JP7031524B2

JP7031524B2 - 冷却器

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Publication number: JP7031524B2
Application number: JP2018140899A
Authority: JP
Inventors: 裕平野; 拓海中村
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: EP3832785A1; EP3832785B1; WO2020021848A1; JP2020017454A; CN112470329B; EP3832785A4; CN112470329A

Description

この発明は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両用バッテリ、インバータなどのパワーデバイス、半導体素子などから発せられる熱を冷却する冷却器に関するものである。

一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両において、車両を駆動させるモータの電源にバッテリが使用されている。

バッテリは、車両のスタート時や走行時にモータを駆動して車両を加速させる他、急停車時にブレーキをかけて車両を制御するため、大容量のものが使用される。

そこで、バッテリの温度が上昇することにより、性能が低下するのを抑制するために、強制的に冷却器を用いてバッテリを冷却する必要がある。

従来のこの種の冷却器として、バッテリの底部に配置される冷却プレート（冷却器）の内部に冷媒通路を設けて、冷媒通路に供給される冷媒の気化熱で冷却器を冷却し、冷却された冷却器にバッテリの熱を伝達してバッテリを冷却する構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１における冷却器の一形態として、互いに平行な複数の冷媒通路を有するアルミニウム製の扁平管に放熱フィンを固定したものが用いられている。

特許文献１に記載の冷却器によれば、複数の電池セルを連結したバッテリの底部に配置される冷却器に冷媒を供給して、複数の電池セルを連結したバッテリを冷却することができる。

特開２０１０－５００００号公報（段落００４７、図１，図９，図１０）

しかしながら、複数の電池セル間には温度差による温度境界層があるため、冷却器表面に温度のばらつき（温度偏差）が生じて、バッテリを効率良く均一に冷却できないという課題がある。
また、バッテリ以外の例えば、インバータなどのパワーデバイス、半導体素子などの発熱体においても同様に冷却器表面に温度のばらつき（温度偏差）が生じて、発熱体を効率良く均一に冷却できないという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、バッテリなどの発熱体の温度偏差の発達を抑制すると共に、冷却器表面の温度偏差を抑制して、発熱体を効率良く均一に冷却できる冷却器を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明の冷却器は、受熱面側のアッパープレートと、冷媒流路を挟んで上記アッパープレートと平行に対峙するロアープレートと、上記アッパープレートとロアープレート間に配置されるコルゲートフィンと、を具備する冷却器であって、上記コルゲートフィンは、上記冷媒流路に直交した状態で冷媒流れ方向に適宜間隔をおいて複数配置されると共に、各コルゲートフィンの冷媒流れ方向の両側部は、上記アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートに突設された突起部によって位置決めされ、上記アッパープレートとロアープレートは、いずれか一方のプレートに突設されて他方のプレートに接合される接合部によって連結されると共に、両プレートの周辺部が接合され、上記接合部は、冷媒流れ方向に対して直交する方向に適宜間隔をおいて設けられると共に、上記コルゲートフィンを挟む接合部が千鳥状に配列され、上記突起部は、直近に位置する上記接合部に対向する部位が断続されている、ことを特徴とする（請求項１）。

このように構成することにより、アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートに突設された突起部によってコルゲートフィンをバッテリなどの発熱体の発熱領域に対応した位置にコルゲートフィンを位置決めして配置することができる。

この発明において、接合部は、平面視が略円形に形成され、突起部の一端は、コルゲートフィンに関して対向する一方側の接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置し、突起部の他端は、コルゲートフィンに関して対向する他方側の接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置しているのが好ましい（請求項２）。

請求項１に記載の発明によれば、コルゲートフィンの流入側から流れる冷媒を突起部の断続部によって分散し、コルゲートフィンに冷媒を均一に流すことができる。つまり、突起部がないと、冷媒は接合部の上流・下流では流れにくく、接合部のない場所では流れやすくなるので、冷媒の流れやすい場所に位置決めを兼ねた突起部を設けることで、冷媒を全体に均一に流すことができる。
また、冷却器の冷媒流路の両端側に設ける冷媒流入口と冷媒流出口を冷媒の流入側と流出側のいずれにも対応することができるので、冷却器の設置に自由度をもたせることができる。

