JP5544412B2

JP5544412B2 - 冷却管構造

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Publication number: JP5544412B2
Application number: JP2012276790A
Authority: JP
Inventors: 寿司川端; 靖信新田
Original assignee: Toshiba Teli Corp
Current assignee: Toshiba Teli Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2013102169A

Description

本発明は、例えばパワー半導体等の発熱体の冷却に使用される水冷式放熱機構に適用して好適な冷却管構造に関する。

パワー半導体から発生する熱を水冷式放熱フィンにより放熱する水冷式の放熱機構を備えた機器において、従来では、放熱フィンに冷却管の貫通孔を設け、この貫通孔に冷却管（単管）を嵌挿して水冷式の放熱機構を構成していた。この放熱機構は、放熱フィンに内接して貫通した直状の冷却管内を、冷却水がそのまま直進して通過する構造であり、放熱フィンと冷却水との間での熱交換は、放熱フィンを貫通した冷却管の内壁とこの内壁面に触れる冷却水との間で行われ、冷却水が冷却管内を満たしているため、冷却水全体に効率よく熱伝達が行われずに冷却水が排水され、供給した冷却水の冷却能力が十分に活用されないという問題があった。また、放熱フィンを貫通する冷却管の前後（給水側と排水側）において、管内を通過する冷却水の温度は、給水側に比べて熱を吸収した排水側の方が高くなり、結果的に排水側の放熱フィンの温度が十分に低下しないという問題があった。

このように、従来の水冷式放熱機構においては、冷却効率並びに冷却能力の面で問題があった。

この種、水冷式の放熱機構として、従来では、扁平な箱状のタンクを備えた水冷ヒートシンク（特許文献１参照）が存在した。また、冷却管技術として、内管と外管との間に形成される空間部を複数の通路に区画した二重管構造（特許文献２参照）や、二重管の間隙に熱交換用流体を通過させ中心部に冷却用流体を通過させる焼却炉の熱回収技術（特許文献３参照）が存在した。

特開２００８−０５３３４８号公報特開２００４−３００９４０号公報特開２００１−１７４１７０号公報

上述したように、従来の水冷式放熱機構においては、冷却効率並びに冷却能力の面で問題があった。

本発明の実施形態は、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供することを目的とする。

本発明の実施形態は、放熱フィンと熱交換を行う水冷式の放熱機構に用いられる冷却管構造であって、前記放熱フィンの貫通孔に設けられる直状の外管と、前記外管の内壁と一定の間隙を存して前記外管に挿通された内管と、冷却水を一次冷却水として前記外管内の前記内管の外周に供給し、同一圧の前記冷却水を二次冷却水として前記内管内に供給する冷却水の供給手段と、前記内管の外周に設けられ、前記内管を前記外管内に前記一定の間隔で支持すると共に、前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水に対し渦流を生起する複数のブレードと、を具備し、前記複数のブレードにより前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水の流速に対し前記内管内を直進して流れる前記二次冷却水の流速を速めて、前記外管内の前記内管の外周に前記放熱フィンと熱交換を行う前記一次冷却水の流路を形成し、前記内管内に前記一次冷却水を冷却する前記二次冷却水の流路を形成したことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供できる。

本発明の実施形態に係る冷却管構造の基本構成を冷却水の流れとともに示す一部を縦断面にした斜視図。上記実施形態に係る冷却管構造の構成を示す横断面図。上記実施形態に係る冷却管構造のスペーサの配置構成例を示す図。上記実施形態に係る冷却管構造を放熱フィンに取り付けた基本構成を示す図。図４に示す冷却管構造の内部構成を示す図。上記実施形態に係る冷却管構造の熱交換を説明するための図。図６における冷却水の流れを示す図。上記実施形態に係る冷却管構造に適用される継手部分の第１の構成例を示す図。上記実施形態に係る冷却管構造に適用される継手部分の第２の構成例を示す図。図９に示す継手部分の構成を示す縦断面図。上記実施形態に係る冷却管構造に適用される配管の第１の構成例を示す図。上記実施形態に係る冷却管構造に適用される配管の第２の構成例を示す図。上記実施形態に係る冷却管構造に適用される継手部分の第３の構成例を示す図。図１３に示す継手部分の構成を示す縦断面図。上記実施形態に係る冷却管継手構造の第４の構成例を示す図。図１５に示す継手部分の冷却水の流れを説明するための図。図１５に示す継手部分の冷却水の流れを説明するための図。上記実施形態に係る他の冷却管構造の要部の構成を一部を拡大して示す斜視図。図１８に示す冷却管構造の構成を示す横断面図。上記実施形態に係る冷却管構造を放熱フィンに取り付けた水冷式放熱機構の第１の構成例を示す平面図。図２０に示す水冷式放熱機構の構成を示す正面図。上記実施形態に係る冷却管構造を放熱フィンに取り付けた水冷式放熱機構の第２の構成例を示す平面図。図２２に示す水冷式放熱機構の構成を示す正面図。

