JP2012169429A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】流路管３内に、熱媒体流路３０を複数の細流路３３３に分割するとともに、熱媒体と電子部品２との熱交換を促進するインナーフィン３３を設け、インナーフィン３３を、熱媒体の流れ方向に垂直な断面形状が、凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状となるように形成し、前記断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離をフィンピッチＦＰとしたとき、インナーフィン３３を、フィンピッチＦＰが異なる複数のフィン部３３Ａ、３３Ｂにより構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流路管内部を流通する熱媒体と、流路管外部に配置された熱交換対象物との間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。
従来、この種の熱交換器において、熱交換性能を向上させるために、熱媒体が流通する流路管内に、熱媒体と流路管との伝熱面積を増大させて熱媒体と熱交換対象物との熱交換を促進するインナーフィンを設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１９１５２７号公報
ところで、上記特許文献１に記載の熱交換器において、流路管内部の幅寸法が、インナーフィンのフィンピッチを整数倍した値と一致しない場合、インナーフィンを流路管の幅方向全域に亘って配置することができない。すなわち、流路管の一部にインナーフィンが存在しない領域が発生することになる。この場合、当該インナーフィンが存在しない領域に熱媒体が優先的に流れてしまうため、流路管におけるインナーフィンが存在する領域を流れる熱媒体の流量が減少し、熱交換効率が低下するおそれがある。
本発明は上記点に鑑みて、熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流路形成部材（３）内には、熱媒体流路（３０）を複数の細流路（３３３）に分割するとともに、熱媒体と熱交換対象物２との熱交換を促進するインナーフィン（３３）が設けられており、インナーフィン（３３）は、熱媒体の流れ方向に垂直な断面形状が、凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されており、前記断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離をフィンピッチ（ＦＰ）としたとき、インナーフィン（３３）は、フィンピッチ（ＦＰ）が異なる複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）を有して構成されていることを特徴としている。
このように、インナーフィン（３３）をフィンピッチ（ＦＰ）が異なる複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）により構成することで、インナーフィン（３３）の一部にフィンピッチ（ＦＰ）が他の部分より細かい部分ができる。このため、流路形成部材（３）の幅方向の長さに応じて、当該フィンピッチ（ＦＰ）が細かいフィン部の流路幅方向の長さやフィンピッチ（ＦＰ）を変更することで、インナーフィン（３３）を流路形成部材（３）の幅方向の全域に亘って配置することができる。これにより、流路形成部材（３）内の熱媒体流路（３０）の一部に熱媒体が優先的に流れてしまうことを抑制できるので、熱交換効率を向上させることが可能となる。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）のうち、フィンピッチ（ＦＰ）が最も細かいフィン部を第１フィン部（３３Ａ）とし、第１フィン部（３３Ａ）よりフィンピッチ（ＦＰ）が粗いフィン部を第２フィン部（３３Ｂ）とするとともに、熱媒体の流れ方向、および流路形成部材（３）と熱交換対象物（２）との配置方向に対してともに直交する方向を流路幅方向としたとき、第１フィン部（３３Ａ）の流路幅方向の長さが、第２フィン部（３３Ｂ）のフィンピッチ（ＦＰ）より短いことを特徴としている。
第１フィン部（３３Ａ）はフィンピッチ（ＦＰ）が細かいので、第１フィン部（３３Ａ）により分割された細流路（３３３）を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。このため、第１フィン部（３３Ａ）の流路幅方向の長さを、第２フィン部（３３Ｂ）のフィンピッチ（ＦＰ）より短くすることで、フィンピッチ（ＦＰ）の粗い第２フィン部（３３Ｂ）を可能な限り多く配置することができる。これにより、熱媒体に生じる圧力損失の増大を抑制することができるので、熱交換効率をより向上させることが可能となる。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の熱交換器において、熱交換対象物（２）は、流路形成部材（３）の外部の一部に配置されており、第１フィン部（３３Ａ）は、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位に設けられていることを特徴とする。
