JP2005098584A - 対向振動流型熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 対向振動流型熱輸送装置のヘッダの配置構造を工夫することにより対向振動流型熱輸送装置の製造原価低減を図る。
【解決手段】 厚肉部２ｍと薄肉部２ｎとは交互に設けるとともに、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊの一部をチューブ２ａの幅方向に切して第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅを接合する。これにより、第１ヘッダ２ｄは偶数番目の穴２ｆのみと連通し、第２ヘッダ２ｅは奇数番目の穴２ｆのみと連通する。したがって、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させる特許文献１に記載の対向振動流型熱輸送装置に比べて、第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅの配置構造および製造（加工）工程が簡素化することができるので、対向振動流型熱輸送装置１の製造原価を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、隣り合う流路において流体を対向振動させることにより隣り合う流路間で熱交換し、熱を高温側から低温側に輸送する対向振動流型熱輸送装置に関するもので、インバータ素子やＩＧＢＴ（パワートランジスタ）等の電子部品を冷却する冷却器に適用して有効である。

従来の対向振動流型熱輸送装置では、流路を構成する扁平状の多穴チューブの長手方向一端側の端面に２個のヘッダタンク部を設けて第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させるとともに、第１のヘッダタンク部および第２のヘッダタンク部と振動装置の出力部とを接続している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２１６３１４号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させているので、その配置構造および製造（加工）工程が複雑であり、製造原価が上昇してしまうという問題を有している。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な対向振動流型熱輸送装置を提供し、第２には、対向振動流型熱輸送装置のヘッダの配置構造を工夫することにより対向振動流型熱輸送装置の製造原価低減を図ることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、隣り合う流路（３）において流体を対向振動させることにより隣り合う流路（３）間で熱交換し、熱を高温側から低温側に輸送する対向振動流型熱輸送装置であって、流路（３）を構成する穴（２ｆ）を有する扁平状のチューブ（２ａ）と、チューブ（２ａ）に形成された穴（２ｆ）内の流体を振動させる振動装置（６）と、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）を切削加工することにより形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を閉塞するようにして複数本の穴（２ｆ）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有し、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）の肉厚は、流路（３）の内壁側において、穴（２ｆ）に対応する部位にて肉厚の厚い厚肉部（２ｍ）と薄い薄肉部（２ｎ）とが交互に存在するように変化していることを特徴とする。

そして、本発明では、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）の肉厚が、穴（２ｆ）に対応する部位にて肉厚の厚い厚肉部（２ｍ）と薄い薄肉部（２ｎ）とが存在しているので、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）の一部を切削すると、厚肉部（２ｍ）のみが残り、薄肉部（２ｎ）が消失するので、薄肉部（２ｎ）に対応する部位の穴（２ｆ）のみが第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）内と連通する。

このとき、本発明では、厚肉部（２ｍ）と薄肉部（２ｎ）とは交互に設けられているので、例えば第１ヘッダ（２ｄ）は偶数番目の穴（２ｆ）のみと連通し、第２ヘッダ（２ｅ）は奇数番目の穴（２ｆ）のみと連通する。

したがって、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させる特許文献１に記載の対向振動流型熱輸送装置に比べて、第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）の配置構造および製造（加工）工程が簡素化することができるので、対向振動流型熱輸送装置の製造原価を低減することができる。

請求項２に記載の発明では、隣り合う流路（３）を区画する区画壁（２ｐ）は、厚肉部（２ｍ）にてチューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）と繋がるように、チューブ（２ａ）と共に一体成形されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明では、隣り合う流路（３）において流体を対向振動させることにより隣り合う流路（３）間で熱交換し、熱を高温側から低温側に輸送する対向振動流型熱輸送装置であって、扁平状の穴（２ｒ）を有する扁平状のチューブ（２ａ）と、穴（２ｒ）内に配置され、穴（２ｒ）を複数に区画して流路（３）を構成する区画部材（２ｑ）と、流路（３）内の流体を振動させる振動装置（６）と、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）に形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を閉塞するようにして複数本の流路（３）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有し、区画部材（２ｑ）は、チューブ（２ａ）の長手方向と直交する断面における形状が波状となるように形成されていることを特徴とする。

そして、本発明では、チューブ（２ａ）の長手方向と直交する断面における形状が波状となるような区画部材（２ｑ）をチューブ２ａと別体として製造した後、この区画部材（２ｑ）をチューブ（２ａ）内に挿入し、かつ、チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）に形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）で閉塞することとなり得るので、例えば第１ヘッダ（２ｄ）は偶数番目の穴（２ｆ）のみと連通し、第２ヘッダ（２ｅ）は奇数番目の穴（２ｆ）のみと連通する。

