JP4027353B2 - 冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、電子機器、パワーエレクトロニクス機器等の冷却に用いられる冷却フィン及び冷却構造に関するもので、詳しくは、ダクト内部の流体に熱を放熱する構造において、放熱特性を向上させる技術に関するものである。

従来の電子機器等の冷却構造における放熱フィンは、一般的に発熱体の表面（熱源）に設けられる。放熱フィンとして、例えば、溝型フィンが使用されるが、主に放熱面積の拡大により放熱特性を改善している。熱源の冷却においては、熱源と放熱フィンの接合方法が重要であり、熱源と放熱フィン間の接触熱抵抗を可能な限り小さくすることが求められる。

空調装置や冷却装置の熱交換器等に用いられる内面溝付伝熱管では、伝熱管内面に周方向へジグザグに延びる多数のフィンを形成した場合、高い熱交換性能が得られることが見出されている。

但し、熱源の対向面に、三角形断面等をジグザグ又は蛇行状に配列した突起を設けることは想定していない（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２６２７９号公報

従来の電子機器、パワーエレクトロニクス機器等の冷却構造における放熱フィンあるいは熱源によっては、加工時の反りや動作時の熱変形による反り等が発生し、放熱フィンと熱源を効果的に接合できない場合がある。その場合、熱源と放熱フィン間の接触熱抵抗が大きくなり、放熱フィンの性能が見かけ上低下する。すると、放熱フィンはより大きなものが必要となるが、接触熱抵抗の大きさによっては、放熱フィンの性能向上では冷却しきれない場合もあるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、熱源と対向する面又は伝熱面に、熱伝達率向上手段となる冷媒の乱流を促進するための突起を設けることにより、伝熱面の放熱特性が向上する冷却フィン及び冷却構造を提供することを目的とする。

この発明に係る冷却フィンは、少なくとも断面の辺が傾斜している所定の断面形状の突起を、左右交互に蛇行又はジグザグさせて配列したことを特徴とする。

この発明に係る冷却フィンは、上記構成により、放熱性能が向上する。

実施の形態１．
図１〜１１は実施の形態１を示す図で、図１は冷却構造を示す側面図、図２は冷却構造の冷媒流入方向から見た図、図３は放熱フィンの斜視図、図４は放熱フィンの平面図、図５は突起の軌跡を示す図、図６は突起の断面形状を示す図、図７は壁面近傍の温度分布と温度境界層を示す図、図８は対向面の突起による温度境界層への影響を示す図、図９は角部、山部、谷部に角や平坦部がある放熱フィンの斜視図、図１０は突起の蛇行形軌跡を示す図、図１１は突起のジグザグ＋蛇行形軌跡を示す図である。

図１は放熱フィンを使用せずに発熱体１を冷却する方法を示している（冷媒の流入方向に直交する方向から見た図）。また、図２は冷媒の流入方向から見た図である。図に示すように、発熱体１と対向する面、対向面２に冷媒の乱流を促進するための突起３を設けている。

突起３の形状は、例えば図３、４に示すようなものである。この突起形状は、三角形断面を図５のジグザグ状の軌跡に沿わせることで表せるものである。三角形断面は、図６に示すように、必ずしも２等辺三角形、正三角形に限定されない。

ここで言う発熱体１とは、例えば、パワーモジュール・ＣＰＵ（コンピュータの中枢部分）・ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体素子、バッテリー・コンデンサー等の電子部品、モータ・発電機等の回転機、エンジン等の内燃機関である。

突起３の材質は何でもよい（金属、樹脂等）。但し、後述する放熱面に取り付ける場合は、熱伝導率の良い金属（銅、アルミニューム等）にすると、放熱性能が向上する。

冷媒の種類も特に制約はないが、水、不凍液、ＬＬＣ（long life coolant）、潤滑油等の各種冷却液、空気、水素等の気体である。

発熱体１と突起３を設けた対向面２との間に冷媒を流すことにより、突起３が無い場合に比べて発熱体表面の放熱性能が向上する。また、冷却フィンと発熱体との接触部がないため、接触抵抗による放熱性能悪化がない。

