(57)【要約】  ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器。ヒートパイプの主管は、蒸発器端では、主管への流体の入口および出口をそれぞれが有する多くのピンフィン蒸発器に分けられ、凝縮器端では、主管への流体の入口および出口をそれぞれが有する多くのピンフィン凝縮器に分けられ得る。
2018532092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を収容するための空洞を有する少なくとも１つのピンフィンヒートパイプを備えるピンフィン熱交換器。
【請求項２】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプが、
２０ｍｍ２未満、
５ｍｍ２未満、および
０．８ｍｎｍ２未満
のうちのいずれか１つの、前記空洞を含む横断面積を有する、請求項１に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項３】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの少なくとも一端がテーパ状である、請求項１または２に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項４】
第１の流体と第２の流体を分離するための分離プレートを備える、請求項１、２、および３のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項５】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの少なくとも一端が前記分離プレートに取り付けられているか、
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプが前記分離プレートを貫通しているか
のいずれかである、請求項４に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項６】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプが、前記ピンフィンヒートパイプの少なくとも一端に向かってテーパ状になっている、請求項５に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項７】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプがフィン付きである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項８】
前記空洞の少なくとも一部分の横断面積が、前記ピンフィンヒートパイプの端部から前記ピンフィンヒートパイプの中央に向かう距離と共に増加する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項９】
前記空洞がウィック層によって画定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１０】
前記ウィック層の厚さが、前記ピンフィンヒートパイプの端部から前記ピンフィンヒートパイプの中央に向かう距離と共に増加する、請求項９に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１１】
それぞれの空洞が前記作動流体の共通充填を可能にするように相互接続されている複数のピンフィンヒートパイプを備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１２】
前記空洞が、充填導管に接続されている、請求項１１に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１３】
前記充填導管が、前記ピンフィン熱交換器のコアの壁内に延在しているか、
前記充填導管が、前記ピンフィン熱交換器のコアの壁を貫通しているか
の少なくとも一方である、請求項１２に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１４】
前記充填導管が、前記分離プレートの厚さ内に収容されている、請求項４および請求項１２に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１５】
共用充填ポイントに達する前に互いに接続されている複数の充填導管を備える、請求項１２、１３、および１４のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１６】
単一の充填ポイントを有する、請求項１５に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１７】
複数のピンフィンヒートパイプのそれぞれの端部分を含むフィンを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの端部が、複数の蒸発器または複数の凝縮器の一方を提供する複数の端部分を形成するように分けられている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの各端部が、複数の蒸発器または複数の凝縮器のそれぞれを提供する複数の端部分を形成するように分けられている、請求項１８に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２０】
前記端部分が、前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの本体との流体接続部および蒸気接続部を有し、前記端部分が前記本体と接続されている、請求項１８または１９に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２１】
