JPH05343576A - 熱伝達冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】冷却装置１の空洞３内に、冷却装置１の対角線
方向と平行にフィン４を設け、フィン間隙１０は小さな
フィン間隙１０ａ，大きなフィン間隙１０ｂを設ける。
さらに、流体の入口部５からフィン端部８ａまでの間
と、流体の出口部６からフィン端部８ｂまでの間とに、
導流路９ａと９ｂとを設ける。 【効果】伝熱面の温度分布を均一化することにより電子
回路の性能を安定化することができる。また、冷却装置
内の圧力損失を小さくすることにより、多量の流体を流
して冷却性能を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子集積回路等の冷却装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱伝達冷却装置における流体の流
路は、特開昭55−153359号公報に代表される。すなわ
ち、冷却装置の内部の壁面に平行にフィンを設け、しか
も、各フィンの長さやフィン相互の間隙を全体にわたっ
て同一に構成するものである。しかし、この方法では、
フィンを設けられない流路部分が冷却面に偏って存在す
るため、伝熱性能に分布が発生しやすいこと。また、流
体の流れが直交する部分があるため、お互いの流れが干
渉しあって流れを乱し、流れの抵抗を生じて全体的に圧
力損失が大きくなるということへの考慮が充分になされ
ていない。この構造において、伝熱面の温度分布を均一
化させ、しかも、伝熱性能を向上させるために流量を増
加させると、圧力損失が増大して、高い送水ポンプ動力
を要求されるなどの問題が生じてくる。さらに、フィン
間隙が均一で流れの抵抗が同じであると、各フィン間の
流量に分布ができることが知られている。この流量の分
布に関しては、例えば、日本機械学会技術資料「管路・
ダクトの流体抵抗」の中の分配・集合管の項で解説され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は伝熱面の温度
分布を小さく、かつ、冷却性能を高めること、及び、冷
却装置内に多量の流体を流しても流体の圧力損失が小さ
いことの３点の問題を同時に解決することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明はフィンを直方体の対角線の方向と平行に
並べて設置し、直方体の角部に設けた流体の入口から出
口へ至る流路の曲折が小さくなるようにして、流体が各
フィン間を同時に平行して通過すると共に、流体の出口
部へ集まりやすくした。また、流体の入出口部から、各
フィンのフィン端部に到るまでの間に断面積が漸減（入
口側）、漸増（出口側）する導流路を設け、各フィン間
への流量配分が充分にできるようにした。さらに、直方
体の対角線方向と平行に設けたフィン間のフィン間隙を
冷却装置中央部は小さく、冷却装置角部は比較的に大き
くなるように構成し、フィン間の圧力損失配分のバラン
スを図り、流量配分調整を可能にした。実際の流量配分
は、発熱体側の発熱配分等によって決められるものであ
るが、基本的には、各流路の圧力損失を接近させて構成
させる。

