JP2019102642A - 放熱モジュールおよび放熱モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベースの形状の自由度が大きく、かつ突出部の形状がより安定した放熱モジュールを提供する。【解決手段】放熱モジュール１は、溝部１２が形成された金属製のベース１０と、溝部内に固定されたヒートパイプ２０と、を備える。溝部の開口縁には、溝部の内側に向けて突出する突出部１３と、突出部に隣接する凹部１４と、が形成されている。突出部の上面および凹部の底面は、溝部の深さ方向において同等の位置にある。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱モジュールおよび放熱モジュールの製造方法に関する。

従来から、下記特許文献１に示されるように、溝部が形成されたベースと、溝部に埋め込まれたヒートパイプと、を備えた放熱モジュールが知られている。この放熱モジュールでは、溝部の開口縁から溝部の内側に向けて突出する突出部によって、溝部からヒートパイプが脱落することを抑止している。
また、下記特許文献１は、放熱モジュールの製造方法として、押出し成型法を用いてベースの溝部を覆うようにバリ状の突起を形成しておき、溝部にヒートパイプを収容した後で突起を変形させる方法を開示している。さらに下記特許文献１は、溝部の開口縁から直立する突起を形成しておき、溝部にヒートパイプを収容した後で、突起を潰す製造方法を開示している。

特開平１１−３４０３９１号公報

溝部を覆うようにバリ状の突起を形成する場合、ベースを形成する方法として、押出し成型法以外の方法を採用することが難しくなるため、ベースの形状の自由度を大きくすることについて改善の余地があった。
また、溝部の開口縁から直立する突起を潰す方法では、例えば溝部の外側に向けて突起が潰れてしまうおそれがあり、潰れた後の突出部の形状が不安定になりやすかった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ベースの形状の自由度が大きく、かつ突出部の形状がより安定した放熱モジュール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の態様に係る放熱モジュールは、溝部が形成された金属製のベースと、前記溝部内に固定されたヒートパイプと、を備え、前記溝部の開口縁には、前記溝部の内側に向けて突出する突出部と、前記突出部に隣接する凹部と、が形成され、前記突出部の上面および前記凹部の底面は、前記溝部の深さ方向において同等の位置にある。

上記第１の態様によれば、溝部の開口縁には突出部および凹部が形成されており、突出部の上面と凹部の底面とが、溝部の深さ方向において同等の位置にある。この構成により、例えば溝部の開口縁にパンチを当接して凹部を形成し、凹部が形成されたことで減少した分のベースの体積を、溝部の内側に向けて突出させることで突出部を形成する製造方法が採用可能となる。従って、押出し成型法以外の方法を用いてベースを成形することが可能となり、ベースの形状の自由度を大きくすることができる。また、例えば溝部の開口縁から直立する突起を潰す場合と比較して、突出部をより確実に溝部内に向けて突出させることが可能となり、突出部の形状を安定させることができる。

ここで、前記溝部が延びる長手方向における前記凹部の幅は、前記溝部の内側に向かうに従って漸次大きくなっていてもよい。

この場合、凹部および突出部を形成するためにベースを塑性変形させる際に、凹部および突出部近傍に生じる応力を低減することができる。これにより、突出部近傍にクラックが発生することが抑えられ、突出部の強度を高めることができる。

また、前記凹部は、前記深さ方向から見て略三角形状に形成されていてもよい。

この場合、長手方向における凹部の幅を、溝部の内側に向かうに従って漸次大きくしつつ、深さ方向から見た凹部の面積を小さくすることができる。このように、凹部の面積を小さくすることで、ベースを塑性変形させる際にベースに加える圧力を小さくして、加工機の大型化を抑えることができる。

また、本発明の第２の態様に係る放熱モジュールは、金属製のベースに形成された溝部内に、ヒートパイプを収容する収容工程と、前記ヒートパイプを前記溝部内で押圧し、前記溝部の溝内底面および溝内側面に沿うように前記ヒートパイプを変形させる押圧工程と、前記溝部の開口縁にパンチを当接し、前記ベースを塑性変形させることで、凹部および前記凹部に隣接して前記溝部の内側に向けて突出する突出部を形成するパンチ工程と、を有する。

