JPH1038481A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィンにおける熱輸送量を増大させて熱交換
効率を向上させた熱交換装置を提供する。 【解決手段】 熱源からの伝熱媒体となる板状の基台部
１の一方の面に複数のフィン２が突設されており、この
フィン２の内部に、該フィン２の基端部から先端部に渡
って環状の冷媒循環路３が形成され、この冷媒循環路３
内に冷媒４が封入されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱源からの伝熱媒
体となる基台部の表面に複数のフィンが突設された熱交
換装置と、これを用いた熱電変換モジュールに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から熱交換装置としては、図８に示
す如く、伝熱媒体となる基台部１の表面に複数のフィン
２が突設されたものが知られている。この熱交換装置に
おいては、フィン２は基台部１と同材質で薄板状に形成
されているもので、間隔をおいて複数併設されている。
従来、このような熱交換装置では、熱交換の効率を向上
させるにために、フィン２，２間のピッチを小さくして
フィン２の総数を多くしたり、フィン２の寸法を大きく
したりしてフィン表面の総面積を増加させて、フィン２
に接触して熱交換される空気や水などの熱交換媒体との
接触頻度を増大させていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より大
きな熱量を熱交換することが要求される場合において、
従来の熱交換装置では、フィン２，２間のピッチを小さ
くするにも限界があり、フィン２の厚みを薄くしてフィ
ン２の総数を多くするとフィン２の断面積が小さくなっ
て熱輸送量が減少し、また、フィン２の寸法を大きくす
ると熱交換媒体をフィン２に接触させる際に騒音や圧力
損失が増大すると共に、熱交換装置のサイズが大きくな
るという問題を生じるものであった。これに対し、空気
や水などの熱交換媒体の流量を大きくすることにより、
フィン２と熱交換媒体との接触頻度を増大させて熱交換
効率を向上させて対応することも可能であるが、しかし
この場合、騒音や圧力損失も増大することになることか
ら容易に熱交換媒体の流量を大きくすることができない
のが実情であった。

【０００４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、フィンにおける熱輸送量
を増大させて熱交換効率を向上させた熱交換装置を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
熱交換装置は、熱源からの伝熱媒体となる基台部の表面
に複数のフィンが突設された構成を有する熱交換装置に
おいて、上記フィンの内部に、該フィンの基端部から先
端部に渡って環状の冷媒循環路が形成され、この冷媒循
環路内に冷媒が封入されていることを特徴とするもので
ある。

【０００６】この熱交換装置は、基台部側から加熱（又
は冷却）を受けてフィン側から該フンに接触する空気や
水などの熱交換媒体に放熱する、或いはフィン側から加
熱（又は冷却）を受けて基台部側に伝熱するものであっ
て、フィン内部に形成された冷媒循環路内に封入された
冷媒は、フィンの基端部側と先端部側のうち加熱側とな
るいずれか一方では加熱されて沸騰又は蒸発現象を生
じ、冷却側となる他方では冷却されて凝縮現象を生じ
て、いわゆるサーモサイフォン効果により冷媒循環路内
で冷媒の循環流を生じる。したがって、該熱交換装置で
は、フィン材料内を熱伝導により運搬される熱量に加え
て、冷媒循環路内の冷媒の循環による顕熱輸送、及び冷
媒の蒸発・凝縮潜熱も付与されるために、フィンにおけ
る熱輸送量が増大し、熱交換効率が向上する。

【０００７】請求項２に係る熱交換装置は、請求項１記
載の熱交換装置において、上記フィンの表面が凹凸形状
を有していることを特徴とするものである。

【０００８】この熱交換装置では、フィンの表面積が表
面の凹凸形状によって大きくなるので、フィン２と熱交
換媒体との接触頻度が増大して熱交換効率が向上する。

【０００９】請求項３に係る熱交換装置は、請求項１又
は請求項２記載の熱交換装置において、上記基台部に加
振器が設けられていることを特徴とするものである。

【００１０】この熱交換装置では、加振器による振動が
フィンに伝わって冷媒循環路内の冷媒が振動し、加熱側
での冷媒の加熱効率、及び冷却側での冷媒の冷却効率が
向上する。また、同時に加熱側では振動により冷媒の沸
騰・蒸発も活発になり気泡の発生が促進される。これに
より、冷媒の顕熱及び潜熱による熱移動を効率よく行え
る。

