JP2011243693A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】インナーフィンとしてウェーブフィンを用いるとともに、１つの流路管内に複数段積層されたインナーフィンを有する積層型熱交換器において、簡素な構成で、複数段積層されたインナーフィンを１枚の金属板を折り曲げることにより形成しつつ、熱交換性能の向上を図る。
【解決手段】インナーフィン３３として、流路管長手方向に延びる板部３３１と、隣り合う板部３３１間を繋ぐ頂部３３２とを有し、流路管長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、流路管積層方向から見た際に板部３３１が長手方向に波形に屈折するウェーブフィンを用い、複数段積層されたインナーフィン３３を、１枚の金属板６を、当該金属板６に形成されるとともに流路管長手方向に延びる溝部７を起点に折り返すことにより形成し、ウェーブ深さＤ［ｍｍ］、流路幅Ｌ［ｍｍ］、フィン板厚ｔ［ｍｍ］を、１／２Ｌ≦Ｄ≦Ｌ−ｔの関係を満たすように設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱媒体が流通する流路管と熱交換対象物とが交互に積層された積層型熱交換器に関する。

従来、半導体素子を内蔵した半導体モジュール等の発熱体の放熱を行うために、発熱体を両面から挟持するように流路管を配設して構成される積層型熱交換器が知られている。このような積層型熱交換器では、発熱体と流路管とが交互に積層された構成となっており、積層された複数の流路管は、連通部材によって連通され、冷却媒体が各流路管に流通するよう構成されている。

この種の積層型熱交換器では、連通部材から各流路管に熱媒体が分配される構成になっているため、流路管内の熱媒体の流速が遅くなる。このような流路管内の微小流量域における熱交換性能の向上を図るために、インナーフィンとして、流路管内の熱媒体の混合促進機能を有するウェーブフィンを用い、当該ウェーブフィンを流路管の厚み方向に複数段積層したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の積層型熱交換器では、１枚の金属板を折り曲げることにより、２段積層されたウェーブフィンを形成している（特許文献１の実施例５参照）。

特開２０１０−１０４１８号公報

ところで、流路管内の熱媒体の流速が遅くなる積層型熱交換器において、熱交換性能の向上を図るためには、インナーフィンによって流路管内の熱媒体を流路管積層方向（厚み方向）および流路管幅方向に積極的に移動させることが有効である。このためには、ウェーブフィンのウェーブ深さＤをなるべく大きくする必要があり、具体的にはウェーブ深さＤを流路幅Ｌ以上に設定するのが望ましい。

なお、ウェーブ深さＤとは、インナーフィンの、流路管積層方向に直交し、かつ、細流路における流路管積層方向の中心部を通る断面における、板部の波形状の振幅方向の寸法をいい、流路幅Ｌとは、当該断面における隣り合う板部間の流路管幅方向の距離をいう。

しかしながら、上記特許文献１に記載の積層型熱交換器のように、２段積層されたウェーブフィンを１枚の金属板を折り曲げることにより形成する場合、１段目のウェーブフィンと２段目のウェーブフィンとの間に、折り曲げ起点となる溝部を形成する必要がある。このため、上述のように、ウェーブ深さＤを流路幅Ｌ以上に設定すると、溝部を形成するためのスペースを確保できない可能性がある。この場合には、溝部を形成するための平面部を形成しなければならない。

ここで、ローラ成形では、ウェーブフィンに平面部を設けることが不可能であるため、結果的にプレス成形によりウェーブフィンを形成せざるを得なくなる。また、プレス成形によりウェーブフィンを形成する場合でも、プレス時に金属板が破れる虞があるので、ウェーブフィンを１山または２山ずつ成形するしかなく、平面部の形成時のみ材料送り速度を変更する必要がある。もしくは、プレス成形でウェーブフィンの山部を形成した後に、再度プレスして平面部を形成する方法も考えられるが、いずれにしても、１つのウェーブフィンを成形するための加工時間および加工工程が非常に多くなるという問題がある。

また、ウェーブフィンに平面部を形成すると、当該平面部と流路管の内壁面とにより形成される端部細流路が、ウェーブフィンの山部により形成される細流路よりも流路断面積が大きくなる。これにより、流路管内の熱媒体は、流路断面積の大きい端部細流路に優先的に流れるため、熱交換能力が維持できなくなるという問題もある。

