JP6102424B2 - Cooling structure - Google Patents
Cooling structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP6102424B2 JP6102424B2 JP2013073171A JP2013073171A JP6102424B2 JP 6102424 B2 JP6102424 B2 JP 6102424B2 JP 2013073171 A JP2013073171 A JP 2013073171A JP 2013073171 A JP2013073171 A JP 2013073171A JP 6102424 B2 JP6102424 B2 JP 6102424B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow
- cooling
- cooling structure
- cooling fluid
- heating element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/2612—Auxiliary members for layer connectors, e.g. spacers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は、半導体やモータ等の電子機器を冷却するための冷却構造に関する。 The present invention relates to a cooling structure for cooling electronic devices such as semiconductors and motors.
この種の従来技術として、「冷却装置」とした名称において特許文献1に開示されたものがある。
特許文献1に開示されている冷却装置は、電子部品に対し離反する方向に延長される複数の放熱部材を備え、この各放熱部材相互間を冷却用流体が通過することで、前記電子部品の冷却を行うものであり、それら複数の放熱部材の長さは、前記電子部品の発熱による熱伝導温度が低くなるに従って短くなるように形成されている。
As this type of prior art, there is one disclosed in Patent Document 1 under the name of “cooling device”.
The cooling device disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of heat dissipating members extending in a direction away from the electronic component, and the cooling fluid passes between the heat dissipating members so that the electronic component Cooling is performed, and the lengths of the plurality of heat dissipating members are formed so as to become shorter as the heat conduction temperature due to heat generation of the electronic component becomes lower.
また、上記複数の放熱部材の長さは、冷却用流体の流れ方向に沿って、電子部品の中央部から端部に向かって短くなるように形成されているとした記載がされている。 In addition, it is described that the lengths of the plurality of heat dissipating members are formed so as to be shorter from the central part toward the end part along the flow direction of the cooling fluid.
しかしながら、上記した特許文献1に記載の冷却装置は、複数の放熱部材が、電子部品に対し離反する方向に延長され、かつ、放熱部材との流接面積を増加させることによる冷却を行うものであり、小型化の阻害原因になっているものである。 However, the cooling device described in Patent Document 1 performs cooling by extending a plurality of heat dissipating members in a direction away from the electronic component and increasing a contact area with the heat dissipating member. Yes, it is an obstacle to miniaturization.
そこで本発明は、圧力損失の低減と伝熱性の向上を図ることができるとともに、小型,簡略化を図ることができる冷却構造の提供を目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a cooling structure that can reduce pressure loss and improve heat transfer, and can be reduced in size and simplified.
上記課題を解決するための本発明に係る冷却構造は、発熱体又は発熱体を配置した基材に冷却用流体を流接させることにより、その発熱体を冷却するものである。
そして、上記冷却用流体に流接する発熱体又は発熱体を配置した基材の第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面に、上記冷却用流体の流通方向と交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部をそれぞれ形成しており、
上記渦流れ生成部は、複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、
上記凹部の開口幅Wをせん断応力τωと流体密度ρから計算されるせん断速度uτ=(τω/ρ)1/2及び流速u,密度ρ,レイノルズ数Reから計算される管摩擦係数の実験式Cf=τω/(0.5ρu2)=0.73Re−0.25と動粘度νを用いて無次元化した値W+=Wuτ/νを25〜300としている。
The cooling structure according to the present invention for solving the above-described problems cools a heating element by causing a cooling fluid to flow in contact with the heating element or a substrate on which the heating element is arranged.
Then, the heating fluid flowing in contact with the cooling fluid or the first fluid contact surface of the substrate on which the heating element is disposed and the second fluid contacting surface opposite to the first fluid contact surface, A vortex flow generator that extends in a direction intersecting the flow direction and generates a vortex flow according to the flow rate of the cooling fluid is formed, respectively.
The vortex flow generation unit is a plurality of concave portions arranged at predetermined intervals,
Empirical formula of the pipe friction coefficient calculated from the shear velocity uτ = (τω / ρ) 1/2 calculated from the shear stress τω and fluid density ρ, and the flow velocity u, density ρ, and Reynolds number Re. Cf = τω / (0.5ρu2) = 0.73Re−0.25 and the dimensionless value W + = Wuτ / ν using kinematic viscosity ν are set to 25 to 300 .
