冷却器及びその製造方法
【課題】ケースの開口の全周を連続的に溶接することなく、しかも冷媒が漏れることがないようにカバープレートがケースに接合された冷却器を提供する。
【解決手段】冷却器１０には、ケース開口を一巡するようにケース開口周囲上面４ａにシールリング７が埋設されている。その上にカバープレート２が載せられ、開口周囲上面４ａの複数個所（符号ＰｃとＰｓが示す箇所）を点状に溶接する。溶接箇所は、カバープレート２に垂直な方向から平面視したときに、シールリング７の外側である。ケース４には、カバープレート２に垂直な方向から平面視したときに、シールリング７を挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース開口周囲上面４ａの内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く溝５が形成されている。
【解決手段】冷却器１０には、ケース開口を一巡するようにケース開口周囲上面４ａにシールリング７が埋設されている。その上にカバープレート２が載せられ、開口周囲上面４ａの複数個所（符号ＰｃとＰｓが示す箇所）を点状に溶接する。溶接箇所は、カバープレート２に垂直な方向から平面視したときに、シールリング７の外側である。ケース４には、カバープレート２に垂直な方向から平面視したときに、シールリング７を挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース開口周囲上面４ａの内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く溝５が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に冷媒を通す冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却器では、ケースにカバープレートを接合する際、冷媒が漏れないように、わずかな隙間もなく接合する必要がある。冷媒が漏れないようにカバープレートを接合する手法の一つとして、特許文献１には、ケース開口の周囲全体を摩擦撹拌溶接により連続的に接合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ケース開口の全周を連続的に溶接すれば液漏れ（ガス漏れ）することはない。しかしながら、それではコストが嵩む。本明細書は、ケースの開口の全周を連続的に溶接することなく、しかし冷媒が漏れることがないようにカバープレートがケースに接合された冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する技術では、容器状に形成されたケースの開口を一巡するようにケース開口周囲上面にシールリングを埋設する。その上にカバープレートを載せ、カバープレートの上から、開口周囲上面の複数個所を点状に溶接する。溶接には摩擦撹拌接合が適している。即ち、ケースとカバープレートの間の密封は、シールリングが確保する。ところが、シールリングは熱に弱い。その一方で、摩擦撹拌溶接は発熱を伴う。摩擦撹拌溶接は、摩擦熱によって部材を軟化・塑性流動させて２つの部材を局所的に練り混ぜて接合する。そのため、温度は局所的に数百度にまで達することがある。従って、シールリングの近くを溶接しようとすると、溶接の熱でシールリングが傷んでしまう虞がある。ケース開口周囲の壁厚を厚くし、溶接箇所とシールリングの間に距離を確保すれば熱の問題は解決するがそれではコストとサイズが嵩んでしまう。そこで本明細書が開示する技術では、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、溶接箇所をシールリングの外側とする。そして、ケースには、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、シールリングを挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース周囲上面の内側の縁からシールリングに向かって冷媒を導く溝を形成する。そのような構造を採用することによって、ケースに冷媒を流せば溶接点付近にてシールリング近くまで冷媒が到達する。従って、ケースに冷媒を流しながら溶接することによって、溶接中もシールリングが冷却され、シールリングが熱で痛んでしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施例の冷却器の分解斜視図である。
【図２】図１の符号Ａで示す部分の部分拡大図である。
【図３】溶接工程（製造工程）を説明する部分断面図である。
【図４】溶接装置（製造装置）の模式的斜視図である。
