(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切り板で遮断された温度の異なる２つの流体の間で熱交換を行う熱交換装置であって、
上記仕切り板の中央の両面にはそれぞれ流体を圧送する流体圧送手段を配置し、これらの流体圧送手段の周囲には一端が流体圧送手段側に、他端が仕切り板の外側なるように複数の通路を円弧状に湾曲且つ隣接して全体として渦巻き状に形成するとともに、各通路を上記仕切り板の両側に突出させ、奇数列又は偶数列の何れか一方の通路の両端を仕切り板の表側に開口し、他方の通路の両端を仕切り板の裏側に開口させ、上記各流体圧送手段からの流体を上記各通路の一端から他端に圧送し、通路の側壁を隔てて温度の異なる２つの流体を通過させることにより上記側壁を介して熱交換させることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記流体圧送手段が遠心ファンで構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度の異なる２つの流体間で熱交換する熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、消費電力の大きな電子機器において内部に発生した熱を放出しないと内部温度が上昇し、その結果、回路を構成する素子の動作が不安定になり機器の誤動作や故障につながるため、何らかの手段で機器の内部を冷却する必要があった。このため、機器に冷却ファンを設けて外部の冷えた空気を機器の内部に取り込むとともに、機器内の熱せられた空気を機器外に排出して機器の内部の空気を入れ替えていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の冷却ファンでは、外部の空気を取り込むために機器の内部に塵埃が入り、特に導電性を有する金属粉等を含んだ塵埃は故障の大きな原因につながる恐れがあり、これを回避するためにフィルターを使用して機器内に塵埃の入り込みを防いでいたが、塵埃によるフィルターの目詰まりが冷却ファンの効率を落とすために定期的にフィルターの交換・清掃をしなければならず、機能上、運用管理上で問題があるうえ、屋外等で使用する場合は機器の内部に雨や水が進入する問題もあり、機器自体をそのままの状態で戸外などに設置することはできなかった。
【０００４】
また、流体を入れ替えることなく熱交換を行うことができる熱交換装置も提供されている。例えば特開平３ー１０９５号公報に示すものがある。
【０００５】
この熱交換装置は図８（ａ）、（ｂ）に示すように、分割円筒状のセンタコア５２、５３と、そのセンタコア５２、５３の内周面から径方向へ渦巻状に巻き回された隔壁板５４と、この隔壁板５４の両端を塞ぐ端面スペーサ５５、５６と、上記隔壁板５４が形成した流体経路を分割する中間スペーサ５７、５８とから構成され、センタコア５２の第１パイプ５２ｅから吹き込まれた流体は隔壁板５４の形成する上側の通路を外側に向かって流れ（Ｐ１〜Ｐ４）、外周に到達した流体は下側の通路を通って内側に向かって流れ（Ｐ６〜Ｐ８）、センタコア５２に到達した流体は第２パイプ５２ｆから外部に流れ出る。一方、他の流体はセンタコア５３の第１パイプ５３ｅから吹き込まれ隔壁板４の形成する下側の通路を外側に向かって流れ（Ｑ１〜Ｑ４）、外周に到達した流体は上側の通路を通って内側に向かって流れ（Ｑ５〜Ｑ８）、センタコア５３に到達した流体は第２パイプ５３ｆから外部に流れ出る。２つの流体は隔壁板を介して熱交換を行うが、それぞれの流体をこの装置に送り込む送流手段を別途設けなければならないため、装置全体の形状が大きくなり小型の電子機器などに取り付けることはできない。