WO2020196330A1 - 冷却構造体 - Google Patents

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WO2020196330A1
WO2020196330A1 PCT/JP2020/012482 JP2020012482W WO2020196330A1 WO 2020196330 A1 WO2020196330 A1 WO 2020196330A1 JP 2020012482 W JP2020012482 W JP 2020012482W WO 2020196330 A1 WO2020196330 A1 WO 2020196330A1
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cooling
flow path
wall
cooling structure
resin
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PCT/JP2020/012482
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広明 庄田
孝宏 山下
藤澤　和武
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日立化成株式会社
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    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits

Definitions

  • This disclosure relates to a cooling structure.
  • Vehicles equipped with a motor such as a hybrid vehicle and an electric vehicle, are equipped with a driving means for driving the motor.
  • the drive means includes a power module including a plurality of power semiconductors such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), electronic components such as capacitors, and a bus bar that electrically joins these electronic components.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • capacitors capacitors
  • bus bar that electrically joins these electronic components.
  • a metal heat sink such as aluminum or copper is used because of its high thermal conductivity (see, for example, Patent Document 1).
  • One form of the present disclosure has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a resin cooling structure having excellent cooling efficiency and high strength.
  • a resin flow path forming member that forms a flow path through which the refrigerant flows, and A cooling fin extending from the inner wall of the flow path toward the inside of the flow path and having a resin tip at least on the surface in contact with the inner wall.
  • a cooling structure comprising.
  • the cooling fins are provided in a region where the shape of the inner wall of the flow path is substantially rectangular when observing a cross section of the flow path orthogonal to the direction in which the refrigerant flows, and the shape is substantially rectangular.
  • the cooling structure according to ⁇ 1> which extends from one inner wall of the pair of facing inner walls to the other inner wall and contacts the other inner wall.
  • ⁇ 3> The description in ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein a concave recess is provided at a position on the inner wall of the flow path where the tip of the cooling fin contacts, and the tip of the cooling fin fits into the recess.
  • ⁇ 5> The cooling structure according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein the cooled body is arranged at the root of the cooling fin.
  • ⁇ 6> The cooling structure according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>, which includes a plurality of the cooling fins and the extending directions of the plurality of cooling fins are all substantially parallel.
  • ⁇ 7> The cooling structure according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, wherein a metal layer is provided on at least a part of the outer wall of the flow path forming member.
  • ⁇ 8> The cooling structure according to ⁇ 7>, wherein the metal layer is a metal sprayed layer.
  • the cooling structure of the present disclosure is a resin flow path forming member that forms a flow path through which a refrigerant flows, and extends from the inner wall of the flow path toward the inside of the flow path, and the tip of the cooling structure comes into contact with the inner wall. It includes at least a cooling fin whose surface is made of resin.
  • the cooling structure of the present disclosure has excellent cooling efficiency and high strength.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of the cooling structure 10 according to the first embodiment.
  • cooling fins are provided in a region where the shape of the inner wall of the flow path becomes substantially rectangular when observing a cross section orthogonal to the direction in which the refrigerant flows in the flow path.
  • a cooling fin extends from one inner wall of a pair of opposing inner walls in a substantially rectangular inner wall toward the other inner wall, and the cooling fins come into contact with the other inner wall.
  • the cross-sectional shape of the flow path at the location where the cooling fins of the cooling structure are provided is not particularly limited, and may be substantially rectangular, and is a polygonal shape other than a circle, an ellipse, and a rectangle. It may have a shape other than a substantially rectangular shape such as.
  • the cross-sectional shape of the flow path other than the portion where the cooling fin of the cooling structure is provided is not particularly limited.
  • the cooling structure 10 shown in FIG. 1 includes a resin flow path forming member 14 that forms a flow path 12 through which a refrigerant having a substantially rectangular cross section flows.
  • the flow path 12 includes an upper inner wall 16 corresponding to one inner wall of a pair of facing inner walls, a lower inner wall 18 corresponding to the other inner wall, and a side inner wall 20 connecting the upper inner wall 16 and the lower inner wall 18. It is configured to be surrounded by a side inner wall 22.
