JP5397543B2 - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の波板状のフィンを備える熱交換器及びその製造方法に関する。より詳細には、隣接するフィンがオフセットして配置された熱交換器及びその製造方法に関するものである。
ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールなどの発熱体は、半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため、このような発熱体は、高放熱性を有する冷却構造を具備する必要がある。つまり、発熱体からの熱を効率よく放熱させるための熱交換器が必要とされている。
このような熱交換器では、効率よく熱交換を行うために、隣接するフィンをオフセットして(フィンの山と谷の位置をずらして)配置しているものがある(特許文献1参照)。この熱交換器では、フィンをオフセット配置することにより、冷却媒体に乱流を発生させて、冷却媒体に境界層が形成されないようにし、フィンと冷却媒体との間における熱伝達率を向上させている。
ここで、上記のような熱交換器では、各フィンの位置決めを正確に行う必要がある。フィンのオフセット量が設計値からずれてしまうと、冷却媒体に境界層が形成されてしまい、フィンと冷却媒体との間における熱伝達率を向上させることができなくおそれがあるからである。
そこで、各フィンを所定位置に保持する、つまり、フィンの位置決めを行うことが必要となる。このようなフィンの位置決め機構として、例えば、フィンを保持する保持部材に凹凸(突起)部を形成している熱交換器がある(特許文献2参照)。
しかしながら、上記した熱交換器では、フィン毎にフィンの位置決め機構が必要となる。そして、効率よく熱交換を行うためにフィンをオフセット配置すると、複数の位置決め機構が必要になる。そのため、保持部材における加工部位が多くなって保持部材の形状が複雑になり、また、フィンの配置作業が煩雑となり生産効率が低下するので、製品コストの上昇を招いてしまうという問題があった。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、製品コストを上昇させずに、フィンの位置決めを簡単かつ正確に行うことができ、効率よく熱交換を行うことができる熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、筐体内に複数の波板状のフィンが冷却媒体の流れ方向に配置された熱交換器において、前記複数のフィンのうち隣接するもの同士を連結する連結部と、前記連結部に形成された突起部と、前記筐体に冷却媒体の流れ方向に対して斜めに形成された前記フィンの位置決めを行うための位置決め穴とを有し、前記突起部と前記位置決め穴との嵌合により、前記隣接するフィンが冷却媒体の流れ方向に所定の間隔で配置されているとともに、冷却フィンの一方の端部が前記筐体の側面に当接することにより前記隣接するフィンが冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置されていることを特徴とする。
この熱交換器では、連結部に設けた突起部を筐体に設けられた位置決め穴に嵌合することにより、隣接するフィンが、冷却媒体の流れ方向に所定の間隔で配置されるとともに、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置される。このように、突起部を位置決め穴に嵌合することにより、フィンの位置決めを簡単かつ正確に行うことができる。そして、隣接するフィンが、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置されるため、冷却媒体に乱流が発生し、冷却媒体に境界層が形成されないため、フィンと冷却媒体との間における熱伝達率が向上する。これにより、効率よく熱交換を行うことができる。
また、この熱交換器では、連結部に位置決め機構が設けられているため、従来の熱交換器に比べフィンの位置決め機構を減らすことができる。また、筐体には、位置決め機構として位置決め穴が設けられているだけなので、筐体の形状が複雑化することがない。さらに、隣接するフィンが連結部により連結されているため、フィンの筐体への配置作業が容易になる。これらのことから、この熱交換器では製品コストの上昇を防止することができる。
上記した熱交換器において、前記位置決め穴は、前記筐体の底面側に形成されていることが望ましい。なお、筐体の底面側とは、発熱体が載置される面(天板側)と反対側を意味する。
筐体の天板側に位置決め穴を設けると、天板の平面度を確保することができず、熱交換器に載置した発熱体が剥離する(部分的な剥離も含む)おそれがあるからである。そして、発熱体が熱交換器から剥離してしまうと、発熱体を効率的に冷却することができなくなってしまう。そのため、筐体の底面側に位置決め穴を形成することにより、熱交換器からの発熱体の剥離を確実に防止することができ、発熱体を効率的に冷却することができる。