主管と、前記主管から突出する少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプ端部分とを備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２２】
リンクウィック層が前記主管と前記少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプとの間に延在する場合、前記リンクウィック層が、前記主管と前記少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプ端部分との接合部の近傍においてより大きい厚さを有する、請求項２１に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２３】
前記主管内の空洞の横断面積が、前記リンクウィック層を収容するために前記接合部の近傍で増加されている、請求項２２に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２４】
前記接合部の近傍で前記リンクウィック層から前記空洞への液体の流れを遮断する内壁を備える、請求項２２または２３に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２５】
前記主管の横断面積が、前記主管の少なくとも一端の近傍で減少する、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプの横断面積が、主管からの距離が増加するにつれて減少する、請求項２１〜２５のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２７】
前記主管が複数の副管に分けられ、前記少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプ端部分が前記複数の副管の１つから突出している、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２８】
少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプ端部分が、前記副管の各々から突出している、請求項２７に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項２９】
前記主管および前記少なくとも１つの分岐ピンフィンヒートパイプ端部分が、分離されており、異なる作動流体を使用する、請求項２１に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項３０】
前記ウィック層から前記空洞への液体の流れを遮断する内壁を備え、前記内壁が、前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプの少なくとも断熱部に沿って延在する、請求項９または１０に記載のピンフィン熱交換器。
【請求項３１】
添加製造を含む、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のピンフィン熱交換器を製造する方法。
【請求項３２】
前記ピンフィン熱交換器の形状をトレースするためにエネルギービームを使用することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
粉末層付加製造を使用することを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
選択的レーザ溶融を含む、請求項３１、３２、および３３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ピンフィン熱交換器およびピンフィン熱交換器を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レキュペレータは、タービンエンジンのタービンの排気から熱を取り出す熱交換器であり、エンジンの圧縮機を出る空気が燃焼器に移動する前にこの空気を予備加熱するためにこの熱を使用する。空気を予備加熱することは、燃料と圧縮空気を混合する前または燃料と空気を混合するプロセスの間もしくはその後に燃焼用空気を加熱するために、さもなければ必要とされる燃料を節約し、その結果、タービンエンジンの効率を向上させ、所与の出力に対するＣＯ２排出量を低下させる。
【０００３】
一般論として、所与の燃焼温度で動作する非復熱式（un-recuperated）タービンエンジンの効率は、その圧縮比、すなわち圧縮機の出口圧力と入口圧力の比の関数である。複雑な多段の非復熱式タービンエンジンでは、４０を超える圧縮比および３５％以上の非常に高い効率を達成することができる。その複雑さおよび高コストの故に、このような比は、航空機に動力を供給するため、または発電所、特にガス火力発電所用の原動機を提供するために使用される大型タービンエンジンでしか見られない。対照的に、＜１ｋＷ〜１００ｋＷの出力（または１ＭＷの出力まで）の範囲内で様々に定義されたより小型の復熱式（recuperated）タービンエンジン、特にマイクロタービンエンジンは、単段の圧縮機および／またはタービンを有し得るが、圧縮比は５未満であり、効率は２０％を相当下回る。
【０００４】
大型の航空機タービンエンジンでは、その効率が既に高いこと、また質量を最小限にする必要があることから、現在まで熱回収（recuperation）は使用されていないが、質量がそれほど制約とならない一部の陸上または海上の動力システムで熱回収は見られる。効率の観点から、熱回収の必要性は、マイクロタービンエンジンでより大きく、それにより、さもなければ低い効率を５０％程度も向上し得る。本開示は、マイクロタービンおよび大型タービンの両方に適用可能である。このため、我々は、マイクロタービンと略記されるマイクロタービンエンジン用のレキュペレータに焦点を絞るが、はるかに大型のエンジンでのその使用を排除しない。
【０００５】
