JP2005079175A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機器の小型化、静音化、冷却性能の向上を実現する放熱装置の提供を目的とする。
【解決手段】 流体の入り口が開口されたベース部１１の一方の面は、被冷却体と熱的に接続され、もう一方の面には、互いに平行な複数のフィン１２がベース部１１に対して略垂直に、複数のフィン１２の間を流体が流れるように、ファン１３が設けられている。ベース部１１には、流体の入り口が開口された壁部１４が設けられ、壁部１４の一部は取り外し可能な蓋部１５になっている。ベース部１１と蓋部１５の間には、貫通孔１９が空けられた仕切り板１６が設けられ、ベース部１１と蓋部１５の間の空間を、主流路１７と副流路１８の２つの流路に分割している。
【選択図】 図５

Description

本発明は放熱装置に係り、特に流路に流体が供給され、流路壁面と流体とが熱交換することで、被冷却体の熱を放出する放熱装置に関する。

古くより熱交換器を利用した放熱装置があるが、近年、多くの機器において軽薄短小化が図られ、相対的に機器の被冷却体の大きさに対する発熱量が増加している。

このような機器の冷却効果を向上するために、放熱装置へ流体を供給することはよく知られている。しかしながら、流体が流路内を上流から下流に流れるに従い、該流体に境界層が発達してしまい、流路壁面と流体の熱交換を阻害するという問題がある。

従来の放熱装置ではこの境界層の影響を小さく抑えるために、流路壁面を加工し突部を設けたり（特許文献１参照）、放熱フィンの一部に曲げ加工を施してリブを設けたり（特許文献２参照）、高効率を意識し、流体の流れ方向に対して迎え角を有するリブを設けたり（特許文献３参照）等、流路の途中に凸形状の伝熱促進部を設ける事で流体の流れに乱れを生じさせて、流路内を流れる流体の境界層の発達を抑制していた。
特開昭６３−１７３９３号公報（２頁、図１） 特開２００１−１２７２２３号公報（３頁、図１） 特開平１１−３３７２８４号公報（２項乃至３項、図３）

前述の放熱装置のような凸形状の伝熱促進部は、境界層の発達を抑制する効果は十分である反面、圧力損失が大きいため、流体の供給手段に高い能力が必要とされる。これは、例えば流体供給手段の、回転翼のサイズや回転数を大きくすることで対応可能だが、小型化・静音化が求められる機器にとっては大きな欠点となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、機器の小型化、静音化、冷却性能の向上を実現する放熱装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の放熱装置は、少なくとも一部が被冷却体より熱が伝導される伝熱面であって、内部に流体が流れる流路が形成された筐体と、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れる方向と異なる方向から噴流を供給することにより前記流体の流れの乱れを増加させ、前記流路内に前記流体の境界層が発達することを抑制する噴流供給手段とを有することを特徴としている。

また、被冷却体より熱が伝導されるベース部、前記ベース部に略直交して形成された複数のフィン部、前記ベース部および前記フィン部の少なくとも一部と共に、流体の供給手段より供給される前記流体が、前記ベース部、前記フィン部に沿って流れるような流路が形成された筐体と、複数の貫通孔が設けられ、前記流路を前記流体の流れ方向へ、第１の流路と第２の流路に分割し、分割して形成された前記第２の流路の出口側をふさぐ形状とすることにより、前記貫通孔から前記第１の流路に対して流体の噴流を形成する仕切り板
とを有することをも特徴としている。

以上詳述したように、本発明によれば、機器の小型化、静音化、冷却性能の向上を実現する放熱装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下に、本発明による放熱装置の第１の実施例について、図１および図２を参照して説明する。図１は放熱装置を示す断面斜視図である。

筐体である角管１は、例えば熱伝導率の高いアルミニウムや銅などからできており、内側がパイプ状の中空になっていて、流体の流れる流路を形成している。角管１の底面である伝熱面２は、外側が被冷却体（図示せず）と熱的に接続されている。被冷却体の熱は、伝熱面２を通じ角管１に伝導し、内側を流れる流体と熱交換されることで放熱が行われる。角管１の内側には、流体の流れ方向に流路を後述する２つの流路に分割する仕切り板３が設けられている。仕切り板３には、複数の貫通孔４が設けられている。

