JP2018081955A

JP2018081955A - 伝熱部材

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Publication number: JP2018081955A
Application number: JP2016221499A
Authority: JP
Inventors: 木村　直樹; Naoki Kimura; 直樹木村
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: JP6764765B2

Abstract

【課題】簡単な構造にて、熱交換性能の一層の向上を有利に図ることの出来る伝熱部材を提供し、また、そのような伝熱部材を用いた、冷却特性に優れたヒートシンクや熱交換特性に優れた熱交換器を提供する。【解決手段】液状冷媒の流れに接触し、液状冷媒との間で熱交換を行う伝熱面を有する伝熱部材において、液状冷媒の流れの上流側から下流側に向かって狭幅化されると共に、深さが漸次深くなるように形成され、且つかかる深さの漸次的変化の終点において立ち上がる壁部によって、液状冷媒の流れの上流側に向かって拡開する、Ｖ字形状の平面形態を呈する漸深化凹所の複数が、伝熱面に配設されるように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却液の如き液状冷媒の流れに接触せしめられて、かかる液状冷媒との間で熱交換を行う伝熱面を有する伝熱部材に係り、特に、ヒートシンクや熱交換器に好適に用いられる伝熱部材に関するものである。

従来から、ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられるモータ等の大出力モータを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用されてきているが、そのようなパワー半導体モジュールは高発熱となるものであるところから、その冷却には、大きな冷却能力が必要とされ、そのために、特開２００４−３４９３２４号公報や特開２００７−３６２１４号公報等において、水冷による冷却方式が、明らかにされている。

そして、そこでは、パワー半導体モジュールにおける発熱体であるパワー半導体の取付け側とは反対側の板状の金属ベースの面に、所定高さの板状の放熱フィンの複数を互いに相対向させて一体的に設けて、ヒートシンクを構成すると共に、かかる放熱フィンを取り囲むようにカバーを取り付けて、金属ベース面上に閉鎖空間を形成し、更にその閉鎖空間内に冷却水を導入して、そのような放熱フィン付き金属ベースに、直接に、冷却水を接触させて、冷却するようにした水冷構造が、採用されている。

ところで、このような水冷型パワー半導体モジュール構造において、インバータ等の発熱体の高出力化の要求に対応するためには、放熱フィン付き金属ベースの冷却性能を更に向上させることが必要とされることとなるが、単なる板状の放熱フィンの複数を互いに平行に板状の金属ベース上に立設、配置せしめてなる形態の従来のヒートシンク構造では、その構造上、限界のあるものであった。

また、伝熱部材となる伝熱管を介して熱交換を行う熱交換器においても、プレート式、シェル＆チューブ式、フィンチューブ式等の各種の方式のものが知られており、その中でも、第一の流体を流通させる第一の伝熱管と、第二の流体を流通させる第二の伝熱管との二つの伝熱管を組み合わせて、それら第一の流体と第二の流体との間で熱交換を行うように構成した熱交換器が各種用いられてきており、特開２００２−２２８３７０号公報においても、その一つが明らかにされている。そこでは、水が流通する心管の外周に、冷媒が流通する冷媒管を螺旋状に巻き付けたり、心管と冷媒管とを管軸方向に平行に配置して、伝熱接合してなる形態において、それら水と冷媒との間の熱交換が行われるようになっている。しかしながら、そのような従来の熱交換器に用いられる伝熱管、特に、内部に水を流通させる伝熱管に、単純な円形断面とされた内面が平滑な管を用いると、その外部を流通する冷媒等の流体との熱交換性能が充分でないという問題がある。

そこで、そのような熱交換器においては、その熱交換効率を向上させるべく、従来から様々な工夫が為されてきており、例えば特開２００９−２７０７５５号公報においては、管外面において管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条に対応して、管内面に、螺旋状の連続した凸条を設けると共に、その凸条の頂部に、複数の突起を所定間隔及び所定の大きさで形成してなる構造の熱交換器用伝熱管が提案されており、また特開２０１１−１２９０９号公報においては、管外周面に螺旋状に設けたコルゲート溝に対応した凸状部を管内周面に螺旋状に形成すると共に、かかるコルゲート溝に隣接して設けた複数の窪み部に対応した突起部を、管内周面に形成してなる伝熱管が明らかにされている。

