JP3882432B2 - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートシンクに関するものであり、特に被冷却体の発熱を効率よく逃がすことのできるヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の制御装置に用いられるヒートシンクについて図１１に示す。図１１は、特開昭６２−４９７００号公報に記載の従来のヒートシンクであり、ヒートシンクベース２１と、前記ヒートシンクベース２１に直接固定した駆動モーター２２と、前記駆動モーター２２により回転する軸流ファン２３と、前記ファン側面の少なくとも一部と直接対向し、しかも前記ファン２３を囲むように設けられた一様な肉厚を有するフィン２４を有する。本従来例は、ファン２３に駆動された気流が、隣接し合うフィン２４により形成される風路を通過する間にフィン２４との間で熱交換を行い、ヒートシンクベース２１が冷却される。
【０００３】
さらに、本発明者らによる特開平１１−３１７７０号公報においては、複数の湾曲した放熱フィンを配設すると共に、フィンの内側の端面で囲まれる送風口に対向した送風ファンを有する、高効率の冷却装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す従来例によれば、ファン２３により駆動された気流は、ファン直下のヒートシンクベース２１に衝突した後、ヒートシンクベース面に沿った方向に偏向させられ、ヒートシンクベース端部に向かって流れ去るので、ファン２３の中心部分に配置されたモータ直下の部分では基本的には気流の流れが発生せず、この部分での冷却性能が確保しにくいという問題があった。
【０００５】
また、ヒートシンクの放熱能力と、それにより冷却されるパワーモジュールの発熱の関係上、パワーモジュールのサイズに対してヒートシンクが大きい場合があり、この場合はヒートシンクベースの熱伝導を利用して熱輸送する必要があり、やはり冷却性能が確保できないという問題があった。
【０００６】
この問題の解決策として、モーター直下のヒートシンクベースの板厚を厚くすることによって熱抵抗を減少させる手段が提案されているが、安価なヒートシンクの製造方法であるダイカスト法によって、このようなヒートシンクを製造すると、板厚の厚い場所の内部に、アルミが凝固する際に引け巣（空洞）を発生するという問題が発生した。空洞があると当然のことながら熱が伝わらなくなり、さらに不都合なことに、この空洞は外観検査では検出できないため、製品の性能を安定することが困難となる。
【０００７】
また、ダイカスト法においては、高熱伝導性のアルミを素材として複雑な形状製品を製造することは、アルミの流動特性が良好ではないため困難であり、ヒートシンクベース及びフィンを全て高熱伝導性のアルミを用いて製造することは容易ではない。特に薄いフィンを製造することは容易ではなかった。
【０００８】
また、複数の湾曲したフィンが立設したヒートシンクや、複数のフィンが複数群あるヒートシンクにおいては、ヒートシンクをダイカスト法で製造する場合に、金型から離型することが容易でないと言う問題もあった。
【０００９】
さらに、ヒートシンクベース１４の一方の面側に一般的には、ねじで直接もしくは熱伝導性グリースを介して固着するパワーモジュールは熱を効率的にヒートシンクへ逃がす必要があるため、この固着面の平面度やグリースを均一に薄く塗る工法が生産上重要な管理項目であり、これらの管理が不十分であると、パワーモジュールからの放熱が十分とれずにパワーモジュールを破壊させる原因となっていた。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール等の被冷却体の発熱を効率よく逃がすことのできるヒートシンクを得ることを目的とする。
【００１１】
この発明に係るヒートシンクは、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１５】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースに密着する凹凸を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１６】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ複数の貫通穴を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。図において１はヒートシンクベース、２はモータ、３はファン、４はフィン、８はヒートシンクベース１の内部に配置されたヒートシンクベース付加部材であり、６はこれらの要素からなるヒートシンクである。又、７はヒートシンクベース１の一方の面（以下、裏面と呼ぶ。）に隣接し、ヒートシンクにより冷却される被冷却体であるパワーモジュールである。
【００１９】
この実施の形態におけるヒートシンク６は、例えばアルミニウム合金製のヒートシンクベース１、上記ヒートシンク表面側（上記裏面と反対側）に立設されたフィン４、このフィン４より熱伝導性の良好な（例えば、純アルミ製）材料で構成され、ヒートシンクベース１の内部に設置されたヒートシンクベース付加部材８、及び、モータ２により駆動され気流をフィン４に向けて送り込むファン３とを備えたものである。
【００２０】
そして、上記ヒートシンクベース１に対し、裏面側にはパワーモジュール７が直接もしくは熱伝導性グリース（図示せず）を介して固着されている。尚、この実施の形態においては、フィン４としては、複数が互いに平行に配設され、ヒートシンクベース１から立設した形状のものを用いることができる。
【００２１】
ここで、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４が立設された領域から上記パワーモジュール７が近接する領域まで、ヒートシンクベース１の内部において延在している。
【００２２】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン３に隣接されたフィン４に向かって流れ、ヒートシンクベース付加部材８が内部に配設されたヒートシンクベース１からフィン４に伝わったパワーモジュール７から発生した熱量が、フィン間を通り抜ける気流によって奪われる。
【００２３】
パワーモジュール７より発生した熱量のフィン４への伝熱特性は、ヒートシンクベース１の板厚を大きくとることにより向上させることができるが、フィン４及びヒートシンクベース１をダイカスト法により製造する場合には、板厚の大きなヒートシンクベース１の内部が最終凝固域となり、形状不良及び伝熱特性の劣化の原因となる大きな引け巣が発生しやすいという問題がある。しかし、引け巣が発生しやすいヒートシンクベース１にヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子として、例えばダイカスト法で予め別工程にて製造し、鋳込むことにより、最終凝固域をヒートシンクベース付加部材８以外の位置にずらすことができる。
【００２４】
この効果を図２で示すと、従来では図２（ａ）に示すように、引け巣１０がヒートシンクベース１の略中央部に形成され、伝熱特性を劣化させていたが、本実施の形態においては図２（ｂ）に示すように、パワーモジュール７の熱を逃す上で問題とならない位置に引け巣１０の発生位置をもってくることによって、ヒートシンク６の放熱特性の大幅な向上が達成できる。
【００２５】
また、形状が単純なヒートシンクベース付加部材８を高熱伝導、例えば純アルミ系の材料とし、一方、ヒートシンクベース１及びフィン４の部材を、一般的に用いられるダイカスト用のアルミ合金（例えば、ＡＤＣ１２等）の溶湯の流動性が良好な材料にすることによって、伝熱特性を向上させることができ、かつフィン先端部への充填が容易であり、その結果ヒートシンクベース１の板厚を減少させてヒートシンク自体の軽量化を図りつつ、伝熱特性が安定し、さらには量産性が向上するというメリットもある。
【００２６】
尚、本実施の形態におけるヒートシンク６は、モータ２及びファン３を備えた構造であったが、これらを備えない自冷式の構造であっても、同様の効果を示す。
