WO2020262434A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、金属からなる複数の部品（３３，３４）が接合された接合部材（３０）を有し、接合部材の内部に形成された流路を流れる流体と接合部材の外部の熱交換対象との間で熱交換が行われる。第１部品（３３）及び第２部品（３４）は、接着剤（３５）を介して互いに接合されている。接着剤に対向する第１部品の表面には、第１部品と接着剤との界面を共有結合させる第１共有結合層（３６）が形成されている。接着剤に対向する第２部品の表面には、第２部品と接着剤との界面を共有結合させる第２共有結合層（３７）が形成されている。

Description

熱交換器 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１９年６月２８日に出願された日本国特許出願２０１９－１２１０６６号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

　本開示は、熱交換器に関する。

　従来、下記の特許文献１に記載の熱交換器がある。特許文献１に記載の熱交換器は、互いに接合される複数のプレート部材により構成されている。熱交換器の内部には、流体の流れる流路が形成されている。この熱交換器の外面には、電池を設置することが可能となっている。この熱交換器では、その外面に設置される電池と、その内部を流れる流体との間で熱交換が行われることにより、電池を冷却することが可能となっている。

特表２０１３－５３９８９９号公報

　熱交換器の各種部品を形成する材料には、主に、アルミニウムや、銅、樹脂、ステンレス鋼等が用いられる。特に、車両に搭載される熱交換器では、その構成部品を形成する材料として、アルミニウム合金が用いられることが多い。このような熱交換器では、アルミニウム合金からなる複数の部品がろう付けにより接合されている。ろう付けに適した部品の材料としては、１０００番系や３０００番系のアルミニウム合金が用いられる。この種のアルミニウム合金が熱交換器の部品の材料として用いられる理由は以下の通りである。

　複数の部品を互いに接合するためのろう材には、ろう付けに適したアルミニウム合金が用いられる。熱交換器の製造の際には、ろう材が予め塗布されたアルミニウム合金からなる複数の部品が用意される。それらの複数の部品が治具により組み付けられた後、その組立品を炉内に投入して加熱する。これにより、部品の表面のろう材が融解し、各部品の接合部分にろう材が浸透する。その後、この組立品が自然冷却等により冷却されることにより、熱交換器の製造が完了する。このような工程を経て熱交換器を製造する場合、組立品を炉内に投入して加熱した際に、部品を形成するアルミニウム合金に含まれている添加剤がろう材に侵入する可能性がある。ろう材に添加剤が侵入すると、ろう材の特性が変化するため、結果としてろう付けが適切に行われないおそれがある。このような問題を回避するために、従来の熱交換器では、部品を形成する材料として、ろう付けを阻害しない材料、具体的には１０００番系や３０００番系のアルミニウム合金が選定されている。

　一方、１０００番系や３０００番系のアルミニウム合金は、例えば５０００番系や７０００番系のアルミニウム合金と比較すると、強度が低い。そのため、部品を形成する材料として１０００番系や３０００番系のアルミニウム合金を用いる場合、内部を流れる流体の圧力に対する熱交換器の耐圧性を確保するために、部品の厚肉化が必須となっている。これが、熱交換器の重量の増加を招いている。特に、電気自動車等において電池を冷却するための熱交換器には大型の熱交換器が用いられるため、その重量の増加が顕著となり、車両の航続距離を低減させる要因の一つとなっている。

　なお、このような課題は、電池を冷却するための熱交換器に限らず、各種の熱交換器に共通する課題である。
　本開示の目的は、耐圧性を確保しつつ、軽量化が可能な熱交換器を提供することにある。

　本開示の一態様による熱交換器は、金属又は樹脂からなる複数の部品が接合された接合部材を有し、接合部材の内部に形成された流路を流れる流体と接合部材の外部の熱交換対象との間で熱交換が行われる。互いに接合される２つの部品を第１部品及び第２部品とするとき、第１部品及び第２部品は、接着剤を介して互いに接合されている。接着剤に対向する第１部品の表面には、第１部品と接着剤との界面を共有結合させる第１共有結合層が形成されている。接着剤に対向する第２部品の表面には、第２部品と接着剤との界面を共有結合させる第２共有結合層が形成されている。

