JP2009052878A

JP2009052878A - 熱交換器

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Publication number: JP2009052878A
Application number: JP2008218084A
Authority: JP
Inventors: Berk Yesin; ベルク・イェズィン; Bruno Agostini; ブルノ・アグオスティニ
Original assignee: ABB RES Ltd; Abb Research Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB RES Ltd; Abb Research Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2009-03-12
Also published as: JP5390008B2; EP2031332A1; DE602008002507D1; EP2031332B1; CN101377392B; US20090056916A1; ATE481611T1; CN101377392A; JP2013057502A; US9897383B2

Abstract

【課題】熱交換器：本発明は、熱の発生源（２００）から熱エネルギーを取り除くための熱交換器（１００）を提供する。
【解決手段】この熱交換器は、作業流体のための少なくとも一つの導管（１１０）を有しており、この導管は、少なくとも４５度の角度で、縦型の姿勢で配置される。各導管は、外壁（１１２）、及び前記導管（１１０）の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル（１２０）及び少なくとも一つの凝縮器チャネル（１３０）形成するための少なくとも一つの内壁（１１４）を有している。更にまた、この熱交換器（１００）は、蒸発器チャネル（１２０）の中に熱を移送するための第一の熱移送要素（１５０；１８３）、及び凝縮器チャネル（１３０）から熱を移送するための第二の熱移送要素（１８０）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、広く、熱交換器に係る。特に、本発明は、パワー・エレクトロニクスのコンポーネントのために使用されることが可能な熱交換器に係る。

低電圧駆動システムは、多くのグローバル・プレイヤーが参加する競争的な市場を有している。このことは、それらのデザインに対して、厳しい低コスト条件を課している。典型的なシステムにおいて、パワー・エレクトロニクスのコンポーネントが、接近した状態で組み立てられる。その例は、別個の部分からなるまたは集積された（即ち、モジュール・タイプの）半導体デバイス、インダクター、レジスター、キャパシター及び銅製のバスバーなどである。ＰＣＢパネル及び制御エレクトロニクスもまた、全てのデザインの中に存在している。運転の間、これらのコンポーネントは、様々な量の熱を放散する。それに加えて、これらのコンポーネントの耐用温度は、様々なレベルにある。駆動システムの周囲を取り囲む環境的な条件もまた、空気温度、湿度、ダスト、及び化学物質に関して、様々である。駆動システムの熱的な管理及び統合のコンセプトは、システムの電気的性能に加えて、これらの重要な因子の全てを考慮に入れなければならない。

半導体コンポーネント及びパワー・レジスターは、一般的に、平面実装デザインで作られ、適切に低い温度に維持されたフラットな表面に、ボルトで固定されまたは圧入される。ファンで吹き付けられる空気で冷却されたアルミニウムのヒート・シンク、及びポンプで送られる水で冷却された低温プレートが、そのような熱交換表面の典型的な例である。インダクター、キャパシター及びＰＣＢ回路要素のような他のコンポーネントは、典型的に空気の流れにより冷却される。

典型的に、チョーク・インダクター、アルミニウムの熱シンク、及びＤＣリンク・キャパシターのようなコンポーネントは、駆動システムの一方の端に突出することが許容される。これに対して、よりデリケイトなコンポーネントは、もう一方の側に集められる。ファンから送られる冷却用の空気は、キャパシター、熱シンク、及びチョークの中を流れ、それらは、その逆の順番で、温度の制限を有している（例えば、キャパシターは、チョークよりも冷たく保たれる必要がある）。より高いＩＰ定格のバージョンにおいて、デリケイトなコンポーネントは、更に密閉され且つ更なるファンにより冷却されることが可能である。

電子的製品により提供される環境的な防護の程度は、一般的に、その“侵入防護定格（ＩＰＲ：Ingress Protection Rating）”により表される。数多くの駆動製品は、標準として、ＩＰ２０またはＩＰ２１で提供され、オプションとして、ＩＰ５４またはそれよりも高い防護定格が提供される。より低いＩＰ定格の場合には、適切な防護を提供しながら、駆動容器の中を外側の空気が貫通する流れのためにデザインをすることが可能である。空気中のパーティクルを減らすために、空気フィルターが、採用されることがある。容器の壁面での下向き換気は、縦方向の水滴縦方向の水滴が入ることを防止する。しかしながら、より高いＩＰ定格の場合には、駆動容器の内側の空気から、外側の空気を分離することが不可欠になる。最高の防護レベルに対して、水密容器が必要になる。

