冷却器
【課題】簡便且つ安価な構成により、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能な冷却器を提供することである。
【解決手段】ＨＶインバータ用冷却器１０は、天板１１、底板１２、フィン１７を主要構成部材とし、天板１１は、絶縁基板３１が接合される接合表面に形成された凹部１８、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙の一部を残して形成された間隙溝（１９ｂ）を有する。また、フィン１７には、接合表面の直下に対応する位置に、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。さらに、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）である。
【解決手段】ＨＶインバータ用冷却器１０は、天板１１、底板１２、フィン１７を主要構成部材とし、天板１１は、絶縁基板３１が接合される接合表面に形成された凹部１８、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙の一部を残して形成された間隙溝（１９ｂ）を有する。また、フィン１７には、接合表面の直下に対応する位置に、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。さらに、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に係り、特に、半導体素子を搭載した絶縁基板がロウ付けにより接合される電動車両用の冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機を駆動源として搭載したハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両が普及してきた。このような電動車両には、電動機の他に、充放電可能なバッテリ、バッテリの直流電力を電動機駆動用の三相交流電力に変換等するインバータなどが搭載されている。インバータは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行うものであり、スイッチング動作によって半導体素子が発熱する。したがって、この熱を除去して半導体素子の過熱を防止するために、冷却器が取り付けられる。
【０００３】
一般的に、半導体素子は、絶縁基板上に搭載されて、その絶縁基板が冷却器の天部にロウ付けにより接合される。冷却器は、熱伝導性、加工性の観点から、アルミニウムから構成され、絶縁基板は、絶縁性、熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム等のセラミックから構成される。アルミニウム製の冷却器とセラミック製の絶縁基板とをロウ付けするときには、両者の熱膨張率（線膨張率）の相違に起因して大きな応力（熱応力）が発生し、絶縁基板のクラックや冷却器の反り等が起こり得る。即ち、絶縁基板の熱歪みは小さいが、冷却器の熱歪みは大きいため、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板に対して冷却器の収縮しようとする力が作用する。また、冷却器の天部は、絶縁基板が接合されて剛性が高くなっているので、天部よりも底部が収縮し易く、天部には底部の収縮しようとする力が作用する。
【０００４】
このような状況に鑑みて、ロウ付け時や使用時において発生する応力を緩和することが求められている。本発明に関連する技術として、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器とが、セラミックス基板に相対する側の表面に多数の互いに交差する溝が設けられているアルミニウム板材を介して接合されてなる冷却器付きセラミック基板が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、セラミックスとアルミニウムとの線膨張率差に起因して発生する応力を、アルミニウム板材の溝等の空間部分の変形によって緩和することができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９９７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術によれば、応力を幾分低減することができると想定される。しかしながら、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器との間に、アルミニウム板材を設ける必要があるため、部品点数が増加することになり、生産性向上の観点から改良の余地がある。また、アルミニウム板材を設けることにより、アルミニウム製冷却器の天部が厚くなり剛性が高くなるため、天部に向かって湾曲するような冷却器の反りが発生し易くなることが想定される。
【０００７】
本発明の目的は、簡便且つ安価な構成により、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能な冷却器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る冷却器は、天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成され、天板の表面に発熱体を搭載した基板がロウ付けにより接合される冷却器であって、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有することを特徴とする。
【０００９】
また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有することが好ましい。
【００１０】
また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有することが好ましい。
【００１１】
また、冷媒流通部に設置されて冷媒流路を規定する波板形状のフィンであって、波板形状の各頂部が天板及び底板にそれぞれ接合されたフィンを備え、当該フィンには、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられることが好ましい。
【００１２】
また、フィンのスリットは、接合表面の直下に対応する位置に設けられることが好ましい。
【００１３】
また、天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る冷却器によれば、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有するので、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能になる。即ち、ロウ付け時や使用時に応力が発生したときには、剛性が低くなった凹部が優先的に変形することで冷却器、特に、天板の応力が緩和される。また、天板と基板との間に応力を緩和する部材を別途設置する必要がないため、部品点数を低減できると共に、基板が接合される部分の厚みを薄くして剛性を低くすることができるので、冷却器の反りが抑制し易くなる。
【００１５】
また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有する構成とすれば、発熱体の放熱性能を低下させることなく、応力を緩和することができる。
【００１６】
また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有する構成とすれば、特に大きな応力が発生する基板の間隙においても、十分に応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制できる。なお、間隙溝は、接合表面の間隙の一部を残して形成されるので、応力が加わったときの変形度合いを調整することができる。
【００１７】
また、フィンに、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力を緩和することができる。即ち、このような応力が発生した場合に、スリットの幅を狭くするような変形が可能であり、この変形により応力が緩和される。
【００１８】
また、フィンのスリットが、接合表面の直下に対応する位置に設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力をさらに緩和し易くなる。
【００１９】
また、天板と底板との厚さの比を、１：３〜１：１０とすれば、応力の発生を抑制することができ、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りをさらに抑制し易くなる。即ち、天板の剛性は発熱体搭載基板の接合により高くなるので、底板よりも天板の厚みを薄くすることで、天板と底板の剛性を調整して応力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図３】図１のハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、絶縁基板を取り外した状態を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器のフィンを示す斜視図である。
