JP2011099605A - マイクロチャンネル型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】気液を分離することにより、熱輸送媒体の流動を確保できるマイクロチャンネル型熱交換器を提供する。
【解決手段】加熱されて蒸発することにより熱を輸送する熱輸送媒体３を収容する多数の細溝４が水平方向に形成され、それら細溝４の下側に発熱部６が配置されるマイクロチャンネル型熱交換器１において、細溝４の内面のうち上下方向で下側の部分に熱輸送媒体３との親和性が高い、親和層４ａが形成され、かつ親和層４ａより上側の部分に熱輸送媒体４との親和性が親和層４ａよりも低い、非親和層４ｂが形成されており、親和層４ａと非親和層４ｂとが、細溝４の上下方向で別れて形成されている。その結果、発熱部６の熱により熱輸送媒体３が蒸気化して気泡７が生じた場合に、熱輸送媒体３は親和層４ａに保持され、気泡７は非親和層４ｂに移動し、気液を分離できるから、熱輸送媒体３の流動を確保できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、マイクロチャンネルを備えている熱交換器に関するものである。

小型電子機器などにおける熱源から熱を奪い、該熱源を冷却する熱交換器の一例としてマイクロチャンネル型熱交換器１０１が知られている。図３に、従来の一般的なマイクロチャンネル型熱交換器の断面図を模式的に示してある。マイクロチャンネル（細溝）１０４は例えば薄板状のフィン１０５によって形成されている。マイクロチャンネル型熱交換器１０１の下側には、発熱源１０６が設けられている。発熱源１０６の熱がケーシング１０２を介してマイクロチャンネル（細溝）１０４に伝達されると、その熱により熱輸送媒体１０３が蒸気化されてマイクロチャンネル１０４の内部に気泡１０７が生じる場合がある。図４に、従来の一般的なマイクロチャンネル型熱交換器に熱源からの熱が伝達された場合におけるその内部の様子を模式的に示してある。入熱によって生じた熱輸送媒体１０３の気泡（蒸気）１０７は、その大きさに依存して熱輸送媒体１０３の流動を阻害することが知られている。すなわち、気泡１０７が相対的に大きい場合には、その気泡１０７が熱輸送媒体１０３が流動するマイクロチャンネル１０４を塞ぐことになり、熱輸送媒体１０３が流れ難くなる。一方、気泡１０７が小さい場合には、円滑な熱輸送媒体１０３の流動を阻害する。すなわち、気泡１０７がマイクロチャンネル１０４に存在することにより、熱輸送媒体１０３の流速、流量などのいわゆるフローパターンが変化し、これが熱伝達効率に影響をおよぼす。また、気泡１０７は、マイクロチャンネル１０４の内部においていわゆるエアクッションのように作用するので、マイクロチャンネル型熱交換器１０１の内部の圧力が変化して、前述と同様に熱輸送媒体１０３の流れを阻害する。

そこで、熱輸送媒体１０３によって熱を輸送する熱交換器において、熱輸送媒体１０３の流動を円滑にすることが従来検討されている。その一例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１には、ヒートパイプの性能を向上させるために、その内壁面に親水性を有する親水部を形成し、その親水部の上に撥水性の撥水部を形成した発明が記載されている。

また、特許文献２には、伝熱管の内壁面における上部に親水性の表面を形成し、下部に撥水性の表面を形成した発明が記載されている。

さらにまた、親水性あるいは撥水性の表面を形成させるための周辺技術として、特許文献３には、熱を放熱するフィンの表面に、プラズマ処理により微細な凹凸を形成し、その表面上に親水性あるいは撥水性のコーティング層を形成するように構成された発明が記載されている。そして、特許文献４には、熱を放熱するフィンの表面に、親水性を呈する部分と撥水性を呈する部分との双方を微視的に分散させるように構成された発明が記載されている。

