JP6529324B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、半導体等の発熱体を冷却する熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger that cools a heat generating element such as a semiconductor.
インバータやコンバータ等の電力変換装置には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やダイオード等の半導体素子が組み込まれている。これらの半導体素子は、冷却能力の観点から、通常、セラミックス板の両面に金属箔を接合してなる回路基板に実装されている。 Semiconductor devices, such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a diode, are integrated in power converters, such as an inverter and a converter. These semiconductor elements are usually mounted on a circuit board formed by bonding metal foils on both sides of a ceramic plate from the viewpoint of cooling capacity.
電力変換装置は、半導体素子の冷却を効率よく行うための熱交換器を備えており、熱交換器の外表面に回路基板がはんだ付けされていることが多い。例えば特許文献1には、アルミニューム製ヒートシンクが開示されている。このヒートシンクの本体は中空部を有しており、冷却能力を向上させるためのインナーフィンが中空部に設けられている。また、ヒートシンク本体の表面には、半導体素子等の電子部品を実装した伝熱性絶縁基板がはんだ付けされている。
A power converter includes a heat exchanger for efficiently cooling a semiconductor element, and a circuit board is often soldered to the outer surface of the heat exchanger. For example,
近年では、電力変換装置の高出力化に伴って、半導体素子の発熱量が増大している。それ故、半導体素子の冷却を効率よく行うために、熱交換器の性能を従来よりも格段に向上させることが強く求められている。 In recent years, the calorific value of the semiconductor element has been increased along with the increase in output of the power conversion device. Therefore, in order to perform cooling of the semiconductor element efficiently, it is strongly required to significantly improve the performance of the heat exchanger as compared to the prior art.
例えば、熱交換器の冷却能力を向上させようとする場合には、インナーフィンと冷媒との接触面積を広くすることが有効である。しかし、インナーフィンと冷媒との接触面積を広くするとインナーフィン内の冷媒流路の断面積が狭くなるため、熱交換器内へ冷媒を流通させる際の圧力損失が大きくなるという問題がある。 For example, in order to improve the cooling capacity of the heat exchanger, it is effective to widen the contact area between the inner fins and the refrigerant. However, when the contact area between the inner fin and the refrigerant is increased, the cross-sectional area of the refrigerant flow path in the inner fin becomes narrow, and there is a problem that the pressure loss when flowing the refrigerant into the heat exchanger becomes large.
また、高出力の電力変換装置においても、従来と同等以上の寿命特性を確保することが求められている。ところが、回路基板のセラミックス板は熱交換器を構成するアルミニウム部材と線膨張係数が大きく異なっているため、電力変換装置の使用中等に、アルミニウム部材との線膨張係数の差に応じた熱応力がセラミックス板に発生する。半導体素子の発熱量が大きくなると、アルミニウム部材やセラミックス板の温度変化が大きくなり、結果としてセラミックス板に加わる熱応力の増大を招く。それ故、高出力の電力変換装置に従来の熱交換器を適用すると、回路基板のセラミックス板にクラック等が発生し易いという問題がある。 Further, also in a high-power power converter, it is required to secure a life characteristic equal to or more than that of the conventional one. However, since the ceramic plate of the circuit board has a linear expansion coefficient significantly different from that of the aluminum member that constitutes the heat exchanger, the thermal stress according to the difference in the linear expansion coefficient with the aluminum member during use of the power conversion device, etc. It occurs on ceramic plates. When the calorific value of the semiconductor element is increased, the temperature change of the aluminum member or the ceramic plate is increased, and as a result, the thermal stress applied to the ceramic plate is increased. Therefore, when the conventional heat exchanger is applied to a high-power power conversion device, there is a problem that a crack or the like is easily generated in the ceramic plate of the circuit board.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、優れた性能を有すると共に、電力変換装置の寿命特性を従来と同等以上にすることができる熱交換器を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide a heat exchanger which has excellent performance and can make the life characteristic of the power converter equal to or more than that of the prior art.
本発明の一態様は、アルミニウム部材より構成された熱交換器であって、
発熱体を搭載する発熱体搭載面を外表面に有する頂壁部と、該頂壁部に対向して配置された底壁部と、上記頂壁部と上記底壁部との間に形成された内部空間とを有する本体部と、
上記内部空間を層状に区画する1枚以上の仕切り板と、
該仕切り板により区画され、上記頂壁部と上記底壁部との対向方向に並んだ3層の層状空間と、
各々の上記層状空間に配置されており、冷媒が流通するヒートシンクと、
隣り合う上記層状空間を連通させる連通路と、
3層の上記層状空間のうち、上記頂壁部に面する第1層に連通する供給ヘッダ部と、
3層の上記層状空間のうち、上記底壁部に面する最終層から連通する排出ヘッダ部とを有し、
上記第1層に配置された第1ヒートシンクは、上記頂壁部と、上記第1層に面する上記仕切り板である第1仕切り板との両方に接合されており、
上記最終層に配置された最終ヒートシンクは、上記底壁部または上記最終層に面する上記仕切り板のうちいずれか一方に接合されていると共に、他方との間に隙間を有しており、
上記第1層と上記最終層との間には第2ヒートシンクを備えた第2層が設けられており、
上記第2ヒートシンクは、上記頂壁部と上記底壁部との対向方向において、上記第1ヒートシンクと上記最終ヒートシンクとの間に配置され、上記第1仕切り板と上記最終層に面する上記仕切り板である第2仕切り板の両方に接合されており、
上記第1層と上記第2層とを連通させる上記連通路は、上記第1ヒートシンクよりも冷媒流路における下流側に配置されており、
上記第2層と上記最終層とを連通させる上記連通路は、上記第2ヒートシンクよりも冷媒流路における下流側に配置されていることを特徴とする熱交換器にある。
One aspect of the present invention is a heat exchanger comprising an aluminum member, wherein
It is formed between a top wall having a heating element mounting surface on which the heating element is mounted on the outer surface, a bottom wall disposed facing the top wall, and the top wall and the bottom wall. A main body having an inner space,
One or more dividers that divide the internal space into layers;
A three- layered space defined by the partition plate and aligned in the opposing direction of the top wall and the bottom wall;
A heat sink disposed in each of the above-mentioned layered spaces, through which a refrigerant flows ;
A communication passage for communicating the adjacent layered spaces;
A supply header portion in communication with the first layer facing the top wall portion among the three- layered space;
And a discharge header portion communicating with the final layer facing the bottom wall portion among the three layers of the layered space,
The first heat sink disposed in the first layer is joined to both the top wall and the first partition plate which is the partition plate facing the first layer,
The final heat sink disposed in the final layer is joined to either the bottom wall portion or the partition plate facing the final layer, and has a gap between the other and the other,
A second layer provided with a second heat sink is provided between the first layer and the final layer,
The second heat sink is disposed between the first heat sink and the final heat sink in the opposing direction of the top wall and the bottom wall, and faces the first partition plate and the final layer. It is joined to both sides of the second partition which is a board,
The communication passage for communicating the first layer and the second layer is disposed downstream of the first heat sink in the refrigerant flow path,
The heat exchanger is characterized in that the communication passage communicating the second layer and the final layer is disposed downstream of the second heat sink in the refrigerant flow path .
上記熱交換器は、上記仕切り板により区画された複数の上記層状空間を有しており、隣り合う上記層状空間が上記仕切り板に設けられた上記連通路により連通している。上記熱交換器は、上記本体部の上記内部空間を層状に区画することにより、冷媒を流通させる際の圧力損失の増大を抑制することができる。 The heat exchanger has a plurality of the layered spaces divided by the partition plate, and the adjacent layered spaces communicate with each other by the communication path provided in the partition plate. The heat exchanger can suppress an increase in pressure loss when the refrigerant flows by dividing the inner space of the main body into layers.
また、それぞれの上記層状空間には上記ヒートシンクが配置されている。それ故、上記熱交換器は高い冷却能力を有する。 Further, the heat sinks are disposed in the respective layered spaces. Therefore, the heat exchanger has a high cooling capacity.
