JP5454586B2

JP5454586B2 - 冷却器

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Publication number: JP5454586B2
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Authority: JP
Inventors: 智裕竹永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2031-06-07
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Description

本発明は、天板と冷却ケースとの間に配置されている蛇行フィンに対して冷媒が流れる冷却器に関し、特に、冷却性能が向上した冷却器に関する。

ハイブリッド自動車等では、インバータ装置（電力変換装置）により電力変換が行われていて、半導体素子を搭載するインバータ装置には、半導体素子のスイッチングにより生じる熱を冷却する冷却器が搭載されている。このようなインバータ装置では、近年、小型化及び軽量化が求められるとともに高出力化が求められているため、半導体素子の発熱量が増加している。このため、インバータ装置の動作の安定を保つために、冷却性能（熱伝達率）が向上した冷却器が求められている。

そこで、冷却性能が向上する冷却器として、例えば下記特許文献１に記載された冷却器がある。下記特許文献１に記載された冷却器は、半導体素子に接続されている天板と、天板に覆われていて内部に冷媒が流れる冷却ケースとを備えている。そして、天板には、図１９に示したように、冷媒１４０が流れる流れ方向（図１９の矢印で示した方向）に延びる複数の蛇行フィン１３０が接続されていて、各蛇行フィン１３０の両側面には、流れ方向に沿って凸状曲面部１３１と凹状曲面部１３２とが交互に形成されている。これにより、冷媒１４０は、対向する凸状曲面部１３１と凹状曲面部１３２との間を通って蛇行しながら流れる。この結果、乱流が生じ易くなり、冷却性能が向上する。

特開２００８−１８６８２０号公報

ところで、上記した冷却器では、以下の問題点があった。即ち、冷媒１４０の流れは通常直進性があるため、図１９に示したように、冷媒１４０が対向する凸状曲面部１３１と凹状曲面部１３２との間を通る際に、凹状曲面部１３２の近傍（図１９の仮想線で示したＱ部分）で冷媒１４０が流れに難くなる。換言すれば、冷媒１４０が凹状曲面部１３２に沿うように曲がり難い。このため、凹状曲面部１３２の近傍で冷媒１４０の淀み（滞留）が生じて、冷媒１４０の冷却機能が十分に発揮されていないという問題点があった。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、凹状曲面部の近傍で冷媒の淀みが生じることを防止して、冷却性能が向上した冷却器を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様における冷却器は、半導体素子に接続されている天板と、前記天板に覆われていて内部に冷媒が流れる冷却ケースと、前記天板に接続されていて冷媒が流れる流れ方向に沿って側面に凸状曲面部と凹状曲面部とを交互に有する複数の蛇行フィンとを備え、冷媒が対向する前記凸状曲面部と前記凹状曲面部との間を通って蛇行する冷却器であって、前記凸状曲面部には、この凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れを生じさせる淀み防止手段が設けられていて、前記淀み防止手段は、前記蛇行フィンの厚さ方向で、前記凸状曲面部の半導体素子側である根元部分に設けられていることを特徴とする。

（２）また、本発明の上記態様における冷却器において、前記淀み防止手段は、前記冷却ケースの底壁に向かうに従って細くなるテーパー形状のバンクであることが好ましい。

（３）また、本発明の上記態様における冷却器において、前記淀み防止手段は、前記凸状曲面部から対向する凹状曲面部に向けて突出する突起であっても良い。

（４）また、本発明の上記態様における冷却器において、前記凸状曲面部のうち前記蛇行フィンの厚さ方向で前記冷却ケースの底壁側の先端部分に位置し、且つ前記凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れを生じさせる第２淀み防止手段が設けられていても良い。

上記した冷却器の作用効果について説明する。

上記構成（１）では、淀み防止手段が、凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れを生じさせる。これにより、直線状に流れ易い冷媒の主流と凹状曲面部の近傍で淀んでいる冷媒とを混合させることができ、蛇行フィンの熱伝達率を向上させることができる。このため、凹状曲面部の近傍で冷媒の淀みが生じることを防止して、冷却器の冷却性能を向上させることができる。

特に、上記構成（１）では、凸状曲面部の半導体素子側である根元部分から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れが生じる。これにより、蛇行フィンのうち比較的温度が高い根元部分の近傍で、冷媒がかき乱される。このため、蛇行フィンの熱伝達率を効果的に向上させることができる。また、根元部分のみに淀み防止手段を設けることで、淀み防止手段によって生じる冷媒の圧力変動を小さくすることができ、冷却器の圧力損失の増加を小さくすることができる。

上記構成（２）では、テーパー形状のバンクによって、バンクから凹状曲面部に向かう冷媒の流れに加えて、バンクから冷却ケースの底壁に向かう冷媒の流れも生じる。このため、バンクの近傍で冷媒を大きくかき乱すことができ、蛇行フィンの熱交換率を効果的に向上させることができる。

