JP6491553B2 - 放熱器の製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に用いられる放熱器を製造する装置に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、図５〜図７の上下を上下というもとのとする。

また、この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

たとえば、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（半導体素子）を冷却する液冷式冷却装置として、頂壁、底壁および周壁からなるケーシングと、ケーシング内に配置された放熱器とからなり、ケーシングが、冷却液入口、冷却液出口および冷却液入口から流入した冷却液を冷却液出口に向かって流す冷却液流路を有し、放熱器が冷却液流路における冷却液の流れ方向にのびる波頂部および波底部と、波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状であり、放熱器の波頂部がケーシングの頂壁にろう付されるとともに同波底部がケーシングの底壁にろう付されている液冷式冷却装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、ケーシングの頂壁外面に発熱体が取り付けられ、発熱体から発せられた熱が、放熱器を介して冷却液流路を流れる冷却液に放熱されるようになっている。

ところで、特許文献１記載の液冷式冷却装置において、冷却液への放熱性能を向上させるには、放熱器の肉厚を大きくすることが有効であるが、放熱器の肉厚を大きくすると、板材から放熱器を製造することが困難であるために、放熱器の肉厚には制限があり、その結果放熱性能の高性能化にも限界がある。

そこで、板状の放熱ベースと、放熱ベースの片面に、放熱ベースに対して立ち上がり状となり、かつ互いに間隔をおいて並列状となるように一体に設けられた複数の放熱フィンとよりなるアルミニウム放熱器を用いることが考えられている。このような放熱器は、長尺のベース用平板部、および平板部の片面に平板部に対して立ち上がり状となるとともに平板部の長手方向にのび、かつ互いに間隔をおいて一体に設けられた複数のフィン用突出片とよりなるアルミニウム押出形材製ワークを、切断装置により所定長さに切断することによって製造する方法が、放熱器を効率良く製造する上で好ましい。

ところで、長尺のベース用平板部、および平板部の片面に平板部に対して立ち上がり状となるとともに平板部の長手方向にのび、かつ互いに間隔をおいて一体に設けられた複数のフィン用突出片とよりなるアルミニウム押出形材製ワークを切断する装置として、ワークを支持する下型、および下型に対して相対的に上下動する上型を備えており、下型が、１つの下剪断刃部と、下型の上面に一端が下剪断刃部に臨むように形成され、かつワークの突出片が嵌め入れられる複数の凹溝とを有し、上型が、下型の下剪断刃部とともにワークを切断する１つの上剪断刃部を有している装置が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２記載の装置によりワークを切断して放熱器を製造した場合、放熱器の端面に剪断面と破断面とが存在して荒れた状態になるおそれがあり、放熱ベースおよび放熱フィンの端部に変形やばりが発生するとともに、長手方向の寸法精度が低下する。したがって、仕上げ加工を施す必要が生じるので、工数が増加するという問題がある。

特開２０１２−２９６６３号公報 特開２００１−３１０２１３号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、端部に変形やばりが存在しない放熱器を少ない工数で製造しうる放熱器の製造装置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に以下の態様からなる。

1)板状の金属製放熱ベースと、放熱ベースの片面に、放熱ベースに対して立ち上がり状となり、かつ互いに間隔をおいて並列状となるように一体に設けられた複数の金属製放熱フィンとよりなる放熱器を、放熱器と同一の横断面形状を有する長尺のワークを使用し、ワークの長手方向に間隔をおいてスクラップを切除するとともに、ワークの残存部におけるスクラップ切除部に臨む端部に設けられたシェービング加工代にシェービング加工を施すことによって製造する装置であって、
下型、下型に対して相対的に上下動する上型、下型に対して相対的に上下動するワーク支え、および下型に対して相対的に上下動するワーク押さえを備えており、
下型が、ワークにおけるスクラップとなる第１部分の長さに、第１部分の両側の前記シェービング加工代を加えた間隔をおいて設けられた２つの下剪断刃部と、下型上面における両下切断刃部の両側部分に形成され、かつワークの放熱フィンとなる部分を嵌め入れる複数の凹溝とを有し、上型が、スクラップとなる第１部分の長さと等しい間隔をおいて設けられ、かつ下型の下切断刃部とともにワークを剪断する２つの上剪断刃部と、上型における各上剪断刃部の上側に設けられ、かつ前記シェービング加工代にシェービング加工を施す２つのシェービング刃部とを有していることを特徴とする放熱器の製造装置。

