WO2020196334A1 - 冷却構造体 - Google Patents

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WO2020196334A1
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wall
cooling structure
protruding portion
metal layer
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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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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
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    • H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/014—Shields associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H02K11/0141—Shields associated with casings, enclosures or brackets

Definitions

  • the present invention 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 heat sink through which a refrigerant flows is provided directly under an electronic component such as a power semiconductor or a capacitor to cool the electronic component
  • an electronic component such as a power semiconductor or a capacitor
  • the path through which the refrigerant flows is projected vertically upward, a protruding portion whose side surface is adjacent to the electronic component is provided, and a heat sink is also provided on the side surface of the protruding portion, and the refrigerant is supplied. ..
  • One embodiment of the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide a cooling structure in which the occurrence of retention in a protruding portion is suppressed.
  • a resin flow path forming member that forms a flow path through which the refrigerant flows, and the flow path includes a protrusion that projects outward from the inner wall on the upstream side in the direction in which the refrigerant flows.
  • a cooling structure having a rectifying portion that rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protruding portion side.
  • ⁇ 3> The ratio (h / w) of the height h of the rectifying portion in the outer direction of the flow path to the width w of the flow path on the upstream side of the protruding portion in the outer direction of the flow path is 0.5.
  • ⁇ 4> Any one of ⁇ 1> to ⁇ 3>, in which the projecting portion projects outward from the inner wall of the flow path on the downstream side of the projecting portion in the direction in which the refrigerant flows.
  • ⁇ 5> Any of ⁇ 1> to ⁇ 4>, in which the cooled body is arranged so as to face at least a part of the inner wall of the protruding portion, and the cooled body is cooled by the refrigerant flowing through the protruding portion.
  • the cooling structure according to one. ⁇ 6> The cooling structure according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>, wherein a metal layer is provided on at least a part of the outer wall of the flow path forming member.
  • a metal layer is provided on at least a part of the outer wall of the flow path forming member, and at least a part of the metal layer is provided between the cooled body and the flow path forming member.
  • ⁇ 8> The cooling structure according to ⁇ 6> or ⁇ 7>, wherein the metal layer is a metal sprayed layer.
  • the cooling structure of the present disclosure includes a resin flow path forming member that forms a flow path through which the refrigerant flows, and the flow path projects outward from the inner wall on the upstream side in the direction in which the refrigerant flows. It has a protruding portion and a rectifying portion that rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protruding portion. Since the cooling structure of the present disclosure has a protruding portion protruding outward from the flow path and a rectifying portion that rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protruding portion side, a flow of the refrigerant is formed in the protruding portion and protrudes.
  • the refrigerant supplied to the portion is less likely to stay, and the occurrence of retention of the refrigerant in the protruding portion for a long period of time is suppressed. Further, it is considered that the cooling efficiency in the protruding portion is increased by suppressing the occurrence of retention in the protruding portion.
  • the cooling structure 100 shown in FIGS. 1 and 2 includes a resin flow path forming member 14 that forms a flow path 12 through which a refrigerant flows.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view when cut in a vertical plane including the AA line shown in FIG.
  • the shape of the flow path may be a substantially rectangular cross section in a direction orthogonal to the direction in which the refrigerant flows, and the cross section may be a circular shape, an elliptical shape, a polygon other than a rectangular shape, or the like. There may be.
  • the flow path 12 includes a protrusion 40 that projects vertically upward in the direction in which the refrigerant flows (arrow X direction in FIG. 1), and a rectifying unit 41 that rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protrusion 40. Has.
  • the protrusion 40 is formed between the upper inner wall 42 on the upstream side and the upper inner wall 44 on the downstream side in the direction in which the refrigerant flows.
  • the end portion of the rectifying portion 41 on the protruding portion 40 side protrudes vertically upward from the upper inner wall 42 on the upstream side and the upper inner wall 44 on the downstream side.
