(57)【要約】【課題】発熱体を効率よく冷却する新たな構造の熱交換器を提供すること。【解決手段】直線状に形成された複数のフィン１１が冷媒の流れと交差する方向に間隔をあけて平行に並べられ、その隣り合うフィン１１同士の隙間が冷媒の流れる流路となるものであって、フィン１１を冷媒の流れる方向に分割した複数のフィン群１０が形成され、冷媒の流れる方向に前後して位置するフィン群１０ａ，１０ｂ同士は、互いのフィン１１が逆方向に傾斜して形成された熱交換器１。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状に形成された複数のフィンが冷媒の流れと交差する方向に間隔をあけて平行に並べられ、その隣り合うフィン同士の隙間が冷媒の流れる流路となる熱交換器において、
前記フィンを冷媒の流れる方向に分割した複数のフィン群が形成され、冷媒の流れる方向に前後して位置するフィン群同士は、互いのフィンが逆方向に傾斜して形成されているものであることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載する熱交換器において、
前記フィン群は、平板形状のベースに対して複数のフィンが突設したフィン部材によって形成され、冷媒が流れるフレーム内に、当該冷媒の流れる方向に前後してフィンの傾斜方向を反対にした前記フィン部材が交互に設置されたものであることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載する熱交換器において、
前記複数のフィン部材は全て同じ形状であって、冷媒の流れる方向に前後するもの同士が向きを逆にして設置されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載する熱交換器において、
前記フィン部材が押出成形によって形成されたものであ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、間隔をあけて平行に並べられた複数の直線形状のフィンによって流路が形成され、その流路に冷媒を流すことによって発熱体からの熱を放散させる熱交換器に関し、特に、放熱効果を高める冷媒の流れを生じさせるための流路をもった熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車等には、モータを駆動するインバータに半導体素子が用いられており、それを冷却する水冷式の熱交換器が採用されている。半導体素子を搭載するインバータは、より高出力が求められる一方で小型化や軽量化の要求が厳しくなってきているため、放熱効果に優れた熱交換器が求められている。下記特許文献１には、冷却性能を向上させた従来の熱交換器が記載されている。図７は、同文献に記載された熱交換器を平面方向に見た断面図である。
【０００３】
熱交換器１００は、供給ポート１０２と排出ポート１０３が形成されたケース１０１内に、その供給ポート１０２から排出ポート１０３へと流れる冷媒の流路が構成されている。この熱交換器１００では、複数のフィン１１１によって流路が形成され、更に流路は直線方向に３分割された第１、第２、第３フィン群２０１，２０２，２０３が構成されている。フィン群２０１〜２０３は、いずれも横方向に複数のフィン１１１が間隔をあけて平行に配置され、フィン群２０１〜２０３同士では、フィン１１１が同一直線上にあって、これにより直線流路が複数形成されている。ただし、その直線流路は各フィン群２０１〜２０３の間で途切れ、合流部１０５，１０６が形成されている。
【０００４】
また、熱交換器１００には、横に並んだ複数のフィン１１１の間に隔離フィン１１２，１１２が設けられ、フィン１１１同士よりも広い流路１０７が形成されている。なお、第３フィン群２０３では、隣り合う離隔フィン１１２同士がつながって流路を閉じている。こうした熱交換器１００には、合流部１０５，１０６および離隔フィン１１２による離隔流路１０７によって区切られた９区画に、発熱体である半導体素子３００がそれぞれ配置されている。こうした熱交換器１００では、供給ポート１０２から流入した冷媒がフィン１１１による直線流路を流れ、合流部１０５，１０６で混ざり合って流量配分を均一にしながら、更に下流へと分岐して流れる。
