JP7628382B2

JP7628382B2 - Heat Pipe Device

Info

Publication number: JP7628382B2
Application number: JP2022036167A
Authority: JP
Inventors: 晃司近藤; 公治有松
Original assignee: TMEIC Corp
Current assignee: TMEIC Corp
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2025-02-10
Anticipated expiration: 2042-03-09
Also published as: JP2023131417A

Description

本実施形態は、一般的にヒートパイプ装置に関する。 This embodiment generally relates to a heat pipe device.

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。 Heat pipe devices are known that are used to cool heat sources such as semiconductor devices.

特開２００６－２６９６２９号公報JP 2006-269629 A

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。 When manufacturing a heat pipe device, the refrigerant used must be considered depending on the heat generation amount of the heat source. Therefore, when manufacturing a heat pipe device, it must be designed each time depending on the heat source to be used, which may increase costs.

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。 This embodiment was developed in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a versatile heat pipe device.

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。 This embodiment is a heat pipe device that includes a heat receiving section to which a heat source is attached, a first pipe extending from the heat receiving section and containing a first refrigerant, a second pipe extending from the heat receiving section and containing a second refrigerant, and heat dissipation sections provided on the first pipe and the second pipe, and the first refrigerant has a lower boiling point than the second refrigerant.

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。 This embodiment provides a highly versatile heat pipe device.

実施形態によるヒートパイプ装置を示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing the heat pipe device according to the embodiment. 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。2 is a side view of the heat pipe device in FIG. 1 as viewed from the direction of arrows AA. 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。2 is a cross-sectional view of the heat pipe device in FIG. 1 as viewed from the direction of arrows BB. 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。FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing a heat pipe device according to a first modified example. 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。FIG. 5 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing a heat pipe device according to a second modified example.

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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a front view showing a heat pipe device according to an embodiment.
FIG. 2 is a side view of the heat pipe device in FIG. 1 as viewed from the direction of arrows AA.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat pipe device in FIG. 1 as viewed from the direction of arrows BB.

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。 As shown in Figures 1 and 2, the heat pipe device 1 includes a heat receiving section 10, a first pipe 20, a second pipe 25, and a heat dissipation section 30. The heat pipe device 1 cools a heat source 40 by utilizing the latent heat of a refrigerant. The heat pipe device 1 is provided in, for example, a power conversion device (not shown).

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。 The heat receiving section 10 is the portion to which the heat source 40 is attached. The heat receiving section 10 is a block body made of a material with high thermal conductivity (e.g., copper material). The heat source 40 is, for example, a semiconductor element, and is attached to the side surface of the heat receiving section 10. Note that the heat source 40 is not limited to a semiconductor element, and may be, for example, other elements (electrical equipment), etc.

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。 The terminal 15 is attached to the heat receiving portion 10. In this example, the terminal 15 is attached to the side of the heat receiving portion 10, located on the opposite side to the heat source 40. The terminal 15 is electrically connected to the heat source 40 via the heat receiving portion 10. The terminal 15 is connected to an external device (not shown).

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。 For example, when the heat source 40 is a semiconductor element, the heat receiving unit 10 is thermally coupled to the heat source 40 to cool the heat source 40, and is also electrically coupled to the heat source 40 to pass electricity through the heat source 40. The heat receiving unit 10 has a mounting surface for mounting the heat source 40.

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。 The heat receiving unit 10 is thermally coupled to the heat source 40 and electrically connected to the heat source 40 by contacting the heat receiving unit 10 via the mounting plane. The heat source 40 may be in direct contact with the mounting plane of the heat receiving unit 10, or indirectly connected via another member. The shape of the heat receiving unit 10 is not limited to the above, and may be any shape that can at least be thermally coupled to the heat source 40.

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。 The first pipe 20 and the second pipe 25 extend upward from the heat receiving section 10. The base ends (lower ends) of the first pipe 20 and the second pipe 25 are inserted inside the heat receiving section 10. The first pipe 20 and the second pipe 25 are cylindrical bodies made of, for example, a copper material. Heat generated by the heat source 40 is transferred from the heat receiving section 10 to the first pipe 20 and the second pipe 25.

