JP5544412B2 - Cooling pipe structure - Google Patents
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Description
本発明は、例えばパワー半導体等の発熱体の冷却に使用される水冷式放熱機構に適用して好適な冷却管構造に関する。 The present invention relates to a cooling pipe structure suitable for application to a water-cooled heat radiation mechanism used for cooling a heating element such as a power semiconductor.
パワー半導体から発生する熱を水冷式放熱フィンにより放熱する水冷式の放熱機構を備えた機器において、従来では、放熱フィンに冷却管の貫通孔を設け、この貫通孔に冷却管(単管)を嵌挿して水冷式の放熱機構を構成していた。この放熱機構は、放熱フィンに内接して貫通した直状の冷却管内を、冷却水がそのまま直進して通過する構造であり、放熱フィンと冷却水との間での熱交換は、放熱フィンを貫通した冷却管の内壁とこの内壁面に触れる冷却水との間で行われ、冷却水が冷却管内を満たしているため、冷却水全体に効率よく熱伝達が行われずに冷却水が排水され、供給した冷却水の冷却能力が十分に活用されないという問題があった。また、放熱フィンを貫通する冷却管の前後(給水側と排水側)において、管内を通過する冷却水の温度は、給水側に比べて熱を吸収した排水側の方が高くなり、結果的に排水側の放熱フィンの温度が十分に低下しないという問題があった。 In a device equipped with a water-cooling heat dissipation mechanism that dissipates heat generated from a power semiconductor by a water-cooled heat dissipation fin, conventionally, a cooling pipe through hole is provided in the heat dissipation fin, and a cooling pipe (single pipe) is provided in this through hole. A water-cooled heat dissipation mechanism was configured by being inserted. This heat dissipating mechanism has a structure in which the cooling water passes straight through the straight cooling pipe inscribed through the heat dissipating fin, and heat exchange between the heat dissipating fin and the cooling water It is performed between the inner wall of the cooling pipe that penetrates and the cooling water that touches this inner wall, and the cooling water fills the inside of the cooling pipe, so the cooling water is drained without efficient heat transfer to the entire cooling water, There was a problem that the cooling capacity of the supplied cooling water was not fully utilized. In addition, before and after the cooling pipe that penetrates the radiating fins (water supply side and drainage side), the temperature of the cooling water passing through the pipe is higher on the drainage side that absorbs heat than on the water supply side. There was a problem that the temperature of the heat-radiating fin on the drainage side did not decrease sufficiently.
このように、従来の水冷式放熱機構においては、冷却効率並びに冷却能力の面で問題があった。 Thus, the conventional water-cooled heat dissipation mechanism has problems in terms of cooling efficiency and cooling capacity.
この種、水冷式の放熱機構として、従来では、扁平な箱状のタンクを備えた水冷ヒートシンク(特許文献1参照)が存在した。また、冷却管技術として、内管と外管との間に形成される空間部を複数の通路に区画した二重管構造(特許文献2参照)や、二重管の間隙に熱交換用流体を通過させ中心部に冷却用流体を通過させる焼却炉の熱回収技術(特許文献3参照)が存在した。 Conventionally, there has been a water-cooled heat sink (see Patent Document 1) having a flat box-shaped tank as this type of water-cooled heat dissipation mechanism. Further, as a cooling pipe technique, a double pipe structure (see Patent Document 2) in which a space formed between an inner pipe and an outer pipe is divided into a plurality of passages, or a heat exchange fluid in a gap between the double pipes. There has been an incinerator heat recovery technique (see Patent Document 3) in which a cooling fluid is allowed to pass through in the center.
上述したように、従来の水冷式放熱機構においては、冷却効率並びに冷却能力の面で問題があった。 As described above, the conventional water-cooled heat dissipation mechanism has problems in terms of cooling efficiency and cooling capacity.
本発明の実施形態は、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供することを目的とする。 An object of an embodiment of the present invention is to provide a cooling pipe structure capable of realizing a water-cooled heat radiation mechanism with improved cooling efficiency and cooling capacity.
本発明の実施形態は、放熱フィンと熱交換を行う水冷式の放熱機構に用いられる冷却管構造であって、前記放熱フィンの貫通孔に設けられる直状の外管と、前記外管の内壁と一定の間隙を存して前記外管に挿通された内管と、冷却水を一次冷却水として前記外管内の前記内管の外周に供給し、同一圧の前記冷却水を二次冷却水として前記内管内に供給する冷却水の供給手段と、前記内管の外周に設けられ、前記内管を前記外管内に前記一定の間隔で支持すると共に、前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水に対し渦流を生起する複数のブレードと、を具備し、前記複数のブレードにより前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水の流速に対し前記内管内を直進して流れる前記二次冷却水の流速を速めて、前記外管内の前記内管の外周に前記放熱フィンと熱交換を行う前記一次冷却水の流路を形成し、前記内管内に前記一次冷却水を冷却する前記二次冷却水の流路を形成したことを特徴とする。 An embodiment of the present invention is a cooling pipe structure used in a water-cooled heat dissipation mechanism that exchanges heat with a heat dissipation fin, and includes a straight outer tube provided in a through hole of the heat dissipation fin, and an inner wall of the outer tube An inner pipe inserted into the outer pipe with a certain gap, and cooling water as primary cooling water is supplied to the outer periphery of the inner pipe in the outer pipe, and the cooling water of the same pressure is supplied to the secondary cooling water. As a cooling water supply means for supplying into the inner pipe, and provided on the outer periphery of the inner pipe, the inner pipe is supported in the outer pipe at the predetermined interval, and on the outer circumference of the inner pipe in the outer pipe. A plurality of blades that generate eddy currents with respect to the flowing primary cooling water, and the plurality of blades travel straight in the inner pipe with respect to the flow velocity of the primary cooling water flowing on the outer circumference of the inner pipe in the outer pipe. flowing Te wherein expediting the flow rate of the secondary cooling water, of said outer tube The primary cooling water flow path for exchanging heat with the radiation fins is formed on the outer periphery of the inner pipe, and the secondary cooling water flow path for cooling the primary cooling water is formed in the inner pipe. And
本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供できる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a cooling pipe structure capable of realizing a water-cooled heat radiation mechanism with improved cooling efficiency and cooling capacity.
