(57)【要約】【課題】冷媒の流れが熱交換部材の断面の全体で均一になるようにする。【解決手段】熱交換部材に多孔質体１１を用いた水冷熱交換器であって、多孔質体１１は、三次元状に連結する骨格を有するとともに、前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有する三次元網目状構造体であって、前記骨格が密度比が９０％以上のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなり、気孔率が９０〜９９％であり、多孔質体１１は、流入口１５側が目の細かい第１の多孔質体１１ａから構成され、流出口１６側が目の粗い第２の多孔質体１１ｂから構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換部材に多孔質体を用いた水冷熱交換器であって、
前記多孔質体は、三次元状に連結する骨格を有するとともに、前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有する三次元網目状構造体であって、前記骨格が密度比が９０％以上のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなり、気孔率が９０〜９９％であり、
前記多孔質体は冷媒の流路において流入口側と流出口側で異なる目粗さを有する水冷熱交換器。
【請求項２】
前記多孔質体は、流入口側が目粗さが６〜１５ｐｐｉを有する第１の多孔質体から構成され、流出口側が目粗さが１６〜３０ｐｐｉを有する第２の多孔質体から構成された請求項１に記載の水冷熱交換器。
【請求項３】
冷媒が流れる方向について、前記第１の多孔質体の長さは前記第２の多孔質体の長さより短い請求項２に記載の水冷熱交換器。
【請求項４】
熱交換部材に多孔質体を用いた水冷熱交換器であって、
前記多孔質体は、三次元状に連結する骨格を有するとともに、前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有する三次元網目状構造体であって、前記骨格が密度比が９０％以上のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなり、気孔率が９０〜９９％であり、
前記多孔質体は冷媒の流路において、冷媒の流れる方向に垂直な方向に異なる目粗さを有する水冷熱交換器。
【請求項５】
前記多孔質体は、前記冷媒の流入口の間口と流出口の間口とを結んだチャンネルについて、チャンネルの内側が目粗さが６〜１５ｐｐｉを有する第３の多孔質体から構成され、チャンネルの外側が目粗さが１６〜３０ｐｐｉを有する第４の多孔質体から構成された請求項４に記載の水冷熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元網目状構造を有する多孔質体を熱交換部材とした水冷熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連結する気孔が形成される三次元網目状構造を有する多孔質体は、連結する気孔にガスあるいは液体等の流体を通過させるとともに、これらの流体を濾過処理するフィルター（特許文献１、２等）や、これらの流体を骨格表面に担持した触媒により改質する触媒用担体等（特許文献２等）に用いられている。
【０００３】
このような三次元網目状構造を有する多孔質体は、連通孔を有する発泡樹脂骨格表面を導電化処理して電気メッキした後、加熱して樹脂を分解除去する方法（特許文献３等）や、連通孔を有する発泡樹脂に有機高分子結合剤と金属微小体との混練物を浸漬、スプレー等して塗着した後、加熱して樹脂を分解除去するとともに金属微小体を焼結する方法（特許文献１、２、４等）、あるいは、連通孔を有する発泡樹脂の骨格表面に粘着性を付与させた後、粉体を被着させた後、加熱して樹脂を分解除去するとともに粉体を焼結する方法（特許文献５等）により製造される。
【０００４】
