JP5772171B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、複数のフィンを並べて形成された複数の流路に冷媒を流し、発熱体からの熱を放散させる熱交換器であり、特に、流路間に起きる冷媒の横漏れを抑えて冷却性能の向上を図った熱交換器に関する。

ハイブリッド自動車等には、モータを駆動するインバータに半導体素子が用いられており、それを冷却する水冷式の熱交換器が採用されている。半導体素子を搭載するインバータは、より高出力が求められる一方で小型化や軽量化の要求が厳しくなってきているため、放熱効果に優れた熱交換器が求められている。熱交換器は、例えばケース部材内に複数のフィンを備えたフィン部材を組み付けた構造をしているが、フィンの先端に隙間が生じていると、その隙間を抜けて隣の流路に冷媒が漏れてしまい、冷却性能が低下するという問題があった。下記特許文献１には、そうした課題に対応した熱交換器が提案されている。

図６は、下記特許文献１に開示された第１従来例の熱交換器を示す断面図である。半導体素子２０１などを上蓋２０２で覆ったパワーモジュール２００には熱交換器１１０が重ねられ、その熱交換器１１０は、複数のフィン１１１が一体に設けられたフィン部材１１２と、ケース部材１１３とで構成されている。ケース部材１１３の底面とフィン１１１の先端との間には隙間１５０が設けられ、この隙間１５０にゴムやウレタン樹脂、シリコーン樹脂からなるシート１１５が配置されている。よって、本従来例では、隣り合う流路１１６の間の隙間はシート１１５で塞がれ、冷媒の横漏れを防止して冷却性能の向上を図っている。

その他、図７は、下記特許文献１に開示された第２従来例の熱交換器を示す断面図である。パワーモジュール２００に重ねられた熱交換器１２０は、ケース部材１２３の底面に複数の波状突起１２５が形成され、その谷部にフィン１１１が位置するように構成されている。よって、この波状突起１２５により、ケース部材１２３の底面とフィン１１１先端との隙間が小さくなる。本従来例では、部品点数を増加させることなく、冷媒が隙間１６０を流れ難くして横漏れを抑えるものであり、これにより冷却性能の向上を図っている。

特開２００７−１１００２５号公報

しかし、第１従来例の熱交換器１１０は、シート１１５を構成部品とした構造であるため、部品点数が多くなってしまい、その分コストがかかり、またシート１１５の組み付け作業も必要になるなど組立も煩雑になる。一方、第２従来例の熱交換器１２０は、部品点数の増加はないが、隙間の不均一が生じてしまい流路抵抗を管理し難いという問題がある。すなわち、熱交換器１２０は、波状突起１２５によって流動抵抗を増加させているが、図示するような隙間の広い状態では効果が上がらず、本来は図示する以上にフィン１１１と波状突起１２５との間隔を狭くする必要がある。そうした場合、フィン１１１と波状突起１２５とによって行う隙間調整は、製作に当たって寸法管理が難しく、隙間が不均一になってしまうことで十分な冷却性能が出し難い。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、フィン先端の隙間を流れる冷媒の横漏れを抑えた熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、複数並べられたフィンが放熱板を介して形成されたフィン部材と、前記複数のフィンを収める凹部を有し前記放熱板とで囲んだ空間を構成するケース部材とが一体になり、前記フィンの先端と前記凹部の底面との間には隙間が存在する熱交換器において、前記フィンの先端面と対面する前記凹部の底面は、平面であり、前記フィンの先端面に、前記フィンに沿って前記フィンの幅より狭い幅の凹溝が形成され、それによって前記フィンの先端面と前記凹部の底面との隙間には、凹溝による拡張部と、前記拡張部の、横漏れ方向の上流側及び下流側に存在する絞り部とを備えた漏れ流路が形成されることを特徴とする。
また、本発明に係る熱交換器は、前記凹溝がフィンに沿って部分的に形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る熱交換器は、前記フィンが波形形状をしたものであることが好ましい。

本発明によれば、一の流路から隣の流路へと、フィン先端の隙間を通って横漏れが生じる場合、その隙間は凹溝によって絞り部、拡張部、絞り部の順に断面積が変化しているため、隙間を通る冷媒は流れ難くなり、よって横漏れを抑えることができる。

熱交換器の実施形態を示したものであり、フィンを平面方向に見た図２のＡ−Ａ断面図である。 熱交換器の実施形態を示したものであり、フィンを長手方向に見た図１のＢ−Ｂ断面図である。 熱交換器に存在する隙間の構造であって、図２のＰ部を拡大した図である。 蛇行する流路の一部について冷媒の流れによる圧力変化のある部分を示した図である。 フィンの先端面に部分的に形成された凹溝を示した図である。 第１従来例の熱交換器を示す断面図である。 第２従来例の熱交換器を示す断面図である。

