JP2010103235A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の流路の水密性を良好に得ることができる熱交換器の製造方法を提供すること。
【解決手段】内部に流路部が形成されたロワケース５と、流路部で熱交換を行う放熱フィン３を複数立設したアッパーケース４と、ロワケース５の上下に設けられ、中央に配置される流路部に連通する２つ以上の開口を備え、開口にアッパーケース４が液密に接合し、アッパーケース４は、押し出し又は引き抜きし、流路部を除外した部分を切除して放熱フィン３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に直交流の変換を行うインバーターの冷却に用いられる熱交換器の技術分野に属する。

従来では、アルミダイキャスト等の鋳造工程により製造したケース体の設置面に溝として設けられた冷却水通路の内壁から突出させてフィンを設け、この冷却水通路を部材で閉塞し、冷却水を冷却水通路に流すことにより車両駆動用モータのインバーターの冷却を行っている（例えば、特許文献１。）。
特開２００７−２０２３０９号公報（第２−１１頁、全図）

従来にあっては、冷却水を流すための流路の形成のために２枚合わせの構造を取っている。部材として軽量で生産性に優れたアルミダイキャストを用い、溶接により接合しようとすると、高温で割れが生じる、ダイキャスト時に発生するブローホールが溶接時に膨張、破裂する等の問題があり溶接に不適で、水密性の悪化を招くものであった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、冷却水の流路の水密性を良好に得ることができる熱交換器の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、内部に流路が形成された本体と、前記流路で熱交換を行う熱交換フィンを複数立設した基板と、前記本体に設けられ、前記流路に連通する２つ以上の開口と、を備え、前記開口に前記基板が液密に接合されていることを特徴とする。

よって、本発明にあっては、冷却水の流路の水密性を良好に得ることができる。

以下、本発明の熱交換器の製造方法及び熱交換器を実現する実施の形態を、請求項１〜３に係る発明に対応する実施例１と、請求項１〜４に係る発明に対応する実施例２と、請求項１〜３，５に対応する実施例３と、請求項１〜６に対応する実施例４とに基づいて説明する。

まず、熱交換器の構成を説明する。
図１は実施例１の熱交換器にパワーモジュールを取り付けてインバーターで用いる状態の概略を示す説明断面図である。図２は実施例１の熱交換器にパワーモジュールを取り付けてインバーターで用いる状態の概略を示す説明分解図である。
実施例１では、車両の駆動に用いるインバーターにおいて、電源供給を行うパワーモジュール１を熱交換器２により冷却する。パワーモジュール１と熱交換器２との組付け構造については後述する。

まず熱交換器の各部の詳細構造について説明する。
図３は実施例１の熱交換器の一部の平面図である。図４は実施例１の熱交換器の一部の正面図である。図５は図１のＡ−Ａ断面図である。
熱交換器２は、放熱フィン３（熱交換フィン）、アッパーケース４、ロワケース５を主要な構成とし、図３〜図５に示す流路２１に冷却水を流すことにより冷却を行うものである。なお、以下の熱交換器２の詳細説明においては、説明上、パワーモジュール１に対応して２対に設ける構造のうち、一方のみを説明し、同様の構造であるため他方の説明を省略する。

図６は実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの一部の平面図である。図７は実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの一部の正面図である。
放熱フィン３は、アッパーケース４の下面から下方に突出した矩形の舌片である。図３、図４に示すように同じ方向を長手方向として、所定の間隔で複数配置されたものである。実施例１ではアッパーケース４から押し出し工法により形成されたものとする。
実施例１において、放熱フィン３、アッパーケース４はアルミを材質とするものとする。放熱フィン３は、アッパーケース４と一体にアルミで形成されるため高い伝熱性を有し、熱交換する表面積を広くすることにより熱交換を促進する。