この構成においては、互いに対向させて形成した上記二つの渦流れ生成部により、発熱体又は発熱体を配置した基材の冷却用流体に流接する第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面近傍を流れる冷却用流体に渦流れを生じさせている。 In this configuration, the two vortex flow generating portions formed to face each other, the first flow contact surface that is in contact with the cooling fluid of the heating element or the substrate on which the heating element is disposed, and the first flow contact. A vortex flow is generated in the cooling fluid flowing in the vicinity of the second flow contact surface facing the surface.
本発明によれば、互いに対向させて形成した上記二つの渦流れ生成部により、第一の流接面及び第二の流接面近傍を流れる冷却用流体に渦流れを生じさせているので、圧力損失の低減と伝熱性の向上を図ることができるとともに、小型,簡略化を図ることができる。 According to the present invention, the two vortex flow generating portions formed to face each other cause a vortex flow in the cooling fluid flowing in the vicinity of the first flow contact surface and the second flow contact surface. The pressure loss can be reduced and the heat transfer can be improved, and the size and simplification can be achieved.
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る冷却構造を適用した冷却システムの構成を示す説明図、図2(A)は、冷却システムの一部をなすインバータの構成を示す、図1に示すI‐I線に沿う断面図、(B)は、冷却器の流接面の説明図である。また、図3は、図2(A)に示すII-II線に沿う断面図、図4は、二つの渦流れ生成部の詳細を示す部分拡大図である。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated with reference to drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a cooling system to which a cooling structure according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 (A) shows a configuration of an inverter forming a part of the cooling system, shown in FIG. Sectional drawing along the II line, (B) is explanatory drawing of the flow-contact surface of a cooler. 3 is a cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG. 2A, and FIG. 4 is a partially enlarged view showing details of two vortex flow generators.
図1に示すように、一例に係る冷却システムAは、ラジエータ10、水冷式のモータ11、DC‐DCコンバータ12、インバータ20、電動ポンプ13及びコントローラBを有して構成されている。
As shown in FIG. 1, the cooling system A according to an example includes a
水冷式のモータ11、DC‐DCコンバータ12、インバータ20及び電動ポンプ13は、コントローラBの出力側に接続されて、適宜制御されるようになっている。
コントローラBは、CPU(Central Processing Unit)やインターフェース回路等からなるものであり、所定のプログラムの実行により所要の機能を発揮するようになっている。
The water-cooled
The controller B includes a CPU (Central Processing Unit), an interface circuit, and the like, and exhibits a required function by executing a predetermined program.
本実施形態において示すインバータ20は、直流電力から交流電力を電気的に生成する電力変換装置であり、図2(A)に示すように、ウォータージャケット21、基材としての冷却器22、電気的な絶縁材23、銅等で形成されたバスバー24、半田層25、銅・モリブデン等で形成された熱緩衝プレート26、半田層27及び発熱体である半導体チップ30を順に積層した構成になっている。
The
ウォータージャケット21は、上面を開口した断面コ字形のものであり、これの上面開口21aに、これを閉塞するようにして、本発明の一実施形態に係る冷却構造を適用した上記冷却器22を載置している。
このウォータージャケット21の冷却用流体流入側側壁21dには、冷却用流体を流入させるための流入口21eが、また、冷却用流体流出側側壁21fには、冷却用流体を流出させるための流出口21gがそれぞれ形成されている。
このウォータージャケット21には、上記流入口21e、流出口21gを通じて図1,2に「α」で示す方向に冷却用流体が流通している。
The
The