請求項２に記載の発明によれば、接合部を、平面視略円形に形成し、突起部の一端を、コルゲートフィンに関して対向する一方側の接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置し、突起部の他端を、コルゲートフィンに関して対向する他方側の接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置することにより、接合部に衝突する冷媒の流れを円滑に突起部の断続部側に流すことができ、コルゲートフィンの流入側から流れる冷媒を突起部の断続部によって分散し、コルゲートフィンに冷媒を均一に流すことができる。また、コルゲートフィンを流れてコルゲートフィンの流出側の突起部の断続部によって分散されて接合部に衝突する冷媒を接合部の両側に円滑に流すことができる。

加えて、この発明において、突起部は、アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートと一体成形されているのが好ましい(請求項３)。

このように構成することにより、コルゲートフィンの位置決め機能を有する突起部を容易に形成することができる。

この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。

（１）請求項１に記載の発明によれば、アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートに突設された突起部によってコルゲートフィンをバッテリなどの発熱体の発熱領域に対応した位置にコルゲートフィンを位置決めして配置することができるので、バッテリなどの発熱体の温度偏差の発達を抑制すると共に、冷却器表面の温度偏差を抑制して、発熱体を効率良く均一に冷却することができる。

（２）また、請求項１に記載の発明によれば、コルゲートフィンの流入側から流れる冷媒を突起部の断続部によって分散し、コルゲートフィンに冷媒を均一に流すことができるので、上記（１）に加えて、更に冷媒の流れの乱れを抑制してバッテリなどの発熱体を効率良く均一に冷却することができる。
また、冷却器の冷媒流路の両端側に設ける冷媒流入口と冷媒流出口を冷媒の流入側と流出側のいずれにも対応することができるので、冷却器の設置に自由度をもたせることができる。

（３）請求項２に記載の発明によれば、接合部に衝突する冷媒の流れを円滑に突起部の断続部側に流すことができると共に、コルゲートフィンを流れて突起部の断続部によって分散されて接合部に衝突する冷媒を接合部の両側に円滑に流すことができるので、上記（１），（２）に加えて，更に冷媒の流れを円滑にしてバッテリなどの発熱体を効率良く均一に冷却することができる。

（４）請求項３に記載の発明によれば、コルゲートフィンの位置決め機能を有する突起部を容易に形成することができるので、上記（１）～（３）に加えて、更に構成部材の削減が図れると共に、冷却器の作製を容易にすることができる。

この発明に係る冷却器の一部を断面で示す平面図（ａ）及び一部を省略した拡大側面図（ｂ）である。図１（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う拡大断面図（ａ）及び（ａ）のII－II線に沿う拡大断面図（ｂ）である。図１（ａ）のIII－III線に沿う拡大断面図である。図１（ａ）のIV部拡大概略平面図である。この発明における冷媒の流れを示す概略平面図である。この発明におけるアッパープレートの底面図（ａ）及び（ａ）のＶ－Ｖ線に沿う拡大断面図（ｂ）である。この発明におけるロアープレートの平面図（ａ）及び（ａ）のVI－VI線に沿う拡大断面図（ｂ）である。この発明におけるコルゲートフィンの平面図（ａ）、一部を省略した拡大側面図（ｂ）及び（ｂ）のVII部拡大図（ｃ）である。

以下に、この発明に係る冷却器を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、冷却器を車両用バッテリから発せられる熱を冷却する冷却器に適用した場合について説明する。

