CN105593988B - 散热系统 - Google Patents

Abstract

一种通过基体(22)与冷却用流体之间的热交换进行散热的散热系统。该散热系统在基体(22)的与冷却用流体接触的表面设有冷却结构，该冷却结构具有由多个凹部(22b)构成的涡流生成部(C1)，该涡流生成部(C1)在与冷却用流体的流通方向(α)交叉的方向(β)上延伸且与冷却用流体的流动条件相对应地使冷却用流体产生涡流。将涡流生成部的凹部深度H与壁面附近的层流底层厚度δ_b满足用H＞δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d(Re表示雷诺数，d表示特征长度，雷诺数为Re＝ud/ν，ν为冷却用流体的动粘度，u为冷却用流体的流速，d为特征长度)所表达的关系，该散热系统将冷却用流体控制在满足u/ν≤206×d^1/7(u、ν及d代表的含义与上述相同)所表示的流动条件的范围内并进行运转。

Description

散热系统

技术领域

本发明涉及一种应用于半导体、电机等发热体的冷却的散热系统，再详细而言，本发明涉及这样一种高效的散热系统：在促进传热的适当的流动条件下对利用了固体与流体之间的热交换的冷却结构加以使用。

背景技术

作为这种现有技术，存在以“冷却装置”作为名称在专利文献1中所公开的技术。

专利文献1中公开的冷却装置具有向背离电子元件的方向延长的多个散热构件，其通过使冷却用流体在上述各散热构件相互之间通过来进行上述电子元件的冷却，该多个散热构件的长度以随着因上述电子元件的发热而产生的热传导温度变低而变短的方式形成。

此外，在该冷却装置中，上述多个散热构件的长度以沿着冷却用流体的流动方向从电子元件的中央部向着端部变短的方式形成。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-8264号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，这样的以往的冷却装置使多个散热构件向背离电子元件的方向延长，且使散热构件与冷却用流体之间的接触面积增大来进行冷却，难以实现小型化。

本发明是着眼于这样的现有技术中存在的问题而做出的，其目的在于提供这样一种散热系统，即：既可实现装置的小型化及降低冷却用流体的压力损失，还能促进传热性来实现效率良好的散热。

本发明的发明人为了达到上述目的而反复进行了锐意钻研，结果发现：通过将具有由规定的凹部构成的涡流生成部的冷却结构在冷却用流体的恒定的流动条件下应用能够达到上述目的，遂完成了本发明。

即，本发明的散热系统是利用基体与冷却用流体之间的热交换进行散热的散热系统，其中，

该散热系统在基体的与冷却用流体接触的表面上设有具有由多个凹部构成的涡流生成部的冷却结构，该多个凹部在与该冷却用流体的流通方向交叉的方向上延伸且与所述冷却用流体的流动条件相对应地使流体产生涡流。

并且，在该散热系统中，使所述涡流生成部的凹部深度H和壁面附近的层流底层厚度δ_b满足如下式(1)所表达的关系：

H＞δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d…(1)

(式中的Re表示雷诺数，d表示特征长度，雷诺数由Re＝ud/ν规定，ν表示所述冷却用流体的动粘度，u表示所述冷却用流体的流速，d表示特征长度)，并且该散热系统将所述冷却用流体控制在满足如下式(2)所表达的流动条件的范围内并进行运转：

u/ν≤206×d^1/7…(2)

(式中的u、ν及d所表示的含义与上述相同)。

发明的效果

根据本发明，由于将具有由规定的凹部构成的涡流生成部的冷却结构在冷却用流体的恒定的流动条件下应用，所以能够提供一种不仅能实现装置的小型化并降低冷却用流体的压力损失、而且还能促进传热性来实现效率良好的散热的散热系统。

