JP6750809B1

JP6750809B1 - 冷却器

Info

Publication number: JP6750809B1
Application number: JP2019080716A
Authority: JP
Inventors: 謙行深草; 野口　雅弘; 雅弘野口; 尚史大村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: JP2020178088A; US20200335424A1; CN111836512A; CN111836512B; US11652024B2

Abstract

【課題】機械的強度の向上と冷却性能の確保の両立が可能な冷却器を得る。【解決手段】上面に半導体素子１１が搭載されたベース４、ベース４の裏面側に重ねられベース４との間に冷媒流路６が形成された筐体３、ベース４と筐体３との重畳領域の外周部に配置され、ベース４と筐体３とを締結固定するネジ１２、冷媒流路６の外周部を封止するＯリング１４、冷媒流路６の外周部より内側の、ベース４と接する筐体３の接合面部７に配設され、ベース４および筐体３に対して非貫通の状態に食い込んだ接合部材２を備え、接合界面を外部に露出させない接合部材２によって筐体３とベース４との接合強度を補う。【選択図】図５

Description

本願は、冷却器に関するものである。

車両において動力源として電動機が用いられている。電動機が交流電流によって駆動される場合、バッテリーなどの直流電流を交流電流に変換するため、インバータ、コンバータ等を含む電力変換装置が車両に搭載されている。電力変換装置は、半導体素子を電力変換回路に含む構成であり、電力変換にともなって半導体素子が発熱するため、半導体素子を冷却するための冷却器が必要である。
例えば、冷却器として、半導体素子を冷却フィン付きヒートシンクの上面に搭載し、ヒートシンクのフィンが突出する裏面側にケースを接合させることで冷却用水路を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上面にパワーモジュールを搭載するプレート部材の薄肉化と、プレート部材の変形抑制のために、プレート部材の裏面と接触する筐体側にガイドリブを設け、そのガイドリブ上にパワーモジュールのボルト締結部を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、放熱基板とヒートシンクの間の水密部を構成する部分に、二重のＯリングを設け、外側と内側のＯリング間に漏水を逃がす液排出孔を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開2007-36214号公報特開2012-105370号公報特開2001-308246号公報

振動・衝撃等の外力が作用する車載環境に対応した冷却器の機械的強度を確保するためには、ベースと筐体との固定部を、ベースと筐体との重畳領域の外周部だけでなく、中央部にも配設する必要がある。しかし、ベースと筐体との重畳領域の中央部に通常のネジ締結による締結部材を配設するためには、締結用ネジと封止のための二重のOリング等の封止部材とを配設する封止に要するスペースが必要となり、その分だけ冷媒流路を縮小しなくてはならず、機械的強度の向上と冷却性能の確保を両立させることが困難な場合があった。

本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、機械的強度を向上させるとともに冷却性能を確保することが可能な冷却器を得ることを目的とする。

本願に係わる冷却器は、上面に半導体素子が搭載されたベース、上記ベースの裏面側に重ねられ、上記ベースとの間に冷媒流路が形成された筐体、上記ベースと上記筐体との重畳領域の外周部に配置され、上記ベースと上記筐体とを締結固定する締結部材、上記冷媒流路の外周部を封止する封止部材、上記冷媒流路の上記外周部より内側の、上記ベースと接する上記筐体の接合面部に配設され、上記ベースおよび上記筐体に対して非貫通の状態に食い込んだ接合部材を備えたものである。

本願の冷却器によれば、冷媒流路の外周部より内側に接合部材を配設し、ベースと筐体に対して非貫通となる状態に食い込ませることでベースと筐体とを接合できるため、機械的強度を向上させることができ、接合部材の表面に冷媒が接しても漏水することはなく、接合部材の封止に要するスペースは不要であり、冷却性能の確保が可能である。

実施の形態１による冷却器を備えた電力変換装置の斜視図である。冷却器の分解斜視図である。筐体の平面図である。接合部材の拡大斜視図である。接合部材によりベースと筐体とを接合した状態を示す断面図である。

