JP5636326B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、発光ダイオード素子を発光源とする照明装置（ランプ）など各種の機器、装置の使用時において発生する熱を周囲に放熱、冷却するための有用なヒートシンクに関するものである。

発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）素子を発光源（熱源）とする照明は、低消費電力であり且つ長寿命であることから徐々に市場に浸透し始めている。その中でも、近年特に注目を集めているのが、自動車のヘッドライトなどの車載ＬＥＤ照明であり、その車載ＬＥＤ照明を応用してその他の各種照明でもＬＥＤ照明への置き換えが始まっている。

しかしながら、このＬＥＤ照明のＬＥＤ素子は熱に非常に弱く、許容温度を超えると発光効率が低下し、また、その寿命にも影響を及ぼすという問題がある。この問題を解決するためには、ＬＥＤ素子の発光時の熱を周囲に放熱する必要があるため、ＬＥＤ照明には大型のヒートシンクが備えられている。

このヒートシンクとしては、その材料としてダイキャスト製のものが多く採用されており、特許文献１〜４には、それらヒートシンクのうち代表的な構成のヒートシンクが開示されている。これらのヒートシンクは、基本的にはＬＥＤ光源が正面側に配置固定された平板状の基板部と、その基板部の背面側に間隔を置いて突出する複数枚の平行に配置されたフィン部を有した構成のものとなっており、これにより、ＬＥＤ素子の発光時の熱を基板部を介してフィン部に伝導させ、表面積を大きくしたフィン部より熱放射させることにより、放熱性を高めるものである。

しかしながら、これら従来のヒートシンクは、ＬＥＤ光源やリフレクター、それらの支持部材などのＬＥＤ照明用の必要構成部材をハウジングに収容し、これらと一体になった基板部の片側の面にフィン部を設けてハウジングの外側に突出させた形態であり、したがって、平板上の基板部が対面する一部の空間にしか放熱できず、放熱効率が低く、又ハウジングの製作および基板部との接合、設置作業に手間が掛かるなどの問題を有していた。

一方、ＬＥＤ照明用を対象としたものではないが、金属の押出し材を利用して熱源となる物質を外部の冷却空間に放熱させるための箱状のヒートシンクが知られている。
このヒートシンクは、図７に示すように、第１面、第２面及び第３面からなる断面がコ字状の枠状を呈し、それら３面の背面に平行に配置された複数のフィン部を有する３面体を押出しにより２体製造し、第１面Ａ、第２面Ｂ及び第３面Ｃからなる３面体（Ｘ）と、第４面Ｄ、第５面Ｅ及び第６面Ｆからなる同様の３面体（Ｙ）をコ字状の内部を向かい合わせて互いに挿入、嵌合させてボルトで機械的に固定して、６面体の箱状としたものである。
この形状のヒートシンクは押出し材を用いて箱状に組み立てられるものであるため、製作、設置が容易でコストも低いという利点がある。また、先の従来技術に比べ、内部の熱源からの熱を６面の方向から外部の冷却空間に熱を放出することができるため、放熱（冷却）効率の面でも有利である。
しかし、こうした３面体（Ｘ）と（Ｙ）を機械的に固定したものものでは、一体構造でないため、放熱ロスが生じると共に、使用を重ねて行く間の温度変化により上記固定部が変形し、放熱ロスが増大することになり、高い放熱効率を維持するには未だ不十分といわざるを得なかった。

また、この６面体形状のものでは全面基板部で閉鎖される構造であるため透光面を必要とするＬＥＤ照明などの照明用や、設置対象となる機器や装置との関係で開放面が一部必須となる用途のヒートシンクには適用できない。

特開２００７−１７２９３２号公報 特開２００７−１９３９６０号公報 特開２００９−２７７５３５号公報 特開２０１０−２７８３５０号公報

本発明は、上記した従来技術の問題を解消し、金属押出し材の容易な加工により、且つ組み立てを要することなく製作でき、しかも放熱効率の高く優れた丈夫な一体構造のヒートシンクを提供することをその課題としてなされたものである。

