(57)【要約】第１の流体から第２の流体へ熱を伝達する熱交換器(10)において、この熱交換器(10)は、第１の流体用の１つまたはそれ以上の流路(12)と、これらの通路用の外壁(26)とを含み、第２の流体用の金属フォームからなるフローボディ(20)と熱伝達接触する。この金属フォームは、金属の体積密度の勾配を有し、その結果、一方では熱伝達および伝導と他方では流体抵抗との間において好ましい平衡を達成可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体から第２の流体へ熱を伝達するための熱交換器(10)であって、相互に平行にかつ距離をおいて配置された、第１の流体用の１つまたはそれ以上の流路(12)と、金属フォームからなる第２の流体用のフローボディ(20)に熱伝達接触する外壁(26)とを備え、
前記金属フォームは、前記金属の体積密度の勾配を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記フローボディ(20)は、金属フォーム(30、32；42、50)からなる２つの層からなり、同じ体積密度を有する層面が相互に向き合うことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記金属フォームの体積密度は、前記フローボディ(20)の、前記第２の流体の流入側から前記流路に向かって大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記流路(12)は、楕円形の断面を有し、その長軸は、前記第２の流体の流れ方向に延びることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流路(12)は、長方形の断面であり前記フローボディ(20)のセクション(40)により分かれた管状ボディを備え、前記フローボディ(20)のセクション(40)の体積密度は、前記流路(12)の外壁(26)の付近において最も高いことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記勾配は、前記第１の流体の流れの方向に交互に増減することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記金属フォームの金属は銅であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記フローボディ(20)と前記少なくとも１つの流路の外壁(26)との間の結合部は、はんだ付けされた接合部を含むことを特徴とする請求項１から８の１つまたはそれ以上の請求項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記はんだ付けされた接合部は、スズまたはスズ合金を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記熱交換器(10)は、モジュラー構造を有し、モジュラー式熱交換器を相互に結合する結合手段が設けられたことを特徴とする請求項１から９の１つまたはそれ以上の請求項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
気体状の第２の流体を圧縮し排出するモータと、
熱を第１の流体から前記第２の流体へ伝達する熱交換器と、
熱を第２の流体から第３の流体へ伝達する熱交換器と、
を備え、再生器(64)が前記気体の流れの方向に見て前記熱交換器同士の間に配置され、
前記熱交換器は、請求項１から１０の１つまたはそれ以上の請求項に係る装置(10)であることを特徴とするエネルギー変換用ヒートポンプ。
【請求項１２】
前記再生器(64)は、ポア伝導率を有する金属からなる金属フォームの複数の層が層状に積み重ねられた構造体を含むことを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ。
【請求項１３】
低伝導率の金属は、ニッケルであることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達する熱交換器に関連し、該熱交換器は第１の流体用の1つまたはそれ以上の流路を備え、流路は、相互に平行に配置されかつ相互に距離をおいて配置され、流路の外壁は、金属フォーム（foam）からなる、第２の流体用のフローボディと熱伝達接触する。
