JP7151352B2 - ウェーブフィンおよび熱交換器 - Google Patents
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Description
熱媒体が流れる複数の流路管(2)の内側に設けられ、流路管の長手方向に垂直な断面視が凹凸形状のウェーブフィン(6)において、
流路管の長手方向をX方向、流路管の厚み方向をZ方向、X方向に垂直で且つZ方向に垂直な流路管の幅方向をY方向とすると、
ウェーブフィンは、
Z方向の一方に設けられる上壁(61)とZ方向の他方に設けられる下壁(62)とを接続する側壁(63)の一部に設けられた開口部(68)と、その開口部を形成する側壁の一部がY方向にずれて熱媒体の流れを案内する案内壁(69)とを有し、流路管の厚み方向からの平面視が波形状のオフセット部(65)と、
開口部および案内壁を有しておらず、流路管の厚み方向からの平面視が波形状の非オフセット部(66)と、を備えており、
ウェーブフィンの諸元に関し、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状においてX方向に隣り合う頂点部同士の距離をウェーブピッチ(Wp)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状とY方向に隣り合う別の波形状との間に形成される蛇行流路(64)の中心線(641)をX方向に垂直な仮想平面に投影したときのY方向の距離をウェーブ深さ(Wd)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状のY方向の一方の頂点部とY方向の他方の頂点部とを結ぶ線と、X方向に沿う仮想線とのなす角度をウェーブ角(α)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状の頂点部とY方向に隣り合う別の波形状の頂点部とがX方向から視て重なる距離をウェーブラップ(WL)とすると、
オフセット部と非オフセット部とは、ウェーブピッチ、ウェーブ深さ、ウェーブ角およびウェーブラップの少なくとも1つが異なっている。
さらに、請求項1に係る発明は、流路管の外側には、冷却対象物としての発熱部品が配置されており、発熱部品は複数の発熱部を有しており、非オフセット部は、複数の発熱部のうち熱媒体の流れの上流側に配置された発熱部に対応する領域の少なくとも一部を含んで配置され、オフセット部は、複数の発熱部のうち熱媒体の流れの下流側に配置された発熱部に対応する領域の少なくとも一部を含んで配置されている。
また、請求項2に係る発明は、流路管の外側には、冷却対象物としての発熱部品(3)が配置されており、オフセット部は、発熱部品が有する発熱部(32)に対応する位置の少なくとも一部に配置され、非オフセット部は、発熱部に対応しない位置の少なくとも一部に配置されている。
さらに、オフセット部は、ウェーブピッチが小さい、ウェーブ深さが大きい、ウェーブ角が大きい、または、ウェーブラップが大きい諸元とすることで、熱伝達率をより高めることが可能である。一方、非オフセット部は、ウェーブピッチが大きい、ウェーブ深さが小さい、ウェーブ角が小さい、または、ウェーブラップが小さい諸元とすることで、熱媒体の圧力損失をより低減することが可能である。したがって、このウェーブフィンは、オフセット部と非オフセット部とが、ウェーブピッチ等に関して異なる諸元を有することで、冷却性能をより向上して冷却対象物に対する冷却性能を満たしつつ、流路管を流れる熱媒体の圧力損失をより低減することができる。
積層型の熱交換器(1)において、
熱媒体が流れる複数の流路管(2)と、
複数の流路管同士の間に設けられる冷却対象物としての発熱部品(3)と、
流路管の内側に設けられる請求項1ないし7のいずれか1つに記載のウェーブフィン(6)と、を備え、
複数の流路管と複数の発熱部品とが交互に積層された状態で構成されている。
第1実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態の熱交換器1は、複数の流路管2と、冷却対象物としての複数の発熱部品3が交互に積層された積層型熱交換器である。この熱交換器1は、複数の流路管2の内側を流れる熱媒体と、その複数の流路管2同士の間に設けられた複数の発熱部品3との熱交換により、その複数の発熱部品3を冷却する冷却器として用いられるものである。流路管2の内側を流れる熱媒体として、例えばエチレングリコールを主成分とした不凍液、または水などが用いられる。
