JP2023180087A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱交換性能を有する熱交換器を提案する。
【解決手段】熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器は、ケースと、フィンと、第１整流部と、第２整流部と、を備える。ケースは、内部に熱媒体が流れる流路を形成する。フィンは、熱媒体の流れ方向に沿って広がり、かつ、一端が、ケースにおいて熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分である高温部に沿って配置される複数の板状部を有する。第１整流部は、フィンの上流側に配置され、熱媒体が高温部側に偏ってフィンに流入するように熱媒体の流れを制御する。第２整流部は、フィンの下流側に配置され、熱媒体が高温部側に偏ってフィンから流出するように熱媒体の流れを制御する。
【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換器に関する。

従来、例えば、半導体等の熱を発する電子部品を冷却するために熱交換器が用いられている。特許文献１には、熱交換用のフィンと冷媒との熱交換性能を高めるために、ケーシングの底壁にスリットを形成し、冷媒の対流を促進する構成が開示されている。

特開２０１９－１３３９７６号公報

特許文献１に開示される発明は、例えば各部位の大きさや運転条件などによっては必ずしも十分な効果を得ることができない場合がある。よって、新たな熱交換性能を高めるための構成が求められている。

本開示の目的は、高い熱交換性能を有する熱交換器を提案することである。

本開示の一態様は、熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器であって、ケースと、フィンと、第１整流部と、第２整流部と、を備える。ケースは、内部に熱媒体が流れる流路を形成する。フィンは、熱媒体の流れ方向に沿って広がり、かつ、一端が、ケースにおいて熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分である高温部に沿って配置される複数の板状部を有する。第１整流部は、フィンの上流側に配置され、熱媒体が高温部側に偏ってフィンに流入するように熱媒体の流れを制御する。第２整流部は、フィンの下流側に配置され、熱媒体が高温部側に偏ってフィンから流出するように熱媒体の流れを制御する。
このような構成であれば、熱媒体が板状部の間を回るように流れることとなり、その結果、熱媒体による熱交換効率を向上させることができる。

上述した熱交換器において、第１整流部は、ケース内部において熱媒体の流れ方向と交差する方向に広がって熱媒体の流れを制限する板状の部材であってもよい。さらに、流路におけるフィンの上流における高温部側には、第１整流部により熱媒体の流れが制限されない流入口が形成されてもよい。このような構成であれば、比較的簡素な構成で熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。

上述した熱交換器において、第１整流部は、流入口側の端部に、下流側に向かうにつれて高温部側に向かって近づくように流れ方向に対して傾斜する傾斜面を有してもよい。このような構成であれば、熱交換効率をさらに向上させることができる。

上述した熱交換器において、傾斜面は、流れ方向に対して、１０°～５０°の角度を有してもよい。このような構成であれば、熱交換効率をさらに向上させることができる。
上述した熱交換器において、フィンは、コルゲートフィンであってもよい。このような構成であれば、様々な場面で利用される熱交換器に本願の構成を採用することができる。

実施形態の熱交換器の正面図である。 実施形態の熱交換器の斜視図である。 図３Ａは、シミュレーションのモデルとなる熱交換器の斜視図であり、図３Ｂは、当該熱交換器の正面図である。 傾斜面を有する第１整流部と第２整流部とを有する試験例１、第１整流部のみを有する参考例１、並びに、第１整流部及び第２整流部を有さない比較例１の温度の計算結果を示すグラフである。 図３とは異なるシミュレーションのモデルとなる熱交換器の正面図である。 傾斜面を有さない第１整流部と第２整流部とを有する試験例２、第１整流部のみを有する参考例２、並びに、第１整流部及び第２整流部を有さない比較例１の温度の計算結果を示すグラフである。 図７Ａは、傾斜面の傾斜角度を変化させた複数の熱交換器に関する、圧力損失に対する温度を示すグラフであり、図７Ｂは、圧力損失が１５０００Ｐａ以下の場合の傾斜角度に対する温度を示すグラフである。

以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
［１．実施形態］
［１－１．熱交換器の構成］
図１及び図２に示される熱交換器１は、熱発生源３から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器である。熱発生源３とは、例えば、半導体を有し、作動中に熱を発生する電子部品である。熱媒体は、例えば液体である。この熱交換器１は、ケース１１、フィン１３、第１整流部１５、及び第２整流部１７を含む。