また、流路が狭く複雑になるため装置内を流れる流体の流速を早くすることができず、単位時間内の熱交換量を確保することは難しかった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解消し、温度の異なる２つの流体を入れ替えることなく効率的に熱交換を行うとともに、小型でしかも単独で熱交換を行うことができ、使用環境に制約を受けない熱交換装置を提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る熱交換装置は、仕切り板で遮断された温度の異なる２つの流体の間で熱交換を行う熱交換装置であって、上記仕切り板の中央の両面にはそれぞれ流体を圧送する流体圧送手段を配置し、これらの流体圧送手段の周囲には一端が流体圧送手段側に、他端が仕切り板の外側なるように複数の通路を円弧状に湾曲且つ隣接して全体として渦巻き状に形成するとともに、各通路を上記仕切り板の表裏両側に突出させ、奇数列又は偶数列の何れか一方の通路の両端を仕切り板の表側に開口し、他方の通路の両端を仕切り板の裏側に開口させ、上記各流体圧送手段からの流体を上記各通路の一端から他端に圧送し、通路の側壁を隔てて温度の異なる２つの流体を通過させることにより上記側壁を介して熱交換させることを特徴とする。
【０００８】
なお、上記流体圧送手段が遠心ファンで構成されていることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１及び図２は熱交換装置を示し、この熱交換装置は２つの流体を遮断する仕切り板１の両面中央にそれぞれ配置された流体圧送手段２と、この流体圧送手段２の周囲に一端が上記流体圧送手段２側に、他端が上記仕切り板１の外側になるように配置された複数の通路３とで構成されている。
【００１１】
上記仕切り板１の表側中央部にはモータ６が固定されている。このモータ６の回転軸７の一端にはアダプタ８を介して流体圧送手段２の１つである第１の遠心ファン１０が取着され、仕切り板１を貫通して裏側に突出した回転軸７の他端にはファンブッシュ１１を介して流体圧送手段２である第２の遠心ファン１２が取着され、これら２つの遠心ファン１０、１２は１つのモータ６で回転させられ、周囲に配置された通路３に流体を圧送するように構成されている。
【００１２】
なお、上記仕切り板１の少なくとも一方の面には通路の周囲にシールド用のＯリングを嵌装するためのＯリング溝（図示せず）を周設してもよい。
【００１３】
上記通路３は一端が流体圧送手段２側に、他端が仕切り板１の外側なるように仕切り板１と同一素材で、この仕切り板１の表裏両側に突出し、円弧状に湾曲且つ隣接して配置されて全体として渦巻き状に形成されている。図３、図４に示すように、仕切り板１の上下には中央に開口部１３ａ、１４ａが形成された仕切り板１と同一素材からなる略円板状の遮蔽板１３、１４が取着され、上方が開口した奇数列の通路３ａは遮蔽板１３で上方が遮蔽されて通路の両端が仕切り板１の表側１ａに開口し、流体が拡散・逆流することなく通路３ａを一端から他端に通過させることができるように形成され、下方が開口した偶数列の通路３ｂは遮蔽板１４で下方が遮蔽されて通路の両端が仕切り板１の裏側１ｂに開口し、流体が拡散・逆流することなく通路３ｂを一端から他端に通過させることができるように形成され、通路３ａを通過する流体と通路３ｂを通過する流体とは通路３ａ、３ｂの共通の側壁ａを隔てて流れるように形成されている。
【００１４】
なお、図５（ａ）の平面側斜視図に示すように、通路３ｂを形成する壁には斜面２１を形成し、通路３ａの流入口２０に流れ込む流体の流れに対して先端が先細りになるように形成され、流出する流体に対しては流出口２２に向かって図５（ｂ）の底面側斜視図に示すように斜面２３を形成し、流体に対する流路抵抗を低下させるとともに、騒音を減少させるように形成されている。なお、図５（ａ）において符号３０は遮蔽板１３を固定するためのネジの取付穴、３１はモータ６を取り付けるための取付凹部、３２はモータを固定するネジの取付穴を示す。そして、図５（ｂ）の底面側斜視図に示すように、通路３ａを形成する壁には斜面２６を形成し、通路３ｂの流入口２５に流れ込む流体の流れに対して先端が鋭角になるように形成され、流出する流体に対しては流出口２７に向かって図５（ａ）の平面側斜視図に示すように斜面２８を形成し、流体に対する流路抵抗を低下させるとともに、騒音を減少させるように形成されている。なお、図５（ｂ）において符号３３は遮蔽板１４を固定するためのネジの取付穴、３４はモータ６の回転軸７を貫通する貫通孔を示す。
