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JP2015050232A - 冷却器 - Google Patents

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安浩 水野
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智寛 島津
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Abstract

【課題】冷却効率を向上し、被熱交換部品を効果的に冷却することができる冷却器を提供すること。
【解決手段】冷却器１は、被熱交換部品と当接する冷却面２０１を有すると共に、冷媒を流通させる冷媒流路２４を設けてなる冷却管２０を備えている。冷却管２０は、流入孔２７１と排出孔２７２と冷内部フィン２９とを有している。内部フィン２９は、冷媒流路２４を複数の細流路２６に分割する複数の隔壁２９１を有している。一対の対向内壁面２４２と隔壁２９１との間には、一対の外側流路２８が形成されている。冷媒流路２４において、直交方向Ｚにおける一対の外側流路２８よりも内側の位置で、内部フィン２９より外側の位置には、冷媒流路２４内に向かって突出した整流リブ３が形成されている。冷却器１は、整流リブ３によって、一対の外側流路２８における冷媒の流量を抑制するよう構成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器に関する。
ハイブリッドカーや電気自動車には、スイッチング素子等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールを備えた電力変換装置が用いられている。この電力変換装置は、発熱する半導体モジュールを冷却するための冷却器を備えている。電力変換装置に用いられる冷却器としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。
特許文献１の冷却器は、冷媒を流通する冷媒流路を備えた冷却管と、冷媒流路内に配されたインナフィンとを有している。インナフィンは、１枚の金属製の板材をプレス加工して形成されており、複数の隔壁を備えている。冷媒流路内にインナフィンを配置することにより、冷媒流路を複数に区画した細流路を形成している。
２００５−１９１５２７号公報
しかしながら、特許文献１に示された冷却器には以下の課題がある。
特許文献１の冷却器においては、インナフィンの端部と冷媒流路の内壁面との間には、細流路よりも断面積が大きく圧損の小さい外側流路が形成される。そのため、冷媒流路内を流通する冷媒は、圧損の小さい外側流路へと流れやすくなる。したがって、細流路における冷媒の流量が減少し、冷却器における冷却効率が低下する。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、冷却効率を向上し、被熱交換部品を効果的に冷却することができる冷却器を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、被熱交換部品と当接する冷却面を有すると共に、冷媒を流通させる冷媒流路を設けてなる冷却管を備えた冷却器であって、
上記冷却管は、該冷媒流路に冷媒を流入させる流入孔と、上記冷媒流路から冷媒を排出する排出孔と、上記冷媒流路内における上記流入孔と上記排出孔との間に配された内部フィンとを有し、
上記内部フィンは、上記冷媒流路を、上記流入孔と上記排出孔との並び方向及び上記冷却面の法線方向の両方と直交した直交方向に、複数の細流路に分割する複数の隔壁を有しており、
上記直交方向において、上記冷媒流路を形成する上記冷却管の内壁面における両端に配された上記冷媒流路を構成する一対の対向内壁面と、上記内部フィンにおける両端に配された一対の上記隔壁との間には、一対の外側流路が形成されており、
上記冷媒流路において、上記直交方向における上記一対の外側流路よりも内側の位置でかつ上記流入孔及び上記排出孔よりも外側の位置であると共に、並び方向における上記内部フィンより外側の位置でかつ上記流入孔及び上記排出孔よりも外側の位置には、上記冷媒流路の内側に向かって突出した整流リブが少なくとも１つ形成されており、
該整流リブによって、上記一対の外側流路における冷媒の流量を抑制するよう構成してあることを特徴とする冷却器にある。
上記冷却器は、上記冷媒流路に上記整流リブを有しており、上記一対の外側流路における冷媒の流量を抑制するよう構成してある。そのため、上記冷却器における冷却性能を向上することができる。
