(57)【要約】【課題】外部流体の流れ方向に直線的にルーバが配列される場合であっても、熱伝達率の向上が充分に得られる冷却フィンおよびそれを用いた沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】薄肉平板部材１１０に切り起こしによって形成される複数のルーバ１２０を有する冷却フィンにおいて、複数のルーバ１２０は、各ルーバ面が外部流体の流れ方向に沿って直線的に並ぶように配列され、少なくとも所定の領域において隣接するルーバ１２０同士の切り起こし角度βが異なるようする。この冷却フィン１１０は、熱交換器として沸騰冷却装置２００に適用して好適である。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉平板部材（１１０）に切り起こしによって形成される複数のルーバ（１２０）を有する冷却フィンにおいて、
前記複数のルーバ（１２０）は、各ルーバ面が外部流体の流れ方向に沿って直線的に並ぶように配列され、
少なくとも所定の領域において隣接するルーバ（１２０）同士の切り起こし角度（β）が異なるようにしたことを特徴とする冷却フィン。
【請求項２】
前記所定の領域は、前記ルーバ（１２０）が配列される全領域としたことを特徴とする請求項１に記載の冷却フィン。
【請求項３】
前記薄肉平板部材（１１０）と切り起こされた前記ルーバ（１２０）の先端部（１２１）との距離を切り起こし高さ（ｈ）とした場合に、
前記切り起こし角度（β）の異なる前記複数のルーバ（１２０）のうち、最大となる切り起こし高さ（ｈｍａｘ）は、自身が複数枚積層される際に設定される積層間隔（ｆｐ）に略等しく成るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の冷却フィン。
【請求項４】
前記薄肉平板部材（１１０）の少なくとも一方の面にはろう材が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷却フィン。
【請求項５】
冷媒が内部に貯留され、発熱体（１０）が装着される冷媒槽（２１０）と、
前記冷媒槽（２１０）の反発熱体側に長手方向端部の一方が接続されて外方に延びるチューブ（２２０）と、
前記チューブ（２２０）の長手方向端部の他方に接続されて、冷媒が流通するヘッダ（２３０）とから成る沸騰冷却装置において、
前記複数のチューブ（２２０）には、これらのチューブ（２２０）が貫通することによって装着される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷却フィン（１００）が設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記冷却フィン（１００）における前記所定の領域は、前記発熱体（１０）から離れた領域に対応させたことを特徴とする請求項５に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に適用して好適な冷却フィンおよびそれを用いた沸騰冷却装置に関するものである。尚、沸騰冷却装置は、冷媒の沸騰熱伝達により半導体素子等の発熱体を冷却する熱交換器である。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は本発明者が試作検討している熱交換器用の冷却フィン１００ａである。この冷却フィン１００ａは、熱交換器に使用される場合の通風抵抗を抑えるために、薄肉平板部材１１０から成るいわゆるプレートフィンをベースにしており、また、外部流体（冷却風）側の熱伝達率を向上させるために、切り起こしによって形成される直立ルーバ１２０ａを複数設けるようにしている。直立ルーバ１２０ａの配置は千鳥状となるオフセットタイプも考えられるものの、限られたチューブ間（チューブバーリング１３０間）のスペースに適度な高さを有し、且つチューブに近接して設ける必要があることから、冷却風の流れ方向に直線的に並ぶようにしている。尚、この冷却フィン１００ａを用いた熱交換器としては、例えば沸騰熱伝達により半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置への適用を想定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記冷却フィン１００ａにおいては、直立ルーバ１２０ａを直線的に並ぶようにしているので、図１１に示すように冷却風の下流側のルーバ１２０ａは、隣接する上流側のルーバ１２０ａによって形成される境界層領域内に入る形となり、本来の各ルーバ端部における乱流促進効果が充分に得られず、熱伝達率向上の寄与度が低かった。
【０００４】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、外部流体の流れ方向に直線的にルーバが配列される場合であっても、熱伝達率の向上が充分に得られる冷却フィンおよびそれを用いた沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、薄肉平板部材（１１０）に切り起こしによって形成される複数のルーバ（１２０）を有する冷却フィンにおいて、複数のルーバ（１２０）は、各ルーバ面が外部流体の流れ方向に沿って直線的に並ぶように配列され、少なくとも所定の領域において隣接するルーバ（１２０）同士の切り起こし角度（β）が異なるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
