JP4303679B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段における１つの熱交換装置に関する。

このような１つの熱交換装置は、特許文献１より公知である。特許文献１は、流れ方向に対して垂直に設けられた複数のビードまたは複数のウェブで製作された表面形状を内側および外側に有する２枚のプレートを備える１つの熱交換器を備える。これらの複数のウェブは、流れの方向において逐次配列され、これらの高さは隣接する複数のウェブの間隔未満である。ここで、複数のウェブは流体に乱れを発生させ、熱伝達を向上させることを企図している。

特許文献２は、１つのブロワと複数の平行な冷却部材を備える１つの冷却アレンジメントを示し、複数の冷却エレメントのそれぞれは、細長い複数の冷却ウェブと、その間に点在する複数のギャップ開口を備え、隣接する２つの冷却エレメントの複数の冷却ウェブは相互にオフセットされ、流れ方向において、１つの冷却エレメントの複数の冷却ウェブが隣接する冷却エレメントを覆う。

特許文献３は、或る形状を有する複数のプレートを備えた乱流熱回収装置を示し、これらの形状は、圧力勾配の方向に対して同一角度で交互に傾斜している。これは、熱交換器の性能を向上させるような１つの乱れを生成することを企図している。

このような複数の熱交換装置は例えば、複数のマイクロプロセッサまたは複数のチップのような複数の電子部品を冷却するために用いられる。これらは、能動型および受動型の複数の冷却ユニットに通常は区別される。能動型の複数の冷却ユニットにおいて、１つの流体流れの援助によって熱の除去が支援されるか、または熱の除去を完全に達成す事を可能にするために、複数のファンまたは複数のベンチレータのようなサブアセンブリが使用される。このように生成された流体流れは１つの放熱体を貫通して流れる、放熱体は１つの熱源に接続され、該熱源の熱を吸収する。公知の複数の放熱体はリブまたはカラム構造を有し、表面上で部分的に粗面化されている。放熱体の周囲に、または放熱体を貫通して流れる流体によって熱が吸収される。複数のプロセッサの冷却の際に、主として空気が流体として使用される。空気の熱伝導性はあまり良好では無いので、入熱表面に比例して大きい放熱表面を有するために、複数の放熱体は比較的大型となるように設計されなければならない。この目的のために、放熱表面が入熱表面よりも大幅に大きい物品が未公開の特許文献４に既に提案されており、これは、複数のチャネルの形状と、複数のチャネルと流体連通状態にある複数の溝の形式を特定の構造に構成することによって達成される。

細長い複数のチャネルが貫通する１つの基板を備える複数の冷却装置もまた、特許文献５および特許文献６から公知である。

特許文献７は、面積を増加させるために複数のリブおよび溝を有する入熱表面を備える１つの放熱体について記述している。
独国特許出願公開第３９２９００４号明細書 独国特許出願公開第３８２２８９０号明細書 独国特許出願公開第１９８１３１１９号明細書 独国特許出願第１００４１８２９号明細書 独国特許出願公開第１９６１９０６０号明細書 欧州特許出願公開第０３０８５７６号明細書 独国実用新案第９２１４０６１号明細書

能動型の熱交換装置における１つの問題は、寸法が大きいと言う事に加えて、流体の流れを生成する装置のために電源が必要となると言う事である。熱の有効な伝達のために、比較的高い電力消費および通常は１つのファンのような対応する装置のためのスペースの必要性が生ずる。別の複雑性として、流体に対して１つの比較的高い流れの抵抗を放熱表面が有する場合にのみ出熱表面から流体への良好な熱伝達が起こるという事が挙げられる。しかしながら、これはより強力な１つのファンを必要とする。従って、本発明の課題は、１つの低い流体抵抗でもって高い熱交換の性能を達成する１つの熱交換装置を作成する事である。該熱交換装置に必要とされるスペースは小さく、流体として空気が使用される場合であっても１つの良好な熱伝達を達成するべきである。

この課題は、請求項１に記載された特長によって解決される。発明の有利な構成および改良は、複数の従属請求項より導出され得る。

本発明の基本原理は、流体の流れ方向に対して垂直に配置されて基板の表面から突出する高さの低い複数のウェブが提供され、基板を完全に貫通する複数のチャネルが存在する、と言う事である。