アッパーケース４は、矩形板状のアルミ部材であり、２体設けられる。そして一方のアッパーケース４の下面、及び他方のアッパーケース４の上面には、それぞれ放熱フィン３が複数配列して設けられる。そして、放熱フィン３が設けられている範囲が、冷却水の流路２１の上壁及び下壁となる。
放熱フィン３、アッパーケース４についてさらに説明する。
図８は実施例１の放熱フィンがアッパーケースに押し出し工法で設けられた一部の状態を示す説明平面図である。図９は実施例１の放熱フィンがアッパーケースに押し出し工法で設けられた一部の状態を示す説明正面図である。

アッパーケース４に放熱フィン３を設ける場合には、図８、図９に示すように、アッパーケース４の下面全体に放熱フィン３が同じ長手方向で所定の間隔となるように設ける。このように均一に放熱フィン３を設けることにより、偏って押し出し形状を複雑にすることなく、流路２１の変更機種への対応高く、放熱フィン３が設けられる。
そして、図８、図９に示す１面に設けた放熱フィン３の不要部分を切除することにより、つまり流路２１の部分以外を切除することにより図６、図７に示す放熱フィン３が形成される。

図１０は実施例１の熱交換器のロワケースの一部の平面図である。
ロワケース５は、矩形板状の広い上下面を基準面５１とし、上下の基準面５１から内部側へ矩形に凹んだ部分を嵌合部５６として設ける。そして、この上下の嵌合部５６の一部を上下に貫通させるようにして流路部５２が形成されている。
言い換えると、嵌合部５６及び流路部５２が開口７として上下に配置された形状である。
流路部５２は、長手方向に伸びる直進部５２１と、曲がり部５２２からなり、蛇行する流れとなる形状である。
ここで、実施例１の放熱フィン３は、流路部５２の直進部５２１に収容される部分のみに設けるものとし、曲がり部５２２に収容される部分は切除される。

さらにロワケース５には、図１０において正面側となる側面から内部の流路部５２の始端部及び終端部と連通する連通路５３，５４を設けるようにし、冷却水の取り入れ口、排出口とする。
また、流路部５２を蛇行させるよう流路を仕切るロワケース５の部分は、図１０に示すように、直線状に設けるのみでなく、直線を途中で斜めにし、次の直線に移る言わばオフセットするように設けて、冷却水の流量や流速を変更する部分を設けるようにすればよい。
なお、実施例１において、熱交換器２は２組の冷却構造を有するので、流路２１を連結して２組で一つの連通路５３，５４を備える構造にしてもよい。

次に、アッパーケース４とロワケース５の組付構造、及びパワーモジュール１の取付構造について説明する。
実施例１では、パワーモジュール１は図１に示すように左右に２対のものである。そのため、熱交換器２はこれに対応して内部の冷却部を左右に２対で内蔵する構造にしている。そして、熱交換器２の上下面にパワーモジュール１を取り付ける構造である。
熱交換器２は、ロワケース５の流路部５２の開口端となる上端部及び下端部に、基準面５１から矩形に凹んだ部分を嵌合部５６として設け、これを開口７として、そこに２体のアッパーケース４の矩形板状部分を上下から嵌合させるようにし、流路２１を形成しない重なり部分で摩擦攪拌接合を行うように、摩擦攪拌接合部２２を上下面に設けるようにする。

この嵌合では、上下に配置されるうち、上方のアッパーケース４の下面及び下方のアッパーケース４の上面に突出するように設けられている放熱フィン３が、ロワケース５の流路部５２内に収容されるようにする。そして、上側のアッパーケース４の上面とロワケース５の上面である基準面５１、及び下側のアッパーケース４の下面とロワケース５の下面である基準面５１が上下にパワーモジュール１を取り付ける面を構成する。
そして、摩擦攪拌接合工法により、水密性のある流路２１を形成するように、アッパーケース４とロワケース５を接合する。
摩擦攪拌接合は、例えば特開２００２−２１０５７０公報に示すように、２つの被接合部材の合わせ部分にピンを回転させながら移動することにより、摩擦熱により母材を攪拌させる接合方法である。これにより溶かし込み材や余肉を有することなく接合を行える。図１には摩擦攪拌接合箇所を摩擦攪拌接合部２２として示す。

