JP4450174B2

JP4450174B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4450174B2
Application number: JP2004025567A
Authority: JP
Inventors: 彰伊藤; 一敏西沢; 純弘野口; 弘幸奥村; 高夫池田; 淳司加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214587A

Description

本発明は、高温空気と低温空気の熱交換を行う熱交換器に関するもので、特に内外気を完全に分離したい場合に好適であり、例えば通信機器等の発熱体を冷却する携帯電話基地局用冷却装置の熱交換器として好適である。

特許文献１に記載されている熱交換器１００は、図１３に示すように、内気通路１０１と外気通路１０２が隣接して設けられている。各通路１０１、１０２は、一定の間隔を保って対向する長方形の２枚の平面板１０３と、その２枚の平面板１０３によって形成される空間の側方をＬ字形に閉じる背面板１０４とで形成され、この背面板１０４を隣り合う空気通路毎に対角状に配置することで、内気通路１０１と外気通路１０２が交互に形成されている。

このように構成された熱交換器１００は、図１４に示すように、内部空間と外部空間との間をシールするパッキン２００を介して、筐体３００の取付板部３０１に装着されている。そして、パッキン２００は、Ｌ字形の背面板１０４に対応して、３次元的な形状になっている。
特開２００１−９９５３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている熱交換器１００は、パッキン２００が３次元的な形状であるため、パッキン２００の組み付け性が悪く、またシール性の信頼性も低いという問題があった。

また、平面板１０３とＬ字形の背面板１０４とを交互に配置するという複雑な構造となっている。さらに、平面板１０３と背面板１０４との接合部においても漏れのない封止技術が必要になる。

本発明は上記点に鑑みて、第１空間の空気と第２空間の空気とを熱交換させる熱交換器において、第１空間と第２空間との間をシールするシール部材の組み付け性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１空間（２）と第２空間（３）とを仕切る筐体（１）における取付板部（１１）に形成された開口部（１２）に、第１空間（２）と第２空間（３）とを仕切るようにして装着されて、第１空間（２）の空気と第２空間（３）の空気とを熱交換させる熱交換器であって、交互に積層される第１プレート（４１）と第２プレート（４２）とを備え、
第１プレート（４１）は、プレート積層方向に対して直交して、第１空間（２）内および第２空間（３）内まで延びる第１側板部（４１１）と、第１側板部（４１１）における第１空間（２）内の縁部からプレート積層方向に延びる第１隔壁板部（４１２）と、第１隔壁板部（４１２）における両端部から取付板部（１１）と平行に且つ第１側板部（４１１）の外側に向かって延び、取付板部（１１）の、開口部（１２）の周囲となる部位に装着される第１シール板部（４１３）とを備え、第２プレート（４２）は、プレート積層方向に対して直交して、第１空間（２）内および第２空間（３）内まで延びる第２側板部（４２１）と、第２側板部（４２１）における第２空間（３）内の縁部からプレート積層方向に延びる第２隔壁板部（４２２）と、第２隔壁板部（４２２）における両端部から取付板部（１１）と平行に且つ第２側板部（４２１）の外側に向かって延び、第１プレート（４１）および第２プレート（４２）の積層方向に見て第１シール板部（４１３）と重なるように配され、取付板部（１１）の、開口部（１２）の周囲となる部位に装着される第２シール板部（４２３）とを備え、第１側板部（４１１）と第２側板部（４２１）と第２隔壁板部（４２２）とにより、第１空間（２）の空気が流れる第１通路（５）が形成され、第１側板部（４１１）と第２側板部（４２１）と第１隔壁板部（４１２）とにより、第２空間（３）の空気が流れる第２通路（６）が形成され、第１シール板部（４１３）および第２シール板部（４２３）と取付板部（１１）との間にシール部材（７）を介在させて取付板部（１１）に装着されていることを特徴とする。

これによると、第１空間と第２空間との間のシールを２次元の面で行えるため、シール部材の組み付け性を向上させることができるとともに、シール性の信頼性も向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、第１プレート（４１）は、第１隔壁板部（４１２）におけるプレート積層方向の端部から、プレート積層方向に対して直交する方向に延びる第１接合板部（４１４）を備え、第２プレート（４２）は、第２隔壁板部（４２２）におけるプレート積層方向の端部から、プレート積層方向に対して直交する方向に延びる第２接合板部（４２４）を備え、第１接合板部（４１４）が第２側板部（４２１）と接合され、第２接合板部（４２４）が第１側板部（４１１）と接合されていることを特徴とする。

