JP4798143B2 - 水冷器部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御用インバータなどの電子部品やモジュールなどを冷却するための水冷器を製造するために用いられる水冷器部品の製造方法に関する。

鉄道やハイブリッド自動車等の制御用インバータなどの電子部品やモジュールには、水冷器（ウォータジャケット）を設ける場合がある（特許文献１参照）。

この水冷器を製造するための部品として、図２に示すようなものがある。この水冷器部品は、アルミニウム等からなる基材１の一面に冷却水の流路となる凹溝２を形成し、この凹溝２とは反対側の面には絶縁層３を積層して構成される。この水冷器部品の凹溝２を閉塞して冷却水の流路を形成すると共に、絶縁層３上に電子部品等を配置することで、電子部品等と基材１との間の電気的絶縁性を絶縁層３で確保しつつ、電子部品等から発せられる熱を基材１に伝達し、流路を流れる冷却水で冷却するものである。

この水冷器部品を製造する際は、従来、図３に示す方法が適用されていた。この方法では、一面に凹溝２が形成された基材１の、凹溝２とは反対側の面に、未硬化又は半硬化状態の熱硬化性樹脂層４を形成した後、加熱加圧処理を施すことにより熱硬化性樹脂層４を熱硬化させて、絶縁層３を形成している。

この加熱加圧処理は、熱硬化性樹脂層４を形成した基材１の両側には成形プレート９を配置し、これを熱盤１０，１０間に配置して行われる。このとき、熱盤１０，１０による加熱加圧の際の熱衝撃（熱盤１０，１０による急激な加熱）を吸収すると共に圧力の均一化を図るために、基材１と成形プレート９との間に緩衝材６を介在させることが行われている。
特開２００４−３３２９８８号公報

しかし、上記従来の方法で水冷器部品を製造すると、絶縁層３の厚みが不均一になる場合があった。このような絶縁層３の厚みの不均一が生じると、絶縁層３の機能を充分に発揮できなくなるおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、金属製の基材の一面に冷却水の流路となる凹溝が形成されると共に前記一面とは反対側の面に絶縁層が積層された水冷器部品を製造するにあたり、絶縁層の厚みの不均一化を抑制することができる水冷器部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、このような絶縁層３の厚みの不均一化の原因を究明すると共に、その解消方法を見出すために、鋭意研究を行った結果、厚みの不均一化は加熱加圧成形時に生じる基材１の撓みに起因することを究明すると共に、この撓みの解消方法を見出して、本発明に至った。

すなわち、本発明は、金属製の基材１の一面に冷却水の流路となる凹溝２が形成されると共に前記一面とは反対側の面に絶縁層３が積層された水冷器部品の製造方法であって、一面に凹溝２が形成された基材１の前記一面とは反対側の面に未硬化又は半硬化状態の熱硬化性樹脂層４を形成し、この熱硬化性樹脂層４に中間プレート５を介して緩衝材６を重ねて積層物を構成し、この積層物に加熱加圧処理を施すことにより前記熱硬化性樹脂層４を硬化させて絶縁層３を形成することを特徴とする。

この場合、基材１に成形圧力がかけられても、基材１の凹溝２が形成されている側に緩衝材６が重ねられる場合のように基材１の凹溝２間に形成される凸部８が緩衝材６に沈み込むようなことがなくなり、このため、基材１の撓みの発生が抑制され、熱硬化性樹脂層４にかかる成形圧力の不均一化が抑制される。

上記積層物の加熱加圧処理を施す際は、それぞれ独立した個別の中間プレート５を含む複数の積層物を、同一面上に並べて配置した状態で、加熱加圧処理を施すことが好ましい。この場合、水冷器部品の製造効率が向上する。また、単一の大面積の中間プレート５を用いる場合のような、各積層物間で生じる基材１の厚みのばらつきによって成形圧力にばらつきが生じたり、特に基材１の厚みが薄い場合に基材１に圧力がかかりにくくなったりするような弊害が発生することを防止し、多数個取りで水冷器部品を製造する場合の絶縁層３の厚みのばらつきを更に抑制することができる。

本発明によれば、加熱加圧処理時に、熱硬化性樹脂層４にかかる成形圧力の不均一化が抑制される結果、この熱硬化性樹脂層４の硬化物である絶縁層３に厚みの不均一が生じることを抑制することができ、絶縁層３の全体に亘って優れた絶縁性を発揮することが可能となる。

以下、本発明の実施をするための最良の形態について、図１を参照して説明する。

本発明で得られる水冷器部品は、図２に示すように、基材１と、この基材１に積層された絶縁層３とで構成される。

基材１は金属で形成されるが、特に軽量で熱伝導性が高く、且つ安価な点から、アルミニウムで形成されることが好ましい。この基材１の一面には水冷器における冷却水の流路となる凹溝２が形成されている。凹溝２の寸法、形状は適宜設計されるが、例えば基材１の前記一面上で蛇行する一条の凹溝２を形成したり、複数条の凹溝２を形成したりすることができる。また、この基材１の一面には、異なる凹溝２同士が隣り合う箇所におけるこの凹溝２同士の間や、同一の凹溝２の一部同士が隣り合う箇所におけるこの凹溝２の一部同士の間に、リブ状の凸部８が形成される。

