冷却装置的制作方法

本发明涉及对例如由半导体元件等电子部件构成的发热体进行冷却的冷却装置。

在本说明书及权利要求书中，将图2的上下称作上下。

背景技术：

例如，作为对搭载于电动汽车、混合动力汽车、电车等的电力变换装置所使用的igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)等功率器件(半导体元件)进行冷却的冷却装置，本申请人以前提出了以下的冷却装置，该冷却装置具备：壳体，其具有顶壁及底壁，且在内部设置有冷却液通路；及散热器，其配置于壳体内的冷却液通路，散热器由一个散热单元构成，该一个散热单元由1张水平状基板和设置于基板的上下双面且长度方向朝向上下方向的多个铅垂状的销(pin)状翅片(fin)构成，散热单元的基板和壳体的顶壁及底壁在上下方向上离开，散热单元的上侧销状翅片的前端接合于壳体的顶壁，散热单元的下侧销状翅片的前端接合于壳体的底壁(参照专利文献1)。

然而，伴随于近年来的半导体元件的高输出化，半导体元件的发热量增加，要求冷却装置的进一步的高性能化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-239675号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的目的在于根据上述要求而提供一种能够进一步提高冷却性能的冷却装置。

用于解决课题的技术方案

本发明为了达成上述目的而包括以下的技术方案。

1)一种冷却装置，具备：壳体，具有顶壁及底壁且在内部设置有冷却流体通路；及散热器，配置于壳体内的冷却流体通路，

散热器具备在上下方向上呈层叠状配置的多个散热单元和配置于相邻的散热单元之间的中间板，散热单元由基板和设置于基板且长度方向朝向上下方向的多个销状翅片构成，散热单元的基板和中间板在上下方向上离开，上端的散热单元的销状翅片与壳体的顶壁热接触，下端的散热单元的销状翅片与壳体的底壁热接触，位于在上下方向上相邻的散热单元之间的中间板的上下两侧的散热单元的销状翅片与该中间板热接触。

2)根据上述1)所述的冷却装置，散热单元的销状翅片设置于基板的双面，中间板配置于在上下相邻的散热单元的销状翅片之间。

3)根据上述2)所述的冷却装置，上端的散热单元的上侧销状翅片的前端以冶金方式接合于壳体的顶壁并且下侧销状翅片的前端以冶金方式接合于中间板，下端的散热单元的下侧销状翅片的前端以冶金方式接合于壳体的底壁并且上侧销状翅片的前端以冶金方式接合于中间板。

4)根据上述3)所述的冷却装置，三个以上的散热单元隔着中间板在上下方向上呈层叠状配置，除了上下两端的散热单元之外的散热单元的上下两销状翅片的前端以冶金方式接合于中间板。

5)根据上述2)所述的冷却装置，销状翅片的横截面形状是圆形，销状翅片的直径为4mm以下，中间板与配置于该中间板的上下两侧的散热单元的基板之间的间隔为1.3mm以下，在将销状翅片的直径设为dmm，将散热翅片的最接近的两个销状翅片的间距设为pmm的情况下，p≤d+2mm。

6)根据上述2)所述的冷却装置，在基板形成有贯通孔，棒状的翅片形成构件以长度方向的两端侧的一定长度部分从贯通孔突出的方式插通于贯通孔，翅片形成构件在位于贯通孔内的部分处固定于基板，翅片形成构件的从贯通孔突出的部分成为销状翅片。

7)根据上述1)所述的冷却装置，两个散热单元隔着中间板在上下方向上呈层叠状配置，上侧散热单元的销状翅片仅设置于基板的下表面，下侧散热单元的销状翅片仅设置于基板的上表面，上侧散热单元的基板以冶金方式接合于壳体的顶壁并且销状翅片的前端接合于中间板，下侧散热单元的基板接合于壳体的底壁并且销状翅片的前端以冶金方式接合于中间板。

8)根据上述7)所述的冷却装置，在基板形成有贯通孔，棒状的翅片形成构件的长度方向的一端部插入于贯通孔并且其余部分从贯通孔突出，翅片形成构件在存在于贯通孔内的部分处固定于基板，翅片形成构件的从贯通孔突出的部分成为销状翅片，上侧散热单元的翅片形成构件的上端面与基板的上表面共面并且以冶金方式接合于壳体的顶壁，下侧散热单元的翅片形成构件的下端面与基板的下表面共面并且以冶金方式接合于壳体的底壁。

