JP2007192500A

JP2007192500A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2007192500A
Application number: JP2006012257A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Minoda; 和美蓑田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】拡散接合時における加圧力が流体通路溝の溝底部にも充分に掛かるようにして高い接合性が得られる品質の高い積層型熱交換器を提供する。
【解決手段】流体通路溝２を所定間隔を置いて複数形成した平板金属プレート１の複数枚を、積層方向において前記流体通路溝２の向きが略直交するように交互に積層し拡散接合して形成されており、同一向きの流体通路溝２に流通する第１の冷媒と、それと直交する向きの流体通路溝２に流通する第２の冷媒とで熱交換される積層型熱交換器において、前記各流体通路溝２の溝底部５の略中央部５Ａを支持するように、同一向きに流通する前記各流体通路溝２間に形成された支え部４がそれぞれ対応して配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば積層型熱交換器に関し、詳細には、各平板金属プレートの接合改善技術に関する。

積層型熱交換器を製造する方法の一つとして、例えば図１０に示すように、冷媒が流通する流体通路溝１０１ａを片方の面に所定ピッチで複数形成した平板金属プレート１０１の複数枚を、その流体通路溝１０１ａの形成方向が積層方向において直交するように交互に積み重ねた後、その積層体１０２を雰囲気ガス中で加熱して接合するいわゆる拡散接合により製造する方法が知られている（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００４−１８１５１８号公報

ところで、拡散接合により製造される積層型熱交換器においては、マイクロチャンネル型のように小型化を図るために流体通路溝１０１ａを微細流路とした場合、通路抵抗が大きくなる。これを低減するためには、図１１に示すように、流体通路溝１０１ａの流路幅Ｗを広げることで回避することはできる。しかし、拡散接合時に確実に接合するために積層した平板金属プレート１０１を上下方向から加圧するが流体通路溝１０１ａの溝底部１０３に加圧力がうまく掛からず、この部位での接合不良が生じ易くなる。流体通路溝１０１ａの流路幅Ｗが広くなる程、溝底部１０３に加圧力が掛かり難くなり益々接合不良が発生し易くなる。

そこで本発明は、上記した課題を解決するために、拡散接合時における加圧力が流体通路溝の溝底部にも充分に掛かるようにして高い接合性が得られる品質の高い積層型熱交換器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、流体通路溝を所定間隔を置いて複数形成した平板金属プレートの複数枚を、積層方向において前記流体通路溝の向きが略直交するように交互に積層し拡散接合して形成されており、同一向きの流体通路溝に流通する第１の冷媒と、それと直交する向きの流体通路溝に流通する第２の冷媒とで熱交換される積層型熱交換器において、前記各流体通路溝の溝底部の略中央部を支持するように、同一向きに流通する前記各流体通路溝間に形成された支え部がそれぞれ対応して配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器であって、前記支え部の支持面には、断面略Ｖ字形状の溝部が形成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、各流体通路溝の溝底部の下には、該溝底部を支える、流体通路溝間に形成された支え部がそれぞれ対応して配置されているので、積層された平板金属プレートを拡散接合したときに前記支え部が前記溝底部の支えとなるから当該溝底部にも加圧力が充分に掛かる。そのため、本発明によれば、流体通路溝の溝底部における接合力を高めることができ、品質の高い積層型熱交換器を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、支え部の支持面に断面略Ｖ字形状の溝部を形成したので、この溝部により接合界面での接合長さが増し、接合強度のさらなる向上が実現できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［積層型熱交換器の構成］
図１は本実施の形態の積層型熱交換器の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図、図３は図１のＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図、図４は支持面に断面略Ｖ字形状の溝部を形成した支え部の拡大断面図、図５は支持面に断面略Ｖ字形状の溝部を形成する一例を示すエッチング加工前の平板金属プレートの斜視図である。

本実施の形態の積層型熱交換器は、図１及び図２に示すように、片方の面に流体通路溝２を所定間隔を置いて複数形成した平板金属プレート１の複数枚を、積層方向において前記流体通路溝２の向きが略直交するように交互に積層して拡散接合されており、その一つ置きの平板金属プレート１に形成された同一向きの流体通路溝２に流通する第１の冷媒と、それと直交する向きの流体通路溝２に流通する第２の冷媒とで熱交換されるように構成されている。そして、積層型熱交換器は、前記複数枚の平板金属プレート１が拡散接合されることにより形成される積層体３の側面に、図示を省略する冷媒供給用タンクと冷媒排出用タンクが取り付けられることで形成される。

