(57)【要約】  小形のアルミニウム熱交換器が、パワーエレクトロニクス装置および／または電池セルの冷却のために、内部および／または外部のフィンを備えた溶接された平坦管から製造される。フィン挿入部は、あらかじめ作られ、流れの乱流を促進することで熱散逸を促進するために、手動または自動で平坦管へと挿入される。フィン挿入部のフィンは、型打ち加工または波形加工によって製造されたうねった形または波状の形を備える。平坦管は、シート材料から折り曲げられ、管の機械的強度を促進するそのより小さい側部において、その全長に沿って溶接される。管は、０．３から１．８重量％のＭｎ、０．２５〜１．２重量％のＣｕ、０．０２重量％以上のＭｇ、０．０１重量％以上のＳｉ、０．０５重量％以上のＦｅ、０．２５重量％以下のＣｒ、残りのアルミニウム、および、最大で０．０５重量％までの不可避な不純物を含む芯材の合金から製造される。フィン挿入部は、０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金から製造される。小形で軽量な熱交換器は、ハイブリッド車両および／または電気車両での使用に特に適している。
2015530552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱放射部品（５、６）の熱管理のための熱交換器（２０）であって、
流体を前記熱交換器（２０）に出入りするように案内するための２つの分岐管（１、２）と、
前記分岐管（１、２）に備え付けられる２つの端部（３ａ、３ｂ）、縦方向の２つの側部（１４、１４’）、および２つの側部（１４、１４’）の間の２つの部品担持面（１３、１３’）を備える複数の平坦管（３）と、
を備え、
前記平坦管（３）は、それらの担持面（１３、１３’）が実質的に並行で互いと向かい合うように、実質的に前記分岐管（１、２）同士の間で互いと平行に並べられ、前記平坦管（３）は、冷却剤が前記平坦管（３）を通じて流れることができるように、各々の端部（３Ａ、３Ｂ）において、隣接する前記分岐管（１、２）に取り付けられる熱交換器（２０）において、
前記平坦管（３）は、溶接接合部（１２）を形成するために、溶接によってシート材料（１１）から形成されることを特徴とする熱交換器（２０）。
【請求項２】
前記溶接接合部（１２）は前記平坦管（３）の前記側部（１４、１４’）に位置付けられる、請求項１に記載の熱交換器（２０）。
【請求項３】
前記管担持面（１３、１３’）は、前記熱放射部品（５、６）の前記管担持面（１３、１３’）への直接の取り付けのために適合される、請求項１に記載の熱交換器（２０）。
【請求項４】
冷却される前記熱放射部品（５、６）は、接着剤、熱グリス、機械的に、およびろう付けのうちの１つによって、少なくとも１つの管担持面（１３、１３’）に取り付けられる、請求項３に記載の熱交換器（２０）。
【請求項５】
前記管のうちの少なくとも１つの前記部品担持面は、０．０２から１．１４ミクロンのＲａの粗さを実現するために制御される、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項６】
前記熱放射部品（５、６）のうちの少なくとも１つはパワーエレクトロニクス部品である、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項７】
前記部品（５）のうちの少なくとも１つは電池セルである、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項８】
少なくとも１つの管（３）が、あらかじめ作られた内部フィン挿入部（８）を挿入している、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのあらかじめ作られた内部フィン挿入部（８）は、熱の散逸を促進するために、前記平坦管（３）に、その縦方向において手動または自動で挿入される、請求項８に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１０】
前記フィン挿入部（８）は、型打ち加工、波形加工、およびエンボス加工のうちの１つによって製造される、請求項８に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１１】
前記挿入されたあらかじめ作られたフィン挿入部（８）は、その全長に沿ってうねった形のフィンを備える、請求項８に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１２】
前記挿入されたフィンは、前記管の全長に沿って、オフセット配置のオフセットを有する、請求項８に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１３】
前記冷却管（３）のうちの少なくとも一部が、ろう付けされた一列の外部フィン（４）によって分けられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１４】
高周波溶接された管（３）のシート材料（１１）の芯材の合金は、０．３から１．８重量％のＭｎ、０．２５重量％〜１．２重量％のＣｕ、０．０２重量％以上のＭｇ、０．０１重量％以上のＳｉ、０．０５重量％以上のＦｅ、０．２５重量％以下のＣｒ、残りのアルミニウム、および、最大で０．０５重量％までの不可避な不純物を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１５】
前記管の前記シート材料（１１）の芯材の合金の焼戻しは、Ｈ１４／Ｏ／Ｈ２４である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１６】
前記冷却平坦管（３）の壁厚は０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、好ましくは０．８ｍｍ〜１．５ｍｍである、請求項１から１５のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１７】
