JP2003511648A

JP2003511648A - 電子ヒートポンプ用の熱交換器

Info

Publication number: JP2003511648A
Application number: JP2001528409A
Authority: JP
Inventors: ダブリュー．バチェラー，アンドリュー，; バニー，ベン; マクドナルド，デービッド; シャンドラティルケ，ティラク，ティー．
Original assignee: ハイドロクールピーティーワイリミテッド
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2003-03-25
Also published as: WO2001025711A1; EP1222434A1; EP1222434A4; AUPQ332199A0

Abstract

(57)【要約】電子ヒートポンプ（１１）用の熱交換器（１７）であって、第１表面と第２表面とを有した熱伝導性ベースプレート（１８）を含んでいる。第１表面は平坦であり、電子ヒートポンプの表面と密接し、第２表面は第１表面とは反対側に存在し、熱伝導性フィン集合体（２１）を支持する。それぞれの隣接フィンは中間に微小導通溝を提供している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本願発明は電子ヒートポンプ(electronic heat pump)と、電子ヒートポンプと
の間で熱交換を行うフィン（翼）付き熱交換器とに関する。説明の便宜のため、本願発明は冷却システムの電子ヒートポンプに関連して解
説されているが、本願発明は冷却システムに限定されない。本明細書が言及する電子ヒートポンプとは、あらゆる種類のヒートポンプ、あ
るいは直接的に電子流及び/又は電子エネルギー変換を利用する冷却モジュール
と定義する。

【０００２】

【従来の技術】

電子ヒートポンプの原理に基づく冷却システムの経済性は、主として電子ヒー
トポンプと、冷却時に蓄積される集熱と放熱を行う複数の熱交換器との間の熱交
換効率により決定される。

【０００３】冷却システムにおいては、熱は液体クーラント及びラジエターの利用によって
外気に効率的に放出される。しかし、電子ヒートポンプに作用する冷却システム
の全体的な効率は電子ヒートポンプに採用されているクーラント液への熱移動（
伝導）メカニズムによって影響を受ける。

【０００４】米国特許第５７１５６８４号で開示されている従来技術では、効率的な熱移動
は液体ジェット流を熱電気モジュール(thermo-electric module)の表面に吹き付
けることで達成される。

【０００５】本願発明の１つの特徴によれば、第１表面と第２表面とを有した熱伝導性ベー
スプレートを含んだ電子ヒートポンプ用の熱交換器が提供される。第１表面は平
坦であり、電子ヒートポンプの表面と密接するように提供される。第２表面は第
１表面とは反対側に提供され、熱伝導性フィン（ひれ）の集合体を支持する。そ
れぞれの隣接フィン同士は間に導通溝を提供している。

【０００６】別の従来技術では、クーラント流は電子ヒートポンプの表面を一連の導通溝に
沿って強制的に流される。米国特許第５６５３１１１号及び第５８２２９９３号
参照。

【０００７】これら両方の従来技術は熱移動性能の点で限定されている。すなわち、クーラ
ントへの放熱に利用できる面積は電子ヒートポンプの表面積に限定されている。
加えて、アテイの流体通路は非熱伝導材料で提供されており、クーラントへの追
加的熱通路の提供には触れられていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】

よって、本願発明の１目的は電子ヒートポンプとクーラントとの間の対流熱移
動を促進させるために電子ヒートポンプの表面の利用可能な面積よりも大幅にサ
イズを増大させた熱移動性面積を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本願発明の別の特徴によればコールドサイドとホットサイドとを有した電子ヒ
ートポンプの片側に熱交換装置が提供される。この熱交換装置は次の要素を含ん
で構成されている。 (i) 電子ヒートポンプの１側部に片面を熱カップリングさせた状態の熱伝導性
ベースプレートと、他面から外側に伸び出ている複数の熱伝導性熱交換フィンと
を有している熱交換器。 (ii)フィン付きベースプレートとバッキングプレートとを受領する凹部と、そ
の凹部への流体入口と、凹部からの流体出口とを有したマニフォールド。