また、上記最終ヒートシンクは、上記底壁部または上記最終層に面する上記仕切り板のうちいずれか一方に固定されていると共に、他方との間に隙間を有している。これにより、上記熱交換器は、剛性が過度に高くなることを容易に回避することができる。そして、上記熱交換器は、剛性が過度に高くなることを容易に回避できる結果、例えば、セラミックス板と、該セラミックス板の両面に接合された金属箔または金属板とを有する回路基板と、上記金属箔上に実装された半導体素子とを有する発熱体を上記発熱体搭載面に搭載した場合に、上記セラミックス板に加わる熱応力を容易に低減することができる。それ故、上記熱交換器は、セラミックス板にクラック等が発生することを抑制できる。 Further, the final heat sink is fixed to either one of the bottom wall portion or the partition plate facing the final layer, and has a gap between the other and the other. As a result, the heat exchanger can easily prevent the rigidity from becoming excessively high. And, as a result of the heat exchanger being able to easily avoid that the rigidity becomes excessively high, for example, a circuit board having a ceramic plate and a metal foil or metal plate joined to both sides of the ceramic plate; When a heating element having a semiconductor element mounted on a metal foil is mounted on the heating element mounting surface, the thermal stress applied to the ceramic plate can be easily reduced. So, the said heat exchanger can suppress that a crack etc. generate | occur | produce in a ceramic board.
以上のように、上記熱交換器は、優れた性能を有すると共に、電力変換装置の寿命特性を向上させることができる。 As described above, the heat exchanger has excellent performance and can improve the life characteristics of the power converter.
本明細書において、「接合」の用語は、別々に準備された部材が冶金的に接合されている場合に限らず、機械的に接合されている場合、および接着されている場合にも用いられる。伝熱性及び熱効率を高める観点からは、冶金的な接合が最も好ましい。冶金的な接合としては、具体的には溶接、圧接、ろう付、はんだ付、拡散接合等の方法を採用することができる。ろう付や拡散接合を行う場合には、予め接合面をメタライズした後にろう付等を行っても良い。また、冶金的な接合として、活性金属を用いて直接接合する方法を採用することも可能である。接着により部材間の接合を行う場合には、耐熱性の観点から、通常、無機系接着剤が使用される。 As used herein, the term "joining" is used not only when parts separately prepared are joined metallurgically, but also when they are joined mechanically and when they are adhered. . Metallurgical bonding is most preferable from the viewpoint of improving heat conductivity and thermal efficiency. As metallurgical bonding, specifically, methods such as welding, pressure welding, brazing, soldering, diffusion bonding and the like can be adopted. When brazing or diffusion bonding is performed, brazing or the like may be performed after metalizing the bonding surface in advance. Also, as metallurgical bonding, it is possible to adopt a method of direct bonding using an active metal. In the case of joining members by adhesion, an inorganic adhesive is usually used from the viewpoint of heat resistance.
上記熱交換器を構成するアルミニウム部材は、純アルミニウムまたは従来公知のアルミニウム合金より構成されている。アルミニウム部材の材質は、熱交換器に要求される冷却能力、耐熱性及び剛性等に応じて純アルミニウムまたは従来公知のアルミニウム合金から適宜選択することができる。 The aluminum member which comprises the said heat exchanger is comprised from pure aluminum or conventionally well-known aluminum alloy. The material of the aluminum member can be appropriately selected from pure aluminum or a conventionally known aluminum alloy according to the cooling capacity, heat resistance, rigidity and the like required for the heat exchanger.
上記熱交換器は上記底壁部の外表面に発熱体を搭載する第2発熱体搭載面を有しており、上記最終ヒートシンクは上記底壁部に固定されており、上記最終ヒートシンクと、上記最終層に面する上記仕切り板との間に隙間が存在していてもよい。 The heat exchanger has a second heat generating body mounting surface for mounting the heat generating body on the outer surface of the bottom wall portion, the final heat sink is fixed to the bottom wall portion, and the final heat sink A gap may be present between the partition plate facing the final layer.
最終ヒートシンクと仕切り板との間に隙間を有していない従来の熱交換器は、頂壁部に搭載した発熱体からの熱が底壁部及び最終ヒートシンクまで伝達されやすい。これに対し、上記熱交換器は、上記隙間が存在しているため、頂壁部に搭載した発熱体から底壁部及び最終ヒートシンクへの熱移動を従来よりも低減することができる。 In the conventional heat exchanger having no gap between the final heat sink and the partition plate, the heat from the heating element mounted on the top wall is easily transferred to the bottom wall and the final heat sink. On the other hand, in the heat exchanger, since the gap is present, the heat transfer from the heating element mounted on the top wall to the bottom wall and the final heat sink can be reduced as compared to the prior art.
それ故、上記熱交換器は、頂壁部の発熱体搭載面及び底壁部の第2発熱体搭載面の各々において、発熱体を十分に冷却することができる。そして、このように構成された熱交換器は、底壁部に第2発熱体搭載面を有しない場合に比べて、熱交換器の体積を増大させることなく、より多数の発熱体を冷却することができる。 Therefore, the heat exchanger can sufficiently cool the heating element at each of the heating element mounting surface of the top wall and the second heating element mounting surface of the bottom wall. And the heat exchanger comprised in this way cools more heating elements more, without increasing the volume of a heat exchanger compared with the case where it does not have a 2nd heat generating body mounting surface in a bottom wall part. be able to.
上記内部空間は上記仕切り板により3層の上記層状空間に区画されており、上記第1層と隣り合う第2層には第2ヒートシンクが配置されており、該第2ヒートシンクは上記第1層側の上記仕切り板及び上記第2層側の上記仕切り板の両方に接合されていることが好ましい。この場合、上記熱交換器は、頂壁部に搭載された発熱体の熱を、上記第1層側の上記仕切り板及び上記第2層側の上記仕切り板の両方に拡散させることができる。その結果、頂壁部の発熱体搭載面における冷却能力をより向上させることができる。 The internal space is divided into three layers of the layer space by the partition plate, and a second heat sink is disposed in the second layer adjacent to the first layer, and the second heat sink is the first layer. It is preferable to be joined to both the side partition plate and the second layer side partition plate. In this case, the heat exchanger can diffuse the heat of the heating element mounted on the top wall to both the partition plate on the first layer side and the partition plate on the second layer side. As a result, it is possible to further improve the cooling capacity of the heating element mounting surface of the top wall.
また、熱交換器が頂壁部の外表面及び底壁部の両方に発熱体を搭載できるように構成されている場合には、上記内部空間を3層に区画することにより、底壁部の第2発熱体搭載面における冷却能力を十分に高くすることができる。 Further, in the case where the heat exchanger is configured such that the heat generating element can be mounted on both the outer surface and the bottom wall of the top wall, the inner space is divided into three layers to obtain the bottom wall. The cooling capacity of the second heat generator mounting surface can be made sufficiently high.
上記第1ヒートシンク及び上記第2ヒートシンクは、多数の開口部を有するプレートが複数枚積層されており、隣り合うプレートの開口部が互いに連通してなる冷媒流路を有していることが好ましい。即ち、第1ヒートシンク及び第2ヒートシンクは、複数の上記プレートからなる積層型ヒートシンクであることが好ましい。 It is preferable that the first heat sink and the second heat sink have a refrigerant flow path in which a plurality of plates having a large number of openings are stacked and the openings of adjacent plates communicate with each other. That is, it is preferable that the first heat sink and the second heat sink be a laminated heat sink composed of a plurality of the plates.
