JP2006207937A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に優れた熱交換性能を保持しながら、非常に製造が容易な構造で、安価で、かつ信頼性の高い熱交換器を提供する。
【解決手段】多数の貫通穴を備えた複数の基板２０と管内が貫通穴と連通し基板２０間に設けられた複数の管１０から構成される管群ブロック３０を管軸方向に複数連結した熱交換器であり、管群ブロック３０を連結して所定の大きさにするため、管群ブロック３０の管長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板２０と管１０を同時に製作することができ、管１０を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却システム、放熱システムや加熱システム等用の熱交換器に関するもので、特に情報機器などコンパクト性を要求されるシステムで使用される液体と気体の熱交換器及びその製造方法に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、管とフィンとから構成されたものが一般的であるが、近年はそのコンパクト化を図るために、管径及び管ピッチを小さくし、管を高密度化する傾向にある。その極端な形態としては、管外径が０．５ｍｍ程度の非常に細い管のみから熱交換部が構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１５は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の正面図である。

図１５に示すように、従来の熱交換器は、所定間隔を置いて対向配置される入口タンク１と出口タンク２と、入口タンク１と出口タンク２の間に断面円環の複数の管３が配置され、管３の外部を外部流体が流通されるコア部４が構成されている。管３内を流通する内部流体としては主に水や不凍液が用いられ、外部流体としては空気が主流であり、それぞれが流通し、熱交換を行う。

そして、管３を碁盤目状に配置するとともに、管３の外径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とし、隣接する管３のピッチを管外径で除した値を０．５以上３．５以下とすることで、使用動力に対する熱交換量を大幅に向上できるとしている。
特開２００１−１１６４８１号公報

上記従来の熱交換器を構成する具体的な要素や製造方法については示されていないが、一般的には、多数の細い管３と、特定の面に多数の細かい円孔を予め空けた入口タンク１と出口タンク２を用意し、入口タンク１及び出口タンク２の円孔に管３の両端を挿入し、溶接等によって管３の挿入部を入口タンク１及び出口タンク２に接着する方法が考えられる。しかしながら、長くて細い管３は非常に高価であるばかりでなく、入口タンク１や出口タンク２に管３の挿入用の微細な円孔を所定の微細なピッチで設けることと、非常に多くの管３を入口タンク１や出口タンク２に挿入し接着する工程が非常に困難であり、熱交換性能が高くても、非常に高価でかつ洩れに対する信頼性が低いものになるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、非常に優れた熱交換性能を保持しながら、非常に製造が容易な構造で、安価で、かつ信頼性の高い熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は多数の貫通穴を備えた複数の基板と管内が前記貫通穴と連通し前記基板間に設けられた複数の管から構成される管群ブロックを管軸方向に複数連結したものである。

これにより、管群ブロックを連結して所定の大きさにするため、管群ブロックの管長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板と管を同時に製作することができ、管を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は、隣接する前記基板の周上を相互に接合し、前記管群ブロックを連結したことを特徴とするものである。

これにより、管群ブロックを連結する際、外部から操作しやすい周上を接合するため、工数の低減が図れるとともに接合の信頼性が向上し、安価に熱交換器を提供することができる。

また、前記管が管内に複数の流路を備えた多穴管であることを特徴とするものである。

これにより、流路数を低減することなく、管本数を低減できるため、容易に製作可能であり、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は、管群ブロックが樹脂材料であることを特徴とするものである。

これにより、安価な樹脂材料を用いることにより、安価に熱交換器を提供できる。

また、本発明の熱交換器は、前記基板の周相互を直接接合し管群ブロックを連結したものである。

これにより、ロウ材が溶出して管を目詰まりさせることがなく、不良品を大幅に削減することができ、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本発明は、前記基板の周相互を溶着接合で接合したことを特徴とするものである。

これにより、基板自体を溶融し、接合するためロウ材が溶出して管内流路を目詰まりさせることはない。

また、本発明の熱交換器は、前記基板の周相互を超音波接合で接合したことを特徴とする。

これにより、超音波溶接は接合部分のみを加熱して溶融結合させるため、基材が溶出することはなく、管を目詰まりさせることはない。

また、本発明の熱交換器は、前記基板の周相互を拡散接合で接合したことを特徴とするものである。

これにより、拡散接合は基材も溶融しないため、管内流路を目詰まりさせることはない。

本発明の熱交換器は、管群ブロックを連結して所定の大きさにするため、管群ブロックの管長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板と管を同時に製作することができ、管を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。

また本発明の熱交換器は、管群ブロックを連結する際、外部から操作しやすい周上を接合するため、工数の低減が図れるとともに接合の信頼性が向上し、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器はロウ材が溶出して管を目詰まりさせることがなく、不良品を大幅に削減することができ、安価に熱交換器を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、多数の貫通穴を備えた複数の基板と管内が前記貫通穴と連通し前記基板間に設けられた複数の管から構成される管群ブロックを管軸方向に複数連結した熱交換器であり、管群ブロックを連結して所定の大きさにするため、管群ブロックの管長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板と管を同時に製作することができ、管を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の熱交換器の基板の周上を相互に接合したものであり、管群ブロックを連結する際、外部から操作しやすい周上を接合するため、工数の低減が図れるとともに接合の信頼性が向上し、安価に熱交換器を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の熱交換器の管内に複数の流路を備えた多穴管であることを特徴としたものであり、流路数を低減することなく、管本数を低減できるため、容易に製作可能であり、安価に熱交換器を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の熱交換器の管群ブロックが樹脂材料であることを特徴とするものであり、安価な樹脂材料を用いることにより、安価に熱交換器を提供できる。

