JP2014013848A

JP2014013848A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2014013848A
Application number: JP2012150995A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Okubo; 喜正大久保; Yukihiro Konishi; 幸弘小西
Original assignee: UACJ Corp; UACJ Extrusion Corp
Current assignee: UACJ Corp; UACJ Extrusion Corp
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】放熱性能及び生産性に優れたハウジング部を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】底板部２０と、底板部２０の一方の面に配設された複数の冷却管部３と、冷却管部３の両端において複数の流路を集合して１つの連絡口５２を形成する継ぎ手部５とを有する熱交換器１である。冷却管部３は底板部２０の反対側に設けられた開口部３０に配設されたヒートシンク部４を有する。ヒートシンク部４は、発熱体搭載面４００を有するベース部４０と、ベース部４０における発熱体搭載面４００と反対側の面から立設させた放熱フィン部４１とを備えており、放熱フィン部４１を冷却管部３の内部に挿入した状態でベース部４０と冷却管部３の開口部３０内周縁とが接合されている。底板部２０は冷却管部３の外周部よりも外方に延びる外周つば部２４を有している。底板部２０、冷却管部３及び継ぎ手部５よりなるハウジング部２はダイキャストにより一体的に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の発熱体を冷却するための熱交換器に関する。

現在広く使用されるようになってきたハイブリッド自動車や、次世代の環境対策自動車として注目される電気自動車には、駆動用モータを制御するための電子部品としてインバーターユニットが用いられている。インバーターユニットには、スイッチング機能を果たすＩＧＢＴが備えられている。ＩＧＢＴは、使用時に発熱するが、高温になれば本来の機能を発揮し得ないため、冷却を十分に行う必要がある。一方、高速スイッチング機能等のＩＧＢＴに求められる特性が年々高まり、これに伴って発熱量も増大してきており、ＩＧＢＴを冷却するシステムの機能向上がますます重要視されている。

ＩＧＢＴの冷却には、ヒートシンクを用いるのが効果的である。ヒートシンクは、熱伝導性のよい材料を用いて作製され、単位面積当たりの表面積を大きくすることにより、接触配置された発熱体からの熱を放熱する機能を有する。表面積を大きくする形態としては、フィンタイプ、コルゲートタイプなどの様々な形態がある。

また、放熱性能をさらに向上させるため、ヒートシンクのフィン部分を冷却液が流通する流路内に配置することによって、冷却液を媒体として効率よく放熱する液冷式の冷却システムが知られている。例えば、特許文献１、２には、冷却液の流通する流路と、冷却液の入口及び出口とがヒートシンクとしてのアッパーケースを受けるロワケースに形成された熱交換器が提案されている。これらの熱交換器は、ヒートシンクのフィン部分をロワケースの流路部分に配置した状態でアッパーケースとロワケースとを接合して構成されている。このようにして作製した熱交換器は、アッパーケースのフィン部と反対側の面にＩＧＢＴなどの発熱体を接触配置させることで、その冷却機能が発揮されることとなる。

また、車載用のＩＧＢＴを冷却するための熱交換器には、放熱性能のみならず、小型かつ軽量であることが求められている。このような要求に対応するため、アルミニウム材を採用した熱交換器がある。

特開２００９−１３５４７７号公報特開２０１０−６９５０３号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された熱交換器は、ロワケースに形成した流路を蛇行させて複数の放熱フィンを配置しているため、流路長が長くなっている。そのため、圧力損失が大きくなったり、流路の下流側の放熱性が上流側に比べて低下したりするおそれがある。その結果、放熱性能が低下するおそれがある。

本発明は上記の背景に鑑みてなされたものであって、放熱性能及び生産性に優れたハウジング部を有する熱交換器を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、平板状の底板部と、該底板部の一方の面に配設された複数の流路を形成する複数の冷却管部と、該複数の冷却管部の両端においてそれぞれ複数の上記流路を集合して１つの連絡口を形成する継ぎ手部とを有する熱交換器であって、
上記冷却管部は、上記底板部の反対側に設けられた開口部に配設されたヒートシンク部を有し、
該ヒートシンク部は、発熱体を搭載するための発熱体搭載面を有する板状のベース部と、該ベース部における上記発熱体搭載面と反対側の面から立設させた放熱フィン部とを備えているとともに、該放熱フィン部を上記冷却管部の内部に挿入した状態で上記ベース部と上記冷却管部の上記開口部内周縁とが接合されており、
上記底板部は、上記冷却管部の外周部よりも外方に延びる外周つば部を有しており、
上記底板部、上記冷却管部及び上記継ぎ手部よりなるハウジング部はダイキャストにより一体的に形成されていることを特徴とする熱交換器にある（請求項１）。

