(57)【要約】【課題】  冷却を行う装置を小型化にでき、容積、重量、コストを抑制することができる熱交換器を提供すること。【解決手段】  直進部５２１のアッパーケース４の下面から直進部５２１の内部へ向かって複数立設され、薄板状で直進部５２１の内部を複数の同方向流れに仕切るようにして冷却水との接触面積を大きくする放熱フィン３を備え、曲がり部５２２には、冷却面（放熱面）と反対方向に流路を拡大した下方ターン部５２３と、曲がり部５２２のターンする流れに直交するよう膨出した膨出部５２５を備えた。【選択図】        図１
2010123663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被対象物を面接させる放熱面と、
放熱面の内部に配設され、熱交換媒体を直進させる直進部、及び前記直進部から次の直進部へ熱交換媒体の流れを変更するターン部で前記放熱面に沿って形成された熱交換媒体の流路と、
前記直進部の前記放熱面側の壁面から前記直進部内へ複数立設され、薄板状で前記直進部内を複数の同方向流れに仕切るようにして熱交換媒体との接触面積を大きくする熱交換促進部と、
を備え、
前記ターン部は、
前記放熱面と反対方向に前記流路を拡大した拡大ターン部と、
前記ターン部のターンする流れに直交するよう膨出した膨出部と、
を備えた、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記熱交換促進部の端部を前記ターン部へ進出させ、
前記膨出部は、前記熱交換促進部の端部の進出方向と逆方向に膨出する配置とし、前記進出方向で重なる位置まで張り出す形状にした、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、
前記膨出部と対向する前記ターン部の壁面に凹形状の凹部を設け、前記膨出部と前記凹部で前記ターン部に蛇行する流路を形成した、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の熱交換器において、
前記ターン部へ進出させた前記熱交換促進部の端部は、前記放熱面側の壁面から複数立設された片持ち状態で、前記拡大ターン部に向かって複数に仕切った流路を開放した、
ことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に直交流の変換を行うインバーターの冷却に用いられる熱交換器の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、アルミダイキャスト等の鋳造工程により製造したケース体の設置面に溝として設けられた冷却水通路の内壁から突出させてフィンを設け、この冷却水通路を部材で閉塞し、冷却水を冷却水通路に流すことにより冷却を行っている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−２０２３０９号公報（第２−１１頁、全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来にあっては、放熱性能を向上させるため、冷却水の水路を、複数回ターンさせて流路長を長くし、又通水抵抗の低減のために流路ターン部のＲ寸法を大きくしているが、放熱性能高く使用する場合、パワーモジュールより外側にターン部を設定しなければならず、冷却する装置のサイズが必然的に大きくなり、容積、コストの何れも大きくなる問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、冷却を行う装置を小型化にでき、容積、重量、コストを抑制することができる熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、被対象物を面接させる放熱面と、放熱面の内部に配設され、熱交換媒体を直進させる直進部、及び前記直進部から次の直進部へ熱交換媒体の流れを変更するターン部で前記放熱面に沿って形成された熱交換媒体の流路と、前記直進部の前記放熱面側の壁面から前記直進部内へ複数立設され、薄板状で前記直進部内を複数の同方向流れに仕切るようにして熱交換媒体との接触面積を大きくする熱交換促進部と、を備え、前記ターン部は、前記放熱面と反対方向に前記流路を拡大した拡大ターン部と、前記ターン部のターンする流れに直交するよう膨出した膨出部と、を備えた、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
よって、本発明にあっては、冷却を行う装置を小型化にでき、容積、重量、コストを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の熱交換器を実現する実施の形態を、請求項１〜４に係る発明に対応する実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、構成を説明する。
