JP6705734B2 - Casing of a water-cooled chiller for electric elements - Google Patents
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Description
本発明は、電気素子を冷却する水冷式冷却機のケーシングに関する。 The present invention relates to a casing of a water-cooled cooler that cools electric elements.
ハイブリッド車や電気自動車などには、大容量のバッテリの電源を元にモーターを駆動するためのパワーＩＣなどの電気素子が搭載されており、その冷却には水冷式冷却機が広く用いられている。
一般的な水冷式冷却機のケーシングの構造を図２に示す。このケーシング１は、略平板状の放熱基盤２と、放熱基盤２の一方の面を覆い、放熱基盤２との間に冷却水の流路３を形成する水冷ジャケット４からなる。このタイプのケーシングを有する水冷式冷却機が記載された先行技術として、特許文献１〜４が挙げられる。
Hybrid vehicles, electric vehicles, and the like are equipped with electric elements such as power ICs for driving a motor based on a large-capacity battery power source, and a water-cooled cooler is widely used for cooling the elements. .
The structure of the casing of a general water-cooled chiller is shown in FIG. This casing 1 is composed of a substantially flat
図２に示すケーシング１において、放熱基盤２の一方の面には冷却水の流路３側に突出するフィン５が形成され、放熱基盤２の他方の面が電気素子６の取付面となっている。放熱基盤２は例えば銅板又はアルミニウム押出材からなり、フィン５が一方の面に形成される。水冷ジャケット４は、放熱基盤２との間で流路３を形成し、かつ給排水の配管を接続する給水口７及び排水口８を形成する必要から形状が複雑であり、従来よりアルミニウム合金のダイカスト製品が広く用いられている。水冷ジャケット４のダイカスト用アルミニウム合金として、機械的性質、被削性及び鋳造性が良いＡＤＣ１２（ＪＩＳＨ５３０２（２００６））が用いられている。
In the casing 1 shown in FIG. 2, the
しかし、ダイカスト製の水冷ジャケットには次のような問題があり、改善が望まれている。
ダイカスト製品はプレス加工品等に比べて一般的に製造コストが高い。
金型表面に塗布する離型材のため、ダイカスト製品は表面精度が劣り、放熱基盤との突き合わせ面や給排水口の周辺を切削仕上げする必要がある。この点も製造コストが高くなる要因となっている。
水冷ジャケットには高い強度が必要でないため、設計上は薄肉化が可能であるが、ダイカスト製品は薄肉化に限界があり、水冷ジャケット４が軽量化できない。
ＡＤＣ１２は比較的熱伝導率が低く、その点が水冷ジャケット（水冷式冷却機）の冷却性能をより高める上で妨げになっている。
ＡＤＣ１２は比較的多くのＣｕ（１．５〜３．５質量％）を含有するため耐食性が低く、その上、ケーシング１内を流れる冷却水の温度は給水口付近でも５０〜６０℃以上あり、水冷ジャケットに腐食が生じやすい。
However, the water-cooled jacket made of die cast has the following problems, and improvement is desired.
Die-cast products generally have higher manufacturing costs than pressed products.
Due to the release material applied on the die surface, the surface accuracy of die cast products is poor, and it is necessary to cut and finish the abutting surface with the heat dissipation base and the periphery of the water supply/drainage port. This is also a factor that increases the manufacturing cost.
Since the water-cooling jacket does not require high strength, it is possible to reduce the thickness in design, but the die-cast product has a limit in reducing the thickness, and the weight of the water-
The ADC 12 has a relatively low thermal conductivity, which is an obstacle to further enhancing the cooling performance of the water cooling jacket (water cooling type chiller).
Since the ADC 12 contains a relatively large amount of Cu (1.5 to 3.5 mass %), it has low corrosion resistance, and the temperature of the cooling water flowing in the casing 1 is 50 to 60° C. or higher even near the water supply port. Corrosion easily occurs in the water cooling jacket.
