JP2016025354A - 伝熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱を伝達する構造体および板を提供する。
【解決手段】伝熱装置は、流体入口および流体出口を画定する本体部と、本体部内に画定される流体チャネルであって、流体入口と流体出口との間で流体連通して接続される流体チャネルと、複数のピンであって、流体チャネルを通過する流れが複数のピンの周辺を通って本体部から流体への伝熱を促進するように、流体チャネル内に配置される複数のピンとを含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、伝熱システム、より具体的には、熱を伝達する構造体および板に関する。

回路内の電気部品（例えば、航空機または宇宙船回路）は、発熱部品を含み、適切に機能するためには、発熱部品から外への十分な伝熱を必要とする。多くの機構、例えば、ファン、伝熱板、および高温表面に隣接して冷却剤を通過させるためのチューブまたはチューブを中に含む板などの積極的冷却装置が、冷却を達成するために使用されている。回路のサイズが縮小し続ける一方、熱を部品から移動させるのに十分な伝熱装置の開発はますます困難になっている。

そのような従来の方法およびシステムは、一般的に、それらの意図された目的のために十分であると見なされてきた。しかしながら、改善された伝熱装置のための技術の必要性が依然としてある。金属系付加製造技術における近年の進歩は、従来の機械加工では以前は不可能であった、マイクロスケールの、幾何学的に複雑な装置の作成を可能にする。導電性金属および革新的な幾何学配置の使用は、高熱流束エネルギー源を冷却する装置に多くの利点を提供する。本開示は、この必要性のための解決策を提供する。

本開示の少なくとも一態様において、伝熱装置は、流体入口および流体出口を画定する本体部と、本体部内で画定される流体チャネルであって、流体入口と流体出口との間で流体連通して接続される流体チャネルと、複数のピンであって、流体チャネルを通過する流れが複数のピンの周辺を通って本体部から流体への伝熱を促進するように、流体チャネル内に配置される複数のピンとを含む。

本体部は、２つの板を含むことができ、その結果、ピンが２つの板の間のチャネルにわたって配置されて、板と流体チャネルを通過する流れとの間の伝熱を促進する。本体部は、電気部品を実装するように構成することができる。特定の実施形態において、本体部は、アルミニウムまたは任意の他の好適な熱伝導性材料を含むことができる。

本体部は、約０．０８インチ（約２ｍｍ）厚、または任意の他の好適な厚さであり得る。本体部は、本明細書に記載されるように、直列に接続された複数の流体チャネルを画定することができる。本体部は、複数の連続的チャネル間を流体的に接続している入口−出口プレナムを画定することができる。

ピンは、直径約０．０４インチ（約１ｍｍ）または任意の他の好適なサイズであり得る。ピンは、流体チャネル内で均一に離間するように、規定のパターンで配置され得る。ピン直径および端から端の間隔は、伝熱および圧力降下の目標を達成するために、装置全体で調整することができる。典型的なピンとピンの間隔は、約０．０４インチ（約１ｍｍ）〜約０．０６インチ（約１．５ｍｍ）、または任意の他の好適なサイズで変化し得る。流体チャネルは、Ｓ字状経路をたどるように設計することができる。複数のピンは、第１の直径の少なくとも１つのピン、および第１の直径とは異なる第２の直径の少なくとも１つのピンを含むことができる。

方法は、本体部内に画定される流体チャネルを有する本体部を形成することによって伝熱装置を形成することを含み、該流体チャネルは流体入口と流体出口との間を流体的に接続する。本方法は、流体チャネルを通過する流れが複数のピンの周辺を通って、本体部から流体への伝熱を促進するように、流体チャネル内に配置される複数のピンを形成することを含む。これは、付加製造による本体部の形成を含むことができる。

主題の開示のシステムおよび方法のこれらのおよび他の特徴は、図面と合わせて以下の詳細説明から、当業者にとってより容易に明らかになるであろう。

主題の開示に属する当業者が不要な実験をすることなく主題の開示の装置および方法の作製および使用の仕方を容易に理解するために、その実施形態は、特定の図を参照して以下に詳細に説明される。

図１は、本開示に従う伝熱装置の実施形態の平面図であり、流れの矢印によって表される流体の流れを図式的に示す。 図２は、図１の伝熱装置の一部内の流体量の概略斜視図である。 図３は、図１の伝熱装置の断面側面立面図であり、線３−３を通った断面を示す。 図４は、図１の伝熱装置の図面の一部の断面平面図であり、その中に配置されるピンを示す。

