JP4606230B2

JP4606230B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4606230B2
Application number: JP2005111542A
Authority: JP
Inventors: 健司吉田; 庸彦田中
Original assignee: Nikkei Heat Exchanger Co Ltd
Current assignee: Nikkei Heat Exchanger Co Ltd
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP2006292226A

Description

この発明は、熱交換器に関するもので、更に詳細には、例えばパーソナルコンピュータのような電子装置の液冷システムを構築するのに適した熱交換器に関するものである。

従来、空調などの用途に用いる冷凍サイクル装置の熱交換器にあっては、上下に対峙する上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプの間に互いに平行な熱交換チューブを配設し、各熱交換チューブの間に熱交換用フィンを介設し、この熱交換チューブを経て上部ヘッダーパイプから下部ヘッダーパイプへ又はその逆に冷媒が液状態又は気液二相状態で流れる構造となっている。

かかる熱交換器においては、ヘッダーパイプが必ずしも水平に保たれるとは限らず、仮に上部ヘッダーパイプの右端が左端よりも下がった状態では、液冷媒が右側に偏った状態となり、ヘッダーパイプに下方から挿入された複数の熱交換チューブのうちの右側に挿入された熱交換チューブには液冷媒が多く流れ、左側に挿入された熱交換チューブには液冷媒が流れにくくなる。すなわち、複数の熱交換チューブへの分流に偏りが生じて、熱交換器全体を有効に作用させて冷媒を蒸発させることができず、熱交換器の熱交換効率が低下するといった課題がある。そこで、上部ヘッダーパイプ内において底面に充填物を敷き、これにより液面を上昇させて、左側に位置する伝熱管にも液冷媒が供給される構造とすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、パーソナルコンピュータのような電子装置においては、その発熱素子を液循環によって冷却する液冷システムを組み込む技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この液冷システムは、水冷ジャケットを発熱素子に熱的に接続すると共に、ディスプレイ背面に配置した放熱板に放熱パイプを熱的に接続し、液駆動装置によって水冷ジャケットと放熱パイプとの間で冷却液（冷媒液）を循環させる。

ここで、かかるパーソナルコンピュータの液冷システムにおいても、上記のような熱交換器を装置して効果的に冷却することが考えられる。
特開２００２−１１５９９０号公報（段落番号０００５、００２２）特開２００５−１１３３７号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の技術においては、次のような課題がある。

第一の課題として、パーソナルコンピュータ内に熱交換器を設置して液冷システムを構築した場合、液冷システムのゴム配管等から循環中に冷却液（冷媒液）が蒸発して、冷却液が減少して十分に冷却機能を発揮しない状態となってしまう。

第二の課題として、温度変化により、液冷システムの冷却液が膨張収縮したり、熱交換器及び配管が熱膨張収縮することから、これにより、液冷システムの冷却液が異常な高圧になる。

第三の課題として、上部ヘッダーパイプ内で冷却液が減って冷却液の上方に空気層ができた場合、熱交換器に何等かの原因で振動が加えられると、上部ヘッダーパイプ内において冷却液の液面が揺れることになり、この液面の揺れが上部ヘッダーパイプ内に開口している熱交換チューブ端面に直接に伝わり、各熱交換チューブへ冷却液を均一に分流することができなくなる。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、上部ヘッダーパイプの上部に冷却液タンクを設けることにより、冷媒液の補充を可能としつつ、冷媒液が異常な高圧になるを防止し、また液面の揺れの影響を無くして各熱交換チューブへ冷却液を均一に分流させることのできる熱交換器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明は、次のように構成したものである。

請求項１記載の発明に係る熱交換器は、上下に対峙する上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプの間に互いに平行な熱交換チューブを配設し、この熱交換チューブを経て上部ヘッダーパイプから下部ヘッダーパイプへ又はその逆に冷媒液が流れる熱交換器において、上部ヘッダーパイプの上部に、冷媒液を収容する冷媒液タンクを配設し、この冷媒液タンクと上部ヘッダーパイプとを各々に設けられた複数の連通穴により各々の連通穴が合致した状態で連通すると共に、上部ヘッダーパイプの上面及び冷媒液タンクの下面にそれぞれ形成された平坦面同士を接合し、上部ヘッダーパイプ内を冷媒液タンクからの冷媒液で満たすと共に、冷媒液タンク内の冷媒液の上方に空気層を残した構成とした、ことを特徴とする。

