JP4992808B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、平行に並べられた複数のフィンによって流路が形成され、その流路に冷媒を流すことによって発熱体からの熱を放散させる熱交換器の製造方法に関し、特に、冷媒の流れる流路を平板のベースに複数の平行なフィンを突設して形成した複数のフィン部材によって構成した熱交換器の製造方法に関する。

ハイブリッド自動車等には、モータを駆動するインバータに半導体素子が用いられており、それを冷却する水冷式の熱交換器が採用されている。半導体素子を搭載するインバータは、より高出力が求められる一方で小型化軽量化の要求が厳しくなってきているため、放熱効果に優れた熱交換器が求められている。下記特許文献１には、冷却性能を向上させた従来の熱交換器が記載されている。図１０は、同文献に記載された熱交換器の断面を示した平面図である。

熱交換器１００は、供給ポート１０２と排出ポート１０３が形成されたケース１０１内に冷媒の流路が複数のフィン１１１によって形成されている。特に、冷媒の流れる直線方向に３分割された第１、第２、第３フィン群２０１，２０２，２０３によって構成されている。各フィン群２０１〜２０３は、いずれも横方向に複数のフィン１１１が平行に配置され、各フィン群２０１〜２０３の間には、距離をとった合流部１０５，１０６が形成されている。

そして、この熱交換器１００では、供給ポート１０２から排出ポートへ流れる冷媒がフィン１１１による直線流路を流れ、合流部１０５，１０６で混ざり合って流量配分を均一にしながら、更に下流へと分岐して流れる。ところで、フィンによって構成される流路が直線であると、冷媒の流れが層流になってしまい、フィンを伝わった熱が放散され難く、冷却性能が上がらない結果となる。そこで、例えば下記特許文献２に示されているもののようにして、フィン群２０１〜２０３のフィン１１１を冷媒の流れる方向の前後位置でオフセットさせ、下流側でフィンに衝突させるようにして冷媒の流れを攪拌させることが考えられる。
特開２００７−３３５５８８号公報 特開２００６−０８０２２６号公報

ところで、近年、半導体素子が小型化していることから発熱密度が増大し、インバータなどに使用される熱交換器に対して冷却性能の向上が求められている。そのため、フィンをオフセットさせる構造は、熱交換器の冷却能力を向上させる点で好ましい。
しかし、オフセット構造は、フィンを交互にずらして形成しなければならないため加工が複雑になり、熱交換器の加工コストを上げてしまう問題がある。また、従来の冷却フィンは、鋳造などによってオフセットしたフィン部材を形成していたが、フィンの微細加工が困難なため冷却性能の向上が望めなかった。また、鋳造などの製品では加工コストがかかり、熱交換器自身のコストが高くなってしまう。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、フィンによって流路の構成された熱交換器を安価に提供する熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、一定幅の短冊状の平板からなるベースに対し、同一形状の複数のフィンが長手方向に一列に並んで平行に突設され、当該ベースの幅方向の両端部にはフィンが存在しないスリット部が形成されたフィン部材を複数形成し、冷媒の流れるフレーム内に、前記複数のフィン部材をベース同士が幅方向に突き当てるように並べて熱交換器を構成するものであって、前記フィン部材の形成は、平板状のロングベースに複数のロングフィンを突設した長尺なロングフィン部材を押出成形によって形成する押出成形工程と、当該押出成形直後のロングフィン部材を、当該押出し方向と直交するように配置された板状の上型によって前記ロングフィンを所定幅で切断するフィン切断工程と、前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて前記ロングベースを前記スリット部を残すようにして切断するベース切断工程とを有することこと、前記フィン部材は、ベースの長手方向両端部における前記フィンからの突き出し量が非対称に形成され、当該複数のフィン部材の少なくとも一部を前記フレーム内に交互に向きを逆転させて配置すること、を特徴とする。