本発明は上記点に鑑みて、インナーフィンとしてウェーブフィンを用いるとともに、１つの流路管内に複数段積層されたインナーフィンを有する積層型熱交換器において、簡素な構成で、複数段積層されたインナーフィンを１枚の金属板を折り曲げることにより形成しつつ、熱交換性能の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、インナーフィン（３３）は、流路管（３）の長手方向に延びる板部（３３１）と、隣り合う板部（３３１）間を繋ぐ頂部（３３２）とを有し、長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、積層方向から見た際に板部（３３１）が長手方向に波形に屈折するウェーブフィンであり、複数段積層されたインナーフィン（３３）は、１枚の金属板（６）を、当該金属板（６）に形成されるとともに長手方向に延びる溝部（７）を起点に折り返すことにより形成されており、長手方向および積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向とし、インナーフィン（３３）の、積層方向に直交し、かつ、細流路（３３３）における積層方向の中心部を通る断面において、板部（３３１）の波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］、隣り合う板部（３３１）間の流路管幅方向における距離を流路幅Ｌ［ｍｍ］とし、板部（３３１）の板厚をフィン板厚ｔ［ｍｍ］としたとき、ウェーブ深さＤは、次の数式１
（数１）
１／２Ｌ≦Ｄ≦Ｌ−ｔ
にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴としている。

このように、ウェーブ深さＤをＬ−ｔ以下に設定することで、流路管幅方向に隣り合う板部（３３１）間に溝部（７）を設けることができるので、インナーフィン（３３）を成形する際に、溝部（７）を形成するための平面部を設ける必要がなくなる。このため、簡素な構成で、複数段積層されたインナーフィン（３３）を１枚の金属板（６）を折り曲げることにより形成することができる。

そして、このように形成された２段のインナーフィン（３３）を流路管（３）内に配置すると、インナーフィン（３３）の流路管幅方向両端部と流路管（３）の内壁面とにより形成される端部細流路（３３３ａ）の流路断面積が、他の細流路（３３３）の流路断面積とほぼ等しくなる。これにより、流路管（３）内の熱媒体が端部細流路（３３３ａ）に優先的に流れることがなくなるので、細流路（３３３）の１本当たりの熱媒体流量を増加させることができる。したがって、従来のインナーフィンを用いた場合と比較して、熱交換性能をより向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態における２段に積層されたインナーフィン３３を形成するための金属板６を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図である。 本発明の実施形態におけるインナーフィン３３の、流路管積層方向に直交し、かつ、細流路３３３における流路管積層方向の中心部を通る断面を示す断面図である。 流路管３内の熱媒体の流速と熱伝達率との関係を示す特性図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。

図１に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１は、熱交換対象物としての複数の電子部品２を両面から冷却するもので、熱媒体を流通させる熱媒体流路３０（図２参照）を有する扁平形状の複数の流路管３と、複数の流路管３を連通する連通部材４とを備えている。複数の流路管３は、電子部品２を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。

本実施形態では、電子部品２として、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールを用いている。当該半導体モジュールは、自動車用インバータ、産業機器のモータ駆動インバータ、ビル空調用のエアコンインバータ等に用いるものとすることができる。なお、電子部品２としては、上記半導体モジュール以外にも、例えば、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を用いることもできる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、本実施形態の流路管３は、いわゆるドロンカップ構造となっている。すなわち、流路管３は、一対の外殻プレート３１を有して構成されており、一対の外殻プレート３１の間に熱媒体流路３０が形成されている。

流路管３内には、熱媒体流路３０を複数の細流路３３３に分割し、熱媒体と流路管３との伝熱面積を増大させるインナーフィン３３が設けられている。本実施形態では、インナーフィン３３は、一対の外殻プレート３１間、すなわち熱媒体流路３０内に、流路管３の積層方向（以下、流路管積層方向という）に２枚重ねて配置されている。このインナーフィン３３の詳細については後述する。

図１に戻り、電子部品２は、流路管３の一対の外殻プレート３１それぞれに対して２個ずつ設けられている。各外殻プレート３１に設けられた２つの電子部品２は、それぞれ熱媒体の流れ方向に直列に配置されている。

また、流路管３の外殻プレート３１における長手方向両端部には、外側、すなわち隣り合う他の流路管３側に突出する略円筒状のフランジ部３００が形成されている。そして、隣り合う流路管３のフランジ部３００同士をろう付けにより接合することにより、複数の流路管３を連通する連通部材４が形成されている。

複数の流路管３のうち積層方向最外側に配置される流路管３を外側流路管３ａとしたとき、２つの外側流路管３ａのうち一方の外側流路管３ａの長手方向両端部には、熱媒体を積層型熱交換器１に導入するための熱媒体導入口４０１と、熱媒体を積層型熱交換器１から排出するための熱媒体排出口４０２とがそれぞれ接続されている。熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、ろう付けにより一方の外側流路管３ａに接合されている。なお、本実施形態の流路管３、連通部材４、熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、アルミニウム製である。

