JP5420853B2 - 熱交換器の熱交換部ユニット - Google Patents

Description

本発明は熱交換器の主要部である熱交換部ユニットに関するものであり、特に高温流体の流路と低温流体の流路とが交互かつ平行状に並んだ熱交換部ユニットに関するものである。

この種の熱交換部ユニットでは、多くの場合コルゲートを四角筒状のケース内に挿入固定し、一定姿勢においてコルゲートの山部内を高温流体の流路（第１の流体流路）とし、コルゲートの谷部内を低温流体の流路（第２の流体流路）として、それぞれ使用するものが多い。
しかし、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）の薄板は、波数が多ければ多いほどコルゲート成形するのが難しくなるため、最近はコルゲートに代えて、以下説明するように多数の袋状のヒートシンクを用いた熱交換部ユニットが提案されている（特許文献１）。

前記熱交換部ユニットは、各一つの第１及び第３のヒートシンクと、多数の第２のヒートシンクと、薄板金をほぼコ字状断面に形成したカバーと、薄板金をほぼ櫛状に形成した一対のガイドとから構成されている。
第１のヒートシンクは、二枚の薄板金の一方を袋状に曲げ加工し、他方の薄板金の一辺へ鍔部を曲げ加工し、両方の薄板金を圧接ないし溶着して開口部の長さ方向に沿う一辺へ前記鍔部を有するように全体を袋状に形成している。

各第２のヒートシンクは、二枚の薄板金の一方を袋状に曲げ加工するとともに、その開口側一辺へ鍔部を曲げ加工し、他方の薄板金の一辺へ鍔部を曲げ加工し、両方の薄板金を圧接ないし溶着して開口部の長さ方向に沿う両辺へ前記鍔部を有するように全体を袋状に形成している。
第３のヒートシンクは、二枚の薄板金の一方を袋状に曲げ加工するとともに、その開口側一辺へ鍔部を曲げ加工し、両薄板金を圧接ないし溶接して開口部の長さ方向に沿う一辺へ鍔部を有するように全体を袋状に形成している。

そして、前記断面コ字状のカバー内へ、第１のヒートシンクをその鍔部が左側へ位置しない状態で左端に配置し、第３のヒートシンクをその鍔部が右側へ位置しない状態で右端に配置し、第１のヒートシンクと第３のヒートシンクとの間に第２のヒートシンクを平行に多数配置して、断面が矩形状となるように組み合せ、前記ガイドにて各ヒートシンクを保持，固定している。
隣合うヒートシンクは、前記組み合せ状態において相互の対応する鍔部が互いに重なった状態となるように固定されて熱交換部ユニットを構成している。
前記熱交換部ユニットは、各ヒートシンク内を一端部から他端部方向へ流体が流れるように高温流体の流路が形成され、隣合うヒートシンク相互の間を他端部から一端部方向へ流体が流れるように低温流体の流路が形成される状態で熱交換器内へ組み込まれる。

前記熱交換部ユニットは、前記のように構成されているから、二種の流体の流路が多くても円滑に加工することができるが、各ヒートシンクがそれぞれ二枚の薄板金から構成されており、各ヒートシンクを製造するとき二枚の薄板金を接合するので製造コストが嵩む問題があった。
また、各薄板金を加工するため少なくとも四種のプレス金型が必要（第１ヒートシンクの一方の薄板金加工用、第１，第２ヒートシンクの他方の薄板金加工用、第２，第３ヒートシンクの一方の薄板金加工用、及び第３ヒートシンクの他方の薄板金加工用）で、この点も製造コストアップの要因であった。
さらに、各ヒートシンクを前記カバー内へ保持，固定するために、前記櫛状のガイドにより保持させるので、ヒートシンク相互の接合部の密着性が悪く熱交換効率を低下させていた。
特開平１１−１４５６６０号公報

本発明の課題は、熱交換器における熱交換部ユニットの製造コストの改善にあり、その目的は、より廉価に製造することができ、かつより効率よく熱交換することができる熱交換部ユニットを提供することにある。