【００２７】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２におけるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。なお、図３（ａ）は上記ヒートシンクの断面模式図であり、図３（ｂ）は、説明の便宜のため、ファン３、およびモータ２を取り外した状態の上記ヒートシンク６をパワーモジュール７が取り付けられている側と反対側（即ち、表面側）からみた平面模式図である。
【００２８】
この実施の形態では、ヒートシンク表面側に立設されたフィン４より熱伝導性の良好な材料で構成されたヒートシンクベース付加部材８を内部に備えたヒートシンクベース１に、フィン４および複数のフィン４に囲まれたファン３直下の空間９からなる冷却部５が配置されており、冷却部５にファン３とモータ２が対向して設けられており、ヒートシンクベース１に対して冷却部５の反対側にはパワーモジュール７が直接もしくは熱伝導性グリース（図示せず）を介して固着されている。
【００２９】
ここで、フィン４は湾曲してヒートシンクベース１に立設するとともに冷却部５の中心部にはフィン４の内面の端部に囲まれた空間９が配置される。また、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４が立設された領域から上記パワーモジュール７が近接する領域まで延在している。
【００３０】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン直下のヒートシンクベース１に衝突して方向を変え、フィン間内周部より流入し、外周に向かって流れる。このとき空気はモータ２の回転方向に方向性をもって流れるため、これが抵抗なく導けるように、フィン４の内面の端部は図３（ｂ）に示すように偏向している。さらに、ファン３から吹き出された気流は、フィン４の出口においては基本的に湾曲したフィン４に沿って外に向かって流れる。
【００３１】
次に、冷却部５の放熱特性について述べる。上述したように、まず気流はファン直下のヒートシンクベース１に衝突するため、ここでヒートシンクベース１から１００Ｗ／ｍ2Ｋ近い熱を奪う。ヒートシンクベース１に衝突した後、気流はフィン側に向かいフィンの内部の端部に衝突し、ここでも１００Ｗ／ｍ2Ｋ程度の熱を奪うことができる。さらに、気流はフィン４に沿って流れ、フィン側面およびヒートシンクベース１から数十Ｗ／ｍ2Ｋ程度の熱を奪うことができる。なお、モーター直下は気流が流れないため、放熱特性は他の部分に比べると極端に悪くなるが、高熱伝導性の材料で構成されたヒートシンクベース付加部材８が介在することにより、パワーモジュール７で発生した熱量は、ヒートシンクベース１の表面へと効率よく伝熱される。
【００３２】
図４は、ヒートシンクベース付加部材８が介在する場合と介在しない場合の、冷却性能の違いを示す図であり、この図に示されるように、ヒートシンクベース付加部材８が介在することで、パワーモジュール７を使用可能温度に冷却することが可能となる。
【００３３】
実施の形態３．
図５は実施の形態３によるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００３４】
この実施の形態では、湾曲したフィン４ａ、４ｂおよび空間９ａ、９ｂからなる冷却部５ａ、５ｂがヒートシンクベース１の表面側に配置されており、冷却部５ａにのみファン３とモータ２が対向して設けられており、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４ａ、４ｂが立設された領域からパワーモジュール７が近接する領域まで延在しており、ヒートシンクベース１との密着性を確保するために、表面には小さな凹凸形状（図示せず）を備えている。なお、冷却部５ａと５ｂは互いに１０ｍｍ程度の間隙を確保した状態で併設されている。
【００３５】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン直下のヒートシンクベース１に衝突して方向を変え、フィン間内周部より流入し、外周に向かって流れる。このとき空気はモータ２の回転方向に方向性をもって流れるため、これが抵抗なく導けるように、フィン４ａの形状は図３（ｂ）に示したように偏向している。さらに、ファン３から吹き出された気流は、フィン４ａの出口においては基本的に湾曲したフィン４ａに沿って外に向かって流れるが、冷却部５ｂに隣接する辺においては、冷却部５ａからの空気が冷却部５ｂに衝突する。
【００３６】
パワーモジュール７で発生した熱の一部は、実施の形態２で示したようにヒートシンクベース１から冷却部５ａを形成するフィン４ａへと伝熱され、ファン３からの気流によってその熱は奪われる。また、パワーモジュール７で発生した熱の一部は、ヒートシンクベース付加部材８を有するヒートシンクベース１を介して、効率的に冷却部５ｂへと伝達され、フィン４ｂから放熱されると共に、冷却部５ａの隣接する部分から流出した気流がフィン４ｂに衝突することにより、冷却部５ｂにおける伝熱特性を更に向上させることが可能となる。
【００３７】
尚、図５に示すような複数の冷却部５ａ、５ｂを有するヒートシンク６を例えばダイカスト法で製造した場合においては、従来、金型との離型性が悪いという問題があった。すなわち、ダイカストした製品は金型内で徐々に冷却されるため、金型より熱膨張係数が大きいアルミ製のヒートシンク６は金型より収縮量が大きくなる。その結果、複数の冷却部のフィンは金型に抱きつくように変形しようとするため、フィンと金型の摩擦力によって金型から取り出せなくなることがあった。これを防止するには、金型から押し出すタイミングを早くする必要があるが、この場合はヒートシンクベースの温度が高い状態であるため、ヒートシンクベースは金型取りだし後自由収縮するため、大きなひずみが発生してしまう。
【００３８】
これに対して、本実施の形態においては、複数の冷却部５ａ、５ｂを結んだ領域にヒートシンクベース付加部材８を挿入するので、ダイカスト時にヒートシンクベース付加部材８はアルミの溶湯によって加熱され、熱膨張し、一方溶湯は凝固収縮を発生する。したがって、ヒートシンクベース１の収縮量は上記ヒートシンクベース付加部材８によって抑制され、ヒートシンクベース１が金型内である程度冷却させた場合でも金型から容易に離型できるようになり、格段に生産性が向上した。一方、複数のヒートシンクベース付加部材８を各冷却部５ａ、５ｂに対してそれぞれ挿入した場合には、該冷却部５ａ、５ｂそれぞれにおいては収縮が低減できるものの、それらが互いに近づくように収縮するので離型しにくくなるという問題は残る。
【００３９】
なお、図５においてヒートシンクベース付加部材８は、ヒートシンクベース裏面側に露出しない構造を示している。ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としたダイカストによる製造の際には、パワーモジュール７を固着するヒートシンクベース１の裏面側はダイカストにより成形されるため、面性状、平面度が確保される。言い換えると、ヒートシンクベース付加部材８を最終製品形状の精度を左右しない様に、概略ヒートシンクベース内部に配置することによって、ヒートシンクベース付加部材８は低い寸法精度で安価で製造できるというメリットがある。
【００４０】
尚、上記においては、ヒートシンクベース付加部材８の全てをヒートシンクベース１の内部に配置させていたが、パワーモジュール７が固着される部分以外の部分において、ヒートシンクベース付加部材８を露出させてもかまわない。
【００４１】
また、実施の形態３においては、パワーモジュール７がヒートシンクベース１に対して比較的小さい場合により効果を発し、パワーモジュール７の取り付け位置を、ヒートシンクベース１の端部から中央部まで自由に選定できるという効果もある。
【００４２】
なお、実施の形態３においては、冷却部５ｂに対してはファンを設置させていないが、冷却部５ａ同様、冷却部５ｂに対向するようにファンを設置させると、さらに放熱特性が向上することは言うまでもない。
【００４３】
また、実施の形態３においては、２個以上の冷却部を備えていてもかまわないし、それら２個以上の冷却部の立設された領域からパワーモジュールの近接する領域まで延在するヒートシンクベース付加部材を設置しても良く、この場合においても同様の効果を有する。
【００４４】