【００１０】本願発明の別の特徴によれば電子ヒートポンプと熱交換器の組合せシステムが
提供される。この熱交換システムは次の要素を含んでいる。 (i)ホットサイドとコールドサイドとを有した電子ヒートポンプ。 (ii)電子ヒートポンプの少なくとも１側部に提供された前述の熱交換器。 (iii)複数のマニフォールドを連結し、各ベースプレートと電子ヒートポンプ
のそれぞれのホットサイドとコールドサイドとの間の圧縮密封（液密）力を提供
する手段。

【００１１】本願発明の１形態ではその熱伝導性ベースプレートはフィンと一体で提供され
ている。

【００１２】熱交換装置のベースプレートは、インジウムのごとき低融点で良好な熱伝導性
を具えた軟質ハンダを使用してヒートポンプ面に結合させることができる。低融
点の利点は、ベースプレートを熱によるダメージを抑えて電子ヒートポンプに溶
接させることである。高熱導電性は結合インターフェース部で低熱接触抵抗性を
提供する。

【００１３】本願発明の実用的利点は、流体への放熱にヒートポンプ面積全体を活用させる
ことである。従来では電子ヒートポンプの放熱面はシール部等の機械部分で妨害
され、電子ヒートポンプの周辺での熱交換効率を落としていた。

【００１４】本願発明の１特徴は、熱勾配を発生させるために電子ヒートポンプを利用する
装置にフィン付き熱交換器を活用することである。隣接フィンペア間の微小溝導
通溝の幅は約０.１から５ｍｍであり、好適には約０.４ｍｍである。１好適実施
例においては、フィンの高さは約３.６ｍｍであり、約０.８ｍｍの厚みを有して
いる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

図１と図２に示す本願発明の実施例による熱移動システム１０は、上側コール
ドサイド１２と下側ホットサイド１３を有した電子ヒートポンプ１１と、コール
ドサイドバッキングプレート１５を含んだコールドサイドフィン付き熱交換器１
４と、コールドサイドマニフォールド１６とを含んでいる。電子ヒートポンプ１
１のホットサイド側にはホットサイドバッキングプレート１８を含んだホットサ
イド熱交換器１７とホットサイドマニフォールド１９とが提供されている。

【００１６】フィン付き熱交換器１４と１７は、それぞれ複数で等間隔に提供された平行フ
ィン２１と一体となった、あるいはそれらと接合された平ベースプレート１５、
１８を具えている。

【００１７】この冷却システムを作動させるため、液体クーラントが熱交換器１７のフィン
間の導通溝内を通過する。熱は熱交換器の導通溝内を流れるクーラントを介した
熱伝導によって熱電気モジュール（電子ヒートポンプ）１１の“ホットサイド”
からと、熱交換器１７と、熱交換器１７を熱電気モジュール１１の隣接表面に固
定させるハンダまたは他の接合物質を介して熱交換器の表面から放熱される。熱
は通常の形態で熱電気モジュール１１内を移動する。第２熱交換器１４を熱電気
モジュールの“コールドサイド”に搭載し、“ホットサイド”の熱交換器と同様
に作用させることもできるが、熱の流れは反対となる。

【００１８】コールドサイドとホットサイドのそれぞれの配置は電子ヒートポンプの電気極
性によって制御される。

【００１９】このシステムの寸法は製造業者が決定する電子ヒートポンプ１１の寸法に基い
て決定される。

【００２０】１実施形態においては、熱交換器１４、１７は、等間隔で提供された複数のフ
ィンと、平プレート（例えば２０）が被せられて封閉状態のフィンに結合された
平ベースプレート１５、１８で構成されている。別形態ではフィンの平プレート
はフィンと一体的に提供され、均質な親金属によって囲まれた導通溝を提供する
。フィンの数、フィンの寸法及びフィン間の寸法は、流体抵抗を最低とし、内部
を流れる流体を最も効率的に対流させるように計算される。フィンの断面形状は
単純な方形形状から不等辺四角形等の複雑な形状まで可能であり、熱移動を促進
させ、製造を容易化するような形状に最良化させることができる。

【００２１】ヒートポンプと接触する熱交換器のベースプレート表面は充分に平坦化され、
電子ヒートポンプとの良好な熱接触が提供される。熱交換器は高熱伝導性材料で
製造され、頑丈であり、クーラントによる腐蝕に対して抵抗力を有している。