流体と基板と間の直接的な熱伝達は、基板の表面における境界層が非常に薄い場合にのみ発生する。熱伝達を増加させるために、表面の幾何学的な特徴によって、流体の抵抗を大幅に増加させる事無く流体と基板との間の熱伝達が増加させる局所の複数の乱れを生成するべく流体が導かれる。これらの複数の乱れを生成するために、微細な複数の障害物として作用する規則的に整列された複数のウェブと、基板を貫通して延長する規則的に配列された複数のチャネルが提供される。本質的に、基板は、冷却されるべき１つの物体の高温の表面、または加熱されるべき１つの物体の低温の表面上に一定の短い距離をおいて配置される１つの薄板である。複数の乱れは、規則的に整えられた微細な障害物によって、主として複数のチャネルの領域における微細な複数の障害物との衝突に起因して微細な複数の障害物の流入側において形成される。更に、一種の逆煙突効果（ｉｎｖｅｒｓｅ ｃｈｉｍｎｅｙ ｅｆｆｅｃｔ）が生じる。つまり、内部を流れる流体の一部が、プレート上よりチャネルを経由して物体の高温または低温の表面の近傍または直上に移動し、更なる熱の連通状態が同様に発生する。

基板は、流れ方向に数個のチャネルおよびウェブ（微細な障害物）しか必要としない。好ましくは、流れ方向に連続して配置された３つのチャネルおよびウェブであれば十分である。何故なら、第２および第３のチャネルの領域において熱伝達が最大となる事が複数の研究によって示されているからである。流体はこの領域の殆どの熱を吸収し、これは更に、加熱された流体による熱の除去のサポートによって加速される。

基板は、複数のスペーサによって、および溶接、接着、半田付け等によって、冷却されるべき物体の高温の表面、または加熱されるべき物体の低温の表面上に配置され得る。更に、複数のスペーサは、流れ方向に渡って延長する複数のウェブである事が望ましく、その結果、物体と基板の底部との間に、流体のための複数のチャネルが同様に形成される。

基板と、冷却または加熱されるべき表面との間の接合は、熱伝導性の材料で製作される事が望ましい。基板は、アルミニウム、銅あるいはその他同種の物のような１つの熱伝導性を有する材料から成る。しかしながら、熱伝導性を有する１つの層によって被覆されたシリコンのような別の材料から製作されても良い。従って、基板の基礎材料それ自体が熱伝導性を有している必要は無い。

複数のウェブと、および任意に複数のチャネルを備えた基板は、例えば複数のアルミニウム・プレートからの圧延または打抜きのような従来の複数の機械加工プロセスによって製造されても良く、またはシリコンの場合のように、エッチングあるいは表面コーティングプロセスによって製造されても良い。

本発明の１つの改良において、基板と、冷却または加熱されるべき物体の表面との間のチャネルに流れる流体の流れを支援するために、複数のガイド・プレートを基板の流入端あるいは流出端に提供して良い。

本発明の１つの改良において、上方に向かって閉じられている１つのチャネルを形成するために、好ましくは基板に面する側が粗くされているかまたは基板の複数のウェブに対応して複数のウェブを同様に有する１つの薄板が基板上に配列される。上蓋として作用する該板は、特に流出端の前の最終セクションにおいて、流体の流出を向上させる。

本発明における複数の熱交換装置は、相互にモジュール式に結合する事が出来、様々なモジュールの配置が可能である。

一般に、熱交換装置の内部の流れの向きは、基板の底部および上部に対して接線方向である。内部を流れる流体を偏向させるために提供される手段によって、個々のモジュールに対する流体の流れが板の底部および上部に対して垂直となっても良い。

本発明は、図面と共に一実施形態に基づいて以下詳細にわたって説明される。

先ず、図１について言及する。１つの底部２および１つの上部３を備える１つの基板１が、基板１を貫通して延長する規則的に配列される複数のチャネル４を備える。ここでは、これらは矩形状に形成される。複数のチャネルは、１つの長いエッジ５および１つのクロス・エッジ６を備える。基板１は、熱が交換されるべき１つの物体１１の表面と対向する複数のスペーサ７によって保持され、複数のスペーサ７は、基板の全長に渡って延長する。相互に平行に延長する幾つかのスペーサ７が提供され、それぞれが複数のチャネル４の間に延長するように配置される。従って、基板１と物体１１およびスペーサ７との間に、基板の長さに渡って延長する追加の複数のチャネル８が形成される。例えば１つのブロワであり得る１つのユニット９は、矢印の方向１０（以下流れ方向１０と称する）の流れ、複数のチャネル８を貫通して基板１の底部２および上部３に沿って更に複数のチャネル４を一部貫通する流れ、そして一部の双方向（即ち上から下へ、および別の位置では下から上へと流れる）の流れのような配向された流れを生成する。