【０００５】

【作用】直方体の対角線方向と平行にフィンを設け、流
体が各フィン間を同時に多量に通過できるよう、冷却装
置の流路断面積を最大限に大きくした。また、流路の曲
折角度が小さくなり、流路内直交流れが生じないため、
流路の圧力損失を増大させることができて、冷却装置の
伝熱性能が向上し、冷却装置の入口と出口との温度差を
小さく、伝熱面の温度分布を均一化できる。流体の入口
部から各フィンのフィン端部へ到る導流路は、その断面
積が漸減する構造としたため、従来構造ではフィンを構
成できなかった部分までフィン長さを延長できて、フィ
ンの伝熱面積を増加できる。また、従来構造では、この
導流路が冷却面の中の２ヵ所に構成されていたため、フ
ィン伝熱面積の不足するところが偏って存在していたの
に対し、本構造では導流路が４ヵ所に分散されるため、
１ヵ所当たりの導流路の断面積が小さくなって、その分
フィンの長さを延長できるようになる。さらに、冷却面
からみればフィンを構成できない部分が小さくなって、
しかも、４ヵ所に分散されるため、冷却面の温度分布が
均一化されるという効果が得られる。次に、フィンの長
いところはフィン相互の間隙を小さく、フィンの短いと
ころは、相対的に大きくすることによって、各フィン間
流路の圧力損失を調整し、流路内の流体流量分布を調整
して、冷却面の温度分布が均一化できる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２により
説明する。冷却装置１の構造及び作用はつぎのとおりで
ある。冷却装置１は内壁２によって囲まれた空洞３を有
し、その空洞３内にフィン４を構成する直方体である。
さらに、空洞３内に通じる流体の入口部５と出口部６を
相対する角部７へ設ける。本発明の特徴は次の３点であ
る。まず、第１点は、角部７に設けた流体の入口部５
（出口部６）から各フィン４のフィン端部８（８ａ，８
ｂ）へ到る導流路９（９ａ，９ｂ）を設けたこと。第２
点はフィン４を直方体である冷却装置１の対角線方向と
平行に設けたこと。第３点はフィン４間のフィン間隙１
０（１０ａ，１０ｂ）について、冷却装置１の中央部の
フィン４が長い部分（例えばフィン４ａの部分）は相対
的に小さなフィン間隙１０ａとし、フィン４が短い部分
(例えばフィン４ｂの部分)は相対的に大きなフィン間隙
１０ｂとするように配設したことである。次に、各特徴
によって得られる作用効果について述べる。第１点の導
流路９ａは流体の入口部５から空洞３内に導入された流
体を各フィン４間へ導くものである。入口部５から導流
路９ａへ流れた導入流体１１は、入口部５の近くのフィ
ン４間から次々と各フィン４間へと供給される。この
時、導入流体１１は各フィン４間の全流量を供給するに
足るだけの容量を満足させなければならない。そこで、
本発明のように、入口部５の導流路９ａの断面積を大き
くすることにより、入口部５の付近のフィン間流１２ａ
を供給しつつ、さらに、先への導入流体１１を充分に供
給し、角部７ｂ付近のフィン間流１２ｂも充分に供給で
きる。導入流体１１の容量は角部７ｂに近いほど少なく
てよいため、入口部５の付近に比べて小さい断面積の導
流路９ａでよいことになる。各フィン４のフィン端部８
ｂから流体の出口部６への導流路９ｂは、各フィン間流
１２(１２ａ，１２ｂ)を集めた導出流１３を出口部６へ
導くもので、出口部６に近いほど、集まるフィン間流１
２(１２ａ,１２ｂ）の量が多くなるため、導流路９ｂの
断面積を大きくする必要がある。また、角部７ｂに近い
部分は集まるフィン間流１２ｂの量が少ないため、出口
部６の付近に比べて小さい断面積の導流路９ｂでよい。
このように、断面積の大きさを変えた導流路９を設ける
ことにより、各フィン間流１２（１２ａ，１２ｂ）の入
口側（フィン端部８ａ側）では、各フィン間へ充分な流
体を供給しうる流体を流すことができ、また、出口側
（フィン端部８ｂ側）では、各フィン間流１２（１２
ａ，１２ｂ）を集めた導出流１３の量が増加するにつれ
て、導流路９ｂの断面積を大きく与えるため、出口部６
へ摩擦抵抗が小さい状態で流体を流すことができる。第
２点のフィン４の方向は、冷却装置１の対角線方向と平
行に設けることにより、次の三つの作用効果が得られ
る。すなわち、一つとして、冷却装置１の中央部におい
て、対角線方向に最も大きな流路断面積（従来の約１.
４倍 ）を構成できる構造であるため、多量の流体を摩
擦抵抗の小さい状態で流すことができる。二つめは、入
口部５の１点から導入された流体を冷却装置１の空洞３
内に均一に流すことが容易であるということである。こ
れは、流体の流れ方向の曲折が小さい状態で、入口部５
の一点から、出口部６の一点へ導くことができるためで
ある。三つめは、流れの曲折が小さいため直交流がな
く、流体の壁面への衝突流や２次流れの発生を防止で
き、流体の摩擦抵抗を小さくできることである。第３点
のフィン間隙に大小の分布を与えることは、冷却装置の
中央部は、温度が上昇しやすくなるため、フィン間隙を
小さくしてフィンの数を増し、伝熱面積を拡大するため
である。さらに、摩擦抵抗の異なる流路が並列にある場
合、その抵抗の大きさの比によって、流体の流れる割合
が異なる。すなわち、抵抗の小さいところは多く流れ、
抵抗の大きいところは少なく流れる。本発明の場合、各
フィン間のフィン間隙１０を同じにすると、フィン４ａ
の部分は入口部５から出口部６への流路が短く、抵抗が
比較的に小さくなるため流量が多く流れやすく、フィン
が短い４ｂの部分は入口部５から出口部６への流路が長
くなってしまうため、抵抗が比較的に大きくなるため流
量が少なくなる傾向を示す。そこで、フィン４が長い部
分のフィン間隙１０ａをフィン４が短い部分のフィン間
隙１０ｂに比べて小さくして、摩擦抵抗を調整する。こ
の結果、空洞３内の流量分布が均一化され、冷却装置１
の温度分布が均一化される。図２は電子集積回路装置１
４の冷却に、本発明の冷却装置１を使って冷却した例を
示したものである。電子集積回路装置１４の発熱を接触
面１５を介して冷却装置１へ伝え、冷却装置１の空洞３
内を流れる流体へフィン４を介して熱伝達によって伝え
て、外部へ放出するシステムである。この場合、接触面
１５の温度分布が、電子集積回路装置１４の性能に影響
を与えるため、接触面１５の温度分布を均一化すること
が重要である。本発明の構造により、多量の流体を流す
ことができるため、流体の入口と出口の温度差を小さく
し、接触面の温度分布を均一化することができる。図３
は本発明の第２の実施例を示す冷却装置１の断面図、図
４は、図３のＢ−Ｂ´断面図を示す。この構造が図１と
異なるところは、フィン間隙１０ａと１０ｂとに変化を
与えず、空洞３内に分布するフィン４相互間の全フィン
間隙１０を均一にしたことである。これはフィン４の加
工し易さを目的としたものである。