このような三次元網目状構造を有する多孔質体は、流体との接触面積が大きいことから、熱交換器の熱交換部品への適用が検討されている（特許文献６等）。熱交換器は、温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させて加熱や冷却の用途に用いられる機器であり、一般に、熱交換の媒体として液体や気体等の流体を用いて流体に熱を与える（加熱）もしくは流体から熱を奪う（冷却）ことで加熱や冷却を行う。このような熱交換器においては、熱伝導率の高い金属材料で構成されたフィン等を伝熱部材に設けるなどして流体との接触面積を増加させて、熱交換の効率を高めているが、フィン等に替えて熱伝導率の高い金属材料で構成された三次元網目状構造を有する多孔質体を用い、その連通する気孔に流体を通過させれば、熱伝導率の高い金属材料と流体との接触面積をさらに大きくできるため、熱交換の効率がさらに大きくなるものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−３３９６０５号公報
【特許文献２】特開平０８−０２０８３１号公報
【特許文献３】特開昭５７−１７４４８４号公報
【特許文献４】特公昭６１−０５３４１７号公報
【特許文献５】特開平０６−２３５０３３号公報
【特許文献６】特公平０６−０８９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、三次元網目状構造を有する多孔質体を水冷熱交換器の熱交換部材に適用し、冷媒の流路に多孔質体による熱交換部材を配置すると、冷媒の流入口と流出口との間口を結んだチャンネルについて、チャンネルの中心部の内側に冷媒が流れやすく、チャンネルの外側に冷媒が流れにくい。このため、冷媒の流れについて、熱交換部材の断面の全体に対して効果的に熱交換している領域が狭く、熱交換部材の全体が熱交換に有効に利用されないという課題があった。
【０００７】
以上のことから、本発明は、熱交換部材に三次元網目状構造を有する多孔質体を用い、冷媒の流れが多孔質体の断面の全体に均一であり、熱交換性が高い水冷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】
【０００８】
本発明の水冷熱交換器は、熱交換部材として、三次元状に連結する骨格を有するとともに、前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有し、前記骨格には密度比が９０％以上のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる三次元網目状構造体を用い、前記三次元網目状構造体は流入口側と流出口側とで異なる目粗さを有することを特徴とする。なお、多孔質体は、Ａｌ：９５質量％以上で残部がＣ、Ｎ、Ｏ等の不純物からなり、他の金属元素を含まないものであり、伝熱部の板部材との接合部にろう材由来の成分を含んでもよい。
【０００９】
水冷熱交換器の流入口側と流出口側とで多孔質体の目粗さを異なるようにしてもよい。例えば、流入口側では多孔質体の目を粗くし、流出口側では多孔質体も目を細かくしてもよい。目の粗い多孔質体は、骨格が太く、熱交換の効率は高くないが、摩擦損失による圧力損失は低く、流れの方向を大きく変えることができる。目の粗い多孔質体によって、冷媒の流入口の間口と流出口の間口とを結んだチャンネルについて、冷媒がチャンネルの外側に広がり、目の細かい多孔質体に均一に冷媒が流れ込むことが可能になる。目の細かい多孔質体は比表面積が大きいため、摩擦損失による圧力損失が大きいが、熱交換が容易である。目の細かい多孔質体の領域を広くすることで、さらに熱交換の効率を向上させることが可能になる。なお、流入口側では多孔質体の目を細かくし、流出口側では多孔質体も目を粗くしてもよい。
【００１０】
冷媒の流れ方向に対して垂直方向に多孔質体の目粗さが異なるようにしてもよい。例えば、冷媒の流れ方向に対して流入口の間口と流出口の間口とを結んだチャンネルについて、チャンネルの内側の目粗さを細かくし、チャンネルの外側の目粗さを粗くしてもよい。このような構成によって、チャンネルの外側にも冷媒が流れるようになり、熱交換が容易になる。
【００１１】
本発明の目粗さの異なる前記多孔質体は熱交換器の板部材にろう付けされていることでより効果的に熱交換することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の目粗さの異なるアルミニウム系多孔質体を有する水冷熱交換器は、冷媒の流れが熱交換部材の断面の全体に均一となり、熱交換性が高いといった効果が奏されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】第１の実施例の水冷熱交換器の模式図である。