また、実施の形態３においては、冷却部５ｂに空間９ｂを設けているが、冷却部５ｂにはフィン４ｂが存在していれば良く、このフィン４ｂに囲まれる空間９ｂを設けていなくてもかまわない。
【００４５】
実施の形態４．
図６は実施の形態４によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。なお、本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材の形状及びファンの個数を除いたその他の点については、実施の形態３と同様である。
【００４６】
この実施の形態では、湾曲したフィン４ａ、４ｂおよび空間９ａ、９ｂからなる冷却部５ａ、５ｂが、ヒートシンクベース１の表面側に配置されており、冷却部５ａ、５ｂにそれぞれファン３ａ、３ｂとモータ２ａ、２ｂが対向して設けられている。又、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４ａ、４ｂが立設された領域からパワーモジュールが近接する領域まで延在しており、冷却部５ａ、５ｂが設置されているヒートシンクベース表面側と、冷却部５ａと５ｂの間隙部分のヒートシンク裏面側とにそれぞれ露出している。なお、冷却部５ａと５ｂは互いに１０ｍｍ程度の間隙で併設されている。
【００４７】
パワーモジュール７で発生した熱の一部は、実施の形態２で示したようにヒートシンクベース１から冷却部５ａを形成するフィン４ａへと伝熱され、ファン３ａからの気流によってその熱は奪われる。また、パワーモジュール７から発生した熱の一部は、ヒートシンクベース１及びヒートシンクベース付加部材８を介して、冷却部５ｂへと伝達され、ファン３ｂからの気流によってフィン４ｂから放熱される。
【００４８】
ここで、ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としてダイカストによる製造を行う際には、ヒートシンクベース付加部材８の形状を、冷却部５ａ、５ｂが設置されているヒートシンクベース表面側と冷却部５ａと５ｂの間隙部分のヒートシンク裏面側とにそれぞれ露出した形状とすることにより、ヒートシンクの製造時における、金型の型締め時のヒートシンク付加部材の位置決めが着実となり、生産性が高まり、製品品質が安定する。
【００４９】
また、実施の形態２及び３で示したようにモーター直下は気流が流れないため放熱特性は他の部分と比べると極端に悪くなるが、ヒートシンクベース付加部材８に高熱伝導性の材料を用いることによって、パワーモジュール７で発生した熱量が効率よくフィン４ａへと伝達される。すなわち、実施の形態５においては、ヒートシンク付加部材８のファン直下の部分をヒートシンクベース表面側に露出させ、かつ、その部分の厚みを大きくすることで更に伝熱効率を向上させたものとなっている。
【００５０】
また、実施の形態３で示したように、ヒートシンクベース付加部材８に高熱伝導性の材料を用いることによって、パワーモジュール７で発生した熱量の一部が冷却部５ｂへと効率よく伝達されるが、実施の形態４においては、ヒートシンク部材８の冷却部５ａ及び５ｂの間隙部分をヒートシンクベース裏面側に露出させ、上記間隙部分のヒートシンクベース付加部材８の板厚を大きくすることで更に伝熱効率を向上させることが可能である。
【００５１】
実施の形態５．
図７、８は実施の形態５によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
図７においては、ヒートシンクベース付加部材８のパワーモジュール７に対向する側に角柱状の突起８ａを設けており、ヒートシンクベース裏面側に露出している。
【００５２】
又、ヒートシンクベース付加部材８には、突起８ａとは別に、凹凸８ｂを設けており、これにより、ヒートシンクベース１との密着性を向上させ、熱伝導性を向上させている。これは、実施の形態３において小さな凹凸を設けたことと同様である。
【００５３】
パワーモジュール７から発生した熱は、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８へと伝熱され、さらに実施の形態１乃至４で示したように、冷却部５を構成するフィン４へと伝熱される。
【００５４】
本実施例においては、ヒートシンクベース付加部材８の端部の角柱状突起８ａをヒートシンクベース裏面側に露出させることにより、ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としたダイカストによる製造を行う際の金型内における中子の位置決めの役割を持たせることによってヒートシンクベース１の熱伝導特性を安定化させると共に、パワーモジュール７が固着される領域が中子と直接接触しないため、中子の形状精度が悪くとも最終製品の上記領域の平面度を高く保つことができ、その結果、実施の形態３と同様製品を安価に製造できる。
【００５５】
さらにまた、中子厚さを例えば６ｍｍ、ヒートシンクベース厚を１０ｍｍ、突起８ａの高さを２ｍｍとすると、中子はヒートシンクベース１の厚さ方向の中心に配置されることとなり、製品のそりを抑制することができる。すなわち、金型内に中子をセットしてダイカストすると、アルミの溶湯は、予熱していたとしても２００℃程度の中子に接して冷却される。この時、ヒートシンクベース内に温度分布が発生すると、室温までの冷却に伴う収縮量が異なってしまい、例えばヒートシンクベース裏面側にヒートシンク付加部材８が露出していると、裏面側が凸状に反ってしまう。そのような形状ではパワーモジュール７をヒートシンクに密着して固定することができないため、パワーモジュール７の熱を安定して逃すことができなくなる。本実施の形態においては、そのような反りを無くすことができ、上記問題点を解決することが可能となる。
【００５６】
また、逆に、図８（ａ）に示すようにヒートシンクベース１の裏面側のパワーモジュール７が固着される部分の形状を、ダイカスト製造時における湯流れ方向に沿って角柱が連設するような形状とすることによっても、図７と類似の効果が得られる。この場合は、金型に突起を設けることによってヒートシンクベース付加部材８を金型内に固定するため、ヒートシンクベース付加部材８に突起を設ける必要がなくなり、ヒートシンクベース付加部材８の形状の簡素化、形状精度の低下が許容されるため、さらに製品を安価に製造することができる。
【００５７】
加えて、図８（ａ）に示す構造においては、ヒートシンクベース裏面側のパワーモジュール７が固着される部分に細い溝状の凹部１ａが形成されるため、パワーモジュール７を熱伝導グリース（図示せず）等によって固着する際には、ヒートシンクベース裏面側の凹部分１ａはグリースの逃げ溝としての作用が生じ、グリース塗布厚みを薄く均一にすることができ、パワーモジュール７の密着性が高まり、伝熱特性が向上されるというメリットもある。
【００５８】
なお、パワーモジュール７の密着性と伝熱性の向上ならびに取り付け性の向上に対する小さな凹凸形状は、図８（ｂ）に示すようにヒートシンクベースベース付加部材８に直接設けられても類似の効果が得られることは言うまでもないが、この場合には、ヒートシンクベース付加部材８に高い形状精度が要求されるとともに、鋳ぐるみ時のひずみの発生、即ちヒートシンクベース１の反りを抑制する必要がある。
【００５９】
また、本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に角柱の突起８ａを設けたが、円柱状の突起においても類似の効果を有する。ただし、溶湯の流れの方向において分割された形状の場合は、巣の発生が起きやすくなるという問題を有する。
【００６０】
実施の形態６．
図９は実施の形態６によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００６１】
本実施の形態を製造するには、まず例えば鋳造法で製造した高熱伝導性のアルミから成るヒートシンクベース付加部材８を、ダイカスト装置の２００℃程度に加熱された金型の中にセットし、溶融したアルミを金型内に高圧で射出し、凝固させる。その結果、ヒートシンクベース付加部材８がヒートシンクベース１に固着される。しかし、その固着状態を評価してみると、ほとんど強度を有しない場合がある。
【００６２】