このように、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位に、フィンピッチ（ＦＰ）の細かい第１フィン部（３３Ａ）を配置することで、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。これにより、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し熱交換効率をより向上させることが可能となる。
また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱交換器において、インナーフィン（３３）は、熱媒体の流れ方向に延びるとともに細流路（３３３）を分割する板部（３３１）と、隣り合う板部（３３１）間を繋ぐ連結部（３３２）とを有し、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状となるとともに、流路形成部材（３）と熱交換対象物（２）との配置方向から見た際に板部（３３１）が熱媒体の流れ方向に波形状に屈折するウェーブフィンであり、インナーフィン（３３）の、配置方向に直交し、かつ、細流路（３３３）における配置方向の中心部を通る断面における、板部（３３１）の波形状の振幅方向における寸法をウェーブ深さ（ＷＤ）としたとき、第１フィン部（３３Ａ）のウェーブ深さ（ＷＤ）が、第２フィン部（３３Ｂ）のウェーブ深さ（ＷＤ）より深いことを特徴としている。
このように、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位に、ウェーブ深さ（ＷＤ）の深い第１フィン部（３３Ａ）を配置することで、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。これにより、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し熱交換効率をより向上させることが可能となる。
また、請求項５に記載の発明では、請求項３に記載の熱交換器において、インナーフィン（３３）は、熱媒体の流れ方向に延びるとともに細流路（３３３）を分割する板部（３３１）と、隣り合う板部（３３１）間を繋ぐ連結部（３３２）とを有し、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状となるとともに、流路形成部材（３）と熱交換対象物（２）との配置方向から見た際に板部（３３１）が熱媒体の流れ方向に波形状に屈折するウェーブフィンであり、インナーフィン（３３）の、配置方向に直交し、かつ、細流路（３３３）における配置方向の中心部を通る断面における、板部（３３１）の波形状のピッチをウェーブピッチ（ＷＰ）としたとき、第１フィン部（３３Ａ）のウェーブピッチ（ＷＰ）が、第２フィン部（３３Ｂ）のウェーブピッチ（ＷＰ）より細かいことを特徴としている。
このように、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位に、ウェーブピッチ（ＷＰ）の細かい第１フィン部（３３Ａ）を配置することで、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。これにより、流路形成部材（３）内における熱交換対象物（２）と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し熱交換効率をより向上させることが可能となる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第１実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図である。 第３実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図である。 第４実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図である。 第５実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図である。 図６のＢ−Ｂ断面図である。 第６実施形態におけるインナーフィン３３近傍を示す拡大断面図である。 第７実施形態に係る熱交換器を示す一部透過斜視図である。 図９のＣ−Ｃ断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。
図１に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１は、熱交換対象物としての複数の電子部品２を両面から冷却するもので、熱媒体を流通させる熱媒体流路３０（図２参照）を形成する流路形成部材としての複数の流路管３と、複数の流路管３を連通する連通部材４とを備えている。複数の流路管３は、扁平形状に形成されており、電子部品２を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。
本実施形態では、電子部品２として、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールを用いている。当該半導体モジュールは、自動車用インバータ、産業機器のモータ駆動インバータ、ビル空調用のエアコンインバータ等に用いるものとすることができる。なお、電子部品２としては、上記半導体モジュール以外にも、例えば、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を用いることもできる。
