JP2016025350A - 伝熱プレート - Google Patents

Abstract

【課題】電気回路のサイズの縮小が続く中、部品から熱を離して移動させるために十分な伝熱装置を提供する。【解決手段】伝熱装置１００は、流体入口１０３および流体出口１０５を画定する本体１０１と、流体入口１０３と流体出口１０５との間で流体連通している本体１０１内に画定される複数のチャネル１０７と、を含み、チャネル１０７が、流体入口１０３と流体出口１０５との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される。本体１０１は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で、チャネル１０７を互いに流体的に隔離する単一マトリクスを画定し得る。【選択図】図１

Description

本開示は、伝熱システムに関し、より具体的には、伝熱構造物および伝熱プレートに関する。

電気回路（例えば、航空機または宇宙船回路）における電気部品は、熱発生部品を含み、正常に機能するためには、熱発生部品からの十分な熱移動を必要とする。例えば、送風機、伝熱プレート、および高温表面に隣接して通すための冷却剤を中に含むチューブまたはプレートのような能動的に冷却する装置等の多くの機構を使用して、冷却を達成している。電気回路のサイズの縮小が続く中、部品から熱を離して移動させるために十分な伝熱装置を開発することは、ますます困難になってきている。

かかる従来の方法およびシステムは、一般的に、それらの意図された目的には十分であると考えられている。しかしながら、当該技術分野には改善された伝熱装置の必要性が依然として存在する。金属ベースの付加製造技術における最近の進歩は、従来の機械加工では以前に可能でなかった微小規模の形状寸法的に複雑な装置を可能にしている。伝導性金属および革新的な形状寸法の使用は、高熱流束エネルギー源を冷却する装置に多くの利益を提供する。本開示は、この必要性のための解決策を提供する。

本開示の少なくとも１つの態様では、伝熱装置は、流体入口および流体出口を画定する本体と、流体入口と流体出口との間で流体連通している本体内に画定される複数のチャネルと、を含み、チャネルは、流体入口と流体出口との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される。本体は、流体入口と流体出口との間で、チャネルを互いに流体的に隔離する単一マトリクスを画定し得る。

本装置は、電気部品に装着されるように構成され得る。本体は、アルミニウムまたは任意の他の好適な材料を含み得る。本体は、約０．０８インチ（約２ｍｍ）厚または任意の他の好適な厚さであり得る。本体は、各チャネルに対して少なくとも１つのチャネル流体入口を画定し得る。本体は、各チャネルに対して少なくとも１つのチャネル流体出口も画定し得る。

本チャネルは、波形状であり得、よってそれらは波形によって画定され得る。波形状のチャネルは、チャネルの交差および流体連通を回避するために、各チャネルの波形を互いに相をずらして画定することによって織り合わされ得る。

いくつかの実施形態では、複数のチャネルは、行と列の正方格子状に配列され得る。他の実施形態では、複数のチャネルは、対角線上に画定され得、少なくとも１つの屈曲部を含み得る。

各チャネルは、チャネルが本体内で熱的により合い、互いに流体的に隔離されるように、互いに１８０度相のずれた状態であり得る。

方法は、流体入口および流体出口を画定する本体と、流体入口と流体出口との間で流体連通している本体内に画定される複数のチャネルと、を形成することによって伝熱装置を形成することを含み、チャネルは、流体入口と流体出口との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される。このことは、付加製造によって伝熱装置を形成することを含み得る。

本開示のシステムおよび方法のこれらおよび他の特徴は、図面と関連してなされる以下の詳細な説明から当業者にとってはより容易に明らかになるであろう。

本開示が関係する分野の当業者が、過度の実験を行うことなく、本開示の装置および方法の作製方法および使用方法を容易に理解するように、本発明の実施形態が、以下のある特定の図面を参照して、下に詳細に説明される。

流動矢印によって表される流体流動を模式的に示す、本開示に従う伝熱装置の実施形態の平面図である。 織り合わされる流動チャネルを示す図１の伝熱装置の一部内の液量の模式的な透視図である。 ライン３−３によって取られた断面を示す、図１の伝熱装置の断面側の正面図である。 織り合わされたチャネルを示す、図１の伝熱装置の一部の断面平面図である。 図２に配向されるようなライン５−５に沿って取られた、図１の伝熱装置の一部の断面平面図である。 図１の伝熱装置の一部の拡大断面図である。

