JP2005069571A - Laminate type heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却器に適用して好適な積層式熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a laminated heat exchanger suitable for application to a boiling cooler that cools a heating element such as a semiconductor element by boiling heat transfer of a refrigerant.
従来の積層式熱交換器として、特許文献1に示されるように、通過孔を有する金属板を複数積層して、通過孔によって積層方向に連続した流体通路が形成されるものが知られている。 As a conventional stacked heat exchanger, as shown in Patent Document 1, a plurality of metal plates having passage holes are stacked, and a continuous fluid passage is formed by the passage holes in the stacking direction. .
ここでは、流体通路の通路壁が腐食環境に晒される場合に、複数の金属板のうち、一部の金属板を通路壁から流体通路内に向かって突出させることで突出部を設け、この突出部が他の部分よりも電位的に卑となるようにしている。 Here, when the passage wall of the fluid passage is exposed to a corrosive environment, a protrusion is provided by projecting a part of the plurality of metal plates from the passage wall into the fluid passage. The part is designed to be lower in potential than other parts.
これにより、流体通路の通路壁において、突出部のみに孔食が進行することになり、他の流体通路の通路壁の防食を可能としている。
しかしながら、流体通路内に設けられる突出部によって、流体通路断面積が減少してしまうので、その分、流通抵抗が増大するという問題があった。尚、流通抵抗が増大すると、内部流体の流量が低下し、積層式熱交換器としての熱交換性能が低下する。 However, since the cross-sectional area of the fluid passage is reduced by the protrusion provided in the fluid passage, there is a problem that the flow resistance is increased accordingly. Note that when the flow resistance increases, the flow rate of the internal fluid decreases, and the heat exchange performance as a stacked heat exchanger decreases.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、流体流路における耐食性を確保しつつ、流通抵抗の低減を可能とする積層式熱交換器を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a stacked heat exchanger that can reduce flow resistance while ensuring corrosion resistance in a fluid flow path.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、第1開口部(121a)を有する第1板状部材(121)および第2開口部(122a)を有する第2板状部材(122)が混在して積層され、第1開口部(121a)、第2開口部(122a)が互いに連通して流体が流通する流体流路(120A)が形成される積層式熱交換器において、第1、第2板状部材(121、122)のそれぞれの少なくとも一方の面には、犠牲材が設けられ、第2開口部(122a)は、第1開口部(121a)に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴としている。 In the first aspect of the invention, the first plate member (121) having the first opening (121a) and the second plate member (122) having the second opening (122a) are mixed and laminated. In the stacked heat exchanger in which the first opening (121a) and the second opening (122a) communicate with each other to form a fluid channel (120A) through which the fluid flows, the first and second plate-like members are formed. At least one surface of each of (121, 122) is provided with a sacrificial material, and the second opening (122a) has substantially the same opening shape with respect to the first opening (121a) and is displaced. It is characterized by being formed in a different position.
これにより、第2板状部材(122)の第2開口部(122a)の端部は、流体流路(120A)内に突出する凸部(122e)および第1板状部材(121)間に入り込む凹部(122f)を形成することになる。そして、この凹部(122f)に対応する第1開口部(121a)の端部は相対的に流体流路(120A)内に突出する突出部(121e)を形成することになり、流体流路(120A)が流体によって腐食環境に晒される場合に、凸部(122e)および突出部(121e)における犠牲材が優先的に腐食され、流体流路(120A)の耐食性を向上できる。 As a result, the end of the second opening (122a) of the second plate member (122) is located between the projection (122e) protruding into the fluid flow channel (120A) and the first plate member (121). The recessed part (122f) to enter will be formed. And the edge part of the 1st opening part (121a) corresponding to this recessed part (122f) will form the protrusion part (121e) which protrudes relatively in a fluid flow path (120A), and a fluid flow path ( When 120A) is exposed to a corrosive environment by a fluid, the sacrificial material in the protrusions (122e) and the protrusions (121e) is preferentially corroded, and the corrosion resistance of the fluid flow path (120A) can be improved.
ここで、凸部(122e)が形成される時に凹部(122f)も同時に形成され、この凹部(122f)によって流体流路(120A)の流路断面積を増大させることができるので、流通抵抗を低減することができる。 Here, when the convex part (122e) is formed, the concave part (122f) is also formed at the same time, and this concave part (122f) can increase the flow path cross-sectional area of the fluid flow path (120A), so that the flow resistance is reduced. Can be reduced.
