(57)【要約】      （修正有）【課題】    管内の流体の冷熱あるいは高熱を周りの金属を介して効率よく伝えることができる、微小径の管路で熱交換を行う小型熱交換器の形状と製作法を提供する。【解決手段】    高熱伝導材の中に設けた細孔を流体（冷媒）流路とする熱交換器、及び細管及び細管群と高熱伝導材とを鋳ぐるみやＨＩＰ処理等で一体化して熱交換器を形成する。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体（冷媒）を流路に流して物体を冷却又は加熱する熱交換器において、熱交換器に設けた相対的に小さな孔を流路として形成するために、流路となる孔と同サイズの孔を有する少なくとも１本の管と包含する熱伝導率材料とを一体化して熱交換器を形成することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、管と熱伝導材料を鋳ぐるみやＨＩＰ処理で一体化することを特徴とする熱交換器とその製作方法。
【請求項３】
請求項１において、管の材料の融点が包含する熱伝導材料の融点より高い材料を使ったことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１において、最小厚みが管の内径より大きい熱伝導材料で形成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１と請求項２から４の少なくとも一つを使った熱交換器を少なくとも二つ接触させて構成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
らせん状や蛇行状に配置した少なくとも２本の管と熱伝導材料を鋳ぐるみやＨＩＰ処理で円盤状、板状、円柱状、円筒状等の形状に成型したことを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
少なくとも２本の管を１グループとして、少なくとも２グループを熱伝導材料で鋳ぐるみやＨＩＰ処理等で一体化した立方体、円柱、角柱等に成形し、孔の一面から流体を送入して他面に形成した空間で流体を反転させることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項１から３及び５から７において一列に並んだ管を鋳ぐるみやＨＩＰ処理などで形成する場合、熱伝導材料厚みを管の外径以上にして平板形状に成型したことを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１から３及び５から７において、管が複数列で形成され、管の肉厚が厚い場合は、素材が管と管の間を埋めるように鋳ぐるみやＨＩＰ処理を行い、肉厚が薄い場合は、素材が管と管の間を埋め、外周部は、肉厚を含めた外周までの厚みが管の内半径以上になるように成型することを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
【背景技術】
【０００３】    ＣＰＵの冷却には、表面積あたりアイロンと同じ程度の放熱が必要であり、熱伝導率の高い金属を接触させて放熱面積を拡げて、空気や水で冷却されている。
従来の代表的なＣＰＵ冷却器の構成を図１４と図１５に示す。
従来のＣＰＵの冷却器（１００）には、ＣＰＵに接する基板（１１０）に角状フィン（１１１）やピンフィンを設けたものや溝（１２３）を掘り込んだものがある。
角状フィン（１１１）やピンフィンは空気で冷却する冷却器（１００）に、溝（１２３）は水などの液体で冷却する冷却器（１００）に使用されている。【０００４】    図１４の冷却器（１００）は、基板（１１０）と角状フィン（１１１）で構成され、基板（１１０）の底面（１１２）に接するＣＰＵを角状フィン（１１１）に空気をファンなどで吹き付けて冷却するものである。【０００５】    図１５の冷却器（１００）は、基板（１１０）、冷却流路（１２３）が内在、入口管（１２４）、出口管（１２５）を有する主板（１２０）で形成され、入口管（１２４）から冷却流路（１２３）へ流入した水などの流体（冷媒）で基板（１１０）を冷却して底面（１２２）に接するＣＰＵを冷却するものである。