JP7440172B2 - プレート積層型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の熱交換対象物と熱交換をするプレート積層型熱交換器に関する。

下記特許文献１に記載の積層型ヒートシンクは、多数の孔が並列された第１のパンチングプレートと第２のパンチングプレートとを積層し、外周をケーシングで被嵌したものである。そして、ケーシングの表面に半導体素子等の発熱体を取付け、ケーシング内を流通する冷媒によりそれを冷却するものである。
ケーシングの表面に複数の発熱体を互いに離間して配置するとき、各発熱体を効率的に冷却するには、冷媒をそこに集中して流通させる必要がある。
そこで、発熱体の存在しない位置には冷媒が流通する孔を設けないことにより、発熱体部分にのみ冷媒を供給して、効率的な冷却が行われていた。

ＷＯ２０１７／０４７８２５ Ａ１公報

しかし、冷媒流通用の孔を有しない部分の剛性と、孔を有する部分との剛性に差が生じるので、孔を有しない部分と孔を有する部分との境界付近に、当該ヒートシンクの使用、停止に伴う冷熱サイクルによる熱応力が集中し、その付近のろう付部に疲労破壊による亀裂が生じる虞がある。
また、孔を有しない部分のろうが孔を有する部分に流出し、その孔を詰まらせる虞もある。
そこで、本発明はこのような問題点を解決することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、それぞれ多数の開口部１ａと非開口部１ｂとが交互に二次元に並列して穿設された平坦な複数の金属製の第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３を有し、各パンチングプレート２，３が互いに積層されると共に、隣接する各パンチングプレート２，３の各開口部１ａは互いに平面方向に位置ずれされたコア４と、
そのコア４の外周を被嵌し、内部に流通する流体のマニホールド部５を有するケーシング６と、を具備し、
それら各部品間が一体にろう付固定されて、ケーシング６の外面に熱交換対象物が取付けられ、
流体が第１パンチングプレート２、第２パンチングプレート３の各開口部１ａ内を厚み方向に蛇行しつつ全体として平面方向に流通する多数の流体の流路９を有するプレート積層型熱交換器において、
前記各流路９は、コア４の一端から他端に向け、互いに平行に形成され、
前記流路９と直交する方向の中間位置には、隣接する前記流路９に並列して、流体の流通を制限する制限部１０が存在し、
前記制限部１０には、前記第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３に多数の前記開口部１ａと非開口部１ｂとが交互に二次元に並列して穿設されると共に、流体の流通方向の少なくとも一部が閉塞されて、前記流体の流通を阻止する阻止部１１が設けられたことを特徴とするプレート積層型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、それぞれ多数の開口部１ａと非開口部１ｂとが交互に二次元に並列して穿設された平坦な複数の金属製の第１パンチングプレート２、第２パンチングプレート３を有し、両パンチングプレート２，３が互いに接触して積層されると共に、隣接する両パンチングプレート２，３の各開口部１は互いに平面方向に位置ずれされたコア４と、
そのコア４の外周を被嵌し、内部に流通する流体のマニホールド部５を有するケーシング６と、を具備し、
それら各部品間が一体にろう付固定されて、ケーシング６の外面に熱交換対象物が取付けられ、
流体が両パンチングプレート２，３の各開口部１内を厚み方向に蛇行しつつ全体として平面方向に流通する多数の流体の流路９を有するプレート積層型熱交換器において、
前記各流路９は、コア４の一端から他端に向け、互いに平行に形成され、
前記流路９と直交する方向のコア４の中間位置には、隣接する前記流路９に並列して、流体の流通を制限する制限部１０が存在し、
前記制限部１０には、隣接する前記流路９と同様に、流体の第２流路１２として並列され、その長さが隣接する流路の流路長より長く延長されて、その流路抵抗が隣接する前記流路９より大きく形成されたことを特徴とするプレート積層型熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、前記第２流路１２は、コア４の一端から他端に向けて折返されることにより、その流路長が隣接する流路９の流路長より長く延長されたことを特徴とする請求項２に記載のプレート積層型熱交換器である。