なお、以下の説明において、流路管2の長手方向をX方向、流路管2の厚み方向をZ方向、X方向に垂直で且つZ方向に垂直な流路管2の幅方向をY方向ということとする。
図3では、発熱部品3のうち流路管2に接する一方の面において、1個の放熱板32を有するものを例示している。すなわち、発熱部品3は、1個または複数の発熱部を有している。
熱交換器1は、複数の流路管2、入口パイプ4、出口パイプ5、および、流路管2の内側に設けられるウェーブフィン6などを備えている。熱交換器1が備える各部品は、例えばアルミニウムまたは銅など、高い熱伝導性を有する金属により形成されている。また、熱交換器1が備える各部品は、ろう付けなどにより接合されている。
また、図5に示すように、ウェーブフィン6は、流路管2のZ方向から視た平面視も波形状である。すなわち、ウェーブフィン6は、上壁61と下壁62と側壁63がいずれもY方向に振幅する波形状に形成されている。これにより、ウェーブフィン6は、流路管2の内側の流路を複数の蛇行流路64に細分している。
また、ウェーブフィン6は、流路管2の内側を流れる熱媒体の圧力により流路管2が膨らむことを防ぐ機能も備えている。
熱交換器1を構成する各部品がろう付けにより接合された後、複数の流路管2の間から治具が取り外され、そこに発熱部品3が設置される。これにより、複数の流路管2と、複数の発熱部品3とは、交互に積層されて密着した状態で構成される。
ウェーブフィン6が備えるオフセット部65と非オフセット部66とは、ウェーブピッチWp、ウェーブ深さWd、ウェーブ角αおよびウェーブラップWLの少なくとも1つが異なっている。なお、以下の説明において、ウェーブピッチWp、ウェーブ深さWd、ウェーブ角αおよびウェーブラップWLのことを、「ウェーブフィン6の諸元」または、単に「諸元」という。また、以下の説明において、図6に示したようなウェーブフィン6のZ方向に垂直な断面視における波形状を、「ウェーブフィン6の波形状」という。
図8に示すように、オフセット部65のウェーブピッチWpを第1ウェーブピッチWp1、非オフセット部66のウェーブピッチWpを第2ウェーブピッチWp2とすると、Wp1<Wp2の関係を有する。
図9に示すように、オフセット部65のウェーブ深さWdを第1ウェーブ深さWd1、非オフセット部66のウェーブ深さWdを第2ウェーブ深さWd2とすると、Wd1>Wd2の関係を有する。
図10に示すように、オフセット部65のウェーブラップWLを第1ウェーブラップWL1、非オフセット部66のウェーブラップWLを第2ウェーブラップWL2とすると、WL1>WL2の関係を有する。
図11に示すように、オフセット部65のウェーブ角αを第1ウェーブ角α1、非オフセット部66のウェーブ角αを第2ウェーブ角α2とすると、α1>α2の関係を有する。
(1)第1実施形態のウェーブフィン6は、熱伝達率が高く圧力損失の大きいオフセット部65と、そのオフセット部65よりも熱伝達率が低く圧力損失の小さい非オフセット部66を備える。そのため、ウェーブフィン6は、冷却対象物に対する冷却が必要な部位の熱伝達率をオフセット部65により高めることで冷却対象物に対する冷却性能を満たしつつ、流路管2を流れる熱媒体の圧力損失を非オフセット部66により低減することができる。
これにより、非オフセット部66では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突や、流れ方向の変更回数が少なくなるので、熱媒体の圧力損失をより低減することができる。一方、オフセット部65では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突や、流れ方向の変更回数が多くなるので、熱伝達率をより高めることができる。
これにより、非オフセット部66では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が少なくなると共に、実質的な流路長さが短くなるので、熱媒体の圧力損失をより低減することができる。一方、オフセット部65では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が多くなると共に、実質的な流路長さが長くなるので、熱伝達率をより高めることができる。
