(57)【要約】【課題】熱交換性能を好適に向上させることができる熱交換器を提供すること。【解決手段】オフセットフィン２１は、熱媒体が流れる流下方向Ｘに延びるとともに流下方向Ｘと直交する方向に並んだ複数のフィン３０が、流下方向Ｘと直交する方向に交互にオフセットした状態で流下方向Ｘに配列されて構成されている。かかる構成において、オフセットフィン２１の流下方向Ｘの長さをＬ１、流下方向Ｘにおける各フィン３０の配列周期（オフセット周期）をＦ、流下方向Ｘにおける各フィン３０間に形成された隙間をδ、隙間δの最小値をδｍｉｎとすると、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５、且つδｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆとなっている。【選択図】図２
2013222764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流れる流下方向に延びるとともに前記流下方向と直交する方向に並んだ複数のフィンが、前記直交する方向に交互にオフセットした状態で前記流下方向に配列されているオフセットフィンを備えた熱交換器において、
前記オフセットフィンの前記流下方向の長さをＬ１とし、前記流下方向における前記各フィンの配列周期をＦとすると、
０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５
であり、
前記流下方向に配列されている各フィン間には隙間が形成されており、
前記隙間をδとし、前記隙間の最小値をδｍｉｎとすると、
δｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆ
となっている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】
本発明は熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、熱媒体と熱交換を行うものとして例えば複数のフィンを備えている。また、フィンの一種として、例えば特許文献１には、熱媒体の流下方向と直交する方向に並んだ複数のフィンが、流下方向と直交する方向に交互にオフセットした状態で流下方向に配列されるオフセットフィンが記載されている。これにより、前縁効果によって、オフセットされることなく流下方向に連続して形成された所謂ストレートフィンと比較して、熱交換性能の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２７９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、オフセットフィンにおいて、実装するフィンの数を増やして熱交換性能の向上を図るためには、流下方向と直交する方向のフィンの間隔であるフィンピッチを短くする方が好ましい。しかしながら、フィンピッチを短くすると、流下方向の各フィン間の境界における流路が狭くなるため、目詰まりするおそれがある。これに対して、流下方向の各フィン間に所定の隙間を形成することにより、上記境界において流路が狭くなることを抑制することができる。
【０００５】
また、前縁効果による熱交換性能の向上を図るためには、配列周期を短くすることが好ましい。しかしながら、配列周期を短くすると、流下方向に配列されるフィン数が多くなり、その分上記隙間が形成されることとなるため、却ってオフセットフィンの熱交換性能がストレートフィンの熱交換性能よりも低下する場合がある。かといって、隙間を小さくしようとしてフィンピッチを長くすると、上述したとおり、フィン設置領域に搭載されるフィン数が少なくなり、オフセットフィン全体としての熱交換性能が大幅に低下する。
【０００６】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、オフセットフィンを備えた熱交換器において、熱交換性能を好適に向上させることができる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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、熱媒体が流れる流下方向に延びるとともに前記流下方向と直交する方向に並んだ複数のフィンが、前記直交する方向に交互にオフセットした状態で前記流下方向に配列されているオフセットフィンを備えた熱交換器において、前記オフセットフィンの前記流下方向の長さをＬ１とし、前記流下方向における前記各フィンの配列周期をＦとすると、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５であり、前記流下方向に配列されている各フィン間には隙間が形成されており、前記隙間をδとし、前記隙間の最小値をδｍｉｎとすると、δｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆとなっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明者らは、配列周期Ｆとオフセットフィンの流下方向の長さＬ１とが、熱交換性能の向上率に寄与していること見出した。