JP3838982B2 - 衝突噴流ヒートシンクおよびパワーエレクトロニクス装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクス装置などの発熱体冷却に用いられる衝突噴流ヒートシンクに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のヒートシンクでは、特開2001−352025号公報に記載されているように、発熱体が取り付けられるヒートシンク内に複数のフィンを設けて、そのフィン間に冷却水を流すことにより、発熱体を冷却するものがある。
以下、図8を参照して従来のヒートシンクについて説明する。
図8において、ヒートシンク1の表面には発熱体2が取り付けられており、ヒートシンク1の内部には、複数のフィン3が設けられている。
流入口4から入った冷却媒体は、フィン間のチャンネルを通り、流出口5より排出される。このとき、発熱体2で発生した熱量はヒートシンクに熱伝導し、フィン間のチャンネルを流れる冷却媒体に熱伝達する。これにより、発熱体2の冷却が行なわれる。
このようなチャンネルに冷却媒体を流す方式のヒートシンクは、実装密度の増加しているパワエクトロニクス製品などのヒートシンクでは幅Wを小さくする要求がある場合に、多く用いられている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−352025号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィン間のチャンネルに冷却媒体を流す方式では、冷却媒体が流入側から流出側へフィン間のチャンネルを流れるにつれ冷却媒体の温度が上昇すると共に、流れが発達して境界層が厚くなり、熱伝達率が小さくなり、伝熱面と冷却媒体の温度差が大きくなる。これらより流出側の発熱体温度上昇は流入側のそれより著しく大きくなるという問題があった。
その問題を解決する1つの方法として、特開2002−237691号公報に記載されているような衝突噴流により発熱体を冷却する方法があるが、冷却媒体が流入する流入口に近い孔と遠い孔では、近い孔の方が遠い孔よりも流量が少なくなり、冷却性能にアンバランスが生じる。
よって、本発明では、流入側から流出側までヒートシンク全長にわたり、一様、かつ高い冷却性能を有する衝突噴流ヒートシンクを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る衝突噴流ヒートシンクでは、ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で前記仕切りの延長した仮想線の両側にそれぞれ複数個の孔を配することにより、ヘッダ内に生じた循環流れが孔に旋回成分をもった流れとなって流入し、高い熱伝達率が得られる。
【0005】
本発明の請求項2に係る衝突噴流ヒートシンクでは、ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で孔の下流側円弧部分が前記仕切りを延長した仮想線に接するように孔を配することにより、孔に旋回成分をもった流れとなって流入し、高い熱伝達率が得られる。
【0006】
本発明の請求項3に係る衝突噴流ヒートシンクでは、ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で孔の上流側円弧部分が前記仕切りを延長した仮想線に接するように孔を配することにより、旋回成分をもった流れがスムーズに下流側のヘッダに戻す流路に流れ込むようになり、圧損が小さくなり、流量が増え、高い熱伝達率が得られる。
本発明の請求項4に係る衝突噴流ヒートシンクでは、ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で前記仕切りの延長した仮想線で分割される領域の略中央に孔を配することにより、強い旋回成分をもった流れとなって流入し、高い熱伝達率が得られる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの断面図である。
図1において、ヒートシンク1の表面に発熱体2を配置する。ヒートシンク1の発熱体2を取り付けた裏面6に対し、発熱体2に向かうように冷却媒体を噴出する複数の孔7を設け、孔7の反発熱体側にヘッダ8を配する。孔7から噴出した冷却媒体を下流のヘッダ9に戻す流路10を配する。そして孔7の1個につき、ヘッダ8、9のようにヘッダを1個ずつ対応させて略直線上に配する。
このため、ヒートシンク1の全長Lは大きくなり、流入側から流出側に向かうにつれ冷媒温度が上昇するが冷媒の粘性が小さくなるが、以下に述べるように熱伝達率が大きくなり、ヒートシンク全長にわたり冷却性能を一様にできる。
冷却性能を示す、衝突点の熱伝達率αの関係は次式で表される。[出所;日本機械学会、伝熱工学資料 第4版p66(66)式]
α=λ/D*0.94*Pr0.4Red0.5 ・・・・(1)
Red=uD/ν ・・・・(2)
ここで λは流体熱伝導率、Dは孔径、Prは流体プラントル数、Redはレイノルズ数、uは孔からの平均流出速度、νは流体動粘性係数である。これより冷却媒体温度が上昇すると、粘性が小さくなることは知られているので、冷却媒体温度が上昇すると(2)式よりレイノルズ数が大きくなるので、(1)式より熱伝達率αが増加することがわかる。
【0008】
このとき、冷媒のヒートシンク入口の温度をTwi、出口近傍の冷媒温度をTwo、衝突面の温度を入口側と出口側でそれぞれTsi、Tsoとし、同様に熱伝達率をαi,αo、熱流束をQとすれば、冷却性能が表れる衝突面の温度は次式となる。