A cooling fluid flows through the
冷却器22は板体として形成されており、上記ウォータージャケット21内に臨む第一の流接面22aに本発明の一実施形態に係る冷却構造を採用している。
本発明の一実施形態に係る冷却構造は、発熱体である半導体チップ30が配置された基材としての冷却器22に冷却用流体を流接させ、その半導体チップ30を冷却する機能を有するものである。
The
A cooling structure according to an embodiment of the present invention has a function of cooling a
本実施形態においては、上記半導体チップ30を配置した冷却器22の冷却用流体に流接する第一の流接面22a及びこの第一の流接面22aに対向する第二の流接面21bに、上記冷却用流体の流通方向αと交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部C1,C2を形成したものである。
In the present embodiment, the first
冷却器22には、上記した絶縁材23、バスバー24、半田層25、緩衝プレート26、半田層27を介して発熱体である半導体チップ30を載置している。
緩衝プレート26は、半導体チップ30との線膨張率の差を緩衝するためのものである。
A
The
渦流れ生成部C1は、複数の凹部としての断面半円形の溝22bを上記冷却器22の流接面22aに所定の間隔にして連続させて形成したものである。
本実施形態においては、隣り合う二つの溝22b,22bどうしが、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で形成している。
The vortex flow generating portion C1 is formed by continuously forming a plurality of
In the present embodiment, two
「凹部(溝22b)を連続させて形成」するとは、隣り合う凹部(溝22b)の内壁どうしを交差させる形態にした配列の他、それら隣り合う凹部の内壁どうしを交差させない形態のものを含む。
凹部の内壁どうしを交差させない形態の場合、隣り合う凹部の内壁の終端どうしを曲面等で滑らかに連続させるとよい。このように、内壁の終端どうしを曲面等で滑らかに連続させると加工を行いやすい。
“To form the recesses (
In the case where the inner walls of the recesses do not intersect with each other, it is preferable that the ends of the inner walls of adjacent recesses are smoothly continuous with a curved surface or the like. In this way, if the ends of the inner wall are smoothly continuous with a curved surface or the like, it is easy to process.
「内壁どうしが交差する」とは、凹部(溝22b)を断面半円形にした場合、これらの直径寸法毎に一定の間隔にして配列したときのように、内周壁面どうしが第一の流接面22a上で当接する態様の他、上記直径寸法以下の間隔で配列した態様を含む。この場合、隣り合う溝の内周壁面どうしが、第一の流接面22a以下において交差するようになる。
なお、凹部の断面形状は、上記した断面半円形のものに限らず、不規則なものであってもよく、さらにそれらを組み合わせて配列してもよいことは勿論である。
すなわち、冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる凹部であればよい。
“Inner walls intersect” means that when the recesses (
The cross-sectional shape of the recess is not limited to the semicircular cross-section described above, and may be irregular, and may be arranged in combination.
That is, it is sufficient if it is a recess that generates a vortex according to the flow rate of the cooling fluid.
「所定の間隔」は、一定の間隔にしたもの、複数の凹部の全部又はそれらの一部を不規則な間隔にしたものの双方を含んでいる。
隣り合う二つの溝22b,22bどうしを、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で配列形成することにより、溝22bをより多く形成することができ、渦流れをより多く生成させることができる。
The “predetermined interval” includes both a constant interval and a plurality of concave portions that are all or a part of which are irregularly spaced.
By arranging two
(1)溝(凹部)22bの最大高さH(図2参照)を、流動条件であるレイノルズ数Reと代表長さdから計算される壁面近傍の層流低層厚さδb=63.5/(Re7/8)×dよりも大きくしている。 (1) The maximum height H (see FIG. 2) of the groove (concave portion) 22b is calculated from the Reynolds number Re and the representative length d, which are flow conditions, and the laminar low layer thickness δ b = 63.5 near the wall surface. / (Re 7/8 ) × d.