次に、本発明に係る熱交換器の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１及び図２は、この熱交換器１は、従来例と同様に、フィン部材１０とケース部材２０とが一体に組み付けられ、フィン部材１０を構成する複数のフィン１１によって、密閉された空間内に冷媒を流す複数の流路が形成されている。

フィン部材１０は、平板の放熱板１２に対して複数のフィン１１が突設され、フィン１１同士が一定の間隔をあけて平行に配置されている。フィン１１は波形形状であって、これにより蛇行した複数の溝が形成されている。ケース部材２０は、所定の深さで形成された四角形の凹部２１と、その周りに張り出したフランジ２２によって構成されている。フィン部材１０は、放熱板１２がケース部材２０のフランジ２２に重ねられ、フィン１１が凹部２１内に収められる。重ね合わされた放熱板１２とフランジ２２は、その間にシール部材としてＯリングなどが挟み込まれ、ボルト１８によって締結される。

熱交換器１は、一体となったフィン部材１０の放熱板１２と、ケース部材２０の凹部２１によって密閉された空間２５が形成され、その空間２５内にフィン１１による溝形状の流路１５が複数形成される。ケース部材２０には、凹部２１に対し、図１に破線で示す位置に入力ポート２６と排出ポート２７とが形成され、不図示の冷媒供給管または冷媒排出管が接続される。冷媒供給管には、冷媒を熱交換器１に対して一定の圧力で送り込む供給ポンプが接続され、冷媒排出管には熱交換器１から排出された冷媒を回収するタンクが接続される。

熱交換器１は、供給された冷媒が入力ポート２６から空間２５内に送り込まれ、各流路１５を通って出力ポート２７へと流れる。このとき、入力ポート２６から出力ポート２７へ流れる冷媒が、複数ある流路１５を通って均等に流れるように、流路１５の上流側と下流側に、それぞれ横溝１４，１６が形成されている。そして、このような熱交換器１には、放熱板１２に対して熱拡散のためのヒートスプレッダ２１０が重ねられ、その上に発熱体である半導体素子２０１が重ねて貼り付けられる。

ところで、フィン部材１０とケース部材２０の組み付けは、フィン１１の先端がケース部材２０に当たってしまうとボルト１８による十分な締結ができず、安定したシール性が確保できなくなる。そこで、フィン部材１０とケース部材２０は、フィン１１の先端がケース部材２０の底面２１ａに当たらないように、隙間３０が生じるように設計されている。例えば、寸法公差を考慮して１ｍｍ程度の隙間３０がつくられる。

こうした隙間３０は、熱交換器１の小型化が進むと、フィン１１の高さが低くなる分だけ相対的に大きくなってしまい、その隙間３０によって生じる横漏れは冷却性能に大きく影響することになる。つまり、流路１５を流れる冷媒の流量に対して隙間３０によって横漏れする量の割合が多くなるほど、熱交換器１の冷却性能を低下させてしまう。そこで、本実施形態では、隙間３０は存在するものの、その隙間３０に生じる横漏れを抑制する構造を特徴とする。図３は、熱交換器１に存在する隙間３０の構造であって、図２のＰ部を拡大した図である。

ここで、図３に示す一のフィン１１を見た場合、その両側には流路１５（１５Ａ，１５Ｂ）があり、冷媒は図面を貫く方向に流路１５を流れ、隙間３０を流路１５Ａ側から流路１５Ｂ側へと流れるものとする。フィン部材１０を構成する複数のフィン１１は、それぞれの先端面に長手方向に沿った凹溝１１ａが形成されている。凹溝１１ａは、フィン１１よりも狭い幅であって、湾曲した面によって形成されている。そのため、フィン１１の先端面とケース部材２０の底面２１ａとの隙間３０には、凹溝１１ａによる拡張部３２と、横漏れした場合の上流側及び下流側に存在する絞り部３１，３３とを備えた漏れ流路３５が形成される。

次に、熱交換器１による放熱は、インバータなどに使用される半導体素子２０１が発熱すると、その熱はヒートスプレッダ２１０に伝わって拡散され、更にフィン部材１０の放熱板１２からフィン１１へと伝えられる。その際、入力ポート２６からケース部材２０内に供給された冷媒は、横溝１４を流れて複数の各流路１５に流れ込み、その流路１５から横溝１６を通って出力ポート２７から排出される。その間、フィン１１へと伝えられた熱は、フィン１１に接して流れる冷媒によって奪われ、半導体素子２０１から出た熱の放散が行われる。

ケース部材２０内を流れる冷媒は、蛇行する流路１５によって流れに乱れが生じ、フィン１１に接した冷媒が効率良く熱を奪って下流へと流れる。すなわち、仮に流路が直線であれば冷媒の流れが層流になることにより、流路中央部分では速くなるがフィン１１と接触する境界層では流れが遅くなってしまい、フィンに伝えられた熱が放散され難くなる。この点、熱交換器１のような蛇行した流路１５では、波形形状をしたフィン１１に冷媒がぶつかって流れが乱れ、境界層が破壊されることによりフィン１１から冷媒へ効率良く熱を伝達させて放散させることができる。