しかしながら、それら特許公報に明らかにされた熱交換器用伝熱管においても、その熱交換性能は充分であるとは言えず、更なる熱交換性能の向上が求められているのである。また、特開２００９−２７０７５５号公報の図７や特開２０１１−１２９０９号公報の図３〜図６には、前記した特開２００２−２２８３７０号公報に示される構成の熱交換器とは異なる、所謂二重管式熱交換器が明らかにされているが、そのような二重管式熱交換器に用いられる伝熱管においても、同様の問題が内在している。

特開２００４−３４９３２４号公報特開２００７−３６２１４号公報特開２００２−２２８３７０号公報特開２００９−２７０７５５号公報特開２０１１−１２９０９号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、簡単な構造にて、熱交換性能の一層の向上を有利に図ることが出来る伝熱部材を提供することにあり、また、他の課題とするところは、そのような伝熱部材を用いた、冷却特性に優れたヒートシンクや熱交換特性に優れた熱交換器を提供することにもある。

そして、本発明にあっては、かくの如き課題の解決のために、液状冷媒の流れに接触せしめられて、該液状冷媒との間で熱交換を行う伝熱面を有する伝熱部材にして、前記液状冷媒の流れの上流側から下流側に向かって狭幅化されると共に、深さが漸次深くなるように形成され、且つかかる深さの漸次的変化の終点において立ち上がる壁部によって、該液状冷媒の流れの上流側に向かって拡開するＶ字形状の平面形態を呈する漸深化凹所の複数が、前記伝熱面に配設されていることを特徴とする伝熱部材を、その要旨とするものである。

なお、このような本発明に従う伝熱部材の望ましい態様の一つによれば、前記漸深化凹所の複数が、前記液状冷媒の流れ方向に平行な方向に直線的に配列されている。

また、本発明に従う熱交換部材の他の望ましい態様の一つによれば、前記漸深化凹所の複数が、前記液状冷媒の流れ方向に直交する方向に直線的に配列されている。

さらに、本発明に従う伝熱部材の望ましい態様の別の一つによれば、前記漸深化凹所の複数が、互いに交差する二つの方向に、それぞれ直線的に配列されている。

そして、本発明に従う伝熱部材においては、好ましくは、前記伝熱面が板状体の対応する二つの板面にて構成され、且つ該二つの板面の少なくとも一方に、前記漸深化凹所の複数が配設されている。また、そのような板状体の少なくとも一方の面に、前記漸深化凹所の複数が配設されてなる伝熱部材は、発熱部品が一方の面に熱的に接続されて配設される板状のベースプレートと、このベースプレートの他方の面に立設された板状フィンとを備えたヒートシンクにおいて、該板状フィンとして、有利に用いられることとなる。

また、本発明に従う他の態様によれば、前記伝熱面が、管内に前記液状冷媒が流通せしめられる管体の内周面にて構成されて、該内周面に、前記漸深化凹所の複数が配設されている構造が採用されることとなる。このような管体の内周面に、前記漸深化凹所の複数が配設されてなる伝熱部材は、また、管内に所定の冷却液が流通せしめられる熱交換器における伝熱管として、有利に用いられることとなる。

このように、本発明に従う構成とされた伝熱部材にあっては、伝熱面に接触する液状冷媒の流れに対して、上流側に拡開した形態のＶ字形状の漸深化凹所の複数が、かかる伝熱面に配設されているところから、液状冷媒の流れは、そのような漸深化凹所が液状冷媒の流れの下流側に向かって深さが漸次深くなるように形成されていることと相俟って、漸深化凹所のＶ字形状の開口部から、そのＶ字を構成する壁部に沿って、Ｖ字の角部である基部に収束せしめられ、そして、そのようなＶ字の基部の壁部部位を乗り越えるような流れとなることとなり、これによって、伝熱面（放熱面）の表面近傍に生じる薄い温度境界層が、効果的に攪乱されて、破壊されるようになることにより、液状冷媒と伝熱面との間の熱伝達が有利に促進されることとなるのであり、以て、熱交換性能が有利に向上せしめられ得ることとなるのである。