特開２００８−３９３７７号公報 特開平６−１４７７８４号公報 特開２００２ー９００８４号公報 特開平１０ー４７８９０号公報

上述した特許文献１に記載された発明によれば、ヒートパイプの作動液の循環効率が向上することにより、伝熱性能が向上する。しかしながら、特許文献１に記載された構成は、ヒートパイプの内壁面のいわゆる濡れ性を向上させることにより、単位面積当たりにおける作動液の蒸発量を増大させるものである。また、ヒートパイプはその内部において、加熱部で加熱されて蒸気化された作動液が凝縮部に移動する場合に、その蒸気の流れは、凝縮部で凝縮されて加熱部に還流する作動液の流れに対向する。そのため、蒸発量が増大すると蒸気化された作動液と凝縮した作動液とが混在し、作動液の流動（還流）を阻害する虞がある。すなわち、気液分離ができない虞があり、この点で改善の余地があった。

また、特許文献２に記載された発明によれば、下部の撥水性表面によって液冷媒が弾かれて、上部の親水性表面に供給されやすくなり、これにより液冷媒が蒸発する際の有効伝熱面積が増大し、熱伝達効率を向上できる。しかしながら、特許文献２に記載された構成では、液冷媒は下部の撥水性表面によって上部に供給され、また、上部の親水性表面によって保持される傾向が強い。そのため、液冷媒が加熱され、蒸気化して気泡を生じた場合に、気泡と液冷媒とが混在し、液冷媒の流動を阻害する虞があり、この点で改善の余地があった。

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、熱輸送媒体の流動を確保できるマイクロチャンネル型熱交換器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、加熱されて蒸発することにより熱を輸送する熱輸送媒体を収容する多数の細溝が水平方向に形成され、それら細溝の下側に発熱部が配置されるマイクロチャンネル型熱交換器において、前記細溝の内面のうち上下方向で下側の部分に前記熱輸送媒体との親和性が高い、親和層が形成され、かつ前記親和層より上側の部分に前記熱輸送媒体との親和性が前記親和層よりも低い、非親和層が形成されており、前記親和層と前記非親和層とが、前記細溝の上下方向で別れて形成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記親和層と前記非親和層との境界は、前記細溝の上下方向での中央よりも上側に、かつ、前記細溝の上端部よりも下側に形成されていることを特徴とするマイクロチャンネル型熱交換器である。

請求項１の発明によれば、細溝の内面の下側の部分に熱輸送媒体との親和性が高い、親和層が形成される。また、細溝の内面の上側の部分に熱輸送媒体との親和性が親和層よりも低い、非親和層が形成される。そのため、発熱部からの入熱により熱輸送媒体が蒸気化して気泡が生じた場合に、細溝の下側に液相の熱輸送媒体が保持され、気泡は上側に移動する。その結果、細溝の内部において気液を分離でき、熱輸送媒体の流動を確保することができる。すなわち、気液が混在することによる液相の熱輸送媒体の流動が阻害されない。言い換えれば、気泡が上側に集められるから、前述したエアクッションのように作用しないので熱輸送媒体の流速、流量などのいわゆるフローパターンの変化を抑制することができる。また、これにより、内部圧力の変動を従来のマイクロチャンネル型熱交換器に比較して抑制できる。さらにまた、細溝の下側が液相の熱輸送媒体によって満たされるので、熱伝達効率を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、親和層と非親和層との境界は、細溝の上下方向で中央より上側に、かつ、細溝の上端部よりも下側に形成されている。言い換えれば、液相の熱輸送媒体が流動する親和層が非親和層に比較して大きく形成されている。したがって、液相の熱輸送媒体が流動する領域を大きく確保することができる。その結果、熱輸送媒体のいわゆるフローパターンの変化を抑制することができる。

この発明に係るマイクロチャンネル型熱交換器の断面図を模式的に示す図である。 この発明に係るマイクロチャンネル型熱交換器に発熱源からの熱が伝達された場合におけるその内部の様子を模式的に示す図である。 従来の一般的なマイクロチャンネル型熱交換器の断面図を模式的に示す図である。 従来の一般的なマイクロチャンネル型熱交換器に熱源からの熱が伝達された場合におけるその内部の様子を模式的に示す図である。

