(57)【要約】  付加製造プロセスを使用して製造された一体型熱交換器について説明される。この熱交換器は、その中に形成された複数のチャネル含む。複数のチャネルの少なくともいくつかは、熱交換器の重量を減らすために、熱交換器に構造支持を提供するように構成される。一体化された一体型熱交換器構造において異なるタイプの冷却を提供するために、複数のチャネルの第１のセットおよび複数のチャネルの第２のセットにおいて異なる冷却剤媒体が使用される。
2018527546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
第１の吸気口と、第２の吸気口と、第１の排気口と、第２の排気口とを含む一体型本体と、
前記一体型本体に形成された第１のチャネルのセットであって、前記第１の吸気口および前記第１の排気口に接続され、かつ、第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成される第１のチャネルのセットと、
前記一体型本体に形成された第２のチャネルのセットであって、前記第２の吸気口および前記第２の排気口に接続され、かつ、前記第１の冷却剤媒体と異なる第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成される第２のチャネルのセットと、
を含む熱交換器。
【請求項２】
前記第１のチャネルのセットにおけるチャネルの数が、前記第２のチャネルのセットにおけるチャネルの数より大きい、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１のチャネルのセットにおけるチャネルの組み合わされた容積が、前記第２のチャネルのセットにおけるチャネルの組み合わされた容積より大きい、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１の冷却剤媒体が流体であり、前記第２の冷却剤媒体が相変化材料である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１の冷却剤媒体が第１の流体であり、前記第２の冷却剤媒体が第２の流体である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第１のチャネルのセットにおけるチャネルの少なくともいくつかの形状が、前記第２のチャネルのセットにおけるチャネルの少なくともいくつかの形状と異なる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記一体型本体ならびにその中に形成された前記第１のチャネルのセットおよび第２のチャネルのセットが、付加製造プロセスを使用して作り出される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記一体型本体が、前記熱交換器で冷却されるコンポーネントに前記熱交換器を取り付けるように構成された少なくとも１つの取付構造を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第１の冷却剤媒体が、前記熱交換器が第１の冷却モードで動作することを可能にし、前記第２の冷却剤媒体が、前記熱交換器が前記第１の冷却モードと異なる第２の冷却モードで動作することを可能にする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第１の冷却モードが定常状態冷却モードであり、前記第２の冷却モードが過渡冷却モードである、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記一体型本体が、付加製造プロセスを使用して製造されることが可能な金属合金を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第１のチャネルのセットが複数のダイアモンド形チャネルを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１３】
熱交換器を製造する方法であって、
付加製造プロセスを使用して、一体型本体とその中に形成された複数のチャネルとを形成するステップを含み、前記複数のチャネルが、第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第１のチャネルのセットと、前記第１の冷却剤媒体と異なる少なくとも第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された少なくとも第２のチャネルのセットとを含む、方法。
【請求項１４】
相変化材料で前記第１のチャネルのセットまたは前記第２のチャネルのセットあるいはこれら両方のセットを充填するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記一体型本体を形成するステップが、前記一体型本体の一部として少なくとも１つの取付構造を形成することを含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のチャネルを形成するステップが、前記第２のチャネルのセットにおける前記チャネルの組み合わされた容積より大きい組み合わされた容積を有するように、前記第１のチャネルのセットを形成することを含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のチャネルを形成するステップが、前記第２のチャネルのセットにおけるチャネルの少なくともいくつかの形状よりも異なる形状を有するように、前記第１のチャネルのセットにおけるチャネルの少なくともいくつかを形成することを含む、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
マルチモード冷却を提供するように構成された熱交換器でコンポーネントを冷却する方法であって、
前記コンポーネントに隣接して前記熱交換器を配置するステップを含み、前記熱交換器が複数のチャネルを含み、前記複数のチャネルが、第１の冷却モードにおいて第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第１のチャネルのセットと、第２の冷却モードにおいて前記第１の冷却剤媒体と異なる第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第２のチャネルのセットとを含む、方法。
【請求項１９】