(2)溝22bの開口幅Wをせん断応力twと流体密度ρから計算されるせん断速度uτ=(τω/ρ)1/2及び流速u,密度ρ,レイノルズ数Reから計算される管摩擦係数の実験式Cf=τω/(0.5ρu2)=0.73Re−0.25と動粘度νを用いて無次元化した値W+=Wuτ/νを25〜300の範囲としている。
(2) The opening width W of the
(3)溝22bの最大高さHが流接面22aから対向する流接面21bまでの距離X(図2参照)に対して小さくしている。
(4)冷却用流体の流通方向αに直交する流路断面の最小流路断面積Aと、最大ぬれぶち長さLから計算される代表長さd=4A/Lを大きくしている。
最小流路断面積Aは、図3に示す輪郭線分L1,L2,L3,L4により区画される断面積である。
輪郭線分L1,L3は、凸部21d,22cの頂部間の間隔に一致する長さになっており、また、輪郭線分L2,L4は、溝21c,22bの長さになっているとともに、凸部21d,22c(図4参照)の頂部を通るものである。
「ぬれぶち長さL」とは、図3に示すように、輪郭線分L5,L6,L7,L8で区画される流路断面における冷却用流体に接する輪郭線の長さのことである。
輪郭線分L5,L7は、凹部22b,21cの底部間の間隔に一致する長さになっており、また、輪郭線分L6,L8は、溝21c,22bの長さになっているとともに、凹部21d,22cの底部を通るものである。
(3) The maximum height H of the
(4) The representative length d = 4 A / L calculated from the minimum channel cross-sectional area A of the channel cross-section orthogonal to the flow direction α of the cooling fluid and the maximum wetting slip length L is increased.
The minimum flow path cross-sectional area A is a cross-sectional area defined by the contour line segments L1, L2, L3, and L4 shown in FIG.
The contour line segments L1 and L3 have a length corresponding to the interval between the tops of the
As shown in FIG. 3, the “wetting contact length L” is the length of the contour line in contact with the cooling fluid in the flow path section defined by the contour line segments L5, L6, L7, and L8.
The contour line segments L5 and L7 have a length corresponding to the distance between the bottoms of the
(5)代表長さd=4A/Lを0.004以上としているが、その代表長さd=4A/Lを0.007以上とすることが好ましい。
(6)溝22bの冷却用流体の流通方向αに直交する方向βの奥部の幅を無次元化した値W+が40〜150の範囲にしている。
(5) Although the representative length d = 4 A / L is set to 0.004 or more, the representative length d = 4 A / L is preferably set to 0.007 or more.
(6) A value W + obtained by making the width of the inner portion of the direction β perpendicular to the flow direction α of the cooling fluid in the
(7)凸部側の先端に行くほど、冷却用流体の流通方向αに対する凸部の長さが小さくなり、流通方向に対して凸部先端が平坦な領域が小さく、凹凸形状が冷却用流体の流れ方向に対して連続している。 (7) The length of the convex portion with respect to the flow direction α of the cooling fluid becomes smaller toward the tip on the convex portion side, the region where the tip of the convex portion is flat with respect to the flow direction is small, and the uneven shape is the cooling fluid. It is continuous with respect to the flow direction.
渦流れ生成部C2は、上記した渦流れ生成部C1と同じく、冷却用流体の流通方向αと交差する方向に延出し、かつ、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる機能を有するものであり、ウォータージャケット21の底壁面(第二の流接面)21bに形成されている。
換言すると、上記冷却用流体に流接し、かつ、上記した冷却器22の第一の流接面22aに対向する上記底壁面(第二の流接面)21bに渦流れ生成部C2を形成している。
The vortex flow generator C2 extends in a direction intersecting the flow direction α of the cooling fluid and generates a vortex flow according to the flow speed of the cooling fluid, as with the vortex flow generator C1 described above. It is formed on the bottom wall surface (second flow contact surface) 21b of the
In other words, the vortex flow generating portion C2 is formed on the bottom wall surface (second flow contact surface) 21b that is in flow contact with the cooling fluid and is opposed to the first
渦流れ生成部C2は、複数の凹部としての断面半円形の溝21cを上記底壁面21bに所定の間隔にして形成したものである。
本実施形態においては、隣り合う二つの溝21c,22bどうしが、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で形成したものであり、上記した条件(1)〜(7)を満たすようにしている。
The vortex flow generation part C2 is formed by forming a
In the present embodiment, the two
本実施形態においては、図4に示すように、上記した複数の凹部としての一定の曲率にした断面半円形の溝22b,21cと、これらの溝22b,21c間に形成される凸部21d,22cを第一,第二の流接面22a,21bにそれぞれ一定の間隔P1にして連成したものである。
凸部21d,21cの各先端の曲率半径が0.2mm以上となる曲面から形成している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
The
隣接する凹部間に形成される凸部21d,22cの各先端を一定の曲率半径からなる曲面に形成していることにより、エロージョンによる摩耗を抑制できるとともに、渦流れ生成部C1,C2の加工を容易に行うことができる。
また、型の割れや欠けの発生を抑制でき、凸部先端に角部がないので、平均膜厚の管理を容易に行うことができる。
さらに、凸部21d,22cの各先端の曲率半径を0.2mm以上にすると、ワイヤーカット放電加工をする上で好ましい。
By forming each tip of the
In addition, the occurrence of mold cracking and chipping can be suppressed, and since there is no corner at the tip of the convex portion, the average film thickness can be easily managed.