  • the protruding portion 40 includes side inner walls 45 and 47 and an upper inner wall 46, and each has a rectangular cross section in a direction parallel to the direction in which the refrigerant flows.
  • the side inner wall 45 is a wall surface on the upstream side of the side inner wall 47
  • the side inner wall 47 is a wall surface on the downstream side of the side inner wall 45.
  • the cross section of the protruding portion in the direction parallel to the direction in which the refrigerant flows may be independently circular, elliptical, polygonal, or the like.
  • the cross section of the protruding portion orthogonal to the direction in which the refrigerant flows may be rectangular as shown in FIG. 2, or may be circular, elliptical, polygonal other than rectangular, or the like.
  • the projecting portion may project in the direction outside the flow path from the inner wall on the upstream side in the direction in which the refrigerant flows, and is not limited to a configuration in which the projecting portion projects vertically upward from the upper inner wall on the upstream side.
  • it may protrude vertically downward from the lower inner wall on the upstream side, or may protrude toward the outside of the flow path of the side inner wall from the side inner wall on the upstream side.
  • the "outside direction of the flow path” means a direction from the inner wall of the flow path to the outside of the flow path forming member via the outer wall.
  • the rectifying unit 41 extends from the lower inner wall 43 toward the inside of the flow path 12.
  • the rectifying unit 41 rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protruding portion 40, for example, in the extending direction of the rectifying unit 41 (direction of arrow Y in FIG. 1).
  • the rectifying portion 41 has a plate-like structure extending from at least a part of the lower inner wall 43 facing the upper inner wall 46 of the protruding portion 40 toward the protruding portion 40 side.
  • the material constituting the rectifying section 41 may be a resin constituting the flow path forming member 14 described later, or a metal constituting the heat diffusion section described later.
  • the end of the rectifying portion 41 on the protruding portion 40 side protrudes vertically upward from the upper inner wall 42 on the upstream side, which is the outward direction of the flow path.
  • the flow of the refrigerant is preferably formed on the protruding portion 40 side, and the refrigerant supplied to the protruding portion 40 is less likely to stay.
  • the rectifying portion is not particularly limited as long as it has a configuration that rectifies the direction in which the refrigerant flows toward the protruding portion. It may be configured to extend from at least a part of the portion toward the protruding portion side.
  • the ratio (h / w) of the height h and the width w of the rectifying unit 41 in the vertically upward direction, which is the out-of-flow path direction, is preferably 0.5 or more, and more preferably 1 or more.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a cooling structure in which a cooled body is arranged.
  • the cooled body 50 is arranged so as to face the upper inner wall 42 on the upstream side and the side inner wall 45 of the protruding portion, and the cooled body 50 is generated by the refrigerant flowing through the protruding portion 40. It has a structure to be cooled.
  • the body to be cooled 50 examples include electronic components such as power semiconductors and capacitors.
  • the body to be cooled 50 includes a heat sink (not shown) extending from the upper inner wall 42 on the upstream side toward the inside of the flow path 12, and a heat sink extending from the inner wall 45 on the side toward the protrusion 40 (FIG.). (Not shown) may be provided.
  • the cooling structure 200 includes a heat sink, an insulating substrate, an insulating sheet, or the like that transfers the heat generated by the cooled body 50 to the heat sink may be provided between the cooled body 50 and the heat sink. Further, a part of the heat sink is embedded in the flow path forming member 14, and the heat generated by the cooled body 50 is transferred to the heat sink through the flow path forming member 14 without contacting the heat sink and the cooled body 50. You may.
  • the heat sink includes, for example, a plate-shaped heat diffusion portion facing the bottom of the body to be cooled 50, and cooling fins extending into the flow path 12 from the surface on the upstream upper inner wall 42 side of the heat diffusion portion. You may be. Further, the heat sink includes a plate-shaped heat diffusion portion facing the side surface of the body to be cooled 50, and cooling fins extending from the surface of the heat diffusion portion on the side inner wall 45 side to the protrusion 40. May be good.
