冷却翅片结构的制作方法
【专利摘要】一种用在用于电子设备的冷却器中的冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在冷却剂通路（80）中的多个钉状翅片（71）。每个钉状翅片（71）具有圆形部（72）和异形部（73），圆形部（72）具有圆形截面，异形部（73）在圆形部（72）的从冷却剂的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。异形部（73）具有沿圆周（130）形成的外周面（75），圆周（130）的圆心位于钉状翅片（71，71B）的圆形部（72）的中心点（101），钉状翅片（71，71B）在相对于冷却剂的流动方向的倾斜方向上与具有异形部（73）的钉状翅片（71，71A）相邻地配置。
【专利说明】冷却翅片结构
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及冷却翅片结构，更特别地涉及以曲折交错(zigzag)形式配置的冷却翅片的结构。
【背景技术】
[0002]日本专利申请公报N0.2002-185175 (JP2002-185175A)中公开了一种冷却翅片装置，该冷却翅片装置旨在提高设置于电子设备中的散热器的冷却翅片的冷却效率。在该公报中公开的冷却翅片装置中，冷却翅片像钉型翅片那样离散地配置，并具有相对于冷却水的流动方向的流线形。
[0003]此外，如日本专利申请公报N0.2003-324173 (JP2003-324173A)中公开的用于半导体器件的冷却装置旨在在降低冷却剂通道中的压力损失的同时有效地散热。在如该公报中公开的用于半导体器件的冷却装置中，像翅片那样成形的突出元件形成为使得突出元件的长度或高度在基本对应于半导体器件的中心的区域内最大，并且突出元件的长度朝外侧逐渐减小。每个突出元件都具有纺锤形横截面。
[0004]如上述公报中所公开的，在冷却剂通路中配置有钉状翅片的冷却器被用于冷却各种发热的电子设备。作为钉状翅片的典型配置，钉状翅片可配置成矩阵的形式，或者钉状翅片能以曲折交错形式配置。
[0005]在钉状翅片以曲折交错形式配置的情况下，冷却剂从配置成一排的钉状翅片之间的间隙通过，然后碰到冷却剂前方存在的另一排钉状翅片。因此，冷却剂在朝相对于冷却剂的流动方向的相对两侧迂回的同时行进。在这种情况下，与冷却剂几乎直线行进通过的矩阵形式的钉状翅片配置相比，在冷却剂通路中流动的冷却剂流的压力损失增大。冷却剂流的压力损失的增大会导致用于供给冷却剂的马达上的负荷升高，以及冷却电子设备的冷却效率的降低。为了提高电子设备的冷却效率，有必要从钉状翅片向冷却剂有效地传热，以及降低冷却剂流的压力损失。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种用在其中钉状翅片以曲折交错形式配置的冷却器中的冷却翅片结构，其中冷却剂流的压力损失降低，同时从钉状翅片至冷却剂的传热效率提高。
[0007]根据本发明的一个方面的冷却翅片结构用在用于电子设备的冷却器中。所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供冷却剂流过的冷却剂通路中的多个钉状翅片。每个所述钉状翅片具有圆形部和异形(不规则形)部，所述圆形部具有圆形截面，所述异形部在所述圆形部的从所述冷却剂的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。所述异形部具有沿圆周形成的外周面，所述圆周的圆心位于相邻的一个钉状翅片的圆形部的中心点，所述相邻的一个钉状翅片在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上与具有所述异形部的钉状翅片相邻地配置。
[0008]利用如上所述地构造的冷却翅片结构，每个钉状翅片设置有异形部，藉此与仅由圆形部构成的钉状翅片相比，钉状翅片的与冷却剂接触的表面积和钉状翅片的截面积增大。结果，能够提高从钉状翅片至冷却剂传热的效率。此外，异形部的外周面沿圆周成形，所述圆周的圆心位于在相对于冷却剂的流动方向的倾斜方向上与具有上述异形部的钉状翅片相邻地配置的钉状翅片的圆形部的中心点。利用该构型，冷却剂在钉状翅片之间平顺地流动，并且在钉状翅片的在冷却剂的流动方向上的下游侧不太可能或不可能产生涡流。因此，能够降低冷却剂流的压力损失。
[0009]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，当在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间在与所述冷却剂的流动方向正交的方向上测得的第一间距等于R+1/2XCL且在所述倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间在所述冷却剂的流动方向上测得的第二间距等于31/2 (R+1/2XCL)时，所述外周面可沿半径为R+CL的圆周成形，其中R为所述圆形部的半径，且CL为在与所述冷却剂的流动方向正交的方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间的间隔。
