JP2006207968A - Heat transfer device - Google Patents

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Kimikazu Obara
公和 小原
Seiji Inoue
誠司 井上
Yasumasa Hagiwara
康正 萩原
Eiichi Torigoe
栄一 鳥越
Akito Torii
明人 鳥居
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve heat transfer performance of a heat transfer device without increasing a pressure loss of a fluid passage carrying a fluid receiving heat exchange. <P>SOLUTION: In the heat transfer device 1 carrying out heat transfer between heat transfer surfaces 3a and 3b, and the fluid, a porous layer 4 is provided in a boundary part of of the heat transfer surfaces 3a and 3b, and the fluid, the porous layer 4 has a multiplicity of pores 5 communicated with at least an area of the fluid, and thermoacoustic self-induced vibration is generated in the fluid in the pore 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&amp;NCIPI

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, Patent Document 1 discloses the following technique as a technique for improving the heat transfer performance of a heat transfer device.

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。
特開2003−240473号公報
With this metal porous member, the area of the heat transfer portion can be increased, and the heat transfer performance can be improved.
JP 2003-240473 A

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 claim 2, 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, 3b, 11) and the fluid Is provided with a porous layer (4, 4b, 4c), and the porous layer (4, 4b, 4c) has a large number of pores (5) leading to at least the fluid region. The aspect ratio (L / D), which is the ratio of the representative length (L) of the pores (5) to the representative diameter (D) of the pores (5), is L / D ≧ 1774 · L 0.5 and is porous The layer (4, 4b, 4c) has an equivalent thermal conductivity (λ) of 20 W / (m · K) or less, and generates thermoacoustic self-excited vibration in the fluid in the pore (5). It is characterized by that.

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 claim 5, in the heat transfer device described in any one of claims 1 to 4, the multiple pores (5) may be independent of each other.

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 claims 1 to 4, all of the large number of pores (5) communicate with each other.

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 claim 8, in the heat transfer device according to any one of claims 1 to 7, the fluid may be filled in the pores (5).

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 Claim 9, in the heat-transfer apparatus as described in any one of Claim 1 thru | or 7, the fluid is a liquid and the gas (12) exists in the inside of a pore (5). It is characterized by that.

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 claim 10 is characterized in that, in the heat transfer device according to claim 9, the gas is a gas (12) that is less soluble in the liquid than air.

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 radiator 1 and the air-cooled radiator 1 is attached to an electronic device 2. FIG. 1B is a side view thereof.

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 radiator 1 is composed of a plate-like base material portion 1a and a plate-like fin portion 1b, and the fin portions 1b are arranged at equal intervals perpendicular to the plate-like plane of the base material portion 1a. The material of the air-cooled radiator 1 is a kind of metal having high thermal conductivity, and specifically aluminum. The base material portion 1a and the fin portion 1b are integrally formed.

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 electronic device 2 is, for example, a CPU, a transistor integrated circuit, or the like. The electronic device 2 is fixed on an electronic circuit board (not shown) by soldering or the like, and the air-cooled radiator 1 is fixed to the electronic device 2 by means such as screwing or bonding (not shown). Further, air flows in a direction parallel to the plate surface of the fin portion 1b (in the direction of arrow B in FIG. 1B) by a fan (not shown).

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 base material portion 1a and the fin portion 1b of the air-cooled radiator 1 are heat transfer surfaces 3a and 3b, and a porous layer 4 is formed. A broken line in FIG. 1 indicates a range in which the porous layer 4 is formed. Here, it is desirable that the porous layer 4 is not formed on the contact surface between the air-cooled radiator 1 and the electronic device 2. Since heat transfer by solid-solid contact cannot be expected to promote heat transfer due to the generation of thermoacoustic self-excited vibration, it is better to directly contact the solids than to contact via the porous layer 4. Because.

