(57)【要約】【課題】発熱体の冷却効率を向上させることができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１０は、発熱体１００が載置される第１面２８を有するヒートシンク１４と、ヒートシンク１４の第１面２８の裏側に位置する第２面３０を冷却する冷媒が流通する冷媒流路２２とを備える。ヒートシンク１４は、第１面２８及び第２面３０の少なくともいずれか一方と鋭角に交差する同一方向に軸線方向を揃えた複数の炭素繊維３６を含む複合材料で構成され、第１面２８及び第２面３０のうち炭素繊維３６の軸線方向と鋭角に交差する面に露出する炭素繊維３６の端面の面積は、炭素繊維３６の横断面積Ｓ０よりも大きい。【選択図】図２
2015192010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が載置される第１面を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前記第１面の裏側に位置する第２面を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、
前記ヒートシンクが設けられて前記冷媒流路を形成するケース部と、
を備え、
前記ヒートシンクは、前記第１面及び前記第２面の少なくともいずれか一方と鋭角に交差する同一方向に軸線方向を揃えた複数の炭素繊維を含む複合材料で構成され、
前記第１面及び前記第２面のうち前記炭素繊維の軸線方向と鋭角に交差する面に露出する前記炭素繊維の端面の面積は、前記炭素繊維の横断面積よりも大きい、
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、
各前記炭素繊維の軸線方向は、前記第１面に対して直交すると共に前記第２面に対して鋭角に交差する方向であることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載の冷却装置において、
前記ヒートシンクには、前記第１面の裏側に向けて突出する断面三角形状の凸部が形成され、
前記第２面は、前記凸部の傾斜面を含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１記載の冷却装置において、
各前記炭素繊維の軸線方向は、前記第１面及び前記第２面の両方に対して鋭角に交差する方向であることを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
請求項４記載の冷却装置において、
前記第１面と前記第２面は、互いに平行な平坦面であることを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を冷却するヒートシンクを備える冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気部品等の発熱体を冷却するヒートシンクが広汎に利用されている。例えば、特許文献１には、炭素繊維及び金属の複合材料で構成したヒートシンクにおいて、炭素繊維の軸線方向を同一方向に揃えることにより炭素繊維の軸線方向に沿ったヒートシンクの熱伝導率を高める技術的思想が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４５５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１のようなヒートシンクにおいて、発熱体が載置される第１面とその裏側に位置して冷媒に接触する第２面とに直交する方向に炭素繊維の軸線方向を揃えることにより、発熱体を冷却することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、例えば、電動車両に搭載されるコンバータ（電力変換器）等では、高電圧・高電流化が要求されており、半導体素子等の発熱体のさらなる高水準の冷却が希求されている。
