JPWO2010134191A1 - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

熱交換器２１は、複数のフィン部２２と、複数のフィン部２２を支持するベース部２３とからなる冷却フィン２４と、それらフィン部２２の間に圧入された複数のピン２６とを備える。熱交換器２１は、予め互いに平行かつストレート形状に形成された複数のフィン部２２の間の隙間２５に、その隙間２５の幅よりも幅広な複数のピン２６がフィン部２２の先端側からベース部２３へ向けて圧入される。これにより、複数のフィン部２２が塑性変形により波形状に形成され、複数のピン２６がベース部２３から離れた状態で複数のフィン部２２の間に固定される。各隙間２５には、その長手方向に沿って複数のピン２６が間隔を置いて配列され、隣り合う隙間２５に配列された複数のピン２６が交互にずれて配置される。

Description

この発明は、例えば、電力変換装置を冷却するための冷却装置に使用される熱交換器及びその製造方法に関する。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電力変換装置は、電力変換用の半導体素子や電気部品を備えて構成される。この装置は、その動作時に、半導体素子等からの発熱量が多いことから、放熱性を確保するために冷却装置が設けられる。ここで、冷却装置として、冷却ケースに放熱フィンを収容し、冷却ケースの中に冷媒を流して半導体素子等からの発熱を放熱フィンから冷媒に放出するようになっている。この種の放熱フィンとして、例えば、下記の特許文献１には、放熱基板部に複数の放熱フィン部を平行に形成したものが開示される。
ここで、本願出願人は、上記したような放熱フィン（冷却フィン）の冷却性能を高める技術として、新たな「冷却フィン及び冷却フィンの製造方法」を提案し、既に出願している（例えば、特願２００７−３２２８３１号）。この冷却フィンは、列状に配置された複数のフィン部と、それらフィン部を支持するベース部とが一体に形成される。複数のフィン部の冷媒流れ方向の形状は、ベース部とつながる根元部分がストレート形状に形成され、先端部分が波形状に形成される。この冷却フィンを製造するには、先ず最初に、櫛歯状かつストレート形状をなすように複数のフィン部をベース部と一体に押出し成形する。次に、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部の先端部分を、押出し方向と交差する方向へ治具（ピン）により曲げ加工する。この曲げ加工は、複数のフィン部の間の隙間に治具（ピン）を挿入することで行う。このように曲げ加工することで、複数のフィン部の先端部分を冷媒の流れ方向に沿って波形状に形成している。
特開２００７−１１００２５号公報
ところが、上記出願に係る冷却フィンでは、複数のフィン部の間の隙間の大きさに多少のばらつきがあると、フィン部の先端部分を治具（ピン）により曲げ加工するとき、それら隙間に挿入される治具（ピン）の側面がフィン部に片当たりして治具（ピン）に曲げ応力が作用し、治具（ピン）が折損するおそれがあった。また、フィン部を曲げ加工した後に、治具（ピン）がフィン部に凝着して抜け難くなることがあり、無理に抜こうとして治具（ピン）に曲げ応力と引張応力が加わって、治具（ピン）が折損するおそれがあった。
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、治具の耐久性を考慮する必要がなく、冷媒の乱流促進により冷却性能を向上させることを可能とした熱交換器及びその製造方法を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明の一つの態様は、複数のフィン部と、複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器であって、互いに平行かつストレート形状に形成された複数のフィン部の間の隙間に、その隙間の幅よりも幅広な複数のピンがフィン部の先端側からベース部へ向けて圧入されることにより、複数のフィン部が塑性変形により波形状に形成され、複数のピンがベース部から離れた状態で複数のフィン部の間に固定されたことを趣旨とする。
上記構成（１）によれば、複数のフィン部を波形状に塑性変形させる複数のピンは、複数のフィン部の間の隙間に圧入されてそのまま隙間に残ることとなり、それらピンを隙間から引き抜く必要がない。この熱交換器を発熱体に直接又は間接に接触させ、その隙間に冷媒を流すことにより、発熱体で発生する熱がフィン部を介して冷媒に放出される。また、波形状に形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、括れ部と膨らみ部ができるので、この隙間を流れる冷媒には、乱流が起きる。加えて、この隙間の上端側にピンが配置されるので、この隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にてピンを乗り越えるときに乱流が起きる。
（２）上記目的を達成するために、上記構成（１）において、複数のフィン部の間の隙間が複数設けられ、各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配列され、隣り合う隙間に配列された複数のピンが交互にずれて配置されることが好ましい。
上記構成（２）によれば、上記構成（１）の作用に加え、長手方向に沿って複数の波形状が間隔を置いて形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、その長手方向に沿って複数の括れ部と複数の膨らみ部が交互に並んで配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、繰り返し乱流が起きる。加えて、複数の隙間の上端側には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、それら隙間の上端側にて複数のピンを乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。
（３）上記目的を達成するために、上記構成（１）又は上記構成（２）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことが好ましい。
上記構成（３）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の作用に加え、各ピンは、そのテーパ形状によって、複数のフィン部の間の隙間にスムーズに圧入される。
（４）上記目的を達成するために、上記構成（１）又は上記構成（２）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、ネジのねじ込みにより前記隙間に圧入されることが好ましい。
