JP2518275B2 - Cold plate - Google Patents

Cold plate

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JP2518275B2
JP2518275B2 JP62125557A JP12555787A JP2518275B2 JP 2518275 B2 JP2518275 B2 JP 2518275B2 JP 62125557 A JP62125557 A JP 62125557A JP 12555787 A JP12555787 A JP 12555787A JP 2518275 B2 JP2518275 B2 JP 2518275B2
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heat
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straight
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幹雄 森岡
震太郎 塩冶
精一 内田
薫 鳥居
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は宇宙船、人口衛星等の宇宙機器に於いて、バ
ッテリ、パワートランジスタ等からの発熱を宇宙空間に
放熱する為に設けられるコールドプレートに関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial application] The present invention relates to a cold plate provided for radiating heat generated from a battery, a power transistor and the like to outer space in space equipment such as spacecrafts and artificial satellites. It is about.

[従来の技術] 宇宙に於いては、真空、無重力であるので、地球上に
於けるような空気の対流現象による熱伝達を期待するこ
とができない。更に熱の放熱場所は宇宙空間であり、最
終的には熱輻射によらなければならない。
[Prior Art] In space, since it is vacuum and weightless, heat transfer due to the convection phenomenon of air on the earth cannot be expected. Furthermore, the place where heat is dissipated is outer space, and ultimately it must rely on heat radiation.

従って、バッテリ等の発熱源からの熱を宇宙機器の外
部に露出させて設けた放熱器へ熱を移動させる手段が必
要であり、この熱移動の手段の一部として熱交換器の一
種であるコールドプレートが設けられる。
Therefore, it is necessary to have a means for transferring heat from a heat source such as a battery to a radiator provided by exposing the space equipment to the outside, and it is a kind of heat exchanger as a part of this heat transfer means. A cold plate is provided.

現在プレートフィン熱交換器としては第10図、第11図
に示されるものが考えられており、中空平板状の受熱体
aの一端部に水、フレオン等の冷媒を流入せしめる配管
bが接続され、他端部に流出用の配管cが接続されてい
る。又受熱体aの内部には流路形成を兼ねるフィンd
が、配管bとcを結ぶ線と平行に設けられている。冷媒
は図示しないポンプによって放熱器とコールドプレート
間を循環する様になっている。
At present, a plate fin heat exchanger shown in FIG. 10 and FIG. 11 is considered, and a pipe b for letting in a refrigerant such as water or freon is connected to one end of a hollow flat plate-shaped heat receiving body a. The outflow pipe c is connected to the other end. Further, inside the heat receiving body a, a fin d also serves as a flow path formation.
Is provided in parallel with the line connecting the pipes b and c. The coolant is circulated between the radiator and the cold plate by a pump (not shown).

バッテリ、パワートランジスタ等の発熱源eからの熱
は受熱体aに熱伝達し、受熱体aの熱は内部を流れる冷
媒に熱伝達され、冷媒の熱は宇宙機器の外部に露出させ
た放熱器により熱輻射で宇宙空間へ放熱させる様になっ
ている。
The heat from the heat source e such as a battery or a power transistor is transferred to the heat receiving body a, the heat of the heat receiving body a is transferred to the refrigerant flowing inside, and the heat of the refrigerant is a radiator exposed to the outside of the space equipment. It is designed to be released to outer space by heat radiation.

[発明が解決しようとする問題点] 然し、上記したコールドプレートでは原理的に流路の
方向と直角な方向(幅方向)に圧力は一定であり、幅方
向に冷媒の移動がないため流路に沿って境界層が発達し
てしまい下流にいくに従って受熱体と冷媒の間の熱伝達
が減少する。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the cold plate described above, the pressure is constant in the direction (width direction) perpendicular to the direction of the flow path in principle, and there is no movement of the refrigerant in the width direction. A boundary layer develops along and the heat transfer between the heat receiver and the refrigerant decreases as it goes downstream.

