WO2017038380A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2017038380A1
WO2017038380A1 PCT/JP2016/073085 JP2016073085W WO2017038380A1 WO 2017038380 A1 WO2017038380 A1 WO 2017038380A1 JP 2016073085 W JP2016073085 W JP 2016073085W WO 2017038380 A1 WO2017038380 A1 WO 2017038380A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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fluid passage
section
flow path
fluid
cross
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/073085
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宗一郎 奥村
西村　淳一
細江　晃久
斉 土田
Original Assignee
住友電気工業株式会社
富山住友電工株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社, 富山住友電工株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
Publication of WO2017038380A1 publication Critical patent/WO2017038380A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/02—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by influencing fluid boundary

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-169718 filed on August 28, 2015, and incorporates all the content described in the above Japanese application.
  • Improvement of heat exchange efficiency in heat exchangers is an important factor that leads to downsizing of heat exchangers and energy saving of systems including heat exchangers.
  • Patent Document 1 discloses that the efficiency of heat exchange is improved by adopting a metal foam made of copper, aluminum, or the like having high thermal conductivity as a heat transfer fin of a heat exchanger for an air conditioner. .
  • the heat exchanger includes a heat transfer section and a porous metal body, is disposed in contact with the heat transfer section, and allows a fluid to pass through the inside, and the fluid to the fluid passage section.
  • An introduction flow path section for defining an introduction flow path for guiding, and an area of an inflow surface, which is a surface into which the fluid flows in the fluid passage section, is a cross section of the introduction flow path perpendicular to the fluid traveling direction.
  • the introduction flow path located in a region adjacent to the upstream side of the inflow position, which is a position in contact with the fluid passage section when a cross section of the introduction flow path is brought close to the fluid passage section along the fluid traveling direction.
  • the heat exchanger is larger than the cross-sectional area.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. It is a figure which shows the relationship between a pressure loss and thermal resistance. It is a figure which shows the temperature distribution in a fluid passage part.
  • an object of the present invention is to provide a heat exchanger that can improve the efficiency of heat exchange while suppressing an increase in pressure resistance in a heat exchanger using a metal porous body.
  • the heat exchanger according to the present disclosure includes a heat transfer section and a metal porous body, is disposed in contact with the heat transfer section, and allows a fluid to pass therethrough, and the fluid to the fluid passage section. And an introduction flow path section for defining an introduction flow path for guiding.
  • the area of the inflow surface which is the surface into which the fluid flows in the fluid passage portion, is the same as the cross section of the introduction flow channel that is perpendicular to the direction of movement of the fluid.
  • the area of the cross section of the introduction flow channel located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position which is a position in contact with the fluid passage portion when approaching the fluid passage portion.
  • the heat transfer efficiency between the fluid and the metal porous body is improved by making the metal porous body finer.
  • the resistance when the fluid passes through the metal porous body is increased, and the pressure loss is increased. Therefore, when a fluid is flowed with the same pressure as that of a conventional heat exchanger, the flow rate of the fluid flowing into the heat exchanger is reduced, which may reduce the efficiency of heat exchange. As a result, there arises a problem that it is difficult to improve the efficiency of heat exchange in the heat exchanger.
  • the present inventors examined a structure capable of improving the efficiency of heat exchange in a heat exchanger using a metal porous body. As a result, it has been found that the heat exchange efficiency can be improved by employing the heat exchanger structure of the present disclosure. More specifically, the heat exchanger according to the present disclosure includes a heat transfer section, a metal porous body, a fluid passage section that is disposed in contact with the heat transfer section, and through which a fluid can pass, and the fluid An introduction flow path section that defines an introduction flow path for guiding the fluid to the passage section.
  • the area of the inflow surface which is the surface into which the fluid flows in the fluid passage portion, is the same as the cross section of the introduction flow channel that is perpendicular to the direction of movement of the fluid.
  • the pressure loss is proportional to the square of the fluid velocity.
  • the pressure loss is proportional to the square of the fluid velocity.
  • the pressure loss is also proportional to the permeation distance of the fluid.
  • the permeation distance of the fluid is 1 / K times, and the speed of the fluid is also 1 / K times.
  • the pressure loss of the low-viscosity fluid is inversely proportional to the cube of the area of the introduction channel cross section.
  • the amount of heat exchange is proportional to the 0th power to the 1st power of the inflow speed of the fluid flowing into the fluid passage portion made of the metal porous body.
  • the fluid is a low-viscosity fluid such as air or water
  • the amount of heat exchange is proportional to the inflow speed to the power of 0.6.
  • the heat exchange amount by the low-viscosity fluid decreases in inverse proportion to K to the 0.6th power.
  • the decrease in pressure loss accompanying the increase in the cross-sectional area of the introduction flow path is large, but the decrease in the heat exchange amount is small.
  • the heat exchanger of the present disclosure it is possible to improve the efficiency of heat exchange in the heat exchanger using the metal porous body.
  • the heat exchanger may further include a heat conduction auxiliary member disposed so as to connect the region of the fluid passage part located away from the heat transfer part and the heat transfer part.
  • the heat transfer section may define a passage flow path for allowing the fluid to pass through the fluid passage section by surrounding the fluid passage section.
  • the area of the inlet channel is larger than the area of the inlet channel cross section located in a region adjacent to the upstream side of the inlet position at the inlet position.
  • the area of the cross section of the introduction flow channel located in a region adjacent to the upstream side of the inflow position may be larger.
  • the area of the cross section of the introduction channel at the inflow position is preferably 6 times or more, more preferably 12 times or more, and more preferably 18 times or more of the area of the cross section of the introduction channel located upstream of the inflow position. preferable.
  • the area of the inflow surface is located in a region adjacent to the upstream side of the inflow position. It may be larger than the area of the road cross section.
  • an upstream concave portion having an opening on the upstream side and having a bottom wall inside is formed in the fluid passage portion, so that the area of the inflow surface is adjacent to the upstream side of the inflow position. It may be larger than the area of the introduction channel cross section located in the region. By doing in this way, the area of the said inflow surface can be enlarged and the inflow speed of the fluid to a fluid passage part can be reduced.
  • a downstream recess having an opening on the downstream side and having a bottom wall inside the fluid passage may be formed apart from the upstream recess.
  • Embodiment 1 which is one embodiment of the heat exchanger according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
  • heat sink 100 has a structure that allows a fluid such as cooling water that is a heat exchange medium to flow inside a heat transfer body that is in contact with a heat source, for example.
  • heat sink 100 in the present embodiment includes a main body portion 10, a fluid passage portion 20, an introduction pipe 22, and a discharge pipe.
  • main body portion 10 is located in the center along heat transfer portion 12 in the direction along traveling direction 1 a of cooling water 1 and on the upstream side as viewed from heat transfer portion 12. It includes an introduction part 23 and a discharge part 34 located on the downstream side when viewed from the heat transfer part 12.
  • the main body 10 is made of a metal having high thermal conductivity such as copper.
  • the external shape of the main-body part 10 is a rectangular parallelepiped shape.
  • the main body 10 contacts a heat source (not shown) on the outer wall.
  • the introduction part 23 defines a main body introduction flow path 15 that becomes a flow path of the cooling water 1 introduced into the fluid passage part 20.