附图说明

图1是表示本发明的散热系统的一个实施方式的系统构成图。

图2的(A)是表示构成散热系统的一部分的逆变器的结构的沿图1的I-I线的剖视图，(B)是表示冷却体上的与冷却用流体接触的接触面的俯视图。

图3是沿图2的(A)的II-II线的剖视图。

图4的(A)是表示第一变形例所涉及的涡流生成部的说明图，(B)是表示第二变形例所涉及的涡流生成部的说明图，(C)是表示第三变形例所涉及的涡流生成部的说明图，(D)是表示第四变形例所涉及的涡流生成部的说明图。

图5是表示槽的截面形状和热通过系数的测定结果的图表。

图6是表示槽的截面形状和热通过系数的测定结果的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本发明的散热系统的一个实施方式的系统构成图，图2的(A)是表示构成该散热系统的一部分的逆变器的结构的沿图1的I-I线的剖视图，图2的(B)是表示冷却体上的与冷却用流体接触的接触面的俯视图。此外，图3是沿图2的(A)的II-II线的剖视图。

如图1所示，本发明的一个实施方式所涉及的空冷系统A，包括散热器10、水冷式电机11、DC-DC转换器12、逆变器20、电动泵13及控制器B。

水冷式电机11、DC-DC转换器12、逆变器20及电动泵13连接于控制器B的输出侧，并被进行适当的控制。

控制器B由CPU(Central Processing Unit)、接口电路等构成，通过执行所需程序而发挥所期望的功能。

逆变器20是利用直流电以电气的方式生成交流电的电力转换装置，在本实施方式中，如图2的(A)所示，逆变器20具有将水套2、作为基体的一例的冷却体22、电绝缘材料23、由铜等材料形成的母线24、焊料层25、由铜、钼等材料形成的热缓冲盘26、焊料层27以及作为发热体的半导体芯片30依次层叠起来的结构。

在水套21的冷却用流体流入侧侧壁21d上形成有用于使冷却用流体流入的流入口21e，在冷却用流体流出侧侧壁21f上形成有用于使冷却用流体流出的流出口21g。

在该水套21中，冷却用流体经由所述流入口21e和流出口21g在图1及图2中用符号“α”表示的方向上流通。

在本实施方式中，冷却体22形成为板体，在面向所述水套21内的表面、即与冷却用流体接触的接触面(流体接触面)22a上设有以下将进行说明的冷却结构。

该冷却结构具有如下功能：通过使冷却用流体(的流动)与配置有作为发热体的半导体芯片30的冷却体22接触并进行热交换，来对半导体芯片30进行冷却，该冷却结构形成有涡流生成部C1，该涡流生成部C1在与冷却用流体的流通方向α交叉的方向β上延伸，且与冷却用流体的流通速度相对应地使冷却用流体产生涡流。

在本实施方式中，在作为基体的冷却体22上，隔着上述的绝缘材料23、母线24、焊料层25、缓冲盘26及焊料层27载置有作为发热体的半导体芯片30。

另外，热缓冲盘26用来缓冲与半导体芯片30之间的线膨胀率之差。

涡流生成部C1在与冷却用流体的流通方向α交叉的方向上延伸，并且具有与冷却用流体的流通速度相对应地使冷却用流体产生涡流的功能。

在本实施方式中，使多个作为凹部的、截面呈半圆形的槽22b以规定的间隔连续形成在冷却体22的流体接触面22a(参照图2)上。

在本实施方式中，相邻的两个槽22b、22b彼此以将其划分出来的内壁相互交叉的规定的间隔形成，其满足以下条件。

“使凹部连续地形成”是指，除了使相邻的凹部的内壁在相互交叉的形态下进行排列之外，还包括不使这些相邻的凹部的内壁相互交叉的形态。

在不使凹部的内壁交叉的形态的情况下，最好使相邻的凹部的内壁的末端相互以曲面等平滑地连续。这样，若使内壁的末端相互以曲面等平滑地连续则容易进行机械加工。

“内壁相互交叉”是指，在将凹部形成为截面呈半圆形的槽的情况下，除了像针对其每一个直径尺寸形成恒定的间隔进行排列时那样，内周壁面抵接彼此在流体接触面上的形态之外，还包括以上述直径尺寸以下的间隔进行排列的形态。在这种情况下，相邻的槽的内周壁面会在流体接触面以下相互交叉。