しかし、蛇行する流路１５の一部について冷媒の流れを見てみると、図４に太線で示すように、曲線部分の外側に位置する外周部１５１は冷媒がぶつかるため流体圧力が高くなり、逆に、曲線内側に位置する内周部１５２は流体圧力が低くなる。そのため、一つのフィン１１について見た場合、図３に示す隣り合う流路１５Ａ，１５Ｂにはフィン１１を挟んで圧力差が生じ、隙間３０を通って流れる冷媒の横漏れが生じやすくなる。この点、本実施形態では、隙間３０に形成した漏れ流路３５によって横漏れを抑えている。

隙間３０を通って流れる冷媒は、絞り部３１から拡張部３２へと流れ込んだ冷媒の流速が減少し、更に出口側の絞り部３３では抵抗が大きくなり、この漏れ流路３５によって冷媒の流れにエネルギー損失が生じる。その結果、隙間３０を通る冷媒が流れ難くなって横漏れが抑えられることになる。こうした横漏れの防止は、各流路１５を流れる冷媒の流量が確保でき、熱交換器１の冷却性能を向上させることができる。そして、冷却性能の向上により、半導体素子２０１が小型化して発熱密度が増大したとしても、冷媒がフィン１１から効率良く熱を奪って放熱させることができる。

ところで、漏れ流路３５を構成するフィン１１の先端面に形成された凹溝１１ａは、フィン１１の全長にわたって形成してもよいが、図５に示すように部分的に形成するようにしてもよい。波形形状のフィン１１からなる流路１５は、図４に示す外周部１５１および内周部１５２に対応する位置を圧力差によって横漏れが生じやすい箇所として特定することができるからである。

横溝１１ａの形成は、鋳造やカシメなどによって行われる。フィン部材１０は、熱伝達率の良いアルミが使用され、ダイカスト鋳造によって成形される。ダイカスト鋳造では、固定型と可動型で形成されたキャビティ内に所定量の溶湯が注入され、凝固して成形された後に型開きし、フィン部材１０が取り出される。フィン１１の全長にわたって凹溝１１ａを形成する場合には、そうした鋳造の成形型によって凹溝１１ａを成形してもよい。一方、図５に示すように部分的に凹溝１１ａを形成する場合には、鋳造によって平らに成形したフィン１１の先端面に、カシメなどで簡易的に窪みを付けて凹溝１１ａが形成するようにしてもよい。カシメなどで凹溝１１ａを形成することにより、鋳造の成形型は、その形状が簡素化され安価になり、耐久性の点でも有効だからである。

以上、本発明に係る熱交換器について実施形態を示したが、本発明はこれに限定されることなく、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、前記実施形態では、凹溝１１ａの断面形状を曲面で形成したが、矩形断面の溝であってもよい。また、可能であれば、一つのフィン１１に凹溝を幅方向に複数形成するようにしてもよい。
また、前記実施形態では、フィン１１先端面の凹溝１１ａによって、絞り部３１、拡張部３２、絞り部３３の順に並んだ漏れ流路３５を形成したが、ケース部材２０の底面２１ａに凹溝を形成することにより、絞り部、拡張部、絞り部の順に並んだ漏れ流路を形成するようにしてもよい。
また、前記実施形態では、フィン１１が波形形状をした流路１５が蛇行した熱交換器１を示したが、フィンの形状は直線やその他の形状であってもよい。

１ 熱交換器
１０ フィン部材
１１ フィン
１１ａ 凹溝
１２ 放熱板
２０ ケース部材
２１ 凹部
２２ フランジ
３０ 隙間
３１，３３ 絞り部
３２ 拡張部
３５ 漏れ流路

Claims (3)

1. 複数並べられたフィンが放熱板を介して形成されたフィン部材と、前記複数のフィンを収める凹部を有し前記放熱板とで囲んだ空間を構成するケース部材とが一体になり、前記フィンの先端と前記凹部の底面との間には隙間が存在する熱交換器において、
   前記フィンの先端面と対面する前記凹部の底面は、平面であり、
   前記フィンの先端面に、前記フィンに沿って前記フィンの幅より狭い幅の凹溝が形成され、それによって前記フィンの先端面と前記凹部の底面との隙間には、凹溝による拡張部と、前記拡張部の、横漏れ方向の上流側及び下流側に存在する絞り部とを備えた漏れ流路が形成されることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載する熱交換器において、
   前記凹溝は、フィンに沿って部分的に形成されたものであることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１に記載する熱交換器において、
   前記フィンは波形形状をしたものであることを特徴とする熱交換器。

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