(57)【要約】【課題】  熱交換効率を向上させた熱交換器を提供することである。【解決手段】本発明の熱交換器２１０は、流れている流体と、流体と熱交換される被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器であって、入口２２６と出口２２８とを有する流路２２４と、流路２２４を形成する壁面または/および流路内の構造体２２２の表面の少なくとも一方に形成され、被熱交換体２１２と熱的に接続された伝熱面と、伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層を有し、ナノポーラス層が形成されている上記伝熱面の少なくとも一部が、層流の助走区間内に設けられていることを特徴とする。【選択図】図５
2006132841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れている流体と、流体と熱交換される被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器であって、
入口と出口とを有する流路と、
流路を形成する壁面または/および流路内の構造体の表面の少なくとも一方に形成され、被熱交換体と熱的に接続された伝熱面と、
伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層を有し、
ナノポーラス層が形成されている上記伝熱面の少なくとも一部が、層流の助走区間内に設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
ナノポーラス層が形成された上記伝熱面の少なくとも一部に少なくとも１つの段差を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
構造体が伝熱フィンであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項４】
複数の伝熱フィンが、流体の主流方向に並んでいることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
複数の伝熱フィンが、主流方向に沿って上流側から見たとき、上流側の伝熱フィンと下流側の伝熱フィンが重なるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
流れている流体と、流体と熱交換される被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器であって、
入口と出口とを有する流路と、
流路を形成する壁面または/および流路内の構造体の表面の少なくとも一方に形成され、被熱交換体と熱的に接続された伝熱面と、
伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層と、
ナノポーラス層が形成された伝熱面の少なくとも一部に少なくとも１つの段差を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
段差が、流路出口側が流路入口側より高く、相当半径ｄｈ、レイノルズ数Ｒｅであるとき、
2006132841.tif 000008
の式で求まるδより大きいことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
構造体が伝熱フィンであることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項９】
複数の伝熱フィンが、流体の主流方向に並んでいることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
流れている流体と、流体と熱交換される被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器であって、
入口と出口とを有する流路と、
流路を形成する壁面または/および流路内の複数の伝熱フィンの表面の少なくとも一方に形成され、被熱交換体と熱的に接続された伝熱面と、
伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層とを有し、
複数の伝熱フィンが、流体の主流方向に沿って上流側から見たとき、上流側の伝熱フィンと下流側の伝熱フィンが重なるように主流方向に並んで配置されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
上流側の伝熱フィンの伝熱面と下流側の伝熱フィンの伝熱面との主流方向に対して垂直方向の距離が、相当半径ｄｈ、レイノルズ数Ｒｅであるとき、
