JP6802811B2 - プレート積層型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明はインバータなどの電子機器を冷却する冷却器等に利用できるプレート積層型熱交換器に関する。

従来からインバータ等の電子機器の冷却器に利用できるプレート積層型熱交換器（ソリッドクーラ）として、流通路を有するインナープレートを積層し、それを平板形状の天板プレートおよびカップ形状の底板プレートで包み込んだカッププレート型構造や、それをともに平板形状の天板プレートおよび底板プレートで挟み込んだ完全積層型構造が知られている。
これらプレート積層型熱交換器では、熱交換器全体を一体的にろう付けして製造することが一般的であるが、ろう付けに際しては、インナープレートやカッププレート等を位置決めした状態で積層し仮固定する必要がある。仮固定の方法としては、積層体の外周部を溶接することや、専用の固定治具を用いる方法が知られているが、外周部を溶接することは製造工程がかなり複雑化し、完成品にも溶接跡が残るという問題があり、また専用の固定治具を用いる場合は、その分、費用が増加するという問題がある。
特許文献１にはプレート積層型熱交換器の製造方法が開示されている。特許文献１の方法では、冷媒流路以外の穴を別途形成したプレートを複数積層し、その穴に仮固定用の管、例えば溝付きスプリングピン等の管を挿入することにより各プレートを互いに仮固定し、その状態でろう付け等を行っている。

特許第３０２６３１５号公報

特許文献１の方法では、溝付きスプリングピン等の高価な部品が必要になり、そのような部品とプレートとが別体部品なので、部品点数が多くなる。従ってそれに応じて製造コストが高くなり、製造操作性も低下するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決する新しいプレート積層型熱交換器を提供するもので、次のように構成される。
本発明の第１の発明は、天板プレート２、底板プレート３および複数のインナープレート４を備えたプレート積層型熱交換器において、
前記天板プレート２、底板プレート３および複数のインナープレート４の少なくとも１枚に曲げ起こされた爪部１０が形成され、該爪部１０が形成されたプレート以外のプレートに切欠部１１が形成され、前記爪部１０と切欠部１１が嵌合された状態で各プレートが互いに積層固定されており、
前記爪部１０は一対の側面１２，１３と端部１４を有する方形状とされ、前記切欠部１１は一対の側面１６，１７と底面１８を有する方形状とされ、爪部１０の両側面は切欠部１１の両側面にそれぞれ当接しており、爪部１０の曲げ方向の面１９が切欠部１１の底面１８から離間していることを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の発明は、上記第１の発明において、前記爪部１０が形成されたプレートは、複数のインナープレート４における最上層および最下層を除く中間層に配置されていることを特徴とする（請求項２）。

第１の発明は、天板プレート２、底板プレート３および複数のインナープレート４の少なくとも１枚に曲げ起こされた爪部が形成され、該爪部が形成されたプレート以外のプレートに切欠部が形成され、前記爪部と切欠部が嵌合された状態で各プレートが互いに積層固定されていることを特徴とする。
このように構成されたプレート積層型の熱交換器は、構造の複雑化やコストアップを抑制した簡素な構造を有する。その製造過程においては、高価な部品を使用する必要がないので、部品点数の増加も抑制され、且つ簡便、安価な方法で積層されたプレートを仮固定することが可能となる。
また、この発明は、前記爪部が一対の側面と端部を有する方形状とされ、前記切欠部が一対の側面と底面を有する方形状とされ、爪部の両側面は切欠部の両側面にそれぞれ当接しており、爪部の曲げ方向の面は切欠部の底面から離間していることを特徴とする。
このように構成すると、製造に際して爪部の曲げ起こされた部分、すなわち爪部の折れ曲がっている角部が仮に多少湾曲しているような場合、あるいは製造誤差などにより曲げ起こされた角度に多少のばらつきが発生した場合でも、嵌合に際してその角部部分へのプレートの乗り上げが防止される。そして爪部は切欠部の底面と干渉することがないので、より確実、高精度に仮固定することができる。その結果、得られた熱交換器はより高精度のものとなる。

第２の発明は、爪部が形成されたプレートを複数のインナープレートにおける最上層お
よび最下層を除く中間層に配置することを特徴とする。
このように構成すると、製造に際して、互いに切欠位置の異なるプレートをその中間層の上下に配置することが可能になる。これにより、流路仕様の異なる２種類のインナープレートを誤配置することなく前記中間層の上下に組み合わせ、仮固定することが可能になる。

