特許 7148118 伝熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-27

(45)【発行日】2022-10-05

(54)【発明の名称】伝熱装置

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/32 20060101AFI20220928BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20220928BHJP

   F28F 13/02 20060101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

F28F1/32 G

F28F21/08 Z

F28F13/02 D

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018150074

(22)【出願日】2018-08-09

(65)【公開番号】P2020026889

(43)【公開日】2020-02-20

【審査請求日】2021-07-27

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 洋介

【審査官】伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５２－０７２９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－１７８９８５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】中国実用新案第２０１３８２７３４（ＣＮ，Ｙ）

【文献】特開２０１６－１７４０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３２１０４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－０５７２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０６８９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０３７２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １／３２

Ｆ２８Ｆ ２１／０８

Ｆ２８Ｆ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平行に配置された複数の伝熱フィンを有する伝熱装置であって、
前記伝熱フィンは、隣接する伝熱フィンの間を流路として流れる伝熱媒体を透過可能な多孔質材料により形成されており、
前記伝熱フィンの間隔を２Ｈ、前記伝熱フィンの板厚をδとしたときに式（１）で示される無次元板厚βと、前記伝熱フィンの全体の体積における空隙の体積の比率である空隙率をε、前記伝熱フィンの空隙の体積の４倍を伝熱フィンの固体空隙界面の面積で除した空隙水力直径をＤｈとしたときに式（２）で表わされる無次元透過率Ｋと、前記伝熱媒体のバルク速度をＵｂ、前記伝熱媒体の動粘性係数をνとしたときに式（３）で表わされるレイノルズ数Ｒｅと、を用いたときに式（４）を満たし、
レイノルズ数ＲｅがＲｅ≧５０を満たす、
ことを特徴とする伝熱装置。
β＝δ／Ｈ （１）
Ｋ＝（ε／３２）・（Ｄｈ／Ｈ）2 （２）
Ｒｅ＝Ｕｂ・Ｈ／ν （３）
Ｋ／β＞０．０８×Ｒｅ-1.5 （４）

【請求項2】

請求項１の伝熱装置であって、
空隙水力直径ＤｈがＤｈ≦０．１Ｈを満たす、
伝熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝熱装置に関し、詳しくは、平行に配置された複数の伝熱フィンを有する伝熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の技術としては、複数の放熱フィンを平行に配置したヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このヒートシンクの放熱フィンは、アルミニウムやアルミニウム合金、銅などの熱伝導率の高い金属材料により板状に形成されている。また、放熱フィンには高い熱輸送性が求められることから、放熱フィンをグラファイト材料により形成するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【0003】

また、複数のルーバを切り起こして形成されたコルゲートフィンを備える熱交換器も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この熱交換器では、コルゲートフィンに複数のルーバを形成することにより、伝熱性能の向上を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－０９８３９６号公報

【文献】特開２０１８－０９３１１９号公報

【文献】特開２０１５－０１７７７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の技術のように、放熱フィンやコルゲートフィンなどの伝熱フィンには高い伝熱性能が望まれる。このため、伝熱フィンの間隔を狭くたり、伝熱フィンの間に流れる空気や液体などの伝熱媒体の流速を大きくしたり、伝熱フィンに切り起こしを形成したり、伝熱フィンを波状に形成したりするなど種々の手法により伝熱を高める提案が行なわれているが、これらの多くの場合、伝熱媒体の圧損が過剰に大きくなってしまう。

【0006】

本発明の伝熱装置は、伝熱フィンの間に流れる伝熱媒体の圧損を抑えて伝熱フィンの伝熱を高くすることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の伝熱装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0008】

本発明の伝熱装置は、
平行に配置された複数の伝熱フィンを有する伝熱装置であって、
前記伝熱フィンは、隣接する伝熱フィンの間を流路として流れる伝熱媒体を透過可能な多孔質材料により形成されている、
ことを特徴とする。

【0009】

本発明の伝熱装置では、伝熱媒体を平行に配置された伝熱フィンの間を流路として流すと、伝熱面近傍の低速領域と伝熱面遠方における高速領域との間の速度差により、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性による不安定波が発生し、伝熱媒体の圧力が高い高圧部と圧力の低い低圧部とが交互に形成され、これが主流方向に伝播する進行波として下流側に流れる。伝熱フィンは伝熱媒体を透過可能な多孔質材料により形成されているから、高圧部では伝熱媒体が伝熱フィンを透過して隣接する流路に流出し、低圧部では隣接する流路から伝熱フィンを透過して流入する。この透過の際に伝熱媒体と伝熱フィンとに伝熱が生じる。こうした伝熱フィンで生成される進行波は、流れを下流へと推し進める効果を有しており、伝熱フィン間の流動抵抗を比較的小さく抑える効果があるとともに、流路内部の攪拌する効果によって伝熱促進が実現できる。この結果、伝熱フィンの間に流れる伝熱媒体の圧損を抑えて伝熱フィンの伝熱を高くすることができる。