【背景技術】
【０００２】
欧州特許出願公開第0744586号明細書は、熱伝達を改善するために、熱交換器内で使用する、銅フォームの形態の広い熱伝達面を有する熱伝達エレメント、例えばプレートまたはチューブを開示した。このタイプのエレメントは、気相成長プロセスを用いて、予め適切な接着剤を供給されたプラスチックフォーム上に酸化銅の粉末を堆積させることにより製造する。次いで、このように準備したフォームを、同様に予め酸化銅の粉末で覆ったプレートまたはチューブ上に、若干の圧力下で配置して、このようにして焼結により複合エレメントを形成する。プラスチックフォームの熱分解後、酸化銅は、還元されて銅になる。
【０００３】
上記のタイプの熱交換器は、例えば、熱音響熱機関として知られるものの中で使用される。このタイプの熱交換器においては、第１の熱回路は、通常複数の流路を通る、ガスまたは液体のような第１の流体の流れにより形成される。第２の熱回路は、多孔質のフローボディを通る、通常はガス（空気、アルゴン）である第２の流体の流れを含み、このフローボディは、ある領域上において流路を囲む。フローボディを通る第２の流体の流れの方向は、流路内の第１の流体の流れの方向に概ね実質的に垂直である。多孔質のフローボディは、流路の外壁と熱交換接触している。熱は、例えば第１の流体から流路の内壁へ伝達され、壁材料中における伝導の結果外壁に伝わる。外壁においては、多孔質のフローボディへの熱伝達は、放射および伝導によって起こる。 熱伝導は、多孔質のフローボディ内において起こる。金属フォームから作製されたフローボディだけしかない時には、この熱伝導は、制限され、したがって良好な伝導度を有する材料からなる固体の薄層が、熱伝導を高めるために金属フォーム内に設けられる。フローボディから第２の流体への熱の伝達は、同様に放射と伝導によって起こる。熱伝達全体の効率は、とりわけ、これらのすべての変化に依存し、特に抑止要因となり得る、通常はガス側における熱伝達であるフローボディから第２の流体への伝達、またはその逆の伝達に依存する。
【０００４】
任意選択的に薄層またはフィンと組み合わせて金属フォームを使用することによって、熱交換面積が拡大し、伝導が増加し得るが、流体抵抗は、相対的に高いので、その結果、熱伝達と流体抵抗との間の比として表される全体的な性能は、フィンまたは薄層のみを有する通常の熱交換器の性能より劣ることが分かった。多くの場合、金属フォームを使用した時の熱伝達における増加は、流体抵抗における不均衡な増加と密接な関係がある。
【０００５】
米国特許第4,245,469号明細書は、熱伝達媒質が流れる流路内に多孔質の金属マトリックスが配置される熱交換器を開示している。この金属マトリックスの密度が流れの方向に垂直な領域内においてより大きく、その結果、内部の熱伝達係数がこの領域において増加し、この場所では周囲温度が流路の端におけるよりもはるかに高いことが述べられている。流路の直径が一定であることで生じる、熱伝達媒質の量の低減を最小限にするためには、その直径を前記領域の場所で大きくする。このタイプの設計は、内部の熱伝達を改善することを目的とする。
【０００６】
さらには、ドイツ国特許出願公開第39 06 446号明細書は、例えばアルミニウムからなるフォームが流路内に配置される熱交換器を開示している。望ましい場合には、このフォーム中の気孔のサイズは変更可能である、すなわち気孔の数は変更可能である。
【０００７】
本発明の総合的な目的は、全体的な性能、すなわち熱交換器の熱伝達と流体抵抗との間の上述の関係を改善することである。
【０００８】
上記のタイプの熱交換器では、本発明に係る金属フォームは、金属の体積密度の勾配を有する。体積密度に勾配がついた金属フォームを使用することによって、気孔の数(PPI)は同じまま、フォームの体積密度が、換言すれば金属の量が、局所的な熱流束密度および流体抵抗に適合し得る。金属フォームにおいては、熱流束密度（heat flux density）は、流路の付近で最も高く、その結果、熱流束密度がはるかに低いフローボディの外側周縁におけるよりもこの場所により多くの金属を金属フォームが含むようにすべきである。これは、金属フォームの金属の体積密度が変化する結果可能になる。本発明に係る熱交換器内の金属フォームの構成は、金属フォームから流路の壁への熱伝達を促進する目的を有する。PPIが同一のまま金属フォーム内の金属の量に勾配をつけることは、気孔を分ける金属ウェブの厚さが同じまま気孔の数を変更することよりも有効である。
