WO2019012579A1

WO2019012579A1 - 冷却装置及び冷却装置の製造方法

Info

Publication number: WO2019012579A1
Application number: PCT/JP2017/025134
Authority: WO
Inventors: 正有山; 周平水谷; 孝典小池
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-17
Also published as: JP6837552B2; JPWO2019012579A1

Abstract

冷却装置及び冷却装置の製造方法は、配管と、冷却部材と、一対の爪部と、流動体からなるコーティング材とを有する。一対の爪部は、冷却部材の一面に設けられ、配管の外周に沿って湾曲して配管を固定する。コーティング材は、一対の爪部の間に設けられているとともに、配管と一対の爪部との間に配管を冷却部材へ押圧することにより設けられている。

Description

冷却装置及び冷却装置の製造方法

　本発明は、配管と冷却部材とが接合された冷却装置及び冷却装置の製造方法に関する。

　従来、冷却装置において、空調機等に搭載され、発熱する電装部品を流体により冷却するものがある。冷却装置は、電装部品が接触する冷却部材と、冷却流体が流れる配管とにより構成され、冷却部材及び配管を介して電装部品が冷却される。冷却部材と配管とは、ろう付けにより接合されている。ろう付けによる接合は、冷却部材と配管との間の熱抵抗を抑えて伝熱性能を良くすることができるが、接合部においてボイドの発生を完全に抑えることが難しい。そのため、銅製の配管とアルミニウム製の冷却部材とがろう付けされている場合には、異種金属接触により腐食することがある。また、一般に、ろう付けは加工及び設備に多額の費用を要する。

　そこで、ろう付けよりもコストを抑えて配管と冷却部材とを接合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の冷却装置は、冷却部材の溝に配管が挿入された後、冷却部材の表面及び挿入された配管をコーティング材で被覆することで、周囲の大気を遮断し、腐食を防止する。

特許第４７３７２７２号公報

　特許文献１に開示されている接合方式は、ろう付けに比べてコストを低減することができる。しかしながら、配管が挿入された冷却部材の表面をコーティング材で覆っても、溝の内部に隙間が生じる。そして、内部に生じた隙間により、伝熱抵抗が増加して冷却能力を十分に発揮できない場合がある。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷却能力を向上させることができる冷却装置及び冷却装置の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明に係る冷却装置は、流体が流れる配管と、一面に前記配管が設置され、他面に発熱体が取り付けられており、前記配管と前記発熱体との間で熱を伝導する冷却部材と、前記冷却部材の前記一面に設けられ、前記配管の外周に沿って湾曲して前記配管を固定する一対の爪部と、前記一対の爪部の間に設けられているとともに、前記配管と前記一対の爪部との間に前記配管を前記冷却部材へ押圧することにより設けられた流動体からなるコーティング材と、を有する。
　本発明に係る冷却装置の製造方法は、流体が流れる配管と、一面に前記配管が設置され、他面に発熱体が取り付けられており、前記配管と前記発熱体との間で熱を伝導する冷却部材と、前記冷却部材の前記一面に設けられ、前記配管を固定する一対の爪部と、前記一対の爪部の間に設けられているとともに、前記配管と前記一対の爪部との間に設けられた流動体からなるコーティング材と、を備えた冷却装置の製造方法において、前記一対の爪部の間に、前記コーティング材を塗布する工程と、前記コーティング材が塗布された前記一対の爪部の間に、前記配管を前記冷却部材へ押圧し、前記配管の外周に前記コーティング材を回り込ませる工程と、前記一対の爪部を前記配管に沿って曲げ、前記コーティング材を介して前記冷却部材に前記配管を固定する工程と、を有する。

　本発明の冷却装置及び冷却装置の製造方法によれば、配管と一対の爪部との間にコーティング材が隙間なく充填されるため、空気層の形成が抑制され、伝熱抵抗を低減して冷却能力を発揮することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置１が冷媒回路に設置された状態を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態１に係る冷却装置１の制御装置カバー１０１に取り付けられた状態を示す平面図である。図２のＡ－Ａ断面を示す断面斜視図である。本発明の実施の形態１に係る冷却部材２０の成形前のブロック２０ａを示す説明図である。本発明の実施の形態１に係るコーティング材３０の塗布工程を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る配管１０の設置工程における押圧前の状態を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る配管１０の設置工程における押圧後の状態を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る冷却装置１のカシメ工程前の状態を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る冷却装置１のカシメ工程後の状態を示す説明図である。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１が冷媒回路に設置された状態を示す冷媒回路図である。空調機４００は、熱源ユニット２００及び複数の負荷ユニット３００を有する。熱源ユニット２００は、圧縮機２１１と、流路切替装置２１２と、熱源側熱交換器２１３と、を備える。さらに熱源ユニット２００は、制御装置１００と、制御装置１００の発熱体１１０の温度を検出する温度センサ１２０とを有する。

