JP2016012616A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝熱流体の配管の接続自由度を向上させ、伝熱流体の流入・排出時の圧力損失を軽減する熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱面2の腹面および背面3を有する偏平なケーシング4と、ケーシング内に形成された伝熱流体の流路9と、ケーシングの外部に連通する伝熱流体の入口部11および出口部12とを備えた偏平型の熱交換器において、背面3から膨出されて入口部11、入口連通孔11a及び出口部12、出口連通孔12aが形成され、各連通孔の軸が伝熱面2に対して傾斜し、入口連通孔11aと出口連通孔12aにそれぞれ接続される入口配管13と出口配管14は、それぞれ配管本体13a,14aと接続部13b、14bを有し、接続部13b、14bを入口連通孔11aまたは出口連通孔12aに接続した状態で、接続部13b、14bの軸は配管本体13a,14aの軸方向から傾斜し、且つ入口連通孔11aまたは出口連通孔12aの軸に一致する。
【選択図】図1

Description

本発明は車両の半導体式電力変換器などの半導体素子を冷却するために利用される偏平型の熱交換器に関する。
従来から、腹面および背面を有する偏平なケーシングと、ケーシング内に形成された伝熱流体の流路と、ケーシングから外部に連通する伝熱流体の入口部および伝熱流体の出口部とを備えた偏平型の熱交換器が知られている。この熱交換器の腹面又は背面に半導体素子等の発熱体が載置され、発熱体から伝熱された熱を熱交換器内部に流通する伝熱流体により熱交換するものである。
このような偏平型の熱交換器は厚さが比較的薄いため、入口部や出口部において伝熱流体の急激な方向変化などにより乱流や渦流が発生し、流通抵抗が上昇し圧力損失が増加するという問題がある。
このような問題を解決する偏平型の熱交換器の例が特許文献1に開示されている。
特許文献1の熱交換器は腹面と背面を互いに接続する縁部付近の2箇所に傾斜面を設け、各傾斜面領域は伝熱流体の入口配管側または出口配管側に向かってその断面が次第に縮小し、縮小した先端から90°異なる方向に伝熱流体の配管を接続する入口または出口の開口を設けている。
伝熱流体は入口から90°方向転換して入口部の断面傾斜領域を通り、そこから伝熱流体の流路を経由し、反対側の出口部の断面縮小領域から90°方向転換して出口に流出する。入口から流入し又は出口から流出する伝熱流体は傾斜面により渦流発生が低下して流通抵抗も少なくなるとされている。
特開2009−231677号公報
しかし特許文献1のように、腹面や背面に傾斜面を形成すると構造が複雑になり、外部からの曲げ荷重による断面変形が生じやすくなり、加工の手間も増大するという問題がある。また伝熱流体の配管の接続も一方向に限定されるので設置条件の自由度も低下する。さらに伝熱流体が入口または出口部において90°方向転換されるので、渦流や乱流の低下効果にも限界がある。
そこで本発明は、このような問題を解決した新しい偏平型の熱交換器を提供することを課題とする。
請求項1に記載の本発明は、腹面および背面(3)を有する偏平なケーシング(4)と、
そのケーシング(4)内に形成された伝熱流体の流路(9)と、ケーシング(4)からその外部に連通する伝熱流体の入口部(11)および伝熱流体の出口部(12)とを備えた偏平型の熱交換器において、
伝熱面(2)は、腹面における突起の無い平坦な面に形成され、
背面(3)から膨出されて入口部(11)および出口部(12)が形成されると共に、入口部(11)に入口連通孔(11a)が、出口部(12)に出口連通孔(12a)が筒状に形成され、
それらの連通孔(11a)、(12a)の軸が伝熱面(2)の面直方向に対して傾斜しており、
入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管(13)および伝熱流体の出口配管(14)は、それぞれ配管本体(13a),(14a)とその端部に形成した筒状の接続部(13b)、(14b)を有し、
それら接続部(13b)、(14b)を前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)に接続した状態で、接続部(13b)、(14b)の軸は配管本体(13a),(14a)の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器である。
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の熱交換器において、
前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して鋭角に傾斜していることを特徴とする熱交換器である。
請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)の軸は、前記伝熱面(2)の面直方向に対して30°〜60°の範囲で傾斜しており、
