JP2017044363A - 流路部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状である流路部材において、熱交換効率に優れた流路部材を提供する。【解決手段】 本発明の流路部材１０は、セラミックスからなり、熱交換面１を外面に備え、内部に、流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状の流体が流れる流路２を有してなり、熱交換面１の背面３の対向面４における少なくとも一端部に、流体が流れる方向に沿った第１の溝５を有している。本発明の流路部材は、優れた熱交換効率を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、流路部材に関する。

冷却または加熱システムには、内部に流体が流れる流路を有する流路部材が用いられている。そして、流路部材の流路に低温または高温の流体を流すことにより、流路部材の外表面に載置する物や接触する外気等の熱交換対象物と流路に流す流体とで熱交換が行なわれ、熱交換対象物を冷却または加熱することができる。例えば、熱交換対象物が半導体部品である場合には、流路に低温の流体を流すことにより、半導体部品と低温の流体とで熱交換が行なわれ、半導体部品を冷却することができる。

そして、熱交換対象物の冷却や加熱に用いられる流路部材は、腐食性の高いガス環境下での使用や、流路に流す流体として腐食性の高いガスまたは液体が使用される場合において、高い耐腐食性を有するとともに、耐久性や絶縁性に優れたセラミックスが用いられている。

例えば、特許文献１には、半導体部品が実装される回路基板を有するセラミック回路基板において、半導体部品が実装される回路基板に冷媒流路となる空隙部が形成されていることが開示されている。

特開２００２−３２９９３８号公報

特許文献１の図１に示すように、流体が流れる方向に垂直な方向の流路の断面形状は、製造容易性の観点もあり一般的には矩形状である。そして、このような矩形状の流路においては、流体の流速を流体が流れる方向に垂直な断面で見たとき、中央部が速く、中央部から離れる、すなわち流路を構成する壁に近づく程遅くなり、角部における流体の流速が最も遅くなる。

このように、矩形状の流路では、流路の角部における流体の流速が最も遅くなるため、熱交換面のうち流路の角部に対応する領域（以下では、角部対応領域と言う）において、熱交換効率が低くなる。今般においては、さらに熱交換効率に優れた流路部材が求められている。

よって、本発明は、流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状である流路部材において、熱交換効率に優れた流路部材を提供することを目的とする。

セラミックスからなり、熱交換面を外面に備え、内部に、流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状の流路を有する流路部材であって、前記熱交換面の背面の対向面における少なくとも一端部に、前記流体が流れる方向に沿った第１の溝を有している。

本発明の流路部材によれば、熱交換面の角部対応領域における熱交換効率が低くなるこ
とから、優れた熱交換効率を有する。

本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本実施形態の流路部材の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 本実施形態の流路部材のさらに他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。

以下に本実施形態の流路部材について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面において同様の構成を有する部分については、同じ符号を付している。まず、本実施形態の流路部材の一例について、図１を参照しながら説明する。

本実施形態の流路部材１０は、セラミックスからなり、熱交換面１を外面に備え、内部に、流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状の流路２を有する。なお、流路部材１０は、流体が流入する流入口６、流路２を通って流出する流出口８を備える。

そして、本実施形態の流路部材１０は、熱交換面１の背面３の対向面４における少なくとも一端部に、流体が流れる方向に沿った第１の溝５を有している。ここで、本実施形態の流路部材１０は、流路部材１０の外表面に載置する物や接触する外気等の熱交換対象物と流路２に流れる流体とで熱交換を行なうものであり、熱交換面１とは、流路部材１０の外表面のうち熱交換対象物が載置または接触する面のことである。なお、第１の溝５の断面形状は、図１（ｂ）に示すような矩形状に限らない。

本実施形態の流路部材１０は、上述した構成を満たしていることにより、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率が高くなることから、優れた熱交換効率を有する。これは、図１（ｂ）に示すように、第１の溝５内を領域Ｗ、第１の溝５の開口部上を領域Ｘ、第１の溝５側の側壁の中央部を領域Ｙとしたとき、領域Ｘにおける流速は、領域Ｗよりも速く、領域Ｙに近似する流速となる。このように、領域Ｘにおける流速が領域Ｙに近似する、すなわち第１の溝５を有していないときには流速が遅くなっていた領域の流速が速くなることにより、背面３の角部である領域Ｚにおける流体の流速が速くなり、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率が高くなるからである。

