JP4623167B2

JP4623167B2 - 放熱構造及び車両用インバータ

Info

Publication number: JP4623167B2
Application number: JP2008217071A
Authority: JP
Inventors: 真里大野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: JP2010056157A; US20100053900A1

Description

本発明は、発熱体からの熱を放熱する放熱構造に係り、特に、グリースを用いて放熱するに好適な放熱構造に関する。

従来から、電子部品を実装した車両用インバータ等には、放熱構造が採用されている。例えば、車両用インバータのパワーコントロールユニットは、インバータ部と昇圧コンバータ部から構成されており、図５に示すように、昇圧コンバータには、昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２がケース（基材）７０内に配置されている。昇圧ＩＰＭとリアクトル１２は、インバータの使用時に発熱する発熱体であるため、この発熱する熱を放熱すべく、熱伝導性グリース（放熱グリース）Ｇを介して、ヒートシンクを含む冷却器（放熱部材）８０が、ケース７０に接触するように配置されている。

このような放熱構造を採用した場合には、ケース７０と、冷却器８０との間の熱伝導性グリースＧが、発熱体１１，１２から発熱する熱に伴い流動することがある。特に、ケース７０と冷却器８０との間の接触表面が傾斜をしている場合や、熱冷環境下でケース７０と冷却器８０の膨張・収縮が繰返される場合には、熱伝導性グリースＧが配置されたケース７０及び冷却器８０の表面の面粗度が低いと、熱伝導性グリースＧは、流動し易くなる。そして、この熱伝導性グリースＧの流動により、ケース７０と冷却器８０との間に空気層が形成されてしまい、放熱性が低下することがあった。

このような点を鑑みて、例えば、ケースと冷却器との接触する表面に、凹凸を設けて、該表面に熱伝導性グリースを配置した、放熱構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような放熱構造は、熱伝導性グリースが配置される面の凹凸により、熱伝導性グリースの流動を抑制することができる。

特開２００６−４９５０１号公報

ところで、熱伝導性グリースなどのグリースは、増ちょう剤（フィラー）、基油（オイル）、及び添加剤を基本組成としている。しかし、特許文献１に記載の放熱構造を採用した場合であっても、熱伝導性グリースそのものは流動し難くなるものの、表面にの凹凸により、熱伝導性グリースのオイル分だけがグリースから分離してしまい、放熱構造の放熱性を低下させることがあった。

これは、冷却器とケースとが接触する面の間において、これら接触する表面の面粗度を大きくした結果、僅かな隙間が形成され、この隙間により、熱伝導性グリースのオイル分のみが毛細管現象により、広がるように流れてしまうことによると考えられる。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放熱構造に使用される熱伝導性グリースの流動を抑制するばかりでなく、熱伝導性グリースの基本組成となるオイル分の流出を抑制することにより、放熱性の低下を抑制することができる放熱構造を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る放熱構造は、発熱体が載置された基材と、熱伝導性グリースを介して前記基材に接触する放熱部材と、を備えた放熱構造であって、前記基材と前記放熱部材とが接触する少なくとも一方の接触表面は、前記熱伝導性グリースが配置された第一接触領域と、該第一接触領域を囲繞する第二接触領域を有し、前記第二接触領域は、前記第一接触領域よりも表面粗さが小さいことを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導性グリースが配置された第二接触領域を、第一接触領域よりも表面粗さを小さくしたことにより、第一接触領域の熱伝導性グリースの流動を抑えることができる。さらに、第一接触領域を囲繞するように第二接触領域を設けたので、第一接触領域に配置された熱伝導性グリースのオイル分が、毛細管現象により第二接触領域に流れることは、ほとんどない。この結果、第一接触領域では、熱伝導性グリースの流動により空気層が形成され難くなり、第一接触領域から第二接触領域に向かって熱伝導性グリースのオイル分が流出し難くなる。これにより、基材に載置された発熱体からの熱の放熱性の低下が抑制され、この熱は、熱伝導性グリースを介して、放熱部材から放熱されることになる。

本発明にいう「熱伝導性グリース」はいわゆる放熱グリースであり、例えばシリコーングリースなどを例示することができるが、特にこれに限定されるものではく、グリースの中でも、熱を伝導し易い（放熱性に富んだ）組成からなるグリースであればよい。

また、前記の如く相対的に第一及び第二の接触領域の表面粗さに違いを設けることにより、放熱性を確保することは可能であるが、より好ましくは、本発明に係る放熱構造は、前記第一接触領域の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．２μｍ以上であり、前記第二接触領域の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍ以下である。

