(57)【要約】【課題】流体流路における耐食性を確保しつつ、流通抵抗の低減を可能とする積層式熱交換器を提供する。【解決手段】第１開口部１２１ａを有する第１板状部材１２１および第２開口部１２２ａを有する第２板状部材１２２が混在して積層され、第１開口部１２１ａ、第２開口部１２２ａが互いに連通して流体が流通する流体流路１２０Ａが形成される積層式熱交換器において、第１、第２板状部材１２１、１２２のそれぞれの少なくとも一方の面に、犠牲材を設け、第２開口部１２２ａが、第１開口部１２１ａに対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されるようにする。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口部（１２１ａ）を有する第１板状部材（１２１）および第２開口部（１２２ａ）を有する第２板状部材（１２２）が混在して積層され、前記第１開口部（１２１ａ）、前記第２開口部（１２２ａ）が互いに連通して流体が流通する流体流路（１２０Ａ）が形成される積層式熱交換器において、
前記第１、第２板状部材（１２１、１２２）のそれぞれの少なくとも一方の面には、犠牲材が設けられ、
前記第２開口部（１２２ａ）は、前記第１開口部（１２１ａ）に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴とする積層式熱交換器。
【請求項２】
前記流体は、前記流体流路（１２０Ａ）を前記第１、第２板状部材（１２１、１２２）の面が拡がる方向で、且つ、前記第２開口部（１２２ａ）がずれた方向に対して交差する方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の積層式熱交換器。
【請求項３】
前記第１、第２板状部材（１２１、１２２）の積層方向の一方には、複数の板状部材（１１１〜１１３）によって形成されると共に、内部に冷媒が貯留され、外部表面に発熱体（１０）が取付けられる冷媒槽部（１１０）が設けられており、
前記第１板状部材（１２１）に設けられた第３開口部（１２１ｄ）および前記第２板状部材（１２２）に設けられた第４開口部（１２２ｄ）が互いに連通することによって冷媒流路（１２０Ｂ）が形成され、
前記冷媒流路（１２０Ｂ）は、前記冷媒槽部（１１０）に連通することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の積層式熱交換器。
【請求項４】
前記第４開口部（１２２ｄ）は、前記第３開口部（１２１ｄ）に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の積層式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却器に適用して好適な積層式熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の積層式熱交換器として、特許文献１に示されるように、通過孔を有する金属板を複数積層して、通過孔によって積層方向に連続した流体通路が形成されるものが知られている。
【０００３】
ここでは、流体通路の通路壁が腐食環境に晒される場合に、複数の金属板のうち、一部の金属板を通路壁から流体通路内に向かって突出させることで突出部を設け、この突出部が他の部分よりも電位的に卑となるようにしている。
【０００４】
これにより、流体通路の通路壁において、突出部のみに孔食が進行することになり、他の流体通路の通路壁の防食を可能としている。
【特許文献１】特開平８−５２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、流体通路内に設けられる突出部によって、流体通路断面積が減少してしまうので、その分、流通抵抗が増大するという問題があった。