JP2005505739A

JP2005505739A - 熱交換器

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Publication number: JP2005505739A
Application number: JP2003534833A
Authority: JP
Inventors: バレンズエラ，ハビエル・エイ; ヤシンスキー，トーマス・ジェイ
Original assignee: ミクロス・マニュファクチュアリング・インコーポレーテッド
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: CN1599858A; KR20040050910A; US7278474B2; EP1442266A1; US20030066634A1; WO2003031898A1; EP1442266A4; JP4101174B2

Abstract

【課題】
【解決手段】作用流体を利用する、高熱流伝導能力を有する熱交換器ＨＸ１２０である。ＨＸは、熱伝導面１２８と、ある長さと、ある幅とを有するコア１３０を備えている。コアの幅を亙って交互に配置された入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２はコアの長さだけ伸びている。相互に接続する通路１４４の各々は、相応した出口マニホルド及び該出口マニホルドに近接して配置された２つの入口マニホルドと流体的に連通している。熱伝導面１２８と熱的に連通した熱交換器フィン１５４は、全体として、相互に接続する通路の面を画成する。通路が最初に作用流体を熱伝導面１２８に向けて導き、次に、熱伝導面に対し実質的に直角の方向に向けて熱伝導面１２８から離れるように導く。流体が熱伝導面に向けて且つ、熱伝導面から離れるように流れるとき、熱伝導フィン１５４から作用流体に又は作用流体から熱が伝導される。

Description

【関連出願】
【０００１】
本出願は、その内容の全体をそれが本明細書に完全に開示されているかのように、参考として引用し本明細書に含めた、「キャンディ・ケーン熱交換器（ＣａｎｄｙＣａｎｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒ）」という名称にて２００１年１０月９日付けで出願された米国仮特許出願第６０／３２８，０１３号の利益を主張するものである。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、全体として、熱伝導装置に関する。より具体的には、本発明は、熱交換器に関する。
【発明の背景】
【０００３】
熱を熱源から又はヒートシンクに伝導するため単一相の作用流体を利用する熱交換器は、単一相熱交換器として既知である。単一相熱交換器は、従来の自動車の放熱器から、例えば、スペースシャトル又は宇宙ステーションに搭載されるもののような、外宇宙にて生存するためのより新型の水対アンモニア熱交換器に亙る多岐に亙る用途にて使用されている。単一相熱交換器は、また、例えば、マイクロプロセッサのような電子装置から排熱を除去し、融合反応炉偏向板を冷却し、液状水素を発生させるといったような、その他の多岐に亙る用途にても使用されている。
【０００４】
小型の単一相熱交換器は、比較的高熱流を有する用途にて特に望ましい。例えば、マイクロプロセッサの速度及び複雑さが不断に増すことにより、これに比例してこれらマイクロプロセッサにて発生する熱の量が増大する。現世代のマイクロプロセッサは、典型的に、５ワット／ｃｍ^２から１５ワット／ｃｍ^２の範囲の熱流を有する。次世代のマイクロプロセッサは、例えば、５０ワット／ｃｍ^２から２００ワット／ｃｍ^２以上の程度の遥かに多量の熱流を有すると予想される。高熱流の熱伝導の用途に考えられる小型の熱交換器の１型式のものは、正規流量熱交換器（ＮＦＨＸ）として知られるようになったものがある。ＮＦＨＸの特定の実施の形態は、当該発明者が例えば、その全体をそれが本明細書に完全に開示されているかのように、参考として引用し本明細書に含めた、米国特許第５，０２９，６３８号、米国特許第５，１４５，００１号及び米国公告第ＵＳ−２００１−００５０１６２−Ａ１号におけるように以前に開示してある。ＮＦＨＸは（１）高表面熱流の能力を有する単一相熱交換器と、（２）作用流体が熱交換器を通るとき、全体として僅かな圧力降下を生じる小型の熱交換器と、（３）大きい熱伝導効果を有する小型で且つ、軽量な熱交換器とを提供するため、ＮＦＨＸは、マイクロプロセッサを冷却するような用途にて望ましい。
【０００５】
図１には、米国公告第ＵＳ−２００１−００５０１６２−Ａ１号に教示されたような、ＮＦＨＸのコアを形成すべく使用できる１つの代替的な熱交換器板２０が示されている。隣接する熱交換器板間に別個の分離板が不要である熱交換器板２０の形態とされている。熱交換器板２０は、コアの入口マニホルド２６及び出口マニホルド２８の部分をそれぞれ画成する入口開口２２及び出口開口２４を有している。しかし、相互に接続する通路が分離板の開口によって実質的に画成されることに代えて、相互に接続する通路３０は、熱交換器板２０に形成された凹状領域３２により画成される。従って、熱交換器板２０のウェブ３４、周縁領域３６及び仕切板３８の各々は、熱交換器板を製造する材料の全厚さにより画成され、また、フィン４０は、材料の部分的厚さによって画成される。熱交換器板２０の一部分は全厚さであり、また、その他の部分は、部分的厚さであるため、別個の分離板は不要である。しかし、熱交換器板２０は、同様に、２つの別個の板、すなわち、部分的厚さの部分に相応する第一の板及び全厚さの領域に相応する分離板から成るものとしてもよいことが理解されよう。
【０００６】
１つ以上の板２０を内蔵するＮＦＨＸ２０において、流体は、ＮＦＨＸ２０に入り且つ、入口マニホルド２６を通って流れる。次に、流体は、凹状領域３２を通り且つ、フィン４０の上方で、ＮＦＨＸ２０の底部を形成する熱伝導面２１に向けて下方に（熱伝導面２１に対し直角の方向に向けて）流れる。次に、流体は、熱伝導面２１から離れるように流れ且つ、相互に接続する通路３０に入り、また、出口マニホルド２８を介してＮＦＨＸ２０から出る。
