JP2006128193A

JP2006128193A - 平型の熱交換用部材および熱交換装置

Info

Publication number: JP2006128193A
Application number: JP2004311002A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Minamiyama; 雄一南山
Original assignee: Denso Aircool Corp
Current assignee: Denso Aircool Corp
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】切削や鋳造によらずに多数のピンが連立した平型の熱交換用部材を提供する。【解決手段】板材の縁の少なくとも一部を折り曲げることにより、プレート部３３および側壁部３１を形成し（曲げ工程）、側壁部３１の先端からプレート部３３に向かって切れ目３５を形成し、複数の短冊状部分３６に分ける（分割工程）。そして、隣接する短冊状部分３６を互い違いに曲げる（離隔工程）。これにより、切削や鋳造によらずに、ピンタイプの平型の熱交換用部材２０および２１を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器の放熱用のヒートシンクなどに用いられる平型の熱交換用部材およびそれを用いた熱交換装置に関するものである。

吸熱あるいは放熱をするための熱交換装置においては、空気などの媒体との接触面積を増加させるためのフィンが形成される。熱交換用の液冷媒を用いたシステムであれば、その冷媒をチューブで流しながら空気などの媒体と熱交換を行うことにより接触面積を広く確保することができ、さらに、チューブ間をフィンにより接続することにより熱交換用の面積を広くすることができる。これに対し、ＣＰＵなどの電気部品の放熱用には、電気部品に密着する平面を備えた放熱用の台と、その台の平面と反対側から突き出たフィンを有するシステムが採用される。電気部品用では、このような構造を備えた熱交換用部材はヒートシンクと称され、本明細書においては、一方が平面になった熱交換用部材を平型あるいは面型の熱交換用部材と称する。

このような平型あるいは面タイプの熱交換用部材は、簡易な熱交換装置には多く採用される。たとえば、ペルチェ素子を用いた熱交換装置があり、ペルチェ素子を面タイプの熱交換用部材で挟みこむことにより、一方の面から吸熱し、他方の面に放熱する簡易な構成の熱交換装置を提供できる。

ヒートシンクとして多数のピンが２次元に配列されたピンタイプ（ピンフィン）のものが知られている。多数のピンが連立したタイプのフィンは、媒体との接触面積が大きく、また、エッジ効果などにより、媒体が乱流化されるので、熱交換効率が高い。

特開平９−１０２６８６号公報には、リブを有する押出形材を、リブを介して等間隔に複数重ね合わせ、はんだにより接合し、そのフィンを幅方向に対して直角方向に等間隔おきに切削して隙間を形成し、多数のピンが配列されたヒートシンクを製造する方法が開示されている。また、特開平９−３３１００３号公報には、鋳造により断面が円形のピンが連立した形状にした、くし状部材を用いてヒートシンクを製造する方法が開示されている。
特開平９−１０２６８６号公報特開平９−３３１００３号公報

平型の台に複数のピンが狭い間隔で連立した形状を実現する方法としては、平型の台にピンを差し込んでろう付けなどにより固定する方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、歩留まり良く製造することが困難であり、製造コストが高い。したがって、上記の特許文献１では切削により多数のピンを形成し、特許文献２では鋳造により多数のピンを形成している。いずれの方法も、ピンが連立した形状を量産するのに適した方法であると言える。しかしながら、切削は切削における問題、たとえば、切削のための厚みが必要となり、切削における精度を確保する必要があり、さらに、切削により材料が浪費されるなどの問題がある。また、鋳造は鋳造における問題、たとえば、金型の費用、抜き勾配あるいはひけなどの形状の問題がある。

そこで、本発明においては、切削や鋳造によらずに多数のピンが連立した平型の熱交換用部材を製造する方法および製造された熱交換用部材を提供することを目的としている。

本発明においては、板材を曲げて切ることにより、平型の熱交換用部材を製造する。すなわち、本発明の平型の熱交換用部材の製造方法は、板材の縁の少なくとも一部を折り曲げることにより、プレート部および側壁部を形成する曲げ工程と、側壁部の先端からプレート部に向かって切れ目を形成し、複数の短冊状部分に分ける分割工程と、隣接する短冊状部分を互い違いに曲げる離隔工程とを有する。また、板材の縁を折り曲げる代わりに、板材の適当な位置を切り起こしても良い。曲げ工程と分割工程の前後は特に規定されない。

