JP2014088978A - 伝熱部材製造方法、伝熱部品製造方法、伝熱部材および伝熱部品 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供する。
【解決手段】板材８を加工して伝熱部品の表面に設けられる伝熱部材とする伝熱部材製造方法であって、前記板材８に所定径を有する複数の孔９を形成する孔形成工程と、前記板材８に溝１１を形成する溝形成工程と、を備え、前記孔形成工程及び前記溝形成工程により、前記溝１１は前記板材８の前記伝熱部品に接する面において凹部となるように形成されるとともに、前記孔９は前記溝１１の底面に位置することを特徴とする伝熱部材製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は伝熱部材製造方法、伝熱部品製造方法および当該製造方法により製造された伝熱部材および伝熱部品に関する。

発電機器、電力貯蔵機器，電力貯蔵用二次電池などのパワーエレクトロニクス機器や熱交換器等に用いられている伝熱管又は冷却機器等の伝熱部材は、伝熱面積又は放熱面積を増加させて冷却効率を向上させるために伝熱面に多数の冷却フィンが設置されたり、伝熱基材の内外面に凹凸形状等の放熱部が形成されたりして構成される。

これらの冷却機器等における熱伝達が良好になると冷却対象の電子機器との温度差を小さくすることが可能になり、同じ温度差で単位伝熱面積当りの熱伝達量で比較すると、より多くの熱量の迅速な除去が可能となる。

各種の熱伝達機構の中で、特に沸騰熱伝達の効率を向上させる場合においては、冷却面上に多くの沸騰気泡を発生させると共に、冷却面が乾燥しないように発生した気泡を速やかに離脱させる機構が必要である。つまり沸騰気泡を速やかにかつ安定して生成する伝熱面が必要となる。

この沸騰熱伝達の効率を向上させるためには、多くの因子が影響する。その中で液体および蒸気の物性値を除いた主要パラメータとして、伝熱面の表面性状がある。具体的には微小なピットやキャビティなどの窪みを存在させることであり、これらの微細構造を起点として気泡発生核となることによって、気泡の発生が活発化され熱伝達が向上する。

従って、熱伝達性を向上させるためには、伝熱面に微小なピットやキャビティを人工的に付与することが重要となる。これらを応用した表面性状を有する伝熱面としては、キャビティ内の気泡核安定性に有利な内側に凹んだ構造、いわゆるリエントラントなキャビティを高密度で形成した微細構造を有する伝熱面や、外表面に環状フィンを有するローフィン管などが用いられている。特にリエントラントな微細構造を有する伝熱面は平滑管と比較して、数倍の沸騰熱伝達の促進効果が得られる。これらの微細構造を有する伝熱面としては、基材表面に金属粒子や繊維を層状に焼結、溶射、めっき処理して得られる多孔質層の表面構造を有する伝熱面や、機械加工や転造加工などによって表面にトンネル構造（トンネル流路）を形成した伝熱面とがある。

部材表面を上記微細構造に加工する方法としては、例えば図６（ａ）に示すように基材としての円管１の表面に機械加工によって微細構造を形成する場合においては、まず円管１の伝熱面の周方向（管軸に直角な方向）に複数のＶ字溝２を形成し、次に円管１の管軸方向に溝加工を実施して複数の溝３およびフィン部４を形成し、しかる後にフィン部４へローラー５を所定方向から押圧するローラー掛けを実施して、図６（ｂ）に示すようにフィン部４を傾斜もしくは湾曲させることにより、トンネル流路６を形成している。

特開２０１０−２４３１３２号公報

しかしながら、上記の従来技術においては、押圧ローラー５によってフィン部４が傾斜したり、もしくは湾曲したりする際に発生するフィン部４の引張り力により、図６（ｂ）に示すように溝３の底部も変形してしまう。また、湾曲したフィン部４の頂部が隣接するフィン部４に被さったり、又は隣接するフィン部４までに届かずに大きなポア（空隙）７を形成したりする場合があり、形状等が均一な微細構造は得られていない問題点があった。