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 porous layer 4 on the heat transfer surfaces 3a and 3b will be described. In order to form the porous layer 4, a known anodic oxidation method is used. Specifically, after surface treatment by mechanical polishing of the heat transfer surfaces 3a and 3b → degreasing → washing with water, etc., 3-8% oxalic acid solution is electrolyzed using the air-cooled radiator 1 as an anode. A direct current or an alternating voltage is applied as a liquid, thereby causing an electrochemical reaction on the surface (aluminum surface) of the air-cooled radiator 1. Aluminum dissolved by this electrochemical reaction is combined with oxygen in the electrolytic solution to form a porous aluminum oxide film, that is, a porous layer 4 on the heat transfer surfaces 3a and 3b.

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 pores 5 of the porous layer 4 can be controlled by performing the texturing process in the pretreatment stage, the electrolytic solution concentration, the electrolytic voltage, the temperature, and the like.

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 porous layer 4 is 1 μm to 200 μm, the diameter of the pore 5 is 10 nm to 500 nm, and the shape of the pore 5 of the porous layer 4 is controlled,
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 porous layer 4 is about 300 to 350 K, the thermal conductivity λa of the aluminum oxide is about 20 W / (m · K), and the air in the pores 5 The thermal conductivity λb is about 0.25 W / (m · K). Furthermore, since the porosity P of the porous layer 4 by the anodic oxidation method of this embodiment is about 0.163, the equivalent thermal conductivity λ of the porous layer 4 is λ = λa · (1−P) + λb · P.
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 pores 5 of the porous layer 4 of the present embodiment satisfy the aspect ratio condition described in claim 2, and the equivalent thermal conductivity (λ) of the porous layer 4 also satisfies the condition described in claim 2. Can be satisfied.

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 porous layer 4 is formed on the entire surface of the air-cooled radiator 1 in the anodizing method of aluminum, the porous layer 4 is not formed on the contact surface with the electronic device 2 by masking. Alternatively, after the porous layer 4 is formed by the anodic oxidation method, the porous layer 4 is eliminated by polishing the contact surface with the electronic device 2. As a result, the air-cooled radiator 1 and the electronic device 2 can be in direct contact.

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 porous layer 4 as viewed from the vertical direction of the heat transfer surfaces 3a and 3b, and FIG. 2B is a CC cross section of FIG. The pores 5 of the porous layer 4 formed by the anodic oxidation method are formed in a regular straight tube. The length direction of the pores 5 is formed in a direction perpendicular to the heat transfer surfaces 3a and 3b. In addition, although the bottom face part 4a located in the bottom part of the pore 5 remains in the porous layer 4, even if it is the surface of the aluminum in which the porous layer 4 is not generally formed, the layer of aluminum oxide has generate | occur | produced. Even if the bottom surface portion 4a remains, it does not cause deterioration of the heat transfer performance.

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 electronic device 2 is supplied with power through the circuit board and generates heat, the generated heat is transferred to the air-cooled radiator 1 from the contact surface between the electronic device 2 and the air-cooled radiator 1. It is. The amount of heat transferred to the air-cooled radiator 1 is dissipated from the heat transfer surfaces 3a and 3b on which the porous layer 4 of the base portion 1a and the fin portion 1b is formed to the air passing near the surface of the heat transfer surfaces 3a and 3b. Is done. Thereby, the amount of heat generated by the electronic device 2 is radiated to the air, and the temperature rise of the electronic device 2 can be prevented.

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 porous layer 4 is formed on the heat transfer surfaces 3a and 3b, it is generated by the aspect ratio of the pores 5 of the porous layer 4 and the temperature difference between the heat transfer surfaces 3a and 3b and air. Due to the temperature gradient of the porous layer 4, the air in the pores 5 generates thermoacoustic self-excited vibration. By this thermoacoustic self-excited vibration, the air in the pore 5 generates a vibration flow in the length direction of the pore 5 (the direction of arrow G in FIG. 2).

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 pore 5 is a directional component perpendicular to the main flow direction of the air Have Therefore, the heat transfer between the heat transfer surfaces 3a and 3b and the air can be efficiently performed, and the heat transfer performance can be improved.

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 porous layer 4, it is also possible to use an etching method, a plating method, a method of sintering nanoparticles, or a combination of an anodic oxidation method and these methods. By using these methods, in addition to the regular straight tubular pores 5 as shown in FIG. 2, at least a part of the pores 5 as shown in FIG. It is also possible to form a porous layer 4 in which all the pores 5 communicate with each other as shown in FIG.

