JP2000340728A - ヒートシンクおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 漏水に対する信頼性が高く、かつ製造コスト
が安価で、高性能のヒートシンク、およびその製造方法
を提供する。 【解決手段】 冷却水が流れる流路を構成するパイプ２
７を中子として使用して、パイプ２７の周りにダイキャ
スト成形によりヒートシンク本体２６を一体成形し、さ
らにパイプ２７の端部に継手としてニップル３０を接合
してヒートシンクを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば大型回転
機の回転制御に使用されるゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）等の半導体素子や抵抗体を冷却する冷却装置
の部品であるヒートシンク、およびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、冷却装置の役割を図を用いて説明
する。図１８は例えば大型回転機の回転数制御に用いら
れるゲートターンオフサイリスタの主回路部（サイリス
タ）と水冷抵抗器の構成、及び冷却水循環系統を模式的
に示す構成図である。図において、１は半導体で形成さ
れた半導体素子、２は半導体素子１に圧接された陽極、
３は陽極２と対抗する側に圧接された陰極、４はセラミ
ックスで形成された絶縁碍子、５は半導体素子１からの
発熱を冷却する主回路用ヒートシンク、６はボルト、７
はナット、８は主回路締付用上板、９は主回路締付用下
板、１０はフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン：
商品名 テフロン）よりなるチューブである。

【０００３】半導体素子１は陽極２及び陰極３を介して
主回路用ヒートシンク５に挟まれて積層され、さらに主
回路締付用上板８と主回路締付用下板９により挟まれて
ボルト６及びナット７によって締め付けることで軸方向
に圧力が加えられ、主回路用ヒートシンク５と陽極２及
び陰極３との表面の間で生じる接触熱抵抗を低減させて
いる。

【０００４】また、１１〜１４は水冷抵抗器部であり、
１１は抵抗用ヒートシンク、１２は金属製の抵抗体、１
３は抵抗締付用上板、１４は抵抗締付用下板である。水
冷抵抗器部は上記主回路部と同様に抵抗体１２と抵抗用
ヒートシンク１１を交互に挟んでボルト６及びナット７
により締め付けることで軸方向に圧力を加えスタック
（積層）構造としている。

【０００５】この他図示は省略するが本装置内の半導体
素子として回路内に電流が逆流した際これを迂回させて
他の回路の破壊を防止する回生回路があり、同様にヒー
トシンクが回生回路用半導体素子を挟んで圧接するスタ
ック構造の抵抗器を構成している。このようにヒートシ
ンクは素子および抵抗器の発熱による破壊を防止するこ
とを目的として設置されている。

【０００６】次に動作について説明する。冷却水が流入
口より主回路用ヒートシンク５に流入すると、冷却水は
スタック構造内の他の主回路用ヒートシンク５を通過し
て半導体素子１からの発熱を奪った後、チューブ１０を
介して抵抗器の抵抗用ヒートシンク１１へ流入する。抵
抗器では主回路と同様に、他の抵抗用ヒートシンク１１
を通過し、抵抗体からの発熱を奪って流出する。

【０００７】次に従来のヒートシンクの構造について説
明する。図１９は、特願平９−２３９６８１号明細書に
より発明者らが提案した従来のヒートシンクの構造を分
解して示す図である。図において、１００はヒートシン
ク本体、１５はアルミブレージングシートからなる上
板、１６は同じくアルミブレージングシートからなる下
板、１７は冷媒流路、１８は冷媒流路１７が形成された
アルミブレージングシートからなる流路板である。上板
１５，下板１６、および複数枚積層した流路板１８によ
りヒートシンク本体１００を構成している。１９は冷媒
出入口である。

【０００８】次に上記のような従来のヒートシンクの製
造方法について説明する。図２０は従来のヒートシンク
の構造および製造方法を示す図であり、図において、２
０は配管継手、２１は配管側嵌合部、２２は配管嵌合
部、２３はねじ、２４は継手用ナット、２５は配管であ
る。まず、図２０に示すように、接合される側にろう材
がクラッドされているアルミブレージングシ−トを、タ
ーレットパンチプレスなどにより打ち抜き加工して冷媒
流路１７および冷媒出入口１９を形成した流路板１８を
作成する。次に、この流路板１８を複数枚積層し、さら
にこの積層体の蓋となるように上板１５、下板１６を重
ねる。次に、上記アルミブレージングシートのろう材と
同じ成分の線状ろう材を配管継手２０の外周に巻いて、
配管側嵌合部２１を冷媒出入口１９に挿入する。この冷
媒出入口１９は、あらかじめ打ち抜き加工により冷媒出
入口１９が形成されたアルミブレージングシートの積層
により出現するので、おのずと四角形状となる。従っ
て、冷媒出入口１９に挿入、嵌合される配管側嵌合部２
１も四角形状となる。また、配管継手２０の材料は、ア
ルミニウムより硬度が高く、冷媒である冷却水に対して
耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼（例えば
ＳＵＳ３０４など）を用いる。

【０００９】このようにして、上板１５、下板１６、流
路板１８、配管継手２０を仮組立した後、雰囲気炉など
を用いて、窒素ガス雰囲気中で６００℃まで昇温し、一
括してろう付を行う。ここで、ろう材に混入するフラッ
クスは、ＫＡｌＦ₄やＫ₃ＡｌＦ₆の化合物を主成分とし
た非腐食性のフッ化物系フラックスを用いる。