それぞれ前記第１の冷却モードおよび前記第２の冷却モードでの前記熱交換器の動作を提供するために、前記第１のチャネルのセットまたは前記第２のチャネルのセットあるいはこれら両方のセットを通じて流体を循環させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の冷却剤媒体が、前記コンポーネントによる定常状態熱産生中に前記コンポーネントの冷却を提供する流体であり、前記第２の冷却剤媒体が、前記コンポーネントによる熱産生の急増中に前記コンポーネントの冷却を提供する相変化材料である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
熱交換器であって、
一体型本体と、
前記一体型本体に形成された複数のチャネルであって、前記複数のチャネルの少なくともいくつかが、前記一体型本体の第１の寸法において反復形状の層を有する格子を形成し、前記格子の反復形状が、前記一体型本体の第１の寸法において前記層にわたって連続的に小さくなる寸法を有する、複数のチャネルと、
を含む熱交換器。
【請求項２２】
前記反復形状の格子が複数のダイアモンド形状を含む、請求項２１に記載の熱交換器。
【請求項２３】
前記格子に隣接して形成された複数の構造であって、界面制御表面を形成する複数の構造をさらに含む、請求項２１または２２に記載の熱交換器。
【請求項２４】
前記界面制御表面が実質的に平らな表面である、請求項２３に記載の熱交換器。
【請求項２５】
前記複数の構造が固形材料で形成されている、請求項２３または２４に記載の熱交換器。
【請求項２６】
前記複数の構造の少なくともいくつかが、その中に形成されたチャネルを有する、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項２７】
前記複数の構造に隣接して形成された少なくとも１つの取付構造をさらに含む、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの取付構造が、前記熱交換器で冷却されるコンポーネントに前記熱交換器を取り付けるように構成される、請求項２６に記載の熱交換器。
【請求項２９】
前記複数のチャネルの第１のセットが、第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成され、前記複数のチャネルの第２のセットが、第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成される、請求項２１〜２８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項３０】
前記第１の冷却剤媒体が流体であり、前記第２の冷却剤媒体が相状態変化材料である、請求項２１〜２９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項３１】
前記第１のセットにおけるチャネルの組み合わされた容積が、前記第２のセットにおける前記チャネルの組み合わされた容積より大きい、請求項２９に記載の熱交換器。
【請求項３２】
前記一体型本体が、付加製造プロセスを使用して製造されることが可能な金属合金を含む、請求項２１〜３１のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項３３】
前記格子における層の数が３つ以上である、請求項２１〜３２のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項３４】
熱交換器を製造する方法であって、
付加製造プロセスを使用して、一体型本体とその中に形成された複数のチャネルとを形成するステップを含み、前記複数のチャネルの少なくともいくつかが、前記一体型本体の第１の寸法において反復形状の層を有する格子を形成し、前記格子の反復形状が、前記一体型本体の第１の寸法において前記層にわたって連続的に小さくなる寸法を有する、方法。
【請求項３５】
相変化材料で前記複数のチャネルの少なくとも１つを充填するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記一体型本体を形成するステップが、前記一体型本体の一部として少なくとも１つの取付構造を形成することを含む、請求項３４または３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記格子に隣接する複数の構造を形成するステップをさらに含み、前記複数の構造が界面制御表面を形成する、請求項３４〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記熱交換器の重量を減らすために、前記複数の構造の少なくともいくつかにチャネルを形成するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
熱交換器でコンポーネントを冷却する方法であって、
前記コンポーネントに隣接して前記熱交換器を配置するステップを含み、前記熱交換器が複数のチャネルを含み、前記複数のチャネルの少なくともいくつかが、前記熱交換器の第１の寸法において反復形状の層を有する格子を形成し、前記格子の反復形状が、前記第１の寸法において前記層にわたって連続的に小さくなる寸法を有する、方法。
【請求項４０】
それぞれ第１の冷却モードおよび第２の冷却モードでの前記熱交換器の動作を提供するために、前記複数のチャネルの第１のセットまたは前記複数のチャネルの第２のセットあるいはこれら両方のセットを通じて流体を循環させるステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、一体化されたマルチチャンバ熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、軍事、自動車、および電子機器産業を含む多くの産業にわたり、コンポーネントの動作時にコンポーネントの過熱を防止するために製品に使用されている。熱交換器は、熱交換器の近くに位置しかつ／または熱交換器に連結された熱を発しているコンポーネントから離れるように熱を伝達することにより、温度制御を提供する。熱交換器は、高い熱伝導性を有する材料を含み、この材料は、熱を、コンポーネントから離れるように、熱交換器を循環している冷却剤（例えば、空気、水）中へ伝達し、この冷却剤が熱をコンポーネントから離れるように伝達して過熱を防止する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上記した熱交換器をより向上させた一体化されたマルチチャンバ熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの実施形態は熱交換器に関する。この熱交換器は、第１の吸気口と、第２の吸気口と、第１の排気口と、第２の排気口とを含む一体型本体を含む。熱交換器はまた、一体型本体に形成された第１のチャネルのセットであって、第１の吸気口および第１の排気口に接続され、かつ、第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成される第１のチャネルのセットと、一体型本体に形成された第２のチャネルのセットであって、第２の吸気口および第２の排気口に接続され、かつ、第１の冷却剤媒体と異なる第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成される第２のチャネルのセットとを含む。