　圧縮機２１１は、冷媒を圧縮して吐出させるものである。流路切替装置２１２は、例えば四方弁等で構成され、冷房運転と暖房運転とで冷媒流路を切り替える。熱源側熱交換器２１３は、圧縮機２１１から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行うものであり、冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時には蒸発器として機能する。

　負荷ユニット３００は、負荷側絞り装置３０１及び負荷側熱交換器３０２を有する。なお、図１では、１台の熱源ユニット２００に対して２台の負荷ユニット３００が接続されているが、３台以上又は１台の負荷ユニット３００が接続されていてもよい。負荷側絞り装置３０１は、例えば電子式膨張弁又は毛細管等で構成され、熱源側熱交換器２１３から流入する冷媒を減圧して膨張させる。負荷側熱交換器３０２は、負荷側絞り装置３０１で減圧された冷媒と空気との間で熱交換を行うものであり、冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する。

　そして、圧縮機２１１と、流路切替装置２１２と、熱源側熱交換器２１３と、負荷側絞り装置３０１と、負荷側熱交換器３０２とは、冷媒配管により接続されて冷媒回路の主回路２１０を構成している。冷媒としては、例えば、水、フルオロカーボン、アンモニア又は二酸化炭素等が使用される。

　熱源ユニット２００は、制御装置の発熱体１１０を、冷媒を用いて冷却するためのバイパス回路２２０を備える。バイパス回路２２０は、予冷熱交換器２２２と、流量調整装置２２３と、冷却装置１とを有する。予冷熱交換器２２２は、熱源側熱交換器２１３と一体に構成されており、熱源側熱交換器２１３の一部が予冷熱交換器２２２として用いられる。予冷熱交換器２２２は、主回路２１０から分岐して流入する冷媒を冷却する。流量調整装置２２３は、開度が可変な電子式膨張弁等で構成され、予冷熱交換器２２２で冷却された冷媒を減圧して膨張させる。冷却装置１は、流量調整装置２２３で減圧された冷媒の冷熱により、制御装置１００の発熱体１１０を冷却する。

　バイパス回路２２０において、予冷熱交換器２２２と、流量調整装置２２３と、冷却装置１とは、バイパス配管２２１により接続される。バイパス配管２２１は、圧縮機２１１と流路切替装置２１２との間の高圧配管４０１から分岐し、圧縮機２１１の吸入側の低圧配管４０２に接続される。なお、図１では、冷却装置１の入口側に流量調整装置２２３が設けられているが、流量調整装置２２３は冷却装置１の出口側に設けられてもよい。流量調整装置２２３が冷却装置１の入口側に設けられる場合、予冷熱交換器２２２で冷却された冷媒は、流量調整装置２２３において減圧され、さらに温度が低下した状態で冷却装置１に流入する。

　制御装置１００は、圧縮機２１１の周波数、流路切替装置２１２の切り替え、負荷側絞り装置３０１の開度及び流量調整装置２２３の開度を制御する。制御装置１００は、温度センサ１２０から温度情報を取得し、発熱体１１０の温度が上限温度以上である場合に流量調整装置２２３を開き、発熱体１１０の温度が下限温度以下である場合に流量調整装置２２３を閉じるように制御する。

　圧縮機２１１から吐出された高圧ガス冷媒は、主回路２１０を流れ、負荷ユニット３００において空気と熱交換することで冷房又は暖房を行う。発熱体１１０の温度が、上限温度以上に上昇すると、制御装置１００は流量調整装置２２３を開くように制御し、圧縮機２１１から吐出された高圧ガス冷媒の一部がバイパス配管２２１に流入する。

　バイパス配管２２１に流入した高圧ガス冷媒は、予冷熱交換器２２２で冷却されて液冷媒となり、流量調整装置２２３で減圧され、冷却装置１に流入する。冷却装置１に流入した液冷媒は、発熱体１１０で発生した熱を吸収し、ガス冷媒となってバイパス配管２２１へ流出する。冷却装置１から流出したガス冷媒は、バイパス配管２２１を通って圧縮機２１１に吸入される。このとき、制御装置１００は、発熱体１１０の温度が上限温度以上である場合には、バイパス回路２２０に冷媒を流入させ発熱体１１０の冷却を行い、発熱体１１０の温度が下限温度以下である場合には、バイパス回路２２０への冷媒の流入を閉止する。

