(57)【要約】【課題】冷却器の冷却効率の低下を抑制できるとともに、シール部の面圧を大きくすることができるシール構造を提供すること。【解決手段】本発明のシール構造１６は、フィン１４を有する冷却板１１と、シール部材３０と、を有する冷却器のシール構造であって、冷却板１１は、シール部材３０を配置するための凹溝１５を有し、凹溝１５の側壁は外側に広がるよう傾斜しており、シール部材３０は、凹溝１５の内側に形成されたシール部３１と、凹溝１５の外側のフィン１４の配置されている方に形成された肉盛部３２と、を有し、冷却板１１からの肉盛部３２の高さは、シール部３１の高さよりも低くなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィンを有する冷却板と、シール部材と、を有する冷却器のシール構造であって、
前記冷却板は、前記シール部材を配置するための凹溝を有し、
前記凹溝の側壁は外側に広がるよう傾斜しており、
前記シール部材は、前記凹溝の内側に形成されたシール部と、前記凹溝の外側の前記フィンの配置されている方に形成された肉盛部と、を有し、
前記冷却板からの前記肉盛部の高さは、前記シール部の高さよりも低くなっている
シール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシール構造に関し、特に冷却器のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子を組み合わせたパワーモジュールは、一般的に電力制御に用いられている。パワーモジュールには、パワー半導体素子の温度が上がりすぎないように、冷却器が取り付けられている。特許文献１に記載のパワーモジュール用冷却器は、一方の面にパワーモジュールが配置され、他方の面に冷却水の流路が配置された冷却板を有する。冷却板の流路側の面には多数のフィンが配置されており、冷却水と接触する表面積を大きくすることにより、冷却効率を高めている。
【０００３】
特許文献１に記載のパワーモジュール用冷却器では、冷却板と、冷却板を支持する流路形成部材とによって流路が形成されている。冷却板と流路形成部材との継ぎ目から冷却水が漏れないように、継ぎ目にはシール構造が設けられている。
【０００４】
シール構造はパワーモジュール用冷却器に限定されず、他の機器における継ぎ目にも用いられている。例えば、特許文献２には、バルブのシール構造が記載されている。特許文献２では、バルブの弁体に凹溝が形成されており、凹溝の側壁は外側に広がって傾斜している。シール部材は凹溝の内側に接着されており、凹溝の底面及び両側壁に接着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０２９１６４号公報
【特許文献２】特開平１１−３３６９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のパワーモジュール用冷却器では、冷却板上のフィンとシール部材との間隔を大きくすると、冷却効率が低下するという問題があった。また、特許文献２に記載のシール構造を特許文献１に記載のパワーモジュール用冷却器に適用するときに、フィンとシール部材との間隔を狭くするために、凹溝の外側にはみ出すようにシール部材を形成することもできる。この場合、シール部材を圧縮すると、シール部材の冷却板への面圧が分散するので、シール部の面圧を大きくすることが難しくなるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、冷却器の冷却効率の低下を抑制できるとともに、シール部の面圧を大きくすることができるシール構造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】
【０００８】
本発明に係るシール構造は、
フィンを有する冷却板と、シール部材と、を有する冷却器のシール構造であって、
前記冷却板は、前記シール部材を配置するための凹溝を有し、
前記凹溝の側壁は外側に広がるよう傾斜しており、
前記シール部材は、前記凹溝の内側に形成されたシール部と、前記凹溝の外側の前記フィンの配置されている方に形成された肉盛部と、を有し、
前記冷却板からの前記肉盛部の高さは、前記シール部の高さよりも低くなっている。
【０００９】
本発明のシール構造では、肉盛部が凹溝の外側のフィンの配置されている方に形成されている。これにより、シール構造付近の冷却媒体の流路を狭くすることができるので、冷却効率の低下を抑制できる。
【００１０】
