(57)【要約】【課題】多孔質金属を用いた熱交換器において熱交換効率を向上させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】伝熱部１０と多孔質金属１１を含み、液体が通過可能で多孔質金属１１が配置された通過部１２と、導入口１５から通過部１２へと液体を導く導入流路１３及び通過部１２から液体を排出口１６に排出する排出流路１４とを含み、導入流路１３及び排出流路１４の少なくも一方の断面において短辺方向である上下方向の間隔が長辺方向である幅方向の中央付近において狭くなるように凸部１３１、１４１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱部及び多孔質金属を含み、液体が通過可能で多孔質金属が配置された通過部と、
導入口から前記通過部へと液体を導く導入流路と、
前記通過部を通過した液体を排出口に排出する排出流路とを含み、
前記導入流路及び前記排出流路の少なくとも一方の断面において、短辺方向である上下方向の間隔が長辺方向である幅方向の中央付近において狭くなっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換器において、前記導入流路及び前記排出流路の少なくとも一方の上下方向の間隔が狭くなっているところの形状は円弧形状の曲線であることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１記載の熱交換器において、前記導入流路及び前記排出流路の少なくとも一方の断面の上下方向の間隔が狭くなっているところの形状は連続した曲線であることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３記載の熱交換器において、前記曲線がコサインカーブであることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項３記載の熱交換器において、前記曲線が円弧を繋げた形であ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５のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記導入流路及び前記排出流路の少なくとも一方の断面の上下方向の間隔が、最も狭くなっているところが狭くなっていないところの５０％以下となってい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が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、熱交換器の熱交換の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（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２０１７−４４４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の多孔質金属を用いた熱交換器では、流体として液体を用いた場合、導入用配管から多孔質金属に向けて流路の断面積が広がっても流れ込んだ液体は断面全体には広がらず、液体の多くは多孔質金属の中央付近を通っていくことが詳細検討によって分かった。そのため熱交換の効率が多孔質金属の大きさほどには向上しないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、多孔質金属を用い流体として液体を用いる熱交換器において、熱交換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】
【０００７】
本発明による熱交換器は伝熱部と多孔質金属を含み、液体が通過可能で多孔質金属が配置された通過部と、導入口から通過部へと液体を導く導入流路及び通過部から排出口へ液体を排出する排出流路とを備え、導入流路及び排出流路の少なくとも一方の断面において短辺方向である上下方向の間隔が長辺方向である幅方向の中央付近において狭くなっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明による熱交換器は前記導入流路の断面及び前記排出流路の断面の上下方向の間隔が狭くなっているところの形状は円弧形状の曲線であってもよい。
【０００９】
本発明による熱交換器は前記導入流路の断面及び前記排出流路の断面の上下方向の間隔が狭くなっているところの形状は連続した曲線であってもよい。
【００１０】
本発明による熱交換器は前記曲線がコサインカーブであってもよい。本発明による熱交換器は前記曲線が円弧を繋げた形であってもよい。
【００１１】
本発明による熱交換器は前記導入流路の横断面及び前記排出流路の横断面の上下方向の間隔が、最も狭くなっているところが狭くなっていないところの５０％以下となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多孔質金属を用いた熱交換器において、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例の熱交換器の構造の一例を示す垂直縦断面図である。
【図２】第１の実施例の熱交換器の構造を示す概略図である。
【図３】第１の実施例の熱交換器の凸部の中央を横切る横断面図である。
【図４】第２の実施例の熱交換器を示す垂直縦断面図である。
【図５】第２の実施例の熱交換器を示す概略断面図である。
【図６】第３の実施例の熱交換器を示す垂直縦断面図である。
【図７】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８】第４の実施例の熱交換器を示す垂直縦断面図である。
【図９】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１０】従来の熱交換器の一例を示す垂直縦断面図である。
【図１１】従来の熱交換器の構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本実施の形態の熱交換器について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の熱交換器は伝熱部と多孔質金属（ポーラス金属）を備え、液体が通過可能で多孔質金属が配置された通過部と、導入口から通過部へと液体を導く導入流路及び通過部から排出口へ液体を排出する排出流路と、導入流路及び／または排出流路において、上下方向（流路の狭い方を上下方向と呼ぶ）に狭くなる領域があり、その領域の中央が幅方向（流路の広い方を幅方向と呼ぶ）の中央近傍に位置している。狭くなるというのは下面および／または上面に出っ張りがあるためである。本実施の形態の熱交換器は伝熱部の片方の面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おり、その裏側の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することが多い。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。
