JP6102424B2

JP6102424B2 - 冷却構造

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Publication number: JP6102424B2
Application number: JP2013073171A
Authority: JP
Inventors: 洋輔肥塚; 中山　達臣; 達臣中山; 克昌三留
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014197637A

Description

本発明は、半導体やモータ等の電子機器を冷却するための冷却構造に関する。

この種の従来技術として、「冷却装置」とした名称において特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示されている冷却装置は、電子部品に対し離反する方向に延長される複数の放熱部材を備え、この各放熱部材相互間を冷却用流体が通過することで、前記電子部品の冷却を行うものであり、それら複数の放熱部材の長さは、前記電子部品の発熱による熱伝導温度が低くなるに従って短くなるように形成されている。

また、上記複数の放熱部材の長さは、冷却用流体の流れ方向に沿って、電子部品の中央部から端部に向かって短くなるように形成されているとした記載がされている。

特開２００３−８２６４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の冷却装置は、複数の放熱部材が、電子部品に対し離反する方向に延長され、かつ、放熱部材との流接面積を増加させることによる冷却を行うものであり、小型化の阻害原因になっているものである。

そこで本発明は、圧力損失の低減と伝熱性の向上を図ることができるとともに、小型，簡略化を図ることができる冷却構造の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る冷却構造は、発熱体又は発熱体を配置した基材に冷却用流体を流接させることにより、その発熱体を冷却するものである。
そして、上記冷却用流体に流接する発熱体又は発熱体を配置した基材の第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面に、上記冷却用流体の流通方向と交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部をそれぞれ形成しており、
上記渦流れ生成部は、複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、
上記凹部の開口幅Ｗをせん断応力τωと流体密度ρから計算されるせん断速度ｕτ＝（τω／ρ）１／２及び流速ｕ，密度ρ，レイノルズ数Ｒｅから計算される管摩擦係数の実験式Ｃｆ＝τω／（０．５ρｕ２）＝０．７３Ｒｅ−０．２５と動粘度νを用いて無次元化した値Ｗ＋＝Ｗｕτ／νを２５〜３００としている。

この構成においては、互いに対向させて形成した上記二つの渦流れ生成部により、発熱体又は発熱体を配置した基材の冷却用流体に流接する第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面近傍を流れる冷却用流体に渦流れを生じさせている。

本発明によれば、互いに対向させて形成した上記二つの渦流れ生成部により、第一の流接面及び第二の流接面近傍を流れる冷却用流体に渦流れを生じさせているので、圧力損失の低減と伝熱性の向上を図ることができるとともに、小型，簡略化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造を適用した冷却システムの構成を示す説明図である。（Ａ）は、冷却システムの一部をなすインバータの構成を示す、図１に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図、（Ｂ）は、冷却器の流接面の説明図である。図２（Ａ）に示すＩＩ-ＩＩ線に沿う断面図である。二つの渦流れ生成部の詳細を示す部分拡大図である。伝熱係数と圧力損失の関係を示すグラフである。比較例１、比較例２、参考例１、実施例１の各伝熱性能を示す棒グラフである。（Ａ）は、第一の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｂ）は、第二の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｃ）は、第三の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｄ）は、第四の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る冷却構造を適用した冷却システムの構成を示す説明図、図２（Ａ）は、冷却システムの一部をなすインバータの構成を示す、図１に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図、（Ｂ）は、冷却器の流接面の説明図である。また、図３は、図２（Ａ）に示すＩＩ-ＩＩ線に沿う断面図、図４は、二つの渦流れ生成部の詳細を示す部分拡大図である。

図１に示すように、一例に係る冷却システムＡは、ラジエータ１０、水冷式のモータ１１、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１２、インバータ２０、電動ポンプ１３及びコントローラＢを有して構成されている。

水冷式のモータ１１、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１２、インバータ２０及び電動ポンプ１３は、コントローラＢの出力側に接続されて、適宜制御されるようになっている。
コントローラＢは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所定のプログラムの実行により所要の機能を発揮するようになっている。

本実施形態において示すインバータ２０は、直流電力から交流電力を電気的に生成する電力変換装置であり、図２（Ａ）に示すように、ウォータージャケット２１、基材としての冷却器２２、電気的な絶縁材２３、銅等で形成されたバスバー２４、半田層２５、銅・モリブデン等で形成された熱緩衝プレート２６、半田層２７及び発熱体である半導体チップ３０を順に積層した構成になっている。