【００１０】さらに、配管継手２０と配管２５との接続
は、配管嵌合部２２に配管２５を挿入し、嵌合して、ね
じ部２３に適合する継手用ナット２４で締め付けて行
う。また、配管２５の先端部を塑性変形させることで、
水密性を保つことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒートシンクは
以上のように構成されているので、接合部が多く、一ヶ
所でも接合部に欠陥があると冷却水が高電圧部に漏れ、
致命的な事故につながる可能性があるため、検査工程で
高圧をかけ、長時間水没させて検査する必要があり、検
査コストが高くなるという問題点があった。また、継手
を同時にろう付するため、継手の位置決めを治具によっ
て行わねばならず、仮組時間が長くかかり、ろう付もＮ
₂雰囲気のトンネル炉を使用しているため、ろう付完了
までの時間が長くかかり、スループットが長くなるとい
う問題点があった。一方、上記のようなヒートシンクの
製造方法に比べ接合部の少ない製造方法として、砂型を
用い、パイプを中に入れて砂型内にアルミニウムを流し
込む通常の鋳造方法が考えられる。しかしながら、この
ような方法でヒートシンクを製造した場合には、ヒート
シンク本体となるアルミニウムに「鬆」が多く発生し、
そのためアルミニウムとパイプとの密着性が充分でな
く、ヒートシンクとしての性能が発揮できないという問
題がある。また、金型を用い、パイプを中に入れて金型
内に高速・高圧で溶融したアルミニウムを流し込む製造
方法（ダイキャスト成形）も考えられるが、このような
方法でヒートシンクを製造した場合には、パイプがつぶ
れたり、変形してしまうことが多く、所望の流路形状を
有するヒートシンクが効率よく得られないという問題が
ある。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、漏水に対する信頼性が高く、か
つ製造コストが安価で、高性能のヒートシンクを提供す
ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
るヒートシンクは、冷却水が流れる流路を構成するパイ
プ、このパイプの周りに上記パイプと一体成形されたヒ
ートシンク本体、および上記パイプの端部に継手として
接合されたニップルを備えたものである。

【００１４】また、本発明の第１の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、冷却水が流れる流路をパイプで構成
し、上記パイプの端部に継手となるニップルを接合した
後に、上記パイプと上記ニップルを中子にして、上記パ
イプの周りにダイキャスト成形によりヒートシンク本体
を一体成形するものである。

【００１５】また、本発明の第２の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、冷却水が流れる流路をパイプで構成
し、上記パイプを中子にし、ダイキャスト成形時に加熱
されたパイプ材の熱膨張を吸収する熱吸収手段を備えた
ホルダーに上記パイプを固定して、上記パイプの周りに
ダイキャスト成形によりヒートシンク本体を一体成形す
るものである。

【００１６】また、本発明の第３の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、第２の方法において、熱吸収手段が
バネ機構であるものである。

【００１７】また、本発明の第４の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、冷却水が流れる流路をパイプで構成
し、上記パイプを中子にし、ダイキャスト金型内へ溶融
したヒートシンク本体材料を流入する際に、上記ヒート
シンク本体材料の主流が上記パイプとぶつからないよう
にして、上記パイプの周りにダイキャスト成形によりヒ
ートシンク本体を一体成形するものである。

【００１８】また、本発明の第５の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、第１ないし第４のいずれかの方法に
おいて、ダイキャスト成形時にパイプの傾きを固定する
ものである。

【００１９】また、本発明の第６の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、第１ないし第４のいずれかの方法に
おいて、ダイキャスト金型にパイプの傾きを抑えるスペ
ーサを設け、上記スペーサごと鋳込んでヒートシンク本
体を一体成形したものである。

【００２０】また、本発明の第７の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、第１ないし第６のいずれかの方法に
おいて、パイプがステンレス鋼またはアルミニウムで構
成されているものである。

【００２１】また、本発明の第８の方法によるヒートシ
ンクの製造方法は、第１ないし第７のいずれかの方法に
おいて、パイプの外周面に、ダイキャスト成形時にヒー
トシンク本体材料と反応するメッキを行ったものであ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を説明する。図１はこの発明の実施の形態１
による大型回転機の回転数制御に用いられる水冷抵抗器
用のヒートシンクを示す図である。図において、２６は
アルミニウムによりダイキャスト成形されたヒートシン
ク本体、２７は流路となるパイプ、３０はパイプ２７の
端部に継手として接合されたニップルであり、流路とな
るフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン：商品名
テフロン）よりなるチューブ（図示せず）に接続され
る。

【００２３】次に、上記ヒートシンクの製造方法を説明
する。図２に示すように、パイプ２７を流路形状に対応
するように曲げておく。この場合、本実施の形態ではパ
イプ材にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）または純アルミ
ニウム材（Ａ１１００）を用い、外径１２ｍｍ、肉厚
１．０〜１．６ｍｍのものを使用している。次に、図２
（ａ）に示すように、パイプ２７の両端に、パイプ２７
内に溶融したアルミニウムが流れ込まないためのホルダ
ー５０を差し込み、これらを図２（ｂ）に示すように、
ダイキャスト固定金型８１内に中子として入れ、同様な
形状の可動金型８２（図３参照）で型を閉じて、図３に
示すように、溶融したアルミニウム（本実施の形態では
ＡＤＣ１２）を高速・高圧でダイキャスト金型内８０に
流し込む。ここで、図３はダイキャスト金型８０を側面
方向から見た断面図であり、図２（ｂ）において、矢印
Ａ方向より見た、Ｂ−Ｂ線での断面図である。８１は固
定金型、８２は可動金型、２７はパイプ、５０はホルダ
ーである。この時、パイプ２７はホルダー５０を介して
ダイキャスト金型８０に保持され、パイプ２７の内部に
溶融したアルミ溶湯が流入する前に、ホルダー５０部分
で流れ込んだアルミ溶湯が凝固し、パイプ内部をアルミ
溶湯で塞ぐ不良は発生しない。これによって図４に示す
ような形状で、パイプ２７がアルミニウムのヒートシン
ク本体２６に鋳込まれたヒートシンクができあがる。次
に、図１に示すような継手となるニップル３０を接合す
る。ニップル３０は、本実施の形態ではオーステナイト
系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０３やＳＵＳ３０４）
または鉄系の材料を用いている。ニップル３０の接合後
に、両面をフライスなどにより仕上げ加工を行い、図１
に示す水冷抵抗器用ヒートシンクとして完成させる。

