JP2011009266A - ヒートシンク、及びヒートシンクの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】加工精度の良し悪しにかかわらず、ヒートシンクのベースに設けた溝の側面とパイプが接触してパイプが傷つくことなく、パイプをベースに取り付けることができるヒートシンク、及びヒートシンクの製造方法を提供する。
【解決手段】ベース3の発熱部品を当接させるベース3の当接面3Aに、突起が両側面に形成された溝5Aを設ける。このとき、溝5Aを、その上部の開放面側から見た両側面間の開放長さWが、パイプ7Aの直径Dよりも長くなるように加工する。また、両側面との幅Yは、上記の開放長さWよりも大きくしておく。溝5Aにパイプ7Aを取り付け、押圧治具13でパイプ7Aを開放面側から押圧して、パイプ7Aの外周面の一部が両側面及び底面と当接し、他の一部が開放面に沿う形状に、パイプ7Aを変形させる。
【選択図】図3
【解決手段】ベース3の発熱部品を当接させるベース3の当接面3Aに、突起が両側面に形成された溝5Aを設ける。このとき、溝5Aを、その上部の開放面側から見た両側面間の開放長さWが、パイプ7Aの直径Dよりも長くなるように加工する。また、両側面との幅Yは、上記の開放長さWよりも大きくしておく。溝5Aにパイプ7Aを取り付け、押圧治具13でパイプ7Aを開放面側から押圧して、パイプ7Aの外周面の一部が両側面及び底面と当接し、他の一部が開放面に沿う形状に、パイプ7Aを変形させる。
【選択図】図3
Description
この発明は、発熱部品を冷却するヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関する。
半導体などの発熱部品を冷却するために、ラジエータ型のヒートシンクが用いられることがある。このようなヒートシンクとしては、例えば、ヒートシンクのベースに、開放端の間隔が底部の間隔よりも小さくなるようなテーパを有するチャンネル(溝)を形成し、このチャンネルにパイプを圧力嵌めして、ベース表面とほぼ同一の平坦面に変形して、この平坦面に発熱部品を接触させて、発熱部品を冷却する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に記載の発明では、溝の開放端の間隔がパイプの直径と等しくなるように構成するので、溝やパイプを精度良く加工する必要があった。また、溝にパイプを挿入する際に、パイプと溝の側面が接触するため、パイプが傷つくおそれがあった。特に、溝の加工精度が悪く、溝の開放端の間隔がパイプの直径よりも狭いと、溝にパイプを挿入する際にパイプと溝の側面が擦れてパイプに傷がつき、ヒートシンクを長期間使用していると経年劣化のために、その傷がひび割れて水が漏れるおそれがあった。
そこで、この発明は、加工精度の良し悪しにかかわらず、ヒートシンクのベースに設けた溝の側面とパイプが接触してパイプが傷つくことなく、パイプをベースに取り付けることができるヒートシンク、及びヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。
(1)この発明において、ヒートシンクは、内部に流体を流通させて当接する対象物を冷却するパイプと、このパイプを掛止する突起または凹部を両側面に備えた溝が設けられたベースを備えている。前記溝は、その溝の上部の開放面から見た両側面間の開放長さが前記パイプの径よりも長い。前記パイプは、前記溝に取り付けられて、前記溝の開放面側から押圧されることにより、前記パイプの上部が前記溝の開放面に沿う面に変形加工される。このとき、前記パイプの両側面が前記突起または凹部に掛止する。このような構成により、ベースなどの加工精度の良し悪しにかかわらず、ベースに設けた溝にパイプを傷つけることなく取り付けることができる。また、パイプを変形加工した際に、パイプの両側面が溝に設けた突起または凹部に掛止するので、接着剤などを用いなくてもパイプを溝内に固定できる。