請求項１に記載の発明は、流体の各流路９と直交する方向の中間位置に、流路９に並列して、流体の流通を制限する制限部１０が存在し、
その制限部１０には、第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３に多数の開口部１ａと非開口部１ｂとが交互に二次元に並列して穿設されると共に、流体の流通方向の少なくとも一部が閉塞されて、流体の流通を阻止する阻止部１１が設けられたものである。
このように、制限部１０に流体の流通を阻止する阻止部１１を設けることにより、流体を他の必要な流路９に供給して、熱交換対象物と効果的に熱交換することができる。それと共に、制限部１０に開口部１ａを設けたことにより、他の部分との剛性差が低減されるので、冷熱サイクルによる亀裂の発生を防止することができる。さらには、制限部１０における過剰なろうは、そこに存在する開口部１ａに吸収されるので、制限部１０から流路９へのろうの流出を防止することができる。
請求項２に記載の発明は、コア４の各流路９と直交する方向の中間位置には、隣接する流路９に並列して、流体の流通を制限する制限部１０が存在し、
その制限部１０は、隣接する前記流路９と同様に、流体の第２流路１２として並列され、その長さが隣接する流路の流路長より長く延長されて、その流路抵抗が隣接する前記流路９より大きく形成されたものである。
このように、制限部１０の流路抵抗を隣接する前記流路９より大きくしたことにより、流路９に十分な流体を供給しつつ制限部１０にも流体を供給することが可能となるので、熱交換対象物をそれによる熱分布に応じて効果的に熱交換することができる。それと共に、制限部１０を、隣接する前記流路９と同様に、流体の第２流路１２として並列させたことにより、他の部分との剛性差が低減されるので、冷熱サイクルによる亀裂の発生を防止することができる。さらには、制限部１０における過剰なろうは、そこに存在する開口部１ａに吸収されるので、制限部１０から流路９へのろうの流出を防止することができる。
請求項３に記載の発明は、上記構成において、その第２流路１２が折返されて、隣接する流路９の流路長より長く延長されたものである。
このようにすることにより、流路長が長く、流通抵抗の大きな、第２流路を容易に形成し、各流路への流体の配分を調整できる。その調整により、各位置の発熱・吸熱量の大きさに応じた適切な熱交換を実現できる。即ち、比較的発熱・吸熱量の小さな部分に、それに応じた比較的少ない熱交換を実現できる。

図１は本発明のプレート積層型熱交換器の要部斜視図（Ａ）、同コア４の平面図（Ｂ）。
図２は同熱交換器の分解斜視図。
図３は本発明の第２実施例のプレート積層型熱交換器の分解斜視図。
図４は本発明の第３実施例の平面図（Ａ）、図４（Ａ）におけるＢ部拡大図（Ｂ）。
図５は同第３実施例の作用を示す斜視図。