さらに形成されるトンネル流路６の深さや使用材料の種類、ローラー５の押付力の微小差により変形の度合いは大きく異なることから、上記微細構造の変形の度合いを高度に制御することが困難であった。また、トンネル流路等の構造寸法と伝熱性能とは密接な関係があることが知られており、伝熱性能に大きなばらつきを生じる原因となっている。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、従来よりも伝熱性能のばらつきを抑制することができる伝熱部材製造方法、伝熱部品製造方法およびその製造方法により製造された伝熱部材および伝熱部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る伝熱部材製造方法は、板材を加工して伝熱部品の表面に設けられる伝熱部材とする伝熱部材製造方法であって、前記板材に所定径を有する複数の孔を形成する孔形成工程と、前記板材に溝を形成する溝形成工程と、を備え、前記孔形成工程及び前記溝形成工程により、前記溝は前記板材の前記伝熱部品に接する面において凹部となるように形成されるとともに、前記孔は前記溝の底面に位置することを特徴とする。

また本発明の実施形態に係る伝熱部品製造方法は、上記の伝熱部材製造方法によって製造された前記伝熱部品を用いた伝熱部品製造方法であって、前記板材の前記伝熱部品に接する面を前記伝熱部品の表面に装着し、前記板材を前記伝熱部品に接合する接合工程を備え、前記溝と前記伝熱部品とで囲まれたトンネル流路を形成することを特徴とする。
また、上記伝熱部材製造方法において、所定の幅および深さを有し平板の厚さ方向および平面方向に延びる複数の溝を平板に形成する工程と、上記各溝の天面に所定径を有する複数の孔を形成して溝と孔付き平板を作成する工程と、上記のように形成した溝と孔付き平板を伝熱部基材の表面に一体に接合する工程とを備えるように構成しても良い。

さらに、上記伝熱部材製造方法において、形成すべき孔および溝の形状データを三次元プリント機に入力する工程と、ワークステージの上に金属粉とバインダとを噴射すると同時に当該噴射部にレーザ光を照射することにより、所定の孔と溝とを有する溝と孔付き平板を作成する工程と、上記のように形成した溝と孔付き平板を伝熱部基材の表面に一体に接合する工程とを備えるように構成しても良い。

上記構成に係る伝熱部材製造方法によれば、トンネル流路等を形成するための微細構造となる孔付き波板や溝と孔付き平板の加工精度が高いために、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供することができる。

実施例１に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す断面図。 実施例２に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す断面図。 実施例３に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す斜視図。 実施例４に係る伝熱部材製造方法の具体例を示す斜視断面図または斜視図であり、（ａ）は孔付き波板と伝熱部基材とを一体に接合した状態を示す斜視断面図であり、（ｂ）は溝と孔付き平板と伝熱部基材とを一体に接合した状態を示す斜視断面図であり、（ｃ）は孔付き波板または溝と孔付き平板を伝熱部基材としての円管の外周に巻き付ける状態を示す斜視図であり、（ｄ）は伝熱部基材としての円管の外周に巻き付けた孔付き波板または溝と孔付き平板を、超音波金属接合機を用いて接合している状態を示す斜視図。 実施例５に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す斜視図。 従来の伝熱部材表面の加工方法を示す図であり、（ａ）は従来のトンネル構造を形成するための加工方法を示す斜視図であり、（ｂ）は形成されたトンネル構造を示す断面図。

次に本発明の実施形態について以下の実施例および図面を参照して具体的に説明する。
（実施例１）
図１は実施例１に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す断面図であり、本実施例の伝熱部材を形成するまでの加工手順を示す断面図である。

すなわち、実施例１に係る伝熱部材製造方法は、板材８を加工して伝熱部品の表面に設けられる伝熱部材とする伝熱部材製造方法であって、前記板材８に所定径を有する複数の孔９を形成する孔形成工程と、前記板材８に溝１１を形成する溝形成工程と、を備え、前記孔形成工程及び前記溝形成工程により、前記溝１１は前記板材８の前記伝熱部品に接する面において凹部となるように形成されるとともに、前記孔９は前記溝１１の底面に位置するように構成される。
すなわち、実施例１に係る伝熱部材製造方法は、平板８に所定径を有する複数の孔９を形成する工程と、孔９を形成した平板８を、上記孔９の位置が頂部となるように、孔９を形成した平板８を折り曲げて波板形状に加工して伝熱部材である孔付き波板１０を形成する工程と、上記のように形成した孔付き波板１０を伝熱部品である伝熱部基材２０の表面に一体に接合する工程とを備えて構成される。