【０００７】
熱交換器板２０は、大部分の流れ領域を熱伝導面２１から末端側の入口及び出口マニホルド内に配置するように入口開口２２及び出口開口２４が配置されている。この配置は、米国特許第５，０２９，６３８号及び米国特許第５，１４５，００１号に教示されているように、熱伝導面２１に隣接して著しく大きい寸法の開口を配置することを回避する。熱伝導面２１に隣接するかかる開口は、フィン４０の寸法を縮小させ及び（又は）その間にて熱を伝達するために利用可能な熱伝導面とフィンとの間の断面積を減少させることにより、板２０による熱伝導効率を低下させることになる。
【０００８】
ＮＦＨＸ２０のような、従来技術の熱交換器は、典型的に、流体内の温度勾配がフィン内の温度勾配と整合するよう（すなわち、流体への全ての熱伝導が流体が熱伝導面に向けて動くときに行われるように）な設計とされている。このことは、熱交換器の熱性能を最大にするために必要であると考えられていた。流体及びフィンの温度勾配を調和させるため、従来技術の熱交換器は、特定の構造的制限を課すこが必要であった。
【０００９】
熱交換器ＮＦＨＸ２０の熱伝導性能を最大にするため、フィン４０の幅（流動する流体に対して直角）は、実際上、可能な限り熱交換器の全幅を利用することが望ましい。上述した構造的制限の一例は、相互に接続する通路３０内の流動面積が熱交換フィン４０に利用可能な幅を少なくすることである。更に、温度勾配に関する従来技術の設計哲学のため、相互に接続する通路３０内に、又は流体が熱伝導面２１から離れて流れる任意の領域内にフィン４０を含むことが必要であり又は効率的であるとは考えられていなかった。
【００１０】
図１の設計は、従来のＮＦＨＸの設計を改良するものではあるが、フィン４０の面積を最大にするために必要な比較的狭小な相互に接続する通路３０によってＮＦＨＸ２０における全体的な圧力降下は増すことになる。この相互に接続する通路３０内の圧力降下が増大する結果、フィン４０上における流れの分配状態は不良となり、これにより熱伝導能力が劣化する可能性がある。更に、圧力降下が増大した結果として、入口圧力を上昇させるためには、大型のポンプ又はその他のより高価な手段が必要とされよう。フィンの全体面積と圧力降下の増大とは競合する結果、最終的に、ＮＦＨＸ２０のような、従来技術の熱交換器の全体的な性能は制限されることになる。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、熱性能を向上させ、これにより装置の全体的な熱伝導能力を増大させると同時に、熱交換器における圧力降下を低下させる新規な熱交換器装置、組立体及び方法を含む。
【００１２】
本発明は、ある長さと、ある幅と、ある高さと、少なくとも１つの熱伝導面を含む多数の表面とを有するハウジングを持つ熱交換器である。該ハウジングは、熱交換器流体を受け取り且つ、押し出す少なくとも２つの開口部を有している。ハウジング内には、少なくとも１つの熱交換器板が配置されている。該少なくとも１つの熱交換器板は、少なくとも２つのマニホルドを画成する少なくとも２つの開口を有している。少なくとも２つのマニホルドの各々は、少なくとも２つの開口部の少なくとも１つと流体的に連通している。更に、少なくとも１つの熱交換器板内に画成された少なくとも１つの相互に接続する通路がある。該少なくとも１つの相互に接続する通路は、少なくとも２つのマニホルドを互いに流体的に結合する。該少なくとも１つの相互に接続する通路は、流体を少なくとも１つの熱伝導面に向けた第一の方向に導き得るようにされた第一の部分と、流体を少なくとも１つの熱伝導面から離れる第二の方向に導き得るようにされた第二の部分とを有している。
【００１３】
本発明の更に別の実施の形態において、本発明は、少なくとも１つの熱伝導面と、ハウジング内に伸びる１つ以上の熱伝導フィンとを持つハウジングを有する熱交換器を含む。熱伝導フィンは、熱伝導面と熱的に連通しており且つ、ハウジング内に伸びて、該ハウジングにて、これらのフィンは、熱伝導面から特定の距離の頂縁部にて終わっている。更に、流体をハウジングを通して案内するための流体流路がハウジング内に画成される。該流路は、流体を熱伝導面に向けた第一の方向に導き得るようにされた第一の部分と、流体を熱伝導面から離れる第二の方向に導き得るようにされた第二の部分とを有している。少なくとも１つの実施の形態において、熱伝導面から第二の部分内の熱伝導フィンの頂縁部までの距離は、熱伝導面から第一の部分内の熱伝導フィンの頂縁部までの距離よりも長いか又は短いかの何れかである。
【００１４】
本発明の更なる実施の形態において、上述した熱交換器は、熱交換器の熱伝導面と熱的に連通した装置を有する組立体の一部分とすることができ、また、上述した熱交換器は、熱を装置へ又は装置から伝導する方法にて使用することができる。
【００１５】
以下に簡単に説明する添付図面、本発明の現在の好ましい実施の形態の以下の詳細、及び特許請求の範囲を理解することにより、本発明及びその範囲をより完全に理解することができる。
【００１６】
本発明を図示する目的のため、図面には、現在の１つの好ましい実施の形態が示されている。しかし、本発明は、図面に示した正確な配置及び機器にのみ限定されるものではないことを理解すべきである。
【図面の詳細な説明】
【００１７】
本発明の熱交換器は、従来技術の熱交換器の短所に鑑みて開発されたものである。従来技術の熱交換器ＮＦＨＸ２０及びその他の熱交換器の主な短所は、特定の熱交換器装置における流体の全体的な圧力降下の程度が大きいことである。流体の熱伝導能力に悪影響を与えることに加えて、圧力降下の増大は、より大型の入口圧送装置を使用することを必要とし、これにより作動コストを増すことになる。更に、ＮＦＨＸ２０の相互に接続する通路３０によって必要とされる面積は、熱伝導に効果的に利用されず、このため、全体的な熱交換効率を制限することになる。
【００１８】
上述したように、従来技術の熱交換器は、流体の温度勾配が装置自体の温度勾配と調和するような設計とされていた。その結果、熱伝導フィン４０の寸法（及び表面積）（図１参照）は、流体が熱伝導面２１に向けた直角の方向に流れる領域にて最大であった。これと逆に、相互に接続する通路３０の寸法は、流体が熱伝導面２１から離れるように流れる領域にて縮小した。かかる設計の結果、フィン４０の表面積を最大にするため、相互に接続する通路３０が狭小となるから装置における全体的な圧力降下は増大した。