　この構成によれば、第１部品及び第２部品が接着剤を介して互いに接合されているため、第１部品及び第２部品を形成する材料の選定に関して、ろう付けの際に考慮すべき制約がない。したがって、第１部品及び第２部品の材料の選定の自由度を向上させることができるため、それらを形成する材料として、より強度の高い材料を選定することができる。そのため、内部を流れる流体の圧力に対する熱交換器の耐圧性を確保しつつ、第１部品及び第２部品を薄肉化することができる。結果的に、熱交換器を軽量化することが可能である。

図１は、第１実施形態の熱交換器の平面構造を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態の熱交換部材の断面構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態の熱交換部材における第１部品及び第２部品の接合部分の断面構造を拡大した断面図である。 図４は、第１実施形態の変形例の熱交換部材の断面構造を示す断面図である。 図５は、第２実施形態の熱交換部材における第１部品及び第２部品の接合部分の断面構造を拡大した断面図である。 図６は、第２実施形態の熱交換器の製造工程の一部を示す断面図である。 図７は、第３実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。

　以下、熱交換器の実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
　＜第１実施形態＞
　はじめに、図１に示される第１実施形態の熱交換器１０について説明する。この熱交換器１０は、電気自動車に搭載された複数の電池５０を冷却する電池冷却器として用いられるものである。複数の電池５０は、電気自動車の動力源である電動機や、電気自動車に搭載されるその他の各種電気機器に電力を供給する。熱交換器１０は、タンク部材２０，２１と、複数の熱交換部材３０とを備えている。

　熱交換部材３０は、矢印Ｙで示される方向に延びるように形成されている。熱交換部材３０の内部には、冷却流体が流れる流路Ｐｗ１０が形成されている。複数の熱交換部材３０は、矢印Ｘで示される方向に所定の間隔を空けて配置されている。矢印Ｘで示される方向は、矢印Ｙで示される方向に直交する方向である。

　複数の熱交換部材３０のうち、矢印Ｘで示される方向の一端に配置される端部熱交換部材３０ａには、その内部流路Ｐｗ１０を第１内部流路Ｐｗ１１及び第２内部流路Ｐｗ１２に仕切る仕切部３１が形成されている。仕切部３１の近傍における端部熱交換部材３０ａの外周面には、流入口３２及び流出口３３が突出するように形成されている。流入口３２は第１内部流路Ｐｗ１１に連通されている。流出口３３は第２内部流路Ｐｗ１２に連通されている。なお、以下では、複数の熱交換部材３０のうち、端部熱交換部材３０ａを除く熱交換部材３０を「熱交換部材３０ｂ」と称する。各熱交換部材３０ｂの外面には電池５０が設置される。

　タンク部材２０，２１は、矢印Ｘで示される方向に延びるように形成されている。タンク部材２０，２１の内部には、冷却流体が流れる流路Ｐｗ２０，Ｐｗ２１がそれぞれ形成されている。タンク部材２０は、複数の熱交換部材３０のそれぞれの一端部に接合されるように設けられている。タンク部材２１は、複数の熱交換部材３０のそれぞれの他端部に接合されるように設けられている。タンク部材２０の内部流路Ｐｗ２０は、複数の熱交換部材３０のそれぞれの内部流路Ｐｗ１０の一端部に連通されている。タンク部材２１の内部流路Ｐｗ２１は、複数の熱交換部材３０のそれぞれの内部流路Ｐｗ１０の他端部に連通されている。

　この熱交換器１０では、流入口３２に冷却流体が供給される。流入口３２に供給される冷却流体は、端部熱交換部材３０ａの第１内部流路Ｐｗ１１を通じてタンク部材２０の内部流路Ｐｗ２０した流入した後、端部熱交換部材３０ａを除く複数の熱交換部材３０ｂのそれぞれの内部流路Ｐｗ１０に分配される。各熱交換部材３０ｂの内部流路Ｐｗ１０を通過した冷却流体は、タンク部材２０の内部流路Ｐｗ２１に集められた後、端部熱交換部材３０ａの第２内部流路Ｐｗ１２を通じて流出口３３から排出される。流出口３３から排出された冷却水は、例えば車両に搭載されたラジエータにおいて外気との熱交換により冷却された後、流入口３２に再び戻される。

　次に、熱交換部材３０の構造について詳しく説明する。
　図２に示されるように、熱交換部材３０は、第１部品３３と第２部品３４とが接着剤３５を介して互いに接合された構造を有している。なお、本実施形態では、熱交換部材３０が、第１部品３３及び第２部品３４が接合された接合部材に相当する。また、熱交換部材３０の内部を流れる冷却流体が、接合部材の内部を流れる流体に相当し、電池５０が、接合部材の外部の熱交換対象に相当する。

