JP7499689B2 - 波型伝熱フィン - Google Patents

Description

本発明は、波型伝熱フィンに関する。

下記特許文献１には、熱交換器用伝熱管が開示されている。この熱交換器用伝熱管は、その図１等に明示されているように、偏平管の内周面に波形フィン構造体を内装したものである。この波形フィン構造体は、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有するものであり、チャンネル形状の波幅をＨ、長手方向におけるうねりの波長をＬ、長手方向におけるうねりの振幅をＡとした場合に、Ｈ／Ｌを０．１７～０．２０とし、かつＨ－Ａによって求められるギャップＧとＨとの比（Ｇ／Ｈ）を－０．２１～０．１９とするものである。

また、下記特許文献２には、熱交換器及びコルゲートフィンが開示されている。この特許文献２におけるコルゲートフィンは、その図３等に明示されているように、一方向に並ぶ複数本のチューブの相互間に波形状を成すように曲がって形成され、チューブ内を流れる第１流体とチューブの相互間に流れる第２流体との熱交換を促進するものである。

より詳しくは、特許文献２のコルゲートフィンは、チューブに接合される複数の接合部と、波形状に沿って隣り合う接合部同士の間をつなぐように該接合部のそれぞれに連結する複数のフィン本体部とを備える。上記フィン本体部は、一部が切り起こされた形状を成す切り起こし部を有し、当該切り起こし部は、第２流体を案内する切り起こし本体部と、該切り起こし本体部から延設された板状を成し前記切り起こし部のうち一方向の少なくとも一方の端に設けられた切り起こし端部とを有し、当該切り起こし端部の表面の親水性を高めるように形成された凹凸形状を切り起こし端部の板厚方向の少なくとも一方に有する。

特開２００７－０７８１９４号公報 特開２０１９－２１１１１５号公報

ところで、特許文献１の波形フィン構造体（波型伝熱フィン）は、コルゲートフィンと言えるものであり、波幅Ｈ、うねり波長Ｌ、うねり振幅Ａの関係を最適化することによって、排気ガス流路を通流する高温の排気ガスが均一な流速分布を以って通流し、かつ伝熱管の外側を通流する冷却媒体との熱交換を促進するものである。また、特許文献２のコルゲートフィンは、フィン本体部に切り起こし部を設けることにより、第１流体と第２流体との間における伝熱の促進を図るものである。

ここで、特許文献１の波形フィン構造体に特許文献２の切り起こし部を設けることにより、特許文献１の波形フィン構造体における排気ガスと冷却媒体との間における伝熱の促進を図ることが可能であるが、波形フィン構造体において切り起こし部を形成する場合、波形フィン構造体の製造工程が複雑になり、この結果として製造コストが高くなるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、製造がより簡単な波型伝熱フィンの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、波型伝熱フィンに係る第１の解決手段として、第１方向に所定寸法を有し、波形の流通面によって前記第１方向に直交する第２方向に沿って所定周期のうねりが形成され、前記流通面を流体が流通する波型伝熱フィンであって、前記流通面に段部が設けられ、前記段部は、前記第１方向における前記流通面の一端から他端に亘って設けられている、という手段を採用する。

本発明では、波型伝熱フィンに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、内部に冷媒流路が形成されたヒートシンク内において、前記冷媒流路に設けられる、という手段を採用する。

本発明では、波型伝熱フィンに係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記うねりは、向きが異なる直線部を交互に接続した形状に形成され、前記段部は、前記第２方向において前記直線部に複数設けられている、という手段を採用する。

本発明によれば、製造がより簡単な波型伝熱フィンを提供することができる。

本発明の一実施形態におけるヒートシンクＡの分解構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）の形状を示す構成を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係るコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）の形状を示す拡大正面図（ａ）及び拡大側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態の変形例に係る波型伝熱フィン３Ａ、３Ｂの形状を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に、図１を参照して本実施形態におけるヒートシンクＡの構造を説明する。なお、この図１では、方向を明確化するために、互いに直行する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）を付記している。これら３軸に沿った各方向うち、Ｚ軸に平行な方向は、本発明の第１方向に相当し、またＹ軸に平行な方向は本発明の第２方向に相当する。