[0010]利用如上所述地构造的冷却翅片结构，可增大每个钉状翅片的与冷却剂接触的表面积和钉状翅片的截面积，同时保持形成于在相对于冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的钉状翅片之间的冷却剂通路的宽度等于考虑了冷却剂通路的堵塞而确定的上述CL。
[0011]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，每个所述异形部可具有与所述圆形部的外周面续接地形成在从所述圆形部的中心点通过的中心线的相对两侧的相对两个弯曲面，所述相对两个弯曲面中的每个由沿所述圆周形成的所述外周面提供。
[0012]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，每个所述钉状翅片的所述异形部可包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点。在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片可定位成使得配置在上游侧的钉状翅片的所述异形部的下游端点位于配置在下游侧的钉状翅片的所述异形部的上游端点的从所述冷却剂的流动方向看的下游。
[0013]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，位于所述圆形部的上游侧的所述异形部与位于所述圆形部的下游侧的所述异形部关于所述圆形部的中心点对称。
[0014]根据本发明的另一方面的冷却翅片结构用在用于电子设备的冷却器中。所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供冷却剂流过的冷却剂通路中的多个钉状翅片。每个所述钉状翅片具有圆形部和异形部，所述圆形部具有圆形截面，所述异形部在所述圆形部的从所述冷却剂的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。每个所述异形部在沿所述冷却剂的流动方向从所述圆形部的中心点通过的直线的相对两侧形成有从所述圆形部的中心点看弯曲成凹状的外周面。
[0015]利用如上所述地构造的冷却翅片结构，每个钉状翅片设置有异形部，藉此与仅由圆形部构成的钉状翅片相比，钉状翅片的与冷却剂接触的表面积和钉状翅片的截面积增大。结果，能够提高从钉状翅片至冷却剂传热的效率。另外，每个异形部的外周面在沿冷却剂的流动方向从圆形部的中心点通过的直线的相对两侧从圆形部的中心点看弯曲成凹状。利用该构型，冷却剂通路沿在以曲折交错形式配置的钉状翅片之间迂回的同时行进的冷却剂的路径形成于在相对于冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的钉状翅片之间。因此，冷却剂平顺地流动，并且能够降低冷却剂流的压力损失。
[0016]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，每个所述钉状翅片的所述异形部可包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点。在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片可定位成使得配置在上游侧的钉状翅片的所述异形部的下游端点位于配置在下游侧的钉状翅片的所述异形部的上游端点的从所述冷却剂的流动方向看的下游。
[0017]利用如上所述的冷却翅片结构，能够进一步增大每个钉状翅片的与冷却剂接触的表面积和钉状翅片的截面积。另外，形成于在相对于冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的钉状翅片之间的冷却剂通路的长度增大。因此，能够更有效地提高从钉状翅片至冷却剂的传热效率，并且能够更有效地降低冷却剂流的压力损失。
[0018]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，位于所述圆形部的上游侧的所述异形部与位于所述圆形部的下游侧的所述异形部可关于所述圆形部的中心点对称。
[0019]在根据本发明的上述方面的冷却翅片结构中，每个所述钉状翅片的所述异形部可包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点。每个所述异形部的外周面可在所述上游端点和所述下游端点以锐角彼此相交。