したがって、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させる特許文献１に記載の対向振動流型熱輸送装置に比べて、第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）の配置構造および製造（加工）工程が簡素化することができるので、対向振動流型熱輸送装置の製造原価を低減することができる。

請求項４に記載の発明では、流路（３）の断面形状は、略三角形であることを特徴とする。

これにより、隣り合う流路（３）の熱交換面積を大きくすることができるので、対向振動流型熱輸送装置の熱輸送能力を高めることができる。

請求項５に記載の発明では、隣り合う２本の穴（２ｆ）を連通させるＵターンカバー（２ｂ）が、チューブ（２ａ）の長手方向一端側に接合されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明では、チューブ（２ａ）の長手方向他端側には、穴（２ｆ）を閉塞する閉塞カバー（２ｃ）が接合されていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明では、チューブ（２ａ）の外表面には、放熱フィン（５ａ）が一体形成されていることを特徴とするものである。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る対向振動流型熱輸送装置を電子部品の冷却装置に適用したものであって、図１は本実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１の外観斜視図であり、図２は対向振動流型熱輸送装置１を振動装置６側から見た図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図であり、図４はチューブ２ａの斜視図であり、図５はチューブ２ａを長手方向から見た図であり、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。

図１中、熱輸送デバイス本体２は、Ｕ字状に蛇行した複数本の流路３内に流体が充填された略帯板状のもので、その板面のうち長手方向略中央部には、冷却対象、すなわち熱源をなす発熱体４が組み付けられている。なお、熱輸送デバイス本体２の構造は後述する。

因みに、本実施形態では、発熱体４としては、電子計算機用の集積回路等の電子部品等を想定している。

また、熱輸送デバイス本体２のうち発熱体４が組み付けられた扁平面と反対側の扁平面には、高温側である発熱体４から輸送された熱を低温側である大気中に放熱するための薄板状に形成された複数枚の放熱フィン（図示せず。）が形成されたヒートシンク（図示せず。）が接合されている。

振動装置６は熱輸送デバイス本体２内の流体を振動させるポンプ手段であり、この振動装置６は、例えば電磁力により変位する可動子と流体を振動させるピストンとが一体化されたプランジャを往復動さることにより流体を振動させるものである。

なお、流路３内に充填される流体として、本実施形態では水を採用しているが、粘度を低下させる添加剤を混合した水等を採用してもよいことは言うまでもない。

次に、熱輸送デバイス本体２について、図２、図３、図４、図５および図６を用いて述べる。

熱輸送デバイス本体２は、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材からなるチューブ２ａ、第１、２プレート２ｂ、２ｃ、第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅをろう接にて接合して形成したものである。

なお、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。

そして、チューブ２ａは押し出し加工又は引き抜き加工にて成形された扁平状の管であり、その内部には、図５に示すように、長手方向一端側から他端側まで貫通する複数本の穴２ｆが成形と同時に設けられている。

また、第１ヘッダ２ｄは、図３に示すように、チューブ２ａの扁平面２ｇの一部を切削加工することにより形成された連通穴２ｈを閉塞するようにチューブ２ａの扁平面２ｇにろう接等にて接合され、第２ヘッダ２ｅは、チューブ２ａの扁平面２ｊの一部をエンドミルやフライス等にて切削加工にて形成された連通穴２ｋを閉塞するようにチューブ２ａの扁平面２ｊにろう接等にて接合されている。

そして、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊの肉厚は、図５に示すように、流路３、つまり穴２ｆの内壁側において、穴２ｆに対応する部位にて肉厚の厚い厚肉部２ｍと薄い薄肉部２ｎとが交互に存在するように変化しており、隣り合う流路３、つまり隣り合う穴２ｆを区画する区画壁２ｐは、厚肉部２ｍにてチューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊと繋がるように、チューブ２ａと共に一体成形されている。

このとき、本実施形態では、区画壁２ｐを扁平面２ｇ、２ｊに対して傾けることにより、流路３、つまり穴２ｆの断面形状を略三角形としている。したがって、本実施形態では、厚肉部２ｍは、略三角断面形状を有する穴２ｆの頂部に位置することとなる。

また、第１プレート２ｂは、図１および図３に示すように、チューブ２ａの長手方向一端側の端面に接合されて隣り合う穴２ｆを連通させるＵターンカバーであり、第２プレート２ｃは、チューブ２ａの長手方向他端側の端面に接合されれて穴２ｆを閉塞する閉塞カバーであり、本実施形態では、これら第１プレート２ｂ、第２プレート２ｃおよびチューブ２ａによりＵ字状に蛇行した複数本の流路３が構成されている。

そして、振動装置６の出力部は、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊに接合された第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅに接続されて複数本のＵ字状流路３内の流体を往復振動させる。