冷媒が突起上を流れると、冷媒が発熱体１に押し当てられるため、発熱体１表面の温度境界層が薄くなり、放熱性能が向上する。

対向面２の突起３による放熱性向上の理論的な説明を、図７、８により行う。

ある固体壁の壁面から流体に向かって熱が放熱する場合、壁面近傍の流体には図７のような温度分布がある。壁面近傍には温度勾配が大きい領域があり、これは温度境界層と呼ばれている。温度境界層の外側の流体温度はほぼ均一となっている。この温度境界層を薄くすることにより、放熱性能が向上する。温度境界層を薄くする一般的な方法としては、流体の速度を大きくしたり、２平板間や円筒等の内部に流体を流す場合は、その平板間の隙間や円筒の内径を小さくすることである。また、乱流によっても温度境界層は薄くなる。

図１の冷却構造の場合、溝形状により壁面近傍の流速を加速して放熱特性を向上させる効果と、壁面と溝先端の狭い隙間に流体を流すことにより放熱性能を向上させる効果がある（図８）。このとき、流れが乱流になると、更に伝熱性能が向上する。

尚、加工上の制約で三角形の角部３ｃ、山部３ａ、谷部３ｂに角Ｒや平坦部が発生する場合があるが、同様の冷却効果が得られる。その一例を図９に示す。

突起３の加工方法としては、特に制約はないが、エンドミル等による削り加工、金型による樹脂成型、ダイキャスト、板金による曲げ塑性加工である。

突起３の軌跡は、図１０のような蛇行形軌跡、図１１のようなジグザグ＋蛇行形軌跡でも同様の効果が得られる。その他、正弦波形軌跡も考えられる。

基本的に、左右交互に蛇行あるいはジグザグしていれば、多少規則的でなくても同様の効果がある。

上述の実施の形態によれば、発熱体１の対向面２に三角形断面をジグザグ状又は蛇行状又はジグザグ＋蛇行状の軌跡に沿わせた突起３を設けることにより、発熱体１の伝熱面の放熱性能を向上することができる。

実施の形態２．
図１２は実施の形態２を示す図で、突起の断面形状を示す図である。

上記実施の形態１では、突起３の断面形状は三角形のもを示したが、図１２のような台形のものでも同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１３は実施の形態３を示す図で、突起の断面形状を示す図である。

上記実施の形態１では、突起３の断面形状は三角形のもを示したが、図１３のような円弧又は放物線に近い形状でも同様の効果が得られる。

突起３の断面形状は、三角形、台形、円弧、放物線以外に、矩形、多角形、円形、楕円、流線型、正弦波形等が考えられる。

基本的には、溝の表面が傾斜しているものであればよい。この明細書では、溝の表面が傾斜しているものを所定の断面形状の突起３と定義する。

実施の形態４．
図１４は実施の形態４を示す図で、冷却構造を示す図である。

図に示すように、発熱体１側に上記実施の形態１乃至３のいずれかに示した突起３を有する放熱フィンを設け、フィン先端と対向面に隙間を設けた冷却構造を用いると、ジグザグ又は蛇行形状又はジグザグ＋蛇行形状により伝熱面積が拡大すると共に、フィン先端の冷媒の通過流速が早くなるため、フィン先端の放熱性能が向上する。

実施の形態５．
図１５は実施の形態５を示す図で、冷却構造を示す図である。

図に示すように、発熱体１側及び対向面２側の両方に上記実施の形態１乃至３のいずれかに示した突起３を有する放熱フィンを設け、フィン同士の間に隙間を設けた冷却構造を用いると、ジグザグ又は蛇行形状又はジグザグ＋蛇行形状により、上記実施の形態１乃至３のいずれかの効果に、実施の形態４の効果が上乗せされて、放熱性能が大幅に向上する。

実施の形態６．
図１６は実施の形態６を示す図で、冷却構造を示す図である。

図に示すように、発熱体１側及び対向面２側のどちらかに従来の溝型フィンやピンフィンを設け、他方に上記実施の形態１乃至３のいずれかに示した突起３を有する放熱フィンを設ける冷却構造でもよく、同様の効果を奏する。

実施の形態７．
以下、上記実施の形態に示した冷却構造の電子機器、パワーエレクトロニクス機器等への適用例を説明する。

図１７〜２０は実施の形態７を示す図で、図１７は水冷インバータの発熱部及び水冷構造を抜粋した斜視図、図１８は水冷インバータの断面図、図１９はパワーモジュールを外した時と、本冷却構造の適用例を示す図、図２０は図１９の対向面溝形状を用い、液体を使用した場合の実測データの一例を示す図である。

