JP6013024B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、基体の内部領域に熱媒体を流通させることで基体に接合された発熱体を冷却する冷却器に関する。

電子部品などの発熱体を冷却する冷却器として、基体の内部に流路を形成した冷却器が知られている。この種の冷却器では、発熱体に対する冷却効率を向上することが望まれており、特許文献１では、流路内に形成されるフィン間ピッチを狭くして、フィンの表面積を増加させている。

特許文献１の冷却器は、第１基板に複数の第１凸部が形成された第１凸基板と、第２基板に複数の第２凸部が形成された第２凸基板と、を対向するように接合することで構成されている。そして、冷却器をこのように構成することで、第１凸部の先端面は、第２凸基板に当接するとともに、第２凸部の先端面は第１凸基板に当接する。

特開２００８−２９４１９６号公報

ところで、特許文献１の冷却器は、フィン間ピッチを狭くできても、その製造が容易ではなかった。フィン間ピッチを狭ピッチ化しているために第１凸部と第２凸部とが複数存在する。この場合、第１凸部と第２凸部とが対向するように第１凸基板と第２凸基板を配置すると、第１凸部に対する第２凸部の位置合わせが困難であった。この場合、仮に第１凸基板の先端面及び第２凸基板の先端面が所定の場所ではないところに配置された場合、第１凸基板及び第２凸基板を再度配置する必要がある。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、狭ピッチ化された柱状のフィンの位置合わせを容易にすることができる冷却器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、発熱体が接合される基体の内部領域に熱媒体を流通させることで、前記基体に接合された発熱体を冷却する冷却器であって、前記内部領域には、基板の両面から延設されている複数の円柱状のフィンが形成されたフィンユニットが配設されるとともに、前記フィンの端面が前記基体の内面と接合され、前記フィンは、軸方向と直交する断面における直径が１ｍｍ〜３ｍｍであり、隣り合うフィン同士の最短離間距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍであり、前記フィンは、熱媒体の流通の上流側から下流側に複数列をなして配置されていて、最も上流側の列を第１列とした場合、奇数列を構成するフィンと偶数列を構成するフィンとは、列の延びる方向においてずれて配置されていることを要旨とする。

これによれば、フィンは、基板の両面に形成され、基板の両面に形成されたフィンを一つのフィンユニットとして取り扱うことができる。このため、フィンユニットの位置決めを行えば、フィンを個別に位置決めする必要はなく、狭ピッチ化された柱状のフィンの位置合わせを容易にすることができる。なお、「狭ピッチ」とは、隣り合うフィン同士の最短離間距離がフィンの直径の１／６倍から２倍の長さとなるフィン間ピッチをいう。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却器であって、前記フィンは前記基板の両面に一体成形されることを要旨とする。
これによれば、基板の両面とフィンとが、一体成形される。したがって、基板の両面にフィンを容易に形成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷却器であって、前記フィンユニットは一体成形されることを要旨とする。
これによれば、基板の一面にフィンが形成された一対の部材におけるフィンが形成されていない面を接合してフィンユニットを形成する場合に比べて、基板の板厚が薄く形成される。したがって、基板の板厚が薄くなった分だけフィンを厚く形成できるため、フィンユニットと熱媒体の接触面積が増加され、発熱体に対する冷却効率が向上される。

請求項４に記載の発明は、発熱体が接合される基体の内部領域に熱媒体を流通させることで、前記基体に接合された発熱体を冷却する冷却器であって、前記内部領域には、基板の両面に複数の柱状のフィンが狭ピッチで形成されたフィンユニットが配設されるとともに、前記フィンの端面が前記基体の内面と接合され、基部の一面にフィンが一体成形された第１フィンユニット形成部材のフィンが形成されていない面と、基部の一面にフィンが一体成形された第２フィンユニット形成部材のフィンが接合されていない面と、が接合されていることにより前記フィンユニットが形成されていることを要旨とする。

これによれば、第１フィンユニット形成部材及び第２フィンユニット形成部材の組み合わせを変更することで、第１面に対する冷却効率と、第２面に対する冷却効率を容易に変更することができる。例えば、第１面に接合される発熱体の発熱量が、第２面に接合される発熱体の発熱量よりも多い場合には、第１フィンユニット形成部材の基部に形成されるフィンの量を、第２フィンユニット形成部材の基部に形成されるフィンの量よりも多くすればよい。

