JP5743948B2

JP5743948B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5743948B2
Application number: JP2012091230A
Authority: JP
Inventors: 卓也本郷; 鈴木　智之; 智之鈴木; 高松　伴直; 伴直高松; 光章加藤; 久野　勝美; 勝美久野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN103376021A; US20130269918A1; JP2013221625A

Description

本発明の実施形態は、熱交換器に関する。

近年、半導体素子の高集積化による発熱密度の増大や、携帯電話に代表される電子機器の小型化等に対応するため、小型で高い熱交換性能を有する放熱機器の開発が求められている。また、地球温暖化防止の観点から、従来排熱として廃棄されていた低温の熱源からも、効率良くエネルギーを回収しようという機運が高まっている。そのために、数十μm〜1 mm程度の流路径を採用することで、小型かつ高効率な熱交換を実現する「マイクロチャネル熱交換器」による熱交換技術の開発が進んでいる。

しかしながら、上記の熱交換器では、熱交換のための媒体を脱気し極力残存気泡を取り除いても気泡を完全に除去するのは難しく、媒体の流れに伴い気泡が流路に流入して流路を詰まらせることがある。この気泡詰まりは熱交換器の熱交換性能を低下させる。

特開２００４−２８９０４９号公報

熱交換性能を維持することが可能な熱交換器を提供する。

実施形態の熱交換器は、第１媒体の第１流入口と前記第１媒体の第１流出口を有する第１マニホールドと、前記第１流出口と連通し、断面の代表長さH1が（式１）を満たす第１流路を有する熱交換部と、前記第１流入口と前記第１流出口の間を遮って設けられ、平均直径が前記代表長さH1以下である複数の空孔を含む第１多孔体とを備える。

第一の実施形態に係る熱交換器の構成図。図１の熱交換器の内部を示す断面図。図１の熱交換器のX-X断面図。第一の実施形態に係るマイクロチャネルと気泡の関係を説明する図。第一の実施形態に係る熱交換器の作用を説明する図。第一の実施形態に係る熱交換器の実験結果を示す図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第一の実施形態）
図１は第一の実施形態に係る熱交換器の構成図である。図１は熱交換器の外観を示す概略図、図２は図１の熱交換器の内部を示す断面図、図３は図１の熱交換器のX-X断面図である。

熱交換器は、第１媒体と第２媒体の間で熱交換を行うための熱交換部１０と、第１媒体を分流する第１マニホールド２０と、第２媒体を分流する第２マニホールド３０と、熱源から熱を受熱する受熱部４０と、受熱部４０と接続され第１媒体が流れる流管５０と、第２媒体が流れる流管６０と、第１マニホールド２０内および第２マニホールド３０内に、第１媒体の流れを遮るように設けられる多孔体７０と、第２媒体の流れを遮るように設けられる多孔体８０とを備える。なお、本実施形態では、第１媒体および第２媒体としては水を用いる。また、第１媒体を高温媒体、第２媒体を低温媒体とする。

熱交換器は、例えば給湯器等に用いることができ、具体的には熱源の近傍に受熱部４０を設置して用いる。受熱部４０は、熱源から受熱する熱を第１媒体に対して与える。熱交換部１０は、第１媒体と第２媒体との間で熱交換を行う。これにより、熱源の熱を第１媒体から第２媒体へと輸送し、さらに第２媒体から給湯器の液体へと熱を輸送することで、給湯器の液体の温度を上昇させることができる。本実施形態では、自然対流により第１媒体または第２媒体を輸送する。

熱交換部１０は、複数の第１流路１１および複数の第２流路１２を含む流路（以下、マイクロチャネル）を有する薄板の部材である。マイクロチャネルは、熱交換部１０の厚み方向に貫通する。このとき、複数の第１流路１１と複数の第２流路１２は熱交換部１０の厚み方向に並行する。なお、ここでのマイクロチャネルとしては、断面の代表長さが室温、大気圧条件下での水のラプラス定数（2.5mm程度）以下のものと定義する。

なお、熱交換部１０としては、アルミ、銅、ステンレス等の熱伝導性に優れる材質を用いることができる。また、図１の熱交換部１０では、断面形状が円状のマイクロチャネルを例に説明をしているが、マイクロチャネルの断面形状としては、円状の他、楕円状、半円状、矩形状等の様々な形状が適用可能である。

