JP7424251B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、熱交換器に関する。

従来、半導体素子等の電子部品の放熱を行う熱交換器としては、下記の特許文献１に記載の熱交換器がある。特許文献１に記載の熱交換器は、熱媒体が流通する熱媒体流路を有する流路管を備えている。流路管の内部には、熱媒体流路を複数の細流路に分割するインナーフィンが複数配置されている。インナーフィンは、その並べて配置される方向から見た際に板部が長手方向において波状に屈折するウェーブフィンからなる。ウェーブフィンを用いることにより、隣り合うウェーブフィンの間に設けられる細流路が蛇行状に形成されるようになる。これにより、細流路を流れる熱媒体の流れが乱流になり易くなるため、熱交換器の熱交換性能を高めることができる。

特許第５５４５２６０号公報

熱交換器では、その熱交換性能を高めるための方法の一つとして、インナーフィンの板厚を増加させるという方法がある。インナーフィンの板厚を増加させれば、フィン効率を高めることができるため、熱交換器の熱交換性能を高めることができる。なお、フィン効率とは、フィン表面が全てのフィンの根元温度と等しいと仮定した場合の熱伝達量、すなわち理想的なフィンの熱伝達量に対する実際のフィンの熱伝達量の割合を示すものである。

上記の特許文献１に記載されるような熱交換器において、ウェーブフィンのフィン効率を高めるためにその板厚を増加させると、隣り合うウェーブフィンの間の隙間が狭くなる。すなわち各細流路の流路幅が狭くなる。これにより、各細流路を流れる熱媒体の流速が速くなると、熱媒体流路の圧力損失を招くおそれがある。このように、フィン効率と熱媒体流路の圧力損失とはトレードオフの関係があるため、それらを両立させることが難しいという実情がある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒体の蛇行状の流れを実現しつつも、熱媒体流路を流れる熱媒体の圧力損失の増加を回避し、且つフィン効率を向上させることが可能な熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決する熱交換器（１０）は、熱媒体流路（Ｗ１０）を流れる熱媒体と電子部品（４０）との間で熱交換を行う熱交換器であって、熱媒体流路に設けられ、所定の間隔を有して並べて配置されることにより熱媒体流路を複数の細流路（Ｗ１１）に分割する複数のフィン（３０）を備える。熱媒体流路は、フィン配置方向に交差する方向である流路長手方向に延びるように形成されている。フィンは、流路長手方向に沿って、板厚が厚い部分である厚肉部（３０１）と、板厚が薄い部分である薄肉部（３０２）とが交互に形成された形状からなる。隣り合って配置される２つのフィンのうちの一方のフィン（３０ａ）の厚肉部（３０１ａ）と他方のフィン（３０ｂ）の薄肉部（３０２ｂ）とがフィン配置方向において対向して配置されるとともに、一方のフィンの薄肉部（３０２ａ）と他方のフィンの厚肉部（３０１ｂ）とがフィン配置方向において対向するように配置されている。フィンには、その一方の表面に沿って配置される細流路と、その他方の表面に沿って配置される細流路とを連通させる連通路（３０５）が形成されている。フィンには、流路長手方向に所定の間隔で複数の連通路が形成されている。フィンは、複数の連通路の間に配置される複数のフィン片（３１０）を有している。フィン片は、そのフィン配置方向の長さよりも、その流路長手方向の長さの方が長い形状を有している。流路長手方向におけるフィン片の幅を「ｄ１」とし、流路長手方向において連通路を挟んで隣り合って配置されるフィン片の中心間距離を「Ｌｐ」とし、フィン配置方向におけるフィン片の幅を「ｄ２」とし、フィン配置方向における複数のフィンの配置間隔であるフィンピッチの２倍の長さを「Ｗｐ」とするとき、フィン片は、次式、
（Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ≦－０．３０６（ｄ２／Ｗｐ）２＋０．４３２４（ｄ２／Ｗｐ）＋０．１２９８
を満たすように形成されている。

この構成のように、隣り合う各フィンの厚肉部と薄肉部とが対向して配置されていれば、細流路の流路幅を狭めることなく、それらのフィンの間に設けられる細流路が蛇行状に形成されるようになる。よって、熱媒体の蛇行状の流れを実現しつつ、熱媒体流路を流れる熱媒体の圧力損失の増加を回避することができる。また、フィンに薄肉部だけでなく厚肉部を形成することにより、薄い板状のフィンを用いる場合と比較すると、フィンの板厚を増加させることが可能であるため、フィン効率を向上させることができる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示の熱交換器によれば、熱媒体の蛇行状の流れを実現しつつも、熱媒体流路を流れる熱媒体の圧力損失の増加を回避し、且つフィン効率を向上させることが可能である。

図１は、第１実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態の熱交換器における熱媒体の流れを模式的に示す図である。 図４は、第１実施形態の変形例の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図５は、第２実施形態のフィンの断面構造を示す断面図である。 図６は、第２実施形態の熱交換器の断面斜視構造を示す斜視図である。 図７は、第２実施形態の第１変形例の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図８は、第２実施形態の第２変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。 図９は、第２実施形態の第３変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。 図１０は、第２実施形態の第４変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。 図１１は、第２実施形態の第４変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。 図１２は、第３実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図１３は、第３実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図１４は、第４実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。 図１５は、第４実施形態の熱交換器の平面構造を示す平面図である。 図１６は、第４実施形態の変形例の熱交換器の平面構造を示す平面図である。 図１７は、第４実施形態の変形例の熱交換器の平面構造を示す平面図である。 図１８は、第５実施形態のフィンの断面構造を示す断面図である。 図１９は、第５実施形態の熱交換器における流路長手方向隙間率αと伝熱性能Ｐｆとの関係を示すグラフである。 図２０は、第５実施形態の熱交換器におけるフィン配置方向占有率βと流路長手方向隙間率αとの関係を示すグラフである。 図２１（Ａ），（Ｂ）は、第５実施形態の変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。 図２２（Ａ），（Ｂ）は、第５実施形態の変形例のフィンの断面構造を示す断面図である。

