JP2021103758A - Cooling structure and heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートシンクの冷却構造に関する。 The present invention relates to a heat sink cooling structure.
パワー半導体モジュール等に例示される発熱が高い素子を冷却するために例えば特許文献1〜3に示されたヒートシンクが適用される。
For example, the heat sinks shown in
特許文献1のヒートシンクは、冷媒の圧力損失の最小化、放熱効果の増加、さらには、前記素子の全体表面における温度偏差の最小化を図るため、冷媒の流入路にフィンが多数配列される。特に、前記フィンは冷媒の排出部の方向に密に配列される。また、冷媒との接触表面積が当該冷媒の流入側から排出側につれて増大させることで、当該冷媒の流れ圧力損失の減少が図れる。
In the heat sink of
特許文献2のヒートシンクは、同一ヒートシンクでの圧力損失の増加を抑制するために、高冷却性能を必要とする領域に流体抵抗の小さなピン状のフィンが配置される。そして、比較的に低冷却性能でもよい領域には、蛇行した溝を複数並列させた形状を成すフィンが配置されることで、圧力損失の増大の抑制が図られる。
In the heat sink of
特許文献3のヒートシンクは、発熱体と反対するベース面に複数のピン状のフィンが立設され、これらのフィンはウォータージャケットに収容される。特に、前記複数のフィンが前記ベース面において部分的に密に配置されることで流動抵抗が調整される。 In the heat sink of Patent Document 3, a plurality of pin-shaped fins are erected on the base surface opposite to the heating element, and these fins are housed in a water jacket. In particular, the flow resistance is adjusted by partially densely arranging the plurality of fins on the base surface.
特許文献1のヒートシンクは、同一のヒートシンクに配置される複数の素子の発熱量が個々に異なれば有効だが、配置される素子の発熱量が同じであれば温度のアンバランスが生じ、有効とはいえない。また、このヒートシンク内に水路が並列に形成された場合、流れのバランスを確保するため、各水路間に水路壁を設ける必要があり、これが圧力損失の増大を招く。
The heat sink of
特許文献2のヒートシンクは、冷媒の流れを蛇行させる流路が形成されているが、流量が増えると、圧力損失がピン状のフィン構造に比べかなりの割合で増大する。また、小型化しても圧力損失の冷却効率が低下する。
The heat sink of
また、特許文献1〜3のヒートシンクは、装置構成の制約等により冷媒の流入口と流出口とが冷却本体部において対角の位置で設けられた場合、冷却本体部におけるフィンの配置が一定でないので、冷媒の流れに偏りが生じる。
Further, in the heat sinks of
本発明は、以上の事情を鑑み、複数の発熱体が取り付けられるヒートシンクの冷却構造において、加工が単純なフィン構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失の低減と小型化を図ることを課題とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to reduce pressure loss and reduce the size of a heat sink cooling structure to which a plurality of heating elements are attached, while efficiently and uniformly cooling the entire body with a simple fin structure. Make it an issue.
そこで、本発明の一態様は、複数の発熱体が並列して取り付けられる冷却本体部を有し、この冷却本体部には、冷媒の流入路と、この流入路から供された前記冷媒の流通路と、この流通路から供された前記冷媒の流出路とが形成され、前記流通路は、前記発熱体の取り付け部位に対応して形成され、前記流通路の一面には、複数のフィン部が密に立設されたことを特徴とする冷却構造である。 Therefore, one aspect of the present invention has a cooling main body portion to which a plurality of heating elements are mounted in parallel, and the cooling main body portion has an inflow path for a refrigerant and a flow of the refrigerant provided from the inflow path. A path and an outflow path of the refrigerant provided from the flow path are formed, the flow path is formed corresponding to an attachment portion of the heating element, and a plurality of fin portions are formed on one surface of the flow path. It is a cooling structure characterized by being densely erected.
本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記流通路には、並列した前記発熱体の間に対応した部位に仕切りが設けられたことを特徴とする。 Another aspect of the present invention is characterized in that, in the cooling structure, the flow passage is provided with a partition at a corresponding portion between the heating elements in parallel.