【０００５】
他の実施形態は熱交換器を製造する方法に関する。この方法は、付加製造プロセスを使用して、一体型本体とその中に形成された複数のチャネルとを形成するステップを含み、複数のチャネルが、第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第１のチャネルのセットと、第１の冷却剤媒体と異なる第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第２のチャネルのセットとを含む。
【０００６】
他の実施形態は、マルチモード冷却を提供するように構成された熱交換器でコンポーネントを冷却する方法に関する。この方法は、コンポーネントに隣接して熱交換器を配置するステップを含み、熱交換器が複数のチャネルを含み、複数のチャネルが、第１の冷却モードにおいて第１の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第１のチャネルのセットと、第２の冷却モードにおいて第１の冷却剤媒体と異なる第２の冷却剤媒体を使用して冷却を提供するように構成された第２のチャネルのセットとを含む。
【０００７】
前述の概念と以下でより詳細に検討される追加的な概念（提供されたそのような概念は互いに矛盾しない）との全ての組合せが、本明細書に開示される発明性のある主題の一部として想定されることが理解されるべきである。特に、本開示の末尾に見られる特許請求される主題の全ての組合せが、本明細書に開示される発明性のある主題の一部であると考えられる。本明細書で明確に用いられ、また参照により組み込まれた任意の開示に見られ得る用語法は、本明細書に開示される特定の概念と最も矛盾しない意味を与えられなければならないことも理解されるべきである。
【０００８】
添付図面は、縮尺どおりであることを意図されない。図面では、様々な図に示された各同一またはほぼ同一のコンポーネントは同様の数字により表される。明瞭さの目的のために、全てのコンポーネントが全ての図面でラベル付けされているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】長方形パターンを形成する複数のフィンを含む従来の熱交換器の断面を示す。
【図２】いくつかの実施形態による複数のチャネルを含む熱交換器の断面を示す。
【図３】いくつかの実施形態による熱交換器のための代替のチャネル設計を示す。
【図４】いくつかの実施形態による熱交換器のための追加的な代替のチャネル設計を示す。
【図５】いくつかの実施形態による、異なるサイズの反復要素を備えたチャネルパターンを有する熱交換器の断面を示す。
【図６】いくつかの実施形態による、図５のチャネルパターンにおけるチャネルのいくつかの拡大バージョンを示す。
【図７】いくつかの実施形態による熱交換器の３次元表現である。
【図８】いくつかの実施形態による、異なる冷却剤媒体を使用して複数のタイプの冷却を提供するように構成された図２の熱交換器を示す。
【図９】いくつかの実施形態による熱交換器の斜視図を示す。
【図１０】図９の熱交換器の代替の図である。
【図１１】図９の熱交換器の断面を示す。
【図１２Ａ】いくつかの実施形態による、第１のチャネルのセットを通って流れる第１の冷却剤媒体および第２のチャネルのセットを通って流れる第２の冷却剤媒体のためのマニホールドフローパターンを示す。
【図１２Ｂ】いくつかの実施形態による、第１のチャネルのセットを通って流れる第１の冷却剤媒体および第２のチャネルのセットを通って流れる第２の冷却剤媒体のためのマニホールドフローパターンを示す。
【図１３】いくつかの実施形態による複数の取付構造を含む熱交換器を示す。
【図１４】チャネルパターンを示す図１３の熱交換器の側面図を示す。
【図１５】図１３の熱交換器の代替の図を示す。
【図１６Ａ】いくつかの実施形態による熱交換器の代替の設計を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ａの熱交換器の内部構造の図を示す。
【図１６Ｃ】図１６Ａの熱交換器の断面図を示す。
【図１７】いくつかの実施形態による熱交換器を製造するためのプロセスのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
いくつかの従来の熱交換器は、高温で動作する費用がかかる装置の使用を必要とする技術を使用して製造される。より低い温度を使用する他の製造技術は、典型的に、製造プロセス中に使用される接合材料が原因で熱伝導性がより乏しい熱交換器を作り出す。本発明者らは、熱交換器を作るための従来の技術が、従来のろう付けまたは接合技術を使用しない一体型熱交換器構造を製造する付加製造プロセスを使用して向上され得ることを認識および理解した。付加製造の使用はまた、以下でより詳細に検討されるとおり、他の製造技術を使用して可能でないかまたは実際的でないチャネル設計を有する熱交換器の製造を可能にする。
【００１１】
図１は、細いフィン１１０が上のベースプレート１２０Ａと下のベースプレート１２０Ｂとの間に長方形パターンを形成する従来の熱交換器１００の例の断面図を概略的に示す。フィン１１０は、上のベースプレート１２０Ａおよび下のベースプレート１２０Ｂへそれぞれ接合層１３０Ａおよび１３０Ｂにより接合される。フィン１１０は、高い熱伝導性を有する任意の好適な１つまたは複数の材料でできていてもよい。例えば、フィン１１０は、アルミニウムまたは別の好適な金属でできていてもよい。冷却剤（例えば、空気）がフィン１１０の長方形パターンにより形成されたチャネル１４０を通過する。熱交換器に隣接して位置するコンポーネントから生じた熱は、上および下のベースプレートの一方または両方を介して、高い熱伝導性を有するフィン１１０へ伝達される。熱は、次いでチャネル１４０における冷却剤へさらに伝達され、コンポーネントの過熱を防止するために取り除かれる。