上記第２の態様によれば、パンチ工程において、溝部の開口縁にパンチを当接することで、凹部および突出部を形成する。このような製造方法によれば、例えばベースに予めバリ状の突起などを設けておく場合と比較して、ベースの成形方法の制約が小さくなり、ベースの形状の自由度を高めることができる。また、溝部の開口縁にパンチを当接した場合には、突出部が自ずと溝部の内側に向けて突出することとなるため、突出部の形状を安定させることができる。さらに、押圧工程において、ヒートパイプを溝内底面および溝内側面に沿って変形させることで、ベースとヒートパイプとの接触面積を大きくして、放熱モジュールの放熱性能を高めることができる。

本発明の上記態様によれば、ベースの形状の自由度が大きく、かつ突出部の形状がより安定した放熱モジュールを提供することができる。

（ａ）は本実施形態の放熱モジュールの上面図である。（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面矢視図である。 溝部にヒートパイプを収容する前の状態を示す図である。 （ａ）は溝内でヒートパイプを変形させる様子を示す図である。（ｂ）は、パンチを用いて突出部を形成する際の様子を示す図である。 （ａ）は突出部近傍の上面図である。（ｂ）は突出部近傍の斜視図である。 （ａ）は第１の変形例に係る凹部の上面図である。（ｂ）は第２の変形例に係る凹部の上面図である。

以下、本実施形態の放熱モジュールについて図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、放熱モジュール１は、金属製のベース１０と、ヒートパイプ２０と、を備えている。ベース１０には、長尺状の溝部１２が形成されており、溝部１２内にヒートパイプ２０が固定されている。放熱モジュール１は、例えば電気自動車のパワー電源回路近傍などに配置され、発熱部で生じた熱を輸送して放出させるために用いられる。特に、電気自動車などに放熱モジュール１が搭載される場合は、繰り返しの振動を受けたり、大きな加速度を受けたりしても、ヒートパイプ２０が溝部１２から脱落しないことが求められる。

（方向定義）
本実施形態ではＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Ｘ方向は、溝部１２およびヒートパイプ２０が延びる長手方向である。Ｚ方向は、溝部１２の深さ方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向およびＺ方向の双方に直交する方向である。以下、Ｘ方向を長手方向といい、Ｙ方向を幅方向といい、Ｚ方向を深さ方向という。また、幅方向に沿って、溝部１２の幅方向の中央部に向かう側を幅方向内側といい、溝部１２の幅方向の中央部から遠ざかる側を幅方向外側という。また、深さ方向に沿って、溝部１２の溝内底面１２ｂ側を下方といい、溝部１２の開口縁側を上方という。

（ヒートパイプ）
ヒートパイプ２０は、図示は省略するが、コンテナと、コンテナ内に封入された作動流体およびウイックと、を備えている。コンテナは、気密性を有する中空の容器であり、銅などを材質として筒状に形成されている。作動流体としては、例えば水、アルコール類、またはアンモニア水などを用いることができる。ウイックとしては、銅などの金属粉末を焼結させて形成された多孔質の構造体を用いることができる。ウイック内には作動流体が含浸しており、作動流体は毛管力によってウイック内を流動する。なお、ヒートパイプ２０の構成や各部の材質などは、上記に限らず適宜変更可能である。

ヒートパイプ２０は、例えば、一方の端部が蒸発部として機能し、他方の端部が凝縮部として機能する。ヒートパイプ２０の蒸発部では、作動流体が熱を受け取ることで蒸発する。蒸発して気体となった作動流体は、ヒートパイプ２０内の空洞を通じて凝縮部に移動する。ヒートパイプ２０の凝縮部では、作動流体が熱を放出して凝縮する。凝縮して液体となった作動流体は、ヒートパイプ２０のウイック内を流動して蒸発部へと還流する。このように、ヒートパイプ２０は、作動流体が相変化することで、蒸発部から凝縮部へと熱を繰り返し輸送することができる。
ヒートパイプ２０は、溝部１２内に収容されるとともに、後述する溝内側面１２ａおよび溝内底面１２ｂに接している。

（ベース）
ベース１０は、長手方向および幅方向に延びる平板状に形成されている。なお、ベース１０はブロック状などであってもよい。ベース１０の材質としては、アルミニウムなどの金属を用いることができる。