また、熱媒体としては、空気、水、油などの流体を用いている。より具体的には、例えば、この積層型熱交換器１を自動車に搭載した場合、熱媒体としては自動車の冷却水やオイル等を用いることができる。なお、本実施形態では、熱媒体として、エチレングリコール系の不凍液を混入させた水を用いている。
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、本実施形態の流路管３は、いわゆるドロンカップ構造となっている。すなわち、流路管３は、一対の外殻プレート３１を有して構成されており、一対の外殻プレート３１の間に熱媒体流路３０が形成されている。流路管３内には、熱媒体流路３０を複数の細流路３３３に分割し、熱媒体と電子部品２との熱交換を促進するインナーフィン３３が設けられている。
図１に戻り、電子部品２は、流路管３の外部の一部に配置されている。具体的には、電子部品２は、流路管３の一対の外殻プレート３１それぞれに対して２個ずつ設けられている。各外殻プレート３１に設けられた２つの電子部品２は、それぞれ熱媒体の流れ方向に直列に配置されている。なお、本実施形態では、電子部品２は各外殻プレート３１に２個設けられているが、電子部品２は１個であってもよいし、３個以上設けられていてもよい
また、流路管３の外殻プレート３１における長手方向両端部には、外側、すなわち隣り合う他の流路管３側に突出する略円筒状のフランジ部３００が形成されている。そして、隣り合う流路管３のフランジ部３００同士をろう付けにより接合することにより、複数の流路管３を連通する連通部材４が形成されている。
複数の流路管３のうち積層方向最外側に配置される流路管３を外側流路管３ａとしたとき、２つの外側流路管３ａのうち一方の外側流路管３ａの長手方向両端部には、熱媒体を積層型熱交換器１に導入するための熱媒体導入口４０１と、熱媒体を積層型熱交換器１から排出するための熱媒体排出口４０２とがそれぞれ接続されている。熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、ろう付けにより一方の外側流路管３ａに接合されている。なお、本実施形態の流路管３、連通部材４、熱媒体導入口４０１および熱媒体排出口４０２は、アルミニウム製である。
熱媒体導入口４０１から導入された熱媒体は、連通部材４を通って長手方向における一方の端部から各流路管３に流入し、それぞれの熱媒体流路３０内を他方の端部に向かって流れる。そして、熱媒体は、連通部材４を通って熱媒体排出口４０２から排出される。このように、熱媒体が熱媒体流路３０を流通する間に、電子部品２との間で熱交換を行って、電子部品２を冷却するようになっている。
図２に示すように、インナーフィン３３は、熱媒体の流れ方向、すなわち流路管３の長手方向に垂直な断面形状が、凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されている。具体的には、インナーフィン３３は、流路管長手方向に延びるとともに細流路３３３を分割する板部３３１と、隣り合う板部３３１間を繋ぐ連結部３３２とを有し、流路管長手方向に直交する断面形状が台形波状に形成されたストレートフィンである。
インナーフィン３３は、フィンピッチＦＰの異なる２つのフィン部３３Ａ、３３Ｂを有して構成されている。本実施形態では、２つのフィン部３３Ａ、３３Ｂは、一体に形成されている。
ここで、フィンピッチＦＰとは、インナーフィン３３の流路管長手方向に直交する断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部、すなわち連結部３３２の中心同士の距離をいう。また、２つのフィン部３３Ａ、３３Ｂのうち、フィンピッチＦＰが最も細かいものを第１フィン部３３Ａといい、第１フィン部３３ＡよりフィンピッチＦＰが粗いものを第２フィン部３３Ｂという。また、流路管３の長手方向（すなわち熱媒体の流れ方向）、および流路管３の積層方向（すなわち流路管３と電子部品２との配置方向）に対してともに直交する方向を流路幅方向とする。
第１フィン部３３Ａの流路幅方向の長さＬ１は、第２フィン部３３ＢのフィンピッチＦＰ２より短くなっている。換言すると、第１フィン部３３Ａは、第２フィン部３３Ｂの１ピッチ分の領域に配置されている。本実施形態では、第１フィン部３３Ａは、流路幅方向の一端部に配置されている。
以上説明したように、インナーフィン３３をフィンピッチＦＰが互いに異なる第１フィン部３３Ａおよび第２フィン部３３Ｂにより構成することで、インナーフィン３３の一部にフィンピッチＦＰが他の部分より細かい部分ができる。このため、流路管３の幅方向の長さに応じて、当該フィンピッチＦＰが細かい部分、すなわち第１フィン部３３Ａの流路幅方向の長さＬ１やフィンピッチＦＰ１を変更することで、インナーフィン３３を流路管３の幅方向の全域に亘って配置することができる。これにより、流路管３内の熱媒体流路３０の一部に熱媒体が優先的に流れてしまうことを抑制できるので、熱交換効率を向上させることが可能となる。
ところで、第１フィン部３３Ａは第２フィン部３３Ｂと比較してフィンピッチＦＰが細かいので、第１フィン部３３Ａにより分割された細流路３３３（以下、第１細流路３３３Ａという）を流通する熱媒体に生じる圧力損失が、第２フィン部３３Ｂにより分割された細流路３３３（以下、第２細流路３３３Ｂという）を流通する熱媒体に生じる圧力損失より大きくなる。