空気対空気の熱交換器が、高いＩＰ定格の容器で、キャビネットの内側と外側の空気を完全に分離しながら、周囲の環境へ熱を放散するために、一般的に採用される。ヒートパイプ及び熱電式の冷却要素もまた、そのようなデバイスにおいて使用される。

EP 0 409 179 A1 は、コンピュータのための、外壁及び内壁を有する導管を備えたヒートパイプを示し、この内壁は、蒸発器チューブと凝縮器チューブを分離している。このデバイスは、蒸発器部分と熱発生要素が水平の姿勢にある場合のみに対して、意図されている。

US 2007/0 133 175 の中に、熱移送要素を備えた熱放散デバイスが示されている。この熱移送要素は、ベース・プレートの形態で作られており、このベース・プレートは、熱発生要素及びヒートパイプと接触している。このベース・プレートは、ヒートパイプのより良い接触のための溝、及びプレートを基板に取り付けるための取り付け孔を有していて、このプレートの上に、電子的要素が取り付けられる。
欧州特許出願公開第 EP 0 409 179 A1 号明細書米国特許出願公開第 US 2007/0 133 175 号明細書

それ故に、本発明の目的は、熱の効率の良い除去を可能にする熱交換器を提供することにある。

この目的は、独立請求項１に基づきデザインされた熱交換器、及び独立請求項１２に基づく熱交換器を製造する方法により実現される。本発明の更なる好ましい展開は、従属請求項に基づいている。

第一のアスペクトによれば、本発明は、熱の発生源から熱エネルギーを取り除くための熱交換器を提供する。この熱交換器は、作業流体のための少なくとも一つの導管を有しており、この導管は、少なくとも４５度の、縦型の姿勢で配置され、各導管は、外壁、及び前記導管の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル及び少なくとも一つの凝縮器チャネルを形成するための少なくとも一つの内壁を有している。更にまた、この熱交換器は、前記蒸発器チャネルの中に熱を移送するための第一の熱移送要素、及び前記凝縮器チャネルから熱を移送するための第二の熱移送要素を有している。

本発明は、ポンプ・ユニットを必要とすることなく、入熱を効率良く取り除くために、二相流による熱移送原理の使用を可能にする。このことは、コストの削減及び信頼性の改善をもたらす。本発明は、サーモ・サイフォン・タイプの熱交換器のための新規な構造を提供し、この構造は、電気的な回路コンポーネントを冷却するために、特に、低電圧ＡＣ駆動システムを冷却するために、採用されることが可能である。本発明は、マルチ・ポート型の導管の別個のチャネルの中で、上昇流体の流れ及び下降流体の流れを分離することによって、ループ状のサーモ・サイフォンの形態として使用されることが可能である。沸騰及び凝縮の性能を最適化するために、異なる数及びサイズのチャネルが、上昇流れ及び下降流れのために使用されることが可能である。

好ましい実施形態において、前記第一の熱移送要素は、取り付け要素を有し、この取り付け要素は、熱の発生源を取り付けるための取り付け表面、及び、前記導管の外壁の、蒸発器チャネルに関係する部分への熱的接触を確立するための接触表面を有している。

更なる好ましい実施形態において、前記少なくとも一つの導管は、縦型の姿勢で配置される。他の好ましい実施形態において、前記少なくとも一つの蒸発器チャネルと少なくとも一つの凝縮器チャネルは、前記少なくとも一つの導管の中で、平行に配列される。

更なる好ましい実施形態において、この熱交換器は、複数の導管を有している。更にまた、前記第二の熱移送要素が、前記導管の外壁の部分に設けられた冷却フィンを有していることが好ましく、また、好ましくは、前記導管の外壁の、凝縮器チャネルに関係する部分の上のみに設けられる。

更なる好ましい実施形態において、この熱交換器は、少なくとも一つの導管の少なくとも一方の端に接続された分配マニフォールドを、好ましくはヘッダー・チューブを有している。

更にまた、前記取り付け要素が、ベース・プレートを有していて、このベース・レートが、熱の発生源を取り付けるための平面状の取り付け表面、及びこの取り付け表面の反対側にあって、前記導管の外壁の部分に適合する少なくとも一つの溝を有する接触表面を有していることが好ましい。かくして、この熱交換器は、平面実装されたコンポーネントにより生じた熱を、例えば周囲の環境の空気の中に、効率良く排出するように、且つそれと同時に、システムの容器の内側と外側の空気ボリュ−ムの分離を可能にするようにデザインされる。

