(57)【要約】【課題】異方性多孔質材料を熱交換媒体として用いた熱交換器において、流路後半部分の熱伝達の低下を回避し、熱交換器の効率をより向上することを課題とする。【解決手段】一方向に配向した貫通孔２を複数有する異方性多孔質材料１を具備し、前記貫通孔２に流通する流体に、熱的に接続された熱源からの熱を伝える、あるいは前記貫通孔２に流通する流体の熱を、熱的に接続された部位に輸送し、且つ部分的もしくは周期的に間隙を有していることを特徴とする熱交換媒体３。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に配向した貫通孔を複数有する異方性多孔質材料を具備し、前記貫通孔に流通する流体に、熱的に接続された熱源からの熱を伝える、あるいは前記貫通孔に流通する流体の熱を、熱的に接続された部位に輸送し、且つ部分的もしくは周期的に間隙を有していることを特徴とする熱交換媒体。
【請求項２】
前記間隙の間隔は、前記異方性多孔質材料の貫通孔の穴径と実質的に同じであることを特徴とする請求項１記載の熱交換媒体。
【請求項３】
前記間隙は、複数の異方性多孔質材料同士をスペーサーを介して接合するか、あるいは異方性多孔質材料の一部を機械加工することにより形成されることを特徴とする請求項１若しくは２記載の熱交換媒体。
【請求項４】
前記異方性多孔質材料の材質は金属材料であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一記載の熱交換媒体。
【請求項５】
前記スペーサーは、前記異方性多孔質材料と同種の材料であることを特徴とする請求項３記載の熱交換媒体。
【請求項６】
前記異方性多孔質材料の材質は、銅またはその合金，あるいはアルミニウムまたはその合金であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一記載の熱交換媒体。
【請求項７】
前記異方性多孔質材料の材質は、チタンまたはその合金，あるいはステンレス材であることを特徴とする請求項1乃至６いずれか一記載の熱交換媒体。
【請求項８】
前記異方性多孔質材料は、腐食・酸化防止用の表面処理が施されていることを特徴とする請求項1乃至７いずれか一記載の熱交換媒体。
【請求項９】
流体流入口と流体流出口を備えた容器内に、請求項１乃至８いずれかの熱交換媒体が少なくとも１つ封じられ、前記流体流入口から前記流体流出口へ向けて、加圧もしくは減圧により圧送される流体を通じて熱交換を行う際に、流体が前記貫通孔を通過しかつ前記間隙より外部に漏洩しない構成であることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差のある固体・流体間もしくは流体・流体間の熱交換をするための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、近年、地球温暖化防止の観点等から、従来排熱として廃棄されていた熱からもエネルギーを回収しようという機運が高まっている。そのために用いる熱交換器の形状としては、二重管型、プレート型、シェルアンドチューブ型、クロスフィン型、コルゲートフィンが多用されるコンパクト熱交換器等が挙げられる。  
更に高度な熱交換が必要な場合には、焼結金属や発泡金属などの多孔質金属材料を用いた熱交換技術が開発されている（例えば特許文献1参照）。これらは、径が数１０〜数１００ミクロンの流路に流体を通ずることで、温度境界層を薄くし、表面積を拡大することで、より効率的な熱交換を目指したものである。
【０００３】
これら微細流路を用いた熱交換技術をいざ実用に移そうとするには、いくつかの課題がある。一つには、上記のような等方性多孔質体に流体を通じる際、流路を細かくし、表面積を拡大すればするほど、圧力損失が大きくなることが挙げられる。ファンやエアポンプを用いた送気機構や、液体ポンプなどの送液機構を用いた場合において、圧力損失の増加はより強力な送気機構や送液機構を必要とする。これは熱交換システム全体のサイズ・重量の増加や、イニシャル・ランニングコスト増を引き起こすため、望ましくない。
【０００４】
もう一つには、流路幅や孔径のばらつきによる流体の不均一な流れも課題となる。例えば公称孔径１００ミクロンとされる発泡金属や金属焼結体などの多孔質体の孔に流体を通じて熱交換する場合、これらの金属多孔質体は、それほど孔径が揃っているわけではなく、５０ミクロン程度から１５０ミクロン程度までなどのある程度の範囲の孔径分布を持つ。このような場合、例えば５０ミクロンの孔と１５０ミクロンの孔では、孔面積は９倍の差があり、当然流体は大面積の孔に優先的に流れてしまう。微細流路化による熱伝達面積拡大の効果は、幅の小さな流路に大きいものであるから、こういった孔径分布の広い構造の多孔質体は、不利である。
