JP7344404B2 - 熱交換器及び熱交換器を備える電気装置 - Google Patents

Description

技術分野
本開示は、一般に、熱交換器に関する。特に、三次元格子体を有する構造を備える熱交換器、及びそのような熱交換器を備える電気装置が提供される。

背景
電力変圧器に使用される変圧器油は、ラジエータ又は冷却器などの冷却装置によって冷却されることが多い。これらの冷却装置は、多くの場合、変圧器の設置面積の相当部分を構成する。

米国特許出願公開第２０２００３３０７０号明細書は、エンクロージャと、エンクロージャ内の最小表面構造とを含む熱交換器を開示している。エンクロージャは、第１の入口、第１の出口、第２の入口、及び第２の出口を含む。最小表面構造は、エンクロージャ内の第１の容積と第２の容積とを分離する。第１の入口及び第１の出口は、第１の容積と流体連通し、第２の入口及び第２の出口は、第２の容積と流体連通する。第１の容積と第２の容積とは、互いに混合しないように分離される。

概要
本開示の目的の１つは、性能が向上した熱交換器を提供することである。

本開示のさらなる目的は、コンパクトな設計を有する熱交換器を提供することである。
本開示のまたさらなる目的は、低重量の熱交換器を提供することである。

本開示のまたさらなる目的は、必要な流体の量が少ない熱交換器を提供することである。

本開示のまたさらなる目的は、前述の目的のいくつか又はすべてを組み合わせて解決する熱交換器を提供することである。

本開示のさらに別の目的は、電気構成要素と、熱交換器とを備える電気装置を提供することであり、この電気装置は、前述の目的のうちの１つ、いくつか、又はすべてを解決する。

本開示のさらに別の目的は、電気構成要素と、熱交換器とを備える電気装置を提供することであり、この電気装置は、電気構成要素の冷却の改善を可能にする。

一態様によれば、熱交換器であって、一次側と、二次側と、一次側の少なくとも１つの一次空間を画定する一次側の少なくとも１つの一次構造と、二次側の少なくとも１つの二次空間を画定する二次側の少なくとも１つの二次構造とを備え、少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上が、少なくとも１つの一次空間から分離され、且つ少なくとも１つの二次空間から分離された冷却剤容積を画定し、少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上が、三次元格子体を含み、熱交換器が、一次側の少なくとも１つの一次空間と二次側の少なくとも１つの二次空間との間に流体密シールを提供する分離構造をさらに備え、分離構造は、冷却剤容積の冷却剤が一次側と二次側との間を流れることを可能にするように構成される、熱交換器が提供される。

三次元格子体によって、一次空間、二次空間、及び冷却剤容積のうちの１つ以上が、連続ラビリンスネットワークとして形成される。格子体は、熱伝達のために露出される表面積を増加させる。したがって、熱伝達効率が格子体によって改善される。格子体は、良好な混合環境及び低い圧力降下の増加をさらに提供する。

格子体は、２つ又は３つの直交方向の各々における周期的パターン、例えば各方向における少なくとも３つの周期を含むことができる。格子体は、複数のセルを含んでもよい。セルは、二次元又は三次元に直交して配置されてもよい。

少なくとも１つの一次空間は、一次側で第１の流体、例えば油を含むより大きい容積と流体連通してもよい。少なくとも１つの二次空間は、二次側で第２の流体、例えば大気を含むより大きい容積と流体連通してもよい。

第１の流体は一次空間内を流れることができ、第２の流体は二次空間内を流れることができ、第３の流体、例えば冷却剤は冷却剤容積内を流れることができる。この場合、第１の流体、第２の流体及び第３流体が混合されることはない。第１の流体は油であってもよく、第２の流体は空気であってもよく、第３の流体は別の冷却剤であってもよい。一次空間の容積と二次空間の容積との合計は、冷却剤容積に実質的に対応してもよく、又は対応してもよい。

