JP7164018B2 - 冷却構造体 - Google Patents
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Description
モータを駆動する際には、パワー半導体、キャパシタ等、これら電子部品を接合するバスバーに大電流の流れることがある。この場合、スイッチング損失、抵抗損失等によって駆動手段が発熱するため、駆動手段を効率的に冷却する必要がある。
また、金属製のヒートシンクを駆動手段等の冷却対象に組み込むためには、多くの工数を要することがある。そのため、加工が容易で駆動手段等に容易に組み込むことが可能な樹脂製の冷却手段が求められている。
一方、樹脂製の冷却手段は金属製のヒートシンクに比較して一般に強度に劣るため、樹脂製の冷却手段に高い強度が求められる。
<1> 冷媒を流通させる流路を形成する樹脂製の流路形成部材と、
前記流路の内壁から前記流路内に向けて延設され、先端が前記内壁に接触する少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、
を備える冷却構造体。
<2> 前記冷却フィンが、前記流路の前記冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに前記流路の内壁の形状が略矩形となる領域に設けられており、略矩形とされた前記内壁における対向する一対の内壁のうちの一方側の内壁から他方側の内壁に向けて延設され前記他方側の内壁に接触するものである<1>に記載の冷却構造体。
<3> 前記流路の内壁における前記冷却フィンの先端が接触する箇所に凹状の窪みが設けられており、前記冷却フィンの先端が、前記窪みに嵌合する<1>又は<2>に記載の冷却構造体。
<4> 前記流路における前記冷却フィンの設けられた箇所を前記冷媒が流通する方向から観察したときに、前記流路の面積に占める前記冷却フィンの観察される部分の面積が、30%以上である<1>~<3>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<5> 前記冷却フィンの根元部に、被冷却体が配置された<1>~<4>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<6> 複数の前記冷却フィンを備え、複数の前記冷却フィンの延設方向が、いずれも略平行である<1>~<5>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<7> 前記流路形成部材の外壁の少なくとも一部に、金属層が設けられた<1>~<6>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<8> 前記金属層が、金属溶射層である<7>に記載の冷却構造体。
本開示の冷却構造体は、冷媒を流通させる流路を形成する樹脂製の流路形成部材と、前記流路の内壁から前記流路内に向けて延設され、先端が前記内壁に接触する少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、を備える。本開示の冷却構造体は、冷却効率に優れ高い強度を有するものである。
冷却構造体10では、冷却フィンが、流路の冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに流路の内壁の形状が略矩形となる領域に設けられている。略矩形とされた内壁における対向する一対の内壁のうちの一方側の内壁から他方側の内壁に向けて冷却フィンが延設され、他方側の内壁に冷却フィンが接触する。
なお、本開示において、冷却構造体の冷却フィンの設けられた箇所の流路の断面形状は特に限定されるものではなく、略矩形であってもよく、円形、楕円形、矩形以外の多角形等の、略矩形以外の形状であってもよい。
また、本開示において、冷却構造体の冷却フィンの設けられた箇所以外の流路の断面形状は特に限定されるものではない。
複数の冷却フィン24の延設方向はいずれも略平行とされる。複数の冷却フィン24の延設方向を略平行とすることで、金型を用いて冷却フィン24を備える流路形成部材14を製造する際に、金型から冷却フィン24を引き抜きやすくなる。そのため、金型を用いた冷却フィン24を備える流路形成部材14の製造が容易になる。
バスバー26は、パワー半導体、キャパシタ等の不図示の電子部品と接続されている。
図2では、冷却フィン24は7本とされており、熱拡散部34の配置された範囲内に冷却フィン24が設けられている。
例えば、図3に示すように、流路12における冷媒が流通する方向と直交する方向に沿って、冷却フィン24が配置されていてもよい。また、熱拡散部34の配置された範囲を外れた位置に冷却フィン24が配置されていてもよい。
図4に示す冷却構造体11では、下部内壁18における冷却フィン24の接触する箇所に凹状の窪み36が設けられている。窪み36には、冷却フィン24の先端が嵌合されている。冷却フィン24の先端が窪み36に嵌合することで、冷却フィン24に対して冷媒が流通する方向へ荷重がかかった際の、冷却フィン24の強度が向上する。そのため、冷媒の流速を上げることができるようになり、冷却効率をさらに向上することができる。
第三実施形態に係る冷却構造体38では、冷却フィンが、流路の冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに流路の内壁の形状が円形となる領域に設けられている。円形とされた内壁から流路内に向けて冷却フィンが延設され、冷却フィンの先端が内壁に接触している。
冷却フィン24は、流路12を構成する円筒状の内壁40の図中上部から流路12内に向けて延設されており、冷却フィン24の先端が内壁40の図中下部に接触している。
冷却フィン24の根元部には、被冷却体であるバスバー26が、ボルト28とナット30とで固定されている。ナット30は、ナット本体32とナット本体32のボルト28が挿入される側とは反対側に設けられた熱拡散部42とを有する。熱拡散部42は、図1に示す熱拡散部34とは異なり、円筒状の内壁40の形状に沿って湾曲しており、ナット本体32と一体化されている。
