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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-01
(45)【発行日】2024-04-09
(54)【発明の名称】冷却装置
(51)【国際特許分類】
H05K 7/20 20060101AFI20240402BHJP
【ＦＩ】
H05K7/20 B
H05K7/20 P
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021010325
(22)【出願日】2021-01-26
(65)【公開番号】P2022114153
(43)【公開日】2022-08-05
【審査請求日】2023-03-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110003214
【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】広瀬 真夕
【審査官】小林 大介
(56)【参考文献】
【文献】特開平０７－２６６１４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－００９８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５３５４１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１４１１３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／００９７２０７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｋ ７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
相対的に高温の円筒状のワーク（７）の外周面に、相対的に低温の一対の受熱ブロック（１１、１２）を接触させ、前記ワークを冷却する冷却装置（９）であって、前記ワークの軸に直交する動作方向において互いに対向し、前記ワークの外周面に接触可能な複数の受熱部（Ｈ）を有し、前記ワークの軸に直交する断面で前記複数の受熱部の先端を結んだ曲線が円弧状をなす前記一対の受熱ブロックと、
前記ワークに接触する接触位置および前記ワークから離間した離間位置の間で前記一対の受熱ブロックを往復移動させる一対の駆動機構（３１、３２）と、
空冷部（４１）が設置され、前記受熱ブロックが取り付けられる支持ブロック（２１）と、
を備え、
各前記受熱ブロックは、前記動作方向と直交する方向に延びるスリット（Ｓ）で隔てられた複数の受熱フィンを有し、各前記受熱フィンの先端が前記受熱部を構成し、
一対の前記受熱ブロックが前記ワークを挟み込んだとき、前記受熱フィンが弾性によりしなり、前記受熱部が前記ワークに押し付けられ、
前記支持ブロックに、前記ワークの軸方向に沿って前記支持ブロックの途中で行き止まりとなっている空冷スリットが前記動作方向に沿って複数形成されて前記空冷部をなしており、風が当該行き止まりの箇所に当接するようにブローされることで前記受熱ブロックが空冷される冷却装置。
【請求項2】
前記受熱ブロックにはヒータ（５１、５２）が設置され、所定の温度範囲に温度調節される請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、高温のワークに受熱体を接触させることでワークを冷却させる冷却装置が知られている。
【0003】
例えば特許文献１には、ＬＳＩとカバーの間を熱的に接続する熱伝導接触子とこれに接するカバーの冷却フィンまたはスリットの構成を、各接触子毎のセル構造とし、カバーの全長にわたるリブを構成し、モジュール外部への伝熱特性を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平７－３８０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記文献には、基板上に搭載したＬＳＩをカバーにより覆い、ＬＳＩの発生熱を上記カバーを通してモジュールの外部に放出するタイプのモジュールが示されている。しかし、このモジュールは構造上、ＬＳＩのような平面を有しない円筒状のワークには適用できない。
【0006】
本発明は上述の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、円筒状ワークを効率的に冷却可能な冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
相対的に高温の円筒状のワーク（７）の外周面に、相対的に低温の一対の受熱ブロック（１１、１２）を接触させ、ワークを冷却する冷却装置（９）であって、一対の受熱ブロック（１１、１２）と、一対の駆動装置（３１、３２）と、を備える。