  • the discharge part 34 defines the main body discharge flow path 16 that becomes the flow path of the cooling water 1 discharged from the fluid passage part 20.
  • the introduction pipe 22 is connected to the introduction section 23 of the main body section 10.
  • the introduction pipe 22 and the introduction part 23 constitute an introduction flow path part 81.
  • the discharge pipe 28 is connected to the discharge part 34 of the main body part 10.
  • An introduction pipe flow path 27 that is a hollow region is formed inside the introduction pipe 22.
  • a hollow region 19 that is a through hole is formed in the main body 10.
  • the cross-sectional area in the cross section perpendicular to the traveling direction 1a of the cooling water 1 in the hollow area 19 of the main body 10 is a central flow path as compared with the main body introduction flow path 15 on the upstream side and the main body discharge flow path 16 on the downstream side. 17 is larger.
  • a cross-sectional area in a cross section perpendicular to the traveling direction 1 a of the cooling water 1 is constant in the central flow path 17.
  • the central flow path 17 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the main body introduction flow path 15 and the main body discharge flow path 16 are smooth curved surfaces that are curved so that a cross-sectional area of a quadrangular pyramid-shaped region connected to the central flow path 17 on the bottom surface decreases as the distance from the central flow path 17 increases. It has a shape connected to a cylindrical region by a region surrounded by.
  • the main body introduction flow path 15 and the introduction pipe flow path 27 constitute an introduction flow path 82.
  • a fluid passage portion 20 is disposed in the central flow path 17 of the hollow region 19, a fluid passage portion 20 is disposed.
  • the fluid passage part 20 is disposed so as to contact the heat transfer part 12 of the main body part 10. More specifically, the fluid passage part 20 contacts over the entire circumference of the inner wall surface of the heat transfer part 12.
  • the central passage 17 is filled with the fluid passage 20.
  • the heat transfer unit 12 defines a passage channel (central channel 17) through which the cooling water 1 passes through the fluid passage unit 20 by surrounding the fluid passage unit 20.
  • the fluid passage part 20 is fixed by brazing to the inner wall surface of the heat transfer part 12, for example. Thereby, the movement of the heat between the fluid passage part 20 and the heat transfer part 12 becomes easy.
  • the fluid passage portion 20 includes an inflow surface 25 that is a surface into which the cooling water 1 should flow.
  • the fluid passage part 20 consists of a metal porous body comprised from a metal with high heat conductivity.
  • the fluid passage part 20 has a porous structure through which the cooling water 1 can pass.
  • the metal porous body may be a foam metal produced by foaming a metal, or may be a porous state produced by another production method. For example, Ni (nickel), Cu (copper), Al (aluminum), Ti (titanium), Fe (iron), or the like can be used as the metal material constituting the metal porous body.
  • the main body 10 When the heat sink 100 is in use, the main body 10 contacts a heat source (not shown). Therefore, heat is transmitted from the heat generation source to the main body 10.
  • the heat flowing into the main body portion 10 moves to the fluid passage portion 20 joined to the main body portion 10.
  • the cooling water 1 introduced from the introduction pipe 22 flows into the fluid passage part 20 from the inflow surface 25 and takes heat away from the fluid passage part 20 when passing through the fluid passage part 20. Then, the cooled cooling water 1 is discharged from the discharge pipe 28. In this way, the heat sink 100 releases heat from the heat source.
  • the heat sink 100 includes a heat transfer section 12 and a metal porous body, is disposed in contact with the heat transfer section 12, and is provided to the fluid passage section 20 through which the cooling water 1 can pass and the fluid passage section 20. And an introduction channel portion 81 that defines an introduction channel 82 that guides the cooling water 1.
  • the area of the inflow surface 25 of the fluid passage portion 20 cools the introduction passage section 72 a that is a section of the introduction passage 82 perpendicular to the traveling direction 1 a of the cooling water 1. More than the area of the introduction channel cross section 72b located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position 70, which is a position that contacts the fluid passage 20 when approaching the fluid passage 20 along the traveling direction 1a of the water 1. large.
  • the area of the introduction channel cross section at the inflow position 70 is larger than the area of the introduction channel cross section 72b located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position 70.
  • the area of the inflow surface 25 is larger than the area of the introduction flow path cross section 72 b located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position 70. That is, the cross-sectional area of the flow path of the cooling water 1 is increased before flowing into the inflow surface 25.
  • the speed of the cooling water 1 decreases before the cooling water 1 flows into the fluid passage portion 20.
  • the pressure loss is proportional to the square of the speed of the fluid (cooling water 1).
  • heat sink 200 that is a heat exchanger in the second embodiment is similar to the first embodiment in that main body 30, fluid passage 40, introduction pipe 47, and discharge It is provided with a pipe 48 and is used in the same manner as in the first embodiment to release heat from the heat source.
  • the main body portion 30 In the direction along the traveling direction 1 a of the cooling water 1, the main body portion 30 includes a heat transfer portion 33 located in the center, an introduction portion 35 located upstream from the heat transfer portion 33, and the heat transfer portion 33. And a discharge portion 36 located on the downstream side as viewed.
  • the main body 30 is made of a metal having high thermal conductivity such as copper.
  • the main body 30 contacts a heat source (not shown) on the outer wall.
  • the introduction part 35 defines a main body introduction flow path 85 that becomes a flow path of the cooling water 1 introduced into the fluid passage part 40.
  • the discharge part 36 defines a main body discharge flow path 31 that becomes a flow path of the cooling water 1 discharged from the fluid passage part 40.
  • the introduction pipe 47 is connected to the introduction part 35 of the main body part 30. Inside the introduction pipe 47, an introduction pipe flow path 41 which is a hollow region is formed.
  • the introduction pipe 47 and the introduction part 35 constitute an introduction flow path part 83.
  • the introduction channel part 83 defines an introduction channel 92 that guides the cooling water 1 to the fluid passage part 40.
  • the main body introduction channel 85 and the introduction pipe channel 41 constitute an introduction channel 92.
  • the discharge pipe 48 is connected to the discharge part 36 of the main body part 30.
  • a hollow region 89 which is a through hole is formed in the main body 30.
  • the hollow region 89 includes a main body introduction flow path 85, a main body discharge flow path 31, and a central flow path 96.
  • the main body introduction flow path 85 and the main body discharge flow path 31 are connected by a central flow path 96.
  • the cross-sectional area in the cross section perpendicular to the traveling direction 1a of the cooling water 1 in the hollow region 89 of the main body 30 is constant.
  • the inner wall surfaces of the main body 30 facing each other with the hollow region 89 in between are parallel to each other. *
  • the fluid passage portion 40 is disposed in the central flow path 96 of the hollow region 89.
  • the fluid passage part 40 is disposed so as to contact the heat transfer part 33 of the main body part 30. More specifically, the fluid passage part 40 contacts over the entire circumference of the inner wall surface of the heat transfer part 33.
  • the heat transfer unit 33 defines a passage channel (a central channel 96) through which the cooling water 1 passes through the fluid passage unit 40 by surrounding the fluid passage unit 40.
  • the fluid passage portion 40 includes an inflow surface 45 that is a surface into which the cooling water 1 is to flow and a discharge surface 46 that is a surface through which the cooling water 1 is to be discharged.
  • the inflow surface 45 and the discharge surface 46 are parallel.
