JP2012227367A - 冷却フィン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピンフィンが千鳥状配置される冷却器において、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させつつ、冷媒流れの圧力損失を低減する冷却フィン構造、を提供する。
【解決手段】冷却フィン構造は、パワー制御ユニットの冷却器に用いられる。冷却フィン構造は、冷却水が流れる冷却水通路８０に千鳥状に配置される複数のピンフィン７１を備える。ピンフィン７１は、円形断面を有する円形部７２と、円形部７２に対して冷却水流れの上流側および下流側に連設される曲線形部７３とを有する。曲線形部７３には、その曲線形部７３を有するピンフィン７１（７１Ａ）から冷却水流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィン７１（７１Ｂ）の円形部７２の中心点１０１を中心とした円周１３０に沿う湾曲面７５が形成される。
【選択図】図４

Description

この発明は、一般的には、冷却フィン構造に関し、より特定的には、千鳥状に配置される冷却フィンの構造に関する。

従来の冷却フィン構造に関して、特開２００２−１８５１７５号公報には、電子機器に設けられるヒートシンク冷却フィンの冷却効率を向上させることを目的とした冷却フィン装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された冷却フィン装置においては、冷却フィンが、ピン型フィンのように離散的に配置され、かつ、冷却水の流れ方向に対して流線形状を有する。

また、特開２００３−３２４１７３号公報には、冷媒流路の圧力損失を抑えつつ、効率的に放熱を行なうことを目的とした半導体素子の冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体素子の冷却装置においては、フィン状をなす突出体が、半導体素子の略中心に対応する領域で突出長さを最大とし、その外側に向かうにつれて突出長さを漸次減少させるように形成されている。突出体は、紡錘形の横断面形状を有する。

特開２００２−１８５１７５号公報 特開２００３−３２４１７３号公報

上述の特許文献に開示されるように、発熱を伴う各種の電子機器を冷却するために、冷媒通路上にピンフィンを配置した冷却器が利用されている。このようなピンフィンの代表的な配置としては、ピンフィンを碁盤の目状（マトリクス状）に配置する場合と、ピンフィンを千鳥状に配置する場合とが挙げられる。

ピンフィンを千鳥状に配置した場合、ピンフィン間を通過した冷媒の前方には別の列に配置されたピンフィンが存在するため、冷媒は、冷媒の流れ方向に対してその両側にうねりながら進行することになる。この場合、冷媒がほぼ直線状に進行する碁盤の目状の配置と比較して、冷媒通路を流通する冷媒流れの圧力損失が増大してしまう。冷媒流れの圧力損失の増大は、冷媒供給用のモータへの負荷を高めたり、電子機器の冷却効率を低下させたりする原因となる。一方、電子機器の冷却効率を向上させるには、冷媒流れの圧力損失を低減することに加えて、ピンフィンから冷媒への熱伝達を効率的にする必要もある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ピンフィンが千鳥状配置される冷却器において、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させつつ、冷媒流れの圧力損失を低減する冷却フィン構造を提供することである。

この発明の１つの局面に従った冷却フィン構造は、電子機器の冷却器に用いられる冷却フィン構造である。冷却フィン構造は、冷媒が流れる冷媒通路に千鳥状に配置される複数のピンフィンを備える。ピンフィンは、円形断面を有する円形部と、円形部に対して冷媒流れの上流側および下流側に連設される異形部とを有する。異形部には、その異形部を有するピンフィンから冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィンの円形部の中心点を中心とした円周に沿う外周面が形成される。

このように構成された冷却フィン構造によれば、ピンフィンに異形部を設けることによって、円形部のみからなるピンフィンと比較して、冷媒と接触するピンフィンの表面積やピンフィンの断面積が増大する。これにより、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させることができる。また、異形部の外周面は、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合うピンフィンの円形部の中心点を中心とした円周に沿う形状を有する。これにより、ピンフィン間における冷媒流れを円滑にするとともに、ピンフィンの冷媒流れの下流側に渦が発生することを抑制できる。結果、冷媒流れの圧力損失を低減することができる。