本発明によれば、狭ピッチ化された柱状のフィンの位置合わせを容易にすることができる。

第１の実施形態における冷却器を示す分解斜視図。 第１の実施形態における冷却器を示す断面図。 第１の実施形態におけるフィンユニットを示す斜視図。 第２の実施形態における冷却器を示す断面図。 第２の実施形態におけるフィンユニットを示す分解斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、冷却器１０は、第１基体形成部材２１と第２基体形成部材２２から構成される基体２０の内部にフィンユニット３１を収容することにより形成されている。第１基体形成部材２１は、平面視矩形状をなす底部２０ｂの４辺から立設された側壁２０ｃから形成されている。第１基体形成部材２１の底部２０ｂと対向する側は開口している。第２基体形成部材２２は、平面視矩形状をなす平板状の部材であり、その大きさは、第１基体形成部材２１の開口部を塞げるような大きさに形成されている。そして、第１基体形成部材２１の開口部を塞ぐように第２基体形成部材２２を接合することで、基体２０は形成されている。

図２に示すように、基体２０の内部には、熱媒体が流通する内部領域Ｓが形成されている。第１基体形成部材２１において底部２０ｂの短辺側から立設された両側壁２０ｃには、内部領域Ｓに熱媒体を供給する供給パイプ２３及び内部領域Ｓから熱媒体を排出する排出パイプ２４が嵌装される開口部２０ａが形成されている。そして、開口部２０ａに供給パイプ２３及び排出パイプ２４が接合されている。第１基体形成部材２１において内部領域Ｓと反対側の面は、発熱体としてのパワーモジュールＰが接合される第１面２５とされている。また、第２基体形成部材２２において内部領域Ｓと反対側の面はパワーモジュールＰが接合される第２面２６とされている。第１面２５において第１基体形成部材２１の短手方向における略中央には、内部領域Ｓに向けて突出する凸部２５ａが形成されている。凸部２５ａは、供給パイプ２３側から排出パイプ２４側に向けて、第１基体形成部材２１の長手方向に沿って一定間隔おきに形成されている。また、第１面２５において凸部２５ａの形成されている場所には、窪みが形成されている。なお、凸部２５ａは、内部領域Ｓに向けての突出量が、内部領域Ｓを流通する熱媒体の流通を阻害しないように形成される。

内部領域Ｓには、フィンユニット３１が配設されている。各フィンユニット３１は、凸部２５ａの間に位置するように、すなわち、隣接するフィンユニット３１同士で凸部２５ａを挟むように配設されている。したがって、凸部２５ａは、フィンユニット３１の位置決め部として機能している。

次に、フィンユニット３１について詳細に説明する。
図３に示すように、フィンユニット３１は、平板状の基板３２の両面に円柱状のフィン３３を形成することにより構成されている。基板３２の両面には、同一形状のフィン３３が同一数形成されている。なお、フィン３３の直径は、２．１ｍｍに設定されている。フィン３３の直径は、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で設定可能となっている。

また、フィン３３は互い違いに配置されている。フィン３３を互い違いに配置することにより、同一形状のフィン３３を同一領域に一定間隔おきに配置する場合と比べて、同一領域内に多くのフィン３３を配置することができる。すなわち、熱媒体とフィン３３との接触面積が増加されている。

隣り合うフィン３３同士のフィン間ピッチは、狭ピッチ化されている。「狭ピッチ」とは、隣り合うフィン３３同士の最短離間距離がフィン３３の直径の１／６倍から２倍の長さとなるフィン間ピッチをいう。本実施形態において、互い違いに隣り合うフィン３３同士の最短離間距離は、０．９ｍｍに設定されている。また、隣り合うフィン３３同士の最短離間距離は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの間で設定可能となっている。

図２に示すように、フィンユニット３１の基板３２の両面は、フィンユニット３１を内部領域Ｓに配設した状態で、第１面２５及び第２面２６と対向するようになっている。したがって、フィン３３は基板３２の両面から第１面２５及び第２面２６に向けて延設されていると捉えることもできる。また、フィンユニット３１は、基体２０に接合されるパワーモジュールＰに対応して配設されている。すなわち、内部領域Ｓを熱媒体が流通したときに、パワーモジュールＰとの熱交換が適切になされるように、基体２０の壁部（第１基体形成部材２１及び第２基体形成部材２２）を挟んでパワーモジュールＰとフィンユニット３１が対向するように配設されている。