このため、本実施形態では、第１フィン部３３Ａの流路幅方向の長さＬ１を、第２フィン部３３ＢのフィンピッチＦＰ２より短くしている。これによれば、フィンピッチＦＰの粗い第２フィン部３３Ｂを可能な限り多く配置することができるので、熱媒体に生じる圧力損失の増大を抑制することが可能となる。したがって、熱交換効率をより向上させることが可能となる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１フィン部３３Ａを２箇所設けた点等が異なるものである。また、図３は本第２実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図であり、第１実施形態の図２に対応する図面である。
図３に示すように、電子部品２の流路幅方向の長さは、流路管３の流路幅方向の長さより短く形成されている。また、電子部品２は、流路管３の外部における流路幅方向中央部に配置されている。
インナーフィン３３は、２つの第１フィン部３３Ａと１つの第２フィン部３３Ｂを有して構成されている。より詳細には、１つの第２フィン部３３Ｂの両側に第１フィン部３３Ａが１つずつ配置されている。第２フィン部３３Ｂは、流路管３内における電子部品２と対応する部位、すなわち流路管３内における電子部品２と流路管３を介して対向する部位に設けられている。第１フィン部３３Ａは、それぞれ、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に設けられている。
以上説明したように、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に、フィンピッチＦＰの細かい第１フィン部３３Ａを配置することで、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。これにより、流路管３内における電子部品２と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し熱交換効率をより向上させることが可能となる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、インナーフィン３３を２段積層して配置した点が異なるものである。また、図４は本第３実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図であり、第２実施形態の図３に対応する図面である。
図４に示すように、インナーフィン３３は、一対の外殻プレート３１間、すなわち熱媒体流路３０内に、流路管３の積層方向、すなわち電子部品２と流路管３との配置方向に２段積層して配置されている。各段のインナーフィン３３は、上記第２実施形態と同様に構成されている。すなわち、各段のインナーフィン３３は、それぞれ、１つの第２フィン部３３Ｂの両側に第１フィン部３３Ａが１つずつ配置されている。そして、第２フィン部３３Ｂは、流路管３内における電子部品２と対応する部位に設けられており、第１フィン部３３Ａは、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に設けられている。本実施形態では、２段積層されたインナーフィン３３は、流路管３の積層方向に直交する仮想面に対して対称に配置されている。
以上説明したように、本実施形態では、インナーフィン３３を２段積層して配置するとともに、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に、各インナーフィン３３のうちフィンピッチＦＰの細かい第１フィン部３３Ａを配置している。これにより、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなり、流路管３内における電子部品２と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し、上記第２実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第２実施形態と比較して、インナーフィン３３を３段積層して配置した点が異なるものである。また、図５は本第４実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図であり、第２実施形態の図３に対応する図面である。
図５に示すように、インナーフィン３３は、一対の外殻プレート３１間、すなわち熱媒体流路３０内に、流路管３の積層方向、すなわち電子部品２と流路管３との配置方向に３段積層して配置されている。ここで、３段のインナーフィン３３のうち、外殻プレート３１に隣接する２つのインナーフィン３３を外側インナーフィン３３４といい、２つのインナーフィン３３の間に配置された１つのインナーフィン３３を内側インナーフィン３３５という。
外側インナーフィン３３４は、上記第２実施形態と同様に構成されている。すなわち、外側インナーフィン３３４は、それぞれ、１つの第２フィン部３３Ｂの両側に第１フィン部３３Ａが１つずつ配置されている。そして、第２フィン部３３Ｂは、流路管３内における電子部品２と対応する部位に設けられており、第１フィン部３３Ａは、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に設けられている。