頂部に孔９を有する各溝１１と伝熱部基材２０とで囲まれる空間が、いわゆるトンネル流路である。上記孔９の寸法は、沸騰伝熱性能、気泡核の安定性の要求度にしたがって決定されるが、概ね０．２〜１ｍｍ程度に設定される。また、形成される溝１１の幅も０．２〜１．５ｍｍ程度に規定される一方、溝１１の高さは０．４〜３ｍｍ程度に設定される。上記孔９の形状は円形以外に四角形または多角形状でもよい。

なお、上記平板８に所定の径を有する複数の孔９を形成した平板８は、コルゲーターによって曲成して孔付き波板１０に加工することができる。また、プレス加工により孔９を穿孔する工程と、平板８を曲成する工程とを同時に実施して孔付き波板１０を形成しても良い。この時、山と谷が繰り返される波板１０の片方の頂部（たとえば山側）に孔９が配置されるように加工する。

上記実施例１の伝熱部材製造方法によれば、トンネル流路を形成するための微細構造となる孔付き波板１０の加工精度が高いために、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供することができる。

特に、プレス加工により孔９を穿孔する工程と、平板８を曲成する工程とを同時に実施することにより、孔付き波板１０を一工程で形成することが可能であり、製造コストの低減効果も期待できる。

（実施例２）
図２は実施例２に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す断面図であり、本実施例の伝熱部材を形成するまでの加工手順を示す断面図である。
すなわち、実施例２に係る伝熱部材製造方法は、所定の幅および深さを有し平板８の厚さ方向および平面方向に延びる複数の溝１１を平板８に形成する工程と、上記各溝１１の天面１２に所定径を有する複数の孔９を形成して伝熱部材である溝と孔付き平板１３を作成する工程と、上記のように形成した溝と孔付き平板１３を伝熱部基材２０の表面に一体に接合する工程とを備えて構成される。

具体的には、まず平板８に所定の幅Ｗと深さＤとを有する溝１１を切削加工する。この溝１１の幅Ｗと深さＤは、実施例１で説明した溝の幅および高さに準じる。この溝１１は、上記切削加工の他に、レーザ加工機，ビームやワイヤー放電加工機を用いて形成することもできる。次に各溝１１の天面１２に所定径を有する複数の孔９を穿孔して、溝と孔付き平板１３を作成する。
上記天面１２に孔９を有する各溝１１と伝熱部基材２０とで囲まれる空間が、いわゆるトンネル流路である。

上記実施例２の伝熱部材製造方法によれば、トンネル流路を形成するための微細構造となる溝と孔付き平板１３の加工精度が高いために、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供することができる。

特に、実施例２の製造方法では、厚手の平板８の厚さ方向および平面方向に延びる溝を隣接して形成することが可能であり、実施例１の場合と比較して単位長さ当りの溝１１の形成数を倍近く増加させることができる。したがって、トンネル流路を高密度に形成でき、伝熱量を大幅に増大化させることができる。
（実施例３）
図３は実施例３に係る伝熱部材製造方法を模式的に示す断面図であり、本実施例の溝と孔付き平板を形成するまでの加工方法を示す斜視図である。

すなわち、実施例３に係る伝熱部材製造方法は、形成すべき孔９および溝１１の形状データを三次元プリント機１４に入力する工程と、ワークステージ１５の上に金属粉とバインダ２１とを噴射すると同時に当該噴射部にレーザ光２２を照射することにより、所定の孔９と溝１１とを有する溝と孔付き平板１３を作成する工程と、上記のように形成した溝と孔付き平板１３を伝熱部基材２０の表面に一体に接合する工程とを備えて構成される。

ここで、本実施例で使用する上記三次元（３Ｄ）プリント機は、３Ｄ−ＣＡＤ，３Ｄ−ＣＧデータを基にして立体〈３次元の物体〉を造形する立体プリンターを意味し、製造メーカーによって多少の違いはあるが、基本的な仕組みは、コンピュータ上で作成された３Ｄデータを設計図として、金属材料や液状の樹脂に紫外線やレーザ光を照射してプラスチックや金属材料を硬化させることにより立体物を形成する装置である。