【図５】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、天板と底板との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて、本発明に係る冷却器の実施形態につき、詳細に説明する。なお、本実施形態においては、一例として、ハイブリッド車両のインバータ用冷却器１０（以下、ＨＶインバータ用冷却器１０とする）について説明する。また、冷媒としては、腐食防止性能・凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用することができる。
【００２２】
図１〜図３に示すように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、表面に半導体素子３０を搭載した絶縁基板３１が接合される天板１１と、天板１１に対向して設けられる底板１２と、冷媒流通部１３とから構成される所謂ヒートシンクである。天板１１の端部は、曲げ加工されており、その曲げ加工された部分と底板１２とがロウ付けにより接合されている。このように天板１１と底板１２とが接合されて、天板１１と底板１２との間に密閉された空間である冷媒流通部１３が形成される。
【００２３】
ＨＶインバータ用冷却器１０は、冷媒を冷媒流通部１３に導入するための導入パイプ１４と、冷媒を導出するための導出パイプ１５と、図示しないハイブリッド車両にボルト等を用いて固定するための締結部１６とを有する。また、図２に示すように、冷媒流通部１３には、冷媒流路を規定するフィン１７が設けられる。フィン１７は、詳しくは後述するように、波板形状を有し、波板形状の各頂部が天板１１及び底板１２にそれぞれロウ付けにより接合されている。なお、ＨＶインバータ用冷却器１０は、導入パイプ１４及び導出パイプ１５が延出する方向に沿って長くなった矩形形状を有している。
【００２４】
また、ＨＶインバータ用冷却器１０は、熱伝導性に優れた金属材料から構成される必要がある。金属材料としては、一般的に、熱伝導性に加えて、加工性にも優れ、軽量であるアルミニウムが使用される。特に、天板１１は、発熱体を搭載した絶縁基板３１が接合される部材であり、底板１２も、発熱体であるＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトル等の電子機器に接する部材であるため、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。フィン１７についても、冷媒との接触面積を増加させて放熱性能を向上させる機能を有する部材であるから、天板１１及び底板１２と同様に、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。
【００２５】
上記のように、天板１１、底板１２、フィン１７等は、ロウ付けにより接合されるので、天板１１等は、低融点のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）からなるロウ材層を有する。具体的に、ロウ材層は、１０〜２００μｍ程度の厚みを有し、フィン１７がロウ付けされる天板１１の下面、底板１２の上面に設けられる。さらに、天板１１の少なくとも絶縁基板３１が接合される部位である接合表面（図３に、２つの隣接する接合表面を網目で示している）にもロウ材層が設けられる。絶縁基板３１の下面にロウ材層を設けることもできるが、後述の凹部１８にロウ材が流れ込むおそれがあるので、接合表面に設けられることが好ましい。
【００２６】
図１に示すように、天板１１の表面には、発熱体である半導体素子３０が搭載された絶縁基板３１がロウ付けにより接合されている。半導体素子３０としては、通常、電動機駆動用素子、発電機駆動用素子、昇圧機能用素子に別けて、複数の絶縁基板３１上に搭載される。そして、各絶縁基板３１には、例えば、ＩＧＢＴ（図１の大きい方）、ダイオード（図１の小さい方）が１個ないし２個ずつ搭載されている。
【００２７】
絶縁基板３１は、厚み方向に対する絶縁性及び熱伝導性を有する基板であって、例えば、セラミック基板の両面にアルミニウム層が形成された３層構造の基板が使用される。セラミック基板を構成するセラミックとしては、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが好ましく、窒化アルミニウムが特に好ましい。ここで、アルミニウム層は、例えば、半導体素子３０、天板１１との接合性を向上させる機能を有する。半導体素子３０は、絶縁基板３１とＨＶインバータ用冷却器１０とのロウ付け工程後にはんだ付けされるが、アルミニウム層によりはんだ付け性が良好なものとなる。また、もう１つのアルミニウム層は、天板１１とのロウ付け性を良好にする。
【００２８】
図１に示すように、半導体素子３０が搭載された複数の絶縁基板３１（８個の絶縁基板３１）は、天板１１の長手方向に沿って、２列に並んで接合されている（合計１６個の絶縁基板３１）。また、各絶縁基板３１は、応力がかかったときに絶縁基板３１同士が当たって損傷しないように、所定間隔をあけて接合されている。なお、所定間隔としては、応力による損傷防止を考慮することに加えて、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されることが好ましい。
【００２９】
ＨＶインバータ用冷却器１０の各構成部材、及び絶縁基板３１のロウ付け工程は、１つの炉の中で同時に行われる。ロウ付け工程において炉内温度は、約６００℃である。応力は、絶縁基板３１のセラミックとＨＶインバータ用冷却器１０のアルミニウムとの線膨張率の相違に起因して発生する。上記のように、加熱後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１・底板１２等が収縮しようとする力が作用し、絶縁基板３１に損傷を与えるおそれがある。また、天板１１は、絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなっているので、天板１１よりも底板１２が収縮し易いため、反りが発生するおそれもある。
【００３０】
ＨＶインバータ用冷却器１０は、ロウ付け工程（或いは使用時）において発生する上記のような応力を緩和する機能を有する。この機能を発現するための重要な構成要素として、図２、図３に示すように、天板１１は、絶縁基板３１の接合表面に形成された凹部１８を有する。さらに、天板１１は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙に形成された間隙溝１９ｂを有する。
【００３１】
凹部１８は、局所的に剛性を低くして（ヤング率を低くして）、応力を緩和する機能を有する。即ち、凹部１８が形成された部位は、周囲よりも天板１１の厚みが薄く、周囲よりも剛性が低くなっている。故に、天板１１等に応力が発生したときには、凹部１８が形成された部位が優先的に変形して、その応力を緩和する。また、接合表面に凹部１８を形成したことにより、絶縁基板３１と天板１１（接合表面）との接触面積が小さくなるので、天板１１等に発生する応力が絶縁基板３１に伝わり難くなって、絶縁基板３１のクラックを抑制する効果もある。
【００３２】
また、凹部１８は、図３に示すように、複数形成される。凹部１８が形成される部分は、幾分放熱性能が低下することになるので、局部的な放熱性能低下の抑制、応力緩和の均一化等の観点から、個々の直径が小さな凹部１８を複数形成することが好ましいといえる。一方、半導体素子３０が集まって発熱量が多くなる絶縁基板３１の中央部分に対応する部位には、凹部１８の数を減らす、又は凹部１８を形成しないことが好ましい。したがって、凹部１８は、放熱性能及び応力緩和性能を両立する観点から、規則的な配列、例えば、図３に示すように等間隔で、接合表面の中央を除く部位に形成される。
【００３３】
凹部１８のサイズとしては、上記のように、個々の直径は小さいことが好ましく、接合表面における凹部１８の開口率（凹部１８の総面積／接合表面の総面積）は、５％〜３０％であることが好ましく、１０％〜２５％であることが特に好ましい。開口率がこの範囲であれば、放熱性能及び応力緩和性能を両立し易くなる。また、凹部１８の深さは、詳しくは後述するように、凹部１８の底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。なお、凹部１８の周囲の天板１１の厚みは、凹部１８が形成される部位よりも当然に厚く、且つ１．３ｍｍ以下（真空ロウ付け）であることが好ましい。
【００３４】
また、凹部１８の穴形状としては、三角形柱や四角形柱等の多角形柱形状とすることもできるが、図３に示すように、円柱形状であることが好ましい。円柱形状の凹部１８とすれば、応力が作用したときに、角部にその応力が集中することがないので、凹部１８の全体で応力を吸収することができ、応力緩和性能が向上する。なお、断面形状（接合表面に水平な断面）が円形状である円錐形状とすることもできる。
【００３５】