それにより、フラット・チューブの平面状の外側壁が、ベース・プレートの平面状の取り付け表面に対して垂直の方向に向けられること、及び、この取り付け要素が、前記取り付け表面に少なくとも一つの取り付け孔または少なくとも一つの取り付け用スロットを有していることも、好ましい。更にまた、この熱交換器が、二つの取り付け要素を有していることも好ましく、それによって、全体のシステムのコンパクトなデザインが可能になる。

更なる好ましい実施形態において、前記導管は、平面状の外側壁を有するフラット・チューブである。特に、フラット・チューブ・デザインでルーバー型の（louvered）フィンを採用することは、空気の流れの中での小さい圧力低下で、且つコンパクトなサイズで、空気への高い熱伝達率を実現する。

更なる好ましい実施形態において、前記取り付け要素は、アルミニウムまたは銅で作られる。更にまた、前記導管がアルミニウムで作られることが、好ましい。特に、自動車の産業において広く使用されているロウ付けされたアルミニウムを使用することは、製造コストの削減、小さなサイズ、及び良好な熱的・流体力学的性能のために、好ましい。本発明は、熱交換器のコア組み立て装置を使用する自動化された製造に対して適切である。そのような装置は、自動車の冷却分野において広く使用されている。利用可能な連続製造装置のそのような使用は、コストを減少させる。

更なる好ましい実施形態において、この熱交換器は、第一の環境を第二の環境からを分離するための分離要素を有している。この分離要素により、第一の環境の温度が第二の環境の温度よりもより高くなる。

本発明の更なるアスペクトによれば、熱交換器を製造するための方法が提供される。それによれば、この方法は、下記のステップを有している：作業流体のための少なくとも一つの導管を用意する、ここで、各導管は、外壁、及び前記少なくとも一つの導管の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル及び少なくとも一つの凝縮器チャネルを形成するための少なくとも一つの内壁を有している；前記少なくとも一つの導管に取り付け要素を接続する、この取り付け要素は、熱の発生源を取り付けるための取り付け表面、及び前記導管の外壁の、蒸発器チャネルに関係する部分への熱的接触を確立するための接触表面を有している。

本発明の方法の好ましい実施形態において、熱交換器のコンポーネントは、一回の炉内ロウ付けプロセスの中で一体に接合される。更にまた、ロウ付けプロセスの前に、熱交換器のコンポーネントがロウ材料で、好ましくはＡｌＳｉのロウ材料で、覆われることが好ましい。ロウ付けプロセスの前に、フラックス材料が熱交換器のコンポーネントに塗布されることが好ましく、また、ロウ付けプロセスが、非酸化性雰囲気の中で行われることが好ましい。

本発明の方法の更なる好ましい実施形態において、前記取り付け要素を除く全てのコンポーネントが、一回の炉内ロウ付けプロセスの中で接合され、前記取り付け要素は、熱伝導性を有する隙間充填材料を間に挟んで、前記導管の外壁の上に押し付けられる。

本発明の実施形態は、図面の中に描かれ、且つ、以下の説明の中で詳しく説明される。これらの図面において、同じ参照符号は、同一のまたは同様なパーツを示している。

本発明の第一の好ましい実施形態に基づく熱交換器１００を、図１を参照しながら説明する。

図１に示されているように、熱交換器１００は、作業流体のための複数の導管１１０を有しており、各導管は、外壁１１２を有し、また、各導管は、導管１１０の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル１２０及び少なくとも一つの凝縮器チャネル１３０形成するための内壁１１４を有している（図２参照方）。更にまた、熱交換器は、蒸発器チャネルの中に熱を移送するための第一の熱移送要素１５０、及び凝縮器チャネルから熱を移送するための第二の熱移送要素１８０を有している。導管１１０は、縦型の姿勢で配置されている。しかし、少なくとも４５度の姿勢もまた、可能である。蒸発器チャネル１２０と凝縮器チャネル１３０は、導管１１０の中に平行に配列されている。

図１に示された実施形態において、第一の熱移送要素は、取り付け要素１５０を有しており、この取り付け要素は、熱の発生源を取り付けるための取り付け表面１６０、及び、導管の外壁１１２の、蒸発器チャネル１２０に関係する部分への熱的接触を確立するための接触表面１７０を有している。