【特許文献１】特開２００７−３３５５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、フィンによって構成される流路が熱交換器１００にように直線である場合、冷媒の流れは層流になってしまう。すると、流路中央部分では流れが速くなる一方、フィン１１１と接触する部分では流れが遅くなってしまい、フィンを伝わった発熱体の熱は放散され難く、冷却性能が上がらないという問題がある。この点、冷媒がフィンからの熱を効率よく放散させるには、冷媒の流れを乱すことが有効であると考えられるが、熱交換器１００のように合流部１０５，１０６による横流路では十分ではなかった。
【０００６】
そのため、近年、半導体素子の小型化によって発熱密度が増大し、インバータなどに使用される熱交換器に対して冷却性能の向上が求められているが、図７に示すような流路構成の熱交換器では十分な冷却能力が得られなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、発熱体を効率よく冷却する新たな構造の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】
本発明の熱交換器は、直線状に形成された複数のフィンが冷媒の流れと交差する方向に間隔をあけて平行に並べられ、その隣り合うフィン同士の隙間が冷媒の流れる流路となるものであって、前記フィンを冷媒の流れる方向に分割した複数のフィン群が形成され、冷媒の流れる方向に前後して位置するフィン群同士は、互いのフィンが逆方向に傾斜して形成されているものであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の熱交換器は、前記フィン群が、平板形状のベースに対して複数のフィンが突設したフィン部材によって形成され、冷媒が流れるフレーム内に、当該冷媒の流れる方向に前後してフィンの傾斜方向を反対にした前記フィン部材が交互に設置されたものであることが好ましい。
また、本発明の熱交換器は、前記複数のフィン部材は全て同じ形状であって、冷媒の流れる方向に前後するもの同士が向きを逆にして設置されたものであることが好ましい。
また、本発明の熱交換器は、前記フィン部材が押出成形によって形成されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明によれば、フィン群同士のフィンが逆方向に傾斜しているため、冷媒が下流側のフィンに衝突して攪拌して流れるため、フィンから熱を奪った冷媒が停滞することなく下流へとスムーズに流れていく。従って、小型の発熱体によって発熱密度が増大したとしても、冷媒がフィンから効率良く熱を奪って流れるため、従来に比べて冷却能力が格段に向上したことで対応が可能になる。
また、本発明によれば、フィン群ごとにフィンの傾斜を逆方向にさせるためフィン部材を使用したこと、更には同一形状のフィン部材を使用したこと、そしてフィン部材を押出成形によって形成したことにより、加工コストを抑えて熱交換器を安価に提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る熱交換器の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の熱交換器を示した斜視図である。
この熱交換器１は、フレーム２内に複数のフィン部材１０が挿入され、フィン部材１０を構成する複数のフィン１１によって冷媒を流す複数の流路が形成されたものである。熱交換器１の本体をなすフレーム２は、例えば矢印Ｑで示す方向から冷媒が流し込まれるものであり、その流入側開口部２ａから排出側開口部２ｂへと図面Ｙ方向に貫通した筒形状をしたものである。そして、その冷媒の流れるＱ方向と直交するフレーム２の横断面は、図面Ｘ方向に長い矩形の扁平形状で形成されている。
【００１２】
なお、図示した熱交換器１は、フレーム２に流入側開口部２ａと排出側開口部２ｂが大きく開口して形成されたものが示されているが、使用時には閉じた状態でそれぞれが不図示の冷媒供給管または冷媒排出管に接続される。そして、冷媒供給管には、冷媒を熱交換器１に対して一定の圧力で送り込む供給ポンプが接続され、冷媒排出管には、熱交換器１から排出された冷媒を回収するタンクが接続される。
【００１３】
ここで、図２は、熱交換器１を図１の下方から示した断面図である。また、図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ矢視のフィン部材１０ａを示した側面図であり、図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ矢視のフィン部材１０ｂを示した側面図である。熱交換器１には、こうしたフィン部材１０ａ，１０ｂが交互に配置されている。ただし熱交換器１を構成する複数のフィン部材１０（１０ａ，１０ｂ）は、全て同一のものであって図示するように向きを逆転させて配置しているに過ぎない。