複数のチャネル４の流れ方向１０における上流側において、流れ方向１０に対して垂直に延長する複数のウェブ１２．１、１２．２が提供され、図５によって最も良好に認識されるように、それらはより良好な熱伝達を提供する複数の乱れを発生させる。他方では、複数のウェブ１２．１、１２．２の高さは十分に低いので、これらに起因する流れの抵抗の上昇は僅かである。従って、これらは、「複数の微細な障害物」と称される。

基板１が、複数のチャネル４の３つの段４．１、４．２、４．３を流れ方向に逐次備え、同様に流れ方向に逐次配置された３つのウェブ１２．１、１２．２、１２．３を備え、それぞれが複数のチャネルの対応する段の流れ方向１０における前方に配置される、という事が図２の平面図より認識され得る。基板の全長に渡って延長する複数のスペーサ７は、流れ方向１０において複数のチャネル４の間に配列される。

上部３から一定の間隔ＡＰだけ離間した１つのカバー・プレート１３を基板１上に、即ちその上部３に面する側に配列する事が出来るという事が、図３の断面図から認識可能である。カバー・プレート１３の基板１の上部３に対向する面は、乱れを生成するために作用する複数のウェブ１４を同様に有する。複数のウェブの代わりに、あるいはそれらに加えて、カバー・プレート１３の基板１に対向する表面は粗面化されても良い。間隔ＡＰは、ウェブ１２の高さＲＨより少なくとも２倍大きい。

一実施形態の１つの具体例において、流れ方向１０に対して１６．５ｍｍの１つの長さＬと、流れ方向１０に対して垂直な方向に５８ｍｍの１つの幅Ｂとを有する（図２参照）。複数のチャネル４は、流れ方向に４ｍｍの１つの長さＤＬを有し、それに対して垂直な方向に２ｍｍの１つの幅を有する。流れ方向１０で測定される複数のウェブ１２の長さＳＬは０．３ｍｍであり、基板の厚さＤは１ｍｍである。間隔ＫＨ（即ち、基板１と冷却されるべき物体１１との間の複数のチャネル８の高さ）は２ｍｍである。該具体例において、複数のウェブ１２の高さは０．３ｍｍであり、この高さは最長で複数のチャネル４の長さＤＬの半分となる事が許容される。この構成において、１つの流入流速が約５ｍ／ｓｅｃ、および冷却されるべき物体の温度が約３４０Ｋの際に、１つの冷却能力約２０Ｗが達成された。

更に、このような熱交換装置において、１つの平坦面と比較して、少なくとも２倍の表面積の増加が達成される。何故なら、複数のチャネル４の複数の壁面および複数のウェブ１２の複数の外部表面が熱伝達の際に有効であるからである。

基板１の流れ方向における前方に１つのガイド・プレート１５が配列され得るという事が、図２および３から更に認識され得る。ここで、これは波型となり、これによって、基板の上部および底部に沿った流体の１つの画定された分布が保証される。

図４は、複数のウェブの効果を示すために、流れ方向１０（図４において右側）において、第３チャネルにおけるウェブが存在しない状態における、複数の等温線ｔ１〜ｔ９による複数のチャネル４および複数のウェブ１２の領域における基板上の温度分布を示す。隣接した複数の等温線ｔ１〜ｔ９の間の温度差はおよそ４Ｋであり、最高温ｔ１はおよそ３４２Ｋであり、最低温ｔ９はおよそ３０８Ｋである。複数の等温線が非常に接近している領域において、即ち、最大温度勾配が出現される領域において、最大の熱伝達が存在する。図４から、複数のチャネル４の上流側の基板のエッジ上と同様に、複数のウェブの領域においてこれが正確に出現すると言う事は非常に明白である。基板の底部と同様にこれらの２つの領域において流れの乱れが発生し、これによって最大の熱伝達が引き起こされる。更に、熱伝達は流れ方向の最初の２つのチャネルの領域において最も良好であり、流体が基板を上方へ通過する間に暖められて従って冷却能が低下するので、流れの向き１０に沿って減少することが認識可能である。

図５は、基板に沿った流体の流れのプロファイルを示す。下方へ配向された流れの成分が、複数のウェブの流れ方向における後側に存在する事が更に認識可能である。加熱された空気の膨張のために流れの加速が出現する事が更に認識可能である。