絶縁層３は、上記基材１の、凹溝２が形成されている面とは反対側の面に積層して形成される。この絶縁層３は、電気的絶縁性を有する。この絶縁層３は、例えばエポキシ樹脂等の適宜の熱硬化性樹脂の硬化物で形成される。また絶縁層３は適宜の厚みにすることができるが、絶縁層３の電気的絶縁性を確保すると共にこの絶縁層３を介した熱伝導を確保するためには、２０〜２００μｍの厚みにすることが好ましい。

この水冷器部品の製造方法について説明する。まず基材１の、凹溝２が形成されている面とは反対側の面に、未硬化又は半硬化状態の熱硬化性樹脂層４を形成する。

熱硬化性樹脂層４は適宜の手法で形成することができる。例えば、基材１の表面に未硬化状態の熱硬化性樹脂を塗布し、或いは更にこの熱硬化性樹脂に加熱処理を施して半硬化させる方法が挙げられる。また、予め半硬化状態とされたシート状の熱硬化性樹脂を基材１の表面に積層する方法も挙げられる。シート状の熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を離型シート等の適宜の基体上に塗布した後、加熱処理を施すことで得られる樹脂シートが挙げられる。また、ガラス基材１等の適宜のシート状の基材１にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させ、更に加熱処理を施すことにより得られるプリプレグを挙げることもできる。シート状の熱硬化性樹脂を用いる場合には、必要に応じて複数枚のシート状の熱硬化性樹脂を基材１に積層することで熱硬化性樹脂層４を形成することができる。

熱硬化性樹脂層４を形成した後、この熱硬化性樹脂層４に、中間プレート５を介して緩衝材６を重ねることで、積層物を構成する。中間プレート５としては、例えばステンレス鋼製のものを使用することができる。この場合、中間プレート５の厚みは１．０〜２．０ｍｍが好ましい。また、緩衝材６としては、例えばシリコーンゴムシートやクラフト紙等を一枚あるいは複数枚重ねたものを挙げることができる。この場合、緩衝材６の厚みは２〜４ｍｍが好ましい。

このように構成された積層物に対して、加熱加圧処理を施す。この場合、上記のように構成された積層物を、二枚の成形プレート９の間に配置する。成形プレート９としては、上記中間プレート５と同様に例えばステンレス鋼製のものを使用することができる。この場合、成形プレート９の厚みは１．０〜２．０ｍｍが好ましい。また、この積層物と成形プレート９とを交互に重ねると共に両端に成形プレート９が配置されるようにして、多段成形を行うことで、水冷器部品の製造効率を向上することもできる。

また、二つの成形プレート９の間に積層物を配置するにあたり、この二つの成形プレート９の間に複数の積層物を並べて配置することもできる。この場合、同一面上に複数の積層物が並んで配置される。このようにすると、水冷器部品の製造効率を向上することができる。また、このとき同一面上に配置された各積層物における中間プレート５は同一高さ位置に配置されるため、複数の積層物に亘る単一の中間プレート５を用いることもできるが、好ましくは、各積層物ごとに独立した個別の中間プレート５を用いる。ここで、単一の中間プレート５を用いる場合には、各積層物間で生じる基材１等の厚みのばらつきによって、各積層物の熱硬化性樹脂層４にかかる圧力にばらつきが生じることがあり、また、特に基材１の厚みが薄い場合には基材１に圧力がかかりにくくなったりするような弊害が生じることがある。しかし、各積層物ごとに個別の中間プレート５を用いると、各積層物間で生じる基材１の厚みのばらつきが他の積層物に影響を与えることがなくなり、このため、基材１の厚みのばらつきによる熱硬化性樹脂層４にかかる圧力の不均一化を抑制し、絶縁層３に厚みのばらつきが生じることを更に抑制することができる。

このように積層物と成形プレート９とを一段又は多段に重ね合わせたものを、互いに対向する二つの熱盤１０，１０の間に配置し、加熱加圧成形を施す。成形条件は熱硬化性樹脂層４の組成等に応じて適宜設定されるが、例えば温度１２０〜２００℃、圧力０．４９〜４．９ＭＰａ、時間１３０〜２００分とすることができる。この加熱加圧成形により熱硬化性樹脂層４を熱硬化して絶縁層３を形成すると共にこの絶縁層３を基材１と一体化する。この後、熱盤１０，１０を冷却すると共にこの熱盤１０，１０の間から水冷器部品を取り出すことによって成形を終了する。

