JP2014204045A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができ冷却性能に優れ、かつ、発熱体と熱的に良好に接触することができる冷却器を提供する。【解決手段】冷却器１０は冷却用流体を流すためのケース１２の内部にフィンユニット１６が配置されている。フィンユニット１６は、板材から同じ方向に鋭角で切り起こされたフィンが間隔をあけて並んでいるフィン列と、板材から切り起こされずに残っている桟部と、が冷却用流体の上流側から下流側に交互に並んで配置されて構成されている。隣り合うフィン列におけるフィンは互いに逆方向の向きに切り起こされて形成されている。フィンユニット１６は、フィンの切り起こされた先端がケース１２の一方の内面に熱的に接合され、フィンの根元および桟部がケース１２の他方の内面に熱的に接合されて、ケース１２内に収納される。【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、集積回路、半導体素子等の各種電子部品、電子機器、そのほか各種電気機器などの放熱のために使用される冷却器に関する。

ＣＰＵ、集積回路、半導体素子などの電子部品、電子機器及び各種電子機器といった発熱体においては、放熱のために冷却器が設けられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。従来では、これらの発熱体の放熱には空冷冷却器が使われていたが、近年、発熱体の発熱量、発熱密度が増大する傾向にあることから水冷冷却器も使われるようになってきた。

例えば、省エネルギの観点などからハイブリッド車が多く生産されるようになってきたが、このハイブリッド車の駆動モータの制御を行っているインバータにはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子などの発熱体が実装されており、この発熱体の冷却のために水冷冷却器が設けられている。

また、ハイブリッド車等に搭載されるリチウムイオン電池などに対しても、動作時の温度上昇による性能の低下をふせぐために、冷却器が設けられることがある。

発熱体を冷却器で効率よく冷やすときには、発熱体と冷却器とを一般にグリスや熱伝導シートを介して接触させる。グリスやシートがなじむ程度に強く接触させることで発熱体と冷却器界面の接触抵抗を低減できるため、冷却器には加圧力に耐えられる強度が求められる。このため、エネルギ密度の高い発熱体用冷却器は、冷却性能を落とすことなく冷却器の強度を向上させる必要がある。

また、冷却器の構成は、通常はケース内にフィンが設けられ、発熱体はケースと接触する。冷却器は発熱体と面接触して冷却しており、面内で温度のばらつきをなくすために冷却器の発熱体に接触する面は平坦であることが望ましい。冷却器の局所的な面のゆがみや変形が原因で、冷却器と発熱体との間に空隙ができると、熱抵抗が増加するためである。

国際公開第２０１１／０１６２２１号

インバータなどの発熱体の小型化により冷却器は薄型のものが用いられるようになっている。冷却器の薄型化に伴い、ケースの厚さも薄くなるためケースの強度が下がり、冷却器の強度が問題となっている。

特許文献１に記載の冷却器は、冷却性能は良いものの、切り起こされて残った桟部が強度的に弱くなる場合があった。冷却器の強度が低いと、冷却器を取り付ける際に十分に加圧することができず、冷却性能を確保できないおそれがある。

また、特許文献１に記載の冷却器では、桟部が変形すると、流路が狭くなって圧損が増加するおそれがあった。さらに、冷却器は薄型のものが使用されるので、桟部が変形すると桟部と接続しているケースにも変形が及ぶ可能性がある。ケースが変形すると発熱面が均一に冷やされず、冷却性能を確保できない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、容易に製造することができ冷却性能に優れ、かつ、発熱体と熱的に良好に接触することができる冷却器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る冷却器は、
発熱体の熱を冷却用流体へ伝達する冷却器であって、
内部に前記冷却用流体が流通し、外部に前記発熱体が熱的に接続されるケース部材と、
前記ケース部材の内部に配設されるフィン部材と、を備え、
前記フィン部材は、
板材から同じ方向に鋭角に切り起こされたフィンが間隔をあけて複数並んでいるフィン列を複数有し、該複数のフィン列が前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向に並んで配置されることによって形成されるフィン群と、
前記板材から切り起こされずに残っている桟部と、から構成され、
前記複数のフィン列は、隣り合うフィン列における複数のフィンが互いに逆方向の向きに切り起こされており、
前記フィンの根元及び前記桟部は、前記ケース部材の一方の内面に熱的に接合されており、
前記フィンの切り起こされた先端部が前記ケース部材の他方の内面に熱的に接合されている、
ことを特徴とする。

