JP7245392B2 - 温調ユニット - Google Patents

Description

本発明は、温調ユニットに関する。

従来から、電気機器、電子機器および半導体機器等において、発熱に弱い回路等を保護するために温調ユニットが用いられている。より詳細には、電気機器等が使用する電力量が多くなると発熱量も多くなるため、発生した熱を温調ユニットによって冷却することにより電気機器等の内部の温度を調整していた。

このような温調ユニットとして、例えば特許文献１等に開示されるものが知られている。日本国特許公開公報の特開２０１９－９４３３号公報等に開示される温調ユニットは、金属繊維で構成される金属繊維シートと、金属繊維シートを冷却する冷却機構とを備えており、冷却効果に優れ、小型化および薄型化しやすく、電気機器等の内部の局所的な冷却を可能とするものである。

特開２０１９－９４３３号公報に開示される温調ユニットは、小型化および薄型化しやすい態様であるものの、流路を流れる流体に熱を伝達するための熱交換面積が小さいため、使用する電流量が多い半導体部品を冷却するような、更なる熱交換能力が求められる場合に熱交換能力が不足する場合があった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、熱交換能力に優れる温調ユニットを提供することにある。

本発明の温調ユニットは、間隔を空けて互いに平行に延びる、多孔質の金属から形成される複数の棒状部材の間に流体の流路が形成され、前記流路において流体は前記棒状部材の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、前記流路は、前記流動方向に沿って蛇行していることを特徴とする。

本発明の温調ユニットによれば、熱交換能力に優れる温調ユニットを得ることができる。

本発明の実施の形態による温調ユニットの構成の一例を示す斜視図である。 図１に示す温調ユニットのＡ－Ａ矢視による断面図である。 図２に示す温調ユニットのＢ－Ｂ矢視、すなわち図１に示す温調ユニットのＣ－Ｃ矢視による断面図である。 図２に示す温調ユニットのＤ－Ｄ矢視、すなわち図３に示す温調ユニットのＥ－Ｅ矢視および図１に示す温調ユニットのＦ－Ｆ矢視による断面図である。 図１に示す温調ユニットを構成する第１金属繊維構造体の構成を示す斜視図である。 図１に示す温調ユニットを構成する第２金属繊維構造体の構成を示す斜視図である。 図１に示す温調ユニットを構成する板状の外側部材を示す斜視図である。 変形例に係る温調ユニットを構成する第１金属繊維構造体の構成を示す斜視図である。 変形例に係る温調ユニットを構成する第２金属繊維構造体の構成を示す斜視図である。 （ａ）～（ｅ）は、本発明の様々な実施の形態による温調ユニットを構成する棒状部材の断面図である。 別の変形例に係る温調ユニットの内部構成を示す断面図である。 更に別の変形例に係る温調ユニットの内部構成を示す断面図である。 更に別の変形例に係る温調ユニットの内部構成を示す断面図である。 更に別の変形例に係る温調ユニットの内部構成を示す断面図である。 図１４に示す温調ユニットの内部構成における範囲Ｇを拡大して示す断面図である。 評価装置の上面図である。 図１６に示す評価装置の正面図である。 図１６に示す評価装置の左側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図７は、本実施の形態による温調ユニットを示す図である。本実施の形態による温調ユニットは、被伝熱媒体としての流体を加熱したりこの流体から放熱を行ったりするものである。被伝熱媒体としての流体は、例えば水、空気、不凍液、有機溶剤、フッ素系溶媒（例えば、フロリナート、フロン）等である。

図１乃至図４は、本実施の形態による温調ユニット１０を示す図である。具体的には、図１は、本実施の形態による温調ユニット１０の構成の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示す温調ユニット１０のＡ－Ａ矢視による断面図である。また、図３は、図２に示す温調ユニット１０のＢ－Ｂ矢視、すなわち図１に示す温調ユニット１０のＣ－Ｃ矢視による断面図である。また、図４は、図２に示す温調ユニット１０のＤ－Ｄ矢視、すなわち図３に示す温調ユニット１０のＥ－Ｅ矢視および図１に示す温調ユニット１０のＦ－Ｆ矢視による断面図である。

図１乃至図４に示すように、温調ユニット１０は、入口２０ａおよび出口２０ｂを有する略直方体形状の枠体２０と、枠体２０の内部に設けられた複数の棒状部材３０とを備えており、各棒状部材３０の間の隙間に流体の流路５０が形成されている。この流路５０は、流体のメインの流路である。また、本実施の形態では、互いに略平行に延びる複数の流路５０が形成される。流体は枠体２０の入口２０ａから当該枠体２０の内部に入り、各流路５０を通って図１および図２における右方向に流れ、出口２０ｂから枠体２０の外部に出るようになっている。この際に、各流路５０において流体は各棒状部材３０の延びる方向に対して直交する方向である流動方向（具体的には、図１および図２における右方向）に沿って流れる。なお、各流路５０における流体の流動方向は、各棒状部材３０の延びる方向に対して直交する方向から多少傾いていてもよい。具体的には、各流路５０における流体の流動方向と、各棒状部材３０の延びる方向に対して直交する方向との間の角度が－１０°～１０°の範囲内であればよい。このような温調ユニット１０の詳細について以下に説明する。

