(57)【要約】【課題】伝熱用流体の流量により伝熱性能が大きく変化する伝熱装置を提供すること。【解決手段】本発明の伝熱装置は、伝熱用流体と、該伝熱用流体の流路と、を備え、上記流路が、その内面の少なくとも一部に渦流れ生成部を有する。  そして、上記渦流れ生成部が、上記伝熱用流体の流通方向と交差する方向に延びた複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、かつ、その表面と上記伝熱用流体との接触角が１１０°以上であり、伝熱用流体の流速が速いときには伝熱が促進され、流速が遅いときには伝熱が抑制される。【選択図】図１
2019015433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱用流体と、流路と、を備える伝熱装置であって、
上記流路が、その内面の少なくとも一部に渦流れ生成部を有し、
上記渦流れ生成部が、上記伝熱用流体の流通方向と交差する方向に延びた複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、かつ、その表面と上記伝熱用流体との接触角が１１０°以上であることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
上記凹部の最大深さ（Ｈ）と、下記式（１）で表される層流底層の厚さ（δｓ）との関係が、
伝熱促進時に（Ｈ）＞（δｓ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の伝熱装置。
層流底層の厚さ（δｓ）＝６３．５／（Ｒｅ７／８）×ｄ  ・・・式（１）
但し、式（１）中、Ｒｅはｕｄ／ｖで計算されるレイノルズ数を表し、
ｄは代表長さ、ｕは流速、ｖは伝熱量流体の動粘度を表わす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱装置に係り、更に詳細には、伝熱流体に渦流れを生成させる伝熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却媒体を流して電子部品等の発熱体の冷却を行う冷却装置が知られており、特許文献１には、電子部品に対し離反する方向に延長される複数の放熱部材を備え、この各放熱部材相互間を冷却用流体が通過することで、上記発熱体の冷却を行う冷却装置が記載されている。
【０００３】
上記複数の放熱部材の長さは、上記電子部品の発熱による熱伝導温度が低くなるに従って短くなるように形成されており、小型化しても冷却用流体の圧力損失を抑えて冷却性能を維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、冷却媒体と流路構成材との接触面積を増やして冷却性能を向上させた冷却装置にあっては、暖機時等、伝熱用流体の流量を低減し、放熱を抑えて所望の温度まで温度を上昇させたい場合であっても、冷却性能が高いために過度な放熱が行われて冷却損失が大きくなる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、伝熱用流体の流量により伝熱性能が大きく変化する伝熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、伝熱用流体の流路内面に、凹部を設けてその内部に渦流れを生じさせ、上記凹部表面と伝熱用流体との接触角を一定以上にすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の伝熱装置は、伝熱用流体と、該伝熱用流体の流路と、を備え、上記流路が、その内面の少なくとも一部に渦流れ生成部を有する。
そして、上記渦流れ生成部が、上記伝熱用流体の流通方向と交差する方向に延びた複数の凹部を所定の間隔で配列したものであり、かつ、その表面と上記伝熱用流体との接触角が１１０°以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、渦流れ生成部の凹部内に渦流れを生じさせると共に、上記渦流れ生成部の表面と伝熱用流体との接触角を１１０°以上にすることとしたため、伝熱用流体の流速が速いときには伝熱が促進され、流速が遅いときには伝熱が抑制される伝熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の伝熱装置を伝熱用流体の流通方向に切ったときの概略断面図である。
【図２】渦流れ生成部を流路内から見たときの一例を示す概略平面図である。
【図３】渦流れ生成部の一例を示す拡大断面図である。