レキュペレータは、多くの他の熱交換器と同様に、複数の異なる方法で構築され得るが、典型的なレキュペレータは、ろう付けまたは溶接されたプレートフィンのタイプであり、その場合フィンは、従来の直線状もしくは波状のフィン、ピンフィン、またはメッシュフィンであり得る。拡散結合されたユニットを含む他のタイプも利用可能である。
【０００６】
マイクロタービンには、自動車、防衛、航空宇宙、定置発電（stationary power）、およびクリーンエネルギー分野などに、幅広い潜在的な用途がある。しかしながら、この可能性は、主に、非復熱式マイクロタービンの効率が比較的低く、このような低い効率を向上させるレキュペレータのコスト、サイズ、および重量が大きいから、大部分実現されていない。既存のレキュペレータ、特に高温レキュペレータの別の問題は、ろう付けおよび他のほとんどの接合方法で不可避の鋭角および直角の接合部における熱疲労および熱応力を原因とする、堅牢性の欠如である。亀裂が生じる可能性があり、また実際に生じる。従来のレキュペレータおよび他の熱交換器のさらなる問題は、熱交換流体の供給源（マイクロタービンでは圧縮機の出口および燃焼器への入口）が幾分離れ得ることである。このため、体積、重量、およびコストを大幅に増やし、また熱力学的損失の原因にもなる相当なマニホールドが必要になり得、熱交換器およびそのマニホールドの体積のせいで、これらの位置は最適ではない状態にならざるを得ず、この結果、体積、重量、コスト、および非効率性がさらに増大する。
【０００７】
将来性がある革新的な解決策は、特許文献１および特許文献２に記載されており、これらは、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）（粉末形態の金属合金を処理する粉末層付加製造（Additive Powder Layer manufacture）の一種）によって製造される新しいタイプの熱交換器について概説している。ＳＬＭ熱交換器の利点として、３次元設計の自由度が高いことが挙げられ、これにより、熱交換器の、これらが使用されるシステムの他の構成要素（例えばエンジン）とのパッケージングおよび一体化の改善、ならびに従来の設計および製造方法に付随する鋭角の接合部の排除を含む、幅広い設計の革新が可能となる。これらの利点にもかかわらず、ＳＬＭレキュペレータは、ＳＬＭプロセス自体の、将来的に劇的に低下すると予想されるものの現在の高いコストから、依然として高価すぎる場合があり、同様に、ＳＬＭによってサイズおよび重量の低減が可能であり得るにもかかわらず、ＳＬＭレキュペレータは、商業用途には依然として大きすぎるまたは重すぎる場合がある。
【０００８】
従来の熱交換器および新しいＳＬＭ異形の両方の見込みのある代替手段は、ヒートパイプである。ヒートパイプは既知の構成要素であり、その基本形は、作動流体を部分的に充填した後に密閉された真空管からなる。作動流体は、ヒートパイプが動作しなければならない温度に応じて、その動作温度範囲において飽和液体およびその蒸気相または気相の両方を含むことができるように選択される。作動流体の例は、極低温用途のヘリウムから極高温用の溶融ナトリウムおよびインジウムまでさまざまである。
【０００９】
動作時、飽和液体は、管の高温端または蒸発器端で蒸発し、断熱部を通って管の低温端または凝縮器端に移動し、そこで冷却されて再び飽和液体に凝縮する。凝縮器が重力場において蒸発器の上方に位置する場合、重力は、蒸発器に液体を戻すのに十分であり得、厳密に言えば、ヒートパイプは熱サイフォンである。より典型的には、凝縮した液体は、ヒートパイプ管壁の内側に取り付けられたウィック構造を使用して蒸発器に戻される。ウィックは、液相の作動流体に毛細管作用を生じる。これは、重力の助けなしにヒートパイプの動作を可能にする。
【００１０】
ヒートパイプに使用されるウィック構造は、典型的にはヒートパイプの軸に平行な、管の内壁に一連の溝を備える焼結金属粉末、メッシュ、および溝付きウィックを含む。典型的には、ウィックは、蒸気相の流体が通過し得る中央のアパーチャを残してヒートパイプ主管に収容される環体の形態である。複合的な変形例では、ウィックは、その内部に、一部の作動流体が最小の圧力降下でウィックを通過することを可能にする障害物のない通路を含むことができる。他の変形例としては、動脈ウィック（arterial wick）が挙げられるが、これは、凝縮器から蒸発器に液体を輸送するための低圧力降下通路を提供し、その場合液体は、ヒートパイプ壁の周りのウィックを使用してヒートパイプの周りを再分配される。
【００１１】
多くの他の熱放散または熱交換機構に勝るヒートパイプの利点は、ヒートパイプの高温端および低温端のそれぞれにおける作動流体の蒸発および凝縮の際に発生する高い熱流束に由来する。これにより、高い熱伝導率、およびある位置から別の位置に熱を伝達する際の高い効率がもたらされる。直径２．５ｃｍかつ長さ０．６メートルのパイプは、９８０℃で３．７ｋＷｈを伝達することができ、このとき端から端までの温度降下はわずかに１０℃である。一部のヒートパイプは、２３ｋＷ／ｃｍ２を超える熱流束を示している。ヒートパイプの別の利点は、蒸発器および凝縮器を、場合によってはかなりの距離を置いて互いに離すことができ、またこれらの間の回旋状の通路も可能であることである。これにより、従来の熱交換器のマニホールドおよび不都合な位置の多くが回避される。
【００１２】
ヒートパイプは、エレクトロニクスの冷却などの特定用途に広く使用されており、そこでは、ヒートパイプは、密閉されたおよび／または到達困難な構成要素から、別の流体または大気に熱を伝達または放散するのにより適した位置に熱を伝導する。一例はラップトップコンピュータであり、その場合ヒートパイプは、コンピュータの中央の集積回路から、小型のファンが、ヒートパイプの作動流体と周囲の大気との間の熱交換率を向上させるために使用される場合もある縁部の熱交換器に熱を伝導するために一般的に使用されている。ヒートパイプは、宇宙用途にも使用されており、その場合ヒートパイプは、重力のない状態で動作することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２００６／０６４２０２号（国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００４７８１号の明細書）
