特開 2023-163330 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023163330

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20231102BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022074169

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096644

【弁理士】

【氏名又は名称】中本 菊彦

(74)【代理人】

【識別番号】100083998

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 丈夫

(72)【発明者】

【氏名】関 和仁

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 正憲

(72)【発明者】

【氏名】平井 友樹

(72)【発明者】

【氏名】錦織 祐介

(72)【発明者】

【氏名】菊池 優一

(72)【発明者】

【氏名】浅沼 聡

(72)【発明者】

【氏名】金子 拓美

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136CB06

5F136FA02

5F136FA51

5F136GA01

5F136JA03

(57)【要約】

【課題】剪断荷重及び高温環境下においても接合部の強度の維持が図れ、水密性及び耐熱性が図れるアルミニウムと合成樹脂とを接合した熱交換器を提供する。
【解決手段】液状冷媒の流路１１を有する合成樹脂製の流路ボックス１０と、流路ボックス１０の開口部１０ａを閉塞すると共に、熱電素子を含む発熱体３０に接触するアルミニウム製の蓋体２０とを具備する熱交換器であって、流路ボックス１０は、開口部１０ａに、開口縁から外方に延在する接合面１５ａと、該接合面１５ａの周辺に起立する蓋体用位置決め壁１６が設けられる。流路ボックス１０と蓋体２０は、蓋体２０における流路ボックス１０の接合面１５ａに対応する接合領域２１に施された微細凹凸接合層２２と流路ボックス１０の接合面１５ａを熱溶着によって接合されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液状冷媒の流路を有する合成樹脂製の流路ボックスと、上記流路ボックスの開口部を閉塞すると共に、熱電素子を含む発熱体に接触するアルミニウム製の蓋体とを具備する熱交換器であって、
上記流路ボックスは、上記開口部に、開口縁から外方に延在する接合面と、該接合面の周辺に起立する蓋体用位置決め壁が設けられ、
上記流路ボックスと上記蓋体は、上記蓋体における上記流路ボックスの上記接合面に対応する接合領域に施された微細凹凸接合層と上記流路ボックスの上記接合面を熱溶着によって接合されている、
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載の熱交換器であって、
上記微細凹凸接合層は、レーザー処理によって、上記蓋体における上記接合領域の対向する一方から他方に向かって連続する互いに平行な凹凸細条にて形成されている、ことを特徴とする熱交換器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
上記流路ボックスは、該流路ボックスの一側に設けられた冷媒流入口と冷媒流出口とを区画して液状冷媒の流路を形成する仕切壁を具備する、ことを特徴とする熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、熱交換器に関するもので、更に詳細には、アルミニウムと合成樹脂とを接合した熱交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、液状冷媒を流路に流して発熱体を冷却する熱交換器において、上記流路を有する合成樹脂製の有底容器を含む流路本体（以下に流路ボックスという）と、流路ボックスの開口端を閉塞するアルミニウム製の蓋材とをエポキシ樹脂などの接着剤を流路ボックスの開口端に塗布して加熱加圧にて密着接合させるか、又は、その内面に熱溶着樹脂層を有する構成のラミネートシートを流路ボックスの開口端に当接してその熱溶着樹脂層を流路ボックスの開口端に熱溶着させて流路ボックスと蓋材とを密着接合する熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載のものによれば、薄形軽量でき、半導体素子を用いて電力変換を行う機器等の発熱体の表面に装着させて、流路ボックス内に満たされる液状冷媒によって発熱体を冷却することができる。

【0004】

また、液状冷媒の冷却又は加熱によって、熱と電気とを関係づける現象を利用した熱電素子、例えば電流によって熱の吸収又は発生の生ずる現象を利用したペルチェ素子の冷却又は加熱に適用した熱交換器が知られている（例えば、特許文献２参照）。