Tsi=Q/αi + Twi ・・・・(3)
Tso=Q/αo + Two ・・・・(4)
また
αi<αo ・・・・(5)
Twi<Two ・・・・(6)
より
Tsi≒Tso ・・・・(7)
となる。このようにヒートシンク1の全長Lは大きくなり、流入側から流出側に向かうにつれ、冷却媒体の温度が上昇するが、下流側ほど熱伝達率が大きくなり、噴流の衝突面温度は流入側から流出側までほぼ同様となる。よってヒートシンク全長にわたり、冷却性能が一様なヒートシンクとなる。
次に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。
図2は、本発明の第2の実施の形態のヒートシンクの断面図である。ここで図1に示した第1の実施の形態と同一要素については、同一符号を付し説明を省略する。
【0009】
図2において、図1と異なる点は、1つのヘッダ8、9に対して孔7を複数個配置して、その孔7に対応して発熱体2を配置した点である。
これにより、各孔7の平均ピッチPが第1の実施の形態と比較して、本実施の形態の方が小さくなるので、孔配列方向の距離、つまりヒートシンク1の長さLを小さくできる。
次に、本発明の第3の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図3は、本発明の第3の実施の形態のヒートシンクの断面図である。ここで図1に示した第1の実施の形態と同一要素については、同一符号を付し説明を省略する。また、ここでは、1つのヘッダに孔が4個存在する例と、6個存在する例を示している。
図3においては、ヘッダ8と下流のヘッダ9に冷却媒体に戻す流路9との仕切り11を、複数の孔7を近似的に結ぶ直線Sに対して略直角に設け、仕切り11の延長した仮想線の両側にそれぞれ複数個の孔7を配する。
これより、流入口4より流入した冷却媒体は、仕切り11にあたり、ヘッダ8の内には矢印に示すように循環する流れが生じる。この流れにより冷却媒体は、孔7に旋回成分をもった矢印に示すような流れとなって流入する。
【0010】
このような旋回成分のある流れは旋回の無い流れより広い範囲にわたり高い熱伝達率が得られ、熱抵抗が小さくなる。以下、これについて詳細に説明する。
旋回速度成分をuθ、軸方向成分をuzとすると、旋回成分のある流れの合成速度uは次式となる。
u=(uθ2 + uz2)0.5 ・・・・(8)
よって
u>uz ・・・・(9)
となる。
また、旋回速度成分uθをもつ流れが衝突面6にぶつかった場合の熱伝達率分布は、図4のように噴流中心より離れたところになだらかなピークを持つようになり、発熱体全体を噴流による熱伝達率領域でカバーする。
いま、旋回成分のない噴流の場合の発熱体から冷媒への伝熱を考える。旋回成分のない噴流の場合は図4に示すように、点線の矢印のように伝熱する。発熱体2から伝熱面6までの熱抵抗Rfconは伝熱面6に垂直方向の熱伝導による熱抵抗Rfconvと伝熱面6に沿った熱伝導による熱抵抗Rfconhとの和であらわされる。
Rfcon=Rfconv+Rfconh ・・・・(10)
そして旋回のない噴流の熱伝達部の熱抵抗をRalfとすると発熱体から冷媒までの熱抵抗Rは次式にて表される。
【0011】
R=Rfcon+Ralf
=Rfconv+Rfconh+Ralf ・・・・(11)
次に旋回速度成分uθをもつ流れが衝突面6にぶつかった場合を考える。旋回成分をもつ噴流の場合は図4に示すように、実線の矢印のように伝熱する。熱伝達部の熱抵抗をRalf’とすると、図4に示すように旋回の有り無しで熱伝達率はあまり変わらず、熱伝達部の熱抵抗をRalf’は旋回なしのRalfとほとんど同じである。旋回のある場合には発熱体全体を噴流による熱伝達率領域でカバーするため、衝突面に沿った熱伝導は無くなるので、発熱体表面から冷却媒体までの熱抵抗R’は下式となる。
R’=Rfconv+Ralf’ ・・・・(12)
よって、(11)式と(12)式より
R’< R ・・・・(13)
となり、旋回成分のある流れの方が旋回成分の無い流れの場合よりも熱抵抗が小さくなり、高い冷却性能が得られる。
次に、本発明の第4の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図5は、本発明の第4の実施の形態のヒートシンクの断面図である。ここで図1に示した第1の実施の形態と同一要素については、同一符号を付し説明を省略する。
【0012】
図5においては、ヘッダ8と下流のヘッダ9に冷却媒体に戻す流路9との仕切り11を、複数の孔7を近似的に結ぶ直線Sに対して略直角に設け、孔7の下流側円弧部分7aが仕切り11を延長した仮想線Tに接するように孔7を配する。
これより、流入口4より流入した冷却媒体は、仕切り11にあたり、ヘッダ8の内には矢印に示すように循環する流れが生じる。この流れにより冷却媒体は、孔7に旋回成分をもった矢印に示すような流れとなって流入することにより、高い冷却性能が得られる。
次に、本発明の第5の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図6は、本発明の第5の実施の形態のヒートシンクの断面図である。ここで図1に示した第1の実施の形態と同一要素については、同一符号を付し説明を省略する。
図6においては、ヘッダ8と下流のヘッダ9に冷却媒体に戻す流路9との仕切り11を、複数の孔7を近似的に結ぶ直線Sに対して略直角に設け、孔7の上流側円弧部分7bが仕切り11を延長した仮想線Tに接するように孔7を配する。