その上、上記したコールドプレートでは受熱体の中央
部を流れる冷媒と両側部を流れる冷媒とでは、中央部の
流速が早く両側部の流速が遅いという現象が生じ、受熱
体を均一に冷却することができないという不具合を生じ
る。
Moreover, in the cold plate described above, with the refrigerant flowing in the central portion of the heat receiver and the refrigerant flowing in both sides, the phenomenon that the flow velocity of the central portion is fast and the flow velocity of both sides is slow occurs, and the heat receiving body should be cooled uniformly. It causes a problem that you cannot do it.

本発明は斯かる実情を鑑み、受熱体全体に亘って受熱
体と冷媒の間の熱伝達をむらなく向上させる様にしたコ
ールドプレートを提供しようとするものである。
In view of the above situation, the present invention aims to provide a cold plate that uniformly improves heat transfer between the heat receiving body and the refrigerant over the entire heat receiving body.

[問題点を解決するための手段] 本発明は中空平板状の受熱体の対頂部に冷媒循環系に
接続可能な供給ノズル、排出ノズルを取付け、前記受熱
体内に、分岐路を多数有する複数のストレートフィンと
オフセットフィンとを、ストレートフィンとオフセット
フィンとの間に間隔を持たせて前記各フィン内を流れる
冷媒の流れ方向が前記供給ノズルと排出ノズルとを結ぶ
線と交差するよう配設したことを特徴とするものであ
る。
[Means for Solving Problems] In the present invention, a supply nozzle and a discharge nozzle connectable to a refrigerant circulation system are attached to an apex portion of a hollow flat plate-shaped heat receiving body, and a plurality of branch passages are provided in the heat receiving body. The straight fins and the offset fins are arranged such that there is a space between the straight fins and the offset fins so that the flow direction of the refrigerant flowing in each fin intersects the line connecting the supply nozzle and the discharge nozzle. It is characterized by that.

[作用] 供給ノズルと排出ノズルは略対角線上にあり、流路の
流れ方向は対角線と平行でなく交差しているため、供給
ノズルから該流路に入る冷媒は該流路の流れ方向に対し
斜め方向から入るため、流路内の境界層の生成が繰り返
し中断され、伝達促進効果が増大される。
[Operation] Since the supply nozzle and the discharge nozzle are on a substantially diagonal line, and the flow direction of the flow passage intersects with the diagonal line instead of being parallel to each other, the refrigerant entering the flow passage from the supply nozzle is in the flow direction of the flow passage. Since it enters from a diagonal direction, the generation of the boundary layer in the flow path is repeatedly interrupted, and the effect of promoting transmission is increased.

又、オフセットフィンにより受熱体全体に亘って該受
熱体と冷媒の間の熱伝達効率が向上される上、前記受熱
体内に配設されるストレートフィンとオフセットフィン
との夫々の間に間隔を持たせてあるため、この空間にお
いてもストレートフィンを流出した冷媒及びオフセット
フィンを流出した冷媒を更に攪拌、混合でき、この拡
散、混合により冷媒における温度のむらをなくすことが
できるので、前記受熱体全体に亘って該受熱体と冷媒の
間の熱伝達効率を一層向上させることができる。
Further, the heat transfer efficiency between the heat receiving body and the refrigerant is improved over the entire heat receiving body by the offset fin, and a space is provided between each of the straight fin and the offset fin arranged in the heat receiving body. Therefore, even in this space, the refrigerant flowing out of the straight fins and the refrigerant flowing out of the offset fins can be further agitated and mixed, and the unevenness of the temperature in the refrigerant can be eliminated by this diffusion and mixing. Therefore, the heat transfer efficiency between the heat receiving body and the refrigerant can be further improved.