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施形態に係る冷却管構造は、冷却管(一次冷却管)中の冷却水(一次冷却水)を冷却するための冷却管(二次冷却管)を一次冷却管内に配置し、この二次冷却管内に一次冷却水の冷却用水(二次冷却水)を供給し、一次冷却水の流速より二次冷却水の流速を速くすることにより、吸熱した二次冷却水を速やかに排水することで、一次冷却水の冷却能力の低下を軽減すると同時に、一次冷却水の水流に渦を発生させ、一次冷却管と一次冷却水および一次冷却水と二次冷却管相互の効率の良い熱交換を実現したことにある。 In the cooling pipe structure according to the embodiment of the present invention, a cooling pipe (secondary cooling pipe) for cooling the cooling water (primary cooling water) in the cooling pipe (primary cooling pipe) is arranged in the primary cooling pipe. The cooling water (secondary cooling water) for the primary cooling water is supplied into the secondary cooling pipe, and the absorbed secondary cooling water is quickly drained by making the flow rate of the secondary cooling water faster than the flow rate of the primary cooling water. This reduces the decrease in the cooling capacity of the primary cooling water and at the same time generates vortices in the water flow of the primary cooling water, allowing efficient exchange of heat between the primary cooling pipe and the primary cooling water and between the primary cooling water and the secondary cooling pipe. It is in having realized.
本発明の実施形態に係る冷却管構造を図1乃至図7を参照して説明する。図1は本実施形態に係る冷却管構造の一部構成要素を切欠した基本構成と冷却水の流れを示す一部を縦断面にした斜視図、図2は上記実施形態に係る冷却管構造の構成を示す横断面図、図3は上記実施形態に係る冷却管構造のスペーサの配置構成例を示す図、図4は上記実施形態に係る冷却管構造を放熱フィンに取り付けた基本構成を示す図、図5は図4に示す冷却管構造の内部構成を示す図、図6は上記実施形態に係る冷却管構造の熱交換を説明するための図、図7は図6における冷却水の流れを示す図である。 A cooling pipe structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a basic configuration in which some components of the cooling pipe structure according to the present embodiment are cut out and a part showing a flow of cooling water in a longitudinal section. FIG. 2 is a perspective view of the cooling pipe structure according to the embodiment. FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement configuration of spacers in the cooling pipe structure according to the above embodiment, and FIG. 4 is a diagram showing a basic configuration in which the cooling pipe structure according to the above embodiment is attached to a radiation fin. 5 is a view showing the internal configuration of the cooling pipe structure shown in FIG. 4, FIG. 6 is a view for explaining heat exchange of the cooling pipe structure according to the embodiment, and FIG. 7 is a flow of cooling water in FIG. FIG.