すなわち、上記冷媒流路内を流通する冷媒は、上記整流リブによって整流されることにより、上記直交方向において、上記冷媒流路の中央側へと導かれる。
また、上記整流リブを形成することにより、上記流入孔及び上記排出孔と上記外側流路との間における冷媒流路の流路断面が縮小される。したがって、上記外側流路へと冷媒が流通する際の圧損が増大し、上記外側流路における冷媒の流量を低減させることができる。
これにより、上記内部フィンに分割された上記細流路における冷媒の流量を増大し、上記外側流路における冷媒の流量を減少させることができる。それゆえ、上記冷却器によれば、熱交換性能の高い上記内部フィンによって分割された上記細流路へとより多くの冷媒を流通させ、上記被熱交換部品を効率よく冷却することができる。
以上のごとく、上記冷却器によれば、冷却効率を向上し、被熱交換部品を効果的に冷却することができる。
実施例１における、冷却器を示す説明図。 図１における、II−II矢視断面図。 実施例１における、内部フィンを示す平面図。 実施例１における、中間プレートを示す平面図。 （ａ）図４における、Ｖａ−Ｖａ矢視断面図、（ｂ）図４における、Ｖｂ−Ｖｂ矢視断面図。 実施例１における、半導体ユニットを示す説明図。 実施例２における、冷却器を示す説明図。 実施例３における、冷却器を示す説明図。 図８における、IX−IX矢視断面図。 実施例４における、冷却器を示す説明図。 実施例５における、冷却器を示す説明図。 図１１における、XII−XII矢視断面図。
上記冷却器において、上記整流リブは、一端が上記細流路の内側に配されていることが好ましい。この場合には、冷媒をより確実に上記細流路へと流通させ、該細流路における冷媒の流量を増大させることができる。これにより、上記冷却器の冷却効率をより向上することができる。また、上記整流リブを上記内部フィンの位置決めとして用いることができる。したがって、上記内部フィンの位置精度及び組み付け作業性を向上することができる。
また、上記整流リブは、各上記外側流路における上記流入孔側と上記排出孔側との少なくとも一方に形成されていることが好ましい。この場合には、各上記外側流路両方においける冷媒の流量を抑制することができる。これにより、上記細流路における冷媒の流量を増大し、上記冷却器の冷却性能をより確実に向上することができる。
（実施例１）
上記冷却器にかかる実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、冷却器１は、被熱交換部品としての半導体モジュール５（図６）と当接する冷却面２０１を有すると共に、冷媒を流通させる冷媒流路２４を設けてなる冷却管２０を備えている。
冷却管２０は、冷媒流路２４に冷媒を流入させる流入孔２７１と、冷媒流路２４から冷媒を排出する排出孔２７２と、冷媒流路２４内における流入孔２７１と排出孔２７２との間に配された内部フィン２９とを有している。
内部フィン２９は、冷媒流路２４を、流入孔２７１と排出孔２７２との並び方向Ｙ及び冷却面２０１の法線方向Ｘの両方と直交した直交方向Ｚに、複数の細流路２６に分割する複数の隔壁２９１を有している。
直交方向Ｚにおいて、冷媒流路２４を形成する冷却管２０の内壁面２４１における両端に配された冷媒流路２４を構成する一対の対向内壁面２４２と、内部フィン２９における両端に配された一対の隔壁２９１との間には、一対の外側流路２８が形成されている。
冷媒流路２４には、冷媒流路２４の内側に向かって突出した整流リブ３が形成されている。整流リブ３は、直交方向Ｚにおける一対の外側流路２８よりも内側の位置でかつ流入孔２７１及び排出孔２７２よりも外側の位置であると共に、並び方向における内部フィン２９より外側の位置でかつ流入孔２７１及び排出孔２７２よりも外側の位置に形成されている。冷却器１は、整流リブ３によって、一対の外側流路２８における冷媒の流量を抑制するよう構成してある。
以下、さらに詳細に説明する。
図６に示すごとく、本例の冷却器１は、電力変換装置において、複数の半導体モジュール５を冷却するためのものである。
電力変換装置は、冷却器１及び複数の半導体モジュール５からなる半導体ユニット１００と、これを収容するケース（図示略）とを有している。
図１及び図２に示すごとく、半導体ユニット１００を構成する複数の半導体モジュール５は、スイッチング素子を内蔵しており、直交方向Ｚにおいて、一方に向かって延びる複数の制御端子（図示略）と、制御端子と反対側に向かって延びる複数の主電極端子とを有している。
半導体モジュール５は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。