尚、付随的に凸部(122e)および凹部(122f)によって、流体流路(120A)内の表面積を増大することができるので、積層式熱交換器(100)としての熱交換性能を向上することができる。 In addition, since the surface area in the fluid flow path (120A) can be increased by the incidental convex part (122e) and the concave part (122f), the heat exchange performance as the stacked heat exchanger (100) is improved. be able to.
そして、請求項2に記載の発明では、流体は、流体流路(120A)を第1、第2板状部材(121、122)の面が拡がる方向で、且つ、第2開口部(122a)がずれた方向に対して交差する方向に流れることを特徴としている。 In the invention according to claim 2, the fluid flows in the direction in which the surfaces of the first and second plate-like members (121, 122) expand in the fluid flow path (120A) and the second opening (122a). It is characterized by flowing in a direction that intersects with the direction of deviation.
これにより、第2開口部(122a)の位置のずれ量の大小に関わらず流通抵抗を低減できる。 As a result, the flow resistance can be reduced regardless of the amount of displacement of the position of the second opening (122a).
また、請求項3に記載の発明では、第1、第2板状部材(121、122)の積層方向の一方には、複数の板状部材(111〜113)によって形成されると共に、内部に冷媒が貯留され、外部表面に発熱体(10)が取付けられる冷媒槽部(110)が設けられており、第1板状部材(121)に設けられた第3開口部(121d)および第2板状部材(122)に設けられた第4開口部(122d)が互いに連通することによって冷媒流路(120B)が形成され、冷媒流路(120B)は、冷媒槽部(110)に連通することを特徴としている。 Moreover, in invention of Claim 3, while forming in one side of the lamination direction of a 1st, 2nd plate-shaped member (121,122) by several plate-shaped members (111-113), inside, A refrigerant tank (110) in which the refrigerant is stored and the heating element (10) is attached to the outer surface is provided, and the third opening (121d) and the second provided in the first plate-like member (121) are provided. The fourth opening (122d) provided in the plate member (122) communicates with each other to form the refrigerant channel (120B), and the refrigerant channel (120B) communicates with the refrigerant tank (110). It is characterized by that.
これにより、本積層式熱交換器(100)を、発熱体(10)によって沸騰した冷媒を冷媒流路(120B)に導き、流体流路(120A)内の流体と熱交換を行う沸騰冷却器(100)として対応することができる。 Thus, the present stacked heat exchanger (100) is a boiling cooler that guides the refrigerant boiled by the heating element (10) to the refrigerant flow path (120B) and exchanges heat with the fluid in the fluid flow path (120A). (100).
請求項4に記載の発明では、第4開口部(122d)は、第3開口部(121d)に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, the fourth opening (122d) has substantially the same opening shape as the third opening (121d) and is formed at a shifted position.
これにより、冷媒流路(120B)内の表面積を増大させて、流体流路(120A)側との熱交換性能を向上させることができる。 Thereby, the surface area in a refrigerant flow path (120B) can be increased, and the heat exchange performance with the fluid flow path (120A) side can be improved.
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.
(第1実施形態)
次に、本発明の積層式熱交換器の第1実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。本実施形態では、積層式熱交換器として沸騰冷却器100に適用したものとしている。沸騰冷却器100は、例えば半導体素子(IGBT)等の発熱体10の熱によって内部に封入される冷媒が沸騰気化し、外部から供給される冷却水(本発明の流体に対応)によって気化冷媒が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を冷却水に放出することで発熱体10を冷却する熱交換器である。
(First embodiment)
Next, 1st Embodiment of the laminated heat exchanger of this invention is described based on FIGS. In the present embodiment, the laminated heat exchanger is applied to the boiling