前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して30°〜60°の範囲で傾斜していることを特徴とする熱交換器である。
請求項4に記載の本発明は、請求項2に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)の軸は、前記伝熱面(2)の面直方向に対して45°傾斜しており、
前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して45°傾斜していることを特徴とする熱交換器である。
請求項5に記載の本発明は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の熱交換器において、
前記背面(3)は前記伝熱流体の流路(9)の周囲に形成された縁部(7)を有する皿状に形成され、
前記背面(3)における縁部(7)は、前記腹面の周囲に形成された縁部(5)と対向配置された状態で、前記腹面と背面(3)が互いに接続されていることを特徴とする熱交換器である。
請求項6に記載の本発明は、腹面および背面(3)を有する偏平なケーシング(4)と、
そのケーシング(4)内に形成された伝熱流体の流路(9)と、ケーシング(4)からその外部に連通する伝熱流体の入口部(11)および伝熱流体の出口部(12)とを備えた偏平型の熱交換器において、
腹面から膨出されて入口部(11)および出口部(12)が形成されると共に、入口部(11)に入口連通孔(11a)が、出口部(12)に出口連通孔(12a)が筒状に形成され、
それらの連通孔(11a)、(12a)の軸が伝熱面(2)の面直方向に対して傾斜しており、
背面(3)は、前記伝熱流体の流路(9)の周囲に形成された縁部(7)を有する皿状に形成され、
前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管(13)および伝熱流体の出口配管(14)は、それぞれ配管本体(13a),(14a)とその端部に形成した筒状の接続部(13b)、(14b)を有し、
それら接続部(13b)、(14b)を前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)に接続した状態で、接続部(13b)、(14b)の軸は配管本体(13a),(14a)の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器である。
請求項7に記載の本発明は、上記いずれかの熱交換器において、
前記入口部および前記出口部は絞り加工により形成され、
前記入口連通孔および前記出口連通孔は前記接続部との接続を容易にするため、バーリング加工により構成することができる。
請求項1に記載された熱交換器は、伝熱面を有する腹面が突起の無い平坦な面で構成され、背面から傾斜した入口部と出口部を膨出させるだけなので、曲げによるケーシングの断面変形も少ない形態に形成でき、さらに構造が簡単化し、小さな加工度でよいのでコスト低減効果がある。
また、伝熱流体は入口側の配管本体から、その接続部に緩やかな方向変化で流入し、そこから入口部の傾斜領域を直線状に通過してケーシング内の伝熱流体の流路に流入し、さらにその流路から出口部の傾斜領域を通過して出口側の配管本体の接続部に直線状に流出し、そこからさらに緩やかな方向変化で出口側の配管本体に流出する。
そのため、伝熱流体の流入部分及び流出部分における渦流や乱流の発生を著しく低減でき、伝熱流体が実質的にスムーズに熱交換器に流入・流出するので、伝熱流体の流通抵抗(圧力損失)が著しく低減される。
さらに、配管本体はそこから軸が傾斜する接続部を介して入口部または出口部に接続されるので、接続する際にその接続部の周方向取付角度を変化させることにより、熱交換器から外部に向かう配管本体の延長方向(軸方向)を自由に設定することができる。
それにより、配管敷設範囲の立体寸法を小さくすることが可能となり、配管と外部機器との取り合いや熱交換器設置の位置や方向などの自由度も高まる。
請求項2に記載の熱交換器は、接続部の軸が配管本体の軸方向に対し鋭角に傾斜するように構成されている。
上記のように構成すると、入口配管や出口配管とそれらの接続部との傾斜角度(曲がり角度)を小さくできるため、接続部の形状を簡単化できる。特に配管本体と接続部を一体化して製造する場合は、配管本体の端部の曲げ加工度が小さくなるので、製造が容易になりコスト低下の効果も大きい。
請求項3に記載された熱交換器は、上記熱交換器における前記入口部および出口部の軸が、前記伝熱面の面直方向に対し30°〜60°の範囲で傾斜し、前記接続部の軸が前記配管本体の軸方向に対し30°〜60°の範囲で傾斜するように構成されている。
このように傾斜角度を設定すると、前記の配管本体の端部の曲げ加工度が小さくなるので、製造が確実に容易になり、コスト低下の効果も確実に大きくなる。