　第２部品３４は、平板状に形成されている。第２部品３４は、アルミニウムにより形成されている。具体的には、第２部品３４は、２０００番系、５０００番系、６０００番系、７０００番系、及び８０００番系のいずれかのアルミニウム合金により形成されている。第２部品３４の一方の表面３４０は、電池５０が設置される設置面となっている。第２部品３４の他方の表面３４１には、接着剤３５を介して第１部品３３が接着されている。

　第１部品３３は、矢印Ｙで示される方向に直交する断面形状が凹字状をなすように形成されている。第１部品３３は、第２部品３４と同様に、２０００番系、５０００番系、６０００番系、７０００番系、及び８０００番系のいずれかのアルミニウム合金により形成されている。第１部品３３の開口部の外周部分にはフランジ部３３０が形成されている。フランジ部３３０の表面３３０ａは、接着剤３５を介して第１部品３３に接着されている。第１部品３３の内壁面３３１、第２部品の表面３４１、及び接着剤３５によって囲まれる空間により、熱交換部材３０の内部流路Ｐｗ１０が形成されている。

　接着剤３５は、第１部品３３のフランジ部３３０の表面３３０ａと第２部品３４の表面３４１との間に設けられており、それらを接合している。接着剤３５としては、シリコン系接着剤が用いられている。
　図３に示されるように、第１部品３３において接着剤３５に対向するフランジ部３３０の表面３３０ａには、第１共有結合層３６が形成されている。第１共有結合層３６は、第１部品３３と接着剤３５との界面を共有結合させることにより、それらを接合させている。同様に、第２部品３４において接着剤３５に対向する表面３４１には第２共有結合層３７が形成されている。第２共有結合層３７は、第２部品３４と接着剤３５との界面を共有結合させることにより、それらを接合させている。第１共有結合層３６及び第２共有結合層３７を形成する材料としては、ケイ酸ガラス層、より詳しくはアルミノケイ酸ガラス層が用いられている。

　次に、熱交換部材３０の製造方法について説明する。
　熱交換部材３０を製造する際には、まず、凹字状の第１部品３３、及び平板状の第２部品３４を成形した後、第１部品３３の表面３３０ａに第１共有結合層３６を形成するとともに、第２部品３４の表面３４１に第２共有結合層３７を形成する。具体的には、共有結合層３６，３７に対応する液体を用いて、ディッピング、シャワー塗布、及びロールコート等により各部品３３，３４に共有結合層３６，３７をそれぞれ形成する。その後、第１部品３３のフランジ部３３０と第２部品３４とを接着剤３５を介して接着させることにより、熱交換部材３０の製造が完了する。

　次に、本実施形態の熱交換器１０の作用及び効果について説明する。
　本実施形態の熱交換器１０では、第１部品３３及び第２部品３４が接着剤３５を介して互いに接合されているため、第１部品３３及び第２部品３４を形成する材料の選定に関して、ろう付けの際に考慮すべき制約がない。したがって、第１部品３３及び第２部品３４の材料の選定の自由度を向上させることができるため、それらを形成する材料として、より強度の高い材料を選定することができる。具体的には、第１部品３３及び第２部品３４の材料として、従来の１０００番系や３０００番系のアルミニウム合金に代えて、２０００番系、５０００番系、６０００番系、７０００番系、及び８０００番系のいずれかのアルミニウム合金を用いることができる。そのため、内部を流れる冷却流体の圧力に対する熱交換器１０の耐圧性を確保しつつ、第１部品３３及び第２部品３４を薄肉化することができる。結果的に、熱交換器１０を軽量化することができる。

　（変形例）
　次に、第１実施形態の熱交換器１０の変形例について説明する。
　図４に示されるように、本変形例の熱交換器１０では、第１部品３３の底面３３２に電池５１が更に配置されている。このような構成によれば、熱交換器１０に設置可能な電池の個数を増加させることができる、換言すれば熱交換器１０により冷却可能な電池の個数を増加させることが可能である。

　＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態の熱交換器１０について説明する。以下、第１実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
　図５に示されるように、本実施形態の第１部品３３のフランジ部３３０には、段差部３３３と、突出部３３４とが形成されている。