また、前記フィン列における複数のフィンは、切り起こし傾斜角度と形状とが同一であり、
前記複数のフィン列は、前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向に同一の間隔で並んで配置されていることが好ましい。

また、前記複数のフィンと前記桟部とは、前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向において、同一の幅に形成されていることが好ましい。

本発明によれば、ケース部材とフィン部材を接合する際に、両者を重ねて組み立てて荷重をかけた時に、一つの桟部の両側に接続しているフィンのそれぞれから、反対の向きの回転方向のモーメントを受ける。このことにより、結局、桟部の受けるモーメントは相殺され、ほとんど変形することがない。したがって、桟部とケース部材の間を隙間なく接触させることができ、冷却性能に優れた冷却器を容易に製造することができる。

本発明の実施の形態に係る冷却器の構成の概略を示す分解斜視図である。 この実施の形態に係るフィンユニットを拡大して示す斜視図である。 （ａ）はこの実施の形態に係るフィンユニットをＺ方向から見た図であり、（ｂ）はこの実施の形態に係るフィンユニットの１つのフィン群を流通経路方向に沿って見た図である。 フィンユニットに荷重が加わったときの桟部の変形をシミュレーションして示す図である。 フィンユニットに荷重が加わったときの様子を示す図である。 （ａ）は、単一方向切り起こしのフィンを示す図である。（ｂ）は、逆方向切り起こしのフィンを示す図である。 （ａ）、（ｂ）はフィンユニットの変形を示す図である。 ケースの変形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷却器１０の構成の概略を示す分解斜視図である。冷却器１０は、例えば半導体素子や電池などの図示しない発熱体を、冷却用流体を用いて冷却できるように構成されている。冷却器１０は、図１に示すように、冷却用流体の出入口部１１ａ、１１ｂと、ケース（経路部材）１２と、フィンユニット（熱交換体）１６と、を備える。この実施の形態では、冷却用流体は、水や不凍液などの液体を用いるものとした。冷却用流体は、例えばモータなどで駆動される図示しないポンプによって圧送されて、出入口部１１ａ、１１ｂやケース１２の内部を流通する。

出入口部１１ａ、１１ｂとケース１２のそれぞれは、例えば、銅やアルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で形成され、冷却用流体の流通経路の一部を構成する。この実施の形態では、出入口部１１ａ、１１ｂは、パイプ状に形成されており、ケース１２は、上ケース１２ａと下ケース１２ｂとの２部材で構成されている。上ケース１２ａと下ケース１２ｂとのそれぞれには、出入口部１１ａと接続するための半円柱状の凹部１４ａ、１４ｂと、出入口部１１ｂと接続するための半円柱状の凹部１３ａ、１３ｂと、フィンユニット１６を収納するための直方体状の凹部１５ａ、１５ｂとが形成されている。フィンユニット１６を収納するための凹部１５ａ、１５ｂは、それぞれの底面（第１の壁面、第２の壁面）が対向するように形成されている。こうした上ケース１２ａや下ケース１２ｂは、例えば金属板にプレス処理を施すことによって形成（用意）することができる。以下、出入口部１１ａ、１１ｂを結ぶ方向である流通経路方向を「Ｘ方向」とし、凹部１５ａ、１５ｂの底面に沿った方向であってＸ方向に垂直な方向を「Ｙ方向」とし、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向を「Ｚ方向」とする。