そして、かくの如き本発明に従う伝熱部材が、板状体において構成されていることにより、放熱フィンとして、優れた熱交換性能を発揮することとなるところから、そのような放熱フィンを所定のベースプレート上に配設してなるヒートシンクとしての機能も、有利に高め得ることとなるのであり、また、本発明に従う伝熱部材は、管状体として形成されて、優れた熱交換性能を発揮し得る伝熱管としても構成され得るものであり、以て、そのような伝熱管の管内に、所定の液状冷媒が流通せしめられるようにした熱交換器においても、その熱伝達率が効果的に向上せしめられ得るのである。

しかも、本発明にあっては、そのような熱交換性能の向上効果が実現せしめられる構造が、漸次深さが深くなるＶ字形状の凹所からなる単純な構造とされているところから、伝熱面に接触する液状冷媒の圧力損失が効果的に低減され得る（特に、管体状の伝熱部材において）利点を有していることに加えて、比較的簡単な機械加工によって、目的とするＶ字形状の漸深化凹所を容易に形成することが出来るところから、比較的単純な構造において、優れた熱交換特性を発揮する伝熱部材を、低いコストで製作することが出来、その生産コストを有利に低減せしめて、その生産性を効果的に高めることが出来る特徴も有している。

本発明に従って伝熱部材の伝熱面に形成される漸深化凹所の一例を示す説明図であって、（ａ）は、その平面形態説明図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面、及びＥ−Ｅ断面をそれぞれ示す断面説明図である。図１に示される漸深化凹所についての更なる説明図であって、（ａ）は、そのような漸深化凹所の斜視説明図であり、（ｂ）は、そのような漸深化凹所の壁部の展開図である。本発明に従う複数の漸深化凹所の異なる配設形態を示す平面部分説明図であって、（ａ）は、碁盤格子状配設形態の例、（ｂ）は、千鳥足状配設形態の例、及び（ｃ）は、不規則配設形態の例を、それぞれ示している。本発明に従う漸深化凹所についての更なる説明図であって、（ａ）は、液状冷媒の流れ方向における配設距離についての説明図であり、（ｂ）は、そのような漸深化凹所の形状についての説明図である。本発明に従う複数の漸深化凹所を、液状冷媒の流れ方向に対して平行に且つ直角方向に、それぞれ連続して形成してなる形態を示す平面部分説明図である。図５におけるＡ’−Ａ’断面、Ｂ’−Ｂ’断面、Ｃ’−Ｃ’断面、Ｄ’−Ｄ’断面、及びＥ’−Ｅ’断面をそれぞれ示す断面説明図である。図６におけるＡ’−Ａ’断面及びＥ’−Ｅ’断面の変形例を示す部分拡大説明図である。本発明に従う板状の伝熱部材を用いてなるヒートシンクの一例を示す部分斜視図である。本発明に従う伝熱部材にて構成される伝熱管の一例を示す斜視部分説明図である。従来のヒートシンクの異なる例を示す斜視説明図であって、（ａ）は、板状の放熱フィンが互いに平行に配設されてなる櫛状ヒートシンクの一例を示すものであり、（ｂ）は、板状放熱フィンが所定長さに分断されて、複数個から構成されている例を示す部分説明図である。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従って、伝熱面に配設されてなる漸深化凹所の一例に係るものの一つが示されている。そこにおいて、（ａ）は、そのような漸深化凹所の一つを、平面形態において示しており、また（ｂ）は、（ａ）における各部位の断面形態を示している。そして、それら（ａ）及び（ｂ）に示される図から明らかなように、漸深化凹所１０は、白抜き矢印にて示される液状冷媒の流れに対して、その上流側から下流側に向かって漸次狭幅化されると共に、その深さが漸次深くなるように形成され、且つかかる深さの漸次的変化の終点において立ち上がる壁部１２，１２によって、液状冷媒の流れの上流側に向かって拡開するＶ字形状の平面形態において、伝熱面１４に配設されている。

