JP7021013B2

JP7021013B2 - 冷却器

Info

Publication number: JP7021013B2
Application number: JP2018119946A
Authority: JP
Inventors: 忠史吉田; 亮宮▲崎▼; 靖樹廣田; 崇史山内
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2038-06-25
Also published as: CN110634815A; CN110634815B; US11004766B2; JP2020004766A; US20190393128A1

Description

本明細書に開示の技術は、冷却器に関する。

特許文献１に開示の冷却器は、扁平形状の筐体を備えており、筐体の内部に冷媒が流れる冷媒空間が設けられている。冷媒空間内に、多数のピンフィンが配置されている。ピンフィンは、冷媒空間内に分散して配置されている。

特開２０１８－０３２７４４号公報

冷媒空間を有する冷却器では、冷媒に効率的に熱を伝えることで、冷却能力が向上する。また、冷媒空間を有する冷却器では、冷媒が流れるときの圧損を低減することで、冷媒を流すのに必要なエネルギーを低減することができる。本明細書では、冷却能力が高く、かつ、圧損が生じ難い冷却器を提案する。

本明細書が開示する冷却器は、内部に冷媒が流れる冷媒空間を備える筐体と、前記冷媒空間を複数の流路に分割している分離壁と、各流路内に配置されている複数の冷却フィンを有する。前記各流路が幅広部と幅狭部を有するように前記分離壁が蛇行している。前記各流路において、冷媒が流れる方向に前記幅広部と前記幅狭部とが交互に配置されている。前記各幅広部内における前記冷却フィンの数が、前記各幅狭部内における前記冷却フィンの数よりも多い。

この冷却器では、各流路において、冷媒が流れる方向に前記幅広部と前記幅狭部とが交互に配置されている。また、各幅広部内における冷却フィンの数が、各幅狭部内における冷却フィンの数よりも多い。このため、各幅広部では、流路が冷却フィンによって複数の小流路に分割されている。一般に、特定の流路に冷媒が流れるときには、摩擦によって、その流路の壁近傍において、その流路の中心部よりも流速が遅くなる。すなわち、冷媒に境界層が形成される。冷媒が幅狭部内を流れるときにも境界層が生じる。しかしながら、冷媒が幅狭部から幅広部に流入するときに冷媒が幅広部内の小流路に分割して流れるので、幅狭部内で生じていた境界層が解消する。また、幅広部内の各小流路に冷媒が流れる間に、各小流路内で境界層が生じる。しかしながら、冷媒が幅広部から幅狭部に流入するときに複数の小流路内の冷媒の流れが合流するので、境界層が解消する。このように、この冷却器では、冷媒が所定の距離を流れるごとに境界層を解消することができる。このため、分離壁や冷却フィン近傍の冷媒の流速が比較的速くなり、冷却器の冷却能力が向上する。また、各幅広部内における冷却フィンの数が、各幅狭部内における冷却フィンの数よりも多いので、冷媒が通る領域の断面積（すなわち、流路の断面積から冷却フィンの断面積を減算した面積）が、幅広部と幅狭部とであまり変わらない。このため、各流路において、圧損が生じ難い。このように、この冷却器によれば、高い冷却能力と低い圧損を実現することができる。

本明細書が開示する別の冷却器は、内部に冷媒が流れる冷媒空間を備える筐体と、前記冷媒空間内に配置されている複数の冷却フィンを有する。前記冷媒空間が、厚み方向と、前記厚み方向に対して直交するとともに冷媒が流れる流れ方向と、前記厚み方向と前記流れ方向に対して直交する幅方向とを有する。前記厚み方向に沿って前記冷媒空間を見たときに、前記冷却フィンが複数個集積している冷却フィンエリアと、前記冷却フィンが存在しない間隔エリアとが存在する。前記厚み方向に沿って前記冷媒空間を見たときに、前記流れ方向に沿って前記冷却フィンエリアと前記間隔エリアとが交互に配置されていると共に、前記幅方向に沿って前記冷却フィンエリアと前記間隔エリアとが交互に配置されている。

