JP6336342B2

JP6336342B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6336342B2
Application number: JP2014132549A
Authority: JP
Inventors: 山崎　丈嗣; 丈嗣山崎
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP2016012616A

Description

本発明は車両の半導体式電力変換器などの半導体素子を冷却するために利用される偏平型の熱交換器に関する。

従来から、腹面および背面を有する偏平なケーシングと、ケーシング内に形成された伝熱流体の流路と、ケーシングから外部に連通する伝熱流体の入口部および伝熱流体の出口部とを備えた偏平型の熱交換器が知られている。この熱交換器の腹面又は背面に半導体素子等の発熱体が載置され、発熱体から伝熱された熱を熱交換器内部に流通する伝熱流体により熱交換するものである。
このような偏平型の熱交換器は厚さが比較的薄いため、入口部や出口部において伝熱流体の急激な方向変化などにより乱流や渦流が発生し、流通抵抗が上昇し圧力損失が増加するという問題がある。

このような問題を解決する偏平型の熱交換器の例が特許文献１に開示されている。
特許文献１の熱交換器は腹面と背面を互いに接続する縁部付近の２箇所に傾斜面を設け、各傾斜面領域は伝熱流体の入口配管側または出口配管側に向かってその断面が次第に縮小し、縮小した先端から９０°異なる方向に伝熱流体の配管を接続する入口または出口の開口を設けている。

伝熱流体は入口から９０°方向転換して入口部の断面傾斜領域を通り、そこから伝熱流体の流路を経由し、反対側の出口部の断面縮小領域から９０°方向転換して出口に流出する。入口から流入し又は出口から流出する伝熱流体は傾斜面により渦流発生が低下して流通抵抗も少なくなるとされている。

特開２００９−２３１６７７号公報

しかし特許文献１のように、腹面や背面に傾斜面を形成すると構造が複雑になり、外部からの曲げ荷重による断面変形が生じやすくなり、加工の手間も増大するという問題がある。また伝熱流体の配管の接続も一方向に限定されるので設置条件の自由度も低下する。さらに伝熱流体が入口または出口部において９０°方向転換されるので、渦流や乱流の低下効果にも限界がある。
そこで本発明は、このような問題を解決した新しい偏平型の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、対向する一対のプレートにより形成された腹面および背面３を有する偏平なケーシング４と、
そのケーシング４内に形成された伝熱流体の平坦な流路９と、ケーシング４からその外部に連通する伝熱流体の入口部１１および伝熱流体の出口部１２とを備えた偏平型の熱交換器において、
前記流路９の内部に両面が前記平坦な流路に整合するインナーフィン８が配置され、伝熱面２は、腹面における突起の無い平坦な面を有し、
背面３または腹面から外面側に膨出されて入口部１１および出口部１２が形成されると共に、その入口部１１および出口部１２の膨出の高さは、前記平坦な流路９よりも高く形成されており、前記入口部１１に入口連通孔１１ａが、出口部１２に出口連通孔１２ａが筒状に形成され、
それらの連通孔１１ａ、１２ａの軸が伝熱面２の面直方向に対して傾斜しており、
入口連通孔１１ａおよび出口連通孔１２ａにそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管１３および伝熱流体の出口配管１４は、それぞれ配管本体１３ａ，１４ａとその端部に形成した筒状の接続部１３ｂ、１４ｂを有し、
それら接続部１３ｂ、１４ｂを前記入口連通孔１１ａまたは前記出口連通孔１２ａに接続した状態で、接続部１３ｂ、１４ｂの軸は配管本体１３ａ，１４ａの軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔１１ａまたは前記出口連通孔１２ａの軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して鋭角に傾斜していることを特徴とする熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）の軸は、前記伝熱面（２）の面直方向に対して３０°〜６０°の範囲で傾斜しており、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して３０°〜６０°の範囲で傾斜していることを特徴とする熱交換器である。

請求項４に記載の本発明は、請求項２に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）の軸は、前記伝熱面（２）の面直方向に対して４５°傾斜しており、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して４５°傾斜していることを特徴とする熱交換器である。

請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、
前記背面（３）は前記伝熱流体の流路（９）の周囲に形成された縁部（７）を有する皿状に形成され、
前記背面（３）における縁部（７）は、前記腹面の周囲に形成された縁部（５）と対向配置された状態で、前記腹面と背面（３）が互いに接続されていることを特徴とする熱交換器である。

