JP2006207968A - Heat transfer device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度の異なる2つの流体間で熱交換を行なわせる熱交換器、電子装置などの発熱体の放熱器や、流体の加熱器あるいは冷却器として用いられる伝熱装置に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for performing heat exchange between two fluids having different temperatures, a heat radiator for a heating element such as an electronic device, and a heat transfer device used as a fluid heater or cooler.
従来、伝熱装置の伝熱性能を向上させる技術として、特許文献1に以下のような技術が開示されている。
Conventionally,
この従来技術では伝熱装置として、エンジンからの排気ガスと天然ガスとの熱交換を行なわせる熱交換器が用いられている。この熱交換器では、排気ガスの通過する流路内および天然ガスの通過する流路内に金属多孔質部材を配置している。 In this prior art, a heat exchanger that performs heat exchange between exhaust gas from an engine and natural gas is used as a heat transfer device. In this heat exchanger, a metal porous member is disposed in a flow path through which exhaust gas passes and in a flow path through which natural gas passes.
この金属多孔質部材により熱伝達部の面積を増加させることができ、伝熱性能を向上させることができる。
しかし、上記の従来技術では、流体の通過する流路を横断するように金属多孔質部材を配置しているので、流体通路の圧力損失が増加するという問題が生じる。 However, in the above-described conventional technology, the metal porous member is disposed so as to cross the flow path through which the fluid passes, and thus there arises a problem that the pressure loss of the fluid passage increases.
本発明は上記点に鑑み、熱交換を受ける流体の通過する流体通路の圧力損失を増加させることなく伝熱装置の伝熱性能を向上させることを目的とする。 An object of this invention is to improve the heat-transfer performance of a heat-transfer apparatus, without increasing the pressure loss of the fluid channel | path through which the fluid which receives heat exchange passes in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との間で熱移動をさせる伝熱装置において、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体の境界部には多孔質層(4、4b、4c)が設けられており、多孔質層(4、4b、4c)は少なくとも流体の領域に通じる多数の細孔(5)を有しており、細孔(5)内の流体に熱音響自励振動を発生させるようになっていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the heat transfer device for transferring heat between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid, the heat transfer surface (3, 3a) is provided. 3b, 11) and the fluid are provided with a porous layer (4, 4b, 4c), and the porous layer (4, 4b, 4c) has a large number of pores (at least communicating with the fluid region). 5), and is characterized in that thermoacoustic self-excited vibration is generated in the fluid in the pores (5).
これによれば、多孔質層(4、4b、4c)の細孔(5)内の流体が熱音響自励振動を発生することで、細孔(5)の長さ方向に振動流れが生じる。この振動流れによって伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができ、伝熱性能を向上させることができる。また、多孔質層(4、4b、4c)は伝熱面(3、3a、3b、11)と流体の境界部に設けられるものであって、流体通路を横断させる必要がないので、流体の圧力損失をほとんど増加させることがない。 According to this, the fluid in the pores (5) of the porous layer (4, 4b, 4c) generates a thermoacoustic self-excited vibration, thereby generating a vibration flow in the length direction of the pores (5). . With this vibration flow, heat transfer between the heat transfer surfaces (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be efficiently performed, and heat transfer performance can be improved. The porous layer (4, 4b, 4c) is provided at the boundary between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid and does not need to traverse the fluid passage. There is almost no increase in pressure loss.
ここで、熱音響自励振動とは、細孔(5)によって形成される空間において、この空間内の流体に細孔(5)の長さ方向の所定の温度勾配を生じさせると、空間内の流体の加熱、冷却に伴い、空間内の流体が周期的に膨張、圧縮を行って細孔(5)の長さ方向に自励振動を生じる現象をいう。 Here, the thermoacoustic self-excited vibration means that in a space formed by the pores (5), when a predetermined temperature gradient in the length direction of the pores (5) is generated in the fluid in the space, As the fluid is heated and cooled, the fluid in the space periodically expands and compresses to generate self-excited vibration in the length direction of the pore (5).
なお、日本伝熱シンポジウム講演論文集(功刀、「ナノ・ミクロ多重多孔質層による伝熱促進:空気の場合」、第41回日本伝熱シンポジウム講演論文集、社団法人日本伝熱学会、2003年5月26日、第2巻、p.425−426)には他の伝熱性能を向上させる技術が報告されている。 Proceedings of the Japan Heat Transfer Symposium (Koto, “Heat Transfer Enhancement by Nano / Micro Multi-Porous Porous Layers: In the Case of Air”, 41st Japan Heat Transfer Symposium Proceedings, The Japan Heat Transfer Society, 2003 On May 26, Vol. 2, p.425-426), another technique for improving heat transfer performance is reported.