2006132841.tif 000009
の式で求まるδより大きいことを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
流路入口近傍に乱流促進体が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
ナノポーラス層が形成された上記伝熱面の少なくとも一部から隆起する隆起物を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一に記載の熱交換器。
【請求項１４】
隆起物が、伝熱面と平行な面を有することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、パワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）などの発熱体の冷却は、発熱体から発生した熱を冷媒である流体（冷媒流体）に伝達することで行われる。例えば、パワー半導体素子を冷却する場合、パワー半導体素子は板状のベースに熱的に接続され、ベースのパワー半導体素子が接続された面と対向する面に板状の複数の伝熱フィンが並列に立設されている。複数の伝熱フィンを冷媒流体が流れている流路内に配置することにより、パワー半導体素子から発生した熱はベースと伝熱フィンとを介して冷媒流体に伝達する。ベースと伝熱フィンとが、パワー半導体素子と流体との熱交換を媒介する熱交換器（この場合、ヒートシンクと称される。）として機能している。
【０００３】
また、流体と接触して熱伝達する伝熱面に１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の孔（ナノオーダの大きさの孔）を有する多孔質層（以下、「ナノポーラス層」と称する。）を形成すると、伝熱面と流体の間の熱伝達性は、ナノポーラス層が存在しない場合に比べて向上することが報告されている（非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】功刀、芝原、他「ナノ・ミクロン−スケール多孔質構造による超高伝熱促進」，日本機械学会熱工学コンファレンス２００３講演論文集、ｐ３０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ナノポーラス層を形成した伝熱面と流体との熱伝達性の向上は流体が乱流状態である場合しか確認されておらず、ナノポーラス層について、熱伝達性の向上のメカニズムや熱伝達性を向上させるための条件など未解明な部分が多い。そのため、実用において熱交換器の伝熱面にナノポーラス層を形成する場合、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする熱交換器の構成が明らかでない。
【０００５】
そこで、本発明は、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする熱交換器の構成を見出すとともに、該構成を有することにより熱交換効率を高めた熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱交換器は、
流れている流体と、流体と熱交換される被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器であって、
入口と出口とを有する流路と、
流路を形成する壁面または/および流路内の構造体の表面の少なくとも一方に形成され、被熱交換体と熱的に接続された伝熱面と、
伝熱面の少なくとも一部に形成されたナノポーラス層を有し、
ナノポーラス層が形成されている上記伝熱面の少なくとも一部が、層流の助走区間内に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
ここで、「被熱交換体」とは、流体と熱交換される対象を言い、発熱体（例えば、パワー半導体素子）や吸熱体（例えば、ペルチェ素子）や流体などが含まれる。また、「層流の助走区間」とは、流路において流体の主流方向と垂直な方向に関して均一な流速の流体が、一定の流速分布となる（流速分布が変化しなくなる）までに必要とする区間（距離）をいう。言い換えると、助走区間は、流路において流体の流れが一定の流速分布である領域（発達領域）以外の領域とみなすことができる。助走区間は、例えば、流体流路入口や後述の流速均一化手段が存在する位置から始まり、発達領域の上流側端で終わる。