図１は実施例１の熱交換器の平面図である。図２は実施例１の熱交換器の正面図である。図３は図１のＡ−Ａ断面図である。
実施例１では、車両の駆動に用いるインバーターにおいて、電源供給を行うパワーモジュール１を熱交換器２により冷却する。
熱交換器２は、放熱フィン３、アッパーケース４、ロワケース５を主要な構成とし、図１〜図３に示す流路２１に冷却水を流すことにより冷却を行うものである。
【０００９】
図４は実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの平面図である。図５は実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの正面図である。
放熱フィン３は、アッパーケース４の下面から下方に突出した矩形の舌片である。図１、図２に示すように同じ方向を長手方向として、所定の間隔で複数配置されたものである。実施例１ではアッパーケース４から押し出し工法により形成されたものとする。
実施例１において、放熱フィン３、アッパーケース４はアルミを材質とするものとする。放熱フィン３は、アッパーケース４と一体にアルミで形成されるため高い伝熱性を有し、熱交換する表面積を広くすることにより熱交換を促進する。
【００１０】
アッパーケース４は、矩形板状のアルミ部材であり、下面には放熱フィン３が複数配列して設けられる。そして、放熱フィン３が設けられている範囲が、冷却水の流路２１の上壁となる。
【００１１】
図６は実施例１の熱交換器のロワケースの平面図である。図７は実施例１の熱交換器のロワケースの正面図である。
ロワケース５は、矩形板状の上面を基端面５１とし、基端面５１から凹むようにして流路部５２が形成されている。流路部５２は、長手方向に伸びる直進部５２１と、曲がり部５２２からなり、蛇行する流れとなる形状である。
ここで、実施例１の放熱フィン３は、流路部５２の直進部５２１に収容される部分のみに設けるものとし、曲がり部５２２に収容される部分は切除される。
さらにロワケース５には、図７において正面側となる側面から内部の流路部５２の始端部及び終端部と連通する連通路５３，５４を設けるようにし、冷却水の取り入れ口、排出口とする。
【００１２】
次にロワケース５の曲がり部５２２、下方ターン部５２３の部分について詳細に説明する。
図８は図１の一部の拡大図である。図９は図８のロワケースの部分を示す図である。図１０は図９のＢ−Ｂ断面図である。
実施例１のロワケース５の流路部５２の曲がり部５２２は、下方ターン部５２３を備えている。下方ターン部５２３は、図１０に示すように、曲がり部５２２の深さ（図１０の寸法Ｂ）を直進部５２１の深さ（図１０の寸法Ａ）よりも深くする。
【００１３】
さらに、冷却水直進方向の外側の端は、曲がり部５２２と同じとし、冷却水直進方向の内側の端は、放熱フィン３と数ｍｍ重なる位置とする（図１０の寸法Ｃ、寸法Ｄ）。さらにこの下方ターン部５２３の深さ（＝寸法Ｂ−寸法Ａ）は、長さ（寸法Ｃ）より大きくする。実施例１では、長さ：深さ＝１：３程度にしている。
このように下方ターン部５２３が設けられることにより、図２、図３に示すように、ロワケース５は、一部が下方に張り出した形状となる。
【００１４】
図１１は図８のＣ−Ｃ断面図である。
図２、図１１に示すように、下方ターン部５２３の冷却水直進方向と直交する方向、つまり図２の左右方向の下端の角部には、Ｃ面取りを設け、傾斜した角部５２４となるようにする。
本実施例１の熱交換器２では、流路部５２の直進部５２１の底は、緩やかな傾斜を介することなく、深さの深い下方ターン部５２３へ段差を経るよう変更される構成となる。
また、図１１に示すように、この曲がり部５２２及び下方ターン部５２３において、放熱フィン３は、流路の上壁、つまりアッパーケース４から下方に片持ちで突出した状態となる。言い換えると、直進部５２１では、放熱フィン３は、流路を仕切るように、下端が直進部５２１の底面近くに位置するが、曲がり部５２２及び下方ターン部５２３においては、底面までの距離が大きく離れた状態となる。
【００１５】
さらに、流路部５２の曲がり部５２２、下方ターン部５２３について説明する。
図１２は図９のＤ−Ｄ断面図である。
説明上、ロワケース５の直進部５２１と並んだ隣の直進部５２１の間を仕切る部分を仕切り部５５とする。
図８、図９に示すように、この仕切り部５５の延長方向にある曲がり部５２２の壁面位置には、曲がり部５２２の流路へ張り出した膨出部５２５を設ける。この膨出部５２５の幅は、仕切り部５５と略同じとし、その形状は、図８、図９に示すように台形形状とする。また、膨出部５２５は、図１２に示すように、曲がり部５２２における流路上端から、下方ターン部５２３の流路下端まで、上下に直線状で張り出す形状で設ける。