この報告によれば、伝熱面(3、3a、3b、11)として板状の銅を用い、カーボン・ナノチューブ又は酸化銅・ナノ粒子又は酸化アルミニウム・ナノ粒子を混入させた酸あるいはアルカリで伝熱面(3、3a、3b、11)の表面を化学的エッチング処理し、伝熱面(3、3a、3b、11)の表面にナノ粒子多孔質層(4、4b、4c)を形成する。この伝熱面(3、3a、3b、11)を用いた伝熱装置(1)は、ナノ粒子多孔質層(4、4b、4c)の形成されていない伝熱面(3、3a、3b、11)を用いた伝熱装置(1)よりも伝熱促進効果が得られると報告されている。 According to this report, plate-like copper is used as the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11), and it is transferred with an acid or alkali mixed with carbon nanotubes, copper oxide nanoparticles, or aluminum oxide nanoparticles. The surface of the hot surface (3, 3a, 3b, 11) is chemically etched to form a nanoparticle porous layer (4, 4b, 4c) on the surface of the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11). . The heat transfer device (1) using this heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) is a heat transfer surface (3, 3a, 3b) in which the nanoparticle porous layer (4, 4b, 4c) is not formed. , 11) is reported to have a heat transfer promoting effect than the heat transfer device (1).
しかし、この報告では熱音響自励振動の発生による伝熱促進技術については全く開示されておらず、本発明とは異なるものである。 However, this report does not disclose any heat transfer enhancement technology by the generation of thermoacoustic self-excited vibration, which is different from the present invention.
請求項2に記載の発明では、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との間で熱移動をさせる伝熱装置において、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体の境界部には多孔質層(4、4b、4c)が設けられており、多孔質層(4、4b、4c)は少なくとも流体の領域に通じる多数の細孔(5)を有しており、細孔(5)の代表長さ(L)と細孔(5)の代表直径(D)の比であるアスペクト比(L/D)が
L/D≧1774・L0.5であり、多孔質層(4、4b、4c)の等価熱伝導率(λ)が20W/(m・K)以下であり、細孔(5)内の流体に熱音響自励振動を発生させるようになっていることを特徴としている。
In the invention according to
これによれば、多孔質層(4、4b、4c)の細孔(5)内の流体に、確実に熱音響自励振動を発生させることができ、細孔(5)の長さ方向に振動流れを生じさせることができる。この振動流れによって伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができ、伝熱性能を向上させることができる。また、多孔質層(4、4b、4c)は伝熱面(3、3a、3b、11)と流体の境界部に設けられるものであって、流体通路を横断させる必要がないので、流体の圧力損失をほとんど増加させることがない。 According to this, thermoacoustic self-excited vibration can be reliably generated in the fluid in the pores (5) of the porous layer (4, 4b, 4c), and in the length direction of the pores (5). An oscillating flow can be generated. With this vibration flow, heat transfer between the heat transfer surfaces (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be efficiently performed, and heat transfer performance can be improved. The porous layer (4, 4b, 4c) is provided at the boundary between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid and does not need to traverse the fluid passage. There is almost no increase in pressure loss.
ところで、熱音響自励振動の振動周波数f(Hz)は細孔(5)の平均的長さを示す代表長さ(L)と、細孔(5)内の流体における音速uで表される。具体的には数式F1で表される。
f=u/(4・L)…(F1)
又、細孔(5)内の流体が周期的に温度変化する場合に、その温度変化が何処まで伝わるかを表す指標として熱浸透深さσ(m)が用いられる。具体的には熱浸透深さσは細孔(5)の径方向のエントロピー変動の分布を熱拡散係数a(m2/s)と角振動数ω(rad/s)で決定する指標であり数式F2で表される。
σ=(2・a/ω)0.5…(F2)
ここで、熱拡散係数aは、細孔(5)内の流体の熱伝導率をその流体の比熱と密度で除した値である(JIS29211−1982)。
By the way, the vibration frequency f (Hz) of the thermoacoustic self-excited vibration is represented by the representative length (L) indicating the average length of the pore (5) and the sound velocity u in the fluid in the pore (5). . Specifically, it is represented by Formula F1.
f = u / (4 · L) (F1)
Further, when the temperature of the fluid in the pores (5) periodically changes, the heat penetration depth σ (m) is used as an index indicating how far the temperature change is transmitted. Specifically, the heat penetration depth σ is an index for determining the distribution of entropy fluctuation in the radial direction of the pore (5) by the thermal diffusion coefficient a (m 2 / s) and the angular frequency ω (rad / s). It is represented by Formula F2.
σ = (2 · a / ω) 0.5 (F2)
Here, the thermal diffusion coefficient a is a value obtained by dividing the thermal conductivity of the fluid in the pores (5) by the specific heat and density of the fluid (JIS29211-1982).
さらに、細孔(5)内の流体の温度変化の周期の変動によって熱の伝わり方がどのような影響を受けるかを表す指標として熱緩和時間t(s)が用いられる。具体的には熱緩和時間tは細孔(5)の代表直径(D)と熱拡散係数aを用いて数式F3で表される。
t=(D/2)2/2a…(F3)
ここで、代表直径(D)は(4・流路断面積)/(濡れ縁長さ)で表される。
Further, the thermal relaxation time t (s) is used as an index representing how the heat transfer is affected by the fluctuation of the temperature change cycle of the fluid in the pores (5). Specifically, the thermal relaxation time t is expressed by Formula F3 using the representative diameter (D) of the pores (5) and the thermal diffusion coefficient a.
t = (D / 2) 2 / 2a (F3)
Here, the representative diameter (D) is represented by (4 · channel cross-sectional area) / (wetting edge length).