冷却剤容積は、第１の側から第２の側まで延在してもよい。熱交換器は、分離構造をさらに備えてもよい。分離構造は、一次側及び二次側を画定することができる。分離構造は、一次側の少なくとも１つの一次空間と二次側の少なくとも１つの二次空間との間に流体密シールを提供する。分離構造は、冷却剤容積の冷却剤が一次側と二次側との間を流れることを可能にするように構成される。分離構造は、例えば、分離壁であってもよい。分離構造は、少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上の一部及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上の一部によって構成されてもよい。あるいは、分離構造は、少なくとも１つの一次構造及び少なくとも１つの二次構造に加わる構造であってもよい。したがって、冷却剤は、循環的に、例えば一次側で冷却剤容積の内部で蒸発することができ、二次側に流れ、そこで冷却されて凝縮し、その後、一次側に戻り、再び蒸発することができる。

熱交換器は、冷却剤容積内に二相冷却剤を含んでもよい。この場合、一次空間に隣接する冷却剤容積の領域は蒸発器領域であってもよく、二次空間に隣接する冷却剤容積の領域は凝縮器領域であってもよい。

少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上は、パイプであってもよい。パイプはヒートパイプであってもよい。この場合、熱交換器は、三次元格子体とヒートパイプの両方を利用して、コンパクトで単純な設計で熱交換性能をさらに向上させる。

格子体は、三重周期極小面ＴＰＭＳなどの、三重周期の実質的に最小の表面を含むことができる。ＴＰＭＳは、例えば、Ｓｃｈｗａｒｚ Ｐ表面を含み得る。

冷却剤容積を画定する少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上と、冷却剤容積を画定する少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上とは、一体的に形成されてもよい。この場合、分離構造は、一体的に形成された一次構造／二次構造の内部に配置されてもよい。

少なくとも１つの一次構造は、冷却剤容積を間に画定する２つの一次構造を含むことができ、及び／又は、少なくとも１つの二次構造は、冷却剤容積を間に画定する２つの二次構造を含むことができる。このようにして、表面熱交換をほぼ２倍にすることができる。

内側一次構造は内側一次空間を画定することができ、外側一次構造は外側一次空間を画定することができる。内側一次空間は、外側一次空間と流体連通してもよく、又はしなくてもよい。油などの第１の流体が、内側一次空間内及び外側一次空間内を流れることができ、冷却剤などの第３の流体が、内側一次空間と外側一次空間との間の冷却剤容積内を流れることができる。

内側二次構造は内側二次空間を画定することができ、外側二次構造は外側二次空間を画定することができる。内側二次空間は、外側二次空間と流体連通してもよく、又はしなくてもよい。空気などの第２の流体が、内側二次空間内及び外側二次空間内を流れることができ、冷却剤などの第３の流体が、内側二次空間と外側二次空間との間の冷却剤容積内を流れることができる。

少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上は、積層造形されてもよい。積層造形の一例は、３Ｄ印刷である。また、分離構造も積層造形されてもよい。

冷却剤容積を画定する少なくとも１つの一次構造、及び冷却剤容積を画定する少なくとも１つの二次構造は、冷却剤容積に向かって毛細管構造を含んでもよい。代替的又は付加的に、冷却剤容積、冷却剤容積を画定する少なくとも１つの一次構造、及び冷却剤容積を画定する少なくとも１つの二次構造は、ヒートパイプとして機能するように構成されてもよい。これらの変形形態は、熱交換器の受動的冷却を促進する。

少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上は、１０μｍ～２００μｍなどの、少なくとも１０μｍの算術平均表面粗さを有する粗面を含むことができる。この表面粗さは、熱交換を改善する。

少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上は、流体流を促進するためのカスタマイズされた表面を含んでもよい。カスタマイズされた表面は、一次構造及び／又は二次構造と共に積層造形及び／又は研磨されてもよい。１つ以上のカスタマイズされた表面によって、熱交換器の性能を改善するように調整することができる。一変形例によれば、カスタマイズされた表面の少なくとも１０％が研磨されている。

