JP2016074015A - 半導体冷却器構造 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型軽量化を図り得るようにする。【解決手段】上面を流路側開口３１と給排側開口３２とに仕切る境界壁部３３を有する有底容器状の本体容器部２５に対し、流路側開口３１を塞ぐ流路側蓋部３４を摩擦攪拌接合によって取付ける。境界壁部３３が、少なくとも、流路側蓋部３４の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部３６を有するものとされる。この接合用段差部３６が、摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚を有するものとされる。そして、境界壁部３３の少なくとも接合用段差部３６の下面と本体容器部２５の底面との間に、摩擦攪拌接合の荷重を受けて接合用段差部３６が摩擦攪拌接合に耐えられるようにする荷重受部３９を設置する。【選択図】図４

Description

この発明は、半導体冷却器構造に関するものである。

自動車などの分野では、ガソリン車から、ハイブリッド車や、電気自動車や、燃料電池車などへの移行が徐々に進められている。これに伴って、車両には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などのパワー半導体が多く使用されるようになっている。そして、このようなパワー半導体は、発熱量が大きいため、熱暴走が生じないように冷却する必要があり、例えば、特許文献１に示すような半導体冷却器が開発されている。

この半導体冷却器は、中央部に冷媒流路を有し、端部に冷媒給排部を有する中空の冷却装置本体を備えている。この冷却装置本体は、例えば、上面が開口された有底容器状の本体容器部と、本体容器部の上面の開口を塞ぐ蓋部とを有するものとされている。そして、本体容器部の上縁部と蓋部との間を外側から摩擦攪拌接合によって接合するようにしている。

特開２００９−１３５４７７号公報

しかしながら、上記半導体冷却器構造には、以下のような問題があった。即ち、上記したように、本体容器部の上縁部と蓋部との間を摩擦攪拌接合するようにしているが、摩擦攪拌接合を行う際には、本体容器部や蓋部に大きな荷重が作用される。そこで、摩擦攪拌接合の荷重に耐えられるようにするために、例えば、本体容器部や蓋部を厚肉で高強度のものとする必要がある。または、本体容器部の底部に挿入用孔部を設けるなどによって、摩擦攪拌接合時に、外部の荷重受部材を挿入用孔部から本体容器部の内部へ挿入配置できるようにし、摩擦攪拌接合後には、荷重受部材を挿入用孔部から取り出して挿入用孔部に蓋をすることができるようにするなどの必要がある。よって、半導体冷却器の小型軽量化を図るのは、構造的に難しかった。

そこで、本発明は、上記した問題点を解決することを、主な目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、
中央部に冷媒流路を有し、端部に冷媒給排部を有する中空の冷却装置本体を備え、
該冷却装置本体が、上面が開口された有底容器状の本体容器部と、該本体容器部の上面の開口を塞ぐ蓋部と、を有する半導体冷却器構造において、
前記本体容器部が、その上縁部に、前記開口を、前記冷媒流路の上部に位置する流路側開口と前記冷媒給排部の上部に位置する給排側開口とに仕切る境界壁部を有すると共に、前記蓋部が、前記流路側開口を塞ぐ流路側蓋部と前記給排側開口を塞ぐ給排側蓋部とに分離され、
前記境界壁部が、少なくとも、前記流路側蓋部の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部を有し、
該接合用段差部が、前記摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚を有するものとされると共に、
前記境界壁部の少なくとも前記接合用段差部の下面と前記本体容器部の底面との間に、前記摩擦攪拌接合の荷重を受けて前記接合用段差部が前記摩擦攪拌接合に耐えられるようにする荷重受部を設置したことを特徴としている。

本発明によれば、上記構成によって、以下のような作用効果を得ることができる。
即ち、境界壁部の少なくとも肉厚の薄い接合用段差部の下面と本体容器部の底面との間に荷重受部を設置して、荷重受部で摩擦攪拌接合の荷重を受けて接合用段差部が摩擦攪拌接合に耐えられるようにした。これにより、半導体冷却器の小型軽量化を図ることが可能となる。

本実施の形態の実施例にかかる半導体冷却器構造の全体斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の縦断面図である。 図１の下部半導体冷却器の他端部の平面図である。 図４の流路側蓋部を載置した状態の縦断面図である。 図５に対して摩擦撹拌接合を行っている状態を示す図である。 摩擦撹拌接合の説明図である。

自動車などの分野では、ガソリン車から、ハイブリッド車や、電気自動車や、燃料電池車などへの移行が徐々に進められており、これに伴って、車両には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などのパワー半導体が多く使用されるようになっている。そして、このようなパワー半導体は、スイッチング動作などを行う時に大電流が流れることから、発熱量が大きいものとなっているため、熱暴走を起こさないように冷却する必要がある。