以下説明する図面のうち、図1は沸騰冷却器100の正面図、図2は沸騰冷却器100の平面図、図3、図4は各プレート111〜113、121、122の平面図、図5は図2のA−A部における部分断面図、図6は各プレート131〜133の平面図である。
1 is a front view of the boiling
沸騰冷却器100は、図1、図2に示すように、下側から上側に向けて順に各プレート111〜113、121、122、131〜133が積層されて、冷媒槽部110、熱交換部120、冷媒拡散部130が形成されている。冷媒拡散部130の上側の面(上側プレート133)には、入口パイプ140、出口パイプ150、冷媒封入パイプ160が設けられている。上記各部材は、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、これら部材が一体でろう付けされることによって沸騰冷却器100は形成される。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
冷媒槽部110は、内部に冷媒が貯留される部位であり、図3に示すように、下側プレート111、中間プレート112、113から成る。各プレート(本発明の複数の板状部材に対応)111〜113は、長方形を成しており、中間プレート112には、図3(b)中において上下方向端部側の所定領域を残して左右方向に延びる冷媒開口部112aが複数設けられ、また、中間プレート113には、図3(c)中において上記と同様の所定領域を残して上下方向に延びる冷媒開口部113aが複数設けられている。各冷媒開口部112a、113aは互いに交差する部位で連通し、冷媒を貯留する空間を形成する。尚、中間プレート112、113は図1では、各1枚ずつ配置するものとして示しているが、これに限らず、冷媒の貯留量に応じて複数組みの構成とするようにしても良い。
The
そして、冷媒槽部110の下側面(下側プレート111)には発熱体10が配置され(図1、図2)、図示しないボルト等の締め付けにより固定されている。尚、発熱体10と冷媒槽部110との間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。
And the
熱交換部120は、本発明の特徴部を成すもので、図1、図4、図5に示すように、中間プレート(本発明の第1板状部材に対応)121および中間プレート(本発明の第2板状部材に対応)122が混在するように積層されている。ここでは具体的に、中間プレート121と中間プレート122とを交互に積層している。
The
尚、中間プレート121、122の少なくとも一方の面には図示しない犠牲材が設けられている。犠牲材は、周知のように中間プレート121、122に対して自らが金属電極の陽極として働き、電気化学反応によって消耗(犠牲腐食)することで、相手側の中間プレート121、122の耐食寿命を延ばすものである。犠牲材は、中間プレート121、122を形成するアルミニウム材に対して電位が低くなるように、亜鉛を所定量含有するアルミニウム材としている。
A sacrificial material (not shown) is provided on at least one surface of the
図4に示すように、中間プレート121、122は、それぞれ冷媒槽部110の各プレート111〜113と外形を同一とする長方形を成しており、それぞれ複数の冷媒開口部121d、122dおよび冷却水開口部121A、122Aが設けられている。
As shown in FIG. 4, the
図4(a)に示すように、中間プレート121の冷媒開口部(本発明の第3開口部に対応)121dは、上記の中間プレート113に設けられた冷媒開口部113aと同一の位置に同一の大きさで設けられている。
As shown in FIG. 4A, the refrigerant opening (corresponding to the third opening of the present invention) 121d of the
冷却水開口部121Aは、図4(a)中の上下方向に延びる中間開口部121aと、図4(a)中の左右方向に延びて櫛状を成す入口側開口部121bおよび出口側開口部121cとから成る。中間開口部(本発明の第1開口部に対応)121aは、図4(a)中の左右方向において上記の冷媒開口部121dの間に挟まれるように配置されている。また入口側開口部121bおよび出口側開口部121cの櫛歯に相当する部位は、中間開口部121aの位置に対応するようになっている。
The cooling
一方、図4(b)に示すように、中間プレート122の冷媒開口部122dおよび冷却水開口部122A(中間開口部122a、入口側開口部122b、出口側開口部122c)は、上記の中間プレート121のそれらと同様に形成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the
しかしながら、本発明の特徴部として、冷媒開口部(本発明の第4開口部に対応)122d、中間開口部(本発明の第2開口部に対応)122aは、上記の冷媒開口部121d、中間開口部121aに対して、積層方向に連通する範囲で、図4(b)中の左右方向にずれた位置に設けられるようにしている。ここでは具体的に、図4(b)中の2点鎖線で示す冷媒開口部121d、中間開口部121aを想定した位置に対して冷媒開口部122d、中間開口部122aは、それぞれ左側にずれるように設定している。
However, as a characteristic part of the present invention, the refrigerant opening (corresponding to the fourth opening of the present invention) 122d and the intermediate opening (corresponding to the second opening of the present invention) 122a are the
尚、入口側開口部121b、122bおよび出口側開口部121c、122cの櫛歯に相当する部位の長さは、それぞれ異なるようにしており、中間プレート121、122を積層した際に、冷却水開口部121A、122A全体が互いに連通するようにしている。
The lengths of the portions corresponding to the comb teeth of the inlet-
熱交換部120においては、図5に示すように、中間開口部121a、122aが積層方向に連通することによって、冷却水流路(本発明の流体流路に対応)120Aが形成される。ここで中間開口部122aが中間開口部121aに対して図5中の左側にずれた位置に設けられているため、中間開口部122aの端部によって、冷却水流路120A内に突出する凸部122eおよび中間プレート121間に入り込む凹部122fが形成されることになる。そして、この凹部122fに対応する冷媒開口部121aの端部によって、相対的に冷却水流路120A内に突出する突出部121eが形成されることになる。