  • the fluid passage portion 40 has a parallelogram shape.
  • the fluid passage portion 40 is fixed by brazing to the inner wall surface of the heat transfer portion 33, for example, as in the first embodiment.
  • the fluid passage part 40 consists of a metal porous body comprised from a metal with high heat conductivity.
  • the fluid passage portion 40 has a porous structure through which the cooling water 1 can pass.
  • the area of the inflow surface 45 of the fluid passage portion 40 is such that the introduction passage section 75a, which is a section of the introduction passage 92 perpendicular to the traveling direction 1a of the cooling water 1, flows along the traveling direction 1a of the cooling water 1. It is larger than the area of the introduction flow path cross section 75b located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position 74, which is the position in contact with the fluid passage part 40 when approaching the passage part 40.
  • the inflow surface 45 is inclined with respect to the introduction channel cross section 75 c at the inflow position 74, so that the area of the inflow surface 45 is located in a region adjacent to the upstream side of the inflow position 74. It is larger than the area of the cross section 75b.
  • the area of the inflow surface 45 is (1 / sin ⁇ ) times the area of the introduction flow path section 75b. That is, the inflow surface 45 is inclined so that the area of the inflow surface 45 is larger than the cross-sectional area of the main body introduction flow path 85.
  • the speed of the cooling water 1 decreases before the cooling water 1 flows into the fluid passage portion 40. Therefore, the pressure loss can be reduced. As a result, the efficiency of heat exchange can be improved. As described above, according to the heat sink 200 in the present embodiment, it is possible to reduce the pressure loss and improve the efficiency of heat exchange in the heat sink using the porous metal body.
  • the heat sink 200 does not necessarily have to increase the cross-sectional area of the flow path of the cooling water 1 in the main body 30. Therefore, even when used in applications where it is difficult to increase the size of the heat sink (heat exchanger) due to the structure, high heat exchange efficiency can be achieved.
  • the heat sink 300 in the third embodiment includes a main body portion 50, a fluid passage portion 60, an introduction pipe 68, and a discharge pipe 69 as in the case of the first embodiment.
  • the heat of the heat source is released by being used in the same manner as in the first embodiment.
  • the main body 50 In the direction along the traveling direction 1 a of the cooling water 1, the main body 50 includes a heat transfer part 57 located in the center, an introduction part 55 located upstream from the heat transfer part 57, and the heat transfer part 57. And a discharge portion 56 located on the downstream side as viewed.
  • the main body 50 is made of a metal having a high thermal conductivity such as copper.
  • the main body 50 is in contact with a heat source (not shown) on the outer wall.
  • the introduction part 55 defines a main body introduction flow path 86 that becomes a flow path of the cooling water 1 introduced into the fluid passage part 60.
  • the discharge part 56 defines a main body discharge flow path 88 that becomes a flow path of the cooling water 1 discharged from the fluid passage part 60.
  • the introduction pipe 68 is connected to the introduction part 55 of the main body part 50.
  • An introduction pipe flow path 87 that is a hollow region is formed inside the introduction pipe 68.
  • the introduction pipe 68 and the introduction part 55 constitute an introduction flow path part 84.
  • the introduction channel portion 84 defines an introduction channel 93 that guides the cooling water 1 to the fluid passage portion 60.
  • the main body introduction channel 86 and the introduction pipe channel 87 constitute an introduction channel 93.
  • the discharge pipe 69 is connected to the discharge part 56 of the main body part 50.
  • a hollow region 91 that is a through hole is formed in the main body 50.
  • the hollow region 91 includes a main body introduction flow path 86, a main body discharge flow path 88, and a central flow path 97.
  • the main body introduction flow path 86 and the main body discharge flow path 88 are connected by a central flow path 97.
  • the cross-sectional area of the hollow region 91 in the cross section perpendicular to the traveling direction 1a of the cooling water 1 is constant.
  • the fluid passage 60 is disposed in the hollow region 91 of the main body 50.
  • the fluid passage part 60 is disposed so as to contact the heat transfer part 57 of the main body part 50. More specifically, the fluid passage portion 60 contacts over the entire circumference of the inner wall surface of the heat transfer portion 57.
  • the heat transfer unit 57 defines a passage channel (central channel 97) for allowing the cooling water 1 to pass through the fluid passage unit 60 by surrounding the fluid passage unit 60.
  • the fluid passage portion 60 includes an inflow surface 65 that is a surface into which the cooling water 1 is to flow and a discharge surface 95 that is a surface through which the cooling water 1 is to be discharged.
  • the fluid passage portion 60 is fixed by brazing, for example, to the inner wall surface of the heat transfer portion 57 as in the case of the first embodiment.
  • the fluid passage part 60 consists of a metal porous body comprised from a metal with high heat conductivity.
  • the fluid passage portion 60 has a porous structure through which the cooling water 1 can pass.
  • a plurality of upstream recesses 66 that are open on the upstream side and have a bottom wall inside are formed in fluid passage portion 60.
  • the fluid passage portion 60 is formed with a plurality of downstream recesses 67 that are open on the downstream side and have a bottom wall inside the fluid passage portion 60 apart from the upstream recesses 66. That is, the downstream recess 67 does not communicate with the upstream recess 66.
  • the upstream recessed part 66 and the downstream recessed part 67 are alternately formed in the direction perpendicular
  • the distance L1 from the bottom wall of the upstream recess 66 to the downstream end of the fluid passage 60 is longer than the distance L2 between the adjacent upstream recess 66 and the downstream recess 67.
  • the cooling water 1 flowing in from the opening of the upstream recess 66 of the fluid passage portion 60 flows into the adjacent downstream recess 67 and then flows from the opening of the downstream recess 67 to the discharge portion 56.
  • the flow path can be controlled.
  • in order to control the flow path of the cooling water 1 in addition to increasing the distance L1 from the bottom wall of the upstream recess 66 to the downstream end of the fluid passage portion 60, or instead of increasing the distance L1.
  • the bottom wall of the upstream recess 66 may be sealed.
  • the area of the inflow surface 65 of the fluid passage portion 60 is such that the introduction channel section 78a, which is a section of the introduction channel 93 perpendicular to the traveling direction 1a of the cooling water 1, flows along the traveling direction 1a of the cooling water 1. It is larger than the area of the introduction flow path cross section 78b located in the region adjacent to the upstream side of the inflow position 76, which is a position in contact with the fluid passage section 60 when approaching the passage section 60.
  • the upstream concave portion 66 having an opening on the upstream side and having a bottom wall inside is formed in the fluid passage portion 60, so that the area of the inflow surface 65 is adjacent to the upstream side of the inflow position 76. It is larger than the area of the introduction flow path section 78b located in the region where That is, the area of the inflow surface 65 is increased because the side wall surface of the upstream recess 66 functions as the inflow surface 65.
  • the speed of the cooling water 1 decreases before the cooling water 1 flows into the fluid passage portion 60. Therefore, the pressure loss can be reduced. As a result, the efficiency of heat exchange can be improved.
  • the heat sink 300 in the present embodiment in the heat sink using the metal porous body, it is possible to reduce the pressure loss and improve the efficiency of heat exchange.