[実 施 例] 以下、本発明の実施例を図面に参照しつつ説明する。[Examples] Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図乃至第7図は本発明の一実施例であり、受熱用
の表面板1,2間に枠体3を挿入、固着して矩形の空間4
を形成し、該空間4の対頂部に夫々連通し得るよう供給
ノズル5及び排出ノズル6を前記表面板2に夫々設け、
該各ノズル5,6を図示してない冷媒循環系に接続する。
1 to 7 show an embodiment of the present invention, in which a frame 3 is inserted and fixed between the heat-receiving surface plates 1 and 2 to form a rectangular space 4.
And a supply nozzle 5 and a discharge nozzle 6 are provided on the surface plate 2 so that they can communicate with the opposite tops of the space 4, respectively.
The nozzles 5 and 6 are connected to a refrigerant circulation system (not shown).

前記空間4内の相対向する内壁7,8側に第3図に示す
直線流路9を有するストレートフィン10を、各ノズル5,
6の開口部を避けて配設する。該ストレートフィン10の
直線流路9の方向は各内壁7,8と略平行とし、更に該ス
トレートフィン10,10′を各ノズル5,6側から先端部にか
けて先細りとなるよう夫々切欠き、該各ストレートフィ
ン10,10′の対向する側面に各直線流路9の断面が夫々
開口するようにする。
Straight fins 10 having straight flow paths 9 shown in FIG.
Place it avoiding the 6th opening. The direction of the straight flow path 9 of the straight fin 10 is substantially parallel to the inner walls 7 and 8, and the straight fins 10 and 10 'are notched so as to taper from the nozzles 5 and 6 side to the tip end. The cross sections of the straight flow paths 9 are opened on the opposite side surfaces of the straight fins 10 and 10 ', respectively.

更に、前記空間4の各ノズル5,6開口部を除く残りの
スペース(第1図において破線により略平行四辺形状に
示された部分)に、第4図に示すような流路11を一定間
隔毎に2つに分割すると共に分割した他の流路どうしを
合流させるようにしたオフセットフィン12を該流路11の
主流れ方向が前記内壁7,8と直交する方向になるよう配
置する。該オフセットフィン12と各ストレートフィン1
0,10′との間隔は僅かにとり、各ノズル5,6部の空間を
供給ヘッダ13及び排出ヘッダ14とする。
Further, in the remaining space of the space 4 excluding the openings of the nozzles 5 and 6 (portion indicated by a broken line in FIG. 1 in a substantially parallelogram shape), a flow path 11 as shown in FIG. The offset fins 12 are divided into two parts, and the other divided flow paths are joined together so that the main flow direction of the flow paths 11 is perpendicular to the inner walls 7 and 8. The offset fin 12 and each straight fin 1
The space between the nozzles 5 and 6 is defined as a supply header 13 and a discharge header 14 with a slight distance from 0 and 10 '.

図中、15は表面板1,2とパワートランジスタ等の発熱
源とを締め付け固定するボルト、16はボルト孔、17は座
金、18はフランジを示す。
In the figure, 15 is a bolt for fastening and fixing the surface plates 1 and 2 and a heat source such as a power transistor, 16 is a bolt hole, 17 is a washer, and 18 is a flange.

以上のように構成したので、第8図に示すようにコー
ルドプレート20に発熱源である制御回路盤21を装着し、
コールドプレート20の供給ノズル5から冷媒を供給ヘッ
ダ13に供給すると、冷媒の一部は直接オフセットフィン
12に入り、該オフセットフィン12の主流れ方向である壁
19と平行な方向に流れ、一定間隔毎に分割、合流が繰返
され、該オフセットフィン12の下流側に至るにつれて拡
散され、熱交換される。
Since it is configured as described above, the control circuit board 21 which is a heat source is attached to the cold plate 20 as shown in FIG.
When the refrigerant is supplied to the supply header 13 from the supply nozzle 5 of the cold plate 20, a part of the refrigerant is directly supplied to the offset fin.
12, the wall that is the main flow direction of the offset fin 12
It flows in a direction parallel to 19, is repeatedly divided and merged at regular intervals, and is diffused and heat-exchanged as it reaches the downstream side of the offset fin 12.