【０００５】
これらの課題のひとつの解決策として、異方性多孔質材料を用いた、特許文献２に示される熱交換器が開発された。これは、孔径と孔方向をそろえた材料を用いて熱交換器とすることで、圧力損失の低減を実現し、孔径や流路幅のばらつきなどの上記の課題を解決したものである。
【０００６】
現行の熱交換器は，熱交換を行う流体の量や熱源，熱流体の温度によって，実験に用いるような卓上サイズから，高さ十数メートルに及ぶ様なものまで，多様なサイズが存在する。異方性多孔質材料を用いた熱交換器においても，このような多種多様なサイズを揃え，効率的な熱交換器を様々な分野で適用できれば，省エネルギー，ひいては地球温暖化防止につなげることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１２３４９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、熱交換効率を維持しつつ、異方性多孔質材料を用いた熱交換媒体のサイズを大型化する方法として、細孔の直径を保ったまま流路の方向に細孔を長く伸ばす方法が考えられる。しかし、この方法では以下に述べる問題があった。これについて図８を参照して説明する。
【０００９】
図８中の符番２１は、金属からなる異方性多孔質材料２２の流路を示す。また、図８中の符番２３は温度境界層、符番２４ａ，２４ｂ，２４ｃは夫々熱流束を示す。図８に示すように、流体を長い流路２１の入口２５から供給すると、固体と流体が接触する境界付近には温度境界層２３が存在する。ここで、温度境界層２３は、入口付近が最も薄く、出口２６に近づくにつれて厚くなっていく。また、熱流束は入口の方が大きく、出口２６に近づくにつれて小さくなる。即ち、流路２１の後半部分で、熱交換の効率を低下させる温度境界層２３が厚く発達してしまうので、熱効率が低下する。
【００１０】
そのため、異方性多孔質材料を用いた熱交換器では、熱交換効率の維持が課題となる。また、異方性多孔質材料において、直径が数１０〜数１００ミクロンの微小な一方向の細孔を、その細孔の方向に延伸することは、異方性多孔質材料が大型化するほど、すなわち熱交換器のサイズが大型化するほど、製法上非常に困難になり、コストや品質の点から不利となる。
【００１１】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、異方性多孔質材料を熱交換媒体とし、熱交換器として用いる場合に、流路後半部分の熱伝達の低下を回避し、熱交換器の効率を向上させる熱交換媒体、及びこの熱交換媒体を用い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】
【００１２】
本発明に係る熱交換媒体は、一方向に配向した貫通孔を複数有する異方性多孔質材料を具備し、前記貫通孔に流通する流体に、熱的に接続された熱源からの熱を伝える、あるいは前記貫通孔に流通する流体の熱を、熱的に接続された部位に輸送し、且つ部分的もしくは周期的に間隙を有していることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る熱交換器は、流体流入口と流体流出口を備えた容器内に、前記熱交換媒体が少なくとも１つ封じられ、前記流体流入口から前記流体流出口へ向けて、加圧もしくは減圧により圧送される流体を通じて熱交換を行う際に、流体が前記貫通孔を通過しかつ前記間隙より外部に漏洩しない構成であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、異方性多孔質材料を熱交換媒体として用いた熱交換器において、流路後半部分の熱伝達の低下を回避し、熱交換器の効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱交換媒体の説明図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る熱交換媒体の説明図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る熱交換媒体の説明図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る熱交換媒体の説明図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る熱交換媒体の説明図。
【図６】本発明の熱交換媒体が収容される容器の説明図。