本発明に係る熱交換器の熱交換部ユニットは、前記課題を達成するため、
断面が深いＵ字状を呈し開口側両側部に長さ方向に沿って鍔部が一体に形成され、長さ方向両端部が封止されており、一枚のアルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）の薄板からなる多数の袋状要素と、前記各袋状要素の長さ以内の距離を置いて導入孔と排出孔を形成したアルミ合金等のベース板と、を具備し、前記各袋状要素は、前記導入孔と排出孔とにまたがって伏せられた状態で平行し、かつ隣合う袋状要素相互の対応するフラットな鍔部が互いに重なった状態で前記ベース板の一面に溶融されて接合され、前記ベース板の導入孔から各袋状要素の内部を経て前記ベース板の排出孔へ通じる経路が第１の流体流路を構成し、前記各袋状要素相互間が第２の流体流路を構成し、
前記各袋状要素を構成する薄板は皮材が袋状要素の内側に面する状態であり、隣合う袋状要素の重なり合う鍔部相互の中のベース板と接する鍔部の外縁部は、当該鍔部へ重なる隣の袋状要素の鍔部側開口縁から内側方向に突入する、
ことを特徴としている。

本発明に係る熱交換器の熱交換部ユニットによれば、各袋状要素は一枚のアルミ合金等の薄板により構成されているので、袋状要素を加工するための接合部がはるかに少ないほか必要な金型の種類もより少ないので、より低コストで製造することができる。

図１〜図１３を参照しながら、本発明に係る熱交換部ユニットの最良の実施形態を説明する。
図１はベース板上のカバーを取り除いた状態の熱交換部ユニットの部分破断平面図、図２はカバーを取り付けた状態で図１の矢印Ｂ−Ｂ線に沿って切断した部分拡大断面図、図３はカバーを取り付けた状態で図１の矢印Ａ−Ａ線に沿って切断した部分拡大断面図である。
熱交換部ユニットａは、多数の袋状要素１とそれらの袋状要素１が平行に取り付けられたベース板２とから構成されている。
各袋状要素１は、断面が深いＵ字状を呈し開口側両側部に長さ方向に沿って鍔部１０，１１が一体に形成され、長さ方向両端部が封止されており、一枚のアルミ合金等の薄板から構成されている。

アルミ合金等からなる平面視方形のベース板２の両端寄り部分には、袋状要素１の長さ（図１の上下方向に沿う量）以内の距離を置いて流体（この実施形態では空気）の導入孔２０と排出孔２１とが形成されている。
各袋状要素１は、前記導入孔２０と排出孔２１とにまたがって伏せられた状態で平行し、かつ隣合う袋状要素１相互の対応する鍔部１０，１１が互いに重なった状態で前記ベース板２の上面へろう付け接合されている。
このように構成された熱交換部ユニットａは、図２のように全部の袋状要素１を断面コ字状のカバーで覆って熱交換器４を構成した状態では、ベース板２の導入孔２０から各袋状要素１の内部を経て前記ベース板１の排出孔２１へ通じる経路が第１の流体流路ｂとなり、前記各袋状要素１相互の空間が第２の流体流路ｃとなるように構成してある。

この実施形態では、ベース板２の導入孔２０と排出孔２１の両端寄り部分の孔縁へ、材料の板を切り起こして各袋状要素１内へ適合する板幅の櫛歯状の突起２２を形成し、各袋状要素１の開口側の一部が対応する各突起２２と堅く嵌合されている。
なお、この実施形態では袋状要素１をベース板２へろう付け接合しているが、ろう付けは高温（例えば６００℃）下で行われるため、製品について種々の制約が発生するので、製品である熱交換器の仕様上ろう付けが適さない場合には、接着接合，熱圧着接合，シール剤接合又はかしめ等の他の接合手段を用いることができる。

各袋状要素１の加工要領の一例を以下説明する。
心材（母材、３００３合金、厚み０．４５ｍｍ）の裏面に皮材（ろう材、４０４５合金、厚み５０μｍ）をクラッドした板厚０．５ｍｍ程度のブレージングシートを用い、例えば図４で示すような平面形状のブランク１ａを打抜く。皮材は図４のブランク１ａの裏面に位置している。