また好ましくは、円形部が半径Ｒを有する。冷媒流れに対して直交する方向に隣り合って配置されるピンフィン間の隙間がＣＬである。冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィン間のピッチが、冷媒流れに対して直交する方向においてＲ＋１／２×ＣＬであり、冷媒の流れ方向において３^１／２（Ｒ＋１／２×ＣＬ）である。この場合に、外周面は、半径Ｒ＋ＣＬの円周に沿う形状を有する。

このように構成された冷却フィン構造によれば、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合うピンフィン間に形成される冷媒通路の幅を、冷媒の目詰まりなどを考慮して決定されるＣＬに維持しつつ、冷媒と接触するピンフィンの表面積やピンフィンの断面積を増大させることができる。

この発明の別の局面に従った冷却フィン構造は、電子機器の冷却器に用いられる冷却フィン構造である。冷却フィン構造は、冷媒が流れる冷媒通路に千鳥状に配置される複数のピンフィンを備える。ピンフィンは、円形断面を有する円形部と、円形部に対して冷媒流れの上流側および下流側に連設される異形部とを有する。異形部には、円形部の中心点から冷媒の流れ方向に延長した直線の両側で、円形部の中心点から見て凹形状となるように湾曲する外周面が形成される。

このように構成された冷却フィン構造によれば、ピンフィンに異形部を設けることによって、円形部のみからなるピンフィンと比較して、冷媒と接触するピンフィンの表面積やピンフィンの断面積が増大する。これにより、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させることができる。また、異形部の外周面は、円形部の中心点から冷媒の流れ方向に延長した直線の両側で、円形部の中心点から見て凹形状となるように湾曲する。これにより、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合うピンフィン間には、千鳥状に配置されたピンフィン間をうねりながら進行する冷媒の経路に沿った冷媒通路が形成される。結果、冷媒流れを円滑にして、冷媒流れの圧力損失を低減することができる。

また好ましくは、異形部は、その異形部を有するピンフィンにおいて冷媒流れの最も上流側に配置される上流点と、冷媒流れの最も下流側に配置される下流点とを含む。冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィン間において、上流側に配置されるピンフィンの異形部の下流点が、下流側に配置されるピンフィンの異形部の上流点よりも冷媒流れの下流側に位置決めされる。

このように構成された冷却フィン構造によれば、冷媒と接触するピンフィンの表面積やピンフィンの断面積をより大きく増大させることができる。また、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合うピンフィン間に形成される冷媒通路の長さが大きくなる。このため、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させる効果や、冷媒流れの圧力損失を低減する効果をより有効に奏することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、ピンフィンが千鳥状配置される冷却器において、ピンフィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させつつ、冷媒流れの圧力損失を低減する冷却フィン構造を提供することができる。

ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態における冷却フィン構造が適用されたパワー制御ユニットの冷却器を示す側面図である。 図２中のパワー制御ユニットの冷却器を平面的に見た場合の断面図である。 図３中のパワー制御ユニットの冷却器の一部分を拡大して示す断面図である。 実施例および比較例における冷却フィン構造において、ピンフィンから冷却水への等価熱伝達率を比較するグラフである。 実施例および比較例における冷却フィン構造において、冷却水流れの圧力損失を比較するグラフである。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。本実施の形態では、本発明における冷却フィン構造が、ハイブリッド自動車に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）の冷却器に適用される。図１を参照して、まず、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関して説明する。

ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。

ハイブリッド自動車は、バッテリユニット４０と、車両用駆動装置２０と、図示しないエンジンとを有する。車両用駆動装置２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、図示しないエンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分配する動力分割機構２６と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御を行なうパワー制御ユニット２１とを有する。