本発明によれば、後述する発明者の実施例からも明らかなように、第一接触領域の中心線平均粗さをＲａ０．２μｍ以上にすることにより、熱伝導性グリースの流動を抑制することができる。さらに、第二接触領域の中心線平均粗さをＲａ０．０５μｍ以下とすることにより、第一接触領域から第二接触領域への毛細管現象による熱伝導性グリースのオイル分の流出を抑制することができる。すなわち、第一接触領域の中心線平均粗さをＲａ０．２μｍよりも小さくした場合には、熱伝導性グリースが流動し易くなる場合があり、第二接触領域の中心線平均粗さをＲａ０．０５μｍよりも大きくした場合には、熱伝導性グリースのオイル分が流出し易くなることがある。

また、本発明に係る放熱構造は、前記第一接触領域には、厚さ方向に沿って、複数の細孔が形成されていることがより好ましい。本発明によれば、第一接触領域に複数の細孔を設けることにより、この細孔に熱伝導性グリースをトラップすることができ、さらに放熱性を高めることができる。

また、本発明の別の態様として、本発明に係る放熱構造は、発熱体が載置された基材と、グリースを介して前記基材に接触する放熱部材と、を備えた放熱構造であって、前記基材と前記放熱部材とが接触する少なくとも一方の接触表面は、前記グリースが配置された第一接触領域と、該第一接触領域を囲繞する第二接触領域を有し、前記第一接触領域には、厚さ方向に沿って前記グリースを保持するための複数の細孔が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導性グリースが配置された第一接触領域に、複数の細孔を設けることにより、第一接触領域の熱伝導性グリースの流動を抑えることができる。さらに、第一接触領域を囲繞するように第二接触領域を設けたので、前述したと同様に、第一接触領域に配置された熱伝導性グリースのオイル分が、毛細管現象により第二接触領域に流れることは、ほとんどない。この結果、第一接触領域には、熱伝導性グリースの流動により空気層が形成され難く、熱伝導性グリースのオイル分が流出し難いので、放熱構造の放熱性の低下することなく、基材に載置された発熱体の熱が、熱伝導性グリースを介して、放熱部材から放熱されることになる。

また、本発明に係る放熱構造は、前記第一接触領域の前記基材の厚さ方向に沿った位置に、前記発熱体が載置されていることがより好ましい。発熱体をこのような位置に載置することで、発熱体の熱を、熱伝導性グリースを介して、より効率的に放熱部材から放熱することができる。

より好ましくは、前記放熱構造を車両用インバータに備えることがより好ましい。発熱し易いリアクトル等の発熱体の熱を、好適に放熱させることができるので、車両の信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、放熱構造に使用される熱伝導性グリースの流動を抑制するばかりでなく、熱伝導性グリースの基本組成となるオイル分の流出を抑制することにより、放熱性の低下を抑制することができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る放熱構造のいくつかの実施形態に基づいて説明する。
図１は、第一実施形態に係る車両用インバータ１の放熱構造１０の全体構成図を示しており、図１（ａ）は、放熱構造の縦断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すケース２０の接触表面を示した図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の冷却器３０の接触表面を示した図である。

図１（ａ）に示す放熱構造１０は、車両用インバータ１のコンバータ部の放熱構造である。この放熱構造１０は、発熱体として、昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２とを備えており、これらは、車両用インバータ１の作動時に放熱する。昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２とは、ケース（基材）２０内に載置されており、ケース２０は、例えばフィラーにシリコーン等の基油（オイル）を含んだ熱伝導性グリースＧを介して、冷却器（放熱部材）３０にボルト等により固定されて接触している。このような基本構成により、昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２から発熱する熱は、図１（ａ）に示す縦矢印方向に向かって、冷却器３０に伝達される。

また、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、ケース２０と冷却器３０とが接触するそれぞれの接触表面は、第一接触領域２１，３１と第二接触領域２２，３２を有している。図１（ａ）に示す放熱構造１０を成したとき、ケース２０の第一接触領域２１と冷却器３０と第一接触領域３１とが接触し、ケース２０の第二接触領域２２と冷却器３０の第二接触領域３２が接触するようになっている。なお、本実施形態では、ケース２０と冷却器３０の双方の接触表面に第一接触領域と第二接触領域を設けたが、後述する放熱性の低下を抑制することができるのであれば、いずれか一方に設けてもよい。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、第一接触領域２１，３１の外周を囲繞するように第二接触領域２２，３２が設けられている。第一接触領域２１，３１のケース２０の厚さ方向に沿った位置には、昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２が載置されている。第二接触領域２２，３２は、図示の如くロの字状の領域であり、第一接触領域２１，３１の外周からの領域幅Ｄ１，Ｄ２が少なくとも１５ｍｍ以上確保されるように設けられている。