図４において、上下方向はブランク１ａの幅を示し左右方向はその長さを示している。
ブランク１ａの長さ方向に沿う両側には、両端部を所定範囲で除く位置に、鍔部形成片１０ａと当該鍔部形成片１０ａよりも幅の狭い（１０ａの幅よりもブレージングシートの板厚の倍程度幅が狭い）鍔部形成片１１ａが形成されており、長さ方向の鍔部形成片１０ａ，１１ａを除く両端部には全幅にわたって封止部形成片１２ａ，１２ａが形成されている。また、各封止部形成片１２ａ，１２ａへ連続するように、一方の側部に寄せてブランク１ａの幅の半分よりもやや小さい長さの折り返し部形成片１３ａがそれぞれ形成されている。

次の工程では、図４のブランク１ａの鍔部形成片１０ａ，１１ａを、図５及び図６で示すように９０度に直立させるべくプレス加工し、次いで、折り返し部形成片１３ａを含む各封止部形成片１２ａを、ブランク１ａの裏面方向へややへの字状に均一に曲がるようにプレスにより曲げ加工する（図７）。
次いで、図７のブランク１ａを、その幅方向中央部よりも僅かに（ブレージングシートの板厚分程度）鍔部形成片１１ａ側寄りの部分から全体としてＵ字状となるようにプレスにより曲げ加工する（図８及び図９）。このときブランク１ａは、一方の鍔部１０よりも他方の鍔部１１が板厚分程度Ｕ字折り曲げ部方向へ浮上した状態で袋状に曲げ加工される（図８）。また、両端部の封止部形成片１２ａは図９のように一半部が合掌状に重なった封止部１２となる。

この状態から、図１０で示すように、図９の重なった封止部１２，１２へ被さるように各折り返し部形成片１３ａを曲げ加工して折り返し部１３を形成し、両端の封止部１２，１２が維持されるように構成するとともに、袋状要素１が展開方向へ変形しないようにその形態を維持させるように構成する。
この実施形態のようにブレージングシートを用いた場合、各袋状要素１の皮材は当該袋状要素１の内側に面している。

袋状形態が維持されるように加工された袋状要素１の開口側の部分を、図１及び図２で示すようにベース板２の導入孔２０と排出孔２１の端部寄り孔縁に形成された各突起２２と嵌合してそれらを各突起２２へ保持させる。
この状態では、図２及び図３で示すように、各袋状要素１の幅の広い各鍔部１０がベース板２へ接し、当該鍔部１０の上には、幅が狭く各袋状要素１相互の間隔を保つスペーサの作用も負担する隣接の幅の狭い鍔部１１が重なっている。
また、幅の広い一方の鍔部１０の外縁部１４は、当該鍔部１０へ重なる隣の袋状要素１の鍔部１１側開口縁から内側方向へやや突入した状態となっている。

以上のように、ベース板２の上に多数の袋状要素１が一定の間隔でかつ平行に保持された熱交換部ユニットａを、例えば炉中ろう付け法でろう付け処理することにより完成させる。
このろう付け処理により、各袋状要素１は、前記導入孔２０と排出孔２１とにまたがって伏せられた状態で平行し、かつ隣合う袋状要素１相互の対応する鍔部１０，１１が互いに重なった状態でベース板２の一面へろう付け接合される。同時に、各袋状要素１の両端の封止部１２はろう付けによって隙間なく完全に密着する。

以上のように構成された熱交換部ユニットａのベース板２へ、全部の袋状要素１が覆われるようにほぼコ字状断面のカバー４が取り付けられた熱交換器４は、例えば図１１のように密閉筐体５内へ設置される。
図１１において、密閉筐体５の内部は隔壁５２により機器の収容空間５０と熱交換器の収容空間５１とに区分されており、機器の収容空間５０には電子機器６が収容され、他の収容空間５１には図２の熱交換器４が収容されている。

隔壁５２には、熱交換器４における熱交換部ユニットａ（図１〜図３）の排気孔２１へ通じる吸気口５２ａと、熱交換部ユニットａの導入孔２０へ通じる排気口５２ｂとが形成され、収容空間５０内において吸気口５２ａの近傍と排気口５２ｂの近傍にはそれぞれのファンユニット５４，５５が設置されている。
熱交換器の収容空間５１の外壁５３には、外気の導入口５３ａと排出口５３ｂとが形成され、当該収容空間５１内には排出口５３ｂの近傍にファンユニット５６が設置されている。