ウォータージャケット２１は、上面を開口した断面コ字形のものであり、これの上面開口２１ａに、これを閉塞するようにして、本発明の一実施形態に係る冷却構造を適用した上記冷却器２２を載置している。
このウォータージャケット２１の冷却用流体流入側側壁２１ｄには、冷却用流体を流入させるための流入口２１ｅが、また、冷却用流体流出側側壁２１ｆには、冷却用流体を流出させるための流出口２１ｇがそれぞれ形成されている。
このウォータージャケット２１には、上記流入口２１ｅ、流出口２１ｇを通じて図１，２に「α」で示す方向に冷却用流体が流通している。

冷却器２２は板体として形成されており、上記ウォータージャケット２１内に臨む第一の流接面２２ａに本発明の一実施形態に係る冷却構造を採用している。
本発明の一実施形態に係る冷却構造は、発熱体である半導体チップ３０が配置された基材としての冷却器２２に冷却用流体を流接させ、その半導体チップ３０を冷却する機能を有するものである。

本実施形態においては、上記半導体チップ３０を配置した冷却器２２の冷却用流体に流接する第一の流接面２２ａ及びこの第一の流接面２２ａに対向する第二の流接面２１ｂに、上記冷却用流体の流通方向αと交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部Ｃ１，Ｃ２を形成したものである。

冷却器２２には、上記した絶縁材２３、バスバー２４、半田層２５、緩衝プレート２６、半田層２７を介して発熱体である半導体チップ３０を載置している。
緩衝プレート２６は、半導体チップ３０との線膨張率の差を緩衝するためのものである。

渦流れ生成部Ｃ１は、複数の凹部としての断面半円形の溝２２ｂを上記冷却器２２の流接面２２ａに所定の間隔にして連続させて形成したものである。
本実施形態においては、隣り合う二つの溝２２ｂ，２２ｂどうしが、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で形成している。

「凹部（溝２２ｂ）を連続させて形成」するとは、隣り合う凹部（溝２２ｂ）の内壁どうしを交差させる形態にした配列の他、それら隣り合う凹部の内壁どうしを交差させない形態のものを含む。
凹部の内壁どうしを交差させない形態の場合、隣り合う凹部の内壁の終端どうしを曲面等で滑らかに連続させるとよい。このように、内壁の終端どうしを曲面等で滑らかに連続させると加工を行いやすい。

「内壁どうしが交差する」とは、凹部（溝２２ｂ）を断面半円形にした場合、これらの直径寸法毎に一定の間隔にして配列したときのように、内周壁面どうしが第一の流接面２２ａ上で当接する態様の他、上記直径寸法以下の間隔で配列した態様を含む。この場合、隣り合う溝の内周壁面どうしが、第一の流接面２２ａ以下において交差するようになる。
なお、凹部の断面形状は、上記した断面半円形のものに限らず、不規則なものであってもよく、さらにそれらを組み合わせて配列してもよいことは勿論である。
すなわち、冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる凹部であればよい。

「所定の間隔」は、一定の間隔にしたもの、複数の凹部の全部又はそれらの一部を不規則な間隔にしたものの双方を含んでいる。
隣り合う二つの溝２２ｂ，２２ｂどうしを、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で配列形成することにより、溝２２ｂをより多く形成することができ、渦流れをより多く生成させることができる。

（１）溝（凹部）２２ｂの最大高さＨ（図２参照）を、流動条件であるレイノルズ数Ｒｅと代表長さｄから計算される壁面近傍の層流低層厚さδ_ｂ＝６３．５／（Ｒｅ^７／８）×ｄよりも大きくしている。

（２）溝２２ｂの開口幅Ｗをせん断応力t_wと流体密度ρから計算されるせん断速度ｕ_τ＝（τ_ω／ρ）^１／２及び流速ｕ，密度ρ，レイノルズ数Ｒｅから計算される管摩擦係数の実験式Ｃ_ｆ＝τ_ω／（０．５ρｕ^２）＝０．７３Ｒｅ^{−０．２５}と動粘度νを用いて無次元化した値Ｗ^＋＝Ｗｕ_τ／νを２５〜３００の範囲としている。