詳細には、オフセットフィンの熱抵抗がＦ／Ｌ１に対して非線形で変化することを見出した。さらに詳細には、ストレートフィンの熱抵抗に対するオフセットフィンの熱抵抗の比率である熱抵抗比率がＦ／Ｌ１に対して非線形で変化し、特に０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５である場合に熱抵抗比率が急激に低下することを見出した。そこで、本発明によれば、上記知見に基づいて、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５となるように配列周期Ｆが設定されている。これにより、熱交換性能の向上を好適に図ることができる。
【０００９】
そして、熱抵抗比率が配列周期Ｆ（フィンの流下方向の長さＬ２）に対する隙間δの比率に対して線形で変化することに着目し、ストレートフィンよりも熱交換性能が低下しないように、隙間δの最大値を規定した。具体的には、Ｆ／Ｌ１＝０．１５の場合の熱抵抗比率が０．８であることに着目して、熱抵抗比率が１．２以下となるδ／Ｆ、すなわちδ≦１／４×Ｆとなるように隙間δを設定した。これにより、ストレートフィン以上の性能を発揮することができる。よって、フィンピッチを短くした状態で、目詰まりの抑制と熱交換性能の向上との両立を図ることができる。
【００１０】
なお、「δｍｉｎ」とは、流下方向に配列された各フィン間の境界にて形成される流路が最小限確保される数値であり、異物の径や、熱媒体の種類、使用環境等に応じて決定されるものである。
【００１１】
また、Ｆ＝Ｌ２＋δであることに着目すれば、δ≦１／４×Ｆはδ≦１／３×Ｌ２であるとも言える。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、熱交換性能を好適に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱交換器の斜視図。
【図２】オフセットフィンの断面構造を模式的に示す断面模式図。
【図３】（ａ）はＦ／Ｌ１に対するＲの関係を示すグラフであり、（ｂ）はδ／Ｆに対するＲの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る熱交換器について図面を用いて説明する。なお、熱交換器は、半導体素子を冷却するのに用いられるものである。詳細には、熱交換器は車両に搭載され、車両に搭載されたパワー素子（例えばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等）を冷却するのに用いられる。当該パワー素子は、車両のインバータ等に用いられるものである。
【００１５】
図１に示すように、熱交換器１０は、その外形を構成するケース１１を備えている。ケース１１は直方体形状に形成されている。ケース１１における対向する一対の壁部のうち一方の壁部には、熱媒体（具体的には空気）がケース１１外からケース１１内に流入する流入パイプ１２が設けられており、他方の壁部（流入パイプ１２とは反対側）には、ケース１１内の熱媒体がケース１１外に排出される排出パイプ１３が形成されている。これにより、ケース１１内における熱媒体の流下方向Ｘは上記一対の壁部の対向方向と一致し、且つ一定となっている。
【００１６】
ケース１１内には、当該ケース１１の内壁面で区画されたフィン設置領域２０が形成されている。当該フィン設置領域２０には、熱交換に用いられるオフセットフィン２１が設置されている。オフセットフィン２１は、例えば金属板を折り曲げることにより形成されており、流下方向Ｘから見て連続した凸凹（矩形波）形状をなしている。オフセットフィン２１は、フィン設置領域２０に対応させて形成されており、具体的にはフィン設置領域２０よりも若干小さく形成されている。これにより、フィン設置領域２０においてオフセットフィン２１が占める割合が高められている。換言すれば、オフセットフィン２１の大きさは、フィン設置領域２０によって規定されている。
【００１７】
図２に示すように、オフセットフィン２１は、流下方向Ｘに延びるとともに流下方向Ｘと直交する方向（流下方向Ｘ及びオフセットフィン２１の高さ方向と直交する方向）に所定のピッチＰ（以降、フィンピッチＰ又は単にＰともいう）で配置された複数のフィン（セル）３０を備えている。各フィン３０は板状に形成されており、これら各フィン３０によって熱媒体が流下する流路が形成されている。
【００１８】
ちなみに、フィンピッチＰは、異物が詰まる、又は熱媒体の流れが過度に遅くなるといった状況を回避することが可能な最小の流路間隔である最小流路間隔Ｈｍｉｎ以上の範囲内で短く設定されている。具体的には、フィンピッチＰは、最小流路間隔Ｈｍｉｎ以上であって最小流路間隔Ｈｍｉｎの２倍の寸法よりも短く設定されている。なお、より好ましくは、フィンピッチＰをＨｍｉｎ〜２×ＨｍｉｎにおいてＨｍｉｎ寄りに設定するとよく、更に好ましくは、フィンピッチＰを最小流路間隔Ｈｍｉｎと同一に設定するとよい。これにより、上記のような不都合を回避しつつ、フィン設置領域２０に設置されるフィン３０の数を増やすことができる。
