JP2013115204A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器本体に流入する熱媒の温度を正確かつ迅速に検出する温度センサの固定構造を提供する。
【解決手段】 天板８と底板６を重ね合わせて両者間に熱媒経路４を形成している本体７と、天板８の外面に固定されているブラケット１０と、ブラケット１０に固定されている軸部材１２と、軸部材１２が通過する貫通部１６ａを備えている温度センサ支持板１６と、温度センサ支持板１６に固定されている温度センサ１８と、温度センサ支持板１６を貫通した軸部材１２の先端にあって温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付ける押付部材１４を備えている。温度センサ支持板１６を貫通する軸部材１２が、天板８を介して熱媒経路４に向かい合う位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

例えば、動作すると発熱する半導体装置を冷却するために、内部を冷却液が通過する熱交換器本体の外側表面上に半導体装置を配置し、冷却液で半導体装置を冷却する熱交換装置が知られている。本明細書では、熱交換器本体の内側を通過する熱媒と、熱交換器本体の外側に配置した機器類との間で熱交換する装置を開示する。熱媒は、液体に限られず、気体であってもよいし、気体と液体の中間的な状態であってもよい。あるいは機器類を冷却する熱交換装置であってもよいし、機器類を加熱する熱交換装置であってもよい。

熱交換装置の場合、熱媒の温度を正確に検出する必要があることが多い。特に、車載されている走行用モータに通電する電力を調整する半導体装置と冷却液の間で熱交換して半導体装置を冷却する場合には、冷却液の温度を正確に検出する必要が高い。また冷却液の温度が変化する場合には、その変化を瞬時に検出する必要が高い。

熱媒の温度を検出する温度センサを熱交換器本体の内側に配置することは難しい。通常は熱交換器本体の外側に温度センサを配置する。熱交換器本体の外側に温度センサを配置する場合には温度センサの出力に様々な要素が影響を及ぼす。
正確に観察すると、熱媒の温度と、熱交換機本体の壁の温度と、熱媒と熱交換する機器類の温度は相違する。熱交換器本体の外側に配置した温度センサで、熱媒と熱交換する機器類の温度の影響を避けながら熱媒の温度を検出するには、種々の配慮を必要とする。

図３と図４は、特願２０１０−２６８１１５号の明細書と図面に記載されている熱交換装置の温度センサの近傍を示している。ただし、この出願はまだ公開されていない。その熱交換装置は、天板８と底板６を重ね合わせて両者間に熱媒経路４を形成している熱交換器本体７を備えている。
温度センサ１８は、下記のようにして固定されている。底板６と天板８が重ねあわせた位置に、ボルト１２が通過する貫通孔６ａ，８ａが形成されている。貫通孔６ａ内にボルト１２が圧入されて固定されている。ボルト１２の軸部が天板８の貫通孔８ａを通過している。温度センサ１８は温度センサ支持板１６に固定されている。温度センサ支持板１６には、ボルト１２の軸部が通過する貫通穴１６ａが形成されている。温度センサ支持板１６の貫通穴１６ａにボルト１２の軸部を通し、ボルト１２の先端にナット１４をねじ込むことで、ナット１４と天板８の間で温度センサ支持板１６を挟みつけて固定している。温度センサ１８は、天板８を介して熱媒経路４に向かい合う位置に固定される。

特許文献１にも、温度センサが取り付けられている熱交換装置が開示されている。特許文献１では、温度センサがプレートに埋め込まれたロジックプレートを用いている。

特開２００２−３０５０１０号公報

図３と図４に示した温度センサの固定技術によると、熱媒の温度を応答遅れなく検出するのに問題を生じる。図３には、温度センサ１８が天板８を介して熱媒経路４に向かい合う位置に固定されている様子が図示されている。しかしながら、温度センサ１８と天板８は密着していない。より正確にいうと、温度センサ１８の底面を覆っている範囲の温度センサ支持板１６と天板８は密着していない。そのために、熱媒経路４内の熱媒→天板８→温度センサ１８の伝熱経路に沿って流れる熱量は意外と小さい。計測してみると、熱媒経路４内の熱媒→天板８→ボルト１２→温度センサ支持板１６→温度センサ１８の伝熱経路に沿って流れる熱量の方が大きい。天板８と温度センサ支持板１６がボルト１２とナット１４によって密着していることから、後者の伝熱経路の熱抵抗が小さくなることが判明した。