前記冷却管（３）の高さは１．２ｍｍ〜１５ｍｍである、請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１８】
前記高周波溶接された冷却平坦管（３）は、少なくとも一方の側において被覆するろう付けを備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１９】
前記フィン挿入部は、少なくとも一方の側（９、１０）において被覆するろう付け充填合金を備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項２０】
前記ろう付け充填合金は、０．０５重量％〜０．７重量％のＭｇのＭｇ含有量を含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項２１】
挿入された前記フィン挿入部（８）の材料の厚さは０．０４ｍｍ〜０．８ｍｍであり、好ましくは０．５ｍｍ〜０．７ｍｍである、請求項８から２０のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれか一項に記載の小形の熱交換器（２０）における使用のための平坦管（３）であって、袖体を形成するためにシート材料（１１）から折り曲げられ、管状部品を形成するために隣接する縁同士に沿って溶接され、平坦な冷却管（３）を形成するために押圧されることを特徴とする平坦管（３）。
【請求項２３】
前記管（３）は、より小さな寸法の側部（１４、１４’）において溶接接合部（１２）を備える、請求項２２に記載の平坦管（３）。
【請求項２４】
前記平坦管（３）は、熱伝達効率を促進するために、あらかじめ作られたフィン挿入部（８）を備える、請求項２２に記載の平坦管（３）。
【請求項２５】
前記挿入されたフィン挿入部（８）を備える前記管（３）は、前記フィン挿入部（８）が前記平坦管（３）の内部に固定されるように２つのローラの間で圧延することによって修正されることを特徴とする、請求項２４に記載の平坦管（３）。
【請求項２６】
前記フィン挿入部（８）は、シート材料から、エンボス加工、圧延加工、波形加工、および型打ち加工のうちの１つによって形成され、次に適切な寸法の個片へと切断される、請求項８に記載のフィン挿入部（８）。
【請求項２７】
前記挿入部（８）は、全長に沿って起伏のある形を含むフィンを備える、請求項８に記載のフィン挿入部（８）。
【請求項２８】
前記フィン挿入部（８）は、０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金から製造される、請求項８に記載のフィン挿入部（８）。
【請求項２９】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）を製造する方法であって、
袖体を形成するためにシート材料（１１）を折り曲げ、管状部品を形成するために前記袖体を溶接し、平坦管（３）を得るために前記管状部品を押圧するステップと、
前記管（３）の端部（３ａ、３ｂ）を受け入れるために、側部に開口部を備えた２つの分岐管を製造するステップと、
前記熱交換器を形成するために、前記管（３）を前記開口部へと挿入するステップと、
を含む方法において、
構成部品をろう付けによって組み立てることを特徴とする熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項３０】
前記構成部品はフラックスレスろう付けによって組み立てられる、請求項２９に記載の熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項３１】
追加の外部フィン（４、７）および補強プレート（１５）のうちの少なくとも１つを備え付けることを特徴とする、請求項２９または３０に記載の熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項３２】
０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金から、ダイレクトチル鋳造、連続鋳造、双ロール鋳造、またはベルト鋳造のうちの１つを行うステップと、
複数のフィンを形成するために、前記材料の波形加工、型打ち加工、およびエンボス加工のうちの１つを行うステップと、
前記複数のフィンを備える材料を適切な大きさの個片へと切断するステップと
を特徴とする、請求項８に記載のフィン挿入部（８）を製造する方法。
【請求項３３】
請求項２２から２５のいずれか一項に記載の平坦な冷却管（３）の請求項１から２１のいずれか一項に記載の熱交換器への使用。
【請求項３４】
ハイブリッド車両および電気車両のうちの一方における任意の熱放射部品（５、６）の熱管理のための、請求項１から２１のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を発生する電子部品または電池セルの熱管理に適した熱交換器または冷却器に関する。本発明は、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）または電気車両（ＥＶ）における電気パワートレイン用の熱交換器として特に適しているが、他の技術分野において様々な電気部品を冷却するために適用可能でもある。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド電気車両におけるパワーエレクトロニクス装置の信頼性を確保するために、パワーエレクトロニクス組立体から発生される熱は散逸される必要がある。パワーエレクトロニクス装置の基板は、典型的には３つの層、すなわち、回路の電気接続を形成するエッチングされた金属の経路と、中間層、すなわち、セラミックの種類の電気絶縁材料のプレートと、熱の拡散を促進すると共に機械的支持を提供するために組立体に連結されたいわゆるヒートスプレッダである金属プレートとを有している。代替では、熱をより効果的に散逸するために、ヒートスプレッダに取り付けられたヒートシンクとして機能する、空気冷却用の外部フィンを備えた押出成形されたヒートシンクがある。自動車用パワーエレクトロニクスでは、ヒートシンクは、液体で冷却でき、複数の開口があるアルミニウム押出成形、または、機械加工された微小通路を含む冷却プレートを用いて設計できる。熱交換器の一部であるヒートシンクは、埋め込まれた銅管を備えたアルミニウムの塊から作り出すこともできる。大量の熱の散逸を必要とするＨＥＶ／ＥＶ用の部品冷却器を作るとき、押出成形または折り返された管のみがこれまで使われてきた。