請求項６に記載の本発明は、対向する一対のプレートにより形成された腹面および背面３を有する偏平なケーシング４と、
そのケーシング４内に形成された伝熱流体の平坦な流路９と、ケーシング４からその外部に連通する伝熱流体の入口部１１および伝熱流体の出口部１２とを備えた偏平型の熱交換器において、
前記流路９の内部に両面が前記平坦な流路に整合するインナーフィン８が配置され、
腹面から外面側に膨出されて入口部１１および出口部１２が形成されると共に、その入口部１１および出口部１２の膨出の高さは、前記平坦な流路９よりも高く形成されており、前記入口部１１に入口連通孔１１ａが、出口部１２に出口連通孔１２ａが筒状に形成され、
それらの連通孔１１ａ、１２ａの軸が伝熱面２の面直方向に対して傾斜しており、
背面３は、前記伝熱流体の流路９の周囲に形成された縁部７を有する皿状に形成され、
前記入口連通孔１１ａおよび出口連通孔１２ａにそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管１３および伝熱流体の出口配管１４は、それぞれ配管本体１３ａ，１４ａとその端部に形成した筒状の接続部１３ｂ、１４ｂを有し、
それら接続部１３ｂ、１４ｂを前記入口連通孔１１ａまたは前記出口連通孔１２ａに接続した状態で、接続部１３ｂ、１４ｂの軸は配管本体１３ａ，１４ａの軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔１１ａまたは前記出口連通孔１２ａの軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器である。

請求項１に記載された熱交換器は、伝熱面を有する腹面が突起の無い平坦な面で構成され、背面または腹面から傾斜した入口部と出口部を外面側に膨出させるだけなので、曲げによるケーシングの断面変形も少ない形態に形成でき、さらに構造が簡単化し、小さな加工度でよいのでコスト低減効果がある。

また、入口部と出口部の膨出高さが流路よりも高く形成され、さらに入口部に形成されている入口連通孔と、出口部に形成されている出口連通孔が傾斜して形成されているので、伝熱流体は入口側の配管本体から、その接続部に緩やかな方向変化で流入し、そこから入口部の傾斜領域を直線状に通過してケーシング内の伝熱流体の流路に流入し、さらにその流路から出口部の傾斜領域を通過して出口側の配管本体の接続部に直線状に流出し、そこからさらに緩やかな方向変化で出口側の配管本体に流出する。
そのため、伝熱流体の流入部分及び流出部分における渦流や乱流の発生を著しく低減でき、伝熱流体が実質的にスムーズに熱交換器に流入・流出するので、伝熱流体の流通抵抗（圧力損失）が著しく低減される。

さらに、配管本体はそこから軸が傾斜する接続部を介して入口部または出口部に接続されるので、接続する際にその接続部の周方向取付角度を変化させることにより、熱交換器から外部に向かう配管本体の延長方向（軸方向）を自由に設定することができる。
それにより、配管敷設範囲の立体寸法を小さくすることが可能となり、配管と外部機器との取り合いや熱交換器設置の位置や方向などの自由度も高まる。

請求項２に記載の熱交換器は、接続部の軸が配管本体の軸方向に対し鋭角に傾斜するように構成されている。
上記のように構成すると、入口配管や出口配管とそれらの接続部との傾斜角度（曲がり角度）を小さくできるため、接続部の形状を簡単化できる。特に配管本体と接続部を一体化して製造する場合は、配管本体の端部の曲げ加工度が小さくなるので、製造が容易になりコスト低下の効果も大きい。

請求項３に記載された熱交換器は、上記熱交換器における前記入口部および出口部の軸が、前記伝熱面の面直方向に対し３０°〜６０°の範囲で傾斜し、前記接続部の軸が前記配管本体の軸方向に対し３０°〜６０°の範囲で傾斜するように構成されている。
このように傾斜角度を設定すると、前記の配管本体の端部の曲げ加工度が小さくなるので、製造が確実に容易になり、コスト低下の効果も確実に大きくなる。

請求項４に記載の熱交換器は、入口部および出口部の軸が、伝熱面の面直方向に対し４５°傾斜し、接続部の軸が配管本体の軸方向に対し４５°傾斜する。
このように構成すると、配管本体を接続部で入口部または出口部に接続する際に、接続部の周方向取付角度を変化させることにより、配管本体の延長方向を伝熱面の面方向に対して平行や垂直に容易に設定することができる。