周囲溝１９ａは、凹部１８と同様に、周囲よりも天板１１の厚みを薄くすることで剛性を低くして、応力を緩和する機能を有する。天板１１に発生する応力は、絶縁基板３１の接合表面だけでなく、その周囲でも大きな応力が発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、アルミニウム製の天板１１が収縮しようとする応力が絶縁基板３１に作用する。周囲溝１９ａは、このような応力を吸収することができる所謂ダンパとして機能する。なお、周囲溝１９ａは、上記のように、接合表面の周囲に形成されるため、放熱性能に与える影響が少ないという利点を有する。
【００３６】
周囲溝１９ａは、絶縁基板３１に対して周囲から加わる応力を緩和するものであるため、接合表面の周囲の広範囲に亘って形成されることが好ましい。図１に示すように、絶縁基板３１は、天板１１の長手方向に沿って２列に並んで接合されており、周囲溝１９ａは、各列の全周囲に亘って形成されている。絶縁基板３１は、所定間隔をあけて接合されるので、各接合表面の全周囲に亘って周囲溝１９ａを形成することもできるが、接合表面の間隙には、該間隙の一部を残して形成される間隙溝１９ｂを設けることが好ましい。
【００３７】
間隙溝１９ｂは、接合表面の間隙の一部を残して形成される溝であり、天板１１の長手方向に沿った応力を吸収する機能を有する。天板１１の長手方向には、複数の絶縁基板３１が並んで接合されて、特に剛性が高くなっているので、高い応力緩和性能が要求される。一方、各絶縁基板３１の所定間隔は、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されるので、応力を吸収して変形し過ぎると好ましくない場合がある。そこで、応力の吸収による変形度合いを調整するために、接合表面の間隙の一部（以下、接続部と称する）を残し、周囲溝１９ａと独立した間隙溝１９ｂが設けられる。なお、接続部は、複数箇所とすることもできるが、両端に１箇所ずつであることが好ましい。
【００３８】
周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズとしては、深さについて、凹部１８と同様に、溝底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズ、特に、深さを調整することで、応力の吸収度合いを調整することができる。また、周囲溝１９ａの幅としては、応力の吸収できるだけの幅があれば、ある程度任意に設定することができる。間隙溝１９ｂの幅としては、接合表面の間隙の幅が小さいので、当該間隙の幅と同程度に設定することが好ましい。なお、間隙溝１９ｂについては、接続部の数、幅、位置を変更することによっても、応力の吸収度合いを調整することができる。
【００３９】
その他の応力緩和構造として、フィン１７には、図２、図４に示すように、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。ここで、図４は、ＨＶインバータ用冷却器１０に設置されるフィン１７のみを示す斜視図である。フィン１７により規定される冷媒流路は、フィン１７の板面に沿って、即ち波形状が繰り返される方向と直交する方向に形成されるので、スリット２０は、冷媒流路と直交する方向に沿って形成されることになる。
【００４０】
スリット２０は、例えば、１枚のフィン１７を、波形状が繰り返される方向に沿って切断加工することにより形成できる。図２に示すように、フィン１７を完全に切断せず、スリット２０両側のフィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を形成することができる。このような構成とすれば、部品点数が増加しないので、生産性向上の観点から好ましい。
【００４１】
一方、図４に示すように、フィン１７を切断、分割するスリット２０を形成することもできる。この場合には、冷却性能向上の観点から、冷媒流路が直線状からずれるように、即ち冷媒流路の方向に沿ってフィン１７を見たときに、隣接するフィン１７の山部（天板１１と接合する部分）と谷部（底板１２と接合する部分）、及び谷部と山部がそれぞれ重なるように設置することが好ましい。このように、隣接するフィン１７の波形状を半ピッチ分ずらして設置すると、フィン１７の端面に冷媒が衝突して乱流が発生するので（冷媒の界面剥離効果）、冷却性能が向上することになる。
【００４２】
また、スリット２０は、冷却性能を向上させるだけでなく、波形状が繰り返される方向と交差する方向に沿った応力を緩和する機能を有する。即ち、このような応力が発生した場合には、スリット２０の幅を狭くするような変形が可能になって応力が緩和される。上記のように、天板１１には、セラミック製の絶縁基板３１が接合されるため、その剛性が高くなっており、絶縁基板３１を頂点とするように反り易い。このような反りが発生したときには、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形して、反りの影響を天板１１まで伝達しないように機能する。故に、フィン１７の下方における変形を容易にすべく、フィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を採用する場合には、当該接続部分は、中央〜上方、或いは天板１１に近接する位置にあることが好ましい。
【００４３】
また、スリット２０が設けられる位置としては、図２に示すように、絶縁基板３１の接合表面の直下に対応する位置であることが好ましい。上記のような反りは、絶縁基板３１の直下において起こり易いため、この位置にスリット２０を設けることで、反りを抑制し易くなるからである。冷却性の観点からも、発熱体の直下にスリット２０を設けて乱流を発生させることが好ましい。
【００４４】
スリット２０の幅としては、０．９〜１．５ｍｍ程度であることが好ましい。スリット２０の幅が、この範囲内であれば、冷媒中に存在することが想定される異物によりスリット２０が目詰まりすることなく、応力緩和性能、冷却性能についても良好なものとなる。スリット２０の数としては、絶縁基板３１のサイズ等によっても異なるが、絶縁基板３１の直下に対応する位置において、１〜５個が好ましく、２個〜４個が特に好ましい。なお、スリット２０を多数設けた方が、応力緩和の観点からは好ましい。しかし、スリット２０が多くなりすぎると、流路抵抗が大きくなるため、スリット２０の数は、応力緩和性能と流路抵抗とを考慮して決定される。故に、絶縁基板３１の直下に当たらない位置においては、スリット２０の数を減らす、或いはスリット２０を形成しないことが好ましい。
【００４５】
その他の応力緩和構造として、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（本明細書では、前の数字が天板１１、後ろの数字が底板１２を示す）に設定される。即ち、セラミック製の絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなる天板１１の厚みを、少なくとも底板１２の１／３まで薄くして剛性を低下させ、天板１１と底板１２の剛性を調整している。厚さの比が、この範囲内であれば、応力の発生を抑制することができ、絶縁基板３１のクラックや天板１１、底板１２の反りの発生を抑制し易くなる。
【００４６】
具体的に、天板１１は、耐久性の観点（万一、冷媒流通部１３を流通する冷媒により腐食が進んだ場合を考慮）から、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要である。故に、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂの底部における天板１１の厚みが少なくとも０．８ｍｍであることが要求される。凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂを除く部位の厚みは、凹部１８等が形成される部位よりも厚く、且つ１．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
なお、天板１１、底板１２、及びフィン１７が、真空ロウ付けにより接合される場合には、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要になるが、ノコロックロウ付けにより接合される場合には、フッ素系化合物等の非腐食性フラックスにより天板１１がコーティングされて冷媒に対する耐久性が向上するので、天板１１の厚みを０．８ｍｍより薄くすることができる。具体的には、天板１１の厚みを０．４ｍｍまで薄くすることができ、応力緩和性能、放熱性能等の観点から好ましい。
【００４８】
一方、底板１２は、厚くなる方が、即ち、天板１１と底板１２との厚さの比が大きくなる方が、後述の図５に示すように、絶縁基板３１に加わる応力が低減されるため好ましい。しかし、底板１２には、発熱体である電気部品が接触するため、放熱性能を考慮すると、４．０ｍｍよりも厚くすることは難しく、また、軽量性や材料コスト等の観点からも、４．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
ここで、図５を用いて、応力緩和の観点から最適な天板１１と底板１２との厚みの比について説明する。図５は、ＨＶインバータ用冷却器１０において、天板１１と底板１２との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。同図に示すデータは、「ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）」を用いて、次のような条件で算出したシミュレーションデータである。
