JPS6361780B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導体用ヒートパイプ放熱器に関する
もので、特にその放熱特性を向上せしめたことを
特徴としている。 近年半導体、例えば電力変換用サイリスタやダ
イオード等の冷却に、ヒートパイプの優れた熱輪
送機能と優れた吸熱・放熱能を利用した放熱器が
用いられるようになつた。この放熱器は従来の押
出材等を用いた放熱器と比較し、はるかに優れた
放熱特性を有し、放熱器の小型軽量化を可能にし
たもので、第１図イ，ロに示すように半導体ａを
装着するブロツク１に並列状に一列に配置した複
数本のヒートパイプ２の吸熱部３を挿着し、該ブ
ロツク１より一列に突出するヒートパイプ２の放
熱部４にヒートパイプ２と直交する多数の放熱フ
イン５を取付けた構造となつている。 ブロツク１及びフイン５には銅又はアルミニウ
ムを用い、ヒートパイプ２には銅−水系又はアル
ミニウム−フレオン系が用いられており、通常２
台の放熱器を第２図に示すように組合せ、相互の
フイン５，５′間と両フイン５，５′の外側に電気
絶縁板６，６′，６″を取付け両ヒートパイプ２，
２′の吸熱部３，３′に挿着したブロツク１，１′
間に半導体ａを挟着し、半導体ａの発生熱をブロ
ツク１，１′を介してヒートパイプ２，２′に伝
え、ヒートパイプ２，２′の放熱部４，４′に取付
けたフイン５，５′を通して放熱させるもので、
第１図に示す矢印方向Ａに送風して強制的に放熱
させている。ブロツク１へのヒートパイプ２の挿
着は半導体ａからの熱抵抗を最小に抑えるため、
ヒートパイプ２がブロツク１の半導体ａ装着面に
対して一定の機械的強度を保持できる最小距離ま
で近づくように取付け、かつこれらのヒートパイ
プ２は適切なピツチ間隔でブロツク１内に１列に
挿着されている。 また大容量半導体の放熱には第３図イ，ロに示
すように複数本のヒートパイプ２を並列状に２列
に配置し、その吸熱部３をブロツク１に挿着し、
該ブロツク１より２列に突出するヒートパイプ２
の放熱部４にヒートパイプ２を直交する多数のフ
イン５を取付けた放熱器が用いられている。 これ等のヒートパイプ放熱器では何れも従来の
押出材等を用いた放熱器と比較し、優れた放熱特
性を示すも、用途によつては一層の向上が望まれ
ている。 本願発明はこれに鑑み放熱器のヒートパイプの
配列や形状について種々検討の結果、ヒートパイ
プが風の流れ方向に向つて１列又は２列に規則的
に揃つて配列されているため、矢印に示したＡ方
向の風の流れに乱流が発生することなく層流とな
り、これがフイン部の熱抵抗を増大し、放熱特性
を低下させていることを知見し、更に検討の結
果、フイン部の強制対流放熱効率を向上させて放
熱器全体の熱抵抗を小さくし、包絡体積（放熱器
の占有体積でフイン間の空間部も含む）当りの性
能を向上せしめた半導体用ヒートポンプ放熱器を
開発したもので、本願の第１発明は、風の流れ方
向に並列状に１段配置した複数本のヒートパイプ
の吸熱部に半導体装着用ブロツクを挿着し、該ブ
ロツクから突出するヒートパイプの放熱部に、ヒ
ートパイプと交差する多数の放熱フインを取付
け、該フイン部に送風して強制的に放熱させるよ
うにした放熱器において、上記の１段のヒートパ
イプ群を下記の関係を有するように、ジグザグに
配列したことを特徴とする半導体用ヒートパイプ
放熱器 0.5≦P₁／D₀≦0.75 1.5≦P₂／D₀≦2.0 であり、本願の第２発明は、風の流れ方向に並列