さらに、第二接触領域２２，３２は、第一接触領域２１，３１の表面粗さよりも小さい。より好ましくは、第一接触領域２１，３１は、中心線平均粗さＲａ０．２μｍ以上であり、第二接触領域２２，３２の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍ以下である。

このように構成された放熱構造１０は、発熱体である昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２から発熱する熱は、ケース２０に伝達され、ケース２０と冷却器３０との間に配置された熱伝導性グリースＧを介して、冷却器３０に放熱される。

このとき、熱伝導性グリースＧが配置された第二接触領域２２，３２を、第一接触領域２１，３１よりも表面粗さを小さくしたことにより、第一接触領域２１，３１の熱伝導性グリースの流動を抑えることができる。この結果、第一接触領域２１，３１の熱伝導性グリースＧは流動しにくくなり、第一接触領域２１，３１の間において、空気層が形成され難くなる。

さらに、第一接触領域２１，３１を囲繞するように第二接触領域２２，３２を設けたので、第一接触領域２１，３１に配置された熱伝導性グリースのオイル分が、毛細管現象により第二接触領域に向かって（図１（ａ）の横矢印方向に）流れることは、ほとんどない。

この結果、第一接触領域２１，３１の間に配置された熱伝導性グリースＧの状態は、経時的な使用によっても、変化することがないので、ケース２０に載置された昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２から発熱する熱は、熱伝導性グリースＧを介して放熱され、放熱構造１０の放熱性の低下は抑制することができる。

図２は、本発明に係る第二実施形態の放熱構造１０Ａを示している。第二実施形態の放熱構造１０Ａが、第一実施形態の放熱構造１０と相違する点は、ケース２０及び冷却器３０の第一接触領域２１Ａ及び３１Ａである。尚、その他の構成は、第一実施形態の構成と同じであるので、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態に係る放熱構造１０Ａの第一接触領域２１Ａ，３１Ａには、厚さ方向に沿ってグリースＧを保持するための複数の細孔２１Ｂ及び３１Ｂが形成されている。このような細孔２１Ｂ及び３１Ｂは、例えば、機械加工、エッチング等の一般的に知られた方法により、第一接触領域２１Ａ，３１Ａに形成することができる。

このように、熱伝導性グリースＧが配置された第一接触領域２１Ａ，３１Ａに、複数の細孔２１Ｂ，３１Ｂを設けることにより、第一接触領域２１Ａ，３１Ａの熱伝導性グリースＧが細孔２１Ｂ，３１Ｂにトラップされ、熱伝導性グリースＧの流動を抑えることができる。さらに、第一実施形態と同様に、第一接触領域２１Ａ，３１Ａを囲繞するように第二接触領域２２，３２を設けたので、第一接触領域に配置された熱伝導性グリースのオイル分が、毛細管現象により第二接触領域に流れることは、ほとんどない。この結果から、第一接触領域２１Ａ，３１Ａの間に配置された熱伝導性グリースＧの状態は、経時的な使用によっても、変化することがないので、ケース２０に載置された昇圧ＩＰＭ１１とリアクトル１２から発熱する熱は、熱伝導性グリースＧを介して放熱され、放熱構造１０の放熱性の低下を抑制することができる。

＜確認試験１＞
図３（ａ）に示すような、異なる表面粗さ（中心線平均粗さＲａ（以下、中心線平均粗さＲａは、触針式表面粗さ測定器により測定した））のアルミニウム平板を準備し、これらのアルミニウム平板の間に、熱伝導性グリースとしてシリコーングリースを配置した。そして、温度負荷として０℃以下１００℃近傍の温度変化を１サイクルとして５００回繰返した熱サイクル試験を行った。その後、シリコーングリースの移動距離を測定した。この結果を図３（ａ）に示す。

図３（ａ）に示すように、アルミニウム平板の中心線平均粗さがＲａ０．２μｍ以上の場合には、シリコーングリースの移動距離は小さくなった。この結果から、第一接触領域の中心線平均粗さＲａが、０．２μｍ以上であることが好ましい。

＜確認試験２＞
図３（ｂ）に示すように異なる表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）のアルミニウム平板を準備し、これらのアルミニウム平板の間に、熱伝導性グリースとしてシリコーングリースを配置した。そして、確認試験１と同様の熱サイクル試験を行った。その後、シリコーングリースに含まれるオイルの移動距離を測定した。この結果を図３（ｂ）に示す。

図３（ｂ）に示すように、アルミニウム平板の中心線平均粗さがＲａ０．０５μｍ以下の場合には、シリコーングリースのオイル流出距離が小さくなった。この結果、第二接触領域の中心線平均粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることが好ましい。