実施の形態１．
本願の実施の形態１による冷却器１について、図１から図５を用いて説明する。この冷却器１は、車載用の電力変換装置１００に適した構成であり、振動等のダメージに耐えうる機械的強度と高出力が可能な冷却性能とを備えている。もっとも、この電力変換装置１００は、車載用以外の用途に用いることも可能であることは言うまでもない。
図１は実施の形態１による冷却器１を備えた電力変換装置１００の斜視図であり、図２は図１の冷却器１の分解斜視図であり、図３はベース４を重ね合わせる前の段階の筐体３の平面図であり、図４は接合部材２の拡大斜視図であり、図５は接合部材２によりベース４と筐体３とが接合された状態を示す断面図である。

図１から図３に示すように、ベース４の上面には電力変換装置１００を構成する電子部品である半導体素子１１が搭載され、ベース４の裏面側には筐体３が重ねられている。本願の特徴的な構成部である接合部材２はベース４の上面には露出していないが、筐体３とベース４との固定強度を補う接合部５がベース４の中央部に位置することをベース４の上面部の隆起によって確認することができる。接合部５は、接合部材２を筐体３とベース４の両方に食い込ませて固定した構成部を指している。

図２および図３に示すように、筐体３とベース４との間には冷媒流路６が形成され、冷媒は配管部１３を介して導入・排出される。ベース４と筐体３との重畳領域の外周部にはネジ１２等（締結部材）が配置され、ベース４と筐体３とを締結固定している。ここで、ベース４が載置される筐体上面部３ａの外周部には、ベース４と筐体３とをネジ１２にて締結固定するためのネジ穴３ｄが設けられ、ベース４側の対応箇所にはベース４を厚み方向に貫通した孔部４ｄが開口されている。

また、筐体上面部３ａには、ネジ１２よりも内側に冷媒流路６を水密部とするためのОリング１４（封止部材）がＯリング配置溝１４ａに嵌合されて配置され、冷媒流路６の外周部を封止している。Оリング配置溝１４ａの内側には、筐体上面部３ａを掘り下げた形状の溝部よりなる冷媒流路６が設けられ、冷媒流路６で囲まれた接合面部７には接合部材２を埋入させるための穴部７ａが開口されている。

冷媒流路６のうち外周部より内側、つまり、Оリング１４よりも内側には、ベース４を載置する筐体上面部３ａの高さまで隆起した接合面部７が設けられており、この接合面部７に例えばリベットと呼ばれる接合部材２がセットされ、ベース４を載置して筐体３側に圧力をかけることで、ベース４と筐体３の内部に接合部材２を食い込ませて両者を接合し固定する。このとき、接合部材２は筐体３とベース４に埋入された状態となるが、基板の表面部には露出しないため、冷媒流路６の水密部が破られることはない。

上述したように、筐体３にベース４を接合させて固定する接合部材２は、ベース４の裏面が接合される筐体上面部３ａのうち、冷媒流路６で囲まれた接合面部７の穴部７ａに下端側を嵌合させて位置決めされて配置される。例えば、接合面部７が冷媒流路６の中央部（図３の平面図においての中央）に残されるように、溝部を接合面部７の周囲に形成することで、接合面部７を冷媒流路６の底面部から筐体上面部３ａの高さまで隆起した島状に形成することができる。なお、図２、図３には接合面部７が冷媒の流れに沿って長く形成され、複数の接合部材２が一方向に離間して配設された構成が例示されている。

また、図１の例では、ベース４の上面と筐体３の外周部の筐体縁部３ｂの上面とが同じ高さである場合を示している。そのため、ベース４を載置する筐体上面部３ａよりもベース４の厚みの分だけ筐体縁部３ｂがせり上がった状態となっている。このような筐体縁部３ｂが設けられた場合、ベース４の筐体３への位置決めが容易となる。
なお、図１では記載を省略しているが、冷却器１上にはコンデンサ・制御基板等の電気部品、コンデンサと半導体素子１１とを接続する端子台等が実装されている。