【００２４】動作としては、冷却水が流れるチューブ
（図示せず）を、ニップル３０に接続し、冷却水がパイ
プ２７内を流れ、熱伝達と熱伝導によりヒートシンク本
体２６の両面に挟み込まれた抵抗体（図示せず）を冷却
する。冷却により加熱された冷却水は他方のニップル３
０よりチューブを介して流出する。

【００２５】以上のように本実施の形態によれば、流路
が完全に独立しているので、ニップルとパイプとの接合
部の漏れだけを検査すればよい。また、パイプとヒート
シンク本体とを一体成形する高効率な加工法であるダイ
キャスト成形を行うため、組立が不要になり、従来のろ
う付タイプに比べて著しく加工時間を短縮できる。ま
た、ホルダーを用いてダイキャスト成形を行うため、パ
イプ内部をアルミ溶湯で塞ぐ不良が発生しない。

【００２６】実施の形態２．実施の形態１では、図２
（ａ）に示すようにパイプ２７をホルダー５０を介し
て、ダイキャスト固定金型８１に固定したが、パイプ２
７内に溶融したアルミニウムが流れ込まないように、固
定金型８１と可動金型８２との隙間が十分に管理でき、
さらにパイプ部に金型割り面のバリが出るのが問題ない
ようであれば、図５に示すように、パイプ２７を直接ダ
イキャスト固定金型８３に固定してもよい。

【００２７】実施の形態３．次に本発明の実施の形態３
を説明する。図６は本発明の実施の形態３に係わるパイ
プを示す図である。本実施の形態では最終的にヒートシ
ンクとなった状態では、実施の形態１および実施の形態
２と外観上は同じであるが、製造方法が異なる。図６
（ａ）に示すように、継手となるニップル３０を、流路
となるパイプ２７に、あらかじめ溶接やろう付などで接
合しておき、図６（ｂ）の状態に仕上げておく。このよ
うにしてダイキャスト成形前に流路を完成させておき、
次に、ニップル３０のネジ部にホルダー（図示せず）を
取り付け、実施の形態１と同様にして、上記パイプ２
７、ニップル３０およびホルダーをダイキャスト金型内
に中子として入れ、溶融したアルミニウム（本実施の形
態ではＡＤＣ１２）を高速・高圧で流し込む。これによ
って図１に示すように、ニップル３０が接合された状態
のパイプ２７がアルミニウムよりなるヒートシンク本体
２６に鋳込まれた構成のヒートシンクができあがる。

【００２８】このように、本実施の形態３によれば、ニ
ップル３０を先に接合するので、パイプ２０とニップル
３０を接合した段階で漏れ試験を実施でき、この段階で
漏れが発生したものを除けば、ダイキャスト成形後にで
きてくるヒートシンクの歩留まりは、１００％に近くな
る。また、ダイキャスト成形後にニップル３０を接合す
る場合に比べて、漏れが起こったときに無駄にする材料
も少なくて済むので、歩留まりが向上する。

【００２９】なお、本実施の形態では、ニップル３０の
ネジ部にホルダーを取り付けたものを示したが、実施の
形態２と同様に、固定金型と可動金型との隙間が十分に
管理できれば、ホルダーはなくてもよい。

【００３０】実施の形態４．次に本発明の実施の形態４
を説明する。図７は本発明の実施の形態４によるヒート
シンクの製造方法を説明する図であり、ダイキャスト金
型にパイプ２８を中子として入れ、鋳込む時のパイプ周
辺の構造を示す図である。図において、２８はステンレ
ス鋼、例えばＳＵＳ３０４からなる材料で構成され、曲
げ加工が施されたパイプ、５０はこのパイプ２８を中子
として使用してダイキャスト成形する際に、ダイキャス
ト金型内でパイプ２８を固定するホルダーであり、この
ホルダー５０は金型材（ＳＫＤ）と同じぐらいの線膨張
係数からなる材料（本実施の形態ではＳＫＤ１１）で作
られている。６０はこのホルダー５０内に設けられるス
プリングワッシャーであり、ダイキャスト成形時に加熱
されたパイプ２８材の熱膨張を吸収するバネ機構の働き
をする。７０はホルダー５０の隙間から流れ込んだ溶湯
アルミが、パイプ２８内部に侵入しないようにするため
の仕切り板である。この仕切り板７０は、本実施の形態
では示しているが、パイプ２８内に溶融したアルミニウ
ムが流れ込まなければ必ずしも必要でなく、省略しても
本質的な問題にはならない。

【００３１】ダイキャスト成型時には、高温のアルミ溶
湯が金型内に注入され、中子となるパイプ２８は高温の
アルミ溶湯にふれ、瞬時に熱くなる。一方、金型は大き
な熱容量を持つため瞬時に熱くなれず、パイプ２８は膨
張して伸びるが、金型はほとんど伸びず、このときに、
パイプ２８に大きな熱応力が発生する。スプリングワッ
シャー６０がないと、上記熱応力により、パイプ２８は
座屈して変形してしまう。本実施の形態のようにスプリ
ングワッシャー６０があると、上記スプリングワッシャ
ー６０の変位により、パイプの伸びを吸収し、パイプが
座屈して変形を起こさないようにできる。