[0020]如上所述，根据本发明，在钉状翅片以曲折交错形式配置的冷却器中能够设置在提高从钉状翅片至冷却剂的传热效率的同时降低冷却剂流的压力损失的冷却翅片结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中:
[0022]图1是示出与混合动力车辆的电动发电机控制有关的系统的构型的线路图；
[0023]图2是示出其中使用了根据本发明的一个实施例的冷却翅片结构的用于功率控制单元的冷却器的侧视图；
[0024]图3是从包含X轴和Y轴的平面看时图2所示的用于功率控制单元的冷却器的剖视图；
[0025]图4是放大地示出图3所示的用于功率控制单元的冷却器的一部分的剖视图；
[0026]图5是将本发明的实施例的冷却翅片结构中从钉状翅片至冷却水的等价传热系数与比较示例的等价传热系数进行比较的图示；以及
[0027]图6是将本发明的实施例的冷却翅片结构中的冷却水流的压力损失与比较示例的压力损失进行比较的图示。
【具体实施方式】
[0028]将参照附图描述本发明的一个实施例。在以下描述中将提到的附图中，对相同或对应的部件或要素赋予相同的附图标记。
[0029]图1是示出与混合动力车辆的电动发电机控制有关的系统的构型的线路图。根据本发明的一个实施例的冷却翅片结构用在用于安装在混合动力车辆上的功率控制单元(PCU)的冷却器中。参照图1，将描述混合动力车辆的电动发电机控制。
[0030]该混合动力车辆使用内燃发动机如汽油发动机或柴油发动机和电机作为动力源，电力从能够充放电的二次电池供给至所述电机。
[0031]该混合动力车辆具有电池单元40、车辆用驱动单元20和发动机(未示出)。车辆用驱动单元20具有电动发电机MGl、MG2、在发动机(未示出)和电动发电机MGl、MG2之间分配动力的动力分割装置26、以及控制电动发电机MGl、MG2的功率控制单元21。
[0032]电动发电机MGl主要起发电机的作用，并可操作以利用发动机的输出发电。电动发电机MGl在发动机起动时还作为起动机操作。电动发电机MG2主要起电动机的作用，并可操作以增加发动机的输出，从而提高驱动力。另外，电动发电机MG2在再生制动期间发电，以便对电池B充电。
[0033]电池单元40设置有端子41、42。PCU21设置有DC端子43、44。端子41和DC端子43通过线缆6彼此电连接，且端子42和DC端子44通过线缆8彼此电连接。
[0034]电池单元40具有电池B、连接在电池B的正极和端子41之间的系统主继电器SMR2、连接在电池B的负极和端子42之间的系统主继电器SMR3、以及串联在电池B的正极和端子41之间的系统主继电器SMRl和负荷限制电阻器R。根据从后文将描述的控制装置30供给的控制信号SE来控制系统主继电器SMR1-SMR3的导通/非导通状态。
[0035]电池单元40具有测量电池B的端子之间的电压VB的电压传感器10和检测通过电池B的电流IB的电流传感器11。作为电池B，可使用二次电池，例如镍金属氢化物(NiMH)电池或锂离子电池、燃料电池等。可使用具有大容量的电容器如电气双层电容器代替电池B作为蓄电装置。
[0036]功率控制单元21具有分别对应于电动发电机MGl、MG2的逆变器22、14、设置成共同用于逆变器22、14的升压变换器12、和控制装置30。
[0037]升压变换器12使DC端子43、44之间的电压升高。升压变换器12具有在一端连接到端子43的电抗器32、升压用IPM (智能功率模块)13、和平滑用电容器33。升压用IPM13具有IGBT Q1、Q2和二极管D1、D2，IGBT Q1、Q2串联在产生升压后的电压VH的升压变换器12的输出端子之间，每个二极管Dl、D2与对应的一个IGBT Q1、Q2并联。平滑用电容器33使已通过升压变换器12升压的电压平滑。
[0038]电抗器32的另一端与IBGT Ql的发射极和IGBT Q2的集电极连接。二极管Dl的阴极与IGBT Ql的集电极连接，且二极管Dl的阳极与IGBT Ql的发射极连接。二极管D2的阴极与IGBT Q2的集电极连接，且二极管D2的阳极与IGBT Q2的发射极连接。
[0039]逆变器14将由升压变换器12产生的dc电压转换为三相交流电流，并向电动发电机MG2传送该电流以驱动车轮。逆变器14在再生制动期间向升压变换器12返回由电动发电机MG2产生的电力。此时，升压变换器12由控制装置30控制成作为降压电路操作。
[0040]逆变器14具有构成用于使车辆行驶的IPM18的U相臂15、V相臂16和W相臂17。U相臂15、V相臂16和W相臂17在升压变换器12的输出线之间并列连接。
[0041]U相臂15具有串联的IGBT Q3、Q4，和分别与IGBT Q3、Q4并联的二极管D3、D4。二极管D3的阴极与IGBT Q3的集电极连接，且二极管D3的阳极与IGBT Q3的发射极连接。二极管D4的阴极与IGBT Q4的集电极连接，且二极管D4的阳极与IGBT Q4的发射极连接。