このヒートシンクＡは、電動車両に搭載されると共に複数の半導体スイッチングトランジスタを備えるＰＣＵ（Power Control Unit）の構成部品である。また、このヒートシンクＡは、電力をスイッチングする関係で発熱する複数の半導体スイッチングトランジスタの熱を放熱させる機械部品である。

なお、ＰＣＵは、周知のように電動車両に備えられた走行用モータを駆動する電力変換器（昇降圧コンバータやインバータ等）であり、リチウムイオン電池等の高圧電源から給電された直流電力を複数の半導体スイッチングトランジスタを用いて交流電力に変換して走行用モータに出力する。

本実施形態におけるヒートシンクＡは、このようなＰＣＵにおける複数の半導体スイッチングトランジスタ（半導体チップ）が発生させる熱を外部に放熱させるためのものであり、図１に示すようにアッパーカバー１、ロアーカバー２、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）、ステー４、第１接続部材５Ａ及び第２接続部材５Ｂを備えている。

アッパーカバー１、ロアーカバー２、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ及びステー４のうち、アッパーカバー１及びロアーカバー２は、ヒートシンクＡの筐体を構成する機械部品である。この筐体は、後述するように略長方形状の流体流通路Ｒを内包している。

すなわち、アッパーカバー１は、略長方形状の平板状部材であり、上面が上記半導体チップが熱結合した状態で接合される平板なチップ接合面１ａである。また、このアッパーカバー１は、下面つまりチップ接合面１ａの裏面がロアーカバー２が接合される平板なカバー接合面１ｂである。

また、アッパーカバー１には、図示するように合計で８個のネジ穴１ｃ～１ｊが設けられている。これら８個のネジ穴１ｃ～１ｊのうち、４個のネジ穴１ｃ～１ｆは、アッパーカバー１の外周近傍部位に離散的に配置されている。これら４個のネジ穴１ｃ～１ｆは、ヒートシンクＡをＰＣＵ本体に固定するためのものであり、各々に固定用ネジ（図示略）が挿通される。

残りの４個のネジ穴１ｇ～１ｊのうち、２個のネジ穴１ｇ、１ｈは、アッパーカバー１が有する一対の短辺のうち、一方の短辺の近傍部位に対として配置されている。これら２個のネジ穴１ｇ、１ｈは、第１接続部材５Ａを固定するためのものであり、各々に固定用ネジ（図示略）が挿通される。

さらに、残りの２個のネジ穴１ｉ、１ｊは、アッパーカバー１における他方の短辺の近傍部位に対として配置されている。これら２個のネジ穴１ｉ、１ｊは、第２接続部材５Ｂを固定するためのものであり、各々に固定用ネジ（図示略）が挿通される。

ロアーカバー２は、周縁部がＺ軸方向に所定寸法だけ立ち上がった略長方形状の平板状部材であり、上記周縁部つまり立上り部の先端がアッパーカバー１のカバー接合面１ｂに当接した状態で接合される。このようなアッパーカバー１及びロアーカバー２によって構成されるヒートシンクＡの筐体は、内部に略長方形状の空洞（冷媒流路Ｒ）が形成された中空状の筐体である。

すなわち、ロアーカバー２は、上面が冷媒流路Ｒの底面を構成する流路形成面２ａであり、下面が固定面２ｂである。なお、上述したアッパーカバー１のカバー接合面１ｂのうち、ロアーカバー２の立上り部によって囲われる領域は、ロアーカバー２の流路形成面２ａと第１方向において対峙した状態で冷媒流路Ｒの天面を構成する流路形成面である。

このようなアッパーカバー１及びロアーカバー２によって形成される冷媒流路Ｒは、短辺方向がＸ軸に平行な方向、長辺方向がＸ軸に平行な方向、また高さ方向がＺ軸に平行な方向となる。また、このような流体流通路Ｒは、短辺寸法、長辺寸法及び高さ寸法によって決定される容積を備える。