請求項4に記載の熱交換器は、入口部および出口部の軸が、伝熱面の面直方向に対し45°傾斜し、接続部の軸が配管本体の軸方向に対し45°傾斜する。
このように構成すると、配管本体を接続部で入口部または出口部に接続する際に、接続部の周方向取付角度を変化させることにより、配管本体の延長方向を伝熱面の面方向に対して平行や垂直に容易に設定することができる。
請求項5に記載の熱交換器は、背面を皿状に形成し且つそこに入口部および出口部を設けることにより、背面の成型加工性が向上し、内部に伝熱流体の流路を有するケーシングを容易に且つ正確に構成することができる。
請求項6に記載の熱交換器は、請求項1に記載の熱交換器の他の実施例であり、腹面に入口部と出口部を膨出し、さらに背面を構成するプレートを浅い皿状に形成したものである。その効果は、請求項1及び請求項5に準ずる。
請求項7に記載の熱交換器は、入口部および出口部を絞り加工により一体的に形成するように構成されているので、コスト低減効果により大きく寄与する。また、前記入口連通孔および出口連通孔をバーリング加工により形成した場合、配管本体の接続部に対する接続が容易になる。このバーリング加工も絞り加工の際に一体的に形成できるので、コスト低減効果に大きく寄与する。
本発明の熱交換器の実施例で、ケーシングを腹面と背面に分解した状態を示す斜視図。 同熱交換器のII-II矢視断面図。 同熱交換器の入口配管を伝熱面2の面直方向になるように接続した例を示す断面図。 同熱交換器の入口部と出口部に対するそれぞれの配管本体の接続部の接続角度を変化させた例を説明する模式的斜視図。 本発明の熱交換器の第2実施例を示す分解斜視図。 本発明の熱交換器の他の例を示す分解斜視図。
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき、説明する。
偏平型の熱交換器1は、図1に示す如く、腹面と背面3を有するケーシング4を備えている。この例の腹面と背面3は、アルミニウム、またはその合金からなる一対のプレートにより形成されている。
腹面を構成するプレートは平坦な方形状の面に形成され、その全周に沿って縁部5が形成され、縁部5(および面の一部)に複数の接続孔5aが設けられている。
背面3を構成するプレートは、腹面の形状に適合する略方形状に形成された平面部6と、平面部6の全周に沿って垂直に突出する縁部7を有する皿状に形成され、縁部7に複数の接続孔7aが設けられている。この例では、平面部6の外面側が熱交換器の背面3となる。
なお、本実施例では背面3側のプレートは、平面部6、縁部7と、後述する入口部11、出口部12が絞り加工により、入口部11と出口部12に形成される連通孔11a、12aがバーリング加工により一体的に形成される。
〔背面3側のプレートの入口部11と出口部12の構造〕
背面3側のプレートにおける方形状の一方の両隅部に、入口部11と出口部12が対向して設けられる。出口部12の構造は、入口部11と同様に形成されることが望ましい。
背面3側のプレートは皿状に絞り加工する際に、前記平面部6から入口部11と出口部12が、平面部6の面を立ち上げるように膨出して一体的に形成される。その入口部11の面には筒状で円環状の入口連通孔11aがバーリング加工により開口され、その孔11aの軸は平坦な伝熱面2の面直方向に対して傾斜される。この例の入口連通孔11aは、図2に示す如く、入口部11の外側へ突出するように形成されているが、その内側へ凹陥するように形成することもできる。
ここで、φ1は、伝熱面2の面直方向に対する、連通孔11a、12aの軸の傾斜角度である。また、φ2は、配管本体13a、14aの軸方向に対する、接続部13b、14bの軸の傾斜角度である。なお、鋭角とは、角度が、0°より大きく90°より小さいことを意味する。
入口連通孔11aの軸の傾斜角度(φ1)は鋭角であり、好ましくは30°〜60°の範囲であり、本実施例では45°に設定されている。入口連通孔11aと出口連通孔12aの軸の傾斜角度は、同一角度にすることが望ましいが、それぞれ異なる角度としてもよい。
〔配管の構成〕
伝熱流体の入口配管13は、配管本体13aと筒状の接続部13bにより構成され、出口配管14も入口配管13と同様に配管本体14aと筒状の接続部14bにより構成される。接続部13b、14bには、その端部近傍に半径方向外側に膨出するスプール15が形成されている。
入口配管13の接続部13bの軸は、図2に示す如く、直線状の配管本体13aの軸方向から傾斜しており、その傾斜角度(φ2)は鋭角で、好ましくは30°〜60°、本実施例では45°に設定されている。出口配管14についても入口配管13と同様に形成される。
〔各連通孔と配管との接続構造〕
図2の例で入口連通孔11aと入口配管13との接続構造を説明する。
入口配管13の接続部13bの接続端部16の外周が入口連通孔11aの内周に整合するように形成され、その接続端部16が入口連通孔11aに挿通される。そして、入口連通孔11aの端面が、接続部13bに設けられたスプール15に当接して接続される。