内側インナーフィン３３５は、そのフィンピッチＦＰｉｎが、外側インナーフィン３３４のうち最もフィンピッチＦＰが細かい第１フィン部３３ＡのフィンピッチＦＰ１と略同等となるように形成されている。
以上説明したように、本実施形態では、インナーフィン３３を３段積層して配置するとともに、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位に、外側インナーフィン３３４のうちフィンピッチＦＰの細かい第１フィン部３３Ａを配置している。これにより、流路管３内における電子部品２と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなり、流路管３内における電子部品２と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し、上記第２実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
さらに、本実施形態では、内側インナーフィン３３５のフィンピッチＦＰｉｎを、外側インナーフィン３３４のうち最もフィンピッチＦＰが細かい第１フィン部３３ＡのフィンピッチＦＰ１と略同等としている。これにより、内側インナーフィン３３５が設けられた部位、すなわち流路管３内における電子部品２と対応しない流路管積層方向中央部を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなる。このため、流路管３内における電子部品２と対応する流路管積層方向外側部へ流入する熱媒体の流速が増加するので、熱交換効率をより確実に向上させることが可能となる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６および図７に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第２実施形態と比較して、インナーフィン３３としてウェーブフィンを用いた点が異なるものである。また、図６は本第５実施形態における流路管３近傍を示す拡大断面図であり、第２実施形態の図３に対応する図面である。
図６に示すように、本実施形態のインナーフィン３３は、流路管長手方向（熱媒体の流れ方向）に延びるとともに細流路３３３を分割する板部３３１と、隣り合う板部３３１間を繋ぐ連結部３３２とを有し、流路管長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、流路管積層方向（流路管３と電子部品２との配置方向）から見た際に板部３３１が熱媒体の流れ方向に波形状に屈折するウェーブフィンである。これにより、流路管３内に流路幅方向の熱媒体流れを形成することで熱媒体の混合を促進することができる。
図７は図６のＢ−Ｂ断面図である。ここで、インナーフィン３３の、流路管積層方向に直交し、かつ、細流路３３３における流路管積層方向の中心部を通る断面における、板部３３１の波形状の振幅方向における寸法をウェーブ深さＷＤとする。
図７に示すように、第１フィン部３３Ａのウェーブ深さＷＤ１は、第２フィン部３３Ｂのウェーブ深さＷＤ２より深く形成されている。このため、第１フィン部３３Ａにより分割された第１細流路３３３Ａを流通する熱媒体に生じる圧力損失が、第２フィン部３３Ｂにより分割された第２細流路３３３Ｂを通過する熱媒体に生じる圧力損失より大きくなる。
したがって、第２細流路３３３Ｂの熱媒体の流量が、第１細流路３３３Ａの熱媒体の流量よりも多くなる。すなわち、電子部品２に対応する第２細流路３３３Ｂに流入する熱媒体の流速が増加するため、熱交換効率をより向上させることが可能となる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図８に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態と比較して、インナーフィン３３のウェーブピッチＷＰが異なるものである。また、図８は本第６実施形態におけるインナーフィン３３近傍を示す拡大断面図であり、第５実施形態の図７に対応する図面である。
ここで、インナーフィン３３の、流路管積層方向に直交し、かつ、細流路３３３における流路管積層方向の中心部を通る断面における、板部３３１の波形状のピッチをウェーブピッチＷＰとする。図８に示すように、第１フィン部３３ＡのウェーブピッチＷＰ１は、第２フィン部３３ＢのウェーブピッチＷＰ２より細かく形成されている。このため、第１細流路３３３Ａを流通する熱媒体に生じる圧力損失が、第２細流路３３３Ｂを通過する熱媒体に生じる圧力損失より大きくなる。
したがって、第２細流路３３３Ｂの熱媒体の流量が、第１細流路３３３Ａの熱媒体の流量よりも多くなる。すなわち、電子部品２に対応する第２細流路３３３Ｂに流入する熱媒体の流速が増加するため、熱交換効率をより向上させることが可能となる。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図９および図１０に基づいて説明する。本第７実施形態は、本発明の熱交換器を、熱交換対象物としての半導体素子に放熱用の金属体を接続したものを封止材により封止してなる半導体実装体を備え、当該金属体の放熱面を熱媒体で冷却するようにした熱交換器に適用したものである。
