JP2009204182A

JP2009204182A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2009204182A
Application number: JP2008044373A
Authority: JP
Inventors: Naomi Sugimoto; 尚規杉本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】フィンピッチを小さくしても伝熱性能が高く先端効果が期待でき、目詰まりしにくいインナフィンを持つ熱交換器を得る。
【解決手段】山部２２と谷部２３が交互に紙面奥行き方向に並び熱媒体となる冷却水が左から右に流れるストレートフィンを持つ熱交換器において、谷部２３側から切り起こした谷部オフセット部３０を山部の頂上２２ａと、谷部２３の底２３ａとの実質的に中間に設けることにより、谷部オフセット部３０の先端により先端効果を発揮すると共に、フィンピッチを極端に小さくしなくても熱伝導がよく加工の容易な熱交換器が得られる。谷部オフセット部３０の谷部フィン欠如部３０ｃの無い山部２２の頂上２２ａ側を発熱体となるインバータのパワーカードの如き半導体装置側に配置すれば、より良好な熱伝導が得られる。
【選択図】図５

Description

この発明は管内に線状の山部と谷部を持つインナフィンを配した熱交換器に関するものである。

現在流動中のハイブリッド電気自動車用の主機インバータについては、今後コストダウンを狙いとして、小型化や、半導体素子の両面を放熱板で挟んだパワーカードの枚数削減が要求されている。このことは、パワーカード１枚当たりの発熱密度が大きくなる事に等しく、熱交換器となる冷却器の高性能化が求められる。しかしながら冷却器としてはコストアップ抑制のため既存設備流用ができる範囲での小改良にとどまることが求められており、高性能化には制限がある。また、インバータ側から考えても、搭載制約から小改良しかできない。

外形形状未変更で性能向上が期待できる部位として冷却器のインナフィンがある。伝熱面積は冷却性能に比例するためフィンピッチの細密化が最も効果のある手法であり、試算上は７０％性能向上が可能な仕様も製造可能である。しかし、フィンピッチ細密化は以下の問題を抱えている。第１に、防食設計上、インナフィン両面へのろう材配置が必須であるため、流路隙間が小さいと、ろう材による詰まりが心配されるというろう付けによるフィン目詰まりの問題がある。第２に、冷却回路内で生じた切粉や腐食生成物等の異物が、フィンピッチが細密化されたインナフィンに詰まるという問題がある。

また従来の伝熱促進技術としてオフセットフィンを開示した特許文献１記載のものが知られている。また図１２のようなスリットフィンも知られている。これらは一部切断部や壁からなるスリット５０を流路内に設ける事で、フィンの先端効果による流れ攪乱を狙ったものである。しかし、これにも前述の冷却器で使用するには以下の問題があり性能向上は期待できない。
特開平５−２７２８４５号公報

特許文献１記載のオフセットフィンの場合は、図１３の断面図で示すように、１．８９ｍｍ位であるフィンの山部の高さ５１との関係から、現状のフィンピッチである２．１ｍｍ位よりも、フィンピッチ５２（山部又は谷部の所定位置と隣接する次の山部又は谷部の所定位置までの寸法）を大きく取らないと成形ができない。これでは、伝熱面積が小さくなり元々流路幅５３が小さいために管内流速も小さいこともあり、先端効果によるメリットは殆ど発揮できないという問題点がある。また、図１２のスリットフィンも先端効果を狙ったものであるが、そもそも流れが遅いことからオフセットフィンより流れが更に乱れることが期待しづらく、スリット５０を入れることで伝熱面積を減らしてしまう分、性能は向上しないという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、伝熱面積を減らすことなくフィンの先端効果が見込める構造、更には目詰まりを起さない新しいインナフィンの形状も持った、線状の山部と谷部を持つインナフィンを配した熱交換器を提供することを目的とする。

この発明は、管内に線状の山部と谷部とを持つインナフィンを配した熱交換器において、前記インナフィンの少なくとも山部または谷部に前記インナフィンの長さ方向において任意の長さで所定ピッチ隔てて切欠部を設け、該切欠部は前記山部の高さ以下の範囲で、かつ前記インナフィンの高さ方向にオフセットするように切り起こされてオフセット部を構成していることを特徴とする。

これにより、フィンピッチを大きく取らないと成形が出来ないという前述のオフセットフィンのような問題が無く、また、スリットを打ち抜いてしまうわけではないので、伝熱面積を減らすことが無い。また現状のフィンの高さ１．８９ｍｍ程度でも成形可能であり、流路幅も大きくとれ管内流速も大きく先端効果が期待でき、目詰まりもしにくい。