請求項５に記載の熱交換器は、背面を皿状に形成し且つそこに入口部および出口部を設けることにより、背面の成型加工性が向上し、内部に伝熱流体の流路を有するケーシングを容易に且つ正確に構成することができる。

請求項６に記載の熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器の他の実施例であり、腹面に入口部と出口部を外面側に膨出し、入口部と出口部の膨出高さが流路よりも高く形成され、さらに背面を構成するプレートを浅い皿状に形成したものである。その効果は、請求項１及び請求項５に準ずる。

本発明の熱交換器の実施例で、ケーシングを腹面と背面に分解した状態を示す斜視図。同熱交換器のII-II矢視断面図。同熱交換器の入口配管を伝熱面２の面直方向になるように接続した例を示す断面図。同熱交換器の入口部と出口部に対するそれぞれの配管本体の接続部の接続角度を変化させた例を説明する模式的斜視図。本発明の熱交換器の第２実施例を示す分解斜視図。本発明の熱交換器の他の例を示す分解斜視図。

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。
偏平型の熱交換器１は、図１に示す如く、腹面と背面３を有するケーシング４を備えている。この例の腹面と背面３は、アルミニウム、またはその合金からなる一対のプレートにより形成されている。
腹面を構成するプレートは平坦な方形状の面に形成され、その全周に沿って縁部５が形成され、縁部５（および面の一部）に複数の接続孔５ａが設けられている。
背面３を構成するプレートは、腹面の形状に適合する略方形状に形成された平面部６と、平面部６の全周に沿って垂直に突出する縁部７を有する皿状に形成され、縁部７に複数の接続孔７ａが設けられている。この例では、平面部６の外面側が熱交換器の背面３となる。
なお、本実施例では背面３側のプレートは、平面部６、縁部７と、後述する入口部１１、出口部１２が絞り加工により、入口部１１と出口部１２に形成される連通孔１１ａ、１２ａがバーリング加工により一体的に形成される。

〔背面３側のプレートの入口部１１と出口部１２の構造〕
背面３側のプレートにおける方形状の一方の両隅部に、入口部１１と出口部１２が対向して設けられる。出口部１２の構造は、入口部１１と同様に形成されることが望ましい。
背面３側のプレートは皿状に絞り加工する際に、前記平面部６から入口部１１と出口部１２が、平面部６の面を立ち上げるように膨出して一体的に形成される。その入口部１１の面には筒状で円環状の入口連通孔１１ａがバーリング加工により開口され、その孔１１ａの軸は平坦な伝熱面２の面直方向に対して傾斜される。この例の入口連通孔１１ａは、図２に示す如く、入口部１１の外側へ突出するように形成されているが、その内側へ凹陥するように形成することもできる。

ここで、φ１は、伝熱面２の面直方向に対する、連通孔１１ａ、１２ａの軸の傾斜角度である。また、φ２は、配管本体１３ａ、１４ａの軸方向に対する、接続部１３ｂ、１４ｂの軸の傾斜角度である。なお、鋭角とは、角度が、０°より大きく９０°より小さいことを意味する。
入口連通孔１１ａの軸の傾斜角度（φ１）は鋭角であり、好ましくは３０°〜６０°の範囲であり、本実施例では４５°に設定されている。入口連通孔１１ａと出口連通孔１２ａの軸の傾斜角度は、同一角度にすることが望ましいが、それぞれ異なる角度としてもよい。

〔配管の構成〕
伝熱流体の入口配管１３は、配管本体１３ａと筒状の接続部１３ｂにより構成され、出口配管１４も入口配管１３と同様に配管本体１４ａと筒状の接続部１４ｂにより構成される。接続部１３ｂ、１４ｂには、その端部近傍に半径方向外側に膨出するスプール１５が形成されている。
入口配管１３の接続部１３ｂの軸は、図２に示す如く、直線状の配管本体１３ａの軸方向から傾斜しており、その傾斜角度（φ２）は鋭角で、好ましくは３０°〜６０°、本実施例では４５°に設定されている。出口配管１４についても入口配管１３と同様に形成される。

〔各連通孔と配管との接続構造〕
図２の例で入口連通孔１１ａと入口配管１３との接続構造を説明する。
入口配管１３の接続部１３ｂの接続端部１６の外周が入口連通孔１１ａの内周に整合するように形成され、その接続端部１６が入口連通孔１１ａに挿通される。そして、入口連通孔１１ａの端面が、接続部１３ｂに設けられたスプール１５に当接して接続される。
図２では、入口連通孔１１ａの軸の傾斜角度（φ１）が４５°に設定されている。また、接続部１３ｂの軸の傾斜角度（φ２）は４５°に設定されている。
この入口連通孔１１ａの傾斜角度（φ１）と接続部１３ｂの軸の傾斜角度（φ２）をともに鋭角に設定したことにより、伝熱流体の熱交換器への出入りがスムーズになり、圧力損失が減少する。