【図７】本発明の熱交換媒体が容器内部に収容された状態を模式的に示す図。
【図８】長い流路をもつ異方性多孔質材料における温度境界層の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施形態に係る熱交換媒体及び熱交換器について詳しく説明する。  
1) 本発明は、上述したように、多数の貫通孔を有する材料，特に複数の貫通孔の方向が、一方向に配向した構造を持つ異方性多孔質材料を具備し、且つ部分的もしくは周期的に間隙を有した熱交換媒体である。こうした構成の場合、ランダムかつ交差した孔構造を持つ通常の多孔質材料と比べ、このような異方性多孔質材料は、内部に流体を流した際の圧力損失が小さく、固体と流体との間での熱伝達により熱交換を行う上で有利となる。なお、貫通孔の直径を１０ｍｍ以下と小さくすることにより、材料の比表面積を大きくし、圧力損失を抑えつつ、効率の良い熱交換器を作製できる。  
また、前記間隙は、貫通孔壁面の温度境界層の発達による伝熱効率低下を抑制し、前記効果を発揮する部分を多くすることが可能である。そのため、間隙を設けない場合に、貫通孔後半部分に生じる伝熱効果の低下を抑制し、熱交換効率の向上を図ることができる。
【００１７】
2) 上記１）の熱交換媒体において、前記間隙は、複数の異方性多孔質材料同士をスペーサーを介して接続するか、あるいは異方性多孔質材料の一部を機械加工することにより形成される構成にすることが好ましい。ここで、スペーサーを介して接続することで、比較的小型の異方性多孔質材料から、大型の熱交換媒体を、熱効率を維持したまま作製可能となる。また、機械加工により間隙を形成することで、間隙を形成する工程を自動化・省略化することができる。
【００１８】
3) 上記１）又は２）の熱交換媒体において、前記間隙の間隔は、異方性多孔質材料の貫通孔の穴径と実質的に同じであることが好ましい。この理由は以下のとおりである。即ち、間隙の間隔が穴径に対し小さすぎれば、温度境界層の発達抑制の効果が薄くなり伝熱効率が低下し、また大きすぎれば圧力損失の増加が大きくなる。以上の点から貫通孔の穴径と間隙の間隔を同程度とすることで、高い伝熱性と低い圧力損失を維持することができる。
【００１９】
4) 上記１）〜３）の熱交換媒体において、異方性多孔質材料の材質が金属材料であることが好ましい。ここで、材質を金属とすることで、セラミックやプラスチックといった低熱伝導度材料を用いるよりも熱交換効率を向上させることができる。また、高熱伝導のセラミック，プラスチックなどの材料に対して金属材料を用いると、貫通孔の形状と寸法を長期間維持可能な長期信頼性の高い熱交換器を安価に実現できる。
【００２０】
5) 上記３）の熱交換媒体において、異方性多孔質材料とスペーサーが同種の材料であることが好ましい。ここで、同種の材料とすることにより、熱応力による熱交換器への負荷を低減し、信頼性を高めることができる。特に熱交換器が高温の流体を対象としている際に有効である
6) 上記１）〜５）の熱交換媒体において、異方性多孔質材料としては銅やアルミニウムまたはそれらの合金が挙げられる。ここで、これらの金属材料は高熱伝導度を有する金属材料であるので、熱交換性能の向上を図ることができる。
【００２１】
7) 上記１）〜５）の熱交換媒体において、異方性多孔質材料としてはチタン又はその合金，あるいはステンレス材が挙げられる。ここで、これらの材料は金属材料の中でも高い耐腐食性を有する金属であるので、熱交換器が高温や腐食性の高い環境の中でも使用することが可能になり、信頼性が向上する。
【００２２】
8) 上記１）〜５）の熱交換媒体において、異方性多孔質材料は、腐食・酸化防止用の表面処理することが好ましい。異方性多孔質材料がたとえ耐環境性の低い材料であっても、その表面を保護する目的で、耐食・耐酸化の表面処理を施すことで、熱交換器としての使用が可能になり材料選択の幅を広げることができる。また、異方性多孔質材料として金属材料を用いた場合、表面に形成される酸化物層は伝熱を阻害し、熱交換器としての性能を低下させる原因となる。しかし、その表面に耐腐食・耐酸化の表面処理を施すことで性能低下を抑制することができる。
【００２３】
9) 本発明は、上述したように、流体流入口と流体流出口を備えた容器内に、前記熱交換媒体が少なくとも１つ封じられ、前記流体流入口から前記流体流出口へ向けて、加圧もしくは減圧により圧送される流体を通じて熱交換を行う際に、流体が前記貫通孔を通過しかつ前記間隙から外部への漏洩を遮断した構成であることを特徴とする。こうした構成により、異方性多孔質材料の高比表面積を十分に活かした熱交換器を作製可能であり，間隙から外部への流体の漏洩を抑制することが可能となる。