つぎに、この発明を具体例を参照して説明する。図１に、この発明に係るマイクロチャンネル型熱交換器の断面図を模式的に示してある。そのマイクロチャンネル型熱交換器１は、ケーシング２の中空の内部に、熱輸送媒体３を流通させる複数のマイクロチャンネル（細溝）４が収容されている。ケーシング２は、金属あるいは樹脂などの任意の素材によって構成されている。熱抵抗を低減させて熱伝達効率を向上させるためには、例えば金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属性材料によって構成することが好ましい。また、熱輸送媒体３には、水などの任意の冷媒を用いることができる。

マイクロチャンネル４は、例えば薄板状に形成された金属製のフィン５をコの字形状に折曲げることによって形成されている。また、コの字形状の開口部５ａが互いに反対方向に開口するように形成されている。

なお、マイクロチャンネル４は、金属あるいは樹脂などの任意の素材によって構成されている。金属素材としては熱伝導性が良好な金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを適用することができる。アルミニウム、アルミニウム合金を適用する場合に、これらの金属素材は水と反応して水素ガスを発生する。したがって、水と接触するアルミニウム、アルミニウム合金の表面に、いわゆる水素ガス除去剤として、酸化第二銅もしくは二酸化鉛あるいは過酸化バリウムなどを被覆することが好ましい。

マイクロチャンネル４は、前述したように薄板状に形成されたフィン５を折曲げて形成してもよいし、あるいは前述した金属製材料を焼成することによって形成してもよい。また、樹脂によってマイクロチャンネル４を構成する場合には、射出成形により形成することができる。

マイクロチャンネル型熱交換器１の下側（図１において下側）には、発熱源６が設けられており、その熱がケーシング２およびフィン５を介してマイクロチャンネル４を流動する熱輸送媒体３に熱伝達されるようになっている。なお、発熱源６は、任意のものであってよく、例えば電子機器の中央演算処理装置（ＣＰＵ）などであってよい。

図１に示す構成例では、発熱源６側が閉じられている（図１において上側に開口している）マイクロチャンネル４に熱輸送媒体３が流通（流動）するように構成されている。この熱輸送媒体３を流通させるマイクロチャンネル４と、これとは反対側に（図１において下側に）開口しているマイクロチャンネル４の空隙部とが交互に複数配置されるようになっている。そして、上下方向でマイクロチャンネル４の中央よりも下側の内壁面４ａには、熱輸送媒体３との親和性が相対的に高い親水性材料がコーティングされて親和層４ａが形成されている。これとは反対に、上下方向でマイクロチャンネル４の中央よりも上側の内壁面４ｂには、熱輸送媒体３との親和性が相対的に低い非親水性材料がコーティングされて非親和層４ｂが形成されている。すなわち、親和層４ａと非親和層４ｂとの境界は、マイクロチャンネル４の上下方向で中央よりも上側に、かつ、マイクロチャンネル４の上端部（図１において上側に開口している部分）よりも下側に形成されている。

なお、親和層４ａは、非親和層４ｂよりも熱輸送媒体３に対する親和性が非親和層４ｂよりも相対的に高くなるように形成されていればよい。また同様に、非親和層４ｂは、親和層４ａよりも熱輸送媒体３に対する親和性が親和層４ａよりも相対的に低くなるように形成されていればよい。

より具体的に説明すると、前述した親和層（親水層）４ａは、例えば酸化チタンあるいは酸化スズなどの親水性材料を水、アルコールなどの溶媒に懸濁化させてマイクロチャンネル４の内壁面４ａに塗布し、常温で自然乾燥させた後、望ましくは１００℃以上の温度で１時間以上加熱することにより溶媒を揮発させて形成されている。また、非親和層４ｂは、要するに撥水層４ｂは、例えば疎水性シリカあるいはフッ素樹脂などフッ素系の材料などの撥水性材料をアルコールあるいはトルエンなどの有機溶媒に懸濁化させてマイクロチャンネル４の内壁面４ｂに塗布し、常温で自然乾燥させた後、望ましくは１００℃以上の温度で１時間以上加熱することにより溶媒を揮発させて形成されている。