図２は図１のＡ−Ａ’線に沿う部分断面図である。

仕切り板３は、角管１の内側に形成された流路を、第１の流路である主流路５と、第２の流路である副流路６の２つの流路に分割している。主流路５には流体７が流れ、伝熱面２から放熱された熱を運搬する。

このとき、流体７は主流路５の壁面に沿ってなめらかに流れて行くが、流体は粘性を有するため、主流路５の壁面に近いほど流体７の速度は遅く、主流路５の壁面上ではゼロになる。ここで矢印８ａは流体７の速度ベクトルを示す。この流体７の速度が遅い領域、すなわち境界層８ｂは、流体７の上流から下流に行くに従い発達する。境界層８ｂでは流体７の流れる方向と異なる方向の流体の混合が抑制され，熱伝達率が減少する。すなわち流体７の上流から下流に行くに従い、熱伝達率が徐々に減少してしまう。

ところで、副流路６にも流体７が流れるが、ここで主流路５と副流路６の内部の圧力は、副流路６の出口、すなわち図２中右側をふさぐことによって、副流路６の方が高くなるように構成されている。

この結果、副流路６より貫通孔４を通って主流路５を流れる流体７の流れる方向と異なる方向から流体７が主流路５に流れ込み、すなわち主流路５へ流体７の噴流が供給されて、流体の乱れ９が生じる。この流体の乱れ９が主流路５を流れる流体７を撹拌し、境界層８ｂの発達を抑制し、また流体７の混合を増加させる。

この様に、第１の実施例においては、圧力損失の原因となる凸状の伝熱促進部を設けることなく、流路内における流体の境界層の発達を抑制し、放熱効果の高い放熱装置を提供することができる。

以下に、本発明による放熱装置の第２の実施例について、図３乃至図６を参照しながら説明する。

図３は、本発明による放熱装置の第２の実施例を示す斜視図である。図４は図３の平面図、図５は図３のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。なお図４では、内部構造を図示するために、後述する蓋部１５を図示していない。

筐体１０は流体７の入り口が開口されたベース部１１を有し、ベース部１１の一方の面は、パーソナルコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）などの被冷却体（図示せず）と熱的に接続されている。ベース部１１の他方の面には、互いに平行な複数のフィン１２がベース部１１に対して略直交方向に設けられている。また、ベース部１１にはファン１３、例えば電動の遠心ファンが取り付けられ、回転することにより、流体７が複数のフィン１２の間を流れるようになっている。ベース部１１には流体７が入り口より流入し、フィンの間を通って外部に排出できるように、出口を除く部分について、ベース部１１の縁部に、ベース部１１に対して略直交方向へ延びる壁部１４が設けられている。さらに壁部１４のベース部１１と反対の端は、流体７を入り口から出口へ効率よく導くため、流体７の入り口が開口され、取り外し可能な蓋部１５で蓋をされている。この結果筐体１０は、ベース部１１および蓋部１５に設けられた入り口、壁部１４が設けられていない出口を除いた部分について密閉された構造となる。

ここで、筐体１０の製造方法の例を紹介する。例えばアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い金属を用いてファン１３の収納部分を除くベース部１１とフィン１２を形成する。アルミニウムを用いる場合は押し出し成型、銅を用いる場合は切削加工が一般的であるが、平板を組み立てて作成する事も可能である。ファン１３の収納部分や蓋部１５は、例えばポリカーボネートなどのプラスチックを射出成型して形成する。また、ベース部１１とフィン１２、ファン１３の収納部部分は、例えばダイキャストなどの鋳造技術を用いて一体で形成しても構わない。