【００２２】それぞれのマニフォールド１６と１９は次の機能を有している。(a)連結され
たパイプからポート１００を介してクーラントの受領及び排出を行う容器として
の機能。(b)熱交換器１４または１７の隣接フィン間でクーラントを均等に流す
通流器としての機能。(c)熱交換器１４または１７と電子ヒートポンプ１１との
間でクランプ力を提供する構造体としての機能。(a)の機能を提供するため、各
マニフォールドには流体入口ポートと流体出口ポートが提供される。それらポー
トはカバーの方形断面に引かれた対角線の両端に位置する。この配向の目的は米
国特許５６５３１１１に開示されている原理に従って、フィンへの均等な液流を
確実に提供することである。

【００２３】入口ポートと出口ポートに隣接して窪凹部１０１がポートから少なくとも最遠
のフィンにまで延びている。窪凹部１０１の目的はポートから熱交換器１４と１
７までの均質な液流を提供することである。それぞれのマニフォールドには等間
隔のボルト孔１０２がカバーの周囲に提供されている。この構造でボルトとナッ
トによって前記のクランプ力が提供される。

【００２４】図２に示すように、電子ヒートポンプ１１は２体の熱交換器で挟まれている。
ペルチエル電池(Peltier cell)の場合には、セラミック外面１１０、１１１が熱
交換器のベースプレート１５、１８と密接する。ベースプレート１５、１８はセ
ラミック面１１０、１１１上で金属面にハンダ付けされた側縁により保持され、
マニフォールド１６、１９の内面１１２に対して液密処理されている。Ｏリング
シール１１３で導通溝１０１からヒートポンプ１を包含する中央部１１４への液
漏現象が防止される。図２で図示するように、ポート１００はフィン集合体２１
の少なくとも全体を走る導流溝１０１にまで延びている。フィンの先方縁または
それらを包囲するプレートあるいは表面２０はマニフォールド１６、１９の内面
と接触している。

【００２５】図２は２形態の熱交換構造を図示している。上方のコールドサイド熱交換器は
フィン集合体２１とベースプレート１５を含んでいる。この例ではフィン集合体
２１と導流溝はカバープレート２０を含んでいる。これはフィンと一体であって
も、ハンダ付けされたものであってもよい。カバープレート２０はマニフォール
ド１６と接触状態で液密処理されており、導流溝１０１を流れる流体はフィン集
合体２１のみを通過する。製造誤差が制御できる場合には、図２の下側に示すよ
うにフィン集合体２１の端部が開口状態で構わず、先端はマニフォールド１９の
床と接触して封密状態としている。第３の変形例は図３に図示されている。

【００２６】図３は熱交換器とそれぞれのマニフォールド１６、１９との間に提供された弾
性ポリマーシート１２０を図示する。これらポリマー材料シート１２０はフィン
集合体とマニフォールドとの間に適当な弾性を提供する。弾性シート１２０は製
造誤差を吸収し、開口端のフィンが使用された時にはフィン間の導通溝をマニフ
ォールドの内面に対して液密状態とする。

【００２７】熱電気装置のごときヒートポンプの効率はホットサイドとコールドサイドの温
度差によって決定される。図４は典型的な熱電気モジュール（Kryotherm社のフ
ロスト７６Ｓ）のＣＯＰ（性能係数）とデル(del)Ｔ（温度差）との関係を表わ
すグラフである。

【００２８】図５と図６は、１体の熱交換器と電子ヒートポンプとで達成するよりも大きな
冷却力を得るための熱交換器ユニットの直列アレンジと並列アレンジとをそれぞ
れ図示する。図５は図１に示すタイプの装置１０の直列アレンジを示す。隣接装
置１０を通流連結することで所定の流速に対してさらに大きな熱負荷(thermal l
oad)を処理する性能が得られる。この例では装置１０のホットサイドは隣接装置
のホットサイドに接続され、ホット流体とコールド流体は反対方向に流れる。図
６はそれぞれ直列で作用する２ペアの装置１０の並列連結を図示する。熱効率を
最大とするためにホット液とコールド液は逆方向に流される。ホットサイド液流
１３０は実線で表わされ、コールドサイド液流１３１は破線で表わされている。