【００１２】
上および下のベースプレートへのフィン１１０の接合は、ベースプレートにフィンを取り付けるために金属ベースのろう付け界面材料が高温（例えば、３００°Ｃ〜１１００°Ｃ）で使用される溶融はんだ槽または真空ろう付けプロセスを使用して行われることが多い。しかしながら、そのようなプロセスは、費用や時間がかかり、また潜在的な腐食の可能性を有する。ベースプレートにフィン１１０を接合するための代替的プロセスは、エポキシまたは他の有機（例えば、ポリマー系）界面材料を使用することである。有機接合材料を使用することは、一部には硬化温度がより低い（例えば、１００°Ｃ〜１５０°Ｃ）ことが原因で、金属ベースのろう付けを使用する接合よりも単純な接合プロセスを提供する。しかしながら、有機界面材料により形成された接合は、一般に熱伝導性が乏しく、結果として、ろう付けを使用して製造された熱交換器よりも熱伝導特性が乏しい熱交換器をもたらす。有機接合材料の中には、材料の熱伝導性を高めるために高伝導性粒子（例えば、アルミナ、窒化ホウ素、ダイアモンド粉末、銀、金、アルミニウム）を含み得るものもあるが、そのような材料の熱伝導性は、上述の金属ベースのろう付けプロセスより依然として劣っている。
【００１３】
本発明者らは、熱交換器を製造するための従来のプロセスが、治具、締結具、または上述の接合技術の使用を必要としない熱交換器のための一体型構造をもたらす付加製造（例えば、３Ｄ印刷）技術を使用することにより向上され得ることを認識および理解した。接合界面材料を使用しないことにより、熱交換器の熱伝導特性は向上し、従来のろう付け技術に関連する費用および時間遅延が削減される。特に、付加製造された金属合金は、有機接合材料に比べて熱伝導性が実質的に高い。さらに、熱交換器を作り出すための付加製造の使用は、以下でより詳細に検討されるとおり、チャネル設計自体内に構造支持体を包含し、かつ／または複数のタイプの冷却剤媒体が単一の熱交換器で使用されることを可能にする新たな熱交換器設計の作成を可能にする。
【００１４】
付加製造技術は、電子ファイルにおいて特定された構造のための３Ｄ設計に基づき、連続的な材料（例えば、金属合金）の薄層を積み上げることにより３Ｄ構造を作るために使用される。幅広い種類の形状が付加製造を使用して作られ得る。しかしながら、支持されていない張り出し部（例えば、図１に示された張り出し部１５０）を含む設計は、製造中に使用される追加的な支持構造を組み込むことなしには付加製造を使用して作ることができず、また、この追加的な支持構造は、製造後に残されても除去されてもよい。製造後にそのような支持構造が除去される場合、張り出し部の構造的一体性は損なわれ得る。したがって、支持されていない張り出し部を含む図１に示された反復する長方形構造など、付加製造技術が直交構造を製造する能力は限られている。
【００１５】
本発明者らはまた、付加製造が、上で検討されたろう付けおよび接合技術を含む、熱交換器を製造するための従来の技術を使用して実際的でないかまたは可能でない熱交換器におけるチャネル設計の製造を可能にすることを認識および理解した。例えば、付加製造は、固形材料から機械加工され得ない内部格子構造の使用を可能にする。以下でより詳細に検討されるとおり、付加製造は、支持されていない張り出し部を有さず、かつ、個別の支持構造（例えば、上のベースプレート１２０Ａまたは下のベースプレート１２０Ｂ）の使用を必要としない熱交換器のため、完全にまたは部分的に自立式のチャネルを作り出すために使用され得る。
【００１６】
付加製造の使用により得られた設計の柔軟性はまた、限定するものではないが、サイズ、重量、チャネル壁の剛性、電力冷却容量、および製造費用を含む、熱交換器を設計する際の１つまたは複数の因子の最適化を可能にする。さらに、熱交換器のチャネルにおける冷却剤フローのより複雑な制御を可能にするために、入り組んだマニホールド構造が付加製造を使用して熱交換器内に組み込まれてもよい。
【００１７】
図２は、いくつかの実施形態による熱交換器２００の断面の概略図を示す。熱交換器２００は、図１の反復する長方形チャネル設計に取って代わる複数のダイアモンド形チャネル２１０を含む。ダイアモンド形チャネル２１０は、支持されていない張り出し部セクションを含まず、したがって、付加製造を使用して作られるときに追加的な支持構造を必ずしも必要としない。使用されるチャネルの特定の形状に依存して、チャネルの１つまたは複数の辺を強化するためにいくつかの支持体が必要となり得る。例えば、いくつかの実施形態において、上の三角形チャネル２２０または下の三角形チャネル２３０の１つまたは複数は、ダイアモンド形チャネル２１０の構造を強化するために支持材料で充填され得る。さらにまたは代替的に、１つまたは複数の上の三角形チャネル２２０および／または下の三角形チャネル２３０は、以下でより詳細に検討されるとおり、単一モードまたはマルチモード熱交換器を提供するために冷却剤で充填されてもよい。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態により設計された熱交換器チャネルは、任意の好適な寸法を有することができる。例えば、一実施形態において、ダイアモンド形チャネル２１０の辺の寸法は、０．２６９ｃｍ（０．１０６インチ）であってもよく、三角形チャネル２２０、２３０の寸法は、チャネル壁厚さが０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ）で、０．２６９×０．２６９×０．３７１ｃｍ（０．１０６×０．１０６×０．１４６インチ）であってもよい。これらの寸法は例証のためのみに提供されるものであり、任意の好適なチャネル寸法およびチャネル形状が代替的に使用され得ることが理解されるべきである。
【００１９】
熱交換器２００におけるチャネルパターンは、４５°傾いた辺を有するダイアモンド形チャネルを含む。しかしながら、他の傾きを有するダイアモンド形チャネルも代替的に使用され得る。図３は、ダイアモンド形チャネル３１０の辺のピッチが４５°より急である、代替のチャネル設計を有する熱交換器３００の断面を示す。このような設計では、図２に示された熱交換器と同じ長さを有する熱交換器のための反復パターンにおけるダイアモンド形チャネル３１０、上の三角形チャネル３２０、および下の三角形チャネル３３０の数が増加する。