上記冷媒液タンクは補給分の冷媒液を蓄えて上部ヘッダーパイプの上部に位置しており、かつ複数の連通穴により上部ヘッダーパイプと連通しているので、仮に液冷システムのゴム配管等からの蒸発に起因して冷媒液が減少した場合、自動的にその分の補給が冷媒液タンクから上部ヘッダーパイプに対して行われる。

また、冷媒液タンクは、冷媒液の上方に空気層（空気溜まり）を備えているので、電子装置における温度変化により、液冷システムの冷媒液の膨張収縮や、熱交換器や配管の熱膨張収縮が生じても、空気層が弾性体として働き、これを吸収するので、冷媒液が異常な高圧になるのを回避することができる。

更に、冷媒液タンクは、上部ヘッダーパイプの上部に別体の冷媒液タンクとして配設され、上部ヘッダーパイプとは複数の連通穴により連通されている構成であるので、冷媒液の液面の揺れは冷媒液タンク内で吸収され、その液面の揺れが上部ヘッダーパイプ側に伝わらなくなる。従って、冷媒液タンクは、従来生じていた上部ヘッダーパイプ内の冷媒液の液面の揺れが熱交換チューブ端面に直接伝わる現象を緩和し、各熱交換チューブへ冷媒液を均一に分流させる働きをする。

更にまた、上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクの連結時において、互いの接合すべき面を正しく、かつ容易に設定することができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱交換器において、上記上部ヘッダーパイプ及び冷媒液タンクを角型にて形成したことを特徴とする。

このように構成することにより、上部ヘッダーパイプを角型にしたので、これにより冷媒液タンクとの接合面が平面となり、多少ずれたとしても接合面積は確保でき、接合の信頼性が増加することに加え、スペースを小さくすることができる。この場合、冷媒液タンクも角型に形成することにより、上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクを同様に作製することができる。

（１）請求項１記載の発明によれば、上部ヘッダーパイプの上部に冷媒液タンクを設けて複数の連通穴により連通し、タンク内冷媒液の上方に空気層（空気溜まり）を残した構成としたので、冷媒液タンクから上部ヘッダーパイプへの冷媒液の補充を可能としつつ、冷媒液が異常な高圧になるのを防止し、また液面の揺れの影響を無くして各熱交換チューブへ冷媒液を均一に分流させることができる。

（２）また、請求項１記載の発明によれば、上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクの連結時において、互いの接合すべき面を正しく、かつ容易に設定することができるので、上記（１）に加えて、更に上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクの接合を容易かつ強固にすることができる。

（３）請求項２記載の発明によれば、上部ヘッダーパイプを角型にすることにより、冷媒液タンクとの接合面が平面となるので、多少ずれたとしても接合面積は確保でき、上記（１），（２）に加えて、更に上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクとの接合の信頼性の向上を図ることができることに加え、スペースを小さくすることができる。また、上部ヘッダーパイプの他の平面に、例えば継手や取付部材等の付属部品を容易に取り付けることができる。

以下に、この発明に係る熱交換器の最良の実施形態例について詳細に説明する。

図１は、この発明に係る熱交換器の一例を示す斜視図（ａ）及び（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う拡大断面図（ｂ）、図２は、上記熱交換器の組み立て状態を示す概略斜視図、図３は、この発明における熱交換器本体の構成を示す斜視図（ａ）及びその要部拡大断面図（ｂ）である。

この実施形態例に係る熱交換器は、図１に示すように、冷媒液Ｌの流入口１１及び流出口１２を有する熱交換器本体１０と、その上部に固定された冷媒液タンク２０からなり、冷媒液タンク２０には内部に収容される冷媒液Ｌを封入する冷媒液封入口１３が設けられている。また、熱交換器本体１０を構成する上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０とは、後述する連通穴１５ａ，１５ｂを介して連通されており、上部ヘッダーパイプ２ａ内を冷媒液タンク２０からの冷媒液Ｌで満たすと共に、冷媒液タンク２０内の上方に空気層Ａを残した構造となっている。

熱交換器本体１０は、図３に示すように、上下に対峙する上部ヘッダーパイプ２ａ及び下部ヘッダーパイプ２ｂと、その両者間に配設された互いに平行な熱交換チューブ（扁平管からなる熱交換管）と、各熱交換チューブ３の間に介設されると共に、一体に接合される熱交換用フィン例えばコルゲートフィン４とで主に構成されている。