これらより、無次元量ωtを用いると、細孔(5)内部の熱交換は数式F4で定義される。
ωt=(D/2/σ)2…(F4)
ここで、ωtが1以下である時、細孔(5)内の流体は、細孔(5)の径方向に、温度一定となる。よって、細孔(5)内の流体は、細孔(5)の径方向には等温的に変化し、細孔(5)の長さ方向のみに温度分布を有することとなり、熱音響自励振動を発生させるために望ましい条件を得られる。すなわち、細孔(5)の代表直径(D)を2・σ以下に設定すれば熱音響自励振動を発生させるために望ましいアスペクト比(L/D)の範囲を決定できる。
From these, when the dimensionless amount ωt is used, the heat exchange inside the pore (5) is defined by Formula F4.
ωt = (D / 2 / σ) 2 (F4)
Here, when ωt is 1 or less, the temperature of the fluid in the pore (5) is constant in the radial direction of the pore (5). Therefore, the fluid in the pore (5) changes isothermally in the radial direction of the pore (5) and has a temperature distribution only in the length direction of the pore (5). Desirable conditions can be obtained to generate vibration. That is, when the representative diameter (D) of the pores (5) is set to 2 · σ or less, the range of the aspect ratio (L / D) desirable for generating the thermoacoustic self-excited vibration can be determined.
図10は温度300Kの空気について、代表直径(D)=2・σの場合における、細孔(5)の代表長さ(L)と自励振動周波数fおよび代表直径(D)の関係を示す。また、図11は代表長さ(L)とアスペクト比(L/D)の関係を示す。 FIG. 10 shows the relationship between the representative length (L) of the pores (5), the self-excited vibration frequency f, and the representative diameter (D) when the representative diameter (D) = 2 · σ for air at a temperature of 300K. . FIG. 11 shows the relationship between the representative length (L) and the aspect ratio (L / D).
これにより、熱音響自励振動を発生させることが望ましいアスペクト比(L/D)の範囲は数式F5に示す範囲であることがわかる。これは図11の斜線で示す範囲である。
L/D≧1774・L0.5…(F5)
また、熱音響自励振動を発生させるために重要なパラメータとして細孔(5)の一の端部と他の端部の温度勾配dT/dx(K/m)がある。具体的には、温度勾配は細孔(5)の一の端部の温度Thと他の端部Tcとの温度差を細孔(5)の代表長さ(L)で除したものであり、数式F6で表される。
dT/dx=(Th−Tc)/L…(F6)
温度勾配dT/dxは、伝熱面(3、3a、3b、11)から細孔(5)内流体に伝熱される熱量Q(W)と、図2に示す伝熱面積S(m2)と、多孔質層(4、4b、4c)の等価熱伝導率(λ)(W/(m・K))とを用いて数式F7で表される。
dT/dx=(Q/S)/λ…(F7)
ここで、Q/S(W/m2)は単位面積あたりの熱交換量を示す熱流束であり、等価熱伝導率(λ)は多孔質層(4、4b、4c)を形成する部材の熱伝導率λaと細孔(5)内の流体の熱伝導率λbと多孔質層(4、4b、4c)の総体積に対する全ての細孔(5)の体積の割合を示す気孔率Pなどにより計算される見かけの熱伝導率である。
Thereby, it is understood that the range of the aspect ratio (L / D) in which it is desirable to generate the thermoacoustic self-excited vibration is the range represented by Formula F5. This is the range indicated by the oblique lines in FIG.
L / D ≧ 1774 · L 0.5 (F5)
Further, as an important parameter for generating thermoacoustic self-excited vibration, there is a temperature gradient dT / dx (K / m) between one end of the pore (5) and the other end. Specifically, the temperature gradient is obtained by dividing the temperature difference between the temperature Th at one end of the pore (5) and the other end Tc by the representative length (L) of the pore (5). And represented by Formula F6.
dT / dx = (Th−Tc) / L (F6)
The temperature gradient dT / dx includes the amount of heat Q (W) transferred from the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) to the fluid in the pore (5), and the heat transfer area S (m 2 ) shown in FIG. And the equivalent thermal conductivity (λ) (W / (m · K)) of the porous layer (4, 4b, 4c).
dT / dx = (Q / S) / λ (F7)
Here, Q / S (W / m 2 ) is a heat flux indicating a heat exchange amount per unit area, and an equivalent thermal conductivity (λ) is a member of the porous layer (4, 4b, 4c). The thermal conductivity λa, the thermal conductivity λb of the fluid in the pores (5), the porosity P indicating the ratio of the volume of all the pores (5) to the total volume of the porous layers (4, 4b, 4c), etc. Is the apparent thermal conductivity calculated by
多孔質層(4、4b、4c)の細孔(5)において、熱音響自励振動を発生させるために必要な温度勾配は第6回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集(正、「熱音響リコーダの開発」、スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、日本機械学会、2002年10月18日、第2巻、p.127−128)において9812.5K/m程度と報告されている。また、本発明者の検討によれば、9333.3K/m以上が望ましいことが確認されている。 The temperature gradient required to generate self-excited thermoacoustic vibration in the pores (5) of the porous layer (4, 4b, 4c) is the 6th Stirling Cycle Symposium Proceedings (Correct, “Thermoacoustic Recorder Development ", Stirling Cycle Symposium Proceedings, Japan Society of Mechanical Engineers, October 18, 2002, Vol. 2, p. 127-128), it is reported to be about 9812.5 K / m. Moreover, according to examination of this inventor, it was confirmed that 9333.3 K / m or more is desirable.