このようにして、内部に放熱フィン３を備えた流路２１を形成した熱交換器２の上側のアッパーケース４の上面に、パワーモジュール１を載せるように配置する。
また、この熱交換器２の下側のアッパーケース４の下面に、パワーモジュールを同様に広い面で接触させるように配置する。
パワーモジュール１には締結用孔１１を設けておくようにし、アッパーケース４の締結用孔１１と重なる位置には貫通孔４１を設けておくようにし、ロワケース５の締結用孔１１と重なる位置にはねじ孔５５を設けておくようにする。

そして、ボルト６を締結用孔１１と貫通孔４１に貫通させ、ねじ孔５５に締結するようにして、パワーモジュール１を熱交換器２に取り付ける。すると、上側のパワーモジュール１の底面が上側のアッパーケース４の上面に面接した状態となる。また、下側のパワーモジュールの上面が下側のアッパーケース４の下面に面接した状態となる。
これにより熱交換器２でパワーモジュール１の広い面を冷却する構造となる。

作用を説明する。
[パワーモジュールの冷却作用]
実施例１の熱交換器２では、連通路５３に冷却水を注入し，連通路５４から冷却水を排水させる。この冷却水は、例えばインバーターが車両の駆動に用いられるものとすれば、空調システムや駆動用モータ冷却システム、あるいは別個に設けられる冷却システムから冷却水を得るようにし、供給される冷却水が冷却に有効な状態になるよう循環されるものとする。実施例１では冷却水として説明するが、冷媒であればよい。

冷却水は連通路５３から流路２１のロワケース５の直進部５２１の部分を直進する。この直進部５２１の部分では、放熱フィン３により表面積広く熱交換が行われ、熱交換が促進される。また、この直進部５２１の部分では、放熱フィン３により複数の小流路が並列し、互いの小流路同士はあまり流通しない状態となる。
そして、流路２１のロワケース５の曲がり部５２２の部分では、放熱フィン３が設けられていない部分であるので、曲がり部５２２の形状によりほぼ１８０°、流れの向きが変わる。そして、次の直進部５２１の部分へと流れる。このようにして、冷却水は蛇行して流れ、多くの水量が流れつつ流路２１内にあることにより、そして放熱フィン３により広い面積と接触することにより効率よく冷却が行われる。

また、冷却の際には、上下に設けられたアッパーケース４の外側の面に冷却対象物であるパワーモジュール１が面接していることになる。そのため、放熱フィン３の冷却は同じ部材の熱伝達によりアッパーケース４の上面で行われることになり、非常に効率がよい。
また、放熱フィン３をアッパーケース４からの押し出し成形とすることより、アッパーケース４はアルミ鋳物品より材質特性上、熱伝導率が向上し、放熱フィン３の形状を単純化しても放熱性能を維持でき、通水抵抗の低減を図る放熱フィン３の形状にすることができる。
さらに、放熱フィン３をアッパーケース４からの押し出し成形とすることより、アルミ鋳物品とするよりもファイン形状化、つまり、薄肉、低ピッチにすることが可能になる。そのため、フィン形状を単純化しても放熱性能を維持することができ、通水抵抗も低減される。

[不具合なく水密性の良好な接合を得る作用]
実施例１の熱交換器では、アッパーケース４とロワケース５の接合を、摩擦攪拌接合により行う。そのため、アッパーケース４とロワケース５の一方、または両方をアルミダイキャスト製としても、溶接時の高温割れや、ブローホールの溶接時の膨れ（膨張・破裂）等を生じることがなく、良好な水密性を得ることができる。
摩擦攪拌接合は、接合とともにシールも可能であることから、パッキン、Ｏリング、液状ガスケット等のシール材や取り付け用ネジ等を省くことが可能となり、部品点数削減と組み付け加工工数低減を得ることになる。
また、摩擦攪拌接合は、接合時の発生温度を低く抑えることができ、且つ加工温度に曝される部位を少なくすることができるために熱歪みが少なく、アッパーケース４及びロワケース５の歪みを無視できるレベルにすることが可能となる。