図３と図４に示した温度センサの固定技術によると、主要な伝熱経路となる熱媒経路４内の熱媒→天板８→ボルト１２→温度センサ支持板１６→温度センサ１８の伝熱経路の経路長が長い。そのために、熱媒の温度変化が温度センサ１８にまで伝熱するのに時間を要する。図３と図４に示した温度センサの固定技術によると、温度計測に生じる応答遅れが無視できない。また、ボルト１２には、天板８のみならず、底板６からも伝熱し、底板６にはケース２の壁が接している。熱媒の温度とケース２の壁の温度は相違する。図３と図４に示した温度センサの固定技術によると、ケース２の壁等の温度が温度計測結果に影響することもわかってきた。
特許文献１に開示されているロジックプレートを用いても、熱媒の温度を正確かつ迅速に検出することが難しい。

本明細書では、温度センサの固定技術を改良し、熱媒の温度を正確かつ迅速（時間遅れが問題とならない程度に温度検出結果が熱媒温度の変化に追従することをいう）に検出することができる熱交換装置を開示する。

本明細書で開示する熱交換装置は、天板と底板を重ね合わせて両者間に熱媒経路を形成している本体と、温度センサ支持板に固定されている温度センサと、温度センサ支持板を天板に固定する固定部材を備えている。固定部材は、天板を介して熱媒経路に向かい合う位置の天板の外面に固定されている。
上記の熱交換装置によると、熱媒経路内の熱媒→天板→固定部材→温度センサ支持板という主要伝熱経路の経路長が最短化されている。熱媒温度の変化が温度センサに迅速に伝熱する。また、熱媒経路内の熱媒以外のものの温度による影響を受けにくい。熱媒温度を正確かつ迅速に検出することができる。

固定部材を天板を介して熱媒経路に向かい合う位置に固定した結果、温度センサが天板を介して熱媒経路に向かい合う位置から外れてしまってもよい。
温度センサが天板を介して熱媒経路に向かい合う位置から外れても、主要な伝熱経路となる固定部材が天板を介して熱媒経路に向かい合う位置に固定されていれば、熱媒温度を正確かつ迅速に検出することができる。

温度センサ支持板に貫通部を形成しておくことが好ましい。そして、天板を介して熱媒経路に向かい合う位置の天板の外面に固定されているブラケットと、ブラケットに固定されているとともに温度センサ支持板に形成されている貫通部を貫通する軸部材と、貫通部を貫通した軸部材に固定されているとともに温度センサ支持板をブラケットに押付ける押付部材によって、固定部材を構成することが好ましい。

天板は平坦で底板よりも薄く、底板は湾曲しており、熱媒は冷却液であり、貫通部は貫通穴であり、軸部材はボルトであり、押付部材はナットであり、底板がケースの壁に接していてもよい。

例えば、温度センサ支持板にＵ字形状の切込みを形成すれば、そこを軸部材が貫通することができる。従って温度センサ支持板に形成する貫通部は貫通穴でなくてもよいが、周囲が閉じられている貫通穴としたほうが扱いやすい。また、ブラケットに固定されている軸部材は、温度センサを固定した状態でブラケットに固定されていればよい。例えばブラケットに形成されているねじ穴にねじ込まれて固定されたボルトであってもよい。この場合、ブラケットのねじ穴にボルトをねじ込むと、ボルトの頭部が温度センサ支持板をブラケットに押付ける押付部材となる。ブラケットのねじ穴にボルトをねじ込んでボルトの頭部が温度センサ支持板をブラケットに押付ける構造であってもよいし、ブラケットから伸びているボルトにナットをねじ込んで温度センサ支持板をブラケットに押付けるようにしてもよい。

本明細書に開示されている熱交換装置によると、熱媒経路内の熱媒から温度センサに至る主たる伝熱経路の長さが最短化される。そのために、熱媒の温度を正確かつ迅速に検出することができる。