【００２４】
10) 本発明において、異方性多孔質材料の一方向に配向した貫通細孔の直径は、１０ｍｍ以下であることが好ましい。このように、多数の孔を有する異方性多孔質材料の貫通孔の直径を低く抑えることで、流体と熱交換媒体の接触面積を大きくすることができる。また、貫通孔の直径の小さい異方性多孔質材料を用いることで、高い性能を持つ熱交換器を実現することができる。
【００２５】
11) 本発明において、熱交換媒体を構成する異方性多孔質材料の開口率は、１０％〜５０％であることが好ましい。一般に、異方性多孔質材料の開口率を上げることで、前述のように流体と固体の接触面積を向上させ熱交換器としての性能向上が期待できる。しかし、開口率を上げすぎれば、フィン効率の低下を招き、熱交換器としての性能低下を招く。また、開口率が小さすぎれば、流体の導通する領域が減少し、圧力損失の増大を招いてしまう。そこで、上記数値範囲に開口率を設定することにより、異方性多孔質材料を用いた熱交換器の性能を十分に発揮することができる。
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。  
（第１の実施形態）  
図１を参照する。ここで、図１は、異方性多孔質材料からなる熱交換媒体を模式的に示した図である。  
図中の符番１は、金属からなる異方性多孔質材料である。この異方性多孔質材料１は、直径１０ｍｍ以下の貫通孔２を多数有するとともに、かつそれらの貫通孔２は一方向に揃った形状を成し、熱交換媒体3を構成している。異方性多孔質材料１の貫通孔２の直径は１０ｍｍ以下、空隙率（開孔率）は５０％以下とすることが望ましい。ここで、大きすぎる細孔径は伝熱面積低下による熱交換効率の悪化を招く。また、細孔径を小さくしても、空隙率が５０％を超えれば、熱交換器としてフィン効率の低下を招き、これも熱交換効率を低下させることになる。
【００２７】
また、前記貫通孔２の直径は揃っていることが望ましい。大小様々な直径の貫通孔２を有する異方性多孔質材料の場合、流体が直径の小さい貫通孔よりも大きい貫通孔に多く流れることとなり、熱交換の効率が悪くなることは容易に想像できる。このような孔径が揃った異方性多孔質材料を得る方法の一例として、フォトエッチングを用いた材料加工が挙げられる。
【００２８】
この加工方法によれば、銅，アルミ，ＳＵＳ，シリコンといった材料に、化学的な腐食を利用し、直径１０ｍｍ以下の貫通孔を多数形成した異方性多孔質材料を得ることができる。なお、フォトエッチングは基本的に薄板に対しての加工であるが、より深い貫通孔を得る場合には、フォトエッチングにより加工した薄板を、多数積層しそれらを接合する方法を用いることができる。また、貫通孔の断面形状は円に限らず、矩形や多角形のハニカム構造とすることも可能である。フォトエッチング以外の方法としては、エレクトロフォーミングなどの化学処理プロセスや、ドリルによる切削加工や、プレス加工、放電加工、レーザー加工などの機械加工プロセス等が挙げられる。
【００２９】
こうした構成の熱交換媒体３では、前記貫通孔２に流通する流体例えば水に、熱的に接続された熱源（図示せず）からの熱を伝えるか、あるいは前記貫通孔２に流通する流体の熱を、熱的に接続された部位に輸送する。
【００３０】
図１のような特徴的な形状により、高比表面積による固体−流体間の効果的な熱伝達を、層流状態で行うことができる。そのため、高熱通過率と低圧力損失を兼ね備えた熱交換器を得ることができる。
【００３１】
（第２の実施形態）  
図２を参照する。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
図中の符番１１は、複数の異方性多孔質材料1間に配置された矩形状のスペーサーを示す。また、矢印Ａは貫通孔の方向を示す。なお、異方性多孔質材料1とスペーサー１１間の領域は間隙１２となる。ここで、スペーサー１１は、部分的に固体と流体の接触を絶つ部分を設ける役割を成す。これにより貫通孔入口周辺の温度境界層の薄い部分を連続させ、前述した効果を複数箇所で得ることができる。結果として、スペーサーのない同様の大きさの異方性多孔質材料に比べ、熱交換器の伝熱性を向上させることができる。また、製造が困難な大型の異方性多孔質材料を使用することなく、大型の熱交換媒体を比較的小型の熱交換媒体から作製できる
間隙１２を形成するスペーサー１１は、流路の急拡大・急縮小による圧力損失の増大を招くため、極力薄いことが望ましい。例えば、貫通孔の直径が０．１ｍｍの場合には、スペーサーも０．１ｍｍ程度の厚さにすることが望ましい。異方性多孔質材料１とスペーサー１１の接続には、例えば銀ロウなどのろう材を用いて接着する方法や溶接などの方法がある。また、使用する温度が小さい場合には、使用する温度に合う耐熱性のある有機系の合成接着剤を用いてもよい。