【特許文献２】国際公開第２００８／０４７０９６号（国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００３９３１号の明細書）
【特許文献３】国際公開第２００５／０３３６０７号
【特許文献４】米国特許出願第２００７／００８４５９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、限られた数のこのような用途以外では、主にサイズ、効率、および製造コストの問題の理由から、ヒートパイプは、従来の熱交換器を置き換えるために広くは使用されていない。原理的に、ヒートパイプは、断熱部によって接合された２つの別個の熱交換器を備え、それは、２つ以上の流体に加えて、それらの間で熱交換を可能にするという機能の内部作動流体を使用する。他のすべてが同じならば、置き換えようとしている熱交換器よりも大きい従来のヒートパイプになり得る。具体的な理由としては、特に一方または両方の熱交換流体熱がガスである場合に、ヒートパイプ壁の両側の熱流束のバランスを取るために、通常はフィンの形態の大きな二次熱伝達表面積が必要であることが挙げられる。これは、ヒートパイプ壁とその内部の相変化作動流体との間の熱流束が、この壁とその外部の単相流体との間の熱流束に比べて少なくとも一桁は大きくなり得るからである。熱伝達を増加させるために使用されるフィンは典型的には薄く、フィンの厚さは均一であり、主管と接する領域は限られている。フィン効率は低く、このことが、必要なフィンの数および／またはサイズを増大させている。これによりヒートパイプのサイズおよび重量が大幅に増大することは明らかであろう。これらの理由から、特定の状況を除いて、ヒートパイプは、通常は従来の熱交換器にとって代わっていない。
【００１５】
ヒートパイプは、様々な方法で製造され得る。最も単純な場合、ヒートパイプは、メッシュスリーブの形態のウィックが挿入された管の形態をとり得、より複雑な形態の場合、ウィックは、焼結粉末の形態をとり得る。場合によっては、ウィックは、ヒートパイプが機能するために必要な毛細管作用を提供するのに十分であろう、ヒートパイプの内壁上の細溝から部分的に形成され得る。複合的なウィックは、１つよりも多い要素、例えば、毛細管駆動力を提供する小細孔を有する焼結材料および流体摩擦のより少ないより大きな流体の流れを供給するより大きな、障害物のない通路を含んでもよい。付加製造方法、より具体的には選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）の開発により、今や、従来のヒートパイプのＳＬＭの形状を積上げることが可能になっており、これは、宇宙用途向けにサーマコアインターナショナル社（Thermacore International Inc.）によってなされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の少なくとも一部の実施形態は、少なくとも１つのピンフィンヒートパイプを備えるピンフィン熱交換器であって、前記少なくとも１つのピンフィンヒートパイプが作動流体を収容するための空洞を有するピンフィン熱交換器を提供する。
【００１７】
本技法は、幅広い用途でのヒートパイプの熱交換器としてのより広い使用に対する現在のサイズ、重量、およびコストの制約に対処するヒートパイプの設計における発展を実現する。
【００１８】
本開示の少なくとも一部の実施形態は、付加製造を含む、上述したピンフィン熱交換器を製造する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ピンフィン熱交換器を概略的に示す。
【図２】ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器の様々な例示的な実施形態を概略的に示す。
【図３】ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器の様々な例示的な実施形態を概略的に示す。
【図４】ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器の様々な例示的な実施形態を概略的に示す。
【図５】ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器の様々な例示的な実施形態を概略的に示す。
【図６】ピンフィンヒートパイプを含むピンフィン熱交換器の様々な例示的な実施形態を概略的に示す。
【図７】テーパ状のピンフィンヒートパイプを概略的に示す。
【図８】充填のためにピンフィンヒートパイプを接続するダクトを概略的に示す。
【図９】波状壁フィンと一体化されたピンフィンヒートパイプを概略的に示す。
【図１０】ピンフィンヒートパイプを概略的に示す。
【図１１】ピンフィンレキュペレータを概略的に示す。
【図１２】ピン壁の湾曲移行部、ウィック厚さの減少部、および部分的な隔離壁を概略的に示す。
【図１３】主管とピンフィンヒートパイプとの間の移行領域の体積の増加を概略的に示す。
【図１４】ウィックを蒸気通路から隔離する薄壁を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
熱交換器の一部または全体を１つ以上のヒートパイプまたはヒートパイプの部分によって置き換えた熱交換器が開示される。これにより、熱交換器の様々な構成要素の熱伝導率が著しく向上し、サイズ、重量、およびコストの低減が可能になる。このような熱交換器の製造は、付加製造技術、特に金属粉末層（metal powder-bed）選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）を使用して達成することができる。本ピンフィン熱交換器は、ループヒートパイプ、毛細管ポンプヒートパイプ（capillary pumped heat pipe）、脈動ヒートパイプ（pulsating heat pipe）、可変コンダクタンスヒートパイプ、回転ヒートパイプ、および収着ヒートパイプを含む広範囲のヒートパイプカテゴリーに適用される。