  • the cooling fin 24 is made of resin like the flow path forming member 14. In FIG. 1, a part of the cooling fins 24 is shown by a dotted line.
  • the extending directions of the plurality of cooling fins 24 are all substantially parallel. By making the extending directions of the plurality of cooling fins 24 substantially parallel, it becomes easy to pull out the cooling fins 24 from the mold when the flow path forming member 14 including the cooling fins 24 is manufactured by using the mold. Therefore, it becomes easy to manufacture the flow path forming member 14 provided with the cooling fins 24 using the mold.
  • the nut 30 has a nut body 32 and a heat diffusion portion 34 provided on the side opposite to the side where the bolt 28 of the nut body 32 is inserted.
  • the heat diffusion portion 34 is formed as a quadrangular plate and is integrated with the nut body 32.
  • the bus bar 26 is connected to an electronic component (not shown) such as a power semiconductor or a capacitor.
  • the entire heat diffusion portion 34 of the nut 30 and the portion of the nut body 32 opposite to the side where the bolt 28 is inserted are embedded in the flow path forming member 14.
  • the heat diffusion portion 34 is not limited to the configuration embedded in the flow path forming member 14, but is joined to the flow path forming member 14, for example, the outer wall of the flow path forming member 14. You may.
  • the heat diffusion portion 34 may be joined to the flow path forming member 14 by using the resin metal joining technique by laser roughening.
  • FIG. 2 is a view of the region where the cooling fins 24 are provided in the cooling structure 10 of FIG. 1 as viewed from the insertion direction of the bolt 28.
  • the description of the bus bar 26 and the like is omitted in FIG.
  • the heat diffusion portion 34 is represented by a two-dot chain line so that the positional relationship between the cooling fin 24 and the heat diffusion portion 34 can be easily understood.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. In FIG. 2, the number of cooling fins 24 is seven, and the cooling fins 24 are provided within the range in which the heat diffusion portion 34 is arranged.
  • bus bar 26 when a current flows through the bus bar 26, the bus bar 26 itself generates heat due to resistance loss. Further, the bus bar 26 is connected to an electronic component (not shown), and heat generated from these electronic components is diffused through the bus bar 26 by energization. Therefore, the bus bar 26 tends to be in a high temperature state.
  • the heat generated from the bus bar 26 itself and the heat diffused through the bus bar 26 are transferred to the portion integrated with the nut body of the heat diffusion unit 34 via the bolt 28 and the nut body 32. Since the heat diffusion portion 34 is a quadrangular plate, the heat transferred to the heat diffusion portion 34 is diffused in the surface direction of the heat diffusion portion 34, and the heat can be diffused over a wide range.
  • the heat diffusion portion 34 is arranged at the root portion of the cooling fin 24, and the heat diffused to the heat diffusion portion 34 reaches the root portion of the cooling fin 24.
  • the heat that has reached the root of the cooling fin 24 is transferred from the root of the cooling fin 24 toward the lower inner wall 18 through the cooling fin 24.
  • heat is transferred from the cooling fins 24 to the refrigerant by the refrigerant flowing through the flow path 12. In this way, the object to be cooled such as the bus bar 26 is cooled.
  • the cooling fins 24 extend from the upper inner wall 16 toward the lower inner wall 18, and the cooling fins 24 are in contact with the lower inner wall 18. For example, when the cooling fin 24 does not reach the lower inner wall 18, the refrigerant flowing between the tip of the cooling fin 24 and the lower inner wall 18 passes through without contacting the cooling fin 24. The refrigerant passing through without contacting the cooling fins 24 does not contribute to the cooling of the cooling fins 24. The amount of the refrigerant that does not touch the cooling fins 24 can be reduced in the cooling structure 10 as compared with the case where the tip of the cooling fins 24 does not come into contact with the lower inner wall 18. Therefore, the cooling efficiency of the cooling structure 10 is high.
