JP2001514976A - 冷却要素の製造方法および冷却要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電力用の電子部品および他の電気器具のための冷却要素の製造方法であって、中央部分(10)および溶融金属を固化させることができる鋳型部分を具える閉鎖した鋳型へ溶融金属を注型し、この溶融金属を固化しうるようにした後、完成した鋳造品を鋳型より取り外す。インサートパッケージ(2)は、少なくとも鋳造材料と一致する材料より作られた層板(5)を、この複数の層板(5)を、それらの間に空気用の溝を残すように相互に隣接して配置し、これら層板を押し嵌めすることにより組み立てる。このインサートパッケージ(2)は、中央部分(10)の溝(11)に嵌り込むように加工され、またパッケージ(2)の少なくとも一つの加工された表面が、中央部分(10)とパッケージ(2)との間の密封された結合を形成する。またインサートパッケージ(2)は鋳型を閉鎖する前に中央部分の溝(11)内に配置され、それによって、一旦鋳型が充填されると、鋳造品に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１前文に係る、電力用の電子部品および他の電気器具のため
の冷却要素の製造方法に関するものである。

【０００２】 本発明はまた、本発明により製造される冷却要素に関するものでもある。

【０００３】 電気器具用の冷却要素は、通常、長い、押し出し成型されたアルミニウム製の
薄板を、適切な長さに切断することにより製造される。押し出し成型によって、
多くの種類の形状のものを容易に製造することができ、それ故、異なる使用意図
に対する適切な形状のものを製造することが簡単であり、これによって、非常に
多数の異なる種類の冷却要素を製造することができる。しかしながら、こうした
押し出し成型によって作られる要素は、特に電力用電子部品の冷却に関しては、
多数の欠点を有している。近年の電子部品においては、高い電力を相対的に小さ
い機器で取り扱うことが可能である。こうした高い電力を半導体部品に通電した
とき、通常、電力損失が発生して部品を加熱する。この加熱は小さな領域におい
て発生し、この熱を除去するために、通常は空気による冷却が用いられている。
空冷式の冷却部品の熱伝達能力は、特に冷却すべき表面の面積および、熱源から
表面までの距離、すなわち伝導距離に依存する。要素の大きさが、同様に構造的
な理由によって常に限定されるので、所定の大きさを有する冷却器の冷却能力は
、冷却する面積をどれだけの大きさで所定の体積に収納できるか、に依存する。
冷却能力は、本質的に、強制的な空気の流れによって増加させることができるが
、その結果、冷却要素を、他の要素への冷却空気の流れを妨げないように設計し
なければならない。

【０００４】 冷却要素はまた、鋳造によって製造される。例えばダイカスト法が効果的かつ
この冷却要素を適切なコストでの大量生産に適用することが可能であり、それ故
、この方法は、大量に必要とする同様な要素を連続的に製造するのに有利な方法
である。鋳造は、押し出し成型による場合と比べて、より自由な成型が可能であ
る。しかし、冷却要素のフィンを、鋳型により形成し、鋳型内にコアを配置しな
ければならないため、フィンの最大密度並びにフィンの厚さが限定される。鋳造
する全ての部品は、鋳型を満たすことができるように、また鋳造時の変形の発生
を防ぐ一方で、鋳造品を破壊に対して頑丈なものとするために、所定の断面積を
有していなければならない。鋳造用具は多数回の鋳造作業および加熱した鋳造合
金に耐えなければならず、それ故鋳型にはいかなる非常に薄い表面もあってはな
らず、こうした表面は、鋳型に作用するひずみによる急激な摩耗を被ることとな
る。したがって、高いフィン密度を有する冷却要素の製造には、従来の鋳造方法
は適用できない。

【０００５】 冷却要素は、良好な熱伝達特性を有する材料から作られなければならない。し
たがって、銅は、冷却要素として良好な材料を構成するが、高価でかつ重量があ
り、それ故、冷却要素には、通常、アルミニウム系の軽合金から作られている。
決まりとして、軽合金は良好な鋳造し易さを有し、また加圧式のダイカスト法に
特に適している。