【０００６】    図１６に従来の典型的なシェルアンドチューブ型熱交換器の断面図を示す。２つの流体間の熱交換に使用され、一方の流体は、入口管（３１０）から入り、鏡板（３２０）で形成される入口空間（３３０）から伝熱管（３４０）で熱交換後に出口空間（３５０）で集合後、出口管（３７０）から出る。もう一方の流体は、入口管（４１０）から入り、シェル（４２０）で形成される空間（４３０）内で伝熱管（３４０）の外表面との間で熱交換して出口管（４４０）から出る。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】    流体（冷媒）で冷却する場合、流体（冷媒）と冷却器（１００）を構成する材料との熱伝達率が高く、流体（冷媒）の持つ冷却能力も大きい。流体（冷媒）に接する材料を冷却するには少量の流体（冷媒）で済む。しかし、従来の角状フィン（１１１）やピンフィンを用いた冷却器や１本の流体（冷媒）流路として溝（１２３）を設けた冷却器（１００）は、その冷却能力に対して大きく、重いものとなっている。
【０００８】    冷却能力を増すために溝の流路面積を小さくすると、溝の本数を多くする必要があり、小さな溝の加工や溝を密閉するための加工には多大の工数を必要とする。
【０００９】    フィンを用いる場合、高い効率を得るためには、フィンの高さを径や巾の数倍にする必要があり、冷却風量を増す必要があり、騒音が増大する。また、流路面積を小さくするとフィンの高さを高く出来ないため、必要な伝熱効率を得ることは出来ない。
【００１０】    従来のシェルアンドチューブ型熱交換器で熱交換をする両方の流体の熱伝達率が異なる場合、伝熱管のいずれか一方に伝熱面積を拡大するためのフィンを設ける必要があり、伝熱管の製作コストが高くなる。
【００１１】    また、上記２例の熱交換器を小型化する場合、現在の加工技術では、高コストとなり、実用性が無くなる。
【００１２】    熱交換器を使って冷却する場合、次の二つのケースが考えられる。第１のケースは、実施例１と２に示すような物体を冷却するもので、第２のケースは、一つの流体（冷媒）で他の流体（冷媒）を冷却するケースである。
【００１３】    第１のケースの代表例としてＣＰＵ冷却で示したように、微小な物体から多くの熱量を取り去る場合、接触面からの限界熱流速まで冷却するのに、広い面積の高熱伝導材料で分散させて冷却する方法である。この方法を使い、且つ小さな空間で冷却するためには、微小径の管路を有する冷却板が使われる。しかし、広い面積を持つ板に長い微小径の孔を製作するには、放電加工やレーザ加工などの長い時間を必要とするため、機械の償却や人件費により高価なものとなる。
【００１４】    第２のケースの代表例としてらせん状の二本の管路間の流体（冷媒）の冷却を示す。二種の流体間の熱伝達を行う熱交換器としてシェルアンドチューブ型の熱交換器があるが、小型化する場合、多くの薄肉で微小径の管を配置し、管の内外で熱交換を行うが、管の配列が難しく、管相互の間隔が小さくなるために製作が難しくなり、コスト高となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】    ＣＰＵの冷却に使用される冷却器（１００）に、流体（冷媒）の流速が適切となる流路総面積を有する複数の細かな孔を設けた板材を用いる。
【００１６】    複数の細かな孔を有する板材を、細かな孔を有する複数の細管を鋳ぐるみやＨＩＰ処理によって、細管と板材となる素材を一体化して形成する。
【００１７】    細かな孔を有する板材の冷却量を増加させる場合、複数の細かな孔を一つの細孔群として、流体（冷媒）の入口から他端へ向かい、他の細孔群を通って入口側へと戻る流路を形成する。