【0005】

特許文献２に記載のものによれば、流路を有する合成樹脂製のブロック本体に銅製の導熱板を取り付けることにより、流路が外部から離隔される。

【0006】

この種の熱交換器においては、流路ブロック内に液状冷媒が満たされるため、水密性と強度が求められる。また、流路ボックスと蓋材とを密着接合させる際の加熱温度に対する耐熱性や、熱交換器を加熱に利用した場合には、液状冷媒が高温となるため、耐熱性が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第６５３４０２４号公報

【特許文献2】特開２０２１－２３４３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載のものは、エポキシ樹脂などの接着剤や熱溶着樹脂層を有する構成のラミネートシートを介して流路ボックスの開口端と蓋材とを熱溶着によって接合する構造であるため、接合時の加熱温度によって接着剤や熱溶着樹脂層が影響を受け、接合部に剪断荷重が加わると、流路ボックスと蓋材の接合部の界面が剥離し、十分な水密性と強度が得られない懸念がある。また、流路ボックスと蓋材とを密着接合させる際の加熱温度や、冷媒が高温の場合においても、冷媒の温度によって接着剤や熱溶着樹脂層が影響を受け、流路ボックスと蓋材の接合部の界面が剥離し、十分な水密性と強度が得られない懸念がある。なお、特許文献２に記載のものにおいては、合成樹脂製のブロック本体と銅製の導熱板との接合については言及されておらず、接合部の強度の維持、水密性及び耐熱性に課題が残る。

【0009】

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、剪断荷重及び高温環境下においても接合部の強度の維持が図れ、水密性及び耐熱性が図れるアルミニウムと合成樹脂とを接合した熱交換器を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を達成するために、この発明の熱交換器は、液状冷媒の流路を有する合成樹脂製の流路ボックスと、上記流路ボックスの開口部を閉塞すると共に、熱電素子を含む発熱体に接触するアルミニウム製の蓋体とを具備する熱交換器であって、上記流路ボックスは、上記開口部に、開口縁から外方に延在する接合面と、該接合面の周辺に起立する蓋体用位置決め壁が設けられ、上記流路ボックスと上記蓋体は、上記蓋体における上記流路ボックスの上記接合面に対応する接合領域に施された微細凹凸接合層と上記流路ボックスの上記接合面が熱溶着によって接合されている、ことを特徴とする（請求項１）。

【0011】

このように構成することにより、流路ボックスに設けられた蓋体用位置決め壁によって蓋体の周辺が位置決めされた状態で、流路ボックスの接合面に対応する接合領域に施された微細凹凸接合層と流路ボックスの接合面を熱溶着によって接合することができる。

【0012】

この発明において、上記微細凹凸接合層は、レーザー処理によって、上記蓋体における上記接合領域の対向する一方から他方に向かって連続する互いに平行な凹凸細条にて形成されているのが好ましい（請求項２）。

【0013】

このように構成することにより、流路ボックスと蓋体との接合を均一かつ緻密にすることができる。

【0014】

また、この発明において、上記流路ボックスは、該流路ボックスの一側に設けられた冷媒流入口と冷媒流出口とを区画して液状冷媒の流路を形成する仕切壁を具備するのが好ましい（請求項３）。

【0015】

このように構成することにより、熱溶着によって流路ボックスが変形し厚みが減少しても、接合されていない蓋体の内方側を仕切壁によって保持することができる。

【発明の効果】

【0016】

この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。

【0017】

（１）請求項１に記載の発明によれば、蓋体用位置決め壁によって周辺が位置決めされた状態で、流路ボックスの接合領域に施された微細凹凸接合層と流路ボックスの接合面を熱溶着によって接合することで、流路ボックスと蓋体の接合を位置ずれすることなく強固に接合することができるので、剪断荷重及び高温環境下においても接合部の強度の維持が図れ、水密性及び耐熱性が図れる。

