JP4766283B2 - 冷却部材、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱部材の溝部に冷媒導入管を圧入して成る冷却部材、及びその製造方法に関する。

伝熱部材の溝部にパイプ等を接合する技術が、下記の特許文献に開示されている。伝熱部材の溝部に冷媒導入管を圧入して成る冷却部材を製造する場合、図６（ａ）に示すように、伝熱部材１０１の表面１０３に溝口１０５を開放した溝部１０７に、直径φの冷媒導入管１０９を進入させ、押型１１１を用いて冷媒導入管１０９を溝部１０７に押付ける。これにより、同図（ｂ）に示すように冷媒導入管１０９は溝部１０７の内周面に密接するよう塑性変形する。

また、冷媒導入管１０９の外周（πφ）、及び溝部１０７の内周面の周長Ｌには、それぞれ寸法誤差が含まれるので、図６（ｃ）に示すように冷媒導入管１０９が溝部１０７の内周面に密接するに至らず、両者間に隙間が残ることがある。この場合、伝熱部材１０１から冷媒導入管１０９への伝熱が妨げられる。また、冷媒導入管１０９に捩れ方向の外力が加わると、冷媒導入管１０９が伝熱部材１０１に対して回転する不具合が起こる。或いは、同図（ｄ）に示すように、溝部１０７に無理に押込まれた冷媒導入管１０９が谷形に曲折することがある。この場合、冷媒導入管１０９の内部の断面積が狭くなり、冷媒導入管１０９に導入される冷媒の流れが妨げられる。

しかしながら、伝熱部材１０１、及び冷媒導入管１０９は、互いの製造過程が異なるため、両者の寸法を一元的に管理するのは難しく、冷却部材の品質が上記のように不安定になることは避けられない。
特開２００７−２１８４３９号公報 特開２００５−９０７９４号公報 特開平１０−７９５８６号公報

本発明は、冷媒導入管の外周又は溝部の内周面の周長に寸法誤差が含まれていても、伝熱部材から冷媒導入管への良好な伝熱を実現でき、しかも冷媒導入管に導入される冷媒の良好な流れを確保できる冷却部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。更に本発明の目的とするところは、冷媒導入管に加わる捩れ方向の外力に対して、冷媒導入管を伝熱部材に強固に保持できる冷却部材、及びその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、伝熱部材の表面に溝口を開放した溝部に、冷媒導入管を圧入した冷却部材であって、前記溝部は、その内周面の曲率中心を前記溝口の内方に位置し、前記内周面の断面が前記溝口の幅方向に長径を沿わせた楕円形であり、かつ前記溝口の幅に前記内周面の周長を加算した長さが前記冷媒導入管の外周よりも短く、前記冷媒導入管は、前記内周面に密接する周曲部と、前記溝口を塞ぎ前記溝部へ没入する向きの凹みを有する面状部とを備え、前記面状部を前記伝熱部材の表面から前記冷媒導入管の肉厚よりも小さい高さで突出させ前記冷媒導入管を流れる冷媒の圧力損失が増える割合を抑えられる範囲で、前記凹みが前記溝部へ没入する凹み量を設定したことを特徴とする。

また、本発明は、溝口の内方に内周面の曲率中心を位置し、かつ前記溝口の幅に前記内周面の周長を加算した長さが前記冷媒導入管の外周よりも短い形状の溝部を有する伝熱部材に対して、前記溝部に、前記冷媒導入管を前記伝熱部材の表面から突出させた状態で挿入し、前記冷媒導入管を前記溝部に押型で押付け塑性変形させることにより、前記内周面に密接する周曲部と、前記溝口を塞ぐ面状部とを前記冷媒導入管に形成する冷却部材の製造方法であって、前記溝部の内周面の断面を前記溝口の幅方向に長径を沿わせた楕円形とし、前記冷媒導入管が前記押型に押付けられる過程で、前記冷媒導入管の形状を前記押型に倣わせることにより前記面状部を形成し、前記冷媒導入管が前記押型に押付けられる力によって、前記面状部を前記伝熱部材の表面から前記冷媒導入管の肉厚よりも小さい高さで突出させ前記冷媒導入管を流れる冷媒の圧力損失が増える割合を抑えられる範囲で、前記面状部を前記溝部へ没入する向きに凹ませることを特徴とする。

本発明に係る冷却部材は次の方法によって製造される。即ち、伝熱部材の溝部に冷媒導入管を挿入し、冷媒導入管を押型で溝部に押付ける。これにより塑性変形する冷媒導入管が、溝部の内周面に密接した時点で、冷媒導入管は溝部の溝口に完全に没入しない。同時に、冷媒導入管の全幅が溝口よりも広くなるので、伝熱部材と冷媒導入管との接合が完了する。

従って、本発明に係る冷却部材の製造方法によれば、冷媒導入管の外周、及び溝部の内周面の周長にそれぞれ寸法誤差が含まれていても、伝熱部材と冷媒導入管とが接合された時点で、両者間に隙間が残ることはない。このため、本発明に係る冷却部材によって製造される冷却部材は、伝熱部材から冷媒導入管の周曲部への良好な伝熱を実現できるものである。