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。

図１、図２は本発明の第１実施例のプレート積層型熱交換器であり、図１（Ａ）はそのコア４の要部斜視図、（Ｂ）はその全体的平面図（Ｂ）である。また、図２は同実施例の分解斜視図である。
この熱交換器は、互いに開口部１ａの位置の異なる第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３とを積層してコア４を構成し、コア４の外周をケーシング６で被嵌する。そして，ケーシング６の内部にマニホールド部５を形成し、各部品間を一体的にろう付固定して熱交換器を構成し、そのケーシング６の外面に発熱体７を取り付けるものである。
即ち、第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３は、夫々多数の開口部１ａと非開口部１ｂとを交互に二次元に並列した金属板からなるものである。そして、第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３とは、互いに開口部１ａが平面方向に位置ずれされたものである。そして、冷媒８が第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３との各開口部１ａ内を厚み方向に蛇行しつつ、全体として平面方向に流通する流路９を有する。その流路９は、コア４の一端から他端に向け互いに平行に形成される。そして、流路９と直交する方向の中間位置には、隣接する流路９に並列して冷媒８の流通を制限する制限部１０が存在する。
この制限部１０は、隣接する流路９と同様に、第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３が、多数の開口部１ａと非開口部１ｂとを交互に穿設したものである。それと共に、この制限部１０は冷媒８の流通方向の少なくとも一部が閉塞されて冷媒８の流通を阻止する阻止部１１が設けられたものである。
この例では、図１及び図２に示す如く、各プレートの幅方向両端位置において阻止部１１が形成され、それによって冷媒８の流通が阻止されている。
作用
図２において、コア４が収納されるケーシング６は，皿状に形成されたケーシング本体６ａと、その開口を閉塞する端蓋６ｂとならなる。ケーシング本体６ａには、一対のパイプ１７が、幅方向に互いに離間して配置されている。そして、コア４をケーシング本体６ａに収納したとき、その幅方向両端にマニホールド部５が形成される。そして、一方のパイプ１７から流入した冷媒８は、コア４の幅方向に流通する。
このとき図１（Ａ）において、冷媒８は上下に交互に積層された第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３との間を上下方向に蛇行しながら、平面においては全体として直線方向に流通する。
この例では、図２において端蓋６ｂの外面に、間隔をおいて配列された複数の発熱体７の中間部位置に、図１における制限部１０の阻止部１１が配置される。この制限部１０は、前述の如く、並列する他の流路９と同様に開口部１ａと非開口部１ｂとが交互に形成されているものの、その両端部は阻止部１１により閉塞されている。そのため、この制限部１０には冷媒８が流通しない。その制限部１０を除いた各流路９にのみ冷媒８が流通する。そして、制限部１０に冷媒８が流通しない分だけ、他の流路９に冷媒８が分配される。それにより、発熱体７の存在する位置に冷媒８が効率的に分配され熱交換器を促進する。
それと共に、制限部１０が存在する位置にも、多数の開口部１ａ，非開口部１ｂが形成されているため、制限部１０の位置と他の位置とでは、その構造が略同一となり剛性も、略同一となる。そのため、各第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３とをろう付して熱交換器を形成するとき、ろう材の部分的な過多やろう詰まりを生じることがない。それと共に、熱交換器の稼働中の冷熱サイクルに伴う亀裂の発生を制限部１０部分で生じることがない。

次に、図３は本発明の第２実施例であり、この実施例が前記実施例と異なる点は、ケーシング６及びコア４の形状である。
コア４の上下両面には、天板プレート１５と、底板プレート１４とを有する。そして、各プレート間が一体にろう付固定されるものである。この例では、コア４を構成する各パンチングプレートに、マニホールド５が一体に形成されている。
そのコア４に形成された制限部１０及び阻止部１１は、前記実施例と同様である。

次に、図４は本発明の第３実施例であり、（Ａ）はそのコア４の平面図、（Ｂ）は要部平面図で（Ａ）におけるＢ部拡大図であり、図５はその作用を示す説明図である。
この例が図１の例と異なる点は、両者の制限部１０の構造の違いである。
図１では制限部１０として、開口部１ａが閉塞された阻止部１１が流通方向の両端に存在した。これに対し、図４の例では制限部１０が第２流路１２を形成して、そこに冷媒８が平面方向に折り返されて流通し、その長さが他の流路９より、長くなり流通抵抗が増すことになる。即ち、隣接する冷媒８の流路９に比べて流路が長くなる。
この例では、図２における隣接する発熱体７の中間位置に、図４に示す如く、第２流路１２が配置されている。この第２流路１２は、コア４の両端における折返し孔１６で流路が折り返されてその長さが長くなる。
一例として、この例では他の流路９のそれに比べて３倍の長さとなる。その分だけ、冷媒８の流路抵抗が大きくなる。しかしながら、第２流路１２においても、冷媒８が流通するので、図２の隣接する発熱体７の縁部においても熱交換が促進される。それと共に、第１パンチングプレート２，第２パンチングプレート３には、夫々開口部１ａ，非開口部１ｂが形成され、制限部１０においても略他の部分と同様の構成を有し、熱サイクルに対応できる。それと共に、各プレートのろう付時に目詰まりを生じることがない。
その他の実施例
上述の第３実施例では、制限部１０において、第２流路１２をコア４の両端における折返し孔１６で折り返すことにより、その長さを流路９より長くしているが、折り返す代わりに、制限部１０において、開口部１ａおよび非開口部１ｂの流体の流通方向の長さを流路９の場合よりも短くしてそれらをより多数交互に穿設し、第２流路１２を第１パンチングプレート２と第２パンチングプレート３との積層方向により多くの回数蛇行させるようにすることによって、その長さを流路９より長くしてもよい。
上記の各実施例におけるプレート積層型熱交換器は、発熱体（熱交換対象物）を冷媒（流体）により冷却するためのものであるが、その用途に限らず、流体である冷媒を温熱流体に替えて、本発明のプレート式熱交換器を、熱交換対象物を加熱する用途に用いることもできる。

