CN103298317A

CN103298317A - 冷却器以及冷却装置

Info

Publication number: CN103298317A
Application number: CN2013100560530A
Authority: CN
Inventors: 田村正佳; 羽下诚司; 菊池洋辅
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: DE102013101747A1; JP2013175526A; CN103298317B; US9291404B2; US20130220587A1; DE102013101747B4; JP5901343B2

Abstract

本发明提供一种热交换效率高，且冷却水的压力损失小的冷却器以及使用了它的冷却装置。在冷却装置中，在冷却水的流通路径配设热交换单元（20）。热交换单元（20）具有板状的平板部（21）、被竖立设置在平板部（21）的板面上的多个翅片（22），以平板部（21）的板面沿着冷却水的流通路径，且冷却水在翅片（22）彼此的间隙中流动的方式被配设在冷却装置中。多个翅片（22）的每一个均为菱形柱状，以其长的对角线沿着冷却水的流通路径的方式格子状地配设于平板部（21）。

Description

冷却器以及冷却装置

技术领域

本发明涉及冷却器以及冷却装置，详细地说，涉及被配设在冷却水的流通路径并与冷却水进行热交换的冷却器以及使用了它的冷却装置。

背景技术

以往，作为对CPU、LSI、逆变器等电子设备·功率半导体等冷却对象进行冷却的高效的冷却机构，已知由金属构成，且在与冷却对象热连接的底座部的板面上竖立设置圆柱状、长方体状的多个针翅的冷却机构（例如，参见专利文献1、非专利文献1）。在专利文献1、非专利文献1记载的冷却机构中，相对于针翅冷却风吹出，将冷却对象冷却。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-190265号公报

非专利文献

非专利文献1：近藤义广、松岛均，《针对LSI封装件搭载用针翅形散热器的喷流冷却特性的实验研究》，日本机械学会论文集（B编）61卷582号，p.339-345，1995年2月

在具备这样的圆柱状、长方体状的多个针翅的冷却机构中，针翅的热传递率好，能够实现高的冷却性能。但是，在使用水、LLC等冷却水，使冷却水在针翅彼此的间隙中流通的情况下，冷却水的压力损失大，作为压送冷却水的机构，有必要使用输出大的机构。

