(57)【要約】【課題】流路管内の熱媒体の流速が遅い場合においても、流路管内に流路管の積層方向の熱媒体流れを形成できる積層型熱交換器を提供する。【解決手段】細流路３３３を流通する熱媒体のレイノルズ数が、１０００以下となるように構成し、インナーフィン３３を、流路管長手方向に延びる板部３３１と、隣り合う板部３３１間を繋ぐ頂部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、流路管積層方向から見た際に板部３３１が流路管長手方向に波形に屈折するウェーブフィンとし、フィン傾斜角度α［°］を、ｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）≦α＜９０の関係を満たすように設定し、ウェーブ角度β［°］、およびウェーブ深さＤ［ｍｍ］を、９０＜β＜１５８、かつ、Ｄ≧１３．０９６×Ｗ２×β−０．５７８５、かつ、Ｄ≧Ｗ２×０．７の関係を満たすように設定する。【選択図】図４
2011247432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流通する熱媒体流路（３０）を有する複数の流路管（３）と、
前記複数の流路管（３）を連通する連通部材（４）とを備え、
前記複数の流路管（３）は、前記流路管（３）と交互に配置される熱交換対象物（２）を両面から挟持できるように積層配置されており、
前記流路管（３）内に、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、前記熱媒体と前記流路管（３）との伝熱面積を増大させるインナーフィン（３３）が、前記流路管（３）の積層方向に複数積層されている積層型熱交換器であって、
前記細流路（３３３）を流通する熱媒体のレイノルズ数が、１０００以下となるように構成されており、
前記インナーフィン（３３）は、前記流路管（３）の長手方向に延びる板部（３３１）と、隣り合う前記板部（３３１）間を繋ぐ頂部（３３２）とを有し、前記長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、前記積層方向から見た際に前記板部（３３１）が前記長手方向に波形に屈折するウェーブフィンであり、
前記流路管（３）の長手方向および前記積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向としたとき、
前記インナーフィン（３３）の前記細流路（３３３）における熱媒体の流れ方向に直交する断面において、前記細流路（３３３）の前記積層方向の寸法を流路高さＨ［ｍｍ］、前記細流路（３３３）のうち当該細流路（３３３）に対向する前記頂部（３３２）から最も離れた部位（３１４）における前記熱媒体の流れ方向に直交する方向の寸法を最大流路幅Ｗ１［ｍｍ］、前記熱媒体の流れ方向に直交する方向に隣り合う前記頂部（３３２）同士を結んだ仮想線と前記板部（３３１）との成す角度をフィン傾斜角度α［°］としたとき、前記フィン傾斜角度αは、次の数式１
（数１）
ｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）≦α＜９０
にて示される関係を満たすように設定されており、
前記インナーフィン（３３）の、前記積層方向に直交し、かつ、前記細流路（３３３）における前記積層方向の中心部を通る断面において、前記板部（３３２）の波形状の屈折角度をウェーブ角度β［°］、前記板部（３３２）の波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］、隣り合う前記板部（３３１）間の前記流路管幅方向における距離を板部間距離Ｗ２［ｍｍ］としたとき、前記ウェーブ角度βおよび前記ウェーブ深さＤは、次の数式２ないし４
（数２）
９０＜β＜１５８
（数３）
Ｄ≧１３．０９６×Ｗ２×β−０．５７８５
（数４）
Ｄ≧Ｗ２×０．７
にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする積層型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒体が流通する流路管と熱交換対象物とが交互に積層された積層型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子を内蔵した半導体モジュール等の発熱体の放熱を行うために、発熱体を両面から挟持するように流路管を配設して構成される積層型熱交換器が知られている。このような積層型熱交換器では、発熱体と流路管とが交互に積層された構成となっており、積層された複数の流路管は、連通部材によって連通され、冷却媒体が各流路管に流通するよう構成されている。
【０００３】