そこで、熱音響自励振動を発生させるために必要な温度勾配は、上記2つの数値を上回る10000(K/m)以上とし、熱流束200(kW/m2)というような高熱流束での伝熱促進するためには、等価熱伝導率λを20(W/m・K)以下に設定する必要がある。 Therefore, the temperature gradient necessary for generating the thermoacoustic self-excited vibration is set to 10,000 (K / m) or more, which exceeds the above two numerical values, and the heat flux is as high as 200 (kW / m 2 ). In order to promote heat transfer, it is necessary to set the equivalent thermal conductivity λ to 20 (W / m · K) or less.
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載の伝熱装置において、細孔(5)の長さ方向が伝熱面(3、3a、3b、11)に垂直であることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the heat transfer device according to the first or second aspect, the length direction of the pores (5) is perpendicular to the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11). It is a feature.
これによれば、温度勾配の方向と細孔(5)の長さ方向が一致し伝熱面(3、3a、3b、11)に垂直方向の成分を有する振動流れを効果的に生じさせることができるので、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができ、伝熱性能を向上させることができる。ここで、請求項3における垂直とは、細孔(5)の長さ方向が伝熱面(3、3a、3b、11)に対して完全に垂直であることのみを意味するものではなく、細孔(5)の形成工程における加工誤差などによって垂直方向に対して微小な傾きを有するものも垂直という用語の範囲内に含むものとする。 According to this, the direction of the temperature gradient coincides with the length direction of the pores (5), and an oscillating flow having a vertical component is effectively generated on the heat transfer surfaces (3, 3a, 3b, 11). Therefore, heat transfer between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be performed efficiently, and the heat transfer performance can be improved. Here, the term “perpendicular” in claim 3 does not mean that the length direction of the pores (5) is completely perpendicular to the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11). Those having a slight inclination with respect to the vertical direction due to processing errors or the like in the process of forming the pores (5) are also included within the scope of the term vertical.
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の伝熱装置において、多孔質層(4、4b、4c)の厚みが、流体の通路の代表直径の20%以下であることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat transfer device according to any one of the first to third aspects, the thickness of the porous layer (4, 4b, 4c) is 20% of the representative diameter of the fluid passage. It is characterized by the following.
このような厚み設定によって、流体の通路の圧力損失上昇を効果的に抑制できる。 By such thickness setting, an increase in pressure loss in the fluid passage can be effectively suppressed.
請求項5に記載の発明のように、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の伝熱装置において、多数の細孔(5)が互いに独立していてもよい。
As in the invention described in
請求項6に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の伝熱装置において、多数の細孔(5)のうち少なくとも一部が、互いに連通していることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the heat transfer device according to any one of the first to fourth aspects, at least some of the large number of pores (5) communicate with each other. Yes.
これによれば、細孔(5)の長さ方向の振動流れを生じさせるだけでなく、他の細孔(5)の一部と連通孔を介して循環流れも生じることとなり、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができる。 According to this, not only the vibration flow in the length direction of the pores (5) is generated, but also a circulation flow is generated through a part of the other pores (5) and the communication holes. Heat transfer between (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be performed efficiently.
請求項7に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の伝熱装置において、多数の細孔(5)の全てが連通していることを特徴としている。
The invention as set forth in claim 7 is characterized in that in the heat transfer device according to any one of
これによれば、細孔(5)の長さ方向の振動流れを生じさせるだけでなく、他の全ての細孔(5)との連通孔を介して循環流れも生じることとなり、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができる。 According to this, not only the vibration flow in the length direction of the pores (5) is generated, but also a circulation flow is generated through the communication holes with all the other pores (5). Heat transfer between (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be performed efficiently.
請求項8に記載の発明のように、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の伝熱装置において、流体が細孔(5)に満たされていてもよい。
As in the invention according to
請求項9に記載の発明では、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の伝熱装置において、流体が液体であり、細孔(5)の内部に気体(12)が存在していることを特徴としている。
In invention of
これによれば、液体に対して熱音響自励振動の振幅が大きい気体が熱音響自励振動を発生することで、細孔(5)の内部に液体のみが存在している場合に対して、より振幅の増幅された振動流れを生じさせることができるので、伝熱面(3、3a、3b、11)と流体との熱移動を効率良く行なうことができる。 According to this, a gas having a large amplitude of thermoacoustic self-excited vibration with respect to the liquid generates thermoacoustic self-excited vibration, so that only the liquid exists inside the pore (5). Since the vibration flow with an amplified amplitude can be generated, the heat transfer between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid can be performed efficiently.