（実施例）
第一実施形態に従って、ケース（基材）及び冷却器（放熱部材）に相当する部材として、アルミニウム平板を準備した。そしてアルミニウム平板の双方が接触する接触表面として、表面粗さが中心線平均粗さＲａ０.２μｍの第一接触領域と、該第一接触領域の外周を囲むように、表面粗さが中心線平均粗さＲａ０．０５μｍの第二接触領域とを有するように、アルミニウム平板の表面を機械加工した。そして、これらのアルミニウム平板の間に、確認試験１で用いたとものと同じシリコーングリースを配置し、確認試験１と同様の熱サイクル試験を行った。そして、熱サイクル試験前後のシリコーングリースの面積を測定し、（熱サイクル試験後のグリースの面積）÷（熱サイクル試験前のグリースの面積）＝（グリースの広がり率）として、グリースの広がり率を算出した。この結果を図４に示す。

（比較例）
実施例と同様の試験を行った。実施例と相違する点は、アルミニウム平板の接触表面の表面粗さを、中心線平均粗さＲａ０．２μｍとし、実施例の如く第一接触領域と第二接触領域を設けなかった点である。そして、実施例と同じように、広がり率を測定した。この結果を図４に示す。

（結果）
図４に示すように、比較例に比べ、実施例は、シリコーングリースが配置された第一接触領域と、第一接触領域を囲繞する第二接触領域を設け、第二接触領域の表面粗さを、第一接触領域の表面粗さよりも小さくしたので、シリコーングリース及びオイル分の流出が抑制されたと考えられる。

［考察］
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に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における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、第一及び第二実施形態では、ケース及び冷却器の表面の双方に、上述した表面状態となる第一接触領域及び第二接触領域を設けたが、放熱性の効果を充分確保することができるのであれば、いずれか一方に設けてもよい。

さらに、第一実施形態では、ケース及び冷却器の第二接触領域の表面粗さを第一接触領域の表面粗さよりも小さくしたが、第二実施形態に示すように、第一接触領域に、厚さ方向に沿って、複数の細孔をさらに形成してもよい。

第一実施形態に係る車両用インバータの放熱構造の全体構成図を示しており、図１（ａ）は、放熱構造の縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すケースの接触表面を示した図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の冷却器の接触表面を示した図。第二実施形態に係る車両用インバータの放熱構造の全体構成図。第一接触領域と第二接触領域の最適な表面粗さを確認するための確認試験の結果を示した図であり、（ａ）は、第一接触領域に対する確認試験の結果であり、（ｂ）は、第二接触領域に対する確認試験の結果を示した図。実施例及び比較例のグリース面積の広がり率の結果を示した図。従来の車両用インバータの放熱構造の全体構成図。

符号の説明

１：車両用インバータ、１０、１０Ａ：放熱構造、１１：昇圧ＩＰＭ（発熱体）、１２：リアクトル（発熱体）、２０：ケース（基材）、２１，２１Ａ：第一接触領域、２１Ｂ：細孔、２２：第二接触領域、３０：冷却器（放熱部材）、３１，３１Ａ：第一接触領域、３１Ｂ：細孔、３２：第二接触領域、Ｇ：熱伝導性グリース

Claims

発熱体が載置された基材と、熱伝導性グリースを介して前記基材に接触する放熱部材と、を備えた放熱構造であって、
前記基材と前記放熱部材とが接触する前記基材及び前記放熱部材の接触表面は、前記熱伝導性グリースが配置された第一接触領域と、該第一接触領域を囲繞する第二接触領域を有し、前記第二接触領域は、前記第一接触領域よりも表面粗さが小さく、前記基材の第二接触領域と前記放熱部材の第二接触領域とが、接触していることを特徴とする放熱構造。
前記第一接触領域の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．２μｍ以上であり、前記第二接触領域の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍ以下であることを特徴する請求項１に記載の放熱構造。
前記第一接触領域には、厚さ方向に沿って、複数の細孔が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
発熱体が載置された基材と、熱伝導性グリースを介して前記基材に接触する放熱部材と、を備えた放熱構造であって、
前記基材と前記放熱部材とが接触する前記基材及び前記放熱部材の接触表面は、前記熱伝導性グリースが配置された第一接触領域と、該第一接触領域を囲繞する第二接触領域を有し、前記第一接触領域には、厚さ方向に沿って前記熱伝導性グリースを保持するための複数の細孔が形成されており、前記基材の第二接触領域と前記放熱部材の第二接触領域とが、接触していることを特徴とする放熱構造。
前記第二接触領域の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の放熱構造。
前記基材の第二接触領域と前記放熱部材の第二接触領域とが接触する幅は、１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放熱構造。
前記第一接触領域の前記基材の厚さ方向に沿った位置に、前記発熱体が載置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放熱構造。
請求項１〜７のいずれかに記載の放熱構造を備えた車両用インバータ。