(57)【要約】【課題】冷却体に設置される大電流部品等の発熱体の冷却構造、及び、発熱体の設置方法について、新規な構造、設置方法を提案する。【解決手段】冷却体（冷却器１）の冷却面１Ａと発熱体（部品２）の発熱面２Ａの間の隙間４０には、前記隙間４０を埋めるとともに、前記発熱面２Ａから発せられる熱を前記冷却面１Ａに伝導するための熱伝導性グリース１０が介在され、前記熱伝導性グリース１０内には、球径が略均一な複数の金属球２０・２０・・・が添加されており、前記各金属球２０・２０・・・は、前記冷却面１Ａ、及び、前記発熱面２Ａに対し、それぞれ接触することとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却体の冷却面と発熱体の発熱面の間の隙間には、
前記隙間を埋めるとともに、前記発熱面から発せられる熱を前記冷却面に伝導するための熱伝導性グリースが介在され、
前記熱伝導性グリース内には、
球径が略均一な複数の金属球が添加されており、
前記各金属球は、前記冷却面、及び、前記発熱面に対し、それぞれ接触することとする、
冷却体に設置される発熱体の冷却構造。
【請求項２】
前記金属球の添加量は、
前記冷却面と前記発熱面の間で必要とされる熱伝導量を基準に設定される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の冷却体に設置される発熱体の冷却構造。
【請求項３】
前記金属球の添加量は、前記発熱体が前記冷却体に固定された状態において、
前記冷却面と前記発熱面の間に、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球が充填されることを基準に設定される、
ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の冷却体に設置される発熱体の冷却構造。
【請求項４】
前記金属球の球径は、前記発熱体と前記冷却体の間に形成する必要な隙間に応じて設定される、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の冷却体に設置される発熱体の冷却構造。
【請求項５】
前記金属球は、鋼を素材とするベアリング球である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の冷却体に設置される発熱体の冷却構造。
【請求項６】
球径が略均一な複数の金属球が添加された熱伝導性グリースを冷却体の冷却面に載せる工程と、
前記冷却面に載せられた熱伝導性グリース上に、発熱体の発熱面を圧接させる工程と、を含み、
前記冷却面と前記発熱面の間の隙間において、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球を広げることとする、発熱体の冷却体への設置方法。
【請求項７】
球径が略均一な複数の金属球が添加された熱伝導性グリースを発熱体の発熱面に載せる工程と、
前記発熱面に載せられた熱伝導性グリース上に、冷却体の冷却面を圧接させる工程と、を含み、
前記冷却面と前記発熱面の間の隙間において、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球を広げることとする、発熱体の冷却体への設置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性グリースを介して冷却体と発熱体との熱伝導を行う冷却構造に関するものであり、例えば、シリコングリースを介して冷却器上に設置される部品の発熱を冷却するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷却器上に、熱伝導性のあるシリコングリースを介して部品を設置することで、前記部品からの発熱を前記冷却器に放熱しやすくする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、シリコングリースに金属アルミニウム粉末を添加することで、熱伝導性の向上を図る技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。尚、この金属アルミニウム粉末は、最大でも５０マイクロメートルであるとする内容、また、粒径については均一ではないこととする内容が記載されている。
