JP2011243994A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】縦深にわたって配置された複数の発熱部品を効率的に冷却することができる放熱
効率に優れた熱交換器を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、ベース
プレート部の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置されベースプレートと熱的に接続
された複数の板状フィンからなる少なくとも１つのフィン部と、少なくとも１つのフィン
部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、少なくとも１つのフィン部のそれぞれに
おいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、冷却用空気の流れを
誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器
である。
【選択図】図１

Description

この発明は、放熱効率に優れた熱交換器、特に放熱フィン間を流れる冷却用空気の流れを減速してフィンとの間の熱交換を高める、ベースプレートと放熱フィンからなる熱交換器に関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量、発熱密度の増大によって、放熱効率に優れた高性能の熱交換器が求められている。従来、製造コストの安価なアルミニウムの押し出し材による熱交換器が利用されてきた。押し出し材による熱交換器は、ベースプレートと放熱フィンとが一体的に形成されるので、製造は容易である。また、ベースプレートと放熱フィンとを別々に製造し、ベースプレートの一方の面に放熱フィンを接合して熱交換器を製造する。

図６は従来の熱交換器を示す斜視図である。図６に示すように、従来の熱交換器１００は、一方の面に発熱部品が熱的に接続されるベースプレート１０２と、ベースプレートの他方の面に熱的に接続される複数の板状放熱フィン１０３を備えている。

従来の熱交換器１００は、一方の端部からベースプレートの長手方向にファン等によって符号１０８に示すように冷却用空気が吹き付けられて、発熱部品からベースプレートを介して板状放熱フィンに伝導した熱を大気中に放熱する。ベースプレートの長手方向に沿って複数の発熱部品が熱的に接続されている場合には、これら複数の発熱部品の熱を放熱するために大量の冷却用空気が一方の端部から板状放熱フィン間に吹き付けられる。

特開平７−１５１６０号公報

上述したベースプレートの一方の面に複数の板状放熱フィンが熱的に接続された熱交換器においては、一般的に、供給される冷却用空気の量は装置ごとに決められる。板状放熱フィンの長さが長く、板状放熱フィンの間隔が小さいと、手前のフィンには冷たい空気があたるが奥の方のフィンには冷たい空気があたらない状態が生じる。一方、板状放熱フィンの間隔を大きくとり、冷却効率を期待して、多量の冷却空気流を高速でフィンに吹き付けると、フィン間の中央部を空気が通り抜けるだけで、熱交換が十分に行われないという状態が生じる。従って、従来の熱交換器を冷却する方法では、縦深にわたって配置された複数の発熱部品の熱、特に風下の発熱部品の熱を効果的に冷却することができないという問題点がある。

従って、この発明の目的は、縦深にわたって配置された複数の発熱部品を効率的に冷却することができる放熱効率に優れた熱交換器を提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、板状フィンの間を流れる冷却空気の流速を下げて、温度境界層（即ち、空気流がフィンの間を通過する際に、フィンの熱が伝わって空気流の一部の温度が上がり、フィンの熱の影響を受けない空気流の部分との間に境界ができる。このときの境界層を温度境界層という）が重なり合うようにすると、熱交換器の板状フィンの表面の温度をフィンの出口側での温度に近くすることができることが判明した。

即ち、板状フィン間にできるだけ高速の冷却空気流を吹き付けても、冷却空気流のかなりの部分が熱交換に関係しないで単に板状フィン間を通り抜けてしまうだけであり、放熱効率を高めるためには、板状フィンの間隔、板状フィンの長さ、板状フィン間を流れる冷却空気の流速の関係を適切に律することが必要であることが判明した。この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明の熱交換器の第１の態様は、少なくとも１つの発熱部品が一方の面に熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の他方の面の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置されベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器である。