図９は本第７実施形態に係る熱交換器を示す一部透過斜視図、図１０は図９のＣ−Ｃ断面図である。図１０に示すように、半導体実装体５１は、半導体素子としての第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２と、金属体としての下側ヒートシンク５２０および上側ヒートシンク５３０と、これらの間に介在する導電性接合部材としての各はんだ５４１、５４２と、さらに、封止材としてのモールド樹脂５５０とを備えて構成されている。
本実施形態の半導体実装体５１では、図１０に示されるように、第１半導体チップ５１１と第２半導体チップ１２とが互いに並列に平面方向に配置されている。なお、図１０では、半導体チップは２個設けられているが、半導体チップは１個であってもよいし、３個以上設けられていてもよい。
それぞれの半導体チップ５１１、５１２の裏面（図１０中の下面）と下側ヒートシンク５２０の上面との間は、第１はんだ５４１によって接合されている。また、それぞれの半導体チップ５１１、５１２の表面（図１０中の上面）と上側ヒートシンク５３０の下面との間は、第２はんだ５４２によって接合されている。本実施形態において、これら各はんだ５４１、５４２としては、一般的に用いられている各種のはんだ、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだや、Ｓｎ−Ａｇ系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。
これにより、上記した構成においては、第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２の表面では、第２はんだ５４２および上側ヒートシンク５３０を介して放熱が行われ、第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２の裏面では、第１はんだ５４１から下側ヒートシンク５２０を介して放熱が行われる。
このように、下側ヒートシンク５２０および上側ヒートシンク５３０は、第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２と熱的に接続されこれら各半導体チップ５１１、５１２からの熱を伝達する金属体として構成されている。そして、下側ヒートシンク５２０においては、図１０中の下面が放熱面５２１として構成され、上側ヒートシンク５３０においては、図１０中の上面が放熱面５３１として構成されている。そして、各放熱面５２１、５３１は、モールド樹脂５５０から露出している。
ここで、第１半導体チップ１１としては、特に限定されるものではないが、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成することができる。また、同じく第２半導体チップ５１２は、たとえば、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等からなるものにできる。また、具体的には、上記第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２の形状は、たとえば矩形状の薄板状とすることができる。
また、本実施形態の各半導体チップ５１１、５１２の表面および裏面には、図示しない電極が形成されている。そして、この電極は、各はんだ５４１、５４２と電気的に接続されている。
このように、本実施形態においては、第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２の裏面側の電極は、下側ヒートシンク５２０に対して、第１はんだ５４１を介して電気的に接続され、第１半導体チップ５１１および第２半導体チップ５１２の表面側の電極は、第２はんだ５４２を介して上側ヒートシンク５３０に対して、電気的に接続されている。
ここで、下側ヒートシンク５２０および上側ヒートシンク５３０は、例えば、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性の良い金属で構成されている。また、下側ヒートシンク５２０および上側ヒートシンク５３０は、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。
本実施形態の熱交換器は、上記構成の半導体実装体５１におけるヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１が熱媒体により冷却されるようになっている。したがって、ヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１が、本発明の熱交換対象物に相当している。
図１０に示されるように、本実施形態の熱交換器は、半導体実装体５１におけるモールド樹脂５５０の一部が、熱媒体冷媒が流れる熱媒体流路３０として構成されたものとなっている。モールド樹脂５５０は、半導体チップ５１１、５１２およびヒートシンク５２０、５３０を封止する封止部５５１と、この封止部５５１の周囲に設けられ先端部がヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１よりも突出する壁部５５２とから構成されている。本実施形態は、壁部５５２は、放熱面５２１、５３１を取り囲むように環状に設けられたものである。
また、封止部５５１のうちヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１と壁部５５２との間の部位に、貫通穴５５３が設けられており、この貫通穴５５３が熱媒体流路３０として構成されている。
