JP2005093467A - 放熱器及び放熱器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で設備コストの削減が得られ、発熱体の放熱効果に優れた放熱器を提供する。
【解決手段】ヒートパイプケース２内に貯留された冷媒溶液３を発熱体Ｈの熱により加熱して蒸発させ、ヒートパイプケース２の上部に位置するパイプ部７内で冷却して凝縮させ、発熱体Ｈと外部大気との間で低損失の熱交換を行う、いわゆるヒートパイプ構造を構成し、このヒートパイプ構造により発熱体Ｈの熱を外部大気に放熱する。また、ヒートパイプケース２の床面を形成するベースプレート４ａに、放熱フィン４ｂを設けることによって、発熱体Ｈの熱を冷媒溶液３に効果的に伝達し、冷媒溶液３の蒸発を積極的に促す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱器及び放熱器の製造方法に関し、例えば電気自動車のインバータ装置等の発熱体を冷却する放熱器及び放熱器の製造方法に関する。

図３は、従来技術を説明する図であり、電気自動車のインバータ装置を冷却するための冷却システム１００が示されている。この冷却システム１００は、インバータ装置１０１に冷却水路１０９を設けて、ポンプ１０２で冷却水を圧送して循環させることによってインバータ装置１０１を強制的に冷却するものである。

図中で符号１０３は、ヒートシンクであり、ヒートシンク１０３の上面には、半導体素子等の発熱体１０４が配設されて、これらの発熱体１０４を覆うカバー１０５が取り付けられている。一方、ヒートシンク１０３の下面には、冷却水路形成部材１０６が取り付けられている。冷却水路形成部材１０６は、ヒートシンク１０３との協働により冷却水路１０９を形成するものであり、一端側に冷却水の入口部１０７が設けられ、他端側に出口部１０８が設けられている。

ポンプ１０２は、図中に矢印で示すように、冷却水を入口部１０７から冷却水路１０９内に圧送し、出口部１０８から排出させ、図示していないラジエータによって冷却させた後に、再び入口部１０７から冷却水路１０９内に圧送して循環させるように構成されている。この冷却システム１００によれば、ヒートシンク１０３は冷却水路１０９内でより多くの熱を冷却水に伝達することができ、インバータ装置１０１の冷却を好適に行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

また、他の冷却方式として、発熱体の筐体に冷却フィンを設けてその冷却フィンに走行風を当てたり、ファンモータによって強制的に冷却風を作りだし、その冷却風を発熱体や冷却フィンに当てて空冷することは、従来より行われている。

特開平１１−３４６４８０号公報

しかしながら、上述の冷却システム１００の場合、冷却水を循環させるための冷却水路１０９が別個に必要であり、システムの構造が複雑で構成部品が多く、製品価格が高価という問題がある。また、冷却水を圧送するためのポンプ１０２が必要であり、そのポンプ１０２を駆動するための駆動源を確保しなければならないという問題もある。

更に、上記冷却システム１００の場合、冷却水路１０９内に冷却水の淀みが発生し易く、温度分布が不均一となるおそれがある。また、冷却水路１０９が発熱体１０４の下部に設けられているので、冷却水路１０９の上部が高温になり易く、所望の放熱効果を得ることが困難となるおそれがある。

一方、強制空冷方式の場合、水冷方式よりも冷却能力が低いという問題がある。また、ヒートシンクの形状が複雑で大型化し、設置場所が限定されるという問題もある。更に、ファンモータを設ける必要があり、構造が複雑で構成部品が多く、製品価格が高価である。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で設備コストの削減が得られ、発熱体の放熱効果に優れた放熱器を提供することにある。

