JP2006308263A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換効率が良好で、かつ製造性の良い熱交換装置を提供する。
【解決手段】 複数の細溝であるマイクロチャンネル１１が所定の間隔をあけて互いに平行に形成されたコンテナ１０が設けられ、そのコンテナ１０の内部と該外部との間で熱交換を行う熱交換装置であって、複数枚の板１２に、それぞれ所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリット１３が形成され、そのスリット１３同士が重なるように板１２同士が重ねられて積層状に接合された接合部材１６が、前記配列方向に対して直交する方向にスリット１３が開口するように切断分離されてコンテナ１０の内部に一体となって形成され、その接合部材１６によってマイクロチャンネル１１が形成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数の細溝であるマイクロチャンネルが所定の間隔をあけて互いに平行に形成されたコンテナが設けられ、そのコンテナの内部と該外部との間で熱交換を行う熱交換装置に関するものである。

内部と外部との間で熱交換を行う熱交換装置がある。そのような熱交換装置の一例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された構成を簡単に説明すると、コンテナの内部にマイクロチャンネルと称する複数の細溝が形成されている。このマイクロチャンネルは、微細流路としても機能すると同時に熱交換面積も増加することができる。したがって、上述のマイクロチャンネルによって、熱交換装置の熱交換効率を格段に向上させることができる。
特表２００２−５１４２９６号公報

上記の熱交換装置のマイクロチャンネルは、例えば放電ワイヤーカットなどの放電加工、あるいはメタルソーなどによる切削加工等によって形成することができる。しかしながら、このマイクロチャンネルを放電ワイヤーカットで形成した場合、加工時間が数時間、数十時間を要すという不都合がある。また、マイクロチャンネルは微少な間隔で形成される細溝であるため、そのマイクロチャンネルが形成されたコンテナを切削加工した場合、そのマイクロチャンネルの壁（凸部）が傾き、その傾きによって作動流体がマイクロチャンネルに供給され難くなる。そのため、作動流体とコンテナとの熱交換を効率良く行うことができなかった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、熱交換効率が良好で、かつ製造性の良い熱交換装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の細溝であるマイクロチャンネルが所定の間隔をあけて互いに平行に形成されたコンテナが設けられ、そのコンテナの内部と該外部との間で熱交換を行う熱交換装置であって、複数枚の板に、それぞれ所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリットが形成され、そのスリット同士が重なるように前記板同士が重ねられて積層状に接合された接合部材が、前記配列方向に対して直交する方向に前記スリットが開口するように切断分離されて前記コンテナの内部に一体となって形成され、その接合部材によって前記マイクロチャンネルが形成されていることを特徴とする熱交換装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記細溝の高さが１．５ｍｍ以下でかつその幅が１００μｍから３００μｍであることを特徴とする熱交換装置である。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記スリットが、フォトエッチング加工を含むエッチング加工によって形成されたものであることを特徴とする熱交換装置である。

請求項１の発明によれば、コンテナの内部に容易にマイクロチャンネルを形成することができる。そのため、コンテナにマイクロチャンネルを形成するための特別な加工を行う必要がないので、一度に大量にコンテナを製造することができる。一方、板を接合した接合部材を切断分離するだけで必要な形状（寸法）のマイクロチャンネル（コンテナ）が任意に形成されるので、必要な任意の形状のコンテナを大量に製造することができる。その結果、熱交換装置の製造性を向上させることができる。また、マイクロチャンネルは板が重ね合わされて形成されているので、各板同士の間に作動流体が入り込み、コンテナの濡れ性が向上する。その結果、熱交換装置の熱交換効率を向上させることができる。

また、細溝の高さが１．５ｍｍ以下でかつその幅が１００μｍから３００μｍであるので、濡れ性が向上したコンテナを形成することができる。そのため、コンテナの内部とその外部との間で熱交換をおこなわせる場合に、作動流体とコンテナとの熱交換を効率良く行うことができる。

さらに、請求項３の発明によれば、スリットが、フォトエッチング加工を含むエッチング加工によって形成されているので、必要な任意の形状のスリットを板に形成することができる。そのため、必要な任意の形状のマイクロチャンネルが形成されたコンテナを一度に大量に製造することができる。

以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。図２に示すループ型ヒートパイプ１は、エバポレータ（蒸発部）２の流入口３と凝縮部４とが、液戻り管６によって接続され、さらにエバポレータ２の流出口５と凝縮部４とが、液戻り管６よりも太径の蒸気管７によって接続され、全体として密閉された環状（ル−プ状）に形成されている。凝縮部４には、薄板状の放熱フィン８が設けられている。このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体９として封入されている。なお、このエバポレータ２が本発明における熱交換装置に相当する。