この冷却器では、間隔エリアから冷却フィンエリアに冷媒が流入するとき、及び、冷却フィンエリアから間隔エリアに冷媒が流入するときに、冷媒に生じていた境界層が解消する。したがって、冷却器の冷却能力が向上する。また、流れ方向に沿って冷却フィンエリアと間隔エリアとが交互に配置されていると共に幅方向に沿って冷却フィンエリアと間隔エリアとが交互に配置されているので、流れ方向における位置が変化しても、冷媒が通る領域の断面積（すなわち、流路の断面積から冷却フィンの断面積を減算した面積）があまり変わらない。したがって、この冷却器では、圧損が生じ難い。このように、この冷却器によれば、高い冷却能力と低い圧損を実現することができる。

電力変換モジュール１０の斜視図。冷却器１２の斜視図。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線における冷却器１２の断面図。ｚ方向に沿って見たときの冷媒空間２２内の構造を示す平面図。変形例の冷却器の図４に対応する平面図。実施例２の冷却器の図４に対応する平面図。

図１に示す電力変換モジュール１０は、複数の冷却器１２と、複数の半導体モジュール１４とを、交互に積層した構造を備えている。各半導体モジュール１４は、扁平形状の本体部分１４ａを有している。本体部分１４ａは、樹脂により構成されており、スイッチング素子を内蔵している。本体部分１４ａの側面から複数の端子１４ｂが伸びている。各端子１４ｂは図示しない配線に接続されている。複数の半導体モジュール１４によって、電力変換回路（例えば、インバータ回路、ＤＣ－ＤＣコンバータ回路等）が構成されている。一対の冷却器１２の間に、１つ半導体モジュール１４が挟まれている。

図２に示すように、各冷却器１２は、扁平形状を有している。図３に示すように、各冷却器１２は、筐体２０と、筐体２０の内部に設けられた冷媒空間２２を有している。図２に示すように、各冷却器１２の長手方向の両端部に、接続孔２４ａ、２４ｂが設けられている。図１に示すように、各冷却器１２の接続孔２４ａに冷媒供給管１６が接続されており、各冷却器１２の接続孔２４ｂに冷媒排出管１８が接続されている。冷媒供給管１６と冷媒排出管１８は、図示しないポンプに接続されている。ポンプが作動すると、図１において矢印で示すように、冷媒供給管１６から各冷却器１２の内部の冷媒空間２２を通って冷媒排出管１８へ冷媒（本実施例では冷却水）が流れる。冷却器１２に冷媒が流れることで、半導体モジュール１４で生じる熱が冷媒に吸収され、半導体モジュール１４が冷却される。なお、以下の説明では、図２、３に示すように、冷却器１２の厚み方向をｚ方向といい、冷却器１２の長手方向（冷媒が流れる方向）をｙ方向といい、冷却器１２の幅方向（ｙ方向及びｚ方向に対して直交する方向）をｘ方向という。

図４は、ｚ方向に沿って見たときの冷媒空間２２の内部構造を示している。図４に示すように、冷媒空間２２内には、分離壁３０と、冷却フィン４０が設けられている。分離壁３０は、蛇行しながらｙ方向に伸びている。図３に示すように、分離壁３０のｚ方向の両端部は、筐体２０に接続されている。したがって、図４に示すように、分離壁３０によって、冷媒空間２２が、ｙ方向に伸びる複数の流路３２に分割されている。分離壁３０が蛇行していることによって、各流路３２に、幅広部３４と幅狭部３６が形成されている。各流路３２において、幅広部３４と幅狭部３６がｙ方向に沿って交互に配置されている。また、ｘ方向においては、隣り合う流路３２間において、幅広部３４と幅狭部３６が隣り合うように配置されている。したがって、ｘ方向に沿って、幅広部３４と幅狭部３６が交互に配置されている。

図４に示すように、冷却フィン４０は、幅広部３４内に配置されており、幅狭部３６内には配置されていない。各幅広部３４内に、複数の冷却フィン４０が配置されている。各冷却フィン４０は、略ｙ方向に沿って伸びている。図３に示すように、冷却フィン４０のｚ方向の両端部は、筐体２０に接続されている。したがって、幅広部３４が冷却フィン４０によってｘ方向に分割されて、複数の小流路４２が形成されている。各小流路４２は、略ｙ方向に沿って伸びている。冷却フィン４０は、幅広部３４内において、流路３２の幅が広い位置ほど多く配置されている。