  • the heat diffusion part is made of metal and at least the surface of the cooling fin is made of resin.
  • the heat diffused in the plane direction in the heat diffusion portion having high thermal conductivity tends to be easily dissipated by the cooling fins.
  • the cooling fins may not reach from the upper inner wall 42 on the upstream side to the lower inner wall 43, and the tip of the cooling fins may be located in the flow path 12, increasing the amount of refrigerant that touches the cooling fins.
  • the tip end portion of the cooling fin may be in contact with the lower inner wall 43.
  • the tip of the cooling fin may or may not reach from the side inner wall 45 on the side to be cooled to the other side inner wall 47.
  • the cooling fin is made of resin. Further, the entire cooling fin may be made of resin, or the cooling fin may include a metal rod-shaped core material. When the cooling fins include a rod-shaped core material, the metal core material is preferably coated with a resin from the viewpoint of suppressing corrosion and the like. One end of the core material may be connected to the heat diffusion portion from the viewpoint of improving the cooling efficiency.
  • a metal layer is provided on at least a part of the outer wall of the flow path forming member, and preferably, the power semiconductor, the capacitor, etc., which are the objects to be cooled, and the flow path forming member. At least a part of the metal layer is provided between the two, and the metal layer is in contact with at least a part of the object to be cooled. When at least a part of the cooled body comes into contact with the metal layer, the heat generated by the cooled body is transferred to the refrigerant flowing through the flow path through the metal layer, so that the cooled body is efficiently cooled. Can be done.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the cooling structure.
  • FIG. 4 shows a cross section of the cooling structure 300 parallel to the flow direction of the refrigerant in the flow path 12.
  • the cooled body 50 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.
  • the heat generated from the body to be cooled 50 reaches the outer wall of the flow path forming member 14 via the metal layer 48, and the heat that reaches the upper inner wall 42 on the upstream side and the side inner wall 45 of the protruding portion is not shown.
  • Move to the cooling fins At this time, heat is transferred from the cooling fins to the refrigerant by the refrigerant flowing through the flow path 12. Since the body to be cooled 50 comes into contact with the flow path forming member 14 via the metal layer 48, the heat generated from the body to be cooled 50 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 body to be cooled 50. 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, a metal layer 48 may be formed on the outer wall of the flow path forming member 14, and the metal layer 48 at a location where insulation is required may be covered with a 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 50 is arranged. Further, as shown in FIG. 4, when the metal layer 48 is provided on a part of the outer wall of the flow path forming member 14 on the side where the cooled body 50 is arranged, the cooled body 50 in the flow path forming member 14 is provided. A region 54 in which the metal layer 48 is not provided may exist on the outer wall on the side opposite to the side on which the metal layer 48 is arranged.
  • 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 100.
  • the rectifying portion is made of the same resin as the flow path forming member, the rectifying portion can be integrally molded with the flow path forming member, and the production of the cooling structure can be simplified.
  • the type of resin constituting the flow path forming member 14 and the cooling fins is not particularly limited.
  • the resin include polyethylene resin, polypropylene resin (PP), composite polypropylene resin (PPC), polyphenylene sulfide resin (PPS), polyphthalamide resin (PPA), and polybutylene terephthalate resin (PBT).
  • Epoxy resin, phenol resin, polystyrene resin, polyethylene terephthalate resin, polyvinyl alcohol resin, vinyl chloride resin, ionomer resin, polyamide resin, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS) and polycarbonate resin Resin is mentioned.
  • the resin constituting the flow path forming member 14 and the cooling fins may be the same or different.
  • the resin constituting the flow path forming member 14 and the cooling fins 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 14 and the resin constituting the cooling fins may be the same or different. Further, one of the resin constituting the flow path forming member 14 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 a mesh-like, punching metal from the viewpoint of suppressing the load on the cooling structure 200 due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the resin constituting the flow path forming member 14 and the cooling fins and the metal constituting the heat diffusion portion. And so on.