【００２０】
図２および３に示されたチャネル設計は、熱交換器の長さにわたって反復される同じチャネル要素（例えば、ダイアモンドおよび三角形）を含む。しかしながら、実施形態による熱交換器のためのチャネル設計は、そのように限定されておらず、任意の好適なチャネル設計であって、その設計におけるチャネルのために十分な支持を提供する任意の好適なチャネル設計が代替的に使用され得る。図４は、２つの異なるダイアモンド形チャネル（例えば、幅広いダイアモンドチャネル４１０および狭いダイアモンドチャネル４１５）が、熱交換器の長さにわたって交互に起こる別のチャネル設計を示す。上の三角形チャネル４２０および下の三角形チャネル４３０は、対応して任意の好適な形状をとることができ、上述のとおり、構造支持を提供するために固形材料で充填され得るか、または空であり得る。
【００２１】
いくつかの実施形態による熱交換器における使用のためのチャネル設計の他の形状およびパターンも可能である。例えば、ダイアモンド形および三角形チャネルが本明細書で説明されたが、限定するものではないが、六角形、角錐形、円、および卵形を含む他の形状も使用され得る。いくつかの実施形態において、熱交換器におけるチャネルの形状および／またはパターンは、少なくとも部分的に、使用される冷却剤のタイプ、望ましい冷却剤の量、熱交換器で使用される異なるタイプの冷却剤の数、チャネルで使用される冷却剤の圧力、必要とされる充填支持体の数、他の任意の好適な因子、またはこれらの因子の任意の組合せに基づいて決められ得る。
【００２２】
上で検討されたとおり、いくつかの実施形態は、熱交換器の他のチャネルのための支持を提供するために、固形材料で充填された少なくとも１つのチャネルを含む。例えば、図２〜４に示された上または下の三角形チャネルの少なくともいくつかは、熱交換器のダイアモンド形チャネルのための支持を提供するために固形材料で充填され得る。本発明者らは、冷却剤のための利用可能なチャネルの数を増やすためにチャネルの少なくともいくつかの中に追加的なチャネルを含むことと、チャネル設計へ追加的な構造上の安定性を提供することとにより、熱交換器の充填量が減少し得ることを認識および理解した。固形材料が少なくとも部分的に充填されている構造は、本明細書では「チャネル」と呼ばれるが、付加製造を使用して作られる場合、チャネルは実際に形成されないことが理解されるべきである。むしろ、チャネルが作られるであろう場所に固形材料が層状に形成される。
【００２３】
図５は、熱交換器の長さ寸法に沿っておよびまた長さ寸法に直交する方向において、反復構造で配置された複数のチャネルを有する熱交換器５００の断面を示す。熱交換器５００は、熱交換器の長さ寸法に沿って反復パターンを形成する複数のダイアモンド形チャネル５１０、上の三角形チャネル２２０、および下の三角形チャネル２３０を含む。図示のとおり、上の三角形チャネル２２０の各々は、連続的に小さくなるダイアモンド形チャネルの複数の層と、三角形チャネルの最上部層とを含む。ダイアモンド形チャネル５１２は、チャネル５１０の上に相対的に小さい第１の層を形成し、ダイアモンド形チャネル５１４は、チャネル５１２の上にさらにより小さいチャネルの第２の層を形成し、ダイアモンド形チャネル５１６は、チャネル５１４の上にさらにより小さいチャネルの第３の層を形成する。
【００２４】
追加的なチャネルを加えることは、内部格子構造を提供することにより、熱交換器におけるチャネル構造の構造的一体性を向上させ、かつ、様々な実施形態により冷却剤がどのように使用され得るかについて追加的な柔軟性を提供する。例えば、以下でより詳細に検討されるとおり、いくつかの実施形態による熱交換器は複数の冷却剤を含んでもよく、複数の冷却剤の各々は、特定の構成を有するチャネルのセットに格納され得る。
【００２５】
三角形チャネル５１８の第４の層がチャネル５１６の上に形成される。いくつかの実施形態において、三角形チャネル５１８の少なくともいくつかは、熱交換器５００の界面制御上面を形成するために固形材料で充填されてもよい。図示のとおり、界面制御上面は実質的に平らな表面である。しかしながら、他の実施形態において、熱交換器は、１つまたは複数の平らでない形状により形成された界面制御表面を含み得ることが理解されるべきである。三角形の上層のみを固形材料で充填することは、熱交換器の、支持のための充填容積を減少させ、これは、構造のより大きい部分（例えば、上の三角形チャネル２２０）が固形材料で充填された場合と比べてより軽い熱交換器設計をもたらす。
【００２６】
いくつかの実施形態において、特定の用途のために必要な場合、追加的な支持を提供するためにチャネルの２つ以上の上段が固形材料で充填されてもよい。なお、さらなる実施形態において、固形材料で充填されたチャネルの１つまたは複数は、熱交換器の重量をさらに減少させるために部分的にのみ固形材料で充填されてもよい。図６は、連続的に小さくなるダイアモンド形チャネルの複数の層が内部に形成された上の三角形チャネル２２０の拡大図を示す。図示のとおり、三角形チャネル６１８の最上層は、熱交換器の１つの辺に実質的に平らな固形表面を提供するために固形材料で充填される。熱交換器の重量を減らすために、三角形チャネル６１８の１つまたは複数は、三角形チャネル６１８内に中空部分を含んで別のチャネル６２０を提供する。図示のとおり、チャネル６２０は、ダイアモンド形チャネルとして形成される。しかしながら、任意の形状チャネルがチャネル６１８の最上層の内部に形成され得、実施形態はこの点で限定されないことが理解されるべきである。
【００２７】
いくつかの実施形態において、いくつかの実施形態により設計された熱交換器は、図６に示されるとおり、熱交換器が、冷却される別のコンポーネントに取り付けられるように構成された、熱交換器の表面に取り付けられた１つまたは複数の取付構造６３０を含み得る。例えば、取付構造６３０は、１つまたは複数の電子カードに接続されるように構成されたカード案内レールまたはスロットであり得る。代替的に、取付構造は、他の任意の熱源に接続されるように構成されてもよく、実施形態はこの点で限定されない。
【００２８】
付加製造プロセス中、取付構造６３０は、固形材料で少なくとも部分的に充填された三角形チャネル６１８の１つまたは複数が、熱交換器における熱伝達を円滑にするために、三角形チャネルにおいて取付構造６３０から固形材料へ熱を伝達するように、熱交換器の一体型本体の連続的な延在部として形成され得る。取付構造６３０は、任意の好適な寸法を有し得、かつ、熱交換器の表面に沿って任意の位置に配置され得る。例えば、一実施形態において、取付構造６３０の幅は０．０４６ｃｍ（０．０１８インチ）であり、取付構造は１つおきの三角形チャネル６１８の上に直接形成される。取付構造６３０を含む熱交換器の追加的な例は、以下でさらに詳細に検討される。
