JP2019052802A - 冷却用熱交換器及び冷却用熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水を充分に排水させることができる冷却用熱交換器を提供する。【解決手段】冷却用熱交換器１は、固定部材１１と、板を山折りと谷折りに交互に繰り返して成形して、山部１２ａと谷部１２ｂとが交互に連続的に形成され、山部１２ａが谷部１２ｂの上方に位置するように固定部材１１上に配置され、谷部１２ｂの下端が固定部材１１の上面と当接し、空気との間で熱交換を行うコルゲートフィン１２と、を有し、谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部には、コルゲートフィン１２の板厚を縮小させた排水溝１２ｃが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却用熱交換器及び冷却用熱交換器の製造方法に関する。

空気を冷却するための冷却用熱交換器であって、コルゲートフィンを有するものが知られている。コルゲートフィンは、空気の通路に配置されて、冷熱源と空気との熱交換を促進する機能を果たすものである。

この種の冷却用熱交換器では、コルゲートフィンの空気通路に凝縮水が貯まってしまうと、コルゲートフィンにおいて通風抵抗が増大して熱交換効率が低下してしまう。このため、冷却用熱交換器では、コルゲートフィンに溜まった凝縮水の排水性を向上させることが望まれている。

そこで、特許文献１には、コルゲートフィンを有する熱交換器において、熱交換チューブの最下端のコルゲートフィンと接触する排水用部材を設け、この排水用部材の側面に排水用溝を形成した熱交換器が提案されている。この排水用溝は、コルゲートフィンにて凝縮水が溜まる谷部と連続的に形成され、各谷部に滞留する水を毛細管現象により誘引して下方に排水する。

特開２０１２−８３０７０号公報

しかしながら、コルゲートフィンの板厚が厚い熱交換器では、コルゲートフィンの各波形部と排水用部材との間に大きな段差が有るために、特許文献１に示されるような排水用溝を形成しても、各谷部に滞留する水を毛細管現象により誘引して下方に排水することができなかった。

本発明は、凝縮水を充分に排水させることができる冷却用熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の冷却用熱交換器は、送風空気と冷熱源とを熱交換させる冷却用熱交換器であって、送風空気と冷熱源との熱交換を促進するコルゲートフィン（１２）と、コルゲートフィンが固定される固定部材（１１）と、を有し、コルゲートフィンは、板状部材を波状に成形することによって、山部（１２ａ）と谷部（１２ｂ）とが交互に連続的に形成されており、山部が谷部の上方に位置するように固定部材の上面に配置されているとともに、谷部の下端が固定部材の上面と当接するように配置されており、
谷部の空気の流れ方向の端部には、コルゲートフィンの板厚を縮小させた排水溝（１２ｃ）が形成されている。

これによれば、固定部材の上面の空気流れ方向の端部と谷部の空気流れ方向の端部の上面との高さ方向の距離が短くなる。このため、排水溝の上面にある凝縮水が、固定部の空気流れ方向の端部の上面にある水滴と接触して誘引されて、谷部から固定部の上面側に排出される。この結果、凝縮水を谷部の上面から充分に排水させることができる。

第１実施形態の冷却用熱交換器の斜視図である。 第１実施形態の冷却用熱交換器の分解斜視図である。 図１のＡ矢視図である。 接触角θ及び液膜高さｈの説明図である。 図３のＢ−Ｂ断面を示す説明図である。 第２実施形態の冷却用熱交換器のコルゲートフィンのベア面の展開図である。 図３のＢ−Ｂを示す説明図であり、排水溝の別例を表した図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る第１実施形態の冷却用熱交換器１の構造について、図面を参照しつつ説明する。冷却用熱交換器１は、送風された空気と冷熱源の間で熱交換を行い、空気を冷却するものである。図１に示すように、第１実施形態の冷却用熱交換器１は、固定部材１１、コルゲートフィン１２、及びペルチェモジュール１３を有している。

図２に示すように、固定部材１１は、本体部１１ａ、第１蓋部材１１ｂ、第２蓋部材１１ｃ、及び注入部材１１ｄを有している。本体部１１ａは、直方体形状である。本体部１１ａの内部には、空間である液体収容部１１ｅが形成されている。液体収容部１１ｅの両端部には、後述する第１蓋部材１１ｂ及び第２蓋部材１１ｃによって閉塞される開口部が形成されている。後述するように、液体収容部１１ｅには、パラフィン等の保冷液が収容されている。

液体収容部１１ｅの内部には、液体収容部１１ｅを複数の部屋に分割する複数のリブ１１ｆが形成されている。本実施形態では、押出し加工によって、液体収容部１１ｅや複数のリブ１１ｆが形成される。リブ１１ｆの液体収容部１１ｅの開口部側の端部には、切削加工によって切欠部１１ｍが形成されている。

液体収容部１１ｅ両方の開口部には、それぞれ、切削加工によって、第１蓋部材１１ｂや第２蓋部材１１ｃの外縁形状に対応した形状の第１取付部１１ｇ、第２取付部１１ｈが形成されている。

第１蓋部材１１ｂ及び第２蓋部材１１ｃは、表面にロウ材が被覆された板状部材である。第１蓋部材１１ｂは、第１取付部１１ｇに取り付けられて、液体収容部１１ｅの一方側の開口部を閉塞している。第２蓋部材１１ｃは、第２取付部１１ｈに取り付けられて、液体収容部１１ｅの他方側の開口部を閉塞している。

第１蓋部材１１ｂには、貫通穴１１ｉが形成されている。貫通穴１１ｉには、管状の注入部材１１ｄが取り付けられている。

コルゲートフィン１２は、図示しない送風機によって送風された送風空気と冷熱源との熱交換を促進するものである。コルゲートフィン１２は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製の板状部材を山折りと谷折りに交互に繰り返して波状に成形し、山部１２ａと谷部１２ｂとを交互に連続的に形成されたものである。コルゲートフィン１２は、山部１２ａが谷部１２ｂの上方に位置するように、谷部１２ｂの下端が固定部材１１の上面と当接し、固定部材１１の本体部１１ａの上面に配置されて、本体部１１ａの上面にロウ付けによって接合されている。

なお、コルゲートフィン１２のうち、本体部１１ａと当接して接合されている下側面は、ロウ材が被覆されたクラッド面となっている。一方で、コルゲートフィン１２のうち、クラッド面と反対側の面は、ロウ材が被覆されていないベア面となっている。

図１及び図５に示すように、固定部材１１の本体部１１ａの空気の流れ方向の両端部は、
コルゲートフィン１２の空気の流れ方向の端部よりも外側に送風空気の流れ方向と平行に突出する突出部１１ｊが形成されている。

図１〜図５に示すように、谷部１２ｂのベア面の空気の流れ方向の両端部には、コルゲートフィン１２の板厚を縮小させた排水溝１２ｃが形成されている。図５に示すように、排水溝１２ｃは、谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部側に位置するに従ってコルゲートフィン１２の板厚を縮小させるように傾斜している。

ここで、図５に示すように、排水溝１２ｃの空気の流れ方向の端部と突出部１１ｊの上面との高さ方向の寸法Ｈは、次の（数式１）で表される液膜高さｈ（図４示）以下に設定されている。

ｈ＝ａ／２×ｔａｎ（θ／２）…（数式１）
ｈ：液膜高さ
ａ：突出部１１ｊが谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部から外側へ突出した寸法
θ：水滴が突出部１１ｊに付着した場合において、この水滴と突出部１１ｊとの接触角（図４示）

図１、図３及び図５に示すように、突出部１１ｊの上面には、空気の流れ方向に沿って形成された排出溝１１ｋが、突出部１１ｊの空気の流れ方向の端部まで形成されている。排出溝１１ｋは、突出部１１ｊの空気の流れ方向の端部側に位置するに従って下方に位置するように傾斜して形成されている。排出溝１１ｋは、排水溝１２ｃと連続的に形成されている。つまり、排出溝１１ｋと排水溝１２ｃとは、空気流れ方向から見たときに、上下に並んで形成されている。

ペルチェモジュール１３は、板状であり、直流電流が流れると、一方の面から他方の面に熱を移動させる熱移動部である。ペルチェモジュール１３は、本体部１１ａの下面、つまり、コルゲートフィン１２が取り付けられている面と反対側の面と密着するように、当該面に取り付けられている。

ペルチェモジュール１３に電流が流れると、ペルチェモジュール１３の上面側から下面側に熱が移動する。つまり、ペルチェモジュール１３の上面が吸熱されて冷却され、ペルチェモジュール１３の上面と接触している固定部材１１の本体部１１ａが冷却され、次いで、コルゲートフィン１２が冷却される。なお、ペルチェモジュール１３の下面には、図示しないヒートシンク又はコルゲートフィン等の放熱部材が取り付けられている。そして、この放熱部材を介して、ペルチェモジュール１３の上面側から下面側に移動した熱が空気へ放熱される。

次に、冷却用熱交換器１の製造方法について説明する。まず、注入部材１１ｄが取り付けられた第１蓋部材１１ｂを第１取付部１１ｇに固定するかしめ工程を行う。具体的には、第１蓋部材１１ｂを第１取付部１１ｇに仮固定するために、第１取付部１１ｇの外縁をかしめ固定する。このかしめ固定によって、突出部１１ｊの上面に排出溝１１ｋが形成される。

同様に、第２蓋部材１１ｃを第２取付部１１ｈに取り付け、第２蓋部材１１ｃを第２取付部１１ｈに仮固定するために、第２取付部１１ｈの外縁の本体部１１ａをかしめ固定する。

次に、山部１２ａが谷部１２ｂの上方に位置するようして、コルゲートフィン１２を固定部材１１の本体部１１ａの上面に配置する。

次に、コルゲートフィン１２を固定部材１１にロウ付け接合する接合工程を行う。具体的には、コルゲートフィン１２及び固定部材１１を、内部が窒素等の不活性ガスで満たされた加熱炉で加熱する。すると、コルゲートフィン１２のクラッド面のロウ材が溶解する。そして、コルゲートフィン１２及び固定部材１１が常温に冷却されると、ロウ材が凝固して、コルゲートフィン１２の谷部１２ｂが固定部材１１の本体部１１ａの上面に接合される。また、第１蓋部材１１ｂ及び第２蓋部材１１ｃのロウ材が溶解し、コルゲートフィン１２及び固定部材１１が常温に冷却されると、ロウ材が凝固して、第１蓋部材１１ｂが第１取付部１１ｇに接合されるとともに、第２蓋部材１１ｃが第２取付部１１ｈに接合される。

次に、注入部材１１ｄから液体収容部１１ｅ内に保冷液を注入する。リブ１１ｆの端部には切欠部１１ｍが形成されているので、この切欠部１１ｍを介して、保冷液が液体収容部１１ｅ内の全ての部屋に充填される。液体収容部１１ｅ内に保冷液を充填した後に、注入部材１１ｄの先端部を、かしめ固定等の手段によって閉塞する。次に、ペルチェモジュール１３を、ネジ止め等によって、固定部材１１の下面に固定する。

以下に、本実施形態の冷却用熱交換器１の作用について説明する。ペルチェモジュール１３に電流が流れると、ペルチェモジュール１３によって、固定部材１１が冷却されるとともに、液体収容部１１ｅに収容された保冷液が冷却され、コルゲートフィン１２が冷却される。この際に、保冷液が蓄冷される。

山部１２ａ及び谷部１２ｂが連続する方向に沿って、コルゲートフィン１２に送風空気が送風されると、ペルチェモジュール１３において生成された冷熱がコルゲートフィン１２を介して送風空気に伝熱され、送風空気が冷却される。

保冷液に冷熱が蓄熱されているので、保冷液に蓄熱された冷熱が、固定部材１１を介して、コルゲートフィン１２に伝熱する。これにより、コルゲートフィン１２の温度の上昇が抑制され、送風空気の温度上昇が抑制されるので、冷却用熱交換器１の冷却性能の低下が抑制される。また、送風空気の温度の変動が抑制される。

液体収容部１１ｅの複数の部屋に収容された保冷液は、リブ１１ｆと接触している。このため、保冷液に蓄熱された冷熱が、素早く固定部材１１に伝熱してコルゲートフィン１２に伝熱する。この結果、コルゲートフィン１２の温度の上昇が抑制される。

以上の如く、本実施形態の冷却用熱交換器１では、温度変動を抑制しつつ、送風空気を冷却することができる。

ところで、空気を冷却する冷却用熱交換器では、凝縮水が生じる。コルゲートフィンの空気通路に凝縮水が貯まってしまうと、コルゲートフィンにおいて通風抵抗が増大して熱交換効率が低下してしまう。このため、冷却用熱交換器では、コルゲートフィンに溜まった凝縮水の排水性を向上させることが望まれている。

これに対して、本実施形態の冷却用熱交換器１によれば、コルゲートフィン１２の谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部には、コルゲートフィン１２の板厚を縮小させた排水溝１２ｃが形成されている。これにより、図５に示すように、突出部１１ｊの上面と谷部１２ｂの上面の空気流れ方向の端部との高さ方向の距離Ｈが短くなる。このため、排水溝１２ｃの上面にある凝縮水が、突出部１１ｊの上面にある水滴と接触して誘引されて、谷部１２ｂの上面から突出部１１ｊの上面側に排出される。この結果、凝縮水を谷部１２ｂから充分に排水させることができる。また、送風空気によって、凝縮水の谷部１２ｂからの排水が促進される。

排水溝１２ｃは、谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部側に位置するに従ってコルゲートフィン１２の板厚を縮小させるように傾斜している。これにより、排水溝１２ｃが傾斜していない場合と比較して、谷部１２ｂにある凝縮水が排水溝１２ｃに誘導され易く、谷部１２ｂに凝縮水が滞留することが抑制される。この結果、凝縮水を谷部１２ｂからより一層排水させることができる。

固定部材１１の空気の流れ方向の端部には、コルゲートフィン１２の空気の流れ方向の端部よりも外側に突出する突出部１１ｊが形成されている。これにより、排水溝１２ｃにある凝縮水を突出部１１ｊ上にある水滴と接触させて誘引させて、排水溝１２ｃにある凝縮水を突出部１１ｊ側に排出させることができる。

排水溝１２ｃの空気の流れ方向の端部と突出部１１ｊの上面との高さ方向の寸法は、上記した（数式１）で表される液膜高さｈ以下である。これにより、排水溝１２ｃの底部が、突出部１１ｊの上面に有る水滴の頂部よりも低い位置に位置するので、排水溝１２ｃにある凝縮水が確実に突出部１１ｊの上面に有る水滴と接触する。このため、排水溝１２ｃにある凝縮水を確実に突出部１１ｊ側に排出させることができる。

突出部１１ｊの上面には、空気の流れ方向に沿って形成された排出溝１１ｋが、突出部１１ｊの空気の流れ方向の端部まで形成されている。これにより、突出部１１ｊの上面に有る水滴が、排出溝１１ｋを伝って、突出部１１ｊの上面から流れ落ち、突出部１１ｊの上面に水滴が滞留することを抑制することができる。

排出溝１１ｋは、排水溝１２ｃと連続的に形成されている。これにより、排水溝１２ｃから流れ落ちた凝縮水が排出溝１１ｋに流入して、排出溝１１ｋから外部に流れ落ちる。このため、突出部１１ｊの上面に水滴が滞留することをより一層抑制することができる。

第１蓋部材１１ｂを本体部１１ａの開口部である第１取付部１１ｇに固定するために、本体部１１ａの空気の流れ方向の端部をかしめることによって、排出溝１１ｋを形成する。これにより、第１蓋部材１１ｂ第１取付部１１ｇに固定するためにかしめることによって、排出溝１１ｋを形成することができる。この結果、冷却用熱交換器１の製造コストの増大を防止することができる。

排水溝１２ｃは、クラッド面と反対側のロウ材が被覆されてないベア面に形成されている。これにより、排水溝１２ｃが形成されたコルゲートフィン１２の谷部１２ｂを固定部材１１の上面にロウ材を熔解させて接合したとしても、排水溝１２ｃが形成されているベア面にはロウ材が被覆されていないので、ロウ材によって排水溝１２ｃが埋まってしまうことを防止することができる。

（第２実施形態）
以下に、図６を用いて、第２実施形態の冷却用熱交換器２について、第１実施形態の冷却用熱交換器１と異なる点について説明する。第２実施形態の冷却用熱交換器２は、図６に示すように、コルゲートフィン１２のうち排水溝１２ｃが形成されているベア面には、空気の流れ方向に沿って誘導溝１２ｄが複数並列に形成されている。

また、コルゲートフィン１２のベア面には、複数の誘導溝１２ｄと直交する直交溝１２ｅが空気の流れ方向と直交する方向に沿って複数並列に形成されている。

このように、コルゲートフィン１２のうち排水溝１２ｃが形成されているベア面には、空気の流れ方向に沿って誘導溝１２ｄが形成されている。これにより、コルゲートフィン１２のベア面にある凝縮水が誘導溝１２ｄに沿って流れ、凝縮水がコルゲートフィン１２のベア面に滞留することを抑制することができる。

また、ベア面には、誘導溝１２ｄと直交する直交溝１２ｅが複数並列に形成されている。これにより、誘導溝１２ｄに異物がある場合であっても、凝縮水を、当該異物がある誘導溝１２ｄから、隣の誘導溝１２ｄに直交溝１２ｅを介して流すことができる。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、排水溝１２ｃは、谷部１２ｂの空気の流れ方向の端部側に位置するに従って下方に位置するように傾斜して形成されている。図７に示すように、排水溝１２ｃが、傾斜しておらず、谷部１２ｂのベア面と平行となるようにコルゲートフィン１２の板厚を縮小させた実施形態でも良い。或いは、階段状に排水溝１２ｃが形成されている実施形態であっても良い。

（２）上述の実施形態では、液体収容部１１ｅの両端部は開口し、これらの開口部に第１蓋部材１１ｂ及び第２蓋部材１１ｃが取り付けられて接合されている。液体収容部１１ｅの一方の端部のみが開口し、この開口部に第１蓋部材１１ｂが取り付けられて接合されている実施形態であっても良い。

１ 冷却用熱交換器
１１ 固定部材
１２ コルゲートフィン
１２ａ 山部
１２ｂ 谷部
１２ｃ 排水溝

Claims (10)

1. 送風空気と冷熱源とを熱交換させる冷却用熱交換器であって、
   前記送風空気と前記冷熱源との熱交換を促進するコルゲートフィン（１２）と、
   前記コルゲートフィンが固定される固定部材（１１）と、を有し、
   前記コルゲートフィンは、
   板状部材を波状に成形することによって、山部（１２ａ）と谷部（１２ｂ）とが交互に連続的に形成されており、
   前記山部が前記谷部の上方に位置するように前記固定部材の上面に配置されているとともに、前記谷部の下端が前記固定部材の上面と当接するように配置されており、
   前記谷部の前記空気の流れ方向の端部には、前記コルゲートフィンの板厚を縮小させた排水溝（１２ｃ）が形成されている冷却用熱交換器。
2. 前記排水溝は、谷部の前記空気の流れ方向の端部側に位置するに従って前記コルゲートフィンの板厚を縮小させるように傾斜している請求項１に記載の冷熱用熱交換器。
3. 前記固定部材の前記空気の流れ方向の端部には、前記コルゲートフィンの前記空気の流れ方向の端部よりも外側に突出する突出部（１１ｊ）が形成されている請求項１又は２に記載の冷却用熱交換器。
4. 前記排水溝の前記空気の流れ方向の端部と前記突出部の上面との高さ方向の寸法は、次の（数式１）で表される液膜高さｈ以下である請求項３に記載の冷却用熱交換器。
   ｈ＝ａ／２×ｔａｎ（θ／２）…（数式１）
   （式（１）において、ａは前記突出部が前記谷部の前記空気の流れ方向の端部からの外側へ突出した寸法である突出寸法を示し、θは水滴が前記突出部に付着した場合において、前記水滴と前記突出部との接触角を示す。）
5. 前記突出部の上面には、空気の流れ方向に沿って形成された排出溝（１１ｋ）が、前記突出部の空気の流れ方向の端部まで形成されている請求項３又は４に記載の冷却用熱交換器。
6. 前記排出溝は、前記排水溝と連続的に形成されている請求項５に記載の冷却用熱交換器。
7. 前記コルゲートフィンのうち前記排水溝が形成されている面には、前記空気の流れ方向に沿って誘導溝（１２ｄ）が形成されている請求項１ないし６のいずれか一つに記載の冷却用熱交換器。
8. 前記誘導溝は、複数並列に形成され、
   前記コルゲートフィンのうち前記排水溝が形成されている面には、複数の前記誘導溝と直交する直交溝（１２ｅ）が複数並列に形成されている請求項７に記載の冷却用熱交換器。
9. 送風空気と冷熱源とを熱交換させる冷却用熱交換器の製造方法であって、
   前記冷熱用熱交換器は、
   前記送風空気と前記冷熱源との熱交換を促進するコルゲートフィン（１２）と、
   前記コルゲートフィンが固定される固定部材（１１）と、を有し、
   前記コルゲートフィンは、
   板状部材を波状に成形することによって、山部（１２ａ）と谷部（１２ｂ）とが交互に連続的に形成されており、
   前記山部が前記谷部の上方に位置するように前記固定部材の上面に配置されているとともに、前記谷部の下端が前記固定部材の上面と当接するように配置されており、
   前記谷部の前記空気の流れ方向の端部には、前記コルゲートフィンの板厚を縮小させた排水溝（１２ｃ）が形成され、
   前記固定部材の内部には、液体が収容される液体収容部が形成され、少なくとも一端が開口した本体部と、前記本体部の開口部を閉塞する蓋部材とから構成され、
   前記固定部材の前記空気の流れ方向の端部には、前記コルゲートフィンの前記空気の流れ方向の端部よりも外側に突出する突出部（１１ｊ）が形成され、
   前記突出部の上面には、空気の流れ方向に沿って形成された排出溝（１１ｋ）が、前記突出部の空気の流れ方向の端部まで形成され、
   前記蓋部材を前記本体部の開口部に固定するために、前記本体部の前記空気の流れ方向の端部をかしめることによって、前記排出溝を形成するかしめ工程を有する冷却用熱交換器の製造方法。
10. 送風空気と冷熱源とを熱交換させる冷却用熱交換器の製造方法であって、
    前記冷却用熱交換器は、
    前記送風空気と前記冷熱源との熱交換を促進するコルゲートフィン（１２）と、
    前記コルゲートフィンが固定される固定部材（１１）と、を有し、
    前記コルゲートフィンは、
    板状部材を波状に成形することによって、山部（１２ａ）と谷部（１２ｂ）とが交互に連続的に形成されており、
    前記山部が前記谷部の上方に位置するように前記固定部材の上面に配置されているとともに、前記谷部の下端が前記固定部材の上面と当接するように配置されており、
    前記谷部の前記空気の流れ方向の端部には、前記コルゲートフィンの板厚を縮小させた排水溝（１２ｃ）が形成され、
    前記コルゲートフィンのうち前記固定部材と当接する面は、ロウ材が被覆されたクラッド面であり、
    前記排水溝は、前記クラッド面と反対側の前記ロウ材が被覆されてないベア面に形成され、
    前記排水溝が形成された前記コルゲートフィンの前記谷部を前記固定部材の上面に前記ロウ材を熔解させて接合する接合工程を有する冷却用熱交換器の製造方法。

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