図１１の密閉筐体５において、電子機器６は作動により熱を発生して収容空間５０内の温度が上昇するが、各ファンユニット５４，５５，５６の作動により、収容空間５０内の加熱された高温の空気は、収容空間５０，排気口５２ｂ，熱交換器４内における熱交換部ユニットａの第１の流体流路ｂ（図１）を各矢印イのように循環する。
一方筐体１の外部における低温の空気は、導入口５３ａ，熱交換部ユニットａの第２の流体流路ｃを各矢印ロのように連続的に経由して排出口５３ｂより排出される。
そして、前記のように循環する高温の空気は、熱交換部ユニットａの第１の流体流路ｂを通過する過程で第２の流体流路ｃを逆方向に流れる低温外気と熱交換されて冷却されるから、収容空間５０内の温度のさらなる加熱が抑制され、電子機器の６の発熱も抑制される。

前記実施形態の熱交換部ユニットａによれば、要素１を加工するための接合部が少ないほか必要な金型の種類もより少なくて済むので、より低コストで製造することができる。
ベース板２と各袋状要素１及び隣合う袋状要素１の重なり合う鍔部１０，１１相互はろう付け接合され、それら相互間の隙間は溶融したろう材によって潰されるので、部品相互間の密着性に優れていて熱交換効率を低下させない。

各袋状要素１の両端部の薄板部分が重なった封止部１２，１２は、当該部分へ被さるように折り返された折り返し部１３により押えられているので、袋状要素１が展開方向へ変形しないようにその形態を維持させることができる。

接合の前において、前記のように袋状形態が維持されるように加工された袋状要素１の開口側の部分を、ベース板２の導入孔２０と排出孔２１の端部寄り孔縁に形成された各突起２２と嵌合してそれらを各突起２２へ保持させているので、各袋状要素１のベース板２への固定状態がより強固である。
ろう付け接合の前において、幅の広い一方の鍔部１０の外縁部１４は、当該鍔部１０へ重なる隣の袋状要素１の鍔部１１側開口縁から内側方向へやや突入した状態となっているので、袋状要素１の内面を形成するろう材はろう付け時に溶融状態で流下し、当該ろう材が鍔部１０の外縁部１４の上面を伝って当該鍔部１０とその上に重なっている隣の袋状要素１の鍔部１１との間に円滑に入り込むため、当該部分の密着性が一層高められる。

その他の実施形態
各袋状要素１を加工する前のブランク１ａは、同じ形状で同じ寸法であるのが加工費軽減のために望ましい。
しかし、製造コストの若干の増大が許容される場合には、例えば図１２で示すように、開口側両側部に幅の広い鍔部１０，１０を有する袋状要素１と、開口側両側部に前記鍔部１０よりも幅の狭い（材料の板厚のほぼ倍程度狭い）鍔部１１，１１を有する袋状要素１とをベース板２上へ交互に配置し、幅の広い鍔部１０の上に隣の袋状要素１における幅の狭い鍔部１１を重ね、この状態で接合処理を施しても実施することができる。

隣合う袋状要素１相互の対応する鍔部１０，１１が互いに重なった状態でベース板２の一面へ接着接合又はシール剤接合する場合には、あらかじめ袋状要素１やベース板２の所要部分へ接着剤やシール剤を塗布しておき、両者を順次接着しながらユニットの組立を行う。
袋状要素１の両端部における封止部１２は折り返し部１３を形成せず、例えば図１３（ｄ）図で示すように封止部１２を伸ばして接着その他の手段により接合したり、あるいは、（ｅ）図で示すように封止部１２へアルミ合金板等のＵ字状の封止カバー１５を接合して封止しても実施することができる。

袋状要素１やベース板２が特に耐食性を要請される場合には、これらの部材にアルマイト処理を施すかあるいは防食塗装を施し、例えば両者を接着や熱圧着その他のろう付け以外の手段により接合することができる。
隣合う袋状要素１の鍔部１０，１１相互を、例えば図１４で示すように巻き締め状部１６に形成してベース板２へ接合すると、この部分の機密性が高まるので好ましい。