図６に示すごとく、複数の半導体モジュール５を冷却する冷却器１は、複数の冷却管２０を並べて配置してなる熱交換部２と、冷媒流路２４へ冷媒を導入する冷媒導入管４２と、冷媒流路２４から冷媒を排出する冷媒排出管４３とを備えている。
冷媒導入管４２及び冷媒排出管４３は、それぞれ前端に配された冷却管２０と一体に形成されており、前方に向かって延出されている。冷媒導入管４２及び冷媒排出管４３は、並び方向Ｙの両端部付近において連結管４１と略同軸上に配されている。
図１及び図２に示すごとく、熱交換部２を構成する複数の冷却管２０は、半導体モジュール５と当接する冷却面２０１と、冷媒を流通させる冷媒流路２４とを有している。図６に示すごとく、隣り合う冷却管２０同士は、互いに冷却面２０１が対向するように連結管４１よって連結されると共に両者の間に半導体モジュール５を配置するための配置空隙４４が形成されるように並べて配置してある。
図１及び図２に示すごとく、本例において、冷却管２０は、法線方向Ｘから見たとき、並び方向Ｙ両端からそれぞれ内側に向かって拡幅するように形成された一対のテーパ部２０２と、一対のテーパ部２０２の間に配された長方形状の中央部２０３とを有している。冷却管２０は、前方側に配された前方外殻プレート２１と、後方側に配された後方外殻プレート２２と、前方外殻プレート２１及び後方外殻プレート２２の間に配された中間プレート２３と、冷媒流路２４内に配された内部フィン２９とを有している。
前方外殻プレート２１と後方外殻プレート２２とは、両者を接合することで、前方外殻プレート２１及び後方外殻プレート２２の内壁面２４１が、冷媒流路２４をなす空隙を形成するよう構成されている。また、冷媒流路２４は、中間プレート２３によって法線方向Ｘにおいて２分割されており、分割流路としての第１流路２５１及び第２流路２５２が形成されている。
図１に示すごとく、冷却管２０を形成する前方外殻プレート２１及び後方外殻プレート２２は、冷媒導入管４２、冷媒排出管４３及び連結管４１と連通する貫通孔が形成されている。この貫通孔のうち、並び方向Ｙにおける冷媒導入管４２側に配されたものを流入孔２７１とし、並び方向Ｙにおける冷媒排出管４３側に配されたものを排出孔２７２とする。
図２に示すごとく、内部フィン２９は、第１流路２５１及び第２流路２５２にそれぞれ１つずつ配されており、並び方向Ｙと直交する断面の形状が連続した凹凸形状をなしている。
積層方向に互いに隣接する内部フィン２９は、互いの山部と谷部とが、並び方向Ｙの同じ位置に配置されている。すなわち、互いに逆位相となるような形状となっている。
図３に示すごとく、法線方向Ｘから見たとき、内部フィン２９における並び方向Ｙ両端には、並び方向Ｙに直線状に延びるよう形成された隔壁２９１を備えた一対のストレートフィン部２９２が形成されている。
また、並び方向Ｙにおける一対のストレートフィン部２９２の内側には、法線方向Ｘら見たとき波型となるように形成された隔壁２９１からなるウェーブフィン部２９３が形成されている。
内部フィン２９は、複数の隔壁２９１によって、冷媒流路２４を直交方向Ｚに並ぶ複数の細流路２６に分割している。
図２に示すごとく、直交方向Ｚの両端に配された冷媒流路２４を構成する一対の対向内壁面２４２と、内部フィン２９における直交方向Ｚの両端に配された一対の隔壁２９１との間には、一対の外側流路２８が形成されている。
図４及び図５に示すごとく、中間プレート２３は、法線方向Ｘから見たとき、前方外殻プレート２１及び後方外殻プレート２２と略同一の形状をなしており、両者の間に挟持されることで冷媒流路２４を２分割し、第１分割流路２５１及び第２分割流路２５２の内壁面２４１を構成している。中間プレート２３は、連結管４１、冷媒導入管４２及び冷媒排出管４３と同軸上に貫通形成された一対の流通孔２３１と、第１分割流路２５１及び第２分割流路２５２の内側に向かって突出した整流リブ３とを有している。
図１及び図２に示すごとく、整流リブ３は、直交方向Ｚにおける一対の外側流路２８よりも内側の位置でかつ流入孔２７１及び排出孔２７２よりも外側の位置であると共に、並び方向における内部フィン２９より外側の位置でかつ流入孔２７１及び排出孔２７２よりも外側の位置に形成されている。図４及び図５に示すごとく、本例において、整流リブ３は、中間プレート２３を切り起こし加工することによって形成されている。整流リブ３は、第１流路２５１における一対の外側流路２８のうち、直交方向Ｚにおいて、一方側に配された外側流路２８の流入孔２７１側、及び他方側に配された外側流路２８の排出孔２７２側に配されている。また、整流リブ３は、第２流路２５２における一対の外側流路２８のうち、直交方向Ｚにおいて、一方側に配された外側流路２８の排出孔２７２側、及び他方側に配された外側流路２８の流入孔２７１側に配されている。