(2)この発明では、さらに、パイプ掛止用の突起または凹部を、前記溝の開放面に接しない位置に設けている。このように構成することで、溝に取り付けたパイプを変形させた際に、突起または凹部にパイプが食い込む(入り込む)ので、パイプを溝内に確実に掛止できる。
(3)この発明では、さらに、パイプ内に流体を封入後に、パイプを変形加工する。パイプ内に流体を封入しておくことで、パイプの外周面を押圧すると、パイプの内面にその圧力が均等にかかるので、パイプの外周面が溝の両側面や底面の全体に当接するように変形させることができる。
(4)この発明では、パイプの変形加工後に、さらにパイプまたは当接面の少なくとも一方を切削加工する。これにより、パイプとベースにより一つの平面を形成させることができるので、発熱部品を確実に冷却できる。
(5)この発明では、溝の開放面に沿う形状のガイド治具を開放面の周囲に設置し、溝の開放面と同じ幅の押圧面を備える押圧治具を、ガイド治具に沿って移動させて、パイプに押圧面を当接させながら溝の上方から押圧して、パイプ変形させる。これにより、押圧治具でパイプを開放面側から押圧した際に、パイプの一部が開放面を超えてベースの当接面上にはみだすことを防止できる。また、パイプの全体を変形させて、パイプの上面を溝の開放面に沿う形状にすることができる。これにより、パイプとベースにより一つの平面を形成させることができるので、発熱部品を確実に冷却できる。
この発明によれば、加工精度の良し悪しにかかわらず、ヒートシンクのベースに設けた溝の側面とパイプが接触してパイプが傷つくことがない。また、パイプをベースに取り付けて、効率良く発熱部品を冷却することができる。
図1(A)に示すように、ヒートシンク1は、ベース3と、パイプ7Aと、パイプ7Bと、から成る。
ベース3は、アルミまたはアルミ合金製のブロック(板)であり、半導体(例えばIGBT)などの発熱部品9(対象物に相当)を当接させる当接面3A側に開放端(開放面)を有する溝5Aと溝5Bが設けられている。この溝5Aにはパイプ7Aが取り付けられ、溝5Bにはパイプ7Bが取り付けられる。また、当接面3Aに発熱部品9を当接させた際に、発熱部品の底面と当接するパイプ7Aとパイプ7Bによって発熱部品9を効率良く冷却できるように、溝5Aと溝5Bは、発熱部品の底面と当接する位置に設けられている。すなわち、当接面3Aの長手方向のセンターラインCを挟んで等間隔に、ベース3の側面3S1から対向する側面3S2までの間に設けられており、その長さは、ベース3における短手方向の辺の長さLと同じである。
また、当接面3Aは発熱部品9の底面よりも広く(図4(B)参照)、当接面3Aの各コーナー近傍には発熱部品9を取り付けるための4つのネジ孔4A,4B,4C,4Dが設けられている。
なお、当接面3Aは、溝5Aと溝5Bにより3つの面3A1,3A2,3A3に分割されているが、以下の説明では、これら3つの面を総称して当接面3Aと称する。
パイプ7Aとパイプ7Bは、銅製で断面が円形の直管である。パイプ7Aとパイプ7Bの内部には、製造時に流体を封入したり、使用時に発熱部品9を冷却するための流体を流通させたり、ヒートパイプとして使用したりすることが可能である。パイプ7Aとパイプ7Bの全長は、溝5Aと溝5Bの長さLよりも長くなっている。パイプ7Aとパイプ7Bの全長は、ヒートシンク1の用途や取り付ける場所に応じて長さを設定すると良い。