本発明は、従来の電気素子の水冷式冷却機のケーシング、特に水冷ジャケットに関する上記問題点に鑑みてなされてもので、製造コストが低く、軽量化された水冷ジャケットを提供することを主たる目的とする。また、冷却性能及び耐食性が改善された水冷ジャケットを提供することを別の目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems relating to the casing of the conventional water-cooled electric element cooling device, particularly the water-cooling jacket. To do. Another object is to provide a water cooling jacket with improved cooling performance and corrosion resistance.
本発明に係る電気素子の水冷式冷却機のケーシングは、平板状の放熱基盤と、前記放熱基盤の一方の面を覆い、前記放熱基盤との間に冷却水流路を形成する水冷ジャケットからなり、前記放熱基盤の前記一方の面に前記流路内に突出するフィンが形成され、前記放熱基盤の他方の面が電気素子の取付面であり、前記水冷ジャケットが周囲に取付用フランジを有するアルミニウム板の絞り加工品であることを特徴とする。なお、本発明において、アルミニウム板は純アルミニウム板とアルミニウム合金板の両方を意味する。アルミニウム板として、ＪＩＳ１０００系の純アルミニウム板、ＪＩＳ３０００系又はＪＩＳ６０００系のアルミニウム合金板が好ましい。また、前記アルミニウム板は、ＪＩＳ１０００系、ＪＩＳ３０００系又はＪＩＳ６０００系のアルミニウム板を心材とし、ＪＩＳ７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）のアルミニウム板を犠牲陽極材とするクラッド材であっても良い。 The casing of the water-cooled cooler of the electric element according to the present invention comprises a flat heat dissipation base, and a water cooling jacket that covers one surface of the heat dissipation base and forms a cooling water flow path between the heat dissipation base and the heat dissipation base. An aluminum plate having fins projecting into the flow path formed on the one surface of the heat dissipation base, the other surface of the heat dissipation base being a mounting surface of an electric element, and the water cooling jacket having a mounting flange on the periphery thereof. It is a drawn product of. In the present invention, the aluminum plate means both a pure aluminum plate and an aluminum alloy plate. As the aluminum plate, a JIS 1000 series pure aluminum plate or a JIS 3000 series or JIS 6000 series aluminum alloy plate is preferable. Further, the aluminum plate may be a clad material using a JIS1000 series, JIS3000 series, or JIS6000 series aluminum plate as a core material and a JIS7000 series (Al—Zn—Mg system) aluminum plate as a sacrificial anode material.
本発明に係る水冷ジャケットは、アルミニウム板の絞り加工品であるから、ダイカスト製品に比べて低コストで製造でき、薄肉化による軽量化も可能である。また、絞り加工品の表面はプレス金型の表面形状が転写され、ダイカスト製品に比べて高精度化することができ、放熱基盤との突き合わせ面（取付用フランジの部分）や給排水口の周辺の切削仕上げを省略して、一層の低コスト化を実現できる。
ＪＩＳ１０００系、３０００系又は６０００系のアルミニウムは、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高く、ＡＤＣ１２より熱伝導性に優れ、水冷式冷却機の冷却性能を高めることができる。また、ＪＩＳ１０００系、３０００系又は６０００系のアルミニウムは、Ｃｕ及びＦｅ含有量が低く、耐食性がＡＤＣ１２より優れ、水冷ジャケットの腐食（腐食減量）を防止することができる。特に犠牲陽極材層を有するアルミニウム板を使用した場合、心材の腐食防止効果が大きい。
Since the water-cooling jacket according to the present invention is a drawn product of an aluminum plate, it can be manufactured at a lower cost than a die-cast product and can be made lighter by thinning it. In addition, the surface shape of the press die is transferred to the surface of the drawn product, which makes it possible to achieve higher accuracy compared to die-cast products, and it is possible to improve the accuracy of the surface shape of the heat-dissipating base and the area around the water supply/drainage port. It is possible to realize further cost reduction by omitting the cutting finish.
JIS 1000 series, 3000 series, or 6000 series aluminum has a high thermal conductivity of 120 W/m·K or more, is superior in thermal conductivity to ADC 12, and can enhance the cooling performance of a water-cooled chiller. In addition, JIS 1000 series, 3000 series or 6000 series aluminum has low Cu and Fe contents, is superior in corrosion resistance to ADC12, and can prevent corrosion of the water cooling jacket (corrosion weight loss). Particularly when an aluminum plate having a sacrificial anode material layer is used, the effect of preventing corrosion of the core material is great.