図１７に示す水冷インバータの発熱部及び水冷構造は、パワーモジュール６が水冷ダクト７に組み込まれ、水冷ダクト７には配水管コネクタ８より冷却水が供給される。
尚、パワーモジュール６と水冷ダクト７は、Ｏリング、接着剤、ガスケット等のシール材でシールされている。

図１８に示すように、パワーモジュール６の対向面には、上記実施の形態に示した冷却フィン１０が取り付けられる。水冷ダクト７に配水管コネクタ８より冷却水が供給されて、水路９において冷却フィン１０に冷却水が流れ、パワーモジュール６を効率よく冷却する。

図１９に示すように、水冷インバータに上記実施の形態に示した冷却フィン１０を取り付ける場合、突起３の前後には流量調整用スリットを設けてもよい。

図２０に図１９の対向面溝形状を用い、液体を使用した場合の実測データの一例を示す。図２０のグラフは、横軸は流体の流速、縦軸は熱伝達率を表す。熱伝達率に比例して放熱性能が向上するため、図２０のグラフから、対向面に溝を設けると、溝がない場合に対して放熱性能が向上していることがわかる。尚、この熱伝達率の値は溝形状に依存するため、溝形状が変化すれば、熱伝達率の値も変化する。

実施の形態８．
図２１は実施の形態８を示す図で、冷却構造を示す図である。
熱源となる二つの発熱体１の間に、板金等で薄型に成型した少なくとも断面の辺が傾斜している所定の断面形状で、左右交互に蛇行又はジグザグさせて配列した突起３を配置し、発熱体１を同時に冷却するようにしてもよい。

実施の形態１を示す図で、冷却構造を示す側面図である。 実施の形態１を示す図で、冷却構造の冷媒流入方向から見た図である。 実施の形態１を示す図で、放熱フィンの斜視図である。 実施の形態１を示す図で、放熱フィンの平面図である。 実施の形態１を示す図で、突起の軌跡を示す図である。 実施の形態１を示す図で、突起の断面形状を示す図である。 実施の形態１を示す図で、壁面近傍の温度分布と温度境界層を示す図である。 実施の形態１を示す図で、対向面の突起による温度境界層への影響を示す図である。 実施の形態１を示す図で、角部、山部、谷部に角や平坦部がある放熱フィンの斜視図である。 実施の形態１を示す図で、突起の蛇行形軌跡を示す図である。 実施の形態１を示す図で、突起のジグザグ＋蛇行形軌跡を示す図である。 実施の形態２を示す図で、突起の断面形状を示す図である。 実施の形態３を示す図で、突起の断面形状を示す図である。 実施の形態４を示す図で、冷却構造を示す図である。 実施の形態５を示す図で、冷却構造を示す図である。 実施の形態６を示す図で、冷却構造を示す図である。 実施の形態７を示す図で、水冷インバータの発熱部及び水冷構造を抜粋した斜視図である。 実施の形態７を示す図で、水冷インバータの断面図である。 実施の形態７を示す図で、パワーモジュールを外した時と、本冷却構造の適用例を示す図である。 実施の形態７を示す図で、図１９の対向面溝形状を用い、液体を使用した場合の実測データの一例を示す図である。 実施の形態８を示す図で、冷却構造を示す図である。

符号の説明

１ 発熱体、２ 対向面、３ 突起、３ａ 山部、３ｂ 谷部、３ｃ 角部、４ 冷媒、５ 従来フィン、６ パワーモジュール、７ 水冷ダクト、８ 配水管コネクタ、９ 水路、１０ 冷却フィン、１１ 流量調整用スリット。

Claims (5)

1. 熱源となる発熱体と、
   この発熱体の対向面に設けられ、少なくとも断面の辺が傾斜している所定の断面形状の突起を、左右交互に蛇行又はジグザグさせて流れ方向に配列した冷却フィンと、
   を備えたことを特徴とする冷却構造。
2. 前記突起を規則的に配列したことを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
3. 前記所定の断面形状は三角形であることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
4. 前記所定の断面形状は台形であることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
5. 前記所定の断面形状は円弧又は放物線形状であることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。

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