また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、前記フィン切断工程とベース切断工程とを２工程で行うものであって、前記押出成形直後のロングフィン部材に対して前記ロングフィンをプレスすることにより、前記ロングベースを残して前記ロングフィンのみを所定幅毎に分離するフィン切断工程と、前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて、前記ロングベースを前記スリット部を残すようにして切断するベース切断工程とを有すること特徴とする。
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、前記フィン切断工程とベース切断工程とを一の切断工程で行うものであって、前記押出成形されたロングフィン部材の押出し方向と直交するように配置され、下端に前記ロングベースを切断するための幅を狭くした凸部が形成された板状の上型を使用し、前記押出成形直後のロングフィン部材を、当該上型を前記ロングベースの下面に当接する下型に向けて押圧させることにより前記ロングフィンとロングベースを切断するようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、前記切断されたベースの長手方向の寸法が、前記フレームの内部断面の寸法に合わせて形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、前記フィン切断工程とベース切断工程とを２工程で行うものであって、前記押出成形直後のロングフィン部材に対して前記ロングフィンをプレスすることにより、前記ロングベースを残して前記ロングフィンのみを所定幅毎に分断するフィン切断工程と、前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて、前記ロングベースを前記スリット部が残るようにして切断するベース切断工程とを有すること特徴とする。
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、前記フィン切断工程とベース切断工程とを一の切断工程で行うものであって、前記押出成形されたロングフィン部材の押出し方向と直交するように配置され、下端に前記ロングベースを切断するための幅を狭くした凸部が形成された板状の上型を使用し、前記押出成形直後のロングフィン部材を、当該上型を前記ロングベースの下面に当接する下型に向けて押圧させることにより前記ロングフィンとロングベースを切断するようにしたことを特徴とする。

よって、本発明によれば、押出成形直後の材料が柔らかい段階でロングフィンを切断してスリットを形成するため、プレス加工のために再加熱するような工程を経ることのない連続した工程によって加工時間の短縮が可能になる。そして、ロングベースを切断する単純な作業によってフィン部材を形成することができるため、フィン部材の加工コスト削減によって熱交換器を安価に提供することが可能になる。また、凸部を有する上型を使用し、押出成形直後のロングフィン部材からフィンの切断と同時にスリット部を形成してフィン部材を得ることで、更に加工時間の短縮によって加工コストを削減し、熱交換器を安価することが可能になる。

（第１実施形態）
次に、本発明に係る熱交換器の製造方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、製造対象となる熱交換器の実施形態を示した斜視図である。
この熱交換器１は、フレーム２内に複数のフィン部材１０が組み込まれ、フィン部材１０を構成する複数のフィン１１によって冷媒を流す複数の流路が形成されたものである。熱交換器１の本体をなすフレーム２は、例えば矢印Ｑで示す方向から冷媒が流し込まれるものであり、その流入側開口部２ａから排出側開口部２ｂへと図面Ｙ方向に貫通した筒形状をしたものである。そして、その冷媒の流れる方向と直交するフレーム２の横断面は、図面Ｘ方向に長い矩形の扁平形状で形成されている。

なお、図示した熱交換器１では、フレーム２に流入側開口部２ａと排出側開口部２ｂが大きく開口して形成されたものが示されているが、使用時には閉じた状態でそれぞれが不図示の冷媒供給管または冷媒排出管に接続される。そして、冷媒供給管には、冷媒を熱交換器１に対して一定の圧力で送り込む供給ポンプが接続され、冷媒排出管には、熱交換器１から排出された冷媒を回収するタンクが接続される。

熱交換器１は、フレーム２内に複数のフィン部材１０が並べられて流路が構成されている。ここで、図２は、熱交換器１を図１の下方から示した断面図であり、図３は、フィン部材１０示した斜視図である。
フィン部材１０は、長方形状の平板からなるベース１２上に複数のフィン１１が突設して形成されている。複数のフィン１１は、ベース１２に対して直交して形成され、隣り合うもの同士が一定の間隔を空けて平行に配置されている。