次に、冷媒が通る領域の断面積（以下、実質流路断面積）について説明する。上述したように、幅狭部３６には冷却フィン４０が配置されていないので、幅狭部３６の全体に冷媒が流れる。したがって、幅狭部３６の幅Ｗ３６（図４参照）と冷媒空間２２のｚ方向の厚みＴ（図３参照）の積が、幅狭部３６における実質流路断面積となる。他方、幅広部３４には冷却フィン４０が配置されているので、幅広部３４内では冷媒は冷却フィン４０を避けて流れる。したがって、幅広部３４では、幅広部３４の断面積から各冷却フィン４０の断面積を減算した面積が、実質流路断面積となる。言い換えると、幅広部３４では、各小流路４２の断面積を合わせた面積が、実質流路断面積となる。例えば、図４の位置Ａにおいては、小流路Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６の幅を合わせた値と厚みＴとの積が、実質流路断面積となる。幅広部３４に冷却フィン４０が配置されており、幅狭部３６に冷却フィン４０が配置されていないので、幅広部３４における実質流路断面積と幅狭部３６における実質流路断面積との差はそれほど大きくない。

次に、各流路３２内における冷媒の流れについて説明する。上述したように、ポンプを作動させると、各流路３２内に、上流側（冷媒供給管１６側）から下流側（冷媒排出管１８側）へ冷媒が流れる。冷媒は、幅広部３４と幅狭部３６を交互に通過するように流れる。冷媒が幅狭部３６内を流れるときに、分離壁３０近傍で冷媒の流れが遅くなり、分離壁３０近傍に境界層が形成される。その後、冷媒が幅狭部３６から幅広部３４へ流れるときに、冷媒の流れが各小流路４２に分岐する。このように冷媒の流れが分岐するときに、幅狭部３６内で形成されている境界層が解消される。冷媒が各小流路４２内を流れる間に分離壁３０及び冷却フィン４０近傍で冷媒の流れが遅くなり、その部分で境界層が形成される。その後、冷媒が幅広部３４から幅狭部３６へ流れるときに、各小流路４２内の冷媒の流れが１つに合流する。このように冷媒の流れが合流するときに、各小流路４２内で形成されている境界層が解消される。このように、この冷却器１２では、冷媒が幅狭部３６から幅広部３４へ流れるとき、及び、冷媒が幅広部３４から幅広部３４へ流れるときに、境界層が解消される。したがって、分離壁３０及び冷却フィン４０近傍において比較的速い流速で冷媒を流すことができ、効率的に半導体モジュール１４を冷却することができる。

また、この冷却器１２では、上述したように、幅広部３４に冷却フィン４０が配置されており、幅狭部３６に冷却フィン４０が配置されていないので、幅広部３４における実質流路断面積と幅狭部３６における実質流路断面積との差がそれほど大きくない。このように、幅広部３４と幅狭部３６とで流路３２の実質流路断面積があまり変化しないので、流路３２で生じる圧損が小さい。このため、低圧で冷却器１２に冷媒を流すことができ、冷媒を流すポンプの消費電力を低減することができる。

また、この冷却器１２では、分離壁３０が蛇行していることで幅広部３４と幅狭部３６が形成されているので、分離壁３０に厚さが厚い部分が存在せず、厚い分離壁によって冷却効率が低下する領域が存在しない。したがって、筐体２０の表面の広い範囲を冷却面とすることができる。

なお、上述した実施例１では、幅狭部３６に冷却フィン４０が配置されていなかったが、幅広部３４よりも少ない数の冷却フィン４０を幅狭部３６に設けてもよい。また、レイノルズ数が小さい場合には、境界層が生じ難いので、幅広部３４に設ける冷却フィン４０を少なくすることができる。例えば、図５に示すように、幅広部３４に大型の冷却フィン４０を１つ配置するようにしてもよい。