【０００４】
このような文献に開示されるシリコングリースの利用においては、一般的に、図５に示すごとく、（１）シリコングリース７１のマスク７２を介した冷却器７３上への塗布、（２）スキージ７４を用いたシリコングリース７１の塗り広げ、（３）マスク７２の取り外し、といった工程により、均一の厚さのシリコングリース膜７５を形成する、いわゆるスクリーン印刷が行われる。ここでのマスク７２の利用は、シリコングリースがペースト状であり、所望の膜厚を得るために必要となるものである。
【０００５】
このようなスクリーン印刷の実施によって均一な厚さのシリコングリース膜７５を形成することにより、高い冷却効率を期待することができる。しかし、スクリーン印刷の工程は、一連の部品の実装の工程において、その占める割合が大きく、このスクリーン印刷の工程の省略しつつ、一定の厚みのシリコングリース膜を得ることができれば、部品の実装に関連する工程について大きなメリットを得ることができる。例えば、実装時間の短縮、シリコングリース膜の厚みの寸法管理の省略といったものである。
【０００６】
また、前記マスク７２をセットする必要性から、シリコングリース膜７５を形成する周辺には、他のチップや配線等を配置することができないものであった。即ち、マスク７２のセットを考慮することによって、基板設計の自由度が制限されるものであった。
【０００７】
また、図６に示すごとく、部品８１の温度が高くなると、ボルト等による固定部８２から離れた位置には、反り変形（熱変形）発生することになる。特に、中央部８３においては、その反り変形が大きくなることから、冷却器８４との密着性が悪化して、冷却効率が低下するという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−１３５７５８号公報
【特許文献２】特開２０００−６３８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上の問題に鑑み、冷却体に設置される大電流部品等の発熱体の冷却構造、及び、発熱体の冷却体への設置方法について、新規な構造、設置方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１に記載のごとく、
冷却体に設置される発熱体の冷却構造であって、
冷却体の冷却面と発熱体の発熱面の間の隙間には、
前記隙間を埋めるとともに、前記発熱面から発せられる熱を前記冷却面に伝導するための熱伝導性グリースが介在され、
前記熱伝導性グリース内には、
球径が略均一な複数の金属球が添加されており、
前記各金属球は、前記冷却面、及び、前記発熱面に対し、それぞれ接触することとするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載のごとく、
前記金属球の添加量は、
前記冷却面と前記発熱面の間で必要とされる熱伝導量を基準に設定される、こととするものである。
【００１２】
また、請求項３に記載のごとく、
前記金属球の添加量は、前記発熱体が前記冷却体に固定された状態において、
前記冷却面と前記発熱面の間に、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球が充填されることを基準に設定される、こととするものである。
【００１３】
また、請求項４に記載のごとく、
前記金属球の球径は、前記発熱体と前記冷却体の間に形成する必要な隙間に応じて設定される、こととするものである。
【００１４】
また、請求項５に記載のごとく、
前記金属球は、鋼を素材とするベアリング球である、こととするものである。
【００１５】
また、請求項６に記載のごとく、
球径が略均一な複数の金属球が添加された熱伝導性グリースを冷却体の冷却面に載せる工程と、
前記冷却面に載せられた熱伝導性グリース上に、発熱体の発熱面を圧接させる工程と、を含み、
前記冷却面と前記発熱面の間の隙間において、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球を広げることとする、設置方法とする。
【００１６】
また、請求項７に記載のごとく、
球径が略均一な複数の金属球が添加された熱伝導性グリースを発熱体の発熱面に載せる工程と、
前記発熱面に載せられた熱伝導性グリース上に、冷却体の冷却面を圧接させる工程と、を含み、