上記熱交換器は、第1層から最終層に向けて冷媒が流通するよう構成されている。そのため、第1ヒートシンク及び第2ヒートシンクの内部を流通する冷媒の温度は、最終ヒートシンクの内部を流通する冷媒の温度よりも低くなる。それ故、上記熱交換器は、第1ヒートシンク及び第2ヒートシンクに冷却能力の高い積層型ヒートシンクを採用することにより、頂壁部の発熱体搭載面における冷却能力をより効果的に向上させることができる。 The heat exchanger is configured such that the refrigerant flows from the first layer to the final layer. Therefore, the temperature of the refrigerant flowing through the inside of the first heat sink and the second heat sink is lower than the temperature of the refrigerant flowing through the inside of the final heat sink. Therefore, the heat exchanger can more effectively improve the cooling ability on the heating element mounting surface of the top wall by adopting the laminated heat sink having high cooling ability as the first heat sink and the second heat sink. it can.
第1ヒートシンク及び第2ヒートシンクに採用する積層型ヒートシンクは、上記層状空間に配置した状態における冷媒の流通方向に測定して得られる幅寸法が上記流通方向と直角方向に測定して得られる長さ寸法よりも短いことが好ましい。積層型ヒートシンクは、プレートフィンやピンフィンを有するヒートシンクに比べて冷媒との接触面積を広くし易いため、優れた冷却能力を有する。しかし、積層型ヒートシンクは、ヒートシンク内の流路の断面積が狭くなりやすいため、熱交換器の圧力損失が高くなりやすいという問題があった。 In the laminated heat sink employed in the first heat sink and the second heat sink, the width dimension obtained by measuring in the flow direction of the refrigerant in the state of being disposed in the layered space is the length obtained by measuring in the direction perpendicular to the flow direction It is preferred to be shorter than the dimensions. The laminated heat sink has an excellent cooling capacity because it is easy to widen the contact area with the refrigerant as compared with a heat sink having plate fins or pin fins. However, since the laminated heat sink tends to narrow the cross-sectional area of the flow path in the heat sink, there is a problem that the pressure loss of the heat exchanger tends to be high.
これに対し、上記熱交換器は、第1ヒートシンク及び第2ヒートシンクに採用する積層型ヒートシンクの寸法及び配置を上記のように特定することにより、ヒートシンクと冷媒との接触面積を十分に確保しつつ、ヒートシンク内を流通する冷媒の流路長を容易に短縮することができる。その結果、上記熱交換器は、圧力損失をより低減することができる。 On the other hand, in the heat exchanger, the contact area between the heat sink and the refrigerant is sufficiently secured by specifying the dimensions and the arrangement of the laminated heat sinks adopted for the first heat sink and the second heat sink as described above. The flow path length of the refrigerant flowing in the heat sink can be easily shortened. As a result, the heat exchanger can further reduce pressure loss.
上記最終ヒートシンクは、平板状のベース部と、該ベース部から立設された多数のフィンとを有していることが好ましい。即ち、最終ヒートシンクはフィン型ヒートシンクであることが好ましい。この場合には、上記熱交換器に冷媒を流通させる際の圧力損失をより低減することができる。上記フィンとしては、プレートフィン、ピンフィン及びコルゲートフィン等の公知の形状のフィンを採用することができる。 The final heat sink preferably has a flat base portion and a large number of fins erected from the base portion. That is, the final heat sink is preferably a fin heat sink. In this case, it is possible to further reduce the pressure loss when flowing the refrigerant through the heat exchanger. As the fins, fins of known shapes such as plate fins, pin fins and corrugated fins can be employed.
(実施例1)
上記熱交換器1の実施例について、図を用いて説明する。熱交換器1はアルミニウム部材より構成されており、図1、図5、図6及び図8に示すように、頂壁部21及び底壁部22を有する本体部2と、1枚以上の仕切り板3(3a、3b)と、複数の層状空間4(4a、4b、4c)と、複数のヒートシンク5(5a、5b、5c)と、供給ヘッダ部11と、排出ヘッダ部12とを有している。図1及び図3に示すように、頂壁部21は発熱体を搭載する発熱体搭載面13を外表面に有している。図2及び図5に示すように、底壁部22は頂壁部21に対向して配置されており、頂壁部21と底壁部22との間に内部空間200が形成されている。
Example 1
An embodiment of the
図5に示すように、仕切り板3は、本体部2の内部空間200を区画している。仕切り板3により層状に区画された複数の層状空間4は、頂壁部21と底壁部22との対向方向に並んでいる。また、隣り合う層状空間4は連通路41(41a、41b)により連通している。各々の層状空間4にはヒートシンク5(5a、5b、5c)が配置されている。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、供給ヘッダ部11は、複数の層状空間4のうち頂壁部21に面する第1層4aに連通している。図8に示すように、排出ヘッダ部12は、複数の層状空間4のうち底壁部22に面する最終層4cから連通している。図5に示すように、第1層4aに配置された第1ヒートシンク5aは、頂壁部21と、第1層4aに面する仕切り板3aとの両方に接合されている。また、最終層4cに配置された最終ヒートシンク5cは、底壁部22または最終層4cに面する仕切り板3bのうちいずれか一方に接合されていると共に、他方との間に隙間42が存在している。以下、本例の熱交換器1について詳説する。
As shown in FIG. 6, the
図1に示すように、本例の熱交換器1は略直方体状の本体部2を有している。本体部2の長手方向における一端側には供給ヘッダ部11に冷媒を供給する冷媒供給管14が配置されており、他端側には排出ヘッダ部12から冷媒を排出する冷媒排出管15が配置されている。
As shown in FIG. 1, the
本例においては、本体部2の長手方向を「縦方向X」といい、縦方向Xにおける冷媒供給管14側を「前方X1」、冷媒排出管15側を「後方X2」ということがある。また、頂壁部21と底壁部22との並び方向を「高さ方向Z」といい、高さ方向Zにおける頂壁部21側を「上方Z1」といい、底壁部22側を「下方Z2」ということがある。また、縦方向X及び高さ方向Zの双方に直交する方向を「横方向Y」ということがある。これらの方向に関する表示は便宜上のものであり、熱交換器1を使用する際の実際の向きとは何ら関係が無い。
In this example, the longitudinal direction of the