【００１６】
また、この膨出部５２５の張り出し量は、この張り出し方向において、放熱フィン３と数ｍｍ重なる位置となる張り出し量にする。つまり、膨出部５２５の張り出し量である図９、図１２の寸法Ｅは、図１０、図１２の曲がり部５２２及び下方ターン部５２３の長さである寸法Ｃから、曲がり部５２２及び下方ターン部５２３への放熱フィン３の進出量である寸法Ｄを減算したものより大きくする（寸法Ｅ>（寸法Ｃ−寸法Ｄ））。
【００１７】
次に、この膨出部５２５と対向する曲がり部５２２の壁面には、図８、図９に示すように流路部５２の内側に向かって凹ませた凹部５２６を設ける。言い換えると、膨出部５２５の部分の流路断面積を増加させるよう仕切り部５５を内部へ向かって凹ませた凹部５２６を設ける。この凹部５２６は、図１２に示すように、曲がり部５２２における流路上端から、下方ターン部５２３の流路下端まで、上下に直線状で凹む形状で設ける。
【００１８】
次に、アッパーケース４とロワケースの組付構造、及びパワーモジュールの取付構造について説明する。
実施例１では、図１、図３に示すようにアッパーケース４の下面に突出するように設けられている放熱フィン３が、ロワケース５の流路部５２内に収容されるようにして、アッパーケース４の下面とロワケース５の上面である基端面５１を当接させる。
【００１９】
そして、摩擦攪拌接合工法や溶接等により、水密性のある流路２１を形成するように、アッパーケース４とロワケース５を接合する。
このようにして、内部に放熱フィン３を備えた流路２１を形成した熱交換器２のアッパーケース４の上面に、パワーモジュール１を載せるように配置する。
パワーモジュール１は底面がアッパーケース４の上面に面接するようにして、締結等により熱交換器２に固定する構造である。
【００２０】
作用を説明する。
[パワーモジュールの冷却作用]
図１３は実施例１の熱交換器２の冷却水の流れの説明図である。図１４は、図１３の冷却水の流れの一部の説明図である。
実施例１の熱交換器２では、連通路５３に冷却水を注入し，連通路５４から冷却水を排水させる。この冷却水は、例えばインバーターが車両の駆動に用いられるものとすれば、空調システム、あるいは別個に設けられる冷却システムから冷却水を得るようにし、供給される冷却水が冷却に有効な状態になるよう循環されるものとする。実施例１では冷却水として説明するが、冷媒であればよい。
【００２１】
冷却水は連通路５３から流路２１のロワケース５の直進部５２１の部分を直進する。この直進部５２１の部分では、放熱フィン３により表面積広く熱交換が行われ、熱交換が促進される。また、この直進部５２１の部分では、放熱フィン３により複数の小流路が並列し、互いの小流路同士はあまり流通しない状態となる。
そして、流路２１のロワケース５の曲がり部５２２の部分では、流路２１の底部が下方ターン部５２３の深い段差へ移行することにより、冷却水は多くが下方へ流れる（図１３の矢印１０１、矢印１０２参照）。そして、下方ターン部５２３では、放熱フィン３が設けられていない部分であるため、次の直進部５２１の方向へ下方ターン部５２３を流れるよう側方へほぼ９０度向きを変える流れとなる（図１３の矢印１０２、矢印１０３、矢印１０４参照）。
【００２２】
ここで、下方ターン部５２３を次の直進部５２１の方向へ流れる際（図１３の矢印１０４参照）には、冷却水は当然に、流路上部の曲がり部５２２においても一部が向きをターンさせる流れを形成している。
すると、ターンする距離が短くなる曲がり部５２２の流路の上部で、冷却水の流速は速くなる。これを許容しすぎると、次の直進部５２１では、上記説明のように放熱フィン３により複数の小流路が並列した状態であるため、ターン前の直進部５２１に近い側、つまりターン内側に配置された複数の小流路に冷却水が流速速く供給される。すると、この流速速く冷却水が流れる部分は他の部分より冷却が進むことになる。
【００２３】
すると、アッパーケース４の上面による均一な冷却が困難になる。冷却対象であるパワーモジュール１は、内部に電子部品を実装した回路を有するため、一部に冷却が充分でないものがある場合には、不具合を生じないようにその回路動作を制限しなければならなくなる。そのため、熱交換器２には、均一な冷却が求められる。
【００２４】
本実施例１では、曲がり部５２２及び下方ターン部５２３のターン外側の壁面に、膨出部５２５を設けている。膨出部５２５は、流れが衝突する位置となるため、冷却水は膨出部５２５を迂回する流れを形成する。すると、ターンする距離が短くなる曲がり部５２２の流路の上部で、冷却水の流速が速くなることが緩和される。すると、下方ターン部５２３のより下方で、次の直進部５２１の方向へ流れる流速は速くなり、上部との流速差が小さくなる。
