JP2023180088A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱交換性能を有する熱交換器を提案する。【解決手段】熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器は、ケースと、フィンと、第１整流部と、第２整流部と、を備える。ケースは、熱媒体が内部を通過する。フィンは、ケースの内部に配置され、熱媒体が流れる流路を形成する。第１整流部は、上記流路の内部に配置される。また第１整流部は、ケースにおいて熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分を高温部とするとき、流路に流入した熱媒体が高温部の側に偏って流れるように熱媒体の流れを制御する。第２整流部は、流路の内部における第１整流部の下流側に配置され、流路における当該熱媒体の流れ方向と交差する方向に熱媒体が流れることを抑制する。【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換器に関する。

従来、例えば、半導体等の熱を発する電子部品を冷却するために熱交換器が用いられている。特許文献１には、熱交換用のフィンと冷媒との熱交換性能を高めるために、フィンの間に突条部を形成し、冷媒を蛇行させることで冷却性能を向上させようとする構成が開示されている。

特開２０１５－１４４１９６号公報

特許文献１に開示される発明は、例えば各部位の大きさや運転条件などによっては必ずしも十分な効果を得ることができない場合がある。よって、新たな熱交換性能を高めるための構成が求められている。

本開示の目的は、高い熱交換性能を有する熱交換器を提案することである。

本開示の一態様は、熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器であって、ケースと、フィンと、第１整流部と、第２整流部と、を備える。ケースは、熱媒体が内部を通過する。フィンは、ケースの内部に配置され、熱媒体が流れる流路を形成する。第１整流部は、上記流路の内部に配置される。また第１整流部は、ケースにおいて熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分を高温部とするとき、流路に流入した熱媒体が高温部の側に偏って流れるように熱媒体の流れを制御する。第２整流部は、流路の内部における第１整流部の下流側に配置され、流路における当該熱媒体の流れ方向と交差する方向に熱媒体が流れることを抑制する。

このような構成であれば、第１整流部によって高温部の側に偏って熱媒体が流れやすくなるとともに、第２整流部が熱媒体を高温部の側から離れることを抑制する。よって、熱媒体による熱交換効率を向上させることができる。

上述した熱交換器において、第１整流部は、下流側に向かうにつれて高温部側に向かって近づくように流れ方向に対して傾斜する傾斜面を有してもよい。このような構成であれば、第１整流部によって、流路に流入した熱媒体を滑らかに高温部側に偏らせることができ、圧力損失の増加を抑制することができる。

また上述した熱交換器において、第１整流部は、下流側に向かうにつれて高温部側に向かって近づくように延びる長尺状の部分であってもよい。このような構成であれば、熱媒体が高温部の側に偏って流れることを好適に実現できる。

また上述した熱交換器において、第２整流部は、流れ方向に沿って延びる長尺状の部分であってもよい。このような構成であれば、熱媒体が高温部から離れることを第２整流部が好適に抑制できる。また、流路内の渦の発生が抑制されるため、熱媒体の流路の通過をスムーズに行わせることができる。

また上述した熱交換器において、第２整流部は、流れ方向と略平行に延びてもよい。このような構成であれば、熱媒体が高温部の側に偏った状態で下流に流れることを好適に実現できる。

また上述した熱交換器において、第２整流部は、上流側の端部が、第１整流部の下流側の端部と連続するように形成されていてもよい。このような構成であれば、第１整流部によって高温部の側に偏った熱媒体が高温部の側から離れにくくなる。そのため、熱媒体の大部分を、高温部の側に偏った状態で下流に流すことができる。

また上述した熱交換器において、第１整流部の上流側の端部は、流路の上流側の端部に配置され、第２整流部の下流側の端部は、流路の下流側の端部に配置されてもよい。このような構成であれば、フィンの流れ方向の広い範囲で熱媒体を高温部の側に偏って流すことができる。

