JP2005101461A - 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】 チューブの扁平面２ｇに連通穴２ｈを設けて第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅを扁平面２ｇに配置する。これにより、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）のうち穴（２ｆ）に対応する部位に形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を通して複数本の穴（２ｆ）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有す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）に連通穴（２ｈ、２ｋ）を設けて第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）を扁平面（２ｇ、２ｊ）に配置しているので、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、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。

請求項２に記載の発明では、連通穴（２ｈ、２ｋ）は、せん断加工にて形成されていることを特徴とする。

これにより、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。

請求項３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４に記載の発明では、連通穴（２ｈ、２ｋ）は、せん断加工にて扁平面（２ｇ、２ｊ）の一部を穴（２ｆ）内に折り曲げるようにして形成されており、さらに、連通穴（２ｈ、２ｋ）を形成する際に穴（２ｆ）内に折り曲げられた垂下部（２ｍ）にてチューブ（２ａ）の長手方向他端側が閉塞されていることを特徴とする。

これにより、チューブ（２ａ）の長手方向他端側を閉塞するための部材を別途必要としなく、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５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６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、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の熱輸送能力を高めることができる。

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。

請求項８に記載の発明では、第１ヘッダ（２ｄ）は、チューブ（２ａ）の扁平面のうち第１の扁平面（２ｇ）に配置され、第２ヘッダ（２ｅ）は、チューブ（２ａ）の扁平面のうち第２の扁平面（２ｊ）に配置されていることを特徴とする。

これにより、片側の扁平面のみに２つヘッダ（２ｄ、２ｅ）を設ける場合に比べて、ヘッダ（２ｄ、２ｅ）の取り付け自由度が増大するとともに振動装置（６）も含めて、対向振動流型熱輸送装置を小型にすることができる。

請求項９に記載の発明では、連通穴（２ｈ、２ｋ）は、隣り合う連通穴（２ｈ、２ｋ）の中心間のピッチ寸法が略等しくなるように複数個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。

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（図３参照）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、プレート２ｂ、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。

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３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。

第１ヘッダ２ｄは、チューブ２ａにせん断加工（ＪＩＳ Ｂ ０１２２等参照）を施すことにより扁平面２ｇの一部を穴２ｆ内に折り曲げるようにして形成された連通穴２ｈを閉塞した状態でチューブ２ａの扁平面２ｇにろう接等にて接合され、第２ヘッダ２ｅも同様に、せん断加工にてチューブ２ａの扁平面２ｊの一部を穴２ｆ内に折り曲げるようにして形成された連通穴２ｋを閉塞した状態でチューブ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の長手方向一端側は、隣り合う穴２ｆを連通させる第１プレート２ｂが接合されて閉塞されており、チューブ２ａの長手方向他端側は、図１および図３に示すように、連通穴２ｈ、２ｋを形成する際に穴２ｆ内に折り曲げられた垂下部２ｍにて閉塞されており、本実施形態では、この第１プレート２ｂ、垂下部２ｍ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。

なお、垂下部２ｍのみでは、穴２ｆを完全に塞ぐこととはできないので、本実施形態では、垂下部２ｍと穴２ｆの内壁との隙間を溶加材にて閉塞することができる程度（例えば、０．２ｍｍ以下）とし、この隙間を溶加材で埋めるようにしてチューブ２ａの長手方向他端側の穴２ｆを閉塞している。

また、振動装置６の出力部は、チューブ２ａの扁平面２ｇ、２ｈ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のうち穴２ｆに対応する部位に連通穴２ｈ、２ｋを設けて第１、２ヘッダ２ｄ、２ｅを扁平面２ｇ、２ｊに配置しているので、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、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、連通穴２ｈ、２ｋは、せん断加工にて形成されているので、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。したがって、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、連通穴２ｈ、２ｋを形成する際の垂下部２ｍを利用してチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞するので、チューブ２ａの長手方向他端側を閉塞するための部材を別途必要としなく、熱輸送デバイス本体２の製造原価を低減することができる。