上記エバポレータ２に設けられたコンテナ（容器）１０の内部には、図１に示すように多数のマイクロチャンネル１１が形成されている。このマイクロチャンネルとは、例えば、高さ１．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ（１０μｍ）、幅数０．１ｍｍ（１０μｍ）程度の複数の微小フィンによって形成されるチャンネル（通路）のことである。マイクロチャンネル１１は、コンテナ１０の内部の面積を増大するように機能し、また作動流体９の流路となるものであって、コンテナ１０の長手方向に沿って形成されている。

つぎに本発明における熱交換装置を製造する工程について説明する。板１２には、予めフォトエッチング加工が施されており、多数のスリット１３が形成されている。具体的には、板１２は、厚さ０．１ｍｍ程度の薄板状の銅板であり、平面形状が長方形である。この板１２の長手方向に沿って、長孔状の多数のスリット１３が所定の間隔をあけて互いに平行に形成されている。

図１に示す工程Ａでは、各板１２を互いに重ね合わせる。図１の例では、重ね合わせの一例として複数枚の各板１２同士が板厚方向に整列され、積層される。この積層された複数枚の板１２の底部に板状のベース１４が配置される。そのため、ベース１４の上面方向に各スリット１３が重ね合わされて各板１２同士の板厚方向に連続し、複数の凹部１５が形成される。なお、ベース１４の材質としては、熱伝導率の良い材質である銅合金、銀、アルミニウム等の金属が例示されている。

図１の工程Ｂでは、重ね合わされた各板１２およびベース１４が接合される。なお、この接合方法としては、真空中で圧力と熱を加える拡散接合や、プレス等による圧着、ハンダ等による接着、さらに各板１２およびベース１４に固定用の孔を形成し、この孔にピンを差し込んで固定する方法などが例示されている。この接合方法によって、接合部材１６が形成される。この接合部材１６は切断されて分離される。具体的には、図３に示すように、接合部材１６の平面形状である長方形の長手方向の両端部が、所定位置においてメタルソーなどによる一般的な切断方法によって切断される。そのため、凹部１５が前記両端部において開口して細溝状となり、複数のマイクロチャンネル１１がベース１４の上面に形成される。その結果、マイクロチャンネル部１１Ａが完成する。最後に、マイクロチャンネル部１１Ａがコンテナ１０の内部に配置されてエバポレータ２が完成する。

ここで、本発明者らは、高さが０．７ｍｍのマイクロチャンネルが形成されたエバポレータと、高さが１．４ｍｍのマイクロチャンネルが形成されたエバポレータを用意し、それらの各エバポレータに配置されたヒーター（図示せず）からその周囲までの温度（℃）、もしくはそのヒーターとエバポレータ２の流出口５との間の温度の変化における熱抵抗値を計測する実験を行った。なお、図６，７ではマイクロチャンネルの高さ（ｍｍ）の変化に応じて熱抵抗値（℃／Ｗ）が変化する状態を示している。この実験の結果、高さが１．４ｍｍのマイクロチャンネルに比べて高さが０．７ｍｍのマイクロチャンネルの方が熱抵抗値が高くなる（矢印で示す）ことが確認された。この実験によれば、マイクロチャンネルの高さを約１．５ｍｍ以下（好ましくはマイクロチャンネルの幅を１００μｍから３００μｍまでに設定する。）として、その高さを制限すれば、ヒーターから周囲までの温度の変化における熱抵抗値、もしくはヒーターとエバポレータ２の流出口５との間の温度の変化における熱抵抗値を増加させることができる。この熱抵抗値の増加は、マイクロチャンネルの高さを約１．５ｍｍ以下とすることにより、コンテナ１０の濡れ性が向上したことに起因するものと考えられる。そのため、コンテナ１０の内部とその外部との間で熱交換をおこなわせる場合に、作動流体９とコンテナ１０との熱交換を効率良く行うことができる。

上述のエバポレータ２では、板１２同士が積層され、拡散接合されることで、容易にマイクロチャンネル１１を形成することができる。そのため、エバポレータ２の内部に、マイクロチャンネル１１を形成するために特別な加工を行う必要がないので、エバポレータ２の製造性を向上させることができる。このマイクロチャンネル１１は、板が互いに重ね合わされて形成されているので、各板１２同士の間に液相の作動流体９が入り込むため、コンテナ１０の濡れ性が向上する。そのため、エバポレータ２の熱交換効率を向上させることができる。また、板１２がフォトエッチングによって加工されているので、微細な加工を施すことができる。そのため、エバポレータ２の内部に容易にマイクロチャンネル１１を形成することができる。