【００２９】図７は本願発明の装置１０の利用形態を図示する概略図である。この実施例で
はコールドサイド副熱交換器１５０は冷却スペース１５１内に提供されている。
小型ファン１５２が熱均質状態を達成するように冷却スペースの空気を循環させ
ている。副コールドサイド熱交換器１５０にはポンプ１５３によって電子ヒート
ポンプ１０から冷却液が供給される。電子ヒートポンプのホットサイドマニフォ
ールドの出力は副ホットサイドファン付き熱交換器１５４に送られる。副熱交換
器１５４とヒートポンプ１０との間の流体循環は副ポンプ１５５で行われる。

【００３０】図８は、例えば図１と図３に示す方形フィンの代用として使用できるフィン集
合体１６１を図示している。これらのフィン１６１はテーパ形状であり、縦に延
びる長溝１６２を含んでいる。長溝１６２はフィン１６１と導通溝１６０との
間の表面インターフェース面積を増大させる。この実施例ではそれぞれのフィン
の側面には“Ｖ”形状溝が提供されている。これらの溝はフィン１６１と導通溝
１６０との間の熱交換を促進させる。同様な効果がフィンの湾曲またはフィンの
表面の粗度を高くすることで達成できよう。

【００３１】図９はフィン集合体の別実施例を図示している。個々のフィンは波型金属シー
ト１７０で置換されている。波型金属シートはペアの平行シートまたはプレート
１７１、１７２の間に提供されている。

【００３２】図１０に示すように、複数の電子ヒートポンプ１１を１体のモジュール１８０
に組み込むことができる。この実施例では、ペアの熱交換器１１のコールドサイ
ド１２は対面状態であり、１体のフィン付き熱交換器１８１によって分離されて
いる。ペアの電子熱交換器のホットサイド１３は自身のマニフォールドと熱交換
器１８２に関係する。

【００３３】図１１に示すように、液体は上下のマニフォールド入口ポート１９０から入り
、上下マニフォールド１９１のホットサイドポートから排出される。中央マニフ
ォールドと熱交換器１９２は液体をモジュール１８０内の両方のヒートポンプの
コールドサイドを越えて循環させる。

【００３４】図１２はフィン集合体２００を図示する。それぞれのフィン２０１は断面が方
形である。各ペアの隣接フィンは間に導通溝を提供する。図１３に示すように各
フィン２０１の端部２０２には切欠部２０３が提供され、マニフォールドの取り
付けに利用される。

【００３５】図１４は図１０と図１１に図示する中央マニフォールド１８１に必要なタイプ
のフィン集合体を図示する。図１５に示すように、このフィン集合は中央ウェブ
２０４を有している。このウェブは上下表面の両方から外側に向かう類似形状の
フィン２０５を有している。

【００３６】ヒートポンプの効率は、同量の熱が熱電気モジュールの表面と熱交換器を通過
する液体との間の低温度差でホットサイドまたはコールドサイドからポンプ作用
されると大幅に向上するであろう。熱流はｈ_c ｘ面積ｘデルＴ（ｈ_cは熱伝導
係数）と等しいので、デルＴを減少させる比較的に簡単な方法は面積を増加させ
ることである。複数のフィンを具えた熱交換器の設計はこの目的を達成させ、向
上したヒートポンプ効率を導く。

【００３７】しかし、狭細導流溝はいくつかの他の利点も提供する。最近の高熱負荷コンピ
ュータチップの研究で、微小導流溝の使用が予期せぬ高熱伝導係数を提供するこ
とが発見された。その理由は確認されていないが、表面張力の増大インパクト力
と、薄膜流から渦流への早期移動を導く電位差効果が含まれていると信じられる
。天然の表面粗性の効果も導流溝で増大され、高熱伝導係数に貢献することがで
きる。

【００３８】コンピュータチップの冷却に適用されるときには非常に高い熱負荷がかかる。
熱流束７５Ｗ/ｃｍ²が現在達成されつつある。比較的に高いデルＴがこの熱負荷
に必要である。熱交換器デザインは微小導流溝で高熱伝導係数を達成させ、その
利点を比較的に低い熱流束（１Ｗ/ｃｍ²）の低デルＴでの達成に利用させる。こ
れらの条件は熱電気ヒートポンプにおいて理想的であり、大幅に増幅された効率
が達成される。