【０００７】なお、本発明の効果をさらに明確にするた
めに、以下に従来例との比較を行う。

【０００８】まず、流体の流れを中心にして、従来構造
との比較をしながら、本発明の作用効果について述べ
る。まず、図５と図６で本発明の構造における流体の流
れと従来構造の流れとを比較説明する。本発明の構造に
よれば図５に示したように、流体の入口部５から導入さ
れた流体は、入口部５の全方位にわたって、入口流２１
を形成する。このため、入口部５付近のフィン間隙１０
への流入は、流れ方向の曲折を必要としない。また、二
つの導流路９に向かって２方向に分かれた導入流体１１
は、フィン端部８ａより各フィン間隙１０の中へ４５度
の曲折をして流入する。フィン間隙１０内のフィン間流
１２は反対側のフィン端部８ｂで４５度の曲折をして導
出流１３に合流する。フィン間流１２及び導出流１３が
流体の出口部６の中心に向かって集合し、出口流２２を
形成して、流体の出口部６より外部へ流出する。これに
対し、図６の従来構造では、入口流２１の一部が冷却装
置１の側方部２３において、曲折をしない流れがフィン
間隙１０内へ流入するが、それ以外は、ほとんどの流体
が導入流体１１として流れ、９０度の曲折をしてフィン
間隙１０内へ流入して行く。ここで、曲折による圧力損
失の大きさは、曲折角度が大きいほど増加する。故に、
従来構造の曲折角度９０度に対し、本発明の曲折角度は
４５度であり、曲折による圧力損失を小さくできる（約
１／２）。

【０００９】次に、流路断面積について従来構造との比
較を行うと、次のとおりである。本発明の流路断面積は
図５のＣ−Ｃ´断面で代表できる。これに対して従来構
造の流路断面積は図６のＤ−Ｄ´断面で代表できる。両
者を比較すると、三角形の一辺と斜辺の長さとの関係が
あり、本発明の流路断面積は、従来の約１.４ 倍とな
る。故に、従来構造に比べてより多くの流量を流すこと
が可能となり、伝熱性能を向上できる。

【００１０】さらに、導流路９の大きさとフィンの伝熱
面積について、従来構造との比較を行うと、次のとおり
である。従来構造では、図６に示したように、導流路９
の断面積は流体の入口部５から、その導流路終端部２４
に到るまで同じであり、終端部に近付く程、導流路９の
断面積が余ってくる。この不必要な断面積を構成してい
る導流路相当分のフィンが短くなってしまう。これに対
して本発明の構造では図５に示したように、導流路終端
部２４部の導流路９の断面積は、フィン間流１２を満た
せる大きさに漸減させてあるため、導流路９が狭くなっ
た分だけフィン４を長く取ることができる。この結果、
本発明の構造によればフィンの伝熱面積が大きく取れる
ため、伝熱性能を向上できる。また、導流路９の位置に
ついて従来例と比較すると、従来構造の場合は、図６に
示したように、導流路９は冷却装置１のＥ面とＦ面の２
側面にのみ存在するため、この両側面部のフィン４の伝
熱面積が相対的に小さくなってしまい、冷却装置１の伝
熱性能が不均一となってしまう。これに対し、本発明の
構造によれば図５に示したように、導入流１１の導流路
９が冷却装置１のＥ面とＧ面に存在し、導出流１３の導
流路９がＦ面とＨ面に存在する。このため、本発明の構
造によれば、従来構造に比べて、比較的に小さい導流路
９が冷却装置１の４面に分散されるため、伝熱性能の分
布が均一化され、温度分布が均一化される。

【００１１】このように、本実施例によれば、圧力損失
が小さく、多量の流体を流すことができるため、伝熱性
能が大きく、温度分布の均一な冷却装置が得られる。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、断面積の大きな流路が
構成できること、また、曲折の少ない流路を構成できる
ため、流路の摩擦抵抗を減少し、多量の流体を流して伝
熱性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す冷却装置の断面
図。

【図２】図１のＡ−Ａ´矢視断面図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す冷却装置の断面
図。

【図４】図３のＢ−Ｂ´矢視断面図。

【図５】本発明の構造の流体の流れを示す冷却装置の断
面図。

【図６】従来の構造の流体の流れを示す冷却装置の断面
図。

【符号の説明】

１…冷却装置、２…内壁、３…空洞、４…フィン、５…
入口部、６…出口部、７…角部、８…フィン端部、９…
導流路、１０…フィン間隙、１４…電子集積回路装置、
１５…接触面、２３…側方部、２４…導流路終端部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直方体の内部に流路を構成し、前記流路に
   フィンを設けたものにおいて、１平面上の複数の角部に
   流体の入出口を設け、前記直方体の対角線方向に平行に
   並ぶフィンを設けたことを特徴とする熱伝達冷却装置。