＜シミュレーション条件＞
・ＨＶインバータ用冷却器１０の構成材料：アルミニウム（ＪＩＳ３００３）
・絶縁基板３１の構成材料；窒化アルミニウム
・底板１２の厚み：４．０ｍｍ（点線の比較例は、２．８ｍｍ）
・凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０無し
【００５０】
図５は、横軸に温度（℃）、縦軸に応力（ＭＰａ）をとる。ここで、応力は、天板１１に接合される絶縁基板３１の上面にかかる応力である。図５の実線は、本発明に係るＨＶインバータ用冷却器１０の実施例を示し、破線は、比較例を示す。実施例の黒丸、黒四角、黒三角は、それぞれ、１：３．３（１．２ｍｍ）、１：５（０．８ｍｍ）、１：１０（０．４ｍｍ）を示し、比較例の点線、１点鎖線は、それぞれ、１：１．２（２．４ｍｍ（底板２．８ｍｍ））、１：２．５（１．６ｍｍ）を示す（括弧内は天板１１の厚み）。
【００５１】
図５に示すように、破線で示す比較例のＨＶインバータ用冷却器では、天板と底板の厚さ比に関わらず、互いに近似した応力を示している。１３０℃よりも低温の領域では、絶縁基板３１に加わる応力は小さいが、１３０℃よりも高温の領域、特に、１７０〜１８０℃のときに大きな応力が発生する。なお、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるが、厚さ比が１：１．２、１：２．５の場合には、最大応力が約１４０ＭＰａ（１７０〜１８０℃）であり、絶縁基板３１に大きな応力が作用する。
【００５２】
一方、実線で示すＨＶインバータ用冷却器１０では、図５から明らかなように、最大応力が大幅に低減している。具体的には、厚さ比が１：３．３、１：５の場合で、１２５〜１３０ＭＰａ（２００℃）、１：１０の場合には、約１２０ＭＰａまで最大応力が低減している。上記のように、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるから、天板１１を薄く、底板１２を厚く設定することは、絶縁基板３１のクラックの抑制に極めて効果的である。なお、図５では、厚さ比が１：２．５（１．６ｍｍ）と、１：３．３の場合を示しているが、さらに詳細な検討を行った結果、厚さ比が１：３を境に、最大応力が大きく変化することが解った。したがって、応力緩和性能を向上させるためには、天板１１の厚みは底板１２の１／３以下であって、真空ロウ付けの場合は、厚さ比が１：３〜１：５、ノコロックロウ付けの場合は、１：３〜１：１０に設定される必要がある。
【００５３】
実施例のシミュレーション結果によれば、いずれも１５０℃より低温の領域において、殆ど同じ応力が発生している。１５０℃より高温の領域では、応力に差が現れ、１：３．３、１：５の場合には、１５０℃を境に応力が大きくなり、１：１０の場合には、逆に応力が小さくなっている。このように、天板１１と底板１２との厚さ比を変更すると、応力が急激に変化するポイントが存在することが解る。なお、図示しないが、厚さ比が１：５〜１：１０の場合には、ちょうど間の値をとり、１：１０よりも底板１２が厚くなると、暫くは応力が低減する傾向を示す。
【００５４】
なお、図５に示すシミュレーション結果は、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０を設けない条件で算出したものであるから、これらを設けることにより、さらに、絶縁基板３１にかかる応力（最大応力）は低減される。
【００５５】
ここで、上記構成を備えるＨＶインバータ用冷却器１０の作用、特に応力緩和作用について、総括して説明する。上記のように、ＨＶインバータ用冷却器１０、これに接合される絶縁基板３１に作用する応力は、特に、各部材をロウ付けするときに、各部材の線膨張率の相違に起因して発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１等が収縮しようとする力が作用する。また、天板１１よりも底板１２が収縮し易いので、絶縁基板３１を頂点とするような反りが発生するおそれがある。
【００５６】
上記の天板１１等が収縮しようとする力は、絶縁基板３１との接合部分（接合表面）に大きく作用する。接合部分に作用する応力は、凹部１８の空間が変形することにより吸収・緩和される。また、このような応力は、絶縁基板３１に対して周囲から作用するので、周囲から作用する応力は、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂにより吸収・緩和される。なお、接合表面の間隙には、大きな応力が作用すると共に、放熱性能等の観点から絶縁基板１９の所定間隔を維持することも重要である。接合表面の間隙における吸収変形量の調整を容易にするのが、接合部を有する間隙溝１９ｂである。例えば、間隙溝１９ｂの両端に残した接合部のつっぱり効果により、変形量を抑制して、適切な吸収変形を実現する。
【００５７】
絶縁基板３１を頂点とするような反りは、天板１１と底板１２との厚さ比を、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）に設定することで抑制できる。即ち、このような反りは、天板１１よりも底板１２の剛性（ヤング率）が低いことに起因して発生するものであるから、これを抑制するためには、底板１２よりも天板１１の厚みを薄くして、天板１１の剛性を低くすることが重要である。また、絶縁基板３１の損傷を抑制する等の観点から、底板１２の収縮力が天板１１に伝わらないようにすることも重要であり、これは、フィン１７のスリット２０により実現することができる。即ち、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形することで、反りの影響を天板１１まで伝達しないようにする。なお、フィン１７は、波形状が繰り返される方向については、スリット２０がなくても変形し易い。
【００５８】
以上のように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、天板１１、底板１２、フィン１７を主要構成部材とし、天板１１は、絶縁基板３１が接合される接合表面に形成された凹部１８、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙の一部を残して形成された間隙溝１９ｂを有する。また、フィン１７には、接合表面の直下に対応する位置に、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。さらに、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）である。したがって、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、絶縁基板３１の損傷や天板１１、底板１２の反りを抑制することが可能になる。
【００５９】
なお、上記では、応力緩和構造として、凹部１８を形成した天板１１の表面構造、周囲溝１９ａ・間隙溝１９ｂを形成した天板１１の表面構造、フィン１７にスリット２０を形成した構造、天板１１と底板１２との厚さの比を１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）とした構造を挙げ、各構造が結合した形態について説明したが、各構造を独立して採用した場合にも、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和することが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
ＨＶインバータ用冷却器、１１ 天板、１２ 底板、１３ 冷媒流通部、１４ 導入用パイプ、１５ 導出用パイプ、１６ 締結部、１７ フィン、１８ 凹部、１９ａ 周囲溝、１９ｂ 間隙溝、２０ スリット、３０ 半導体素子、３１ 絶縁基板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に係り、特に、半導体素子を搭載した絶縁基板がロウ付けにより接合される電動車両用の冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機を駆動源として搭載したハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両が普及してきた。このような電動車両には、電動機の他に、充放電可能なバッテリ、バッテリの直流電力を電動機駆動用の三相交流電力に変換等するインバータなどが搭載されている。インバータは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行うものであり、スイッチング動作によって半導体素子が発熱する。したがって、この熱を除去して半導体素子の過熱を防止するために、冷却器が取り付けられる。
【０００３】