なお、第１の溝５は、対向面４の一端部の全体、すなわち流路２に沿って途切れることなく存在していることが好ましい。また、対向面４の一端部のみでなく、両方の端部に第１の溝５を有していることが好ましい。このように、第１の溝５を、対向面４の両方の端部に有しているときには、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率をさらに高くすることができるため、さらに優れた熱交換効率を有するものとなる。

そして、第１の溝５の開口部の幅および深さは、例えば、流路２の断面形状が、縦（高さ）が３ｍｍ、横（幅）が５ｍｍであるとき、幅が１０〜３００μｍであり、深さが５０〜４００μｍである。

次に、本実施形態の流路部材の他の例について、図２を参照しながら説明する。

本実施形態の流路部材２０は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である図２（ｂ）に示すように、背面３から対向面４に向かう方向に窄んでいる第１の溝５を備えている。ここで、窄んでいるというのは、第１の溝５の幅が、背面３から対向面４に向かう方向、
言い換えれば、第１の溝５の開口部から底にかけて狭くなっている形状のことである。このような形状としては、例えば、図２（ｂ）に示すような逆三角形状や円弧形状等がある。

このように、第１の溝５が窄んでいる形状であるときには、背面３の角部における流体の流速が速くなり、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率がさらに高くなり、熱交換効率が向上する。背面３の角部における流体の流速が速くなる理由については明らかではないが、窄んでいる形状であることによって、対向面４から背面３への流体の流れが生じることによると考えられる。

次に、本実施形態の流路部材のさらに他の例について、図３を参照しながら説明する。

本実施形態の流路部材３０は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である図３（ｂ）に示すように、流体が流れる方向に対して交差する方向の第２の溝７を対向面４に有している。対向面４に、図３（ｂ）に示すような第２の溝７を有しているときには、流体が第２の溝７に流体が入り込んだ後、出ようとする流体の流れによって、追従してきて第２の溝７上を通過しようとする流体が背面３に向かって押し上がるため、熱交換効率が向上する。特に、背面３に向かって流体を押し上げる力を大きくする観点からは、第２の溝７は、流体の流れる方向に対して垂直な方向に延びていることが好ましい。

また、第２の溝７は、対向面４の一方の端部から他方の端部までを繋ぐように設けたり、対向面４の両端部側に設けたり、対向面４の中央部側のみなどに設けたりすることができるが、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率を高くするには、対向面４の両端部側に設けることが好ましい。

さらに、第２の溝７は、図３（ｂ）に示すように、流体が流れる方向に一定の間隔を空けて第２の溝７が並んでいる構成であることが好ましい。このように、一定の間隔を空けて第２の溝７が並んでいれば、熱交換面１の角部対応領域における熱交換効率をさらに高くすることができ、熱交換面１の熱交換効率をより向上させることができる。ここで、一定の間隔とは、特に制限はないが、１０〜１００ｍｍであることが好ましい。

なお、第２の溝７の断面形状は、矩形状、円弧形状、逆三角形状等、どのような形状であっても構わない。

以下の説明においては、流路部材に「１００」の符号を付して説明する。

本実施形態の流路部材１００において、対向面４における算術平均粗さＲａ１は、背面３における算術平均粗さＲａ２よりも大きいことが好ましい。このような構成を満たすときには、対向面４においては流体の流れにおいて上昇流を生じさせ、背面３においてはスムーズに流体が流れるものとなることから、熱交換面１の熱交換効率を向上させることができる。

対向面４における算術平均粗さＲａ１および背面３における算術平均粗さＲａ２としては、例えば、算術平均粗さＲａ１が３〜３０μｍであり、算術平均粗さＲａ２が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。特に、Ｒａ１／Ｒａ２は、３〜３０であることが好ましい。

