JP2023018985A - Cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却装置に係り、更に詳細には、プラズマアクチュエータが形成されたヒートシンクを備える冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device, and more particularly, to a cooling device having a heat sink with plasma actuators formed thereon.
コンバータ等の電力変換装置には、半導体、コンデンサ、コイルなど、発熱源となる電子部品が含まれており、これらの電子部品を冷却するためにヒートシンクが取り付けられる。 A power converter such as a converter includes electronic components that generate heat, such as semiconductors, capacitors, and coils, and heat sinks are attached to cool these electronic components.
近年、電力変換装置の小型化や大電力化が要求されており、電子部品を高密度に配置し小型化すると、電力変換装置内の発熱要素の密度が上昇し、加えて大電力化によって発熱要素の発熱量が増大するので、これらを冷却するヒートシンクの性能も向上させる必要がある。 In recent years, there has been a demand for smaller power converters and higher power. As the heat output of the elements increases, so too must the performance of heat sinks to cool them.
ヒートシンクの冷却性能は、一般的にその体積(熱容量)、材料(熱伝導率)、及び形状に応じた表面積(伝熱面積)に依存するため、ヒートシンクの冷却性能を向上させるためにヒートシンク自体を大型化すると、電力変換装置全体が大型化してしまうので、電力変換装置を小型化することは困難である。 The cooling performance of a heat sink generally depends on its volume (heat capacity), material (thermal conductivity), and surface area (heat transfer area) depending on its shape. If the size is increased, the size of the power conversion device as a whole is increased, so it is difficult to reduce the size of the power conversion device.
特許文献1には、ヒートシンクのフィンを冷却風の流れ方向に対して所望の形状にすることで、フィンの根元から先端までの全領域に亘り冷却風の流れを乱すことができ、ヒートシンクの放熱性能が向上する旨が開示されている。
しかしながら、特許文献1のヒートシンクは、フィンで冷却風の流れを乱すものであるため圧力損失が大きく、ヒートシンクの冷却性能を十分利用するには、冷却風の流れを強くする必要があり大型のファンが必要になるので、さらなる電力変換装置の小型化は困難である。
However, since the heat sink of
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却効率の高い冷却装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a cooling device with high cooling efficiency.
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ヒートシンクにプラズマアクチュエータを形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of earnest studies to achieve the above object, the inventors found that the above object can be achieved by forming a plasma actuator on a heat sink, and completed the present invention.
即ち、本発明の冷却装置は、金属製ヒートシンクと、上記金属製ヒートシンク表面の少なくとも一部を覆う誘電体層と、上記誘電体層の表面の一部に形成された電極と、電源装置と、を備える。
そして、上記電極は、上記金属製ヒートシンクとの間隔がその面内方向の一端側が短くなる位置に配置され、上記金属シートシンクと電極との間に交流電圧を印加することを特徴とする。
That is, the cooling device of the present invention includes a metal heat sink, a dielectric layer covering at least a portion of the surface of the metal heat sink, an electrode formed on a portion of the surface of the dielectric layer, a power supply device, Prepare.
The electrode is arranged at a position where the distance from the metal heat sink is shorter at one end in the in-plane direction, and an AC voltage is applied between the metal sheet sink and the electrode.
本発明によれば、ヒートシンクにプラズマアクチュエータを形成することとしたため、ヒートシンク表面に気流を発生させることができ、放熱が促進されて冷却効率の高い冷却装置を提供することができる。 According to the present invention, since the plasma actuator is formed on the heat sink, it is possible to generate an airflow on the surface of the heat sink, thereby promoting heat dissipation and providing a cooling device with high cooling efficiency.
<冷却装置>
本発明の冷却装置について詳細に説明する。
この冷却装置は、プラズマアクチュエータが形成されたヒートシンクを備えた冷却装置であって、大気圧バリア放電により生じる電気流体力学的作用を利用して気体の流れを誘起し、この気体の流れを冷却に利用した装置である。
<Cooling device>
The cooling device of the present invention will be explained in detail.