【0008】
前記一対の受熱ブロックは、前記ワークの軸に直交する動作方向において互いに対向し、前記ワークの外周面に接触可能な複数の受熱部（Ｈ）を有し、前記ワークの軸に直交する断面で前記複数の受熱部の先端を結んだ曲線が円弧状をなす。
【0009】
前記一対の駆動機構は、前記ワークに接触する接触位置および前記ワークから離間した離間位置の間で前記一対の受熱ブロックを往復移動させる。
【0010】
各前記受熱ブロックは、前記動作方向と直交する方向に延びるスリット（Ｓ）で隔てられた複数の受熱フィンを有し、各前記受熱フィンの先端が前記受熱部を構成する。
【0011】
前記一対の前記受熱ブロックが前記ワークを挟み込んだとき、前記受熱フィンが弾性によりしなり、前記受熱部が前記ワークに押し付けられる。
【0012】
これにより、各受熱部が円筒状ワークの外周面に確実に接触することで接触面積をより大きくし、ワークの熱を効率的に受け取ってワーク温度を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の冷却装置の第１実施形態を示す斜視図。
【図4】第２実施形態の受熱ブロックと支持ブロックの空冷部を示す正面図。
【図6】第２実施形態の受熱ブロックと支持ブロックの水冷部を示す正面断面図。
【図7】第３実施形態の受熱ブロックと温度制御式の支持ブロックを示す正面断面図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の複数の実施形態による冷却装置を図面に基づき説明する。
【0015】
（第１実施形態）
［冷却対象物］
最初に本発明の冷却対象物について説明する。図１に冷却対象物であるワーク７の模式図を示す。ワーク７は円筒の形状物である。なお、円筒面の一部に溝や凹み等を含むものも円筒状として扱う。このような円筒面は、平面状の受熱体を面接触させて冷却させることが難しい。
［冷却対象物］
最初に本発明の冷却対象物について説明する。図１に冷却対象物であるワーク７の模式図を示す。ワーク７は円筒の形状物である。なお、円筒面の一部に溝や凹み等を含むものも円筒状として扱う。このような円筒面は、平面状の受熱体を面接触させて冷却させることが難しい。
【0016】
［冷却装置］
図１に第１実施形態の概要を示す。本実施形態の冷却装置９は、相対的に高温の円筒状のワーク７の外周面に、相対的に低温の一対の受熱ブロック１１、１２を接触させ、前記ワークを冷却する装置であり、一対の受熱ブロック１１、１２と、一対の駆動機構３１、３２を備える。図１に示す構成例では、一対の駆動機構３１、３２は上下方向に動作し、一対の受熱ブロック１１、１２が上下からワーク７を挟み込む。
図１に第１実施形態の概要を示す。本実施形態の冷却装置９は、相対的に高温の円筒状のワーク７の外周面に、相対的に低温の一対の受熱ブロック１１、１２を接触させ、前記ワークを冷却する装置であり、一対の受熱ブロック１１、１２と、一対の駆動機構３１、３２を備える。図１に示す構成例では、一対の駆動機構３１、３２は上下方向に動作し、一対の受熱ブロック１１、１２が上下からワーク７を挟み込む。
【0017】
一対の受熱ブロック１１、１２は、ワーク７の軸に直交する動作方向において互いに対向し、ワーク７の外周面に接触可能な複数の受熱部Ｈを有し、複数の受熱部Ｈが全体で半円筒状をなす。一対の駆動機構３１、３２は、ワーク７に接触する接触位置およびワーク７から離間した離間位置の間で一対の受熱ブロック１１、１２を往復移動させる。本実施形態では、一対の駆動機構３１、３２は油圧シリンダにより駆動される。
【0018】
図２を参照する。各受熱ブロック１１、１２は複数の受熱フィンを有し、各受熱フィンの先端は受熱部Ｈであり、受熱フィン同士はそれぞれスリットＳで隔てられている。受熱フィンの先端にある受熱部Ｈがワーク７に接触して板バネのようにしなることで弾性力を生じ、これが受熱部Ｈを付勢してワーク７の外面に押し付ける。
【0019】
［冷却装置の動作］
図２、図３を参照して冷却装置９の動作を説明する。図３（ａ）にワーク７を挟持する前の離間位置にある一対の受熱ブロック１１、１２を示す。本実施形態では、受熱ブロックは左右二つの部品が結合されている。
図２、図３を参照して冷却装置９の動作を説明する。図３（ａ）にワーク７を挟持する前の離間位置にある一対の受熱ブロック１１、１２を示す。本実施形態では、受熱ブロックは左右二つの部品が結合されている。
【0020】
ワーク固定治具８（図２）に固定された高温のワーク７に対し、受熱ブロック１１は駆動機構３１に駆動されて下降方向Ｄ１に進み、受熱ブロック１２は駆動機構３２に駆動されて上昇方向Ｄ２に進むことで（冷却装置９、駆動機構３１、３２は図１）、高温のワーク７が一対の受熱ブロック１１、１２に挟持される。図３（ｂ）にワーク７を挟持する接触位置にある一対の受熱ブロック１１、１２を模式的に示す。