Furthermore, when the curvature radius of each front-end | tip of
図5は、伝熱係数と圧力損失の関係を示すグラフである。図5において、渦流れ生成部C1と渦流れ生成部C2の関係は、次のとおりである。なお、縦軸が熱通過係数、横軸が圧力損失である。
<比較例>
Flat‐Flat…渦流れ生成部C1と渦流れ生成部C2双方ともに設けられていない形態…図中紫色の丸で示す。
Flat‐R0.2…渦流れ生成部C1を設けず、渦流れ生成部C2のみを設けた形態…図中青色の丸で示す。
「R0.2」は、溝21cの半径が0.2mmであることを示している。
Flat‐R0.5…渦流れ生成部C1を設けず、渦流れ生成部C2のみを設けた形態…図中橙色の丸で示す。
「R0.5」は、溝21cの半径が0.5mmであることを示している。
Flat‐R1…渦流れ生成部C1を設けず、渦流れ生成部C2のみを設けた形態…図中緑色の丸で示す。
「R1」は、溝21cの半径が1.0mmであることを示している。
<参考例>
R0.5‐Flat…渦流れ生成部C2を設けず、渦流れ生成部C1のみを設けた形態…図中紫色の三角で示す。
「R1」は、溝22bの半径が1.0mmであることを示している。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the heat transfer coefficient and the pressure loss. In FIG. 5, the relationship between the vortex flow generator C1 and the vortex flow generator C2 is as follows. In addition, a vertical axis | shaft is a heat passage coefficient and a horizontal axis is a pressure loss.
<Comparative example>
Flat-Flat ... Form in which neither the vortex flow generator C1 nor the vortex flow generator C2 is provided ... Indicated by a purple circle in the figure.
Flat-R0.2: Form in which only the vortex flow generation unit C2 is provided without providing the vortex flow generation unit C1, which is indicated by a blue circle in the drawing.
“R0.2” indicates that the radius of the
Flat-R0.5: Form in which the vortex flow generation unit C1 is not provided, but only the vortex flow generation unit C2 is provided ... Indicated by an orange circle in the drawing.
“R0.5” indicates that the radius of the
Flat-R1... Form in which only the vortex flow generation section C2 is provided without providing the vortex flow generation section C1...
“R1” indicates that the radius of the
<Reference example>
R0.5-Flat: Form in which only the vortex flow generator C1 is provided without providing the vortex flow generator C2, which is indicated by a purple triangle in the figure.
“R1” indicates that the radius of the
<実施例>
R0.5‐R0.2…渦流れ生成部C1,2を設けた形態…図中青色の三角で示す。
「R0.5」は、溝22bの半径が0.5mm、「R0.2」は、溝21cの半径が0.2mmであることを示している。
R0.5‐R0.5…渦流れ生成部C1,2を設けた形態…図中橙色の三角で示す。
「R0.5」は、溝22bの半径が0.5mm、「R0.5」は、溝21cの半径が0.5mmであることを示している。
R0.5‐R1…渦流れ生成部C1,2を設けた形態…図中紫色の三角で示す。
「R0.5」は、溝22bの半径が0.5mm、「R1」は、溝21cの半径が1.0mmであることを示している。
<Example>
R0.5-R0.2: Form in which vortex flow generators C1, 2 are provided: Indicated by blue triangles in the figure.
“R0.5” indicates that the radius of the
R0.5-R0.5... Form in which the vortex flow generators C1 and C2 are provided.
“R0.5” indicates that the radius of the
R0.5-R1... Form in which the vortex flow generators C1 and C2 are provided. Indicated by purple triangles in the figure.