【０００３】
平坦なアルミニウムの加工対象の板材から正確な微小通路を機械加工するのに伴うコストは、必要とされる流路の大きさおよび複雑さに伴って実質的に増加する。自動車車両用の熱交換器または部品冷却器は、押出成形された冷却管、または、ろう付け被覆された帯片を例えばＢ字形に折り返してから、熱交換器を組み立てるとき、それらを漏れのない管へとろう付けすることによって作られた冷却管を、一般的に備えている。これらは、ろう付けされるときに冷却管／通路、ヘッダ、および戻し管の一体化された集合を提供する型打ちされた金属プレートの配列をろう付けする、いわゆるドロンカップ式プレート設計で製造されてもよい。特許文献１は、電子部品を冷却管と交互に間に配置するような様式で複数の冷却管が配置されて重ねられた積層式の冷却器において、プレス成形されたアルミニウムプレートから形成された管を用いる熱交換器を開示している。プレス成形されたプレートは、高い内部圧力において、漏れに対する危険性をもたらす中間プレートとろう付けされている。電子部品は、通常、セラミックプレートおよび熱伝導グリスを介して冷却管と接触して備え付けられており、費用のかかる工程であり、腐食されやすいことに悩まされる融通の利かない設計になっている。
【０００４】
ヒートシンクを形成する押出成形された管は、典型的には、押出成形された管に適切な耐腐食性を提供するためにＺｎ被覆を必要とする。ろう付け工程の間、Ｚｎは押出成形された管の材料へと拡散し、結果生じるＺｎの濃度勾配が耐腐食性をもたらす。しかしながら、この管の腐食保護の方法は、隅肉において望ましくないＺｎ分離も引き起こす。そのため、この方法は管を保護できるが、隅肉の腐食を不可避的に加速させてもしまう。対照的に、ブラウンバンド、Ｃｕ濃度プロファイル、Ｔｉバンドなどの他の機構は、ロール状のアルミニウムのろう付けシート材料において耐腐食性を生じさせるために用いられるため、押出成形された複数の開口の管を用いて製作された熱交換器と関連する上記の隅肉の腐食に悩まされない。
【０００５】
平坦な設計の液体冷却熱交換器に関して、特許文献１の図３に示すような複数の冷却管によって相互に接続された、冷却液の入口および出口のための２つの連結管を備えるものが用いられ得る。ヒートシンクを形成するこれらの押出成形された冷却管は、押出成形工程の要件のため、比較的厚い内側フィンを有しており、そのため比較的重い（より多くの材料を必要とする）。押出成形された管は、非常に薄い壁で作ることはできず、これは、熱交換器の重量およびコストが増加することを意味している。冷却管は好ましくは平坦に作られるが、これは、このような設計が、構成部品を中間ヒートスプレッダなしで管表面において直に冷却させるように備え付けることができるためであるか、または、必要なときに２つの管の間で両側から構成要素を冷却さえできるためであり、これによって、特許文献１の図１に示されるような、より小形の熱交換器の設計を行える。また、複数の開口の押出成形された管の製作を可能とするためには、設計の自由度に関して限定もあるが、これは、高さに対する最小のウェブの厚さについての要件があるためである。
【０００６】
特許文献２は、車両用の熱交換器のための押出成形された冷却管を開示している。管には、一体品として管と共に押出成形されて熱の散逸を向上する複数の内部リブまたは内部フィンが設けられている。この設計は、材料の消費量を最小化できず、また、中間壁がより薄くされて軽量化された熱交換器を作ることはできない。
【０００７】
より好ましくてより薄くてより軽量な平坦管が、特許文献１の図６に示されるように、別々に製造されてから次に間にフィンを備えるように互いに接合される外側のプレートと中間のプレートとによって、製造できる。
【０００８】
材料の成形性の要件のため、先行技術の特許文献１の図６によるドロンカップの設計の冷却管は、芯材の腐食をもたらす傾向がある完全に柔らかいろう付け被覆材料を必要とする。このようなドロンカップの管設計は、より柔らかい金属および／または合金が折り曲げのために用いられるため、最終的な管の剛性が低減されることになり、一方、最終的な管は、取り付けられる構成部品にとって最良の接触を提供するために、優れた平坦性を保つことになる。液体の圧力を受けたドロンカップの管は、折り曲げられた縁に沿って漏れる可能性がある。そのため、高い熱伝達効果を提供するこれらの不利益のない管に対する要求がある。ドロンカップの設計の管に用いられるフィン挿入部は、最適な冷却剤の流れを提供しない。
【０００９】
冷却要素のより小さな備え付けおよび両側での冷却のためには、縦方向および横方向における冷却管の平坦性、または、冷却管の全長にわたって曲げおよび捩れのないことが、不可欠な特徴である。これは、外側管の外殻を変形させてしまう高い内部の液体圧力に耐えることになる薄い外側プレートを備えた公知のドロンカップ式の管によっては、実現するのが難しい。そのため、効果的な熱伝達のために必要とされる最良の平坦性は、この公知の種類のドロンカップの平坦な管によっては実現できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，５７１，７５９号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０１８５１３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、熱交換器に一体化される電子部品の温度を効果的に抑制できる、最小の重量と向上された熱伝達容量とを備えた熱交換器を提供することである。別の目的は、熱伝達効率の増加とより小形で軽量な熱交換器設計とをもたらすより高い剛性を冷却管の全長にわたって提供すると共に、他の材料の使用によって長期の腐食性を提供する別の種類の平坦な冷却管を、本発明による最適な内部フィン設計を備えた溶接された管などのヒートシンクとして、使用することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