　図２は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１の制御装置カバー１０１に取り付けられた状態を示す平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面を示す断面斜視図である。図２及び図３に基づき、冷却装置１の構成について詳しく説明する。冷却装置１は、制御装置１００の制御装置カバー１０１に設置されており、発熱する発熱体１１０を冷却する。ここで、発熱体１１０は、制御装置１００を構成する複数の電装部品のうち、例えばパワーモジュール等のような発熱する電装部品である。

　冷却装置１は、配管１０と、冷却部材２０と、コーティング材３０等とを有する。配管１０は、伝熱性のアルミニウム又は銅等で構成される。配管１０は例えば円管であり、曲管部を有するＵ字状に形成され、一端側に設けられた流入口１１と、他端側に設けられた流出口１２とを有する。配管１０には、流入口１１から流出口１２に向かって矢印Ｒ方向に冷媒が流れる。なお、配管１０は、上述したＵ字状のものに限定されず、例えば、直線状の配管、複数の曲管部が形成されるように蛇行した配管、あるいは流入口１１と流出口１２との間で複数の枝管に分岐した配管であってもよい。

　冷却部材２０は、一面２１に配管１０が設置されており、他面２２に発熱体１１０が取り付けられる。冷却部材２０は、例えばアルミニウム又は銅等の伝熱性の部材からなり、配管１０と発熱体１１０との間で熱を伝導する。特に、冷却部材２０がアルミニウムからなる場合には加工がし易い。図２には、制御装置カバー１０１に複数の冷却部材２０が設置された場合が示されているが、冷却部材２０は一続きの部材であってもよい。

　冷却部材２０の一面２１には、配管１０を固定する一対の爪部２３が、例えば一体成型等により設けられている。図３に示されるように、一対の爪部２３は、冷却部材２０の一面２１につながる基端部２４から突出した形状を有し、配管１０に沿って湾曲している。また、冷却部材２０の一面２１には、一対の爪部２３の間に、配管１０を設置するための設置凹部２７が設けられている。そして、一対の爪部２３の内面２６と設置凹部２７とが配管１０に接合する。配管１０は、図２のように冷却部材２０上の全ての領域で接合されていてもよく、あるいは一部の領域だけで接合されていてもよい。

　コーティング材３０は、配管１０と冷却部材２０との間に設けられ、配管１０と冷却部材２０との隙間を塞いでいる。コーティング材３０は、例えばシリコン材のような流動体であり、熱伝導性が良く、流動性があり気泡を生じにくい材料からなる。シリコン材は、冷媒温度の使用範囲（例えば、１２０℃～－３０℃）を十分に満たす耐熱性及び耐寒性を有しているため、コーティング材３０として適している。配管１０と冷却部材２０とがコーティング材３０を介して接合していることにより、配管１０と冷却部材２０との間の隙間を無くすことができ、伝熱抵抗を低減するとともに、外気及び水分の侵入を防止することができる。

　コーティング材３０は、一対の爪部２３の先端部２５間の隙間Ｇにも設けられている。コーティング材３０が、隙間Ｇに設けられていない場合には、隙間Ｇにおいて配管１０が露出する。このため、水分を介して配管１０と冷却部材２０とが電気的に接続され、腐食する場合がある。一方、図３に示されるように、コーティング材３０が配管１０の外周を全て覆う場合には、コーティング材３０により配管１０と冷却部材２０とが電気的に絶縁され、腐食が抑制される。

　次に、冷却装置１の製造方法について説明する。冷却装置１は、冷却部材２０の成形工程と、冷却部材２０と配管１０との接合工程とにより製造される。接合工程は、コーティング材３０の塗布工程と、配管１０の設置工程と、冷却部材２０と配管１０とのカシメ工程とを備える。

　図４は、本発明の実施の形態１に係る冷却部材２０の成形前のブロック２０ａを示す説明図である。図５は、本発明の実施の形態１に係るコーティング材３０の塗布工程を示す説明図である。冷却部材２０の成形工程では、アルミニウム等のブロック２０ａから、矢印Ｆ１方向への押し出し加工等により、図５に示されるような冷却プレート２０ｂが成形される。成形後の冷却プレート２０ｂには、設置凹部２７及び一対の爪部２３ｂが形成されている。図５に示されるように、冷却プレート２０ｂにおいて、一対の爪部２３ｂは、矢印Ｚ方向に突出するように基端部２４から先端部２５までが直線状に形成されている。