  • the heat sink 300 is not necessarily required to increase the cross-sectional area of the flow path of the cooling water 1 in the main body 50. Therefore, even when used in applications where it is difficult to increase the size of the heat sink (heat exchanger) due to the structure, high heat exchange efficiency can be achieved.
  • heat sink 400 in the fourth embodiment has basically the same structure as in the first embodiment, and has the same effects as in the first embodiment.
  • the heat sink 400 in the fourth embodiment is different from that in the first embodiment in that it further includes a heat conduction auxiliary member 5 made of a metal having a high thermal conductivity.
  • heat conduction is arranged so as to connect region of fluid passage portion 20 located away from heat transfer portion 12 and heat transfer portion 12.
  • An auxiliary member 5 is further provided.
  • the heat conduction auxiliary member 5 is preferably arranged so as to connect the central part of the fluid passage part 20 and the heat transfer part 12.
  • the heat conduction auxiliary member 5 is disposed so as to penetrate between the fluid passage portions 20 and connect the inner wall surfaces of the heat transfer portions 12 facing each other with the fluid passage portion 20 interposed therebetween.
  • the heat conduction auxiliary member 5 has a columnar shape, for example, a columnar shape.
  • a metal having high heat conductivity such as Cu, Al, or the like, can be employed.
  • heat conduction auxiliary member 5 was cylindrical shape
  • another shape for example, a thin plate shape, may be sufficient.
  • the structure of the heat exchanger in the first to fourth embodiments is a specific example of the structure of the heat exchanger of the present disclosure, and the structure of the heat exchanger of the present disclosure is not limited to these. Therefore, for example, a structure obtained by appropriately combining the structures described in the first to fourth embodiments may be adopted.
  • the water-cooled heat sink has been described as an example of the heat exchanger according to the present disclosure.
  • the heat exchanger according to the present disclosure is not limited to this, and air heat used in an air conditioner or the like. It can be applied to various heat exchangers such as an exchange unit.
  • the simulation for verifying the performance of the heat sink having the same structure as in the first embodiment was performed. Specifically, in the same structure as in the first embodiment, the ratio of the cross-sectional area ratio of the cross-sectional area ratio of the inflow surface 25 to the area of the cross-section of the introductory flow path at the inlet from the introduction pipe 22 to the main body 10. ) was assumed to be in the range of 6-60. Then, the relationship between the pressure loss and the thermal resistance in the heat sink was calculated by simulation (indicated as “cross-sectional area ratio 6 to 60” in FIG. 8).
  • the horizontal axis represents pressure loss
  • the vertical axis represents thermal resistance.
  • the characteristics corresponding to the case where the mesh roughness of the fluid passage portion made of the metal porous body is changed are shown. Specifically, as the roughness of the fluid passage portion becomes smaller, the pressure loss increases and the thermal resistance decreases. In other words, it is understood that the pressure loss increases when the roughness of the fluid passage portion is reduced in order to reduce the thermal resistance. In order to improve the performance of the heat sink 100, it is preferable that pressure loss and thermal resistance are reduced. That is, in FIG. 8, it can be said that the data point is preferably directed toward the lower left.
  • the performance of the heat sink improves as the cross-sectional area ratio increases.
  • the cross-sectional area ratio exceeds 18, it is understood that a performance that is difficult to reach with a heat sink that does not use a fluid passage portion made of a metal porous body is obtained. That is, it can be said that by adopting the structure in the first embodiment, a heat exchanger with excellent performance can be obtained.