実施形態の熱交換器の内部構成を模式的に示す正面図である。 図２Ａは、実施形態の熱交換器の斜視図であり、図２Ｂは、１つの板状部とそれに設けられる第１整流部及び第２整流部を示す斜視図である。 図３Ａ－３Ｃは、実施形態の熱交換器の製造方法の一例を説明する模式的な説明図である。 図４Ａ－４Ｃは、実施形態の熱交換器の製造方法の一例を説明する模式的な説明図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、熱交換器の変形例の内部構成を模式的に示す正面図である。 図６Ａ－図６Ｃは、第１整流部及び第２整流部の変形例を模式的に示す正面図である。

以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
［１．実施形態］
［１－１．熱交換器の構成］
図１に示される熱交換器１は、熱発生源３から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器である。熱発生源３とは、例えば、半導体を有し、作動中に熱を発生する電子部品である。熱媒体は、例えば液体である。この熱交換器１は、ケース１１、フィン１３を含む。

ケース１１は、フィン１３が内部に配置される外郭部材である。ケース１１は、フィン１３に熱媒体を導入するための導入経路５と、フィン１３から熱媒体を排出するための排出経路７と、を形成する。導入経路５はフィン１３の上流側に形成され、排出経路７はフィン１３の下流側に形成される。ケース１１は、一例として、金属材料によって形成することができる。ケース１１の具体的な形状は特に限定されず、熱媒体の入口及び出口が形成された箱型であってもよいし、断面が略矩形のパイプ状であってもよい。

熱媒体については図示を省略するが、ケース１１内、及び、フィン１３内で流れる方向については矢印で示される。なお以下の説明において、具体的な方向の説明がある場合を除き、単に熱媒体の流れ方向という場合には、上流から下流に向かう方向を指す。図１においては、左から右に向かう方向が、熱媒体の流れ方向である。

ケース１１の外部には、熱発生源３が配置されている。ケース１１において、熱発生源３からの熱により最も高温となる壁部分が、高温部２１である。ここでいう高温部２１は、ケース１１において最も高温となる部分を有する壁部分を意味する。すなわち高温部２１は、ケース１１における熱発生源３の設けられた位置のみを指すのではなく、熱発生源３の設けられた壁部分を広く指す。

ケース１１のうち、高温部２１と対向する部分を、対向部２３とする。以下の説明において、高温部２１側、とは、対向部２３の側に対して高温部２１の側であるという意味である。ケース１１の流路を構成する内壁面のうち、高温部２１側の壁面は、少なくともフィン１３が配置される部分においては平面形状である。

フィン１３は、内部に熱媒体が流れる流路９を形成する。フィン１３は、板状部３１、第１整流部３３、及び第２整流部３５を有する。図２Ａに示されるように、フィン１３は、複数の板状部３１を有している。板状部３１は矩形の平らな板状の部分である。板状部３１のそれぞれは、熱媒体の流れ方向に沿って広がる。また、板状部３１のそれぞれは、図１に示されるように、一端が、上述した高温部２１に沿って配置される。より具体的には、複数の板状部３１は、高温部２１と対向部２３を結ぶ方向に沿って広がり、また、少なくとも高温部２１に近接するように配置される。複数の板状部３１は、並列して配置されており、それらの間を熱媒体が流れる。フィン１３は、一例として、金属材料によって形成することができる。

第１整流部３３及び第２整流部３５は、隣接する２つの板状部３１の間に配置されている。図２Ａ、２Ｂに示されるように、第１整流部３３及び第２整流部３５は、隣接する板状部３１の間において、各板状部３１と当接するように配置されている。

第１整流部３３は、フィン１３により形成される流路９の内部に配置される。ここでいう流路９とは、隣接する２つの板状部３１の間の空間を意味する。つまり、第１整流部３３及び第２整流部３５が配置されることによって、第１整流部３３及び第２整流部３５の設けられる空間に熱媒体が流れなくなったとしても、第１整流部３３及び第２整流部３５は流路の内部に配置されているといえる。

第１整流部３３は、図１に示されるように、流路９に流入した熱媒体が高温部２１の側に偏って流れるように熱媒体の流れを制御する。第１整流部３３は、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように延びる長尺状の部分である。第１整流部３３の上流側かつ高温部２１の側を向く面は、傾斜面３７である。傾斜面３７は、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように、流れ方向に対して傾斜する。

