JP2024086426A - 放熱構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度の高い放熱構造体を低コストで製造する方法を提供すること。
【解決手段】放熱構造体の製造方法は、円筒形状を有する第１構造体に対して、板形状を有する複数の第２構造体を、加圧しながら通電抵抗加熱により溶接することを含む。上記放熱構造体の製造方法において、前記第２構造体は、前記第１構造体に溶接される側に突起部を有してもよい。前記第１構造体は、前記第２構造体の前記突起部が延伸する方向と交差する方向に第２突起部を有してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明の一実施形態は、冷却機能を備える放熱構造体の製造方法に関する。

モータやインバータ、ポンプ、コンプレッサなどの電動機は、駆動時に発熱するため、電動機を収容するケース（電動機用ケース）に放熱用のフィンが取り付けられることがある。例えば特許文献１には、複数のフィンが設けられた円筒状の電動機用ケースが開示されている。

特開２０１９－２２２５０号公報

特許文献１の電動機用ケースの場合、アルミニウムを押出成形や切削加工にすることによって製造される。しかしながら、押出成形の場合、専用の金型を用意する必要がある。また、切削加工の場合、長い加工時間を必要するとともに、切削された部分は廃棄されてしまうために、材料のムダが生じる。このため、電動機用ケースを製造するためのコストが高くなってしまう。

上記課題を鑑み、本発明は、放熱構造体を低コストで製造する方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の実施形態の一実施形態によれば、円筒形状を有する第１構造体に対して、一つ以上の第２構造体を、加圧しながら通電抵抗加熱により溶接することを含む、放熱構造体の製造方法が提供される。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第２構造体は、前記第１構造体に溶接される側の端部に突起部を有してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第２構造体は、前記第１構造体に溶接される側の端部に複数の突起部を有してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第１構造体は、前記第２構造体の前記突起部が延伸する方向と交差する方向に第２突起部を有してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第２構造体は、板形状、柱形状または筒形状を有してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第２構造体は、湾曲部を有してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第１構造体の材料と、前記第２構造体の材料は同じであってもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第１構造体と前記前記第２構造体は同一の組成を有し、それぞれアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および銅を含んでもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第１構造体と前記前記第２構造体は同一の組成を有し、それぞれアルミニウム、マグネシウム、およびケイ素を含んでもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記一つ以上の第２構造体は、複数の第２構造体を含み、前記複数の第２構造体の一つを、固定具に固定して前記第１構造体の第１位置に溶接し、前記複数の第２構造体の一つを固定解除した後、前記第１構造体を回転させて、前記複数の第２構造体の他の一つを、前記固定具に固定して前記第１構造体の前記第１位置に隣接する第２位置に溶接してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記固定具は、前記複数の第２構造体の一つを吸着することによって固定してもよい。

上記放熱構造体の製造方法において、前記第１構造体は、放熱構造体のハウジングを構成し、前記第２構造体は、放熱構造体のフィンを構成してもよい。

本発明の一実施形態によれば、放熱構造体を低コストで製造する方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的上面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る板構造体の模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る板構造体の模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る板構造体の模式的側面図である。 本発明の一実施形態に係る放熱構造体の製造方法を示す模式的斜視図である。

以下、本出願で開示される発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

以下、本発明の実施形態の一つである放熱構造体１００とその製造方法について説明する。

（１．放熱構造体の構造）
図１と図２に放熱構造体１００の模式的斜視図と上面図をそれぞれ示す。放熱構造体１００は、円筒形状を有する金属製のハウジング１０２、およびハウジング１０２の外周（外壁）に設けられ、ハウジング１０２から放射状に延伸する金属製の複数のフィン１０４を備える。ハウジング１０２の内部に種々の電動機が収容される。図示しないが、放熱構造体１００の外部または内部に、放熱構造体１００を冷却するための冷媒を還流するための流路を設けてもよい。以下、各図面において、ハウジング１０２の円筒形状の軸が延伸する方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直であり、互いに直交する方向をｘ方向とｙ方向とする。

