(57)【要約】【課題】本明細書は、内部の流路に波板フィンを有する扁平な冷却器において、冷媒の流れ方向からみたときのケース中央部の冷却性能を低下させない技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する冷却器は、内部に液体冷媒が流れる流路２７を備えた扁平な外板２１、２２と、流路２７に配置されている波板フィンと、を備える。波板フィンは、波板の稜線が液体冷媒の流れ方向に沿って延びるように流路２７に配置されている。外板２１、２２は、流れ方向と直交する横断面でみたときに、断面長手方向の両端における断面短手方向の流路幅がステップ状に狭まっている。ステップ状に狭まっている流路空間内に波板フィンの端が達している。【選択図】図５
2017079305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体冷媒が流れる流路を備えた扁平な冷却器ケースと、
前記流路に配置されている波板フィンと、
を備えており、
前記波板フィンは、波板の稜線が前記液体冷媒の流れ方向に沿って延びるように前記流路に配置されており、
前記冷却器ケースは、前記流れ方向と直交する横断面でみたときに、断面長手方向の両端における断面短手方向の流路幅がステップ状に狭まっており、
ステップ状に狭まっている流路空間内に前記波板フィンの端が達している、冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の扁平な冷却器と複数の扁平な電子部品を一つずつ交互に積層している積層冷却ユニットが知られている（例えば特許文献１）。特許文献１に開示されている積層ユニットの一つひとつの冷却器は、内部に液体冷媒を流通させる流路を備えた扁平形状の冷却器ケースと、流路に配置されている波板フィンとを備える。波板フィンは、波板の稜線が液体冷媒の流れ方向に沿って延びるように流路に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６６４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の冷却器では、波板フィンが冷却器ケースの両端に干渉しないように、波板フィンの幅は、冷却器ケースの長手方向の内幅よりも短く設計される。ここで、冷却器ケースの両端とは、冷媒の流れ方向と直交する横断面でみたときの長手方向（断面長手方向）の両端を意味する。また、波板フィンの幅とは、横断面でみたときの断面長手方向に沿った波板フィンの長さを意味する。また、冷却器ケースの内幅とは、横断面でみたときの断面長手方向の流路幅を意味する。
【０００５】
上記の構造を有した冷却器では、波板フィンの断面長手方向の位置ずれが起こったとき、冷却器ケースの端部に断面積の大きい流路が形成される。それゆえ、冷媒は、断面積の大きい端部に優先的に流れる。一般に、扁平な冷却器においては、冷却器ケースの端部よりも中央部の冷却性能が高いことが望まれるところ、上記波板フィンの位置ずれにより、望ましい冷却性能が得られない可能性がある。
【０００６】
本明細書では、内部の流路に波板フィンを有する扁平な冷却器において、冷媒の流れ方向からみたときのケース中央部の冷却性能を低下させない技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する冷却器は、内部に液体冷媒が流れる流路を備えた扁平な冷却器ケースと、流路に配置されている波板フィンと、を備える。波板フィンは、波板の稜線が液体冷媒の流れ方向に沿って延びるように流路に配置されている。冷却器ケースは、流れ方向と直交する横断面でみたときに、断面長手方向の両端における断面短手方向の流路幅がステップ状に狭まっている。ステップ状に狭まっている流路空間内に波板フィンの端が達している。
【０００８】
上記の冷却器では、ステップ状に狭まっている流路空間内に波板フィンの端が達することで、冷却器ケースの端部と波板フィンとの間の流路断面積を、波板フィンと波板フィンとの間の流路断面積よりも小さくすることができる。さらに、冷却器ケースの両端の幅狭空間に波板フィンの端が達していることで、波板フィンの断面長手方向の位置ずれが生じ難くなる。これらの作用により、冷媒が冷却器ケースの端部に優先的に流れることを防止することができ、冷却器ケースの中央部の冷却性能が低下しない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の冷却器を含む積層ユニットの斜視図である。