2)上型における上剪断刃部の上方でかつシェービング刃部の直下に連なった部分に、シェービング加工により発生するシェービングかすを収容する凹所が、凹所の開口から斜め上方に傾斜するように形成されている上記1)記載の放熱器の製造装置。

3)上型の前記凹所の奥部に円弧状部が設けられている上記2)記載の放熱器の製造装置。

4)前記ワークが、純度９９％以上のアルミニウムからなる上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の放熱器の製造装置。

5)前記ワークの放熱フィンとなる突出片の両側面が、同じく放熱ベースとなる平板部における突出片が設けられた面と直角をなしている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の放熱器の製造装置。

6) 前記ワークの前記突出片の平板部からの突出高さが３〜１２ｍｍ、前記突出片の肉厚が０．３〜１．２ｍｍ、前記突出片どうしのピッチが０．９〜２．２ｍｍである上記5)記載の放熱器の製造装置。

上記1)〜6)の製造装置によれば、下型、下型に対して相対的に上下動する上型、下型に対して相対的に上下動するワーク支え、および下型に対して相対的に上下動するワーク押さえを備えており、下型が、ワークにおけるスクラップとなる第１部分の長さに、第１部分の両側の前記シェービング加工代を加えた間隔をおいて設けられた２つの下剪断刃部と、下型上面における両下切断刃部の両側部分に形成され、かつワークの放熱フィンとなる部分を嵌め入れる複数の凹溝とを有し、上型が、スクラップとなる第１部分の長さと等しい間隔をおいて設けられ、かつ下型の下切断刃部とともにワークを剪断する２つの上剪断刃部と、上型における各上剪断刃部の上側に設けられ、かつ前記シェービング加工代にシェービング加工を施す２つのシェービング刃部とを有しているので、ワークをワーク支えにより支えるとともに、ワークの放熱フィンとなる部分を下型の凹溝内に嵌め入れ、さらにワーク押さえによりワークを押さえた状態で、上型を下型に対して相対的に下降に移動させることによって、下型の下剪断刃部および上型の上剪断刃部によりワークからスクラップを切除すると同時に、上型のシェービング刃部によりワークの残存部におけるスクラップ切除部に臨む端部にシェービング加工を施すことができる。したがって、このような操作を、ワークを長手方向に移動させながら繰り返し行うことにより、仕上げ加工を施すことなく、寸法精度が向上し、かつ放熱ベースおよび放熱フィンの端部に変形やバリが存在しない放熱器を製造することができる。その結果、特許文献２記載の装置を用いる場合に比べて工数を削減でき、製造コストの低減が可能になる。

上記2)の製造装置によれば、上型のシェービング刃部によるシェービング加工時に発生するシェービングかすを、凹所内に収容することができる。

上記3)の製造装置によれば、上型のシェービング刃部によるシェービング加工時に発生するシェービングかすを、円筒状に丸めた状態で凹所内に収容し、たとえば上型が下死点に達してシェービング加工が終了した時点で、何らかの手段により凹所が延びる方向からシェービングかすを押し出すことによって、シェービングかすを簡単に排出することができる。

上記4)の製造装置によれば、製造される放熱器の熱伝導率が高くなり、放熱性能が向上する。ところで、純度９９％以上のアルミニウムからなるワークは軟質であるために、特許文献２記載の装置を用いた場合には、特に端部に変形やバリが発生しやすくなるが、上記1)の製造装置によれば、少ない工数で放熱ベースおよび放熱フィンの端部に変形やバリが存在していない放熱器を製造することができる。