以下、熱交換器の実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
はじめに、図１に示される第１実施形態の熱交換器１０について説明する。この熱交換器の外面には、例えばインバータ装置の構成要素であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子４０が設置されている。本実施形態では半導体素子４０が電子部品に相当する。熱交換器１０は、その内部を流れる水等の熱媒体と半導体素子４０とを熱交換させることにより半導体素子４０の放熱を行う機器である。熱交換器１０は、基体２０と、複数のフィン３０とを備えている。

基体２０は、アルミニウムや銅等の金属からなり、中空箱状に形成されている。基体２０は、第１基盤２１と、第２基盤２２とを備えている。
第１基盤２１は平板状に形成されている。第１基盤２１の一方の表面である外面２１０には半導体素子４０が設置されている。

図中の矢印Ｙで示される方向に直交する第２基盤２２の断面形状は凹状に形成されている。第２基盤２２の開口部分を閉塞するように第１基盤２１が第２基盤２２に組み付けられることにより中空箱状の基体２０が構成されている。基体２０の内部空間は、熱媒体が流れる熱媒体流路Ｗ１０を構成している。熱媒体流路Ｗ１０は矢印Ｙで示される方向に延びるように形成されている。以下では、矢印Ｙで示される方向を「流路長手方向」とも称する。

複数のフィン３０は、アルミニウムや銅等の金属からなり、基体２０の内部に配置されている。複数のフィン３０と第１基盤２１とは一体成形されている。複数のフィン３０は、図中に矢印Ｘで示される方向、すなわち流路長手方向Ｙに直交する方向に所定の間隔を有して並べて配置されている。複数のフィン３０により基体２０の内部の熱媒体流路Ｗ１０が複数の細流路Ｗ１１に分割されている。各細流路Ｗ１１には熱媒体が流れている。フィン３０の一端部３１は、第１基盤２１の他方の表面である内面２１１に固定されている。フィン３０の他端部３２は第２基盤２２の底壁部２２０の内面に接触している。

なお、以下では、矢印Ｘで示される方向を「フィン配置方向Ｘ」と称する。また、フィン配置方向Ｘ及び流路長手方向Ｙの両方に直交する方向を「フィン高さ方向Ｚ」と称する。
図２は、図１に示されるＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構造を示したものである。図２に示されるように、フィン３０は、流路長手方向Ｙに沿って、板厚が厚い部分である厚肉部３０１と、板厚が薄い部分である薄肉部３０２とが交互に形成された形状からなり、全体として板厚が不均一な形状を有している。厚肉部３０１は、フィン３０の板厚の平均値よりも相対的に板厚が厚い部分である。薄肉部３０２は、フィン３０の板厚の平均値よりも相対的に板厚が薄い部分である。流路長手方向Ｙにおける厚肉部３０１及び薄肉部３０２のそれぞれの長さは同一である。また、フィン高さ方向Ｚにおけるフィン３０の長さは、流路長手方向Ｙにおけるフィンの長さよりも短く、またフィン高さ方向Ｚにおける第１基盤２１の長さよりも長い。以下では、厚肉部３０１において最も板厚が厚い部分を最厚肉部３０１０と称し、薄肉部３０２において最も板厚が薄い部分を最薄肉部３０２０と称する。

フィン３０には、流路長手方向Ｙにおいて複数の最厚肉部３０１０が所定のピッチＰで形成されるとともに、流路長手方向Ｙにおいて複数の最薄肉部３０２０が同一のピッチＰで形成されている。細流路Ｗ１１に面するフィン３０の表面３０３，３０４は、最厚肉部３０１０と最薄肉部３０２０とが滑らかに連続するように曲面で形成されており、略サイクロイド状の曲面が流路長手方向Ｙに連続するような形状を有している。フィン配置方向Ｘにおける最厚肉部３０１０及び最薄肉部３０２０のそれぞれの長さを「幅」とし、フィン配置方向Ｘにおける細流路Ｗ１１の長さを「流路幅」とするとき、最厚肉部３０１０の幅は細流路Ｗ１１の最大流路幅よりも大きい。また、最薄肉部３０２０の幅は細流路Ｗ１１の最小流路幅よりも小さい。

なお、以下では、フィン配置方向Ｘにおいて隣り合って配置される２つのフィン３０を「フィン３０ａ，３０ｂ」と称する。また、フィン３０ａ，３０ｂの厚肉部を符号３０１ａ，３０１ｂでそれぞれ表すとともに、フィン３０ａ，３０ｂの薄肉部を符号３０２ａ，３０２ｂでそれぞれ表す。さらに、フィン３０ａ，３０ｂの最厚肉部を符号３０１０ａ，３０１０ｂでそれぞれ表すとともに、フィン３０ａ，３０ｂの最薄肉部を符号３０２０ａ，３０２０ｂでそれぞれ表す。

図２に示されるように、隣り合って配置される２つのフィン３０ａ，３０ｂのうちの一方のフィン３０ａの厚肉部３０１ａと他方のフィン３０ｂの薄肉部３０２ｂとはフィン配置方向Ｘにおいて対向して配置されている。また、一方のフィン３０ａの薄肉部３０２ａと他方のフィン３０ｂの厚肉部３０１ｂとがフィン配置方向Ｘにおいて対向して配置されている。さらに、一方のフィン３０ａの最厚肉部３０１０ａと他方のフィン３０ｂの最厚肉部３０１０ｂとが、流路長手方向Ｙにおいて所定のピッチＰの半分「Ｐ／２」だけずれて配置されている。同様に、一方のフィン３０ａの最薄肉部３０２０ａと他方のフィン３０ｂの最薄肉部３０２０ｂとが、流路長手方向Ｙにおいて所定のピッチＰの半分「Ｐ／２」だけずれて配置されている。なお、隣り合って配置される２つのフィン３０ａ，３０ｂのそれぞれのフィン高さ方向Ｚに直交する断面形状は、流路長手方向Ｙにおいて「Ｐ／２」だけずれて配置されていることを除けば、同一の形状である。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（１）～（７）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）図２に示されるように、隣り合う各フィン３０ａ，３０ｂの厚肉部３０１ａ，３０１ｂと薄肉部３０２ａ，３０２ｂとが対向して配置されていれば、細流路Ｗ１１の流路幅を狭めることなく、それらのフィン３０ａ，３０ｂの間に設けられる細流路Ｗ１１が蛇行状に形成されるようになる。よって、熱媒体の蛇行状の流れを実現しつつ、熱媒体流路Ｗ１０を流れる熱媒体の圧力損失の増加を回避することができる。また、フィン３０ａ，３０ｂに薄肉部３０２ａ，３０２ｂだけでなく厚肉部３０１ａ，３０１ｂを形成することにより、薄い板状のフィンを用いる場合と比較すると、フィン３０ａ，３０ｂの板厚を確保できるため、フィン効率を向上させることができる。