9)根据上述6)或8)所述的冷却装置，所有散热单元的基板和所有中间板在与壳体的冷却流体通路内的冷却流体的流动方向正交的方向的两端部处经由连结构件而交替地一体化。

10)根据上述1)所述的冷却装置，在上下方向上相邻的散热单元的销状翅片的横截面的形状及大小相同，在上下方向上相邻的散热单元的销状翅片在俯视时至少一部分重叠。

11)根据上述1)所述的冷却装置，销状翅片的横截面形状是圆形，在将基板的板厚设为tmm，将销状翅片的直径设为dmm的情况下，t≥d/8。

发明效果

根据上述1)～11)的冷却装置，配置于壳体内的冷却流体通路的散热器具备在上下方向上呈层叠状配置的多个散热单元和配置于相邻的散热单元间的中间板，散热单元由基板和设置于基板且长度方向朝向上下方向的多个销状翅片构成，散热单元的基板和中间板在上下方向上离开，上端的散热单元的销状翅片与壳体的顶壁热接触，下端的散热单元的销状翅片与壳体的底壁热接触，在上下方向上相邻的散热单元间的中间板与位于该中间板的上下两侧的散热单元的销状翅片热接触，因此，从安装于顶壁及底壁中的至少任一方的发热体发出的热向在安装有发热体的壁侧的端部配置的散热单元的销状翅片传递，并从销状翅片向在壳体的冷却流体通路内流动的冷却流体传递。另外，传递到在安装有发热体的壁侧的端部配置的散热单元的销状翅片的热向该散热单元的基板传递并从基板向在壳体的冷却流体通路内流动的冷却流体传递。而且，传递到在安装有发热体的壁侧的端部配置的散热单元的销状翅片的热向与该销状翅片热接触的中间板传递并从中间板向在壳体的冷却流体通路内流动的冷却流体传递，并且从中间板向相邻的散热单元的销状翅片传递，从销状翅片向在壳体的冷却流体通路内流动的冷却流体传递。通过反复进行这样的传热，从发热体发出的热从所有的散热单元的销状翅片及基板和所有的中间板向在冷却流体通路内流动的冷却流体传递，发热体被冷却。因此，与专利文献1所记载的冷却装置相比，向在壳体的冷却流体通路内流动的冷却流体的传热面积变大，因此冷却性能提高。

根据上述2)的冷却装置，能够任意变更构成散热器的散热单元的数量。而且，由于所有散热单元的基板的双面参与向冷却流体的传热，所以能够有效地提高冷却性能。

根据上述3)的冷却装置，安装有发热体的壁与接合于该壁的销状翅片之间的热传导性及该销状翅片与接合有该销状翅片的中间板之间的热传导性提高。

根据上述4)的冷却装置，隔着中间板而相邻的散热单元的销状翅片间的热传导性提高。

根据上述5)的冷却装置，能够抑制冷却流体通路内的通路阻力的显著增大，并有效地增加从散热器向冷却流体的传热面积。

根据上述6)及8)的冷却装置，能够比较简单且廉价地制造散热单元。

根据上述7)及8)的冷却装置，安装有发热体的壁与以冶金方式接合于该壁的销状翅片之间的热传导性及该销状翅片与以冶金方式接合有该销状翅片的中间板之间的热传导性提高。

根据上述9)的冷却装置，能够将所有散热单元的基板、所有中间板及连结构件例如通过折弯1张板而形成，能够减少部件件数，并且上下的散热单元的定位精度提高。

根据上述10)的冷却装置，隔着中间板而相邻的散热单元的销状翅片间的热传导路径变大，两散热单元的销状翅片间的热传导性提高。

根据上述11)的冷却装置，在各散热单元中，销状翅片与基板之间的热传导性提高。

附图说明

图1是示出本发明的冷却装置的整体结构的立体图。

图2是图1的a-a线剖视图。

图3是图2的局部放大图。

图4是示出图1的冷却装置所使用的散热器的整体结构的立体图。

图5是示出图1的冷却装置所使用的散热器的第1变形例的与图3相当的图。

图6是示出图1的冷却装置所使用的散热器的第1变形例的整体结构的立体图。

图7是示出图1的冷却装置所使用的散热器的第2变形例的与图3相当的图。

图8是示出图1的冷却装置所使用的散热器的第3变形例的与图3相当的图。

图9是示出制造图8的第3散热器的坯料的俯视图。

图10是图9的b-b线剖视图。

标号说明

(1)：冷却装置

(2)：壳体

(2a)：顶壁

(2b)：底壁

(3)：冷却流体通路

(4)(20)(25)(30)：散热器

(10)(26)：散热单元

(11)：中间板

(12)：基板

(13)(14)(27)：销状翅片

(15)：贯通孔

(16)：翅片形成构件

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。本实施方式是将本发明的冷却装置应用于液冷式冷却装置的实施方式。

