(57)【要約】【課題】  低温環境下における放冷性能を高度に確保することが出来、且つ、鉛直方向における設置スペースを狭くすることが可能なヒートパイプ式ヒートシンクを、提供すること。【解決手段】  長手のヒートパイプと、該ヒートパイプの吸熱側となる一方の端部に取り付けられた受熱ブロックと、該ヒートパイプの放熱側の部位に取り付けられた放熱フィンとから構成されるヒートパイプ式ヒートシンクにおいて、ヒートパイプとして、可変コンダクタンスヒートパイプを採用すると共に、該ヒートパイプの吸熱側が放熱側よりも下方に位置するようにして、該ヒートパイプを、水平面に対して５〜２０°の角度をもって傾斜させて、配置せしめるようにした。【選択図】          図  １
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手のヒートパイプと、該ヒートパイプの吸熱側となる一方の端部に取り付けられた受熱ブロックと、該ヒートパイプの放熱側の部位に取り付けられた放熱フィンとから構成されるヒートパイプ式ヒートシンクにして、
該ヒートパイプを、非凝縮性ガスが封入されてなる可変コンダクタンスヒートパイプにて構成すると共に、該ヒートパイプの前記受熱ブロック取付側の端部が他方の端部よりも下方に位置するようにして、該ヒートパイプを、水平面に対して５〜２０°の角度をもって傾斜させて、配置せしめてなる構造としたことを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンク。
【請求項２】
前記ヒートパイプの他方の端部に設けられるガス溜め部を、該ヒートパイプの長手方向に対して略直角となるように折曲した形態において、配設せしめたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ式ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプ式ヒートシンクに係り、特に、低温環境下における放冷性能を高度に確保することが出来、且つ、鉛直方向における設置スペースを狭くすることが可能なヒートパイプ式ヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電力機器や変電用機器、車両用電源装置等においては、大型の発熱部品を冷却するための冷却器が、配設されており、そのような冷却器の一つとして、ヒートパイプ式シートシンクを挙げることが出来る。かかるヒートパイプ式シートシンクは、ヒートパイプに多数の放熱フィンを一体的に取り付けてなる組付体を、発熱体（被冷却部材）に設置される受熱ブロックに対して、上方に向かって延出するように取り付けてなるものであって、発熱体で発生した熱は、発熱体から受熱ブロックへ伝達され、そして、受熱ブロックに伝達された熱が、受熱ブロックに取り付けられたヒートパイプの一方の端部（吸熱部側）から他端側（放熱部側）へ移動し、放熱フィンを介して、外気に放出されることによって、放熱乃至は除熱されるようになっている。
【０００３】
ところで、近年においては、環境問題への対策として、ヒートパイプ内に、作動流体（作動液）として、水を使用するケースが増えてきている。しかしながら、作動流体として水を使用する場合、低温環境下、つまり、周囲温度が０℃以下で用いられると、作動流体である水が凍結して、ヒートパイプとしての機能を奏し得なくなるという問題があった。そして、このような低温環境下において、発熱体（被冷却部材）を内蔵する装置を作動させて、ヒートパイプ式ヒートシンクを使用すると、次のような不具合が生じていたのである。即ち、先ず、作動流体である水は、ヒートパイプ内の受熱ブロック側で凍結しており、発熱体からの熱により溶け出す。そして、温度が更に上昇すると、水は蒸発し、蒸気となってヒートパイプの放熱フィン側へ移動する。次いで、放熱フィン側に移動した蒸気は、ヒートパイプのコンテナ（容器）に接触することによって、凝縮し、熱をコンテナに放出する。この際、コンテナ温度が低く、０℃以上になるための熱容量が作動流体の全潜熱を上回ると、受熱ブロック側で蒸発した作動流体全てが、ヒートパイプ内の放熱フィン側で凍結し、受熱ブロック側の作動流体がなくなってしまう。このため、ヒートパイプとしての機能を奏し得なくなり、その結果、発熱体から発生する熱が充分に放出され得なくなって、発熱体に大きなダメージが与えられる恐れがあったのである。
【０００４】
このため、そのような問題の発生を回避するために、従来においては、凍結防止用のヒーターが使用されていたのであるが、凍結防止用ヒーターを使用する場合には、凍結が懸念される間、特に、夜間から被冷却部材を内蔵する装置の運転開始まで、ヒーター用電力が必要となり、また、装置によっては、電力に余裕がなく、そのような凍結防止用ヒーターを使用できない場合があった。