また、ロアーカバー２には、流体流入口２ｃと流体流出口２ｄとが設けられている。これら流体流入口２ｃは、略長方形状のロアーカバー２において一方の短辺近傍に設けられており、液体冷媒が上記冷媒流路Ｒに向かって流入する開口である。流体流出口２ｄは、略長方形状のロアーカバー２において他方の短辺近傍に設けられており、液体冷媒が上記冷媒流路Ｒから流出する開口である。

すなわち、本実施形態におけるヒートシンクＡでは、液体冷媒は、流体流入口２ｃから冷媒流路Ｒに進入し、冷媒流路Ｒを流体流入口２ｃから最も離間した位置に設けられた流体流出口２ｄに向かって流通し、また流体流入口２ｃから外部に流出する。このような液体冷媒は、冷媒流路Ｒを流通する間に複数の半導体チップの熱によって加熱される。

２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、図示するように所定高さを有する長方形の部材であり、何れも同一形状に形成されている。これらコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、互いに隣り合うように冷媒流路Ｒ内に収納されている。すなわち、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、図１における上面がアッパーカバー１の流路形成面にロウ付け等によって固定されている。

ここで、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂにおいて、高さ方向（Ｚ軸方向）は本発明の第１方向に相当し、長辺方向（Ｙ軸方向）は本発明の第２方向に相当する。すなわち、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、自身の長辺が同様に長方形状に形成された流体流通路Ｒの長辺方向（Ｙ軸方向）と平行になるように、かつ、冷媒流路Ｒの短辺方向（Ｘ軸方向）に隣り合うような姿勢で流体流通路Ｒ内に収納されている。

続いて、図２を参照してコルゲートフィン３Ａ、３Ｂの詳細形状を説明する。これら２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、板金（母材）をプレス加工することによって波形（波板状）に成形されたプレス成型品であり、平行に並ぶ複数の波部３ａの連続体である。複数の波部３ａは、ロアーカバー２の流路形成面２ａからアッパーカバー１側に所定の寸法Ｄかつ所定の間隔Ｅで突出する部位である。すなわち、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、高さ方向であるＺ軸方向（第１方向）に所定寸法Ｄを有している。

また、複数の波部３ａは、図示するように、高さ方向（Ｚ軸方向、第１方向）に直交する長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）に沿って所定周期Ｔでうねっている。すなわち、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、波形の波部３ａによって高さ方向（Ｚ軸方向、第１方向）に直交する長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）に沿って所定周期Ｔのうねりが形成されている。

上記うねりは、図示するように、向きが異なる直線部３ｂを交互に接続したような形状に形成されている。すなわち、このうねりは、長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）に延在する波部３ａを短辺方向（Ｘ軸方向）に屈曲させた形状、換言すると屈曲方向が長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）に対して逆方向となる直線部３ｂを長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）において交互に接続したような形状を有している。

また、上記うねりは、全ての波部３ａについて長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）に同一位相となるように設けられている。すなわち、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂでは、互いに隣り合う波部３ａの間隔は、長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）の何れの箇所においても略一定に保たれている。

また、複数の波部３ａは、配列方向がコルゲートフィン３Ａ、３Ｂの短辺方向（Ｘ軸方向）であり、延在方向がコルゲートフィン３Ａ、３Ｂの長辺方向（Ｙ軸方向）である。このような複数の波部３ａは、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂが冷媒流路Ｒ内に収納された状態において、頂部３ｃがアッパーカバー１の流路形成面にロウ付け固定され、底部３ｄがロアーカバー２の流路形成面２ａに当接している。

また、このような複数の波部３ａにおいて、一端はロアーカバー２の流体流入口２ｃに臨む冷媒流入端３ｅであり、他端はロアーカバー２の流体流出口２ｄに臨む冷媒流出端３ｆである。すなわち、複数の波部３ａにおいて、一端（冷媒流入端３ｅ）は流体流入口２ｃの近傍に位置し、他端（冷媒流出端３ｆ）は流体流出口２ｄの近傍に位置している。