【図２】冷却器の分解斜視図である。
【図３】組付け前の冷却器の波板フィンを横断する断面図である。
【図４】組付け途中の冷却器の波板フィンを横断する断面図である。
【図５】組付け後の冷却器の波板フィンを横断する断面図である。
【図６】波板フィンがずれたときの冷却器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の冷却器を説明する。図１は、実施例の冷却器２０を含む積層ユニット２の斜視図である。積層ユニット２は、複数の冷却器２０が積層されているとともに、隣接する冷却器２０の間に半導体モジュール１０が挟み込まれたユニットである。なお、図１では、理解を助けるために、１つの半導体モジュール１０とその両側の絶縁板６を、積層ユニット２から抜き出して描いてある。半導体モジュール１０は、パワートランジスタと呼ばれる半導体チップ１１ａ、１１ｂを収容している。半導体モジュール１０の両面には半導体チップ１１ａ、１１ｂと導通している放熱板７が露出している。冷却器２０の外板はアルミニウムで作られている。放熱板７と冷却器２０を絶縁するため、冷却器２０と半導体モジュール１０の間には絶縁板６が挟まれる。積層ユニット２は、多数のパワートランジスタを用いるデバイス、例えばインバータに用いられる。
【００１１】
積層ユニット２は、仮想線で描かれたハウジング９に収容される。積層ユニット２の積層方向の一端とハウジング９の内壁の間には板バネ８が挟まれる。積層ユニット２は、板バネ８によって積層方向に加圧される。積層方向の加圧によって、冷却器２０と半導体モジュール１０が密着し、半導体モジュール１０から冷却器２０への伝熱効率が高められる。なお、図中の座標系のＺ方向が複数の冷却器２０の積層方向に相当する。
【００１２】
隣接する冷却器２０は接続管５ａ、５ｂで接続されている。積層ユニット２の積層方向の一端の冷却器２０に供給管４ａと排出管４ｂが接続されている。供給管４ａは、積層方向からみたときに接続管５ａと重なるように設けられている。排出管４ｂは、積層方向からみたときに接続管５ｂと重なるように設けられている。各冷却器２０の内部には、図中のＸ方向に延びる流路が設けられており、その流路は、接続管５ａ、５ｂと連通している。供給管４ａから供給された冷媒は、接続管５ａを通じて各冷却器２０へ分配される。冷媒は、各冷却器２０の流路を通過する間に隣接する半導体モジュール１０から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は接続管５ｂと排出管４ｂを通じて積層ユニット２から排出される。供給管４ａと排出管４ｂには不図示の冷媒循環路とラジエータとポンプが接続されており、排出された冷媒はラジエータで冷却されて再び積層ユニット２へ供給される。冷媒は液体であり、典型的には水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
【００１３】
図２に冷却器２０の分解図を示す。冷却器２０は、外板２１、２２、中板２４、２枚の波板２３で構成される。２枚の波板２３と中板２４を挟んで外板２１、２２を張り合わせると冷却器２０が完成する。２枚の波板のいずれか一方を区別なく示す場合には符号２３を用い、２枚の波板を区別する場合には、符号２３ａと２３ｂを用いることにする。外板２１、２２の夫々には、先に述べた接続管５ａ、５ｂが設けられている。また、外板２１、２２の夫々には、詳しくは後述するが、流れ方向（図中のＸ方向）と直交する横断面でみたときに、断面長手方向（Ｙ方向）の両端における断面短手方向（Ｚ方向）の流路幅をステップ状に狭めるために、ステップ２５が設けられている。図２においては、外板２２に設けられたステップ２５ｃと２５ｄが図示されている。外板２１に設けられたステップ２５ａと２５ｂは、図２では見えていない。
【００１４】
中板２４は、外板２１、２２で囲まれる空間を２つの流路に区分するために備えられている。中板２４には、接続管５ａ、５ｂに対応する位置に孔が設けられている。
【００１５】
矢印２６ａが冷媒の供給方向を示しており、矢印２６ｂは冷媒の排出方向を示している。接続管５ａから供給された冷媒は、外板２１と中板２４で囲まれた流路、及び、外板２２と中板２４で囲まれた流路を通り、接続管５ｂを通じて排出される。図中のＸ軸の正方向が、冷却器２０の内部における冷媒の流れ方向を示している。