また、本発明に係る冷却部材において押型が冷媒導入管を押付ける力を、冷媒導入管が溝部に完全に没入しない程度に設定しておけば、冷媒導入管が無理な力で曲折するのを予防し、冷媒導入管に面状部を形成できる。このため、冷媒導入管の塑性変形による断面積の減少を抑制できるので、本発明に係る冷却部材によって製造される冷却部材は、冷媒導入管に導入される冷媒の良好な流れを確保できるものである。

本発明に係る冷却部材、及びその製造方法の実施形態について説明する。図１（ａ）は、溝部１の溝口３を表面５に開放された伝熱部材７と、溝部１に対向する平坦な押圧面９を有する押型１１と、溝部１に挿入された冷媒導入管１３を示している。押型１１は図に表れていないプレス機械のラムに型工具として取付けられている。このプレス機械が押型１１を矢印Ｐ方向に動作させる過程で、冷媒導入管１３を同図（ｂ）に示すよう塑性変形させることにより、冷却部材１５を製造することができる。詳しくは以下に述べる。

図２に示すように、溝部１は、その内周面１７の曲率中心Ｏを溝口３の内方に位置させている。２つの角部１９，２１は、楕円形に沿って湾曲する内周面１７と、溝口３の内側面２３とが隣接する箇所である。内周面１７の周長は、角部１９から角部２１に及ぶ内周面１７の長さを意味するが、本実施例では、角部１９から表面５までの厚みＥと、角部２１から表面５までの厚みＥが加算されるものとする。従って、内周面１７の周長がＬのとき、Ａ＋Ｌ＋２Ｅ＜πＧとなり、溝部１は、溝口３の幅Ａに内周面１７の周長を加算した長さ（Ａ＋Ｌ）が冷媒導入管１３の外周（πＧ）よりも短くなるという条件を満たしている。

表１はＡ〜Ｇの寸法を示している。以下で寸法の単位は総て［ｍｍ］であるとする。Ａ〜Ｇの寸法を算定する手順について、冷媒導入管１３の直径が９．５２で±０．０８の誤差を含む場合を例に説明する。先ず、溝口３の幅Ａが冷媒導入管１３の直径の最大値９．６０以上になるようにＡ＝９．７±０．１とする。溝口３の幅Ａの最大値Ａmax ＝９．８である。最大値Ａmax と楕円の長径である内周面１７の全幅Ｂの最小値Ｂmin との差を２で除したオーバーハング量が少なくとも０．４（Ａの約４％）となるように、数１に基づきＢmin ＝１０．６を算出する。伝熱部材７に溝部１が成形されるときの誤差を±０．１と見積もれば、Ｂの値を１０．７±０．１と定めることができる。

続いて、厚みＥ＝０．４４であると仮定し、２つの角部１９，２１の両方に接する楕円の短径を変化させたときの内周面１７の周長の計算値を求める。図３は、楕円の短径の半分に相当する半短径を横軸に表し、内周面１７の周長の計算値を縦軸に表したグラフである。冷媒導入管１３の外周（πＧ）の最小値は約２９．７であるので、この最小値よりも内周面１７の周長が短くなる条件は、楕円の半短径が同図の破線で仕切った値以下になることである。例えば、πＧ＜２９のときはＣ＜４となる。

冷却部材１５の製造方法は次の通りである。図面は特に断らない限り図１（ａ），（ｂ）を参照する。最初に、伝熱部材７の溝部１に挿入された冷媒導入管１３を押型１１で溝部１に押付けることにより、塑性変形する冷媒導入管１３を溝部１の内周面１７に密接させる。この時点で、冷媒導入管１３は溝部１の溝口３に完全に没入しない。これは、溝口３の幅に内周面１７の周長を加算した長さが、冷媒導入管１３の外周よりも短い分、冷媒導入管１３の一部が伝熱部材７の表面５から突出するためである。また、溝部１の曲率中心Ｏは溝口３よりも伝熱部材７の内方に位置している。このため、上記のように冷媒導入管１３が溝部１の内周面１７に密接した時点で、冷媒導入管１３の幅が溝口３よりも広くなり、伝熱部材７からの冷媒導入管１３の離脱が規制されるので、伝熱部材７と冷媒導入管１３との接合が完了する。

従って、以上に述べた方法によれば、伝熱部材７の表面５から冷媒導入管１３を突出させた状態で、冷媒導入管１３が溝部１の内周面１７に密接するので、冷媒導入管１３の外周、及び溝部１の内周面１７の周長にそれぞれ寸法誤差が含まれていても、伝熱部材７と冷媒導入管１３とが接合された時点で、両者間に隙間が残ることはない。このため、冷却部材１５は、伝熱部材７から冷媒導入管１３の周曲部２５への良好な伝熱を実現できるものとなる。周曲部２５は、溝部１の内周面１７に倣って冷媒導入管１３が楕円形に塑性変形した部位である。更に、内周面１７の断面が、溝口３の幅方向に長径を沿わせた楕円形であるので、冷媒導入管１３に加わる捩れ方向の外力に対して、伝熱部材７に冷媒導入管１３を強固に保持することができる。

