(57)【要約】【課題】多孔質金属をフィンに用いた熱交換器の熱交換効率を向上させる。【解決手段】  伝熱部１０と、所定の形状を有する多孔質金属１１と、多孔質金属１１が伝熱部１０に接触するとともに、液体が多孔質金属１１を通過するように配置した通過部１２と、通過部１２へと液体を導く導入流路１３及び通過部１２を通過した液体が通る排出流路１４とを含み、導入流路１３に形成された液体の入口である導入口１５及び排出流路１４に形成された液体の出口である排出口１６の幅が、導入口１５から排出口１６に向かう流路に沿って、通過部１２の幅と片方もしくは両方において略等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱部と、
所定の形状を有する多孔質金属と、
前記多孔質金属が前記伝熱部に接触するとともに、液体が前記多孔質金属を通過するように配置した通過部と、
前記通過部へと液体を導く導入流路及び前記通過部を通過した液体が通る排出流路とを含み、
前記導入流路に形成された液体の入口である導入口及び前記排出流路に形成された液体の出口である排出口の幅が、前記導入口から前記排出口に向かう流路に沿って、前記通過部の幅と片方もしくは両方において略等しいことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、前記通過部において、前記多孔質金属は前記伝熱部の片面に接し、前記導入口、前記排出口及び前記通過部の幅は、前記多孔質金属が前記伝熱部の片面に接する面と平行な方向に延びることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱交換器であって、前記導入口及び前記排出口の幅が前記通過部の幅に対して８０〜１２０％の幅であることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器であって、液体配管とつながる入口ポート及び出口ポートの内面の断面の形状が円形でこの断面の面積に対して前記導入口及び前記排出口の面積が５０〜２００％となっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器であって、前記多孔質金属の形状が液体の流れる方向の長さが幅方向の中央部が長く、周辺部が短くなっており、導入口側の前記多孔質金属の中央部が周辺部より導入口に近くなっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器であって、前記多孔質金属と前記通過部の側面の間に空間があり、前記多孔質金属の排出流路側の端部に前記空間の液体の流れを遮る構造を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器であって、前記導入口及び前記排出口の開口が形成する間隙について、幅方向に中央部で間隙が最小にな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、多孔質金属をフィンに用いた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイス等の発熱を伴う素子を用いた装置や機器において、高性能化や小型化が進むに伴い発熱密度が増大している。そのため、半導体デバイス等を効率良く冷却する技術が求められている。
【０００３】
このような発熱量の大きい半導体デバイス等を冷却する方法として、熱交換器を用いた冷却法がよく使われており、特に液体を用いて冷却することにより小型で且つ効率の良い冷却が可能となっている。そして、更なる小型化や冷却効率の向上が求められており、熱交換器の熱交換効率を上げる方法として、熱交換器のフィンに比表面積が大きい多孔質金属の適用が開示されている。
【０００４】
図１は、多孔質金属をフィンに用いた従来の熱交換器の一例を概略的に示す断面図である。この熱交換器２００において、多孔質金属１１１は、伝熱部１１０の片面に接し、熱交換媒体がこの多孔質金属１１１を通って流れるように通過部１１２に設けられている。通過部１１２の上流側及び下流側には、通過部１１２と同様の幅を有する導入流路１１３及び排出流路１１４が形成されている。導入流路１１３の直上には通過部１１２の幅より小さい所定の直径を有する導入口１１５が通過部１１２の幅方向の略中央の位置に形成され、排出流路１１４の直上には同様に排出口１１６が形成されている。熱交換器を流れる熱交換媒体の流路に沿って、多孔質金属１１１を設けた通過部１１２の断面積は導入口１１５までの上流側の流路の断面積より大きくされている。