ベース１２は、その長手方向の両端に位置するフィン１１から端部１２ａ，１２ｂが突き出しており、その突き出し長さｍ，ｎは端部１２ａの方が長くなるように形成されている（ｍ＞ｎ）。一方、ベース１２の短辺方向の寸法は、フィン１１よりも大きく形成され、両端に寸法Ｓの幅でスリット部１２ｃ，１２ｃが形成されている。そして、ベース１２の下面からフィン１１先端までの高さ寸法及び、ベース１２の長さ寸法は、フレーム２の内部断面の寸法（図１のＺ，Ｘ寸法）に合わせて形成されており、図１及び図２に示すようにフレーム２内にフィン部材１０が挿入して組み込まれている。

ここで、図４（ａ）は、図２のＡ−Ａ矢視のフィン部材１０ａを示した側面図であり、図４（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ矢視のフィン部材１０ｂを示した側面図である。熱交換器１は、こうしたフィン部材１０ａ，１０ｂが交互に配置され、冷媒の流れる流路が構成されている。すなわち、フィン部材１０ａとフィン部材１０ｂのそれぞれのフィン１１による流路が交互に繰り返され、フィン部材１０ａとフィン部材１０ｂとの間で流路が変わる毎に、冷媒がオフセットされたフィン１１に衝突するようになっている。なお、フィン部材１０ａ，１０ｂは、全て図３に示すフィン部材１０であって図示するように向きを逆転して配置しているに過ぎない。

フレーム２内に組み込まれたフィン部材１０ａ，１０ｂは、図２に示すようにベース１２が隣り合うもの同士突き当てられるようにして配置されている。このとき、ベース１２のスリット部１２ｃ，１２ｃ（図３）によって、フィン部材１０ａ，１０ｂ間ではフィン１１が離れ、冷媒の流れに直交する横方向のスリット１３が形成される。これは、スリット１３を介して冷媒が流れることで、オフセットした下流側のフィン１１によって冷媒の流れがせき止められないようにするためである。

続いて、熱交換器１の流路を構成するフィン部材１０の製造方法について説明する。図５はロングフィンを切断するフィン切断工程を示した概念図である。
フィン部材１０は、熱伝達率の良いアルミが材料として使用され、融解した材料が複数のフィン１１やベース１２を形成する成形型から押し出され、例えば数ｍの長さのロングフィン部材１０Ｌが形成される。このように、先ず長尺のロングフィン部材１０Ｌが形成され、その後に一定の幅に切断されたフィン部材１０が形成される。

ロングフィン部材１０Ｌは、押出成形直後にそのまま図５に示すプレス装置に搬送され、フィン切断工程が実行される。ロングフィン部材１０Ｌは、ロングベース１２Ｌに対してロングフィン１１Ｌが起立した状態で図示するように押出し方向Ｆへと搬送される。押出成形された成形直後のロングフィン部材１０Ｌは、材料がある程度熱をもった柔らかい状態であり、それに対してロングフィン１１Ｌのみの切断が行われる。切断を行うプレス装置５０は、ロングベース１２Ｌを下方で支える不図示の下型と、押出し方向Ｆに直交して配置され、下型に向けて下ろされる板状の上型５１とが設けられている。

このプレス装置５０は、上型５１が一定の厚みをもった平板であって下端が平らに形成されている。そして、上型５１の押圧力によってフィン１１が座屈したり倒れてしまわないように、上型５１を挟んで一対のフィン抑え治具５３，５３が設けられている。フィン抑え治具５３，５３は、複数あるフィン１１の間に入り込むように板状の支持突起５５が複数形成されている。

フィン部材１０の製造工程では、先ず押出し成形によってロングフィン部材１０Ｌが形成され、それが押出し方向Ｆへ搬送される。そして、その先に設けられたプレス装置５０などによってフィン部材１０がつくられる。搬送されたロングフィン部材１０Ｌは、先ずロングフィン１１Ｌの切断が行われる。一旦停止したロングフィン部材１０Ｌに対し、そのロングフィン１１Ｌ同士の隙間にフィン抑え治具５３，５３の支持突起５５が挿入され、１枚毎にロングフィン１１Ｌが両面側から支えられるようになる。そして、その状態で上型５１が下降し、ロングフィン１１Ｌが垂直に押し付けられ、材料が図示するように切断される。このときロングベース１２Ｌはそのまま残されている。従って、長尺なロングベース１２Ｌ上には、スリット１３Ｘで分割されたフィン部材１０となるフィン１１が幾つも形成される。