【０００６】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、発熱体の冷却効率を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷却装置は、発熱体が載置される第１面を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクの前記第１面の裏側に位置する第２面を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、前記ヒートシンクが設けられて前記冷媒流路を形成するケース部と、を備え、前記ヒートシンクは、前記第１面及び前記第２面の少なくともいずれか一方と鋭角に交差する同一方向に軸線方向を揃えた複数の炭素繊維を含む複合材料で構成され、前記第１面及び前記第２面のうち前記炭素繊維の軸線方向と鋭角に交差する面に露出する前記炭素繊維の端面の面積は、前記炭素繊維の横断面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る冷却装置によれば、発熱体の熱は第１面に露出する炭素繊維の一端面から軸線方向に沿ってその他端面を介して冷媒まで効率的に伝達される。そして、例えば、第１面が炭素繊維の軸線方向に対して鋭角に交差する場合には、炭素繊維の一端面の面積がその横断面積よりも大きくなるので、発熱体から炭素繊維の一端面への熱伝達を効率的に行うことができる。また、第２面が炭素繊維の軸線方向に対して鋭角に交差する場合には、炭素繊維の他端面の面積がその横断面積よりも大きくなるので、炭素繊維の他端面から冷媒への熱伝達を効率的に行うことができる。よって、発熱体の冷却効率を向上させることができる。
【０００９】
ここで、炭素繊維の横断面積とは、炭素繊維の軸線方向と直交する方向の断面積を言う。
【００１０】
上記の冷却装置において、各前記炭素繊維の軸線方向は、前記第１面に対して直交すると共に前記第２面に対して鋭角に交差する方向であってもよい。
【００１１】
このような構成によれば、各炭素繊維の軸線方向が第１面に対して直交する方向であるので、第１面を基準にこれら炭素繊維の軸線方向を同一方向に容易に揃えることができる。
【００１２】
上記の冷却装置において、前記ヒートシンクには、前記第１面の裏側に向けて突出する断面三角形状の凸部が形成され、前記第２面は、前記凸部の傾斜面を含んでいてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、第２面を各炭素繊維の軸線方向に対して効率的に鋭角に交差させることができる。また、例えば、ヒートシンクを断面四角形状に構成する場合と比較して、第２面と冷媒との接触面積を大きくすることができるので、発熱体の冷却効率をより向上させることができる。
【００１４】
上記の冷却装置において、各前記炭素繊維の軸線方向は、前記第１面及び前記第２面の両方に対して鋭角に交差する方向であってもよい。
【００１５】
このような構成によれば、発熱体の冷却効率を一層向上させることができる。
【００１６】
上記の冷却装置において、前記第１面と前記第２面は、互いに平行な平坦面であってもよい。
【００１７】
このような構成によれば、簡易な構成で各炭素繊維の両端面の面積を横断面積よりも大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る冷却装置によれば、ヒートシンクの第１面及び第２面のうち炭素繊維の軸線方向と鋭角に交差する面に露出する炭素繊維の端面の面積をその横断面積よりも大きくしているので、発熱体の冷却効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷却装置の一部省略分解斜視図である。
【図２】図２Ａは図１に示す冷却装置の横断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すヒートシンクの一部省略拡大断面図である。
【図３】図３Ａは変形例に係るヒートシンクを備えた冷却装置の横断面図であり、図３Ｂは図３Ａに示すヒートシンクの一部省略拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る冷却装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２１】
本実施形態に係る冷却装置１０は、例えば、電気自動車、内燃機関を備えるハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電動車両に搭載され、高電圧・高電流のコンバータ（電力変換器）を構成する複数の半導体素子（スイッチング素子）等の発熱体１００を冷却するものである。電気自動車としては、例えば、特開２０１３−２３３０３７号公報及び特開２０１３−２０８００８号公報に記載されているものが例示される。ただし、冷却装置１０は、任意の発熱体１００の冷却に用いることができることは勿論である。