熱発生部品または熱放射部品の熱管理のための熱交換器であって、冷却材の流体を熱交換器に出入りするように案内するための２つの分岐管と、分岐管に備え付けられる２つの端部、縦方向の２つの側部、および前記２つの側部の間の２つの部品担持面を備える複数の平坦な冷却管とを備え、平坦管は、それらの担持面が実質的に並行で互いと向かい合うように、実質的に分岐管同士の間で互いと平行に並べられ、管は、冷却剤が管を通じて流れることができるように、各々の端部において、隣接する分岐管に取り付けられ、平坦な冷却管は、溶接接合部を形成するために、溶接によってシート材料から形成される熱交換器。溶接は、高周波または任意の他の適切な溶接方法であり得る。
【００１３】
最良の熱の伝達／散逸で備え付けられる半導体モジュールのために、管の表面はできるだけ平坦であるべきである。フィンが挿入されて溶接された管の使用は、折り返された管よりも硬い構造を提供し、同時に、押出成形された管よりも高いコスト効果で軽量に作ることができる。
【００１４】
上記の半導体モジュールの他に、電力トランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴなどが、電子部品として使用できる。上記の冷却剤は、水、水などの天然の冷却剤、またはＨＦＣ１３４ａなどの水以外に基づく冷却剤であり得る。
【００１５】
芯材の腐食（液体膜移動、ＬＦＭ）は、ろう付けされた熱交換器の耐腐食性を悪化させる。熱交換器の重量を減らすという要望、小形の設計を得るという要望、および、熱伝達の効率を増加させるという要望のこれらの問題は、例えばＨ１４、Ｈ２４といった他の焼戻しで製作され得ると共に、ドロンカップの管のような極端に局所的な変形がない、溶接される管の設計を用いることで克服できる。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、ヒートスプレッダの表面粗さは、熱伝達を向上させるという観点で、冷間圧延法によって、Ｒａ＝０．０２〜１．１４ミクロンの範囲の値に変更されてもよい。高周波溶接されたアルミニウム管は、自動車のパワーエレクトロニクスおよび電池の熱管理の目的のために、冷却剤の流路を提供する。フィン挿入部との組合せで、本発明の平坦管は、押出成形、折り返されたプレート、または型打ちされたプレートの他の管の設計との比較において、優れた熱伝達特性をもたらす熱伝達面積の実質的な増加を提供する。本発明による熱交換器用の平坦管は金属のシートから製造され、そのシートは折り曲げられてから、高周波溶接または他の種類の適切な溶接によって、管状の形の袖体へと接合される。その後、管は、所望の平坦管の形へとさらに押圧され得る。平坦管の材料は、好ましくはアルミニウムおよびアルミニウム合金であり、高周波溶接された管の芯材の合金は、０．３から１．８重量％のＭｎ、０．２５〜１．２重量％のＣｕ、０．０２重量％以上のＭｇ、０．０１重量％以上のＳｉ、０．０５重量％以上のＦｅ、０．２５重量％以下のＣｒ、残りのアルミニウム、および、最大で０．０５重量％までの不可避な不純物を含む。
【００１７】
芯材の合金の焼戻しは、Ｈ１４／Ｏ／Ｈ２４であり、好ましくはＨ１４／Ｈ２４である。これらの材料の焼戻しは、前述の化学組成範囲との組合せで、溶接された管の平坦性を達成するために、強度と、耐腐食性と、成形性の必要な度合いとの最良の組合せを提供する。
【００１８】
小形の熱交換器で使用するための平坦な冷却管は、袖体を形成するためにシート材料から折り曲げられ、管状部品を形成するために隣接する縁同士に沿って溶接され、より小さな寸法の側部で溶接接合部を備える平坦な冷却管を形成するために押圧される。溶接または溶接された継目は、通常、平坦管の側部に位置付けられ、したがって、平坦管の剛性と、曲げモーメントに対する抵抗とを増加させる。これは、構成部品と管との間に向上された接触をもたらし、そのため、熱伝達を促進する。熱交換器構成部品は、ろう付けによって組み立てられる。ろう付けは、フラックスレスろう付け方法、または、任意の他の従来のろう付け方法であり得る。
【００１９】
フィン挿入部は、シート材料から、エンボス加工、圧延加工、波形加工、および型打ち加工のうちの１つによって形成され、次に適切な寸法の個片へと切断される。さらに、フィン挿入部は、冷却剤の流れの乱流と内部表面積とを増やすことで熱的性能を向上するために、通路に沿って波状のフィンを備える設計とされる。管の剛性も向上され、内側フィンはリブとして作用する。フィンは、その側部に沿ったうねった形もしくは波状の形、または、冷却剤の流体に接触する任意の他の起伏のある表面を有し得る。
【００２０】
熱交換器を製造する方法は、袖体を形成するためにシート材料を折り曲げ、管状部品を形成するために袖体を溶接し、平坦管を得るために管状部品を押圧するステップと、管の端部を受け入れるために、側部に開口部を備えた２つの分岐管を製造するステップと、熱交換器を形成するために、平坦な冷却管を開口部へと挿入するステップとを含み、構成部品を、フラックスのないろう付けを含むろう付けによって組み立てることを特徴とする。
【００２１】
フィン挿入部を備える溶接されたアルミニウム管を有する熱交換器の使用は、様々な高周波溶接されたアルミニウム管が熱負荷またはパワーエレクトロニクス装置の設置面積に応じて寸法が決定され得るため、拡張性を許容する。本発明による熱交換器の任意の熱放射部品の熱管理のための使用は、ハイブリッド車両および電気車両のうちの一方において適している。
【００２２】
熱交換器の熱的性能は、管同士を分離する追加の外部フィンの使用によってさらに向上できる（図２、図３を参照）。これらのフィンは、管担持平坦面のうちの少なくとも一部にろう付けされる。
【００２３】