図１〜図５を参照して前述された複数の実施形態における個々の熱交換装置は、モジュール１４として以下参照されるであろう。図６は、このような４つのモジュール１４．１〜１４．４を備えた一実施形態を示し、これらの２対は複数のウェブ１２が相互に対向するように相互に面し、２つの対１４．１、１４．２および１４．３、１４．４が並んで配列される。個々のモジュールは、複数のスペーサ１５．１、１５．２および１５．３によって位置決めされ、複数の側面のスペーサ１５．１および１５．３と一緒に矩形のハウジングを形成する複数のカバー・プレート１６．１および１６．２によってコンパクトな構造単位内に共に配置される。この構造単位は、１つの幅広のシャフト１７．１、１７．２を形成し、複数のチャネル４および８に加えてこれを貫通して熱交換流体が流れる。個々のモジュールを相互に熱的に接続するために、複数のスペーサ１５．１、１５．２および１５．３は熱伝導材料で製作される事が望ましい。空気のような流体が水平に、複数のカバー・プレート１６．１および１６．２と平行に流れ、そのうちの１つは冷却されるべき物体（図示されず）と熱的に接触する。このような構造単位は、幾つかのこのような構造単位を他方の上方に積み重ねる事によって、および（または）並べて配置する事によって、所望通りにモジュール式に更に拡張可能である。

図７は、図６と比較して修正された一実施形態を示し、これにおいて、幾つかのモジュールが鉛直方向に積み重ねられている。上部の３つのモジュール１４．１〜１４．３が断面図として示され、２つの下側のモジュール１４．４および１４．５が正面図として示される。１つのカバー・プレート１６．１を経由して側面から熱が入熱する。更に、１４．２および１４．３のような個々のモジュールが、それらの複数の基板の複数の裏側１８．２および１８．３に直接接触している事が認識可能である。この配置において、幾つかのシャフト１７．１〜１７．３が形成され、流れ方向に水平に、即ち、図７の製図平面に垂直な方向に積み重ねられる。

図８は、複数の流れガイド・プレート２０および個々のモジュール内の適切な配向によってもたらされる個々のモジュールの流れ方向１０に対して垂直に供給される流入空気（矢印１９参照）を伴う１つのハウジング内の幾つかのモジュール１４．１〜１４．６の１つの配置の１つの変形例を示す。ここで、流出は両端で起こる（矢印１０参照）。何故なら、個々のモジュールは１つの縦の分割壁２１によって相互に分離され、ここで流入する空気１９が分割されるからである。更に、１つのモジュールの内部における複数の画定された流れの条件を保障するために、複数の垂直の分割壁２２によって個々のモジュールが相互に分離されても良い。ここで、ガイド・プレート２０の反対側から熱が供給され、矢印Ｑによって示される。更に、本実施形態は、全ての次元（幅、長さおよび高さ）方向に任意に拡張可能である。更に、１つの遠隔のファンから複数のホースまたは複数の配管によって流体を流入させる事が出来る。

図９および図１０は、図８から多少修正された一実施形態を示す。ここで、１つのファンがマウントされ得る１つの材料コア２３が中央の領域に提供される。そして、個々のモジュールへの複数の供給口２４はファンの外形に適合し、全体としておよそ１つの円形の形状を形成する。

図１０（ａ）から認識し得る様に、ここでは幾つかのモジュールは並んで配列され、同時に、１つのモジュールが他のモジュールの上部に載置される。ここでまた、この構造の形式が任意に拡張可能であることが認識可能である。

図１０（ｃ）の断面図から、幾つかのモジュールが１つの構造単位に統合され得、流出流れ（矢印１０）に対して流入流れが垂直となるように（矢印１９）、複数のガイド・プレート２５．１、２５．２が同様に提供され得る。これらは一方では流れを変更させ、他方ではこれらを個々の流れのパスへと分配する。

一般的に、本発明における熱交換装置の１つの本質的な利点は、先行技術と比較して著しく少ない流量で同等の冷却能を生じさせたり、同じ流量でより良好な冷却能を提供したりする、という事である。従って、ファンの消費電力の低減、騒音の低減、重量の低減、およびより小型且つより安価な複数のファンが提供され、全体に必要とされるスペースが低減し、輸送コストも低減される。

結論として、複数のチャネルと複数のウェブを備えた基板を１つの汎用熱交換器として、つまり、物体を１つの流れの中に曝す事によって１つの物体を加熱するために、または１つのプロセスガスのような１つの媒体（流体）を目標の温度に加熱することのために使用する事が出来るという事が更に指摘されるべきである。

基板および基板が載置される冷却されるべき物体を１つの媒体に対して移動させることによっても流体の流れを生成する事が出来るという事が更に言及されるべきである。例えば、移動するにつれて流体の流れを生成する１つの自動車や１つの船のような１つの車両に基板をマウントする事が出来る。