１ａ 開口部
１ｂ 非開口部
２ 第１パンチングプレート
３ 第２パンチングプレート
４ コア
５ マニホールド部
６ ケーシング
６ａ ケーシング本体
６ｂ 端蓋
７ 発熱体
８ 冷媒
９ 流路
１０ 制限部
１１ 阻止部
１２ 第２流路
１３ 爪部
１４ 底板プレート
１５ 天板プレート
１６ 折返し孔
１７ パイプ

Claims (3)

1. それぞれ多数の開口部（１ａ）と非開口部（１ｂ）とが交互に二次元に並列して穿設された平坦な複数の金属製の第１パンチングプレート（２）と第２パンチングプレート（３）を有し、各パンチングプレート（２）（３）が互いに積層されると共に、隣接する各パンチングプレート（２）（３）の各開口部（１ａ）は互いに平面方向に位置ずれされたコア（４）と、
   そのコア（４）の外周を被嵌し、内部に流通する流体のマニホールド部（５）を有するケーシング（６）と、を具備し、
   それら各部品間が一体にろう付固定されて、ケーシング（６）の外面に熱交換対象物（７）が取付けられ、
   流体（８）が第１パンチングプレート（２）、第２パンチングプレート（３）の各開口部（１ａ）内を厚み方向に蛇行しつつ全体として平面方向に流通する多数の流体の流路（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   前記各流路（９）は、コア（４）の一端から他端に向け、互いに平行に形成され、
   前記流路（９）と直交する方向の中間位置には、隣接する前記流路（９）に並列して、流体の流通を制限する制限部（１０）が存在し、
   前記制限部（１０）には、前記第１パンチングプレート（２）と第２パンチングプレート（３）に多数の前記開口部（１ａ）と非開口部（１ｂ）とが交互に二次元に並列して穿設されると共に、流体の流通方向の少なくとも一部が閉塞されて、前記流体（８）の流通を阻止する阻止部（１１）が設けられたことを特徴とするプレート積層型熱交換器。
2. それぞれ多数の開口部（１ａ）と非開口部（１ｂ）とが交互に二次元に並列して穿設された平坦な複数の金属製の第１パンチングプレート（２）、第２パンチングプレート（３）を有し、両パンチングプレート（２）（３）が互いに接触して積層されると共に、隣接する両パンチングプレート（２）（３）の各開口部（１）は互いに平面方向に位置ずれされたコア（４）と、
   そのコア（４）の外周を被嵌し、内部に流通する流体のマニホールド部（５）を有するケーシング（６）と、を具備し、
   それら各部品間が一体にろう付固定されて、ケーシング（６）の外面に熱交換対象物（７）が取付けられ、
   流体（８）が両パンチングプレート（２）（３）の各開口部（１）内を厚み方向に蛇行しつつ全体として平面方向に流通する多数の流体の流路（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   前記各流路（９）は、コア（４）の一端から他端に向け、互いに平行に形成され、
   前記流路（９）と直交する方向のコア（４）の中間位置には、隣接する前記流路（９）に並列して、流体の流通を制限する制限部（１０）が存在し、
   前記制限部（１０）には、隣接する前記流路（９）と同様に、流体の第２流路（１２）として並列され、その長さが隣接する流路の流路長より長く延長されて、その流路抵抗が隣接する前記流路（９）より大きく形成されたことを特徴とするプレート積層型熱交換器。
3. 前記第２流路（１２）は、コア（４）の一端から他端に向けて折返されることにより、その流路長が隣接する流路（９）の流路長より長く延長されたことを特徴とする請求項２に記載のプレート積層型熱交換器。

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