一般的に、半導体素子は、絶縁基板上に搭載されて、その絶縁基板が冷却器の天部にロウ付けにより接合される。冷却器は、熱伝導性、加工性の観点から、アルミニウムから構成され、絶縁基板は、絶縁性、熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム等のセラミックから構成される。アルミニウム製の冷却器とセラミック製の絶縁基板とをロウ付けするときには、両者の熱膨張率（線膨張率）の相違に起因して大きな応力（熱応力）が発生し、絶縁基板のクラックや冷却器の反り等が起こり得る。即ち、絶縁基板の熱歪みは小さいが、冷却器の熱歪みは大きいため、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板に対して冷却器の収縮しようとする力が作用する。また、冷却器の天部は、絶縁基板が接合されて剛性が高くなっているので、天部よりも底部が収縮し易く、天部には底部の収縮しようとする力が作用する。
【０００４】
このような状況に鑑みて、ロウ付け時や使用時において発生する応力を緩和することが求められている。本発明に関連する技術として、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器とが、セラミックス基板に相対する側の表面に多数の互いに交差する溝が設けられているアルミニウム板材を介して接合されてなる冷却器付きセラミック基板が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、セラミックスとアルミニウムとの線膨張率差に起因して発生する応力を、アルミニウム板材の溝等の空間部分の変形によって緩和することができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９９７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術によれば、応力を幾分低減することができると想定される。しかしながら、セラミックス基板とアルミニウム製冷却器との間に、アルミニウム板材を設ける必要があるため、部品点数が増加することになり、生産性向上の観点から改良の余地がある。また、アルミニウム板材を設けることにより、アルミニウム製冷却器の天部が厚くなり剛性が高くなるため、天部に向かって湾曲するような冷却器の反りが発生し易くなることが想定される。
【０００７】
本発明の目的は、簡便且つ安価な構成により、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能な冷却器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る冷却器は、天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成され、天板の表面に発熱体を搭載した基板がロウ付けにより接合される冷却器であって、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有することを特徴とする。
【０００９】
また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有することが好ましい。
【００１０】
また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有することが好ましい。
【００１１】
また、冷媒流通部に設置されて冷媒流路を規定する波板形状のフィンであって、波板形状の各頂部が天板及び底板にそれぞれ接合されたフィンを備え、当該フィンには、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられることが好ましい。
【００１２】
また、フィンのスリットは、接合表面の直下に対応する位置に設けられることが好ましい。
【００１３】
また、天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る冷却器によれば、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有するので、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制することが可能になる。即ち、ロウ付け時や使用時に応力が発生したときには、剛性が低くなった凹部が優先的に変形することで冷却器、特に、天板の応力が緩和される。また、天板と基板との間に応力を緩和する部材を別途設置する必要がないため、部品点数を低減できると共に、基板が接合される部分の厚みを薄くして剛性を低くすることができるので、冷却器の反りが抑制し易くなる。
【００１５】
また、天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有する構成とすれば、発熱体の放熱性能を低下させることなく、応力を緩和することができる。
【００１６】
また、天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有する構成とすれば、特に大きな応力が発生する基板の間隙においても、十分に応力を緩和して、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りを抑制できる。なお、間隙溝は、接合表面の間隙の一部を残して形成されるので、応力が加わったときの変形度合いを調整することができる。
【００１７】
また、フィンに、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力を緩和することができる。即ち、このような応力が発生した場合に、スリットの幅を狭くするような変形が可能であり、この変形により応力が緩和される。
【００１８】
また、フィンのスリットが、接合表面の直下に対応する位置に設けられる構成とすれば、波形状が繰り返される方向に交差する方向に沿った応力をさらに緩和し易くなる。
【００１９】
また、天板と底板との厚さの比を、１：３〜１：１０とすれば、応力の発生を抑制することができ、発熱体搭載基板の損傷や冷却器の反りをさらに抑制し易くなる。即ち、天板の剛性は発熱体搭載基板の接合により高くなるので、底板よりも天板の厚みを薄くすることで、天板と底板の剛性を調整して応力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図３】図１のハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、絶縁基板を取り外した状態を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器のフィンを示す斜視図である。
【図５】本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のインバータ用冷却器において、天板と底板との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて、本発明に係る冷却器の実施形態につき、詳細に説明する。なお、本実施形態においては、一例として、ハイブリッド車両のインバータ用冷却器１０（以下、ＨＶインバータ用冷却器１０とする）について説明する。また、冷媒としては、腐食防止性能・凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用することができる。
【００２２】
図１〜図３に示すように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、表面に半導体素子３０を搭載した絶縁基板３１が接合される天板１１と、天板１１に対向して設けられる底板１２と、冷媒流通部１３とから構成される所謂ヒートシンクである。天板１１の端部は、曲げ加工されており、その曲げ加工された部分と底板１２とがロウ付けにより接合されている。このように天板１１と底板１２とが接合されて、天板１１と底板１２との間に密閉された空間である冷媒流通部１３が形成される。
【００２３】
ＨＶインバータ用冷却器１０は、冷媒を冷媒流通部１３に導入するための導入パイプ１４と、冷媒を導出するための導出パイプ１５と、図示しないハイブリッド車両にボルト等を用いて固定するための締結部１６とを有する。また、図２に示すように、冷媒流通部１３には、冷媒流路を規定するフィン１７が設けられる。フィン１７は、詳しくは後述するように、波板形状を有し、波板形状の各頂部が天板１１及び底板１２にそれぞれロウ付けにより接合されている。なお、ＨＶインバータ用冷却器１０は、導入パイプ１４及び導出パイプ１５が延出する方向に沿って長くなった矩形形状を有している。
【００２４】
また、ＨＶインバータ用冷却器１０は、熱伝導性に優れた金属材料から構成される必要がある。金属材料としては、一般的に、熱伝導性に加えて、加工性にも優れ、軽量であるアルミニウムが使用される。特に、天板１１は、発熱体を搭載した絶縁基板３１が接合される部材であり、底板１２も、発熱体であるＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトル等の電子機器に接する部材であるため、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。フィン１７についても、冷媒との接触面積を増加させて放熱性能を向上させる機能を有する部材であるから、天板１１及び底板１２と同様に、熱伝導性等に優れたアルミニウムから構成されることが好ましい。