状に多段配置した複数本のヒートパイプの吸熱部
に半導体装着用ブロツクを挿着し、該ブロツクか
ら突出するヒートパイプの放熱部に、ヒートパイ
プと交差する多数の放熱フインを取付け、該フイ
ン部に送風して強制的に放熱させるようにした放
熱器において、上記の多段のヒートパイプ群を下
記の関係を有するように、ジグザグに配列したこ
とを特徴とする半導体用ヒートパイプ放熱器 0.5≦P₁／D₀≦1.25 1.5≦P₂／D₀≦2.0 である。 ここで第１発明、第２発明いずれにおいても
D₀は放熱器のヒートパイプの外径であり、P₁は
風の流れ方向と直角方向のピツチであり、P₂は
風の流れ方向のピツチである。 上記の本願第１発明及び第２発明について、以
下図面を用いて詳細に説明する。 第４図イ，ロは本第１発明の放熱器の一例を示
すもので、図においてａは半導体、１は半導体装
着用ブロツク、２はヒートパイプ、５は放熱フイ
ンを示し、風の流れ方向に並列状に１段配置した
複数本のヒートパイプ２を風の流れ方向Ａに向つ
て交互喰い違い状態に換言すればP₁、P₂、D₀の
関係が、0.5≦P₁／D₀≦0.75、1.5≦P₂／D₀≦2.0と
なるように配置し、その吸熱部３をブロツク１に
挿着し、該ブロツク１より上記の関係でちどり状
に突出するヒートパイプ２の放熱部４にヒートパ
イプ２と直交する多数の放熱フイン５を取付けた
ものである。 本第１発明の放熱器は以上の構成からなり、フ
イン部における風の流れ方向（図に示す矢印Ａ方
向）にヒートパイプの放熱部を上記の関係となる
ようにちどり状に配列することにより、ブロツク
部における熱抵抗をそれほど悪化せず、放熱部で
の風の流れに乱流を起し、強制対流放熱効果を著
しく向上し、その結果放熱器全体の熱抵抗を小さ
くし、包絡体積当りの性能を向上せしめ得たもの
である。 第１発明において、0.5≦P₁／D₀≦0.75とした
のは、P₁／D₀が0.5未満ではフイン部の乱流効果
が期待されず、フイン部の熱抵抗が大きくなり、
0.75を超えると、半導体素子とヒートパイプの平
均距離が大きくなるため、ブロツク部の熱抵抗が
大きくなるからである。 又、1.5≦P₂／D₀≦2.0としたのは、P₂／D₀が
1.5未満では、ヒートパイプの配置が密となり、
風の流れの圧力損失が大きくなり、2.0を超える
と、ヒートパイプがまばらとなり、乱流効果が期
待されないとともに、ヒートパイプのブロツクか
らの吸熱面積が減少するため放熱効果が低下する
ためである。 なお本第１発明の放熱器の包絡体積当りの性能
をできるだけ向上させるには第５図イ，ロに示す
ようにブロツク１に挿着するヒートパイプ２の吸
熱部３のパイプ径を放熱部４のパイプ径より大径
とするとよい。 また本第２発明の放熱器は大容量半導体の放熱
を行なう場合適するもので、第６図イ，ロに示す
ように風の流れ方向に並列状に多段配置した複数
本のヒートパイプ２を風の流れ方向Ａに向つて交
互の喰い違い状に換言すればP₁、P₂、D₀の関係
が0.5≦P₁／D₀≦1.25、1.5≦P₂／D₀≦2.0となるよ
うに配置し、その吸熱部３をブロツク１に挿着
し、該ブロツク１より上記の関係でちどり状に多
段に突出するヒートパイプ２の放熱部４に、ヒー
トパイプ２と直交する多数のフイン５を取付けた
ものである。 第２発明において、0.5≦P₁／D₀≦1.25とした
のは、P₁／D₀が0.5未満ではフイン部の乱流効果