上記実施形態に係る冷却管構造10は、放熱フィンと熱交換を行う水冷式の放熱機構に用いられるもので、放熱フィン20を貫通して設けられた直状の外管11と、上記外管11の内壁と一定の間隙を存して上記外管11内に同軸状に設けられた内管12と、上記外管11と上記内管12に同一圧の冷却水を共通に供給する冷却水(Ca)の供給手段と、上記内管12を上記外管11内に支持するとともに、上記外管11内を流れる冷却水(Ca1)に対して上記内管12の外周に沿い渦流(WP)を生起させる偏流面(DF)を有する複数のスペーサ13(13a〜13c)とを具備し、上記外管内を流れる冷却水(Ca1)の流速に対し上記内管12内を流れる冷却水(Ca2)の流速を速めて、上記外管11に上記放熱フィン20と熱交換を行う一次冷却水(Ca1)の流路11aを形成し、上記内管12に上記一次冷却水(Ca1)を冷却する二次冷却水(Ca2)の流路12aを形成したことを特徴とする。
The
この実施形態においては、符号11で示す外管を一次冷却管と称し、符号12で示す内管を二次冷却管と称している。また、符号11aで示す一次冷却水(Ca1)の流路を一次冷却水流路と称し、符号12aで示す二次冷却水(Ca2)の流路を二次冷却水流路と称す。
In this embodiment, the outer pipe indicated by
上記外管を構成する一次冷却管11は、例えば銅パイプを用いた円筒状の直状管により構成され、放熱フィン20を貫通して設けられている。放熱フィン20は一次冷却管11の管径より厚みのある肉厚で熱伝導率の高い金属材料(例えばアルミニウムで構成された直方体金属)により構成され、一側面部と同面と反対側の他側面部との間に穿設した一次冷却管挿通用の貫通孔21を有して、この貫通孔21の内周面に一次冷却管11の外周面が面接触した状態で一次冷却管11が放熱フィン20に嵌挿されている。放熱フィン20には発熱体となる半導体素子31が実装され、半導体素子31と一次冷却管11との間に放熱フィン20を介して熱伝導路が形成されている。
The
上記内管を構成する二次冷却管12は、外管11と同様の直状管により構成され、直状の一次冷却管11の内壁と一定の間隙を存して一次冷却管11内に配管されている。この実施形態では、二次冷却管12の外周部に、一次冷却管11の内壁との間隙を一定に保つ二次冷却管保持スペーサ13が設けられ、この二次冷却管保持スペーサ13により、二次冷却管12が一次冷却管11内に一次冷却管11と同軸状に保持されて配管されている。
The
二次冷却管保持スペーサ13は一次冷却水流路11aに給水された一次冷却水(Ca1)を渦流化し二次冷却管12の外周を螺旋状に流すことによって二次冷却水流路12aを直進する二次冷却水(Ca2)に対し給水から排水に至る水流に時間差(流路差)をもたせ、これによって、一次冷却水流路11aを流れる一次冷却水(Ca1)の流速に対して二次冷却水流路12aを流れる二次冷却水(Ca2)の流速を速める流速制御手段を実現している。二次冷却管保持スペーサ13は、一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる冷却水(Ca1)に対して渦流(WP)を生起する偏流面(DF)を有する3枚の羽根状のスペーサ部材13a,13b,13cにより構成され、3枚のスペーサ部材13a〜13cを一組として組を単位に二次冷却管12の外周に螺旋状に巻装された状態で設けられている。この二次冷却管保持スペーサ13は、二次冷却管12内の少なくとも給水側と排水側を含む複数箇所に設けられている。スペーサ部材13a,13b,13cは、例えばスクリューの羽根に類似した形状であり、それぞれ渦を生起せしめる曲面をなす偏流面(DF)および円弧状の縁部を有し、同縁部の一部先端が一次冷却管11に対する二次冷却管12の支持点(TP)として一次冷却管11の内壁に当接して設けられている。この実施形態では、二次冷却管保持スペーサ13を一次冷却水(Ca1)と二次冷却管12との熱伝導路として利用するため、二次冷却管保持スペーサ13を熱伝導率の高い銅材を用いて構成している。
The secondary cooling
ここで図6および図7を参照して上記構成の冷却管構造10における熱交換作用を説明する。図6は上記実施形態に係る冷却管構造10の熱交換を説明するための図であり、放熱フィン20に実装された発熱体(半導体素子)31の熱交換作用を説明するための熱伝達径路を符号31hおよび符号ta,tb,tcで示している。図6において符号31hは発熱体となる半導体素子31から発生した熱の伝達径路、符号taは放熱フィン20から冷却管構造10への熱伝達径路、符号tbは一次冷却管11から同管11内(一次冷却水流路11a)を流れる冷却水(Ca1)への熱伝達径路、符号tcは一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる冷却水(Ca1)から二次冷却管12内(二次冷却水流路12a)を流れる二次冷却水(Ca2)への熱伝達径路を示している。図7は図6の熱伝達径路を形成する冷却管構造10の熱交換作用を説明するための一次冷却水流路11aを流れる一次冷却水(Ca1)および二次冷却水流路12aを流れる二次冷却水(Ca2)を示す図である。
Here, with reference to FIG. 6 and FIG. 7, the heat exchange action in the cooling
一次冷却管11の給水側と二次冷却管12の給水側には、それぞれ図示しない(後述する図8乃至図12に示されている)給水側配管(給水パイプ)から継手を介して上記各冷却管に共通の冷却水(Ca)が同一水圧で供給される。この冷却水(Ca)は一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる一次冷却水(Ca1)と二次冷却管12内(二次冷却水流路12a)を流れる二次冷却水(Ca2)とに分流され、それぞれ排水側に流れる。
The water supply side of the
この際、一次冷却管11の給水側に供給された一次冷却水(Ca1)は、二次冷却管12の外周に設けられた二次冷却管保持スペーサ13の偏流面(DF)に案内され、渦流(WP)となって一次冷却管11内を二次冷却管12の外周に沿い排水側に向かって流れる(二次冷却管12の外周を螺旋状に回りながら排水側に向かって進行する)。
At this time, the primary cooling water (Ca1) supplied to the water supply side of the
この渦流(WP)となった一次冷却水(Ca1)は一次冷却管11内において満遍なく掻き回された状態で二次冷却管12の外周を排水側に向かって流れ、従って渦流(WP)となった一次冷却水(Ca1)により熱伝達径路ta,tbにおいて効率のよい熱交換が行われる。この熱交換により一次冷却水(Ca1)は給水側の一次冷却水(Ca1)と排水側の一次冷却水(Ca1)とで温度差が生じ、給水側の一次冷却水(Ca1)に対して排水側の一次冷却水(Ca1)の温度が高くなる。
The primary cooling water (Ca1) that has become the vortex flow (WP) flows in the