前記冷却面と前記発熱面の間の隙間において、前記熱伝導性グリース、及び、前記金属球を広げることとする、設置方法とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１８】
即ち、請求項１に記載の発明においては、従来のようなスクリーン印刷を必要とせずに、発熱体と冷却器との間に所望の厚みの熱伝導層を形成することができる。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明においては、発熱体を充分に冷却できることになる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明においては、冷却効率の低下を防ぐことができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明においては、スクリーン印刷を必要とすることなく、種々の厚さの熱伝導層を得ることができる。そして、この熱伝導層の厚さの設計により、部品２からの熱の放熱性を制御することができる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明においては、金属球の球径の均一性について高い信頼性を確保することができる。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明においては、従来のようなスクリーン印刷を必要とせずに、発熱体と冷却器との間の熱伝導層を形成することができる。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明においては、従来のようなスクリーン印刷を必要とせずに、発熱体と冷却器との間の熱伝導層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２に示すごとく、本実施例では、冷却体となる冷却器１に、発熱体となる部品２を設置する例としている。この部品２としては、例えば、インバータ部品、ＤＣ／ＤＣコンバータ、リアクトル、インダクタ、インテリジェントパワーモジュール（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ：ＩＰＭ）といったものであり、大電流によって、発熱が大量になるものが想定されるものである。
【００２６】
また、前記部品２の発熱面２Ａは、前記冷却器１の冷却面１Ａに対向するように配置されている。
【００２７】
また、前記冷却器１内には、冷却媒体５を流すための流路４が形成されている。
【００２８】
また、図１に示すごとく、前記部品２の端部２ａ・２ａには、貫通穴２ｂ・２ｂが設けられており、この貫通穴２ｂ・２ｂにボルト３・３が挿入される。このボルト３・３は、冷却器１に設けたボルト穴１ｂ・１ｂに螺挿され、これにより、冷却器１に対して部品２が固定される。
【００２９】
また、図１及び図２に示すごとく、前記冷却器１の冷却面１Ａと部品２の発熱面２Ａの間の隙間４０には、前記隙間４０を埋めるとともに、前記発熱面２Ａから発せられる熱を前記冷却面１Ａに伝導するための熱伝導性グリース１０が介在される。
【００３０】
また、図１及び図２に示すごとく、前記熱伝導性グリース１０内には、球径が略均一な複数の金属球２０・２０・・・が添加されており、前記各金属球２０・２０・・・は、前記冷却面１Ａ、及び、前記発熱面２Ａに対し、それぞれ接触することとしている。
【００３１】
以上の構成により、前記部品２が発熱して発熱面２Ａから発せられる熱は、前記熱伝導性グリース１０、及び、前記金属球２０・２０・・・を介して冷却器１の冷却面１Ａに伝導され、冷却面１Ａに伝導された熱は、流路４内の冷却媒体５によって吸収される。このようにして、前記部品２の冷却が行われる。
【００３２】
そして、以上のような冷却構造とすることによれば、部品２の発熱面２Ａの熱は、熱伝導性グリース１０を介して冷却器１の冷却面１Ａに伝導されるとともに、金属球２０・２０・・・を介しても冷却器１の冷却面１Ａに伝導されるものである。そして、熱伝導率が熱伝導性グリース１０よりも大きな金属球２０・２０・・・を利用することによれば、熱伝導性グリース１０及び金属球２０・２０・・・を合わせたトータルの熱伝導量を、熱伝導性グリース１０だけの場合と比較して大きく確保することができ、部品２の冷却効率の向上を図ることができる。
