JP2017045857A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、フィン群の上流端に異物が詰まっても、その異物の下流側で局所的な冷媒流量の低下を抑える冷却器を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する冷却器２０は、冷媒の流れ方向を横断する断面が扁平な流路を備える。冷却器２０は、第１フィン群３１と第２フィン群３２を備える。第１フィン群３１は、流路の上流側に配置されており、流路の横断面の長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びている。第２フィン群３２は、第１フィン群３１の下流側に配置されており、長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びており、各フィンが、流路断面の短手方向で対向する流路内面の夫々に接している。第２フィン群のピッチが第１フィン群のピッチよりも大きい。また、冷媒の流れ方向において、第１フィン群３１の下流端と第２フィン群３２の上流端の間に隙間３３が設けられている。
【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、冷媒の流れ方向を横断する断面が扁平な流路を備えた冷却器に関する。

断面が扁平な流路を備えた冷却器が知られている。そのような冷却器は、冷却器の本体を構成する部材と冷媒との熱交換を促進するため、流路の断面の長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びているフィン群を備えることが多い。冷却器の本体を構成する部材の熱がフィンに伝わるように、フィン群の各フィンは、対向する流路内面の夫々と接するように設けられる。そのような冷却器は、例えば、半導体モジュールや半導体チップの冷却に用いられる。半導体モジュールや半導体チップは、フィン群が接している流路内面を構成する冷却器側板の外側に取り付けられる。そのような冷却器の例が特許文献１−３に開示されている。なお、フィン群は、一枚の波板で構成されることもある。波板の上下が夫々、対向する流路内面の夫々に接している。本明細書では、一枚の波板であっても、一方の流路内面から他方の流路内面までの間を一つのフィンと捉える。それゆえ、本明細書では、一枚の波板でフィン群が構成されると解する。

特開２００５−１９１５２７号公報 国際公開第２０１１／１４８５０５号公報 特開２０１１−２４２０８９号公報

各フィンは対向する流路内面の夫々と接しているため、流れ方向を横断する断面でみたときに、フィン群は流路全体を複数の小空間に区画する。隣接する一対のフィンの上流端に異物が詰まると、その一対のフィンで区画された小空間の下流では冷媒の流量が少なくなり、局所的に冷却効率が低下する。本明細書は、フィン群の上流端に異物が詰まった場合に異物の下流における冷媒流量の局所的な減少を抑制する技術を提供する。ここで、「異物」とは、冷媒流に混入したごみ、あるいは、冷却器よりも上流で冷媒管の内壁から剥離した剥離片などである。

本明細書が開示する冷却器は、ピッチの異なる２種類のフィン群を備える。冷媒流の上流側にピッチの小さいフィン群（第１フィン群）を配置し、その下流側にピッチの大きいフィン群（第２フィン群）を配置する。そして、冷媒の流れ方向において、第１フィン群の下流端と第２フィン群の上流端の間に隙間を設ける。以下では、理解を助けるため、第１フィン群の下流端と第２フィン群の上流端の間に隙間のことを、連通路と称することがある。「連通路」は、冷媒が流路断面の長手方向に流れ得ることを意味する。第１フィン群の上流端で異物が詰まっても、その下流側では、連通路を通じて両側から冷媒が流れ込む。こうして、異物が詰まってもその下流側での冷媒流量の局所的な減少が抑制される。

本明細書が開示する冷却器の一態様は、次の通りである。冷却器は、冷媒の流れ方向を横断する断面が扁平な流路を備える。以下では、説明の便宜上、冷媒の流れ方向を横断する断面を横断面と称する。冷却器は、第１フィン群と第２フィン群を備える。第１フィン群は、流路の上流側に配置されており、横断面の長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びている。第２フィン群は、第１フィン群よりも下流側に配置されており、横断面の長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びている。また、第２フィン群の各フィンは、横断面の短手方向で対向する流路内面の夫々に接している。なお、第２フィン群が冷媒との熱交換の主役であるため、第２フィン群の各フィンは流路内面に接している必要があるが、第１フィン群は、異物に対するフィルタの役割を果たせばよいため、必ずしも流路内面に接している必要はない。また、本明細書が開示する冷却器では、第２フィン群のピッチが第１フィン群のピッチよりも大きい。ここで、「ピッチ」とは、隣接するフィンの間隔を意味する。さらに、本明細書が開示する冷却器では、冷媒の流れ方向において、第１フィン群の下流端と第２フィン群の上流端の間に隙間（連通路）が設けられている。先に述べたように、第１フィン群のなかの一対のフィンの上流端に異物が詰まった場合、その一対のフィンで区画される小空間に隣接する小空間を流れる冷媒が隙間（連通路）を通じて異物の下流へと流れ込む。しかも、第２フィン群のピッチが第１フィン群のピッチよりも大きいため、第１フィン群の一対のフィンで区画される小空間に隣接する小空間から、第２フィン群の中で異物の下流に位置する小空間へ十分な量の冷媒が流れる。その結果、異物の下流における局所的な冷媒流量の低下が抑制される。