【００１５】
上記構成の熱交換装置によれば、図６に示すように、機器の筐体３０に形成された開口部３１に、モータ６取付側が機器側になるように外側から固定用の螺子３２で取り付けることにより、筐体３０内部の流体（空気）Ａと外部の流体（外気）Ｂとが仕切り板１によって完全に遮断されるとともに、図４に示すように、遠心ファン１０によって遮蔽板１３の開口部１３ａから吸い込まれた流体Ａは、流入口２０から通路３ａ内に圧送され、遠心ファン１２によって遮蔽板１４の開口部１４ａから吸い込まれた流体Ｂは、流入口２５から通路３ｂ内に圧送される。
【００１６】
流入口２０から流入した流体Ａは遮蔽板１３で上部を覆われた通路３ａを矢印（実線）のように流出口２２に向かって流れる。同様に他の流入口から流入した流体Ａも同様に通路３ａ内をそれぞれ通過してそれぞれの流出口２２に向かって流れる。
【００１７】
一方、偶数列の通路３ｂ内に送り込まれた流体Ｂは遮蔽板１４で覆われた通路３ｂを矢印（破線）のように流出口２７に向かって流れる。他の流入口から流入した流体Ｂも同様に通路３ｂ内をそれぞれ通過してそれぞれの流出口２７に向かって流れる。
【００１８】
奇数列の通路３ａと偶数列の通路３ｂとは交互に隣接して形成されているので、図７に示すように、流体Ａは通路３ａを矢印（実線）のように流れ、流体Ｂは通路３ｂを矢印（破線）のように流れる。流体Ａの熱は奇数列の通路３ａを通りながら通路３ａの内壁に熱伝導し、流体Ｂの熱は偶数列の通路３ｂを通りながら通路３ｂの内壁に熱伝導するが、通路３ａの外壁は通路３ｂの内壁になり、通路３ｂの外壁は通路３ａの内壁になるので、１つの側壁ａを隔てて異なる温度の流体が流れることになり、２つの流体Ａ、Ｂは通路３ａ、３ｂを通過しながら通路の側壁ａを介して熱交換をおこなうことができる。
【００１９】
そして通路３ａ、３ｂの中央部はそれぞれ仕切り板１の反対側に突出しているので２つの流体が流れる側壁ａが形成する伝熱面積を大きくすることができるとともに、圧力損失に対して効率の高い遠心ファンを使用し、しかも流入口、流出口は流路抵抗を減少させる形状にしたので流体の速度を確保でき、大きな伝熱面積とあいまって熱交換量を大きくすることができ、効率のよい熱交換を行うことができる。
【００２０】
また、側壁を薄く形成することにより、通路の形成する広い面積で薄い側壁を通して熱交換することができるので、熱伝導率の低いプラスチックであっても熱抵抗が少ないので熱交換装置として十分に利用することができる。
【００２１】
これに対し、流体圧送手段２としてプロペラ式ファン（軸流ファン）を使用した場合は、流体が通路３を通過する際に圧力が高くなるため失速して流体の圧送効率が低下し、結果として熱交換量が減少してしまうが、同一条件下において遠心ファンを使用することにより大きな熱交換量を得ることができる。
【００２２】
この熱交換装置を、例えば電子機器に取り付けた場合は、機器の内部の熱せられた空気は遠心ファン１０によって奇数列の通路３ａに送り込まれ、送り込まれた空気は通路３ａの内壁に熱伝導しながら流出口に流れる。一方、機器の外部の空気（外気）は遠心ファン１２によって偶数列の通路３ｂに送り込まれ、送り込まれた外気は内部の空気によって暖められた内壁を冷却しながら流出口に流れる。機器内部で発生した熱は奇数列の通路３ａを通りながら通路３ａの内壁に熱伝導し、外気は偶数列の通路３ｂを通りながら通路３ｂの内壁を冷却するが、通路３ａの外壁は通路３ｂの内壁になり、通路３ｂの外壁は通路３ａの内壁になるので、１つの側壁を介して異なる温度の流体が流れることになり、側壁を介して熱交換が行われた結果、機器内部の温度を下げることができる。
【００２３】
この熱交換装置を取り付けた電子機器は筐体内外の空気を入れ替えることなく、筐体内部を冷却することができるので外気に含まれる塵埃や水分が機器内部に入り込むことがなく、設置場所が電子機器にとって好ましくない場所（屋外や塵埃の多い場所等）であっても安心して設置することができる。