請求項１記載の発明は、その背面側に間隔を置いて突出する複数の平行に配置されたフィン部を備えた一体の金属押出し材からなる平板状の基板材及び前記フィン部に切断加工を施すと共に、前記基板材を切断加工した基板部に曲げ加工を施し、少なくとも互いに直交する３面を有する立体形状に加工して構成されたことを特徴とするヒートシンクである。

また、請求項２記載の発明は、前記金属押出し材の金属がＡｌである請求項１に記載のヒートシンクである。

また、請求項３記載の発明は、ＬＥＤ照明用である請求項１又は２に記載のヒートシンクである。

本発明によれば、以下の優れた効果が提供される。
（イ）一体の金属押出し材をからなる構造のヒートシンクであるため、放熱効率が高く、また高い放熱率を維持したまま長期間使用できる。
(ロ）金属押出し材を切断、曲げ加工だけで製作できる。
(ハ）一体の金属押出し材を加工して製作できるため、組立作業が不要である。
(ニ）互いに直交する３面を有する３面体から、この３面のいずれかに平行な面を加えた４〜６面体までの立体形状を含むヒートシンクであるため、その設置対象となる機器や装置の用途、状況に応じた選択が可能であり、汎用性に富む。
（ホ）互いに直交する３面を有する３面体を含む構造であるため、強度が高く、丈夫である。
（ヘ）互いに直交する３面を有する３面体を含む構造であるため、投影面積が大きくなり、放射による放熱性能が高まる。

本発明に係るヒートシンクの立体形状を概念的に示す斜視図である。 図１の立体形状を有するヒートシンクを製作する方法を段階的に説明するための基板材（または基板部）の平面図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明用ヒートシンクの斜視図である。 図３のＺ−Ｚ線断面図である。 図３の実施形態のヒートシンクを製作する方法を段階的説明する基板材（または基板部）の斜視図である。 図３の実施形態のヒートシンクを製作する他の方法を段階的説明する基板材（または基板部）の斜視図である。 従来の箱型状ヒートシンクを説明する斜視図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態などに基づいて更に詳細に説明する。
先ず、本発明に係るヒートシンクの立体形状の概念について図１の斜視図により説明する。この立体形状の例は、金属の押出し材を加工して制作された基板部１がＡ〜Ｆ面の６面から構成された６面体（直方体）の例であり、各Ａ〜Ｆ面の背面側（外側）にはその長さ方向に沿って複数枚のフィン部２が備えられている。なお、図では簡単にするため各面のフィン部２は１枚のみ示し、他のフィン部は省略している。

ここで、本発明において互いに直交する３面とは、互いに隣り合ったＡ面と、Ｂ面とＥ面（Ａ面とＢ面とＦ面、Ａ面とＣ面とＥ面、Ａ面とＣ面とＦ面、Ｂ面とＤ面とＥ面、Ｂ面とＤ面とＦ面、Ｃ面とＤ面とＥ面あるいはＣ面とＤ面とＦ面も同じ）を指し、これら３面はすべて互いに直角に交差している関係にある。従って、本発明のヒートシンクは本例の６面体に限られず、例えばＡ面とＢ面とＥ面のみで構成された３面体でも、これら３面に平行な対面であるＤ面、Ｃ面あるいはＦ面のいずれか１面を加えて構成した４面体でも、さらにこれら対面の２面若しくは３面を加えて構成した５面体あるいは６面体でも良く、要は少なくとも上記直交する３面を有した立体形状であれば本発明の範囲に含まれるものである。

また、本例の６面体は互いに直交する、Ａ面とＢ面とＥ面からなる３面体と、Ｃ面とＤ面とＦ面からなる３面体が組み合わされた箱状構造体と言えるもので、しかも、次述するように、一体の押出し材を加工して制作されるものであるから、ヒートシンクの構造として、同じ６面体である図６に示したものに比べて、強度が高く、丈夫であり、放熱効率に優れる利点を備えるものである。

次に、図１の６面体形状を有したヒートシンクを製作する方法について図２により概説する。図２は、ヒートシンクの製作素材であるフィン部材２Ｓを有する基板材１Ｓ、またこのフィン部材２Ｓから制作されたフィン部２を有する基板部１の平面図である。
ここにおいて、まず、金属の厚板材を押出し加工により、図２（a）に示すように、製作素材となる、複数（図では一枚のみで他は省略）のフィン部材２Ｓを備えた矩形を有する平板状の基板材１Ｓすなわち一体の押出し材を製造する。
フィン部材２Ｓは、その長さが図では基板材１Ｓの長さに一致する帯板状で、その幅方向に間隔を置いて平行に配置されたものである。