図１及び図４に示すごとく、整流リブ３は、法線方向Ｘから見たときテーパ部２０２の外形に沿って形成された傾斜リブ部３１と、傾斜リブ部３１の並び方向Ｙ内側に配された端部から並び方向Ｙに沿って内側に延びる直線リブ部３２とを有している。直線リブ部３２における並び方向Ｙ内側の端部は、内部フィン２９のストレートフィン部２９２によって形成された細流路２６の内側に配されている。
次に、本例の作用効果について説明する。
冷却器１は、冷媒流路２４に上述のごとく形成された整流リブ３を有しており、一対の外側流路２８における冷媒の流量を抑制するよう構成してある。そのため、冷却器１における冷却性能を向上することができる。
すなわち、冷媒流路２４内を流通する冷媒は、整流リブ３によって整流されることにより、直交方向Ｚにおいて、冷媒流路２４の中央側へと導かれる。
また、整流リブ３を形成することにより、流入孔２７１及び排出孔２７２と外側流路２８との間における冷媒流路２４の流路断面が縮小される。したがって、外側流路２８へと冷媒が流通する際の圧損が増大し、外側流路２８における冷媒の流量を低減させることができる。
これにより、内部フィン２９に分割された細流路２６における冷媒の流量を増大し、外側流路２８における冷媒の流量を減少させることができる。それゆえ、冷却器１によれば、熱交換性能の高い内部フィン２９によって分割された細流路２６へとより多くの冷媒を流通させ、半導体モジュール５を効率よく冷却することができる。
また、整流リブ３は、一端が細流路２６の内側に配されている。そのため、冷媒をより確実に細流路２６へと流通させ、細流路２６における冷媒の流量を増大させることができる。これにより、冷却器１の冷却効率をより向上することができる。また、整流リブ３を内部フィン２９の位置決めとして用いることができる。したがって、内部フィン２９の位置精度及び組み付け作業性を向上することができる。
また、整流リブ３は、各外側流路２８における流入孔２７１側と排出孔２７２側との少なくとも一方に形成されている。そのため、各外側流路２８両方においける冷媒の流量を抑制することができる。これにより、細流路２６における冷媒の流量を増大し、冷却器１の冷却性能をより確実に向上することができる。
また、冷却管２０は、冷却面２０１の法線方向Ｘにおいて、冷媒流路２４を分割する中間プレート２３を有しており、中間プレート２３によって分割された分割流路のそれぞれに内部フィン２９が配されており、中間プレート２３に整流リブ３が形成されている。そのため、冷却管２０における冷却面２０１と、法線方向Ｘにおける冷却面２０１と反対側に配された面の両方を冷却面２０１とした両面冷却とした場合においても、冷却器１の冷却性能を向上することができる。
以上のごとく、本例の冷却器１によれば、冷却効率を向上し、被熱交換部品を効果的に冷却することができる。
（実施例２）
本例は、図７に示すごとく、実施例１の冷却器１における構成を一部変更した例である。
本例の冷却器１における冷却管２０は、法線方向Ｘから見たとき、並び方向Ｙ両端にそれぞれ配された略半円形状をなす一対の半円部２０４と、一対の半円部２０４の間に配された略長方形状の中央部２０３とを有している。
また、中間プレート２３に形成された整流リブ３は、並び方向Ｙに沿って形成された直線リブ部３２からなる。
尚、本例又は本例に関する図面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、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施例３）
本例は、図８及び図９に示すごとく、実施例１に示した冷却器１における中間プレート２３の構成を変更した例である。
本例に示す冷却器１の中間プレート２３は、冷媒流路２４を分割する中間プレート本体２３２と、中間プレート２３と別部材として形成された整流リブ３とを接合して形成されている。
整流リブ３は、各外側流路２８における流入孔２７１側及び排出孔２７２側にそれぞれ一つずつ配されている。
尚、本例又は本例に関する図面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、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施例４）
本例は、図１０に示すごとく、実施例１に示した冷却器１における整流リブ３の構成を変更した例である。
本例に示す冷却器１において、整流リブ３は、前方外殻プレート２１及び後方外殻プレート２２の内壁面２４１に、別部材として形成された整流リブ３を接合してある。