【０００５】
特許文献１には、多孔質金属を冷却水の流路に設置して多孔質金属をフィンに用いた熱交換器が開示され、圧力低下の増大を抑えつつ熱交換の効率を向上させることを図り、流路の方向に多孔質金属の断面積が上流の所定の直径を有する流路の断面積よりも大きくされたことが記載されている。
【０００６】
特許文献２には、多孔質金属の製造方法が開示され、ウレタンフォーム表面に金属紛体を被着させた後、ガス雰囲気中で熱処理を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２０１７−４４４６１号公報
【特許文献２】特開平９−３５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図１や特許文献１に記載の多孔質金属をフィンに用いた熱交換器では、熱交換媒体は、多孔質金属の上流にある所定の直径を有する流路を通じてより断面積が大きい多孔質金属に供給されるが、多孔質金属の断面全体に広がらず、熱交換媒体の多くは上流の流路の直下から多孔質金属の断面の中央部付近を通っていくことが本発明者の詳細検討によって明らかになった。熱交換効率を上げるには多孔質金属が熱交換媒体によって均一に冷却されることが望ましいが、上記の構造では多孔質金属の幅方向の周辺部を流れる熱交換媒体の流速が落ちることが分かった。そのため多孔質金属の周辺部の熱交換効率が低下した。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、多孔質金属をフィンに用い熱交換媒体として液体を用いる熱交換器において、熱交換媒体が流れる方向に沿って多孔質金属の断面全体を熱交換に有効に利用し、ひいては熱交換の効率を向上させることが可能な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】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、伝熱部と、所定の形状を有する多孔質金属と、多孔質金属が伝熱部に接触するとともに、液体が多孔質金属を通過するように配置した通過部と、通過部へと液体を導く導入流路及び通過部を通過した液体が通る排出流路とを含み、導入流路に形成された液体の入口である導入口及び排出流路に形成された液体の出口である排出口の幅が、導入口から排出口に向かう流路に沿って、通過部の幅と片方もしくは両方において略等しいことを特徴とする。
【００１１】
通過部において、多孔質金属は伝熱部の片面に接し、導入口、排出口及び通過部の幅は、多孔質金属が伝熱部の片面に接する面と平行な方向に延びてもよい。熱交換器は、導入口及び排出口の幅が多孔質金属の幅に対して８０〜１２０％の幅であってもよい。
【００１２】
熱交換器は、液体配管とつながる入口ポート及び出口ポートの内面の断面の形状が円形でこの断面の面積に対して導入口及び排出口の面積が５０〜２００％となっていてもよい。
【００１３】
熱交換器は、多孔質金属の形状が液体の流れる方向の長さが幅方向の中央部が長く、周辺部が短くなっており、導入口側の多孔質金属の中央部が周辺部より導入口に近くなっていてもよい。
【００１４】
熱交換器は、多孔質金属と通過部側面の間に空間があり、多孔質金属の排出流路側端部に空間の液体の流れを遮る構造を有してもよい。
【００１５】
導入口及び排出口の開口が形成する間隙について、幅方向に中央部で間隙が最小になってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、多孔質金属を用いた熱交換器において、熱交換媒体が流れる方向に沿って多孔質金属の断面全体を熱交換に有効に利用し、ひいては熱交換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の熱交換器の一例を示す概略断面図である。
【図２】第１の実施例の熱交換器の構造を示す概略斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】第２の実施例の熱交換器の構造を示す概略断面図である。
【図６】第３の実施例の熱交換器の構造を示す概略断面図である。
【図７】第４の実施例の熱交換器の構造を示す概略断面図である。
【図８】第５の実施例の熱交換器の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る熱交換器の実施の形態について説明する。
【００１９】