上記ヘッダーパイプ２ａ，２ｂは、内面及び外面にろう材１がクラッドされたアルミニウム製の円筒状電縫管を抽伸加工により角型すなわち断面矩形状の四角筒管にて形成されている。

なお、ヘッダーパイプ２ａ，２ｂは、内面又は外面のうちの少なくとも外面にろう材１がクラッドされたアルミニウム製の円筒状電縫管を抽伸加工する等により四角筒状に形成されていれば、断面は長方形あるいは正方形のいずれであってもよい。

上記ヘッダーパイプ２ａ，２ｂの両端部にはアルミニウム製のエンドキャップ５がろう付けにより被着固定されている。また上部ヘッダーパイプ２ａの例えば左側端部付近には冷媒液の流入口１１が設けられており、流入口１１にアルミニウム製の流入配管６がろう付けにより接合されている。また、上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４には、例えば２つの連通穴１５ａが設けられている。なお、連通穴１５ａは１つあるいは３つ以上であってもよい。また、下部ヘッダーパイプ２ｂの右側端部付近には、冷媒液の流出口１２が設けられており、流出口１２にアルミニウム製の流出配管７がろう付けにより接合されている。

また、熱交換チューブ３は、図３に示すように、アルミニウム製の押出型材にて例えば偏平な板状に形成されており、その内部には長手方向に向かって貫通する複数に区画された冷媒液の流路３ａが形成されている。このように形成される熱交換チューブ３の両端部は、両ヘッダーパイプ２ａ，２ｂ側面の対向する側に、適宜間隔をおいて互いに平行に配列される複数の挿着孔２ｃに挿入固着されている。

上記熱交換用フィンすなわちコルゲートフィン４は、図３（ａ）に示すように、アルミニウム製の板材を屈曲することにより連続波形状に形成されており、各熱交換チューブ３の間に介設されてろう付されている。この場合、左右端部に配設された熱交換チューブ３の外方側にもコルゲートフィン４がろう付接合されており、これらの両コルゲートフィン４を保護するために、両コルゲートフィン４の更に外方側にはサイドプレート８がろう付接合されている。

一方、上記冷媒液タンク２０は、上記ヘッダーパイプ２ａ，２ｂと同様に角型すなわち断面矩形形状の四角筒管にて形成されている。この冷媒液タンク２０は、例えばアルミニウム製の中空押出形材にて形成されており、両端部にはアルミニウム製のキャップ２０ａがろう付けにより被着固定されている。また、冷媒液タンク２０の一端側（図において右側）付近には冷媒液封入口１３が設けられている。また、冷媒液タンク２０の下面２１には、上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４に設けられた連通穴１５ａに連通する２つの連通穴１５ｂが設けられている。なお、ここでは、冷媒液タンク２０がアルミニウム製の中空押出形材にて形成される場合について説明したが、ヘッダーパイプ２ａ，２ｂと同様に円筒状電縫管を抽伸加工によって角型に形成してもよい。

次に、ヘッダーパイプ２ａ，２ｂの製造方法について、図４を参照して説明する。ここでは、外面側にろう材１がクラッドされたヘッダーパイプ２ａ，２ｂを作製する場合について説明する。

まず、外面側にろう材１がクラッドされたアルミニウム製の元材（ブレージングシート）を用意する。次に、このブレージングシートを電縫加工により円筒状電縫管４０（以下に丸管４０という）を作製する。この場合、丸管４０は、電縫加工により、円筒状に曲げられたブレージングシートの突き合わせ部が高周波誘導溶接によって接合されている。

次に、丸管４０を、抽伸加工によって四角筒状のヘッダーパイプ用の四角筒管４１（以下に角管４１という）を作製する。この場合、まず、一次抽伸加工を施して、次いで、二次抽伸加工を施して、所定寸法に成形する。このようにして作製された角管４１に熱交換チューブ３の挿着孔２ｃ（図３（ｂ）参照）が設けられ、この挿着孔２ｃに熱交換チューブ３が嵌挿される。

抽伸加工を施す抽伸加工装置は、例えば、図４に示すように、四角孔のベアリング３１を有するダイス３０と、ベアリング３１の内方にマンドレル３２を介して配置される断面四角形状のプラグ３３と、ベアリング３１とプラグ３３とで形成された型孔内を挿通して四角筒状に成形された角管４１の先端部を掴持するチャック３４を有するキャリッジ３５とを具備している。このように構成される抽伸加工装置によれば、ダイス３０と管（丸管４０，角管４１）の間、及びプラグ３３と管（丸管４０，角管４１）の間に加工油を供給すると共に、キャリッジ３５を引き抜き側に移動させて丸管４０を抽伸加工して角管４１を成形することができる。