以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態に係る冷却管構造は、冷却管（一次冷却管）中の冷却水（一次冷却水）を冷却するための冷却管（二次冷却管）を一次冷却管内に配置し、この二次冷却管内に一次冷却水の冷却用水（二次冷却水）を供給し、一次冷却水の流速より二次冷却水の流速を速くすることにより、吸熱した二次冷却水を速やかに排水することで、一次冷却水の冷却能力の低下を軽減すると同時に、一次冷却水の水流に渦を発生させ、一次冷却管と一次冷却水および一次冷却水と二次冷却管相互の効率の良い熱交換を実現したことにある。

本発明の実施形態に係る冷却管構造を図１乃至図７を参照して説明する。図１は本実施形態に係る冷却管構造の一部構成要素を切欠した基本構成と冷却水の流れを示す一部を縦断面にした斜視図、図２は上記実施形態に係る冷却管構造の構成を示す横断面図、図３は上記実施形態に係る冷却管構造のスペーサの配置構成例を示す図、図４は上記実施形態に係る冷却管構造を放熱フィンに取り付けた基本構成を示す図、図５は図４に示す冷却管構造の内部構成を示す図、図６は上記実施形態に係る冷却管構造の熱交換を説明するための図、図７は図６における冷却水の流れを示す図である。

上記実施形態に係る冷却管構造１０は、放熱フィンと熱交換を行う水冷式の放熱機構に用いられるもので、放熱フィン２０を貫通して設けられた直状の外管１１と、上記外管１１の内壁と一定の間隙を存して上記外管１１内に同軸状に設けられた内管１２と、上記外管１１と上記内管１２に同一圧の冷却水を共通に供給する冷却水（Ｃa）の供給手段と、上記内管１２を上記外管１１内に支持するとともに、上記外管１１内を流れる冷却水（Ｃa1）に対して上記内管１２の外周に沿い渦流（ＷＰ）を生起させる偏流面（ＤＦ）を有する複数のスペーサ１３（１３ａ〜１３ｃ）とを具備し、上記外管内を流れる冷却水（Ｃa1）の流速に対し上記内管１２内を流れる冷却水（Ｃa2）の流速を速めて、上記外管１１に上記放熱フィン２０と熱交換を行う一次冷却水（Ｃa1）の流路１１ａを形成し、上記内管１２に上記一次冷却水（Ｃa1）を冷却する二次冷却水（Ｃa2）の流路１２ａを形成したことを特徴とする。

この実施形態においては、符号１１で示す外管を一次冷却管と称し、符号１２で示す内管を二次冷却管と称している。また、符号１１ａで示す一次冷却水（Ｃa1）の流路を一次冷却水流路と称し、符号１２ａで示す二次冷却水（Ｃa2）の流路を二次冷却水流路と称す。

上記外管を構成する一次冷却管１１は、例えば銅パイプを用いた円筒状の直状管により構成され、放熱フィン２０を貫通して設けられている。放熱フィン２０は一次冷却管１１の管径より厚みのある肉厚で熱伝導率の高い金属材料（例えばアルミニウムで構成された直方体金属）により構成され、一側面部と同面と反対側の他側面部との間に穿設した一次冷却管挿通用の貫通孔２１を有して、この貫通孔２１の内周面に一次冷却管１１の外周面が面接触した状態で一次冷却管１１が放熱フィン２０に嵌挿されている。放熱フィン２０には発熱体となる半導体素子３１が実装され、半導体素子３１と一次冷却管１１との間に放熱フィン２０を介して熱伝導路が形成されている。

上記内管を構成する二次冷却管１２は、外管１１と同様の直状管により構成され、直状の一次冷却管１１の内壁と一定の間隙を存して一次冷却管１１内に配管されている。この実施形態では、二次冷却管１２の外周部に、一次冷却管１１の内壁との間隙を一定に保つ二次冷却管保持スペーサ１３が設けられ、この二次冷却管保持スペーサ１３により、二次冷却管１２が一次冷却管１１内に一次冷却管１１と同軸状に保持されて配管されている。