この発明の熱交換器の第２の態様は、複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器である。

この発明の熱交換器の第３の態様は、少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置され前記ベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも２つのフィン部がフィン間を流れる冷却用空気の流速を減速する構造を形成するように配置されたフィン群と、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、冷却用空気を排出する排出口とを備え、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導するように前記フィン群が配置されている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第４の態様は、前記冷却用空気の流速を減速する構造が前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるように配置されたハの字形からなっている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第５の態様は、前記フィン群が、前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるようにハの字形に配置され、前記フィン群の前記排出口側に前記ベースプレートの長手方向に配置される別の少なくとも１対のフィンを更に備えている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第６の態様は、前記少なくとも１つのフィン部が１つのフィン部からなっており、前記仕切り板部が前記フィン部の両側端部に配置され、前記邪魔板部が最近端部および最遠端部のフィンの近傍に配置されている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第７の態様は、前記少なくとも１つのフィン部が前記ベースプレートの幅方向に沿って配置された複数のフィン部からなっており、前記仕切り板部が前記フィン部の間および両外側端部に配置され、前記邪魔板部が各フィン部の最近端部および最遠端部のフィンの近傍に配置されている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第８の態様は、前記入口から高速でヒートシンクに送り込まれた冷却用空気が前記仕切り板部に沿って複数のフィンの一方の端部と前記仕切り板部との間に形成された通路に沿って流れ、前記邪魔板部および前記仕切り板部に誘導されて減速してフィン間を流れて複数のフィンの他方の端部と前記仕切り板部との間に形成された通路に沿って流れて前記排出口から排出される熱交換器である。

この発明の熱交換器の第９の態様は、前記発熱部品の熱が伝わった前記フィン表面の温度と前記排出口における冷却用空気の温度との差が小さくなるように、フィン間隔、フィン長およびフィン間を流れる流速が設定される熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１０の態様は、フィン間を流れる前記冷却用空気によって形成される、隣接するフィンのそれぞれの温度境界層が重なるように、フィン間を流れる前記冷却用空気が減速する熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１１の態様は、フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×３である熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１２の態様は、フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×２である熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１３の態様は、フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）である熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１４の態様は、前記複数のフィン部のそれぞれに流れる冷却用空気の流量および／またはフィン間を流れる冷却用空気の流量が異なっている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１５の態様は、前記熱交換器が自然空冷の熱交換器である熱交換器である。

この発明の熱交換器の第１６の態様は、前記熱交換器が水冷の熱交換器である熱交換器である。

この発明によると、同一包絡体積で冷却能力が高く、風上風下方向で概ね温度差を生じることなく即ち風下でも冷たい空気が入る放熱効率に優れた熱交換器を得ることができる。特に、フィンが配置されるベースプレートが長い熱交換器の場合、放熱効率が顕著に優れている熱交換器が得られる。

図１は、この発明の熱交換器を説明する部分斜視図である。 図２は、図１に示す態様の熱交換器を説明する平面図である。 図３は複数のフィン部を備えたこの発明の他の１つの態様の熱交換器を説明する斜視図である。 図４はこの発明の熱交換器の放熱特性を説明する部分断面図である。 図５は従来の熱交換器の放熱特性を説明する部分断面図である。 図６は従来の熱交換器を示す斜視図である。 図７はこの発明の別の態様を説明する部分斜視図である。 図８はこの発明の熱交換器の他の１つの態様を説明する部分斜視図である。 図９は、この発明の熱交換器の他の１つの態様を説明する平面図である。 図１０はこの発明の熱交換器に用いられるフィン部の製造方法の１つの態様を説明する図である。 図１１は熱交換器を直火用の鍋へ応用する状態を説明する図である。

この発明の熱交換器を、図面を参照しながら説明する。
この発明の熱交換器の１つの態様は、少なくとも１つの発熱部品が一方の面に熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の他方の面の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置されベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器である。