上記熱交換器は、上記複数の冷却管部を有するとともに、該複数の冷却管部の両端においてそれぞれ複数の上記流路を集合して１つの連絡口を形成する継ぎ手部を有している。これにより、上記流路を蛇行させる必要がなくなり、流路長を短縮することが容易となるため、上記熱交換器は圧力損失を低減しやすく、また、流路の上流側と下流側との間の放熱性の差が小さいものとなる。その結果、上記熱交換器は放熱性能に優れたものとなる。また、上記熱交換器は、上記流路の両端に配された一対の連絡口を冷却媒体の経路につなぐだけで、容易に複数の上記冷却管部を利用することができる。

また、上記底板部は平板状であるとともに、上記冷却管部の外周部よりも外方に延びる外周つば部を有している。これにより、上記熱交換器を各種機械、装置等に組み付ける際に、配置スペースの形状を単純化できるとともに、外周つば部を利用して上記熱交換器を固定することができる。これにより、上記熱交換器の組み付け性を向上させることができる。

また、上記冷却管部、上記底板部及び上記継ぎ手部よりなるハウジング部はダイキャストにより一体的に形成されている。そのため、外周つば部や継ぎ手部等を別途準備して接合する工程を設ける必要がなく、上記ハウジング部は生産性に優れたものとなる。

以上のごとく、上記態様によれば、放熱性能及び生産性に優れたハウジング部を有する熱交換器を提供することができる。

実施例における、熱交換器の斜視図。実施例における、熱交換器の部品展開図。実施例における、熱交換器のハウジング部の平面図。図３のＡ−Ａ線矢視断面図。図３のＢ−Ｂ線矢視断面図。

上記熱交換器において、上記冷却管部の上記開口部内周縁と上記ヒートシンク部のベース部との接合は、摩擦撹拌接合により行われていてもよい（請求項２）。
この場合には、上記ベース部と上記開口部内周縁との接合を、未接合部分のないように行うことが容易となる。そのため、上記ベース部と上記冷却管部との接合部分からの冷却媒体の漏出を防止することができる。また、上記ベース部と上記開口部内周縁との接合にろう材等の接合部材を使用する必要がなくなるため、部材コストを容易に低減することができる。なお、上記ベース部と上記冷却管部との接合には、溶接、接着剤による接合等、公知の接合方法を採用することもできる。

また、上記冷却管部は、２つが略平行に設けられており、その両端部においてそれぞれ２つの流路を１つの上記連絡口に集合させる上記継ぎ手部につながっており、該継ぎ手部は、２つの上記冷却管部から等間隔となる中央位置に配設されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記流路内に流通する冷却媒体が上記継ぎ手部により各々の流路に均等に分配されやすくなる。そのため、各々の上記流路における放熱性能を均等にしやすくなり、冷却設計が容易となる。

上記熱交換器の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。熱交換器１は、図２に示すごとく、平板状の底板部２０と、底板部２０の一方の面に配設された複数の流路を形成する複数の冷却管部３と、複数の冷却管部３の両端においてそれぞれ複数の流路を集合して１つの連絡口５２を形成する継ぎ手部５とを有している。冷却管部３は、図１及び図２に示すごとく、底板部２０の反対側に設けられた開口部３０に配設されたヒートシンク部４を有している。ヒートシンク部４は、図２に示すごとく、発熱体を搭載するための発熱体搭載面４００を有する板状のベース部４０と、ベース部４０における発熱体搭載面４００と反対側の面から立設させた放熱フィン部４１とを備えている。また、ヒートシンク部４は、図４に示すごとく、放熱フィン部４１を冷却管部３の内部に挿入した状態でベース部４０と冷却管部３の開口部３０内周縁とが接合されている。底板部２０は、図１及び図３に示すごとく、冷却管部３の外周部よりも外方に延びる外周つば部２４を有している。そして、底板部２０、冷却管部３及び継ぎ手部５よりなるハウジング部２はダイキャストにより一体的に形成されている。