【００１９】
今や、フィン４０の表面積を最大にする必要はないことが分かった。熱伝導フィン４０の全体的な表面積は、流動方向に関係なく熱性能に関して重要である。すなわち、熱伝導面２１から離れる直角方向へ流動する流体は、流体が熱伝導面２１に向けた直角方向に流動するとき、熱的性能に関して等しく効果的である。このため、相互に接続する通路３０の幅を拡げてこれらの通路内の流動面積を増大させることが有益となっている。通路３０の幅が拡がる結果、通路内の流体速度及び流体圧力は低下し、これにより、熱交換器における全体的な圧力降下を低下させる。更に、本発明において相互に接続する通路３０に熱伝導フィン４０が追加され、これによりフィン４０の全体的な表面積、従って、熱交換器の全体的な熱的効果を増大させるから、通路３０の幅を拡げることが熱性能を犠牲にすることはない。
【００２０】
次に、同様の要素を同様の参照番号で示す図面を参照すると、図２には、全体として参照番号１２０で示した本発明による熱交換器（ＨＸ）が図示されている。ＨＸ１２０は、ＨＸと熱的に連通した装置１２２から熱を除去し又は熱を装置１２２に提供すべく、特に、水、アンモニア及びＲ−１３４のような冷媒の如き熱伝導流体すなわち作用流体を利用し得るようにされている。１つの実施の形態において、装置１２２は、排熱を生じるマイクロプロセッサである。熱を除去するためＨＸ１２０と共に使用可能なその他の装置の例は、特に、その他の電子装置又はレーザダイオードアレーを含む。これと代替的に、装置１２２は、特に宇宙乗物又は宇宙ステーションの居住区域に対する放熱器パネルのような熱の入力部を必要とするようにしてもよい。当該技術分野の当業者は、本発明のＨＸ１２０には多岐に亙る用途があり、従って、かかる用途の詳細を本明細書にて説明する必要はないことが認識されるであろう。
【００２１】
ＨＸ１２０は、作用流体をＨＸに供給し且つ、作用流体をＨＸから離れるように伝導する流れ再循環システム１２５を有する閉熱伝導回路１２３の一部であることが好ましい。再循環システムはまた、ＨＸ１２０に供給される流体の温度を一定に保ち得るようにエネルギをその他の幾つかの媒体と交換する。従って、ＨＸ１２０は、作用流体を再循環システム１２５から受け取る入口プレナム１２４と、作用流体を再循環システムに戻す出口プレナム１２６とを有している。ＨＸ１２０はまた、装置１２２と熱的に連通し、熱がＨＸ１２０と装置との間にて流動し得るようにすることのできる熱伝導面１２８も有している。例えば、熱伝導面１２８は、装置１２２と直接、接触するか、又は特に、接着剤、熱グリース又は柔軟パッドのような介在材料（図示せず）を通じて装置と熱的に連通するようにすることができる。以下に詳細に説明するように、ＨＸ１２０は、作用流体の流れをＨＸを通じて導く内部通路を保持している。内部通路はマイクロチップの寸法程度とすることができる小型の全体的な寸法を維持しつつ、ＨＸ１２０に対し高熱流にて大きい熱伝導能力を提供する形態とすることができる。幾つかの実施の形態において、ＨＸ１２０は、１，０００ワット／ｃｍ^２以上の熱流を取り扱うような設計とすることが可能である。更に且つ以下に説明するように、ＨＸ１２０は、ＨＸの単一体構造体を形成し得るように互いに積重ねた正確に形成した複数の板から形成することができる。かかる正確な形成は、比較的大きい熱流能力を提供しつつ、ＨＸ１２０を比較的極めて小型に製造するために特に望ましいものである。
【００２２】
次に、図２から図５を参照すると、ＨＸ１２０は、ＨＸ１２０の入口プレナム１２４及び出口プレナム１２６を貫通して伸びる積重ね軸線１３４のような積重ね軸線に沿って互いに積重ねられた複数対の板１３２を含むことができるコア１３０を有している。各対の板は、全体として熱交換器板１３６及び熱交換器板１３８を備えている。図３には、１対の板１３２のみが図示されているが、コア１３０は典型的に、その内部に以下に説明する各種の通路を形成し得るよう、互いに整合した状態で積重ねられた、多数の板、例えば、かかる板を５０対以上含むことを理解すべきである。適正に積重ねられたとき、複数対の板１３２は、コア１３０の長さに沿って伸びる多数の入口マニホルド１４０と、コアの長さに沿って伸びる多数の出口マニホルド１４２と、一端にて少なくとも１つの入口マニホルド及び他端にて少なくとも１つの出口マニホルドと流体的に連通する複数の相互に接続する通路１４４とを画成することができる。当該技術分野の当業者は、図示した特定数の入口及び出口マニホルドは単に一例にしか過ぎないことが認識されよう。任意の数の入口マニホルド及び出口マニホルドを提供することができる。更に、当該技術分野の当業者は、本明細書及び特許請求の範囲にて使用した「入口」及び「出口」という語は互いに互換可能であることが理解されよう。例えば、一方向に流れるよう入口マニホルドとして設計されるものは、反対方向に流れる出口マニホルドとなるであろう。
【００２３】
積重ね軸線が図示するように、入口及び出口マニホルド１４０、１４２の長手方向軸線１３４に対し平行であるならば、必要とされる板の対１３２の数は、全体としてＨＸ１２０の所望の作動特徴及び熱交換器板１３６、１３８の厚さの関数となるであろう。ＨＸ１２０は、その各々が単一の熱交換器板１３６及び単一の熱交換器板１３８を備える対の板１３２を有するものとして図示されているが、当該技術分野の当業者は、熱交換器板の各々を２つ以上の同様の形状の板の複合体とすることが可能であることが理解されよう。このことは、板を製造するシート材料の厚さが相応する板の所望の厚さよりも薄いときに望ましい。当該技術分野の当業者はまた、対の板１３２に代えて、単一の板を使用することも可能であることが理解されよう。かかる板を製造する技術に関しては図６の板２３６について以下に説明する。積重ね軸線は、長手方向軸線１３４に対し直交する方向のものとすることができる。例えば、積重ね軸線は、熱伝導面１２８に対し直角の方向のものとすることができる。かかる場合、積重ねた板の各々の形態は、図３に示した板１３６、１３８と極めて相違し、また、必要とされるかかる板の数を制限することになろう、通路を形成する能力のようなその他の判断基準を有する。