すなわち、ヒートシンク付加部材８はその表面にアルミ酸化物が形成されており、溶融アルミを射出させた場合にヒートシンク付加部材８の表面に飛散してきた溶融アルミは、ヒートシンクベース付加部材８により急激に熱を奪われ凝固する。アルミ酸化物は周知の通りアルミより融点が高いため、溶融アルミの運動エネルギによって、酸化皮膜を破壊できた時のみ下地のアルミの清浄な面が出てアルミ同士が強固に固着できる。固着力が不十分な場合は冷却時の収縮力が固着力を上回ってしまい、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースの界面が剥離してしまう。
【００６３】
パワーモジュール７はヒートシンクベース裏面に固着し、冷却のためのフィン４はその反対側に立設させているため、熱のかなりの部分は裏面側のヒートシンクベース１からヒートシンクベース付加部材８を通ってフィン４が立設する側のヒートシンクベース１に拡がりながら抜ける必要がある。このとき、界面に空間があると熱が遮断されてしまい、所望の熱特性が得られなくなる。とくに界面の状態は外観からの判定が難しく、品質上大きな問題であった。界面を強固に固着するにはヒートシンクベース付加部材８の表面に亜鉛等のメッキをすることが効果的であるが、メッキのためのコストが必要となるため、安価な方法が望まれていた。
【００６４】
本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に裏面から表面側へ貫通穴（穴の側壁を８ｃとして示す。）を形成しているため、フィン４が立設している表面側のヒートシンクベース１と裏面側のヒートシンクベース１がこの貫通穴を通じて一体化されており、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８が密着でき、しかも、熱の流れが妨げられない。とくに貫通穴（８ｃ）には溶融アルミが詰まるため、この部分の冷却時における初期温度と冷却後の温度の差は、ヒートシンクベース付加部材８における温度差の約２倍以上となり、その結果、収縮量が大きく常にヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８の界面に圧縮応力が働く構造となる。なお、穴の数はヒートシンクベース１の面積に応じて適宜形成すればよい。また、穴の大きさはヒートシンクベース付加部材８の板厚の２倍程度までが裏面側の平面度を確保するためには好ましい。尚、これ以上の大きさになると、収縮力でひずみが発生する。
【００６５】
実施の形態７．
図１０は実施の形態７によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００６６】
本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に凹部８ｄを形成し、かつ、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８にねじ穴１１を加工したものであるが、凹部８ｄを形成することによってヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８の密着性を向上させるとともに、ねじ穴１１を用いてねじ止めすることで、パワーモジュール７とヒートシンクベース１に挟まれたヒートシンクベース付加部材８を、パワーモジュール７とヒートシンクベース１に機械的に勘合させることができるという効果がある。
【００６７】
その結果、ダイカスト後の冷却時の温度差に起因するせん断応力でヒートシンクベース付加部材８とヒートシンクベース１が剥離するのを防ぐ。
【００６８】
また、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８が一体化できるため、繰り返し使用した場合でも、温度サイクルでヒートシンクベース付加部材８が剥離してしまうことがなく、信頼性が確保できる。
【００６９】
尚、上記実施の形態１乃至７においてはフィンをそれぞれ複数備えていたが、渦巻き形状等にするとで、複数とせずに単一のものとしても良いことは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
この発明に係るヒートシンクは、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、被冷却体の発熱を効率よく逃がすことができる。さらに、複数の冷却部を結んだ領域にヒートシンクベース部材を挿入するので、ダイカスト時においてヒートシンクベースの収縮量をヒートシンクベース付加部材が抑制し、ヒートシンクベースを金型から容易に離型できる。
【００７４】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースに密着する凹凸を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースとの密着性が高まり、熱伝導性を向上することができる。
【００７５】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ複数の貫通穴を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースとの密着性が高まり、熱伝導性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１を表す模式図である。
【図２】 実施の形態１の効果を表す模式図である。
【図３】 実施の形態２を表す模式図である。
【図４】 実施の形態２の効果を表す模式図である。
【図５】 実施の形態３を表す模式図である。
【図６】 実施の形態４を表す模式図である。
【図７】 実施の形態５を表す模式図である。
【図８】 実施の形態５の他の例を表す模式図である。
【図９】 実施の形態６を表す模式図である。
【図１０】 実施の形態７を表す模式図である。
【図１１】 従来例を表す模式図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンクベース、 １ａ 凹部、 ２、２ａ、２ｂ モータ、
３、３ａ、３ｂ ファン、 ４、４ａ、４ｂ フィン、
５、５ａ、５ｂ 冷却部、 ６ ヒートシンク、
７ パワーモジュール、 ８ ヒートシンクベース付加部材、
８ａ 突起、 ８ｂ 凹凸、 ８ｃ 貫通穴の側壁、 ８ｄ 凹部、
９、９ａ、９ｂ 空間、 １０ 引け巣、 １１ ねじ穴。
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートシンクに関するものであり、特に被冷却体の発熱を効率よく逃がすことのできるヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の制御装置に用いられるヒートシンクについて図１１に示す。図１１は、特開昭６２−４９７００号公報に記載の従来のヒートシンクであり、ヒートシンクベース２１と、前記ヒートシンクベース２１に直接固定した駆動モーター２２と、前記駆動モーター２２により回転する軸流ファン２３と、前記ファン側面の少なくとも一部と直接対向し、しかも前記ファン２３を囲むように設けられた一様な肉厚を有するフィン２４を有する。本従来例は、ファン２３に駆動された気流が、隣接し合うフィン２４により形成される風路を通過する間にフィン２４との間で熱交換を行い、ヒートシンクベース２１が冷却される。
【０００３】
さらに、本発明者らによる特開平１１−３１７７０号公報においては、複数の湾曲した放熱フィンを配設すると共に、フィンの内側の端面で囲まれる送風口に対向した送風ファンを有する、高効率の冷却装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す従来例によれば、ファン２３により駆動された気流は、ファン直下のヒートシンクベース２１に衝突した後、ヒートシンクベース面に沿った方向に偏向させられ、ヒートシンクベース端部に向かって流れ去るので、ファン２３の中心部分に配置されたモータ直下の部分では基本的には気流の流れが発生せず、この部分での冷却性能が確保しにくいという問題があった。
【０００５】
また、ヒートシンクの放熱能力と、それにより冷却されるパワーモジュールの発熱の関係上、パワーモジュールのサイズに対してヒートシンクが大きい場合があり、この場合はヒートシンクベースの熱伝導を利用して熱輸送する必要があり、やはり冷却性能が確保できないという問題があった。