これにより、非オフセット部66では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が少なくなるので、熱媒体の圧力損失をより低減することができる。一方、オフセット部65では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が多くなるので、熱伝達率をより高めることができる。
これにより、非オフセット部66では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が少なくなるので、熱媒体の圧力損失を低減することができる。一方、オフセット部65では、ウェーブフィン6の壁面への熱媒体の衝突が多くなるので、熱伝達率を高めることができる。
これにより、1枚のウェーブフィン6のうち熱媒体の流れの上流側の部位で熱媒体の温度上昇が抑制されるので、熱媒体の流れの下流側の部位で熱交換器1が発熱部品3を冷却する性能の低下を防ぐことができる。そして、熱媒体の流れの上流側の部位では、熱媒体の圧力損失を低減することができる。
第2~第6実施形態は、第1実施形態に対してウェーブフィン6の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第2実施形態について、図12および図13を参照して説明する。図12では、流路管2の外側に配置される発熱部品3が有する第1放熱板321の外縁の位置を破線P1で示し、第2放熱板322の外縁の位置を破線P2で示している。
第3実施形態について、図14および図15を参照して説明する。図14でも、流路管2の外側に配置される発熱部品3が有する第1放熱板321の外縁の位置を破線P1で示し、第2放熱板322の外縁の位置を破線P2で示している。
第4実施形態について、図16および図17を参照して説明する。図16でも、流路管2の外側に配置される発熱部品3が有する第1放熱板321の外縁の位置を破線P1で示し、第2放熱板322の外縁の位置を破線P2で示している。
第4実施形態では、非オフセット部66は、ウェーブフィン6のうち第1放熱板321に対応する部位とその上流側に配置されている。また、非オフセット部66は、ウェーブフィン6のうち第2放熱板322よりも下流側に配置されている。ストレート部67は、ウェーブフィン6のうち第1放熱板321と第2放熱板322との間の部位に対応する位置に配置されている。オフセット部65は、ウェーブフィン6のうち第2放熱板322に対応する位置に配置されている。
第5実施形態について、図18および図19を参照して説明する。図18でも、流路管2の外側に配置される発熱部品3が有する第1放熱板321の外縁の位置を破線P1で示し、第2放熱板322の外縁の位置を破線P2で示している。さらに、図18では、その発熱部品3が有する半導体素子31の外縁の位置を破線SD1、SD2で示している。なお、以下の説明では、発熱部品3が有する2つの半導体素子31のうち、熱媒体の流れの上流側に配置されるものを第1素子311と呼び、熱媒体の流れの下流側に配置されるものを第2素子312と呼ぶことがある。
第5実施形態では、オフセット部65は、ウェーブフィン6のうち第1素子311に対応する部位と第2素子312に対応する部位に配置されている。ストレート部67は、ウェーブフィン6のうち第1放熱板321と第2放熱板322との間の部位に対応する位置に配置されている。非オフセット部66は、ウェーブフィン6のうち第1素子311よりも上流側、第1素子311より下流側でストレート部67より上流側、ストレート部67より下流側で第2素子312より上流側、および、第2素子312よりも下流側に配置されている。
第6実施形態について、図20および図21を参照して説明する。第6実施形態は、第1実施形態の変形例である。
なお、第6実施形態で示したオフセット部65の向きは、第2~第5実施形態のオフセット部65にも適用することができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
