(57)【要約】  流体と熱交換するための装置は、熱交換器を含んでおり、該熱交換器は、第１および第２の対向面ならびに面の間の軸線方向の流体の流れを可能にする複数の流通路を有している。インターフェイス面を有するマニホールドは、第１の面と熱的に接触しており、かつ、インターフェイス面と伝熱面との間で軸線方向に熱を伝導するための熱伝導性の本体を含んでいる。複数の供給通路は、横断方向に熱伝導性の本体を通って延びており、該通路は、流体を受け入れ、または排出するための入口を有している。複数の分配通路は、供給通路のうちの少なくとも１つと流体連通している端部と、インターフェイス面全体に分布した開口部とを有している。分配通路は、供給通路における横断方向に方向付けられた流れと開口部における軸線方向に方向付けられた流れとの間の流体の流れ方向の変化を引き起こすように構成されている。【選択図】図１
2019504284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体と熱交換するための装置であって、当該装置は：
熱交換器を有しており、該熱交換器は、第１および第２の対向面、ならびに、実質的に軸線方向の、前記の第１および第２の面の間の流体の流れを可能にする流通路を有しており、ここで、前記軸線方向は、前記の第１および第２の面に垂直であり；
前記熱交換器の前記の第１の面と熱的に接触しているインターフェイス面を有するマニホールドを有しており、該マニホールドは：
熱伝導性の本体を有しており、該本体は、前記軸線方向と概して整列した熱の流れ方向で、前記インターフェイス面と遠位に配置された伝熱面との間で熱を伝導するように作動可能であり、前記伝熱面は、流体不透過性であり；
前記軸線方向に関して概して横断方向に前記の熱伝導性の本体を通って延びている複数の供給通路を有しており、各供給通路は、前記流体を受け入れ、または排出するための入口を有しており；かつ、
複数の分配通路を有しており、各分配通路は、前記の複数の供給通路のうちの少なくとも１つと流体連通している端部を有しており、かつ、前記インターフェイス面における開口部を有しており、前記の複数の分配通路の各開口部は、前記インターフェイス面全体に分布しており、前記分配通路は、前記供給通路における横断方向に方向付けられた流れと前記分配通路の開口部における軸線方向に方向付けられた流れとの間の流体の流れ方向の変化を引き起こすように構成されている
前記装置。
【請求項２】
前記熱交換器が、超小型熱交換器材料を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱交換器が、約１００００ｍ２／ｍ３より大きい単位体積当たりの伝熱面積を有している、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記熱交換器材料が、
焼結粉体；
ワイヤーフェルト；
発泡金属；
発泡セラミック；
編組されたスクリーン；および
結合された複数のパターン化された箔
のうちの少なくとも１つを有する熱伝導性の高い流体透過性材料を有している、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記熱交換器材料が、複数のフロック加工された繊維を有している、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記の複数のフロック加工された繊維が、前記軸線方向と概して整列した方向に配向されている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記繊維が、炭素繊維および銅繊維のうちの少なくとも１つを有している、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記熱交換器が、柔軟な第２の面を提供するために選択された熱交換器材料を有しており、該柔軟な第２の面は、前記の第２の面と外部の流体流量検出器との間の連結のための熱的な接触を促進するように作動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記熱交換器の前記の第１および第２の対向面が、約２ｍｍより小さく離間している、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
各供給通路が、前記分配通路への概して均一な供給および前記インターフェイス面における前記開口部を通る概して均一な流れを引き起こすために、前記供給通路の横断方向の長さに沿って変化する断面積を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記の複数の供給通路における供給通路の断面積が、前記分配通路への概して均一な供給および前記インターフェイス面における前記開口部を通る概して均一な流れを引き起こすために、供給通路間で変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