ケース１１は、内部に熱媒体が流れる流路５を形成する外殻部材である。ケース１１は、一例として、金属材料によって形成することができる。熱媒体については図示を省略するが、ケース１１内で流れる方向については矢印で示される。ケース１１により形成される流路５は、断面が略矩形であり、フィン１３が流路断面の大部分に配置される。ケース１１の外部には、熱発生源３が配置されている。ケース１１において、熱発生源３からの熱により最も高温となる壁部分が、高温部２１である。ここでいう高温部２１は、ケース１１において最も高温となる部分を有する壁部分を意味する。すなわち高温部２１は、ケース１１における熱発生源３の設けられた位置のみを指すのではなく、熱発生源３の設けられた壁部分を広く指す。図２においては、ケース１１のうち高温部２１以外の構成について図示を省略する。

ケース１１の流路５を構成する部分のうち、高温部２１と対向する部分を、対向部２３とする。以下の説明において、高温部２１側、とは、対向部２３の側に対して高温部２１の側であるという意味である。ケース１１の流路５を構成する内壁面のうち、高温部２１側の壁面は、少なくともフィン１３が配置される部分においては平面形状である。

フィン１３は、いわゆるコルゲートフィンであって、一例として、金属材料によって形成することができる。フィン１３は、複数の板状部３１と、隣接する２つの板状部３１を連結する複数の連結部３３と、を有する。板状部３１のそれぞれは、熱媒体の流れ方向に沿って広がる。また、板状部３１のそれぞれは、一端が、上述した高温部２１に沿って配置される。より具体的には、複数の板状部３１は、高温部２１と対向部２３を結ぶ方向に沿って広がり、また、少なくとも高温部２１に近接するように配置される。複数の板状部３１は、並列して配置されており、それらの間を熱媒体が流れる。なお熱媒体の流れ方向とは、上流から下流に向かう方向であり、図１においては左から右に向かう方向が流れ方向であり、図２においては高温部２１の長さ方向に沿って奥側に向かう方向である。以下の説明において、具体的な方向の説明がある場合を除き、流れ方向とは、上述した熱媒体の流れ方向を指す。

板状部３１は、平らな板である。なお、この板状部３１の具体的な形状は特に限定されず、波状であったり、凹凸が形成されていたりしてもよい。連結部３３は、半円筒形の曲がった板状の部材である。なお、隣接する板状部３１の端部同士を連結することができれば、連結部３３の具体的な構成は特に限定されない。例えば、板状部３１に対して直交するように配置される平らな板であってもよい。

第１整流部１５は、ケース１１内部におけるフィン１３の上流側であってフィン１３と隣接する位置に配置され、上述した流れ方向と交差する方向に広がる板状の部材である。この第１整流部１５は、熱媒体が高温部２１側に偏ってフィン１３に流入するように熱媒体の流れを制御する。ここでいう、流れ方向と交差する方向とは、ケース１１における高温部２１と対向部２３とを結ぶ方向であり、図１においては上下方向である。

第１整流部１５は、流路５における高温部２１側から離れた側、すなわち対向部２３の側を閉塞する。また第１整流部１５は、高温部２１側を閉塞せずに、熱媒体がフィン１３に流入する流入口４１を形成する。このような流入口４１を形成することにより、第１整流部１５は、熱媒体の流れを高温部２１側に偏らせることができる。別の言い方をすると、フィン１３の上流における高温部２１側には、第１整流部１５により熱媒体の流れが制限されない流入口４１が形成される。流入口４１は、第１整流部１５と高温部２１との間の間隔である。

第１整流部１５は、流入口４１側の端部に、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように流れ方向に対して傾斜する傾斜面５１を有する。この傾斜面５１は、高温部２１側に向かって突出する曲面状である。また傾斜面５１は、例えば、流れ方向に対して、１０°～５０°の角度を有していてもよい。なお、ここでいう角度とは、傾斜面５１の下流側端部の角度である。

第２整流部１７は、フィン１３の下流側であってフィン１３と隣接する位置に配置される板状の部材である。この第２整流部１７は、第１整流部１５と同様に、流れ方向と交差する方向に広がる。また第２整流部１７は、熱媒体が高温部２１側に偏ってフィン１３から流出するように熱媒体の流れを制御する。第２整流部１７は、流路５における対向部２３の側を閉塞する。また第２整流部１７は、高温部２１側を閉塞せずに、熱媒体がフィン１３から流出する流出口４３を形成する。第２整流部１７の下端の面は、流れ方向に沿った平面である。