図6に示す冷却構造体44では、被冷却体であるパワー半導体46が、流路形成部材14の外壁に設けられた金属層48を介して流路形成部材14と接している。パワー半導体46にはバスバー26が接続されており、不図示の他のパワー半導体その他の電気部品と導通が確保されている。流路形成部材14のパワー半導体46と接触する箇所には、不図示の冷却フィンが上部内壁16から下部内壁18に向けて延設されている。つまり、不図示の冷却フィンの根元部に、パワー半導体46が配置されている。
パワー半導体46から生じた熱は、金属層48を介して流路形成部材14の外壁に達し、さらに不図示の冷却フィンの根元部に到達した熱は、冷却フィンを通じて冷却フィンの根元部から下部内壁18に向けて移動する。このときに、流路12を流通する冷媒により冷却フィンから熱が冷媒に移動する。パワー半導体46が金属層48を介して流路形成部材14と接するため、パワー半導体46から生じた熱が、効率的に冷却フィンへ移動しやすくなり、冷却効率が向上する。
金属層48は、例えば、流路形成部材14における被冷却体の配置された側とは反対側の外壁に設けることが好ましい。また、図6に示すように、金属層48が流路形成部材14における被冷却体の配置された側の外壁の一部に設けられている場合、流路形成部材14における被冷却体の配置された側とは反対側の外壁には、金属層48の設けられていない領域50が存在してもよい。さらに、図6における熱拡散部34の配置された箇所とは反対側の外壁には、金属層48の設けられていない領域が存在してもよい。
また、ナットの流路形成部材に埋設されている箇所は、別途インサート成形法により製造さてもよい。
流路形成部材及び冷却フィンを構成する樹脂に含まれる無機充填材は、同じであっても異なっていてもよい。また、流路形成部材を構成する樹脂及び冷却フィンを構成する樹脂の一方に無機充填材が含まれ、他方に無機充填材が含まれなくともよい。
金属層48を形成する方法は特に限定されるものではなく、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、金属板の張り付け、金属溶射等が挙げられる。金属層48は、形成性の観点から、金属溶射法により形成された金属溶射層であることが好ましく、加工性の観点から亜鉛がより好ましい。
縦120mm、横120mm、厚み5mmのPPS樹脂板を準備し、試験片1とした。
試験片1の一方の面に、溶射法により平均厚み200μmの金属層(亜鉛層)を形成した。これを試験片2とした。
また、縦120mm、横120mm、厚み500μmのアルミニウム板を試験片3とした。
試験片1、試験片2及び試験片3について、磁界シールド性能を以下に示すKEC法(500Hzから1GHz)における磁界シールド効果評価用装置で評価した。
得られた結果を図7に示す。図7から明らかなように、試験片2及び試験片3によれば、試験片1に比較して優れた磁界シールド効果の得られることがわかる。
PPS樹脂を用いて、外径が横30mm×縦15mmで、内径が横25mm×縦10mmで、長さが110mmの断面矩形の水路モデル1を形成した。水路モデル1における110mm×30mmの外壁の上面に、溶射法により平均厚み200μmの金属層48(亜鉛層)を形成した。これを水路モデル2とした。
水路モデル1の110mm×30mmの外壁及び水路モデル2の金属層48を形成した面上に、各々、100℃に熱した95mm×25mm×15mmの大きさの鉄ブロック52を図8に示すようにして配置し、各水路モデル内に20℃の水を8L/分の流量で流通させた。
鉄ブロック52の配置直後から、図8に示すA~Dの計4箇所の温度変化を、株式会社KEYENCE製 高機能レコーダ GR-3500を用いて測定したところ、鉄ブロック52の配置から10分後の各測定箇所の温度は、下記表1に示すとおりであり、金属層48は被冷却体の冷却に有効であることが明らかとなった。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
12 流路
14 流路形成部材
16 上部内壁
18 下部内壁
20 側部内壁
22 側部内壁
24 冷却フィン
26 バスバー
28 ボルト
30 ナット
32 ナット本体
34、42 熱拡散部
36 窪み
40 内壁
46 パワー半導体
48 金属層
50 金属層48の設けられていない領域
52 鉄ブロック
Claims (7)
- 冷媒を流通させる流路を形成する樹脂製の流路形成部材と、
前記流路の内壁から前記流路内に向けて延設され、先端が前記内壁に接触する少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、
を備え、
前記流路の内壁における前記冷却フィンの先端が接触する箇所に凹状の窪みが設けられており、前記冷却フィンの先端が、前記窪みに嵌合する冷却構造体。 - 前記冷却フィンが、前記流路の前記冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに前記流路の内壁の形状が略矩形となる領域に設けられており、略矩形とされた前記内壁における対向する一対の内壁のうちの一方側の内壁から他方側の内壁に向けて延設され前記他方側の内壁に接触するものである請求項1に記載の冷却構造体。
- 前記流路における前記冷却フィンの設けられた箇所を前記冷媒が流通する方向から観察したときに、前記流路の面積に占める前記冷却フィンの観察される部分の面積が、30%以上である請求項1又は請求項2に記載の冷却構造体。
- 前記冷却フィンの根元部に、被冷却体が配置された請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の冷却構造体。
- 複数の前記冷却フィンを備え、複数の前記冷却フィンの延設方向が、いずれも略平行である請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の冷却構造体。
- 前記流路形成部材の外壁の少なくとも一部に、金属層が設けられた請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の冷却構造体。
- 前記金属層が、金属溶射層である請求項6に記載の冷却構造体。
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