“R0.5” indicates that the radius of the
図6は、比較例1、比較例2、参考例1、実施例1の各伝熱性能を示す棒グラフである。
比較例1は、上記した図5に示す「Flat‐Flat」、比較例2は、図5に示す「Flat‐R0.5」、参考例1は、「R0.5‐Flat」、また、実施例1は、図5に示す「R0.5‐R0.5」に相当するものである。
図5,6から明らかなように、上記した比較例1,2に対して伝熱性能が大きく向上しているのは勿論のこと、参考例1に比較しても伝熱性能が約10%向上していることが明らかである。
6 is a bar graph showing the heat transfer performances of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Reference Example 1, and Example 1. FIG.
Comparative Example 1 is “Flat-Flat” shown in FIG. 5 described above, Comparative Example 2 is “Flat-R0.5” shown in FIG. 5, Reference Example 1 is “R0.5-Flat”, and Example 1 corresponds to “R0.5-R0.5” shown in FIG.
As is apparent from FIGS. 5 and 6, the heat transfer performance is greatly improved as compared with Comparative Examples 1 and 2 described above, and the heat transfer performance is about 10% as compared with Reference Example 1. It is clear that it has improved.
以上の構成からなる冷却構造によれば、次の効果を得ることができる。
・互いに対向させて形成した二つの渦流れ生成部により、発熱体又は発熱体が配置された基材近傍を流れる冷却用流体、及びウォータージャケット21の底壁面21b近傍の冷却用流体に渦流れを生じさせられ、これにより、伝熱の促進を図ることができる。
According to the cooling structure having the above configuration, the following effects can be obtained.
-Two vortex flow generators formed to face each other cause a vortex flow to flow in the cooling fluid flowing in the vicinity of the heating element or the substrate on which the heating element is disposed and in the cooling fluid in the vicinity of the
・溝21c,22b(凹部)の最大高さHを、流動条件であるレイノルズ数Reと代表長さdから計算される壁面近傍の層流低層厚さδb=63.5/(Re7/8)×dよりも大きくしているので、発熱体又は発熱体が配置された冷却器22近傍の層流低層の厚さ以上で伝熱を促進させることができる。
The maximum height H of the
・凹部の開口幅Wをせん断応力τωと流体密度ρから計算されるせん断速度uτ=(τω/ρ)1/2及び流速u,密度ρ,レイノルズ数Reから計算される管摩擦係数の実験式Cf=τω/(0.5ρu2)=0.73Re−0.25と動粘度νを用いて無次元化した値W+=Wuτ/νを25〜300の範囲としているので、熱伝達効率を向上させることができる。 Shear rate - the opening width W of the recess is calculated from the shear stress tau omega fluid density ρ u τ = (τ ω / ρ) 1/2 and flow rate u, the density [rho, pipe friction factor calculated from the Reynolds number Re The value W + = Wu τ / ν made dimensionless by using the empirical formula C f = τ ω /(0.5ρu 2 ) = 0.73Re −0.25 and the kinematic viscosity ν is in the range of 25 to 300. Therefore, heat transfer efficiency can be improved.
・冷却用流体の流通方向に直交する流路断面の最小流路断面積Aと最大ぬれぶち長さLから計算される代表長さd=4A/Lを0.004以上としているので、壁面せん断の影響を小さくし圧力損失の増加を抑えることができると同時に、第一,第二の流接面の溝幅と流路高さを小さくすることができるため、冷却構造を適用する発熱体又は基材を小型化することができる。 Since the representative length d = 4 A / L calculated from the minimum channel cross-sectional area A of the channel cross-section orthogonal to the flow direction of the cooling fluid and the maximum wetting length L is 0.004 or more, wall shear In addition, the increase in pressure loss can be reduced, and at the same time the groove width and flow path height of the first and second flow contact surfaces can be reduced. A base material can be reduced in size.
・冷却用流体の流通方向に交差する溝として形成することにより、第一,第二の流接面の上記流通方向と交差する方向全域において渦流れを形成することができ、これにより伝熱が促進される。 -By forming the grooves intersecting the flow direction of the cooling fluid, a vortex flow can be formed in the entire direction intersecting the flow direction of the first and second flow-contact surfaces, and heat transfer is thereby achieved. Promoted.