次に、図４を用いて筐体３とベース４との間に圧入させる前の段階の接合部材２の形状について説明する。冷却器１内の機械的な接合を行う接合部材２は、一端（下端側）が筐体３の接合面部７にねじ込まれるネジ締結部２ａであり、このネジ締結部２ａの外周部には螺旋が刻まれている。
また、接合部材２の中央部にはネジ締結用冶具を係合させるための平板状の係合部２ｂが設けられている。この係合部２ｂはネジ締結部２ａを回転させて筐体３にネジ締結させるために外周形状が六角等の形状に加工されており、係合部２ｂの上面はネジ締結部２ａを筐体３に埋入させた状態で筐体上面部３ａと面一となる。
接合部材２の他端（上端側）にはベース４に食い込ませる円筒部２ｃが形成されている。筐体３に接合部材２を固定した状態で、円筒部２ｃは筐体上面部３ａから上向きに突出し、円筒内の開口部の径は先端部にて最大となるように形成されている。

また、接合部材２の円筒部２ｃは、その先端部が円筒部２ｃの付け根部分よりも薄肉に設けられている。そのため、円筒部２ｃに対しベース４を押圧させることで、ベース４の内部に埋入する円筒部２ｃは徐々に先端部の径が大きくなるよう外向きに押し広げられてベース４に食い込んだ状態が得られ、円筒部２ｃの先端の広がりがくさび形状となり、抜け止めの役割を果たす。

図５に、接合部材２によりベース４と筐体３とを接合した接合部５を示すように、ベース４の表面部には接合部材２の円筒部２ｃが突き出すことはなく、接合部材２のねじ締結部２ａと筐体３が固定され、かつ、接合部材２の円筒部２ｃとベース４が固定されるため、冷却器１の機械的強度を補強することが可能となる。これにより、冷却性向上のためにベース４の薄肉化に伴う剛性低下の影響を緩和することができる。また、接合部材２の配置を冷媒流路６の中央部とすることで、冷媒流路６の外周部に近い領域に配設する場合よりも少ない接合箇所で効率良く機械的強度を向上させることが可能となる。

また、図５に示すとおり、冷却器１の機械的強度を補うために接合部材２を筐体３とベース４との間に圧入させた構成にあっては、接合部材２と筐体３またはベース４との接合界面は冷却器１の外部へ至っておらず、接合部材２の表面部に冷却水が侵入した場合であっても、接合部材２の圧入による筐体３またはベース４との接合界面を経由した漏水が発生することはない。よって、接合部材２に対してОリング１４等を用いた封止は不要であるため、冷媒流路６の形成スペースが縮小されることがなく、冷却性能を確保することが可能である。

一方、ベース４の外周部の筐体３への接合は、図２に示すように、二重のＯリング１４とネジ１２を用いた機械的な締結により行い、冷媒流路６から冷却水が漏洩した場合は、図３に示すように、二重のＯリング１４の間に設けられた排水孔１５から電力変換装置１００の外部へ排出する。よって、強電部品の短絡に至ることはない。
なお、ベース４の外周部における筐体３との接続については、ＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）・メタルガスケット等を利用した防水構造とネジ締結の組合せ、または、ＦＳＷ（Friction Stir Welding）・レーザービーム接合などの拡散接合・溶接等による機械的接合を適用することが可能である。
また、筐体３とベース４の接合界面を経由した漏水への対策としては、接合界面が電力変換装置１００の内部に至らないように、例えば、ベース４を拡張させるなどの対策を講じることが有効である。