上述の実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、ウェーブフィンは、熱媒体が流れる流路管の内側に設けられ、流路管の長手方向に直交する断面視が凹凸形状であると共に、流路管の厚み方向から視た平面視も波形状である。ここで、流路管の長手方向をX方向、流路管の厚み方向をZ方向、X方向に垂直で且つZ方向に垂直な流路管の幅方向をY方向とする。ウェーブフィンは、オフセット部と非オフセット部とを備えている。オフセット部は、Z方向の一方に設けられる上壁とZ方向の他方に設けられる下壁とを接続する側壁の一部に設けられた開口部と、その開口部を形成する側壁の一部がY方向にずれて熱媒体の流れを案内する案内壁とを有する。非オフセット部は、開口部および案内壁を有していない。そのウェーブフィンの諸元に関し、Z方向に垂直な断面視における所定の波形状においてX方向に隣り合う頂点部同士の距離をウェーブピッチとする。Z方向に垂直な断面視における所定の波形状とY方向に隣り合う別の波形状との間に形成される蛇行流路の中心線をX方向に垂直な仮想平面に投影したときのY方向の距離をウェーブ深さとする。Z方向に垂直な断面視における所定の波形状のY方向の一方の頂点部とY方向の他方の頂点部とを結ぶ線と、X方向に沿う仮想線とのなす角度をウェーブ角とする。Z方向に垂直な断面視における所定の波形状の頂点部とY方向に隣り合う別の波形状の頂点部とがX方向から視て重なる距離をウェーブラップとする。この場合、オフセット部と非オフセット部とは、ウェーブピッチ、ウェーブ深さ、ウェーブ角およびウェーブラップの少なくとも1つが異なっている。
これによれば、オフセット部の第1ウェーブ角を非オフセット部の第2ウェーブ角より大きくすることで、オフセット部の熱伝達率をより高め、非オフセット部を流れる熱媒体の圧力損失をより低減することが可能である。
6 ウェーブフィン
65 オフセット部
66 非オフセット部
68 開口部
69 案内壁
Wp ウェーブピッチ
Wd ウェーブ深さ
α ウェーブ角
WL ウェーブラップ
Claims (8)
- 熱媒体が流れる複数の流路管(2)の内側に設けられ、前記流路管の長手方向に垂直な断面視が凹凸形状のウェーブフィン(6)において、
前記流路管の長手方向をX方向、前記流路管の厚み方向をZ方向、X方向に垂直で且つZ方向に垂直な前記流路管の幅方向をY方向とすると、
前記ウェーブフィンは、
Z方向の一方に設けられる上壁(61)とZ方向の他方に設けられる下壁(62)とを接続する側壁(63)の一部に設けられた開口部(68)と、前記開口部を形成する前記側壁の一部がY方向にずれて熱媒体の流れを案内する案内壁(69)とを有し、前記流路管の厚み方向からの平面視が波形状のオフセット部(65)と、
前記開口部および前記案内壁を有しておらず、前記流路管の厚み方向からの平面視が波形状の非オフセット部(66)と、を備えており、
前記ウェーブフィンの諸元に関し、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状においてX方向に隣り合う頂点部同士の距離をウェーブピッチ(Wp)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状とY方向に隣り合う別の波形状との間に形成される蛇行流路(64)の中心線(641)をX方向に垂直な仮想平面に投影したときのY方向の距離をウェーブ深さ(Wd)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状のY方向の一方の頂点部とY方向の他方の頂点部とを結ぶ線と、X方向に沿う仮想線とのなす角度をウェーブ角(α)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状の頂点部とY方向に隣り合う別の波形状の頂点部とがX方向から視て重なる距離をウェーブラップ(WL)とすると、
前記オフセット部と前記非オフセット部とは、ウェーブピッチ、ウェーブ深さ、ウェーブ角およびウェーブラップの少なくとも1つが異なっており、
前記流路管の外側には、冷却対象物としての発熱部品が配置されており、前記発熱部品は複数の発熱部を有しており、
前記非オフセット部は、複数の前記発熱部のうち熱媒体の流れの上流側に配置された前記発熱部に対応する領域の少なくとも一部を含んで配置され、