【図４】他の渦流れ生成部の拡大断面図である。
【図５】他の渦流れ生成部を流路内から見たときの概略平面図である。
【図６】さらに他の渦流れ生成部を流路内から見たときの概略平面図である。
【図７】さらに他の渦流れ生成部を流路内から見たときの概略平面図である。
【図８】さらに他の渦流れ生成部を流路内から見たときの概略平面図である。
【図９】図１中Ａ−Ａ’で示す箇所の流路 断面図である。
【図１０】層流底層の厚さ（δｓ）との熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図１１】伝熱装置とエンジン・変速機との間に伝熱用流体を循環させる循環路の一例を示す図である。
【図１２】伝熱装置とエンジン・変速機との間に伝熱用流体を循環させる循環路の他の例を示す図である。
【図１３】伝熱装置とエンジン・変速機との間に伝熱用流体を循環させる循環路のさらに他の例を示す図である。
【図１４】実施例及び比較例の伝熱用流体の流速に対する熱伝達率を示すグラフである。
【図１５】流速が０．５ｍ／ｓと３．３ｍ／ｓの場合の実施例及び比較例の熱伝達率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の伝熱装置について詳細に説明する。
上記伝熱装置は、伝熱用流体と、該伝熱用流体が流れる流路と、を備えるものであり、必要に応じて、上記流路構成材の外側に当接して設けられたフィンや、上記伝熱用流体の流速の制御を行う流速制御装置等を有して成る。
そして、上記流路の内面の少なくとも一部に渦流れ生成部を有し、上記流路を流れる伝熱用流体の流れにより、上記渦流れ生成部の凹部内に渦流れを生じさせて伝熱用流体と流路構成材との間で熱交換を行い、伝熱用流体の冷却又は加熱を行うものである。
【００１２】
図１は、本発明の伝熱装置を伝熱用流体の流通方向に切ったときの概略断面図であり、図２は、伝熱装置の流路に設けられた渦流れ生成部の概略平面図であり、図３は、図１中○で囲んだ渦流れ生成部の拡大断面図である。
なお、上記伝熱用流体は、図１、図２、図３中、矢印で示す方向に流れる。
【００１３】
上記渦流れ生成部は、伝熱用流体の流通方向と交差する方向に延びた細長い凹部、すなわち溝が所定の間隔で複数配列したものである。そして、上記流路内を流れる伝熱用流体の流通速度に応じて上記凹部内に渦流れを生じさせ、上記凹部内の伝熱用流体を凹部の外に排出して、伝熱の促進を図るものである。
【００１４】
そして、上記渦流れ生成部の表面と上記伝熱用流体との接触角が１１０°以上であることにより、伝熱用流体の流速が速いときには伝熱が促進され、流速が遅いときには伝熱が抑制される。
なお、本発明において、渦流れ生成部の表面と伝熱用流体との接触角は、渦流れ生成部を平坦にしたときの表面と伝熱用流体との接触角をいう。
【００１５】
伝熱用流体の流速により伝熱性能が大きく変化する理由は、明らかにされているわけではないが以下のように推察される。
【００１６】
本発明の渦流れ生成部表面は伝熱用流体に対する撥液性が高いため、流速が遅いときには渦流れ生成部表面と伝熱用流体との摩擦抵抗が小さく、伝熱用流体が渦流れ生成部表面に引き摺られることなくスムーズに流れる。したがって、凹部内の渦流れが小さくなって、凹部内の伝熱用流体は凹部の外に排出されずに凹部内を循環するため、渦流れ生成部の凹部内と凹部外との間での伝熱が抑制される。
一方、流速が速いときには、伝熱用流体の運動エネルギーが渦流れ生成部表面の撥液性に勝り、凹部内の渦流れが大きくなって、凹部内の伝熱用流体が凹部の外に排出され、渦流れ生成部の凹部内と凹部外との間での伝熱が促進されるためであると考えられる。
【００１７】
上記渦流れ生成部の溝形状としては、その凹部内に渦流れを生じさせることができれば特に制限はなく、断面が三角形、四角形等の多角形の他、半円形等の円弧を描いた溝を挙げることができるが、断面が円弧を描いていることが好ましい。
【００１８】
図３に示すように、溝の断面が円弧を描いていると、伝熱促進時には凹部の内壁に沿った大きな渦流れが生じるため、断面が多角形場合の角部に伝熱用流体が滞留することが防止される。
【００１９】
上記溝の配列は、隣り合う溝と溝とを隙間なくぴったりと並べても、溝と溝との間に間隔を設けて並べてもよい。また、溝と溝との間は、図４に示すように、角を設けずに、溝の内壁を変曲させて隣り合う溝どうしを滑らかな曲線で繋ぐことが好ましい。
【００２０】
隣接する溝どうしを滑らかな曲面で繋げ、その間の頂部を曲面で形成することにより、エロージョンによる摩耗を抑制できるとともに、渦流れ生成部の加工を容易に行うことができる。