上記した熱交換器において、前記連結部及び前記突起部は、前記隣接するフィンと一体成形されたものであることが望ましい。
そして、前記隣接するフィンは、板状部材から前記隣接するフィン間に相当する部分が前記連結部及び前記突起部となる部分を残して打ち抜かれるとともに、前記隣接するフィンとなる部分がつづら折りされて波状に形成されたものであることが望ましい。
そして、前記隣接するフィンは、板状部材から前記隣接するフィン間に相当する部分が前記連結部及び前記突起部となる部分を残して打ち抜かれるとともに、前記隣接するフィンとなる部分がつづら折りされて波状に形成されたものであることが望ましい。
このように連結部及び突起部を、隣接するフィンと一体成形することにより、連結部及び突起部を別体で新たに形成する必要がない。そして、板状部材から隣接するフィン間に相当する部分を連結部及び突起部となる部分を残して打ち抜くとともに、隣接するフィンとなる部分をつづら折りして波状に成型して、隣接するフィンを形成することにより、複数のフィンと連結部及び突起部とを容易に製作することができる。これらのことにより、熱交換器の生産効率が向上するため、製品コストの上昇を確実に防止することができる。
上記課題を解決するためになされた本発明の別態様は、筐体内に複数の波板状のフィンが冷却媒体の流れ方向に配置された熱交換器の製造方法において、前記筐体を形成するとともに前記フィンの位置決めを行うための位置決め穴を設ける筐体形成工程と、前記フィンを形成するフィン形成工程と、前記筐体形成工程で形成された筐体内に前記フィン形成工程で形成されたフィンを配置するフィン配置工程とを含み、前記フィン形成工程では、板状部材から前記フィンの間となる部分を、隣接するフィンを連結する連結部と前記位置決め穴に嵌合する突起部とを残して打ち抜くとともに、前記フィンとなる部分をつづら折りして波状に形成し、前記フィン配置工程では、前記突起部を前記位置決め穴に嵌合させて、隣接するフィンを冷却媒体の流れ方向に所定の間隔で配置するとともに、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置することを特徴とする。
この熱交換器の製造方法では、筐体形成工程において、筐体を形成する際に位置決め穴が設けられる。また、フィン形成工程において、複数のフィンのうち隣接するものを1枚の板状部材をつづら折りして波状に形成する前に、板状部材のうちフィン間となる部分を、隣接するフィンを連結する連結部と位置決め穴に嵌合する突起部とを残して打ち抜くことにより、連結部及び突起部が形成される。つまり、フィンを形成する際に、連結部及び突起部が形成される。従って、フィンの位置決め機構として機能する位置決め穴、突起部及び連結部を形成するために新たな工程を必要としないので、製造コストの上昇を確実に防止することができる。
そして、この製造方法で製造された熱交換器では、突起部を位置決め穴に嵌合することにより、フィンの位置決めを簡単かつ正確に行うことができる。そして、隣接するフィンが、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置されるため、冷却媒体に乱流が確実に発生し、冷却媒体に境界層が形成されないため、フィンと冷却媒体との間における熱伝達率が向上する。これにより、効率よく熱交換を行うことができる。
本発明に係る熱交換器及びその製造方法によれば、上記した通り、製品コストを上昇させずに、フィンの位置決めを簡単かつ正確に行うことができ、効率よく熱交換を行うことができる。
以下、本発明の熱交換器及びその製造方法を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態では、インバータ回路を構成する半導体素子の冷却を行う熱交換器に対して本発明を適用した場合を例示する。
そこで、実施の形態に係る熱交換器について、図1〜図3を参照しながら説明する。図1は、実施の形態に係る熱交換器の概略構成を示す斜視図である。図2は、図1に示す熱交換器の分解斜視図である。図3は、底面側から見た冷却フィンの斜視図である。
図1に示すように、本実施の形態に係る熱交換器10は、中空の筐体11と、筐体11内に収容された冷却フィン20とを備えている。これにより、筐体11の中空空間が冷却フィン20により区画されて冷却媒体の流路が形成されている。なお、本実施の形態では、冷却フィン20として、図2に示すように、筐体11内に3つのフィン20a,20b,20cが設けられている。
各フィン20a〜20cは、冷却媒体の流れ方向(A方向)に所定の間隔で並べられて配置されている。そして、隣接するフィン20aと20b、20bと20cは、冷却媒体の流れ方向に直交する方向(B方向)に所定量オフセットして配置されている。つまり、フィン20a,20cがフィン20bに対しずらされて配置されている。各フィン20a〜20cは、同一形状であり、圧延薄板がつづら折りされて波状に形成されている。そして、フィン20a〜20cは、連結部21a,21bにより連結され一体化されて冷却フィン20となっている。連結部21a,21bには、各フィン20a〜20cの位置決めを行うために、後述する位置決め穴12a,12bに嵌合する突起22a,22bが設けられている。