【００１１】請求項４に係る熱交換装置は、請求項１乃
至請求項３記載いずれか記載の熱交換装置において、上
記基台部に熱源として熱電素子が取り付けられた構成を
有することを特徴とするものである。

【００１２】この熱交換装置は、熱電素子を基台部側の
熱源として有する場合において、この熱電素子から基台
部に伝熱された熱をフィンから効率よく放熱することが
できるものである。ここでいう熱電素子とは、熱電材料
からなるＮ型又はＰ型半導体素子そのもの、又はこの半
導体素子を複数有する熱電変換モジュールを言うもので
あって、通常は発熱面と吸熱面とを対向して有するもの
が用いられる。また、熱電素子は発熱面と吸熱面と有し
ていることから、その両面側に熱交換機能が必要となる
ものであり、すなわち、該熱交換装置の上記基台部に熱
電素子の発熱面又は吸熱面のいずれか一方が接合され、
他方には他の伝熱媒体が接合されることとなる。この場
合、他の伝熱媒体としては特に限定されず、本発明に係
る熱交換装置の基台部であっても、又はそれ以外の熱交
換装置であっても構わないものである。

【００１３】請求項５に係る熱交換装置は、請求項１乃
至請求項３記載いずれか記載の熱交換装置において、上
記フィンの形成面を対向面として２つの上記基台部を対
向させると共に、これら２つの上記基台部のそれぞれに
形成された上記フィンを非接触で交互に噛み合った状態
として、これら交互に噛み合ったフィン間に熱電素子を
介在させてその両端を挟着した構成を有することを特徴
とするものである。

【００１４】この熱交換装置は、フィン側に熱源として
熱電素子を設けてフィンから基台部側に伝熱するように
した構成のものであって、２つの上記基台部を対向させ
て、それぞれの基台部に設けられたフィンを交互に噛み
合った状態にして各フィン間に熱電素子を介在させ挟着
しているので、多数の熱電素子を多段に設けることが可
能であり、また、このとき一方の基台部のフィンに熱電
素子の発熱面を接合し且つ他方の基台部のフィンに熱電
素子の吸熱面を接合した状態に統一することにより、一
方の基台部を発熱体とし他方の基台部を吸熱体とするこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る熱
交換装置について説明する。

【００１６】図１は本発明の第１実施形態に係る熱交換
装置を示す断面図斜視図である。第１実施形態に係る熱
交換装置は、熱源からの伝熱媒体となる板状の基台部１
の一方の面に複数のフィン２が突設されており、このフ
ィン２の内部に、該フィン２の基端部から先端部に渡っ
て環状の冷媒循環路３が形成され、この冷媒循環路３内
に冷媒４が封入された構成となっている。

【００１７】該実施形態において、基台部１及びフィン
２はアルミニウムから形成されており、フィン２は薄板
状に形成され基台部１の一方の面に多数平行に突出して
並設されている。なお、基台部１及びフィン２の素材と
しては、アルミニウムに限らず、熱伝導性の良好な材料
であれば使用可能なものである。

【００１８】また、フィン２内部に形成された冷媒循環
路３は、内径が数ミリ以下の細管となっており、環状に
形成されていることにより内部に封入された冷媒４がフ
ィン２の基端部と先端部との間を循環可能となってい
る。また、冷媒循環路３内に封入される冷媒４として
は、特に限定されず、熱交換を行う使用温度域に最も適
したものを適宜選択すればよいものであり、例えばフロ
ン、アルコール、アンモニア、水などを用いることがで
きる。

【００１９】該熱交換装置において、内部に冷媒循環路
３を有するフィン２は、例えば図７に示す製造例のよう
にして形成することができる。すなわち、該製造例にお
いては、アルミニウム製のフィン２が、アルミニウム製
の基台部１に基端側の端面が接合される板状のフィン胴
体部21と、このフィン胴体部21の先端側の端面に接合さ
れるフィン先端部22とに分割されており、フィン胴体部
21が接合される基台部１の接合面11には、冷媒循環路３
の一部となる凹溝31が縦向きに形成されている。また、
フィン胴体部21には冷媒循環路３の主要部となる貫通路
32が基端側及び先端側の両端面に開口して厚み方向に２
つの平行に並設されており、フィン先端部22のフィン胴
体部21への接合面22a には冷媒循環路３の一部となる凹
溝33が縦向きに形成されている。ここで、凹溝31，34は
切削加工や圧延等により彫り込み形成される。フィン胴
体部21の貫通路32は、押出加工や切削加工により形成さ
れる。