図１は本発明のプレート積層型熱交換器の第１実施形態における仮固定の際の各部材の分解斜視図。
図２は図１のプレート積層型熱交換器を仮固定した状態を示す斜視図。
図３は本発明のプレート積層型熱交換器の第２実施形態における仮固定の際の各部材の分解斜視図。
図４は図３のプレート積層型熱交換器を仮固定した状態を示す斜視図。
図５は図３に示すプレート積層型熱交換器におけるインナープレートの周縁部に形成した爪部と切欠部を示す斜視図。
図６は図５のＶＩ部に示されている爪部と切欠部の嵌合工程を示す斜視図。
図７は本発明のプレート積層型熱交換器の第３の実施形態における仮固定の際の各インナープレートの分解斜視図（Ａ）、および仮固定した後のインナープレートの斜視図（Ｂ）。
図８は本発明のプレート積層型熱交換器の第４の実施形態における仮固定の際の各インナープレートの分解斜視図（Ａ）、および（Ａ）のＢ部分を示す拡大斜視図（Ｂ）。
図９は本発明のプレート積層型熱交換器の第５の実施形態における仮固定の際の各インナープレートの分解斜視図（Ａ）、（Ａ）のＢ部分を示す拡大斜視図（Ｂ）、および（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視の部分拡大断面図（Ｃ）。