【０００６】
この問題の解決策として、モーター直下のヒートシンクベースの板厚を厚くすることによって熱抵抗を減少させる手段が提案されているが、安価なヒートシンクの製造方法であるダイカスト法によって、このようなヒートシンクを製造すると、板厚の厚い場所の内部に、アルミが凝固する際に引け巣（空洞）を発生するという問題が発生した。空洞があると当然のことながら熱が伝わらなくなり、さらに不都合なことに、この空洞は外観検査では検出できないため、製品の性能を安定することが困難となる。
【０００７】
また、ダイカスト法においては、高熱伝導性のアルミを素材として複雑な形状製品を製造することは、アルミの流動特性が良好ではないため困難であり、ヒートシンクベース及びフィンを全て高熱伝導性のアルミを用いて製造することは容易ではない。特に薄いフィンを製造することは容易ではなかった。
【０００８】
また、複数の湾曲したフィンが立設したヒートシンクや、複数のフィンが複数群あるヒートシンクにおいては、ヒートシンクをダイカスト法で製造する場合に、金型から離型することが容易でないと言う問題もあった。
【０００９】
さらに、ヒートシンクベース１４の一方の面側に一般的には、ねじで直接もしくは熱伝導性グリースを介して固着するパワーモジュールは熱を効率的にヒートシンクへ逃がす必要があるため、この固着面の平面度やグリースを均一に薄く塗る工法が生産上重要な管理項目であり、これらの管理が不十分であると、パワーモジュールからの放熱が十分とれずにパワーモジュールを破壊させる原因となっていた。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール等の被冷却体の発熱を効率よく逃がすことのできるヒートシンクを得ることを目的とする。
【００１１】
この発明に係るヒートシンクは、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１５】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースに密着する凹凸を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１６】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ複数の貫通穴を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。図において１はヒートシンクベース、２はモータ、３はファン、４はフィン、８はヒートシンクベース１の内部に配置されたヒートシンクベース付加部材であり、６はこれらの要素からなるヒートシンクである。又、７はヒートシンクベース１の一方の面（以下、裏面と呼ぶ。）に隣接し、ヒートシンクにより冷却される被冷却体であるパワーモジュールである。
【００１９】
この実施の形態におけるヒートシンク６は、例えばアルミニウム合金製のヒートシンクベース１、上記ヒートシンク表面側（上記裏面と反対側）に立設されたフィン４、このフィン４より熱伝導性の良好な（例えば、純アルミ製）材料で構成され、ヒートシンクベース１の内部に設置されたヒートシンクベース付加部材８、及び、モータ２により駆動され気流をフィン４に向けて送り込むファン３とを備えたものである。
【００２０】
そして、上記ヒートシンクベース１に対し、裏面側にはパワーモジュール７が直接もしくは熱伝導性グリース（図示せず）を介して固着されている。尚、この実施の形態においては、フィン４としては、複数が互いに平行に配設され、ヒートシンクベース１から立設した形状のものを用いることができる。
【００２１】
ここで、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４が立設された領域から上記パワーモジュール７が近接する領域まで、ヒートシンクベース１の内部において延在している。
【００２２】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン３に隣接されたフィン４に向かって流れ、ヒートシンクベース付加部材８が内部に配設されたヒートシンクベース１からフィン４に伝わったパワーモジュール７から発生した熱量が、フィン間を通り抜ける気流によって奪われる。
【００２３】
パワーモジュール７より発生した熱量のフィン４への伝熱特性は、ヒートシンクベース１の板厚を大きくとることにより向上させることができるが、フィン４及びヒートシンクベース１をダイカスト法により製造する場合には、板厚の大きなヒートシンクベース１の内部が最終凝固域となり、形状不良及び伝熱特性の劣化の原因となる大きな引け巣が発生しやすいという問題がある。しかし、引け巣が発生しやすいヒートシンクベース１にヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子として、例えばダイカスト法で予め別工程にて製造し、鋳込むことにより、最終凝固域をヒートシンクベース付加部材８以外の位置にずらすことができる。
【００２４】
この効果を図２で示すと、従来では図２（ａ）に示すように、引け巣１０がヒートシンクベース１の略中央部に形成され、伝熱特性を劣化させていたが、本実施の形態においては図２（ｂ）に示すように、パワーモジュール７の熱を逃す上で問題とならない位置に引け巣１０の発生位置をもってくることによって、ヒートシンク６の放熱特性の大幅な向上が達成できる。
【００２５】
また、形状が単純なヒートシンクベース付加部材８を高熱伝導、例えば純アルミ系の材料とし、一方、ヒートシンクベース１及びフィン４の部材を、一般的に用いられるダイカスト用のアルミ合金（例えば、ＡＤＣ１２等）の溶湯の流動性が良好な材料にすることによって、伝熱特性を向上させることができ、かつフィン先端部への充填が容易であり、その結果ヒートシンクベース１の板厚を減少させてヒートシンク自体の軽量化を図りつつ、伝熱特性が安定し、さらには量産性が向上するというメリットもある。
【００２６】
尚、本実施の形態におけるヒートシンク６は、モータ２及びファン３を備えた構造であったが、これらを備えない自冷式の構造であっても、同様の効果を示す。
【００２７】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２におけるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。なお、図３（ａ）は上記ヒートシンクの断面模式図であり、図３（ｂ）は、説明の便宜のため、ファン３、およびモータ２を取り外した状態の上記ヒートシンク６をパワーモジュール７が取り付けられている側と反対側（即ち、表面側）からみた平面模式図である。
【００２８】
この実施の形態では、ヒートシンク表面側に立設されたフィン４より熱伝導性の良好な材料で構成されたヒートシンクベース付加部材８を内部に備えたヒートシンクベース１に、フィン４および複数のフィン４に囲まれたファン３直下の空間９からなる冷却部５が配置されており、冷却部５にファン３とモータ２が対向して設けられており、ヒートシンクベース１に対して冷却部５の反対側にはパワーモジュール７が直接もしくは熱伝導性グリース（図示せず）を介して固着されている。
【００２９】
ここで、フィン４は湾曲してヒートシンクベース１に立設するとともに冷却部５の中心部にはフィン４の内面の端部に囲まれた空間９が配置される。また、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４が立設された領域から上記パワーモジュール７が近接する領域まで延在している。
【００３０】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン直下のヒートシンクベース１に衝突して方向を変え、フィン間内周部より流入し、外周に向かって流れる。このとき空気はモータ２の回転方向に方向性をもって流れるため、これが抵抗なく導けるように、フィン４の内面の端部は図３（ｂ）に示すように偏向している。さらに、ファン３から吹き出された気流は、フィン４の出口においては基本的に湾曲したフィン４に沿って外に向かって流れる。
