JP4826867B2 - 熱交換器及びそれを用いた熱交換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体関連製造装置等において、流路を流れる冷却用熱媒体を温度調節するための温調装置等に用いられる熱交換器及びその熱交換器を用いた熱交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体関連製造装置等において冷却用熱媒体を温度調節する温調装置に用いられる熱交換装置としては、図１１に示すようにサーモモジュール４１を用いたものがある。
図１１に示す熱交換装置では、管路４４を流れる冷却用熱媒体と熱交換する熱容量の大きい吸熱側熱交換ブロック４２の表面に例えばペルチェ素子のようなサーモモジュール４１を密着固定し、該サーモモジュール４１の熱交換ブロック４２とは反対側に、放熱用熱媒体が流れる管路４５を有する放熱側熱交換ブロック４３を密着固し、該サーモモジュール４１を動作制御することにより、上記冷却用熱媒体を目標温度に温調している。
【０００３】
上記熱交換装置では、サーモモジュール４１の吸熱面側（すなわち、冷却面側）に吸熱側熱交換ブロック４２を配設し、サーモモジュール４１の放熱面側（すなわち、加熱面側）に放熱側熱交換ブロック４３を配設しているので、管路４４を流れる冷却用熱媒体は吸熱側熱交換ブロック４２を介してサーモモジュール４１により冷却されるとともに、冷却用熱媒体から放出された熱はサーモモジュール４１の放熱側に移動し、放熱側熱交換ブロック４３内の管路４５を流れる放熱用熱媒体に伝熱されることにより放熱される。
【０００４】
しかし、上記従来の熱交換装置では、サーモモジュール４１からの冷熱は吸熱側熱交換ブロック４２内の管路４４を介して管路４４を流れる冷却用熱媒体に伝熱され、サーモモジュール４１からの放熱は放熱側熱交換ブロック４３内の管路４５を介して管路４５を流れる放熱用熱媒体に伝熱されるため、各熱交換ブロックとその管路内を流れる熱媒体との間で十分に大きな伝熱面積をとることができず、熱交換効率が低いという問題があった。
【０００５】
また、従来の熱交換装置では、吸熱側熱交換ブロック４２内の管路４４や放熱側熱交換ブロック４３内の管路４５を介して管路内を流れる熱媒体に伝熱していたため、重量が大きくなると共に製作コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、軽量でコンパクトでありながら熱媒体への伝熱面積を大きくとることができ、熱交換効率がよく、しかも、製作コストが安い、熱交換器及びその熱交換器を用いた熱交換装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、熱源に接する金属シェルと、熱媒体が流れる迷路状の流路が内外に形成されると共に該金属シェルに内接させて収容された金属流路板とからなり、該熱媒体を上記流路に流入させるための流入穴と、該流路を通過した熱媒体を流出させるための流出穴とを備えた熱交換器において、前記金属流路板を構成する熱交換板は、金属板における２つの剪断面間を押し曲げ加工する際に、該金属板の厚さ方向の押し曲げ量を該金属板の厚さよりも大きくすることにより、上記剪断面上に、金属板の表裏間を上記流路方向に連通させる貫通孔を形成するための上面が平坦なアーチ状フィンの多数を凹設してなり、上記金属流路板は、熱交換板を、前記アーチ状フィンの平坦な上面同士がそれぞれ互いに当接するように重ね合わせることにより、前記迷路状の流路が内外に形成されていることを特徴としている。
【０００８】
上記熱交換器においては、上記金属シェルに上記流入穴及び流出穴を設けることができる。
また、上記熱交換器においては、上記金属シェルが、薄い金属板からなり、上記金属流路板を内接させてくるむと共に該薄い金属板の周縁同士をカーリング加工により結合して密閉したものであることが望ましい。
さらに、上記熱交換器においては、熱源が一面に吸熱面を、他面に放熱面をそれぞれ備えた板状のサーモモジュールである場合には、上記金属シェルの外面に該板状のサーモモジュールを密着させるための平坦面を形成することが望ましい。
【０００９】