  • the heat transfer coefficient per unit volume of the fluid passage portion 40 is also the same when the volume of the fluid passage portion and the length in the air flow direction are the same as those of the model A and ⁇ is 90 °.
  • Pressure loss was calculated (Model B).
  • FIG. 9 shows a temperature distribution in the fluid passage portion 40 in the model A.
  • white triangles indicate the air flow velocity.
  • the temperature of air in fluid passage portion 40 is lowest in region A, and increases in the order of B, C, D, E, F, G, H, and I.
  • Table 1 shows the pressure loss of the fluid passage portion 40 calculated from this temperature distribution and the heat transfer rate per unit volume.
  • the pressure loss is reduced to about 1/6 while maintaining the heat transfer rate per unit volume of the fluid passage portion 40. It turns out that it can reduce to. Therefore, even when the space for installing the heat sink is limited, the heat sink performance is improved by reducing the pressure loss while maintaining the heat transfer rate by adopting the structure of the second embodiment. It can be said that this is possible.

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Abstract

伝熱部と、金属多孔体を含み、前記伝熱部に接触して配置され、内部を流体が通過可能な流体通過部と、前記流体通過部へと前記流体を導く導入流路を規定する導入流路部と、を備え、前記流体通過部において前記流体が流入する面である流入面の面積は、前記流体の進行方向に垂直な前記導入流路の断面である導入流路断面を、前記流体の進行方向に沿って前記流体通過部に近づけた場合に前記流体通過部に接触する位置である流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きい、熱交換器。

Description

熱交換器
　本発明は熱交換器に関するものである。
　本出願は、２０１５年８月２８日出願の日本出願第２０１５－１６９７１８号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである
　熱交換器における熱交換の効率の改善は、熱交換器のコンパクト化や熱交換器を含むシステムの省エネルギー化につながる重要なファクターである。
　熱交換器における熱交換の効率を向上させる技術として、熱交換器のフィンに金属材料を発泡させて製造される発泡金属を用いることにより、伝熱性能を向上させる技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、熱伝導率が高い銅やアルミニウム等からなる発泡金属を空気調和器用の熱交換器の伝熱フィンに採用することにより、熱交換の効率を向上させることが開示されている。
特開２００５－３２６１３６号公報
　本開示の熱交換器は、伝熱部と、金属多孔体含み、前記伝熱部に接触して配置され、内部を流体が通過可能な流体通過部と、前記流体通過部へと前記流体を導く導入流路を規定する導入流路部と、を備え、前記流体通過部において前記流体が流入する面である流入面の面積は、前記流体の進行方向に垂直な前記導入流路の断面である導入流路断面を、前記流体の進行方向に沿って前記流体通過部に近づけた場合に前記流体通過部に接触する位置である流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きい、熱交換器である。
熱交換器の構造の一例を示す概略斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面図である。 熱交換器の構造の他の一例を示す概略断面図である。 熱交換器の構造の他の一例を示す概略断面図である。 熱交換器の構造の他の一例を示す概略斜視図である。 図６のＣ－Ｃ断面図である。 圧力損失と熱抵抗との関係を示す図である。 流体通過部内における温度分布を示す図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　特許文献１においては、発泡金属の目を細かくしていくことによって、熱交換器の効率が向上するとされている。しかしながら、発泡金属の目を細かくしていった場合、熱交換器へ流体を流すための圧力抵抗が増大するため、従来の熱交換器と同一の圧力をかけて流体を流した際には、流体の流量が減少し、熱交換器の効率が低下する恐れがある。
　そこで、金属多孔体を用いた熱交換器において、圧力抵抗の増大を抑えつつ、熱交換の効率を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的の１つとする。
［本開示の効果］
　本開示の熱交換器によれば、金属多孔体を用いた熱交換器において、圧力抵抗の増大を抑えつつ、熱交換の効率を向上させることが可能となる。
　［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。本開示の熱交換器は、伝熱部と、金属多孔体を含み、上記伝熱部に接触して配置され、内部を流体が通過可能な流体通過部と、上記流体通過部へと上記流体を導く導入流路を規定する導入流路部とを備える。そして、上記流体通過部において上記流体が流入する面である流入面の面積は、上記流体の進行方向に垂直な上記導入流路の断面である導入流路断面を、上記流体の進行方向に沿って上記流体通過部に近づけた場合に上記流体通過部に接触する位置である流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きい。
　熱交換器の熱交換媒体である流体の流路に金属多孔体を配置した場合、金属多孔体の目を細かくしていくことによって、流体と金属多孔体との間の伝熱効率は向上する。一方、金属多孔体の目を細かくしていった場合、金属多孔体の内部を流体が通過する際の抵抗が大きくなり、圧力損失が増大する。そのため、従来の熱交換器と同一の圧力をかけて流体を流した場合、熱交換器に流入する流体の流量が減少し、熱交換の効率が低下する恐れがある。その結果、熱交換器における熱交換の効率を向上させることが困難であるという問題が発生する。
　本発明者らは、金属多孔体を用いた熱交換器における熱交換の効率を向上させることが可能な構造について検討した。その結果、本開示の熱交換器の構造を採用することにより、熱交換の効率向上が可能であることを見出した。より詳細に説明すると、本開示の熱交換器は、伝熱部と、金属多孔体を含み、上記伝熱部に接触して配置され、内部を流体が通過可能な流体通過部と、上記流体通過部へと上記流体を導く導入流路を規定する導入流路部とを備える。そして、上記流体通過部において上記流体が流入する面である流入面の面積は、上記流体の進行方向に垂直な上記導入流路の断面である導入流路断面を、上記流体の進行方向に沿って上記流体通過部に近づけた場合に上記流体通過部に接触する位置である流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きい。このようにすることにより、流体が流体通過部へと流入する前に流体の速度が低下する。ここで、圧力損失は流体の速度の１乗から２乗に比例する。特に、空気や水など一般に熱交換器に用いられる低粘度流体では、圧力損失は流体の速度の２乗に比例する。また、圧力損失は、流体の透過距離にも比例する。金属多孔体を含む流体通過部の体積を一定としながら導入流路断面の面積をＫ倍にした場合、流体の透過距離は１／Ｋ倍となり、流体の速度も１／Ｋ倍となるため、低粘度流体の圧力損失は導入流路断面の面積の３乗に反比例する。また、熱交換量は、金属多孔体からなる流体通過部に流入する流体の流入速度の０乗から１乗に比例する。特に、流体が空気や水などの低粘度流体である場合、熱交換量は上記流入速度の０．６乗に比例する。このため、導入流路断面の面積をＫ倍にした場合、低粘度流体による熱交換量はＫの０．６乗に反比例して減少する。つまり、導入流路断面の面積の増加に伴う圧力損失の減少は大きいのに対して熱交換量の減少は僅かであるため、導入流路断面の面積を十分大きくすると熱交換の効率が向上する。このように本開示の熱交換器によれば、金属多孔体を用いた熱交換器において、熱交換の効率を向上させることが可能となる。