【００２４】
図４に示すように、熱交換器板１３６、１３８における異なる材料の厚さを表わすべく異なる斜線断面が使用されている。熱交換器板１３６、１３８の双方に対し間隔の狭い斜線部分は、板を製造するために使用される材料の全厚さを含む板の部分１３７を表わす。また、板１３６、１３８において、より広い間隔の斜線部分は、板を製造すべく使用される材料の部分的厚さのみを含む板の部分１３９を表わす。板１３６、１３８の斜線部分は、図５に示すように共に積重ねられたとき、板１３６、１３８の各々の重なり合う部分を明確にすべく互いに対向している。
【００２５】
図４に最も良く示すように、熱交換器板１３６、１３８の各々は、その各々が入口マニホルド１４０の相応する１つの一部分を画成する多数の入口開口１４６を含むことができる。熱交換器板１３６、１３８の各々はまた、その各々が出口マニホルド１４２の相応する１つの一部分を画成する多数の出口開口１４８を含むようにしてもよい。材料の部分的厚さのみを含む板１３６、１３８の凹状部分１３９は、相互に接続する通路１４４を形成し、ここで、入口マニホルド１４０から流れる流体は、以下により詳細に説明するように、方向を変更し且つ出口マニホルド１４２内に流れる。
【００２６】
図４を続けて参照すると、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２の双方は、マニホルドの構造的一体性を強化する作用を果たす１つ以上の支え材１４９を含むことが可能である。図４に示した実施の形態において、熱交換器板１３６は、その各々が２つの支え材１４９を有するマニホルド１４０、１４２を備え、熱交換器板１３８は、その各々が単一の支え材１４９を有するマニホルド１４０、１４２を備えている。
【００２７】
図５には、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２が対の板により画成される状態を示すべく、互いに適正に整列した１対の熱交換器板１３６、１３８が示してある。図５には、板１３６における入口マニホルド１４０の部分及び出口マニホルド１４２の部分の各々が板１３８における相応するマニホルド部分１４０、１４２と重なり合うことが板の各々の入口マニホルド部分１４０と板の各々の出口マニホルド部分１４２との間の流体的連通を促進する状態も示してある。板１３６が板１３８の頂部に積重ねられたとき、板１３８における支え材１３９を板１３６における支え材１３９に対し食い違いに配置することは、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２内の流体がコア１３０の長さに沿って連通することを可能にする。
【００２８】
相互に接続する通路１４４は、入口マニホルド１４０から熱伝導面１２８まで伸びる第一の部分１４５と、熱伝導面１２８から出口マニホルド１４２まで伸びる第二の部分１４７とを備えることができる。典型的に、流体は、入口マニホルド１４０を通ってＨＸに入り、相互に接続する通路１４４の第一の部分内に流動し、第一の部分を通って熱伝導面１２８に向けて流れ、相互に接続する通路１４４の第二の部分に入り、流体は、この相互に接続する通路にて、熱伝導面１２８から出口マニホルド１４２内に導かれる。通路１４４は、熱伝導面１２８と熱伝導可能に連通しており且つ、熱伝導フィン１５４として機能し、それは、これら領域にて熱の大部分は、コア１３０と作用流体との間で伝導されるからである。
【００２９】
相互に接続する通路１４４の各々は、選択的に、例えば、流れを１つの入口マニホルド１４０から２つ以上の出口マニホルド１４２に導き及び（又は）分割するのを助けるため、１つ以上の流れ仕切部１６８を備えることができる。更に、凹状部分１３９内に１つ以上の流れ案内タブ１５１を含めるようにしてもよい。図６に示したもののような幾つかの実施の形態において、案内タブを含めなくともよい。その他の実施の形態において、２つ以上の案内タブを含むことができる。当該技術分野の当業者が認識されるように、１つ以上のタブの必要性は、典型的に、熱交換器通路のアスペクト比に基づくことになろう。
【００３０】
流れ仕切部１６８及び流れ案内タブ１５１（全体として流れ制御要素１５１、１６８として既知）の双方は、熱伝導通路上におけるより均一な流れ分配状態を促進する。流れ制御要素１５１、１６８は、出口マニホルド１４２の幅を亙って流れを分配するのを助ける。また、個々の相互に接続する通路１４４を通って流れる作用流体の量を制御すべく流れ制御要素１５１、１６８を使用することもできる。従って、流れ制御要素１５１、１６８は、フィン１５４の各々の熱伝導能力を制御するために使用することができる。
【００３１】
例えば、図示した実施の形態において、熱交換器板１３６、１３８は、熱交換器板の全体面積に比して大きい入口開口１４６及び出口開口１４８（マニホルド部分１４０、１４２を画成する）を保持している。このように、相互に接続する通路１４４は、比較的幅が広く且つ、比較的狭小なウェブ１７０によって入口開口１４６及び出口開口１４８から分離されている。これらの特徴は、作用流体に露呈されるフィン１５４の各々の面積を最大にし且つ、相応する相互に接続する通路１４４内の流れを最大にし、これにより、その他の全ての変数が等しいならば、該フィンにおける熱伝導能力を最大にすることになる。しかし、代替的な実施の形態において、流れ制御要素１５１、１６８及び（又は）ウェブ１７０の寸法を増大させ、作用流体に直接、露呈される相応したフィン１５４の面積を縮小させ且つ、相応した相互に接続する通路１４４内の流れを減少させ、これにより、該フィンにおける熱伝導能力を減少させることができる。
【００３２】
従って、本発明のＨＸ１２０の設計者は、装置１２２の色々な領域の熱伝導の必要性と釣合うように熱伝導面１２８の長さ及び幅の双方に沿ったコア１３０の熱伝導率を変化させることができる。例えば、装置１２２は、熱伝導面の長さだけ伸びる中央片に沿って最大の冷却力を必要とするが、隣接する縁部片領域にて最小の冷却力があればよい。従って、コア１３０の長さに沿った熱交換器板１３６、１３８の入口開口１４６及び出口開口１４８の中央のものに隣接する流れ制御要素１５１、１６８及び（又は）ウェブ１７０は、比較的狭小であり、コアの中心に沿って比較的大きい熱伝導能力を持つ幅の広い相互に接続する通路１４４を形成する。これに反して、中央開口の外側で入口開口１４６及び出口開口１４８に隣接する流れ制御要素１５１、１６８及び（又は）ウェブ１７０は、比較的幅が広くなり、コア１３０の側方縁部に隣接して比較的小さい熱伝導能力を持つ狭小な相互に接続する通路１４４を形成することになろう。