また、冷却板からの肉盛部の高さがシール部の高さよりも低くなっており、シール部材が圧縮されるときにシール部の上面が圧縮される。さらに、シール部が凹溝の内側に形成されていて、肉盛部が凹溝の外側に形成されている。これにより、シール部が圧縮されたときに応力を凹溝の内側に集めることができるので、シール部の面圧を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却器の冷却効率の低下を抑制できるとともに、シール部の面圧を大きくすることができるシール構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係るパワーモジュール用の冷却器の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係るシール構造においてシール部材が圧縮されていない状態を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係るシール構造においてシール部材が圧縮された状態を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係るシール構造の変形例を示す断面図である。
【図５】比較例に係るシール構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１に示すように、冷却器１０は、パワーモジュール２０を冷却するための冷却器である。パワーモジュール２０は、半導体素子２１と、導熱板２２と、絶縁材２３と、を有する。冷却器１０は、冷却板１１と、流路形成部材１２，１３と、シール部材３０と、板バネ１７と、格納容器１８と、を有する。
【００１５】
半導体素子２１は、パワー半導体素子を含み、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field-effect transistor)のようなスイッチング素子を含んでいてもよい。
【００１６】
導熱板２２は、半導体素子２１を挟んで配置されている。導熱板２２と半導体素子２１との間は電気的に絶縁されている。導熱板２２として、例えば、金属板が用いられるが、他の熱伝導率の大きい材料を用いてもよい。
【００１７】
絶縁材２３は、導熱板２２と冷却板１１との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、導熱板２２から冷却板１１への高い熱伝導を可能とする。絶縁材２３としては、例えば、セラミック板にグリスを塗布したものが用いられる。絶縁材２３は、導熱板２２よりも大きい外形を有する。
【００１８】
冷却板１１は、熱伝導性の良い材料により形成され、例えば、アルミニウムなどの金属により形成されていてもよい。冷却板１１は、一方の面にフィン１４を有する。フィン１４の数や配列態様は任意である。また、フィン１４の形状及び高さも任意であってよい。フィン１４は、例えばストレートフィンやピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。パワーモジュール２０を冷却板１１に実装した状態では、フィン１４は、冷却水や冷却空気のような冷却媒体と接触する。
【００１９】
半導体素子２１の駆動時に発生する熱は、導熱板２２、絶縁材２３及び冷却板１１を介してフィン１４へと伝達される。そして、フィン１４から冷却媒体へと熱が伝達され、半導体素子２１が冷却される。
【００２０】
なお、フィン１４は、例えば、アルミダイカスティング等により冷却板１１と一体に形成されてもよいし、冷却板１１とは別に製造された後に溶接等により冷却板１１に固定されていてもよい。
【００２１】
流路形成部材１２，１３は、冷却板１１と組み合わせられることにより、冷却媒体を流すための流路を形成する。冷却媒体としては、例えば、冷却水が用いられるが、これに限定されるものではなく、冷却空気等の他の冷却媒体を用いることを妨げるものではない。
【００２２】
流路形成部材１２，１３に冷却板１１を組み付けるときに、流路形成部材１２，１３と冷却板１１との継ぎ目をシール構造１６により塞ぐ。これにより、継ぎ目から冷却媒体が漏れるのを防ぐことができる。シール構造１６は、冷却板１１と流路形成部材１２，１３との接触部分に形成されている。
【００２３】
図２は、冷却板１１と流路形成部材１２とが組み付けられていない状態におけるシール構造１６を示す断面図である。図２に示すように、シール構造１６は、冷却板１１に形成された凹溝１５と、凹溝１５内に形成されたシール部材３０と、を有する。