図3に示すように、本例の頂壁部21は高さ方向Zから見て長方形状を呈している。頂壁部21は、その外表面に発熱体搭載面13(以下、頂壁部21の発熱体搭載面13を、「第1発熱体搭載面131」という。)を有している。第1発熱体搭載面131には、例えば、IGBT等のスイッチング素子を実装した回路基板等の発熱体を搭載することができる。これらの発熱体は、例えば第1ヒートシンク5aの上方Z1に相当する領域に搭載することができる。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、本例の底壁部22は頂壁部21と略同一の形状を呈している。底壁部22は、縦方向Xにおける両端部に切り欠き部221、222を有している。縦方向Xにおける前方X1に設けられた切り欠き部221には冷媒供給管14が取り付けられている。また、後方X2に設けられた切り欠き部222には冷媒排出管15が取り付けられている。
As shown in FIG. 4, the
本例の熱交換器1は、底壁部22の外表面にも発熱体搭載面13(以下、底壁部22の発熱体搭載面13を「第2発熱体搭載面132」という。)を有している。第2発熱体搭載面132には、例えば、第1発熱体搭載面131に搭載する発熱体よりも発熱量の低い発熱体を搭載することができる。具体的には、第2発熱体搭載面132には、キャパシタ等の発熱体を搭載することができる。これらの発熱体は、例えば、後述するフィン群71(図4及び図8参照)の下方Z2に相当する領域に搭載することができる。
In the
また、図1及び図2に示すように、底壁部22の前方X1の端縁、後方X2の端縁及び横方向Yの一対の端縁には、それぞれ、前方壁部23、後方壁部24及び一対の側方壁部25が立設されている。前方壁部23、後方壁部24及び一対の側方壁部25は、上方Z1において頂壁部21と接合されている。
Further, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
図1及び図4に示すように、冷媒供給管14は、底壁部22の切り欠き部221に取り付けられ、前方X1に向けて延設されている。また、冷媒排出管15は、底壁部22の切り欠き部222に取り付けられ、後方X2に向けて延設されている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 4, the
図2及び図5に示すように、本体部2は、頂壁部21、底壁部22、前方壁部23、後方壁部24及び一対の側方壁部25により囲まれた内部空間200を層状に区画する仕切り板3を有している。図5に示すように、本例の本体部2における内部空間200は、2枚の仕切り板3(3a、3b)により高さ方向Zに並んだ3層の層状空間4(4a、4b、4c)に区画されている。以下において、3層の層状空間4を、上方Z1から順に第1層4a、第2層4b及び最終層4cという。また、第1層4aと第2層4bとを区画する仕切り板3を第1仕切り板3aといい、第2層4bと最終層4cとを区画する仕切り板3を第2仕切り板3bという。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
図2及び図5に示すように、本例の熱交換器1は、横方向Yに間隔をあけて互いに並んだ2枚の第1仕切り板3aを有している。2枚の第1仕切り板3aの間の隙間は第1層4aと第2層4bとを連通させる連通路41a(図5及び図6参照)となる。
As shown in FIG. 2 and FIG. 5, the
また、図2及び図5に示すように、本例の熱交換器1は長方形状を呈する1枚の第2仕切り板3bを有している。図5及び図7に示すように、第2仕切り板3bは横方向Yの両側において側方壁部25から離間して配置されている。第2仕切り板3bと側方壁部25との間の隙間は第2層4bと最終層4cとを連通させる連通路41bとなる。
Moreover, as shown in FIG.2 and FIG.5, the
図6に示すように、第1層4aに冷媒を供給する供給ヘッダ部11は、前方壁部23に沿って延設された分配路部111と、分配路部111の両端から後方X2に向かって延設された一対の延出路部112とを有している。
As shown in FIG. 6, the
分配路部111は、本体部2における横方向Yの全体に亘って設けられており、底壁部22から立設された分配壁部223(図6〜図8参照)により、第1層4a、第2層4b及び最終層4cから隔離されている。分配路部111は、冷媒供給管14から流入した冷媒を横方向Yの両側へ分配しつつ、一対の延出路部112へ導くことができるように構成されている。
The
図6に示すように、一対の延出路部112は、本体部2における縦方向Xの全体に亘って設けられており、横方向Yの外方から第1層4a内に冷媒を供給可能に構成されている。また、延出路部112は、分配路部111側の基端から後方X2へ向かうにつれて流路幅が次第に狭くなっている。
As shown in FIG. 6, the pair of
図5及び図6に示すように、第1層4aは頂壁部21と第1仕切り板3aとの間に形成された層状空間である。第1層4aには横方向Yに間隔をあけて互いに並んだ2つの第1ヒートシンク5aが配置されている。2つの第1ヒートシンク5aは横方向Yの外方において延出路部112に面している。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
本例の第1ヒートシンク5aは、多数の開口部61を有するプレート6(図9参照)が複数枚積層されており、開口部61が互いに連通してなる冷媒流路62を有する積層型ヒートシンクである。図9(c)に示すように、第1ヒートシンク5aの冷媒流路62は横方向Yに冷媒を流通させることができるように構成されている。
The
第1ヒートシンク5aの縦方向Xにおける一対の端面は、分配壁部223及び後方壁部24に当接している。また、第1ヒートシンク5aの高さ方向Zにおける上方Z1の端面は頂壁部21に接合され、下方Z2の端面は第1仕切り板3aに接合されている。なお、第1ヒートシンク5aの縦方向Xにおける一対の端面は、分配壁部223及び後方壁部24に接合されていても良い。また、第1ヒートシンク5aのより詳細な構成については後述する。また、図2及び図5〜図8においては、便宜上、開口部61の記載を省略している。
A pair of end surfaces in the longitudinal direction X of the
図5及び図7に示すように、第2層4bは、第1仕切り板3aと第2仕切り板3bとの間に形成された層状空間である。第2層4bには、横方向Yに間隔をあけて互いに並んだ2つの第2ヒートシンク5bが配置されている。図5に示すように、第2ヒートシンク5bは第1ヒートシンク5aの下方Z2に相当する位置に配置されている。また、2つの第2ヒートシンク5bの間には、第1層4aと第2層4bとを連通させる連通路41aが開口している。
As shown in FIGS. 5 and 7, the
本例の第2ヒートシンク5bは、第1ヒートシンク5aと同一の構成を有する積層型ヒートシンクである。第2ヒートシンク5bは、横方向Yに冷媒を流通可能に構成された冷媒流路62を有している。第2ヒートシンク5bの縦方向Xにおける一対の端面は分配壁部223及び後方壁部24に当接している。また、第2ヒートシンク5bの上方Z1の端面は第1仕切り板3aに接合され、下方Z2の端面は第2仕切り板3bに接合されている。なお、第2ヒートシンク5bの縦方向Xにおける一対の端面は、分配壁部223及び後方壁部24に接合されていても良い。
The
図5及び図8に示すように、最終層4cは、第2仕切り板3bと底壁部22との間に形成された層状空間である。最終層4cには最終ヒートシンク5cが配置されている。
As shown in FIGS. 5 and 8, the
図8に示すように、本例の最終ヒートシンク5cは、平板状の底壁部22と、底壁部22ら立設された多数のフィン7を有するフィン型ヒートシンクである。即ち、本例の最終ヒートシンク5cは底壁部22と一体に形成されている。
As shown in FIG. 8, the
具体的には、本例の最終ヒートシンク5cは横方向Yに間隔をあけて並んだ2組のフィン群71を有している。個々のフィン群71は、図5に示すように第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bの下方Z2に相当する位置に配置されている。
Specifically, the
図8に示すように、フィン群71は一定のピッチで縦方向Xに並んだ多数のフィン7から構成されている。本例のフィン7はプレートフィンである。図5に示すように、フィン7の先端と第2仕切り板3bとの間には、1mm程度の隙間42が存在している。
As shown in FIG. 8, the
図8に示すように、2つのフィン群71よりも後方X2には排出ヘッダ部12が配置されている。排出ヘッダ部12は冷媒排出管15に連通しており、最終層4cに流入した冷媒を冷媒排出管15に導くことができるように構成されている。
As shown in FIG. 8, the
上述したように、本例の第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bは、多数の開口部61(61a、61b)を有するプレート6(6a、6b)が複数枚積層されてなる積層型ヒートシンクである。図6及び図7に示すように、第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bを横方向Yに測定して得られる幅寸法は、これらを縦方向Xに測定して得られる長さ寸法よりも短い。
As described above, the
第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bは、図9(a)に示す第1プレート6aと、図9(b)に示す第2プレート6bとが交互に積層された4層構造を有している。
The
図9(a)に示すように、第1プレート6aは、多数の開口部61aからなる開口部列63aと、多数の開口部61bからなる開口部列63bとを有している。開口部列63aと開口部列63bとは一定のピッチで縦方向Xに交互に並んでいる。
As shown in FIG. 9A, the