以下、図１を参照して、本発明に係る水冷式冷却機のケーシングについて具体的に説明する。図１において、図２に示すケーシングと実質的に同じ部位には同じ番号を付与している。
図１に示す水冷式冷却機のケーシング１は、放熱基盤２と水冷ジャケット１１からなり、放熱基盤２と水冷ジャケット１１の間に冷却水の流路３が形成されている。放熱基盤２は、従来のものと同様に、全体として平板状で、流路３側に突出する多数のフィン５が形成されている。放熱基盤２は、例えば銅板又はアルミニウム押出材からなり、フィン５はこれらの素材から例えば削り出しにより形成される。
Hereinafter, the casing of the water-cooled chiller according to the present invention will be specifically described with reference to FIG. In FIG. 1, the same numbers are given to the substantially same parts as the casing shown in FIG.
The casing 1 of the water-cooled chiller shown in FIG. 1 includes a
水冷ジャケット１１は、アルミニウム板をプレス絞り加工して成形したもので、側面１２と天面１３、及び全周を取り巻く取付用フランジ１４からなる。天面１３に他より深く絞り加工された部位が２箇所あり、同部位に給水口１５と排水口１６が打抜き加工により形成されている。水冷ジャケット１１は、取付用フランジ１４において放熱基盤２に接合される。水冷ジャケット１１の天面と水冷ジャケット１１に形成されたフィン５の先端との間に隙間がある。接合手段として、ボルト・ナットによる締結、ろう付け等、種々の手段が利用できる。取付用フランジ１４の突き合わせ面１４ａや、給水口１５及び排水口１６の周辺は、従来のダイカスト製品では切削仕上げ加工が必要であったが、アルミニウム板の絞り加工品の場合、プレス金型の表面性状が転写されるため、表面精度を高くでき、切削仕上げ加工は不要である。また、水冷ジャケット１１はアルミニウム板の絞り加工品であるから、ダイカスト製品に比べて薄肉化（例えば２．５ｍｍ以下）が可能となり、水冷ジャケット１１の軽量化を図ることができる。
The water-cooling jacket 11 is formed by press drawing an aluminum plate, and includes a side surface 12, a
水冷ジャケット１１用のアルミニウム板として、好ましくは、ＪＩＳ１０００系の純アルミニウム板、及びＪＩＳ３０００系（Ａｌ−Ｍｎ系）又はＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金板が使用できる。ＪＩＳ１０００系アルミニウムの組成（単位：質量％）は、Ｓｉ＋Ｆｅ≦１．００、Ｃｕ≦０．２０、Ｍｎ≦０．０５、Ｚｎ≦０．１０、Ｔｉ≦０．０５、Ａｌ≧９９．００、その他の元素が個々に０．０５以下かつ合計で０．１５以下である。ＪＩＳ３０００系アルミニウム合金の組成（単位：質量％）は、Ｍｎ：０．３〜１．５、Ｍｇ≦１．３、Ｃｕ≦０．３０、Ｆｅ≦０．７、Ｓｉ≦０．６、Ｚｎ≦０．４０、Ｃｒ≦０．２、Ｔｉ≦０．１、及び残部Ａｌであり、その他元素が個々に０．０５以下かつ合計で０．１５以下の範囲で許容される。ＪＩＳ６０００系アルミニウムの組成（単位：質量％）は、Ｓｉ：０．３〜１．３、Ｍｇ：０．４〜１．２、Ｍｎ≦１．０、Ｃｕ≦０．４、Ｆｅ≦０．７、Ｃｒ≦０．３５、Ｚｎ≦０．２５、Ｔｉ≦０．１５、及び残部Ａｌであり、その他元素が個々に０．０５以下かつ合計で０．１５以下の範囲で許容される。なお、上記組成において、含有量の下限値を規定していない元素は、０質量％の場合があり得る。
ＪＩＳ１０００系、３０００系又は６０００系のアルミニウムは、熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高く、ＡＤＣ１２より熱伝導性に優れるため、水冷式冷却機の冷却性能を高めることができる。特に１０００系及び６０００系合金の中で熱伝導性が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の値を選ぶことで、さらに冷却機の冷却性能を高めることができる。
As the aluminum plate for the water cooling jacket 11, preferably, a JIS1000 series pure aluminum plate and a JIS3000 series (Al-Mn series) or JIS6000 series (Al-Mg-Si series) aluminum alloy plate can be used. The composition (unit: mass %) of JIS 1000-based aluminum is Si+Fe≦1.00, Cu≦0.20, Mn≦0.05, Zn≦0.10, Ti≦0.05, Al≧99.00, and others. The individual elements are 0.05 or less and 0.15 or less in total. The composition (unit: mass %) of the