【００３３】
１つの実施の形態において、出口マニホルド１４２は、図示するように、コア１３０の幅に亙って入口マニホルド１４０に対して交番的に配置され、また、入口マニホルドの数よりも１つだけ少ない数にて提供される。この配置は、相互に接続する通路１４４の各々が通路１４４の上流部分における１つの入口マニホルド１４０と、また、通路１４４の下流部分における２つの近接する出口マニホルド１４２と流体的に連通することを許容する。
【００３４】
当該技術分野の当業者は、所望であるならば、出口マニホルド１４２は、入口マニホルドよりも１つだけ多い数にて提供することが可能であることが理解されよう。更に、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２は、例えば、１つ以上のマニホルド１４２が近接する入口マニホルドの間に配置されるような、交番的に配置するようなものを含む任意のその他の形態及び所望の任意の数にて提供することができる。１つの実施の形態において、入口マニホルド１４０の容積と出口マニホルド１４２の容積とから成る複合的容積は、ＨＸ１２０のコア１３０の合計容積の少なくとも２０％を占める。別の実施の形態において、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２の複合的容積は、コア１３０の合計容積の３０％以上を占める。入口及び出口マニホルド内部の圧力降下を低下させることに関して、入口マニホルド１４０及び出口マニホルド１４２は更に大きい複合的容積であるようにすることが望ましい。また、当該技術分野の当業者は、ＨＸ１２０の全体寸法の制限値のような、１つ以上の他の判断基準を満足させるためには、コア１３０の全体容積の２０％以下の複合的容積が必要であることが理解されよう。
【００３５】
図２及び図３を特に参照すると、入口プレナム１２４は、流れ再循環システム１２５から作用流体を受け取り且つ、その流体を入口マニホルド１４０の間で分配する。入口プレナム１２４は、入口カバー及び入口プレナム板１７２の結合体と、入口壁板１７４とを有している。入口カバー／プレナム板１７２は、流れ再循環システム１２５から作用流体を受け取る入口ポート１７８を有している。入口壁板１７４は、作用流体を入口マニホルド１４０にのみ均一に分配し、作用流体が出口マニホルド１４２に入るのを妨害するような形態とされている。このように、入口壁板１７４は、コア１３０の入口マニホルド１４０と整列した多数の入口開口１８０を有している。入口カバー／プレナム板１７２は、単一プレナム開口（図示せず）を有し、該プレナム開口は、入口プレナム１２４が組み立てられたとき、入口ポート１７８及び入口開口１８０と流体的に連通するプレナム通路（図示せず）を形成する。コア１３０の熱交換器板１３６、１３８と同様に、入口プレナム１２４の板１７２、１７４の１つ以上は、必要な板の全厚さ及び（又は）板内に形成された開口の必要とされる寸法を提供し得るように同様の形状をした２つ以上の板から成る複合的板とすることができる。
【００３６】
出口プレナム１２６が出口マニホルド１４２から作用流体を収集し且つ、その流体を流れ再循環システム１２５に戻す。出口プレナム１２６は、外壁板１８６と、出口カバー及び出口プレナム板１８８の結合体とを有している。出口壁板１８６は、作用流体が入口マニホルド１４０から流れ出るのを妨害し、従って、コア１３０の出口マニホルド１４２と整列した多数の出口開口１９２を有している。出口カバー／プレナム板１８８は、作用流体を流れ再循環システム１２５に戻す出口ポート１９４を有している。出口カバー／プレナム板１８８は、単一のプレナム開口１９６を有しており、該プレナム開口は、出口プレナム１２６が組み立てられたとき、出口開口１９２及び出口ポート１９４と流体的に連通するプレナム通路（図示せず）を形成することができる。入口プレナム１２４の板１７２、１７４と同様に、板１８６、１８８の１つ以上は、必要な板の全厚さ及び（又は）板内に形成された開口の必要とされる寸法を提供し得るように同様の形状をした２つ以上の板から成る複合的板とすることができる。ＨＸ１２０に対し一端にて作用流体の入口流及び他端にて作用流体の出口流を提供する、図示した入口プレナム１２４及び出口プレナム１２６の形態は、単に一例にしか過ぎない。当該技術分野の当業者は、端部及び熱伝導面１２８に対し垂直であるＨＸ１２０の一側部又は両側部に沿ってＨＸ１２０の一端又は両端にて、又はＨＸ１２０の上面及び下面の一方又は双方にて、作用流体の入口流及び出口流を提供するような入口プレナム１２４及び出口プレナム１２６の形態とすることができることが理解されよう。
【００３７】
熱交換器板１３６、１３８は、銅又はアルミニウムのような、高熱伝導率の材料で出来たものとすることができる。幾つかの用途において、ＨＸ１２０と装置１２２との間の熱歪みの不一致を最小にすることが望ましい（図２参照）。例えば、装置１２２がケイ素系のマイクロプロセッサであり、また、マイクロプロセッサを冷却するためＨＸ１２０が提供されるとき、例えば、銅熱交換器板とマイクロプロセッサとの間の熱歪みの不一致は、熱膨張率が銅よりも遥かに小さいマイクロプロセッサの機械的故障を生じさせる可能性がある。しかし、十分な熱伝導率及び比較的小さい熱膨張率を有し、また、熱交換器板１３６、１３８に適したその他の材料が利用可能である。かかる材料の例は、銅−タングステン、銅モリブデン及びアルミニウム−炭化ケイ素の複合体を含む。これらの材料を使用することは、ＨＸ１２０をマイクロプロセッサ又はその他のケイ素又は同様の材料利用の装置１２２に直接、結合することを可能にするであろう。
【００３８】
入口プレナム１２４の板１７２、１７４及び出口プレナム１２６の板１８６、１８８は、熱交換器板１３６と同一の材料で出来ていることが好ましいが、異なる材料で出来たものでもよい。