　段差部３３３は、第２部品３４と所定の隙間を有して配置され、且つ第２部品３４の表面３４１と略平行に配置されている部分である。
　突出部３３４は、段差部３３３の略中央から第２部品３４に向かって突出するように形成されている。突出部３３４の先端面３３４ａは、第２部品３４の表面３４１に対して略平行な平坦面となっている。突出部３３４の先端面３３４ａは接着剤３５を介して第２部品３４の表面３４１に接着されている。

　図５に示されるように、第１部品３３の段差部３３３と第２部品３４の表面３４１との間の隙間には、接着剤３５が配置されている。接着剤３５は、突出部３３４の外周部分に配置されている。接着剤３５は、第１部品３３の段差部３３３と第２部品３４の表面３４１とを接着させることにより、それらを接合させている。接着剤３５の外面には、円弧状のフィレット３３５が形成されている。

　なお、接着剤３５を介した突出部３３４の先端面３３４ａと第２部品３４の表面３４１との接合構造、並びに接着剤３５を介した第１部品３３の段差部３３３と第２部品３４の表面３４１との接合構造には、図３に示される構造と同様の構造が採用されているため、その詳細な説明は割愛する。

　次に、本実施形態の熱交換器１０の製造方法について説明する。
　本実施形態の熱交換器１０を製造する際には、まず、第１部品３３及び第２部品３４を成形した後、第１部品３３の表面３３０ａに第１共有結合層３６を形成するとともに、第２部品３４の表面３４１に第２共有結合層３７を形成する。そして、図６に示されるように、第１部品３３の突出部３３４の先端面３３４ａに接着剤３５を塗布する。その後、第１部品３３の突出部３３４の先端面３３４ａに第２部品３４を載せることにより、接着剤３５を介して第１部品３３及び第２部品３４を接合させる。その際、接着剤３５の外面に図５に示されるようなフィレット３３５が形成されるように、第１部品３３の突出部３３４の高さＨが予め設定されている。

　次に、本実施形態の熱交換器１０の作用及び効果について説明する。
　本実施形態の熱交換器１０では、図５に示されるように、第１部品３３の突出部３３４が接着剤３５を介して第２部品３４に接合されている。このような構造によれば、第１部品３３の突出部３３４の長さＬを適宜調整することにより、第１部品３３と第２部品３４との接着部分の長さを任意に設定することができる。よって、第１部品３３の突出部３３４の長さＬを、接着に必要な長さ以上の長さに設定すれば、接着剤３５を介した第１部品３３及び第２部品３４の接合強度を確保することができる。

　一方、このような熱交換器１０では、例えば冷却液体の温度変化により熱交換部材３０が伸張変形及び収縮変形する。このような熱交換部材３０の変形により接着剤３５の外面に局所的な応力が加わると、接着剤３５が破損して、結果として第１部品３３及び第２部品３４の接合が解除される可能性がある。この点、本実施形態の熱交換部材３０では、接着剤３５の外面にフィレット３３５が形成されているため、接着剤３５の外面に局所的な応力が作用し難くなっている。したがって、熱交換部材３０が伸張変形及び収縮変形した際に接着剤３５が破損するような状況が生じ難いため、第１部品３３及び第２部品３４が接合されている状態を維持し易くなる。

　＜第３実施形態＞
　次に、第３実施形態の熱交換器１０について説明する。
　図７に示されるように、本実施形態の熱交換器１０は、２重管式内部熱交換器である。熱交換器１０は、第１管部材６０と、第２管部材７０と、流入管８０とを備えている。第１管部材６０、第２管部材７０、及び流入管８０を形成する材料としては、第１実施形態の第１部品３３及び第２部品３４に採用される材料と同一の材料を用いることが可能である。

　第１管部材６０は、軸線ｍを中心として円環状に形成されている。第１管部材６０の内部空間は、第１流体が流れている第１内部流路Ｐｗ３１を構成している。
　第２管部材７０も、軸線ｍを中心として円環状に形成されている。第２管部材７０は、第１管部材６０よりも大きい内径を有しており、その内部に第１管部材６０を収容している。第２管部材７０の一端部は、第１管部材６０の外周面に接合されている。第２管部材７０の内周面と第１管部材６０の外周面とによって囲まれる空間により、第２流体が流れる第２内部流路Ｐｗ３２が構成されている。