二次冷却管保持スペーサ１３は一次冷却水流路１１ａに給水された一次冷却水（Ｃa1）を渦流化し二次冷却管１２の外周を螺旋状に流すことによって二次冷却水流路１２ａを直進する二次冷却水（Ｃa2）に対し給水から排水に至る水流に時間差（流路差）をもたせ、これによって、一次冷却水流路１１ａを流れる一次冷却水（Ｃa1）の流速に対して二次冷却水流路１２ａを流れる二次冷却水（Ｃa2）の流速を速める流速制御手段を実現している。二次冷却管保持スペーサ１３は、一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる冷却水（Ｃa1）に対して渦流（ＷＰ）を生起する偏流面（ＤＦ）を有する３枚の羽根状のスペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより構成され、３枚のスペーサ部材１３ａ〜１３ｃを一組として組を単位に二次冷却管１２の外周に螺旋状に巻装された状態で設けられている。この二次冷却管保持スペーサ１３は、二次冷却管１２内の少なくとも給水側と排水側を含む複数箇所に設けられている。スペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、例えばスクリューの羽根に類似した形状であり、それぞれ渦を生起せしめる曲面をなす偏流面（ＤＦ）および円弧状の縁部を有し、同縁部の一部先端が一次冷却管１１に対する二次冷却管１２の支持点（ＴＰ）として一次冷却管１１の内壁に当接して設けられている。この実施形態では、二次冷却管保持スペーサ１３を一次冷却水（Ｃa1）と二次冷却管１２との熱伝導路として利用するため、二次冷却管保持スペーサ１３を熱伝導率の高い銅材を用いて構成している。

ここで図６および図７を参照して上記構成の冷却管構造１０における熱交換作用を説明する。図６は上記実施形態に係る冷却管構造１０の熱交換を説明するための図であり、放熱フィン２０に実装された発熱体（半導体素子）３１の熱交換作用を説明するための熱伝達径路を符号３１ｈおよび符号ｔａ，ｔｂ，ｔｃで示している。図６において符号３１ｈは発熱体となる半導体素子３１から発生した熱の伝達径路、符号ｔａは放熱フィン２０から冷却管構造１０への熱伝達径路、符号ｔｂは一次冷却管１１から同管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる冷却水（Ｃa1）への熱伝達径路、符号ｔｃは一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる冷却水（Ｃa1）から二次冷却管１２内（二次冷却水流路１２ａ）を流れる二次冷却水（Ｃa2）への熱伝達径路を示している。図７は図６の熱伝達径路を形成する冷却管構造１０の熱交換作用を説明するための一次冷却水流路１１ａを流れる一次冷却水（Ｃa1）および二次冷却水流路１２ａを流れる二次冷却水（Ｃa2）を示す図である。

一次冷却管１１の給水側と二次冷却管１２の給水側には、それぞれ図示しない（後述する図８乃至図１２に示されている）給水側配管（給水パイプ）から継手を介して上記各冷却管に共通の冷却水（Ｃa）が同一水圧で供給される。この冷却水（Ｃa）は一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる一次冷却水（Ｃa1）と二次冷却管１２内（二次冷却水流路１２ａ）を流れる二次冷却水（Ｃa2）とに分流され、それぞれ排水側に流れる。

この際、一次冷却管１１の給水側に供給された一次冷却水（Ｃa1）は、二次冷却管１２の外周に設けられた二次冷却管保持スペーサ１３の偏流面（ＤＦ）に案内され、渦流（ＷＰ）となって一次冷却管１１内を二次冷却管１２の外周に沿い排水側に向かって流れる（二次冷却管１２の外周を螺旋状に回りながら排水側に向かって進行する）。

この渦流（ＷＰ）となった一次冷却水（Ｃa1）は一次冷却管１１内において満遍なく掻き回された状態で二次冷却管１２の外周を排水側に向かって流れ、従って渦流（ＷＰ）となった一次冷却水（Ｃa1）により熱伝達径路ｔａ，ｔｂにおいて効率のよい熱交換が行われる。この熱交換により一次冷却水（Ｃa1）は給水側の一次冷却水（Ｃa1）と排水側の一次冷却水（Ｃa1）とで温度差が生じ、給水側の一次冷却水（Ｃa1）に対して排水側の一次冷却水（Ｃa1）の温度が高くなる。

一方、二次冷却管１２の給水側に供給された二次冷却水（Ｃa2）は同管内を直進して排水側に流れる。この二次冷却管１２内（二次冷却水流路１２ａ）を流れる二次冷却水（Ｃa2）に対して、一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる一次冷却水（Ｃa1）は、渦流（ＷＰ）となって二次冷却管１２の外周を排水側に流れることから、一次冷却水（Ｃa1）と二次冷却水（Ｃa2）との間に流速差が生じ、一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる一次冷却水（Ｃa1）の流速に対して二次冷却管１２内（二次冷却水流路１２ａ）を流れる二次冷却水（Ｃa2）の流速が速まる流速制御が実現される。

この流速制御により、一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる一次冷却水（Ｃa1）に対して二次冷却管１２内（二次冷却水流路１２ａ）を流れる二次冷却水（Ｃa2）を速やかに排水することができ、熱伝達径路ｔｃにおいて効率のよい熱交換を行うことができる。これにより、排水側に向かうに従い顕著になる一次冷却水（Ｃa1）の冷却能力の低下を著しく低減でき、放熱フィン２０の給水側と排水側とに温度差を殆どもたない安定した温度管理を実現できる。