この発明に係る冷却器１は、図１及び図２に示すように、例えば、車両を駆動するモータの電源用に使用される、複数の電池セル（図示せず）を連結したバッテリＢの底部に配置される受熱面側のアッパープレート１０と、冷媒流路２を挟んでアッパープレート１０と平行に対峙するロアープレート２０と、アッパープレート１０とロアープレート２０間に配置される複数のコルゲートフィン３０と、を具備している。なお、冷却器１の両端部には、冷媒流路２に連通する冷媒流入管３と冷媒流出管４が接続されている。

この場合、コルゲートフィン３０は、冷媒流路２に直交した状態で冷媒流れ方向に、電池セル（図示せず）に対応した適宜間隔をおいて複数配置されると共に、各コルゲートフィン３０の冷媒流れ方向の両側部は、アッパープレート１０に突設された突起部１１によって位置決めされている。
また、アッパープレート１０とロアープレート２０は、ロアープレート２０に突設されてアッパープレート１０に接合される接合部２１によって連結されると共に、アッパープレート１０とロアープレート２０の周辺部が接合されている。

アッパープレート１０は、アルミニウム製の略矩形状の板材にて形成されており、図２及び図５に示すように、アッパープレート１０の下面には、コルゲートフィン３０の幅方向（短手方向）の両側部に係合する位置決め用の突起部１１が冷媒流れ方向に沿って適宜間隔をおいて突設されている。突起部１１はプレス加工によってアッパープレート１０と一体に形成されている（図５（ｂ）参照）。

この場合、突起部１１は、直近に位置する接合部２１に対向する部位が断続されており、図４に示すように、突起部１１の一端は、コルゲートフィン３０に関して対向する一方側の平面視円形状の接合部２１の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線Ｌａ上の接合部最外円との交点からコルゲートフィン側に直交状の仮想線Ｌｂ上に位置し、突起部１１の他端は、コルゲートフィン３０に関して対向する他方側の接合部２１の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線Ｌｃ上の接合部最外円との交点からコルゲートフィン側に直交状の仮想線Ｌｄ上に位置している。

上記のように突起部１１の両端を、直近に位置する接合部２１の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線Ｌａ，Ｌｃ上の接合部最外円との交点からコルゲートフィン側に直交状の仮想線Ｌｂ，Ｌｄ上に位置させることにより、図４Ａに示すように、接合部２１に衝突する冷媒５を接合部２１の下流側に位置する突起部１１間の断続部へ円滑に流すことができる。また、コルゲートフィン３０を流れて接合部２１に衝突する冷媒５を接合部２１の両側へ円滑に流すことができる。

アッパープレート１０の冷媒流れ方向である長手方向の両端部には、冷媒流入管３又は冷媒流出管４を接続する連通口１２ａ，１２ｂが設けられている。また、アッパープレート１０には、接合部２１の中心部に対応する位置に、車体との固定に使用するための小孔１３が設けられている。
なお、この場合、アッパープレート１０は、厚さが３ｍｍ，突起部１１の高さが１ｍｍに設定されているが、アッパープレート１０の寸法は必ずしもこれに限定されるものではない。

ロアープレート２０は、アルミニウム製部材にて形成されており、図６に示すように、周辺に外向きフランジ部２２を有する扁平皿状に形成されている。ロアープレート２０の底部には、冷媒流れ方向に対して直交する方向に適宜間隔をおいて複数の接合部２１が、コルゲートフィン３０｛具体的には、コルゲートフィン３０が配置される位置｝を挟んで千鳥状に配列された状態で設けられている。
接合部２１は、プレス加工によってロアープレート２０の底部からフランジ部２２と同一面上に隆起する上端が平坦な平面視略円形状に形成され、アッパープレート１０の下面に当接する平坦部２１ａの中心に、車体との固定に使用するための円形孔２１ｂが設けられている。
なお、この場合、ロアープレート２０は、厚さが１ｍｍ，接合部２１の高さが３ｍｍに設定されているが、ロアープレート２０の寸法は必ずしもこれに限定されるものではない。