【００２０】そして、ブレージング接合法や拡散接合法
などの手法により、基台部１の接合面11にフィン胴体部
21の基端側の端面を接合すると共に、フィン胴体部21の
先端側の端面にフィン先端部22の接合面22a を接合し
て、基台部１から突出するフィン２が形成され、このと
き同時に、フィン胴体部21の両端に開口する貫通路32，
32の開口部と凹溝31，34が一致して連通し、フィン２内
部に環状の冷媒循環路３が形成される。また、フィン先
端部22の凹溝33には外部に通じる冷媒封入口34が切欠形
成されており、フィン２を形成した後にこの冷媒封入口
34から冷媒４を冷媒循環路３内に流し入れて切欠口34を
塞ぐことにより、冷媒４が冷媒循環路３内に封入され
る。なお、この冷媒封入口34はフィン胴体部21又は基台
部１に形成されていても構わないものである。このよう
に基台部１に対してフィン２を一定間隔で並設すること
により、多数のフィン２が形成される。

【００２１】該熱交換装置は、基台部１の熱をフィン２
から放熱することを目的として使用しても、或いは、逆
にフィン２にて熱源から得た熱を基台部１に伝熱するこ
とを目的として使用しても構わないものである。

【００２２】例えば、基台部１のフィン２を形成面側を
放熱の対象となる水等の液体や空気などの熱交換媒体に
接触させ、フィン２の形成面とは反対側となる基台部１
の背面側に燃焼部や高温液体などの加熱源を設けて使用
する場合について考えてみる。この場合、フィン２の基
端部側では、加熱源からの熱により冷媒循環路３内の冷
媒４が加熱されて沸騰・蒸発現象を生じて気泡を発生
し、密度差により冷媒４の上昇流が起こり、これに伴っ
てフィン２の先端部側の冷媒４も輸送され、冷媒循環路
３内に冷媒４の循環流が生じる。したがって、このとき
基台部１からフィン２先端部に向かって移動する熱量と
しては、フィン２の構成材料を熱伝導で伝わる熱に加え
て、冷媒４の移動により輸送される顕熱と、気泡となっ
て運ばれる潜熱があり、これらの全てはフィン２表面か
ら周囲の熱交換媒体に放熱される。そしてフィン２の先
端部側では、フィン２の基端部側で加熱された冷媒４は
放熱に伴って冷却され、このとき同時に冷媒４の気泡も
凝縮して周囲の熱が凝縮潜熱として奪われる。このよう
にフィン２の先端部側で冷却されて気泡の減少した冷媒
４はフィン２の基端部側に移動し、再びフィン２の基端
部にて加熱されることを繰り返し、冷媒循環路３内を循
環する。このように、フィン２の構成材料内の熱伝導に
加えて、冷媒４の循環流による顕熱の移動と、冷媒４の
気化及び凝縮に伴う潜熱の移動とにより、基台部１の熱
はフィン２全体に迅速に伝わるので、フィン２全体とし
て周囲の熱交換媒体との温度差を大きくとれることとな
り、高い熱交換効率を得ることができる。

【００２３】また、高温ガスのような加熱源をフィン２
側に設け、基台部１が放熱側となる場合についても、上
述の場合と同様に、冷媒循環路３内にて冷媒４の沸騰・
蒸発現象に伴う循環流を生じることとなり、高い熱交換
効率を得ることができる。

【００２４】なお、該熱交換装置においては、加熱側を
下方に且つ冷却側を上方にしてフィン２の基台部１から
の突出方向を鉛直向きとすると、フィン２の突出方向に
沿って加熱された冷媒４が上昇するとともに冷却された
冷媒４が下降して循環流を生じやすくなり、より効果的
に熱交換効率を向上させることができる。

【００２５】図２は本発明の第２実施形態に係る熱交換
装置を示す断面斜視図である。図示の如く、第２実施形
態に係る熱交換装置は、第１実施形態に係る熱交換装置
において、フィン２中程から先端側の表面に複数の突起
５を突設して、この突起５により表面を凹凸形状とした
構成となっている。

