JP2005337517A - 噴流冷却器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持する。
【解決手段】 冷却板1は冷媒と接する衝突面10と、これと対向し、熱源が接している熱源面11との2つの主面をもち、噴出孔3が穿たれた仕切り板2が冷却板1に近接して配置され、衝突面10上には断面形状が楔形の柱状をなし、さらに仕切り板2に接触する複数個の突起4aが噴出孔3を取り囲むように配置されて噴出孔3から衝突面へ吹き付けられた冷媒が放射状に流れ去る流路を狭めており、熱源の熱は冷却板1を貫通して衝突面10と、さらに一部は噴出孔3近傍から離れても減速しない冷媒に晒されている突起側面へも至り、迅速に冷媒へと移る。
【選択図】 図1
【解決手段】 冷却板1は冷媒と接する衝突面10と、これと対向し、熱源が接している熱源面11との2つの主面をもち、噴出孔3が穿たれた仕切り板2が冷却板1に近接して配置され、衝突面10上には断面形状が楔形の柱状をなし、さらに仕切り板2に接触する複数個の突起4aが噴出孔3を取り囲むように配置されて噴出孔3から衝突面へ吹き付けられた冷媒が放射状に流れ去る流路を狭めており、熱源の熱は冷却板1を貫通して衝突面10と、さらに一部は噴出孔3近傍から離れても減速しない冷媒に晒されている突起側面へも至り、迅速に冷媒へと移る。
【選択図】 図1
Description
本発明は噴出孔から冷却板に冷媒を吹き付けて熱源を冷却する噴流冷却器に関するものである。
従来の噴流冷却器においては、特許文献1に示されるように、冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、冷却板に近接して配置されている。
しかし、このような噴流冷却器においては、冷却板に吹き付けられた冷媒は、冷却板と仕切り板との間をしばらく放射状に流れるので、冷媒の流速は噴出孔からの距離に反比例して減速する。このため、噴出孔から離れるに従い急速に熱伝達率が低くなる。
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持することができる噴流冷却器を提供することを目的とする。
この目的を達成するため、本発明においては、冷却板もしくは仕切り板の表面に、複数の突起を噴出孔を取り囲むように配置する。
本発明に係る噴流冷却器においては、噴出孔の周辺部における冷媒の流速を速くすることができるから、噴流の周辺部でも高い冷却効率を維持することができる。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態を説明する平面図(図2のB−B断面図)、図2は図1のA−A断面図である。図に示すように、冷却板1は冷媒と接する衝突面10と、衝突面10と対向しかつ熱源5が接している熱源面11との2つの主面をもつ。冷却板1に近接して仕切り板2が配置され、仕切り板2に噴出孔3が穿たれている。冷媒はこの噴出孔3を通り、衝突面10の然るべき局所に吹き付けられ、図示していないが周辺にある排出口へと流れ去る。図中の矢印は冷媒の流れる方向を模式的に示したものである。また、冷却板1の表面すなわち衝突面10上に突起4aが形成され、突起4aの断面形状は楔型もしくは鋭角二等辺三角形である柱状をなしている。また、突起4aの上面は仕切り板11に接触している。
図1は本発明の第1の実施の形態を説明する平面図(図2のB−B断面図)、図2は図1のA−A断面図である。図に示すように、冷却板1は冷媒と接する衝突面10と、衝突面10と対向しかつ熱源5が接している熱源面11との2つの主面をもつ。冷却板1に近接して仕切り板2が配置され、仕切り板2に噴出孔3が穿たれている。冷媒はこの噴出孔3を通り、衝突面10の然るべき局所に吹き付けられ、図示していないが周辺にある排出口へと流れ去る。図中の矢印は冷媒の流れる方向を模式的に示したものである。また、冷却板1の表面すなわち衝突面10上に突起4aが形成され、突起4aの断面形状は楔型もしくは鋭角二等辺三角形である柱状をなしている。また、突起4aの上面は仕切り板11に接触している。
熱源5の熱は冷却面1を貫通して衝突面10へ至り、そして冷媒へと移る。衝突面10と冷媒との間の熱伝達率は冷媒の流速と正の相関がある。よって、噴出孔3を抜けた冷媒が高速で吹き付けられる噴出孔3直下その周辺では高い熱伝達率が得られる。ここでもし、突起4aがなければ、冷媒の流速は噴出孔3からの距離に反比例して減速するが、冷媒が突起4aの間を通る間は、流路断面積を維持するように突起4aの形状と配置を構成すると、突起4aの脇においては冷媒の流速が低下するのを防ぐことができるから、突起4aの側壁においては高い熱伝達率が得られる。さらに、突起4aは放熱フィンとしても機能するので、冷却板1の突起4aの底面直下の領域も高い放熱能力を得る。