ここで、上述の算術平均粗さＲａ１およびＲａ２は、接触型の表面粗さ計を用い、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に準拠して測定することにより求めることができる。測定条件としては、例えば、測定長さを２.５ｍｍ、カットオフ値を０.８ｍｍとし、触針の走
査速度を０.３ｍｍ／秒に設定して測定すればよい。そして、背面３および対向面４にお
いて、流体が流れる方向に沿って、それぞれ少なくとも３ヵ所測定し、それぞれの平均値を算術平均粗さＲａ１およびＲａ２とすればよい。

次に、流路部材１００を構成するセラミックスとしては、流体の特性に合わせて適宜選択すればよく、アルミナ質セラミックスやコージェライト質セラミックス等の酸化物セラミックス、窒化珪素質セラミックスや窒化アルミニウム質セラミックスや炭化珪素質セラミックス等の非酸化物セラミックスを用いることができる。

そして、流路部材１００を構成するセラミックスが、炭化珪素質セラミックスからなるときには、高い熱伝導率により流路部材１００の熱交換効率を高めることができる。また、流路部材１００を構成するセラミックスが、アルミナ質セラミックスからなるときには、原料代が安く加工もしやすいため、他材質よりも安価に流路部材１００を製造することができる。

以下、本実施形態の流路部材１００の製造方法の一例について示す。

まず、主成分原料（炭化珪素、アルミナ等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を適宜添加し混合してスラリーを作製する。そして、このスラリーを用いて、ドクターブレード法により複数のセラミックグリーンシートを形成する。

なお、セラミックグリーンシートを形成する他の方法としては、スラリーを噴霧乾燥造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒することによって顆粒を作製し、得られた顆粒をロールコンパクションにより成形する方法がある。また、顆粒を用いて、メカプレス法や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法、または、スラリーの代わりに坏土を作製して、押出成形法によってセラミックグリーンシートを得てもよい。

次に、得られた複数のセラミックグリーンシートをそれぞれ所望の外形状となるように金型もしくはレーザ光を用いて加工した後、それぞれに上記スラリーを塗布して積層して加圧し、成形体とする。そして、乾燥した後、主成分原料に合わせた焼成温度で焼成することで、流路部材１００を得る。なお、焼成後に、必要な部分に研削加工を施してもよいことは言うまでもない。

なお、金型もしくはレーザ光を用いて所望の外形状となる加工とは、流路２、流入口６、流出口８となる部分をセラミックグリーンシートから抜いたり、第１の溝５や第２の溝７を形成したりする加工のことである。また、第１の溝５を円弧形状や逆三角形等の窄んでいる形状とするには、例えば、レーザ光の入射角度を調節したりすればよい。

そして、対向面４における算術平均粗さＲａ１を、背面３における算術平均粗さＲａ２よりも大きいものとするには、それぞれの表面性状の形成条件を異ならせればよく、例えば、比較して算術平均粗さの大きい押し型を対向面４となるセラミックグリーンシートに押し当て、比較して算術平均粗さの小さい押し型を背面３となるセラミックグリーンシートに押し当てたり、対向面４となるセラミックグリーンシートの表面にのみにレーザ光を照射したり、それぞれに照射するレーザ光の出力を調整したりすればよい。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

１：熱交換面
２：流路
３：背面
４：対向面
５：第１の溝
６：流入口
７：第２の溝
８：流出口
１０，２０，３０，１００：流路部材

Claims (4)

1. セラミックスからなり、熱交換面を外面に備え、内部に、流体の流れる方向に垂直な断面形状が矩形状の流路を有する流路部材であって、
   前記熱交換面の背面の対向面における少なくとも一端部に、前記流体が流れる方向に沿った第１の溝を有していることを特徴とする流路部材。
2. 前記第１の溝は、前記背面から前記対向面に向かう方向に窄んでいることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
3. 前記対向面は、前記流体が流れる方向に対して交差する方向に第２の溝を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
4. 前記対向面における算術平均粗さＲａ１は、前記背面における算術平均粗さＲａ２よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。

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