図１はプレート積層型熱交換器の第１実施形態であり、仮固定する際の各部材が分解斜視図として示されている。熱交換器１は完全積層型構造を有し、天板プレート２、底板プレート３および熱交換部となる複数のインナープレート４を備えている。
各プレートの材質は、アルミニウム（合金を含む）やステンレス等の金属であり、無垢材でも母材の表面にろう材が被覆されたクラッド材でも良い。なお、無垢材の場合は、接合箇所にろう材を塗布して使用する。
各プレートの平面形状は方形状（具体的には長方形）に形成されている。天板プレート２は冷却水等の流体入口管５と流体出口管６を有し、その４隅には熱交換器１を例えば固定対象物に固定するため等のボルト孔７が設けられている。各インナープレート４および底板プレート３の４隅にもそのボルト孔７に一致するようにボルト孔８，９が設けられている。
底板プレート３の４つの周縁部における中央部には爪部１０がそれぞれ形成されている。底板プレート３の成形に際して、各爪部１０の形成位置にそれぞれ面方向に突出する長方形の爪部１０が一体的に形成され、その突出部を９０度曲げ起こすことにより図示のような角度の爪部１０が形成される。本実施形態における爪部１０の高さは底板プレート３、複数のインナープレート４および天板プレート２の合計厚さに一致している。
天板プレート２および各インナープレート４における４つの周縁部には、平面形状が方形な切欠部１１が形成されている。各切欠部１１の位置は底板プレート３に形成された各爪部１０の位置に矢印で示すようにそれぞれ適合している。
図２は、図１のプレート積層型熱交換器を仮固定した状態を示す斜視図である。天板プレート２、底板プレート３および複数のインナープレート４は互いに密着して積層され、底板プレートに形成された各爪部１０が天板プレート２と各インナープレート４に形成された切欠部１１に嵌合されている。
図１の分解状態から図２の状態に積層して仮固定するには、底板プレート３の各爪部１０に各インナープレート４の各切欠部１１を一致させ、その状態で各爪部１０とそれに対応する各切欠部１１とをそれぞれ嵌合させながら積層する。次いで積層したインナープレート４の上面に天板プレート２を積層する。その際、インナープレート４と同様に各爪部１０と各切欠部１１をそれぞれ嵌合させながら積層する。
別方法として、予め複数のインナープレート４を積層しておき、その積層体に天板プレート２を配置してから底板プレートを積層体の底面に配置し、各爪部１０を曲げ起こして一気に嵌合させることもできる。さらに、底板プレート３に形成する爪部１０の長さを天板プレート２に達するまで増加させることにより、天板プレート２、インナープレート４および底板プレートを一括して仮固定することもできる。
このように積層された各プレートは爪部１０と切欠部１１の嵌合による位置合わせ効果により、高い精度で且つ容易に積層することができる。そして図２のように仮固定した積層体は、次いでろう付けなどにより互いに固定される。
図３はプレート積層型熱交換器の第２実施形態であり、仮固定する際の各部材が分解斜視図として示されている。熱交換器１はカッププレート型構造を有している。本実施形態の熱交換器１が図１の完全積層型の熱交換器１と異なる部分は、天板プレートとカップ形状の底板プレートの組み合わせ形態であり、その他は同様に構成される。従って図１の熱交換器１と同様な部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図３において、熱交換器１を構成する底板プレート３は、図１のような平板状ではなく周縁部に短い側壁を有するカップ型に形成されている。天板プレート２は平板状に形成され、その周縁部が底板プレート３の短い側壁の上部に形成されたフランジに装着できるようになっている。
本実施形態においては、積層に際して最下段となるインナープレート４の周縁部には３つの爪部１０が形成されている。インナープレート４は、図示のように一方の端部が台形状に形成され他方の端部がほぼ方形状に形成されており、爪部１０は台形状の端部の２つの斜面および方形状の端部の中央部に形成されている。
爪部１０を形成しない他のインナープレートの周縁部には、それぞれ３つの切欠部１１が形成されている。各切欠部１１の位置は前記爪部１０の位置に対し、矢印で示すように適合している。そして最下段のインナープレート４の各爪部１０と他のインナープレート４の各切欠部１１を嵌合させることにより、複数のインナープレート４が互いに仮固定される。
図４は、上記のように互いに仮固体したインナープレート４をろう付けなどにより互いに固定した後、その底面側に底板プレート３を配置し、次いで上面側に配置した天板プレート２の周縁部を底板プレート３の側壁上部のフランジに装着した状態である。この図４のような状態に組み立てた後、天板プレート２、インナープレート４および底板プレート３の各部材間を一括してろう付けし固定することができる。
図５は、図３に示すインナープレート部分のみを示しており、図中の一点鎖線で示す記号ＶＩの範囲は爪部１０と切欠部１１の一部である。なお図５に示す例では、爪部１０を曲げ起こす前の状態、すなわちインナープレートの面に平行な状態の爪部１０が示されている。このように形成された爪部１０と切欠部１１の嵌合工程を図６に示す。
図６（Ａ）は嵌合前の図５と同じ状態を示し、（Ｂ）は嵌合後の状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視の部分拡大断面図である。
図６（Ａ）に示すように、積層に際して最下段に位置するインナープレート４の周縁部に形成された爪部１０は、互いに平行する一対の側面１２，１３およびそれらの先端を形成した端部１４を有する細長い方形状とされ、側面１２，１３の外側には細長い方形状の間隙部１５が設けられている。
爪部１０の長手方向の長さは、爪部１０を形成しない他のインナープレート４の合計厚さに適合した値になっている。なお２つの間隙部１５は爪部１０の曲げ起こしを容易にするために設けられている。そしてこの２つの間隙部１５における底面位置は爪部１０を曲げ起こす際の曲げの起点部となる。
爪部１０を形成しない他のインナープレート４に形成される各切欠部１１は、図６（Ｂ）に示すように互いに平行する一対の側面１６，１７と、それら側面１６，１７に直交する平坦な底面１８を有する方形状とされ、一対の側面１６，１７の間隔は爪部１０の側面１２と１３の間隔に適合する値、すなわち適宜な嵌合強度を確保及び維持できる値になっている。
爪部１０を形成するインナープレート４と、爪部１０を形成しない複数のインナープレート４とを、図６（Ａ）における矢印のように積層する際には、全てのインナープレート４の周縁部を互いに一致させる。そのように一致させた状態で爪部１０を図６（Ｂ）における矢印のように曲げ起こすことにより、爪部１０と複数の切欠部１１が一度に嵌合する。
図６（Ｃ）に示すように、爪部１０を曲げ起こして切欠部１１に嵌合させた状態において、爪部１０の曲げ方向の面１９、すなわち曲げ起こした状態における切欠部１１の底面１８と対面する面は、切欠部の底面１８から所定の間隔を持って離間している。この離間の間隔は、爪部１０の２つの間隙部１５における平坦な底面位置、すなわち、爪部１０を曲げ起こす際の曲げの起点部となる位置と切欠部１１の底面１８の位置との間隔を選択することにより任意に設定できる。