この種の積層型熱交換器において、熱交換性能を向上させるために、流路管内に仕切部材を配設して１つの流路管内に熱媒体流路を流路管の厚み方向に２段形成するとともに、２段に形成された熱媒体流路のそれぞれにインナーフィンを配置したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、この種の積層型熱交換器では、連通部材から各流路管に熱媒体が分配される構成になっているため、流路管内の熱媒体の流速が遅くなる。このような流路管内の微小流量域における熱交換性能の向上を図るために、インナーフィンとして、流路管内の熱媒体の混合促進機能を有するウェーブフィンを用い、当該ウェーブフィンを流路管の厚み方向に複数段積層したものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９１５２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２に記載の積層型熱交換器では、インナーフィンとしてウェーブフィンを用いることにより、流路管内に、流路管の幅方向の熱媒体流れが形成される。しかしながら、流路管の積層方向への熱媒体の移動は僅かであるため、流路管内の熱媒体の混合促進効果を充分に得られない。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、流路管内の熱媒体の流速が遅い場合においても、流路管内に流路管の積層方向の熱媒体流れを形成できる積層型熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、細流路（３３３）を流通する熱媒体のレイノルズ数が、１０００以下となるように構成されており、インナーフィン（３３）は、流路管（３）の長手方向に延びる板部（３３１）と、隣り合う板部（３３１）間を繋ぐ頂部（３３２）とを有し、長手方向に直交する断面形状が波状となるとともに、積層方向から見た際に板部（３３１）が長手方向に波形に屈折するウェーブフィンであり、流路管（３）の長手方向および積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向としたとき、インナーフィン（３３）の細流路（３３３）における熱媒体の流れ方向に直交する断面において、細流路（３３３）の積層方向の寸法を流路高さＨ［ｍｍ］、細流路（３３３）のうち当該細流路（３３３）に対向する頂部（３３２）から最も離れた部位（３１４）における熱媒体の流れ方向に直交する方向の寸法を最大流路幅Ｗ１［ｍｍ］、熱媒体の流れ方向に直交する方向に隣り合う頂部（３３２）同士を結んだ仮想線と板部（３３１）との成す角度をフィン傾斜角度α［°］としたとき、フィン傾斜角度αは、次の数式１
（数１）
ｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）≦α＜９０
にて示される関係を満たすように設定されており、インナーフィン（３３）の、積層方向に直交し、かつ、細流路（３３３）における積層方向の中心部を通る断面において、板部（３３２）の波形状の屈折角度をウェーブ角度β［°］、板部（３３２）の波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］、隣り合う板部（３３１）間の流路管幅方向における距離を板部間距離Ｗ２［ｍｍ］としたとき、ウェーブ角度βおよびウェーブ深さＤは、次の数式２ないし４
（数２）
９０＜β＜１５８
（数３）
Ｄ≧１３．０９６×Ｗ２×β−０．５７８５
（数４）
Ｄ≧Ｗ２×０．７
にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【０００９】
このように、フィン傾斜角度αを上記数式１にて示される関係を満たすように設定することで、板部（３３１）を流路管（３）の積層方向に対して傾斜させることができる。このため、細流路（３３３）を熱媒体の流れ方向から見た際に、熱媒体の流れ方向下流側に板部（３３１）の壁面が存在することになるので、細流路（３３３）を流れる熱媒体が板部（３３１）の壁面と接触し、これにより流路管（３）の積層方向の熱媒体流れが形成される。したがって、流路管（３）内の熱媒体の流速が遅い場合においても、流路管（３）内に流路管（３）の積層方向の熱媒体流れを形成することが可能となる。
【００１０】
また、ウェーブ角度βおよびウェーブ深さＤを上記数式２ないし４を満たすように設定することで、後述する実施形態に示すように、細流路（３３３）を流通する熱媒体のレイノルズ数が１０００以下の場合に、流路管（３）の積層方向に直交する断面において、熱媒体が板部（３３１）に衝突することなく細流路（３３３）を流れてしまうことを防止できる。これにより、流路管（３）内の熱媒体の流速が遅い場合においても、インナーフィン（３３）による熱媒体の混合促進効果を充分に得ることが可能となる。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の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２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）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を示す断面図、（ｂ）がインナーフィン３３を流路管積層方向から見た平面図である。