図２は、この実施の形態に係るフィンユニット１６を拡大して示す図である。図３（ａ）は、この実施の形態に係るフィンユニット１６をＺ方向から見た図であり、図３（ｂ）は、この実施の形態に係るフィンユニット１６の１つのフィン群を流通経路方向に沿って見た図である。フィンユニット１６は、例えば銅やアルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で形成される。フィンユニット１６は、図１及び図２に示すように、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って、フィン列１８ａ，１８ｂと桟部１７とが交互に形成されて構成されている。

桟部１７は、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面（Ｘ方向及びＹ方向）に沿った板面を有し、冷却用流体の流通経路方向に垂直な方向（Ｙ方向）に長い直方体状の板状に形成されている。桟部は、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って互いに間隔を空けて配置されている。

フィン列１８ａ、１８ｂは、隣り合う桟部１７を接続（架橋）するように、隣り合う桟部１７間毎に形成されている。一例として、この実施の形態のフィンユニット１６では、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って桟部１７が合計１７個形成されており、桟部１７の間毎にフィン列１８ａ、１８ｂが合計１６個形成されている。

複数のフィン列１８ａ、１８ｂのそれぞれは、冷却用流体の流通経路方向に垂直な方向（Ｙ方向）に並んだ複数のフィン１９ａ、１９ｂを有する。複数のフィン１９ａ，１９ｂは、図１から図３に示すように、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面に対して傾斜するとともに冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿った板面を有する直方体状の板状に形成されており、フィン１９ａ同士及びフィン１９ｂ同士の間には、それぞれに隙間が形成されている。ここで、フィン列１８ａの複数のフィン１９ａは、それぞれに略同一の形状に形成されており、フィン列１８ｂの複数のフィン１９ｂは、それぞれに略同一の形状に形成されている。また、図２に示すように、フィン列１８ａの複数のフィン１９ａと、フィン列１８ｂの複数のフィン１９ｂとは、それぞれ桟部１７に対して逆方向の向きに傾斜するように形成されている。

フィン１９ａ，１９ｂの傾斜角度は３０°〜８０°がより好ましい。図４は、フィンユニット１６に荷重が加わったときの桟部の変形をシミュレーションして示す図である。このシミュレーションでは、１対のフィン１９ａ，１９ｂ及びそのフィン１９ａ，１９ｂ間に桟部１７を挟んだ１ユニットを対象に計算を行っている。また、このシミュレーションでは、ろう付け時にフィン１９ａ，１９ｂ及び桟部１７にかかる荷重を想定し、０．３ＭＰａをケース１２からフィンユニット１６に対して付与した。フィン１９ａ，１９ｂ、桟部１７、及びケース１２の材料としてアルミニウムを用いている。また、ケース１２の高さ（フィン１９ａ，１９ｂの高さ（Ｚ方向の高さ））を５ｍｍ、フィン１９ａ，１９ｂのＸ方向の長さＬを３ｍｍ、桟部１７のＸ軸方向の幅ａを２ｍｍ、板厚を０．５ｍｍとした。

図４では、縦軸に桟部１７の変形量ｃ（ｍｍ）（図７参照）、横軸にフィン１９ａ，１９ｂの桟部１７（ＸＹ平面）に対する傾斜角度β（°）を示している。また、図４では、１対のフィンが平行であり（同じ向きに傾斜しており）、傾斜角度を４５°とした比較例を示している。この実施の形態におけるシミュレーション例（発明例）では、１対のフィン１９ａ，１９ｂが逆方向に向いて傾斜しており、その傾斜角度βは２０°〜８０°とした。図４に示すように、傾斜角度β（°）が大きくなるほど桟部１７の変形は大きくなるが、比較例と発明例が同等の傾斜角度β（°）である場合には、発明例の方が桟の変形量が少なくなる。つまり、フィン１９ａ，１９ｂが逆方向に向いて傾斜している発明例では、フィンが同じ方向に向いて傾斜している比較例に比して、強度が高く優れていることがわかる。