【００３２】本実施の形態では、ステンレス製パイプ２
８による例を示したが、アルミニウム製パイプでも同様
な作用をおよぼす。

【００３３】このように、ダイキャスト成型時のパイプ
２８の伸びを吸収するスプリングワッシャー６０を設
け、このスプリングワッシャー６０を納めて、パイプ２
８を保持できるホルダー５０を設けることにより、パイ
プの座屈による変形が起こらないようにでき、所望の流
路形状を有するヒートシンクが得られる。

【００３４】実施の形態５．次に本発明の実施の形態５
を説明する。図８は本発明の実施の形態５によるヒート
シンクの製造方法を説明する図であり、ダイキャスト金
型にパイプ２８を中子として入れ、鋳込む時のパイプ周
辺の構造を示す図である。図において、２８はステンレ
ス鋼で構成され、曲げ加工が施されたパイプ、５０はこ
のパイプ２８を中子として使用してダイキャスト成形す
る際に、ダイキャスト金型内でパイプ２８を固定するホ
ルダーであり、このホルダー５０は金型材（ＳＫＤ）と
同じぐらいの線膨張係数からなる材料（本実施の形態で
はＳＫＤ１１）で作られている。６１はこのホルダー５
０内に設けられる弦巻バネであり、ダイキャスト成形時
に加熱されたパイプ２８材の熱膨張を吸収するバネ機構
の働きをする。７０はホルダー５０の隙間から流れ込ん
だ溶湯アルミが、パイプ２８内部に侵入しないようにす
るための仕切り板である。この仕切り板７０は、本実施
の形態では示しているが、パイプ２８内に溶融したアル
ミニウムが流れ込まなければ必ずしも必要でなく、省略
しても問題ない。

【００３５】このような構成にしても、前述のスプリン
グワッシャ６０を用いた時と同じ効果を発揮する。つま
り、ホルダー５０内に内蔵される伸びを吸収する部品
は、バネ機構であれば、この他に皿バネでもよく、これ
を規定するものではない。

【００３６】なお、上記実施の形態４、５においても、
実施の形態３と同様、ニップルを先にパイプに接合して
から、ニップル端部にスプリングワッシャー６０または
弦巻バネを納めて、ニップルを保持できるホルダーを設
けるようにしてもよい。

【００３７】実施の形態６．次に本発明の実施の形態６
を説明する。図９は本発明の実施の形態６によるヒート
シンクの製造方法を説明する図であり、ダイキャスト金
型にパイプ２８を中子として入れ、鋳込む時のパイプ周
辺の構造を示す図である。図において、２８はステンレ
ス鋼、例えばＳＵＳ３０４からなる材料で構成され、曲
げ加工が施されたパイプ、５１はこのパイプ２８を中子
として使用してダイキャスト成形する際に、ダイキャス
ト金型内でパイプ２８を保持して固定するホルダーであ
り、このホルダーは耐熱性のある樹脂材（本実施の形態
ではポリサルフォン：ＰＰＳ）で作られている。

【００３８】ダイキャスト成型時には、高温のアルミ溶
湯が金型内に注入され、中子となるパイプ２８は高温の
アルミ溶湯にふれ、瞬時に熱くなる。一方、金型は大き
な熱容量を持つため瞬時に熱くなれず、パイプ２８は膨
張して伸びるが、金型はほとんど伸びず、このときに、
パイプ２８に大きな熱応力が発生する。通常はこの熱応
力により、パイプ２８は座屈して変形してしまうが、本
実施の形態ではホルダー５１が耐熱性のある樹脂材で作
られているので、ホルダー５１自身がある程度熱くなる
ことにより、軟化して変形し、この変形によりパイプ２
８の伸びを吸収するため、パイプ２８が座屈して変形を
起こさない。

【００３９】このように、ダイキャスト成型時のパイプ
２８の熱による伸びを吸収するホルダーを設けることに
より、パイプの座屈による変形が起こらないようにで
き、所望の流路形状を有するヒートシンクが得られる。

【００４０】なお、上記実施の形態６においても、実施
の形態３と同様、ニップルを先にパイプに接合してか
ら、熱膨張を吸収できる樹脂材で作られたホルダーによ
り、ニップルを保持するようにしてもよい。

【００４１】実施の形態７．次に本発明の実施の形態７
を説明する。図１０は本発明の実施の形態７によるヒー
トシンクの製造方法に係わるダイキャスト金型を側面方
向から見た断面図である。図において、８４はダイキャ
スト固定金型、８５はダイキャスト可動金型、８６はダ
イキャスト金型、８７は溶融したアルミニウムが流入す
るダイキャスト金型８６のゲートであり、アルミニウム
の流入方向（射出方向）の延長線上にパイプが存在しな
いゲート形状となっている。ヒートシンクとなった状態
では、実施の形態１〜６と外観上は同じであるが、本実
施の形態では製造方法が異なる。

【００４２】実施の形態５のヒートシンクの製造方法と
同様に、流路形状に対応するように曲げたパイプ２８の
両端を各々弦巻バネ６１とともにホルダー５０内に差し
込み、これらを図１０に示すようにダイキャスト固定金
型８４内に中子として入れ、同様な形状の可動金型８５
で型を閉じて、溶融したアルミニウム（本実施の形態で
はＡＤＣ１２）を高速・高圧でダイキャスト金型内８６
に流し込む。この時、金型のゲート８７をパイプ２８に
直接アルミ溶湯の主流がぶつからない形状にしているた
め、アルミ溶湯の流速が早くてもパイプ２８がアルミ溶
湯の流体慣性力により変形することがない。これによっ
て図４と同様の形状で、かつパイプが変形せずにアルミ
ニウムのヒートシンク本体に鋳込まれた、所望の流路形
状のヒートシンクが得られる。以下は、パイプの端部に
継手となるニップルを接合してヒートシンクを完成す
る。