したがって、本発明の平型の熱交換用部材は、平坦なプレート部と、そのプレート部を成す板材の縁の少なくとも一部を折り曲げることにより形成された側壁部とを有し、側壁部は先端からプレート部に向かって形成された切れ目により複数の短冊状部分に分割されており、さらに、隣接する短冊状部分が互い違いに曲げられている。また、平坦なプレート部と、そのプレート部を成す板材の少なくとも一部を切り起こすことにより形成された側壁部とを有するものであっても良い。

本発明においては、短冊状の部分がプレート部から立ち上っており、隣接する短冊状部分は互い違いに曲げられている。したがって、隣接する短冊状部分の間には空気などの媒体が通過する隙間が形成され、個々の短冊状部分は上述したピンフィンのピンとして機能する。このため、本発明においては、板を曲げて、切れ目を入れ、さらに曲げることにより、ピンと同等の機能を有する、多数の短冊状部分を備えた平型あるいは面型の熱交換用部材を製造し、提供することができる。したがって、本発明により、ピンタイプのフィンを備えたヒートシンクを、さらに低コストで提供できる。

また、本発明においては、ピンを削りだすのではなく、プレートをカットし曲げるだけで良いので、フィンに切削に耐えるだけの強度は不要であり、短冊状の部分を薄くできる。したがって、ピンの密度をさらに高めることが可能となり、接触面積のさらに大きな熱交換用部材を製造できる。さらに、切削により削り落とされる部分がないので、材料の浪費もない。鋳造と比較すると、金型を製造する費用は不要となり、切れ目を入れるピッチや短冊状の部分を相互に曲げる角度を制御することによりピンの形状や、その密度の調整も容易となる。

本発明においては、様々な形状の板材を採用することにより、様々なピンのアレンジが可能であり、さらに、板材の途中を切り起こすことにより、２列に限らず、３列以上のピンが連立した熱交換用部材を提供できる。最も簡易な構成は、正方形あるいは長方形の板材を用いたものであり、断面がＵ字型あるいはΠ字型の熱交換用部材を提供できる。側壁部の根元をプレート部に重なるように折り返すことにより、Π字型のようにプレート部の内側にピンが突き出た形状の熱交換用部材を提供することができる。複数の熱交換用部材を接続することにより、面積の大きな平板型の熱交換用部材にすることも可能である。

放熱面あるいは吸熱面を備えた熱交換装置においては、本発明の平型あるいは面型の熱交換用部材により放熱面あるいは吸熱面を形成したり、吸熱面あるいは放熱面に本発明の熱交換用部材を取り付けたりすることにより、本発明の熱交換用部材により吸熱面および／または放熱面の少なくとも一部を構成し、熱交換効率の高い熱交換装置を提供できる。本発明は、ヒートシンクなどの面タイプの熱交換装置を構成するのに適している。また、吸熱面から放熱面へ熱を移動するための複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を交互に電気的に直列に接続された熱電変換部と、熱電変換部に対して吸熱用の媒体および／または放熱用の媒体を供給する手段とを有する熱交換装置を提供するのにも適している。

以上に説明したように、本発明においては、板材を曲げて、カットし、さらに曲げることにより、ピンタイプの熱交換用部材を製造し、提供することが可能となる。したがって、熱交換効率の高い平型あるいは面型の熱交換用部材およびそれを備えた熱交換装置をさらに低コストで提供することができる。

以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１（ａ）に本発明に係る、ペルチェ素子を用いた熱交換装置の展開した状態を斜視図により示してある。また、図１（ｂ）に、熱交換装置に用いられている本発明に係る熱交換用部材の一部を拡大して示してある。また、図２に、ペルチェ素子を配列した状態を示してある。このペルチェ熱交換装置１は、ダクト２により供給された空気３を冷却して出力する冷却装置として使用することが可能であり、その場合は、ダクト２に面した側２２が吸熱面となってダクト２の内部を流れる空気３から吸熱し、反対側の面２３が熱を外気４に放熱する放熱面となる。

この熱交換装置１は、複数のＰ型熱電素子１２ｐおよびＮ型熱電素子１２ｎを交互に電気的に直列に接続された熱電変換部１０と、この熱電変換部１０の吸熱側１１ａの面２２および放熱側１１ｂの面２３に取り付けられた熱交換用部材２０および２１とを有している。熱電変換部１０の熱電素子１２ｐおよび１２ｎは、たとえば図２に示すように、４×５のアレイ状に、行および列方向にＰ型およびＮ型が交互となるように配置されている。これらの熱電素子１２ｐおよび１２ｎは、上側電極１３および下側電極１４により交互に電気的に直列になるように接続されている。したがって、直列に接続された熱電素子に対して電圧を印加することにより、Ｎ−Ｐ接続からＰ−Ｎ接続に熱を移動するペルチェ効果が得られ、これら熱電素子１２ｐおよび１２ｎが配置された面を水平な面とすると、それに対して下方から上方に、あるいは上方から下方に熱を移動し、一方を吸熱側１１ａとし、他方を放熱側１１ｂとすることができる。これらの熱電素子１２ｐおよび１２ｎが配置された面が垂直であれば左右に熱を移動できる。なお、図２においては、上側電極１３を実線で示し、下側電極１４を破線で示してある。

