CN117999647A - 功率元件用冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率元件用冷却器，可实现构成部件的削减、构成部件的加工及组装效率的提高，且具有高的热交换性能。本发明包含板状的第一壳体10、厚壁框状的第二壳体20、以及具有与发热体接合的受热面31a的受热板一体型散热片30，由铝制部件形成。在所述第一壳体中的相向部位设置冷却液流入口11及冷却液流出口12，所述第二壳体具有抑制发热体接合时因热引起的变形的壁厚，在相向部位形成与所述冷却液流入口连通的冷却液流入引导部21及与所述冷却液流出口连通的冷却液流出引导部22，所述受热板一体型散热片是在所述受热板的内表面中的与冷却液流通空间23对应的区域，一体地形成多个凸条34，在多个所述凸条34的邻接部之间分别形成冷却液流通路33，且将所述第一壳体、第二壳体及受热板一体型散热片的受热板与凸条接合。

Description

功率元件用冷却器

技术领域

本发明涉及一种功率元件用冷却器，更详细而言，例如涉及一种功率元件用冷却器，与组入有如功率半导体那样的功率元件的发热体接合，来对自功率元件发出的热进行冷却。

背景技术

近年来，在混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车及高速铁路车辆等中，为了提高马达的开关性能，使用发热量大的功率半导体(功率元件)。因此，为了使发热量大的功率半导体(功率元件)稳定地运作，需要热交换性能及可靠性高的冷却装置。

之前，为了对发热体进行冷却，一直使用空气冷却扇方式的散热器(heat sink)，但由于发热量的增大，在空气冷却扇方式中冷却性能的极限成为问题，因此，使用水冷式的冷却器或液冷套(例如，参照日本专利特开2017-98439号公报、日本专利第6698111号公报、日本专利第6508398号公报、日本专利第6314802号公报)。

日本专利特开2017-98439号公报中公开了如下结构：冷却器的壳体包含构成具有发热体安装面的顶壁的上构成部件、以及构成底壁及周壁的下构成部件，将一体地设置于上构成部件上的内侧突出部、引导冷却液的入口侧引导部、引导冷却液的出口侧引导部以及冷却液流路的整体上散布的针状鳍片(pin fin)钎焊接合于构成下构成部件的底壁及周壁的朝外凸缘的上表面。此外，日本专利特开2017-98439号公报中，在具有发热体安装面的顶壁钎焊接合有绝缘层叠材，在底壁的外表面钎焊有由线膨胀系数较铝低的材料形成的翘曲抑制板。由此，可抑制因通过焊锡接合安装发热体时的热而在壳体、绝缘层叠材及翘曲抑制板中产生翘曲。

日本专利第6698111号公报、日本专利第6508398号公报中公开了如下结构：液冷套通过钎焊接合，而与框体和散热片主体一体化，其中，所述框体包含底板、框部件(周壁部)及盖体；所述散热片主体包含：第一散热片及第二散热片，具有锯齿流路且配置于框体的内部。另外，日本专利第6698111号公报、日本专利第6508398号公报、日本专利第6314802号公报中公开了如下技术：所述散热片主体具有锯齿散热片，所述锯齿散热片通过将第一散热片及第二散热片在前后方向上即冷却液的流动方向上交替并列设置而构成，锯齿散热片通过多刀具进行切削而形成。

发明内容

[发明所要解决的问题]

然而，日本专利特开2017-98439号公报中记载的结构是如下构造：将一体地设置于构成冷却器的上构成部件上的内侧突出部、入口侧引导部、出口侧引导部以及冷却液流路的整体上散布的针状鳍片，钎焊接合于构成下构成部件的底壁及周壁的朝外凸缘的上表面；并且，将翘曲抑制板钎焊于下构成部件的外表面，因此，有构成部件的加工复杂且组装时需要花费工夫的担忧。

日本专利第6698111号公报、日本专利第6508398号公报、日本专利第6314802号公报中记载的结构是将框体、与散热片主体钎焊接合而成的结构，其中，所述框体包含：底板、框部件(周壁部)及盖体；所述散热片主体包含：第一散热片及第二散热片，具有锯齿流路且配置于框体的内部，因此，有构成部件的加工复杂且组装时需要花费工夫的担忧。

本发明是鉴于所述情况而成，课题在于提供一种功率元件用冷却器，可实现构成部件的削减且可实现构成部件的加工及组装效率的提高，且具有高的热交换性能。

[解决问题的技术手段]