【００３３】
ここで、前記金属球２０・２０・・・の素材については、鋼、アルミ、銅、などの広い範囲から選択することが可能であり、熱伝導性グリース１０との親和性や、必要とされる熱伝導量に応じて、適宜選定されるものである。また、熱伝導性グリース１０の選定についても、同様に、金属球２０・２０・・・との親和性等を考慮して行われる。
【００３４】
また、図２に示すごとく、前記金属球２０・２０・・・の添加量は、前記冷却面１Ａと前記発熱面２Ａの間で必要とされる熱伝導量を基準に設定することが考慮される。また、前記金属球２０・２０・・・の添加量は、部品２が冷却器１に固定された状態において、前記冷却面１Ａと発熱面２Ａの間の隙間４０に、前記熱伝導性グリース１０、及び、金属球２０・２０・・・が充填される、即ち、空気の隙間が発生しないことを基準に設定することが考慮される。図３に示すごとく、仮に、金属球２０・２０・・・の添加量が大きすぎた場合には、熱伝導性グリース１０の割合が少なくなり（足りなくなり）、発熱面２Ａと熱伝導性グリース１０の間に空気の隙間８・８が形成されることになり、これにより熱伝導量が削減されて冷却効率が低下してしまうことになる。このような不具合の発生を考慮して、金属球２０・２０・・・の添加量を設計するものである。
【００３５】
また、前記金属球２０・２０・・・の球径は、略均一なものとされる。これは、金属球２０・２０・・・は、熱伝導性グリース１０に添加され、冷却面１Ａに塗布された後に、部品２と冷却器１の間に挟装されることになるが、この挟装された状態における金属球２０・２０・・・の図２における上下方向の寸法、即ち、冷却器１と発熱面２Ａの対向する方向における寸法ｄによって、冷却面１Ａと発熱面２Ａの間隔Ｄを設定することを目的とするものである。
【００３６】
即ち、背景技術で述べたように、従来のシリコングリース膜については、マスクによって厚みの寸法管理が必要であったが、金属球２０・２０・・・の球径を略均一とすることによれば、金属球２０・２０・・・の球径と略同じ厚みの熱伝導性グリース１０膜を得ることができるため、前記寸法管理を省略することができる。
【００３７】
また、この球径の均一性を確保する上では、市販のベアリング球を適用することが考えられる。即ち、市販されているベアリング球（球のみで市販されている）については、その製品の寸法精度が極めて高いものであり、かつ、その寸法精度についての信頼性は高いものであるから、このベアリング球を利用することによって、前記間隔Ｄ（図２参照）を所望の値に限りなく近い値に設定することが可能となるためである。また、ベアリング球の球径は、例えば、１００マイクロメートルや、５００マイクロメートルといった小径サイズのものから選択することも可能であり、これにより、設計の自由度が高いものとなる。
【００３８】
また、金属球２０・２０・・・の球径の均一性を確保することにより、後述するように、熱伝導性グリース１０が発熱面２Ａからの荷重を受けて冷却面１Ａで広がる際においては、金属球２０・２０・・・の転動（転がり）がしやすくなって、熱伝導性グリース１０の広がりがスムーズに行われることになる。仮に、球径が均一でないと、金属球２０・２０・・・に作用する荷重が不均一となり、例えば、球径が大きいものは転動しやすく、球径が小さいものは転動し難くなるといったように、金属球２０・２０・・・の転動についてバラツキが発生し、熱伝導性グリース１０の広がりがスムーズに行われなくなると考えられる。
また、金属球２０・２０・・・の球径が均一でなければ、一定の厚みの熱伝導性グリース１０膜を得難くなる。
【００３９】
さらに加えて、金属球２０・２０・・・の球径の均一性を確保することにより、部品２の製作段階における発熱面２Ａの熱変形等により、発熱面２Ａが完全に平坦でない場合であっても、発熱面２Ａの形状に応じて、適宜、金属球２０・２０・・・が転動して移動し、最終的に部品２が固定された段階においては、前記間隔Ｄ（図２参照）を所望の値に限りなく近い値に設定することが可能となる。このように、部品２の製作時における発熱面２Ａの形状の誤差に対しても、対応することができるのである。
【００４０】