特に、図１に示された実施形態において、取り付け要素１５０は、ベース・プレートの形態を取り、このベース・プレートは、熱の発生源を取り付けるための平面状の取り付け表面１６０、及び、取り付け表面の反対側にある接触表面１７０を有し、この接触表面は、導管１１０の外壁１１２に適合する溝１７５を有している。更にまた、第二の熱移送要素１８０は、導管１１０の外壁１１２上に設けられた冷却フィンを有していて、分配マニフォールド１９０として使用される二つのヘッダー・チューブが、導管１１０の両端に接続されている。熱の発生源２００から熱が流入する場合には、作業流体が、蒸発器チャネルの中を、上側の分配マニフォールド１９０へ上昇し、そこから、凝縮器チャネル１３０まで上昇する。恐縮器チャネルで、流体が凝縮して、より低い分配マニフォールド１９０へ落下する。

図１に示された実施形態において、導管１１０は、フラットなマルチ・ポート型の押出し成形されたアルミニウム・チューブの形態を取っている。それにより、フラット・チューブ１１０の平面状の外側壁が、ベース・プレート１５０の平面状の取り付け表面１６０に対して垂直の方向を向く。好ましくは、二つのサポート・バー１９５もまた、アセンブリの両側面に、取り付けられる。サイド・バー１９５は、アセンブリに機械的な強度を付け加え、それとともに、最も側面側のフィン１８０に空気の流れを送り込むために、それらのフィンを取り囲んでいる。

取り付け要素は、それに熱発生ユニットを取り付けるための二つの取り付け孔１６５を有している。ベース・プレート１５０のフラットなサイドで、取り付け孔に対する代替として、フラットな表面１６０上のＴ字型のスロットが、ボルト及びナットを使用してコンポーネントを取り付けるために、使用されることが可能である。これらのスロットは、取り付け孔を作るために必要となる第二の機械加工ステップを省略するために、押し出し部品の一部として作られることも可能である。Ｔ字型のスロットは、フィンのコラムの上方の領域に一致するように、デザインされることが可能であり、それによって、ベース・プレートの中での熱の流れの擾乱が、減らされることになる。

図１に示された熱交換器１００は、ループ・サーモ・サイフォンの原理で動作する。熱交換器には、作業流体が注入される。如何なる冷却流体も、使用されることが可能である；その幾つかの例は、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３６５ｍｆｃ、Ｒ６００ａ、二酸化炭素、メタノール及びアンモニアである。デバイスは、縦向きに、または縦方向から小さな角度傾けた状態で、取り付けられ、それによって、フィン１８０が、ベース・プレート１５０よりもより高く位置することになる。内側の流体の量は、好ましくは、液体のレベルがベース・プレート１５０のレベルよりも下側にならないように、調整される。

ベース・プレート１５０の溝１７５は、電気的なコンポーネントにより発生した熱を、マルチ・ポート型のフラット・チューブ１１０の前面側へ、伝える。図２から分かるように、フラット・チューブの、ベース・プレートの溝１７５により覆われた部分（それらは蒸発器チャネル１２０である）のみが、熱を直接的に受ける。熱の一部は、フラット・チューブの壁を通って伝えられることもある。蒸発器チャネル１２０は、完全にまたは部分的に、作業流体で満たされ、それは、最初の注入量に依存する。流体は、蒸発器チャネル１２０の中で、熱のために蒸発し、蒸気が、浮力の効果により、チャネルの中で上昇する。液体の一部はまた、蒸気の流れの中に連行され、チャネルの中に押し上げられることになる。

ベース・プレートのレベルよりも上方において、フラット・チューブ１１０は、その両側に、空冷用のフィン１８０を有している。これらのフィン１８０は、典型的に、対流する空気の流れにより冷却される。そのような流れは、一般的に冷却ファンまたはブロワ（図示せず）により生じる。自然対流の流れを使用することもまた、可能である。自然対流の場合には、縦方向から大きな角度で傾けて、システムを設置することが好ましいであろう。蒸発器チャネル１２０の内側の蒸気と液体の混合物は、トップ側のヘッダー・チューブ１８０に到達し、凝縮器チャネル１３０を流れ下る。チャネル１３０がフィン１８０により冷却されるので、凝縮器チャネル１３０の中を通過している間に、蒸気が凝縮して液体に変わる。凝縮液体は、ボトム側のヘッダー・チューブ１８０へ流れ下り、蒸発器チャネル１２０の中に戻り、このようにして、ループを閉じる。