上記構成（３）では、淀み防止手段が突起であるため、極めて簡単な構成で淀み防止手段を設けることができる。また、突起を小さく構成することで、突起によって生じる冷媒の圧力変動を小さくすることができ、冷却器の圧力損失の増加がほとんど生じないようにすることができる。

上記構成（４）では、淀み防止手段と第２淀み防止手段とによって、凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れが生じる。このため、直線状に流れ易い冷媒の主流と凹状曲面部の近傍で淀んでいる冷媒とが大きく混合され、蛇行フィンの熱伝達率を大幅に向上させることができる。

インバータ装置を概略的に示した全体構成図である。図１に示した冷却器の縦断端面図である。図２に示した蛇行フィンの斜視図である。図３に示した蛇行フィンの平面図である。図４に示したＶ−Ｖ線に沿って冷却器を切断した場合の端面図である。図４に示したＷ−Ｗ線に沿って冷却器を切断した場合の端面図である。図５に示したＸ部分の拡大図である。凸状曲面部にバンクが設けられていない場合に冷媒の流れを概略的に説明するための図である。凸状曲面部にバンクが設けられている場合に冷媒の流れを概略的に説明するための図である。根元部分にバンクが設けられていない場合に、根元部分からの距離と蛇行フィン及び冷媒の温度との関係を概略的に示したグラフである。根元部分にバンクが設けられている場合に、根元部分からの距離と蛇行フィン及び冷媒の温度との関係を概略的に示したグラフである。冷却器内に冷媒を流動させた場合に、蛇行フィンの熱伝達率及び冷却器の圧力損失の実測値を示した図である。蛇行フィンの端と冷却ケースの底壁との間にシート部材が介装されている場合の冷却器を示した図２相当の端面図である。第２実施形態において、凸状曲面部に突起が設けられている場合に冷媒の流れを概略的に説明するための図である。図１４に示したＹ部分の拡大図である。第３実施形態において、冷却ケースの底壁に第２バンクが設けられている状態を示した図５相当の端面図である。図１６に示したＺ部分の拡大図である。第４実施形態において、シート部材に第２バンクが設けられている状態を示した図５相当の端面図である。従来において、蛇行フィンの凹状曲面部の近傍で冷媒の淀みが生じることを説明するための図である。

本発明に係る冷却器について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、冷却器４が適用されているインバータ装置１を概略的に示した全体構成図である。このインバータ装置１は、例えばハイブリッド自動車や電機自動車に搭載されているものであり、図１に示したように、半導体素子２と絶縁基板３と冷却器４とを備えている。

半導体素子２は、インバータ回路を構成する電子部品である。この半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ又はダイオード等であり、スイッチングにより発熱する発熱体である。半導体素子２は、絶縁基板３の上に半田付けによって接合されている。

絶縁基板３は、半導体素子２と冷却器４とを電気的に絶縁状態にするものである。この絶縁基板３は、例えば、ＤＢＡ基板である。絶縁基板３は、冷却器４の上にロウ付けによって接合されている。ここで、半導体素子２及び絶縁基板３は、冷却器４の上に１個搭載されているが、複数個搭載されていても良い。

冷却器４は、内部に冷媒４０を流すことによって、半導体素子２のスイッチングにより生じる熱を冷却するものである。ここで、図２は、図１に示した冷却器４の縦断端面図であり、冷媒が流れる方向に見たときの図である。冷却器４は、図２に示したように、天板１０と冷却ケース２０と複数の蛇行フィン３０とを備えている。

天板１０は、冷却ケース２０に対して蓋部材として機能するものである。天板１０は、例えば熱伝導率の良いアルミニウムで構成されている。この天板１０は平板状であり、この天板１０の下面に各蛇行フィン３０が一体的に接続されている。そして、天板１０は、絶縁基板３を介して半導体素子２に接続されている。

冷却ケース２０は、冷媒４０が流動するためのケースである。冷却ケース２０は、例えば熱伝導率の良いアルミニウムで構成されている。この冷却ケース２０は、図２に示したように、上部が開口している箱であり、矩形状の底壁２１と、この底壁２１の周縁部分から図２の上方に延びる側壁２２とを有している。

側壁２２には、図２に示したように、Ｏリング５０を組付けるための凹部２２ａと、ボルト５１を螺着するための挿通孔２２ｂが形成されている。このため、Ｏリング５０が側壁２２の凹部２２ａに組付けられている状態で、天板１０がボルト５１を介して冷却ケース２０の側壁２２に組付けられている。なお、天板１０と冷却ケース２０とが溶接によって組付けられていても良い。

また、図１の手前側の側壁２２には、流入パイプ６１が接続されていて、図１の奥側の側壁２２には、流出パイプ６２が接続されている。流入パイプ６１は、吐出流路７１を介して吐出ポンプ６３に接続されている。流出パイプ６２は、戻り流路７２を介して熱交換器６４に接続されている。吐出ポンプ６３と熱交換器６４とは、吸込流路７３を介して接続されている。