本実施の形態では、流体通路溝２を半ピッチずらして形成した２種類の平板金属プレート１Ａ、１Ｂを用意し、積層体３の任意の同一面で見たときに一つ置きに積層して積層体３を形成している。流体通路溝２は、平板金属プレート１の片面に所定間隔で同一方向及び平行となるように複数形成されている。そして、これら流体通路溝２が平板金属プレート１に形成されることにより、各流体通路溝２間には、溝形成によって残った柱形状の支え部４が形成される。この支え部４は、積層された平板金属プレート１を拡散接合するときに流体通路溝２の溝底部５の略中央部５Ａを支えるため、加圧力がこの溝底部５にも加わるようにする役目をする。

このように半ピッチ位置がずれた流体通路溝２が形成された２種類の平板金属プレート１Ａ、１Ｂを一つ置きに積層すると、各流体通路溝２の溝底部５の下には、この溝底部５の略中央部５Ａを支える支え部４がそれぞれ対応して配置される。かかる支え部４の先端面である支持面４ａは、図３に示すように平坦面とされている。図４では、支え部４の支持面４ａには、接合界面での長さを増すことでこの上に積層される平板金属プレート１との接合部強度を高めることを目的として断面略Ｖ字形状の溝部６を形成している。かかる溝部６を形成するには、図５に示すように、平板金属プレート１の片面に溝深さの浅いＶ字形状の溝部６を塑性加工または切削加工にて形成する。その後、エッチング加工を行って流体通路溝２を形成するときに、前記溝部６が支え部４の先端に位置するようにする。

「積層型熱交換器の製造方法」
次に、上記のように構成された積層型熱交換器を製造する方法について説明する。先ず、ステンレスなどからなる平板金属プレート１の片方の面に、マスキング部材を載せ、そのマスキング部材をマスクとしてエッチングする。このマスキング部材には、流体通路溝２の形成ピッチを半ピッチずらしたものを２枚用意する。そして、それぞれのマスキング部材を平板金属プレート１の片方の面に配置してエッチングを行えば、流体通路溝２が所定間隔で平行に複数形成されたピッチ違いの２種類の平板金属プレート１Ａ、１Ｂが得られる。

次に、得られた平板金属プレート１Ａ、１Ｂの複数枚を積層する。先ず、一方の平板金属プレート１Ａの上に同一の平板金属プレート１Ａをその積層方向において流体通路溝２の向きが互いに直交するように積層した後、今度は流体通路溝２が半ピッチ位置がずれた他方の平板金属プレート１Ｂをその上に載せると共に流体通路溝２の向きを直交させて同じ平板金属プレート１Ｂを載せる。これを繰り替えし行うことで積層体３を形成する。

次に、その積層体３を不活性ガスが充填された真空炉内に入れ、拡散接合用治具で所定の加圧力を加えると共に加熱する。このとき、各流体通路溝２の溝底部５の下には、この溝底部５の略中央部５Ａを支える支え部４がそれぞれ対応して配置されているので、この溝底部５にも充分に前記加圧力が掛かる。そして、昇温を所定時間保持した後、積層体３を冷却する。冷却後は、拡散接合治具毎、積層体３を真空炉から取り出し、その拡散接合治具を外す。

「実施の形態の効果」
本実施の形態によれば、各流体通路溝２の溝底部５の下には、該溝底部５の略中央部５Ａを支える、流体通路溝２間に形成された支え部４がそれぞれ対応して配置されているので、積層された平板金属プレート１を拡散接合したときに前記支え部４が前記溝底部の支えとなるから当該溝底部５にも加圧力が充分に掛かる。そのため、本発明によれば、流体通路溝２の溝底部５における接合力を高めることができ、品質の高い積層型熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態によれば、支え部４の支持面４ａに断面略Ｖ字形状の溝部６を形成したので、この溝部６により接合界面での接合長さが増し、接合強度のさらなる向上が実現できる。

「その他の実施形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、前記実施の形態は本発明の一例であり、この実施の形態に限定されることはない。

本実施の形態では、流体通路溝２の向きが互いに直交するように平板金属プレート１を一枚ずつ交互に積層したが、二枚ずつなど、複数枚まとめて交互に積層しても構わない。

また、上述の実施の形態では、平板金属プレート１としてステンレス材を例にとり説明したが、拡散接合が難しいアルミニウム材の場合には、圧延したままの圧延表面では拡散接合し難しい。そこで、研削等による機械的研磨或いは脱脂剤等による化学的研磨をアルミニウム表面に行うことで、圧延表面を除去して接合性を高めることができる。アルミニウムを圧延したままでは、表面の酸化皮膜が厚いことや表面の付着物（例えばローラー圧延時の潤滑剤など）などが要因となり、拡散接合時の接合性が劣化する。

図６はアルミニウムの圧延表面を機械的研磨、化学的研磨或いは研磨無しとした試料同士を拡散接合して引っ張り試験を行ったときの試験具の一例を示す図、図７はアルミニウムの圧延表面を機械的研磨、化学的研磨或いは研磨無しとした試料同士を接合して引っ張り試験を行ったときの結果を示す特性図である。