次に、ロングフィン部材１０Ｌは不図示のベース切断工程へと送られ、ロングベース１２Ｌが切断される。ここで、ベース切断工程を実行する装置については図示しないが、搬送されたロングフィン部材１０Ｌは、搬送方向Ｆ（図５）と直交する方向に移動するカッタによってロングベース１２Ｌが切断され、フィン部材１０が切り出される。その際、カッタがスリット１３Ｘの中央を進んでロングベース１２Ｌを切断し、得られたフィン部材１０には図３に示すように幅ｓのスリット部１２ｃが残される。

こうして形成されたフィン部材１０は、図４に示すように向きを逆転させたフィン部材１０ａ，１０ｂとして、図１及び図２に示すように交互にフレーム２内に挿入される。隣り合うフィン部材１０ａ，１０ｂは、ベース１２が互いに突き当てられるように配置され、不図示の留め具などによってフレーム２と一体になって熱交換器１が形成される。そして、熱交換器１には、図６に示すようにフレーム２に熱拡散のためのヒートスプレッダ６が貼り付けられ、その上に発熱体である複数の半導体素子７が並べられて貼り付けられる。

よって、インバータなどに使用される半導体素子７が発熱すると、その熱はヒートスプレッダ６に伝わって拡散され、更にフレーム２から内部に設置されたフィン部材１０のフィン１１へと伝えられる。フレーム２内には流入側開口部２ａから冷媒が供給され、反対の排出側開口部２ｂへと流れている。従って、フィン１１に伝えられた熱は、そのフィン１１に接しながら流れる冷媒に熱が奪われる。冷媒は、フィン１１同士の隙間を流路として流れるが、本実施形態では、進行方向に交互に配置されたフィン部材１０ａ，１０ｂに衝突する。そのため、常に冷媒が攪拌された状態で流れ、熱を奪った冷媒が効率良く下流へと流れるようになった。そして、フィン１１がオフセットした熱交換器１を全て同一形状のフィン部材１０によって構成したため、部品点数を減らしてコストを抑えることが可能になった。

一方、熱交換器１の製造方法では、押出成形直後のロングフィン部材１０Ｌに対し、プレス装置５０によってロングフィン１１Ｌを切断してスリット１３Ｘを形成し、その後、スリット部１２ｃを残すようにロングベース１２Ｌをカッタで切断するという簡単な工程でフィン部材１０が形成される。従って、鋳造などに比べて短時間に大量のフィン部材１０を生産することができるようになった。特に、押出成形直後の材料が柔らかい段階でスリット１３Ｘを形成するため、プレス加工のために再加熱するような工程を経ることのない連続した工程によって加工時間の短縮が可能になった。それ故、フィン部材１０の加工コストを下げることができ、更には熱交換器１を安価に提供することが可能になった。

また、フィン部材１０にはスリット部１２ａが必要であるが、当初はロングフィン部材１０Ｌを直接切断し、図７に示すように、先ずショートフィン部材１０ｘを作成していた。そして、後工程のフライス加工などによって、ベース１２ｘの幅方向両端部に位置するフィン１１ｘを削り取ってスリット部を形成していた。しかし、こうした切削を要する製造方法では、加工が煩雑になるとともに切削に時間を要するため、フィン部材１０の加工コストが高くなり、熱交換器１自体も高価なものになってしまう。その点、本実施形態では、プレスによるスリット１３Ｘの形成と、その後の切断工程とによってスリット部１２ａが形成できるので、加工が単純になり、加工時間を大幅に短縮させることが可能になる。

