JP7164019B2

JP7164019B2 - 冷却構造体

Info

Publication number: JP7164019B2
Application number: JP2021509343A
Authority: JP
Inventors: 広明庄田; 孝宏山下; 和武藤澤
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: WO2020196331A1; JPWO2020196331A1

Description

本開示は、冷却構造体に関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車等のモータを搭載する車両には、モータを駆動する駆動手段が搭載されている。駆動手段は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体を複数備えるパワーモジュール、キャパシタ等の電子部品、これら電子部品を電気的に接合するバスバーなどから構成される。
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。

駆動手段を冷却するための冷却手段としては、熱伝導性の高さから、アルミニウム、銅等の金属製のヒートシンクが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－１８２８３１号公報

しかしながら、金属製のヒートシンクを製造するためには、押出成形、スカイブ加工、カシメ加工等の複雑な製造工程を経る必要がある。そのため、金属製のヒートシンクはコストが高くなりやすい。
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。

本開示の一形態は上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、冷却効率に優れる樹脂製の冷却構造体を提供することを目的とする。

前記課題を達成するための具体的手段は以下の通りである。
＜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る少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、
を備え、
前記冷却フィンの前記冷媒と接触する部分の表面粗さＲａが、１０μｍ以上である冷却構造体。
＜２＞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＞に記載の冷却構造体。
＜３＞前記金属層が、金属溶射層である＜２＞に記載の冷却構造体。

本開示の一形態によれば、冷却効率に優れる樹脂製の冷却構造体を提供することができる。

冷却構造体１０の要部を示す断面図である。冷却構造体１０における冷却フィン２４の設けられた領域の一例を示す図である。冷却構造体１０における冷却フィン２４の設けられた領域の他の一例を示す図である。冷却構造体４４の要部を示す断面図である。金属層の磁界シールド性能の評価結果を示す図である。冷却性能の評価方法を説明するために図である。

＜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る少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、を備え、前記冷却フィンの前記冷媒と接触する部分の表面粗さＲａが、１０μｍ以上とされたものである。本開示の冷却構造体は、冷却効率に優れるものである。

以下、本開示の冷却構造体を、図面を参照して説明する。なお、各図における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。また、実質的に同一の機能を有する部材には全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明は省略する場合がある。

図１は、第一実施形態に係る冷却構造体１０の要部を示す断面図である。
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ている。
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。

図１に示す冷却構造体１０は、断面が略矩形とされた冷媒を流通させる流路１２を形成する樹脂製の流路形成部材１４を備える。流路１２は、対向する一対の内壁のうちの一方側の内壁に相当する上部内壁１６及び他方側の内壁に相当する下部内壁１８並びに上部内壁１６及び下部内壁１８を接続する側部内壁２０及び側部内壁２２に取り囲まれて構成されている。

上部内壁１６からは、冷媒が流通する方向と直交する方向に沿って、円筒状の冷却フィン２４が延設されている。図１では、冷却フィン２４は、上部内壁１６から下部内壁１８に向けて延設されている。冷却フィン２４は、流路形成部材１４と同様に樹脂製とされる。図１では、冷却フィン２４の一部が点線で示されている。
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。

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３４とを有する。熱拡散部３４は、四角形の板状物とされ、ナット本体３２と一体化されている。
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。

ナット３０における熱拡散部３４の全体及びナット本体３２のボルト２８が挿入される側とは反対側の部分は、流路形成部材１４に埋設されている。なお、熱拡散部３４は、流路形成部材１４に埋設された構成に限定されず、流路形成部材１４に接合された構成、例えば、流路形成部材１４の外壁に接合された構成であってもよい。例えば、レーザー粗化による樹脂金属接合技術を用い、熱拡散部３４を流路形成部材１４に接合させてもよい。

図２は、図１の冷却構造体１０における冷却フィン２４の設けられた領域を、ボルト２８の挿入方向から見た図である。冷却フィン２４と熱拡散部３４との位置関係をわかりやすくするため、図２では、バスバー２６等の記載を割愛している。また、冷却フィン２４と熱拡散部３４との位置関係がわかりやすいように、熱拡散部３４を二点鎖線で表している。なお、図１は、図２に示すＡＡ線で切断したときの断面図である。
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。
熱拡散部３４の配置された範囲内に設けられる冷却フィンの本数は特に限定されるものではない。

ここで、バスバー２６に電流が流れると、抵抗損失によってバスバー２６自体が発熱する。また、バスバー２６は不図示の電子部品と接続されており、通電によりこれら電子部品から生じた熱がバスバー２６を通じて拡散される。そのため、バスバー２６は高温状態になりやすい。

バスバー２６自体から生じた熱及びバスバー２６を通じて拡散された熱は、ボルト２８及びナット本体３２を介して熱拡散部３４のナット本体と一体化されている箇所に伝達される。熱拡散部３４は四角形の板状物とされているため、熱拡散部３４に伝達された熱は熱拡散部３４の面方向に拡散され、広範囲に熱を拡散することができる。