カスタマイズされた表面又はその領域は、周期的なテクスチャを含んでもよい。周期的なテクスチャは、乱流を促進し、それによって熱伝達をさらに改善するように設計することができる。周期的なテクスチャはまた、圧力降下をさらに減少させるように設計されてもよい。周期的なテクスチャの例は、ディンプル、フィン、及びサメ皮である。

格子体を含む少なくとも１つの一次構造のうちの１つ以上及び／又は少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上はまた、平坦でない、流れを促進する端部を含んでもよい。端部は、例えば、円錐又は半球であってもよい。各端部は、格子体のそれぞれのセルを閉じることができる。

さらなる態様によれば、発熱電気構成要素と、電気構成要素を冷却するように構成された本開示による熱交換器とを備える電気装置を提供する。熱交換器の三次元格子体によって、電気構成要素の冷却効率が改善される。

熱交換器はコンパクトな設計であるため、電気装置もよりコンパクトにすることができる。あるいは、電気装置は、同じ設置面積でより強力にすることができる。

熱交換器によって、電気装置をより軽量にすることができる。これにより、輸送コストが削減される。熱交換器はまた、電気装置をより容易に製造することを可能にする。

電気装置は、誘電油などの誘電冷却流体を一次側に備えてもよい。熱交換器の高い熱伝達効率により、誘電冷却流体の量を比較的少なくすることができる。電気装置は、自然対流のみによって、すなわち冷却流体を循環させるためのいかなる機械的補助なしに冷却流体を循環させるように構成することができる。

電気装置は、二次構造を冷却するための流体流を確立するように配置構成されたファンをさらに備えることができる。少なくとも１つの二次構造のうちの１つ以上が三次元格子体を含む場合、ファンは、格子体を通る流体流を確立するように配置構成されてもよい。

電気装置は、電力変圧器などの高電圧静電誘導システムであってもよい。本明細書において使用される場合、高電圧は、少なくとも１００ｋＶなどの、少なくとも３０ｋＶであってもよい。

高電圧静電誘導システムのサイズが大きいため、熱交換器も比較的大きくなければならない（ただしコンパクト）。大きいサイズの熱交換器は、冷却性能を高めるために追加の機能を追加することを可能にする。熱交換器は、主に電力変圧器に関連して説明されているが、熱交換器は電気装置に限定されない。

図面の簡単な説明
本開示のさらなる詳細、利点、及び態様は、図面と併せて以下の実施形態から明らかになるであろう。

熱交換器を備える電気装置の概略側面図である。 図１の熱交換器の部分概略斜視図である。 図１の熱交換器の部分概略側断面図である。 熱交換器のさらなる例を備える電気装置の概略側面図である。 図４の熱交換器の部分概略斜視図である。 熱交換器のさらなる例を備える電気装置の概略側面図である。 図６の熱交換器の部分概略斜視図である。 熱交換器のさらなる例を備える電気装置の概略側面図である。

詳細な説明
以下において、三次元格子体を有する構造を備える熱交換器、及びそのような熱交換器を備える電気装置を説明する。同じ又は類似の参照符号が、同じ又は類似の構造的特徴を示すために使用される。

図１は、ここでは電力変圧器１０として例示される電気装置の側面図を概略的に示す。電力変圧器１０は、熱交換器１２を備える。電力変圧器１０は、発熱電気構成要素１４をさらに備える。熱交換器１２は、電気構成要素１４を冷却するように構成される。

電力変圧器１０は、ケーシング１６を備える。電気構成要素１４は、ケーシング１６の内部に配置される。この例では、ケーシング１６は誘電油１８を収容する。電気構成要素１４は、油１８に浸漬される。電気構成要素１４は、電力変圧器１０の巻線であってもよい。

図１は、一次側２０及び二次側２２をさらに示す。一次側２０は、ケーシング１６の内部に設けられ、油１８を収容する。二次側２２は、この例ではケーシング１６の外側の周囲大気である。熱交換器１２は、ファン２４をさらに備える。