入口配管１３はその入口連通孔１３ｂにおいて、取付角度を自由に変更することができる。例えば、図２の例では、配管本体１３ａの軸が熱交換器１の伝熱面２の面と平行になっているが、図３の例では、配管本体１３ａの軸は熱交換器１の伝熱面２の面に対して垂直となっている。
なお、出口配管１４の接続部１４ｂの接続角度も同様に変化させることができる。

また、図４の如く、伝熱面２を上側水平にした状態において、入口配管１３の配管本体１３ａの軸が水平方向に向くように接続部１３ｂの接続角度に設定し、出口配管１４の配管本体１４ａの軸が垂直下方向に向くように接続部１４ｂの接続角度を設定することもできる。
さらに図示しないが、伝熱面２を下側水平にした状態において、入口配管１３の配管本体１３ａの軸が水平方向に向くように接続部１３ｂの接続角度に設定し、出口配管１４の配管本体１４ａの軸が垂直上方向に向くように接続部１４ｂの接続角度を設定することもできる。
なお、入口配管１３と出口配管１４の軸の組み合わせはこれ以外に数多くの組み合わせで設定できることは言うまでもない。

このように構成した入口配管１３、出口配管１４を連通孔１１ａ、１２ａに取付けた背面３を有するプレートの平面部６にインナーフィン８が配置され、そのプレートの縁部７に整合するように伝熱面２を有したプレートの縁部５が被嵌される。
この状態で、高温の炉内で一体的にろう付けされて、内部に伝熱流体１０の流路９を有する熱交換器１を製造する。
ろう材は、予め、部材の表面層にクラッドしても、ろう付け作業直前に塗布してもよい。なお、ケーシング４以外を構成する各部材（配管、インナーフィン）は、通常、アルミニウムまたはその合金材料を加工して形成される。

このように形成された熱交換器１の伝熱面２の外面に発熱体１７が固定され、生じた熱をケーシング４の内部に流通する伝熱流体１０により冷却する。発熱体１７は縁部５、７に設けられた接続孔５a、７aを整合させ、図示しないビス等を介して接続される。ここで、発熱体１７は伝熱面２に載置されるだけでなく、平面部６の入口部１１、出口部１２以外を平坦な面に形成しておくことで、背面３にも載置することができる。

なお、この例では、各連通孔１１ａ、１２ａをバーリング加工により形成する例を示したが、筒状連通孔の形成方法はこれに限られるものではない。また、入口部１１および出口部１２は、絞り加工により形成することが望ましいが、これに限られない。
また、インナーフィン８は公知のものを使用できる。例えば、矩形波状のコルゲートフィン、ウェーブフィン、オフセットフィン、ヘリボーンフィン等が考えられる。
筒状の入口配管１３及び出口配管１４の断面は一般的には円形であるが、場合によっては方形であってもよい。その場合は、接続部１３ｂ、１４ｂの断面及び入口連通孔１１ａ、出口連通孔１２ａの断面も方形に形成される。

この例が実施例１と異なる点は、図５に示す如く、腹面に入口部１１および出口部１２を形成し、背面３を、縁部７を有する浅い皿状に形成した点のみであり、その作用効果については実施例１の熱交換器１と違いはない。

本発明の熱交換器は、車両の半導体式電力変換器などの半導体素子を冷却するために利用できるだけでなく、パネル型のヒーターとして対象物を加熱するためにも利用できる。
また、本願の技術的範囲は、熱交換器に対する配管の取付構造に特徴を有するものである。そのため、上記皿状プレートを用いる熱交換器に限らない。
例えば、図６に記載の如く、外周に枠部１８が一体に形成されたインナーフィン８が面一に形成されたプレートを有し、そのプレートが枠部１８で整合するように多数積層されるコアを有する熱交換器であって、そのコアの両端部に配置される上蓋（本願でいうところの腹面又は背面３）、底面（本願でいうところの背面３又は腹面）に本発明の配管の接続構造を適用することもできる。
また、図示しないが、ダイキャストにより製造される熱交換器の上蓋、底面等に本発明を適用する場合も含まれる。