次に、本実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１の概略作動を述べる。

対向振動流型熱輸送装置１とは、振動流による拡散促進効果（特開２００２−３６４９９１号公報等参照）を利用したもので、その原理は以下のようなものである。

すなわち、図７に示すように、円管内に液体があり、温度に分布がある場合を考える。いま、簡単のために、液体の振動はＨ点に半周期滞在し、即座にＬ点に移動し、そこで半周期滞在し、その後に即座にＨ点に戻る矩形波振動を考える。

振動がない場合にＣ点にいる液体部分（これを要素と呼ぶ。）を考えると、この要素が振動によりＨ点に移動すると、Ｈ点での円管壁の温度は要素より高いので、要素は壁から熱をもらう。要素が振動によりＬ点に移動すると、Ｌ点での壁の温度は要素より低いので要素は壁に熱を吐き出す。

すなわち、１回の振動により、熱がＨ点からＬ点に「蛙飛び」のように移動したことになる。こうした「蛙飛び」は振動が無い場合には起らず、振動により付加的に起ったものである。したがって、振動数が高くなれば単位時間当たりに起る「蛙飛び」回数が増え、振幅が大きくなると「蛙飛び」距離が増えるので、「蛙飛び」による熱の付加的移動は、振幅や周期の増加とともに増えることになる。

したがって、振動装置６により流路３（熱輸送デバイス本体２）内の流体を振動させると、隣り合う流路３に存在する流体間で熱交換され、熱輸送デバイス本体２、つまりチューブ２ａの扁平面２ｇに配置された発熱体４の熱が熱輸送デバイス本体２の幅方向端部側、および熱輸送デバイス本体２の長手方向端部側に向かって輸送され、熱輸送デバイス本体２全体に広がる。

そして、熱輸送デバイス本体２全体に広がったは、熱輸送デバイス本体２に接合された放熱フィンを介して空気中に放出される。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

本実施形態では、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊの肉厚が、穴２ｆに対応する部位にて肉厚の厚い厚肉部２ｍと薄い薄肉部２ｎとが存在しているので、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊの一部をチューブ２ａの幅方向に切削すると、厚肉部２ｍのみが残り、薄肉部２ｎが消失するので、薄肉部２ｎに対応する部位の穴２ｆのみが第１ヘッダ２ｄまたは第２ヘッダ２ｅ内と連通する。

このとき、本実施形態では、厚肉部２ｍと薄肉部２ｎとは交互に設けられているので、例えば第１ヘッダ２ｄは偶数番目の穴２ｆのみと連通し、第２ヘッダ２ｅは奇数番目の穴２ｆのみと連通する。

したがって、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させる特許文献１に記載の対向振動流型熱輸送装置に比べて、第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅの配置構造および製造（加工）工程が簡素化することができるので、対向振動流型熱輸送装置１の製造原価を低減することができる。

また、本実施形態では、区画壁２ｐを傾けて穴２ｆの断面形状を略三角形としているので、区画壁２ｐを扁平面２ｇ、２ｊに対して垂直として穴２ｆの断面形状を矩形状とした場合に比べて、隣り合う穴２ｆ、つまり隣り合う流路３の熱交換面積を大きくすることができるので、対向振動流型熱輸送装置１の熱輸送能力を高めることができ、発熱体４の冷却能力を高めることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、区画壁２ｐをチューブ２ａと一体成形したが、本実施形態は、図８に示すように、チューブ２ａの長手方向と直交する断面における形状が波状となるような区画部材２ｑをチューブ２ａと別体として製造した後、この区画部材２ｑを１つに扁平穴２ｒが形成された扁平状のチューブ２ａ内に挿入して、ろう接等にて接合することにより、複数本の穴２ｆをチューブ２ａに構成したものである。

なお、本実施形態では、表裏量面に溶加材が被覆された板材にプレス加工を施すことにより区画部材２ｑを成形するとともに、区画部材２ｑの断面形状を正弦波状として、穴２ｆの断面形状が略三角となるようにしている。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

本実施形態では、チューブ２ａの長手方向と直交する断面における形状が波状となるような区画部材２ｑをチューブ２ａと別体として製造した後、この区画部材２ｑをチューブ２ａ内に挿入し、かつ、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊに形成された連通穴２ｈ、２ｋをヘッダ２ｄ、２ｅで閉塞するので、例えば第１ヘッダ２ｄは偶数番目の穴２ｆのみと連通し、第２ヘッダ２ｅは奇数番目の穴２ｆのみと連通する。

したがって、比較的に大きな容積を必要とする２個のヘッダタンクを多穴チューブの長手方向一端側の端面に配置し、かつ、第１のヘッダタンク部を奇数番目の流路と連通させ、第２のヘッダタンク部を偶数番目の流路と連通させる特許文献１に記載の対向振動流型熱輸送装置に比べて、第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅの配置構造および製造（加工）工程が簡素化することができるので、対向振動流型熱輸送装置１の製造原価を低減することができる。