が期待されず、フイン部の熱抵抗が大きくなり、
1.25を超えると半導体素子とヒートパイプの平均
距離が大きくなるため、ブロツク部の熱抵抗が大
きくなるからである。 又1.5≦P₂／D₀≦2.0としたのは、P₂／D₀が1.5
未満ではヒートパイプの配置が密となり、風の流
れの圧力損失が大きくなり、2.0を超えるとヒー
トパイプがまばらとなり、乱流効果が期待されな
いとともに、ヒートパイプのブロツクからの吸熱
面積が減少するため放熱効果が低下するためであ
る。 なお本願第２発明においても、ブロツク１に挿
着するヒートパイプ２の吸熱部３のパイプ径を放
熱部４のパイプ径より大径にすると放熱器の包絡
体積当りの性能をさらに向上させることができ
る。 以下本願発明の効果を明らかにするため実施例
について説明する。 実施例 １ 直径15.88mm、長さ370mmの銅−水系ヒートパイ
プを５本、並列ちどり状に配置して、その吸熱部
の高さ120mm、巾130mm、厚さ30mmの半導体装着用
アルミブロツクに挿着し、該ブロツクからちどり
状に突出するヒートパイプの放熱部に長さ190mm、
巾40mm、厚さ0.5mmのアルミ製放熱フインを115
枚、２mmのピツチで取付け、第４図イ，ロに示す
１段並列ちどり状配列のヒートパイプを有する本
発明放熱器を作成した。尚ヒートパイプの配置は
風の流れＡ方向と直角方向のピツチP₁を８mm
（対ヒートパイプ径比率P₁／D₀＝0.50）、風の流れ
方向のピツチP₂を25mm（対ヒートパイプ径比率
P₂／D₀＝1.57）とした。 この放熱器２台を１組として並列状に組合せ、
両ブロツク間に出力1000Wのサイリスタを挟着
し、前面風速３ｍ／Secの条件で空気温度（Ta
℃）、ブロツクのサイリスタ取付面の温度（Tb
℃）、ヒートパイプの温度（Thp℃）を測定し、
次式に基づいて熱抵抗を算出した。これ等の結果
を同一ブロツク、同一ヒートパイプを用いた同一
包絡体積の第１図イ，ロに示す構造の従来放熱器
と比較し第１表に示す。 ブロツク部の熱抵抗 （γb）＝（Tb−Thp）／Ｑ フイン部の熱抵抗 （γf）＝（Thp−Ta）／Ｑ 全熱抵抗 （Ｒ）＝（γb）＋（γf） ＝（Tb−Ta）／Ｑ 但しＱはサイリスタ熱出力（Ｗ）を示す。

【表】 熱器
第１表から明らかなように本第１発明の放熱器
ではヒートパイプのちどり状配列によるブロツク
部熱抵抗（γb）の増加は微少であり、フイン部
熱抵抗（γf）は従来放熱器の0.0180℃／Ｗに対し
て0.0150℃／Ｗで小さく、風の流れの乱流効果が
顕著に現れ、全熱抵抗（Ｒ）が９％も改善されて
いることが判る。 次に風の流れ方向と直角方向のピツチP₁とヒ
ートパイプ径D₀の比P₁／D₀と各部熱抵抗との関
連を調べた。その一例（風の流れ方向のピツチ
P₂とヒートパイプ径D₀の比P₂／D₀＝1.57の場合）
を第７図に示す。図から判るようにブロツク部の
熱抵抗（γb）、フイン部の熱抵抗（γf）、全熱抵
抗（Ｒ）とP₁／D₀の間には図に示す様な相関性
があり、全熱抵抗（Ｒ）はP₁／D₀が0.5〜0.75の
間で最低となり、P₁／D₀が１に近づくにつれて
従来放熱器の性能に近づくことが判る。 実施例 ２ 吸熱部（ブロツク挿着部）を長さ115mm、直径
19.05mm、放熱部（フイン装着部）を直径12.7mm
の２段径を有する全長370mmの銅−水系ヒートパ
イプを５本、並列ちどり状に配置し、その吸熱部
を高さ120mm、巾130mm、厚さ30mmの半導体装着用
