JPWO2020196332A1 - 冷却構造体 - Google Patents
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Abstract
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、金属製のヒートシンクを用いることなく冷却効率に優れる冷却方法が求められている。
<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、
前記冷媒を前記流路に流入させる流入口と、
前記冷媒を前記流路から流出させる流出口と、
前記冷媒により冷却される複数の被冷却体と、を備え、
前記流入口から流入した前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達するように、前記流路が構成される冷却構造体。
<2> 前記流路が、前記流入口と前記被冷却体との間で分岐しており、分岐した前記流路を流通して前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達する<1>に記載の冷却構造体。
<3> 前記流入口を少なくとも2つ備え、前記少なくとも2つの流入口の各々から流入した前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達する<1>に記載の冷却構造体。
<4> 前記流路が、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する<1>〜<3>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<5> 前記被冷却体からの熱を伝熱する前記流路形成部材に埋設された、又は、前記流路形成部材に接合された、板状かつ金属製である熱拡散部と、
前記熱拡散部から前記流路内に延設され、少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、をさらに備える<1>〜<4>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<6> 前記被冷却体の少なくとも1つが前記熱拡散部に伝熱するバスバーであり、
前記流路形成部材の外壁面と、前記バスバーとの間に空間があり、前記流路形成部材と前記バスバーとが接触していない<5>に記載の冷却構造体。
<7> 前記冷却フィンの先端が、前記流路の内壁に接触する<5>又は<6>に記載の冷却構造体。
<8> 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<5>〜<7>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<9> 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>〜<8>のいずれか1項に記載の冷却構造体。
<10> 前記金属層が、金属溶射層である<9>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、前記冷媒を前記流路に流入させる流入口と、前記冷媒を前記流路から流出させる流出口と、前記冷媒により冷却される複数の被冷却体と、を備え、前記流入口から流入した前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達するように、前記流路が構成されるものである。
本開示の冷却構造体では、流入口から流入した冷媒が被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達するように流路が構成されることから、熱量の大きい少なくとも2つの被冷却体が存在する場合に、これら複数の被冷却体に対して冷媒を直接供給することが可能となる。そのため、他の被冷却体への冷却に寄与しておらず冷却能力に優れる冷媒を熱量の大きい被冷却体に供給することができ、冷却効率が向上する。
なお、本開示の冷却構造体では、流路における冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに、流路の少なくとも一部に内壁の形状が略矩形となる領域が存在してもよく、円形、楕円形、矩形以外の多角形等の、略矩形以外の内壁の形状を呈する領域が存在していてもよい。
また、分岐した流路の一方には、被冷却体18Aよりも冷媒の流れ方向下流側に、流路外方向に突出して被冷却体18Aと接触する突出部19が設けられている。
なお、冷却構造体10では2つの被冷却体18A及び被冷却体18Bが配置されているが、被冷却体18A及び被冷却体18Bよりも冷媒の流れ方向下流側に他の被冷却体が配置されていてもよい。他の被冷却体は、被冷却体18A及び被冷却体18Bよりも熱量の小さい被冷却体であることが好ましい。
流路が突出部と整流部とを有することで、突出部に冷媒の流れが形成され、突出部に供給された冷媒が留まりにくくなり、長期間にわたって冷媒が突出部に溜まる滞留の発生が抑制されると考えられる。また、突出部における滞留の発生が抑制されることにより、突出部における冷却効率が高まると考えられる。
図3及び図4において、冷媒を流通させる流路20が樹脂製の流路形成部材12により形成されている。流路における突出部19の設けられた箇所の形状は、図3及び図4に示すように、冷媒が流通する方向と直交する方向における断面が略矩形であってもよく、断面が円形、楕円形、矩形以外の多角形等であってもよい。
本開示において、「流路外方向」とは、流路の内壁から外壁を介して流路形成部材の外部に向かう方向を意味する。
被冷却体18Aは、上流側の上部内壁24から流路20内に向けて延設されたヒートシンク(図示せず)、及び側部内壁28から突出部19に向けて延設されたヒートシンク(図示せず)を備えていてもよい。
図5Aに示す冷却構造体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5Aでは、冷却フィン46の一部が点線で示されている。
複数の冷却フィン46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46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46を備える流路形成部材12を製造する際に、金型から冷却フィン46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46を備える流路形成部材12の製造が容易になる。
バスバー48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6では、冷却フィン46は7本とされており、熱拡散部44の配置された範囲内に冷却フィン46が設けられている。また、熱拡散部44の主面(熱拡散部44のナット本体42と一体化されている側とは反対側の面)は流路20と対向している。
例えば、図7に示すように、熱拡散部44から外れた位置に冷却フィン46が配置されていてもよい。
なお、図5Aに示すように複数のバスバー48(図中では2つ)が、ボルト50とナット本体42とで固定されている場合、距離h1は、ナット本体42に最も近いバスバー48と、流路形成部材12の内壁面におけるバスバー48と対面する部分(図5Aにおける上部内壁24)と、の距離を意味する。
なお、図5Aに示すように複数のバスバー48(図中では2つ)が、ボルト50とナット本体42とで固定されている場合、最小距離h2は、ナット本体42に最も近いバスバー48と、流路形成部材12の外壁面におけるバスバー48と対面する部分と、の最小距離を意味する。