【００２２】
図１及び図２Ａに示すように、冷却装置１０は、ケース部１２と、複数の発熱体１００が載置される第１面２８を有してケース部１２に設けられるヒートシンク１４とを備える。ケース部１２は、金属又は樹脂等の任意の材料で構成されており、平面視で矩形状の底壁１６と、底壁１６の縁部から立設した側壁１８と、側壁１８の先端部から内側に突出した延出部２０とを有する。
【００２３】
すなわち、ケース部１２には、平面視で矩形状に開口する空間が形成されており、その開口部にヒートシンク１４が嵌合される。そして、ヒートシンク１４の第１面２８の裏側に位置する第２面３０とケース部１２の内面とで所定の冷媒流路２２が形成されている。
【００２４】
側壁１８には、冷媒流路２２に冷媒を導入する複数の導入接続部２４と、冷媒流路２２の冷媒を導出する複数の導出接続部２６とが設けられている。導入接続部２４及び導出接続部２６は、ケース部１２の長手方向に互いに対向している。すなわち、冷媒は、ケース部１２の長手方向に沿って冷媒流路２２を流通する。
【００２５】
本実施形態では、導入接続部２４及び導出接続部２６には、図示しない冷媒循環流路が接続されている。この冷媒循環流路には、冷媒を循環させるポンプと、発熱体１００からの熱伝達により加熱された冷媒を冷却するラジエータ（熱交換器）とが設けられていてもよい。
【００２６】
冷媒は、液体又は気体のいずれであってもよい。液体の冷媒としては、例えば、水が好適に用いられる。この場合、冷却装置１０を低廉化することができる。一方、気体の冷媒としては、例えば、窒素ガス等の不活性ガスが好適に用いられる。この場合、冷媒の発火を防止しつつ冷却装置１０の軽量化を図ることができる。特に、冷却装置１０を電動車両に搭載する際には、冷却装置１０を極力軽量化するのが好ましい。
【００２７】
ヒートシンク１４は、平面視で矩形状に構成されており、接着層２７を介して複数の発熱体１００が載置される第１面（載置面）２８と、第１面２８の裏側に位置して冷媒が接触する第２面（冷却面）３０とを有する。複数の発熱体１００は、ヒートシンク１４の長手方向に並設されている。第１面２８は、平坦に形成されている。これにより、接着層２７を介して第１面２８と発熱体１００とを容易に密着させることができるので、各発熱体１００から第１面２８への熱伝達が効率的に行われる。
【００２８】
ヒートシンク１４には、第１面２８の裏側に向けて突出する断面三角形状の複数の凸部３２が形成されている。これら凸部３２は、ヒートシンク１４の長手方向に沿って延在すると共にその幅方向に連続して並設されている。すなわち、第２面３０は、複数の凸部３２の傾斜面３４を含む。
【００２９】
ヒートシンク１４は、複数の炭素繊維３６を含んだ複合材料により構成されている。このような複合材料としては、例えば、複数の炭素繊維３６と樹脂３８とで構成される炭素繊維強化プラスチック（CFRP：Carbon-Fiber Reinforced Plastic）が好適に用いられる。ただし、複合材料は、ＣＦＲＰに限定されず、例えば、複数の炭素繊維３６と金属とで構成される炭素繊維強化金属であってもよい。ここでいう、炭素繊維３６は、カーボンナノチューブを繊維状に構成したものも含む。
【００３０】
このようなヒートシンク１４は、例えば、第１面２８と直交する同一方向に軸線方向（繊維方向）が揃うように複数の炭素繊維３６を積層した複合材料を略直方体形状に成形し、その成形品の第１面２８の裏面に長手方向に沿った断面三角形状の長溝を幅方向に複数切削加工することにより、製作することができる。このようなヒートシンク１４では、複数の炭素繊維３６の軸線方向（延在方向）に沿った方向の熱伝導率が高くなる。
【００３１】
このように構成されるヒートシンク１４において、各炭素繊維３６は、その一端面が第１面２８に露出すると共にその他端面が第２面３０に露出している。また、複数の炭素繊維３６は、第１面２８に直交する同一方向に軸線方向を揃えて設けられている。すなわち、各炭素繊維３６の軸線方向は、傾斜面３４に対して鋭角に交差する方向（傾斜面３４に対して直交することなく交差する方向）である。