図２は、図１の熱交換器１２の部分斜視図を概略的に示している。図１及び図２をまとめて参照すると、熱交換器１２は、一次構造２６及び二次構造２８を備える。一次構造２６及び二次構造２８は、三次元格子体に一体的に形成されている。この例の格子体は、三重周期極小面ＴＰＭＳを含む。ＴＰＭＳは、ここではＳｃｈｗａｒｚ Ｐ表面である。ＴＰＭＳは、複数のセルを含む。この例では、セルは直交する３方向に配置構成されている。一次構造２６及び二次構造２８の各々は、ここでは円錐として例示されている、流れを促進する平坦でない端部３０を含む。

熱交換器１２は、ここでは分離壁３２として例示されている分離構造をさらに備える。各分離壁３２は、一次側２０と二次側２２との間に流体密シールを提供する。分離壁３２は、格子体内の様々な位置に配置することができる。分離壁３２は、必ずしもケーシング１６の壁と位置合わせされる必要はない。一次構造２６、二次構造２８、及び分離壁３２は、例えば３Ｄ印刷によって積層造形される。

一次構造２６は、一次空間３４を画定する。一次空間３４は、一次側２０と流体連通している。この例では、一次空間３４は、ＴＰＭＳのセルの外側の連続ラビリンスネットワークを含む。したがって、油１８は、電気構成要素１４から一次構造２６の内部の一次空間３４に流入し、電気構成要素１４に戻ることができる。一次空間３４は、格子体内及びケーシング１６の外側に延在してもよい。一次空間３４が格子体内でどれだけ延在するかは、分離壁３２の位置付けに依存する。

二次構造２８は、二次空間３６を画定する。二次空間３６は、二次側２２と流体連通している。この例では、二次空間３６は、ＴＰＭＳのセルの外側の連続ラビリンスネットワークを含む。したがって、分離壁３２は、一次空間３４と二次空間３６との間をシールするようにＴＰＭＳのセルの外側に配置構成される。周囲空気は、二次構造２８の内部の二次空間３６に出入りして流れることができる。ファン２４を使用して、空気を二次空間３６に強制的に流すことができる。二次空間３６は、格子体内で且つケーシング１６内へと延在してもよい。二次空間３６が格子体内でどれだけ延在するかは、分離壁３２の位置付けに依存する。

ここでは一次構造２６及び二次構造２８から構成される格子セル体は、冷却剤容積３８を画定する。この例では、冷却剤容積３８は、ＴＰＭＳのセルの内側の連続ラビリンスネットワークを含む。冷却剤容積３８は、一次空間３４及び二次空間３６から分離される。分離壁３２は、冷却剤容積３８の冷却剤が一次側２０と二次側２２との間を流れることを可能にするように構成される。

熱交換器１２は、冷却剤容積３８内に二相冷却剤をさらに含む。したがって、冷却剤容積３８は、一次空間３４及び二次空間３６にそれぞれ隣接する蒸発器領域及び凝縮器領域を形成する。

図３は、図１の熱交換器１２の部分側断面図を概略的に示す。冷却剤容積３８に面する格子体の表面（ＴＰＭＳのセルの内側）には、毛細管構造４０が設けられている。これにより、一次構造２６、二次構造２８、及び冷却剤容積３８は、ヒートパイプとして機能するように構成される。

冷却剤容積３８の表面のいくつかの部分は、多孔質である毛細管構造４０を含む。毛細管構造４０は、様々な方法で製造することができる。毛細管構造４０は、例えば、完全に密な構造から多孔質構造に移行するように印刷パラメータを調整することによって、一次構造２６／二次構造２８の壁と共に３Ｄ印刷されてもよい。

一次空間３４に隣接する冷却剤容積３８の蒸発器領域では、二相冷却剤が油１８から熱を吸収して蒸発する。蒸気は、冷却剤容積３８の内部であるが、毛細管構造４０の外部で、二次空間３６に隣接する冷却剤容積３８の低温凝縮器領域に流れ、そこで蒸気は凝縮して液体に戻り、毛細管構造４０によって吸収される。次いで、液体は、凝縮器領域から蒸発器領域に戻るように毛細管構造４０の内部を流れる。

