JP2011222814A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で熱交換性能の向上を図ることができる積層型熱交換器を提供する。
【解決手段】熱媒体が流通する熱媒体流路３０を有する複数の流路管３と、複数の流路管３を連通する連通部材４とを備え、複数の流路管３が流路管３と交互に配置される電子部品２を両面から挟持できるように積層配置されており、流路管３内に、熱媒体流路３０を複数の細流路３３３に分割するとともに、熱媒体と流路管３との伝熱面積を増大させるインナーフィン３３が、流路管積層方向に複数積層されている積層型熱交換器において、インナーフィン３３として、流路管積層方向に直交する断面形状が直線状となるストレートフィンを用い、流路管積層方向に隣接したインナーフィン３３を、流路管積層方向から見たときに、細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向が互いに交差するように構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱媒体が流通する流路管と熱交換対象物とが交互に積層された積層型熱交換器に関する。

従来、半導体素子を内蔵した半導体モジュール等の発熱体の放熱を行うために、発熱体を両面から挟持するように冷却管を配設して構成される積層型冷却器が知られている。このような積層型冷却器では、発熱体と冷却管とが交互に積層された構成となっており、積層された複数の冷却管は、連通部材によって連通され、冷却媒体が各冷却管に流通するよう構成されている。

この種の積層型冷却器において、冷却能力を向上させるために、冷却管内に仕切部材を配設して１つの冷却管内に冷媒通路を冷却管の厚み方向に２段形成するとともに、２段に形成された冷媒通路のそれぞれにインナーフィンを配置したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、この種の積層型熱交換器では、連通部材から各冷却管に冷却媒体が分配される構成になっているため、冷却管内の冷却媒体の流速が小さくなる。このような冷却管内の微小流量域における熱交換性能の向上を図るために、インナーフィンとして、冷却管内の冷却媒体の混合促進機能を有するウェーブフィンを用い、当該ウェーブフィンを冷却管の厚み方向に複数段積層したものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１９１５２７号公報 特開２０１０−１０４１８号公報

しかしながら、ウェーブフィンは形状が複雑であるため、加工コストが増大するという問題がある。すなわち、従来のストレートフィンは、量産性に優れたローラ成形法によって成形していたのに対し、ウェーブフィンは、その形状上、ローラ成形法によっては成形できず、結果的にプレス成形をせざるを得なくなる。

そして、プレス成形によってウェーブフィンを成形する場合でも、プレス時にフィン材料が破れる虞があるので、ウェーブフィンを１山または２山ずつプレス（ショット）する必要がある。このため、１つのウェーブフィンを成形するための加工時間および加工工程が非常に多くなり、大量生産には適さない。

本発明は上記点に鑑みて、簡素な構成で熱交換性能の向上を図ることができる積層型熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、インナーフィン（３３）は、積層方向に直交する断面形状が直線状となるストレートフィンであり、積層方向に隣接したインナーフィン（３３）は、積層方向から見たときに、細流路（３３３）を流れる熱媒体の流れ方向が互いに交差していることを特徴としている。

これによれば、流路管（３）内に、流路管（３）の積層方向に隣接したインナーフィン（３３）のうち一方のインナーフィン（３３）により形成された細流路（３３３）と、他方のインナーフィン（３３）により形成された細流路（３３３）とが連通する部分を形成することができる。そして、この２つの細流路（３３３）が連通する部分においては、熱媒体の流れが互いに干渉するので、流路管（３）内に積層方向の熱媒体流れを形成することができる。これにより、冷却管（３）内の熱媒体の混合が促進されるので、熱交換性能の向上を図ることができる。