本発明による熱交換器は、その重量の低減と、長期の腐食設計を行える可能性とを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】先行技術による熱交換器または冷却モジュールの図である。
【図２】電池セルを冷却するための追加の外部フィンと、交換器の剛性を向上するための側部プレートとをも備えた、本発明による熱交換器の図である。
【図３】平坦管の分岐管への備え付けを図示するための熱交換器の部分的な断面図である。
【図４】異なる方法に製造され、異なる挿入の形を提供する５つの異なるフィン挿入部の図である。
【図５】管材料が一部除かれ、フィン挿入部と共に組み立てられた、修正後の平坦な熱交換器の管の図であり、断面Ａ、Ｂが様々な実現可能な構成を示す図である。
【図６】冷却部品が管担持面に位置付けられた状態での、挿入されたフィンを備える先行技術のろう付けされた平坦管の図である。
【図７】本発明による管の熱的性能を試験するときの機器の実験構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２および図３に示されるようないわゆるヒートシンクモジュールまたは熱交換器２０が、多数の平坦管３を組み立てることで製造される。それら平坦管３は、金属シート１１から、袖体を形成するためにそのシートを管状の形に折り曲げ、溶接接合部１２を形成する高周波溶接または任意の他の適切な溶接方法によって隣接するシートの縁を相互に連結することで製造され、形成された袖体は、平坦な冷却管３を形成するために押圧される。このような平坦な溶接された冷却管３は、本発明による熱交換器２０への使用に特に適しており、その使用のために作られる。本発明による熱交換器２０は、ハイブリッド車両および電気車両のうちの一方において使用される任意の熱放射部品５、６の熱管理のために特に適している。
【００２６】
溶接接合部１２は、好ましくは、漏れの危険性を最小にするために、平坦な冷却管３のより小さな寸法の側部１４、１４’に位置付けられる。管状部品は、あらかじめ形成されたフィン挿入部８より若干大きい平坦管の形へと近づくように押圧される。あらかじめ作られたフィン挿入部８は、熱の散逸を促進にするために、平坦な冷却管３に、その縦方向において手動または自動で挿入される。そして、管３は、フィンが管３にしっかりと固定されるように、挿入されたフィン８の高さと等しい最終的な寸法まで圧延することによって、修正される。これらのあらかじめ形成された平坦管は、それらの端部３ａ、３ｂによって、連結する分岐管１、２の側部の穴を通じて分岐管１、２に取り付けられ、熱交換器２０としての全体を形成するためにろう付けされる。あらかじめ作られたフィン挿入部８を備える平坦管３は、熱伝達または熱散逸の効率を促進する。
【００２７】
フィン挿入部８は、薄いフィンのシート材料を、所望のひな形を表面に有する２つのローラの間で、この模様を公知の方法でフィンのシートにエンボス加工するために圧延することで、型打ちまたは製造される。冷却剤の流れの乱流を促進することで管の熱効率を促進するための、図４の（Ａ）〜（Ｅ）に示すような様々な形のエンボス加工または波形加工されたフィンのシートが、フィン挿入部８を形成する適切な大きさの個片へと切断される。フィン挿入部８は、シート材料から、エンボス加工、圧延加工、波形加工、および型打ち加工のうちの１つによって形成され、次に適切な寸法の個片へと切断される。あらかじめ作られたフィン挿入部８は、好ましくは、その全長に沿って起伏のある形、その全長に沿ってうねった形または波状の形を備えたフィンを備える。起伏のある側のフィンの表面に他の形が用いられてもよい。フィン挿入部８のフィンは、フィンまたは流路の全長に沿って互いに対してずらされるように、管の全長に沿って、オフセット配置のオフセットを有しもてよい。フィン挿入部８は、フィンの上部１０およびフィン挿入部８の底部９において、少なくとも一方の側部または両方の側部において被覆するろう付け充填合金を備えてもよい。ろう付け充填合金は、０．０５〜０．７重量％のＭｇのＭｇ含有量を含む。挿入されたフィン挿入部８の材料の厚さは０．０４〜０．８ｍｍであり、好ましくは０．５から０．７ｍｍで変えることができる。フィン挿入部８は、０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金からダイレクトチル鋳造、連続鋳造、双ロール鋳造、またはベルト鋳造のうちの１つによって製造される。そして、フィン挿入部８は、複数のフィンを形成するために材料の波形加工、型打ち加工、およびエンボス加工のうちの１つと、複数のフィンを備える材料を適切な大きさの個片への切断加工とを受ける。
【００２８】
挿入部８の外側寸法は、平坦な冷却管３の内側寸法に対応している。管内での冷却剤の液体のための通路を形成するフィン挿入部の様々な形は、冷却部品の要件に応じて、冷却器の流れの乱流と、熱交換器の熱効率とを変化させることができる。この設計は、非常に融通性のある製造の可能性を提供する。少なくとも１つの平坦な冷却管３は、前述のようにあらかじめ作られた挿入された内部フィン挿入部８を有しているが、好ましくは、それらのすべてが熱散逸を向上するためのものである。冷却管３の高さは、熱交換器の寸法および必要な熱散逸に応じて変えることができるが、ここでは、管３は約１．２〜１５ｍｍの範囲で行われる。周波溶接された冷却平坦管３は、管３の内側および／または外側で、担持面１３と呼ばれる少なくとも一方の側部、または、両方の側部で被覆するろう付けを有し得る。
【００２９】
部品５、６は、図２および図３に示すように、重量を低減して熱散逸を増加させるヒートスプレッダまたは他の中間要素を排除する管担持面１３に直に取り付けでき、ここで、部品５は冷却される電池セルであり、部品６は冷却されるパワーエレクトロニクス部品である。熱交換器２０によって冷却される熱放射部品５、６は、少なくとも１つの平坦管３の担持面１３に、接着剤、熱グリス、機械的に、および／またはろう付けによって取り付けできる。冷却平坦管３の少なくとも一部は、熱交換器の機械的特性を向上させると共に熱散逸の効率を向上させるために、ろう付けされた一列の外部フィン４によって分けることができる。熱交換器２０は、追加の外部フィン４、７のうちの少なくとも１つと、熱交換器２０の剛性を向上させると共に熱散逸を増加させるための少なくとも１つの補強プレート１５とを備えている。