この例の電力変圧器１０は受動的に冷却される。電力変圧器１０の動作中、電気構成要素１４は熱を発生し、油１８を加熱する。一次空間３４に進入した油１８は、冷却剤容積３８内の冷却剤によって冷却される。格子体に起因して、一次空間３４と熱伝達のために露出される冷却剤容積３８との間の表面積は大きい。これに対応して、格子体はまた、冷却剤容積３８と二次空間３６との間の熱伝達のために露出された大きい表面積を提供し、そこを通って空気がファン２４によって強制的に流される。受動冷却は、毛細管構造４０によって強化される。これにより、熱交換器１２は、コンパクトな設計で非常に効果的な熱伝達を提供する。熱交換器１２によって冷却された油１８は、自然対流によって沈み、油１８の循環がケーシング１６の内部に確立される（図１の時計回りの方向に）。

図４は、熱交換器１２のさらなる例を含む電力変圧器１０の側面図を概略的に表し、図５は、図４の熱交換器１２の部分斜視図を概略的に表す。図４及び図５をまとめて参照して、図１～図３に対する主な差を説明する。

図４及び図５の熱交換器１２は、内側一次構造２６と、外側一次構造４２と、内側二次構造２８と、外側二次構造４４とを備える。内側一次構造２６は、外側一次構造４２の内側に配置される。内側二次構造２８は、外側二次構造４４の内側に配置される。

内側一次構造２６及び内側二次構造２８は、内側三次元格子体に一体的に形成されている。外側一次構造４２及び外側二次構造４４は、外側三次元格子体に一体的に形成されている。格子体は複雑である。この例では、内側格子体及び外側格子体の各々は、三重周期極小面ＴＰＭＳを含む。各格子体は、複数のセルを含む。内側格子体の各セルは、外側格子体のセルの内側に配置される。この例でも、各格子体のセルは直交する３方向に配置構成されている。図４及び図５に示すように、分離壁３２の一部は、内側格子体のセルの内側に配置され、分離壁３２の一部は、外側格子体のセルの外側に配置されている。

内側一次構造２６は内側一次空間３４を画定し、外側一次構造４２は外側一次空間４６を画定する。この例では、内側一次空間３４及び外側一次空間４６の各々は、一次側２０と流体連通している。内側一次空間３４は、内側格子体のセルの内側の連続ラビリンスネットワークを含む。外側一次空間４６は、外側格子体のセルの外側の連続ラビリンスネットワークを含む。したがって、油１８は、電気構成要素１４から内側一次構造２６の内側一次空間３４及び外側一次構造４２の外側一次空間４６内へと流れ、次いで電気構成要素１４に戻ることができる。内側一次空間３４は、内側格子体内（そのセルの内側）及びケーシング１６の外側に延在してもよい。外側一次空間４６は、外側格子体内（そのセルの外側）及びケーシング１６の外側に延在してもよい。内側一次空間３４及び外側一次空間４６がどれだけ延在するかは、分離壁３２の位置付けに依存する。

内側二次構造２８は内側二次空間３６を画定し、外側二次構造４４は外側二次空間４８を画定する。この例では、内側二次空間３６及び外側二次空間４８の各々は、二次側２２と流体連通している。内側二次空間３６は、内側格子体のセルの内側の連続ラビリンスネットワークを含む。外側二次空間４８は、外側格子体のセルの外側の連続ラビリンスネットワークを含む。周囲空気は、内側二次空間３６及び外側二次空間４８の各々に流入することができる。ファン２４を使用して、空気を内側二次空間３６及び外側二次空間４８の各々に強制的に流すことができる。内側二次空間３６は、内側格子体内（そのセルの内側）及びケーシング１６の内側に延在してもよい。外側二次空間４８は、外側格子体内（そのセルの外側）及びケーシング１６の内側に延在してもよい。内側二次空間３６及び外側二次空間４８がどれだけ延在するかは、分離壁３２の位置付けに依存する。