尚、流通抵抗が増大すると、内部流体の流量が低下し、積層式熱交換器としての熱交換性能が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、流体流路における耐食性を確保しつつ、流通抵抗の低減を可能とする積層式熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、第１開口部（１２１ａ）を有する第１板状部材（１２１）および第２開口部（１２２ａ）を有する第２板状部材（１２２）が混在して積層され、第１開口部（１２１ａ）、第２開口部（１２２ａ）が互いに連通して流体が流通する流体流路（１２０Ａ）が形成される積層式熱交換器において、第１、第２板状部材（１２１、１２２）のそれぞれの少なくとも一方の面には、犠牲材が設けられ、第２開口部（１２２ａ）は、第１開口部（１２１ａ）に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、第２板状部材（１２２）の第２開口部（１２２ａ）の端部は、流体流路（１２０Ａ）内に突出する凸部（１２２ｅ）および第１板状部材（１２１）間に入り込む凹部（１２２ｆ）を形成することになる。そして、この凹部（１２２ｆ）に対応する第１開口部（１２１ａ）の端部は相対的に流体流路（１２０Ａ）内に突出する突出部（１２１ｅ）を形成することになり、流体流路（１２０Ａ）が流体によって腐食環境に晒される場合に、凸部（１２２ｅ）および突出部（１２１ｅ）における犠牲材が優先的に腐食され、流体流路（１２０Ａ）の耐食性を向上できる。
【００１０】
ここで、凸部（１２２ｅ）が形成される時に凹部（１２２ｆ）も同時に形成され、この凹部（１２２ｆ）によって流体流路（１２０Ａ）の流路断面積を増大させることができるので、流通抵抗を低減することができる。
【００１１】
尚、付随的に凸部（１２２ｅ）および凹部（１２２ｆ）によって、流体流路（１２０Ａ）内の表面積を増大することができるので、積層式熱交換器（１００）としての熱交換性能を向上することができる。
【００１２】
そして、請求項２に記載の発明では、流体は、流体流路（１２０Ａ）を第１、第２板状部材（１２１、１２２）の面が拡がる方向で、且つ、第２開口部（１２２ａ）がずれた方向に対して交差する方向に流れることを特徴としている。
【００１３】
これにより、第２開口部（１２２ａ）の位置のずれ量の大小に関わらず流通抵抗を低減できる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、第１、第２板状部材（１２１、１２２）の積層方向の一方には、複数の板状部材（１１１〜１１３）によって形成されると共に、内部に冷媒が貯留され、外部表面に発熱体（１０）が取付けられる冷媒槽部（１１０）が設けられており、第１板状部材（１２１）に設けられた第３開口部（１２１ｄ）および第２板状部材（１２２）に設けられた第４開口部（１２２ｄ）が互いに連通することによって冷媒流路（１２０Ｂ）が形成され、冷媒流路（１２０Ｂ）は、冷媒槽部（１１０）に連通することを特徴としている。
【００１５】
これにより、本積層式熱交換器（１００）を、発熱体（１０）によって沸騰した冷媒を冷媒流路（１２０Ｂ）に導き、流体流路（１２０Ａ）内の流体と熱交換を行う沸騰冷却器（１００）として対応することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明では、第４開口部（１２２ｄ）は、第３開口部（１２１ｄ）に対して略同一の開口形状を成すと共に、ずれた位置に形成されたことを特徴としている。
【００１７】
これにより、冷媒流路（１２０Ｂ）内の表面積を増大させて、流体流路（１２０Ａ）側との熱交換性能を向上させることができる。
【００１８】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施形態）
次に、本発明の積層式熱交換器の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態では、積層式熱交換器として沸騰冷却器１００に適用したものとしている。沸騰冷却器１００は、例えば半導体素子（ＩＧＢＴ）等の発熱体１０の熱によって内部に封入される冷媒が沸騰気化し、外部から供給される冷却水（本発明の流体に対応）によって気化冷媒が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を冷却水に放出することで発熱体１０を冷却する熱交換器である。
【００２０】
以下説明する図面のうち、図１は沸騰冷却器１００の正面図、図２は沸騰冷却器１００の平面図、図３、図４は各プレート１１１〜１１３、１２１、１２２の平面図、図５は図２のＡ−Ａ部における部分断面図、図６は各プレート１３１〜１３３の平面図である。
【００２１】
