(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水の流通経路に配設されて該冷却水と熱交換する冷却器であって、
板面が前記冷却水の流通経路に沿って配設されるベース板と、
格子状に並ぶように前記ベース板の板面にそれぞれ立設され、前記冷却水の流通経路内に配設される複数のフィンと、
を備え、
前記複数のフィンのそれぞれは、菱形柱状であり、該菱形柱状における菱形の長い対角線が前記冷却水の流通経路方向に沿って配設され、前記菱形柱状における菱形の長い対角線の長さａ（ｍｍ）、該菱形の短い対角線の長さｂ（ｍｍ）が、０．２７０≦ｂ／ａ≦０．３２５を満たすように構成されている、
冷却器。
【請求項２】
前記複数のフィンは、前記菱形柱状における菱形の長い対角線の長さａ（ｍｍ）、該複数のフィンの互いの隙間距離ｔ（ｍｍ）が、１．０≦ａ≦７．０，０．６≦ｔ≦２．０を満たすように構成されている、
請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
冷却水の流通経路に配設されて該冷却水と熱交換する冷却器であって、
厚さ方向に貫通する複数のスリットが前記冷却水の流通経路方向に対して垂直な方向に並んで形成されている熱交換プレートが複数積層されて構成され、前記熱交換プレートの板面が前記冷却水の流通経路に沿うように配設されて前記スリットを前記冷却水が流通する積層体を備え、
前記複数のスリットのそれぞれは、前記熱交換プレートの板面に垂直な方向から見て、隣り合うスリット同士で位相が反対となるように、屈折したパターンを連続して有する鋸刃状に形成され、前記屈折したパターンは、前記熱交換プレートの板面に垂直な方向から見て、底辺ａ（ｍｍ）、高さｂ’（ｍｍ）が０．２７０≦（２・ｂ’）／ａ≦０．３２５を満たす二等辺三角形状である、
冷却器。
【請求項４】
前記積層体は、前記複数の熱交換プレートごとに前記複数のスリットの位置を板面に沿ってずらして構成される、
請求項３に記載の冷却器。
【請求項５】
前記複数の熱交換プレートには、第１の熱交換プレートと、該第１の熱交換プレートよりも前記複数のスリットが短く形成されている第２の熱交換プレートとが含まれ、
前記積層体は、前記第１の熱交換プレートと前記第２の熱交換プレートとが交互に積層されて構成されている、
請求項３又は４に記載の冷却器。
【請求項６】
前記積層体は、同一の構成の熱交換プレートが複数積層されて構成され、
前記複数のスリットは、前記冷却水の流入出側の端部の所定領域において、該冷却水の流通経路方向に沿って平行に形成されている、
請求項３又は４に記載の冷却器。
【請求項７】
請求項３から６の何れか１項に記載の冷却器が冷却水の流通経路に配設され、
前記流通経路における前記冷却器への冷却水の流入出口には、前記積層体の積層方向に拡口された拡口部が形成されており、該拡口部を通じて前記熱交換プレートの板面に対して冷却水が垂直に流入出する、
冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器及び冷却装置に係り、詳しくは、冷却水の流通経路に配設されて冷却水と熱交換する冷却器及びそれを用いた冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＰＵやＬＳＩ、インバータ等の電子機器・パワー半導体等の冷却対象を冷却する高効率な冷却機構として、金属で構成されて、冷却対象が熱的に接続されるベース部の板面に、円柱状や直方体状の複数のピンフィンが立設されるものが知られている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。特許文献１や非特許文献１に記載の冷却機構では、ピンフィンに対して冷却風を吹き付けて冷却対象を冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９０２６５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】近藤義広、松島均，「ＬＳＩパッケージ搭載用ピンフィン形ヒートシンクの噴流冷却特性に関する実験的検討」，日本機械学会論文集（Ｂ編）６１巻５８２号，ｐ．３３９−３４５，１９９５年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こうした円柱状や直方体状の複数のピンフィンを備える冷却機構では、ピンフィンの熱伝達率が良く、高い冷却性能を実現することができる。しかし、水やＬＬＣなどの冷却水を用いて、ピンフィン同士の隙間に冷却水を流通させる場合には、冷却水の圧力損失が大きく、冷却水を圧送する機構として出力が大きなものを用いる必要があった。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、熱交換効率が高く、かつ冷却水の圧力損失が小さい冷却器及びそれを用いた冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の冷却器は、