底板部２０は、図３に示すごとく、その厚み方向から見て略長方形状を呈している。また、底板部２０の外周つば部２４には、厚み方向に貫通した複数のボルト挿通穴２４０が形成されている。これにより、熱交換器１はボルト挿通穴２４０に挿通したボルトを用いて各種機械、装置類へ締結可能に構成されている。なお、以下において、底板部２０の厚み方向を「高さ方向Ｚ」という。

底板部２０の一方の面には、図１に示すごとく、２本の冷却管部３が形成されている。冷却管部３は図４に示すごとく略角管状を呈しており、その壁面の１つが底板部２０により構成されている。また、２本の冷却管部３は、図３に示すごとく、長手方向を底板部２０の短辺側に向けるとともに、長手方向と直交する方向に間隔をあけて互いに平行に並んで配置されている。以下において、冷却管部３の長手方向を「長手方向Ｘ」といい、冷却管部３の並び方向を「幅方向Ｙ」という。

また、冷却管部３の両端部には、図３に示すごとく、継ぎ手部５がそれぞれ配されている。継ぎ手部５は、略円筒状の連絡口５２と、連絡口５２と２本の冷却管部３とを接続する分配管部５３とを有している。連絡口５２は、図３に示すごとく、底板部２０の端縁から長手方向Ｘの外方に向けて突出しており、その中心軸が幅方向Ｙにおける２本の冷却管部３の中央と略一致するように配されている。また、分配管部５３は、底板部２０の冷却管部３を有する側の面に形成されており、連絡口５２の冷却管部３側の端縁から２本の冷却管部３のそれぞれの端部に向けて分岐している。これにより、継ぎ手部５は、図３に示すごとく、２つの冷却管部３から等間隔となる中央位置２０１に配設されている。

また、２本の冷却管部３の間には、図４及び図５に示すごとく、２本の冷却管部３における互いに向かい合う外周面と、継ぎ手部５の外周面と、底板部２０とからなる凹部２１が形成されている。

また、各々の冷却管部３における底板部２０と反対側の壁面には、図２に示すごとく、略長方形状の開口部３０が形成されている。また、開口部３０内周縁には、図４に示すごとく、開口部３０側をその外側に比べて高さを低くした段部３１が形成されている。そして、開口部３０にヒートシンク部４の放熱フィン部４１が挿入されるとともに、ベース部４０の周縁が段部３１に嵌合されている。これにより、ヒートシンク部４の発熱体搭載面４００と、冷却管部３における段部３１の外方の外周面とが面一に配置されている。なお、図２への段部３１の記載は、便宜上省略してある。

ヒートシンク部４は、図２に示すごとく、略長方形状のベース部４０と、ベース部４０から高さ方向Ｚに立設された放熱フィン部４１とを有している。また、放熱フィン部４１を形成した面とは反対側の面が、発熱体を搭載する発熱体搭載面４００を構成している。

放熱フィン部４１は、図２に示すごとく、円柱状のピン４１０を多数立設して構成されている。また、放熱フィン部４１は、上述のごとく冷却管部３の開口部３０に挿入配置することができるように、ピン４１０が立設される領域が開口部３０の開口領域よりも小さくなるように形成されている。また、放熱フィン部４１におけるピン４１０の高さは、冷却管部３の高さ方向Ｚにおける内寸よりわずかに小さく形成されている。これにより、図４に示すごとく、放熱フィン部４１が挿入配置された状態において、ピン４１０の先端が冷却管部３の内壁近傍に配置されるように構成されている。このピン４１０の先端と冷却管部３の内壁とのクリアランスは、小さいほど放熱性を向上させることができる。そのため、ピン４１０の先端と冷却管部３の内壁とのクリアランスは、０．５ｍｍ以下が好ましい。

また、放熱フィン部４１周縁のベース部４０は平坦に成形されている。これにより、放熱フィン部４１が挿入配置された状態において、図４に示すごとく、開口部３０の内周縁に形成された段部３１とベース部４０とが嵌合するように構成されている。また、開口部３０内周縁とベース部４０とは摩擦撹拌接合により接合されており、図４に示すごとく、ベース部４０と冷却管部３の壁面との境界に沿って撹拌領域５０２が形成されている。

次に、熱交換器１の製造方法を説明する。熱交換器１の製造は、ハウジング部２を形成するハウジング部形成工程と、ヒートシンク部４を形成するヒートシンク部形成工程とを有している。そして、これらの各工程により得られたハウジング部２及びヒートシンク部４を公知の接合方法を用いて接合する組立工程を行うことにより、熱交換器１を得る。