モータジェネレータＭＧ１は、主にジェネレータとして機能し、エンジンの出力により発電を行なう。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン始動時にはスタータとして作動する。モータジェネレータＭＧ２は、主にモータとして機能し、エンジンの出力を補
助し、駆動力を高める。また、モータジェネレータＭＧ２は、回生制動時には発電を行ない、バッテリＢを充電する。

バッテリユニット４０には端子４１，４２が設けられている。ＰＣＵ２１にはＤＣ端子４３，４４が設けられている。端子４１とＤＣ端子４３との間および端子４２とＤＣ端子４４との間は、それぞれ、ケーブル６およびケーブル８によって電気的に接続されている。

バッテリユニット４０は、バッテリＢと、バッテリＢの正極と端子４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの負極と端子４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを有する。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、後述の制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

バッテリユニット４０は、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを有する。バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の２次電池や、燃料電池などを用いることができる。バッテリＢに代わる蓄電装置として、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを用いることもできる。

パワー制御ユニット２１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応して設けられるインバータ２２，１４と、インバータ２２，１４に共通して設けられる昇圧コンバータ１２と、制御装置３０とを有する。

昇圧コンバータ１２は、ＤＣ端子４３，４４間の電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１２は、一方端が端子４３に接続されるリアクトル３２と、昇圧用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１３と、平滑用コンデンサ３３とを有する。昇圧用ＩＰＭ１３は、昇圧後の電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。平滑用コンデンサ３３は、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する。

リアクトル３２の他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。

インバータ１４は、車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。

インバータ１４は、走行用ＩＰＭ１８を構成するＵ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７を有する。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、昇圧コンバータ１２の出力ライン間に並列に接続されている。

Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ
４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを有する。ダイオードＤ３のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。

Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを有する。ダイオードＤ５のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。

Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。ダイオードＤ７のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続されている。ダイオードＤ８のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中性点に共に接続されている。Ｕ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続されている。Ｖ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。Ｗ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続されている。

電流センサ２５は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０に出力する。電流センサ２４は、モータジェネレータＭＧ２に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ２として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ２を制御装置３０に出力する。

インバータ２２は、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続される。インバータ２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ２２は、昇圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジンを始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。

また、インバータ２２は、エンジンのクランクシャフトから伝達される回転トルクによってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１２は降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。なお、インバータ２２の内部の構成はインバータ１４と同様であるため、詳細な説明は繰返さない。

制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。

ここで、トルク指令値ＴＲ１，モータ回転数ＭＲＮ１およびモータ電流値ＭＣＲＴ１は、モータジェネレータＭＧ１に関するものであり、トルク指令値ＴＲ２，モータ回転数Ｍ
ＲＮ２およびモータ電流値ＭＣＲＴ２は、モータジェネレータＭＧ２に関するものである。電圧ＶＢは、バッテリＢの電圧であり、電流ＩＢは、バッテリＢに流れる電流である。電圧ＶＬは、昇圧コンバータ１２の昇圧前電圧であり、電圧ＶＨは、昇圧コンバータ１２の昇圧後電圧である。

制御装置３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。

制御装置３０は、インバータ１４に対して昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。制御装置３０は、インバータ２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。

続いて、パワー制御ユニット２１の冷却器の全体的な構造について説明する。図２は、この発明の実施の形態における冷却フィン構造が適用されたパワー制御ユニットの冷却器を示す側面図である。図３は、図２中のパワー制御ユニットの冷却器を平面的に見た場合の断面図である。

図２および図３を参照して、パワー制御ユニットの冷却器６０には、冷却対象である複数の半導体素子６２が搭載されている。複数の半導体素子６２は、図１中のインバータ２２,１４の走行用ＩＭＰ１８（Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７）や、昇圧コンバータ１２の昇圧用ＩＰＭ１３を構成する。複数の半導体素子６２は、パワー制御ユニットの駆動に伴って発熱する。