例えば、１つの態様において、少なくとも１つのフィン部が１つのフィン部からなっており、仕切り板部がフィン部の両側端部に配置され、邪魔板部が最近端部および最遠端部の板状フィンの近傍に配置されている。
以下の説明において、この発明において使用される板状フィン、フィン部、フィン群について次の通り定義する。即ち、個々の板状フィンは図１において符号３で示すフィンのことであり、フィン部とは図１に示すように板状フィン３が縦方向に複数個並んで一列に配置されたものの全体を言う。フィン群とは、２つのフィン部が概ねハの字形に配置されて形成されたもので、図８に示すように、フィン部が符号１７で示されたものであり、フィン群は符号１８に示されるものである。

図１は、この発明の熱交換器を説明する部分斜視図である。図１に示すように、この発明の熱交換器は、（図示しない）発熱部品が裏面に熱的に接続されたベースプレート部２と、ベースプレート部の表面の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置された複数の板状フィン３からなるフィン部と、フィン部３に冷却用空気を送り込む入口部６と、フィン部の各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部５−１、５−２および（図示しない）仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口７とを備えている。図１において、高速の空気流が入口部６（即ち見かけ上の入口）から送り込まれ、低速の空気流がフィン間に送り込まれる（即ち実質的な入口）。

図２は、図１に示す態様の熱交換器を説明する平面図である。図２に示すように、ベースプレート部２の上に複数の板状フィン３が所定の角度で長手方向に沿って並列に配置されている。所定の間隔で隣接する板状フィンが配置されている。図１では説明を容易にするために省略したが、仕切り板部４がベースプレート部２の両側端部に設けられている。最も手前の板状フィンおよび最も奥の板状フィンには、それぞれ邪魔板部５−１、５−２が設けられている。

熱交換器には空気流が送り込まれる入口部と空気流が排出される排出口とが設けられている。熱交換器には、入口部から高速の空気流８が送り込まれる。最も手前の板状フィン３には邪魔板部５−１が取り付けられているので、邪魔板部によって流れを妨げられて、高速の空気流８は、ベースプレート部の長手方向に沿って並列に配置された複数の板状フィンの一方の端部と仕切り板部４によって形成される通路に沿って流れる。

上述した高速の空気流８は、最も遠い板状フィンに取り付けられた邪魔板部５−２に当たり流れを乱され、邪魔板部５−２および仕切り板部４によって誘導されて、方向を変換し、速度を減じて低速の空気流９として、板状フィン３間を流れ、ベースプレート部２の長手方向に沿って並列に配置された複数の板状フィンの他方の端部と仕切り板部４によって形成される通路で合流して排出口７から熱交換器外に排出される（符号１１で示す）。

図４および図５を参照して、この発明の熱交換器および従来の熱交換器の放熱特性について比較説明する。
図４はこの発明の熱交換器の放熱特性を説明する部分断面図である。図５は従来の熱交換器の放熱特性を説明する部分断面図である。図４および図５のそれぞれの左側部には、板状フィンの間を通る冷却空気流によって形成される温度境界層（即ち、空気流がフィンの間を通過する際に、フィンの熱が伝わって空気流の一部の温度が上がり、フィンの熱の影響を受けない空気流の部分との間に境界ができる。このときの境界層を温度境界層という）を示す。図４および図５の右側部には、フィン間隔と温度分布の関係を示す。

図５に示す従来の熱交換器では、板状フィン３の間の間隔が大きく、高速の冷却空気流が板状フィン間を吹きぬけている。即ち、温度境界層１５、１５間に、熱交換に関係しないで流れる空気流の空間が存在し、フィンの表面では温度が高く、熱交換に関係しないで流れる空気流の部分は冷却空気流のままで温度が上昇していない。このように、板状フィン間に高速の冷却空気流を吹き付けても、冷却空気流のかなりの部分が熱交換に関係しないで単に板状フィン間を通り抜けるだけの状態が生じている（符号１６参照）。

図５の右側部に示すように、板状フィンの表面では温度が高く、板状フィンの間の中央部においては、温度がまったく上昇していない。即ち、温度差が非常に大きくなっている。従って、高速で冷却空気流を吹き付けても、フィンの表面の温度は下がらず、放熱効率が極めて悪いことが明らかである。

