JP4946079B2 - 冷却体およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、電力用半導体素子や電力密度の高い電極のヒートシンク、電力分野における大電流の接続片としての水冷導体などとして用いられる冷媒流通式の冷却体に関する。

電力分野における大電流の接続片として用いられる水冷導体は、電気伝導性の優れた銅製であっても、その電気抵抗によって発熱するので、その温度上昇を抑えるために水冷されている。このような水冷導体としては、例えば、電力用変圧器内に使用される整流器のサイリスタやダイオードと保護ヒューズとをつなぐ接続片がある。

一般的に広く使用されている冷却導体は、使用電流がそれほど大きくない場合には、アルミニウムまたはその合金が使用されることが多い。例えば、半導体分野などの場合である。一方、大電力の分野では、より優れた電気伝導性および熱伝導性を有する銅が主に使用されている。

このような冷却体の内部は冷媒を流通させる流路構造となっているが、コストを安くするために、その構造および製造技術にはいろいろな工夫が凝らされているが、冷却体の構造としては、下部部材と上部部材とを重ね合わせて接合し、両部材間に冷媒の流路を形成するものが一般的であり、冷媒として水を用いるのが一般的である。

ここで、図を用いて従来技術による構造例を更に詳しく説明する。

図４は従来技術による冷却体の第1例（従来例１）の構造を示し、（a）はその外観を示す斜視図、（b）はその断面図、（ｃ）は下側部材１の平面図である。この冷却体は下側部材１と上側部材２と2つの給排水部3とで構成されている。金属平板からなる下側部材１には水路用凹部11が形成されており、その上面に金属平板からなる上部部材２がろう材４でろう付けされている。なお、水路用凹部11の両終端部には、給排水部3につながる給排水孔13が形成されている。このような構造は特許文献１に開示されている。この従来例１においては、上下両部材の接合方法として、ろう付け法が用いられているが、電子ビーム溶接法や熱間圧接法が用いられているものもある。

図5は従来例２の構造を示し、（a）はその断面図、（b）は下側部材1aの断面図であり、図6は従来例３の構造を示す断面図である。いずれの場合においても、下側部材1aまたは１と上側部材2aまたは２の接合には、摩擦撹拌接合法が用いられている。従来例２の下側部材1aには、水路用凹部11aに加えて上側部材2aを嵌め込むための嵌込み用段差部12が形成され、ここに冷却水路30と同じ形状をした上側部材2aが嵌め込まれ、その外周部〔図5(ａ）において三角印をつけた位置〕で両部材が摩擦撹拌接合法で接合され、冷却水路30を形成している。従来例３では、下側部材１および上側部材２として第1例と同様の形状のものが用いられ、両者が冷却水路30の外縁部に沿った摩擦撹拌接合法で接合されて、冷却水路30を形成している。図6においても、摩擦撹拌接合位置を三角印で示している。このような構造は特許文献２に開示されている。

図７は従来例４の構造を示す断面図である。この冷却体は、上記3つの従来例と異なり、平板状の下側部材1bと、プレス加工によって形成された水路用凸部21を有する上側部材2bと、で構成されており、両部材が水路用凸部21の外縁部に沿った摩擦撹拌接合法で接合されて、冷却水路30を形成している。このような構造は特許文献３に開示されている。
特開平６−342861号公報 特開2002−248584号公報 特開2003−71574号公報

上記の従来例には下記のような問題点がある。

従来例１の場合には、その製造過程において、下側部材１および上側部材２が炉中で加熱されるので、それらが焼き鈍され軟らかくなって強度不足となり、内部にかかる水圧によって冷却水路30の変形や破損を生ずるという問題点がある。このため、部材の厚さを厚くしておくことが必要であり、熱による変形（熱歪）も問題点である。更に、下側部材１に形成される水路用凹部11はフライス切削加工などの機械加工となるので、その加工所要時間の低減には限界があり、コスト低減の観点からも問題となる。

ろう付け法を電子ビーム溶接法に置き換えた場合には、低熱歪状態で接合できるが、材料が銅の場合には熱伝導率が極めて高いので、高出力の電子ビームが必要となり、その結果として局部的な歪が発生し、部分的な歪補正工程が必要となる、という問題点がある。更に、真空中の溶接作業となるため、加工コストが高くなることも問題点である。