【００３１】
次に、冷却部５の放熱特性について述べる。上述したように、まず気流はファン直下のヒートシンクベース１に衝突するため、ここでヒートシンクベース１から１００Ｗ／ｍ2Ｋ近い熱を奪う。ヒートシンクベース１に衝突した後、気流はフィン側に向かいフィンの内部の端部に衝突し、ここでも１００Ｗ／ｍ2Ｋ程度の熱を奪うことができる。さらに、気流はフィン４に沿って流れ、フィン側面およびヒートシンクベース１から数十Ｗ／ｍ2Ｋ程度の熱を奪うことができる。なお、モーター直下は気流が流れないため、放熱特性は他の部分に比べると極端に悪くなるが、高熱伝導性の材料で構成されたヒートシンクベース付加部材８が介在することにより、パワーモジュール７で発生した熱量は、ヒートシンクベース１の表面へと効率よく伝熱される。
【００３２】
図４は、ヒートシンクベース付加部材８が介在する場合と介在しない場合の、冷却性能の違いを示す図であり、この図に示されるように、ヒートシンクベース付加部材８が介在することで、パワーモジュール７を使用可能温度に冷却することが可能となる。
【００３３】
実施の形態３．
図５は実施の形態３によるヒートシンク、及びそれにより冷却されるパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００３４】
この実施の形態では、湾曲したフィン４ａ、４ｂおよび空間９ａ、９ｂからなる冷却部５ａ、５ｂがヒートシンクベース１の表面側に配置されており、冷却部５ａにのみファン３とモータ２が対向して設けられており、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４ａ、４ｂが立設された領域からパワーモジュール７が近接する領域まで延在しており、ヒートシンクベース１との密着性を確保するために、表面には小さな凹凸形状（図示せず）を備えている。なお、冷却部５ａと５ｂは互いに１０ｍｍ程度の間隙を確保した状態で併設されている。
【００３５】
次に動作について説明する。ファン３から吹き出された気流は、ファン直下のヒートシンクベース１に衝突して方向を変え、フィン間内周部より流入し、外周に向かって流れる。このとき空気はモータ２の回転方向に方向性をもって流れるため、これが抵抗なく導けるように、フィン４ａの形状は図３（ｂ）に示したように偏向している。さらに、ファン３から吹き出された気流は、フィン４ａの出口においては基本的に湾曲したフィン４ａに沿って外に向かって流れるが、冷却部５ｂに隣接する辺においては、冷却部５ａからの空気が冷却部５ｂに衝突する。
【００３６】
パワーモジュール７で発生した熱の一部は、実施の形態２で示したようにヒートシンクベース１から冷却部５ａを形成するフィン４ａへと伝熱され、ファン３からの気流によってその熱は奪われる。また、パワーモジュール７で発生した熱の一部は、ヒートシンクベース付加部材８を有するヒートシンクベース１を介して、効率的に冷却部５ｂへと伝達され、フィン４ｂから放熱されると共に、冷却部５ａの隣接する部分から流出した気流がフィン４ｂに衝突することにより、冷却部５ｂにおける伝熱特性を更に向上させることが可能となる。
【００３７】
尚、図５に示すような複数の冷却部５ａ、５ｂを有するヒートシンク６を例えばダイカスト法で製造した場合においては、従来、金型との離型性が悪いという問題があった。すなわち、ダイカストした製品は金型内で徐々に冷却されるため、金型より熱膨張係数が大きいアルミ製のヒートシンク６は金型より収縮量が大きくなる。その結果、複数の冷却部のフィンは金型に抱きつくように変形しようとするため、フィンと金型の摩擦力によって金型から取り出せなくなることがあった。これを防止するには、金型から押し出すタイミングを早くする必要があるが、この場合はヒートシンクベースの温度が高い状態であるため、ヒートシンクベースは金型取りだし後自由収縮するため、大きなひずみが発生してしまう。
【００３８】
これに対して、本実施の形態においては、複数の冷却部５ａ、５ｂを結んだ領域にヒートシンクベース付加部材８を挿入するので、ダイカスト時にヒートシンクベース付加部材８はアルミの溶湯によって加熱され、熱膨張し、一方溶湯は凝固収縮を発生する。したがって、ヒートシンクベース１の収縮量は上記ヒートシンクベース付加部材８によって抑制され、ヒートシンクベース１が金型内である程度冷却させた場合でも金型から容易に離型できるようになり、格段に生産性が向上した。一方、複数のヒートシンクベース付加部材８を各冷却部５ａ、５ｂに対してそれぞれ挿入した場合には、該冷却部５ａ、５ｂそれぞれにおいては収縮が低減できるものの、それらが互いに近づくように収縮するので離型しにくくなるという問題は残る。
【００３９】
なお、図５においてヒートシンクベース付加部材８は、ヒートシンクベース裏面側に露出しない構造を示している。ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としたダイカストによる製造の際には、パワーモジュール７を固着するヒートシンクベース１の裏面側はダイカストにより成形されるため、面性状、平面度が確保される。言い換えると、ヒートシンクベース付加部材８を最終製品形状の精度を左右しない様に、概略ヒートシンクベース内部に配置することによって、ヒートシンクベース付加部材８は低い寸法精度で安価で製造できるというメリットがある。
【００４０】
尚、上記においては、ヒートシンクベース付加部材８の全てをヒートシンクベース１の内部に配置させていたが、パワーモジュール７が固着される部分以外の部分において、ヒートシンクベース付加部材８を露出させてもかまわない。
【００４１】
また、実施の形態３においては、パワーモジュール７がヒートシンクベース１に対して比較的小さい場合により効果を発し、パワーモジュール７の取り付け位置を、ヒートシンクベース１の端部から中央部まで自由に選定できるという効果もある。
【００４２】
なお、実施の形態３においては、冷却部５ｂに対してはファンを設置させていないが、冷却部５ａ同様、冷却部５ｂに対向するようにファンを設置させると、さらに放熱特性が向上することは言うまでもない。
【００４３】
また、実施の形態３においては、２個以上の冷却部を備えていてもかまわないし、それら２個以上の冷却部の立設された領域からパワーモジュールの近接する領域まで延在するヒートシンクベース付加部材を設置しても良く、この場合においても同様の効果を有する。
【００４４】
また、実施の形態３においては、冷却部５ｂに空間９ｂを設けているが、冷却部５ｂにはフィン４ｂが存在していれば良く、このフィン４ｂに囲まれる空間９ｂを設けていなくてもかまわない。
【００４５】
実施の形態４．
図６は実施の形態４によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。なお、本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材の形状及びファンの個数を除いたその他の点については、実施の形態３と同様である。
【００４６】
この実施の形態では、湾曲したフィン４ａ、４ｂおよび空間９ａ、９ｂからなる冷却部５ａ、５ｂが、ヒートシンクベース１の表面側に配置されており、冷却部５ａ、５ｂにそれぞれファン３ａ、３ｂとモータ２ａ、２ｂが対向して設けられている。又、ヒートシンクベース付加部材８は、フィン４ａ、４ｂが立設された領域からパワーモジュールが近接する領域まで延在しており、冷却部５ａ、５ｂが設置されているヒートシンクベース表面側と、冷却部５ａと５ｂの間隙部分のヒートシンク裏面側とにそれぞれ露出している。なお、冷却部５ａと５ｂは互いに１０ｍｍ程度の間隙で併設されている。
【００４７】
パワーモジュール７で発生した熱の一部は、実施の形態２で示したようにヒートシンクベース１から冷却部５ａを形成するフィン４ａへと伝熱され、ファン３ａからの気流によってその熱は奪われる。また、パワーモジュール７から発生した熱の一部は、ヒートシンクベース１及びヒートシンクベース付加部材８を介して、冷却部５ｂへと伝達され、ファン３ｂからの気流によってフィン４ｂから放熱される。
【００４８】