他の全てのサーモ・サイフォン・タイプのデバイスと同様に、内側の全ての空気及び他の非凝縮性ガスは、好ましくは、抜き取られ（即ち、排出され）、システムが、作業流体で部分的に満たされる（即ち、充填される）。このために、排出兼充填バルブ（図示せず）が、このアセンブリに含まれている。ヘッダー-チューブの自由端は、そのようなバルブのために、適切な位置である。単一のバルブを、充填及び排出の双方のために、使用することも可能である。その代わりに、熱交換器は、排気され、充填され、恒久的に密閉されることも可能である。この場合には、バルブは必要でない。

図１に示された実施形態において、冷却フィン１８０が、フラット・チューブ１１０の両側を完全に覆っている。結果として、蒸発器チャネル１２０の中を上昇した蒸気は、それがベース・プレート１５０のレベルよりも上に到達すると、直ちに、凝縮し始める。これは、上昇する蒸気と下降する凝縮液の交差する流れをもたらすことがあり、それは、流れの圧力低下を増大させて、熱交換器の運転を妨げることもある。

この状況を避けるために、本発明の更なる実施形態が、図３に関して、説明される。それによれば、冷却フィン１８０は、導管１１０の外壁１１２の、凝縮器チャネル１３０に関係する部分の上にのみ設けられている。同じ理由のために、図３に示された方向への冷却用の空気の流れを有していることが好ましいことがあり、それによって、最も冷たい空気の流れが、凝縮器チャネル側に最初に当たることになる。

ベース・プレート１５０は、好ましくは、アルミニウムまたは銅のような、高い熱伝導性を有する材料で作られる。ベース・プレートは、押出し、鋳造、機械加工、またはそのような一般的なプロセスの組み合わせを用いて、製造されることが可能である。ベース・プレートは、フラット・チューブ・アセンブリの正確なサイズに合わせて作られる必要はない。実際、システムに熱的な容量を付け加えるために、大きめに作られることが好ましいこともある。プレートの一方の端は、フラット・チューブと接触している。ベース・プレートは、図３に示されているように、マルチ・ポート型のフラット・チューブを部分的に覆う側に、溝を有している。チャネルは、フラット・チューブに適合するように形作られる。プレートのもう一方の側は、パワー・エレクトロニクスの回路要素（例えば、ＩＧＢＴ，ＩＧＣＴ，ダイオード，パワー・レジスター、その他）のような、平面実装された熱発生コンポーネント２００を受けるために、フラットに作られている。取り付け孔１６５（ネジ付きの孔またはネジ無しの孔）は、コンポーネントをボルトで固定するために、フラットな表面の上に配置される。

図３は、本発明の更なる実施形態を示す。基本的なデザインのこの変形形態において、二つのベース・プレートが、反対の方向を向いて組み立てられる。各ベース・プレートは、溝１６５を有していて、これらの溝は、フラット・チューブ両側で、蒸発器チャネル１２０と重複する。この形態は、コンポーネントの相互の間の距離を最小にするので、電気回路のレイアウトに、大きな利点をもたらす。図３の中の形態と同様に、冷却フィン１８０は、凝縮器の部分のみを覆うように、並べられている。

留意すべきことは、以上で示したように、ベース・プレートの両方が、平面実装された熱発生コンポーネントを受けるようにデザインされる必要は、必ずしも無いことである。システムの熱的な容量を増大させるために、プレートの内の一方が、質量の塊としてのみ使用されることもまた可能である。

図１から４に示されたマルチ・ポート型のフラット・チューブは、内部チャネルが対称のレイアウトを有している。それによって、ループ・サーモ・サイフォンの形態の上昇流れ及び下降流れが、同一のマルチ・ポート型のチューブを共有する。この理由のために、これらの二つの流れのためのチャネルを、独立にデザインすることが、好ましい。例えば、冷却材の蒸気と液体の混合物の流れの中での、最大の圧力低下が、蒸発器チャネル１２０の内側で、作り出される。この理由のために、図５から分かるように、より大きいチャネルの断面積を、これらのチャネルに割り当てることが、好ましいこともある。

凝縮器チャネル１３０に対して、分離壁を備えたより小さいチャネル、または内壁表面上の付加的なフィン状の形状が、内側チャネルの表面を増大させるために、好ましいことがあり、このようにして、図６から分かるように、熱伝達表面を増大させる。