[0042]V相臂16具有串联的IGBT Q5、Q6，和分别与IGBT Q5、Q6并联的二极管D5、D6。二极管D5的阴极与IGBT Q5的集电极连接，且二极管D5的阳极与IGBT Q5的发射极连接。二极管D6的阴极与IGBT Q6的集电极连接，且二极管D6的阳极与IGBT Q6的发射极连接。
[0043]W相臂17具有串联的IGBT Q7、Q8，和分别与IGBT Q7、Q8并联的二极管D7、D8。二极管D7的阴极与IGBT Q7的集电极连接，且二极管D7的阳极与IGBT Q7的发射极连接。二极管D8的阴极与IGBT Q8的集电极连接，且二极管D8的阳极与IGBT Q8的发射极连接。
[0044]各相臂的中间点与电动发电机MG2的对应相线圈的对应相端连接。即，电动发电机MG2是三相永磁同步电机，并且U、V和W相的三个线圈均在一端与中性点连接。U相线圈的另一端与IGBT Q3、Q4的节点连接。V相线圈的另一端与IGBT Q5、Q6的节点连接。W相线圈的另一端与IGBT Q7、Q8的节点连接。
[0045]电流传感器25检测通过电动发电机MGl的电流作为电机电流值MCRTl，并向控制装置30输出电机电流值MCRTl。电流传感器24检测通过电动发电机MG2的电流作为电机电流值MCRT2，并向控制装置30输出电机电流值MCRT2。
[0046]逆变器22和逆变器14彼此并联到升压变换器12。逆变器22将由升压变换器12产生的dc电压转换为三相交流电流，并向电动发电机MGl传送该电流。逆变器22接收通过升压变换器12升压的电压，并驱动电动发电机MGl以便例如起动发动机。
[0047]另外，逆变器22向升压变换器12返回电动发电机MGl利用从发动机的曲轴传递的转矩所产生的电力。此时，升压变换器12由控制装置30控制成作为降压电路操作。逆变器22的内部配置与逆变器14基本相同，因此不进行详细描述。
[0048]控制装置30接收转矩指令值TR1、TR2，电机转速MRN1、MRN2、电压VB、VL、VH和电流IB的相应值，电机电流值MCRT1、MCRT2，以及起动或点火信号IG0N。
[0049]这里，转矩指令值TRl、电机转速MRNl和电机电流值MCRTl与电动发电机MGl相关，而转矩指令值TR2、电机转速MRN2和电机电流值MCRT2与电动发电机MG2相关。电压VB是施加于电池B的电压，而电流IB是通过电池B的电流。电压VL是在升压变换器12的升压前测得的电压，而电压VH是在升压变换器12的升压后测得的电压。
[0050]控制装置30向升压变换器12产生作为升压指令的控制信号PWU、作为降压指令的控制信号PWD、和作为禁止操作指令的信号CSDN。
[0051]控制装置30向逆变器14产生驱动指令PWMI2和再生指令PWMC2，驱动指令PWMI2用以将作为升压变换器12的输出的dc电压转换为用于驱动电动发电机MG2的ac电压，再生指令PWMC2用以将由电动发电机MG2产生的ac电压转换为dc电压并向升压变换器12返回该dc电压。控制装置30向逆变器22产生驱动指令PWMIl和再生指令PWMC1，驱动指令PWMIl用以将dc电压转换为用于驱动电动发电机MGl的ac电压，再生指令PWMCl用以将由电动发电机MGl产生的ac电压转换为dc电压并向升压变换器12返回该dc电压。
[0052]接下来，将描述用于功率控制单元21的冷却器的总体结构。图2是示出其中使用根据本发明该实施例的冷却翅片结构的用于功率控制单元的冷却器的侧视图。图3是示出图2所示的用于功率控制单元的冷却器的平面构型的剖视图。
[0053]参照图2和图3，在用于功率控制单元的冷却器60上装设有多个待冷却的半导体器件62。半导体器件62构成包括在图1所不的各个逆变器22、14内的用于使车辆行驶的IPM18 (U相臂15、V相臂16和W相臂17)，和升压变换器12的升压用IPM13。半导体器件62随着功率控制单元被驱动而发热。[0054]用于功率控制单元的冷却器60具有绝缘板64、通道顶板66、通道底板68、通道侧壁69和多个钉状翅片71。
[0055]绝缘板64由具有高电绝缘特性和高导热性的材料形成。绝缘板64由陶瓷材料形成。在此实施例中，绝缘板64由氮化铝(AlN)形成。上述多个半导体器件62在彼此间隔开的同时接合到绝缘板64的表面上。
[0056]通道顶板66、通道底板68、通道侧壁69和钉状翅片71由具有高导热性的材料形成。在此实施例中，通道顶板66、通道底板68、通道侧壁69和钉状翅片71由铝形成。通道顶板66、通道底板68、通道侧壁69和钉状翅片71构成将在半导体器件62产生的热散出至作为冷却剂的冷却水(LLC:长效冷却剂)的散热器。