[レイアウト性の向上作用]
実施例１の熱交換器２では、熱交換器２が全体で厚みのある板形状で、その広い上下面に、冷却対象物であるパワーモジュール１を面で接触させて取り付ける。
これにより、複数のパワーモジュール１を上下の投影面積を大きくすることなく配置できることになる。そのため、上下の投影面積に限りのあるものに搭載させる場合など、レイアウト性を向上させ、且つ冷却を充分に行うことができる。
また、実施例１のように上下面にパワーモジュール１を搭載し、冷却すると、流路２１が共通のため、冷却水がよく混合し、冷却水の温度の偏りは１面で冷却を行う場合に加えて少なくなる。そのため、より均一に冷却を行える。

次に、効果を説明する。
実施例１の熱交換器にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
(1)内部に流路部５２が形成されたロワケース５と、流路部５２で熱交換を行う放熱フィン３を複数立設したアッパーケース４と、ロワケース５に設けられ、流路部５２に連通する２つ以上の開口７を備え、開口７にアッパーケース４が液密に接合されているため、放熱フィン３を設けたアッパーケース４を冷却面とし、冷却効果を高く維持しつつ溶接以外により接合できる接合部分を形成でき、水密性を良好に得ることができ、投影面積を小さく複数のパワーモジュール１を冷却しレイアウト性を向上させることができる。

(2)上記(1)において、放熱フィン３は、アッパーケース４を押し出し又は引き抜きし、流路部５２を除外した部分を切除し、残存する放熱フィン３が流路部５２の内部に配置されるように、アッパーケース４と一体に設けられるため、コストを抑制し、生産性を向上させて、放熱フィン３を設けたアッパーケース４を冷却面とすることができる。

(3)上記(1)又は(2)において、開口７は、流路部５２を挟むよう対向して設けられるため、流路を共通して、さらにレイアウト性を向上でき、より均一に冷却を行うことができる。

実施例２は、放熱フィンのフィン高さを異なるものにした例である。
まず構成を説明する。
図１１は実施例２の熱交換器の概略構造を示す説明図である。
実施例２では、図１１に示すように、熱交換器２の上面に取り付けるパワーモジュール１は左右にそれぞれ取り付ける個別のものとし、熱交換器２の下面に取り付けるパワーモジュール１は左右の左側にのみ取り付けるものとする。

熱交換器２は、左右に冷却部を内蔵する構造であり、左側の構造は、下側のアッパーケース４３を１つの冷却構造に応じた大きさとしたこと以外、実施例１と同様であるので説明を省略する。
右側の冷却構造は、ロワケース５の凹んだ嵌合部５６からさらに凹んだ形状で流路部５７を設けるようにする。詳細な流路形状は流路部５２と同様である。
この流路部５７の深さは、左側に放熱フィン３を対向させて形成する流路２１の深さと同程度にする。
そして、右側の冷却構造では、放熱フィン３１の高さを流路部５７に対応して、左側の放熱フィン３の上下を合わせた高さと同程度の高いものにする。そして、その放熱フィン３を下面に設けたアッパーケース４２をロワケース５の嵌合部５６へ組み付け、摩擦攪拌接合する。
つまり、言い換えて説明すると、実施例２では、ロワケース５の上面には左右に開口７を設け、下面には左側のみ対向させて開口７を設け、アッパーケース４２の下面左側の放熱フィン３と右側の放熱フィン３１でフィン高さを異なるものとする。
その他構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。

作用を説明する。
[放熱量に対応した冷却作用]
実施例２の熱交換器では、例えば、発熱量の異なるパワーモジュール１を冷却する必要ある場合に有利である。熱交換器２の上下にアッパーケース４及び放熱フィン３を設けられている左側には、比較的発熱量の小さいパワーモジュール１を上下面に取り付ける。そして、流路の深さを深く、フィン高さの高い放熱フィン３を設けている右側には、比較的発熱量の大きいパワーモジュール１を取り付けるようにする。