そこで、この実施の形態に示すような半導体冷却器を用いるようにする。
以下、本実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図１〜図７は、この実施の形態を説明するためのものである。

＜構成＞以下、この実施例の構成について説明する。
図１の全体斜視図、図２の分解斜視図、図３の縦断面図のいずれかに示すように（主に、図２参照）、この実施例の半導体冷却器１の構造（半導体冷却器構造）は、パワー半導体２ａが実装されたパワーモジュール２の下面側に設けられた下部半導体冷却器３と、パワーモジュール２の上面側に設けられた上部半導体冷却器４と、これら下部半導体冷却器３および上部半導体冷却器４をパワーモジュール２に対して上下から圧着状態で保持させるようにした圧着保持部５と、を有している。

ここで、下部半導体冷却器３や上部半導体冷却器４は、熱交換に必要な熱伝導性を有すると共に、後述する摩擦攪拌接合に適した柔らかさや溶け易さなどを有する、例えば、アルミやアルミ合金などの軽金属や軽合金、または、銅などの材質のものなどとされる。下部半導体冷却器３と上部半導体冷却器４とは、パワーモジュール２よりも一回り程度以上大きい平面視ほぼ矩形状のものとされており、互いのコーナー部が締結具１１によって上下方向に締結固定されるようになっている。

また、圧着保持部５は、パワーモジュール２よりも一回り程度以上大きい矩形状の圧着用板部材１２と、この圧着用板部材１２の幅方向へ延びる下方湾曲形状をした弾性圧着部材１３と、を有するものとされる。弾性圧着部材１３は、間にパワーモジュール２と上部半導体冷却器４とを挟み、圧着用板部材１２を当てた状態で、下部半導体冷却器３の中央部の周辺に設けられた取付部に対し、締結具１４を用いて上下方向に締結固定されるようになっている。より具体的には、弾性圧着部材１３は、パワーモジュール２に３個実装されたパワー半導体２ａの間の位置を押えるように２本設けられている。

また、下部半導体冷却器３は、一端部に冷媒入口部１５を有し、他端側上面に冷媒出口部１６を有する液冷式のものとされる。また、上部半導体冷却器４は、他端側下面に冷媒入口部１７を有し、一端部に冷媒出口部１８を有する液冷式のものとされる。そして、下部半導体冷却器３の冷媒出口部１６と、上部半導体冷却器４の冷媒入口部１７とは、間にシール部材１９を介して接続されている。

そして、上記した下部半導体冷却器３の構造は、図３の断面図、および、図４の端部の部分拡大平面図に示すように、長手方向の中央部に冷媒流路２１を有し、端部に冷媒給排部２２を有する中空の冷却装置本体２３を備えている。
この冷却装置本体２３は、上面が開口された有底容器状の本体容器部２５と、この本体容器部２５の上面の開口を塞ぐ蓋部２６と、を有するものとされる。

ここで、図３に示すように、蓋部２６の裏面側には、冷媒流路２１の延設方向（冷却装置本体２３の長手方向）へ延びるフィン２７が、冷媒流路２１の幅方向に所要の間隔を有して複数本、冷媒流路２１の内部に突出するように設けられる。この場合、フィン２７は、蓋部２６に対して一体に設けられている。蓋部２６とフィン２７とは、例えば、押出成形によって均一断面となるように作られている。なお、上記したフィン２７は、冷却装置本体２３の幅方向中央部のものが、冷媒流路２１の底部に達する長さに形成されて、弾性圧着部材１３の付勢力に対して抗し得るようになっていると共に、冷却装置本体２３の幅方向両端側のものが、冷媒流路２１の底部に達しない長さに形成されて、幅方向への伝熱を促進し得るようになっている。

以上のような基本的な構成に対し、この実施例では、以下のような構成を備えるようにしている。
（１）図４〜図６に示すように、上記本体容器部２５が、その上縁部に、上記開口を、上記冷媒流路２１の上部に位置する流路側開口３１と上記冷媒給排部２２の上部に位置する給排側開口３２とに仕切る境界壁部３３を有するものとされる。また、上記蓋部２６が、上記流路側開口３１を塞ぐ流路側蓋部３４と上記給排側開口３２を塞ぐ給排側蓋部３５とに分離される。
そして、上記境界壁部３３が、少なくとも、上記流路側蓋部３４の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部３６を有するものとされる。
この接合用段差部３６は、上記摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚ｔを有するものとされる。
そして、上記境界壁部３３の少なくとも接合用段差部３６の下面と上記本体容器部２５の底面との間に、上記摩擦攪拌接合の荷重を受けて上記接合用段差部３６が上記摩擦攪拌接合に耐えられるようにする荷重受部３９を設置する。