在本说明书中，“铝”这一术语除了纯铝之外还包括铝合金。

另外，在以下的说明中，将图2的左右称作左右。

而且，在所有附图中对同一物及同一部分标注同一标号。

图1及图2示出本发明的冷却装置的整体结构，图3示出其主要部分的结构。另外，图4示出图1的冷却装置所使用的散热器。

在图1及图2中，冷却装置(1)具备：中空状的壳体(2)，具有顶壁(2a)、底壁(2b)及周壁(2c)，且在内部设置有冷却流体通路(3)；及散热器(4)，配置于壳体(2)内的冷却流体通路(3)。

在壳体(3)内的靠一端(在此是靠右端)的部分设置有供冷却液从外部流入的入口联管箱(header)(5)，并且在壳体(3)的长度方向的靠另一端(在此是靠左端)的部分设置有供冷却液向外部流出的出口联管箱(6)，冷却流体通路(3)使流入到入口联管箱(5)的冷却液向出口联管箱(6)流动。在壳体(2)的顶壁(2a)连接有向壳体(2)内的入口联管箱(5)供给冷却液的铝制入口管(7)和使冷却液从壳体(2)内的出口联管箱(6)排出的铝制出口管(8)。另外，在壳体(2)的顶壁(2a)外表面及底壁(2b)外表面中的至少任一方(在此是顶壁(2a)的外表面)安装有发热体(图示省略)，该发热体由igbt等功率器件、igbt与控制电路一体化并收纳于同一封装的igbt模块、进一步将保护电路与igbt模块一体化并收纳于同一封装的智能功率模块等构成。

如图2～图4所示，散热器(4)具备在上下方向上呈层叠状配置的多个(在此是两个)散热单元(10)和配置于相邻的散热单元(10)间的铝制中间板(11)。散热单元(10)由水平状的铝制基板(12)和以从基板(12)突出的方式设置于基板(12)的双面且长度方向朝向上下方向的多个铝制销状翅片(13)(14)构成。在基板(12)形成有多个圆形贯通孔(15)，铝制的圆棒状翅片形成构件(16)插通于圆形贯通孔(15)，并且以长度方向的中央部位于圆形贯通孔(15)内的状态固定于基板(12)。翅片形成构件(16)的从圆形贯通孔(15)向上下突出的部分成为上下两销状翅片(13)(14)。翅片形成构件(16)向基板(12)的固定通过向圆形贯通孔(15)内的压入、基于硬钎料的接合(以下，称作钎焊)来进行。

上侧(上端)的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)的前端被钎焊于壳体(2)的顶壁(2a)内表面而与其热接触，上侧(上端)的散热单元(10)的下侧销状翅片(14)的前端被钎焊于中间板(11)的上表面而与其热接触。另外，下侧(下端)的散热单元(10)的下侧销状翅片(14)的前端被钎焊于壳体(2)的底壁(2b)内表面而与其热接触，下侧(下端)的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)的前端被钎焊于中间板(11)的下表面而与其接触。这样，两散热单元(10)的基板(12)与中间板(11)在上下方向上离开。在上下方向上相邻的两散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)的横截面形状是大小相等的圆形，在上下方向上相邻的两散热单元(10)的所有的上下两销状翅片(13)(14)在俯视时至少一部分(在此是整体)重叠。

在此，在将基板(12)的板厚设为tmm，将上下两销状翅片(13)(14)的直径设为dmm的情况下，优选t≥d/8。在t<d/8的情况下，在各散热单元(10)中，形成上下两销状翅片(13)(14)的翅片形成构件(16)与基板(12)之间的热传导性可能会不足。另外，上下两销状翅片(13)(14)的直径d优选为4mm以下，中间板(11)与配置于中间板(11)的上下两侧的散热单元(10)的基板(12)之间的间隔优选为1.3mm以下。而且，在将散热单元(10)的最接近的两个上侧销状翅片(13)彼此及下侧销状翅片(14)彼此的间隔即间距(pitch)设为pmm的情况下，优选p≤d+2mm。