【0021】
高温のワーク７を挟持した一対の受熱ブロック１１、１２がワーク７から熱を受け取る（以下「受熱する」ともいう）と、受熱ブロック１１は駆動機構３１に駆動されて上昇方向Ｄ２に進み、受熱ブロック１２は駆動機構３２に駆動されて下降方向Ｄ１に進むことで、一対の受熱ブロック１１、１２は最初の離間位置に戻り（図３（ａ））、ワーク７から受け取った熱（以下「受熱」ともいう）を放熱する。一対の受熱ブロック１１、１２は、温度が下がると再び熱を受け取る工程まで待機する。
【0022】
ここで、互いに接触したワーク７と一対の受熱ブロック１１、１２を一つの物体とみたとき、この物体内の熱移動は理論式１で表される。式中のＱは伝導伝熱量（Ｗ、Ｊ／ｓ）、λは熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｔ1は高温側温度（℃）、Ｔ2は低温側温度（℃）、ｄは伝導距離（ｍ）、Ｓは断面積（ｍ2）を示す。
（理論式１）Ｑ＝λ／ｄ×（Ｔ1－Ｔ2）×Ｓ
（理論式１）Ｑ＝λ／ｄ×（Ｔ1－Ｔ2）×Ｓ
【0023】
理論式１に基づいて伝導伝熱量Ｑと断面積Ｓ（すなわち接触面積）の関係をみると、他のパラメータが一定の場合、ＱはＳに比例することがわかる。これは効率的な熱伝導をさせるには接触面積を大きくする必要があることを示すものであり、逆に接触面積が大きいほど放熱が良いことを示すものでもある。本発明はこの原理に鑑み、ワーク７と受熱部Ｈとの接触面積をできるだけ大きくすることを目的とした。
【0024】
［第１実施形態の効果］
上記の構成により、外形が曲面で構成されているために平面部を有するワーク向けの冷却装置ではうまく冷却できない円筒状ワークであっても、受熱部Ｈがより確実にワーク７表面の各所に接触することができ、接触面積を大きくする。その結果、ワーク７と受熱部Ｈとの接触箇所を介する熱伝導により、高温ワークに蓄積された熱が受熱部Ｈから受熱フィンを通って受熱ブロック１１、１２側に効率的に移動し、ワーク７は相対的に冷却される。
上記の構成により、外形が曲面で構成されているために平面部を有するワーク向けの冷却装置ではうまく冷却できない円筒状ワークであっても、受熱部Ｈがより確実にワーク７表面の各所に接触することができ、接触面積を大きくする。その結果、ワーク７と受熱部Ｈとの接触箇所を介する熱伝導により、高温ワークに蓄積された熱が受熱部Ｈから受熱フィンを通って受熱ブロック１１、１２側に効率的に移動し、ワーク７は相対的に冷却される。
【0025】
（第２実施形態）
次に図４、図５を参照し、第２実施形態について説明する。第１実施形態とほぼ共通の構成を有するが、受熱ブロック１１が取り付けられた支持ブロック２１に、ワーク７から受けとった熱を効率的に外部に逃がすためのしくみである空冷部４１または水冷部４２が設置されるところが異なっている。
次に図４、図５を参照し、第２実施形態について説明する。第１実施形態とほぼ共通の構成を有するが、受熱ブロック１１が取り付けられた支持ブロック２１に、ワーク７から受けとった熱を効率的に外部に逃がすためのしくみである空冷部４１または水冷部４２が設置されるところが異なっている。
【0026】
［空冷部］
図４に、空冷部４１の正面図を、図５に空冷部４１の斜視図を示す。ここでは、図１における冷却装置９の上側の構造のみ示す。空冷部４１は、離間位置でのワーク７からの受熱を放熱する工程でのブローによる冷却効果を高めるため、支持ブロック２１にスリットが多数形成され、ブローされた風との接触面積を増やしている。
図４に、空冷部４１の正面図を、図５に空冷部４１の斜視図を示す。ここでは、図１における冷却装置９の上側の構造のみ示す。空冷部４１は、離間位置でのワーク７からの受熱を放熱する工程でのブローによる冷却効果を高めるため、支持ブロック２１にスリットが多数形成され、ブローされた風との接触面積を増やしている。
【0027】
図５に示すように、本実施形態の空冷部４１は支持ブロック２１の途中で行き止まりとなっており、空冷部４１の各スリットと平行に風が流れるように、ブロー方向ＤＢにブローすると、風が行き止まりの箇所で効率的に受熱し、上に流されて熱を逃がす。ある設計仕様の支持ブロック２１で試算したところ、図４、図５のスリット部分を上下に１０メートル毎秒でブローすると、５０秒で約３０ｋＪの熱を放熱可能である。
【0028】
［水冷部］
図６に、水冷部４２の正面断面図を示す。ここでは冷却水の流路は垂直に穿たれ、その流路を通過する平面で切ったときの断面図を示している。同上の設計仕様の支持ブロック２１で試算したところ、図６の水冷部４２に水を流した場合、空冷の約６分の１の時間で、ブローと同じ約３０ｋＪの熱を放熱可能である。