　上記熱交換器は、上記伝熱部から離れて位置する上記流体通過部の領域と上記伝熱部とを接続するように配置される熱伝導補助部材をさらに備えてもよい。これにより、上記流体通過部において、上記伝熱部の接触面から離れた領域と伝熱部との間の熱の移動が容易となる。その結果、熱交換の効率をさらに向上させることが可能となる。
　上記熱交換器において、上記伝熱部は、上記流体通過部を取り囲むことにより上記流体が上記流体通過部を通過するための通過流路を規定してもよい。これにより簡素な構造の熱交換器を得ることができる。
　上記熱交換器において、上記流入位置における上記導入流路断面の面積が上記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きいことにより、上記流入面の面積が、上記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きくなっていてもよい。このようにすることにより、流体通過部への流体の流入速度を容易に低減することができる。特に、上記流入位置における上記導入流路断面の面積が、上記流入位置の上流側に位置する上記導入流路断面の面積の１８倍を超えることにより、高性能な熱交換器を得ることができる。すなわち、従来型の構造に創意工夫を凝らした熱交換器の性能を凌駕する熱交換器を得ることができる。なお、上記流入位置における上記導入流路断面の面積は、上記流入位置の上流側に位置する上記導入流路断面の面積の６倍以上が好ましく、１２倍以上がより好ましく、１８倍以上がさらに好ましい。
　上記熱交換器において、上記流入位置における上記導入流路断面に対して上記流入面が傾斜することにより、上記流入面の面積が、上記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きくなっていてもよい。このようにすることにより、熱交換器のサイズが大きくなることを抑制しつつ上記流入面の面積を大きくして流体通過部への流体の流入速度を低減することができる。
　上記熱交換器において、上流側に開口し、内部に底壁を有する上流側凹部が上記流体通過部に形成されていることにより、上記流入面の面積が、上記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する上記導入流路断面の面積よりも大きくなっていてもよい。このようにすることにより、上記流入面の面積を大きくして流体通過部への流体の流入速度を低減することができる。
　上記熱交換器において、上記流体通過部には、下流側に開口し、内部に底壁を有する下流側凹部が、上記上流側凹部と離れて形成されていてもよい。このようにすることにより、上記上流側凹部に流入した流体を上記上流側凹部と上記下流側凹部との間に位置する上記流体通過部内を通過させたうえで、上記下流側凹部から排出する流体の経路を容易に形成することができる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　（実施の形態１）
　次に、本発明にかかる熱交換器の一実施の形態である実施の形態１を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　図１を参照して、実施の形態１のヒートシンク１００は、たとえば発熱源に接触する伝熱体の内部に、熱交換媒体である冷却水などの流体を流すことが可能な構造を有する。
　図１～図３を参照して、本実施の形態におけるヒートシンク１００は、本体部１０と、流体通過部２０と、導入用配管２２と、排出用配管２８とを備える。
　図２および図３を参照して、本体部１０は、冷却水１の進行方向１ａに沿った方向において、中央に位置する伝熱部１２と、伝熱部１２から見て上流側に位置する導入部２３と、伝熱部１２から見て下流側に位置する排出部３４とを含む。本体部１０は、たとえば銅などの熱伝導率の高い金属からなる。また、本体部１０の外形形状は、直方体形状である。
本体部１０は、外壁において、図示しない発熱源に接触する。導入部２３は、流体通過部２０に導入される冷却水１の流路となる本体導入流路１５を規定する。また、排出部３４は、流体通過部２０から排出される冷却水１の流路となる本体排出流路１６を規定する。　
　導入用配管２２は、本体部１０の導入部２３に接続される。導入用配管２２および導入部２３は、導入流路部８１を構成する。排出用配管２８は、本体部１０の排出部３４に接続される。導入用配管２２の内部には中空領域である導入用配管流路２７が形成されている。
　本体部１０には、貫通孔である中空領域１９が形成されている。本体部１０の中空領域１９における冷却水１の進行方向１ａに垂直な断面における断面積は、上流側である本体導入流路１５および下流側領域である本体排出流路１６に比べて中央流路１７において大きくなっている。冷却水１の進行方向１ａに垂直な断面における断面積は、中央流路１７において一定である。中央流路１７は直方体形状を有している。本体導入流路１５および本体排出流路１６は、底面において中央流路１７に接続された四角錐台形状の領域が、中央流路１７から離れるに従って断面積が減少するように湾曲するなめらかな曲面に囲まれた領域によって円筒状の領域につながる形状を有している。本体導入流路１５および導入用配管流路２７は、導入流路８２を構成する。
　中空領域１９の中央流路１７内には、流体通過部２０が配置される。流体通過部２０は、本体部１０の伝熱部１２に接触するように配置される。より具体的には、伝熱部１２の内壁面の全周にわたって流体通過部２０が接触する。流体通過部２０により中央流路１７が充填される。伝熱部１２は、流体通過部２０を取り囲むことにより冷却水１が流体通過部２０を通過するための通過流路（中央流路１７）を規定している。
　流体通過部２０は、たとえば伝熱部１２の内壁面にロウ付けして固定される。これにより、流体通過部２０と伝熱部１２との間の熱の移動が容易となる。流体通過部２０は、冷却水１が流入すべき面である流入面２５を備える。流体通過部２０は、熱伝導率が高い金属から構成される金属多孔体からなる。流体通過部２０は、冷却水１が内部を通過可能な多孔体構造を有している。ここで金属多孔体は、金属を発泡させることにより製造された発泡金属であってもよいし、他の製造方法により多孔質な状態とされたものであってもよい。金属多孔体を構成する金属材料として、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｆｅ（鉄）等を採用することができる。
　ヒートシンク１００の使用状態において、本体部１０は発熱源（図示しない）に接触する。そのため、発熱源から本体部１０へと熱が伝達される。本体部１０に流入した熱は、本体部１０に接合された流体通過部２０へと移動する。導入用配管２２から導入された冷却水１は、流入面２５から流体通過部２０に流入し、流体通過部２０を通過する際に流体通過部２０から熱を奪う。そして、昇温した冷却水１は、排出用配管２８から排出される。このようにして、ヒートシンク１００は、発熱源の熱を放出する。
　ここで、ヒートシンク１００は、伝熱部１２と、金属多孔体を含み、伝熱部１２に接触して配置され、内部を冷却水１が通過可能な流体通過部２０と、流体通過部２０へと冷却水１を導く導入流路８２を規定する導入流路部８１とを備えている。
　そして、図２および図３を参照して、流体通過部２０の流入面２５の面積は、冷却水１の進行方向１ａに垂直な導入流路８２の断面である導入流路断面７２ａを、冷却水１の進行方向１ａに沿って流体通過部２０に近づけた場合に流体通過部２０に接触する位置である流入位置７０の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７２ｂの面積よりも大きい。
　より具体的には、本実施の形態においては、流入位置７０における導入流路断面の面積が流入位置７０の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７２ｂの面積よりも大きいことにより、流入面２５の面積が、流入位置７０の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７２ｂの面積よりも大きくなっている。つまり、流入面２５への流入前に、冷却水１の流路の断面積が大きくなっている。このような構造を有することにより、本実施の形態のヒートシンク１００においては、冷却水１が流体通過部２０へと流入する前に冷却水１の速度が低下する。圧力損失は流体（冷却水１）の速度の２乗に比例する。そのため、金属多孔体からなる流体通過部２０に流入する冷却水１の速度を小さくすることで、圧力損失の低減を図ることが可能となる。その結果、熱交換の効率を向上させることができる。このように、本実施の形態におけるヒートシンク１００によれば、金属多孔体を用いたヒートシンクにおいて、圧力損失を低減して熱交換の効率を向上させることが可能となる。
　（実施の形態２）
　次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図４を参照して、実施の形態２における熱交換器であるヒートシンク２００は、実施の形態１の場合と同様に、本体部３０と、流体通過部４０と、導入用配管４７と、排出用配管４８とを備え、実施の形態１の場合と同様に使用されることで発熱源の熱を放出する。
　本体部３０は、冷却水１の進行方向１ａに沿った方向において、中央に位置する伝熱部３３と、伝熱部３３から見て上流側に位置する導入部３５と、伝熱部３３から見て下流側に位置する排出部３６とを含む。本体部３０は、たとえば銅などの熱伝導率の高い金属からなる。本体部３０は、外壁において、図示しない発熱源に接触する。導入部３５は、流体通過部４０に導入される冷却水１の流路となる本体導入流路８５を規定する。また、排出部３６は、流体通過部４０から排出される冷却水１の流路となる本体排出流路３１を規定する。