さらに、インナーフィン（３３）としてストレートフィンを用いているため、インナーフィン（３３）としてウェーブフィンを用いる場合に対して、積層型熱交換器の構成を簡素な構成とすることができる。その結果、簡素な構成で、熱交換性能の向上を図ることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の積層型熱交換器において、インナーフィン（３３）は、プレス成形またはローラ成形により形成されていてもよい。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１に記載の積層型熱交換器において、積層方向に互いに隣接した２枚のインナーフィン（３３）は、１枚の金属板を折り返すことにより形成されていてもよい。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の積層型熱交換器において、インナーフィン（３３）は、細流路（３３３）を分割する複数の平板部（３３１）と、隣り合う平板部（３３１）を所定距離離して位置づける頂部（３３２）とを有する波形状に形成されており、平板部（３３１）には、平板部（３３１）の板面から板面の一面側または他面側に突出する突起部が形成されていることを特徴としている。

これによれば、平板部（３３１）に形成された突起部により、細流路（３３３）内に流路管（３）の積層方向の冷却媒体流れが形成されるので、細流路（３３３）内の熱媒体の混合をより促進できる。したがって、熱交換性能を確実に向上させることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の積層型熱交換器において、インナーフィン（３３）は、細流路（３３３）を分割する複数の平板部（３３１）と、隣り合う平板部（３３１）を所定距離離して位置づける頂部（３３２）とを有する波形状に形成されており、平板部（３３１）には、スリットが形成されていることを特徴としている。

これによれば、平板部（３３１）に形成されたスリットにより、細流路（３３３）内に流路管（３）の積層方向の冷却媒体流れが形成されるので、細流路（３３３）内の熱媒体の混合をより促進できる。したがって、熱交換性能を確実に向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態におけるインナーフィン３３を示す断面図、（ｂ）は本発明の実施形態におけるインナーフィン３３を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。

図１に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１は、熱交換対象物としての複数の電子部品２を両面から冷却するもので、熱媒体を流通させる熱媒体流路３０（図２参照）を有する扁平形状の複数の流路管３と、複数の流路管３を連通する連通部材４とを備えている。複数の流路管３は、電子部品２を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。

本実施形態では、電子部品２として、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールを用いている。当該半導体モジュールは、自動車用インバータ、産業機器のモータ駆動インバータ、ビル空調用のエアコンインバータ等に用いるものとすることができる。なお、電子部品２としては、上記半導体モジュール以外にも、例えば、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を用いることもできる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、本実施形態の流路管３は、いわゆるドロンカップ構造となっている。すなわち、流路管３は、一対の外殻プレート３１を有して構成されており、一対の外殻プレート３１の間に熱媒体流路３０が形成されている。

流路管３内には、熱媒体流路３０を複数の細流路３３３に分割し、熱媒体と流路管３との伝熱面積を増大させるインナーフィン３３が設けられている。本実施形態では、インナーフィン３３は、一対の外殻プレート３１間、すなわち熱媒体流路３０内に、流路管３の積層方向（以下、流路管積層方向という）に２つ重ねて配置されている。このインナーフィン３３の詳細については後述する。

図１に戻り、電子部品２は、流路管３の一対の外殻プレート３１それぞれに対して２個ずつ設けられている。各外殻プレート３１に設けられた２つの電子部品２は、それぞれ熱媒体の流れ方向に直列に配置されている。

また、流路管３の外殻プレート３１における長手方向両端部には、外側、すなわち隣り合う他の流路管３側に突出する略円筒状のフランジ部３００が形成されている。そして、隣り合う流路管３のフランジ部３００同士をろう付けにより接合することにより、複数の流路管３を連通する連通部材４が形成されている。

複数の流路管３のうち積層方向最外側に配置される流路管３を外側流路管３ａとしたとき、２つの外側流路管３ａのうち一方の外側流路管３ａの長手方向両端部には、熱媒体を積層型熱交換器１に導入するための熱媒体導入口４０１と、熱媒体を積層型熱交換器１から排出するための熱媒体排出口４０２とがそれぞれ接続されている。熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、ろう付けにより一方の外側流路管３ａに接合されている。なお、本実施形態の流路管３、連通部材４、熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、アルミニウム製である。

