JP2021182581A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はケーシング１とコア６が接続された天板３とが、着脱自在に取付けられる別体構造になっている熱交換器において、熱抵抗が小さく軽量なものを提供すること。【解決手段】 皿状の凹部２をもつケーシング１と、ケーシング１の凹部２の開口を閉塞する天板３と、天板３に接合されるコア６と、を具備し、コア６が凹部２に収納される熱交換器において、天板３は、天板本体４とシールプレート５の積層体からなり、その天板本体４の一方の面４ａに熱交換対象物２０が接合されており、シールプレート５は、天板本体４の外縁と略同一の外縁を有する枠状に形成され、そのシールプレート５の板厚は、前記天板本体４の板厚以上に厚く形成されており、天板本体４の他方の面４ｂにシールプレート５及びコア６を接合すると共に、コア６をシールプレート５の枠内に配置する。【選択図】図３

Description

熱交換対象物と流体との間に伝熱を行う熱交換器、特に、半導体素子等の被冷却体を冷却するヒートシンクに関する。

半導体素子等の被冷却体を冷却するヒートシンクとして、図８（Ｂ）のようなヒートシンクがある。
このヒートシンク（熱交換器）は、皿状の凹部２をもつケーシング１と、その凹部２の開口を閉塞する平板状の天板３を有する。そして、天板３の一方の面には、複数の半導体素子（熱交換対象物２０）が接合される。天板３の他方の面には、コア６を形成する複数のピンフィン２８が接合される。
このコア６がケーシング１の凹部２に収納され、その凹部２内に導かれる冷媒（流体１２）と、半導体素子（熱交換対象物２０）との間にコア６を介して熱交換が行われる。
このヒートシンク（熱交換器）は、ケーシング１と天板３に取付けられたコア６とが別体構造となっており、天板３とケーシング１が着脱自在に取付けられている。

しかしながら、図８（Ａ）のような熱交換器の天板３は、鍛造や切削による成形の為の剛性が必要となり、その剛性を得るため、天板３の板厚を厚くする必要があった。その板厚は、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度で天板３の熱抵抗による伝熱性能への影響度が大きく、また、その板厚分、ヒートシンク（熱交換器）の重量が重くなる問題があった。

そこで、本発明はケーシング１とコア６が接続された天板３とが、着脱自在に取付けられる別体構造になっている熱交換器において、熱抵抗が小さく、軽量な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、皿状の凹部２をもつケーシング１と、
前記ケーシング１の凹部２の開口を閉塞する天板３と、
前記天板３に接合されるコア６と、を具備し、
前記コア６が前記凹部２に収納される熱交換器において、
前記天板３は、天板本体４とシールプレート５の積層体からなり、
前記天板本体４の一方の面４ａに熱交換対象物２０が接合されており、
前記シールプレート５は、前記天板本体４の外縁と略同一の外縁を有する枠状に形成され、そのシールプレート５の板厚は、前記天板本体４の板厚以上に厚く形成されており、
前記天板本体４の他方の面４ｂに前記シールプレート５及び前記コア６が接合されるとともに、前記コア６が前記シールプレート５の枠内に配置されている熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、前記シールプレート５の枠内には、前記コア６の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部５ａが形成されており、
前記コア６が、前記シールプレート５の嵌着部５ａに嵌合された請求項１に記載の熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、前記コア６は、多数のスリット８が設けられた複数のプレート７の積層体からなり、
隣接するプレート７のスリット８が連通し、流体１２がプレート７の積層方向に蛇行しながら流通する流体流路１３が形成され、
前記コア６のプレート７の積層方向の一方側に位置するコア端部プレート７ｃが前記天板本体４と接合された請求項２に記載の熱交換器である。

請求項１に記載の本発明のように構成すると、
シールプレート５の板厚が、天板本体４の板厚以上に厚く形成されているので、そのシールプレート５で剛性が確保される。そして、シールプレート５で剛性が確保されている分、天板本体４の板厚を薄くすることができる。また、シールプレート５は枠状に形成されているため、その重量を軽量化することができる。
本発明の天板３は、天板本体４とシールプレート５の積層体により形成されており、コア６は板厚が薄い天板本体４に接合されているので、本発明の天板３の熱抵抗は従来の天板３の熱抵抗より小さくなり、熱交換対象物２０から熱交換器のコア６への伝熱性能が向上する。また、本発明の天板３を有する熱交換器は、従来の天板３を使用した熱交換器よりも軽量化をすることができる。

