのヒートパイプに接触させて取り付ける。こうすることで、ベースプレート１１の表面全体を隙間なく覆うことが容易になり、冷却体全体の放熱性能をより高めることができると共に、筐体内部への放熱もさらに抑えることができる。
図４は第２実施例示すヒートシンクの要部を拡大した側断面図である。
発熱体１は断熱部の孔部３４から平板状の熱伝導体３０ｃのヒートパイプ１１に接触している。平板状の熱伝導体３０ｃはヒートパイプ側をベースプレート１１に接触させて取り付けてあり、ベースプレート１１には放熱フィン１２が取り付けてある。
なお、断熱部とヒートパイプを備える熱伝導体３１を冷却体であるヒートシンクのベースプレート１１に接着、ろう付け等の方法で接合したり、あるいは埋め込んで一体化する構成にしても良く、これにより部品点数を削減し、組立作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例を示す電力変換装置の全体斜視図である。
【図２】本発明の平板状の熱伝導体の側断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の構成を示す全体斜視図である。
【図４】第２実施例の電力変換装置の側断面図である。
【図５】従来の電力変換装置の分解斜視図である。
【図６】従来の電力変換装置であって、（ａ）はヒートシンクを上面から見た発熱体の配置図、（ｂ）はベースプレート上の温度分布図を示したものである。
【符号の説明】
【００１３】
１  発熱体
２  プリント基板
３  電解コンデンサ
１０  ヒートシンク
１１  ベースプレート
１２  放熱フィン
２０  筐体
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ  平板状の熱伝導体
３１  熱伝導体
３２  断熱部
３３  ヒートパイプ
３４  孔部
【図１】
2008130715.tif 000003
【図２】
2008130715.tif 000004
【図３】
2008130715.tif 000005
【図４】
2008130715.tif 000006
【図５】
2008130715.tif 000007
【図６】
2008130715.tif 000008