上記5)の製造装置によれば、製造される放熱器の隣り合う放熱フィン間の間隔を小さくすることが可能になって、単位面積あたりの放熱フィンの数が増加する。したがって、放熱性能が向上する。

上記6)の製造装置によれば、製造される放熱器の放熱性能の低下を抑制した上で小型化を図ることができる。

この発明の製造装置により製造された放熱器を有する液冷式冷却装置を示す分解斜視図である。 図１の液冷式冷却装置の垂直断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 この発明の製造装置を示すワークの長手方向と直交する側面から見た垂直断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 図５の製造装置の上型を拡大して示す垂直断面図である。 図５の製造装置を用いて放熱器を製造する方法を工程順に示す図５に相当する垂直断面図である。 図５の製造装置に用いられる上型の変形例を示す図７相当の図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１〜図４はこの発明の製造装置により製造された放熱器を有する液冷式冷却装置を示し、図５〜図７はこの発明の製造装置を示す。また、図８はこの発明の製造装置を用いて放熱器を製造する方法を工程順に示す。

なお、以下の液冷式冷却装置に関する説明において、冷却液の流れ方向下流側(図２および図３の右側）を前、これと反対側を後といい、前から後を見た際の左右(図４の左右)を左右というものとする。また、図２および図４の上下を上下というものとする。

図１〜図４において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(2a)、底壁(2b)および周壁(2c)を有するアルミニウム製ケーシング(2)と、ケーシング(2)に固定されたアルミニウム押出形材製放熱器(3)とを備えている。

ケーシング(2)は、底壁(2b)および周壁(2c)を構成する上方に開口した箱状のアルミニウム製下構成部材(4)と、頂壁(2a)を構成する板状のアルミニウム製上構成部材(5)とよりなり、上構成部材(5)の周縁寄りの一定幅部分が、下構成部材(4)の周壁(2c)を構成する部分の上端に一体に設けられた外向きフランジ(4a)の上面にろう付されている。ケーシング(2)内には、冷却液がケーシング(2)の長手方向の片側（後側）から他側（前側）に流れる冷却液流路(6)と、冷却液流路(6)よりも上流側（後側）に位置しかつ冷却液が流入する入口ヘッダ部(7)と、冷却液流路(6)よりも下流側（前側）に位置しかつ冷却液が流出する出口ヘッダ部(8)とが設けられている。ケーシング(2)の底壁(2b)の後側部分の左右方向中央部に、入口ヘッダ部(7)に通じる冷却液入口(9)が設けられ、ケーシング(2)の底壁(2b)の前側部分の左右方向中央部に、出口ヘッダ部(8)に通じる冷却液出口(11)が設けられている。ケーシング(2)の冷却液入口(9)に、入口ヘッダ部(7)内に冷却液を送り込むアルミニウム製入口パイプ(12)の端部が挿入されて底壁(2b)にろう付され、冷却液出口(11)に、出口ヘッダ部(8)内から冷却液を送り出すアルミニウム製出口パイプ(13)の端部が挿入されて底壁(2b)にろう付されている。

ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)のうちのいずれか一方の壁、ここでは頂壁(2a)に、放熱器(3)をケーシング(2)に固定するのに利用される方形の開口(14)が、冷却液流路(6)に臨むように形成されている。

放熱器(3)は、ケーシング(2)の開口(14)よりも大きい方形板状であり、かつ第１面(15a)(下面)が冷却液流路(6)に臨ませられるとともに第２面(15b)(上面)に発熱体(P)を取り付ける発熱体取付部(F)が設けられた放熱ベース(15)と、放熱ベース(15)の第１面(15a)に放熱ベース(15)に対して立ち上がり状、ここでは垂下状となり、かつ左右方向に間隔をおいて並列状となるように一体に設けられた前後方向にのびる複数の垂直板状放熱フィン(16)とよりなる。放熱器(3)はケーシング(2)内に配置されており、放熱ベース(15)の第２面(15b)の周縁寄りの一定幅部分が、ケーシング(2)の頂壁(2a)下面における開口(14)の周りの部分にろう付されており、放熱フィン(16)が冷却液流路(6)内に突出している。放熱フィン(16)の先端は、ケーシング(2)の底壁(2b)内面にろう付されている。なお、すべての放熱フィン(16)の先端が底壁(2b)内面にろう付されていてもよいし、一部の放熱フィン(16)の先端だけが底壁(2b)内面にろう付されていてもよい。