【０００９】
以下により詳細に説明するように、例えば電気分解槽中のプラスチックフォームに電気めっきする電気めっき方法によって、このタイプの体積密度の勾配を有する金属フォームを得ることができる。
【００１０】
フランス国特許出願第2766967号明細書が、とりわけ電子部品用のヒートシンクであり、金属フォームの厚さ方向に析出した金属の厚さに勾配がついた金属フォームを含むヒートシンクを開示していることに留意すべきである。
【００１１】
このタイプの製造方法では、フォーム内の密度が一方向に変化するので、フローボディは、好ましくは、金属フォームからなる少なくとも２つの層を含み、同じ体積密度を有する層の面が、相互に向き合う。これによって、フローボディの種々の有利な実施形態が得られる。
【特許文献１】欧州特許出願公開第0744586号明細書
【特許文献２】米国特許第4,245,469号明細書
【特許文献３】ドイツ国特許出願公開第39 06 446号明細書
【特許文献４】フランス国特許出願第2766967号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の実施形態においては、金属フォームの体積密度は、フローボディの、第２の流体が流入する側面から流路に向かって大きくなり、その結果、より多くの金属が、熱流束密度が大きくなる場所に存在する。
【００１３】
流路の形状は、重要ではなく、円形のチューブ、平たい中空のプレートなどを使用可能である。しかしながら、流体抵抗を制限するためには、流路の形状は、第２の流体の流れの輪郭に適合させることが好ましい。流路は、好ましくは楕円形断面を有し、長軸が第２の液体の流れの方向に延びる。このような形状の流路では、比較的低い流体抵抗と大きな熱交換用表面積とが組み合わされる。
【００１４】
次いで、フローボディは、好ましくは１インチあたりの気孔の数(PPI)が同じであり、金属体積密度が最も高い側が相互に向き合う、金属フォームからなる２つの層を備えることが好ましい。それらの側に、流路用の凹所が提供される。
【００１５】
単純なモジュール構造であることが特に有利である別の好ましい実施形態によれば、流路は、断面が長方形であり、フローボディのセクションによって分かれる管状ボディを備え、フローボディのセクションの体積密度は、流路の外壁の付近において最も高い。熱交換器のこの好ましい実施形態のモジュールは、例えば、断面が長方形であるとともに、２つの対向した壁には金属フォームの層が設けられ当該壁には最も高い体積密度を有する層の面が隣接する、このタイプの流路を含み得る。
【００１６】
薄板によって分かれた金属フォーム部分を含んだフローボディを有する熱交換器にさらによく似た熱交換器が望ましい場合には、金属フォームの複数の層を用いることができ、この体積密度の勾配は、好ましくは交互に、第１の流体の流れの方向と平行に延びる。全体的な性能の点では、この実施形態は、上記の他の変形ほど好ましくはない。
【００１７】
金属フォームが多孔質のフローボディ用の材料として選択された場合には、一方で金属フォームと他方で第２の流体との間における熱伝達は、高く、所与の量に対する熱交換表面積が非常に大きいことから、もはや制限的要素はない。
【００１８】
しかしながら、金属フォームからなるフローボディ内における熱伝導は、その多孔性によって、低く、その多孔性はまた、フローボディと流路の外壁との間の熱伝達に悪影響がある。フォーム内の金属の量を徐々に増加することによって、これら2つの矛盾する要素の全影響が改善される。
【００１９】