各供給通路が、前記供給通路の横断方向の長さに沿って流体連通している複数の分配通路を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記の複数の分配通路が、前記供給通路に関して横方向に前記の熱伝導性の本体内へと延びている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記の複数の分配通路の横幅が、前記供給通路より上まで増大し、かつ、隣接して配置された分配通路が、前記インターフェイス面より下で合流し、各開口部が、前記インターフェイス面を横切って延びる窓格子状のパターンを形成するようになっている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記分配通路が、前記供給通路に沿う横断方向よりもより大きな横方向の幅を有している、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記マニホールドがさらに、前記マニホールドの片側の周辺に配置された、前記マニホールドからの流体を受け入れ、または排出するためのポートを有しており、かつ、前記供給通路のうちの少なくともいくつかの前記入口が、前記ポートと前記供給通路との間の流体を滑らかに方向付けるために前記ポートに向かってフレアー加工されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記マニホールドがさらに、前記マニホールドの片側の周辺に配置された、前記マニホールドからの流体を受け入れ、または排出するためのポートを有しており、かつ、前記供給通路の各入口がそれぞれ、前記の複数の供給通路間の、かつ、前記インターフェイス面における前記開口部を通した前記流体の均一な分配を引き起こすようにサイズ決めされた入口断面積を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記の複数の供給通路の各入口が、前記マニホールドの周辺の少なくとも一部の周りに配置されており、かつ、各入口と流体連通している１つ以上のポートをさらに有しており、該１つ以上のポートは、前記マニホールドからの流体を受け入れ、または排出するように作動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記熱交換器の前記の第２の面が、前記熱交換器からの流体を受け入れ、または排出するためのさらなるポートとして作用する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記分配通路が、
前記インターフェイス面を横切るように十分に多数の分配通路を提供すること；および、
前記の複数の分配通路のそれぞれを通る概して均一な流れを引き起こすように各分配通路のサイズを決めること
のうちの少なくとも１つによって、前記インターフェイス面における流体の流れを概して均一に分配するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記開口部が、前記インターフェイス面を横切るように規則的に離間している、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記マニホールドの少なくとも一部が、複数の積み重ねられ、かつ結合した熱伝導性材料の層から製造されており、該複数の層のそれぞれは、各通路の部分を定めるように模様付けされている、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記マニホールドの少なくとも一部が、３Ｄプリンターを用いて熱伝導性材料を配置することによって製造されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記の熱伝導性の本体が、前記の複数の供給通路および前記の複数の分配通路によって占められていない前記本体の部分によって定められており、かつ、前記の熱伝導性の本体が、前記マニホールドの断面積の少なくとも３０％を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記の熱伝導性の本体が、前記の不透過性である伝熱面を横切る作動圧力差に起因する力に抵抗するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記の流体の流れが、周期的な方向の変化を経験する、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記の周期的な方向の変化と関連する周波数が、約２５０ヘルツより大きい、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
スターリングサイクル変換器；
熱音響変換器；
機械的デバイスを冷却するための冷却器；および、
電気回路部品を冷却するための冷却器
のうちの１つに用いられる、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
第１の流体と第２の流体との間で熱を移行させるためのシステムであって、当該システムは：
前記の第１の流体と熱交換するように構成された、請求項１に定められる第１の装置を有しており；
前記の第２の流体と熱交換するように構成された、請求項１に定められる第２の装置を有しており；かつ、
ここで、前記の第１の装置の前記伝熱面は、前記第２の装置の前記伝熱面と熱的に接触して配置されている、
前記システム。
【請求項３０】
システムであって、当該システムは：
請求項１において定められる第１の熱交換器を有しており；かつ、
前記の第１の熱交換器の前記の第２の面と熱的に接触して配置された熱再生器を有している、
前記システム。
【請求項３１】
前記再生器が、第１および第２のインターフェイスを有しており、該第１のインターフェイスは、前記の第１の熱交換器の前記の第２の面と熱的に接触しており、かつ、請求項１において定められる第２の熱交換器をさらに有しており、該第２の熱交換器は、前記再生器の前記の第２のインターフェイスと熱的に接触して配置されたそれぞれの第２の面を有している、請求項３０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
１．分野
本開示は概して熱交換器に関し、より具体的には、流体と熱交換するための小型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