冷却水の流通経路に配設されて該冷却水と熱交換する冷却器であって、
板面が前記冷却水の流通経路に沿って配設されるベース板と、
格子状に並ぶように前記ベース板の板面にそれぞれ立設され、前記冷却水の流通経路内に配設される複数のフィンと、
を備え、
前記複数のフィンのそれぞれは、菱形柱状であり、該菱形柱状における菱形の長い対角線が前記冷却水の流通経路方向に沿って配設され、前記菱形柱状における菱形の長い対角線の長さａ（ｍｍ）、該菱形の短い対角線の長さｂ（ｍｍ）が、０．２７０≦ｂ／ａ≦０．３２５を満たすように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱交換効率が高く冷却水の圧力損失が小さい冷却器や冷却装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷却装置の構成の概要を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る熱交換ユニット示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る熱交換ユニットを示す平面図である。
【図４】図１中のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５】実施の形態１に係る熱交換ユニットのフィンを拡大して示す図である。
【図６】熱交換ユニットの形状を変化させたときの圧力損失と熱伝達率特性とを示す図である。
【図７】フィンの菱形形状の短長比を固定して、菱形形状の長い対角線の長さと、フィン同士の隙間距離とを変化させたときの圧力損失と熱伝達率特性とを模式的に示す図である。
【図８】フィンの菱形形状のアスペクト比ごとにパレート最適度を示す図である。
【図９】実施の形態２の冷却装置の構成の概要を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る冷却装置の積層体を示す平面図である。
【図１１】図１０中のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図１２】プレートのスリット周辺を拡大して示す図である。
【図１３】複数のプレートを積層させて積層体とするのを説明する図である。
【図１４】実施の形態３に係る積層体の構成の概要を示す図である。
【図１５】図１４中のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図１６】図１４中のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【図１７】実施の形態４に係る積層体の構成の概要を示す図である。
【図１８】実施の形態４に係る積層体のプレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１０の構成の概要を示す図である。本発明の実施の形態１に係る冷却装置１０は、例えばＣＰＵやＬＳＩ、インバータなどの電子機器やパワー半導体などの冷却対象を冷却するために用いられる。冷却装置１０は、図１に示すように、冷却水の流入口１１と、流出口１２と、ケース１３と、熱交換ユニット（冷却器）２０とを備える。また、この冷却装置１０は、例えば電動式モータによって駆動されるポンプなどの図示しない冷却水圧送機構を備える。以下、図中太線矢印は、冷却水の流れを示している。なお、冷却装置１０では、冷却水圧送機構によって冷却水を循環させてもよい。この場合、循環する流通経路内に、リザーバやフィルタを備えてもよい。また、冷却水としては、例えば水やＬＬＣ、アルコールなど適宜選択して用いることができる。
【００１２】
流入口１１や流出口１２、ケース１３のそれぞれは、銅、アルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で生成され、冷却水の流通経路の一部を構成する。この実施の形態では、ケース１３は、直方体状の広い一面が開口した箱状に形成されており、流入口１１や流出口１２と接続する孔１３ａ付近に掘り込み１３ｂが形成されている。また、流入口１１や流出口１２は、パイプ状に形成されている。流入口１１や流出口１２、ケース１３は、鋳造などによって一体に形成されてもよいし、それぞれの部材が接着剤によって接着、または溶剤によって溶着されてもよい。