適用される金属（その合金を含む）としては特に限定するものではないが、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高いものがよく、特にこの熱伝導率と加工性並びに機械的強度にも優れ、軽量化にも対応できるＪＩＳ５０００系のアルミニウム合金などが好適である。

次いで、押出し加工により製造された矩形の基板材１Ｓを切断加工により、図２（b）の斜線部に示す部分（面）を切り取り、残った部分がフィン部２を備えた基板部１となる。

切断後の基板部１を図２（ｃ）に示すＡ面とＣ面の境界の破線、またＡ面とＢ面の境界の破線に沿ってそれぞれフィン部２と反対側の方向（図では紙面の方向）に直角に曲げ加工を行う。そして、直角に曲げられたＢ、Ｄ面をさらに両面の境界の破線に沿ってフィン部２と反対側の方向に直角に曲げ加工を加える。最後にＡ面とＥ面の境界、及びＡ面とＦ面境界のフィン部２にその根基部近傍まで高さ方向の切り込みを入れた後、それぞれ両面の境界の破線に沿って同様にフィン部２と反対側の方向に直角に曲げ加工を施す。なお、この曲げ加工における角度は、直角といっても厳密に９０度でなくとも数度の範囲での変動は許容されるものである。

この曲げ加工により、６面体の最終的な立体形状が出来上がることになる。さらに、６面体のＢ、Ｃ面とＥ、Ｆ面、Ｄ面とＣ、Ｅ、Ｆ面の各接合部（接合辺）を溶接などの固着手段により固着安定化させ、ヒートシンクの製作が完了する。

前記曲げ加工に当たってフィン部２に事前に切り込みを入れるのは、Ａ面とＥ面及びＡ面とＦ面にはフィン部２が連続して形成されており、その長さ方向に対して直角に曲げることになり、フィン部のリブ作用により曲げ加工が困難となるからである。曲げの中心線となるＡ面とＥ面の境界位置でフィンに切り込みを入れると、その部分のフィン部がなくなり、不連続となるので、容易に直角曲げが可能となる。なお、これらの曲げ加工は上記した順番で行う必要はなく、適宜変更しても構わない。

このようにして、押出し加工及び押出し加工により得られた一体の押出し材に切断（フィンの切り込みを含む）及び曲げ加工を行うことにより、比較的簡単に図１に示した６面体の立体形状を有するヒートシンクを製作することが可能となる。図２（c）のＡ〜Ｆ面は図１のＡ〜Ｆ面に対応することは言うまでもない。

なお、上述した６面体の製作方法は図１の立体形状の展開図の一例である図２（c）に基づいたもので、押出し材の歩留まり（切断よる除去量が少ないこと）や切り込み回数などの観点から好ましいといえるが、同じ６面体でも多数の展開図があり、これらの展開図に基づいて適宜他の方法により製作しても良い。

次に、ＬＥＤ照明用のヒートシンクの実施形態についてその製作方法を含めて図３〜５により説明する。
図３は本実施形態に係るヒートシンクの斜視図、図４は図３のＺ―Ｚ線断面図である。 ここにおいて、本ヒートシンクは図のように、全体がＡｌ合金の押出し材からなり、基板部の断面が倒伏コ字状を呈した箱部であって、この右側面である第１面、前面である第２面、上面である第３面、左側面である第４面で構成された４面体である。第１面と第２面と第３面、及び第２面と第３面と第４面はそれぞれ互いに直交している。基板部の背面側に、間隔を置いてその長さ方向に沿い、突出する並行に配置されたフィン部を備えており、その第１面及び第４面には２枚、第３面には３枚、第２面には３枚がそれぞれ設けられている。ＬＥＤの発光源（熱源）が第３面の内側中央に設置されている。

また、第３面に対面する解放面には発光源からの光を矢印方向に透過して照明を行うための透過ガラスからなる蓋部が配設されている。照明の際に発光源として熱源から生成した熱は、これを箱部で取り囲んだ基板部を介して伝導し、その第１〜４面のフィン部を介して外部空間に効率よく放熱されることになる。