つまり、下方ターン部５２３を次の直進部５２１の方向へ流れる際（図１３の矢印１０４参照）に、冷却水の流速が深さ方向で均一化する。
【００２５】
また、膨出部５２５の張り出しは、曲がり部５２２へ進出している放熱フィン３と重なる位置まで張り出させている。まず、放熱フィン３がその端部を曲がり部５２２まで進出させていることにより、この部分で、左右方向には、放熱フィン３で小流路に仕切られ、且つ同じ流路上面があるが、下方には大きく開放された流路状態が形成される。そのため、流れは大きく下方にターンする。
それでも、その後に流れはターンする距離の短い曲がり部５２２でターンしようとする方向性が強いが、重なる位置まで膨出部５２５が張り出すことにより、流れがより下方ターン部５２３でターンするように誘導する。これにより、下方ターン部５２３を次の直進部５２１の方向へ流れる際（図１３の矢印１０４参照）に、冷却水の流速が深さ方向で、より均一化する。
【００２６】
さらに、本実施例１では、膨出部５２５と対向する位置に、凹部５２６を設けている。そのため、膨出部５２５を設けた部分の流路断面積が他の部分より小さくなる絞りにならないようにして、全体の冷却水流速を遅くさせない。これにより、膨出部５２５による均一化と、冷却効率の維持を両立させる。
言い換えると、凹部５２６は、膨出部５２５に対向する位置で、ほぼ凹凸の関係となる形状、大きさにしているので、流れをスムーズに膨出部５２５の部分で蛇行させる。そのため、適度に流れを変化させて均一化しつつ、流速が全体的に低下しないようにして、流れの均一化と、冷却効率の維持を両立させる。
【００２７】
そして、次の直進部５２１に近づくと上方へ流れをほぼ９０度向きを変えて（図１３の矢印１０４、矢印１０５、矢印１０６参照）、さらに次の直進部５２１へ向きを変えて流れる（図１３の矢印１０６、矢印１０７参照）。
言わば、流れは下方ターン部５２３への下方の流れを経由しつつ１８０度向きを変更する。また、一部の流れは、曲がり部５２２の放熱フィン３のない端部で１８０度流れを変更するようにして次に直進部５２１へ向かう。
また、下方ターン部５２３においては、Ｃ面取り形状にした角部５２４を設けているので、よりスムーズに冷却水の流れ方向を変更することができる（図１３の矢印１０３、矢印１０５参照）。
【００２８】
本実施例１では、下方ターン部５２３を次の直進部５２１の方向へ流れる際（図１３の矢印１０４参照）に、冷却水の流速が深さ方向で均一化することによって、上方へ向かう流れを左右方向（幅方向）に均一化する。これにより、次の直進部５２１において、複数並列した小流路での流れが均一な流れとなるように分流される。
さらに実施例１では、次の直進部５２１の始端となる部分でも、放熱フィン３が曲がり部５２２へ進出しているので、流れがスムーズに分流され、次の直進部５２１へ進む。
【００２９】
このようにして、冷却水は蛇行して流れ、多くの水量が流れつつ流路２１内にあることにより、そして放熱フィン３により広い面積と接触することにより効率よく冷却が行われる。
また、冷却の際には、アッパーケース４の上面に冷却対象物であるパワーモジュール１が面接していることになる。そのため、放熱フィン３の冷却は同じ部材の熱伝達によりアッパーケース４の上面で行われることになり、非常に効率がよい。
【００３０】
[小型化作用]
実施例１の熱交換器２では、直進部５２１の流れの大部分を下方ターン部５２３で変更することによって、直進部５２１の流れ方向に短い曲がり部５２２にする。そのため、熱交換器２の直進部５２１の流れ方向長さを短くすることが可能となる。さらに、膨出部５２５、凹部５２６による流れの均一化は、曲がり部５２２、下方ターン部５２３で行うため、この構成により熱交換器２の直進部５２１の流れ方向長さを長くすることはない。また、別部材を設けることもない。
【００３１】
例えば、負荷として３相モータを用いる場合には、３相に対応したパワーモジュール１の構成となるため、チップ等が多く、パワーモジュール１の冷却面積は大きなものとなる。特に出力向上のために、例えばＩＧＢＴチップを２パラ（１２個＋ＦＲＤ１２個）や３パラ（１８個＋ＦＲＤ１８個）で用いるとパワーモジュール自体の面積が広くなる。
【００３２】
これに対して、実施例１の熱交換器２では、曲がり部５２２が短いものになるため、全体の大きさの広さ方向が抑制され小型化されたものとなる。車両への搭載性の点からは、上下左右の全ての方向に制約があり、１方向のみ非常に大きくなることは、致命的な問題である。例えば、この冷却水をターンさせる部分が従来のように、パワーモジュール１の外側に大きく張り出したものは、搭載性が実質的に低下したものとなる。この点について、全体として小型化した実施例１の熱交換器２は有利となる。
