JP2010040757A - 電子部品冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品冷却器１の各階に複数の電子部品５を冷媒の流れ方向と平行する方向に配する場合において、冷媒加圧源の能力を高めることなく、下流側の電子部品５に関して充分に冷却できるようにする。
【解決手段】上流側のフィン１１に関して伝熱面積を下げて流通抵抗を下げることにより、下流側の電子部品５と冷媒との温度差を拡大したり、冷媒加圧源の能力に対する余力を発生させたりする。この結果、下流側の電子部品５に関して、冷媒との温度差拡大により熱伝達量を高めたり、下流側のフィン１１に関して、新たに生じた余力に応じて熱伝達係数や伝熱面積を向上させたりすることができる。この結果、電子部品冷却器１の各階に複数の電子部品５を冷媒の流れ方向と平行する方向に配する場合において、冷媒加圧源の能力を高めることなく、下流側の電子部品５に関して充分に冷却できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品冷却器に関する。

従来から、インバータ等の電子部品を冷却するために、冷媒が流れるチューブと、電子部品とが交互に積層された電子部品冷却器が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。この電子部品冷却器は、冷媒が流れる複数のチューブと、複数のチューブに冷媒を分配する上流側ヘッダと、複数のチューブに分配された冷媒を合流させる下流側ヘッダと、冷媒により冷却される複数の電子部品とを備え、電子部品は２つのチューブにより挟持されている。

そして、ヘッダから各々のチューブに分配された冷媒が同一方向に流れることで、電子部品が冷却される。また、チューブ内には、フィンが配されて電子部品から冷媒への熱伝達量が高められ、電子部品の冷却が促進されている（なお、以下の説明では、電子部品を挟持するために１組のチューブにより形成される領域を「階」と呼ぶ）。

また、この電子部品冷却器では、主に、積層方向の高さを抑制するため、１つの階に挟持される電子部品の数を増やす検討がなされている。そして、特許文献１の電子部品冷却器によれば、各階に、複数の電子部品を冷媒の流れ方向と直交する方向に配することで、積層方向高さを抑制している。

ところで、近年の電子部品の増加に伴い、各階に配する電子部品の数をさらに増加させるべく、冷媒の流れ方向と平行する方向に複数の電子部品を配する要請がある。また、電子部品冷却器の設置場所に基づく制約により、冷媒の流れ方向と平行する方向にのみ複数の電子部品を配さなければならない場合もある。

そして、このように冷媒の流れ方向と平行する方向に複数の電子部品を配する場合、各電子部品を確実に冷却するために、各フィンの熱伝達能力（つまり、熱伝達係数と伝熱面積との積）をさらに向上させる必要がある。しかし、フィンの熱伝達係数や伝熱面積が向上すると流通抵抗が増加して冷媒がフィンを通過しにくくなるため、ポンプ等の冷媒加圧源の能力を高める必要があり、初期コストが高くなるとともに運転コストも高くなる虞がある。
特開２００６−２８７１０８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、電子部品冷却器の各階に複数の電子部品を冷媒の流れ方向と平行する方向に配する場合において、冷媒加圧源の能力を高めることなく、下流側の電子部品に関しても充分に冷却できるようにすることにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の電子部品冷却器は、冷媒が流れる複数のチューブと、複数のチューブに冷媒を分配するヘッダと、冷媒により冷却される複数の電子部品とを備え、チューブと電子部品とは交互に積層され、電子部品は２つのチューブにより挟持されている。そして、ヘッダから各々のチューブに分配された冷媒が同一方向に流れることで、電子部品が冷却される。

また、少なくとも２つ以上の電子部品が冷媒の流れ方向と平行に配されて、２つのチューブ間に挟持され、チューブ内には、電子部品から冷媒への熱伝達量を高める複数のフィンが冷媒の流れ方向と平行に配され、個々のフィンは、電子部品の直下または直上に配されている。そして、冷媒の流れ方向に隣り合う２つのフィンの組合せには、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィンの方が下流側のフィンよりも小さい組合せが含まれている。

これにより、上、下流側の２つのフィン全体の流通抵抗を上げることなく、下流側の電子部品に関しても充分に冷却できるように、上、下流側の２つのフィンを設定することができる。

すなわち、冷媒の流れ方向と平行する方向に複数の電子部品を配する場合、上、下流側の２つのフィンの熱伝達能力を同等に設定すると、上流側の電子部品は、下流側の電子部品よりも冷媒との温度差が大きいことから必要以上に冷却される虞がある。また、下流側の電子部品は、上流側の電子部品から熱伝達を受けて昇温した冷媒によって冷却されるため、上流側の電子部品よりも冷媒との温度差が小さくなって冷却が困難になる虞がある。