本発明に係る上記熱交換器は、上記板状のサーモモジュールの吸熱面側に上記迷路状の流路を冷却用熱媒体が流れる吸熱側熱交換器とし、放熱面側に上記迷路状の流路を放熱用熱媒体が流れる放熱側熱交換器として、それぞれ密着させることにより、冷却用熱媒体を目標温度に温度調節する熱交換装置とすることができる。
【００１０】
【作用及び効果】
上記構成を有する本発明の熱交換器は、熱媒体が流れる迷路状の流路が内外に形成された金属流路板を、熱源に接する金属シェルに内接させて収容した構造を有しており、しかも、前記金属流路板は、金属板にその表裏を連通させるための貫通孔を与えるアーチ状フィンが多数凸設されてなる熱交換板を、前記アーチ状フィンの上面同士がそれぞれ互いに当接するように重ね合わせることにより、互いに連通した前記迷路状の流路が内外に形成されているので、熱交換器に流入した熱媒体は、アーチ状フィンにより面積が増加した金属流路板の流路表面に加えて、金属流路板の外流路においては、金属シェルの内面とも接触することとなるため、熱媒体と接触する面積すなわち伝熱面積を大きく確保することができるばかりでなく、熱交換器内の迷路状の流路を流れる熱媒体は、常に上記金属シェルの内面や金属流路板の流路表面と衝突を繰り返して混合・攪拌されるため、熱媒体と、金属シェル及び金属流路板の伝熱面との間で熱が効率よく、しかも万遍なく伝達される。したがって、本発明によれば、軽量でコンパクトでありながら大幅に伝熱効率すなわち熱交換効率が改善された熱交換器を提供することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、多数のアーチ状フィンを備えた熱交換板を、アーチ状フィンの上面同士がそれぞれ互いに当接するように重ね合わせるだけで、迷路状の流路が形成された金属流路板を得ることができ、しかも、その金属流路板を金属シェルでくるんでその周縁同士をカーリング加工により結合して密閉しているため、熱交換器を簡単、かつ安価に製造することがでる。
さらに、本発明に係る熱交換器に熱源として、一面に吸熱面を、他面に放熱面をそれぞれ備えた板状のサーモモジュールを密着させる場合、上記金属シェルの外面に当該板状のサーモモジュールと密着させるための平坦面を形成しているため、当該サーモモジュールの破損を防止することができる。
【００１２】
そして、請求項５に係る熱交換装置によれば、吸熱側熱交換器内を流れる冷却用熱媒体の熱は、サーモモジュールの動作制御により放熱側熱交換器に伝熱され、更に該放熱側熱交換器内を流れる放熱用熱媒体に放熱されることで、上記冷却用熱媒体を効率良く目標温度に温度調節することができ、軽量コンパクトかつ安価でありながら、大幅に熱交換効率が改善された熱交換装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図４には本発明の一実施例である熱交換器１が示されている。熱交換器１は、迷路状の流路が内外に形成された金属流路板３を、薄い金属板からなる金属シェル４の内面に当接させてくるんだ板状のもので、当該金属シェル４の外面に板状のサーモモジュール等の熱源を接触させることにより、上記流路を流れる熱媒体と上記熱源との間で熱交換を行わせる構造を有している。
【００１４】
上記金属流路板３は、略長方形の金属板からなる２枚の熱交換板２，２から構成され、該熱交換板２には、その表裏を連通させる貫通孔５ａを与えるアーチ状フィン５が多数凸設されており、それらアーチ状フィン５の上面５ｂ（図６，図７参照）同士をそれぞれ互いに当接させて上記２枚の熱交換板２，２を重ね合わせることにより、図２〜図４に示されるように、前記金属流路板３に、その内側を通る内流路３ａと外側を通る外流路３ｂとを上記貫通孔５ａで連通してなる迷路状の流路が形成されている。さらに、上記金属流路板３の内側には、その長手方向中心線ｍに沿って一端から他端へ向かってその途中まで延設された隔壁６が形成されており、図１の矢印で示されるＵ字状の流体経路に沿って、上記迷路状の流路が形成されている。
【００１５】