図3は、噴出孔3の中心からの距離を横軸に、縦軸には任意スケールの冷媒の流速をとった模式的なグラフで、実線は図1、図2に示した噴流冷却器の場合を示し、破線は突起4aがない噴流冷却器の場合を示す。図1、図2に示した噴流冷却器の場合には、噴出孔3から出て冷却板1に衝突した冷媒は、突起4aの間を通る間は流路断面積が変化しないので、流速はほぼ一定に保たれる。さらに、突起4aの背面では急激に流路断面積が変化し、流速は急減速する。実際には流れが乱れるので、この領域の熱伝達率は乱流条件に近い高い熱伝達率となる。
なお、図1、図2では突起4aの数が8個の対称配置の場合を示したが、噴流孔3近傍の冷媒の流路断面積を、噴流孔直近のそれとほぼ一定に保つものであれば、突起4aの数、形状、配置は任意である。
図4に設計手法の一例を示す。図中、点線は噴出孔3の縁の延長線、細い破線は突起4a脇の流路幅を模式的に示している。流路がこのように一定幅に制限される形状および配置であればよい。
なお、上記までは冷却板1の衝突面10上に形成された突起4aが仕切り板2に接触しているものとしたが、突起4aと仕切り板2との間に間隙があっても構わない。その場合、噴出孔3から周囲へ向かって流れる冷媒の総流路断面積がほぼ一定になるよう、突起4aの立体形状を設計すればよい。
さらに、突起4aを冷却板1と一体に形成するか、突起4aを冷却板1に少なくとも熱的に強く接続すれば、上述のように放熱フィンとしての機能をもつが、突起を仕切り板2に形成して、突起と冷却板1とを熱的にそれほど強く接続していない場合でも、衝突面10界面に接する冷媒の流速低下を抑制するので、冷却能力を高める効果はある。
また、図1では楔状の突起4aが噴出孔3の直近から存在していたが、このようにすると圧損が大きく上昇してしまう可能性がある。そこで、図5に示すように、噴出孔3から少し離れた位置に配置すれば、冷媒が突起と接するのは少し流速が低下してからなので、圧損をそれほど損なわずに済む。この場合、冷却性能は図1の構成には及ばないが、十分な冷却能力をもつ。
なお、突起4aの稜線は製造方法の制約により、やや丸みを帯びることもあるが、それでも本発明の効果は同等であり、本発明の範囲に含まれる。そのような場合は、突起4aの形状を図6、図7のようにすればよい。すなわち、図6は改良形突起4aを配置した噴出孔3周辺の仕切り板2を取り去った状況を上から眺めた平面図、図7は図6のC−C断面図である。このように先端が丸くなった分、最鋭角稜線を傾斜させることで、突起4aのある領域のみ、総流路断面積をほぼ一定に保つことができる。
また、図8に示すように、突起4aの配置された部分のさらに外側に、流れを乱す突起40を備えていると、より広い領域で比較的高い熱伝達率を維持することができる。図8において、突起40の断面形状は円形で示したが、突起40の断面形状は任意である。このような突起40が設けられた外周では流速も低下しているので、このような突起40が林立していても、さほど圧損は増加しない。また、突起40は流路制限の機能を重視しなくてよいので、冷却板1と一体の突起40は仕切り板2に接触していなくてもよいし、柱形でなく錐形でもよい。
(第2の実施の形態)
図9は本発明の第2の実施の形態を説明する図で、図1に対応する平面図である。ここでは、突起4bは菱形もしくは舟底形の底面形状をもつ柱状である。このようにすると、図1にて楔状突起4aの後側で流路断面積が急変し、乱れていた流れが乱れなくなり、圧損上昇を抑制できる。また、放熱フィンとしての突起4bも長くなるので、冷却能力が向上する領域も増大する。
図9は本発明の第2の実施の形態を説明する図で、図1に対応する平面図である。ここでは、突起4bは菱形もしくは舟底形の底面形状をもつ柱状である。このようにすると、図1にて楔状突起4aの後側で流路断面積が急変し、乱れていた流れが乱れなくなり、圧損上昇を抑制できる。また、放熱フィンとしての突起4bも長くなるので、冷却能力が向上する領域も増大する。
図10は図3に対応する流速分布のグラフで、実線は図9に示した噴流冷却器の場合を示し、破線は突起4bがない噴流冷却器の場合を示す。このように突起4bを舟底形にすると流速分布が急変するのを抑制できる。なお、突起4bの側面形状は流れが剥離するようなら、鈍角をゆるやかな曲線にしてもよい。
すなわち、図11の平面図に示すように、突起4bの噴出孔3側の先端において鋭角の接線が図中に細い破線で示した流路断面積を一定に保つ長方形と平行で、突起4bの他端へ向かって滑らかな曲線とした舟底形すると、流速分布は図12中の実線に示すようになだらかになり、流れが乱れることなく、圧損の増加を最小限に抑えることができる。
さらに、この構成でも前述と同様、突起4bは噴出孔3から少し離れた領域に配置してもよく、また鋭角に丸みを帯びさせ、稜線を傾斜させてもよい。
(第3の実施の形態)
図13は本発明の第3の実施の形態を説明する平面図である。突起を冷却フィンとしての機能のみに限定すると、図13に示すような厚みが一定の板状突起4cを放射状に配列したものでも、圧損を増やすことなく冷却効率を上げることができ、また製造と設計が簡単である。