次に、図面を参照するが、この図面において同様の図示番号は類似の構造的特徴または主題の開示の態様を特定する。制限を目的とするのではなく、説明および例示の目的のため、本開示に従う伝熱装置の実施形態の説明図を図１に示し、参照番号１００と一般的に指定する。伝熱装置１００の他の視点および態様は図２〜４に示す。本明細書に記載されるシステムおよび方法は、熱源（例えば、電気部品）からの熱を、伝熱装置１００を通過する冷却流体へ伝達し、それによって熱源を冷却するために使用することができる。

図１を一般的に参照し、伝熱装置１００は、流体入口１０３および流体出口１０５を画定する本体部１０１を含む。本体部１０１は、流体入口１０３と流体出口１０５との間で流体連通にある本体部１０１内の１つ以上のチャネル１０７も画定する。入口１０３から出口１０５に流体的に連通する各チャネル１０７を有することが可能であるが、図１内のように複数のチャネル１０７を有する実施形態において、チャネル１０７は、チャネル入口１１１およびチャネル出口１１３に接続される複数の入口−出口プレナム１１２を介して流体入口１０３と流体出口１０５との間で直列的に互いに流体連通していてもよい。

チャネル１０７（例えば、流体チャネル１０７の反対）内の流体量を示す図２を参照すると、チャネル１０７は、そこに配置される複数のピン１０９でＳ字状形状を画定することができる。任意の他の好適な流体チャネル１０７の設計または形状が、本明細書において企図される。

図３を参照すると、装置１００は、電気部品（例えば、マイクロチップまたは他の好適な装置）を実装し、そこから熱を伝達して電気部品を冷却するように構成することができる。装置１００を使用した任意の他の好適な伝熱用途も、本明細書において企図される。本体部１０１は、約０．０５インチ（約１．２５ｍｍ）〜約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）の厚さ「ｔ」を有することができる。いくつかの実施形態において、本体部１０１は、約０．０８インチ（約２ｍｍ）厚であり得る。本体部１０１は、任意の他の好適な厚さおよび／または断面設計を有することができる。例えば、本体部１０１は、所定の設計エンベロープに適合するために可変的な厚さを含むことができる。

図１を参照すると、示されるように、流体は、入口１０３に入り、チャネル入口１１１を通ってチャネル１０７に入り、チャネル１０７を通過し、チャネル出口１１３を通って入口−出口プレナム１１２へ出て、次のチャネル１０７へと抜ける。最後のチャネル１０７で、流体は、チャネル出口１１３を通って、出口１０５に入り、チャネル１０７を出ることができる。

示される設計の代わりに、いくつかの実施形態において、本体部１０１は、流体入口１０３に直接接続する各チャネル１０７の少なくとも１つのチャネル入口１１１を画定することができる。チャネル入口１１１は、任意の好適なサイズおよび／または形状を含み得、任意の好適な様態で互いに異なる場合がある。本体部１０１は、流体出口１０５に直接接続する各チャネル１０７の少なくとも１つのチャネル流体出口１１３も画定することができる。チャネル流体出口１１３は、任意の好適なサイズおよび／または形状も含むことができ、任意の好適な様態で互いに異なることができる。チャネル入口１１１およびチャネル出口１１３の任意の他の好適な構成が、冷却流体がチャネル１０７を通過する限り、本明細書内に企図される。

図４を参照すると、先に開示されるように、複数のピン１０９は、流体チャネルを通過する流れが複数のピン１０９の周辺を通って、ピン本体部１０１から流体への伝熱を促進するように、流体チャネル１０７内に配置され得る。ピンは、直径約０．０１インチ（約０．２５ｍｍ）〜約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）であり得る。いくつかの実施形態において、ピン１０９は、直径約０．０４インチ（約１ｍｍ）である。ピン１０９は、任意の好適な形状（例えば、円筒形、長方形）、任意の他の好適な次元のものであり得、サイズおよび次元においてランダム化され得る。ピン１０９は、平方インチあたり約４５０ピンの密度、または任意の他の好適なピン密度で離間され得る。

ピン１０９は、流体チャネル内で均一に離間するように、規定のパターンで配置され得る。例えば、ピン１０９は、流体チャネル１０７内で行および列に均等に離間され得、または任意の好適なパターンで不均等に配置され得る。いくつかの実施形態において、複数のピン１０９は、第１の直径の少なくとも１つのピン１０９と、第１の直径とは異なる第２の直径の少なくとも１つのピン１０９とを含むことができ、すなわち、ピン１０９は、サイズが均一であるように図示されているが、サイズが様々であってもよい。