図５に示す通り、ベース部１１と蓋部１５の間には、仕切り板１６が設けられている。この仕切り板１６は、ベース部１１と蓋部１５の間の空間を、第１の流路である主流路１７と、第２の流路である副流路１８の２つの流路に分割している。仕切り板１６は、流体７の流れの上流、すなわちファン１３側はフィン１２の端部付近より分割を開始し、流体７の流れの下流、すなわち出口側はフィン１２の端部手前まで流路を分割している。また仕切り板１６は、流体７の流れの下流に行くに従い、蓋部１５の方向へ近づく形状をしていて、副流路１８の流体７の流れ方向に直交する方向の断面の面積は、流体７の流れが下流に行くに従い減少し、最終的には蓋部１５まで達して副流路１８の出口側を塞いでいる。

なお、本実施例では、フィン１２は、仕切り板１６を貫通し、蓋部１５に達するまで存在しているが、例えば
（１）蓋部１５に達する手前まで存在している構造
（２）仕切り板１６を貫通していない構造、
（３）一部のフィンのみ仕切り板１６を貫通している構造
など、様々な変形例が考えられる。要は主流路と副流路の２つの流路に分割できればよい。

図４および図６から明らかなように、仕切り板１６には、流体７の流れ方向が長軸となる楕円形状の貫通孔１９が、各フィンの間に位置するように設けられている。貫通孔１９の位置は、図４に示すように、主流路１７の入り口近傍には配置されておらず、主流路１７の入り口より下流方向へ所定距離離れた位置から等間隔で配置されている。これは、主流路１７内において、下流方向に流体７が流れてゆくに従い境界層が発達するため、それを抑制するように複数の貫通孔１９は配置される。

仕切り板１６の副流路１８側であって、貫通孔１９の流体７の流れ方向の下流側縁部には図６に示すように凸部、例えばガイド翼２０が設けられている。なお図６では、ガイド翼２０および後述するガイド管２１の構造を図示するために、仕切り板１６を図示していない。ガイド翼２０は貫通孔１９の楕円状の縁部のうち、おおよそ下流側半分部分に沿って、少し上流側に傾斜するように設けられている。

また、仕切り板１６の主流路１７側には、貫通孔１９と連続して仕切り板１６を貫通するように管部、例えばガイド管２１が設けられている。このガイド管２１は貫通孔１９の縁に設けられ、ガイド管２１の開口方向は、流体７の流れる方向と異なる方向（本実施例では流体７の流れ方向と直交方向）へ噴流を噴出させる方向へ延びている。

この様にしてできた放熱装置は、被冷却体で発生した熱がベース部１１に伝達し、ベース部１１に伝達した熱は、ベース部１１の他方の面より流体７へ伝達し放熱される。この時、フィン１２はベース部１１の他方の面の表面積を拡大する、拡大伝熱面の役割を果たす。

ファン１３から送られる流体７は、仕切り板１６により主流路１７、副流路１８に分割されるが、前述の通り副流路１８は出口側が塞がれているため、副流路１８の内部の圧力は、主流路１７の内部の圧力より高くなる。その結果、副流路１８を流れる流体７は貫通孔１９を通って、主流路１７へ噴出する。なお、ガイド翼２０は、副流路１８を流れる流体７を貫通孔１９に向かって誘導し、ガイド管２１は貫通孔１９を通った流体７をガイド管２１の開口方向、すなわち前述の通り主流路１７の流体７の流れる方向と異なる方向へ整流している。

主流路１７に流れる流体７には、噴出された噴流により流体の乱れ２２が生じる。この流体の乱れ２２が主流路１７を流れる流体７を撹拌し、境界層の発達を抑制し、また流体７の混合を増加させる。

上述のように、本発明による第２の実施例では、主流路１７がフィン１２で細かく仕切られ、フィン１２の表面が拡大伝熱面として作用しているが、貫通孔１９より噴出した噴流は、ベース部１１近傍で発達した境界層ばかりでなく、フィン１２近傍の境界層の発達も抑制し、高い放熱効果を得ることができる。