また、フィン３３において基板３２側の端部を基端とし基板３２と逆側の端部を先端とすると、先端面は基体２０の内面に接合されている。詳細にいえば、フィンユニット３１において第１基体形成部材２１側に形成されたフィン３３の先端面は、その全面が第１基体形成部材２１の内面に接合されている。同様に、フィンユニット３１において第２基体形成部材２２側に形成されたフィン３３の先端面は、その全面が第２基体形成部材２２の内面に接合されている。また、各フィン３３は、熱媒体の流通方向と直交する方向への断面積が基端から先端まで略同一となるように形成されている。そして、各フィン３３の間の流路面積は略同一となっている。

フィンユニット３１は、基板３２とフィン３３を一体成形することで構成されている。具体的にいえば、フィンユニット３１はフィンユニット３１の形状に合わせて形成された鍛造用金型により、アルミニウム板や銅板を熱間鍛造することによって形成されている。したがって、本実施形態の基板３２の板厚ｔ１は、基板の一面にフィンを形成した一対のフィンユニット形成部材においてフィンが形成されていない面を接合して形成されたフィンユニットと比べて、薄くなっている。したがって、板厚ｔ１が薄くなった分だけ、フィン３３の延設方向への長さが増加されている。すなわち、内部領域Ｓを流通する熱媒体と、フィン３３の接触面積が増加されている。

本実施形態の冷却器１０は、第１基体形成部材２１及び第２基体形成部材２２において、内部領域Ｓ側の面にロウ材を塗布し、フィンユニット３１におけるフィン３３の先端面が第１基体形成部材２１及び第２基体形成部材２２に塗布されたロウ材と接した状態で一括ロウ付けされて形成されている。ロウ付け時においては、基体２０が加圧されてロウ付けがされる。このため、ロウ材が溶融しても、フィン３３の先端面が基体２０の内面と離間せず、基体２０の内面とフィン３３の先端面が密着した状態で接合が行われる。

次に、本実施形態における冷却器１０の作用について説明する。
本実施形態における冷却器１０は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車などに搭載される電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイス（発熱体）を冷却するのに好適に用いられる。

パワーモジュールＰが駆動されることにより発熱すると、パワーモジュールＰは、内部領域Ｓを流通する熱媒体と熱交換されることによって冷却される。この際、基体２０の第１面２５及び第２面２６の両側にパワーモジュールＰが接合されているため、冷却器１０は、第１面２５及び第２面２６の両側から加熱される。

本実施形態のフィンユニット３１は、基板３２の両面に、フィン３３を形成しているため、第１面２５に接合されたパワーモジュールＰは、第１面２５側のフィン３３によって適切に熱交換され、第２面２６に接合されたパワーモジュールＰは、第２面２６側のフィン３３によって適切に熱交換される。

特に、フィン３３の形状として、柱状のフィン３３を複数形成することにより、基板３２の両面にストレートフィンを形成する場合と比べて、表面積が増加されている。このため、熱媒体とフィンユニット３１との熱交換が促進されている。

したがって、上記実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）第１面２５及び第２面２６と対向するように配置される基板３２の両面に、円柱状のフィン３３を形成している。したがって、フィンユニット３１を内部領域Ｓに位置決めすることで、全てのフィン３３の位置決めが行われる。したがって、フィンユニット３１の位置決めを行えば、フィン３３を個別に位置決めする必要はなく、狭ピッチ化された柱状のフィン３３の位置合わせを容易にすることができる。

（２）第１面２５及び第２面２６と対向するように配置される基板３２の両面に、第１面２５及び第２面２６に向けて延設される円柱状のフィン３３を形成している。このため、第１面２５に接合されるパワーモジュールＰは、第１面２５側に形成されたフィン３３によって適切に熱交換され、第２面２６に接合されるパワーモジュールＰは、第２面２６側に形成されたフィン３３によって適切に熱交換される。したがって、基体２０の第１面２５及び第２面２６に接合されたパワーモジュールＰを効率よく冷却することができる。

（３）フィン３３の形状として、柱状のフィン３３を基板３２に形成している。このため、基板３２の両面にストレートフィンを形成する場合と比べて、表面積が増加されている。したがって、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上されている。