ハウジング１０２の大きさ（円筒形状の外径やｚ方向の長さ）は電動機の種類や大きさによって適宜選択される。例えば、外径は２００ｍｍ以上５００ｍｍ以下でもよく、ｚ方向の長さは３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下でもよい。ハウジング１０２のアスペクト比（外径／長さ）は、例えば１以上２０以下でもよい。また、ハウジング１０２の厚さ（外径と内径の差の１／２）も放熱構造体１００に要求される強度によって選択され、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲から選択すればよい。フィン１０４の厚さや高さ（ハウジング１０２の外壁からｚ方向に垂直な方向の長さ）、間隔も、放熱構造体１００に要求される冷却効率やフィン１０４の数に応じて適宜選択され、例えば厚さは０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲から、高さは３０ｍｍ以上９０ｍｍ以下、間隔は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の選択から選択すればよい。

図１や図２に示すように、フィン１０４はハウジング１０２の外壁の全体にわたって等間隔に配置してもよく、あるいは、図３に示すように、ハウジング１０２の外周の一部に配置されてもよい。この場合、フィン１０４が設けられない部分には、配線や流路のための一つまたは複数の開口１０２ａを設けてもよい。フィン１０４のｚ方向における長さは、ハウジング１０２の長さと同一でもよく（図３）、ハウジング１０２の長さよりも小さくてもよい（図４）。また、フィン１０４は、その主面（最大面積を有する面）１０４ａがハウジング１０２の軸であるｚ方向と平行になるように配置してもよく、図５Ａに示すように、主面１０４ａがｚ方向から傾くように配置してもよい。あるいは、図５Ｂに示すように、ハウジング１０２の外壁上で複数の列を形成するように複数のフィン１０４を配置してもよい。図示しないが、フィン１０４は、ハウジング１０２の外壁上で千鳥配列を形成してもよい。なお、各フィン１０４の形状は、主面１０４ａが四角形である六面体に限られない。例えば図６Ａに示すように、各フィン１０４は、輪郭が直線と曲線または曲線のみで形成される主面１０４ａを有してもよく、あるいは図６Ｂに示すように、屈曲した主面１０４ａを有してもよい。あるいは、図７に示すように、各フィン１０４は分岐構造を有してもよいし、図８に示すように、各フィン１０４が下部において一体化されてもよい。分岐構造を各フィン１０４に付与することで、フィン１０４の面積が増大するため、より効率の高い冷却が可能となる。

ハウジング１０２とフィン１０４は異なる組成を有してもよく、同一の組成を有してもよい。ハウジング１０２とフィン１０４に含まれる材料としては、アルミニウムや鉄、チタンなどの金属やその合金が例示されるが、好ましくは、軽量で熱導電率の高い、アルミニウム合金が挙げられる。アルミニウム合金としては、例えばＡ７０７２、Ａ７０５０、Ａ７０７５、Ａ７Ｎ０１などと称されるアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および銅を含む合金や、Ａ６０６１、Ａ６０６３、Ａ６Ｎ０１などと称されるケイ素を含むアルミニウムとマグネシウムの合金が挙げられる。ただし、アルミニウム合金は上記合金に限られず、Ａ５０５２やＡ５０５６、Ａ５０８３、Ａ５４５４などに例示されるアルミニウムとマグネシウムの合金、Ａ４０３２やＡ４０４３に例示されるケイ素が添加されたアルミニウム、Ａ３００３やＡ３００５、Ａ３１０５などに例示されるアルミニウムとマンガンの合金を用いてもよい。アルミニウム合金をハウジング１０２とフィン１０４に用いることで、アルミニウムの高い熱伝導率に起因し、放熱構造体１００は高い放熱特性を示すことができる。

（２．放熱構造体の製造方法）
以下、放熱構造体１００の製造方法について図９Ａ～図１０Ｃを用いて詳細に説明する。

まず、図９Ａに示すように、図１Ａにおいてハウジング１０２となる円筒形状を有する円筒構造体１０２０（第１構造体ともいう）上にフィン１０４となる板形状を有する板構造体１０４０（第２構造体ともいう）（具体的には板構造体１０４０－１）を所定の位置（第１位置Ｐ１）に配置する。このとき、板構造体１０４０－１は固定具２０００に固定される。例えば、板構造体１０４０－１は、真空吸着機構により固定される。円筒構造体１０２０は、固定具２１００により固定される。円筒構造体１０２０と板構造体１０４０は同一の組成を有する。この例では、円筒構造体１０２０と板構造体１０４０には、アルミニウム合金を含む。より具体的には、円筒構造体１０２０と板構造体１０４０は、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および銅を含む銅合金（Ａ７０７５）、またはアルミニウム、マグネシウム、およびケイ素を含む銅合金（Ａ６０６１）が用いられる。