【００１６】
波板２３には、波板フィン群３２が形成されている。各波板フィンは、冷媒の流れ方向に沿って延びている。別言すれば、各波板フィンは、波板の稜線が液体冷媒の流れ方向に沿って延びるように流路２７（後述）に配置されている。波板フィン群３２は、プレス加工により一枚の金属平板から作られる。別言すれば、波板フィン群３２は、一枚の板（一枚の金属板）で形成されている。
【００１７】
図３〜５を参照して、冷却器２０の内部構造を説明する。図３は、組付け前の冷却器２０の波板フィン群３２を横断する断面図である。図４は、組付け途中の冷却器２０の波板フィン群３２を横断する断面図である。図５は、組付け後の冷却器２０の波板フィン群３２を横断する断面図である。
【００１８】
図３は、冷却器２０の組付け前の状態を図示しており、ステップ２５ａ〜２５ｄは、波板フィン群３２と接触していない。ここから、さらに外板２１、２２が夫々中板２４の方向に向かって圧縮される。その途中の段階が図４に図示されている。図４では、外板２１、２２が夫々中板２４の方向に向かって圧縮されることにより、ステップ２５ａ〜２５ｄが、波板フィンの一端３５ａ〜３５ｄと接触する。そして、波板フィンの一端３５ａ〜３５ｄと接触しているステップ２５ａ〜２５ｄはさらに中板２４の方向に向かって圧縮される。これにより、波板フィンの端が押し潰され、波板フィンの一端３５ａ〜３５ｄのステップ２５ａ〜２５ｄと接触している部分が、ステップ２５ａ〜２５ｄの形状に沿うように変形していく。なお、図４に図示される破線は、波板フィンのステップ２５ａ〜２５ｄに押し潰される前の状態を示している。そして、ステップ２５ａ〜２５ｄはさらに中板２４の方向に向かって圧縮され、冷却器２０の組付けが終わる。組付け後の冷却器２０の波板フィン群３２を横断する断面が図５に図示されている。
【００１９】
図５は、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）を横断する断面（横断面）を示している。図５によく示されているように、外板２１と２２で囲まれた流路２７は、内部に液体冷媒が流れ、横断面が扁平である。なお、本実施例では、外板２１と２２で囲まれた空間は、中板２４によって２つの流路２７に区画されている。ここで、流路内面とは、流路を構成する板（壁）の面を意味する。従って、中板２４の両面２４ａ、２４ｂも流路内面である。
【００２０】
一方の波板２３ａは、外板２１の内面２１ａと中板２４の一方の面２４ａとに接している。他方の波板２３ｂは、外板２２の内面２２ａと中板２４の他方の面２４ｂとに接している。外板２１の内面２１ａと外板２２の２２ａは、流路２７の内面（流路内面）に相当する。また、上述したように、中板２４の両面２４ａ、２４ｂも流路内面に相当する。波板２３において、一方の流路内面から他方の流路内面までの間を一つのフィン（波板フィン）とみなす。波板フィン群３２は、横断面が扁平な流路２７の長手方向（図中のＹ方向）に並んでいることになる。また、波板フィン群３２は、冷媒の流れ方向（図中のＸ方向）に延びている。波板フィン群３２は、流路の横断面においてその短手方向で対向する流路内面の夫々に接している。なお、横断面の短手方向（図中のＺ方向）を仮に上下方向と呼ぶことにすると、波板フィン群３２は、その上端と下端が夫々、短手方向で対向する流路内面に接している、と表現することができる。
【００２１】
図１に示したように、冷却器２０の扁平面の両側に半導体モジュール１０が取り付けられる。半導体モジュール１０の熱は、外板２１、２２に伝わる。波板フィン群３２が流路内面に接していることで、半導体モジュール１０の熱は、外板２１、２２、中板２４、及び、波板フィン群３２を介して冷媒によく伝達される。なお、波板フィン群３２は、横断面において流路２７の全体にほぼ一様に分布している。そのため、流路内を流れる冷媒に均等に熱が伝わる。このことは、冷却器２０の冷却効率に貢献する。
【００２２】
