JP3115543B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度の異なる２つ
の流体間で熱を交換する熱交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、消費電力の大きな電子機器にお
いて内部に発生した熱を放出しないと内部温度が上昇
し、その結果、回路を構成する素子の動作が不安定にな
り機器の誤動作や故障につながるため、何らかの手段で
機器の内部を冷却する必要があった。このため、機器に
冷却ファンを設けて外部の冷えた空気を機器の内部に取
り込むとともに、機器内の熱せられた空気を機器外に排
出していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
冷却ファンでは、機器の内部に外部の空気と共に粉塵や
埃が入り、特に導電性を有する金属粉等を含んだ粉塵は
故障の大きな原因につながる恐れがあり、これを回避す
るためにフィルターを使用して機器内に粉塵が入り込む
ことを防いでいたが、フィルターを使用することにより
冷却ファンの効率が落ちる、目詰まりを起こさないため
に定期的にフィルターの交換・清掃をしなければならな
い等、機能上、運用管理上で問題があるうえ、屋外等で
使用する場合は機器の内部に雨や水が進入する問題もあ
り、機器自体をそのままの戸外などに設置することはで
きなかった。

【０００４】また、流体を交流させることなく熱交換を
行うことができる熱交換装置も提供されている。例えば
特開平３ー１０９５号公報に示すものがある。

【０００５】この熱交換装置は図５（ａ）（ｂ）に示す
ように、分割円筒状のセンタコア５２、５３と、そのセ
ンタコア５２、５３の内周面から径方向へ渦巻状に巻き
回された隔壁板５４と、この隔壁板５４の両端を塞ぐ端
面スペーサ５５、５６と、上記隔壁板５４が形成した流
体経路を分割する中間スペーサ５７、５８とから構成さ
れ、センタコア５２の第１パイプ５２ｅから吹き込まれ
た流体は隔壁板５４の形成する上側の通路を外側に向か
って流れ（Ｐ１〜Ｐ４）、外周に到達した流体は下側の
通路を通って内側に向かって流れ（Ｐ５〜Ｐ８）、セン
タコア５２に到達した流体は第２パイプ５２ｆから外部
に流れ出る。一方、他の流体はセンタコア５３の第１パ
イプ５３ｆから吹き込まれた流体は隔壁板４の形成する
下側の通路を外側に向かって流れ（Ｑ１〜Ｑ４）、外周
に到達した流体は上側の通路を通って内側に向かって流
れ（Ｑ５〜Ｑ８）、センタコア５３に到達した流体は第
２パイプ５３ｅから外部に流れ出る。２つの流体は隔壁
板を介して熱交換を行うが、それぞれの流体をこの装置
に送り込む送流手段を別途設けなければならないため、
装置全体の形状が大きくなり小型の電子機器などに取り
付けることはできない。また、流路が狭く複雑になるた
め装置内を流れる流体の流速を早くすることができず、
単位時間内の熱交換量を確保することは難しかった。

【０００６】本発明は上記問題点を解消し、温度の異な
る２つの流体を交流させることなく効率的に熱交換を行
うとともに、小型でしかも単独で熱交換を行うことがで
き、使用環境に制約を受けない熱交換装置を提供するこ
とをその課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明に係る熱交換装置は、温度の異なる２つの流
体を仕切り板で遮断するとともに、上記仕切り板の両面
には、流体を仕切り板の中央から外側に向かって圧送す
る流体圧送手段をそれぞれ配置し、該流体圧送手段の周
囲の上記仕切り板の両面には多数の熱交換フィンを所定
間隔をあけて渦巻き状に立設形成するとともに、該熱交
換フィンの上端を遮蔽板で覆い、上記流体圧送手段よっ
て圧送された流体を上記仕切り板と熱交換フィンと遮蔽
板とで形成された筒状の流路を通過させて熱交換フィン
に熱伝導させることを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について説明する。

【０００９】 図１及び図２は熱交換装置１を示し、この
熱交換装置１は２つの流体を遮断する仕切り板２と、こ
の仕切り板２の両面中央にそれぞれ配置され、流体を上
記仕切り板２に向けて圧送する流体圧送手段３と、この
流体圧送手段３の周囲に渦巻き状に立設形成された多数
の熱交換フィン４、４、・とで構成されている。

【００１０】 上記仕切り板２は熱伝導率に優れた銅やア
ルミニューム等の金属で円板状に形成され、周縁近傍に
は機器に取りつけた時に、機器に完全に密着させるため
のシール用Ｏリングを嵌装するためのＯリング溝５が周
設されている。