【００３０】
代替で、部品は、公知の方法で機械的に固定されてもよいし、または、２つの隣接する平坦管３の間で圧迫されるだけでもよい。必要により、部品は、フラックスのないろう付けの方法を含め、管にろう付けされてもよい。
【００３１】
ほとんどの場合、部品は、ハイブリッド電気車両または電気車両において用いられるパワーエレクトロニクス部品である。部品５、６は、電池セルまたは任意の電子回路などであり得る。必要な場合、部品５、６は、後で平坦管３の面１３に備え付けられる中間プレートに備え付けられてもよい。平坦な冷却管３のうちの少なくとも１つの部品担持面１３は、好ましくは、部品５、６と冷却管３の面１３との間により良い接触を提供するために、０．０２から１．１４ミクロンのＲａの粗さを有する。
【００３２】
熱散逸を促進させるために、および、冷却剤の流れの乱流を増加させるために、内部フィン挿入部８は、平坦管３に挿入できる。さらに、外部の追加のフィン４が、図２に示すように、管３同士の間に提供できる。公知の方法によってシート材料から作られた追加の側部のパネル１５が、一まとめとされた平坦管３を補強するために追加でき、また、外部の追加のフィン７が、熱散逸を促進するために、最も外側の平坦管３とパネル１５との間に追加できる。フィン７およびパネル１５は、必要によりろう付けできる。
【００３３】
フィンまたはフィン挿入部８を製造する方法は、冷却器または熱交換器２０の材料および重量を節約する非常に薄いフィンを実現できる。フィンは、好ましくは、０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金を、ダイレクトチル（ＤＣ）鋳造、連続鋳造（ＣＣ）、双ロール鋳造（ＴＲＣ）、またはベルト鋳造することによって製作できる。
【００３４】
本発明による平坦管３を製造する方法は、内部または内側のフィンを管の内面にろう付けする必要はないが、必要な場合に行うことは可能である。管の外側面１３には、ローラ被覆によってアルミニウム被覆が設けられてもよい。これは、１つおきの管３の間の外側フィン４を熱交換器２０の構造へと追加的に組み込み、そして、冷却または熱伝達の効果を促進する連続した冷却流体の回路を形成するために、熱交換器２０をＣＡＢ炉でろう付けすることを可能にする。
【００３５】
パワーエレクトロニクスパッケージまたは部品５、６は、電子部品基板を形成するために、金属化された表面のセラミック担持体に取り付けられてもよく、基板は、熱交換器の管同士の間に挿入され、半田またはグリスによって管表面に取り付けられてもよい。代替で好ましくは、エレクトロニクスパッケージ５、６は、本発明の平坦管３に、その向上された平坦性のため、熱グリスまたは他の公知の従来の手段によって直に固定できる。本発明による平坦管３が、（図１の先行技術のドロンカップの実施形態のように）その縁で折り曲げられないため、管に用いられる材料はより硬く、溶接された継目１２は、追加の剛性と、曲げに対する追加の抵抗とを提供し、部品５、６の管表面への直の備え付けを可能にし、必要な材料と製造コストとを低減する。
【００３６】
挿入部８は、手動で、または、自動工程を通じて、高周波溶接された管３に挿入できる。一式のフィン８の集まりが、模様の付けられた表面を備える２つのローラの間にフィンのシート材料を通過させる圧延加工によって製造でき、その間に、相互作用して材料をエンボス加工または波形加工する。そして、材料は、適切な大きさのフィン挿入部８に切断される。
【００３７】
好ましいフィン挿入部の形状は、以下のように記載できる。
４＊ａｒｃ−ｔａｎ（３０°）＊Ａ＜波長さ（Ｌ）＜４＊ａｒｃ−ｔａｎ（１０°）＊Ａ（約好ましくは：４＊ａｒｃ−ｔａｎ（１５°）＊Ａ）、
０．２＜管厚さ＜０．４５ｍｍ（約好ましくは：０．４ｍｍ）
２＜管高さ＜４．８ｍｍ（約好ましくは：３．８ｍｍ）
１．８＜フィン高さ（Ｆｈ）＜４．４ｍｍ（約好ましくは：３ｍｍ）
１．２＜フィンピッチ（Ｆｐ）＜２ｍｍ（約好ましくは：１．６ｍｍ）
０．０８＜フィン厚さ＜０．１＊Ｆｐ（約好ましくは：０．１８ｍｍ）
０．２＊Ｆｐ＜波大きさ（Ａ）＜０．４＊Ｆｐ（約好ましくは：０．３６Ｆｐ）
２＊ｔａｎ（１０°）＊Ａ＜波長さ（Ｌ）＜２＊ｔａｎ（３０°）＊Ａ（約好ましくは：２＊ｔａｎ（１５°）＊Ａ）
【００３８】
一般的に言えば、少ない生産量に対しては、手動の挿入がほとんどで用いられる。自動化されたフィン挿入部８の挿入の場合、内側の大きさがフィン挿入部８より若干大きい溶接された平坦管３が、鋸またはオンライン切断条件を用いて必要な長さに切断される。溶接工程の後、若干大きい管３は、フィン挿入部８の挿入を容易にする。フィンのローラからのフィン挿入部８は、必要な長さに切断される。自動のウェットフラックス作業と挿入前のフィン挿入部８の乾燥とが、必要な場合、製作に追加できる。フィン挿入部８は、自動化された工程を用いて管へと挿入され、フィン挿入の後、管は、管の内壁とフィン挿入部外側面９、１０との間の良好な接触を確保するために、最終的に修正される。挿入されたフィン８は、例えば、オフセット、または、波形およびルーバーとされる方式で、異なる形、厚さ、および寸法のものであり得る。
【００３９】
挿入されたフィン８は、好ましくは、うねった形（図４Ａに示すような形）を有する一方、他の形（図４ｂ〜図４ｅ）も可能であり、その結果、冷却流体の経路は旋回し、良好な冷却性能が得られる。異なる合金が内部フィンおよび管に用いられてもよく、その内部フィンおよび管は、例えば長期の腐食設計といったことに関してより多くの自由を提供する。
【００４０】
図５は、本発明による「Ａ」型および「Ｂ」型の管の断面を示しており、それらの管は、異なる大きさで異なる製品仕様である。「Ｂ」型は、１０ｍｍを超える高さのより大きな管に適用される一方、「Ａ」型は、より小さい管に適した、より高い内部圧力に耐えることができる半円の縁を有している。「Ａ」型が大きな管に適用される場合には材料の無駄があることになり、側縁の長さが細長くされ、逆もまた同様である。小さい管を「Ｂ」型として作るとき、管のシートを折り返すのは非常に難しい。