（３）溝２２ｂの最大高さＨが流接面２２ａから対向する流接面２１ｂまでの距離Ｘ（図２参照）に対して小さくしている。
（４）冷却用流体の流通方向αに直交する流路断面の最小流路断面積Ａと、最大ぬれぶち長さＬから計算される代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを大きくしている。
最小流路断面積Ａは、図３に示す輪郭線分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４により区画される断面積である。
輪郭線分Ｌ１，Ｌ３は、凸部２１ｄ，２２ｃの頂部間の間隔に一致する長さになっており、また、輪郭線分Ｌ２，Ｌ４は、溝２１ｃ，２２ｂの長さになっているとともに、凸部２１ｄ，２２ｃ（図４参照）の頂部を通るものである。
「ぬれぶち長さＬ」とは、図３に示すように、輪郭線分Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８で区画される流路断面における冷却用流体に接する輪郭線の長さのことである。
輪郭線分Ｌ５，Ｌ７は、凹部２２ｂ，２１ｃの底部間の間隔に一致する長さになっており、また、輪郭線分Ｌ６，Ｌ８は、溝２１ｃ，２２ｂの長さになっているとともに、凹部２１ｄ，２２ｃの底部を通るものである。

（５）代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを０．００４以上としているが、その代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを０．００７以上とすることが好ましい。
（６）溝２２ｂの冷却用流体の流通方向αに直交する方向βの奥部の幅を無次元化した値Ｗ＋が４０〜１５０の範囲にしている。

（７）凸部側の先端に行くほど、冷却用流体の流通方向αに対する凸部の長さが小さくなり、流通方向に対して凸部先端が平坦な領域が小さく、凹凸形状が冷却用流体の流れ方向に対して連続している。

渦流れ生成部Ｃ２は、上記した渦流れ生成部Ｃ１と同じく、冷却用流体の流通方向αと交差する方向に延出し、かつ、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる機能を有するものであり、ウォータージャケット２１の底壁面（第二の流接面）２１ｂに形成されている。
換言すると、上記冷却用流体に流接し、かつ、上記した冷却器２２の第一の流接面２２ａに対向する上記底壁面（第二の流接面）２１ｂに渦流れ生成部Ｃ２を形成している。

渦流れ生成部Ｃ２は、複数の凹部としての断面半円形の溝２１ｃを上記底壁面２１ｂに所定の間隔にして形成したものである。
本実施形態においては、隣り合う二つの溝２１ｃ，２２ｂどうしが、これらを区画する内壁どうしが交差する所定の間隔で形成したものであり、上記した条件（１）〜（７）を満たすようにしている。

本実施形態においては、図４に示すように、上記した複数の凹部としての一定の曲率にした断面半円形の溝２２ｂ，２１ｃと、これらの溝２２ｂ，２１ｃ間に形成される凸部２１ｄ，２２ｃを第一，第二の流接面２２ａ，２１ｂにそれぞれ一定の間隔Ｐ１にして連成したものである。
凸部２１ｄ，２１ｃの各先端の曲率半径が０．２ｍｍ以上となる曲面から形成している。

隣接する凹部間に形成される凸部２１ｄ，２２ｃの各先端を一定の曲率半径からなる曲面に形成していることにより、エロージョンによる摩耗を抑制できるとともに、渦流れ生成部Ｃ１，Ｃ２の加工を容易に行うことができる。
また、型の割れや欠けの発生を抑制でき、凸部先端に角部がないので、平均膜厚の管理を容易に行うことができる。
さらに、凸部２１ｄ，２２ｃの各先端の曲率半径を０．２ｍｍ以上にすると、ワイヤーカット放電加工をする上で好ましい。

図５は、伝熱係数と圧力損失の関係を示すグラフである。図５において、渦流れ生成部Ｃ１と渦流れ生成部Ｃ２の関係は、次のとおりである。なお、縦軸が熱通過係数、横軸が圧力損失である。
＜比較例＞
Ｆｌａｔ‐Ｆｌａｔ…渦流れ生成部Ｃ１と渦流れ生成部Ｃ２双方ともに設けられていない形態…図中紫色の丸で示す。
Ｆｌａｔ‐Ｒ０．２…渦流れ生成部Ｃ１を設けず、渦流れ生成部Ｃ２のみを設けた形態…図中青色の丸で示す。
「Ｒ０．２」は、溝２１ｃの半径が０．２ｍｍであることを示している。
Ｆｌａｔ‐Ｒ０．５…渦流れ生成部Ｃ１を設けず、渦流れ生成部Ｃ２のみを設けた形態…図中橙色の丸で示す。
「Ｒ０．５」は、溝２１ｃの半径が０．５ｍｍであることを示している。
Ｆｌａｔ‐Ｒ１…渦流れ生成部Ｃ１を設けず、渦流れ生成部Ｃ２のみを設けた形態…図中緑色の丸で示す。
「Ｒ１」は、溝２１ｃの半径が１．０ｍｍであることを示している。
＜参考例＞
Ｒ０．５‐Ｆｌａｔ…渦流れ生成部Ｃ２を設けず、渦流れ生成部Ｃ１のみを設けた形態…図中紫色の三角で示す。
「Ｒ１」は、溝２２ｂの半径が１．０ｍｍであることを示している。