（第２実施形態）
続いて、熱交換器１の製造方法について第２実施形態を説明する。特に、熱交換器１の流路を構成するフィン部材１０の製造方法について説明する。図８はフィン部材の加工工程を示した概念図である。そして、図９は、加工工程の各段階を概念的に示した側面図である。本実施形態でも押出成形が行われ、フィン部材１０の材料となるアルミなどが溶解され、成形型から押し出されて図８に示すようなロングフィン部材１０Ｌが形成される。そして、本実施形態では、そのロングフィン部材１０Ｌから次の一工程でフィン部材１０が形成される。

そのロングフィン部材１０Ｌは、ロングベース１２Ｌを下にしてロングフィン１１Ｌが起立した状態で図示するように押出し方向Ｆへと搬送される。成形直後のロングフィン部材１０Ｌは、材料がある程度熱をもった柔らかい状態であり、本実施形態ではその状態でロングフィン１１Ｌとロングベース１２Ｌとが同時に切断される。そのためのプレス装置６０は、ベース１２を下方で支える不図示の下型と、押出し方向Ｆに直交して配置され、下型に向けて打ち下ろされる板状の上型６１とが設けられている。

プレス装置６０は、上型６１を下型に向けて打ち下ろすことによって、ロングフィン１１とロングベース１２Ｌとをそれぞれ異なる幅で切断するようにしたものである。上型６１は、平板であって、その下端には図９（ａ）に示すように、凸部６１ａが形成されている。この凸部６１ａは、上型６１の平板本体に対し、左右それぞれに幅ｓの段差が形成されているが、この段差が図３に示すフィン部材１０のスリット部１２ｃになる。また、プレス装置６０には、上型６１の押圧力によってフィン１１が座屈したり倒れてしまわないように、上型６１を挟んで一対のフィン抑え治具６３，６３が設けられている。フィン抑え治具６３，６３は、複数あるフィン１１の間に入り込むように板状の支持突起６５が複数形成されている。

そこで、フィン部材１０の製造工程では、先ず押出し成形によってロングフィン部材１０Ｌが形成され、それが押出し方向Ｆへと搬送される。そして、その先に設けられたプレス装置６０によってフィン部材１０が形成される。搬送されたロングフィン１０Ｌは、所定の間隔で停止し、その位置で図９に示す加工が行われる。停止したロングフィン部材１０Ｌに対しては、ロングフィン１１Ｌ同士の隙間にフィン抑え治具６３，６３の支持突起６５が挿入され、１枚毎にロングフィン１１Ｌが両面側から支えられる。

そして、上型６１がロングフィン１１Ｌに対して垂直に押し付けられ、更に下端の凸部６１ａがロングベース１２Ｌの下面に当接する不図示の下型に向けて押圧され、それによって図９（ｂ）に示すようにロングベース１２Ｌが凸部６１ａの幅で切断される。その後、上型６１が上昇し、図９（ｃ）に示すように、ロングフィン部材１０Ｌから切断されたフィン部材１０が得られる。こうして、ロングベース１２Ｌに対してプレス装置６０によってフィン部材１０がつくられ、それが第１実施形態で示したようにフレーム２内に組み込まれて熱交換器１の流路を構成する。

よって、本実施形態に係る熱交換器１の製造方法では、押出成形直後のロングフィン部材１０Ｌに対し、プレス装置６０による一度のプレス加工でフィン部材１０を得ることができる。つまり、凸部６１ａを有する上型６１によって、スリット部１２ｃの形成をロングフィン１１Ｘの切断と同時に行うことが可能になった。そのため、第１実施形態よりも加工工程を更に減らし、それによって加工時間の短縮が可能になった。そして、そのことによってフィン部材１０の加工コストを下げることができ、更には熱交換器１を安価に提供することが可能になる。

以上、本発明に係る熱交換器の製造方法についての一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

熱交換器の一実施形態を示した斜視図である。 実施形態の熱交換器を図１の下方から示した断面図である。 実施形態の熱交換器を構成するフィン部材を示した斜視図である。 フィン部材を図２のＡ−Ａ矢視で示した側面図（ａ）と、図２のＢ−Ｂ矢視で示した側面図（ｂ）である。 第１実施形態におけるフィン切断工程を示した概念図である。 本実施形態の使用状態を示した斜視図である。 実施形態以外の方法でロングフィン部材を切断した被切断部材を示した斜視図である。 第２実施形態における切断工程を示した概念図である。 第２実施形態における切断工程の各段階を概念的に示した側面図である。 従来の熱交換器を示した平面の断面である。