上記構成（４）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の作用に加え、複数のフィン部の間の隙間に単にピンを圧入するのとは異なり、複数のフィン部の間にネジをねじ込むことで、ネジが隙間に圧入されてフィン部が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりネジに小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がネジに与えられる。
（５）上記目的を達成するために、本発明の別の態様は、複数のフィン部と、複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器の製造方法であって、複数のフィン部が互いに平行かつストレート形状をなすように冷却フィンを押出し成形する工程と、押出し成形された冷却フィンの複数のフィン部の間の隙間に、その隙間の幅よりも幅広な複数のピンをフィン部の先端側からベース部へ向けて圧入し、複数のフィン部を塑性変形により波形状に形成すると共に、複数のピンをベース部から離した状態で複数のフィン部の間に固定する工程とを備えたことを趣旨とする。
上記構成（５）によれば、複数のフィン部を波形状に塑性変形させる複数のピンは、複数のフィン部の間の隙間に圧入されてそのまま隙間に残ることとなり、それらピンを隙間から引き抜く必要がない。この熱交換器を発熱体に直接又は間接に接触させ、隙間に冷媒を流すことにより、発熱体で発生する熱がフィン部を介して冷媒に放出される。また、波形状に形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、括れ部と膨らみ部ができるので、この隙間を流れる冷媒には、乱流が起きる。加えて、この隙間の上端側にピンが配置されるので、この隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にてピンを乗り越えるときに乱流が起きる。
（６）上記目的を達成するために、上記構成（５）において、複数のフィン部の間の隙間を複数設け、各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンを間隔を置いて配列し、隣り合う隙間に配列した複数のピンを交互にずらして配置することが好ましい。
上記構成（６）によれば、上記構成（５）の作用に加え、長手方向に沿って複数の波形状が間隔を置いて形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、その長手方向に沿って複数の括れ部と複数の膨らみ部が交互に並んで配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、繰り返し乱流が起きる。加えて、複数の隙間の上端側には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にて複数のピンを乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。
（７）上記目的を達成するために、上記構成（５）又は上記構成（６）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことが好ましい。
上記構成（７）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の作用に加え、各ピンは、そのテーパ形状によって、複数のフィン部の間の隙間にスムーズに圧入される。
（８）上記目的を達成するために、上記構成（５）又は上記構成（６）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、ネジのねじ込みにより隙間に圧入することが好ましい。
上記構成（８）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の作用に加え、複数のフィン部の間の隙間に単にピンを圧入することとは異なり、複数のフィン部の間にネジをねじ込むことで、ネジが圧入されてフィン部が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりネジに小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がネジに与えられる。
上記構成（１）によれば、製造時に治具の耐久性を考慮する必要がなく、複数のフィン部の間に残る複数のピンにより構造上の剛性及び強度を高めることができる。また、複数のフィン部の間の隙間に冷媒を流すことで、冷媒の乱流を促進して各フィン部から冷媒へ放出させる熱量を増やすことができ、冷却性能を向上させることができる。
上記構成（２）によれば、上記構成（１）の効果に加え、複数の隙間を流れる冷媒に繰り返し乱流を起こすことでより一層乱流を促進することができ、冷却性能を更に向上させることができる。
上記構成（３）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にピンを容易に圧入することができる。
上記構成（４）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にネジを圧入するために必要以上に大きい軸力をネジに与える必要がなく、フィン部の間からのネジが抜け落ちることを防止することができる。
上記構成（５）によれば、製造時に治具の耐久性を考慮する必要がなく、複数のフィン部の間に残る複数のピンにより構造上の剛性及び強度を高めることができる。また、複数のフィン部の間の隙間に冷媒を流すことで、冷媒の乱流を促進して各フィン部から冷媒へ放出させる熱量を増やすことができ、冷却性能を向上させることができる。
上記構成（６）によれば、上記構成（５）の効果に加え、複数の隙間を流れる冷媒に繰り返し乱流を起こすことでより一層乱流を促進することができ、冷却性能を更に向上させることができる。
上記構成（７）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にピンを容易に圧入することができる。
上記構成（８）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にネジを圧入するために必要以上に大きい軸力をネジに与える必要がなく、フィン部の間からのネジが抜け落ちることを防止することができる。