【００３３】
次に、効果を説明する。
実施例１の熱交換器にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３４】
(1)パワーモジュール１を面接させるアッパーケース４の上面と、アッパーケース４とロワケース５を接合した内部に配設され、冷却水を直進させる直進部５２１、及び直進部５２１から次の直進部５２１へ冷却水の流れを変更する曲がり部５２２でアッパーケース４の上面に沿って形成された冷却水の流路部５２と、直進部５２１のアッパーケース４の下面から直進部５２１の内部へ向かって複数立設され、薄板状で直進部５２１の内部を複数の同方向流れに仕切るようにして冷却水との接触面積を大きくする放熱フィン３を備え、曲がり部５２２には、冷却面（放熱面）と反対方向に流路を拡大した下方ターン部５２３と、曲がり部５２２のターンする流れに直交するよう膨出した膨出部５２５を備えたため、冷却を行う装置を小型化にでき、容積、重量、コストを抑制することができる。また、より均一な冷却を、小型化を維持して行うことができる。
【００３５】
(2)上記(1)において、放熱フィン３の端部を曲がり部５２２へ進出させ、膨出部５２５は、放熱フィン３の端部の進出方向と逆方向に膨出する配置とし、進出方向で重なる位置まで張り出す形状にしたため、スムーズに下方ターン部５２３で流れをターンさせるよう誘導し、均一な流れでターンさせることができる。
【００３６】
(3)上記(1)又は(2)において、膨出部５２５と対向する曲がり部５２２の壁面に凹形状の凹部５２６を設け、膨出部５２５と凹部５２６で曲がり部５２２及び下方ターン部５２３に蛇行する流路を形成したため、全体の流速を維持しつつ、流れの均一化を行うことができる。
【００３７】
(4)上記(2)又は(3)において、曲がり部５２２へ進出させた放熱フィン３の端部は、アッパーケース４の下面から複数立設された片持ち状態で、下方ターン部５２３に向かって複数に仕切った流路を開放したため、直進部５２１での流れをスムーズに下方の下方ターン部５２３へターンさせ、流れの均一化を行うことができる。
【００３８】
以上、本発明の熱交換器を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
例えば、実施例１では、冷却水としたが温水を流すようにして、熱交換器が取り付けた対象物を暖めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１の熱交換器の平面図である。
【図２】実施例１の熱交換器の正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの平面図である。
【図５】実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの正面図である。
【図６】実施例１の熱交換器のロワケースの平面図である。
【図７】実施例１の熱交換器のロワケースの正面図である。
【図８】図１の一部の拡大図である。
【図９】図８のロワケースの部分を示す図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】図８のＣ−Ｃ断面図である。
【図１２】図９のＤ−Ｄ断面図である。
【図１３】実施例１の熱交換器２の冷却水の流れの説明図である。
【図１４】図１３の冷却水の流れの一部の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  パワーモジュール
２  熱交換器
３  放熱フィン
４  アッパーケース
５  ロワケース
２１  流路
５１  基端面
５２  流路部
５３  連通路
５４  連通路
５２１  直進部
５２２  曲がり部
５２３  下方ターン部
５２４  角部
５２５  膨出部
５２６  凹部
５５  仕切り部
【図１】
2010123663.tif 000003
【図２】
2010123663.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010123663.tif 000010
【図９】
2010123663.tif 000011
【図１０】
2010123663.tif 000012
【図１１】
2010123663.tif 000013
【図１２】
2010123663.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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