パワー制御ユニットの冷却器６０は、絶縁板６４、流路天板６６、流路底板６８、流路側壁６９および複数のピンフィン７１を有する。

絶縁板６４は、高い電気絶縁性および熱伝導性を有する材料により形成されている。絶縁板６４は、セラミックスにより形成されている。本実施の形態では、絶縁板６４が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。絶縁板６４の表面上には、複数の半導体素子６２が互いに間隔を隔てて接合されている。

流路天板６６、流路底板６８、流路側壁６９および複数のピンフィン７１は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。本実施の形態では、流路天板６６、流路底板６８、流路側壁６９および複数のピンフィン７１がアルミニウムから形成されている。流路天板６６、流路底板６８、流路側壁６９および複数のピンフィン７１は、半導体素子６２で発生した熱を冷媒としての冷却水（ＬＬＣ：ロングライフクーラント）に放熱するヒートシンクを構成している。

なお、冷却器６０の製造方法として、アルミダイキャストによって、複数のピンフィン７１を流路天板６６もしくは流路底板６８と一体に成形してもよいし、複数のピンフィン７１を単体で成形した後、これらを流路天板６６および流路底板６８に組み付けてもよい。

流路天板６６、流路底板６８および流路側壁６９が四方から組み合わされることによって、冷却水が流通する冷却水通路８０が形成されている。流路天板６６には、複数の半導体素子６２が接合された絶縁板６４が接合されている。複数のピンフィン７１は、冷却水通路８０に配置されている。複数のピンフィン７１は、棒状に延伸するピン形状を有し、互いに間隔を隔てて流路天板６６と流路底板６８との間に立設されている。

パワー制御ユニットの駆動に伴って複数の半導体素子６２が発熱する。複数の半導体素子６２で発生した熱は、絶縁板６４および流路天板６６を通じて複数のピンフィン７１に伝わる。一方、図示しない電動ポンプによって、冷却水が冷却水通路８０に供給され、図２および図３中の矢印に示すように一方向に流通する。この間、冷却水と複数のピンフィン７１との間で熱交換が行なわれることによって、複数の半導体素子６２で発生した熱が放熱される。

図３中において、冷却水通路８０における冷却水の流れ方向をＸ軸方向とし、その冷却水の流れ方向に直交する方向をＹ軸方向とする。ピンフィン７１は、流路天板６６と流路底板６８との間でＸ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向に延伸している。

複数のピンフィン７１は、冷却水通路８０において千鳥状に配置されている。すなわち、Ｘ軸方向に一列に配列される複数のピンフィン７１（図３中の中心線１１０Ａ上に配列される複数のピンフィン７１）と、その複数のピンフィン７１の隣りでＸ軸方向に一列に配列される複数のピンフィン７１（図３中の中心線１１０Ｂ上に配列される複数のピンフィン７１）とは、Ｙ軸方向に互いにずれて配置されている（以下、特に中心線１１０Ａと中心線１１０Ｂとを区別しない場合には、中心線１１０という）。

図３中のピンフィン７１Ａと、そのピンフィン７１Ａから冷却水の流れ方向に対して斜め方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向との間の方向）に隣り合って配置されるピンフィン７１Ｂとに注目すると、ピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１Ｂは、Ｘ軸方向においてＰｘのピッチで配置され、Ｙ軸方向においてＰｙのピッチで配置されている。

本実施の形態では、複数のピンフィン７１が、Ｐｘ＞Ｐｙの関係を満たすように配置されている。さらに本実施の形態では、ピッチＰｙの大きさが、ピンフィン７１Ａをピンフィン７１Ｂに向けてＸ軸方向にずらした場合に、ピンフィン７１Ａの一部がピンフィン７１Ｂと重なるように設定されている。

続いて、図２および図３中のパワー制御ユニットの冷却器６０に用いられるピンフィン７１の構造について詳細に説明する。図４は、図３中のパワー制御ユニットの冷却器の一部分を拡大して示す断面図である。