これにより、隣接するルーバ（１２０）同士は、外部流体の流れ方向に重なることがないので、各ルーバ（１２０）の外部流体の流れ方向上流側における端部での乱流促進効果が充分に得られるようになり、外部流体の流れ方向に直線的にルーバ（１２０）が配列される場合であっても、熱伝達率を向上させることができる。
【０００８】
そして、請求項２に記載の発明のように、所定の領域は、ルーバ（１２０）が配列される全領域とすれば、より多くのルーバ（１２０）効果を得ることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、薄肉平板部材（１１０）と切り起こされたルーバ（１２０）の先端部（１２１）との距離を切り起こし高さ（ｈ）とした場合に、切り起こし角度（β）の異なる複数のルーバ（１２０）のうち、最大となる切り起こし高さ（ｈｍａｘ）は、自身が複数枚積層される際に設定される積層間隔（ｆｐ）に略等しく成るようにしたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、冷却フィン（１００）を積層して熱交換器に用いる際に、最大切り起こし高さ（ｈｍａｘ）を有するルーバ（１２０）が隣接する冷却フィン（１００）に当接して自己治具の役割を果たすので、組み付け時における専用治具を不要とすると共に、その作業を容易にして製造コストを低減することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、薄肉平板部材（１１０）の少なくとも一方の面にはろう材が設けられたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、組付けされる相手側のチューブ（２２０）にろう材が設けられない場合の互いのろう付け対応が可能となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、冷媒が内部に貯留され、発熱体（１０）が装着される冷媒槽（２１０）と、冷媒槽（２１０）の反発熱体側に長手方向端部の一方が接続されて外方に延びるチューブ（２２０）と、チューブ（２２０）の長手方向端部の他方に接続されて、冷媒が流通するヘッダ（２３０）とから成る沸騰冷却装置において、複数のチューブ（２２０）には、これらのチューブ（２２０）が貫通することによって装着される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷却フィン（１００）が設けられたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、低圧損、高性能の熱交換器とすることができるので、概して低風量場で使用される沸騰冷却装置（２００）に適用して好適である。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の発明において、冷却フィン（１００）における所定の領域は、発熱体（１０）から離れた領域に対応させたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、発熱体（１０）から離れた領域において冷却性能が向上され、この領域のチューブ（２２０）での冷媒の凝縮作用（冷媒の下降）が促進される。また、発熱体（１０）に近い領域においては冷却による冷媒の凝縮作用は抑えられ、チューブ（２２０）が長く設定される場合でも沸騰による気化冷媒の上昇が促進される。よって沸騰冷却装置（２００）全体では、冷媒の循環作用が促進され発熱体（１０）からの熱移動がより活発となり、トータルの冷却性能として向上させることができる。
【００１７】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の冷却フィン１００およびそれを用いた沸騰冷却装置２００の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。この沸騰冷却装置２００は、例えば半導体素子等の発熱体１０を冷却するもので、冷媒槽２１０、チューブ２２０、ヘッダ２３０、冷却フィン１００から構成されており、以下説明する各部材は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金より成り、各部材間で接合される部位に施されたろう材により一体でろう付けされている。
【００１９】
図１は沸騰冷却装置２００の断面図である。冷媒槽２１０は、受熱面２１０ａおよび放熱面２１０ｂが対向するように形成された扁平状の容器体であり、内部には所定量の冷媒が封入されている。この冷媒としては、ここではフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いている。尚、その他の冷媒として、水、アルコール、フロロカーボン等を用いても良い。
【００２０】