溝5Aと溝5Bは、同じ断面形状である。また、パイプ7Aとパイプ7Bは、同じ断面形状である。以下の説明では、説明簡略化のため、主に溝5Aとパイプ7Aについて説明するが、溝5B及びパイプ7Bに対しても同様の加工を行っている。図1(B)に示すように、溝5Aは、断面が矩形で、それぞれ平面状の側面51A、側面51B、及び底面51Cにより構成されている。側面51Aと底面51Cとのコーナー部51Dと、側面51Bと底面51Cとのコーナー部51Eは、は曲面状に加工されている。溝5Aの当接面3A側の開放端において、当接面3Aと平行な部分を開放面51Fと称する(図1(B)には、開放面51Fを二点鎖線で表示している。)。
また、側面51Aと側面51Bの上端部(開放面51Fと接する部分)には、断面がΛ(ラムダ)型の突起53Aと突起53Bが形成されている。突起53Aと突起53Bは、溝5Aに取り付けられて変形されたパイプを掛止するためのものである。突起53Aと突起53Bは側面の長手方向全体にわたって設けられ、その長さ(奥行き)はLである。
なお、突起の先端や付け根の部分は弧状に加工していることが望ましい。これにより、金型の破損が防止でき、またパイプを変形させる際に、パイプの外周面が傷つくのを防止できる。
溝5Aを、その上部の開放面51F側(図1(B)に示す矢印Y1の方向)から見た両側面間(側面51A側の突起53Aと側面51B側の突起53Bの間)の開放長さWは、パイプ7Aの直径Dよりも長くなっている。また、対向する側面51Aと側面51Bとの幅Yは、上記の開放長さWよりも大きくなっている。さらに、溝5Aの深さ(開放面51Fと底面51Cとの距離)Fは、パイプ7Aの直径Dよりも短くなっている。
ベース3の溝5Aとパイプ7Aは、上記のような寸法に設定されているので、溝の加工精度が悪く寸法が多少ばらついたとしても、パイプ7Aを溝5Aに取り付ける際に、パイプ7Aが溝5Aの側面や突起と擦れることはない。
パイプ7Aの周長は、開放面51Fを含む溝5Aの周長とほぼ同じ長さである。なお、溝5Aの両側面51A,51B及び底面51C(溝5Aの内面とも称する。)と、パイプ7Aの外周面と、が全体的に当接するように変形加工を行うが、パイプ7Aの材質や溝5Aの形状によっては、パイプ7Aの一部が溝5Aの内面に当接しない場合があり得る。そのため、変形加工後のパイプ7Aが、その上面が開放面51Fに沿う形状の面になり、その側面や底面が溝の内面とできる限り当接するように、パイプ7Aを変形加工する実験を行って、パイプ7Aの周長や開放面51Fを含む溝5Aの周長、また溝5Aの断面形状を決定すると良い。
次に、ヒートシンクの製造(組み立て)方法を説明する。製造方法についても、主にパイプ7Aと溝5Aについて説明するが、パイプ7Bと溝5Bについても同様の加工を行うものとする。
まず、図2に示すように、ベース3に取り付けるパイプ7Aの内部に流体を封入する(S1)。具体的には、図1(A)に示したパイプ7Aの一方の開口部7A1に、流体が漏れ出さないように封入できる栓(不図示)を取り付ける。パイプ内に封入する流体としては、例えば水や油などの液体、粒子の細かい粉体、または高圧の空気などの気体が好適である。液体を封入する場合には、流体をパイプ内に流し込み、一杯になったらパイプの他方の開口部7A2に栓を取り付けて流体をパイプ内に封入する。また、高圧の気体を封入する場合には、パイプ7Aの開口部7A1,7A2に栓(不図示)を取り付け、専用治具(不図示)でパイプ内に気体を封入すると良い。
このように、パイプ内に流体を封入しておくことで、パイプの外周面を押圧すると、パイプの内面にその圧力が均等にかかるので、パイプの外周面が溝の両側面や底面の全体に当接するように変形させることができる。
なお、パイプ7Aの材質や、溝5Aの断面形状によっては、パイプ内に流体を封入しなくても、パイプの外周面が溝の両側面や底面の全体に当接するように変形させることができる場合がある。この場合には、ステップS1の流体を封入する処理や、後述するステップS7の流体を取り出す処理は不要である。