このように、一次冷却管１１内の一次冷却水（Ｃa1）を冷却するための二次冷却管１２を一次冷却管１１内に配置し、この二次冷却管１２に一次冷却水（Ｃa1）の冷却用水となる二次冷却水（Ｃa2）を供給し、一次冷却水（Ｃa1）の流速より二次冷却水（Ｃa2）の流速を速くすることにより、吸熱した二次冷却水（Ｃa2）を速やかに排水することで、一次冷却水（Ｃa1）の冷却能力の低下を軽減すると同時に、一次冷却水（Ｃa1）の水流に渦を発生させ、一次冷却管１１と一次冷却水（Ｃa1）および一次冷却水（Ｃa1）と二次冷却管１２相互の効率の良い熱交換を実現できる。

さらに上記した実施形態によれば、二次冷却管保持スペーサ１３は、二次冷却管１２を一次冷却管１１内に同軸状に保持する保持スペーサの機能と、一次冷却管１１内（一次冷却水流路１１ａ）を流れる一次冷却水（Ｃa1）に渦流（ＷＰ）を生起する（二次冷却管１２の外周を螺旋状に回りながら排水側に進行する）機能とを兼ね備えた構造であることから、保持スペーサと渦流を作る羽根とを別体に設ける構造に比し部品点数および組立工数を削減できる。

また、上記した二次冷却管保持スペーサ１３は二次冷却管１２の軸方向（長さ方向）に対してほぼ垂直な偏流面および円弧状の縁部を有する３枚のスペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃを一組として組を単位に、二次冷却管１２に対して同管の周方向に１２０度ずつ連続して螺旋状に巻き付けた状態で、冷却管構造１０の給水側と排水側を含む管軸方向の複数箇所に所定の間隔を隔てて設けられ、スペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃの円弧状の一部先端が一次冷却管１１に対する二次冷却管１２の支持点（ＴＰ）として一次冷却管１１の内壁に当接して二次冷却管１２を一次冷却管１１内に保持する構造、すなわち、管軸方向に間隔を存して部分的に設けられた点接触による内管保持構造であることから、外管内に内管を挿入する際の挿入抵抗を軽減でき、これによって同軸二重管の組立が極めて容易に実現可能である。さらに二次冷却管保持スペーサ１３の各スペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃが渦流（ＷＰ）を作る羽根として作用するとともに、一次冷却水（Ｃa1）との熱伝導部材として作用することから、より冷却効果を高めることができる。

上記した冷却管構造１０の各種継手構造を図８乃至図１７に例示する。図８乃至図１０はそれぞれ給水側における二次冷却管１２の継手構造を示している。図８はねじ込み形の継手構造を示し、図９および図１０ははめ込み形の継手構造を示している。

図８に示すねじ込み形の継手構造は、二次冷却管保持スペーサ１３の渦流（ＷＰ）を作る偏流面（ＤＦ）の向きに応じたねじ込み方向の螺子結合による、給水側配管（給水パイプ）の継手１５と二次冷却管１２との継合例を示している。この例では、継手１５と二次冷却管１２の結合部分において、継手１５の内周面と二次冷却管１２の外周面にそれぞれ螺子結合のための螺刻部を形成している。すなわち、継手１５の内周面に冷却管結合用の螺刻部１５ｓを設け、二次冷却管１２の外周面に継手結合用の螺刻部１２ｓを設けている。

図中の符号ｒａは、力Ｆａにより発生する二次冷却管１２の回転方向であり、給水側から排水側に向かってみて反時計回りの方向、すなわち、排水側から給水側に向かってみて時計回りの方向である。この回転方向ｒａは、右ねじの進む方向、すなわち継手１５に対して二次冷却管１２が螺子結合される方向である。なお、継手１５の二次冷却管１２の結合部分と反対側の結合部分は、後述する図１１若しくは図１２に示す単一の給水パイプ（符号５参照）に継合される。

このように、二次冷却管１２と継手１５が右ネジで接合されている場合、給水側から排水側に向って時計回りの方向に渦流（ＷＰ）が発生するように、二次冷却管保持スペーサ１３の偏流面（ＤＦ）を形成することにより、一次冷却水（Ｃa1）の水流圧作用で二次冷却管１２が結合方向と反対の方向に回転して継手１５から外れる不具合を回避できる。なお、二次冷却管１２と継手１５が左ネジで螺子結合されている場合は、上記とは逆の、反時計回りの渦が発生するように二次冷却管保持スペーサ１３の偏流面（ＤＦ）を形成することにより同様に上記不具合を回避することができる。