本体部１０１は、２つの板を含むことができ、その結果、ピン１０９が２つの板の間に配置されて、すなわち、一方または双方の板と一体となり、板と流体チャネル１０７を通過する流れとの間の伝熱を促進する。いくつかの実施形態において、本体部１０１は、チャネル１０７およびそこに配置されるピン１０９を画定する単一部品として形成される（例えば、付加製造を介して）。本体部１０１は、アルミニウムまたは任意の他の好適な熱伝導性材料を含むことができる。本体部１０１を形成する材料または材料の組み合わせは、本体部１０１内の流体に熱を効率的に伝達する熱伝達特性の要因となるように選択することができる。

本明細書に開示されるように、伝熱装置１００は、冷却剤（例えば、水または任意の他の好適な冷媒）がチャネル１０７を介して本体部１０１を効率的に通過することを可能にすることによって、熱源から熱を効率的に伝達する。チャネル１０７の設計は、代替の構成と比べて、本体部１０１内でのより長い経路、ならびに熱が冷却剤へ伝達するためのさらなる時間および衝突場所を可能にする。そのようなコンパクトな設計は、小さな発熱装置のより一層効率的な冷却を可能にする。

本開示の別の態様において、方法は、本体部内の複数の流体的に隔離されたチャネル１０７を画定する本体部１０１を形成することにより伝熱装置１００を形成することを含み、各チャネル１０７は、流体入口１０３および流体出口１０５に接続される。これは、付加製造による伝熱装置１０１の形成を含むことができる。装置１００を形成するための任意の他の好適なプロセスは、本開示の範囲から逸脱することなく使用することができる。

本開示の方法、装置、およびシステムは、上記のように、および図面に示されるように、増加した伝熱を含む優れた特性を有する伝熱装置を提供する。主題の開示の機器および方法は、実施形態を参照して示され説明されてきたが、変更および／または修正が主題の開示の趣旨および範囲から逸脱することなく為されることを当業者は容易に理解するであろう。

１００ 伝熱装置
１０１ 伝熱装置
１０１ 本体部
１０３ 流体入口
１０５ 流体出口
１０７ 流体チャネル
１０９ ピン
１１１ チャネル入口
１１２ 入口−出口プレナム
１１３ チャネル出口

Claims (13)

1. 流体入口および流体出口を画定する本体部と、
   前記本体部内で画定される流体チャネルであって、前記流体入口と前記流体出口との間で流体連通して接続される流体チャネルと、
   複数のピンであって、前記流体チャネルを通過する流れが前記複数のピンの周辺を通って、前記本体部から前記流体への伝熱を促進するように、前記流体チャネル内に配置される複数のピンと、を備える、伝熱装置。
2. 前記本体部が、２つの板を含み、その結果、前記ピンが前記２つの板の間のチャネルにわたって配置されて、前記板と前記流体チャネルを通過する流れとの間の伝熱を促進する、請求項１に記載の装置。
3. 前記本体部が電気部品を実装するように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記本体部が約０．０８インチ厚である、請求項２に記載の装置。
5. 前記本体部が直列に接続された複数の流体チャネルを画定する、請求項１に記載の装置。
6. 前記本体部が、複数の連続的チャネル間を流体的に接続している入口−出口プレナムを画定する、請求項５に記載の装置。
7. 前記ピンの直径が約０．０４インチである、請求項１に記載の装置。
8. 前記ピンが、前記流体チャネル内で均一に離間するように、規定のパターンで配置される、請求項７に記載の装置。
9. 前記流体チャネルがＳ字状経路をたどる、請求項７に記載の装置。
10. 前記複数のピンが、第１の直径の少なくとも１つのピン、および前記第１の直径とは異なる第２の直径の少なくとも１つのピンを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記本体部がアルミニウムを含む、請求項１に記載の装置。
12. 本体部内に画定される流体チャネルを画定する前記本体部を形成することによって伝熱装置を形成することであって、前記流体チャネルが流体入口と流体出口との間を流体的に接続する、形成することと、
    複数のピンであって、前記流体チャネルを通過する流れが前記複数のピンの周辺を通って、前記本体部から前記流体への伝熱を促進するように、前記流体チャネル内に配置される複数のピンを形成することと、を含む、方法。
13. 形成することが、付加製造によって前記本体部を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。

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