JPH05299549A - 熱伝達冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】伝熱性能が高く、伝熱面の温度の不均一性が小
さい、と同時に、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、という構造を提供する。 【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として、
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９を設ける。

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号公報の記載に代表さ
れるように、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同士の間隙を全体
に渡って同一に構成していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
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、伝熱性能に偏りが発生しやすいこと、ま
た、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、流れの抵抗を増大させて全体的
に圧力損失が大きくなるということへの配慮が充分にな
されていない。

【０００４】また、この構造において、伝熱面の温度分
布を均一化し、伝熱性能を向上す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
されるという不具合が生じてくる。さらに、フィン間隙
を均一にして流れの抵抗を同じにすると、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ように、各フィン間の
流量が不均一になると言う不具合も生じる。

【０００５】本発明の目的は、上記従来技術で未解決で
あった、伝熱面の温度分布の不均一性を小さくし冷却性
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増大しない冷却装置を提供すること
にある。さらに、従来の生産技術を大幅に変更すること
なく、製品化を容易にすることをも目的とする。

【０００６】

【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、フィンを箱体の底面の対角線方向と平行に並べて
設置し、箱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た。

【０００７】また、流体の入口部または出口部から、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）する導流路を設けた。

【０００８】さらに、箱体の底面の対角線方向と平行に
設けたフィン間のフィン間隙をこの対角線に近い部分は
小さく、この対角線から遠ざかるほど大きくなるように
した。

【０００９】

【作用】箱体の底面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、流路内直交流れを防止した
ので、流路の圧力損失を小さく抑えることができる。こ
の結果、流路の圧力損失が減少し、流体の流量を増大さ
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
断面積が小さくなり、その分フィンの長さを延長でき
る。さらに、冷却面からみればフィンを構成できない部
分が小さくなり、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。次に、フィンの長いところはフ
ィン間のフィン間隙を小さく、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
却面の温度分布を均一化できる。

【００１０】

【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の構造及び作用は次の通りであ
る。冷却装置１は直方体形状で、その内壁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を設けて
いる。さらに、空洞３内に通ずる流体の入口部５と出口
部６を底面または上面の対角線状の角部７へ設ける。本
発明は空洞３内の構造に関するものであり、その特徴は
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または出口部６から、各フィン４のフィン端
部８ａ，８ｂへ到る導流路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
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４ｂ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。

【００１１】次に、このように構成した本実施例の作用
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、本実施例のように、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８ｂから流体の出口部６へ
の導流路９ｂは、各フィン間流１２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１２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
付近に比べて小さい断面積の導流路９ｂでよい。

【００１２】以上説明したように、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を集めた
導出流１３の量が増加するに従って、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。

【００１３】第２点のフィン４の方向については、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３
つの作用効果が得られる。すなわち、１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。２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１点から、出口部６の１点へ導く
ことができるためである（詳細は後述）。３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る効果もあり、流体の
摩擦抵抗を小さくできることである。

【００１４】第３点のフィン間隙に大小の分布を与える
ということは、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。本実施例の場合、各フィン間のフィン間隙１
０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。

【００１５】図２は電子集積回路装置１４の冷却に、本
発明による冷却装置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。本実施例の構造により、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。

【００１６】図３は本発明の第２の実施例を示す冷却装
置１の断面図であり、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１
０ａと１０ｂとに変化を与えず、空洞３内に分布するフ
ィン４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。
その他の作用効果については、図１の構造と同じであ
る。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。

【００１７】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１実施例における流体
の流れと従来構造の流れとを比較説明する。本実施例に
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の全方位に渡って、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、２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の従来構造においては、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の
で、従来構造の曲折角度９０度に対し、本実施例の曲折
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）。

【００１８】次に、流路断面積について従来構造との比
較を行うと、次の通りである。本発明の１実施例の流路
断面は図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、本実施例の流路断面積は、従来の約１．４
倍となり、従来構造に比べてより多くの流量を流すこと
が可能であり、伝熱性能を向上できる。

【００１９】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、次の通りで
ある。従来構造においては、図６に示した如く、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２
４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
して本実施例の構造では図５に示した如く、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に示した如
く、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、本実施例によれば図
５に示した如く、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。

【００２０】図７と図８は、本発明の第３の実施例を示
す図である。この場合の構造の特徴は次の通りである。
冷却装置１の空洞３の内部に、角部７ａから角部７ｃへ
向けて、対角線上に仕切板２５を設ける。仕切板２５の
一端は角部７ａと接触している。他端は角部７ｃとの間
に一定の仕切板間隙２６を構成する。仕切板２５を境と
して、一方の空洞３ａへ通ずる流体の入口部５を、ま
た、他方の空洞３ｂへ通ずる流体の出口部６を、各々角
部７ａ付近に構成する。フィン４は各々の空洞３内に、
直方体の冷却装置１の対角線と平行方向、即ち、仕切板
２５と平行に設ける。この場合の流体の流れは次の通り
である。

【００２１】流体の入口部５から導入された流体は、入
口流２１となり、この入口流２１は導流路９ａから、各
フィン間へ流入しフィン間流１２ａとなって、導流路９
ｂへ集まる。９ｂへ集まった流体は、仕切板隙間２６を
通って導流路９ｃへと流れ、フィン間流１２ａとは反対
方向のフィン間流１２ｂとなる。フィン間流１２ｂは導
流路９ｄへ集まり、出口流２２となって、出口部６より
冷却装置１の外部へ流出する。この場合は第１及び第２
の実施例に比べて、流路断面積が１／２となってしまう
が、冷却装置１の必要流量が少ない場合には、一定の流
速を得るために、本実施例の方が有効に働く。