また、図１に示すように、複数の金属球２０・２０・・・が、部品２の発熱面２Ａと、冷却器１の冷却面１Ａの間に散在されることにより、発熱面２Ａは、広い範囲において金属球２０・２０・・・によって下側から支えられることになる。これにより、発熱面２Ａの特定の部位が、冷却面１Ａ側に反り変形しようとした場合であっても、金属球２０・２０・・・が発熱面２Ａを支えることになるため、この反り変形が抑制されることになる。
【００４１】
また、部品２の温度が上昇した際における、部品２の反り変形（熱変形）に関し、図１の構成において、例えば、ボルト３・３から遠い位置となる発熱面２Ａの中央部が反り上がるような変形が発生するような場合では、ボルト３・３に近い部品２の端部２ａ・２ａが冷却面１Ａに近づく方向に荷重が発生することになるが、この荷重は、ボルト３・３の近くに存在する金属球２０・２０・・・によって支えられるため、前記端部２ａ・２ａが冷却面１Ａに近づくような変形を抑制できる。
また、部品２をボルト３・３にて締結する際にも、前記発熱面２Ａを金属球２０・２０・・・により支持して、部品２の端部が冷却面１Ａ側に反って、該冷却面１Ａに近づくことを防止できる。
【００４２】
そして、この端部２ａ・２ａについての変形が抑制されることによって、発熱面２Ａの中央部における変形も抑制されることになり、発熱面２Ａ全体としてのその反り変形が抑制されることになる。このように、発熱面２Ａの反り変形が抑制されることによって、発熱面２Ａと冷却面１Ａの間の間隔Ｄ（図２参照）が、広い範囲においてある一定の値に維持されることになり、安定した冷却効率を維持することが可能となる。
【００４３】
尚、以上の反り変形を考慮すると、金属球２０・２０・・・の強度については、前記発熱面２Ａから受ける荷重によって座屈しない強度を有するものとすることが好適であり、市販のベアリング球（鋼球）を用いることで、この要件を担保することができる。
また、これにより、部品２を冷却器１に固定した際には、金属球２０・２０・・・の径と略同じ厚み寸法の熱伝導層３０が得られるため、球径を適宜設定することで、スクリーン印刷を必要とすることなく、種々の厚さの熱伝導層３０を得ることができる。そして、この熱伝導層３０の厚さの設計により、部品２からの熱の放熱性を制御することができる。
【００４４】
次に、上述のような冷却構造とするまでの工程について、図４を用いて説明する。
まず、攪拌器内に熱伝導性グリース１０を用意し（ステップＳ１）、その熱伝導性グリース１０に金属球２０・２０・・・を添加して（ステップＳ２）、攪拌を行う（ステップＳ３）。
【００４５】
そして、金属球２０・２０・・・の添加された必要な量の熱伝導性グリース１０を、冷却器１の冷却面１Ａに載せる（ステップＳ４）。この際、部品２が設置される部位における中心となる位置Ｃに、熱伝導性グリース１０を載せることとする。これは、次のステップＳ５において、熱伝導性グリース１０を部品２の発熱面２Ａの全範囲に均等に広げることを加味してのことである。
【００４６】
次に、部品２を、その中心位置（平面視における中心位置）が前記位置Ｃと一致する位置まで移動させ、冷却面１Ａに載せられた熱伝導性グリース１０の上に、部品２の発熱面２Ａを圧接させる（ステップＳ５）。すると、部品２の自重による荷重を受けて、熱伝導性グリース１０は冷却面１Ａ上に広げられ、発熱面２Ａと冷却面１Ａの間には、熱伝導性グリース１０と金属球２０・２０・・・による熱伝導層３０が形成される（ステップＳ６）。
【００４７】
また、部品２の自重が小さく、その自重による荷重だけでは熱伝導性グリース１０が広がらない場合には、部品２を下側に押し付ける荷重を別途付与することとしてもよい。また、ボルト３・３を締結して部品２を固定する際には、部品２を下方へ移動させる荷重が付与されるので、この荷重によって、熱伝導性グリース１０を広げることとしてもよい。
【００４８】
また、冷却面１Ａ上において、熱伝導性グリース１０、及び、金属球２０・２０・・・の広がる範囲は、前記ステップＳ４において冷却面１Ａに載せられる金属球２０・２０・・・が添加された熱伝導性グリース１０の量によって設定することができ、例えば、前記発熱面２Ａの面積の８割の範囲に広げたい場合には、これに対応する分量を冷却面１Ａに載せることとすればよい。
【００４９】