・冷却用流体が流れる面に開口した溝の幅を所定の値とすることにより、さらに伝熱性能を向上させることができる。
・冷却用流体の流通方向と直交する方向において連続した溝とすることにより、当該流通方向に対する渦の発生頻度を増加させ、伝熱を促進することができる。
・溝を冷却器の第一の流接面に凹設することにより、冷却構造を適用した発熱体や基材のさらなる小型化を図ることができる。
The heat transfer performance can be further improved by setting the width of the groove opened in the surface through which the cooling fluid flows to a predetermined value.
-By making the groove continuous in the direction orthogonal to the flow direction of the cooling fluid, the frequency of vortices in the flow direction can be increased, and heat transfer can be promoted.
-By making the groove recessed in the first flow contact surface of the cooler, it is possible to further reduce the size of the heating element and the base material to which the cooling structure is applied.
次に、図7(A)〜(D)を参照して、渦流れ生成部の変形例について説明する。図7(A)は、第一の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、(B)は、第二の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、(C)は、第三の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、(D)は、第四の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図である。
なお、以下に示す渦流れ生成部C3〜C6は、上記した渦流れ生成部C1,C2として適用できるものである。
Next, a modified example of the vortex flow generation unit will be described with reference to FIGS. FIG. 7A is an explanatory diagram showing a vortex flow generator according to the first modification, FIG. 7B is an explanatory diagram showing a vortex flow generator according to the second modification, and FIG. Explanatory drawing which shows the vortex flow generation part which concerns on a 3rd modification, (D) is explanatory drawing which shows the vortex flow generation part which concerns on a 4th modification.
Note that the vortex flow generators C3 to C6 shown below are applicable as the vortex generators C1 and C2 described above.
図7(A)に示す第一の変形例に係る渦流れ生成部C3は、直線的な溝40を冷却用流体の流通方向αに互いに一定の間隔にして斜行形成したものである。
同図(B)に示す第二の変形例に係る渦流れ生成部C4は、ジクザグな溝41を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。
The vortex flow generating part C3 according to the first modification shown in FIG. 7A is formed by forming
In the vortex flow generating section C4 according to the second modification shown in FIG. 5B,
同図(C)に示す第三の変形例に係る渦流れ生成部C5は、波形の溝42を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。
同図(D)に示す第四の変形例に係る渦流れ生成部C6は、直線的かつ断続的な溝43を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。
The vortex flow generating section C5 according to the third modification shown in FIG. 3C is obtained by making the
The vortex flow generating section C6 according to the fourth modification shown in FIG. 4D is obtained by making a linear and
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、発熱体が配置された基材に冷却用流体を流通させることにより、その発熱体を冷却する冷却構造の例として、冷却構造をインバータに適用した例について説明したが、発熱体としてのモータ等に直接適用してもよいことは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
In the above-described embodiment, an example in which the cooling structure is applied to an inverter has been described as an example of the cooling structure that cools the heating element by circulating the cooling fluid through the base material on which the heating element is disposed. Of course, the present invention may be directly applied to a motor or the like as a heating element.
22 冷却器(基材)
30 発熱体(半導体チップ)
C1〜C6 渦流れ生成部
22a,21b 第一,第二の流接面
22 Cooler (base material)
30 Heating element (semiconductor chip)
C1 to C6
Claims (9)
上記冷却用流体に流接する上記発熱体又は発熱体を配置した基材の第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面に、上記冷却用流体の流通方向と交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部をそれぞれ形成しており、
上記渦流れ生成部は、複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、
上記凹部の開口幅Wをせん断応力τωと流体密度ρから計算されるせん断速度uτ=(τω/ρ)1/2及び流速u,密度ρ,レイノルズ数Reから計算される管摩擦係数の実験式Cf=τω/(0.5ρu2)=0.73Re−0.25と動粘度νを用いて無次元化した値W+=Wuτ/νを25〜300としていることを特徴とする冷却構造。 In the cooling structure for cooling the heating element by flowing the cooling fluid to the heating element or the substrate on which the heating element is arranged,
Distribution of the cooling fluid on the first flow contact surface of the heating element or the base material on which the heating element is disposed and the second flow contact surface facing the first flow contact surface. A vortex flow generating section that extends in a direction intersecting with the direction and generates a vortex flow according to the flow rate of the cooling fluid is formed .