【図５】変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面を参照して実施例の冷却器１０を説明する。図１は、冷却器１０の分解斜視図である。図２は、図１にて符号Ａで示した箇所の部分拡大図である。図１に示すように、この冷却器１０は、箱形である。冷却器１０は、容器状に形成されておりその内部空間Ｓに冷媒を流すケース４に、カバープレート２が溶接されて、ケース４の内部空間Ｓが封止される。ケース４の一つの側面には、冷媒の供給口１２と排出口１３が設けられている。ケース４の内部空間Ｓには、冷媒の通路を形成するための複数の仕切板８が設けられている。供給口１２から入った冷媒は、仕切板８に沿ってケース内を往復し、排出口１３から排出される。冷却器１０は、例えば、発熱量の多いＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した基板をカバープレート２の上に固定し、半導体素子の冷却などに用いられる。
【０００８】
冷媒が漏れないように、ケース４とカバープレート２の間は密封されねばならない。そのため、ケース４の開口周囲上面４ａには、開口を一巡する溝６が設けられており、その中に、開口を一巡するようにシールリング７が埋設されている。シールリング７は、例えば、シリコン樹脂などで作られたリングである。なお、シールリング７は、リング形状を保つことのできる固体でなくともよい。例えば、溝６内に充填されるシリコングリース、あるいは、溝６に充填される硬化性樹脂などであってもよい。
【０００９】
ケース４とカバープレート２は、摩擦撹拌溶接によって接合される。図１における符号Ｐｃが示す領域は、カバープレート２における溶接箇所（溶接予定箇所）を示している。Ｐｃに対応するようにケース４に示された領域Ｐｓは、ケース４の開口周囲上面４ａにおける溶接箇所（溶接予定箇所）を示している。後述するように、カバープレート上の領域Ｐｃとケース上の領域Ｐｓは、本来は溶接によって一体化する場所であるが、図１、図２では理解を助けるために、溶接予定箇所として、カバープレートとケースで別々の符号を付した。なお、図３、図５では、カバープレート２の溶接箇所Ｐｃとケース４の溶接箇所Ｐｓが一体化した接合部に符号Ｐを付した。また、図１では、開口周囲上面４ａに６箇所の溶接箇所が設けられるが、符号Ｐｃ、Ｐｓは、一箇所にのみ付しており、図面の複雑化を招かないように、他の溶接箇所には符号を付していない点に留意されたい。図１では、カバープレート２は、ケース４の開口周囲上面４ａの６箇所で点状に溶接され、接合される。
【００１０】
この冷却器１０では、溶接点（図中の符号ＰｓとＰｃが示す箇所）は、カバープレート２に垂直な方向（図中のＺ軸方向）から見たときに、シールリング７の外側に位置する。また、開口周囲上面４ａには、シールリング７を挟んで溶接点Ｐｓと向かいあう位置に、ケース周囲上面４ａの内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く溝５が形成されている。この溝５は、カバープレート２を溶接する際、ケース４の内部空間Ｓに満たされた冷媒をシールリング７の近傍へ導くために設けるものである。図１では１箇所の溝にのみ符号５を付してあるが、全ての溶接箇所Ｐｓに対して溝５が設けられている。
【００１１】
図３に溶接時の様子（断面）を示す。摩擦撹拌溶接では、先端が細い棒状の溶接ツール３１を高速回転させながらカバープレート２の表面に押し当てる。そうすると、溶接ツール３１が押し当てられた箇所は、摩擦熱によりカバープレート２の当接箇所が軟化する。溶接ツール３１をさらに押し当て続けると、軟化が深さ方向に進行し、ケース４まで軟化する。こうして、図３の符号Ｐで示す領域では、カバープレート２の材料とケース４の材料が練り混ぜ合わされて一体化する。即ち、カバープレート２とケース４が接合される。溶接ツール３１を押し当てている間、ケース内部空間Ｓに冷媒Ｗを流し続ける。冷媒Ｗは溝５に案内されてシールリング７の近傍まで到達し、シールリング７を冷却する。冷媒Ｗによる冷却効果が、摩擦撹拌溶接にて発生する熱からシールリング７を保護する。
【００１２】
図４に、溶接装置３０の模式的斜視図を示す。なお、図４には溶接装置３０の一部のみが示されていることに留意されたい。作業台４４の上にケース４とカバープレート２を重ねて載置し、上から固定治具４１でカバープレート２とケース４を上から押さえ、両者がずれないように位置を固定する。その状態で溶接予定位置に溶接ツール３１を高速回転させながら押し当てる。このとき、ケース４の供給口１２には冷媒供給管４２を接続し、排出口１３には冷媒排出管４３を接続する。そうして、冷媒供給管４２を通じてケース４の内部に冷媒を供給する。冷媒は、前述した仕切板８に沿って流れたのち、冷媒排出管４３を通じてケース外へと排出される。このように、溶接中にケース内部に冷媒を通すことで、シールリング７を溶接の熱から保護する。全ての溶接予定位置Ｐｃの溶接が終了すると、カバープレート２は完全にケース４に接合される。このとき、ケースの開口周囲上面４ａとカバープレート２との境界は、シールリング７によって密閉される。