この熱電変換部１０の吸熱側１１ａは、下側電極１４を樹脂製の絶縁板１５によりカバーし、それを覆うように伝熱性のベースとなる銅板２２が取り付けられ、さらに、吸熱ベース２２に熱交換用部材２０が接合されている。放熱側１１ｂは、上側電極１３をカバーするように樹脂製の絶縁板１６が取り付けられ、それを覆うように伝熱性のベースとなる銅板２３が取り付けられ、さらに、放熱ベース２３に熱交換用部材２１が接合されている。

２つの熱交換用部材２０および２１は上下対称であるだけで構成は同一であるので、以降では、一方の熱交換用部材２１について説明する。本例では、６つの熱交換用部材２１が等間隔に並んだ状態で放熱用の銅板２３にろう付け、はんだ付け、または接着剤により接合されている。本例の熱交換用部材２１は、平坦なプレート部３３と、このプレート部３３を成す板材の両側からほぼ垂直に立ち上がった２つの側壁部３１とを備えている。両側壁部３１は、先端からプレート部３３に向かって垂直方向に切れ目３５が入れられており、長手方向Ｌに沿って複数の短冊状部分３６ａおよび３６ｂに分けられている。隣接する短冊状部分３６ａおよび３６ｂは互い違いの方向に曲げられており、根元から先端に行くにつれて隣接する短冊状部分３６ａおよび３６ｂは互いに離れ、それらの間に媒体が通過する隙間が形成されている。このため、本例の熱交換用部材２１では、平坦なプレート部３３に、長手方向Ｌに延びた４列の短冊状部分３６ａおよび３６ｂが形成された構成となっており、個々の短冊状部分３６ａおよび３６ｂがピンタイプのヒートシンクのピンと同様の機能を果たしている。

図３および図４に熱交換用部材２１の製造方法を示してある。図３（ａ）に示すように、銅製で帯状の板材４０の両方の縁から幅方向Ｓに真直ぐな切れ目３５を入れる（分離工程）。切れ目３５の長さや間隔は形成すべき短冊状部分３６の幅や長さによって決定すれば良い。切れ目３５を入れることにより、板材４０の両方の縁側に長手方向Ｌに沿って複数の短冊状部分３６が形成される。次に、図３（ｂ）に示すように、切れ目３５を入れた側壁３１の部分を曲げ、さらに、側壁３１の根元が基のプレート部３３と重なるように折り返すことにより、断面が逆Π字型となるように成形する（曲げ工程）。これにより、プレート部３３および両側壁部３１が形成され、両側壁部３１の根元に凸部３８が形成される。

次に、図４（ａ）に示すように、複数の短冊状部分３６を互い違いの方向に曲げる（離隔工程）。これにより、複数の短冊状部分３６ａおよび３６ｂがプレート部３３の長手方向Ｌに沿って４列に配列された状態の帯状の熱交換用部材２１が形成される。次に、図４（ｂ）に示すように、銅板２３のサイズに合わせてカットし、図４（ｃ）に示すように、６個の熱交換用部材２１を、幅方向Ｓに並べて銅板２３の表面に接合する。

図５に異なる熱交換用部材５１を示してある。この熱交換用部材５１は、板材の一方の縁だけを折り曲げて、プレート部材の一方にのみ側壁部３１を形成し、１つの熱交換用部材５１をサブユニットとして形成し、複数のサブユニット５１を接合することにより一体の大きな熱交換用部材としている。１つのサブユニット５１には２列に複数の短冊状部分３６ａおよび３６ｂが形成されている。なお、上記の熱交換用部材２１と共通する部分については同一の符号を付してある。

図６に、この熱交換用部材５１の製造方法を示してある。図６（ａ）に示すように、まず、板材４０の一方の縁に沿った部分を折り曲げることにより、プレート部３３および１つの側壁部３１を形成する（曲げ工程）。なお、この例では、予め熱交換用部材５１の長手方向Ｌの長さに合わせてカットされた板材４０を用いている。次に、図６（ｂ）に示すように、側壁部３１に対して複数の切れ目３５を入れる（分割工程）。これにより、長手方向Ｌに沿って複数の短冊状部分３６が形成される。次に、図６（ｃ）に示すように、複数の短冊状部分３６を、隣接する短冊状部分３６が互い違いの方向になるように曲げ加工する（離隔工程）。これにより、サブユニット５１が形成される。