熱交換器は、熱源と流体との間で熱を移行させるために用いられる。熱源は例えば、別の流体であってもよく、電気的または機械的デバイスであってもよい。流体の、特に気体状の流体の比較的乏しい熱伝導性は、流れ方向を横切る、大きい表面積と小さな通路寸法とを有する熱交換構造体を必要とする。熱交換器は、単位体積当たりの伝熱面積が約４００ｍ２／ｍ３より大きければ小型熱交換器として、単位体積当たりの伝熱面積が約１００００ｍ２／ｍ３より大きければ超小型熱交換器として分類される。交換器内の熱交換はまた、粘性消散のような散逸性損失および気体の流れを振動させるための緩和損失に曝され、これら損失は、熱交換器の幾何学的形状の選択の際に考慮される必要がある。
【０００３】
多くの用途のための小型および超小型熱交換器の必要性が残ったままである。特に、熱音響またはスターリングサイクル変換器における使用に適した熱交換器の必要性が残ったままである。
【発明の概要】
【０００４】
概要
１つの開示される態様によれば、流体と熱交換するための装置が提供される。当該装置は、熱交換器を含んでおり、該熱交換器は、第１および第２の対向面と複数の流通路（ｆｌｏｗ  ｐａｓｓｇｅ；流路）とを有しており、該複数の流通路は、実質的に軸線方向の、第１および第２の面の間の流体の流れを可能にしており、該軸線方向は、第１および第２の面に対して垂直である。当該装置はまた、マニホールドを含んでおり、該マニホールドは、熱交換器の第１の面と熱的に接触しているインターフェイス面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）を有している。該マニホールドは、熱伝導性の本体を含んでおり、該本体は、軸線方向と概して整列した熱の流れ方向に、インターフェイス面と遠位に配置された伝熱面（ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ）との間で熱を伝導するように作動可能であり、該伝熱面は、流体不透過性である。当該装置はさらに、複数の供給通路を含んでおり、該複数の供給通路は、軸線方向に関して概して横断方向に熱伝導性の本体を通って延びており、各供給通路は、流体を受け入れ、または排出するための入口を有している。当該装置はまた、複数の分配通路を含んでおり、各分配通路は、複数の供給通路のうちの少なくとも１つと流体連通している端部を有しており、かつ、インターフェイス面において開口部を有しており、複数の分配通路の各開口部は、インターフェイス面全体に分布しており、分配通路は、供給通路における横断方向に方向付けられた流れと分配通路の開口部において軸線方向に方向付けられた流れとの間の、流体の流れ方向の変化を引き起こすように構成されていてもよい。
【０００５】
熱交換器は、超小型熱交換器材料を含んでいてもよい。
【０００６】
熱交換器は、約１００００ｍ２／ｍ３より大きい単位体積当たりの伝熱面積を有していてもよい。
【０００７】
熱交換器材料は、焼結粉体、ワイヤーフェルト、発泡金属、発泡セラミック、編組されたスクリーンおよび結合された複数のパターン化された箔のうちの少なくとも１つを含む、熱伝導性が高い流体透過性材料を含んでいてもよい。
【０００８】
熱交換器材料は、複数のフロック加工された繊維を含んでいてもよい。
【０００９】
複数のフロック加工された繊維は、軸線方向と概して整列した方向に配向されていてもよい。
【００１０】
繊維は、炭素繊維および銅繊維のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１１】
熱交換器は、柔軟（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）な第２の面を提供するように選択された熱交換器材料を含んでいてもよく、該柔軟な第２の面は、第２の面と外部の流体流量検出器との間の連結のための熱的な接触を促進するように作動可能である。
【００１２】
熱交換器の第１および第２の対向面は、約２ｍｍより小さく離間していてもよい。
【００１３】
各供給通路は、分配通路への概して均一な供給およびインターフェイス面における開口部を通る概して均一な流れを引き起こすために、供給通路の横断方向の長さに沿って変化する断面積を有していてもよい。
【００１４】
複数の供給通路における供給通路の断面積は、分配通路への概して均一な供給およびインターフェイス面における開口部を通る概して均一な流れを引き起こすために、供給通路間で変化してもよい。
【００１５】
各供給通路は、供給通路の横断方向の長さに沿って流体連通している複数の分配通路を有していてもよい。
【００１６】
複数の分配通路は、供給通路に関して横方向に、熱伝導性の本体の中へと延びていてもよい。
【００１７】
複数の分配通路の横幅は、供給通路より上まで増大してもよく、かつ、隣接して配置された分配通路は、インターフェイス面より下で合流してもよく、各開口部が、インターフェイス面を横切って延びる窓格子状（ｇｒｉｌｌ）のパターンを形成するようになっている。
【００１８】
分配通路は、供給通路に沿った横断方向よりも、横方向に大きな幅を有していてもよい。
【００１９】
マニホールドはさらに、該マニホールドの片側の周辺に配置された、該マニホールドからの流体を受け取り、または排出するためのポートを含んでいてもよく、かつ、供給通路のうちの少なくともいくつかの入口は、ポートと供給通路との間の流体を滑らかに方向付けるために、ポートに向かってフレアー加工されていてもよい。
【００２０】
マニホールドはさらに、該マニホールドの片側の周辺に配置された、該マニホールドからの流体を受け取り、または排出するためのポートを含んでいてもよく、かつ、供給通路の各入口はそれぞれ、複数の供給通路間の流体の均一な分配を引き起こすようにサイズ決めされた入口断面積を有する。
【００２１】