【００２４】
そして、仕切り板１の表側に配置した１つのモータ６で仕切り板１の両側に設けた遠心ファン１０、１２を回転させて２つの流体を入れ替えることなく熱交換を行うことができるので、熱交換装置の設置時（機器への取付等）には流体の方向性は考慮する必要がなく、モータ６を悪い環境におかないように熱交換装置の取付方向を決定すればよい。
【００２５】
なお、上述の熱交換装置は効率のよい熱交換ができるので、熱伝導率の低いプラスチックを利用することができ、プラスチックを利用することにより生産性を高めることができるが、熱交換装置の一部（遮蔽板）をアルミや銅等の熱伝導率の高い金属板で形成してもかまわないし、全てをアルミや銅等で形成してもかまわない。
【００２６】
また、上述の熱交換装置では２つの流体を気体（空気）で説明したが、一方の流体が液体で他方の流体が気体であってもかまわないし、２つの流体が液体であってもかまわない。この場合には、モータ６として防水型を使用すればよい。
【００２７】
そして、上述の熱交換装置では奇数列４個、偶数列４個の都合８個の通路が設けられているが、通路の合計が偶数個であればこの通路の数は８個に限定されるものではない。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、２つの流体を遮断する仕切り板に、２つの流体を別々に通過させる通路を仕切り板の両側に突出させるとともに、円弧状に湾曲且つ隣接して全体として渦巻き状に形成したので、流体を拡散、逆流させることなく流路を通過させることができ、上記２つの流体を入れ替えることなく伝熱面積の大きい通路の側壁を介して効率的に熱交換をおこなうことができるので、熱交換装置を取り付けた機器において、筐体内部に外部の塵埃や水などが入り込むことがなく、機器を長期にわたって安定して動作させることができるとともに、気体間だけではなく、気体と液体間など異なる流体間においても熱交換を行なうことができる。しかも、コンパクトな形状にもかかわらず流体圧送手段を内蔵し、取付対象の機器に容易に取着することができる。
【００２９】
また、薄い側壁を隔てて２つの流体を通過させることにより効率のよい熱交換ができるので、熱伝導率の低いプラスチックを利用することが可能になり、生産性を向上させることができるとともに製造コストを大幅に下げることができる。
【００３０】
そして、フィルター等で塵埃の進入を防ぐ必要がないのでメンテナンスフリーになり、運用管理の面で優れるとともに、筐体の内部を外部から完全に遮断することができるので使用環境に制約を受けることのない熱交換装置を提供することができる。
【００３１】
請求項２の発明によれば、流体圧送手段を遠心ファンで構成したことにより、流体の圧送圧力が高く、通路を通過させる際の圧力損失に対応して効率を高くすることができるので、仕切り板の両面に通路を突出させたことにより得られる大きな伝熱面積と相まって熱交換量の増大を図ることができ、効率のよい熱交換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換装置の斜視図
【図２】上記熱交換装置の構成を示す分解斜視図
【図３】熱交換装置の要部縦断面図
【図４】通路を展開した状態の熱交換装置の要部縦断面図
【図５】（ａ）（ｂ）は通路の形状を示す平面側斜視図及び底面側斜視図
【図６】上記熱交換装置の使用状態の一例を示す斜視図
【図７】熱交換装置の要部横断面図
【図８】（ａ）（ｂ）は従来の熱交換装置の一例を示す斜視図及び縦断面図
【符号の説明】
１  仕切り板
２  流体圧送手段
３  通路
６  モータ
１０、１２  遠心ファン
２０、２５  流入口
２２、２７  流出口
Ａ  流体
Ｂ  流体
ａ  側壁
【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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