この加熱加圧成形時には、上記の通り基材１の絶縁層３側に緩衝材６を中間プレート５を介して重ねている。このようにすることで、基材１の凹溝２が形成されている側に緩衝材６が重ねられる場合と比べて、熱硬化性樹脂層４にかかる成形圧力の不均一化が抑制される。

ここで、成形圧力の不均一化の抑制が可能となる理由は次の通りである。基材１には凹溝２が形成されているため、この基材１に圧力をかけると撓みやすくなり、特に図３に示すように基材１の凹溝２側に緩衝材６を重ねる場合、基材１の凹溝２間に形成される凸部８が緩衝材６に沈み込みやすくなって、基材１の撓みを引き起こしやすくなる。しかし、図１に示すように緩衝材６を熱硬化性樹脂層４側に配置することで、前記のような基材１の凹溝２間に形成される凸部８の沈み込みが抑制され、その結果、基材１の撓みが抑制されて、ひいては熱硬化性樹脂層４にかかる成形圧力の不均一化が抑制されると考えられる。

そして、このように熱硬化性樹脂層４にかかる圧力の不均一化が抑制された結果、この熱硬化性樹脂層４の硬化物である絶縁層３に厚みの不均一が生じることを抑制することができ、絶縁層３の全体に亘って優れた絶縁性を発揮することが可能となる。

このように作製された水冷器部品は、基材１の一面側で凹溝２を閉塞することで凹溝２内に冷却水の流路に形成して水冷器を構成する。そして、この水冷器の絶縁層３上にインバータ等の電子部品やモジュールを設置することで、水冷器内の流路に流れる冷却水により、電子部品等による熱が冷却される。

以下、本発明を、実施例を提示することで更に詳述する。

（実施例１）
基材１はアルミニウムで作製した。この基材１は平面視２００ｍｍ×３００ｍｍ、厚み１５ｍｍの寸法に形成した。この基材１の一面には、前記一面上で蛇行する一条の凹溝２を形成した。凹溝２は幅３０ｍｍ、深さ１０ｍｍに形成し、隣り合う凹溝２の一部同士の間に形成される凸部８の幅寸法を１０ｍｍに形成した。

この基材１の、凹溝２が形成された面とは反対側の面に、樹脂シート（厚み１００μｍのエポキシ樹脂シート）を１枚重ねて熱硬化性樹脂層４を形成し、更にこの熱硬化性樹脂層４に、中間プレート５（ＳＵＳ製）、緩衝材６（シリコーンゴムシート）を順次重ねて、積層物を構成した。

このように構成された二つの積層物を同一面上に配置して、図１に示すように対向する二枚の成形プレート９（ＳＵＳ製）で挟み、これを熱盤１０，１０の間に配置した。そして、この熱盤１０，１０により１７５℃、５ＭＰａの条件で１２０分間、加熱加圧処理を施した後、冷却し、厚み１００μｍの絶縁層３を有する水冷器部品を得た。

（比較例１）
実施例１において、積層物を構成するにあたり、緩衝材６は基材１の凹溝２が形成されている面に重ね、また中間プレート５は用いなかった。それ以外は実施例１と同様にして水冷器部品を得た（図３参照）。

（評価試験）
実施例１及び比較例１において、加熱加圧成形時に熱硬化性樹脂層４の上面にノーカーボンペーパを重ねておき、加熱加圧成形後のノーカーボンペーパの色を目視で観察した。

その結果、比較例１では凹溝２が形成されている位置と、凹溝２が形成されていない位置とでは色の濃さに著しい相違がみられた。これに対して、実施例１では比較例１に比べて、色の濃度に大きな相違はみられなかった。

また、実施例１及び比較例１でそれぞれ得られた水冷器部品の絶縁層３の厚みのばらつきを、ダイヤルゲージによって測定した。その結果、実施例１では厚みのばらつきは２０〜４０μｍであったのに対して、比較例１では８０〜１００μｍのばらつきが確認された。

本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。 水冷器部品の一例を示す断面図である。 従来技術の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 基材
２ 凹溝
３ 絶縁層
４ 熱硬化性樹脂層
５ 中間プレート
６ 緩衝材

Claims (2)

1. 金属製の基材の一面に冷却水の流路となる凹溝が形成されると共に前記一面とは反対側の面に絶縁層が積層された水冷器部品の製造方法であって、一面に凹溝が形成された基材の前記一面とは反対側の面に未硬化又は半硬化状態の熱硬化性樹脂層を形成し、この熱硬化性樹脂層に中間プレートを介して緩衝材を重ねて積層物を構成し、この積層物に加熱加圧処理を施すことにより前記熱硬化性樹脂層を硬化させて絶縁層を形成することを特徴とする電子部品用又はモジュール用の水冷器部品の製造方法。
2. 上記積層物の加熱加圧処理を施す際に、それぞれ独立した個別の中間プレートを含む複数の積層物を、同一面上に並べて配置した状態で、加熱加圧処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の水冷器部品の製造方法。

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