[0057]作为冷却器60的制造方法，钉状翅片71可通过利用铝模压铸而与通道顶板66或通道底板68 —体形成，或者钉状翅片71可单个地形成，然后装设到通道顶板66和通道底板68上。
[0058]通道顶板66、通道底板68和通道侧壁69从四面组装在一起，以形成供冷却水流过的冷却水通路80。半导体器件62与其接合的绝缘板64与通道顶板66接合。钉状翅片71配置在冷却水通路80中。钉状翅片71的形状像呈棒状延伸的钉，并在通道顶板66和通道底板68之间保持立设，使得各钉状翅片71彼此间隔开。
[0059]半导体器件62随着功率控制单元被驱动而发热。由半导体器件62产生的热经由绝缘板64和通道顶板66传递至钉状翅片71。另一方面，冷却水从电动泵(未示出)供给至冷却水通路80，并如图2和图3中的箭头所示沿一个方向流动。同时，在冷却水和钉状翅片71之间发生热交换，使得由半导体器件62产生的热被散出。
[0060]在图3中，X轴方向表示冷却水在冷却水通路80中流动的方向，而Y轴方向表示与冷却水的流动方向正交的方向。钉状翅片71沿与X轴方向和Y轴方向正交的方向在通道顶板66和通道底板68之间延伸。
[0061]钉状翅片71以曲折交错形式配置在冷却水通路80中。即，在X轴方向上成一列(图3中的中心线IlOA上)排列的多个钉状翅片71和与上述多个钉状翅片71相邻地配置并在X轴方向上成一列(图3中的中心线IlOB上)排列的多个钉状翅片71在Y轴方向上彼此偏移(错开)。在以下描述中，中心线IlOA和中心线IlOB在它们不彼此加以区分时将被称作“中心线110”。
[0062]在图3中关注作为中心线IlOA上的一个钉状翅片71的钉状翅片71A和在相对于冷却水的流动方向的倾斜方向(在X轴方向和Y轴方向之间)上与钉状翅片7IA相邻地配置的作为中心线IlOB上的一个钉状翅片71的钉状翅片71B的情况下，钉状翅片71A和钉状翅片71B以在X轴方向上测得的间距Px配置，并以在Y轴方向上测得的间距Py配置。
[0063]在此实施例中，所述多个钉状翅片71配置成满足Px > Py的关系。此外，在此实施例中，间距Py的大小被设定成使得，当钉状翅片7IA在X轴方向上朝钉状翅片71B偏移时，钉状翅片7IA的一部分位于钉状翅片7IB上(B卩，钉状翅片7IA与钉状翅片7IB重叠)。
[0064]接下来，将详细描述用在如图2和图3所示的用于功率控制单元的冷却器60中的钉状翅片71的构型。图4是放大地示出图3所示的用于功率控制单元的冷却器的一部分的剖视图。
[0065]参照图4，每个钉状翅片71在它沿包含X轴和Y轴的平面(其将被称作“X-Y平面”)被切割时具有异形的(不规则的)圆形截面。更具体地，当沿X-Y平面被切割时，钉状翅片71具有由圆形部72以及曲线形部73p和曲线形部73q (当它们不特别加以彼此区分时，它们将被称为“曲线形部73”)构成的截面形状。
[0066]圆形部72呈圆形。圆形部72具有从作为圆心的中心点101测得的半径R。参照钉状翅片71的圆形部72的中心点101确定在相对于冷却水的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的钉状翅片71的间距Px、Py。圆形部72具有与流过冷却水通路80的冷却水接触的外周面74。外周面74是沿圆的圆周成形的，所述圆具有位于中心点101的圆心和半径R。
[0067]曲线形部73在圆形部72的从冷却水的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。更具体地，曲线形部73p在圆形部72的在冷却水的流动方向上的上游侧续接地设置，而曲线形部73q在圆形部72的在冷却水的流动方向上的下游侧续接地设置。曲线形部73p和曲线形部73q关于圆形部72的中心点101对称。曲线形部73p和曲线形部73q在从冷却水的流动方向看时由圆形部72彼此分开。
[0068]曲线形部73p具有配置在钉状翅片71的从冷却水的流动方向看的上游端的上游端点76，而曲线形部73q具有配置在钉状翅片71的从冷却水的流动方向看的下游端的下游端点77。上游端点76和下游端点77配置在沿冷却水的流动方向从中心点101通过的中心线110上。曲线形部73p在上游端点76呈尖状，而曲线形部73q在下游端点77呈尖状。曲线形部73p朝上游端点76渐缩，使得曲线形部73p的在Y轴方向上测得的宽度B随着在X轴方向上测得的距上游端点76的距离增大而增大。曲线形部73q朝下游端点77渐缩，使得曲线形部73q的在Y轴方向上测得的宽度B随着在X轴方向上测得的距下游端点77的距离增大而增大。
[0069]尽管在上述实施例中曲线形部73在上游端点76和下游端点77呈尖状，但由于利用模具形成钉状翅片71的制造工艺方面的某种原因，上游端点76和下游端点77可能以小的半径呈圆形。