図９に示すように、本実施形態の熱交換器は、半導体実装体５１が複数個連結されたものとして構成されている。具体的には、半導体実装体５１が複数個（図示例では４個）積層されて連結されているとともに、それぞれの貫通穴５５３は、互いに連通している。
積層体における一端側の半導体実装体５１には、熱媒体の入口６１および出口６２を有する第１蓋材６０が連結されており、これら入口６１および出口６２と貫通穴５５３とが連通している。また、積層体における他端側の半導体実装体５１には、第２蓋材７０が連結されており、貫通穴５５３が、この第２蓋材７０により閉塞されている。こうして、入口６１、出口６２および貫通穴５５３が接続され、入口６１から流入した熱媒体が貫通穴５５３を通って出口６２から流出するようになっている。
なお、壁部５５２の端面にて、個々の半導体実装体５１の連結および半導体実装体５１と蓋材６０、７０との連結が行われており、この壁部５５２における各々の連結は、図示しない接着剤を介した接着により行われている。また、蓋材６０、７０は、ともに、例えば、樹脂、金属、セラミックなどの材料から成形、プレス加工などにより作成することができる。
ここで、積層された複数個の半導体実装体５１において、互いの放熱面５２１、５３１が対向するように配置されており、この対向する放熱面５２１、５３１の間も熱媒体流路３０として熱媒体が流れるようになっている。したがって、対向する放熱面５２１、５３１およびモールド樹脂５５０が、本発明の流路形成部材に相当している。
ヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１の表面には、放熱面５２１、５３１の間に形成された熱媒体流路３０を複数の細流路に分割するとともに、熱媒体とヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１との熱交換を促進するインナーフィン３３が設けられている。
このインナーフィン３３は、上記第２実施形態と同様に構成されている。すなわち、インナーフィン３３は、１つの第２フィン部３３Ｂの両側に第１フィン部３３Ａが１つずつ配置されている。そして、第２フィン部３３Ｂは、放熱面５２１、５３１と対向する部位に設けられており、第１フィン部３３Ａは、放熱面５２１、５３１と対向する部位以外の部位に設けられている。
以上説明したように、インナーフィン３３をフィンピッチが互いに異なる第１フィン部３３Ａおよび第２フィン部３３Ｂにより構成することで、流路幅方向の長さに応じて、当該フィンピッチが細かい部分、すなわち第１フィン部３３Ａの流路幅方向の長さやフィンピッチを変更することで、インナーフィン３３を流路幅方向の全域に亘って配置することができる。これにより、熱媒体流路３０の一部に熱媒体が優先的に流れてしまうことを防止できるので、熱交換効率を向上させることが可能となる。
さらに、本実施形態では、熱媒体流路３０におけるヒートシンク５２０、５３０の放熱面５２１、５３１と対応する部位以外の部位に、フィンピッチの細かい第１フィン部３３Ａを配置している。これにより、熱媒体流路３０における放熱面５２１、５３１と対応する部位以外の部位を流通する熱媒体に生じる圧力損失が大きくなり、熱媒体流路３０における放熱面５２１、５３１と対応する部位へ流入する熱媒体の流量が増加するので、つまりは流速が増加し、熱交換効率をより向上させることが可能となる。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
（１）上記第１〜第６実施形態では、熱交換対象物として電子部品２を採用した例について説明したが、熱交換対象物はこれに限定されない。例えば、流路管３の外表面に接合されるとともに、流路管３と流路管３外部を流れる外部流体（空気）との伝熱面積を増大させるアウターフィンを熱交換対象物として採用してもよい。
（２）上記第１〜第６実施形態では、熱交換器として、流路管３をいわゆるドロンカップ構造とし、隣り合う流路管３のフランジ部３００同士をろう付けにより接合することにより複数の流路管３を連通する連通部材４を形成した積層型熱交換器１を採用した例について説明したが、熱交換器はこれに限定されない。例えば、流路形成部材としての複数本のチューブ、この複数本のチューブの両端側に配置されてそれぞれのチューブを流通する熱媒体の集合あるいは分配を行う一対の集合分配用タンク等を有する、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器を、熱交換器として採用してもよい。
（３）上記第１〜第６実施形態では、流路管３を複数設けた例について説明したが、これに限らず、流路管３は１つであってもよい。
（４）上記第１実施形態では、第１フィン部３３Ａを流路幅方向の一端部に配置した例について説明したが、第１フィン部３３Ａの位置はこれに限定されない。例えば、第１フィン部３３Ａを流路幅方向の中央部に配置してもよい。
（５）上記各実施形態では、インナーフィン３３を、フィンピッチＦＰが互いに異なる２つのフィン部３３Ａ、３３Ｂにより構成した例について説明したが、これに限らず、フィンピッチＦＰが互いに異なる３つ以上のフィン部によりインナーフィン３３を構成してもよい。
（６）上記第４実施形態では、内側インナーフィン３３５を、そのフィンピッチＦＰｉｎが、外側インナーフィン３３４のうち最もフィンピッチＦＰが細かい第１フィン部３３ＡのフィンピッチＦＰ１と略同等となるように形成した例について説明したが、内側インナーフィン３３５の形状はこれに限定されない。例えば、内側インナーフィン３３５を外側インナーフィン３３４と同様の形状としてもよい。