こうして、冷媒４０は、吐出ポンプ６３から吐出された後に、流入パイプ６１を通って冷却器４内に流入する。そして、冷媒４０は、冷却ケース２０内で各蛇行フィン３０に接触しながら流動する。このとき、各蛇行フィン３０の熱が冷媒４０によって吸収され、冷媒４０が温められる。その後、冷媒４０は、流出パイプ６２を通って熱交換器６４へ送り込まれる。これにより、熱交換器６４は空気への放熱によって冷媒４０を冷却し、冷却された冷媒４０は吐出ポンプ６３に戻される。

このようにして、冷媒４０は、冷却器４を通って循環し、半導体素子２から蛇行フィン３０に伝わる熱を冷却するようになっている。なお、本実施形態の冷媒４０は、ＬＬＣ等の液体であるが、液体に限られるものではなく、空気等の気体であっても良い。ここで、図３は、図２に示した蛇行フィン３０の斜視図である。また、図４は、図３に示した蛇行フィン３０の平面図である。

図３及び図４に示したように、蛇行フィン３０は、冷媒４０が流れる流れ方向（図３及び図４の矢印で示した方向）に延びていて、天板１０の下面に５つ形成されている。なお、蛇行フィン３０の数は、５つに限定されるものではなく、適宜変更可能である。これら蛇行フィン３０は、鋳造によって天板１０に一体成型されている。各蛇行フィン３０は、冷媒４０との接触面積を増やすために蛇のように曲がりくねっていて、隣の蛇行フィン３０に対して流れ方向と直交する方向に約１ｍｍ離れている。そして、各蛇行フィン３０の厚さ方向の寸法ｈ（図７参照）は、側壁２２の高さ方向の寸法より僅かに小さくなっていて、約３ｍｍである。こうして、冷却ケース２０の中に冷媒４０の流路が形成されていて、冷媒４０は隣合う蛇行フィン３０の間を通って蛇行しながら流れ方向に流れる。

本実施形態では、隣合う蛇行フィン３０の距離（流路幅）ｄは、図４に示したように、流れ方向のどの位置においても一定（約１ｍｍ）になっている。これは、蛇行フィン３０の入口側（図４の左側）の冷媒４０の圧力と、蛇行フィン３０の出口側（図４の右側）の冷媒４０の圧力との圧力差を小さくして、冷却器４の圧力損失を小さくするためである。即ち、仮に隣合う蛇行フィン３０の距離ｄが流れ方向の位置によって変化する場合、蛇行フィン３０の入口側と出口側とでは、冷媒４０の圧力変動が大きくなり、冷却器４の圧力損失が大きくなる。そして、冷却器４の圧力損失が大きいと、吐出ポンプ６３の駆動力を大きくする必要があり、駆動エネルギーが無駄になるためである。

ここで、図３及び図４では、５つの蛇行フィン３０を流れ方向に直交する方向で順番に、蛇行フィン３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅで示すことにする。両端の蛇行フィン３０Ａ，３０Ｅでは、一方の側面が平面状に形成されている。これは、蛇行フィン３０Ａ，３０Ｅの一方の側面が、冷却ケース２０の側壁２２に対向するためである。一方、蛇行フィン３０Ａ，３０Ｅの他方の側面には、流れ方向に沿って凸状曲面部３１と凹状曲面部３２とが交互に形成されている。また、蛇行フィン３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｅの両方の側面にも、流れ方向に沿って凸状曲面部３１と凹状曲面部３２とが交互に形成されている。こうして、隣合う蛇行フィン３０では、凸状曲面部３１と凹状曲面部３２とが約１ｍｍ離れて対向している。

ところで、本実施形態では、図３及び図４に示したように、各蛇行フィン３０の凸状曲面部３１にバンク３１ｘがそれぞれ形成されている。各バンク３１ｘは、各凹状曲面部３２の近傍に生じる冷媒４０の淀み（滞留）を防止するものである。これらバンク３１ｘは、鋳造によって各凸状曲面部３１に一体的に設けられている。このバンク３１ｘが、本発明の淀み防止手段である。以下、バンク３１ｘについて詳細に説明する。ここで、図５は、図４に示したＶ−Ｖ線に沿って冷却器４を切断した場合の端面図である。また、図６は、図４に示したＷ−Ｗ線に沿って冷却器４を切断した場合の端面図である。

バンク３１ｘは、図５及び図６に示したように、略半分のテーパー形状であって、冷却ケース２０の底壁２１に向かうに従って細くなっている。このバンク３１の先端部分は、尖っておらず、底壁２１と平行な平面状になっている。なお、バンク３１の先端部分の形状は、平面状であることに限定されず、適宜変更可能であり、尖っていても良い。