この例では、内側格子体は内側一次構造２６及び内側二次構造２８から構成され、外側格子体は外側一次構造４２及び外側二次構造４４から構成されている。冷却剤容積３８が、内側格子体と外側格子体との間に画定される。したがって、冷却剤容積３８は、内側格子体のセルの外側及び外側格子体のセルの内側に設けられる。この例でも、冷却剤容積３８は、連続ラビリンスネットワークを含む。冷却剤容積３８は、内側一次空間３４、外側一次空間４６、内側二次空間３６、及び外側二次空間４８の各々から分離されている。分離壁３２は、冷却剤容積３８の冷却剤が一次側２０と二次側２２との間を流れることを可能にするように構成される。

冷却剤容積３８は、二相冷却剤を含み、図１～図３と同様に多孔質毛細管構造４０を設けられる。したがって、冷却剤容積３８は、内側一次空間３４及び外側一次空間４６に隣接する蒸発器領域と、内側二次空間３６及び外側二次空間４８に隣接する凝縮器領域とを形成する。

図４及び図５の複雑な格子体に起因して、内側一次空間３４と冷却剤容積３８との間、及び外側一次空間４６と冷却剤容積３８との間の熱伝達のために露出される表面積は非常に大きい。これに対応して、この複雑な格子体もまた、内側二次空間３６と冷却剤容積３８との間、及び外側二次空間４８と冷却剤容積３８との間の熱伝達のために露出した非常に大きい表面積を提供し、それを通じて空気がファン２４によって強制的に流される。受動冷却は、毛細管構造４０によってさらに強化される。これにより、熱交換器１２は、コンパクトな設計でさらにより効果的な熱伝達を提供する。

図６は、熱交換器１２のさらなる例を含む電力変圧器１０の側面図を概略的に表し、図７は、図６の熱交換器１２の部分斜視図を概略的に表す。図６及び図７をまとめて参照して、図１～図３に対する主な差を説明する。

図６及び図７の熱交換器１２は、複数の直線ヒートパイプ５０と、外側一次構造４２とを備える。外側一次構造４２は、ここでは三重周期極小面ＴＰＭＳとして例示されている三次元格子体を含む。外側一次構造４２は、複数のセルを含む。この例でも、格子体のセルは直交する３方向に配置構成されている。この例では、外側一次構造４２は分離壁３２を備える。分離壁３２は、一次側２０と二次側２２とを分離する。分離壁３２は、冷却剤容積３８の冷却剤が一次側２０と二次側２２との間を流れることを可能にするように構成される。

各ヒートパイプ５０は、外側一次構造４２の内側に配置される。より具体的には、各ヒートパイプ５０は、分離壁３２及び外側一次構造４２を通って延在する。したがって、ヒートパイプ５０は、分離壁３２の一次側２０の内側一次構造、及び、分離壁３２の二次側２２の二次構造を構成する。

ヒートパイプ５０の、分離壁３２の一次側２０（図６の左）の区画及び外側一次構造４２は、一次側２０上でそれらの間の一次空間３４を画定する。一次空間３４は、一次側２０と流体連通している。一次空間３４は、外側一次構造４２のセルの内側に連続ラビリンスネットワークを含む。したがって、油１８は、電気構成要素１４から一次空間３４に流入し、次いで、電気構成要素１４に戻ることができる。

ヒートパイプ５０の分離壁３２の二次側２２の区画（図６の右側）は、それらの間に二次空間３６を画定する。二次空間４８もまた、外側一次構造４２の内側、すなわちセルの外側に設けられている。二次空間３６、４８の各々は、二次側２２と流体連通している。二次空間４８は、外側一次構造４２のセルの外側の連続ラビリンスネットワークを含む。周囲空気は、ヒートパイプ５０と外側一次構造４２のセルの外側の二次空間３６との間の二次空間４８の各々に流入することができる。ファン２４を使用して、空気を二次空間３６、４８に強制的に流すことができる。

各ヒートパイプ５０の両端は閉じられている。これにより、各ヒートパイプ５０は、内部に冷却剤容積３８を画定する。冷却剤容積３８は、一次空間３４及び二次空間３６、４８から分離される。