In the
また、冷媒開口部121d、122dが積層方向に連通することによって、冷媒流路120Bが形成される。そして、この冷媒流路120Bにおいても、冷媒開口部122dが冷媒開口部121dに対してずれた位置に設けられているため、上記冷却水流路120Aと同様に、凸部122e、凹部122f、突出部121eが形成されることになる。尚、冷媒流路120Bは、冷媒槽部110および後述する冷媒拡散部130のそれぞれの内部空間に連通する。
In addition, the
冷媒拡散部130は、上記冷媒槽部110と同様に、図1、図6に示すように、複数のプレート131〜133が積層されて形成されている。即ち、中間プレート131と中間プレート132とが交互に積層されて、更にその上側に上側プレート133が配置されている。
As with the
中間プレート131、132は、上記冷媒層部110の各プレート111〜113と外形を同一とする長方形を成している。中間プレート131、132には、上記冷媒槽部110の中間プレート112、113と同様に、それぞれ図6中の上下方向あるいは左右方向に延びる冷媒開口部131a、132aが複数設けられている。そして、冷媒開口部131aは、熱交換部120の冷媒開口部122dと同一の位置、同一の大きさと成るように設けられている。
The
また、中間プレート131、132および上側プレート133には、図6中の左下に入口パイプ穴130a、右上に出口パイプ穴130bがそれぞれ設けられており、入口パイプ穴130aは、中間プレート121、122の入口側開口部121b、122bに連通し、出口パイプ孔130bは、中間プレート121、122の出口側開口部121c、122cに連通している。そして、上側プレート133の各パイプ穴130a、130bにはそれぞれ、入口パイプ140、出口パイプ150が図1、図2に示すように接合されている。
Further, the
また、上側プレート133の図6(c)中の右上には、上記冷媒開口部132aに連通する冷媒パイプ穴133aが設けられている。この冷媒パイプ穴133aには、図1、図2に示すように、冷媒パイプ160が接合されている。
Also, a
冷媒拡散部130においては、冷媒開口部131a、132aが互いに交差する部位で連通して、内部空間が形成され、この内部空間は冷媒パイプ160と連通する。尚、中間プレート131、132は、図1では各1枚ずつ(合計2枚)配置するものとして示しているが、これに限らず、冷媒拡散部130の内部空間の大きさを調節するために、3枚以上の組み合わせとするようにしても良い。
In the
尚、各プレート111〜113、121、122、131〜133の各開口部112a、113a、121a〜121d、122a〜122d、131a、132a、および各パイプ穴130a、130b、133aは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成されている。
In addition, each
そして、冷媒封入パイプ160からは、所定量の冷媒が注入され、冷媒は冷媒拡散部130から熱交換部120の冷媒流路120Bを通り、主に冷媒槽部110を満たすように貯留される。冷媒としては、ここではフロン(HFC134a)を用いている。その他の冷媒として、水、アルコール、フロロカーボン等を用いても良い。尚、冷媒封入パイプ160の開口側は、冷媒注入後に溶接等により封止される。
Then, a predetermined amount of refrigerant is injected from the
次に、本実施形態の作動および作用効果について説明する。冷媒槽部110内における冷媒は、発熱体10の熱を受けて沸騰気化し、冷媒流路120B側に上昇し、冷媒拡散部130内に流入して拡散する。そして、この拡散した冷媒が再び冷媒流路120B内を下降する際に、冷却水流路120Aを流通する冷却水によって冷却されて凝縮液化して、自重によって冷媒槽部110に還流する。このように、沸騰冷却器100は、発熱体10の熱を沸騰気化により輸送し、凝縮液化時の凝縮潜熱を冷却水側に放出することで発熱体10を冷却する。
Next, the operation and effect of this embodiment will be described. The refrigerant in the
尚、本沸騰冷却器100においては、冷却水は、入口パイプ140から流入し、入口側開口部121b、122bを通り、冷却水流路120Aを中間プレート121、122の面が拡がる方向で、且つ、中間開口部122aがずれた方向に対して交差する方向、即ち、図5中の紙面の表側から裏側に向けて流れる。そして、冷却水流路120Aを流通した冷却水は、出口側開口部121c、122cを通って、出口パイプ150から流出する。
In the boiling cooler 100, the cooling water flows in from the
本発明においては、冷却水によって冷却水流路120Aが腐食環境に晒されることになるが、冷却水流路120A内に突出する凸部122e、突出部121eにおける犠牲材が優先的に腐食され、冷却水流路120Aの耐食性を向上できることになる。
In the present invention, the cooling
ここで、冷却水流路120Aにおいては、凸部122eが形成される時に凹部122fも同時に形成され、この凹部122fによって冷却水流路120Aの流路断面積を増大させることができるので、冷却水の流通抵抗を低減することができる。
Here, in the cooling
更に、冷却水流路120Aにおける冷却水の流れ方向を上記説明のように図5中の紙面に対して垂直方向(表側から裏側)となるようにしているので、中間開口部122aの位置のずれ量の大小に関わらず流通抵抗を低減できる。
Further, as described above, the flow direction of the cooling water in the cooling
尚、付随的に凸部122eおよび凹部122fによって、冷却水流路120A内の表面積を増大することができるので、沸騰冷却器100としての熱交換性能を向上することができる。
In addition, since the surface area in the cooling
また、冷媒流路120Bにおいても、冷却水流路120Aと同様に、凸部122e、突出部121eが形成されるようにしているので、冷媒流路120B内の表面積を増大させて、冷却水流路120A側との熱交換性能を向上させることができる。
Also, in the
(その他の実施形態)
上記第1実施形態においては、本発明を沸騰冷却器100に適用したものとして説明したが、これに限らず、冷却水流路120Aに相当する流路に流体を流して、この流体と外部流体(例えば空気)、外部発熱物等と熱交換する熱交換器(具体的には、ラジエータ、ヒータコア、オイルクーラ、ヒートシンク等)として広く適用可能である。
