JP6291262B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体モジュールを冷却するヒートシンク、等の熱交換器において、偏平な一対のプレート内部に二段以上にインナーフィンが積層されたものに関する。

電力用半導体モジュールを冷却するヒートシンクの例としては、皿状に形成された一対のプレートからなる偏平流路内にインナーフィンを介装し、その偏平流路内に伝熱媒体（以下、熱媒体）を流通し、プレート外面に電力用半導体モジュールを接合し、その半導体モジュールと熱媒体との間で熱交換を行うものである。
従来、この種の熱交換器において、熱交換をより効率的に行うため、複数段積層された各インナーフィンの流通抵抗を変え、流量分布を調整したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１６９４３０号公報

上記特許文献１に記載された熱交換器においては、コルゲートフィンまたはウェーブフィンをそれぞれ、ピッチ等の仕様を変えて積層させるため、フィンとフィンとの接触部および接触面積が小さく、よって、フィン間の伝熱が悪く、ひいては熱媒体と熱交換対象物との熱交換が低下する欠点がある。
そこで本発明は、積層されたフィンとフィンとの接触面積を可及的に大きくし、熱交換対象物の熱を各フィンに確実に伝熱して、熱媒体と熱交換対象物との熱交換を促進させることを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、対向する一対の金属製のプレート１、２により、内部に伝熱媒体（以下熱媒体７）が流通する流路３が形成され、その流路３内で、その金属製のプレート１、２の厚み方向に少なくとも二段以上のインナーフィンが互いに接触して積層され、積層方向の両端位置のインナーフィンと金属製のプレートが接合されており、少なくとも一方の前記金属製のプレートの外面に熱交換対象物４が接続されている熱交換器において、
各段に配置されるインナーフィンとして、頂部および底部が平坦な台形または矩形の波形に曲折され、その波の立ち上がる両側壁に、その頂部の稜線５ａ方向に定間隔に、平面視で千鳥状に多数切り起されてなるオフセットフィンが用いられ、
上段側のオフセットフィンの前記平坦な底部が、それより下段側のオフセットフィンの前記平坦な頂部に面接触して、その接触部が互いにろう付されており、
前記熱交換対象物４が取付けられる金属製のプレート１またはプレート２に接する少なくとも１つの第１オフセットフィン５の流通抵抗が、第１オフセットフィン５以外のインナーフィンである第２オフセットフィン６の流通抵抗より小さく形成されており、
前記第１オフセットフィン５は、その稜線５ａが熱媒体７の流通方向に平行に配置されており、
前記第２オフセットフィン６は、その稜線６ａが熱媒体７の流通方向に直交する方向に配置されていることを特徴とする熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、
第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６のフィンピッチ、フィン高さ、厚みが同一であることを特徴とする熱交換器である。

本発明の熱交換器は、熱交換対象物４に隣接する第１オフセットフィン５の熱媒体７の流通抵抗が、それ以外のインナーフィンである第２オフセットフィン６の流通抵抗より小さく、熱交換対象物４側の流速が速められるので、その熱交換対象物４を効果的に冷却できる。
しかも二段以上にオフセットフィンを積層した熱交換器において、上段のオフセットフィンの平坦な底部が、下段のオフセットフィンの平坦な頂部に面接触して、その接触部が互いにろう付されてなるから、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６との接触および、ろう付面積が大きく、熱交換対象物４からの熱が各フィンに効果的に伝熱され、熱媒体７と熱交換対象物４との熱交換が促進される効果がある。

さらに、熱交換対象物４側の第１オフセットフィン５の稜線５ａを熱媒体７の流通方向に平行に配置し、それ以外のインナーフィンである第２オフセットフィン６の稜線６ａをその流通方向に直交させているため、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６の各熱媒体７の流通抵抗の差を著しく大きくすることができる。そのため、熱交換対象物４側により多くの熱媒体を流通させて、熱交換対象物４をより効果的に冷却できる。

請求項１の構成において、請求項２に記載の発明のように、第１オフセットフィン５と 第２オフセットフィン６のフィンピッチ、フィン高さ、厚みを同一とした場合には、熱交換器の製造コストを抑え、量産性の高いものを安価に提供できる。