助走区間を過ぎた発達領域内の流体の流れは、完全に発達した層流境界層で実質的に覆われた流れとなり、それは完全に発達した層流と称される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ナノポーラス層の形成による熱伝達性の向上を可能とする熱交換器の構成が見出され、該構成は流体が乱流で流れてなくても熱伝達性を向上することができる。それにより、熱交換効率を向上させた熱交換器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る熱交換器は、以下の実験に基づいて成されたものである。実験は、ナノポーラス層が熱伝達性を向上させるための条件（以下、「熱伝達性向上条件」と称する。）を見出すために実施される。以下、実験内容と実験結果、実験結果から見出された熱伝達性向上条件について説明する。
【００１０】
実験１．
実験１では、完全に発達した層流の流体に対して熱を伝達する伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。効果は、伝熱面にナノポーラス層を形成した場合の熱伝達性と形成しない場合の熱伝達性とを比較することによって確認した。
【００１１】
図１に、実験１に使用した実験装置を概略的に示す。図１（ａ）に示すように、実験装置１０は、概略、ｘ方向に伸びる流路１２を有する流管１４、流路１２を形成する流管１４の内壁面１６の一部であって流路１２を流れる流体に熱を伝達する伝熱面１８を有する熱伝導体ブロック２０、熱伝導体ブロック２０に熱を伝達するヒータ（発熱体）２２から構成される。流体として空気を使用した。また、図示されていないが、実験装置１０は、ヒータ２２が発した熱が熱伝導ブロック２０を介して伝熱面１８に可能な限り全て伝わるように、ヒータ２２や熱伝導体ブロック２０を覆う断熱材（図示せず）を有する。
【００１２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）においてＡ−Ａ方向から見た流管１４、伝熱面１８、熱伝導体ブロック２０、ヒータ２２の断面図である。図に示すように、流路１２は、辺長ａ（ｘ方向に垂直なｚ方向に関する長さ）、ｂ（ｘ、ｚ方向に垂直なｙ方向に関する長さ）の長方形状断面を有する。流路１２の相当直径ｄｅは、数１で示される。
【数１】
2006132841.tif 000003
【００１３】
流管１４の入口２４から流体が流入され、ヒータ２２から発生した熱は熱伝導体ブロック２０を伝導し、伝熱面１８を介して流路１２を流れる流体に伝達する。流体が主流方向と垂直な方向（図中、ｙ方向とｚ方向）に関して均一な流速Ｖ１［ｍ／ｓ］で入口２４から流路１２に流入するように、また、この流速Ｖ１［ｍ／ｓ］が変更できるように、実験装置１０は構成されている。空気の流速は、流量を流路の断面積で除算することで求めた。流量は、例えば、入口２４上流に設けたオリフェスの上流側と下流側の圧力を測定し、その圧力差から算出した。流速の変更は、例えば、流体流れを発生させるファンの回転数を変更することによって行った。流速Ｖ１は、流体が層流となる条件、数２の式で示される条件を維持しつつ変更した。
【数２】
2006132841.tif 000004
【００１４】
Ｒｅｃは臨界レイノルズ数、νは動粘性係数である。レイノルズ数は、流体の流れ状態を示す無次元数であって、流路を流れる流体の平均流速と流路の相当直径の積を流体の動粘性係数で除算することで求められる。臨界レイノルズ数Ｒｅｃは、流体の流れ状態が変わる境界を示すレイノルズ数であって、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数の流体は層流状態で流れ、臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数の流体は乱流状態で流れる（なお、本明細書では、層流から乱流へと遷移する途中の流れである遷移流を、乱流に含まれるものとして扱う。）。流路形状（例えば、流路入口形状など）などによって異なるが、臨界レイノルズ数の値は約２０００〜２３００である。以下、本明細書では、臨界レイノルズ数Ｒｅｃを２０００として扱う。
【００１５】
実験装置１０は、流管１４の入口２４近傍で流体の温度（入口温度）Ｔ１ｉｎを測定するとともに、熱伝導体ブロック２０の伝熱面１８の温度Ｔ１ｍを測定するように構成されている。
【００１６】
流管１４の入口２４から伝熱面１８までの距離Ｘ１は、層流の助走距離ＸＬｅより長く設定されている。従って、伝熱面１８において、流体は完全に発達した層流であり、完全に発達した境界層が形成されている。層流の助走距離ＸＬｅは、数３の式で算出される（「伝熱工学資料改訂第４版」日本機械学会、ｐ５０参照。）。Ｒｅはレイノルズ数である。