図４に示すこの発明の熱交換器においては、高速でフィンに冷却空気流を吹き付けるのではなく、板状フィン３の間を流れる冷却空気の流量を下げて、温度境界層１５が重なり合うようにすると、熱交換器の板状フィンの表面の温度をフィンの出口側での温度に近くすることができる。

即ち、図４の右側部に示すように、板状フィンの表面の温度が低下し、板状フィン間の中央部においても温度の上昇が見られる。即ち、板状フィンの表面の温度とフィン間の中央部の温度の差が小さく、従って、フィンの表面の温度が低下し、放熱効率に優れていることが明らかである。

図４を参照して説明した放熱効率に優れた熱交換器は、板状フィンの間隔、板状フィンの長さ、板状フィン間を流れる冷却空気の流速の関係を適切に律することが必要である。

図４で示したように、温度境界層が重なり合う（即ち、温度境界層を十分に厚くする）ための条件から、板状フィンの間隔をｄ（ｍｍ）、板状フィンの長さをＬ（ｍ）、板状フィン間を流れる冷却空気の流速をｖ（ｍ／ｓ）とすると、
ｄ＝２√（２２＊１０^−６）（Ｌ／ｖ）＝９．４＊１０−３√（Ｌ／ｖ）
となり、フィン間隔ｄ＝９．４√（Ｌ／ｖ）となる。

この発明においては、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×３である。更に好ましくは、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×２である。より好ましくは、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）である。この発明の本質は、フィン形状、風速を適切に律することにある。説明には簡単のため、フィンの表面が平面であるような平板フィンを用いて説明したが、この発明の効果は平板フィンに限定されるものではない。格子型フィン、ローレットフィン（表面に凹凸をつけたフィン）、ピンフィン、風上風下方向にうねりのあるフィンなども、明らかに同等の効果を奏する。

図４および図５に示すＵ字型の曲線について以下に詳細に説明する。
フィン入り口からの長さをｘ、フィン表面からの距離をｙ、空気温度をＴ(x,t)とすると、フィン温度をＴ０、主流の流速をｖ、熱拡散率をa'として、空気温度とフィン温度の関係は、
Ｔ(x,t)=Ｔ０*erfc(z), z=ｙ/2/√(a'x/v)
と表わすことができる。なお、ｚはフィンからの実質的な距離を示す。
更に、隣のフィンからの影響を考慮すると、フィン間隔をｄとして、
Ｔ(x,t)=Ｔ０*（erfc(z)+erfc(z')), z'=(d-ｙ)/2/√(a'x/v)
となり、図４、図５に図示したＵ字型の曲線が得られる。
上述したように、フィンからの実質的な距離ｚは、z=ｙ/2/√(a'x/v)と考えてよいので、この値をパラメータとしてデザインすることが出来る。

排気温度に対するフィンの平均温度の倍率は、ｚ＝３の時２．６５倍、ｚ＝２の時１．７９倍、ｚ＝１の時１．１２倍となる。
ｚ＜３であることが望ましく、ｚ＜２であればさらに望ましく、ｚ＜１であれば最も望ましい。
典型的な値として、フィン間隔は０．５ｍｍ〜１ｍｍ、フィン厚さは１ｍｍ〜２ｍｍで、フィン厚さはフィン間隔の２倍程度に選ばれる。
また、フィン長さとしては３〜２０ｍｍ程度がよく用いられる。なお、これは一例を示しただけで、本発明が効果を発揮する範囲を限定しているわけではない。

この発明の熱交換器の他の１つの態様は、発熱部品が一方の面に熱的に接続されたベースプレート部と、ベースプレート部の他方の面の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置された複数の板状フィンからなる複数のフィン部と、複数のフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、複数のフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器である。