This cooling device includes a heat sink in which a plasma actuator is formed, and uses an electrohydrodynamic effect caused by atmospheric pressure barrier discharge to induce a gas flow, which is used for cooling. This is the equipment used.
具体的には、大気圧バリア放電によって低温プラズマを生じさせる。この低温プラズマは、図1に示すように、雰囲気の気体を構成する分子が陽イオンと電子に電離した状態である。そして、例えば、電圧上昇時の電界によって陽イオンが加速し、空気分子に衝突して陽イオンの運動量が空気分子に輸送されて生じる気流(以下、「誘起流」ということがある。)を利用したものである。 Specifically, low-temperature plasma is generated by atmospheric pressure barrier discharge. As shown in FIG. 1, this low-temperature plasma is a state in which molecules forming the atmosphere gas are ionized into positive ions and electrons. Then, for example, the positive ions are accelerated by the electric field when the voltage rises, collide with the air molecules, and the momentum of the positive ions is transported to the air molecules. It is what I did.
上記冷却装置は、金属製ヒートシンクと、該金属製ヒートシンク表面の少なくとも一部を覆う誘電体層と、該誘電体層の表面の一部に形成された電極と、電源装置と、を備え、金属製ヒートシンク本体を誘電体層表面に形成された電極の対極とし、上記電極と金属製ヒートシンクとの間に交流電圧を印加し誘起流を発生させる。 The cooling device includes a metal heat sink, a dielectric layer covering at least a portion of the surface of the metal heat sink, an electrode formed on a portion of the surface of the dielectric layer, and a power supply device. A metal heat sink body is used as a counter electrode for the electrode formed on the surface of the dielectric layer, and an AC voltage is applied between the electrode and the metal heat sink to generate an induced flow.
すなわち、誘電体層を挟む金属製ヒートシンクと電極との間に交流電圧を印加することで、これらがプラズマアクチュエータとして機能する。 That is, by applying an AC voltage between the metal heat sink and the electrodes sandwiching the dielectric layer, they function as a plasma actuator.
本発明の冷却装置を、図2に示すヒートシンクを例に説明する。
このヒートシンクは、平板状のフィンを複数有し、これらのフィンが平行に並んでベースプレートに立設している。
The cooling device of the present invention will be described by taking the heat sink shown in FIG. 2 as an example.
This heat sink has a plurality of flat plate-shaped fins, and these fins are arranged in parallel and erected on a base plate.
この例では、図3に示すように、それぞれのフィンの表面に誘電体層と電極とが形成されており、フィンの面内方向(Z-Y面)に誘起流れを発生させる。 In this example, as shown in FIG. 3, a dielectric layer and an electrode are formed on the surface of each fin to generate an induced flow in the in-plane direction (ZY plane) of the fin.
このとき、ヒートシンクのフィンにプラズマアクチュエータを形成したとしても、フィンは一般的に平板であるので、図4に示すように、電極とフィンとの距離が一定になり、電界に偏りが生じないので、電極の両側に同じようにプラズマが発生し、図4中矢印で示すように、誘起流が両方に流れて打ち消し合ってしまうため、冷却効率を向上させることは困難である。 At this time, even if the plasma actuator is formed on the fins of the heat sink, since the fins are generally flat plates, the distance between the electrodes and the fins is constant as shown in FIG. , plasma is generated on both sides of the electrode in the same way, and as indicated by the arrows in FIG.
本発明においては、電極とフィンとの距離が、その面内方向において電極の一端側が短く、他端側が長くなるように電極を配置したので、電極の一端側に電界が集中し、誘起流が一定方向に流れるように制御することができるので、冷却効率を向上させることができる。
なお、図3では電極の位置を説明するために電極を記載しているが、端面に電極が露出して設けられている必要はない。
In the present invention, the electrodes are arranged so that the distance between the electrodes and the fins is short on one end side of the electrodes and long on the other end side in the in-plane direction. Since it can be controlled to flow in a certain direction, the cooling efficiency can be improved.
Although the electrodes are shown in FIG. 3 to explain the positions of the electrodes, the electrodes need not be exposed on the end faces.
