JP2018021749A - 相変化材料を用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器要素内の流体流チャネル間に配置された相変化材料が含浸された熱伝導性発泡体を備える熱交換装置を提供する。【解決手段】複数の流体流チャンネル１２と、その間に配置される複数の収容部１４には熱伝導性発泡体１６が含まれる。発泡体１６の高い熱伝導率と発泡体１６を含浸する相変化材料の高い熱エネルギー蓄積特性は相まって、そうでない場合より高いデューティサイクル及び高いピーク熱デューティを熱交換装置１０にもたらす。【選択図】図１

Description

＜関連出願の相互参照＞
不適用

＜連邦政府資金による研究開発の記載＞
不適用

本出願は一般に熱交換装置に相変化材料を使用する技術に関する。

＜３７ＣＦＲ１．９７および１．９８により開示される情報を含む関連技術の説明＞
熱交換装置は流体流の間で熱を交換する。これらの流体流は直交流、逆流、又は平行流（並流）に配列され、混和しないように個体の壁で分離し得る。流体流を分離する壁は流体流間の熱交換のために熱伝導性の材料及び構造にし得る。ろう付けアルミニウムフィン熱交換器（ＢＡＨＸ）等の熱交換装置では、流体流は仕切りシート上にろう付けされた様々な構造のアルミニウムフィンアレイよりなるチャネルに通される。

相変化材料は質量及び容積に対してかなりの量の潜熱エネルギーを蓄積し得ることが知られているが、相変化材料の熱伝導性は一般的に極めて低い。相変化材料は一般的に、有機材料、共融溶液、含水塩、及び高温塩の４つの公称カテゴリに分類される。相変化材料は他の材料とのそれらの反応性及びそれらの溶融温度により区別することができる。

グラファイト及び金属発泡体も、それらの高い熱伝導性、低い化学反応性及び軽量であるために、熱交換器に使用することが知られている。

熱交換器要素と該要素に沿って流れる流体との間で熱交換する熱交換装置が提供される。この装置は、第１の流体流チャネルと、第２の流体流チャネルと、第１の流体流チャネル及び第２の流体流チャネルの間に配置された収容部とを備える。この収容部内に熱伝導性発泡体が配置され、この熱伝導性発泡体に相変化材料が含浸される。

熱交換装置を製造する方法が提供される。この方法は、第１及び第２の流体流チャネルの間に配置された収容部内に熱伝導性発泡体を設けるステップと、その熱伝導性発泡体に相変化材料を含浸させるステップとを備える。

熱交換器要素中の収容部内に配置された熱伝導性発泡体に含浸させた相変化材料を備え、前記収容部はマルチ中空押出加工物内の細長い空洞又はチャネルである、熱交換装置の第１の実施形態の部分切除側面図である。 図１の２−２線に沿う、図１の熱交換装置の分解断面図であり、熱伝導性発泡体及び相変化材料は明瞭化のために除去されている。 図１の２−２線に沿う、図１の熱交換装置の熱交換器要素及び相変化材料が含浸された熱伝導性発泡体の断面図である。 図１の熱交換装置の熱交換器要素及び熱伝導性発泡体の図３の四角で囲まれた部分の部分拡大断面図である。 図４の部分拡大断面図であって、熱伝導性発泡体に含浸された相変化材料を示す。 図４の部分拡大断面図であって、収容部と相変化材料が含浸熱された伝導性発泡体との間に配置されたろう付け又ははんだ付けフィラー金属層を示す。 図１の実施形態に類似するが、含浸熱伝導性発泡体に形成された又は機械加工された溝を備える、熱交換装置の代替実施形態の分解断面図である。 熱交換器要素の間に配置された相変化材料が含浸された熱伝導性発泡体の層を備える、熱交換装置の更なる代替実施形態の部分切除側面図である。 図８の９−９線に沿う、図７の熱交換装置の熱交換器要素及び相変化材料が含浸された熱伝導性発泡体層の断面図である。 熱交換装置を製造するいくつかの代替方法を示すフローチャートである。