換言すれば、図２（ａ）に示される斜視図や図２（ｂ）に示される漸深化凹所壁部の展開図からも明らかなように、漸深化凹所１０は、液状冷媒の流れの上流側に向かって開口するＶ字形状の平面形態を呈していると共に、Ｖ字の開口端部（自由端部）１０ｂ，１０ｂから、Ｖ字の基部１０ａに向かって漸次深さが深くなる形態において設けられ、且つかかるＶ字の基部１０ａにおける深さｄが最も深くなるように、換言すればＶ字の角部となる基部１０ａが深さの漸次的変化の終点となるように、構成されている。従って、そのようなＶ字形状を与える両側の壁部１２，１２は、Ｖ字の開口端部１０ｂから基部１０ａに向かって漸次高さ（深さ）が大となるように、構成されているのである。

そして、本発明に従う伝熱部材においては、その伝熱面１４に、上述の如き漸深化凹所１０の複数が、任意のパターンにおいて、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）の如き配設形態において、設けられることとなるのである。具体的には、（ａ）においては、複数の漸深化凹所１０が、白抜きの矢印にて示される液状冷媒の流れ方向に平行な方向と直交する方向に、それぞれ、直線的に伝熱面１４に配列されてなる碁盤格子状配列形態とされており、また（ｂ）においては、白抜き矢印にて示される液状冷媒の流れに対して直交する方向に直線的に配列されると共に、液状冷媒の流れ方向に平行な方向においては、千鳥足状の配列形態において、伝熱面１４に形成されており、更に（ｃ）においては、白抜き矢印にて示される液状冷媒の流れに対して、複数の漸深化凹所１０が、不規則な（ランダム）配設形態において、伝熱面１４に設けられているのである。特に、図３の（ａ）や（ｂ）に示される如く、漸深化凹所１０の複数を、互いに交差する二つの方向に、それぞれ直線的に配列してなる形態が、本発明においては有利に採用され、それによって、伝熱特性の向上に有利に寄与せしめられることとなる。なお、それら漸深化凹所１０は、ここでは、それぞれ独立して配設されているが、それらの複数を、液体冷媒の流れに直交する方向において連結し、連続的に配設することも可能である。

ところで、このような複数の漸深化凹所１０が配設される伝熱面１４を与える伝熱部材は、よく知られているように、良熱伝導性の材質から構成されてなるものであって、例えば銅やその合金、アルミやその合金、鉄、ステンレス、コバルト合金、ニッケル合金、金属混合プラスチック等の中から、適宜に選択されることとなる。また、そのような伝熱部材を構成する材質は、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上であるものが望ましく、中でも２０Ｗ／ｍＫ以上、特に８０Ｗ／ｍＫ以上であるものが望ましい。更に、熱膨張率の観点から、金属シリコン（Ｓｉ）又はシリコン合金を使用することも可能である。

また、かかる本発明に従う漸深化凹所１０における最深部となるＶ字の基部１０ａの深さ（壁部１２の高さ）ｄは、伝熱部材の厚みに応じて、適宜に選定されるところであるが、一般に、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とされることとなる。かかる深さｄが浅くなり過ぎると、漸深化凹所１０の形成による伝熱特性の向上効果を充分に奏し難くなるからであり、一方、ｄが大きくなり過ぎると、漸深化凹所１０の形成に手間が掛かり、またその形成が困難となる等の問題を惹起するようになる。そして、かかる漸深化凹所１０の深さは、液状冷媒の流れ方向において漸次深くなり、各壁部１２に到達することとなるのであれば、例示の如く直線的に変化する形態の他、曲線的に変化する形態のものであっても、何等差支えない。

さらに、図４（ａ）に示されるように、漸深化凹所１０におけるＶ字のなす角度、換言すれば左右両側の壁部１２，１２によって形成される角度θは、一般に、４０度〜１４０度の範囲内とされ、これによって、有効な熱交換特性が発揮されることとなる。なお、このＶ字の形状としては、図示の如きＶ字の角部、即ち基部１０ａが、角張った形状の他、丸みの付いた湾曲形状とされていても、何等差支えない。また、図４（ｂ）に示される如く、液状冷媒の流れ方向に平行な方向に対して、Ｖ字を構成する各壁部１２，１２のなす角度θ₁ ，θ₂ （但しθ＝θ₁ ＋θ₂ ）は、一般に、等しくされることとなる（θ₁ ＝θ₂ ）が、それら角度θ₁ ，θ₂ を互いに異ならしめても、何等差支えなく、更にそれら角度θ₁ ，θ₂ の何れか一方を、０度とすることも可能である。