このように爪部１０の曲げ方向の面１９を切欠部の底面１８から所定の間隔で離間させることにより、前記のように爪部の折れ曲がっている角部が仮に多少湾曲している場合、あるいは角度に多少のばらつきが生じた場合でも、嵌合に際してその曲がり部分へのプレートの乗り上げが確実に防止される。そして、爪部は切欠部の底面と干渉することがないので、より確実、高精度に仮固定することができる。
図７はプレート積層型熱交換器の第３の実施形態であり、（Ａ）は仮固定する際の各インナープレートの分解斜視図，（Ｂ）は仮固定後のインナープレートの斜視図である。本実施形態が図３に示されているインナープレート４と異なる部分は、爪部１０の形状と、それに嵌合する切欠部１１の形状のみで、その他は同様に構成される。
図７（Ａ）に示すように、インナープレート４は、その長手方向の一方の端部が台形状に形成され、他方の端部がほぼ方形状に形成されており、爪部１０は台形状の端部の周縁部から離れた内側の２箇所と、方形状の端部の周縁部の１箇所にそれぞれ形成されている。台形状の端部の周縁部から離れた内側の２箇所に形成された爪部１０は、細長く形成されたインナープレート４の幅方向外側に曲げ起こされる。
この爪部１０は図６に示す爪部１０と同様に、互いに平行する一対の側面およびそれらの先端を形成した端部を有する細長い方形状とされる。そしてその長さは図６の例と同様に、爪部１０を形成しない他のインナープレート４の合計厚さに適合した値になっている。なお方形状の端部の周縁部の１箇所に形成された爪部１０も同様な形状となっている。
爪部１０を形成しない他のインナープレート４の切欠部１１は、それらインナープレート４における台形状の端部と方形状の端部では、その形状が互いに異なる。すなわち台形状の端部の切欠部１１は細長い方形状の孔部により形成される。その方形状の孔部における長手方向の長さは、それと嵌合する前記爪部１０の側面の間隔に適合する値、すなわち適宜な嵌合強度が確保及び維持できる値になっている。一方、方形状の端部の切欠部１１は図６に示す切欠部と同様な形状とされる。
図７（Ａ）に示す各インナープレート４を積層し、爪部１０と各切欠部１１を互いに嵌合させて仮固定すると図７（Ｂ）のようになる。図７（Ｂ）において、インナープレート４における台形状の端部では、最下段のインナープレート４の一対の爪部１０がそれに積層された上段側の各インナープレート４の切欠部１１に直線的に嵌入されて互いに嵌合される。一方、インナープレート４における方形状の端部では、最下部のインナープレート４の一対の爪部１０が曲げ起こされて、上側に積層された各インナープレート４の切欠部１１に横方向から嵌合される。
図８はプレート積層型熱交換器の第４の実施形態であり、図８（Ａ）は仮固定する際の各インナープレートの分解斜視図で、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に示すＢ部分の拡大斜視図である。本実施形態の各インナープレートの形状は、図７に示すインナープレート４と同様であり、長手方向の一方の端部が台形状に形成され、他方の端部がほぼ方形状に形成されている。ただし本実施形態ではインナープレート４に形成される流体の流通孔が積層段数のほぼ中央部を境に上下２種類に分かれている。
すなわち、図８（Ａ）における上段側のインナープレート４の流通孔は、プレートのほぼ全面に整列されているが、下段側のインナープレート４の流通孔は、プレート面に間隔をあけて整列されている。このように積層されたインナープレート４の熱交換性能は、上段側のほうが下段側より高くなる。かかるインナープレート構成による熱交換器は、例えばその上段側の外面（天面）に高い熱交換性能を要求する電気部品を配置し、下段側の外面（底面）に熱交換性能が多少低くてもよい電気部品を配置することができる。それにより単一の熱交換器で２種の冷却が可能になり、全体的な熱交換効率も向上できる。
図８（Ａ）において、積層されるインナープレート４のほぼ中央部に位置する１枚のインナープレート４に複数個所の爪部１０が形成され、それ以外のインナープレート４に切欠部１１が形成されている。爪部１０を形成するインナープレート４には、その台形状の端部における周縁部の３か所にそれぞれ方形状の爪部１０が形成され、図８（Ｂ）に拡大して示すように、周縁部の中央の爪部１０は下向きに形成され、それを挟む周縁部の左右の爪部１０は上向きに形成されている。また方形状の端部における周縁部の３箇所にもそれぞれ方形状の爪部１０が形成され、周縁部の中央の爪部１０は上向きに形成され、それを挟む周縁部の左右の爪部１０は下向きに形成されている。
爪部１０を形成しない上段側の各インナープレート４の切欠部１１は、前記爪部１０を形成したインナープレート４における上向きの爪部１０に対応する位置に方形状に形成されている。一方、爪部１０を形成しない下段側の複数のインナープレート４の各切欠部１１は、前記爪部１０を形成したインナープレート４における下向きの爪部１０に対応した位置に方形状に形成されている。
上記のように構成した複数段のインナープレート４は、ほぼ中央部に位置する１枚のインナープレート４に形成された爪部１０と、それ以外のインナープレート４に形成された切欠部１１とを互いに嵌合させることにより仮固定される。嵌合に際しては、図６に示す嵌合工程と同様な方法で行うこともできるが、場合によっては、図８（Ａ）に示すように、爪部１０を上向きまたは下向きに形成した状態で切欠部１１に嵌合することもできる。
上記のように、本実施形態では上向きの爪部１０と下向きの爪部１０の位置が互いに異なっている。その理由は上段側の各インナープレート４との嵌合位置と下段側の各インナープレート４との嵌合位置が互いに重ならないようにし、誤組立てを防止するためである。
図９は第５の実施形態であって、図９（Ａ）は仮固定する際の各インナープレートの分解斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ部分を示す拡大斜視図、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視の部分拡大断面図である。本実施形態のインナープレート構成は、図８に示すインナープレート構成の変形例である。図８の実施形態と異なる部分は、爪部１０を形成するインナープレート４が最下段の上側に接して積層されるインナープレート４であること、および爪部１０の一部と最下段のインナープレートの切欠部１１の嵌合構造が異なることの２点である。
爪部１０を形成するインナープレート４において、その周辺部の３箇所には図８の実施形態と同様に上向きの方形状の爪部１０が形成されている。さらに、図９（Ｂ）に拡大して示すように、４箇所に短い円柱状（いわゆる半抜きダボ型）の爪部１０ａが形成されている。
爪部１０を形成しない上段側の各インナープレート４の切欠部１１は、前記上向きの爪部１０に対応した位置に形成され、その形状は図８の実施形態と同様に方形状である。一方、最下段のインナープレート４の切欠部１１ａは、前記爪部１０ａの円柱状の形状に対応する大きさの断面が円形な貫通孔になっている。
爪部１０を形成したインナープレート４と方形状の切欠部１１を形成した上段側のインナープレート４との嵌合は、図８の実施形態の場合と同様である。一方、短い円柱状の爪部１０ａを形成したインナープレート４と円形な貫通孔からなる切欠部１１ａを形成した最下段のインナープレート４との嵌合は、図９（Ｃ）に示されているように、円柱状の爪部１０ａを円形な貫通孔からなる切欠部１１ａに嵌入させることによって行われる。