そこで、上流側のフィンに関して熱伝達能力を下げて流通抵抗を下げることにより、下流側の電子部品と冷媒との温度差を拡大したり、冷媒加圧源の能力に対する余力を発生させたりする。この結果、下流側の電子部品に関して、冷媒との温度差拡大により熱伝達量を高めたり、下流側のフィンに関して、新たに生じた余力に応じて熱伝達係数や伝熱面積を向上させたりすることができる。

以上により、電子部品冷却器の各階に複数の電子部品を冷媒の流れ方向と平行する方向に配する場合において、冷媒加圧源の能力を高めることなく、下流側の電子部品に関しても充分に冷却できるようになる。

なお、１つのチューブ内に複数のフィンを冷媒の流れ方向と平行に配することでも、冷媒と電子部品との間の熱伝達を促進することができる。
ここで、冷媒と電子部品との間の熱伝達は、冷媒の流れが乱れているほど促進される。そして、電子部品冷却器では、１つのヘッダから多数のチューブに冷媒が分岐して流れるため、１つのチューブに分配される冷媒の流量が少なくなってチューブ内の冷媒の流れが層流になり、熱伝達の効率が低下する虞が高い。

このようなチューブ内の層流化に対し、１つのチューブ内に複数のフィンを冷媒の流れ方向と平行に配することで、冷媒の流れの乱れを促進して熱伝達の効率を高めることができる。すなわち、上流側のフィンに沿って流れた冷媒は、上流側のフィンの下流端において流れが乱れた後、下流側のフィンに達して下流側のフィンに沿って流れようとする。そして、一旦乱れた冷媒の流れは、下流側のフィンに沿って流れる間に、再度、流れを整えて層流化する。

このため、１つのチューブ内に複数のフィンを冷媒の流れ方向と平行に配し、複数のフィンに逐次沿うように冷媒を流すことで、単一のフィンに沿って冷媒を流す場合よりも、冷媒の流れを乱して冷媒と電子部品との間の熱伝達を促進することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の電子部品冷却器によれば、下流側のフィンは、フィン山に段を有する。
この手段は、下流側のフィンに関して、伝熱面積を高めるための一形態を示すものである。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の電子部品冷却器によれば、下流側のフィンは、上流側のフィンよりもフィン山ピッチが小さい。
この手段は、下流側のフィンに関して、熱伝達係数および伝熱面積を両方とも高めるための一形態を示すものである。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の電子部品冷却器によれば、下流側のフィンにはオフセットフィンが採用されている。
この手段は、下流側のフィンに関して、熱伝達係数を高めるための一形態を示すものである。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の電子部品冷却器によれば、下流側のフィンにはウェーブフィンが採用されている。
この手段は、下流側のフィンに関して、熱伝達係数および伝熱面積を両方とも高めるための一形態を示すものである。

最良の形態１の電子部品冷却器は、冷媒が流れる複数のチューブと、複数のチューブに冷媒を分配するヘッダと、冷媒により冷却される複数の電子部品とを備え、チューブと電子部品とは交互に積層され、電子部品は２つのチューブにより挟持されている。そして、冷媒の流れ方向に隣り合う２つのフィンの組合せには、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィンの方が下流側のフィンよりも小さい組合せが含まれている。

また、少なくとも２つ以上の電子部品が冷媒の流れ方向と平行に配されて、２つのチューブ間に挟持され、チューブ内には、電子部品から冷媒への熱伝達量を高める複数のフィンが冷媒の流れ方向と平行に配され、個々のフィンは、電子部品の直下または直上に配されている。そして、冷媒の流れ方向に隣り合う２つのフィンの組合せには、熱伝達係数と伝熱面積との積に関して下流側のフィンの方が上流側のフィンよりも大きい組合せが含まれている。
また、下流側のフィンは、フィン山に段を有する。

最良の形態２の電子部品冷却器よれば、下流側のフィンは、上流側のフィンよりもフィン山ピッチが小さい。
最良の形態３の電子部品冷却器よれば、下流側のフィンにはオフセットフィンが採用されている。
最良の形態４の電子部品冷却器よれば、下流側のフィンにはウェーブフィンが採用されている。

〔実施例１の構成〕
実施例１の電子部品冷却器１の構成を、図面を用いて説明する。なお、説明の便宜のため、図１に示すように上下方向、左右方向および冷媒の流れ方向（図面上、単に「流れ方向」とのみ表示）を定義する。