マルチ・ポート型のチューブの内側で、異なるサイズのチャネルを使用するとき、内部の圧力に対して全ての部分の強度が等しくなるように、チューブの周囲の周りで異なる壁の厚さを有することが、必要となることもある。例えば、大きいサイズの蒸発器チャネルの周りの壁の厚さが、小さい凝縮器チャネルの周りのより薄い壁の厚さを使用しながら、増大されることが可能である。一様で且つ厚い蒸発器の厚さを使用する場合と比較すると、このアプローチは、材料のコストを節約することが可能である。アルミニウムのマルチ・ポート型の押出し成形されたフラット・チューブで使用される壁の典型的な厚さは、０．２から０．７５ｍｍのオーダーである。

本発明の更なるアスペクトによれば、熱交換器を製造するための方法１００が提供される。それによれば、この方法は、下記のステップを有している：作業流体のための少なくとも一つの導管１１０を用意する、ここで、各導管は、外壁１１２、及び導管１１０の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル１２０及び少なくとも一つの凝縮器チャネル１３０を形成するための少なくとも一つの内壁１１４を有している；導管１１０に取り付け要素１５０，１８３を接続する、ここで、この取り付け要素は、熱の発生源を取り付けるための取り付け表面、及び、導管の外壁の、蒸発器チャネルに関係する部分への熱的接触を確立するための接触表面を有している。

組み立ての後、熱交換器のコンポーネントは、好ましくは、一回の炉内ロウ付けプロセスの中で一体に接合される。アルミニウムのアルミニウム上へのハンダ付け及びロウ付けは、特に容易ではない。その理由は、アルミニウムの上の酸化物の層がハンダ材料による濡れを妨げるからである。このタスクを実行するために、様々な方法が採用される。好ましくは、ベースとなるアルミニウム材料が、ＡｌＳｉのロウ材料（クラッディングとも呼ばれる）で覆われる。このロウ材料は、ベースとなるアルミニウム合金よりも低い温度（約５９０℃）で溶融する。アルミニウムのチューブは、薄い層として既に取り付けられたクラッディングとともに、押出し成形される。

フラックス材料が、チューブを漕の中に浸漬することにより、またはスプレイすることにより、チューブの上にも塗布される。それらのパーツが炉の中で加熱されたとき、フラックスが、アルミニウムの酸化物の層を化学的に取り除くために働く。コントロールされた雰囲気には、無視し得る程度の酸素（窒素雰囲気が一般的に使用される）しか含まれておらず、そのため、新しい酸化物の層がプロセスの間に形成されることはない。酸化物の層が無ければ、溶融したロウ材料が、隣接する部分を濡らして、組み立てられるコンポーネントの間の間隙を閉じることが可能である。それらのパーツが冷却されたとき、信頼性が高く且つ気密性のある接合ができあがる。更にまた、冷却フィンとチューブもまた接合されて、それらの間に、良好な熱的な界面を確保する。

ベース・プレートとフラット・チューブの間に良好な熱的な接触界面が存在することが、非常に望ましい。もし、ベース・プレート・チャネルも、炉内でのロウ付けプロセスの間にフラット・チューブの上にロウ付けされれば、特に好ましい。事実、ベース・プレートを、アセンブリがロウ付け用の炉の中を通過する間、フラット・チューブ・アセンブリのための固定構造として使用することが可能である。デバイス全体を組み立てて、それを一回の処理でロウ付けすることは、ベース・プレートの上のチャネルが、フラット・チューブの位置に正確に適合することを、確実にする。その代わりに、熱交換器のコアがロウ付けされた後に、ベース・プレートをフラット・チューブに結合するために、第二の、より低い温度でのハンダ付けプロセスが、採用されることも可能である。ハンダ付けのための再加熱の間に、ロウ付けされた接合部が外れないことを確保するために、より低い温度でのハンダ付けが必要となる。

ハンダ付けまたはロウ付けされた接合部の潜在的な弱点は、ベース・プレートのフラットな表面の変形（即ち、たわみ）の可能性である。表面の改善のために、ロウ付け後の表面機械加工が必要になることもある。その代わりに、ベース・プレート・チャネルが、フラット・チューブの上に圧入されることも可能であり、または、間隙を埋める能力及び高い熱的な伝導性を備えた接着剤が、使用されることも可能である。

更にまた、ルーバー型の（louvered）フィンを備えた、フラットなマルチ・ポート型のチューブを使用することが好ましい。フラット・チューブは、円形のチューブと比べて、小さい圧力低下を空気の流れにもたらす。それに加えて、マルチ・ポート型のデザインは、内部の熱伝達表面を増大させる。ルーバー型のフィンは、大きな圧力低下を伴うことなく、熱伝達率を増大させる（ルーバー（louvers）とは、フィンの表面の上のねじられたスリットである）。フィンは、アルミニウム板のストリップから切り出され、ここに示されているように、アコーディオン状の形状に曲げられる。フィンの間のピッチは、“アコーディオンを引っ張ること”によって、組み立ての間に容易に調整されることが可能である。フラット・チューブの両端で、二つの円形のヘッダー・チューブは、分配マニフォールドを構成する。最も重要なことは、熱交換器コアのこれら全ての要素の組み付け及び組み立てが、完全に自動化されたやり方で行われることが可能であることである。