このようなヒートシンクＡでは、流体流入口２ｃから冷媒流路Ｒに流入した液体冷媒は、冷媒流入端３ｅから複数の波部３ａに進入し、複数の波部３ａの表面つまり第１流通面３ｇと裏面つまり第２流通面３ｈを流通して冷媒流出端３ｆを経由して流体流出口２ｄに至る。

すなわち、上述した冷媒流路Ｒは、第１流通面３ｇとアッパーカバー１の流路形成面とによって囲まれた第１冷媒流路Ｒ１と第２流通面３ｈとロアーカバー２の流路形成面２ａとによって囲まれた第２冷媒流路Ｒ２とからなる。

ここで、図３は、隣り合う２つの直線部３ｂの側面図（ａ）及び当該側面図におけるＣ-Ｃ線矢視図（ｂ）である。この図３に示すように、直線部３ｂの両側には段部３ｉが形成されている。この段部３ｉは、図３に示すように、隅部３ｊと角部３ｋとを有し、当該隅部３ｊと角部３ｋとの距離に相当する所定の段差（深さ）を有する。また、１つの波部３ａに着目すると、段部３ｉは、長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）にオフセットした状態で両側に形成されている。

さらに、１つの段部３ｉに着目すると、当該段部３ｉは、波部３ａの高さ方向（Ｚ軸方向、第１方向）の全領域、つまり高さ方向（Ｚ軸方向、第１方向）における第１流通面３ｇの一端から他端に亘って設けられている。また、隅部３ｊ及び角部３ｋは略９０°の角度を有し、隅部３ｊと角部３ｋとを接続する面（接続面３ｍ）は平面である。

上述した直線部３ｂに着目すると、このような段部３ｉは、１つの直線部３ｂの両側に各々１つ設けられている。このような複数の段部３ｉは、第１流通面３ｇを冷媒流入端３ｅから冷媒流出端３ｆに向かって流れる液体冷媒に対して剥離現象を生じさせる剥離部である。複数の段部３ｉは、上記剥離現象に基づいて液体冷媒を撹拌することにより、第１冷媒流路Ｒ１において液体冷媒を層流として流通させるのではなく、乱流として流通させる。

ところで、図１に示したステー４は、上記筐体をＰＣＵ本体に固定するための板状部材であり、合計４ヶ所にネジ穴４ａ～４ｄが設けられている。このステー４は、上面がロアーカバー２の固定面２ｂ（下面）に接合されている。また、このステー４は、自身の各ネジ穴４ａ～４ｄとアッパーカバー１における４個のネジ穴１ｃ～１ｆ共通に挿入された固定用ネジ（図示略）によってＰＣＵ本体に固定される。すなわち、アッパーカバー１及びステー４は、固定用ネジによって共締めされた状態でＰＣＵ本体に固定される。

第１接続部材５Ａは、中央部に開口５ａが設けられると共に周縁部の２ヶ所に開口５ａを挟むようにネジ穴５ｂ、５ｃが各々設けられた略円板状部材である。この第１接続部材５Ａは、ヒートシンクＡに液体冷媒を供給する外部配管をロアーカバー２の流体流入口２ｃに接続するための接続具である。

第２接続部材５Ｂは、中央部に開口５ｄが設けられると共に周縁部の２ヶ所に開口５ｄを挟むようにネジ穴５ｅ、５ｆが各々設けられた略円板状部材である。この第２接続部材５Ｂは、液体冷媒をヒートシンクＡから外部に排出する外部配管をロアーカバー２の流体流出口２ｄに接続するための接続具である。

次に、このように構成されたヒートシンクＡの作用効果、特に本実施形態に係るコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）の作用効果について詳しく説明する。

上述したように本実施形態におけるヒートシンクＡでは、アッパーカバー１のチップ接合面１ａに複数の半導体チップ（発熱備品）が熱結合した状態で接合されている。すなわち、ヒートシンクＡのアッパーカバー１には、複数の半導体チップで発生した熱が伝熱される。そして、ヒートシンクＡの冷媒流路Ｒに収納された２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂには、上記半導体チップの熱が伝熱される。