【００２５】
上記のように、天板１１、底板１２、フィン１７等は、ロウ付けにより接合されるので、天板１１等は、低融点のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）からなるロウ材層を有する。具体的に、ロウ材層は、１０〜２００μｍ程度の厚みを有し、フィン１７がロウ付けされる天板１１の下面、底板１２の上面に設けられる。さらに、天板１１の少なくとも絶縁基板３１が接合される部位である接合表面（図３に、２つの隣接する接合表面を網目で示している）にもロウ材層が設けられる。絶縁基板３１の下面にロウ材層を設けることもできるが、後述の凹部１８にロウ材が流れ込むおそれがあるので、接合表面に設けられることが好ましい。
【００２６】
図１に示すように、天板１１の表面には、発熱体である半導体素子３０が搭載された絶縁基板３１がロウ付けにより接合されている。半導体素子３０としては、通常、電動機駆動用素子、発電機駆動用素子、昇圧機能用素子に別けて、複数の絶縁基板３１上に搭載される。そして、各絶縁基板３１には、例えば、ＩＧＢＴ（図１の大きい方）、ダイオード（図１の小さい方）が１個ないし２個ずつ搭載されている。
【００２７】
絶縁基板３１は、厚み方向に対する絶縁性及び熱伝導性を有する基板であって、例えば、セラミック基板の両面にアルミニウム層が形成された３層構造の基板が使用される。セラミック基板を構成するセラミックとしては、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが好ましく、窒化アルミニウムが特に好ましい。ここで、アルミニウム層は、例えば、半導体素子３０、天板１１との接合性を向上させる機能を有する。半導体素子３０は、絶縁基板３１とＨＶインバータ用冷却器１０とのロウ付け工程後にはんだ付けされるが、アルミニウム層によりはんだ付け性が良好なものとなる。また、もう１つのアルミニウム層は、天板１１とのロウ付け性を良好にする。
【００２８】
図１に示すように、半導体素子３０が搭載された複数の絶縁基板３１（８個の絶縁基板３１）は、天板１１の長手方向に沿って、２列に並んで接合されている（合計１６個の絶縁基板３１）。また、各絶縁基板３１は、応力がかかったときに絶縁基板３１同士が当たって損傷しないように、所定間隔をあけて接合されている。なお、所定間隔としては、応力による損傷防止を考慮することに加えて、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されることが好ましい。
【００２９】
ＨＶインバータ用冷却器１０の各構成部材、及び絶縁基板３１のロウ付け工程は、１つの炉の中で同時に行われる。ロウ付け工程において炉内温度は、約６００℃である。応力は、絶縁基板３１のセラミックとＨＶインバータ用冷却器１０のアルミニウムとの線膨張率の相違に起因して発生する。上記のように、加熱後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１・底板１２等が収縮しようとする力が作用し、絶縁基板３１に損傷を与えるおそれがある。また、天板１１は、絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなっているので、天板１１よりも底板１２が収縮し易いため、反りが発生するおそれもある。
【００３０】
ＨＶインバータ用冷却器１０は、ロウ付け工程（或いは使用時）において発生する上記のような応力を緩和する機能を有する。この機能を発現するための重要な構成要素として、図２、図３に示すように、天板１１は、絶縁基板３１の接合表面に形成された凹部１８を有する。さらに、天板１１は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙に形成された間隙溝１９ｂを有する。
【００３１】
凹部１８は、局所的に剛性を低くして（ヤング率を低くして）、応力を緩和する機能を有する。即ち、凹部１８が形成された部位は、周囲よりも天板１１の厚みが薄く、周囲よりも剛性が低くなっている。故に、天板１１等に応力が発生したときには、凹部１８が形成された部位が優先的に変形して、その応力を緩和する。また、接合表面に凹部１８を形成したことにより、絶縁基板３１と天板１１（接合表面）との接触面積が小さくなるので、天板１１等に発生する応力が絶縁基板３１に伝わり難くなって、絶縁基板３１のクラックを抑制する効果もある。
【００３２】
また、凹部１８は、図３に示すように、複数形成される。凹部１８が形成される部分は、幾分放熱性能が低下することになるので、局部的な放熱性能低下の抑制、応力緩和の均一化等の観点から、個々の直径が小さな凹部１８を複数形成することが好ましいといえる。一方、半導体素子３０が集まって発熱量が多くなる絶縁基板３１の中央部分に対応する部位には、凹部１８の数を減らす、又は凹部１８を形成しないことが好ましい。したがって、凹部１８は、放熱性能及び応力緩和性能を両立する観点から、規則的な配列、例えば、図３に示すように等間隔で、接合表面の中央を除く部位に形成される。
【００３３】
凹部１８のサイズとしては、上記のように、個々の直径は小さいことが好ましく、接合表面における凹部１８の開口率（凹部１８の総面積／接合表面の総面積）は、５％〜３０％であることが好ましく、１０％〜２５％であることが特に好ましい。開口率がこの範囲であれば、放熱性能及び応力緩和性能を両立し易くなる。また、凹部１８の深さは、詳しくは後述するように、凹部１８の底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。なお、凹部１８の周囲の天板１１の厚みは、凹部１８が形成される部位よりも当然に厚く、且つ１．３ｍｍ以下（真空ロウ付け）であることが好ましい。
【００３４】
また、凹部１８の穴形状としては、三角形柱や四角形柱等の多角形柱形状とすることもできるが、図３に示すように、円柱形状であることが好ましい。円柱形状の凹部１８とすれば、応力が作用したときに、角部にその応力が集中することがないので、凹部１８の全体で応力を吸収することができ、応力緩和性能が向上する。なお、断面形状（接合表面に水平な断面）が円形状である円錐形状とすることもできる。
【００３５】
周囲溝１９ａは、凹部１８と同様に、周囲よりも天板１１の厚みを薄くすることで剛性を低くして、応力を緩和する機能を有する。天板１１に発生する応力は、絶縁基板３１の接合表面だけでなく、その周囲でも大きな応力が発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、アルミニウム製の天板１１が収縮しようとする応力が絶縁基板３１に作用する。周囲溝１９ａは、このような応力を吸収することができる所謂ダンパとして機能する。なお、周囲溝１９ａは、上記のように、接合表面の周囲に形成されるため、放熱性能に与える影響が少ないという利点を有する。
【００３６】
周囲溝１９ａは、絶縁基板３１に対して周囲から加わる応力を緩和するものであるため、接合表面の周囲の広範囲に亘って形成されることが好ましい。図１に示すように、絶縁基板３１は、天板１１の長手方向に沿って２列に並んで接合されており、周囲溝１９ａは、各列の全周囲に亘って形成されている。絶縁基板３１は、所定間隔をあけて接合されるので、各接合表面の全周囲に亘って周囲溝１９ａを形成することもできるが、接合表面の間隙には、該間隙の一部を残して形成される間隙溝１９ｂを設けることが好ましい。
【００３７】
間隙溝１９ｂは、接合表面の間隙の一部を残して形成される溝であり、天板１１の長手方向に沿った応力を吸収する機能を有する。天板１１の長手方向には、複数の絶縁基板３１が並んで接合されて、特に剛性が高くなっているので、高い応力緩和性能が要求される。一方、各絶縁基板３１の所定間隔は、放熱性能、絶縁性能、搭載スペース等も考慮して決定されるので、応力を吸収して変形し過ぎると好ましくない場合がある。そこで、応力の吸収による変形度合いを調整するために、接合表面の間隙の一部（以下、接続部と称する）を残し、周囲溝１９ａと独立した間隙溝１９ｂが設けられる。なお、接続部は、複数箇所とすることもできるが、両端に１箇所ずつであることが好ましい。
【００３８】
周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズとしては、深さについて、凹部１８と同様に、溝底部における天板１１の厚さとして、真空ロウ付けの場合０．８ｍｍ程度、ノコロックロウ付けの場合０．４ｍｍ程度であることが好ましい。周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂのサイズ、特に、深さを調整することで、応力の吸収度合いを調整することができる。また、周囲溝１９ａの幅としては、応力の吸収できるだけの幅があれば、ある程度任意に設定することができる。間隙溝１９ｂの幅としては、接合表面の間隙の幅が小さいので、当該間隙の幅と同程度に設定することが好ましい。なお、間隙溝１９ｂについては、接続部の数、幅、位置を変更することによっても、応力の吸収度合いを調整することができる。
【００３９】