　塗布工程では、一対の爪部２３ｂの間に、コーティング材３０ａが塗布される。具体的には、設置凹部２７に設定量のコーティング材３０ａが塗布される。このとき、コーティング材３０ａは、一対の爪部２３ｂの内面２６ｂ全体に塗布されている必要はなく、爪部２３ｂの基端部２４側の高さＨ１まで塗布されていればよい。ここで、塗布されるコーティング材３０ａの設定量は、コーティング材３０が配管１０の外周に沿って回り込み、配管１０の外周全体を覆うように設定されている。

　図６は、本発明の実施の形態１に係る配管１０の設置工程における押圧前の状態を示す説明図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る配管１０の設置工程における押圧後の状態を示す説明図である。設置工程において、図６に示されるように、配管１０は、一対の爪部２３ｂの間に設けられた設置凹部２７に設置される。そして、図７に示されるように、矢印Ｆ２方向に配管１０に圧力がかかり、配管１０は、設置凹部２７の最下部２８に向かって押し付けられる。このとき、設置凹部２７にはコーティング材３０ａが塗布されているため、配管１０と設置凹部２７の最下部２８との隙間が狭くなる。そのため、設置凹部２７の余剰のコーティング材３０ａが配管１０の外周に沿って流動し、コーティング材３０ａの高さＨ１よりも上方の高さＨ２まで回りこむ。

　図８は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１のカシメ工程前の状態を示す説明図である。図９は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１のカシメ工程後の状態を示す説明図である。カシメ工程において、直線状の一対の爪部２３ｂが曲げ加工され、配管１０をカシメる。一対の爪部２３ｂの曲げ加工には、例えば、図８に示されるような曲げ治具５０が使用される。曲げ治具５０は、一対の爪部２３ｂと接触する接触面５１の断面形状が円弧形状を有している。

　カシメ工程において、冷却プレート２０ｂに、矢印Ｆ３方向に曲げ治具５０がプレスされると、一対の爪部２３ｂは、先端部２５が互いに近づくよう内面２６側へ曲げられる。そして、図９に示されるように、一対の爪部２３ｂは配管１０の外周に沿った形状となる。曲げ治具５０がプレスされる際、コーティング材３０ｂは、配管１０の外周に沿って流動し、設置工程後のコーティング材３０ｂの高さＨ２よりも上方の高さＨ３まで回り込む。

　ここで、一対の爪部２３ｂの合計の長さは、先端部２５同士が接触せず、隙間Ｇができるように設定されている。例えば、設置凹部２７が配管１０の外周の半分の長さを有している場合、一対の爪部２３ｂの合計の長さは、配管１０の外周の半分の長さよりも短い。隙間Ｇが形成されることにより、カシメ工程において、配管１０から設置凹部２７の最下部２８へ押圧する力が軽減され、最下部２８において配管１０と冷却部材２０との間のコーティング材３０が流動することが抑制される。そのため、最下部２８においても、配管１０と冷却部材２０との間に確実にコーティング材３０を介在させることができる。また、隙間Ｇが設けられることにより、設置工程において高さＨ２まで流動したコーティング材３０ｂが、カシメ工程において、さらに配管１０の上部まで流動し易くなる。

　以上のように、実施の形態１において、冷却装置１及び冷却装置の製造方法によれば、一対の爪部２３の間及び一対の爪部２３と配管１０との間には、流動するコーティング材３０が隙間無く充填され、空気層の形成が抑制される。また、配管１０の設置工程において、配管１０が冷却部材２０へ押し付けられるため、配管１０の外周に沿ってコーティング材３０を流動させることができる。これにより、従来のように配管が冷却部材に挿入された状態でコーティング材が塗布された冷却装置とは異なり、配管１０と冷却部材２０とをコーティング材３０により完全に遮断し接合することができる。したがって、伝熱抵抗を低減して冷却能力を発揮することができる。

　また、冷却装置１は、冷却部材２０の一面２１において一対の爪部２３の間に形成され、配管１０の外周の形状を有する設置凹部２７をさらに有する。これにより、冷却部材２０上に配管１０を安定して設置することができ、また、熱伝導面積を大きくして発熱体１１０を冷却する効率を高めることができる。

　また、一対の爪部２３の互いの先端部２５の間には、隙間Ｇが設けられている。これにより、製造時において、設置凹部２７の最下部２８の位置のコーティング材３０が無くなるのを防止することができる。

　また、コーティング材３０は、隙間Ｇにわたり設けられている。これにより、配管１０と一対の爪部２３とが水を介して電気的に接続することを確実に回避することができ、腐食を防止することができる。