【００１５】
本実施の形態に係る多孔質金属について説明する。本実施の形態の熱交換器に用いる多孔質金属は気孔率が９５〜９８％と高くなっており、非常に流体の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、気孔率が下がると流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。
【００１６】
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。なお、本実施の形態の熱交換器は冷却に用いることが多いため、冷却用途を前提とした記述になっているが、冷却には拘らない。
【００１７】
液体は一般的には熱交換器に断面が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、幅とは上記のように流路の広い方を指しており、多くの場合、液体の流れる方向に対し垂直で且つ伝熱部に平行な方向となっており、これに垂直な方向を高さと呼ぶ。つまり、幅と高さの間には幅＞高さという関係が見られる。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。熱交換効率を上げるには多孔質金属が液体によって均一に冷却されることが望ましい。
【００１８】
本発明者らは鋭意検討を重ね、導入口から通過部の間の導入流路及び／または通過部から排出口の間の排出流路において、上下方向に狭くなる領域があり、その領域の中央が幅方向の中央近傍に位置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、上下方向の間隔が、最も狭くなっているところが狭くなっていないところの５０％以下になれば、通過部を流れる流体の速度は十分均一化される。
【実施例１】
【００１９】
本発明の熱交換器の第１の実施例について図１から図３を用いて説明する。図１、図２に示した第１の実施例の熱交換器１００には伝熱部１０と多孔質金属１１（ポーラス金属）を備え、液体が通過可能で多孔質金属が配置された通過部１２と、通過部１２へと液体を導く導入流路１３及び前記通過部１２を通過した前記液体が通る排出流路１４を備え、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を備える。さらに配管が接続される入口ポート１７及び出口ポート１８がある。
【００２０】
図１に示すように本実施の形態の熱交換器１００では導入流路１３の導入口１５と通過部１２の間のところに上下の間隔が狭くなるように凸部１３１が上下に形成されている。また、排出流路１４の通過部１２と排出口１６の間のところに上下の間隔が狭くなるように凸部１４１が上下に形成されている。これらの凸部は液体の流れに乱れが生じないように連続した曲面で形成されている。そして、上記凸部１３１と凸部１４１の上から見た位置は図２に示されており、幅方向の中心と凸部の中心（凸部が最も出っ張ったところ）が一致している。
【００２１】
図３に凸部１３１、１４１での横断面を示す。上記のとおり図３に示すように幅方向の中心と凸部の中心は一致している。このように流路の中央部分の間隔が狭く、外側に行くに従い広くなることで中央近傍での流れの抵抗が高くなり流量が抑えられ、一方で外側では相対的に中央に比べ流れの抵抗が下がることから外側に流体が流れやすくなる。このような凸部が無ければ流れの最短ルートである導入口１５と排出口１６を直線で結んだところを多くの流体がながれていたのが、凸部があることで流体が外側へも広がって流れるようになり、その結果、多孔質金属に流れる液体の速度が従来の熱交換器より均一になり、熱交換効率を向上させることが出来る。
【００２２】
このような熱交換器は金属をプレスまたは鋳造によって作ることができる。熱交換器には熱伝導率が高く、軽量なアルミニウムが多く用いられる。プレスの型や鋳造の一種であるダイキャストの型に凸部が形成できるような形状を持たせることで工程を増やすことなく、多孔質金属に流れる液体の流速を従来の熱交換器より均一にすることができる。
【実施例２】
【００２３】
本実施の形態の熱交換器の凸部の形状、配置については幾つもの組み合わせが考えられる。本実施の形態の熱交換器の第２の実施例について図４、図５を用いて説明する。図４、図５に示した第２の実施例は最も簡単な構造の例である。凸部１３１は導入口側の下面にのみある。また、凸部の形状についても矩形形状となっている。単純な形状ではあるが最も流れの抵抗の小さいところに凸部が形成されることから流速の均一化の効果は大きい。図４、図５には凸部の形状を矩形としたが、円弧形状や円弧をつなげた形状、コサインカーブの形状など矩形形状には拘らない。
【実施例３】
【００２４】
本実施の形態の熱交換器の第３の実施例について図６、図７を用いて説明する。実施例２では導入口側にのみ凸部を形成していたが、この場合、排出口側で幅方向の中央付近が排出口までの距離が短くなり流れの抵抗が低くなることから中央付近の流速が上がり外側の流速が下がる。その結果、熱交換効率が低下する領域が生まれる。そこで図６、図７に示すように導入口側と排出口側の両方に凸部を形成することで、より流速の均一性を上げることができる。
【００２５】
図６、図７には凸部の形状を矩形としたが、円弧形状や円弧をつなげた形状、コサインカーブの形状など矩形形状には拘らない。
【実施例４】
【００２６】
本実施の形態の熱交換器の第４の実施例について図８、図９を用いて説明する。実施例２，３は凸部を図において導入流路・排出流路の下面に形成していたが、図８、図９に示すように凸部を導入流路・排出流路の上面に形成しても良い。また、図８、図９では導入流路・排出流路の両側に凸部を形成しているが、導入流路側、排出流路側の片側にのみ形成しても良い。但し、流速の均一化の効果としては両方にあるのが好ましい。凸部の形状としては円弧をつなげた形状を示したが、矩形や円弧形状、コサインカーブの形状など形状には拘らない。
【００２７】
［比較例］
比較例として、従来の熱交換器を図１０、図１１に示す。従来の熱交換器では導入流路１３および排出流路１４には上下方向の凸部は存在しない。我々の詳細な検討によって従来の出っ張りのない構造では多孔質金属の幅方向の周辺部を流れる液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。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
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】
【００２９】
１００  熱交換器
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
１３１，１４１  凸部
３０  液体の流れる方向
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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