なお、上述した熱交換用部材２１および５１においては、短冊状部分３６ａおよび３６ｂは、基の部分が徐々に傾くように曲げているが、短冊状部分３６ａおよび３６ｂの曲げ方としては、プレート部３３に繋がる基の部分をさらに大きく曲げて隣接する短冊状部分を根元からさらに離し、独立したピンタイプの状態に近くすることも可能である。逆に、短冊状部分３６ａおよび３６ｂの先端を大きく曲げて先端のエッジ効果を強調したりすることが可能であり、短冊状部分の曲げ方は上記のものに限定されない。

また、本発明を適用した熱交換用部材を適用可能な熱交換装置は様々であり、図１に示したものに限定されない。さらに、本発明に係る熱交換用部材は熱交換装置に限定されずに、ＣＰＵなどの素子の放熱用のヒートシンクとして用いることが可能である。

図１（ａ）は本発明に係る熱交換用部材を備えた熱交換装置を展開した状態で示す斜視図、図１（ｂ）は放熱側の熱交換用部材の一部を拡大して示す斜視図である。複数の熱電素子、複数の上側電極、および複数の下側電極の平面的な配置を示す図である。熱交換用部材の製造方法を示す図であり、図３（ａ）は板材に切れ目を入れる工程（分割工程）、図３（ｂ）は板材を折り曲げてプレート部および両側壁部を形成する工程（曲げ工程）を示す図である。熱交換用部材の製造方法を示す図であり、図４（ａ）は隣接する短冊状部分を互い違いの方向の曲げる工程（離隔工程）、図４（ｂ）は熱交換用部材をカットする工程、図４（ｃ）は複数の熱交換用部材を銅板に接合する工程を示す図である。異なる熱交換用部材を示す斜視図である。図５に示す熱交換用部材の製造方法を示す図であり、図６（ａ）は板材を折り曲げてプレート部および１つの側壁部を形成する工程（曲げ工程）、図６（ｂ）は側壁部に切れ目を入れる工程（分割工程）、図６（ｃ）は隣接する短冊状部分を互い違いの方向に曲げる工程（離隔工程）を示す図である。

符号の説明

１熱交換装置
２ダクト
１２ｐＰ型熱電素子
１２ｎＮ型熱電素子
２０、２１、５１熱交換用部材
２３銅板
３１側壁部
３３プレート部
３５切れ目
３６短冊状部分

Claims

平坦なプレート部と、そのプレート部を成す板材の縁の少なくとも一部を折り曲げることにより形成された側壁部とを有し、前記側壁部は先端から前記プレート部に向かって形成された切れ目により複数の短冊状部分に分割されており、さらに、隣接する前記短冊状部分が互い違いに曲げられている、平型の熱交換用部材。
平坦なプレート部と、そのプレート部を成す板材の少なくとも一部を切り起こすことにより形成された側壁部とを有し、前記側壁部は先端から前記プレート部に向かって形成された切れ目により複数の短冊状部分に分割されており、さらに、隣接する前記短冊状部分が互い違いに曲げられている、平型の熱交換用部材。
請求項１または２において、前記側壁部の根元は、前記プレート部に重なるように折り返されている、平型の熱交換用部材。
請求項１または２に記載の平型の熱交換用部材が吸熱面および／または放熱面の少なくとも一部を構成する熱交換装置。
請求項４において、さらに、前記吸熱面から放熱面へ熱を移動するための複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を交互に電気的に直列に接続された熱電変換部と、
前記熱電変換部に対して吸熱用の媒体および／または放熱用の媒体を供給する手段とを有する熱交換装置。
板材の縁の少なくとも一部を折り曲げることにより、プレート部および側壁部を形成する曲げ工程と、
前記側壁部の先端から前記プレート部に向かって切れ目を形成し、複数の短冊状部分に分ける分割工程と、
隣接する前記短冊状部分を互い違いに曲げる離隔工程とを有する、平型の熱交換用部材の製造方法。
板材の少なくとも一部を切り起こし、プレート部および側壁部を形成する曲げ工程と、
前記側壁部の先端から前記プレート部に向かって切れ目を形成し、複数の短冊状部分に分ける分割工程と、
隣接する前記短冊状部分を互い違いに曲げる離隔工程とを有する、平型の熱交換用部材の製造方法。