  • the cooling fins 24 are in contact with the lower inner wall 18, the cooling is particularly performed when a load is applied from the upper inner wall 16 toward the lower inner wall 18 (or from the lower inner wall 18 toward the upper inner wall 16). It is possible to increase the strength of the structure 10.
  • the area of the observed portion of the cooling fins 24 in the area of the flow path 12 determines the cooling efficiency. From the viewpoint of improvement, it is preferably 30% or more, and more preferably 70% or more.
  • the minimum distance h from the surface of the heat diffusion portion 34 on the flow path 12 side to the inner wall of the flow path forming member 14 is preferably 0.3 mm or more from the viewpoint of insulation, and from the viewpoint of moldability. It is more preferably 0.5 mm or more, and further preferably 1.5 mm or more. Further, the above-mentioned minimum distance h is preferably 2.5 mm or less from the viewpoint of cooling efficiency.
  • the surface of the cooling fin 24 may be at least made of resin, the entire cooling fin 24 may be made of resin, or the cooling fin 24 may include a metal rod-shaped core material.
  • the cooling fin 24 contains a rod-shaped core material, it is preferable that the entire surface of the metal core material is covered with resin from the viewpoint of suppressing corrosion and the like.
  • One end of the core material may be connected to the heat diffusion unit 34 from the viewpoint of improving the cooling efficiency.
  • the tip of the cooling fin 24 has a flat shape orthogonal to the extending direction of the cooling fin 24, but the shape of the tip of the cooling fin 24 is not particularly limited and is hemispherical or conical. , Pyramid shape, etc.
  • Examples of the body to be cooled include electronic components such as power semiconductors and capacitors in addition to the bus bar 26.
  • electronic components such as power semiconductors and capacitors in addition to the bus bar 26.
  • cooling fins may be provided at a position where the electronic component of the cooling structure is arranged.
  • the positional relationship between the cooling fins 24 and the heat diffusion portion 34 in the cooling structure 10 is not particularly limited.
  • the cooling fins 24 may be arranged along the direction orthogonal to the direction in which the refrigerant flows in the flow path 12. Further, the cooling fins 24 may be arranged at a position outside the range where the heat diffusion unit 34 is arranged.
  • FIG. 4 is an end view showing a main part of the cooling structure 11 according to the second embodiment.
  • a concave recess 36 is provided at a position where the cooling fins 24 come into contact with the lower inner wall 18.
  • the tip of the cooling fin 24 is fitted in the recess 36.
  • the tip of the cooling fin 24 is flattened perpendicular to the extending direction of the cooling fin 24, and the bottom surface of the recess 36 is parallel to the lower inner wall 18.
  • the recess 36 may be concave having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the tip of the cooling fin 24.
  • FIG. 5 is an end view showing a main part of the cooling structure 38 according to the third embodiment.
  • the cooling fins are provided in a region where the shape of the inner wall of the flow path becomes circular when observing a cross section orthogonal to the direction in which the refrigerant flows in the flow path. Cooling fins extend from the circular inner wall toward the inside of the flow path, and the tips of the cooling fins are in contact with the inner wall.
  • the cooling structure 38 shown in FIG. 5 includes a resin flow path forming member 14 that forms a flow path 12 through which a refrigerant having a circular cross section flows.
  • the cooling fin 24 extends from the upper part of the cylindrical inner wall 40 constituting the flow path 12 toward the inside of the flow path 12, and the tip of the cooling fin 24 comes into contact with the lower part of the inner wall 40 in the drawing.
  • a bus bar 26, which is a body to be cooled, is fixed to the root of the cooling fin 24 with bolts 28 and nuts 30.
  • the nut 30 has a nut body 32 and a heat diffusion portion 42 provided on the side opposite to the side where the bolt 28 of the nut body 32 is inserted. Unlike the heat diffusion portion 34 shown in FIG. 1, the heat diffusion portion 42 is curved along the shape of the cylindrical inner wall 40 and is integrated with the nut body 32.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main part of the cooling structure 44 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6 shows a cross section of the flow path forming member 14 in the cooling structure 44 parallel to the flow direction of the refrigerant.