溝部１２は、長手方向および幅方向の双方に沿って延びる溝内底面１２ｂと、溝内底面１２ｂの幅方向における両端部から上方に向けて延びる一対の溝内側面１２ａと、を有している。長手方向に直交する断面における溝部１２の形状は、溝内側面１２ａよりも溝内底面１２ｂが長い長方形状となっている。一対の溝内側面１２ａは、互いに平行に延びている。一対の溝内側面１２ａは、溝内底面１２ｂに対して直交している。

溝部１２の開口縁には、複数の突出部１３および複数の凹部１４が形成されている。複数の突出部１３および複数の凹部１４は、長手方向に間隔を空けて配置されている。１つの突出部１３には、１つの凹部１４が隣接している。各突出部１３は、溝部１２の開口縁から溝部１２の内側に向けて突出している。各凹部１４は、ベース１０の上面１１から下方に向けて窪んでいる。突出部１３および凹部１４は、幅方向でヒートパイプ２０を挟むように、長手方向における同等の位置に一対ずつ配置されている。複数の突出部１３が、溝部１２の開口縁から溝部１２の内側に向けて突出することで、ヒートパイプ２０が溝部１２内で固定されている。

（製造方法）
次に、以上のように構成された放熱モジュール１の製造方法の一例について説明する。

（収容工程）
まず、図２に示すように、溝部１２内にヒートパイプ２０を収容する収容工程が行われる。収容工程の際には、ベース１０に溝部１２が形成されているが、未だ突出部１３および凹部１４が形成されていない。本実施形態では、収容工程時における、溝部１２の深さをＨ１、溝部１２の幅方向における幅をＷ１、深さ方向におけるヒートパイプ２０の厚みをＨ２、幅方向におけるヒートパイプ２０の幅をＷ２と表す。

図２に示すように、収容工程の際にはＷ１＞Ｗ２であるため、ヒートパイプ２０と溝内側面１２ａとの間には、幅方向における隙間ΔＷが生じる。従って、収容工程では、ヒートパイプ２０を溝部１２内に抵抗なく収容することが可能であり、収容工程時にヒートパイプ２０に不意に変形などが生じることが抑えられる。隙間ΔＷの大きさは、適宜変更可能であるが、例えば０．１ｍｍ程度である。

また、収容工程の際には、Ｈ１＜Ｈ２となっている。このため、図示は省略するが、溝部１２内にヒートパイプ２０を収容すると、ヒートパイプ２０の上面がベース１０の上面１１よりも上方に位置することとなる。

（押圧工程）
次に、押圧工程が行われる。押圧工程では、溝部１２内にヒートパイプ２０を収容した状態で、図３（ａ）に示すように、プレス部材２によってヒートパイプ２０を下方に押圧する。このとき、プレス部材２の下面は、ベース１０の上面に接する状態とする。これにより、ヒートパイプ２０のコンテナが、一対の溝内側面１２ａおよび溝内底面１２ｂに沿うように変形する。また、ヒートパイプ２０の上面は、深さ方向において、ベース１０の上面１１と同等の位置となる。

（パンチ工程）
次に、パンチ工程が行われる。パンチ工程では、溝部１２の開口縁にパンチ３を所定の圧力で当接して、ベース１０を塑性変形させる。これにより、ベース１０に凹部１４が形成されるとともに、凹部１４が形成されることで減少した分のベース１０の体積が溝部１２内に押し出され、突出部１３が形成される。すなわち、パンチ工程では、凹部１４および突出部１３が同時に形成される。長手方向若しくは幅方向におけるパンチ３の位置を変えながら、繰り返しパンチ工程を行うことで、溝部１２の開口縁に複数の凹部１４および突出部１３が形成される。
以上の工程により、放熱モジュール１が製造される。

ところで、突出部１３および凹部１４の形状は、パンチ３の形状によって決まる。以下、突出部１３および凹部１４の形状について説明する。

本実施形態のパンチ３は、先端部が三角形状となっている。このため、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、深さ方向から見た凹部１４の形状も略三角形状となる。より詳しくは、凹部１４は、底面１４ａと、第１側壁１４ｂと、第２側壁１４ｃと、隅部１４ｄと、を有している。底面１４ａは、ベース１０の上面１１よりも下方に位置しており、溝部１２の溝内底面１２ｂよりも上方に位置している。