開口部列63aを構成する開口部61aは、一定のピッチで横方向Yに並んでいる。開口部61aは、横方向Yの中央が両端よりも後方X2に位置するようにV字状に折れ曲がっている。
The
一方、開口部列63bを構成する開口部61bは、開口部61aと同一のピッチで横方向Yに並んでいる。また、横方向Yにおける開口部61bの位置は、開口部61aに対して半ピッチずれている。個々の開口部61bは、横方向Yの中央が両端よりも前方X1側に位置するようにV字状に折れ曲がっている。
On the other hand, the
第2プレート6bは、図9(b)に示すように、第1プレート6aにおける開口部列63aの位置と開口部列63bの位置とを入れ替えた以外は第1プレート6aと同様の構成を有している。
The
図9(c)に一例を示すように、第2プレート6bにおける開口部61の端部は、第1プレート6aと第2プレート6bとを交互に積層したときに、第1プレート6aにおける開口部61の端部と重なるように配置されている。これにより、隣り合うプレート6の開口部61が互いに連通し、横方向Yに冷媒を流通可能な冷媒流路62が形成されている。
As an example is shown in FIG.9 (c), the edge part of the
次に、熱交換器1の作用効果について説明する。図5に示すように、本例の熱交換器1は、仕切り板3により区画された3層の層状空間4を有しており、隣り合う層状空間4が仕切り板3に設けられた連通路41により連通している。それ故、熱交換器1の冷却能力を容易に向上させることができる。
Next, the operation and effect of the
また、熱交換器1は、底壁部22に面する最終層4cに最終ヒートシンク5cを有している。そして、最終ヒートシンク5cにおけるフィン7の先端と第2仕切り板3bとの間には隙間42が存在している。これにより、熱交換器1は、剛性が過度に高くなることを容易に回避することができる。
The
また、本例の熱交換器1は、第1層4aに2つの第1ヒートシンク5aを有しており、供給ヘッダ部11は2つの第1ヒートシンク5aの横方向Yにおける外方に冷媒を導くように構成されている。また、第1層4aに面した第1仕切り板3aは、2つの第1ヒートシンク5aの間に連通路41aを有している。更に、第2層4bは2つの第2ヒートシンク5bを有しており、第2層4bと最終層4cとを区画する第2仕切り板3bは、第2ヒートシンク5bよりも下流側、即ち横方向Yにおける外方に連通路41bを有している。
Further, the
本例の熱交換器1は、供給ヘッダ部11、ヒートシンク5及び連通路41を上記特定の位置関係となるように配置することにより、第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bと冷媒との接触面積を十分に確保しつつ、冷媒の流路長を短縮することができる。その結果、本例の熱交換器1は、冷却能力をより向上させることができると共に、圧力損失をより低減することができる。
In the
また、本例の熱交換器1は、第2仕切り板3bと最終ヒートシンク5cとの間に隙間42が存在している。そのため、第1発熱体搭載面131及び第2発熱体搭載面132に発熱体を搭載した際に、発熱体に加わる熱応力を低減することができる。更に、隙間42の存在により、第1発熱体搭載面131から第2発熱体搭載面132への熱移動をより低減することができる。その結果、熱交換器1の体積を増大させることなく、より多数の発熱体を効果的に冷却することができる。
Further, in the
更に、本例の熱交換器1は、図6に示すように、分配路部111側から後方X2へ向かうにつれて流路幅が次第に狭くなるように形成された延出路部112を有している。これにより、延出路部112における縦方向Xの全長に亘って冷媒の圧力を十分に大きくすることができる。その結果、縦方向Xの全体に十分な量の冷媒を供給することができ、ひいては第1ヒートシンク5aの全体に十分な量の冷媒を供給することができる。
Further, as shown in FIG. 6, the
以上の結果、熱交換器1は、優れた性能を有すると共に、電力変換装置の寿命特性を向上させることができる。
As a result of the above, the
なお、実施例1においては、供給ヘッダ部11が2つの第1ヒートシンク5aの並び方向における外方に冷媒を導くように構成された熱交換器1の例を示したが、供給ヘッダ部11は2つの第1ヒートシンク5aの間に冷媒を導くように構成されていてもよい。この場合、第1層4aと第2層4bとを連通させる連通路41aを2つの第1ヒートシンク5aの横方向Yにおける外方に配置し、第2層4bと最終層4cとを連通させる連通路41bを2つの第2ヒートシンク5bの間に配置することが好ましい。かかる構成を有する熱交換器1においても、本例と同様に、冷却性能の向上、圧力損失の低減、及び寿命特性の向上の効果を得ることができる。
In the first embodiment, an example of the
また、実施例1においては第1ヒートシンク5a及び第2ヒートシンク5bが全て同一の構成を有する例を示したが、要求される性能等に合わせて異なる構成のヒートシンクを用いることも可能である。例えば、積層型ヒートシンクに変えて、平板状のベース部から多数のピンが立設されたピンフィン型ヒートシンクや、アルミニウム板材を波型に成形してなるコルゲートフィン型ヒートシンクを用いることも可能である。また、積層型ヒートシンクの例として、開口部がV字状に折れ曲がった例を示したが、冷媒が横方向Yに流通可能であれば、開口部の形状を適宜変更することができる。
Although the
以下、実施例1の構成の変形例1〜3を具体的に示す。変形例1〜3は、いずれも実施例1と同様の作用効果を奏することができる。なお、変形例1〜3において用いた符号のうち、実施例1において用いた符号と同一のものは、特に説明の無い限り実施例1と同様の構成要素等を示す。
Hereinafter,
(変形例1)
本例は、図10に示すように、底壁部22とは別体に準備した最終ヒートシンク5dを最終層4cに配置した熱交換器1の例である。本例の最終ヒートシンク5dは、図11に示すように、略長方形状のベース部72と、ベース部72から立設された多数のピンフィン73とを有するフィン型ヒートシンクである。図11に示すように、最終ヒートシンク5dのベース部72は第2仕切り板3bに接合されている。そして、ピンフィン73の先端と底壁部22との間には隙間42が存在している。その他は実施例1と同様である。本例に示す構成は、例えば発熱体を底壁部22に搭載しない場合に採用することができる。
(Modification 1)
This example is an example of the
(変形例2)
本例は、図12に示すように、底壁部22とは別体に準備した最終ヒートシンク5eを最終層4cに配置した熱交換器1の例である。本例の最終ヒートシンク5eは、アルミニウム板を波型に加工してなるコルゲートフィンである。最終ヒートシンク5eは、上方Z1の頂部74において第2仕切り板3bに接合されており、下方の頂部75と底壁部22との間に隙間42が存在している。また、本例の最終ヒートシンク5eは、第2仕切り板3bとの間に形成される流路76が横方向Yと平行な方向に伸びるように配置されている。その他は実施例1と同様である。本例に示す構成は、例えば発熱体を底壁部22に搭載しない場合に採用することができる。
(Modification 2)
This example is an example of the
(変形例3)
本例は、積層型ヒートシンクを構成するプレートの開口部61の形状を変形した例である。図13に示すように、本例の第1プレート6c及び第2プレート6dは、実施例1におけるV字状の開口部61a、61bに代えて、長方形状の開口部61c、61dを多数有している。縦方向X及び横方向Yにおける開口部61c、61dのピッチは、実施例1と同様である。
(Modification 3)
This example is an example in which the shape of the
(実施例2)
本例は、熱交換器102の性能及び剛性をシミュレーションにより評価した例である。本例においては、第1仕切り板3a及び第2仕切り板3bにより区画された3層の層状空間4(4a、4b、4c)を有すると共に、最終ヒートシンク5hと第2仕切り板3bとの間に隙間42を有する構造モデル(モデルE1、図14〜図20参照)を作成し、有限要素法による熱解析及び歪み解析を行った。また、モデルE1との比較のため、1層の層状空間4を有するモデルC1(図21〜図23)、2層の層状空間4(4a、4b)を有するモデルC2(図24〜図27)及び3層の層状空間4を有し、最終ヒートシンク5hと第2仕切り板3bとが当接しているモデルC3(図28)の3種の構造モデルを作成し、モデルE1と同様に解析を行った。
(Example 2)
This example is an example in which the performance and rigidity of the
以下、各構造モデルの詳細及び解析手順について詳説する。なお、図14〜図28において用いた符号のうち、実施例1において用いた符号と同一のものは、特に説明の無い限り実施例1と同様の構成要素等を示す。 The details of each structural model and the analysis procedure will be described below. Among the reference numerals used in FIGS. 14 to 28, the same reference numerals as those used in the first embodiment denote the same constituent elements as those in the first embodiment unless otherwise specified.