また、副流路１８の流体７の流れ方向に直交する方向の断面の面積が、流体７の流れ方向が下流に行くに従い減少しているので、副流路１８を流れる流体７が滞留することなくスムーズに流れ、副流路１８の圧力損失を減少させることができる。この少ない圧力損失は、ファン１３に求められる能力の低減につながり、静音化や小型化が可能となる。

また、ガイド翼２０およびガイド管２１は、副流路１８を流れる流体７を、なめらかに流れる方向を変化させ、また整流しているので、貫通孔１９より噴出する流体７の速度を増すことができる。ガイド管２１は主流路１７よりガイド管２１内へ流れ込む流体７の量を減少させる働きもあるため、貫通孔１９より噴出する流体７の量を増すこともできる。これは境界層の発達の抑制を助け、より高い放熱効果を得ることができる。

さらに、貫通孔１９は流体７の流れ方向が長軸となる楕円形状なので、主流路１７を流れる流体と、副流路１８より貫通孔１９から噴出する噴流が、混合される時間が長くなる。これも境界層の発達の抑制を助け、より高い放熱効果を得ることができる。

なお、上述した放熱装置を図４で示すサイズ、例えばＡ＝７０ｍｍ、Ｂ＝３ｍｍ、Ｃ＝５０ｍｍ、図５に示すサイズ、Ｄ＝８ｍｍ、Ｅ＝２ｍｍの放熱装置では、三次元ナビエ・
ストークスの方程式を解いた数値解析によると、表１に示す様に、小さい圧力損失で、高い熱伝達率を達成できる。

以下に、本発明による放熱装置の第３の実施例について、図７および図８を参照しなが
ら説明する。図７は本発明による第３の実施例を示す平面図である。

図７に示すように２枚のフィン１２の間に設けられた、複数の貫通孔１９は、流体７の流れ方向に対し略直交方向に並べて配置されている。隣接するガイド翼２０は接続部３３で接続されている。また、貫通孔１９の開口面積は、流体の流れ方向上流側より下流側が小さくなるように形成されている。

本発明による第３の実施例においては、副流路１８を流れる流体７は接続部３３で分割され、隣接する貫通孔１９にそれぞれ等しい量の流体が流れる。フィン１２からの距離や、貫通孔１９の配置などの組み合わせに影響されず、貫通孔１９より主流路１７へ流れ込む流体の量のばらつきが少なく、安定する。なお、接続部３３は、流体の流れる方向を意識し、円弧や流線型など流体がなめらかに流れる形状であれば、より効果的である。

また、本発明による第３の実施例では、副流路１８にフィンが存在しているが、図８に示すように副流路１８にフィンがなくても構わない。この場合、すべての貫通孔１９のガイド翼２０を接続部３３で接続している。

また、副流路１８の内部の圧力は、ファン１３側の入り口に比べ、流体の流れの下流側の方が高い。流体の流れが下流に行くに従い、徐々に貫通孔１９の開口面積を小さくすることで、入り口側の貫通孔１９ａより奥側の貫通孔１９ｂの方が流体の流れる量が多くなる現象を防止できる。

以下に、本発明による放熱装置の第４の実施例について、図９を参照しながら説明する。図９は本発明による第４の実施例を示す平面図である。

例えば、中央処理装置などの発熱量の多い被冷却体４１と、中央処理装置が使用する高速メモリなどの比較的に発熱量の少ない被冷却体４２がベース部１１と熱的に接続されている。発熱量の多い被冷却体４１の近傍で、貫通孔１９の開口面積が特に大きいことを特徴としている。

発熱量の多い被冷却体４１の近傍はより効果的な放熱が求められる。第４の実施例においては、発熱の多い被冷却体４１の近傍の貫通孔１９の開口面積を大きくすることで、貫通孔１９を通って主流路１７へ流れ込む流体７の量を局部的に増すことができる。主流路１７へ流れ込む流体７の量が多いと、流体の乱れ２２も大きく、再び境界層が発達しにくくなり、高い熱伝達率を維持できる。

なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、構成を変更してもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更して実施することができる。例えば図１０に示すように、筐体外部に副流路５０を設け、副流路５０へ流体７を供給する手段として、例えば第２のファン５１などを利用してもかまわない。