【図４】インナーフィン３３を示す拡大斜視図である。
【図５】図４のＢ矢視図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】インナーフィン３３のウェーブ角度βとウェーブ深さＤとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る積層型熱交換器１を示す正面図である。
【００１４】
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）を有する扁平形状の複数の流路管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、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、熱媒体と流路管３との伝熱面積を増大させるインナーフィン３３が設けられている。本実施形態では、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（以下、流路管積層方向という）に２枚重ねて配置されている。このインナーフィン３３の詳細については後述する。
【００１８】
図１に戻り、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、積層型熱交換器１は、細流路３３３を流通する熱媒体のレイノルズ数が、１０００以下の層流となるように構成されている。なお、熱媒体としては、本実施形態ではエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いている。
【００２３】
図３は本実施形態に係る積層型熱交換器１のインナーフィン３３を示しており、（ａ）が流路管３の長手方向（以下、流路管長手方向という）に直交する断面形状を示す断面図、（ｂ）が流路管積層方向から見た平面図である。
【００２４】
図３に示すように、１つの流路管３内に積層配置された２枚のインナーフィン３３として、ウェーブフィンがそれぞれ用いられている。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間を繋ぐ頂部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るとともに、流路管積層方向から見た際に板部３３１が流路管長手方向に三角波形に屈折するように形成されている。
【００２５】
２枚のインナーフィン３３の間には、中間プレート等の他の部材が配置されておらず、互いの頂部３３２が直接接触している。このため、流路管３内には、一対のインナーフィン３３のうち一方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３と、他方のインナーフィン３３により形成された細流路３３３とが連通する部分が存在する。
【００２６】
図４は本実施形態におけるインナーフィン３３を示す拡大斜視図で、図５は図４のＢ矢視図である。ここで、流路管長手方向および流路管積層方向に対してともに直交する方向を、流路管幅方向とする。
【００２７】
また、インナーフィン３３の細流路３３３における熱媒体の流れ方向に直交する断面（以下、第１断面ともいう）において、細流路３３３の流路管積層方向の寸法を流路高さＨ［ｍｍ］とする。
【００２８】
また、第１断面において、細流路３３３のうち当該細流路３３３に対向する頂部３３２から最も離れた部位３３４における熱媒体の流れ方向に直交する方向の寸法を最大流路幅Ｗ１［ｍｍ］とする。すなわち、最大流路幅Ｗ１は、第１断面における熱媒体の流れ方向に直交する方向に隣り合う頂部３３２間の距離ともいえる。
【００２９】
また、第１断面において、熱媒体の流れ方向に直交する方向に隣り合う頂部３３２同士を結んだ仮想線（図４中の破線ｌ）と板部３３１との成す角度をフィン傾斜角度α［°］とする。
【００３０】
そして、フィン傾斜角度αは、次の数式５にて示される関係を満たすように設定されている。
【００３１】
（数５）
ｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）≦α＜９０
フィン傾斜角度αを、９０°を下回るように設定することで、インナーフィン３３の板部３３１は、流路管積層方向に対して傾斜した状態となる。また、フィン傾斜角度αをｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）とした場合、隣り合う板部３３１同士が直接接触した状態となる。このため、フィン傾斜角度αの下限をｔａｎ−１（２Ｈ／Ｗ１）に設定している。
【００３２】
図６は、図５のＣ−Ｃ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３３における流路管積層方向の中心部を通る断面（以下第２断面ともいう）において、板部３３１の三角波形状の屈折角度をウェーブ角度β［°］とする。すなわち、ウェーブ角度βは、第２断面において、１つの板部３３１における流路管長手方向に隣り合う直線部分３３１ａ同士が成す角度ともいえる。