【００１９】
なお、最小流路間隔Ｈｍｉｎは、使用環境、熱媒体、異物が混入され得るか否か、混入され得る場合にはその異物の大きさ等に応じて設定される数値である。
オフセットフィン２１は、複数のフィン３０が上記直交する方向（流下方向Ｘから見てフィン３０が並んでいる方向）に交互にオフセットしながら、流下方向Ｘに沿って複数配列されることにより構成されている。より詳細には、オフセットフィン２１は、流下方向Ｘと直交する方向に並んだ第１フィン群３１と、当該第１フィン群３１に対して下流側に設けられ、第１フィン群３１に対して流下方向Ｘと直交する方向に所定量ずれた位置（フィンピッチＰの半分の寸法だけオフセットした位置）に設けられた第２フィン群３２とを備えている。これら第１フィン群３１と第２フィン群３２とが流下方向Ｘに沿って交互に配列されている。
【００２０】
かかる構成によれば、第１フィン群３１と第２フィン群３２とがオフセットして配置されているため、比較的熱伝達率が高い各フィン３０の前縁（流下方向Ｘに対して上流側の端部）が熱伝達部として機能する（前縁効果）。これにより、熱交換器１０の熱交換性能が向上している。
【００２１】
ここで、オフセットフィン２１としての性能は、当該オフセットフィン２１の流下方向Ｘの長さＬ１（以降単にＬ１ともいう）に対する各フィン３０の流下方向Ｘの配列周期であるオフセット周期Ｆ（以降単にＦともいう）の比率に応じて変動する。具体的には、図３（ａ）に示すように、各フィン３０の流下方向Ｘの長さＬ２とオフセット周期Ｆとが同一であるとした条件において、所謂ストレートフィンの熱抵抗に対するオフセットフィン２１の熱抵抗の比率（以降単に熱抵抗比率Ｒともいう）は、Ｆ／Ｌ１に対して非線形に変化する。特に、熱抵抗比率Ｒは、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５の範囲にて急激に低下する。換言すれば、オフセットフィン２１の熱交換性能は、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５の範囲にて急激に向上する。本実施形態では、この結果に基づいて、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５となるようにオフセット周期Ｆが設定されている。
【００２２】
ちなみに、Ｆ／Ｌ１＝０．１５である場合の熱抵抗比率Ｒは０．８となっている。つまり、Ｆ／Ｌ１＝０．１５であり且つＦ＝Ｌ２である場合には、ストレートフィンと比較して２０％の性能向上を図ることができる。なお、より好ましくは、０．０１≦Ｆ／Ｌ１≦０．１であるとよく、更に好ましくは０．０１≦Ｆ／Ｌ１≦０．０８とあるとよい。
【００２３】
また、図２に示すように、流下方向Ｘにおいて各フィン３０間には所定の隙間δが形成されている。具体的には、第２フィン群３２は、第１フィン群３１に対して流下方向Ｘに所定の隙間δ（以降単にδともいう）だけ離れた位置に配置されている。
【００２４】
ここで、図３（ｂ）に示すように、熱抵抗比率Ｒはδ／Ｆに対して線形に変化する。そこで、本実施形態では、ストレートフィンにおける熱交換性能以上となるように隙間δが設定されている。具体的には、δ／Ｆは、Ｆ／Ｌ１を小さくすることによる熱交換性能の向上率が相殺される値（熱抵抗比率Ｒが１．２となる値）よりも小さくなるように設定されている（δ／Ｆ≦０．２５）。なお、Ｆ＝Ｌ２＋δであることから、δ／Ｆ≦０．２５は、δ≦１／３×Ｌ２とも言える。
【００２５】
また、流下方向Ｘにおける各フィン３０間の境界（オフセット箇所）における流路が過度に狭くならないように、隙間δの最小値δｍｉｎが設定されている。具体的には、第１フィン群３１の所定のフィン３１ａの後縁部と、第２フィン群３２において上記所定のフィン３１ａに対して流下方向Ｘと直交する方向にＰ／２だけずれた位置に配置されたフィン３２ａの前縁部との距離をＺとする。隙間δの最小値δｍｉｎは、上記距離Ｚが最小流路間隔Ｈｍｉｎと同一となるように、フィンピッチＰ及びフィン３０の厚さ等に対応させて設定されている。
【００２６】
以上の通り、δｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆ（又は１／３×Ｌ２）となるように隙間δの範囲が設定されている。
なお、図３（ａ），（ｂ）に示したデータは、全く異なる２つの条件でのデータである。具体的には、データＤ１は、オフセットフィン２１の流下方向Ｘと直交する方向の長さ寸法（間口寸法）が４０ｍｍ、オフセットフィン２１の流下方向Ｘの長さＬ１が１００ｍｍ、フィン３０の高さ（流下方向Ｘ及び当該流下方向Ｘと直交する各フィン３０の配置方向双方に直交する方向の長さ）が２０ｍｍ、フィンピッチＰが１．４ｍｍ、フィン３０の厚みが０．２ｍｍである条件下でのデータである。データＤ２は、間口寸法＝８０ｍｍ、Ｌ１＝５０ｍｍ、高さ＝３０ｍｍ、Ｐ＝２．０ｍｍ、フィン３０の厚さ＝０．３ｍｍという条件下でのデータである。図３（ａ），（ｂ）に示すように、これら各データＤ１，Ｄ２は、全く異なる条件に関わらず同様の傾向を示している。