電子部品冷却器１は、図１に示すように、冷媒が流れる複数のチューブ２と、複数のチューブ２に冷媒を分配する上流側ヘッダ３と、複数のチューブ２に分配された冷媒を合流させる下流側ヘッダ４と、冷媒により冷却される複数の電子部品５とを備える。また、チューブ２と電子部品５とは上下方向に交互に積層され、電子部品５は２つのチューブ２により上下方向に挟持されている。そして、所定の冷媒加圧源により加圧された冷媒が、上流側ヘッダ３から各々のチューブ２に分配され、各々のチューブ２に分配された冷媒が同一方向に流れることで、電子部品５が冷却される。

チューブ２は、上下方向に垂直な扁平形状をなしており、上側の壁をなす上側パーツ８と下側の壁をなす下側パーツ９とが左右の両端で接合されて設けられている。また、上側、下側パーツ８、９は、平板状の中間プレート１０を左右の両端で挟持するように接合され、上側、下側パーツ８、９により形成される空間は、中間プレート１０により上下に２分割されている。そして、中間プレート１０により分割された各空間に、電子部品５から冷媒への熱伝達量を高めるフィン１１が収容されて、中間プレート１０および上側パーツ８または下側パーツ９に接合されている。

上流側ヘッダ３は、上側、下側パーツ８、９の各々の上流端に設けられた突出部が上下方向に嵌合することで構成されている。すなわち、上側パーツ８の上流端には上方に筒状に突出する上側突出部１３が設けられ、下側パーツ９の上流端には下方に筒状に突出する下側突出部１４が設けられている。そして、電子部品５を上下に挟む上下一組のチューブ２において、上側のチューブ２の下側突出部１４および下側のチューブ２の上側突出部１３の一方を他方に嵌合させ、この嵌合構造を上下方向に繰返し形成することで上流側ヘッダ３が設けられている。
下流側ヘッダ４も、上流側ヘッダ３と同様にして設けられている。

電子部品５は、図２に示すように、例えばＭＯＳＦＥＴにより構成されるインバータ回路のような発熱素子１６、および、発熱素子１６から受熱した熱を分散する金属製の熱拡散板１７等を、樹脂モールドにより一体化したものである。そして、電子部品５は、上下一組のチューブ２により挟持され、上下の２つのチューブ２を流れる冷媒により冷却される（なお、以下の説明では、電子部品５を挟持するために上下１組のチューブ２により形成される領域を「階」と呼ぶ）。

〔実施例１の特徴〕
実施例１の電子部品冷却器１の特徴を、図面を用いて説明する。
電子部品冷却器１によれば、１つの階に２つの電子部品５が冷媒の流れ方向と平行に配されている。同様に、２つのフィン１１が冷媒の流れ方向と平行に配されている。すなわち、１つのチューブ２には、上側、下側パーツ８、９により形成され中間プレート１０により分割された２つの空間のそれぞれに２つのフィン１１が収容され、冷媒の流れ方向と平行に配されている。

つまり、１つのチューブ２内は中間プレート１０により上下に２分割され、２つの冷媒の流路が形成されている。そして、各々の流路に、２つのフィン１１が冷媒の流れ方向と平行に配されている。

また、上側の流路に収容されるフィン１１は、チューブ２の上側にある電子部品５の直下に配され、下側の流路に収容されるフィン１１は、チューブ２の下側にある電子部品５の直上に配されている。そして、上側の流路に収容される２つのフィン１１は、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも小さい。同様に、下側の流路に収容される２つのフィン１１も、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも小さい。

すなわち、図１（ｃ）および図３に示すように、上流側のフィン１１は、冷媒の流れ方向に垂直な断面が左右方向に山と谷とが繰り返される波形を呈する。そして、下流側のフィン１１は、冷媒の流れ方向に垂直な断面が左右方向に山と谷とが繰り返されるとともに、山の頂部１９と谷の底部２０との中間に段２１が設けられる階段状波形を呈する。

つまり、上流側のフィン１１は、山の頂部１９および谷の底部２０が冷媒の流れ方向と平行に伸びる単純な波形パラレルフィンであり、下流側のフィン１１は、山の頂部１９および谷の底部２０とともに段２１が冷媒の流れ方向と平行に伸びる階段状の波形パラレルフィンである。このため、上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも伝熱面積が小さくなって流通抵抗が小さくなる。なお、下流側のフィン１１では、山の頂部１９と段２１との間、および谷の底部２０と段２１との間は略垂直に連なっている。