＜実施例＞
Ｒ０．５‐Ｒ０．２…渦流れ生成部Ｃ１，２を設けた形態…図中青色の三角で示す。
「Ｒ０．５」は、溝２２ｂの半径が０．５ｍｍ、「Ｒ０．２」は、溝２１ｃの半径が０．２ｍｍであることを示している。
Ｒ０．５‐Ｒ０．５…渦流れ生成部Ｃ１，２を設けた形態…図中橙色の三角で示す。
「Ｒ０．５」は、溝２２ｂの半径が０．５ｍｍ、「Ｒ０．５」は、溝２１ｃの半径が０．５ｍｍであることを示している。
Ｒ０．５‐Ｒ１…渦流れ生成部Ｃ１，２を設けた形態…図中紫色の三角で示す。
「Ｒ０．５」は、溝２２ｂの半径が０．５ｍｍ、「Ｒ１」は、溝２１ｃの半径が１．０ｍｍであることを示している。

図６は、比較例１、比較例２、参考例１、実施例１の各伝熱性能を示す棒グラフである。
比較例１は、上記した図５に示す「Ｆｌａｔ‐Ｆｌａｔ」、比較例２は、図５に示す「Ｆｌａｔ‐Ｒ０．５」、参考例１は、「Ｒ０．５‐Ｆｌａｔ」、また、実施例１は、図５に示す「Ｒ０．５‐Ｒ０．５」に相当するものである。
図５，６から明らかなように、上記した比較例１，２に対して伝熱性能が大きく向上しているのは勿論のこと、参考例１に比較しても伝熱性能が約１０％向上していることが明らかである。

以上の構成からなる冷却構造によれば、次の効果を得ることができる。
・互いに対向させて形成した二つの渦流れ生成部により、発熱体又は発熱体が配置された基材近傍を流れる冷却用流体、及びウォータージャケット２１の底壁面２１ｂ近傍の冷却用流体に渦流れを生じさせられ、これにより、伝熱の促進を図ることができる。

・溝２１ｃ，２２ｂ（凹部）の最大高さＨを、流動条件であるレイノルズ数Ｒｅと代表長さｄから計算される壁面近傍の層流低層厚さδ_ｂ＝６３．５／（Ｒｅ^７／８）×ｄよりも大きくしているので、発熱体又は発熱体が配置された冷却器２２近傍の層流低層の厚さ以上で伝熱を促進させることができる。

・凹部の開口幅Ｗをせん断応力τ_ωと流体密度ρから計算されるせん断速度ｕ_τ＝（τ_ω／ρ）^１／２及び流速ｕ，密度ρ，レイノルズ数Ｒｅから計算される管摩擦係数の実験式Ｃ_ｆ＝τ_ω／（０．５ρｕ^２）＝０．７３Ｒｅ^{−０．２５}と動粘度νを用いて無次元化した値Ｗ^＋＝Ｗｕ_τ／νを２５〜３００の範囲としているので、熱伝達効率を向上させることができる。

・冷却用流体の流通方向に直交する流路断面の最小流路断面積Ａと最大ぬれぶち長さＬから計算される代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを０．００４以上としているので、壁面せん断の影響を小さくし圧力損失の増加を抑えることができると同時に、第一，第二の流接面の溝幅と流路高さを小さくすることができるため、冷却構造を適用する発熱体又は基材を小型化することができる。

・冷却用流体の流通方向に交差する溝として形成することにより、第一，第二の流接面の上記流通方向と交差する方向全域において渦流れを形成することができ、これにより伝熱が促進される。