（２）本実施形態の熱交換器１０では、図３に矢印で示されるように細流路Ｗ１１の内部において熱媒体が蛇行状に流れる。このように熱媒体が流れることで、フィン３０ａにおいて熱媒体が衝突し易い箇所は、その厚肉部３０１ａの側壁部３０８ａとなる。また、フィン３０ｂにおいて熱媒体が衝突し易い箇所は、その厚肉部３０１ｂの側壁部３０８ｂとなる。このように各フィン３０ａ，３０ｂの厚肉部３０１ａ，３０１ｂに熱媒体が衝突することで、熱媒体の熱がフィン３０ａ，３０ｂに伝達され易くなるため、フィン効率を高めることができる。

（３）各フィン３０ａ，３０ｂの表面から熱媒体が剥離し易い箇所は、図３に示される薄肉部３０２ａ，３０２ｂの付近となる。よって、各フィン３０ａ，３０ｂと熱媒体との間で熱交換が行われ難い箇所に薄肉部３０２ａ，３０２ｂが配置されているため、薄肉部３０２ａ，３０２ｂが設けられていることに起因するフィン効率の悪化の影響が生じ難い。

（４）一方のフィン３０ａの最厚肉部３０１０ａと他方のフィン３０ｂの最厚肉部３０１０ｂとが、流路長手方向Ｙにおいて所定のピッチＰの半分「Ｐ／２」だけずれて配置されている。同様に、一方のフィン３０ａの最薄肉部３０２０ａと他方のフィン３０ｂの最薄肉部３０２０ｂとが、流路長手方向Ｙにおいて所定のピッチＰの半分「Ｐ／２」だけずれて配置されている。この構成によれば、隣り合うフィン３０ａ，３０ｂの間に設けられる細流路Ｗ１１が蛇行状に形成され易くなるため、熱媒体の蛇行状の流れを更に実現し易くなる。結果的に熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。

（５）熱媒体が蛇行状に流れる場合、フィンの表面から剥離するように熱媒体が流れる可能性がある。熱媒体がフィンの表面から剥離して流れると、その部分で熱媒体が滞留し易くなる。これは熱交換器１０の熱交換性能を低下させる要因となる。この点、細流路Ｗ１１に面するフィン３０の表面３０３，３０４は曲面で形成されている。この構成によれば、細流路Ｗ１１を流れる熱媒体が表面３０３，３０４から乖離し難くなるため、熱交換器１０の熱交換性能の低下を回避することができる。

（６）熱交換器１０は、外面２１０に半導体素子４０が配置される第１基盤２１を備えている。第１基盤２１の内面２１１には、複数のフィン３０のそれぞれの一端部３１が固定されている。この構成によれば、第１基盤２１を介して半導体素子４０と熱媒体とを効果的に熱交換させることができる。

（７）フィン３０の一端部３１は、第１基盤２１の他方の表面である内面２１１に固定されている。フィン３０の他端部３２は第２基盤２２の底壁部２２０の内面に接触している。この構成によれば、各細流路Ｗ１１が独立した流路としてそれぞれ構成されるため、各フィン３０に沿って流れるような熱媒体の流れが形成され易くなる。よって、熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。

（変形例）
次に、第１実施形態の熱交換器１０の変形例について説明する。
図４に示されるように、本変形例の熱交換器１０では、フィン３０の他端部３２と第２基盤２２の底壁部２２０の内面との間に隙間が形成されている。本変形例の構成によれば、フィン高さ方向Ｚにおけるフィン３０の長さに寸法誤差が存在する場合であっても、その寸法誤差を、フィン３０の他端部３２と第２基盤２２の底壁部２２０との間に形成される隙間において吸収することができるため、フィン３０の寸法精度を緩和することができる。

なお、図４に示されるように、複数の細流路Ｗ１１は、フィン３０と第２基盤２２の底壁部２２０との間に形成される隙間を通じて互いに連通されていてもよい。換言すれば、複数の細流路Ｗ１１は、互いに独立した流路である必要性はなく、所定の箇所で互いに連通された流路として形成されていてもよい。あるいは、図１に示されるように、複数の細流路Ｗ１１は、互いに独立した流路として形成されていてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、熱交換器１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
図５に示されるように、本実施形態のフィン３０には、その各薄肉部３０２を厚さ方向に貫通するように連通路３０５が形成されている。連通路３０５は、フィン３０の一方の表面３０３に沿って配置される細流路Ｗ１１と、フィン３０の他方の表面３０４に沿って配置される細流路Ｗ１１とを連通させている。