第２整流部３５は、流路９の内部における第１整流部３３の下流側に配置される。第２整流部３５は、流路９における熱媒体の流れ方向と交差する方向に熱媒体が流れることを抑制する。ここでいう交差する方向とは、高温部２１と対向部２３を結ぶ方向であり、図１においては上下方向である。以下の説明において、交差する方向とは、上述した方向を指す。高温部２１の側に偏った熱媒体は、第２整流部３５によって、高温部２１の側から離れることが抑制される。第２整流部３５における高温部２１の側を向く面である下側面３９は、流れ方向に略平行な面である。

第２整流部３５は、流れ方向に沿って延びる長尺状の部分である。より詳細には、第２整流部３５は、流れ方向と略平行に延びる。第２整流部３５は、その上流側の端部が、第１整流部３３の下流側の端部と連続するように形成されている。つまり、第１整流部３３と第２整流部３５は、途中で屈曲して連接された一枚の板状（あるいは棒状又は柱状）の形状を有している。

また、第１整流部３３の上流側の端部４５は、流路９の上流側の端部に配置され、第２整流部３５の下流側の端部４７は、流路の下流側の端部に配置される。言い換えると、板状部３１の上流側の端部と、第１整流部３３の上流側の端部４５と、は流れ方向に関して同じ位置であり、板状部３１の下流側の端部と、第２整流部３５の下流側の端部４７と、は流れ方向に関して同じ位置である。

このように構成された熱交換器１では、図１に示されるように、フィン１３の上流側（図１における左側）からフィン１３に向けて熱媒体が流れる。フィン１３の上流側端部のうち、第１整流部３３の上流側の端部４５より下方の部分が、流路９に熱媒体が流れこむ流入口４１となる。流入口４１から流路９に流れ込んだ熱媒体は、第１整流部３３によって高温部２１の側に偏る。高温部２１の側に偏った熱媒体は、さらに下流に進むとき、第２整流部３５によって対向部２３の側に移動することが抑制される。つまり、熱媒体は、高温部２１の側に偏ったまま、流れ方向に沿って下流に流れる。そして、フィン１３から流出した以降は、排出経路７全体に広がって、さらに下流に流れる。なお、フィン１３の下流側端部のうち、第２整流部３５の下流側の端部４７と高温部２１の間が、熱媒体の流出口４３となる。
このように、熱媒体が高温部２１側に沿って流れる結果、熱交換器の熱伝導の効率が向上し、熱発生源３から発生する熱を効率よく排熱することができる。

［１－２．フィンの製造方法］
図２に示されるフィンの製造方法の例を説明する。なおフィンの製造方法は下記の例に限定されず、公知の様々な手法により製造することができる。

（ｉ）切削による製造
図３Ａに示されるように、ブロック状の金属のワーク７１をクランプ７３で挟み込んで固定し、図示しないカッターにより溝７５を形成する。この溝が、フィン内の流路となる。図３Ｂに示されるように、必要な数の溝７５を形成した後、図３Ｃに示されるように、ワーク７１を所望の幅に切断してフィン１３ａとする。

（ｉｉ）接合による製造
図４Ａに示されるように、まず、板状部３１と、板状部３１に形成された第１整流部３３及び第２整流部３５と、を有する部品８１を製造する。部品８１の製造方法は特に限定されないが、金属の板状の部材をプレス加工することによって製造してもよい。また、板状部３１となる金属の板状の部材に、第１整流部３３及び第２整流部３５となる長尺状の部材を接合することによって製造してもよい。接合の方法は特に限定されず、例えば溶接、接着剤による接合、プレス機を用いた接合などであってもよい。

次に、製造した部品８１を複数並べて接合し、フィン１３ｂを製造する。図４Ｂに示されるように、新たな部材を追加せず、接着、溶接、プレス機を用いた接合などにより接合することができる。このとき最も外側の第１整流部３３及び第２整流部３５を覆うように板状の部材８３がさらに設けられてもよい。