次に、実施例２の冷却器について説明する。実施例２の冷却器は、冷媒空間２２の構造が、実施例１とは異なる。図６に示すように、実施例２では、冷媒空間２２内に分離壁３０が設けられていない。また、実施例２では、ｚ方向に沿って見たときに、多数の冷却フィン４０が高密度に存在している冷却フィンエリア５０と、冷却フィン４０が存在していない間隔エリア５２とが存在するように、冷却フィン４０が配置されている。冷却フィンエリア５０と間隔エリア５２は、千鳥状に配置されている。すなわち、ｙ方向において、冷却フィンエリア５０と間隔エリア５２とが交互に配置されている。また、ｘ方向において、冷却フィンエリア５０と間隔エリア５２とが交互に配置されている。各冷却フィンエリア５０において、上流側から下流側に向かうにしたがって冷却フィンエリア５０の中心に向かうように冷却フィン４０が伸びている。

次に、実施例２における冷媒の流れについて説明する。実施例２では、ｙ方向に沿って上流側から下流側に流れる冷媒は、冷却フィンエリア５０と間隔エリア５２を交互に通過する。冷媒が間隔エリア５２から冷却フィンエリア５０へ流れるときに、冷媒の流れが各小流路４２に分岐する。冷媒が各小流路４２内を流れる間に冷却フィン４０近傍で冷媒の流れが遅くなり、その部分で境界層が形成される。その後、冷媒が冷却フィンエリア５０から間隔エリア５２へ流れるときに、各小流路４２内の冷媒の流れが１つに合流する。このように冷媒の流れが合流するときに、各小流路４２内で形成されている境界層が解消される。このように、この冷却器１２では、冷媒が冷却フィンエリア５０から間隔エリア５２へ流れるときに、境界層が解消される。したがって、冷却フィン４０近傍において比較的速い流速で冷媒を流すことができ、効率的に半導体モジュール１４を冷却することができる。

また、上述した実施例１、２の冷却器は、衝突噴流型の冷却器とは異なり、冷却面に沿って冷媒を流す。このため、流路３２全体が冷却用流路であるとともに冷媒を搬送する流路となっている。したがって、実施例１、２の冷却器は、衝突噴流型の冷却器よりも小型化することができる。

なお、実施例１及び２において、冷却フィン４０の配置を、トポロジー解析によって幾何学的に最適化してもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：電力変換モジュール
１２：冷却器
１４：半導体モジュール
１６：冷媒供給管
１８：冷媒排出管
２０：筐体
２２：冷媒空間
３０：分離壁
３２：流路
３４：幅広部
３６：幅狭部
４０：冷却フィン
４２：小流路

Claims

冷却器であって、
内部に冷媒が流れる冷媒空間を備える筐体と、
前記冷媒空間を複数の流路に分割している分離壁と、
前記各流路内に配置されている複数の冷却フィン、
を有し、
前記各流路が幅広部と幅狭部を有するように前記分離壁が蛇行しており、
前記各流路において、冷媒が流れる方向に前記幅広部と前記幅狭部とが交互に配置されており、
前記各幅広部内における前記冷却フィンの数が、複数であり、
前記各幅広部内における前記冷却フィンの数が、前記各幅狭部内における前記冷却フィンの数よりも多い、
冷却器。
前記冷却フィンは、各幅広部内において、前記流路の幅が広い位置ほど多く配置されている、請求項１に記載の冷却器。
冷却器であって、
内部を冷媒が流れる冷媒空間を備える筐体と、
前記冷媒空間内に配置されている複数の冷却フィン、
を有し、
前記冷媒空間が、厚み方向と、前記厚み方向に対して直交するとともに冷媒が流れる流れ方向と、前記厚み方向と前記流れ方向に対して直交する幅方向とを有し、
前記厚み方向に沿って前記冷媒空間を見たときに、前記冷却フィンが複数個集積している冷却フィンエリアと、前記冷却フィンが存在しない間隔エリアとが存在し、
前記厚み方向に沿って前記冷媒空間を見たときに、前記流れ方向に沿って前記冷却フィンエリアと前記間隔エリアとが交互に配置されていると共に、前記幅方向に沿って前記冷却フィンエリアと前記間隔エリアとが交互に配置されており、
前記各冷却フィンエリアにおいて、上流側から下流側に向かうにしたがって冷却フィンエリアの前記幅方向における中心に向かうように各冷却フィンが伸びている、
冷却器。