ここで、半導体素子１１を搭載するベース４は、熱伝導率が高く、製造上、空洞部（ス）などの内部欠損が小さいアルミニウムの押出し材で形成し、冷媒流路６を形成する筐体３は、生産性の良いアルミニウムの鋳造にて形成する。これにより、ベース４のアルミニウムの押出し材側の特性である伸びの良さを利用し、ベース４に対し接合部材２を接合界面を外部に露出させることなく圧入させることができる。そして、同時に、筐体３の生産性を確保しつつ、アルミニウムの鋳造側にネジ締結させることで、ねじ締結部２ａの圧入によるクラックの発生等を抑制することが可能となる。
なお、接合部材２自体を筐体３およびベース４と同じ金属材料であるアルミニウム、あるいは銅等によって構成することで、接合界面に生じる応力を低減できることは言うまでもない。

ここで、冷却器１の製造工程について一例を示す。まず、筐体３を鋳造により、ベース４を押出しにて成型する。次に、ベース４上への半導体素子１１等の実装・筐体３への配管部１３の接続・二重のОリング１４の配設を行う。次に、筐体３の接合面部７に接合部材２を固定し、ベース４を重ね合わせ、ベース４を筐体３側に押圧することで接合部材２の円筒部２ｃをベース４に圧入させてリベット固定を行う。次に、ネジ１２でベース４の外周部を筐体３に固定する。これにより、図１の電力変換装置１００の構成を得ることができる。

本願の冷却器１によれば、電力変換装置１００の高出力化および小型化を達成できる高い冷却性能を保持しつつ、振動・衝撃等の外力が作用する車載環境に対応した機械的強度を併せ持つ構成を実現することができる。さらに、接合部材２とネジ１２とが別部材であるため、接合部材２を圧入して用い、ネジ１２をネジ締結して用いるといった機械的な接合方法の使い分けができ、圧入に適した伸び性を持つ材料にてベース４を形成することができるため、製造コストの低減させることが可能である。また、接合部材２の片側を筐体３にネジ締結し、ベース４を接合部材２に圧入させることで、容易に組立てることができ、組立てコストを低減させることが可能である。

本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１冷却器、２接合部材、２ａネジ締結部、２ｂ係合部、２ｃ円筒部、３筐体、３ａ筐体上面部、３ｂ筐体縁部、３ｄネジ穴、４ベース、４ｄ孔部、５接合部、６冷媒流路、７接合面部、７ａ穴部、１１半導体素子、１２ネジ、１３配管部、１４ａＯリング配置溝、１５排水孔、１００電力変換装置

Claims

上面に半導体素子が搭載されたベース、
上記ベースの裏面側に重ねられ、上記ベースとの間に冷媒流路が形成された筐体、
上記ベースと上記筐体との重畳領域の外周部に配置され、上記ベースと上記筐体とを締結固定する締結部材、
上記冷媒流路の外周部を封止する封止部材、
上記冷媒流路の上記外周部より内側の、上記ベースと接する上記筐体の接合面部に配設され、上記ベースおよび上記筐体に対して非貫通の状態に食い込んだ接合部材を備えたことを特徴とする冷却器。
上記冷媒流路は、上記筐体の上面に形成された溝部によって構成され、
上記接合面部は、上記ベースの裏面が接合される上記筐体の上記上面のうち、上記溝部で囲まれた面部であることを特徴とする請求項１記載の冷却器。
上記接合面部は、上記ベースと上記筐体との重畳領域の中央部に配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷却器。
上記接合部材は、一端が上記筐体に設けられたネジ穴に締結されるネジ締結部、他端が上記ベースに食い込んだ円筒部であり、
上記円筒部の先端部は外向きに広がりを持った形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の冷却器。
上記接合部材は、上記ネジ締結部と上記円筒部との間に、上記ネジ締結部を上記筐体に締結させる際に用いる締結冶具を係合させる係合部を備えたことを特徴とする請求項４記載の冷却器。
上記ベース、上記筐体、上記接合部材は、同じ金属によって構成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の冷却器。
車載用の電力変換装置に適用されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の冷却器。