右側の流路２１では、左側の流路２１と同程度の量の冷却水が流れるので、これを、フィン高さを高くした放熱フィン３１で性能高く熱交換を行い、より強くアッパーケース４２の冷却を行う。これにより比較的発熱量の大きいパワーモジュール１を比較的発熱量の小さいパワーモジュール１と同じ熱交換器２に取り付けて、レイアウト性を向上させつつ、比較的発熱量の大きいパワーモジュール１を充分に冷却する。

効果を説明する。実施例２の熱交換器にあっては、上記(1)〜(3)に加えて、以下の効果を有する。
(4)上記(1)〜(3)において、放熱フィン３と放熱フィン３１は、複数の開口７ごとにフィン高さを異なるものにしたため、発熱量の大きなパワーモジュール１を同じ熱交換器２に取り付けて、レイアウト性を向上できつつ、充分に冷却することができる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので説明を省略する。

実施例３は、上下の放熱フィンを交互に配置した例である。
まず構成を説明する。
図１２は実施例２の熱交換器の概略構造を示す説明図である。
実施例３では、上下に対向して配置されるアッパーケース４４に設けられる放熱フィン３２を、対向するアッパーケース４４近くまで伸長した長さにする。そして、その配置を図１２に示すよう交互にする。
言い換えると、放熱フィン３２を流路部５２の深さに近いフィン高さとし、上下で互い違いに組合せる構造である。
なお、ロワケース５には、左右上下に対向させて開口７が設けられる。
その他構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。

作用を説明する。
[より均一な冷却を行う作用]
実施例３では、熱交換器２が上下に対向配置したアッパーケース４４で、放熱フィン３２を配置する流路部５２を共通とする。そして、さらに放熱フィン３２がフィン高さを重ねるように交互に配置する。
そのため、流路部５２の内部を上下に分けることなく、比較的上部であっても、上側のアッパーケース４４を冷却する放熱フィン３２と、下側のアッパーケース４４を冷却する放熱フィン３２が存在することになる。流路部５２の比較的下部も同様である。
そのため、上下方向での冷却水の温度の偏りが、より無くなり、全体的により均一な冷却が行われる。

効果を説明する。実施例３の熱交換器にあっては、上記(1),(2),(3)に加えて以下の効果を有する。

(5)上記(3)において、対向して設けられた放熱フィン３２は、流路で互いが重なるフィン高さとし、略交互に配置したため、対向するアッパーケース４４の間の流路部５２で上下の放熱フィン３２の両方が熱交換する部分がほとんどとなり、より均一な冷却を行うことができる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので説明を省略する。

実施例４は、全体をＬ字状に折曲した構造にした例である。
まず構造を説明する。
図１３は実施例４の熱交換器の概略構造を示す説明図である。
実施例４では、ロワケース５８を断面がＬ字状となるように中間で折曲させた形状とする。そして、Ｌ字状の外側で、折曲部分の両側の面をそれぞれ基準面５１とする。そして、それぞれの基準面５１から内部側へ矩形に凹んだ部分を嵌合部６０として設ける。実施例４では、この嵌合部６０は、実施例１のように２対でなく、一つの冷却構造に対応した大きさで設ける。

そして、このそれぞれの嵌合部６０からさらに、凹んだ部分を設けるようにして流路部５９が形成されている。流路部５９の詳細な形状は、実施例１の流路部５２と同様である。そして、流路部５９の深さ、ロワケース５８の厚さは、外側にのみ取り付けるアッパーケース４の放熱フィン３に対応したものとする。実施例１に比較しておよそ半分の厚さである。
つまり、Ｌ字状の折曲部の両側に開口７を設けた構造である。
なお、ロワケース５８のＬ字状の内側となる面は広い平面にする。
アッパーケース４５は、２つの嵌合部５６にそれぞれ取り付けるよう２体設けるようにし、流路部５９に配置されるよう放熱フィン３を設ける。