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。

実施例の冷却器を含む積層ユニットの斜視図である。 冷却器の分解斜視図である。 第１フィン群を横断する断面図である。 第２フィン群を横断する断面図である。 波板の斜視図とその一部拡大図である。 ＸＹ平面でカットした冷却器の断面図である。 変形例の冷却器の断面図である。

図面を参照して実施例の冷却器を説明する。図１は、実施例の冷却器２０を含む積層ユニット２の斜視図である。積層ユニット２は、複数の冷却器２０が積層されているとともに、隣接する冷却器２０の間に半導体モジュール１０が挟み込まれたユニットである。なお、図１では、理解を助けるために、１つの半導体モジュール１０とその両側の絶縁板９を、積層ユニット２から抜き出して描いてある。半導体モジュール１０は、パワートランジスタと呼ばれる半導体チップ１１ａ、１１ｂを収容している。半導体モジュール１０の両面には半導体チップ１１ａ、１１ｂと導通している放熱板７が露出している。冷却器２０の外板はアルミニウムで作られている。放熱板７と冷却器２０を絶縁するため、冷却器２０と半導体モジュール１０の間には絶縁板６が挟まれる。積層ユニット２は、多数のパワートランジスタを用いるデバイス、例えばインバータに用いられる。

積層ユニット２は、仮想線で描かれたハウジング９に収容される。積層ユニット２の積層方向の一端とハウジング９の内壁の間には板バネ８が挟まれる。積層ユニット２は、板バネ８によって積層方向に加圧される。積層方向の加圧によって、冷却器２０と半導体モジュール１０が密着し、半導体モジュール１０から冷却器２０への伝熱効率が高められる。なお、図中の座標系のＺ方向が複数の冷却器２０の積層方向に相当する。

隣接する冷却器２０は接続管５ａ、５ｂで接続されている。積層ユニット２の積層方向の一端の冷却器２０に供給管４ａと排出管４ｂが接続されている。供給管４ａは、積層方向からみたときに接続管５ａと重なるように設けられている。排出管４ｂは、積層方向からみたときに接続管５ｂと重なるように設けられている。各冷却器２０の内部には、図中のＸ方向に延びる流路が設けられており、その流路は、接続管５ａ、５ｂと連通している。供給管４ａから供給された冷媒は、接続管５ａを通じて各冷却器２０へ分配される。冷媒は、各冷却器２０の流路を通過する間に隣接する半導体モジュール１０から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は接続管５ｂと排出管４ｂを通じて積層ユニット２から排出される。供給管４ａと排出管４ｂには不図示の冷媒循環路とラジエータとポンプが接続されており、排出された冷媒はラジエータで冷却されて再び積層ユニット２へ供給される。冷媒は液体であり、典型的には水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図２に冷却器２０の分解図を示す。冷却器２０は、外板２１、２２、中板２４、２枚の波板２３で構成される。２枚の波板２３と中板２４を挟んで外板２１、２２を張り合わせると冷却器２０が完成する。２枚の波板のいずれか一方を区別なく示す場合には符号２３を用い、２枚の波板を区別する場合には、符号２３ａと２３ｂを用いることにする。外板２１、２２の夫々には、先に述べた接続管５ａ、５ｂが設けられている。中板２４は、外板２１、２２で囲まれる空間を２つの流路に区分するために備えられている。中板２４には、接続板５ａ、５ｂに対応する位置に孔が設けられている。

矢印２６ａが冷媒の供給方向を示しており、矢印２６ｂは冷媒の排出方向を示している。接続管５ａから供給された冷媒は、外板２１と中板２４で囲まれた流路、及び、外板２２と中板２４で囲まれた流路を通り、接続管５ｂを通じて排出される。図中のＸ軸の正方向が、冷却器２０の内部における冷媒の流れ方向を示している。

詳しくは後述するが、波板２３には、ピッチの異なる２つのフィン群３１、３２が形成されている。第１フィン群３１は、冷媒流の上流側に位置する。第２フィン群３２は、第１フィン群３１の下流側に位置する。第１フィン群３１と第２フィン群３２の各フィンは、冷媒の流れ方向に沿って延びている。第１フィン群３１と第２フィン群３２の間には、隙間３３が設けられている。隙間３３についても後に詳しく説明する。