【００１３】
図５を参照して、ケース開口の周囲上面４ａに設ける溝５の変形例を説明する。図５（Ａ）は、ケース４の部分平面図であり、（Ｂ）は、図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、（Ｃ）は、図（Ａ）におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図４（Ａ）では、カバープレート２の図示を省略してある。この変形例では、ケース内空間Ｓから、シールリング７を収めた溝６まで通じる２本の溝５ａ、５ｂが設けられている。別言すれば、平面視したときに、シールリング７を挟んで溶接点Ｐと向かいあう位置に、ケース周囲上面の内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く複数の溝５ａ、５ｂが形成されている。上述したように、溝５は、シールリング７を収めた溝６に繋がっているので、ケース内空間Ｓに満たされた冷媒Ｗは、シールリング７の周囲にまで達する。これにより、溶接時にシールリング７を効果的に冷却することができる。また、複数の溝を設けることで、幅広の一つの溝の場合と同等の冷媒量を流すのに、一つ一つの溝を細くすることができる。溝を細くすることによって、シールリング７が溝内にはみ出してしまうことを防止できる。
【００１４】
実施例に示した技術についての留意点を述べる。冷却器は、冷媒として液体（典型的には水）を用いるものであってよいし、ガスを用いるものであってもよい。
【００１５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００１６】
２：カバープレート
４：ケース
４ａ：開口周囲上面
４ｂ：縁
５、５ａ、５ｂ：溝
６：溝（シールリング埋設用）
７：シールリング
８：仕切板
１０：冷却器
３０：溶接装置
３１：溶接ツール
Ｐ：溶接箇所
Ｐｓ、Ｐｃ：溶接予定箇所
Ｓ：ケース内部空間
Ｗ：冷媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に冷媒を通す冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却器では、ケースにカバープレートを接合する際、冷媒が漏れないように、わずかな隙間もなく接合する必要がある。冷媒が漏れないようにカバープレートを接合する手法の一つとして、特許文献１には、ケース開口の周囲全体を摩擦撹拌溶接により連続的に接合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ケース開口の全周を連続的に溶接すれば液漏れ（ガス漏れ）することはない。しかしながら、それではコストが嵩む。本明細書は、ケースの開口の全周を連続的に溶接することなく、しかし冷媒が漏れることがないようにカバープレートがケースに接合された冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する技術では、容器状に形成されたケースの開口を一巡するようにケース開口周囲上面にシールリングを埋設する。その上にカバープレートを載せ、カバープレートの上から、開口周囲上面の複数個所を点状に溶接する。溶接には摩擦撹拌接合が適している。即ち、ケースとカバープレートの間の密封は、シールリングが確保する。ところが、シールリングは熱に弱い。その一方で、摩擦撹拌溶接は発熱を伴う。摩擦撹拌溶接は、摩擦熱によって部材を軟化・塑性流動させて２つの部材を局所的に練り混ぜて接合する。そのため、温度は局所的に数百度にまで達することがある。従って、シールリングの近くを溶接しようとすると、溶接の熱でシールリングが傷んでしまう虞がある。ケース開口周囲の壁厚を厚くし、溶接箇所とシールリングの間に距離を確保すれば熱の問題は解決するがそれではコストとサイズが嵩んでしまう。そこで本明細書が開示する技術では、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、溶接箇所をシールリングの外側とする。そして、ケースには、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、シールリングを挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース周囲上面の内側の縁からシールリングに向かって冷媒を導く溝を形成する。そのような構造を採用することによって、ケースに冷媒を流せば溶接点付近にてシールリング近くまで冷媒が到達する。従って、ケースに冷媒を流しながら溶接することによって、溶接中もシールリングが冷却され、シールリングが熱で痛んでしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施例の冷却器の分解斜視図である。