熱媒体導入口４０１から導入された熱媒体は、連通部材４を通って長手方向における一方の端部から各流路管３に流入し、それぞれの熱媒体流路３０内を他方の端部に向かって流れる。そして、熱媒体は、連通部材４を通って熱媒体排出口４０２から排出される。このように、熱媒体が熱媒体流路３０を流通する間に、電子部品２との間で熱交換を行って、電子部品２を冷却するようになっている。なお、熱媒体としては、本実施形態ではエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いている。

図３は本実施形態に係る積層型熱交換器１のインナーフィン３３を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が流路管積層方向から見た平面図である。図２および図３に示すように、１つの流路管３内に積層配置された一対のインナーフィン３３は、それぞれ、細流路３３３を分割する複数の平板部３３１と、隣り合う平板部３３１を所定距離離して位置づける頂部３３２とを有する波形状に形成されている。すなわち、一対のインナーフィン３３は、それぞれ、流路管３の長手方向（以下、流路管長手方向という）に垂直な断面形状が、頂部３３２を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されている。

一対のインナーフィン３３の間には、中間プレート等の他の部材が配置されておらず、互いの頂部３３２が直接接触している。このため、流路管３内には、一対のインナーフィン３３のうち一方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３と、他方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３とが連通する部分が存在する。

一対のインナーフィン３３は、流路管積層方向に直交する断面形状が直線状となるストレートフィンである。また、冷却管積層方向に隣接するインナーフィン３３は、冷却管積層方向から見たときに、細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向が互いに交差している。すなわち、冷却管積層方向に隣接するインナーフィン３３は、冷却管積層方向から見たときに、平板部３３１の延伸方向が互いに交差している。

本実施形態では、一対のインナーフィン３３のうち、一方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向は、流路管長手方向に対して流路管３の幅方向（以下、流路管幅方向という）の一側に傾斜している。一方、他方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向は、流路管長手方向に対して流路管幅方向の他側に傾斜している。

続いて、本実施形態における一対のインナーフィン３３の製造方法について簡単に説明する。

まず、金属製の薄板材料にローラ成形法を施す、またはプレス成形を１ショット行って波状のストレートフィンを形成する。そして、このように形成されたストレートフィンを、平板部３３１の延伸方向が流路管長手方向に対して傾斜するように斜めに切断する。その後、斜めに切断した２枚のストレートフィンを用意し、当該２枚のストレートフィンのうち一方のストレートフィンを反転させるとともに、他方のストレートフィンの上に重ねる。これにより、本実施形態の一対のインナーフィン３３が製造される。

以上説明したように、インナーフィン３３としてストレートフィンを用いるとともに、流路管積層方向に隣接した一対のインナーフィン３３を、積層方向から見たときに、細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向が互いに交差するように構成することで、流路管３内に、一対のインナーフィン３３のうち一方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３と、他方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３とが連通する部分を形成することができる。そして、この２つの細流路３３３が連通する部分においては、熱媒体の流れが互いに干渉するので、流路管３内に流路管積層方向の熱媒体流れを形成することができる。これにより、流路管３内の熱媒体の混合が促進されるので、熱交換性能の向上を図ることができる。

さらに、インナーフィン３３としてストレートフィンを用いていることで、インナーフィン３３としてウェーブフィンを用いる場合に対して、積層型熱交換器の構成を簡素な構成とすることができる。その結果、簡素な構成で、熱交換性能の向上を図ることができる。また、インナーフィン３３をローラ成形または１ショットのプレス成形にて形成することができるので、積層型熱交換器を容易に大量生産することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、流路管積層方向に隣接する一対のインナーフィン３３のうち、一方のインナーフィン３３により形成される細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向を流路管長手方向に対して流路管幅方向の一側に傾斜させるとともに、他方のインナーフィン３３により形成される細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向を流路管長手方向に対して流路管幅方向の他側に傾斜させた例について説明したが、これに限らず、一方のインナーフィン３３により形成される細流路３３３を流れる熱媒体の流れ方向を、冷却管長手方向と略平行にしてもよい。