【００３９】積層流での熱移動は渦流での対流ではなく熱伝導による。水等を含んでほとん
どの液体は低伝導性であるため、熱移動係数は比較的に低い。このデザインの熱
交換器の液流は積層領域に存在し、特別の注意が熱移動係数に向けられなければ
ならない。なぜなら、熱電気モジュールに対する高温差の有害な影響のためであ
る。

【００４０】このデザインの利点は展開中の積層流のｈ_cが展開後の積層流よりも大幅に高
いという知られた特徴である。導通溝の長さは典型的には４０ｍｍ平方の熱電気
モジュールの物理サイズによって制御でき、導通溝の寸法はこれらの制御で最良
化され、液流は主としてその展開領域内に存在する。

【００４１】フィン付き熱交換器を使用せず、液流が渦流領域に存在するときに電子ヒート
ポンプの外側でクーラントの流速を増加させることで対流熱移動の割合を増加さ
せることは可能である。このとき、熱移動係数は流速とほぼ比例する。

【００４２】しかし、図１６に示すように、液流が積層状であるとき、積層流の熱移動原理
からのヌッセルト数により、熱移動（伝導）係数はほんの０.３のパワーへの流
速に関係するのみである。言い換えると、増加する流速は熱移動係数にほとんど
貢献しない。積層流においては、ポンプパワーは流速の平方に比例する。よって
、もしこの手法が採用されると、システム全体の効率にマイナスに作用する。す
なわち、所定量の熱を排出するのに必要な全電力（熱電気モジュール、ポンプ及
びファンを含む）は上昇する。

【００４３】増大した表面積で、微小導流溝の効果による改善された熱移動係数を有したフ
ィン付き熱交換器の採用はポンプとファンに付随するパワー消費のさらなる効率
化を提供する。

【００４４】導通溝の壁からの液体クーラントへの熱流束は導通溝表面の全部分が均質温度
であるときに最良となる。熱交換器のデザインはこのことがフィンの高さとフィ
ン間スペースの注意深い設計で達成されるように提供される。フィンの長さは重
要である。なぜなら、熱抵抗はフィンの長さに比例するからである。狭い導通溝
は液体の大部分が熱交換器を直線状に流れ、熱移動が表面での液体の比較的に薄
い膜内に限定される状況を取り除く。

【００４５】図１７はヒートポンプ側でアスペクト比１：３.５を有したフィン付き熱伝導
交換器の導通溝内の温度分布図である。熱流束は４００００Ｗ/ｍ²であり、入口
液体温度は２７℃であり、純水クーラントの流速は１リットル/分である。これ
らの温度傾斜(temperature gradient)は液体の小さな温度変動（２.４℃）を示
し、全液体がほとんどバイパスを介在させずに熱移動プロセスに関与することを
示す。

【００４６】図１８はヒートポンプのホットサイドでのアスペクト比１：３.４を有したフ
ィン付き熱絶縁交換器の導通溝内の温度分布を示す。熱流束は４００００Ｗ/ｍ² であり、入口液体温度は２７℃であり、純水流速は１リットル/分である。

【００４７】温度プロフィールの重大な点は加熱された表面に近い液体と全体との温度差で
ある。この温度差は、図１７で示す熱交換器の方が、図１８で示す温度傾斜３０
.７℃の従来型プラスチックフィンまたは隔壁が関与するデザインのものよりも
大幅に少ない。これでこの熱交換器は従来のデザインの問題をほぼ解消させたこ
とが理解される。従来のものではクーラントの大部分は熱交換器を通過する際に
効果的に加熱されない。

【００４８】狭細溝の熱交換器の放熱性能は主として導通溝の壁に沿った熱の伝導と、液体
の対流熱移動により決定される。これらの組合せは熱交換器内の熱移動プロセス
の全体的な熱抵抗性を決定する。増加した導通溝壁厚と、速い流速による増強さ
れた対流メカニズムは熱交換器の全体的な熱抵抗を減少させる。

【００４９】熱と液流のコンピュータモデルを使用し、狭細溝の熱交換器の熱移動性能が評
価され、最も効率的な液流アレンジが計算された。所定の液体流速と、導通溝の
上面に適用された固定の外部熱流束に対して、導通溝のアスペクト比を考慮した
液体分布の変動は図１９から図２４にかけて図示されている。