本実施の形態の熱交換器は、伝熱部と、所定の形状を有する多孔質金属（ポーラス金属）とを有している。また、本実施の形態の熱交換器は、熱交換媒体の流路に沿って、多孔質金属が、伝熱部に接し、熱交換媒体が多孔質金属を通って流れるように配置された通過部と、通過部へと熱交換媒体を導く導入流路と、通過部で多孔質金属を通過した熱交換媒体が通る排出流路とを有している。通過部は、伝熱部の一部によって形成されていてもよい。本実施の形態の熱交換器において、導入流路に形成された熱交換媒体の入口である導入口及び排出流路に形成された熱鋼管媒体の出口である排出口の幅が多孔質金属の幅と片方もしくは両方において略等しい。
【００２０】
本実施の形態の熱交換器において、多孔質金属が配置された通過部は伝熱部に形成されてもよく、伝熱部の片面には多孔質金属がろう付け等で熱が伝わりやすいように接合されてもよく、伝熱部の反対面には電子デバイス等を搭載して冷却を行うような使われ方をされてもよい。この場合にはこの熱交換器をヒートシンクと呼ぶこともある。
【００２１】
本実施の形態の熱交換器に用いる多孔質金属について説明する。本実施の形態の多孔質金属は気孔率が９５〜９８％と高くなっており、熱交換媒体非常に通りやすくなっている。このように高い気孔率の多孔質金属を用いる理由は、低い圧力損失とするためで、気孔率が下がると熱交換媒体が流れるときの圧力損失が大きくなり熱交換効率が下がるためである。このような多孔質金属の製造方法は、ここでは特に定めないが、ウレタンフォームを基体として用いたもので良好な特性が得られている。ウレタンフォームを基体として用いることで三次元状に連結された微細な網目状の骨格が実現できる。
【００２２】
熱交換器の熱交換媒体には液体と気体の両方が用いられるが、本実施の形態では特に小型で熱交換効率の良い液体を用いた熱交換器を対象にしている。ここで、液体は冷水でも温水でも構わない。
【００２３】
液体は一般的には熱交換器に断面が所定の直径を有する円形の樹脂ホースや金属配管などを接続して導入／排出される。一方、熱交換を行う多孔質金属は冷却を行いたい部品のサイズで幅が決まる。ここで、幅とは液体の流れる方向に対し垂直で且つ多孔質金属が伝熱部に接する面に平行な方向を呼んでおり、伝熱部に接する面に垂直な方向を高さと呼ぶ。幅と高さの間には幅＞高さという関係が一般的には見られる。そのため多くの場合、上記の配管の直径に対して多孔質金属の幅は大きくなっている。
【００２４】
本発明者らは鋭意検討を重ね、導入流路に形成された液体の入口である導入口及び排出流路に形成された液体の出口である排出口の幅が多孔質金属の幅と片方もしくは両方において略等しくした構造を考え出し、多孔質金属を均一に冷却し熱交換効率を向上させることができた。このとき、導入口及び排出口の幅は多孔質金属の幅と同じことが好ましいが、多孔質金属の幅の８０〜１２０％であれば熱交換器の加工のし易さなどを考慮し変えても熱交換効率に大差は生じない。
【実施例１】
【００２５】
第１の実施例について図２から図４を用いて説明する。図２は、本実施の形態の熱交換器の構造の一例を示す概略斜視図である。図３及び図４は、図２に示した熱交換器のＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。
【００２６】
本実施の形態の熱交換器１００は、伝熱部１０、液体が通過可能な多孔質金属（ポーラス金属）１１、多孔質金属１１が伝熱部１０に接するとともに、液体が通過するように配置された通過部１２、通過部１２へと前記液体を導く導入流路１３、及び通過部１２を通過した液体を排出する排出流路１４を有している。導入流路１３には、熱交換器１００に導入される流体が、配管に接続された入口ポート１７から流路の断面形状を変えながらつなぐ入口側流路変換部１９を通って導入口１５から供給されている。また、排出流路１４からは、熱交換器１００から排出される流体が、排出口１６から流路の断面形状を変えながらつなぐ入口側流路変換部１９を通って出口ポート１８に接続された配管に送られている。
【００２７】
ここで、図３に示すＡ−Ａ’の面は、伝熱部１０の片面に接する多孔質金属１１の面に平行である。流路に沿って、導入口１５及び排出口１６の幅は多孔質金属１１の幅とほぼ等しくなっている。ここで幅は、伝熱部１０の片面に通過部１２が接する面に平行に延び、図３において上下方向の長さに相当している。図３において多孔質金属１１を通過部１２の幅と等しくしている一方で導入口１５及び排出口１６の幅は加工上の裕度を考慮し、導入流路１３及び排出流路１４の幅より５％程度小さくしている。