なお、フィン３０において隣り合う最薄肉部３０２０，３０２０の間に配置される部分は、その中央を通り、且つフィン高さ方向Ｚに平行な軸線ｍ１０を中心に線対称な形状を有している。
また、図６に示されるように、連通路３０５は、複数のフィン３０のうちの一部のフィンのみに形成されていてもよい。さらに、図６に示されるように、連通路３０５は、薄肉部３０２におけるフィン高さ方向Ｚの一端部から他端部までの領域の一部に設けられていてもよい。あるいは、連通路３０５は、薄肉部３０２におけるフィン高さ方向Ｚの一端部から他端部までの領域の全部に設けられていてもよい。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（８）及び（９）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（８）連通路３０５を介して各細流路Ｗ１１の間を熱媒体が流通可能となるため、各細流路Ｗ１１を流れる熱媒体の熱の偏りを低減することができる。よって、熱交換器１０の熱交換性能の偏りを改善することができる。また、フィン３０に連通路３０５を形成することで、フィン３０を金型により成形し易くなるため、フィン３０が製造し易くなる。

（９）連通路３０５は、フィン３０の薄肉部３０２におけるフィン高さ方向Ｚの一端部から他端部までの領域の一部に設けられている。この構成によれば、フィン３０に連通路３０５を形成することにより得られる効果、すなわち熱交換性能の偏りを改善するという効果を得ることができる。また、フィン３０の薄肉部３０２において連通路３０５が形成されていない部分では、フィン３０の伝熱面積を確保することができる。結果的に、熱交換性能の偏りを改善するという効果と、フィン３０の伝熱面積を確保するという効果とを両立させることができる。

（第１変形例）
次に、第２実施形態の熱交換器１０の第１変形例について説明する。
図７に示されるように、本変形例の複数のフィン３０には、フィン高さ方向Ｚにおいて半導体素子４０に対向する位置に配置されるフィン３０ｃと、半導体素子４０に対向しない位置に配置されるフィン３０ｄとが含まれている。本変形例の熱交換器１０では、フィン３０ｄに連通路３０５が形成される一方、フィン３０ｃには連通路３０５が形成されていない。

図７に示されるような熱交換器１０では、半導体素子４０に対向して配置されていないフィン３０ｄのフィン効率よりも、半導体素子４０に対向して配置されるフィン３０ｃのフィン効率の方が半導体素子４０の放熱性に影響を与え易い。そのため、仮にフィン３０ｃに連通路３０５が形成されていると、フィン３０ｃのフィン効率が悪化する結果、半導体素子４０の放熱性が低下するおそれがある。この点、本変形例の熱交換器１０では、フィン３０ｃに連通路３０５が形成されていないため、フィン３０ｃにおいてフィン効率の悪化の懸念がない。そのため、より確実に半導体素子４０の放熱性を確保することができる。

（第２変形例）
次に、第２実施形態の熱交換器１０の第２変形例について説明する。
図８に示されるように、本変形例のフィン３０では、隣り合う連通路３０５，３０５の間に配置される部分のうち、流路長手方向Ｙの下流側の部位におけるフィン配置方向Ｘの一端部にピン角状の角部３０６が形成され、その他端部にもピン角状の角部３０７が形成されている。

本変形例の構成によれば、フィン３０の角部３０６，３０７付近における熱媒体の乖離を低減することができるため、熱媒体に対するフィン３０の伝熱面積を増加させることができる。よって、熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。
（第３変形例）
次に、第２実施形態の熱交換器１０の第３変形例について説明する。

図９に示されるように、本変形例のフィン３０において隣り合う連通路３０５，３０５の間に配置される部分は、その中央を通り、且つフィン高さ方向Ｚに平行な軸線ｍ１０を中心に線対称でない形状を有している。より詳しくは、隣り合う連通路３０５，３０５の間に配置される部分のうち、流路長手方向Ｙの下流側の部位におけるフィン配置方向Ｘの一端部にピン角状の角部３０６が形成され、その他端部にＲ形状の角部３０７が形成されている。

本変形例の構成によれば、一方の細流路Ｗ１１をピン角状の角部３０６に沿って流れる熱媒体の流速の方が、他方の細流路Ｗ１１をＲ形状の角部３０７に沿って流れる熱媒体の流速よりも速くなる。よって、ピン角状角部３０７の側の細流路Ｗ１１から連通路３０５を介してＲ形状角部３０７の側の細流路Ｗ１１に向かうような熱媒体の流れが形成され易くなる。これにより、連通路３０５付近に熱媒体の淀みが形成され難くなるため、熱媒体の伝熱性能の低下を抑制することができる。

（第４変形例）
次に、第２実施形態の熱交換器１０の第４変形例について説明する。
図１０に示されるように、本変形例では、フィン３０において複数の連通路３０５の間に配置される部分をフィン片３１０と称する。図１０に示されるようにフィン配置方向Ｘにおいて隣り合うフィン３０ａ，３０ｂのそれぞれのフィン片３１０ａ，３１０ｂが重なっていない領域Ａが存在する場合、その領域Ａでは熱媒体の流路断面積が部分的に急拡大することとなる。結果的に、領域Ａでは熱媒体が慣性に従って流れ易くなるため、フィン片３１０における熱媒体の流れ方向の下流側の部位では、熱媒体の剥離や淀みが発生し易くなる。これは、フィン３０の伝熱性能を低下させる要因となる。

そこで、図１１に示されるように、隣り合うフィン３０ａ，３０ｂのそれぞれのフィン片３１０ａ，３１０ｂはフィン配置方向Ｘにおいて重なるように配置されていることが望ましい。このような構成によれば、熱媒体の流路断面積が部分的に急拡大することを抑制できるため、フィン片３１０において熱媒体の剥離や淀みが発生し難くなる。そのため、フィン３０の伝熱性能を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、熱交換器１０の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
図１２に示されるように、本実施形態のフィン３０において第１基盤２１に固定される一端部３１の側壁部はＲ状に形成されている。あるいは、図１３に示されるように、フィン３０の一端部３１の側壁部は、抜き勾配を設定するために、テーパ状に形成されていてもよい。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（９）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（９）フィン３０から第１基盤２１に熱が伝わり易くなるため、フィン３０のフィン効率を向上させることができる。したがって、熱交換器１０の熱交換性能を高めることができる。