凹部的截面形状不限于上述的截面呈半圆形的形状，当然也可以是不规则的形状，还可以将它们组合起来进行排列。

也就是说，只要是与冷却用流体的流通速度相对应地使冷却用流体产生涡流的凹部即可。

“规定的间隔”是指，相隔恒定的间隔，也包括多个凹部全体或者其一部分相隔不规则的间隔这两种情况。

通过将相邻的两个槽22b、22b彼此以将其划分出来的内壁相互交叉的规定的间隔排列形成，能够形成更多的槽22b，能够使冷却用流体生成更多的涡流。

在本实施方式中，槽(凹部)22b等部分以满足以下条件的方式构成，或者说优选将它们如此构成。

(1)使槽(凹部)22b的最大深度H(参照图2)大于根据作为流动条件的雷诺数Re和特征长度d计算的壁面附近的层流底层厚度δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d。

即，使凹部22b的最大深度H和壁面附近的层流底层厚度δ_b，满足以如下式(1)所表达的关系：

H＞δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d…(1)

(式中的Re表示雷诺数，d表示特征长度，雷诺数由Re＝ud/ν来规定，ν表示上述冷却用流体的动粘度，u表示上述冷却用流体的流速，d表示特征长度)。

并且，在本实施方式的散热系统中，还将冷却用流体控制在满足以如下式(2)所表达的流动条件的范围内，并进行系统运转：

u/ν≤206×d^1/7…(2)

(式中的u、ν及d所表示的含义与上述相同)。

通过采用该流动条件，代表性地将上述的层流底层厚度δ_b控制在0.7mm以下。

此外，在本发明的散热系统中，优选将冷却用流体的流动条件控制在满足如下式(3)的范围内：

u/ν≤455×d^1/7…(3)

(式中的u、ν及d所表示的含义与上述相同)。

通过采用该流动条件，代表性地将层流底层厚度δ_b控制在0.4mm以下。

(2)利用由剪切应力τ_ω和流体密度ρ计算的剪切速度u_τ＝(τ_ω/ρ)^1/2及由冷却用流体的流速u、密度ρ、雷诺数Re计算的管摩擦系数的实验式C_f＝τ_ω/(0.5ρu²)＝0.73Re^-0.²⁵和冷却用流体的动粘度ν对槽22b的开口宽度W进行无因次化，该无因次化而得到的值W⁺＝Wu_τ/ν处于25～300的范围。

(3)使槽22b的最大深度H小于从流体接触面到与其相对的流路面(底壁面21c)的距离X。

(4)将根据与冷却用流体的流通方向正交的流路截面的最小流路截面积A和最大湿周长度L计算的特征长度d＝4A/L变大。

这里，最小流路截面积A的意思是，由图3所示的轮廓线段L1、L2、L3、L4划分出的截面积。

轮廓线段L1、L3的长度同底壁面21c和凸部22c的顶部之间的间隔的长度一致，此外，轮廓线段L2、L4的长度是槽22b的长度。

此外，如图3所示，“湿周长度L”是指由轮廓线段L5、L6、L7、L8划分出的流路截面中与冷却用流体接触的轮廓线的长度。

轮廓线段L5、L7的长度同底壁面21c和凹部22b的底部间的间隔的长度一致，此外，轮廓线段L6、L8的长度是凹部22b的长度。

(5)优选使特征长度d＝4A/L在0.004以上，进一步优选使特征长度d＝4A/L在0.007以上。

(6)优选使槽22b的与冷却用流体的流通方向α正交的方向β的凹部的宽度无因次化而得到的值W⁺处于40～150的范围。

(7)越向凸侧的顶端去，相对于冷却用流体的流通方向α而言的凸部的长度越小，在流动方向上凸部顶端平坦的区域越小，凹凸形状在冷却用流体的流动方向上是连续的。

通过采用以上那样的结构，能够得到如下效果。

由于形成有在与冷却用流体的流通方向交叉的方向上延伸、且与冷却用流体的流通速度相对应地使冷却用流体产生涡流的涡流生成部，所以能够利用由该涡流生成部产生的涡流对发热体或者配置有发热体的基体附近的冷却用流体进行搅拌，从而谋求促进传热。