发明内容

本发明是鉴于这样的实际情况做出的发明，以提供一种热交换效率高，且冷却水的压力损失小的冷却器以及使用了它的冷却装置为目的。

为了实现上述目的，本发明的冷却器是被配设在冷却水的流通路径中并与该冷却水进行热交换的冷却器，

其特征在于，

该冷却器具备：

板面沿上述冷却水的流通路径配设的底座板；和

排列成格子状地分别被竖立设置在上述底座板的板面上，且被配设在上述冷却水的流通路径内的多个翅片，

上述多个翅片的每一个均为菱形柱状，被配设成该菱形柱状中的菱形的长的对角线沿着上述冷却水的流通路径方向。

根据本发明，能够实现热交换效率高，冷却水的压力损失小的冷却器、冷却装置。

附图说明

图1是表示有关本发明的实施方式1的冷却装置的结构的概要的立体图。

图2是表示有关实施方式1的热交换单元的立体图。

图3是表示有关实施方式1的热交换单元的俯视图。

图4是图1中的A-A向视剖视图。

图5是将有关实施方式1的热交换单元的翅片放大来表示的图。

图6是表示使热交换单元的形状变化了时的压力损失和热传递率特性的图。

图7是示意地表示在将翅片的菱形形状的短长比固定，使菱形形状的长的对角线的长度和翅片彼此的间隙距离变化了时的压力损失和热传递率特性的图。

图8是按照翅片的菱形形状的每个长宽比表示帕累托最优度的图。

图9是表示实施方式2的冷却装置的结构的概要的图。

图10是表示有关实施方式2的冷却装置的层叠体的俯视图。

图11是图10中的B-B向视剖视图。

图12是将平板的狭缝周边放大来表示的图。

图13是说明将多个平板层叠做成层叠体的情况的图。

图14是表示有关实施方式3的层叠体的结构的概要的图。

图15是图14中的C-C向视剖视图。

图16是图14中的D-D向视剖视图。

图17是表示有关实施方式4的层叠体的结构的概要的图。

图18是表示有关实施方式4的层叠体的平板的图。

符号说明

10：冷却装置；11：流入口；12：流出口；13：箱体；14：盖；20：热交换单元；21：平板部；22：翅片；30、30A、30B：层叠体；31、31A、31B、31C：平板；32：狭缝

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

实施方式1.

图1是表示有关本发明的实施方式1的冷却装置10的结构的概要的图。有关本发明的实施方式1的冷却装置10被用于冷却例如CPU、LSI、逆变器等电子设备、功率半导体等冷却对象。冷却装置10如图1所示，具备冷却水的流入口11、流出口12、箱体13、热交换单元（冷却器）20。另外，该冷却装置10具备例如由电动式马达驱动的泵等未图示出的冷却水压送机构。下面，图中粗线箭头表示冷却水的流动。另外，在冷却装置10中，也可以通过冷却水压送机构使冷却水循环。在这种情况下，也可以在循环的流通路径内具备储罐、过滤器。另外，作为冷却水，能够适宜选择使用例如水、LLC、酒精等。

流入口11、流出口12、箱体13的每一个由铜、铝、铁等热传导性高的材料生成，构成冷却水的流通路径的一部分。在该实施方式中，箱体13被形成为长方体状的宽的一面开口的箱状，在与流入口11、流出口12连接的孔13a附近形成凹部13b。另外，流入口11、流出口12被形成为管状。流入口11、流出口12、箱体13可以通过铸造等一体地形成，各自的部件也可以通过粘接剂粘接，或通过熔剂熔敷。

热交换单元20与箱体13等同样，由铜、铝、铁等热传导性高的材料形成，被安装在箱体13的开口面。热交换单元20如图2～图4所示，具有板状的平板部21、多个翅片22。平板部21被形成为与箱体13的开口面相吻合的形状，通过粘接剂进行的粘接、熔剂进行的熔敷，被安装在箱体13的开口面。据此，平板部21将板面沿冷却水的流通路径配置，与箱体13、流入口11、流出口12一起构成冷却水的流通路径。

多个翅片22被竖立设置在平板部21的板面。该多个翅片22可以使用例如压铸法与平板部21一体地形成，也可以相对于平板部21分别进行钎焊、焊接等。多个翅片22的每一个是将与平板部21的板面平行的截面做成菱形的菱形柱状，沿顺着将冷却水的流入口11和流出口12连结的冷却水的流通路径方向的方向及与其垂直的方向，在平板部21上二维地排列成格子状。多个翅片22的每一个被配设成菱形的长的对角线顺着流通路径方向，在该实施方式中，以多个翅片22的壁面彼此的距离t大致均等的方式，在平板部21的板面配置成交错格子状。

在冷却装置10中，在箱体13、热交换单元20中的与配设了多个翅片22的面相反一侧的面上安装冷却对象，冷却水从流入口11流入箱体13和热交换单元20之间，冷却水在多个翅片22的间隙通过，从流出口12流出。而且，在冷却装置10中，从冷却对象向箱体13、热交换单元20传递热，在冷却水在箱体13和热交换单元20之间通过时，通过从箱体13、热交换单元20向冷却水发散热来冷却冷却对象。在该实施方式的冷却装置10中，因为菱形柱状的多个翅片22被格子状地竖立设置，构成热交换单元20，所以，能够使冷却水在翅片22的间隙流通时的压力损失减小，且能够提高冷却装置10的热传递率效率。