図３に、第１フィン群３１を横断する断面図を示し、図４に、第２フィン群３２を横断する断面図を示す。図３、図４は、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）を横断する断面（横断面）を示している。図３、図４によく示されているように、外板２１と２２で囲まれた流路２７は、横断面が扁平である。なお、本実施例では、外板２１と２２で囲まれた空間は、中板２４によって２つに流路２７に区画されている。ここで、流路内面とは、流路を構成する板（壁）の面を意味する。従って、中板２４の両面２４ａ、２４ｂも流路内面である。

一方の波板２３ａは、外板２１の内面２１ａと中板２４の一方の面２４ａとに接している。他方の波板２３ｂは、外板２２の内面２２ａと中板２４の他方の面２４ｂとに接している。外板２１の内面２１ａと外板２２の２２ａは、流路２７の内面（流路内面）に相当する。また、上述したように、中板２４の両面２４ａ、２４ｂも流路内面に相当する。波板２３において、一方の流路内面から他方の流路内面までの間を一つのフィンとみなす。第１フィン群３１、第２フィン群３２はいずれも、横断面が扁平な流路２７の長手方向（図中のＹ方向）に並んでいることになる。また、第１フィン群３１、第２フィン群３２はいずれも、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）に延びている。第１フィン群３１と第２フィン群３２の各フィンは、流路の横断面においてその短手方向で対向する流路内面の夫々に接している。なお、横断面の短手方向（図中のＺ方向）を仮に上下方向と呼ぶことにすると、第１フィン群３１、第２フィン群３２の各フィンは、その上端と下端が夫々、短手方向で対向する流路内面に接している、と表現することができる。

図１に示したように、冷却器２０の扁平面の両側に半導体モジュール１０が取り付けられる。半導体モジュール１０の熱は、外板２１、２２に伝わる。第１フィン群３１と第２フィン群３２の各フィンが流路内面に接していることで、半導体モジュール１０の熱は、外板２１、２２、中板２４、及び、第１、第２フィン群３１、３２を介して冷媒によく伝達される。なお、第１フィン群３１、第２フィン群３２はいずれも、横断面において流路２７の全体にほぼ一様に分布している。そのため、流路内を流れる冷媒に均等に熱が伝わる。このことは、冷却器２０の冷却効率に貢献する。

図３、図４によく示されているように、第１フィン群３１のピッチＰ１は、第２フィン群３２のピッチＰ２よりも小さい。逆にいえば、第２フィン群３２のピッチＰ２は第１フィン群３１のピッチＰ１よりも大きい。ここで、「ピッチ」とは、隣接する一対のフィンの間隔を意味する。

図５に波板２３の斜視図と、その一部拡大図を示す。図５によく示されているように、第１フィン群３１と第２フィン群３２は、一枚の波板２３に形成されている。第１フィン群３１と第２フィン群３２は、プレス加工により一枚の金属平板から作られる。別言すれば、第１フィン群３１と第２フィン群３２は、一枚の板（一枚の金属板）で形成されている。図５の拡大図に示されているように、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）において、第１フィン群３１の下流端と第２フィン群３２の上流端の間には、隙間３３が設けられている。この隙間３３を、以下では連通路と称する場合がある。連通路とは、冷媒がフィン群の並び方向、即ち、横断面の長手方向（図中のＹ方向）に移動し得ることから付した名称である。別言すれば、連通路（隙間３３）は、フィン群（第１、第２フィン群３１、３２）をその並び方向に横断するように延びている。

以下、説明の便宜上、図中のＺ軸の正方向を「上」と称し、負方向を「下」と称する。第１フィン群３１、第２フィン群３２のいずれにおいても、各フィンの上端と下端が、横断面の短手方向で対向する流路内面に接している。それゆえ、各フィンは、冷媒の流れ方向からみて流路２７を小空間に区分する。また、第１フィン群３１の上流端には、異物が詰まる虞がある。異物とは、冷媒に混入したごみ、あるいは、冷却器２０よりも上流に配置されている冷媒管の内壁から剥離した剥離片などである。また、異物のなかには、冷媒の熱を放出するラジエータや冷却対象部品の中を通る冷媒管、あるいは、冷媒が通るポンプが腐食することによって生成されるものもあり得る。第１フィン群３１の上流端に異物が詰まると、その下流側では冷媒の流量が低下する虞がある。しかし、冷却器２０では、次の２つの構造的特徴により、異物の下流での冷媒流量の低下を抑制する。一つは、第１フィン群３１の下流端と第２フィン群３２の上流端の間に隙間３３（連通路）を設けていることである。もう一つは、第２フィン群３２のピッチＰ２が第１フィン群３１のピッチよりも大きいことである。図６を参照して、この２点の構造的特徴の効果を説明する。