【0010】

本発明の伝熱装置において、前記伝熱フィンの間隔を２Ｈ、前記伝熱フィンの板厚をδとしたときに式（１）で示される無次元板厚βと、前記伝熱フィンの全体の体積における空隙の体積の比率である空隙率をε、前記伝熱フィンの空隙の体積の４倍を伝熱フィンの固体空隙界面の面積で除した空隙水力直径をＤｈとしたときに式（２）で表わされる無次元透過率Ｋと、前記伝熱媒体のバルク速度をＵｂ、前記伝熱媒体の動粘性係数をνとしたときに式（３）で表わされるレイノルズ数Ｒｅと、を用いたときに式（４）を満たすものとしてもよい。こうすれば、伝熱フィンのサイズや間隔、伝熱媒体の種類に応じてより適正な伝熱装置を設計することができる。

【0011】

β＝δ／Ｈ （１）
Ｋ＝（ε／３２）・（Ｄｈ／Ｈ）² （２）
Ｒｅ＝Ｕｂ・Ｈ／ν （３）
Ｋ／β＞０．０８×Ｒｅ^-1.5 （４）

【0012】

こうした式（４）を満たす態様の本発明の伝熱装置において、レイノルズ数ＲｅがＲｅ≧５０を満たすものとしてもよい。この条件は、レイノルズ数Ｒｅが５０未満では伝熱媒体はゆっくり流れるため、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性による進行波が生じない場合が多いことに基づいている。

【0013】

また、式（４）を満たす態様の本発明の伝熱装置において、空隙水力直径ＤｈがＤｈ≦０．１Ｈを満たすものとしてもよい。この条件は、伝熱フィンの伝熱媒体が透過する孔が、機械的に形成する流路寸法に対して充分に小さいことに基づいている。即ち、伝熱における数値計算上において、伝熱フィンの個別の孔の中の流れや熱伝達を解くのではなく、透過率に応じて、伝熱フィン内部に平均的な流れが生じるものとの仮定を成立させるためである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態の伝熱装置としてのヒートシンク２０の構成の概略を示す説明図である。

【図2】放熱フィン４０の表面の近傍に不安定波（進行波）が生じている状態を模式的に示す模式図である。

【図3】放熱フィン４０の表面の近傍に生じた不安定波（進行波）における交互に生じる高圧部と低圧部とを模式的に示す模式図である。

【図4】放熱フィン４０を挟む流路における伝熱媒体の圧力のシミュレーション結果を等高線を用いて示す説明図である。

【図5】放熱フィン４０の寸法や放熱フィン４０の間に流れる伝熱媒体の流速を模式的に示す説明図である。

【図6】レイノルズ数Ｒｅと無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）と圧損と伝熱との関係のシミュレーション結果の一例を示す一覧表である。

【図7】進行波が生じるレイノルズ数Ｒｅに対する最小の無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）の関係のシミュレーション結果を示す一覧表である。

【図8】進行波が生じるレイノルズ数Ｒｅに対する最小の無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）の関係の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、実施形態の伝熱装置としてのヒートシンク２０の構成の概略を示す説明図である。実施形態のヒートシンク２０は、発熱体に取り付けられる受熱部３０と、受熱部３０に平行に配置されるように取り付けられた複数の放熱フィン４０と、を備える。

【0016】

受熱部３０は、アルミニウムや銅、ステンレスなどの熱伝導性が良好な金属材料などにより板状に形成されている。

【0017】

放熱フィン４０は、隣接する放熱フィン４０との間を流路として流れる空気や冷媒などの伝熱媒体を透過するように、アルミニウムや銅、ステンレスなどの熱伝導性が良好な金属などによる多孔質材料によって、薄板状に形成されている。