コルゲートフィン３０は、アルミニウム製部材にて形成されており、図７に示すように、山部３１と谷部３２が平坦な波形状に形成されている。
なお、この場合、コルゲートフィン３０は、厚さが０．３ｍｍ，隙間（山－谷間のピッチＰ）が１．５ｍｍ，高さが３ｍｍに設定されているが、コルゲートフィン３０の寸法は必ずしもこれに限定されるものではない。

このように形成されるコルゲートフィン３０は、幅方向の両側部がアッパープレート１０に突設された対向する突起部１１によって位置決めされ、山部３１の平坦面がアッパープレート１０の下面に当接し、谷部３２の平坦面がロアープレート２０の底面に当接した状態で、アッパープレート１０とロアープレート２０の間にコルゲートフィン３０が配置されている。

上記のように形成されるアッパープレート１０、ロアープレート２０とコルゲートフィン３０はろう付けによって接合されている。すなわち、コルゲートフィン３０は、アッパープレート１０とロアープレート２０にろう付けされ、ロアープレート２０に突設された接合部２１はアッパープレート１０の下面にろう付けされ、ロアープレート２０のフランジ部２２はアッパープレート１０の周辺部にろう付けされる。
この場合、例えば、コルゲートフィン３０とアッパープレート１０をろう材が皮材として貼り合わされたブレージングシートにて形成するか、あるいは、ろう材を塗布することにより、アッパープレート１０、ロアープレート２０とコルゲートフィン３０をろう付けすることができる。

なお、上記説明では、アッパープレート１０の下面に突起部１１を突設した場合について説明したが、ロアープレート２０の底面に突起部１１を突設してもよい。
また、アッパープレート１０の受熱面の平坦が保たれていれば、アッパープレート１０の下面に接合部２１を突設してロアープレート２０の底面に接合するようにしてもよい。

上記のように構成される実施形態の冷却器１によれば、アッパープレート１０又はロアープレート２０のいずれか一方のプレートに突設された突起部１１によってコルゲートフィン３０をバッテリの発熱領域に対応した位置に位置決めして配置することができるので、バッテリＢの温度偏差の発達を抑制すると共に、冷却器表面の温度偏差を抑制して、バッテリＢを効率良く均一に冷却することができる。
また、突起部１１によってコルゲートフィン３０を位置決めして配置することができるので、コルゲートフィン３０の組付けを容易にかつ確実にすることができる。

また、突起部１１の両端を、直近に位置する接合部２１の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線Ｌａ，Ｌｃ上の接合部最外円との交点からコルゲートフィン側に直交状の仮想線Ｌｂ，Ｌｄ上に位置させることにより、図４Ａに示すように、接合部２１に衝突する冷媒５を接合部２１の下流側に位置する突起部１１間の断続部側へ円滑に流すことができ、コルゲートフィン３０の流入側から流れる冷媒５を突起部１１の断続部によって分散し、コルゲートフィン３０に冷媒５を均一に流すことができる。また、コルゲートフィン３０を流れてコルゲートフィン３０の流出側の突起部１１の断続部によって分散されて接合部２１に衝突する冷媒５を接合部２１の両側に円滑に流すことができるので、バッテリＢを効率良く均一に冷却することができる。

また、接合部２１を、コルゲートフィン３０を挟んで千鳥状に配列することにより、冷却器１の冷媒流路の両端側に設ける冷媒連通口１２ａ，１２ｂを冷媒の流入側と流出側のいずれにも対応することができるので、冷却器１の設置に自由度をもたせることができる。

更には、コルゲートフィン３０の位置決め機能を有する突起部１１を容易に形成することができるので、構成部材の削減が図れると共に、冷却器１の作製を容易にすることができる。

なお、上記実施形態では、この発明に係る冷却器を、車両を駆動するモータの電源用に使用されるバッテリＢから発せられる熱の冷却に供する場合について説明したが、この発明に係る冷却器１はこれに限定されるのもではなく、例えばインバータなどのパワーデバイス、半導体素子などの発熱体から発せられる熱を冷却する冷却器にも適用できるものである。