図４を参照して、ピンフィン７１は、Ｘ軸−Ｙ軸平面により切断された場合に異形の円形断面を有する。より具体的には、ピンフィン７１は、Ｘ軸−Ｙ軸平面により切断された場合に、円形部７２と、曲線形部７３ｐおよび曲線形部７３ｑ（以下、特に区別しない場合は、曲線形部７３という）とから構成される断面形状を有する。

円形部７２は、円形状を有する。円形部７２は、中心点１０１を中心に半径Ｒを有する。冷却水流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィン７１間のピッチＰｘ，Ｐｙは、円形部７２の中心点１０１を基準に決定される。円形部７２は、冷却水通路８０を流れる冷却水と接触する外周面７４を有する。外周面７４は、中心点１０１を中心とした半径Ｒの円周に沿う形状を有する。

曲線形部７３は、円形部７２に対して冷却水流れの上流側および下流側に連設されている。より具体的には、曲線形部７３ｐが、円形部７２に対して冷却水流れの上流側に連設され、曲線形部７３ｑが、円形部７２に対して冷却水流れの下流側に連設されている。曲線形部７３ｐおよび曲線形部７３ｑは、円形部７２の中心点１０１を基準に対称形状を有する。曲線形部７３ｐと曲線形部７３ｑとは、冷却水の流れ方向において円形部７２によって分断されている。

曲線形部７３ｐは、ピンフィン７１において冷却水流れの最も上流側に配置される上流点７６を有し、曲線形部７３ｑは、ピンフィン７１において冷却水流れの最も下流側に配置される下流点７７を有する。上流点７６および下流点７７は、中心点１０１から冷却水の流れ方向に延長した中心線１１０上に配置されている。曲線形部７３ｐは、上流点７６で尖った形状を有し、曲線形部７３ｑは、下流点７７で尖った形状を有する。曲線形部７３ｐは、そのＹ軸方向の幅ＢがＸ軸方向において上流点７６から離れるに従って大きくなる形状を有する。曲線形部７３ｑは、そのＹ軸方向の幅ＢがＸ軸方向において下流点７７から離れるに従って大きくなる形状を有する。

なお、上記では、曲線形部７３が上流点７６および下流点７７で尖った形状を有すると説明したが、型を用いてピンフィン７１を成形する製造工程上の理由から、上流点７６および下流点７７が小さく丸まった形状を有してもよい。

曲線形部７３は、冷却水通路８０を流れる冷却水と接触する湾曲面７５を有する。曲線形部７３は、その曲線形部７３を有するピンフィン７１から冷却水流れに対して斜め方向に隣り合って配置された４つのピンフィン７１と向かい合う各位置に湾曲面７５を有する。

曲線形部７３ｐの湾曲面７５は、中心線１１０の両側で、上流点７６から冷却水流れの下流側に向かって延在し、円形部７２の外周面７４に連なっている。曲線形部７３ｑの湾曲面７５は、中心線１１０の両側で、下流点７７から冷却水流れの上流側に向かって延在し、円形部７２の外周面７４に連なっている。湾曲面７５は、上流点７６もしくは下流点７７において角部をなすように交わっている。本実施の形態では、湾曲面７５が、上流点７６もしくは下流点７７において鋭角をなすように交わっている。湾曲面７５は、上流点７６もしくは下流点７７と、湾曲面７５が円形部７２の外周面７４に連なる位置との間で、連続的に湾曲している。湾曲面７５は、湾曲しながら円形部７２の外周面７４に滑らかに連なっている。曲線形部７３ｐの湾曲面７５と、曲線形部７３ｑの湾曲面７５とは、いずれか一方を円形部７２の中心点１０１を中心に１８０°回転させたときにいずれか他方に重なるように形成されている。湾曲面７５は、中心線１１０を基準にして左右対称の形状を有する。