この突起22a,22bと位置決め穴12a,12bにより、各フィン20a〜20cの筐体11(本実施の形態ではフレーム11a)に対する位置決めを行う位置決め機構が構成されている。つまり、熱交換器10では、隣接するフィン間に位置決め機構が設けられている。これにより、フィンがオフセット配置された従来の熱交換器のようにフィン毎に位置決め機構を設ける必要がないため、フィンの位置決め機構の数を減らすことができる。これにより、製品コストの上昇を防止することができる。
連結部21aは、フィン20aと20bを連結するものであり、本実施の形態では2つ設けている。同様に、連結部21bは、フィン20bと20cを連結するものであり、本実施の形態では2つ設けている。連結部21a,22bそれぞれの数は、少なくとも1つ以上あればよいが、2つ以上が好ましい。連結部21a,22bをそれぞれ2つ以上設けることにより、各フィン20a〜20cをより正確に位置決めすることができるからである。
上記した冷却フィン20が配置される筐体11は、筐体11の底面及び側面をなす断面略コ字状のフレーム11aと、フレーム11aに蓋をして筐体11の上面をなす天板11bとを備えている。フレーム11aに対して天板11bを固定することにより、中空の筐体11が構成される。そして、フレーム11aにフィン20a〜20cを収容した状態で、フレーム11aに天板11bをろう付けすることにより、筐体11の内部に冷却フィン20が収容されるようになっている。このとき、冷却フィン20が筐体11に対してろう付けされる。これにより、筐体11の中空空間が冷却フィン20により区画されて冷却媒体の流路が形成される。そして、筐体11の開口する一端が、冷却媒体を導入するための導入口となっており、筐体11の開口する他端が、冷媒を排出するための排出口となっている。
フレーム11aの底面には、フィン20a〜20cの位置決めを行うための位置決め穴12a,12bが設けられている。このように、フレーム11aには、冷却フィン20(フィン20a〜20c)の位置決めを行うための機構として位置決め穴12a,12bが設けられているだけなので、フレーム11aの形状が複雑になることがない。この位置決め穴12a,12bは、連結部21a,21bに設けられた突起部22a,22bが嵌合する細長い有底穴である。位置決め穴12a,12bは、フィン20a〜20cが配置されない箇所に配置される。すなわち、位置決め穴12aが隣接するフィン20aと20bとの間に形成され、位置決め穴12bが隣接するフィン20bと20cとの間に形成されている。
なお、位置決め穴12a,12bを天板11bに設けることもできるが、フレーム11aに設けるのが好ましい。天板11bには、後述するように半導体素子15が載置されるため、天板11bに位置決め穴12a,12bを設けることによって天板11bの平面度を確保することができなくなると、半導体素子15が天板11bから剥離する(部分的な剥離も含む)おそれがあるからである。そして、半導体素子15が天板11bから剥離してしまうと、熱交換器10によって半導体素子15を効率的に冷却することができなくなってしまう。そのため、本実施の形態では、位置決め穴12a,12bをフレーム11aに設け、天板11bの平面度を確保している。
そして、位置決め穴12a,12bは、冷却媒体の流れ方向(A方向)に対して斜めに配置されている。なお、位置決め穴12aの配置方向と位置決め穴12bの配置方向とは逆向きになっている。これにより、冷却フィン20の連結部21a,21bに設けた突起22a,22bを位置決め穴12a,12bに嵌合させると、隣接するフィン20aと20b、20bと20cがそれぞれ冷却媒体の流れ方向と直交する方向(B方向)にオフセットして配置されるようになっている。また、隣接フィン20aと20b、20bと20cは、それぞれ連結部21a,21bにより連結されているので、冷却媒体の流れ方向(A方向)に所定の間隔で配置されるようになっている。なお、隣接するフィン間の間隔及びオフセット量は、連結部21a,21bの大きさ(長さ)と位置決め穴12a,12bの配置角度を変更することにより調整することができる。
続いて、上記のように構成された熱交換器10の製造方法について、図4〜図7を参照しながら簡単に説明する。図4は、冷却フィンを形成する前における圧延薄板の概略構成を示す模式図である。図5は、冷却フィンを筐体に配置する様子を示す図である。図6は、冷却フィンを筐体に配置した状態を示す図である。図7は、図6に示すA−A断面を示す斜視図である。
この熱交換器10の製造工程には、筐体11を形成する筐体形成工程と、冷却フィン20を形成するフィン形成工程と、冷却フィン20を筐体11(本実施の形態ではフレーム11a)に配置するフィン配置工程とが含まれている。