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。 The heat dissipation section 30 is located above the heat receiving section 10 and is provided on the first pipe 20 and the second pipe 25. The heat dissipation section 30 is, for example, a plurality of heat dissipation fins made of a material with high thermal conductivity. The heat dissipation section 30 protrudes from the first pipe 20 and the second pipe 25 and dissipates heat to the outside air.

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。 The first pipe 20 and the second pipe 25 each contain a refrigerant. The refrigerant absorbs heat transferred to the first pipe 20 and the second pipe 25 and turns into vapor. The vaporized refrigerant moves upward inside the first pipe 20 and the second pipe 25.

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。 The vapor that moves upward inside the first pipe 20 and the second pipe 25 is cooled by the heat dissipation section 30 and becomes liquid. The liquid refrigerant moves downward inside the first pipe 20 and the second pipe 25 due to gravity. In this way, the heat pipe device 1 transfers heat by circulating the refrigerant inside the pipes.

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。 The first pipe 20 and the second pipe 25 have different refrigerants sealed inside. The first pipe 20 is sealed with the first refrigerant R1. On the other hand, the second pipe 25 is sealed with the second refrigerant R2. The first refrigerant R1 has a lower boiling point than the second refrigerant R2.

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。 The first refrigerant R1 is, for example, a PFC (perfluorocarbon) with a boiling point set to 80°C. The second refrigerant R2 is, for example, pure water with a boiling point of 100°C. The first refrigerant R1 may be pure water, and the second refrigerant R2 may be a PFC with a boiling point of 100°C or higher. The refrigerant is not limited to pure water or a PFC, and any refrigerant with a different boiling point may be used. For example, the first refrigerant R1 may be a PFC with a boiling point set to 40°C, and the second refrigerant R2 may be a PFC with a boiling point set to 70°C.

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。 In this way, by using the first refrigerant R1 and the second refrigerant R2 with different boiling points, a highly versatile heat pipe device 1 can be obtained. Compared to a heat pipe device designed for a high loss of the heat source 40, the heat pipe device 1 can reduce the decrease in thermal efficiency even if the loss of the heat source 40 is low. Therefore, a uniform heat pipe device 1 can be obtained that can be commonly used even if the loss of the heat source 40 is different. As a result, the heat pipe device 1 can be manufactured in a batch without considering the heat source 40, thereby reducing costs. Furthermore, even if excessive loss increases in the heat source 40 due to, for example, a malfunction, it can be handled by using the second refrigerant R2 with a higher boiling point.

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。 3, the heat pipe device 1 includes, for example, a plurality of first pipes 20 and a plurality of second pipes 25. In this example, three first pipes 20 and three second pipes 25 are provided. The three first pipes 20 are located on the terminal 15 side and are arranged in parallel along the terminal 15. On the other hand, the three second pipes 25 are located on the heat source 40 side and are arranged in parallel along the heat source 40. In other words, the dimension L1 from the heat source 40 to the first pipe 20 is longer than the dimension L2 from the heat source 40 to the second pipe 25. The number of first pipes 20 and the number of second pipes 25 provided in the heat pipe device 1 are not limited to the above and may be any number.

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。 As a result, when the amount of heat generated by the heat source 40 is small, the heat source 40 can be cooled by the first pipe 20. When the amount of heat generated by the heat source 40 is large, the heat source 40 can be cooled by the second pipe 25. In addition, since the first pipe 20 is farther away from the heat source 40 than the second pipe 25, it is possible to prevent the internal pressure of the first pipe 20 from increasing excessively.

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。 FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing a heat pipe device according to a first modified example.
In the above-described embodiment, an example has been described in which the first pipe 20 is farther from the heat source 40 than the second pipe 25. However, the present invention is not limited to this. For example, as in a first modified example shown in Fig. 4, the dimension from the heat source 40 to the first pipe 20 may be shorter than the dimension from the heat source 40 to the second pipe 25. In other words, the first pipe 20 filled with the first refrigerant R1 having a low boiling point may be provided at a position closer to the heat source 40.

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。 This allows the heat source 40 to be cooled early by the first pipe 20 when the amount of heat generated by the heat source 40 is small. Also, when the amount of heat generated by the heat source 40 increases, the heat source 40 can be cooled by both the first pipe 20 and the second pipe 25.