沸騰冷却器１００は、図１、図２に示すように、下側から上側に向けて順に各プレート１１１〜１１３、１２１、１２２、１３１〜１３３が積層されて、冷媒槽部１１０、熱交換部１２０、冷媒拡散部１３０が形成されている。冷媒拡散部１３０の上側の面（上側プレート１３３）には、入口パイプ１４０、出口パイプ１５０、冷媒封入パイプ１６０が設けられている。上記各部材は、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、これら部材が一体でろう付けされることによって沸騰冷却器１００は形成される。
【００２２】
冷媒槽部１１０は、内部に冷媒が貯留される部位であり、図３に示すように、下側プレート１１１、中間プレート１１２、１１３から成る。各プレート（本発明の複数の板状部材に対応）１１１〜１１３は、長方形を成しており、中間プレート１１２には、図３（ｂ）中において上下方向端部側の所定領域を残して左右方向に延びる冷媒開口部１１２ａが複数設けられ、また、中間プレート１１３には、図３（ｃ）中において上記と同様の所定領域を残して上下方向に延びる冷媒開口部１１３ａが複数設けられている。各冷媒開口部１１２ａ、１１３ａは互いに交差する部位で連通し、冷媒を貯留する空間を形成する。尚、中間プレート１１２、１１３は図１では、各１枚ずつ配置するものとして示しているが、これに限らず、冷媒の貯留量に応じて複数組みの構成とするようにしても良い。
【００２３】
そして、冷媒槽部１１０の下側面（下側プレート１１１）には発熱体１０が配置され（図１、図２）、図示しないボルト等の締め付けにより固定されている。尚、発熱体１０と冷媒槽部１１０との間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。
【００２４】
熱交換部１２０は、本発明の特徴部を成すもので、図１、図４、図５に示すように、中間プレート（本発明の第１板状部材に対応）１２１および中間プレート（本発明の第２板状部材に対応）１２２が混在するように積層されている。ここでは具体的に、中間プレート１２１と中間プレート１２２とを交互に積層している。
【００２５】
尚、中間プレート１２１、１２２の少なくとも一方の面には図示しない犠牲材が設けられている。犠牲材は、周知のように中間プレート１２１、１２２に対して自らが金属電極の陽極として働き、電気化学反応によって消耗（犠牲腐食）することで、相手側の中間プレート１２１、１２２の耐食寿命を延ばすものである。犠牲材は、中間プレート１２１、１２２を形成するアルミニウム材に対して電位が低くなるように、亜鉛を所定量含有するアルミニウム材としている。
【００２６】
図４に示すように、中間プレート１２１、１２２は、それぞれ冷媒槽部１１０の各プレート１１１〜１１３と外形を同一とする長方形を成しており、それぞれ複数の冷媒開口部１２１ｄ、１２２ｄおよび冷却水開口部１２１Ａ、１２２Ａが設けられている。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、中間プレート１２１の冷媒開口部（本発明の第３開口部に対応）１２１ｄは、上記の中間プレート１１３に設けられた冷媒開口部１１３ａと同一の位置に同一の大きさで設けられている。
【００２８】
冷却水開口部１２１Ａは、図４（ａ）中の上下方向に延びる中間開口部１２１ａと、図４（ａ）中の左右方向に延びて櫛状を成す入口側開口部１２１ｂおよび出口側開口部１２１ｃとから成る。中間開口部（本発明の第１開口部に対応）１２１ａは、図４（ａ）中の左右方向において上記の冷媒開口部１２１ｄの間に挟まれるように配置されている。また入口側開口部１２１ｂおよび出口側開口部１２１ｃの櫛歯に相当する部位は、中間開口部１２１ａの位置に対応するようになっている。
【００２９】
一方、図４（ｂ）に示すように、中間プレート１２２の冷媒開口部１２２ｄおよび冷却水開口部１２２Ａ（中間開口部１２２ａ、入口側開口部１２２ｂ、出口側開口部１２２ｃ）は、上記の中間プレート１２１のそれらと同様に形成されている。
【００３０】
しかしながら、本発明の特徴部として、冷媒開口部（本発明の第４開口部に対応）１２２ｄ、中間開口部（本発明の第２開口部に対応）１２２ａは、上記の冷媒開口部１２１ｄ、中間開口部１２１ａに対して、積層方向に連通する範囲で、図４（ｂ）中の左右方向にずれた位置に設けられるようにしている。ここでは具体的に、図４（ｂ）中の２点鎖線で示す冷媒開口部１２１ｄ、中間開口部１２１ａを想定した位置に対して冷媒開口部１２２ｄ、中間開口部１２２ａは、それぞれ左側にずれるように設定している。
【００３１】