  • the description of the cooling fin is omitted.
  • the power semiconductor 46 which is a cooled body, is in contact with the flow path forming member 14 via the metal layer 48 provided on the outer wall of the flow path forming member 14.
  • a bus bar 26 is connected to the power semiconductor 46 to ensure continuity with other power semiconductors and other electrical components (not shown).
  • Cooling fins are extended from the upper inner wall 16 to the lower inner wall 18 at a position where the flow path forming member 14 comes into contact with the power semiconductor 46. That is, the power semiconductor 46 is arranged at the root of the cooling fin (not shown). The heat generated from the power semiconductor 46 reaches the outer wall of the flow path forming member 14 via the metal layer 48, and the heat that reaches the root of the cooling fin (not shown) passes through the cooling fin from the root to the lower part of the cooling fin. Move towards the inner wall 18. At this time, heat is transferred from the cooling fins to the refrigerant by the refrigerant flowing through the flow path 12. Since the power semiconductor 46 comes into contact with the flow path forming member 14 via the metal layer 48, the heat generated from the power semiconductor 46 can be efficiently transferred to the cooling fins, and the cooling efficiency is improved.
  • the metal layer 48 can shield a magnetic field in a low frequency region (particularly, a radio band) generated from the power semiconductor 46. Therefore, it is effective from the viewpoint of magnetic field shielding to provide the metal layer 48 on the outer wall of the flow path forming member 14.
  • the metal layer 48 may be provided on at least a part of the outer wall of the flow path forming member 14. Since the metal layer 48 is conductive, it is not necessary to provide the metal layer 48 at a place where insulation is required. Further, the metal layer 48 may be formed on the outer wall of the flow path forming member 14, and the portion where insulation is required may be covered with the resin layer.
  • the metal layer 48 is preferably provided on the outer wall of the flow path forming member 14 on the side opposite to the side on which the cooled body is arranged.
  • the arrangement of the cooled body in the flow path forming member 14 is provided.
  • a region 50 in which the metal layer 48 is not provided may exist on the outer wall on the side opposite to the side where the metal layer 48 is provided.
  • a region on which the metal layer 48 is not provided may exist on the outer wall on the side opposite to the location where the heat diffusion portion 34 is arranged in FIG.
  • the method for producing the cooling structure of the present disclosure is not particularly limited, and is not particularly limited, and is an injection molding method, a die slide injection molding method, a blow molding method, a compression molding method, a transfer molding method, an extrusion molding method, a casting molding method, etc.
  • the usual molding method of a resin molded product can be adopted.
  • the die slide injection molding method is preferable because high position accuracy may be required for manufacturing the cooling structure. Further, the portion of the nut embedded in the flow path forming member may be separately manufactured by an insert molding method.
  • the type of resin constituting the flow path forming member and the cooling fin is not particularly limited.
  • the resin polyethylene resin, polypropylene resin (PP), composite polypropylene resin (PPC), polyphenylene sulfide resin (PPS), polyphthalamide resin (PPA), polybutylene terephthalate resin (PBT), epoxy Based resin, phenol based resin, polystyrene resin, polyethylene terephthalate resin, polyvinyl alcohol resin, vinyl chloride resin, ionomer resin, polyamide resin, acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer resin (ABS), polycarbonate resin, etc. Can be mentioned.
  • the resin constituting the flow path forming member and the cooling fin may be the same or different.
  • the resin constituting the flow path forming member and the cooling fin may contain an inorganic filler.
  • the inorganic filler include silica, alumina, zircon, magnesium oxide, calcium silicate, calcium carbonate, potassium titanate, silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, beryllium and zirconia.
  • examples of the inorganic filler having a flame-retardant effect include aluminum hydroxide and zinc borate.
  • the inorganic filler contained in the flow path forming member and the resin constituting the cooling fin may be the same or different. Further, one of the resin constituting the flow path forming member and the resin constituting the cooling fin may contain an inorganic filler, and the other may not contain the inorganic filler.