これによると、第１プレートと第２プレートとの接合部が面当たりとなるため、その接合部のシールの信頼性も向上させることができる。

請求項３に記載の発明のように、第１プレート（４１）と第２プレート（４２）は、異なる形状であってもよい。

請求項４に記載の発明では、フィン（４４）内での空気流れ方向に見たときに、第１通路（５）の空気流入口（５１）とフィン（４４）の一部とがオーバーラップしていることを特徴とする。

これによると、第１通路内においてオーバーラップしている部位では、フィンに空気がスムーズに流入するため圧損が小さくなる。

請求項５に記載の発明では、フィン（４４）内での空気流れ方向に見たときに、第２通路（６）の空気流入口（６１）とフィン（４４）の一部とがオーバーラップしていることを特徴とする。

これによると、第２通路内においてオーバーラップしている部位では、フィンに空気がスムーズに流入するため圧損が小さくなる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る熱交換器を筐体に装着した状態を模式的に示す斜視図、図２は筐体の斜視図、図３は図１の熱交換器装着部をＡ方向から見た図、図４は図１の熱交換器装着部における第１プレートの部位の断面図、図５は図１の熱交換器装着部における第２プレートの部位の断面図、図６は熱交換器の模式的な斜視図、図７は熱交換器の分解斜視図、図８は熱交換器におけるプレートの斜視図、図９（ａ）はプレートの正面図、図９（ｂ）はプレートの側面図、図９（ｃ）はプレートの背面図、図１０は端部プレートの正面図、図１１（ａ）はフィンの平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の右側面図である。

まず、第１実施形態に係る熱交換器を含む冷却装置の概略構成について説明する。図１〜図５に示すように、筐体１内には通信機器等の発熱体が収納される内部空間２が形成され、筐体１の平らな取付板部１１に四角形の開口部１２が形成されている。この開口部１２に、内部空間２と外部空間３とを仕切るようにして、熱交換器４（詳細後述）が装着されている。そして、この熱交換器４により、内部空間２の高温空気と外部空間３の低温空気とを熱交換させるようになっている。なお、内部空間２は本発明の第１空間に相当し、外部空間３は本発明の第２空間に相当する。

次に、熱交換器４の構成について説明する。図６、図７に示すように、熱交換器４は、交互に積層配置された多数の第１プレート４１および第２プレート４２、第１プレート４１および第２プレート４２の積層方向（以下、単に積層方向という）の一端に配置された端部プレート４３、および後述する通路中に配置されたフィン４４から構成されている。

図４、図７〜図９に示すように、第１プレート４１は、積層方向に対して直交して、内部空間２内および外部空間３内まで延びる略六角形の第１側板部４１１を備えている。第１側板部４１１における内部空間２内の縁部から積層方向に第１隔壁板部４１２が延びている。第１隔壁板部４１２における両端部から、筐体１の取付板部１１と平行に第１シール板部４１３が延びている。第１隔壁板部４１２における積層方向の端部から、積層方向に対して直交する方向に、第１接合板部４１４が延びている。この第１プレート４１は、アルミニウム合金製で、絞り加工により形成される。また、第１プレート４１はクラッド材を用いている。

第２プレート４２は、第１プレート４１と形状・サイズ・材質が同一である。ただし、図７等に示すように、第１プレート４１と第２プレート４２は、積層方向から見て１８０度回転して積層されている。

因みに、第２プレート４２は、図５、図７〜図９に示すように、積層方向に対して直交して、内部空間２内および外部空間３内まで延びる第２側板部４２１と、第２側板部４２１における外部空間３内の縁部から積層方向に延びる第２隔壁板部４２２と、第２隔壁板部４２２における両端部から筐体１の取付板部１１と平行に延びる第２シール板部４２３と、第２隔壁板部４２２における積層方向の端部から積層方向に対して直交する方向に延びる第２接合板部４２４とを備えている。

図１０に示すように、端部プレート４３は、略六角形の平らな板であり、第１プレート４１の第１側板部４１１と形状・サイズが実質的に同一である。また、材質も第１プレート４１と同一である。

図１１に示すように、フィン４４は、第１プレート４１および第２プレートに接合されて空気との熱交換を促進するもので、空気流れ方向から見て波状に形成されたコルゲートフィンであり、多数のルーバ４４１が形成されている。なお、ルーバ４４１は、空気流れを蛇行させるように乱して温度境界層が成長することを抑制して熱伝達率を向上させるもので、車両用空調装置のコンデンサや車両用ラジエータに採用されているものと同様なものである。フィン４４は、アルミニウム合金製であり、クラッド材を用いてもよいし、ベア材を用いてもよい。