誘起流が流れる方向、すなわち、電界を集中させる位置はフィンの形状によって制御することができる。例えば、フィンの一部に凸部を設けたり、貫通孔や切り欠きを形成したりして、電極とフィンとが近くなる箇所を調節することによって、所望の方向にバリア放電が生じ、誘起流の方向を制御できる。 The direction in which the induced current flows, that is, the position where the electric field is concentrated can be controlled by the shape of the fins. For example, by providing a protrusion in a part of the fin, forming a through hole or a notch, and adjusting the position where the electrode and the fin are close to each other, a barrier discharge is generated in a desired direction, resulting in an induced current. can control the direction of
フィンの一部に凸部を設ける方法としては、例えば、図5に示すように、フィンの一部の厚さを厚くして誘電体層側に突出させる形成する方法や、図6に示すように、フィンの一部を屈曲させて誘電体層側に突出させる方法を挙げることができる。 As a method of providing a convex portion on a part of the fin, for example, as shown in FIG. Another method is to bend a portion of the fin to protrude toward the dielectric layer.
そして、誘電体層上の上記凸部からずらした位置に電極を設けると、フィンの凸部によってその分だけ誘電体層の厚さが薄くなっているので、電極とフィン間の距離が、電極の一端側と凸部の一端側とが近く、電極の他端側と凸部の他端端側とで遠くなる。したがって、電極の一端側に電界が集中しプラズマが発生するので、誘起流が流れる方向を制御できる。 When the electrode is provided at a position shifted from the convex portion on the dielectric layer, the thickness of the dielectric layer is reduced by that amount due to the convex portion of the fin. The one end side and the one end side of the convex portion are close, and the other end side of the electrode and the other end side of the convex portion are distant. Therefore, since the electric field is concentrated on one end side of the electrode and plasma is generated, the direction in which the induced current flows can be controlled.
また、フィンに貫通孔や切り欠きを形成する場合は、図7に示すように、平板のフィンに貫通孔などを形成したままでもよく、図8に示すように、貫通孔などの縁部を電極側に曲げてもよい。縁部を電極側に曲げると、電界が集中して強いプラズマを生成でき、要求される冷却特性に合わせて誘起流の流れを制御できる。 When through holes or notches are formed in the fins, as shown in FIG. 7, the through holes may be formed in the flat plate fins. Alternatively, as shown in FIG. You may bend to the electrode side. By bending the edge toward the electrode, the electric field can be concentrated to generate a strong plasma, and the flow of the induced current can be controlled according to the required cooling characteristics.
なお、図7、図8においては、フィンを左右に分割して表しているが、紙面手前又は奥方向で繋がって同じ電位になっている。 In FIGS. 7 and 8, the fins are divided into left and right fins, but the fins are connected in the front or back direction of the paper and have the same potential.
また、電極とフィンの凸部が重なったり、電極がフィンの貫通孔などからはみ出してフィンと重なったりしていると、電極とフィンとの距離が最も短い箇所が幅を持つようになり、フィンの面内方向と直交する方向にも電界が生じる。 Also, if the electrode and the fin overlap each other, or if the electrode protrudes from the through hole of the fin and overlaps the fin, the part where the distance between the electrode and the fin is the shortest has a width, and the fin has a width. An electric field is also generated in the direction orthogonal to the in-plane direction of the .
このフィンの面内方向と直交する方向に生じた電界は、誘起流の発生に寄与しないため、誘起流れの発生効率が低下し消費電力が増加する。 Since the electric field generated in the direction orthogonal to the in-plane direction of the fins does not contribute to the generation of the induced flow, the generation efficiency of the induced flow decreases and the power consumption increases.
したがって、誘電体層上に設ける電極の位置は、Y座標において、上記フィンの凸形状と重ならない位置や上記フィンの貫通孔や切り欠きの範囲内に対応する位置であることが好ましい。これにより消費電力を低減できる。 Therefore, the position of the electrode provided on the dielectric layer is preferably a position that does not overlap the convex shape of the fin or a position that corresponds to the range of the through hole or notch of the fin on the Y coordinate. Thereby, power consumption can be reduced.