[構造モデル]
<モデルE1>
図14に示すように、モデルE1の本体部2bは頂壁部21及び底壁部22を有する略直方体状を呈しており、頂壁部21に発熱体搭載面13を有している。また、図15及び図16に示すように、本体部2bは、内部空間200を3層の層状空間4(4a、4b、4c)に区画する2枚の仕切り板3(3a、3b)を有している。第1層4a、第2層4b及び最終層4cの中央には、それぞれ、第1ヒートシンク5f、第2ヒートシンク5g及び最終ヒートシンク5hが配置されている。
[Structure model]
<Model E1>
As shown in FIG. 14, the
図14及び図17に示すように、頂壁部21と底壁部22とを接続する4枚の壁部のうち互いに対向する一対の壁部は、その長手方向における中央に冷媒導排口16を有している。冷媒導排口16は、供給ヘッダ部11または排出ヘッダ部12のいずれかに連通している。
As shown in FIG. 14 and FIG. 17, of the four wall portions connecting the
本例においては、冷媒導排口16を有する壁部の対向方向を「縦方向X」といい、縦方向Xにおける供給ヘッダ部11側を「前方X1」、排出ヘッダ部12側を「後方X2」という。また、頂壁部21と底壁部22との並び方向を「高さ方向Z」といい、高さ方向Zにおける頂壁部21側を「上方Z1」といい、底壁部22側を「下方Z2」という。また、縦方向X及び高さ方向Zの双方に直交する方向を「横方向Y」という。これらの方向に関する表示は便宜上のものである。
In this example, the opposing direction of the wall portion having the
図14及び図15に示すように、頂壁部21は、第1ヒートシンク5fの上方Z1に相当する中央部211と、中央部211を取り囲む周縁部212とを有している。中央部211は周縁部212から分離できるように構成されている。モデルE1と同一の構造を有する熱交換器102を実際に製造する場合、中央部211は、第1ヒートシンク5fを第1層4aに収容した後に周縁部212に接合される。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
図14及び図15に示すように、周縁部212及び底壁部22は、冷媒導排口16を有する前方壁部23及び後方壁部24と一体に形成されている。即ち、モデルE1の本体部2bは、これらの壁部よりなり、横方向Yの両側及び上方Z1が開口した箱状体20を有している。なお、上方Z1の開口面201には頂壁部21の中央部211が配置される。
As shown in FIG. 14 and FIG. 15, the
図15及び図16に示すように、箱状体20における横方向Yの開口面202(202a、202b)には、一対の側方壁部25(25a、25b)が配置される。一対の側方壁部25のうち一方の側方壁部25aは、2枚の仕切り板3のうち上方Z1に配置される第1仕切り板3aと一体に形成されている。また、他方の側方壁部25bは、2枚の仕切り板3のうち下方Z2に配置される第2仕切り板3bと一体に形成されている。
As shown in FIG.15 and FIG.16, a pair of side wall part 25 (25a, 25b) is arrange | positioned at the opening surface 202 (202a, 202b) of the horizontal direction Y in the box-shaped
以下において、便宜上、横方向Yにおける一方の側方壁部25a側を「右側Y1」といい、他方の側方壁部25b側を「左側Y2」という。なお、モデルE1と同一の構造を有する熱交換器102を実際に製造する場合、一方の側方壁部25a及び第1仕切り板3aは右側Y1の開口面202aから箱状体20の内部に挿入され、他方の側方壁部25b及び第2仕切り板3bは左側Y2の開口面202bから箱状体20の内部に挿入される。
Hereinafter, for convenience, one
図16〜図18に示すように、第1仕切り板3aの先端と他方の側方壁部25bとの間および第2仕切り板3bの先端と一方の側方壁部25aとの間には、それぞれ隙間が存在している。第1仕切り板3aの先端と他方の側方壁部25bとの間の隙間は第1層4aと第2層4bとを連通させる連通路41aとなる。また、第2仕切り板3bの先端と一方の側方壁部25aとの間の隙間は第2層4bと最終層4cとを連通させる連通路41bとなる。
As shown in FIGS. 16-18, between the tip of the
図17に示すように、第1層4aに冷媒を供給する供給ヘッダ部11は前方壁部23及び一方の側方壁部25aに沿って設けられた冷媒流路を有している。供給ヘッダ部11は、冷媒導排口16から流入した冷媒を前方壁部23に沿って右側Y1へ導き、次いで一方の側方壁部25aに沿って後方X2へ導くことができるように構成されている。
As shown in FIG. 17, the
第1層4aの中央には、第1ヒートシンク5fが配置されている。モデルE1の第1ヒートシンク5fは、横方向Yに冷媒を流通させることができるように構成された積層型ヒートシンクである。
A
第1ヒートシンク5fの縦方向Xにおける一対の端面は、前方壁部23、後方壁部24及び後述するヘッダ隔壁部121(図17参照)に当接している。また、第1ヒートシンク5fの高さ方向Zにおける上方Z1の端面は頂壁部21に接合され、下方Z2の端面は第1仕切り板3aに接合されている。なお、第1ヒートシンク5fの縦方向Xにおける一対の端面は、前方壁部23、後方壁部24及び後述するヘッダ隔壁部121に接合されていてもよい。第1ヒートシンク5fのより詳細な構成については後述する。また、図15〜図18においては、便宜上、開口部61の記載を省略している。
A pair of end surfaces in the longitudinal direction X of the
図18に示すように、第2層4bの中央には、第1ヒートシンク5fと同一の構成を有する第2ヒートシンク5gが配置されている。
As shown in FIG. 18, a
第2ヒートシンク5gの縦方向Xにおける一対の端面は、前方壁部23、後方壁部24及びヘッダ隔壁部121に当接している。また、第2ヒートシンク5gの上方Z1の端面は第1仕切り板3aに接合され、下方Z2の端面は第2仕切り板3bに接合されている。なお、第2ヒートシンク5gの縦方向Xにおける一対の端面は、前方壁部23、後方壁部24及び後述するヘッダ隔壁部121に接合されていてもよい。
A pair of end surfaces in the longitudinal direction X of the
図19に示すように、最終層4cの中央には最終ヒートシンク5hが配置されている。最終ヒートシンク5hは、底壁部22から立設された多数のフィン7を有するフィン型ヒートシンクである。最終ヒートシンク5hのフィン7はプレートフィンであり、一定のピッチで縦方向Xに並んでいる。また、図16に示すように、フィン7の先端と第2仕切り板3bとの間には隙間42が存在している。
As shown in FIG. 19, the
図17〜図19に示すように、モデルE1の排出ヘッダ部12は、後方壁部24の冷媒導排口16を基端として、左側Y2へ向かって延設されている。図17及び図18に示すように、排出ヘッダ部12は、他方の側方壁部25bに立設されたヘッダ隔壁部121により第1層4a及び第2層4bから隔離されている。また、図19に示すように、排出ヘッダ部12は、ヘッダ隔壁部121の左側Y2の端部に設けられた貫通穴122により最終層4cに連通している。
As shown in FIGS. 17-19, the
第1ヒートシンク5f及び第2ヒートシンク5gは、図20(a)に示す第1プレート6eと、図20(b)に示す第2プレート6fとを交互に積層した4層構造を有する積層型ヒートシンクである。
The
第1プレート6eは、図20(a)に示すように、縦方向Xに一定のピッチで並んだ開口部列63eを多数有している。個々の開口部列63eは横方向Yに一定のピッチで並んだ多数の開口部61eを有している。開口部61eは、横方向Yの中央が両端よりも後方X2に位置するようにV字状に折れ曲がっている。
As shown in FIG. 20A, the
第2プレート6fは、図20(b)に示すように、第1プレート6eにおける開口部列63eと同一のピッチで縦方向Xに並んだ開口部列63fを多数有している。個々の開口部列63fは、第1プレート6eにおける開口部61eと同一のピッチで横方向Yに並んだ複数の開口部61fを有している。
As shown in FIG. 20B, the
開口部61fは、横方向Yの中央が両端よりも前方X1に位置するようにV字状に折れ曲がっている。また、横方向Yにおける開口部61fの位置は、第1プレート6eにおける開口部61eに対して半ピッチずれている。
The
図には示さないが、第1プレート6eと第2プレート6fとを交互に積層した状態においては、実施例1と同様に、第1プレート6eにおける開口部61eの端部と、第2プレート6fにおける開口部61fの端部とが重なっている。これにより、隣り合うプレート6の開口部61が互いに連通し、横方向Yに冷媒を流通可能な冷媒流路62が形成されている。
Although not shown, in the state where the
モデルE1における各部の寸法は、以下の通りである。
・本体部2b
縦方向Xにおける外寸法:75mm
横方向Yにおける外寸法:73mm
高さ方向Zにおける外寸法:14mm
The dimensions of each part in the model E1 are as follows.