【００２１】
本明細書では、基本的な毛細管ヒートパイプ（capillary heat pipe）の３つの主な例示的な実施形態を説明するが、さらなる形態も可能である。
【００２２】
第１の例示的な実施形態では、ヒートパイプの形態のピンフィンが、説明を明確にするために、平坦なプレートが水平となり、かつピンフィンが垂直となるように向けられると想定される従来のピンフィンプレート熱交換器のピンフィンに取って代わる。特許文献３は、中実ピン４の形態のフィンが二次熱伝達面を形成する典型的なピンフィンプレート熱交換器２を開示している（添付図面の図１参照）。これらの二次熱伝達面は、一次熱伝達面を形成する隣り合う平行プレート６間を流れる流体間の熱交換を向上させる。プレートの対の間の隙間には、その長手方向軸は、必ずではないが典型的には平行プレートの平面に垂直であるピンが部分的にまたは完全に架設される。典型的には、ピンは、分離プレートまたは一次熱伝達面に固定（典型的には溶接またはろう付け）され得る。ピンの一端は１つの分離プレートに固定され、他端は隣の分離プレートに固定され、これによりピンは、分離プレート間の隙間全体にわたって延在し得る。
【００２３】
他の選択肢もある。ピンフィンの一端のみを分離プレートに固定し、他端と隣の分離プレートとの間に小さな隙間を設けてもよく、長手方向軸が揃えられた２つのピンフィンが、それらの自由端の間に小さな隙間を設けて、若しくはそれらの自由端を接合して、２つの分離プレート間の隙間にわたって延在してもよく、また、このようなフィンの長手方向軸は揃えなくてもよく、また、個々のピンフィンは、それぞれそれ自体の個別の孔を通って分離プレートを貫通し、ピンフィンの一部分がプレートの一方の側で流体にさらされ、ピンフィンの別の部分がプレートの反対側で流体にさらされるように典型的には溶接またはろう付けされてもよい。接合部は、ピンフィンが固定された孔を流体が通過できないように溶接、ろう付け、または他の接合プロセスの一部としてシールされることが好ましいが、場合によっては少量の流体の漏れは許容され得る。これらのまたは他の同様の配置の様々な組み合わせも可能であることは明らかであろう。配置の選択または配置の組み合わせの選択は、様々な熱伝達・強度の要求および製造技術の詳細に依存する。一般に、１つのピンフィンを、それが延在する２つの分離プレートに固定することによって、または長手方向軸を揃えて、隣り合うプレート間の隙間にわたって一緒に延在する２つのピンフィンを接合することによって、熱交換器は、より高い圧力に対してより高い強度および抵抗性を示すようになる傾向にあるが、高温での歪みに対してより弱くなり得る。
【００２４】
ピンフィンの少なくとも一部をピンフィンヒートパイプに置き換える場合、配置の数はより制限され得る。これは、ピンフィンヒートパイプを要求通りに動作させるためには、各ピンフィンヒートパイプの蒸発器を、熱を交換する２つの流体のうちのより高温の流体にさらさなければならない一方で、凝縮器を２つの流体のうちのより低温の流体にさらさなければならないからである。このため、２つの隣り合う分離プレート間に全体が含まれる、熱が伝達されるべき１つの流体中のピンフィンヒートパイプは、ヒートパイプとして動作し得ない。したがって、好ましい配置では、各ピンフィンヒートパイプは分離プレートを貫通し、これにより、ピンフィンヒートパイプの断熱部は分離プレートと重なり、その長さは分離プレートの厚さとなり、一端（蒸発器）は、プレートのより高温側の流体にさらされ、他端（凝縮器）は、分離プレートの反対側でより低温の流体にさらされるようになる。前述のように、ピンフィンヒートパイプを固定するために使用される方法によってピンフィンヒートパイプと分離プレートと間の接合部をシールすることが好ましい。
【００２５】
ピンフィンヒートパイプの横断面積は、ピンフィンヒートパイプ内の空洞を含めて２０ｍｍ２未満、５ｍｍ２未満、および０．８ｍｍ２未満のいずれか１つであってもよい。
【００２６】
さらに好ましい配置では、ピンフィンヒートパイプは、３つの連続した分離プレート間の隙間にわたって延在するのに十分な長さを有し、中間のプレートの孔を貫通し、これに固定されてシールされる。前述のように、このようなピンフィンヒートパイプの一端または両端は、各ピンフィンヒートパイプが延在する３つの分離プレートのうちの外側の２つの内向き面の一方または両方に固定されてもよい（図２参照）し、一端または両端と、分離プレートの外側の対の一方または両方との間には隙間があってもよい（図３参照）。
【００２７】
先に述べたように、２つの外側のセパレータの場所の一方または両方の内面にピンフィンヒートパイプの外端を固定する利点は、これによってより強い構造が実現されることであり、欠点は、上記の配置では高温の蒸発器部の端部が分離プレートと熱的に接触し、その反対側がより低温の流体と接触し、より低温の液体に熱が逃げることで蒸発器の性能が低下する危険性があることである。この影響は、接合および強度のために十分な接触を確保しながら、ピンフィンヒートパイプの端部をテーパ状にして分離プレートとの熱伝達接触を低減することによって最小限に抑えることができる（図４参照）。
【００２８】
代替配置では、長手方向軸が揃えられた２つのより短いピンフィンヒートパイプが、隣り合う２つの分離プレート間の隙間にわたって延在し、隣り合う分離プレートの反対側の熱伝達空間に部分的に侵入していてもよい。分離プレートを水平にしてこの配置を見た場合、下方のピンフィンヒートパイプの上端と上方のピンフィンヒートパイプの下端は小さな隙間によって分離されていてもよい（図５参照）し、これらの端部は接合されていてもよい（図６参照）。あるいは、これらの長手方向軸は揃えられなくてもよい。様々な熱交換・強度要求に応じて、長手方向軸が揃えられたピンフィンヒートパイプと長手方向軸線が揃えられていないピンフィンヒートパイプの組み合わせが可能であることは明らかであろう。