複数の供給通路の各入口は、マニホールドの周囲の少なくとも一部の周りに配置されていてもよく、さらに、各入口と流体連通している１つ以上のポートを含んでいてもよく、該１つ以上のポートは、マニホールドからの流体を受け入れ、または排出するように作動可能である。
【００２２】
熱交換器の第２の面は、熱交換器からの流体を受け入れ、または排出するためのさらなるポートとして作用してもよい。
【００２３】
分配通路は、インターフェイス面を横切るように十分に多数の分配通路を提供すること、および、複数の分配通路のそれぞれを通る概して均一な流れを引き起こすために各分配通路のサイズを決めることのうちの少なくとも１つによって、インターフェイス面における流体の流れを概して均一に分配するように構成されていてもよい。
【００２４】
開口部は、インターフェイス面を横切るように規則的に離間していてもよい。
【００２５】
複数の分配通路を含むマニホールドの少なくとも一部は、複数の積み重ねられ、かつ結合した熱伝導性材料の層から製造されていてもよく、複数の層のそれぞれは、各分配通路の部分を定めるようにパターニングされている（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）。
【００２６】
複数の分配通路を含むマニホールドの少なくとも一部は、３Ｄプリンターを用いて熱伝導性材料を配置することによって製造されてもよい。
【００２７】
熱伝導性の本体は、複数の供給通路および複数の分配通路によって占められていない本体の部分によって定められていてもよく、かつ、熱伝導性の本体は、マニホールドの断面積の少なくとも３０％である。
【００２８】
熱伝導性の本体は、不透過性の伝熱面を横切る作動圧力差（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）に起因する力に抵抗するように構成されていてもよい。
【００２９】
流体の流れは、周期的な方向の変化を経験してもよい。
【００３０】
周期的な方向の変化と関連する周波数は、約２５０Ｈｚより大きくてもよい。
【００３１】
当該装置は、スターリングサイクル変換器、熱音響変換器、機械的デバイスを冷却するための冷却器および電気回路部品を冷却するための冷却器のうちの１つにおいて用いられてもよい。
【００３２】
別の開示される態様によれば、第１の流体と第２の流体との間で熱を移行させるためのシステムは、第１の流体と熱交換するように構成された上記に規定されるような第１の装置と、第２の流体と熱交換するように構成された上記に規定されるような第２の装置とを含んでおり、かつ、第１の装置の伝熱面は、第２の装置の伝熱面と熱的に接触して配置されていてもよい。
【００３３】
別の開示される態様では、上記に規定されるような第１の熱交換器と、第１の熱交換器の第２の面と熱的に接触して配置された熱再生器（ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とを含むシステムが提供される。
【００３４】
熱再生器は、第１および第２のインターフェイス（界面）を有してしてもよく、第１のインターフェイスは、第１の熱交換器の第２の面と熱的に接触しており、かつ、当該システムは、再生器の第２のインターフェイスと熱的に接触して配置されたそれぞれの第２の面を有する、上記に規定されるような第２の熱交換器をさらに含んでいてもよい。
【００３５】
その他の態様および特徴は、添付の図面と併せて特定の開示される実施形態の以下の説明を検討すれば、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
開示される実施形態を示す図面において：
【００３７】
【図１】図１は、第１の開示される実施形態による、流体と熱交換するための装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１に示される装置の断面図である。
【図３】図３は、図１に示される装置の供給部の、部分的に切り取られた斜視図である。
【図４】図４は、図１および図３に示される湾曲した切断線４−４に沿ってとった、図１の装置の断面図である。
【図５】図５は、図１に示される装置の代替的な実施形態の断面図である。
【図６】図６は、図１に示される装置の供給部を製造するための箔層の平面図である。
【図７】図７は、流体と熱交換するための装置の代替的な実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
詳細な説明
図１を参照すると、第１の開示される実施形態による流体と熱交換するための装置が、１００において概して示されている。流体は、気体であっても液体であってもよい。当該装置１００は、第１および第２の対向面１０４および１０６を有する熱交換器１０２を含んでいる。熱交換器１０２は、複数の流通路を含んでおり、該複数の流通路は、実質的に軸線方向の、第１および第２の面１０４および１０６の間の流体の流れを可能にする。軸線方向は、軸線１０８によって示されており、第１および第２の面１０４および１０６に対して垂直である。装置１００はまた、マニホールド１１０を含んでおり、該マニホールドは、熱交換器の第１の面１０４と熱的に接触しているインターフェイス面１１２を有している。図１では、熱交換器１０２は、第１の面１０４より下のインターフェイス面１１２が明らかになるように、部分的に切り取られて示されている。
【００３９】
マニホールド１１０は、熱伝導性の本体１１４を含んでおり、該本体は、軸線方向１０８と概して整列した熱の流れ方向に、インターフェイス面１１２と遠位に配置された伝熱面１１６との間で熱を伝導するように作動可能である。伝熱面１１６は、マニホールド１１０の下側にあり、かつ、流体不透過性である。マニホールド１１０はさらに、複数の供給通路１１８を含んでおり、該複数の供給通路は、軸線方向１０８に関して概して横断方向に熱伝導性の本体１１４を通って延びている。各供給通路１１８は、流体を受け入れ、または排出するためのそれぞれの入口１２０を含んでいる。