［１－２．熱媒体の流れ］
図１に示されるように、上流側（図１における左側）からフィン１３に向けて流れる熱媒体は、第１整流部１５によって流れが制御され、流入口４１からフィン１３に導入される。すなわち、導入された熱媒体は、フィン１３が配置される領域であるフィン領域において、熱発生源３の近傍に集中する。また傾斜面５１に沿って流れる熱媒体は下流方向かつ下方向に向かって流れるため、熱媒体をより好適に熱発生源３に近づけることができる。その後、熱媒体の一部は、フィン領域において、熱発生源３の近傍から離れるように流れる。具体的には、高温部２１寄りの位置では上流から下流に向けて流れ、第２整流部１７に近い位置では上に向かい、対向部２３よりの位置では下流から上流に向けて流れ、第１整流部１５に近い位置では下に向かうように回転する。ここでいう、フィン領域とは、複数の板状部３１の間、及び、並び方向（図１においては紙面と直交する方向）に関して両端の板状部３１と流路５の内壁面との間、を意味する。また熱媒体は、流出口４３を通ってフィン１３の下流に流出する。
このように、熱媒体がフィン領域において上述したような流れとなる結果、熱交換器の熱伝導の効率が向上し、熱発生源３から発生する熱を効率よく排熱することができる。

［１－３．排熱効果の確認］
コンピュータを用いたシミュレーションにより、本実施形態の熱交換器の性能を検証した。

（ｉ）試験例１
シミュレーションのモデルとして図３Ａ，３Ｂに示す熱交換器を想定した。このモデルは、フィン１３として２枚の板状部３１を有し、上流には第１整流部１５が配置され、下流には第２整流部１７が配置される。

シミュレーションの条件は、次のように設定した。
フィン高さ：９ｍｍ
フィン間隔：０．５７ｍｍ
フィン長さ：３０ｍｍ
フィンの素材：純アルミ Ａ１０５０
フィンの厚さ：０．２８ｍｍ
流入口高さ（Ｌ１）：０．６ｍｍ
流出口高さ（Ｌ２）：０．６ｍｍ
傾斜面の角度（θ）：３０°
熱媒体の特性：ＬＬＣ（不凍液）５５％の特性に準ずる
熱媒体の流速：０．１８２ｍ／ｓ
熱発生源の発熱量：５．３４５Ｗ

試験例１では、図３Ａ，３Ｂに示される構成の温度分布を計算した。また、比較例１として、第１整流部１５及び第２整流部１７の両方を有さない構成の場合の温度分布を計算した。また参考例１として、第１整流部１５のみを有し、第２整流部１７を有さない場合の温度分布を計算した。

図４のグラフにおいて、縦軸に示される温度ΔＴは、熱交換器において最も高温となった部分の温度であり、具体的には高温部２１における熱発生源３と接触する部分の温度である。以下では、上述した部分の温度を、単に温度と記載する。図４に示されるように、試験例１は、比較例１、及び参考例１と比較して、大きく温度が下がった。参考例１の場合も比較例１と比べると温度は下がったが、試験例１の方が大きく温度が下がった。

（ｉｉ）試験例２
上述した試験例１のモデルから、第１整流部１５の形状を変更した。具体的には、試験例２では、図５に示されるように、第１整流部１５ａが傾斜面５１を有さず、第２整流部１７と同様に下端が流れ方向に沿って平行な面であるものとして計算した。

また、参考例２として、試験例２と同様の第１整流部１５ａを有し、第２整流部１７を有さない場合の温度分布を計算した。
図６に示されるように、試験例２は、比較例１、及び参考例２と比較して、大きく温度が下がった。参考例２の場合も比較例１と比べると温度は下がったが、試験例２の方が大きく温度が下がった。

（ｉｉｉ）傾斜面の角度を変更した場合の結果
試験例１のモデルから傾斜面５１の角度を変更し、温度分布の計算をした。温度の結果を図７Ａに示す。グラフにおける圧力損失は、圧力損失＝［流入口での圧力］－［流出口での圧力］として求められた値である。なお、流出口の圧力を０Ｐａとしているため、実質的には流入口の圧力となる。

図７Ａに示されるように、傾斜面の角度が１０°～５０°の場合に、温度を十分に低減できた。なお傾斜面の角度が０°であっても、第１整流部及び第２整流部がない場合と比較して十分に温度を低減できた。圧力損失が１００００Ｐａ程度の範囲では、傾斜面の角度が１０°～５０°のいずれの範囲においても、傾斜面の角度が０°の場合と同程度以上に温度を低減できた。

また、図７Ａに示される結果に基づいて求められる、圧力損失が１５０００Ｐａを超えない範囲での角度依存性を図７Ｂに示す。図７Ｂに示されるように、１０°～３０°の範囲で良好に温度を低減できた。また、特に２０°～３０°の範囲で良好に温度を低減できた。