図６に、水冷部４２の正面断面図を示す。ここでは冷却水の流路は垂直に穿たれ、その流路を通過する平面で切ったときの断面図を示している。同上の設計仕様の支持ブロック２１で試算したところ、図６の水冷部４２に水を流した場合、空冷の約６分の１の時間で、ブローと同じ約３０ｋＪの熱を放熱可能である。
【0029】
［第２実施形態の効果］
この構成により、受熱ブロックから支持ブロック、さらにその外部へと、ワークからの受熱をより効率的に逃がして放熱できる。その結果、放熱工程に要する時間が短縮され、作業効率が向上する。
この構成により、受熱ブロックから支持ブロック、さらにその外部へと、ワークからの受熱をより効率的に逃がして放熱できる。その結果、放熱工程に要する時間が短縮され、作業効率が向上する。
【0030】
（第３実施形態）
次に図７を参照し、第３実施形態について説明する。第２実施形態とほぼ共通の構成を有するが、受熱ブロック１１が取り付けられた支持ブロック２１には、空冷部４１や水冷部４２の代わりにヒータ５１、５２が設置されるところが異なっている。本実施形態では、支持ブロック２１の底部の温度をモニタするための温度センサ６も併せて設置されている。
次に図７を参照し、第３実施形態について説明する。第２実施形態とほぼ共通の構成を有するが、受熱ブロック１１が取り付けられた支持ブロック２１には、空冷部４１や水冷部４２の代わりにヒータ５１、５２が設置されるところが異なっている。本実施形態では、支持ブロック２１の底部の温度をモニタするための温度センサ６も併せて設置されている。
【0031】
［第３実施形態の効果］
上記の構成により、ワークの温度ばらつきが±５０℃を超えない範囲に支持ブロック２１、受熱ブロック１１の温度を調節することができる。本実施形態は、例えば高温のワーク７について材料特性などを考慮し、複数の冷却ステップを用いて、ステップごとのワーク温度を±５０℃の範囲に抑えながら順次急冷する必要がある場合に特に有効である。
上記の構成により、ワークの温度ばらつきが±５０℃を超えない範囲に支持ブロック２１、受熱ブロック１１の温度を調節することができる。本実施形態は、例えば高温のワーク７について材料特性などを考慮し、複数の冷却ステップを用いて、ステップごとのワーク温度を±５０℃の範囲に抑えながら順次急冷する必要がある場合に特に有効である。
【0032】
（その他の実施形態）
上記実施形態では、一対の駆動装置により、一対の受熱ブロックがワークを上下から挟み込む機構としているが、本発明の挟み込み方式はこれに限定されない。前後の工程における作業の接続性、空間の制約などの状況に応じ、例えば左右からワークを挟み込む機構であってもよい。その場合、受熱ブロックのスリットは上下方向に形成され、受熱ブロックが左右からワークを挟み込んだとき、受熱フィンが左右にしなってワークの外周面に接触する。
上記実施形態では、一対の駆動装置により、一対の受熱ブロックがワークを上下から挟み込む機構としているが、本発明の挟み込み方式はこれに限定されない。前後の工程における作業の接続性、空間の制約などの状況に応じ、例えば左右からワークを挟み込む機構であってもよい。その場合、受熱ブロックのスリットは上下方向に形成され、受熱ブロックが左右からワークを挟み込んだとき、受熱フィンが左右にしなってワークの外周面に接触する。
【0033】
また、一対の受熱ブロックがそれぞれロボットアームに装着されており、ロボットアームがワークを挟み込む機構であってもよい。
【0034】
その他の実施形態では、一対の駆動装置は油圧シリンダやエア圧シリンダに限定されず、他の駆動装置を用いてもよい。
【0035】
第２実施形態の空冷部は行き止まり構造を伴うスリット状であるが、空冷部は効率的なブロー冷却に適した形状であればよい。例えば行き止まり構造でなくてもよいし、スリットの代わりに多数の通気孔が設置された構造であってもよい。
【0036】
第２実施形態の水冷部を通過させる冷媒は流体であればよい。例えば水でなくてもよいし、液体の代わりに熱伝導率の高い特殊な気体を流してもよい。また冷却水の流れる方向ＤＷの向きも図示のものに限定されず、図６と逆方向に流れてもよい。
【0037】
さらに、流路の形状も必要に応じて適宜設計することができる。例えば２つの螺旋スロープ状の空間が接続した複雑な流路であってもよい。
【0038】
第３実施形態には、第２実施形態のような空冷部や水冷部を併設することができる。これにより、支持ブロックの温度調節がより機動的に行えるようになる。
【0039】
以上、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、さまざまな形態で実施することができる。
【符号の説明】
【0040】
１１、１２ 受熱ブロック、３１、３２ 駆動装置、７ ワーク
Ｄ１ 下降方向、Ｄ２ 上昇方向、Ｈ 受熱部、Ｓ スリット
Ｄ１ 下降方向、Ｄ２ 上昇方向、Ｈ 受熱部、Ｓ スリット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】