受熱面２１０ａの略中央部には図示しないボルト等によって発熱体１０が取付けられている。尚、発熱体１０と受熱面２１０ａとの間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。また、冷媒槽２１０内部の発熱体１０に近接する領域には、受熱部２１０ａ側から突出する伝熱部２１０ｃが複数設けられている。そして、放熱面２１０ｂには複数のチューブ孔２１０ｄが設けられている。
【００２１】
チューブ２２０は、押し出し加工により形成され、断面が扁平状を成している。内部には複数の区画壁２２１によって複数の流通路が形成される多孔チューブとしており、扁平状断面の長辺方向および短辺方向に複数配置されている（図２中のチューブバーリング１３０の位置に対応）。
【００２２】
ヘッダ２３０は、冷媒槽２１０の反発熱体側に配設されており、チューブ２２０から流入する冷媒が流通する扁平状の容器体を成している。そして、冷媒槽２１０側の面には複数のチューブ孔２３０ａが設けられている。
【００２３】
そして、チューブ２２０の長手方向端部の一方が冷媒槽２１０のチューブ孔２１０ｄに挿入され、またチューブ２２０の長手方向端部の他方がヘッダ２３０のチューブ孔２３０ａに挿入され、共にろう付けされており、冷媒槽２１０内とヘッダ２３０内とが互いに連通するようにしている。尚、チューブ２２０の長手方向端部は、冷媒流通時の流通抵抗低減、冷媒槽２１０、ヘッダ２３０の小型化、ヘッダ２３０内での冷媒の滞留防止のために、冷媒槽２１０およびヘッダ２３０の内部空間に突出しないように、位置決めされている。
【００２４】
このチューブ２２０には、本発明の特徴部となる冷却フィン１００が所定の積層間隔（以下、フィンピッチｆｐ）を成して複数枚装着されている。図２は、１枚の冷却フィン１００の全体を示す外観斜視図であり、図３は、チューブ２２０（チューブバーリング１３０）間に設けられるルーバ１２０を拡大した外観斜視図である。
【００２５】
冷却フィン１００は、プレス加工により形成されるいわゆるプレートフィンである。外観が矩形状を成す薄肉平板部材１１０には、チューブバーリング１３０およびルーバ１２０が形成されている。尚、薄肉平板部材１１０の両端部（図２中の左右側端部）には端部保護のために折り曲げ部１４０が設けられている。
【００２６】
チューブバーリング１３０は、長孔の周囲にバーリング部が形成されたもので、薄肉平板部材１１０の平面部に複数設けられ、このチューブバーリング１３０にチューブ２２０が貫通することで、冷却フィン１００はチューブ２２０に装着される。ここで、チューブバーリング１３０の内周側となる面（図２、図３中の薄肉平板部材１１０の下側面）には予めろう材がクラッドされており、このろう材によって冷却フィン１００はチューブ２２０にろう付けされている。
【００２７】
冷却フィン１００のルーバ１２０は、薄肉平板部材１１０から観音開き状に切り起こし加工されたものであり、チューブバーリング１３０の間に複数設けられている。一枚のルーバ面は、外部流体としての冷却風流れ方向に沿っており、各ルーバ１２０は、冷却風の流れ方向に直線的に並ぶように配列されている。そして、冷却風流れ方向の所定領域（ここでは、ルーバ１２０が配列される全領域としている）において、隣接するルーバ１２０同士の切り起こし角度βが異なるようにしている。具体的には、冷却風の流れ方向に向けて、小（略４５度）、中（略９０度）、大（略１３５度）となる３種類の切り起こし角度βが一組となって以下繰り返されるようにしている。
【００２８】
更に、薄肉平板部材１１０から切り起こされたルーバ１２０の先端部１２１までの距離を切り起こし高さをｈとした時に、切り起こし角度βの異なる各ルーバ１２０のうち、最大となる切り起こし高さｈｍａｘは、冷却フィン１００のフィンピッチｆｐと略等しくなるようにしている。即ち、ここでは切り起こし角度βが略９０度と成る直立ルーバ１２０ａが最大切り起こし高さｈｍａｘを有しており、冷却フィン１００が複数枚積層される際に、この直立ルーバ１２０ａの先端部１２１が隣接する冷却フィン１００に当接することでフィンピッチｆｐが保持されるようにしている。
【００２９】
以上のように構成される沸騰冷却装置２００においては、冷媒槽２１０の受熱面２１０ａに取付けられた発熱体１０の熱が伝熱部２１０ｃに伝わり、その熱を受けて沸騰気化した冷媒が、発熱体１０に近い側のチューブ２２０（発熱体側チューブ２２０ａ）を上昇してヘッダ２３０を経て、発熱体１０から遠い側のチューブ２２０（外側チューブ２２０ｂ）から下降して冷媒槽２１０にもどる際に、冷却風によって凝縮液化されて、この時の凝縮潜熱を冷却風に放出することで発熱体１０を冷却する。冷却フィン１００は、放熱面積を増加し、またルーバ１２０は冷却風に乱流をもたらすことで熱伝達率を向上させ、上記凝縮潜熱の放出を促進させる。
【００３０】
本発明においては、隣接するルーバ１２０の切り起こし角度βが異なるように冷却フィン１００の全領域に設定しているので、隣接するルーバ１２０同士は、冷却風の流れ方向に重なることがなく、図５に示すように、各ルーバ１２０の冷却風流れ方向上流側における端部での乱流促進効果が充分に得られるようになり、冷却風の流れ方向に直線的にルーバ１２０が配列される場合であっても、熱伝達率を向上させることができる。