【００３３】
また、第２断面において、板部３３１の三角波形状の振幅方向の寸法をウェーブ深さＤ［ｍｍ］とする。すなわち、ウェーブ深さＤは、第２断面において、１つの板部３３１における隣り合う頂点部３３１ｂ間の流路管幅方向の距離ともいえる。
【００３４】
また、第２断面において、流路管幅方向に隣り合う板部３３１間の流路管幅方向における距離を板部間距離Ｗ２［ｍｍ］とする。
【００３５】
一般に、ウェーブフィンにおいて、ウェーブ深さＤの最適値は板部間距離Ｗ２の１／４であることが知られている（伝熱工学資料（改訂第４版）（日本機械学会）参照）。しかしながら、レイノルズ数（Ｒｅ）が１０００以下である層流域においては、ウェーブフィンのウェーブ深さＤを板部間距離Ｗ２の７０％以上に設定しないと、第２断面において、熱媒体が板部３３１に衝突することなく細流路３３３を流れてしまい、流路管幅方向の熱媒体流れが形成され難くなるので、充分な混合促進効果が得られないことが、本発明者の実験検討により明らかとなった。
【００３６】
そこで、本発明者は、ウェーブ角度βを変化させた際に、常に板部間距離Ｗ２の７０％以上となるウェーブ深さＤの範囲を検討した。具体的には、ウェーブ角度βそれぞれについて板部間距離Ｗ２を算出し、算出されたＷ２に０．７をかける（０．７倍する）ことで、当該ウェーブ角度βにおけるウェーブ深さＤの最小値Ｄｍｉｎを算出した。この検討結果を図７に示す。
【００３７】
図７に示すように、ウェーブ深さＤの最小値Ｄｍｉｎは次の数式６で近似できる。
【００３８】
（数６）
Ｄｍｉｎ＝１３．０９６×Ｗ２×β−０．５７８５
ここで、ウェーブ角度βは、その加工性から９０°より大きく設定される。また、図７に示すように、ウェーブ角度βが１５８°以上になると、ウェーブ深さＤの最小値Ｄｍｉｎが板部間距離Ｗ２の７０％を下回るため、ウェーブ角度βは１５８°より小さく設定される。
【００３９】
以上により、ウェーブ角度βおよびウェーブ深さＤは、次の数式７〜９にて示される関係を満たすように設定されている。
【００４０】
（数７）
９０＜β＜１５８
（数８）
Ｄ≧Ｗ２×０．７
（数９）
Ｄ≧１３．０９６×Ｗ２×β−０．５７８５
図７のグラフ中、実線ａは上記数式６を示しており、斜線領域が上記数式７〜９に示される関係を全て満たす範囲である。この斜線領域内にウェーブ角度βおよびウェーブ深さＤを設定すれば、インナーフィン３３のウェーブ形状に沿って熱媒体が流れ、インナーフィン３３による充分な混合促進効果を得ることができることを示している。
【００４１】
なお、第２断面における細流路３３３の幅寸法、すなわち第２断面における細流路３３３を通過する熱媒体の流れ方向に直交する方向の寸法を流路幅Ｗ３［ｍｍ］としたとき、板部間距離Ｗ２を次の数式１０で表すこともできる。
（数１０）
Ｗ２＝Ｗ３／ｃｏｓ（９０−β／２）
以上説明したように、フィン傾斜角度αを上記数式５にて示される関係を満たすように設定することで、板部３３１を流路管積層方向に対して傾斜させることができる。このため、細流路３３３を熱媒体の流れ方向から見た際に、熱媒体の流れ方向下流側に板部３３１の壁面が存在することになるので、細流路３３３を流れる熱媒体が板部３３１の壁面と接触することにより、流路管３の積層方向の熱媒体流れが形成される。したがって、流路管３内の熱媒体の流速が遅い場合においても、流路管３内に流路管積層方向の熱媒体流れを形成することが可能となる。その結果、流路管３内の微小流量域における熱交換性能の向上を図ることができる。
【００４２】
また、ウェーブ角度βおよびウェーブ深さＤを上記数式７〜９を満たすように設定することで、細流路３３３を流通する熱媒体のレイノルズ数が１０００以下の場合に、流路管積層方向に直交する断面において、熱媒体が板部３３１に衝突することなく細流路３３３を流れてしまうことを防止できる。これにより、流路管３内の熱媒体の流速が遅い場合においても、インナーフィン３３による熱媒体の混合効果を充分得ることが可能となる。
【００４３】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、１つの流路管３内に２枚のインナーフィン３３を積層配置した例について説明したが、これに限らず、１つの流路管３内に３枚以上のインナーフィン３３を積層配置してもよいし、インナーフィン３３を１枚のみ配置してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
２      電子部品（熱交換対象物）
３      流路管
４      連通部材
３３    インナーフィン
３３１  板部
３３２  頂部
３３３  細流路
【図１】
2011247432.tif 000003
【図２】
2011247432.tif 000004
【図３】
2011247432.tif 000005
【図４】
2011247432.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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