【図２】図１の符号Ａで示す部分の部分拡大図である。
【図３】溶接工程（製造工程）を説明する部分断面図である。
【図４】溶接装置（製造装置）の模式的斜視図である。
【図５】変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面を参照して実施例の冷却器１０を説明する。図１は、冷却器１０の分解斜視図である。図２は、図１にて符号Ａで示した箇所の部分拡大図である。図１に示すように、この冷却器１０は、箱形である。冷却器１０は、容器状に形成されておりその内部空間Ｓに冷媒を流すケース４に、カバープレート２が溶接されて、ケース４の内部空間Ｓが封止される。ケース４の一つの側面には、冷媒の供給口１２と排出口１３が設けられている。ケース４の内部空間Ｓには、冷媒の通路を形成するための複数の仕切板８が設けられている。供給口１２から入った冷媒は、仕切板８に沿ってケース内を往復し、排出口１３から排出される。冷却器１０は、例えば、発熱量の多いＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した基板をカバープレート２の上に固定し、半導体素子の冷却などに用いられる。
【０００８】
冷媒が漏れないように、ケース４とカバープレート２の間は密封されねばならない。そのため、ケース４の開口周囲上面４ａには、開口を一巡する溝６が設けられており、その中に、開口を一巡するようにシールリング７が埋設されている。シールリング７は、例えば、シリコン樹脂などで作られたリングである。なお、シールリング７は、リング形状を保つことのできる固体でなくともよい。例えば、溝６内に充填されるシリコングリース、あるいは、溝６に充填される硬化性樹脂などであってもよい。
【０００９】
ケース４とカバープレート２は、摩擦撹拌溶接によって接合される。図１における符号Ｐｃが示す領域は、カバープレート２における溶接箇所（溶接予定箇所）を示している。Ｐｃに対応するようにケース４に示された領域Ｐｓは、ケース４の開口周囲上面４ａにおける溶接箇所（溶接予定箇所）を示している。後述するように、カバープレート上の領域Ｐｃとケース上の領域Ｐｓは、本来は溶接によって一体化する場所であるが、図１、図２では理解を助けるために、溶接予定箇所として、カバープレートとケースで別々の符号を付した。なお、図３、図５では、カバープレート２の溶接箇所Ｐｃとケース４の溶接箇所Ｐｓが一体化した接合部に符号Ｐを付した。また、図１では、開口周囲上面４ａに６箇所の溶接箇所が設けられるが、符号Ｐｃ、Ｐｓは、一箇所にのみ付しており、図面の複雑化を招かないように、他の溶接箇所には符号を付していない点に留意されたい。図１では、カバープレート２は、ケース４の開口周囲上面４ａの６箇所で点状に溶接され、接合される。
【００１０】
この冷却器１０では、溶接点（図中の符号ＰｓとＰｃが示す箇所）は、カバープレート２に垂直な方向（図中のＺ軸方向）から見たときに、シールリング７の外側に位置する。また、開口周囲上面４ａには、シールリング７を挟んで溶接点Ｐｓと向かいあう位置に、ケース周囲上面４ａの内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く溝５が形成されている。この溝５は、カバープレート２を溶接する際、ケース４の内部空間Ｓに満たされた冷媒をシールリング７の近傍へ導くために設けるものである。図１では１箇所の溝にのみ符号５を付してあるが、全ての溶接箇所Ｐｓに対して溝５が設けられている。
【００１１】
図３に溶接時の様子（断面）を示す。摩擦撹拌溶接では、先端が細い棒状の溶接ツール３１を高速回転させながらカバープレート２の表面に押し当てる。そうすると、溶接ツール３１が押し当てられた箇所は、摩擦熱によりカバープレート２の当接箇所が軟化する。溶接ツール３１をさらに押し当て続けると、軟化が深さ方向に進行し、ケース４まで軟化する。こうして、図３の符号Ｐで示す領域では、カバープレート２の材料とケース４の材料が練り混ぜ合わされて一体化する。即ち、カバープレート２とケース４が接合される。溶接ツール３１を押し当てている間、ケース内部空間Ｓに冷媒Ｗを流し続ける。冷媒Ｗは溝５に案内されてシールリング７の近傍まで到達し、シールリング７を冷却する。冷媒Ｗによる冷却効果が、摩擦撹拌溶接にて発生する熱からシールリング７を保護する。
【００１２】