実施例の熱交換装置の温度センサ固定部分の断面図である。 実施例の熱交換装置の温度センサ固定部分の斜視図である。 先に出願した熱交換装置の温度センサ固定部分の断面図である。 先に出願した熱交換装置の温度センサ固定部分の斜視図である。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
特徴１：熱交換器本体の天板の外面上に、動作すると発熱する半導体装置が配置されている。熱交換器本体内を冷却液が通過する。半導体装置を冷却液で冷却する。
特徴２：冷却液の検出温度によって、半導体装置の出力電力の上限を制限することで、半導体装置の過熱を防ぐ。温度検出の精度が低ければ、上限値に余裕を持たせる必要があることから上限値を低く設定する必要がある。温度検出の精度が上昇すれば、上限値に持たせる余裕分を圧縮することができ、上限値を上昇させることができる。温度検出の精度を上がると、半導体装置の動作範囲を広げられる。
特徴３：半導体装置は、走行用モータに通電する電流を制御する。半導体装置の動作範囲が広がると、車両の走行性能が向上する。
特徴４：熱交換器本体の底板に、動作すると発熱する電子機器を収容しているケースの壁が接している。

図２は、熱交換器本体７の熱媒流入パイプ２２の近傍を斜視しており、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図を示している。図１、図２において、参照番号６は底板を示し、８は天板を示し、１０はブラケットを示し、１２はボルトを示し、１４はナットを示し、１６は温度センサ支持板を示し、１８は温度センサを示し、２０は温度センサの出力を外部に伝達するケーブルを示している。４は熱媒経路を示し、２はケースを示している。天板８の図示しない範囲の外面には、動作すると発熱する半導体装置が、電気的には絶縁体であるけれども熱伝導率が高い材質で形成されている板を介して固定されている。ケース２内には、動作すると発熱する電子機器が収容されている。熱媒経路４には、冷却液が通過し、天板８に接している半導体装置を冷却し、底板４に接しているケース２の壁を冷却する。天板８と底板４は、熱伝導率が高いアルミ合金で形成されている。本実施例の場合、熱交換器本体７は冷却器本体であり、熱媒は冷却液であり、熱媒経路４は冷却液経路である。ただし、本実施例の温度センサの固定構造は、冷却の場合にのみ有効なものでなく、熱媒で加熱する場合にも有効であるし、熱媒が気体の場合も有効である。

図１に示すように、天板８は平坦であり、底板６は屈曲しており、両者を重ね合わせて両端の重なり合った部分をロウ付けすることで、熱媒経路４が形成されている。天板８と底板６の重合範囲には複数個の貫通穴２４が設けられており、それらを貫通するボルト２５をケース２の壁にねじ込むことで、熱交換器本体７がケース２に固定される。熱交換器本体７がケース２に固定されると、底板６とケース２が密着する。図示２７はスリーブである。

天板８に温度センサ１８を固定するために、天板８の外面にブラケット１０がロウ付けされている。ブラケット１０には、ボルト１２の頭部と軸部を受け入れる段付の貫通孔１０ａが形成されており、貫通穴１０ａにボルト１２が圧入されている。天板８の外面にブラケット１０がロウ付けされると、ボルト１２の頭部が天板８にロウ付けされることになる。ボルト１２の軸部はブラケット１０から上方に伸びている。

温度センサ１８はサーミスタであり、温度センサ支持板１６に固定されている。温度センサ支持板１６には、ボルト１２に軸部が貫通する貫通穴１６ａが形成されている。ボルト１２の軸部に温度センサ支持板１６の貫通穴１６ａを通してからナット１４がボルト１２にねじ込まれている。ナット１４をボルト１２にねじ込むと、ナット１４が温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付け、温度センサ支持板１６を天板８に固定する。ブラケット１０とボルト１２と温度センサ支持板１６は、熱伝導率が高いアルミ合金で形成されている。ブラケット１０とボルト１２とナット１４によって、温度センサ支持板１６を介して温度センサ１８を天板８に固定すると、温度センサ１８は天板８を介して熱媒経路４に向かうあう位置から外れた範囲に位置する。