請求項10に記載の発明では、請求項9に記載の伝熱装置において、気体が、空気に比較して液体に溶存しにくい気体(12)であることを特徴としている。
The invention according to
これによれば、気体(12)が液体に溶存しにくいため、熱音響自励振動の増幅効果をより一層有効に発揮できる。 According to this, since the gas (12) is hardly dissolved in the liquid, the amplification effect of the thermoacoustic self-excited vibration can be more effectively exhibited.
なお、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ものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
図1〜図2により本発明の第1実施形態について説明する。図1(a)は本発明の伝熱装置を空冷式放熱器1に応用したもので、空冷式放熱器1を電子装置2に取り付けた状態の正面図である。図1(b)はその側面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a front view of a state in which the heat transfer device of the present invention is applied to an air-cooled
空冷式放熱器1は板状の基材部1aと板状のフィン部1bで構成されており、フィン部1bは基材部1aの板状平面に垂直に等間隔に配置されている。空冷式放熱器1の材料は熱伝導率の高い金属の一種であり、具体的にはアルミニウムである。基材部1aとフィン部1bは一体に構成されている。
The air-cooled
電子装置2は例えば、CPU、トランジスタ集積回路等である。電子装置2は図示しない電子回路基板上にはんだ付け等で固定されており、空冷式放熱器1は電子装置2に図示しないネジ止め又は接着等の手段により固定されている。また、図示しないファンにより、フィン部1bの板面と平行な方向(図1(b)の矢印Bの方向)に空気が流れるようになっている。
The
この空冷式放熱器1の基材部1aとフィン部1bの外表面は伝熱面3a、3bとなり、多孔質層4が形成されている。図1の破線は多孔質層4を形成する範囲を示している。ここで、空冷式放熱器1と電子装置2との接触面には多孔質層4は形成しないことが望ましい。固体と固体とが接触する伝熱では熱音響自励振動の発生による伝熱促進が期待できないので、多孔質層4を介して接触させるよりも、固体同士が直接接触する方が伝熱性が良いからである。
The outer surfaces of the
次に、伝熱面3a、3bに多孔質層4を形成する方法を説明する。多孔質層4を形成するためには周知の陽極酸化法を用いる。具体的には伝熱面3a、3bの機械研磨による表面の平滑化→脱脂→水洗などの前処理を行なった後に、空冷式放熱器1を陽極として、3〜8%のシュウ酸溶液を電解液として直流又は交流電圧を印加し、それによって空冷式放熱器1の表面(アルミニウム表面)に電気化学反応を起こさせる。この電気化学反応により溶け出したアルミニウムは電解液中の酸素と結合して伝熱面3a、3bに酸化アルミニウムの多孔質皮膜、すなわち多孔質層4を形成する。
Next, a method for forming the
アルミニウムの陽極酸化法では前処理段階でテクスチャリング処理を行なうことや、電解液濃度、電解電圧および温度等により、多孔質層4の細孔5の形状を制御できる。
In the aluminum anodic oxidation method, the shape of the
本実施形態では、多孔質層4の厚みを1μm〜200μmとして、細孔5の直径を10nm〜500nmとして多孔質層4の細孔5の形状を制御したので、
アスペクト比L/D≧1774・L0.5の関係を満足させることができる。
In the present embodiment, since the thickness of the
The relationship of aspect ratio L / D ≧ 1774 · L 0.5 can be satisfied.
また、本実施形態では、多孔質層4を形成する酸化アルミニウムの温度が300〜350K程度なので、酸化アルミニウムの熱伝導率λaは20W/(m・K)程度となり、細孔5内の空気の熱伝導率λbは約0.25W/(m・K)となる。さらに、本実施形態の陽極酸化法による多孔質層4の気孔率Pは0.163程度であるので、多孔質層4の等価熱伝導率λは