すなわち、例えば実施例２において形成された溝と孔付き平板１３の形状データを上記三次元（３Ｄ）プリント機１４の制御部に入力すると、ワークステージ１５上の所定位置に順次金属粉とバインダ２１とが噴射されると同時に当該噴射部にレーザ光２２が照射され、バインダにより所定形状に成形された金属成形体が逐次部分的に加熱されて溶融しバインダが揮散された後に、順次凝固して所定の３次元物体（溝と孔付き平板１３）が形成される。
実施例３で形成される溝と孔付き平板１３の形状寸法は、実施例２の溝と孔付き平板１３と同様である。

上記実施例３の伝熱部材製造方法によれば、トンネル流路を形成するための微細構造となる溝と孔付き平板１３が三次元（３Ｄ）プリント機１４で形成され、その加工精度が高いために、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供することができる。
（実施例４）

図４は実施例４に係る伝熱部材製造方法の具体例を示す斜視断面図であり、図４（ａ）は孔付き波板１０と伝熱部基材２０とを一体に接合した状態を示す斜視断面図である。

すなわち、実施例４に係る伝熱部材製造方法は、実施例１の製造方法に加えて前記溝１１を有する孔付き波板１０の孔９を形成した面と反対側の面を伝熱部基材２０の表面に装着し、上記孔付き波板１０の表面から超音波金属接合機にて装着部に超音波振動を付加して上記孔付き波板１０と伝熱部基材２０とを一体に接合する工程を備え、上記溝１１と伝熱部基材２０とで囲まれたトンネル流路を形成することを特徴とする。

特に本実施例に係る伝熱部材製造方法においては、伝熱部基材２０の表面に装着した孔付き波板１０の谷部に超音波金属接合機の振動子を挿入すれば、孔付き波板１０と伝熱部基材２０とを密着させることが可能であり、その密着部分において両者を効率的に、かつ高い接合強度で一体化接合させることができる。

図４（ｂ）は、実施例２で作成した溝と孔付き平板１３と伝熱部基材２０とを一体に接合した状態を示す斜視断面図である。この場合においても、溝と孔付き平板１３と伝熱部基材２０との密着部に超音波振動を付加することにより、溝と孔付き平板１３と伝熱部基材２０とを一体に接合することができる。

図４（ｃ）は孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３を伝熱部基材２０としての円管１６の外周に巻き付ける状態を示す斜視図であり、図４（ｄ）は伝熱部基材２０としての円管１６の外周に巻き付けた孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３を、超音波金属接合機１７を用いて接合している状態を示す斜視図である。

すなわち、まず図４（ｃ）に示すように、前記実施例１，２の製造方法によって製造された孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３を、表面が平滑な伝熱部基材２０としての円管１６に巻き付ける。この際、孔９を形成した面の裏面が配管などの冷却対象物に接するように巻き付ける。

次に、図４（ｄ）に示すように、巻き付けた孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３の表面側から超音波金属接合機１７の振動子を押圧し各所を超音波振動させて孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３と円管１６とを一体に接合する。これらの加工工程により、いわゆるリエントラントなキャビティを高密度で形成した微細構造を有する伝熱部材を形成することができる。なお、本実施例では伝熱部基材２０としての円管１６との接合方法を示したが、伝熱部基材２０としては円管のみではなく平板や湾曲面に適用することも可能である。
（実施例５）

図５は前記各実施例に係る製造方法により製造した孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３と円管１６とを一体に接合して伝熱部材を得る他の製造方法を示す斜視図である。

この実施例５に係る伝熱部材製造方法は、実施例１の製造方法に加えて、前記孔および溝を形成した孔付き波板１０または溝と孔付き平板１３を、孔が形成された面が外側となるように円筒状に曲成し、会合した端部１９を接合して溝と孔付き円管１８を作成し、この作成した溝と孔付き円管１８を加熱して膨張させた状態で表面が平滑な伝熱部基材２０としての円管１６を挿入し、溝と孔付き円管１８を冷却して収縮させて焼嵌め構造を形成し、溝と孔付き円管１８と伝熱部基材２０としての円管１６とを一体に接合する工程を備えることを特徴とする．

