JP2017228554A

JP2017228554A - 冷却フィン構造

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Publication number: JP2017228554A
Application number: JP2016121411A
Authority: JP
Inventors: 崇之松澤; Takayuki Matsuzawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP6636397B2

Abstract

【課題】柱状フィンが千鳥状に配置されており、かつ柱状フィンから冷媒への熱伝達の効率を向上しうる冷却フィン構造を提供する。【解決手段】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柱状フィン20を備えている。柱状フィン20は、外側に凸となった１つの凸円弧26と、内側に凹となった２つの凹円弧28とから成る扇状断面形状を有する。柱状フィン20の凹円弧28は、その柱状フィン20から凹円弧28側の斜め方向に隣り合って配置される柱状フィン20の凸円弧26の中心点102を中心とした円周130上に位置している。【選択図】図３

Description

この発明は、冷却フィン構造に関し、さらに詳しくは千鳥状に配置される柱状フィンを有する冷却フィン構造に関する。

従来の冷却フィン構造に関して、特許文献１には、電子機器の冷却を目的とした横断面円形のピンフィンを備えた冷却フィン構造が開示されている。

上述の特許文献に開示されるように、発熱を伴う各種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。しかし、近年の電子機器小型化に伴い、電子機器の熱流束が増加し、冷却器のさらなる高性能化が求められている。そこで、冷却器に配置される冷却フィン構造の高性能化が必要となる。

特開２０１３−１２３０３８号公報

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、柱状フィンが千鳥状に配置される冷却フィン構造において、柱状フィンから冷媒への熱伝達の効率を向上させることである。

本発明は、上記目的を達成するために以下の様態からなる。

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柱状フィンを備え、前記柱状フィンは、外側に凸となった１つの凸円弧と、内側に凹となった２つの凹円弧とから成る扇状断面形状を有し、前記柱状フィンの凹円弧は、その柱状フィンから凹円弧側の斜め方向に隣り合って配置される柱状フィンの凸円弧の中心点を中心とした円周上に位置している冷却フィン構造。

2)前記凸円弧が半径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柱状フィン間の隙間がd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柱状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+d/2であり、柱状フィンの凹円弧が位置する前記円周の半径がR+dである上記1)に記載の冷却フィン構造。

3)前記流れ方向に並んだ複数の柱状フィンからなるフィン列が、複数列設けられていることを特徴とする上記1)または2)記載の冷却フィン構造。

4)柱状フィンの断面形状が、前記冷媒流れ方向にのびかつ柱状フィンにおける前記冷媒流れと直交する方向の中心を通る中心線を軸として線対称となっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の冷却フィン装置。

5)前記流れ方向に対して上流側に凸円弧が配置され、下流側に凹円弧が配置されている上記4)記載の冷却フィン構造。

6)前記流れ方向に対して上流側に凹円弧が配置され、下流側に凸円弧が配置されている上記4)記載の冷却フィン構造。

以上に説明したように、この発明に従えば、柱状フィンが千鳥状に配置される冷却フィンにおいて、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置される柱状フィン間の隙間を一定に保ったまま、冷媒流れ方向における柱状フィンの密度を高めることができる。その結果、柱状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。

この発明によ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一部を省略した側面図である。一部を省略した図１のＡ−Ａ線断面図である。図２の一部分を拡大して示す図である。この発明の他の実施形態の冷却フィン構造を示す図２相当の図である。千鳥状に配置された横断面円形のピンフィンと、この発明の冷却フィン構造の柱状フィン外との発熱面あたりの熱伝達率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。

また、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

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２は、図１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は，図２の一部分を拡大して示す図である。
図１を参照して、パワー制御ユニット１の冷却器１０には、冷却対象である複数の半導体素子１２が搭載されている。複数の半導体素子１２は、パワー制御ユニット１０の駆動に伴って発熱する。

図１および図２において、パワー制御ユニット１の冷却器１０は、絶縁板１４、流路天板１６、流路底板１８および流路側壁２４を備え、複数の柱状フィン２０からなる冷却フィン構造を有する。

絶縁板１４は、高い電気絶縁性および熱伝導性を有する材料、たとえばセラミックスにより形成されている。絶縁板１４の表面上には、複数の半導体素子１２が互いに間隔をあけて接合されている。

流路天板１６、流路底板１８、流路側壁２４および複数の柱状フィン２０は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。本実施形態では、流路天板１６、流路底板１８、流路側壁２４および複数の柱状フィン２０がアルミニウムから形成されている。流路天板１６、流路底板１８、流路側壁２４および複数の柱状フィン２０は、半導体素子１２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、冷却器の製造方法として、アルミダイキャストによって、複数の柱状フィン２０を流路天板１６もしくは流路底板１８と一体に成形してもよいし、複数の柱状フィン２０を単体で成形した後、これらを流路天板１６および流路底板１８に組み付けてもよい。あるいは、鍛造によって柱状フィン２０を流路天板１６および流路底板１８のうちのいずれか一方に一体に成形し、同他方に接合してもよい。

流路天板１６、流路底板１８および流路側壁２４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２２が形成されている。流路天板１６には、複数の半導体素子１２が接合された絶縁板１４が接合されている。複数の柱状フィン２０は、冷却水通路２２に配置されている。複数の柱状フィン２０は、棒状に延伸する柱状形状を有し、互いに間隔を隔てて流路天板１６と流路底板１８との間に立設されている。

パワー制御ユニット１０の駆動に伴って複数の半導体素子１２が発熱する。複数の半導体素子１２で発生した熱は、絶縁板１４および流路天板１６を通じて複数の柱状フィン２０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２２に供給され、図２中の矢印１００に示すように一方向に流通する。この間、冷却水と複数の柱状フィン２０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１２で発生した熱が放熱される。