上記課題を解決する請求項１に記載の発明による放熱器は、発熱体の上面に沿って取り付けられるベースプレートとそのベースプレートから上方に向かって突設された放熱フィンとを有するプレート部と、ベースプレートの外周端縁に沿って起立しベースプレートに連続して放熱フィンの頭頂部よりも高い高さ位置まで延出する側壁部と、側壁部の上端部で折曲されて略水平方向に延在しプレート部の上方を覆う天井部と、その天井部から上方に向かって突設されたパイプ部とを有し、これらプレート部、側壁部、天井部、パイプ部により形成され大気圧よりも低圧である減圧状態に保持された閉塞空間を有するヒートパイプケースと、そのヒートパイプケース内に貯留されて、発熱体からプレート部を介して伝達される熱により加熱されて蒸発し、液面から上昇してパイプ部内に進入し、パイプ部内で冷却されることにより凝縮し、ヒートパイプケース内の下部に落下する冷媒溶液とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載した放熱器の製造方法において、パイプ部の上部に形成された空気抜き孔からヒートパイプケース内に冷媒溶液を注入する工程と、ヒートパイプケースを加熱してヒートパイプケース内の気体を膨張させてその膨張した分の気体を空気抜き孔から排気させる工程と、排気状態で空気抜き孔を封止し、ヒートパイプケースの加熱を停止してヒートパイプケース内の温度を低下させることによりヒートパイプケース内の圧力を大気圧よりも低圧である減圧状態に保持する工程とを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載した放熱器の製造方法において、ヒートパイプケースは、側壁部と天井部とパイプ部を一体に形成した上部蓋とプレート部とを電子ビーム溶接により接合することによって製造されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載した放熱器の製造方法において、上部蓋は、プレス成形により形成され、空気抜き孔は、上部蓋のプレス成形時に穿設されることを特徴とする。

請求項１の発明によると、ヒートパイプケース内に貯留された冷媒溶液を発熱体の熱により加熱して蒸発させ、ヒートパイプケースの上部に位置するパイプ部内で冷却して凝縮させる。これにより、発熱体と外部大気との間で低損失の熱交換を行う、いわゆるヒートパイプ構造を構成し、発熱体の効果的な放熱を行うことができる。したがって、放熱器の構成を簡単なものとすることができ、故障がなく、従来の強制循環水冷方式のように冷却水路、冷却ポンプ、ラジエータが不要で艤装が容易となり、製品を安価に提供することができる。

また、ベースプレートの上面に、放熱フィンを設けることによって、発熱体の熱を冷媒溶液に効果的に伝達でき、冷媒溶液の蒸発を積極的に促すことができる。したがって、優れた放熱効果を得ることができる。

請求項２の発明によると、ヒートパイプケースの加熱によりヒートパイプケース内の気体を膨張させて、その膨張した分の気体を空気抜き孔から外部に排気させた状態で空気抜き孔を封止するので、加熱ケースの加熱を停止してヒートパイプケース内の温度を低下させることにより、ヒートパイプケース内の圧力を大気圧よりも低圧である減圧状態に保持することができる。したがって、ヒートパイプケース内を簡単に減圧状態とすることができ、ヒートパイプ構造を容易に構成することができる。

請求項３の発明は、上述の請求項２に記載した発明の一例を具体的に示したものであり、これによれば、ヒートパイプケースは、側壁部と天井部とパイプ部を一体に形成した上部蓋とプレート部とによって構成され、これらの上部蓋とプレート部とを電子ビーム溶接によって接合するので、ヒートパイプケースを容易に製造することができる。

請求項４の発明は、上述の請求項３に記載した発明の一例を具体的に示したものであり、これによれば、上部蓋をプレス成形し、空気抜き孔を上部蓋のプレス成形時に穿設するので、上部蓋の成形と同時に空気抜き孔を穿設することができる。したがって、工数を削減でき、製造コストを低減し、安価に提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本実施の形態における放熱器を一部断面により示した斜視図、図２は、放熱の仕組みを説明する図である。尚、図中で符号Ｈは、放熱器１が取り付けられる発熱体である。この発熱体Ｈは、本実施の形態では、電気自動車やハイブリッド車の走行用モータを駆動制御するインバータ装置である。インバータ装置Ｈは、熱源となるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール等（図示せず）が筐体の上部に設けられている。

放熱器１は、ヒートパイプケース２と、そのヒートパイプケース２内に貯留される冷媒溶液３（図２参照）とを有しており、ヒートパイプ構造を構成している。ヒートパイプケース２は、図１に示すように、プレート部４と、側壁部５と、天井部６と、パイプ部７を有しており、これらにより外部から隔絶された閉塞空間を形成している。

プレート部４は、下面がインバータ装置Ｈの上面全体に亘って接面した状態で取り付けられヒートパイプケース２の底板を形成するベースプレート４ａを有しており、そのベースプレート４ａの上面には、放熱フィン４ｂが設けられている。放熱フィン４ｂは、ベースプレート４ａの上面から上方に向かって突出しかつ上面に沿って一直線状に延在し、その長手方向に交差する方向に所定間隔をおいて複数並設されている。