そして、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂに伝熱した半導体チップの熱は、冷媒流路Ｒを流通する液体冷媒に伝熱して当該液体冷媒を加熱させる。液体冷媒は、ロアーカバー２の流体流入口２ｃから流体流出口２ｄに向かって流通しているので、つまり冷媒流路Ｒ内を流通しているので、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂに伝熱した半導体チップの熱は液体冷媒に順次伝熱し半導体チップの温度上昇を抑制する。

ここで、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂには、複数の段部３ｉが設けられているので、複数の段部３ｉが設けられていない場合に比較して伝熱性能が向上している。すなわち、本実施形態に係るコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、複数の段部３ｉが設けられていないものに比べて伝熱性能に優れている。

このような２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂは、板金（母材）をプレス加工することによって複数の段部３ｉを備えるように成形されたものであり、複数の段部３ｉの形成が極めて容易である。すなわち、本実施形態によれば、製造がより簡単なコルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）を提供することが可能である。

また、本実施形態によれば、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂ（波型伝熱フィン）の製造が簡単なので、コルゲートフィン３Ａ、３Ｂの製造コストを低下させることが可能であり、よってヒートシンクＡの製造コストをも低下させることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、１つの直線部３ｂの両側に各々１つの段部３ｉを設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば図３に示すように１つの直線部３ｂの両側に各々２つの段部３ｉを設けてもよい。さらには、１つの直線部３ｂの両側に各々３つ以上の段部３ｉを設けてもよい。すなわち、上記段部３ｉは、長辺方向（Ｙ軸方向、第２方向）において１つの直線部３ｂに複数設けてもよい。

（２）上記実施形態では、直線部３ｂの両側に段部３ｉを設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、直線部３ｂの片側に段部３ｉを設けてもよい。なお、各直線部３ｂの片側に段部３ｉを設ける場合には、Ｘ軸方向に隣り合う波部３ａによって形成される一対の対向面の何れか一方に段部３ｉが存在するように設けることが好ましい。

（３）上記実施形態では、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂを冷媒流路Ｒ内に収納したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つのコルゲートフィン３Ａ、３Ｂを一体化させたもの、つまり１つのコルゲートフィンを冷媒流路Ｒ内に収納してもよい。

Ａ ヒートシンク
Ｒ１ 第１冷媒流路
Ｒ２ 第２冷媒流路
１ アッパーカバー
１ａ チップ接合面
１ｂ カバー接合面
１ｃ～１ｆ ネジ穴
２ ロアーカバー
２ａ 流路形成面
２ｂ 固定面
２ｃ 流体流入口
２ｄ 流体流出口
３Ａ、３Ｂ コルゲートフィン（波型伝熱フィン）
３ａ 波部
３ｂ 直線部
３ｃ 頂部
３ｄ 底部
３ｅ 冷媒流入端
３ｆ 冷媒流出端
３ｇ 第１流通面
３ｈ 第２流通面
３ｉ 段部
３ｊ 隅部
３ｋ 角部
３ｍ 接続面
４ ステー
４ａ～４ｄ ネジ穴
５Ａ 第１接続部材
５Ｂ 第２接続部材
５ａ、５ｂ 開口
５ｃ～５ｆ ネジ穴

Claims (3)

1. 第１方向に所定寸法を有し、波形の流通面によって前記第１方向に直交する第２方向に沿って向きが異なる直線部を交互に接続したような所定周期のうねりが形成され、前記流通面を流体が流通する波型伝熱フィンであって、
   前記直線部には、前記第２方向における同一位置の両側に各々外方に突出する段部が設けられ、
   前記段部は、前記第１方向における前記流通面の一端から他端に亘って設けられていることを特徴とする波型伝熱フィン。
2. 内部に冷媒流路が形成されたヒートシンク内において、前記冷媒流路に設けられることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の波型伝熱フィン。
3. 前記うねりは、向きが異なる直線部を交互に接続した形状に形成され、
   前記段部は、前記第２方向において前記直線部に複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波型伝熱フィン。

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