【０００５】
また、作動流体である水の凍結を防止するために、特許文献１においては、上記した構造の通常のヒートパイプと、ヒートパイプのコンテナ内に、作動流体（純水）と共に非凝縮性ガスを封入した可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ：Variable Conductance Heat Pipe）とを併用したヒートパイプ式ヒートシンクの使用が、提案されている。そこでは、非凝縮性ガスが封入されていない通常のヒートパイプとＶＣＨＰとが、吸熱ブロックに対して、並列に配置されている。
【０００６】
ここにおいて、ヒートパイプ式ヒートシンクの周囲の温度が０℃から大幅に下がった状態で発熱体が熱を発すると、ＶＣＨＰにおいても、前記通常のヒートパイプと同様に、凍結した作動流体が解けてその一部が蒸発することとなるが、ＶＣＨＰのコンテナ内には、非凝縮性ガスが封入されているため、分圧の低い水蒸気は上方の他端側へ移動することが出来ない。このため、放熱フィンの部位で作動流体が凍結するようなことが防止され、以て、低温環境下においてもヒートパイプの本来の機能を維持することが出来るようになっている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のヒートパイプ式ヒートシンクにあっては、ＶＣＨＰと通常のヒートパイプとを併用しているところから、低温環境下では、ＶＣＨＰは機能するものの、通常のヒートパイプは機能しなくなり、ヒートパイプの設置本数の割りに、放冷性能は低いものとなる。
【０００８】
また、ＶＣＨＰは、従来より、鉛直若しくは鉛直に近い角度となるように配設されることが多く、水平面に対するＶＣＨＰを配置する際の傾斜角度は、これまで、特に規定されてきていない。しかしながら、ＶＣＨＰには、一般に、受熱ブロックの取付側とは反対側の端部に、ガス溜め部が設けられているところから、ＶＣＨＰを鉛直に配設すると、高さ方向において、大きな設置スペースが必要となるといった欠点があった。特に、電力機器や変電用機器、車両用電源装置等の装置においては、用途上、ヒートパイプ式ヒートシンクの設置スペースに制約がある場合が多いところから、低温環境下における凍結防止が図られても、上述せる如き装置に適用することが困難であったり、更には、配設することが出来ず、適用できない場合があるといった問題を内在している。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２８９０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、低温環境下における放冷性能を高度に確保することが出来、且つ、鉛直方向における設置スペースを狭くすることが可能なヒートパイプ式ヒートシンクを、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そして、本発明は、上述の如き課題を解決するために為されたものであって、その要旨とするところは、長手のヒートパイプと、該ヒートパイプの吸熱側となる一方の端部に取り付けられた受熱ブロックと、該ヒートパイプの放熱側の部位に取り付けられた放熱フィンとから構成されるヒートパイプ式ヒートシンクにして、該ヒートパイプを、非凝縮性ガスが封入されてなる可変コンダクタンスヒートパイプにて構成すると共に、該ヒートパイプの前記受熱ブロック取付側の端部が他方の端部よりも下方に位置するようにして、該ヒートパイプを、水平面に対して５〜２０°の角度をもって傾斜させて、配置せしめてなる構造としたことを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンクにある。
【００１２】
また、本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクにおける望ましい態様の一つによれば、前記ヒートパイプの他方の端部に設けられるガス溜め部が、該ヒートパイプの長手方向に対して略直角となるように折曲した形態において、配設せしめられた構成が、採用されることとなる。
【発明の効果】
【００１３】
そして、かくの如き本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクにあっては、ヒートパイプとして、可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）が用いられているところから、非凝縮性ガスが封入されていない通常のヒートパイプのみを用いる場合や通常のヒートパイプを併用する場合とは異なり、低温環境下における作動流体の、放熱側での凍結を確実に防止することが可能となる。このため、そのような低温環境下においても、ヒートパイプの機能を有利に発揮することが出来、少ないヒートパイプの設置本数で、ヒートパイプ式ヒートシンクの冷却能力乃至は放冷能力を、高度に確保することが出来る。