(Other embodiments)
In the first embodiment, the present invention has been described as being applied to the boiling
また、冷却水流路120Aを流れる冷却水の流れ方向は、上記第1実施形態に対して、中間プレート121、122の積層方向としても良い。
Moreover, the flow direction of the cooling water flowing through the cooling
10 発熱体
100 沸騰冷却器(積層式熱交換器)
110 冷媒槽部
111 下側プレート(複数の板状部材)
112 中間プレート(複数の板状部材)
113 中間プレート(複数の板状部材)
120A 冷却水流路(流体流路)
120B 冷媒流路
121 中間プレート(第1板状部材)
121a 中間開口部(第1開口部)
121d 冷媒開口部(第3開口部)
122 中間プレート(第2板状部材)
122a 中間開口部(第2開口部)
122d 冷媒開口部(第4開口部)
10
110
112 Intermediate plate (plural plate members)
113 Intermediate plate (plural plate members)
120A Cooling water channel (fluid channel)
120B
121a Intermediate opening (first opening)
121d Refrigerant opening (third opening)
122 Intermediate plate (second plate member)
122a Intermediate opening (second opening)
122d Refrigerant opening (fourth opening)
Claims (4)
前記第1、第2板状部材(121、122)のそれぞれの少なくとも一方の面には、犠牲材が設けられ、
前記第2開口部(122a)は、前記第1開口部(121a)に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴とする積層式熱交換器。 A first plate member (121) having a first opening (121a) and a second plate member (122) having a second opening (122a) are laminated together to form the first opening (121a). In the stacked heat exchanger in which the second opening (122a) communicates with each other to form a fluid flow path (120A) through which fluid flows,
A sacrificial material is provided on at least one surface of each of the first and second plate-like members (121, 122),
The stacked heat exchanger according to claim 1, wherein the second opening (122a) has substantially the same opening shape as the first opening (121a) and is formed at a shifted position.
前記第1板状部材(121)に設けられた第3開口部(121d)および前記第2板状部材(122)に設けられた第4開口部(122d)が互いに連通することによって冷媒流路(120B)が形成され、
前記冷媒流路(120B)は、前記冷媒槽部(110)に連通することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の積層式熱交換器。 One of the first and second plate-like members (121, 122) in the stacking direction is formed by a plurality of plate-like members (111 to 113), a refrigerant is stored inside, and a heating element is formed on the external surface. A refrigerant tank part (110) to which (10) is attached is provided;
The third opening (121d) provided in the first plate-like member (121) and the fourth opening (122d) provided in the second plate-like member (122) communicate with each other, whereby the refrigerant flow path. (120B) is formed,
The stacked heat exchanger according to any one of claims 1 and 2, wherein the refrigerant flow path (120B) communicates with the refrigerant tank section (110).
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Cited By (3)
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WO2007000991A1 (en) | 2005-06-27 | 2007-01-04 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Heat sink for power module |
US8411438B2 (en) | 2005-06-27 | 2013-04-02 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Heat sink for power module |
WO2007113942A1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-11 | Fuchigami Micro Co., Ltd. | Heat pipe |
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