ここで、図７は、図５に示したＸ部分の拡大図である。図７に示したように、バンク３１ｘの幅方向（図７の上下方向）の寸法ｓは、約０．７ｍｍであり、バンク３１ｘの高さ方向（図７の左右方向）の寸法ｔは、約０．５ｍｍである。こうして、このバンク３１ｘによって、図７の矢印で示したような冷媒４０の流れが生じる。即ち、凸状曲面部３１から対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０の流れが生じる。

次に、バンク３１ｘの作用効果について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、凸状曲面部３１にバンク３１ｘが設けられていない場合に冷媒４０の流れを概略的に説明するための図である。一方、図９は、凸状曲面部３１にバンク３１ｘが設けられている場合に冷媒４０の流れを概略的に説明するための図である。なお、図９は、図４で示したＲ部分の拡大図である。

図８に示したように、仮にバンク３１ｘが設けられていない場合には、冷媒４０が対向する凸状曲面部３１と凹状曲面部３２との間を通る際に、凹状曲面部３２の近傍（図８の仮想線で示したＱ部分）で冷媒４０が流れ難くなる。換言すれば、冷媒４０の流れは通常直進性を有するため、直線状に進み易い主流ＭＳは凹状曲面部３２に沿うように曲がり難い。このため、凹状曲面部３２の近傍で冷媒４０の淀み（滞留）が生じて、冷媒４０の冷却機能が十分に発揮されない。

これに対して、図９に示したように、バンク３１ｘが設けられている場合には、冷媒４０が対向する凸状曲面部３１と凹状曲面部３２との間を通る際に、主流ＭＳの一部ＭＳ１が凹状曲面部３２に向かって流れる。これにより、主流ＭＳの一部ＭＳ１と凹状曲面部３２の近傍に位置する冷媒４０とが混合する。この結果、凹状曲面部３２の近傍で冷媒４０の淀みが生じなくて、冷媒４０の冷却機能が十分に発揮される。

ところで、本実施形態のバンク３１ｘは、図５〜図７に示したように、蛇行フィン３０の厚さ方向（図５〜図７の左右方向）で、凸状曲面部３１の半導体素子２側（図５〜図７の左側）の根元部分３１ａに設けられている。このように、バンク３１ｘが根元部分３１ａに設けられている理由について、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０は、根元部分３１ａにバンク３１ｘが設けられていない場合に、根元部分３１ａからの距離と、蛇行フィン３０及び冷媒４０の温度との関係を概略的に示したグラフである。一方、図１１は、根元部分３１ａにバンク３１ｘが設けられている場合に、根元部分３１ａからの距離と、蛇行フィン３０及び冷媒４０の温度との関係を概略的に示したグラフである。ここで、図１０及び図１１において、実線は蛇行フィン３０の温度を表し、破線は冷媒４０の温度を表している。また、凸状曲面部３１のうち、蛇行フィン３０の厚さ方向で冷却ケース２０の底壁２１側（図１０及び図１１の右側）に位置する部分を先端部分３１ｂと呼ぶことにする。

図１０に示したように、根元部分３１ａにバンク３１ｘが設けられていない場合には、根元部分３１ａと冷媒４０との温度差ΔＴ１が大きいのに対して、先端部分３１ｂと冷媒４０との温度差ΔＴ２が小さい。これは、根元部分３１ａが、先端部分３１ｂに比べて発熱体である半導体素子２に近いため、高温になり、根元部分３１ａの近傍に位置する冷媒４０が、高温である根元部分３１ａの熱を十分に吸収できないためである。こうして、温度差ΔＴ１が大きくて、蛇行フィン３０の熱伝達率が小さい。

これに対して、図１１に示したように、根元部分３１ａにバンク３１ｘが設けられている場合には、温度差ΔＴ１が小さくなる。これは、根元部分３１ａの近傍に位置する冷媒４０が、バンク３１ｘによってかき乱されて、高温である根元部分３１ａの熱を十分に吸収するためである。こうして、根元部分３１ａにバンク３１ｘを設けることによって、温度差ΔＴ１が小さくなり、蛇行フィン３０の熱伝達率が大きくなる。即ち、根元部分３１ａにバンク３１ｘを設ける場合には、根元部分３１ａ以外の部分にバンク３１ｘを設ける場合に比して、蛇行フィン３０と冷媒４０との温度差を小さくすることができ、蛇行フィン３０の熱伝達率を効果的に向上させることができる。

