JP2005180906A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品のような非常に小さな熱源にでも取付けることができ、迅速かつ完全に熱エネルギーを伝達し、流体によって熱エネルギーを周囲へと効率良く排出できる熱交換装置を提供する。
【解決手段】冷却エレメントＫは、下面２と上面３を有する基板１を備え、基板は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が基板１を貫通し、複数のスペーサ７によって１つの物体１１の表面に相対して保持され、基板１の全長に渡って延在する。幾つかの平行なスペーサ７は、複数のチャネル４の間に位置するように配置される。他の複数のチャネル８は、基板１、物体１１および複数のスペーサ７の間に形成され、基板１に沿って延在する。送風機９は、矢印１０の方向に流体の流れを生成し、複数のチャネル８を貫通し、一部は複数のチャネル４を貫通して流れる。
【選択図】図１

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。

このような熱交換装置は、特許出願１により公知である。この熱交換装置は、１つの下面および１つの上面を有する１つの薄い板として形成される１つの基板と、１つの配向された流れを生成する１つの装置を備え、基板の下面および上面は流れと接するように交わる。流れ方向に重ねられて配置される複数のウェブが基板の上面より突出し、複数のウェブの高さは、流れ方向における隣接する複数のウェブ間の距離よりも短い。複数のウェブは流れを横断する方向に配列される。基板は、複数のウェブの間に規則的に配列され、基板を貫通して延長する複数のチャネルを更に備える。

特許文献２は、２つの板を備える１つの熱交換装置を示す、２つの板は、内側および（または）外側に複数のパーティションを備え、複数のパーティションは、複数のビードまたは複数のウェブとして形成され、流れを横断する方向に配列される。これらの複数のウェブは、流れ方向に重ねられて配置され、複数のウェブの高さは隣接する複数のウェブ間の距離より短い。複数のウェブによって流体中に乱流が生じ、その結果、１つの熱伝達の向上という効果を有する。

特許文献３は、１つの送風機と、相互に平行に配置される複数の冷却エレメントとを備える１つの冷却の配置を示し、複数の冷却エレメントは、複数の細長い冷却ウェブと介在する複数のギャップ開口から形成され、隣接する２つの冷却エレメントの複数の冷却ウェブは互い違いに配列され、１つの冷却エレメントの複数の冷却ウェブは隣接する冷却エレメントのギャップ開口を覆う。

特許文献４は複数の翼型板を備える１つの乱流熱回収装置を示し、板平面の複数の翼形は、同一の角度で交互に相対し、圧力勾配の方向に対して傾斜している。これは、乱流が生じるように意図され、これによって熱交換の性能が向上する。

複数のチャネルが貫通して延長する１つの基板を備えた複数の冷却装置は、特許文献５および特許文献６より公知である。複数のチャネルは長方形であっても良いし、円形であっても良い。

特許文献７には１つの放熱板について記載され、表面積を増加させるために、該放熱板の入熱表面は複数のリブと複数のチャネルとを備える。

上述された種類の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。一般的に、複数の能動的冷却装置と複数の受動的冷却装置に大別される。複数の能動的冷却装置は、１つの流体の流れによって支援されて、複数の送風機あるいは複数のベンチレータのような複数の装置を用いて熱伝達を促進または達成する。流体の流れによって１つの放熱板上に複数の流れが形成され、該放熱板は１つの熱源に繋がれ、熱源から廃熱を回収する。公知の複数の放熱板は１つのリブ構造あるいは１つの柱状構造を有し、その一部が粗面化されている。放熱板を貫通するか、放熱板の周囲を流れる流体は、熱を吸収する。空気の熱伝導性は低いので、入熱表面に比例して広い放熱面積を有するように、複数の放熱板は比較的大型に設計されなければならない。この目的のために、特許文献８には、放熱表面の面積が入熱表面の面積よりも十分に大きくする事が提案されており、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チャネルの形状とを予め組み立てる事によって達成される。
独国特許出願第１０２３３７３６．５号明細書（未公開） 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 独国特許出願公開第１９６１９０６０号明細書 欧州特許出願公開第０３０８５７６号明細書 ***国実用新案第９２１４０６１号明細書 独国特許出願公開第１００４１８２９号

複数の能動型熱交換装置に関する問題点は、大きな寸法に加えて、流体の流れを生成するために必要なエネルギーである。１つの有効な熱伝達は、１つの送風機のような対応する装置の１つの比較的高い電力消費および複数の大きい設置スペースの必要性と関連する。さらに、放熱表面が流体の流量に対して１つの比較的高い流体抵抗を持っている場合には放熱表面から流体までの１つの良好な熱伝達が達成されるが、この場合、より強力な１つの送風機が必要であり、従って１つの電力消費がより大きくなる。