为了实现所述课题，本发明的功率元件用冷却器，包含：板状的第一壳体、厚壁框状的第二壳体、以及具有与发热体接合的受热面的受热板一体型散热片，分别由铝制部件形成；在所述第一壳体及所述受热板一体型散热片的受热板中的任一者中的相向部位，设置有冷却液流入口及冷却液流出口；所述第二壳体具有抑制所述发热体接合时因热引起的变形的壁厚，在所述第二壳体中的相向部位，形成有与所述冷却液流入口连通的冷却液流入引导部、及与所述冷却液流出口连通的冷却液流出引导部；所述受热板一体型散热片是在所述受热板的内表面中的与所述第二壳体抵接的接合区域以外的区域，一体地形成多个凸条，在多个所述凸条的邻接部分之间分别形成冷却液流通路；且将所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片的所述受热板接合，且将所述第一壳体与所述凸条接合。此处，所谓铝是包含铝合金的含义。

通过以所述方式构成，可由板状的第一壳体、通过接合来安装发热体时不易发生热变形的具有高刚性的厚壁框状的第二壳体、以及抑制传热时的阻力的受热板一体型散热片这三种部件，构成功率元件用冷却器。

本发明中，所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片只要是由铝(包含铝合金)制部件形成，则所述第二壳体可为将所谓的铝挤出形材切片的部件、铝锻造材中的任一种。另外，所述受热板一体型散热片可为对铝挤出形材进行切削加工而成的部件、铝锻造材中的任一种。

在由铝挤出形材、铝锻造材成形出所述第二壳体与受热板一体型散热片的情况下，优选为所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片被钎焊接合。在所述情况下，可在所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片中的被接合的至少一者上形成钎料层，或者涂布钎料，或者使用薄板、粉末、棒状的钎料来进行钎焊。另外，优选为所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片由能够钎焊的1000系(纯铝系)、3000系(Al-Mn系)、6000系(Al-Mg-Si系)、8000系(Al-Fe系)中的任一者的铝合金形成。

通过以所述方式构成，第一壳体、第二壳体及受热板一体型散热片通过钎焊而接合为一体结构，因此，可使其具有气密性及耐久性。

另外，本发明中，在所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片由6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金形成的情况下，优选为使用包含氟化铯(CsF)的焊剂进行钎焊接合。

通过以所述方式构成，由于焊剂有去除铝的氧化被膜及促进钎料的流动性的作用，因此，可使钎焊性良好。

[发明的效果]

根据本发明，由于如上所述那样构成，因此可获得如以下那样的效果。

(1)根据第一发明中记载的发明，可由板状的第一壳体、通过接合来安装发热体时不易发生热变形的具有高刚性的厚壁框状的第二壳体、以及抑制传热时的阻力的受热板一体型散热片这三种部件构成功率元件用冷却器，因此，可实现构成部件的削减，并且可实现构成部件的加工及组装效率的提高，且可获得高的热交换性能。

(2)根据第二发明～第四发明中记载的发明，第一壳体、第二壳体及受热板一体型散热片通过钎焊而接合为一体结构，因此，可使其具有气密性及耐久性，因此，在所述(1)的基础上，可获得更高的热交换性能，并且可实现寿命的延长。

(3)根据第五发明中记载的发明，由于可实现钎焊性的提高，因此，在所述(1)、所述(2)的基础上，可进一步实现构成部件的组装效率的提高，且可获得高的热交换性能，并且可实现寿命的延长。

附图说明

图1是利用剖面表示本发明的冷却器的第一实施方式的使用状态的一部分的平面图。

图2是沿着图1的I-I线的剖面图。

图3是沿着图1的II-II线的剖面图。

图4是沿着图1的III-III线的剖面图(a)及剖面图(a)的IV部放大图(b)。

图5是表示第一实施方式中的第一壳体、第二壳体及受热板一体型散热片的分解立体图。

图6是利用剖面表示本发明的冷却器的第二实施方式的使用状态的一部分的平面图。

图7是沿着图6的V-V线的剖面图。

图8是沿着图6的VI-VI线的剖面图。

图9是表示第二实施方式中的第一壳体、第二壳体及受热板一体型散热片的分解立体图。

图10是表示本发明中的受热板一体型散热片的成形前的形材的一例的立体图。

图11是表示本发明的受热板一体型散热片的成形前的其他形材的例子的立体图。

具体实施方式

以下，基于随附图式，来对用以实施本发明的形态进行详细的说明。

＜第一实施方式＞

如图1至图5所示，本发明的冷却器1是将板状的第一壳体10、与第一壳体10的轮廓为相同形状的厚壁框状的第二壳体20、以及受热板一体型散热片30层叠并接合而成，其中，所述受热板一体型散热片30具有与作为发热体的组入有功率半导体等功率元件的功率模块2接合的受热面31a。第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30由铝制部件形成。此处，所谓铝是包含铝合金的含义。