図2では、入口連通孔11aの軸の傾斜角度(φ1)が45°に設定されている。また、接続部13bの軸の傾斜角度(φ2)は45°に設定されている。
この入口連通孔11aの傾斜角度(φ1)と接続部13bの軸の傾斜角度(φ2)をともに鋭角に設定したことにより、伝熱流体の熱交換器への出入りがスムーズになり、圧力損失が減少する。
入口配管13はその入口連通孔13bにおいて、取付角度を自由に変更することができる。例えば、図2の例では、配管本体13aの軸が熱交換器1の伝熱面2の面と平行になっているが、図3の例では、配管本体13aの軸は熱交換器1の伝熱面2の面に対して垂直となっている。
なお、出口配管14の接続部14bの接続角度も同様に変化させることができる。
また、図4の如く、伝熱面2を上側水平にした状態において、入口配管13の配管本体13aの軸が水平方向に向くように接続部13bの接続角度に設定し、出口配管14の配管本体14aの軸が垂直下方向に向くように接続部14bの接続角度を設定することもできる。
さらに図示しないが、伝熱面2を下側水平にした状態において、入口配管13の配管本体13aの軸が水平方向に向くように接続部13bの接続角度に設定し、出口配管14の配管本体14aの軸が垂直上方向に向くように接続部14bの接続角度を設定することもできる。
なお、入口配管13と出口配管14の軸の組み合わせはこれ以外に数多くの組み合わせで設定できることは言うまでもない。
このように構成した入口配管13、出口配管14を連通孔11a、12aに取付けた背面3を有するプレートの平面部6にインナーフィン8が配置され、そのプレートの縁部7に整合するように伝熱面2を有したプレートの縁部5が被嵌される。
この状態で、高温の炉内で一体的にろう付けされて、内部に伝熱流体10の流路9を有する熱交換器1を製造する。
ろう材は、予め、部材の表面層にクラッドしても、ろう付け作業直前に塗布してもよい。なお、ケーシング4以外を構成する各部材(配管、インナーフィン)は、通常、アルミニウムまたはその合金材料を加工して形成される。
このように形成された熱交換器1の伝熱面2の外面に発熱体17が固定され、生じた熱をケーシング4の内部に流通する伝熱流体10により冷却する。発熱体17は縁部5、7に設けられた接続孔5a、7aを整合させ、図示しないビス等を介して接続される。ここで、発熱体17は伝熱面2に載置されるだけでなく、平面部6の入口部11、出口部12以外を平坦な面に形成しておくことで、背面3にも載置することができる。
なお、この例では、各連通孔11a、12aをバーリング加工により形成する例を示したが、筒状連通孔の形成方法はこれに限られるものではない。また、入口部11および出口部12は、絞り加工により形成することが望ましいが、これに限られない。
また、インナーフィン8は公知のものを使用できる。例えば、矩形波状のコルゲートフィン、ウェーブフィン、オフセットフィン、ヘリボーンフィン等が考えられる。
筒状の入口配管13及び出口配管14の断面は一般的には円形であるが、場合によっては方形であってもよい。その場合は、接続部13b、14bの断面及び入口連通孔11a、出口連通孔12aの断面も方形に形成される。
この例が実施例1と異なる点は、図5に示す如く、腹面に入口部11および出口部12を形成し、背面3を、縁部7を有する浅い皿状に形成した点のみであり、その作用効果については実施例1の熱交換器1と違いはない。
本発明の熱交換器は、車両の半導体式電力変換器などの半導体素子を冷却するために利用できるだけでなく、パネル型のヒーターとして対象物を加熱するためにも利用できる。
また、本願の技術的範囲は、熱交換器に対する配管の取付構造に特徴を有するものである。そのため、上記皿状プレートを用いる熱交換器に限らない。
例えば、図6に記載の如く、外周に枠部18が一体に形成されたインナーフィン8が面一に形成されたプレートを有し、そのプレートが枠部18で整合するように多数積層されるコアを有する熱交換器であって、そのコアの両端部に配置される上蓋(本願でいうところの腹面又は背面3)、底面(本願でいうところの背面3又は腹面)に本発明の配管の接続構造を適用することもできる。
また、図示しないが、ダイキャストにより製造される熱交換器の上蓋、底面等に本発明を適用する場合も含まれる。
1 熱交換器
2 伝熱面
3 背面
4 ケーシング
5 縁部
5a 接続孔
6 平面部
7 縁部
7a 接続孔
8 インナーフィン
9 流路
10 伝熱流体
11 入口部
11a 入口連通孔
12 出口部
12a 出口連通孔
13 入口配管
13a 配管本体
13b 接続部
14 出口配管
14a 配管本体
14b 接続部
15 スプール
16 接続端部
17 発熱体
18 枠部

Claims (7)

  1. 腹面および背面(3)を有する偏平なケーシング(4)と、