同様の参照番号が本開示の類似の構造的特徴または態様を特定する図面への参照が、ここで行われる。説明および例示の目的のためであり、限定のためではなく、本開示に従う伝熱装置の実施形態の実例となる図が、図１に示され、全体として参照文字１００によって指定される。伝熱装置１００の他の表示および態様が、図２〜図６に示される。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、熱源（例えば、電気部品）から伝熱装置１００を通過する冷却流体に熱を伝導して、それによって熱源を冷却させるように使用され得る。

全体として図１を参照すると、伝熱装置１００は、流体入口１０３および流体出口１０５を画定する本体１０１を含む。本体１０１、またはその一部は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で流体連通している本体１０１内に画定される複数のチャネル１０７も画定する。チャネル１０７は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される。図２を参照すると、本体１０１は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で、チャネル１０７を互いに流体的に隔離する単一マトリクスを画定し得る。図１に示されるように、流体入口１０３は、縮小形状プレナム（流動の方向における縮小）か、または任意の他の好適な形状であり得る。また示されるように、流体出口は、拡大形状プレナム（流動の方向における拡大）か、または任意の他の好適な形状であり得る。

装置１００は、電気部品（例えば、マイクロチップまたは他の好適な装置）に装着され、そこから熱を移動し電気部品を冷却するように構成され得る。装置１００を用いる任意の他の好適な伝熱適用が、本明細書に企図される。

図３を参照すると、本体１０１は、約０．０５インチ（約１．２５ｍｍ）〜約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）の厚さ「ｔ」を有し得る。いくつかの実施形態では、本体１０１は、約０．０８インチ（約２ｍｍ）厚であり得る。本体１０１は、任意の他の好適な厚さおよび／または断面設計を有し得る。例えば、本体１０１は、指定の設計エンベロープに一致させるために必要な様々な厚さを含み得る。

最小厚は、チャネルを作製するために使用される製造プロセスの能力によって制限される。本開示の実施形態を伴う付加製造技術の使用は、約０．０２インチ（約０．５ｍｍ）という小さな寸法、および上に示したような全体的な本体厚を有するチャネル１０７を可能にした。

本体１０１は、各流体チャネルがチャネル流体入口１１１で流体入口１０３と接続するように、各チャネル１０７に対して少なくとも１つのチャネル流体入口１１１を画定し得る。チャネル流体入口１１１は、任意の好適なサイズおよび／または形状を含み得、任意の好適な様式で互いに異なり得る。本体１０１は、各流体チャネルがチャネル流体入口１１３で流体出口１０５と接続するように、各チャネル１０７に対して少なくとも１つのチャネル流体出口１１３も画定し得る。チャネル流体出口１１３は、任意の好適なサイズおよび／または形状を含み得、任意の好適な様式で互いに異なり得る。この点において、流れが、入口１０３で装置１００に入り、チャネル入口１１１を通ってチャネル１０７中に移動し、チャネル１０７を通過し、チャネル出口１１３を通って出口１０５に向けてチャネル１０７を出ることができる。

チャネル１０７それぞれは、波形状（例えば、図２に示されるような正弦波、正方形、または任意の他の好適な波形状）を有し、よってそれらは、好適な波形によって画定される。チャネル１０７は、チャネル１０７間の交差を回避し流体連通を回避するために、織り合わされたチャネルから相のずれた各チャネル１０７の波形を画定することによって織り合わされる。

いくつかの実施形態では、複数のチャネル１０７は、行および／または交差する列の正方格子状に配列され得る。図２に示されるように、複数のチャネル１０７は、入口１０３から出口１０５までの直接経路に対して対角線上に画定され得る。チャネル１０７は、チャネル１０７が、格子の端部で屈曲して戻り互いに続けて織り合わされるように少なくとも１つの屈曲部１０９を含み得る。屈曲部１０９は、チャネル入口１１１が全て、格子の１つの端部上に配列され、チャネル出口１１３が、その格子の対向する端部上に配列されることを確実にする。任意の他の好適な構成が、本明細書に企図される。

各チャネル１０７は、チャネル１０７が、本体１０１内でより合うが互いに流体的に隔離されて残るように、それが一緒に織り合わされるチャネルから１８０度相のずれた状態であり得る。このような配置は、複数のチャネル間で一貫した熱伝達を可能にし、従来のシステムと比較して、熱源からの装置１００の熱伝達を増加させる。