図４に、溶接装置３０の模式的斜視図を示す。なお、図４には溶接装置３０の一部のみが示されていることに留意されたい。作業台４４の上にケース４とカバープレート２を重ねて載置し、上から固定治具４１でカバープレート２とケース４を上から押さえ、両者がずれないように位置を固定する。その状態で溶接予定位置に溶接ツール３１を高速回転させながら押し当てる。このとき、ケース４の供給口１２には冷媒供給管４２を接続し、排出口１３には冷媒排出管４３を接続する。そうして、冷媒供給管４２を通じてケース４の内部に冷媒を供給する。冷媒は、前述した仕切板８に沿って流れたのち、冷媒排出管４３を通じてケース外へと排出される。このように、溶接中にケース内部に冷媒を通すことで、シールリング７を溶接の熱から保護する。全ての溶接予定位置Ｐｃの溶接が終了すると、カバープレート２は完全にケース４に接合される。このとき、ケースの開口周囲上面４ａとカバープレート２との境界は、シールリング７によって密閉される。
【００１３】
図５を参照して、ケース開口の周囲上面４ａに設ける溝５の変形例を説明する。図５（Ａ）は、ケース４の部分平面図であり、（Ｂ）は、図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、（Ｃ）は、図（Ａ）におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図４（Ａ）では、カバープレート２の図示を省略してある。この変形例では、ケース内空間Ｓから、シールリング７を収めた溝６まで通じる２本の溝５ａ、５ｂが設けられている。別言すれば、平面視したときに、シールリング７を挟んで溶接点Ｐと向かいあう位置に、ケース周囲上面の内側の縁４ｂからシールリング７に向かって冷媒を導く複数の溝５ａ、５ｂが形成されている。上述したように、溝５は、シールリング７を収めた溝６に繋がっているので、ケース内空間Ｓに満たされた冷媒Ｗは、シールリング７の周囲にまで達する。これにより、溶接時にシールリング７を効果的に冷却することができる。また、複数の溝を設けることで、幅広の一つの溝の場合と同等の冷媒量を流すのに、一つ一つの溝を細くすることができる。溝を細くすることによって、シールリング７が溝内にはみ出してしまうことを防止できる。
【００１４】
実施例に示した技術についての留意点を述べる。冷却器は、冷媒として液体（典型的には水）を用いるものであってよいし、ガスを用いるものであってもよい。
【００１５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００１６】
２：カバープレート
４：ケース
４ａ：開口周囲上面
４ｂ：縁
５、５ａ、５ｂ：溝
６：溝（シールリング埋設用）
７：シールリング
８：仕切板
１０：冷却器
３０：溶接装置
３１：溶接ツール
Ｐ：溶接箇所
Ｐｓ、Ｐｃ：溶接予定箇所
Ｓ：ケース内部空間
Ｗ：冷媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を流すためのケースと、
ケース開口を一巡するようにケース開口周囲上面に埋設されているシールリングと、
シールリングを覆うとともに、ケース開口周囲上面に摩擦撹拌溶接によって複数個所を点状に溶接されているカバープレートと、
を備えており、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、
溶接点はシールリングの外側に位置しており、シールリングを挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース開口周囲上面の内側の縁からシールリングに向かって冷媒を導く溝が形成されていることを特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１の冷却器の製造方法であり、ケースに冷媒を流しながら摩擦撹拌溶接することを特徴とする冷却器の製造方法。
【請求項１】
冷媒を流すためのケースと、
ケース開口を一巡するようにケース開口周囲上面に埋設されているシールリングと、
シールリングを覆うとともに、ケース開口周囲上面に摩擦撹拌溶接によって複数個所を点状に溶接されているカバープレートと、
を備えており、カバープレートに垂直な方向から平面視したときに、
溶接点はシールリングの外側に位置しており、シールリングを挟んで溶接点と向かいあう位置に、ケース開口周囲上面の内側の縁からシールリングに向かって冷媒を導く溝が形成されていることを特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１の冷却器の製造方法であり、ケースに冷媒を流しながら摩擦撹拌溶接することを特徴とする冷却器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４５７８１（Ｐ２０１３−４５７８１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０１１０（Ｐ２０１１−１８０１１０）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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