次に、熱交換器４の製造方法について説明する。図６、図７に示すように、熱交換器４は、第１プレート４１と第２プレート４２を交互に積層し、第１プレート４１と第２プレート４２との間にフィン４４を配置し、積層方向の一端に端部プレート４３を配置した状態で、一体ろう付けを行う。また、第１プレート４１の第１シール板部４１３と第２プレート４２の第２シール板部４２３とが、積層方向に見たときにオーバーラップするように配置した状態で、換言すると、第１シール板部４１３と第２シール板部４２３とが積層方向に対して直交する方向にずれていない状態で、一体ろう付けを行う。

この一体ろう付けにより、第１プレート４１の第１接合板部４１４は第２プレート４２の第２側板部４２１に接合され、第２プレート４２の第２接合板部４２４は第１プレート４１の第１側板部４１１に接合され、端部プレート４３は積層方向の一端に位置する第２プレート４２の第２接合板部４２４に接合され、フィン４４は第１側板部４１１および第２側板部４２１に接合される。

因みに、一体ろう付けされた熱交換器４は、第１側板部４１１と第２側板部４２１と第２隔壁板部４２２とにより第１通路５（図５参照）が形成され、第１側板部４１１と第２側板部４２１と第１隔壁板部４１２とにより第２通路６（図４参照）が形成される。

次に、熱交換器４を含む冷却装置の全体構成について説明する。図１〜図５に示すように、一体ろう付けされた熱交換器４は、筐体１の取付板部１１に装着される。より詳細には、取付板部１１の開口部１２の周囲のうち内部空間２側の面にシール部材７が塗布され、熱交換器４は、第１シール板部４１３および第２シール板部４２３と取付板部１１との間にシール部材７を介在させて、内部空間２と外部空間３とを仕切るようにして取付板部１１に装着される。これにより、内部空間２と外部空間３との間がシールされる。

図５に示すように、第１通路５は内部空間２と連通しており、内部空間２内の高温空気が送風機により第１通路５に送られるようになっている。本例では、第１通路５の上方が空気流入口５１、第１通路５の下方が空気流出口５２であり、空気流入口５１から流入した高温空気はフィン４４内を通過して空気流出口５２から流出する。また、フィン４４内での空気流れ方向は、２つの第２シール板部４２３を結んだ仮想線と一致する。

図４に示すように、第２通路６は外部空間３と連通しており、外部空間３内の低温空気が送風機により第２通路６に送られるようになっている。本例では、第２通路６の下方が空気流入口６１、第２通路６の上方が空気流出口６２であり、空気流入口６１から流入した低温空気はフィン４４内を通過して空気流出口６２から流出する。また、フィン４４内での空気流れ方向は、２つの第１シール板部４１３を結んだ仮想線と一致する。

したがって、本実施形態では、第１通路５を流れる空気は矢印で示すように上から下に向かって流れ、一方、第２通路６を流れる空気は矢印で示すように下から上に向かって流れるので、第１通路５を流れる空気と第２通路６を流れる空気とは対向流れとなる。

図４、図５に示すように、フィン４４内での空気流れ方向に見たときに、第１通路５の空気流入口５１とフィン４４の一部とがオーバーラップし、第２通路６の空気流入口６１とフィン４４の一部とがオーバーラップしている。

さらに、第１通路５内のフィン４４は、第１通路５の空気流入口５１に近い部位（図５の紙面左側）と、第１通路５の空気流入口５１から遠い部位（図５の紙面右側）とでは、フィンピッチが異なっている。同様に、第２通路６内のフィン４４も、第２通路６の空気流入口６１に近い部位（図４の紙面右側）と、第２通路６の空気流入口６１から遠い部位（図４の紙面左側）とでは、フィンピッチが異なっている。

具体的には、空気流入口５１、６１から遠い部位のフィンピッチが空気流入口５１、６１に近い部位のフィンピッチよりも大きくなっており、より詳細には、空気流入口５１、６１に近い部位から遠い部位に向かってフィンピッチが次第に大きくなっている。

図４に示すように、第１隔壁板部４１２における空気流入口６１側の端部ａ１と、フィン４４において第１隔壁板部４１２側で且つ空気流入側の端部ｂ１とを結ぶ線を、基準線としたとき、その基準線と第１シール板部４１３との角度θ１は、１２０度以上で且つ１８０度未満になっている。同様に、図５に示すように、第２隔壁板部４２２における空気流入口５１側の端部ａ２と、フィン４４において第２隔壁板部４２２側で且つ空気流入側の端部ｂ２とを結ぶ線を、基準線としたとき、その基準線と第２シール板部４２３との角度θ２も、１２０度以上で且つ１８０度未満になっている。