・冷却用流体が流れる面に開口した溝の幅を所定の値とすることにより、さらに伝熱性能を向上させることができる。
・冷却用流体の流通方向と直交する方向において連続した溝とすることにより、当該流通方向に対する渦の発生頻度を増加させ、伝熱を促進することができる。
・溝を冷却器の第一の流接面に凹設することにより、冷却構造を適用した発熱体や基材のさらなる小型化を図ることができる。

次に、図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、渦流れ生成部の変形例について説明する。図７（Ａ）は、第一の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｂ）は、第二の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｃ）は、第三の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図、（Ｄ）は、第四の変形例に係る渦流れ生成部を示す説明図である。
なお、以下に示す渦流れ生成部Ｃ３〜Ｃ６は、上記した渦流れ生成部Ｃ１，Ｃ２として適用できるものである。

図７（Ａ）に示す第一の変形例に係る渦流れ生成部Ｃ３は、直線的な溝４０を冷却用流体の流通方向αに互いに一定の間隔にして斜行形成したものである。
同図（Ｂ）に示す第二の変形例に係る渦流れ生成部Ｃ４は、ジクザグな溝４１を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。

同図（Ｃ）に示す第三の変形例に係る渦流れ生成部Ｃ５は、波形の溝４２を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。
同図（Ｄ）に示す第四の変形例に係る渦流れ生成部Ｃ６は、直線的かつ断続的な溝４３を冷却用流体の流通方向αと互いに一定の間隔にして直交させたものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、発熱体が配置された基材に冷却用流体を流通させることにより、その発熱体を冷却する冷却構造の例として、冷却構造をインバータに適用した例について説明したが、発熱体としてのモータ等に直接適用してもよいことは勿論である。

２２冷却器（基材）
３０発熱体（半導体チップ）
Ｃ１〜Ｃ６渦流れ生成部
２２ａ，２１ｂ第一，第二の流接面

Claims

発熱体又は発熱体を配置した基材に冷却用流体を流接させることにより、その発熱体を冷却する冷却構造において、
上記冷却用流体に流接する上記発熱体又は発熱体を配置した基材の第一の流接面及びこの第一の流接面に対向する第二の流接面に、上記冷却用流体の流通方向と交差する方向に延出するとともに、その冷却用流体の流通速度に応じて渦流れを生じさせる渦流れ生成部をそれぞれ形成しており、
上記渦流れ生成部は、複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、
上記凹部の開口幅Ｗをせん断応力τωと流体密度ρから計算されるせん断速度ｕτ＝（τω／ρ）１／２及び流速ｕ，密度ρ，レイノルズ数Ｒｅから計算される管摩擦係数の実験式Ｃｆ＝τω／（０．５ρｕ２）＝０．７３Ｒｅ−０．２５と動粘度νを用いて無次元化した値Ｗ＋＝Ｗｕτ／νを２５〜３００としていることを特徴とする冷却構造。
凹部の最大高さＨを、流動条件であるレイノルズ数Ｒｅと代表長さｄから計算される壁面近傍の層流低層厚さδｂ＝６３．５／（Ｒｅ７／８）×ｄよりも大きくしている請求項１に記載の冷却構造。
凹部の最大高さＨを、これの開口面から対向する流路面までの距離Ｘに対して小さくしている請求項１又は２に記載の冷却構造。
冷却用流体の流通方向に直交する流路断面の最小流路断面積Ａと最大ぬれぶち長さＬから計算される代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを０．００４以上としている請求項３に記載の冷却構造。
冷却用流体の流通方向に直交する流路断面の最小流路断面積Ａと最大ぬれぶち長さＬから計算される代表長さｄ＝４Ａ／Ｌを０．００７以上としている請求項４に記載の冷却構造。
凹部の冷却用流体の流通方向に直交する方向の幅を無次元化した値Ｗ＋を４０〜１５０の範囲にしている請求項３又は５に記載の冷却構造。
隣り合う二つの凹部を、これらを区画する内壁どうしが交差するように形成している請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却構造。
隣接する凹部間に形成される凸部を、この凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以上となる曲面から形成している請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却構造。
二つの渦流れ生成部のうちの一方のものは、発熱体又は発熱体を配置した基材の冷却用流体に流接する第一の流接面に凹設した溝、他方のものは、その第一の流接面に対向する第二の流接面に凹設した溝である請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却構造。