    そのケーシング(4)内に形成された伝熱流体の流路(9)と、ケーシング(4)からその外部に連通する伝熱流体の入口部(11)および伝熱流体の出口部(12)とを備えた偏平型の熱交換器において、
    伝熱面(2)は、腹面における突起の無い平坦な面に形成され、
    背面(3)から膨出されて入口部(11)および出口部(12)が形成されると共に、入口部(11)に入口連通孔(11a)が、出口部(12)に出口連通孔(12a)が筒状に形成され、
    それらの連通孔(11a)、(12a)の軸が伝熱面(2)の面直方向に対して傾斜しており、
    入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管(13)および伝熱流体の出口配管(14)は、それぞれ配管本体(13a),(14a)とその端部に形成した筒状の接続部(13b)、(14b)を有し、
    それら接続部(13b)、(14b)を前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)に接続した状態で、接続部(13b)、(14b)の軸は配管本体(13a),(14a)の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 請求項1に記載の熱交換器において、
    前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して鋭角に傾斜していることを特徴とする熱交換器。
  3. 請求項2に記載の熱交換器において、
    前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)の軸は、前記伝熱面(2)の面直方向に対して30°〜60°の範囲で傾斜しており、
    前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して30°〜60°の範囲で傾斜していることを特徴とする熱交換器。
  4. 請求項2に記載の熱交換器において、
    前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)の軸は、前記伝熱面(2)の面直方向に対して45°傾斜しており、
    前記接続部(13b)、(14b)の軸は、配管本体(13a),(14a)の軸方向に対して45°傾斜していることを特徴とする熱交換器。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載の熱交換器において、
    前記背面(3)は前記伝熱流体の流路(9)の周囲に形成された縁部(7)を有する皿状に形成され、
    前記背面(3)における縁部(7)は、前記腹面の周囲に形成された縁部(5)と対向配置された状態で、前記腹面と背面(3)が互いに接続されていることを特徴とする熱交換器。
  6. 腹面および背面(3)を有する偏平なケーシング(4)と、
    そのケーシング(4)内に形成された伝熱流体の流路(9)と、ケーシング(4)からその外部に連通する伝熱流体の入口部(11)および伝熱流体の出口部(12)とを備えた偏平型の熱交換器において、
    腹面から膨出されて入口部(11)および出口部(12)が形成されると共に、入口部(11)に入口連通孔(11a)が、出口部(12)に出口連通孔(12a)が筒状に形成され、
    それらの連通孔(11a)、(12a)の軸が伝熱面(2)の面直方向に対して傾斜しており、
    背面(3)は、前記伝熱流体の流路(9)の周囲に形成された縁部(7)を有する皿状に形成され、
    前記入口連通孔(11a)および出口連通孔(12a)にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管(13)および伝熱流体の出口配管(14)は、それぞれ配管本体(13a),(14a)とその端部に形成した筒状の接続部(13b)、(14b)を有し、
    それら接続部(13b)、(14b)を前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)に接続した状態で、接続部(13b)、(14b)の軸は配管本体(13a),(14a)の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔(11a)または前記出口連通孔(12a)の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の熱交換器において、
    前記入口部(11)および前記出口部(12)は絞り加工により形成され、
    前記入口連通孔(11a)および前記出口連通孔(12a)は前記接続部(13b)、(14b)との接続を容易にするため、バーリング加工されていることを特徴とする熱交換器。
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