また、かかるＶ字形状の漸深化凹所１０の複数を液状冷媒の流れ方向に配設するに際しては、互いに隣り合う漸深化凹所１０，１０の間隔、即ち図４の（ａ）に示される距離Ｓは、適宜に選定することが可能ではあるが、一般に、１０ｍｍ以下とすることにより、熱伝達率を有利に向上せしめることが可能である。尤も、かかる距離Ｓの値が０．１ｍｍよりも小さくなると、そのような漸深化凹所１０による効果が飽和するようになるところから、本発明にあっては、隣接する漸深化凹所１０，１０間の距離Ｓは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされることとなる。一方、液状冷媒の流れに直交する方向における漸深化凹所１０の配列間隔にあっても、適宜に選定されるところであって、上記した液状冷媒の流れに平行な方向における配設形態と同様に、配設することが可能であるが、特に、この液状冷媒の流れに直交する方向においては、Ｖ字形状の開口端部１０ｂが互いに連結された形態において、複数の漸深化凹所１０を直線的に連続して配列してなる構成（図５参照）が、熱伝達特性の向上のために、有利に採用されることとなる。

加えて、かかる漸深化凹所１０のＶ字形状を与える左右の壁部１２，１２のそれぞれの長さｌ₁ ，ｌ₂ ［図４（ｂ）参照］は、同等（ｌ₁ ＝ｌ₂ ）であることが望ましいものではあるが、それらの長さを異ならしめる（ｌ₁ ≠ｌ₂ ）ことも可能である。なお、それらｌ₁ ，ｌ₂ の長さとしては、一般に、０．１ｍｍ〜２０ｍｍ程度の範囲内おいて、適宜に選定されることとなる。

そして、かくの如き構成の漸深化凹所１０は、従来から公知の各種の加工手法を適宜に採用して、伝熱部材の伝熱面１４に対して、所定のパターンにおいて配設されることとなるのである。例えば、板状の伝熱部材（平坦な伝熱面１４）に対しては、切削、プレス、ターレットパンチ等の機械加工により、またエッチングにより、目的とする配設形態において、多数の漸深化凹所１０が形成されることとなる。また、そのような漸深化凹所１０の多数が配設されてなる伝熱面１４を、３Ｄプリンタを用いて、三次元造形手法に従って製作することも可能である。

従って、上述のような本発明に従う漸深化凹所１０の複数が配設されてなる伝熱部材の伝熱面１４においては、そのような漸深化凹所１０の特徴的な形状によって、水、ＬＬＣ、油等の液体の如き液状冷媒の流れが、漸深化凹所１０のＶ字形状の開口部から、そのＶ字を構成する壁部１２，１２に沿って集められて、Ｖ字形状の基部１０ａに収束せしめられた後、かかるＶ字形状の基部１０ａの壁部部位を乗り越えるようにして、下流側に導かれるようになるのである。このため、従来の平坦な伝熱面では、その放熱平面の表面近傍に、薄い温度境界層が生じることとなるのであるが、本発明に従う伝熱部材の伝熱面１４には、上述の如き漸深化凹所１０の存在による液状冷媒の流れの変化、特にＶ字形状を与える壁部１２，１２の存在による伝熱面１４から離れる方向への流れによって、そのような薄い温度境界層が、有利に破壊されるようになるのである。そして、そのような温度境界層の厚さは、液状冷媒の上流側から下流側に向かって、距離の平方根に従って厚くなり、そのために、伝熱面での熱交換に関与しない冷媒が、そのまま下流側に導かれることとなって、熱交換性能を充分に発揮し難くなるのであるが、本発明にあっては、そのような温度境界層の除去乃至は解消が効果的に達成され得ることとなって、熱交換に関与しない冷媒の下流側への流出が、効果的に抑制され得ることとなるところから、その熱伝達率の向上が、有利に図られ得るようになるのである。

