JP2005337517A - 噴流冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持する。
【解決手段】 冷却板１は冷媒と接する衝突面１０と、これと対向し、熱源が接している熱源面１１との２つの主面をもち、噴出孔３が穿たれた仕切り板２が冷却板１に近接して配置され、衝突面１０上には断面形状が楔形の柱状をなし、さらに仕切り板２に接触する複数個の突起４ａが噴出孔３を取り囲むように配置されて噴出孔３から衝突面へ吹き付けられた冷媒が放射状に流れ去る流路を狭めており、熱源の熱は冷却板１を貫通して衝突面１０と、さらに一部は噴出孔３近傍から離れても減速しない冷媒に晒されている突起側面へも至り、迅速に冷媒へと移る。
【選択図】 図１

Description

本発明は噴出孔から冷却板に冷媒を吹き付けて熱源を冷却する噴流冷却器に関するものである。

従来の噴流冷却器においては、特許文献１に示されるように、冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、冷却板に近接して配置されている。

特開２００２−２３７６９１号公報

しかし、このような噴流冷却器においては、冷却板に吹き付けられた冷媒は、冷却板と仕切り板との間をしばらく放射状に流れるので、冷媒の流速は噴出孔からの距離に反比例して減速する。このため、噴出孔から離れるに従い急速に熱伝達率が低くなる。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持することができる噴流冷却器を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、冷却板もしくは仕切り板の表面に、複数の突起を噴出孔を取り囲むように配置する。

本発明に係る噴流冷却器においては、噴出孔の周辺部における冷媒の流速を速くすることができるから、噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持することができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を説明する平面図（図２のＢ−Ｂ断面図）、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、冷却板１は冷媒と接する衝突面１０と、衝突面１０と対向しかつ熱源５が接している熱源面１１との２つの主面をもつ。冷却板１に近接して仕切り板２が配置され、仕切り板２に噴出孔３が穿たれている。冷媒はこの噴出孔３を通り、衝突面１０の然るべき局所に吹き付けられ、図示していないが周辺にある排出口へと流れ去る。図中の矢印は冷媒の流れる方向を模式的に示したものである。また、冷却板１の表面すなわち衝突面１０上に突起４ａが形成され、突起４ａの断面形状は楔型もしくは鋭角二等辺三角形である柱状をなしている。また、突起４ａの上面は仕切り板１１に接触している。

熱源５の熱は冷却面１を貫通して衝突面１０へ至り、そして冷媒へと移る。衝突面１０と冷媒との間の熱伝達率は冷媒の流速と正の相関がある。よって、噴出孔３を抜けた冷媒が高速で吹き付けられる噴出孔３直下その周辺では高い熱伝達率が得られる。ここでもし、突起４ａがなければ、冷媒の流速は噴出孔３からの距離に反比例して減速するが、冷媒が突起４ａの間を通る間は、流路断面積を維持するように突起４ａの形状と配置を構成すると、突起４ａの脇においては冷媒の流速が低下するのを防ぐことができるから、突起４ａの側壁においては高い熱伝達率が得られる。さらに、突起４ａは放熱フィンとしても機能するので、冷却板１の突起４ａの底面直下の領域も高い放熱能力を得る。

図３は、噴出孔３の中心からの距離を横軸に、縦軸には任意スケールの冷媒の流速をとった模式的なグラフで、実線は図１、図２に示した噴流冷却器の場合を示し、破線は突起４ａがない噴流冷却器の場合を示す。図１、図２に示した噴流冷却器の場合には、噴出孔３から出て冷却板１に衝突した冷媒は、突起４ａの間を通る間は流路断面積が変化しないので、流速はほぼ一定に保たれる。さらに、突起４ａの背面では急激に流路断面積が変化し、流速は急減速する。実際には流れが乱れるので、この領域の熱伝達率は乱流条件に近い高い熱伝達率となる。

なお、図１、図２では突起４ａの数が８個の対称配置の場合を示したが、噴流孔３近傍の冷媒の流路断面積を、噴流孔直近のそれとほぼ一定に保つものであれば、突起４ａの数、形状、配置は任意である。

図４に設計手法の一例を示す。図中、点線は噴出孔３の縁の延長線、細い破線は突起４ａ脇の流路幅を模式的に示している。流路がこのように一定幅に制限される形状および配置であればよい。

なお、上記までは冷却板１の衝突面１０上に形成された突起４ａが仕切り板２に接触しているものとしたが、突起４ａと仕切り板２との間に間隙があっても構わない。その場合、噴出孔３から周囲へ向かって流れる冷媒の総流路断面積がほぼ一定になるよう、突起４ａの立体形状を設計すればよい。