【００１３】
熱交換ユニット２０は、ケース１３などと同様に、銅、アルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で形成され、ケース１３の開口面に取り付けられる。熱交換ユニット２０は、図２〜図４に示すように、板状のプレート部２１と、複数のフィン２２とを有する。プレート部２１は、ケース１３の開口面に合わせた形状に形成されており、接着剤による接着や溶剤による溶着によってケース１３の開口面に取り付けられる。これにより、プレート部２１は、板面が冷却水の流通経路に沿って配置され、ケース１３や流入口１１、流出口１２とともに冷却水の流通経路を構成する。
【００１４】
複数のフィン２２は、プレート部２１の板面に立設されている。この複数のフィン２２は、例えばダイカスト法を用いてプレート部２１と一体に形成してもよいし、プレート部２１に対してそれぞれにろう付けやはんだ付けなどしてもよい。複数のフィン２２のそれぞれは、プレート部２１の板面に平行な断面を菱形とする菱形柱状であり、冷却水の流入口１１と流出口１２とを結んだ冷却水の流通経路方向に沿った方向、及び、その垂直な方向に沿って、プレート部２１に格子状に二次元配列されている。複数のフィン２２のそれぞれは、菱形の長い対角線が流通経路方向に沿うように配設されており、この実施の形態では、複数のフィン２２の壁面同士の距離ｔが略均等になるように、プレート部２１の板面に千鳥格子状に配置されている。
【００１５】
冷却装置１０では、ケース１３や、熱交換ユニット２０における複数のフィン２２が配設された面とは反対側の面に冷却対象が取り付けられ、流入口１１からケース１３と熱交換ユニット２０との間に冷却水が流入し、複数のフィン２２の隙間を通って、流出口１３から冷却水が流出される。そして、冷却装置１０では、冷却対象からケース１３や熱交換ユニット２０に熱が伝えられ、冷却水がケース１３と熱交換ユニット２０との間を通過するときに、ケース１３や熱交換ユニット２０から冷却水に熱が放散されることによって冷却対象が冷却される。この実施の形態の冷却装置１０では、菱形柱状の複数のフィン２２が格子状に立設されて熱交換ユニット２０が構成されているので、冷却水がフィン２２の隙間を流通するときの圧力損失を小さくすることができるとともに冷却装置１０の熱伝達率効率を高くすることができる。
【００１６】
次に、熱交換ユニット２０における菱形柱状のフィン２２の、特に好ましい形状について説明する。図５は、複数のフィン２２の一部を上面から見て模式的に示す図であり、図６は、菱形柱状のフィン２２における菱形の短長比（ｂ／ａ）、菱形の長い対角線の長さａ、複数のフィン２２同士の隙間距離ｔを変化させたときの冷却装置１０の圧力損失、熱伝達率特性を示す図である。図６では、フィン２２の菱形の短長比（ｂ／ａ）、長い対角線の長さａ（ｍｍ）、隙間距離ｔ（ｍｍ）をそれぞれ、次式（１）〜（３）の範囲で変更し、三次元流体シミュレーションによって圧力損失、熱伝達率特性を得ている。そして、図６には、フィン２２の形状及び配置（短長比（ｂ／ａ）、長い対角線の長さａ、隙間距離ｔ）に対する、圧力損失と熱伝達率特性のパレート解Ｐを太線で示している。ここで、パレート解Ｐは、圧力損失と熱伝達率特性との一方を改善させるためには、他方を改悪せざるをえない状態となる解であり、パレート解Ｐとなるフィン２２の形状は、圧力損失と熱伝達率特性において最適な形状であるといえる。
【００１７】
0.15≦b/a≦0.45   ・・・（１）
1.0≦a≦7.0      ・・・（２）
0.6≦t≦2.0      ・・・（３）
【００１８】
図７は、フィン２２の菱形の短長比（ｂ／ａ）の値を固定し（例えば、０．１５≦ｘ≦０．４５を満たす任意のｘ（ｍｍ）に固定）、長い対角線の長さａと隙間距離ｔを上記式（２）、（３）を満たす範囲で変化させたときの冷却装置１０の圧力損失、熱伝達率特性を模式的に示す図である。図７には、フィン２２の菱形の短長比（ｂ／ａ）を固定したときの圧力損失、熱伝達率特性の計算結果範囲の境界線Ｌと、図６に示したパレート解Ｐとを合わせて示している。境界線Ｌとパレート解Ｐとが近いほど、その短長比（ｂ／ａ）のフィン２２の圧力損失、熱伝達率特性がパレート解Ｐに近く、好適な短長比（ｂ／ａ）であるといえる。ここで、次式（４）に示すパレート最適度Ｏｐを定義して、任意の短長比（ｂ／ａ）の境界線Ｌとパレート解Ｐとの近さを表す指標とした。このパレート最適度Ｏｐは、境界線Ｌとパレート解Ｐとの間の面積（図７中、斜線部）を熱伝達率の幅Δｈｂで除して逆数をとったものに相当し、パレート最適度Ｏｐが大きいほど、その短長比（ｂ／ａ）での境界線Ｌがパレート解Ｐに近く、性能が優れたフィン２２とすることができる短長比（ｂ／ａ）であるといえる。