【００１８】    更に冷却量を増加させるためには、前記の細孔群または細孔の数を増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】    実施例１の構成を図１に示す。冷却器（１０００）は、冷却部（１２００）、入口部（１１００）、反転部（１３００）で構成され、入口部（１１００）には、入口管（１１１０）と出口管（１１２０）が設けられている。冷却部（１２００）、入口部（１１００）、反転部（１３００）、入口管（１１１０）、出口管（１１２０）は、ロー付けや溶接などで接合されている。流体（冷媒）は、入口管（１１１０）から入り、出口管（１１２０）から流出する。入口部（１１００）への入口管（１１１０）と出口管（１１２０）は、入口部（１１００）の冷却部と接していない５面に取り付けることができ、方向も容易に変えることができることは図より明らかである。【００２０】    冷却部（１２００）の詳細図を図２に示す。流体（冷媒）は、入口部（１１００）から入り、冷却部（１２００）の右側壁（１２４０）から細孔（１２１１）、（１２２１）、・・・・・・の３６個の細孔で形成される上部グループ（Ｏ）へと入り、冷却部（１２００）を冷却して冷却部（１２００）の左側壁（１２５０）に設けられた反転部（１３００）で３６個の細孔で形成される下部グループ（Ｕ）へと入り、入口部（１１００）へと戻って出口管（１１２０）から流出する。【００２１】    図３に入口部の詳細図を示す。入口管（１１２０）の入口部（１１００）への開口部（１１１１）から流入した流体（冷媒）は、分配部（１１３０）から３６個の細孔（１２１１）、・・・・で形成される上部グループ（Ｏ）の各細孔に分配される。【００２２】    ３６個の細孔（１２１４）、（１２１５）、・・・・で形成される下部グループ（Ｕ）の各細孔から戻った流体（冷媒）は集合部（１１４０）で集められ、開口部（１１２１）から出口管へと流出する。【００２３】    図４に反転部（１３００）の詳細図を示す。上部グループ（Ｏ）の各細孔から流出した流体（冷媒）は反転空間（１３３０）で下部グループ（Ｕ）の各細孔へと流入する。【００２４】    図５に、実施例２の全体構成例を示す。冷却器（１０００）は、冷却部（１２００）、入口部（１１００）、反転部（１３００）で構成され、入口部（１１００）には、入口管（１１１０）と出口管（１１２０）が設けられている。冷却部（１２００）、入口部（１１００）、反転部（１３００）、入口管（１１１０）、出口管（１１２０）は、ロー付けや溶接などで接合されている。流体（冷媒）は、入口管（１１１０）から入り、出口管（１１２０）から流出する。【００２５】    図６に実施例２の冷却部（１２００）の詳細図、図７に入口部（１１００）の詳細図、図８に反転部（１３００）の詳細図を示す。流体（冷媒）は、入口部（１１００）から入り、冷却部（１２００）の右側壁（１２４０）から細孔（１２１１）、（１２２１）、・・・・・・の１５個の細孔で形成される上部グループ（Ｏ１）の各細孔へと入り、冷却部（１２００）を冷却して反転空間（１３３０）で１５個の細孔で形成される上部グループ（Ｏ２）の各細孔へと入り、入口部（１１００）へと戻る。更に流体（冷媒）は、入口部（１１００）の反転空間（１１５０）を通って１５個の細孔で形成される下部グループ（Ｕ１）を通って反転部（１３００）の反転空間（１３４��）から１５個の細孔で形成される下部グループ（Ｕ２）の各細孔を通って入口部（１１００）の集合部（１１４０）で集められ、出口管（１１２０）から流出する。【００２６】    図９に実施例１に使用した多数の細孔を有する冷却部（１２００）の製法の１例を示す。上部グループ（Ｏ）の各細孔と下部グループ（Ｕ）の各細孔のそれぞれ３６個の細孔（１２１１）、（１２２１）、・・・・・・と同一のサイズと配置となるように３６本の細管（２２１１）、（２２２１）、・・・・・・を適当な位置決め具を用いて配置し、ハッチングで示した冷却部（１２００）とほぼ同じ形状寸法となるように熱伝導性の良い材料で鋳くるんだり、ＨＩＰ（Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ熱間等方圧加圧法）処理や拡散接合して細管（２２１１）、（２２２１）、・・・・・・と一体化した冷却部素材（２２００）を製作する。