(57)【要約】【課題】フィンと冷媒との間で好適な熱伝達が行うことができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１０は、冷媒通路１２における冷媒の流れ方向ｆと直交する高さ方向に扁平形状をなし、流れ方向ｆに延びる仮想の波形６０に沿って断続的に設けられ、流れ方向ｆおよび高さ方向と直交する幅方向に複数列設けられる。第１列７２に設けられる第１のフィン４４の上流部分５６は、第１列７２の隣の第２列７４に設けられる第２のフィン４４の下流部分５８と流れ方向ｆの位置が重複する。また、第１のフィン４４の下流部分５８は、第２列７４に設けられる第３のフィン４４の上流部分５６と流れ方向ｆの位置が重複する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源体に近接する冷媒通路の内部に複数のフィンを備える冷却装置であって、
前記冷媒通路における冷媒の流れ方向と直交する高さ方向に扁平形状をなし、前記流れ方向に延びる仮想の波形に沿って断続的に設けられ、かつ、前記流れ方向および前記高さ方向と直交する幅方向に複数列設けられ、
第１列に設けられる前記フィンを第１のフィンとし、前記第１列と隣り合う第２列に設けられて前記流れ方向に並ぶ２つの前記フィンを第２のフィンおよび第３のフィンとすると、前記第１のフィンの上流端を含む上流部分は、前記第２のフィンの下流端を含む下流部分と前記流れ方向の位置が重複し、前記第１のフィンの下流端を含む下流部分は、前記第３のフィンの上流端を含む上流部分と前記流れ方向の位置が重複する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置において、
前記フィンは、前記波形の２つの頂点を含む部分に沿って設けられる
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却装置において、
前記波形は、前記頂点を通り前記流れ方向と直交し前記幅方向と平行する仮想線を軸として線対称の形状をなす
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記フィンは、前記流れ方向および前記幅方向と平行するいずれの断面も同一の形状をなす
ことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源体に近接する冷媒通路の内部に複数のフィンを備える冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動式のモータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド自動車は、高圧電源から供給される電力をモータの駆動用の電力に変換してモータに供給する駆動回路を有する。駆動回路は駆動に伴い発熱するため、駆動回路には冷却装置が近接して設けられる。例えば、冷却装置としては、内部にヒートシンクを備える冷媒通路が使用される。
【０００３】
特許文献１には、冷媒通路の内部に冷媒の流れ方向に延びる波形のフィンを備える冷却装置が示される。この冷却装置において、各フィンは波形の略半波長の長さで区切られる。そして、各フィンの上端側端部が冷媒通路の幅方向に曲げられることにより、上流側のフィンの下流側端部と下流側のフィンの上流側端部との間に開口部が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２０５８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上流側から下流側にかけて一連のフィンが設けられる冷却装置がある。この冷却装置では、冷媒がフィンに接しつつ流れるため、フィン近傍を流れつづける冷媒が蓄熱しやすい。このため、下流側のフィンの近傍で温度境界層が発生しやすい。一方、特許文献１に示される冷却装置では、冷媒はフィンに接しつつ流れ、開口部でフィンから離れる。このため、冷媒に蓄積される温度が一旦キャンセルされる。このため、下流側のフィンの近傍で温度境界層は発生しにくい。
【０００６】
しかし、特許文献１に示される冷却装置では、フィンと冷媒との接触箇所の一部で冷媒の流速が遅くなり、最悪の場合は冷媒の滞留が発生する。このように、フィンから離れる箇所の冷媒の流れが維持される一方で、フィン近傍の冷媒の流れが極端に遅くなることを剥離という。冷媒の流れの剥離箇所では放熱の効率が低下する。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、フィンと冷媒との間で好適な熱伝達が行うことができる冷却装置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】