【００３２】
すなわち、図２Ｂに示すように、第１面２８に露出する炭素繊維３６の一端面の面積Ｓ１は炭素繊維３６の横断面積Ｓ０と等しく、第２面３０に露出する炭素繊維３６の他端面の面積Ｓ２は炭素繊維３６の横断面積Ｓ０よりも大きくなる。これにより、各炭素繊維３６の他端面と冷媒との接触面積が比較的広くなるので、炭素繊維３６から冷媒への熱伝達が効率的に行われる。ここで、炭素繊維３６の横断面積Ｓ０とは、炭素繊維３６の軸線方向と直交する方向の断面積を言う。
【００３３】
本実施形態に係る冷却装置１０によれば、発熱体１００の熱は第１面２８に露出する炭素繊維３６の一端面から軸線方向に沿ってその他端面を介して冷媒まで効率的に伝達される。そして、第２面３０の傾斜面３４が炭素繊維３６の軸線方向に対して鋭角に交差しているので、炭素繊維３６の他端面の面積Ｓ２が炭素繊維３６の横断面積Ｓ０よりも大きくなる。そのため、炭素繊維３６の他端面から冷媒への熱伝達を効率的に行うことができる。よって、発熱体１００の冷却効率を向上させることができる。
【００３４】
また、各炭素繊維３６の軸線方向が第１面２８に対して直交する方向であるので、第１面２８を基準にこれら炭素繊維３６の軸線方向を同一方向に容易に揃えることができる。
【００３５】
また、第１面２８の裏側に向けて突出する断面三角形状の凸部３２を形成し、第２面３０がその凸部３２の傾斜面３４を含んでいるので、第２面３０を各炭素繊維３６の軸線方向に対して効率的に鋭角に交差させることができる。さらに、ヒートシンク１４を断面四角形状（例えば、直方体形状）に構成する場合と比較して、第２面３０と冷媒との接触面積を大きくすることができるので、発熱体１００の冷却効率をより向上させることができる。
【００３６】
本実施形態によれば、切削加工により複数の凸部３２を形成しているので、ヒートシンク１４の製作を容易に行うことができる。
【００３７】
本実施形態に係る冷却装置１０は、ヒートシンク１４に換えて図３Ａ及び図３Ｂに示す変形例に係るヒートシンク１４ａを備えていてもよい。このヒートシンク１４ａは、複数の炭素繊維３６ａと樹脂３８ａの複合材料により直方体形状に構成されており、第１面２８ａと平行な平坦な第２面３０ａを有している。また、各炭素繊維３６ａの軸線方向は、第１面２８ａ及び第２面３０ａの両方に対して鋭角に交差する方向となっている。
【００３８】
このような変形例によれば、第１面２８ａに露出する炭素繊維３６ａの一端面の面積Ｓ１ａが炭素繊維３６ａの横断面積Ｓ０よりも大きくなる。そのため、発熱体１００から炭素繊維３６ａへの熱伝達を効率的に行うことができる。また、第２面３０ａに露出する炭素繊維３６ａの他端面の面積Ｓ２ａが炭素繊維３６ａの横断面積Ｓ０よりも大きくなる。そのため、炭素繊維３６ａの他端面から冷媒への熱伝達を効率的に行うことができる。よって、発熱体１００の冷却効率を一層向上させることができる。
【００３９】
さらに、第１面２８ａと第２面３０ａとが互いに平行な平坦面であるので、簡易な構成で各炭素繊維３６ａの両端面の面積Ｓ１ａ、Ｓ２ａを横断面積Ｓ０よりも大きくすることができる。
【００４０】
本実施形態に係る冷却装置１０は、上述した構成に限定されない。例えば、ヒートシンク１４ａは、ヒートシンク１４の形状と同一形状に構成してもよい。すなわち、ヒートシンク１４ａは、第１面２８ａの裏側に突出した断面三角形状の凸部３２を有していてもよい。また、凸部３２は、断面円弧状の外形を有していてもよい。この場合、当該凸部３２を構成する湾曲面は、各炭素繊維３６の軸線方向に対して鋭角に交差する。
【００４１】
本発明に係る冷却装置は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…冷却装置                          １２…ケース部
１４、１４ａ…ヒートシンク              ２２…冷媒流路
２８、２８ａ…第１面                    ３０、３０ａ…第２面
３２…凸部                              ３４…傾斜面
３６、３６ａ…炭素繊維                  ３８、３８ａ…樹脂
１００…発熱体
【図１】
2015192010.tif 000003
【図２】
2015192010.tif 000004
【図３】
2015192010.tif 000005