本発明の第１実施例の熱交換器の分解斜視図。 その第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６の積層状態を示す説明図。 同熱交換器の縦断面略図。 本発明の第２実施例の縦断面略図。 本発明の第３実施例の横断面略図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１〜図３は、本発明の第１実施例を示す。
この例では、夫々皿状に形成された一対のプレート１、２を逆向きに重ね合わせることにより、内部に偏平な流路３を形成する。そして、プレート２の長手方向両端に一対の出入口８を設け、一方の出入口８から他方の出入口８に熱媒体７を流通させる。熱媒体７としては、水や気液二相状態の熱媒体を用いることができる。そして、この例では、プレート１側の外表面のみに、電力用半導体モジュール等の熱交換対象物４が接合される。

そして、偏平な流路３の内部で熱交換対象物４側に、第１オフセットフィン５が配置され、それに遠い側に第２オフセットフィン６が配置されている。第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６は、図２に示す如く、頂部および底部が平坦な台形または矩形の波形に形成されている。そして、その波の立ち上がりの両側壁に、稜線5a方向に定間隔に千鳥状の多数の切り起こしが形成されてなるものである。
第１オフセットフィン５は、その稜線5aが熱媒体７の流通方向と平行に配置され、第２オフセットフィン６は、その稜線6aが熱媒体７の流通方向に直交するように配置されている。この例では、第１オフセットフィン５、第２オフセットフィン６は、それぞれ同一の金属板および同一の金型から形成されて、そのフィンピッチおよび高さが同一である。そして、それぞれの外周が図１に示す如く、偏平な流路３の内周に整合するように切断されている。

そのプレート１、２の長手方向に平行な縦断面は、図３に示す如く、第１オフセットフィン５の各切り起こし部の側壁が熱媒体７の流通方向に平行に位置され、その流通抵抗が小さい。これに対し、第２オフセットフィン６はその切り起こし部の側壁が、熱媒体７の流通方向に直交するため、その熱媒体の流通抵抗が第１オフセットフィン５に比べて著しく大きなものとなる。
そして、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６とは、図１から明らかなように、その稜線5aと稜線6aとが直交するとともに、第１オフセットフィン５の底部と第２オフセットフィン６の頂部とが平坦な状態で接触し、且つ、第１オフセットフィン５はプレート１に接触するとともに、第２オフセットフィン６は偏平な流路３に接触し、その状態で各接触部が一体的にろう付け固定されるものである。

（第１実施例の作用）
一対のプレート１、２の長手方向に熱媒体７が流通すると、熱交換対象物４側に位置する第１オフセットフィン５は熱媒体７の流通方向に平行であるため、その流通抵抗が小さい。そのため、第１オフセットフィン５側の流量が大きくなり、第１オフセットフィン５に近接する熱交換対象物４との熱交換を促進する。また、熱交換対象物４の熱は、第１オフセットフィン５を介して第２オフセットフィン６に伝達される。
この時、第１オフセットフィン５の底部と第２オフセットフィン６の頂部とは、ともに平坦に形成されているため、両フィン間の接触面積および伝熱面積が大きく、第２オフセットフィン６に熱交換対象物４の熱を迅速に伝えることができる。そして、第２オフセットフィン６を流通する熱媒体７との熱交換により、結果的に熱媒体７と熱交換対象物４との熱交換を促進する。

（第２実施例）
次に、図４は本発明の第２実施例であり、この例は一対のプレート１およびプレート２の両者に熱交換対象物４が配置されたものである。そして、三段にオフセットフィンが積層されている。その上段には、熱媒体７の流通方向に平行な切り起こし部を有する第１オフセットフィン５が配置され、中間部には、その切り起こし部が熱媒体７の流通方向に直交するように第２オフセットフィン６が配置され、最下段に、その切り起こし部が熱媒体７の流通方向に平行な第１オフセットフィン５が配置されている。
この例でも、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６とはそれぞれ同一のフィンピッチおよびフィン高さおよびフィン厚さであるとともに、その外周が互いに整合するように切断されている。

（第２実施例の作用）
上下の両プレート１、２にはそれぞれ熱交換対象物４が接合され、その熱交換対象物４側に第１オフセットフィン５が配置され、中段に第２オフセットフィン６が配置されている。そのため、両プレート１、２に隣接した位置に熱媒体７がより多く流通し、熱交換対象物４からの熱が熱媒体７に伝えられる。また、中段に配置された第２オフセットフィン６と上下の第１オフセットフィン５とは面接触して接合されるので、全体としてのフィン効率が向上し、熱交換対象物４との熱交換が促進される。