＜第４実施形態＞
次に、熱交換器１０の第４実施形態について説明する。以下、第１実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
図１４に示されるように、本実施形態の熱交換器１０では、その第１基盤２１の外面２１０に凹状の挿入溝２１２が形成されている。具体的には、図１５に示されるように、第１基盤２１の外面２１０には、２つの挿入溝２１２が流路長手方向Ｙに並ぶように形成されている。２つの挿入溝２１２には、別体からなる２つの半導体素子４０がそれぞれ挿入されている。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（１０）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（１０）本実施形態のように半導体素子４０を挿入可能な挿入溝２１２が第１基盤２１の外面２１０に形成されていれば、第１基盤２１に対する半導体素子４０の設置が容易となる。

（変形例）
次に、第４実施形態の熱交換器１０の第１変形例について説明する。
図１６に示されるように、熱交換器１０では、フィン高さ方向Ｚにおいてフィン３０と半導体素子４０が対向して配置されていなくてもよい。

なお、図１６に示されるような構造の場合、半導体素子４０に対するフィン３０の熱伝達性能が低下するおそれがある。そのため、図１７に示されるように、熱交換器１０は、フィン高さ方向Ｚにおいてフィン３０と半導体素子４０とが対向して配置されるような構造を有していてもよい。

＜第５実施形態＞
次に、熱交換器１０の第５実施形態について説明する。以下、第２実施形態の熱交換器１０との相違点を中心に説明する。
発明者らは、第２実施形態の熱交換器１０のようにフィン３０に連通路３０５を形成する場合に熱交換器１０の伝熱性能を高めることができる寸法を実験的に求めた。以下、発明者らにより行われた実験について具体的に説明する。

図１８に示される本実施形態の熱交換器１０では、複数のフィン３０が、フィン配置方向Ｘに所定の間隔Ｄｆで配置されている。以下では、間隔Ｄｆを「フィンピッチ」と称する。フィン３０には、複数の連通路３０５が流路長手方向Ｙに所定の間隔で形成されている。フィン３０は、複数の連通路３０５の間に配置される複数のフィン片３１０を有している。フィン高さ方向Ｚに直交するフィン片３１０の断面形状は、流路長手方向Ｙに長辺を有し、且つフィン配置方向Ｘに短辺を有する楕円形状である。すなわち、フィン片３１０は、そのフィン配置方向Ｘの長さよりも、その流路長手方向Ｙの長さの方が長い形状を有している。フィン片３１０は、流路長手方向Ｙにおいて所定の間隔Ｌｐで形成されている。

所定のフィン３０ｇに対してフィン配置方向Ｘの一方の側に隣り合って配置されるフィンを第１隣設フィン３０ｅとし、所定のフィン３０ｇに対してフィン配置方向Ｘの他方の側に隣り合って配置されるフィンを第２隣設フィン３０ｆとするとき、第１隣設フィン３０ｅ及び第２隣設フィン３０ｆのそれぞれのフィン片３１０ｅ，３１０ｆは所定のフィン３０ｇのフィン片３１０ｇに対して流路長手方向Ｙに「Ｌｐ／２」だけずれて配置されている。第１隣設フィン３０ｅ及び第２隣設フィン３０ｆのそれぞれのフィン片３１０ｅ，３１０ｆは、所定のフィン３０ｇの連通路３０５ｇを挟んでフィン配置方向Ｘに対向して配置されている。

このような熱交換器１０では、フィン３０に連通路３０５が形成されていると、隣り合う細流路Ｗ１１，Ｗ１１間の流速差により発生する静圧差により連通路３０５に熱媒体の流れが発生する。この連通路３０５における熱媒体の流れにより熱媒体の淀みが解消される結果、熱交換器１０としての伝熱性能が向上する。このような原理に基づけば、連通路３０５が拡大するほど、淀み解消効果が高まるため、伝熱性能が向上すると考えられる。しかしながら、実際には、連通路３０５が拡大するほど、フィン３０の伝熱面積が減少するため、それによる伝熱性能の低下が顕著となる。このように、連通路３０５の寸法に関しては、淀み解消効果に伴う伝熱性能の向上と、フィン３０の伝熱面積の減少に伴う伝熱性能の低下とがトレードオフの関係にある。結果的に、連通路３０５の寸法に関しては、熱交換器１０の伝熱性能が極大値を示す寸法が存在すると考えられる。

以上のような想定を踏まえ、熱交換器１０において、図中の長さｄ１，Ｌｐ，ｄ２，Ｗｐを変化させつつ熱交換器１０の熱伝達性能を実験的に求めたところ、図１９に示されるようなグラフが得られた。なお、「ｄ１」は、流路長手方向Ｙにおけるフィン片３１０の幅である。「Ｌｐ」は、流路長手方向Ｙにおいて連通路３０５を挟んで隣り合って配置されるフィン片３１０，３１０の中心間距離である。「ｄ２」は、フィン配置方向Ｘにおけるフィン片３１０の幅である。「Ｗｐ」は、フィン配置方向ＸにおけるフィンピッチＤｆの２倍の長さである。図１９に示されるグラフは、横軸に流路長手方向隙間率α（＝｛（Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ｝×１００）を、縦軸に熱交換器１０の伝熱性能Ｐｆをそれぞれ取って、それらの関係を示したものである。なお、図１９に示される各実線ｍ１～ｍ５は、フィン配置方向占有率β（＝（ｄ２／Ｗｐ）×１００）が「２６［％］」、「３０［％］」、「３２［％］」、「３９［％］」、及び「５０［％］」のそれぞれの場合における流路長手方向隙間率αに対する伝熱性能Ｐｆの推移を示したものである。

なお、流路長手方向隙間率αは、流路長手方向Ｙにおけるフィン片３１０の配置間隔Ｌｐに対する連通路３０５の幅を百分率で表したものである。したがって、流路長手方向隙間率αが大きくなるほど、流路長手方向Ｙにおける連通路３０５の幅が大きくなることを意味する。また、図１９に示されるグラフにおいて、隙間率αが「０［％］」である場合の値は、連通路３０５が存在しないフィンを用いた場合の値に相当する。

