JP5519353B2

JP5519353B2 - ヒートシンク

Info

Publication number: JP5519353B2
Application number: JP2010064592A
Authority: JP
Inventors: 隆行須山; 威一郎川村; 耐事坂井
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP2011196624A

Description

本発明は、自動車用バッテリー等の電源ユニットや電子部品を冷却する熱交換器であって、気液２相状態の冷媒が流路を流通するプレート型ヒートシンクに最適なものに関する。

下記特許文献１に、プレート型ヒートシンクが提案されている。
これは多数のスリットを有する中間プレートの両側に支持プレートを配置し、中間プレートのスリットに冷媒を流通させ、支持プレートに電子部品等の被冷却部品を取り付けるものである。そして、中間プレートのスリットがＵ字状に形成され、それが幅方向に並列している例も記載されている。

特開平９−１０２５６８号公報実用新案登録第３０５７０２１号公報

気液２相状態の冷媒を一つの入口パイプから多数の冷媒流路となるスリットに分岐させると、各冷媒流路に流通する冷媒が不均一になりがちである。すると、ヒートシンク表面の各部で温度差が生じ、そこに取り付ける電子部品等を均一に冷却できない欠点がある。
これは冷凍サイクルにおいて、膨張弁またはキャピラリーチューブを介して気液２相状態に変化した冷媒が、流路内を気体と液体とに分離し、両者が片寄った状態で流通することに起因する、とのことが本発明者の実験により明らかとなった。即ち、冷媒回路の膨張弁等を通過した気液２相状態の冷媒は、その流速に応じて、２層流または波状流または塊状流または環状流となる。そして、各流れの状態により、例えば２層流の場合には、冷媒の液成分が管の下部を流れ、気体は管の上部を流れ、気液の界面が滑らかとなる。また、波状流はその２層流の状態から界面が波立つ状態となる。そして、塊状流はその波状流の液波の振幅が大きくなって管の上部に触れるようになり泡立った塊を形成する。さらには、環状流は、冷媒の液成分は管壁面を断面環状に流れ、気体は中心部を流れる。いずれにしても気体成分と液体成分とが分離状態にある。それに基づき、冷媒の分流が不均一になっていた。

そこで本発明は、２相流の各流れ状態と分岐部における冷媒の分配との関係を実験的に確かめ、その知見に基づいて本発明を完成したものである。

請求項１に記載の本発明は、平坦な、第１プレート(1)と第２プレート(2)との間に第３プレート(3)が介装され、その第３プレート(3)にスリットからなる冷媒流路が形成され、その冷媒流路に気液二相状態の冷媒が流通し、そのスリットからなる冷媒流路は、積層方向の両端に位置して蓋材となる第１プレート(1)と第２プレート(2)によって被蔽されてなるヒートシンクにおいて、
前記第３プレート(3)に複数の分岐スリット(4)が並列されると共に、各分岐スリット(4)の一端部どうしが、その第３プレート(3)に形成された連通スリット(5)または分岐部(6)で連結され、
蓋材となる前記第１プレート(1)に設けた絞り孔(7)を介して、冷媒の入口パイプ(8)と前記連通スリット(5)または分岐部(6)とが連結され、
前記絞り孔(7)は、前記冷媒がそれを通過することにより、２相流の冷媒がその入口パイプ(8)内で、２層流または塊状流或いは環状流の状態から、連通スリット(5)内または分岐部(6)内で噴霧流に変化するように構成され且つ、前記冷媒が、圧縮器(9)、コンデンサ(10)、膨張弁(11)またはキャピラリーチューブ、ヒートシンク(12)を順に循環する冷凍サイクルにあって、
前記絞り孔(7)の圧力低下は、前記膨張弁(11)またはキャピラリーチューブにおける冷媒の圧力低下に較べて、著しく小さい値であることを特徴とするヒートシンクである。

請求項２記載の本発明は、請求項１において、
多数の前記分岐スリット(4)が互いに平行に配置され且つ、それらと前記連通スリット(5)とで、全体の流路が櫛歯状に形成されたヒートシンクである。
請求項３に記載の本発明は、請求項１において、
多数の前記分岐スリット(4)が、前記分岐部(6)から放射状の流路に形成されたヒートシンクである。

請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３において、
各分岐スリット(4)の下流側である復流路(4b)が、その上流側である往流路(4a)に近接してＵターンするように構成されたヒートシンクである。
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記各分岐スリット(4)が水平な方向または、重力方向に平行な方向に配置されたヒートシンクである。