【数３】
2006132841.tif 000005
【００１７】
距離Ｘ１は、流体の流速Ｖ１が数２の式を満たす範囲内で変更されても、層流の助走距離ＸＬｅより長いという関係が確実に維持されるように設定されている。すなわち、距離Ｘ１は、数３においてレイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズＲｅｃであるときの助走距離ＸＬｅ以上の長さに設定されている。実験装置１０において、例えば、流路１２の長方形状断面の寸法をａ＝１００ｍｍ、ｂ＝２ｍｍとすると、距離Ｘ１は、０．０５×２０００×３．９２＝３９２ｍｍ以上、例えば、５００ｍｍに設定される。
【００１８】
このような実験装置１０において、流速Ｖ１を変更し、変更される度に温度Ｔ１ｉｎとＴ１ｍとを測定し、温度Ｔ１ｉｎとＴ１ｍの測定結果から伝熱面（熱伝導体ブロック）１８と流体の間の熱抵抗Ｒを算出した。熱抵抗Ｒは、数４の式で求められる。Ｑはヒータから流体に伝達された熱量であり、例えば、ヒータの消費電力や流管の出口温度と入口温度とから（厳密には、流体の比熱、流量も用いて）求められる。この熱抵抗Ｒから伝熱面におけるヌセルト数Ｎｕを算出した。ヌセルト数Ｎｕは、熱伝達性の程度を示す無次元数である。
【数４】
2006132841.tif 000006
【００１９】
伝熱面１８にナノポーラス層を形成した場合と形成していない場合のヌセルト数Ｎｕを求めた。ナノポーラス層が伝熱面１８に形成された場合のヌセルト数Ｎｕと、ナノポーラス層が伝熱面１８に形成していない場合のヌセルト数Ｎｕとを比較すると、大きな違いはなかった。したがって、ナノポーラス層を伝熱面に形成しても、ナノポーラス層が形成された伝熱面が助走区間より下流側にある場合、言い換えると、ナノポーラス層が形成されている伝熱面で流体が完全に発達した層流である場合、流体に対して熱伝達性を向上する効果がないことが分かった。
【００２０】
実験２．
実験２では、助走区間内の層流（完全に発達していない層流）の流体に対して、または、乱流（臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数の流れ）の流体に対して熱を伝達する伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。効果は、伝熱面にナノポーラス層を形成した場合の熱伝達性と形成しない場合の熱伝達性とを比較することによって確認した。
【００２１】
図２に、実験２に使用した実験装置を概略的に示す。図２（ａ）に示すように、実験装置１１０は、メッシュ１２６を除いて実験１の実験装置１０と略同じ構成である。実験装置１０の構成要素とほぼ同じ構成要素には、実験装置１０の構成要素の符号の数字に１００を加えた数字の符号が付されている。同じ構成要素に関しては説明を省略し、以下、異なる部分を説明する。本実験においては、流体として水を使用した。
【００２２】
メッシュ１２６は、流管１１４の入口１２４近傍の流路１１２内に配置され、メッシュ１２６近傍の下流において主流方向と垂直な方向（図中、ｙ方向とｚ方向）に関して流速を均一にする流速均一化手段として機能している。流路１１２内で流速を均一にする理由は、高速の流体が入口１２４から流入した場合、入口１２４近傍における流体の流速分布は入口１２４の影響（入口形状などで決定される入口損失の影響）を大きく受けており、この影響を除去するために流路１１２内に流速均一化手段であるメッシュ１２６が設けられる。なお、実験１においても、流路内に流速均一化手段を設けてもよいが、実験１では入口から流入される流体が低速であるため、入口の影響は小さく、それは無視できる。本実験において、助走距離と比較すべき距離Ｘ２は、メッシュ１２６から伝熱面１１８までの距離で定義される。
【００２３】
メッシュ１２６から伝熱面１１８までの距離Ｘ２は、層流の助走距離より短く設定されている。従って、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合、伝熱面１１８において、流体は完全に発達した層流になっておらず、完全に発達した層流境界層より薄い厚さの層流境界層が形成されている。
【００２４】
実験装置１１０において、例えば、流路１１２の長方形状断面の寸法をａ＝５０ｍｍ、ｂ＝２ｍｍとすると、数３の式より、０．０５×２０００×３．８４＝３８４ｍｍ以下、例えば、８０ｍｍに設定される。
【００２５】
このような実験装置１１０において、実験１と同様に、流速Ｖ２を変更し、変更される度に温度Ｔ２ｉｎとＴ２ｍとを測定し、温度Ｔ２ｉｎとＴ２ｍの測定結果から伝熱面（熱伝導体ブロック）１１８と流体の間の熱抵抗を算出した。また、熱抵抗から伝熱面におけるヌセルト数Ｎｕを算出した。