【００２９】
この代替配置の潜在的な欠点は、ピンフィンヒートパイプの半分で蒸発器が凝縮器の上方に位置し、この結果、熱伝達性能が、毛細管力に対する重力の支援がないことから、蒸発器が凝縮器の下方に位置するピンフィンヒートパイプで達成可能なものに比べて劣り得ることである。このような場合、ピンフィンヒートパイプの２つの向きの相対比率および／またはそれらのサイズの調整を使用して熱交換器性能の差を補償することができる。
【００３０】
これらの配置すべてのさらなる利点は、ＳＬＭ建造中に１つ以上のピンフィン蒸発器および／または凝縮器にフィンを追加することによって三次熱伝達面を形成できることである。さらに、各ピンフィン蒸発器または凝縮器のサイズに応じて、このようなフィンそれ自体が、以下に説明する第３の例示的な実施形態でより詳細に説明する方法で主ピンフィン蒸発器および／または凝縮器と接続されるマイクロピンフィン蒸発器および／または凝縮器を含んでもよい。
【００３１】
従来のピンフィンの代わりにピンフィンヒートパイプを使用するピンフィン熱交換器のコアを建設する１つの方法は、分離プレートなどの熱交換器の他の構成要素とは別個に、必要とされる多数のピンフィンヒートパイプを製造し、元のピンフィンをピンフィンヒートパイプに置き換えて、例えば特許文献４に記載されているように熱交換器を組み立てることである。この例示的な実施形態では、各ピンフィンは、自己完結ヒートパイプである。
【００３２】
ピンフィンヒートパイプが分離プレートとなす角度は９０°以外であってもよく、また分離プレートは平坦でなくてもよい。実際、熱伝達および／または圧力降下の利点は、ピンフィンヒートパイプが、分離プレートの平面に対して例えば４５°の角度をなすことによってメッシュに似るまたはメッシュを形成することによって得ることができる。同様の利点は、分離プレートを１つ以上の平面で波状にすることによって得ることができる。
【００３３】
液相の作動流体が、断熱部から蒸発器に沿ってピンフィンヒートパイプの外端に流れるため、蒸発されるべき液体の量が減少し、反対方向に流れる蒸気の量が減少する。したがって、液体を運ぶウィックと蒸気を運ぶアパーチャまたは複数のアパーチャの両方の寸法を低減することができ、これにより、断熱部の蒸発器端と蒸発器の端部との間の蒸発器の全径を低減することができることになる。寸法の同様の変化は、ピンフィンヒートパイプの凝縮器端にも当てはまり得る。したがって、ピンフィンヒートパイプの蒸発器部および凝縮器部はテーパ状にすることができる（図７参照）。これらの手段によって、ヒートパイプ全体のサイズ、重量、およびコストを低減することができる。このような配置から熱伝達および圧力降下の利点も得られる。特に、ピンフィンヒートパイプをテーパ状にすることで、従来のピンフィンの形状の同様の変化から生じる得るサイズおよび重量の増加なしに、フィン効率を増大させることができる。
【００３４】
ＳＬＭは、上記ピンフィンヒートパイプを大量に製造するのに好適かつ費用効果の高い方法である。プラットフォームから取り除かれる前の、好ましくは水平ＳＬＭ建造プラットフォーム上の垂直の向きの多数のＳＬＭピンフィンヒートパイプであろうものを利用するために、ＳＬＭピンフィンヒートパイプに作動流体を充填する自動化された手段を、放電加工または他の手段によって提供することができる。
【００３５】
ＳＬＭヒートパイプを既存の熱交換器形式に組み込む第２の実施形態は、熱交換器のコア全体を建造するためにＳＬＭを使用し、ピンフィンヒートパイプを、熱交換器の他のＳＬＭ構造および構成要素と一体化する。ＳＬＭで熱交換器のコア全体を建造する原理は、特許文献１および特許文献２に示されている。ピンフィンヒートパイプの一種では、分離プレートとピンフィンヒートパイプが同じ単一のＳＬＭ建造物に一体化され、このため溶接またはろう付けは不要である。
【００３６】
第２の例示的な実施形態では、ピンフィンヒートパイプに作動流体を充填することを可能にする追加の特徴が設けられる。ＳＬＭウィックダクト（wicked duct）は、２つ以上のピンフィンヒートパイプを、好ましくはそれらの断熱部の小孔を介して作動流体充填ポイントに接続する。このダクトは、充填ポイントを熱交換器の外に好適に位置付けるように、熱交換器の外壁を貫通することが好ましい。このダクトは、フィンピンヒートパイプが貫通する各分離プレートの厚さ以内に組み込むことができ、この場合、分離プレートの厚さは、ダクトを収容するのに必要な追加の空間を設ける必要がある場合および場所において大きくされる（図８参照）。ダクトは、密閉プレートおよび／または任意のマニホールドを通り抜け、当該ダクトに接続されたピンフィンヒートパイプに充填するのに好適な位置で終端してもよい。ヒートパイプの充填を行うべきポイントの数を低減するために、熱交換器コアの縁または外で、接続ダクトの１つより多くの列または他の選択物をひとまとめにしてもよい。可能な場合、充填を容易にし、充填のコストを低減するために、ただ１つまたはより少ない充填ポイントが必要となるように１つの分離プレートを貫通するピンフィンヒートパイプだけでなく、２つ以上の分離プレート、さらにはすべての分離プレートを貫通するピンフィンヒートパイプを接続することが望ましい場合がある。ピンフィンヒートパイプと充填ポイントまたは複数の充填ポイントとの接続部の「デッドスペース」に起因する、ピンフィンヒートパイプ性能への有害な影響を低減するために、各プレート内の充填ダクトまたは複数の充填ダクトの水力直径は小さくされる。
【００３７】
ピンフィンヒートパイプは、従来のピンフィンまたは、二次熱伝達面、さらには三次熱伝達面、例えば、直線状もしくは波状または他の形態であり得る薄壁を提供するものなどの熱伝達を向上させる他の手段と組み合わされてもよい。ピンフィンヒートパイプは、このような二次熱伝達面または三次熱伝達面とは別個のものであってもよいし、分離プレートを介して二次接触するのではなくこれらと直接接触するという意味でこれらと一体化されてもよい。例えば、フィンは、２つ以上のピンフィンヒートパイプに、これらの長さの全体またはかなりの部分にわたって接合される波状壁の形態をとってもよい（図９参照）。