この冷却部素材（２２００）にくるまれた細管（２２１１）、（２２２１）、・・・・・・の不要部分を削除、冷却部素材（２２００）を整形して冷却部（１２００）となる。【００２７】    細管（２２１１）、（２２２１）、・・・・・・と冷却部素材（２２００）を一体化する時、冷却部素材（２２００）に熱伝導率の高い銅を選ぶと、銅の融点１０８６℃まで温度を上げることがあり、管の溶融や変形等を避けるため銅より融点の高いステンレス鋼などを管材に用いる。【００２７】    図９の例では、実施例１に使用した冷却部（１２００）１個を製作する場合の例を示したが、細管の長手方向、巾方向、高さ方向の長さを長くして製作して複数個の冷却部を作り、複数の冷却部（１２００）を切り出すことが出来る。【００２８】    図１０は、実施例２の４グループの細管から構成される冷却部（１２００）を製作方法の１例を示す。上部グループ（Ｏ１）、上部グループ（Ｏ２）、下部グループ（Ｕ１）、下部グループ（Ｕ２）のそれぞれ１０個の細孔と同一のサイズと配置となるように１０本の細管を適当な位置決め具を用いて配置し、ハッチングで示した冷却部（１２００）とほぼ同じ形状寸法となるように熱伝導性の良い材料で鋳くるんだり、ＨＩＰ処理や拡散接合して冷却部（１２００）を製作する【００２９】    また、細管のサイズや配置を変更することにより、実施例１と２に使用した冷却部などの細孔の異なる配置のものも容易に製作可能であることは明らかである。【００３０】    図１１に実施例３の構成例を示す。図１１上部の図は平面図、中央の図は側面図、下部の図は２枚の冷却板（３０００）の向きを変えて重ねた側面図である。いずれの図も管（３２００）を露出するように描いたものである。らせん状の管（３２００）を熱伝導性の高い材料、例えば銅などで鋳くるんだり、ＨＩＰや拡散接合したものであり、流体は入口（３２１０）から入り、出口（３２２０）から出る。流体が管（３２１０）を流れる間に包含材（３１００）との間で熱交換し、包含材（３１００）を加熱冷却する。【００３１】    図１２に実施例４の構成例を示す。実施例４は２本の管（３２００）と（３３００）を円筒状に配置し、その周りを熱伝導性の高い材料、例えば銅などで鋳くるんだり、ＨＩＰや拡散接合したものである。一方の管（３２００）の入口（３２１０）から出口（３２２０）へと温度の低い流体を、もう一方の管（３３００）の入口（３３１０）から出口（３３２０）へと温度の高い流体を流して、包含材（３１００）を介して熱交換をさせるものである。【００３０】    細管（２２１１）、（２２２１）、・・・・・・とその周りを形成する素材との間隔は、複数の細孔（１２１１）、（１２２１）、・・・・・・の設定間隔で決定される。二つの細管（２２１１）、（２２２１）について考えると、管の内径と単位長さの伝熱面積となり、両者の間の伝熱を十分に行うのは、その間の断面積は、正確には管の間隔、素材の熱伝導率、流体（冷媒）の熱伝達率で表される１次元の熱コンダクタンスの式（１）などにモデル化して決定される。
Ｕ＝１／｛１／ｈｏ＋ｌ／λ＋１／ｈｉ｝                （１）
ここで、ｈｏは一方の管の熱伝達率、ｌは管の間隔、λは素材の熱伝導率、ｈｉはもう一方の管の熱伝達率である。【００３０】    更に、管の内面で受けた熱は、管を形成する肉厚部分を通って素材に伝わるので、肉厚が薄い場合は素材厚みを厚く、肉厚が厚い場合は、素材厚みを薄くできる。【００３０】    もう一方、一列に並んだ管を鋳ぐるみやＨＩＰ処理などで形成する場合の容易さから考えると素材厚みは、管の外径以上にすることで平板形状にすることができるので、管の外径以上が望ましい。【００３０】    管が複数列で形成され、管の肉厚が厚い場合は、素材が管と管の間を埋めるように鋳ぐるみやＨＩＰ処理を行い、肉厚が薄い場合は、素材が管と管の間を埋め、外周部は、肉厚を含めた外周までの厚みが管の内半径以上になるようにする。
【発明の効果】