本発明は、
熱源体に近接する冷媒通路の内部に複数のフィンを備える冷却装置であって、
前記冷媒通路における冷媒の流れ方向と直交する高さ方向に扁平形状をなし、前記流れ方向に延びる仮想の波形に沿って断続的に設けられ、かつ、前記流れ方向および前記高さ方向と直交する幅方向に複数列設けられ、
第１列に設けられる前記フィンを第１のフィンとし、前記第１列と隣り合う第２列に設けられて前記流れ方向に並ぶ２つの前記フィンを第２のフィンおよび第３のフィンとすると、前記第１のフィンの上流端を含む上流部分は、前記第２のフィンの下流端を含む下流部分と前記流れ方向の位置が重複し、前記第１のフィンの下流端を含む下流部分は、前記第３のフィンの上流端を含む上流部分と前記流れ方向の位置が重複する
ことを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、フィンを冷媒の流れ方向に断続的に設けることで温度境界層の発達を抑制することができる。また、第１列に設けられる第１フィンの上流部分と隣の第２列に設けられる第２フィンの下流部分、および、第１列に設けられる第１フィンの下流部分と第２列に設けられる第３フィンの上流部分の流れ方向の位置を重複させることで、冷媒の流れがフィンから剥離することを抑制することができる。以上の構造により、フィンと冷媒との間で好適な熱伝達が行うことができる。
【００１０】
本発明において、
前記フィンは、前記波形の２つの頂点を含む部分に沿って設けられてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、温度境界層の発達と冷媒の流れの剥離を一層抑制して、フィンと冷媒の間で一層好適な熱伝達を行うことができる。
【００１２】
本発明において、
前記波形は、前記頂点を通り前記流れ方向と直交し前記幅方向と平行する仮想線を軸として線対称の形状をなしてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、冷媒の流れの剥離を一層抑制して、フィンと冷媒の間で一層好適な熱伝達を行うことができる。
【００１４】
本発明において、
前記フィンは、前記流れ方向および前記幅方向と平行するいずれの断面も同一の形状をなしてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、高さ方向に略等しい冷媒流れとして広い範囲で好適な熱伝達を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、フィンと冷媒との間で好適な熱伝達が行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本実施形態に係る冷却装置の斜視図である。
【図２】図２は本実施形態に係る冷却装置の分解斜視図である。
【図３】図３はインナーフィンの部分的な平面図である。
【図４】図４は第１列に対する第２列のオフセット量が０％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。
【図５】図５は第１列に対する第２列のオフセット量が１５％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。
【図６】図６は第１列に対する第２列のオフセット量が２５％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。
【図７】図７は第１列に対する第２列のオフセット量が５０％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。
【図８】図８は伸張率が０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。
【図９】図９は伸張率が５％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。
【図１０】図１０は伸張率が１０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。
【図１１】図１１は伸張率が３０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。
【図１２】図１２は伸張率が４０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。
【図１３】図１３は振幅が１［ｍｍ］であるフィンを使用し、オフセット量と伸張量を変えて速度ベクトルと温度コンターを調べた結果を表にして示す図である。
【図１４】図１４は振幅が３［ｍｍ］であるフィンを使用し、オフセット量と伸張量を変えて速度ベクトルと温度コンターを調べた結果を表にして示す図である。