アルミブロツクに挿着し、該ブロツクからちどり
状に突出するヒートパイプの放熱部に長さ190mm、
巾40mm、厚さ0.5mmのアルミ製フイン115枚を２mm
のピツチで装着し、第５図イ，ロに示す１段並列
ちどり状配列の変形ヒートパイプを有する本第１
発明の他の態様の放熱器を作成した。尚風の流れ
方向と直角方向のピツチP₁を８mm（対フイン部
ヒートパイプ径比率P₁／D₀＝0.63）、風の流れ方
向のピツチP₂を25mm（対フイン部ヒートパイプ
径比率P₂／D₀＝1.97）とした。 この放熱器２台を１組として並列状に組合せ、
両ブロツク間に出力1000Wのサイリスタを挟着
し、前面風速３ｍ／secの条件で実施例１と同様
の測定を行なつて熱抵抗を算出した。これ等の結
果を直径15.88mmの直管状ヒートパイプと同一ブ
ロツク及び同一フインを用いた同一包絡体積の第
１図に示す構造の従来放熱器と比較して第２表に
示す。

【表】 熱器
第２表から明らかなように本第１発明の上記放
熱器はヒートパイプのブロツクに挿着する吸熱部
の径を大きくすることにより、ヒートパイプのち
どり状配列によるブロツク部熱抵抗（γb）の悪
化がなく、フイン部熱抵抗（γf）はヒートパイプ
の放熱部径を小さくすることにより有効伝熱面積
を増加すると共に、風の流れの乱流効果により大
巾に改善され、全熱抵抗（Ｒ）は0.0265℃／Ｗと
16％も改善されていることが判る。 以上実施例１、２の１段並列ちどり状配列のヒ
ートパイプを有する本願第１発明の放熱器では、
特に効率のよい全熱抵抗を得るためにP₁／D₀を
0.5〜0.75、P₂／D₀を1.5〜2.0とすることが必要で
あることがわかる。 実施例 ３ 直径12.7mm、長さ380mmの銅−水系ヒートパイ
プ８本を並列ちどり状に２段に配置し、その吸熱
部を高さ120mm、巾120mm、厚さ60mmの半導体装着
用ブロツクに挿着し、該ブロツクから並列ちどり
状に２段に突出するヒートパイプの放熱部に長さ
185mm、巾75mm、厚さ0.4mmの銅製放熱フインを
120枚、19mmのピツチで取付け、第６図イ，ロに
示す多段並列ちどり状配列のヒートパイプを有す
る本第２発明の放熱器を作成した。尚ヒートパイ
プの配置は風の流れ方向と直角方向のピツチP₁
を12.5mm（対ヒートパイプ径比率P₁／D₀＝0.98）、
風の流れ方向のピツチP₂を22mm（対ヒートパイ
プ径比率P₂／D₀＝1.72）とした。 この放熱器２台を１組として並列状に組合せ、
両ブロツク間に出力1500Wのサイリスタを挟着
し、前面風速３ｍ／secの条件で、実施例１と同
様の測定を行なつて熱抵抗を算出した。その結果
を同一ヒートパイプ、同一ブロツク、同一フイン
を用いた同一包絡体積の第３図イ，ロに示す従来
放熱器と比較して第３表に示す。

【表】 熱器
第３表から明らかなように本第２発明放熱器で
はヒートパイプを並列ちどり状に２段に配置した
ことによるブロツク部熱抵抗（γb）の増加は微
少であり、フイン部熱抵抗（γf）は大巾に改善さ
れ、その結果全熱抵抗（Ｒ）は従来放熱器の
0.0245℃／Ｗから0.0201℃／Ｗと18％も改善され
ていることが判る。又実施例３のように並列ちど
り状配列のヒートパイプの段数を増加することに
より、ヒートパイプの個数が増加することになり
実施例１および２に比しP₁／D₀の許容上限の増
加が可能となる。 尚実施例３の２段列ちどり状配列のヒートパイ