複数のフィン部がベースプレートの幅方向に沿って配置されており、仕切り板部がフィン部の間および両外側端部に配置され、邪魔板部が各フィン部の最近端部および最遠端部の板状フィンに接続して配置されている。

図３は複数のフィン部を備えたこの発明の他の１つの態様の熱交換器を説明する斜視図である。図３に示すように、この態様の熱交換器１０は、図１を参照して説明した仕切り板部および邪魔板部に囲まれて複数の板状フィンがベースプレートの長手方向に沿って配置された熱交換器１がベースプレートの幅方向に複数並列配置されている。

即ち、（図示しない）発熱部品が一方の面に熱的に接続されたベースプレート部２と、ベースプレート部の他方の面の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置された複数の板状フィン３からなる複数のフィン部と、複数のフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部６と、複数のフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部５−１、５−２および仕切り板部４と、冷却用空気を排出する排出口７とを備えた熱交換器である。

即ち、複数のフィン部３がベースプレート２の幅方向に沿って配置されており、仕切り板部４がフィン部３の間および両外側端部に配置され、邪魔板部５−１，５−２が各フィン部の最近端部および最遠端部の板状フィンに接続して配置されている。

熱交換器１０は、仕切り板部によって仕切られた空間に複数の板状フィンが長手方向に沿って配置された放熱部材がベースプレートの幅方向に並列配置されている。個々の放熱部材には、それぞれの入口部から高速の空気流８が送り込まれる。最も手前の板状フィン３には邪魔板部５−１が取り付けられているので、邪魔板部によって流れを妨げられて、高速の空気流８は、ベースプレート部の長手方向に沿って並列に配置された複数の板状フィンの一方の端部と仕切り板部４によって形成される通路に沿って流れる。

上述した高速の空気流８は、最も遠い板状フィンに取り付けられた邪魔板部５−２に当たり流れを乱され、邪魔板部５−２および仕切り板部４によって誘導されて、方向を変換し、速度を減じて低速の空気流９として、板状フィン３間を流れ、ベースプレート部２の長手方向に沿って並列に配置された複数の板状フィンの他方の端部と仕切り板部４によって形成される通路で合流して排出口７から熱交換器外に排出される。このように長手方向に沿って配置された複数の板状フィンの全ての間に、冷たい冷却用空気が流れる。

この態様の熱交換器においても、図４を参照して説明したように、板状フィンの間隔、板状フィンの長さ、板状フィン間を流れる冷却空気の流速の関係が律せられて、放熱効率に優れている。即ち、上述したように、板状フィンの間隔をｄ（ｍｍ）、板状フィンの長さをＬ（ｍ）、板状フィン間を流れる冷却空気の流速をｖ（ｍ／ｓ）とすると、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×３である。更に好ましくは、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×２である。より好ましくは、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）である。

図３に示す態様の熱交換器を用いることによって、ベースプレートの長手方向に沿った複数の発熱部品の放熱だけでなく、幅方向に配置された複数の発熱部品の放熱を効率的に行うことができ、各種発熱部品の冷却・放熱に適し、その適用範囲が広がる。
図７（ａ）はこの発明の熱交換器の他の態様を説明する部分斜視図である。図７（ｂ）は平面図である。この態様においては、邪魔板５Ａは奥に向かって板状フィン３との間の間隔が漸次狭まるように配置され、そして、フィン上部にも邪魔板５Ｄが配置されている。従って、冷却用空気は邪魔板に誘導されて方向を変換して減速し、板状フィン３の間を流れる。図７（ａ）に示す態様では、板状フィン３は風向き（手前から奥に向かう）に対して直角に配置されている。板状フィン３は図７（ｂ）に示すように風向きに対して傾斜して配置されていてもよい。

即ち、図７に示すように、フィン上部にも邪魔板を設けることにより、図１に示す態様における空気取り入れ口よりフィン高さを低く設定することができ、フィン効率が高くなり、熱特性上より好ましい。
また、熱伝達を促進する目的で、フィン近傍に棒状の部材を設置したり、フィンに１個または複数のスリットを入れたり、流路をクランク状（２個のＬ字状）にすることも効果を呈する。