符号の説明

１ 熱交換器
２ フレーム
１０（１０ａ，１０ｂ） フィン部材
１１ フィン
１２ ベース
１３ スリット
５０ プレス装置
５１ 上型
５３ フィン抑え治具
１２ｃ スリット部
１０Ｌ ロングフィン部材
１１Ｌ ロングフィン
１２Ｌ ロングベース
１３Ｘ スリット

Claims (6)

1. 一定幅の短冊状の平板からなるベースに対し、同一形状の複数のフィンがベースの長手方向に一列に並んで平行に突設され、当該ベースの幅方向の両端部にはフィンが存在しないスリット部が形成されたフィン部材を複数形成し、
   冷媒の流れるフレーム内に、前記複数のフィン部材をベース同士が幅方向に突き当たるように並べて熱交換器を構成する熱交換器の製造方法であって、
   前記フィン部材の形成は、
   平板状のロングベースに複数のロングフィンを突設した長尺なロングフィン部材を押出成形によって形成する押出成形工程と、
   当該押出成形直後のロングフィン部材を、当該押出し方向と直交するように配置された板状の上型によって前記ロングフィンを所定幅で切断して、前記フィンを形成するフィン切断工程と、
   前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて前記ロングベースを前記スリット部が残るようにして切断するベース切断工程と
   を有すること、
   前記フィン部材は、ベースの長手方向両端部における前記フィンからの突き出し量が非対称に形成され、
   当該複数のフィン部材の少なくとも一部を前記フレーム内に交互に向きを逆転させて配置すること、
   を特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 請求項１に記載する熱交換器の製造方法において、
   前記フィン切断工程とベース切断工程とを２工程で行うものであって、
   前記押出成形直後のロングフィン部材に対して前記ロングフィンをプレスすることにより、前記ロングベースを残して前記ロングフィンのみを所定幅毎に分断するフィン切断工程と、
   前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて、前記ロングベースを前記スリット部が残るようにして切断するベース切断工程と
   を有すること特徴とする熱交換器の製造方法。
3. 請求項１に記載する熱交換器の製造方法において、
   前記フィン切断工程とベース切断工程とを一の切断工程で行うものであって、
   前記押出成形されたロングフィン部材の押出し方向と直交するように配置され、下端に前記ロングベースを切断するための幅を狭くした凸部が形成された板状の上型を使用し、
   前記押出成形直後のロングフィン部材を、当該上型を前記ロングベースの下面に当接する下型に向けて押圧させることにより前記ロングフィンとロングベースを切断するようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
4. 請求項１に記載する熱交換器の製造方法において、
   前記切断されたベースの長手方向の寸法が、前記フレームの内部断面の寸法に合わせて形成されていることを特徴とする熱交換器の製造方法。
5. 請求項４に記載する熱交換器の製造方法において、
   前記フィン切断工程とベース切断工程とを２工程で行うものであって、
   前記押出成形直後のロングフィン部材に対して前記ロングフィンをプレスすることにより、前記ロングベースを残して前記ロングフィンのみを所定幅毎に分断するフィン切断工程と、
   前記フィン切断工程によって形成された前記ロングフィンの切断部分にて、前記ロングベースを前記スリット部が残るようにして切断するベース切断工程と
   を有すること特徴とする熱交換器の製造方法。
6. 請求項４に記載する熱交換器の製造方法において、
   前記フィン切断工程とベース切断工程とを一の切断工程で行うものであって、
   前記押出成形されたロングフィン部材の押出し方向と直交するように配置され、下端に前記ロングベースを切断するための幅を狭くした凸部が形成された板状の上型を使用し、
   前記押出成形直後のロングフィン部材を、当該上型を前記ロングベースの下面に当接する下型に向けて押圧させることにより前記ロングフィンとロングベースを切断するようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。

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