図４（ａ）に示すように、深さ方向から見て、第１側壁１４ｂおよび第２側壁１４ｃは、溝部１２から幅方向外側に離れた位置で交わるように延びている。これにより、凹部１４の長手方向における幅Ｌは、溝部１２の内側に向かうに従って、漸次大きくなっている。また、第１側壁１４ｂと第２側壁１４ｃとが交わる隅部１４ｄは、幅方向外側に向けて凸となる曲面状を呈している。第１側壁１４ｂが延在する平面および第２側壁１４ｃが延在する平面は、鋭角をなすように互いに交差している。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、突出部１３は、溝部１２の内側に向けて突出している。上記のパンチ工程により突出部１３および凹部１４が形成されるため、突出部１３の上面１３ｃおよび凹部１４の底面１４ａは、深さ方向において同等の位置にある。また、突出部１３の上面１３ｃおよび凹部１４の底面１４ａは、段差なく連なっている。突出部１３の上端縁１３ａは、溝部１２内に位置し、幅方向内側に向けて凸となる曲線状を呈している。突出部１３の側面１３ｂは、溝部１２内に位置し、幅方向内側に向けて凸となる曲面状を呈している。

以上説明した本実施形態の放熱モジュール１によれば、溝部１２の開口縁から溝部１２の内側に向けて突出する複数の突出部１３によって、ヒートパイプ２０が溝部１２内に固定されている。この構成により、例えば接着剤を用いてヒートパイプ２０を固定する場合と比較して、接着剤が劣化することでヒートパイプ２０の固定が外れてしまうことが抑えられる。また、例えばネジや留め具などを用いてヒートパイプ２０を固定する場合と比較して、振動によりネジや留め具が外れてしまうことが抑えられる。従って、これらの方法と比較して、本実施形態によればヒートパイプ２０が溝部１２内で固定された状態を確実に維持することができる。

また、溝部１２の開口縁にパンチ３を当接し、凹部１４および突出部１３を同時に形成することで、突出部１３を確実に溝部１２の内側に向けて突出させて、突出部１３の形状を安定させることができる。
また、ヒートパイプ２０を溝部１２内に収容する前に、予めベース１０に突起などを形成しておく場合と比較して、ベース１０の成形方法の制約が少なくなり、ベース１０の形状の自由度を高めることができる。

また、凹部１４の長手方向における幅Ｌが、幅方向の内側に向かうに従って漸次大きくなっている。このため、パンチ工程においてベース１０を塑性変形させる際に、凹部１４および突出部１３近傍に生じる応力を低減することができる。これにより、突出部１３近傍にクラックが発生することが抑えられ、突出部１３の強度を高めることができる。
さらに、凹部１４が略三角形状に形成されているため、凹部１４の幅Ｌを幅方向内側に向かうに従って漸次大きくしつつ、深さ方向から見た凹部１４の面積を比較的小さくすることができる。このように凹部１４の面積を小さくすることで、パンチ加工を行う際にベース１０に加える圧力を小さくして、加工機の大型化を抑えることができる。

また、凹部１４の隅部１４ｄが、幅方向外側に向けて凸となる曲面状を呈しているため、パンチ工程の際に、隅部１４ｄに生じる応力を小さくすることができる。従って、この隅部１４ｄにクラックが発生するのを抑制することができる。

また、収容工程において、ヒートパイプ２０の深さ方向の厚みＨ２が溝部１２の深さＨ１よりも大きい。このため、押圧工程によって、ヒートパイプ２０を容易かつ確実に溝内側面１２ａおよび溝内底面１２ｂに沿うように変形させることができる。これにより、ヒートパイプ２０とベース１０との接触面積が大きくなり、放熱モジュール１の放熱性能を高めることができる。