かかるＬＥＤ照明用ヒートシンクの製作方法について図５に基づいて以下に述べる。
まず、アルミ合金の厚板材を押出し加工によって、図５（a）に示すようにフィン部材２Ｓを備えた矩形を有する平板状の基板材１Ｓを製造する。フィン部材２Ｓは基板材１Ｓにその長さが一致する帯板状を有し、同基板材の幅方向に間隔を置いて合計７枚が平行配置されたものである。この基板材１Ｓは以下に施される切断や曲げ加工に関係して、その長さ方向に２枚のフィン部材２Ｓを有する両側の側部Ｐ１、Ｐ４と、３枚のフィン部材２Ｓを有する中央部Ｐ２に分けられる。

次に、このフィン部材２Ｓを備えた矩形、平板状の基板材１Ｓの両側の側部Ｐ１、Ｐ４の一部すなわち前面側の部分を中央部Ｐ２を残してそれぞれ切断して取除き、図５（ｂ）に示す如く、３枚のフィン部材２Ｓを有する中央部Ｐ２が相対的に前方に突出（前側突出部Ｐ２１）した状態の形状に加工する。

そして、基板材として残っている両側部Ｐ１、Ｐ４の部分を図５（ｂ）の矢印のように、中央部Ｐ２との境界線を中心に下方側（フィン部材を有する側とは反対側）に直角に曲げ加工する。図５（ｃ）はこの曲げ加工後の基板材１Ｓの形状を示している。

次いで、図５（ｃ）の如く、中央部Ｐ２の前側突出部Ｐ２１と後部Ｐ２２の境界において３枚のフィン材１Ｓをそれぞれ同フィン材の根元部すなわち基板材の底部に至る切り込みＫを入れる。さらにこの後に、前側突出部Ｐ２１をこの切り込みＫが入った底部の境界線を中心にして矢印のように下向きに直角に曲げ加工を行なう。

このようにして、前記Ｐ１の面が第１面、Ｐ４の面が第４面、Ｐ２におけるＰ２１の面が第２面、及びＰ２におけるＰ２２の面が第３面にそれぞれ対応した図３及び図４に示した４面体からなる立体形状を得ることができる。そして、第２面と、第１面及び第４面との接合部（接合辺）を溶接により固着し、最終的にヒートシンクとしての製作が完了する。

この後、第３面の内側中央にＬＥＤ発光源（熱源）を設置し、第３面の対向する面に透過ガラスからなる蓋部を配設することにより、ＬＥＤ照明用（照明ランプ、照明装置）として使用することができる。

なお上述した加工工程以外にも、図６の(a)(b)(c)に示すように、第１面、第２面、第３面が互いに直交した略コの字の断面の基板部に、各基板部の背面にはその長さ方向に沿って複数のフィン部が備えられた部材を一体であらかじめ押出加工し、その第１面と第３面の一部を切断した上で、上述と同様の切り込み加工と第２面の曲げ加工を行なうことで図３、４と同様のヒートシンクを得ることもできる。

以上、本発明の実施形態としてＬＥＤ照明用のヒートシンクを挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、インバーターなどの電気機器や冷却装置など、熱源から発生する熱を周囲に放熱（冷却）することが必要な各種の機器、装置のヒートシンクとして広く、利用することができる。

１： 基板部
１Ｓ：基板部
２ ：フィン部
２Ｓ：フィン部材
Ａ〜Ｆ：基板部の面
Ｐ１ ：両側部
Ｐ１ ：中央部
Ｐ２１：前側突出部
Ｐ２２：後部

Claims (3)

1. その背面側に間隔を置いて突出する複数の平行に配置されたフィン部を備えた一体の金属押出し材からなる平板状の基板材及び前記フィン部に切断加工を施すと共に、前記基板材を切断加工した基板部に曲げ加工を施し、少なくとも互いに直交する３面を有する立体形状に加工して構成されたことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記金属押出し材の金属がＡｌである請求項１に記載のヒートシンク。
3. ＬＥＤ照明用である請求項１又は２に記載のヒートシンク。

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