　また、配管１０と冷却部材２０とが異なる金属からなる場合であっても、冷却装置１は、配管１０と冷却部材２０との間の空気層の形成を回避することができる。これにより、例えば銅製の配管１０とアルミニウム製の冷却部材２０とからなる冷却装置１においても、配管１０と冷却部材２０との境界において異種金属接触による腐食を抑制することができ、汎用性を高めることができる。

　なお、本発明の実施の形態は上記実施の形態に限定されず、種々変更を行うことができる。例えば、冷却装置１が空調機４００に設置される場合について説明したが、発熱体１１０を有するものであれば、どのような装置に設置されてもよい。また、冷却装置１は冷媒回路の冷媒により冷却を行うものとして説明したが、発熱体１１０を冷却することができるものであれば、冷媒以外の流体が用いられてもよい。

　また、冷却部材２０が一続きの部材で構成される場合には、冷却部材２０に、冷却部材２０と配管１０とが接合した接合領域と、冷却部材２０と配管１０とが離れた非接合領域とを形成するとよい。この場合、非接合領域は、設置凹部２７よりも深い凹部からなる。そして、発熱体１１０が接合領域の他面２２側に取り付けられる場合には、発熱体１１０を冷却する際に、発熱体１１０の周辺が過度に冷却され結露が生じること等を防止できる。

　また、実施の形態において、配管１０の断面が円形状であり、曲げ治具５０の接触面５１の断面が円弧形状である場合について説明したが、配管１０及び曲げ治具５０の形状はこれに限定されない。曲げ治具５０は、配管１０の形状に沿って爪部２３ｂを曲げ加工できるものであれば、どのような形状であってもよい。

　１　冷却装置、１０　配管、１１　流入口、１２　流出口、２０　冷却部材、２０ａ　ブロック、２０ｂ　冷却プレート、２１　一面、２２　他面、２３，２３ｂ　爪部、２４　基端部、２５　先端部、２６，２６ｂ　内面、２７　設置凹部、２８　最下部、３０，３０ａ，３０ｂ　コーティング材、５０　曲げ治具、５１　接触面、１００　制御装置、１０１　制御装置カバー、１１０　発熱体、１２０　温度センサ、２００　熱源ユニット、２１０　主回路、２１１　圧縮機、２１２　流路切替装置、２１３　熱源側熱交換器、２２０　バイパス回路、２２１　バイパス配管、２２２　予冷熱交換器、２２３　流量調整装置、３００　負荷ユニット、３０１　負荷側絞り装置、３０２　負荷側熱交換器、４００　空調機、４０１　高圧配管、４０２　低圧配管、Ｇ　隙間、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３　高さ。

Claims

　流体が流れる配管と、
　一面に前記配管が設置され、他面に発熱体が取り付けられており、前記配管と前記発熱体との間で熱を伝導する冷却部材と、
　前記冷却部材の前記一面に設けられ、前記配管の外周に沿って湾曲して前記配管を固定する一対の爪部と、
　前記一対の爪部の間に設けられているとともに、前記配管と前記一対の爪部との間に前記配管を前記冷却部材へ押圧することにより設けられた流動体からなるコーティング材と、
　を有する冷却装置。
　前記冷却部材の前記一面において前記一対の爪部の間に形成され、前記配管の外周の形状を有する設置凹部をさらに有する
　請求項１に記載の冷却装置。
　前記一対の爪部の互いの先端部の間には、隙間が設けられている
　請求項１又は２に記載の冷却装置。
　前記コーティング材は、前記隙間にわたり設けられている
　請求項３に記載の冷却装置。
　前記配管と前記冷却部材とは、異なる金属からなる
　請求項１～４のいずれか一項に記載の冷却装置。
　流体が流れる配管と、一面に前記配管が設置され、他面に発熱体が取り付けられており、前記配管と前記発熱体との間で熱を伝導する冷却部材と、前記冷却部材の前記一面に設けられ、前記配管を固定する一対の爪部と、前記一対の爪部の間に設けられているとともに、前記配管と前記一対の爪部との間に設けられた流動体からなるコーティング材と、を備えた冷却装置の製造方法において、
　前記一対の爪部の間に、前記コーティング材を塗布する工程と、
　前記コーティング材が塗布された前記一対の爪部の間に、前記配管を前記冷却部材へ押圧し、前記配管の外周に前記コーティング材を回り込ませる工程と、
　前記一対の爪部を前記配管に沿って曲げ、前記コーティング材を介して前記冷却部材に前記配管を固定する工程と、
　を有する冷却装置の製造方法。
　前記冷却部材に前記配管を固定する工程では、前記一対の爪部を前記配管に沿って曲げることにより、前記コーティング材が前記配管の外周に沿って流動する
　請求項６に記載の冷却装置の製造方法。