【００４３】以上のように、本実施の形態によれば、ゲ
ート流路形状を、溶融したアルミニウムの主流が直接パ
イプにぶつからないような形状にしたため、パイプが変
形することがなくなる。これによってヒートシンクの歩
留まりが向上する。

【００４４】なお、本実施の形態では実施の形態５にお
いて示した製造方法に対して、さらにダイキャスト金型
のゲート流路形状を、溶融したアルミニウムの主流が直
接パイプにぶつからないようにしたが、実施の形態１〜
４、６において示した製造方法に対しても、同様のゲー
ト流路形状としてヒートシンクを製造してもよい。

【００４５】実施の形態８．次に本発明の実施の形態８
を説明する。図１１は本発明の実施の形態８によるヒー
トシンクの製造方法を説明する図であり、図において、
８８はダイキャスト固定金型、８９はダイキャスト可動
金型、９０、９１は傾き防止用の突起である。本実施の
形態におけるダイキャスト金型は、実施の形態７におい
て示したものと同様に、ゲート流路形状を、パイプに直
接アルミ溶湯の主流がぶつからない形状とし、さらにダ
イキャスト固定金型内にパイプの傾き防止用の突起が設
けられ、同様な形状の可動金型にも、傾き防止用の突起
が設けられており、このような金型を用いて、同様な方
法でヒートシンクを製造する。実施の形態７において
は、ゲート流路形状を、パイプに直接アルミ溶湯の主流
がぶつからない形状としているため、パイプが変形する
ことはないが、アルミ溶湯が斜めからパイプに沿って流
れるため、パイプが傾くおそれがあった。本実施の形態
では、図１１に示すように、ダイキャスト金型内に傾き
防止用の突起９０、９１を設けたので、パイプ２８が傾
くことなく、変形も防止できる。また、これにより、完
成したヒートシンクには、中心部に突起９０、９１に対
応した凹穴があくが、本実施の形態ではこれを、ヒート
シンクで挟み込む抵抗器（図示せず）の位置決め用の穴
として使用している。

【００４６】以上のように、本実施の形態によれば、固
定金型８８、および可動金型８９内に、傾き防止用の突
起９０、９１を設けたため、パイプ２８が傾くことはな
くなる。これによって上下面均等な熱特性のヒートシン
クが得られ、ヒートシンクの歩留まりが向上し、損失コ
ストを低減できる。また、ヒートシンクで挟み込む抵抗
器（図示せず）の位置決め用の穴加工が不要になり、加
工コストを削減できる。

【００４７】なお、本実施の形態では実施の形態７にお
いて示したダイキャスト金型に対して、さらにダイキャ
スト金型内に傾き防止用の突起を設けたが、実施の形態
１〜６において用いるダイキャスト金型に対して、ダイ
キャスト金型内に本実施の形態と同様の傾き防止用の突
起を設けてもよい。

【００４８】実施の形態９．次に本発明の実施の形態９
を説明する。図１２は本発明の実施の形態９によるヒー
トシンクの製造方法を説明する図であり、図において、
９２はパイプ固定用スペーサであり、例えばアルミニウ
ム材（本実施の形態ではＡ１１００）からなる。本実施
の形態におけるダイキャスト金型は、実施の形態８にお
いて示したものと同様に、ダイキャスト金型内にパイプ
の傾き防止用の突起９０、９１が設けられ、さらに図１
２に示すように、ダイキャスト固定金型８８内にパイプ
固定用スペーサ９２が、固定金型内の突起９０に固定し
て設けられている。ここでは図示していないが、可動金
型８９にも、同様なスペーサが設けられており、このよ
うな金型を用い、スペーサ９２ごと鋳込んで、ヒートシ
ンク本体とパイプとを一体成形する。実施の形態８にお
いては、金型内に突起９０、９１を設けても、ヒートシ
ンクの大きさによっては、パイプ２８を支えるのに十分
でなく、傾く可能性があった。本実施の形態では、図１
２に示すように、ダイキャスト固定金型８８内に設けら
れた突起９０に、パイプ固定用スペーサ９２を固定する
ようにしたので、大きなヒートシンクであっても、パイ
プ２８が傾くことなく、変形も防止できる。

【００４９】以上のように、本実施の形態によれば、固
定金型８８、および可動金型８９内に、傾き防止用のス
ペーサ９２を設け、スペーサ９２ごと鋳込むため、パイ
プ２８が傾くことはなくなる。これによって上下面均等
な熱特性のヒートシンクが得られ、ヒートシンクの歩留
まりが向上し、損失コストを低減できる。

【００５０】なお、本実施の形態では実施の形態８にお
いて示したダイキャスト金型に対して、さらにダイキャ
スト金型内にパイプ固定用スペーサを設けたが、実施の
形態１〜７において用いるダイキャスト金型に対して、
ダイキャスト金型内に本実施の形態と同様のパイプ固定
用スペーサを設けてもよい。

【００５１】実施の形態１０．次に本発明の実施の形態
１０を説明する。図１３は本発明の実施の形態１０に係
わるヒートシンクを示す図である。図において、２６は
アルミダイキャストで成形されたヒートシンク本体、２
８はステンレス鋼、例えばオーステナイト系ステンレス
鋼であるＳＵＳ３０４からなり、曲げ加工が施されたパ
イプ、３１はオーステナイト系ステンレス鋼、例えば本
実施の形態ではＳＵＳ３０３からなるニップルである。
本実施の形態では、流路形状に対応するように曲げたパ
イプ材をダイキャスト金型内に中子として入れ、溶融し
たアルミニウム（本実施の形態ではＡＤＣ１２）を高速
・高圧で流し込み、パイプ２８がアルミニウムのヒート
シンク本体２６に鋳込まれたヒートシンク形状に成形し
た後、ニップル３１を前記ヒートシンク本体２６から飛
び出たパイプ部にＴＩＧ溶接により接合している。