湾曲面７５は、円形部７２の中心点１０１から見て凹形状となるように湾曲している。言い換えれば、湾曲面７５は、円形部７２の中心点１０１に向けて凹む湾曲形状を有する。湾曲面７５は、円形部７２の中心点１０１から見て円形部７２の外周面７４と凹凸が反対になるように湾曲している。湾曲面７５は、Ｘ軸−Ｙ軸平面における湾曲面７５の傾きの絶対値が、Ｘ軸方向において上流点７６もしくは下流点７７から離れるに従って徐々に大きくなるように湾曲している。湾曲面７５は、曲線形部７３の幅Ｂの増加率が、Ｘ軸方向において上流点７６もしくは下流点７７から離れるに従って徐々に大きくなるように湾曲している。

図３および図４を参照して、ピンフィン７１が千鳥状に配置されるパワー制御ユニットの冷却器６０においては、冷却水の流れ方向において、その直交方向に互いにずれて配置されたピンフィン７１が交互に現れる。このため、冷却水通路８０を流れる冷却水は、前方に現れたピンフィン７１を迂回するように流れ、その結果、図３中の矢印１００に示すように、中心線１１０の両側にうねりながら進行することになる。この場合、冷却水は、冷却水通路８０を流れる間にピンフィン７１と衝突を繰り返すため、冷却水流れの圧力損失が増大するという懸念が生じる。

これに対して、本実施の形態における冷却フィン構造においては、ピンフィン７１が、円形部７２および曲線形部７３を有する異形の円形断面を有する。このような構成により、冷却水流れに対して斜め方向に配置されるピンフィン７１Ａとピンフィン７１Ｂとの間には、ピンフィン７１Ａの外周面７４および湾曲面７５と、ピンフィン７１Ｂの外周面７４および湾曲面７５とが通路の側壁をなす冷却水通路８０が形成される。この際、本実施の形態では、湾曲面７５が円形部７２の中心点１０１から見て凹形状となるように湾曲するため、冷却水通路８０が、ピンフィン７１を迂回するように流れる冷却水の経路に沿った形状となる。これにより、冷却水流れを円滑として、冷却水通路８０における圧力損失を低減することができる。

また、ピンフィン７１が円形部７２のみから構成される場合と比較して、冷却水と接触するピンフィン７１の表面積やピンフィン７１の断面積を増大させることができる。これにより、ピンフィン７１から冷却水への熱伝達の効率を向上させることができる。

冷却器に用いられるピンフィンの断面形状としては、翼断面形状を有した流線形が挙げられる。しかしながら、この場合、ピンフィンの上流側の先端部が湾曲した円弧状の表面を有するため、冷却水がそのピンフィンの先端部に衝突してから迂回方向に進路を変更することになる。結果、冷却水流れの圧力損失を効果的に向上させることが難しい。一方、本実施の形態における冷却フィン構造においては、ピンフィン７１の上流点７７が尖鋭な形状を有するため、冷却水の進路変更を円滑にすることができる。

なお、複数のピンフィン７１は、冷却水流れの上流側に配置されるピンフィン７１Ａの下流点７７が、下流側に配置されるピンフィン７１Ｂの上流点７６よりも冷却水流れの下流側に位置決めされるように配置されてもよい。この場合、冷却水通路８０における冷却水流れの圧力損失を低減する効果や、ピンフィン７１から冷却水への熱伝達の効率を向上させる効果をより有効に得ることができる。

図４を参照して、さらにピンフィン７１の構造についての説明を進めると、本実施の形態では、湾曲面７５が円周１３０に沿う形状を有する。より具体的には、冷却水の流れ方向に対して互いに斜め方向に配置されるピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１Ｂに注目すると、ピンフィン７１Ａの湾曲面７５は、ピンフィン７１Ｂの円形部７２の中心点１０１を中心とする円周１３０に沿う形状を有する。同様に、ピンフィン７１Ａの湾曲面７５は、ピンフィン７１Ａから冷却水の流れ方向に対して斜め方向に配置された他の３つのピンフィン７１の円形部７２を用いて描いた円周に沿う形状を有する。