請求項５に記載の発明は、請求項２から４のいずれか一項に記載の発明の熱交換器の基板の周上を相互に直接接合し管群ブロックを連結した製造方法であり、ロウ材が溶出して管を目詰まりさせることがなく、不良品を大幅に削減することができ、安価に熱交換器を提供することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明の熱交換器を基板の周上を相互に溶着接合する製造方法であり、基板自体を溶融し、接合するためロウ材が溶出して管内流路を目詰まりさせることはない。

請求項７に記載の発明は請求項５に記載の発明の熱交換器を基板の周上を相互に超音波接合する製造方法であり、超音波溶接は接合部分のみを加熱して溶融結合させるため、基材が溶出することはなく、管を目詰まりさせることはない。

請求項８に記載の発明は請求項５に記載の発明の熱交換器を基板の周上を相互に拡散接合する製造方法であり、基材も溶融しないため、管内流路を目詰まりさせることはない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図、図２は、同実施の形態の熱交換器の側面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図を示すものである。

図１から図４において、熱交換器は管１０、基板２０からなる管群ブロック３０を管１０の管軸方向に基板２０の周４０上を相互に接合し２段連結し、両端に入口ヘッダー５０と出口ヘッダー６０を設置したものである。本実施の形態では、管１０は円管であり、内部流体流路が１つ設けられている。なお、管１０の形状は円管でなくても良く、例えば矩形管、多角形管や楕円管であっても良い。また、基板２０の周４０相互はロウ材や接着剤を用いず直接接合されている。この接合方法としては、溶着接合、超音波接合及び拡散接合等が挙げられる。このように基板２０の周４０相互を直接接合することにより、ロウ材や接着剤が溶出して、管１０内を目詰まりさせることはない。本実施の形態では、拡散接合を用いている。拡散接合は基材が溶融しない温度までの加熱と加圧を同時に掛けることにより原子の拡散（相互拡散）現象が生じ、原子の結びつきにより接合を行うため、基材も溶出することが無く、管１０内を目詰まりさせることはない。このようにロウ材を用いない拡散接合で接合することにより、管１０内を目詰まりさせるといった不良品の発生を極力抑えることができ、安価に熱交換器を提供できる。

図５から図７は管群ブロック３０を説明する図であり、図５は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの斜視図、図６は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの正面図、図７は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの上面図である。

管群ブロック３０は管１０と基板２０を射出成形等で一体成形されている。管群ブロック３０の材料としては安価で、成形しやすい樹脂材料が良い。特に射出成形で製作する場合、管１０の管径が小さく、本数が多いため複雑な形状となり、端部まで樹脂を供給するといった観点から粘性が小さく、流動性がよい材料がよい。このような材料を用いることにより、不良品の数を低減でき、安価に熱交換器を提供することができる。また、内部流体に水や不凍液を用いる場合、蒸気透過率が小さい樹脂材料を用いれば、内部流体が透過しにくいため、管１０の壁厚を薄くすることができ材料費を低減でき、安価に熱交換器を提供することができる。これらにより、流動性が良く、蒸気透過率が小さくかつ安価なポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用いるのが最適である。

本実施の形態では管１０は碁盤目状に配置されているが、千鳥状でも良い。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

内部流体は入口ヘッダー５０内に流入し、管１０それぞれに分流され、管群ブロック３０内を通過し、出口ヘッダー６０より熱交換器外へと流出する。一方、管１０外では管１０相互間を外部流体が流動し、管１０を介して、内部流体と外部流体が熱交換する。

なお、本実施の形態では管群ブロック３０を２段積層したが、２段以上の複数段であればよい。

以上のように本実施の形態においては、管群ブロック３０を連結して所定の大きさにするため、管群ブロック３０の管１０長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板２０と管１０を同時に製作することができ、管１０を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態では基板２０の周４０上を相互に接合したものであり、管群ブロック３０を連結する際、外部から操作しやすい周４０上を接合するため、工数の低減が図れるとともに接合の信頼性が向上し、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態では管群ブロック３０が安価な樹脂材料で構成したことにより、安価に熱交換器を提供できる。

また、本実施の形態では基板２０の周４０相互を拡散接合により直接接合したことにより、ロウ材や接着剤を用いず基材も溶融せず接合でき、管１０内の流路を目詰まりさせることがなく、不良品を大幅に削減することができ、安価に熱交換器を提供することができる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における熱交換器の正面図、図９は、同実施の形態の熱交換器の側面図、図１０は図８のＣ−Ｃ線断面図、図１１は図９のＤ−Ｄ線断面図を示すものである。