銅のような、高い熱伝導率を有する金属からなる金属フォームを使用することが好ましい。フローボディはまた、銅のような、高い熱伝導および熱伝達を有する金属からなることが好ましい。他の適切な金属には、とりわけインジウム、銀、ニッケルおよびステンレススチールがある。金属フォームの製造に使用される出発原料は、好ましくは、相互に連結された気孔の開放ネットワークおよび一定のPPI値を有する、ポリウレタン、ポリエステルあるいはポリエーテルのようなプラスチックフォームである。気孔の直径は、好ましくは400から1500マイクロメートルの範囲、より好ましくは800から1200マイクロメートルの範囲である。体積の勾配は、フォーム中を流れる流体の流れの方向に、5%未満から95%を超えるように高くし得る。プラスチックフォーム上に析出する金属の厚さは、好ましくはフローボディの流入端面では5〜10マイクロメートルの範囲より、好ましくは流路の付近では30〜70マイクロメートルの範囲までの勾配を伴っており、例えば、それぞれ8マイクロメートルと42マイクロメートルとすることが好ましい。このタイプの金属フォームは、適切な電気分解槽内においてポリマーフォームの基板上に例えば銅を電気鋳造することによって、容易に作り出すことができる。望ましい場合には、まず伝導性のある薄層、例えば銅の層を、例えば（マグネトロン）PVD、CVDなどの他の技術を用いてフォーム上に析出させることができ、その後に、この薄膜は、電気分解槽内においてさらに成長させることができる。
【００２０】
流路へ金属フォームを接着するために種々の溶接技術(誘導、拡散)およびはんだ付け技術を用いることができる。錫を含むはんだ付け合金が、銅のフォームに極めて適切である。
【００２１】
本発明に係る熱交換器は、好ましくはモジュール構造であって、その結果、複数のモジュールを組み合わせて、より大きなユニットを形成することができる。
【００２２】
本発明はまた、請求項11に記載したようなエネルギー変換用のヒートポンプ、例えば熱音響変換装置に関連し、この装置内において、本発明に係る熱交換器が使用される。気体状の流体を圧縮し移動させるモータは、例えば閉じた音響共振回路である。使用される再生器は、好ましくは低い伝導率を有する金属フォーム層を含む層状構造を有する。このタイプの熱音響変換装置の例には、熱音響熱機関および熱音響モータが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を添付の図面に関連して以下に説明する。
【００２４】
図１に例示した先行技術に係る熱交換器１０の実施形態では、例えば銅からなる、いくつかの管状の流路１２が、相互に平行に配置される。流路１２を通る第１の流体の流れの方向を、上から下方へ例示した単一の矢印で示す。流路１２の入口端部１４は、通常、ディストリビュータキャップ（図示せず）によって相互に連結される。出口端部１６は、同様の方法で相互に連結される。第２の流体用の多孔質のフローボディは、参照番号２０によって全体が示され、相互に距離をおいてかつ平行に配置されたいくつかの金属ストリップ２２を含み、それらの間に金属フォームからなる層２４をそれぞれ有する。流路１２の用の孔が、金属ストリップ２２及び層２４内の適切な位置に設けられる。金属ストリップ２２は、流路１２の外壁２６にはんだ付けされる。フローボディ２０は、チャンバまたはハウジング（図示せず）内に配置され、このチャンバまたはハウジングには、第２の流体用の給送部及び排出部と、望ましい場合にはディストリビュータ手段とが設けられる。熱交換器１０のハウジングの側には、結合手段が設けられ、その結果、必要に応じて複数の熱交換器を相互に結合することができる。
【００２５】
図２は、本発明に係る熱交換器の好ましい実施形態を示し、この図では、図１に示された構成部分と同一のものは、同じ番号でかつ同様に参照することによって示す。
【００２６】
熱交換器１０は、相互に距離をおいて配置されかつ楕円形断面を有するいくつかの平行な流路１２を含み、その中を、第１の流体、例えば液体が案内される。フローボディ２０は、２つの金属フォーム部分３０及び３２を含み、それぞれが、第２の流体、例えばガスの、流れの方向に平行な体積密度の勾配を有する。この図を簡略化するために、この図および次に続く図では、最も高い体積密度を有する面を太い実線によって示す。部分３０では、体積密度（金属の量）は、第２の流体の流れの方向に増加し、部分３２では、体積密度は、示した流れの方向に減少する。したがって、殆どの金属は、流路１２の直近にあり、そこでは、熱流束密度も最も高くなっている。フローボディ２０の外面、特に、流入側(及び排出側)が、相対的に開いている。
【００２７】