【００３２】    ＣＰＵのように面積あたりの発熱量が大きな発熱体の冷却は、一旦熱伝導率の高い材料で形成された広い面積を有する基板に熱を伝えて広い面積から放熱する方法が取られる。このような放熱面積拡大の方法として基板へのフィンの付加、流体（冷媒）通路の形成が行われている。この場合、空気と冷却部壁の熱伝達率は１０から３００Ｗ／ｍ２Ｋ程度であり、冷却器（１０００）を形成する材料、例えば銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫ程度である。熱コンダクタンスＵは、式（１）で表され、低温の空気で冷却器（１００）を冷却し、冷却器（１００）を形成する材料を１０ｍｍ熱伝導してＣＰＵを冷却する場合、（１）式の分母の第１項は０．００３から０．１、第２項は０．００００２５（ｌ＝０．０１ｍ）となり、第１項の熱伝達に係るものが圧倒的に大きく、この値で熱コンダクタンスが決定付けられている。
【００３３】    水やフロン等を液流体（冷媒）として用いる場合、熱伝達率は３００から６０００程度であり、式（１）の分母の第１項は０．０００１７から０．００３、第２項は０．００００２５である。
【００３４】    熱伝達率の低い空気、熱伝達率の比較的高い水と短い距離の高熱伝導率材料の板との組み合わせの熱コンダクタンスは空気や水の熱伝達率とほぼ等しく（表２参照）、熱伝達流体（冷媒）の距離が近い場合、高熱伝導率材料の板の影響が小さいことが明らかである。
【００３５】    本考案では、微小径の管路で熱交換を行う小型熱交換器の形状と製作法を示すものである。
実施例１から４に示したように、少なくとも１本の微小径の管を直線やらせん状等の所要の形状に配置し、その周りを熱伝導性の高い金属で包むように、鋳ぐるみやＨＩＰ処理で製作することにより、管内の流体の冷熱あるいは高熱を周りの金属に効率よく伝えることができる。
【００３６】    実施例４に示したように、少なくとも２本の管を隣接して所要の形状に配置し、その周りをその周りを熱伝導性の高い金属で包むように、鋳ぐるみやＨＩＰ処理で製作することにより、相互の管内の流体の冷熱あるいは高熱を周りの金属を介して効率よく伝えることができる。
【００３７】    実施例１から４に示したように、微小径の管を配置して、周りを高熱伝導率の金属などで囲んで鋳ぐるみやＨＩＰ処理等で製作することにより、微小な孔径（表１の例では無酸素銅で０．０２５、特注品ではステンレス等でも更に小さな管径が可能）の小型熱交換器を低コストで製作できる。
【００３８】    管の断面積は管の内径の二乗に比例、伝熱面積は管の内径と長さの積に比例する。熱交換器の流路に直交する面の寸法を２０ｍｍ×６４ｍｍ、長さを６９ｍｍとした場合の管の内径に対する伝熱面積と管の断面積の変化を管と管の間のスペースをパラメータとして計算した結果を図１３に示す。図１３中の上部は伝熱面積、下部は管の合計断面積を示している。
【００３９】    伝熱面積は管と管の間のスペースが同一の場合、管径とスペースがほぼ等しい点で最大値を持ち、その最大値は管の径が小さいほど、管と管の間のスペースが小さいほど大きい。管の合計断面積は管の径が大きいほど大きく、管と管の間のスペースが小さいほど大きい。図１３中に太線で示すように伝熱面積が最大の点の管の合計断面積はほぼ等しい。
【００４０】    図１３の結果から熱交換器の管の合計断面積が等しい場合、伝熱面積が大きい方、即ち管の径が小さいほど熱交換器として優れていることは明らかである。
【００４１】    図１３の計算例で示した熱交換器は、一つの流体で外壁面に接する物体や流体を冷却する熱交換器であるが、流体が２種の場合も管を二つのグループに分けることで同様の結果を得ることができることも明らかである。
【００４２】    管の内径が小さいものを製作する方法として、▲１▼管の中心を通る平面で分割して接合する、▲２▼ドリルで孔をあける、▲３▼放電加工で孔をあける、▲４▼レーザで孔をあけるなどの方法があるが、これらは次のような課題を有する。