【００１４】
また、本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクにおいては、ＶＣＨＰが、水平面に対して５〜２０°という小さな傾斜角度で配置されているところから、鉛直や鉛直に近い角度で配置する従来の場合に比して、高さ方向の設置スペースを小さくすることが可能となっている。
【００１５】
しかも、上述せる如き傾斜角度が採用されることにより、ヒートパイプの長手方向に対して垂直に取り付けられる複数枚の放熱フィンが、水平面（設置面）に対して略垂直に配置されることとなり、自然対流の空気が、放熱フィン間に流れ易くなって、放熱フィンの通風抵抗を小さくすることが出来、ヒートパイプ式ヒートシンクの放冷性能が向上され得るといった利点も得られることとなる。
【００１６】
このように、本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクにあっては、ヒートパイプ内の作動流体が凍結するような低温環境下においても、正常に作動し、その放冷性能を高度に発揮することが出来ると共に、鉛直方向における設置スペースも狭くすることが可能となっているのである。
【００１７】
なお、本発明の前記した望ましい態様によれば、ガス溜め部が、ヒートパイプの長手方向に対して略直角となるように、折曲した形態で配設されているところから、ヒートパイプ式ヒートシンクの長手方向における設置スペースも、小さくすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００１９】
先ず、図１には、本発明に従う構造を有するヒートパイプ式ヒートシンクの一例が、被冷却部材である発熱体（図示せず）に装着される等して、配設された状態を示す正面図において、概略的に示されている。かかる図１からも明らかなように、ヒートパイプ式ヒートシンク１０は、長手のヒートパイプ１２と、かかるヒートパイプ１２の吸熱側となる一方の端部に一体的に取り付けられた受熱ブロック１４と、該ヒートパイプ１２の放熱側の部位に一体的に取り付けられた複数枚の放熱フィン１６とから、構成されている。
【００２０】
より具体的には、本実施形態に係るヒートパイプ１２は、従来と同様に、長手の円筒状パイプの両端部が密閉されてなる構造を有するコンテナ（容器）にて、構成されている。そして、そのようなコンテナの内部は、減圧により真空状態とされており、かかるヒートパイプ１２のコンテナ内には、所定量の作動流体が封入されていると共に、所定量の非凝縮性ガスが封入されている。更に、そのような非凝縮性ガスの存在によって、作動流体が凝固する低温環境下においても、作動流体がヒートパイプ１２の放熱部で凍結するようなことが有利に防止され得、以て、低温環境下においても、ヒートパイプ１２の性能、ひいては、ヒートパイプ式ヒートシンク１０の熱輸送性能を有利に発現することが可能となるのである。また、非凝縮性ガスの存在によって、センサー等を用いなくとも、ヒートパイプ１２の吸熱部（図１中、ヒートパイプ１２の左側の部位）が或る特定の温度に達しない限り、実質的に作動しない、換言すれば、ヒートパイプ１２の吸熱部の温度によって、熱輸送量を可変に制御することが出来るようになっている。つまり、本実施形態においては、ヒートパイプ１２として、所謂、可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）が採用されるのである。
【００２１】
このように、ヒートパイプ式ヒートシンク１０を構成するヒートパイプ１２として、ＶＣＨＰを採用することにより、低温環境下における作動流体の、放熱側での凍結を確実に防止することが可能となって、非凝縮性ガスが封入されていない通常のヒートパイプのみを用いる場合や通常のヒートパイプとＶＣＨＰとを併用する場合に比して、ヒートパイプ１２の機能を最大限に活かすことが出来、より少ないヒートパイプの設置本数で、大きな冷却能力を得ることが出来るようになる。
【００２２】
また、ヒートパイプ１２は、非凝縮性ガスが封入されたＶＣＨＰであるところから、従来のＶＣＨＰと同様に、受熱ブロック１４取付側の端部とは反対の吸熱側の端部部位に、非凝縮性ガスを溜めるガス溜め部１８が設けられているが、本実施形態においては、特に、ヒートパイプ１２のコンテナの端部が、上方に向かって、その長手方向（図１中、イ方向）に対して略直角に折り曲げられ、そのようにして折曲された端部部位が、ヒートパイプ１２に封入される非凝縮性ガスのガス溜め部１８とされている。
【００２３】
