(57)【要約】【課題】構造が簡単で、熱伝導性が向上した、冒頭に挙げた種類のマイクロ熱交換器を提供する。【解決手段】マイクロ熱交換器がマイクロ構造のチャネルを有し、そのチャネルが少なくとも１つのプレート状のマトリクス部材（１）の中に設けられている。チャネルの中を少なくとも１つの熱交換媒体が貫流可能であり、マトリクス部材（１）が上面および下面（５，６）ならびに側面（３，４）を有する。チャネル（２，２３，２４）が上面（５，２１）および下面（６，２２）の方向には開いた状態に、側面（３，４）の方向には閉じた状態に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ構造のチャネルを有し、前記チャネルが少なくとも１つのプレート状のマトリクス部材（１）の中に設けられ、前記チャネルの中を少なくとも１つの熱交換媒体が貫流可能であり、前記マトリクス部材（１）が上面および下面（５，６）ならびに側面（３，４）を有するマイクロ熱交換器において、
チャネル（２，２３，２４）が上面（５，２１）および／または下面（６，２２）の方向には開いた状態に、側面（３，４）の方向には閉じた状態に構成されているマイクロ熱交換器。
【請求項２】
チャネル（２，２３，２４，３１）に分配チャネル（８，９；２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂ；３２）と熱交換媒体の流入用および流出用の接続部（１０，１１，３４）とが付設されている、請求項１に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３】
前記接続部（１０，１１，３４）が上面（５，２１，３３）および／または下面（２２）に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４】
少なくとも１つのマトリクス部材（１，２０，３０）の上面および／または下面（５，２１，２２）がカバープレート（７，２７，２８，３３）によって密閉されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項５】
前記分配チャネル（８，９；２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂ）が前記カバープレート（７，２７，２８）に組み込まれていることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項６】
前記分配チャネル（３２）が前記少なくとも１つのマトリクス部材（３０）に組み込まれていることを特徴とする、請求項２、３または４に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項７】
前記チャネル（２，２３，２４，３１）が切削加工または非切削加工によって前記少なくとも１つのマトリクス部材（１，２０，３０）の中に設けられることを特徴とする、請求項１から６の少なくともいずれか１項に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項８】
前記チャネル（３１）がチャネル幅あるいは微小間隙幅ｗを有し、前記幅が０．１ｍｍ≦ｗ≦０．３ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ≦ｗ≦０．２ｍｍであることを特徴とする、請求項１から７の少なくともいずれか１項に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項９】
前記チャネル（３１）がチャネル高さｈを有し、前記チャネル高さｈが２ｍｍ≦ｈ≦５ｍｍであることを特徴とする、請求項１から８の少なくともいずれか１項に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項１０】
前記チャネル（３１）間に幅ｂの仕切壁（３６）が設けられており、前記仕切壁幅が０．１ｍｍ≦ｂ≦０．８ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ≦ｂ≦０．２ｍｍであることを特徴とする、請求項１から９の少なくともいずれか１項に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項１１】
前記微小間隙幅ｗと仕切壁幅ｂとがいずれも０．１ｍｍから０．２ｍｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項８および９および１０に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項１２】
複数のマトリクス部材（４１）が重ねて設けられ、積層構造体（４０）を形成し、前記チャネル（４２，４３）が流路結合部（４４，５０）を介して相互に連絡されていることを特徴とする、請求項１から１１の少なくともいずれか１項に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項１３】