また、製造した複数の部品８１の接合に、接合用の部材を用いてもよい。例えば図４Ｃに示されるフィン１３ｃのように、円柱状の接合部材８５を用いて接合を行ってもよい。この場合には、板状部３１に予め接合部材８５を通過させるための貫通孔を形成しておいてもよい。また、フィン１３ｃにおいても、上述した板状の部材８３がさらに設けられていてもよい。また、リベットなど接合用の部材を用いて、プレス機によるカシメにて接合してもよい。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）本実施形態の熱交換器１は、第１整流部３３によって、熱媒体が高温部２１の側に偏って流れるように流路９に流入した熱媒体の流れが制御される。また第２整流部３５によって、流路９における当該熱媒体の流れ方向と交差する方向に熱媒体が流れることが抑制される。よって、ケース１１における温度が高い高温部２１に沿って流れる熱媒体の割合が大きくなり、また、高温部２１に沿った部分の熱媒体の流速が大きくなることで、熱媒体による熱交換効率を向上させることができる。

（１ｂ）第１整流部３３は、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように流れ方向に対して傾斜する傾斜面３７を有する。そのため、第１整流部３３によって、流路９に流入した熱媒体を滑らかに高温部２１側に偏らせることができ、圧力損失の増加を抑制することができる。

また第１整流部３３は、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように延びる長尺状の部分である。そのため、広い範囲において熱媒体を高温部２１側に案内することができ、熱媒体が高温部２１の側に偏ることを好適に実現できる。

（１ｃ）第２整流部３５は、流れ方向に沿って延びる長尺状の部分である。そのため、広い範囲において熱媒体が高温部２１から離れることを好適に抑制できる。また、流路９内にて渦の発生が抑制されるため、熱媒体の流路９の通過をスムーズに行わせることができる。
また第２整流部３５は、流れ方向と略平行に延びているため、熱媒体が高温部２１の側に偏った状態で下流に流れることを好適に実現できる。

（１ｄ）熱交換器１において、第２整流部３５は、上流側の端部が、第１整流部３３の下流側の端部と連続するように形成されている。つまり、第１整流部３３と第２整流部３５は連続した１つの部分となっている。そのため、第１整流部３３によって高温部２１の側に偏った熱媒体は、そのまま第２整流部３５によって高温部２１の側に維持され、高温部の側から離れにくくなる。よって、熱媒体の大部分を、高温部２１の側に偏った状態で下流に流すことができる。

（１ｅ）熱交換器１において、第１整流部３３の上流側の端部４５は、流路９の上流側の端部に配置される。また、第２整流部３５の下流側の端部４７は、流路９の下流側の端部に配置される。そのため、フィン１３の流れ方向の広い範囲で熱媒体を高温部２１の側に偏って流すことができる。

［２．その他の実施形態］
以上本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

（２Ａ）熱交換器１の具体的な形態は特に限定されない。例えば、図２Ａでは、全体として略直方体となったフィン１３を例示した。しかしながら、板状部３１の間に流路が形成され、その流路に第１整流部３３と第２整流部３５とが設けられる構成であれば、フィンの具体的な形状は特に限定されない。

また、ケース１１の内部において、複数のフィン１３が配置されてもよい。
また、熱発生源３として電子部品を例示したが、熱発生源３はこれに限定されず、様々な熱発生源に対して本開示の熱交換器１を利用できる。例えば、暖房用熱交換器に利用してもよい。

（２Ｂ）フィンの有する第１整流部及び第２整流部の具体的形状は、上記実施形態にて例示した形状に限定されない。
例えば、図５Ａに示される熱交換器１０１のフィン１１３のように、第１整流部３３の上流側の端部４５と対向部２３の間に隙間があり、その隙間からも一部の熱媒体がフィン１１３に流入するように構成されていてもよい。