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。 FIG. 5 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing a heat pipe device according to a second modified example.
In the above-described embodiment, an example has been described in which the first pipe 20 is farther from the heat source 40 than the second pipe 25. However, the present invention is not limited to this example, and the first pipe 20 and the second pipe 25 may be arranged alternately along the heat source 40, as in a second modified example shown in FIG.

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。 When multiple first pipes 20 and multiple second pipes 25 are provided, the multiple first pipes 20 and the multiple second pipes 25 are arranged alternately side by side in a direction parallel to the mounting plane, for example. Also, as shown in FIG. 5, the multiple first pipes 20 and the multiple second pipes 25 are arranged in multiple rows. In this case, the multiple first pipes 20 and the multiple second pipes 25 are also arranged alternately side by side in a direction perpendicular to the mounting plane.

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。 In this way, by arranging the first pipe 20 and the second pipe 25 alternately along the heat source 40, the heat source 40 can be cooled efficiently. For example, even if the amount of electricity flowing to the heat source 40 is not constant and the amount of heat generated by the heat source 40 changes, the heat source 40 can be cooled efficiently by the first pipe 20 and the second pipe 25. As a result, the stability of the heat source 40 can be improved. Furthermore, by arranging multiple first pipes 20 and multiple second pipes 25 alternately side by side in a direction perpendicular to the mounting plane, the heat source 40 can be cooled more efficiently.

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。 In the above embodiment, an example was described in which one heat source 40 was attached to the side of the heat receiving portion 10. However, the present invention is not limited to this, and for example, multiple heat sources 40 may be attached to the heat receiving portion 10.

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。 In the above embodiment, an example was described in which three first pipes 20 and three second pipes 25 are provided. However, the present invention is not limited to this, and it is sufficient that at least one first pipe 20 and one second pipe 25 are provided, for example. In addition, the number of first pipes 20 and second pipes 25 does not have to be the same.

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。 In the above embodiment, an example was described in which two types of refrigerants with different boiling points were used. However, the present invention is not limited to this, and for example, three or more types of refrigerants with different boiling points may be used. That is, in addition to the first pipe 20 and the second pipe 25, the heat pipe device may be provided with a third pipe in which a third refrigerant with a boiling point different from the first refrigerant R1 and the second refrigerant R2 is enclosed.

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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents described in the claims. Furthermore, the above-mentioned embodiments can be implemented in combination with each other.

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 Reference Signs List 1 heat pipe device 10 heat receiving portion 15 terminal 20 first pipe 25 second pipe 30 heat dissipation portion 40 heat source R1 first refrigerant R2 second refrigerant

Claims

A heat receiving portion to which a heat source is attached;
a first pipe extending from the heat receiving portion and having a first refrigerant sealed therein;
a second pipe extending from the heat receiving portion and having a second refrigerant sealed therein;
a heat dissipation portion provided on the first pipe and the second pipe;
Equipped with
The first refrigerant has a lower boiling point than the second refrigerant ,
the first pipe and the second pipe are arranged side by side in a direction away from the heat source,
A heat pipe device , wherein a dimension from the heat source to the first pipe is longer than a dimension from the heat source to the second pipe .

A heat receiving portion to which a heat source is attached;
a first pipe extending from the heat receiving portion and having a first refrigerant sealed therein;
a second pipe extending from the heat receiving portion and having a second refrigerant sealed therein;
a heat dissipation portion provided on the first pipe and the second pipe;
Equipped with
The first refrigerant has a lower boiling point than the second refrigerant ,
the first pipe and the second pipe are arranged side by side in a direction away from the heat source,
A heat pipe device , wherein a dimension from the heat source to the first pipe is shorter than a dimension from the heat source to the second pipe .

the heat receiving portion has a mounting surface for mounting the heat source;
3. The heat pipe device according to claim 1, wherein the flat mounting surface is provided on only one side surface of the heat receiving portion.

A terminal electrically connected to the heat source is provided,
4. The heat pipe device according to claim 3, wherein the terminal is attached to a side surface of the heat receiving portion on an opposite side to the heat source.