ピンフィンを用いた冷却器においては、ピンフィン間の隙間やピッチを小さくするほど高い伝熱性能が得られる。その一方、実際の製品を想定した場合、ピンフィン間の隙間やピッチを小さくしすぎると、ピンフィン間に異物が挟まって冷却水の目詰まりが生じる懸念がある。そこで、本実施の形態における冷却フィン構造においては、Ｙ軸方向に隣り合って配置されるピンフィン７１間の隙間の大きさが制約限界ＣＬに設定されている。この制約限界ＣＬは、冷媒の目詰まりを防ぐという観点から、冷媒の種類や流速、異物を捕獲するためのフィルタの性能などを考慮して決定される。一例として、制約限界ＣＬは０．５ｍｍ以上の値である。

この場合に、冷却水の流れ方向に対して互いに斜め方向に配置されるピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１ＢのＸ軸方向におけるピッチＰｘが、３^１／２（Ｒ＋１／２×ＣＬ）に設定され、ピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１ＢのＹ軸方向におけるピッチＰｙが、Ｒ＋１／２×ＣＬに設定され、円周１３０の半径がＲ＋ＣＬに設定されている。

このような構成によれば、ピンフィン７１間における冷却水流れを円滑にするとともに、ピンフィン７１の下流点７７の近傍において渦が発生することを抑制できる。これにより、冷却水通路８０における冷却水流れの圧力損失をより効果的に低減することができる。

また、本実施の形態では、ピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１Ｂの中心点１０１間のピッチＬが、２Ｒ＋ＣＬに設定される。この場合、ピンフィン７１Ａおよびピンフィン７１Ｂの間に形成される冷却水通路８０の幅がＣＬとなる。このため、冷却水通路８０の幅を、冷却水の目詰まりを考慮して決定される制約限界ＣＬに維持しつつ、冷却水と接触するピンフィン７１の表面積を最大限、増大させることができる。

図５は、実施例および比較例における冷却フィン構造において、ピンフィンから冷却水への等価熱伝達率を比較するグラフである。図６は、実施例および比較例における冷却フィン構造において、冷却水流れの圧力損失を比較するグラフである。

図５および図６を参照して、実施例におけるピンフィンは、以上に説明した図３および図４中に示すピンフィン７１と同じ構造を有する。比較例におけるピンフィンは、図４中に示すピンフィン７１の円形部７２（半径Ｒ）のみから構成される円柱形状のピンフィンである。ＣＡＥ解析によって、ピンフィンから冷却水への等価熱伝達率および冷却水流れの圧力損失を評価したところ、図中に示すように、等価熱伝達率に関して、実施例が比較例よりも１０００Ｗ／ｍ^２Ｋほど高くなり、圧力損失に関して、実施例が比較例よりも１０００ｋＰａほど低くなる結果となった。

以上に説明した、この発明の実施の形態における冷却フィン構造の構成についてまとめて説明すると、本実施の形態における冷却フィン構造は、電子機器としてのパワー制御ユニットの冷却器６０に用いられる。冷却フィン構造は、冷媒としての冷却水が流れる冷媒通路としての冷却水通路８０に千鳥状に配置される複数のピンフィン７１を備える。ピンフィン７１は、円形断面を有する円形部７２と、円形部７２に対して冷却水流れの上流側および下流側に連設される異形部としての曲線形部７３とを有する。曲線形部７３には、その曲線形部７３を有するピンフィン７１（７１Ａ）から冷却水流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィン７１（７１Ｂ）の円形部７２の中心点１０１を中心とした円周１３０に沿う外周面としての湾曲面７５が形成される。