熱拡散部３４は冷却フィン２４の根元部に配置されており、熱拡散部３４まで拡散された熱は、冷却フィン２４の根元部に到達する。冷却フィン２４の根元部に到達した熱は、冷却フィン２４を通じて冷却フィン２４の根元部から冷却フィン２４の先端部に向けて移動する。このときに、流路１２を流通する冷媒により冷却フィン２４から熱が冷媒に移動する。このようにして、バスバー２６等の被冷却体が冷却される。

冷却フィン２４の冷媒と接触する部分の表面粗さＲａは、１０μｍ以上とされる。冷却フィン２４の冷媒と接触する部分の表面粗さＲａが１０μｍ以上とされることで、冷却フィン２４の熱放射率が大きくなり、冷却フィン２４から熱が効率よく冷媒に移動する。冷却フィン２４の冷媒と接触する部分の表面粗さＲａが１００μｍ以上であることで、冷却フィン２４の表面積がより大きくなり、冷却フィン２４から熱がさらに効率よく冷媒に移動するため好ましい。冷却フィン２４の冷媒と接触する部分の表面粗さＲａは、成形性の観点から５００μｍ以下であることが好ましい。
本開示において、表面粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に基づいて測定された値をいう。

図１において、熱拡散部３４の流路１２側の面から流路形成部材１４の内壁までの最小距離ｈは、絶縁性の観点から０．３ｍｍ以上であることが好ましく、成形性の観点から０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、１．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、前述の最小距離ｈは、冷却効率の観点から２．５ｍｍ以下であることが好ましい。

冷却フィン２４は、少なくとも表面が樹脂製であればよく、冷却フィン２４全体が樹脂製であってもよいし、冷却フィン２４が金属製の棒状の芯材を含んでいてもよい。冷却フィン２４が棒状の芯材を含む場合、腐食等を抑制する観点から、金属製の芯材は全面が樹脂により被覆されていることが好ましい。芯材の一端は、冷却効率を向上する観点から、熱拡散部３４と接続されていてもよい。

図１に示す、冷却フィン２４の延設方向の長さは、流路１２の大きさ等に基づいて適宜設定することができる。冷却フィン２４の延設方向の長さは、成形性の観点からは、５０ｍｍ以下であることが好ましく、３０ｍｍ以下であることがより好ましい。また、冷却フィン２４の延設方向の長さは、冷却効率の観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましく、３０ｍｍ以上であることがより好ましい。
冷媒が流通する方向から観察したときの冷却フィン２４の幅は、流路１２の大きさ等に基づいて適宜設定することができる。冷却フィン２４の幅は、強度の観点から１ｍｍ以上であることが好ましく、１．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、冷却フィン２４の幅は、冷却効率の観点から、３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。
要求される冷却性能及び冷却フィン２４の強度並びに冷却フィン２４を後述のインジェクション成形法により成形する際の成形のしやすさを加味して、冷却フィン２４の長さ及び幅を設定してもよい。

冷却フィン２４の形状は、特に限定されるものではない。冷却フィン２４は、延設方向に直交する断面を観察したときに、図２に示すように円形であってもよいし、楕円形、三角形、四角形等の多角形などであってもよい。

図１においては、冷却フィン２４の先端は冷却フィン２４の延設方向に直交する平坦状とされているが、冷却フィン２４の先端の形状は特に限定されるものではなく、半球状、円錐状、角錐状等であってもよい。

被冷却体としては、バスバー２６の他に、パワー半導体、キャパシタ等の電子部品が挙げられる。被冷却体が電子部品である場合、冷却構造体の電子部品の配置される箇所に冷却フィンを設ければよい。

冷却構造体１０における冷却フィン２４と熱拡散部３４との位置関係は特に限定されるものではない。
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は、第二実施形態に係る冷却構造体４４の要部を示す断面図である。図４は、冷却構造体４４における流路形成部材１４の冷媒が流通する方向に平行な断面を示す。なお、図４では、冷却フィンの記載を割愛している。
図４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。

また、金属層４８は、パワー半導体４６から発生する低周波域（特に、ラジオ帯）の磁界をシールドすることができる。そのため、流路形成部材１４の外壁に金属層４８を設けることは磁界シールドの観点から有効である。金属層４８は、流路形成部材１４の外壁の少なくとも一部に設ければよい。なお、金属層４８は導電性であるため、絶縁性を求められる箇所には金属層４８を設けなくともよい。また、流路形成部材１４の外壁に金属層４８を形成し、さらに絶縁性を求められる箇所を樹脂層で覆ってもよい。
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４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４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。