さらに、突起４ａを冷却板１と一体に形成するか、突起４ａを冷却板１に少なくとも熱的に強く接続すれば、上述のように放熱フィンとしての機能をもつが、突起を仕切り板２に形成して、突起と冷却板１とを熱的にそれほど強く接続していない場合でも、衝突面１０界面に接する冷媒の流速低下を抑制するので、冷却能力を高める効果はある。

また、図１では楔状の突起４ａが噴出孔３の直近から存在していたが、このようにすると圧損が大きく上昇してしまう可能性がある。そこで、図５に示すように、噴出孔３から少し離れた位置に配置すれば、冷媒が突起と接するのは少し流速が低下してからなので、圧損をそれほど損なわずに済む。この場合、冷却性能は図１の構成には及ばないが、十分な冷却能力をもつ。

なお、突起４ａの稜線は製造方法の制約により、やや丸みを帯びることもあるが、それでも本発明の効果は同等であり、本発明の範囲に含まれる。そのような場合は、突起４ａの形状を図６、図７のようにすればよい。すなわち、図６は改良形突起４ａを配置した噴出孔３周辺の仕切り板２を取り去った状況を上から眺めた平面図、図７は図６のＣ−Ｃ断面図である。このように先端が丸くなった分、最鋭角稜線を傾斜させることで、突起４ａのある領域のみ、総流路断面積をほぼ一定に保つことができる。

また、図８に示すように、突起４ａの配置された部分のさらに外側に、流れを乱す突起４０を備えていると、より広い領域で比較的高い熱伝達率を維持することができる。図８において、突起４０の断面形状は円形で示したが、突起４０の断面形状は任意である。このような突起４０が設けられた外周では流速も低下しているので、このような突起４０が林立していても、さほど圧損は増加しない。また、突起４０は流路制限の機能を重視しなくてよいので、冷却板１と一体の突起４０は仕切り板２に接触していなくてもよいし、柱形でなく錐形でもよい。

（第２の実施の形態）
図９は本発明の第２の実施の形態を説明する図で、図１に対応する平面図である。ここでは、突起４ｂは菱形もしくは舟底形の底面形状をもつ柱状である。このようにすると、図１にて楔状突起４ａの後側で流路断面積が急変し、乱れていた流れが乱れなくなり、圧損上昇を抑制できる。また、放熱フィンとしての突起４ｂも長くなるので、冷却能力が向上する領域も増大する。

図１０は図３に対応する流速分布のグラフで、実線は図９に示した噴流冷却器の場合を示し、破線は突起４ｂがない噴流冷却器の場合を示す。このように突起４ｂを舟底形にすると流速分布が急変するのを抑制できる。なお、突起４ｂの側面形状は流れが剥離するようなら、鈍角をゆるやかな曲線にしてもよい。

すなわち、図１１の平面図に示すように、突起４ｂの噴出孔３側の先端において鋭角の接線が図中に細い破線で示した流路断面積を一定に保つ長方形と平行で、突起４ｂの他端へ向かって滑らかな曲線とした舟底形すると、流速分布は図１２中の実線に示すようになだらかになり、流れが乱れることなく、圧損の増加を最小限に抑えることができる。

さらに、この構成でも前述と同様、突起４ｂは噴出孔３から少し離れた領域に配置してもよく、また鋭角に丸みを帯びさせ、稜線を傾斜させてもよい。

（第３の実施の形態）
図１３は本発明の第３の実施の形態を説明する平面図である。突起を冷却フィンとしての機能のみに限定すると、図１３に示すような厚みが一定の板状突起４ｃを放射状に配列したものでも、圧損を増やすことなく冷却効率を上げることができ、また製造と設計が簡単である。

（第４の実施の形態）
図１４〜図１６は本発明の第４の実施の形態を説明する図で、図１５は図１４に示した実施の形態の斜視図であり、図１４、図１６の点線は噴出孔３の縁の延長線である。突起４ｄ同士は噴出孔３の直径以下の距離を隔てて稠密に配置されている。突起４ｄと噴出孔３との位置関係はさほど厳密に気にすることはなく、たとえば図１４、図１５のように突起４ｄの１つがちょうど噴出孔３の中心付近にくるように配置されていても、あるいは図１５のように複数の突起４ｄが噴出孔３の縁に掛かるように配置されていても、冷却フィンとしての効果を期待できる。すなわち、この構成では仕切り板２側の噴出孔３と、冷却板１側の突起４ｄの位置合わせを気にしなくてよい、という製造工程上の利点がある。なお、突起４ｄの形状は柱状、円錐状、多角円錐状、半楕球状など任意である。柱状の場合、上辺は仕切り板２と接していても、接していなくてもよい。また、図１４、図１６では突起４ｄ同士を三角配置としたが、図１７のような正方形配置でもほぼ同様の効果をえられる。