図１９に示されるように、流路長手方向隙間率αが「０［％］」から増加した場合、熱交換器１０の伝熱性能Ｐｆは、徐々に増加して極大値を示した後に減少するように推移する。よって、流路長手方向隙間率αが「０［％］」である場合よりも、すなわち連通路３０５が形成されていない場合よりも、伝熱性能Ｐｆが高くなる領域が存在する。例えば、フィン配置方向占有率βが「２６％」である場合、流路長手方向隙間率αが「０［％］」であるときの伝熱性能Ｐｆを基準伝熱性能Ｐｆ１ｂとすると、流路長手方向隙間率αが「０」から増加するほど基準伝熱性能Ｐｆ１ｂから増加するとともに、流路長手方向隙間率αが所定値α１０になった時点で極大値Ｐｆ１ｍａｘを示す。そして、流路長手方向隙間率αが所定値α１０から更に増加すると伝熱性能Ｐｆは減少して、流路長手方向隙間率αが閾値α１１になると、伝熱性能Ｐｆが基準伝熱性能Ｐｆ１ｂを示す。さらに流路長手方向隙間率αが増加すると、伝熱性能Ｐｆが基準伝熱性能Ｐｆ１ｂよりも低下する。したがって、流路長手方向隙間率αが「α≦α１１」を満たしていれば、基準伝熱性能Ｐｆ１ｂと同等、あるいはそれ以上の伝熱性能を確保することができる。

フィン配置方向占有率βが「３０［％］」、「３２［％］」、「３９［％］」、及び「５０［％］」のそれぞれの場合であるときに関しても同様である。なお、図１９では、それらの場合に関して、それらの伝熱性能Ｐｆが極大値Ｐｆ２ｍａｘ，Ｐｆ３ｍａｘ，Ｐｆ４ｍａｘ，Ｐｆ５ｍａｘを示す流路長手方向隙間率αが所定値α２０，α３０，α４０，α５０でそれぞれ示されている。また、それらの伝熱性能Ｐｆが基準伝熱性能Ｐｆ２ｂ，Ｐｆ３ｂ，Ｐｆ４ｂ，Ｐｆ５ｂと同等の伝熱性能Ｐｆを確保できる流路長手方向隙間率αが閾値α２１，α３１，α４１，α５１でそれぞれ示されている。

図２０には、図１９に示される流路長手方向隙間率αの値α１１，α２１，α３１，α４１，α５１と、それらに対応するフィン配置方向占有率βの値「２６％」、「３０［％］」、「３２［％］」、「３９［％］」、「５０［％］」との関係が点γ１１，γ２１，γ３１，γ４１，γ５１で示されている。これらの点γ１１，γ２１，γ３１，γ４１，γ５１を通る近似式を求めたところ、以下の式ｆ１が得られた。なお、図２０には、この式ｆ１に対応する曲線が実線ｍ１１で示されている。

α＝－０．３０６・β^２＋０．４３２４・β＋０．１２９８ （ｆ１）
図１９に示される流路長手方向隙間率αと伝熱性能Ｐｆとの関係を考慮すると、以下の式ｆ２を満たす領域で流路長手方向隙間率α及びフィン配置方向占有率βが設定されていれば、基準伝熱性能以上の伝熱性能、換言すれば連通路３０５が形成されていない場合に得られる伝熱性能と同等、もしくはそれを超える伝熱性能を得ることができる。

α≦－０．３０６・β^２＋０．４３２４・β＋０．１２９８ （ｆ２）
以上をまとめると、図１８に示される「ｄ１」、「Ｌｐ」、「ｄ２」、「Ｗｐ」が以下の式ｆ３を満たせば、連通路３０５が形成されていない場合に得られる伝熱性能と同等、もしくはそれを超える伝熱性能を得ることができる。

（Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ≦－０．３０６（ｄ２／Ｗｐ）^２＋０．４３２４（ｄ２／Ｗｐ）＋０．１２９８ （ｆ３）
また、図２０には、図１９に示される流路長手方向αの値α１０，α２０，α３０，α４０，α５０と、それらに対応するフィン配置方向占有率βの値「２６％」、「３０［％］」、「３２［％］」、「３９［％］」、「５０［％］」との関係が点γ１０，γ２０，γ３０，γ４０，γ５０で示されている。これらの点γ１０，γ２０，γ３０，γ４０，γ５０を通る近似式を求めたところ、以下の式ｆ４が得られた。なお、図２０には、この式ｆ４に対応する曲線が一点鎖線ｍ１２で示されている。

α＝－０．０８９７・β^２＋０．１２６８・β＋０．０３８１ （ｆ４）
したがって、図１８に示される「ｄ１」、「Ｌｐ」、「ｄ２」、「Ｗｐ」が以下の式ｆ５を満たせば、熱交換器１０の伝熱性能を最大にすることが可能となる。

（Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ＝－０．０８９７（ｄ２／Ｗｐ）^２＋０．１２６８（ｄ２／Ｗｐ）＋０．０３８１ （ｆ５）
なお、図２０の実線ｍ１１を用いることで得られる基準伝熱性能を「Ｐｆｂ」とし、図２０の一点鎖線ｍ１２を用いることで得られる最大伝熱性能を「Ｐｆｍａｘ」とするとき、図１８に示される「ｄ１」、「Ｌｐ」、「ｄ２」、「Ｗｐ」が以下の式ｆ６を満たせば、「（Ｐｆｍａｘ－Ｐｆｂ）／２」の伝熱性能を得ることができる。なお、図２０には、この式ｆ６の関係式が二点鎖線ｍ１３で示されている。

（Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ≦－０．２０９７（ｄ２／Ｗｐ）^２＋０．２９６３（ｄ２／Ｗｐ）＋０．０８９ （ｆ６）
以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（１１）及び（１２）に示される作用及び効果を更に得ることができる。