図６は、図中のＸＹ平面で冷却器２０をカットした断面図を示している。図６は、流路２７の上流側のみを示している。太い黒い矢印線が冷媒の流れを示している。図６では、冷却器２０に接する半導体モジュール１０を仮想線（二点鎖線）で示している。また、図６では、第１フィン群３１のうち、隣接する一対のフィンに符号３１ａ、３１ｂを付している。また、第２フィン群３２のうち、隣接する一対のフィンに符号３２ａ、３２ｂを付している。

第１フィン群３１のうちの、隣接する一対のフィン３１ａ、３１ｂの上流端に異物９１が詰まったとする。この場合、一対のフィン３１ａ、３１ｂで挟まれた小空間Ｃ１にはほとんど冷媒が流れない。第２フィン群３２のうち、異物９１の下流に位置する隣接する一対のフィン３２ａ、３２ｂの間の小空間Ｃ４を流れる冷媒の流量が減少してしまうと、半導体モジュール１０と対向する範囲において、一部の冷却能力が局所的に下がってしまう。しかし、一対のフィン３１ａ、３１ｂで区画される小空間Ｃ１に隣接する小空間Ｃ２、Ｃ３を流れる冷媒が、隙間３３（連通路）を通じて異物９１の下流へと流れる（図中の矢印Ａ１）。さらに、第２フィン群３２のピッチＰ２が第１フィン群３１のピッチＰ１よりも大きいので、小空間Ｃ２、Ｃ３を流れる冷媒は、第２フィン群３２によって区画される小空間のうち、小空間Ｃ２、Ｃ３の間に位置する小空間Ｃ４へ流れ込みやすくなる。こうして、第１フィン群３１の上流端に異物が詰まっても、半導体モジュール１０に相対する位置において冷媒流量が局所的に低くなることを抑制する。すなわち、異物が詰まっても半導体モジュール１０に対する冷却能力の均一性が保たれる。

なお、上記の効果を最大限に得るには、隙間３３が、流路２７において、半導体モジュール１０（冷却対象）と相対する位置よりも上流側に位置していることが好ましい。ただし、隙間３３が半導体モジュール１０（冷却対象）と相対する位置と重なっていても、隙間３３よりも下流では上記の効果が得られる。

また、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）における隙間３３の幅Ｗは、第１フィン群３１のピッチＰ１よりも大きいことが望ましい。第１フィン群３１のピッチＰ１よりも小さい異物は第１フィン群３１を通過する。隙間３３の幅Ｗ、及び、第２フィン群３２のピッチＰ２がいずれも第１フィン群３１のピッチＰ１よりも大きければ、第１フィン群３１を通過した異物が隙間３３（連通路）、および、第２フィン群３２で詰まることはない。

図７を参照して変形例の冷却器１２０を説明する。図７は、図６に対応する図であり、冷却器１２０を図中のＸＹ平面でカットした断面図である。第１フィン群３１、第１フィン群の下流に位置する第２フィン群３２、冷媒の流れ方向において第１フィン群３１の下流端と第２フィン群の上流端の間に設けられている隙間３３は、先の冷却器２０の場合と同じである。第２フィン群３２のピッチが第１フィン群３１のピッチよりも大きいことも、先の冷却器２０の場合と同じである。先の冷却器２０では、隙間３３には冷媒流を遮るものは何も設けられていなかった。この変形例の冷却器１２０では、隙間３３に、ピンフィン群３４が設けられている。ピンフィン群３４は、隙間３３を通る冷媒の流れを乱す役割を果たす。このことは、第１フィン群３１の上流端で異物が詰まったとき、第２フィン群３２が区画する小空間のうち、異物の下流に位置する小空間に冷媒が流れ易くなることを意味する。即ち、ピンフィン群３４は、第１フィン群３１の上流に異物が詰まったときの異物下流側の範囲における冷媒流量の局所的な低下をさらに抑制することに貢献する。

実施例で説明した冷却器の利点のいくつかを説明する。冷却器２０（１２０）には、その外側であって、流路２７と対向する位置に冷却対象（半導体モジュール１０）が取り付けられる。隙間３３は、流路２７において冷却対象と相対する位置よりも上流側に位置している。隙間３３が冷却対象よりも上流側に位置することにより、冷却対象と相対する範囲で冷媒流量の局所的な低下を抑えることができる。すなわち、第１フィン群３１の上流端に異物が詰まっても冷却対象に対して均一な冷却性能を発揮することができる。