【００５２】本実施の形態では、パイプ２８材にステン
レス鋼を用いることを特徴としており、従って本実施の
形態のパイプは熱伝導が悪いため、ニップル３１をＴＩ
Ｇ溶接する時に、パイプ２８からヒートシンク本体２６
への伝熱量が削減でき、アルミニウムのヒートシンク本
体２６が溶融したり、変形することが防げる。また、本
実施の形態のパイプは剛性の高いステンレス鋼であるた
め、高速・高圧でアルミ溶湯が金型内に流入してもパイ
プの変形が起こり難い。また、継手となるニップル３１
材と流路となるパイプ材２８が同系素材のため、電食電
位差がなく、電食が起こりにくいため、耐腐食性のある
ものとなる。また、パイプ２８素材、ニップル３１素材
も耐食的に強い材料なため、使用中の冷却水による腐食
が防止でき、水漏れが回避できる。

【００５３】実施の形態１１．次に本発明の実施の形態
１１を説明する。図１４は本発明の実施の形態１１によ
るヒートシンクを示す図である。図において、２６はア
ルミダイキャストで成形されたヒートシンク本体、２９
はアルミニウム材、例えばＡ１１００からなる材料から
なり、曲げ加工が施されたパイプ、３２は鉄系材料材、
例えば本実施の形態ではＳＫＤ１１やＳＵＳ３０４から
なる材料でできたニップルである。このニップル３２
は、ろう付時に位置決めがしやすいように、ニップル３
２の外周３２ａにろう材がはまりこむような形状をして
いる。４０は線状アルミろう材である。本実施の形態で
は、流路形状に対応するように曲げたパイプ材をダイキ
ャスト金型内に中子として入れ、溶融したアルミニウム
（本実施の形態ではＡＤＣ１２）を高速・高圧で流し込
み、パイプ２９がヒートシンク本体２６に鋳込まれたヒ
ートシンク形状に成形した後、ニップル３２を前記ヒー
トシンク本体２６から飛び出たパイプ部に挿入後、線状
アルミろう材４０をニップル３２の外周に巻き、フッ化
物系フラックスを用いてろう付して接合している。ろう
付の際、ヒートシンク本体２６を溶融させたり、変形さ
せないように気をつけて、加熱・接合を行う。

【００５４】本実施の形態では、パイプ２９材にアルミ
ニウムを用いることを特徴としており、従って本実施の
形態のパイプは熱伝導率が良いため、シートシンクとし
ての性能がよい。但し、パイプの変形が起こらない程度
の肉厚が必要となる。また、パイプ２９材としてアルミ
ニウム材を用いることにより、ニップル３２を外せば、
ヒートシンク本体２６とパイプ材２９は同素材となり、
リサイクルが容易になる。また、パイプ２９とヒートシ
ンク本体２６との間には、電食電位差がなくなり、隙間
腐食などにより、パイプ外周面にクラックが走ることを
防止できる。

【００５５】なお、上記実施の形態において、図１５に
示すように、アルミニウム材（Ａ１１００）でできてい
るパイプ２９と鉄系材料材でできたニップル３２との重
なり部分に線状アルミろう材４０を巻き、フッ化物系フ
ラックスを用いてろう付して接合した後、ダイキャスト
成形により、アルミニウム材のヒートシンク本体２６を
成形してもよい。ダイキャスト成形するとき、アルミろ
う付部が再溶融しないように、ニップル３２をダイキャ
スト金型に触れさせておき、ろう付部の温度が溶融温度
以上に上がらないように管理する。

【００５６】実施の形態１２．次に本発明の実施の形態
１２を説明する。図１６は本発明の実施の形態１２に係
わるパイプを示す図である。本実施の形態では流路形状
に対応するように曲げたパイプ２７の外周部に、アルミ
ニウムと親和性のよい金属皮膜４１をメッキプロセス等
により、例えば１０μｍの厚さに被せ、このメッキを施
したパイプ２７をダイキャスト金型内に中子として入
れ、金型内に溶融したアルミニウム（本実施の形態では
ＡＤＣ１２）を高速・高圧で流し込むことにより、パイ
プ２７がヒートシンク本体に鋳込まれたヒートシンク形
状に成形する。その後、前記ヒートシンク本体から飛び
出たパイプ部にニップルを挿入後、実施の形態１０と同
様、ＴＩＧ溶接を行い、接合する。また、この際、実施
の形態１１のようにアルミろう付により、ニップルを接
合してもよい。

【００５７】このように、本実施の形態では、パイプ２
７材の外周に、アルミニウムと親和性のよい金属皮膜４
１をメッキプロセス等により被せているので、溶融した
熱いアルミニウムが高速・高圧で金型内に流れ込んだ
時、流れ込んだアルミニウムとメッキ層の間に金属間化
合物などの反応層や拡散層が瞬時に形成され、密着強度
が高くなり、パイプとヒートシンク本体間の接触熱抵抗
が小さくなり、ヒートシンクの熱交換能力が向上する。