本発明のプレート積層型熱交換器は、インバータなどの電子機器を冷却する冷却器等に利用できる。

１ 熱交換器
２ 天板プレート
３ 底板プレート
４ インナープレート
５ 流体入口管
６ 流体出口管
７ ボルト孔
８，９ ボルト孔
１０ 爪部
１０ａ 爪部
１１ 切欠部
１１ａ 切欠部
１２，１３ 側面
１４ 端部
１５ 間隙部
１６，１７ 側面
１８ 底面
１９ 面

Claims (2)

1. 天板プレート（２）、底板プレート（３）および複数のインナープレート（４）を備えたプレート積層型熱交換器において、
   前記天板プレート（２）、底板プレート（３）および複数のインナープレート（４）の少なくとも１枚に曲げ起こされた爪部（１０）が形成され、該爪部（１０）が形成されたプレート以外のプレートに切欠部（１１）が形成され、前記爪部（１０）と切欠部（１１）が嵌合された状態で各プレートが互いに積層固定されており、
   前記爪部（１０）は一対の側面（１２，１３）と端部（１４）を有する方形状とされ、前記切欠部（１１）は一対の側面（１６，１７）と底面（１８）を有する方形状とされ、爪部（１０）の両側面は切欠部（１１）の両側面にそれぞれ当接しており、爪部（１０）の曲げ方向の面（１９）が切欠部（１１）の底面（１８）から離間していることを特徴とするプレート積層型熱交換器。
2. 前記爪部（１０）が形成されたプレートは、複数のインナープレート（４）における最上層および最下層を除く中間層に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート積層型熱交換器。

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