また、成形型の割れや欠けの発生を抑制でき、角部がないので、表面に撥液層を形成する場合に、平均膜厚の管理を容易に行うことができる。
【００２１】
また、伝熱用流体の流通方向と交差する溝は、図５示す渦流れ生成部の平面図のように、流路の幅よりも短い溝を複数並べて設けてもよいが、連続した溝が流路の幅方向の全体に設けられていることが好ましい。
流路の幅全体に連続した溝を設けることにより、流路の流通方向と交差する方向全域において渦流れを形成することができ伝熱が促進される。
【００２２】
また、上記溝は、伝熱用流体の流通方向と交差すればよく、図６〜図８に示す渦流れ生成部の平面図のように、直線状の溝の他、矩形状や曲線状の曲がった溝が、伝熱用流体の流通方向と角度をもって並んでいてもよいが、図２に示す渦流れ生成部の平面図のように、伝熱用流体の流通方向と直交する直線状の溝が平行に並んでいることが好ましい。
【００２３】
また、  上記凹部の最大深さ（Ｈ）と、下記式（１）で表される層流底層（粘性底層）の厚さ（δｓ）との関係は、伝熱促進時が、（Ｈ）＞（δｓ）であり、伝熱抑制時が（Ｈ）≦（δｓ）であることが好ましい。
層流底層の厚さ（δｓ）＝６３．５／（Ｒｅ７／８）×ｄ  ・・・式（１）
但し、式（１）中、Ｒｅはｕｄ／ｖで計算されるレイノルズ数を表し、
ｄは代表長さ、ｕは流速、ｖは伝熱量流体の動粘度を表わす。
【００２４】
なお、代表長さｄは、伝熱用流体の流通方向に直交する流路断面の最小流路断面積Ａと、最大ぬれぶち長さＬとから計算することができ、ｄ＝４Ａ／Ｌで求められる。
【００２５】
図９は、流路を伝熱用流体の流通方向から見たときの図１中Ａ−Ａ’で示す箇所の 断面図である。
上記最小流路断面積Ａは、渦流れ生成部を除いた流路の断面積であり、図９中、渦流れ生成部の頂部Ｔと流路の内面の輪郭線で囲まれた斜線部分の面積である。
上記ぬれぶち長さＬとは、渦流れ生成部を含んだ流路断面の全周の長さであり、図９中、渦流れ生成部の底部Ｖまで含んだ流路全体の内周の長さである。
【００２６】
層流底層（粘性底層）は、流路壁面の近傍に形成される伝熱用流体の粘性の影響を強く受けた領域であり、この領域では流れが層流に近い状態となるため、伝熱用流体が撹拌されず、伝熱が温度勾配による熱伝導によって行われるため伝熱速度が遅くなる領域である。
【００２７】
上記凹部の最大深さ（Ｈ）が層流底層の厚さ（δｓ）がよりも大きいことで、渦流れ生成部によって層流底層が途切れると共に、凹部内に渦流れが生じて伝熱用流体が撹拌されるため伝熱性能が向上する。
【００２８】
また、上記凹部の最大深さ（Ｈ）は、凹部の内壁の円弧を描く円の直径よりも小さいことが好ましい。凹部の深さが円弧を描く円の直径よりも小さいことで、渦流れにより凹部内が撹拌されると共に、渦流れが凹部の内から凹部の外に流れ、伝熱性能が向上する。
【００２９】
図１０に、溝の深さ（Ｈ）を変えた図３に示す形状の３種類の渦流れ生成部について、それぞれ流速を変えて層流底層の厚さを変化させたときの、層流底層の厚さ（δｓ）との熱伝達率との関係を示す。
図１０より、上記凹部の最大深さ（Ｈ）が層流底層の厚さ（δｓ）がよりも大きいときに、伝熱性能が向上することがわかる。
【００３０】
また、上記凹部の開口径Ｗ、すなわち、溝の幅は、伝熱用流体の流速や、流路の断面形状等にもよるが、０．２ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。上記範囲であることで、実用的な流速の範囲内で、伝熱性能を大きく変化させることができる。
なお、隣接する溝どうしを滑らかな曲面で繋げた場合の開口径Ｗは、図４に示すように隣り合う頂部Ｔ間の間隔をいう。
【００３１】
上記渦流れ生成部は、プレス加工、切削加工、鋳造等により、金属材料に所望の溝を形成した後、伝熱用流体を撥く樹脂を塗布、乾燥することで形成できる。
【００３２】
上記金属材料としては、特に制限はないが、アルミニウム、銅又はこれらの金属を含む合金は熱伝導性が高く好ましく使用できる。
【００３３】
また、伝熱用流体を撥く樹脂としては、例えば、シリコーン系樹脂やフッ素系樹脂を挙げることができる。
上記樹脂の膜厚は、熱伝導性と耐久性とのバランスから５ｎｍ〜５０μｍであることが好ましく、５ｎｍ〜２０μｍであることがより好ましい。
上記樹脂は金属材料に比して熱伝導率が小さいため、伝熱性向上の観点からは薄いことが好ましいが、あまり薄すぎると所望の耐久性を得難くなることがある。
【００３４】
上記伝熱用流体としては、水、エチレングリコール、またはこれらの混合液の他、潤滑油等を使用することができ、必要に応じて、防錆剤、消泡剤等の添加剤を含んでいてもよい。