図９および図１０は嵌め込み形の継手構造を示している。図９は分解斜視図であり、図１０は結合状態を示す側断面図である。

この嵌め込み形の継手結合構造は、筒状の締結リングＣＰを用いて二次冷却管１２の給水側に筒状の継手１６を螺子結合により継合している。二次冷却管１２は、給水側の先端部分が継手１６に嵌挿される嵌挿部１２ｄとなり、この嵌挿部１２ｄの外周面に管軸方向に沿って突起状の回転止めフック１２ｆが設けられ、上記嵌挿部１２ｄの終端外周面にフランジ状の締結リング用ストッパー１２ｒが設けられている。筒状の継手１６には、二次冷却管１２の嵌挿部１２ｄが嵌挿される部分の内周面に上記回転止めフック１２ｆに係合するガイド溝１６ｇが設けられ、冷却管結合側の外周面に締結リング結合用の螺刻部１６s1を設けている。締結リングＣＰには給水側の内周面に上記螺刻部１６s1に螺合する継手結合用の螺刻部１６s2が設けられ、排水側の内周面に上記ストッパー１２ｒに係合する段差をもつ突き当て部１６ｒが設けられている。

この継手構造の組立は、二次冷却管１２の嵌挿部１２ｄに設けられた回転止めフック１２ｆを継手１６の内周面に設けられたガイド溝１６ｇに係合させて二次冷却管１２の嵌挿部１２ｄを継手１６に嵌挿する。二次冷却管１２の給水側外周に被嵌された締結リングＣＰを継手１６の螺刻部１６s1に対して締め付け方向に回転させることによって、継手１６の螺刻部１６s1に締結リングＣＰの螺刻部１６s2が螺合し、締結リングＣＰの締め付けにより、二次冷却管１２のストッパー１２ｒに締結リングＣＰの突き当て部１６ｒが当接して二次冷却管１２が継手１６に継合される。この継手１６を介して二次冷却管１２が一次冷却管１１とともに一つの給水側配管（給水パイプ）に継合される。

上記一次冷却管１１および二次冷却管１２で構成された冷却管構造１０の給水側および排水側における配管構成例を図１１および図１２に示している。ここでは放熱フィン２０の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側がそれぞれ片側に揃っている配管構成例を図１１に示し、給水側と排水側がそれぞれ交互に配管された配管構成例を図１２に示している。

図において、符号５，５Ａ，５Ｂはそれぞれ給水側の配管（給水パイプ）、符号６，６Ａ，６Ｂはそれぞれ排水側配管（排水パイプ）である。符号ＰＪ１は冷却管構造１０の給水側の継手であり、符号ＰＪ２は冷却管構造１０の排水側の継手である。継手ＰＪ１は冷却管構造１０を構成する一次冷却管１１および二次冷却管１２をそれぞれ一つの給水側配管５（５Ａ，５Ｂ）に継合して、一次冷却管１１および二次冷却管１２にそれぞれ同一圧の冷却水（Ｃa）を給水する。この継手ＰＪ１は、上記した図８に示した二次冷却管１２の継手を有する継手構造、図９および図１０に示した二次冷却管１２の継手を有する継手構造、若しくは後述する図１３および図１４に示す継手構造、図１５乃至図１７に示す継手構造のいずれであってもよい。ここでは一例として後述する図１５乃至図１７に示す継手構造により冷却管構造１０を給水側の配管５に継合するものとする。

図１１に示す配管構成例においては放熱フィン２０の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側の配管をそれぞれ片側に集約することで、配管構成を簡素にすることができるが、放熱フィン２０の給水側と排水側で温度差が生じ易い傾向となる。図１２に示す配管構成例においては放熱フィン２０の貫通孔を設けた両側面において、給水側と排水側の配管をそれぞれ交互にすることで、放熱フィン２０の給水側と排水側での温度差が生じ難い構成とすることができるが、給水側と排水側の配管構成が煩雑になる。

上記した冷却管構造１０の一次冷却管１１および二次冷却管１２をそれぞれ給水側の配管５（５Ａ，５Ｂ）に継合する継手部分の構成例を図１３および図１４に示している。図１３は継手部分の分解斜視図、図１４は同継手部分の側面図である。

この冷却管構造１０の一次冷却管１１および二次冷却管１２をそれぞれ給水側配管５（５Ａ，５Ｂ）に継合する継手１７は、冷却管構造１０の一次冷却管１１に継合する筒状の外管継手１７Ａと、冷却管構造１０の二次冷却管１２に継合する筒状の内管継手１７Ｂと、内管継手１７Ｂを外管継手１７Ａに係止するリング状の内管用ストッパー１７Ｃとを具備して構成されている。

外管継手１７Ａは、給水側の端部内周面に、給水側配管５を螺子結合するめための螺刻部１７s1を有し、排水側の端部内周面に冷却管構造１０の一次冷却管１１を螺子結合するめための螺刻部１７s6を有し、中間部内周面に、内管継手１７Ｂを螺子結合するめための螺刻部１７s2と、内管用ストッパー１７Ｃを螺子結合するめための螺刻部１７s4とを有して構成されている。