放熱器(3)は、純度９９％以上のアルミニウムで形成されていることが好ましい。また、放熱フィン(16)の左右両側面が、放熱ベース(15)の放熱フィン(16)が設けられた第１面(15a)と直角をなしていることが好ましい。さらに、放熱フィン(16)における放熱ベース(15)の第１面(15a)からの突出高さが３〜１２ｍｍ、放熱フィン(16)の肉厚が０．３〜１．２ｍｍ、隣り合う２つの放熱フィン(16)どうしの厚み方向中心間の間隔であるピッチが０．９〜２．２ｍｍであることが好ましい。いずれの場合も、放熱器(3)の放熱性能が向上し、放熱器(3)の小型軽量化を図ることが可能になる。

発熱体(P)は、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスや、ＩＧＢＴが制御回路と一体化されて同一パッケージに収納されたＩＧＢＴモジュールや、ＩＧＢＴモジュールにさらに保護回路が一体化されて同一パッケージに収納されたインテリジェントパワーモジュールなどからなり、図示しない電気絶縁部材を介して放熱器(3)の放熱ベース(15)の第２面(15b)に設けられた発熱体取付部(F)に取り付けられている。

上記構成の液冷式冷却装置(1)において、入口パイプ(12)から冷却液入口(9)を通って入口ヘッダ部(7)内に流入した冷却液は、冷却液流路(6)に配置された放熱器(3)の隣り合う放熱フィン(16)間、および前後両端の放熱フィン(16)と周壁(2c)との間を通って前方に流れる。冷却液流路(6)を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(8)内に入り、冷却液出口(11)を通って出口パイプ(13)に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、放熱器(3)の放熱ベース(15)および放熱フィン(16)を経て冷却液流路(6)内を流れる冷却液に放熱され、発熱体(P)が冷却される。

上述した実施形態においては、ケーシング(2)の頂壁(2a)に開口(14)が形成されているが、これとは逆に、ケーシング(2)の底壁(2b)に開口(14)が形成され、
ていてもよい。この場合、放熱器(3)は、上述した実施形態とは上下逆向きとなるようにケーシング(2)内に配置され、放熱ベース(15)の第２面(15b)の周縁寄りの一定幅部分が、ケーシング(2)の底壁(2b)上面における開口(14)の周りの部分にろう付され、放熱フィン(16)が冷却液流路(6)内に突出し、少なくとも一部の放熱フィン(16)の先端がケーシング(2)の頂壁(2a)内面にろう付される。

放熱器(3)は、図５〜図７に示すような製造装置(20)を使用し、放熱器(3)と同一の横断面形状を有する長尺のワーク(40)からワーク(40)の長手方向に間隔をおいてスクラップを切除するとともに、ワーク(40)の残存部におけるスクラップ切除部に臨む端部にシェービング加工を施すことによって製造される。ワーク(40)はアルミニウム押出形材製であって、長尺のベース用平板部(41)、および平板部(41)の片面に平板部(41)に対して立ち上がり状となるとともに平板部(41)の長手方向にのび、かつ互いに間隔をおいて一体に設けられた複数のフィン用突出片(42)とよりなる。ワーク(40)におけるスクラップとなる第１部分を(40A)で示し、同じくスクラップ切除部の両側に残存する第２部分を(40B)で示す。第２部分(40B)は、放熱器(3)となる部分と、放熱器(3)となる部分の前後両側に設けられかつ上述したシェービング加工が施されるシェービング加工代とからなり、第２部分(40B)の前後方向の長さは、放熱器(3)の前後方向の長さに２つのシェービング加工代を加えた長さとなっている。