【００５０】導通溝のアスペクト比が増加するにつれて熱は液体通路深くに侵入し、液体の
最高温度と最低温度の間の温度差を減少させる。その結果、液体の温度分布はそ
れら溝内でさらに均質になる。よって、狭細溝は小アスペクト比の同等な導通溝
と較べて液体への熱の移動に対して低熱抵抗性を示す。狭細導通溝と放熱に利用
できる広い面積での対流熱移動のメカニズムはこの現象の主要な要因である。導
通溝壁の高熱伝導性も熱伝導性能でさらなる改善を提供する。

【００５１】熱伝導性能はアスペクト比の増大で向上するが、狭細導通溝内のさらに高い液
体ポンプ力は、これら導通溝のアスペクト比の利用可能範囲の上限を決定する。
有用であると発見されたアスペクト比の範囲は４：１から１５：１である。表面
積が４０ｍｍｘ４０ｍｍである典型的な熱電気モジュールに適用される場合、導
通溝の数は最低の１０から最大の１００まで可能である。

【００５２】熱伝導性ベースプレートはフィンと一体化されて最低の熱抵抗性を提供する。
このベースプレートは電子ヒートポンプの壁として作用し、現在使用される低熱
伝導セラミックに置き換わる。

【００５３】熱交換器のベースプレートと電子ヒートポンプとの間の熱接触抵抗の注意深い
制御はシステムの高熱力学効率の達成に不可欠である。空気の非常に低い熱伝導
性（約０.０３Ｗ/ｍ*Ｋ）は高熱インピーダンスを約５μｍ厚を越える間隙によ
って発生させる。結果として、ヒートポンプと熱交換器の両接触面は約１μｍ誤
差以内で平坦でなければならず、充分に小さな接触間隙を提供しなければならな
い。低コスト製造工程では、そのような小誤差は達成が困難であり、ハンダ接合
が必要であろう。ハンダは熱伝導性が非常に高くて融点が低く、接合時に電子ヒ
ートポンプにダメージを与えることなく利用できる。

【００５４】熱交換器の全体サイズは電子ヒートポンプの表面積に限定されない。さらに大
きくすることもできる。高熱伝導性金属であるため、熱の移動に対する抵抗が小
さい。この特性で導通溝を利用した液体クーラントに作用する熱交換器の表面積
のさらなる拡張が可能である。

【００５５】ヒートパイプのごときその他の高熱伝導装置を、利用可能な接触面積を拡大す
る目的で、または熱負荷を熱交換器の搭載にさらに便利な位置に移動させるため
に熱交換器と併用することができる。

【００５６】高熱流束熱電気冷却を利用する本願発明が提供する熱移動の向上性能の理解の
ためには熱移動技術の発展の再検討が妥当である。

【００５７】電子装置の冷却において、自然対流、強制対流及び沸騰のごとき伝統的な熱移
動メカニズムが効果的に利用され、テストされてきた。この１０年で、これら装
置の熱流束レベルの操作に必要な条件は約５０Ｗ/ｃｍ²から１００Ｗ/ｃｍ²に徐
々に増加してきた。多種多様な増強方法を利用しても、従来の熱移動装置はそれ
らの不充分な熱特性や物理サイズによって効果は限定的であった。モデム装置の
小型化の要求は高熱流束の開発と熱移動現象の深い理解を緊急な要請とした。

【００５８】従来技術は高レベルの熱流束を提供する多くの熱移動メカニズムを含んでいる
。本質的に高い熱移動係数を提供するそのようなアレンジの一部はジェット式冷
却、断続ジェット冷却及び狭細導通溝を利用した熱移動である。

【００５９】ジェット冷却技術では液流と隣接する熱及び水力境界層は連続的に変化し、液
体壁インターフェースで熱抵抗を減少させる。従って、液体への放熱は改善され
る。しかし、高ジェット流速条件と表面湿潤のためにその適用は熱移動状況の特
殊な場合に限定される。微小導通溝の熱交換器においては、冷却液は放熱するた
めに電子装置に取り付けられたプレートに提供された狭細導通溝内（０.０５か
ら５ｍｍの幅）に強制的に入れられる。実験によれば、微小導通溝内の熱移動係
数は従来の大型通路の約６０倍であることが知られた。微小導通溝熱移動は、微
小電気機械システム、高速コンピュータ、生医学診断装置、レーザ及び精密製造
機械のごときでの適用で高パワー回路を利用する現在の機器の冷却を効率化する
非常に優れた利点を具えている。