図３に示すように、熱交換部１０のマイクロチャネルは格子状に配置している（本実施形態では、x軸方向に４列、y軸方向に４行の計１６）。また、以下の説明のため、１行４列のマイクロチャネルを群として扱い、第１流路１１が含まれるマイクロチャネル群Aおよび第２流路１２が含まれるマイクロチャネル群Bを定義する。

詳細は後述するが、熱交換部１０では、マイクロチャネル群Aを流れる第１媒体と、マイクロチャネル群Bを流れる第２媒体との間で熱交換を行う。したがって、熱交換器の熱交換性能は、各マイクロチャネル内の第１媒体または第２媒体の流れに影響する。例えば、第１媒体または第２媒体の循環中に生じる気泡等が、マイクロチャネル内に流入してしまい、第１媒体または第２媒体の流れを妨げることがある。

この問題に対して、例えば、各マイクロチャネル内を流れる第１媒体または第２媒体の質量流速を100〜200kg/(m²・s)程度の大きな値とすることで、各マイクロチャネル内への気泡詰まりの影響を抑制することが考えられる。しかしながら、このように質量流速が大きい場合には、各マイクロチャネルの流入口と流出口の間での圧力損失が増大してしまうため、質量流速はできる限り低速であることが好ましい。例えば、本実施形態のように自然対流により媒体を輸送する場合には、媒体の質量流速は10kg/(m²・s)程度のオーダーである。

また、各マイクロチャネルの直径を大きくすることで、各マイクロチャネル内への気泡詰まりの影響を抑制することが考えられる。しかしながら、熱交換部１０のサイズを一定とした場合、熱交換部１０の単位体積あたりのマイクロチャネルの本数が減少し、その結果伝熱面積が減少してしまうため、伝熱性を向上させるためには各マイクロチャネルの直径は小さいほど好ましい。

本実施形態では、各マイクロチャネルの代表長さHを次式で規定する。本実施形態では、代表長さHは各マイクロチャネルの直径である。なお、次式の右辺はラプラス定数を表している。ここで、表面張力としては、事前に熱交換器の使用時の設計条件（温度、圧力等）に基づいて算出される各マイクロチャネルの流入口における表面張力を用いる。また、液相の密度、気相の密度についても、各チャネルの流入口における密度を用いる。

一般にラプラス定数は、媒体に働く重力と表面張力が等しくなるスケールを示している。したがって、ラプラス定数より大きいスケールでは重力が表面張力より大きく働き、逆に、ラプラス定数より小さいスケールでは表面張力が重力より大きく働く。

すなわち、図４に示すように、各マイクロチャネルの直径がラプラス定数より大きいと、各マイクロチャネル内に気泡が混入した場合、表面張力以上に重力が大きく働くため、気泡は各マイクロチャネル内の重力とは反対方向に偏在しやすくなる（図４（a））。逆に、各マイクロチャネルの直径がラプラス定数以下だと、各マイクロチャネル内に気泡が混入した場合、重力以上に表面張力が大きく働くため、気泡は各マイクロチャネル内の重力の反対方向に偏在するよりはむしろ、重力の方向に関係なく第１媒体または第２媒体の流れを妨げるように存在しやすくなる（図４（b））。

なお、上式における下限値としては、例えばH=２０μmとする。これは、Hが２０μmより小さい場合は、各マイクロチャネルの製作が困難となると共に、圧力損失が顕著に増大してしまうためである。また、各マイクロチャネルは、同一の直径を有してもよいし、上式の範囲内でそれぞれ異なる直径を有してもよい。

熱交換部１０は、例えば微小径の貫通孔が複数形成された薄型部材を積層して製作しても良いし、微小径の溝が多数設けられた薄型部材を積層して製作しても良い。この場合には拡散接合、ろう付け等により薄型部材同士を固定することができる。また、熱交換部１０は、一体の部材に貫通孔を複数設けても良い。なお、貫通孔または溝の形成方法としては、エッチング、エレクトロフォーミング、光造形、陽極酸化法などの化学処理プロセスや、ドリルによる切削加工や、プレス加工、放電加工、レーザー加工等の機械加工プロセスを用いることができる。

第１マニホールド２０は、第１媒体の第１流入口２１と第１流出口２２を有する中空の部材である。第１マニホールド２０は、中空の内部に流入する第１媒体を分流して、第１流出口を通して熱交換部１０へ流出する。