冷却剤容積３８は、二相冷却剤を含み、図１～図３と対応して多孔質毛細管構造４０を設けられる。毛細管構造４０は、ヒートパイプ５０の内面に設けられている。したがって、ヒートパイプ５０の内部の冷却剤容積３８は、外側一次構造４２に隣接する蒸発器領域と、二次空間３６に隣接する凝縮器領域とを形成する。ヒートパイプ５０が外側一次構造４２の外側で二次側２２にどれだけ延在するかは、自然対流によって冷却剤を凝縮するために伝達される必要がある熱の量に依存する。

図６及び図７の複雑な格子体、すなわち、格子体の内部のヒートパイプ５０に起因して、一次空間３４と冷却剤容積３８との間、及び一次空間３４と二次空間４８との間の熱伝達のために露出される表面積は大きい。空気が、ファン２４によって二次空間３６、４８を通じて強制的に流される。受動冷却は、毛細管構造４０によってさらに強化される。図６及び図７の熱交換器１２はまた、市販のヒートパイプ５０を格子体に挿入することができるため、比較的単純である。これにより、熱交換器１２は、コンパクト且つ単純な設計で効果的な熱伝達を提供する。

図８は、熱交換器１２のさらなる例を備える電力変圧器１０の側面図を概略的に示す。図６及び図７に対する主な差を説明する。

図８の熱交換器１２は、一次構造２６と、複数の直線ヒートパイプ５０とを備える。一次構造２６は、ここでは三重周期極小面ＴＰＭＳとして例示されている三次元格子体を含む。一次構造２６は、複数のセルを含む。この例でも、格子体のセルは直交する３方向に配置構成されている。

この例では、一次構造２６は分離壁３２を備える。一次構造２６は、一次構造２６のセルの外側に一次空間３４を画定する。一次空間３４は、一次構造２６のセルの外側に連続ラビリンスネットワークを含む。油１８が、一次空間３４に流入することができる。ケーシング１６の外側で、一次空間３４は二次側２２に対して閉じられている。したがって、一次空間３４は、ケーシング１６の内側及び外側の両方に延在する。分離壁３２は、冷却剤容積３８の冷却剤が一次側２０と二次側２２との間を流れることを可能にするように構成される。

この例のヒートパイプ５０は、二次構造を構成している。ヒートパイプ５０の端部は、図８に示すように、一次構造２６のセルに、例えば溶接によって接続されている。したがって、ヒートパイプ５０は、一次構造２６に移行する。ヒートパイプ５０の両端は閉じられている。ヒートパイプ５０の内部及び一次構造２６のセルの内部には、冷却剤容積３８が設けられている。図８に示すように、この例の冷却剤容積３８は連続的である。

ヒートパイプ５０は、それらの間に二次空間３６を画定する。したがって、二次空間３６は、二次側２２と流体連通している。周囲空気は、ヒートパイプ５０の間で二次空間３６の各々に流入することができる。

ファン２４を使用して、空気を二次空間３６に強制的に流すことができる。図８に示すように、ファン２４は、一次構造２６からさらに離れて位置付けられている。

冷却剤容積３８は、一次空間３４及び二次空間３６から分離される。冷却剤容積３８は、二相冷却剤を含み、図１～図３と対応して多孔質毛細管構造４０を設けられる。毛細管構造４０は、ヒートパイプ５０の内面及び一次構造２６の内面に設けられている。したがって、冷却剤容積３８は、一次構造２６内に蒸発器領域を形成し、ヒートパイプ５０内に凝縮器領域を形成する。

また、図８において、格子体は、一次空間３４と冷却剤容積３８との間の熱伝達のために露出された大きい表面積を提供する。受動冷却は、毛細管構造４０によってさらに強化される。図８の熱交換器１２は、一次構造２６のセルにヒートパイプ５０が取り付けられているため、非常に単純である。これにより、熱交換器１２は、コンパクト且つ単純な設計で効果的な熱伝達を提供する。さらに、図８の熱交換器１２は、簡単な方法で、冷却剤容積３８の凝縮器領域をケーシング１６から遠くに位置付けることを可能にする。

