JP7294126B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、冷却器に関する。

特許文献１が開示する冷却器は、接触板を備えており、その接触板の内面側に液体流路を形成しており、その接触板の外面に発熱体を接触させる。発熱体の熱が液体流路を通過する液体に伝熱して発熱体を冷却する。

液体への伝熱効率を向上させるために、特許文献１の冷却器では、フィンを利用する。そのフィンは、接触板の内面側に配置されており、液体流路を複数本の分割流路に分割する。各分割流路は接触板に沿って延びている。

フィンと流体の接触面積を増大するために、特許文献１のフィンはジクザク状に延びている。すなわち、接触板に直交する方向から観察したときに、各フィンはジクザク状に延びており、隣接しているフィンとフィンの間にジクザク状に延びる分割流路を形成する。

特開２０１３－００９０１１号公報

特許文献１の冷却器では、各フィンがジクザク状に延びることから、液体とフィンの接触面積が増大して冷却効率が向上するとされている。その反面、ジクザク状に延びる分割流路に沿って液体が蛇行して流れることから、液体の流れに不必要な乱れが発生し易く、不必要に圧力損失が高くなるという問題が生じる。

本明細書では、液体とフィンの接触面積が大きくて冷却効率が高いとともに、液体の流れに不必要な乱れを発生させないために圧力損失が低い冷却器を開示する。

本明細書で開示する冷却器は、接触板を備えており、接触板の内面側に液体流路を形成している。接触板の外面に発熱体を接触させると、発熱体の熱が液体流路を通過する液体に伝熱して発熱体を冷却する。接触板の内面に波型フィンが配置されている。その波型フィンは、液体流路を複数本の分割流路に分割する。各分割流路は、接触板に沿って延びるとともに、接触板と平行な面内で蛇行する。本明細書で開示する冷却器では、蛇行する各分割流路の外側湾曲部を規定する波型フィンの曲率半径が、内側湾曲部を規定する波型フィンの曲率半径より大きくされている。

上記の冷却器によると、液体は内側湾曲部と外側湾曲部の間で連続的に流動方向を変えながら蛇行する。また、外側湾曲部を規定する波型フィンの曲率半径が、内側湾曲部を規定する波型フィンの曲率半径より大きくされていることから、液体は内側湾曲部と外側湾曲部の間をスムースに流動し、不必要な乱れの発生を抑制する。即ち、圧力損失の不必要な上昇を抑制することができる。上記の冷却器によると、高い冷却性能と低い圧力損失を両立することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の冷却器を利用する積層ユニットの斜視図である。 積層ユニットの平面図である。 実施例の冷却器の内部のＩＩＩ面（図１）における断面図である。 実施例の冷却器の内部のＩＶ面（図１）における断面図である。 変形例の冷却器の内部のＩＩＩ面（図１）における断面図である。

実施例の冷却器１０を説明する。図１と図２に示すように、冷却器１０は、例えば、半導体モジュール２と冷却器１０を交互に積層して積層ユニット１００を形成するのに用いられる。図１では、一部の冷却器に対してのみ参照番号１０を付しているが、参照番号１０が付されている冷却器と参照番号１０が付されていない冷却器の間に差異はない。同様に、一部の半導体モジュールに対してのみ参照番号２を付しているが、参照番号２が付されている半導体モジュールと参照番号２が付されていない半導体モジュールの間に差異はない。積層ユニット１００は、例えば、電気自動車に搭載される電力変換器を構成する。なお、本実施例の冷却器１０は、上記の電力変換装置を構成する積層ユニット１００に限られず、様々な用途の冷却器として用いることができる。

半導体モジュール２は、電力変換の役割を担う半導体素子を内蔵しており、これらの半導体素子に電流が流れると、半導体素子は発熱する。即ち、半導体モジュール２は発熱する。

冷却器１０は平板型であり、複数の側面のうち最大面積を有する２個の幅広面１２を有している。冷却器１０は、銅やアルミニウムといった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。冷却器１０の内部に、液体の冷媒が流れる冷媒流路１６が形成されている。また、積層ユニット１００は、冷媒が導入される冷媒導入管４ａと、冷媒が排出される冷媒排出管４ｂを備える。冷媒は、冷媒導入管４ａから冷媒排出管４ｂに向けて、太矢印に示すように、冷媒流路１６をＹ軸方向に流れる。冷媒は、典型的には水、あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。詳しくは図３、図４を参照して後述するが、冷却器１０の内部には、フィン１４が配置されている。フィン１４は、Ｘ軸方向から見た断面形状が波型である。フィン１４によって、冷媒流路１６は、幅広面１２の内面１２ｂ（図２参照）に沿って延びる複数本の分割流路１６ａ（図４参照）に分割されている。波型形状のフィン１４によって、各分割流路１６ａは蛇行する。

冷却器１０と半導体モジュール２は、冷却器１０の一方の幅広面１２の外面１２ａ（図２参照）と半導体モジュール２の幅広面（符号省略）が対向するように、交互に積層されている。半導体モジュール２については、詳細な説明を省略する。冷媒が冷却器１０内部の冷媒流路１６を通過する際に、対向する半導体モジュール２で発生した熱を吸収し、半導体モジュール２を冷却することができる。