【００４０】
マニホールド１１０はまた、複数の分配通路１２２を含んでいる。各分配通路１２２は、供給通路１１８のうちの少なくとも１つと流体連通している端部を有している。複数の分配通路１２２は、インターフェイス面１１２全体に分布したそれぞれの開口部１２４を有している。マニホールド１１０は、図２において断面で示されており、熱交換器１０２の一部は、インターフェイス面１１２を明らかにするために除去されている。図２を参照すると、示される実施形態では、マニホールドは、供給部１４０と分配部１４２とを有している。分配通路１２２は、供給通路１１８へと供給部１４０を通って横方向に延びている部分１３０と、供給通路１１８と各開口部１２４との間を分配部１４２を通って上方向に延びている部分１３２とを有している。供給通路１１８および複数の分配通路１２２は、面１１２を横切るように、開口部１２４を通って、熱交換器１０２への、または熱交換器１０２からの流体の流れを方向付けるように作動可能である。作動中、分配通路１２２は、供給通路１１８における横断方向に方向付けられた流れと分配通路１２２の開口部１２４において軸線方向に方向付けられた流れとの間の、流体の流れ方向の変化を引き起こすように構成されている。流体の流れは、装置１００を通って流れながら、周期的な方向の変化を経験してもよく、１つの実施形態では、周期的な方向の変化と関連する周波数は、約２５０Ｈｚより大きくてもよい。その他の実施形態では、装置１００を通る流体の流れは、供給通路１１８の入口１２０において受け入れられ、かつ、熱交換器１０２の第２の面１０６から排出されてもよく、第２の面において受け入れられ、かつ、供給通路の入口を通して排出されてもよい。
【００４１】
熱交換器
熱交換器１０２は、熱伝導性の高い透過性材料から製造されている。図２に示される実施形態では、熱交換器材料は、軸線１０８と概して整列した方向に配向された複数の繊維１３４を含んでいる。繊維１３４は、銅または炭素繊維であってもよい。
【００４２】
１つの実施形態では、複数の最初は別々である繊維１３４は、インターフェイス面１１２の上に電気フロック加工されていてもよい。電気フロック加工の際、インターフェイス面１１２は伝導性ペーストで被覆され、かつ、マニホールド１１０は、フロック加工チャンバー内に配置され、かつ、電気的に接地される。トレイ中の別々の繊維１３４は、軸線１０８と整列した磁界によって帯電し、繊維１３４がチャンバーを通って飛び、かつ、インターフェイス面１１２上のペーストに埋め込まれることを引き起こす。マニホールド１１０はその後、オーブンにて加熱され、繊維とペーストとの間の結合を完了させる。電気フロック加工は、インターフェイス面１１２を横切るように概して均一な密度であるがランダムな繊維の分布を作り出し、繊維は、軸線方向に概して整列している一方で、軸線１０８に対して変化する角度を有している。炭素または銅繊維の電気フロック加工は、約１００００ｍ２／ｍ３より大きい単位体積当たりの伝熱面積を有する超小型熱交換器１０２を製造するために用いられてもよい。結果として生じるフロック加工された繊維材料の繊維間の間質空間は、軸線１０８の方向の、第１および第２の面１０４および１０６の間の流体の流れを可能にする複数の流通路を提供する。
【００４３】
気体状の流体は特に、比較的乏しい伝導性を有し、したがって、熱交換器１０２内に大きな熱交換表面積と小さな流体通路（ｆｌｕｉｄ  ｐａｓｓａｇｅ）とを必要とする。熱交換器１０２の通路を通る流れおよび熱交換の特性は、動水半径ｒｈに関して特徴付けられていてもよい：
【００４４】
【数１】
2019504284.tif 000003
【００４５】
式中：
Ａは、通路の断面流積であり；かつ、
Ｐは、通路の濡れ辺長である。
【００４６】
より小さな動水半径ｒｈは、改善された熱交換と関連するが、実在気体もまた、ゼロではない粘性を有しており、したがって、ｒｈを減少させると増大する粘性消散に悩まされる。さらに、流体の流れを振動させることはまた、圧力振動を比例する温度振動と関連付け、エネルギー消散の源でもあるかも知れない熱的な緩和損失を引き起こした。
【００４７】
気体の流れを振動させるために、熱交換器１０２の通路における気体と通路を定めている熱交換面との間の熱的な相互作用は、熱的特性長δｋに関する気体と熱交換面との間の距離に基づく。熱的特性長δｋは、次の式によって与えられる：
【００４８】
【数２】
2019504284.tif 000004
【００４９】
式中、ｋは気体の熱伝導率であり、ρは気体の密度であり、かつ、ｃｐは気体の熱容量である。特性長δｋは、したがって、動作周波数（ω）の増大および密度の増大とともに減少する。
【００５０】
熱交換面に熱的特性長δｋよりも近い気体の部分は、該面と容易に熱交換し得、したがって等温のままである。熱的特性長δｋよりも熱交換面からさらに離れている気体の部分は、該面と熱交換せず、したがって断熱的な温度振動を経験する。気体これら等温および断熱部分は、いかなる関連する熱的な緩和損失を有さない。なぜなら、等温の気体部分については気体と熱交換面との間の温度差がゼロであり、かつ、断熱的な気体部分については熱の流れがゼロだからである。しかしながら、熱交換面からほぼδｋだけ離れており、かつ厚さがδｋである気体の残りの層については、部分的な熱交換がある。この気体の残部については、熱の流れも温度差もゼロではないので、エントロピー生成、すなわち損失、より具体的には熱的な緩和損失がある。
【００５１】