  • Examples of the metal constituting the heat diffusion part include metals such as aluminum, iron, copper, gold, silver and stainless steel, and alloys.
  • the heat diffusion portion is made of mesh, punching metal, etc. from the viewpoint of suppressing the load on the cooling structure due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the resin constituting the flow path forming member and the cooling fin and the metal constituting the heat diffusion portion. There may be.
  • the metal constituting the heat diffusing part is composed of aluminum, iron, copper, gold, silver and stainless steel. At least one of them is selected, and the resin constituting the cooling fin is a group consisting of polyphenylene sulfide resin, polyamide resin, polyphthalamide resin, polybutylene terephthalate resin, phenol resin and epoxy resin. It is preferably at least one of more selected.
  • Preferred polyamide-based resins include nylon 6, nylon 66 and the like.
  • the type of refrigerant flowing through the flow path is not particularly limited.
  • the refrigerant include water, liquids such as organic solvents, and gases such as air.
  • Water used as a refrigerant may contain components such as antifreeze.
  • the components constituting the metal layer 48 are not particularly limited, and zinc, aluminum, zinc-aluminum alloy, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloy, tin, copper, copper alloy, silver, silver alloy, gold, Examples include gold alloys and molybdenum. Among these, silver and copper are preferable from the viewpoint of enhancing the magnetic field shielding effect. On the other hand, from the viewpoint of cooling efficiency, silver and gold are preferable.
  • the method for forming the metal layer 48 is not particularly limited, and examples thereof include electrolytic plating, electroless plating, thin film deposition, sticking of a metal plate, and metal spraying.
  • the metal layer 48 is preferably a metal sprayed layer formed by a metal spraying method from the viewpoint of formability, and zinc is more preferable from the viewpoint of processability.
  • the average thickness of the metal layer 48 is not particularly limited, and is preferably 1 ⁇ m to 2 mm.
  • the average thickness of the metal layer 48 in contact with the power semiconductor 46, which is the object to be cooled is preferably 200 ⁇ m to 2 mm, more preferably 500 ⁇ m to 2 mm, from the viewpoint of cooling efficiency.
  • the average thickness of the metal layer 48 provided on the outer wall of the flow path forming member 14 opposite to the side on which the cooled body is arranged is preferably 1 ⁇ m to 2 mm, more preferably 200 ⁇ m to 2 mm from the viewpoint of magnetic field shielding. , 500 ⁇ m to 2 mm is more preferable.
  • the cooling structure of the present disclosure is effective for cooling a power module having a plurality of power semiconductors, an electronic component such as a capacitor, and a bus bar that electrically joins these electronic components in a vehicle equipped with a motor such as a hybrid vehicle and an electric vehicle. Is.
  • a PPS resin plate having a length of 120 mm, a width of 120 mm, and a thickness of 5 mm was prepared and used as a test piece 1.
  • a metal layer (zinc layer) having an average thickness of 200 ⁇ m was formed on one surface of the test piece 1 by a thermal spraying method. This was designated as test piece 2.
  • an aluminum plate having a length of 120 mm, a width of 120 mm, and a thickness of 500 ⁇ m was used as the test piece 3.
  • the magnetic field shielding performance of the test piece 1, the test piece 2, and the test piece 3 was evaluated by the magnetic field shielding effect evaluation device in the KEC method (500 Hz to 1 GHz) shown below. The obtained results are shown in FIG. As is clear from FIG. 7, according to the test piece 2 and the test piece 3, it can be seen that an excellent magnetic field shielding effect can be obtained as compared with the test piece 1.
  • a water channel model 1 having an outer diameter of 30 mm in width ⁇ 15 mm in length, an inner diameter of 25 mm in width ⁇ 10 mm in length, and a length of 110 mm was formed.
  • a metal layer 48 (zinc layer) having an average thickness of 200 ⁇ m was formed on the upper surface of the outer wall of 110 mm ⁇ 30 mm in the water channel model 1 by a thermal spraying method. This was designated as a waterway model 2.