前記オフセット部は、複数の前記発熱部のうち熱媒体の流れの下流側に配置された前記発熱部に対応する領域の少なくとも一部を含んで配置されている、ウェーブフィン。 - 熱媒体が流れる複数の流路管(2)の内側に設けられ、前記流路管の長手方向に垂直な断面視が凹凸形状のウェーブフィン(6)において、
前記流路管の長手方向をX方向、前記流路管の厚み方向をZ方向、X方向に垂直で且つZ方向に垂直な前記流路管の幅方向をY方向とすると、
前記ウェーブフィンは、
Z方向の一方に設けられる上壁(61)とZ方向の他方に設けられる下壁(62)とを接続する側壁(63)の一部に設けられた開口部(68)と、前記開口部を形成する前記側壁の一部がY方向にずれて熱媒体の流れを案内する案内壁(69)とを有し、前記流路管の厚み方向からの平面視が波形状のオフセット部(65)と、
前記開口部および前記案内壁を有しておらず、前記流路管の厚み方向からの平面視が波形状の非オフセット部(66)と、を備えており、
前記ウェーブフィンの諸元に関し、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状においてX方向に隣り合う頂点部同士の距離をウェーブピッチ(Wp)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状とY方向に隣り合う別の波形状との間に形成される蛇行流路(64)の中心線(641)をX方向に垂直な仮想平面に投影したときのY方向の距離をウェーブ深さ(Wd)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状のY方向の一方の頂点部とY方向の他方の頂点部とを結ぶ線と、X方向に沿う仮想線とのなす角度をウェーブ角(α)、
Z方向に垂直な断面視における所定の波形状の頂点部とY方向に隣り合う別の波形状の頂点部とがX方向から視て重なる距離をウェーブラップ(WL)とすると、
前記オフセット部と前記非オフセット部とは、ウェーブピッチ、ウェーブ深さ、ウェーブ角およびウェーブラップの少なくとも1つが異なっており、
前記流路管の外側には、冷却対象物としての発熱部品(3)が配置されており、
前記オフセット部は、前記発熱部品が有する発熱部(32)に対応する位置の少なくとも一部に配置され、
前記非オフセット部は、前記発熱部に対応しない位置の少なくとも一部に配置されている、ウェーブフィン。 - 前記オフセット部のウェーブピッチを第1ウェーブピッチWp1、前記非オフセット部のウェーブピッチを第2ウェーブピッチWp2とすると、Wp1<Wp2である、請求項1または2に記載のウェーブフィン。
- 前記オフセット部のウェーブ深さを第1ウェーブ深さWd1、前記非オフセット部のウェーブ深さを第2ウェーブ深さWd2とすると、Wd1>Wd2である、請求項1ないし3のいずれか1つに記載のウェーブフィン。
- 前記オフセット部のウェーブラップを第1ウェーブラップWL1、前記非オフセット部のウェーブラップを第2ウェーブラップWL2とすると、WL1>WL2である、請求項1ないし4のいずれか1つに記載のウェーブフィン。
- 前記オフセット部のウェーブ角を第1ウェーブ角α1、前記非オフセット部のウェーブ角を第2ウェーブ角α2とすると、α1>α2である、請求項1ないし5のいずれか1つに記載のウェーブフィン。
- 前記発熱部品は、前記発熱部として、前記流路管の内側を流れる熱媒体の流れの上流側に配置される第1発熱部(321)と、熱媒体の流れの下流側に配置される第2発熱部(322)とを有するものであり、
前記ウェーブフィンは、前記第1発熱部と前記第2発熱部との間の部位に対応する位置に、Z方向からの平面視が直線状に形成されたストレート部(67)を備えている、請求項1ないし6のいずれか1つに記載のウェーブフィン。 - 積層型の熱交換器(1)において、
熱媒体が流れる複数の前記流路管(2)と、
複数の前記流路管同士の間に設けられる冷却対象物としての前記発熱部品(3)と、
前記流路管の内側に設けられる請求項1ないし7のいずれか1つに記載の前記ウェーブフィン(6)と、を備え、
複数の前記流路管と複数の前記発熱部品とが交互に積層された状態で構成されている熱交換器。
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