筐体形成工程では、金属板をプレス加工などにより断面略コ字状に成型するとともに位置決め穴12a,12bを設け、フレーム11aを形成する。このように、フレーム11aの成型時に位置決め穴12a,12bが同時に形成されるため、フレーム11aに位置決め穴12a,12bを設けても生産効率が低下せず製造コストが上昇することはない。また、この工程では、金属板を所定のサイズに加工して天板11aも形成する。このようして筐体形成工程において、筐体11を構成するフレーム11aと天板11bが形成される。なお、フレーム11aに対する天板11bの固定(ろう付け)は、フィン配置工程が終了した後に行われる。
フィン形成工程では、圧延薄板から3つのフィン20a〜20cと、連結部21a,21bと、突起22a,22bとを備える冷却フィン20を形成する。具体的には、図4に示すように、所定サイズの圧延薄板25から、フィン20a〜20c、連結部21a,21b、及び突起22a,22bとなる部分以外(図4のハッチング部)を打ち抜く(除去する)とともに、フィン20a〜20cとなる部分をつづら折りして波状に形成する。本実施の形態では、フィン20a〜20cとなる部分では、図4に示す一点鎖線にて山折りされ、破線にて谷折りされる。その後、フィン20bをフィン20a及び20cに対してオフセットさせる。これにより、図2、図3に示す冷却フィン20が形成される。
このようにフィン形成工程では、3つのフィン20a〜20cを同時に形成するため、フィンの生産効率を向上させることができる。また、連結部21a,21b及び突起22a,22bをフィン20a〜20cと一体成形するため、冷却フィン20に連結部21a,21b及び突起22a,22bを設けても、フィンの生産効率が低下することはない。これらのことから、連結部21a,21b及び突起22a,22bを設けても、熱交換器10のコスト上昇を確実に防止することができる。
フィン配置工程では、フィン20a〜20cをフレーム11a内に配置する。具体的には、図5に示すように、フレーム11aに形成された位置決め穴12a,12bと連結部21a,21bに形成された突起22a,22bとが対向するように、フレーム11aと冷却フィン20を配置する。そして、図5に示す状態から、突起22a,22bを位置決め穴12a,12bに嵌合させて、フィン20a〜20cをフレーム11aに配置する。ここで、フィン20a〜20cは連結部21a,21bによって連結されて一体化され冷却フィン20を構成している。このため、3つのフィン20a〜20cを別々に配置する必要がないので、フィンの配置作業が非常に簡単である。これにより、熱交換器10の生産効率が向上する。この点も、熱交換器10のコスト上昇の防止に寄与している。
そして、図7に示すように、突起22a,22bを斜めに配置された位置決め穴12a,12bに嵌合させると、フィン20aの端部20aslがフレーム11aの側面11aslに当接し、フィン20bの端部20bsrがフレーム11aの側面11asrに当接し、フィン20cの端部20cslがフレーム11aの側面11aslに当接する。これにより、図6に示すように、隣接するフィン20a〜20cが、冷却媒体の流れ方向(A方向)に設計値通りの間隔で配置されるとともに、冷却媒体の流れ方向と直交する方向(B方向)に設計値通りにオフセットして配置される。このように、各フィン20a〜20cの位置決めを、簡単かつ正確に行うことができる。なお、フィン20aの端部20asr、フィン20cの端部20csrはともにフレーム11aの側面11asrには当接せず、フィン20bの端部20bslはフレーム11aの側面11aslには当接しない。
その後、冷却フィン20が配置されたフレーム11aに天板11bが固定される。ここで、フレーム11a及び天板11bの内面(冷却フィン20と接する面)にはろうが塗られており、この状態で加熱することにより、天板11bがフレーム11aにろう付けされるとともに、冷却フィン20がフレーム11a及び天板11bにろう付けされる。かくして、図1に示す熱交換器10が完成する。
次に、上記の熱交換器10の作用効果について、図8を参照しながら説明する。図8は、本実施の形態に係る熱交換器の使用状態を示す図である。
熱交換器10は、図8に示すように、天板11b上に、発熱体としての半導体素子15が取り付けられて使用される。なお、図8には、3つの半導体素子15を取り付けた場合を示しているが、半導体素子15の数はこれに限定されることはない。
熱交換器10は、図8に示すように、天板11b上に、発熱体としての半導体素子15が取り付けられて使用される。なお、図8には、3つの半導体素子15を取り付けた場合を示しているが、半導体素子15の数はこれに限定されることはない。
このような熱交換器10では、半導体素子15が発した熱が天板11bを介して冷却フィン20に伝えられる。そして、冷却フィン20に伝えられた熱を、熱交換器10の内部を流れる冷却媒体に移動させることにより、半導体素子15を冷却する。冷却媒体は、筐体11の一方の開口端から熱交換器10の内部へと導入され、冷却フィン20(フィン20a〜20c)により形成された流路に従って流れていき、一方の開口端から外部へと排出される。
ここで、熱交換器10においては、各フィン20a〜20cが正確に位置決めされて、設計値通りのオフセット量でずらされて配置されているため、熱交換器10の内部を流れる冷却媒体に確実に乱流が発生し、冷却媒体の流れに境界層が形成されない。これにより、冷却フィン20と冷却媒体との間における熱交換を効率よく行うことができる。すなわち、半導体素子15を効率的に冷却することができる。
