JP6454915B2

JP6454915B2 - 放冷用熱伝達器

Info

Publication number: JP6454915B2
Application number: JP2016540055A
Authority: JP
Inventors: 健治大沢
Original assignee: 健治大沢
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: WO2016148065A1; JPWO2016148065A1

Description

本発明は、加熱素子から伝達された熱を放冷するために、冷媒循環枠を放射状に設けたことによる放冷用熱伝達器を対象としている。

放冷用熱伝達器が加熱素子と当接した場合、伝達された熱は当接面に沿って等方位的に熱伝導が行われようとしている。

然るに、従来技術においては、特許文献１、２に示すように、加熱素子と当接するヒートパイプを所定の長手方向に配設しており、このような配設状態では、冷却の対象となる熱伝達領域を平面方向に沿って有効に設定したことにはならない。

これに対し、特許文献３、４の場合には、ヒートパイプが放射状に配設されており、特許文献１、２の場合に比し、冷却の対象となる熱伝達領域を平面方向に沿って有効に利用している点において、特許文献１、２の構成に比し優れている。

しかしながら、特許文献３、４の構成においては、図１０に示すように、上記放射状を形成する平面の上側に熱放冷用フィン２を突設しており、ファンからの冷却用空気は、フィンに挟まれた領域に侵入するも、平面方向に移動することが不可能であるため、ヒートパイプの設置領域に充満することによって、送風機側に逆風が生ずることに帰し、効率的な冷却を行うことができない。

尤も、冷却用フィンが突設されているサイドの側から放冷用空気を送風することによって、上記逆風を防止することも考えられるが、放射状のヒートパイプを設定する場合には、サイドのスペースに限界があることから、十分な冷却用空気を送風することが不可能である場合が多い。

このような従来技術に即するならば、一方では、加熱素子４から伝達された熱を単に長手方向ではなく放射状に伝達する一方、ファンによる冷却用空気をヒートパイプ側に送風しても、逆風の発生の程度が極めて低いことによる効率的な熱冷却を実現する基本構成は、今日に至るまで提唱されていない。

ＷＯ２０１１／１２２３３２号公報特開２０１４−１５９９１５号公報特開２００１−２５１０７３号公報特開２００３−２８３１７２号公報

本発明は、加熱素子から伝達された熱を、放射状に伝達させる一方、ヒートパイプに対し冷却用空気を送風しても逆風が発生する程度を極めて少ない状態とすることによって、高い冷却効果を実現することができる放冷用熱伝達器の構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、加熱素子に対する接着面を形成し得る方向に沿った平面方向の中央位置又はその近傍の位置に配設している中央冷媒循環枠から、放射状に３個以上の放射状冷媒循環枠を配設し、かつ各放射状冷媒循環枠の外側周囲に外側冷媒循環枠を配設し、中央冷媒循環枠及び放射状冷媒循環枠が相互の隣接領域を連通状態とし、かつ放射状冷媒循環枠及び外側冷媒循環枠が相互の隣接領域を連通状態とすることによってヒートパイプを形成しており、かつ各外側冷媒循環枠と各放射状冷媒循環枠及び中央冷媒循環枠とによって囲まれた領域にて熱放冷用フィンを、前記平面方向と直交する方向に沿って各放射状冷媒循環枠と同一幅とした上で、平面方向に沿って相互間の隙間を形成する状態にて架設すると共に、前記囲まれた状態にて領域内における熱放冷用フィンが、各放射状冷媒循環枠及び中央冷媒循環枠と各外側冷媒循環枠とを接続する状態にて架設されている放冷用熱伝達器からなる。

前記基本構成からなる本発明においては、加熱素子から伝達された熱を、放射状冷媒循環枠に伝達することによって、特許文献１、２の場合に比し、冷却の対象となる熱伝導領域を広範囲とすることによって効率的な冷却を実現する一方、ファンによって冷却用空気をヒートパイプの上側から送風しても、冷却用空気は平面方向に隙間を形成している熱放冷用フィンの間を通過することによって、特許文献３、４の場合に比し、逆風が発生する状態を極めて低い状態としたうえで、効率的な熱冷却を達成することができる。