図４にも示されるように、フィンの傾斜角度は３０°〜８０°がより好ましい。傾斜角度が３０°より大きいと桟の変形を効果的に小さくすることができ、冷却性能をより向上させることができる。一方、傾斜角度が８０°より大きいと切り起こしが困難なため、生産性が悪くなる。フィン長さは１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定することが好ましい。フィン長さが３ｍｍより大きくなるとフィン部材の中に占める桟の数が減少し、一つの桟あたりにかかるモーメントが大きくなるため、変形が増す。また、フィン長さが１ｍｍより小さいと成形が困難であり、フィンの強度も低下する。

桟の幅は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定することが好ましい。桟の幅が２ｍｍより大きくなるとフィン部材の中でフィンの表面積が占める割合が少なくなり、冷却性能が低下する。桟の幅が０．５ｍｍより小さくなるとフィンから受けるモーメントに対して強度が低くなり、変形が増す。桟がフィンを支持することが困難であり、フィン部材の強度が低下する。

フィンユニット１６を製造するには、例えば、まず、一枚の板材（金属板）２０に対してプレス処理を施すことにより、板材（金属板）２０から複数のフィン１９ａ，１９ｂ（フィン列１８ａ，１８ｂ）を切り起こして形成する。よって、フィン１９ａ，１９ｂの根元から先端までの幅Ｐと、フィン１９ａとフィン１９ｂの間の間隔Ｇは等しい。なお、プレス処理とともに板材（金属板）２０に切れ目を形成してフィン１９ａ，１９ｂを切り起こし形成してもよいし、予め板材（金属板）２０に切れ目を形成してから板材（金属板）２０にプレス処理を施してフィン１９ａ，１９ｂを切り起こし形成してもよい。

そして、図１に示すように、上ケース１２ａと下ケース１２ｂとの間にフィンユニット１６を配置して、フィンユニット１６の桟部１７及び複数のフィン１９ａ，１９ｂの根元が下ケース１２ｂの内面に接触し、複数のフィン１９ａ，１９ｂの先端が上ケース１２ａの内面に接触するように、上ケース１２ａと下ケース１２ｂとを当接させることによって、冷却器１０を製造することができる。ここで、フィンユニット１６と上ケース１２ａ，下ケース１２ｂとは、例えばろう付けによって接続されることが好ましい。また、フィンユニット１６の高さを上ケース１２ａと下ケース１２ｂとの隙間よりもやや大きく形成して、上ケース１２ａと下ケース１２ｂとに若干の荷重をかけて互いに当接させるものとすれば、フィンユニット１６とケース１２とをより確実に接触させることができる。この場合には、隣り合うフィン列１８ａ，１８ｂにおけるフィン１９ａ，１９ｂが互いに逆向きに切り起こされているので、図５に示すように、桟部１７の受けるモーメントは相殺され、桟部１７やケース１２が変形するのが抑制される。

以上説明した実施の形態の冷却器１０では、フィンユニット１６に複数のフィン列１８ａ，１８ｂが形成され、隣り合うフィン列１８ａ，１８ｂにおける複数のフィン１９が互いに逆方向の向きに切り起こされているので、図６に示すように、フィンユニット１６をＸ方向に見たときに、フィン１９ａ，１９ｂが均等に配置されて、フィンユニット１６やケース１２の強度を高くすることができる。これにより、桟部１７とケース１２との間や、ケース１２と発熱体との間を隙間なく接触させて、冷却性能に優れた冷却器１０を容易に製造することができる。

また、冷却器１０を発熱体と接触させる際に、フィンユニット１６が加圧に対する強度を有しているため、ケース１２が薄型でも加圧力を大きくすることができ、接触熱抵抗を低減することができる。つまり、図７に示すようなフィンユニット１６の変形（歪み）や、図８に示すようなケース１２の変形（歪み）を抑制させて、フィンユニット１６とケース１２と発熱体との接触を確保することができる。そして、桟部１７が変形することなくケース１２内面に接合されているため、ケース１２の平面度が保たれ、発熱面内の温度にバラツキが生じるのを抑制することができる。