その他構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
作用を説明する。
[搭載性を向上させる作用]
実施例４の熱交換器２では、Ｌ字状の断面となるようにロワケース５８を折曲させた形状であるため、パワーモジュール１を取り付けた状態で、他の部材の角部分に搭載することが可能となる。
なお、ロワケース５８のＬ字状の内側が面接する角部分は適度に冷却されるため、適度な冷却が好ましい部材、位置に取り付けるようにすれば、より好ましい。
なお、実施例４では、熱交換器２をＬ字状にしたものを示したが、角度は搭載部材等に合わせて変えればよい。

効果を説明する。実施例４の熱交換器にあっては、上記(1)〜(5)に加えて、以下の効果を有する。

(6)上記(1)〜(5)において、ロワケース５８は、Ｌ字状に折曲した構造とし、折曲部分の両側に流路部５９を備えるため、搭載性をさらに向上させることができる。

以上、本発明の熱交換器の製造方法を実施例１〜実施例４に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

（他の実施例）
例えば熱交換器は、流路形状や放熱フィンの数、配置、形状（例えば波型や角Ｒ形状）が他のものであってもよい。
パワーモジュール及び熱交換器の冷却構造は、１組であっても、３組以上であってもよい。
例えば、対向した放熱フィンを略交互に配置する場合は、交互の配置を数個ずつあるいは、異なる個数ずつとしてもよい。
例えば、熱交換器は、冷却水の代わりに温水を流して、取り付けたものを温めてもよい。

実施例１の熱交換器にパワーモジュールを取り付けてインバーターで用いる状態の概略を示す説明断面図である。 実施例１の熱交換器にパワーモジュールを取り付けてインバーターで用いる状態の概略を示す説明分解図である。 実施例１の熱交換器の一部の平面図である。 実施例１の熱交換器の一部の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの一部の平面図である。 実施例１の放熱フィンが設けられたアッパーケースの一部の正面図である。 実施例１の放熱フィンがアッパーケースに押し出し工法で設けられた一部の状態を示す説明平面図である。 実施例１の放熱フィンがアッパーケースに押し出し工法で設けられた一部の状態を示す説明正面図である。 実施例１の熱交換器のロワケースの一部の平面図である。 実施例２の熱交換器の概略構造を示す説明図である。 実施例２の熱交換器の概略構造を示す説明図である。 実施例４の熱交換器の概略構造を示す説明図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
１１ 締結用孔
２ 熱交換器
２１ 流路
２２ 摩擦攪拌接合部
３ 放熱フィン
３１ 放熱フィン
３２ 放熱フィン
４ アッパーケース
４１ 貫通孔
４２〜４５ アッパーケース
５ ロワケース
５１ 基準面
５２ 流路部
５２１ 直進部
５２２ 曲がり部
５３ 連通路
５４ 連通路
５５ ねじ孔
５６ 嵌合部
５７ 流路部
５８ ロワケース
５９ 流路部
６０ 嵌合部
６ ボルト
７ 開口

Claims (6)

1. 内部に流路が形成された本体と、
   前記流路で熱交換を行う熱交換フィンを複数立設した基板と、
   前記本体に設けられ、前記流路に連通する２つ以上の開口と、
   を備え、
   前記開口に前記基板が液密に接合されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記熱交換フィンは、前記基板を押し出し又は引き抜きし、前記流路外となる部分を切除し、残存する前記熱交換フィンが前記流路内に配置されるように、前記基板と一体に設けられる、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、
   前記開口は、前記流路を挟むよう対向して設けられる、
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記熱交換フィンは、複数の開口ごとにフィン高さを異なるものにした、
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項３に記載の熱交換器において、
   対向して設けられた前記熱交換フィンは、前記流路で互いが重なるフィン高さとし、略交互に配置した、
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記本体は、Ｌ字状に折曲した構造とし、折曲部分の両側に前記流路を備える、
   ことを特徴とする熱交換器。

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