本発明のヒートシンクは、それぞれ平坦な第１プレート１と第２プレート２との間にスリットからなる冷媒流路を有する第３プレート３が介装され、その冷媒流路に気液２相状態の冷媒が流通するものにおいて、その第３プレート３には複数の分岐スリット４が連通スリット５または分岐部６で連通されている。そして、第１プレート１に絞り孔７が設けられ、冷媒がそれを通過することにより入口パイプ８内で２層流または塊状流あるいは環状流の状態から、冷媒が連通スリット５内または分岐部６内で噴霧流に変化するように構成したものである。
その絞り孔７の存在により、複数の分岐スリット４に均等に冷媒が流通し、ヒートシンク各部を均一に冷却して、性能のよいヒートシンクを提供できる。即ち、入口パイプ８内で気液が片寄って分離した状態である２層流または塊状流あるいは環状流の状態から、それらの液膜が破れ、液体はすべて飛沫同伴液滴として気体中に分散した噴霧流に変化するから、並列した複数の分岐スリット４に均等に分配される。これは絞り孔７によって、その部分で流速が増すことにより、例えば、環状流をなしていた液膜が破れ、液体はすべて飛沫として気体中に分散するからである。

また、冷媒が冷凍サイクルの膨張弁またはキャピラリーチューブを通過するものであって、絞り孔７の圧力低下を膨張弁11またはキャピラリーチューブにおける冷媒の圧力低下に比べて著しく小さくしたので、絞り孔７と膨張弁等の圧力損失の和を可及的に小さくし、圧縮器９における動力消費を可及的に少なくできる。

上記構成において、請求項２に記載のように、多数の分岐スリット４を互いに平行に配置し、それらと連通スリット５とで全体の流路を櫛歯状に形成することができる。この場合には、第３プレート３の製作が比較的容易である。それとともに、流路設計が容易となる。
上記構成において、請求項３に記載のように、多数の分岐スリット４を分岐部６から放射状に形成することができる。この場合には、さらにより均等に各分岐スリット４に冷媒を流通させることができる。

上記構成において、請求項４に記載のように、各分岐スリット４の下流側である復流路4bをその上流側である往流路4aに近接してＵターンするように構成することができる。この場合には、往流路4aと復流路4bとの間に熱移動が行なわれるため、ヒートシンク表面温度を均一化し、被冷却体17の冷却性能を向上できる。
上記構成において、請求項５に記載のように、各分岐スリット４を水平な方向または重力方向に平行な方向に配置することができる。この場合には、冷媒中の液成分を重力に影響されること無く、各分岐スリット４に均等に流通させることができる。それによりさらに性能の高いヒートシンクを提供できる。

本発明の第１実施例のヒートシンクの分解斜視図。同ヒートシンクにおけるマニホールド14の斜視図。同ヒートシンクにおける第１プレート１の要部拡大斜視図。同ヒートシンクにおける第３プレート３の平面図。同ヒートシンクの斜視図。同ヒートシンクにおける本発明の作用を示す横断面拡大図であって、図４におけるVI‐VI矢視断面図。同ヒートシンクの作用を示す説明図。同ヒートシンクにおける作用を示す説明図。同ヒートシンク12を水平状態にしたときの作用を示す説明図。同ヒートシンクを横置きにしたときの作用を示す説明図。同ヒートシンクの各流路を重力方向に平行に位置したときの作用を示す説明図。本発明の第２実施例のヒートシンクの第３プレート３を示す平面図。同ヒートシンクの冷凍サイクルの説明図。

（第１実施例）
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１〜図６は、本発明のヒートシンクの第１の実施形態を示す。
この実施例は、図１に示すごとく、第３プレート３が一対の第１プレート１、第２プレート２により挟持され、その第１プレート１の端部表面にスペーサ15を介してマニホールド14が配置されている。

第３プレート３は、図１および図４に示すごとく、多数の分岐スリット４が互いに平行に並列されている。各分岐スリット４は、往流路4aと復流路4bとがＵ字状に且つ、互いに近接してそれらが第３プレート３を貫通して形成されている。そして、往流路4aの入口側端部は連通スリット５によって互いに接続されている。また、復流路4bの端部は往流路4aよりも短く終端している。

次に、第１プレート１の端部には、スペーサ15が一体にろう付けされている。このスペーサ15には、図３に示すごとく入口孔15ａと連通溝15ｂが穿設されている。そして、連通溝15ｂ内には第１プレート１上に多数の出口孔1aが穿設されている。この出口孔1aは、図４において分岐スリット４の復流路4bの終端に整合する。そして、その出口孔1aの直径は復流路4bの溝幅に略整合する。
次に、入口孔15ａ内の中心で、第１プレート１に絞り孔７が穿設されている。この絞り孔７の直径は一例として２ｍｍ程度にすることができ、入口孔15ａの直径は１０ｍｍ程度にすることができる。同様に出口孔1aの直径も１０ｍｍ程度にすることができる。