基本構成を示しており、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は平面図であり、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａに沿った側断面図である。各冷媒循環枠の壁部に凹凸面を形成した実施形態を示しており、（ａ）は平面方向に沿って湾曲した凹凸面を形成した場合の平面図であり、（ｂ）は平面方向に沿って折線状の凹凸面を形成した場合の平面図であり、（ｃ）、（ｄ）は平面方向及び前記平面方向と直交する方向に沿って長手方向と直交する部分を有する凹凸面を形成した場合の平面図及び立面図、即ち前記平面方向と直交する方向の図面である。基本構成の放射状冷媒循環枠及び外側冷媒循環枠の壁部を蛇行状態、又は平行な折線状、又は長手方向に対し直交領域部分を含むジグザグ状態とした実施形態を示しており、（ａ）は蛇行状の平面図であり、（ｂ）は折線状の平面図であり、（ｃ）はジグザグ状の平面図である。熱放冷用フィンが凹凸面を形成した実施形態を示しており、（ａ）は平面方向に沿った凹凸面の場合を示し、（ｂ）は前記平面方向と直交する方向の凹凸面の場合を示す。熱放冷用フィンが前記平面方向と直交する方向に複数個の板状片によって分割されており、前記平面方向と直交する方向において隣接し合う板状片が平面方向に沿って異なる位置に設定された実施形態を示しており、（ａ）は前記平面方向と直交する方向の断面図を示し、（ｂ）は部分的な斜視図を示す。各冷媒循環枠の一部領域を微細な梁を交差させたことによる格子を設けた実施形態を示しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。加熱素子及び基本構成の放冷用熱伝達器を積層した場合の側断面図を示す。加熱素子が存在しない側にファンを設けた実施形態の側断面図を示し、右側の点線は、ファン収容固定枠と中心軸との間に架設された固定用メッシュを示しており、左側の太実線は、ファン収容固定枠と中心軸との間に架設された梁を示す。基本構成の放冷用熱伝達器を製造する実施例のプロセスを示す斜視図を示す。従来技術の構成を示す側面図を示す。

基本構成は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、加熱素子４から熱の伝達を受ける中央冷媒循環枠１１に対し、３個以上の放射状冷媒循環枠１２が相互の隣接領域を連通状態としたうえで配設され、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、各外側冷媒循環枠１３と各放射状冷媒循環枠１２及び中央冷媒循環枠１１との間にて囲まれた領域にて、熱放冷用フィン２を、前記平面方向と直交する方向に沿って各放射状冷媒循環枠と同一幅とした上で、架設すると共に、前記囲まれた状態にて領域内における熱放冷用フィン２が、各放射状冷媒循環枠１２及び中央冷媒循環枠１１と各外側冷媒循環枠１３とを接続する状態にて架設されている。

熱放冷用フィン２は、冷却用空気を通過させるために、平面方向に沿って相互間に隙間を形成している。

尚、基本構成においては、通常、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、熱放冷用フィン２を外側冷媒循環枠１３の更に外側に突設していることを特徴とする実施形態の採用によって、冷却効率を更に助長する構成が採用されている。

基本構成における「放射状」とは、中心冷媒循環枠１１に対し、放射状冷媒循環枠１２が２方向以上に延設された状態を指しているが、「中央位置又はその近傍の位置」とは、上記の２方向以上に延設された放射状冷媒循環枠１２における熱の伝達状態が殆ど均等である状態を実現し得るという趣旨である。

そして、外側冷媒循環枠１３に接続する熱放冷用フィン２は、図１（ａ）、（ｂ）のような直線状、及び図１（ｃ）のような交差した直線状の何れをも採用可能である。

外側冷媒循環枠１３が図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように多角形状（矩形状）の辺を形成した場合において、放射状冷媒循環枠１２は、図１（ａ）、（ｂ）のように、当該多角形状のコーナーにまで延設する構成、及び図１（ｃ）のように、各辺の中途部位まで延設する構成の何れについても「放射状」の態様として選択することができる。

基本構成における各冷媒循環枠は、何れも真空状態であって、冷媒は下側において液状であり、加熱素子４から伝達される熱によって当該液状の冷媒は蒸発し、上側は蒸発体によって充満されており、下側の液状体の蒸発に伴う上昇と上側の蒸発体の液化に伴う下降によって相互の循環状態が実現されている。

基本構成においては、複数個の冷媒循環枠を放射状に設置していることによって、特許文献１、２のように、加熱素子４の長手方向両側のヒートパイプ１に熱が伝達する場合に比し、少なくとも３個以上の放射状冷媒循環枠１２に隣接し合う領域の連通状態を介して熱が拡散することによって、熱放冷用フィン２を介した冷却の対象領域を拡大することができ、ひいては効率的な熱の放冷を実現することができる。

