(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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５】
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
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【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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