【００６０】様々な研究により、微小導通溝流と熱移動現象は従来の熱移動メカニズムでは
説明できないことが判明した。例えば、積層流から渦流への変換は大幅に早く始
り（例えば、Ｒe=３００）、微小導通溝流の摩擦係数とレイノルド数は従来の流
体メカニズムとは大きく異なり、微小導通溝内を流れる液体の見掛けの粘性と摩
擦係数は従来理論よりも数倍高いことが判明した。微小導通溝内の流体のこれら
特性と熱移動は微小サイズの導通溝と、固体-液体インターフェース近辺でのイ
ンターフェース電気運動及び表面粗性効果の結果である。微小導通溝流で達成さ
れる高対流熱流束率は狭細通路で発生する大きく異なるこれらの通流現象のおか
げである。

【００６１】微小導通溝が提供する高熱流束率はコンパクトな微小導通溝ヒートシンクシス
テムを提供し、低熱抵抗にて高冷却負荷状況で作動する。微小導通溝ヒートシン
ク技術は現在の電子パッケージ、高速コンピュータ及び他の関連産業で益々需要
が高まっている。熱電気冷却モジュールの熱交換デザインは狭細通路を流れる液
体の熱移動を向上させる。

【００６２】好適熱交換器は高熱伝導性金属と、複数の狭小通路を有している。高熱伝導性
は液体と接触する導通溝周囲で熱流束を均質に分布させ、液体に対する面熱移動
の効率を増加させる。微小導通溝のごとき狭細通路の特別な液流特性により、高
熱移動率が流体に作用する。狭小通路を通過する液体の展開特性は熱移動にさら
に貢献する。これら全てのメカニズムの組合せ効果は熱交換器に取り付けられた
熱電気モジュールと冷却液との間の熱抵抗を同様な従来の熱交換器と比して大き
く低減させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本願発明の１実施例によるフィン付き熱交換器を組入れたヒ
ートポンプとマニフォールド構造体の分解図である。