〔実施例１の効果〕
実施例１の電子部品冷却器１によれば、２つの電子部品５が冷媒の流れ方向と平行に配されて、上下１組のチューブ２間に挟持され、チューブ２内の冷媒の各流路には、電子部品５から冷媒への熱伝達量を高める２つのフィン１１が冷媒の流れ方向と平行に配され、個々のフィン１１は、電子部品５の直下または直上に配されている。そして、２つのフィン１１は、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも小さい。

これにより、上、下流側の２つのフィン１１全体の流通抵抗を上げることなく、下流側の電子部品５に関しても充分に冷却できるように、上、下流側の２つのフィン１１を設定することができる。

すなわち、冷媒の流れ方向と平行する方向に２つの電子部品５を配する場合、上、下流側の２つのフィン１１の熱伝達能力を同等に設定すると、上流側の電子部品５は、下流側の電子部品５よりも冷媒との温度差が大きいことから必要以上に冷却される虞がある。また、下流側の電子部品５は、上流側の電子部品５から熱伝達を受けて昇温した冷媒によって冷却されるため、上流側の電子部品５よりも冷媒との温度差が小さくなって冷却が困難になる虞がある。

そこで、上流側のフィン１１に関して伝熱面積を下げて流通抵抗を下げることにより、下流側の電子部品５と冷媒との温度差を拡大したり、冷媒加圧源の能力に対する余力を発生させたりする。この結果、下流側の電子部品５に関して、冷媒との温度差拡大により熱伝達量を高めたり、下流側のフィン１１に関して、新たに生じた余力に応じて熱伝達係数や伝熱面積を向上させたりすることができる。

以上により、電子部品冷却器１の各階に２つの電子部品５を冷媒の流れ方向と平行する方向に配する場合において、冷媒加圧源の能力を高めることなく、下流側の電子部品５に関しても充分に冷却できるようになる。

なお、１つのチューブ２内の各流路に２つのフィン１１を冷媒の流れ方向と平行に配することで、冷媒と電子部品５との間の熱伝達を促進することができる。
ここで、冷媒と電子部品５との間の熱伝達は、冷媒の流れが乱れているほど促進される。そして、電子部品冷却器１では、１つの上流側ヘッダ３から多数のチューブ２に冷媒が分岐して流れ、さらに、１つのチューブ２内で上下の２流路に分岐して流れるため、各流路に分配される冷媒の流量が少なくなって各流路の冷媒の流れが層流になり、熱伝達の効率が低下する虞が高い。

このような層流化に対し、チューブ２内の各流路に２つのフィン１１を冷媒の流れ方向と平行に配することで、冷媒の流れの乱れを促進して熱伝達の効率を高めることができる。すなわち、上流側のフィン１１に沿って流れた冷媒は、上流側のフィン１１の下流端において流れが乱れた後、下流側のフィン１１に達して下流側のフィン１１に沿って流れようとする。そして、一旦乱れた冷媒の流れは、下流側のフィン１１に沿って流れる間に、再度、流れを整えて層流化する。

このため、チューブ２内の各流路に２つのフィン１１を冷媒の流れ方向と平行に配し、２つのフィン１１に逐次沿うように冷媒を流すことで、単一のフィン１１に沿って冷媒を流す場合よりも、冷媒の流れを乱して冷媒と電子部品５との間の熱伝達を促進することができる。

〔実施例２〕
実施例２の電子部品冷却器１によれば、図４に示すように、上流側、下流側のフィン１１は両方とも、単純な波形パラレルフィンであり、下流側のフィン１１は、上流側のフィン１１よりもフィン山ピッチが小さい。
これにより、上流側のフィン１１に関して、熱伝達係数および伝熱面積を両方とも下流側のフィン１１よりも低めに設定して流通抵抗を下げることができる。

〔実施例３〕
実施例３の電子部品冷却器１によれば、図５に示すように、上流側のフィン１１は単純な波形パラレルフィンであり、下流側のフィン１１にはオフセットフィンが採用されている。
これにより、上流側のフィン１１に関して、熱伝達係数を下流側のフィン１１よりも低めに設定して流通抵抗を下げることができる。なお、オフセットフィンとは、冷媒の流れ方向と平行な山の頂部１９および谷の底部２０が左右方向にずれて冷媒の流れ方向に関し非連続となる非連続断面が所定の間隔で繰り返されるものである。