続いて、図3(A)、図3(B)に示すように、パイプ7Aをベース3の溝5Aに嵌め込む(取り付ける)(S2)。このとき、溝5Aの幅Wはパイプ7Aの直径Dよりも大きいので、溝5Aとパイプ7Aが接触して、パイプ7Aの外周面に傷が付くことがない。
次に、溝5Aの開放面51Fの周囲に、ガイド治具11Aとガイド治具11Bを設置する(S3)。このガイド治具は、図3(C)に示すように、押圧治具13をガイドするための治具であり、直方体形状の鋼材により作成され、その長さは、溝5Aと溝5Bの長さLよりも長いかまたは等しい。また、押圧治具13は、パイプ7Aを押圧するための治具であり、直方体形状の鋼材により作成され、その長さは、溝5Aと溝5Bの長さLよりも長いかまたは等しい。ガイド治具11Aとガイド治具11Bを開放面51Fの周囲に沿って設置することで、押圧治具13でパイプ7Aを開放面51F側から押圧した際に、パイプ7Aの一部が開放面51Fを超えてベース3の当接面3A上にはみだすことを防止できる。
図3(C)に示すように、押圧治具13をガイド治具11Aとガイド治具11Bとの間に設置する(S4)。続いて、図3(D)に示すように、押圧治具13をガイド治具11Aとガイド治具11Bに沿ってスライドさせて、溝の上方からパイプ7Aを押圧する。そして、パイプ7Aの上部が開放面51Fに沿う面となり、他の部分が溝5Aの両側面51A,51Bや底面51Cに当接し、突起53A,53Bによりパイプの上部が掛止されるように、パイプ7Aを変形させる(S5)。
なお、押圧治具13は、図3に示したように形状に限るものではなく、例えば、ガイド治具11Aとガイド治具11Bに沿って移動可能な、ローラ状の押圧面を有するものであっても良い。ベース3に複数個の発熱部品9を取り付けられるように、ベース3の長さLをさらに長い形状にした場合には、直方体形状の鋼材により作成された押圧治具13では、パイプ7Aを一度に変形させるのが困難になる。このような場合に、ローラ状の押圧治具をガイド治具11A,11Bに沿って移動させながらパイプ7Aを押圧することで、パイプ7Aの全体を変形させて、パイプ7Aの平面7A3を溝5Aの開放面51Fに沿う形状にすることができる。
パイプ7Aの変形が完了したら、ガイド治具11A、ガイド治具11B、及び押圧治具13を撤去する(S6)。そして、パイプ7Aの両端に取り付けた栓を外して、パイプ7A内の流体を取り出す(S7)。ステップS5の変形加工により、パイプ7Aは突起53Aと突起53Bにより掛止されるので、パイプ7Aが溝5A内から外れることはない。
溝5Aとパイプ7Aの寸法の関係や、ステップS5における押圧力の加減によっては、図3(E)に示すように、変形加工後のパイプ7Aが開放面51Fよりも膨らんだ状態になることがある。また、図3(F)に示すように、変形加工後のパイプ7Aが開放面51Fよりも溝5Aの内側に入り込んだ状態になることがある。つまり、パイプ7Aの平面7A3と、パイプ7Bの平面7B3と、ベース3の当接面3Aと、が一つの平面を形成していない状態になることがある。このような場合には、パイプ7Aの平面7A3と、パイプ7Bの平面7B3と、ベース3の当接面3Aと、が一つの平面を形成するように、パイプ7A(パイプ7B)、またはベース3の当接面3Aの少なくとも一方を切削加工する(S8)。
図3(E)に示したように、パイプ7Aが開放面51Fよりも膨らんだ状態のときには、パイプ7Aを主に切削すると良い。また、図3(F)に示したように、パイプ7Aが開放面51Fよりも溝5Aの内側に入り込んだときには、ベース3の当接面3Aを主に切削すると良い。このように切削加工を施すことで、パイプ7Aの平面7A3と、パイプ7Bの平面7B3と、ベース3の当接面3Aと、によって一つの平面を形成させることができる。このように、ヒートシンクの上面を平面に加工することで、発熱部品9の底面を密着させることができ、発熱部品9を確実に冷却できる。