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 pores 5 communicate with each other as shown in FIG. 3, not only the vibration flow in the direction of arrow G but also the difference in resistance when fluid enters and exits each pore, A circulating flow in the direction of arrow H in which the fluid moves to the other pore 5 also occurs. By these vibration flow and circulation flow, heat transfer between the heat transfer surfaces 3a and 3b and the air can be performed efficiently.

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 pores 5 are in communication as shown in FIG. 4, the heat transfer between the heat transfer surfaces 3a and 3b and the air is efficiently performed by the vibration flow in the direction of arrow G and the circulation flow in the direction of arrow H. be able to.

(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 radiator 1 that radiates heat generated by the electronic device 2 to the air has been described. However, the second embodiment illustrates the heat exchanger 6 that performs heat exchange between liquid and air. It demonstrates using 5-6. Specifically, the liquid in the second embodiment is warm water. FIG. 5A is an application of the heat transfer device of the present invention to the heat exchanger 6, and is a schematic view of the side surface of the heat exchanger 6, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. It is.

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 inlet pipe 7a → the inlet tank 7 → the tube 8 → the outlet tank 9 → the outlet pipe 9a. Fitting support holes 7b for fitting with a plurality of tubes 8 are provided at regular intervals on the side wall of the inlet tank 7, and a similar fitting support hole 9b is also provided on the side surface of the outlet tank 9. . The tube 8 is a tube having a flat cross section, and is arranged such that one end is fitted into the fitting support hole 7b and the other end is fitted into the fitting support hole 9b. The plurality of corrugated fins 10 are thin plates bent in a wave shape so as to fit the interval between the tubes 8, and are arranged between the tubes 8.

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 outlet tank 9, the tube 8, and the corrugated fin 10 is a kind of metal having a high thermal conductivity, and specifically aluminum. The inlet tank 7, the outlet tank 9, the tube 8, and the corrugated fin 10 are temporarily assembled and then brazed together. Further, air flows in a direction parallel to the wave front of the corrugated fin 10 (direction of arrow B in FIG. 5B) by a fan (not shown).

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 tube 8 becomes the liquid side heat transfer surface 11 that transfers heat from the hot water to the tube 8, and the surface of the corrugated fin 10 changes to the air side heat transfer surface 3 that transfers heat from the corrugated fin 10 to the air. The porous layers 4b and 4c are formed respectively.

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 porous layer 4 b is formed on the inner surface of the tube 8. A broken line indicates a range in which the porous layer 4 c is formed on the surface of the corrugated fin 10. In addition, in the heat transfer from the tube 8 to the corrugated fin 10 as in the first embodiment, it is desirable that the solids are brought into direct contact with each other. Further, since the corrugated fin 10 is extremely thin, it is difficult to remove the porous layer 4c by polishing or the like after the formation of the porous layer 4c.

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 porous layers 4b and 4c are formed by using an anodic oxidation method. Thereby, the porous layers 4b and 4c can be formed simultaneously, and the porous layer 4c can be excluded from the contact surface between the tube 8 and the corrugated fin 10.

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 tube 8 on the liquid side heat transfer surface 11, the thickness of the porous layer 4 b is 20% or less of the inner diameter of the representative diameter of the hot water passage in the tube 8. Value.

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 gas 12 is allowed to exist in the pores 5 of the porous layer 4 b of the liquid side heat transfer surface 11. As the gas 12, helium 12 is used which is less soluble in water than the air and whose dissolved amount is less affected by the water temperature. Specifically, in the process of forming the porous layer 4b, the inside of the tube 8 is evacuated and replaced with helium 12. At this time, the amount of helium 12 in the pore 5 is adjusted by adjusting the pressure of the helium 12 in the tube 8 at the time of helium replacement. Thereafter, hot water is introduced into the tube 8.

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 helium 12 in the pores 5 of the porous layer 4b may move in the porous layer 4b, it is difficult for the helium 12 to escape from the porous layer 4b because the pores 5 are extremely small spaces. For this reason, helium 12 can remain in the pores 5 by introducing warm water into the tube 8. At this time, the volume of helium 12 remaining in the pores 5 is desirably 50% or less of the volume of the pores 5 at room temperature.