ところで、本発明に従う伝熱部材にあっては、図５及び図６に示される如く、複数の漸深化凹所１０が、白抜き矢印で示される液状冷媒の流れに平行な方向において、直線的に且つ連続的に形成されていると共に、それら複数の漸深化凹所１０が、かかる液状冷媒の流れに対して直交する方向においては、隣接する漸深化凹所１０のＶ字状開口端部１０ｂが相互に連結されてなる形態において、直線的に且つ連続的に配列せしめられている構成が、有利に採用されることとなる。即ち、そこでは、液状冷媒の流れに平行に配列された漸深化凹所１０が、図６におけるＢ’−Ｂ’断面、Ｃ’−Ｃ’断面及びＤ’−Ｄ’断面から明らかな如く、上流側の漸深化凹所１０のＶ字形状を与える壁部１２，１２から、隣接する下流側の漸深化凹所１０のＶ字形状を与える壁部１２，１２に向かって、直ちに、深さが漸次変化するような形態において、連続的に且つ直線的に配列されているのである。また、液状冷媒の流れに直交する方向に配列された漸深化凹所１０は、図５から明らかな如く、そのＶ字形状を与える壁部１２のＶ字の開口端部１０ｂにおいて、隣接する漸深化凹所１０の対応する開口端部１０ｂに接続されて、かかる液状冷媒の流れに直交する方向にＶ字が連続して繰り返し形成されてなる形態とされている。

従って、液状冷媒の流れに直交する方向に配列された複数の漸深化凹所１０は、それぞれの壁部１２の連結によって、図５に示されているように、ノコギリ歯状の平面形態を呈する連続的な形状を示す配設形態となると共に、液状冷媒の流れに平行な方向においては、そのようなノコギリ歯形状が、所定間隔を隔てて、繰り返し現出せしめられることとなる。そして、このような複数の漸深化凹所１０の配列形態の採用によって、より一層優れた伝熱特性乃至は熱交換特性が発揮され得ることとなるのである。

なお、かかる図５，６では、漸深化凹所１０におけるＶ字形状の開口端部１０ｂは、図６におけるＡ’−Ａ’断面やＥ’−Ｅ’断面より明らかな如く、その深さが０ｍｍとされて、伝熱面において最も高い部位とされているが、特に、本実施形態の如く、液状冷媒の流れに直交する方向において、複数の漸深化凹所１０がＶ字形状の開口端部１０ｂにおいて相互に連結されて、連続的なノコギリ歯状の壁部１２が形成されてなる形態においては、かかる開口端部１０ｂにおいても、図７に示される如く、０．１ｍｍ程度以下、好ましくは０．０５ｍｍ以下の深さ（高さ）ｄ’の壁部が形成されていることが望ましい。即ち、液状冷媒の流れ方向に平行な方向において、隣接する開口端部１０ｂ間においても、漸次深さが深くなるように構成することによって、液状冷媒の流れがそれら開口端部１０ｂをつなぐ線上において直線的に流れることが、効果的に解消せしめられることとなるのであり、それ故に、伝熱特性乃至は熱交換特性の向上にも有利に寄与させ得るのである。

また、本発明に従う伝熱部材は、有利には、両側の板面が伝熱面とされてなる板状体を呈するものであって、その２つの板面の少なくとも一方に、本発明に従う漸深化凹部１０の複数が配設されてなる形態が、採用され、それは、図８に示される如きヒートシンクにおける板状の放熱フィンとして好適に用いられることとなる。