また、以上に述べた方法は、押型１１が冷媒導入管１３を押付ける力を、冷媒導入管１３が溝部１に完全に没入することなく、冷媒導入管１３が表面５から冷媒導入管１３が突出する程度に設定しているので、冷媒導入管１３が無理な力で曲折するのを予防し、冷媒導入管１３に面状部２７を形成することができる。面状部２７は、押型１１の押圧面９に倣って冷媒導入管１３が平坦な形状に塑性変形した部位である。

図４は、面状部２７の凹み量Δｔを楕円の長径Ｂ（内周面１７の全幅）で除して得られる凹み率を横軸に表し、凹み率の増加に従い冷媒導入管１３を流れる冷媒の圧力損失が増える割合を圧損増加率として縦軸に表したグラフである。同グラフから、圧損増加率を３以下にするには、凹み率を０．３以下に抑える必要のあることが判る。これを実現するために、押型１１が冷媒導入管１３を押付ける力は、伝熱部材７の表面５から面状部２７の突出する高さｔが、冷媒導入管１３の肉厚よりも小さくなるよう調整されている。

尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、又は変形を加えた態様でも実施できる。例えば、内周面１７の断面は楕円形に限らず、図５（ａ）に示すように、溝口３の幅方向に長軸を沿わせた長円形であれば良い。この場合、溝部１の内周面１７は円弧部１９と直線状の底面２１とを組合せた形状であっても良い。また、同図（ｂ）に示すように、内周面１７の曲率中心Ｏが２つ以上であっても良い。

本発明は、パワーモジュール等の発熱する電気部品を冷却するための冷却部材を製造するのに有益な技術である。

（ａ）は本発明の実施形態に係る冷却部材の製造方法の工程例を示す断面図、（ｂ）はその方法で製造された冷却部材の断面図。 本発明の実施形態に係る冷却部材の製造方法に適用した伝熱部材の溝部の寸法に冷媒導入管を対比させた説明図。 本発明の実施形態に係る冷却部材の製造方法に適用した伝熱部材の溝部の半短径を横軸に表し、その内周面の周長の計算値を縦軸に表したグラフ。 本発明の実施形態に係る冷却部材の製造方法によって塑性変形した冷媒導入管の凹み率を横軸に表し、その凹み率の増加に従い冷媒の圧力損失が増える割合を縦軸に表したグラフ。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態に係る冷却部材の製造方法に適用できる伝熱部材の変形例を各々示す断面図。 （ａ）は従来例の冷却部材を製造する工程を示す断面図、（ｂ）〜（ｄ）はその方法によって製造された冷却部材の例を各々示す断面図。

符号の説明

１…溝部、３…溝口、５…表面、７…伝熱部材、１１…押型、１３…冷媒導入管、１５…冷却部材、１７…内周面、２５…周曲部、２７…面状部。

Claims (2)

1. 伝熱部材の表面に溝口を開放した溝部に、冷媒導入管を圧入した冷却部材であって、前記溝部は、その内周面の曲率中心を前記溝口の内方に位置し、前記内周面の断面が前記溝口の幅方向に長径を沿わせた楕円形であり、かつ前記溝口の幅に前記内周面の周長を加算した長さが前記冷媒導入管の外周よりも短く、
   前記冷媒導入管は、前記内周面に密接する周曲部と、前記溝口を塞ぎ前記溝部へ没入する向きの凹みを有する面状部とを備え、前記面状部を前記伝熱部材の表面から前記冷媒導入管の肉厚よりも小さい高さで突出させ前記冷媒導入管を流れる冷媒の圧力損失が増える割合を抑えられる範囲で、前記凹みが前記溝部へ没入する凹み量を設定したことを特徴とする冷却部材。
2. 溝口の内方に内周面の曲率中心を位置し、かつ前記溝口の幅に前記内周面の周長を加算した長さが前記冷媒導入管の外周よりも短い形状の溝部を有する伝熱部材に対して、前記溝部に、前記冷媒導入管を前記伝熱部材の表面から突出させた状態で挿入し、前記冷媒導入管を前記溝部に押型で押付け塑性変形させることにより、前記内周面に密接する周曲部と、前記溝口を塞ぐ面状部とを前記冷媒導入管に形成する冷却部材の製造方法であって、
   前記溝部の内周面の断面を前記溝口の幅方向に長径を沿わせた楕円形とし、前記冷媒導入管が前記押型に押付けられる過程で、前記冷媒導入管の形状を前記押型に倣わせることにより前記面状部を形成し、前記冷媒導入管が前記押型に押付けられる力によって、前記面状部を前記伝熱部材の表面から前記冷媒導入管の肉厚よりも小さい高さで突出させ前記冷媒導入管を流れる冷媒の圧力損失が増える割合を抑えられる範囲で、前記面状部を前記溝部へ没入する向きに凹ませることを特徴とする冷却部材の製造方法。

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