図5B中の距離h3の好ましい範囲は、絶縁性の観点から、0mm超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く、冷却効率の観点から、2.5mm以下であることが好ましい。
図5Cに示す冷却構造体10は、冷却効率に優れる。
図8は、図5Aに示す冷却構造体10の熱拡散部と冷却フィンとを備える箇所についての、他の実施形態の断面図を示し、図9は、図5Aに示す冷却構造体10の熱拡散部と冷却フィンとを備える箇所についての、他の実施形態の端面図を示す。
図8には、樹脂製の流路形成部材により形成された流路について、冷媒が流通する方向と直交する断面を観察したときに当該流路の内壁の形状が略矩形となる領域の断面が示されている。
本開示において、表面粗さRaは、JIS B0601:2013に基づいて測定された値をいう。
冷媒が流通する方向から観察したときの冷却フィン46の幅は、流路20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46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46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46の強度並びに冷却フィン46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46の長さ及び幅を設定してもよい。
図10に示す冷却構造体54では、被冷却体であるパワー半導体56が、流路形成部材12の外壁に設けられた金属層58を介して流路形成部材12と接している。パワー半導体56にはバスバー48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12のパワー半導体56と接触する箇所には、不図示の冷却フィンが上部内壁24から下部内壁34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56が配置されている。
パワー半導体56から生じた熱は、金属層58を介して流路形成部材12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34に向けて移動する。このときに、流路20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56が金属層58を介して流路形成部材12と接するため、パワー半導体56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58は、例えば、流路形成部材12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10に示すように、金属層58が流路形成部材12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12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58の設けられていない領域60が存在してもよい。さらに、図10における熱拡散部44の配置された箇所とは反対側の外壁には、金属層58の設けられていない領域が存在してもよい。
また、ナット40の流路形成部材12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12及び冷却フィン46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12を構成する樹脂及び冷却フィン46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58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58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11に示す。図11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58(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58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62を図12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62の配置直後から、図12に示すA〜Dの計4箇所の温度変化を、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62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58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 流路形成部材
14(14A、14B) 流入口
16 流出口
18A、18B 被冷却体
19 突出部
20 流路
22 整流部
40 ナット
42 ナット本体
44 熱拡散部
46 冷却フィン
48 バスバー
50 ボルト
52 窪み
56 パワー半導体
58 金属層
60 金属層58の設けられていない領域
62 鉄ブロック
Claims (10)
- 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、
前記冷媒を前記流路に流入させる流入口と、
前記冷媒を前記流路から流出させる流出口と、
前記冷媒により冷却される複数の被冷却体と、を備え、
前記流入口から流入した前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達するように、前記流路が構成される冷却構造体。 - 前記流路が、前記流入口と前記被冷却体との間で分岐しており、分岐した前記流路を流通して前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達する請求項1に記載の冷却構造体。
- 前記流入口を少なくとも2つ備え、前記少なくとも2つの流入口の各々から流入した前記冷媒が前記複数の被冷却体のうちの少なくとも2つの被冷却体に直接到達する請求項1に記載の冷却構造体。
- 前記流路が、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の冷却構造体。
- 前記被冷却体からの熱を伝熱する前記流路形成部材に埋設された、又は、前記流路形成部材に接合された、板状かつ金属製である熱拡散部と、
前記熱拡散部から前記流路内に延設され、少なくとも表面が樹脂製の冷却フィンと、をさらに備える請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の冷却構造体。 - 前記被冷却体の少なくとも1つが前記熱拡散部に伝熱するバスバーであり、
前記流路形成部材の外壁面と、前記バスバーとの間に空間があり、前記流路形成部材と前記バスバーとが接触していない請求項5に記載の冷却構造体。 - 前記冷却フィンの先端が、前記流路の内壁に接触する請求項5又は請求項6に記載の冷却構造体。
- 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以上である請求項5〜請求項7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8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9に記載の冷却構造体。
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