第１実施形態に係り、熱交換器を示す平面図。 同じく、熱交換器を示す図１の２−２線断面図。 同じく、熱交換器を示す図１の鎖線楕円の部分の拡大平面図。 同じく、熱交換器を示す図３の４−４線断面図。 同じく、熱交換器の製造方法を示すフローチャート。 同じく、冷却フィンの押出し成形の様子を示す斜視図。 同じく、押出し成形された直後の冷却フィンを示す斜視図。 同じく、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部の間の隙間に複数のピンを圧入する様子を示す正面図。 同じく、冷却装置の一部構成を示す平面図。 同じく、冷却装置の全体を図９の１０−１０線位置で切断して示す断面図。 同じく、冷却装置の一部を図１０の１１−１１線位置で切断して示す断面図。 同じく、冷却装置の一部を図１１の１２−１２線位置で切断して示す断面図。 第２実施形態に係り、熱交換器を示す図３に準ずる部分拡大平面図。 同じく、熱交換器を示す図１３の１４−１４線断面図。 別の実施形態に係り、ピンを示す正面図。
［第１実施形態］
以下、本発明の熱交換器及びその製造方法を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
図１に、この実施形態の熱交換器２１を平面図により示す。図２に、熱交換器２１を図１の２−２線断面図により示す。図３に、熱交換器２１を図１の鎖線楕円Ｓ１で囲んだ部分のみ拡大平面図により示す。図４に、熱交換器２１を図３の４−４線断面図により示す。
図１〜図４に示すように、この熱交換器２１は、複数のフィン部２２と、複数のフィン部２２を支持するベース部２３とからなるアルミニウム製の冷却フィン２４を備える。この熱交換器２１は、互いに平行かつストレート形状に形成された複数のフィン部２２の間の隙間２５に、それら隙間２５の幅よりも幅広な複数のピン２６がフィン部２２の先端側からベース部２３へ向けて圧入される。これにより、複数のフィン部２２が塑性変形により波形状に形成され、複数のピン２６がベース部２３から離れた状態で複数のフィン部２２の間に固定される。図２及び図４に示すように、各ピン２６は、フィン部２２の先端側部分にのみ圧入される。これにより、隣り合うフィン部２２は、ピン２６の圧入部分がベース部２３へ向けて略Ｖ形に塑性変形している。
図１〜図４に示すように、複数のフィン部２２の間の隙間２５は複数設けられる。各隙間２５には、その長手方向に沿って複数のピン２６が等間隔を置いて配列される。また、隣り合う隙間２５に配列された複数のピン２６は、交互にずれて配置される。このように複数のピン２６が冷却フィン２４に対して規則的に配置されることで、複数のフィン部２２が規則的な波形状に形成される。
図２及び図４に示すように、各ピン２６は、アルミニウムにより形成され、それぞれ平面視で略四角形状をなし、側面の全体がテーパ形状をなしている。従って、各ピン２６は、そのテーパ形状をなす側面によって、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にスムーズに圧入される。このため、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にピン２６を容易に圧入することができる。
次に、上記した熱交換器２１の製造方法について説明する。図５に、この製造方法をフローチャートにより示す。図６に、冷却フィン２４の押出し成形の様子を斜視図により示す。図７に、押出し成形された直後の冷却フィン２４を斜視図により示す。図８に、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部２２の間の隙間２５に複数のピン２６を圧入する様子を正面図により示す。
この熱交換器２１を製造するには、先ず最初に、図５の（１）に示す「冷却フィン押出し成形工程」を実施する。すなわち、この工程では、複数のフィン部２２が互いに平行かつストレート形状をなすように冷却フィン２４を押出し成形する。この工程は、例えば、図６に示すように、押出し成形機３１のダイス３２にて櫛歯状に形成された貫通孔３３からストレート形状をなす複数のフィン部２２とベース部２３を一体的に押し出すことで行われる。この工程により、図７に示すように、平坦なベース部２３の上に複数のフィン部２２が互いに平行かつストレート形状に形成された冷却フィン２４が得られる。
次に、図５の（２）に示す「ピン圧入固定工程」を実施する。すなわち、この工程では、図８に示すように、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部２２の間の隙間２５に、その隙間２５の幅よりも幅広な複数のピン２６をフィン部２２の先端側からベース部２３へ向けて圧入する。そして、複数のフィン部２２を塑性変形により、図１及び図３に示すように波形状に形成すると共に、図２及び図４に示すように、複数のピン２６をベース部２３から離した状態で複数のフィン部２２の間に固定する。この工程により、図１及び図２に示すように、複数のフィン部２２が、複数のピン２６によって波形状に形成された熱交換器２４が得られる。
以上説明したこの実施形態の熱交換器２１及びその製造方法によれば、複数のフィン部２２を波形状に塑性変形させる複数のピン２６は、複数のフィン部２２の間の隙間２５に圧入されてそのまま隙間２５に残ることとなり、それらピン２６を隙間２５から引き抜く必要がない。従って、従来例のようにフィン部の間の隙間に挿入される治具（ピン）が片当たりして治具（ピン）が折損したり、無理に抜こうとして治具（ピン）が折損したりするおそれがない。このため、製造時に治具（ピン）の耐久性を考慮する必要がない。また、複数のフィン部２２の間の隙間２５に残る複数のピン２６により、熱交換器２１として構造上の剛性及び強度を高めることができる。
また、この実施形態の熱交換器２１の製造方法によれば、押出し成形された冷却フィン２４の複数のフィン部２２の間の隙間２５に対し、複数のピン２６を一斉に圧入することが可能である。例えば、複数のピン２６を冷却フィン２４の複数の隙間２５に、先端部のみ仮刺ししてから、複数のピン２６を上から加圧器等により一斉に押圧することで、複数のピン２６を一斉に圧入することができる。このため、各ピン２６を個別に圧入する場合に比べ、工程の簡略化を図ることができる。
次に、上記した熱交換器２１を使用した冷却装置について以下に説明する。図９に、この実施形態の冷却装置４１の一部を平面図により示す。図１０に、冷却装置４１の全体を図９の１０−１０線位置で切断した断面図により示す。図１１に、冷却装置４１の一部を図１０の１１−１１線位置で切断した断面図により示す。図１２に、冷却装置４１の一部を図１１の１２−１２線位置で切断した断面図により示す。