【0018】

（２）請求項２に記載の発明によれば、流路ボックスと蓋体との接合を均一かつ緻密にすることができるので、上記（１）に加えて、更に剪断荷重及び高温環境下においても接合部の強度の維持が図れ、水密性及び耐熱性が図れる。

【0019】

（３）請求項３に記載の発明によれば、熱溶着によって流路ボックスが変形し厚みが減少しても、接合されていない蓋体の内方側を仕切壁によって保持することができるので、上記（１），（２）に加えて、更に蓋体の平坦度すなわち蓋体の熱授受面の平坦度の維持が図れ、熱交換効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】この発明に係る熱交換器の概略断面図（ａ）、（ａ）のＩ―Ｉ線に沿う断面図（ｂ）及び（ｂ）のII部拡大断面図（ｃ）である。

【図2】この発明における流路ボックスに蓋体を接合した状態を示す一部断面斜視図である。

【図3】この発明における流路ボックスと蓋体を示す分解斜視図である。

【図3A】この発明における微細凹凸接合層の異なる形態を示す概略平面図（ａ）～（ｅ）である。

【図4】この発明に係る熱交換器を示す斜視図である。

【図5】上記流路ボックスの正面図（ａ）、右側面図（ｂ）、平面図（ｃ）及び底面図（ｄ）である。

【図6】図５（ｃ）のIII－III線に沿う断面図である。

【図7】図５（ｃ）のIV－IV線に沿う断面図である。

【図8】この発明に係る熱交換器を作製する際に使用する拘束治具を示す斜視図である。

【図9】上記拘束治具に流路ボックスと蓋体をセットした状態を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、発熱体の冷却と加熱を兼用する熱交換器について説明する。

【0022】

この発明に係る熱交換器１は、図１，図２及び図４に示すように、液状冷媒（例えば純水とエチレングリコール）の混合液の流路１１を有する合成樹脂すなわち熱可塑性樹脂製の流路ボックス１０と、流路ボックス１０の開口部１０ａを閉塞すると共に、熱電素子を含む発熱体、例えばペルチェ素子３０に接触するアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の蓋体２０とを具備する。

【0023】

流路ボックス１０は、熱可塑性樹脂例えばＡＢＳ樹脂製部材にて形成されている。流路ボックス１０は、図３，図５ないし図７に示すように、略矩形箱状に形成され、矩形状の開口部１０ａに、開口縁から外方に延在する接合面１５ａと、接合面１５ａの周辺に起立する蓋体用位置決め壁１６が設けられている。具体的には、流路ボックス１０の開口部１０ａの開口縁から外方に延在するフランジ部１５の上面に接合面１５ａが形成され、フランジ部１５における接合面１５ａの周辺に蓋体用位置決め壁１６が設けられている。

【0024】

また、流路ボックス１０は、流路ボックス１０の一側に設けられた冷媒流入口１２と冷媒流出口１３とを区画して液状冷媒の流路１１を形成する仕切壁１４が設けられている。この場合、仕切壁１４の頂部平坦面は接合面１５ａと同一の面に形成されている。

【0025】

蓋体２０は、流路ボックス１０に設けられた蓋体用位置決め壁１６によって周囲が保持される矩形板状に形成されている。蓋体２０における流路ボックス１０の接合面１５ａに対応する接合領域２１に微細凹凸接合層２２が施されている。この微細凹凸接合層２２は、レーザー処理によって、蓋体２０における接合領域２１の対向する一方から他方に向かって連続する互いに平行な凹凸細条にて形成されている（図１（ｃ）及び図３参照）。