以下に、この発明に係る冷却器（実施例１，２）と突起部を設けない冷却器（比較例１，２）の表面の温度ばらつき（温度偏差）を調べるための解析について説明する。
＜試料＞
・コルゲートフィン
厚さ：０．３ｍｍ，隙間（山－谷間のピッチ）：１．５ｍｍ，長さ：１００ｍｍ
・突起部
高さ：１ｍｍ，幅：２ｍｍ
・発熱部
発熱量：３６０Ｗ×２
＜冷媒の物性値＞
・密度：１０３８ｋｇ／ｍ³
・粘度：０．００１２８Ｐａ・ｓ
・比熱：３４８２Ｊ／(ｋｇＫ)
・熱伝導率：０．４２４Ｗ／(ｍＫ)
冷却器の周辺は全て断熱とし，発熱は全てコルゲートフィンと冷媒の熱交換によって冷却すると仮定した。解析にはＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋＲ１８．１を用いた。

上記条件の下で、冷媒の流量を１０L/min（比較例１，実施例１）と２０L/mi（比較例２，実施例２）について解析したところ、冷却器表面温度と入口液温との差は、表１に示す結果となった。また、解析結果からの全体性能の推定結果は、表２に示す通りであった。

上記解析の結果、突起部を有する実施例１，２では突起部を有しない比較例１，２に比べて、圧力損失は微増したが、冷媒の流量が１０Ｌ／ｍｉｎのときの比較例１の全体温度ばらつき（温度偏差）が６．２２℃であるのに対して、実施例１の全体温度ばらつき（温度偏差）は６．０１℃であった。また、冷媒の流量が２０Ｌ／ｍｉｎのときの比較例２の全体温度ばらつき（温度偏差）が６．１１℃であるのに対して、実施例２の全体温度ばらつき（温度偏差）は５．９０℃であった。
よって、突起部１１を不連続に設けることによって、全体温度ばらつき（温度偏差）を下げることができることが判った。

１冷却器
２冷媒流路
５冷媒
１０アッパープレート
１１突起部
２０ロアープレート
２１接合部
３０コルゲートフィン
Ｌａ～Ｌｄ仮想線

Claims

受熱面側のアッパープレートと、冷媒流路を挟んで上記アッパープレートと平行に対峙するロアープレートと、上記アッパープレートとロアープレート間に配置されるコルゲートフィンと、を具備する冷却器であって、
上記コルゲートフィンは、上記冷媒流路に直交した状態で冷媒流れ方向に適宜間隔をおいて複数配置されると共に、各コルゲートフィンの冷媒流れ方向の両側部は、上記アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートに突設された突起部によって位置決めされ、
上記アッパープレートとロアープレートは、いずれか一方のプレートに突設されて他方のプレートに接合される接合部によって連結されると共に、両プレートの周辺部が接合され、
上記接合部は、冷媒流れ方向に対して直交する方向に適宜間隔をおいて設けられると共に、上記コルゲートフィンを挟む接合部が千鳥状に配列され、
上記突起部は、直近に位置する上記接合部に対向する部位が断続されている、ことを特徴とする冷却器。
請求項１に記載の冷却器において、
上記接合部は、平面視が略円形に形成され、
上記突起部の一端は、上記コルゲートフィンに関して対向する一方側の上記接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置し、上記突起部の他端は、上記コルゲートフィンに関して対向する他方側の上記接合部の中心からコルゲートフィン方向へ４５度の仮想線上の接合部最外円との交点から上記コルゲートフィン側に直交状の仮想線上に位置している、ことを特徴とする冷却器。
請求項１又は２に記載の冷却器において、
上記突起部は、上記アッパープレート又はロアープレートのいずれか一方のプレートと一体成形されている、ことを特徴とする冷却器。