【0018】

次に、こうして構成されたヒートシンク２０を発熱体に取り付け、複数の放熱フィン４０の間に空気や冷媒（液体や気体の冷媒）などの伝熱媒体を流したときの機能について説明する。伝熱媒体を隣接する放熱フィン４０の間を流路として流すと、伝熱媒体の放熱フィン４０の表面近傍と遠方において主流速度が不均一になるため、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性により、不安定波が発生じる。こうした不安定波は、伝熱媒体の放熱フィン４０の流入部近傍の微小撹乱によって生じた圧力変動がその後増幅することにより発生し、流れ方向に移流する進行波となる。したがって、放熱フィン４０の表面の近傍には、伝熱媒体の圧力の高い高圧部と圧力の低い低圧部とが交互に生じ、この高圧部と低圧部とが交互に生じる不安定波が伝熱媒体の流れ方向に進行する。図２は、放熱フィン４０の表面の近傍に不安定波（進行波）が生じている状態を模式的に示す模式図であり、図３は、放熱フィン４０の表面の近傍に生じた不安定波（進行波）における交互に生じる高圧部と低圧部とを模式的に示す模式図である。放熱フィン４０は、上述したように、伝熱媒体を透過する金属などによる多孔質材料により形成されているから、放熱フィン４０の表面において高圧部では、伝熱媒体が放熱フィン４０を透過して隣の流路に流出し、逆に低圧部では、隣の流路の伝熱媒体が放熱フィン４０を透過して流入する。高圧部や低圧部の分布は、全体的なバランスにより、放熱フィン４０を挟む２つの流路における放熱フィン４０の両表面の近傍では、図３に示すように、一方が高圧部となるときには放熱フィン４０を挟んで対向する他方は低圧部となり、一方が低圧部となるときには他方は高圧部となる。図４は、放熱フィン４０を挟む流路における伝熱媒体の圧力のシミュレーション結果を等高線を用いて示す説明図である。図中、中央の太実線は放熱フィン４０を示し、等高線における－１．４～１．４のうちプラスの表示は伝熱媒体の平均圧力より高圧であることを示し、マイナス表示は伝熱媒体の平均圧力より低圧であることを示す。図示するように、放熱フィン４０の図中上側では左側から高圧部、低圧部、高圧部、低圧部の順に圧力変動し、放熱フィンの図中下側では上側と対になるように左側から低圧部、高圧部、低圧部、高圧部の順に圧力変動する。このため、図３の放熱フィン４０に記載された矢印に示すように、伝熱媒体は高圧部から低圧部に向けて放熱フィン４０を透過する。こうした交互に生じる高圧部と低圧部とによる波は伝熱媒体の流れに沿って進行するから、放熱フィン４０の各部では、伝熱媒体の一方の流路側から他方の流路側への透過と他方の流路側から一方側への透過とが交互に行なわれる。こうした伝熱媒体の放熱フィン４０の透過では、伝熱媒体と放熱フィン４０とに伝熱が生じる。このため、放熱フィン４０を伝熱媒体が透過できない材料により形成する場合に比して伝熱を高くすることができる。一方、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性による不安定波は、下流へ流体を駆動する効果があり、これにより流動抵抗を比較的小さく抑えることができる。これらの結果、放熱フィン４０の間に流れる伝熱媒体の圧損を抑えて放熱フィン４０の伝熱を高くすることができる。

【0019】

次に、実施形態のヒートシンク２０の放熱フィン４０における好ましい条件について説明する。図５は、放熱フィン４０の寸法や放熱フィン４０の間（流路）に流れる伝熱媒体の流速を模式的に示す説明図である。いま、放熱フィン４０の板厚をδ、放熱フィン４０の間隔（チャネル幅）を２Ｈ（チャネル半幅をＨ）、伝熱媒体のバルク速度（平均流速）をＵｂ、放熱フィンの全体の体積Ｖにおける空隙の体積Ｖｖの比率（Ｖｖ／Ｖ）である空隙率をε、放熱フィン４０の空隙の体積Ｖｖの４倍を放熱フィン４０の固体空隙界面の面積Ｓで除した空隙水力直径（４Ｖｖ／Ｓ）をＤｈ、伝熱媒体の動粘性係数をνとしたときに、式（１）で示される無次元板厚βと、式（２）で表わされる無次元透過率Ｋと、式（３）で表わされるレイノルズ数Ｒｅと、を定義する。このとき、式（４）の条件を満たすことが好ましい。