・
External dimension in the longitudinal direction X: 75 mm
Outer dimension in the lateral direction Y: 73 mm
External dimension in height direction Z: 14 mm
・第1ヒートシンク5f及び第2ヒートシンク5g
縦方向Xにおける外寸法:49mm
横方向Yにおける外寸法:49mm
高さ方向Zにおける外寸法:4mm
・
External dimension in the longitudinal direction X: 49 mm
External dimension in the lateral direction Y: 49 mm
External dimension in height direction Z: 4 mm
・第1プレート6e及び第2プレート6f
厚み:1mm
開口部列63e及び開口部列63fの縦方向XにおけるピッチPX(図20(c)参照):4.9mm
開口部61e及び開口部61fの横方向YにおけるピッチPY:4.5mm
開口部61e及び開口部61fの横方向Yにおける外寸法L:3.5mm
開口部61の幅W:1mm
横方向Yを基準としたときの開口部61fの端部の傾き角θ:20度
・
Thickness: 1 mm
Pitch P X in the longitudinal direction X of the
Pitch P Y in the lateral direction Y of the
Outer dimension L of the
Width W of the opening 61: 1 mm
Inclination angle θ of the end of the
・最終ヒートシンク5h
底壁部22の厚み:1mm
フィン7:幅1mm×長さ49mm×高さ1mm
隣り合うフィン7の間隔:1.5mm
フィン7の先端と第2仕切り板3bとの間の隙間42:1mm
・
Fin 7:
Distance between adjacent fins 7: 1.5 mm
Clearance 42: 1 mm between the tip of the
<モデルC1>
モデルC1は、図21〜図23に示すように、本体部2cの内部空間200に仕切り板3を有しておらず、頂壁部21と底壁部22との間に1層の層状空間4が形成されている。また、層状空間4の中央には1個のヒートシンク5iが配置されている。ヒートシンク5iは、図20に示す第1プレート6eと第2プレート6fとを交互に積層した8層構造を有する積層型ヒートシンクである。その他はモデルE1と同様である。なお、図21〜図23において用いた符号のうち、図14〜図20と同一のものは、特に説明のない限りモデルE1と同一の構成要素等を示す。また、図21〜図23においては、便宜上、開口部61の記載を省略している。
<Model C1>
As shown in FIGS. 21 to 23, the model C1 does not have the
モデルC1における各部の寸法は、以下の通りである。なお、第1プレート6e及び第2プレート6fについては、モデルE1と同一のため省略する。
・本体部2c
縦方向Xにおける外寸法:75mm
横方向Yにおける外寸法:73mm
高さ方向Zにおける外寸法:10mm
The dimensions of each part in the model C1 are as follows. The
・
External dimension in the longitudinal direction X: 75 mm
Outer dimension in the lateral direction Y: 73 mm
External dimension in height direction Z: 10 mm
・ヒートシンク5i
縦方向Xにおける外寸法:49mm
横方向Yにおける外寸法:49mm
高さ方向Zにおける外寸法:8mm
・
External dimension in the longitudinal direction X: 49 mm
External dimension in the lateral direction Y: 49 mm
External dimension in height direction Z: 8 mm
<モデルC2>
モデルC2は、図24〜図27に示すように、本体部2dの内部空間200に1枚の仕切り板3を有している。図25に示すように、モデルC2の内部空間200は、仕切り板3により、第1層4a及び最終層4cの2層の層状空間4に区画されている。仕切り板3は、図24及び図25に示すように、右側Y1の側方壁部25aと一体に形成されている。図25及び図26に示すように、仕切り板3の先端と他方の側方壁部25bとの間には隙間が存在している。この隙間は、第1層4aと最終層4cとを連通させる連通路41となる。
<Model C2>
As shown in FIGS. 24 to 27, the model C2 has one
図25〜図27に示すように、第1層4a及び最終層4cの中央には、それぞれ第1ヒートシンク5j及び最終ヒートシンク5kが配置されている。これらのヒートシンク5は、モデルE1における第1ヒートシンク5fと同一の構成を有している。即ち、第1ヒートシンク5j及び最終ヒートシンク5kは、図20に示す第1プレート6eと第2プレート6fとを交互に積層した4層構造を有する積層型ヒートシンクである。
As shown in FIGS. 25 to 27, the
図27に示すように、排出ヘッダ部12は、一方の側方壁部25a及び後方壁部24に沿って設けられた冷媒流路を有している。排出ヘッダ部12は、最終ヒートシンク5kを通過した冷媒を一方の側方壁部25aに沿って後方X2へ導き、次いで後方壁部24に沿って冷媒導排口16へ導くことができるように構成されている。
As shown in FIG. 27, the
その他はモデルE1と同様である。なお、図24〜図27において用いた符号のうち、図14〜図20と同一のものは、特に説明のない限りモデルE1と同一の構成要素等を示す。また、図24〜図27においては、便宜上、開口部61の記載を省略している。
Others are the same as model E1. Among the reference numerals used in FIG. 24 to FIG. 27, the same ones as in FIG. 14 to FIG. 20 indicate the same components as the model E1 and the like unless otherwise described. Moreover, in FIGS. 24-27, description of the
モデルC2における各部の寸法は、以下の通りである。なお、第1プレート6e及び第2プレート6fについては、モデルE1と同一のため省略する。
・本体部2d
縦方向Xにおける外寸法:75mm
横方向Yにおける外寸法:73mm
高さ方向Zにおける外寸法:11mm
The dimensions of each part in the model C2 are as follows. The
・
External dimension in the longitudinal direction X: 75 mm
Outer dimension in the lateral direction Y: 73 mm
External dimension in height direction Z: 11 mm
・第1ヒートシンク5j及び最終ヒートシンク5k
縦方向Xにおける外寸法:49mm
横方向Yにおける外寸法:49mm
高さ方向Zにおける外寸法:4mm
・
External dimension in the longitudinal direction X: 49 mm
External dimension in the lateral direction Y: 49 mm
External dimension in height direction Z: 4 mm
<モデルC3>
モデルC3は、図28に示すように、最終ヒートシンク5cにおけるフィン7の先端が第2仕切り板3bに当接している以外は、モデルE1と同様の構成を有している。即ち、モデルC3は、最終ヒートシンク5cと第2仕切り板3bとの間に隙間42を有していない。図28において用いた符号のうち、図14〜図20と同一のものは、特に説明のない限りモデルE1と同一の構成要素等を示す。また、図28においては、便宜上、開口部61の記載を省略している。
<Model C3>
The model C3 has the same configuration as that of the model E1 except that the tip of the
モデルC3における各部の寸法は、以下の通りである。なお、第1プレート6e、第2プレート6f、第1ヒートシンク5a、第2ヒートシンク5b及び最終ヒートシンク5cについては、モデルE1と同一のため省略する。
The dimensions of each part in the model C3 are as follows. The
・本体部2e
縦方向Xにおける外寸法:75mm
横方向Yにおける外寸法:73mm
高さ方向Zにおける外寸法:13mm
・
External dimension in the longitudinal direction X: 75 mm
Outer dimension in the lateral direction Y: 73 mm
External dimension in height direction Z: 13 mm
[熱解析]
解析ソフト(ダッソー・システムズ・ソリッドワークス社製「SolidWorks(登録商標) FlowSimulation」)を用いて上述したモデルE1及びモデルC1〜C3の冷却性能及び圧力損失を解析した。熱解析の詳細な条件は以下の通りである。
[Thermal analysis]
The cooling performance and pressure loss of the model E1 and the models C1 to C3 described above were analyzed using analysis software ("SolidWorks® FlowSimulation" manufactured by Dassault Systèmes Solid Works, Inc.). The detailed conditions of thermal analysis are as follows.