【００２２】図９は本発明の第４の実施例を示す図であ
る。この場合の構造の特徴は、次の通りである。冷却装
置１の空洞３の内部に、角部７ａから角部７ｃへ向け
て、対角線上に仕切板２５を設ける。仕切板２５の両端
は角部７ａ及び角部７ｃと接触し、空洞３を空洞３ａと
空洞３ｂとに分割する。仕切板２５を境として、一方の
空洞３ａへ通ずる流体の入口部５ａを、他方の空洞３ｂ
へ通ずる流体の出口部６ｂを、各々角部７ａ付近に隣接
して構成する。さらに、角部７ｃ付近に、仕切板２５を
境として、一方の空洞３ａへ通ずる流体の出口部６ａ
を、他方の空洞３ｂへ通ずる流体の入口部５ｂを隣接し
て設ける。フィン４は各々の空洞３ａ，３ｂ内に、直方
体の冷却装置１の対角線と平行方向、即ち、仕切板２５
と平行に設ける。この場合の流体の流れは次の通りであ
る。

【００２３】流体の入口部５ａから導入された流体は、
入口流２１ａとなり、この入口流２１ａは、導流路９ａ
から各フィン間へ流入し、フィン間流１２ａとなって導
流路９ｂへ集まる。９ｂへ集まった流体は出口流２２ａ
を形成して、流体の出口部６ａより外部へ流出する。ま
た、流体の入口部５ｂから導入された流体は、入口流２
１ｂとなり、この入口流２１ｂは導流路９ｃから各フィ
ン間へ流入し、フィン間流１２ｂとなって導流路９ｄへ
集まる。９ｄへ集まった流体は出口流２２ｂを形成し
て、流体の出口部６ｂより外部へ流出する。この場合
は、空洞３を仕切板２５で２分し、各々に流体の入出口
部を設けて、２つの空洞３ａ，３ｂ内の流体の流れ方向
を反対方向に出来るようにしたもので、従来の構造に比
べて、第１の実施例で述べたのと同じ理由で流体抵抗が
小さくなり、多量の流体を流すことによって伝熱性能を
向上し、流れの方向を変えることで、冷却装置１の温度
分布をさらに、均一化出来るという利点がある。

【００２４】以上に説明したように、本発明によれば、
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。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、断面積の大きな流路
や、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。また、フィン間の各流路の摩擦抵抗に変
化を与えて、空洞内の流体流れを調整したことにより、
冷却装置の温度分布を均一化することができる。また、
電子装置等の発熱体に発熱量の不均一性がある場合に
は、流体の流量に偏りを与えることもできる。そして、
発熱体の中央部の温度上昇が大きいので、冷却装置の中
央部の流量を多くして全体の温度分布の均一化を図るこ
とができる。

【００２６】さらに、空洞内に分布する各フィン間への
流体供給量が均一化され、冷却装置の温度分布を均一化
できるため、電子装置等の発熱体を均一に冷却すること
ができ、その性能を安定化させることができる。さら
に、入口部と出口部を近接して設けることにより、配管
や入口部および出口部の圧損の減少に効果がある。ま
た、冷却装置内に２方向の流体流れがあるときに、温度
分布を均一化する効果がある。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の冷却装置の断面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ´断面矢視図である。

【図３】本発明の第２の実施例の冷却装置の断面図であ
る。

【図４】図３のＢ−Ｂ´断面矢視図である。

【図５】本発明の実施例における流体の流れを説明する
図である。

【図６】従来例における流体の流れを説明する図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例の冷却装置の断面図であ
る。

【図８】図７のＥ−Ｅ´断面矢視図である。

【図９】本発明の第４の実施例の冷却装置の断面図であ
る。

【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、８ａ，８ｂ…フィン端
部、９…導流路、１０…フィン間隙、１１…導入流、１
２…フィン間流、１３…導出流、１４…電子集積回路装
置、１５…接触面、２１…入口流、２２…出口流、２３
…側方部、２４…導流路終端部、２５…仕切板, ２６
…仕切板隙間。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】箱体の内部に流路を構成し、その流路にフ
   ィンを設けた熱伝達冷却装置において、前記フィンは前
   記箱体の底面の対角線方向に平行に複数設けられている
   ことを特徴とする熱伝達冷却装置。
2. 【請求項２】前記フィンの間隙は、前記対角線に近い所
   では狭く、前記対角線に遠い所では広くしたことを特徴
   とする請求項１に記載の熱伝達冷却装置。
3. 【請求項３】前記箱体の上面または底面の対角線方向に
   前記箱体に流体を流入する入口部と前記箱体から流体を
   流出する出口部を設け、この入口部及び出口部からそれ
   ぞれ２方向に分流する導流路を設けたことを特徴とする
   請求項１に記載の熱伝達冷却装置。
4. 【請求項４】箱体の角部に、流体の入口部と出口部とを
   隣接して設け、前記隣接する入口部と出口部とを、この
   角部と対角上にある角部とを結ぶ仕切板で仕切ることを
   特徴とする請求項１に記載の熱伝達冷却装置。
5. 【請求項５】箱体の上面または底面の対角線方向の２つ
   の角部にそれぞれ流体の入口部と出口部とを隣接して設
   け、前記隣接する入口部と出口部とをこの角部の対角線
   上に設けた仕切板でそれぞれ仕切ることを特徴とする請
   求項１に記載の熱伝達冷却装置。
6. 【請求項６】箱体の対角線上の２つの角部に、それぞれ
   流体の入口部または出口部を設け、前記それぞれ流体の
   入口部または出口部から、２方向に分流する導流路を設
   け、前記各フィンの端部に至るまでの間に、流体の入口
   部または出口部に近い部分の導流路の断面積を大きく
   し、入口部または出口部から遠くなる程導流路の断面積
   が小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１に記
   載の熱伝達冷却装置。