接着，对热交换单元20中的菱形柱状的翅片22的特别优选的形状进行说明。图5是从上面看，示意地表示多个翅片22的一部分的图，图6是表示使菱形柱状的翅片22中的菱形的短长比（b/a）、菱形的长的对角线的长度a、多个翅片22彼此的间隙距离t变化了时的冷却装置10的压力损失、热传递率特性的图。图6中，分别在下述式子（1）～（3）的范围变更翅片22的菱形的短长比（b/a）、长的对角线的长度a（mm）、间隙距离t（mm），通过三维流体模拟，得到压力损失、热传递率特性。而且，在图6中，用粗线表示相对于翅片22的形状以及配置（短长比（b/a）、长的对角线的长度a、间隙距离t）的压力损失和热传递率特性的帕累托解P。这里，帕累托解P是成为为了改善压力损失和热传递率特性的一方，而不得不使另一方变差的状态的解，可以认为成为帕累托解P的翅片22的形状是在压力损失和热传递率特性中最佳的形状。

0.15≤b/a≤0.45…（1）

1.0≤a≤7.0…（2）

0.6≤t≤2.0…（3）

图7是示意地表示在将翅片22的菱形的短长比（b/a）的值固定（例如，固定在满足0.15≤x≤0.45的任意的x（mm））、使长的对角线的长度a和间隙距离t在满足上述式子（2）、（3）的范围变化了时的冷却装置10的压力损失、热传递率特性的图。图7中，将固定了翅片22的菱形的短长比（b/a）时的压力损失、热传递率特性的计算结果范围的边界线L、与图5所示的帕累托解P结合来表示。可以认为边界线L和帕累托解P越近，其短长比（b/a）的翅片22的压力损失、热传递率特性越挨近帕累托解P，为合适的短长比（b/a）。这里，定义下述式子（4）所示的帕累托最优度Op，作为表示任意的短长比（b/a）的边界线L和帕累托解P的挨近程度的指标。可以认为该帕累托最优度Op与用热传递率的宽度△hb除边界线L和帕累托解P之间的面积（图7中斜线部）取倒数的值相当，帕累托最优度Op越大，该短长比（b/a）下的边界线L越挨近帕累托解P，能够成为性能优异的翅片22的短长比（b/a）。

Op＝△hb/∫［L（hb）-P（hb）］dhb…（4）

图8是表示翅片22的短长比（b/a）和帕累托最优度Op的关系的图。如图所示，帕累托最优度Op在短长比（b/a）为0.3的附近，取最大值。在该实施方式的计算结果中，在短长比（b/a）满足0.270≤b/a≤0.325的范围时，帕累托最优度Op在40以上，翅片22的性能非常优异。

在上述的冷却装置10中，多个翅片22做成以相互的间隙距离t大致相等的方式排列成交错格子状的翅片，但是，并不限定于此，例如，也可以以在将冷却水的流入口11和流出口12连结的流通路径方向及与其垂直的方向上的间隔为一定（包括接近）的方式配设成格子状。

实施方式2.

图9是表示实施方式2的冷却装置110的结构的概要的图。在实施方式2的冷却装置110中，替代实施方式1的热交换单元20地具备层叠体30。层叠体30将多个平板（热交换平板）31层叠而构成，通过从箱体13的开口被放入，由盖14覆盖，被配设在冷却水的流通路径。下面，针对与实施方式1共同的结构，省略说明。

构成层叠体30的多个平板31由铜、铝、铁等热传导率高的材料形成。多个平板31的每一个如图9～图11所示，被形成为使板面为长方形的板状，形成有在厚度方向（层叠方向）贯通的多个锯齿状（曲折状）的狭缝32。多个锯齿状的狭缝32的每一个被形成为沿作为将冷却水的流入口11和流出口12连结的方向的冷却水的流通路径方向长的形状，分别在与冷却水的流通路径方向垂直的方向排列形成。另外，多个狭缝32的每一个为弯折的图案连续的锯齿状，相邻狭缝32彼此相位相反（错开180度）。平板31中的多个狭缝32例如能够通过由冲压加工进行的冲切、激光切割加工、蚀刻加工等形成。