[0070]曲线形部73具有与流过冷却水通路80的冷却水接触的弯曲面75。更具体地，各钉状翅片71的曲线形部73的弯曲面75配置在与四个钉状翅片71相对的各个位置，所述四个钉状翅片71在相对于冷却水的流动方向的倾斜方向上与具有曲线形部73的钉状翅片71相邻地配置。
[0071]曲线形部73p的弯曲面75在中心线110的相对两侧从上游端点76朝在冷却水的流动方向上的下游侧延伸，使得弯曲面75与圆形部72的外周面74续接。曲线形部73q的弯曲面75在中心线110的相对两侧从下游端点77朝在冷却水的流动方向上的上游侧延伸，使得弯曲面75与圆形部72的外周面74续接。弯曲面75在上游端点76或下游端点77彼此相交而形成角部。在此实施例中，弯曲面75在上游端点76或下游端点77彼此相交而在它们之间形成锐角。弯曲面75在上游端点76或下游端点77和弯曲面75延续到圆形部72的对应外周面74内的位置之间连续弯曲。弯曲面75在弯曲的同时平滑地延续到圆形部72的外周面74内。曲线形部73p的弯曲面75和曲线形部73q的弯曲面75形成为使得，当一个曲线形部73p、73q绕圆形部72的中心点101旋转180°时，上述一个曲线形部73p、73q的弯曲面75重叠在另一个曲线形部73p、73q的弯曲面75上。各个曲线形部73p、73q的弯曲面75关于中心线110对称。[0072]每个弯曲面75从对应的圆形部72的中心点101看弯曲成凹状。换言之，弯曲面75具有朝圆形部72的中心点101凹陷的弯曲形状。弯曲面75从圆形部72的中心点101看弯曲成在与圆形部72的外周面74的方向相反的方向上凹入。弯曲面75弯曲成使得在X-Y平面内弯曲面75的斜率的绝对值随着在X轴方向上测得的距上游端点76或下游端点77的距离增大而逐渐增大。弯曲面75弯曲成使得曲线形部73的宽度的增大率随着在X轴方向上测得的距上游端点76或下游端点77的距离增大而逐渐增大。
[0073]参照图3和图4，在钉状翅片71以曲折交错形式配置的用于功率控制单元的冷却器60中，配置成在与冷却水的流动方向正交的方向上彼此偏移的相邻排的钉状翅片71在冷却水的流动方向上交替地出现。因此，冷却水在绕过前方出现的钉状翅片71的同时流过冷却水通路80，并因此在中心线110的相对两侧迂回的同时行进，如图3中的箭头100所示。在这种情况下，冷却水在流过冷却水通路80的同时反复与钉状翅片71碰撞，从而引起对冷却水流的压力损失增大的担忧。
[0074]另一方面，在此实施例的冷却翅片结构中，每个钉状翅片71具有包括圆形部72和曲线形部73的异形的圆形截面。利用该构型，具有由钉状翅片71A的外周面74和弯曲面75以及钉状翅片71B的外周面74和弯曲面75提供的侧壁的冷却水通路80形成在配置在相对于冷却水的流动方向的倾斜方向上的钉状翅片71A和钉状翅片71B之间。在弯曲面75从圆形部72的中心点101看弯曲成凹状的该实施例中，冷却水通路80沿冷却水在绕钉状翅片71迂回的同时流动的路径成形。利用该配置，冷却水平顺地流动，并且能够降低冷却水通路80中的压力损失。
[0075]另外，与每个钉状翅片71仅由圆形部72构成的情况相比，能够增大钉状翅片71的与冷却水接触的表面积和钉状翅片71的截面积。因此，能够提高从钉状翅片71至冷却水的传热效率。
[0076]作为用在冷却器中的钉状翅片的截面形状的一个示例，可提出具有翼状截面的流线形。然而，在这种情况下，钉状翅片的上游侧前端部具有弯曲的弧形表面；因此，冷却水与钉状翅片的前端部碰撞，然后以绕过钉状翅片的方向改变其路线。因此难以有效地降低冷却水流的压力损失。另一方面，在钉状翅片71的上游端点76具有尖锐形状的此实施例的冷却翅片结构中，冷却水的路线能够平滑地改变。
[0077]所述多个钉状翅片71也可配置成使得配置在冷却水流的上游侧的钉状翅片7IA的下游端点77位于配置在下游侧的钉状翅片71B的上游端点76的从冷却水的流动方向看的下游。在这种情况下，能够更有效地降低冷却水通路80中的冷却水流的压力损失，并且能够更有效地提高从钉状翅片71至冷却水的传热效率。
[0078]参照图4，将进一步描述钉状翅片71的构型。在此实施例中，弯曲面75沿圆周130成形。更具体地，在关注关于冷却水的流动方向相对于彼此配置在倾斜方向上的钉状翅片71A和钉状翅片71B的情况下，钉状翅片71A的一个弯曲面75沿圆心位于钉状翅片71B的圆形部72的中心点101的圆周130成形。类似地，钉状翅片71A的其余弯曲面75沿利用相对于冷却水的流动方向倾斜于钉状翅片71A配置的其它三个钉状翅片71的圆形部72绘出的圆周成形。
[0079]在使用钉状翅片的冷却器中，传热性能随着钉状翅片之间的间隙或间距减小而增强。另一方面，如果在实际产品中钉状翅片之间的间隙或间距过度减小，则异物可能被卡住或夹在钉状翅片之间，并且可能导致冷却水通路的堵塞。因而，在此实施例的冷却翅片结构中，在Y轴方向上彼此相邻地配置的钉状翅片71之间的间隙的大小被设定为临界极限CL。临界极限CL是为了防止冷却剂通路堵塞而考虑冷却剂的种类、冷却剂的流速、用于捕集异物的过滤器的性能等来确定的。作为一个示例，临界极限CL等于或大于0.5mm。