【００５８】図１７（ａ）はＳＵＳ３０４よりなるパイ
プの外周にメッキを施さずに、アルミニウム（ＡＤＣ１
２）を鋳込んだワークを切断してその断面（ＳＵＳ３０
４パイプとアルミＡＤＣ１２との界面）をＳＥＭで観察
した写真である。図１７（ａ）に示すように、界面のあ
ちこちで割れ（クラック）が発生しており、熱的接触が
よくないことがわかる。図１７（ｂ）はＳＵＳ３０４よ
りなるパイプの外周部にスズ（Ｓｎ）メッキを施したも
のをアルミニウム（ＡＤＣ１２）で鋳込んで製造したヒ
ートシンクを、切断してその断面（ＳＵＳ３０４パイプ
とアルミＡＤＣ１２との界面）をＳＥＭで観察した写真
である。図１７（ｂ）に示すように、アルミＡＤＣ１２
とＳｎメッキを施したＳＵＳ３０４パイプとの間に反応
層ができている様子が分かる。また、図示はしないが、
亜鉛（Ｚｎ）メッキでも同様な効果が得られている。こ
の場合は、アルミニウムより融点が低く、比較的酸化し
にくい亜鉛メッキ膜がパイプの外周部にある場合、高温
のアルミ溶湯との接触により短時間に一部が溶融して反
応層ができ、これにより熱的接触が向上するものと考え
られる。

【００５９】このように、パイプ材の外周に、ヒートシ
ンク本体の材料であるアルミニウムと親和性のよい、ス
ズメッキあるいは亜鉛メッキを被せているので、溶融し
た熱いアルミニウムが高速・高圧で流れ込んだ時、メッ
キ層の一部が溶解し、金属間化合物などの反応層が瞬時
に形成され、密着強度が高くなり、パイプとヒートシン
ク本体間の接触熱抵抗が小さくなって、結果的に、ヒー
トシンクの熱交換能力が向上する効果がある。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、この発明の第１の構成に
よれば、冷却水が流れる流路を構成するパイプ、このパ
イプの周りに上記パイプと一体成形されたヒートシンク
本体、および上記パイプの端部に継手として接合された
ニップルによりヒートシンクを構成したので、流路が完
全に独立しているため、継手部分の漏れだけを検査すれ
ばよい。また、パイプとヒートシンク本体とが一体加工
されているため、組立が不要になり、従来のろう付タイ
プに比べて著しく加工時間を短縮できる。

【００６１】また、この発明の第１の方法によれば、冷
却水が内部を循環するヒートシンクの製造方法におい
て、上記冷却水が流れる流路をパイプで構成し、上記パ
イプの端部に継手となるニップルを接合した後に、上記
パイプと上記ニップルを中子にして、上記パイプの周り
にダイキャスト成形によりヒートシンク本体を一体成形
するので、ダイキャスト成形前に漏れが発生したパイプ
とニップルを除けば、ダイキャスト成形後にできてくる
ヒートシンクの歩留まりが向上し、１００％に近くな
る。また、漏れが起こったときも無駄にする材料も少な
くて済むので、損失コストを低減できる。

【００６２】また、この発明の第２の方法によれば、冷
却水が内部を循環するヒートシンクの製造方法におい
て、上記冷却水が流れる流路をパイプで構成し、上記パ
イプを中子にし、ダイキャスト成形時に加熱されたパイ
プ材の熱膨張を吸収する熱吸収手段を備えたホルダーに
上記パイプを固定して、上記パイプの周りにダイキャス
ト成形によりヒートシンク本体を一体成形するので、パ
イプが座屈により変形することが防げるため、所望の流
路形状のヒートシンクが得られる。

【００６３】また、この発明の第３の方法によれば、第
２の方法において、上記熱吸収手段がバネ機構であるの
で、容易にパイプ材の熱膨張を吸収することができ、座
屈による変形を防止できる。

【００６４】また、この発明の第４の方法によれば、冷
却水が内部を循環するヒートシンクの製造方法におい
て、上記冷却水が流れる流路をパイプで構成し、上記パ
イプを中子にし、ダイキャスト金型内へ溶融したヒート
シンク本体材料を流入する際に、上記ヒートシンク本体
材料の主流が上記パイプにぶつからないようにして、上
記パイプの周りにダイキャスト成形によりヒートシンク
本体を一体成形するので、上記材料が直接パイプにぶつ
かりパイプの変形を起こすことが防げるため、所望の流
路形状のヒートシンクが得られる。

【００６５】また、この発明の第５の方法によれば、第
１ないし第４のいずれかの方法において、ダイキャスト
成形時にパイプの傾きを固定するので、パイプの傾きが
防止できるため、所望の流路形状のヒートシンクが得ら
れる。

【００６６】また、この発明の第６の方法によれば、第
１ないし第４のいずれかの方法において、ダイキャスト
金型にパイプの傾きを抑えるスペーサを設け、上記スペ
ーサごと鋳込んでヒートシンク本体を一体成形したの
で、パイプの傾きを防止できるため、所望の流路形状の
ヒートシンクが得られる。

【００６７】また、この発明の第７の方法によれば、第
１ないし第６のいずれかの方法において、パイプをステ
ンレス鋼またはアルミニウムで構成したので、パイプが
ステンレス鋼の場合は、パイプの変形が起こり難く、か
つニップル溶接時のヒートシンク本体の溶融、変形が防
止できる効果がある。また、パイプをアルミニウムで構
成した場合は、熱伝導性がよく、高性能のシートシンク
が得られる。また、ニップルを外せば、ヒートシンク本
体とパイプ材は同素材となり、リサイクルが容易になる
効果がある。

【００６８】また、この発明の第８の方法によれば、第
１ないし第７のいずれかの方法において、パイプの外周
面に、ダイキャスト成形時にヒートシンク本体材料と反
応するメッキを行ったので、パイプとヒートシンク本体
との間の接触熱抵抗が小さくなり、ヒートシンクの熱交
換能力が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるヒートシンク
を示す斜視図である。