また別の観点から冷却フィン構造の構成について説明すると、本実施の形態における冷却フィン構造は、電子機器としてのパワー制御ユニットの冷却器６０に用いられる。冷却フィン構造は、冷媒としての冷却水が流れる冷媒通路としての冷却水通路８０に千鳥状に配置される複数のピンフィン７１を備える。ピンフィン７１は、円形断面を有する円形部７２と、円形部７２に対して冷却水流れの上流側および下流側に連設される異形部としての曲線形部７３とを有する。曲線形部７３には、円形部７２の中心点１０１から冷却水の流れ方向に延長した直線としての中心線１１０の両側で、円形部７２の中心点１０１から見て凹形状となるように湾曲する外周面としての湾曲面７５が形成される。

このように構成された、この発明の実施の形態における冷却フィン構造によれば、千鳥状配置されたピンフィン７１を備えるパワー制御ユニットの冷却器６０において、ピンフィン７１から冷却水への熱伝達の効率を向上させつつ、冷却水通路８０における冷却水流れの圧力損失を低減することができる。これにより、パワー制御ユニットを構成する複数の半導体素子６２の冷却効率を向上させることができる。

なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるパワー制御ユニットの冷却器に適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、半導体素子などの発熱体を冷却するための冷却器に適用される。

１０ 電圧センサ、１１ 電流センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，２２ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２０ 車両用駆動装置、２４，２５ 電流センサ、２６ 動力分割機構、３０ 制御装置、３２ リアクトル、３３ 平滑用コンデンサ、４０ バッテリユニット、４１，４２ 端子、４３，４４ ＤＣ端子、６０ 冷却器、６２ 半導体素子、６４ 絶縁板、６６ 流路天板、６８ 流路底板、６９ 流路側壁、７１，７１Ａ，７１Ｂ ピンフィン、７２ 円形部、７３，７３ｐ，７３ｑ 曲線形部、７４ 外周面、７５ 湾曲面、７６ 上流点、７７ 下流点、８０ 冷却水通路、１０１ 中心点、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 中心線、１３０ 円周。

Claims (4)

1. 電子機器の冷却器に用いられる冷却フィン構造であって、
   冷媒が流れる冷媒通路に千鳥状に配置される複数のピンフィンを備え、
   前記ピンフィンは、円形断面を有する円形部と、前記円形部に対して冷媒流れの上流側および下流側に連設される異形部とを有し、
   前記異形部には、その異形部を有するピンフィンから冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置されるピンフィンの前記円形部の中心点を中心とした円周に沿う外周面が形成される、冷却フィン構造。
2. 前記円形部が半径Ｒを有し、
   冷媒流れに対して直交する方向に隣り合って配置される前記ピンフィン間の隙間がＣＬであり、
   冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置される前記ピンフィン間のピッチが、冷媒流れに対して直交する方向においてＲ＋１／２×ＣＬであり、冷媒の流れ方向において３^１／２（Ｒ＋１／２×ＣＬ）である場合に、
   前記外周面は、半径Ｒ＋ＣＬの円周に沿う形状を有する、請求項１に記載の冷却フィン構造。
3. 電子機器の冷却器に用いられる冷却フィン構造であって、
   冷媒が流れる冷媒通路に千鳥状に配置される複数のピンフィンを備え、
   前記ピンフィンは、円形断面を有する円形部と、前記円形部に対して冷媒流れの上流側および下流側に連設される異形部とを有し、
   前記異形部には、前記円形部の中心点から冷媒の流れ方向に延長した直線の両側で、前記円形部の中心点から見て凹形状となるように湾曲する外周面が形成される、冷却フィン構造。
4. 前記異形部は、その異形部を有するピンフィンにおいて冷媒流れの最も上流側に配置される上流点と、冷媒流れの最も下流側に配置される下流点とを含み、
   冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置される前記ピンフィン間において、上流側に配置されるピンフィンの前記異形部の前記下流点が、下流側に配置されるピンフィンの前記異形部の前記上流点よりも冷媒流れの下流側に位置決めされる、請求項３に記載の冷却フィン構造。

Images