  • 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 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, and gold. Examples include alloys and molybdenum. Among these, silver and copper are preferable from the viewpoint of enhancing the magnetic field shielding effect. On the other hand, silver and gold are preferable from the viewpoint of cooling efficiency of the object to be cooled.
  • the method for forming the metal layer 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 is preferably a metal sprayed layer formed by a metal spraying method from the viewpoint of formability, and zinc is preferable from the viewpoint of processability.
  • the average thickness of the metal layer is not particularly limited, and is preferably 1 ⁇ m to 2 mm.
  • the average thickness of the metal layer in contact with 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 provided on the outer wall of the flow path forming member opposite to the side on which the cooled body is arranged is preferably 1 ⁇ m to 2 mm, preferably 200 ⁇ m to 2 mm, and 500 ⁇ m to 500 ⁇ m from the viewpoint of magnetic field shielding. 2 mm is more preferable.
  • the cooling structure of the present disclosure may be provided with a temperature sensor for measuring the temperature of the refrigerant, and may be provided with a temperature sensor downstream of the region provided with the protrusion and the rectifying portion in the flow path. Further, the amount of the refrigerant may be adjusted according to the temperature of the temperature sensor, or a control unit may be provided for adjusting the amount of the refrigerant according to the temperature of the temperature sensor.
  • 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 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. 5, 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 zinc layer 48 having an average thickness of 200 ⁇ m was formed on the upper surface of an 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.
  • Flow path 14 Flow path forming member 40 Protruding part 41 Rectifying part 42 Upstream upper inner wall 43 Lower inner wall 44 Downstream upper upper inner wall 45, 47 Side inner wall 46 Upper inner wall 48 Metal layer 50 Cooled body 52 Iron block 54 Region 100, 200, 300 cooling structure

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Abstract

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、前記流路は、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する冷却構造体。

Description

冷却構造体
　本発明は、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が流れることがある。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構造として、駆動手段の直下に冷却水が流通するヒートシンクを設ける構造が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０－１８２８３１号公報