上記の事項を熱力学の一般式に即して説明するに、放射状冷媒循環枠１２において、貯留している液状の冷媒が平面方向に殆ど移動しないことから、当該冷媒における熱伝導微分方程式は、内部における熱発生源が存在しない場合には、温度θ、及び時間ｔ、及び長さ方向の距離ｘに即して、以下のような偏微分方程式によって表現することができる（例えば、関信弘編「伝熱工学」：平成１４年１２月２０日森北出版株式会社発行の４頁）。

（θ_ｆ：周囲の環境温度、ｆ：前記平面方向と直交する方向における液状冷媒の断面積、ｐ：液状冷媒の断面に沿った周囲の長さ、α：液状冷媒の熱伝達率、λ：液状冷媒の熱伝導率、ｈ＝λ／ｃρ：液状冷媒の温度伝導率、
ｃ：液状冷媒の比熱、ρ：液状冷媒の密度、λ：液状冷媒の熱伝達率）

ここで、環境温度θ_ｆを基準とし、上記偏微分方程式のθ―θ_ｆを、θと設定した場合の定常熱伝導は∂θ／∂ｔ＝０であることから、

（但し、ｍ^２＝ｐα／λｆ）

上記（１）式の一般解から、放射状冷媒循環枠１２において、中央冷媒循環枠１１の端部からの距離をｘとした場合、

を得ることができる（但し、ｋ_１、ｋ_２は、境界条件によって特定される係数）。

冷媒の温度が加熱素子４から遠ざかるにしたがって上昇することがあり得ない以上、ｋ_１＝０であり、中央冷媒循環枠１１における液状の冷媒の平均温度をθ_ｂとした場合には、

という一般解を得ることができる。

したがって、１個の放射状冷媒循環枠１２において、中央冷媒循環枠１１から液状冷媒を介して伝達される熱量ｑについては、

が成立する。

したがって、放射状冷媒循環枠１２の数をＮとした場合に、中央冷媒循環枠１１から各放射状冷媒循環枠１２の冷媒に伝達される全熱量Ｑは、

が成立することに帰する。

特許文献１、２の場合には、加熱素子４の両側の長手方向に順次熱が伝達することからＮ＝２であるのに対し、基本構成の場合には、Ｎ≧３であることから、熱放冷用フィン２を介した冷却の対象となる熱伝達領域を拡大し、かつ冷却する熱エネルギー量を大きく設定することが可能となる。

以下、各実施形態に即して説明する。

本発明においては、請求項１記載の放射状冷媒循環枠１２及び請求項２記載の放射状冷媒循環枠１２並びに外側冷媒循環枠１３の全て又は何れかの壁部の内側面が、平面方向における長手方向に沿って図２（ａ）に示すように湾曲した凹凸面を形成するか、又は図２（ｂ）に示すように、折線状の湾曲面を形成するか、又は図２（ｃ）に示すように、当該長手方向と直交する領域部分を有する凹凸面を形成することを特徴とする実施形態を採用することができる。

特に、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、中央冷媒循環枠１１並びに放射状冷媒循環枠１２並びに外側冷媒循環枠１３の前記壁部の内側面の全て又は一部が前記平面方向と直交する方向においても、凹凸面を形成していることによる実施形態をも当然採用することができる。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す上記実施形態においては、壁部の面積が増加し、その結果、架設されている熱放冷用フィン２に伝達する熱量も増加し、かつ冷却効率を向上させることができる。

上記実施形態においては更に、前記壁部の内側面の全て又は一部が、平面方向における長手方向に沿って図３（ａ）に示すように湾曲した蛇行状態による凹凸面を形成するか、又は図３（ｂ）に示すように平行な折線状による凹凸面を形成するか、又は図３（ｃ）に示すように、当該長手方向と直交する領域部分を有するジグザグ状態による凹凸面を形成していることを特徴とする実施形態を採用した場合には、放射状冷媒循環枠１２及び／又は外側冷媒循環枠１３の距離を増加させることに帰し、その結果、架設されている放冷用フィンに伝達する熱量を増加させ、効率的な冷却効率を達成することができる。

基本構成においては、熱放冷用フィン２が図４（ａ）に示すように、平面方向に沿って凹凸面を形成するか、又は図４（ｂ）に示すように、前記平面方向と直交する方向に沿って凹凸面を形成していることを特徴とする実施形態を採用することができる。