図８はこの発明の熱交換器の他の１つの態様を説明する部分斜視図である。図８に示すように、ベースプレート部２の上に、複数の板状フィン３が縦方向に所定の間隔で配置されてフィン部１７が形成されている。上述した２つのフィン部１７が入口部に対してハの字形に配置されて１対のフィン部からなるフィン群１８が形成されている。ハの字形は、冷却用空気（高速）８に沿って入口部から排出口に向かって漸次狭まるように配置されている。ハの字の頂の部分の板状フィンは相互に接触するように配置すると、隣接する板状フィンの横方向の間隔が閉じられて、冷却用空気の流れが横方向に誘導される。図８に示すように、１対のフィン部からなるフィン群１８の左側の最も前方に位置する板状フィン３と、隣接するフィン群１８の右側の最も前方に位置する板状フィン３とを接触させて配置することによって、ハの字形の内側に冷却用空気の流れを誘導することができる。
上述したように、ベースプレート部の上に１対のフィン部からなるフィン群１８を並列配置すると、邪魔板部および仕切り板部を使用することなく、高速の冷却用空気８を各フィン間に減速して概ね均一に流れるようにすることができる。

図９は、この発明の熱交換器の他の１つの態様を説明する平面図である。図９に示すように、この態様では、図８を参照して説明した態様（即ち、２つのフィン部１７が入口部に対してハの字形に配置されて形成された１対のフィン部からなるフィン群１８）のハの字の頂の部分の隣接する板状フィン３の横方向の間隔が開き、その排出口側に高速の冷却用空気の流れ８に沿って配置された１対のフィン（即ち、直行フィン）１９が設けられている。直行フィンを設けた場合でも、熱設計上はパラメータzに関して、z=ｙ/2/√(a'x/v)を同等に設計するので性能低下はない。即ち、この態様においても、邪魔板部および仕切り板部を使用することなく、高速の冷却用空気８を各フィン間に符号９で示すように減速して概ね均一に流れるようにすることができる。なお、このように直行フィンを設けると、風速が変化した場合にも熱性能を安定させることができる。

図１０はこの発明の熱交換器に用いられるフィン部の製造方法の１つの態様を説明する図である。図１０（ａ）に示すように、押し出し成形等の方法によって、嵌合構造を形成する突起部２１および凹部２０をそれぞれの面に備えた板状フィン３を形成する。次いで、複数枚の板状フィンを、隣接フィンの凹部２０に突起部２１を嵌め合わせる。ベースプレート部２とは符号Ｄで示すように、熱伝導が良好なように板状フィンの基部と熱的に接続される。符号Ｅで示すように、嵌合構造はロウ上がりを防ぐ構造になっている。なお、押し出し成形の他に、アルミニウム材に対してプレス加工（熱間または冷間）でフィンを形成することができ、板に対してパンチングメタル状に穴加工した板を積層してフィン部分を形成することができる。更に機械加工によってフィンを形成してもよく、厚板状のアルミニウム材をプレス加工（熱間または冷間）により、棒状のフィンをベース上に立ち上げる加工も用いることができる。先ず図１０（ａ）に示すように、隣接フィンの凹部２０に突起部２１を嵌め合わせ、次いで、図１０（ｂ）に示すように、嵌合させたフィンを符号Ｆに示す幅でカットしてフィン部として用いる。なおＦは例えば３〜２０ｍｍ程度の寸法である。

典型的な寸法は、フィン間隔０．５ｍｍ、フィン厚さ１〜３ｍｍ、フィン長さ３〜７ｍｍ、フィン高さ３〜６０ｍｍであり、［フィン厚さ］／［フィン間隔］＝１〜３である。また、ヒートシンク入り口での冷却風の向きに対して、フィンの方向を３０°程度に設置する場合があり、ヒートシンク入り口でのフィンのみかけ上の厚さを入り口全体に対して３０％程度に抑えることにより圧力損失の低減を図る場合もある。これは一例を示しただけで、本発明が効果を発揮する範囲を限定しているわけではない。