ブラケット１０と、ブラケット１０に固定されているボルト１２は、天板８を介して熱媒経路４に向かい合う位置に配置されている。しかも天板８は底板６よりも薄い。熱媒経路４内の熱媒から温度センサ１８に至る主要な伝熱経路は、熱媒経路４内の熱媒→天板８→ボルト１２→温度センサ支持板１６→温度センサ１８である。熱媒経路４内の熱媒から温度センサ支持板１６に至るまでの伝熱経路の長さが最小化されている。温度センサ支持板１６における貫通穴１６ａの形成位置と、温度センサ１８の固定位置は異なっている。このために、温度センサ１８は天板８を介して熱媒経路４に向かい合っている位置から外れている。それでも、主要な伝熱経路が短いことから、温度センサ１８による検出誤差と検出遅れは小さい。

図３の場合、温度センサ１８は天板８を介して熱媒経路４に向かい合っている。常識的には図３の方が、温度センサ１８によって熱媒の温度を正確かつ迅速に検出できるように思える。しかしながら、実際にはそうでなく、図１の方が、熱媒の温度を正確かつ迅速に検出できる。その理由は、図１でも図３でも、温度センサ１８がブラケット１０ないし天板８に密着していないことから、伝熱量が低いことにある。重要なのは、金属同士が密着していて大きな熱を伝熱する伝熱経路の長さを短くすることであることが判明した。
図１の場合、熱媒経路４内の熱媒から温度センサ支持板１６に至るまでの伝熱経路の長さが最小化されており、図３による場合よりも熱媒の温度を正確かつ迅速に検出できる。

本実施例の場合、熱媒経路４内の熱媒→天板８→ボルト１２→温度センサ支持板１６→温度センサ１８の伝熱経路が、ケース２の壁から隔てられた位置にある。このために、ケース２の壁の温度が温度センサ１８に及ぼす影響が抑制されている。その抑制要素が作用することもあって、本実施例によると温度センサ１８によって熱媒の温度を正確かつ迅速に検出できる。

上記実施例では、ブラケット１０に植生したボルト１２にナット１４をねじ込んで温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付けている。これに代えて、ブラケット１０にねじ穴を設け、そのねじ穴にボルトをねじ込んでボルトの頭部で温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付けてもよい。ブラケットに固定されている軸部材は、ブラケット１０に植生したボルト１２の軸部であてもよいし、ブラケット１０にねじ込んだボルトの軸部であてもよい。温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付ける押付け部材は、ナット１４でもよいし、ボルトの頭部でもよい。
ボルトとナットに代えて、ブラケット１０に打ち込んで固定するリベットを用いることもできる。リベットの頭部で温度センサ支持板１６をブラケット１０に押付けることができる。軸部材は、ブラケットと一体成形したものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ケース
４：熱媒経路
６：底板
７：熱交換器本体
８：天板
１０：ブラケット
１２：ボルト
１４：ナット
１６：温度センサ支持板
１８：温度センサ
２０：ケーブル
２２：冷媒流入パイプ

Claims (4)

1. 天板と底板を重ね合わせて両者間に熱媒経路を形成している本体と、
   温度センサ支持板に固定されている温度センサと、
   温度センサ支持板を天板に固定する固定部材を備えており、
   固定部材が、天板を介して熱媒経路に向かい合う位置の天板の外面に固定されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 温度センサが、天板を介して熱媒経路に向かい合う位置から外れていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 温度センサ支持板に貫通部が形成されており、
   固定部材が、天板を介して熱媒経路に向かい合う位置の天板の外面に固定されているブラケットと、ブラケットに固定されているとともに貫通部を貫通する軸部材と、貫通部を貫通した軸部材に固定されているとともに温度センサ支持板をブラケットに押付ける押付部材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。
4. 天板は平坦で底板よりも薄く、底板は湾曲しており、熱媒は冷却液であり、貫通部は貫通穴であり、軸部材はボルトであり、押付部材はナットであり、底板がケースの壁に接していることを特徴とする請求項１から３のいずれかの１項に記載の熱交換装置。

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