本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部のうち、前記流入路及び前記流出路に面した複数の前記フィン部は、他の複数の前記フィン部よりも小径に形成されたことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, in the cooling structure, among the plurality of fin portions, the plurality of fin portions facing the inflow path and the outflow path are formed to have a smaller diameter than the other plurality of fin portions. It is characterized by being done.
本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部は円柱を成すことを特徴とする。 Another aspect of the present invention is characterized in that, in the cooling structure, the plurality of fin portions form a cylinder.
本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部は角柱を成し、この角柱の一つの角部は前記冷媒の流れと対向することを特徴とする。 Another aspect of the present invention is characterized in that, in the cooling structure, the plurality of fin portions form a prism, and one corner of the prism faces the flow of the refrigerant.
本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記冷却本体部は、長板状を成し、前記流入路は、前記冷却本体部の一方の長手方向端部に沿って形成され、前記流出路は、前記冷却本体部の他方の長手方向端部に沿って形成され、前記流出路に連通する前記冷媒の流出口は、前記流入路に連通する前記冷媒の流入口に対して、前記冷却本体部の対角位置に形成されたことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, in the cooling structure, the cooling main body portion has a long plate shape, and the inflow path is formed along one longitudinal end portion of the cooling main body portion, and the outflow. The path is formed along the other longitudinal end of the cooling body, and the outlet of the refrigerant communicating with the outflow path cools the inlet of the refrigerant communicating with the inflow path. It is characterized in that it is formed at a diagonal position of the main body.
本発明の他の態様は、前記いずれかの冷却構造を有するヒートシンクである。 Another aspect of the present invention is a heat sink having any of the cooling structures described above.
以上の本発明によれば、ヒートシンクの冷却構造において、加工が単純なフィン部構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失の低減と小型化を図ることできる。 According to the above invention, in the cooling structure of the heat sink, it is possible to reduce the pressure loss and reduce the size while efficiently and uniformly cooling the whole with the fin portion structure having a simple processing.
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[第一実施形態]
図1に示された本発明の一態様である冷却構造を有するヒートシンク1は、発熱体として複数の素子2が取り付けられる。素子2としては例えばパワー半導体モジュールが挙げられる。尚、本態様は4つの素子2が取り付けられているが、本発明に係る発熱体の個数は本態様の個数に限定されるものではない。
[First Embodiment]
A plurality of
ヒートシンク1は4つの素子2が並列して取り付けられる冷却本体部10を有する。冷却本体部10は、長板状の直方体を成し、アルミニウム合金に例示される比較的に熱伝導性の高い鋼材から成る。そして、この冷却本体部10の内部には、流入路11、流通路12及び流出路13が形成される。
The
流入路11は、冷却本体部10の上流側端部の流入口17から流入した冷媒(例えば冷却水)が流通する。流入路11は、冷却本体部10の長手方向、すなわち、一方の長手方向端部に沿って形成される。流入路11の内側面と最上流側の流通路12の内側面との連通面111は、曲面を成す。同様に、流入路11の内側面と最下流側の流通路12の内側面との連通面112も、曲面を成す。
Refrigerant (for example, cooling water) that has flowed in from the
流通路12は、流入路11から供された前記冷媒が流通する。流通路12は、個々の素子2の取り付け部位に対応して形成される。流通路12の一面には、複数のフィン部14が密に立設されている。フィン部14は円柱を成す。このフィン部14は、例えば、「冷媒の流れ方向に垂直な間隔×当該流れ方向の間隔=3×2」のピッチで前記冷媒の流れ方向に密に配置される。