また上記金属シェル４は、略長方形の２枚の薄い金属板からなり、それぞれの内面側を上記金属流路板３の外面に当接させてくるむと共に上記２枚の薄い金属板の周縁同士を結合して密閉するものである。そのとき上記板状の熱交換器１の両面すなわち上記金属シェル４の外両面には、熱源としてサーモモジュール等の板状の熱源を密着させた際に当該板状の熱源を破損しないように、平坦面４ａが形成されている。そして、図１に示すように、金属シェル４を構成する一方の薄い金属板の長手方向の一端、すなわち上記金属流路板３に形成されたＵ字形の流体経路の始端に対応する位置には、熱媒体を熱交換器１に流入させるための流入穴７が、終端に対応する位置には、熱交換器１内の流路を通過した熱媒体を熱交換器１から流出させるための流出穴８がそれぞれ設けられている。
【００１６】
なお、上記金属流路板３を形成する熱交換板２としては、例えば銅、アルミニウムまたはステンレス鋼等が望ましく、金属シェル４を形成する薄い金属板としては、例えばステンレス鋼が望ましい。上記金属シェル４の密閉方法としては、上記薄い金属板の周縁同士を溶接、ロウ付けすることにより行うこともできるが、缶詰の縁のシール方法であるカーリング加工４ｂを用いると熱交換器１をより安価に製造することができる。更に本実施例では、２枚の熱交換板２，２を重ね合わせて金属流路板３を形成しているが、２枚に限らず複数枚であればよく、また、上記金属流路板に形成される流体経路はＵ字形に限られるものではなく適宜の形状の経路とすることができる。その際には当然その経路形状に応じて、金属流路板３の隔壁６の位置や、金属シェル４の流入穴７及び流出穴８の位置は見直される。また、本実施例においては流入穴７及び流出穴８が熱交換器１の同じ面に設けられているが、それぞれ別の面に分けて設けることも可能である。
【００１７】
図５〜図９には、上記金属流路板３を構成する熱交換板２の平面図及び断面図が示されいる。上記熱交換板２には、略長方形の金属板をプレス成形等することにより、その周縁部に該熱交換板２の内面側すなわち上記金属流路板３の内側方向に略垂直に折り曲げられた屈曲部２ａと、上記金属流路板３に隔壁６すなわちＵ字形の流体経路を形成する凸条６ａと、流路方向に貫通孔５ａを与える多数のアーチ状フィン５と、更に上記金属シェル４の流入穴７から流入する熱媒体を流路に導入する流入孔７ａ並びに流路を通過した熱媒体を金属シェル４の上記流出穴８へと導く流出孔８ａとが、それぞれ形成されている。そして、上記屈曲部２ａ、凸条６ａ及びアーチ状フィン５は、上記熱交換板２の内面側に同じ高さｈで形成されている。
【００１８】
上記凸条６ａは、図５に示すように、熱交換板２の長手方向中心線ｍに沿って、その内面側の左端から右端に向かってその途中まで延設されていると共にその上面６ｂは平坦になっている。上記流入孔７ａは図５の左上部すなわち流路の始端位置に、上記流出孔８ａは左下部すなわち流路の終端位置にそれぞれ上記凸条６ａを介して隣接して設けられている。上記アーチ状フィン５は、図６〜図９に示すように、熱交換板２を外面側から剪断及び押し曲げ加工することにより、当該熱交換板２の幅方向すなわち流路に直交する方向に台形状のアーチを形成したものであり、その上面５ｂは平坦になっている。また、上記剪断及び押し曲げ加工をする際に、熱交換板２の厚さ方向の押し曲げ量を熱交換板２の厚さよりも大きくすることにより、上記アーチ状フィン５の２つの剪断面上に、熱交換板２の内面側と外面側との間を流路方向に連通させる、すなわち上記金属流路板３の内流路３ａと外流路３ｂとを連通させる貫通孔５ａ，５ａが形成される。そして、このようなアーチ状フィン５が、前記熱交換板２の内面上に、上記Ｕ字形の流体経路に沿って流入孔７ａ近傍から流出孔８ａ近傍に至るまで流路幅方向に１列または２列交互に凸設されている。
【００１９】
なお、本実施例においては、流体経路がＵ字形であるため、隔壁６を形成する上記凸条６ａや流入孔７ａや流出孔８ａを上記のような位置に形成したが、経路形状に応じて適宜その位置を変更することが必要なのは言うまでもない。また本実施例においては、アーチ状フィン５の形状を台形状としたが、上面５ｂを平坦にすることができ、かつ上記剪断面上に上記貫通流路５ａを形成することができる形状であればいかなる形状であってもよい。
【００２０】