ここで、ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としてダイカストによる製造を行う際には、ヒートシンクベース付加部材８の形状を、冷却部５ａ、５ｂが設置されているヒートシンクベース表面側と冷却部５ａと５ｂの間隙部分のヒートシンク裏面側とにそれぞれ露出した形状とすることにより、ヒートシンクの製造時における、金型の型締め時のヒートシンク付加部材の位置決めが着実となり、生産性が高まり、製品品質が安定する。
【００４９】
また、実施の形態２及び３で示したようにモーター直下は気流が流れないため放熱特性は他の部分と比べると極端に悪くなるが、ヒートシンクベース付加部材８に高熱伝導性の材料を用いることによって、パワーモジュール７で発生した熱量が効率よくフィン４ａへと伝達される。すなわち、実施の形態５においては、ヒートシンク付加部材８のファン直下の部分をヒートシンクベース表面側に露出させ、かつ、その部分の厚みを大きくすることで更に伝熱効率を向上させたものとなっている。
【００５０】
また、実施の形態３で示したように、ヒートシンクベース付加部材８に高熱伝導性の材料を用いることによって、パワーモジュール７で発生した熱量の一部が冷却部５ｂへと効率よく伝達されるが、実施の形態４においては、ヒートシンク部材８の冷却部５ａ及び５ｂの間隙部分をヒートシンクベース裏面側に露出させ、上記間隙部分のヒートシンクベース付加部材８の板厚を大きくすることで更に伝熱効率を向上させることが可能である。
【００５１】
実施の形態５．
図７、８は実施の形態５によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
図７においては、ヒートシンクベース付加部材８のパワーモジュール７に対向する側に角柱状の突起８ａを設けており、ヒートシンクベース裏面側に露出している。
【００５２】
又、ヒートシンクベース付加部材８には、突起８ａとは別に、凹凸８ｂを設けており、これにより、ヒートシンクベース１との密着性を向上させ、熱伝導性を向上させている。これは、実施の形態３において小さな凹凸を設けたことと同様である。
【００５３】
パワーモジュール７から発生した熱は、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８へと伝熱され、さらに実施の形態１乃至４で示したように、冷却部５を構成するフィン４へと伝熱される。
【００５４】
本実施例においては、ヒートシンクベース付加部材８の端部の角柱状突起８ａをヒートシンクベース裏面側に露出させることにより、ヒートシンクベース付加部材８を鋳ぐるみ中子としたダイカストによる製造を行う際の金型内における中子の位置決めの役割を持たせることによってヒートシンクベース１の熱伝導特性を安定化させると共に、パワーモジュール７が固着される領域が中子と直接接触しないため、中子の形状精度が悪くとも最終製品の上記領域の平面度を高く保つことができ、その結果、実施の形態３と同様製品を安価に製造できる。
【００５５】
さらにまた、中子厚さを例えば６ｍｍ、ヒートシンクベース厚を１０ｍｍ、突起８ａの高さを２ｍｍとすると、中子はヒートシンクベース１の厚さ方向の中心に配置されることとなり、製品のそりを抑制することができる。すなわち、金型内に中子をセットしてダイカストすると、アルミの溶湯は、予熱していたとしても２００℃程度の中子に接して冷却される。この時、ヒートシンクベース内に温度分布が発生すると、室温までの冷却に伴う収縮量が異なってしまい、例えばヒートシンクベース裏面側にヒートシンク付加部材８が露出していると、裏面側が凸状に反ってしまう。そのような形状ではパワーモジュール７をヒートシンクに密着して固定することができないため、パワーモジュール７の熱を安定して逃すことができなくなる。本実施の形態においては、そのような反りを無くすことができ、上記問題点を解決することが可能となる。
【００５６】
また、逆に、図８（ａ）に示すようにヒートシンクベース１の裏面側のパワーモジュール７が固着される部分の形状を、ダイカスト製造時における湯流れ方向に沿って角柱が連設するような形状とすることによっても、図７と類似の効果が得られる。この場合は、金型に突起を設けることによってヒートシンクベース付加部材８を金型内に固定するため、ヒートシンクベース付加部材８に突起を設ける必要がなくなり、ヒートシンクベース付加部材８の形状の簡素化、形状精度の低下が許容されるため、さらに製品を安価に製造することができる。
【００５７】
加えて、図８（ａ）に示す構造においては、ヒートシンクベース裏面側のパワーモジュール７が固着される部分に細い溝状の凹部１ａが形成されるため、パワーモジュール７を熱伝導グリース（図示せず）等によって固着する際には、ヒートシンクベース裏面側の凹部分１ａはグリースの逃げ溝としての作用が生じ、グリース塗布厚みを薄く均一にすることができ、パワーモジュール７の密着性が高まり、伝熱特性が向上されるというメリットもある。
【００５８】
なお、パワーモジュール７の密着性と伝熱性の向上ならびに取り付け性の向上に対する小さな凹凸形状は、図８（ｂ）に示すようにヒートシンクベースベース付加部材８に直接設けられても類似の効果が得られることは言うまでもないが、この場合には、ヒートシンクベース付加部材８に高い形状精度が要求されるとともに、鋳ぐるみ時のひずみの発生、即ちヒートシンクベース１の反りを抑制する必要がある。
【００５９】
また、本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に角柱の突起８ａを設けたが、円柱状の突起においても類似の効果を有する。ただし、溶湯の流れの方向において分割された形状の場合は、巣の発生が起きやすくなるという問題を有する。
【００６０】
実施の形態６．
図９は実施の形態６によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００６１】
本実施の形態を製造するには、まず例えば鋳造法で製造した高熱伝導性のアルミから成るヒートシンクベース付加部材８を、ダイカスト装置の２００℃程度に加熱された金型の中にセットし、溶融したアルミを金型内に高圧で射出し、凝固させる。その結果、ヒートシンクベース付加部材８がヒートシンクベース１に固着される。しかし、その固着状態を評価してみると、ほとんど強度を有しない場合がある。
【００６２】
すなわち、ヒートシンク付加部材８はその表面にアルミ酸化物が形成されており、溶融アルミを射出させた場合にヒートシンク付加部材８の表面に飛散してきた溶融アルミは、ヒートシンクベース付加部材８により急激に熱を奪われ凝固する。アルミ酸化物は周知の通りアルミより融点が高いため、溶融アルミの運動エネルギによって、酸化皮膜を破壊できた時のみ下地のアルミの清浄な面が出てアルミ同士が強固に固着できる。固着力が不十分な場合は冷却時の収縮力が固着力を上回ってしまい、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースの界面が剥離してしまう。
【００６３】
パワーモジュール７はヒートシンクベース裏面に固着し、冷却のためのフィン４はその反対側に立設させているため、熱のかなりの部分は裏面側のヒートシンクベース１からヒートシンクベース付加部材８を通ってフィン４が立設する側のヒートシンクベース１に拡がりながら抜ける必要がある。このとき、界面に空間があると熱が遮断されてしまい、所望の熱特性が得られなくなる。とくに界面の状態は外観からの判定が難しく、品質上大きな問題であった。界面を強固に固着するにはヒートシンクベース付加部材８の表面に亜鉛等のメッキをすることが効果的であるが、メッキのためのコストが必要となるため、安価な方法が望まれていた。
【００６４】
本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に裏面から表面側へ貫通穴（穴の側壁を８ｃとして示す。）を形成しているため、フィン４が立設している表面側のヒートシンクベース１と裏面側のヒートシンクベース１がこの貫通穴を通じて一体化されており、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８が密着でき、しかも、熱の流れが妨げられない。とくに貫通穴（８ｃ）には溶融アルミが詰まるため、この部分の冷却時における初期温度と冷却後の温度の差は、ヒートシンクベース付加部材８における温度差の約２倍以上となり、その結果、収縮量が大きく常にヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８の界面に圧縮応力が働く構造となる。なお、穴の数はヒートシンクベース１の面積に応じて適宜形成すればよい。また、穴の大きさはヒートシンクベース付加部材８の板厚の２倍程度までが裏面側の平面度を確保するためには好ましい。尚、これ以上の大きさになると、収縮力でひずみが発生する。