【００２６】この熱交換装置では、フィン２に突起５を
設けて表面を凹凸形状とすることにより、フィン２の表
面積が増大している。このため、このフィン２に気体や
液体の熱交換媒体を接触させて熱交換を行う場合にあっ
ては、フィン２と熱交換媒体との接触頻度が増大し、熱
交換効率が向上するものである。この場合、フィン２を
熱交換媒体で冷却するにあたってフィン２と熱交換媒体
との温度差が小さい場合でも、フィン２の冷却が効率よ
く行えることから、熱で気化した冷媒４の気泡の凝縮を
十分に行えるようになるものである。

【００２７】図３は、本発明の第３実施形態に係る熱交
換装置を示す断面斜視図である。図示の如く、第３実施
形態に係る熱交換装置は、第１実施形態に係る熱交換装
置において、基台部１に超音波過振器６を設けた構成と
なっている。

【００２８】この熱交換装置において、超音波過振器６
の基台部１への取付位置は、特に限定されず、基台部１
及びフィン２に振動を付与し得る位置であれば、基台部
１に直接又は間接的に取り付けられものでもよいもので
ある。加振器６による振動は、基台部１及びフィン２を
通じて冷媒循環路３内の冷媒４に伝わり、これにより冷
媒４の熱まわりが良くなる。この結果、加熱側での冷媒
２の加熱効率が向上して冷媒２の沸騰・蒸発現象が促進
され、例えば加熱源からの熱が小さい場合でも、冷媒４
の顕熱による熱移動を良好に維持することができるよう
になる。また、冷却側での冷媒４の冷却効率も向上し、
熱で気化した冷媒４の気泡を凝縮させやすくなる。した
がって、冷媒４の循環流が良好なものとなり、顕熱によ
る熱移動を効率よく行える。

【００２９】図４は、本発明の第４実施形態に係る熱交
換装置を示す断面斜視図である。図示の如く、第４実施
形態に係る熱交換装置は、第２実施形態に係る熱交換装
置において、基台部１に超音波過振器６を設けた構成と
なっている。この熱交換装置では、第２実施形態及び第
３実施形態にて述べた効果を相乗的に得ることができ、
より良好な熱交換を行うことが可能となるものである。

【００３０】図５は、本発明の第５実施形態に係る熱交
換装置を示す断面斜視図である。図示の如く、第５実施
形態に係る熱交換装置は、第１実施形態に係る熱交換装
置を２つ用いて、それぞれの基台部１，１の背面間に熱
電素子７を挟着した構成となっている。すなわちこの熱
交換装置では、一方の基台部１の背面（フィン２の形成
面と反対側の背面）に熱電素子７の発熱面が接合され、
他方の基台部１の背面には熱電素子７の吸熱面が接合さ
れている。この熱交換装置は、熱電素子７を熱源として
有しているものであって、この熱電素子７としては、熱
電材料からなるＮ型又はＰ型半導体素子そのものを用い
てもよく、又はこの半導体素子を複数有し且つ発熱面と
吸熱面とを対向して両端面に有する熱電変換モジュール
を用いても構わないものである。

【００３１】この熱交換装置では、熱電素子７に電圧を
印加することにより、一方の基台部１は冷却され、他方
の基台部１は加熱されるものであり、これら２つの基台
部１の熱は、それぞれに設けられたフィン２から周囲の
熱交換媒体と効率よく熱交換されるものである。

【００３２】なお、この第５実施形態に係る熱交換装置
においては、第１実施形態に係る熱交換装置を用いる代
わりに第２乃至第４実施形態に係る熱交換装置を用いた
構成とすることも可能であり、さらには、一方の熱交換
装置のみを従来から公知の熱交換装置に置き換えて使用
することも可能である。

【００３３】図６は、本発明の第６実施形態に係る熱交
換装置を示す断面斜視図である。図示の如く、第６実施
形態に係る熱交換装置は、第１実施形態に係る熱交換装
置を２つ用いて、これらをフィン２の形成面を対向面と
して２つの基台部１，１を対向させ、これら２つの基台
部１，１のそれぞれのフィン２が非接触で交互に噛み合
った状態として、これら交互に噛み合ったフィン２，２
間に熱電素子７を介在させその両端を挟着した構成とな
っている。