また、本実施形態では、図５〜図７に示したように、バンク３１ｘが、根元部分３１ａにのみ設けられ、根元部分３１ａ以外の部分に設けられていない。これは、以下の理由に基づく。仮に、バンク３１ｘが根元部分３１ａ以外の部分にも設けられる場合には、冷媒４０の主流ＭＳ（図９参照）が大きく妨げられる。この結果、蛇行フィン３０の入口側と出口側とでは、冷媒４０の圧力変動が大きくなり、冷却器４の圧力損失が大きくなる。従って、バンク３１ｘを根元部分３１ａにのみ設けることによって、蛇行フィン３０の熱伝達率を向上させつつ、冷却器４の圧力損失の増加を小さくすることができる。

次に、蛇行フィンの熱伝達率及び冷却器の圧力損失の実験結果について、図１２を用いて説明する。図１２は、冷却器内に冷媒を流動させた場合に、蛇行フィンの熱伝達率及び冷却器の圧力損失の実測値を示した図である。なお、この実験の実測値は、吐出ポンプ６３から吐出される冷媒４０の流量（Ｌ／ｍｉｎ）が所定値で一定であり、蛇行フィン３０の端３０ａ（図２参照）と冷却ケース２０の底壁２１との間に僅かな隙間ＳＭが形成されている条件で、測定されたものである。

図１２では、本実施形態のようにバンク３１ｘが設けられている場合（図９参照）の測定値が丸で示されている。一方、バンク３１ｘが設けられていない場合（図８参照）の測定値が四角で示されている。図１２に示した丸では、熱伝達率がＵ１であり、圧力損失がΔＰ１である。一方、図１２に示した四角では、熱伝達率がＵ２であり、圧力損失がΔＰ２である。そして、Ｕ１はＵ２より約９％大きくなっていて、バンク３１ｘを設けることによって熱伝達率が大きくなることが分かる。また、ΔＰ１はΔＰ２より大きくて、バンク３１ｘを設けることによって圧力損失が大きくなることが分かる。

ここで、熱伝達率及び圧力損失は、冷媒４０の流量、速度と比例関係にある。即ち、冷媒４０の流量、速度が大きくなるほど、熱伝達率、圧力損失が大きくなるという関係がある。このため、バンク３１ｘが設けられている場合とバンク３１ｘが設けられていない場合とにおいて、熱伝達率の大きさを比較するためには、圧力損失が同じである条件で判断する必要がある。この考えに基づいて、バンク３１ｘが設けられていない場合に冷媒４０の流量、速度を大きくすることによって圧力損失がΔＰ１になるときの測定値を、二重の四角で図１２に示す。なお、図１２に示した実線は、バンク３１ｘが設けられていない場合に、冷媒４０の流量、速度を変化させたときの熱伝達率及び圧力損失の推移を示している。

図１２で示された丸と二重の四角との比較から明らかなように、圧力損失がΔＰ１であるとき、バンク３１ｘが設けられている場合の熱伝達率は、バンク３１ｘが設けられていない場合の熱伝達率より大きい。従って、バンク３１ｘを設けることによって、圧力損失が大きくなるものの、熱伝達率を大きく向上させることができるといえる。具体的には、バンク３１ｘを設けることによって、蛇行フィン３０の根元部分３１ａの温度が約５度低くなることが確認された。

また、この実施形態では、図２に示したように、蛇行フィン３０の端３０ａと冷却ケース２０の底壁２１との間には、僅かな隙間ＳＭが形成されている。この隙間ＳＭは例えば約０．３ｍｍであり、図２では誇張して示されている。この隙間ＳＭに冷媒４０が流れ込むと、冷媒４０の主流ＭＳの流速が低下し、蛇行フィン３０の熱伝達率が小さくなる。しかしながら、本実施形態の冷却器４によれば、上述したように、根元部分３１ａにバンク３１ｘを設けることによって蛇行フィン３０の熱伝達率が効果的に向上するため、隙間ＳＭが形成されることによって蛇行フィン３０の熱伝達率が小さくなることは問題にならない。

ここで、隙間ＳＭに冷媒４０が流れ込むことを防止するために、図１３に示したように、仮に、蛇行フィン３０の端３０ａと冷却ケース２０の底壁２１との間に弾性部材（ゴム、樹脂等）で構成されたシート部材８０を介装することが考えられる。しかしながら、図１３に示した冷却器４Ａでは、本実施形態の冷却器４に比べて、シート部材８０を新たな構成部品として追加するため、コストが上昇する。

更に、図１３に示した冷却器４Ａでは、天板１０及び蛇行フィン３０を冷却ケース２０に組付ける際に、蛇行フィン３０の端３０ａがシート部材８０に押し付けられて、シート部材８０が図１３の仮想線ＫＳで示したように隣合う蛇行フィン３０の間に入り込むおそれがある。この場合には、本実施形態の冷却器４に比べて、冷媒４０が流れる空間が減少して、圧力損失が大きくなる。

以上要するに、本実施形態の冷却器４によれば、隙間ＳＭにシート部材８０を介装しなくても、根元部分３１ａにバンク３１ｘを設けることによって蛇行フィン３０の熱伝達率を効果的に向上させることができる。更に、シート部材８０を介装しないことよって、冷却器４を安価に構成できるとともに、冷却器４の圧力損失の増加を抑えることができる。