【０００６】 本発明の目的は、加圧式のダイカスト鋳造技術を用いる、高いフィン密度を有
する冷却要素の製造方法を提案することにある。

【０００７】 本発明は、層状のシートを組み立てたインサートを鋳造用鋳型の中心部に配置
し、加圧成型により冷却要素の本体を層状のパッケージに固定することに基づき
、それによって本体および冷却フィンの列を具える一体型の要素を形成するもの
である。

【０００８】 より詳細には、本発明による方法は、請求項１の特徴部分で述べた事項を特徴
とするものである。

【０００９】 本発明は顕著な利点を提示する。

【００１０】 本発明による方法は、従来の加圧式の成型により製造されたものよりも、非常
に高密度の冷却フィンの列の製造を可能とするものである。このことは最も重要
である。なぜならば、電力用の電子部品で処理される電力の、部品の大きさに対
する割合は一定で増加し、それ故コンパクトな空間に大きな冷却能力を合わせな
ければならない。本要素の本体は、層板のパッケージと緊密に接着し、したがっ
て、熱伝達を妨げる空気の通路は、本体と層板パッケージとの間には形成されな
い。有利な条件の下で、層板パッケージの表面を鋳造金属によって溶解すること
ができ、それによって完全に継ぎ目の無い製品が形成される。インサートおよび
鋳造材料は、鋳造する材料の異なる熱膨張によるひずみの発生を避けるため、同
じ材料または少なくとも本質的に同じ形式の金属である。本製造方法は容易に自
動化することができる。

【００１１】 以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

【００１２】 図１および図２に示す冷却要素は、本体部分１と、鋳造によりこれと一体的に
接続したインサートパッケージ２からなり、パッケージ２は本要素の冷却フィン
を形成する。冷却要素は箱型をなし、本体１は、その箱の壁を形成する境界３に
よって周囲を取り囲まれている。インサートパッケージ２は箱の中央に位置し、
パッケージ２の上面は境界３の縁とほぼ等しい高さを有する。境界部分３には、
冷却用空気の循環のための開口部４が設けられている。本発明は、冷却要素の外
形には関心を払わないため、ここで例示したような、可能性のある一つの構成の
みを提示する。本発明を種々の形状の冷却要素に適用できることは明白である。

【００１３】 本発明は、予め作製したインサートパッケージ２を、鋳造によって、これと同
じまたは本質的に同じ材料からなる本体１と接続することに基づくものである。
インサートパッケージ２は、アルミニウムの押し出し成型により作製された層板
５と共に、圧接によって単一のブロックを形成するように、プレス加工により作
製される。図３は、１枚の層板シートの構造を示すものである。この層板シート
５は、その両縁部に歯６，７，８を有し、これらの歯は、対向する側の層板で互
いに噛み合うように設計され、互いに隣接するような層板の配置を許容し、それ
によって隣接する層板５の歯は、隣の層板５の歯の間の隙間に嵌り込む。縁部に
設けられた最長の歯６はインサートパッケージ２の底部９を形成し、さらに、短
い歯７，８は、層板５の中央で、両側に設けられる。インサートパッケージ２は
、これら層板５より、相互に隣接して配置した所望の数の層板５を同時に押圧す
ることにより形成され、それゆえ、押し込みにより相互に固定される。相互に接
続がなされた後、層板のパッケージおよび、特に底部９は、鋳造鋳型の中央部分
10に嵌合するように少しずつ加工される。