【００４１】
０．１ｍｍ未満の管の材料１１は、パワーエレクトロニクス部品の一部として位置決めされる負荷を受けるには不十分である。寸法が１．５ｍｍを超えるとき、管３の表面における平坦性を維持するのは益々難しくなる。
【００４２】
約０．０４ｍｍの材料の最小厚さが、管３の最小の強度を実現するために必要とされる。０．８ｍｍを超えると、フィンの割れる傾向が高まる。
【００４３】
平坦管の設計の最適化のために、コンピュータモデリングおよびコンピュータ計算を用いた。加熱ユニットからの熱入力Ｑを、冷却剤のサイクルから以下により計算した。
【００４４】
【数１】
2015530552.tif 000003
【００４５】
冷却剤の流体（５０％のグリコール混合水）の３つの異なる流量（１Ｌ／ｍｉｎ、１．５Ｌ／ｍｉｎ、２Ｌ／ｍｉｎ）を用い、温度および圧力低下を記録した。
【００４６】
最初の冷却剤温度は２０℃に設定し、放出される電気出力は５００Ｗとした。
【００４７】
【表１】
2015530552.tif 000004
【００４８】
計算結果は、本発明による熱交換器が、より小さい圧力低下とより優れた熱伝導性とを、重量が低減されるのと同時に与えることを示している。
【００４９】
熱試験
図６に示すようなフィン挿入部を備えた平坦管（先行技術として公知である）を、図７のような機器で試験し、Ｔａｂｌｅ  １（表１）にあるようなモデル計算と比較した。熱試験を実施し、先行技術のドロンカップ式の熱交換器（図１の先行技術に示すような共に折り曲げまたはろう付けされたもの）と比較して、本発明の熱交換器の増加した熱効率を示した。試験は、図７に示すような機器で、本発明による平坦な溶接された管１９を備えるモジュールで実施された。冷却剤の流体は、ポンプ１６によって回路内で循環され、その温度がサーモスタット１５によって制御される。流体の温度および圧力が、試験される平坦管１９の通過する前後でセンサ１７によって制御され、熱放射部品６は電池１８に連結されている。機器は、内部に電気ワイヤを備えた電気加熱アルミニウムブロックと、平坦管の表面にろう付けされた底部で探索する温度用の熱結合部とから構成される（図６参照）。管の表面には、管と熱源の表面との間の接触を向上させるために、熱源を設置する前に、熱グリスが塗布されている。周囲の空気への熱放射を抑えるために、断熱プレートがアルミニウムブロックの上部にある。
【００５０】
試験は熱交換器において繰り返され、本発明による溶接された管（図５）は、図１の実施形態による折り返されたまたはドロンカップのプレート管（先行技術）に交換され、前述の計算結果を確かめた。Ｔａｂｌｅ  １（表１）にある結果は、本発明による熱交換器が、より小さい圧力低下とより優れた熱伝導性とを、重量が低減されるのと同時に与えることを示している。
【００５１】
多くの他の変形態様が、本発明の範囲内で当業者には思いつくことができる。説明のすべての用語は、一般的な用途で解釈されるものであり、図面は、単なる例示の目的のためであり、本発明の範囲を限定するものではないことは、理解されるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１  分岐管
２  分岐管
３  平坦な冷却管
３ａ  端部
３ｂ  端部
４  外部フィン
５  熱放射部品、エレクトロニクスパッケージ
６  熱放射部品、エレクトロニクスパッケージ
７  フィン
８  フィン挿入部
９  底部、フィン挿入部外側面
１０  上部、フィン挿入部外側面
１１  金属シート、シート材料
１２  溶接接合部、継目
１３  担持面
１４  より小さな寸法の側部
１４’  より小さな寸法の側部
１５  パネル、サーモスタット
１６  ポンプ
１７  センサ
１８  電池
１９  平坦な溶接された管
２０  熱交換器
【図１】
2015530552.tif 000005
【図２】
2015530552.tif 000006
【図３】
2015530552.tif 000007
【図４（Ａ）】
2015530552.tif 000008
【図４（Ｂ）】
2015530552.tif 000009
【図４（Ｃ）】
2015530552.tif 000010
【図４（Ｄ）】
2015530552.tif 000011
【図４（Ｅ）】
2015530552.tif 000012
【図５】
2015530552.tif 000013
【図６】
2015530552.tif 000014
【図７】
2015530552.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱放射部品（５、６）の熱管理のための熱交換器（２０）であって、
流体を前記熱交換器（２０）に出入りするように案内するための２つの分岐管（１、２）と、
前記分岐管（１、２）に備え付けられる２つの端部（３ａ、３ｂ）、縦方向の２つの側部（１４、１４’）、および２つの側部（１４、１４’）の間の２つの部品担持面（１３、１３’）を備える複数の平坦管（３）と、
を備え、
前記平坦管（３）は、それらの担持面（１３、１３’）が実質的に並行で互いと向かい合うように、実質的に前記分岐管（１、２）同士の間で互いと平行に並べられ、前記平坦管（３）は、冷却剤が前記平坦管（３）を通じて流れることができるように、各々の端部（３Ａ、３Ｂ）において、隣接する前記分岐管（１、２）に取り付けられる熱交換器（２０）において、
前記平坦管（３）は、溶接接合部（１２）を形成するために、溶接によってシート材料（１１）から形成され、前記部品担持面(13、13')は、前記部品(5、6)の前記部品担持面(13、13')への直接の取り付けのために適合され、少なくとも1つの管(3)が、あらかじめ作られた内部フィン挿入部(8)を挿入していることを特徴とする熱交換器（２０）。
【請求項２】
前記溶接接合部（１２）は前記平坦管（３）の前記側部（１４、１４’）に位置付けられる、請求項１に記載の熱交換器（２０）。
【請求項３】