また、本実施形態では、穴２ｆを形成する区画部材２ｑをチューブ２ａと別体としているので、区画部材２ｑをチューブ２ａに挿入する前に、プレス加工にて連通穴２ｈ、２ｋを形成することができる。

したがって、連通穴２ｈ、２ｋを切削加工にて形成する場合に比べて加工粉が減らすことができるので、加工粉が穴２ｆ、つまり流路３内に残留してしまうことを未然に防止でき得る。

また、区画部材２ｑをろう接にてチューブ２ａに接合しているので、熱輸送デバイス本体２全体の熱伝導率を高めることができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、熱輸送デバイス本体２、つまりチューブ２ａに放熱フィン５ａが形成されたヒートシンク５を押し出し加工または引き抜き加工にて一体成形したものである。

なお、図９では、第２実施形態に係るチューブ２ａにヒートシンク５を一体成形したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第１実施形態に係るチューブ２ａにヒートシンク５を一体成形してもよい。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、穴２ｆ（流路３）の断面形状を略三角としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば穴２ｆ（流路３）の断面形状を略矩形状としてもよい。

また、第２、３実施形態では、連通穴２ｈ、２ｋをプレス加工に形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば切削加工にて形成してもよい。

また、第２、３実施形態では、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｊの肉厚が均一であってが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、本発明に係る対向振動流型熱輸送装置を冷却器に適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１の外観斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１を振動装置６側から見た図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るチューブ２ａの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るチューブ２ａを長手方向から見た図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 対向振動流型熱輸送装置の作動説明図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係るチューブ２ａの分解斜視図であり、（ｂ）は本発明の第２実施形態に係るチューブ２ａの斜視図である。 （ａ）は本発明の第３実施形態に係るチューブ２ａの分解斜視図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係るチューブ２ａの斜視図である。

符号の説明

１…対向振動流型熱輸送装置、２…熱輸送デバイス本体、２ａ…チューブ、
２ｂ…第１プレート、２ｃ…第２プレート、２ｄ…第１ヘッダ２ｄ、
２ｅ…第２ヘッダ、２ｈ、２ｋ…連通穴、２ｆ…穴、３…流路。

Claims (7)

1. 隣り合う流路（３）において流体を対向振動させることにより隣り合う前記流路（３）間で熱交換し、熱を高温側から低温側に輸送する対向振動流型熱輸送装置であって、
   前記流路（３）を構成する穴（２ｆ）を有する扁平状のチューブ（２ａ）と、
   前記チューブ（２ａ）に形成された前記穴（２ｆ）内の流体を振動させる振動装置（６）と、
   前記チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）を切削加工することにより形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を閉塞するようにして複数本の前記穴（２ｆ）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有し、
   前記チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）の肉厚は、前記流路（３）の内壁側において、前記穴（２ｆ）に対応する部位にて肉厚の厚い厚肉部（２ｍ）と薄い薄肉部（２ｎ）とが交互に存在するように変化していることを特徴とする対向振動流型熱輸送装置。
2. 隣り合う前記流路（３）を区画する区画壁（２ｐ）は、前記厚肉部（２ｍ）にて前記チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）と繋がるように、前記チューブ（２ａ）と共に一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の対向振動流型熱輸送装置。
3. 隣り合う流路（３）において流体を対向振動させることにより隣り合う前記流路（３）間で熱交換し、熱を高温側から低温側に輸送する対向振動流型熱輸送装置であって、
   扁平状の穴（２ｒ）を有する扁平状のチューブ（２ａ）と、
   前記穴（２ｒ）内に配置され、前記穴（２ｒ）を複数に区画して前記流路（３）を構成する区画部材（２ｑ）と、
   前記流路（３）内の流体を振動させる振動装置（６）と、
   前記チューブ（２ａ）の扁平面（２ｇ、２ｊ）に形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を閉塞するようにして複数本の前記流路（３）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有し、
   前記区画部材（２ｑ）は、前記チューブ（２ａ）の長手方向と直交する断面における形状が波状となるように形成されていることを特徴とする対向振動流型熱輸送装置。
4. 前記流路（３）の断面形状は、略三角形であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の対向振動流型熱輸送装置。
5. 隣り合う２本の前記穴（２ｆ）を連通させるＵターンカバー（２ｂ）が、前記チューブ（２ａ）の長手方向一端側に接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の対向振動流型熱輸送装置。
6. 前記チューブ（２ａ）の長手方向他端側には、前記穴（２ｆ）を閉塞する閉塞カバー（２ｃ）が接合されていることを特徴とする請求項５に記載の対向振動流型熱輸送装置。
7. 前記チューブ（２ａ）の外表面には、放熱フィン（５ａ）が一体形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の対向振動流型熱輸送装置。

Images