【００２９】
連続的に小さくなる寸法を有する、形状（例えば、ダイアモンド）の４つの反復層形状が図５に示されているが、形状および寸法の任意の好適な組合せが代替的に使用されてもよく、図５における設計は１つの実装形態に過ぎないことが理解されるべきである。例えば、３つ以下または５つ以上のいくつかの層が代替的に使用されてもよく、実施形態はこの点で限定されない。さらに、限定するものではないが、六角形、角錐形、円、および卵形を含む他のタイプの形状が代わりに使用されてもよい。
【００３０】
図５は、同じ反復パターンが熱交換器５００の長さ寸法全体に沿って使用されてもよいことを示す。他の実施形態では、異なるチャネルのパターンが熱交換器の長さ寸法に沿った異なる位置に使用されてもよい。図７は、熱交換器の長さ寸法に沿って異なるチャネルのパターンを含む、いくつかの実施形態により設計された熱交換器７００を示す。図示のとおり、熱交換器７００は、中央に位置するダイアモンド形チャネル７１０を含む。熱交換器７００の左上の三角形は、図５との関連で説明されたものと同様のチャネル構造を含む。特に、左上の三角形におけるチャネル構造は、複数のレベルの連続的に小さくなるダイアモンド形チャネルを含む。三角形チャネル７１８の上端レベルは、実質的に平らな固形表面７２０を提供するために固形材料で充填された状態で示されている。
【００３１】
本発明者らは、付加製造が、水平なチャネル、垂直なチャネル、ある角度で形成されたチャネル、または任意のその組合せを含む、熱交換器の任意の方向で形成されたチャネルを含み得る熱交換器の作成を可能にすることを認識および理解した。例えば、熱交換器７００の右上の三角形は、左上の三角形におけるチャネル構造と異なるチャネル構造を含む。図示のとおり、右上の三角形は、熱交換器の長さ方向に沿って固形材料で充填され、複数の垂直なチャネル７４０が熱交換器の右側部分に形成される。垂直なチャネル７４０は長方形チャネルとして示されている。しかしながら、限定するものではないが、熱交換器７００の左上の三角形チャネルに示された反復形状チャネル構造を含む、チャネルの任意の形状が代替的に使用され得ることが理解されるべきである。
【００３２】
本明細書で説明された技術により熱交換器におけるチャネルの壁を形成するために任意の好適な材料が使用され得るが、但し、材料は付加製造に適合する。例えば、チャネルを形成するために使用される材料は、金属、セラミック、ガラス、炭素系材料（例えば、ダイアモンド）、または特定の熱交換用途のための十分な熱伝達を提供する他の任意の好適な材料を含み得るが、これらに限定されない。
【００３３】
さらに、任意の好適な１つまたは複数の冷却剤が、本明細書で説明された熱交換器と併せて使用され得る。例えば、熱を吸収および輸送することを可能にする液体もしくは気体状態の流体、または相変化材料（例えば、ヒートパイプ、パラフィン）を含む、任意の流体または流体の組合せ（例えば、異なる流体、化合物および／または粒子の様々な混合物、エマルションまたは懸濁液）が使用されてもよい。他の冷却流体、例えば、液体窒素、固体二酸化炭素の気体放出、冷却および圧縮された空気、アンモニア、不凍剤、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）冷却剤なども、態様がこの点で限定されることはないが、様々な実施形態と併せて用いられ得る。
【００３４】
いくつかの従来の熱交換器は、上で検討されたとおり、熱調節を提供するために、熱輸送媒体として空気、液体、またはいくつかの他の冷却剤を使用することにより、単一モード冷却を提供するように構成される。マルチモード冷却は、複数の単一モード冷却熱交換器を一緒に取り付けることにより提供され得る。しかしながら、複数の個別の単一モード冷却熱交換器の組合せから形成されたマルチモード熱交換器は嵩張り、単一モード熱交換器間の界面での熱効率が低下する。例えば、相変化材料を含む個別の熱交換器に取り付けられた流体熱交換器は、大きい容積を求めるとともに、２つの単一モード熱交換器間の熱界面が不十分である。
【００３５】
本発明者らは、いくつかの実施形態による熱交換器のためのチャネル設計の使用が、同じ一体化された（例えば、一体型構造）熱交換器構造内での複数の純粋な冷却剤を提供することを認識および理解した。一体化された熱交換器構造における複数の純粋な冷却剤の使用は、上で検討されたとおり、複数の接続された単一モード熱交換器からなるマルチモード熱交換器と比べて熱効率損失を低下させ、および／または熱交換器容積を減少させる。図８は、一体化されたマルチモード熱交換器の実施形態を示し、ここで、ダイアモンド形チャネル８１０は第１の冷却剤（例えば、水）で充填され、三角形チャネル８２０は第２の冷却剤（例えば、空気）で充填される。チャネル間の熱伝達（例えば、空気から液体、液体から液体）が特定の用途のための熱交換器の冷却特性を向上させるように、いくつかの実施形態は、異なる特性を有する複数の流体冷却剤を含む。
【００３６】
上で検討されたとおり、本明細書で説明された技術による熱交換器を製造するための付加製造の使用は、チャネルの任意の好適な数および形状を有する熱交換器のためのチャネル設計を設計する際にかなりの柔軟性を提供する。この柔軟性の拡張は、一体化された熱交換器構造における複数の冷却剤の各々のためのチャネルの割合、寸法、形状、および／または空間的配置構成を最適化することができる。例えば、図８に示されたチャネル設計パターンは、第１の冷却剤および第２の冷却剤のためのチャネルの容積間の比率が１：１である。しかしながら、チャネルの各々は独立しており、かつ、任意の好適な方法で接続され得るため、任意の望ましい比率が代替的に使用され得る。特に、図５のチャネル設計におけるものなど、異なるサイズのチャネルを含むチャネル設計は、望ましい比率を提供するためにチャネルが付加製造を使用して設計されるマルチモード冷却を提供するために特に適している。
【００３７】
