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
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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
【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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
(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。
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)
(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)
(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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015182553A1 (ja) * | 2014-05-28 | 2015-12-03 | 京セラ株式会社 | 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体モジュール |
JP2016027595A (ja) * | 2014-07-02 | 2016-02-18 | 住友電工焼結合金株式会社 | ヒートシンクおよびその製法 |
JP2022519266A (ja) * | 2019-01-29 | 2022-03-22 | 株洲智▲熱▼技▲術▼有限公司 | 沸騰強化装置 |
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2012
- 2012-10-29 JP JP2012238089A patent/JP2014088978A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015182553A1 (ja) * | 2014-05-28 | 2015-12-03 | 京セラ株式会社 | 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体モジュール |
JPWO2015182553A1 (ja) * | 2014-05-28 | 2017-04-20 | 京セラ株式会社 | 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体モジュール |
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