図１０に示すように、この実施形態の冷却装置４１は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される、発熱性の高い電力変換用の半導体素子４２を冷却するように構成される。すなわち、この冷却装置４１は、平面四角形状をなし、有底の浅い箱形をなす冷却ケース４３と、その冷却ケース４３の中にベース部２３を下にして収容された熱交換器２１と、熱交換器２１を収容した状態で冷却ケース４３の上面開口４３ａを覆う蓋４４と、蓋４４の上面に固定されたヒートスプレッダ４５とを備える。発熱性の高い半導体素子４１は、ヒートスプレッダ４５の上面に固定される。図９及び図１０に示すように、冷却ケース４３は、上面側外周にフランジ４３ｂを有する。蓋４４は、このフランジ４３ｂの上面と熱交換器２１の上面（複数のピン２６が現れる側）に、「ろう付け」により接合される。この接合状態で、複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５は、蓋４４により覆われることで、冷媒としての冷却水の流路を構成する。また、図９に示すように、冷却ケース４３の底壁には、冷却水を導入する入口４３ｃと、冷却水を導出する出口４３ｄが形成される。
従って、上記した冷却装置４１によれば、入口４３ｃから冷却ケース４３の中に冷却水が供給されることにより、その冷却水が複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５を流れ、出口４３ｄから外部へ導出される。このとき半導体素子４２で発生する熱は、ヒートスプレッダ４５、蓋４４及び複数のフィン部２２を経由して、複数の隙間２５を流れる冷却水へ放出される。この放熱により半導体素子４２を冷却することができる。
また、この冷却装置４１は、上記した熱交換器２１を使用していることから、図１２に示すように、複数のフィン部２２には、その長手方向に沿って複数の波形状が所定間隔を置いて形成されることとなり、複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５には、その長手方向に沿って括れ部２５ａと膨らみ部２５ｂが交互に並ぶこととなる。従って、これら隙間２５を流れる冷却水には、図１２に太矢印で示すように、複数の膨らみ部２５ｂにて繰り返し乱流が起きることとなる。また、複数の括れ部２５ａでも乱流が起きる可能性がある。このため、冷却水の乱流により各フィン部２２から冷却水へ放出させる熱量を増やすことができ、熱交換器２１としての冷却性能を向上させることができる。
加えて、図１１に示すように、上記した複数の隙間２５の上端側には、それら隙間２５の長手方向に沿って複数のピン２６が所定間隔を置いて配置されることとなる。従って、これら隙間２５を流れる冷却水には、図１１に太矢印で示すように、各隙間２５の上端側にて複数のピン２６を乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。このため、各隙間２５において冷却水の乱流を促進することができ、各フィン部２２から冷却水へ放出される熱量を更に増やすことができ、熱交換器２１としての冷却性能をより一層向上させることができる。
つまり、この実施形態の熱交換器２１を使用した冷却装置４１では、複数のフィン部２２の波形状により冷却水の乱流を促進する効果が得られ、これに加えて、複数のピン２６により冷却水の乱流を更に促進する効果が得られる。よって、これら２通りの乱流促進効果が相乗的に作用して、熱交換器２１及び冷却装置４１としての冷却性能を高めることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の熱交換器及びその製造方法を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
図１３に、この実施形態の熱交換器を図３に準ずる部分拡大平面図により示す。図１４に、この熱交換器を図１３の１４−１４線断面図により示す。この実施形態では、複数のピンの構成の点で第１実施形態と構成が異なる。すなわち、この実施形態では、複数のピンとして、複数のテーパネジ２７が使用される。各テーパネジ２７は、図１３に示すように、上面に十字溝２７ａが形成され、図１４に示すように、外周の全体がテーパ形状をなしている。そして、これらテーパネジ２７は、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にねじ込みにより圧入される。この実施形態のその他の構成は、第１実施形態のそれと基本的に同じである。
従って、この実施形態の熱交換器によれば、複数のフィン部２２の間の隙間２５に、単にピンを圧入するのとは異なり、複数のフィン部２２の間にテーパネジ２７をねじ込むことで、テーパネジ２７が隙間２５に圧入されて隣り合うフィン部２２が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりテーパネジ２７に小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がテーパネジ２７に与えられる。このため、複数のフィン部２２の間の隙間２５にテーパネジ２７を圧入するために必要以上に大きな軸力をテーパネジ２７に与える必要がない。また、圧入後はテーパネジ２７のネジ山がフィン部２２に係合することとなる。このため、その後に、フィン部２２の間からテーパネジ２７が抜け落ちることを防止することができる。
この実施形態の熱交換器及びその製造方法に係るその他の作用効果、並びに、この実施形態の熱交換器を使用した冷却装置に係る作用効果については、第１実施形態のそれと基本的に同じである。
なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することができる。
前記各実施形態では、側面の全体がテーパ形状をなしたピン２６やテーパネジ２７を使用したが、図１５に正面図により示すように、側面の先端部２８ａだけテーパ形状をなしたピン２８やネジを使用することもできる。
この発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電力変換装置を冷却するための冷却装置に利用することができる。
２１ 熱交換器
２２ フィン部
２３ ベース部
２４ 冷却フィン
２５ 隙間
２５ａ 括れ部
２５ｂ 膨らみ部
２６ ピン
２７ テーパネジ（ピン）
２８ ピン
２８ａ 先端部
この発明は、例えば、電力変換装置を冷却するための冷却装置に使用される熱交換器及びその製造方法に関する。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電力変換装置は、電力変換用の半導体素子や電気部品を備えて構成される。この装置は、その動作時に、半導体素子等からの発熱量が多いことから、放熱性を確保するために冷却装置が設けられる。ここで、冷却装置として、冷却ケースに放熱フィンを収容し、冷却ケースの中に冷媒を流して半導体素子等からの発熱を放熱フィンから冷媒に放出するようになっている。この種の放熱フィンとして、例えば、下記の特許文献１には、放熱基板部に複数の放熱フィン部を平行に形成したものが開示される。