【００３８】
ＳＬＭによって可能となる第３の例示的な実施形態は、通常の単一の蒸発器および凝縮器の代わりに、ヒートパイプの高温端部分および／または低温端部分の各々に別個の複数のＳＬＭ蒸発器および凝縮器（すなわち２つ以上の）を形成することによってヒートパイプの蒸発器および／または凝縮器の外壁と高温流体および低温流体の各々との間の熱伝達面積を増加させる。別個の蒸発器および／または凝縮器の各々は、共通の主管へのそれ自体の液体および蒸気の入口／出口を有する。これらの別個の蒸発器および凝縮器の各々は、ピンフィンの形態をとってもよく、便宜的に本明細書ではそれぞれピンフィン蒸発器およびピンフィン凝縮器と呼ばれるが、言うまでもなく、これらは他のフィン形態をとってもよい。例えば、ヒートパイプの一端または両端に多数の高熱伝達面フィンが取り付けられるそれ以外では従来のヒートパイプに基づく例示的な一実施形態において、ヒートパイプ全体がＳＬＭを使用して製造される場合、１つ以上のピンフィン蒸発器は、図１０に示す配置と同様に、ヒートパイプの蒸発器端の１つ以上の既存のフィンに組み込まれてもよい。
【００３９】
動作方法は以下の通りである。液相の作動流体は、凝縮器からヒートパイプの蒸発器端に向かって流れ、断熱部の壁に沿って通過するか、またはウィックが設けられている場合はそのウィックを通り抜ける。蒸発器部に達すると、液体流は、複数の副流に分散し、各液体副流は、ヒートパイプの主管の壁のアパーチャを通って、ヒートパイプの主管から延在する複数の単一ピンフィン蒸発器のうちの１つの中空体または管内に導かれる。ヒートパイプの断熱部と同様に、液体は、ピンフィン蒸発器の壁に沿ってまたはウィックが設けられている場合はウィックを通って流れる。あるいは、各アパーチャは、その各々が個別のピンフィン蒸発器に役立つ、複数の副アパーチャに役立つダクトに通じていてもよい。
【００４０】
同様に、各ピンフィン蒸発器からの蒸気流は、液体がそれに進入したのとは逆の方向に、ピンフィン蒸発器の管の中心を逆に通過し、同じアパーチャを通ってヒートパイプ主管に流れ込み、単一のより大きな蒸気流に凝集し、この単一のより大きな蒸気流は、主管に沿って通過し、次に、通常は断熱部に沿って、液体流およぶ蒸気流の同様の分散および凝集がそれぞれ行われる凝縮器に流れる。図１０は、ピンフィンヒートパイプが従来の直管ヒートパイプの配置の主管から突き出た例示的な実施形態を示す。
【００４１】
図１１は、長さが適切に変更されたピンフィン蒸発器がタービン出口の長手方向軸に垂直な平面においてマイクロタービンのタービンの円形出口内に配置され、ピンフィン凝縮器がマイクロタービンの圧縮機の円形の燃焼空気入口に同様に配置され、これによりピンフィンヒートパイプレキュペレータが形成された例示的な実施形態を示す。いずれの場合も、ピンフィンの内端は、ヒートパイプ全体の断熱部となる、適切な領域に画成されたマニホールドで終端する。別の変形例では、蒸発器の重力に逆らう動作に打ち勝つために、出口の頂部にマニホールドを配置する一方で、凝縮器を底部に置くことができ、これにより断熱部は例えば４５度で重力に抗して送るようになる。
【００４２】
さらなる潜在的な利点は、従来の高温熱交換器設計に固有の熱応力問題の緩和、マニホールドの低減さらには根絶、流体摩擦の低減、およびより最適化されたパッケージングによってシステムのコンパクトさを向上させる能力を含む。例えば、スターリングエンジンでは、ＳＬＭピンフィン熱交換器の蒸発器はＳＬＭ多孔質燃焼器に組み込まれる一方で、凝縮器は、ＳＬＭシリンダヘッドと一体化され得る低内部体積加熱器を形成し得る。また、ＳＬＭピンフィン熱交換器は、１ｍｍ未満の非常に小さい水力直径および複雑な内部構造を有するダクトの、微細な格子または多孔質構造のＳＬＭ建造物に固有の粉末除去問題を緩和し、さらには根絶する。このような状況において、例えばレキュペレータ内の粉末粒子が、これによりブレードまたは軸受けが損傷し得る圧縮機またはタービンに運ばれた場合に深刻な結果をもたらし得る余分な粉末粒子すべてを除去したことを保証することは不可能ではないにしても困難である。ＳＬＭヒートパイプの場合、遊離粉末が残存し得る体積は、ヒートパイプの内部に閉じ込められ、可動部に達し得ず、少量の場合、それは、ヒートパイプ性能に認められるほどの悪影響を及ぼさない。実際には、状況によってはそれが毛細管作用を増大させることにより性能を向上させることもあり得る。
【００４３】
各単一ピン蒸発器の形状、それが主管となす角度、および主管に対するその向きは、特定の条件および用途に合わせて選択することができる。典型的には、ピンフィン蒸発器は直線状であるが、湾曲したピンフィン蒸発器も可能であり、螺旋状、回旋状、および他の形状も可能である。典型的には、ピンフィン蒸発器の長手方向軸は、それが主管に接合される点で主管の長手方向軸と４５〜９０°の角度で交差するが、他の角度も可能である。また、ピンフィン蒸発器の長手方向軸は、それが主管に接合される点で、主管の長手方向軸と交差しないように横方向に傾けられてもよい。
【００４４】
アパーチャ（空洞）の形状および寸法は、適正量の流体をピンフィン蒸発器または凝縮器に流す主な手段である。ヒートパイプ主管の壁の内面とピンフィン蒸発器または凝縮器の壁の内面との間では、後者へ液体が容易に流れるようにするために、移行面が連続的にまたは部分的に湾曲していることが好ましい（図１２参照）。ヒートパイプがウィックとともに動作する場合、作動流体がピンフィン蒸発器または凝縮器に途切れることなく流れるようにするのを助けるために、ヒートパイプ主管のウィックとピンフィン蒸発器または凝縮器のウィックとの間に連続的にまたは部分的に湾曲した流れ効率の良い移行部を設けることが同様に好適である（図１２参照）。ウィックヒートパイプの主管の厚さに対するピンフィン蒸発器または凝縮器のウィックの厚さの選択は、ピンフィン蒸発器または凝縮器に適正量の流体が流れるようにする手段となり得る。これに関連して、ピンフィン蒸発器または凝縮器のウィックの厚さがヒートパイプ主管のウィックに比べて大幅に小さくされることは明らかであろう（図１２参照）。