ろう付けを熱間圧接に置き換えた場合には、量産時には低い製造コストを期待できるが、設備価格が極めて高いので、それに見合うだけの物量確保の見通しがないと設備投資できないという問題点がある。

従来例２の場合には、下側部材1aおよび上側部材2aが摩擦撹拌接合法で接合されるので、加熱や温度上昇に伴う問題点はないが、冷却水路30の形状に合わせた上側部材2aが必要であるから、冷却水路30の形状が複雑になるほどその加工コストが高くなるという問題点がある。また、下側部材1aには水路用凹部11aおよび嵌込み用段差部12を加工しなければならないので、コスト低減の観点において従来例１以上に問題が大きい。

従来例３の場合には、従来例２と同様に加熱や温度上昇に伴う問題点はなく、従来例２のような複雑な形状の上側部材を必要としない。しかし、耐食性の維持などのために冷却体の表面に銀メッキなどを施す場合には、下側部材１と上側部材２の接合部の外側に存在する間隙にメッキ液が侵入して残留し、長い間には腐食を発生させるという心配がある。また、従来例１と同様に、下側部材１の加工に伴う加工所要時間の低減の限界という問題点がある。

従来例４の場合には、下側部材1bは平板状であるから、前3つの従来例のような下側部材の加工に伴う問題点はなく、上側部材2bにはプレス加工で水路用凸部21が形成されるので、加工コストは安く抑えられる。しかし、下側部材1bと上側部材2bを水路用凸部21の外縁部に沿った摩擦撹拌接合法で接合しているので、従来例３と同様に、下側部材1bと上側部材2bの接合部の外側の間隙にメッキ液が侵入して残留し、長い間には腐食を発生させるという心配がある。

この発明の課題は、上記のような従来技術の問題点を解消して、内部残留歪が少なく、加工工数が少なく、信頼性に優れた低価格で高品質の冷却体を提供することである。

請求項１の発明は、熱伝導性に優れた金属平板からなる下側部材および上側部材が接合されて構成され、前記両部材によって冷媒を流通させる流路が形成されている冷却体であって、前記上側部材には流路となる凸状部がプレス加工で形成され、且つこの上側部材の前記凸状部の形状がＵ字形とされるとともに前記上側部材の外周形状がコーナー部を丸くした矩形とされ、前記下側部材には上側部材を嵌め込むための凹部が形成され、下側部材の前記凹部に嵌め込まれた上側部材の外周部および前記凸状部の外縁部で下側部材と上側部材が摩擦撹拌接合法で接合されて、下側部材と上側部材の凸状部とで前記流路を形成している。

この発明においては、一つには、下側部材と上側部材が摩擦撹拌接合法で接合されるので、部材全体の温度が大きく上昇することはなく、且つ接合部の熱変形や残留応力も少なくなり、二つには、流路となる凸状部が上側部材にプレス加工で形成されるので、流路のための加工工数が極めて少なく、三つには、上側部材の外周形状が凸状部の形状より単純な形状とされるので、上側部材を嵌め込むために下側部材に形成される凹部の加工が簡単になり、四つには、下側部材と上側部材が上側部材の外周部および凸状部の外縁部で接合されるので、下側部材および上側部材の間にメッキ液などが侵入する間隙が形成されない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の冷却体の製造方法であって、前記の下側部材と上側部材を接合する摩擦撹拌接合のツールの経路を一筆書きの経路としている。

摩擦撹拌接合のツールの経路を一筆書きの経路とすることによって、摩擦撹拌接合に要する時間が短縮される。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記の一筆書きの経路として、経路の途中で摩擦撹拌接合の始点位置を少なくとも一度は通過させる経路をとる。