本発明において、第１及び第２の流体流路を通過する流体は前記実施形態のように気体の場合のほか、気体である場合にも実施することができる。
この場合、熱交換器４の全体において第１の流路と第２の流路は密閉循環系となる。

本発明に係る熱交換部ユニットの一形態を示す部分破断平面図である。 図１の熱交換部ユニットへカバーを取り付けた状態で図１の矢印Ｂ−Ｂ線に沿って切断した部分拡大断面図である。 図１の熱交換部ユニットへカバーを取り付けた状態で図１の矢印Ａ−Ａ線に沿って切断した部分拡大断面図である。 図１の熱交換部ユニットにおける袋状要素のブランク（展開状態）の一部省略平面図である。 図４のブランクの鍔部形成片を直立するように曲げ加工したブランクの一部省略平面図である。 図５のブランクを手前側から見た一部省略側面図である。 図５及び図６のブランクの各封止部形成片をろう材面側へ曲げ加工した状態の一部省略側面図である。 図７のブランクを長さ方向に沿って断面Ｕ字状に曲げ加工した袋状要素の半製品の縦断面図である。 図８の半製品の一部省略底面図である。 図９の半製品の両端部の折り返し部形成片を折り返し曲げ加工して折り返し部を形成した袋状要素の部分拡大底面図である。 図１の実施形態の熱交換部ユニットを使用して構成した熱交換器を組み込んだ密閉筐体の概略断面図である。 本発明に係る熱交換部ユニットの他の実施形態を示す部分拡大断面図である。 本発明に係る熱交換部ユニットのさらに他の実施形態を示すもので、（ｄ）（ｅ）図はそれぞれ異なる形態を示す部分破断平面図である。 本発明に係る熱交換部ユニットのさらに他の実施形態を示す部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１ 袋状要素
１０，１１ 鍔部
１２ 封止部
１３ 折り返し部
１４ 一方の鍔部の外縁部
１ａ ブランク
１０ａ，１１ａ 鍔部形成片
１２ａ 封止部形成片
１３ａ 折り返し部平成片
２ ベース板
２０ 導入孔
２１ 排出孔
２２ 突起
３ カバー
４ 熱交換器
５密閉筐体
ａ 熱交換部ユニット
ｂ 第１の流体流路
ｃ 第２の流体流路

Claims (4)

1. 断面が深いＵ字状を呈し開口側両側部に長さ方向に沿って鍔部が一体に形成され、長さ方向両端部が封止されており、一枚のアルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）の薄板からなる多数の袋状要素と、前記各袋状要素の長さ以内の距離を置いて導入孔と排出孔を形成したアルミ合金等のベース板と、を具備し、
   前記各袋状要素は、前記導入孔と排出孔とにまたがって伏せられた状態で平行し、かつ隣合う袋状要素相互の対応するフラットな鍔部が互いに重なった状態で前記ベース板の一面に溶融されて接合され、
   前記ベース板の導入孔から各袋状要素の内部を経て前記ベース板の排出孔へ通じる経路が第１の流体流路を構成し、前記各袋状要素相互間が第２の流体流路を構成し、
   前記各袋状要素を構成する薄板は皮材が袋状要素の内側に面する状態であり、
   隣合う袋状要素の重なり合う鍔部相互の中のベース板と接する鍔部の外縁部は、当該鍔部へ重なる隣の袋状要素の鍔部側開口縁から内側方向に突入する、
   ことを特徴とする熱交換器の熱交換部ユニット。
2. 隣合う各袋状要素相互において、一つの袋状要素における一方側の鍔部上には当該一方側に隣接する袋状要素の鍔部が重なり、当該一つの袋状要素における他方側の鍔部は当該他方側に隣接する袋状要素の鍔部上に重なっている、請求項１に記載の熱交換器の熱交換部ユニット。
3. 各袋状要素の長さ方向両端部では当該部分の薄板相互が重ねられ、当該重ね部には当該部分における薄板の端部の一方が折り返し状に被さるように重ねられて接合されている、請求項１又は２の何れかに記載の熱交換器の熱交換部ユニット。
4. 前記各袋状要素は、開口側の一部が前記ベース板へ櫛歯状に切り起こされた突起と嵌合されている、請求項１〜３の何れかに記載の熱交換器の熱交換部ユニット。

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