【図２】 この発明の実施の形態１によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態１によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係わるダイキャス
ト成形により、パイプを鋳込んだヒートシンク本体を示
す斜視図である。

【図５】 この発明の実施の形態２によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態３によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態４によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図８】 この発明の実施の形態５によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図９】 この発明の実施の形態６によるヒートシンク
の製造方法を示す図である。

【図１０】 この発明の実施の形態７によるヒートシン
クの製造方法を示す図である。

【図１１】 この発明の実施の形態８によるヒートシン
クの製造方法を示す図である。

【図１２】 この発明の実施の形態９によるヒートシン
クの製造方法を示す図である。

【図１３】 この発明の実施の形態１０によるヒートシ
ンクの製造方法を示す図である。

【図１４】 この発明の実施の形態１１によるヒートシ
ンクの製造方法を示す図である。

【図１５】 この発明の実施の形態１１による他のヒー
トシンクの製造方法を示す図である。

【図１６】 この発明の実施の形態１２に係わるパイプ
を示す図である。

【図１７】 ステンレス鋼よりなるパイプの外周面にス
ズメッキを施した場合とスズメッキを施さない場合にお
ける、パイプとアルミヒートシンク本体との界面を顕微
鏡で観察した写真である。

【図１８】 大型回転機の回転数制御に用いられるゲー
トターンオフサイリスタの主回路部（サイリスタ）と水
冷抵抗器の構成、及び冷却水循環系統を模式的に示す構
成図である。

【図１９】 従来のヒートシンクの構造を分解して示す
図である。

【図２０】 従来のヒートシンクの構造と製造方法を示
す図である。

【符号の説明】

１ 半導体素子、２ 陽極、３ 陰極、４ 絶縁碍子、
５ 主回路用ヒートシンク、６ ボルト、７ ナット、
８ 主回路締付用上板、９ 主回路締付用下板、１０
チューブ、１１ 抵抗用ヒートシンク、１２ 抵抗体、
１３ 抵抗締付用上板、１４ 抵抗締付用下板、１５
上板、１６ 下板、１７ 冷媒流路、１８ 流路板、１
９ 冷媒出入口、２０ 配管継手、２１ 配管側嵌合
部、２２配管嵌合部、２３ ねじ、２４ 継手用ナッ
ト、２５ 配管、２６ ヒートシンク本体、２７，２
８，２９ パイプ、３０，３１，３２ ニップル、３２
ａ ニップルの外周、４０ アルミろう材、４１ メッ
キ層、５０ ホルダー、５１樹脂製ホルダー、６０ ス
プリングワッシャー、６１ 弦巻バネ、７０ 仕切り
板、８０，８６ ダイキャスト金型、８１，８３，８
４，８８ 固定金型、８２，８５，８９ 可動金型、８
７ ゲート、９０，９１ 突起、９２ スペーサ、１０
０ ヒートシンク本体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 泰典 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 加柴 良裕 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 森安 雅治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA10 BB01 BB41 BB43 BD01 BD03 BE06

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却水が流れる流路を構成するパイプ、
   このパイプの周りに上記パイプと一体成形されたヒート
   シンク本体、および上記パイプの端部に継手として接合
   されたニップルを備えたヒートシンク。
2. 【請求項２】 冷却水が内部を循環するヒートシンクの
   製造方法において、上記冷却水が流れる流路をパイプで
   構成し、上記パイプの端部に継手となるニップルを接合
   した後に、上記パイプと上記ニップルを中子にして、上
   記パイプの周りにダイキャスト成形によりヒートシンク
   本体を一体成形することを特徴とするヒートシンクの製
   造方法。
3. 【請求項３】 冷却水が内部を循環するヒートシンクの
   製造方法において、上記冷却水が流れる流路をパイプで
   構成し、上記パイプを中子にし、ダイキャスト成形時に
   加熱されたパイプ材の熱膨張を吸収する熱吸収手段を備
   えたホルダーに上記パイプを固定して、上記パイプの周
   りにダイキャスト成形によりヒートシンク本体を一体成
   形することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
4. 【請求項４】 熱吸収手段は、バネ機構であることを特
   徴とする請求項３記載のヒートシンクの製造方法。
5. 【請求項５】 冷却水が内部を循環するヒートシンクの
   製造方法において、上記冷却水が流れる流路をパイプで
   構成し、上記パイプを中子にし、ダイキャスト金型内へ
   溶融したヒートシンク本体材料を流入する際に、上記ヒ
   ートシンク本体材料の主流が上記パイプとぶつからない
   ようにして、上記パイプの周りにダイキャスト成形によ
   りヒートシンク本体を一体成形することを特徴とするヒ
   ートシンクの製造方法。
6. 【請求項６】 ダイキャスト成形時にパイプの傾きを固
   定することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに
   記載のヒートシンクの製造方法。
7. 【請求項７】 ダイキャスト金型にパイプの傾きを抑え
   るスペーサを設け、上記スペーサごと鋳込んでヒートシ
   ンク本体を一体成形したことを特徴とする請求項２ない
   し５のいずれかに記載のヒートシンクの製造方法。
8. 【請求項８】 パイプはステンレス鋼またはアルミニウ
   ムで構成されていることを特徴とする請求項２ないし７
   のいずれかに記載のヒートシンクの製造方法。
9. 【請求項９】 パイプの外周面に、ダイキャスト成形時
   にヒートシンク本体材料と反応するメッキを行ったこと
   を特徴とする請求項２ないし８のいずれかに記載のヒー
   トシンクの製造方法。