熱媒体導入口４０１から導入された熱媒体は、連通部材４を通って流路管３の長手方向（以下、流路管長手方向という）における一方の端部から各流路管３に流入し、それぞれの熱媒体流路３０内を他方の端部に向かって流れる。そして、熱媒体は、連通部材４を通って熱媒体排出口４０２から排出される。このように、熱媒体が熱媒体流路３０を流通する間に、電子部品２との間で熱交換を行って、電子部品２を冷却するようになっている。なお、熱媒体としては、本実施形態ではエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いている。

図２に示すように、１つの流路管３内に積層配置された２枚のインナーフィン３３として、ウェーブフィンがそれぞれ用いられている。具体的には、インナーフィン３３は、流路管長手方向に延びるとともに細流路３３３を分割する板部３３１と、隣り合う板部３３１間を繋ぐ頂部３３２とを有し、流路管長手方向に直交する断面形状が台形波状に形成されるとともに、流路管積層方向から見た際に板部３３１が流路管長手方向に三角波形に屈折するように形成されている。

２枚のインナーフィン３３の間には、中間プレート等の他の部材が配置されておらず、互いの頂部３３２が直接接触している。このため、流路管３内には、一対のインナーフィン３３のうち一方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３と、他方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３とが連通する部分が存在する。

図３は本実施形態における２段に積層されたインナーフィン３３を形成するための金属板６を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図である。

図３に示すように、２段に積層されたインナーフィン３３は、１枚の金属板６を折り返すことにより形成されている。すなわち、１枚の金属板６を、第１領域６１と第２領域６２との２つの領域に分け、それぞれに、平面視において同位相の波形状となるように、凹凸を形成する。さらに、金属板６における第１領域６１と第２領域６２との間に、流路管長手方向に延びる溝部７を形成する。そして、第１領域６１と第２領域６２とを溝部７を折り曲げ起点として折り畳み（矢印Ｓ）、２段のインナーフィン３３の積層体を形成する。なお、溝部７の流路管幅方向の長さ、すなわち第１領域６１および第２領域６２の配置方向の長さを、溝幅Ｗ［ｍｍ］とする。

図４は、本実施形態におけるインナーフィン３３の、流路管積層方向に直交し、かつ、細流路３３３における流路管積層方向の中心部を通る断面（以下、中心断面ともいう）を示す断面図である。なお、図４中、実線矢印は熱媒体の流れを示している。

ここで、流路管長手方向および流路管積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向とする。また、インナーフィン３３の中心断面において、板部３３１の三角波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］とする。すなわち、ウェーブ深さＤは、中心断面において、１つの板部３３１における隣り合う頂点部３３１ａ間の流路管幅方向の距離ともいえる。また、インナーフィン３３の中心断面において、流路管幅方向に隣り合う板部３３１間の流路管幅方向における距離を流路幅Ｌ［ｍｍ］とする。また、インナーフィン３３の板部３３１の板厚をフィン板厚ｔ［ｍｍ］とする。

また、インナーフィン３３の中心断面において、板部３３１の三角波形状の屈折角度をウェーブ角度α［°］とする。すなわち、ウェーブ角度αは、中心断面において、１つの板部３３１における流路管長手方向に隣り合う直線部分３３１ｂ同士が成す角度ともいえる。また、インナーフィン３３の中心断面において、板部３３１の波形状のピッチをウェーブピッチＷＰ［ｍｍ］とする。

本実施形態のように、流路管３内の熱媒体流れが遅い場合においては、ウェーブフィンのウェーブ深さＤを流路幅Ｌの１／２以上に設定しないと、中心断面において、熱媒体が板部３３１に衝突することなく細流路３３３を流れてしまい、流路管幅方向の熱媒体流れが形成され難くなるので、充分な混合促進効果が得られないことが、本発明者の実験検討により明らかとなった。

一方、ウェーブ深さＤを、流路幅Ｌから溝幅Ｗを引いた値より大きくすると、流路管幅方向に隣り合う板部３３１間に、溝部７を設けることができなくなる。したがって、ウェーブ深さＤは、流路幅Ｌから溝幅Ｗを引いた値以下に設定する必要がある。