図２中において、冷却水通路２２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。柱状フィン２０は、流路天板１６と流路底板１８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。

冷却フィン構造を構成する複数の柱状フィン２０は、冷却水通路２２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柱状フィン２０（図２中の中心線１１０A上に配列される複数の柱状フィン２０A）と、その複数の柱状フィン２０Aの隣でＸ軸方向に一列に配列される複数の柱状フィン２０B（図２中の中心線１１０B上に配列される複数の柱状フィン２０B）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２中の柱状フィン２０Aと、その柱状フィン２０A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柱状フィン２０Bとに注目すると、柱状フィン２０Aおよび柱状フィン２０B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、複数の柱状フィン２０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、柱状フィン２０AをＸ軸方向に１／２Ｐｘずらした場合に、柱状フィン２０Aの一部が柱状フィン２０Bと重なるように設定されている。

続いて、図１、図２および図３中のパワー制御ユニット１の冷却器１０に用いられる柱状フィン２０の構造について詳細に説明する。図３は、図２の一部分を拡大して示す図である。

図３を参照して、柱状フィン２０は、Ｘ軸−Ｙ軸平面により切断された場合に扇状断面形状を有する。より具体的には、柱状フィン２０は、Ｘ軸−Ｙ軸平面により切断された場合に、外側に凸となった１つの凸円弧２６と、内側に凹となった２つの凹円弧２８とのみから構成される断面形状を有する。

凸円弧２６は、中心線１１０上に位置する中心点１０２を中心に半径Ｒを有する。凹円弧２８は、凹円弧２８側の冷却水流れに対して斜め方向に隣り合って配置される柱状フィン２０の凸円弧２６の中心点１０２を中心とする円周１３０上に位置している。凸円弧２６は冷媒流れ方向の上流側に配置され、凹円弧２８は同じく下流側に配置されている。ここで、冷媒流れに対して直交するＹ軸方向に隣り合って配置される柱状フィン２０間の隙間をdとすると、冷媒流れに対して斜め方向に隣り合って配置される柱状フィン２０の凸円弧２６の中心点１０２間のＹ軸方向のピッチＰｙはR+d/2であり、柱状フィン２０の凹円弧２８が位置する前記円周１３０の半径がR+dである。また、２つの凹円弧２８の一端は中心線１１０上で交わり、２つの凹円弧２８の他端と凸円弧２６の両端とは、Ｙ軸方向に延びる１つの直線上で交わっている。したがって、柱状フィン２０の断面形状は、中心線１１０を軸として線対称となっている。

なお、図２においては、柱状フィン２０の凸円弧２６が冷却水の流れ方向上流側に配置され、凹円弧２８が同下流側に配置されているが、これとは逆に、図４に示すように、凸円弧２６が冷却水の流れ方向下流側に配置され、凹円弧２８が同上流側に配置されていてもよい。

図５は、本発明の冷却フィン構造の柱状フィンを用いて求めた冷却水への等価熱伝達率（実施例）と、横断面円形のピンフィンを用いて求めた冷却水への等価熱伝達率（比較例）とを比較するグラフである。

なお、比較例におけるピンフィンは、本発明の冷却フィン構造の柱状フィン２０の凸円弧２６と同じ半径（半径Ｒ）の円柱形状のピンフィンであり、冷媒流れと直交するＹ軸方向に隣り合って配置されるピンフィンの隙間、および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隙間がｄとなるように千鳥状に配置されたものである。

ＣＡＥ解析によって、フィンから冷却水への等価熱伝達率を評価したところ、図５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３０００Ｗ／ｍ²Ｋほど高くなった。

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１の冷却器１０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２２に千鳥状に配置される複数の柱状フィン２０を備える。柱状フィン２０は、１つの凸円弧２６と２つの凹弧２８とのみから成る断面形状を有する。凹円弧２８には、当該凹円弧２８を有する柱状フィン２０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柱状フィン２０の凸円弧２６の中心点１０２を中心とした円周１３０上に位置している。

このように構成された冷却フィン構造によれば、千鳥状配置された柱状フィン２０を備えるパワー制御ユニット１の冷却器１０において、柱状フィン２０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。これにより、パワー制御ユニット１を構成する複数の半導体素子１２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。

１：パワー制御ユニット
１０：冷却器
２０，２０Ａ，２０Ｂ：柱状フィン
２２：冷媒通路
２６：凸円弧
２８：凹円弧
１０２：中心点
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ：中心線
１３０：円周

Claims

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柱状フィンを備え、前記柱状フィンは、外側に凸となった１つの凸円弧と、内側に凹となった２つの凹円弧とから成る扇状断面形状を有し、前記柱状フィンの凹円弧は、その柱状フィンから凹円弧側の斜め方向に隣り合って配置される柱状フィンの凸円弧の中心点を中心とした円周上に位置している冷却フィン構造。
前記凸円弧が半径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柱状フィン間の隙間がd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柱状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+d/2であり、柱状フィンの凹円弧が位置する前記円周の半径がR+dである請求項1に記載の冷却フィン構造。
前記流れ方向に並んだ複数の柱状フィンからなるフィン列が、複数列設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の冷却フィン構造。
柱状フィンの断面形状が、前記冷媒の流れ方向にのびかつ柱状フィンにおける前記冷媒流れと直交する方向の中心を通る中心線を軸として線対称となっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の冷却フィン装置。
前記流れ方向に対して上流側に凸円弧が配置され、下流側に凹円弧が配置されている請求項４記載の冷却フィン構造。
前記流れ方向に対して上流側に凹円弧が配置され、下流側に凸円弧が配置されている請求項４記載の冷却フィン構造。