一方、二次冷却管12の給水側に供給された二次冷却水(Ca2)は同管内を直進して排水側に流れる。この二次冷却管12内(二次冷却水流路12a)を流れる二次冷却水(Ca2)に対して、一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる一次冷却水(Ca1)は、渦流(WP)となって二次冷却管12の外周を排水側に流れることから、一次冷却水(Ca1)と二次冷却水(Ca2)との間に流速差が生じ、一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる一次冷却水(Ca1)の流速に対して二次冷却管12内(二次冷却水流路12a)を流れる二次冷却水(Ca2)の流速が速まる流速制御が実現される。
On the other hand, the secondary cooling water (Ca2) supplied to the water supply side of the
この流速制御により、一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる一次冷却水(Ca1)に対して二次冷却管12内(二次冷却水流路12a)を流れる二次冷却水(Ca2)を速やかに排水することができ、熱伝達径路tcにおいて効率のよい熱交換を行うことができる。これにより、排水側に向かうに従い顕著になる一次冷却水(Ca1)の冷却能力の低下を著しく低減でき、放熱フィン20の給水側と排水側とに温度差を殆どもたない安定した温度管理を実現できる。
By this flow rate control, the secondary cooling water (Ca2) flowing in the secondary cooling pipe 12 (secondary cooling
このように、一次冷却管11内の一次冷却水(Ca1)を冷却するための二次冷却管12を一次冷却管11内に配置し、この二次冷却管12に一次冷却水(Ca1)の冷却用水となる二次冷却水(Ca2)を供給し、一次冷却水(Ca1)の流速より二次冷却水(Ca2)の流速を速くすることにより、吸熱した二次冷却水(Ca2)を速やかに排水することで、一次冷却水(Ca1)の冷却能力の低下を軽減すると同時に、一次冷却水(Ca1)の水流に渦を発生させ、一次冷却管11と一次冷却水(Ca1)および一次冷却水(Ca1)と二次冷却管12相互の効率の良い熱交換を実現できる。
Thus, the
さらに上記した実施形態によれば、二次冷却管保持スペーサ13は、二次冷却管12を一次冷却管11内に同軸状に保持する保持スペーサの機能と、一次冷却管11内(一次冷却水流路11a)を流れる一次冷却水(Ca1)に渦流(WP)を生起する(二次冷却管12の外周を螺旋状に回りながら排水側に進行する)機能とを兼ね備えた構造であることから、保持スペーサと渦流を作る羽根とを別体に設ける構造に比し部品点数および組立工数を削減できる。
Further, according to the above-described embodiment, the secondary cooling
また、上記した二次冷却管保持スペーサ13は二次冷却管12の軸方向(長さ方向)に対してほぼ垂直な偏流面および円弧状の縁部を有する3枚のスペーサ部材13a,13b,13cを一組として組を単位に、二次冷却管12に対して同管の周方向に120度ずつ連続して螺旋状に巻き付けた状態で、冷却管構造10の給水側と排水側を含む管軸方向の複数箇所に所定の間隔を隔てて設けられ、スペーサ部材13a,13b,13cの円弧状の一部先端が一次冷却管11に対する二次冷却管12の支持点(TP)として一次冷却管11の内壁に当接して二次冷却管12を一次冷却管11内に保持する構造、すなわち、管軸方向に間隔を存して部分的に設けられた点接触による内管保持構造であることから、外管内に内管を挿入する際の挿入抵抗を軽減でき、これによって同軸二重管の組立が極めて容易に実現可能である。さらに二次冷却管保持スペーサ13の各スペーサ部材13a,13b,13cが渦流(WP)を作る羽根として作用するとともに、一次冷却水(Ca1)との熱伝導部材として作用することから、より冷却効果を高めることができる。
The secondary cooling
上記した冷却管構造10の各種継手構造を図8乃至図17に例示する。図8乃至図10はそれぞれ給水側における二次冷却管12の継手構造を示している。図8はねじ込み形の継手構造を示し、図9および図10ははめ込み形の継手構造を示している。
Various joint structures of the cooling
図8に示すねじ込み形の継手構造は、二次冷却管保持スペーサ13の渦流(WP)を作る偏流面(DF)の向きに応じたねじ込み方向の螺子結合による、給水側配管(給水パイプ)の継手15と二次冷却管12との継合例を示している。この例では、継手15と二次冷却管12の結合部分において、継手15の内周面と二次冷却管12の外周面にそれぞれ螺子結合のための螺刻部を形成している。すなわち、継手15の内周面に冷却管結合用の螺刻部15sを設け、二次冷却管12の外周面に継手結合用の螺刻部12sを設けている。
The screw-type joint structure shown in FIG. 8 is provided on the water supply side pipe (water supply pipe) by screw connection in the screwing direction according to the direction of the drift surface (DF) that creates the vortex (WP) of the secondary cooling
図中の符号raは、力Faにより発生する二次冷却管12の回転方向であり、給水側から排水側に向かってみて反時計回りの方向、すなわち、排水側から給水側に向かってみて時計回りの方向である。この回転方向raは、右ねじの進む方向、すなわち継手15に対して二次冷却管12が螺子結合される方向である。なお、継手15の二次冷却管12の結合部分と反対側の結合部分は、後述する図11若しくは図12に示す単一の給水パイプ(符号5参照)に継合される。
The symbol ra in the figure is the direction of rotation of the
このように、二次冷却管12と継手15が右ネジで接合されている場合、給水側から排水側に向って時計回りの方向に渦流(WP)が発生するように、二次冷却管保持スペーサ13の偏流面(DF)を形成することにより、一次冷却水(Ca1)の水流圧作用で二次冷却管12が結合方向と反対の方向に回転して継手15から外れる不具合を回避できる。なお、二次冷却管12と継手15が左ネジで螺子結合されている場合は、上記とは逆の、反時計回りの渦が発生するように二次冷却管保持スペーサ13の偏流面(DF)を形成することにより同様に上記不具合を回避することができる。
In this way, when the
図9および図10は嵌め込み形の継手構造を示している。図9は分解斜視図であり、図10は結合状態を示す側断面図である。 9 and 10 show a fitting joint structure. FIG. 9 is an exploded perspective view, and FIG. 10 is a side sectional view showing a combined state.