【００２７】
なお、フィン３０の各条件については、これらに限られない。また、図３（ａ）において、Ｆ／Ｌ１＝１の場合がストレートフィンである場合を示す。
次に、本実施形態における熱交換器１０の作用について説明する。
【００２８】
既に説明したとおり、前縁効果によって熱交換性能の向上を図ることができるオフセットフィン２１において、オフセットフィン２１の長さＬ１とオフセット周期Ｆとの比率に応じて、熱抵抗（熱交換性能）が非線形で変化する。具体的には、熱抵抗比率Ｒは、Ｆ／Ｌ１＝０．１５を１つの閾値として、当該閾値よりも小さくなるに従って急激に低下する。この点に着目し、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５となるようにオフセット周期Ｆが設定されているため、オフセットフィン２１の熱交換性能が好適に向上している。
【００２９】
かかる構成において、流下方向Ｘにおける各フィン３０間に隙間δが形成され、且つδ≧δｍｉｎとなっていることにより、流下方向Ｘにおける各フィン３０間の境界における流路がある程度（最小流路間隔Ｈｍｉｎ以上）確保されている。
【００３０】
ここで、オフセット周期Ｆを一定にしつつ隙間δを長くすると、フィン３０の長さＬ２が短くなる。このため、δ／Ｆに対して熱抵抗比率Ｒが高くなる（熱交換性能が低下する）。これに対して、熱交換性能がストレートフィン以上の性能となるように隙間δの範囲が設定されている。具体的には、δｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆ（１／３×Ｌ２）となるように隙間δが設定されている。これにより、目詰まりしにくい流路間隔を確保しつつ、ストレートフィン以上の熱交換性能が発揮されている。
【００３１】
以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた効果を奏する。
（１）オフセットフィン２１において、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５且つδｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆとなるように隙間δを設定した。これにより、各フィン群３１，３２の境界（オフセット箇所）において最小流路間隔Ｈｍｉｎと同一又はそれよりも広い間隔を確保しつつ（Ｚ≧Ｈｍｉｎ）、ストレートフィン以上の熱交換性能を発揮することができる。
【００３２】
詳細には、オフセットフィン２１としては、前縁効果による熱交換性能の向上（熱抵抗比率Ｒの低下）を図る上では、オフセット周期Ｆを短くする方が好ましい。この場合、オフセット周期Ｆを短くすると、各フィン群３１，３２の境界数が多くなる。境界部分では、流路を確保するために、フィンピッチＰを大きく（例えば最小流路間隔Ｈｍｉｎ×２）する必要があるが、フィンピッチＰを大きくすると、フィン３０の搭載数が著しく少なくなり、オフセットフィン２１全体の熱交換性能が著しく低下する。
【００３３】
そこで、本実施形態では、当該境界における流路が最小流路間隔Ｈｍｉｎよりも狭くならないように、隙間δを形成するとともにδ≧δｍｉｎとした。これにより、フィンピッチＰを短くしつつ、上記境界において最小流路間隔Ｈｍｉｎよりも広い流路を確保することができる。しかしながら、オフセット周期Ｆを一定にしつつ隙間δを形成するためには、フィン３０の長さＬ２を短くする必要があり、その分だけ熱交換性能が低下する。このため、隙間δによっては、却ってストレートフィンよりも熱交換性能が低下するおそれがある。
【００３４】
これに対して、本実施形態では、上記のように隙間δの上限値を設定することにより、上記境界において最小流路間隔Ｈｍｉｎよりも広い流路を確保しつつ（Ｚ≧Ｈｍｉｎ）、ストレートフィン以上の熱交換性能を発揮することができる。これにより、フィンピッチＰを広げることなく異物等による目詰まりを抑制し、且つストレートフィン以上の性能を確保することができる。よって、オフセットフィン２１全体としての熱交換性能の向上を図ることができる。
【００３５】
特に、熱抵抗比率Ｒは、Ｆ／Ｌ１に対して非線形で変化する。その非線形の変化において、特に変化が大きくなるＦ／Ｌ１＝０．１５を閾値として設定した。一方、熱抵抗比率Ｒはδ／Ｆ（又はＬ２）に対して線形に変化するものであり、その線形変化と上記閾値とに基づいて隙間δの最大値を設定した。これにより、オフセットフィン２１による熱交換性能の向上効果を十分に確保した状態で、隙間δとフィン３０の長さＬ２とを設定することができる。