次に、この入口孔15ａには、それに整合するマニホールド14の入口孔14aがろう付けされる。マニホールド14は図２に示すごとく入口パイプ８と出口パイプ13とを有し、入口パイプ８に入口孔14ａが穿設され、その中心が絞り孔７の軸線に整合する。また、マニホールド14には連通溝14ｃが設けられ、その連通溝14ｃに出口パイプ13の出口孔14ｂが連通する。その連通溝14ｃはスペーサ15の連通溝15ｂに整合する。そして、マニホールド14とスペーサ15と第１プレート１と第３プレート３と第２プレート２とが、積層されそれらが一体にろう付け固定される。

そして、入口パイプ８より冷媒16が流入し、入口孔14ａ、15ａ、絞り孔７を介して、第３プレート３の連通スリット５にその冷媒16が流通する。そして、各冷媒はそれぞれの分岐スリット４の往流路4aに均等に分配され、それが復流路4bを介し、出口孔1aからマニホールド14の連通溝14ｃ、出口パイプ13を介して流出する。

この冷媒16は、図１３に示す冷凍サイクルによって循環される。即ち、ヒートシンク12を通過した冷媒は圧縮器９によって圧縮され、コンデンサ10により放熱された後に、膨張弁11を通過して気液２相状態になる。そして、ヒートシンク12の絞り孔７を通過することにより、冷媒は前記噴霧流となって各分岐スリット４に供給される。
この噴霧流は、図７において、例えば横軸の値が85のとき、縦軸の値が約30000以上となる場合である。なお、この図７は、その２相流の流れ様式の状態を示すものである。縦軸の値が約30000以下の場合には、順に環状流、塊状流、波状流、２層流となる。この横軸におけるＧｌ成分は、冷媒の液体成分が時間あたり流通する質量であり、ηは係数であって、空気および水に比較した、冷媒の気体成分の密度と液体成分の密度との積の２分の１乗としたものである。Ψは係数であって、水の密度及び表面張力をそれぞれ、冷媒の液体成分の密度及び表面張力で除したものどうしの積と、冷媒の粘度との積の３分の１乗である。
横軸および縦軸のＧｇ成分は、冷媒中の気体成分の時間当たりの流通量を流路断面積で除したものである。

（作用）
気液２相状態の冷媒16は、図６に示すごとく、入口パイプ８に流入するとき塊状流16ａの状態または図７における環状流の状態あるいは２層流の状態にある。そして、入口パイプ８の入口孔14ａから絞り孔７を通過すると、それにともなって塊状流16ａ等から噴霧流16ｂに変化する。これは絞り孔７によって流速が急激に速くなるからである。すると、冷媒の液体成分の液膜が破れ、液体がすべて飛沫となった液滴として気体中に分散する。
このように連通スリット５内で噴霧流16ｂになると、各連通スリット５の分岐スリット４の往流路4aに均一に流れる。そして、往流路4aから復流路4bを介し、スペーサ15の連通溝15ｂ、マニホールド14の連通溝14ｃを介して出口パイプ13より流出する。

このとき、絞り孔７における圧力損失は、図１３の膨張弁11のそれに比べて極めて小である。これを図８に示す。図８は横軸にエンタルピーを、縦軸に圧力をとったものである。図８において、圧縮器９によりポイント１からポイント２に圧力が高まり、コンデンサ10によって冷却されポイント２からポイント３になる。そして、膨張弁11を通過することによりポイント３からポイント４ａになり、それがヒートシンク12の絞り孔７を通過することによりポイント４ａからポイント４に移行する。そして、ヒートシンク12に固定された被冷却体17との熱交換により、冷媒はポイント４からポイント１に変化する。なお、ポイント３は過冷却の状態にあり、ポイント１は完全な気化状態にある。これは、図４において復流路4bの終端では冷媒は液体成分を有しないことを意味する。

上記の作用は、図９に示すごとく、ヒートシンク12およびその第２プレート２を水平に配置されした状態で、被冷却体17に行なったものである。このとき同図（Ａ）において、図示のＬ側とＲ側との第１列目に流路（図４では最上段、最下段の流路）のプレート表面温度を測定すると、同図（Ｂ）に示す如く、その入口側から出口側に向かって両者の温度差はほとんど存在しないことがわかった。