ここで、溝幅Ｗはフィン板厚ｔ以下に設定されるので、ウェーブ深さＤは、以下の数式１にて示される関係を満たすように設定されている。

（数１）
１／２Ｌ≦Ｄ≦Ｌ−ｔ
ウェーブ深さＤの最大値をＬ−ｔと設定することで、細流路３３３の１本当たりの混合促進効果が小さくなる。しかしながら、インナーフィン３３のウェーブピッチＷＰを小さくすることにより、ウェーブ角度αが小さくなることを抑制できるため、ウェーブ深さＤが最小値である流路幅Ｌの１／２以上に設定されていれば、混合促進効果の低減を抑制することができる。

さらに、ウェーブ深さＤをＬ−ｔ以下に設定することで、流路管幅方向に隣り合う板部３３１間に溝部７を設けることができるので、インナーフィン３３を成形する際に、溝部７を形成するための平面部を設ける必要がなくなる。このため、簡素な構成で、２段積層されたインナーフィン３３を１枚の金属板６を折り曲げることにより形成することができる。その結果、インナーフィン３３を、量産性に優れたローラ成形法によって成形することが可能となる。

図５は、流路管３内の熱媒体の流速と熱伝達率との関係を示す特性図である。図５中、実線ａは本実施形態のインナーフィン３３、すなわちＤ＝Ｌ−ｔに設定したものの測定結果を示している。また、図５中、破線ｂは従来のインナーフィン、すなわちＤ＝Ｌに設定するとともに、溝部を形成するための平面部を設けたものの測定結果を示している。

インナーフィン３３のウェーブ深さＤ＝Ｌ−ｔに設定し、流路管幅方向に隣り合う板部３３１間に溝部７を形成することで、２段積層されたインナーフィン３３を、１枚の金属板を当該溝部７を起点に折り返すことにより形成することができる。このように形成された２段のインナーフィン３３を流路管３内に配置すると、インナーフィン３３の流路管幅方向両端部と流路管３の内壁面とにより形成される細流路３３３（以下、端部細流路３３３ａという）の流路断面積が、他の細流路３３３の流路断面積とほぼ等しくなる。これにより、流路管３内の熱媒体が端部細流路３３３ａに優先的に流れることがなくなるので、細流路３３３の１本当たりの熱媒体流量を増加させることができる。

したがって、図４に示すように、本実施形態のインナーフィン３３を用いることで、従来のインナーフィンを用いた場合と比較して、熱交換性能をより向上させることが可能となる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、１つの流路管３内にインナーフィン３３を２段積層配置した例について説明したが、これに限らず、１つの流路管３内にインナーフィン３３を３段以上積層配置してもよい。

２ 電子部品（熱交換対象物）
３ 流路管
４ 連通部材
６ 金属板
７ 溝部
３０ 熱媒体流路
３３ インナーフィン
３３１ 板部
３３２ 頂部
３３３ 細流路

Claims (1)

1. 熱媒体が流通する熱媒体流路（３０）を有する複数の流路管（３）と、
   前記複数の流路管（３）を連通する連通部材（４）とを備え、
   前記複数の流路管（３）は、前記流路管（３）と交互に配置される熱交換対象物（２）を両面から挟持できるように積層配置されており、
   前記流路管（３）内に、前記熱媒体流路（３０）を複数の細流路（３３３）に分割するとともに、前記熱媒体と前記流路管（３）との伝熱面積を増大させるインナーフィン（３３）が、前記流路管（３）の積層方向に複数段積層されている積層型熱交換器であって、
   前記インナーフィン（３３）は、前記流路管（３）の長手方向に延びる板部（３３１）と、隣り合う前記板部（３３１）間を繋ぐ頂部（３３２）とを有し、前記長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、前記積層方向から見た際に前記板部（３３１）が前記長手方向に波形に屈折するウェーブフィンであり、
   複数段積層された前記インナーフィン（３３）は、１枚の金属板（６）を、当該金属板（６）に形成されるとともに前記長手方向に延びる溝部（７）を起点に折り返すことにより形成されており、
   前記長手方向および前記積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向とし、
   前記インナーフィン（３３）の、前記積層方向に直交し、かつ、前記細流路（３３３）における前記積層方向の中心部を通る断面において、前記板部（３３１）の波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］、隣り合う前記板部（３３１）間の前記流路管幅方向における距離を流路幅Ｌ［ｍｍ］とし、前記板部（３３１）の板厚をフィン板厚ｔ［ｍｍ］としたとき、前記ウェーブ深さＤは、次の数式１
   （数１）
   １／２Ｌ≦Ｄ≦Ｌ−ｔ
   にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする積層型熱交換器。

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