【００１９】
Op=Δhb/∫[L(hb)-P(hb)]dhb    ・・・（４）
【００２０】
図８は、フィン２２の短長比（ｂ／ａ）とパレート再適度Ｏｐとの関係を示す図である。図示するように、パレート最適度Ｏｐは、短長比（ｂ／ａ）が０．３付近で極大値をとっている。この実施の形態の計算結果では、短長比（ｂ／ａ）が０．２７０≦ｂ／ａ≦０．３２５を満たす範囲のときに、パレート最適度Ｏｐが４０以上となって、フィン２２の性能が特に優れたものとなった。
【００２１】
上述した冷却装置１０では、複数のフィン２０は、互いの隙間距離ｔが略等しくなるように千鳥格子状に配列されるものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、冷却水の流入口１１と流出口１２とを結ぶ流通経路方向およびその垂直な方向への間隔が一定（近接を含む）となるように格子状に配設されてもよい。
【００２２】
実施の形態２．
図９は、実施の形態２の冷却装置１１０の構成の概要を示す図である。実施の形態２の冷却装置１２０では、実施の形態１の熱交換ユニット２０に代えて積層体３０が備えられている。積層体３０は、複数のプレート（熱交換プレート）３１が積層されて構成されており、ケース１３の開口から入れられて蓋１４で覆われることにより、冷却水の流通経路に配設される。以下、実施の形態１と共通する構成については説明を省略する。
【００２３】
積層体３０を構成する複数のプレート３１は、銅やアルミニウム、鉄などの熱伝導率が高い材料で形成されている。複数のプレート３１のそれぞれは、図９〜図１１に示すように、板面を長方形とする板状に形成され、厚さ方向（積層方向）に貫通する複数の鋸刃状（ジグザグ状）のスリット３２が形成されている。複数の鋸刃状のスリット３２のそれぞれは、冷却水の流入口１１と流出口１２とを結ぶ方向である冷却水の流通経路方向に沿って長い形状に形成され、それぞれが冷却水の流通経路方向と垂直な方向に並んで形成されている。また、複数のスリット３２それぞれは、屈折するパターンが連続する鋸刃状であり、隣り合うスリット３２同士で位相が反対となっている（１８０度ずれている）。プレート３１における複数のスリット３２は、例えば、プレス加工による打ち抜きや、レーザカット加工、エッチング加工などによって形成することができる。
【００２４】
この実施の形態では、複数のスリット３２は、実施の形態１で説明した菱形に基づいてパターンが定められている。複数のスリット３２は、図１２に示すように、底辺ａと高さｂ’が、０．２７０≦（２・ｂ’）／ａ≦０．３２５を満たす二等辺三角形のパターンが連続する鋸刃状に形成されている。つまり、複数のプレート３１では、隣り合うスリット３２を隔てるプレート３１の部位において、二等辺三角形のパターンに左右両側（冷却水の流通経路方向に垂直な方向の両側）に突出しており、実施の形態１で説明した菱形に類似する形状となっている（ｂ’＝ｂ／２）。
【００２５】
複数のプレート３１は、図１３に示すように、隣接するプレート３１同士のスリット３２が連通するように、ろう付けやはんだ付けによって水密に接合され、積層体３０を構成する。そして、積層体３０がケース１３に入れられて蓋１４で覆われ、冷却装置１１０が構成される。この実施の形態では、上述したように、ケース１３には、流入口１１と流出口１２と接続する孔１３ａ付近に掘り込み１３ｂが形成されている。この堀り込み１３ｂは、積層体３０の積層方向に拡口するように形成されており、冷却装置１１０では、流入口１１からケース１３内に冷却水が進入すると、掘り込み１３ｂを通じて、積層体３０のプレート３１の板面に対して冷却水が垂直に流入する。そして、プレート３１に形成された複数のスリット３２を通じて、冷却水が流出口１２側に向かい、流出口１２側の掘り込み１３ｂを通じて、プレート３１の板面に対して垂直に流出する。
【００２６】
以上説明した実施の形態２の冷却装置１１０では、積層体３０を構成するプレート３１のスリット３２が、隣り合うスリット同士３２で位相が反対となるように鋸刃状に形成され、隣り合うスリット３２を隔てるプレート３１の部位が、実施の形態１で説明した菱形と類似する形状となるように二等辺三角形のパターンに突出しているので、冷却装置の冷却水の圧力損失を小さくできるとともに熱伝達効率を高くすることができる。また、プレート３１を積層させるときに、スリット３２同士の位置を板面方向に互いに若干量ずらして連通させることにより、冷却水と積層体３０が接触する面積を大きくしたり冷却水の攪拌させたりして熱交換効率を向上を図ることができる。また、スリット３２を冷却水の流通経路方向にずらせば、例えばケース１３の掘り込み１３ｂを設けなくとも、スリット３２に冷却水を容易に流入させることができる。