経路の途中で摩擦撹拌接合の始点位置を少なくとも一度は通過させることによって、摩擦撹拌接合の始点位置で発生しやすい欠陥を消滅させることができる。

請求項１の発明においては、一つには、下側部材と上側部材が摩擦撹拌接合法で接合されるので、部材全体の温度が大きく上昇することはなく、且つ接合部の熱変形や残留応力も少なくなり、二つには、流路となる凸状部が上側部材にプレス加工で形成されるので、流路のための加工工数が極めて少なく、三つには、上側部材の外周形状が凸状部の形状より単純な形状とされるので、上側部材を嵌め込むために下側部材に形成される凹部の加工が簡単になり、四つには、下側部材と上側部材が上側部材の外周部および凸状部の外縁部で接合されるので、下側部材および上側部材の間にメッキ液などが侵入する間隙が形成されない。したがって、この発明によれば、内部残留歪が少なく、加工工数が少なく、信頼性に優れた低価格で高品質の冷却体を提供することができる。

請求項２の発明においては、下側部材と上側部材を接合する摩擦撹拌接合のツールの経路を一筆書きの経路としているので、摩擦撹拌接合に要する時間が短縮され、加工工数がより少なくなる。

請求項３の発明においては、一筆書きの経路として、経路の途中で摩擦撹拌接合の始点位置を少なくとも一度は通過させる経路をとるので、摩擦撹拌接合の始点位置で発生しやすい欠陥を通過時に消滅させることができ、より優れた信頼性を有する冷却体を提供することができる。

この発明の最良の実施形態について、実施例を用いて説明する。

なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

図１は、この発明による冷却体の実施例の構造を示し、（a）はその断面図、（b）はその平面図であり、図２は、この実施例の部材を示し、（a）は下側部材1cの平面図、（b）は上側部材2cの平面図であり、図３は、この実施例の製造時の溶接経路を示した説明図である。

この実施例は、電力用の変圧器内に使用される整流器（サイリスタやダイオード）と保護ヒューズとをつなぐ接続片としての水冷導体であって、大電流が流されるため、電気伝導性および熱伝導性に優れた銅を材料としており、接続片の主導電部となる厚い平板状の下側部材1cと、それより薄い厚さの平板をプレス加工して冷媒（冷却水）の流路となる水路用凸部21が形成された上側部材2cと、２つの給排水部３と、で構成され、表面には耐食性を確保するための不図示の銀メッキが施されている。下側部材1cには、上側部材2cを嵌め込むための嵌込み用凹部12aと冷却水を流通させるための2つの給排水孔13とが形成されている。嵌込み用凹部12aの深さは上側部材2cの板厚と同じであり、この凹部12aに上側部材2cが嵌め合わされると、この凹部12aの上端と上側部材2cの外周線とが突合せ線となる。参考までに両部材の厚さの例を示すと、下側部材1c用平板の厚さは５mmで、上側部材２c用平板の厚さは1.5mmである。

なお、下側部材1cに形成される嵌込み用凹部12aの形状は、その加工工数の低減という観点から、できるだけ単純な形であることが望ましいので、ここに嵌め込まれる上側部材2cの外周形状は水路用凸部21の形状に比べてより単純な形とされる。この実施例では、水路用凸部21の形状がU字形であるのに対して、上側部材2cの外周形状はコーナー部を丸くした矩形としている。水路用凸部21の形状がより複雑になっても、上側部材2cの外周形状は同様に単純な形状とされる。このことによって、下側部材1cおよび上側部材2cの加工工数が従来技術に比べて大幅に削減される。

下側部材1cと上側部材2cは摩擦撹拌接合法で接合され、上側部材2cの水路用凸部21と下側部材1cとで冷却水路30が形成される。この接合が実行される部分は、上側部材2cの水路用凸部21の内側の外縁部と前述の突合せ線部であって、この接合部分の全長にわたって摩擦撹拌接合のツールを移動させることによって、下側部材1cと上側部材2cが接合され、冷却水路30が形成される。上側部材2cと下側部材1cは、水路用凸部21の内側の外縁部では重ね合わせ接合で接合され、突合せ線部では突合せ接合で接合される。摩擦撹拌接合は、例えば図3に丸付き数字で示した番号順にツールを移動させることで実行される。更に詳しく説明すると、接合の開始位置である1)でツールを差し込んでここから接合を開始し、水路用凸部21の内側の外縁部に沿って2)、3)とツールを移動させて接合を進め、突合せ線部に出て、突合せ線に沿って4)、5)、6)とツールを移動させて接合を進め、7)前後では突合せ線部を再び通過させた後、水路用凸部21の内側の外縁部にツールを移動させて接合を進め、開始位置1)を再度通過させてから終了位置8)までツールを移動させて接合を終了する。このように、摩擦撹拌接合の経路は一筆書きの経路とし、接合の継ぎ箇所がないようにしている。