側壁部５は、プレート部４のベースプレート４ａの外周端縁に沿って設けられており、ベースプレート４ａに連続して起立し、放熱フィン１２の頭頂部よりも高い位置まで延出する高さに形成されている。天井部６は、側壁部５の上端部で折曲されて略水平方向に延在し、プレート部４の上方を覆い、側壁部５の上部を蓋する形状を有している。

パイプ部７は、天井部６から上方に向かって突設されており、天井部６から上方に向かってほぼ垂直に延在し対峙する一対の縦壁面７ａ（図２参照）と、これら一対の縦壁面７ａの上端でそれぞれ折曲され略水平方向に延在して縦壁面７ａの上端間を閉塞するパイプ上面７ｂと、パイプ部７の延在方向両側部分で側壁部５から上方に向かって延出してパイプ部７の両側の端部を閉塞するパイプ端面７ｃとを有している。そして、パイプ部７は、放熱フィン４ｂの延在方向に直交する方向に延在しかつその延在方向に直交する方向に所定間隔をおいて複数並設されている。

上記構成を有するヒートパイプケース２は、熱伝導率の高い銅材料によって構成されている。本実施の形態では、側壁部５と天井部６とパイプ部７とが一体に形成されて上部蓋８を構成しており、プレート部４との協働により外部から隔絶された閉塞空間をその内部に形成すべく、電子ビーム溶接によって上部蓋８とプレート部４とが接合されている。この上部蓋８は、銅板をプレス成形することによって形成されており、プレス成形時には、パイプ上面７ｂにヒートパイプケース２内と外部との間を連通するための空気抜き孔９が穿設される。この空気抜き孔９は、冷媒溶液３をヒートパイプケース２内に注入することができ、注入後にろう付け或いは溶接等により封止できる大きさを有している。

冷媒溶液３は、インバータ装置Ｈからの熱によって加熱されることによって蒸発し、蒸気となって液面から上昇し、パイプ部７に進入してパイプ部７内で冷却されることにより凝縮し、パイプ部７の縦壁面７ａとパイプ上面７ｂに付着して水滴となって重力により落下するものであり、本実施の形態では、純水が用いられている。

上記ヒートパイプケース２内は、大気圧よりも低圧である減圧状態に保持されている。減圧状態に保持されたヒートパイプケース２を得るために以下の作業が行われる。まず、空気抜き孔９からヒートパイプケース２内に所定量の冷媒溶液３を注入する（注入行程）。ここで、冷媒溶液３は、インバータ装置Ｈが発する熱を冷却するのに最適な量が注入される。本実施の形態では、液面がパイプ部７よりも下方位置でかつ放熱フィン４ｂが完全に没入する高さ位置となる量が注入されている。

そして、図示していない加熱装置等によってヒートパイプケース２を加熱し、ヒートパイプケース２内で冷媒溶液３を沸騰させて、ヒートパイプケース２内の空気を膨張させ、その膨張した分の空気を空気抜き孔９から外部に排出させる（排気行程）。

そして、かかる状態で空気抜き孔９をろう付け或いは溶接により封止すると共に、ヒートパイプケース２の加熱を停止する（封止加熱停止行程）。加熱停止により、ヒートパイプケース２と冷媒溶液３の温度は低下し、ヒートパイプケース２内の空気は、膨張した状態から通常の状態に戻る。ところが空気抜き孔９は既に封止されて外部からヒートパイプケース２内に空気が入ることはできない状態となっている。したがって、ヒートパイプケース２内の圧力は、大気圧よりも低圧である減圧状態となり、かかる減圧状態に保持される。

次に、上記放熱器１による放熱方法について以下に説明する。まず、インバータ装置Ｈが発熱すると、その熱は、インバータ装置Ｈからその上部に取り付けられているヒートパイプケース２のプレート部４に伝達され、プレート部４のベースプレート４ａ及び放熱フィン４ｂからヒートパイプケース２内の冷媒溶液３に伝達される。

冷媒溶液３は、プレート部４を介して伝達された熱によりヒートパイプケース２内で蒸発し、図２（ａ）に示すように蒸気となって液面から上昇し、パイプ部７に進入する。そして、パイプ部７に進入した蒸気は、温度差によりパイプ部７内で冷却されて凝縮し、図２（ｂ）に示すようにパイプ部７の縦壁面７ａやパイプ上面７ｂに付着し、そして、水滴となって重力により落下し、再び冷媒溶液３として貯留される。