この嵌め込み形の継手結合構造は、筒状の締結リングCPを用いて二次冷却管12の給水側に筒状の継手16を螺子結合により継合している。二次冷却管12は、給水側の先端部分が継手16に嵌挿される嵌挿部12dとなり、この嵌挿部12dの外周面に管軸方向に沿って突起状の回転止めフック12fが設けられ、上記嵌挿部12dの終端外周面にフランジ状の締結リング用ストッパー12rが設けられている。筒状の継手16には、二次冷却管12の嵌挿部12dが嵌挿される部分の内周面に上記回転止めフック12fに係合するガイド溝16gが設けられ、冷却管結合側の外周面に締結リング結合用の螺刻部16s1を設けている。締結リングCPには給水側の内周面に上記螺刻部16s1に螺合する継手結合用の螺刻部16s2が設けられ、排水側の内周面に上記ストッパー12rに係合する段差をもつ突き当て部16rが設けられている。
In this fitting type joint coupling structure, a
この継手構造の組立は、二次冷却管12の嵌挿部12dに設けられた回転止めフック12fを継手16の内周面に設けられたガイド溝16gに係合させて二次冷却管12の嵌挿部12dを継手16に嵌挿する。二次冷却管12の給水側外周に被嵌された締結リングCPを継手16の螺刻部16s1に対して締め付け方向に回転させることによって、継手16の螺刻部16s1に締結リングCPの螺刻部16s2が螺合し、締結リングCPの締め付けにより、二次冷却管12のストッパー12rに締結リングCPの突き当て部16rが当接して二次冷却管12が継手16に継合される。この継手16を介して二次冷却管12が一次冷却管11とともに一つの給水側配管(給水パイプ)に継合される。
In the assembly of the joint structure, the
上記一次冷却管11および二次冷却管12で構成された冷却管構造10の給水側および排水側における配管構成例を図11および図12に示している。ここでは放熱フィン20の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側がそれぞれ片側に揃っている配管構成例を図11に示し、給水側と排水側がそれぞれ交互に配管された配管構成例を図12に示している。
11 and 12 show an example of the piping configuration on the water supply side and the drain side of the cooling
図において、符号5,5A,5Bはそれぞれ給水側の配管(給水パイプ)、符号6,6A,6Bはそれぞれ排水側配管(排水パイプ)である。符号PJ1は冷却管構造10の給水側の継手であり、符号PJ2は冷却管構造10の排水側の継手である。継手PJ1は冷却管構造10を構成する一次冷却管11および二次冷却管12をそれぞれ一つの給水側配管5(5A,5B)に継合して、一次冷却管11および二次冷却管12にそれぞれ同一圧の冷却水(Ca)を給水する。この継手PJ1は、上記した図8に示した二次冷却管12の継手を有する継手構造、図9および図10に示した二次冷却管12の継手を有する継手構造、若しくは後述する図13および図14に示す継手構造、図15乃至図17に示す継手構造のいずれであってもよい。ここでは一例として後述する図15乃至図17に示す継手構造により冷却管構造10を給水側の配管5に継合するものとする。
In the figure,
図11に示す配管構成例においては放熱フィン20の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側の配管をそれぞれ片側に集約することで、配管構成を簡素にすることができるが、放熱フィン20の給水側と排水側で温度差が生じ易い傾向となる。図12に示す配管構成例においては放熱フィン20の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側の配管をそれぞれ交互にすることで、放熱フィン20の給水側と排水側での温度差が生じ難い構成とすることができるが、給水側と排水側の配管構成が煩雑になる。
In the piping configuration example shown in FIG. 11, the piping configuration can be simplified by consolidating the water supply side and drainage side pipes on one side on both sides where the through holes of the
上記した冷却管構造10の一次冷却管11および二次冷却管12をそれぞれ給水側の配管5(5A,5B)に継合する継手部分の構成例を図13および図14に示している。図13は継手部分の分解斜視図、図14は同継手部分の側面図である。
FIGS. 13 and 14 show configuration examples of joint portions that join the
この冷却管構造10の一次冷却管11および二次冷却管12をそれぞれ給水側配管5(5A,5B)に継合する継手17は、冷却管構造10の一次冷却管11に継合する筒状の外管継手17Aと、冷却管構造10の二次冷却管12に継合する筒状の内管継手17Bと、内管継手17Bを外管継手17Aに係止するリング状の内管用ストッパー17Cとを具備して構成されている。
A joint 17 that joins the