その他の応力緩和構造として、フィン１７には、図２、図４に示すように、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。ここで、図４は、ＨＶインバータ用冷却器１０に設置されるフィン１７のみを示す斜視図である。フィン１７により規定される冷媒流路は、フィン１７の板面に沿って、即ち波形状が繰り返される方向と直交する方向に形成されるので、スリット２０は、冷媒流路と直交する方向に沿って形成されることになる。
【００４０】
スリット２０は、例えば、１枚のフィン１７を、波形状が繰り返される方向に沿って切断加工することにより形成できる。図２に示すように、フィン１７を完全に切断せず、スリット２０両側のフィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を形成することができる。このような構成とすれば、部品点数が増加しないので、生産性向上の観点から好ましい。
【００４１】
一方、図４に示すように、フィン１７を切断、分割するスリット２０を形成することもできる。この場合には、冷却性能向上の観点から、冷媒流路が直線状からずれるように、即ち冷媒流路の方向に沿ってフィン１７を見たときに、隣接するフィン１７の山部（天板１１と接合する部分）と谷部（底板１２と接合する部分）、及び谷部と山部がそれぞれ重なるように設置することが好ましい。このように、隣接するフィン１７の波形状を半ピッチ分ずらして設置すると、フィン１７の端面に冷媒が衝突して乱流が発生するので（冷媒の界面剥離効果）、冷却性能が向上することになる。
【００４２】
また、スリット２０は、冷却性能を向上させるだけでなく、波形状が繰り返される方向と交差する方向に沿った応力を緩和する機能を有する。即ち、このような応力が発生した場合には、スリット２０の幅を狭くするような変形が可能になって応力が緩和される。上記のように、天板１１には、セラミック製の絶縁基板３１が接合されるため、その剛性が高くなっており、絶縁基板３１を頂点とするように反り易い。このような反りが発生したときには、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形して、反りの影響を天板１１まで伝達しないように機能する。故に、フィン１７の下方における変形を容易にすべく、フィン１７同士を接続する部分を残したスリット２０を採用する場合には、当該接続部分は、中央〜上方、或いは天板１１に近接する位置にあることが好ましい。
【００４３】
また、スリット２０が設けられる位置としては、図２に示すように、絶縁基板３１の接合表面の直下に対応する位置であることが好ましい。上記のような反りは、絶縁基板３１の直下において起こり易いため、この位置にスリット２０を設けることで、反りを抑制し易くなるからである。冷却性の観点からも、発熱体の直下にスリット２０を設けて乱流を発生させることが好ましい。
【００４４】
スリット２０の幅としては、０．９〜１．５ｍｍ程度であることが好ましい。スリット２０の幅が、この範囲内であれば、冷媒中に存在することが想定される異物によりスリット２０が目詰まりすることなく、応力緩和性能、冷却性能についても良好なものとなる。スリット２０の数としては、絶縁基板３１のサイズ等によっても異なるが、絶縁基板３１の直下に対応する位置において、１〜５個が好ましく、２個〜４個が特に好ましい。なお、スリット２０を多数設けた方が、応力緩和の観点からは好ましい。しかし、スリット２０が多くなりすぎると、流路抵抗が大きくなるため、スリット２０の数は、応力緩和性能と流路抵抗とを考慮して決定される。故に、絶縁基板３１の直下に当たらない位置においては、スリット２０の数を減らす、或いはスリット２０を形成しないことが好ましい。
【００４５】
その他の応力緩和構造として、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（本明細書では、前の数字が天板１１、後ろの数字が底板１２を示す）に設定される。即ち、セラミック製の絶縁基板３１が接合されて剛性が高くなる天板１１の厚みを、少なくとも底板１２の１／３まで薄くして剛性を低下させ、天板１１と底板１２の剛性を調整している。厚さの比が、この範囲内であれば、応力の発生を抑制することができ、絶縁基板３１のクラックや天板１１、底板１２の反りの発生を抑制し易くなる。
【００４６】
具体的に、天板１１は、耐久性の観点（万一、冷媒流通部１３を流通する冷媒により腐食が進んだ場合を考慮）から、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要である。故に、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂの底部における天板１１の厚みが少なくとも０．８ｍｍであることが要求される。凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂを除く部位の厚みは、凹部１８等が形成される部位よりも厚く、且つ１．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
なお、天板１１、底板１２、及びフィン１７が、真空ロウ付けにより接合される場合には、少なくとも０．８ｍｍの厚みが必要になるが、ノコロックロウ付けにより接合される場合には、フッ素系化合物等の非腐食性フラックスにより天板１１がコーティングされて冷媒に対する耐久性が向上するので、天板１１の厚みを０．８ｍｍより薄くすることができる。具体的には、天板１１の厚みを０．４ｍｍまで薄くすることができ、応力緩和性能、放熱性能等の観点から好ましい。
【００４８】
一方、底板１２は、厚くなる方が、即ち、天板１１と底板１２との厚さの比が大きくなる方が、後述の図５に示すように、絶縁基板３１に加わる応力が低減されるため好ましい。しかし、底板１２には、発熱体である電気部品が接触するため、放熱性能を考慮すると、４．０ｍｍよりも厚くすることは難しく、また、軽量性や材料コスト等の観点からも、４．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
ここで、図５を用いて、応力緩和の観点から最適な天板１１と底板１２との厚みの比について説明する。図５は、ＨＶインバータ用冷却器１０において、天板１１と底板１２との厚さの比を変更したときの応力変化を示す図である。同図に示すデータは、「ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）」を用いて、次のような条件で算出したシミュレーションデータである。
＜シミュレーション条件＞
・ＨＶインバータ用冷却器１０の構成材料：アルミニウム（ＪＩＳ３００３）
・絶縁基板３１の構成材料；窒化アルミニウム
・底板１２の厚み：４．０ｍｍ（点線の比較例は、２．８ｍｍ）
・凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０無し
【００５０】
図５は、横軸に温度（℃）、縦軸に応力（ＭＰａ）をとる。ここで、応力は、天板１１に接合される絶縁基板３１の上面にかかる応力である。図５の実線は、本発明に係るＨＶインバータ用冷却器１０の実施例を示し、破線は、比較例を示す。実施例の黒丸、黒四角、黒三角は、それぞれ、１：３．３（１．２ｍｍ）、１：５（０．８ｍｍ）、１：１０（０．４ｍｍ）を示し、比較例の点線、１点鎖線は、それぞれ、１：１．２（２．４ｍｍ（底板２．８ｍｍ））、１：２．５（１．６ｍｍ）を示す（括弧内は天板１１の厚み）。
【００５１】
図５に示すように、破線で示す比較例のＨＶインバータ用冷却器では、天板と底板の厚さ比に関わらず、互いに近似した応力を示している。１３０℃よりも低温の領域では、絶縁基板３１に加わる応力は小さいが、１３０℃よりも高温の領域、特に、１７０〜１８０℃のときに大きな応力が発生する。なお、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるが、厚さ比が１：１．２、１：２．５の場合には、最大応力が約１４０ＭＰａ（１７０〜１８０℃）であり、絶縁基板３１に大きな応力が作用する。
【００５２】
一方、実線で示すＨＶインバータ用冷却器１０では、図５から明らかなように、最大応力が大幅に低減している。具体的には、厚さ比が１：３．３、１：５の場合で、１２５〜１３０ＭＰａ（２００℃）、１：１０の場合には、約１２０ＭＰａまで最大応力が低減している。上記のように、絶縁基板３１のクラックを抑制するためには、最大応力を小さくすることが重要であるから、天板１１を薄く、底板１２を厚く設定することは、絶縁基板３１のクラックの抑制に極めて効果的である。なお、図５では、厚さ比が１：２．５（１．６ｍｍ）と、１：３．３の場合を示しているが、さらに詳細な検討を行った結果、厚さ比が１：３を境に、最大応力が大きく変化することが解った。したがって、応力緩和性能を向上させるためには、天板１１の厚みは底板１２の１／３以下であって、真空ロウ付けの場合は、厚さ比が１：３〜１：５、ノコロックロウ付けの場合は、１：３〜１：１０に設定される必要がある。
【００５３】
実施例のシミュレーション結果によれば、いずれも１５０℃より低温の領域において、殆ど同じ応力が発生している。１５０℃より高温の領域では、応力に差が現れ、１：３．３、１：５の場合には、１５０℃を境に応力が大きくなり、１：１０の場合には、逆に応力が小さくなっている。このように、天板１１と底板１２との厚さ比を変更すると、応力が急激に変化するポイントが存在することが解る。なお、図示しないが、厚さ比が１：５〜１：１０の場合には、ちょうど間の値をとり、１：１０よりも底板１２が厚くなると、暫くは応力が低減する傾向を示す。