内管継手１７Ｂは、給水側端部と排水側端部との中間部に、給水側から排水側に向かって径小となる漏斗状のテーパ部（絞り口径部）１７２を有し、給水側端部に、内管継手１７Ｂの給水口を外管継手１７Ａ内に外管継手１７Ａと同軸状に配置し保持するスペーサ１７３と、上記螺刻部１７s2に螺合する螺刻部１７s3とを有し、排水側端部に、二次冷却管１２を螺子結合するめための螺刻部１７s7を有する連結管部１７１を有して構成されている。

内管用ストッパー１７Ｃは、外管継手１７Ａ内で内管継手１７Ｂに緩みが生じないように外管継手１７Ａと内管継手１７Ｂとの結合状態（螺着状態）を保持する、所謂二重ナットの作用をもたせるための固定リングであり、外周面に上記螺刻部１７s4に螺合する螺刻部１７s5を有して構成されている。

上記構成の継手１７に対して、給水側配管５には端部外周面に上記螺刻部１７s1に螺合する螺刻部５５が設けられ、一次冷却管１１には端部外周面に上記螺刻部１７s6に螺合する螺刻部１１Ｓが設けられ、二次冷却管１２には端部外周面に上記螺刻部１７s7に螺合する螺刻部１２Ｓが設けられている。

この継手１７を用いた給水側配管５と冷却管構造１０との継合手順についてその一例を挙げると、上記給水側配管５に外管継手１７Ａを螺子結合により継合し、外管継手１７Ａに内管継手１７Ｂを螺嵌し、内管継手１７Ｂを内管用ストッパー１７Ｃにより外管継手１７Ａに締付固定し、内管継手１７Ｂに二次冷却管１２を螺子結合により継合し、外管継手１７Ａに一次冷却管１１を螺子結合により継合する。これにより、冷却管構造１０の一次冷却管１１および二次冷却管１２が継手１７を介して給水側配管５に継合される。なお、この継合作業の際、一次冷却管１１内において二次冷却管１２の管軸方向への移動が伴うが、この移動に伴う摺動摩擦抵抗は、上述したように、スペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃの円弧状の一部先端が一次冷却管１１に対する二次冷却管１２の支持点（ＴＰ）として一次冷却管１１の内壁に当接して二次冷却管１２を一次冷却管１１内に保持する構造であることから軽微であり、従って継手１７を介在した給水側配管５と冷却管構造１０との継合作業を円滑に行うことができる。

この継手構造は、給水側配管５から給水された冷却水（Ｃa）のうち、内管継手１７Ｂ内に流入された冷却水（Ｃa）が内管継手１７Ｂに形成されたテーパ部１７２により高圧化され、流速が速められて二次冷却管１２に二次冷却水（Ｃa2）として給水される。この二次冷却水（Ｃa2）の加速化により、冷却管構造１０において、一次冷却水（Ｃa1）が流れる一次冷却管１１から吸熱した二次冷却水（Ｃa2）が加速化されてより速やかに排水されることから、一次冷却水（Ｃa1）の温度差による冷却能力の低下をより抑制することができる。

上記構成の継手１７に、さらに一次冷却水（Ｃa1）の渦流発生機能をもたせた構成を図１５乃至図１７に示している。図１５は継手部分の横断面図、図１６および図１７はそれぞれ同継手部分における一次冷却水（Ｃa1）および二次冷却水（Ｃa2）の流れを斜視および側方視で示している。

この図１５乃至図１７に示す継手構造は、内管継手１７Ｂのスペーサ１７３を、渦流を発生させるためのスクリューの羽根に類似した形状の偏流面（ＤＦ）を有する３枚のスペーサ部材ｆ１〜ｆ３により構成している。内管継手１７Ｂおよびスペーサ１７３を構成するスペーサ部材ｆ１〜ｆ３の給水側の各面部は、それぞれ継手１７に給水される冷却水（Ｃa）の流れを妨げないように面取り加工されている。このスペーサ部材ｆ１〜ｆ３に形成した偏流面（ＤＦ）は、上記した冷却管構造１０の二次冷却管保持スペーサ１３を構成するスペーサ部材１３ａ〜１３ｃの偏流面（ＤＦ）と同じ方向に渦流を生起する。

これにより、図１６および図１７に示すように、継手１７の給水側に供給された冷却水（Ｃa）のうち、外管継手１７Ａ内に給水された一次冷却水（Ｃa1）は、内管継手１７Ｂの外周に設けられたスペーサ１７３の偏流面（ＤＦ）に案内され、渦流（ＷＰ）となって外管継手１７Ａ内を内管継手１７Ｂの外周に沿い排水側に向かって流れる（内管継手１７Ｂの外周を螺旋状に回りながら排水側に向かって進行する）。この渦流（ＷＰ）となった一次冷却水（Ｃa1）は冷却管構造１０の一次冷却管１１に給水され、冷却管構造１０内における渦流の生起を助長する。