【００２６】
実験結果を図３に示す。図３は、レイノルズ数Ｒｅとヌセルト数Ｎｕとの関係を示す図である。伝熱面にナノポーラス層が形成されている場合の実験結果を実線で示し、形成されていない場合の実験結果を点線で示している。Ｒｅｃは臨界レイノルズ数であり、層流と乱流との境界を示している。
【００２７】
図に示すように、ナノポーラス層が伝熱面に形成されている方が、形成されていない方に比べ、大きいヌセルト数を示した。言い換えると、ナノポーラス層が伝熱面に形成されることにより、流体と伝熱面との熱伝達性が向上した。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れていても熱伝達性の向上が見られた。すなわち、伝熱面において流体が完全に発達した層流でない場合、ナノポーラス層形成による熱伝達性の向上の効果が生じることが分かった。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合（乱流の場合）、レイノルズ数が大きくなればなるほど、ナノポーラス層形成による熱伝達性の向上の効果が大きく生じることが分かった。
【００２８】
実験３．
実験３は、実験２と同様の装置を用い、実験２より多くの熱量を伝熱面から流体に伝達する場合の伝熱面にナノポーラス層を形成することによって生じる効果を検証した。したがって、実験２と異なる点は、ヒータの熱出力が大きいことだけである。そのため、実験装置の図示や実験方法の説明は省略する。
【００２９】
実験結果を図４に示す。図４は、レイノルズ数Ｒｅとヌセルト数Ｎｕとの関係を示す図である。伝熱面にナノポーラス層が形成されている場合の実験結果を実線で示し、形成されていない場合の実験結果を点線で示している。
【００３０】
本実験では、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合、沸騰現象が生じた。沸騰現象が生じるような条件であっても、実験２と同様に、ナノポーラス層が伝熱面に形成されている方が、形成されていない方に比べ、高いヌセルト数を示した。
【００３１】
実験１〜実験３の実験結果より、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合は、ナノポーラス層が形成された伝熱面において流体が完全に発達した層流でない場合にナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果が見られた。また、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、非特許文献１に示すように、ナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果が見られ、特に、レイノルズ数が大きくなるほどその効果も大きくなることが分かった。
【００３２】
発明者は、実験２〜３の実験結果から以下のように考察した。流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、乱流境界層が形成される。乱流境界層はほとんど乱流状態の流れから構成されているが、その内部の壁面近傍では層流底層と呼ばれる層流状態の層が形成されている。層流底層δの厚さは、数５の式、層流底層δと相当半径（相当直径ｄｅの１／２）ｄｈとの比を求める式で算出される（甲藤好郎著「伝熱概論」養賢堂、ｐ１０４参照。）。
【数５】
2006132841.tif 000007
【００３３】
数５の式からも明らかなように、層流底層の厚さδは、レイノルズ数が大きくなればなるほど小さくなっていく。レイノルズ数が大きくなればナノポーラス層による熱伝達性向上の効果が大きくなることから、層流底層の厚さδが小さくなればなるほどナノポーラス層による熱伝達性向上の効果が大きくなると言える。そこで、発明者は、層流底層の厚さδを小さくすれば、ナノポーラス層による熱伝達性向上の効果をさらに発揮させることができると考えた。
【００３４】
まとめると、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合、ナノポーラス層が形成された伝熱面において、流体は完全に発達した層流でなければ、伝熱面と流体との熱伝達性が向上する。流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れる場合、層流底層の厚さを小さくすれば、さらに熱伝達性が向上する。これらのことが実験から導き出された。
【００３５】
以下、実験の結果や発明者の考えに基づいた本発明に係る熱交換器を説明する。