請求項２に記載の本発明は、請求項１の本発明において、シールプレート５の枠内に、コア６の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部５ａが形成されており、コア６がシールプレート５の嵌着部５ａに嵌合するように構成することができる。
この構成により、コア６の位置決めを容易に行うことができる。

請求項３に記載の本発明は、請求項２の本発明において、コア６が多数のスリット８を設けた複数のプレート７の積層体からなり、隣接するプレート７のスリット８が連通し、流体１２がプレート７の積層方向に蛇行しながら流通する流体流路１３が形成されており、そのコア６のプレート７の積層方向の一方側に位置するコア端部プレート７ｃが、天板本体４と接合するように構成することができる。
この構造により、従来のコア一体型天板３を有する熱交換器よりも、製作性が高い熱交換器を提供することができる。

本発明の熱交換器の分解斜視図。 同熱交換器のコア一体型天板３の分解斜視図。 同コア一体型天板３の正面図（Ａ）、底面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）。 同熱交換器の組立て斜視図。 同熱交換器のＶ−Ｖ矢視断面説明図。 コア一体型天板３の他の例を示す分解斜視図（Ａ）及び、その組立て斜視図（Ｂ）。 同コア一体型天板３の正面図（Ａ）、底面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）。 従来型熱交換器の説明図であり、同図（Ａ）は従来型熱交換器のコア一体型天板３の斜視図、同図（Ｂ）は従来型熱交換器の断面説明図。

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。
図１は本発明の熱交換器の分解斜視図であり、図２は、同熱交換器のコア一体型天板３の分解斜視図であり、図３（Ａ）は同コア一体型天板３の正面図であり、同図（Ｂ）は底面図、同図（Ｃ）は側面図である。図４は同熱交換器の組立て斜視図であり、図５は図４のＶ−Ｖ矢視断面説明図である。

この熱交換器は、ケーシング１と天板３とコア６とからなる。
ケーシング１は、図１に示す如く、方形の筐体の上面の中央部に、周縁部１ａに対し凹陥した皿状の凹部２が形成され、その周縁に環状のシール溝１ｂが形成されている。シール溝１ｂには、シールリング２１が配置される。シール溝１ｂの外側には、締結孔１ｃが設けられている。この例では、凹部２は、底部２ａと側部２ｂを有する長方形型に凹陥している。

天板３にはコア６が接合され、そのコア６がケーシング１の凹部２に収納される。そして、天板３の外周部に設けられた締結孔３ｃとケーシング１の締結孔１ｃとが整合するように、天板３がケーシング１の凹部２の開口を閉塞し、図４のように、締結具２３により、天板３がケーシング１に着脱自在に取付けられる。天板３のコアの接続側と反対側の面には、発熱体等の熱交換対象物２０が接合されている。

この例では、ケーシング１の外周部には一対のパイプ２２が設けられており、一方のパイプ２２は凹部２の流入側ヘッダ部１０に連通し、他方のパイプ２２は凹部２の流出側ヘッダ部１１に連通している。そしてコア６は、流入側ヘッダ部１０と流出側ヘッダ部１１との間に配置される。
冷媒等の流体１２は一方のパイプ２２から流入し、凹部２の流入側ヘッダ部１０内に導かれ、次いでコア６内を積層方向に蛇行しながら流通して流出側ヘッダ部１１に導かれ、他方のパイプ２２から流出する。
発熱体等の熱交換対象物２０から生じる熱は、コア６に流入する流体１２により、冷却され、熱交換対象物２０と流体１２との間で熱交換が行われる。

この実施例の天板３は、図２及び図３に示す如く、伝熱機能を確保する天板本体４と、シール機能を確保するシールプレート５との積層体により形成されている。
天板本体４は平板状に形成されており、シールプレート５を介して、ケーシング１の凹部２の開口を閉塞する。この天板本体４は、伝熱性能を確保するため、比較的薄い板厚に形成されている。具体的には、天板本体４の板厚は０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲とするとよい。
シールプレート５は天板本体４の外縁と略同一の外縁を有する。このシールプレート５は、ケーシング１のシール溝１ｂ及びその周辺域のシール面を被嵌する面を有する環状の枠部材として形成されている。シール溝１ｂに接する面の反対側の面に天板本体４が取り付けられる。そして、シールプレート５の板厚は、シール性を確保するため、天板本体４の板厚以上に厚く形成されている。具体的には、シールプレート５の板厚は１．６ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲とするとよい。シールプレート５は、一例として、平板をプレス加工などにより、枠部分以外の部分を打ち抜いて形成される。