【００１１】 なお、上記Ｏリング溝５は仕切り板２の両
面に形成されていてもかまわない。

【００１２】 熱交換フィン４は、上記仕切り板２と一体
として形成された円弧状に湾曲した板部材で、一端が仕
切り板の中心方向を、他端が仕切り板の周縁方向を向く
ように仕切り板２上に渦巻き状に且つ流体圧送手段３に
よって圧送される流体の流れと同一方向になるように立
設形成されている。

【００１３】 そして、上記熱交換フィン４のすべての上
端は、中央に開口部６が形成された円板状の遮蔽板７で
覆われ、この遮蔽板７と熱交換フィン４とで筒状の通路
を形成し、流体圧送手段３によって熱交換フィン４内に
送り込まれた流体を拡散、逆流させることなく一端から
他端に通過させるように形成されている。

【００１４】 流体圧送手段３は遠心ファン８、９で構成
され、この遠心ファン８、９は仕切り板２の両面にそれ
ぞれ配置され、１つのモータ１０で駆動するように構成
されている。このモータ１０の回転軸１１の一端には円
筒状のファンアダプタ１２を介して遠心ファン８が取着
され、仕切り板２を貫通して反対側に突出した回転軸１
１の他端にはファンブッシュ１３を介して遠心ファン９
が取着されている。

【００１５】 上記構成の熱交換装置によれば、図３及び
図４に示すように、機器の筐体１５に形成された開口部
１６に、モータ取付側が機器側になるように外側から固
定用の螺子１７で筐体１５に取りつけることによりＯリ
ング１８が筐体１５と仕切り板２とで挟着され、筐体１
５内部の流体（空気）Ａと外部の流体（外気）Ｂとが仕
切り板２によって完全に遮断される。モータ１０を回転
させると遠心ファン８は、軸方向から吸い込んだ流体Ａ
に遠心力を与えて熱交換フィン４ａに向かって送出す
る。熱交換フィン４ａは上端が遮蔽板７で覆われている
ので、送り込まれた流体は拡散、逆流することなく、熱
交換フィン４ａに沿って熱交換装置１の外に矢印ａのよ
うに流れ、筐体１５内に戻った流体は再び遠心ファン８
によって熱交換フィン４ａに送られ、筐体１５内と熱交
換フィン４との間を循環する。その際、流体Ａの熱は熱
交換フィン４ａに伝導され、熱交換フィン４ａに伝導さ
れた熱は仕切り板２を介して筐体１５の外側の熱交換フ
ィン４ｂに伝導される。

【００１６】 同様に、遠心ファン９は、軸方向から吸い
込んだ流体（外気）Ｂに遠心力を与えることにより熱交
換フィン４ｂに沿って熱交換装置１の外に矢印ｂのよう
に排出する。

【００１７】 この流体Ｂの熱は熱交換フィン４ｂに伝導
され、熱交換フィン４ｂに伝導された熱は仕切り板２を
介して筐体１５の内部側の熱交換フィン４ａに伝導され
るので、流体Ａと流体Ｂとは仕切り板２を介して熱交換
される。

【００１８】 この熱交換量は流体の速度（流量）と、伝
熱面積とに比例するが、流体圧送手段として遠心ファン
を使用したので圧送圧力が高く、熱交換フィンの間の狭
い空間を通過させることによる発生する圧力損失に対し
て効率を高くすることができるとともに、熱交換フィン
を湾曲してフィン１枚あたりの面積を大きくし且つ枚数
を多くして全体の伝熱面積を大きく設定したので熱交換
量を増加させることができる。

【００１９】 これに対し、流体圧送手段としてプロペラ
式ファン（軸流ファン）を使用した場合は、伝熱面積を
大きくするために熱交換フィンの枚数を増やすと熱交換
フィンの形成する空間が狭くなって、圧力が高くなるた
め失速して効率が下がり、結果として熱交換量が減少し
てしまうが、同一条件下において遠心ファンを使用する
ことにより大きな熱交換量を得ることができる。