【００３６】
実施の形態１．
実施の形態１の熱交換器は、発熱体を冷却する冷却装置（ヒートシンク）である。図５は、本発明の実施の形態１に係るヒートシンクを概略的に示す図である。図５（ａ）はヒートシンクの上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）においてＣ−Ｃ方向から見た断面図である。ヒートシンク２１０は、発熱体であるパワー半導体素子２１２にグリース２１４を介して熱的に接続されている。ヒートシンク２１０は、流体流れ２１８の主流方向の進路上に存在する。流体流れ２１８は、例えば、ファン（図示せず）などによって発生される。
【００３７】
ヒートシンク２１０は、パワー半導体素子２１２とグリース２１４を介して接触している板状のベース部２２０と、ベース部２２０のパワー半導体素子２１２と接触している面と対向する面に流体流れ２１８の主流方向と直交する方向に略等間隔で並設している板状の複数の伝熱フィン２２２と、ベース部２２０と伝熱フィン２２２によって形成される複数の流路２２４とを有する。流路２２４は、幅ｗと深さｈとを有する。流路２２４を形成するベース部２２０と伝熱フィン２２２の表面（伝熱面）には、ナノポーラス層が形成されている。
【００３８】
ファン（図示せず）は、ヒートシンク２１０の入口２１６に向かって均一の流速の流体流れ２１８を発生させるように構成されている。
【００３９】
ヒートシンク２１０の流路２２４の長さＬは、流路２２４内を流れる流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合、出口２２８近傍の流路２２４内において、流路２２４を流れる流体が完全に発達した層流でないように設定されている。すなわち、長さＬは、層流の助走区間より短く設定されている。
【００４０】
パワー半導体素子２１２から発生した熱は、グリース２１４を介してヒートシンク２１０に伝達する。熱は、ヒートシンク２１０全体（ベース部２２０と複数の伝熱フィン２２２）に伝導する。複数の流路２２４には流体が流れており、ベース部２２０と複数の伝熱フィン２２２の伝熱面から流体に熱が伝達される。このとき、伝熱面に形成されているナノポーラス層により、高い熱伝達効率で伝熱面から流体に熱が伝達される。
【００４１】
実施の形態１のヒートシンクにおいて、流路２２４の入口２２６近傍にメッシュやワイヤ、平板等の乱流促進体を配置してもよい。乱流促進体が入口２２６近傍に存在すると、乱流促進体の下流で乱流が生じる。この乱流により、流路２２４内の入口２２６近傍において、境界層（層流境界層や乱流境界層）の形成が阻害され、入口２２６近傍の境界層の厚さが、乱流促進体がない場合と比べて小さくなる。
【００４２】
流路２２４内で層流境界層が形成される場合（流路２２４内を流れる流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合）、層流境界層の発達が遅れることになり（出口２２８近傍境界層流層の厚さが、乱流促進体がない場合に比べて小さくなり）、遅れた発達を取り戻すために（乱流促進体がない場合の出口２２８近傍の厚さになるために）必要な距離だけ流路２２４の長さを大きくすることができる。流路２２４が長くなることにより、伝熱面の面積が増え、パワー半導体素子２１２からと流体への熱移動量（熱交換量）を増やすことができる。
【００４３】
流路２２４内で乱流境界層が形成される場合（流路２２４内を流れる流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れる場合）、乱流促進体によって乱流境界層の発達が遅れることにより、層流底層の発達も遅れ、流路２２４内全体において、乱流促進体がない場合と比較して層流底層の厚さが小さくなる。層流底層の厚さが小さくなることにより、ナノポーラス層形成による熱伝達性の向上の効果がより生じ、流体と伝熱面との熱伝達性が向上する。
【００４４】
なお、乱流促進体は、入口近傍２２６に設けているが、流路２２４内に設けてもよい。その場合、流路２２４断面全体に亘って設ける必要はない。乱流促進体は、伝熱面近傍の流体流れに対して乱流を促進できればよく、伝熱面から離れた位置の流体流れに対して乱流を促進する必要はない。流路断面全体にメッシュなどの乱流促進体を設けた場合に比べて、圧損上昇を抑えることができ、伝熱特性がよくなる。
【００４５】