尚、本例又は本例に関する図面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、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施例５）
本例は、図１１及び図１２に示すごとく、実施例１に示した冷却器１における整流リブ３の構成を変更した他の例である。
本例に示す冷却器１において、整流リブ３は、内部フィン２９と一体に形成されている。内部フィン２９は、実施例１と同様に一対のストレートフィン部２９２と、一対のストレートフィン部２９２の間に形成されたウェーブフィン部２９３と、一対のストレートフィン部２９２の並び方向Ｙ両側から外側に向かって延びる一対のリブ形成部２９４とを有している。
一対のリブ形成部２９４には、リブ形成部２９４をプレス加工によって一体に形成した整流リブ３が突出形成されている。
尚、本例又は本例に関する図面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、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
尚、上記実施例１〜上記実施例５に示された冷却器における整流リブの位置、数、形状当は、一部の形状例を示すものであり、これに限定されるものではない。
また、冷却器は、複数の冷却管によって形成してもよいし、一つの冷却管によって形成してもよい。また、各冷却管の冷媒流路は、複数に分割されていてもよいし、分割されることなく、一つの冷媒流路を形成していてもよい。いずれの場合においても、各冷媒流路に内部フィンと整流リブとを形成することにより、特許文献１と同様の作用効果を得ることができる。
１ 冷却器
２ 熱交換部
２０ 冷却管
２０１ 冷却面
２４ 冷媒流路
２４１ 内壁面
２４２ 対向内壁面
２６ 細流路
２７１ 流入孔
２７２ 排出孔
２８ 外側流路
２９ 内部フィン
２９１ 隔壁
３ 整流リブ
５ 被熱交換部品

Claims (4)

  1. 被熱交換部品（５）と当接する冷却面（２０１）を有すると共に、冷媒を流通させる冷媒流路（２４）を設けてなる冷却管（２０）を備えた冷却器（１）であって、
    上記冷却管（２０）は、該冷媒流路（２４）に冷媒を流入させる流入孔（２７１）と、上記冷媒流路（２４）から冷媒を排出する排出孔（２７２）と、上記冷媒流路（２４）内における上記流入孔（２７１）と上記排出孔（２７２）との間に配された内部フィン（２９）とを有し、
    上記内部フィン（２９）は、上記冷媒流路（２４）を、上記流入孔（２７１）と上記排出孔（２７２）との並び方向及び上記冷却面（２０１）の法線方向の両方と直交した直交方向に、複数の細流路（２６）に分割する複数の隔壁（２９１）を有しており、
    上記直交方向において、上記冷媒流路（２４）を形成する上記冷却管（２０）の内壁面（２４１）における両端に配された上記冷媒流路（２４）を構成する一対の対向内壁面（２４２）と、上記内部フィン（２９）における両端に配された一対の上記隔壁（２９１）との間には、一対の外側流路（２８）が形成されており、
    上記冷媒流路（２４）において、上記直交方向における上記一対の外側流路（２８）よりも内側の位置でかつ上記流入孔（２７１）及び上記排出孔（２７２）よりも外側の位置であると共に、並び方向における上記内部フィン（２９）より外側の位置でかつ上記流入孔（２７１）及び上記排出孔（２７２）よりも外側の位置には、上記冷媒流路（２４）の内側に向かって突出した整流リブ（３）が少なくとも１つ形成されており、
    該整流リブ（３）によって、上記一対の外側流路（２８）における冷媒の流量を抑制するよう構成してあることを特徴とする冷却器（１）。
  2. 上記整流リブ（３）は、一端が上記細流路（２６）の内側に配されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器（１）。
  3. 上記整流リブ（３）は、各上記外側流路（２８）における上記流入孔（２７１）側と上記排出孔（２７２）側との少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器（１）。
  4. 上記冷却面（２０１）の法線方向において、上記冷媒流路（２４）を分割する中間プレート（２３）を有しており、該中間プレート（２３）によって分割された分割流路（２５１、２５２）のそれぞれに上記内部フィン（２９）が配されており、上記中間プレート（２３）に上記整流リブ（３）が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却器（１）。
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