上記実施形態に係る冷却管構造の他の構成を図１８および図１９に示している。この冷却管構造１０Ｅは、上記した図１乃至図５に示す実施形態の二次冷却管保持スペーサ１３が、一次冷却管１１内おける二次冷却管１２の保持機能と一次冷却水（Ｃa1）の渦流発生機能とを兼ね備えた構成であったのに対して、この図１８および図１９に示す構成では、二次冷却管１２の保持機能と一次冷却水（Ｃa1）の渦流発生機能とをそれぞれ別体の構成要素により実現している。ここでは、二次冷却管１２の両側（給水側と排水側）に、それぞれ二次冷却管１２を一次冷却管１１内に一次冷却管１１と同軸状に保持するスペーサ１８が設けられ、その間の二次冷却管１２に管軸に沿い、二次冷却管１２の外周を流れる一次冷却水（Ｃa1）に渦流を生起せしめる羽根組立１９が設けられている。

スペーサ１８は、３つのスペーサ部材（支持片）１８１，１８２，１８３により構成され、二次冷却管１２の外周面に、周方向に３つのスペーサ部材１８１，１８２，１８３を等間隔（１２０°間隔）に配している。３つのスペーサ部材１８１，１８２，１８３は、それぞれ図１８に示すように、管軸方向に流線形状をなす台座部１８ａと、先端が球面状に形成された係止端部１８ｂとにより構成されている。この台座部１８ａと係止端部１８ｂとを有して構成されたスペーサ部材１８１，１８２，１８３は、それぞれ給水側から排水側に流れる一次冷却水（Ｃa1）に対して水流の抵抗を低く抑え一次冷却管１１の流れを円滑にして、かつ二次冷却管１２を一次冷却管１１内で摺動可能に一次冷却管１１に対し同軸状に保持することを可能にしている。

一次冷却水（Ｃa1）に渦流を生起せしめる羽根組立１９は、３枚の羽根部材（ブレード）１９１，１９２，１９３を一組として二次冷却管１２の外周に管軸方向に連続して二次冷却管１２に巻き付くように設けられるもので、それぞれ、二次冷却管保持スペーサ１３を構成するスペーサ部材１３ａ〜１３ｃにより生起される渦と同一の回転方向に渦を生起せしめる曲面をなす偏流面（ＤＦ）を有して構成される。この羽根組立１９は、上述した二次冷却管保持スペーサ１３のスペーサ部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃと同様の渦流（ＷＰ）を作る羽根として作用するが、二次冷却管１２が上記３つのスペーサ部材１８１，１８２，１８３で一次冷却管１１内に保持された状態で、その羽根の円弧状の縁部が一次冷却管１１の内壁に接触しない面形状である。

このように、二次冷却管１２の保持機能と一次冷却水（Ｃa1）の渦流発生機能とをそれぞれ別体の構成要素により実現した冷却管構造１０Ｅにおいても、上記した冷却管構造１０と同様に、冷却効率および冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能である。

この実施形態に係る冷却管構造を適用した水冷式放熱機構の具体的な構成例を図２０および図２１と、図２２および図２３に示している。

図２０および図２１は、上記図１乃至図５に示した冷却管構造１０または図１８および図１９に示した冷却管構造１０Ｅを用いて、回路基板３０上に行列方向に配置（マトリクス配置）された複数の半導体素子（パワーＩＣ）を冷却する水冷式放熱機構を示したもので、図２０は平面図、図２１は側面図である。ここでは冷却管構造１０を適用した水冷式放熱機構を例に挙げて説明する。放熱フィン２０は一次冷却管１１の管径より厚みのある肉厚で熱伝導率の高い直方体形状の金属材料により構成され、一側面部と同面と反対側の他側面部との間に穿設した一次冷却管挿通用の複数の貫通孔２１を有し、この各貫通孔２１の内周面に一次冷却管１１の外周面が面接触した状態で一次冷却管１１が放熱フィン２０に嵌挿されている。放熱フィン２０の一方面に形成された扁平状の吸熱面２３には、発熱体となる複数の半導体素子（パワーＩＣ）３１を行列状（マトリクス状）に配置した半導体基板（パワーＩＣ実装基板）３０が実装され、各半導体素子３１の放熱フィン３１ａがそれぞれ熱交換を行う扁平状の吸熱面２３に螺子止め固定されている。