図13は本発明の第3の実施の形態を説明する平面図である。突起を冷却フィンとしての機能のみに限定すると、図13に示すような厚みが一定の板状突起4cを放射状に配列したものでも、圧損を増やすことなく冷却効率を上げることができ、また製造と設計が簡単である。
(第4の実施の形態)
図14〜図16は本発明の第4の実施の形態を説明する図で、図15は図14に示した実施の形態の斜視図であり、図14、図16の点線は噴出孔3の縁の延長線である。突起4d同士は噴出孔3の直径以下の距離を隔てて稠密に配置されている。突起4dと噴出孔3との位置関係はさほど厳密に気にすることはなく、たとえば図14、図15のように突起4dの1つがちょうど噴出孔3の中心付近にくるように配置されていても、あるいは図15のように複数の突起4dが噴出孔3の縁に掛かるように配置されていても、冷却フィンとしての効果を期待できる。すなわち、この構成では仕切り板2側の噴出孔3と、冷却板1側の突起4dの位置合わせを気にしなくてよい、という製造工程上の利点がある。なお、突起4dの形状は柱状、円錐状、多角円錐状、半楕球状など任意である。柱状の場合、上辺は仕切り板2と接していても、接していなくてもよい。また、図14、図16では突起4d同士を三角配置としたが、図17のような正方形配置でもほぼ同様の効果をえられる。
図14〜図16は本発明の第4の実施の形態を説明する図で、図15は図14に示した実施の形態の斜視図であり、図14、図16の点線は噴出孔3の縁の延長線である。突起4d同士は噴出孔3の直径以下の距離を隔てて稠密に配置されている。突起4dと噴出孔3との位置関係はさほど厳密に気にすることはなく、たとえば図14、図15のように突起4dの1つがちょうど噴出孔3の中心付近にくるように配置されていても、あるいは図15のように複数の突起4dが噴出孔3の縁に掛かるように配置されていても、冷却フィンとしての効果を期待できる。すなわち、この構成では仕切り板2側の噴出孔3と、冷却板1側の突起4dの位置合わせを気にしなくてよい、という製造工程上の利点がある。なお、突起4dの形状は柱状、円錐状、多角円錐状、半楕球状など任意である。柱状の場合、上辺は仕切り板2と接していても、接していなくてもよい。また、図14、図16では突起4d同士を三角配置としたが、図17のような正方形配置でもほぼ同様の効果をえられる。
また、図18は、図13において板状突起4cだったものを短い突起4dに置き換えたものである。図17では円柱形で示したが、突起4dの形状は、突起4dの後方で乱流が発生するものであれば、円錐、円筒、半球、多角錐、多角柱など任意である。普通の衝突噴流は層流に近いが、乱流が発生すると、格段に冷却効率が向上し、また製造と設計がさらに簡単である。また、冷却板1と一体の突起4dが仕切り板2に接触していてもよいし、接触していなくても所定の効果を得る。
(第5の実施の形態)
図19は本発明の第5の実施の形態を説明する断面図である。この構成では、突起の代わりに噴出部3の周辺に環状の***部44をもつ。***部44は、噴出孔3から吹き出してくる冷媒の流路断面積が噴出孔3の中心線からの距離に比例して増大するのを抑制する。すなわち、冷却板1と仕切り板2との間の距離が、噴出孔3の縁で1単位だとすると、噴出孔3の中心線から噴出孔3の半径の2倍だけ離れたところでは1/2単位、3倍離れたところでは1/3単位となるような形状をもつ。そして、熱源5の冷却に関係ない領域になったら、***部44はなだらかに消失するような形状とする。これによって熱源5に影響する領域の熱伝導率を前述の突起による構成と同様に高くすることができる。なお、この***部44は図19のように冷却板1側にあってもよいし、図20のように仕切り板2側にあっても、また図21のように冷却板1側および仕切り板2側にあってもよい。
図19は本発明の第5の実施の形態を説明する断面図である。この構成では、突起の代わりに噴出部3の周辺に環状の***部44をもつ。***部44は、噴出孔3から吹き出してくる冷媒の流路断面積が噴出孔3の中心線からの距離に比例して増大するのを抑制する。すなわち、冷却板1と仕切り板2との間の距離が、噴出孔3の縁で1単位だとすると、噴出孔3の中心線から噴出孔3の半径の2倍だけ離れたところでは1/2単位、3倍離れたところでは1/3単位となるような形状をもつ。そして、熱源5の冷却に関係ない領域になったら、***部44はなだらかに消失するような形状とする。これによって熱源5に影響する領域の熱伝導率を前述の突起による構成と同様に高くすることができる。なお、この***部44は図19のように冷却板1側にあってもよいし、図20のように仕切り板2側にあっても、また図21のように冷却板1側および仕切り板2側にあってもよい。
この実施の形態においては、構造が簡単で冷却効率が向上する。
なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、以上の実施の形態のいずれかを組み合わせてもよい。
1…冷却板 2…仕切り板
3…噴出孔 4a〜4d…突起
5…熱源 10…衝突面