本発明の更なる好ましい実施形態に基づく熱交換器１００を、図７を参照しながら説明する。

図７に示されているように、熱交換器１００は、作業流体のための複数の導管１１０を有しており、各導管は、外壁１１２を有し、また、各導管は、導管１１０の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル１２０及び少なくとも一つの凝縮器チャネル１３０形成するための内壁１１４を有している。更にまた、熱交換器は、第一の環境２７０を第二の環境２６０からを分離するための分離要素２５０を有しており、それによって、第一の環境２７０の温度が、第二の環境２６０の温度よりも高くなる。

図８から分かるように、冷却フィン１８０が、導管１１０の外壁１１２の、凝縮器チャネル１３０に関係する部分に設けられ、加熱フィン１８３が、導管１１０の外壁１１２の、蒸発器チャネル１２０に関係する部分に設けられている。加熱フィン１８３及び冷却フィン１８０は、それぞれ、第一及び第二の熱移送要素として働く。

図７及び８に示された熱交換器１００もまた、ループ式のサーモ・サイフォンの原理で動作する。熱交換器には、作業流体が注入される。如何なる冷却剤の流体も使用されることが可能である；その幾つかの例は、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ３６５ｍｆｃ、Ｒ６００ａ、二酸化炭素、メタノール、及びアンモニアである。

加熱フィン１８３は、第一の環境２７０から、熱交換器１００の蒸発器チャネル１２０へ、熱を伝える。熱の一部は、フラット・チューブの壁を通って、伝えられることもある。そのとき、蒸発器チャネル１２０は、完全にまたは部分的に、作業流体で満たされ、それは、最初に注入された量に依存する。蒸発器チャネル１２０の中の流体が、熱のために蒸発して、蒸気が、浮力の効果により、チャネルの中を上昇する。液体の一部もまた、蒸気の流れの中に連行され、チャネルの中に押し上げられることになる。

蒸発器チャネル（１２０）の内側の蒸気と液体の混合物が、トップ側のヘッダー・チューブ１８０に到達し、、凝縮器チャネル１３０を流れ下る。チャネル１３０が、より低温の、第二の環境の中に配置されているフィン１８０により冷却されるので、凝縮器チャネル１３０の中を通過している間に、蒸気が凝縮して、液体に戻る。凝縮した液体は、ボトム側のヘッダー・チューブ１８０へ流れ下り、蒸発器チャネル１２０に戻り、このようにして、ループを閉じる。

図１は、本発明の第一の実施形態を示す。図２は、図１に示された実施形態の断面図である。図３は、本発明の第二の実施形態の詳細図を示す。図４は、本発明の更なる実施形態を示す。図５は、本発明の更なる実施形態を示す。図６は、本発明の更なる実施形態を示す。図７は、本発明の更なる実施形態を示す。図８は、図７に示された実施形態の断面図である。

符号の説明

１００・・・熱交換器、１１０・・・導管、１１２・・・導管の外壁、１１４・・・導管の内壁、１２０・・・蒸発チャネル、１３０・・・凝縮器チャネル、１５０・・・第一の熱移送要素、１６０・・・取り付け表面、１６５・・・取り付け孔、１７０・・・接触表面、１７５・・・溝、１８０・・・第二の熱移送要素、１８３・・・加熱フィン、１９０・・・分配マニフォールド、１９５・・・サポート・バー、２００・・・熱の発生源、２５０・・・分離要素、２６０・・・第二の環境、２７０・・・第一の環境。