熱音響またはスターリングサイクル変換器については、本発明者らは、熱交換器１０２を通る流体流通路（ｆｌｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｐａｓｓａｇｅ；流体流路）の動水半径ｒｈが気体の熱的特性長δｋにほぼ等しい時、すなわち：
【００５２】
【数３】
2019504284.tif 000005
【００５３】
である時、最良の性能が取得されるかも知れないことを見出した。
【００５４】
作動ガスの内外に熱を伝導させ、かつ移行させるために必要とされる大きな面積を考慮すると、通路の動水半径ｒｈがδｋより非常に大きければ、緩和損失は禁止されたであろう。しかしながら、交換器の動水半径ｒｈがδＫより非常に小さければ、粘性損失が禁止されたであろう。ヘリウム作動ガスを有し、かつ、周波数５００Ｈｚ、作動ガス圧１２０バール、低温側の温度
2019504284.tif 000006
、高温側の温度
2019504284.tif 000007
で作動する熱音響変換器については、熱的特性長δｋは、低温熱交換器については約３０μｍであり、かつ、高温熱交換器については約８５μｍである。直径２３μｍの銅繊維または直径１０μｍの炭素繊維のいずれかを用いる、フロック加工された繊維１４の熱交換器が、このδｋ値の範囲内の動水半径を有する熱交換器１０２を製造することが見出された。１つの実施形態では、繊維１３４は、長さが約０．５ｍｍと２ｍｍの間であってもよく、かつ、熱交換器１０２の第１および第２の対向面１０４および１０６は、その時、ほぼ同じ寸法だけ離間していたであろう。
【００５５】
いくつかの実施形態では、第２の面１０６が、第２の面と外部の流体流量検出器（図示せず）との間の連結のための熱的な接触を促進するように柔軟であることが所望されるかもしれない。例えば、熱音響変換器においては、第２の面１０６は、熱再生器と接触して配置されていてもよく、かつ、再生器と一緒に積み重ねられた時にいくぶん変形する繊維１３４の能力は、組立を有意に簡略化し、かつ、適切である熱的な接触を確実にする。繊維１３４は、このように、必要とされる時、柔軟な第２の面１０６を提供するという利点を有している。
【００５６】
その他の実施形態では、焼結粉体、ワイヤーフェルト、発泡金属、発泡セラミック、編組されたスクリーンまたは結合された複数のパターン化された箔のような熱伝導性の高い流体透過性材料が、熱交換器１０２を製造するために用いられてもよい。例えば、９．６％が満たされた直径２０μｍのワイヤーを有する焼結した銅フェルトが市販されており、かつ、容認可能な動水半径ｒｈを提供する。焼結した銅フェルトは、あまり柔軟ではなく、かつ、ワイヤーは概して軸線と整列していないが、かかる材料は、いくつかの用途で有用であるかも知れない。代替的には、複数の薄い銅箔が、各箔に開口部を生成するために化学的にエッチングされてもよい。該箔は、その後、積み重ねられ、かつ、結合してもよく、開口部が積み重ねられた箔を通る通路を提供するために整列するようになっている。現在の化学的エッチングに対する制限は、通路の寸法と同一の範囲（例えば５０μｍ）の箔の厚さを必要としたであろうし、したがって、比較的多量である薄い箔が、熱交換器１０２を構成するために積み重ねられ、かつ、結合する必要があったであろう。
【００５７】
有利なことに、装置１００内における熱の流れは、該装置の短い方（軸線方向）の寸法を通っており、このことは、熱流束および材料の有限熱伝導率に起因する温度低下を最低限にするために、この方向におけるより大きな断面積および短い距離という利点を得る
【００５８】
供給通路
マニホールド１１０は、複数の供給通路１１８を明らかにするために分配通路１２２（図１に示されている）の部分１３２が切り取られた図３に示されている。供給通路１１８の入口１２０は、マニホールド１１０の片側に配置されており、かつ、供給通路は、本体１１４内へと延びており、かつ、それらの各端部に向かって幅を減じており、複数の分配通路１２２への、したがってインターフェイス面１１２における開口部１２４を通しての、流体の流れの均一な分配および均一な速度を提供する。この実施形態では、供給通路１１８は、このように、供給通路の横断方向の長さに沿って変化する断面積を有している。いくつかの実施形態では、供給通路１１８の断面積はまた、分配通路１２２への概して均一な供給およびインターフェイス面１１２における開口部１２４を通る概して均一な流れを引き起こすために、隣接する供給通路間で変化してもよい。各供給通路１１８は、供給通路の横断方向の長さに沿って流体連通している複数の分配通路１２２を有しており、かつ、分配通路は、供給通路に関して横方向にマニホールド１１０の本体１１４内に延びている。
【００５９】
熱伝導性の本体１１４は、供給通路１１８および分配通路１２２によって占められていないマニホールドの残部によって定められている（すなわち、図２に示されている断面におけるハッチングされた領域）。１つの実施形態では、本体の熱伝導性の部分は、マニホールド１１０の断面積の少なくとも約３０％を含んでいてもよい。熱伝導性の本体１１４はまた、不透過性の伝熱面１１６を横切る作動圧力差に起因する力に抵抗するように構成されていてもよい。装置１００は、流体が高度に加圧される時に、マニホールド１１０が概して横断方向に熱伝導性の本体１１４内へと延びる供給通路１１８を有しており、伝熱および構造的支持のために相当な部分を残すという追加の利点を有している。
【００６０】