また、この熱伝導性グリース１０、及び、金属球２０・２０・・・を広げることに関連し、金属球２０・２０・・・の熱伝導性グリース１０からの離脱が懸念されるが、熱伝導性グリース１０と金属球２０・２０・・・との間の親和性を適切に設計することや、熱伝導性グリース１０の粘性を適切に設計することにより、この懸念に対応することができる。また、冷却器１の上に部品２が配置される場合では、前記冷却面１Ａにおける部品２の周辺に堰部を設け、この堰部によって離脱した金属球２０・２０・・・を捕える構成とすることも可能である。
【００５０】
また、以上に述べたステップＳ１〜Ｓ６は、冷却器１の上側に部品２が配置される構造についてのものであるが、冷却器１の下側に部品２が配置される構造の場合においては、ステップＳ４において、部品２の発熱面２Ａ側に熱伝導性グリース１０を載せ、ステップＳ５において、冷却器１の下側から部品２を近づけるようにすることで、対応できるものである。
【００５１】
そして、以上に述べたステップＳ１〜Ｓ６によって、部品２を冷却器１に設置することができる。
即ち、球径が略均一な複数の金属球２０・２０・・・が添加された熱伝導性グリース１０を冷却器１の冷却面１Ａに載せる工程と（ステップＳ１〜Ｓ４）、
前記冷却面１Ａに載せられた熱伝導性グリース１０上に、部品２の発熱面２Ａを圧接させる工程と（ステップＳ５）、を含み、
前記冷却面１Ａと前記発熱面２Ａの間の隙間４０において、前記熱伝導性グリース１０、及び、前記金属球２０・２０・・・を広げることとする、設置方法とするものである。
【００５２】
また、部品２が冷却器１の下側に配置される構造においては、
球径が略均一な複数の金属球２０・２０・・・が添加された熱伝導性グリース１０を部品２の発熱面２Ａに載せる工程と（ステップＳ１〜Ｓ４）、
前記発熱面２Ａに載せられた熱伝導性グリース１０上に、冷却器１の冷却面１Ａを圧接させる工程と（ステップＳ５）、を含み、
前記冷却面１Ａと前記発熱面２Ａの間の隙間４０において、前記熱伝導性グリース１０、及び、前記金属球２０・２０・・・を広げることとする、設置方法とするものである。
【００５３】
そして、以上のような設置方法とすることにより、従来のようなスクリーン印刷を必要とせずに、部品２と冷却器１との間の熱伝導層３０を形成することができる。そして、スクリーン印刷の工程の省略が可能となれば、部品の実装に関連する工程について大きなメリットを得ることができる。例えば、実装時間の短縮、シリコングリース膜の厚みの寸法管理の省略といったものが可能となる。尚、上記一連のステップＳ１〜Ｓ６は、自動制御機構を用いることによって、完全自動化での実施が可能となる。
【００５４】
また、以上に説明したように、部品２については、例えば、インバータ部品、ＤＣ／ＤＣコンバータ、リアクトル、インダクタ、インテリジェントパワーモジュール（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ：ＩＰＭ）といったもの（大電流部品）が想定され、以上の実施例は、例えば、ハイブリッド自動車に必要な電気部品の冷却構造に適用することが可能である。また、このほか、発熱体となるものの冷却構造、設置方法について、広く一般に適用できるものであり、その適用範囲は広いものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施例に係る冷却構造について示す図。
【図２】発熱面と冷却面の間に形成される熱伝導層の拡大図。
【図３】発熱面と冷却面の間に空気の隙間が形成される不具合について説明する図。
【図４】部品の設置方法の流れについて説明する図。
【図５】従来のスクリーン印刷の方法について説明する図。
【図６】熱による部品の反り変形について説明する図。
【符号の説明】
【００５６】
１    冷却器
１Ａ  冷却面
２    部品
２Ａ  発熱面
３  ボルト
４  流路
５  冷却媒体
８  隙間
１０  熱伝導性グリース
２０  金属球
【図１】
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【図２】
2008235692.tif 000004
【図３】
2008235692.tif 000005
【図４】
2008235692.tif 000006
【図５】
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【図６】
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