また例えば、図５Ｂに示される熱交換器２０１のフィン２１３のように、第１整流部２３３における上流側の面が、流れ方向に対して直交するように長さを有していてもよい。流路９に流入した熱媒体は、第１整流部２３３の有する流れ方向と直交する面に当たり、第１整流部２３３と高温部２１との間に流れる。このように、傾斜面以外を有する構成により、熱媒体の流れを高温部２１の側に偏らせるように構成されていてもよい。

また例えば、図６Ａに示されるフィン３１３のように、第２整流部３３５が流れ方向に対して角度を有していてもよい。図６Ａでは下流ほど流路が高くなる構成を例示したが、下流ほど流路が低くなる構成であってもよい。なお、第２整流部は、少なくとも、第１整流部３３の上流側の端部４５の高さよりも低い（すなわち、高温部２１側に設けられる）構成であればよい。なお、流路における流れ方向と交差する方向に関して、第２整流部における下側の面が、高温部２１側の半分以下の位置（図６Ａにおいては、基準線Ａよりも下側）に配置されていてもよい。この場合、高温部２１側に偏った熱媒体が流れる流路の高さが、基準線Ａよりも下側に制限される。

また例えば、図６Ｂに示されるフィン４１３のように、第１整流部３３と第２整流部３５とが連接されておらず、その間に隙間が設けられていてもよい。また、第１整流部３３と第２整流部３５のそれぞれについても、複数の部分に分離していてもよい。

また例えば、図６Ｃに示されるフィン５１３のように、第１整流部５３３と第２整流部５３５とは、板状又は棒状の部材でなく、ブロック状や、その他の形態であってもよい。

また、第１整流部の上流側の端部は、フィンの上流側の端部よりも下流側に位置していてもよいし、第２整流部の下流側の端部は、フィンの下流側の端部よりも上流側に位置していてもよい。

（２Ｃ）上記実施形態では、ケース１１の中にフィン１３が配置される構成を例示した。しかしながら、ケースとフィンとが一体に構成されていてもよい。例えば、ケースを構成する壁面にフィンの板状部３１が設けられていてもよい。

（２Ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

１，１０１，２０１…熱交換器、３…熱発生源、５…導入経路、７…排出経路、９…流路、１１…ケース、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１１３，２１３，３１３，４１３，５１３…フィン、２１…高温部、２３…対向部、３１…板状部、３３，２３３，５３３…第１整流部、３５，３３５，５３５…第２整流部、３７…傾斜面、３９…下側面、４１…流入口、４３…流出口、４５，４７…端部、７１…ワーク、７３…クランプ、７５…溝、８１…部品、８３…板状の部材、８５…接合部材

Claims (7)

1. 熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器であって、
   前記熱媒体が内部を通過するケースと、
   前記ケースの内部に配置され、前記熱媒体が流れる流路を形成するフィンと、
   前記ケースにおいて前記熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分を高温部とするとき、前記流路の内部に配置され、前記流路に流入した前記熱媒体が前記高温部の側に偏って流れるように前記熱媒体の流れを制御する第１整流部と、
   前記流路の内部における前記第１整流部の下流側に配置され、前記流路における当該熱媒体の流れ方向と交差する方向に前記熱媒体が流れることを抑制する第２整流部と、を備える熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記第１整流部は、下流側に向かうにつれて前記高温部側に向かって近づくように前記流れ方向に対して傾斜する傾斜面を有する、熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記第１整流部は、下流側に向かうにつれて前記高温部側に向かって近づくように延びる長尺状の部分である、熱交換器。
4. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記第２整流部は、前記流れ方向に沿って延びる長尺状の部分である、熱交換器。
5. 請求項４に記載の熱交換器であって、
   前記第２整流部は、前記流れ方向と略平行に延びる、熱交換器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
   前記第２整流部は、上流側の端部が、前記第１整流部の下流側の端部と連続するように形成されている、熱交換器。
7. 請求項６に記載の熱交換器であって、
   前記第１整流部の上流側の端部は、前記流路の上流側の端部に配置され、前記第２整流部の下流側の端部は、前記流路の下流側の端部に配置される、熱交換器。