　導入用配管４７は、本体部３０の導入部３５に接続される。導入用配管４７の内部には中空領域である導入用配管流路４１が形成されている。導入用配管４７および導入部３５は、導入流路部８３を構成する。導入流路部８３は、流体通過部４０へと冷却水１を導く導入流路９２を規定する。本体導入流路８５および導入用配管流路４１は、導入流路９２を構成する。また、排出用配管４８は、本体部３０の排出部３６に接続される。
　本体部３０には、貫通孔である中空領域８９が形成されている。中空領域８９は、本体導入流路８５と、本体排出流路３１と、中央流路９６とを含む。本体導入流路８５と本体排出流路３１とは、中央流路９６により接続されている。実施の形態１とは異なり、本体部３０の中空領域８９における冷却水１の進行方向１ａに垂直な断面における断面積は、一定である。中空領域８９を挟んで対向する本体部３０の内壁面は、互いに平行である。　
　中空領域８９の中央流路９６内には、流体通過部４０が配置される。流体通過部４０は、本体部３０の伝熱部３３に接触するように配置される。より具体的には、伝熱部３３の内壁面の全周にわたって流体通過部４０が接触する。伝熱部３３は、流体通過部４０を取り囲むことにより冷却水１が流体通過部４０を通過するための通過流路（中央流路９６）を規定している。
　流体通過部４０は、冷却水１が流入すべき面である流入面４５と、冷却水１が排出されるべき面である排出面４６とを備える。冷却水１の進行方向１ａに沿った（進行方向１ａに平行な）断面において、流入面４５と排出面４６とは平行である。当該断面において、流体通過部４０は平行四辺形形状を有している。
　流体通過部４０は、実施の形態１と同様に、たとえば伝熱部３３の内壁面にロウ付けして固定される。また、流体通過部４０は、熱伝導率が高い金属から構成される金属多孔体からなる。流体通過部４０は、冷却水１が内部を通過可能な多孔体構造を有している。
　そして、流体通過部４０の流入面４５の面積は、冷却水１の進行方向１ａに垂直な導入流路９２の断面である導入流路断面７５ａを、冷却水１の進行方向１ａに沿って流体通過部４０に近づけた場合に流体通過部４０に接触する位置である流入位置７４の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７５ｂの面積よりも大きい。
　より具体的には、流入位置７４における導入流路断面７５ｃに対して流入面４５が傾斜することにより、流入面４５の面積が、流入位置７４の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７５ｂの面積よりも大きくなっている。流入位置７４における導入流路断面７５ｃに対する傾斜角度を（９０°－θ）とすると、流入面４５の面積は導入流路断面７５ｂの面積の（１／ｓｉｎθ）倍である。つまり、流入面４５が傾斜することにより、流入面４５の面積が本体導入流路８５の断面積よりも大きくなっている。このような構造を有することにより、本実施の形態のヒートシンク２００においては、冷却水１が流体通過部４０へと流入する前に冷却水１の速度が低下する。そのため、圧力損失の低減を図られる。その結果、熱交換の効率を向上させることができる。このように、本実施の形態におけるヒートシンク２００によれば、金属多孔体を用いたヒートシンクにおいて、圧力損失を低減して熱交換の効率を向上させることが可能となる。
　さらに、ヒートシンク２００は、上記実施の形態１の場合とは異なり、必ずしも本体部３０内の冷却水１の流路の断面積を大きくする必要がない。そのため、構造上ヒートシンク（熱交換器）のサイズを大きくすることが困難な用途に使用される場合においても、高い熱交換の効率を達成することができる。
　（実施の形態３）
　次に、他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図５を参照して、実施の形態３におけるヒートシンク３００は、実施の形態１の場合と同様に、本体部５０と、流体通過部６０と、導入用配管６８と、排出用配管６９とを備え、実施の形態１の場合と同様に使用されることで発熱源の熱を放出する。
　本体部５０は、冷却水１の進行方向１ａに沿った方向において、中央に位置する伝熱部５７と、伝熱部５７から見て上流側に位置する導入部５５と、伝熱部５７から見て下流側に位置する排出部５６とを含む。本体部５０は、たとえば銅などの熱伝導率の高い金属からなる。本体部５０は、外壁において、図示しない発熱源に接触する。導入部５５は、流体通過部６０に導入される冷却水１の流路となる本体導入流路８６を規定する。また、排出部５６は、流体通過部６０から排出される冷却水１の流路となる本体排出流路８８を規定する。
　導入用配管６８は、本体部５０の導入部５５に接続される。導入用配管６８の内部には中空領域である導入用配管流路８７が形成されている。導入用配管６８および導入部５５は、導入流路部８４を構成する。導入流路部８４は、流体通過部６０へと冷却水１を導く導入流路９３を規定する。本体導入流路８６および導入用配管流路８７は、導入流路９３を構成する。また、排出用配管６９は、本体部５０の排出部５６に接続される。
　本体部５０には、貫通孔である中空領域９１が形成されている。中空領域９１は、本体導入流路８６と、本体排出流路８８と、中央流路９７とを含む。本体導入流路８６と本体排出流路８８とは、中央流路９７により接続されている。実施の形態１の場合とは異なり、冷却水１の進行方向１ａに垂直な断面における中空領域９１の断面積は一定である。
　本体部５０の中空領域９１内には、流体通過部６０が配置される。流体通過部６０は、本体部５０の伝熱部５７に接触するように配置される。より具体的には、伝熱部５７の内壁面の全周にわたって流体通過部６０が接触する。伝熱部５７は、流体通過部６０を取り囲むことにより冷却水１が流体通過部６０を通過するための通過流路（中央流路９７）を規定している。
　流体通過部６０は、冷却水１が流入すべき面である流入面６５と、冷却水１が排出されるべき面である排出面９５とを備える。流体通過部６０は、実施の形態１の場合と同様に、たとえば伝熱部５７の内壁面にロウ付けして固定される。また、流体通過部６０は、熱伝導率が高い金属から構成される金属多孔体からなる。流体通過部６０は、冷却水１が内部を通過可能な多孔体構造を有している。
　図５を参照して、実施の形態３におけるヒートシンク３００においては、上流側に開口し、内部に底壁を有する上流側凹部６６が流体通過部６０に複数個形成されている。また、流体通過部６０には、下流側に開口し、内部に底壁を有する下流側凹部６７が、上流側凹部６６と離れて複数個形成されている。つまり、下流側凹部６７は上流側凹部６６と連通していない。そして、上流側凹部６６と下流側凹部６７とは、冷却水１の進行方向１ａに垂直な方向において等間隔に交互に形成されている。
　また、上流側凹部６６の底壁から流体通過部６０の下流側端部までの距離Ｌ１が、隣り合う上流側凹部６６と下流側凹部６７との間隔Ｌ２よりも長くなっている。これにより、流体通過部６０の上流側凹部６６の開口部から流入してきた冷却水１が、隣接する下流側凹部６７に流入した後、下流側凹部６７の開口部から排出部５６に流れるように流路を制御することが可能となる。なお、冷却水１の流路を制御するために、上流側凹部６６の底壁から流体通過部６０の下流側端部までの距離Ｌ１を大きくすることに加えて、または大きくすることに代えて、上流側凹部６６の底壁を封孔処理するようにしてもよい。
　そして、流体通過部６０の流入面６５の面積は、冷却水１の進行方向１ａに垂直な導入流路９３の断面である導入流路断面７８ａを、冷却水１の進行方向１ａに沿って流体通過部６０に近づけた場合に流体通過部６０に接触する位置である流入位置７６の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７８ｂの面積よりも大きい。
　より具体的には、上流側に開口し、内部に底壁を有する上流側凹部６６が流体通過部６０に形成されていることにより、流入面６５の面積が、流入位置７６の上流側に隣接する領域に位置する導入流路断面７８ｂの面積よりも大きくなっている。つまり、上流側凹部６６の側壁面が流入面６５として機能することにより、流入面６５の面積が大きくなっている。このような構造を有することにより、本実施の形態のヒートシンク３００においては、冷却水１が流体通過部６０へと流入する前に冷却水１の速度が低下する。そのため、圧力損失の低減を図られる。その結果、熱交換の効率を向上させることができる。このように、本実施の形態におけるヒートシンク３００によれば、金属多孔体を用いたヒートシンクにおいて、圧力損失を低減して熱交換の効率を向上させることが可能となる。
　さらに、ヒートシンク３００は、上記実施の形態１の場合とは異なり、必ずしも本体部５０内の冷却水１の流路の断面積を大きくする必要がない。そのため、構造上ヒートシンク（熱交換器）のサイズを大きくすることが困難な用途に使用される場合においても、高い熱交換の効率を達成することができる。
　なお、実施の形態３におけるヒートシンク３００においては、上流側凹部６６および下流側凹部６７の双方を備えていたが、上流側凹部６６のみ備えるようにしてもよい。
　（実施の形態４）
　次に、さらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。図６および図７を参照して、実施の形態４におけるヒートシンク４００は、実施の形態１の場合と基本的には同様の構造を有し、実施の形態１の場合と同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４におけるヒートシンク４００は熱伝導率が高い金属からなる熱伝導補助部材５をさらに備えている点において実施の形態１の場合とは異なっている。