また、本実施例では中央処理装置や高速メモリを被冷却体の例に取ったが、その他ヒートパイプの放熱部、電子銃、レーザ発振部、チラーの放熱部など、様々なアプリケーションに適用可能であり、特に被冷却体は問わない。

本発明による放熱装置の第１の実施例を示す、斜視図。 本発明による放熱装置の第１の実施例を示す、断面図。 本発明による放熱装置の第２の実施例を示す、斜視図。 本発明による放熱装置の第２の実施例を示す、内部の平面図。 本発明による放熱装置の第２の実施例を示す、断面図。 本発明による放熱装置の第２の実施例を示す、内部を部分拡大した斜視図。 本発明による放熱装置の第３の実施例を示す、内部の部分拡大図。 本発明による放熱装置の第３の実施例の変形例。 本発明による放熱装置の第４の実施例を示す、内部の平面図。 本発明による放熱装置の変形例。

符号の説明

１ 角管
２ 伝熱面
３、１６ 仕切り板
４、１９、 貫通孔
５、１７ 主流路
６、１８ 副流路
７ 流体
８ａ 矢印（速度ベクトル）
８ｂ 境界層
９、２２ 流体の乱れ
１０ 筐体
１１ ベース部
１２ フィン
１３ ファン
１４ 壁部
１５ 蓋部
１９ａ 大きい貫通孔
１９ｂ 小さい貫通孔
２０ ガイド翼
２１ ガイド管
４１ 発熱量の多い被冷却体
４２ 発熱量の少ない被冷却体
４３ 接続部
５０ 副流路
５１ 第２のファン

Claims (10)

1. 少なくとも一部が被冷却体より熱が伝導される伝熱面であって、内部に流体が流れる流路が形成された筐体と、
   前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れる方向と異なる方向から噴流を供給することにより前記流体の流れの乱れを増加させ、前記流路内に前記流体の境界層が発達することを抑制する噴流供給手段と、
   を有することを特徴とする放熱装置。
2. 被冷却体より熱が伝導されるベース部、前記ベース部に略直交して形成された複数のフィン部、前記ベース部および前記フィン部の少なくとも一部と共に、流体の供給手段より供給される前記流体が、前記ベース部、前記フィン部に沿って流れるような流路が形成された筐体と、
   複数の貫通孔が設けられ、前記流路を前記流体の流れ方向へ、第１の流路と第２の流路に分割し、分割して形成された前記第２の流路の出口側をふさぐ形状とすることにより、前記貫通孔から前記第１の流路に対して流体の噴流を形成する仕切り板と、
   を有することを特徴とする放熱装置。
3. 前記仕切り板の前記第２の流路側であって、前記貫通孔の前記流体の流れ方向下流側縁部に、凸部を形成したことを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
4. 前記凸部の、隣り合う凸部同士を接続する接続部をさらに形成したことを特徴とする請求項３記載の放熱装置。
5. 前記仕切り板の前記第１の流路側であって、前記貫通孔縁部に管部を形成したことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の放熱装置。
6. 前記貫通孔は前記流体の流れ方向に複数形成され、前記流体の流れ方向に対し直交方向の前記第２の流路の断面積が、前記流体の流れ方向下流側に行くに従い減少する構造としたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の放熱装置。
7. 前記貫通孔の形状を、前記流体の流れ方向が長軸となる楕円形に形成したことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の放熱装置。
8. 前記貫通孔は前記流体の流れ方向に複数形成され、前記貫通孔の開口面積を、前記流体の流れ方向上流側より下流側が小さくなるように形成したことを特徴とする、請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の放熱装置。
9. 前記被冷却体の近傍に位置する前記貫通孔の少なくとも一部を、他の前記貫通孔に比べて開口面積を大きく形成したことを特徴とする、請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の放熱装置。
10. 前記流体の供給手段はファンであることを特徴とする請求項２乃至請求項９のいずれか１項に記載の放熱装置。
    

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