【図２】図２は図１のii-ii線に沿った断面図である。

【図３】図３は図１に示すヒートポンプとマニフォールド構造体の変形の分
解図である。

【図４】図４は熱電子ヒートポンプの温度差に対する性能係数（ＣＯＰ）を
表わすグラフである。

【図５】図５は図１に示すヒートポンプとマニフォールド構造体の複数が直
列連結された状態の概略図である。

【図６】図６は図１に示すヒートポンプとマニフォールド構造体の複数が並
列連結された状態の概略図である。

【図７】図７は図１のヒートポンプとマニフォールド構造体を組入れた冷却
システムの概略図である。

【図８】図８は本願発明の別実施例による熱交換器のフィンの断面図である
。

【図９】図９は本願発明の別実施例による熱交換器のフィンの断面図である
。

【図１０】図１０は本願発明の別実施例による２つのヒートポンプを組み入
れたヒートポンプとマニフォールドの構造体の分解図である。

【図１１】図１１は図１０に示すヒートポンプとマニフォールド構造体の斜
視図である。

【図１２】図１２は図１０に示す熱交換器のフィン集合体の一方の斜視図で
ある。

【図１３】図１３は図１２に示す熱交換器のフィン集合体の一部の拡大図で
ある。

【図１４】図１４は図１０に示す熱交換器の他方のフィン集合体の斜視図で
ある。

【図１５】図１５は図１４に示す熱交換器のフィン集合体の一部の拡大図で
ある。

【図１６】図１６はダクト内の流体に関するレイノルズ数とヌッセルト数の
グラフである。

【図１７】図１７は図１に示すフィン付き熱交換器の導通溝内のクーラント
温度プロフィールを表わすグラフである。

【図１８】図１８は従来マニフォールドの流体通路内のクーラント温度プロ
フィールを表わすグラフである。

【図１９】図１９はアスペクト比が１：１０である微小導通溝内部のクーラ
ント温度プロフィールを表わすグラフである。

【図２０】図２０はアスペクト比が１：６である微小導通溝内部のクーラン
ト温度プロフィールを表わすグラフである。

【図２１】図２１はアスペクト比が１：４である微小導通溝内部のクーラン
ト温度プロフィールを表わすグラフである。

【図２２】図２２はアスペクト比が１：３である微小導通溝内部のクーラン
ト温度プロフィールを表わすグラフである。

【図２３】図２３はアスペクト比が１：２である微小導通溝内部のクーラン
ト温度プロフィールを表わすグラフである。

【図２４】図２４はアスペクト比が１：１である微小導通溝内部のクーラン
ト温度プロフィールを表わすグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者バニー，ベンオーストラリア国ウェスターンオーストラリア州 6100 ヴィクトリアパークマックマスターストリート 89 ユニット３ (72)発明者マクドナルド，デービッドオーストラリア国ウェスターンオーストラリア州 6025 カラルークレアビレクレセント８ (72)発明者シャンドラティルケ，ティラク，ティー．オーストラリア国ウェスターンオーストラリア州 6010 マウントクレアモントアダレイストリート 36 Ｆターム(参考） 3L103 AA05 BB01 CC01 DD64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ヒートポンプ用の熱交換器であって、第１表面と第２表面とを有した熱伝導性ベースプレートを含んでおり、該第１表面は平坦であり、電子ヒートポンプの表面と密接し、前記第２表面は該第１表面とは反対側に存在し、熱伝導性フィン集合体を支持
しており、該フィンは複数の導通溝を提供している、ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】平坦なプレートはマニフォールド内に存在し、該マニフォール
ド内の流体通路間の熱伝導性流体バリヤとして作用し、電子ヒートポンプは第１
表面に対面して位置することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】フィン集合体はベースプレートと一体的に提供されていること
を特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】フィン集合体は方形フィン集合体を含んでおり、該方形フィン
集合体はカバープレートを含んでおり、該フィンはベースプレートと該カバープレートとの間に提供されており、該フィンは該カバープレートと一体的に提供され、あるいはハンダ付けされて
いる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】マニフォールドは流体流入用の溝に通流連結された流体流入ポ
ートと、流体流出用の溝に通流連結された流体流出ポートとを含んでおり、該流体入口溝と該流体出口溝は平行であり、それらの間にフィン集合体を収容
することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】流入溝と流出溝はベースプレート収容用の中央窪凹部の端部に
提供されており、ベースプレートは該窪凹部とは液密関係であることを特徴とする請求項５記載
の熱交換器。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器を、請求項１から
６のいずれかに記載の熱交換器と組み合わせて含んでいる熱交換モジュールであ
って、両熱交換器は対面して液密状態に組み立てられ、それぞれのベースプレー
ト間に間隙を提供しており、該間隙には両ベースプレートと接触状態にある電子
ヒートポンプを含んでいることを特徴とする熱交換モジュール。
【請求項８】フィンとマニフォールドとの間にポリマー材料または軟質金属
のシート材を挟んでいることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の熱
交換器または熱交換モジュール。
【請求項９】フィン集合体は複数の微小導通溝を提供していることを特徴と
する請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器または熱交換モジュール。
【請求項１０】コールドサイドとホットサイドとを有した電子ヒートポンプ
の１側部用の熱交換器であって、電子ヒートポンプの１側部に一方の面で熱カップリングされる熱伝導性ベース
プレートを有し、他方の面から伸び出ている複数の間隔を開けて提供され、それ
ぞれの隣接フィン間に導通溝を提供する熱伝導性熱交換フィンを有している熱交
換器と、フィン付きベースプレートとバッキングプレートとを受領する窪凹部と、該窪
凹部への流体入口と、該窪凹部からの流体出口とを有したマニフォールドと、を含んでいることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】電子ヒートポンプと熱交換器の組合せシステムであって、ホットサイドとコールドサイドとを有した電子ヒートポンプと、該電子ヒートポンプの少なくとも１面に提供された請求項１から１０のいずれ
かに記載の熱交換器と、マニフォールドを連結し、それぞれのベースプレートと、前記電子ヒートポン
プの対応するホットサイド及びコールドサイドとの間に圧縮液密力を提供する手
段と、を含んでいることを特徴とするシステム。