次に、図９Ｂおよび図９Ｂの拡大図である図１０Ａに示すように、板構造体１０４０および円筒構造体１０２０を接触させたのち、板構造体１０４０および円筒構造体１０２０に対して加圧しながら固定具２０００に設けられた電極を介して電圧を印加する。印加される電圧は、板構造体１０４０の形状、大きさ、接合面積、材質によって適宜選択される。この例では、円筒構造体１０２０を０Ｖとし、板構造体に対して２００Ｖ以上１０００Ｖ以下の範囲で適宜設定された電圧を印加する。また、加えられる圧力は５ｋＮ以上５０ｋＮ以下の範囲で適宜設定される。このとき、板構造体１０４０から円筒構造体１０２０に電流（例えば３０ｋＡ以上５０ｋＡ以下の電流）が流れる際に、通電抵抗が生じ、抵抗熱が発生する。これにより、板構造体１０４０と、円筒構造体１０２０の界面部分が軟化し、塑性変形が起こる（図１０Ｂ）。

このとき、板構造体１０４０は、円筒構造体１０２０に溶接される側の端部に突出する突起部１０４０ａを有することが望ましい。この例では、板構造体１０４０は、ｚ方向に延伸する突起部１０４０ａ（第１突起部ともいう）有する。これにより、加圧しやすくなるとともに接触部の接触面積が小さくなるため抵抗が大きく発熱しやすくなる。結果として、通電抵抗による抵抗熱をより効果的に利用することができる。突起部１０４０ａの形状は適宜選択することができ、先端が尖ってもよいし、丸みを帯びてもよい。

さらに、板構造体１０４０と、円筒構造体１０２０の界面部分が加熱されることにより、金属間において金属結合が形成される。結果的に、図１０Ｃに示すように、板構造体１０４０（板構造体１０４０－１）と、円筒構造体１０２０とが接合される。図１１に示すように、接合が完了した後、板構造体１０４０－１と固定具２０００との固定（吸着）が解除される。次に、図１２に示すように、固定具２０００は、新たな板構造体１０４０（１０４０－２）を固定する。円筒構造体１０２０は回転し、板構造体１０４０－２は、円筒構造体１０２０のうち第１位置Ｐ１に隣接する第２位置Ｐ２に配置され、溶接される。これを繰り返すことにより、放熱構造体１００が製造される。

なお、本発明の実施形態では、板構造体１０４０は、固定具に真空吸着により固定される例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、板構造体１０４０は、静電吸着により固定されてもよいし、板構造体１０４０の一部を把持することにより固定されてもよい。

なお、本発明の実施形態において、図１３に示すように、円筒構造体１０２０には長手方向（ｚ方向）に設けられる溝１０２０ｇを有してもよい。これにより、板構造体１０４０の突起部１０４０ａの位置決めをしやすくなるとともに加圧しやすくなる。

上述したように、本実施形態に係る放熱構造体１００は、Ａ７０７５やＡ６０６１などのアルミニウム合金を含む。このため、放熱構造体１００は、アルミニウムの高い熱伝導率に起因する高い冷却効率が達成できるだけでなく、軽量でありかつ強度が高い。このことは、例えば航空機エンジン用のモータなどの高い信頼性が要求される放熱構造体への応用を可能にする。

また、本発明の実施形態に係る放熱構造体１００の製造方法では、ハウジング１０２とフィン１０４が一体化され、電動機が発生する熱をハウジング１０２からフィン１０４へ効率良く伝えることができる。これにより、高効率で電動機を冷却することができる。また、本実施形態の場合、従来の押出成形や鋳型加工と比較すると、金型や鋳型が不要であるため、製造コストが低く、かつ、大きな高さを有するフィン１０４を高密度、すなわち狭いピッチで設けることが可能である。さらに、本発明の実施形態に係る製造方法ではフィンとなる板構造体１０４０をハウジングとなる円筒構造体１０２０に溶接することで製造することができるため、切削加工により材料の使用効率が高い。このことは、本発明の実施形態に係る製造方法を適用することで、低コストで放熱構造体を製造することができることを意味している。