[0080]在这种情况下，关于冷却水的流动方向相对于彼此在倾斜方向上配置的钉状翅片71A和钉状翅片71B的在X轴方向上的间距Px被设定为31/2 (R+1/2XCL)，并且钉状翅片71A和钉状翅片71B的在Y轴方向上的间距Py被设定为R+1/2XCL，而圆周130的半径被设定为R+CL。
[0081]利用上述构型，冷却水在钉状翅片71之间平顺地流动，并且在钉状翅片71的下游端点77周围不太可能或不可能产生涡流。因而，能够有效地降低冷却水通路80中的冷却水流的压力损失。
[0082]另外，在此实施例中，钉状翅片71A和钉状翅片71B的中心点101之间的间距L被设定为2R+CL。在这种情况下，形成在钉状翅片7IA和钉状翅片71B之间的冷却水通路80的宽度等于CL。因此可在将冷却水通路80的宽度保持在考虑冷却剂通路的堵塞而确定的临界极限CL的同时将钉状翅片71的与冷却水接触的表面积增大至最大。
[0083]图5是将本发明的此实施例的冷却翅片结构中从钉状翅片至冷却水的等价传热系数与比较示例的冷却翅片结构的等价传热系数进行比较的图示。图6是将本发明的此实施例的冷却翅片结构中的冷却水流的压力损失与比较示例的冷却翅片结构的压力损失进行比较的图示。
[0084]参照图5和图6，本发明的实施例的钉状翅片具有与如上所述的图3和图4所示的钉状翅片71相同的构型和布置。比较示例中的钉状翅片为柱状的钉状翅片，其中每个仅由如图4所示的钉状翅片71的圆形部72 (半径为R)构成。当通过CAE分析来评价从钉状翅片至冷却水的等价传热系数和冷却水流的压力损失时，在该实施例中获得的等价传热系数比比较示例的等价传热系数高约1000W/m2K，并且在该实施例中获得的压力损失比比较示例的压力损失低约lOOOkPa。
[0085]将根据本发明的所示实施例的冷却翅片结构的构造归纳如下。此实施例的冷却翅片结构用在用于作为电子设备的功率控制单元的冷却器60中。所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供作为冷却剂的冷却水流过的作为冷却剂通路的冷却水通路80中的多个钉状翅片71。每个钉状翅片71具有圆形部72和作为异形部的曲线形部73，圆形部72具有圆形截面，曲线形部73在圆形部72的从冷却水的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。每个曲线形部73形成有作为沿圆周130弯曲的外周面的弯曲面75，圆周130的圆心位于钉状翅片71 (71B)的圆形部72的中心点101，钉状翅片71B在相对于冷却水的流动方向的倾斜方向上与具有上述曲线形部73的钉状翅片71 (71A)相邻地配置。
[0086]将描述根据本发明的另一方面的冷却翅片结构的构造。此实施例的冷却翅片结构用在用于作为电子设备的功率控制单元的冷却器60中。所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供作为冷却剂的冷却水流过的作为冷却剂通路的冷却水通路80中的多个钉状翅片71。每个钉状翅片71具有圆形部72和作为异形部的曲线形部73，圆形部72具有圆形截面，曲线形部73在圆形部72的从冷却水的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置。每个曲线形部73在作为沿冷却水的流动方向从圆形部72的中心点101延伸的直线的中心线110的相对两侧形成有作为从圆形部72的中心点101看弯曲成凹状的外周面的弯曲面75。
[0087]利用根据本发明的该实施例的如上所述地构造的冷却翅片结构，可降低冷却水通路80中的冷却水流的压力损失，同时提高包括以曲折交错形式配置的钉状翅片71的用于功率控制单元的冷却器60中从钉状翅片71至冷却水的传热效率。因此，构成功率控制单元的半导体器件62以提高的效率被冷却。
[0088]本发明也可应用于用于安装在例如使用燃料电池和二次电池作为动力源的燃料电池混合动力车辆(FCHV)和电动车辆(EV)上的功率控制单元的冷却器。尽管在所示实施例的混合动力车辆中内燃发动机在燃料效率最佳的操作点被驱动，但在燃料电池混合动力车辆中燃料电池在发电效率最佳的操作点被驱动。另外，就二次电池的使用而言，在燃料电池混合动力车辆和所示实施例的混合动力车辆之间基本上不存在差别。
[0089]尽管已参照本发明的示例性实施例描述了本发明，但应该理解的是，本发明并不限于所述的示例性实施例或结构。相反，本发明意图涵盖各种变型和等同布置。此外，尽管以各种组合和构型示出了示例性实施例的各种要素，但包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构型也在本发明的范围内。