隙間３３に、冷媒の流れを乱す突起群（ピンフィン群３４）が設けられているとよい。先に述べたように、突起群（ピンフィン群３４）によって、隙間３３において冷媒の流れが乱される。突起群（ピンフィン群３４）は、第１フィン群３１の上流端に異物が詰まった際、第２フィン群３２が区画する小空間のうち、異物の下流の小空間へ冷媒が流れ込むことを促進する。突起群は、ピンフィンでなくともよい。冷媒流を乱すものであれば、例えば半球状の突起群であってもよい。

図５に示したように第１フィン群３１と第２フィン群３２は、一枚の板で形成されているとよい。ピッチの異なる２つのフィン群の製造コストを抑えることができる。

冷媒の流れ方向における隙間３３の幅Ｗは、第１フィン群３１のピッチＰ１よりも大きいことが好ましい。第１フィン群３１を通過した異物が隙間３３で詰まることを防止するためである。なお、隙間３３にピンフィン群３４を設ける場合であっても、隙間３３の幅Ｗを十分に大きくし、さらに、隣接するピンフィンの間隔を第１フィン群３１のピッチよりも大きくすれば、第１フィン群３１を通過した異物がピンフィン群３４で詰まることを回避することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のフィン群はいずれも波板で構成されている。フィン群は、波板でなくとも構成することができる。例えば、フィン群は、一枚の金属板に、流れ方向に延びるとともに両端で同じ方向に折れ曲がっている切り込み群を入れ、各切り込みで囲まれた部分を折り曲げることによっても形成することができる。あるいはフィン群は、冷却器の本体を構成している外板の内面に、個別のフィンを溶接しても得ることができる。

実施例では、第１フィン群の一対のフィンの上流端で異物が詰まった場合、その一対のフィンで区画される小空間の両隣の小空間から、第２フィン群における異物より下流の小空間に冷媒が流れ込む。第１フィン群のピッチが第２フィン群のピッチよりも相当に小さければ、第１フィン群の一対のフィンの上流端で異物が詰まった場合、その一対のフィンの近傍の３個以上の小空間から第２フィン群における異物の下流の小空間へ冷媒が流れ込む。

第２フィン群の各フィンは、流路の横断面の短手方向で対向する流路内面の夫々に接している。これは、各フィンが流路を長手方向で区画することを意味する。流路の横断面において短手方向で対向する流路内面の間で波板が２段重なっている場合には、一方の流路内面から他方の流路内面まで連続するフィンの範囲が一つのフィンに相当する。例えば、図３、図４の横断面において、中板２４が無く、上側の波板２３ａと下側の波板２３ｂが接している場合、上側の外板２１の内面２１ａから下側の外板２２の内面２２ａまで達している部分が一つのフィンに相当する。即ち、中板２４が無い場合、上側の波板２３ａの第１フィン群３１の一つのフィンと、これに接している下側の波板２３ｂの一つのフィンを合わせたものが改めて一つのフィンと定義される。

実施例の冷却器は、第１フィン群３１と第２フィン群３２はいずれも、対向する流路内面の夫々に接している。第１フィン群３１はフィルタの役割を果たせばよいので、第１フィン群３１は流路内面と接していなくともよい。

以上、本発明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：積層ユニット
１０：半導体モジュール
１１ａ、１１ｂ：半導体チップ
２０、１２０：冷却器
２１、２２：外板
２３、２３ａ、２３ｂ：波板
２４：中板
３１：第１フィン群
３２：第２フィン群
３３：隙間
３４：ピンフィン群
９１：異物
Ｐ１、Ｐ２：ピッチ

Claims (4)

1. 冷媒の流れ方向を横断する断面が扁平な流路を備えた冷却器であり、
   前記流路の上流側に配置されており、前記断面の長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びている第１フィン群と、
   前記第１フィン群の下流側に配置されており、前記長手方向に並んでいるとともに冷媒の流れ方向に延びており、各フィンが、前記断面の短手方向で対向する流路内面の夫々に接している第２フィン群と、
   を備えており、
   前記第２フィン群のピッチが前記第１フィン群のピッチよりも大きく、
   冷媒の流れ方向において、前記第１フィン群の下流端と前記第２フィン群の上流端の間に隙間が設けられていることを特徴とする冷却器。
2. 前記冷却器の外側であって前記流路と対向する位置に冷却対象が取り付けられており、
   前記隙間は、前記流路において前記冷却対象と相対する位置よりも上流側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記隙間に、冷媒の流れを乱す突起群が設けら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。
4. 前記第１フィン群と前記第２フィン群が一枚の板で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器。

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