【００３５】
上記伝熱用流体の流速は、流路に設けた流速制御装置で伝熱用流体の流量を調節することで制御することができる。
上記流速制御装置としては、例えば、ポンプ、流量調整バルブ、伝熱用流体を迂回流路に流す流量分配弁等を挙げることができる
【００３６】
本発明の伝熱装置は、内燃機関の冷却や変速機の冷却・加熱等に好適に使用することができる。具体的には、本発明の伝熱装置は、図１１〜図１３に示すように、内燃機関又は変速機と伝熱装置との間に伝熱用流体を循環させ、流速制御装置によって伝熱用流体の流速を調整することで、所望の伝熱性能を得ることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００３８】
［実施例１］
アルミニウム板にプレス成形により、最大深さ（Ｈ）が０．５ｍｍ、開口径が１ｍｍである断面が半円形の溝が並んだ図３に示す形状の渦流れ生成部を形成し、フッ素系樹脂を塗工して流路を作製した。
【００３９】
［比較例１］
フッ素系樹脂を塗工しない他は、実施例１と同様にして流路を形成した。
【００４０】
［比較例２］
平坦なアルミニウム板に渦流れ生成部を形成せずに、フッ素系樹脂を塗工して流路を作製した。
【００４１】
［比較例３］
フッ素系樹脂を塗工しない他は、比較例２と同様にして流路を形成した。
【００４２】
＜接触角の測定＞
比較例２と比較例３の流路表面と伝熱用流体との接触角を以下の方法で測定した。
Ｃｏｎｔａｃｔ  Ａｎｇｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  ＯＣＡ−２０（データフィジックス社製）を使用し、平坦な流路構成材上に、ディスペンサーで伝熱用流体（水）の液滴を５個形成し、それぞれの接触角を測定し、その平均値を算出した。
比較例２の流路の接触角は９５°であり、比較例３の流路の接触角は１３５°であった。
【００４３】
＜伝熱特性の測定＞
伝熱用流体の流速を変え、それぞれの流速に対する熱伝達率を測定した。測定結果を図１４に示す。また、流速が０．５ｍ／ｓと３．３ｍ／ｓの場合の熱伝達率を図１５に示す。
【００４４】
図１４より、渦流れ生成部を有する実施例１及び比較例１の伝熱装置は、流速を速くすることで、平坦な流路の比較例２、３の伝熱装置よりも伝熱が促進されることがわかる。
また、渦流れ生成部の表面に撥液膜を形成した実施例１は、撥液膜を有さない比較例１に比して、流速を遅くすることで伝熱が抑制されており、流速の変化により熱伝達率が大きく変化していることがわかる。
【００４５】
図１５より、流速が速い場合は、撥液膜の有無により熱伝達率は変わらないが、流速が遅い場合においては、渦流れ生成部を有さない平坦なものは撥液膜を設けることで伝熱が促進されるのに対し、渦流れ生成部を有するものは撥液膜を設けることで伝熱が抑制され、熱伝達率が逆転していることがわかる。
また、接触角が１１０°以上で、低流速時における熱伝達率が逆転しており、低流速時に伝達が抑制されることがわかる。
【符号の説明】
【００４６】
１      伝熱装置
１Ａ    伝熱装置（ラジエター）
１Ｂ    伝熱装置（冷却ジャケット）
２      流路
２１    渦流れ生成部
３      伝熱用流体
４      フィン
５      ポンプ
６      流量調節バルブ
７      迂回流路
８      流量分配弁
９      エンジン
１０    変速機
１０１  オイルパン
１０２  オイルウォーマー
Ｖ      底部
Ｔ      頂部
Ｈ      深さ
Ｗ      開口径（溝幅）
【図１】
2019015433.tif 000003
【図２】
2019015433.tif 000004
【図３】
2019015433.tif 000005
【図４】
2019015433.tif 000006
【図５】
2019015433.tif 000007
【図６】
2019015433.tif 000008
【図７】
2019015433.tif 000009
【図８】
2019015433.tif 000010
【図９】
2019015433.tif 000011
【図１０】
2019015433.tif 000012
【図１１】
2019015433.tif 000013
【図１２】
2019015433.tif 000014
【図１３】
2019015433.tif 000015
【図１４】
2019015433.tif 000016
【図１５】
2019015433.tif 000017