次の一般的な規則は、複数のスペーサ７と同様に複数のチャネル４および８、ならびに複数のウェブ１２の寸法を決定するために提示され得る。

流れ方向１０において複数のウェブ１２に後続する乱れの領域の長さＴＬ（図３）は、主として複数のウェブ１２の高さＲＨに依存する。従って、複数のチャネルの流れ方向の長さＤＬは、複数のウェブの高さＲＨより少なくとも２倍大きくあるべきである。更に、複数のスペーサ７の高さＫＨ（つまり、基板１と冷却されるべき物体１１との間の間隔）は、複数のウェブの長さＳＬと少なくとも等しいか、あるいは複数のウェブの長さＳＬより大きくあるべきである。複数のウェブの高さは、隣接した複数のウェブの流れ方向（１０）における間隔未満であるべきである。

本発明における１つの熱交換装置の１つの部分斜視図である。 熱交換装置の１つの平面図である。 図２の線Ａ−Ａに沿った熱交換装置の１つの断面図である。 熱交換装置の温度分布の図である。 熱交換装置に沿った流体の流れの図である。 本発明における、モジュール式に拡張可能な幾つかの熱交換装置の１つの配置である。 熱交換装置の鉛直方向への他の配置である。 基板への流体の鉛直の流れを有する本発明における複数の熱交換装置の１つの配置である。 図８のモデルと類似しているが、１つのファンがマウントされ得る中央領域の１つの材料コアを有する斜視図である。 図９の配置の１つの正面図、１つの平面図、および１つの断面図である。

Claims (13)

1. １つの底部と１つの上部を含む１つの基板と、基板（１）の底部（２）と上部（３）に対して接線方向の１つの流れ方向（１０）を有する１つの配向された流体流れを生成するための１つのユニット（９）と、基板（１）の上部（３）から突出する複数のウェブ（１２）であって、流れ方向（１０）中に逐次存在してその高さが流れ方向（１０）において隣接する複数のウェブの間隔（ＰＬ）未満であり流れ方向（１０）に対して垂直に配置される複数のウェブ（１２）とを備える熱交換装置であって、基板（１）が、基板（１）を貫通して延長する規則的に配列された複数のチャネル（４）を備え、
   複数のチャネル（４）が１つの矩形形状を有し、その長辺（５）が流れ方向（１０）に対して平行に配向される事を特徴とする、熱交換装置。
2. 複数のウェブ（１２）が、基板（１）の幅（Ｂ）に渡って連続的に延長する事を特徴とする、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 複数のウェブ（１２）が、複数のチャネル（４）の流れ方向（１０）における前方に直接配列される事を特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換装置。
4. 基板（１）が１つの物体（１１）上に複数のスペーサ（７）を介して載置され、複数のスペーサの高さ（ＫＨ）が複数のウェブ（１２）の高さ（ＲＨ）より大きい事を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換装置。
5. 複数のスペーサ（７）の高さ（ＫＨ）が、流れ方向（１０）において複数のチャネル（４）の長さ未満であり、好ましくは５ｍｍ未満である事を特徴とする、請求項４に記載の熱交換装置。
6. 幾つかのスペーサ（７）が提供され、そのそれぞれが基板（１）の底部（２）から複数のチャネル（４）の間を突出し、長手方向の複数のチャネル（８）を形成するべく基板（１）の全長に渡って延長する事を特徴とする、請求項４または５に記載の熱交換装置。
7. 複数のスペーサ（７）が熱伝導材料から成る事を特徴とする、請求項４乃至６のいずれかに記載の熱交換装置。
8. 基板（１）が熱伝導材料から、特に金属から成るか、または熱伝導材料でコーティングされた１つの任意の材料から成る事を特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の熱交換装置。
9. １つのガイド・プレート（１５）が基板（１）の流入側に配置される事を特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の熱交換装置。
10. １つのカバー・プレート（１３）が基板（１）の上部（３）から一定の距離だけ離間して配置され、カバー・プレート（１３）の基板（１）の上部（３）からの間隔（ＡＰ）が、複数のウェブ（１２）の高さ（ＲＨ）の少なくとも２倍である事を特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の熱交換装置。
11. カバー・プレート（１３）が、基板（１）の上部（３）に対向する側に流れに対する複数の障害物を備え、具体的には、基板（１）の上部における複数のウェブ（１２）に対応する複数のウェブ（１４）を備える、請求項１０に記載の熱交換装置。
12. 幾つかの熱交換装置がモジュール式に並んで配列され、および（または）１つの熱交換装置が他の熱交換装置の上部に配列され、および（または）１つの熱交換装置が他の熱交換装置の背後に配置される事を特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の熱交換装置。
13. 複数のウェブ（１２）の流れ方向（１０）に対して垂直に成された１つの流体流れ（１９）が偏向されるように、複数のガイド・プレート（２０、２５）が配列される事を特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の熱交換装置。

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