由于使槽22b(凹部)的最大深度H大于根据作为流动条件的雷诺数和特征长度d计算的壁面附近的层流底层厚度δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d，所以能够以发热体或者配置有发热体的基体附近的层流底层的厚度以上的深度促进传热。

由于利用由剪切应力τ_ω与流体密度ρ计算的剪切速度u_τ＝(τ_ω/ρ)^1/2及由流速u、密度ρ、雷诺数Re计算的管摩擦系数的实验式C_f＝τ_ω/(0.5ρu²)＝0.73Re^-0.²⁵和动粘度ν对槽22b的开口宽度W进行无因次化，该无因次化而得到的值W⁺＝Wu_τ/ν处于25～300的范围，所以能够提高热传递效率。

通过使根据与冷却用流体的流通方向正交的流路截面的最小流路截面积A和最大湿周长度L计算的特征长度d＝4A/L在0.004以上，能够降低壁面剪切的影响，抑制压力损失的增大。

通过把凹部形成为与冷却用流体的流通方向交叉的槽，能够在流体接触面的与所述流通方向交叉的方向上的整个区域中形成涡流，由此可促进传热。

通过将在供冷却用流体流动的面开口的槽的宽度设为规定的值，能够进一步提高传热性能。

通过采用在与冷却用流体的流通方向正交的方向上连续的槽，能够增加在该流通方向上的漩涡的产生频率，促进传热。

通过在冷却体的流体接触面上设置凹陷的槽，能够使应用了冷却结构的发热体、基体实现进一步小型化。

接下来，参照图4的(A)～图4的(D)，对涡流生成部的变形例进行说明。图4的(A)是表示第一变形例所涉及的涡流生成部的说明图，图4的(B)是表示第二变形例所涉及的涡流生成部的说明图，图4的(C)是用于表示第三变形例所涉及的涡流生成部的说明图，图4的(D)是表示第四变形例所涉及的涡流生成部的说明图。

图4的(A)所示的第一变形例所涉及的涡流生成部C2将直线形的槽40在冷却用流体的流通方向α上相互隔开恒定的间隔并倾斜形成。

图4的(B)所示的第二变形例所涉及的涡流生成部C3使锯齿状的槽41相互隔开恒定的间隔并与冷却用流体的流通方向α正交。

图4的(C)所示的第三变形例所涉及的涡流生成部C4使波浪形的槽42相互隔开恒定的间隔并与冷却用流体的流通方向α正交。

图4的(D)所示的第四变形例所涉及的涡流生成部C5使直线形且断续状的槽43相互隔开恒定的间隔并与冷却用流体的流通方向α正交。

实施例

以下，通过几个实施例及对比例进一步对本发明进行详细说明。

(实施例1～4)

作为涡流生成部采用了在与冷却用流体的流动方向大致正交的方向上延伸的槽(参照图2的(B))。但是，如图5的(B)所示，槽的截面形状为楔形，槽的宽度为0.8mm，凹部深度H为2mm。

针对具有上述那样的涡流生成部的冷却结构，设置了作为发热体的加热器(参照图2)，作为冷却用流体，使水(实施例1)、长寿冷却液(ロングライフクーラント)(LLC)PITWORK(日产原厂)的30质量％的水溶液(实施例2)、50质量％的水溶液(实施例3)、70质量％的水溶液(实施例4)进行流通，测定了传热系数。试验条件记载如下。

(试验条件)