また、前記管は伝熱部材に密接しており、前記インナフィンは前記オフセット部の無い側が前記伝熱部材側となるように設けられていることを特徴とする。このように、オフセット部の無い側が前記伝熱部材側となることにより、インナフィンと伝熱部材との間の伝熱面積を大きくすることが出来、伝熱性能が良い。

また、前記伝熱部材は半導体装置からなり、前記管は内部が中間プレートによって２室に区分され、この各室ごとに前記インナフィンが設けられており、前記オフセット部が前記中間プレート側に位置するように配設されていることを特徴とする。このように、オフセット部が前記中間プレート側であるため、オフセット部の無い方が半導体装置側となり半導体装置との間の伝熱面積を大きくすることが出来、伝熱性能が良い。

また、内部に熱媒体が流れる管内に配設され前記熱媒体の流れと交わる方向に山部と谷部が形成されたインナフィンを備え、前記インナフィンは前記熱媒体の流れ方向に沿って線状に形成されたフィンからなり、
前記フィンの谷部には該フィンの長手方向に所定のピッチで切り起こした所定長さの谷部オフセット部が前記熱媒体の流れ方向に隣接する前記谷部より高く前記熱媒体の流れ方向に交わる方向に隣接する前記山部よりも低く形成されており、前記谷部オフセット部の前記熱媒体の流れ方向の両端部に切り欠いて形成された谷部開口部と該谷部開口部間に位置する谷部フィン欠如部が形成されていることを特徴とする。

また、前記管は伝熱部材に密接しており、前記フィンの前記山部の表面が同一の面上に位置し、この面上に伝熱部材の表面が隣接していることを特徴とする。これにより伝熱部材の表面が前記山部の同一の面上に密接しているので伝熱性能が向上する。

また、前記管は伝熱部材に密接しており、前記インナフィンは前記谷部フィン欠如部の無い側が前記伝熱部材側となるように設けられていることを特徴とする。このように、前記谷部フィン欠如部の無い側が前記伝熱部材側となるように設けることにより、熱伝導が谷部フィン欠如部で妨げられることが無いので、良好な熱伝導が可能になる。

また、前記フィンの山部には該フィンの長手方向に所定のピッチで切り起こした所定長さの山部オフセット部が前記熱媒体の流れ方向に隣接する前記山部より低く前記熱媒体の流れ方向に交わる方向に隣接する前記谷部よりも高く形成されており、前記山部オフセット部の前記熱媒体の流れ方向の両側に切り欠いて形成された山部開口部と該山部開口部間に位置する山部フィン欠如部が形成されていることを特徴とする。このように谷部オフセット部のみでなく、山部オフセット部をも形成することにより、先端効果が増す。なお、先端効果とは、流れの中におかれた固体の先端部では、温度傾斜が大きく、熱伝導率が高くなるという効果であり、前縁効果とも呼ばれる。

また、伝熱部材は半導体装置からなり、この半導体装置はインバータのパワーカードからなり、前記管内に前記パワーカードの長手方向と平行に配設され前記管内を前記熱媒体が流れる２つの室に分離する中間プレートを有し、前記インナフィンは前記各室内に配設されていることを特徴とする。

また、前記谷部オフセット部又は前記山部オフセット部は前記中間プレート側から切り起こして形成され前記山部フィン欠如部又は前記谷部フィン欠如部が前記中間プレート側に位置していることを特徴とする。これにより、山部フィン欠如部又は前記谷部フィン欠如部の無い方が半導体装置側となるので熱伝導が山部フィン欠如部又は前記谷部フィン欠如部に妨げられることが少ない。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態の構成について説明する。図１は、ハイブリッド電気自動車用の主機インバータの冷却器をなす熱交換器１である。熱媒体となる冷却水が入口１５から出口１６に流れ、インバータのパワーカード（パワーモジュール）１７ａ、１７ｂ（総称してパワーカード１７という）が、積層された管１８ａ、１８ｂ（総称して管１８という）の間に配設されているパラレルフロー型の積層型熱交換器１を構成している。なお、パワーカード１７は主に図示しないパワー素子、ダイオード素子、端子、絶縁板、放熱板、およびモールド樹脂等で形成されている。

熱交換器１は入口側管路１５ａと出口側管路間１６ｂを複数の平行の管１８で結んだもので、この管１８の２−２断面を図２に、図２の３−３断面を図３に示している。なお、図２は中間プレートを除去してインナフィン２１の平面が見えるように図示している。チューブ状の平行の管１８はパワーカード１７の両側を挟みこみ、各管１８内には中間プレート２０が設けられている。中間プレート２０は各管１８内を２室に分割しており、中間プレート２０の両側にインナフィン２１が夫々配設されている。インナフィン２１は図２に示すように、各パワーカード１７の放熱板の側面に合致するように２枚直列に管１８の長手方向に並んで設けられており、直線状に山部と谷部が並んだストレートフィンを形成している。