（１１）図１８に示される「ｄ１」、「Ｌｐ」、「ｄ２」、「Ｗｐ」を上記の式ｆ３を満たすように設定する。これにより、連通路３０５が形成されていない場合に得られる伝熱性能と同等、もしくはそれを超える伝熱性能を得ることができる。
（１２）図１８に示される「ｄ１」、「Ｌｐ」、「ｄ２」、「Ｗｐ」を上記の式ｆ５を満たすように設定する。これにより、熱交換器１０の伝熱性能を最大にすることが可能となる。

（変形例）
次に、第５実施形態の熱交換器１０の変形例について説明する。
フィン片３１０の形状は任意に変更可能であるが、熱媒体の蛇行流を形成し易くするためには、フィン片３１０が、そのフィン配置方向Ｘの長さよりも、その流路長手方向Ｙの長さの方が長い形状を有することが有効である。その一例としては、フィン片３１０を、図２１に示されるように長円状に形成したり、図２２に示されるように菱形状に形成したりすることが考えられる。フィン片３１０を長円状又は菱形状に形成した場合、以下のような作用及び効果を得ることができる。

仮に図２１（Ａ）に示されるように、フィン高さ方向Ｚに直交するフィン片３１０の断面形状が長円状に形成されており、且つフィン３０に連通路３０５が形成されていない場合、図２に示されるような楕円状のフィン片を用いる場合と比較すると、熱媒体が蛇行状に流れ難くなる。そのため、フィン片３１０が長円状に形成されている場合には、図２１（Ｂ）に示されるようにフィン３０に連通路３０５を形成することが特に有効となる。このような構成によれば、連通路３０５を通過する熱媒体の流れにより、熱媒体が蛇行状に流れ易くなるため、結果的にフィン効率を大幅に向上させることができる。このように、長円状のフィン片３１０を用いる場合、連通路３０５が存在するときと、連通路３０５が存在しないときとで熱媒体の流れ方が大きく異なるため、連通路３０５を形成することによるフィン効率の大幅な向上を期待することができる。

また、図２２（Ａ）に示されるように、フィン高さ方向Ｚに直交するフィン片３１０の断面形状は菱形状であってもよい。図２２（Ａ）に示されるように、フィン片３１０が菱形状に形成されており、且つフィン３０に連通路３０５が形成されていない場合、図２に示されるような楕円状のフィン片を用いる場合と比較すると、フィン片３１０から熱媒体が剥離し易くなる結果、熱媒体の淀みが発生し易くなる。これは、フィン３０の有効な伝熱面積を減少させる要因となる。これに対し、図２２（Ｂ）に示されるように、フィン３０に連通路３０５が形成されていれば、連通路３０５を通過する熱媒体の流れにより、熱媒体がフィン片３１０から剥離し難くなるため、熱媒体の淀みが発生し難くなる。したがって、フィン３０の有効な伝熱面積を大きくすることができるため、フィン効率を向上させることができる。

なお、フィン片３１０が長円状に形成されている場合、あるいは菱形状に形成されている場合には、連通路３０５が形成されている場合に得られる伝熱性能と同等の伝熱性能を得ることが可能な流路長手方向隙間率α及びフィン配置方向占有率βの関係式は、例えば図２０に破線ｍ１４で示されるような関係式になると考えられる。

＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・図５に示されるようなフィン３０に連通路３０５を有する熱交換器１０において、図４に示されるようなフィン３０の他端部３２と第２基盤２２の底壁部２２０の内面との間に隙間が形成される構造を採用してもよい。この構成によれば、フィン３０の他端部３２と第２基盤２２の底壁部２２０の内面との間に形成される隙間を介して各細流路Ｗ１１の間を熱媒体が流通可能となる。複数のフィン３０に形成される連通路３０５の幅には、例えばフィン３０の形状公差等に起因してばらつきが存在する。これは各細流路Ｗ１１の圧力損失にばらつきを生じさせる要因となる。この点、フィン３０の他端部３２と第２基盤２２の底壁部２２０の内面との間に形成される隙間を介して各細流路Ｗ１１の間を熱媒体が流通可能であれば、各細流路Ｗ１１に圧力損失のばらつきが生じた場合であっても、各細流路Ｗ１１の間を熱媒体が流通することにより、それらの圧力損失のばらつきが緩和される。したがって、各細流路Ｗ１１の圧力損失のロバスト性を向上させることができる。

・各実施形態のフィン３０の形状は、流路長手方向Ｙにおいて厚肉部３０１と薄肉部３０２とが交互に形成された形状であれば、任意に変更可能である。
・流路長手方向Ｙは、フィン配置方向Ｘに直交する方向に限らず、フィン配置方向Ｘに対して交差する方向であればよい。

・各実施形態のフィン３０は、流路長手方向Ｙに沿って厚肉部３０１と薄肉部３０２とを有し、それらの曲面状の外面が連続する構造からなるものであった。これに代えて、フィン３０は、厚肉部３０１と薄肉部３０２との間に、それらの曲面状の外面を直線的に繋げるような形状を有する中間接続部を有するものであってもよい。

・フィン３０の表面３０３，３０４は、曲面だけでなく、平面のみ、あるいは平面及び曲面の組み合わせで構成されていてもよい。
・各実施形態のフィン３０では、板厚の平均値よりも相対的に板厚が厚い部分を厚肉部３０１と定義したが、厚肉部３０１の定義はこれに限らず、他の部分よりも相対的に板厚が厚い部分を厚肉部３０１と定義してもよい。薄肉部３０２に関しても同様である。要は、フィン３０は、流路長手方向Ｙに沿って、板厚が厚い厚肉部３０１と、板厚が薄い薄肉部３０２とを交互に有するものであればよい。