図１に示す温調ユニット１０は、図５に示す第１金属繊維構造体４０と、図６に示す第２金属繊維構造体４２とが交互に積層されることにより構成されている。具体的には、図５に示す第１金属繊維構造体４０と、図６に示す第２金属繊維構造体４２とが交互に積層されることにより金属繊維構造体の積層体が形成され、この積層体の両側に図７に示す板状の外側部材４４が取り付けられる。外側部材４４は金属体２２から構成されている。被伝熱媒体として液体を用いる場合には、被伝熱媒体の入口、出口面を除き、水密に外側部材４４を配置してもよい。

第１金属繊維構造体４０は、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３２および各棒状部材３２を接続する一対の接続部材２４を有している。図２等に示すように、各棒状部材３２は湾曲面を有している。また、各棒状部材３２の断面形状は山形状である。具体的には、各棒状部材３２の断面形状は、直線および凸形状の曲線（例えば、円弧の一部）に囲まれる領域となっている。また、一対の接続部材２４は、各棒状部材３２の両端に取り付けられている。このことにより、第１金属繊維構造体４０はいわゆる梯子形状となっている。

第１金属繊維構造体４０の製造方法について説明する。まず複数の金属繊維に物理的な衝撃を与えることにより変形させ、この変形した複数の金属繊維をグラファイト板上に載せる。具体的には、最初に、一対の接続部材２４および各棒状部材３２に対応するような梯子形状の貫通穴が形成された第１型枠をグラファイト板に載せる。そして、この第１型枠の貫通穴に、変形した複数の金属繊維を入れる。その後、第１型枠の貫通穴に入れられた複数の金属繊維を焼結させ、焼結後にプレスする。そして、グラファイト板から第１型枠を取り外すと、グラファイト板上に第１金属繊維成形体４０が形成される。

第２金属繊維構造体４２は、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３４および各棒状部材３４を接続する一対の接続部材２６を有している。図２等に示すように、各棒状部材３４は湾曲面を有している。また、各棒状部材３４の断面形状は山形状である。具体的には、各棒状部材３４の断面形状は、直線および凸形状の曲線（例えば、円弧の一部）に囲まれる領域となっている。また、一対の接続部材２６は、各棒状部材３４の両端に取り付けられている。このことにより、第２金属繊維構造体４２はいわゆる梯子形状となっている。

第２金属繊維構造体４２の製造方法について説明する。まず複数の金属繊維に物理的な衝撃を与えることにより変形させ、この変形した複数の金属繊維をグラファイト板上に載せる。具体的には、最初に、一対の接続部材２６および各棒状部材３４に対応するような梯子形状の貫通穴が形成された第２型枠をグラファイト板に載せる。そして、この第２型枠の貫通穴に、変形した複数の金属繊維を入れる。その後、第２型枠の貫通穴に入れられた複数の金属繊維を焼結させ、焼結後にプレスする。そして、グラファイト板から第２型枠を取り外すと、グラファイト板上に第２金属繊維成形体４２が形成される。

本実施の形態では、第１金属繊維構造体４０の一対の接続部材２４と、第２金属繊維構造体４２の一対の接続部材２６と、一対の板状の外側部材４４とを組み合わせることにより枠体２０が構成される。また、枠体２０の内部に設けられた複数の棒状部材３０は、第１金属繊維構造体４０の各棒状部材３２と、第２金属繊維構造体４２の各棒状部材３４とから構成される。

図１乃至図３において、第１金属繊維構造体４０の各接続部材２４や第２金属繊維構造体４２の各接続部材２６は左右方向に延びている。すなわち、温調ユニット１０において、第１金属繊維構造体４０の各接続部材２４や第２金属繊維構造体４２の各接続部材２６の延びる方向と、各流路５０において流体が流れる方向である流動方向とが平行になる。なお、各流路５０における流体の流動方向は、各接続部材２４、２６の延びる方向に対して直交する方向から多少傾いていてもよい。具体的には、各流路５０における流体の流動方向と、各接続部材２４、２６の延びる方向との間の角度が－１０°～１０°の範囲内であればよい。

上述したように、第１金属繊維構造体４０の各棒状部材３２および第２金属繊維構造体４２の各棒状部材３４の各々の断面形状は山形状、すなわち直線および凸形状の曲線に囲まれる領域となっている。このため、この断面形状の凸形状の曲線の頂点の近傍は先細部分３２ｐ、３４ｐとなっている。そして、図２に示すように、各流路５０の両側縁に各先細部分３２ｐ、３４ｐが配置されている。

また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２は、隣り合う金属繊維構造体の各棒状部材３２、３４の先細部分３２ｐ、３４ｐが互いに対向するまたは反対側を向くよう交互に積層される。このことにより、図２に示すように、各流路５０は各接続部材２４、２６の延びる方向、すなわち流動方向（図１および図２における左右方向）に沿って蛇行している。

また、図２に示すように、各流路５０の各側縁を区画する複数の棒状部材３２、３４は、隣り合う２つの棒状部材が互いに接している。すなわち、第１金属繊維構造体４０の各棒状部材３２と、この第１金属繊維構造体４０の隣にある第２金属繊維構造体４２の各棒状部材３４とが互いに接している。このことにより、図２において左右方向に沿って平行に延びる複数の流路５０の各々が各棒状部材３２、３４により区画される。このため、複数の流路５０の各々が別の流路５０と連通しなくなる。この場合には、ある流路５０を流れる流体と、この流路５０の隣にある別の流路５０を流れる流体とが干渉してしまい流れが大きく乱れてしまうことを防止することができる。