尚、入口側開口部１２１ｂ、１２２ｂおよび出口側開口部１２１ｃ、１２２ｃの櫛歯に相当する部位の長さは、それぞれ異なるようにしており、中間プレート１２１、１２２を積層した際に、冷却水開口部１２１Ａ、１２２Ａ全体が互いに連通するようにしている。
【００３２】
熱交換部１２０においては、図５に示すように、中間開口部１２１ａ、１２２ａが積層方向に連通することによって、冷却水流路（本発明の流体流路に対応）１２０Ａが形成される。ここで中間開口部１２２ａが中間開口部１２１ａに対して図５中の左側にずれた位置に設けられているため、中間開口部１２２ａの端部によって、冷却水流路１２０Ａ内に突出する凸部１２２ｅおよび中間プレート１２１間に入り込む凹部１２２ｆが形成されることになる。そして、この凹部１２２ｆに対応する冷媒開口部１２１ａの端部によって、相対的に冷却水流路１２０Ａ内に突出する突出部１２１ｅが形成されることになる。
【００３３】
また、冷媒開口部１２１ｄ、１２２ｄが積層方向に連通することによって、冷媒流路１２０Ｂが形成される。そして、この冷媒流路１２０Ｂにおいても、冷媒開口部１２２ｄが冷媒開口部１２１ｄに対してずれた位置に設けられているため、上記冷却水流路１２０Ａと同様に、凸部１２２ｅ、凹部１２２ｆ、突出部１２１ｅが形成されることになる。尚、冷媒流路１２０Ｂは、冷媒槽部１１０および後述する冷媒拡散部１３０のそれぞれの内部空間に連通する。
【００３４】
冷媒拡散部１３０は、上記冷媒槽部１１０と同様に、図１、図６に示すように、複数のプレート１３１〜１３３が積層されて形成されている。即ち、中間プレート１３１と中間プレート１３２とが交互に積層されて、更にその上側に上側プレート１３３が配置されている。
【００３５】
中間プレート１３１、１３２は、上記冷媒層部１１０の各プレート１１１〜１１３と外形を同一とする長方形を成している。中間プレート１３１、１３２には、上記冷媒槽部１１０の中間プレート１１２、１１３と同様に、それぞれ図６中の上下方向あるいは左右方向に延びる冷媒開口部１３１ａ、１３２ａが複数設けられている。そして、冷媒開口部１３１ａは、熱交換部１２０の冷媒開口部１２２ｄと同一の位置、同一の大きさと成るように設けられている。
【００３６】
また、中間プレート１３１、１３２および上側プレート１３３には、図６中の左下に入口パイプ穴１３０ａ、右上に出口パイプ穴１３０ｂがそれぞれ設けられており、入口パイプ穴１３０ａは、中間プレート１２１、１２２の入口側開口部１２１ｂ、１２２ｂに連通し、出口パイプ孔１３０ｂは、中間プレート１２１、１２２の出口側開口部１２１ｃ、１２２ｃに連通している。そして、上側プレート１３３の各パイプ穴１３０ａ、１３０ｂにはそれぞれ、入口パイプ１４０、出口パイプ１５０が図１、図２に示すように接合されている。
【００３７】
また、上側プレート１３３の図６（ｃ）中の右上には、上記冷媒開口部１３２ａに連通する冷媒パイプ穴１３３ａが設けられている。この冷媒パイプ穴１３３ａには、図１、図２に示すように、冷媒パイプ１６０が接合されている。
【００３８】
冷媒拡散部１３０においては、冷媒開口部１３１ａ、１３２ａが互いに交差する部位で連通して、内部空間が形成され、この内部空間は冷媒パイプ１６０と連通する。尚、中間プレート１３１、１３２は、図１では各１枚ずつ（合計２枚）配置するものとして示しているが、これに限らず、冷媒拡散部１３０の内部空間の大きさを調節するために、３枚以上の組み合わせとするようにしても良い。
【００３９】
尚、各プレート１１１〜１１３、１２１、１２２、１３１〜１３３の各開口部１１２ａ、１１３ａ、１２１ａ〜１２１ｄ、１２２ａ〜１２２ｄ、１３１ａ、１３２ａ、および各パイプ穴１３０ａ、１３０ｂ、１３３ａは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成されている。
【００４０】
そして、冷媒封入パイプ１６０からは、所定量の冷媒が注入され、冷媒は冷媒拡散部１３０から熱交換部１２０の冷媒流路１２０Ｂを通り、主に冷媒槽部１１０を満たすように貯留される。冷媒としては、ここではフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いている。その他の冷媒として、水、アルコール、フロロカーボン等を用いても良い。尚、冷媒封入パイプ１６０の開口側は、冷媒注入後に溶接等により封止される。
【００４１】