（７）上記第４実施形態では、インナーフィン３３を３段積層して配置した例について説明したが、これに限らず、インナーフィン３３を４段以上積層してしてもよい。
（８）上述の各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせることができる。
２ 電子部品（熱交換対象物）
３ 流路管（流路形成部材）
３０ 熱媒体流路
３３ インナーフィン
３３Ａ 第１フィン部
３３Ｂ 第２フィン部
３３１ 板部
３３２ 連結部
３３３ 細流路

Claims (5)

  1. 熱媒体が流通する熱媒体流路（３０）を内部に有する流路形成部材（３）を備え、
    前記熱媒体と、前記流路形成部材（３）の外部または内部に配置された熱交換対象物（２）との間で熱交換を行う熱交換器であって、
    前記流路形成部材（３）内には、前記熱媒体流路（３０）を複数の細流路（３３３）に分割するとともに、前記熱媒体と前記熱交換対象物（２）との熱交換を促進するインナーフィン（３３）が設けられており、
    前記インナーフィン（３３）は、前記熱媒体の流れ方向に垂直な断面形状が、凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されており、
    前記断面形状にて、前記一方側と前記他方側のうちの同一側で隣り合う前記凸部の中心同士の距離をフィンピッチ（ＦＰ）としたとき、
    前記インナーフィン（３３）は、前記フィンピッチ（ＦＰ）が異なる複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）を有して構成されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）のうち、前記フィンピッチ（ＦＰ）が最も細かいフィン部を第１フィン部（３３Ａ）とし、前記第１フィン部（３３Ａ）より前記フィンピッチ（ＦＰ）が粗い前記フィン部を第２フィン部（３３Ｂ）とするとともに、前記熱媒体の流れ方向、および前記流路形成部材（３）と前記熱交換対象物（２）との配置方向に対してともに直交する方向を流路幅方向としたとき、
    前記第１フィン部（３３Ａ）の前記流路幅方向の長さが、前記第２フィン部（３３Ｂ）の前記フィンピッチ（ＦＰ）より短いことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記複数のフィン部（３３Ａ、３３Ｂ）のうち、前記フィンピッチ（ＦＰ）が最も細かいフィン部を第１フィン部（３３Ａ）とし、前記第１フィン部（３３Ａ）より前記フィンピッチ（ＦＰ）が粗い前記フィン部を第２フィン部（３３Ｂ）としたとき、
    前記熱交換対象物（２）は、前記流路形成部材（３）の外部の一部に配置されており、
    前記第１フィン部（３３Ａ）は、前記流路形成部材（３）内における前記熱交換対象物（２）と対応する部位以外の部位に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
  4. 前記インナーフィン（３３）は、前記熱媒体の流れ方向に延びるとともに前記細流路（３３３）を分割する板部（３３１）と、隣り合う前記板部（３３１）間を繋ぐ連結部（３３２）とを有し、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状となるとともに、前記流路形成部材（３）と前記熱交換対象物（２）との配置方向から見た際に前記板部（３３１）が前記熱媒体の流れ方向に波形状に屈折するウェーブフィンであり、
    前記インナーフィン（３３）の、前記配置方向に直交し、かつ、前記細流路（３３３）における前記配置方向の中心部を通る断面における、前記板部（３３１）の前記波形状の振幅方向における寸法をウェーブ深さ（ＷＤ）としたとき、
    前記第１フィン部（３３Ａ）の前記ウェーブ深さ（ＷＤ）が、前記第２フィン部（３３Ｂ）の前記ウェーブ深さ（ＷＤ）より深いことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
  5. 前記インナーフィン（３３）は、前記熱媒体の流れ方向に延びるとともに前記細流路（３３３）を分割する板部（３３１）と、隣り合う前記板部（３３１）間を繋ぐ連結部（３３２）とを有し、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状となるとともに、前記流路形成部材（３）と前記熱交換対象物（２）との配置方向から見た際に前記板部（３３１）が前記熱媒体の流れ方向に波形状に屈折するウェーブフィンであり、
    前記インナーフィン（３３）の、前記配置方向に直交し、かつ、前記細流路（３３３）における前記配置方向の中心部を通る断面における、前記板部（３３１）の前記波形状のピッチをウェーブピッチ（ＷＰ）としたとき、
    前記第１フィン部（３３Ａ）の前記ウェーブピッチ（ＷＰ）が、前記第２フィン部（３３Ｂ）の前記ウェーブピッチ（ＷＰ）より細かいことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
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