この平板状の放熱フィン２０を用いた水冷式放熱機構においては、上記冷却管構造１０に代わり単管構造の冷却管を適用した場合、放熱フィン２０における冷却管通路の給水側と排水側とで比較的大きな温度差状態（給水側に比べ排水側の温度が高い温度差状態）が持続されることから、排水側の温度を基準にした回路設計が必要となり、さらには放熱フィン２０の大型化が必要となる。これに対して、上記実施形態に係る冷却管構造１０を適用した水冷式放熱機構においては、放熱フィン２０における冷却管通路の給水側と排水側との温度差を狭い温度変動範囲に抑制できることから、回路設計並びに水冷式放熱機構の小型化に寄与することができる。

図２２および図２３に示した水冷式放熱機構は、上記図２０および図２１に示した水冷式放熱機構が一次冷却管１１を具備する冷却管構造１０若しくは冷却管構造１０Ｅを適用しているのに対して、ここでは、上記一次冷却管１１に相当する外管を貫通孔２１により実現している。すなわち、外管が放熱フィン２０に穿設した貫通孔２１により構成されている。

この構造においては、放熱フィン２０と一次冷却管１１との熱膨張差を考慮する必要が無いことから、設計の容易化と部品点数の削減を図ることができる。なお、この図２３に示す配管構成では、放熱フィン２０に配置される半導体素子（パワーＩＣ）３１の配置位置に応じて（発熱量に応じて）冷却管構造１０の管径（貫通孔２１の孔径）を異ならせ、放熱フィン２０全体の温度を一様化している。

以上詳記したように、本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式放熱機構が実現可能な冷却管構造を提供できる。なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

１０，１０Ｅ…冷却管構造、１１…外管（一次冷却管）、１１ａ…一次冷却水の流路、１２…内管（二次冷却管）、１２ａ…二次冷却水の流路、１２ｆ…回転止めフック、１２ｄ…嵌挿部、１２ｒ…締結リング用ストッパー、１３…二次冷却管保持スペーサ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…スペーサ部材、１５，１６，１７…継手、１６ｇ…ガイド溝、１７Ａ…外管継手、１７Ｂ…内管継手、１７Ｃ…内管用ストッパー、１８…スペーサ、１８１，１８２，１８３…スペーサ部材、１９…羽根組立、１９１，１９２，１９３…羽根部材（ブレード）、２０…放熱フィン、２１…貫通孔、２…、３…、４…、５…、６…、７…、８…、９…、３０…、３１…半導体素子（パワーＩＣ）、３１ｈ，ｔａ，ｔｂ，ｔｃ…熱伝達径路、Ｃa…冷却水、Ｃa1…一次冷却水、Ｃa2…二次冷却水、ＷＰ…渦流、ＤＦ…偏流面、ＴＰ…二次冷却管の支持点、ＰＪ１，ＰＪ２…継手、５，５Ａ，５Ｂ…給水側の配管（給水パイプ）、６，６Ａ，６Ｂ…排水側配管（排水パイプ）。

Claims

放熱フィンと熱交換を行う水冷式の放熱機構に用いられる冷却管構造であって、
前記放熱フィンの貫通孔に設けられる直状の外管と、
前記外管の内壁と一定の間隙を存して前記外管に挿通された内管と、
冷却水を一次冷却水として前記外管内の前記内管の外周に供給し、同一圧の前記冷却水を二次冷却水として前記内管内に供給する冷却水の供給手段と、
前記内管の外周に設けられ、前記内管を前記外管内に前記一定の間隔で支持すると共に、前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水に対し渦流を生起する複数のブレードと、
を具備し、
前記複数のブレードにより前記外管内の前記内管の外周に流れる前記一次冷却水の流速に対し前記内管内を直進して流れる前記二次冷却水の流速を速めて、前記外管内の前記内管の外周に前記放熱フィンと熱交換を行う前記一次冷却水の流路を形成し、前記内管内に前記一次冷却水を冷却する前記二次冷却水の流路を形成したことを特徴とする冷却管構造。
前記複数のブレードのそれぞれは、前記一次冷却水に対して前記渦流を生起する偏流面を有する３枚の羽根状に構成され、３枚を一組として前記内管の外周に螺旋状に巻装された状態で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却管構造。
前記複数のブレードのそれぞれは、前記内管の軸方向に対してほぼ垂直な偏流面および円弧状の縁部を有して同縁部の一部先端が前記外管の内壁に当接した状態で設けられ、かつ、３枚を一組として前記内管の外周面に螺旋状に巻装された状態で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却管構造。
前記複数のブレードのそれぞれは、前記組を単位に前記内管に対して同管の周方向に１２０度ずつ連続して螺旋状に巻き付けた状態で設けられていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷却管構造。
前記冷却水の供給手段の一つとして、前記内管の少なくとも給水側に前記ブレードの機能を持った内管継手が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却管構造。
前記内管継手は、前記内管の軸方向に対してほぼ垂直な偏流面および円弧状の縁部を有し、同縁部の一部先端が前記外管の内壁に当接して設けられ、前記内管を前記外管に同軸状に配置していることを特徴とする請求項５に記載の冷却管構造。