次に、本実施形態の作動および作用効果について説明する。冷媒槽部１１０内における冷媒は、発熱体１０の熱を受けて沸騰気化し、冷媒流路１２０Ｂ側に上昇し、冷媒拡散部１３０内に流入して拡散する。そして、この拡散した冷媒が再び冷媒流路１２０Ｂ内を下降する際に、冷却水流路１２０Ａを流通する冷却水によって冷却されて凝縮液化して、自重によって冷媒槽部１１０に還流する。このように、沸騰冷却器１００は、発熱体１０の熱を沸騰気化により輸送し、凝縮液化時の凝縮潜熱を冷却水側に放出することで発熱体１０を冷却する。
【００４２】
尚、本沸騰冷却器１００においては、冷却水は、入口パイプ１４０から流入し、入口側開口部１２１ｂ、１２２ｂを通り、冷却水流路１２０Ａを中間プレート１２１、１２２の面が拡がる方向で、且つ、中間開口部１２２ａがずれた方向に対して交差する方向、即ち、図５中の紙面の表側から裏側に向けて流れる。そして、冷却水流路１２０Ａを流通した冷却水は、出口側開口部１２１ｃ、１２２ｃを通って、出口パイプ１５０から流出する。
【００４３】
本発明においては、冷却水によって冷却水流路１２０Ａが腐食環境に晒されることになるが、冷却水流路１２０Ａ内に突出する凸部１２２ｅ、突出部１２１ｅにおける犠牲材が優先的に腐食され、冷却水流路１２０Ａの耐食性を向上できることになる。
【００４４】
ここで、冷却水流路１２０Ａにおいては、凸部１２２ｅが形成される時に凹部１２２ｆも同時に形成され、この凹部１２２ｆによって冷却水流路１２０Ａの流路断面積を増大させることができるので、冷却水の流通抵抗を低減することができる。
【００４５】
更に、冷却水流路１２０Ａにおける冷却水の流れ方向を上記説明のように図５中の紙面に対して垂直方向（表側から裏側）となるようにしているので、中間開口部１２２ａの位置のずれ量の大小に関わらず流通抵抗を低減できる。
【００４６】
尚、付随的に凸部１２２ｅおよび凹部１２２ｆによって、冷却水流路１２０Ａ内の表面積を増大することができるので、沸騰冷却器１００としての熱交換性能を向上することができる。
【００４７】
また、冷媒流路１２０Ｂにおいても、冷却水流路１２０Ａと同様に、凸部１２２ｅ、突出部１２１ｅが形成されるようにしているので、冷媒流路１２０Ｂ内の表面積を増大させて、冷却水流路１２０Ａ側との熱交換性能を向上させることができる。
【００４８】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態においては、本発明を沸騰冷却器１００に適用したものとして説明したが、これに限らず、冷却水流路１２０Ａに相当する流路に流体を流して、この流体と外部流体（例えば空気）、外部発熱物等と熱交換する熱交換器（具体的には、ラジエータ、ヒータコア、オイルクーラ、ヒートシンク等）として広く適用可能である。
【００４９】
また、冷却水流路１２０Ａを流れる冷却水の流れ方向は、上記第１実施形態に対して、中間プレート１２１、１２２の積層方向としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態における沸騰冷却器の外観を示す正面図である。
【図２】図１における沸騰冷却器を示す平面図である。
【図３】冷媒槽部を形成する各プレートを示す平面図である。
【図４】熱交換部を形成する各プレートを示す平面図である。
【図５】図２におけるＡ−Ａ部を示す部分断面図である。
【図６】冷媒拡散部を形成する各プレートを示す平面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  発熱体
１００  沸騰冷却器（積層式熱交換器）
１１０  冷媒槽部
１１１  下側プレート（複数の板状部材）
１１２  中間プレート（複数の板状部材）
１１３  中間プレート（複数の板状部材）
１２０Ａ  冷却水流路（流体流路）
１２０Ｂ  冷媒流路
１２１  中間プレート（第１板状部材）
１２１ａ  中間開口部（第１開口部）
１２１ｄ  冷媒開口部（第３開口部）
１２２  中間プレート（第２板状部材）
１２２ａ  中間開口部（第２開口部）
１２２ｄ  冷媒開口部（第４開口部）
【図１】
2005069571.tif 000003
【図２】
2005069571.tif 000004
【図３】
2005069571.tif 000005
【図４】
2005069571.tif 000006
【図５】
2005069571.tif 000007
【図６】
2005069571.tif 000008