11…熱源面 40…突起
44…***部
3…噴出孔 4a〜4d…突起
5…熱源 10…衝突面
11…熱源面 40…突起
44…***部
Claims (6)
- 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
前記冷却板もしくは前記仕切り板の表面に、複数の突起が前記噴出孔を取り囲むように配置されている、
ことを特徴とする噴流冷却器。 - 楔形もしくは鋭角三角形の底面をもつ前記複数の突起が、その鋭角稜線を前記噴出孔の中心方向に向けて配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の噴流冷却器。 - 菱形もしくは舟底形の底面をもつ前記突起が、その鋭角稜線を前記噴出孔の中心方向に向けて配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の噴流冷却器。 - 板状の前記突起が、その長手方向を前記噴出孔に向けて配列されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の噴流冷却器。 - 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
前記噴出孔近傍の前記冷却板もしくは前記仕切り板の表面に、複数の突起が前記噴出孔直径以下の距離で配置されている、
ことを特徴とする噴流冷却器。 - 冷却板の然るべき局所に冷媒を吹き付けるための噴出孔を有する仕切り板が、前記冷却板に近接して配置されている噴流冷却器において、
前記噴出孔周辺の、前記仕切り板の表面もしくは前記冷却板の表面の少なくとも一方に、前記噴出孔から一定距離の範囲内の流路断面積を所定の範囲内に維持する、環状の***部を有する、
ことを特徴とする噴流冷却器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004152887A JP2005337517A (ja) | 2004-05-24 | 2004-05-24 | 噴流冷却器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004152887A JP2005337517A (ja) | 2004-05-24 | 2004-05-24 | 噴流冷却器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=35491287
Family Applications (1)
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JP2004152887A Pending JP2005337517A (ja) | 2004-05-24 | 2004-05-24 | 噴流冷却器 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2005337517A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008244398A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Nissan Motor Co Ltd | 冷却装置 |
JP2009086181A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Necディスプレイソリューションズ株式会社 | 電子機器の冷却装置および液晶プロジェクタ装置 |
JP2010010504A (ja) * | 2008-06-30 | 2010-01-14 | Hitachi Ltd | パワー半導体モジュール |
-
2004
- 2004-05-24 JP JP2004152887A patent/JP2005337517A/ja active Pending
Cited By (5)
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US8736775B2 (en) | 2007-09-28 | 2014-05-27 | Nec Display Solutions, Ltd. | Cooling device for electronic apparatus and liquid crystal projector |
JP2010010504A (ja) * | 2008-06-30 | 2010-01-14 | Hitachi Ltd | パワー半導体モジュール |
JP4586087B2 (ja) * | 2008-06-30 | 2010-11-24 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体モジュール |
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