積層構造体（４０）のマトリクス部材（４１）間に中間プレート（４５）が設けられており、前記チャネル（４２，４３）がマトリクス部材（４１）の上面および下面方向に開いた状態に構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項１４】
前記積層構造体（４０）が上方は熱交換媒体用接続部（４８，４９）を有するカバープレート（４６）によって密閉され、下方はベースプレート（４７）によって密閉されていることを特徴とする、請求項１３に記載のマイクロ熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ熱交換器に関し、例えば、マイクロ構造のチャネルを有し、前記チャネルが少なくとも１つのプレート状のマトリクス部材の中に設けられ、前記チャネルの中を少なくとも１つの熱交換媒体が貫流可能であり、前記マトリクス部材が上面および下面ならびに側面を有するマイクロ熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ熱交換器は、チャネルの構造が微細なまたは極めて微細な熱交換器である。すなわち、寸法がミリメートル未満の単位であるマイクロチャネルを有する熱交換器である。この構造によって、極めて小さなスペースで熱交換のための大きな表面積を得ることができる。この種の熱交換器は、例えば、特許文献１に記載されているように、パワーエレクトロニクスの素子を冷却するために利用される。
【０００３】
既に知られているマイクロ熱交換器は、数多くの互いに積み重ねられたプレートで構成されており、このプレートの中にマイクロチャネルが適当な加工方法によって設けられている。特許文献２では、マイクロチャネルが、百分の数ミリメートル程度の溝として、加工用ダイヤモンドで切削することで設けられている。このチャネルは、プレート部材の一方の側から対向するもう一方の側まで延設され、貫通している。すなわち、このチャネルは上方および側方へ向かって開いている。従って、この種のプレートが積層されている場合、流動媒体用の接続部が側部に設けられ、側面が密閉されている。
【０００４】
特許文献３によって、同様の構造のマイクロ熱交換器が知られている。ただし、この熱交換器の場合は寸法がより大きく、チャネルの深さが０．１ｍｍから０．４ｍｍ、チャネルの幅が０．１ｍｍから１０ｍｍ、仕切壁幅が０．１ｍｍから１０ｍｍである。このチャネルは、プレート内に設けられ、プレートから側方に、またはプレートを層状に積み重ねた積層構造体から側方に出ている。プレートはろう接によって互いに結合され、これにより、マイクロ熱交換器ブロックを形成する。このマイクロ熱交換器は、例えば直交流形熱交換器として構成される。
【０００５】
これまでに知られているこれらの熱交換器の場合、短所として、冷媒用または流動媒体用の接続部が側部に配置されているという点がある。
【特許文献１】独国特許出願公開第１００１７９７１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第３７０９２７８号明細書
【特許文献３】独国特許第１９８０１３７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、構造が簡単で、熱伝導性が向上した、冒頭に挙げた種類のマイクロ熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。
【発明の実施の形態】
【０００８】
本発明では、チャネル（マイクロチャネル）がプレート状のマトリクス部材の中へ上方からまたは下方から、あるいは両方から設けられる。その結果、チャネルの側部は密閉される。従って、流動媒体は、上方からのみまたは下方からのみ、あるいは２つの流動媒体が供給されている場合には上方および下方から、マトリクス部材のチャネル内へ入り込むことができる。マトリクス部材は、チャネルまたはチャネル壁と一体に構成される。その際、チャネルは、既に知られている切削加工法または非切削加工法によってマトリクス部材の中に設けることができる。例えば、円板フライスまたはエンドミルによるフライス加工や、ブローチ加工、高圧成形、あるいはダイカストおよび／または射出成形によって設けることができる。従って、１つまたは複数の流動媒体の接続部は、上面または両面に設けることが好ましい。
【０００９】
本発明の有利な構成では、このようなマトリクス部材が、上方および／または下方に向かってはカバープレートによって密閉されていることが好ましい。これにより、カバープレートが開いているチャネルを閉じる。カバープレートは、ろう接または接着剤による接着によってマトリクス部材と接合することができる。
【００１０】
本発明のもう１つの有利な構成では、マトリクス部材またはカバープレートに分配チャネルが組み込まれており、この分配チャネルが、（マイクロ）チャネルと連通しており、流動媒体を収集あるいは分配し、流動媒体接続部につなぐ働きをする。ただ１つの流動媒体、すなわち冷媒を伴うこの種のマイクロ熱交換器は、例えば、電子素子を冷却するために用いることができる。その際、マトリクス部材の滑らかな下面が、熱伝導性を有した状態で電子モジュールのハウジングに接合される。一方、上面に設けられたマイクロチャネルの中を冷媒、例えば水グリコール混合液が貫流する。特にこの用途の場合、冷媒接続部を上面に設けることが特に効果的である。