【００２０】 この熱交換装置を例えば電子機器に取りつ
けた場合は、機器の内部の熱せられた空気は内側の遠心
ファン８によって内側の熱交換フィン４ａに圧送され、
熱交換フィン４ａの間を通過しながら熱交換フィン４ａ
に熱を伝導する。伝導された熱は仕切り板２を介して反
対側に形成された熱交換フィン４ｂに伝導される。機器
の外側の遠心ファン９は外部の冷えた流体（外気）を軸
方向から吸い込んで、吸い込んだ空気に遠心力を与え、
熱交換フィン４ｂに送り込み、送り込まれた空気は熱交
換フィン４ｂを冷却した後に熱交換装置１の外部に排出
される。このように機器内部の熱は内側の熱交換フィン
４ａから外側の熱交換フィン４ｂに伝導され、伝導され
た熱は外気で効率よく冷却されるので、結果として機器
の内部温度を降下させることができる。この電子機器は
筐体の内外の空気を入れ替えることなく筐体の内部を冷
却することができるので外気に含まれる塵埃や機器にと
って有害な物質（例えば、導電性を有する金属粉等）あ
るいは雨水等が機器の内部に入り込むことはないので、
電子機器の設置場所が機器にとって好ましくない場所
（屋外や塵埃の多い場所等）であっても安心して設置す
ることができる。

【００２１】 そして、仕切り板の一方の側に配置した１
つのモータで仕切り板の両側に設けた遠心ファンを回転
させて２つの流体を入れ替えることなく熱交換を行える
ので、熱交換装置の設置時（機器への取付等）の方向性
は考慮する必要がなく、設置時にはモータを悪い環境に
おかないように熱交換装置の取付方向を決定することが
できる。

【００２２】 なお、この熱交換装置１は図３示すように
機器の筐体１５に形成された開口部１６に、モータ取付
側が機器側になるように外側から固定用の螺子１７で筐
体１５に取りつけることによりＯリング１８が筐体１５
と仕切り板２とで挟着されるので、筐体内部を外部から
完全に遮断することができるとともに、メンテナンス時
には機器の外側から熱交換装置１の取り外し、取付が可
能になり、その都度筐体１５を開ける必要がなく運用管
理面においても優れた装置を提供することができる。

【００２３】 また、上述の熱交換装置１は２つの流体を
気体（空気）で説明したが、一方の流体が液体で他方の
流体が気体であってもかまわない。この場合には、電子
機器を水中で使用し、水によって電子機器内部の空気を
冷却することができるし、水による室内冷房装置として
利用することもできる。

【００２４】 そして、２つの流体が液体の場合には、モ
ータとして防水型モータを使用することにより薬液等の
加熱、冷却装置として使用することができ、その利用範
囲には際限がない。

【００２５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、温度の異なる
２つの流体を遮断する仕切り板の両面にそれぞれ渦巻き
状に熱交換フィンを立設形成し、この熱交換フィンと遮
蔽板で形成された筒状且つ渦巻状の流路に流体を送り込
んで流体の熱を熱交換フィンに伝導させたので、流路を
通過する際に流体を拡散、逆流させることなく通過させ
ることができ、効率のよい熱交換をおこなうことができ
る。

【００２６】 また、２つの流体を仕切り板で完全に遮断
し２つの流体が入れ替えわることがないので、 熱交換装
置を取りつけた機器においては筐体内部に外部の塵埃や
水などが入り込むことがなく、確実に筐体内部を冷却す
ることができるとともに、気体間だけではなく、気体と
液体間など異なる流体間においても熱交換を行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱交換装置の斜視図

【図２】上記熱交換装置の分解斜視図

【図３】上記熱交換装置の使用状態の一例を示す斜視図

【図４】上記熱交換装置内を通過する流体の流れを説明
する要部縦断面図

【図５】（ａ）（ｂ）は従来の熱交換装置の一例を示す
斜視図及び縦断面図

【符号の説明】 １ 熱交換装置 ２ 仕切り板 ３ 流体圧送手段 ４ 熱交換フィン ７ 遮蔽板 ８、９ 遠心ファン １０ モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 連也 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−69093（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−133293（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−157469（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−204172（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28D 7/00 F24F 7/08 H05K 7/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度の異なる２つの流体を仕切り板で遮
   断するとともに、上記仕切り板の両面には、流体を仕切
   り板の中央から外側に向かって圧送する流体圧送手段を
   それぞれ配置し、該流体圧送手段の周囲の上記仕切り板
   の両面には多数の熱交換フィンを所定間隔をあけて渦巻
   き状に立設形成するとともに、該熱交換フィンの上端を
   遮蔽板で覆い、上記流体圧送手段よって圧送された流体
   を上記仕切り板と熱交換フィンと遮蔽板とで形成された
   筒状の流路を通過させて熱交換フィンに熱伝導させるこ
   とを特徴とする熱交換装置。