また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２はそれぞれ金属繊維から形成されたものである。このような金属繊維として、金属被覆繊維が用いられてもよい。また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２は、湿式または乾式製法を用いて不織布、織布およびメッシュ等に形成した後に、金属繊維構造体に加工したものであってもよい。好ましくは、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２として、金属繊維が集積された後に、結着された金属繊維構造体が用いられる。金属繊維が結着されているとは、金属繊維同士が物理的に固定され、結着部を形成していることを意味する。第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２は、金属繊維同士が結着部で直接的に固定されていてもよいし、金属繊維の一部同士が、金属成分以外の成分を介して間接的に固定されていてもよい。

第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２が金属繊維から形成されているため、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２の内部には空隙が存在する。このことにより、各流路５０を流れる流体は、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２、とりわけ各棒状部材３２、３４の内部を通れるようになる。また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２において、金属繊維が結着されている場合には、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２を構成している金属繊維の間に空隙がより一層形成されやすくなる。このような空隙は、例えば金属繊維が交絡することにより形成されてもよい。第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２がこのような空隙を備えることにより、各流路５０を流れる流体が第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２、とりわけ各棒状部材３２、３４の内部に導入されるため、流体に対する熱交換性を高めやすくなる。また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２は、結着部で金属繊維が焼結されていることが好ましい。金属繊維が焼結されていることにより、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２の熱伝導性および均質性が安定しやすくなる。

なお、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２のうち各接続部材２４および各接続部材２６は金属繊維ではなく金属体から構成されていてもよい。この場合には、板状の各外側部材４４も金属体２２から構成されているため、枠体２０を通って各流路５０から流体が出口２０ｂ以外の場所で外部に漏出してしまうことを防止することができる。

更に別の例として、各外側部材４４が金属体２２から構成されるのではなく金属繊維から形成されていてもよい。

また、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２は接合剤により接合されていてもよく、あるいは融着や焼結により第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２が接合されていてもよい。

次に、本実施の形態による温調ユニット１０の動作について説明する。図１の矢印に示すように入口２０ａから枠体２０の内部に入った被伝熱媒体としての流体は、第１金属繊維構造体４０の各棒状部材３２および第２金属繊維構造体４２の各棒状部材３４の間に形成される各流路５０を通って流動方向に沿って図１および図２における右方向に流れる。この際に、各流路５０は流動方向に沿って蛇行しているため、流体も蛇行しながら各流路５０を流れる。この場合には、各流路５０を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、各流路５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、第１金属繊維構造体４０の各棒状部材３２および第２金属繊維構造体４２の各棒状部材３４が金属繊維から形成されているため、これらの各棒状部材３２、３４の表面積が大きくなり、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２による熱伝導率を高めることができる。また、各棒状部材３２、３４がランダムに配置された金属短繊維から構成される場合には、各流路５０を流れる流体に乱流を生じやすくなる。この場合には、各流路５０を流れる流体の圧力損失が更に大きくなり、各流路５０内での流体の滞留時間を更に長くすることができるため、伝熱効果をより一層高めることができる。

以上のような構成からなる本実施の形態の温調ユニット１０によれば、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３２、３４および各棒状部材３２、３４を接続する接続部材２４、２６を有し、金属から形成される金属多孔質構造体（具体的には、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２）が複数積層されることにより構成され、各金属多孔質構造体の各棒状部材３２、３４が互いに平行に延び、各棒状部材３２、３４の間の隙間に流体の流路５０が形成される。

この場合には、流体は各棒状部材３２、３４を避けながら流路５０を流れるため、流路５０を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、流路５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、金属多孔質構造体としての第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２が金属繊維から形成される場合には、各棒状部材３２、３４の表面積が大きくなり、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット１０は熱交換能力に優れたものとなる。

なお、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３２、３４について、ある棒状部材３２、３４の延びる方向が他の棒状部材３２、３４の延びる方向に対して多少傾いていてもよい。具体的には、複数の棒状部材３２、３４について、ある棒状部材３２、３４の延びる方向と、他の棒状部材３２、３４の延びる方向との間の角度が－１０°～１０°の範囲内であればよい。

また、本実施の形態の温調ユニットの製造方法は、複数の金属繊維を受け部（具体的には、グラファイト板）上に集積させる工程と、受け部上に集積された複数の金属繊維を焼結させることにより、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３２、３４および各棒状部材３２、３４を接続する接続部材２４、２６を有し、金属から形成される金属多孔質構造体（具体的には、第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２）を複数作成する工程と、各金属多孔質構造体の各棒状部材３２、３４が互いに平行に延びるよう、複数の金属多孔質構造体を積層することにより、各棒状部材３２、３４の間の隙間に流体の流路５０を形成する工程とを備えている。このような温調ユニットの製造方法によれば、上述した構成の温調ユニット１０を製造することができる。

また、本実施の形態の温調ユニット１０によれば、間隔を空けて互いに平行に延びる金属多孔質構造体の複数の棒状部材３２、３４の間に流体の流路５０が形成され、流路５０において流体は棒状部材３２、３４の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、流路５０は、流動方向に沿って蛇行している。

この場合には、流体は流路５０に沿って蛇行しながら流れるため、流路５０を流れる流体の熱交換面積の増大に伴い、圧力損失が適度に大きくなり、流路５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各棒状部材３２、３４は金属多孔質構造体であるため、各棒状部材３２、３４の表面積が大きくなり、各棒状部材３２、３４による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット１０は熱交換能力に優れたものとなる。