図４（ａ）は、湾曲した凹凸面の場合を示し、図４（ｂ）は、折り曲げによるジグザグ状の凹凸面の場合を示すが、これらの実施形態においては、フィンの面積を拡大することによって冷却効率を向上させることができる。

特に、前記平面方向と直交する方向に凹凸面を形成した場合には、上側のファンから送風された冷却用空気と熱放冷用フィン２とが衝突し、かつ平板状の熱放冷用フィン２の場合に比し、冷却用空気との接触時間が長くなることによって、顕著な冷却効率を達成することができる。

基本構成においては、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、熱放冷用フィン２が前記平面方向と直交する方向に沿って複数の板状片を形成しており、隣接し合う板状片は、平面方向に沿って異なる位置に配設されていることを特徴とする実施形態を採用することができる。

図５（ａ）は、平面方向よりも前記平面方向と直交する方向を肉厚とした実施形態を示し、図５（ｂ）は、平面方向の方が前記平面方向と直交する方向よりも肉厚とし、かつ平面方向に沿って端部が一対の結合状態を呈している実施形態を示すが、上記各実施形態においては、上下方向の所定の段階にて隙間を通過した冷却用空気が、次の段階では熱放冷用フィン２と衝突することによって乱流を形成し、平板状の熱放冷用フィン２に比し、冷却用空気との接触時間を長期化させ、ひいては、冷却効率を向上させることができる。

基本構成においては、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、各冷媒循環枠の領域の一部又は全てにおいて、平面方向及び前記平面方向と直交する方向に、微細な梁を架設したことによる格子３状の毛細管流路領域を形成していることを特徴とする実施形態を採用することができる。

このような格子３状の毛細管流路領域の形成によって、蒸発した冷媒が格子３状を形成している梁に衝突し、その結果、各冷媒循環枠間に架設されている熱放冷用フィン２に伝達する熱量を増大させ、冷却効果を更に一層向上させることができる。

基本構成においては、図７に示すように、放冷用熱伝達器を順次積層する構成を採用することができる。

尚、図７においては、全ての放冷用熱伝達器に対応して加熱素子４が当接している積層状態を示すが、一部の放冷用熱伝達器に対応して加熱素子４が当接していることによる実施形態、更には、最も下側の放冷用熱伝達器に加熱素子４を当接していることによる積層状態を採用することもまた当然可能である。

尚、上記積層においては、冷却用空気の逆流を極力するためにも、各放射状冷媒循環枠１２及び外側冷媒循環枠１３が平面方向に沿って同一位置となるように積層するとよい。

このような積層状態によって、上記実施形態において、放冷領域を拡大し、更なる放冷効率の向上を達成することができる。

前記［数４］の一般式からも明らかなように、液状冷媒の温度は中央冷媒循環枠１１から離れるにしたがって、温度が下降状態となり、その結果、下側に貯留する液状冷媒の量が増加するという傾向にある。

したがって、基本構成において、中央冷媒循環枠１１のうち、加熱素子４と接触する反対側位置に冷媒注入口を設けたことを特徴とする実施形態を採用した場合には、液状冷媒の貯留する高さが中央冷媒循環枠１１から離れるにしたがって大きくなる傾向を緩和し、ひいては、各冷媒循環枠の蒸発状態の不均一化を減少させることができる。

本発明に係る放冷用熱伝達器は、熱放冷用フィン２の間に冷却用空気を流通させるファンを加熱素子４が接着されている側、又はその反対側の位置に設置する場合と、これらの位置に設置しない場合との双方を採用することができる。

但し、設置する場合には、図８に示すように、加熱素子４が接着されていない側にファン６を設置する場合が多い。

現実に、放冷用熱伝達器に対しファン６を結合するためには、図８に示すように、ファン６の外側周囲にファン収容固定枠８１を備え、当該ファン収容固定枠８１とファン６の回転軸９１を回転自在に支持する中心軸９２との間を固定用メッシュ７１又は複数本の梁７２を架設する一方、放冷用熱伝達器の外側周囲に放冷用熱伝達器支持用固定枠８２を設け、双方の固定枠をスペーサ１０を介して接合していることを特徴とする実施形態を採用する場合が多い。