上記のように、フィンに設けた凸形状や貫通孔などと電極とによって形成されたプラズマアクチュエータは、1つのフィンに対して複数設けることができる。 As described above, a plurality of plasma actuators formed by electrodes and convex shapes or through holes provided in the fin can be provided for one fin.
フィンの表面では、フィンと気体(流体)との摩擦によって、下流に向かうにつれて気流の流速が遅くなるので、1つのフィンにプラズマアクチュエータを複数設け、再度、誘起流れを発生させることで、冷却効率を向上させることができる。 On the surface of the fins, due to the friction between the fins and the gas (fluid), the flow speed of the airflow becomes slower as it goes downstream. can be improved.
誘電体層上に設けた電極と誘電体層とは、図5,8に示すように、面一であることが好ましく、電極側とは反対側のフィンの面も同様に平坦であることが好ましい。フィンの表面や裏面に凹凸がなく平坦であることで、上流で生じた誘起流の流れが凹凸によって乱されることがなく圧力損失を抑制できる。 The electrodes provided on the dielectric layer and the dielectric layer are preferably flush with each other, as shown in FIGS. preferable. Since the front and back surfaces of the fins are flat without irregularities, pressure loss can be suppressed without disturbing the flow of the induced flow generated upstream by the irregularities.
本発明の冷却装置は、さらにファンなどの主流発生装置を備え、フィンの面内方向(Z-Y面)に気流を送ることができる。 The cooling device of the present invention further includes a mainstream generator such as a fan, and can send airflow in the in-plane direction (ZY plane) of the fins.
上記主流発生装置からの気流が、図9に示すように、誘起流の流れ方向と同じ方向、すなわち、電極の他端側から一端側の方向(Y軸方向)に流れることで、誘起流と相俟って冷却効率をさらに向上させることができる。 As shown in FIG. 9, the airflow from the main stream generator flows in the same direction as the flow direction of the induced flow, that is, in the direction from the other end side to the one end side (Y-axis direction) of the electrodes, thereby generating an induced flow. Together, the cooling efficiency can be further improved.
フィンの表面では、上記のように下流に向かうにつれて気流の流速が遅くなるだけでなく、フィンの表面側に気体の流速が遅い境界層が形成されるので、主流発生装置によって気流を送ったとしても、フィンの表面近傍では気流の流れが遅くなり、フィンから気体への熱伝導が低下するので、効率よく放熱させることは困難である。 On the surface of the fins, not only does the flow velocity of the air flow become slower as it goes downstream as described above, but also a boundary layer in which the flow velocity of the gas is slow is formed on the surface side of the fins. However, in the vicinity of the surface of the fins, the flow of the air current slows down and the heat transfer from the fins to the gas decreases, so it is difficult to dissipate the heat efficiently.
しかし、本発明においては、フィンの表面で誘起流を発生させ、境界層の発生を抑制するので、境界層による冷却効率の低下を防止することができる。
なお、図9においては、フィンの切り欠きと電極との位置関係を説明するために、誘電層で隠れたフィンの切り欠きを点線で表している。
However, in the present invention, since an induced flow is generated on the surface of the fins to suppress the generation of the boundary layer, it is possible to prevent the deterioration of the cooling efficiency due to the boundary layer.
In FIG. 9, the cutouts of the fins hidden by the dielectric layer are indicated by dotted lines in order to explain the positional relationship between the cutouts of the fins and the electrodes.
<冷却装置の作製>
上記冷却装置は、所望の形状のフィンに誘電体層と電極とを形成し、これをベースプレートに接合し、上記フィンと電極とを電源に接続することで作製できる。
<Production of cooling device>
The cooling device can be manufactured by forming a dielectric layer and electrodes on fins of a desired shape, bonding this to a base plate, and connecting the fins and electrodes to a power source.