以下の製造装置(20)に関する説明において、ワーク(40)の送り方向前方（図５の右側）を前、これと反対側を後といい、前から後を見た際の左右(図６の左右)を左右というものとする。

製造装置(20)は、下型(21)、下型(21)に対して相対的に上下動する上型(22)、下型(21)に対して相対的に上下動するワーク支え(23)、および下型(21)に対して相対的に上下動するワーク押さえ(24)を備えている。ここでは、下型(21)が固定され、上型(22)、ワーク支え(23)およびワーク押さえ(24)が上下動するようになっている。

下型(21)は、前後方向の長さがワーク(40)の第１部分(40A)の長さに、第１部分(40A)の両側の第２部分(40B)のシェービング加工代を加えた長さとなっており、かつ下降した上型(22)が入り込むとともに第１部分(40A)を切断することにより生じるスクラップが下方に排出される型孔(25)と、下型(21)における型孔(25)の前後両側縁部にそれぞれ設けられた下剪断刃部(26)と、型孔(25)の前後両側において下型(21)上面に形成され、かつワーク(40)の突出片(42)を嵌め入れる複数の凹溝(27)とを有している。下剪断刃部(26)は下型(21)における型孔(25)の前後両側縁部に設けられているので、下型(21)は、前後方向に、第１部分(40A)の前後方向の長さに、第１部分(40A)の両側の第２部分(40B)のシェービング加工代を加えた間隔をおいて設けられた２つの下剪断刃部(25)を有することになる。

上型(22)は、図７に詳細に示すように、下端の前後両側縁部にそれぞれ設けられ、かつ下型(21)の下剪断刃部(26)とともにワーク(40)を剪断してワーク(40)から第１部分(40A)を切り出す２つの上剪断刃部(28)と、上型(22)の前後両側面における各上剪断刃部(28)の上側部分に設けられ、かつ第２部分(40B)の端部のシェービング加工代にシェービング加工を施す２つのシェービング刃部(29)とを有している。上剪断刃部(28)は、前後方向に、ワーク(40)の第１部分(40A)の前後方向の長さと等しい間隔をおいて設けられている。上型(22)の両上剪断刃部(28)の上方でかつ両シェービング刃部(29)の直下の高さ位置に、上型(22)の前後両側面に開口するとともに上型(22)の前後方向の中央部に向かって上方に傾斜した凹所(31)が形成されている。凹所(31)の上下両面は、それぞれ上型(22)の前後方向の中央部に向かって上方に傾斜しており、凹所(31)の奥側部分は円弧状となっている。凹所(31)はシェービング刃部(29)の直下に形成されており、シェービング刃部(29)は鋭角となっている。凹所(31)の左右両端は上型(22)の左右両側面に開口している。

次に、図８を参照して製造装置(20)を用いた放熱器(3)の製造方法について説明する。

まず、図５および図６に示すように、上型(22)およびワーク押さえ(24)を上方に移動させるとともに、ワーク支え(23)の上面を下型(21)の上面とが同一高さ位置に来るようにしておき、ワーク(40)を後方から製造装置(20)に送り込み、ワーク支え(23)上に載せる。

ついで、上型(22)、ワーク支え(23)およびワーク押さえ(24)を下降させてワーク(40)の突出片(42)を下型(21)の凹溝(27)内に嵌め入れるとともに、平板部(41)を下型(21)上面とワーク支え(23)とにより支持する(図８(a)参照)。

ついで、上型(22)をさらに下降させ、ワーク(40)を、第１部分(40A)と当該第１部分(40A)の両側の第２部分(40B)との間で剪断し、第１部分(40A)からなるスクラップ(43)を切除し、ワーク(40)における下型(21)の型孔(25)よりも前方に、放熱器(3)となる部分の後端部にシェービング加工代を有する半製品(44)を形成する(図８(b)参照)。