【図１５】図１５は振幅が５［ｍｍ］であるフィンを使用し、オフセット量と伸張量を変えて速度ベクトルと温度コンターを調べた結果を表にして示す図である。
【図１６】図１６は別実施形態に係るインナーフィンの部分的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る冷却装置について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
［１．冷却装置１０］
図１に示される冷却装置１０は扁平形状であり、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両が備えるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）の下面に近接して設けられる。ＰＣＵは、高電圧バッテリから電動モータに給電する際、または、ジェネレータから高電圧バッテリに給電する際に発熱する熱源体である。
【００２０】
図２に示されるように、冷却装置１０は、上カバー２０と下カバー３０とインナーフィン４０とを有する。上カバー２０と下カバー３０とインナーフィン４０は、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムやニッケルメッキを施した銅で形成される。上カバー２０の上面は吸熱面として使用される。下カバー３０の周縁には上方に突出する側壁３２が形成され、下カバー３０の長手方向の両端には下面から上面に貫通する２つの孔が形成される。一方の孔は冷媒の流入口３４として使用され、他方の孔は冷媒の流出口３６として使用される。
【００２１】
インナーフィン４０は、下カバー３０にろう付けされる板部４２と、板部４２から上方に突出する複数のフィン４４と、を有する。板部４２の下面は下カバー３０の上面にろう付けされる。上カバー２０の下面は下カバー３０の側壁３２の上端にろう付けされ、また各フィン４４の上端に接触する。このようにして下カバー３０と上カバー２０とで冷媒を流す冷媒通路１２が形成され、冷媒通路１２の内部に複数のフィン４４が設けられる。冷媒通路１２における冷媒の流れ方向ｆは長手方向と略平行する。
【００２２】
［２．フィン４４］
本実施形態ではフィン４４の形状および配置を特徴の１つとする。図３を用いてフィン４４の形状および配置の説明をする。図３において、紙面左右方向が冷却装置１０の長手方向と一致し、紙面上下方向が幅方向と一致する。また、図示しないが、紙面垂直方向が高さ方向と一致する。
【００２３】
図３に示されるように、インナーフィン４０の平面視において、流れ方向ｆに延びる仮想の波形６０を複数想定する。図３では、波形６０の一例として正弦曲線が示される。波形６０の振幅と周期は流れ方向ｆの上流側から下流側にわたって略一定である。また、流れ方向ｆの各位置で、複数の波形６０の位相は互いに同じである。各波形６０は、頂点６２を通り流れ方向ｆと直交し幅方向と平行する仮想線７０を軸として線対称の形状をなす。
【００２４】
個々のフィン４４は、波形６０に沿って断続的に設けられる。言い換えると、１つの波形６０においては、流れ方向ｆに沿って前後する２つのフィン４４の間に隙間４６が設けられており、フィン４４と隙間４６とが交互に並んで列をなしている。互いに隣接する１つのフィン４４と１つの隙間４６とを合わせると波形６０の１波長となる。
【００２５】
フィン４４は、波形６０の２つの頂点６２を含む部分に沿うようにして形成される。フィン４４のうち上流側の頂点６２に配置される部分を上流側頂点部４８といい、下流側の頂点６２に配置される部分を下流側頂点部５０という。また、フィン４４のうち流れ方向ｆの最も上流側に配置される部分を上流端５２といい、最も下流側に配置される部分を下流端５４という。上流端５２は、フィン４４を上流側頂点部４８から波形６０に沿って上流側に伸張した位置にあり、下流端５４は、フィン４４を下流側頂点部５０から波形６０に沿って下流側に伸張した位置にある。このため、フィン４４の流れ方向ｆの長さＬは、波形６０の半波長の長さλ／２よりも長い。なお、フィン４４が上流側頂点部４８から上流端５２まで伸張する伸張量および下流側頂点部５０から下流端５４まで伸張する伸張量の詳細に関しては下記［４］で説明する。
【００２６】
フィン４４と隙間４６との整列パターンは２つある。一方の整列パターンは、フィン４４に沿って上流側頂点部４８から下流側頂点部５０に進むにつれて、フィン４４の幅方向の位置が一方（例えば図３の紙面上方向）に変位する第１パターンである。他方の整列パターンは、フィン４４に沿って上流側頂点部４８から下流側頂点部５０に進むにつれて、フィン４４の幅方向の位置が他方（例えば図３の紙面下方向）に変位する第２パターンである。第１パターンの第１列７２と第２パターンの第２列７４は幅方向の一方から他方に向かって交互に並ぶ。互いに隣接する第１列７２同士の間隔Ｐは一定であり、互いに隣接する第２列７４同士の間隔Ｐも一定である。なお、第１列７２と第２列７４との間隔Ｐｏ（Ｐｏ１、Ｐｏ２）の詳細に関しては下記［３］で説明する。図３では、第１列７２と第２列７４とが幅方向の一方から他方に向かって等間隔Ｐ／２（＝０．５０Ｐ）で並べられる実施形態が示される。