また、例えば収容工程の際に、ヒートパイプ２０の幅Ｗ２が溝部１２の幅Ｗ１よりも大きいと、ヒートパイプ２０を溝部１２内に押し込む際に、ヒートパイプ２０の上面が窪むように変形してしまう場合がある。これに対して本実施形態では、収容工程時において、ヒートパイプ２０の幅Ｗ２が溝部１２の幅Ｗ１よりも小さいため、上記したヒートパイプ２０の上面の変形を抑えることができる。また、ヒートパイプ２０をスムーズに溝部１２内に収容できるため、放熱モジュール１の製造効率を高めることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記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において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、ベース１０が矩形の板状に形成されていたが、ベース１０の形状は適宜変更可能である。例えばベース１０の形状は、円板状、ブロック状、棒状などであってもよい。

また、凹部１４の形状は適宜変更可能である。
例えば図５（ａ）に示すように、深さ方向から見て略台形状の凹部１５を採用してもよい。凹部１５は、長手方向に延びる第１側壁１５ｄと、第１側壁１５ｄの長手方向における両端部からそれぞれ溝部１２に向けて延びる第２側壁１５ｂおよび第３側壁１５ｃと、を有している。第１側壁１５ｄと第２側壁１５ｂ、および第１側壁１５ｄと第３側壁１５ｃは、それぞれの延在する平面が互いに鈍角で交わるように配置されている。これにより、凹部１５の長手方向における幅Ｌは、溝部１２の内側に向かうに従って漸次大きくなっており、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第１側壁１５ｄと第２側壁１５ｂとの隅部１５ｅ、および第１側壁１５ｄと第３側壁１５ｃとの隅部１５ｆは、幅方向の外側に向けて凸となる曲面状を呈している。これにより、パンチ加工の際に、隅部１５ｅ、１５ｆに生じる応力を低減して、クラックの発生を抑えることができる。なお、図示は省略するが、凹部１５の底面１５ａは、深さ方向において、突出部１３の上面１３ｃと同等の位置にある。

あるいは図５（ｂ）に示すように、深さ方向から見て略半円形状の凹部１６を採用してもよい。凹部１６は、幅方向の外側に向けて凸となる円弧上の側壁１６ｂを有している。これにより、凹部１６の長手方向における幅Ｌは、溝部１２の内側に向かうに従って漸次大きくなっており、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、図示は省略するが、凹部１６の底面１６ａは、深さ方向において、突出部１３の上面１３ｃと同等の位置にある。

また、凹部１４（突出部１３）の配置は、図１（ａ）の例に限られず、適宜変更してもよい。例えば、溝部１２から見て、幅方向（Ｙ方向）の一方側と他方側とで、凹部１４（突出部１３）の数が異なっていてもよい。あるいは、幅方向（Ｙ方向）の一方側と他方側とで、長手方向（Ｘ方向）における凹部１４（突出部１３）の位置が異なっていてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…放熱モジュール ３…パンチ １０…ベース １２…溝部 １３…突出部 １３ｃ…上面 １４、１５、１６…凹部 １４ａ、１５ａ、１６ａ…底面 Ｘ…長手方向 Ｙ…幅方向 Ｚ…深さ方向

Claims (4)

1. 溝部が形成された金属製のベースと、
   前記溝部内に固定されたヒートパイプと、を備え、
   前記溝部の開口縁には、
   前記溝部の内側に向けて突出する突出部と、
   前記突出部に隣接する凹部と、が形成され、
   前記突出部の上面および前記凹部の底面は、前記溝部の深さ方向において同等の位置にある、放熱モジュール。
2. 前記溝部が延びる長手方向における前記凹部の幅は、前記溝部の内側に向かうに従って漸次大きくなっている、請求項１に記載の放熱モジュール。
3. 前記凹部は、前記深さ方向から見て略三角形状に形成されている、請求項２に記載の放熱モジュール。
4. 金属製のベースに形成された溝部内に、ヒートパイプを収容する収容工程と、
   前記ヒートパイプを前記溝部内で押圧し、前記溝部の溝内底面および溝内側面に沿うように前記ヒートパイプを変形させる押圧工程と、
   前記溝部の開口縁にパンチを当接し、前記ベースを塑性変形させることで、凹部および前記凹部に隣接して前記溝部の内側に向けて突出する突出部を形成するパンチ工程と、
   を有する、放熱モジュールの製造方法。

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