【0020】

β＝δ／Ｈ （１）
Ｋ＝（ε／３２）・（Ｄｈ／Ｈ）² （２）
Ｒｅ＝Ｕｂ・Ｈ／ν （３）
Ｋ／β＞０．０８×Ｒｅ^-1.5 （４）

【0021】

図６は、レイノルズ数Ｒｅと無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）と圧損と伝熱との関係のシミュレーション結果を示す一覧表である。図７は、進行波が生じるレイノルズ数Ｒｅに対する最小の無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）の関係のシミュレーション結果を示す一覧表である。図６中、ハッチング領域は進行波が生じる領域を示す。レイノルズ数Ｒｅが１０（ＲＥ＝１０）のときには、Ｋ／βが無限大にならないと圧損や伝熱は大きくならない。これは、進行波が生じていないことを意味している。レイノルズ数Ｒｅが５０（ＲＥ＝５０）のときには、Ｋ／βが１０^-3～１０^-2の間の値（３．０×１０^-3）以上で圧損と伝熱とが大きくなる。これは、この値以上で進行波が生じていることを意味している。同様に、レイノルズ数Ｒｅが１００（ＲＥ＝１００）、５００（Ｒｅ＝５００）、１０００（Ｒｅ＝１０００）のときには、Ｋ／βが１０^-4～１０^-5の間の値（９．０×１０^-4）以上、１０^-5～１０^-6の間の値（８．０×１０^-5）以上、１０^-5～１０^-6の間の値（３．０×１０^-5）以上で圧損と伝熱とが大きくなり、この値以上で進行波が生じる。

【0022】

図８は、進行波が生じるレイノルズ数Ｒｅに対する最小の無次元透過率／無次元板厚（Ｋ／β）の関係の一例を示す説明図である。図中、４つのプロットは、図７に示すポイントであり、直線は、４つのプロットが右上領域に含まれるように作図した直線（式（４）の不等号を等号としたもの）である。シミュレーション結果では図８の直線より左下側の領域ではケルビン・ヘルムホルツ不安定性による不安定波（進行波）が生じない。このため、この領域では、伝熱媒体が放熱フィン４０を透過することが困難となり、伝熱への寄与も困難となる。一方、図８の直線より右上側の領域ではケルビン・ヘルムホルツ不安定性による不安定波（進行波）が生じる。このため、この領域では、伝熱媒体が放熱フィン４０を透過することになり、これが伝熱にも寄与する。

【0023】

上述の式（４）の条件に加えて、レイノルズ数Ｒｅは５０以上（Ｒｅ≧５０）であることが好ましい。この条件は、レイノルズ数Ｒｅが５０未満では伝熱媒体はゆっくり流れるため、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性による不安定波（進行波）の発生が困難となる場合が多いことに基づく。また、空隙水力直径ＤｈがＤｈ≦０．１Ｈであることが好ましい。この条件は、放熱フィン４０の伝熱媒体が透過する細孔が機械的に形成することができる流路寸法に対して充分に小さいことに基づいている。即ち、放熱フィン４０の伝熱における数値計算上において、放熱フィン４０の個別の細孔の中の流れや熱伝達を解くのではなく、無次元透過率Ｋに応じて、放熱フィン４０内部に平均的な流れ（透過による流れ）が生じるものとの仮定を成立させるためである。

【0024】

以上説明した実施形態のヒートシンク２０では、伝熱媒体が透過可能な多孔質材料により放熱フィン４０を形成することにより、放熱フィン４０の表面の近傍に生じる不安定波（進行波）によって放熱フィン４０の各部において伝熱媒体の一方の流路側から他方の流路側への透過と他方の流路側から一方側への透過とが交互に行なわれる。これにより、放熱フィン４０の間に流れる伝熱媒体の圧損を抑えて放熱フィン４０の伝熱を高くすることができる。

【0025】

実施形態のヒートシンク２０では、放熱フィン４０により放熱するものとして説明したが、冷熱を放熱するもの、即ち吸熱するものとしてもよい。

【0026】

本発明の伝熱装置をヒートシンク２０を実施形態とし、その放熱フィン４０に適用して説明した。しかし、本発明の伝熱装置の実施形態としてコルゲートフィン型熱交換器を用い、コルゲートフィンに適用するものとしてもよい。また、本発明の伝熱装置の実施形態として熱交換媒体を流通するチューブ型の熱交換器を用い、チューブに取り付けたフィンに適用するものとしてもよい。或いは、コルゲートフィンやチューブに取り付けたフィンをオフセットフィンとし、このオフセットフィンにおける平行に配置された部分に適用するものとしてもよい。

【0027】

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明は、伝熱装置の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0029】

２０ ヒートシンク、３０ 受熱部、４０ 放熱フィン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】