第一壳体10是通过压制加工，而将角部被切成圆弧状的大致矩形的板状的铝制板部件成形。在第一壳体10的中央的短边方向的相向部位的其中一者设置有冷却液流入口11，在相向部位的另一者设置有冷却液流出口12。此外，在四个部位的角部附近设置有定位用的贯通孔13。贯通孔13不需要设置于四个部位的角部附近，也可设置于任意部位，例如，对角方向的两个部位的角部附近。

厚壁框状的第二壳体20具有抑制功率模块2的接合时因热引起的变形的壁厚，在所述第二壳体20中的短边方向的相向部位的其中一者形成有与冷却液流入口11连通的冷却液流入引导部21，在相向部位的另一者形成有与冷却液流出口12连通的冷却液流出引导部22。这些冷却液流入引导部21及冷却液流出引导部22与第二壳体20的内侧的冷却液流通空间23连通，形成为：在俯视下，冷却液流通空间23侧具有扩开锥度的梯形，以使冷却液广泛地遍及冷却液流通空间23。

第二壳体20可仅通过将铝制挤出形材切片为规定厚度来成形。此外，第二壳体20也可由铝制锻造材来成形。在利用锻造材成形出第二壳体20的情况下，例如，可通过使用了锻造用模具的机械式压制机来制作。

受热板一体型散热片30是：在受热板31的内表面中的与第二壳体20抵接的接合区域32以外的区域、即与冷却液流通空间23对应的区域，一体地形成多个凸条34，在多个所述凸条34的邻接部分之间分别形成有冷却液流通路33。

作为成形出受热板一体型散热片30的方法，例如，根据冷却器的尺寸对如下的铝制挤出形材、即与如图10所示那样的形成受热板31的板部35的两侧的残留有接合区域32而隆起的散热片部36一体的铝制挤出形材进行切割，而制作出成形前的形材39。针对所述成形前的形材39，使用并列设置有多个圆盘刀具的多刀具(未图示)来形成在邻接部分之间分别形成冷却液流通路33的多个凸条34，对板部35两侧的与接合区域32正交之侧的凸条34进行切削而形成接合区域32，由此可成形(制作)出受热板一体型散热片30。此外，也可在对成形前的形材39两侧的与接合区域32正交之侧进行切削而形成接合区域32后，使用多刀具形成凸条34。

作为成形出受热板一体型散热片30的其他方法，在根据冷却器的尺寸对如下的铝制挤出形材进行切割而制作出成形前的形材39A后，对板部35两侧的与接合区域32正交之侧的凸条34进行切削而形成接合区域32，由此可成形(制作)出受热板一体型散热片30，其中，所述铝制挤出形材是在如图11所示那样的形成受热板31的板部35两侧的残留有接合区域32的区域，形成了在邻接部分之间分别形成冷却液流通路33的多个凸条34。

此外，也可由铝制锻造材，成形出受热板一体型散热片30。在利用锻造材成形出受热板一体型散热片30的情况下，例如，可通过使用了锻造用模具的机械式压制机来制作。

如上所述那样成形的板状的第一壳体10、厚壁框状的第二壳体20及受热板一体型散热片30是由能够钎焊的1000系(纯铝系)、3000系(Al-Mn系)、6000系(Al-Mg-Si系)、8000系(Al-Fe系)中的任一者的铝合金形成。

此处，第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30是由6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金、例如A6063合金、具体而言，具有如下组成的铝合金所形成，其中，所述组成是以质量％计，包含Si：0.6％、Fe：0.35％、Cu：0.1％、Mn：0.1％、Mg：0.9％、Cr：0.1％、Zn：0.1％、Ti：0.01％，且剩余部分包含Al及不可避免的杂质。此外，第一壳体10的材质未必需要为6063合金，也可为以所述合金为心材的钎焊片。