チャネル１０７は、本体１０１の厚さよりも低い高さ（波形の振幅）を有し得るが、その厚さ内の任意の好適な高さまたは断面積が、本明細書に企図される。上に記されるように、チャネル１０７は、約０．０２インチ厚であり得、図４〜図６は、流動チャネル１０７の一部の断面図を示す。

本体１０１は、アルミニウムまたは任意の他の好適な熱伝導材料を含み得る。本体１０１を形成する材料および材料の組み合わせは、個別的に、熱伝導特性を考慮して、本体１０１において効率的に熱を流体に伝導するように選択され得る。

本明細書に開示されるように、伝熱装置１００は、冷却剤（例えば、水または任意の他の好適な冷媒）がチャネル１０７を介して本体１０１を効率的に通過することを可能にすることによって、熱源から熱を効率的に移動させる。チャネル１０７の設計は、本体１０１内において、従来の構成に比べて、熱が冷却剤に移動するのにより長い経路および更なる時間を可能にする。そのような小型化設計は、小さい熱発生装置のはるかに効率的な冷却を可能にする。対角線上に織り合わされたチャネル配置は、全てのチャネルが全ての他のチャネルと熱連通するので、不十分な流動分散が原因の伝熱の損失も軽減させる。このことは、密度における大きな変化が流動の不安定性を生じさせ得る２相沸騰適用において、特に有益である。

本開示の別の態様では、方法は、本体内に複数の流体的に隔離されたチャネル１０７を画定する本体１０１を形成することによって伝熱装置１００を形成することを含み、チャネル１０７は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される。このことは、付加製造によって伝熱装置１００を形成することを含み得る。装置１００を形成するための任意の他の好適なプロセスが、本開示の範囲から逸脱することなく使用され得る。

上に説明され図面に示されるように、本開示の方法、装置、およびシステムは、増加した伝熱を含む優れた特性を有する伝熱装置を提供する。本開示の装置および方法が実施形態を参照して示され説明されたが、当業者であれば、変更および／または修正が、本開示の精神および範囲から逸脱することなくそれになされ得ることを容易に理解するであろう。

１００ 伝熱装置（装置）
１０１ 本体
１０３ 流体入口（入口）
１０５ 流体出口（出口）
１０７ チャネル
１１１ チャネル流体入口（チャネル入口）
１１３ チャネル流体出口（チャネル出口）

Claims (14)

1. 伝熱装置であって、
   流体入口および流体出口を画定する本体と、
   前記流体入口と前記流体出口との間で流体連通している前記本体内に画定される複数のチャネルであって、前記チャネルが、前記流体入口と前記流体出口との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される、チャネルと、を備える、伝熱装置。
2. 前記本体が、前記流体入口と前記流体出口との間で、前記チャネルを互いに流体的に隔離する単一マトリクスを画定する、請求項１に記載の伝熱装置。
3. 前記伝熱装置が、電気部品に装着されるように構成される、請求項１に記載の伝熱装置。
4. 前記本体が、約０．０８インチ厚である、請求項２に記載の伝熱装置。
5. 前記本体が、各チャネルに対して少なくとも１つのチャネル流体入口を画定する、請求項１に記載の伝熱装置。
6. 前記本体が、各チャネルに対して少なくとも１つのチャネル流体出口を画定する、請求項５に記載の伝熱装置。
7. 前記チャネルが、波形状であり、波形によって画定される、請求項６に記載の伝熱装置。
8. 前記波形状のチャネルが、チャネルの交差および流体連通を回避するために互いに相のずれた各チャネルの前記波形を画定することによって織り合わされる、請求項７に記載の伝熱装置。
9. 前記複数のチャネルが、行と列の正方格子状に配列している、請求項７に記載の伝熱装置。
10. 前記複数のチャネルが、対角線上に画定され、少なくとも１つの屈曲部を含む、請求項７に記載の伝熱装置。
11. 各チャネルが、前記チャネルが前記本体内で熱的に結びつき互いに流体的に隔離されるように、互いに１８０度相のずれた状態である、請求項１０に記載の伝熱装置。
12. 前記本体が、アルミニウムを含む、請求項１に記載の伝熱装置。
13. 方法であって、
    流体入口および流体出口を画定する本体と、前記流体入口と前記流体出口との間で流体連通している前記本体内に画定される複数のチャネルと、を形成することによって伝熱装置を形成することを含み、前記チャネルが、前記流体入口と前記流体出口との間で、織り合わされて互いに流体的に隔離される、方法。
14. 形成することが、付加製造によって前記伝熱装置を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。

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