さらに、いくつかの実施形態により設計されたマルチモード熱交換器において、冷却剤の任意の組合せが使用され得る。本発明者らは、冷却されているコンポーネントが不定期に急増する熱を発生するため、熱交換器が、複数の冷却モード、例えば定常状態冷却モードおよび過渡冷却モードが有用であり得る用途で使用されることが多いことを認識および理解した。例えば、短期間の高デューティーサイクルのいくつかの電子機器コンポーネントは、流体冷却剤よりも相変化材料冷却剤を使用してより効果的に冷却され得る過渡的な熱の急増を生じ得る。したがって、いくつかの実施形態は、熱交換器が異なるモードの冷却を提供することを可能にする異なるタイプの冷却剤を含むように設計される。例えば、流体冷却剤（例えば、空気、水）および相変化材料冷却剤（例えば、固体と液体との間で状態が変化するパラフィン）の両方を含む熱交換器が、定常状態熱と、熱の不定期で過渡的な急増との両方を生じる１つまたは複数のコンポーネントのための冷却を効果的に提供するために、流体冷却剤チャネルを使用した定常状態冷却と、相変化材料冷却剤チャネルを使用した過渡冷却との両方を提供し得る。
【００３８】
図９は、いくつかの実施形態による熱交換器９００の外部を示す。熱交換器９００は、第１の吸気口９１０および第１の排気口９１２であって、それらを通じて第１の冷却剤（例えば、空気）が循環される第１の吸気口９１０および第１の排気口９１２を含む。熱交換器９００はまた、第２の吸気口９２０および第２の排気口９２２であって、それらを通じて第２の冷却剤（例えば、水）が循環される第２の吸気口９２０および第２の排気口９２２を含む。図１０は、吸気口および排気口がラベル付けされた熱交換器９００の代替の図を示す。図１１は、熱交換器内に形成された熱交換器チャネル１１１０、１１１２、１１１４を明らかにする熱交換器９００の断面を示す。
【００３９】
図１１に示された熱交換器９００のチャネル設計は、図８との関連において上で検討されたチャネル設計と同様であり、大きいダイアモンド形チャネル１１１０と、上の三角形チャネル１１１２と、下の三角形チャネル１１１４とを含む。
【００４０】
熱交換器９００の熱交換器チャネルは、以下でより詳細に検討されるとおり、複数の冷却剤のフローが熱交換器を望ましい方法で通るように複数の冷却剤のフローを案内するために、任意の好適な方法で接続され得る。図１２Ａおよび１２Ｂは、それぞれ、いくつかの実施形態による熱交換器９００を通る第１の冷却剤Ｆ１および第２の冷却剤Ｆ２のマニホールドフロー１２１０、１２２０を概略的に示す。図１２Ａに示されるとおり、冷却剤Ｆ１は吸気口９１０に入り、熱交換器の複数のチャネルを通って流れるように案内される。熱交換器の、吸気口９１０の反対側端に到達すると、マニホールドは熱交換器の他方の側へ冷却剤Ｆ１を導き、そこで、冷却剤は、排気口９１２に向かって熱交換器の複数のチャネルを通って流れるように分配され、排気口９１２で冷却剤Ｆ１は熱交換器を出る。同様に、図１２Ｂは、吸気口９２０から排気口９２２へのフローを追跡するマニホールドフロー１２２０を示す。図１２Ａおよび１２Ｂに示されたマニホールドフローは、例証のためのみに提供されており、実施形態により設計された熱交換器における冷却剤の他の任意の好適なフローも使用され得ることが理解されるべきである。
【００４１】
図１３は、取付構造６３０が熱交換器に取り付けられた状態で示されている、熱交換器９００の代替の図を示す。熱交換器９００内に形成された異なる形状およびサイズの複数のチャネル１３１０も示されている。図１４は、冷却剤チャネルがより明らかに示されている、熱交換器９００の側断面を示す。図１４に示されたチャネルパターン設計は、図５に示され、上で説明されたチャネルパターンと同様である。特に、図１４に示されたチャネルパターンは、下の三角形チャネル１４１０と、２つの中間三角形チャネル１４１２、１４１４と、中間三角形チャネル１４１２、１４１４の上に層状に形成されたより小さいダイアモンド形チャネル１４１６と、ダイアモンド形チャネル１４１６の上に層状に形成されたより小さい三角形チャネル１４１８とを含み、より小さい三角形チャネル１４１８は、固形材料で部分的に充填されて実質的に平らな表面１４２０を形成する。熱交換器の重量を減少させるために、追加的なダイアモンド形チャネル１４２２が三角形チャネル１４１８に形成される。ダイアモンド形チャネル１４２２は、熱交換器の重量を減少させる機能を果たすとして本明細書で説明されているが、いくつかの実施形態において、チャネル１４２２はまた、その中に冷却剤が提供されることにより、冷却のために使用され得ることが理解されるべきである。図１５は、熱伝達チャネルおよび取付構造６３０が示された熱交換器９００の代替の図を示す。
【００４２】
図１６Ａは、いくつかの実施形態による熱交換器１６００のための代替の設計を示す。熱交換器１６００は、外部構造１６２０内に形成された複数のチャネル１６１０を含む。図１６Ｂは、チャネル構造１６１０のより詳細な図を提供するために外部構造１６２０が除去された熱交換器１６００の代替の図を示す。図示の実装形態において、チャネル構造１６１０は、コンポーネント容積を最小化すると同時にコンポーネント表面積を最大化するように設計されている。しかしながら、他の任意のチャネル設計も代替的に使用され得ることが理解されるべきである。
【００４３】
図１６Ｃは、チャネル構造１６１０における冷却剤チャネルがより明らかに示された熱交換器１６００の断面を示す。図示していないが、いくつかの実施形態において、チャネル構造１６１０のチャネルの１つまたは複数は、上で検討されたとおり、上の界面制御表面を形成するために固形材料で充填され得る。
【００４４】
いくつかの実施形態は、付加製造プロセスを使用して熱交換器を製造する方法に関する。図１７は、いくつかの実施形態による熱交換器を製造するためのプロセス１７００のフローチャートを示す。行為（ａｃｔ）１７１０において、熱交換器のための設計が特定される。設計は、任意の冷却剤吸気口または排気口、１つまたは複数の取付構造を含む熱交換器の一体型本体の設計、冷却剤チャネルの設計、または熱交換器の構造上のコンポーネントのための他の任意の好適な設計特徴を含み得る。コンピュータ支援設計（ＣＡＤ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ）プログラムまたは他の好適なソフトウェアが熱交換器のための設計を決定するために使用されてもよく、実施形態は、どのように設計が特定されるかについて限定されない。
【００４５】