なお、図４においては、一回の抽伸加工を施す装置について説明したが、一次抽伸加工と二次抽伸加工を行う場合は、一次抽伸加工により丸管から角管にし、更に角形状になった管を二次抽伸加工により精度の高い角管にする工程を分けて行うか、あるいは、一次抽伸加工用のダイス及びプラグ（丸→角）と二次抽伸加工用ダイス及びプラグを直列に並べて、一回の抽伸で一次抽伸加工と二次抽伸加工を同時に行う方法を採ることができる。

次に、上記熱交換器の組立手順について説明する。まず、上記のようにして作製された角管４１にて形成される上部ヘッダーパイプ２ａ及び下部ヘッダーパイプ２ｂに挿着孔２ｃ（図３（ｂ）参照）を設けた後、両ヘッダーパイプ２ａ，２ｂと、互いに平行に積層された熱交換チューブ３及びコルゲートフィン４とを組み付け、図示しない治具で固定する。その後又は組み付けの際に、上部ヘッダーパイプ２ａの平坦状の上面１４に設けられた連通穴１５ａと冷媒液タンク２０の平坦状の下面２１に設けられた連通穴１５ｂが合致するように、上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４に冷媒液タンク２０の下面を接合し、後述する固定手段によって上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０とを仮固定する。その際、角型のヘッダーパイプ２ａ，２ｂ及び冷媒液タンク２０の平坦面に、例えば継手や取付部材等の付属部品を平面同士で接合することが可能となる。そして、この状態で炉内に搬入して、加熱してろう付け処理を施して熱交換器を作製する。

なお、別の組立手順としては、上記のようにして作成された角管４１にて形成される上部ヘッダーパイプ２ａ及び下部ヘッダーパイプ２ｂに挿着孔２ｃを設けた後、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を、上述のとおり上部ヘッダーパイプ２ａの平坦状の上面１４に設けられた連通穴１５ａと冷媒液タンク２０の平坦状の下面２１に設けられた連通穴１５ｂが合致するように、上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４に冷媒液タンク２０の下面を接合し、後述する固定手段によって上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０とを予め仮固定する。次に、この冷媒タンク２０を仮固定した上部ヘッダーパイプ２ａと下部ヘッダーパイプ２ｂと、互いに平行に積層された熱交換チューブ３及びコルッゲートフィン４とを組み付け、図示しない治具で固定する。そして、この状態で炉内に搬入して、加熱してろう付け処理を施して熱交換器を作製する。

上記上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０とを仮固定する固定手段としては、以下のような手段を適宜採用することができる。すなわち、
（１）図５に示すように、針金２２を用いて上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０の両端部を結束することによって連結し固定する。

（２）図６に示すような略Ｕ字形の受け金具２３ａによって上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０の両側及び下部を包囲し、押さえ板２３ｂを受け金具２３ａの上端フランジ部に当接した状態で、締結ボルト２３ｃを締結してなる締結治具２３を用いて、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を連結し固定する。

（３）図７に示すように、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を重ね合わせた状態に保持し、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０のそれぞれの側方の開口２４，２５からスポット溶接機２７の電極２７ａを差し込み、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を重ね合わせた相対面（重合部）をスポット溶接２６にて連結し固定する。

（４）図８に示すように、外面から視認できる接合部２８を、ＴＩＧ溶接あるいはＭＩＧ溶接（溶接部２９）して連結し、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を外側から固定する。

（５）図９に示すように、冷媒液タンク２０の下面２１の連通穴１５ｂと上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４の連通穴１５ａを重ね合わせて一致させる。この際、図１０（ａ）に示すように、上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４の連通穴１５ａは、例えばバーリング加工によって周縁部が起立されており、この起立部が冷媒液タンク２０の連通穴１５ｂの上方へ突出しており、機械的にカシメすることで、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を連結し固定する。

（６）図９に示すように、冷媒液タンク２０の下面２１の連通穴１５ｂと上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４の連通穴１５ａを重ね合わせて一致させる。そして、一致させた連通穴１５ａ，１５ｂに、図１０（ｂ）に示すように、ハト目３７を挿入し、このハト目３７を機械的にカシメすることで、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０を連結し固定する。