外管継手17Aは、給水側の端部内周面に、給水側配管5を螺子結合するめための螺刻部17s1を有し、排水側の端部内周面に冷却管構造10の一次冷却管11を螺子結合するめための螺刻部17s6を有し、中間部内周面に、内管継手17Bを螺子結合するめための螺刻部17s2と、内管用ストッパー17Cを螺子結合するめための螺刻部17s4とを有して構成されている。
The outer pipe joint 17A has a threaded portion 17s1 for screwing the water
内管継手17Bは、給水側端部と排水側端部との中間部に、給水側から排水側に向かって径小となる漏斗状のテーパ部(絞り口径部)172を有し、給水側端部に、内管継手17Bの給水口を外管継手17A内に外管継手17Aと同軸状に配置し保持するスペーサ173と、上記螺刻部17s2に螺合する螺刻部17s3とを有し、排水側端部に、二次冷却管12を螺子結合するめための螺刻部17s7を有する連結管部171を有して構成されている。
The inner pipe joint 17B has a funnel-shaped taper portion (a throttle port diameter portion) 172 whose diameter decreases from the water supply side to the water discharge side at the intermediate portion between the water supply side end portion and the water discharge side end portion. At the end, there is a
内管用ストッパー17Cは、外管継手17A内で内管継手17Bに緩みが生じないように外管継手17Aと内管継手17Bとの結合状態(螺着状態)を保持する、所謂二重ナットの作用をもたせるための固定リングであり、外周面に上記螺刻部17s4に螺合する螺刻部17s5を有して構成されている。
The
上記構成の継手17に対して、給水側配管5には端部外周面に上記螺刻部17s1に螺合する螺刻部55が設けられ、一次冷却管11には端部外周面に上記螺刻部17s6に螺合する螺刻部11Sが設けられ、二次冷却管12には端部外周面に上記螺刻部17s7に螺合する螺刻部12Sが設けられている。
For the joint 17 configured as described above, the water
この継手17を用いた給水側配管5と冷却管構造10との継合手順についてその一例を挙げると、上記給水側配管5に外管継手17Aを螺子結合により継合し、外管継手17Aに内管継手17Bを螺嵌し、内管継手17Bを内管用ストッパー17Cにより外管継手17Aに締付固定し、内管継手17Bに二次冷却管12を螺子結合により継合し、外管継手17Aに一次冷却管11を螺子結合により継合する。これにより、冷却管構造10の一次冷却管11および二次冷却管12が継手17を介して給水側配管5に継合される。なお、この継合作業の際、一次冷却管11内において二次冷却管12の管軸方向への移動が伴うが、この移動に伴う摺動摩擦抵抗は、上述したように、スペーサ部材13a,13b,13cの円弧状の一部先端が一次冷却管11に対する二次冷却管12の支持点(TP)として一次冷却管11の内壁に当接して二次冷却管12を一次冷却管11内に保持する構造であることから軽微であり、従って継手17を介在した給水側配管5と冷却管構造10との継合作業を円滑に行うことができる。
An example of the joining procedure between the water
この継手構造は、給水側配管5から給水された冷却水(Ca)のうち、内管継手17B内に流入された冷却水(Ca)が内管継手17Bに形成されたテーパ部172により高圧化され、流速が速められて二次冷却管12に二次冷却水(Ca2)として給水される。この二次冷却水(Ca2)の加速化により、冷却管構造10において、一次冷却水(Ca1)が流れる一次冷却管11から吸熱した二次冷却水(Ca2)が加速化されてより速やかに排水されることから、一次冷却水(Ca1)の温度差による冷却能力の低下をより抑制することができる。
In this joint structure, among the cooling water (Ca) supplied from the water
上記構成の継手17に、さらに一次冷却水(Ca1)の渦流発生機能をもたせた構成を図15乃至図17に示している。図15は継手部分の横断面図、図16および図17はそれぞれ同継手部分における一次冷却水(Ca1)および二次冷却水(Ca2)の流れを斜視および側方視で示している。 FIGS. 15 to 17 show a configuration in which the joint 17 having the above-described configuration is further provided with a function of generating a vortex flow of the primary cooling water (Ca1). FIG. 15 is a cross-sectional view of the joint portion, and FIGS. 16 and 17 show the flow of the primary cooling water (Ca1) and the secondary cooling water (Ca2) in the joint portion in perspective and side views, respectively.