【００６５】
実施の形態７．
図１０は実施の形態７によるヒートシンク、及びそれに隣接するパワーモジュールについて説明するための断面模式図である。
【００６６】
本実施の形態においては、ヒートシンクベース付加部材８に凹部８ｄを形成し、かつ、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８にねじ穴１１を加工したものであるが、凹部８ｄを形成することによってヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８の密着性を向上させるとともに、ねじ穴１１を用いてねじ止めすることで、パワーモジュール７とヒートシンクベース１に挟まれたヒートシンクベース付加部材８を、パワーモジュール７とヒートシンクベース１に機械的に勘合させることができるという効果がある。
【００６７】
その結果、ダイカスト後の冷却時の温度差に起因するせん断応力でヒートシンクベース付加部材８とヒートシンクベース１が剥離するのを防ぐ。
【００６８】
また、ヒートシンクベース１とヒートシンクベース付加部材８が一体化できるため、繰り返し使用した場合でも、温度サイクルでヒートシンクベース付加部材８が剥離してしまうことがなく、信頼性が確保できる。
【００６９】
尚、上記実施の形態１乃至７においてはフィンをそれぞれ複数備えていたが、渦巻き形状等にするとで、複数とせずに単一のものとしても良いことは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
この発明に係るヒートシンクは、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、被冷却体の発熱を効率よく逃がすことができる。さらに、複数の冷却部を結んだ領域にヒートシンクベース部材を挿入するので、ダイカスト時においてヒートシンクベースの収縮量をヒートシンクベース付加部材が抑制し、ヒートシンクベースを金型から容易に離型できる。
【００７４】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースに密着する凹凸を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースとの密着性が高まり、熱伝導性を向上することができる。
【００７５】
又、被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材とを備え、上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ複数の貫通穴を有し、上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であるので、ヒートシンクベース付加部材とヒートシンクベースとの密着性が高まり、熱伝導性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１を表す模式図である。
【図２】 実施の形態１の効果を表す模式図である。
【図３】 実施の形態２を表す模式図である。
【図４】 実施の形態２の効果を表す模式図である。
【図５】 実施の形態３を表す模式図である。
【図６】 実施の形態４を表す模式図である。
【図７】 実施の形態５を表す模式図である。
【図８】 実施の形態５の他の例を表す模式図である。
【図９】 実施の形態６を表す模式図である。
【図１０】 実施の形態７を表す模式図である。
【図１１】 従来例を表す模式図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンクベース、 １ａ 凹部、 ２、２ａ、２ｂ モータ、
３、３ａ、３ｂ ファン、 ４、４ａ、４ｂ フィン、
５、５ａ、５ｂ 冷却部、 ６ ヒートシンク、
７ パワーモジュール、 ８ ヒートシンクベース付加部材、
８ａ 突起、 ８ｂ 凹凸、 ８ｃ 貫通穴の側壁、 ８ｄ 凹部、
９、９ａ、９ｂ 空間、 １０ 引け巣、 １１ ねじ穴。
Claims (6)
- 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、
それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備え、
上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であること
を特徴とするヒートシンク。 - 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備え、
上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ上記ヒートシンクベースに密着する凹凸を有し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であること
を特徴とするヒートシンク。 - 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備え、
上記ヒートシンクベース付加部材は、鋳ぐるみ中子として上記ヒートシンクベースに、表面の一部分が露出するように鋳ぐるまれ、かつ複数の貫通穴を有し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であること
を特徴とするヒートシンク。 - 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に配置された複数の冷却部と、
それぞれの上記冷却部に立設された複数のフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備えるヒートシンクの製造方法において、
上記ヒートシンクベース付加部材を鋳ぐるみ中子とし、
上記ヒートシンクベース付加部材が上記ヒートシンクベースの被冷却体が接する冷却部の領域からこの冷却部とは相隣する冷却部の領域まで延在し、かつ表面から上記ヒートシンクベース付加部材の表面の一部分が露出するように、上記ヒートシンクベースをダイカストにて形成し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる 部分であること
を特徴とするヒートシンクの製造方法。 - 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備えるヒートシンクの製造方法において、
上記ヒートシンクベース付加部材を鋳ぐるみ中子とし、
上記ヒートシンクベース付加部材が有する凹凸が上記ヒートシンクベースに密着し、かつ表面から上記ヒートシンクベース付加部材の表面の一部分が露出するように、上記ヒートシンクベースをダイカストにて形成し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であること
を特徴とするヒートシンクの製造方法。 - 被冷却体と裏面において接するヒートシンクベースと、
上記ヒートシンクベースの表面に立設されたフィンと、
上記ヒートシンクベースの内部に設けられ、上記ヒートシンクベース及びフィンよりも熱伝導性の良好な材料で形成されたヒートシンクベース付加部材と
を備えるヒートシンクの製造方法において、
上記ヒートシンクベース付加部材を鋳ぐるみ中子とし、
上記ヒートシンクベース付加部材が有する複数の貫通穴を通じて上記ヒートシンクベースの表面側と裏面側が一体化し、かつ表面から上記ヒートシンクベース付加部材の表面の一部分が露出するように、上記ヒートシンクベースをダイカストにて形成し、
上記露出する部分は上記被冷却体と上記ヒートシンクベースとが接する部分とは異なる部分であること
を特徴とするヒートシンクの製造方法。
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