【００３２】
（第３の実施形態）  
図３を参照する。図３は、異方性多孔質材料を用いた，間隙を有する熱交換媒体の別の一例を模式的に示したものである。但し、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
間隙１２は、異方性多孔質材料１を切削加工などの機械加工により形成する。第３の実施形態では、図２のようにスペーサーと異方性多孔質材料を接合することなく、機械加工により間隙を形成するため、製造工程における自動化と省力化が可能となる。
【００３３】
（第４の実施形態）  
図４を参照する。図４は、スペーサーを用いた間隙を部分的に有する熱交換媒体を模式的に示したものである。但し、図１〜図３と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
前記間隙１２は、連続的・周期的である必要は無く、部分的に設けられている構造であってもよい。例えば、既述した図８の温度境界層の発達する細孔後半部にのみ間隙を設けることで、加工の手間を抑えることができる。
【００３４】
（第５の実施形態）  
図５を参照する。図５は、機械加工による間隙を部分的に有する熱交換媒体を模式的に示したものである。但し、図１〜４と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
図５の熱交換媒体は、間隙１２を、異方性多孔質材料１を切削加工などの機械加工により形成したものである。第５の実施形態によれば、実施例３と同様な効果が得られる。
【００３５】
（第６の実施形態）  
図６及び図７を参照する。ここで、図６は熱交換媒体が収納される容器１３を示し、流体流入口１４，流体流出口１５を備えている。図７は、熱交換媒体３が容器１３に収納された状態を示す。
【００３６】
熱交換媒体３と容器１３の壁との間は、流体がバイパスして貫通孔以外の部分に流れないように密着している。密着の方法としては、ろう材や接着剤を用いた封止の方法があり、流体の温度により材質を選択できる。また、機械的な締結により封止性を確保してもよい。また、前記容器１３には流体流入口１４と流体流出口１５が夫々１つ設けられている場合について述べたが、これに限らず、２つ以上設けられていてもよい。
【００３７】
上述したように、第６の実施形態に係る熱交換器は、流体流入口１４と流体流出口１５を備えた容器１３と、この容器１３内にろう材等により気密に封じられた熱交換媒体３を備え、流体流入口１４から流体流出口１５へ向けて、加圧もしくは減圧により圧送される流体を通じて熱交換を行う際に、流体が貫通孔を通過しかつ間隙より外部に漏洩しない構成となっている。
【００３８】
このように、容器１３の壁と熱交換媒体３の表面とが密着しているため、貫通孔内部に流体を流通させ異方性多孔質材料１の大表面積を活かした熱交換を行えるとともに、間隙１２からの流体の漏洩を抑えることができる。このことは、流体が高温の場合や、流体の漏洩が周囲の機器に影響を与える場合などに、このような封止性を有する容器に封入する場合に特に有効である。
【００３９】
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。例えば、前記熱交換媒体は、その使用される環境において材料選択を行うことができる。熱伝導度の良い銅やアルミなどにより作製した場合、物性の面からも高い性能を得ることができ、効率の良い熱交換器を得ることができる。また、耐食性や耐酸化性が求められる場合には、ステンレスやチタンといった金属や、セラミックを用いて作製することができる。上記のような耐環境性の高い材料は、一般に熱伝導性が銅やアルミニウムよりも小さく伝熱の観点から不利であるが、耐食性と熱伝導性を両立させたい場合には、例えば銅で作製された熱交換媒体の表面に耐食性の表面処理を施す方法がある。具体的には、異方性多孔質材料表面にメッキや蒸着法などの方法が挙げられる。望ましくは、細孔内部まで均一に処理できる方法として、無電解メッキやＣＶＤ法を選択して耐環境性被膜を形成する。
【符号の説明】
【００４０】
１…異方性多孔質材料、２…貫通孔、３…熱交換媒体、１１…スペーサー、１２…間隙、１３…容器、１４…流体流入口、１５…流体流出口。
【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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