次に、熱交換器４を含む冷却装置の概略作動を説明する。内部空間２内の高温空気が送風機により第１通路５に送られ、外部空間３内の低温空気が送風機により第２通路６に送られることにより、第１通路５を流れる空気と第２通路６を流れる空気とが、第１側板部４１１および第２側板部４２１を介して熱交換される。なお、このときの熱交換の大部分は、フィン４４が接合された部位にて行われる。そして、この熱交換により、内部空間２内の高温空気が冷却され、ひいては筐体１内の通信機器等が冷却される。

上記した本実施形態では、シール部材７が塗布される取付板部１１の面は平らな面であるため、換言すると、内部空間２と外部空間３とのシールを２次元の面で行えるため、シール部材７の組み付け性を向上させることができるとともに、シール性の信頼性も向上させることができる。

第１プレート４１の第１接合板部４１４を第２プレート４２の第２側板部４２１に接合し、第２プレート４２の第２接合板部４２４を第１プレート４１の第１側板部４１１に接合しているため、第１プレート４１と第２プレート４２との接合部が面当たりとなり、その接合部のシールの信頼性を向上させることができる。

第１プレート４１および第２プレート４２を、絞り加工により形成しているため、プレートを曲げ加工により形成する場合よりも接合部が少なくなり、熱交換器４全体としてのシール性に優れる。

第１プレート４１と第２プレート４２は、積層方向から見て１８０度回転して積層すれば同一のものが使用できるため、第１プレート４１と第２プレート４２を共通化することができる。

第１通路５内および第２通路６内にフィン４４を設けているため、第１通路５を流れる空気と第２通路６を流れる空気との熱交換効率を高めることができる。

第１プレート４１、第２プレート４２、およびフィン４４を、一体ろう付けしているため、加工工数を大幅に低減することができる。また、シール部材によるシールよりも、接合部のシール性に優れている。また、アルミニウム合金製部品同士が直接接触するため、その間の熱伝達が良好に行われる。

空気流入口５１、６１から遠い部位のフィンピッチを空気流入口５１、６１に近い部位のフィンピッチよりも大きくしているため、空気流入口５１、６１から遠い部位へも空気が流れやすくなり、第１通路５内および第２通路６内の空気流れを均一にすることができる。

フィン４４内での空気流れ方向に見たときに、第１通路５の空気流入口５１とフィン４４の一部とがオーバーラップし、第２通路６の空気流入口６１とフィン４４の一部とがオーバーラップしているため、オーバーラップしている部位ではフィン４４に空気がスムーズに流入して圧損が小さくなる。

第１プレート４１、第２プレート４２、およびフィン４４の積層段数を自由に変えることができるため、熱交換器４の能力を簡単に可変することができる。

加工時の制約、たとえば一体ろう付けの場合の炉の制約などにより、必要なサイズの熱交換器４を１回のろう付けで製造できない場合は、分割製作したものを複数個並べて使用することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図１２は第２実施形態に係る熱交換器におけるプレートの斜視図である。

図１２に示すように、本実施形態は、第１プレート４１および第２プレート４２に、第１通路５を流れる空気と第２通路６を流れる空気との接触面積を増大させるために凹凸形状の拡大伝熱面４１５、４２５を多数形成している。

この拡大伝熱面４１５、４２５により、第１通路５を流れる空気と第２通路６を流れる空気との熱交換効率を高めることができる。したがって、フィン４４を廃止することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、第１プレート４１と第２プレート４２は、形状・サイズ・材質が同一のものを用いたが、それらは異なる形状のものを用いてもよい。