【0026】

なお、図３では微細凹凸接合層２０を形成している凹凸細条（具体的には、レーザー照射を受けて形成される凹凸細条に含まれる凹部と、該凹部を挟んで両側に形成される凸部）は蓋体２０の角部において直交部分でクロスした状態を示しているが、必ずしもこのような形態である必要はない。例えば、図３Ａ（ａ）～（ｅ）に示すような形態とするのがよい。図３Ａにおいて、（ａ）は角部を直角にした凹凸細条に含まれる凹部を有する微細凹凸接合層２２ａ、（ｂ）は角部を直角にした一筆書きの凹凸細条に含まれる凹部を有する微細凹凸接合層２２ｂ、（ｃ）は角部を円弧にした凹凸細条に含まれる凹部を有する微細凹凸接合層２２ｃ、（ｄ）は角部を円弧にした一筆書きの凹凸細条に含まれる凹部を有する微細凹凸接合層２２ｄを示す。また、凹凸細条に含まれる凹部と、該凹部を挟んで両側に形成される凸部の角部を円弧にした場合は、蓋体２０の角部２０ａを円弧状に形成してもよい（図３Ａ（ｅ）参照）。

【0027】

上記のように、凹凸細条が蓋体２０の角部において、直角、円弧状、あるいは一筆書きに形成されることにより、凹凸細条が蓋体２０の外周端にまで達していない状態とすることができる。

【0028】

このように形成することによって、レーザー処理によって形成される凹凸細条がクロス状の場合に比べて角部のリークを抑えることができる。すなわち、凹凸細条がクロス状に形成されている箇所では、交差している箇所及びその周辺の内部に空隙を含みやすく疎な状態となるため、当該箇所でのリークが生じ易くなる虞がある。また、凹凸細条が外周端にまで達している場合には、凹凸細条の外周端で解放されている箇所を介してリークが生じ易くなる虞がある。これに対して、凹凸細条が角部を直角、円弧状、あるいは一筆書きに形成されることで、凹凸細条が外周端にまで達しない場合は、凹凸細条の交差箇所、又は凹凸細条の外周端で解放されている箇所からのリークが生じないため、リークを抑えることができる。

【0029】

上記のように形成された流路ボックス１０と蓋体２０は、蓋体２０における流路ボックス１０の接合面１５ａに対応する接合領域２１に施された微細凹凸接合層２２，２２ａ～２２ｅと流路ボックス１０の接合面１５ａを熱溶着によって接合される。

【0030】

熱可塑性樹脂製の流路ボックス１０とアルミニウム製の蓋体２０を熱溶着する方法として、例えば、高周波誘電加熱方式を採用することができる。高周波誘電加熱とは、誘電体である熱可塑性樹脂製の流路ボックス１０に高周波電磁界を加えると誘電体損失を生じて内部発熱する現象である。換言すると、流路ボックス１０に電圧をかけ、電極のプラス／マイナスの入れ替えを高速で行うことにより、原子の向きを高速で変えることで原子の衝突や摩擦が生じて熱を発生させる現象である。

【0031】

上記のようにして流路ボックス１０と蓋体２０を熱溶着する際には、一定の圧力をかけながら高周波電界を加えて加熱するため、蓋体２０の周辺が荷重により膨らみ、流路ボックス１０が反ってしまうような現象が生じる。このような蓋体２０の膨らみ、流路ボックス１０の反りを改善するために、図８に示すような拘束治具４０を用いて流路ボックス１０と蓋体２０を熱溶着する。

【0032】

拘束治具４０は、図８に示すように、アルミニウム製のブロック体にて形成されており、流路ボックス１０の流路１１部を配置する下凹部４１と、下凹部４１の開口部４１ａを残して流路ボックス１０のフランジ部１５を配置する上凹部４２と、上凹部４２の周囲に肉厚部４３が形成され、上凹部４２の一側の肉厚部４３に、冷媒流入口１２を形成する筒状部と冷媒流出口１３を形成する筒状部をそれぞれ配置する断面略半円弧状の凹溝部４４ａ，４４ｂが設けられている。