また、本実施形態においては流路２２４を形成する伝熱フィン表面全てが伝熱面となっているため流路内においてどこに設けても構わないが、流路を形成する壁面の一部に伝熱面が設けられている場合（例えば、上述の実験で用いた流路のように壁面の一部が伝熱面である場合）には、伝熱面の上流側にあるのが好ましい。例えば、伝熱面を有する壁面の伝熱面上流側部分に乱流促進体が設けられる。これにより、伝熱面上の境界層（層流境界層や乱流境界層）の厚さが、乱流促進体がない場合に比べて小さくなり、伝熱面と流体との熱伝達性が向上する。
【００４６】
また、ナノポーラス層が形成された伝熱面に隆起物を形成してもよい。隆起物を形成することにより、流路２２４内の隆起物近傍において乱流を促進する（渦を発生させる）ことができる。これにより、隆起物近傍で渦が生じ、その渦近傍において、ナノポーラス層による伝熱面と流体との熱伝達性向上の効果を発揮することができる。
【００４７】
隆起物が伝熱面と平行な面（平行面）を有する場合、渦はほとんど発生しないが圧力損失を抑えることができ、隆起物の上流側で形成される層流境界層や層流底層の厚さを小さくでき（隆起物が存在する位置において層流境界層や層流底層の厚さを小さくでき）、伝熱面と流体の熱伝達性を向上することができる。
【００４８】
さらに、ナノポーラス層が形成された伝熱面に、少なくとも一つの段差を形成してもよい。流路２２４の出口２２８側が入口２２６側より高い（出口側の流路が狭くなる）段差を設け、該段差が上流側で形成された境界層（層流境界層や乱流境界層）の厚さより小さい場合、その境界層は、段差によってその厚さを小さくされる。段差が該段差の上流側で形成された境界層（層流境界層や乱流境界層）の厚さより大きい場合、段差の上流側で形成された境界層が消され、段差から新たな境界層が形成されて発達していく。また、出口２２８側が入口２２６側より低い（出口側の流路が拡大する）段差の場合、入口２２６側伝熱面上に形成された境界層の発達が中断され、出口２２８側の伝熱面に新たな境界層が発達していく。このように、段差により、流路２２４内全体において、段差がない場合に比べて厚さが小さい境界層が形成される。段差によって境界層が小さくなることによって生じる効果は、乱流促進体を入口近傍に設けて、流路２２４内全体において境界層の厚さを小さくしたときに生じる効果と同じである。
【００４９】
特に、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、流路２２４の出口２２８側が入口２２６側より高い段差を数５で示す式に臨界レイノルズ数Ｒｅｃを代入して求まる層流底層δ以上の段差とすれば、どのような乱流であっても、段差の上流に形成された層流底層を小さくすることができる。
【００５０】
実施の形態２．
本実施の形態のヒートシンクは、概略、伝熱フィンを流体流れの主流方向に配列した構造を有する。図６に本実施の形態のヒートシンクの上面図を示す。
【００５１】
ヒートシンク３１０は、流体流れ発生手段（図示せず）によって発生した流体流れ３１８の主流方向に一定の間隙３３０で並んでベース部３２０に並設された板状の複数の伝熱フィン３２２からなるフィン列３３２を有する。フィン列３３２は、主流方向に対して垂直の方向に複数配置されている。ベース部３２０と伝熱フィン３２２の表面（伝熱面）にはナノポーラス層が形成されている。
【００５２】
各伝熱フィン３２２の主流方向長さＬ‘は、流路２２４内を流れる流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れる場合、各伝熱フィン３２２の下流側端近傍を流れる流体流れ３１８が完全に発達した層流でないように設定されている。すなわち、長さＬ’は、層流の助走区間より短く設定されている。
【００５３】
実施の形態１のヒートシンクにおいて、流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数でヒートシンクの流路を流れる場合、その流速が小さくなると、流路長さがその層流の助走区間より長いこととなり、流路出口近傍の流路内において流体が完全に発達した層流になることがある。それにより、流路出口近傍において、流体と伝熱面との熱伝達性が低下する可能性がある（流速が小さくなる前に比べて）。このように流速が小さくなる可能性がある場合、ヒートシンクに伝達される熱量とヒートシンクの外寸が実施の形態１のヒートシンクと同じであれば、本実施の形態のヒートシンクの方が、より多くの熱を伝熱面から流体に伝達することができる。本実施の形態のヒートシンクは、小さい流速で流れる流体を使用できることにより、流体流れ発生手段、例えば、ファンの消費電力を抑えることができる。また、消費電力を抑えるために、パワー半導体素子の温度を測定し、その測定結果に応じて回転数が変化するファンにも対応することができる。
【００５４】