【００３４】この熱交換装置は、フィン２側に熱源とし
て熱電素子７を設けてフィンから基台部１側に伝熱する
ようにしたものであって、それぞれの基台部１，１に設
けられた複数のフィン２が交互に噛み合った各フィン
２，２間に熱電素子を介在させ挟着しているので、多数
の熱電素子を多段に設けることが可能であり、このとき
一方の基台部１に形成されたフィン２には熱電素子７の
吸熱面を、他方の基台部１に形成されたフィン２には熱
電素子７の発熱面を接合した状態に統一することによ
り、一方の基台部１を発熱体とし他方の基台部１を吸熱
体とすることができる。この場合、対向する２つの基台
部１，１にはそれぞれ吸熱源及び放熱源となるものが必
要となるものであり、他の熱交換装置を用いて熱交換を
行う必要がある場合には、これらを取り付けることもで
きる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る熱交換装置によ
ると、フィン材料内を熱伝導により運搬される熱量に加
えて、冷媒循環路内の冷媒の循環による顕熱輸送、及び
冷媒の蒸発・凝縮潜熱も付与されるために、フィンにお
ける熱輸送量が増大し、熱交換効率が向上する。

【００３６】また請求項２に係る熱交換装置では、請求
項１記載の熱交換装置における上記効果に加えて、フィ
ンの表面積が表面の凹凸形状によって大きくなるので、
フィン２と熱交換媒体との接触頻度が増大して熱交換効
率がより向上する。

【００３７】また請求項３に係る熱交換装置では、請求
項１又は請求項２記載の熱交換装置における上記効果に
加えて、加振器による振動がフィンに伝わって冷媒循環
路内の冷媒が振動し、加熱側での冷媒の加熱効率、及び
冷却側での冷媒の冷却効率が向上し、これにより、冷媒
の顕熱による熱移動が促進され、熱交換効率がより向上
する。

【００３８】請求項４に係る熱交換装置では、請求項１
乃至請求項３記載いずれか記載の熱交換装置において、
上記基台部に熱源として熱電素子が取り付けられた構成
とした場合に、この熱電素子から基台部に伝熱された熱
をフィンから効率よく放熱することができるものであ
る。

【００３９】また請求項５に係る熱交換装置では、請求
項１乃至請求項３記載いずれか記載の熱交換装置におい
て、フィン側に熱源として熱電素子を設けてフィンから
基台部側に伝熱する構成とした場合に、２つの上記基台
部を対向させて、それぞれの基台部に設けられたフィン
を交互に噛み合った状態にして各フィン間に熱電素子を
介在させ挟着しているので、多数の熱電素子を多段に設
けることが可能であり、また、このとき一方の基台部の
フィンに熱電素子の発熱面を接合し且つ他方の基台部の
フィンに熱電素子の吸熱面を接合した状態に統一するこ
とにより、一方の基台部を発熱体とし他方の基台部を吸
熱体とすることができるものであり、このとき熱電素子
からフィンに伝熱された熱を冷媒の循環により基台部側
に効率よく伝えることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図２】本発明の第２実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図３】本発明の第３実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図４】本発明の第４実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図５】本発明の第５実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図６】本発明の第６実施形態に係る熱交換装置を示す
断面斜視図である。

【図７】本発明の実施形態に係る熱交換装置のフィンの
形成方法を示す一部を破断した分解斜視図である。

【図８】従来の熱交換装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 基台部 ２ フィン ３ 冷媒循環路 ４ 冷媒

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱源からの伝熱媒体となる基台部の表面
   に複数のフィンが突設された構成を有する熱交換装置に
   おいて、上記フィンの内部に、該フィンの基端部から先
   端部に渡って環状の冷媒循環路が形成され、この冷媒循
   環路内に冷媒が封入されていることを特徴とする熱交換
   装置。
2. 【請求項２】 上記フィンの表面が凹凸形状を有してい
   ることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. 【請求項３】 上記基台部に加振器が設けられているこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換装
   置。
4. 【請求項４】 上記基台部に熱源として熱電素子が取り
   付けられた構成を有することを特徴とする熱交換装置。
5. 【請求項５】 上記フィンの形成面を対向面として２つ
   の上記基台部を対向させると共に、これら２つの上記基
   台部のそれぞれに形成された上記フィンを非接触で交互
   に噛み合った状態として、これら交互に噛み合ったフィ
   ン間に熱電素子を介在させてその両端を挟着した構成を
   有することを特徴とする請求項１乃至請求項３記載いず
   れか記載の熱交換装置。