　パワー半導体、キャパシタ等の電子部品の直下に冷媒が流通するヒートシンクを設けて電子部品を冷却する場合、電子部品の側面も冷却することが考えられる。例えば、冷媒が流通する経路を鉛直上側に突出させ、側面が電子部品と隣接する突出部を設け、さらに突出部の側面にもヒートシンクを設け、かつ冷媒が供給される構成とすることが考えられる。
　しかしながら、突出部に供給された冷媒が滞留しやすいという問題がある。
　本発明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、突出部における滞留の発生が抑制された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、前記流路は、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する冷却構造体。
＜２＞　前記整流部の前記突出部側の端部は、前記上流側の内壁よりも流路外方向に突出する＜１＞に記載の冷却構造体。
＜３＞　前記流路外方向における整流部の高さｈと、前記流路外方向における前記突出部よりも上流側の前記流路の幅ｗとの比（ｈ／ｗ）は、０．５以上である＜１＞又は＜２＞に記載の冷却構造体。
＜４＞　前記突出部は、前記冷媒が流通する方向における前記突出部よりも下流側の前記流路の内壁よりも前記流路外方向に突出している＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の冷却構造体。
＜５＞　前記突出部の内壁の少なくとも一部と対向するように被冷却体が配置され、前記突出部を流通する前記冷媒により前記被冷却体が冷却される＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の冷却構造体。
＜６＞　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＞～＜５＞のいずれか１つ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、前記被冷却体と、前記流路形成部材との間に前記金属層の少なくとも一部が設けられ、前記金属層は、前記被冷却体の少なくとも一部と接している＜５＞に記載の冷却構造体。
＜８＞　前記金属層が、金属溶射層である＜６＞又は＜７＞に記載の冷却構造体。
　本発明の一形態によれば、突出部における滞留が抑制された冷却構造体を提供することができる。
冷却構造体の一実施形態についての概略断面図である。 冷却構造体の一実施形態を示す概略図である。 被冷却体が配置された冷却構造体の一実施形態についての概略断面図である。 冷却構造体の変形例についての概略断面図である。 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、前記流路は、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する。本開示の冷却構造体は、流路外方向に突出する突出部と、冷媒が流通する方向を突出部側に整流する整流部と、を有するため、突出部に冷媒の流れが形成され、突出部に供給された冷媒は滞留しにくくなり、長期間にわたって冷媒が突出部に溜まる滞留の発生が抑制されると考えられる。また、突出部における滞留の発生が抑制されることにより、突出部における冷却効率が高まると考えられる。
　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及び図２に示す冷却構造体１００は、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。図１は、図２に示すＡＡ線を含む鉛直面で切断したときの断面図である。流路の形状は、図１及び図２に示すように、冷媒が流通する方向と直交する方向における断面が略矩形であってもよく、断面が円形、楕円形、矩形以外の多角形等であってもよい。
　流路１２は、冷媒が流通する方向（図１中の矢印Ｘ方向）において、鉛直上方向に突出する突出部４０と、冷媒が流通する方向を突出部４０側に整流する整流部４１と、を有する。
　突出部４０は、冷媒が流通する方向において、上流側の上部内壁４２と下流側の上部内壁４４との間に形成されている。整流部４１の突出部４０側の端部は、上流側の上部内壁４２及び下流側の上部内壁４４よりも鉛直上方向に突出している。
　突出部４０は、側部内壁４５、４７及び上部内壁４６を備え、冷媒が流通する方向と平行な方向の断面がいずれも矩形状である。冷媒が流通する方向において、側部内壁４５は側部内壁４７よりも上流側の壁面であり、側部内壁４７は側部内壁４５よりも下流側の壁面である。突出部は、冷媒が流通する方向と平行な方向の断面は、それぞれ独立に円形、楕円形、多角形等であってもよい。
　突出部は、冷媒が流通する方向と直交する断面は、図２に示すように矩形状であってもよく、円形、楕円形、矩形以外の多角形等であってもよい。
　なお、突出部は、冷媒が流通する方向において上流側の内壁よりも流路外方向に突出していればよく、上流側の上部内壁よりも鉛直上方向に突出する構成に限定されない。例えば、上流側の下部内壁よりも鉛直下方向に突出していてもよく、上流側の側部内壁よりも側部内壁の流路外方向に突出していてもよい。
　本開示において、「流路外方向」とは、流路の内壁から外壁を介して流路形成部材の外部に向かう方向を意味する。
　整流部４１は、下部内壁４３から流路１２内に向かって延設されている。整流部４１は、冷媒が流通する方向を突出部４０側、例えば、整流部４１の延設方向（図１中の矢印Ｙ方向）に整流する。整流部４１は、突出部４０における上部内壁４６と対向する下部内壁４３の部分の少なくとも一部から突出部４０側に延設された板状構造を有する。
　整流部４１を構成する材料は、後述する流路形成部材１４を構成する樹脂であってもよく、後述する熱拡散部を構成する金属であってもよい。
　整流部４１の突出部４０側の端部は、上流側の上部内壁４２よりも流路外方向である鉛直上方向に突出している。これにより、突出部４０側に冷媒の流れが好適に形成され、突出部４０に供給された冷媒はより滞留しにくくなる。
　整流部は、冷媒が流通する方向を突出部側に整流する構成であれば特に限定されず、例えば、整流部は、突出部の流路外方向の内壁と対面する流路形成部材の内壁の部分の少なくとも一部から突出部側に延設されている構成であってもよい。