図３では、予めエッチングによって複数のスリット１３が形成された板１２が、板厚方向、上下方向、左右方向に重ね合わされている。このような状態で重ね合わされた複数枚の各板１２同士を、上述の接合方法によって互いに接合することによって、直方体形状の接合部材１６Ａに各スリット１３が重ね合わされて複数の凹部１５が形成される。

上記の接合部材１６Ａでは、板１２が板厚方向だけでなく、上下方向、左右方向にも重ね合わされているので、多数の凹部１５が上下、左右に連続して形成される。例えば、この多数の凹部１５が開口して細溝状になるように接合部材１６Ａを複数箇所で切断して分離するだけで、必要な任意の形状（必要な寸法）のマイクロチャンネル部１１Ａ（コンテナ１０）が形成されるので、必要な任意の形状のコンテナ１０を大量に製造することができる。その結果、エバポレータ２の製造性を向上させることができる。

図４では、エバポレータ２のコンテナ１０Ａは、厚さ０．１ｍｍ程度の薄板状の銅板である複数枚の板１２Ａが重ね合わされて形成されている。具体的には、板１２Ａにエッチングによってスリット１３および所定の孔の加工が施され、各板１２Ａが板厚方向に重ね合わされる。この各板１２Ａが同時に重ね合わされて、スリット１３によって三次元の所定形状の空間、あるいは空隙が形成されると、真空中で圧力と熱を加えて拡散接合されて図示しない所定形状の接合部材が形成され、前記接合部材の内部に、マイクロチャンネル１１の他に、前記空間、あるいは空隙によって流入路１７、流出路１８が形成され、更に前記流入路１７とマイクロチャンネル１１との間、およびマイクロチャンネル１１と流出路１８との間にヘッダー管１９が形成される。なお、マイクロチャンネル１１、流入路１７、流出路１８、ヘッダー管１９は連通されており、作動流体９の流通方向に流入路１７、ヘッダー管１９、マイクロチャンネル１１、ヘッダー管１９、流出路１８の順で配置される。これにより、流入路１７および流出路１８は、マイクロチャンネル１１の延長線上に配置されることになる。そして、接合部材１６Ｂの端部がプレス加工やシャーリング、メタルソー等による一般的な切断方法によって切断されて分離され、流入路１７および流出路１８が外部（スリット１３の配列方向に対して直交する方向）に開口し、コンテナ１０Ａが完成する。

ループ型ヒートパイプ１は、重力のある環境および無重力環境のいずれでも使用できる。すなわち、エバポレータ２のコンテナ１０Ａの内部には液相の作動流体９が供給されており、この作動流体９で、マイクロチャンネル１１が湿潤した状態となっている。その湿潤した状態では、板１２が積層されて流入路１３が形成されているので、各板１２の間に液相の作動流体９が入り込み、コンテナ１０Ａの濡れ性が向上する。この状態でエバポレータ２に対して熱Ｑが伝達されると、コンテナ１０Ａの内部の作動流体９が加熱されて蒸発する。さらに、コンテナ１０Ａの内面にマイクロチャンネル１１が形成されているので、コンテナ１０Ａと作動流体９との熱交換面積が広くなる。そのため、効率よく作動流体９に対して熱を伝達することができる。コンテナ１０Ａの内部で蒸発した作動流体（蒸気）９は、マイクロチャンネル１１を通って蒸気管７側に流動し、流出路１４から蒸気管７に流出する。その後、作動流体９は蒸気管７を介して凝縮部４に至り、ここで外部に熱Ｑを放出して凝縮する。その結果生じた液相の作動流体９は、蒸気管７に生じる圧力によって液戻り管６を介してエバポレータ２に還流する。

コンテナ１０Ａの内部において作動流体９の蒸発が生じることによって、マイクロチャンネル１１の開口端にメニスカスが生じて、毛細管圧力によるポンプ力が生じる。そのため、作動流体９がマイクロチャンネル１１の間に形成される間隙を通って、コンテナ１０Ａ全体に分散するように供給されるので、コンテナ１０Ａの内面のほぼ全体に対して作動流体９を供給することができる。そのため、エバポレータ２における実質的な入熱面積を広くすることができる。