なお、本実施の形態による温調ユニットは上述した態様のものに限定されることはない。本実施の形態による温調ユニットの他の様々な例について以下に説明する。

ある変形例に係る温調ユニットは、図８に示すような第１金属繊維構造体４６と、図９に示すような第２金属繊維構造体４８とが交互に積層されることにより構成されている。具体的には、図８に示すような第１金属繊維構造体４６と、図９に示すような第２金属繊維構造体４８とが交互に積層されることにより金属繊維構造体の積層体が形成され、この積層体の両側に図７に示す板状の外側部材４４が取り付けられる。

第１金属繊維構造体４６は、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３２および各棒状部材３２を接続する一本の接続部材２４を有している。図８に示す第１金属繊維構造体４６で用いられる棒状部材３２の形状は、図５に示す金属繊維構造体４０で用いられる棒状部材３２の形状と略同一となっている。また、接続部材２４は、各棒状部材３２の一方の端部に取り付けられている。このことにより、第１金属繊維構造体４０はいわゆる櫛形状となっている。

第２金属繊維構造体４８は、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材３４および各棒状部材３４を接続する一本の接続部材２４を有している。図９に示す第２金属繊維構造体４８で用いられる棒状部材３４の形状は、図６に示す金属繊維構造体４２で用いられる棒状部材３４の形状と略同一となっている。また、接続部材２６は、各棒状部材３４の一方の端部に取り付けられている。このことにより、第２金属繊維構造体４８はいわゆる櫛形状となっている。

変形例に係る温調ユニットでは、第１金属繊維構造体４６の接続部材２４と、第２金属繊維構造体４８の接続部材２６と、板状の外側部材４４とを組み合わせることにより枠体が構成される。具体的には、第１金属繊維構造体４６と第２金属繊維構造体４８とが交互に積層されることにより形成される積層体の両側に図７に示す板状の外側部材４４が配置されるともに、この積層体における各棒状部材３２、３４の他方の端部にも金属体２２から形成される板状の外側部材４４が取り付けられる。このことにより、入口および出口を有する枠体が形成される。

このような変形例に係る温調ユニットでも、流体は第１金属繊維構造体４６の接続部材２４や第２金属繊維構造体４８の接続部材２６と平行に延びる各流路５０に沿って流れるようになっている。

上述したように、第１金属繊維構造体４６の各棒状部材３２および第２金属繊維構造体４８の各棒状部材３４の各々の断面形状は、山形状、すなわち、直線および凸形状の曲線に囲まれる領域となっている。このため、この断面形状の凸形状の曲線の頂点の近傍は先細部分３２ｐ、３４ｐとなっている。そして、各流路５０の両側縁に各先細部分３２ｐ、３４ｐが配置されている。

また、第１金属繊維構造体４６および第２金属繊維構造体４８は、隣り合う金属繊維構造体の各棒状部材３２、３４の先細部分３２ｐ、３４ｐが互いに対向するまたは反対側を向くよう交互に積層される。このことにより、各流路５０は各接続部材２４、２６の延びる方向、すなわち流体の流動方向に沿って蛇行している。

また、各流路５０の各側縁を区画する複数の棒状部材３２、３４は、隣り合う２つの棒状部材が互いに接している。すなわち、第１金属繊維構造体４６の各棒状部材３２と、この第１金属繊維構造体４６の隣にある第２金属繊維構造体４８の各棒状部材３４とが互いに接している。このことにより、流動方向に沿って平行に延びる複数の流路５０の各々が各棒状部材３２、３４により区画される。このため、複数の流路５０の各々が別の流路５０と連通しなくなる。

また、第１金属繊維構造体４６および第２金属繊維構造体４８はそれぞれ金属繊維から形成されたものである。第１金属繊維構造体４６および第２金属繊維構造体４８を構成する金属繊維は、上述した第１金属繊維構造体４０および第２金属繊維構造体４２を構成する金属繊維と略同一のものが用いられる。

このように、図８に示すような第１金属繊維構造体４６と、図９に示すような第２金属繊維構造体４８とが交互に積層されることにより構成される温調ユニットでも、図１等に示すような温調ユニット１０と同様に、流路５０を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、流路５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各棒状部材３２、３４が金属繊維から形成されることにより、各棒状部材３２、３４の表面積が大きくなり、各棒状部材３２、３４による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット１０は熱交換能力に優れたものとなる。

また、別の変形例に係る温調ユニットにおいて、各棒状部材の断面として様々な形状を用いることができる。具体的には、図１乃至図６に示す各棒状部材３２、３４の代わりに、図１０（ａ）に示すような断面形状が四角形（具体的には、正方形または長方形）である各棒状部材３２ａ、３４ａ、図１０（ｂ）に示すような断面形状が台形である各棒状部材３２ｂ、３４ｂ、図１０（ｃ）に示すような断面形状が三角形形状（具体的には、二等辺三角形）である各棒状部材３２ｃ、３４ｃ、図１０（ｄ）に示すような断面形状が山形状、すなわち、直線および凸形状の曲線で囲まれる領域である各棒状部材３２ｄ、３４ｄ、図１０（ｅ）に示すような断面形状が山形状、すなわち、直線および凸形状の曲線で囲まれる領域である各棒状部材３２ｅ、３４ｅのうちいずれかが用いられてもよい。なお、図１０（ｅ）に示す各棒状部材３２ｅ、３４ｅの断面形状は、図１０（ｄ）に示す各棒状部材３２ｄ、３４ｄの断面形状と比較して凸形状の曲線の曲率が小さくなっている。また、更に別の種類の各棒状部材として、断面形状が半円形状であるものが用いられてもよい。