在6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金的情况下，使用包含氟化铯(CsF)的焊剂来进行钎焊接合。在对第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30进行钎焊时，将焊剂涂布于第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30的接合面。此外，包含氟化铯(CsF)的焊剂与现有的诺考科焊剂(Nocolok flux)相比，焊剂的反应在更低的温度下开始，因此，在主要包含Mg的合金种类的接合中，具有不易受到Mg的析出对钎焊性的影响的效果。

在对第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30进行钎焊的情况下，在第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30的被接合的至少一者的部件上利用钎料形成钎料层，或者涂布钎料来进行钎焊，或者使用薄板、粉末、棒状的钎料来进行钎焊。具体而言，在第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30的被接合的至少一者的部件上利用钎料形成钎料层，或者涂布钎料，或者使用薄板、粉末、棒状的钎料，组装第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30，且在炉内在规定的温度下进行加热来进行钎焊。

在将功率模块2接合至以如上所述方式构成的冷却器1的情况下，在去除受热板一体型散热片30的受热面31a的焊剂残渣后，对受热面31a实施镀Ni，并通过焊锡而将冷却器1的受热面31a与功率模块2接合。此外，去除焊剂残渣的方法例如使用通过压缩空气而加速的研磨材与液体(水)碰撞冷却器1，而对表面进行加工的湿式喷射装置来进行。另外，镀敷处理通过镀Ni进行。

在如上所述那样构成的冷却器1中，被供给至冷却液流入口11的冷却液经由冷却液流入引导部21流动至冷却液流通空间23，在一体地设置于受热板31的内表面的多个凸条34之间的冷却液流通路33中流动，并经由冷却液流出引导部22自冷却液流出口12排出。由此，可效率良好地冷却自与受热面31a接合的功率模块2的功率元件发出的热。

此外，在所述说明中，对在第一壳体10设置冷却液流入口11及冷却液流出口12的情况进行了说明，但也可将冷却液流入口11及冷却液流出口12设置于受热板一体型散热片30的受热板31。

＜第二实施方式＞

如图6至图9所示，第二实施方式的冷却器1A是在大致矩形形状的基部的中央部的短边方向的相向部位，设置有分别向外侧延伸的冷却液流入部40及冷却液流出部50的情况。

第二实施方式的冷却器1A是将板状的第一壳体10A、与第一壳体10A的轮廓为相同形状的厚壁框状的第二壳体20A、以及受热板一体型散热片30A层叠并接合而成，其中，所述板状的第一壳体10A具有矩形形状的基部14、以及在基部14的中央部的短边方向的相向部位分别向外侧突出的矩形形状的伸出部15a、伸出部15b；所述受热板一体型散热片30A具有与第一壳体10A的轮廓为相同形状的轮廓，且具有与作为发热体的组入有功率半导体等功率元件的功率模块2接合的受热面31a。

第一壳体10A通过压制加工而将板状的铝制板部件成形，其中，所述板状的铝制板部件具有角部被切成圆弧状的大致矩形的基部14、以及在基部14的中央部的短边方向的相向部位分别向外侧突出的矩形形状的伸出部15a、伸出部15b。在第一壳体10A的中央的短边方向的相向部位的其中一个伸出部15a，设置有冷却液流入口11；在相向部位的另一个伸出部15b，设置有冷却液流出口12。此外，伸出部15a、伸出部15b的形状可为矩形形状以外的形状，例如，也可为半圆弧状或半椭圆形状等任意的形状。

厚壁框状的第二壳体20A具有抑制功率模块2接合时因热引起的变形的壁厚，在所述第二壳体20A中的短边方向的相向部位设置有分别向外侧突出的矩形形状的伸出框部24a、伸出框部24b。在其中一个伸出框部24a形成有与冷却液流入口11连通的冷却液流入引导部21A，在另一个伸出框部24b形成有与冷却液流出口12连通的冷却液流出引导部22A。这些冷却液流入引导部21A及冷却液流出引导部22A与第二壳体20A内侧的冷却液流通空间23连通。第二壳体20A可通过与第一实施方式的第二壳体20相同的成形方法成形。即，第二壳体20A可仅通过将铝制挤出形材切片成规定的厚度来成形，或者由铝制锻造材成形。