ここで、本願出願人は、上記したような放熱フィン（冷却フィン）の冷却性能を高める技術として、新たな「冷却フィン及び冷却フィンの製造方法」を提案し、既に出願している（例えば、特願２００７−３２２８３１号）。この冷却フィンは、列状に配置された複数のフィン部と、それらフィン部を支持するベース部とが一体に形成される。複数のフィン部の冷媒流れ方向の形状は、ベース部とつながる根元部分がストレート形状に形成され、先端部分が波形状に形成される。この冷却フィンを製造するには、先ず最初に、櫛歯状かつストレート形状をなすように複数のフィン部をベース部と一体に押出し成形する。次に、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部の先端部分を、押出し方向と交差する方向へ治具（ピン）により曲げ加工する。この曲げ加工は、複数のフィン部の間の隙間に治具（ピン）を挿入することで行う。このように曲げ加工することで、複数のフィン部の先端部分を冷媒の流れ方向に沿って波形状に形成している。
特開２００７−１１００２５号公報
ところが、上記出願に係る冷却フィンでは、複数のフィン部の間の隙間の大きさに多少のばらつきがあると、フィン部の先端部分を治具（ピン）により曲げ加工するとき、それら隙間に挿入される治具（ピン）の側面がフィン部に片当たりして治具（ピン）に曲げ応力が作用し、治具（ピン）が折損するおそれがあった。また、フィン部を曲げ加工した後に、治具（ピン）がフィン部に凝着して抜け難くなることがあり、無理に抜こうとして治具（ピン）に曲げ応力と引張応力が加わって、治具（ピン）が折損するおそれがあった。
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、治具の耐久性を考慮する必要がなく、冷媒の乱流促進により冷却性能を向上させることを可能とした熱交換器及びその製造方法を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明の一つの態様は、複数のフィン部と、複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器であって、互いに平行に配置された複数のフィン部が波形状をなし、複数のフィン部の間の隙間に、複数のピンがフィン部の先端側からベース部へ向けて圧入されており、複数のピンがベース部から離れた状態で複数のフィン部の間に固定されたことを趣旨とする。
上記構成（１）によれば、複数のフィン部が波形状をなし、複数のピンが複数のフィン部の間の隙間に圧入されてそのまま隙間に残ることとなり、それらピンを隙間から引き抜く必要がない。この熱交換器を発熱体に直接又は間接に接触させ、その隙間に冷媒を流すことにより、発熱体で発生する熱がフィン部を介して冷媒に放出される。また、波形状に形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、括れ部と膨らみ部ができるので、この隙間を流れる冷媒には、乱流が起きる。加えて、この隙間の上端側にピンが配置されるので、この隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にてピンを乗り越えるときに乱流が起きる。
（２）上記目的を達成するために、上記構成（１）において、複数のフィン部の間の隙間が複数設けられ、各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配列され、隣り合う隙間に配列された複数のピンが交互にずれて配置されることが好ましい。
上記構成（２）によれば、上記構成（１）の作用に加え、長手方向に沿って複数の波形状が間隔を置いて形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、その長手方向に沿って複数の括れ部と複数の膨らみ部が交互に並んで配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、繰り返し乱流が起きる。加えて、複数の隙間の上端側には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、それら隙間の上端側にて複数のピンを乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。
（３）上記目的を達成するために、上記構成（１）又は上記構成（２）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことが好ましい。
上記構成（３）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の作用に加え、各ピンは、そのテーパ形状によって、複数のフィン部の間の隙間にスムーズに圧入される。
（４）上記目的を達成するために、上記構成（１）又は上記構成（２）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、ネジが隣り合うフィン部の間にねじ込まれて圧入されることが好ましい。
上記構成（４）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の作用に加え、複数のフィン部の間の隙間に単にピンを圧入するのとは異なり、複数のフィン部の間にネジをねじ込むことで、ネジが隙間に圧入されてフィン部が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりネジに小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がネジに与えられる。
（５）上記目的を達成するために、本発明の別の態様は、複数のフィン部と、複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器の製造方法であって、複数のフィン部が互いに平行かつストレート形状をなすように冷却フィンを押出し成形する工程と、押出し成形された冷却フィンの複数のフィン部の間の隙間に、その隙間の幅よりも幅広な複数のピンをフィン部の先端側からベース部へ向けて圧入し、複数のフィン部を塑性変形により波形状に形成すると共に、複数のピンをベース部から離した状態で複数のフィン部の間に固定する工程とを備えたことを趣旨とする。
上記構成（５）によれば、複数のフィン部を波形状に塑性変形させる複数のピンは、複数のフィン部の間の隙間に圧入されてそのまま隙間に残ることとなり、それらピンを隙間から引き抜く必要がない。この熱交換器を発熱体に直接又は間接に接触させ、隙間に冷媒を流すことにより、発熱体で発生する熱がフィン部を介して冷媒に放出される。また、波形状に形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、括れ部と膨らみ部ができるので、この隙間を流れる冷媒には、乱流が起きる。加えて、この隙間の上端側にピンが配置されるので、この隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にてピンを乗り越えるときに乱流が起きる。