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 heat transfer surface 11 to the tube 8. The amount of heat transferred to the tube 8 is transferred from the contact surface between the tube 8 and the corrugated fin 10 to the corrugated fin 10, and the amount of heat transferred to the corrugated fin 10 is greater than the air-side heat transfer surface 3 than the air-side heat transfer surface 3. The heat is dissipated to the air passing near the surface.

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 porous layer 4b is formed on the liquid side heat transfer surface 11, the aspect ratio of the pores 5 of the porous layer 4b on the liquid side heat transfer surface 11 and the temperature gradient of the porous layer 4b. As a result, the hot water and the helium 12 in the pores 5 generate thermoacoustic self-excited vibrations. At this time, since helium 12 having a large volume change due to temperature change with respect to hot water generates thermoacoustic self-excited vibration, the amplitude is further increased compared to the case where only hot water vibrates in the pore 5. Amplified vibrational flow can be generated. Due to this thermoacoustic self-excited vibration, the hot water and helium 12 in the pores 5 oscillate in the length direction of the pores 5 (the direction of the arrow G in FIG. 6).

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 heat transfer surface 11 flows in the direction indicated by the arrow B, the oscillating flow of the hot water and the helium 12 in the pores 5 is perpendicular to the main flow direction of the hot water. Will have ingredients. Therefore, the heat transfer between the liquid side heat transfer surface 11 and the hot water can be performed efficiently, and the heat transfer performance can be improved.

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 tubular pores 5 as shown in FIG. 6, a porous layer 4b in which at least a part of the pores 5 as shown in FIG. It is also possible to form a porous layer 4b in which all the pores 5 communicate with each other as shown in FIG.

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 pores 5 are in communication as shown in FIG. 7, not only a vibration flow in the direction of arrow G but also a circulation flow in the direction of arrow H occurs. The heat transfer between the hot water and the liquid side heat transfer surface 11 can be efficiently performed by the amplified vibration flow and circulation flow.

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 pores 5 are in communication as shown in FIG. 8, the heat transfer between the hot water and the liquid-side heat transfer surface 11 is similarly caused by the amplified vibration flow in the arrow G direction and the circulation flow in the arrow H direction. Can be performed efficiently.

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 pores 5 of the porous layer 4c of the air side heat transfer surface 3 that transfers heat from the corrugated fins 10 to the air causes the same thermoacoustic self-excited vibration as in the first embodiment, and the heat transfer is efficiently performed. Can be done.

(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 radiator 1 that radiates the heat generated by the electronic device 2 to the gaseous air has been described. The vessel 13 will be described with reference to FIG. Specifically, the liquid in the third embodiment is cooling water. FIG. 9A is a side view of the liquid-cooled radiator 13 attached to the electronic device 2, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.

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 radiator 13 is flat and has a cooling water inflow pipe 14a on one side surface, and a cooling water outflow pipe 14b on the other end surface. The liquid-cooled radiator 13 is provided with a plurality of through holes at regular intervals so as to penetrate the cooling water inflow pipe 14a from the cooling water inflow pipe 14a. This through hole constitutes a cooling water passage 14 serving as a cooling water passage, and the coolant flows in the order of the cooling water inflow pipe 14a → the cooling water passage 14 → the cooling water outflow pipe 14b. The material of the liquid-cooled radiator 13 is a kind of metal having high thermal conductivity, specifically aluminum.

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 electronic device 2 is the same as that of the first embodiment, and the liquid-cooled radiator 13 is fixed to the electronic device 2 by means of a screwing structure or an adhesive (not shown).

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 water passage 14 of the liquid cooling radiator 13 becomes the liquid side heat transfer surface 11, and the porous layer 4 is formed. A broken line in FIG. 9 indicates a range in which the porous layer 4 is formed. In the porous layer 4, helium 12 is left in the pores 5 of the porous layer 4 in the same manner as in the second embodiment.