所得结果示于图5的(A)。另外，在图(A)中，层流底层δ_b≤0.7mm相当于u/ν≤206×d^1/7(ν表示冷却用流体的动粘度，u表示所述冷却用流体的流速，d表示特征长度)，层流底层δ_b≤0.4mm相当于u/ν≤455×d^1/7。

(对比例1～4)

在未设置涡流生成部的情况下测定了传热系数。即，使用了未设置上述那样的槽的平滑平板，除此之外重复了与实施例1～4同样的操作，所得结果示于图5的(A)。

(实施例5～8)

如图6的(B)所示，形成了具有截面形状为曲率半径1mm的半圆形、凹部深度为1mm的槽的涡流生成部。除此之外重复了与实施例1～4同样的操作，所得结果示于图6的(A)。

(对比例5～8)

使用了未设置上述那样的槽的平滑平板，除此之外重复了与实施例5～8同样的操作，所得结果示于图6的(A)。

以上，通过几个实施方式及实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些实施方式及实施例，例如，如下变形实施也是可以的。

在上述实施方式中，作为通过使冷却用流体在配置有发热体的基体上流通来对该发热体进行冷却的冷却结构的例子，对将冷却结构应用于逆变器的例子进行了说明，当然直接应用于作为发热体的电机等也是可以的。

附图标记说明

22、基体(冷却体)

22b、槽

30、发热体

60c、60c’、60c”、凸部

C1～C5、涡流生成部

Claims (7)

1.一种散热系统，其通过基体与冷却用流体之间的热交换进行散热，其特征在于，

该散热系统在基体的与冷却用流体接触的表面上设置有具有由多个凹部构成的涡流生成部的冷却结构，该涡流生成部在与该冷却用流体的流通方向交叉的方向上延伸且与所述冷却用流体的流动条件相对应地使所述冷却用流体生成涡流，

所述涡流生成部的凹部深度H与壁面附近的层流底层厚度δ_b满足用如下式(1)所表达的关系：

H＞δ_b＝63.5/(Re^7/8)×d…(1)

式中的Re表示雷诺数，d表示特征长度，雷诺数由Re＝ud/ν规定，ν表示所述冷却用流体的动粘度，u表示所述冷却用流体的流速，d表示特征长度，

该散热系统将所述冷却用流体控制在满足用如下式(2)所表达的流动条件的范围并进行运转：

u/ν≤206×d^1/7…(2)

式中的u、ν及d所表示的含义与上述相同。

2.根据权利要求1所述的散热系统，其特征在于，

使所述冷却用流体的流动条件设为满足如下式(3)的范围：

u/ν≤455×d^1/7…(3)

式中的u、ν及d所表示的含义与上述相同。

3.根据权利要求1或2所述的散热系统，其特征在于，

利用根据剪切应力τ_ω与流体密度ρ计算的剪切速度u_τ＝(τ_ω/ρ)^1/2及根据需要散热的情况下的流速u、密度ρ、雷诺数Re计算的管摩擦系数的实验式Cf＝τ_ω/(0.5ρu²)＝0.73Re^-0.²⁵和需要散热的情况下的动粘度ν对所述涡流生成部的凹部的开口宽度W进行无因次化，该无因次化而得到的值W⁺＝Wu_τ/ν处于25～300的范围。

4.根据权利要求1或2所述的散热系统，其特征在于，

所述凹部的最大深度H小于从其开口面到与其相对的流路面的距离X。

5.根据权利要求3所述的散热系统，其特征在于，

所述凹部的最大深度H小于从其开口面到与其相对的流路面的距离X。

6.根据权利要求4所述的散热系统，其特征在于，

将根据与所述冷却用流体的流通方向正交的流路截面的最小流路截面积A与最大湿周长度L计算的特征长度d＝4AL设为0.004以上。

7.根据权利要求5所述的散热系统，其特征在于，

将根据与所述冷却用流体的流通方向正交的流路截面的最小流路截面积A与最大湿周长度L计算的特征长度d＝4AL设为0.004以上。