　図６および図７を参照して、実施の形態４におけるヒートシンク４００では、伝熱部１２から離れて位置する流体通過部２０の領域と伝熱部１２とを接続するように配置される熱伝導補助部材５をさらに備える。熱伝導補助部材５は、流体通過部２０の中央部と伝熱部１２とを接続するように配置されることが好ましい。本実施の形態においては、熱伝導補助部材５は、流体通過部２０を貫通し、流体通過部２０を挟んで互いに対向する伝熱部１２の内壁面間を繋ぐように配置される。熱伝導補助部材５は、柱状、たとえば円柱状の形状を有している。熱伝導補助部材５を構成する材料としては、熱伝導率の高い金属、たとえばＣｕ、Ａｌなどを採用することができる。
　これにより流体通過部２０において、伝熱部１２の接触面から離れた領域と伝熱部１２との間の熱の移動が容易となる。その結果、熱交換の効率をさらに向上させることが可能となる。
　なお、本実施の形態において、熱伝導補助部材５は円柱形状の場合を例示したが、他の形状、たとえば薄板状であってもよい。
　また、上記実施の形態１～４における熱交換器の構造は、本開示の熱交換器の構造における具体例であって、本開示の熱交換器の構造はこれらに限られるものではない。したがって、たとえば上記実施の形態１～４において説明した構造を適宜組み合わせた構造を採用してもよい。
　また、上記実施の形態１～４においては、本開示の熱交換器の一例として水冷ヒートシンクについて説明したが、本開示の熱交換器はこれに限定されず、空気調和装置等に用いられる空気熱交換ユニットなど、種々の熱交換器に適用することができる。
　上記実施の形態１と同様の構造を有するヒートシンクについて、その性能を検証するシミュレーションを実施した。具体的には、実施の形態１と同様の構造において、導入用配管２２から本体部１０への入口における導入流路断面の面積に対する流入面２５における導入流路断面の面積の比（断面積比）を６～６０の範囲で変化させたヒートシンク１００を想定した。そして、このヒートシンクにおける圧力損失と熱抵抗との関係をシミュレーションにより算出した（図８において「断面積比６～６０」と表示）。本体部１０の外壁に熱源が接触している状態で、一定温度の水が一定の流量でヒートシンク１００に流入する場合において、熱源との間の熱交換量を算出したうえで、これを熱抵抗値に換算してヒートシンク１００の性能の指標とした。また、ヒートシンク１００および熱源が周囲の環境とは断熱されている、との条件でシミュレーションを実施した。金属多孔体からなる流体通過部の材質は銅であるとした。また、本体部１０への入口および本体部１０からの出口における流路の断面積は一定とした。また、比較のため、金属多孔体からなる流体通過部を使用しないヒートシンクにおいて、流路の形状を適正化することにより伝熱効率を向上させたものについても、同様にシミュレーションを実施した（図８において「比較例」と表示）。シミュレーションの結果を図８に示す。なお、「比較例」は段落００１５で述べた、従来型の構造に創意工夫を凝らした熱交換器の性能を示しており、これは従来法で得られる熱交換器の性能のトップデータである。
　図８において横軸は圧力損失、縦軸は熱抵抗を示している。断面積６～１８の場合については、金属多孔体からなる流体通過部の目の粗さを変化させた場合に対応する特性が示されている。具体的には、流体通過部の目の粗さが小さくなるにしたがって、圧力損失が大きくなるとともに、熱抵抗が小さくなっている。すなわち、熱抵抗を低減するために流体通過部の目の粗さを小さくすると、圧力損失が上昇するという関係が理解される。ヒートシンク１００の性能向上のためには、圧力損失および熱抵抗が低減されることが好ましい。すなわち、図８において、データ点が左下に向かうことが好ましいといえる。
　図８を参照して、断面積比が大きくなるにしたがって、ヒートシンクの性能が向上することが確認される。また、断面積比が１８を超える場合、金属多孔体からなる流体通過部を使用しないヒートシンクでは到達が困難な性能が得られることが分かる。すなわち、実施の形態１における構造を採用することにより、優れた性能の熱交換器が得られるといえる。
　上記実施の形態２と同様の構造を有するヒートシンクについて、その性能を検証するシミュレーションを実施した。具体的には、実施の形態２と同様の構造において、流入面４５が図４とは逆向きに傾斜し、角度θが１０°である場合を想定した（モデルＡ）。そして、一定温度の空気が一定の流速で流入する場合における、流体通過部４０内での空気の温度変化から熱伝達率を算出し、これを金属多孔体からなる流体通過部４０の単位体積あたりの値に変換し、ヒートシンク２００の性能の指標とした。また、その場合の圧力損失についても算出した。一方、比較のため、流体通過部の体積および空気の流れる方向における長さをモデルＡと同一とし、θを９０°とした場合についても同様に流体通過部４０の単位体積あたりの熱伝達率および圧力損失を算出した（モデルＢ）。図９は、モデルＡにおける流体通過部４０内での温度分布を示す。
　図９において、白い三角形は、空気の流速を示している。図９を参照して、流体通過部４０内の空気の温度は、領域Ａが最も低く、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨおよびＩの順に高くなっている。そして、この温度分布から算出される流体通過部４０の圧力損失、および単位体積あたりの熱伝達率を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１を参照して、角度θが１０°となるように流入面４５を傾斜させることにより、流体通過部４０の単位体積あたりの熱伝達率を維持しつつ、圧力損失を約１／６にまで低減できることが分かる。このことから、ヒートシンクの設置のための空間が限られている場合でも、実施の形態２の構造を採用することにより熱伝達率を維持しつつ圧力損失を低減することで、ヒートシンクの性能を向上させることが可能であるといえる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１　冷却水
１ａ　進行方向
５　熱伝導補助部材
１０，３０，５０　本体部
１２，３３、５７　伝熱部
１５，８５，８６　本体導入流路
１６，３１，８８　本体排出流路
１７，９６，９７　中央流路
１９，８９，９１　中空領域
２０，４０，６０　流体通過部
２２，４７，６８　導入用配管
２３，３５，５５　導入部
２５，４５，６５　流入面
２７，４１，８７　導入用配管流路
２８，４８，６９　排出用配管
３４，３６，５６　排出部
４６，９５　排出面
６６　上流側凹部
６７　下流側凹部
７０，７４，７６　流入位置
７２ａ，７２ｂ，７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７８ａ，７８ｂ　導入流路断面
８１，８３，８４　導入流路部
８２，９２，９３　導入流路
１００，２００，３００，４００　ヒートシンク

Claims (7)

  1. 　伝熱部と、
    　金属多孔体を含み、前記伝熱部に接触して配置され、内部を流体が通過可能な流体通過部と、
    　前記流体通過部へと前記流体を導く導入流路を規定する導入流路部と、
    を備え、
    　前記流体通過部において前記流体が流入する面である流入面の面積は、前記流体の進行方向に垂直な前記導入流路の断面である導入流路断面を、前記流体の進行方向に沿って前記流体通過部に近づけた場合に前記流体通過部に接触する位置である流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きい、
    　熱交換器。
  2. 　前記伝熱部から離れて位置する前記流体通過部の領域と前記伝熱部とを接続するように配置される熱伝導補助部材をさらに備える、
    　請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記伝熱部は、前記流体通過部を取り囲むことにより前記流体が前記流体通過部を通過するための通過流路を規定する、
    　請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
  4. 　前記流入位置における前記導入流路断面の面積が前記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きいことにより、前記流入面の面積が、前記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きくなっている、
    　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
  5. 　前記流入位置における前記導入流路断面に対して前記流入面が傾斜することにより、前記流入面の面積が、前記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きくなっている、
    　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
  6. 　上流側に開口し、内部に底壁を有する上流側凹部が前記流体通過部に形成されていることにより、前記流入面の面積が、前記流入位置の上流側に隣接する領域に位置する前記導入流路断面の面積よりも大きくなっている、
    　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。
  7. 　前記流体通過部には、下流側に開口し、内部に底壁を有する下流側凹部が、前記上流側凹部と離れて形成されている、
    　請求項６に記載の熱交換器。
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