そして、天板本体４の他方の面４ｂには、シールプレート５及びコア６が、ろう付により、一体的に接合される。そのコア６は、図２に示す如く、シールプレート５の枠内の空間の部分に配置されている。天板本体４の一方の面４ａには、熱交換対象物２０が接合される。
上記のような天板３の構造にすることにより、本発明の天板３の熱抵抗は従来の天板３の熱抵抗より１０％〜２０％低下し、熱交換対象物２０から熱交換器のコア６への伝熱性能が向上する。
また、本発明の天板３は、シール性を確保できる剛性を維持したまま、従来の天板３よりも、２０％程度の軽量化をすることができる。そして、この天板３の構造を有する熱交換器の全体の重量は、従来の天板３の構造を有する熱交換器の全体の重量よりも１０％程度の軽量化をすることができる。

天板本体４には、天板３の締結孔３ｃに整合する位置に、締結孔４ｃが形成され、シールプレート５にも、同じ位置に、締結孔５ｃが形成されている。天板本体４とシールプレート５のそれぞれの締結孔４ｃ、５ｃが整合するように重ね合わされて、天板３の締結孔３ｃが形成されている。
また、この例では、天板本体４の外縁にシールプレート５を係止するための係止爪２４が形成されており、シールプレート５の外縁の天板本体４の係止爪２４に整合する位置に切欠き２５が形成されている。天板本体４の係止爪２４がシールプレート５の切欠き２５側に曲折されて天板本体４と、シールプレート５が仮組みされる。

この熱交換器のコア６は、それぞれ多数のスリット８が穿設された平坦な方形のプレート７（第１プレート７ａ、第２プレート７ｂ）が積層されて、構成される。
この例では、各プレート７ａ、７ｂには、互いに平行に並列して配置された縦リブ８ａと、隣接する縦リブ８ａ間を複数の個所で連結する横リブ８ｂとを有し、それらのリブ８ａ，８ｂ間に同一形状の長方形の小孔からなるスリット８が穿設されている。
積層方向に隣接する各プレート７ａ，７ｂの縦リブ８ａは整合して接触し、各プレート７ａ，７ｂのスリット８は、図５に示す如く、流体１２の流通方向に平面的に位置ずれしている。即ち、一方のプレートのスリット８内に、他方のプレートの横リブ８ｂが位置する。これにより、隣接するプレート７ａ，７ｂのスリット８が連通し、流体流路１３が形成される。流体１２は、各流体流路１３をプレート７の積層方向に蛇行しながら直線的に流通する。そして、流体流路１３を流通する流体１２によって、天板本体４に接合された熱交換対象物２０から生じる熱を冷却する。

上述のコア６は、図５に示す如く、プレート７の積層方向の上端に位置するコア端部プレート７ｃが、天板本体４の他方の面４ｂと接合されている。
このコア６の各プレート７ａ，７ｂは、プレス加工により容易に形成できる。そして、天板本体４、シールプレート５及びコア６は、高温の炉内で一体的にろう付固定できるため、ピンフィン２８からなるコア６はよりも、製造がし易く、加工コストを安価にすることができる。
天板本体４、シールプレート５、各プレート７ａ，７ｂには、ろう材を被覆しておくことが好ましい。

この熱交換器は、天板本体４の下面から凹部２の底部２ａまでの深さより、天板本体４からコア６の下端に位置するコア端部プレート７ｄまでの高さが小さい場合、そのコア端部プレート７ｄと、凹部２の底部２ａとの間には、コア６の流体流路１３の流通抵抗よりも流通抵抗が低い低流通抵抗領域１４である空間が形成される。
各プレート７にはスリット８が設けられているため、コア６内の流体流路１３に流入した流体１２が、コア端部プレート７ｄのスリット８の部分からコア６外の低流通抵抗領域１４へ流出し、伝熱性能が低下することが考えられる。

この例では、図１〜図３、図５に示す如く、プレート５の積層方向の下端に位置するコア端部プレート７ｄには、スリット８が形成されていないエンドプレート９が接合されている。この例のエンドプレート９は、図５に示す如く、各プレート７の外縁と略同一の大きさに形成されている。
このエンドプレート９にはスリット８が形成されていないので、コア６内の流体流路１３に流入した流体１２が、コア端部プレート７ｄのスリット８の部分からコア６外の低流通抵抗領域１４へ流出せず、伝熱性能が向上する。
また、エンドプレート９は、図５に示す如く、各プレート７の外縁と略同一の大きさに形成されているので、コア６の組立時に積層したプレート７とエンドプレート９の外縁をそろえて各プレート７の位置決めができ、コア６の組立を容易に行うことができる。