すなわち、図８に示されるヒートシンクは、板状のベースプレート２０とその一方の面に、互いに対向して、平行に伸びるように、複数の放熱フィン２２が立設されてなる櫛形構造を呈するものであって、ベースプレート２０の他方の面（図においては下面）に対して熱的に接続されてなる形態において、所定の発熱部品が配設されるようになっており、この発熱部品からの熱が、ベースプレート２０から放熱フィン２２に伝熱され、この放熱フィン２２の板面に沿って流通せしめられる液状冷媒との間において熱交換されて、放熱されるようになっている。そして、そのような放熱を行う放熱フィン２２の少なくとも一方の板面に、図示の如く、複数の漸深化凹所１０が、液状冷媒の流れに平行な方向に且つ直交する方向に、それぞれ、直線的に且つ連続的に形成せしめられているのである。なお、そのような漸深化凹所１０の配列形態は、ここでは、図５及び図６に示される配列形態と同様とされている。

また、かかる本発明に従う伝熱部材は、管内に所定の液状冷媒が流通せしめられて、管壁を通じて熱交換が行われる管体の形態においても実現され得るものであり、そこでは、そのような管体の内周面に、漸深化凹所１０の複数が、所定パターンにおいて配設されることとなる。そして、そのような管体状の伝熱部材は、図９に示されるように、管内に所定の液状冷媒が流通せしめられる伝熱管として、各種の熱交換器に適用されることとなるのである。なお、そのような伝熱管２４は、例えば、細長な帯板の一方の面（管体としたとき、管内面となる側の面）に、本発明に従って、複数の漸深化凹所１０を配設した（図５及び図６に示される如き漸深化凹所１０の配列形態において形成した）後、公知の電縫管の製作方法（例えば、特開平９−２３６３９５号公報参照）に従って、かかる帯板の幅方向の両端部を接合することにより、管体とする方法等によって、容易に製造することが可能である。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、例示の実施形態において、複数の漸深化凹所１０は、何れも、同様な大きさ及び形状とされているが、それら複数の漸深化凹所１０を、相互に異なる大きさや形状において、配設することも可能である。

また、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、更に、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の実施例を示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことも、また、言うまでもないところである。

先ず、冷却水が流通せしめられる水管として、外径：１０ｍｍ、内径：９ｍｍ、長さ：１０ｍの銅管を用い、その外周面に、８０℃の二酸化炭素冷媒が流通せしめられるＣＯ₂ 管として、外径：３．４ｍｍの銅管の４本を、１０ｍｍピッチにおいて巻き付けて、固定することによって構成される外巻き式熱交換器（特開２００２−２２８３７０号公報参照）を作製し、評価対象とした。

そして、上記の水管として、内外面が平滑な丸管と、深さ：０．５ｍｍのスパイラル溝がピッチ：１０ｍｍにおいて管壁に螺旋状に形成されてなるスパイラル管と、管内面に、Ｖ字角度θ：９０度、最大深さｄ：０．３ｍｍ、管軸方向ピッチ：１ｍｍにおいて、管軸方向及び管周方向にそれぞれ連続してＶ字状漸深化凹所１０が形成されてなる、図９に示される如き内面Ｖ字凹所管とを用い、それぞれの管内に１７℃の低温水を１．７Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させる一方、細径のＣＯ₂ 管には、８０℃の二酸化炭素冷媒を、水管内の低温水の流れに対して、対向的に流通せしめることにより、それら低温水と二酸化炭素冷媒との間の熱交換を行い、その熱交換性能について、評価した。なお、熱交換性能の評価は、ＣＯ₂ 管内を流通せしめられる二酸化炭素冷媒の温度が、８０℃から２０℃に変化した時に、水管内の水の温度が１７℃から何度まで上昇するかを評価し、その温度差と熱容量から、水側熱交換量を求めて、熱交換性能とした。そして、その得られた結果を、圧損の結果と共に、下記表１に示した。

また、板状の伝熱部材を放熱フィンとして用いてなる、図８や図１０に示される如きヒートシンクについて、それぞれの熱伝達率を、シミュレーションにより評価した。なお、ベースプレート２０としては、５０ｍｍ×１００ｍｍの大きさのアルミ製板材を用い、また高さ：１０ｍｍ、厚さ：１ｍｍの板状のアルミ製フィンが、それぞれの放熱フィンとして、ベースプレート２０上に、１ｍｍの間隔を隔てて、図示の如く、櫛形に配設されてなる構造とした。