図８から図１１において、熱交換器は管１１０と基板１２０からなる管群ブロック１３０を管１１０の管軸方向に基板１２０の周１４０上を相互に接合し２段連結し、両端に入口ヘッダー１５０と出口ヘッダー１６０を設置したものである。本実施の形態では、管１１０は断面形状が扁平状であり、複数の流路１１５が長辺方向に配列されている。管１１０は長辺方向が平行となるように間隔を空けて基板１２０上に設置されている。また、基板１２０の周１４０相互はロウ材や接着剤を用いず直接接合されている。この接合方法としては、溶着接合、超音波接合及び拡散接合等が挙げられる。このように基板１２０の周１４０相互を直接接合することにより、ロウ材や接着剤が溶出して、管１１０内を目詰まりさせることはない。本実施の形態では、拡散接合を用いている。拡散接合は基材が溶融しない温度までの加熱と加圧を同時に掛けることにより原子の拡散（相互拡散）現象が生じ、原子の結びつきにより接合を行うため、基材が溶出することが無く、管１１０内を目詰まりさせることはない。このようにロウ材を用いない拡散接合で接合することにより、管１１０内を目詰まりさせるといった不良品の発生を極力抑えることができ、安価に熱交換器を提供できる。

図１２から図１４は管群ブロック１３０を説明する図であり、図１２は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの斜視図、図１３は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの正面図、図１４は、同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの上面図である。

管群ブロック１３０は管１１０と基板１２０を射出成形等で一体成形されている。管群ブロック１３０の材料としては安価で、流動性がよい樹脂材料が良い。このような材料を用いることにより、不良品の数を低減でき、安価に熱交換器を提供することができる。また、内部流体に水や不凍液を用いる場合、蒸気透過率が小さい樹脂材料を用いれば、内部流体が透過しにくいため、管１１０の壁厚を薄くすることができ材料費を低減でき、安価に熱交換器を提供することができる。これらにより、流動性が良く、蒸気透過率が小さくかつ安価なポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用いるのが最適である。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

内部流体は入口ヘッダー１５０内に流入し、管１１０それぞれに分流され、管群ブロック１３０内を通過し、出口ヘッダー１６０より熱交換器外へと流出する。一方、管１１０外では管１１０相互間を外部流体が流動し、管１１０を介して、内部流体と外部流体が熱交換する。

なお、本実施の形態では管群ブロック１３０を２段積層したが、２段以上の複数段であればよい。

以上のように本実施の形態においては、管群ブロック１３０を連結して所定の大きさにするため、管群ブロック１３０の管１１０長を短くしてもよく、射出成形やダイキャスト等により容易に基板１２０と管１１０を同時に製作することができ、管１１０を挿入し接着する工程がなくなるため、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態では基板１２０の周１４０上を相互に接合したものであり、管群ブロック１３０を連結する際、外部から操作しやすい周１４０上を接合するため、工数の低減が図れるとともに接合の信頼性が向上し、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態で管１１０は管内に複数の流路１１５を備えた多穴管であり、流路数を低減することなく、管本数を低減できるため、容易に製作可能であり、安価に熱交換器を提供することができる。

また、本実施の形態では管群ブロック１３０が安価な樹脂材料で構成したことにより、安価に熱交換器を提供できる。

また、本実施の形態では基板１２０の周１４０相互を拡散接合により直接接合したことにより、ロウ材や接着剤を用いず基材も溶融せず接合でき、管１１０内の流路１１５を目詰まりさせることがなく、不良品を大幅に削減することができ、安価に熱交換器を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に優れた熱交換性能を維持しながら、安価に実現でき、冷凍冷蔵機器や空調機器用の熱交換器や、廃熱回収機器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図 同実施の形態の熱交換器の側面図 図１の熱交換器のＡ−Ａ線断面図 図２の熱交換器のＢ−Ｂ線断面図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの斜視図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの正面図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの上面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の正面図 同実施の形態の熱交換器の側面図 図８の熱交換器のＣ−Ｃ線断面図 図９の熱交換器のＤ−Ｄ線断面図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの斜視図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの正面図 同実施の形態の熱交換器の管群ブロックの上面図 従来の熱交換器の正面図

符号の説明

１０、１１０ 管
２０、１２０ 基板
３０、１３０ 管群ブロック
４０、１４０ 周
１１５ 流路

Claims (8)

1. 多数の貫通穴を備えた複数の基板と管内が前記貫通穴と連通し前記基板間に設けられた複数の管から構成される管群ブロックを管軸方向に複数連結した熱交換器。
2. 隣接する前記基板の周上を相互に接合し、前記管群ブロックを連結した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記管が管内に複数の流路を備えた多穴管であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記管群ブロックが樹脂材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記基板の周上を相互に直接接合し管群ブロックを連結した請求項２から４のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記基板の周上を相互に溶着接合で接合したことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記基板の周上を相互に超音波接合で接合したことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。
8. 前記基板の周上を相互に拡散接合で接合したことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。

Images