これより、流入口4より流入した冷却媒体は、仕切り11にあたり、ヘッダ8の内には矢印に示すように循環する流れが生じる。この流れにより冷却媒体は、孔7に旋回成分をもった矢印に示すような流れとなって流入することにより、高い冷却性能が得られる。
【0013】
更に、旋回成分をもった流れが、下流側のヘッダ9に戻す流路10に流れ込む方向となっているので、スムーズに下流側のヘッダ9に戻す流路10に流れ込むようになり、圧損が小さくなり、流量が増え、高い冷却性能が得られる。
次に、本発明の第6の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図7は、本発明の第6の実施の形態のヒートシンクの断面図である。ここで図1に示した第1の実施の形態と同一要素については、同一符号を付し説明を省略する。
図7においては、ヘッダ8と下流のヘッダ9に冷却媒体に戻す流路9との仕切り11を、複数の孔7を近似的に結ぶ直線Sに対して略直角に設け、仮想線Tで分割されるヘッダのそれぞれ領域の略中央に孔7を配する。
これより、流入口4より流入した冷却媒体は、仕切り11にあたり、ヘッダ8の内には矢印に示すように循環する流れが生じる。この流れにより冷却媒体は、孔7に旋回成分をもった矢印に示すような流れとなって流入することにより、高い冷却性能が得られる。
また、仮想線Tで分割されるヘッダのそれぞれ領域の略中央に孔3を配することにより、図3に示した第3の実施の形態よりも強い旋回成分をもった流れとなって流入し、高い冷却性能が得られる。
【0014】
また、上記図3に示した第3の実施の形態においては、複数の孔7はその中心が直線上に配置されていないが、中心を直線上に配置しても構わない。その場合においてもヘッダ内に生じた循環流れが孔7に旋回成分をもった流れとなって流入する。第3の実施の形態で孔の中心が直線上からずらして配置したのは、より強い旋回成分を有した流れが流入するように、孔7の円弧部分をヘッダ内の循環流れの強い部分に配するためと、流れの下流にある孔7に流入する流れが上流にある孔7に流入する流れより小さくなることに配慮したものである。
【0015】
【発明の効果】
本発明によれば、流入側から流出側までヒートシンク全長にわたり、一様、かつ高い冷却性能の小型衝突噴流ヒートシンクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図2】 本発明の第2の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図3】 本発明の第3の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図4】 衝突噴流の熱伝達率の分布図。
【図5】 本発明の第5の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図6】 本発明の第6の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図7】 本発明の第7の実施の形態のヒートシンクの断面図。
【図8】 従来のヒートシンクの断面図。
【符号の説明】
1・・ヒートシンク
2・・発熱体
4・・流入口
5・・流出口
6・・衝突面
7・・孔
8・・ヘッダ
9・・下流側ヘッダ
10・・流路
11・・仕切り
Claims (5)
- ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、
ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で前記仕切りの延長した仮想線の両側にそれぞれ複数個の孔を配することを特徴とする衝突噴流ヒートシンク。 - ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、
ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で孔の下流側円弧部分が前記仕切りを延長した仮想線に接するように孔を配することを特徴とする衝突噴流ヒートシンク。 - ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、
ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で孔の上流側円弧部分が前記仕切りを延長した仮想線に接するように孔を配することを特徴とする衝突噴流ヒートシンク。 - ヒートシンクの表面に発熱体を配置するとともに、前記ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔を設け、反発熱体側に複数のヘッダを配し、孔から噴出した冷却媒体を下流側のヘッダに戻す流路を配した衝突噴流ヒートシンクにおいて、
ヘッダと下流側のヘッダに戻す流路との仕切りを複数の孔を近似的に結ぶ直線に対して、直角に設け、1つのヘッダ内で前記仕切りの延長した仮想線で分割される領域の略中央に孔を配することを特徴とする衝突噴流ヒートシンク。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の衝突噴流ヒートシンクを備えることを特徴とするパワーエレクトロニクス装置
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