　突出部４０における上部内壁４６と整流部４１における上部内壁４６と対面する壁面との距離Ｌと、流路外方向である鉛直上方向における突出部４０よりも上流側の流路１２の幅ｗとの比（Ｌ／ｗ）は、１以上であることが好ましく、Ｌ／ｗ＝１、すなわち、Ｌ＝ｗであることがより好ましい。
　また、流路外方向である鉛直上方向における突出部４０よりも下流側の流路１２の幅ｚと、幅ｗとの比（ｚ／ｗ）は、１以上であることが好ましく、ｚ／ｗ＝１、すなわち、ｚ＝ｗであることがより好ましい。
　突出部４０における側部内壁４５と整流部４１における側部内壁４５と対面する壁面との距離ｍと、流路外方向である鉛直上方向における突出部４０よりも上流側の流路１２の幅ｗとの比（ｍ／ｗ）は、１以上であることが好ましく、ｍ／ｗ＝１、すなわち、ｍ＝ｗであることがより好ましい。
　突出部４０における側部内壁４７と整流部４１における側部内壁４７と対面する壁面との距離ｎと、流路外方向である鉛直上方向における突出部４０よりも上流側の流路１２の幅ｗとの比（ｎ／ｗ）は、１以上であることが好ましく、ｎ／ｗ＝１、すなわち、ｎ＝ｗであることがより好ましい。
　流路外方向である鉛直上方向における整流部４１の高さｈと、幅ｗとの比（ｈ／ｗ）は、０．５以上であることが好ましく、１以上であることがより好ましい。
　図３は、被冷却体が配置された冷却構造体の一実施形態についての概略断面図である。
　図３に示す冷却構造体２００は、上流側の上部内壁４２及び突出部の側部内壁４５と対向するように被冷却体５０が配置され、突出部４０を流通する冷媒により被冷却体５０が冷却される構成を有する。
　被冷却体５０としては、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５０は、上流側の上部内壁４２から流路１２内に向けて延設されたヒートシンク（図示せず）、及び側部内壁４５から突出部４０に向けて延設されたヒートシンク（図示せず）を備えていてもよい。
　冷却構造体２００がヒートシンクを備える場合、被冷却体５０とヒートシンクとの間に被冷却体５０の発する熱をヒートシンクに伝える絶縁基板、絶縁シート等を備えていてもよい。また、ヒートシンクの一部が流路形成部材１４に埋設されてヒートシンクと被冷却体５０とが接触せずに流路形成部材１４を介して被冷却体５０の発する熱がヒートシンクに伝わる構成であってもよい。
　ヒートシンクは、例えば、被冷却体５０の底部と対面する板状の熱拡散部と、熱拡散部における上流側の上部内壁４２側の面から流路１２内に延設された冷却フィンとを備えていてもよい。また、ヒートシンクとしては、被冷却体５０の側面と対面する板状の熱拡散部と、熱拡散部における側部内壁４５側の面から突出部４０に延設された冷却フィンとを備えていてもよい。
　熱拡散部は金属製であり、冷却フィンの少なくとも表面は樹脂製であることが好ましい。これにより、熱伝導性の高い熱拡散部にて面方向に拡散された熱が冷却フィンにて放熱されやすい傾向にある。
　冷却フィンは、上流側の上部内壁４２から下部内壁４３にまで到達せずに、冷却フィンの先端部が流路１２内に位置していてもよく、冷却フィンに触れる冷媒の量を増加させて冷却構造体２００の冷却効率を高める観点から、冷却フィンの先端部が下部内壁４３に接触していてもよい。また、冷却フィンの先端部が下部内壁４３に接触している場合、例えば、上流側の上部内壁４２から下部内壁４３に向けて（又は、下部内壁４３から上流側の上部内壁４２に向けて）荷重がかかった際に、冷却構造体２００の強度を高めることが可能となる。
　また、冷却フィンは、その先端部が被冷却体５０側の側部内壁４５から他方の側部内壁４７にまで到達していてもよく、到達していなくてもよい。
　冷却フィンは、少なくとも表面が樹脂製であることが好ましい。また、冷却フィン全体が樹脂製であってもよいし、冷却フィンが金属製の棒状の芯材を含んでいてもよい。冷却フィン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、熱拡散部と接続されていてもよい。
（冷却構造体の変形例）
　本開示の冷却構造体の変形例は、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ており、好ましくは、被冷却体であるパワー半導体、キャパシタ等と、流路形成部材との間に金属層の少なくとも一部が設けられ、金属層は被冷却体の少なくとも一部と接している。被冷却体の少なくとも一部が金属層と接触することにより、被冷却体にて生じた熱が金属層を介して流路を流通する冷媒に移動するため、被冷却体を効率よく冷却することができる。
　以下、本開示の冷却構造体の変形例について、図４を用いて説明する。図４は、冷却構造体の変形例を示す概略断面図である。図４は、冷却構造体３００における流路１２の冷媒が流通する方向に平行な断面を示す。
　図４に示す冷却構造体３００では、被冷却体５０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。
　被冷却体５０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、さらに上流側の上部内壁４２及び突出部の側部内壁４５に到達した熱は、不図示の冷却フィンに移動する。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。被冷却体５０が金属層４８を介して流路形成部材１４と接するため、被冷却体５０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、被冷却体５０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の金属層４８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５０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４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５０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５０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５４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１００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、整流部を流路形成部材と同じ樹脂で構成する場合、整流部を流路形成部材と一体で成形することができ、冷却構造体の製造を簡略化することができる。