【００３１】
図１０で示した検討品の冷却フィン１００ａおよび本発明の冷却フィン１００をそれぞれ沸騰冷却装置２００に装着して冷却性能を比較した結果を図６に示す。本発明においては上記説明のように各ルーバ１２０での乱流促進効果が充分に得られ、７％の性能向上を得ている。
【００３２】
総じて、低圧損、高性能の熱交換器とすることができ、概して低風量場で使用される沸騰冷却装置２００に対して本発明を適用して好適となる。
【００３３】
また、最大切り起こし高さｈｍａｘ（直立ルーバ１２０ａの切り起こし高さ）を積層される冷却フィン１００のフィンピッチｆｐに略等しくなるように形成しているので、直立ルーバ１２０ａが自己治具の役割を果たし、組み付け時における専用治具を不要とすると共に、その作業を容易にして製造コストを低減することができる。
【００３４】
更に、冷却フィン１１０のチューブバーリング１３０の内周側となる面にろう材をクラッドしているので、押し出し加工により形成され、その表面にろう材が設けられないチューブ２２０のような場合でも、互いのろう付け対応が可能となる。
【００３５】
尚、ルーバ１２０の切り起こし角度βやその水準数は、上記実施形態（４５度、９０度、１３５度）に限定されるものでは無く、図７（ａ）、（ｂ）に示すように適宜決定すれば良い。図７に示すように切り起こし角度βを９０度以下に設定すれば、冷却フィン１００を成形する際のプレス加工が容易となる。
【００３６】
また、図８に示すように、複数のルーバ１２０を一組にして観音開き状に加工するようにしても良く、これによれば、限られた面積内で、より多くのルーバ１２０を形成することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態は、沸騰冷却装置２００のチューブ２２０が長く設定される場合に、上記第１実施形態に対して、隣接するルーバ１２０同士の切り起こし角度βが異なる領域を発熱体１０から離れた領域に対応させたものである。即ち、発熱体側チューブ２２０ａに対応する領域はすべて直立ルーバ１２０ａとし、外側チューブ２２０ｂに対応する領域において本発明を適用して、隣接するルーバ１２０同士の切り起こし角度βが異なるようにしている。
【００３８】
この第２実施形態においては、外側チューブ２２０ｂの領域では発熱体側チューブ２２０ａの領域よりも冷却性能が向上され、外側チューブ２２０ｂでの冷媒の凝縮作用（冷媒の下降）が促進される。また、発熱体側チューブ２２０ａの領域では冷却による冷媒の凝縮作用は抑えられ、チューブ２２０が長く設定される場合でも沸騰による気化冷媒の上昇が促進される。よって沸騰冷却装置２００全体では、冷媒の循環作用が促進され発熱体１０からの熱移動がより活発となり、トータルの冷却性能として向上させることができる。
【００３９】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態ではルーバ１２０の切り起こし角度βが略９０度（直立ルーバ１２０ａ）で切り起こし高さｈが最大に成るようにして、冷却フィン１００を積層する際のフィンピッチｆｐの保持を果たすようにしたが、最大切り起こし高さｈｍａｘは、切り起こし角度βが９０度以下、あるいは９０度以上の場合であっても良い。
【００４０】
冷却フィン１００の表面にクラッドされるろう材は、上記第１、第２実施形態に対して薄肉平板部材１１０の両面に設けるようにしても良い。
【００４１】
また、本発明の冷却フィン１００は、沸騰冷却装置２００に限らず、ラジエータやヒータコア等、他の熱交換器に適用されるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図２】第１実施形態における冷却フィンの全体を示す外観斜視図である。
【図３】図２における冷却フィンのルーバ近傍を示す外観斜視図である。
【図４】図１におけるＡ−Ａ部を示す断面図である。
【図５】各ルーバにおける境界層の形成状態を示すモデル図である。
【図６】本発明と検討品との冷却性能の比較結果を示すグラフである。
【図７】冷却フィンの（ａ）は変形例１、（ｂ）は変形例２を示す断面図である。
【図８】冷却フィンの変形例３を示す外観斜視図である。
【図９】第２実施形態における冷却フィンを示す外観斜視図である。
【図１０】検討品における冷却フィンを示す外観斜視図である。
【図１１】図１０の冷却フィンの各ルーバにおける境界層の形成状態を示すモデル図である。
【符号の説明】
１０  発熱体
１００  冷却フィン
１１０  薄肉平板部材
１２０  ルーバ
１２１  先端部
２００  沸騰冷却装置
２１０  冷媒槽
２２０  チューブ
２３０  ヘッダ
【図１】
2004153001.tif 000003
【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】
2004153001.tif 000009
【図８】
2004153001.tif 000010
【図９】
2004153001.tif 000011
【図１０】
2004153001.tif 000012
【図１１】
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