【００５４】
なお、図５に示すシミュレーション結果は、凹部１８、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂ、スリット２０を設けない条件で算出したものであるから、これらを設けることにより、さらに、絶縁基板３１にかかる応力（最大応力）は低減される。
【００５５】
ここで、上記構成を備えるＨＶインバータ用冷却器１０の作用、特に応力緩和作用について、総括して説明する。上記のように、ＨＶインバータ用冷却器１０、これに接合される絶縁基板３１に作用する応力は、特に、各部材をロウ付けするときに、各部材の線膨張率の相違に起因して発生する。例えば、ロウ付け後の冷却過程において、絶縁基板３１に対して天板１１等が収縮しようとする力が作用する。また、天板１１よりも底板１２が収縮し易いので、絶縁基板３１を頂点とするような反りが発生するおそれがある。
【００５６】
上記の天板１１等が収縮しようとする力は、絶縁基板３１との接合部分（接合表面）に大きく作用する。接合部分に作用する応力は、凹部１８の空間が変形することにより吸収・緩和される。また、このような応力は、絶縁基板３１に対して周囲から作用するので、周囲から作用する応力は、周囲溝１９ａ、間隙溝１９ｂにより吸収・緩和される。なお、接合表面の間隙には、大きな応力が作用すると共に、放熱性能等の観点から絶縁基板１９の所定間隔を維持することも重要である。接合表面の間隙における吸収変形量の調整を容易にするのが、接合部を有する間隙溝１９ｂである。例えば、間隙溝１９ｂの両端に残した接合部のつっぱり効果により、変形量を抑制して、適切な吸収変形を実現する。
【００５７】
絶縁基板３１を頂点とするような反りは、天板１１と底板１２との厚さ比を、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）に設定することで抑制できる。即ち、このような反りは、天板１１よりも底板１２の剛性（ヤング率）が低いことに起因して発生するものであるから、これを抑制するためには、底板１２よりも天板１１の厚みを薄くして、天板１１の剛性を低くすることが重要である。また、絶縁基板３１の損傷を抑制する等の観点から、底板１２の収縮力が天板１１に伝わらないようにすることも重要であり、これは、フィン１７のスリット２０により実現することができる。即ち、スリット２０の下方（底板１２側）の幅が狭くなるようにフィン１７が変形することで、反りの影響を天板１１まで伝達しないようにする。なお、フィン１７は、波形状が繰り返される方向については、スリット２０がなくても変形し易い。
【００５８】
以上のように、ＨＶインバータ用冷却器１０は、天板１１、底板１２、フィン１７を主要構成部材とし、天板１１は、絶縁基板３１が接合される接合表面に形成された凹部１８、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝１９ａ、接合表面の間隙の一部を残して形成された間隙溝１９ｂを有する。また、フィン１７には、接合表面の直下に対応する位置に、波形状が繰り返される方向に沿ったスリット２０が設けられる。さらに、天板１１と底板１２との厚さの比が、１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）である。したがって、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和して、絶縁基板３１の損傷や天板１１、底板１２の反りを抑制することが可能になる。
【００５９】
なお、上記では、応力緩和構造として、凹部１８を形成した天板１１の表面構造、周囲溝１９ａ・間隙溝１９ｂを形成した天板１１の表面構造、フィン１７にスリット２０を形成した構造、天板１１と底板１２との厚さの比を１：３〜１：１０（ノコロックロウ付け）とした構造を挙げ、各構造が結合した形態について説明したが、各構造を独立して採用した場合にも、ロウ付け工程等で発生する応力を緩和することが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
ＨＶインバータ用冷却器、１１ 天板、１２ 底板、１３ 冷媒流通部、１４ 導入用パイプ、１５ 導出用パイプ、１６ 締結部、１７ フィン、１８ 凹部、１９ａ 周囲溝、１９ｂ 間隙溝、２０ スリット、３０ 半導体素子、３１ 絶縁基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成され、天板の表面に発熱体を搭載した基板がロウ付けにより接合される冷却器であって、
天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有することを特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却器において、
天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有することを特徴とする冷却器。
【請求項３】
請求項１に記載の冷却器において、
天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、
天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有することを特徴とする冷却器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の冷却器において、
冷媒流通部に設置されて冷媒流路を規定する波板形状のフィンであって、波板形状の各頂部が天板及び底板にそれぞれ接合されたフィンを備え、
当該フィンには、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられることを特徴とする冷却器。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却器において、
フィンのスリットは、接合表面の直下に対応する位置に設けられることを特徴とする冷却器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の冷却器において、
天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０であることを特徴とする冷却器。
【請求項１】
天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成され、天板の表面に発熱体を搭載した基板がロウ付けにより接合される冷却器であって、
天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有することを特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却器において、
天板は、接合表面の周囲の少なくとも一部に形成された周囲溝を有することを特徴とする冷却器。
【請求項３】
請求項１に記載の冷却器において、
天板には、複数の基板が所定間隔をあけて接合され、
天板は、該所定間隔に対応する接合表面の間隙に、該間隙の一部を残して形成された間隙溝を有することを特徴とする冷却器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の冷却器において、
冷媒流通部に設置されて冷媒流路を規定する波板形状のフィンであって、波板形状の各頂部が天板及び底板にそれぞれ接合されたフィンを備え、
当該フィンには、波形状が繰り返される方向に沿ったスリットが設けられることを特徴とする冷却器。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却器において、
フィンのスリットは、接合表面の直下に対応する位置に設けられることを特徴とする冷却器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の冷却器において、
天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０であることを特徴とする冷却器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２５１４４３（Ｐ２０１０−２５１４４３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９７７５０（Ｐ２００９−９７７５０）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【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２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【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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