ここで、接合用段差部３６は、流路側蓋部３４の肉厚とほぼ等しい段差量を有するものとされる。これにより、境界壁部３３の上面と、流路側蓋部３４の上面とは、ほぼ面一となるように接合される（即ち、摩擦攪拌接合部が形成される）。なお、流路側蓋部３４は、流路側開口３１に全周摩擦攪拌接合される。接合用段差部３６については、側壁があるので、側壁によって支障なく摩擦攪拌接合の荷重を受けることができる。

また、境界壁部３３は、上記給排側蓋部３５の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部４１を有している。そして、接合用段差部４１は、給排側蓋部３５の肉厚とほぼ等しい段差量を有するものとされる。これにより、境界壁部３３の上面と、給排側蓋部３５の上面とは、ほぼ面一となるように接合される（即ち、上記とは別の摩擦攪拌接合部が形成される）。給排側蓋部３５には、予め上記した冷媒出口部１６となる孔部が形成される。

荷重受部３９を設置するとは、内部に荷重受部３９を埋設した状態で、本体容器部２５に蓋部２６が取付けられて閉止されること、即ち、冷却装置本体２３内に荷重受部３９を残したまま蓋部２６を取付けることである。荷重受部３９は、冷媒流路２１と冷媒給排部２２との間の冷媒Ｌ（図１参照）の流れが確保できるものであれば、何でも良い。例えば、柱状のものなどとすることができる。

そして、図６、図７は、摩擦攪拌接合の様子を示すものである。摩擦攪拌接合は、先端の中心部にピン状の突起部４５を有する円筒状の回転工具４６を回転させながら接合部分４７（接合用段差部３６の周辺）に強く押し当て更に押し込むことによって、摩擦熱で接合部分４７の周辺を溶融軟化すると共に練り混ぜて接合部分４７を一体化する接合方法のことである。

なお、給排側蓋部３５についても、流路側蓋部３４と同様に、摩擦攪拌接合によって取付けるようにすることができる。

（２）上記荷重受部３９が、上記境界壁部３３の下面と上記本体容器部２５の底面との間に一体に形成された荷重受リブとされる。

ここで、荷重受リブ５１は、冷媒流路２１の延設方向へ延びると共に、摩擦攪拌接合の荷重に耐えるための所要の厚みを有するものとされる。また、荷重受リブ５１は、冷媒流路２１の幅方向に対しては、摩擦攪拌接合の荷重に耐えるために必要な所要の間隔を有して複数本設けられる。例えば、荷重受部３９と境界壁部３３とは、本体容器部２５と一体に鋳造される。

なお、上記荷重受部３９は、冷媒流路２１に設置されたフィン２７そのものを延長して形成することもできる。この場合には、特に図示しないが、フィン２７を、蓋部２６と別体のものにすると構造的に有利である。

＜作用効果＞この実施例によれば、以下のような作用効果を得ることができる。

半導体冷却器１では、下部半導体冷却器３の冷媒入口部１５へ冷媒Ｌを供給すると、冷媒Ｌは、下部半導体冷却器３の内部を冷媒出口部１６へ向って流れ、冷媒出口部１６に達すると、下部半導体冷却器３を出て、冷媒入口部１７から上部半導体冷却器４へ入り、上部半導体冷却器４の内部を冷媒出口部１８へ向って流れる。これにより、パワーモジュール２の上下面を下部半導体冷却器３と上部半導体冷却器４とによって同時且つ効率的に冷却することができる。

（１）この際、下部半導体冷却器３の冷却装置本体２３を、有底容器状の本体容器部２５と、本体容器部２５の上面の開口を塞ぐ蓋部２６とを有するものとした。そして、本体容器部２５は、その上縁部に、流路側開口３１と給排側開口３２とに仕切る境界壁部３３を有するものとした。これに伴い、蓋部２６を、流路側開口３１を塞ぐ流路側蓋部３４と給排側開口３２を塞ぐ給排側蓋部３５とに分離した。そして、境界壁部３３に、少なくとも、流路側蓋部３４の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部３６を設けた。更に、接合用段差部３６を、摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚ｔを有するものとした。

更に、境界壁部３３の少なくとも接合用段差部３６の下面と本体容器部２５の底面との間に荷重受部３９を設置して、荷重受部３９で摩擦攪拌接合の荷重を受けて接合用段差部３６が摩擦攪拌接合に耐えられるようにした。

その結果、境界壁部３３の接合用段差部３６の下面と本体容器部２５の底面との間に設置した荷重受部３９によって摩擦攪拌接合の荷重（摩擦攪拌用治具の押し込み荷重）を受けることが可能となる。これにより、接合用段差部３６や境界壁部３３を、摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚ｔにすることができ、半導体冷却器構造の小型軽量化および低コスト化を図ることができる。また、本体容器部２５の内部に荷重受部３９を備えることによって、摩擦攪拌接合の前後に、本体容器部２５や蓋部２６などに対して擦攪拌接合の荷重を受けられるようにするための機械加工などを行う必要がなくなるので、機械加工などによる塵埃（切削屑など）の発生および冷媒流路２１への塵埃の入り込みなどをなくすことができる。そして、接合用段差部３６や境界壁部３３を薄肉にすることで、外部の熱を吸収し易くなるので、放熱性能に優れた半導体冷却器構造を得ることができる。

（２）荷重受部３９を、境界壁部３３の下面と本体容器部２５の底面との間に一体に形成した荷重受リブ５１とした。これにより、擦攪拌接合の荷重を本体容器部２５と一体の荷重受リブ５１で受けることができるため、更に、擦攪拌接合の荷重を複数の荷重受リブ５１で分散して受けることができるため、擦攪拌接合の荷重を受けるのに、接合用段差部３６や境界壁部３３を厚肉化したり、または、接合用段差部３６や境界壁部３３の下面側に外部の荷重受治具を挿入したり取り出したりできるように加工する（例えば、荷重受治具の挿入用孔部などを設けたりする）必要をなくすことができる。よって、その分だけ、半導体冷却器１を薄型にすることが可能となる。また、荷重受リブ５１を、冷媒流路２１の延設方向へ延びると共に、冷媒流路２１の幅方向に所要の間隔を有して複数本設けられるようにすることで、冷媒Ｌの流れを妨げないようにすることができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものである。よって、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。また、例えば、各実施例に複数の構成が含まれている場合には、特に記載がなくとも、これらの構成の可能な組合せが含まれることは勿論である。また、複数の実施例や変形例がこの発明のものとして開示されている場合には、特に記載がなくとも、これらに跨がった構成の組合せのうちの可能なものが含まれることは勿論である。また、図面に描かれている構成については、特に記載がなくとも、含まれることは勿論である。更に、「等」の用語がある場合には、同等のものを含むという意味で用いられている。また、「ほぼ」「約」「程度」などの用語がある場合には、常識的に認められる範囲や精度のものを含むという意味で用いられている。

２１ 冷媒流路
２２ 冷媒給排部
２３ 冷却装置本体
２５ 本体容器部
２６ 蓋部
３１ 流路側開口
３２ 給排側開口
３３ 境界壁部
３４ 流路側蓋部
３５ 給排側蓋部
３６ 接合用段差部
３９ 荷重受部
５１ 荷重受リブ
ｔ 肉厚

Claims (2)

1. 中央部に冷媒流路を有し、端部に冷媒給排部を有する中空の冷却装置本体を備え、
   該冷却装置本体が、上面が開口された有底容器状の本体容器部と、該本体容器部の上面の開口を塞ぐ蓋部と、を有する半導体冷却器構造において、
   前記本体容器部が、その上縁部に、前記開口を、前記冷媒流路の上部に位置する流路側開口と前記冷媒給排部の上部に位置する給排側開口とに仕切る境界壁部を有すると共に、前記蓋部が、前記流路側開口を塞ぐ流路側蓋部と前記給排側開口を塞ぐ給排側蓋部とに分離され、
   前記境界壁部が、少なくとも、前記流路側蓋部の縁部を載置した状態で摩擦攪拌接合可能な接合用段差部を有し、
   該接合用段差部が、前記摩擦攪拌接合の荷重に耐えられる肉厚よりも薄い肉厚を有するものとされると共に、
   前記境界壁部の少なくとも前記接合用段差部の下面と前記本体容器部の底面との間に、前記摩擦攪拌接合の荷重を受けて前記接合用段差部が前記摩擦攪拌接合に耐えられるようにする荷重受部を設置したことを特徴とする半導体冷却器構造。
2. 請求項１に記載の半導体冷却器構造であって、
   前記荷重受部が、前記境界壁部の下面と前記本体容器部の底面との間に一体に形成された荷重受リブであることを特徴とする半導体冷却器構造。