The vortex flow generation unit is a plurality of concave portions arranged at predetermined intervals,
Empirical formula of the pipe friction coefficient calculated from the shear velocity uτ = (τω / ρ) 1/2 calculated from the shear stress τω and fluid density ρ, and the flow velocity u, density ρ, and Reynolds number Re. Cf = τω / (0.5ρu2) = 0.73Re−0.25 and dimensionless value W + = Wuτ / ν using kinematic viscosity ν is 25 to 300 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013073171A JP6102424B2 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Cooling structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013073171A JP6102424B2 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Cooling structure |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014197637A JP2014197637A (en) | 2014-10-16 |
JP6102424B2 true JP6102424B2 (en) | 2017-03-29 |
Family
ID=52358230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013073171A Active JP6102424B2 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Cooling structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6102424B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20220072937A (en) * | 2020-11-25 | 2022-06-03 | 평원개발(주) | Pipe Route Gradient Analysis System |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6894321B2 (en) * | 2017-08-31 | 2021-06-30 | 三協立山株式会社 | heatsink |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0637219A (en) * | 1992-07-16 | 1994-02-10 | Fuji Electric Co Ltd | Cooling unit for power semiconductor device |
JPH06268127A (en) * | 1993-03-15 | 1994-09-22 | Toshiba Corp | Cooling body of power semiconductor element |
DE19606972A1 (en) * | 1996-02-24 | 1997-08-28 | Daimler Benz Ag | Heatsink for cooling power components |
JP4228680B2 (en) * | 2002-12-12 | 2009-02-25 | 三菱電機株式会社 | Cooling member |
JP4305406B2 (en) * | 2005-03-18 | 2009-07-29 | 三菱電機株式会社 | Cooling structure |
JP2008071800A (en) * | 2006-09-12 | 2008-03-27 | Mitsubishi Electric Corp | Heat dissipation plate, cooling structure and heat sink |
JP5129942B2 (en) * | 2006-10-03 | 2013-01-30 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
JP4989574B2 (en) * | 2008-07-10 | 2012-08-01 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Heat sink for semiconductor element cooling |
-
2013
- 2013-03-29 JP JP2013073171A patent/JP6102424B2/en active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20220072937A (en) * | 2020-11-25 | 2022-06-03 | 평원개발(주) | Pipe Route Gradient Analysis System |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014197637A (en) | 2014-10-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5900506B2 (en) | Semiconductor module cooler and semiconductor module | |
JP5692368B2 (en) | Semiconductor module cooler and semiconductor module | |
JPWO2018012558A1 (en) | Stacked heat sink core | |
TW201116793A (en) | Pulsating heat pipe | |
JP6102424B2 (en) | Cooling structure | |
JP6108135B2 (en) | Heat dissipation system | |
JP2006303306A (en) | Power module | |
JP5871197B2 (en) | Cooling structure, vortex flow forming plate molding apparatus, and vortex flow generation unit molding method | |
JP2008091700A (en) | Semiconductor device | |
JP5715352B2 (en) | heatsink | |
JP2018191502A (en) | Liquid cooling type cooler having passage | |
JP2011003708A (en) | Heat exchanger using corrugated heat radiation unit | |
JP5839386B2 (en) | heatsink | |
JP5251916B2 (en) | Electronic equipment cooler | |
JP2014173512A (en) | Heat-transfer system and power train cooling system using the same | |
JP7130527B2 (en) | finned base | |
JP2016086018A (en) | heat sink | |
JP2018081955A (en) | Heat transfer member | |
JP2024055511A (en) | Heat exchanger | |
JP2010140964A (en) | Radiator for semiconductor device | |
JP2011222996A (en) | Heat sink using multiple type heat dissipation unit | |
JP2006132841A (en) | Heat exchanger | |
JP2009224652A (en) | Cooling device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160126 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161115 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161124 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170118 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170131 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170213 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6102424 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |