JP2021009963A

JP2021009963A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2021009963A
Application number: JP2019123983A
Authority: JP
Inventors: 卓也文後; Takuya Bungo; 大久保　厚; Atsushi Okubo; 厚大久保; 坂井　耐事; Taiji Sakai; 耐事坂井
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-28

Abstract

【課題】伝熱性能を大幅に悪化させることなく、可能な限り冷媒の流通に伴う圧力損失を低減させる積層型熱交換器を提供する。【解決手段】積層型熱交換器は、金属板に多数の孔が穿設されて、縦骨部１とそれに直交する横骨部２とが一体の格子状に配置された複数の第１プレート３と第２プレート４とを有する。横骨部２の少なくとも一部を、縦骨部１の厚みよりも薄く形成する。横骨部２は、その冷媒の流通方向に沿った断面の角部が斜めに変形し、面取りされる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の冷却に最適に用いられる積層型熱交換器に関し、特に内部に多数のプレートを積層してコアを形成したものに関する。

インバータやＣＰＵ等の電子機器の小型化に伴い、その冷却に使用される熱交換器として、プレート積層型熱交換器が下記特許文献１として知られている。
この積層型熱交換器は、図２４、図２５に示す如く、金属板に多数の孔を穿設し、縦骨部１ａとそれに直交する横骨部２ａとが一体に格子状に配置された第１のプレート３ａと第２のプレート４ａとを有し、各プレートが積層されて、隣接するプレート３ａとプレート４ａの縦骨部１ａどうしが重なると共に、横骨部２ａが互いに金属板の平面方向に離間されてコア５ａが形成され、そのコア５ａが熱交換器本体に内装されたものである。そして熱交換器本体の外面に熱交換対象物である半導体等の放熱体７ａが取付けられ、本体の内部に内部流体９である冷媒が蛇行して流通するものである。

なお、この例ではプレート３ａ，プレート４ａは外周に枠部が一体に形成されている。そして、コア５ａの上下両端に天板プレート６ｂ１，底板プレート６ａ１を配置し、各プレートどうしを一体に積層したものである。
これによりコア５ａは図２５に示す如く、各横骨部２ａが千鳥状に配置され、冷媒がそれらの間を蛇行して流通するものである。そして図２４に示す如く、冷媒９により天板プレート６ｂ１表面の放熱体７ａを冷却させるものである。

特開２０１４−０３３０６３号公報

従来のプレート積層型熱交換器は、コンパクトで高い伝熱性能を有するものの、内部を流通する冷媒の圧力損失が大きい欠点がある。そのため、冷媒に比較的大きな圧力を加えて流通させる必要があった。
そこで、本発明は、伝熱性能を大幅に悪化させることなく、可能な限り冷媒の流通に伴う圧力損失を低減させることを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、金属板に多数の孔が穿設されて、縦骨部１とそれに直交する横骨部２とが一体の格子状に配置された複数の第１プレート３と第２プレート４とを有し、各プレート３，４が積層されて、隣接する第１プレート３と第２プレート４との縦骨部１どうしが重なると共に、横骨部２が互いに金属板の平面方向に離間されてコア５が形成され、そのコア５が熱交換器本体６に内装され、その熱交換器本体６の外面に熱交換対象物７が取付られ、隣接する第１プレート３と第２プレート４の各横骨部２間を、横骨部２に交差する方向に内部流体９が蛇行して流通する積層型熱交換器において、
前記横骨部２の少なくとも一部を、前記縦骨部１の厚みよりも薄く形成して、そこに内部流体９の流路抵抗減少用の案内部８を流れ方向に形成し、その案内部８により内部流体９を流通し易く形成したことを特徴とする積層型熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記案内部８が形成された横骨部２の横断面が多角形８ｉであることを特徴とする積層型熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記案内部８は、横骨部２の横断面の各角部が、外側に凸の円弧８ｂまたは内側に凸の円弧８ｂに形成されたものであることを特徴とする積層型熱交換器である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記案内部８は、前記横骨部２の全部を、前記縦骨部１の厚みよりも薄く形成したものであることを特徴とする積層型熱交換器である。

請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記案内部８が形成された横骨部２の横断面の角部が面取りされており、その面取り高さＴ２と縦骨部１の厚みＴ１との比率である面取り高さ比率Ａが１０％以上であることを特徴とする積層型熱交換器である。

請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記金属板を、横骨部の中心から、横骨部２の長さＬの方向については、両側にＬ以下の範囲内で、且つ横骨部２の幅Ｗの方向については、両側にＷ以下の範囲内で、縦骨部１の厚みの９０％以下にまで薄く形成して、そこに内部流体９の流路抵抗減少用の案内部８を形成したことを特徴とする積層型熱交換器である。

請求項１に記載の積層型熱交換器は、横骨部２の少なくとも一部を、縦骨部１の厚みよりも薄く形成し、横骨部２に直交して流通する内部流体９の流路抵抗減少用の案内部８を流れ方向に形成し、その案内部８により蛇行して流通する内部流体９を流通し易くしたものである。
これにより、横骨部２による流体偏向作用は維持したまま、内部流体９の流通を促進し、伝熱性能を大幅に悪化させることなく、冷媒の流通に伴う圧力損失を低減させることができる。

請求項２に記載の積層型熱交換器は、案内部８が形成された横骨部２の横断面が多角形８ｉであることを特徴としている。
これにより、内部流体９の流通をより促進することができる。
請求項３に記載の積層型熱交換器は、案内部８は、横骨部２の横断面の各角部が、外側に凸の円弧８ｂまたは内側に凸の円弧８ｂに形成されたものである。
これによっても、内部流体９の流通をより促進することができる。
請求項４に記載の積層型熱交換器は、案内部８は、前記横骨部２の全部を、前記縦骨部１の厚みよりも薄く形成したものである。
これにより、横骨部２の周りの内部流体９の流通が促進される。

請求項５に記載の積層型熱交換器は、案内部８が形成された横骨部２の横断面の角部が面取りされており、その面取り高さＴ２と縦骨部１の厚みＴ１との比率である面取り高さ比率Ａが１０％以上となっているため、内部流体９の流通が促進される。

請求項６に記載の積層型熱交換器は、前記金属板を、横骨部の中心から、横骨部２の長さＬの方向については、両側にＬ以下の範囲内で、且つ横骨部２の幅Ｗの方向については、両側にＷ以下の範囲内で、縦骨部１の厚みの９０％以下にまで薄く形成して、そこに内部流体９の流路抵抗減少用の案内部８を形成しているため、伝熱性能が大幅に悪化することなく、内部流体の流通が促進される。

本発明の積層型冷却器を構成する第１プレート３及び第２プレート４の要部斜視図。同積層型冷却器の分解斜視図。同冷却器のコア５の要部斜視図。図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面説明図。同第１プレート３及び第２プレート４の横骨部２における案内部８の説明図。同案内部８の作用を示す説明図であって、横骨部２の面取り比率Ａに対する、水側圧力損失の比率を示したもの。第２実施例の横骨部２の横断面図。第３実施例の横骨部２の横断面図。第４実施例の横骨部２の横断面図。第５実施例の横骨部２の横断面図。第６実施例の第１プレート３の要部斜視図。同第１プレート３，第２プレート４からなるコア５の斜視図（Ａ）、及び（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図（Ｂ）、案内部８の変形状態を示す説明図（Ｃ）。図１２（Ｃ）及び図１４における変形方向・変形量と、水側の圧力損失との関係図。第７実施例の案内部８の変形説明図。第８実施例の横骨部２の横断面図。第９実施例の横骨部２の横断面図。第１０実施例の横骨部２の横断面図。第１１実施例の横骨部２の横断面図。第１２実施例の横骨部２の横断面図。第１３実施例の横骨部２の横断面図。第１３実施例の要部斜視図。縦骨部まで薄肉加工の範囲を拡げた時の要部斜視図。第１プレート３ａ及び第２プレート４ａの縦骨部の加工許容範囲を示す要部平面図。従来型の積層型冷却器の分解斜視図。同積層型冷却器の横断面図。

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。
なお、以下に説明する各実施例では、積層型熱交換器は積層型冷却器、熱交換器本体６は冷却器本体６、熱交換対象物７は放熱体７、内部流体９は冷媒９として、説明している。
ただし、本発明は、内部流体９として温熱流体を熱交換器本体６の内部に流通させることにより、熱交換器本体６の外面に取付けた熱交換対象物７を加温するための積層型熱交換器にも適応することができる。

図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示す。
図１は本発明の積層型冷却器を構成する第１プレート３及び第２プレート４の要部斜視図、図２は同積層型冷却器の分解斜視図、図３は第１プレート３及び第２プレート４の積層体からなるコア５の要部斜視図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面説明図である。

図１〜図４に示した積層型冷却器の特徴は、第１プレート３及び第２プレート４の横骨部２の横断面形状にある。
図１において第１プレート３及び第２プレート４は金属板に多数の矩形孔を穿設して、縦骨部１と横骨部２とにより格子状に形成し、各縦骨部１は金属板の平面と同一に形成される。そして、各縦骨部１は隣接するプレート３，４でその位置が整合しており、その状態で第１プレート３と第２プレート４が積層される。
一方で、図３、図４に示すように、横骨部２は、積層される第１プレート３と第２プレート４との隣接部においてその位置が互いに異なっている。そして、図４に示すように、冷媒９は各横骨部２間を蛇行して流通する。
これらの横骨部２は、その冷媒９の流通方向に沿った断面の角部が斜めに変形し、面取りされている。この例では、その断面が八角形に形成されている。
このように、横骨部２の角部を斜めに変形して、面取りすることにより、冷媒９の流通を容易にし、その結果、その流通に伴う圧力損失を低減している。

図５は第１プレート３及び第２プレート４の横骨部２をプレス成形により面取りした場合の形状を示している。θは面取り角度を示し、Ｔ２は面取り高さを示している。図６は、各プレート３，４の縦骨部１の厚みＴ１に対する横骨部２の面取り高さＴ２との比率Ａと、その面取り角度θ（この例では、３０度と４５度で実験している。）と、底板プレート６ａ側のみ２カ所を面取りした場合（図６では、片側と表示）と、底板プレート６ａ側と天板プレート６ｂ側の４カ所を面取りした場合をパラメータ化し、それらのパラメータと水側圧力損失の比率との関係をまとめたものである。ベンチマークＢＭは横骨部２の面取りをしていないものであり、その圧力損失比を１．０とした。
図６の結果によると、各プレート３，４の横骨部２の断面の面取り高さ比率Ａ（＝面取り高さＴ２／縦骨高さＴ１）が０．１（１０％）以上である場合、圧力損失は有意に（１０％以上）低減される。また、面取りが片側だけであっても、圧力損失は低減することがわかる。この横骨部２の面取りは、内部流体の流体流通方向の上流側の底板プレート６ａ側と天板プレート６ｂ側のみに施しても良い。
面取り高さ比率Ａが０．１以上となる範囲であれば、面取り角度θは実験範囲以外の面取り角度であってもよい。

次に、図７は本発明の横骨部２の横断面の第２実施例であり、この例は横骨部２の横断面の四隅が外側に凸の円弧８ｂに形成されたものである。これによっても、冷媒は各横骨部２を蛇行して流通するとき、円滑に流通する。

次に、図８は本発明の横骨部２の横断面の第３実施例であり、この例は横骨部２の横断面の四隅が内側に凸の円弧８ｂに形成されたものである。これによっても、冷媒は各横骨部２を円滑に蛇行して流通する。

次に、図９は本発明の横骨部２の横断面の第４実施例であり、この例は横骨部２の横断面の四隅の円弧８ｂが、図７の円弧８ｂと図８の円弧８ｂとを組み合わせた変形例である。

次に、図１０は本発明の横骨部２の横断面の第５実施例であり、この例は横骨部２の横断面において、その横骨部２の面取りされた傾斜面８ｃの中間位置に外周の外側に向けて新たな頂点を持つように形成された四隅を有するものである。

次に、図１１は本発明の第６実施例であり、この例は横骨部２の厚みが縦骨部１のそれよりも薄肉８ｄに形成されたものである。
図１２（Ａ）はコア５の組立て斜視図であり、（Ｂ）はコア５内を流通する冷媒９の流れの様子を示す要部断面図であり、（Ｃ）は横骨部２の上面のプレス加工による変形（薄肉化）を表したものである。

また、図１４は、本発明の第７実施例であり、横骨部２の上下両面のプレス加工による変形（薄肉化）を表したものである。

図１３は、実施例６（横軸において「片側変形」と記載）および実施例７（横軸において「両側変形」と記載）において、第１プレート３，第２プレート４の縦骨部１の本来の厚みをＴ３とし、横骨部２を薄肉にした後の厚みをＴ４とした時の薄肉比率Ｂ（＝加工後の横骨部２の厚みＴ４／縦骨部１の本来の厚みＴ３）を横軸にとり、その比率Ｂごとの水側圧力損失の比率をプロットしたものである。なお、ベンチマークＢＭは横骨部２の薄肉加工をしていないものであり、その圧力損失比を１．０とした。
図１３の結果によると、横骨部２の薄肉加工が片側（実施例６）であれ、両側（実施例７）であれ、薄肉比率Ｂが０．９（９０％）以下である場合、水側圧力損失は十分に（２０％以上）抑制される。

次に、図１５は本発明の第８実施例であり、この例は横骨部２が鎖線の状態から実線の状態に縮小された薄肉８ｄを有するものである。
この場合にも、冷媒の流通は円滑に行われる。

次に、図１６は本発明の第９実施例であり、この例は横骨部２の表面が階段状の段付８ｇに形成されたものである。
これによっても、冷媒の流通が促進される。

次に、図１７は本発明の第１０実施例であり、この例は横骨部２の一方の平面が斜めに傾斜８ａしたものである。
この場合にも、冷媒はその傾斜８ａに沿って円滑に流通する。

次に、図１８は本発明の第１１実施例であり、この例は横骨部２の一方側の表面の横断面が鈍角の山形８ｅに形成されたものである。
これによっても、横骨部２の周りの冷媒の流通は促進される。

次に、図１９は本発明の第１２実施例であり、この例は横骨部２の一方側の表面がなだらかな山形８ｅに形成されたものである。
これによっても、横骨部２の周りの冷媒の流通は促進される。

次に、図２０及び図２１は本発明の第１３実施例であり、この例は横骨部２の一方側の平面に押圧力を加えて凹陥８ｈを形成すると共に、その幅方向両側に変形余肉部１０を形成したものである。図２１は、その要部斜視図である。
この例においても、凹陥８ｈの存在により冷媒の流通を円滑に行える。

上記の横骨部２に対する薄肉加工に加えて、図２２に示す如く、縦骨部１にも薄肉加工を行った場合、圧力損失低減効果は得られるものの、放熱性能が悪化するおそれがある。
そこで、発明者は縦骨部１の薄肉加工ができる最大範囲を見出した。図２３は、その薄肉加工ができる範囲を示した平面図である。
横骨部の中心から、横骨部２の長さＬの方向については、両側にＬ以下（横骨部２の中心より、横骨部２の長さＬに対して、両側Ｌ／２ずつ）の範囲内で、且つ横骨部２の幅Ｗの方向については、両側にＷ以下（横骨部２の幅Ｗに対し両側Ｗ／２ずつ）の範囲内であれば、薄肉加工を行っても許容できる放熱性能を得ることができる。このときの薄肉比率Ｂは、０．９（９０％）以下とすると良い。

１縦骨部
１ａ縦骨部
２横骨部
２ａ横骨部
３第１プレート
３ａプレート
４第２プレート
４ａプレート
５コア
５ａコア
６熱交換器本体（冷却器本体）
６ａ底板プレート
６ｂ天板プレート
６ａ１底板プレート
６ｂ１天板プレート

７熱交換対象物（放熱体）
７ａ放熱体
８案内部
８ａ傾斜
８ｂ円弧
８ｃくの字
８ｄ薄肉
８ｅ山形
８ｇ段付
８ｈ凹陥
８ｉ多角形
９内部流体（冷媒）
１０変形余肉部

Claims

金属板に多数の孔が穿設されて、縦骨部（１）とそれに直交する横骨部（２）とが一体の格子状に配置された複数の第１プレート（３）と第２プレート（４）とを有し、各プレート（３）（４）が積層されて、隣接する第１プレート（３）と第２プレート（４）との縦骨部（１）どうしが重なると共に、横骨部（２）が互いに金属板の平面方向に離間されてコア（５）が形成され、そのコア（５）が熱交換器本体（６）に内装され、熱交換器本体（６）の外面に熱交換対象物（７）が取付られ、隣接する第１プレート（３）と第２プレート（４）の各横骨部（２）間を、横骨部（２）に交差する方向に内部流体（９）が蛇行して流通する積層型熱交換器において、
前記横骨部（２）の少なくとも一部を、前記縦骨部（１）の厚みよりも薄く形成して、そこに内部流体（９）の流路抵抗減少用の案内部（８）を流れ方向に形成し、その案内部（８）により内部流体（９）を流通し易く形成した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において、
前記案内部（８）が形成された横骨部（２）の横断面が多角形（８ｉ）であ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において、
前記案内部（８）は、横骨部（２）の横断面の各角部が、外側に凸の円弧（８ｂ）または内側に凸の円弧（８ｂ）に形成されたものであ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において、
前記案内部（８）は、前記横骨部（２）の全部を、前記縦骨部（１）の厚みよりも薄く形成したものであ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において、
前記案内部（８）が形成された横骨部（２）の横断面の角部が面取りされており、その面取り高さ（Ｔ２）と縦骨部（１）の厚み（Ｔ１）との比率である面取り高さ比率（Ａ）が１０％以上であ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において、
前記金属板を、横骨部の中心から、横骨部（２）の長さ（Ｌ）の方向については、両側にＬ以下の範囲内で、且つ横骨部（２）の幅（Ｗ）の方向については、両側にＷ以下の範囲内で、縦骨部（１）の厚みの９０％以下にまで薄く形成して、そこに内部流体（９）の流路抵抗減少用の案内部（８）を形成したことを特徴とする積層型熱交換器。