【図５】第２の実施例の水冷熱交換器の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態に係る水冷熱交換器について、図１から図３を用いて説明する。図１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２及び図３は、図１に示した熱交換器のＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。
【００１５】
本実施の形態の水冷熱交換器１００において、三次元網目状構造を有する多孔質体１１は、伝熱部１０の一側の板部材１９に接し、冷媒の冷却水がこの多孔質体１１を通って流れるように通過部１２に設けられている。通過部１２の上流側及び下流側には、通過部１２と同様の幅を有する流入路１３及び流出路１４が形成されている。ここで、幅とは、通過部１２において多孔質体１１が伝熱部１０の一側の板部材１９に接する面に平行であって、冷媒の流れの方向に略垂直な方向の開口の幅をいうものとする。流入路１３の直上には通過部１２の幅より小さい所定の直径を有する流入口１５が通過部１２の幅方向の略中央の位置に形成され、流出路１４の直上には同様に流出口１６が形成されている。本明細書では、流入口１５の間口と流出口１６の間口とを直線で結んでチャンネル２０と称することにする。
【００１６】
本実施の形態の水冷熱交換器１００においては、通過部１２には、三次元網目状構造体による多孔質体１１が設けられている。本実施の形態の多孔質体１１は、三次元状に連結する骨格を有するとともに前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有する三次元網目状構造体であって、前記骨格が、密度比が９０％以上のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる多孔質体である。本実施の形態における多孔質体は、Ａｌ：９５質量％以上で残部がＣ、Ｎ、Ｏ等の不純物からなり、他の金属元素を含まないものであり、水冷熱交換器１００の伝熱部１０の板部材１９との接合部にろう材由来の成分を含むものである。
【００１７】
本実施の形態においては、水冷熱交換器１００の伝熱部１０の板部材１９に接するように設けた多孔質体１１は、冷媒の流入口１５側に設けた目の粗い多孔質体、及び流出口１６側に設けた目の細かい多孔質体から構成してもよい。目の粗い多孔質体は６〜１５ｐｐｉであり、目の細かい多孔質体は１６〜３０ｐｐｉであってもよい。
【００１８】
ここで、目の粗い多孔質体と目の細かい多孔質体の密度が同じである場合、目が粗い多孔質体では骨格が太く、比表面積が小さいため、熱交換の効率が低いが、流体の摩擦損失が小さくなり圧力損失が小さい。したがって、太い骨格に水がぶつかると骨格を避けて左右（又は上下等）に広がる流れが生じ、左右に広がる流れが抑制されずに左右に広がり易い。さらに左右に広がった流れがまた骨格にぶつかってさらに左右に広がることが連続して発生することで、流れが左右に広がっていく。したがって、目の粗い多孔質体では、流れの方向についての断面で流量は均一に近づいていく。
【００１９】
一方、目の細かい多孔質体では骨格が細く、比表面積が大きいため、熱交換が容易であるが、流体の摩擦損失が大きくなり摩擦損失も大きくなり圧力損失も大きい。したがって、熱交換の効率を高めることができるが、水が細い骨格にぶつかっても骨格の左右に大きく広がることはなく、左右に広がり難い。
【００２０】
本実施の形態では、流入口１５から流出口１６に向かう冷媒の流れに沿って、目の粗い多孔質体と目の細かい多孔質体とを順に設けている。したがって、目の粗い多孔質体によって、流れの方向について目の細かい多孔質体の断面に冷媒が均一に流れ込むようにするとともに、目の細かい多孔質体によって熱交換を確保することができる。
【００２１】