マイクロチャンネル４の内壁面に前述した２層を構成させる方法としては、先ず、マイクロチャンネル４の全体に、前述したように親水性材料を塗布し、十分に乾燥させて親水層４ａを形成させる。次いで、マイクロチャンネル４の上下方向で上側の内壁面４ｂを、撥水層４ｂが所定の高さになるように撥水性材料を含む懸濁液に浸した。その後、撥水性材料を含む懸濁液からマイクロチャンネル４を取り出して前述したように乾燥させることで２層を正確に構成することができる。

さらに別の方法として、先ず、前述した方法と同様の方法により、マイクロチャンネル４の全体を撥水性材料で被覆し、その後、エキシマレーザーなどのレーザー加工機を用いて、そのレーザー光を親水処理が必要な部位に照射する。こうすることにより、撥水性材料の被膜を除去するとともに、マイクロチャンネル４を構成する例えば金属素材の表面を酸化させ、その金属酸化物表面を親水層４ａとしてもよい。より具体的には、銅あるいは銅合金によってマイクロチャンネル４を構成した場合に、レーザー光を照射してマイクロチャンネル４の表層に酸化銅を形成させて親水層４ａとしてもよい。すなわち、酸化銅は、酸化チタン、酸化スズなどと同様に有効な親水性材料であるためである。

図２に、この発明に係るマイクロチャンネル型熱交換器に発熱源からの熱が伝達された場合におけるその内部の様子を模式的に示してある。図１および図２に示す構成によれば、発熱源６から入熱され、その熱によって熱輸送媒体３が蒸気化して気泡７が生じた場合に、その気泡７はマイクロチャンネル４の上側に集約される。すなわち、上側の非親和層４ｂは撥水性材料がコーティングされた撥水層４ｂであるから、その撥水性により熱輸送媒体３である水はマイクロチャンネル４の下側に集約される。また、下側の親和層４ａは親水性材料がコーティングされた親水層４ａであり、いわゆる水濡れ性がよいから、熱輸送媒体３である水がマイクロチャンネル４の下側に留まり、これにともなって気泡７は上側に集約される。その結果、気相と液相とをマイクロチャンネル４の内部で分離することができる。すなわち、マイクロチャンネル４を気泡７によって塞いだり、気泡７によって熱輸送媒体３である水の流動を妨げることが防止もしくは抑制される。

また、親和層４ａと非親和層４ｂとの境界は、マイクロチャンネル４の中央よりも上側に、かつマイクロチャンネル４の上端部よりも下側に形成されている。すなわち、非親和層４ｂに比較して、液相の熱輸送媒体が流動する親和層４ａが大きく形成されている。そのため、液相の熱輸送媒体３が流動する領域を大きく確保することができ、いわゆるフローパターンの変化を抑制して熱伝達効率を向上させることができる。その結果、マイクロチャンネル４の内部の圧力変動が抑制されるから、熱伝達効率にバラツキが生じ難い、いわゆる安定した装置とすることができる。

１…マイクロチャンネル型熱交換器、 ３…熱輸送媒体、 ４…マイクロチャンネル（細溝）、 ４ａ…親和層（親水層）、 ４ｂ…非親和層（撥水層）、 ５…フィン、 ６…発熱源、 ７…気泡（蒸気）。

Claims (2)

1. 加熱されて蒸発することにより熱を輸送する熱輸送媒体を収容する多数の細溝が水平方向に形成され、それら細溝の下側に発熱部が配置されるマイクロチャンネル型熱交換器において、
   前記細溝の内面のうち上下方向で下側の部分に前記熱輸送媒体との親和性が高い、親和層が形成され、かつ前記親和層より上側の部分に前記熱輸送媒体との親和性が前記親和層よりも低い、非親和層が形成されており、
   前記親和層と前記非親和層とが、前記細溝の上下方向で別れて形成されていることを特徴とするマイクロチャンネル型熱交換器。
2. 前記親和層と前記非親和層との境界は、前記細溝の上下方向での中央よりも上側に、かつ、前記細溝の上端部よりも下側に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャンネル型熱交換器。

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