図１０に示す様々な棒状部材の断面のうち、図１０（ｂ）に示す各棒状部材３２ｂ、３４ｂ、図１０（ｃ）に示す各棒状部材３２ｃ、３４ｃ、図１０（ｄ）に示す各棒状部材３２ｄ、３４ｄ、図１０（ｅ）に示す棒状部材３２ｅ、３４ｅの各々の断面形状は先細部分を含んでいる。この場合は、図１０（ａ）に示す各棒状部材３２ａ、３４ａが用いられる場合と比較して、温調ユニットを流体が流れる時間が長くなり過ぎてしまい流体の処理効率（流量）が低下してしまうことを抑制することができる。

また、図１０に示す様々な棒状部材の断面のうち、図１０（ｄ）に示す各棒状部材３２ｄ、３４ｄおよび図１０（ｅ）に示す棒状部材３２ｅ、３４ｅは湾曲面を含んでいる。この場合は、図１０（ａ）に示す各棒状部材３２ａ、３４ａ、図１０（ｂ）に示す各棒状部材３２ｂ、３４ｂ、または図１０（ｃ）に示す各棒状部材３２ｃ、３４ｃが用いられる場合と比較して、温調ユニットを流体が流れる時間が長くなり過ぎてしまい流体の処理効率（流量）が低下してしまうことを抑制することができる。

また、図１０（ｅ）に示す各棒状部材３２ｅ、３４ｅの断面形状は、図１０（ｄ）に示す各棒状部材３２ｄ、３４ｄの断面形状と比較して凸形状の曲線の曲率が小さいが、この場合には、温調ユニットを流体が流れる時間が長くなり過ぎてしまい流体の処理効率（流量）が低下してしまうことを抑制することができる。

また、更に別の変形例に係る温調ユニットとして、図１１に示す温調ユニット１１０、図１２に示す温調ユニット２１０、図１３に示す温調ユニット３１０または図１４および図１５に示す温調ユニット４１０が用いられてもよい。

図１１に示す温調ユニット１１０は、入口１２０ａおよび出口１２０ｂを有する略直方体形状の枠体１２０と、枠体１２０の内部に設けられた複数の棒状部材１３０とを備えており、各棒状部材１３０の間の隙間に流体の流路１５０が複数形成されている。流体は枠体１２０の入口１２０ａから当該枠体１２０の内部に入り、各流路１５０を通って図１１における右方向に流れ、出口１２０ｂから枠体１２０の外部に出るようになっている。

複数の棒状部材１３０は、第１金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材１３２および第２金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材１３４から構成されている。各棒状部材１３２、１３４の断面形状は山形状、すなわち直線および凸形状の曲線に囲まれる領域となっている。また、各棒状部材１３２、１３４の断面形状の凸形状の曲線の曲率は、図１乃至図６に示す各棒状部材３２、３４の断面形状の凸形状の曲線の曲率よりも大きくなっている。また、各棒状部材１３２、１３４は凸形状の曲線の向きが反対の状態で配置されている。また、第１金属繊維構造体は、複数の棒状部材１３２を接続する接続部材（図示せず）を有している。また、第２金属繊維構造体は、複数の棒状部材１３４を接続する接続部材（図示せず）を有している。

図１１に示す温調ユニット１１０は、このような第１金属繊維構造体および第２金属繊維構造体が交互に複数積層されることにより構成される。この際に、各金属繊維構造体の各棒状部材１３２、１３４が互いに平行に延び、各棒状部材１３２、１３４の間の隙間に流体の各流路１５０が形成される。

言い換えると、間隔を空けて互いに平行に延びる、金属繊維から形成される複数の棒状部材１３０の間に流体の各流路１５０が形成され、各流路１５０において流体は棒状部材１３０の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、各流路１５０は、流動方向に沿って蛇行している。

このような温調ユニット１１０でも、図１等に示す温調ユニット１０と同様に、流路１５０を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、流路１５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各棒状部材１３０が金属繊維から形成されることにより、各棒状部材１３０の表面積が大きくなり、各棒状部材１３０による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット１１０は熱交換能力に優れたものとなる。

図１２に示す温調ユニット２１０は、入口２２０ａおよび出口２２０ｂを有する略直方体形状の枠体２２０と、枠体２２０の内部に設けられた複数の棒状部材２３０とを備えており、各棒状部材２３０の間の隙間に流体の流路２５０が複数形成されている。流体は枠体２２０の入口２２０ａから当該枠体２２０の内部に入り、各流路２５０を通って図１２における右方向に流れ、出口２２０ｂから枠体２２０の外部に出るようになっている。

複数の棒状部材２３０は、第１金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材２３２および第２金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材２３４から構成されている。各棒状部材２３２、２３４の断面形状は台形形状となっている。また、各棒状部材２３２、２３４は台形形状の向きが反対の状態で配置されている。また、第１金属繊維構造体は、複数の棒状部材２３２を接続する接続部材（図示せず）を有している。また、第２金属繊維構造体は、複数の棒状部材２３４を接続する接続部材（図示せず）を有している。