次に、ヒートシンク12を図１０のごとく、横置きに位置すると、その内部の各冷媒流路が上下方向に並列する。この場合のプレート表面の温度分布を測定すると、同図（Ｂ）のごとく、最上部の冷媒温度と最下部の冷媒温度との間に大きな温度差が生じることがわかった。これは冷媒が重力の影響を受けるからである。

次いで、図１１のごとく、ヒートシンク12のマニホールド14がヒートシンク12の最下端に水平に位置するようにし、且つ各分岐流路が上下方向に向くようにして、プレートの各表面の温度分布を測定した。この場合は（Ｂ）に示すごとく図９の場合と略同様に各部分において温度差が生じなかった。そこで、本発明は請求項６に記載のように、各分岐スリット４の方向を定める。

（第２実施例）
次に図１２は、本発明の第２の実施形態を示す第３プレート３の平面図である。
この第３プレート３は、その長手方向端部中央に分岐部６が設けられ、その分岐部６から放射状に多数の分岐スリット４の往流路4aが分岐し、その復流路4bの端部がUターンして往流路4aに近接かつ、それに沿って位置され、その端部が分岐部６近傍に達する。

この例では、入口パイプ８の端部が図示しない第１プレート１の絞り孔７を介して分岐部６に連通する。即ち、入口パイプ８から流入する気液２相状態の冷媒は、その図示しない第１プレート１の絞り孔７を介して分岐部６に流入し、その絞り孔７によって噴霧流となり各分岐スリット４に均等に流出する。そして、その復流路4bの終端からマニホールド14，出口パイプ13を介して圧縮器９に流出する。
このように、分岐部６の外周に各分岐スリット４が放射状に連通するため、冷媒の分配をより均等に行なうことができる。なお、マニホールド14および絞り孔７は前記第１の実施例同様に第１プレート１に取り付けられる。そして、第１プレート１の絞り孔７によって、上流側の気液分離状態から冷媒が噴霧流に変えられ、各流路に均一に分流する。

１第１プレート
1a 出口孔
２第２プレート
３第３プレート
４分岐スリット
4a 往流路
4b 復流路
５連通スリット
６分岐部
７絞り孔
８入口パイプ
９圧縮器

10 コンデンサ
11 膨張弁
12 ヒートシンク
13 出口パイプ
14 マニホールド
14a 入口孔
14b 出口孔
14c 連通溝

15 スペーサ
15a 入口孔
15b 連通溝
16 冷媒
16a 塊状流
16b 噴霧流
17 被冷却体

Claims

平坦な、第１プレート(1)と第２プレート(2)との間に第３プレート(3)が介装され、その第３プレート(3)にスリットからなる冷媒流路が形成され、その冷媒流路に気液二相状態の冷媒が流通し、そのスリットからなる冷媒流路は、積層方向の両端に位置してその蓋材となる第１プレート(1)と第２プレート(2)によって被蔽されてなるヒートシンクにおいて、
前記第３プレート(3)に複数の分岐スリット(4)が並列されると共に、各分岐スリット(4)の一端部どうしが、その第３プレート(3)に形成された連通スリット(5)または分岐部(6)で連結され、
蓋材となる前記第１プレート(1)に設けた絞り孔(7)を介して、冷媒の入口パイプ(8)と前記連通スリット(5)または分岐部(6)とが連結され、
前記絞り孔(7)は、前記冷媒がそれを通過することにより、２相流の冷媒がその入口パイプ(8)内で、２層流または塊状流或いは環状流の状態から、連通スリット(5)内または分岐部(6)内で噴霧流に変化するように構成され且つ、前記冷媒が、圧縮器(9)、コンデンサ(10)、膨張弁(11)またはキャピラリーチューブ、ヒートシンク(12)を順に循環する冷凍サイクルにあって、
前記絞り孔(7)の圧力低下は、前記膨張弁(11)またはキャピラリーチューブにおける冷媒の圧力低下に較べて、著しく小さい値であることを特徴とするヒートシンク。
請求項１において、
多数の前記分岐スリット(4)が互いに平行に配置され且つ、それらと前記連通スリット(5)とで、全体の流路が櫛歯状に形成されたヒートシンク。
請求項１において、
多数の前記分岐スリット(4)が、前記分岐部(6)から放射状の流路に形成されたヒートシンク。
請求項２または請求項３において、
各分岐スリット(4)の下流側である復流路(4b)が、その上流側である往流路(4a)に近接してＵターンするように構成されたヒートシンク。
請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記各分岐スリット(4)が水平な方向または、重力方向に平行な方向に配置されたヒートシンク。