なお、パイプ7Aを切削する場合には、切削後にパイプに孔が開かないように、切削する分よりも厚みが厚いパイプを使用する必要がある。また、ステップS5において、パイプ7Aの平面7A3と、パイプ7Bの平面7B3と、ベース3の当接面3Aと、によって一つの平面が形成されている場合には、ステップS8の切削加工は不要である。
パイプ7Aとパイプ7Bの変形加工及び切削加工が終了すると、図4(A)に示すようにヒートシンク1は完成である。
ヒートシンク1を使用する際には、図4(B)に示すように、ヒートシンク1の上面(ベース3の当接面3A)に、発熱部品(一例としてIGBTモジュールを図示)9の底面を当接させ、ネジ10A〜10Dをネジ孔4A〜4Dに取り付けて、発熱部品9を固定すると良い。
ヒートシンク1を一つだけ使用する場合には、パイプ7Aの開口部7A1とパイプ7Bの開口部7B1を不図示のジョイントパイプで連結する。また、パイプ7Aの開口部7A2とパイプ7Bの開口部7B2を、不図示のジョイントパイプを介して、または直接、ポンプ(不図示)と連結して、パイプ7Aとパイプ7Bの内部に流体を流通(循環)させて、発熱部品9を冷却すると良い。
また、ヒートシンク1を複数個使用する場合には、ヒートシンク1を並べて、各パイプ7Aとパイプ7Bの開口部を不図示のジョイントパイプで連結する。また、いずれかのパイプとポンプを連結する。そして、このポンプにより各ヒートシンク1のパイプ7Aと7Bの内部に流体を流通(循環)させて、各発熱部品9を冷却すると良い。また、ヒートシンク1の長さLをさらに長くして、一つのヒートシンクに複数個の発熱部品9を取り付けるようにすることも可能である。
次に、ベース3に設ける溝5Aの側面51Aと側面51Bに設ける突起の位置は、図1や図3に示した位置に限るものではなく、パイプ7Aを掛止できるのであれば、他の位置であっても良い。例えば、図5(A)に示すように、溝5A2の側面51A2と側面51B2の上端部よりも下の位置、すなわち開放面51F2と接しない位置に突起53A2と突起53B2を設けると良い。このとき、突起の断面形状は、先端が滑らかな形状、例えば涙形や弧状に加工すると良い。上記のような位置に突起を設けることで、パイプ7Aを変形させた際に、突起53Aと突起53B2がパイプ7Aに食い込むので、パイプ7Aを溝5A2内に確実に留めることができる。
また、溝の側面には突起ではなく凹部を設けるようにしても良い。凹部は、溝の側面の上端部よりも下の位置、すなわち溝の開放面と接しない位置に凹部を設けると良い。例えば、図5(B)に示すように、溝5A3の側面51A3と側面51B3の中間部に凹部53A3と凹部53B3を設けると良い。また、図5(C)に示すように、溝5A4の側面51A4と側面51B4の下端部(底面51C側)に凹部53A4と凹部53B4を設けるようにしても良い。このように、溝の側面に凹部を設けることで、パイプが変形して凹部に入り込むので、凹部の上部の突き出た部分によって、パイプ7Aが溝内に掛止される。したがって、パイプ7Aを溝5A3や溝5A4内に確実に留めることができる。
図5に示した突起や凹部は、溝の奥行き方向において、断続的に設けるようにしても良い。突起や凹部をこのような形状にすることで、パイプ7Aがベース3の側面3S1や側面3S2の方向にずれるのを確実に防止できる。
なお、突起や凹部の先端や付け根の部分は弧状に加工していることが望ましい。これにより、金型の破損が防止でき、またパイプを変形させる際に、パイプの外周面が傷つくのを防止できる。