【００２４】
冷却板１１は、シール部材３０を配置するための凹溝１５を有する。凹溝１５は、底面１５ａと、傾斜面１５ｂと、土手部１５ｃと、を有する。傾斜面１５ｂは凹溝１５の側壁を構成しており、底面１５ａからみて外側に広がるように傾斜している。すなわち、凹溝１５において、底面１５ａと傾斜面１５ｂとがなす角度は、９０°より大きいことが好ましい。
【００２５】
冷却板１１上のシール部材３０が形成される箇所には、塑性加工および機械加工により凹溝１５が形成されている。土手部１５ｃは、傾斜面１５ｂから延びている平坦な部分であり、底面１５ａに対して一段高くなっている。アルミニウム製の冷却板１１に凹溝１５を形成するために、冷却板１１にローラ等で塑性加工を施す。このとき、材料を凹溝１５の両端２箇所に流して盛り上げることにより、凹溝１５の傾斜面１５ｂ及び土手部１５ｃを形成する。
【００２６】
図２に示すように、シール部材３０は、シール部３１と、肉盛部３２と、を有する。シール部３１は、凹溝１５の内側に形成されている。すなわち、シール部３１は、底面１５ａ及び傾斜面１５ｂの上に形成されている。肉盛部３２は、凹溝１５の外側、かつ、フィン１４の配置されている側に形成されている。すなわち、肉盛部３２は、フィン１４の配置されている側の土手部１５ｃの上に形成されている。肉盛部３２の冷却板１１からの高さは、シール部３１の冷却板１１からの高さよりも低くなっている。
【００２７】
シール部３１は、流路形成部材１２の冷却板１１に対向する面に押し付けられることにより、流路形成部材１２と冷却板１１との継ぎ目を塞ぐことができる。シール部３１の流路形成部材１２側の先端には、溝部３３が形成されていて、流路形成部材１２に接するシール面が２箇所設けられている。すなわち、シール部３１は、フィン１４側からみて、内側シール面３４及び外側シール面３５の２箇所のシール面を有している。
【００２８】
内側シール面３４から冷却媒体が漏れたとしても、外側シール面３５が冷却媒体の漏れを防ぐことができれば、冷却媒体はシール構造１６から漏れることはない。このため、シール構造１６によれば、シール面が１箇所のみの場合よりも冷却媒体の漏れを抑制できる。
【００２９】
図１及び図２において、冷却媒体は、流路内を紙面に垂直な方向及び平行な方向に流れる。シール部材３０のフィン１４側に肉盛部３２を形成することにより、冷却媒体の紙面に垂直な方向の流路を一部塞いで、シール部材３０付近の冷却媒体の流路を狭くすることができる。これにより、フィン１４近くに流れる冷却媒体の流量を増やすことができるので、冷却器１０の冷却効率の低下を抑制できる。また、フィン１４をシール部材３０側に近づけることは冷却板１１の加工の制約上困難なので、シール部材３０に肉盛部３２を形成することが好ましい。
【００３０】
シール部材３０は、弾力性のある部材であり、例えば、ゴム材からなるシールリングが用いられる。シール部材３０は、冷却板１１に材料を直接成形することにより形成されている。シール部材３０を冷却板１１に直接形成することにより、シール部材３０を組み付けるコストを抑制することができる。
【００３１】
図３は、シール構造１６においてシール部材３０が圧縮された状態を示す断面図である。図３に示すように、シール部３１は凹溝１５の内側に形成されているので、シール部材３０が高さ方向に圧縮されると、シール部３１は横（水平）方向に広がる。このとき、シール部３１が凹溝１５の傾斜面１５ｂを押圧する。この押圧する力の反作用として、傾斜面１５ｂからシール部３１の傾斜面１５ｂに接する部分に対して垂直抗力が生じる。これにより、傾斜面１５ｂに接する部分におけるシール部３１の応力が大きくなる。
【００３２】
このとき、内側シール面３４及び外側シール面３５付近におけるシール部３１の応力が大きくなる。これにより、シール部材３０が流路形成部材１２を押圧するシール面圧を大きくすることができる。
【００３３】
本実施の形態のシール構造１６は、シール部材３０が圧縮されたときに発生するシール面圧を効率よく傾斜面１５ｂ上に生じさせることができるので、シール構造のシール性能を向上させることができる。そのため、シール部材３０の圧縮量を小さくしても、十分なシール性能が得られるので、シール部材３０を小型化できて、冷却器１０も小型化できる。
【００３４】