図１２に示す温調ユニット２１０は、このような第１金属繊維構造体および第２金属繊維構造体が交互に複数積層されることにより構成される。この際に、各金属繊維構造体の各棒状部材２３２、２３４が互いに平行に延び、各棒状部材２３２、２３４の間の隙間に流体の各流路２５０が形成される。

言い換えると、間隔を空けて互いに平行に延びる、金属繊維から形成される複数の棒状部材２３０の間に流体の各流路２５０が形成され、各流路２５０において流体は棒状部材２３０の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、各流路２５０は、流動方向に沿って蛇行している。

このような温調ユニット２１０でも、図１等に示す温調ユニット１０と同様に、流路２５０を流れる流体の圧力損失が大きくなり、流路２５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各棒状部材２３０が金属繊維から形成されることにより、各棒状部材２３０の表面積が大きくなり、各棒状部材２３０による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット２１０は熱交換能力に優れたものとなる。

図１３に示す温調ユニット３１０は、入口３２０ａおよび出口３２０ｂを有する略直方体形状の枠体３２０と、枠体３２０の内部に設けられた複数の棒状部材３３０とを備えており、各棒状部材３３０の間の隙間に流体の流路３５０が複数形成されている。流体は枠体３２０の入口３２０ａから当該枠体３２０の内部に入り、各流路３５０を通って図１３における右方向に流れ、出口３２０ｂから枠体３２０の外部に出るようになっている。

複数の棒状部材３３０は、第１金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材３３２および第２金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材３３４から構成されている。各棒状部材３３２、３３４の断面形状は台形形状となっている。また、各棒状部材３３２、３３４は台形形状の向きが反対の状態で配置されている。また、第１金属繊維構造体は、複数の棒状部材３３２を接続する接続部材（図示せず）を有している。また、第２金属繊維構造体は、複数の棒状部材３３４を接続する接続部材（図示せず）を有している。

また、図１３に示す各棒状部材３３２、３３４は、図１２に示す各棒状部材２３２、２３４と比較して断面の台形形状のアスペクト比（具体的には、台形の高さを底辺の長さで割った値）が大きくなっており、各棒状部材３３２、３３４の間の距離（すなわち、各流路３５０の幅）は各棒状部材２３２、２３４の間の距離（各流路２５０の幅）よりも小さくなっている。このことにより、各流路３５０を流れる圧力損失がより大きくなり、各流路３５０内の流体の滞留時間がより長くなるため、伝熱効果を図１２に示す温調ユニット２１０よりも高めることができる。

図１３に示す温調ユニット３１０は、このような第１金属繊維構造体および第２金属繊維構造体が交互に複数積層されることにより構成される。この際に、各金属繊維構造体の各棒状部材３３２、３３４が互いに平行に延び、各棒状部材３３２、３３４の間の隙間に流体の各流路３５０が形成される。

言い換えると、間隔を空けて互いに平行に延びる、金属繊維から形成される複数の棒状部材３３０の間に流体の各流路３５０が形成され、各流路３５０において流体は棒状部材３３０の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、各流路３５０は、流動方向に沿って蛇行している。また、図１３に示す温調ユニット３１０では、各流路３５０において、接続部材の延びる方向（すなわち、図１３における左右方向）に沿って見た時に各棒状部材３３２、３３４が一部で重なり合い、流路３５０
は、接続部材と平行に延びる仮想直線（すなわち、図１３において左右方向に延びる仮想直線）が必ず棒状部材３３２、３３４に当たるような形状となっている。

このような温調ユニット３１０でも、図１等に示す温調ユニット１０と同様に、流路３５０を流れる流体の圧力損失が大きくなり、流路３５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各流路３５０において、接続部材の延びる方向（すなわち、図１３における左右方向）に沿って見た時に各棒状部材３３２、３３４が一部で重なり合っているため、流路３５０内での流体の滞留時間がより長くなり、このため伝熱効果をより高めることができる。また、各棒状部材３３０が金属繊維から形成されることにより、各棒状部材３３０の表面積が大きくなり、各棒状部材３３０による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット３１０は熱交換能力に優れたものとなる。

図１４に示す温調ユニット４１０は、入口４２０ａおよび出口４２０ｂを有する略直方体形状の枠体４２０と、枠体４２０の内部に設けられた複数の棒状部材４３０とを備えており、各棒状部材４３０の間の隙間に流体の流路４５０が複数形成されている。流体は枠体４２０の入口４２０ａから当該枠体４２０の内部に入り、各流路４５０を通って図１４における右方向に流れ、出口４２０ｂから枠体４２０の外部に出るようになっている。

複数の棒状部材４３０は、第１金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材４３２および第２金属繊維構造体（図示せず）の複数の棒状部材４３４から構成されている。各棒状部材４３２、４３４の断面形状は、直線および凸形状の曲線に囲まれる領域となっている。また、各棒状部材４３２、４３４の断面形状の凸形状の曲線の曲率は、図１乃至図６に示す各棒状部材３２、３４の断面形状の凸形状の曲線の曲率と略同一の大きさとなっている。また、各棒状部材４３２、４３４は凸形状の曲線の向きが反対の状態で配置されている。また、第１金属繊維構造体は、複数の棒状部材４３２を接続する接続部材（図示せず）を有している。また、第２金属繊維構造体は、複数の棒状部材４３４を接続する接続部材（図示せず）を有している。