図３に、別の実施形態を示し、この図では、断面が長方形の流路１２が、フローボディ２０のセクション４０同士の間に配置される。各セクション４０は、２つの金属フォーム層４２からなり、最も高い体積密度を備えた面が、相互に隣り合って配置された２つの流路１２の外壁４４と隣接すると同時に、最低の体積密度を有する面が相互に支持し合っている。この図では、セクション４０の２つのフォーム層４２同士の間の別個の面を一点鎖線で示す。図４に、図３に例示された本発明に係る熱交換器の実施形態のモジュールを示す。
【００２８】
図５に、本発明に係る熱交換器のさらに別の変形を示し、この図では、交互に積み重ねられた６つの金属フォーム層５０が、フローボディ２０として設けられ、その勾配は、流路１２を通って案内される第１の流体の流れの方向に見ると繰り返し交互に増減する。
【００２９】
図６に、本発明に係るヒートポンプ、ここでは、エネルギー変換用の熱音響変換装置６０である実施形態の略図を示し、この実施形態において、本発明に係る熱交換器を好適に使用可能である。
【００３０】
装置６０は、ガスが充填された音響または音響機械共振回路６２を含み、この共振回路６２は、例えばニッケルフォームからなり本発明に係る２つの熱交換器１０同士の間に配置された再生器６４を備える。装置６０がヒートポンプとして使用される場合、機械的エネルギーが、例えば電気リニアモータによって振動するように作製されたダイヤフラムを介して、ガスに供給される。他の可能性としては、例えばベローズまたは自由ピストン構造体がある。往来し第２の流体として機能するようにされたガスは、第１の熱交換器１０内において第１の流体から熱を引き出し、引き出された熱を、再生器を介して第２の熱交換器１０へ注入し、そこで、熱が、第３の流体へ伝達される。このように、低温の流体の流れから高温の流体へ熱を伝達することができる。このプロセスに必要な周期的な圧力の変化およびガスの移動は、強力な音波の影響下において閉じた共振回路６２内で起こる。この点において、圧力の振幅が、自由空間内において通常よりも大きい、すなわちシステムにおける中間圧力の10％のオーダ大きい場合がよくあることに留意すべきである。
【００３１】
変換装置が、モータとして使用される場合、熱が、高温で熱交換器に供給され、低温で、例えば周囲温度で別の熱交換器により放散されて、その結果、振動が維持される。振動を維持するのに必要な熱より多い熱が供給される場合、音響エネルギーのいくらかは有用な出力として共振器から引き出し可能である。
【００３２】
本発明による熱交換器の性能を以下の例に基づいてより詳細に下に説明する。
【００３３】
種々の熱交換器が、製造されテストされた。第１の熱交換器Aの多孔質のフローボディは、長さ90mmおよび幅12mmを有する銅フォーム（1インチ当たり65個の孔）のストリップから作製される。孔が、流路用に打ち抜き加工される。当該流路は、外径6mm(内径4mm)で等間隔に配置された9本の細い銅のチューブを備える。第2の流体用の有効な流路は、90mm×70mmである。細い銅のチューブの入口端部および出口端部のマニホールドは、水給送部および水排出部にそれぞれ連結された。
【００３４】
第２の熱交換器Bでは、同じ銅フォームからなるフローボディが使用されるが、0.25mmの厚さを備えた真鍮の薄板が、この熱交換器内に取り付けられる。そのフォームおよび薄板は、炉内でともにはんだ付けされる。金属フォームが熱の影響下で塞がれるのを防ぐために、銅フォームストリップおよび真鍮の薄板はまた、細い銅のチューブに一つずつはんだ付け可能である。
【００３５】
第3の熱交換器Cでは、フローボディは、39の真鍮の薄板を含むに過ぎない。
【００３６】
本発明に係る第4の熱交換器Dでは、図２に示すように、熱交換器AからCと同じ寸法および数のチューブを有し、フローボディは、銅フォームからなる２つの層を含み、これらの層は、電流密度5 A/dm2で、CuSO4＝250 g/l、H2SO4 = 70 g/l、Cl-= 15 mg/l、pH = 0-1の構成の銅浴中において、800マイクロメートルの気孔直径を備えたPUフォーム上に室温で生成された。熱分解後、このように生成された銅フォーム層が、一方の側面上では金属の厚さが８マイクロメートルとなり、同時に他方の側面上では堆積した金属の厚さが42マイクロメートルとなった。細い銅のチューブの直径の半分に相当する凹所が、これらのフォーム層の後者の側面内に設けられ、その後に、細い管が、これらの凹所内に配置された。スズによるはんだ付けが、接合技術として用いられた。