装置に沿って又は装置中を流れる流体流の間で熱を交換する熱交換装置の第１の実施形態が図１−６に全体を１０として示されている。第２の実施形態が図７に全体を１０’として示され、第３の実施形態が図８及び図９に全体を１０”として示されている。図７のプライム記号（’）が付された参照番号及び図８及び図９のダブルプライム（”）が付された参照番号は、第１の実施形態にも存在する要素の代替構成を示す。特に指示のない限り、以下の説明の一部は参照番号を用いて図１〜６について記載するが、その部分説明は図７のプライムが付された番号及び図８及び図９のダブルプライムが付された番号で示される要素にも適用される。

装置１０は、熱交換装置の構成に適したアルミニウム、銅、ステンレス鋼、及び／又は任意の他の適切な材料で構成することができ、図１に示すように、複数の流体流チャネル１２と、それらの流体流チャネル１２の間に配置され、それらの流体流チャネルを分離する複数の収容部１４とを含み得る。図４に最も良く示されるように、装置１０は更に収容部１４内に配置された熱伝導性発泡体１６を含み得る。熱伝導性発泡体１６はグラファイト発泡体が好ましいが、代わりに又は加えて、任意の適切なアルミニウム及び／又は金属発泡体又は発泡体構成材を含み得る。図６に最も良く示されるように、熱導電性発泡体１６と収容部１４との間の保持力を増加し、界面抵抗を最小にし、熱伝導率を増加するために、発泡体１６と収容部１４との間にろう付け又ははんだ付け充填金属層１８を配置してもよい。

図７に最も良く示されるように、第２の熱交換装置の実施形態によれば、熱伝導性発泡体１６’は発泡体１６’の膨張及び収縮を許容するように形成され配置された複数のほぼ平行の矩形溝２０を含んでもよい。

収容部１４と熱伝導性発泡体１６との間に締り嵌めを与えるために、熱伝導性発泡体１６は複数の収容部１４の各収容部１４内に力嵌め、例えば圧入又は押入してもよい。図５に最も良く示されるように、熱伝導性発泡体１６に、従来知られている４つの公称カテゴリ、有機材料、共有溶液、含水塩及び高温塩、の相変化材料から選ばれるヘキサデカン１９又は他の適切な材料を含浸させてもよい。

熱伝導発泡体１６及び相変化材料１９を受け入れる収容部１４は、金属押出加工物、例えばマルチ中空押出加工物（ＭＨＥ）１５、に形成された平行な細長い空洞又はチャネルよりなるものとしてよい。流体流チャネル１２の各々は、図１に最も良く示されるように、隣接する金属押出加工物１５の間に配置され、隣接する金属加工物１５を接続するバッフルの内部側壁面と、隣接する金属押出加工物１５の上壁及び下壁の外表面とで画成されるものとしてよい。同様に図１に最も良く示されているように、金属押出加工物１５はエンドマニホルド２２間を延在し、それらのエンドマニホルドによってほぼ平行に間隔を置いて支持されるようにしてよい。図２及び図３に最も良く示されるように、熱伝導性フィンアレイ２４を隣接する押出加工物１５間の流体流チャネル１２内に配置し、これらのチャネルに沿って延在させてよい。これらのフィンアレイ２４は任意の適切な形状及び間隔にしてよく、好ましくはアルミニウム製としてよい。例えば、図に示すフィンアレイ２４は流れを横切る方向に向けられているが、他の実施形態では逆流方向に又は並流方向に向けてもよい。

代案として、図８及び図９の実施形態に示されるように、流体流チャネル１２”はマルチ中空押出加工物（ＭＨＥ）１５”に形成された細長い空洞又はチャネルで構成し、相変化材料１９”が含浸された熱伝導性発泡体１６”を収容する収容部１４”はＭＨＥ１５間に散在させてもよい。この実施形態によれば、熱伝導性発泡体１６”および相変化材料１９”を収容する各収容部１４”は、図９に示すように、隣接する流体流チャネル１２”間に配置された細長いチャネルを備え、バッフルの内部側壁と流体流チャネル１２”を画定する金属押出加工物１５”の上壁及び下壁の外表面とによって画成される。あるいは、図９に示すように、熱伝導性発泡体１６”は、熱伝導性発泡体の膨張及び収縮を許容するように形成され配置された複数のほぼ平行な矩形の溝２０”を含んでもよい。