＜変形例＞
上記実施形態では、冷媒液タンク２０に冷媒液封入口１３を設け、この冷媒液封入口１３から冷媒液Ｌを封入する場合について説明したが、図１１に示すように、下部ヘッダーパイプ２ｂに空気抜き口１６を設ける方が好ましい。このように、下部ヘッダーパイプ２ｂに空気抜き口１６を設けることにより、冷媒液Ｌを冷媒液タンク２０内に封入する際、冷媒液封入口１３及び空気抜き口１６を上方に位置させた状態にして、冷媒液封入口１３から冷媒液Ｌを供給すると、冷媒液封入口１３から供給された冷媒液Ｌが冷媒液タンク２０，上部ヘッダーパイプ２ａ，熱交換チューブ３及び下部ヘッダーパイプ２ｂ内に流れ込んで、内部の空気が空気抜き口１６から外気に排気され、熱交換器内に冷媒液Ｌが充満される。したがって、冷媒液タンク２０，上部ヘッダーパイプ２ａ，下部ヘッダーパイプ２ｂ及び熱交換チューブ３内に冷媒液Ｌを迅速に封入することができる。冷媒液Ｌを封入した後に、冷媒液封入口１３及び空気抜き口１６は図示しないキャップによって閉塞される。

なお、図１１において、その他の部分は図１に示した実施形態と同じであるので、同一部分には同一符号を付して、説明は省略する。

また、上記実施形態では、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０の双方を角型に形成したが、その理由は角型である方が同一スペースで内容量を大きくすることができること、言い換えれば、角型にすることによりヘッダーパイプ部分のスペースを小さくすることができることによる。しかし、上部ヘッダーパイプ２ａと冷媒液タンク２０は必ずしも角型である必要はなく、ろう付を確実かつ容易に行う観点からは、両部材の接合面であるところの上部ヘッダーパイプ２ａの上面１４と冷媒液タンク２０の下面２１が少なくとも平坦面であればよい。

この発明に係る熱交換器の一例を示す斜視図（ａ）及び（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う拡大断面図（ｂ）である。この発明に係る熱交換器の組立状態を示す概略斜視図である。この発明における熱交換器本体の構造を示す斜視図（ａ）及び要部拡大断面図（ｂ）である。この発明におけるヘッダーパイプを作製する抽伸加工装置の一例を示す概略断面図である。この発明における上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクを仮固定する固定手段の一形態を示す概略斜視図である。上記固定手段の別の形態を示す概略斜視図である。上記固定手段がスポット溶接である場合の概略斜視図である。上記固定手段がＴＩＧ溶接あるいはＭＩＧ溶接である場合の概略斜視図である。この発明における上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクを機械的にカシメする前の状態を示す概略斜視図である。この発明における上部ヘッダーパイプと冷媒液タンクを図９の連通穴を利用してカシメする構造を示したもので、（ａ）は冷媒液タンクの連通穴の起立縁を冷媒液タンクの連通穴に嵌挿してカシメにより連結する形態を示す断面図、（ｂ）はハト目により連結する形態を示す断面図である。この発明に係る熱交換器の別の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ろう材
２ａ上部ヘッダーパイプ
２ｂ下部ヘッダーパイプ
３熱交換チューブ
４コルゲートフィン
１０熱交換器本体
１１流入口
１２流出口
１３冷媒液封入口
１４上面（平坦面）
１５ａ，１５ｂ連通穴
１６空気抜き口
２０冷媒液タンク
２１下面（平坦面）
Ｌ冷媒液
Ａ空気層

Claims

上下に対峙する上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプの間に互いに平行な熱交換チューブを配設し、この熱交換チューブを経て上部ヘッダーパイプから下部ヘッダーパイプへ又はその逆に冷媒液が流れる熱交換器において、
上部ヘッダーパイプの上部に、上記冷媒液を収容する冷媒液タンクを配設し、この冷媒液タンクと上部ヘッダーパイプとを各々に設けられた複数の連通穴により各々の連通穴が合致した状態で連通すると共に、上部ヘッダーパイプの上面及び冷媒液タンクの下面にそれぞれ形成された平坦面同士を接合し、上部ヘッダーパイプ内を冷媒液タンクからの冷媒液で満たすと共に、冷媒液タンク内の冷媒液の上方に空気層を残した構成とした、ことを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器において、
上記上部ヘッダーパイプ及び冷媒液タンクが角型に形成されている、ことを特徴とする熱交換器。