［１－４．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）熱交換器１において、第１整流部１５は、フィン１３の上流側に配置され、熱媒体が高温部２１側に偏ってフィン１３に流入するように熱媒体の流れを制御する。また第２整流部１７は、フィン１３の下流側に配置され、熱媒体が高温部２１側に偏ってフィン１３から流出するように熱媒体の流れを制御する。そのため、熱媒体が板状部３１の間を回るように流れることとなり、その結果、熱媒体による熱交換効率を向上させることができる。

（１ｂ）第１整流部１５は、ケース１１内部において熱媒体の流れ方向と交差する方向に広がって熱媒体の流れを制限する板状の部材である。さらに、流路５におけるフィン１３の上流における高温部２１側には、第１整流部１５により熱媒体の流れが制限されない流入口４１が形成される。したがって、熱交換器１は、比較的簡素な構成で熱交換器１の熱交換効率を向上させることができる。

（１ｃ）第１整流部１５は、流入口４１側の端部に、下流側に向かうにつれて高温部２１側に向かって近づくように流れ方向に対して傾斜する傾斜面５１を有している。傾斜面５１によって、熱交換効率をさらに向上させることができる。なお、傾斜面５１が流れ方向に対して、１０°～５０°の角度を有しているため、熱交換効率をさらに向上させることができる。

［２．その他の実施形態］
以上本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

（２Ａ）熱交換器１の具体的な形態は特に限定されない。例えば、図２では４つの板状部３１を備えるフィン１３を例示したが、板状部３１の数が特に限定されず、より多くの板状部３１を有するフィンを用いてもよい。その場合、ケース１１により形成される流路５は、板状部３１の並び方向に長さを有する断面形状であってもよい。すなわち、ケース１１が全体として平たい形状であってもよい。

また、熱発生源３として電子部品を例示したが、熱発生源３はこれに限定されず、様々な熱発生源に対して本開示の熱交換器１を利用できる。例えば、暖房用熱交換器に利用してもよい。

（２Ｂ）上記実施形態では、フィン１３はコルゲートフィンである構成を例示したが、コルゲートフィン以外のフィンであってもよい。
（２Ｃ）上記実施形態では、第１整流部１５及び第２整流部１７として、板状の部材を例示した。しかしながら、熱媒体が高温部側からフィンに流入し、高温部側から流出するように熱媒体の流れを制御することができれば、板状の部材以外によって第１整流部及び第２整流部を構成してもよい。例えば、第１整流部及び第２整流部としてブロック状の部材を用いてもよい。また第１整流部及び第２整流部は、複数の部材から構成されていてもよい。また、流入口４１及び流出口４３以外の位置からもフィンに対して熱媒体が流入及び流出するように構成されていてもよい。すなわち、熱媒体の大部分が高温部側から流入及び流出することで、フィンの間において図１に示すような向きで回転する流れが生じる構成であればよい。また第１整流部は、傾斜面を有していてもよいし、有していなくてもよい。

（２Ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

１…熱交換器、３…熱発生源、５…流路、１１…ケース、１３…フィン、１５，１５ａ…第１整流部、１７…第２整流部、２１…高温部、２３…対向部、３１…板状部、３３…連結部、４１…流入口、４３…流出口、５１…傾斜面

Claims (5)

1. 熱発生源から発生した熱を熱媒体に伝導させる熱交換器であって、
   内部に前記熱媒体が流れる流路を形成するケースと、
   前記熱媒体の流れ方向に沿って広がり、かつ、一端が、前記ケースにおいて前記熱発生源からの熱により最も高温となる壁部分である高温部に沿って配置される複数の板状部を有するフィンと、
   前記フィンの上流側に配置され、前記熱媒体が前記高温部側に偏って前記フィンに流入するように前記熱媒体の流れを制御する第１整流部と、
   前記フィンの下流側に配置され、前記熱媒体が前記高温部側に偏って前記フィンから流出するように前記熱媒体の流れを制御する第２整流部と、を備える熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記第１整流部は、前記ケース内部において前記熱媒体の流れ方向と交差する方向に広がって前記熱媒体の流れを制限する板状の部材であって、
   前記流路における前記フィンの上流における前記高温部側には、前記第１整流部により前記熱媒体の流れが制限されない流入口が形成される、熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記第１整流部は、前記流入口側の端部に、下流側に向かうにつれて前記高温部側に向かって近づくように前記流れ方向に対して傾斜する傾斜面を有する、熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器であって、
   前記傾斜面は、前記流れ方向に対して、１０°～５０°の角度を有する、熱交換器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
   前記フィンは、コルゲートフィンである、熱交換器。