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る熱交換器10によれば、隣接するフィン20aと20b、20bと20cとの間に設けた連結部21a,21bに形成した突起部22a,22bをフレーム11aに設けた位置決め穴12a,12bに嵌合することにより、各フィン20a〜20cが正確に位置決めされる。それにより、隣接するフィン20aと20b、20bと20cが、冷却媒体の流れ方向(A方向)と直交する方向(B方向)に所定量オフセットして配置されるため、冷却媒体に乱流が確実に発生する。その結果、冷却媒体に境界層が形成されないため、各フィン20a〜20cと冷却媒体との間における熱伝達率が向上し、効率よく熱交換を行うことができる。
また、熱交換器10では、連結部21a,21bに位置決め機構が設けられているため、従来の熱交換器に比べフィンの位置決め機構を減らすことができる。また、フレーム11aには、位置決め機構として位置決め穴12a,12bが設けられているだけなので、フレーム11aの形状が複雑化することがない。さらに、隣接するフィン20aと20b、20bと20cが連結部21a,21bにより連結されているため、各フィン20a〜20cのフレーム11aへの配置作業が容易になる。これらのことから、製品コストの上昇を防止することができる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、インバータ回路を構成する半導体素子を冷却する熱交換器に本発明を適用した場合を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限られず、発熱体を冷却する熱交換器に対して広く適用することができる。
10 熱交換器
11 筐体
11a フレーム
11b 天板
12a,12b 位置決め穴
15 半導体素子
20 冷却フィン
20a〜20c フィン
21a,21b 連結部
22a,22b 突起
25 圧延薄板
11 筐体
11a フレーム
11b 天板
12a,12b 位置決め穴
15 半導体素子
20 冷却フィン
20a〜20c フィン
21a,21b 連結部
22a,22b 突起
25 圧延薄板
Claims (5)
- 筐体内に複数の波板状のフィンが冷却媒体の流れ方向に配置された熱交換器において、
前記複数のフィンのうち隣接するもの同士を連結する連結部と、
前記連結部に形成された突起部と、
前記筐体に冷却媒体の流れ方向に対して斜めに形成された前記フィンの位置決めを行うための位置決め穴とを有し、
前記突起部と前記位置決め穴との嵌合により、前記隣接するフィンが冷却媒体の流れ方向に所定の間隔で配置されているとともに、冷却フィンの一方の端部が前記筐体の側面に当接することにより前記隣接するフィンが冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置されている
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項1に記載する熱交換器おいて、
前記位置決め穴は、前記筐体の底面側に形成されている
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項1又は請求項2に記載する熱交換器において、
前記連結部及び前記突起部は、前記隣接するフィンと一体成形されたものである
ことを特徴とする熱交換器。 - 請求項3に記載する熱交換器において、
前記隣接するフィンは、板状部材から前記隣接するフィン間に相当する部分が前記連結部及び前記突起部となる部分を残して打ち抜かれるとともに、前記隣接するフィンとなる部分がつづら折りされて波状に形成されたものである
ことを特徴とする熱交換器。 - 筐体内に複数の波板状のフィンが冷却媒体の流れ方向に配置された熱交換器の製造方法において、
前記筐体を形成するとともに前記フィンの位置決めを行うための位置決め穴を設ける筐体形成工程と、
前記フィンを形成するフィン形成工程と、
前記筐体形成工程で形成された筐体内に前記フィン形成工程で形成されたフィンを配置するフィン配置工程とを含み、
前記フィン形成工程では、板状部材から前記フィンの間となる部分を、隣接するフィンを連結する連結部と前記位置決め穴に嵌合する突起部とを残して打ち抜くとともに、前記フィンとなる部分をつづら折りして波状に形成し、
前記フィン配置工程では、前記突起部を前記位置決め穴に嵌合させて、隣接するフィンを冷却媒体の流れ方向に所定の間隔で配置するとともに、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に所定量オフセットして配置する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
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