以下、冷却器２０において、ステップ２５ａ〜２５ｄを設けたことによる効果について説明する。一般に、冷却器の冷却性能を向上させるために、冷却器内部にフィンを設ける。そして、波板フィンが外板２１、２２の横断面の長手方向の両端（図中のＹ方向）に干渉しないように、波板フィンの幅は、外板２１、２２の長手方向の内幅よりも短く設計される。そのため、外板２１、２２に波板フィンを組み付ける際に、波板フィンの位置ずれを起こす虞がある。波板フィンの位置ずれが起きた場合、波板フィンは、外板２１、２２の横断面の長手方向のどちらか一方の端に片寄る。そうすると、波板フィンが片寄っていないもう一方の端には、断面積の大きい流路が形成されることになる。冷媒は、断面積の大きい端部に優先的に流れる。一般に、扁平な冷却器においては、冷却器ケースの端部よりも中央部の冷却性能が高いことが望まれるところ、上記波板フィンの位置ずれにより、望ましい冷却性能が得られない可能性がある。
【００２３】
冷却器２０では、上述したように、ステップ２５ａ〜２５ｄが設けられている。ステップ２５ａ〜２５ｄが設けられていることにより、外板２１、２２に波板フィンを組み付ける際に、波板フィンが外板２１、２２の横断面の長手方向のどちらか一方の端に片寄ることを防止することができる。すなわち、冷却器２０では、波板フィン群３２の両端の各波板フィンが、組付けの際にステップ２５ａ〜２５ｄに接触するように設計することで、図５に示すように、波板フィンの位置ずれによる断面積の大きい流路が形成されることを防止することができる。別言すれば、実施例の冷却器２０では、外板２１、２２と波板２３ａ、２３ｂの端を意図的に干渉させる。これにより、冷媒が外板２１、２２の端部に優先的に流れることを防止することができ、外板２１、２２の中央部の冷却性能が低下しない。
【００２４】
図６を参照して波板がずれたときの冷却器１２０を説明する。図６は、図５に対応する図であり、組付け後の冷却器１２０の波板フィンを横断する断面図である。冷却器１２０において、冷却器２０と共通する部分については適宜説明を省略する。冷却器１２０では、冷却器２０と異なり、波板フィン群１３２の一端（図６では右側）の波板フィンが、ステップ１２５（図６では、ステップ１２５ｂ、１２５ｄ）により押し潰されていない。すなわち、ステップ１２５（図６では、ステップ１２５ｂ、１２５ｄ）により狭まった流路１２７の空間１３７ｂ内に波板フィン群１３２の一端（図６では右側）が達していない。また、波板フィン群１３２の他端（図６では左側）の波板フィンは、ステップ１２５（図６では、ステップ１２５ａ、１２５ｃ）により押し潰されている。この場合、波板フィン群１３２の他端（図６では左側）の波板フィンと、外板１２１、１２２で囲まれた流路１２７の空間１３７ａと比較して空間１３７ｂは大きい。すなわち、空間１３７ｂには、空間１３７ａよりも断面積の大きい流路が形成されることになる。
【００２５】
しかし、空間１３７ｂは、ステップ１２５ｂ、１２５ｄを設けたことにより、ステップ１２５がない場合と比較して断面積が小さくなる。そのため、冷却器１２０のように、ステップ１２５により狭まった流路１２７の空間１３７ｂ内に波板フィン群１３２の一端が達していない場合であっても、空間１３７ｂ自体が比較的小さい断面積を有するにとどまるので、空間１３７ｂに冷媒が優先的に流れることを防止することができる。すなわち、冷却器１２０においても、冷却器２０と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
なお、本実施例の外板２１、２２は、特許請求の範囲の「冷却器ケース」に対応している。本実施例の波板フィンは、特許請求の範囲の「波板フィン」に対応している。また、特許請求の範囲の「ステップ状に狭まっている流路空間内に前記波板フィンの端が達している」とは、ステップ状に狭まっている流路空間内に少なくとも一つの波板フィンの端が達していればよいことを意味することに注意されたい。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
２  ：積層ユニット
４ａ：供給管
４ｂ：排出管
５ａ、５ｂ：接続管
６  ：絶縁板
７  ：放熱板
８  ：板バネ
９  ：ハウジング
１０：半導体モジュール
１１ａ、１１ｂ：半導体チップ
２０、１２０：冷却器
２１、２２、１２１、１２２：外板
２３：波板
２４：中板
２５、１２５：ステップ
２７、１２７：流路
３２、１３２：波板フィン群
１３７：空間
【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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