λ=λa・(1−P)+λb・P
より16.8W/(m・K)となる。
In this embodiment, since the temperature of the aluminum oxide forming the
16.8 W / (m · K).
以上より、本実施形態の多孔質層4の細孔5は請求項2に記載のアスペクト比の条件を満足し、多孔質層4の等価熱伝導率(λ)も請求項2に記載の条件を満足することができる。
From the above, the
なお、アルミニウムの陽極酸化法では空冷式放熱器1の全ての表面に多孔質層4が形成されてしまうため、電子装置2との接触面についてはマスキング処理にて多孔質層4を形成しない。又は、陽極酸化法にて多孔質層4を形成した後に電子装置2との接触面について研磨加工を行なうことで多孔質層4を排除してある。これによって空冷式放熱器1と電子装置2は直接接触することができる。
Since the
図2(a)は多孔質層4を拡大し、伝熱面3a、3bの垂直方向から見た概略の上面図であり、図2(b)は(a)のC−C断面である。陽極酸化法にて形成された多孔質層4の細孔5は規則正しい直管状に形成される。また、細孔5の長さ方向は伝熱面3a、3bと垂直な方向に形成されている。なお、多孔質層4には細孔5の底部に位置する底面部4aが残存するが、一般に多孔質層4が形成されていないアルミニウムの表面であっても、酸化アルミニウムの層は発生しており、底面部4aが残存していても伝熱性能を悪化させる要因にはならない。
FIG. 2A is an enlarged top view of the
以上のような構成において、電子装置2が回路基板を介して電源供給され発熱すると、この発熱した熱量は、電子装置2と空冷式放熱器1との接触面より空冷式放熱器1に伝熱される。空冷式放熱器1に伝熱した熱量は基材部1aとフィン部1bの多孔質層4を形成した伝熱面3a、3bより、伝熱面3a、3bの表面近傍を通過する空気に放熱される。これにより、電子装置2が発熱した熱量が空気に放熱され、電子装置2の温度上昇を防ぐことができる。
In the above configuration, when the
本実施形態では、伝熱面3a、3bに多孔質層4が形成されているので、多孔質層4の細孔5のアスペクト比と、伝熱面3a、3bと空気との温度差によって生じる多孔質層4の温度勾配とによって、細孔5内の空気は熱音響自励振動を生じている。この熱音響自励振動によって、細孔5内の空気は細孔5の長さ方向(図2の矢印Gの方向)に振動流れを生じている。
In this embodiment, since the
一方、伝熱面3a、3bの近傍を通過する空気の主流は矢印Bに示す方向に流れているので、細孔5内の空気の振動流れは、空気の主流方向に対して垂直な方向成分を有する。よって、伝熱面3a、3bと空気との熱移動を効率良く行なうことができ、伝熱性能を向上させることができる。
On the other hand, since the main flow of air passing in the vicinity of the heat transfer surfaces 3a and 3b flows in the direction indicated by the arrow B, the vibration flow of the air in the
なお、多孔質層4を形成する方法として、エッチング法、メッキ法、ナノ粒子を焼結する方法を用いることや、陽極酸化法とこれらの方法とを組み合わせて用いることも可能である。これらの方法を用いることで、図2に示すような規則正しい直管状の細孔5以外にも、図3に示すような少なくとも一部の細孔5が連通している多孔質層4や、図4に示すような全ての細孔5が連通している多孔質層4を形成することも可能である。
In addition, as a method of forming the
図3のように少なくとも一部の細孔5が連通している場合は、矢印G方向の振動流れのみならず、各細孔を流体が出入りする際の抵抗の相違によって、細孔5内の流体が他の細孔5へ移動する矢印Hの方向の循環流れも生じる。これら振動流れと循環流れによって伝熱面3a、3bと空気との熱移動を効率良く行なうことができる。
When at least some of the
図4のように全ての細孔5が連通している場合も、同様に矢印G方向の振動流れと矢印H方向の循環流れによって伝熱面3a、3bと空気との熱移動を効率良く行なうことができる。
Similarly, when all the
(第2実施形態)
第1実施形態では、電子装置2の発熱する熱量を空気に放熱する空冷式放熱器1について説明したが、第2実施形態は液体と空気の間で熱交換を行なう熱交換器6について、図5〜6を用いて説明する。第2実施形態における液体は具体的には温水である。図5(a)は本発明の伝熱装置を熱交換器6に応用したもので、熱交換器6の側面の概略図であり、図5(b)は(a)のE−E断面図である。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the air-cooled
熱交換器6では入口パイプ7a→入口タンク7→チューブ8→出口タンク9→出口パイプ9aの順に温水が流れる。入口タンク7の側壁には複数のチューブ8と嵌合させるための嵌合支持孔7bが一定間隔で設けられており、出口タンク9の側面にも同様の嵌合支持孔9bが設けられている。チューブ8はチューブ8は断面扁平形状の管であり、一端部が嵌合支持孔7bに嵌合され、他の端部が嵌合支持穴9bに嵌合されるように配置されている。複数のコルゲートフィン10はチューブ8の間隔に適合するように、波状に折り曲げられた薄板で、チューブ8の間に配置されている。
In the heat exchanger 6, hot water flows in the order of the
入口タンク7、出口タンク9、チューブ8、コルゲートフィン10の材質は熱伝導率の高い金属の一種であり、具体的にはアルミニウムである。入口タンク7、出口タンク9、チューブ8、コルゲートフィン10は仮組みされた後に、一体にろう付け結合されている。また、図示しないファンにより、コルゲートフィン10の波面と平行な方向(図5(b)の矢印Bの方向)に空気が流れるようになっている。
The material of the inlet tank 7, the
熱交換器6では、チューブ8の内面が温水からチューブ8へ伝熱する液体側伝熱面11になり、コルゲートフィン10の表面がコルゲートフィン10から空気へ伝熱する空気側伝熱面3になり、それぞれ多孔質層4b、4cが形成されている。
In the heat exchanger 6, the inner surface of the
図5(b)の二点鎖線はチューブ8の内面に多孔質層4bを形成する範囲を示している。また、破線はコルゲートフィン10の表面に多孔質層4cを形成する範囲を示している。なお、第1実施形態と同様にチューブ8からコルゲートフィン10の伝熱では、固体同士を直接接触させることが望ましい。また、コルゲートフィン10は極めて薄いので、多孔質層4cの形成後に多孔質層4cを研磨加工などで排除することは難しい。
A two-dot chain line in FIG. 5B indicates a range in which the