凸形状を有するフィンは、平板に金属片を接合することやプレス加工などによって作製することができる。また、貫通孔や切り欠きを有するフィンは、平板を所望の形状に打ち抜きくことなどによって作製できる。 A fin having a convex shape can be produced by joining a metal piece to a flat plate, pressing, or the like. Further, fins having through holes and notches can be produced by punching a flat plate into a desired shape.
上記フィンに誘電体フィルムと電極とを積層して圧着し、このフィンを、図10に示すように、ベースプレートに接合する。 A dielectric film and an electrode are laminated on the fin and pressed, and the fin is joined to the base plate as shown in FIG.
フィンとベースプレートとの接合は、半田やろう付け等によって電気的に接合してもよく、グリースや接着剤などの絶縁体によって絶縁されていてもよい。 The fins and the base plate may be electrically connected by soldering, brazing, or the like, or may be insulated by an insulator such as grease or adhesive.
フィンとベースプレートとが電気的に接合している場合は、電極とベースプレートとを電源装置に接続することができる。 If the fins and baseplate are electrically bonded, the electrodes and baseplate can be connected to a power supply.
上記金属製ヒートシンクの材料としては、電気伝導性を有し、熱伝導に優れるものを使用でき、例えば、銅、アルミニウム、鉄などの金属材料を使用できる。 As a material for the metal heat sink, a material having electrical conductivity and excellent heat conductivity can be used, and for example, metal materials such as copper, aluminum, and iron can be used.
また、電極の材料としては、上記金属材料と同じ材料を使用することができ、上記金属製ヒートシンクと同じ材料であっても異なる材料であっても構わない。
電極の厚さとしては、10μm~500μmであることが好ましく、銅テープやタングステンワイヤなどを好ましく使用できる。
Moreover, as the material of the electrodes, the same material as the metal material can be used, and the material may be the same as or different from the metal heat sink.
The thickness of the electrode is preferably 10 μm to 500 μm, and a copper tape, tungsten wire, or the like can be preferably used.
また、誘電体層を形成する誘電体としては、絶縁性を有する材料を使用することができ、数kVの高電圧に対する耐性や高絶縁性の観点から、例えば、フッ素樹脂、ポリイミド、ナイロン、シリコンなどの樹脂の他、アルミナやセラミックスなどの金属酸化物を使用できる。 In addition, as a dielectric that forms the dielectric layer, a material having insulating properties can be used. In addition to resins such as , metal oxides such as alumina and ceramics can be used.
誘電体層の厚さは、誘電体の種類などにもよるが、5μm~500μmであることが好ましい。誘電体層が薄いことで、気流を妨げずに金属製ヒートシンクの表面を流れ易くなる。 The thickness of the dielectric layer is preferably 5 μm to 500 μm, depending on the type of dielectric. The thin dielectric layer facilitates air flow over the surface of the metal heat sink without impeding air flow.
電源装置は、金属製ヒートシンクと電極との間に交流電圧を印加する交流電源である。印加する交流電圧としては、1kVp~10kVpであることが好ましく、交流周波数としては、5kHz~20kHzであることが好ましい。 The power supply is an AC power supply that applies an AC voltage between the metal heat sink and the electrodes. The AC voltage to be applied is preferably 1 kVp to 10 kVp, and the AC frequency is preferably 5 kHz to 20 kHz.
(変形例)
本発明の冷却装置を、ベースプレートに複数の平板状のフィンが櫛歯状に立設したヒートシンクを例に説明したが、誘起流が流れる方向に沿った面を有していればヒートシンクの形状は特に限定されない。
(Modification)
The cooling device of the present invention has been described as an example of a heat sink in which a plurality of flat plate-like fins are arranged in a comb-like shape on a base plate. It is not particularly limited.
金属製ヒートシンクは、フィンを有さない一枚の平板状のベースプレートのみであってもよく、フィンの上下両方にベースプレートを有していてもよい。 The metal heat sink may be a single flat base plate without fins, or may have base plates on both the upper and lower sides of the fins.