（４）また、柱状のフィン３３を基板３２に形成することで、フィン３３の先端面と基体２０を面接触させることができる。したがって、基体２０とフィンユニット３１との接触面積が増加される。このため、パワーモジュールＰが発した熱は、フィンユニット３１に伝導しやすく、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上されている。

（５）また、柱状のフィン３３を基板３２に形成することで、内部領域Ｓを流通する熱媒体の乱流が発生しやすく、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上される。
（６）また、基体２０とフィン３３の先端面が面接触することにより、基体２０はフィンユニット３１によって支持され、基体２０の厚み方向への強度が向上される。

（７）基板３２の両面には、フィン３３が一体成形されている。このため、基板３２にフィン３３を形成しやすい。また、基板３２とフィン３３の接合不良がなくなり、冷却器１０の長寿命化が図られる。

（８）フィンユニット３１は、一体成形されている。このため、板厚ｔ１は、基板３２と同一の板厚ｔ１を有する基板の一面にフィン３３を形成した一対のフィンユニット形成部材においてフィンが形成されていない面を接合して形成されたフィンユニットと比べて、薄くなっている。したがって、フィン３３の延設方向への長さを長くすることができ、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上される。また、板厚が薄くなるため、冷却器１０全体を薄くすることができる。

（９）フィン３３は、互い違いに形成されている。このため、同一形状のフィン３３を同一領域に整列配置する場合と比べて、同一領域内に多くのフィン３３を配置することができる。したがって、熱媒体とフィン３３との接触面積が増加し、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上される。

（１０）同一領域に、ストレートフィンを形成する場合に比べて、各フィン３３の延設方向への長さは短い。このため、ロウ付け時に冷却器１０を加熱・冷却した際のフィン３３の膨張・収縮は、ストレートフィンに比べて少ない。したがって、ロウ付け時におけるフィン３３の変形量が少なく、フィン３３の変形に伴い第１面２５及び第２面２６の変形が抑止される。このため、第１面２５及び第２面２６に凹凸が形成されることが抑止され、基体２０とパワーモジュールＰの接合信頼性が向上される。

（１１）基板３２に形成されるフィン３３の先端面の全面が基体２０の内面に接合されている。このため、冷却器１０のロウ付け時に、基体２０を押圧するときに、フィン３３にかかる押圧力が分散される。このため、フィン３３が破損しにくい。

（１２）フィン３３を互い違いに形成することにより、内部領域Ｓを流通する熱媒体の乱流が発生しやすく、パワーモジュールＰに対する冷却効率が向上されている。
（１３）フィンユニット３１は、鍛造によって形成されている。したがって、基板３２の両面にフィン３３を容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態について図４及び図５にしたがって説明する。以下に説明する実施形態において、すでに説明した実施形態と同一構成については同一符号を付すなどしてその重複する説明を省略又は簡略する。

図４に示すように、本実施形態の冷却器４０は、第１の実施形態と同様に、基体２０の内部領域Ｓに、フィンユニット５１を配設することにより構成されている。
図５に示すように、フィンユニット５１は、基部５２の一面にフィン３３が形成された第１フィンユニット形成部材５３のフィン３３が形成されていない面と、第１フィンユニット形成部材５３と同一構成の第２フィンユニット形成部材５４のフィン３３が形成されていない面を接合することで形成されている。そして、本実施形態では、第１フィンユニット形成部材５３の基部５２と、第２フィンユニット形成部材５４の基部５２によって基板５５が形成されている。フィン３３は、基部５２の一面に一体成形されている。そして、基板５５の両面は、基部５２においてフィン３３が形成された面となることから、フィン３３は基板５５の両面に一体成形されている。

図４に示すように、本実施形態の基板５５の板厚ｔ２は、基部５２の厚みを第１の実施形態における基板３２の厚みと同一とすると、ｔ１の２倍となっている。すなわち、基体２０の内部領域Ｓが第１実施形態の基体２０の内部領域Ｓと同一寸法とすると、各フィン３３の延設方向への長さは、ｔ１／２短くなっている。

したがって、上記実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（６），（９）〜（１３）と同様の効果を得ることができる。
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。