ハウジング部形成工程においては、アルミニウム材の溶湯を金型に圧入することにより、底板部２０と、開口部３０を備えた冷却管部３と、継ぎ手部５とからなるハウジング部２を一体的に形成する。本例では、ＡＤＣ１２材の溶湯を用いてダイキャスト成形を行い図２に示すハウジング部２を得た。なお、継ぎ手部５における中空部分は、公知の崩壊性中子を用いることにより形成した。

ヒートシンク部形成工程においては、鋳造や鍛造等の種々の方法によりヒートシンク部４を形成する。本例においては、後述する特定の化学成分と特定の機械特性とを有するアルミニウム合金材を熱間鍛造することにより、図２に示すヒートシンク部４を得た。

以下、ヒートシンク部形成工程について詳説する。本例では、化学成分組成が、Ｓｉ：０．２％（質量％、以下同じ）以上１．０％以下、Ｍｇ：０．４％以上１．０％以下、Ｆｅ：０．３５％以下を含有し、残部が不可避的不純物と９８％以上のアルミニウムからなり、耐力が１２０ＭＰａ以上であるアルミニウム合金材からなる鍛造用ブロックを準備した。次いで、この鍛造用ブロックを５００℃に加熱すると共に、鍛造金型を１５０℃に加熱し、フリクションプレスにより熱間鍛造した。

上記の熱間鍛造直後のヒートシンク部４の温度は、金型から取り出した時点で３３０℃であった。このヒートシンク部４を大気中に配置して放冷（炉外放冷）することにより室温まで冷却した。本例では、３００℃〜５０℃までの冷却期間中の冷却速度が０．４５℃／秒の冷却速度となる条件で冷却した。

ヒートシンク部４を室温まで冷却した後、２００℃で４時間の加熱処理（人工時効処理）を行った。
その後、バリ取りを行い、さらにスケール除去のためにショットブラストを行った。
その後、ベース部４０における放熱フィン部４１を配置した面とは反対側の面（発熱体搭載面４００）を切削し、さらに放熱フィン部４１の周縁を軽く面削仕上げすることにより、図２に示すヒートシンク部４を得た。

組立工程においては、上述のごとく得られたハウジング部２とヒートシンク部４とを、公知の接合方法により接合し、図１に示す熱交換器１を得る。本例では、ヒートシンク部４におけるベース部４０とハウジング部２における開口部３０内周縁との接合を摩擦撹拌接合で行った。具体的には、図４に示すごとく、放熱フィン部４１を底板部２０側に向けた状態でヒートシンク部４を開口部３０に挿入し、ベース部４０の周縁部を開口部３０内周縁の段部３１に当接させた。その後、回転ツールをベース部４０と冷却管部３の壁面との境界線上の１点に圧入するとともに、この境界線に沿って回転ツールを一周させた。これにより、上述の境界線に沿って図４に示す撹拌領域５０２が形成されるとともにヒートシンク部４とハウジング部２とが接合され、図１に示す熱交換器１を得た。

このように構成された熱交換器１には、一対の継ぎ手部５における連絡口５２に、外部配管としての冷媒導入管と冷媒導出管とが接続され、以下のごとく発熱体の冷却が行われる。まず、冷媒導入管から冷媒液が供給されると、継ぎ手部５により冷媒液が分配され、各々の冷却管部３内に冷媒液が流入する。冷却管部３内においては、冷媒液は、反対側の継ぎ手部５へ向けて流通すると同時に、接触した放熱フィン部４１との間で熱交換を行い、放熱フィン部４１に蓄積される熱を除去する。そして、反対側の継ぎ手部５に達した冷媒液は、連絡口５２を通過して冷媒導出管へ排出される。

また、上述のごとく熱交換器１により冷却される発熱体としては、例えば、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子や、リアクトルやコンデンサ等の電子部品、あるいはこれらを組み合わせたパワーモジュール等、種々のものを発熱体として発熱体搭載面４００に搭載することができる。