図１１は熱交換器を直火用の鍋へ応用する状態を説明する図である。図１１（ａ）はフィン２２を示す。ベースプレート部２の上に板状フィン３が所定の間隔で配置されている。図１１（ｂ）はフィンを直火用の鍋の下側に設置して熱交換を行う状態を示す。図１１（ｂ）に示すように、例えば、ハの字形に配置されたフィン対を、ハの字の頂が鍋の外周に向くように星型に配置する。このように直火用の鍋の下側に配置することによって、熱交換の効率を３０〜５０％向上させることができ、燃料（または薪）の使用量を半分から２／３まで減らすことができ、地球温暖化対策の一環としてＣＯ２削減にも寄与できる。
また上述した熱交換器は、鍋とは別部品にして、使用時のみ接触させて用いることができる。

この発明の熱交換器は自然空冷、水冷のいずれの熱交換器にも応用することができる。
即ち、自然空冷では、交換される熱量を１０％向上させることができた。また水冷の熱交換器では、熱伝達率を２５％向上させることができた。
典型的な寸法は、フィン間隔２ｍｍ、フィン厚さ１〜３ｍｍ、フィン長さ３〜７ｍｍ、フィン高さ３〜６０ｍｍであり、［フィン厚さ］／［フィン間隔］＝１〜２である。これは一例を示しただけで、本発明が効果を発揮する範囲を限定しているわけではない。

この発明によると、定められた包絡体積、定められた風量のもとで、発熱部品の温度を下げるとともに、流体の圧力損失も下げることができる。即ち、同一包絡体積で冷却能力が高く、風上風下方向で概ね温度差を生じることなく即ち風下でも冷たい空気が入る放熱効率に優れた熱交換器を得ることができる。特に、フィンが配置されるベースプレートが長い熱交換器の場合、放熱効率が顕著に優れている熱交換器が得られる。

１ この発明の熱交換器
２ ベースプレート部
３ 板状フィン
４ 仕切り板部
５ 邪魔板部
６ 入口部
７ 排出口
８ 冷却用空気の流れ（高速）
９ 冷却用空気の流れ（減速）
１０ この発明の熱交換器
１１ 冷却用空気の流れ（排出）
１５ 温度境界層
１６ 通り抜ける空気流
１７ フィン部
１８ フィン群
１９ 直行フィン
２０ 凹部
２１ 突起部
２２ フィン
２３ 鍋の下側

この発明の熱交換器の第１の態様は、少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置され前記ベースプレート部と熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも２つのフィン部がフィン間を流れる冷却用空気の流速を減速する構造を形成するように配置されたフィン群と、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記冷却用空気を排出する排出口とを備え、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を前記冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導するように前記フィン群が配置されている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第２の態様は、前記冷却用空気の流速を減速する構造が前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるように配置されたハの字形からなっている熱交換器である。

この発明の熱交換器の第３の態様は、前記フィン群が、前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるようにハの字形に配置され、前記フィン群の前記排出口側に前記ベースプレートの長手方向に配置される別の少なくとも１対のフィンを更に備えている熱交換器である。

Claims (19)