（２）上述の実施形態では、一対のインナーフィン３３の製造方法において、ローラ成形またはプレス成形によりストレートフィンを形成した後、ストレートフィンを斜めに切断した例について説明したが、これに限らず、金属製の薄板材料を、プレス成形後におけるフィンの外周形状が四角形状となるように打ち抜いた後、当該打ち抜かれた薄板材料をプレス成形することで、平板部３３１の延伸方向が流路管長手方向に対して傾斜したストレートフィンを形成してもよい。

（３）上述の実施形態では、流路管積層方向に互いに隣接した一対のインナーフィン３３を、別体として構成された２枚のストレートフィンを重ねることにより形成した例について説明したが、これに限らず、１枚の金属板を折り返すことにより形成してもよい。

すなわち、１枚の金属板を２つの領域に分け、それぞれの領域に、平面視（流路管積層方向から見た状態）において平板部３３１の延伸方向が同一方向となるように波形状を形成する。そして、２つの領域を両者の境界線において折り畳み、２枚のインナーフィン３３の積層体を形成してもよい。

（４）上述の実施形態では、１つの流路管３内に２枚のインナーフィン３３を積層配置した例について説明したが、これに限らず、１つの流路管３内に３枚以上のインナーフィン３３を積層配置してもよい。

（５）上述の実施形態において、インナーフィン３３の平板部３３１に、平板部３３１の板面から当該板面の一面側または他面側に突出する突起部が形成されていてもよい。また、インナーフィン３３の平板部３３１に、スリットが形成されていてもよい。

これによれば、平板部３３１に形成された突起部またはスリットにより、細流路３３３内に流路管積層方向の冷却媒体流れが形成されるので、細流路３３３内の熱媒体の混合がより促進される。したがって、熱交換性能を確実に向上させることができる。

２ 電子部品（熱交換対象物）
３ 流路管
４ 連通部材
３０ 熱媒体流路
３３ インナーフィン
３３１ 平板部
３３２ 頂部
３３３ 細流路

Claims (5)

1. 熱媒体が流通する熱媒体流路（３０）を有する複数の流路管（３）と、
   前記複数の流路管（３）を連通する連通部材（４）とを備え、
   前記複数の流路管（３）は、前記流路管（３）と交互に配置される熱交換対象物（２）を両面から挟持できるように積層配置されており、
   前記流路管（３）内に、前記熱媒体流路（３０）を複数の細流路（３３３）に分割するとともに、前記熱媒体と前記流路管（３）との伝熱面積を増大させるインナーフィン（３３）が、前記流路管（３）の積層方向に複数積層されている積層型熱交換器であって、
   前記インナーフィン（３３）は、前記積層方向に直交する断面形状が直線状となるストレートフィンであり、
   前記積層方向に隣接した前記インナーフィン（３３）は、前記積層方向から見たときに、前記細流路（３３３）を流れる熱媒体の流れ方向が互いに交差していることを特徴とする積層型熱交換器。
2. 前記インナーフィン（３３）は、プレス成形またはローラ成形により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型熱交換器。
3. 前記積層方向に互いに隣接した２枚の前記インナーフィン（３３）は、１枚の金属板を折り返すことにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型熱交換器。
4. 前記インナーフィン（３３）は、前記細流路（３３３）を分割する複数の平板部（３３１）と、隣り合う前記平板部（３３１）を所定距離離して位置づける頂部（３３２）とを有する波形状に形成されており、
   前記平板部（３３１）には、前記平板部（３３１）の板面から前記板面の一面側または他面側に突出する突起部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の積層型熱交換器。
5. 前記インナーフィン（３３）は、前記細流路（３３３）を分割する複数の平板部（３３１）と、隣り合う前記平板部（３３１）を所定距離離して位置づける頂部（３３２）とを有する波形状に形成されており、
   前記平板部（３３１）には、スリットが形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の積層型熱交換器。

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