在上述的冷却装置中，通过入口管(7)流入到壳体(2)的入口联管箱(5)内的冷却液进入冷却流体通路(3)内，在上下两端的散热单元(10)的基板(12)与壳体(2)的顶壁(2a)及底壁(2b)之间以及各散热单元(10)的基板(12)与中间板(11)之间流过销状翅片(13)(14)间而进入出口联管箱(6)内，并从出口联管箱(6)通过出口管(8)而排出。从安装于壳体(2)的顶壁(2a)外表面的发热体发出的热向顶壁(2a)传递，进一步从两散热单元(10)的基板(12)及上下两销状翅片(13)(14)以及中间板(11)向在冷却流体通路(3)内流动的冷却液传递，发热体被冷却。

从发热体发出并传递到壳体(2)的顶壁(2a)的热向在冷却流体通路(3)内流动的冷却液的传热路径如下。将从安装于在壳体(2)的顶壁(2a)外表面的发热体发出的热向冷却液传递的第1路径是从顶壁(2a)直接向冷却液传递的路径。第2路径是从顶壁(2a)向上端的散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)传递并从上下两销状翅片(13)(14)向冷却液传递的路径。第3路径是从顶壁(2a)经由上端的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)而向基板(12)传递并从该基板(12)向冷却液传递的路径。第4路径是从顶壁(2a)经由上端的散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)而向中间板(11)传递并从该中间板(11)向冷却液传递的路径。第5路径是从顶壁(2a)经由上端的散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)及中间板(11)而向下侧散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)传递并从该上下两销状翅片(13)(14)向冷却液传递的路径。第6路径是从顶壁(2a)经由上端的散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)及中间板(11)而向下侧散热单元(10)的上侧销状翅片(13)传递并进一步经由上侧销状翅片(13)而向基板(12)传递并从基板(12)向冷却液传递的路径。

图5～图10示出本发明的冷却装置所使用的散热器的变形例。

图5及图6所示的散热器(20)具备在上下方向上呈层叠状配置的三个以上的(在此是三个)散热单元(10)和配置于相邻的散热单元(10)间的铝制中间板(11)。各散热单元(10)的结构与上述的实施方式的冷却装置(1)所使用的散热单元(10)相同。

上端的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)的前端被钎焊于壳体(2)的顶壁(2a)内表面而与其热接触，上端的散热单元(10)的下侧销状翅片(14)的前端被钎焊于上侧的中间板(11)的上表面而与其热接触。下端的散热单元(10)的下侧销状翅片(14)的前端被钎焊于壳体(2)的底壁(2b)内表面而与其热接触，下端的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)的前端被钎焊于中间板(11)的下表面而与其接触。而且，中间的散热单元(10)的上侧销状翅片(13)的前端被钎焊于上侧中间板(11)的下表面而与其热接触，中间的散热单元(10)的下侧销状翅片(14)的前端被钎焊于下侧中间板(11)的上表面而与其热接触。这样，所有散热单元(10)的基板(12)和两中间板(11)在上下方向上离开。在上下方向上相邻的两散热单元(10)的上下两销状翅片(13)(14)的横截面形状是大小相等的圆形，在上下方向上相邻的两散热单元(10)的所有销状翅片在俯视时至少一部分(在此是整体)重叠。

从安装于壳体(2)的顶壁(2a)外表面的发热体发出的热向顶壁(2a)传递，进一步从两散热单元(10)的基板(12)及上下两销状翅片(13)(14)以及中间板(11)向在冷却流体通路(3)内流动的冷却液传递，发热体被冷却。

图7所示的散热器(25)具备在上下方向上呈层叠状配置的两个散热单元(26)和配置于相邻的散热单元(26)间的铝制中间板(11)。

散热单元(26)由水平状的铝制基板(12)和以从基板(12)突出的方式设置于基板(12)的单面且长度方向朝向上下方向的多个铝制销状翅片(27)构成。在基板(12)形成有多个圆形贯通孔(15)，铝制的圆棒状翅片形成构件(16)插通于圆形贯通孔(15)，并且以长度方向的一端部位于圆形贯通孔(15)内并且一端面与基板(12)的单面共面的状态固定于基板(12)。翅片形成构件(16)的从圆形贯通孔(15)突出的部分成为销状翅片(27)。翅片形成构件(16)向基板(12)的固定通过向圆形贯通孔(15)内的压入或钎焊来进行。