以上、例示的な実施形態を参照して本開示を説明したが、本発明は上述したものに限定されないことが理解されよう。例えば、部品の寸法は必要に応じて変えることができることが理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され得ることが意図される。

Claims (15)

1. 熱交換器（１２）であって、
   一次側（２０）と、
   二次側（２２）と、
   前記一次側（２０）の少なくとも１つの一次空間（３４、４６）を画定する前記一次側（２０）の少なくとも１つの一次構造（２６、４２、５０）と、
   前記二次側（２２）の少なくとも１つの二次空間（３６、４８）を画定する前記二次側（２２）の少なくとも１つの二次構造（２８、４４、５０）と
   を備え、
   前記少なくとも１つの一次構造（２６、４２、５０）のうちの１つ以上及び前記少なくとも１つの二次構造（２８、４４、５０）のうちの１つ以上が、前記少なくとも１つの一次空間（３４、４６）から分離され、且つ前記少なくとも１つの二次空間（３６、４８）から分離された冷却剤容積（３８）を画定し、
   前記少なくとも１つの一次構造（２６、４２）のうちの１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８、４４）のうちの１つ以上が、三次元格子体を含み、
   前記熱交換器が、前記一次側（２０）の前記少なくとも１つの一次空間（３４、４６）と前記二次側（２２）の前記少なくとも１つの二次空間（３６、４８）との間に流体密シールを提供する分離構造（３２）をさらに備え、前記分離構造（３２）は、前記冷却剤容積（３８）の冷却剤が前記一次側（２０）と前記二次側（２２）との間を流れることを可能にするように構成される、熱交換器（１２）。
2. 前記熱交換器（１２）は、前記冷却剤容積（３８）内に二相冷却剤を含む、請求項１に記載の熱交換器（１２）。
3. 前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）のうちの１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）のうちの１つ以上がパイプ（５０）である、請求項１または２に記載の熱交換器（１２）。
4. 前記格子体は、複数のセルを含み、
   前記複数のセルの各々は、三重周期極小面を基準とする厚みを有し、前記複数のセルが、前記三重周期極小面の周期的パターンを形成するように、直交する３方向の各々に配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
5. 前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）のうちの１つ以上及び／又は前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）のうちの１つ以上が一体的に形成される、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
6. 前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）は、前記冷却剤容積（３８）を間に画定する２つの一次構造（２６，４２，５０）を含み、及び／又は、前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）は、前記冷却剤容積（３８）を間に画定する２つの二次構造（２８，４４，５０）を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
7. 前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２）のうちの１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４）のうちの１つ以上が積層造形される、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
8. 前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）、及び前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）は、前記冷却剤容積（３８）に面する毛細管構造（４０）を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
9. 前記冷却剤容積（３８）、前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）、及び、前記冷却剤容積（３８）を画定する前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）は、ヒートパイプとして機能するように構成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
10. 前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）のうちの１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）のうちの１つ以上は、少なくとも１０μｍの算術平均表面粗さを有する粗面を含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
11. 前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２，５０）のうちの１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４，５０）のうちの１つ以上は、流体流を促進するためのカスタマイズされた表面を含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
12. 前記カスタマイズされた表面が周期的なテクスチャを含む、請求項１１に記載の熱交換器（１２）。
13. 前記格子体を含む前記少なくとも１つの一次構造（２６，４２）のうちの前記１つ以上及び／又は前記少なくとも１つの二次構造（２８，４４）のうちの前記１つ以上は、平坦でない、流れを促進する端部（３０）をも含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）。
14. 発熱電気構成要素（１４）と、前記発熱電気構成要素（１４）を冷却するように配置された、請求項１～１３のいずれか１項に記載の熱交換器（１２）とを備える電気装置（１０）。
15. 前記電気装置（１０）が高電圧静電誘導システムである、請求項１４に記載の電気装置（１０）。

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