先に言及した特許文献１における熱交換装置は、低い流体抵抗および小さな設置スペースによって高性能の熱交換器の問題点を解決し、流体として空気を使用して１つの良好な熱伝達を更に可能にする。

しかしながら、多くの応用目的のために、先述された冷却と比べて、例えば１つのマイクロチップのような１つの電子部品のような熱源は放熱面積に対して非常に小型であるので、その結果、冷却エレメントは、冷却するべき物体の放熱表面に直接設置する事が出来ない。従って、出来るだけ迅速かつ完全に熱エネルギーを移送し、流体によって熱エネルギーを周囲環境へと除去することに関する問題が発生する。

この問題点は、請求項１に示された特徴によって解決される。発明の有利な複数の発展および複数の改良は、複数の従属請求項から導く事が出来る。

本発明の基本的な原則は、１つの入熱板と、そこから突出する１つのベース板および幾つかのキャリア板を提供することにある。この場合、少なくとも１つの冷却エレメントが各キャリア板に配置される。

複数のキャリア板は相互に平行であり、ベース板に対して垂直である事が好ましい。複数の冷却エレメントは、隣接したキャリア板に面するように、複数のキャリア板の側面に配置される。換言すれば、外部の複数のキャリア板上に複数の冷却エレメントを提供する必要は無い。複数の冷却板の複数のウェブは、ベース板上において垂直で有る事が好ましい。重量を削減するために、ベース板および（または）複数のキャリア板はアルミニウムから製作される。より良好な熱伝導の為に、ベース板と複数のキャリア板との間に１つの銅の層が存在する。冷却される物体に面するベース板の下側上に１つの銅の層を更に提供する事が出来る。この層は、冷却される物体の放熱表面と直接接触しており、物体の放熱表面に対応する１つのみの表面を有する事が好ましい。

配向された流体の流れを生成する為の装置、具体的にはベンチレータが、複数のキャリア板上に配置され、その結果、当初の流れはベース板に対して略垂直に配向される。その後、複数のキャリア板の間に配置される事が所望される追加の複数のバッフル板によって流体の流れが偏向し、この流れはベース板および複数のキャリア板と略平行に配向される。

本発明は、一実施形態を用い、図面を参照して以下詳細に説明される。

最初に、図１を参照する。１つの冷却エレメントＫは、１つの下面２と１つの上面３を有する１つの基板１を備える。基板は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が基板１を貫通し、この場合、チャネル４は長方形状である。複数のチャネルは、１つの縦エッジ５および１つの横エッジ６を備える。基板１は、複数のスペーサ７によって１つの物体１１の表面に相対して保持される。複数のスペーサ７は、基板１の全長に渡って延長する。幾つかの平行なスペーサ７は、複数のチャネル４の間に位置するように配置される。このように、他の複数のチャネル８は、基板１、物体１１および複数のスペーサ７の間に形成され、基板１に沿って延長する。１つの装置９、例えば１つの送風機は、矢印１０（以下、流れ方向１０と称する）の方向に配向される流体の流れを生成し、複数のチャネル８を貫通し、および従って基板１の上面２および下面３に沿って、そして一部は複数のチャネル４を貫通して流れ、一部は双方向、即ち上から下へ、および下から上へ流れる。しかしながら、これらは、冷却されるべき１つの物体１１の表面から突出し得、その表面上に構築されて良い。

熱伝達を向上させるべく乱流を生じさせるために、流れ方向１０を横断する方向に延長する複数のウェブ１２．１、１２．２、１２．３が、流れ方向１０の上流側に配置される。一方、複数のウェブ１２．１、１２．２の高さは、流体抵抗をわずかにしか増加させないように低く、従って、殆ど障害となら無いように選定される。

複数の実験によって、流れ方向１０に積層した複数のチャネルの３つの列４．１、４．２、および、流れ方向１０の複数のチャネルの複数の列の上流側に配置される流れ方向に配置される３つのウェブ１２．１、１２．２および１２．３は、１つの良好な熱移送を行なうために完全に十分である事が示された。何故なら、複数のチャネルの第３の列の後側において、殆どの熱が除去されるからである。もちろん、３個よりも多いまたは少ない列およびウェブであっても良い。

図２は、本発明の１つの第１実施形態を示し、図１で示された冷却エレメントの幾つかが使用される。

装置は、１つの平坦なベース平面２２を有し、ここから幾つかのキャリア板１３、１４、１５が垂直に突出する。ここで、複数のキャリア板１３〜１５は、直方体状かつ相互に平行であるように設計される。隣接する複数のキャリア板の間（例えば１３と１４の間、または１４と１５の間）に１つのギャップが出現する。