図１４に示す温調ユニット４１０は、このような第１金属繊維構造体および第２金属繊維構造体が交互に複数積層されることにより構成される。この際に、各金属繊維構造体の各棒状部材４３２、４３４が互いに平行に延び、各棒状部材４３２、４３４の間の隙間に流体の各流路４５０が形成される。

また、図１４に示す温調ユニット４１０では、各流路４５０の各側縁を区画する複数の棒状部材４３２、４３４は、隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４が互いに離間している。すなわち、各流路４５０を流れる流体の流動方向において隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４が接していない。

図１５は、図１４に示す温調ユニット４１０の内部構成における範囲Ｇを拡大して示す断面図である。図１５に示すように、各流路４５０の流動方向に直交する方向である幅方向（すなわち、図１５における上下方向）における隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４の間の隙間の距離ｍが、各流路４５０の流動方向（すなわち、図１５における左右方向）における隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４の間の隙間の距離ｎよりも大きい。この場合は、各流路４５０を流れる流体の流動方向において隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４が接していなくても、この隣り合う２つの棒状部材４３２、４３４の間の距離ｎが大きくならないため、ある流路４５０を流れる流体と、この流路４５０の隣にある別の流路４５０を流れる流体とが大きく干渉してしまい流れが大きく乱れてしまうことを抑制することができる。

図１４に示す温調ユニット４１０でも、図１等に示す温調ユニット１０と同様に、流路４５０を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、流路４５０内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。また、各棒状部材４３０が金属繊維から形成されることにより、各棒状部材４３０の表面積が大きくなり、各棒状部材４３０による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニット４１０は熱交換能力に優れたものとなる。

なお、上述した各温調ユニットは、金属繊維から形成される金属繊維構造体が複数積層されることにより構成されるものである。しかしながら、本発明に係る温調ユニットはこのような態様のものに限定されることはない。本発明に係る温調ユニットとして、金属から形成される金属多孔質構造体が複数積層されることにより構成されるものが用いられてもよい。この場合、金属多孔質構造体として、金属繊維から形成される金属繊維構造体以外に、金属粉体から形成される金属粉体構造体、または金属繊維と金属粉体との混合物から形成される金属混合体が用いられてもよい。具体的には、金属粉体構造体は、圧粉焼結法や金属粉末射出成形法等の粉末冶金法により金属粉体から形成される。また、金属繊維と金属粉体との混合物から形成される金属混合体は、上述した金属繊維構造体に粒子状の金属が混合したものである。

このような場合でも、金属多孔質構造体が多孔質の金属から形成されることにより、各棒状部材の表面積が大きくなり、金属多孔質構造体による熱伝導率を高めることができる。よって温調ユニットは熱交換能力に優れたものとなる。

また、この場合、温調ユニットの製造方法において、複数の金属繊維、金属粒子、または金属繊維と金属粒子との混合体を受け部上に集積させ、次に、受け部上に集積された複数の金属繊維、金属粒子、または混合体を焼結させることにより、間隔を空けて互いに平行に延びる複数の棒状部材および各棒状部材を接続する接続部材を有し、金属から形成される金属多孔質構造体を複数作成することができるようになる。その後、各金属多孔質構造体の各棒状部材が互いに平行に延びるよう、複数の金属多孔質構造体を積層することにより、各棒状部材の間の隙間に流体の流路が形成される。

以下、本発明について実施例および比較例を用いてより詳細に説明する。

＜第１実施例＞
平均繊維長０．１１４ｍｍ、平均繊維径０．０２１ｍｍの銅短繊維１ｋｇをカッターミル（ホーライ社製：型式ＢＯ－３６０）に投入し、０．５ｍｍのスクリーンを用いて銅短繊維を処理した。次に、カッターミルから取り出した銅短繊維を高純度アルミナ板（京セラ社製）上に集積させた。より詳細には、高純度アルミナ板に予め複数の貫通穴（縦５ｍｍ、横５ｍｍ、高さ５００μｍ）が形成されている型枠が載せられ、この型枠の貫通穴に銅短繊維を入れた。このことにより、型枠の貫通穴の内部で銅短繊維が高純度アルミナ板上に集積された。その後、型枠の貫通穴の内部で銅短繊維が集積された高純度アルミナ板を真空焼結炉（中外炉工業社製）に入れ、この真空焼結炉内で窒素ガス使用のもと、圧力１０Ｔｏｒｒ、焼結温度１０００℃の条件で２ｈｒ焼結した。その後、型枠から焼結体を取り出し、所望の厚みとなるようにスペーサーを設置した上で、圧力１００ｋＮでプレスした。このことにより、梯子形状の金属繊維構造体を作成した。そして、作成された金属繊維構造体を積み重ねることにより、図２乃至図４に示すような形状の温調ユニットを作成した。なお、第１実施例に係る温調ユニットでは、各棒状部材の断面は半円形状である。

＜第２実施例＞
第１実施例と同様にして金属繊維構造体を作成し、作成された金属繊維構造体を積み重ねることにより、図１３に示すような形状の温調ユニットを作成した。なお、第２実施例に係る温調ユニットでは、各棒状部材の断面は半円形状である。