第１マニホールド２０は、第１媒体の流れ方向に沿って、第１流入口２１、第１媒体で満たされるチャンバー２３、第１媒体を分流するバッファ２４、第１流出口２２が形成されている。第１流入口２１は、流管５０に連通している。第１流出口２２は、熱交換器１０のマイクロチャネル群Aの一端に連通している。さらに、マイクロチャネル群Aは他端において流管５０と連通している。

第２マニホールド３０は、第２媒体の第２流入口３１と第２流出口３２を有する中空の部材である。第２マニホールド３０は、中空の内部に流入する第２媒体を分流して、第２流出口を通して熱交換部１０へ流出する。

第２マニホールド３０は、第２媒体の流れ方向に沿って、第２流入口３１、第２媒体で満たされるチャンバー３３、第２媒体を分流するバッファ３４、第２流出口３２が形成されている。第２流入口３１は、流管６０に連通している。第２流出口３２は、熱交換器１０のマイクロチャネル群Bの一端に連通している。さらに、マイクロチャネル群Bは他端において流管６０と連通している。

第１多孔体７０は、複数の空孔を含む部材である。第１多孔体７０は、第１流入口２１と第１流出口２２の間を遮るように第１マニホールド２０内に設けられる。さらに詳細には、チャンバー２３とバッファ２４の間に設けられる。

第１多孔体７０としては、PVAなどを素材とするスポンジや繊維束をバインダーで固めた部材を用いることができる。また、第１多孔体７０は、媒体を透過し、かつ気泡の透過を妨げるために親液性の部材であることが好ましい。なお、この親液性とは、多孔体と媒体との接触角が９０°より小さいことと定義する。

前述のように、第１流路１１の直径Hを（式１）で規定した場合には、単位体積あたりの伝熱面積を増加させることはできるが、例えば直径Hよりも大きな直径を有する気泡が第１流路１１内に流入した場合、流路を完全に塞いでしまうことになる。これにより、各マイクロチャネルを流れる媒体の流量が減少してしまう。

そこで、本実施形態においては、第１多孔体７０に含まれる複数の空孔の平均直径は、第１流路１１の直径H以下とする。この際、平均直径としては、ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定した空孔の体積Vの分布、および空孔を球状と仮定した際に体積Vのときの直径Dを用いることで次式により算出できる。

これにより、直径Hよりも大きな直径を有する気泡を第１多孔体７０で除去することができ、第１流路１１内への気泡詰まりを防止することができる。したがって、第１流路１１の直径Hが（式１）を満たすことによる伝熱面積の向上と、第１流路１１内への気泡詰まりの防止による媒体流量の確保を両立させることができる。すなわち、低流速であっても熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。

第２多孔体８０は、複数の空孔を含む部材である。第２多孔体８０は、第２流入口３１と第２流出口３２の間を遮るように第２マニホールド３０内に設けられる。さらに詳細には、チャンバー３３とバッファ３４の間に設けられる。

第２多孔体８０としては、PVAなどを素材とするスポンジや繊維束をバインダーで固めた部材を用いることができる。また、第２多孔体８０は、媒体を透過し、かつ気泡の透過を妨げるために親液性の部材であることが好ましい。

本実施形態においては、第２多孔体８０に含まれる複数の空孔の平均直径は、第２流路１２の直径H以下とする。この際、平均直径としては、（式２）に基づいて算出することができる。

図５は、熱交換器の作用を説明する図である。

熱源から熱を受熱している受熱部４０に第１媒体の流れC＋Dが流入し、第１媒体がこの熱を受ける。この第１媒体の流れC+Dは流管５０を流れ、第１流入口２１を通って第１マニホールド２０のチャンバー２３へ流入する。そして、第１媒体の流れC+Dが第１多孔体７０を透過する際に、第１多孔体７０は、例えば流管５０やチャンバー２３内で発生する気泡のうち直径が第１流路１１の直径H以上の気泡を取り除く。第１多孔体７０を透過する第１媒体の流れC＋Dは、バッファ２４で第１媒体の流れC、第１媒体の流れDに分流され、それぞれ第１流出口２２を通って熱交換部１０の第１流路１１を含むマイクロチャネル群Ａに流入する。