【００２７】
フィン４４のうち、上流側頂点部４８から上流端５２までの部分と、その部分と仮想線７０を軸として線対称となる部分を、まとめて上流部分５６という。また、フィン４４のうち、下流側頂点部５０から下流端５４までの部分と、その部分と仮想線７０を軸として線対称となる部分を、まとめて下流部分５８という。第１列７２に配置されるフィン４４の上流部分５６は、第２列７４に配置されるフィン４４の下流部分５８と流れ方向ｆの位置が重複する。第１列７２に配置されるフィン４４の下流部分５８は、第２列７４に配置されるフィン４４の上流部分５６と流れ方向ｆの位置が重複する。
【００２８】
フィン４４は、上流端５２から下流端５４にかけて一定の高さであり、冷却装置１０に合わせて高さ方向に扁平形状である。また、フィン４４は、流れ方向ｆおよび幅方向と平行するいずれの断面も同一の形状をなす。つまり、図３に示される平面視と同一の形状をなす。フィン４４は、高さ方向に同一形状をなす。
【００２９】
［３．フィン４４のオフセット量］
図３に示されるように、第１列７２と第２列７４との間隔Ｐｏには、第１列７２とその第１列７２の幅方向一方側（紙面上側）に位置する第２列７４との間隔Ｐｏ１と、第１列７２とその第１列７２の幅方向他方側（紙面下側）に位置する第２列７４との間隔Ｐｏ２がある。ここでは、間隔Ｐｏ２を第１列７２に対する第２列７４のオフセット量として考え、オフセット量を第１列７２の間隔Ｐの百分率で示す。
【００３０】
図４は第１列７２に対する第２列７４のオフセット量が０％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。オフセット量が０％というのは、第１列７２と第２列７４との間隔Ｐｏ２がないことを意味し、断続的でない連続的なフィン４４´が設けられることを意味する。オフセット量が０％である場合、下流側に進むにつれてフィン４４´の両側を流れる冷媒に温度境界層の発達が見られる。
【００３１】
図５は第１列７２に対する第２列７４のオフセット量が１５％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。オフセット量が１５％である場合、下流側かつ第１列７２のフィン４４と第２列７４のフィン４４との間の流路が狭い側（間隔Ｐｏ２の側）を流れる冷媒に温度境界層の発達が見られる。その一方で、下流側であっても流路が広い側（間隔Ｐｏ１の側）を流れる冷媒には温度境界層の発達は見られない。
【００３２】
図６は第１列７２に対する第２列７４のオフセット量が２５％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。オフセット量が２５％である場合、オフセット量が１５％である場合と比較して、温度境界層の発達が小さい。
【００３３】
図７は第１列７２に対する第２列７４のオフセット量が５０％である場合の温度コンターの傾向を簡易的に示す図である。オフセット量が５０％である場合、下流側であっても冷媒には温度境界層の発達が見られない。
【００３４】
図４〜図７によれば、オフセット量が僅かながらでも設定されていれば、温度境界層を抑制する効果は得られ、特にオフセット量が２５％以上、５０％以下であれば、温度境界層をより効果的に抑制する効果が得られることが判る。以上から、第１列７２と第２列７４との間隔Ｐｏを０．２５Ｐ以上、０．５０Ｐ以下（または０．５０Ｐ以上、０．７５Ｐ以下）にすることが好ましいといえる。
【００３５】
［４．フィン４４の伸張量］
下記のように、伸張量は波形６０の半波長（＝λ／２）に対する百分率で示される。
伸張率  ＝  （Ｌ−／λ／２）／λ／２    （０％＜伸張率＜５０％）
【００３６】
図８は伸張率が０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。伸張率が０％である場合、各フィン４４の上流部分５６の幅方向他方側（紙面下側）に大きな剥離８０が発生する。
【００３７】
図９は伸張率が５％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。伸張率が５％である場合、伸張率０％である場合と比較して剥離８０が小さい。
【００３８】
図１０は伸張率が１０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。伸張率が１０％である場合、伸張率０％、５％の場合に発生していた剥離８０が殆ど無くなっている。