【００３７】
これらの熱交換器を使用してテストを行なった。このテストでは、流量計を用いて調節された多量の湯 (T = 約80℃)を、恒温浴を介して細いチューブを通って循環させた。流路内に配置された、熱交換器のフローボディを通じて周囲の空気を吸い込むように遠心ポンプを使用した。吸い込まれた空気量は、熱交換器と遠心ポンプとの間の流量計を用いて測定した。フローボディ全体における圧力降下と、水を含む第１の流体の流れの入口温度T1および出口温度T2と、空気を含む第2の流体の流れの出口温度T3とを、測定した。空気の流れにより吸収された熱量Qが、水の体積流量Fw（リットル/分）と、以下の式を用いて流入する水の流れと流出する水の流れとの間の温度差（T1 -T2）とから計算される。
[数１]
Q = WW・(T1-T2)・FW/60 [W]
ここで、WWは、水の熱容量（4180 J・Kg・K-1）である。テストは、種々の気流速度で行なった。レイノルズ数が、熱交換器の位置で測定されたガス速度と、全ての熱交換器AからDのための水流直径（hydraulic diameter）DH=0.0033とから決まる。同様に測定された、吸い込まれた新しい空気の気体温度における粘度を用いる。ガス側のためのヌッセルト数は、液体側における熱伝達を無視しチューブの乱流を採り上げて、
［数２］
Nu(Re) = Q・DH/λ・ΔT1
により計算することができる。ここで、AWは、総熱交換面積であり、ΔT1は、ガスと熱交換器との間の温度差である。
【００３８】
専門家の領域では通例であるように、熱伝達は、Reに対して
［数３］
jH = Nu・Re-1・Pr-1/3
で示され、ここで、Prは、プラントル数であって、空気については0.7である。
【００３９】
いわゆる摩擦係数が、同様に、測定した圧力降下と測定した既知の寸法のこれらの熱交換器について測定した速度とから計算可能であり、レイノルズ数の関数として表すことができる。
［数４］
f = A0Δp/AW(1/2ρv2)
以下の表は、種々の熱交換器AからDについて、熱伝達（jH）、摩擦係数（f）およびRe=300に対するjH/Fの比の結果を示す。
【００４０】
【表１】
2004522121.tif 000003
【００４１】
予想通り、熱交換器A(フォームのみ)が熱交換器C(薄板のみ)よりも高い熱伝達を提供することが上記の表から分かる。しかしながら、流体抵抗は、不均衡に増加した。さらに、熱交換器B（フォームおよび薄板）は本発明による熱交換器Dよりも高い熱伝達を達成するが、流体抵抗が非常に高いことが分かる。本発明に係る熱交換器は、jH/fとして表される、最高の全体的性能を有する。金属を適切に分配したフォームを用いることによって、かつこの金属の量を変更することによって、一方では熱伝達／伝導と、他方では流体抵抗との好ましいバランスを達成することが可能であることが、これから明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】先行技術に係る熱交換器の一実施形態の斜視図である。
【図２】本発明に係る熱交換器の第１の実施形態の斜視図である。
【図３】本発明に係る熱交換器の第２の実施形態の斜視図である。
【図４】請求項３に係る熱交換器のモジュールの斜視図である。
【図５】本発明に係る熱交換器の第３の実施形態の斜視図である。
【図６】本発明に係る熱交換器が使用される、エネルギー変換用の熱音響変換装置の概略を描いた図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月28日(2003.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
第１の流体から第２の流体へ熱を伝達するための熱交換器(10)であって、相互に平行にかつ距離をおいて配置された、第１の流体用の１つまたはそれ以上の流路(12)と、金属フォームからなる第２の流体用のフローボディ(20)と熱伝達接触する外壁(26)とを備え、
前記金属フォームは、一定の数の気孔（PPI）および前記金属の体積密度の勾配を有することを特徴とする熱交換器。
【国際調査報告】
2004522121.tif 000025
2004522121.tif 000026
2004522121.tif 000027