第１実施形態の冷却器４の作用効果について説明する。この冷却器４によれば、図９に示したように、バンク３１ｘが、凸状曲面部３１から対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０の流れを生じさせる。これにより、冷媒４０の主流ＭＳの一部ＭＳ１と凹状曲面部３２の近傍で淀んでいる冷媒４０とを混合させることができ、蛇行フィン３０の熱伝達率を向上させることができる。このため、凹状曲面部３２の近傍で冷媒４０の淀みが生じることを防止して、冷却器４の冷却性能を向上させることができる。

また、第１実施形態の冷却器４によれば、図７に示したように、根元部分３１ａに設けられたバンク３１ｘによって、凸状曲面部３１の根元部分３１ａから対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒の流れが生じる。これにより、蛇行フィン３０のうち比較的温度が高い根元部分３１ａの近傍で、冷媒４０がかき乱される。このため、蛇行フィン３０の熱伝達率を効果的に向上させることができる。更に、バンク３１ｘは根元部分３１ａにのみ設けられているため、バンク３１ｘによって生じる冷媒４０の圧力変動を小さくすることができ、冷却器４の圧力損失の増加を小さくすることができる。

また、第１実施形態の冷却器４によれば、図７に示したように、テーパー形状のバンク３１ｘによって、バンク３１ｘから凹状曲面部３２に向かう冷媒４０の流れに加えて、バンク３１ｘから冷却ケース２０の底壁２１に向かう冷媒４０の流れも生じる。このため、バンク３１ｘの近傍で冷媒４０を大きくかき乱すことができ、蛇行フィン３０の熱交換率を効果的に向上させることができる。

次に、第２実施形態について図１４及び図１５を用いて説明する。第２実施形態では、凸状曲面部３１に、第１実施形態のバンク３１ｘに換えて突起３１ｙが設けられている。図１４は、凸状曲面部３１に突起３１ｙが設けられている場合に冷媒４０の流れを概略的に説明するための図である。

突起３１ｙは、凹状曲面部３２の近傍に生じる冷媒４０の淀み（滞留）を防止するものである。この突起３１ｙは、図１４に示したように、三角柱形状であり、凸状曲面部３１から対向する凹状曲面部３２に向けて突出している。また、この突起３１ｙは、凸状曲面部３１の根元部分３１ａに設けられていて、鋳造によって凸状曲面部３１に一体的に設けられている。なお、突起３１ｙは、蛇行フィン３０とは別部材であって、溶接又は接着によって凸状曲面部３１に接合されていても良い。

こうして、図１４に示したように、冷媒４０が対向する凸状曲面部３１と凹状曲面部３２との間を通る際に、突起３１ｙが主流ＭＳの一部ＭＳ１の向きを変え、主流ＭＳの一部ＭＳ１が凹状曲面部３２に向かって流れる。これにより、主流ＭＳの一部ＭＳ１と凹状曲面部３２の近傍（Ｑ部分）に位置する冷媒４０とが混合する。この結果、凹状曲面部３２の近傍で冷媒４０の淀みが生じなくて、冷媒４０の冷却機能が十分に発揮される。

ここで、図１５は、図１４に示したＹ部分の拡大図である。図１５に示したように、突起３１ｙの幅方向（図１５の左右方向）の寸法ｅは、約０．１ｍｍであり、突起３１ｙが凸状曲面部３１の表面から突出している寸法ｆは、約０．１ｍｍである。そして、突起３１ｙの高さ方向（図１５の紙面に直交する方向）の寸法は、約０．１ｍｍである。このように、突起３１ｙは、第１実施形態のバンク３１ｘに比べて、十分小さいものである。第２実施形態のその他の構成は、第１実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。

上述したように突起３１ｙは極めて小さいため、冷媒４０の主流ＭＳが突起３１ｙによって大きく妨げられることがない。従って、第１実施形態に比べて、冷媒４０の圧力変動が小さくなり、冷却器の圧力損失を小さくすることができる。しかしながら、突起３１ｙによって凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０は、第１実施形態のバンク３１ｘによって凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０に比べて、少ない。従って、第１実施形態に比べて、凹状曲面部３２の近傍で冷媒４０が混合される量が少なくなり、蛇行フィン３０の熱伝達率の上昇度合いが小さくなる。

ここで、図１２では、突起３１ｙが設けられている場合の実験の測定値が三角で示されている。三角で示された測定値は、第１実施形態のバンク３１ｘが設けられているときの測定値（図１２に示された丸）、バンク３１ｘが設けられていないときの測定値（図１２に示された四角）と、同じ条件の実験で測定されたものである。