すなわち、まず前記実施例１，２において製造された、孔９および溝１１を形成した孔付き波板１０または溝と孔付き板材１３の孔９を形成した面が外側となるように円筒状に曲げて端部１９を接合して溝と孔付き円管１８を作成する。次に、溝と孔付き円管１８を加熱して膨張させた後に表面が平滑な円管１６を挿入する。さらに溝と孔付き円管１８を冷却して収縮させて円管１６と焼嵌めにより嵌合する。これらの工程により、いわゆるリエントラントなキャビティを高密度で形成した微細構造を有する伝熱部材を形成することができる。

上記本実施例に係る伝熱部材製造方法によれば、円管１６と、溝と孔付き円管１８とを焼嵌め構造を形成するように一体化しているために、円管１６に対する溝と孔付き円管１８の接合強度を均一にすることが可能になる。

以上説明の通り、本発明に係る伝熱部材製造方法によれば、トンネル流路等を形成するための微細構造となる孔付き波板や溝と孔付き平板の加工精度が高いために、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する伝熱部材を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…円管，２…Ｖ字溝，３…溝，４…フィン部，５…ローラー，６…トンネル流路，７…ポア（空隙），８…平板（板材），９…孔，１０…孔付き波板（伝熱部材），１１…溝，１２…天面，１３…溝と孔付き平板（伝熱部材），１４…三次元（３Ｄ）プリント機，１５…ワークステージ，１６…円管，１７…超音波金属接合機，１８…溝と孔付き円管（伝熱部材），１９…端部（会合部），２０…伝熱部基材（伝熱部品），２１…金属粉とバインダ，２２…レーザ光。

Claims (9)

1. 板材を加工して伝熱部品の表面に設けられる伝熱部材とする伝熱部材製造方法であって、前記板材に所定径を有する複数の孔を形成する孔形成工程と、前記板材に溝を形成する溝形成工程と、を備え、前記孔形成工程及び前記溝形成工程により、前記溝は前記板材の前記伝熱部品に接する面において凹部となるように形成されるとともに、前記孔は前記溝の底面に位置することを特徴とする伝熱部材製造方法。
2. 前記溝形成工程は、前記孔形成工程の後に、前記孔の位置が頂部となるように前記板材を折り曲げて波板形状に加工することで溝を形成することを特徴とする請求項１記載の伝熱部材製造方法。
3. 前記溝形成工程は、前記板材の表面に所定の幅および深さを有し前記板材の平面方向に延びる複数の溝を平板に形成し、前記孔形成工程は、前記溝形成工程の後に、上記各溝の天面に所定径を有する複数の孔を形成することを特徴とする請求項１記載の伝熱部材製造方法。
4. 形成すべき孔および溝の形状データを三次元プリント機に入力する入力工程をさらに備え、前記三次元プリント機が、ワークステージの上に金属粉とバインダとを噴射すると同時に当該噴射部にレーザ光を照射することにより、前記孔形成工程および前記溝形成工程を行うことを特徴とする請求項１記載の伝熱部材製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の伝熱部材製造方法によって製造された前記伝熱部品を用いた伝熱部品製造方法であって、前記板材の前記伝熱部品に接する面を前記伝熱部品の表面に装着し、前記板材を前記伝熱部品に接合する接合工程を備え、前記溝と前記伝熱部品とで囲まれたトンネル流路を形成することを特徴とする伝熱部品製造方法。
6. 前記接合工程は、前記板材の表面から超音波金属接合機にて装着部を超音波振動させて前記板材と前記伝熱部品とを一体に接合することを特徴とする請求項５記載の伝熱部品製造方法。
7. 前記板材の前記伝熱部品に接する面が内側となるように円筒状に曲成し会合した端部を接合して溝と孔付きの円管を作成する円環作成工程をさらに備え、前記接合工程は、前記溝と孔付き円管を加熱して膨張させた状態で表面が平滑な伝熱部品としての円管を挿入し、前記溝と孔付き円管を冷却して収縮させて焼嵌め構造を形成し、溝と孔付き円管と伝熱部基材としての円管とを一体に接合することを特徴とする請求項５記載の伝熱部品製造方法。
8. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の伝熱部材製造方法により製造された伝熱部材。
9. 請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の伝熱部品製造方法により製造された伝熱部品。

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