【００１４】
フィン部材１０は、短冊形状の平板からなるベース１２上に複数のフィン１１が突設され、フィン１１同士が一定の間隔をあけて平行に配置され、全て同じ方向に一定の角度で傾いて形成されている。そして、ベース１２の下面からフィン１１先端までの高さ（図３のＺ方向）寸法、ベース１２の長さ（図３のＸ方向）寸法は、フレーム２の内部断面の寸法（図１のＺ，Ｘ寸法）に合わせて形成されており、図１及び図２に示すようにフレーム２内にフィン部材１０が挿入して組み込まれている。
【００１５】
次に、図４は、図１に示す熱交換器１の流入口側開口部２ａをＱ方向から示した図である。図１の矢印Ｑ方向からフィン部材１０ａ，１０ｂは、傾きの異なるそれぞれのフィン１１が交差するようにして配置されている。ここでは、図面手前に位置するフィン部材１０ａのフィン１１ａがベース１２から左側に傾き、その後方に位置するフィン部材１０ｂのフィン１１ｂが逆に右側に傾いている。このように、熱交換器１は、フィン部材１０ａ，１０ｂによって区別されたフィン群によって、冷媒の流れる方向において段階的に流れが切り替えられるようになっている。
【００１６】
その際、手前側に位置するフィン部材１０ａのフィン１１ａによって構成された流路が、その下流側に配置されたフィン部材１０ｂのフィン１１ｂによって一部塞がれた状態になっている。同じようにフィン部材１０ｂのフィン１１ｂによって構成された流路が、更にその下流側に配置されたフィン部材１０ａのフィン１１ａによって一部塞がれた状態になっている。そして、こうした関係が交互に配置されたフィン部材１０ａ，１０ｂによって繰り返されている。よって、本実施形態の熱交換器１では、流路を流れる冷媒が、傾きの逆になった後方のフィン１１にぶつかって乱されながら流れるようになっている。
【００１７】
続いて、熱交換器１の流路を構成するフィン部材１０は、図５に示すようにして形成される。図５はフィン部材の一部加工工程を示した概念図である。
フィン部材１０は、熱伝達率の良いアルミが材料として使用され、融解した材料が複数のフィン１１やベース１２を形成する成形型から押し出され、例えば数ｍの長さのロングフィン部材１０Ｌが形成される。このように、先ず長尺のロングフィン部材１０Ｌが形成され、その後に一定の幅に切断されたフィン部材１０が形成される。
【００１８】
ロングフィン部材１０Ｌは、押出成形後にそのまま図５に示す切断工程へと搬送されるが、こうした押出成形直後の段階ではロングフィン部材１０Ｌがまだ熱をもって柔らかい状態にある。ロングフィン部材１０Ｌは、ロングベース１２Ｌを下にして上方に傾いたロングフィン１１Ｌが起立した状態で図示するように押出し方向Ｆで搬送され、その搬送先にプレス装置５０が構成されている。そのプレス装置５０は、ロングベース１２Ｌを下方で支える不図示の下型と、押出し方向Ｆに直交して配置され、下型に向けて下ろされる板状の切断プレス型５１が設けられている。
【００１９】
プレス装置５０は、切断プレス型５１を下型にまで打ち込むことにより、ロングフィン１１Ｌ及びロングベース１２Ｌを一定の幅で切断するものである。しかし、その際、切断プレス型５１の押圧力によって傾斜したロングフィン１１Ｌが倒れてしまわないようにフィン抑え治具５３，５３が用意されている。フィン抑え治具５３，５３は、複数あるロングフィン１１Ｌの間に入り込むように板状の支持突起５５が複数形成され、一つずつのロングフィン１１Ｌにかかる切断プレス型５１の押圧力を傾斜した裏側から支えるようにしたものである。なお、プレス装置５０は、垂直に切断プレス型５１を打ち下ろすものであるが、例えば、ロングフィン１１Ｌの傾きに沿って移動させ、切断プレス型の先端を各フィンと直交するように山形にするなどしてもよい。
【００２０】
そこで、切断工程では、押出成形されたロングフィン部材１０Ｌがその押出し方向Ｆへと搬送され、所定の間隔で一旦停止して切断処理が行われる。停止したロングフィン部材１０Ｌに対してフィン抑え治具５３，５３が当てられ、その支持突起５５がロングフィン１１Ｌの間に入り込んで傾斜した裏側を支持する。そして、その状態で切断プレス型５１が下降し、下型に押し付けられることで、材料が押し潰されるようにしてロングフィン１１Ｌ及びロングベース１２Ｌが図示するように切断され、同じ形のフィン部材１０が幾つもつくられていく。