ＪＩＳ規格Ａ３００５からなるアルミニウム円板の試料片（テストピース）８を用意し、その試料片８の表面を、機械的に研磨、化学的に研磨、圧延のままとし、それらを拡散接合した。接合温度は、約５８０℃とし、固相線温度比を０．９３とした。そして、拡散接合された試料片８を丸棒形状をなす試験具（Ａ６０６１）７の先端に固定し、それらを互いに引っ張ってそのときの引っ張り力から継ぎ手効率を求めた。継ぎ手効率は、母材強度に対する接合部の強度比を表す。

この結果、圧延のままよりも機械的研磨、化学的研磨を行って圧延表面を除去した方が、継ぎ手効率が高いことが判った。したがって、アルミニウム板を圧延したままではなく、その表面を機械的研磨または化学的研磨したものを平板金属プレート１に使用すれば、より一層接合強度を高めることができる。

これに対して、ステンレス材の場合は、ＢＡ仕上げや２Ｄ仕上げの焼鈍材よりも圧延のままのハード材の方が接合性が高い。ＢＡ仕上げとは、冷間圧延後、不活性雰囲気中で熱処理し、さらに研磨ロールにて軽く冷間加工したものを言う。２Ｄ仕上げとは、冷間圧延後、焼鈍酸洗を施したものを言う。

図８はステンレスの表面をＢＡ処理、２Ｄ処理或いは処理無し（ハード材）とした試料同士を拡散接合したときのテストピースを示す図、図９はステンレスの表面をＢＡ処理、２Ｄ処理或いは処理無し（ハード材）とした試料同士を拡散接合したときのテストピース断面をカットして接合部の接合巾を測定した結果を示す特性図である。

テストピースは、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４からなる平板９Ｃと、波板９Ｂと、矩波板９Ｃを重ね合わせ、接合温度１２５０℃にて拡散接合を行った。そして、このテストピースを切断し、その接合部の接合巾を測定した。その結果、２Ｄ仕上げ及びＢＡ仕上げしたものよりも何もしないハード材の方が、その接合巾が一番広い結果となった。したがって、ＢＡ仕上げや２Ｄ仕上げの焼鈍材よりも圧延のままのハード材を使用した方がステンレス材では、接合性を高めることができる。ハード材の接合性が良い理由としては、圧延時の加工歪みのため再結晶が容易に起こり、接合界面の消失に有効だからである。

本実施の形態の積層型熱交換器の斜視図である。図１のＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図である。図１のＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図である。支持面に断面略Ｖ字形状の溝部を形成した支え部の拡大断面図である。支持面に断面略Ｖ字形状の溝部を形成する一例を示すエッチング加工前の平板金属プレートの斜視図である。アルミニウムの圧延表面を機械的研磨、化学的研磨或いは研磨無しとした試料同士を拡散接合して引っ張り試験を行ったときの試験具の一例を示す図である。アルミニウムの圧延表面を機械的研磨、化学的研磨或いは研磨無しとした試料同士を接合して引っ張り試験を行ったときの結果を示す特性図である。ステンレスの表面をＢＡ処理、２Ｄ処理或いは処理無し（ハード材）とした試料同士を拡散接合したときのテストピースを示す図である。ステンレスの表面をＢＡ処理、２Ｄ処理或いは処理無し（ハード材）とした試料同士を拡散接合したときのテストピース断面をカットして接合部の接合巾を測定した結果を示す特性図である。従来の積層型熱交換器を示し、（Ａ）は積層型熱交換器の全体斜視図、（Ｂ）はその平板金属プレートの斜視図である。図１０の積層型熱交換器の要部拡大断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ…平板金属プレート
２…流体通路溝
３…積層体
４…支え部
５…溝底部

Claims

流体通路溝（２）を所定間隔を置いて複数形成した平板金属プレート（１、１Ａ、１Ｂ）の複数枚を、積層方向において前記流体通路溝（２）の向きが略直交するように交互に積層し拡散接合して形成されており、同一向きの流体通路溝（２）に流通する第１の冷媒と、それと直交する向きの流体通路溝（２）に流通する第２の冷媒とで熱交換される積層型熱交換器において、
前記各流体通路溝（２）の溝底部（５）の略中央部（５Ａ）を支持するように、同一向きに流通する前記各流体通路溝（２）間に形成された支え部（４）がそれぞれ対応して配置されている
ことを特徴とする積層型熱交換器。
請求項１に記載の積層型熱交換器であって、
前記支え部（４）の支持面（４ａ）には、断面略Ｖ字形状の溝部（６）が形成されている
ことを特徴とする積層型熱交換器。