図１２に示した三角では、熱伝達率がＵ３であり、Ｕ３はＵ２より約５％大きい。このため、突起３１ｙを設けることによって熱伝達率が向上することが分かる。しかし、突起３１ｙを設けた場合、バンク３１ｘを設けた場合より熱伝達率の上昇度合いが小さいことが分かる。

また、図１２に示した三角では、圧力損失がΔＰ３であり、ΔＰ３はΔＰ２より僅かに大きい。このため、突起３１ｙによって生じる圧力損失の増加は僅かであることが分かる。そして、突起３１ｙを設けた場合、バンク３１ｘを設けた場合より圧力損失の増加が十分小さいことが分かる。

第２実施形態の作用効果について説明する。第２実施形態では、淀み防止手段が突起３１ｙであるため、極めて簡単な構成で淀み防止手段を設けることができる。また、突起３１ｙは図１５に示したように極めて小さく構成されているため、突起３１ｙによって生じる冷媒４０の圧力変動を小さくすることができ、冷却器の圧力損失の増加がほとんど生じないようにすることができる。第２実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第３実施形態について図１６及び図１７を用いて説明する。第３実施形態では、冷却ケース２０の底壁２１に第２バンク２１ｘが設けられている。図１６は、冷却ケース２０の底壁２１に第２バンク２１ｘが設けられている状態を示した図５相当の端面図である。

図１６に示したように、第１実施形態と同様、各バンク３１ｘが各凸状曲面部３１の根元部分３１ａにそれぞれ形成されている。そして、この第３実施形態では、各第２バンク２１ｘが、各凸状曲面部３１のうち蛇行フィン３０の厚さ方向で冷却ケース２０の底壁２１側（図１６の右側）の先端部分３１ｂに位置していて、冷却ケース２０の底壁２１に一体的に形成されている。第２バンク２１ｘは、凹状曲面部３２の近傍に生じる冷媒４０の淀み（滞留）を防止するものであり、本発明の第２淀み防止手段に相当する。ここで、図１７は、図１６に示したＺ部分の拡大図である。

図１７に示したように、第２バンク２１ｘは、略半分のテーパー形状であって、天板１０（図１７の左側）に向かうに従って細くなっている。この第２バンク２１ｘの先端部分は、尖っておらず、底壁２１と平行な平面状になっている。なお、第２バンク２１ｘの先端部分の形状は、平面状であることに限定されず、適宜変更可能であり、尖っていても良い。

第２バンク２１ｘの幅方向（図１７の上下方向）の寸法ｊは、約０．７ｍｍであり、第２バンク２１ｘの高さ方向（図１７の左右方向）の寸法ｇは、約０．５ｍｍである。こうして、この第２バンク２１ｘによって、図１７の矢印で示したような冷媒４０の流れが生じる。即ち、凸状曲面部３１の先端部分３１ｂから対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒の流れが生じる。第３実施形態のその他の構成は、第１実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。

第３実施形態の作用効果について説明する。第３実施形態では、図１７に示したように、バンク３１ｘと第２バンク２１ｘとによって、凸状曲面部３１から対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０の流れが生じる。このため、直線状に流れ易い冷媒４０の主流ＭＳと凹状曲面部３２の近傍で淀んでいる冷媒４０とが大きく混合され、蛇行フィン３０の熱伝達率を大幅に向上させることができる。つまり、蛇行フィン３０の熱伝達率を第１実施形態より大きくすることができる。

しかしながら、第３実施形態では、第２バンク２１ｘによって冷媒４０が流れる空間が狭くなり、冷媒４０の圧力変動が大きくなる。これにより、第３実施形態の冷却器４Ｂの圧力損失は、第１実施形態の冷却器４の圧力損失より大きくなる。第３実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第４実施形態について図１８を用いて説明する。第４実施形態では、蛇行フィン３０の端３０ａと冷却ケース２０の底壁２１との間の隙間ＳＭにシート部材９０が介装されていて、このシート部材９０に第２バンク９０ｘが設けられている。図１８は、シート部材９０に第２バンク９０ｘが設けられている状態を示した図５相当の端面図である。

図１８に示したように、平板状のシート部材９０が、隙間ＳＭを埋めている。このシート部材９０は、隙間ＳＭに冷媒４０が流れ込むことを防止するためのものである。シート部材９０は、弾性部材（ゴム、樹脂等）で構成されていて、天板１０及び蛇行フィン３０が冷却ケース２０に組付けられる前に、冷却ケース２０の底壁２１に接着されている。隙間ＳＭは例えば約０．３ｍｍであり、シート部材９０の厚さも例えば約０．３ｍｍである。

そして、この第４実施形態では、各第２バンク９０ｘが、各凸状曲面部３１の先端部分３１ｂに位置していて、シート部材９０に一体的に形成されている。この第２バンク９０ｘは、各凹状曲面部３２の近傍に生じる冷媒４０の淀み（滞留）を防止するものであり、本発明の第２淀み防止手段に相当する。第２バンク９０ｘは、略半分のテーパー形状であって、天板１０（図１８の左側）に向かうに従って細くなっている。第４実施形態のその他の構成は、第１実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。