また、フィンユニット１６を1枚の板材（金属板）２０から切り起こして製造することによって、冷却器１０を低コストに製造できる。また、フィンユニット１６を製造する際にも、交互にフィン列１８ａとフィン列１８ｂとを切り起こすことで桟部１７の受けるモーメントは相殺され、フィンユニット１６に変形が生じるのを抑制することができる（図５参照）。そして、桟部１７が変形せずケース１２内面に接合されるため、ケース１２から桟部１７への熱を十分に伝達することができ、冷却性能が向上する。また、桟部１７が変形してケース１２内面の流路を塞いでしまうことも抑制することができ、冷却用流体の圧損が大きくなるのを抑制することもできる。

また、フィン１９ａ，１９ｂの傾斜角度β（°）、根元から先端までの幅Ｐ（ｍｍ）、フィン１９ａ，１９ｂの長さＬ（ｍｍ）、桟部１７の幅ａ（ｍｍ）をそれぞれ同寸法とすることで、桟部１７を挟んで両側に存在するフィン１９ａ，１９ｂから桟部１７に及ぼすモーメントの影響を理論上０とすることができ、桟部１７の変形をより一層抑えることができる。また、それぞれ同寸法とすることで、順送プレスにて製造することもでき、生産性を向上させることができる。また、それぞれ同寸法とすることで、フィン１９ａ，１９ｂの高さ（Ｚ方向の高さ）が一様になるため、冷却用流体を流すためのケース１２の設計が容易となる。

上述した実施の形態では、凹部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂが形成された上ケース１２ａと下ケース１２ｂの２部材からケース１２が構成されるものとしたが、ケース１２は、フィンユニット１６の桟部１７との接合面を有するように互いに対向する壁面を有して冷却用流体が流通する流通経路を構成するものであればよく、例えば、断面コの字状の部材に蓋がされてケース１２が構成されてもよいし、四角筒状の一部材からケース１２が構成されるなどとしてもよい。

上述した実施の形態では、冷却用流体として、水や不凍液などの液体を用いるものとしたが、空気や二酸化炭素などの気体を用いてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更（構成要素の削除等を含む）をなし得ることはいうまでもない。

１０ 冷却器
１１ａ、１１ｂ 出入口部
１２ ケース
１２ａ 上ケース
１２ｂ 下ケース
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ 凹部
１６ フィンユニット
１７ 桟部
１８ａ、１８ｂ フィン列
１９ａ，１９ｂ フィン
２０ 板材

Claims (3)

1. 発熱体の熱を冷却用流体へ伝達する冷却器であって、
   内部に前記冷却用流体が流通し、外部に前記発熱体が熱的に接続されるケース部材と、
   前記ケース部材の内部に配設されるフィン部材と、を備え、
   前記フィン部材は、
   板材から同じ方向に鋭角に切り起こされたフィンが間隔をあけて複数並んでいるフィン列を複数有し、該複数のフィン列が前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向に並んで配置されることによって形成されるフィン群と、
   前記板材から切り起こされずに残っている桟部と、から構成され、
   前記複数のフィン列は、隣り合うフィン列における複数のフィンが互いに逆方向の向きに切り起こされており、
   前記フィンの根元及び前記桟部は、前記ケース部材の一方の内面に熱的に接合されており、
   前記フィンの切り起こされた先端部が前記ケース部材の他方の内面に熱的に接合されている、
   ことを特徴とする冷却器。
2. 前記フィン列における複数のフィンは、切り起こし傾斜角度と形状とが同一であり、
   前記複数のフィン列は、前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向に同一の間隔で並んで配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記複数のフィンと前記桟部とは、前記冷却用流体の上流側から下流側に向かう方向において、同一の幅に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。