図４は一枚のインナフィン２１の一部拡大平面図であり、線状の山部２２と谷部２３を持ち、インナフィン２１の谷部２３に前記インナフィン２１の長さ方向において所定ピッチ２５隔てて切欠部２６が設けられている。図５は矢視５−５断面部であり、切欠部２６は前記山部２２の高さ２７以下の範囲で、かつ前記インナフィン２１の高さ方向にオフセットするように谷部２３から切り起こされて谷部オフセット部３０として構成されている。

図３のように管１８は伝熱部材をなすパワーカード１７の側面に密接しており、前記インナフィン２１は前記谷部オフセット部３０の無い山部２２の頂上２２ａ側がパワーカード１７側となるように設けられており、谷部オフセット部３０の谷部フィン欠如部３０ｃが中間プレート２０側に位置するように配設されている。

管１８内を流れる熱媒体となる冷却水は図２の左から右方向に矢印のように流れ、この流れと交わる方向に山部２２と谷部２３が交互に形成され、前記インナフィン２１は前記冷却水の流れ方向に沿って線状に形成されたフィンであるため、冷却水は山部２２と谷部２３の長手方向と平行に流れる。

インナフィン２１の谷部２３には該フィン２１の長手方向に所定のピッチ２５で切り起こした所定長さの谷部オフセット部３０が冷却水の流れ方向に隣接する前記谷部より高く、かつ、冷却水の流れ方向に交わる方向に隣接する山部よりも低く形成されている。つまりインナフィンの図４中矢視５−５断面図である図５に示すように、谷部２３から切り起こされた谷部オフセット部３０は山部２２の頂上２２ａと谷部２３の底２３ａのほぼ中間に位置する（中間を５０％として３０から７０％の高さ内に位置する）。つまり１／２フィンだけ谷部をオフセットさせている。この形状であれば伝熱面積は従来と変わらずオフセットによる先端効果が得られるので性能向上が可能となる。

谷部オフセット部３０の冷却水の流れ方向の両端部に切り欠いて形成された谷部開口部３０ａ、３０ｂと該谷部開口部３０ａ、３０ｂ間に位置する谷部フィン欠如部３０ｃが形成されている。また、この谷部フィン欠如部３０ｃが設けられていない山部２２の頂上２２ａの表面が同一の面上に位置し、この面上に伝熱部材となるパワーカード１７の表面が隣接している。このように管１８はパワーカード１７に密接しており、前記インナフィン２１は前記谷部フィン欠如部３０ｃの無い側がパワーカード１７側となるように設けられているからインナフィン２１を介して熱がパワーカード１７に良好に伝わる。

図６はインナフィン２１の図４中矢印６方向から見た左側面図であり山部２２と谷部２３が冷却水の流れと直角に交わる方向に交互に設けられており、右側が山部２２、左側が谷部２３の位置に相当する。６０は流路許容長さであり０．９ｍｍに設定されており、目詰まりをなくすために、この程度の寸法が必要である。６１はフィンの高さであり１．８９ｍｍである。また図７はインナフィン２１の斜視図であり山部２２側が上になるように図示している。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について第１実施形態と異なる点を説明する。第１実施形態では中間プレート側の谷部のみオフセットさせたが、この場合、先端効果はインナフィン全体の１／２しか得られない。つまり流路の半分は従来のフィンと変わりが無い。パワーカードの表面に隣接する部分が減ったとしても、そもそもインナフィンの材料であるアルミニウムの熱伝導性を考えると第１実施形態のような配慮は不要な場合もある。これを踏まえて、第２実施形態では、冷却水の流れ方向に所定ピッチで山部方向、谷部方向の両方向から夫々交互にオフセットさせるものである。

図８はストレートフィン２１の一部拡大平面図、図９は矢視９−９断面図、図１０は矢視１０−１０断面図、図１１は図８中矢印１１方向からみた左側面図である。ストレートフィン２１の山部２２には該ストレートフィン２１の長手方向に所定のピッチ４０（図９）で切り起こした所定長さの山部オフセット部４５が山部２２の頂上２２ａより低く冷却水の流れ方向に交わる方向に隣接する谷部２３の底２３ａよりも高く形成されている。