在上侧散热单元(26)中，销状翅片(27)仅设置于基板(12)的下表面，上侧散热单元(26)的基板(12)被钎焊于壳体(2)的顶壁(2a)并且销状翅片(27)的前端被钎焊于中间板(11)的上表面而与其热接触。另外，上侧散热单元(26)的翅片形成构件(16)的上端面通过基板(12)的圆形贯通孔(15)而与基板(12)上表面共面并且被钎焊于壳体(2)的顶壁(2a)，上侧散热单元(26)的销状翅片(27)与壳体(2)的顶壁(2a)热接触。下侧散热单元(26)以使上侧散热单元(26)上下反向的状态配置，在下侧散热单元(26)中，销状翅片(27)仅设置于基板(12)的上表面，下侧散热单元(26)的基板(12)被钎焊于壳体(2)的底壁(2b)并且销状翅片(27)的前端被钎焊于中间板(11)的下表面而与其热接触。另外，下侧散热单元(26)的翅片形成构件(16)的下端面通过基板(12)的圆形贯通孔(15)而与基板(12)下表面共面并且被钎焊于壳体(2)的顶壁(2a)，下侧散热单元(26)的销状翅片与壳体(2)的底壁(2b)热接触。这样，两散热单元(26)的基板(12)和中间板(11)在上下方向上离开。在上下方向上相邻的两散热单元(26)的销状翅片(27)的横截面形状是大小相等的圆形，在上下方向上相邻的两散热单元(26)的所有销状翅片(26)在俯视时至少一部分(在此是整体)重叠。

在此，在将基板(12)的板厚设为tmm，将销状翅片(27)的直径设为dmm的情况下，优选t≥d/8。在t<d/8的情况下，在各散热单元(26)中，形成销状翅片(27)的翅片形成构件(16)与基板(12)之间的热传导性可能会不足。另外，销状翅片(27)的直径d优选为4mm以下，中间板(11)与配置于中间板(11)的上下两侧的散热单元(26)的基板(12)之间的间隔优选为1.3mm以下。而且，在将散热单元(26)的最接近的两个销状翅片(27)彼此的间隔即间距设为pmm的情况下，优选p≤d+2mm。

图8所示的散热器(30)是如下的散热器：上述的实施方式的散热器(4)中的上下的散热单元(10)的基板(12)和中间板(11)在与壳体(2)的冷却流体通路(3)内的冷却液的流动方向正交的方向(图2的纸面表背方向)的两端部处经由连结构件(31)而交替地一体化，由此，在垂直截面中，基板(12)及中间板(11)成为波纹(corrugate)状。在连结构件(31)呈贯通状地形成有在图8的纸面表背方向上较长的长方形状的方形孔(32)。散热器(30)以使图8的左右方向朝向图2的纸面表背方向的方式配置于壳体(2)的冷却流体通路(3)内。

此外，在图5及图6所示的散热器(20)或具备四个以上的散热单元(10)的散热器的情况下，也可以是所有散热单元(10)的基板(12)和相邻的散热单元(10)彼此的中间板(11)在左端部或右端部处经由连结构件而交替地一体化，由此，在垂直截面中，基板(12)及中间板(11)成为波纹状。

图8所示的散热器(30)通过图9及图10所示的方法来制造。

即，准备第1坯板(35)，该第1坯板(35)具有：形成有多个圆形贯通孔(15)的多个基板形成部(36)、位于相邻的基板形成部(36)彼此之间的中间板形成部(37)及位于基板形成部(36)与中间板形成部(37)之间且形成有方形孔(32)的连结构件形成部(38)。另外，准备与翅片形成构件(16)具有同一材质的第2坯板(图示省略)。接着，将第2坯板以空出间隔的方式配置于第1坯板(35)的上方，对第2坯板实施冲压加工而冲压出翅片形成构件(16)，并且将冲压出的翅片形成构件(16)向第1坯板(35)的基板形成部(36)的圆形贯通孔(15)内压入。之后，将第1坯板(35)在连结构件形成部(38)的两侧折弯，整体成为波纹状。这样，制造出散热器(30)。

上述的所有散热单元(10)(26)的销状翅片(13)(14)(27)通过将棒状的翅片形成构件(16)以插通于形成于基板(12)的贯通孔(15)的状态固定于基板(12)而制造，但不限定于此，也可以通过对金属坯料实施锻造加工、切削加工来制造由基板及销状翅片构成的散热单元。

产业上可利用性

本发明的冷却装置适合用于在搭载于电动汽车、混合动力汽车、电车等的电力变换装置等功率模块中冷却igbt等功率器件。