【００１１】
本発明のもう１つの有利な構成では、マイクロチャネルの幾何学的形状は特殊な寸法を特徴としており、チャネル幅あるいは間隙幅は０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲、特に好ましくは０．１ｍｍから０．２ｍｍの範囲であり、チャネル高さは２ｍｍから５ｍｍの範囲、特に好ましくは３ｍｍから５ｍｍの範囲である。従って、チャネル断面は長方形に構成されており、両辺の長さの比は１５から５０の範囲である。従って、このチャネル形状寸法によって、わずかなスペースにおいても熱交換面が大きくなり、これにより、熱伝導性が高まる。各マイクロチャネル間または微小間隙間に設けられた仕切壁が、０．１ｍｍから０．８ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍから０．２ｍｍの幅を有する場合が効果的である。０．１ｍｍから０．２ｍｍの範囲の場合に熱伝導性は最大となる（これについては図６のグラフも参照のこと）。
【００１２】
本発明のもう１つの有利な構成では、マトリクス部材が互いに重ねられ、積層構造体となっている。マイクロチャネルは互いに流路で接続されており、例えば並列にあるいは直列に接続されている。この積層構造体は、上方向はカバープレートによって、下方向はベースプレートによって閉じられ、密封されている。各マトリクス部材がその上面および下面にチャネルを有している場合、マトリクス部材の間には中間プレートが設けられ、この中間プレートが、マトリクス部材をそれに隣接するマトリクス部材に対して密閉し、また別の流体に対して密閉する働きをする。この積層構造体の場合にも、流動媒体接続部は上面に設けられている。
【００１３】
マトリクス部材あるいはカバープレートの材料としては、金属、合金、プラスチック、セラミックが利用できる。
【００１４】
本発明の実施例は図に示されており、以下で詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
図１には、プレート状の、正方形に構成されたマトリクス部材１が示されており、互いに平行に設けられた多数のマイクロチャネル２を有する。マイクロチャネル２はその長手方向がマトリクス部材１の側壁３，４によって画定されている。すなわち、外方向に対して密閉されている。マトリクス部材１は上面５を有し、その面でチャネル２は開いている。マトリクス部材の下面６は滑らかに構成されている。マトリクス部材１の開いた上面５は、カバー７によって密閉されており、カバー７の側部には、側面３，４に対して平行に分配チャネル８，９が設けられている。分配チャネル８，９には、流動媒体接続部１０，１１が設けられており、この接続部を介して流動媒体が給排される。従って、流動媒体、例えば冷媒は、分配チャネル８（または９）を介して各マイクロチャネル２へ分流され、マトリクス部材１を貫流し、もう一方の流体チャネル９（または８）で回収され、外部へ排出される。この種のマトリクス部材は、例えば電子素子を冷却するための冷却装置として利用できる。この場合、滑らかな下面６が電子素子の適当な面（図示されていない）に熱伝導性を有した状態で固定される。その際、発生する熱は、チャネル２を貫流する冷媒、例えば水グリコール混合液によって放散される。
【００１６】
図１ａは、本発明に係るマイクロチャネル２を作製する１つの方法を示す。すなわち、まず、円板状のフライス１２を開始位置につける。送込みは上面５に対して垂直に行われる。必要なチャネル高さあるいはチャネル深さに達した後、円板フライス１２は図の右方向へ終端位置１２’まで移動される。しかも、その移動は、上面あるいは下面５，６に対して平行に行われ、その後、垂直にチャネル２から引き離される。フライス１２，１２’の送込みと送りの動きが、矢印Ｐによって示されている。相互に平行に走るチャネル２が多数あるため、フライス１２は、多数の円板からなる円筒として形成することも可能である。この方法により、側壁３，４が残り、それにより、チャネル２の端部が閉じられることが保証される。このようにして、チャネル２はマトリクス部材１と一体に構成される。カバープレート７は、素材結合によって、例えば、接着剤による接着、ろう接、溶接によって、あるいは螺着によってマトリクス部材１に接合することができる。
【００１７】
図２は、マトリクス部材２０に関する、本発明のもう１つの実施例を示す。このマトリクス部材は上面２１と下面２２を有し、それらの面にそれぞれチャネル２３，２４が設けられている。このチャネルの構成は、図１に関連して述べたチャネル２と同じである。従って、チャネル２１，２２は、側部が側壁２５，２６によって閉じられている。開いた上面２１と開いた下面２２はそれぞれ、分配チャネル２７ａ，２７ｂを有するカバープレート２７と、分配チャネル２８ａ，２８ｂを有するカバープレート２８とによって密閉される。従って、マトリクス部材２０の中を、２つの流動媒体が同じ流れ方向または反対の流れ方向に貫流することができる。また、分配チャネル２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂの部分にはそれぞれ流動媒体接続部（図示されていない）が設けられている。