1. 少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置されベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器。
2. 複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、前記少なくとも１つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導する邪魔板部および仕切り板部と、冷却用空気を排出する排出口とを備えた熱交換器。
3. 少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の長手方向に沿って所定の角度で並列に配置され前記ベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも２つのフィン部がフィン間を流れる冷却用空気の流速を減速する構造を形成するように配置されたフィン群と、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれに冷却用空気を送り込む入口部と、冷却用空気を排出する排出口とを備え、前記少なくとも２つのフィン部のそれぞれにおいて各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導するように前記フィン群が配置されている熱交換器。
4. 前記冷却用空気の流速を減速する構造が前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるように配置されたハの字形からなっている、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記フィン群が、前記入口部から前記排出口に向かって漸次狭くなるようにハの字形に配置され、前記フィン群の前記排出口側に前記ベースプレートの長手方向に配置される別の少なくとも１対のフィンを更に備えている、請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記少なくとも１つのフィン部が１つのフィン部からなっており、前記仕切り板部が前記フィン部の両側端部に配置され、前記邪魔板部が最近端部および最遠端部のフィンの近傍に配置されている、請求項１または２に記載の熱交換器。
7. 前記少なくとも１つのフィン部が前記ベースプレートの幅方向に沿って配置された複数のフィン部からなっており、前記仕切り板部が前記フィン部の間および両外側端部に配置され、前記邪魔板部が各フィン部の最近端部および最遠端部のフィンの近傍に配置されている、請求項１または２に記載の熱交換器。
8. 前記入口から高速でヒートシンクに送り込まれた冷却用空気が前記仕切り板部に沿って複数のフィンの一方の端部と前記仕切り板部との間に形成された通路に沿って流れ、前記邪魔板部および前記仕切り板部に誘導されて減速してフィン間を流れて複数のフィンの他方の端部と前記仕切り板部との間に形成された通路に沿って流れて前記排出口から排出される、請求項１、２、６、または７に記載の熱交換器。
9. 前記発熱部品の熱が伝わった前記フィン表面の温度と前記排出口における冷却用空気の温度との差が小さくなるように、フィン間隔、フィン長およびフィン間を流れる流速が設定される、請求項１、２、６、７、または８に記載の熱交換器。
10. フィン間を流れる前記冷却用空気によって形成される、隣接するフィンのそれぞれの温度境界層が重なるように、フィン間を流れる前記冷却用空気が減速する、請求項１から９の何れか１項に記載の熱交換器。
11. フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×３である、請求項１から１０の何れか１項に記載の熱交換器。
12. フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）×２である、請求項１から１０の何れか１項に記載の熱交換器。
13. フィン間隔をｄ（ｍｍ）、フィン長をＬ（ｍ）、フィン間を流れる流速をｖ（ｍ／ｓ）とするとき、ｄ≦９．４√（Ｌ／ｖ）である、請求項１から１０の何れか１項に記載の熱交換器。
14. 前記複数のフィン部のそれぞれに流れる冷却用空気の流量および／またはフィン間を流れる冷却用空気の流量が異なっている、請求項１から１３の何れか１項に記載の熱交換器。
15. 前記熱交換器が自然空冷の熱交換器である、請求項１から１４の何れか１項に記載の熱交換器。
16. 前記熱交換器が水冷の熱交換器である、請求項１から１４の何れか１項に記載の熱交換器。
17. 少なくとも１つの発熱部品が熱的に接続されたベースプレート部と、前記ベースプレート部の長手方向に沿って配置され、前記ベースプレートと熱的に接続された複数のフィンからなる少なくとも１つのフィン部と、フィン間を流れる冷却用空気の流速を減速する構造を形成するように配置された少なくとも１つの邪魔板部と、前記少なくとも１つのフィン部に冷却用空気を送り込む入口部と、冷却用空気を排出する排出口とを備え、前記少なくとも１つのフィン部の各フィン間を冷却用空気が減速して概ね均一に流れるように、前記冷却用空気の流れを誘導するように前記フィン群および前記邪魔板部が配置されている熱交換器。
18. 前記冷却用空気の流速を減速する構造が、前記入口部から前記排出口に向かって前記フィン部と前記邪魔板部の間隔が漸次狭くなるように配置されたものである請求項１７に記載の熱交換器。
19. 前記フィン部の上を塞ぐように、更に邪魔板部が配置されている請求項１８に記載の熱交換器。
    
    
    
    
    
    

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