在该实施方式中，多个狭缝32根据实施方式1中说明的菱形来确定图案。多个狭缝32如图12所示，被形成为底边a和高度b’满足0.270≤b’/（2·a）≤0.325的等腰三角形的图案连续的锯齿状。也就是说，多个平板31在隔开相邻狭缝32的平板31的部位，以等腰三角形的图案向左右两侧（与冷却水的流通路径方向垂直的方向的两侧）突出，成为与实施方式1中说明的菱形类似的形状（b’＝b/2）。

多个平板31如图13所示，通过钎焊、焊接被水密性接合，使邻接的平板31彼此的狭缝32连通，构成层叠体30。而且，层叠体30被放入箱体13，由盖14覆盖，构成冷却装置110。在该实施方式中，如上所述，在箱体13上，在与流入口11和流出口12连接的孔13a附近形成凹部13b。该凹部13b被形成为在层叠体30的层叠方向扩口，在冷却装置110中，若冷却水从流入口11进入箱体13内，则冷却水通过凹部13b相对于层叠体30的平板31的板面垂直地流入。而且，冷却水通过形成在平板31上的多个狭缝32朝向流出口12侧，通过流出口12侧的凹部13b相对于平板31的板面垂直地流出。

在上面说明的实施方式2的冷却装置110中，因为构成层叠体30的平板31的狭缝32以相邻狭缝32彼此相位相反的方式被形成为锯齿状，隔着相邻狭缝32的平板31的部位以等腰三角形的图案突出，以便成为与在实施方式1中说明的菱形类似的形状，所以，能够减小冷却装置的冷却水的压力损失，且能够提高热传递效率。另外，通过在使平板31层叠时，使狭缝32彼此的位置在板面方向相互错开若干量地连通，能够增大冷却水和层叠体30接触的面积，或进行冷却水的搅拌，谋求提高热交换效率。另外，若使狭缝32在冷却水的流通路径方向错开，例如即使不设置箱体13的凹部13b，也能够轻易地使冷却水流入狭缝32。

实施方式3.

图14是实施方式3的层叠体30A的俯视图，图15以及图16是图14中的C-C以及D-D向视剖视图。在实施方式3中，与实施方式2同样，将形成有多个锯齿状的狭缝32的平板31层叠，构成层叠体30A，但是，被层叠的平板31包括在冷却水的流通路径方向狭缝32长的平板31A和短的平板31B。如图14～图16所示，若将狭缝32的位置错开，构成层叠体30A，则能够增大冷却水和层叠体30A接触的面积，且能够使冷却水向层叠方向移动，谋求提高冷却装置的热交换效率。这里，虽然通过增大狭缝32彼此错开的量，容易得到这样的效果，但是，若狭缝32彼此连通的空间小，则在像图16中虚线箭头所示那样，异物侵入到层叠体30A内的情况下，存在不能将异物从层叠体30A排出的可能性。例如，在与在冷却水的流通路径方向错开的量（图16中符号j1）相比，在与其正交的方向错开的量（图15中符号i）小的情况下，若从间隙j1进入的异物大，则不能在间隙i通过（异物不能在层叠方向移动）。对此，在该实施方式3中，如图16所示，通过对于平板31使用狭缝32在冷却水的流通路径方向长的平板31A和短的31B，交替地进行层叠，能够确保能将异物向流出口12附近排出的空间（图16中间隙j2＞j1），能够抑制异物堵塞。

实施方式4.