▲１▼は、管の径とスペースが小さい場合、分割した板の厚さが小さいため接合時の歪や管内を正常に保つことが難しい。▲２▼は、穴の長さがドリルの径の５倍程度が通常の加工の限界であり、ドリルの径が小さくなる程、ドリルの径に対する長さの比が大きくなり、加工が困難である。▲３▼は、ドリル加工と同様に困難である。▲４▼は、困難であると共にコストが高い。
【００４３】    更に、管路が曲がっている場合、従来の加工方法では不可能であるが、本考案の方法では容易にできる。
【００４４】    ２つの流体間の熱交換を行う場合、熱伝達率の小さなほうの伝熱面積を広げる方法がとられるのと同様に、管の数を増加することで伝熱面積を広げることができる。
【００４５】    実施例２で示しように、流路面積、流路長さ、伝熱面積を管をグループ化して折り返す等の方法で最適に選定することができる。
【００４６】    実施例１〜２や説明で示した管の配列は、格子配列であるが、本考案でその他の配列も同様の効果を有し、容易に製作できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の冷却器組立図
【図２】実施例１の冷却部
【図３】実施例１の入口部
【図４】実施例１の反転部
【図５】実施例２の冷却器組立図
【図６】実施例２の冷却部
【図７】実施例２の入口部
【図８】実施例２の反転部
【図９】実施例１の冷却部の鋳くるみ形状例
【図１０】実施例２の冷却部の鋳くるみ形状例
【図１１】実施例３の冷却器上面図と側面図
【図１２】実施例３の冷却器の組立図と側面図
【図１３】２０×６４×６９ｍｍの板状冷却部素材に設けることのできる管の内径と伝熱面積
【図１４】従来の空冷式冷却器
【図１５】従来の水冷式冷却器
【図１６】従来のシェルアンドチューブ型熱交換器
【表１】
管径と肉厚表
【表２】
熱コンダクタンス
【符号の説明】
【００２７】（１００）（１０００）冷却器  （１１０）（１２０）基板
（１１１）        角状フィン  （１１２）（１２２）（１２１０）冷却面
（１２３）        冷却流路    （１２４）（３１０）（４１０）（１１１０）入口管
（１２５）（３７０）（４４０）（１１２０）  出口管
（３２０）（３６０）鏡板                    （３３０）    入口空間
（３４０）        伝熱管                    （３５０）    出口空間
（４２０）        シェル                    （４３０）    空間
（１１００）      入口部
（１１２１）      開口部                    （１１４０）  集合部
（１１５０）      反転空間                  （１２００）  冷却部
（１２１１）（１２２１）（１２３１）（１２４１）（１２Ａ１）（１２Ｂ１）（１２Ｃ１）（１２Ｄ１）（１２５１）（１２６１）（１２７１）（１２８１）（１２８２）（１２８３）（１２８４）（１２８５）（１２８６）  細孔
（１２４０）  右側壁                        （１２５０）  左側壁
（１３００）  反転部                        （１３３０）（１３４０）  反転空間
Ｏ，Ｏ１，Ｏ２  上部グループ                Ｕ，Ｕ１，Ｕ２  下部グループ
（２２００）  冷却部素材
（２２１１）（２２２１）（２２３１）（２２４１）（２２Ａ１）（２２Ｂ１）（２２Ｃ１）（２２Ｄ１）（２２５１）（２２６１）（２２７１）（２２８１）（２２８２）（２２８３）（２２８４）（２２８５）（２２８６）  細管
（３０００）  冷却板                        （３１００）  包含材
（３２００）（３３００）  管                （３２１０）（３３１０）  入口
（３２２０）（３３２０）  出口
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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