図１０に示すように、装置１０は、操作ステップ３０に従って、最初に、流体流チャネル１２間に配置された収容部１４を少なくとも部分的に構成する又は画成する熱交換器要素を準備又は形成することによって構成することができる。熱交換装置１０は、ろう付け、押出加工、又は当該技術分野において知られている他の適切な手段によって構築し得る。流体流チャネル１２及び／又は介在する収容部１４は、例えば金属を押出加工物内に複数の平行な細長いチャネルを形成するように押出加工することによって一以上のマルチ中空押出加工物５に形成することができる。

次に、図１０の操作ステップ３２−４０、操作ステップ４２又は操作ステップ４４−４８に従って、熱伝導性発泡体１６を収容部１４内に収容することができる。熱伝導性発泡体１６と収容部１４の内部表面との間に締り嵌めを与えるために、操作ステップ３６に従って収容部１４を最初に加熱して熱膨張させる。このとき、操作ステップ３６に従って、熱伝導性発泡体１４を熱膨張した収容部１４内に挿入することができ、その後操作ステップ４０に従って収容部１４を冷却により熱伝導性発泡体１６の周囲で収縮させる。代わりに、熱伝導性発泡体１６と収容部１４の内部表面との間の締り嵌めは、操作ステップ４２に従って、予め成形したオーバサイズの熱伝導性発泡体１６を収容部１４内に圧入することによって与えてもよい。

代わりに又は加えて、熱伝導性発泡体１６は、図１０の操作ステップ３２に従って、収容部１４に嵌るように形成された熱伝導性発泡体挿入物に予め形成してもよい。予め形成した発泡体挿入物の外面及び／又は収容部１４の内面はその後、操作ステップ４４に従って、ろう付け又ははんだ付け充填金属層１８で被覆してよい。予め形成した熱伝導性発泡体挿入物はその後、操作ステップ４６に従って、収容部１４内に挿入し、収容部１４内の所定の位置にろう付け又ははんだ付けしてよい。発泡体挿入物を収容部１４内の所定の位置にろう付けする場合には、操作ステップ４８に従って、発泡体挿入物と収容部１４をろう付け炉内で加熱してよい。溝２０は、発泡体挿入物を操作ステップ３２に従って予め形成する際に予め形成する熱伝導性発泡体に形成してもよいし、発泡体挿入物を形成した後にその発泡体挿入物に形成してもよい。何れの場合にも、溝２０は発泡体挿入物を操作ステップ３８に従って収容部１４内に挿入する前に形成するのが好ましい。

その後、図１０の操作ステップ５０−５４に従って、相変化材料１９、例えばヘキサデカン、を熱伝導性発泡体１６内に与える、例えば含浸させることができる。相変化材料１９は、装置１０内に閉じ込められている空気や蒸気を引き出すために熱伝導性発泡体１６を通して真空で引き、その後操作ステップ５２及び５４に従って、相変化材料１９を液体に溶融し、それを熱伝導性発泡体１６内に吸い込ませることによって、熱伝導性発泡体１６内に組み入れることができる。熱伝導性発泡体１６は、含浸前に、操作ステップ５０に従って熱伝導性発泡体に吸収されたかもしれない材料を脱着させるために加熱することができる。その後操作ステップ５６に従って、金属押出加工物１５の対向開口端をカプセル封止するために、エンドマニホルド２２を金属押出加工物１５の対向端に例えば溶接によって取り付けることができる。その後操作ステップ５６に従って、収容部１４は窒素でバックフィルし（充填し）、加圧することができる。このバックフィル及び加圧は熱交換装置１０のライフサイクルを通してシステム内への湿気や空気の侵入を防止する。

発泡体１６の高い熱伝導率と発泡体１６を含浸する相変化材料１９の高い熱エネルギー蓄積特性は相まって、そうでない場合より高いデューティサイクル及び高いピーク熱デューティを熱交換装置１０にもたらす。

以上の説明は、本発明を限定するというよりはむしろ、請求の範囲に記載する本発明の一以上の実施形態を例示しているにすぎない。従って、以上の説明の文言はもっぱら説明のためであり、限定するものではない。

本発明は本明細書の教示から変更することができる。当業者は、本発明を請求項に記載の範囲内において上記以外の態様に実施することが可能である。

Claims (21)