（第３実施例）
次に、図５は本発明の第３実施例を示す要部横断面図である。即ち、図１において、プレート１、２の幅方向に横断した断面図である。
この例では、第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６の各切り起こし部が熱媒体７の流通方向に平行に配置されている。そして、第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６は、そのフィンピッチが同一であり、且つ、第１オフセットフィン５のフィン高さが第２オフセットフィン６よりも高い。
そのため、第２オフセットフィン６に比べて第１オフセットフィン５の熱媒体７に対する流通抵抗が小さい。
そして、第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６は、フィンピッチが同一であるので、第１オフセットフィン５の底部と第２オフセットフィン６との頂部とを整合させることができる。それにより、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６との伝熱面積を増大することができる。

（第３実施例の作用）
熱媒体７は、第１オフセットフィン５側をより多く流通し、熱交換対象物４の冷却を促進する。また、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６との接触面積が大きく、結果として熱交換対象物４の熱を第２オフセットフィン６に伝え、第２オフセットフィン６と熱媒体７との熱交換を促進することができる。

（変形例）
図５の例は、第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６の各切り起こし部を熱媒体７の流通方向に平行にし、第２オフセットフィン６の高さを、第１オフセットフィン５の高さより低くしたが、それに代えて、両者の向きおよび高さを同じとし、第２オフセットフィン６のフィンピッチを第１オフセットフィン５のそれより小さくしてもよい。
さらには、両者の向きを同じとし、第２オフセットフィン６に比べて、第１オフセットフィン５のフィンピッチおよびフィン高さをより小さくしてもよい。
また、図５の例は、第１オフセットフィン５および第２オフセットフィン６の各切り起こし部が熱媒体７の流通方向に平行に形成されたが、それに替えて、第１オフセットフィン５、第２オフセットフィン６の切り起こし部が共に熱媒体７の流通方向に直交するように配置してもよい。その場合にも、第１オフセットフィン５の流通抵抗を第２オフセットフィン６のそれより小さくするため、第１オフセットフィン５のフィンピッチおよび／またはフィン高さを、第２オフセットフィン６のそれらに比べて大きくすることができる。
図１および図４の各実施例では、第１オフセットフィン５と第２オフセットフィン６のフィンピッチ、フィン高さが同一であったが、それらを変えることもできる。
上記例では、一対のプレート１、２が皿状に形成されていたが、それに変えて、平坦な一対のプレートとそれらの間に挟持される枠体とで構成してもよい。

１ プレート
２ プレート
３ 流路
４ 熱交換対象物
５ 第１オフセットフィン
5a 稜線
６ 第２オフセットフィン
6a 稜線
７ 熱媒体
８ 出入口

Claims (2)

1. 対向する一対の金属製のプレート（１）（２）により、内部に伝熱媒体（以下熱媒体（７））が流通する流路（３）が形成され、その流路（３）内で、その金属製のプレート（１）（２）の厚み方向に少なくとも二段以上のインナーフィンが互いに接触して積層され、積層方向の両端位置のインナーフィンと金属製のプレートが接合されており、少なくとも一方の前記金属製のプレートの外面に熱交換対象物（４）が接続されている熱交換器において、
   各段に配置されるインナーフィンとして、頂部および底部が平坦な台形または矩形の波形に曲折され、その波の立ち上がる両側壁に、その頂部の稜線（５ａ）方向に定間隔に、平面視で千鳥状に多数切り起されてなるオフセットフィンが用いられ、
   上段側のオフセットフィンの前記平坦な底部が、それより下段側のオフセットフィンの前記平坦な頂部に面接触して、その接触部が互いにろう付されており、
   前記熱交換対象物（４）が取付けられる金属製のプレート（１）またはプレート（２）に接する少なくとも１つの第１オフセットフィン（５）の流通抵抗が、第１オフセットフィン（５）以外のインナーフィンである第２オフセットフィン（６）の流通抵抗より小さく形成されており、
   前記第１オフセットフィン（５）は、その稜線（５ａ）が熱媒体（７）の流通方向に平行に配置されており、
   前記第２オフセットフィン（６）は、その稜線（６ａ）が熱媒体（７）の流通方向に直交する方向に配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   第１オフセットフィン（５）と第２オフセットフィン（６）のフィンピッチ、フィン高さ、厚みが同一であることを特徴とする熱交換器。

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