１熱交換器
２伝熱面
３背面
４ケーシング
５縁部
５a 接続孔
６平面部

７縁部
７a 接続孔
８インナーフィン
９流路
１０伝熱流体
１１入口部
１１ａ入口連通孔
１２出口部
１２ａ出口連通孔
１３入口配管
１３ａ配管本体
１３ｂ接続部

１４出口配管
１４ａ配管本体
１４ｂ接続部
１５スプール
１６接続端部
１７発熱体
１８枠部

Claims

対向する一対のプレートにより形成された腹面および背面（３）を有する偏平なケーシング（４）と、
そのケーシング（４）内に形成された伝熱流体の平坦な流路（９）と、ケーシング（４）からその外部に連通する伝熱流体の入口部（１１）および伝熱流体の出口部（１２）とを備えた偏平型の熱交換器において、
前記流路（９）の内部に両面が前記平坦な流路に整合するインナーフィン（８）が配置され、伝熱面（２）は、腹面における突起の無い平坦な面を有し、
背面（３）または腹面から外面側に膨出されて入口部（１１）および出口部（１２）が形成されると共に、その入口部（１１）および出口部（１２）の膨出の高さは、前記平坦な流路（９）よりも高く形成されており、前記入口部（１１）に入口連通孔（１１ａ）が、出口部（１２）に出口連通孔（１２ａ）が筒状に形成され、
それらの連通孔（１１ａ）、（１２ａ）の軸が伝熱面（２）の面直方向に対して傾斜しており、
入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管（１３）および伝熱流体の出口配管（１４）は、それぞれ配管本体（１３ａ），（１４ａ）とその端部に形成した筒状の接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）を有し、
それら接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）を前記入口連通孔（１１ａ）または前記出口連通孔（１２ａ）に接続した状態で、接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔（１１ａ）または前記出口連通孔（１２ａ）の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して鋭角に傾斜していることを特徴とする熱交換器。
請求項２に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）の軸は、前記伝熱面（２）の面直方向に対して３０°〜６０°の範囲で傾斜しており、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して３０°〜６０°の範囲で傾斜していることを特徴とする熱交換器。
請求項２に記載の熱交換器において、
前記入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）の軸は、前記伝熱面（２）の面直方向に対して４５°傾斜しており、
前記接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は、配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向に対して４５°傾斜していることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、
前記背面（３）は前記伝熱流体の流路（９）の周囲に形成された縁部（７）を有する皿状に形成され、
前記背面（３）における縁部（７）は、前記腹面の周囲に形成された縁部（５）と対向配置された状態で、前記腹面と背面（３）が互いに接続されていることを特徴とする熱交換器。
対向する一対のプレートにより形成された腹面および背面（３）を有する偏平なケーシング（４）と、
そのケーシング（４）内に形成された伝熱流体の平坦な流路（９）と、ケーシング（４）からその外部に連通する伝熱流体の入口部（１１）および伝熱流体の出口部（１２）とを備えた偏平型の熱交換器において、
前記流路（９）の内部に両面が前記平坦な流路に整合するインナーフィン（８）が配置され、
腹面から外面側に膨出されて入口部（１１）および出口部（１２）が形成されると共に、その入口部（１１）および出口部（１２）の膨出の高さは、前記平坦な流路（９）よりも高く形成されており、前記入口部（１１）に入口連通孔（１１ａ）が、出口部（１２）に出口連通孔（１２ａ）が筒状に形成され、
それらの連通孔（１１ａ）、（１２ａ）の軸が伝熱面（２）の面直方向に対して傾斜しており、
背面（３）は、前記伝熱流体の流路（９）の周囲に形成された縁部（７）を有する皿状に形成され、
前記入口連通孔（１１ａ）および出口連通孔（１２ａ）にそれぞれ接続される伝熱流体の入口配管（１３）および伝熱流体の出口配管（１４）は、それぞれ配管本体（１３ａ），（１４ａ）とその端部に形成した筒状の接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）を有し、
それら接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）を前記入口連通孔（１１ａ）または前記出口連通孔（１２ａ）に接続した状態で、接続部（１３ｂ）、（１４ｂ）の軸は配管本体（１３ａ），（１４ａ）の軸方向から傾斜し、且つ前記入口連通孔（１１ａ）または前記出口連通孔（１２ａ）の軸に一致するように構成されていることを特徴とする熱交換器。