この図15乃至図17に示す継手構造は、内管継手17Bのスペーサ173を、渦流を発生させるためのスクリューの羽根に類似した形状の偏流面(DF)を有する3枚のスペーサ部材f1〜f3により構成している。内管継手17Bおよびスペーサ173を構成するスペーサ部材f1〜f3の給水側の各面部は、それぞれ継手17に給水される冷却水(Ca)の流れを妨げないように面取り加工されている。このスペーサ部材f1〜f3に形成した偏流面(DF)は、上記した冷却管構造10の二次冷却管保持スペーサ13を構成するスペーサ部材13a〜13cの偏流面(DF)と同じ方向に渦流を生起する。
In the joint structure shown in FIGS. 15 to 17, the
これにより、図16および図17に示すように、継手17の給水側に供給された冷却水(Ca)のうち、外管継手17A内に給水された一次冷却水(Ca1)は、内管継手17Bの外周に設けられたスペーサ173の偏流面(DF)に案内され、渦流(WP)となって外管継手17A内を内管継手17Bの外周に沿い排水側に向かって流れる(内管継手17Bの外周を螺旋状に回りながら排水側に向かって進行する)。この渦流(WP)となった一次冷却水(Ca1)は冷却管構造10の一次冷却管11に給水され、冷却管構造10内における渦流の生起を助長する。
Accordingly, as shown in FIGS. 16 and 17, among the cooling water (Ca) supplied to the water supply side of the joint 17, the primary cooling water (Ca1) supplied into the outer pipe joint 17 </ b> A is the inner pipe joint. 17B is guided to the drift surface (DF) of the
上記実施形態に係る冷却管構造の他の構成を図18および図19に示している。この冷却管構造10Eは、上記した図1乃至図5に示す実施形態の二次冷却管保持スペーサ13が、一次冷却管11内おける二次冷却管12の保持機能と一次冷却水(Ca1)の渦流発生機能とを兼ね備えた構成であったのに対して、この図18および図19に示す構成では、二次冷却管12の保持機能と一次冷却水(Ca1)の渦流発生機能とをそれぞれ別体の構成要素により実現している。ここでは、二次冷却管12の両側(給水側と排水側)に、それぞれ二次冷却管12を一次冷却管11内に一次冷却管11と同軸状に保持するスペーサ18が設けられ、その間の二次冷却管12に管軸に沿い、二次冷却管12の外周を流れる一次冷却水(Ca1)に渦流を生起せしめる羽根組立19が設けられている。
Another configuration of the cooling pipe structure according to the above embodiment is shown in FIGS. In this
スペーサ18は、3つのスペーサ部材(支持片)181,182,183により構成され、二次冷却管12の外周面に、周方向に3つのスペーサ部材181,182,183を等間隔(120°間隔)に配している。3つのスペーサ部材181,182,183は、それぞれ図18に示すように、管軸方向に流線形状をなす台座部18aと、先端が球面状に形成された係止端部18bとにより構成されている。この台座部18aと係止端部18bとを有して構成されたスペーサ部材181,182,183は、それぞれ給水側から排水側に流れる一次冷却水(Ca1)に対して水流の抵抗を低く抑え一次冷却管11の流れを円滑にして、かつ二次冷却管12を一次冷却管11内で摺動可能に一次冷却管11に対し同軸状に保持することを可能にしている。
The
一次冷却水(Ca1)に渦流を生起せしめる羽根組立19は、3枚の羽根部材(ブレード)191,192,193を一組として二次冷却管12の外周に管軸方向に連続して二次冷却管12に巻き付くように設けられるもので、それぞれ、二次冷却管保持スペーサ13を構成するスペーサ部材13a〜13cにより生起される渦と同一の回転方向に渦を生起せしめる曲面をなす偏流面(DF)を有して構成される。この羽根組立19は、上述した二次冷却管保持スペーサ13のスペーサ部材13a,13b,13cと同様の渦流(WP)を作る羽根として作用するが、二次冷却管12が上記3つのスペーサ部材181,182,183で一次冷却管11内に保持された状態で、その羽根の円弧状の縁部が一次冷却管11の内壁に接触しない面形状である。
The
このように、二次冷却管12の保持機能と一次冷却水(Ca1)の渦流発生機能とをそれぞれ別体の構成要素により実現した冷却管構造10Eにおいても、上記した冷却管構造10と同様に、冷却効率および冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能である。
As described above, in the cooling
この実施形態に係る冷却管構造を適用した水冷式放熱機構の具体的な構成例を図20および図21と、図22および図23に示している。 20 and FIG. 21, FIG. 22 and FIG. 23 show specific configuration examples of the water-cooling type heat radiation mechanism to which the cooling pipe structure according to this embodiment is applied.