なお、ベース3に設ける溝を図5に示したような形状にした場合も、図1(B)に基づいて説明したように、溝の上部の開放面側(当接面3A側)から見た両側面間(突起53A2と突起53B2の間、側面51A3と側面51B3の間、及び側面51A4と側面51B4の間)の開放長さWは、パイプ7Aの直径Dよりも長くなっている。また、突起53A2と突起53B2を除いた側面51A2と側面51B2との幅Y、または2つの凹部間(凹部53A3と凹部53B3の間、及び凹部53A4と凹部53B4の間)の幅Xは、上記の開放長さWよりも大きくなっている。さらに、溝5Aの深さ(開放面51Fと底面51Cとの距離)Fは、パイプ7Aの直径Dよりも短くなっている。
また、パイプ7Aの上面が開放面51Fに沿う形状の面になり、パイプの周面が溝の周面とできる限り当接するように、パイプを変形加工する実験を行って、パイプ7Aの周長や開放面を含む溝の周長、また溝の断面形状を決定すると良い。
なお、以上の説明では、ベースにパイプを2本取り付ける構成を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、パイプが発熱部品の底面に当接して効率良く冷却できるのであれば、1本でも複数本でも良い。
また、ベース、パイプ、ガイド治具、及び押圧治具の材質は、パイプを効率良く変形でき、また、発熱部品を効率良く冷却できるのであれば、他の材質でも良い。
1…ヒートシンク 3…ベース 3A…当接面 4A,4B,4C,4D…ネジ孔 5A,5A2,5A3,5A4,5B…溝 7A,7B…パイプ 7A1,7A2,7B1,7B2…開口部 7A3,7B3…平面 9…発熱部品 10A,10B,10C,10D…ネジ 11A,11B…ガイド治具 13…押圧治具 51A,51B…側面 51C…底面 51F,51F2…開放面 53A,53A2,53B,53B2…突起 53A3,53B3,53A4,53B4…凹部
Claims (6)
- 内部に流体を流通させて当接する対象物を冷却するパイプと、
前記パイプを掛止する突起または凹部を両側面に備えた溝が設けられ、その溝の上部の開放面から見た前記両側面間の開放長さが前記パイプの径よりも長いベースと、
を備え、
前記パイプは、前記溝に取り付けられて、前記溝の開放面側から押圧されることにより、前記パイプの上部が前記溝の開放面に沿う面に変形加工され、且つ、前記パイプの両側面が前記突起または凹部に掛止することを特徴とするヒートシンク。 - 前記突起または凹部を、前記溝の開放面に接しない位置に設けた請求項1に記載のヒートシンク。
- 前記パイプは、流体の封入後に変形加工される請求項1または2に記載のヒートシンク。
- 前記パイプの変形加工後に、さらに前記対象物を当接させる当接面または前記パイプの少なくとも一方が切削加工された請求項1乃至3のいずれかに記載のヒートシンク。
- 内部に流体を流通させて当接する対象物を冷却するパイプを、ベースに設けられた溝であって、前記パイプを掛止する突起または凹部を両側面に備え、上部の開放面から見た前記両側面間の開放長さが前記パイプの径よりも長い溝に取り付ける工程、
前記パイプを、前記溝の開放面側から押圧して、前記パイプの上部を溝の開放面に沿う面に変形させ、且つ、前記パイプの両側面を前記突起または凹部に掛止させる変形工程、を備えたヒートシンクの製造方法。 - 前記変形工程は、
前記溝の開放面に沿う形状のガイド治具を前記開放面の周囲に設置する工程、
前記溝の開放面と同じ幅の押圧面を備える押圧治具を、前記ガイド治具に沿って移動させて、前記パイプに前記押圧面を当接させながら前記溝の上方から押圧して、前記パイプを変形させる工程と、
を備えた請求項5に記載のヒートシンク製造方法。
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