よって、このインナフィン２１には谷部オフセット部３０以外に山部オフセット部４５も有し、冷却水の流れる向きに沿って谷部オフセット部３０と山部オフセット部４５とが交互に千鳥配列されている。また冷却水の流れる向きに直角方向に谷部オフセット部３０が各谷部２３毎に一列に並んでおり、山部オフセット部４５も各山部２２毎に一列に並んでいる。そして冷却水の流れ方向の両側に切り欠いて形成された山部開口部４５ａ、４５ｂと該山部開口部４５ａ、４５ｂ間に位置する山部フィン欠如部４５ｃが形成されている。この場合、中間プレート２０は山部フィン欠如部４５ｃと谷部フィン欠如部の３０ｃの合計の欠如面積が多いほうに設ければ良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態の熱交換器はインバータの半導体製パワーモジュールであるパワーカードの冷却に使用したが、他の半導体装置や発熱源の冷却にも使えることは勿論である。また、放熱器としても利用できる。更に伝熱部材は半導体装置の放熱板のような固体に限らず、空気のような気体であっても良い。更にインナフィンの材質はアルミニウムに限らず、熱伝導がよく硬いものが良い。

本発明の第１実施形態におけるインバータ用熱交換器の正面図である。第１実施形態における図１中矢視２−２縦断面図である。第１実施形態における図２中矢視３−３断面図である。第１実施形態に使用したインナフィンの一部拡大平面図である。第１実施形態におけるインナフィンの図４中矢視５−５断面図である。第１実施形態におけるインナフィンの図４中矢印６方向から見た左側面図である。第１実施形態におけるインナフィンの斜視図である。第２実施形態に使用したインナフィンの一部拡大平面図である。第２実施形態におけるインナフィンの図８中矢視９−９断面図である。第２実施形態におけるインナフィンの図８中矢視１０−１０断面図である。第２実施形態におけるインナフィンの図８中矢印１１方向から見た左側面図である。従来のスリットフィンの一部斜視図である。従来のオフセットフィンの一部断面図である。

符号の説明

１７インバータのパワーカード
１８管
２０中間プレート
２１インナフィン
２２山部
２３谷部
２６切欠部
３０谷部オフセット部
４５山部オフセット部

Claims

管内に線状の山と谷を持つインナフィンを配した熱交換器において、前記インナフィンの少なくとも山部または谷部に前記インナフィンの長さ方向において任意の長さで所定ピッチ隔てて切欠部を設け、該切欠部は前記山部の高さ以下の範囲で、かつ前記インナフィンの高さ方向にオフセットするように切り起こされてオフセット部を構成していることを特徴とする熱交換器。
前記管は伝熱部材に密接しており、前記インナフィンは前記オフセット部の無い側が前記伝熱部材側となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱部材は半導体装置からなり、前記管は内部が中間プレートによって２室に区分され、この各室ごとに前記インナフィンが設けられており、前記オフセット部が前記中間プレート側に位置するように配設されてい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。
内部に熱媒体が流れる管、
前記管内に配設され前記熱媒体の流れと交わる方向に山部と谷部が形成されたインナフィンを備え、
前記インナフィンは前記熱媒体の流れ方向に沿って線状に形成されたフィンからなり、
前記フィンの前記谷部には該フィンの長手方向に所定のピッチで切り起こした所定長さの谷部オフセット部が前記熱媒体の流れ方向に隣接する前記谷部より高く前記熱媒体の流れ方向に交わる方向に隣接する前記山部よりも低く形成されており、
前記谷部オフセット部の前記熱媒体の流れ方向の両端部に切り欠いて形成された谷部開口部と該谷部開口部間に位置する谷部フィン欠如部が形成されていることを特徴とする熱交換器。
前記管は伝熱部材に密接しており、前記フィンの前記山部の表面が同一の面上に位置し、この面上に伝熱部材の表面が隣接していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
前記管は伝熱部材に密接しており、前記インナフィンは前記谷部フィン欠如部の無い側が前記伝熱部材側となるように設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の熱交換器。
前記フィンの山部には該フィンの長手方向に所定のピッチで切り起こした所定長さの山部オフセット部が前記熱媒体の流れ方向に隣接する前記山部より低く前記熱媒体の流れ方向に交わる方向に隣接する前記谷部よりも高く形成されており、
前記山部オフセット部の前記熱媒体の流れ方向の両側に切り欠いて形成された山部開口部と該山部開口部間に位置する山部フィン欠如部が形成されていることを特徴とする請求項４ないし６いずれか一項に記載の熱交換器。
前記伝熱部材は半導体装置から成ることを特徴とする請求項４ないし７のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
前記半導体装置はインバータのパワーカードからなり前記管内に前記パワーカードの長手方向と平行に配設され前記管内を前記冷媒が流れる２つの室に分離する中間プレートを有し、前記インナフィンは前記各室内に配設されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
前記谷部オフセット部又は前記山部オフセット部は前記中間プレート側から切り起こして形成され前記山部フィン欠如部又は前記谷部フィン欠如部が前記中間プレート側に位置していることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。