【００３９】
１つの実施の形態において、ＨＸの板１３６、１３８、１７２、１７４、１８６、１８８は、ｍｍ以下の範囲の厚さとすることができる。従って、板１３６、１３８、１７２、１７４、１８６、１８８は、フォイルにて出来たものとしてもよい。しかし、板の一部又は全ては、１ｍｍ以上の厚さを有し、従って、シート又は板材料で出来たものとすることが可能である。特に、化学的ミーリング、レーザ剥離、微細加工、従来の機械加工、又は熱切削のような、材料除去技術を使用してフォイルに開口１４６、１４８、１８０、１８２、１９２、１９６及びポート１７８、１９４を形成することができる。相互に接続する通路１４４を構成する凹状領域１３９は、コイニング加工により、又は特に、化学的ミーリング、レーザ剥離、微細加工又は従来の機械加工のような、材料除去技術により形成することができる。当該技術分野の当業者は、板の積重ね体内に特定の通路を画成すべく形成された開口のみを有する任意の２つ以上の板に代えて単一の板を使用することができるように、板の一側部又は両側部に上述の凹所形成技術を使用することが可能であることが理解されよう。技術の選択は、主として、板を製造する材料の厚さ及び型式並びに個別の技術の制約に依存する。板１３６、１３８、１７２、１７４、１８６、１８８は、拡散接合、融接、はんだ付け又は接着剤接合のような任意の適宜な接合技術を使用して互いに接合すべきである。
【００４０】
作用流体として水を利用し、また、約２０ｃｃ／ｓの流量にて２５０ワット／ｃｍ^２程度の冷却力を提供することのできるＨＸ１２０の一例としての実施例において、熱伝導面１２８は、約１０ｍｍの長さ及び約１０ｍｍの幅を有することができる。かかる実施の形態は、例えば、マイクロプロセッサを冷却するために使用することができる。この実施の形態において、全ての板１３６、１３８、１７２、１７４、１８６、１８８は、銅にて製造することが好ましく、また、上述したように、流れ仕切部１６８及びウェブ１７０の寸法を最小にすることにより相互に接続する通路１４４の寸法を最大にする。従って、熱交換器板１３６、１３８の厚さは、０．１５ｍｍ程度にすることができる。相互に接続する通路１４４の深さは、０．０５ｍｍ程度である。
【００４１】
使用中、作用流体は、次のようにして図２から図６に示したＨＸ１２０を通って流れる。第一に、作用流体は、入口ポート１７８を通り且つ入口プレナム板１７２に画成された入口プレナム通路内に流れ、該入口プレナム板にて作用流体は、入口壁板１７４の入口開口１８０を通じて入口マニホルド１４０に分配される。作用流体が入口マニホルド１４０の各々に沿って流れるとき、作用流体の一部は、コア１３０の長さに沿って配分された各種の相互に接続する通路１４４内に流れる。作用流体が、相互に接続する通路１４４の各々を通って流れるとき、作用流体は、最初に、入口マニホルド１４０に隣接する通路１４４の第一の部分１４５内（図５）に流れ、該入口マニホルドにて、流体が熱伝導面１２８に向けて流れるとき、流体は、流れ仕切部１６８により２つの流路に分割される。次に、作用流体は、通路１４４の第二の部分１４７内に流れ、該第二の部分にて作用流体は、熱伝導面１２８から相応した出口マニホルド１４２内に流れる。作用流体が出口マニホルド１４２の１つに入ったならば、次に、作用流体は、出口壁板１８６の出口開口１９２の相応した１つの群を通って流れ、出口プレナム板１８８の出口プレナム通路（図示せず）内に流れ且つ、出口ポート１９４を通って流れる。当該技術分野の当業者が認識し得るように、ＨＸ１２０を通る流動方向を逆にし、そのとき、本明細書にて「入口」として示した通路及び開口部は出口通路及び開口部となり、本明細書にて「出口」として示した通路及び開口部は入口通路及び開口部となるようにする。
【００４２】
出口流路１４７の長さは、典型的に、入口流路１４５の２倍以上であり、通路の各々にて運ばれる熱の量は同一である。入口通路は、より高い入口温度差を有し、従って、出口通路と同一量の熱を運ぶためには小さい面積でよい。換言すれば、通路１４５、１４７の長さを適宜に選ぶことにより、流体の温度上昇（降下）の半分は入口通路１４５内で生じ、残りの半分は出口通路１４７内で生じる。このように、各通路内で運ばれる熱の量は等しい。この設計方法を使用すれば、ＨＸ１２０の基部における熱抵抗を均一にすることができる。熱抵抗の均一さが重要ではないその他の実施の形態において、双方の通路の長さを等しくすることができる。かかる設計の結果、全体的な圧力降下は低下するが、境界状態の均一さは減少する。
【００４３】
図６には、本発明の別の実施の形態が図示されている。熱交換器板２３６は、図４及び図５の板１３６、１３８と同様であり、その要素は同様の番号で表示してある。しかし、マニホルド２４０、２４２は支え材を有さず、相互に接続する通路２４４は、出口通路内に何らの流れ案内タブを含まない。
【００４４】
本発明の熱交換器板を内蔵するＨＸは、従来の技術に卓越する有利な効果を提供する。第一に、熱伝導境界面における又は熱伝導フィンとの間の流れ集収通路を無くすことにより、熱抵抗は著しく減少する。本発明における熱伝導フィンは、熱伝導境界面の全体を被い、これにより、ＨＸの熱伝導能力を増大させる。第二に、流れ集収通路が無くなるため圧力降下は著しく少なくなる。従来技術の正規流熱交換器において、流れ収集通路の寸法は、熱抵抗に対するその影響を軽減し得るよう小さく形成してある。圧力降下のかなりの部分は、小さい集収通路を使用するにもかかわらず、十分な流れ分配状態を保証することに関係する。
【００４５】
好ましい実施の形態に関して本発明を説明したが、本発明はこのように限定されるものでないことが理解されよう。これに反して、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に含めることのできる全ての代替例、改変例及び等価物を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】正規流れ熱交換器のコアを形成するために使用することのできる従来技術の熱交換器板の平面図である。
【図２】熱交換器によって熱を吸引し又は運ぶことのできる装置に隣接して配置された状態で示す本発明の熱交換器の斜視図である。