（６）上記目的を達成するために、上記構成（５）において、複数のフィン部の間の隙間を複数設け、各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンを間隔を置いて配列し、隣り合う隙間に配列した複数のピンを交互にずらして配置することが好ましい。
上記構成（６）によれば、上記構成（５）の作用に加え、長手方向に沿って複数の波形状が間隔を置いて形成された隣り合うフィン部の間の隙間には、その長手方向に沿って複数の括れ部と複数の膨らみ部が交互に並んで配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、繰り返し乱流が起きる。加えて、複数の隙間の上端側には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配置される。従って、複数の隙間を流れる冷媒には、隙間の上端側にて複数のピンを乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。
（７）上記目的を達成するために、上記構成（５）又は上記構成（６）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことが好ましい。
上記構成（７）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の作用に加え、各ピンは、そのテーパ形状によって、複数のフィン部の間の隙間にスムーズに圧入される。
（８）上記目的を達成するために、上記構成（５）又は上記構成（６）において、複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、ネジのねじ込みにより隙間に圧入することが好ましい。
上記構成（８）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の作用に加え、複数のフィン部の間の隙間に単にピンを圧入することとは異なり、複数のフィン部の間にネジをねじ込むことで、ネジが圧入されてフィン部が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりネジに小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がネジに与えられる。
上記構成（１）によれば、製造時に治具の耐久性を考慮する必要がなく、複数のフィン部の間に残る複数のピンにより構造上の剛性及び強度を高めることができる。また、複数のフィン部の間の隙間に冷媒を流すことで、冷媒の乱流を促進して各フィン部から冷媒へ放出させる熱量を増やすことができ、冷却性能を向上させることができる。
上記構成（２）によれば、上記構成（１）の効果に加え、複数の隙間を流れる冷媒に繰り返し乱流を起こすことでより一層乱流を促進することができ、冷却性能を更に向上させることができる。
上記構成（３）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にピンを容易に圧入することができる。
上記構成（４）によれば、上記構成（１）又は上記構成（２）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にネジを圧入するために必要以上に大きい軸力をネジに与える必要がなく、フィン部の間からのネジが抜け落ちることを防止することができる。
上記構成（５）によれば、製造時に治具の耐久性を考慮する必要がなく、複数のフィン部の間に残る複数のピンにより構造上の剛性及び強度を高めることができる。また、複数のフィン部の間の隙間に冷媒を流すことで、冷媒の乱流を促進して各フィン部から冷媒へ放出させる熱量を増やすことができ、冷却性能を向上させることができる。
上記構成（６）によれば、上記構成（５）の効果に加え、複数の隙間を流れる冷媒に繰り返し乱流を起こすことでより一層乱流を促進することができ、冷却性能を更に向上させることができる。
上記構成（７）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にピンを容易に圧入することができる。
上記構成（８）によれば、上記構成（５）又は上記構成（６）の効果に加え、複数のフィン部の間の隙間にネジを圧入するために必要以上に大きい軸力をネジに与える必要がなく、フィン部の間からのネジが抜け落ちることを防止することができる。
第１実施形態に係り、熱交換器を示す平面図。 同じく、熱交換器を示す図１の２−２線断面図。 同じく、熱交換器を示す図１の鎖線楕円の部分の拡大平面図。 同じく、熱交換器を示す図３の４−４線断面図。 同じく、熱交換器の製造方法を示すフローチャート。 同じく、冷却フィンの押出し成形の様子を示す斜視図。 同じく、押出し成形された直後の冷却フィンを示す斜視図。 同じく、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部の間の隙間に複数のピンを圧入する様子を示す正面図。 同じく、冷却装置の一部構成を示す平面図。 同じく、冷却装置の全体を図９の１０−１０線位置で切断して示す断面図。 同じく、冷却装置の一部を図１０の１１−１１線位置で切断して示す断面図。 同じく、冷却装置の一部を図１１の１２−１２線位置で切断して示す断面図。 第２実施形態に係り、熱交換器を示す図３に準ずる部分拡大平面図。 同じく、熱交換器を示す図１３の１４−１４線断面図。 別の実施形態に係り、ピンを示す正面図。
［第１実施形態］
以下、本発明の熱交換器及びその製造方法を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
図１に、この実施形態の熱交換器２１を平面図により示す。図２に、熱交換器２１を図１の２−２線断面図により示す。図３に、熱交換器２１を図１の鎖線楕円Ｓ１で囲んだ部分のみ拡大平面図により示す。図４に、熱交換器２１を図３の４−４線断面図により示す。
図１〜図４に示すように、この熱交換器２１は、複数のフィン部２２と、複数のフィン部２２を支持するベース部２３とからなるアルミニウム製の冷却フィン２４を備える。この熱交換器２１は、互いに平行かつストレート形状に形成された複数のフィン部２２の間の隙間２５に、それら隙間２５の幅よりも幅広な複数のピン２６がフィン部２２の先端側からベース部２３へ向けて圧入される。これにより、複数のフィン部２２が塑性変形により波形状に形成され、複数のピン２６がベース部２３から離れた状態で複数のフィン部２２の間に固定される。図２及び図４に示すように、各ピン２６は、フィン部２２の先端側部分にのみ圧入される。これにより、隣り合うフィン部２２は、ピン２６の圧入部分がベース部２３へ向けて略Ｖ形に塑性変形している。