プを有する放熱器の場合には、効率の良い全熱抵
抗を得るためにはP₁／D₀については0.5〜1.25の
範囲とする。 以上本発明の実施に当つてはブロツクについて
はサイリスタの発熱容量に応じて材質及び寸法を
選択し、ヒートパイプについても銅−水系に限る
ものではなく、種々の材質と作動液を組合わせた
ものを用いてもよく、その寸法、形状も必要に応
じて任意に定めることができる。 このように本願発明の放熱器によればフイン部
の風の流れに乱流を発生させて、フイン部熱抵抗
を低下させ、全熱抵抗を大巾に改善したもので、
放熱特性を一段と向上し得る顕著な効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図イ，ロは従来放熱器の一例を示すもの
で、イは正面図、ロは側面図、第２図は第１図に
示す放熱器の使用状態を示す側面図、第３図イ，
ロは従来放熱器で他の一例を示すもので、イは平
面図、ロは正面図、第４図イ，ロは本第１発明の
放熱器で実施例１に示すものであり、イは平面
図、ロ正面図、第５図イ，ロは本第１発明の他の
例の放熱器で実施例２に示すものであり、イは平
面図、ロは正面図、第６図イ，ロは本第２発明の
放熱器で、実施例３に示すものであり、イは平面
図、ロは正面図、第７図は本発明放熱器の実施例
１の場合の各部熱抵抗に及ぼすヒートパイプの風
の流れ方向と直角方向のピツチP₁とヒートパイ
プ径D₀の比率P₁／D₀の影響を示す説明図である。 ａ……半導体、１……半導体装着用ブロツク、
２……ヒートパイプ、３……ヒートパイプの吸熱
部、４……ヒートパイプの放熱部、５……放熱フ
イン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 風の流れ方向に並列状に１段配置した複数本
   のヒートパイプの吸熱部に半導体装着用ブロツク
   を挿着し、該ブロツクから突出するヒートパイプ
   の放熱部に、ヒートパイプと交差する多数の放熱
   フインを取付け、該フイン部に送風して強制的に
   放熱させるようにした放熱器において、上記の１
   段のヒートパイプ群を下記の関係を有するよう
   に、ジグザグに配列したことを特徴とする半導体
   用ヒートパイプ放熱器。 0.5≦P₁／D₀≦0.75 1.5≦P₂／D₀≦2.0 D₀：放熱部のヒートパイプ外径 P₁：風の流れ方向と直角方向のピツチ P₂：風の流れ方向のピツチ ２ ヒートパイプの吸熱部におけるパイプ径を放
   熱部におけるパイプ径より大径とした特許請求の
   範囲第１項記載の半導体用ヒートパイプ放熱器。 ３ 風の流れ方向に並列状に多段配置した複数本
   のヒートパイプの吸熱部に半導体装着用ブロツク
   を挿着し、該ブロツクから突出するヒートパイプ
   の放熱部に、ヒートパイプと交差する多数の放熱
   フインを取付け、該フイン部に送風して強制的に
   放熱させるようにした放熱器において、上記の多
   段のヒートパイプ群を下記の関係を有するよう
   に、ジグザグに配列したことを特徴とする半導体
   用ヒートパイプ放熱器。 0.5≦P₁／D₀≦1.25 1.5≦P₂／D₀≦2.0 D₀：放熱部のヒートパイプ外径 P₁：風の流れ方向と直角方向のピツチ P₂：風の流れ方向のピツチ ４ ヒートパイプの吸熱部におけるパイプ径を放
   熱部におけるパイプ径より大径とした特許請求の
   範囲第３項記載の半導体用ヒートパイプ放熱器。