〔実施例４〕
実施例４の電子部品冷却器１によれば、図６に示すように、上流側のフィン１１は単純な波形パラレルフィンであり、下流側のフィン１１にはウェーブフィンが採用されている。
これにより、上流側のフィン１１に関して、熱伝達係数および伝熱面積を両方とも下流側のフィン１１よりも低めに設定して流通抵抗を下げることができる。なお、ウェーブフィンとは、山の頂部１９および谷の底部２０が冷媒の流れ方向に対し所定の傾斜角を有するように設けられ、さらに、この傾斜角が冷媒の流れ方向に関して所定の間隔ごとに正負逆転するものである。

〔変形例〕
実施例１〜４の電子部品冷却器１によれば、各階に２つの電子部品５が冷媒の流れ方向と平行に配されていたが、各階に３つ以上の電子部品５を冷媒の流れ方向と平行に配し、チューブ２内の各流路に電子部品５と同数のフィン１１を配してもよい。つまり、チューブ２内の各流路に、３つ以上のフィン１１を冷媒の流れ方向と平行に配してもよい。この場合、冷媒の流れ方向に隣り合う２つのフィン１１の組合せに、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも小さい組合せが少なくとも１つ含まれるように、フィン１１を選択して配すればよい。

また、実施例１〜４の電子部品冷却器１によれば、チューブ２内の冷媒の流路は中間プレート１０により上下に分割され、分割された各流路にフィン１１が収容されていたが、中間プレート１０によりチューブ２内の流路を分割せず単一の流路とし、単一の流路にフィン１１を収容してもよい。
実施例１の電子部品冷却器１によれば、下流側のフィン１１には、山の頂部１９と谷の底部２０との中間に段２１が１つだけ設けられていたが、２つ以上の段２１を山の頂部１９と谷の底部２０との間に設けてもよい。

また、実施例１〜４の電子部品冷却器１によれば、上流側のフィン１１は、単純な波形パラレルフィンであり、下流側のフィン１１は、階段状の波形パラレルフィン、フィン山ピッチが小さい単純な波形パラレルフィン、オフセットフィンまたはウェーブフィンであったが、冷媒の流通抵抗に関して上流側のフィン１１の方が下流側のフィン１１よりも小さければ、これらの態様に限定されない。

例えば、上流側のフィン１１にウェーブフィンを採用し、下流側のフィン１１に階段状の波形パラレルフィンを採用してもよい。また、１つのフィン１１に、例えば、波形パラレルフィンの部分とオフセットフィンの部分とを含めてもよい。

（ａ）は電子部品冷却器を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である（実施例１）。 電子部品の構成図である（実施例１）。 （ａ）は、上流側のフィンの断面を示す図１（ｃ）のＣ−Ｃ断面図であり、（ｂ）は、下流側のフィンの断面を示す図１（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である（実施例１）。 （ａ）はチューブ内を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である（実施例２）。 （ａ）はチューブ内を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＨ−Ｈ断面図である（実施例３）。 （ａ）はチューブ内を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＪ−Ｊ断面図である（実施例４）。

符号の説明

１ 電子部品冷却器
２ チューブ
３ 上流側ヘッダ（ヘッダ）
５ 電子部品
１１ フィン

Claims (5)

1. 冷媒が流れる複数のチューブと、この複数のチューブに冷媒を分配するヘッダと、冷媒により冷却される複数の電子部品とを備え、
   前記チューブと前記電子部品とは交互に積層され、前記電子部品は２つの前記チューブにより挟持され、
   前記ヘッダから各々の前記チューブに分配された冷媒が同一方向に流れることで、前記電子部品が冷却される電子部品冷却器において、
   少なくとも２つ以上の前記電子部品が冷媒の流れ方向と平行に配されて、２つの前記チューブ間に挟持され、
   前記チューブ内には、前記電子部品から冷媒への熱伝達量を高める複数のフィンが冷媒の流れ方向と平行に配され、
   個々の前記フィンは、前記電子部品の直下および直上に配され、
   前記冷媒の流れ方向に隣り合う２つの前記フィンの組合せには、
   冷媒の流通抵抗に関して上流側の前記フィンの方が下流側の前記フィンよりも小さい組合せが含まれていることを特徴とする電子部品冷却器。
2. 請求項１に記載の電子部品冷却器において、
   前記下流側の前記フィンは、フィン山に段を有することを特徴とする電子部品冷却器。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子部品冷却器において、
   前記下流側の前記フィンは、前記上流側の前記フィンよりもフィン山ピッチが小さいことを特徴とする電子部品冷却器。
4. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載の電子部品冷却器において、
   前記下流側の前記フィンにはオフセットフィンが採用されていることを特徴とする電子部品冷却器。
5. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載の電子部品冷却器において、
   前記下流側の前記フィンにはウェーブフィンが採用されていることを特徴とする電子部品冷却器。

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