【００１４】 中央部分10の断面を図４に示し、斜視図を図５に示す。鋳造において本質的な
事は、本要素が、中央部分10とインサートパッケージとの間の接続部を密閉しな
ければならず、それによって溶融した鋳造用金属がインサートパッケージ２のた
めの隙間および冷却用層板の間の隙間に流入できないようにすることである。こ
こで示す中央部分10の場合、密閉を三段階で行う。インサートパッケージの層板
部12を、わずかに先細となるように加工し、それによって層板部を三角形の溝に
強く押し込む。円錐角は、仕上げ後の物の取り外しを妨害しない程度に小さく、
かつ良好な密閉効果を許容するのに充分な小さい角度でなければならない。本例
では、円錐角αは1.0°である。インサートパッケージの底部９は、段状部を有 するように加工され、この段状部は層板部２よりも拡張した辺縁部を有する。中
央部分10は段状の窪みに対応し、この窪みはインサートパッケージ２の底部９が
厳密に嵌り込むことができるように加工されたものである。中央部分の窪みの最
外縁部は傾斜しており、それゆえ底部９の外縁が、ここでも強固な円錐状の接続
を形成する。円錐角βは小さくなければならない。なぜならば、インサートパッ
ケージの底部９と中央部分10との間には、溶融金属が侵入できるようなこうした
溝が形成されてはならないからである。さらに、溶融金属が流入する側で、底部
には傾斜した縁部14が設けられ、この縁部は鋳型の充填と溶融金属の流れを確実
なものとし、本例では溶融金属の流れは矢印Ａで示される。

【００１５】 本冷却要素の鋳造は、インサートを鋳型内に配置し、これを中央部分２と気密
に接続することにより行われる。実際の中央部分は、ここでは示されていないが
、製造する製品の外形と一致した形状の空洞によって形成され、中央部分10の周
りに配置される。鋳造に先立ち、鋳型を200℃の温度に加熱して閉鎖し、その後 鋳型を、インサートの材料と同じ溶融材料で満たす。鋳造用の溶融材料の温度は
約630℃であり、鋳込み速度は25m/sである。

【００１６】 インサートの底部９は、むしろ厚く、かつ大型で重い方が有利である。なぜな
らば、溶融鋳造用材料の熱的効果に、完全に溶融すること無しに耐えることが可
能でなければならないからである。上述した冷却要素の底部の厚さは21mmであり
、底部と閉じた鋳型の壁との間の隙間は、ほぼ3mmを維持する。この結果、底部 ９の質量と鋳造材料の質量との差は非常に大きくなるため、底部９が溶融してし
まう恐れは無い。溶融材料と鋳型９の温度はこうした高レベルへ上昇し、少なく
ともインサートの底部９の表面が溶融し、それによってインサートは、溶融材料
が固化すると鋳造品の一部となる。しかしながら、良好な接合は、インサートに
本質的に溶融が発生しない場合に達成される。

【００１７】 冷却要素、中心部分、インサートおよび鋳型の形状は、製造する部品によって
変化することは言うまでもない。鋳造用合金およびインサート材料は変化させて
も良いが、互いに最も有利に対応するものとする、すなわちこれらの融点および
混合比を、インサート表面を溶融させて鋳造品とインサートを接合可能とするよ
うに相互に近接させる。鋳型の予備加熱温度並びに溶融材料の鋳造温度は、鋳造
材料によって変化するが、アルミニウム合金の場合には、鋳型の温度は、好まし
くは、少なくとも200℃とし、また鋳造合金の温度は630℃とすべきである。これ
より高い温度はインサートの溶融を確実なものとするが、その一方、高い鋳造温
度に関連して鋳型の摩耗や他の問題が増加する。アルミニウム合金に加えて、例
えばマグネシウム合金を用いることが可能である。しかし、鋳造用合金およびイ
ンサートは、常に等しい初期組成を有していなければならない。

【００１８】 上述した３工程における密閉は、一つの密閉方法が充分強固に達成されていれ
ば、インサートと中心部との間では必ずしも必要ではない。密閉した表面の構造
は、製造する要素の構造にかなり広範に依存する。

【００１９】 本発明によれば、インサートは、鋳型での成型において反転させて配置するこ
とが可能である。シミュレーションによれば、より薄いインサート端部の温度は
、ここで、より厚いインサート端部の温度よりも約150℃上昇すると推定される 。インサート／鋳造品の相互作用のシミュレーションでは、何ら強い溶融を被る
ことは無かった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明による冷却要素の斜視図である。