これによれば、冷媒溶液３が蒸発する際の潜熱により冷媒溶液３の熱を吸収し、その熱をパイプ部７内で凝縮する際の潜熱により外部大気に放出することができ、微少の温度差によって多量の熱を輸送するヒートパイプ構造が構成される。したがって、簡単な構成でより多くの熱を放出でき、従来の強制水冷方式のように複数の部品を必要とせず、低コストで故障のない放熱器１を得ることができる。

また、本実施の形態では、熱源となるインバータ装置Ｈの上部にヒートパイプケース２を配置し、更にベースプレート４ａの上方に冷媒溶液３を貯留しているので、下方から上方に向かって熱を円滑に伝達することができ、インバータ装置Ｈの熱を効率よく吸収して外部大気に放出することができる。

更に、プレート部４のベースプレート４ａに、放熱フィン４ｂを設けることによって、インバータ装置Ｈの熱を冷媒溶液３に効果的に伝達することができる。したがって、ヒートパイプケース２内における冷媒溶液３の蒸発を積極的に促すことができ、より多くの熱を吸収することができる。

したがって、インバータ装置Ｈの熱を外部大気に効率よく放出でき、インバータ装置Ｈの温度上昇を抑えることができる。これにより、インバータ装置Ｈを適切な温度に維持することができ、インバータ装置Ｈにより走行用モータに対して最適な制御を行うことが可能となる。

尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、ヒートパイプケース２のプレート部４をインバータ装置Ｈとは別体に設けた場合を例に説明したが、インバータ装置Ｈの上面部に放熱フィン４ｂを設け、その上面部をプレート部４として、上蓋部８を電子ビーム溶接により直接溶接してもよい。

本実施の形態における放熱器を一部断面により示した斜視図である。 放熱の仕組みを説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１ 放熱器
２ ヒートパイプケース
３ 冷媒溶液
４ プレート部
４ａ ベースプレート
４ｂ 放熱フィン
５ 側壁部
６ 天井部
７ パイプ部
７ａ 縦壁面
７ｂ パイプ上面
８ 上部蓋
９ 空気抜き孔
Ｈ インバータ装置（発熱体）

Claims (4)

1. 発熱体の上面に沿って取り付けられるベースプレートと該ベースプレートから上方に向かって突設された放熱フィンとを有するプレート部と、前記ベースプレートの外周端縁に沿って起立し前記ベースプレートに連続して前記放熱フィンの頭頂部よりも高い高さ位置まで延出する側壁部と、該側壁部の上端部で折曲されて略水平方向に延在し前記プレート部の上方を覆う天井部と、該天井部から上方に向かって突設されたパイプ部とを有し、これらプレート部、側壁部、天井部、パイプ部により形成され大気圧よりも低圧である減圧状態に保持された閉塞空間を有するヒートパイプケースと、
   該ヒートパイプケース内に貯留されて、前記発熱体からプレート部を介して伝達される熱により加熱されて蒸発し、液面から上昇してパイプ部内に進入し、パイプ部内で冷却されることにより凝縮し、前記ヒートパイプケース内の下部に落下する冷媒溶液と、を有することを特徴とする放熱器。
2. 前記パイプ部の上部に形成された空気抜き孔から前記ヒートパイプケース内に前記冷媒溶液を注入する工程と、
   前記ヒートパイプケースを加熱して前記ヒートパイプケース内の気体を膨張させてその膨張した分の気体を前記空気抜き孔から排気させる工程と、
   該排気状態で前記空気抜き孔を封止し、前記ヒートパイプケースの加熱を停止して前記ヒートパイプケース内の温度を低下させることにより前記ヒートパイプケース内の圧力を大気圧よりも低圧である減圧状態に保持する工程とを有することを特徴とする請求項１に記載した放熱器の製造方法。
3. 前記ヒートパイプケースは、
   前記側壁部と天井部とパイプ部を一体に形成した上部蓋と前記プレート部とを電子ビーム溶接により接合することによって製造されることを特徴とする請求項２に記載した放熱器の製造方法。
4. 前記上部蓋は、プレス成形により形成され、
   前記空気抜き孔は、前記上部蓋のプレス成形時に穿設されることを特徴とする請求項３に記載の放熱器の製造方法。

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