・発熱体
頂壁部21の中央部211上に、650Wの発熱量を有する発熱体を2個搭載した。
・冷媒
60℃のエチレングリコール50%水溶液を5L/分の流速で前方X1の冷媒導排口16から供給した。また、ヒートシンクの壁面において冷媒に乱流が発生することを想定し、乱流パラメータを2%とした。
-Heating element Two heating elements having a calorific value of 650 W were mounted on the
Refrigerant: A 50% aqueous solution of ethylene glycol at 60 ° C. was supplied from the
上記の条件設定により各モデルの熱解析を行い、定常状態における発熱体搭載面13の最高温度及び後方X2の冷媒導排口16から排出される冷媒の圧力損失を算出した。その結果を図29に示す。なお、図29における縦軸は、定常状態における発熱体搭載面13の最高温度(℃)であり、横軸は冷媒の圧力損失(kPa)、即ち前方X1の冷媒導排口16から供給される冷媒の圧力(kPa)と、後方X2の冷媒導排口16から排出される冷媒の圧力(kPa)との差である。
The thermal analysis of each model was performed by setting the above conditions, and the maximum temperature of the heating
図29より知られるように、モデルE1は、モデルC1〜C3に比べて発熱体搭載面13の最高温度が低かった。また、モデルE1は、3層の層状空間4を有し、最終ヒートシンク5cと第2仕切り板3bとの間に隙間42を有していないモデルC3に比べて圧力損失を低減できた。これらの結果から、モデルE1は、3層の冷却層にそれぞれヒートシンク5を有することにより優れた冷却性能を有すると共に、隙間42の存在により圧力損失を低減できたことが理解できる。
As known from FIG. 29, the model E1 had a lower maximum temperature of the heating
[歪み解析]
解析ソフト(ダッソー・システムズ・ソリッドワークス社製「SolidWorks(登録商標) Simulation」)を用いて上述したモデルE1及びモデルC1〜C3に荷重を与えたときの歪み解析を行った。歪み解析の詳細な条件は以下の通りである。
Distortion analysis
A strain analysis was performed when a load was applied to the model E1 and the models C1 to C3 described above using analysis software (“SolidWorks® Simulation” manufactured by Dassault Systèmes Solid Works, Inc.). Detailed conditions of distortion analysis are as follows.
・拘束条件
横方向Yにおける本体部2の両端面251a、251bの変位を拘束し、それ以外の部分は自由に変位可能に設定した。
・荷重条件
均一な圧力で頂壁部21の全面を下方Z2に押圧する荷重条件を設定した。頂壁部21を押圧する圧力は1×105N/m2とした。
Restraint Conditions The displacement of both end surfaces 251a and 251b of the
-Load condition The load condition which presses the whole surface of the
上記の条件設定により各モデルの歪み解析を行い、定常状態における頂壁部21の高さ方向Zへの変位の最大値を算出した。その結果を図30に示す。なお、図30における縦軸は、定常状態における頂壁部21の変位の最大値(mm)である。
The strain analysis of each model was performed by setting the conditions described above, and the maximum value of the displacement of the
図30より知られるように、モデルE1における頂壁部21の変位の最大値は、モデルC3よりも大きく、かつ、モデルC1及びC2よりも小さくなった。高さ方向ZにおけるモデルE1の外寸法が全ての構造モデルの中で最も大きいことを考慮すれば、モデルE1は、隙間42の存在により剛性を低減できたことが理解できる。なお、モデルC1及びC2は、モデルE1に比べて剛性が低いが、これは、モデルC1及びC2は、高さ方向Zにおける外寸法がモデルE1に比べて小さいことが原因と考えられる。
As known from FIG. 30, the maximum value of the displacement of the
以上の結果から、モデルE1は、優れた冷却性能を有すると共に、圧力損失及び剛性を低減することができる。 From the above results, the model E1 has excellent cooling performance and can reduce pressure loss and rigidity.
1 熱交換器
11 供給ヘッダ部
12 排出ヘッダ部
131、132 発熱体搭載面
2、2b、2c、2d、2e 本体部
21 頂壁部
22 底壁部
3、3a、3b 仕切り板
4、4a、4b、4c 層状空間
41、41a、41b 連通路
5、5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h、5i、5j、5k ヒートシンク
DESCRIPTION OF
Claims (8)
発熱体を搭載する発熱体搭載面を外表面に有する頂壁部と、該頂壁部に対向して配置された底壁部と、上記頂壁部と上記底壁部との間に形成された内部空間とを有する本体部と、
上記内部空間を層状に区画する1枚以上の仕切り板と、
該仕切り板により区画され、上記頂壁部と上記底壁部との対向方向に並んだ3層の層状空間と、
各々の上記層状空間に配置されており、冷媒が流通するヒートシンクと、
隣り合う上記層状空間を連通させる連通路と、
3層の上記層状空間のうち、上記頂壁部に面する第1層に連通する供給ヘッダ部と、
3層の上記層状空間のうち、上記底壁部に面する最終層から連通する排出ヘッダ部とを有し、
上記第1層に配置された第1ヒートシンクは、上記頂壁部と、上記第1層に面する上記仕切り板である第1仕切り板との両方に接合されており、
上記最終層に配置された最終ヒートシンクは、上記底壁部または上記最終層に面する上記仕切り板のうちいずれか一方に接合されていると共に、他方との間に隙間を有しており、
上記第1層と上記最終層との間には第2ヒートシンクを備えた第2層が設けられており、
上記第2ヒートシンクは、上記頂壁部と上記底壁部との対向方向において上記第1ヒートシンクと上記最終ヒートシンクとの間に配置され、かつ、上記第1仕切り板と上記最終層に面する上記仕切り板である第2仕切り板の両方に接合されており、
上記第1層と上記第2層とを連通させる上記連通路は、上記第1ヒートシンクよりも冷媒流路における下流側に配置されており、
上記第2層と上記最終層とを連通させる上記連通路は、上記第2ヒートシンクよりも冷媒流路における下流側に配置されていることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger comprising an aluminum member, wherein
It is formed between a top wall having a heating element mounting surface on which the heating element is mounted on the outer surface, a bottom wall disposed facing the top wall, and the top wall and the bottom wall. A main body having an inner space,
One or more dividers that divide the internal space into layers;
A three- layered space defined by the partition plate and aligned in the opposing direction of the top wall and the bottom wall;
A heat sink disposed in each of the above-mentioned layered spaces, through which a refrigerant flows ;
A communication passage for communicating the adjacent layered spaces;
A supply header portion in communication with the first layer facing the top wall portion among the three- layered space;
And a discharge header portion communicating with the final layer facing the bottom wall portion among the three layers of the layered space,
The first heat sink disposed in the first layer is joined to both the top wall and the first partition plate which is the partition plate facing the first layer,
The final heat sink disposed in the final layer is joined to either the bottom wall portion or the partition plate facing the final layer, and has a gap between the other and the other,
A second layer provided with a second heat sink is provided between the first layer and the final layer,
The second heat sink is disposed between the first heat sink and the final heat sink in the opposing direction of the top wall and the bottom wall, and faces the first partition plate and the final layer. It is joined to both of the second partition plates, which are the partition plates,
The communication passage for communicating the first layer and the second layer is disposed downstream of the first heat sink in the refrigerant flow path,
A heat exchanger characterized in that the communication passage communicating the second layer and the final layer is disposed downstream of the second heat sink in the refrigerant flow path .
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