【００２８】
図３及び図４に示すように入口ポート１７及び出口ポート１８から導入口１５及び排出口１６に接続された液体の流路の断面は幅が広がる形になっている。本実施の形態では入口側流路変換部１９と出口側流路変換部２０を流れる液体の抵抗が増えず且つ均一に流れるように、入口側流路変換部１９と出口側流路変換部２０の断面積が入口側と出口側で変わらないように形状を変化させている。このような構造にすることにより多孔質金属１１を設けた通過部１２に流れる液体の速度が通過部１２の全体で均一になり、ひいては熱交換効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００２９】
本実施の形態の第２の実施例について図５を用いて説明する。加工上の制限などで多孔質金属１１を設けた通過部１２に流れる液体の速度が均一にならない場合、図５に示すように多孔質金属１１を設けた通過部１２の導入口側の形状を液体の流れる方向３０の長さが幅方向の中央部が長く、周辺部が短くなるように角の部分を直線的に切り取った形にすることができる。多孔質金属１１を設けた通過部１２をこのような形状にすることにより、幅方向の中央部で圧力損失が大きくして液体の速度を遅くし、幅方向の周辺部で圧力損失を小さくして液体の速度を速くすることができる。このことによって、熱交換効率の均一化が可能になり、熱交換効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００３０】
本実施の形態の第３の実施例について図６を用いて説明する。加工上の制限などで多孔質金属に流れる液体の速度が均一にならない場合、図６に示すように多孔質金属１１を設けた通過部１２の導入口側の形状を液体の流れる方向３０の長さが幅方向の中央部が長く、周辺部が短くなるように、且つ中央部付近は液体の速度が均一に近いため円弧状の形状とすることができる。多孔質金属１１をこのような形状にすることにより、より熱交換効率の均一化が可能になり、熱交換効率を向上させることができる。なお、図６では円弧状としたが、円弧に内接するような多角形でも同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００３１】
本実施の形態の第４の実施例について図７を用いて説明する。第１の実施例では多孔質金属１１の幅が通過部１２の幅と等しい例を示したが、図７では多孔質金属１１の幅が通過部１２の幅より小さい場合を示している。この場合、液体は多孔質金属のない通過部１２の端部付近を通る量が増え、熱交換効率が下がることから多孔質金属１１の排出流路側端部に液体の流れを遮る凸部２１が形成されている。このような構造にすることにより液体は多孔質体の中を通るようになり熱交換効率を上げることが可能になる。
【実施例５】
【００３２】
本実施の形態の第５の実施例について図８を用いて説明する。第５の実施例においては、導入口１５及び排出口１６の開口が形成する間隙は、幅方向に中央部で最小になり、幅方向に周辺部の近くで最大になっている。導入口１５及び排出口１６においては、開口の端面が開口の内側に向かって付き出し、開口は幅方向に中央の間隙が狭まって延びる略ひょうたん形状を形成している。
【００３３】
第５の実施の形態においては、このような形状の導入口１５によって、通過部１２に設置された多孔質金属１１に対して、幅方向に周辺部の流量が多く、幅方向に中央部の流量に少ないように配分して流体を導入することができる。このように流体を配分して導入することにより通過部１２の多孔質金属１１の幅方向の断面の全体にわたってほぼ均一の流量の液体を流すことができ、熱交換効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上記述したように、本発明は熱交換効率を向上させた熱交換器を実現させることが出来、多孔質金属を用いた製品が世の中に広まると考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  伝熱部
１１  多孔質金属
１２  通過部
１３  導入流路
１４  排出流路
１５  導入口
１６  排出口
１７  入口ポート
１８  出口ポート
１９  入口側流路変換部
２０  出口側流路変換部
２１  凸部
３０  液体の流れる方向
１００  熱交換器
【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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