1. 熱交換器要素と前記熱交換器要素に沿って流れる流体との間で熱交換する熱交換装置であって、前記装置は、
   第１の流体流チャネルと、
   第２の流体流チャネルと、
   前記第１の流体流チャネル及び前記第２の流体流チャネルの間に配置された収容部と、
   前記収容部内に配置された熱伝導性発泡体と、
   前記熱伝導性発泡体に含浸された相変化材料と、
   を備える、熱交換装置。
2. 前記相変化材料は、有機材料、共融溶液、含水塩又は高温塩からなる材料群から選択される、請求項１記載の熱交換装置。
3. 前記相変化材料はヘキサデカンを含む、請求項１記載の熱交換装置。
4. 前記熱伝導性発泡体は、グラファイト発泡体、アルミニウム発泡体又は金属発泡体からなる材料群から選択される一以上の材料を含む、請求項１記載の熱交換装置。
5. 前記熱伝導性発泡体は溝を含む、請求項１記載の熱交換装置。
6. 前記熱伝導性発泡体は前記収容部内に圧入されている、請求項１記載の熱交換装置。
7. 前記熱伝導性発泡体は前記収容部内に押入されている、請求項４記載の熱交換装置。
8. 前記熱伝導性発泡体と前記収容部との間にろう付け又ははんだ付け充填金属層が配置されている、請求項１記載の熱交換装置。
9. 前記収容部は、前記第１及び第２の流体流チャネルの間に配置されたマルチ中空押出加工物に形成されたチャネルである、請求項１記載の熱交換装置。
10. 前記マルチ中空押出加工物はアルミニウムよりなる、請求項９記載の熱交換装置。
11. 前記第１の流体流チャネルは第１のマルチ中空押出加工物に配置され、
    前記第２の流体流チャネルは第２のマルチ中空押出加工物に配置され、
    前記収容部は前記第１及び第２のマルチ中空押出加工物の間に配置されている、請求項１記載の熱交換装置。
12. 前記マルチ中空押出加工物はアルミニウムよりなる、請求項１１記載の熱交換装置。
13. 熱交換装置を製造する方法であって、前記方法は、
    第１及び第２の流体流チャネルの間に配置された収容部内に熱伝導性発泡体を付与する付与ステップと、
    前記熱伝導性発泡体に相変化材料を含浸させる含浸ステップと、
    を含む、方法。
14. 前記付与ステップは、マルチ中空押出加工物のチャネル内に熱伝導性発泡体を収容するステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記付与ステップは、前記収容部を熱膨張させ、熱膨張させた前記収容部内に前記熱伝導性発泡体を挿入し、前記熱伝導性発泡体の周りの前記収容部を冷却により収縮させることによって、前記熱伝導性発泡体と前記収容部の内面との間に締り嵌めを与えるステップを含む、請求項１３記載の方法。
16. 前記付与ステップは、前記収容部内に熱伝導性発泡体を圧入することによって前記熱伝導性発泡体と前記チャネルの内面との間に締り嵌めを与えるステップを含む、請求項１３記載の方法。
17. 前記付与ステップは、
    前記収容部内に嵌る前記熱伝導性発泡体を予め形成するステップと、
    発泡体の外面又は収容部の内面の少なくとも一つをろう付け又ははんだ付け充填金属層で被覆するステップと、
    前記予め形成した熱伝導性発泡体を前記収容部内に挿入するステップと、
    前記発泡体及び前記収容部を加熱することによって、前記予め形成した熱伝導性発泡体を前記収容部の所定位置にろう付け又ははんだ付けするステップと、
    を含む、請求項１３記載の方法。
18. 前記熱伝導性発泡体に相変化材料を付与するステップは、前記熱伝導性発泡体にヘキサデカンを含浸させるステップを含む、請求項１３記載の方法。
19. 前記含浸ステップの前に、前記熱伝導性発泡体を加熱する追加のステップを含む、請求項１３記載の方法。
20. 前記熱伝導性発泡体に相変化材料を付与するステップを、前記収容部内に熱伝導性発泡体を付与するステップの後に実行する、請求項１３記載の方法。
21. 挿入ステップの前に、前記熱伝導性発泡体に溝を形成する追加のステップを含む、請求項１３記載の方法。