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 porous layer 4 is formed by the anodic oxidation method, the porous layer 4 is formed on the entire outer surface of the liquid-cooled radiator 13. However, as in the first embodiment, in heat transfer from the electronic device 2 to the liquid-cooled radiator 13, it is desirable that the solids are in direct contact with each other. Therefore, the contact surface with the electronic device 2 is subjected to a masking process or a polishing process after the porous layer 4 is formed so that the electronic device 2 and the liquid-cooled radiator 13 can directly contact each other.

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 electronic device 2 is transferred to the liquid-cooled radiator 13, and the heat amount transferred to the liquid-cooled radiator 13 is radiated from the liquid-side heat transfer surface 11 to the cooling water.

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 porous layer 4 is formed on the liquid-side heat transfer surface 11, heat transfer can be efficiently performed by thermoacoustic self-excited vibration of cooling water and helium 12 as in the second embodiment. Can do.

(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 pores 5 of the porous layer 4 are formed in the same manner as in the embodiment. It is also possible to use a material such as copper or stainless steel whose aspect ratio can be controlled.

(a)は第1実施形態の空冷式放熱器の正面図であり、(b)は左側面図である。(A) is a front view of the air-cooling type heat radiator of 1st Embodiment, (b) is a left view. (a)は第1実施形態の多孔質層の概略構造を表す拡大上面図であり、(b)は(a)のC−C断面図である。(A) is an enlarged top view showing the schematic structure of the porous layer of 1st Embodiment, (b) is CC sectional drawing of (a). 第1実施形態における別の多孔質層の概略構造を表す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the schematic structure of another porous layer in a 1st embodiment. 第1実施形態における更に別の多孔質層の概略構造を表す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the schematic structure of another porous layer in a 1st embodiment. (a)は第2実施形態の熱交換器の左側面図であり、(b)は(a)のE−E断面図である。(A) is a left view of the heat exchanger of 2nd Embodiment, (b) is EE sectional drawing of (a). 第2実施形態の多孔質層の細孔に気体が存在する状態を表す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the state where gas exists in the pore of the porous layer of a 2nd embodiment. 第2実施形態における別の多孔質層の細孔に気体が存在する状態を表す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the state where gas exists in the pore of another porous layer in a 2nd embodiment. 第2実施形態における更に別の多孔質層の細孔に気体が存在する状態を表す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the state where gas exists in the pore of another porous layer in a 2nd embodiment. (a)は第3実施形態の液冷式放熱器の左側面図であり、(b)は(a)のI−I断面図である。(A) is a left view of the liquid cooling type heat radiator of 3rd Embodiment, (b) is II sectional drawing of (a). 細孔の代表長さLと熱音響自励振動周波数fと熱浸透深さσの関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the representative length L of a pore, the thermoacoustic self-excited vibration frequency f, and the heat penetration depth (sigma). 細孔の代表長さLとアスペクト比L/Dの関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the representative length L of a pore, and the aspect-ratio L / D.

符号の説明Explanation of symbols

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)

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、
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).
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、
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).
前記細孔(5)の長さ方向が前記伝熱面(3、3a、3b、11)に垂直であることを特徴とする請求項1または2に記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1 or 2, characterized in that the length direction of the pores (5) is perpendicular to the heat transfer surface (3, 3a, 3b, 11). 前記多孔質層(4、4b、4c)の厚みが、前記流体の通路の代表直径の20%以下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つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 3, wherein a thickness of the porous layer (4, 4b, 4c) is 20% or less of a representative diameter of the fluid passage. 前記多数の細孔(5)が、互いに独立し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つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of pores (5) are independent of each other. 前記多数の細孔(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する請求項1ないし4のいずれか1つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 4, wherein at least some of the plurality of pores (5) communicate with each other. 前記多数の細孔(5)の全てが連通し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つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 4, wherein all of the plurality of pores (5) communicate with each other. 前記流体が前記細孔(5)に満た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つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 7, wherein the fluid is filled in the pores (5). 前記流体が液体であり、前記細孔(5)の内部に気体(12)が存在し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つに記載の伝熱装置。 The heat transfer device according to any one of claims 1 to 7, wherein the fluid is a liquid and a gas (12) is present inside the pores (5). 前記気体(12)が、空気に比較して前記液体に溶存しにくい気体であることを特徴とする請求項9に記載の伝熱装置。

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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