一方、第２媒体の流れE+Fは、流管６０を流れ、第２流入口３１を通って第２マニホールド３０のチャンバー３３へ流入する。そして、第２媒体の流れE+Fが第２多孔体８０を透過する際に、例えば流管６０やチャンバー３３内で発生する気泡のうち直径が第２流路１２の直径H以上の気泡を取り除く。第２多孔体８０を透過する第２媒体の流れE+Fは、バッファ３４で第２媒体の流れE、第１媒体の流れFに分流され、それぞれ第２流出口３２を通って熱交換部１０の第２流路１２を含むマイクロチャネル群Ｂに流入する。

このとき、熱交換部１０において、熱伝導によりマイクロチャネル群Ａを流れる第１媒体からマイクロチャネル群Ｂを流れる第２媒体へ熱が伝熱する。

マイクロチャネル群Ａから流出した第１媒体の流れC、第１媒体の流れDは再び流管５０を通って受熱部４０に循環する。また、マイクロチャネル群Ｂから流出した第２媒体の流れE、第２媒体の流れFは再び流管６０を循環する。これにより、熱源の熱は、第１媒体から第２媒体へと輸送され、例えば流管６０を介して熱源とは別の空間を暖めることができる。

図６は、実験結果の一例を示す図である。ここでの実験条件としては、マイクロチャネルの直径は250μmとし、第１媒体および第２媒体としては水を用いた。また、水との接触角３６°の親水性、平均直径130μmの空孔を有するPVAの多孔体を用いた。具体的な数値としては、第１媒体については、温度60℃、液相密度983 kg/m³、気相密度0.13 kg/m³、表面張力0.066 N/mを用いた。また、第２媒体については、温度15℃、液相密度999 kg/m³、気相密度0.014 kg/m³、表面張力0.073 N/mを用いた。

図６で示すように多孔体７０および多孔体８０がない場合に比べ、多孔体７０および多孔体８０がある本実施形態の熱交換器では、質量流速が10 kg/(m²・s)程度と100〜200 kg/(m²・s)より大幅に小さいにも関わらず、熱抵抗が小さく設計値にきわめて近い値をとることがわかる。

本実施形態の熱交換器によれば、媒体の質量流速が、例えば100 kg/(m²・s)以下の低速であっても、マイクロチャネルへの気泡詰まりを防ぐことができる。媒体の循環のために自然対流を利用する場合には、熱源の高さが低いほど効率良く熱交換できる質量流速は小さくなる。従って、熱源の高さ（すなわち熱交換器のサイズ）等の制約を受けずに、質量流速が低速であってもマイクロチャネルへの気泡詰まりを防ぐことが出来ることのメリットは大きい。また、質量流速が低速であると、圧力損失の増大を防ぐことができるために、例えばポンプを用いて媒体の流れを発生させる場合には、ポンプへの負荷を低減させることができる。

以上説明した実施形態の熱交換器によれば、熱交換性能を維持することが可能となる。

これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０・・・熱交換部
１１・・・第１流路
１２・・・第２流路
２０・・・第１マニホールド
２１・・・第１流入口
２２・・・第１流出口
３０・・・第２マニホールド
３１・・・第２流入口
３２・・・第２流出口
２３、３３・・・チャンバー
２４、３４・・・バッファ
４０・・・受熱部
５０、６０・・・流管
７０・・・第１多孔体
８０・・・第２多孔体

Claims

第１媒体の第１流入口と前記第１媒体の第１流出口を有する第１マニホールドと、
前記第１流出口と連通し、前記第１媒体の流れる方向に垂直な断面の代表長さH1が（式１）を満たす第１流路を有する熱交換部と、
前記第１流入口と前記第１流出口の間を遮って設けられ、平均直径が前記代表長さH1以下である複数の空孔を含む第１多孔体と、
を備える熱交換器。
前記第１多孔体は、親液性を有する請求項１に記載の熱交換器。
熱源からの熱を受熱する受熱部と、
前記受熱部と前記第１流入口を連通する流管と、
をさらに備える請求項１または２に記載の熱交換器。
第２媒体の第２流入口と前記第２媒体の第２流出口とを有する第２マニホールドと、
前記第２媒体の流れる方向に垂直な断面の代表長さH2が（式２）を満たし、前記第２流出口と連通し、かつ前記第１流路に並行する第２流路を有する前記熱交換部と、
前記第２流入口と前記第２流出口の間を遮って設けられ、平均直径が前記代表長さH2以下である複数の空孔を含む第２多孔体と、
をさらに備える請求項１乃至３いずれか１項に記載の熱交換器。
前記２多孔体は、親液性を有する請求項４に記載の熱交換器。