【００３９】
図１１は伸張率が３０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図であり、図１２は伸張率が４０％である場合の冷媒の速度ベクトルの分布傾向を簡易的に示す図である。伸張率が３０％以上である場合、剥離８０は発生しない。
【００４０】
図８〜図１２によれば、フィン４４の上流端５２が上流側頂点部４８から波形６０に沿って僅かながらでも伸張し、下流端５４が下流側頂点部５０から波形６０に沿って僅かながらでも伸張した位置にあれば、剥離８０の発生を抑制する効果が得られ、特に伸張率が３０％以上、５０％未満であれば、剥離８０の発生を防止する効果が得られることが判る。
【００４１】
［５．フィン４４の振幅］
フィン４４の幅方向の長さ、すなわち上流側頂点部４８から下流側頂点部５０まで幅方向の長さをフィン４４の振幅という。図１３〜図１５は振幅が１［ｍｍ］、３［ｍｍ］、５［ｍｍ］であるフィン４４をそれぞれ使用し、オフセット量（２５％、３７．５％、５０％）と伸張量（０％、１５％、３０％）を変えて速度ベクトルと温度コンターを調べた結果を示す表である。図１３〜図１５によれば、振幅が違うことにより速度ベクトルおよび温度コンターが大きく変化することはないことが判る。つまり、振幅と速度ベクトルおよび温度コンターと間に相関はないもの認められる。
【００４２】
［６．他の実施形態］
上述した実施形態では、波形６０が正弦曲線であるフィン４４について説明した。これに代わり、他の波形６０のフィン４４であっても上記実施形態と同じ効果を得ることができる。例えば、図１６に示されるように、波形６０が三角波であるフィン４４であってもよい。
【００４３】
［７．本実施形態のまとめ］
冷却装置１０は、冷媒通路１２における冷媒の流れ方向ｆと直交する高さ方向に扁平形状をなし、流れ方向ｆに延びる仮想の波形６０に沿って断続的に設けられ、かつ、流れ方向ｆおよび高さ方向と直交する幅方向に複数列設けられる。第１列７２に設けられるフィン４４を第１のフィン４４とし、第１列７２と隣り合う第２列７４に設けられて流れ方向ｆに並ぶ２つのフィン４４を第２のフィン４４および第３のフィン４４とすると、第１のフィン４４の上流端５２を含む上流部分５６は、第２のフィン４４の下流端５４を含む下流部分５８と流れ方向ｆの位置が重複する。また、第１のフィン４４の下流端５４を含む下流部分５８は、第３のフィン４４の上流端５２を含む上流部分５６と流れ方向ｆの位置が重複する。
【００４４】
上記構成によれば、フィン４４を冷媒の流れ方向ｆに断続的に設けることで温度境界層の発達を抑制することができる。また、第１列７２に設けられる第１のフィン４４の上流部分５６と隣の第２列７４に設けられる第２のフィン４４の下流部分５８、および、第１列７２に設けられる第１のフィン４４の下流部分５８と第２列７４に設けられる第３のフィン４４の上流部分５６の流れ方向ｆの位置を重複させることで、冷媒の流れがフィン４４から剥離することを抑制することができる。以上の構造により、フィン４４と冷媒との間で好適な熱伝達が行うことができる。
【００４５】
フィン４４は、波形６０の２つの頂点６２を含む部分に沿って設けられる。上記構成によれば、温度境界層の発達と冷媒の流れの剥離を一層抑制して、フィン４４と冷媒の間で一層好適な熱伝達を行うことができる。
【００４６】
波形６０は、頂点６２を通り流れ方向ｆと直交し幅方向と平行する仮想線７０を軸として線対称の形状をなす。上記構成によれば、冷媒の流れの剥離を一層抑制して、フィン４４と冷媒の間で一層好適な熱伝達を行うことができる。
【００４７】
フィン４４は、流れ方向ｆおよび幅方向と平行するいずれの断面も同一の形状をなす。上記構成によれば、高さ方向に略等しい冷媒流れとして広い範囲で好適な熱伝達を行うことができる。
【００４８】
なお、本発明に係る冷却装置は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４９】
１０…冷却装置                        １２…冷媒通路
４４…フィン                          ５２…上流端
５４…下流端                          ５６…上流部分
５８…下流部分                        ６０…波形
７２…第１列                          ７４…第２列
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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