また、本実施の形態においては、水冷熱交換器１００の伝熱部１０の板部材１９に接するように設けた多孔質体１１は、冷媒の流入口１５側に設けた目の細かい多孔質体、及び流出口１６側に設けた目の粗い多孔質体から構成してもよい。このように流入口１５から流出口１６に向かう冷媒の流れに沿って、目の細かい多孔質体と目の粗い多孔質体とを順に設けた場合にも、上述の目の粗い多孔質体と目の細かい多孔質体とを順に設けた場合と同様の効果が得られる。すなわち、目の細かい多孔質体によって熱交換を確保するとともに、目の粗い多孔質体によって、流れの方向に目の細かい多孔質体の断面から冷媒が均一に流れ出すようにすることができる。
【００２２】
さらに、本実施の形態においては、水冷熱交換器１００の伝熱部１０の板部材１９に接するように設けた多孔質体は、流入口１５の間口と流出口１６の間口とを結んだチャンネル２０よりも内側に設けた目の細かい多孔質体、及びチャンネル２０の外側に設けた目の粗い多孔質体から構成してもよい。
【００２３】
チャンネル２０よりも内側に設けた目の細かい多孔質体によって、熱交換が確保される。また、チャンネルの外側に設けた目の粗い多孔質体は摩擦損失による圧力損失が小さく、チャンネル２０の外側にも冷媒が流れるようになる。したがって、これらの組み合わせによって、多孔質体の断面の全体にわたって冷媒の流れを均一にすることができ、ひいては熱交換の効率を向上させることができる。
【実施例１】
【００２４】
図４に示すように、第１の実施例として、水冷熱交換器１００の伝熱部１０の板部材１９に接するように通過部に多孔質体１１を設置した。多孔質体１１には、三次元状に連結する骨格を有するとともに前記骨格により三次元状に連通する連通孔を有する三次元網目状構造体を有し、前記骨格が、密度比が９０〜９８％のアルミニウムからなる多孔質体を用いた。
【００２５】
第１の実施例においては、多孔質体１１として、冷媒の流入口１５側に目の細かい目粗さ６〜１５ｐｐｉのアルミニウム多孔質体による第１の多孔質体１１ａを配置し、流出口１６側に目の粗い目粗さ１６〜３０ｐｐｉのアルミニウム多孔質体による第２の多孔質体１１ｂを配置した。冷媒の流れの方向に、第１の多孔質体１１ａの長さは、第２の多孔質体１１ｂの長さよりも短い。第１の多孔質体１１ａ及び第２の多孔質体１１ｂは、伝熱部１０の板部材１９にアルミニウム−シリコン系ろう材で接合した。
【００２６】
水冷熱交換器１００の一部を透明なアクリルとすることで水流れを確認できるようにし、０．５ｍ／ｓで通水した際の水流れの均一性を評価したところ、水流れはチャンネル２０の内側及び外側に関わらず、均一化していることを確認した。
【実施例２】
【００２７】
第２の実施例として、水冷熱交換器１００の通過部１２の板部材１９に、流入口１５の間口と流出口１６の間口を結んだチャンネル２０よりも内側に目の細かい目粗さ１６〜３０ｐｐｉのアルミニウム多孔質体による第３の多孔質体１１ｃを配置し、チャンネルの外側に目の粗い目粗さ６〜１５ｐｐｉのアルミニウム多孔質体による第４の多孔質体１１ｄを配置した。第３の多孔質体１１ｃ及び第４の多孔質体１１ｄは、伝熱部１０の板部材１９にアルミニウム−シリコン系ろう材で接合した。
【００２８】
第１の実施例と同様に水流れの均一性を評価したところ、水流れはチャンネル２０の内側及び外側に関わらず、均一化していることを確認した。
【００２９】
比較例として、図２に示したように、熱交換部材の全面に一定の目粗さの２０ｐｐｉのアルミニウム多孔質体による多孔質体１１を配置し、０．５ｍ／ｓで通水した結果、流入口１５と流出口１６を結んだチャンネル２０よりも内側に水が優先的に流れ、外側にほとんど水が流れないことを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
目粗さの異なるアルミニウム多孔質体を水冷熱交換器の熱交換部材として配置することで、水流れが均一化し、熱交換性の高い水冷熱交換器に好適である。
【符号の説明】
【００３１】
１１・・・多孔質体
１２・・・通過部
１３・・・流入路
１４・・・流出路
１５・・・流入口
１６・・・流出口
１９・・・板部材
２０・・・チャンネル
１００・・・水冷熱交換器
【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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