【００３６】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態では、熱交換器１０は車両のパワー素子を冷却するのに用いられるものであったが、これに限られず、他の素子を冷却するのに用いてもよい。
【００３７】
○  また、半導体素子に限られず、他の装置、例えば車両に搭載され、走行用モータを駆動させる電力を蓄電することができる蓄電装置（車載バッテリ）を冷却するのに用いてもよい。
【００３８】
○  実施形態では、熱交換器１０は車両に搭載されていたが、これに限られず、他の装置に搭載してもよい。要は、熱交換器１０による温度調節を行う対象は任意である。
但し、車両に搭載される装置（車載バッテリ又は半導体装置等）は、温度変化が比較的大きく且つ粉塵が多く混入される空間に晒され易い。このため、クリーンルームのような温度が一定且つ粉塵が少ない清浄な空間に配置された装置の温度調節を行う熱交換器と比較して、高い熱交換性能と、異物による目詰まりの抑制とを高いレベルで両立させることが要求される。かといって、車両という限られたスペース内に配置する関係上、熱交換器は小さい方が好ましい。
【００３９】
この点、本実施形態によれば、限られたスペース（フィン設置領域２０）内にて配置されるオフセットフィン２１において、０＜Ｆ／Ｌ１≦０．１５且つδｍｉｎ≦δ≦１／４×Ｆとなるように隙間δを設定することにより、比較的小さなサイズで、車両に搭載される装置の温度調節を行うための要求に応えることができる。これにより、車両に搭載された装置の温度調節を行うのに適した熱交換器１０を提供することができる。
【００４０】
○  実施形態では、熱交換器１０は冷却するのに用いられたが、これに限られず、加熱するのに用いてもよい。
○  実施形態では、熱媒体として空気を採用したが、これに限られず、熱交換可能なものであれば任意である。例えば不凍液等を採用してもよい。
【００４１】
○  フィン３０を構成する金属板の材料は、加工の容易性や伝熱性の観点で適宜選択すればよく、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス、チタン等、任意である。
【００４２】
○  実施形態では、フィンピッチＰは、２×Ｈｍｉｎよりも短く設定されていたが、これに限られず、これよりも長くしてもよい。
○  実施形態では、オフセットフィン２１は、流下方向Ｘから見て矩形波形状に形成されていたが、これに限られず、凸部の隅角部を若干湾曲させてもよい。
【００４３】
○  実施形態では、フィン設置領域２０は、ケース１１が直方体形状に形成されていたことに対応させて、直方体形状に形成されていたが、これに限られない。フィン設置領域２０の具体的な形状は任意である。また、オフセットフィン２１は、フィン設置領域２０の形状に合わせて形成されていればよく、その全体的な形状は任意である。
【００４４】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記熱媒体は不凍液であり、前記δｍｉｎは前記不凍液に対応させて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【００４５】
（ロ）前記熱媒体が流下する流路の最小間隔をＨｍｉｎとし、前記流下方向と直交する方向における前記各フィンの間隔をＰとすると、Ｈｍｉｎ≦Ｐ≦Ｈｍｉｎ×２となっていることを特徴とする請求項１又は技術思想（イ）に記載の熱交換器。
【００４６】
（ハ）請求項１及び技術思想（イ），（ロ）のうちいずれか一項に記載の熱交換器と、当該熱交換器を用いて温度調節が行われる所定の装置とを備えていることを特徴とする車両。
【００４７】
（ニ）熱媒体が流れる流下方向に延びるとともに前記流下方向と直交する方向に並んだ複数のフィンが、前記直交する方向に交互にオフセットした状態で前記流下方向に配列されているオフセットフィンを備えた熱交換器において、前記流下方向に配列されている各フィン間には隙間が形成されており、前記オフセットフィンの前記流下方向の長さに対する前記流下方向における前記各フィンの配列周期の比率を第１比率とし、前記配列周期に対する前記隙間の比率を第２比率とすると、前記オフセットフィンの熱抵抗は、前記第１比率に対して非線形で変化する一方、前記第２比率に対して線形で変化するものであり、前記隙間は、前記流下方向に連続して延びたストレートフィンの熱抵抗よりも大きくならないように、前記第１比率及び前記オフセットフィンの熱抵抗の関係と、前記第２比率及び前記オフセットフィンの熱抵抗の関係とに基づいて設定されていることを特徴とする熱交換器。
【符号の説明】
【００４８】
１０…熱交換器、１１…ケース、２０…フィン設置領域、２１…オフセットフィン、３０…フィン、３１…第１フィン群、３２…第２フィン群、Ｌ１…オフセットフィンの流下方向の長さ、Ｌ２…フィンの流下方向の長さ、Ｐ…フィンピッチ、Ｆ…オフセット周期、δ…隙間。
【図１】
2013222764.tif 000003
【図２】
2013222764.tif 000004
【図３】
2013222764.tif 000005