＜第１比較例＞
第１実施例と同様にして金属繊維構造体を作成し、作成された金属繊維構造体を積み重ねることにより温調ユニットを作成した。ここで、第１比較例に係る温調ユニットでは、各棒状部材の間に形成される流路は、流動方向（すなわち、接続部材の延びる方向）に沿って蛇行しないものとなっている。より詳細には、第１変形例に係る温調ユニットでは、各棒状部材の断面は半円形状であるが、金属繊維構造体が積み重ねられたときに、隣り合う金属繊維構造体の各棒状部材の平面部分が互いに接触するようになる。このため、温調ユニット全体では、円柱状の棒状部材が格子の交点に位置するような配置となる。この場合には、流路において流体は流動方向に沿って直線的に流れるようになる。

＜第２比較例＞
第１実施例と同様にして金属繊維構造体を作成し、作成された金属繊維構造体を積み重ねることにより温調ユニットを作成した。ここで、第２比較例に係る温調ユニットでは、枠体の内部に棒状部材が存在せず、代わりに流動方向（すなわち、接続部材の延びる方向）に沿って延びる平面を有する板状のパーテーションにより流路が区画されたものとなっている。すなわち、流路において流体は流動方向に沿って直線的に流れるようになる。

＜第３比較例＞
第１実施例と同様にして金属繊維構造体を作成し、作成された金属繊維構造体を積み重ねることにより温調ユニットを作成した。ここで、第３比較例に係る温調ユニットは、枠体の内部に棒状部材が存在しないものとなっている。すなわち、流路において流体は流動方向に沿って直線的に流れるようになる。

＜評価＞
第１～第２実施例に係る温調ユニットおよび第１～第３比較例に係る温調ユニットについて熱伝達率を算出した。調査結果を以下の表１に示す。

表１において、熱伝達率は図１６乃至図１８に示す評価装置を用いて、流体として空気を使用し、流量１００Ｌ／ｍｉｎ、入熱量１００Ｗの条件で測定した。

具体的には、第１～第２実施例に係る温調ユニットおよび第１～第３比較例に係る温調ユニット（図１６乃至図１８において参照符号Ｗで示す）の各々に流体導入口５００、流体導出口５０２およびヒータ５０４を設け、温調ユニットを流れる流体をヒータ５０４により加熱した。流体導入口５００から温調ユニットの内部に入った流体は流体通過部５１０を通って流れ、流体導出口５０２から温調ユニットの外部に出される。また、流体導入口５００および流体導出口５０２の流体の温度を測定し、それぞれ流体の入口温度および出口温度とした。また、図１６に示すようにヒータ５０４近傍の温調ユニットの表面に８つの温度計５０６を設置し、これらの８つの温度計により測定される温調ユニットの表面の温度の平均値をＴｓとした。

＜熱伝達率の測定方法＞
ヒータ５０４から流体への入熱量Ｗ、ヒータ５０４に隣接する流体通過部５１０の伝達面積Ｓ（伝熱面積）、ヒータ５０４近傍の温調ユニットの筐体の表面温度Ｔｓ、通過流体の平均温度Ｔｗ（流体の入口温度と出口温度の平均値）を測定し、入熱量Ｗ＝熱伝達率ｈ×伝達面積Ｓ×（表面温度Ｔｓ－流体平均温度Ｔｗ）の式から熱伝達率ｈを求めた。

第１～第２実施例に係る温調ユニットは、第１～第３比較例に係る温調ユニットと比較して熱伝達率が優れたものとなった。第１～第３比較例に係る温調ユニットは、流路において流体は流動方向に沿って直線的に流れるため、流路を流れる流体に熱を伝達するための熱交換面積が小さくなり、熱伝達率が比較的小さくなる。これに対し、第１～第２実施例に係る温調ユニットは、流路が前記流動方向に沿って蛇行しているため、流路を流れる流体の圧力損失が適度に大きくなり、流路内での流体の滞留時間を長くすることができるため、伝熱効果を高めることができる。

Claims (8)

1. 間隔を空けて互いに平行に延びる、多孔質の金属から形成される複数の棒状部材の間に流体の流路が形成され、
   前記流路において流体は前記棒状部材の延びる方向に対して直交する方向である流動方向に沿って流れるようになっており、
   前記流路は、前記流動方向に沿って蛇行している、温調ユニット。
2. 各前記棒状部材の断面形状は先細部分を含んでおり、前記流路の両側縁に各前記先細部分が配置される、請求項１記載の温調ユニット。
3. 各前記棒状部材の断面形状は、台形形状、三角形形状、半円形状または山形状である、請求項１または２記載の温調ユニット。
4. 各前記棒状部材は湾曲面を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温調ユニット。
5. 前記流路の各側縁を区画する複数の前記棒状部材は、隣り合う２つの前記棒状部材が互いに接している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温調ユニット。
6. 前記流路の各側縁を区画する複数の前記棒状部材は、隣り合う２つの前記棒状部材が互いに離間しており、
   前記流路の流動方向に直交する方向である幅方向における隣り合う２つの前記棒状部材の間の隙間の距離が、前記流路の流動方向における隣り合う２つの前記棒状部材の間の隙間の距離よりも大きい、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温調ユニット。
7. 前記流路において、前記流路の流動方向に沿って見た時に各前記棒状部材が一部で重なり合い、
   前記流路は、前記流動方向と平行に延びる仮想直線が必ず前記棒状部材に当たるような形状となっている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の温調ユニット。
8. 各前記棒状部材は、金属繊維、金属粉体、または金属繊維と金属粉体との混合物から形成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の温調ユニット。

Images