【図３】本発明の熱交換器の積層した実施の形態を示す分解斜視図である。
【図４】二重支え材付きのマニホルドを有する熱交換器板の平面図、及び図２に示した熱交換器のコアを形成するために使用することのできる単一支え材付きのマニホルドを有する相応した熱交換器板の平面図である。
【図５】互いに適正に整列した図４の熱交換器板の部分斜視図であり、これにより画成された流路を示す。
【図６】図２の熱交換器を形成するために使用することのできる熱交換器板の１つの代替的な実施の形態を示す平面図である。

Claims

熱交換器において、
ａ）ある長さと、ある幅と、ある高さと、少なくとも１つの熱伝導面を持つ多数の面とを有するハウジングと、
ｂ）熱交換器流体を受け取り且つ押し出し得るように前記ハウジングに画成された少なくとも２つの開口部と、
ｃ）前記ハウジング内に配置された少なくとも１つの熱交換器板であって、少なくとも２つのマニホルドを画成する少なくとも２つの開口を有し、前記少なくとも２つのマニホルドの各々が、前記少なくとも２つの開口部の少なくとも１つと流体的に連通した、前記少なくとも１つの熱交換器板と、
ｄ）前記少なくとも１つの熱交換器板内に画成された少なくとも１つの相互に接続する通路であって、前記少なくとも２つのマニホルドを互いに流体的に結合し、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面に向けた第一の方向に導き得るようにされた第一の部分と、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面から離れる第二の方向に導き得るようにされた第二の部分とを有する前記少なくとも１つの相互に接続する通路とを備え、
前記少なくとも１つの相互に接続する通路の前記第一の部分及び第二の部分がほぼ同等の断面積を有するようにした、熱交換器。
前記少なくとも１つの相互に接続する通路の前記第一及び第二の部分の各々内に画成された少なくとも１つの熱伝導フィンを備え、
前記少なくとも１つの熱伝導フィンの各々が、前記少なくとも１つの熱伝導面からある距離に頂縁部を有し、
前記少なくとも１つの熱伝導フィンが、前記少なくとも１つの熱伝導面と熱的に連通するようにした、請求項１に記載の熱交換器。
前記第二の部分における前記頂縁部の前記距離が、前記第一の部分における前記頂縁部の前記距離よりも長いようにした、請求項２に記載の熱交換器。
前記少なくとも２つのマニホルドの各々が、少なくとも１つの入口マニホルドと、少なくとも１つの出口マニホルドとを有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの入口マニホルドの数及び前記少なくとも１つの出口マニホルドの数が１つだけ相違するようにした、請求項４に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの相互に接続する通路が、前記少なくとも２つのマニホルドの１つと接続された第一の端部と、前記少なくとも２つのマニホルドの２つと接続された第二の端部分とを有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの相互に接続する通路が少なくとも１つの流れ仕切部を有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記ハウジングが、少なくとも２つのプレナムを更に備え、
該プレナムの各々が、前記少なくとも２つの開口部の少なくとも１つと流体的に連通し、また、前記少なくとも２つのマニホルドの少なくとも１つと流体的に連通するようにした、請求項１に記載の熱交換器。
前記ハウジングが、ある長さと、幅と、高さを有するコアを備え、
該コアが、前記長さに沿って伸びる積重ね軸線を有し且つ、該コアを形成し得るように前記積重ね軸線に沿って互いに積重ねられた複数の前記熱交換器板を備える、請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの熱伝導フィンが、該少なくとも１つの熱伝導フィンの全体に亙って均一でない熱伝導能力を有するようにした、請求項２に記載の熱交換器。
前記コアが、第一の容積を有し、
前記少なくとも２つのマニホルドが、該第一の容積の少なくとも２０％である第二の容積を画成するようにした、請求項９に記載の熱交換器。
前記少なくとも２つのマニホルドが、少なくとも１つの支え材を有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの相互に接続する通路が、少なくとも１つの流れ案内タブを有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記第一の部分及び第二の部分が、熱交換器を通る流体の流れ方向に依存して、流体を前記第一の方向及び前記第二の方向に変更可能に導くことができるようにした、請求項１に記載の熱交換器。
組立体において、
ａ）請求項１の熱交換器と、
ｂ）前記少なくとも１つの熱伝導面と熱的に連通した装置とを備える組立体。
前記装置がマイクロエレクトロニクス装置である、請求項１５に記載の機器。
前記マイクロエレクトロニクス装置がマイクロプロセッサである、請求項１６に記載の機器。
前記少なくとも２つの開口部と流体的に連通した流体の再循環システムを更に備える、請求項１５に記載の機器。
熱交換器において、
ａ）ある長さと、ある幅と、ある高さと、少なくとも１つの熱伝導面を持つ多数の面とを有するハウジングと、
ｂ）流体を受け取り且つ押し出し得るように前記ハウジングに画成された少なくとも２つの開口部と、
ｃ）前記ハウジング内に配置された少なくとも１つの熱交換器板であって、少なくとも２つのマニホルドを画成する少なくとも２つの開口を有し、前記少なくとも２つのマニホルドの各々が、前記少なくとも２つの開口部の少なくとも１つと流体的に連通した前記少なくとも１つの熱交換器板と、
ｄ）前記少なくとも１つの熱交換器板内に画成された少なくとも１つの相互に接続する通路であって、前記少なくとも２つのマニホルドを互いに流体的に結合し、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面に向けた第一の方向に導き得るようにされた第一の部分と、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面から離れる第二の方向に導き得るようにされた第二の部分とを有する前記少なくとも１つの相互に接続する通路とを備え、