受热板一体型散热片30A是：在受热板31A的内表面中的与第二壳体20A抵接的接合区域32以外的区域、即与冷却液流通空间23对应的区域，一体地形成多个凸条34，在多个所述凸条34的邻接部分之间分别形成冷却液流通路33，所述受热板31A具有：矩形形状的受热板主体37、以及在受热板主体37的中央部的短边方向的相向部位分别向外侧突出的矩形形状的伸出部38a、伸出部38b。受热板一体型散热片30A可通过与第一实施方式的受热板一体型散热片30相同的成形方法成形。即，受热板一体型散热片30A可通过对铝制挤出形材进行切削来进行加工或由铝制锻造材成形。

在第二实施方式中，由第一壳体10A的伸出部15a、伸出部15b、第二壳体20A的伸出框部24a、伸出框部24b、受热板一体型散热片30A的伸出部38a、伸出部38b构成冷却液流入部40及冷却液流出部50。此外，在所述说明中，在第一壳体10A的伸出部15a设置有冷却液流入口11，在伸出部15b设置有冷却液流出口12，但也可在受热板一体型散热片30A的受热板31A的伸出部38a、伸出部38b设置有冷却液流入口11及冷却液流出口12。

在第二实施方式中，其他部分与第一实施方式相同，因此，对相同部分标注相同符号，并省略说明。

在如上所述那样构成的冷却器1A中，被供给至冷却液流入口11的冷却液经由冷却液流入部40流动至冷却液流通空间23，在一体地设置于受热板31A的内表面的多个凸条34之间的冷却液流通路33中流动，并经由冷却液流出部50自冷却液流出口12排出。由此，可效率良好地冷却自与受热面31a接合的功率模块2的功率元件发出的热。

根据如上所述那样构成的实施方式的冷却器1、冷却器1A，对于板状的第一壳体10、第一壳体10A、通过接合来安装功率模块2时不易发生热变形的具有高刚性的厚壁框状的第二壳体20、第二壳体20A、以及抑制传热时的阻力的受热板一体型散热片30、受热板一体型散热片30A这三种部件进行钎焊接合，因此，可实现构成部件的削减，且可实现构成部件的加工及组装效率的提高。另外，通过钎焊而接合成一体结构，而可使其具有气密性及耐久性，因此，可获得高的热交换性能，并且可实现寿命的延长。

此外，在所述实施方式中，对第一壳体10、第二壳体20及受热板一体型散热片30由6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金、例如A6063合金成形的情况进行了说明，但在由6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金以外的能够钎焊的1000系(纯铝系)、3000系(Al-Mn系)、8000系(Al-Fe系)中的任一者的铝合金成形的情况下，也可获得与所述相同的效果。

Claims (5)

1.一种功率元件用冷却器，其特征在于，包括：

板状的第一壳体、厚壁框状的第二壳体、以及具有与发热体接合的受热面的受热板一体型散热片，分别由铝制部件形成；其中，

在所述第一壳体及所述受热板一体型散热片的受热板中的任一者中的相向部位，设置有冷却液流入口及冷却液流出口；

所述第二壳体具有抑制所述发热体接合时因热引起的变形的壁厚，在所述第二壳体中的相向部位，形成有与所述冷却液流入口连通的冷却液流入引导部、及与所述冷却液流出口连通的冷却液流出引导部；

所述受热板一体型散热片是在所述受热板的内表面中的与所述第二壳体抵接的接合区域以外的区域，一体地形成多个凸条，在多个所述凸条的邻接部分之间分别形成冷却液流通路；且

将所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片的所述受热板接合，并且将所述第一壳体与所述凸条接合。

2.根据权利要求1所述的功率元件用冷却器，其特征在于，

所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片被钎焊接合。

3.根据权利要求2所述的功率元件用冷却器，其特征在于，

在所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片中的被接合的至少一者上形成钎料层，或者涂布钎料，或者使用薄板、粉末、棒状的钎料来进行钎焊。

4.根据权利要求2或3所述的功率元件用冷却器，其特征在于，

所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片由1000系(纯铝系)、3000系(Al-Mn系)、6000系(Al-Mg-Si系)、8000系(Al-Fe系)中的任一者的铝合金形成。

5.根据权利要求4所述的功率元件用冷却器，其特征在于，

在所述第一壳体、所述第二壳体及所述受热板一体型散热片由6000系(Al-Mg-Si系)的铝合金形成的情况下，使用包含氟化铯(CsF)的焊剂进行钎焊接合。