图17是实施方式4的层叠体30B的俯视图，图18是实施方式4的平板31C的俯视图。实施方式4的层叠体30B如图所示，通过将一种多个平板31C每隔一张旋转180°进行层叠而构成。该实施方式的平板31C在冷却水的流入口11、流出口12附近的规定区域（图18中斜线部）平行地形成狭缝32。这样，通过平行地形成狭缝32，即使使平板31C旋转180°，也能够使狭缝32彼此的位置不错开地连通。另外，平行地形成了的狭缝32的流入侧和流出侧的一方的端部成为切口32a。据此，能够不会阻碍冷却水向流入口11、流出口12的流通，且能够促进冷却水在平板31C之间的移动，提高热传递效率。另外，通过使将切口32a和狭缝32隔开的平板部分为适当的位置，与实施方式3的层叠体30A同样，能够确保将异物排出的空间，抑制异物堵塞。

上面，对本发明的实施方式进行了说明，但该发明并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形以及应用。例如，箱体13是长方体状的箱体，但是，例如也可以形成为流入口11、流出口12附近从流入口11开始扩径或朝向流出口12缩径等，形状为怎样的形状均可。

在上述的实施方式2～4中，层叠体30是由盖14覆盖并被收纳在箱体13中的部件，但是，也可以在层叠体30的端面层叠作为盖14的替代品的罩板，不使用盖14地将层叠体30安装在箱体13上。

Claims

1.一种冷却器，其是被配设在冷却水的流通路径中并与该冷却水进行热交换的冷却器，

其特征在于，

该冷却器具备：

板面沿上述冷却水的流通路径配设的底座板；和

上述多个翅片的每一个为菱形柱状，被配设成该菱形柱状中的菱形的长的对角线沿着上述冷却水的流通路径方向。

2.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，

上述多个翅片被构成为上述菱形柱状中的菱形的长的对角线的长度a（mm）、该菱形的短的对角线的长度b（mm）满足0.270≤b/a≤0.325。

3.如权利要求2所述的冷却器，其特征在于，

上述多个翅片被构成为上述菱形柱状中的菱形的长的对角线的长度a（mm）、该多个翅片的相互的间隙距离t（mm）满足1.0≤a≤7.0，0.6≤t≤2.0。

4.一种冷却器，其是被配置在冷却水的流通路径中并与该冷却水进行热交换的冷却器，

其特征在于，

该冷却器具备层叠体，所述层叠体将多个热交换平板层叠而构成，所述热交换平板在相对于上述冷却水的流通路径方向垂直的方向排列形成有在厚度方向贯通的多个狭缝，所述层叠体被配设成上述热交换平板的板面沿着上述冷却水的流通路径，使上述冷却水在上述狭缝流通，

从与上述热交换平板的板面垂直的方向看，上述多个狭缝的每一个被形成为以相邻的狭缝彼此相位相反的方式连续地具有弯折的图案的锯齿状。

5.如权利要求4所述的冷却器，其特征在于，

上述弯折的图案从与上述热交换平板的板面垂直的方向看，是底边a（mm）、高度b’（mm）满足0.270≤a/（2·b’）≤0.325的等腰三角形状。

6.如权利要求4所述的冷却器，其特征在于，

上述层叠体对于每个上述多个热交换平板，使上述多个狭缝的位置沿板面错开地构成。

7.如权利要求5所述的冷却器，其特征在于，

8.如权利要求4至7中的任一项所述的冷却器，其特征在于，

上述多个热交换平板包括第一热交换平板和第二热交换平板，所述第二热交换平板将上述多个狭缝形成得比所述第一热交换平板短，

上述层叠体将上述第一热交换平板和上述第二热交换平板交替地层叠而构成。

9.如权利要求4至7中的任一项所述的冷却器，其特征在于，

上述层叠体将结构相同的多个热交换平板层叠而构成，

上述多个狭缝在上述冷却水的流入流出侧的端部的规定区域，沿该冷却水的流通路径方向平行地形成。

10.一种冷却装置，其特征在于，

将权利要求4至7中的任一项所述的冷却器配设在冷却水的流通路径中，

在上述流通路径中的冷却水向上述冷却器的流入流出口形成有在上述层叠体的层叠方向扩口的扩口部，冷却水通过该扩口部相对于上述热交换平板的板面垂直地流入流出。