複数のキャリア板１３〜１５は、ベース板２２に直接配置されて良い。さらに、ベース板２２と複数のキャリア板１３〜１５の間に介在板１６が配置されて良く、これは他の材料で製作される。ベース板２２および複数のキャリア板１３〜１５の好ましい材料はアルミニウムである。介在板１６が省略される場合、ベース板２２および複数のキャリア板１３〜１５は一体化される。アルミニウムは、普通程度の熱伝導率しか有さない点を甘受しなければならないという特定の不利益にも拘わらず、重量を節約するために所望される。または、介在板１６は銅で製作される事が望ましい。銅はアルミニウムより重いが、より良好な１つの熱伝導体である。図１の冷却エレメントＫによる複数の冷却エレメントＫ１〜Ｋ５は、複数のキャリア板１３〜１５の側面に配置され、複数のスペーサ７は、複数のキャリア板１３〜１５の表面と熱伝導的な接触を有する。複数の冷却エレメントＫ１〜Ｋ５の複数のウェブ１２はベース板２２に対して垂直に配置され、複数のキャリア板の側面の表面に対して平行に延長する。ここでも、主な流れ方向は矢印１０によって示される。

複数の冷却エレメントＫ２〜Ｋ５は、１つの隣接するキャリア板に相対して配向される複数のキャリア板の複数の表面に配置される。これらは例えば複数の冷却エレメントＫ２、Ｋ３、Ｋ４およびＫ５である。また、キャリア板１３上の冷却エレメントＫ１のように複数の冷却エレメントが隣接したキャリア板に向かって配向されないように、複数の冷却エレメントが複数のキャリア板１３および１５の外側に配置されて良い。キャリア板１５の例で示されたように、外側には冷却エレメントが配置されない。キャリア板１３の内部のように、キャリア板１３は冷却エレメントＫ２と相対して配向されており、複数のスペーサ７は、キャリア板１３と一体型として設計する事が出来るが、複数の冷却エレメントＫ１、Ｋ３、Ｋ４およびＫ５と共に、これらは冷却エレメントを構成する部分である。前述の場合の第１のケースは、複数のスペーサを有さない複数の冷却エレメントが１つの平坦な下面を有するという長所を持つ。これによって、成形中における特定の技術的な優位性および組み立ての容易性がとりわけもたらされる。

複数のキャリア板の数は任意であり、除去されるべき排熱に依存する。

通常は、冷却されるべき物体１１の放熱表面は、ベース板２２の基礎表面積より小さい。物体１１から１つの良好かつ迅速な熱除去を得るために、ベース板２２の下面と物体１１の放熱表面との間に他の介在板１７が供される。この介在板も銅で製作される事が好ましく、従って、一つの迅速かつ良好な熱の除去が提供される。ベース板２２自身が銅で製作されている場合、介在板１７は当然省略されて良い。

冷却されるべき物体１１の放熱表面の接線方向が主な流れ方向１０と一致しているという事は、図２から明白である。構造的な目的のために、マイクロプロセッサあるいは他の電子部品の冷却の際、物体および放熱板上における１つの配向された流体の流れ（例えば、１つのベンチレータの場合）を生成するための装置を配置することはしばしば一般的であり、この流れは通常垂直で上から下に向かって流れる（ｚ方向で負の方向）。所望の方向１０（すなわちｙ方向）へ流れを配向させるために、流れを変更させる複数のバッフル板が提供される。

図３は、１つの対応する実施形態例の１つの断面図であり、図４は、図３の線Ａ−Ａについての１つの断面図である。

ベース板２２は円板状であり、その上に合計５つのキャリア板１３、１４、１５、１４´、および１３´が配置され、これらの複数の外側表面上に複数の冷却エレメントＫ２〜Ｋ９が配置され、それらが隣接したキャリア板に向かって配向されているという事は、図３の断面平面図より明らかである。１つのベンチレータ９が複数のキャリア板の前面上に配置され、ｚ方向の負の方向に先ず移動する１つの気流を生成する。複数の隣接したキャリア板間の複数のギャップにおいて、複数の偏向板１８、１９、２０および２１のうちの少なくとも１対となる任意の２つが配置され、ｙ方向へ、あるいはｙ方向と反対側へ流れを偏向し、主な流れ方向１０が再び出現する。図３および図４の下側の部分において他の変形例が示され、相対する複数のキャリア板間の複数のギャップは壁２３によって部分的に閉じられており、この壁は、ベース板２２側に近接する１つの開口２４を有し、この開口２４を貫通して空気が流れ出る事が出来る。このように、流れの偏向が強制的に起こされ、これは矢印２５によって示される。複数のウェブ１２に対して略垂直に流体が流れるようにするべく、例えば複数の冷却エレメント（例えばここでは冷却エレメントＫ４）は熱交換装置の主軸２６に対して傾斜しており、従って、図３および４の上部の複数のバッフル板を省略する事が出来る。