ついで、上型(22)をさらに下死点まで下降させ、シェービング刃部(29)により半製品(44)のシェービング加工代にシェービング加工を施し、半製品(44)を放熱器(3)とする。これと同時に、ワーク(40)におけるスクラップ切除部の後側に残存している第２部分(40B)の前端部のシェービング加工代にシェービング加工を施す。シェービング加工時に発生したシェービングかす(45)は、上型(22)の凹所(31)内に円筒状に丸めた状態で収容される(図８(c)参照)
ついで、図示しない適当な装置によって、左右いずれか一方からシェービングかす(45)を凹所(31)内から押し出す(図８(d)参照)。

その後、上型(22)、ワーク支え(23)およびワーク押さえ(24)を上昇させて、放熱器(3)を取り出す(図８(e)参照)。このような操作を繰り返すことにより、放熱器(3)が連続的に製造される。

図９は上述した製造装置(20)に用いられる上型の変形例を示す。

図９に示す上型(50)の場合、シェービング刃部(51)の直下に設けられかつシェービングかすを収容する凹所(52)の上面は水平であり、シェービング刃部(51)は直角になっている。また、凹所(52)の下面は上型(50)の前後方向の中心から外側に向かって下方に傾斜している。

この発明による放熱器の製造装置は、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などのパワーデバイスを冷却する液冷式冷却装置の放熱器を製造するのに好適に用いられる。

(3)：放熱器
(15)：放熱ベース
(16)：放熱フィン
(20)：放熱器の製造装置
(21)：下型
(22)(50)：上型
(23)：ワーク支え
(24)：ワーク押さえ
(25)：型孔
(26)：下剪断刃部
(27)：凹溝
(28)：上剪断刃部
(29)(51)：シェービング刃部
(31)(52)：凹所
(40)：ワーク
(40A)：第１部分
(40B)：第２部分
(41)：平板部
(42)：突出片
(43)：スクラップ
(44)：半製品
(45)：シェービングかす

Claims (6)

1. 板状の金属製放熱ベースと、放熱ベースの片面に、放熱ベースに対して立ち上がり状となり、かつ互いに間隔をおいて並列状となるように一体に設けられた複数の金属製放熱フィンとよりなる放熱器を、放熱器と同一の横断面形状を有する長尺のワークを使用し、ワークの長手方向に間隔をおいてスクラップを切除するとともに、ワークの残存部におけるスクラップ切除部に臨む端部に設けられたシェービング加工代にシェービング加工を施すことによって製造する装置であって、
   下型、下型に対して相対的に上下動する上型、下型に対して相対的に上下動するワーク支え、および下型に対して相対的に上下動するワーク押さえを備えており、
   下型が、ワークにおけるスクラップとなる第１部分の長さに、第１部分の両側の前記シェービング加工代を加えた間隔をおいて設けられた２つの下剪断刃部と、下型上面における両下切断刃部の両側部分に形成され、かつワークの放熱フィンとなる部分を嵌め入れる複数の凹溝とを有し、上型が、スクラップとなる第１部分の長さと等しい間隔をおいて設けられ、かつ下型の下切断刃部とともにワークを剪断する２つの上剪断刃部と、上型における各上剪断刃部の上側に設けられ、かつ前記シェービング加工代にシェービング加工を施す２つのシェービング刃部とを有していることを特徴とする放熱器の製造装置。
2. 上型における上剪断刃部の上方でかつシェービング刃部の直下に連なった部分に、シェービング加工により発生するシェービングかすを収容する凹所が、凹所の開口から斜め上方に傾斜するように形成されている請求項１記載の放熱器の製造装置。
3. 上型の前記凹所の奥部に円弧状部が設けられている請求項２記載の放熱器の製造装置。
4. 前記ワークが、純度９９％以上のアルミニウムからなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の放熱器の製造装置。
5. 前記ワークの放熱フィンとなる突出片の両側面が、同じく放熱ベースとなる平板部における突出片が設けられた面と直角をなしている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の放熱器の製造装置。
6. 前記ワークの前記突出片の平板部からの突出高さが３〜１２ｍｍ、前記突出片の肉厚が０．３〜１．２ｍｍ、前記突出片どうしのピッチが０．９〜２．２ｍｍである請求項５記載の放熱器の製造装置。
   

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