【００１８】
図３は、流体チャネル３１を備えたマトリクス部材３０に関する、本発明のもう１つの実施例を示す。流体チャネルの端部には分配チャネル３２が付設されている。一方の面に向かって開いたチャネル３１は、カバープレート３３によって密閉される。このカバープレート３３は分配チャネル３２の部分に流動媒体接続部３４を有する。マトリクス部材３０の底部３５は、外面が滑らかに構成されている。従って、このマトリクス部材３０は、電子素子、例えばパーソナルコンピュータの処理装置の電子素子を冷却するために有効に利用できる。
【００１９】
図３ａは、カバー３３を備えたマトリクス部材３０の断面を示す。
【００２０】
図４は、図３ａに示された、平面IV−IVに沿った断面を示す。外面が滑らかな、終端間に位置する底面３５から、上方へ、すなわちカバー３３の方向へ微小間隙として構成された流体チャネル３１が延びている。この流体チャネルは高さｈおよびチャネル幅あるいは微小間隙幅ｗを有する。微小間隙３１の間には、幅ｂの仕切壁３６が設けられている。従って、仕切壁幅ｂは隣接する微小間隙３１との間隔に等しい。仕切壁３６は、底部３５と一体に構成されている。本発明の好ましい実施例では、微小間隙幅ｗは０．１ｍｍから０．２ｍｍの範囲が選定され、一方、微小間隙３１（チャネル）の高さｈは３ｍｍから５ｍｍの範囲である。従って、微小間隙の高さと幅の比は、大体１５から５０の範囲となる。仕切壁幅ｂは、０．１ｍｍから０．８ｍｍの範囲が好ましく、０．１ｍｍから０．２ｍｍの範囲が特に好ましい。微小間隙のこの形状寸法によって、図６のグラフに示された熱放射性能が実現される。
【００２１】
図５は、本発明のもう１つの実施例であるマイクロ熱交換器４０を示す。このマイクロ熱交換器４０は、複数のマトリクス部材４１が重ねられて構成されている。マトリクス部材４１は、マイクロチャネル４２を上面に有し、またマクロチャネル４３を下面に有し、それぞれ端部において、マトリクス部材４１に組み込まれた分配チャネル４４と接合されている。マトリクス部材４１の間に中間プレート４５が設けられており、この中間プレートがそれぞれ上面のチャネルおよび下面のチャネルを隣接するマトリクス部材４１から分離する。マトリクス部材４１の積層構造体は、上方がカバープレート４６によって、下方がベースプレート４７によって密閉されている。マイクロ熱交換器４０の中を２つの媒体が貫流し、この媒体が接続部４８，４９を介して流入あるいは流出する。各マトリクス部材４１あるいは異なった媒体を案内するチャネル４２，４３は、マトリクス部材４１および中間プレート４５にある、破線で示された横穴５０によって相互に接続されている。両媒体の流入および流出が、矢印Ｆ１，Ｆ２（流体１，流体２）によって示されている。全ての部分を素材結合によって接合することで、１つのブロックにすることが可能である。
【００２２】
図６は、仕切壁幅ｂに対する微小間隙（図４の微小間隙３１を参照）の性能がプロットされたグラフを示す。下の曲線Ａは、アルミニウム材料について微小間隙幅ｗが０．２ｍｍの場合の性能を示している。上の曲線Ｂは、同様にアルミニウム材料の場合について、幅ｗが０．１ｍｍの微小間隙を有する本発明に係るマイクロ熱交換器の性能を示している。両曲線Ａ，Ｂを比較して分かることは、両曲線には最大値ＡｍａｘとＢｍａｘがあるが、それらの値はＸ軸上の異なった位置にあるということである。すなわち、最大値Ｂｍａｘは仕切壁幅が約０．１ｍｍの場合であるが、最大値Ａｍａｘは仕切壁幅がそれよりも大きい約０．１５ｍｍの場合である。従って、微小間隙幅ｗと仕切壁幅ｂとは相関関係にあると言える。すなわち、微小間隙幅が小さく、仕切壁幅が大きい場合には、最大値は生じないと言える。性能を最大限発揮させるためには、仕切壁幅ｂは微小間隙幅とほぼ同じ程度でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るマトリクス部材の第１の実施例を示す。流動媒体用マイクロチャネルが一方の面に設けられている。
【図１ａ】図１のマトリクス部材におけるマイクロチャネル２を作製する１つの方法を示す。
【図２】本発明に係るマトリクス部材の第２の実施例を示す。２つの流動媒体のためのチャネルが両面に設けられている。
【図３】本発明に係るマトリクス部材の第３の実施例を示す。分配チャネルが組み入れられている。
【図３ａ】マトリクスと流体チャネルとを通る断面を示す。
【図４】平面IV−IVに沿った断面の拡大図であり、チャネルの形状寸法が記されている。
【図５】複数のマトリクス部材で構成された、２つの流動媒体のためのマイクロ熱交換器を示す。
【図６】熱伝導性とチャネル幅および仕切壁幅との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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