残りの冷媒はストレートフィン10の各直線流路9に入
り壁7と平行に流れ、該ストレートフィン10の側面に形
成された開口部から夫々吐出され、次いで近傍のオフセ
ットフィン12の流路11に夫々流入し、前述のように分割
合流が繰り返され、拡散される。
The remaining refrigerant enters each straight flow path 9 of the straight fin 10 and flows in parallel with the wall 7, is discharged from the openings formed on the side surfaces of the straight fin 10, and then flows into the flow path 11 of the adjacent offset fin 12. Each of them flows in, and the divided flow is repeated and diffused as described above.

ここで、オフセットフィン12を使用することにより、
平板層流の下流側に、一般には生ずる熱伝達率の低下を
防止することができる。又、ボルト孔16の座金17の部分
を迂回して流れることができ、流路11が座金17によって
遮断されることはない。
Here, by using the offset fin 12,
It is possible to prevent a decrease in heat transfer rate that generally occurs on the downstream side of the flat plate laminar flow. Further, the bolt hole 16 can flow around the washer 17 portion, and the flow passage 11 is not blocked by the washer 17.

このようにして、コールドプレート20の全域へ一様に
拡散して制御回路盤21を冷却し、熱交換した冷媒は、オ
フセットフィン12の下流側から流出し、一部は直接排出
ヘッダ14から排出ノズル6へと流れ、残りはストレート
フィン10′の側面開口部から各直線流路9に入って排出
ヘッダ14を経て排出ノズル6から排出される。
In this way, the cooling plate 20 is uniformly diffused to cool the control circuit board 21, and the heat-exchanged refrigerant flows out from the downstream side of the offset fin 12, and a part is directly discharged from the discharge header 14. The flow flows to the nozzle 6, and the rest enters the straight flow passages 9 from the side surface openings of the straight fins 10 ′ and is discharged from the discharge nozzle 6 via the discharge header 14.

ここで、供給ノズル5と排出ノズル6とを結ぶ線とオ
フセットフィン12の主流れ方向とは交差しているため、
第9図に示すように対流熱伝達率は、両端部中央部に各
ノズルを設け該各ノズルを結ぶ線とオフセットフィンの
主流れ方向とを平行にした場合と比べても約3倍向上
し、理論限界値にかなり近づくことができる。
Here, since the line connecting the supply nozzle 5 and the discharge nozzle 6 intersects with the main flow direction of the offset fin 12,
As shown in FIG. 9, the convective heat transfer coefficient is improved by about 3 times as compared with the case where the nozzles are provided at the central portions of both ends and the line connecting the nozzles and the main flow direction of the offset fin are made parallel. , Can approach the theoretical limit considerably.

なお、本発明のコールドプレートは上述の実施例にの
み限定されるものではなく、その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲内において種々変更を加えることは勿論で
ある。
The cold plate of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications may be made within the range not departing from the gist of the present invention.