・図１８に示されるような第５実施形態のフィン片３１０には、例えば図１２に示されるような一端部の側壁部をＲ形状に形成する構造や、図１３に示されるように一端部の側壁部をテーパ状に形成する構造等を適用することも可能である。これらの構造を採用する場合、フィン高さ方向Ｚにおいてフィン片３１０の幅が異なることとなる。このとき、フィン高さ方向Ｚにおけるフィン片３１０の全体が上記の式ｆ３を満たしていてもよいし、フィン高さ方向Ｚにおけるフィン片３１０の一部が上記の式ｆ３を満たしていてもよい。前者の場合にはフィン片３１０の全体で上記の（１１）に示される作用及び効果を得ることができ、後者の場合にはフィン片３１０の一部で上記の（１１）に示される作用及び効果を得ることができる。なお、上記の式ｆ５，ｆ６に関しても同様である。

・第５実施形態の熱交換器１０の複数のフィン３０には、上記の式ｆ３を満たすフィンと、上記の式ｆ３を満たさないフィンとが混在していてもよい。この場合、上記の式ｆ３を満たすフィンにおいて上記の（１１）に示される作用及び効果を得ることができるため、従来の熱交換器よりもフィン効率を高めることができる。なお、上記の式ｆ５，ｆ６に関しても同様である。

・各実施形態の熱交換器１０は、半導体素子４０と熱交換を行うものに限らず、任意の電子部品と熱交換を行うものであればよい。
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Ｗ１０：熱媒体流路
Ｗ１１：細流路
１０：熱交換器
２１：基盤
３０，３０ａ，３０ｂ：フィン
４０：半導体素子（電子部品）
２１２：挿入溝
３０１，３０１ａ，３０１ｂ：厚肉部
３０２，３０２ａ，３０２ｂ：薄肉部
３０５：連通路
３１０：フィン片

Claims (10)

1. 熱媒体流路（Ｗ１０）を流れる熱媒体と電子部品（４０）との間で熱交換を行う熱交換器（１０）であって、
   前記熱媒体流路に設けられ、所定のフィン配置方向に間隔を有して並べて配置されることにより前記熱媒体流路を複数の細流路（Ｗ１１）に分割する複数のフィン（３０）を備え、
   前記熱媒体流路は、前記フィン配置方向に交差する方向である流路長手方向に延びるように形成され、
   前記フィンは、前記流路長手方向に沿って、板厚が厚い部分である厚肉部（３０１）と、板厚が薄い部分である薄肉部（３０２）とが全部又は一部に交互に形成された形状からなり、
   隣り合って配置される２つのフィンのうちの一方のフィン（３０ａ）の厚肉部（３０１ａ）と他方のフィン（３０ｂ）の薄肉部（３０２ｂ）とが前記フィン配置方向において対向して配置されるとともに、前記一方のフィンの薄肉部（３０２ａ）と前記他方のフィンの厚肉部（３０１ｂ）とが前記フィン配置方向において対向するように配置され、
   前記フィンには、その一方の表面に沿って配置される細流路と、その他方の表面に沿って配置される細流路とを連通させる連通路（３０５）が形成されており、
   前記フィンには、前記流路長手方向に所定の間隔で複数の前記連通路が形成されており、
   前記フィンは、複数の前記連通路の間に配置される複数のフィン片（３１０）を有しており、
   前記フィン片は、その前記フィン配置方向の長さよりも、その前記流路長手方向の長さの方が長い形状を有しており、
   前記流路長手方向における前記フィン片の幅を「ｄ１」とし、前記流路長手方向において前記連通路を挟んで隣り合って配置されるフィン片の中心間距離を「Ｌｐ」とし、前記フィン配置方向における前記フィン片の幅を「ｄ２」とし、前記フィン配置方向における複数の前記フィンの配置間隔であるフィンピッチの２倍の長さを「Ｗｐ」とするとき、前記フィン片は、次式、
   （Ｌｐ－ｄ１）／Ｌｐ≦－０．３０６（ｄ２／Ｗｐ） ^２ ＋０．４３２４（ｄ２／Ｗｐ）＋０．１２９８
   を満たすように形成されている
   熱交換器。
2. 前記厚肉部において最も板厚が厚い部分を最厚肉部とし、前記薄肉部において最も板厚が薄い部分を最薄肉部とするとき、
   前記フィンには、前記流路長手方向において複数の前記最厚肉部が所定のピッチで形成されるとともに、前記流路長手方向において複数の前記最薄肉部が前記所定のピッチで形成され、
   前記一方のフィンの最厚肉部と前記他方のフィンの最厚肉部とが、前記流路長手方向において前記所定のピッチの半分だけずれて配置されており、
   前記一方のフィンの最薄肉部と前記他方のフィンの最薄肉部とが、前記流路長手方向において前記所定のピッチの半分だけずれて配置されている
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記細流路に面する前記フィンの表面は、曲面状に形成されている
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記細流路に面する前記フィンの表面は、非曲面状に形成されている
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
5. 前記フィン配置方向において前記細流路を挟んで隣り合って配置されるフィン片は、前記フィン配置方向において重なるように設けられている
   請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記流路長手方向及び前記フィン配置方向の両方に直交する方向をフィン高さ方向とするとき、
   前記電子部品が一方の表面に設置されるとともに、前記フィン高さ方向における複数の前記フィンのそれぞれの一端部が他方の表面に固定される基盤（２１）を更に備える
   請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記基盤の一方の表面には、前記電子部品が挿入される凹状の挿入溝（２１２）が形成されている
   請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記基盤の他方の表面に固定される前記フィンの一端部の側壁部は、テーパ状に形成されている
   請求項６又は７に記載の熱交換器。
9. 前記基盤の他方の表面に固定される前記フィンの一端部の側壁部は、Ｒ形状に形成されている
   請求項６又は７に記載の熱交換器。
10. 前記流路長手方向及び前記フィン配置方向の両方に直交する方向をフィン高さ方向とし、前記薄肉部において最も板厚が薄い部分を最薄肉部とするとき、
    前記フィンにおいて隣り合う前記最薄肉部の間に配置される部分は、その中央を通り、且つ前記フィン高さ方向に平行な軸線を中心に線対称な形状を有している
    請求項１～９のいずれか一項に記載の熱交換器。
    

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