図１〜図４に示すように、複数のフィン部２２の間の隙間２５は複数設けられる。各隙間２５には、その長手方向に沿って複数のピン２６が等間隔を置いて配列される。また、隣り合う隙間２５に配列された複数のピン２６は、交互にずれて配置される。このように複数のピン２６が冷却フィン２４に対して規則的に配置されることで、複数のフィン部２２が規則的な波形状に形成される。
図２及び図４に示すように、各ピン２６は、アルミニウムにより形成され、それぞれ平面視で略四角形状をなし、側面の全体がテーパ形状をなしている。従って、各ピン２６は、そのテーパ形状をなす側面によって、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にスムーズに圧入される。このため、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にピン２６を容易に圧入することができる。
次に、上記した熱交換器２１の製造方法について説明する。図５に、この製造方法をフローチャートにより示す。図６に、冷却フィン２４の押出し成形の様子を斜視図により示す。図７に、押出し成形された直後の冷却フィン２４を斜視図により示す。図８に、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部２２の間の隙間２５に複数のピン２６を圧入する様子を正面図により示す。
この熱交換器２１を製造するには、先ず最初に、図５の（１）に示す「冷却フィン押出し成形工程」を実施する。すなわち、この工程では、複数のフィン部２２が互いに平行かつストレート形状をなすように冷却フィン２４を押出し成形する。この工程は、例えば、図６に示すように、押出し成形機３１のダイス３２にて櫛歯状に形成された貫通孔３３からストレート形状をなす複数のフィン部２２とベース部２３を一体的に押し出すことで行われる。この工程により、図７に示すように、平坦なベース部２３の上に複数のフィン部２２が互いに平行かつストレート形状に形成された冷却フィン２４が得られる。
次に、図５の（２）に示す「ピン圧入固定工程」を実施する。すなわち、この工程では、図８に示すように、ストレート形状に押出し成形された複数のフィン部２２の間の隙間２５に、その隙間２５の幅よりも幅広な複数のピン２６をフィン部２２の先端側からベース部２３へ向けて圧入する。そして、複数のフィン部２２を塑性変形により、図１及び図３に示すように波形状に形成すると共に、図２及び図４に示すように、複数のピン２６をベース部２３から離した状態で複数のフィン部２２の間に固定する。この工程により、図１及び図２に示すように、複数のフィン部２２が、複数のピン２６によって波形状に形成された熱交換器２４が得られる。
以上説明したこの実施形態の熱交換器２１及びその製造方法によれば、複数のフィン部２２を波形状に塑性変形させる複数のピン２６は、複数のフィン部２２の間の隙間２５に圧入されてそのまま隙間２５に残ることとなり、それらピン２６を隙間２５から引き抜く必要がない。従って、従来例のようにフィン部の間の隙間に挿入される治具（ピン）が片当たりして治具（ピン）が折損したり、無理に抜こうとして治具（ピン）が折損したりするおそれがない。このため、製造時に治具（ピン）の耐久性を考慮する必要がない。また、複数のフィン部２２の間の隙間２５に残る複数のピン２６により、熱交換器２１として構造上の剛性及び強度を高めることができる。
また、この実施形態の熱交換器２１の製造方法によれば、押出し成形された冷却フィン２４の複数のフィン部２２の間の隙間２５に対し、複数のピン２６を一斉に圧入することが可能である。例えば、複数のピン２６を冷却フィン２４の複数の隙間２５に、先端部のみ仮刺ししてから、複数のピン２６を上から加圧器等により一斉に押圧することで、複数のピン２６を一斉に圧入することができる。このため、各ピン２６を個別に圧入する場合に比べ、工程の簡略化を図ることができる。
次に、上記した熱交換器２１を使用した冷却装置について以下に説明する。図９に、この実施形態の冷却装置４１の一部を平面図により示す。図１０に、冷却装置４１の全体を図９の１０−１０線位置で切断した断面図により示す。図１１に、冷却装置４１の一部を図１０の１１−１１線位置で切断した断面図により示す。図１２に、冷却装置４１の一部を図１１の１２−１２線位置で切断した断面図により示す。
図１０に示すように、この実施形態の冷却装置４１は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される、発熱性の高い電力変換用の半導体素子４２を冷却するように構成される。すなわち、この冷却装置４１は、平面四角形状をなし、有底の浅い箱形をなす冷却ケース４３と、その冷却ケース４３の中にベース部２３を下にして収容された熱交換器２１と、熱交換器２１を収容した状態で冷却ケース４３の上面開口４３ａを覆う蓋４４と、蓋４４の上面に固定されたヒートスプレッダ４５とを備える。発熱性の高い半導体素子４１は、ヒートスプレッダ４５の上面に固定される。図９及び図１０に示すように、冷却ケース４３は、上面側外周にフランジ４３ｂを有する。蓋４４は、このフランジ４３ｂの上面と熱交換器２１の上面（複数のピン２６が現れる側）に、「ろう付け」により接合される。この接合状態で、複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５は、蓋４４により覆われることで、冷媒としての冷却水の流路を構成する。また、図９に示すように、冷却ケース４３の底壁には、冷却水を導入する入口４３ｃと、冷却水を導出する出口４３ｄが形成される。
従って、上記した冷却装置４１によれば、入口４３ｃから冷却ケース４３の中に冷却水が供給されることにより、その冷却水が複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５を流れ、出口４３ｄから外部へ導出される。このとき半導体素子４２で発生する熱は、ヒートスプレッダ４５、蓋４４及び複数のフィン部２２を経由して、複数の隙間２５を流れる冷却水へ放出される。この放熱により半導体素子４２を冷却することができる。
また、この冷却装置４１は、上記した熱交換器２１を使用していることから、図１２に示すように、複数のフィン部２２には、その長手方向に沿って複数の波形状が所定間隔を置いて形成されることとなり、複数のフィン部２２の間の複数の隙間２５には、その長手方向に沿って括れ部２５ａと膨らみ部２５ｂが交互に並ぶこととなる。従って、これら隙間２５を流れる冷却水には、図１２に太矢印で示すように、複数の膨らみ部２５ｂにて繰り返し乱流が起きることとなる。また、複数の括れ部２５ａでも乱流が起きる可能性がある。このため、冷却水の乱流により各フィン部２２から冷却水へ放出させる熱量を増やすことができ、熱交換器２１としての冷却性能を向上させることができる。