プロセスは、次いで行為１７１２へ進み、そこで、熱交換器は、上述のとおり、付加製造プロセスを使用して作られる。付加製造のための３Ｄプリンタまたは他の好適な装置が、特定の設計に基づき熱交換器を作るために材料（例えば、金属合金）の層を作る。プロセスは、次いで行為１７１４に進み、ここで、作られた熱交換器は構造上の欠陥について試験される。限定するものではないが、コンピュータ断層撮影（ＣＴ：ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を使用することを含む任意の好適な試験方法が熱交換器のコンポーネントを試験するために使用されてもよく、実施形態はこの点で限定されない。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態のいくつかの態様がこのように説明されてきたが、様々な変更形態、修正形態、および改良形態が当業者に容易に想到されることを理解されたい。
そのような変更形態、修正形態、および改良形態は本開示の一部であることを意図され、かつ本発明の趣旨および範囲内にあることを意図される。したがって、前述の説明および図面は一例としてのみのものである。
【００４７】
本発明の様々な態様が、単独で、組み合わせて、または上で説明された実施形態で具体的に検討されていない様々な配置構成で使用されてもよく、したがって、その用途において、前述の説明で定められたまたは図面に示されたコンポーネントの詳細および配置構成に限定されない。例えば、一実施形態で説明された態様は、他の実施形態で説明された態様と任意の方法で組み合わされてもよい。
【００４８】
また、本発明は、熱交換器を製造する方法として実現されてもよく、そのうちのある例が提供されている。方法の一部として実施される工程は、任意の好適な方法で順序付けられていてもよい。したがって、工程が、示されたものと異なる順序で実施される実施形態が構築されてもよく、これは、例示的な実施形態で連続的な工程として示されている場合であっても、いくつかの工程を同時に行うことを含んでもよい。
【００４９】
本明細書で使用する際の「および／または」という表現は、そのように等位結合された要素、すなわち、ある場合には接続的に存在し、別の場合には離接的に存在する要素の「いずれか一方または両方」を意味すると理解されたい。「および／または」とともに挙げられた複数の要素は、同じ方式で、すなわちそのように等位結合された要素の「１つまたは複数」として解釈されるべきである。「および／または」節により具体的に特定された要素の他の要素が、具体的に特定されたそれらの要素と関連しているかしていないかに関わらず、任意選択的に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む」などの非限定的な言葉とともに使用される場合、一実施形態ではＡのみ（Ｂ以外の要素を任意選択的に含む）、別の実施形態ではＢのみ（Ａ以外の要素を任意選択的に含む）、なお別の実施形態ではＡおよびＢの両方（他の要素を任意選択的に含む）などを指すことができる。
【００５０】
本明細書で使用される際、１つまたは複数の要素の列挙に言及した「少なくとも１つの」という表現は、要素のリストにおける要素の任意の１つまたは複数から選択された少なくとも１つの要素を意味すると理解されるべきであるが、要素のリスト内に具体的に挙げられた全ての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含まなくてもよく、要素のリストにおける要素のいずれの組合せも必ずしも排除しなくてよい。この定義はまた、「少なくとも１つの」という表現が言及する要素のリストで具体的に特定されている要素以外の要素が、具体的に特定されたこれらの要素に関連するかしないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または均等に「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または均等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない（Ｂ以外の要素を任意選択的に含む）状態での任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＡ、別の実施形態では、Ａが存在しない（Ａ以外の要素を任意選択的に含む）状態での任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＢ、なお別の実施形態では、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＡおよび任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＢ（他の要素を任意選択的に含む）などを指すことができる。
【００５１】
本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様がこのように説明されたことから、様々な変更形態、修正形態、および改良形態が当業者に容易に想到されることを理解されたい。そのような変更形態、修正形態、および改良形態は本開示の一部であることが意図され、かつ本発明の趣旨および範囲内にあることが意図される。したがって、前述の説明および図面は一例としてのみのものである。
【図１】
2018527546.tif 000003
【図２】
2018527546.tif 000004
【図３】
2018527546.tif 000005
【図４】
2018527546.tif 000006
【図５】
2018527546.tif 000007
【図６】
2018527546.tif 000008
【図７】
2018527546.tif 000009
【図８】
2018527546.tif 000010
【図９】
2018527546.tif 000011
【図１０】
2018527546.tif 000012
【図１１】
2018527546.tif 000013
【図１２Ａ】
2018527546.tif 000014
【図１２Ｂ】
2018527546.tif 000015
【図１３】
2018527546.tif 000016
【図１４】
2018527546.tif 000017
【図１５】
2018527546.tif 000018
【図１６Ａ】
2018527546.tif 000019
【図１６Ｂ】
2018527546.tif 000020
【図１６Ｃ】
2018527546.tif 000021
【図１７】
2018527546.tif 000022
【国際調査報告】
2018527546.tif 000023
2018527546.tif 000024
2018527546.tif 000025