Claims

熱の発生源（２００）から熱エネルギーを取り除くための熱交換器（１００）であって：
ａ）作業流体のための少なくとも一つの導管（１１０）を有し、この導管は、少なくとも４５度の角度で、縦型の姿勢で配置され；
各導管（１１０）は、
ａ１）外壁（１１２）、及び、
ａ２）前記導管（１１０）の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル（１２０）及び少なくとも一つの凝縮器チャネル（１３０）形成するための少なくとも一つの内壁（１１４）、を有し；
当該熱交換器（１００）は、更に、
ｂ）前記蒸発器チャネルの中に熱を移送するための第一の熱移送要素（１５０；１８３）、及び、
ｃ）前記凝縮器チャネルから熱を移送するための第二の熱移送要素（１８０）、を有していること、
を特徴とする熱交換器。
下記特徴を有する請求項１に記載の熱交換器（１００）：
前記少なくとも一つの導管（１１０）は、縦型の姿勢で配置されている。
下記特徴を有する請求項１または２に記載の熱交換器（１００）：
前記少なくとも一つの蒸発器チャネル（１２０）及び少なくとも一つの凝縮器チャネル（１３０）は、前記少なくとも一つの導管（１１０）の中で、平行に配列されている。
下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記第一の熱移送要素（１５０；１８３）は、取り付け要素（１５０）を有し；
この取り付け要素は、
ｂ１）前記熱の発生源（２００）を取り付けるための取り付け表面（１６０）、及び、
ｂ２）前記導管（１１０）の外壁（１１２）の、前記蒸発器チャネル（１２０）に関係する部分に対する熱的接触を確立するための接触表面（１７０）、
を有している。
下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記第二の熱移送要素（１８０）は、前記導管（１１０）の外壁（１１２）の、前記凝縮器チャネル（１３０）に関係する部分に設けられた冷却フィンを有している。
下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
分配マニフォールド（１９０）が、前記少なくとも一つの導管（１１０）の少なくとも一方の端に接続されている。
下記特徴を有する請求項４から６のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記取り付け要素（１５０）は、ベース・プレートを有し、
このベース・プレートは、前記熱の発生源（２００）を取り付けるための平面状の取り付け表面（１６０）、及び、この取り付け表面（１６０）の反対側に位置し、前記導管（１１０）の外壁（１１２）の部分に適合する少なくとも一つの溝（１７５）を有する接触表面（１７０）、を有している。
下記特徴を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記導管（１１０）は、平面状の外側壁を有するフラット・チューブであり、および／または、
前記導管（１１０）は、アルミニウムで作られている。
下記特徴を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記蒸発器チャネル（１２０）は、前記凝縮器チャネル（１３０）と比べてより大きな断面積を有し、および／または、
前記凝縮器チャネル（１３０）は、前記凝縮器チャネル（１３０）と比べてより大きな内側表面を有している。
下記特徴を有する請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記熱交換器（１００）は、第一の環境を第二の環境からを分離するための分離要素（２５０）を有していて、それによって、第一の環境の温度が、第二の環境の温度よりも高くなる。
下記特徴を有する請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）：
前記第一の熱移送要素（１５０；１８３）は、前記導管（１１０）の外壁（１１２）の、前記蒸発器チャネル（１２０）に関係する部分に設けられた加熱フィン（１８３）を有している。
熱の発生源から熱エネルギーを取り除くための熱交換器を製造する方法であって：
ａ）作業流体のための少なくとも一つの導管（１１０）を用意すること、ここで、各導管は、外壁（１１２）、及びこの少なくとも一つの導管（１１０）の中に少なくとも一つの蒸発器チャネル（１２０）及び少なくとも一つの凝縮器チャネル（１３０）形成するための少なくとも一つの内壁（１１４）を有している；
ｂ）この少なくとも一つの導管（１１０）に、熱を前記蒸発器チャネル（１２０）の中に移送するための第一の熱移送要素（１５０；１８３）、及び熱を凝縮器チャネル（１３０）から移送するための第二の熱移送要素（１８０）を接続すること；
を特徴とする方法
下記特徴を有する請求項１２に記載の方法：
前記熱交換器（１００）のコンポーネントは、一回の炉内ロウ付けのプロセスの中で、一体に接合され、および／または、
前記熱交換器のコンポーネントは、前記ロウ付けのプロセスの前に、ロウ材料、好ましくはＡｌＳｉ系ロウ材料で覆われる。
下記特徴を有する請求項１３に記載の方法：
フラックス材料が、前記ロウ付けのプロセスの前に、前記熱交換器（１００）のコンポーネントに塗布され、および／または、
前記ロウ付けのプロセスは、非酸化性雰囲気の中で行われる。
下記特徴を有する請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法：
前記取り付け要素（１５０）を除く全てのコンポーネントが、一回の炉内ロウ付けのプロセスの中で接合され、
前記取り付け要素（１５０）は、熱伝導性を有する隙間充填材料を間に挟んで、前記導管（１１０）の外壁（１１２）の上に押し付けられる。