The refrigerant supplied from the
流通路12には、並列した素子2の間に対応した部位に仕切り15が設けられる。仕切り15の流入路11に面する端部の下流側角部151は、曲面を成す。一方、仕切り15の流出路13に面する端部の上流側角部152も、曲面を成す。さらに、この仕切り15の上流側及び下流側の側面には、曲面凸部153が冷媒の流れ方向に沿って設けられる。そして、最上流側及び最下流側の流通路12の内側面においても、曲面凸部153と同形の曲面凸部121が同方向に沿って設けられる。
The
流出路13は、流通路12から供された前記冷媒が流通する。前記冷媒は、冷却本体部10の下流側端部の流出口18から流出する。流出路13は、流入路11と対向して、冷却本体部10の長手方向、すなわち、他方の長手方向端部に沿って形成される。流出路13と連通する流出口18は、流入路11と連通する流入口17に対して、冷却本体部10の対角位置に形成される。
The refrigerant supplied from the
また、流出路13の内側面と最上流側の流通路12の内側面との連通面131は、曲面を成す。同様に、流出路13の内側面と最下流側の流通路12の内側面との連通面132も、曲面を成す。
Further, the
以上のヒートシンク1によれば、冷却本体部10において、素子2の取り付け部位に対応して冷媒が並列に供給されることで、個々の素子2の位置に対応した流通路12に冷媒が均等に供給されるので、圧力損失の低減が図られる。
According to the
一般的に配管に流れる圧力損失の計算式は以下に示される。
P=ρ×g×h[Pa]
ρ:流体密度[kg/m3]
g:重力加速度[m/s2]
h:損失水頭(=hf×hb)[m]
hf:摩擦損失水頭[m]
hb:曲り損失水頭[m]
但し、hf=4f×(V^2/2g)×(L/d)である(ファニングの式)。
V:管路流速[m/s]
L:管長さ[m]
d:管内径[m]
また、hb=(0.131+(0.1632×(d/r)^(7/2)))×((θ/90)^(1/2))×(V^2/2g)である(非特許文献1)。
r:曲率半径[mm]
θ:経路角度[°]
以上の計算式により、流速の二乗に比例して圧力損失が増大するので、並列分岐した冷媒が合流する流入路11及び流出路13の径を最大限に設定し、フィン部14を上述のように密に配置することで、ヒートシンク1の全体的な圧力損失の低減が図られる。
The formula for calculating the pressure loss that generally flows through a pipe is shown below.
P = ρ × g × h [Pa]
ρ: Fluid density [kg / m 3 ]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
h: Head loss (= hf × hb) [m]
hf: Friction loss head [m]
hb: Bending loss head [m]
However, hf = 4f × (V ^ 2 / 2g) × (L / d) (Fanning's formula).
V: Pipe flow velocity [m / s]
L: Pipe length [m]
d: Pipe inner diameter [m]
Further, hb = (0.131 + (0.1632 × (d / r) ^ (7/2))) × ((θ / 90) ^ (1/2)) × (V ^ 2/2 g). (Non-Patent Document 1).
r: radius of curvature [mm]
θ: Path angle [°]
According to the above formula, the pressure loss increases in proportion to the square of the flow velocity. Therefore, the diameters of the
したがって、本実施形態のヒートシンク1によれば、加工が単純なフィン構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失を低減することができる。特に、単一のヒートシンク1で複数の素子2を冷却できるため、小型化も図ることができる。
Therefore, according to the
また、流入路11と流通路12との連通面111,112が曲面を成すことで、流入路11の最上流側及び最下流側での圧力損失が低減し、流入路11から最上流側及び最下流側の流通路12への冷媒の案内が円滑なものとなる。さらに、流通路12と流出路13との連通面131,132が曲面を成すことで、流出路13の最上流及び最下流側での圧力損失が低減し、上流側及び最下流側の流通路12から流出路13への冷媒の案内が円滑なものとなる。
Further, since the communication surfaces 111 and 112 between the
そして、冷却本体部10に仕切り15が設けられることで、流入路11に導入された冷媒が個々の流通路12に案内される。特に、仕切り15の下流側角部151が曲面を成すことで、流入路11に面する仕切り15の端部での圧力損失が低減し、前記冷媒はさらに円滑に流通路12に案内される。また、仕切り15の上流側角部152も曲面を成すことで、流出路13に面する仕切り15の端部での圧力損失が低減し、前記冷媒の流れがさらに円滑なものとなる。
Then, by providing the
さらに、仕切り15の側面に曲面凸部153が設けられることで、仕切り15の側面に対する流束の集中が抑制され、素子2に対するヒートシンク1の熱伝導が高まるので、ヒートシンク1の冷却効果が向上する。
Further, by providing the curved
そして、フィン部14が円柱を成すことで、フィン部14に起因する圧力損失を最低限に抑えることができる。
Since the
[第二実施形態]
図2に示されたヒートシンク1は、仕切り15を備えていないこと以外は、第一実施形態のヒートシンク1と同様の態様となっている。尚、仕切り15を有しない空間には、フィン部14が第一実施形態のフィン部14と同様のピッチで増設される。
[Second Embodiment]
The