このような２枚の熱交換板２、２を、その内面側を対向せしめて重ね合わせ、上記屈曲部２ａの端面同士と、上記凸条６ａの平坦な上面６ｂ同士及び上記アーチ状フィン５の平坦な上面５ｂ同士をそれぞれ対向させて当接することにより、図１に示すようなＵ字形の流体経路と、図２〜図４に示すような断面の迷路状の流路が形成された金属流路板３を得ることができる。詳述すると、図２〜図４に示されるように、上記凸条６ａからなる隔壁６を挟んで両側に、流れ方向が互いに逆となる流路がそれぞれ形成され、Ａ−Ａ断面（図２）においては、２列設けられたアーチ状フィン５によって、上記金属流路板３の内側に形成され熱交換板２，２の内面のみで囲まれた３つの内流路３ａと、金属流路板３の外側に形成され該金属流路板３の外面と金属シェル４の内面とで囲まれた４つの外流路３ｂとからなる流路Ｘが与えられ、Ｂ−Ｂ断面（図３）においては、１列設けられたアーチ状フィン５によって、２つの内流路３ａと、２つの外流路３ｂとからなる流路Ｙが与えられ、Ｃ−Ｃ断面（図４）においては、１つの内流路３ａのみからなる流路Ｚが与えられる。そしてこれら流路Ｘ，流路Ｙ，流路Ｚが上記金属流路板３のＵ字形の流体経路に沿って上記流入孔７ａから上記流出孔８ａに至るまで繰り返し形成される共に、上記内流路３ａと上記外流路３ｂが互いに上記アーチ状フィン５によって与えられる貫通孔５ａによって連通されるため、上記金属流路板３に迷路状の流路が形成される。
【００２１】
上記のような金属流路板３及び金属シェル４から構成される熱交換器１において、上記金属シェル４の流入穴７から熱交換器１に流入した熱媒体は、経路形成板３の流入孔７ａを経て流路内に導入される。そしてまず、図４に示す上記流路Ｚへ流れ込み、次に、図２に示す流路Ｘにおいて熱媒体の一部は内流路３ａへ、他は上記貫通孔５ａを通って外流路３ｂへと分流される。そして流路Ｘにおいて分流された熱媒体は再び流路Ｚにて合流し、さらに図３に示す上記流路Ｙにおいて同様に熱媒体の一部は内流路３ａへ、他は上記貫通孔５ａを通って外流路３ｂへと分流される。以下、熱媒体は上記流路Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて分流及び合流を繰り返し、金属シェル４及び金属流路板３との間で熱の伝達を行いながら、上記Ｕ字形の流体経路に沿って熱交換器内１を通過し、上記金属流路板３の流出孔８ａを経て上記金属シェル４の流出穴８から熱交換器１の外へ流出する。
【００２２】
このように、熱交換器１内で熱媒体は、アーチ状フィン５により面積が増加した金属流路板３の流路表面に加えて、金属流路板３の外流路においては、金属シェル４の内面とも接触することとなるため、熱媒体と接触する面積すなわち伝熱面積を大きく確保することができるばかりでなく、熱交換器１内の迷路状の流路を流れる熱媒体は、常に上記金属シェル４の内面や金属流路板３の流路表面と衝突を繰り返して混合・攪拌されるため、熱媒体と、金属シェル及び金属流路板の伝熱面との間で熱が効率よく、しかも万遍なく伝達される。したがって、軽量でコンパクトでありながら大幅に伝熱効率すなわち熱交換効率が改善された熱交換器を提供することができる。
【００２３】
また、多数のアーチ状フィン５を備えた熱交換板２を、アーチ状フィン５の上面５ｂ同士がそれぞれ互いに当接するように重ね合わせるだけで、迷路状の流路が形成された金属流路板３を得ることができるため、熱交換器１を簡単、かつ安価に製造することがでる。
なお、前述のように金属流路板３を金属シェル４に当接させていることから両者の間での熱移動が滞りなく行われるのはもちろんである。
【００２４】
図１０は上記本発明に係る熱交換器１を用いた熱交換装置の一実施例を示すものである。
この熱交換装置９は上記熱交換器１の金属シェル４の外面に接触させる熱源として、例えばペルチェ素子のような一面に吸熱面（冷却面）を、他面に放熱面（加熱面）をそれぞれ備えた板状のサーモモジュール１０を採用し、その両面を上記金属シェル４の外面に形成された上記平坦面４ａで挟んで密着させた構造となっている。すなわち、サーモモジュール１０の吸熱面側に吸熱側熱交換器１ａを、放熱面側に放熱側熱交換器１ｂを配置し、両熱交換器でサーモモジュールを挟んでいる。
【００２５】