[0090]本发明主要应用于用以冷却发热体如半导体器件的冷却器。
【权利要求】
1.一种用在用于电子设备的冷却器中的冷却翅片结构，所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供冷却剂流过的冷却剂通路中的多个钉状翅片，其中: 每个所述钉状翅片具有圆形部和异形部，所述圆形部具有圆形截面，所述异形部在所述圆形部的从所述冷却剂的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置；并且 所述异形部具有沿圆周形成的外周面，所述圆周的圆心位于相邻的一个钉状翅片的圆形部的中心点，所述相邻的一个钉状翅片在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上与具有所述异形部的钉状翅片相邻地配置。
2.根据权利要求1所述的冷却翅片结构，其中 当在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间在与所述冷却剂的流动方向正交的方向上测得的第一间距等于R+1/2XCL且在所述倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间在所述冷却剂的流动方向上测得的第二间距等于31/2 (R+1/2XCL)时，所述外周面沿半径为R+CL的所述圆周成形，其中R为所述圆形部的半径，且CL为在与所述冷却剂的流动方向正交的方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片之间的间隔。
3.根据权利要求1或2所述的冷却翅片结构，其中，每个所述异形部具有与所述圆形部的外周面续接地形成在从所述圆形部的中心点通过的中心线的相对两侧的相对两个弯曲面，所述相对两个弯曲面中的每个由沿所述圆周形成的所述外周面提供。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却翅片结构，其中: 每个所述钉状翅片的所述异形部包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端 的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点；并且 在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片定位成使得配置在上游侧的钉状翅片的所述异形部的下游端点位于配置在下游侧的钉状翅片的所述异形部的上游端点的从所述冷却剂的流动方向看的下游。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷却翅片结构，其中，位于所述圆形部的上游侧的所述异形部与位于所述圆形部的下游侧的所述异形部关于所述圆形部的中心点对称。
6.一种用在用于电子设备的冷却器中的冷却翅片结构，所述冷却翅片结构包括以曲折交错形式配置在供冷却剂流过的冷却剂通路中的多个钉状翅片，其中: 每个所述钉状翅片具有圆形部和异形部，所述圆形部具有圆形截面，所述异形部在所述圆形部的从所述冷却剂的流动方向看的上游侧和下游侧续接地设置；并且 每个所述异形部在沿所述冷却剂的流动方向从所述圆形部的中心点通过的直线的相对两侧形成有从所述圆形部的中心点看弯曲成凹状的外周面。
7.根据权利要求6所述的冷却翅片结构，其中: 每个所述钉状翅片的所述异形部包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点；并且 在相对于所述冷却剂的流动方向的倾斜方向上彼此相邻地配置的所述钉状翅片定位成使得配置在上游侧的钉状翅片的所述异形部的下游端点位于配置在下游侧的钉状翅片的所述异形部的上游端点的从所述冷却剂的流动方向看的下游。
8.根据权利要求6或7所述的冷却翅片结构，其中，位于所述圆形部的上游侧的所述异形部与位于所述圆形部的下游侧的所述异形部关于所述圆形部的中心点对称。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的冷却翅片结构，其中: 每个所述钉状翅片的所述异形部包括配置在具有所述异形部的该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的上游端的上游端点和配置在该钉状翅片的从所述冷却剂的流动方向看的下游端的下游端点；并且 每个所述异形部的外周面在所述上游端`点和所述下游端点以锐角彼此相交。
【文档编号】H01L23/473GK103503591SQ201280019140
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年4月20日
【发明者】川浦正规, 松井启仁, 吉田忠史 申请人:丰田自动车株式会社