○ 各実施形態において、フィン３３の形状は三角柱状のフィン３３や、四角柱状のフィン３３など、多角柱状のフィン３３としてもよい。
○ 各実施形態において、フィン３３の数を増やしてもよいし、減らしてもよい。

○ 各実施形態において、第１面２５側に形成されるフィン３３の数と、第２面２６側に形成されるフィン３３の数を異なる数にしてもよい。
○ 各実施形態において、発熱体として、コンデンサ、トランジスタなどを採用してもよい。

○ 各実施形態において、基板３２とフィン３３は一体成形されていなくてもよい。例えば、基板３２の両面にフィン３３をロウ付けすることで、基板３２の両面にフィン３３を形成してもよい。同様に、基部５２とフィン３３は一体成形されていなくてもよい。例えば、基部５２の一面にフィン３３をロウ付けしてもよい。

○ 各実施形態において、単数のフィンユニット３１を内部領域Ｓに配設してもよい。
○ 各実施形態において、基板３２，５５に形成されるフィン３３は、一定間隔おきに配置されていてもよい。

○ 第１の実施形態において、冷間鍛造、溶湯鍛造によって基板３２とフィン３３を一体成形してもよい。
○ 各実施形態において、第１面２５又は第２面２６のいずれかにパワーモジュールＰを接合してもよい。

○ 第２の実施形態において、第１フィンユニット形成部材５３と第２フィンユニット形成部材５４を異なる構成としてもよい。第１フィンユニット形成部材５３と第２フィンユニット形成部材５４の組み合わせを変更することで、第１面２５に対する冷却効率と、第２面２６に対する冷却効率を容易に変更することができる。例えば、第１面２５に接合されるパワーモジュールＰの発熱量が、第２面２６に接合されるパワーモジュールＰの発熱量よりも多い場合には、第１フィンユニット形成部材５３の基部５２に形成されるフィン３３の量を、第２フィンユニット形成部材５４の基部５２に形成されるフィン３３の量よりも多くすればよい。

○ 各実施形態において、フィン３３は、熱媒体の流通方向と直交する方向への断面積が基端から先端まで同一となるように形成されていてもよい。
○ 各実施形態において、位置決め部として機能する凸部２５ａは、第２面２６に形成されていてもよい。また、第１面２５及び第２面２６の両面に形成されていてもよい。

○ 各実施形態において、隣り合うフィン３３同士の最短離間距離は、フィン３３の直径の１／６倍から２倍の範囲内であれば、長くしてもよいし短くしてもよい。
○ 各実施形態において、全てのフィン３３のうち、一部のフィン３３同士のフィン間ピッチが狭ピッチとなっていなくてもよい。

１０，４０…冷却器、２０…基体、２５…第１面、２６…第２面、３１，５１…フィンユニット、３２，５５…基板、３３…フィン、５２…基部、５３…第１フィンユニット形成部材、５４…第２フィンユニット形成部材。

Claims (4)

1. 発熱体が接合される基体の内部領域に熱媒体を流通させることで、前記基体に接合された発熱体を冷却する冷却器であって、
   前記内部領域には、基板の両面から延設されている複数の円柱状のフィンが形成されたフィンユニットが配設されるとともに、前記フィンの端面が前記基体の内面と接合され、 前記フィンは、軸方向と直交する断面における直径が１ｍｍ〜３ｍｍであり、隣り合うフィン同士の最短離間距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍであり、
   前記フィンは、熱媒体の流通の上流側から下流側に複数列をなして配置されていて、最も上流側の列を第１列とした場合、奇数列を構成するフィンと偶数列を構成するフィンとは、列の延びる方向においてずれて配置されていることを特徴とする冷却器。
2. 前記フィンは前記基板の両面に一体成形されることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記フィンユニットは一体成形されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却器。
4. 発熱体が接合される基体の内部領域に熱媒体を流通させることで、前記基体に接合された発熱体を冷却する冷却器であって、
   前記内部領域には、基板の両面に複数の柱状のフィンが狭ピッチで形成されたフィンユニットが配設されるとともに、前記フィンの端面が前記基体の内面と接合され、
   基部の一面にフィンが一体成形された第１フィンユニット形成部材のフィンが形成されていない面と、基部の一面にフィンが一体成形された第２フィンユニット形成部材のフィンが接合されていない面と、が接合されていることにより前記フィンユニットが形成されていることを特徴とする冷却器。