[発明の効果] 以上述べたように本発明のコールドプレートによれ
ば、供給ノズルと排出ノズルを対角線方向に設け、対角
線方向と流れ方向が交差するよう分岐路を多数有する流
路を配設したので、冷媒が分岐路により繰返し分割、合
流せしめられて冷却むらなくしかも、冷却効率を従来の
3倍以上に高めることができ、被冷却物の冷却不足によ
る損傷を防止できると共に、受熱体内に配設されるスト
レートフィンとオフセットフィンとの夫々の間の空間に
おいてもストレートフィンを流出した冷媒及びオフセッ
トフィンを流出した冷媒を攪拌、混合し、この拡散、混
合により冷媒における温度のむらをなくすことにより、
該受熱体と冷媒の間の熱伝達効率を向上させることがで
きる等の種々の優れた効果を発揮する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the cold plate of the present invention, the supply nozzle and the discharge nozzle are provided in the diagonal direction, and the flow path having a large number of branch passages is arranged so that the diagonal direction and the flow direction intersect. Therefore, the refrigerant is repeatedly divided and merged by the branch passages so that there is no unevenness in cooling, the cooling efficiency can be increased to three times or more of that of the conventional one, damage due to insufficient cooling of the object to be cooled can be prevented, and the heat can be distributed in the heat receiver In the space between each of the straight fins and the offset fins provided, the refrigerant flowing out of the straight fins and the refrigerant flowing out of the offset fins are agitated and mixed, and the unevenness of the temperature in the refrigerant is eliminated by this diffusion and mixing.
It exhibits various excellent effects such as improving the heat transfer efficiency between the heat receiving body and the refrigerant.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明のコールドプレートの一実施例の説明
図、第2図は第1図のII−II方向部分切断矢視図、第3
図は第1図におけるストレートフィンの詳細図、第4図
は第1図におけるオフセットフィンの詳細図、第5図は
第1図のV部詳細図、第6図は第2図のVI詳細図、第7
図は第1図のVII−VII方向矢視図、第8図は本発明のコ
ールドプレートの使用例を示す説明図、第9図は本発明
のコールドプレートによるレイノルズ数と対流熱伝達率
との関係を示す比較図、第10図は従来のコールドプレー
トの説明図、第11図は第10図のXI−XI方向矢視図であ
る。 1,2は表面板、5は供給ノズル、6は排出ノズル、9は
直線流路、10,10′はストレートフィン、12はオフセッ
トフィンを示す。
FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment of the cold plate of the present invention, FIG. 2 is a partially cut arrow view in the II-II direction of FIG. 1, and FIG.
FIG. 4 is a detailed view of the straight fins in FIG. 1, FIG. 4 is a detailed view of the offset fins in FIG. 1, FIG. 5 is a detailed view of V portion in FIG. 1, and FIG. 6 is a detailed view of VI in FIG. , 7th
FIG. 7 is a view taken along the line VII-VII in FIG. 1, FIG. 8 is an explanatory view showing an example of use of the cold plate of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing Reynolds number and convective heat transfer coefficient by the cold plate of the present invention. FIG. 10 is a comparative view showing the relationship, FIG. 10 is an explanatory view of a conventional cold plate, and FIG. 11 is a view taken in the direction of arrows XI-XI in FIG. Reference numerals 1 and 2 are surface plates, 5 is a supply nozzle, 6 is a discharge nozzle, 9 is a straight flow path, 10 and 10 'are straight fins, and 12 is an offset fin.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 精一 東京都千代田区丸の内1丁目6番2号 石川島播磨重工業株式会社本社別館内 (72)発明者 鳥居 薫 横浜市栄区上郷町2231−47 (56)参考文献 特開 昭62−69098(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Seiichi Uchida 1-6-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd. Head Office Annex (72) Inventor Kaoru Torii 2231-47 Kamigocho, Sakae-ku, Yokohama ( 56) References JP 62-69098 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】中空平板状の受熱体の対頂部に冷媒循環系
に接続可能な供給ノズル、排出ノズルを取付け、前記受
熱体内に、分岐路を多数有する複数のストレートフィン
とオフセットフィンとを、ストレートフィンとオフセッ
トフィンとの間の間隔を持たせて前記各フィン内を流れ
る冷媒の流れ方向が前記供給ノズルと排出ノズルとを結
ぶ線と交差するよう配設したことを特徴とするコールド
プレート。
1. A supply nozzle and a discharge nozzle connectable to a refrigerant circulation system are attached to the top of a hollow flat plate heat receiving body, and a plurality of straight fins and offset fins having a large number of branch passages are provided in the heat receiving body. A cold plate, characterized in that a space is provided between the straight fins and the offset fins so that the flow direction of the refrigerant flowing in each of the fins intersects a line connecting the supply nozzle and the discharge nozzle.
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