第４実施形態の作用効果について説明する。第４実施形態では、図１８に示したように、シート部材９０が隙間ＳＭを埋めているため、冷媒４０が隙間ＳＭに流れ込むことを防止できる。これにより、冷媒４０の主流ＭＳの流速が低下することを防止でき、蛇行フィン３０の熱伝達率を向上させることができる。更に、バンク３１ｘと第２バンク９０ｘとによって、凸状曲面部３１から対向する凹状曲面部３２へ向かう冷媒４０の流れが生じる。このため、直線状に流れ易い冷媒４０の主流ＭＳと凹状曲面部３２の近傍で淀んでいる冷媒４０とが大きく混合され、蛇行フィン３０の熱伝達率を大幅に向上させることができる。

しかしながら、第４実施形態の冷却器４Ｃでは、シート部材９０を新たな構成部品として追加するため、第１実施形態の冷却器４よりコストが上昇する。また、第２バンク９０によって冷媒４０が流れる空間が狭くなり、冷媒４０の圧力変動が大きくなる。これにより、第４実施形態の冷却器４Ｃの圧力損失は、第１実施形態の冷却器４の圧力損失より大きくなる。第４実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。

以上、本発明に係る冷却器において説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、第１実施形態では、バンク３１ｘが鋳造によって凸状曲面部３１に一体的に設けられている。しかしながら、バンク３１ｘが天板１０と別部材であって、溶接又は接着によって凸状曲面部３１に接合されていても良い。また、バンク３１ｘの形状及び大きさは適宜変更可能である。

また、第２実施形態では、一つの凸状曲面部３１に対して一つの突起３１ｙが設けられている。しかしながら、一つの凸状曲面部３１に対して複数の突起３１ｙが設けられていても良い。例えば、凸状曲面部３１の根元部分３１ａに二つの突起３１ｙを設けても良い。又は、凸状曲面部３１の根元部分３１ａに一つの突起３１ｙを設け、凸状曲面部３１の先端部分３１ｂに一つの突起３１ｙを設けても良い。また、突起３１ｙの形状及び大きさは適宜変更可能である。

また、第３実施形態では、バンク３１ｘが凸状曲面部３１の根元部分３１ａに設けられ、第２バンク２１ｘが凸状曲面部３１の先端部分３１ｂの位置に設けられている。しかしながら、バンク３１ｘに換えて突起が凸状曲面部３１の根元部分３１ａに設けられていても良い。又は、第２バンク２１ｘに換えて突起が凸状曲面部３１の先端部分３１ｂの位置に設けられていても良い。

また、第４実施形態では、シート部材９０に第２バンク９０ｘが設けられている。しかしながら、シート部材９０に突起が設けられていても良い。

また、各実施形態では、隣合うフィン３０の距離（流路幅）が、流れ方向のどの位置においても一定であるが、流れ方向の位置によって変化していても良い。

１インバータ装置
２半導体素子
３絶縁基板
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ冷却器
１０天板
２０冷却ケース
２１底壁
２１ｘ第２バンク
３０蛇行フィン
３１凸状曲面部
３１ａ根元部分
３１ｂ先端部分
３１ｘバンク
３１ｙ突起
３２凹状曲面部
４０冷媒
９０シート部材
９０ｘ第２バンク

Claims

半導体素子に接続されている天板と、
前記天板に覆われていて内部に冷媒が流れる冷却ケースと、
前記天板に接続されていて冷媒が流れる流れ方向に沿って側面に凸状曲面部と凹状曲面部とを交互に有する複数の蛇行フィンとを備え、
冷媒が対向する前記凸状曲面部と前記凹状曲面部との間を通って蛇行する冷却器において、
前記凸状曲面部には、この凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れを生じさせる淀み防止手段が設けられていて、
前記淀み防止手段は、前記蛇行フィンの厚さ方向で、前記凸状曲面部の半導体素子側である根元部分に設けられていることを特徴とする冷却器。
請求項１に記載された冷却器において、
前記淀み防止手段は、前記冷却ケースの底壁に向かうに従って細くなるテーパー形状のバンクであることを特徴とする冷却器。
請求項１に記載された冷却器において、
前記淀み防止手段は、前記凸状曲面部から対向する凹状曲面部に向けて突出する突起であることを特徴とする冷却器。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載された冷却器において、
前記凸状曲面部のうち前記蛇行フィンの厚さ方向で前記冷却ケースの底壁側の先端部分に位置し、且つ前記凸状曲面部から対向する凹状曲面部へ向かう冷媒の流れを生じさせる第２淀み防止手段が設けられていることを特徴とする冷却器。