続いて、図３を参照して、フィン１４及び冷媒流路１６における冷媒の流れを説明する。図３は、図１のＩＩＩ面における冷却器１０の断面図であり、図４は、図１のＩＶ面における冷却器１０の断面図である。即ち、図３は、冷却器１０のＸＺ平面における断面図を示しており、図４は、冷却器１０のＹＺ平面における断面図を示している。図４の矢印は、冷媒の流れを示している。

冷却器１０は、その内部にフィン１４を備えている。フィン１４は、図３に示すように、ＸＺ平面における断面図が略矩形形状であり、図４に示すように、ＹＺ平面における断面図が波型形状である。以下では、ＹＺ平面における断面図が波型形状であるフィンを「波型フィン」と称することがある。フィン１４によって、冷媒とフィン１４との接触面積が増加し、半導体モジュール２の冷却性能が向上する。フィン１４は、例えばろう付けによって冷却器１０に固定されている。

フィン１４によって、冷媒流路１６は、複数本の分割流路１６ａに分割されている。各分割流路１６ａは、Ｙ軸方向に延びている。また、フィン１４のＹＺ平面における断面図が波型形状であることから、各分割流路１６ａは蛇行する。即ち、各分割流路１６ａを流れる冷媒は蛇行する。これにより、分割流路が蛇行しない比較例と比較すると、冷媒とフィン１４との接触面積が増加するため、半導体モジュール２の冷却性能が向上する。

一方で、このような波型フィンを有する冷却器においては、蛇行する分割流路に沿って冷媒が蛇行して流れることから、冷媒の流れに不必要な乱れが発生しやすく、不必要に圧力損失が高くなってしまうおそれがあった。

そこで、本明細書のフィン１４は、蛇行する各分割流路１６ａの外側湾曲部１４ａを規定するフィン１４の曲率半径が、内側湾曲部１４ｂを規定するフィン１４の曲率半径よりも大きくされている。即ち、外側湾曲部１４ａは、内側湾曲部１４ｂと比較して、湾曲がなだらかに設計されている。

上記の構成によると、冷却器１０を流れる冷媒は、外側湾曲部１４ａと内側湾曲部１４ｂとの間で連続的に流動方向を変えながら蛇行する。外側湾曲部１４ａを規定するフィン１４の曲率半径が、内側湾曲部１４ｂを規定するフィン１４の曲率半径より大きくされていることから、冷媒は、外側湾曲部１４ａと内側湾曲部１４ｂとの間をスムースに流動し、不必要な冷媒の流れの乱れの発生を抑制する。即ち、圧力損失の不必要な上昇を抑制することができる。従って、本実施例の冷却器１０は、高い冷却性能と低い圧力損失を両立することができる。

また、上記の構成では、冷媒の流速分布のムラを抑制することができる。即ち、冷媒とフィン１４との接触面の任意の点において効率よく熱を伝達することができ、冷却性能が高い冷却器を実現することができる。

（変形例）フィン１４のＹＺ平面における断面図は、上記の実施例の形態に限られない。例えば、図５に示すように、フィン１４のＹＺ平面における断面図は、全体としてはジグザグ状であり、尖点の近傍ではなめらかに湾曲しているとともに、フィン１４の外側湾曲部１４ａを規定する部分の曲率半径が、フィン１４の内側湾曲部１４ｂを規定する部分の曲率半径より大きいような形状であってもよい。即ち、フィン１４の外側湾曲部１４ａを規定する部分の曲率半径が、フィン１４の内側湾曲部１４ｂを規定する部分の曲率半径よりも大きければよい。

本実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。半導体モジュール２が「発熱体」の一例に相当する。冷却器１０の幅広面１２が「接触板」の一例に相当する。幅広面１２の外面１２ａが「接触板の外面」の一例に相当する。幅広面１２の内面１２ｂが「接触板の内面」の一例に相当する。冷媒流路１６が、「液体流路」の一例に相当する。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体モジュール
４ａ：冷媒導入管
４ｂ：冷媒排出管
１０：冷却器
１２：幅広面
１２ａ：幅広面の外面
１２ｂ：幅広面の内面
１４：フィン
１６：冷媒流路
１６ａ：分割流路
１００：積層ユニット

Claims (1)

1. 接触板を備えており、前記接触板の内面側に液体流路が形成されており、前記接触板の外面に発熱体を接触させると、前記発熱体の熱が前記液体流路を通過する液体に伝熱する冷却器であり、
   前記接触板の内面に、前記液体流路を前記接触板に沿って延びる複数本の分割流路に分割するとともに各分割流路を蛇行させる波型フィンが配置されており、
   蛇行する各分割流路の外側湾曲部を規定する前記波型フィンの曲率半径が、内側湾曲部を規定する前記波型フィンの曲率半径より大きいことを特徴する冷却器。

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