本開示の冷却構造体の製造方法は、特に限定されるものではなく、インジェクション成形法、ダイスライドインジェクション成形法、ブロー成形法、圧縮成形法、トランスファ成形法、押出成形法、注型成形法等の通常の樹脂成形体の成形方法を採用することができる。なお、冷却構造体１０の製造には高い位置精度を要求される場合があることから、ダイスライドインジェクション成形法が好ましい。
また、ナット３０の流路形成部材１４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。

冷却フィン２４の冷媒と接触する部分の表面粗さＲａを１０μｍ以上とする方法としては、冷却フィン２４の成形に用いられる金型の表面に、冷却フィン２４の表面粗さに応じた凹凸を付す方法、冷却フィン２４の表面を、マシニング加工、ブラスト加工、レーザー加工等の機械加工で所望の表面粗さに調整する方法などが挙げられる。

流路形成部材１４及び冷却フィン２４を構成する樹脂の種類は特に限定されるものではない。樹脂としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂（ＰＰ）、複合ポリプロピレン系樹脂（ＰＰＣ）、ポリフェニレンサルファイド系樹脂（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド系樹脂（ＰＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート系樹脂（ＰＢＴ）、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アイオノマー系樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）及びポリカーボネート系樹脂が挙げられる。流路形成部材１４及び冷却フィン２４を構成する樹脂は同じであっても異なっていてもよい。

流路形成部材１４及び冷却フィン２４を構成する樹脂は、無機充填材を含有してもよい。無機充填材としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコン、酸化マグネシウム、珪酸カルシウム、炭酸カルシウム、チタン酸カリウム、炭化珪素、窒化珪素、窒化ホウ素、ベリリア及びジルコニアが挙げられる。さらに、難燃効果のある無機充填材としては、水酸化アルミニウム、硼酸亜鉛等が挙げられる。
流路形成部材１４及び冷却フィン２４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１４を構成する樹脂及び冷却フィン２４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。

熱拡散部３４を構成する金属は、アルミニウム、鉄、銅、金、銀、ステンレス等の金属、合金などが挙げられる。

熱拡散部３４は、流路形成部材１４及び冷却フィン２４を構成する樹脂と熱拡散部３４を構成する金属との熱膨張係数差による冷却構造体１０への負荷を抑制する観点から、メッシュ状、パンチングメタル等であってもよい。

冷却構造体１０では、熱拡散部３４の面方向への熱の拡散性及び冷却フィン２４の放熱性の観点から、熱拡散部３４を構成する金属はアルミニウム、鉄、銅、金、銀及びステンレスからなる群より選択される少なくともいずれか１つであり、冷却フィン２４を構成する樹脂は、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリフタルアミド系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、フェノール系樹脂及びエポキシ系樹脂からなる群より選択される少なくともいずれか１つであることが好ましい。好ましいポリアミド系樹脂としては、ナイロン６、ナイロン６６等が挙げられる。

流路１２を流通する冷媒の種類は、特に限定されるものではない。冷媒としては、水、有機溶媒等の液体、空気等の気体が挙げられる。冷媒として用いられる水には、不凍液等の成分が含まれていてもよい。

金属層４８を構成する成分は特に限定されるものではなく、亜鉛、アルミニウム、亜鉛・アルミニウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、スズ、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、モリブデン等が挙げられる。これらの中でも、磁界シールド効果を高める観点からは、銀及び銅が好ましい。一方、冷却効率の観点からは、銀及び金が好ましい。
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。

金属層４８の厚みは特に限定されるものではなく、１μｍ～２ｍｍが好ましい。

被冷却体であるパワー半導体４６と接触する金属層４８の平均厚みは、冷却効率の観点から、２００μｍ～２ｍｍが好ましく、５００μｍ～２ｍｍがより好ましい。

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られた金属層４８の平均厚みは、磁界シールドの観点から、１μｍ～２ｍｍが好ましく、２００μｍ～２ｍｍがより好ましく、５００μｍ～２ｍｍがさらに好ましい。

本開示の冷却構造体は、ハイブリッド自動車、電気自動車等のモータを搭載する車両における、パワー半導体を複数備えるパワーモジュール、キャパシタ等の電子部品、これら電子部品を電気的に接合するバスバーの冷却に有効である。

以下、実験例に基づいて、金属層の磁界シールド性能及び冷却性能を検証した。

－磁界シールド性能評価－
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５に示す。図５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。

－冷却性能評価－
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６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６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。

２０１９年３月２２日に出願された日本国特許出願２０１９－５５６９２号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
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。

１０、４４冷却構造体
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熱拡散部
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

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る少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、
を備え、
前記冷却フィンの前記冷媒と接触する部分の表面粗さＲａが、１０μｍ以上であり、
前記冷却フィンが、金属製の棒状の芯材を含む冷却構造体。
前記流路形成部材に埋設されているか又は前記流路形成部材の外壁に接合されている熱拡散部をさらに備え、
前記芯材の一端が、前記熱拡散部と接続されている請求項１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又は請求項２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３に記載の冷却構造体。