本実施の形態のヒートシンクにおいても、実施の形態１と同様に、各伝熱フィンの伝熱面に隆起物や段差を形成してもよい。
【００５５】
実施の形態３．
本実施の形態のヒートシンクは、実施の形態２のヒートシンクと略同一であるが、実施の形態２のヒートシンクの各フィン列の伝熱フィンが流体流れの主流方向に伸びる同一直線上に配置されているのに対し、本実施の形態の各フィン列の伝熱フィンは、同一直線状に配置されていない点で異なる。
【００５６】
図７（ａ）は、本実施の形態のヒートシンクの上面図である。図７（ｂ）は、流体流れの主流方向において隣接する伝熱フィンの位置関係を説明するための上面図の部分拡大図である。
【００５７】
図に示すように、ヒートシンク４１０のベース部４２０に立設されている各フィン列の複数の伝熱フィン４２２は、流体流れ４１８の主流方向に関して同一直線上に配置されていない。図７（ｂ）に示すように、主流方向に沿って上流側から見たとき、上流側の伝熱フィン４２２’と下流側の伝熱フィン４２２’’が重なるようにベース部４２０上に配置されている。
【００５８】
ヒートシンク４１０の伝熱フィン４２２間において流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより小さいレイノルズ数で流れている場合、上流側の伝熱フィン４２２’の伝熱面４３４’に形成された層流境界層に由来する層流状態の後流の少なくとも一部が下流側の伝熱フィン４２２’’の上流側端面４３６に衝突して乱流となる。これにより、流体流れ４１８内の熱伝導が促進される。
【００５９】
ヒートシンク４１０の伝熱フィン４２２間において流体が臨界レイノルズ数Ｒｅｃより大きいレイノルズ数で流れている場合、距離Ｓ（上流側の伝熱フィン４２２’の伝熱面４３４’と下流側の伝熱フィン４２２’’の伝熱面４３４’’との主流方向に対して垂直方向の距離）を数５で示す式に臨界レイノルズ数Ｒｅｃを代入して求まる層流底層δ以上の大きさに設定する。それにより、どのような流速で流体が流れても、上流側のフィン４２２’’の伝熱面４３４’’に形成された層流底層に由来する後流全てが、流側の伝熱フィン４２２’’の上流側端面４３６に衝突して乱流となる。これにより、流体流れ４１８内の熱伝導が促進される。
【００６０】
以上、実施の形態は熱交換器の一例である冷却装置（ヒートシンク）であったが、本発明はこれに限定するわけでない。例えば、パワー半導体素子の代わりに冷却素子（ペルチェ素子）を用いて流体を冷却するものでも実施可能である。本質的に、本発明は、流体と被熱交換体との熱交換を媒介する熱交換器に実施可能であり、実施の形態のように流れる流体とパワー半導体素子（固体）の熱交換を媒介する熱交換器以外、例えば、流れる流体間での熱交換を媒介する熱交換器でも実施可能である。
【００６１】
最後に、本発明の特徴であるナノポーラス層は、様々な方法で作成することができる。例えば、伝熱面が銅である場合、ナノポーラス層を形成する伝熱面を濃硫酸で洗浄し、次に、水で洗浄する。水をふき取った後、伝熱面に濃硫酸を膜状に塗布し、その上に粒子径がナノサイズ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）の酸化銅粒子を吹き付ける。伝熱面と酸化銅粒子が十分に固着した後、水で洗浄することにより、ナノポーラス層の形成が完了する。伝熱面に固着した酸化銅粒子の間隙によってナノポーラス層の孔が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実験１の実験装置の概略図である。
【図２】実験２及び３の実験装置の概略図である。
【図３】実験２の結果を示す図である。
【図４】実験３の結果を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の冷却装置の概略図である。
【図６】本発明に係る実施の形態２の冷却装置のヒートシンクの上面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態３の冷却装置のヒートシンクの上面図、および伝熱フィンの位置関係を示す上面図の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００６３】
２１０  熱交換器（ヒートシンク）、  ２１２  被熱交換体（パワー半導体素子）、  ２２２  構造体（伝熱フィン）、  ２２４  流路、  入口  ２２６、  出口  ２２８、
【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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