開始位置1)を接合の途中で再度通過させているのは、以下の理由による。すなわち、ツールが差し込まれる開始位置1)およびツールが抜き上げられる終了位置8)には欠陥が発生しやすいのに対して、連続的に接合されている途中の位置には欠陥が発生しない、ということが実験的に確認されているからである。

また、欠陥が発生しやすい終了位置8)は、欠陥が発生しても問題とならない位置や後加工で除去される位置に設定される。この実施例においては、終了位置8)は水路用凸部21から離れた中央部に設定されていて、この箇所には後工程で固定用のねじ孔があけられるので、ツール穴が残ることはない。

摩擦撹拌接合の経路を一筆書きとして１回のツールの走査で全ての接合を完了させ、且つ開始位置には再度ツールを通過させるので、接合に要する時間が短く、冷却水路30の外周に欠陥を発生させる可能性は極めて低い。参考までにツールの移動速度の例を示すと、分速500mmである。

摩擦撹拌接合法による接合では、接合部の温度は接合対象部材の融点以下であり、加熱されるのはツールに接触している部分とその近傍に限られるので、接合対象部材全体が焼き鈍しされるほど加熱されることがなく、問題になるような熱変形や残留歪を生ずることもない。

また、上記実施例においては、上側部材2cと下側部材1cが上側部材2cの外周部の突合せ線部で突合せ接合されるので、上側部材2cと下側部材1cの間にメッキ液などが侵入して残留する間隙をつくることはなく、その結果として、腐食などの心配がなくなり、信頼性の高い優れた品質の水冷導体を得ることができる。

上記の実施例は材料として銅を用いた水冷導体であるが、上記で説明した構造および製造方法は、水冷導体に限定されるものではなく、水冷導体以外の冷却体においても同様に有効である。また、この発明で使用可能な材料は、銅に限定されるものではなく、銅合金やアルミ、アルミ合金などの冷却体に必要な物性を備え且つ摩擦撹拌接合の可能な材料である。

この発明による冷却体の実施例の構造を示し、（a）はその断面図、（b）はその平面図 実施例の部材を示し、（a）は下側部材1cの平面図、（b）は上側部材2cの平面図 実施例の製造時の溶接経路を示した説明図 従来例１の構造を示し、（a）はその外観を示す斜視図、（b）はその断面図、（ｃ）は下側部材１の平面図 従来例２の構造を示し、（a）はその断面図、（b）は下側部材1aの断面図 従来例３の構造を示す断面図 従来例４の構造を示す断面図

符号の説明

１、1a、1b、1c 下側部材
11、11a 水路用凹部 12 嵌込み用段差部
12a 嵌込み用凹部 13 給排水孔
２、2a、2b、2c 上側部材
21 水路用凸部
３ 給排水部
４ ろう材
30 冷却水路

Claims (3)

1. 熱伝導性に優れた金属平板からなる下側部材および上側部材が接合されて構成され、前記両部材によって冷媒を流通させる流路が形成されている冷却体であって、
   前記上側部材には流路となる凸状部がプレス加工で形成され、且つこの上側部材の前記凸状部の形状がＵ字形とされるとともに前記上側部材の外周形状がコーナー部を丸くした矩形とされ、
   前記下側部材には上側部材を嵌め込むための凹部が形成され、
   下側部材の前記凹部に嵌め込まれた上側部材の外周部および前記凸状部の外縁部で下側部材と上側部材が摩擦撹拌接合法で接合されて、下側部材と上側部材の凸状部とで前記流路を形成している、
   ことを特徴とする冷却体。
2. 請求項１に記載の冷却体の製造方法であって、
   前記の下側部材と上側部材を接合する摩擦撹拌接合のツールの経路を一筆書きの経路としている、
   ことを特徴とする冷却体の製造方法。
3. 前記の一筆書きの経路として、経路の途中で摩擦撹拌接合の始点位置を少なくとも一度は通過させる経路をとる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷却体の製造方法。

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