図５の実施形態において、複数のキャリア板１３、１４、１５、１４´、および１３´は、１つの単一部品となるように相互に接続され、複数の冷却エレメントおよび複数の偏向板１８が複数のギャップに挿入される。この際、１つのギャップに付き１つの偏向板のみが必要である。図５の平面上に位置するベンチレータ（図示されない）によって生成された流れの一部が複数のキャリア板の表面に当たり、１つの偏向が既にｘｙ平面で発生しているので、複数の偏向板もまた省略する事が出来る。さらに、複数のウェブ１２が確立された主な流れ方向と交差するように、ベース板２２に対して１つの傾斜を有するように複数の冷却エレメントを配置する事が可能である。

本発明で使用される、１つの冷却エレメントの１つの部分斜視図である。 本発明の１つの第１実施形態における１つの熱交換装置の１つの斜視図である。 本発明の１つの第２実施形態における１つの熱交換装置の１つの断面図（断面平面図）である。 図３の線Ａ−Ａについての１つの断面図である。 本発明の１つの第３実施形態における、図３と同様の１つの断面図である。

Claims (13)

1. １つの下面および１つの上面を有する１つの基板を備える幾つかの冷却エレメントを備え、前記基板の前記上面から突出し、相互に重ねられる複数のウェブが提供され、その高さが隣接する複数のウェブ間の距離よりも短く、前記基板が、前記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と、前記基板の前記上面および前記下面の接線方向、かつ前記複数のウェブを横断するような１つの方向に流れる１つの配向された流体の流れを生成するための１つの装置とを備える熱交換装置であって、
   １つのベース板（２２）およびそこから突出する幾つかのキャリア板（１３、１４、１５）に１つの熱伝導エレメントが提供され、少なくとも１つの冷却エレメントＫ１乃至Ｋ５がそれぞれのキャリア板上に配置される事を特徴とする、
   熱交換装置。
2. 前記複数のキャリア板（１３、１４、１５）が相互に平行であり、かつ前記ベース板（２２）に対して垂直である事を特徴とする、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記複数の冷却エレメント（Ｋ２乃至Ｋ５）が、隣接する１つのキャリア板に面する前記複数のキャリア板（１３乃至１５）の複数の側面に配置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. 前記複数の冷却エレメント（Ｋ１乃至Ｋ５）の前記複数のウェブ（１２）が、前記ベース板（２２）に対して垂直に延長する事を特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換装置。
5. 前記ベース板（２２）がアルミニウムから製作される事を特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換装置。
6. 前記複数のキャリア板（Ｋ１乃至Ｋ５）がアルミニウムから製作される事を特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換装置。
7. 銅で製作される１つの介在板（１６）が、前記ベース板（２２）と前記複数のキャリア板（１３乃至１５）との間に配置される事を特徴とする、請求項５または６に記載の熱交換装置。
8. 銅で製作される他の介在板（１７）が、前記複数のキャリア板（１３乃至１５）と反対側に面している前記ベース板（２２）の前記下面上に配置される事を特徴とする、請求項７に記載の熱交換装置。
9. 前記ベース板に対して垂直に流入するする１つの流体の流れを前記ベース板に対して１つの接線方向に偏向させる複数のバッフル板（１８乃至２１）が、隣接する複数のキャリア板（１３乃至１５）間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つのベンチレータ（９）が前記複数のキャリア板（１３乃至１５）の複数の自由端上に配置され、これによって、前記ベース板（２２）の前記表面に垂直な１つの流体の流れを生成する事を特徴とする、請求項９に記載の熱交換装置。
11. 前記複数の冷却エレメント（Ｋ１乃至Ｋ５）の前記基板（１）が、複数のスペーサ（７）によって前記複数のキャリア板（１３、１４、１５）から離間して保持される事を特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の熱交換装置。
12. 前記複数のスペーサ（７）が、前記基板（１）と一体に接続される、請求項１１に記載の熱交換装置。
13. 前記複数のスペーサ（７）が、関連するキャリア板（１３、１４、１５）と一体に接続される、請求項１０に記載の熱交換装置。

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