また、図１８は、図１３において板状突起４ｃだったものを短い突起４ｄに置き換えたものである。図１７では円柱形で示したが、突起４ｄの形状は、突起４ｄの後方で乱流が発生するものであれば、円錐、円筒、半球、多角錐、多角柱など任意である。普通の衝突噴流は層流に近いが、乱流が発生すると、格段に冷却効率が向上し、また製造と設計がさらに簡単である。また、冷却板１と一体の突起４ｄが仕切り板２に接触していてもよいし、接触していなくても所定の効果を得る。

（第５の実施の形態）
図１９は本発明の第５の実施の形態を説明する断面図である。この構成では、突起の代わりに噴出部３の周辺に環状の隆起部４４をもつ。隆起部４４は、噴出孔３から吹き出してくる冷媒の流路断面積が噴出孔３の中心線からの距離に比例して増大するのを抑制する。すなわち、冷却板１と仕切り板２との間の距離が、噴出孔３の縁で１単位だとすると、噴出孔３の中心線から噴出孔３の半径の２倍だけ離れたところでは１／２単位、３倍離れたところでは１／３単位となるような形状をもつ。そして、熱源５の冷却に関係ない領域になったら、隆起部４４はなだらかに消失するような形状とする。これによって熱源５に影響する領域の熱伝導率を前述の突起による構成と同様に高くすることができる。なお、この隆起部４４は図１９のように冷却板１側にあってもよいし、図２０のように仕切り板２側にあっても、また図２１のように冷却板１側および仕切り板２側にあってもよい。

この実施の形態においては、構造が簡単で冷却効率が向上する。

なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、以上の実施の形態のいずれかを組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態を説明する平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の構成における、冷媒の流速分布を示す概念的グラフである。 第１の実施の形態の設計手法を示す平面図である。 第１の実施の形態の変形例を説明する平面図である。 第１の実施の形態の別の変形例を説明する平面図である。 図６のＣ−Ｃ断面図である。 第１の実施の形態のさらに別の変形例を説明する平面図である。 本発明の第２の実施の形態を説明する平面図である。 図９の構成における、冷媒の流速分布を示す概念的グラフである。 第２の実施の形態の変形例を説明する平面図である。 図１１の構成における、冷媒の流速分布を示す概念的グラフである。 本発明の第３の実施の形態を説明する平面図である。 本発明の第４の実施の形態を説明する平面図である。 図１４に示した実施の形態の斜視図である。 第４の実施の形態の変形例を説明する平面図である。 第４の実施の形態の別の変形例を説明する平面図である。 第４の実施の形態のさらに別の変形例を説明する平面図である。 本発明の第５の実施の形態を説明する断面図である。 本発明の第５の実施の形態の変形例を説明する断面図である。 本発明の第５の実施の形態の別の変形例を説明する断面図である。

符号の説明

１…冷却板 ２…仕切り板
３…噴出孔 ４ａ〜４ｄ…突起
５…熱源 １０…衝突面
１１…熱源面 ４０…突起
４４…隆起部

Claims (6)

1. 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
   前記冷却板もしくは前記仕切り板の表面に、複数の突起が前記噴出孔を取り囲むように配置されている、
   ことを特徴とする噴流冷却器。
2. 楔形もしくは鋭角三角形の底面をもつ前記複数の突起が、その鋭角稜線を前記噴出孔の中心方向に向けて配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の噴流冷却器。
3. 菱形もしくは舟底形の底面をもつ前記突起が、その鋭角稜線を前記噴出孔の中心方向に向けて配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の噴流冷却器。
4. 板状の前記突起が、その長手方向を前記噴出孔に向けて配列されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の噴流冷却器。
5. 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
   前記噴出孔近傍の前記冷却板もしくは前記仕切り板の表面に、複数の突起が前記噴出孔直径以下の距離で配置されている、
   ことを特徴とする噴流冷却器。
6. 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
   前記噴出孔周辺の、前記仕切り板の表面もしくは前記冷却板の表面の少なくとも一方に、前記噴出孔から一定距離の範囲内の流路断面積を所定の範囲内に維持する、環状の隆起部を有する、
   ことを特徴とする噴流冷却器。

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