【0033】

図９に示すように、上記のように形成された拘束治具４０の下凹部４１に流路１１を配置すると共に、上凹部４２にフランジ部１５を配置して流路ボックス１０をセットし、流路ボックス１０の接合面１５ａに微細凹凸接合層２２が施された蓋体２０をセットした状態で、流路ボックス１０と蓋体２０を熱溶着する。熱溶着する際の加熱温度によって流路ボックス１０が半液相状態まで溶けて蓋体２０の微細凹凸接合層２２に密着し、その後冷却することで、流路ボックス１０と蓋体２０を接合する（図１（ｃ）参照）。

【0034】

上記のようにして流路ボックス１０と蓋体２０を接合した熱交換器１は、蓋体２０の表面に配置したペルチェ素子３０を保持した状態で使用される。この熱交換器１は身体の皮膚を冷却・保温する熱交換器として利用でき、皮膚を冷却する場合にはペルチェ素子に冷却用電圧を印加してペルチェ素子３０の吸熱面に接触するプレート３１（図１参照）を冷却して皮膚を冷却する。このとき、ペルチェ素子３０の放熱面に接触する蓋体２０が発熱する。発熱した蓋体２０は流路ボックス１０の流路１１を流れる冷却用冷媒によって冷却される。なお、皮膚を保温する場合は、ペルチェ素子３０に加熱用電圧を印加して、上記プレート３１を加熱して皮膚を保温する。このとき、ペルチェ素子３０の吸熱面に接触する蓋体２０が冷却する。冷却した蓋体２は流路ボックス１０の流路１１を流れる加熱用冷媒によって加熱される。

【0035】

なお、上記実施形態では、発熱体がペルチェ素子３０の場合について説明したが、この発明は、ペルチェ素子３０以外の例えば半導体素子を用いて電力変換を行う機器等の発熱体を冷却する熱交換器にも適用できる。

【0036】

また、上記実施形態では、流路ボックス１０と蓋体２０とを熱溶着する方法として高周波誘電加熱方式を採用する場合について説明したが、その他の熱溶着方法、例えば、流路ボックス１０と蓋体２０の接合部に超音波振動と荷重を与えることにより接合の境界面に発生する熱を利用して溶着する超音波溶接法であってもよい。

【0037】

上記のように構成された実施形態の熱交換器によれば、蓋体用位置決め壁１６によって周辺が位置決めされた状態で、流路ボックス１０の接合領域２１に施された微細凹凸接合層２２，２２ａ～２２ｅと流路ボックス１０の接合面１５ａを熱溶着によって接合することで、流路ボックス１０と蓋体２０の接合を位置ずれすることなく強固に接合することができる。したがって、剪断荷重及び高温環境下においても接合部の強度の維持が図れ、水密性及び耐熱性が図れる。
なお、流路ボックス１０と蓋体２０とを熱溶着する際、拘束治具４０に流路ボックス１０と蓋体２０をセットした状態で、熱溶着することで、蓋体２０の膨らみ、流路ボックス１０の反りを改善することができる。

【0038】

また、微細凹凸接合層２２，２２ａ～２２ｅは、レーザー処理によって、蓋体２０における接合領域２１の対向する一方から他方に向かって連続する互いに平行な凹凸細条にて形成されているので、流路ボックス１０と蓋体２０との接合を均一かつ緻密にすることができる。

【0039】

また、熱溶着によって流路ボックス１０が変形し厚みが減少しても、接合されていない蓋体２０の内方側を仕切壁１４によって保持することができるので、蓋体２０の平坦度すなわち蓋体２０の熱授受面の平坦度の維持が図れ、熱交換効率の向上が図れる。

【符号の説明】

【0040】

１ 熱交換器
１０ 流路ボックス
１０ａ 開口部
１１ 流路
１２ 冷媒流入口
１３ 冷媒流出口
１４ 仕切壁
１５ａ 接合面
１６ 蓋体用位置決め壁
２０ 蓋体
２１ 接合領域
２２，２２ａ～２２ｅ 微細凹凸接合層
３０ ペルチェ素子（発熱体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図3A】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】