また、本発明の実施形態の場合、溶融部に直接熱源を当てる必要がないため、板構造体１０４０と、円筒構造体１０２０とが接する（電流を流す）ことができれば溶接することができる。このため、平坦な板状のものだけでなく、波型形状などの湾曲部を有するもの、円柱、四角柱などの柱形状、パイプなどの筒形状など、様々な形状を有する板構造体１０４０を円筒構造体１０２０の全周に亘って溶接することができる。

（変形例）
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

また、上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。

また、本実施形態の実施形態において、板構造体１０４０は、ｚ方向に延伸する一つの突起部１０４０ａ有する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１４Ａに示すように、板構造体１０４０は、ｚ方向に複数の突起部１０４０ａを有してもよい。又は、図１４Ｂに示すように、板構造体１０４０は、板構造体１０４０の厚さ方向（ｘ方向）に複数の突起部１０４０ａを有してもよい。これにより、突起部の接触面積を増やすことができ、溶接後の強度を向上させることができる。

また、本実施形態の実施形態において、板構造体１０４０が突起部１０４０ａを有する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、円筒構造体１０２０が円筒面外周にｚ方向に延伸する複数の突起部１０２０ａを備えてもよい。この場合、板構造体１０４０の位置決めと、溶接時における加圧がしやすくなる。

また、図１５に示すように、板構造体１０４０が長手方向（ｚ方向）に延伸する突起部１０４０ａを有しつつ、円筒構造体１０２０にも複数の突起部１０２０ａ（第２突起部ともいう）が設けられてもよい。この場合、円筒構造体１０２０の突起部１０２０ａは、突起部１０４０ａの延伸する方向と交差する方向（周方向）に設けられてもよい。これにより、板構造体１０４０と、円筒構造体１０２０とが、点接触することができ、溶接時における加圧がしやすくなる。

本実施形態の実施形態では、一つの板構造体を円筒構造体１０２０に溶接する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つの板構造体１０４０、さらには３つ以上の板構造体を円筒構造体１０２０に対して溶接してもよい。この場合、それぞれの構造体に対して、独立で電圧を印加することが望ましい。これにより、溶接時間を短縮することができ、製造コストの短縮に加えて放熱構造体の製造能力を向上させることができる。

１００：放熱構造体，１０２：ハウジング，１０２ａ：開口，１０４：フィン，１０４ａ：主面，１０２０：円筒構造体，１０２０ａ：突起部，１０４０：板構造体，１０４０ａ：突起部，２０００：固定具，２１００：固定具

Claims (12)

1. 円筒形状を有する第１構造体に対して、一つ以上の第２構造体を、加圧しながら通電抵抗加熱により溶接することを含む、放熱構造体の製造方法。
2. 前記第２構造体は、前記第１構造体に溶接される側の端部に突起部を有する、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
3. 前記第２構造体は、前記第１構造体に溶接される側の端部に複数の突起部を有する、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
4. 前記第１構造体は、前記第２構造体の前記突起部が延伸する方向と交差する方向に第２突起部を有する、
   請求項２に記載の放熱構造体の製造方法。
5. 前記第２構造体は、板形状、柱形状または筒形状を有する、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
6. 前記第２構造体は、湾曲部を有する、
   請求項５に記載の放熱構造体の製造方法。
7. 前記第１構造体の材料と、前記第２構造体の材料は同じである、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
8. 前記第１構造体と前記前記第２構造体は同一の組成を有し、それぞれアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および銅を含む、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
9. 前記第１構造体と前記前記第２構造体は同一の組成を有し、それぞれアルミニウム、マグネシウム、およびケイ素を含む、
   請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
10. 前記一つ以上の第２構造体は、複数の第２構造体を含み、
    前記複数の第２構造体の一つを、固定具に固定して前記第１構造体の第１位置に溶接し、
    前記複数の第２構造体の一つを固定解除した後、前記第１構造体を回転させて、前記複数の第２構造体の他の一つを、前記固定具に固定して前記第１構造体の前記第１位置に隣接する第２位置に溶接する、
    請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
11. 前記固定具は、前記複数の第２構造体の一つを吸着することによって固定する、
    請求項１０に記載の放熱構造体の製造方法。
12. 前記第１構造体は、前記放熱構造体のハウジングを構成し、
    前記第２構造体は、前記放熱構造体のフィンを構成する、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の放熱構造体の製造方法。