【００２７】
実施の形態３．
図１４は、実施の形態３の積層体３０Ａの平面図であり、図１５および図１６は、図１４中のＣＣおよびＤＤ矢視断面図である。実施の形態３では、実施の形態２と同様に、複数の鋸刃状のスリット３２が形成されたプレート３１が積層されて積層体３０が構成されているが、積層されるプレート３１に、冷却水の流通経路方向に長いプレート３１Ａと短いプレート３１Ｂとが含まれる。図１４〜図１６に示すように、スリット３２の位置をずらして積層体３０を構成すると、冷却水と積層体３０の接触する面積を大きくすることができるとともに、冷却水を積層方向へ移動させて、冷却装置の熱交換効率の向上を図ることができる。ここで、スリット３２同士のずらす量を大きくすることによって、こうした効果を得やすくなるものの、スリット３２同士の連通するスペースが小さくなると、図１５中、破線矢印に示すように、積層体３０内に異物が侵入した場合に、異物が積層体３０から排出できなくなってしまうおそれがある。例えば、冷却水の流通経路方向にずらした量（図１６中、符号ｊ１）よりも、その直交する方向にずらした量（図１５中、符号ｉ）が小さい場合には、隙間ｊ１から入った異物が大きいと、隙間ｉを通ることができない（積層方向に異物が移動できない）。これに対して、この実施の形態３では、図１５に示すように、プレート３１に、冷却水の流通経路方向にスリット３２が長いプレート３１Ａと短い３１Ｂとを用いて、交互に積層させることにより、流出口１２付近に異物を排出できるスペースを確保することができ（図１６中、隙間ｊ２＞ｊ１）、異物が詰まるのを抑制することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図１７は、実施の形態４の積層体３０Ｂの平面図であり、図１８は、実施の形態４のプレート３１Ｃの平面図である。実施の形態４の積層体３０Ｂは、図示するように、１種類の複数のプレート３１Ｃを１枚置きに１８０°回転させて積層することにより構成されている。この実施の形態のプレート３１Ｃは、冷却水の流入口１１、流出口１２付近の所定領域（図１６中、斜線部）において、スリット３２が平行に形成されている。このようにスリット３２が平行に形成されることによって、プレート３１Ｃを１８０°回転させても、スリット３２同士の位置をずらさずに連通させることができる。また、平行に形成されたスリット３２の流入側と流出側の一方は、端部が切り欠き３２ａとなっている。これにより、流入口１１、流出口１２への冷却水の流通を阻害しないようにすることができるとともに、プレート３１Ｃ間での冷却水の移動を促進させて熱伝達効率を高くすることができる。また、切り欠き３２ａとスリット３２とを隔てるプレート部分を適当な位置とすることによって、実施の形態３の積層体３０Ａと同様に、異物が排出されるスペースを確保して異物が詰まるのを抑制することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上述した実施の形態に限定されず、種々の変形および応用が可能である。例えば、ケース１３は、直方体状であるものとしたが、例えば、流入口１１や流出口１２付近が流入口１１から拡径したり、流出口１３に向けて縮径するように形成されるなど、形状は如何なるものとしても構わない。
【００３０】
上述した実施の形態２〜４では、積層体３０は、ケース１３に蓋１４で覆われて収納されるものとしたが、積層体３０の端面に蓋１４の代わりとなるカバープレートが積層されて、蓋１４を用いることなく、積層体３０がケース１３に取り付けられてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  冷却装置
１１  流入口
１２  流出口
１３  ケース
１４  蓋
２０  熱交換ユニット
２１  プレート部
２２  フィン
３０、３０Ａ、３０Ｂ  積層体
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ  プレート
３２  スリット
【図１】
0005901343.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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