また、ヘッダー管１９が流入路１７に連通されているので、所定量の作動流体９を貯留できる。そのため、エバポレータ２に入熱があった当初から、作動流体９をマイクロチャンネル１１に効率よく供給できる。さらに、ヘッダー管１９が流出路１８に連通されているので、所定の蒸気流路を確保できる。そのため、作動流体９が効率良く流通して、作動流体９とコンテナ１０Ａとの熱交換が効率良く行われる。その結果、ヒートパイプ１全体としての熱輸送能力を向上させることができる。

上述のコンテナ１０Ａは、板１２Ａ同士を積層し接合した接合部材を切断分離することにより、コンテナ１０Ａの内部にマイクロチャンネル１１、流入路１７、流出路１８、ヘッダー管１９等を容易に形成することができる。そのため、コンテナ１０Ａにマイクロチャンネル１１を形成するための特別な加工を行う必要がないので、一度に大量にコンテナ１０Ａを製造することができる。一方、板１２Ａを接合した接合部材を切断分離するだけで必要な形状（寸法）のマイクロチャンネル１１（コンテナ１０Ａ）が任意に形成されるので、必要な任意の形状のコンテナ１０Ａを大量に製造することができる。その結果、エバポレータ２の製造性を向上させることができる。また、マイクロチャンネル１１は板１２Ａが重ね合わされて形成されているので、各板１２Ａ同士の間に作動流体９が入り込み、コンテナ１０Ａの濡れ性が向上する。その結果、エバポレータ２の熱交換効率を向上させることができる。

また、図５に示すように、板１２Ａを、板厚方向、上下方向、左右方向に重ね合わして接合することにより、接合部材１６Ｂが形成される。この接合部材１６Ｂを複数箇所で切断し分離したとすれば、同様に必要な任意の形状のマイクロチャンネル１１（コンテナ１０Ａ）が大量に形成されることになる。そのため、エバポレータ２が大量に製造されるので、製造コストを削減できる。

なお、上述の具体例では、エッチングの例として、フォトエッチングを例示したが、この発明におけるエッチングは、フォトエッチングに限定されない。要は板に所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリットが形成されていればよく、例えばエッチングが一般的なドライエッチングやウエットエッチング、イオンエッチング等であってもよい。また、この発明における板は、このようなエッチングによる加工が可能な材質によって形成されていればよく、例えばその板の材質が、銅以外の銀、アルミニウム等の金属もしくは合金であってもよい。さらに、板の形状はマイクロチャンネル、あるいはコンテナの形状に合わせて任意の形状とすることができ、例えば平面形状を円形、正方形等にすることもできる。

また、上述の具体例では、エバポレータ２のコンテナ１０Ａが各板１２Ａによって構成されているが、この発明における熱交換装置は、この構造に限定されない。この熱交換装置は、例えばコンテナの内部におけるマイクロチャンネル、流入路、流出路等を各板で積層して別々に形成した構造であってもよく、冷却装置の蒸発部として利用されるものであってもよい。

この発明における熱交換装置を製造する工程の一例を示す斜視図である。 この発明における熱交換装置を利用したループ型ヒートパイプを簡略的に示す平面図である。 図１に示す熱交換装置の製造工程の他の一例を示す斜視図である。 図１に示す熱交換装置の製造工程の更に他の一例を示す斜視図である。 図１に示す熱交換装置の製造工程の更に他の一例を示す斜視図である。 この発明における熱交換装置の特性を示す線図である。 この発明における熱交換装置の特性を示す線図である。

符号の説明

２…エバポレータ（蒸発部）、 １０，１０Ａ…コンテナ、 １１…マイクロチャンネル、 １２，１２Ａ…板、 １３…スリット、 １６，１６Ａ，１６Ｂ…接合部材。

Claims (3)

1. 複数の細溝であるマイクロチャンネルが所定の間隔をあけて互いに平行に形成されたコンテナが設けられ、そのコンテナの内部と該外部との間で熱交換を行う熱交換装置であって、
   複数枚の板に、それぞれ所定の間隔をあけて互いに平行な複数本のスリットが形成され、そのスリット同士が重なるように前記板同士が重ねられて積層状に接合された接合部材が、前記配列方向に対して直交する方向に前記スリットが開口するように切断分離されて前記コンテナの内部に一体となって形成され、その接合部材によって前記マイクロチャンネルが形成されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 前記細溝の高さが１．５ｍｍ以下でかつその幅が１００μｍから３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記スリットが、フォトエッチング加工を含むエッチング加工によって形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。

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