以上の本態様のヒートシンク1によれば、第一実施形態のヒートシンク1の効果に加え、前記冷媒の流れの障害が無くなり、圧力損失が改善される。また、フィン部14の増設により、冷却本体部10の内面と冷媒との接触表面積が拡大し、ヒートシンク1の冷却性能の向上も図られる。
According to the
[第三実施形態]
図3に示されたヒートシンク1は、前記複数のフィン部14のうち、流入路11及び流出路13に面した破線BLに囲まれた複数のフィン部14が他の複数のフィン部14よりも小径に形成されたこと以外は、第二実施形態のヒートシンク1と同様の態様を成す。例えば、前記他の複数のフィン部14の径がφ2である場合、前記面した複数のフィン部14の径はφ1.5に設定される。
[Third Embodiment]
In the
以上の本態様のヒートシンク1によれば、流通路12の流入側、流出側の抵抗を減らすことができ、第一実施形態及び第二実施形態の効果に加え、圧力損失をさらに低減できる。
According to the
[実施形態4]
図4(a)に示されたヒートシンク1は、フィン部14の代わりに、フィン部16を備えたこと以外は、第二実施形態のヒートシンク1と同様の態様となっている。
[Embodiment 4]
The
フィン部16は、角柱、例えば縦横比2×2の横断面正方形の四角柱を成す。フィン部16は一つの角部161が前記冷媒の流れFと対向して配置される(同図(b))。
The
以上の本態様のヒートシンク1によれば、フィン部16の一つの角部161が前記冷媒の流れFと対向するので、第一実施形態及び第二実施形態の効果に加え、前記冷媒とフィン部14との接触に因る乱流が抑制され、圧力損失のさらなる低減が図られる。
According to the
また、本発明に係るフィン部の他の態様としては、横断面菱形の四角柱が例示される。特に、前記菱形の長い方の対角線が前記流れに沿うように前記四角柱が配置されることで、圧力損失の低減を図ることができる。 Further, as another aspect of the fin portion according to the present invention, a quadrangular prism having a rhombic cross section is exemplified. In particular, the pressure loss can be reduced by arranging the quadrangular prism so that the longer diagonal line of the rhombus follows the flow.
1…ヒートシンク
2…素子
10…冷却本体部、11…流入路、12…流通路、13…流出路、111,112,131,132…連通面、17…流入口、18…流出口
14,16…フィン部、161…角部
15…仕切り、151…下流側角部,152…上流側角部、153…曲面凸部
1 ...
Claims (7)
この冷却本体部には、
冷媒の流入路と、
この流入路から供された前記冷媒の流通路と、
この流通路から供された前記冷媒の流出路と
が形成され、
前記流通路は、前記発熱体の取り付け部位に対応して形成され、
前記流通路の一面には、複数のフィン部が密に立設されたこと
を特徴とする冷却構造。 It has a cooling body where multiple heating elements can be mounted in parallel.
In this cooling body,
Refrigerant inflow path and
The flow path of the refrigerant provided from this inflow path and
An outflow path for the refrigerant provided from this flow path is formed.
The flow path is formed corresponding to the attachment site of the heating element.
A cooling structure characterized in that a plurality of fin portions are densely erected on one surface of the flow passage.
を特徴とする請求項1に記載の冷却構造。 The cooling structure according to claim 1, wherein the flow passage is provided with a partition at a portion corresponding to the heating elements arranged in parallel.
前記流入路は、前記冷却本体部の一方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路は、前記冷却本体部の他方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路に連通する前記冷媒の流出口は、前記流入路に連通する前記冷媒の流入口に対して、前記冷却本体部の対角位置に形成されたこと
を特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の冷却構造。 The cooling main body has a long plate shape.
The inflow path is formed along one longitudinal end of the cooling body.
The outflow path is formed along the other longitudinal end of the cooling body.
Claims 1 to 5 are characterized in that the outlet of the refrigerant communicating with the outflow passage is formed at a diagonal position of the cooling main body with respect to the inlet of the refrigerant communicating with the inflow passage. The cooling structure according to any one of the above items.
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