そこで、熱交換器6を一体ろう付けした後に陽極酸化法を用いて多孔質層4b、4cを形成する。これにより、多孔質層4b、4cを同時に形成でき、チューブ8とコルゲートフィン10との接触面より多孔質層4cを排除できる。
Therefore, after the heat exchanger 6 is integrally brazed, the
また、液体側伝熱面11では温水がチューブ8を通過する際の圧力損失の上昇を抑制するため、多孔質層4bの厚みはチューブ8内の温水通路の代表直径の内径の20%以下の値にしてある。
Further, in order to suppress an increase in pressure loss when hot water passes through the
さらに、液体側伝熱面11の多孔質層4bの細孔5内には気体12を存在させておく。気体12は空気と比較して水に溶存しにくく、かつ溶存量が水温の影響を受けにくいヘリウム12を用いる。具体的には、多孔質層4bの形成過程においてチューブ8の内部を真空引きしてヘリウム12に置換する。この時、ヘリウム置換する際のチューブ8内のヘリウム12の圧力を調整させることによって細孔5内のヘリウム12の量を調整する。さらにその後、温水をチューブ8に導入する。
Further, a
多孔質層4bの細孔5内のヘリウム12は多孔質層4b内を移動することはあるが、細孔5が極めて微小な空間であるので、多孔質層4bから抜け出しにくい。このため、チューブ8に温水を導入することで、ヘリウム12が細孔5内に残存させておくことができる。この時、細孔5に残存するヘリウム12の体積は、常温で細孔5の体積の50%以下が望ましい。
Although
以上のような構成において、温水の熱量は液体側伝熱面11より、チューブ8へ伝熱する。チューブ8に伝熱した熱量はチューブ8とコルゲートフィン10との接触面からコルゲートフィン10へ伝熱され、コルゲートフィン10に伝熱した熱量は空気側伝熱面3より、空気側伝熱面3の表面近傍を通過する空気に放熱される。
In the above configuration, the heat quantity of the hot water is transferred from the liquid side
本実施形態では、液体側伝熱面11に多孔質層4bが形成されているので、液体側伝熱面11の多孔質層4bの細孔5のアスペクト比と、多孔質層4bの温度勾配とによって、細孔5内の温水とヘリウム12は熱音響自励振動を生じている。この時、温水に対して温度変化による体積変化の大きいヘリウム12が熱音響自励振動を発生しているので、細孔5内で温水のみが振動している場合に対して、より一層、振幅の増幅された振動流れを生じさせることができる。この熱音響自励振動によって、細孔5内の温水およびヘリウム12は細孔5の長さ方向(図6の矢印Gの方向)に振動流れを生じている。
In this embodiment, since the
一方、液体側伝熱面11を通過する温水の主流は矢印Bに示す方向に流れているので、細孔5内の温水およびヘリウム12の振動流れは、温水の主流方向に対して垂直な方向成分を有することとなる。よって、液体側伝熱面11と温水との熱移動を効率良く行なうことができ、伝熱性能を向上させることができる。
On the other hand, since the main flow of hot water passing through the liquid side
なお、第1実施形態と同様に、図6に示すような規則正しい直管状の細孔5以外にも、図7に示すような少なくとも一部の細孔5が連通している多孔質層4bや、図8に示すような全ての細孔5が連通している多孔質層4bを形成することも可能である。
As in the first embodiment, in addition to the regular straight
図7のように少なくとも一部の細孔5が連通している場合は、矢印G方向の振動流れのみならず、矢印Hの方向の循環流れも生じる。これらの増幅された振動流れと循環流れによって温水と液体側伝熱面11との熱移動を効率良く行なうことができる。
When at least a part of the
図8のように全ての細孔5が連通している場合も、同様に増幅された矢印G方向の振動流れと矢印H方向の循環流れによって、温水と液体側伝熱面11との熱移動を効率良く行なうことができる。
Even when all the
また、コルゲートフィン10から空気へ伝熱する空気側伝熱面3の多孔質層4cの細孔5内の空気は第1実施形態と同様の熱音響自励振動を生じ、熱移動を効率良く行なうことができる。
Further, the air in the
(第3実施形態)
第1実施形態では、電子装置2の発熱する熱量を気体である空気に放熱する空冷式放熱器1について説明したが、第3実施形態では電子装置2の熱量を液体に放熱する液冷式放熱器13について図9を用いて説明する。第3実施形態における液体は具体的には冷却水である。図9(a)は液冷式放熱器13を電子装置2に取り付けた状態の側面図であり、図9(b)は(a)のI−I断面図である。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the air-cooled
液冷式放熱器13には平板状で、一の側面に冷却水流入パイプ14aが設けられており、他の端面には冷却水流出パイプ14bが設けられている。又、液冷式放熱器13には冷却水流入パイプ14aから冷却水流出パイプ14bを貫通するように、複数の貫通孔が一定間隔で設けられている。この貫通孔が冷却水の通路となる冷却水通路14を構成し、冷却液は冷却水流入パイプ14a→冷却水通路14→冷却水流出パイプ14bの順に流れる。液冷式放熱器13の材質は熱伝導率の高い金属の一種であり、具体的にはアルミニウムである。
The liquid-cooled
電子装置2は第1実施形態と同様であり、液冷式放熱器13は電子装置2に図示しないネジ止め構造又は接着等の手段により固定されている。
The
この液冷式放熱器13の冷却水通路14を構成する貫通孔の内表面は液体側伝熱面11となり、多孔質層4が形成されている。図9の破線は多孔質層4を形成する範囲を示している。多孔質層4は第2実施形態と同様な方法で多孔質層4の細孔5にヘリウム12を残存させておく。
The inner surface of the through hole constituting the cooling
ここで、陽極酸化法にて多孔質層4を形成すると液冷式放熱器13の全ての外表面に多孔質層4が形成されてしまう。しかし、第1実施形態と同様に電子装置2から液冷式放熱器13への伝熱では、固体同士を直接接触させることが望ましい。そこで、電子装置2との接触面についてはマスキング処理や、多孔質層4を形成した後の研磨加工を施すことで、電子装置2と液冷式放熱器13が直接接触できるようにしてある。
Here, when the
以上のような構成において、電子装置2の熱量は液冷式放熱器13に伝熱され、液冷式放熱器13に伝熱した熱量は液体側伝熱面11より冷却水に放熱される。
In the configuration as described above, the heat amount of the