JIS 3000 series aluminum alloy is Mn: 0.3 to 1.5, Mg≦1.3, Cu≦0.30, Fe≦0.7, Si≦0.6, Zn≦ 0.40, Cr≦0.2, Ti≦0.1, and the balance Al, and other elements are allowed within the range of 0.05 or less and 0.15 or less in total. The composition (unit: mass%) of JIS6000 series aluminum is Si: 0.3 to 1.3, Mg: 0.4 to 1.2, Mn≦1.0, Cu≦0.4, Fe≦0.7. , Cr≦0.35, Zn≦0.25, Ti≦0.15, and the balance Al, and the other elements are allowed within the range of 0.05 or less and 0.15 or less in total. In the above composition, the content of the element for which the lower limit of the content is not specified may be 0% by mass.
JIS 1000 series, 3000 series, or 6000 series aluminum has a high thermal conductivity of 120 W/(m·K) or more and is superior to ADC 12 in thermal conductivity, so that the cooling performance of the water-cooled chiller can be enhanced. In particular, by selecting a value of thermal conductivity of 200 W/(m·K) or more among the 1000 series and 6000 series alloys, the cooling performance of the cooler can be further enhanced.
上記アルミニウム板は、耐食性を低下させるＣｕの含有量が０．４質量％以下と少なく、Ｆｅの含有量も少ない（ＪＩＳ１０００系ではＦｅ＋Ｓｉ≦１．００質量％、ＪＩＳ３０００系及び６０００系ではＦｅ≦０．７質量％）。このため、従来のＡＤＣ１２に比べて耐食性が良く、５０〜６０℃以上の流動する冷却水に常時接触する水冷ジャケット１１の内面側に腐食が生じ難い。
また、上記アルミニウム板を心材とし、ＪＩＳ７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）のアルミニウム板を犠牲陽極材とするクラッド材であっても良い。クラッド材の場合、犠牲陽極材が流路３側に配置される。ＪＩＳ７０００系アルミニウムの組成（単位：質量％）は、Ｍｇ：１．０〜３．１、Ｚｎ：４．０〜７．３、Ｃｕ≦２．４、Ｍｎ≦０．７、Ｓｉ≦０．４、Ｃｒ≦０．３、Ｔｉ≦０．２０及び残部Ａｌであり、その他元素が個々に０．０５以下かつ合計で０．１５以下の範囲で許容される。
In the aluminum plate, the content of Cu that lowers the corrosion resistance is as low as 0.4 mass% or less, and the content of Fe is also small (Fe+Si≦1.00 mass% in JIS1000 series, Fe≦0 in JIS3000 series and 6000 series). 0.7% by mass). For this reason, the corrosion resistance is better than that of the conventional ADC 12, and corrosion is less likely to occur on the inner surface side of the water cooling jacket 11 that is constantly in contact with flowing cooling water at 50 to 60° C. or higher.
Further, it may be a clad material using the above aluminum plate as a core material and a JIS7000 series (Al-Zn-Mg series) aluminum plate as a sacrificial anode material. In the case of the clad material, the sacrificial anode material is arranged on the
１ 水冷式冷却機のケーシング
２ 放熱基盤
３ 流路
５ フィン
６ 電気素子
１１ 水冷ジャケット
１４ 水冷ジャケットの取付用フランジ
１５ 水冷ジャケットの給水口
１６ 水冷ジャケットの排水口
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