示されるマニホールド１１０の実施形態は、流体ポート１５０によって供給されるように構成されている。流体ポート１５０は、マニホールド１１０の片側の囲い１５２の周辺に配置されており、かつ、各供給通路１１８の入口１２０へと方向付けられた流体の流れ１５３を受け入れる。流体ポート１５０は、流体が複数の供給通路１１８へと概して均一に供給されることを確実にするためにフレアー加工されていてもよい。供給通路の入口１２０は、ポート１５０と供給通路１１８との間の流体の流れ１５３を滑らかに方向付けるためのフレアー加工された領域を含んでいる。各供給通路１１８に沿う流体の流れは、図３に示されるように、分配通路１２２内へと供給されるために分かれ、かつ、概して横断方向に配向された流れから複数の軸線方向に配向された流れへと方向を変える。供給通路の入口１２０はそれぞれ、複数の供給通路１１８の間の概して均一である流体の分配を引き起こすようにサイズ決めされた入口断面積を有している。
【００６１】
図３に示されている実施形態では、供給通路１１８の入口１２０は、マニホールド１１０の周辺の一部の周りに配置されており、マニホールドのさらなる周辺部１５６は、いかなる開口部も有してない。マニホールド１１０は、このように、周辺部１５６から離れた側に配置された流体ポート１５０からの流体を受け入れ、または排出するように構成されている。熱交換器の第２の面１０６は、熱交換器から流体を受け入れ、または排出するためのさらなるポートとして作用する。その他の実施形態では、装置１００は、熱交換器１０２の第２の面１０６への流体の流れまたは熱交換器１０２の第２の面１０６からの流体の流れを流すためのさらなる囲いおよび流体ポート（図示せず）を含んでいてもよい。
【００６２】
その他の実施形態では、装置１００を通る流体の流れは、供給通路１１８の入口１２０において受け入れられ、かつ、熱交換器１０２の第２の面１０６から排出されてもよく、第２の面において受け入れられ、かつ、供給通路の入口を通して排出されてもよい。
【００６３】
図４を参照すると、複数の分配通路１２２の一部が、図３に示されている湾曲した切断線４−４に沿ってとられた断面で示されている。この実施形態では、分配通路１２２は、供給通路１１８に隣接した部分１８０と、複数の分配通路部分１８０と流体連通している合流部１８２とを有している。分配通路１２２の横幅は、このように、供給通路１１８より上まで増大し、かつ、インターフェイス面１１２より下の分配通路部分１８０は、インターフェイス面１１２における開口部１２４のうちの１つを提供する共通の部分１８２へと合流する。図１に最もよく示されているように、複数の分配通路１２２と関連する開口部１２４は、インターフェイス面１１２を横切って延びる窓格子状のパターンを形成している。この実施形態では、開口部１２４および下にある分配通路１２２は、示されるようにマニホールド１１０上で内向きに配向されている供給通路１１８に起因して湾曲している。十分に多数の開口部１２４が、インターフェイス面１１２への、またはインターフェイス面１１２からの概して均一な流体流動を提供するために、インターフェイス面１１２を横切るように分布している。複数の分配通路１２２はまた、分配通路を通る概して均一な流れを引き起こすようにサイズ決めされていてもよい。分配通路１２２はまた、供給通路に沿う横断方向よりも横方向により大きな幅を有しており、開口部１２４はしたがって幅が狭い。繊維熱交換器１０２については、分配通路１２２は、繊維が繊維の天蓋で開口部１２４を覆い得るほど十分に幅が狭い必要がある。繊維の密度を減少させないように、繊維付着のためにインターフェイス面１１２の領域をできるだけ広く維持することもまた望ましく、このことは、幅の狭い分配通路１２２を用いることの別の利点である。
【００６４】
図５を参照すると、別の実施形態では、分配通路１２２は、供給通路１１８の下端から開口部へと外側に向かって先細りになる壁部２００および２０２を有していてもよい。示されている実施形態では、供給通路１１８に隣接した分配通路の一部２０４の壁部２００は、開口部１２４に向かって延びている部分２０６において壁部２０２より浅い先細り部を有している。
【００６５】
有利なことに、マニホールド内の供給通路１１８および分配通路１２２の構成は、伝熱と流体の流れとの間の実用的な妥協案を示しており、該妥協案は、実質的に熱交換器の第２の面１０４の全領域に流体の流れを分配し、熱交換器を通る均一な流体の流れを提供する。熱交換器１０２を通して横断方向に流体を供給することのようなその他の流体の流れの配置構成は、実質的により均一でない流体の分配をもたらす。
【００６６】
マニホールド１１０は、供給通路１１８および分配通路１２２の複雑な構造体であり、かつ、従来の機械加工技術を用いて製造することが困難であるかも知れない。図６を参照すると、１つの実施形態では、薄い箔層２６０は、箔層に模様をつけて複数の分配通路１２２および複数の供給通路１１８を定めるために、化学的にエッチングされていてもよい。箔層２６０は、銅のような熱伝導性材料であってもよく、かつ、１つの実施形態では、厚さが約２５０μｍであってもよい。複数の薄い箔層２６０が、その後、積み重ねられ、かつ、拡散結合し、マニホールド１１０の供給部１４０を築き上げる（図２に示されているように）。実際、複数の箔層２６０は、薄い銅板の上に製造され、その後、分離され、かつ、積み重ねられて、供給部１４０の所望の全厚を形成していてもよい。マニホールド１１０の分配部１４２は、供給部１４０と同様のやり方で製造されていてもよい。その他の実施形態では、マニホールドは、３Ｄプリンターを用いて熱伝導性材料（例えば、銅粉体）を配置することによって製造されていてもよい。
【００６７】
熱交換器１０２がフロック加工された複数の繊維１３４を有している場合、伝導性ペーストのコーティングが、開口部１２４を満たすことなくインターフェイス面１１２全体に適用されてもよい。繊維１３４は、その後、繊維の付け根をインターフェイス面１１２に固定するために、真空炉において装置１００を始動させる前に、ペースト内に直接的に電気フロック加工されていてもよい。この操作は、インターフェイス面１１２への繊維の付け根の、強く、かつ低熱抵抗性である結合を生成する。
【００６８】