ｅ）前記少なくとも１つの相互に接続する通路の前記第一及び第二の部分の各々内に画成された少なくとも１つの熱伝導フィンを備え、
該少なくとも１つの熱伝導フィンの各々が、前記少なくとも１つの熱伝導面からある距離に頂縁部を有し、
該少なくとも１つの熱伝導フィンが前記少なくとも１つの熱伝導面と熱的に連通するようにした、熱交換器。
前記第二の部分における前記頂縁部の前記距離が、前記第一の部分における前記頂縁部の前記距離よりも長いようにした、請求項１９に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの相互に接続する通路の前記第一及び第二の部分がほぼ等しい断面積を有するようにした、請求項１９に記載の熱交換器。
熱交換器において、
ａ）ある長さと、ある幅と、ある高さと、少なくとも１つの熱伝導面を持つ多数の面とを有するハウジングと、
ｂ）積重ね軸線と、該積重ね軸線に沿って伸びるある長さと、該長さに沿って伸びる前記熱伝導面とを有するコアと、
ｃ）交換器流体を受け取り且つ、押し出すため、前記ハウジングに形成された少なくとも２つの開口部と、
ｄ）前記ハウジング内に配置されており、前記少なくとも２つの開口部の少なくとも１つと流体的に連通した入口プレナムと、
ｅ）前記入口プレナムと軸方向に整合して前記ハウジング内に配置されており且つ、前記プレナムと流体的に連通した入口分配板と、
ｆ）前記積重ね軸線に沿って前記入口分配板と軸方向に整合して前記ハウジング内に配置された少なくとも１つの熱交換器板であって、前記入口分配板と流体的に連通した、少なくとも１つの入口マニホルドを画成し、
少なくとも１つの出口マニホルドを画成する少なくとも１つの開口を更に有する前記少なくとも１つの熱交換器板と、
ｇ）前記少なくとも１つの熱交換器板内に画成されており、前記少なくとも１つの入口マニホルドを前記少なくとも１つの出口マニホルドに流体的に結合し、また、少なくとも１つの熱伝導面と熱的に連通する少なくとも１つの熱伝導フィンを画成する少なくとも１つの相互に接続する通路であって、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面に向けた第一の方向に前記少なくとも１つの入口マニホルドから導き得るようにされた第一の部分と、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面から離れる第二の方向に前記少なくとも１つの出口マニホルドに導き得るようにされた第二の部分とを有し、
該少なくとも１つの相互に接続する通路の該第一の部分及び第二の部分が実質的に等しい断面積を有するようにした、前記少なくとも１つの相互に接続する通路と、
ｈ）前記少なくとも１つの熱交換器板と軸方向に整合して前記ハウジング内に配置されており、前記少なくとも１つの出口マニホルドと流体的に連通した出口分配板と、
i）前記少なくとも１つの熱交換器板と軸方向に整合して前記ハウジング内に配置されており、前記少なくとも２つの開口部の少なくとも１つ及び前記出口分配板と流体的に連通した出口プレナムとを備える熱交換器。
前記少なくとも１つの熱伝導面フィンの各々が、前記少なくとも１つの熱伝導面からある距離に頂縁部を有し、
前記第二の部分の前記頂縁部の前記距離が、前記第一の部分の前記頂縁部の前記距離よりも長いようにした、請求項２２に記載の熱交換器。
熱交換器において、
ａ）少なくとも１つの熱伝導面を有するハウジングと、
ｂ）該ハウジングを通る流体路を画成する構造体であって、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面に向けた第一の方向に導き得るようにされた第一の部分と、流体を前記少なくとも１つの熱伝導面から離れる第二の方向に導き得るようにされた第二の部分とを有する前記構造体と、
ｃ）該構造体の前記第一及び第二の部分の各々内に伸びる少なくとも１つの熱伝導フィンであって、前記少なくとも１つの熱伝導面と熱的に連通しており、各々が、ある表面積を有する前記熱伝導フィンとを備え、
前記構造体の前記第二の部分内に伸びる前記少なくとも１つの熱伝導フィンの前記表面積が、前記構造体の前記第一の部分内に伸びる前記少なくとも１つの熱伝導フィンの前記表面積よりも大きいようにした、熱交換器。
流体が熱交換器を通って流れるようにする手段を更に備える、請求項１に記載の熱交換器。
前記少なくとも２つのマニホルドの少なくとも１つと前記少なくとも２つのマニホルドの少なくとも１つの他方とを流体的に連通させる手段を更に備える、請求項１に記載の熱交換器。
前記ハウジングに入る流体を前記少なくとも２つのマニホルドの少なくとも一方を亙って均一に分配する手段を更に備える、請求項１に記載の熱交換器。
熱を流体に又は流体から伝導する方法において、
ａ）熱伝導領域と、流体を運ぶ通路とを有する装置であって、該通路が、前記流体が全体として前記熱伝導領域に向けた第一の方向に流れる第一の部分と、前記流体が全体として前記熱伝導領域から離れる第二の方向に流れる第二の部分とを有し、
前記熱伝導領域の幾何学的設計が、流体が前記通路の前記第一及び第二の部分を通って流れる間、流体の速度に影響を与えるであろうその他のパラメータの全てが実質的に一定であると想定して、流体の速度が実質的に一定のものであることを許容し得るような形態とされた前記装置を提供するステップと、
ｂ）流体が前記装置を通って流れるようにするステップとを備える、熱を流体に又は流体から運ぶ方法。
前記少なくとも１つの熱伝導フィンが、前記熱伝導面の上方における所望の熱抵抗の分布特徴に従った寸法とされる、請求項２に記載の熱交換器。
熱を流体に又は流体から伝導する方法において、
ａ）請求項２に記載の熱交換器を提供するステップと、
ｂ）流体が前記熱交換器を通って流れるようにするステップとを備え、
前記熱伝導面の上方における熱抵抗の分布状態が、前記少なくとも１つの熱伝導フィンに隣接する流れを変化させることにより、制御されるようにした、熱を流体に又は流体から伝導する方法。