加えて、図１１に示すように、上記した複数の隙間２５の上端側には、それら隙間２５の長手方向に沿って複数のピン２６が所定間隔を置いて配置されることとなる。従って、これら隙間２５を流れる冷却水には、図１１に太矢印で示すように、各隙間２５の上端側にて複数のピン２６を乗り越えるときに繰り返し乱流が起きる。このため、各隙間２５において冷却水の乱流を促進することができ、各フィン部２２から冷却水へ放出される熱量を更に増やすことができ、熱交換器２１としての冷却性能をより一層向上させることができる。
つまり、この実施形態の熱交換器２１を使用した冷却装置４１では、複数のフィン部２２の波形状により冷却水の乱流を促進する効果が得られ、これに加えて、複数のピン２６により冷却水の乱流を更に促進する効果が得られる。よって、これら２通りの乱流促進効果が相乗的に作用して、熱交換器２１及び冷却装置４１としての冷却性能を高めることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の熱交換器及びその製造方法を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
図１３に、この実施形態の熱交換器を図３に準ずる部分拡大平面図により示す。図１４に、この熱交換器を図１３の１４−１４線断面図により示す。この実施形態では、複数のピンの構成の点で第１実施形態と構成が異なる。すなわち、この実施形態では、複数のピンとして、複数のテーパネジ２７が使用される。各テーパネジ２７は、図１３に示すように、上面に十字溝２７ａが形成され、図１４に示すように、外周の全体がテーパ形状をなしている。そして、これらテーパネジ２７は、隣り合うフィン部２２の間の隙間２５にねじ込みにより圧入される。この実施形態のその他の構成は、第１実施形態のそれと基本的に同じである。
従って、この実施形態の熱交換器によれば、複数のフィン部２２の間の隙間２５に、単にピンを圧入するのとは異なり、複数のフィン部２２の間にテーパネジ２７をねじ込むことで、テーパネジ２７が隙間２５に圧入されて隣り合うフィン部２２が押し曲げられ、波形状に塑性変形する。ここでは、ネジ回し治具によりテーパネジ２７に小さなトルクを加えるだけで、推力とテーパ形状による楔力がテーパネジ２７に与えられる。このため、複数のフィン部２２の間の隙間２５にテーパネジ２７を圧入するために必要以上に大きな軸力をテーパネジ２７に与える必要がない。また、圧入後はテーパネジ２７のネジ山がフィン部２２に係合することとなる。このため、その後に、フィン部２２の間からテーパネジ２７が抜け落ちることを防止することができる。
この実施形態の熱交換器及びその製造方法に係るその他の作用効果、並びに、この実施形態の熱交換器を使用した冷却装置に係る作用効果については、第１実施形態のそれと基本的に同じである。
なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することができる。
前記各実施形態では、側面の全体がテーパ形状をなしたピン２６やテーパネジ２７を使用したが、図１５に正面図により示すように、側面の先端部２８ａだけテーパ形状をなしたピン２８やネジを使用することもできる。
この発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電力変換装置を冷却するための冷却装置に利用することができる。
２１ 熱交換器
２２ フィン部
２３ ベース部
２４ 冷却フィン
２５ 隙間
２５ａ 括れ部
２５ｂ 膨らみ部
２６ ピン
２７ テーパネジ（ピン）
２８ ピン
２８ａ 先端部

Claims (8)

  1. 複数のフィン部と、前記複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器であって、
    互いに平行かつストレート形状に形成された複数のフィン部の間の隙間に、その隙間の幅よりも幅広な複数のピンが前記フィン部の先端側から前記ベース部へ向けて圧入されることにより、前記複数のフィン部が塑性変形により波形状に形成され、前記複数のピンが前記ベース部から離れた状態で前記複数のフィン部の間に固定されたことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記複数のフィン部の間の隙間が複数設けられ、前記各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンが間隔を置いて配列され、隣り合う隙間に配列された複数のピンが交互にずれて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
  4. 前記複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、前記ネジのねじ込みにより前記隙間に圧入されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
  5. 複数のフィン部と、前記複数のフィン部を支持するベース部とからなる冷却フィンを備えた熱交換器の製造方法であって、
    前記複数のフィン部が互いに平行かつストレート形状をなすように前記冷却フィンを押出し成形する工程と、
    前記押出し成形された前記冷却フィンの前記複数のフィン部の間の隙間に、その隙間の幅よりも幅広な複数のピンを前記フィン部の先端側から前記ベース部へ向けて圧入し、前記複数のフィン部を塑性変形により波形状に形成すると共に、前記複数のピンを前記ベース部から離した状態で前記複数のフィン部の間に固定する工程と
    を備えたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
  6. 前記複数のフィン部の間の隙間を複数設け、前記各隙間には、その長手方向に沿って複数のピンを間隔を置いて配列し、隣り合う隙間に配列した複数のピンを交互にずらして配置したことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器の製造方法。
  7. 前記複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換器の製造方法。
  8. 前記複数のピンは、少なくとも先端がテーパ形状をなすネジにより構成され、前記ネジのねじ込みにより前記隙間に圧入したことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換器の製造方法。
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