各冷媒循環枠は、内側に空洞状態を形成するため、一挙に金型成形を行うことができない。

然るに、以下のような実施例によって、それぞれ基本構成の放冷用熱伝達器の製造を実現することができる。

実施例は、図９に示すように、以下の順序にしたがった製造工程に基づく基本構成（２）の熱放冷用伝達器を製造することを特徴としている。
（１）加熱素子４と接触する側と反対側に位置する中央冷媒循環枠１１用の表面板、放射状冷媒循環枠１２用の表面板、外側冷媒循環枠１３用の表面板、架設される熱放冷用フィン２用板状片によって構成される１枚の結合用表面板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（２）中央冷媒循環枠１１用の内側中間板状片、放射状冷媒循環枠１２用の中間板状片、外側冷媒循環枠１３用の中間板状片、架設される放冷用フィン用板状片によって成形される複数枚の結合中間板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（３）加熱素子４と接触する側に位置している中央冷媒循環枠１１用の裏面板、放射状冷媒循環枠１２用の裏面板、外側冷媒循環枠１３用の裏面板、架設される熱放冷用フィン２の板状片によって構成される１枚の結合裏面板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（４）前記（１）の１枚の結合用表面板、前記（２）の複数枚の結合中間板、前記（３）の１枚の結合裏面板を順次積層し、ビスによる締め付け又は接合部における溶融成分の拡散に伴う溶着によって相互に固着する工程。

上記（１）〜（４）の順序に基づく工程の採用によって、空洞状態を有する各冷媒循環枠を伴う基本構成の放冷用熱伝達器を効率的に製造することができる。

尚、実施例の製造方法は、図２、３、４、５、６に示すような各実施形態においても当然適応可能である。

本発明は、自動車、コンピュータなどの加熱素子が多数存在している装置において効率的な空冷を実現することができ、その利用価値は絶大である。

１ヒートパイプ
１１中央冷媒循環枠
１２放射状冷媒循環枠
１３外側冷媒循環枠
２熱放冷用フィン
２０外側熱放冷用フィン
３格子
４加熱素子
５ヒートシンク
６ファン
７１固定用メッシュ
７２梁
８１ファン収容固定枠
８２放冷用熱伝達器支持用固定枠
９１回転軸
９２中心軸
１０スペーサ

Claims

加熱素子に対する接着面を形成し得る方向に沿った平面方向の中央位置又はその近傍の位置に配設している中央冷媒循環枠から、放射状に３個以上の放射状冷媒循環枠を配設し、かつ各放射状冷媒循環枠の外側周囲に外側冷媒循環枠を配設し、中央冷媒循環枠及び放射状冷媒循環枠が相互の隣接領域を連通状態とし、かつ放射状冷媒循環枠及び外側冷媒循環枠が相互の隣接領域を連通状態とすることによってヒートパイプを形成しており、かつ各外側冷媒循環枠と各放射状冷媒循環枠及び中央冷媒循環枠とによって囲まれた領域にて熱放冷用フィンを、前記平面方向と直交する方向に沿って各放射状冷媒循環枠と同一幅とした上で、平面方向に沿って相互間の隙間を形成する状態にて架設すると共に、前記囲まれた状態にて領域内における熱放冷用フィンが、各放射状冷媒循環枠及び中央冷媒循環枠と各外側冷媒循環枠とを接続する状態にて架設されている放冷用熱伝達器。
熱放冷用フィンを外側冷媒循環枠の更に外側に突設していることを特徴とする請求項１記載の放冷用熱伝達器。
加熱素子が接着されている側、又はその反対側の位置に、熱放冷用フィンの間を流通する冷却用空気を発生させるためのファンを設置していることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載の放冷用熱伝達器。
以下の順序にしたがった製造工程による請求項１記載の放冷用熱伝達器の製造方法。
（１）加熱素子と接触する側と反対側に位置する中央冷媒循環枠用の表面板、放射状冷媒循環枠用の表面板、外側冷媒循環枠用の表面板、架設される熱放冷用フィン用板状片によって構成される１枚の結合用表面板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（２）中央冷媒循環枠用の内側中間板状片、放射状冷媒循環枠用の中間板状片、外側冷媒循環枠用の中間板状片、架設される放冷用フィン用板状片によって成形される複数枚の結合中間板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（３）加熱素子と接触する側に位置している中央冷媒循環枠用の裏面板、放射状冷媒循環枠用の裏面板、外側冷媒循環枠用の裏面板、架設される熱放冷用フィンの板状片によって構成される１枚の結合裏面板を、金型、又は打ち抜きプレス、又はエッチングにて成形する工程、
（４）前記（１）の１枚の結合用表面板、前記（２）の複数枚の結合中間板、前記（３）の１枚の結合裏面板を順次積層し、ビスによる締め付け又は接合部における溶融成分の拡散に伴う溶着によって相互に固着する工程。