次に、本例の作用効果を説明する。熱交換器１は、複数の冷却管部３を有するとともに、複数の冷却管部３の両端においてそれぞれ複数の流路を集合して１つの連絡口５２を形成する継ぎ手部５を有している。これにより、流路を蛇行させる必要がなくなり、流路長を短縮することが容易となるため、熱交換器１は圧力損失を低減しやすく、また、流路の上流側と下流側との間の放熱性の差が小さいものとなる。その結果、熱交換器１は放熱性能に優れたものとなる。また、熱交換器１は、両端の一対の連絡口５２を冷却媒体の経路につなぐだけで、容易に複数の冷却管部３を利用することができる。

また、底板部２０は平板状であるとともに、冷却管部３の外周部よりも外方に延びる外周つば部２４を有している。これにより、熱交換器１を各種機械、装置等に組み付ける際に、配置スペースの形状を単純化できるとともに、外周つば部２４を利用して熱交換器１を固定することができる。これにより、熱交換器１の組み付け性を向上させることができる。

また、冷却管部３、底板部２０及び継ぎ手部５よりなるハウジング部２はダイキャストにより一体的に形成されている。そのため、外周つば部や継ぎ手部等を別途準備して接合する工程を設ける必要がなく、ハウジング部２は生産性に優れたものとなる。

また、冷却管部３の開口部３０内周縁とヒートシンク部４のベース部４０との接合は、摩擦撹拌接合により行われている。そのため、ベース部４０と開口部３０内周縁との接合を、未接合部分のないように行うことが容易となる。その結果、ベース部４０と冷却管部３との接合部分からの冷却媒体の漏出を防止することができる。また、ベース部４０と開口部３０内周縁との接合にろう材等の接合部材を使用する必要がなくなるため、部材コストを容易に低減することができる。

また、冷却管部３は、２つが略平行に設けられており、その両端部においてそれぞれ２つの流路を１つの連絡口５２に集合させる継ぎ手部５につながっており、継ぎ手部５は、２つの上記冷却管部３から等間隔となる中央位置２０１に配設されている。そのため、流路内に流通する冷却媒体が継ぎ手部５により各々の流路に均等に分配されやすくなる。その結果、各々の流路における放熱性能を均等にしやすくなり、冷却設計が容易となる。

また、本例では、２本の冷却管部３の間に凹部２１が形成されている。そのため、熱交換器１の周辺部に配置される機器類の一部が熱交換器１側に突出していても、凹部２１に上記機器類の突出部分を収容することができ、デッドスペースを低減することができる。

なお、上記実施例においては、ヒートシンク部４における放熱フィン部４１に円柱状のピン４１０を形成した例を示したが、これに限定されることはなく、冷却設計に応じて種々の形状を採用することが可能である。例えば、角柱状のピンやコルゲートフィンを用いても良く、押出加工により作製される断面櫛歯状のプレートフィンを用いてもよい。フィンの配置や密度についても、形状と同様に冷却設計に応じて種々の態様を採用することができる。

１熱交換器
２ハウジング部
２０底板部
２４外周つば部
３冷却管部
３０開口部
４ヒートシンク部
４０ベース部
４００発熱体搭載面
４１放熱フィン部
５継ぎ手部
５２連絡口

Claims

平板状の底板部と、該底板部の一方の面に配設された複数の流路を形成する複数の冷却管部と、該複数の冷却管部の両端においてそれぞれ複数の上記流路を集合して１つの連絡口を形成する継ぎ手部とを有する熱交換器であって、
上記冷却管部は、上記底板部の反対側に設けられた開口部に配設されたヒートシンク部を有し、
該ヒートシンク部は、発熱体を搭載するための発熱体搭載面を有する板状のベース部と、該ベース部における上記発熱体搭載面と反対側の面から立設させた放熱フィン部とを備えているとともに、該放熱フィン部を上記冷却管部の内部に挿入した状態で上記ベース部と上記冷却管部の上記開口部内周縁とが接合されており、
上記底板部は、上記冷却管部の外周部よりも外方に延びる外周つば部を有しており、
上記底板部、上記冷却管部及び上記継ぎ手部よりなるハウジング部はダイキャストにより一体的に形成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、上記冷却管部の上記開口部内周縁と上記ヒートシンク部のベース部との接合は、摩擦撹拌接合により行われていることを特徴とする熱交換器。
請求項１または２に記載の熱交換器において、上記冷却管部は、２つが略平行に設けられており、その両端部においてそれぞれ２つの流路を１つの上記連絡口に集合させる上記継ぎ手部につながっており、該継ぎ手部は、２つの上記冷却管部から等間隔となる中央位置に配設されていることを特徴とする熱交換器。