【図２】 図２は、図１の冷却要素の上面図である。

【図３】 図３は、一枚の冷却フィンを示すものである。

【図４】 図４は、本冷却要素の製造に用いる鋳型の中央部分を示す断面図であ
り、図１のフィンを構成するインサートパッケージが、鋳型内に配置されている
。

【図５】 図５は、図４の中央部分の斜視図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年２月１４日（２０００．２．１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力用の電子部品および他の電気器具のための冷却要素の製造方
   法であって、中央部分(10)および溶融金属を固化させることができる鋳型部分を
   具える閉鎖した鋳型へ溶融金属を注型し、その後完成した鋳造品を前記鋳型より
   取り外す方法において、 少なくとも本質的に鋳造材料と一致する材料から製造する層板(5)からなるイ ンサートパッケージ(2)を、互いに隣接させた前記層板(5)を、これら層板の間に
   空気溝を残すように加圧して接続することにより製造する工程と、 前記インサートパッケージ(2)を加工して前記中央部分(10)の溝(11)に嵌り込 むようにし、前記インサートパッケージ(2)の少なくとも一つの加工面を前記中 央部分(10)と前記インサートパッケージとの間の緊密な結合を形成するようにす
   る工程と、 前記鋳型を閉鎖する前に前記中央部分の溝(11)内に前記インサートパッケージ
   (2)を位置決めし、それによって前記インサートパッケージを、前記鋳型を溶融 金属で満たし、鋳造品と接合させる工程と、 を具えることを特徴とする、冷却要素の製造方法。
2. 【請求項２】 前記鋳型を少なくとも200℃に加熱し、かつ、溶融材の鋳造温度 を少なくとも630℃とすることを特徴とする、請求項１記載の冷却要素の製造方 法。
3. 【請求項３】 前記インサートパッケージ(2)が溶融して消失するのを防ぐため に、前記インサートパッケージ(2)が溶融した鋳造材料と接触する部分を、前記 インサートパッケージが溶融材で囲まれる部分よりも大きくなるように設計する
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の冷却要素の製造方法。
4. 【請求項４】 前記インサートパッケージおよび鋳造用合金がアルミニウム合金
   であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の冷却要素の製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記層板(5)からなる前記インサートパッケージ(2)をアルミニウ
   ム薄板より製造し、前記層板がその両縁に歯(6,7,8)を有し、これらの歯を、対 向する層板(5)同士で噛み合わせ、それによって前記層板を相互に隣接するよう に配置すること、および、隣接する層板(5)の前記歯(6,7,8)を、その隣の層板(5
   )の歯(6,7,8)の間の溝に嵌り込むように設計することを特徴とする、請求項１〜
   ４のいずれか１項記載の冷却要素の製造方法。
6. 【請求項６】 本体部分(1)と、冷却用層板(5)からなる、前記本体部分に固定さ
   れるインサートパッケージ(2)とを具える冷却要素であって、 前記インサートパッケージ(2)が、前記本体部分(1)の材料と少なくとも本質的
   に一致する材料から作られる層板(5)からなり、前記インサートパッケージ(2)は
   、互いに隣接する複数の前記層板(5)を、これらの間に空気用の溝を残すように 押し嵌めすることによって組み立てられ、 前記本体部分(1)が、前記インサートパッケージの少なくとも一部を取り囲む ように、前記インサートパッケージの周りに鋳造されることを特徴とする、冷却
   要素。
7. 【請求項７】 前記インサートパッケージ(2)が、アルミニウムの薄板より作ら れる層板(5)からなり、前記層板(5)がその両縁に歯(6,7,8)を有し、これらの歯 を、対向する層板(5)同士で噛み合わせ、それによって前記層板を、相互に隣接 するように配置すること、および、隣接する層板(5)の前記歯(6,7,8)を、その隣
   の層板(5)の歯(6,7,8)の間の溝に嵌り込むように設計することを特徴とする、請
   求項６記載の冷却要素。
8. 【請求項８】 前記インサートパッケージ(2)および前記本体部分(1)がアルミニ
   ウム合金製であることを特徴とする、請求項６または７記載の冷却要素。