本実施形態では、液体側伝熱面11に多孔質層4が形成されているので、第2実施形態と同様に冷却水とヘリウム12の熱音響自励振動により、熱移動を効率良く行なうことができる。
In the present embodiment, since the
(その他の実施形態)
第1〜第3の実施形態では本発明の応用例として、熱量を空気や液体に放熱する放熱器や、温水と空気の熱交換を行なう放熱器について説明したが、本発明の伝熱装置は液体同士や気体同士の熱交換を行なう熱交換器や、相変化を伴う液冷媒と気体や液体との熱交換を行なう熱交換器などにも広く応用可能である。例えば、温水用加熱器、空調用凝縮器、空調用蒸発器等に応用可能である。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments, as an application example of the present invention, a radiator that radiates heat to air or liquid and a radiator that performs heat exchange between hot water and air have been described. The present invention can be widely applied to heat exchangers that perform heat exchange between liquids and gases, and heat exchangers that perform heat exchange between a liquid refrigerant accompanying a phase change and gas or liquid. For example, the present invention can be applied to a warm water heater, an air conditioning condenser, an air conditioning evaporator, and the like.
又、第1〜第3の実施形態では伝熱装置の材質に熱伝導率の高い金属の一種として、アルミニウムを用いているが、実施形態と同様な方法で多孔質層4の細孔5のアスペクト比を制御可能な銅、ステンレスなどの材質を用いても実施可能である。
In the first to third embodiments, aluminum is used as a kind of metal having high thermal conductivity for the material of the heat transfer device, but the
3、3a、3b、11…伝熱面、4、4b、4c…多孔質層、5…細孔、12…気体。 3, 3a, 3b, 11 ... heat transfer surface, 4, 4b, 4c ... porous layer, 5 ... pore, 12 ... gas.
Claims (10)
前記伝熱面(3、3a、3b、11)と前記流体の境界部には多孔質層(4、4b、4c)が設けられており、
前記多孔質層(4、4b、4c)は少なくとも前記流体の領域に通じる多数の細孔(5)を有しており、
前記細孔(5)内の流体に熱音響自励振動を発生させるようになっていることを特徴とする伝熱装置。 In the heat transfer device for transferring heat between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid,
A porous layer (4, 4b, 4c) is provided at the boundary between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid,
The porous layer (4, 4b, 4c) has a number of pores (5) leading to at least the region of the fluid;
A heat transfer device characterized in that thermoacoustic self-excited vibration is generated in the fluid in the pores (5).
前記伝熱面(3、3a、3b、11)と前記流体の境界部には多孔質層(4、4b、4c)が設けられており、
前記多孔質層(4、4b、4c)は少なくとも前記流体の領域に通じる多数の細孔(5)を有しており、
前記細孔(5)の代表長さ(L)と前記細孔(5)の代表直径(D)の比であるアスペクト比(L/D)が
L/D≧1774・L0.5
であり、
前記多孔質層(4、4b、4c)の等価熱伝導率(λ)が20W/(m・K)以下であり、
前記細孔(5)内の流体に熱音響自励振動を発生させるようになっていることを特徴とする伝熱装置。 In the heat transfer device for transferring heat between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid,
A porous layer (4, 4b, 4c) is provided at the boundary between the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11) and the fluid,
The porous layer (4, 4b, 4c) has a number of pores (5) leading to at least the region of the fluid;
The aspect ratio (L / D), which is the ratio of the representative length (L) of the pores (5) and the representative diameter (D) of the pores (5), is L / D ≧ 1774 · L 0.5
And
The porous layer (4, 4b, 4c) has an equivalent thermal conductivity (λ) of 20 W / (m · K) or less,
A heat transfer device characterized in that thermoacoustic self-excited vibration is generated in the fluid in the pores (5).
The heat transfer device according to claim 9, wherein the gas (12) is a gas that is less soluble in the liquid than air.
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