　この熱交換器１０では、第１内部流路Ｐｗ３１を流れる第１流体と、第２内部流路Ｐｗ３２を流れる第２流体との間で熱交換が行われる。
　第１管部材６０の一端部は、第２管部材７０の一端部から突出している。この第１管部材６０の一端部には、第１管部材６０に第１流体を流入させるための流入管８０が接合されている。具体的には、流入管８０の一端部の内周面が第１管部材６０の一端部の外周面に接着剤３５を介して接合されている。なお、接着剤３５を介した流入管８０及び第１管部材６０の接合構造には、図３に示される構造と同様の構造が採用されているため、その詳細な説明は割愛する。

　本実施形態では、互いに接合された第１管部材６０及び流入管８０が接合部材９０に相当し、第１管部材６０及び流入管８０が接合部材を構成する部品に相当する。また、第１管部材６０及び流入管８０の内部を流れる第１流体が、接合部材の内部を流れる流体に相当し、第２流体が、接合部材の外部の熱交換対象に相当する。

　図７に示されるような構造を有する本実施形態の熱交換器１０であっても、第１実施形態の熱交換器１０と同一又は類似の作用及び効果を得ることが可能である。
　＜他の実施形態＞
　なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。

　・第１及び第２実施形態の熱交換部材３０の第１部品３３及び第２部品３４は、アルミニウムや鉄、ステンレス鋼等の金属、あるいは樹脂により形成されていればよい。第３実施形態の第１管部材６０、第２管部材７０、及び流入管８０に関しても同様である。
　・各実施形態の接着剤３５としては、シリコン系接着剤に限らず、エポキシ系接着剤、ポリウレタン系接着剤、ポリエステル系接着剤、メラニン系接着剤、及びユリア樹脂系接着剤等を用いることが可能である。

　・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Claims (10)

1. 　金属又は樹脂からなる複数の部品（３３，３４，６０，８０）が接合された接合部材（３０，９０）を有し、前記接合部材の内部に形成された流路を流れる流体と前記接合部材の外部の熱交換対象との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
   　互いに接合される２つの前記部品を第１部品（３３，６０）及び第２部品（３４，８０）とするとき、
   　前記第１部品及び前記第２部品は、接着剤（３５）を介して互いに接合されており、
   　前記接着剤に対向する前記第１部品の表面には、前記第１部品と前記接着剤との界面を共有結合させる第１共有結合層（３６）が形成され、
   　前記接着剤に対向する前記第２部品の表面には、前記第２部品と前記接着剤との界面を共有結合させる第２共有結合層（３７）が形成されている
   　熱交換器。
2. 　前記第１共有結合層及び前記第２共有結合層のうち少なくとも何れか一方は、ケイ酸ガラス層からなる
   　請求項１に記載の熱交換器。
3. 　前記第１共有結合層及び前記第２共有結合層のうち少なくとも何れか一方は、アルミノケイ酸ガラス層からなる
   　請求項１に記載の熱交換器。
4. 　前記接着剤は、シリコン系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリウレタン系接着剤、ポリエステル系接着剤、メラニン系接着剤、及びユリア樹脂系接着剤のいずれかからなる
   　請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 　前記部品は、アルミニウム、鉄、及びステンレス鋼のいずれかにより形成されている
   　請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 　前記部品は、２０００番系、５０００番系、６０００番系、７０００番系、及び８０００番系のいずれかのアルミニウム合金により形成されている
   　請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 　前記第２部品（３４）は、平板状に形成されており、
   　前記第１部品（３３）は、前記第１部品と所定の隙間を有して配置される段差部（３３３）と、前記段差部から前記第２部品に向かって突出する突出部（３３４）とを有しており、
   　前記突出部が前記接着剤を介して前記第２部品に接合されている
   　請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 　前記接着剤は、前記突出部の外周部分であって、且つ前記第１部品と前記第２部品の前記段差部との間に形成される隙間に形成されており、
   　前記接着剤の外面には、フィレット（３３５）が形成されている
   　請求項７に記載の熱交換器。
9. 　前記熱交換対象は、電気自動車に搭載される電池（５０）であり、
   　前記接合部材の内部に形成された流路を流れる流体と前記電池との間で熱交換を行うことにより前記電池を冷却する
   　請求項１～８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 　前記第１部品及び前記第２部品のうち前記電池側に設けられる部品は、アルミニウム合金により形成されている
    　請求項９に記載の熱交換器。

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