ところで、上述せる如きヒートパイプ１２内に封入される作動流体としては、環境に優しく、且つ熱の輸送性能にも優れているという観点から、水が好適に採用されることとなる。また一方、非凝縮性ガスとしては、使用環境下において凝縮しない気体であれば、特に限定されるものではなく、具体例として、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等を挙げることが出来る。
【００２４】
また、上述せる如きヒートパイプ１２の材質にあっても、特に限定されるものではなく、一般に、熱伝導性に優れた金属材料等が適宜に選択されて用いられることとなる。
【００２５】
そして、本実施形態においては、そのようなヒートパイプ（ＶＣＨＰ）１２の４本が、図２（図１におけるＡ矢視図）に示されるように、所定距離を隔てて平行に配置されており、それらのヒートパイプ１２の吸熱部（図２中、左側の端部）の所定長さの部分には、厚肉矩形板形状の受熱ブロック１４が固定的に取り付けられている一方、かかる吸熱部から所定距離だけ離れた放熱部の所定長さの部分には、ヒートパイプ１２の長手方向に所定の距離を隔てて配された、薄肉矩形板形状を呈する複数枚の放熱フィン１６が、該放熱フィン１６の面とヒートパイプ１２の長手方向との為す角が直角となるように、従来と同様にして固定的に取り付けられている。
【００２６】
ここにおいて、ヒートパイプ１２の吸熱側に固定される受熱ブロック１４は、従来と同様に、熱伝導性に優れた材料にて形成されており、その平面の略中央部には、厚さ方向に所定の深さにおいて、円形状の穴２０が形成されている。なお、かかる穴２０は、図示しない発熱体（被冷却部材）を取り付けるための取付穴とされており、発熱体から発せられる熱が、受熱ブロック１４を介して、ヒートパイプ１２の吸熱部に伝導されるようになっているのである。また一方、ヒートパイプ１２の放熱側に固定される放熱フィン１６にあっても、従来と同様に、熱伝導性に優れた材料にて形成されており、ここでは、図３に示されるように、その薄肉板状面の略中央部に、４本のヒートパイプ１２を取り付けるための４つの取付孔２２が、長手方向に所定の距離を隔てて形成されている。
【００２７】
そして、上述せる如きヒートパイプ１２や受熱ブロック１４、放熱フィン１６にて構成される本実施形態のヒートパイプ式ヒートシンク１０にあっては、図１に示されるように、特に、ヒートパイプ１２と水平面（図１中、Ｈ）との為す角（図１中、θ）が、５〜２０°、例えば、７°程度となるように、傾斜して配設されているのである。この際、ヒートパイプ１２の受熱ブロック１４取付側の端部が、他方の端部よりも下方に位置するように配置される構成が採用されるのであり、これにて、作動流体の還流が良好に実現されることとなる。
【００２８】
かくして、本実施形態にあっては、ヒートパイプ１２を、水平面（Ｈ）に対して特定の角度となるように傾斜せしめているところから、高さ方向におけるヒートパイプ式ヒートシンク１０全体の設置スペースを、従来のＶＣＨＰを用いたものに比して、極めて小さくすることが出来る。しかも、ヒートパイプ１２の長手方向に対して直交するように取り付けられた放熱フィン１６が、設置面に対して略垂直に配設されることとなり、自然対流の空気が、放熱フィン１６間に流れ易くなって、放熱フィン１６の通風抵抗を小さくすることが出来ると共に、ヒートパイプ式ヒートシンク１０の放冷性能が更に向上され得るのである。
【００２９】
なお、水平方向に対するヒートパイプ１２の長手方向の角度（θ）が、上記した範囲より小さい場合には、作動流体がヒートパイプ１２の吸熱部に還流し難くなって、熱輸送性能が低下する。更に、作動流体の封入量にも依存するものの、蒸発していない液状の作動流体が、放熱部である放熱フィン１６の部位まで達してしまう。このため、低温環境下において作動させると、一部の作動流体が凍結したままとなるので、例え、ヒートパイプ１２としてＶＣＨＰを採用しても、低温立ち上げ時に支障を来たすことが懸念されるのである。一方、水平面（Ｈ）に対するヒートパイプ１２の傾斜角度（θ）が、上記した範囲を超える場合には、高さ方向乃至は鉛直方向（図１中、上下方向）におけるヒートパイプ式ヒートシンク１０の設置スペースが大きくなると共に、放熱フィン１６の通風抵抗が大きくなって、自然対流によって空気が放熱フィン１６間を流れる量が著しく少なくなるため、ヒートパイプ式ヒートシンク１０の性能が大きく低下し、放熱効率が悪化するようになる。
【００３０】
また、本実施形態に従うヒートパイプ式ヒートシンク１０にあっては、非凝縮性ガスを溜めるガス溜め部１８が、前述せるように、ヒートパイプ１２の端部部位に、折曲した形態において配設されているところから、ヒートパイプ式ヒートシンク１０の長手方向における設置スペースも、小さくなっている。更に、ガス溜め部１８は、図３に示されるように、放熱フィン１６の板面の長手方向に対して傾斜するように、且つ、かかる板面の四辺から外方に突出しないように設けられているところから、ガス溜め部１８の長さが充分に確保され得ると共に、ヒートパイプ式ヒートシンク１０全体の設置スペースの更なる縮小化が極めて効果的に図られているのである。