この実施例では、コア６の積層方向の上端に位置するコア端部プレート７ｃ及びエンドプレート９に、コア６を仮組みする係止爪２６が一体に突設されている。そして、その他のプレート７には、係止爪２６と嵌合する切欠き２７が形成されている。この係止爪２６が各プレートの切欠き２７に嵌着するように曲折されて、コア６を仮組みすることができる。

前記シールプレート５の枠内には、コア端部プレート７ｃ側のプレートの外周部と嵌合する嵌着部５ａが形成されている。この実施例では、図２及び図３に示す如く、シールプレート５の枠内の長手方向の両端に嵌着部５ａが形成されている。コア６を、各プレートが仮組みされた状態で、コア端部プレート７ｃ側のプレートの外周部をシールプレート５の嵌着部５ａに嵌合すると、コア６の位置決めを容易に行うことができる。

また、前記シールプレート５の枠内には、図２、図３に示す如く、コア６の配置位置から短手方向の外側に向けて空間が広がるように、ヘッダ部５ｂが形成されている。
このヘッダ部５ｂを形成しておくことにより、図５に示す如く、天板本体４に接合され、シールプレート５に囲まれたコア端部プレート７ｃ及びその近傍に積層されたプレート７にも、流体１２を十分に流通させることができる。

コア６は、上記実施例のように、プレート７の積層体からなるものであることが望ましい。但し、このプレート積層型コアに限らず、図６、図７に示す如く、コルゲートフィン６ａ等のインナフィンからなるコア６や、ピンフィン２８からなるコアであってもよい。
図６、図７に示すように、この例の天板３も天板本体４とシールプレート５からなり、コルゲートフィン６ａの頂部が天板本体４の他方の面４ｂ側に取付けられる。図６のシールプレート５のヘッダ部５ｂ、嵌着部５ａの形状は、図２に記載の形状にすることもできる。

１ ケーシング
１ａ 周縁部
１ｂ シール溝
１ｃ 締結孔
２ 凹部
２ａ 底部
２ｂ 側部
３ 天板
３ｃ 締結孔
４ 天板本体
４ａ 一方の面
４ｂ 他方の面
４ｃ 締結孔

５ シールプレート
５ａ 嵌着部
５ｂ ヘッダ部
５ｃ 締結孔
６ コア
６ａ コルゲートフィン
７ プレート
７ａ 第１プレート
７ｂ 第２プレート
７ｃ コア端部プレート
７ｄ コア端部プレート

８ スリット
８ａ 縦リブ
８ｂ 横リブ
９ エンドプレート
１０ 流入側ヘッダ部
１１ 流出側ヘッダ部
１２ 流体
１３ 流体流路
１４ 低流通抵抗領域

２０ 熱交換対象物
２１ シールリング
２２ パイプ
２３ 締結具
２４ 係止爪
２５ 切欠き
２６ 係止爪
２７ 切欠き
２８ ピンフィン

Claims (3)

1. 皿状の凹部（２）をもつケーシング（１）と、
   前記ケーシング（１）の凹部（２）の開口を閉塞する天板（３）と、
   前記天板（３）に接合されるコア（６）と、を具備し、
   前記コア（６）が前記凹部（２）に収納される熱交換器において、
   前記天板（３）は、天板本体（４）とシールプレート（５）の積層体からなり、
   前記天板本体（４）の一方の面（４ａ）に熱交換対象物（２０）が接合されており、
   前記シールプレート（５）は、前記天板本体（４）の外縁と略同一の外縁を有する枠状に形成され、そのシールプレート（５）の板厚は、前記天板本体（４）の板厚以上に厚く形成されており、
   前記天板本体（４）の他方の面（４ｂ）に前記シールプレート（５）及び前記コア（６）が接合されるとともに、前記コア（６）が前記シールプレート（５）の枠内に配置されている熱交換器。
2. 前記シールプレート（５）の枠内には、前記コア（６）の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部（５ａ）が形成されており、
   前記コア（６）が、前記シールプレート（５）の嵌着部（５ａ）に嵌合された請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コア（６）は、多数のスリット（８）が設けられた複数のプレート（７）の積層体からなり、
   隣接するプレート（７）のスリット（８）が連通し、流体（１２）がプレート（７）の積層方向に蛇行しながら流通する流体流路（１３）が形成され、
   前記コア（６）のプレート（７）の積層方向の一方側に位置するコア端部プレート（７ｃ）が前記天板本体（４）と接合された請求項２に記載の熱交換器。

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