具体的には、本発明に従うＶ字凹所形成タイプのヒートシンクは、図８に示される如く、平板状の放熱フィン２２の両面に、それぞれ、Ｖ字角度θ：９０度、Ｖ字最高深さｄ：０．３ｍｍ、Ｖ字間隔Ｓ：１ｍｍにおいて、多数の漸深化凹所１０が、液状冷媒（水）の流れに平行な方向及び直交する方向に、それぞれ連続的に形成されてなる形態のものとし、また図１０（ａ）に示される単純平面タイプのヒートシンクにおいては、板面に何等の加工も施されていない平滑な面とされた平滑フィン２６を、放熱フィンとして用いたものであり、更に図１０（ｂ）に示される、放熱フィン分割タイプのヒートシンクにおいては、長さ：１０ｍｍの分割フィン２８が、スリット２９（間隔：１ｍｍ）を介して、冷却水の流れ方向に、一列に配列されて構成されるものにおいて、検討した。

その結果、本発明に従うＶ字凹所形成タイプのヒートシンク（図８）においては、その熱伝達率が、３６４００Ｗ／ｍ²Ｋであるのに対して、図１０の（ａ）や（ｂ）に示される、従来の単純平面タイプのヒートシンクや放熱フィン分割タイプのヒートシンクにおいては、それぞれの熱伝達率は、１０１２０Ｗ／ｍ²Ｋ及び２００５０Ｗ／ｍ²Ｋとなることが明らかとなった。

さらに、図８に示される如き、本発明に従うＶ字凹所形成タイプのヒートシンクにおいて、Ｖ字形状の漸深化凹所１０の間隔ＳやＶ字のなす角度θを種々変化させて、シミュレーションを行って、熱伝達率を求めた。そして、その得られた結果を、下記表２及び表３に示す。

以上の評価結果から明らかなように、本発明に従う伝熱部材が、管体形状を呈するものであっても、また板状形状を呈するものであっても、何れも、熱交換特性に優れていることが認められ、その中でも、管体状の伝熱部材よりも、板状の伝熱部材として用いることにより、より一層優れた伝熱特性乃至は熱交換特性が発揮され得ることを、確認することが出来る。

１０漸深化凹所１０ａ基部
１０ｂ開口端部１２壁部
１４伝熱面２０ベースプレート
２２放熱フィン２４伝熱管
２６平滑フィン２８分割フィン
２９スリット

Claims

液状冷媒の流れに接触せしめられて、該液状冷媒との間で熱交換を行う伝熱面を有する伝熱部材にして、
前記液状冷媒の流れの上流側から下流側に向かって狭幅化されると共に、深さが漸次深くなるように形成され、且つかかる深さの漸次的変化の終点において立ち上がる壁部によって、該液状冷媒の流れの上流側に向かって拡開するＶ字形状の平面形態を呈する漸深化凹所の複数が、前記伝熱面に配設されていることを特徴とする伝熱部材。
前記漸深化凹所の複数が、前記液状冷媒の流れ方向に平行な方向に直線的に配列されている請求項１に記載の伝熱部材。
前記漸深化凹所の複数が、前記液状冷媒の流れ方向に直交する方向に直線的に配列されている請求項１又は請求項２に記載の伝熱部材。
前記漸深化凹所の複数が、互いに交差する二つの方向に、それぞれ直線的に配列されている請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の伝熱部材。
前記伝熱面が板状体の対応する二つの板面にて構成され、且つ該二つの板面の少なくとも一方に、前記漸深化凹所の複数が配設されている請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の伝熱部材。
前記伝熱面が、管内に前記液状冷媒が流通せしめられる管体の内周面にて構成されて、該内周面に、前記漸深化凹所の複数が配設されている請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の伝熱部材。
発熱部品が一方の面に熱的に接続されて配設される板状のベースプレートと、このベースプレートの他方の面に立設された板状フィンとを備えたヒートシンクにおいて、該板状フィンとして、請求項５に記載の伝熱部材が用いられていることを特徴とするヒートシンク。
管内に所定の液状冷媒が流通せしめられる伝熱管として、請求項６に記載の伝熱部材が用いられていることを特徴とする熱交換器。