【００２１】
こうして形成されたフィン部材１０は、図３に示すように向きを逆転させたものが、図１及び図２に示すようにして交互にフレーム２内に挿入される。冷媒の流れる方向に前後するフィン部材１０ａ，１０ｂは互いに接するようにして詰めて配置され、不図示の留め具などによってフレーム２と一体になる。そして、この熱交換器１は、図６に示すように熱拡散のためのヒートスプレッダ６がフレーム２に貼り付けられ、その上に発熱体である複数の半導体素子７が整然と並べて貼り付けられる。
【００２２】
そこで、インバータなどに使用される半導体素子７が発熱すると、その熱はヒートスプレッダ６に伝わって拡散され、更にフレーム２から内部に設置されたフィン部材１０のフィン１１へと伝えられる。フレーム２内には流入側開口部２ａから冷媒が供給され、反対の排出側開口部２ｂへと流れている。従って、フィン１１に伝えられた熱は、そのフィン１１に接しながら流れる冷媒に熱が奪われる。冷媒は、フィン１１同士の隙間を流路として流れるが、本実施形態では特に、進行方向に交互に配置されたフィン部材１０ａ，１０ｂによって、冷媒がフィン１１にぶつかりながら流れる。そのため、常に冷媒が攪拌された状態で流れ、熱を奪った冷媒が効率良く下流へと流れていく。
【００２３】
この点、図７に示す垂直に起立したフィンからなる流路の場合には、冷媒の流れが層流となって熱を奪ったフィンに接する冷媒が停滞してしまうが、本実施形態では、冷媒がフィン１１に衝突して攪拌されるため、フィン１１から熱を奪った冷媒が停滞することなく下流へとスムーズに流れていく。従って、本実施形態の熱交換器１によれば、半導体素子７が小型化して発熱密度が増大したとしても、冷媒がフィン１１から効率良く熱を奪って流れるため、従来に比べて冷却能力が格段に向上したことで対応が可能になる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、押出成形したロングフィン部材１０Ｌから切断して得られるフィン部材１０は、その加工費用を抑え、しかも加工時間の短縮による大量生産が可能である。更に、同一のフィン部材１０ａ，１０ｂによって構成されているため部品点数も少ない点でもコストを抑えることで、熱交換器１を安価に提供することが可能になる。
また、押出成形によってフィン部材１０を形成しているため、フィン１１の微細加工が可能になり、小型の発熱体に対応した冷却性能をもった熱交換器１を提供することが可能になる。
【００２５】
以上、本発明に係る熱交換器についての一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、実施形態のフィン部材１０は、そのフィン１１の数や傾き、あるいは間隔は対象となる発熱体によって適宜変更可能である。
また、熱交換器１では、フレーム２内の流路を全てフィン部材１０によって構成しているが、一部をフィン部材１０とし、他の部分を従来例のような垂直に起立したフィンを併用して構成したものであってもよい。
また、熱交換器１では、フィン部材１０同士のフィン１１が冷媒の流れる方向に接するように配置されているが、フィン１１の間に図７に示す合流部１０５のような隙間をあけるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】熱交換器の一実施形態を示した斜視図である。
【図２】図の熱交換器を下方から示した断面図である。
【図３】フィン部材を図２のＡ−Ａ矢視で示した側面図（ａ）と、図２のＢ−Ｂ矢視で示した側面図（ｂ）である。
【図４】図１に示す熱交換器の流入口側開口部をＱ方向から示した図である。
【図５】フィン部材の一部加工工程を示した概念図である。
【図６】本実施形態の使用状態を示した斜視図である。
【図７】従来の熱交換器について平面方向に見た断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    熱交換器
２    フレーム
６    ヒートスプレッダ
７    半導体素子
１０（１０ａ，１０ｂ）  フィン部材
１１  フィン
１２  ベース
【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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