そして、上記吸熱側熱交換器内を流れる冷却用熱媒体の熱は、サーモモジュール１０の動作制御により放熱側熱交換器１ｂに伝熱され、更に該放熱側熱交換器１ｂ内を流れる放熱用熱媒体に放熱されることで、上記冷却用熱媒体が効率良く目標温度に温度調節される。
よって上記熱交換装置９によれば、上記本発明に係る熱交換器を用いているので、軽量コンパクトかつ制作コストも安価でありながら、大幅に熱交換効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器の一実施例を示す平面部分断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面拡大図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面拡大図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面拡大図である。
【図５】本発明に係る熱交換器の金属流路板を構成する金属製の熱交換板の具体的構成を示す平面図である。
【図６】図５のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】図５のＥ−Ｅ断面図である。
【図８】図５のＦ−Ｆ断面図である。
【図９】図５のＧ−Ｇ断面図である。
【図１０】本発明に係る熱交換器を用いた熱交換装置の一実施例を示す図である。
【図１１】（イ）及び（ロ）は従来の装置を示す図で、（イ）は（ロ）におけるＩ−Ｉ断面図、（ロ）は（イ）におけるＨ−Ｈ断面図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器
１ａ 吸熱側熱交換器
１ｂ 放熱側熱交換器
２ 熱交換板
３ 金属流路板
４ 金属シェル
４ａ 平坦面
４ｂ カーリング加工
５ アーチ状フィン
５ａ 貫通孔
５ｂ 上面
７ 流入穴
８ 流出穴
９ 熱交換装置
１０ サーモモジュール（熱源）

Claims (5)

1. 熱源に接する金属シェルと、熱媒体が流れる迷路状の流路が内外に形成されると共に該金属シェルに内接させて収容された金属流路板とからなり、該熱媒体を上記流路に流入させるための流入穴と、該流路を通過した熱媒体を流出させるための流出穴とを備えた熱交換器において、
   前記金属流路板を構成する熱交換板は、金属板における２つの剪断面間を押し曲げ加工する際に、該金属板の厚さ方向の押し曲げ量を該金属板の厚さよりも大きくすることにより、上記剪断面上に、金属板の表裏間を上記流路方向に連通させる貫通孔を形成するための上面が平坦なアーチ状フィンの多数を凹設してなり、
   上記金属流路板は、熱交換板を、前記アーチ状フィンの平坦な上面同士がそれぞれ互いに当接するように重ね合わせることにより、前記迷路状の流路が内外に形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器において、上記金属シェルに、前記流入穴及び流出穴をそれぞれ設けたことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または請求項２記載の熱交換器において、上記金属シェルは、薄い金属板からなり、上記金属流路板を内接させてくるむと共に該薄い金属板の周縁同士をカーリング加工により結合して密閉したものであることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器において、上記熱源が吸熱面と放熱面とを備えた板状のサーモモジュールであり、上記金属シェルの外面に該板状のサーモモジュールを密着させるための平坦面を形成したことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項４記載の熱交換器を、上記板状のサーモモジュールの吸熱面側に上記迷路状の流路を冷却用熱媒体が流れる吸熱側熱交換器として、放熱面側に上記迷路状の流路を放熱用熱媒体が流れる放熱側熱交換器として、それぞれ密着させ、該サーモモジュールの動作制御により前記冷却用熱媒体を目標温度に温度調節することを特徴とする熱交換装置。

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