  • An iron block 52 having a size of 95 mm ⁇ 25 mm ⁇ 15 mm heated to 100 ° C. is shown in FIG.
  • Cooling structure 12 Flow path 14
  • Flow path forming member 16 Upper inner wall 18
  • Lower inner wall 20 Side inner wall 22
  • Cooling fin 26 Bus bar 28
  • Bolt 30 Nut 32
  • Heat diffusion part 36
  • Depression 40 Inner wall 46
  • Power semiconductor 48 Metal layer 50 Area where no metal layer 48 is provided 52

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Abstract

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。

Description

冷却構造体
　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（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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。
　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。
　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、冷却効率に優れ高い強度を有す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、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。
　本開示の一形態によれば、冷却効率に優れ高い強度を有する樹脂製の冷却構造体を提供することができる。
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。 第二実施形態に係る冷却構造体１１の要部を示す端面図である。 第三実施形態に係る冷却構造体３８の要部を示す端面図である。 第四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。 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、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。
　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、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。
　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、下部内壁１８に向けて、下部内壁１８に接触する円筒状の冷却フィン２４が延設されている。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。
　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。
　冷却構造体１０では、冷却フィン２４が上部内壁１６から下部内壁１８に向けて延設されており、下部内壁１８に冷却フィン２４が接触している。例えば、冷却フィン２４が下部内壁１８にまで到達していない場合、冷却フィン２４の先端と下部内壁１８との間を流通する冷媒は冷却フィン２４に接触することなく通過していく。冷却フィン２４に接触することなく通過していく冷媒は、冷却フィン２４の冷却に寄与しない。下部内壁１８に冷却フィン２４の先端が接触してしない場合に比較して、冷却構造体１０では冷却フィン２４に触れない冷媒の量を減少することができる。そのため、冷却構造体１０の冷却効率は高い。また、冷却フィン２４が下部内壁１８に接触しているため、特に、上部内壁１６から下部内壁１８に向けて（又は、下部内壁１８から上部内壁１６に向けて）荷重がかかった際に、冷却構造体１０の強度を高めることが可能となる。
　図１において、流路１２の冷却フィン２４の設けられた領域を冷媒が流通する方向から観察したときに、流路１２の面積に占める冷却フィン２４の観察される部分の面積は、冷却効率を向上する観点から、３０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましい。
　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１１の要部を示す端面図である。
　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。
　図４では、冷却フィン２４の先端が冷却フィン２４の延設方向に直交する平坦状とされ、窪み３６の底面が下部内壁１８と平行とされている。例えば、冷却フィン２４の先端の形状が半球状である場合、窪み３６は、冷却フィン２４の先端の曲率半径よりも大きな曲率半径を有する凹状であってもよい。
　図５は、第三実施形態に係る冷却構造体３８の要部を示す端面図である。
　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。
　図５に示す冷却構造体３８は、断面が円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。
　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は、第四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６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６では、冷却フィンの記載を割愛している。
　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。
　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。
　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の種類は特に限定されるものではない。樹脂としては、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）、ポリカーボネート系樹脂等が挙げられる。流路形成部材及び冷却フィンを構成する樹脂は同じであっても異なっていてもよい。
　流路形成部材及び冷却フィンを構成する樹脂は、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。
　熱拡散部を構成する金属は、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。
　熱拡散部は、流路形成部材及び冷却フィンを構成する樹脂と熱拡散部を構成する金属との熱膨張係数差による冷却構造体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。
　冷却構造体では、熱拡散部の面方向への熱の拡散性及び冷却フィンの放熱性の観点から、熱拡散部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の平均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。
－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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　２０１９年３月２２日に出願された日本国特許出願２０１９－５５６９１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、１１、３８、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、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 (8)

  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請求項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請求項１又は請求項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％以上である請求項１～請求項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請求項１～請求項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請求項１～請求項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請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の冷却構造体。
  8. 　前記金属層が、金属溶射層である請求項７に記載の冷却構造体。
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