１つの実施形態では、装置１００は、「伝達ダクトを含む熱音響トランスデューサ装置」と題する共有の国際公開第２０１４／０４３７９０号パンフレット（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されているようなスターリングサイクル変換器または熱音響変換器における使用のために構成されていてもよい。装置１００は、国際公開第２０１４／０４３７９０号パンフレットにおいて開示されている第１および第２の熱交換器のいずれか、または両方を実装するために用いられてもよい。したがって、装置１００は、国際公開第２０１４／０４３７９０号パンフレットに開示されているように、熱再生器と熱的に接触している熱交換器１０２の面１０６を有して配置されていてもよい。再生器は、概して第１および第２のインターフェイスを含んでおり、かつ、第１のインターフェイスは面１０６と熱的に接触していてもよく、上記で概して説明された第１の装置１００および第２の装置１００は、再生器の第２のインターフェイスと熱的に接触して配置されるそのそれぞれの熱交換器面１０６を有していてもよい。
【００６９】
１つの実施形態では、２つの流体の間の熱交換は、２つの装置１００を、各装置の伝熱面１１６が互いに接触した背中合わせの構成で配置することによって実現されてもよい。装置１００のうちの１つは、第１の流体（例えば、冷却または加熱されるべき気体）を受け入れてもよく、その他の装置は、第２の流体（液体冷却材のような）を受け入れてもよい。熱は、伝熱面１１６を通ってより高温の流体からより低温の流体へと移行する。
【００７０】
当該装置はさらに、電気的部品および／もしくは機械的部品の冷却のような、小型または超小型熱交換器が必要とされるその他の用途において、有用であってもよい。図７を参照すると、流体と熱交換するための装置の別の実施形態が、３００において示されている。装置３００は、マニホールド３０２を含んでおり、該マニホールドは、マニホールドの本体３０６内へと横断方向に延びている複数の供給通路３０４を有しており、各供給通路は、入口３１８を有している。マニホールド３０２は、冷却されている部品から熱を受け入れるための伝熱面３０８を有している。マニホールド３０２はまた、インターフェイス面３１０を含んでおり、該インターフェイス面は、インターフェイス面に電気フロック加工された熱交換繊維３１２を有している。繊維３１２の一部のみが図７に示されており、かつ、インターフェイス面３１０は、概して繊維によって覆われていたであろう。各供給通路３０４は、分配通路３１４と連通している（図７における一番右の供給通路について破線で示される）。各分配通路３１４は、インターフェイス面３１０において開口部３１６を有している。マニホールド３０２の本体３０６は、概して伝熱面３０８に垂直である方向に伝熱面３０８からインターフェイス面３１０まで熱を伝導する。熱交換繊維３１２は、インターフェイス面３１０に熱的に連結されており、かつ、繊維に沿って軸線方向に熱を伝導する。流体の流れは、入口３１８において受け入れられ、かつ、横断方向に供給通路３０４を通って流れる。流体の流れ方向は、分配通路３１４において概して垂直の流れ方向に変化し、かつ、熱交換繊維３１２を通して開口部３１６を通して排出される。流体の流れは、大きな伝熱表面積を有する複数の繊維３１２と相互作用する。
【００７１】
多くの従来の小型熱交換器は、熱交換器の遠位側に、冷却されている部品の表面に直接的に接触している、または結合している熱交換層と、流体分配構造体とを有している。典型的には、流体分配構造体は、交互配置された（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）横断方向の通路を有しており、該通路のいくつかは、熱交換層を通る流体の流れを方向付けるための供給通路として作用し、かつ、その他の通路は、熱交換層からの流体を収集および排出するための排出通路として作用する。流体の流れは、このように、熱の流れ方向に対して主として横断方向に供給通路と排出通路との間の熱交換層を通る。
【００７２】
装置３００における供給通路３０４および分配通路３１４の構成は、典型的な交互配置された流体分配構造体に対して、流体の流れの距離を減少させ、したがって流れの摩擦損失を減少させるという利点を有する。上記で注目したように、図１に示されているマニホールド１１０の構造的一体性はまた、交互配置された流体分配構造体に対して利点を有し、該交互配置された流体分配構造体は、単一の層に供給通路および排出通路を両方とも収容しなければならず、かつ、通常、交互配置された、または交差した流体流通路に起因して相応するようにより弱い。このことは、マニホールド１１０が装置を横切るような高められた作業圧力に抵抗しなければならない時に、特に有用である。
【００７３】
装置３００は、マイクロプロセッサーまたはその他の集積回路のような半導体デバイスを冷却するために用いられてもよい。伝熱面３０８は、半導体デバイスの高温面と接触して配置されていてもよく、かつ、わずかに加圧された冷却風が、供給通路３０４の入口３１８に送達されてもよい。冷却風は、熱交換繊維３１２を通って流れ、かつ、熱交換器の露出面３２０において排出されたであろう。代替的には、冷却流体は液体であってもよく、この場合、液体は、熱交換繊維３１２を囲むことおよび排出された冷却液を収集するための導管を提供することによって収集されたであろう。
【００７４】
特定の実施形態が説明され、かつ、示されてきたが、かかる実施形態は、本発明の実例としてのみ考慮されるべきであり、添付の請求の範囲にしたがって解釈される本発明を限定するものとして考慮されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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