　流路形成部材１４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、例えば、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）及びポリカーボネート系樹脂が挙げられる。流路形成部材１４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１４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１４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１４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てもよい。
　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１４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２００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。
　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、空気等の気体などが挙げられる。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、被冷却体の冷却効率の観点からは、銀及び金が好ましい。
　金属層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好ましい。
　金属層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。
　被冷却体と接触する金属層の平均厚みは、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が好ましく、５００μｍ～２ｍｍがより好ましい。
　本開示の冷却構造体は、冷媒の温度を測定する温度センサを備えていてもよく、流路内の突出部及び整流部が設けられた領域よりも下流に温度センサを備えていてもよい。また、温度センサの温度に応じて冷媒の量を調節してもよく、温度センサの温度に応じて冷媒の量を調節する制御部を備えていてもよい。
　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５に示す。図５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の亜鉛層４８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の亜鉛層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６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６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１７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、亜鉛層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２０１９－０５５６９５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。
１２　流路
１４　流路形成部材
４０　突出部
４１　整流部
４２　上流側の上部内壁
４３　下部内壁
４４　下流側の上部内壁
４５、４７　側部内壁
４６　上部内壁
４８　金属層
５０　被冷却体
５２　鉄ブロック
５４　領域
１００、２００、３００　冷却構造体

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、
    　前記流路は、前記冷媒が流通する方向における上流側の内壁よりも流路外方向に突出する突出部と、前記冷媒が流通する方向を前記突出部側に整流する整流部と、を有する冷却構造体。
  2. 　前記整流部の前記突出部側の端部は、前記上流側の内壁よりも流路外方向に突出する請求項１に記載の冷却構造体。
  3. 　前記流路外方向における整流部の高さｈと、前記流路外方向における前記突出部よりも上流側の前記流路の幅ｗとの比（ｈ／ｗ）は、０．５以上である請求項１又は請求項２に記載の冷却構造体。
  4. 　前記突出部は、前記冷媒が流通する方向における前記突出部よりも下流側の前記流路の内壁よりも前記流路外方向に突出している請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の冷却構造体。
  5. 　前記突出部の内壁の少なくとも一部と対向するように被冷却体が配置され、前記突出部を流通する前記冷媒により前記被冷却体が冷却される請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の冷却構造体。
  6. 　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、
    　前記被冷却体と、前記流路形成部材との間に前記金属層の少なくとも一部が設けられ、前記金属層は、前記被冷却体の少なくとも一部と接している請求項５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６又は請求項７に記載の冷却構造体。
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