【００３１】
そして、上述せる如きヒートパイプ式ヒートシンク１０は、例えば、電力機器、変電用機器、車両用電源装置等の装置に内蔵される発熱体（被冷却部材）を冷却するための冷却器として、好適に用いられることとなるのであり、これまで、設置スペースの制約から、適用することが不可能であった装置に対しても、有利に適用することが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。
【００３３】
例えば、上記の実施形態のヒートパイプ式ヒートシンク１０にあっては、４本のヒートパイプ１２が水平方向（図１中、紙面に直交する方向）に所定距離を隔てて配置されていたが、本発明においては、高さ方向乃至は鉛直方向の設置スペースの低減が有利に図られているところから、４本のヒートパイプ１２が鉛直方向に並ぶように配置することも可能である（図４参照）。なお、この場合、ヒートパイプ１２の端部に配設されたガス溜め部１８は、通常、上方に向かうように位置せしめられることとなる。
【００３４】
また、上例では、ヒートパイプ式ヒートシンク１０が、一つのヒートシンク構成体にて形成されていたが、図４〜図６に示されるように、上記ヒートパイプ式ヒートシンク１０と同様な構造を有し、且つ互いに対称的な構造を有する二つのヒートシンク構成体２４ａ，２４ｂを、発熱体２６を介して組付けることによって、ヒートパイプ式ヒートシンク３０を構成することも可能である。更に、かかる図４〜図６においては、二つのヒートシンク構造体２４ａ，２４ｂが、水平方向に並設されているが、本発明においては、上述せるように、高さ方向乃至は鉛直方向の設置スペースの低減が実現されているところから、ヒートシンク構造体２４ａ，２４ｂを、鉛直方向に並設することも可能である。尤も、そのような場合にあっても、前述せるように、ヒートパイプ１２の吸熱部が放熱部よりも下方に位置するようにして、ヒートパイプと水平面（Ｈ）との為す角（θ）が、５〜２０°とされる必要がある。
【００３５】
さらに、前記実施形態においては、ガス溜め部１８を、ヒートパイプ１２の長手方向に対して略直角となるように折曲した形態において配設していたが、図７に示されるヒートパイプ式ヒートシンク３２のように、ガス溜め部３４を、従来と同様に、ヒートパイプ３６の長手方向の一方の端部に、一直線状に設けることも可能である。なお、この場合、ヒートパイプ式ヒートシンク３２の長手方向の設置スペースは、上例の折曲したものに比して、大きくなる。
【００３６】
何れにしても、本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクにあっては、ヒートパイプとして、ＶＣＨＰが採用されると共に、ヒートパイプの吸熱部が放熱部よりも下方に位置するように、且つ、ヒートパイプが、水平面（Ｈ）に対して５〜２０°となるように配置されておれば、ヒートパイプ、放熱フィン、受熱ブロック、及びヒートシンク構造体等の形状や配設個数等は、例示のものに何等限定されるものではない。従って、従来から公知の各種の形状のヒートパイプ、放熱フィン、受熱ブロック、及びヒートシンク構造体等が、何れも採用され得るものであり、また、それらは、必要に応じて、その配設個数が適宜に設定されることとなる。
【００３７】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクの一例を概略的に示す正面図である。
【図２】図１におけるＡ矢視図である。
【図３】図１におけるＢ矢視図である。
【図４】本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクの別の一例を概略的に示す、正面図である。
【図５】図４におけるＣ矢視図である。
【図６】図４におけるＤ矢視図である。
【図７】本発明に従うヒートパイプ式ヒートシンクの更に別の一例を概略的に示す、正面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０，３０，３２  ヒートパイプ式ヒートシンク
１２，３６  ヒートパイプ
１４  受熱ブロック
１６  放熱フィン
１８，３４  ガス溜め部
２０  穴
２２  取付孔
２４ａ，２４ｂ  ヒートシンク構成体
２６  発熱体
【図１】
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【図２】
2005214565.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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