【００４５】
各主管アパーチャにおいて、ウィックに沿って液体の流れにとって利用可能な領域が小さくなるとき、主管に沿った流れがアパーチャによって事実上妨げられないアパーチャを取り囲むウィックの領域のウィックの深さを大きくすることが必要な場合がある。１つの選択肢は、管壁から内向きにウィックの厚さを大きくすることである。この選択肢の欠点は、管を通る蒸気の流れがそれにより制限され得ることである。その結果、次の段落でその特徴を説明する同伴率（rate of entrainment）が増加し得る。代替手段は、円筒壁の元の線から外向きに移行領域、再び特に、主管に沿った流れがアパーチャによって事実上妨げられないアパーチャを取り囲むウィックの領域の体積を増加させて追加のウィック厚さのために空間を設けることである（図１３参照）。
【００４６】
ヒートパイプの特徴は、液相の作動流体が沿って流れるウィックの表面と、通常は反対方向に通過する蒸気相の作動流体との境界で、蒸気がウィック内の液体に剪断力を加えることである。剪断力の大きさは蒸気の性質および速度に依存し、その作用により、液体の液滴が同伴し、これらは凝縮器端に輸送され得る。この同伴の傾向は、液体の表面張力によって抗われる。同伴は、熱交換器の性能に悪影響を及ぼし、その性能にとって１つの限界を表す。同伴を防止する１つの手段は、１つ以上の薄壁によって蒸気からウィックの一部または全部を隔離することである。これを従来の製造手段で達成することは通常は困難であり、さらには不可能でさえある。しかしながら、既に説明したタイプのＳＬＭヒートパイプでは、ＳＬＭヒートパイプの単一建造物の一部としてこのような薄壁を建設することができる。断熱部において、このような壁は、典型的には円筒形であり、その外面にウィックを含む（図１４参照）。これには、ウィックがその結果典型的には、その各々がＳＬＭプロセス中にウィック自体の建設のための支持体または固定物として機能する、２つの円筒壁間に制限され得るというさらなる利点がある。この結果、ウィック形成格子の内側先端の結節点が、ＳＬＭ建造中、部分的にしか支持されないという、ウィック形状のＳＬＭ建造の問題が緩和される。
【００４７】
主管とピンフィン蒸発器および／または凝縮器との間の移行部には、この位置でＳＬＭ建造物を安定させるために、および／または、この位置のウィックの凸曲率に起因してさもなければ同伴が著しくなり得る領域における同伴を低減もしくは根絶するために、同様の壁（通常は湾曲した）が必要とされ得る（図１２参照）。
【００４８】
第１の実施形態に関して既に述べたのと同様に、液相の作動流体は、ピンフィン蒸発器または凝縮器と主管との接合部からピンフィン蒸発器または凝縮器に沿って外向きに流れるため、蒸発されるべき液体の量が減少し、反対方向に流れる蒸気の量が減少する。したがって、液体を運ぶウィックと蒸気が通過するアパーチャの両方の寸法を小さくすることができるため、ピンフィン蒸発器または凝縮器と主管との接合部と、その外端との間で、全径を小さくすることができるという結果になる。このように、第１の実施形態で既に説明した主管と同様に、ピンフィン蒸発器または凝縮器をテーパ状にすることができる。これらの手段によって、ヒートパイプ全体のサイズ、重量、およびコストを低減することができる。また、このような配置からは熱伝達および圧力降下の利点が得られる。特に、ピンフィンヒートパイプをテーパ状にすることにより、従来のピンフィンの形状の同様の変更から帰結し得るサイズおよび重量の増加なしにフィン効率を高めることができる。
【００４９】
この設計は、加熱流体および冷却流体とヒートパイプの作動流体との間の一次的な直接熱伝達面積を増加させる。その結果、ヒートパイプの外側に必要な二次的な表面積が減るため、システム全体の大幅な小型化、軽量化、および低コスト化がなされる。
【００５０】
第３の実施形態の変形例では、ヒートパイプの主管は蒸発器端で２つ以上の副管に分けられ、副管の各々が第３の実施形態で説明したように複数の個々のピンフィン蒸発器へ／からの作動流体の流れを供給してもよい。同様に、ヒートパイプの主管は凝縮器端で２つ以上の副管に分けられ、副管の各々が第３の実施形態で説明したように複数の個々のピンフィン凝縮器へ／からの作動流体の流れを供給してもよい。
【００５１】
さらなる変形例では、単一の主管または断熱部の代わりに、ヒートパイプは２つ以上の副管からなり、副管の各々はそれ自体の断熱部を有してもよく、副管の各々は、単一の主管に集められるのではなく、一端では一群のピンフィン蒸発器と接続され、他端では一群のピンフィン凝縮器と接続されてもよい。個々の副管は、１つの部品として建設されてもよく、好ましくは、２つ以上の副管の間に共通の壁を設けることによってサイズ、重量、およびコストを低減する六角形の断面を有する。
【００５２】
いずれの熱交換器でも、その流動長にわたって温度は変化し、したがってピンフィンヒートパイプ熱交換器の温度もその流動長にわたって変化することは明らかであろう。多くの場合、ピンフィンヒートパイプ熱交換器の全長にわたる望ましい温度降下は、単一のヒートパイプ作動流体の動作範囲よりも大きい。この場合、１つより多くのピンフィンヒートパイプ作動流体が使用され、各作動流体は、別々のピンフィンヒートパイプまたは一群のピンフィン蒸発器および／もしくは凝縮器によって使用される。
【００５３】
上記の例示的な実施形態は、付加製造（ＳＬＭなど）を使用して製造することができる。特に、例えば選択的レーザ溶融を使用する粉末層付加製造の一部として、ピンフィン熱交換器の形状をトレースするためにエネルギービームを使用することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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