冷却される前記熱放射部品（５、６）は、接着剤、熱グリス、機械的に、およびろう付けのうちの１つによって、少なくとも１つの管担持面（１３、１３’）に取り付けられる、請求項１または２に記載の熱交換器（２０）。
【請求項４】
前記管のうちの少なくとも１つの前記部品担持面は、０．０２から１．１４ミクロンのＲａの粗さを実現するために制御される、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項５】
前記熱放射部品（５、６）のうちの少なくとも１つはパワーエレクトロニクス部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項６】
前記部品（５）のうちの少なくとも１つは電池セルである、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのあらかじめ作られた内部フィン挿入部（８）は、熱の散逸を促進するために、前記平坦管（３）に、その縦方向において手動または自動で挿入される、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項８】
前記フィン挿入部（８）は、型打ち加工、波形加工、およびエンボス加工のうちの１つによって製造される、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項９】
前記挿入されたあらかじめ作られたフィン挿入部（８）は、その全長に沿ってうねった形のフィンを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１０】
前記挿入されたフィンは、前記管の全長に沿って、オフセット配置のオフセットを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１１】
前記冷却管（３）のうちの少なくとも一部が、ろう付けされた一列の外部フィン（４）によって分けられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１２】
高周波溶接された管（３）のシート材料（１１）の芯材の合金は、０．３から１．８重量％のＭｎ、０．２５重量％〜１．２重量％のＣｕ、０．０２重量％以上のＭｇ、０．０１重量％以上のＳｉ、０．０５重量％以上のＦｅ、０．２５重量％以下のＣｒ、残りのアルミニウム、および、最大で０．０５重量％までの不可避な不純物を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１３】
前記管の前記シート材料（１１）の芯材の合金の焼戻しは、Ｈ１４／Ｏ／Ｈ２４である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１４】
前記冷却平坦管（３）の壁厚は０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、好ましくは０．８ｍｍ〜１．５ｍｍである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１５】
前記冷却管（３）の高さは１．２ｍｍ〜１５ｍｍである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１６】
前記高周波溶接された冷却平坦管（３）は、少なくとも一方の側において被覆するろう付けを備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１７】
前記フィン挿入部は、少なくとも一方の側（９、１０）において被覆するろう付け充填合金を備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１８】
前記ろう付け充填合金は、０．０５重量％〜０．７重量％のＭｇのＭｇ含有量を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項１９】
挿入された前記フィン挿入部（８）の材料の厚さは０．０４ｍｍ〜０．８ｍｍであり、好ましくは０．５ｍｍ〜０．７ｍｍである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の小形の熱交換器（２０）における使用のための平坦管（３）であって、袖体を形成するためにシート材料（１１）から折り曲げられ、管状部品を形成するために隣接する縁同士に沿って溶接され、平坦な冷却管（３）を形成するために押圧されることを特徴とする平坦管（３）。
【請求項２１】
前記構成部品はフラックスレスろう付けによって組み立てられる、請求項２０に記載の熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項２２】
追加の外部フィン（４、７）および補強プレート（１５）のうちの少なくとも１つを備え付けることを特徴とする、請求項２０または２１に記載の熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項２３】
フィン挿入部（８）が、
０〜３重量％のＭｎ、０〜１．５重量％のＦｅ、０〜１．５重量％のＣｕ、０〜１．５重量％のＭｇ、０〜１．０重量％のＳｉ、０〜４重量％のＺｎ、０〜１重量％のＮｉ、および、各々０〜０．３重量％のＺｒ、Ｔｉ、ＣｒＶを含むアルミニウム合金から、ダイレクトチル鋳造、連続鋳造、双ロール鋳造、またはベルト鋳造のうちの１つを行うステップと、
複数のフィンを形成するために、前記材料の波形加工、型打ち加工、およびエンボス加工のうちの１つを行うステップと、
前記複数のフィンを備える材料を適切な大きさの個片へと切断するステップと
を含む方法によって製造される、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）を製造する方法。
【請求項２４】
ハイブリッド車両および電気車両のうちの一方における任意の熱放射部品（５、６）の熱管理のための、請求項１から１９のいずれか一項に記載の熱交換器（２０）の使用。
【国際調査報告】
2015530552.tif 000016
2015530552.tif 000017
2015530552.tif 000018