図20および図21は、上記図1乃至図5に示した冷却管構造10または図18および図19に示した冷却管構造10Eを用いて、回路基板30上に行列方向に配置(マトリクス配置)された複数の半導体素子(パワーIC)を冷却する水冷式放熱機構を示したもので、図20は平面図、図21は側面図である。ここでは冷却管構造10を適用した水冷式放熱機構を例に挙げて説明する。放熱フィン20は一次冷却管11の管径より厚みのある肉厚で熱伝導率の高い直方体形状の金属材料により構成され、一側面部と同面と反対側の他側面部との間に穿設した一次冷却管挿通用の複数の貫通孔21を有し、この各貫通孔21の内周面に一次冷却管11の外周面が面接触した状態で一次冷却管11が放熱フィン20に嵌挿されている。放熱フィン20の一方面に形成された扁平状の吸熱面23には、発熱体となる複数の半導体素子(パワーIC)31を行列状(マトリクス状)に配置した半導体基板(パワーIC実装基板)30が実装され、各半導体素子31の放熱フィン31aがそれぞれ熱交換を行う扁平状の吸熱面23に螺子止め固定されている。
20 and 21 are arranged in a matrix direction on the
この平板状の放熱フィン20を用いた水冷式放熱機構においては、上記冷却管構造10に代わり単管構造の冷却管を適用した場合、放熱フィン20における冷却管通路の給水側と排水側とで比較的大きな温度差状態(給水側に比べ排水側の温度が高い温度差状態)が持続されることから、排水側の温度を基準にした回路設計が必要となり、さらには放熱フィン20の大型化が必要となる。これに対して、上記実施形態に係る冷却管構造10を適用した水冷式放熱機構においては、放熱フィン20における冷却管通路の給水側と排水側との温度差を狭い温度変動範囲に抑制できることから、回路設計並びに水冷式放熱機構の小型化に寄与することができる。
In the water-cooling type heat radiation mechanism using the flat plate-shaped
図22および図23に示した水冷式放熱機構は、上記図20および図21に示した水冷式放熱機構が一次冷却管11を具備する冷却管構造10若しくは冷却管構造10Eを適用しているのに対して、ここでは、上記一次冷却管11に相当する外管を貫通孔21により実現している。すなわち、外管が放熱フィン20に穿設した貫通孔21により構成されている。
In the water-cooling type heat radiation mechanism shown in FIGS. 22 and 23, the water-cooling type heat radiation mechanism shown in FIGS. 20 and 21 applies the cooling
この構造においては、放熱フィン20と一次冷却管11との熱膨張差を考慮する必要が無いことから、設計の容易化と部品点数の削減を図ることができる。なお、この図23に示す配管構成では、放熱フィン20に配置される半導体素子(パワーIC)31の配置位置に応じて(発熱量に応じて)冷却管構造10の管径(貫通孔21の孔径)を異ならせ、放熱フィン20全体の温度を一様化している。
In this structure, it is not necessary to consider the difference in thermal expansion between the
以上詳記したように、本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供できる。なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 As described above in detail, according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a cooling pipe structure capable of realizing a water-cooled heat dissipation mechanism with improved cooling efficiency and cooling capacity. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
10,10E…冷却管構造、11…外管(一次冷却管)、11a…一次冷却水の流路、12…内管(二次冷却管)、12a…二次冷却水の流路、12f…回転止めフック、12d…嵌挿部、12r…締結リング用ストッパー、13…二次冷却管保持スペーサ、13a,13b,13c…スペーサ部材、15,16,17…継手、16g…ガイド溝、17A…外管継手、17B…内管継手、17C…内管用ストッパー、18…スペーサ、181,182,183…スペーサ部材、19…羽根組立、191,192,193…羽根部材(ブレード)、20…放熱フィン、21…貫通孔、2…、3…、4…、5…、6…、7…、8…、9…、30…、31…半導体素子(パワーIC)、31h,ta,tb,tc…熱伝達径路、Ca…冷却水、Ca1…一次冷却水、Ca2…二次冷却水、WP…渦流、DF…偏流面、TP…二次冷却管の支持点、PJ1,PJ2…継手、5,5A,5B…給水側の配管(給水パイプ)、6,6A,6B…排水側配管(排水パイプ)。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記放熱フィンの貫通孔に設けられる直状の外管と、
前記外管の内壁と一定の間隙を存して前記外管に挿通された内管と、
冷却水を一次冷却水として前記外管内の前記内管の外周に供給し、同一圧の前記冷却水を二次冷却水として前記内管内に供給する冷却水の供給手段と、
前記内管の外周に設けられ、前記内管を前記外管内に前記一定の間隔で支持すると共に、前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水に対し渦流を生起する複数のブレードと、
を具備し、
前記複数のブレードにより前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水の流速に対し前記内管内を直進して流れる前記二次冷却水の流速を速めて、前記外管内の前記内管の外周に前記放熱フィンと熱交換を行う前記一次冷却水の流路を形成し、前記内管内に前記一次冷却水を冷却する前記二次冷却水の流路を形成したことを特徴とする冷却管構造。 A cooling pipe structure used in a water-cooled heat radiation mechanism that exchanges heat with heat radiation fins,
A straight outer tube provided in the through hole of the heat dissipating fin;
An inner tube inserted into the outer tube with a certain gap from the inner wall of the outer tube;
Cooling water supply means for supplying cooling water as primary cooling water to the outer periphery of the inner pipe in the outer pipe, and supplying the cooling water of the same pressure as secondary cooling water into the inner pipe;
A plurality of blades provided on the outer periphery of the inner tube, supporting the inner tube in the outer tube at the predetermined interval, and generating a vortex in the primary cooling water flowing on the outer periphery of the inner tube in the outer tube When,
Comprising
Increasing the flow rate of the secondary cooling water that flows straight in the inner tube with respect to the flow rate of the primary cooling water flowing on the outer periphery of the inner tube in the outer tube by the plurality of blades, and the inner tube in the outer tube The primary cooling water flow path for exchanging heat with the radiation fins is formed on the outer periphery of the cooling pipe, and the secondary cooling water flow path for cooling the primary cooling water is formed in the inner pipe. Tube structure.
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