また、第１ヘッダ２ｄは、チューブ２ａの扁平面のうち第１の扁平面２ｇに配置され、第２ヘッダ２ｅは、チューブ２ａの扁平面のうち第２の扁平面（２ｊ）に配置されているので、片側の扁平面のみに２つヘッダ２ｄ、２ｅを設ける場合に比べて、ヘッダ２ｄ、２ｅの取り付け自由度が増大するとともに振動装置６も含めて、対向振動流型熱輸送装置を小型にすることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、連通穴２ｈ、２ｋを形成する際に形成される垂下部２ｍを利用してチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞したが、本実施形態は、図８に示すように、プレート２ｃにてチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞するものである。

因みに、プレート２ｃは、ろう接にてチューブ２ａの長手方向端部の端面に接合されている。

なお、本実施形態では、プレート２ｃにてチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞するので、垂下部２ｍを穴２ｆの外側に折り曲げる、または垂下部２ｍを切断除去してもよい。

（第３実施形態）
第１実施形態では、穴２ｆ、つまり流路３の断面形状を略矩形状としていたが、本実施形態では、図９に示すように、穴２ｆの断面形状を略三角状としたものである。

そして、本実施形態では、穴２ｆの断面形状を略三角形としているので、隣り合う穴２ｆを区画する区画壁を扁平面２ｇ、２ｈ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。

なお、図９では、穴２ｆの断面形状を略三角状としたので、連通穴２ｈ、２ｋも三角状として垂下部２ｍを略三角状とするとともに、第１実施形態と同様に、垂下部２ｍにてチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞したが、本実施形態は、第２実施形態と同様に、プレート２ｃにてチューブ２ａの長手方向他端側を閉塞してもよい。

（第４実施形態）
本実施形態は、図１０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１０では、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２実施形態または第３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、連通穴２ｈ、２ｋをせん断加工にて形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ドリル加工等の切削加工にて形成してもよい。

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、上述の実施形態では、連通穴２ｈ、２ｋが隣り合う連通穴２ｈ、２ｋの中心間のピッチ寸法が全て穴２ｆの幅寸法の略２倍となるように形成されていたが、本発明は、隣り合う連通穴２ｈ、２ｋの中心間のピッチ寸法が略等しければよいので、例えば隣り合う連通穴２ｈ、２ｋ間の寸法を穴２ｆの幅寸法の略４倍としてもよい。

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。 本発明の第２実施形態に係る熱輸送デバイス本体の断面図である。 （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の側面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第４実施形態に係る熱輸送デバイス本体の斜視図である。

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…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 (9)

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）のうち前記穴（２ｆ）に対応する部位に形成された連通穴（２ｈ、２ｋ）を通して複数本の前記穴（２ｆ）と連通する第１、２ヘッダ（２ｄ、２ｅ）とを有することを特徴とする対向振動流型熱輸送装置。
2. 前記連通穴（２ｈ、２ｋ）は、せん断加工にて形成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または２に記載の対向振動流型熱輸送装置。
4. 前記連通穴（２ｈ、２ｋ）は、せん断加工にて前記扁平面（２ｇ、２ｊ）の一部を前記穴（２ｆ）内に折り曲げるようにして形成されており、
   さらに、前記連通穴（２ｈ、２ｋ）を形成する際に前記穴（２ｆ）内に折り曲げられた垂下部（２ｍ）にて前記チューブ（２ａ）の長手方向他端側が閉塞されていることを特徴とする請求項３に記載の対向振動流型熱輸送装置。
5. 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３に記載の対向振動流型熱輸送装置。
6. 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５のいずれか１つ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。
8. 前記第１ヘッダ（２ｄ）は、前記チューブ（２ａ）の扁平面のうち第１の扁平面（２ｇ）に配置され、
   前記第２ヘッダ（２ｅ）は、前記チューブ（２ａ）の扁平面のうち第２の扁平面（２ｊ）に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の対向振動流型熱輸送装置。
9. 前記連通穴（２ｈ、２ｋ）は、隣り合う前記連通穴（２ｈ、２ｋ）の中心間のピッチ寸法が略等しくなるように複数個形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の対向振動流型熱輸送装置。

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