さらに、本実施の形態のシール構造１６では、凹溝１５がわずかな凹み形状であっても上述の効果が得られるので、凹溝１５を浅くすることができる。これにより、シール部材３０の材料費を削減することが可能であり、かつ、凹溝１５を形成するときの成形荷重や機械加工代を抑制できるので、冷却器１０の低コスト化が可能となる。例えば、シール部３１の底面１５ａからの高さが２ｍｍの場合に、凹溝１５の深さを０．３ｍｍから０．７ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３５】
また、本実施の形態のシール構造１６では、シール部材３０を直接冷却板１１に成形するため、シール部材３０のシール部材３０を冷却板１１に組み付けるためのコストを抑制できる。
【００３６】
冷却器１０では、冷却板１１に直接成形されたシール部材３０を、流路形成部材１２と冷却板１１とで挟んで圧縮することによって、流路形成部材１２と冷却板１１との間のシール性を確保している。
【００３７】
このとき、冷却板１１上のシール部材３０が成形される箇所には、テーパ形状を有する凹溝１５が設けられ、かつ、シール部材３０がその凹溝１５の内側に形成される。これにより、シール部材３０が圧縮されたときに発生するシール面圧を、効率良く傾斜面１５ｂ上に生じさせることができるので、シール部３１のシール性能を向上することができる。よって、流路のシール性の保証された品質の良い冷却器１０を製作できる。さらに、シール部材３０の圧縮量を小さくすることが可能になるので、シール部材３０及び冷却器１０の小型化ができる。
【００３８】
上述したように、本実施の形態に係る冷却器１０は、凹溝１５内にシール部３１を形成することによりシール性能を確保し、凹溝１５外に肉盛部３２を形成することにより冷却効率を向上する。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態に係るシール構造１６によれば、冷却器１０の冷却効率の低下を抑制できるとともに、シール部３１の面圧を大きくすることができるシール構造を提供することができる。
【００４０】
［変形例］
図４は、本実施の形態に係るシール構造１６の変形例を示す断面図である。図４に示すように、シール部３１と肉盛部３２との間に、溝部３６を形成してもよい。溝部３６を形成することにより、シール部材３０に用いられる材料の量を低減できるので、コストを抑制できる。
【００４１】
［比較例］
図５に示すように、本実施の形態の比較例に係るシール構造５６に用いられるシール部材５０はシール部５１を有する。シール部５１の上面には、溝部５３が設けられており、溝部５３の左右に内側シール面５４と外側シール面５５とが設けられている。
【００４２】
シール構造５６では、冷却板１１に凹溝１５が設けられておらず、シール部材５０の冷却板１１に接触する面が平坦であり、冷却板１１には凹溝１５が設けられていない。そのため、シール部材５０を圧縮したときに、シール部材５０の水平方向の広がりにより圧力が分散されることによって、シール部５１の面圧が小さくなるので、継ぎ目を効率よくシールすることができない。また、シール部材５０を配置するために、シール部材５０の高さに相当する空間が必要となるので、小型化が難しく、加工費が増加するという問題がある。さらに、シール部材５０を冷却板１１に後付けするため、組み付け工数が増加し、コスト高となるという問題もある。
【００４３】
それに対して、本実施の形態のシール構造１６は、凹溝１５内にシール部３１を設けることによりシール性能を確保し、凹溝１５外に肉盛部３２を設けることにより冷却効率を向上することができるので、上述の問題を解決することができる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明に係るシール構造は、パワーモジュール用冷却器にのみ用いられるものに限定されず、他の用途の冷却器に用いられることを妨げるものではない。
【符号の説明】
【００４５】
１０…冷却器  １１…冷却板  １２，１３…流路形成部材  １４…フィン  １５…凹溝  １５ａ…底面  １５ｂ…傾斜面  １５ｃ…土手部  １６…シール構造  １７…板バネ  １８…格納容器  ２０…パワーモジュール  ２１…半導体素子  ２２…導熱板  ２３…絶縁材  ３０…シール部材  ３１…シール部  ３２…肉盛部  ３３…溝部  ３４…内側シール面  ３５…外側シール面  ３６…溝部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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