また、フィンがベースプレートに対して斜めに配置されていてもよく、Y軸方向から見たときの断面(Z-X面)が屈曲していても弧を描いていてもよい。さらに、図11に示すように、波形のフィンの凸部がベースプレートに接合してベースプレートとの間に流路を形成していてもよい。なお、このヒートシンクを波形のフィン側から見たX-Y面は、折れ線が示されていない点を除けば図9と同様である。 Further, the fins may be arranged obliquely with respect to the base plate, and the cross section (ZX plane) when viewed from the Y-axis direction may be curved or curved. Furthermore, as shown in FIG. 11, the convex portions of the corrugated fins may be bonded to the base plate to form flow paths between them. The XY plane of this heat sink viewed from the corrugated fin side is the same as in FIG. 9 except that the broken lines are not shown.
このような曲がった形状のフィンは、誘電体層と電極とを形成した後、又は誘電体層と電極とを積層しこれらの圧着と同時にプレス加工により行うことができる。 Such curved fins can be formed by pressing after forming the dielectric layer and the electrode, or by laminating the dielectric layer and the electrode and pressing them simultaneously.
また、ベースプレートに接合したフィンの間隔は、一定であっても異なっていてもよく、冷却対象物の数や発熱量、その取り付け位置などによって変えることができる。 Also, the intervals between the fins joined to the base plate may be constant or different, and can be changed according to the number of objects to be cooled, the amount of heat generated, and the mounting positions thereof.
さらに、フィンの片面側に誘起流を発生させるだけでなく、フィンを中心としてフィンの両面に誘電体層と電極とを形成することで、フィンの両面に誘起流を発生させることができる。 In addition to generating an induced current on one side of the fin, it is possible to generate an induced current on both sides of the fin by forming dielectric layers and electrodes on both sides of the fin with the fin as the center.
1 金属製ヒートシンク
2 ベースプレート
3 フィン
31 凸部
32 貫通孔/切り欠き
4 誘電体層
5 電極
6 主流発生装置
61 主流
A 雰囲気中の気体の分子
P プラズマ
I 誘起流
C 流路
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
上記金属製ヒートシンク表面の少なくとも一部を覆う誘電体層と、
上記誘電体層の表面の一部に形成された電極と、
電源装置と、を備える冷却装置であって、
上記電極は、上記金属製ヒートシンクとの間隔がその面内方向の一端側が短くなる位置に配置され、
上記金属シートシンクと上記電極との間に交流電圧を印加し、誘起流を発生させることを特徴とする冷却装置。 a metal heatsink and
a dielectric layer covering at least a portion of the metal heat sink surface;
an electrode formed on a portion of the surface of the dielectric layer;
A cooling device comprising a power supply,
The electrode is arranged at a position where the distance from the metal heat sink is shorter on one end side in the in-plane direction,
A cooling device, wherein an alternating voltage is applied between the metal sheet sink and the electrode to generate an induced flow.
上記凸形状が、金属製ヒートシンクの厚さが厚くなることで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The metal heat sink has a convex shape on the dielectric layer side,
2. The cooling device according to claim 1, wherein the convex shape is formed by increasing the thickness of the metal heat sink.
上記凸形状が、金属製ヒートシンクが屈曲することで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The metal heat sink has a convex shape on the dielectric layer side,
2. The cooling device according to claim 1, wherein the convex shape is formed by bending a metal heat sink.
上記主流発生装置が、上記金属製ヒートシンクの誘電体層と電極とが形成された面の面内方向に気流を発生させることを特徴とする請求項1~6のいずれか1つの項に記載の冷却装置。 In addition, it has a mainstream generator that generates airflow,
7. The main stream generator according to claim 1, wherein the main flow generator generates an airflow in the in-plane direction of the surface of the metal heat sink on which the dielectric layer and the electrodes are formed. Cooling system.
上記誘電体層と電極とが、上記フィンに設けられていることを特徴とする請求項1~8に記載の冷却装置。 The metal heat sink is formed with a base plate and fins,
The cooling device according to any one of claims 1 to 8, wherein the dielectric layer and the electrodes are provided on the fins.
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US20240268058A1 (en) * | 2021-07-08 | 2024-08-08 | Nissan Motor Co., Ltd. | Cooling device |
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