上記各実施形態では、第１プレート４１、第２プレート４２、端部プレート４３、およびフィン４４は、ろう付けにより接合したが、それらは接着剤により接合してもよい。

上記各実施形態では、第１プレート４１と第２プレート４２は、アルミニウム合金製であったが、それらは樹脂製でもよい。

上記各実施形態において、第１通路５の空気流入口５１の開口面積と、第２通路６の空気流入口６１の開口面積は、等しくしてもよいし、異なっていてもよい。

上記各実施形態において、第１通路５のフィン４４の形状と、第２通路６のフィン４４の形状は、等しくしてもよいし、異なっていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器を筐体に装着した状態を模式的に示す斜視図である。図１の筐体の斜視図である。図１の熱交換器装着部をＡ方向から見た図である。図１の熱交換器装着部における第１プレートの部位の断面図である。図１の熱交換器装着部における第２プレートの部位の断面図である。図１の熱交換器の模式的な斜視図である。図１の熱交換器の分解斜視図である。図１の熱交換器における第１プレートの斜視図である。図１の熱交換器における第１プレートの構成を示す図である。図１の熱交換器における端部プレートの正面図である。図１の熱交換器におけるフィンの構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る熱交換器におけるプレートの斜視図である。従来の熱交換器の斜視図である。従来の熱交換器およびその取付部を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…筐体、２…内部空間（第１空間）、３…外部空間（第２空間）、７…シール部材、１１…取付板部、１２…開口部、４１…第１プレート、４２…第２プレート、４１１…第１側板部、４１２…第１隔壁板部、４１３…第１シール板部、４２１…第２側板部、４２２…第２隔壁板部、４２３…第２シール板部。

Claims

第１空間（２）と第２空間（３）とを仕切る筐体（１）における取付板部（１１）に形成された開口部（１２）に、前記第１空間（２）と前記第２空間（３）とを仕切るようにして装着されて、前記第１空間（２）の空気と前記第２空間（３）の空気とを熱交換させる熱交換器であって、
交互に積層される第１プレート（４１）と第２プレート（４２）とを備え、
前記第１プレート（４１）は、
プレート積層方向に対して直交して、前記第１空間（２）内および前記第２空間（３）内まで延びる第１側板部（４１１）と、
前記第１側板部（４１１）における前記第１空間（２）内の縁部からプレート積層方向に延びる第１隔壁板部（４１２）と、
前記第１隔壁板部（４１２）における両端部から前記取付板部（１１）と平行に且つ前記第１側板部（４１１）の外側に向かって延び、前記取付板部（１１）の、前記開口部（１２）の周囲となる部位に装着される第１シール板部（４１３）とを備え、
前記第２プレート（４２）は、
プレート積層方向に対して直交して、前記第１空間（２）内および前記第２空間（３）内まで延びる第２側板部（４２１）と、
前記第２側板部（４２１）における前記第２空間（３）内の縁部からプレート積層方向に延びる第２隔壁板部（４２２）と、
前記第２隔壁板部（４２２）における両端部から前記取付板部（１１）と平行に且つ前記第２側板部（４２１）の外側に向かって延び、前記第１プレート（４１）および前記第２プレート（４２）の積層方向に見て前記第１シール板部（４１３）と重なるように配され、前記取付板部（１１）の、前記開口部（１２）の周囲となる部位に装着される第２シール板部（４２３）とを備え、
前記第１側板部（４１１）と前記第２側板部（４２１）と前記第２隔壁板部（４２２）とにより、前記第１空間（２）の空気が流れる第１通路（５）が形成され、
前記第１側板部（４１１）と前記第２側板部（４２１）と前記第１隔壁板部（４１２）とにより、前記第２空間（３）の空気が流れる第２通路（６）が形成され、
前記第１シール板部（４１３）および前記第２シール板部（４２３）と前記取付板部（１１）との間にシール部材（７）を介在させて前記取付板部（１１）に装着されていることを特徴とする熱交換器。
前記第1プレート（４１）は、前記第１隔壁板部（４１２）におけるプレート積層方向の端部から、プレート積層方向に対して直交する方向に延びる第１接合板部（４１４）を備え、前記第２プレート（４２）は、前記第２隔壁板部（４２２）におけるプレート積層方向の端部から、プレート積層方向に対して直交する方向に延びる第２接合板部（４２４）を備え、前記第１接合板部（４１４）が前記第２側板部（４２１）と接合され、前記第２接合板部（４２４）が前記第１側板部（４１１）と接合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記第１プレート（４１）と前記第２プレート（４２）は、異なる形状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。
前記第１通路（５）内に前記第１プレート（４１）および前記第２プレート（４２）に接合されて熱交換を促進するフィン（４４）が設けられており、前記フィン（４４）内での空気流れ方向に見たときに、前記第１通路（５）の空気流入口（５１）と前記フィン（４４）の一部とがオーバーラップしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
前記第２通路（６）内に前記第１プレート（４１）および前記第２プレート（４２）に接合されて熱交換を促進するフィン（４４）が設けられており、前記フィン（４４）内での空気流れ方向に見たときに、前記第２通路（６）の空気流入口（６１）と前記フィン（４４）の一部とがオーバーラップしていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。