JP6045381B2 - ヒートシンクの製造方法及びヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を光源とする照明等の発熱部材が取り付けられるヒートシンクの製造方法及びヒートシンクに関する。

近年、ＬＥＤ素子等の発光素子を光源とする照明器具が様々な場所で使用されるようになってきている。このような照明器具においては、その使用時に発光素子から発生する熱を放熱するためにヒートシンクが備えられている。このようなヒートシンクのうち、例えば特許文献１又は特許文献２に記載される車両用ヘッドライトに用いられるヒートシンクは、アルミダイカストによって形成されていた。しかし、アルミダイカストを用いると、コストや重量が増加することが問題であった。

そこで、特許文献３では、ヒートシンクをアルミニウム板で形成することが開示されている。この場合、アルミニウム板を圧延、熱間押出等により、比較的容易に製造できることが記載されている。また、アルミダイカストを用いた場合と比べて、コストを低減できるとともに、軽量化することが可能となる。

特許第４５９５７８１号公報 特許第４６４０９６２号公報 特開２０１２‐２１６５３８号公報

ところが、特許文献１から３に記載されるように、車両用のヘッドライド等の照明器具では、発光素子やヒートシンクが、空気の対流が殆ど生じることがない閉鎖された空間（密閉空間）内に配置されることから、ヒートシンクによる十分な放熱性能が得られ難いことが問題であった。このため、ヒートシンクには、さらなる放熱性能の向上が求められている。
また、ヒートシンクの放熱性能の向上のために、特許文献３に記載されるようなアルミニウム板で形成されたヒートシンクの表面に別部品のフィンを取り付けることも考えられる。しかし、この場合には、ヒートシンク表面とフィンとの設置面で熱抵抗が生じることから放熱が阻害されて効果が得られ難いことや、コスト及び重量が増加することが懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、コストの低減および軽量化を図ることができ、放熱性能を良好に維持することができるヒートシンクの製造方法及びヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材によりヒートシンクを製造する方法であり、前記板状部材を押出成形により形成する押出工程と、該押出工程後に前記板状部材の一部を厚さ方向に押圧して該板状部材から立設するピン状フィンを一体に成形する鍛造工程とを備え、前記押出工程において前記ピン状フィンが立設される前記板状部材の一部に厚肉部を形成しておき、前記鍛造工程において前記厚肉部の周囲の少なくとも一部を厚さ方向に加圧して前記厚肉部とその周辺部との間で面方向の材料流動を抑制した状態で前記厚肉部を押圧することにより前記ピン状フィンを形成することを特徴とする。

ヒートシンクの板状部材の必要な部分だけに肉増した厚肉部を形成しておくことで、その厚肉部の材料を利用してピン状フィンを形成することができるとともに、板状部材と一体にピン状フィンを形成することができるので、別部材のフィンを接合した場合と比べて、コスト低減及び軽量化を図ることができ、また、放熱性能を良好に維持することができる。
また、厚肉部の周囲の少なくとも一部を厚さ方向に加圧した状態で、その厚肉部を押圧してピン状フィンを成形することにより、成形時に厚肉部とその周辺部との間の材料の流動を制限することができ、材料がピン状フィンの成形型内に流れ易くなることから、ピン状フィンを高く形成することができる。
この場合、板状部材の一部に他の部分よりも薄肉の部分があると、その部分が熱抵抗となって放熱が阻害されることがあるが、本発明においては、ピン状フィンが立設される板状部材の一部に肉増しておくことで、ピン状フィンの成形に使用される材料を確保して板状部材に薄肉部が形成されることを回避している。このため、ピン状フィンを一体に成形しても、板状部材に薄肉部が形成されることがなく、板状部材の厚みを所定値以上に確保することができる。

本発明のヒートシンク製造方法において、前記鍛造工程では、前記厚肉部の側面位置を拘束した状態で行うとよい。
厚肉部の側面を拘束することで、厚肉部周囲の拘束力を高めることができるので、厚肉部から周辺部への材料の流動をより制限でき、ピン状フィンをさらに高く形成することができる。

本発明のヒートシンク製造方法において、前記押出工程において前記厚肉部の両側に、該厚肉部の面方向と直交する方向に曲げた状態に設けられる立壁部を形成しておくとよい。
鍛造工程時において、予め設けられた屈曲部によっても面方向の材料流動が制限される。したがって、厚肉部とその周辺部との間の材料の流動を制限する効果をより一層高めることができる。

本発明のヒートシンク製造方法において、前記押出工程において前記立壁部の屈曲部に、該立壁部の高さを延長するように前記板状部材の表面から突出する凸条部を形成しておくとよい。
凸条部を設けることで、厚肉部とその周辺部との間の材料の流動を制限する効果をより一層高めることができ、ピン状フィンの高さを高く設定することが可能となる。

本発明のヒートシンク製造方法において、前記厚肉部は、前記板状部材の前記ピン状フィンの立設方向とは反対側の面に肉増して設けるとともに、前記ピン状フィンの直下に設けるとよい。
この場合、ピン状フィンを形成する材料をピン状フィンの立設部の直下に設けていることから、これを前方押出によって形成することより、ピン状フィンを比較的小さな加圧力で成形することができる。したがって、プレス装置の最大加工力を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

本発明のヒートシンクは、前記ヒートシンク製造方法により形成されたヒートシンクであり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材の表面の一部に複数のピン状フィンが一体に成形されるとともに、前記ピン状フィンの立設部の厚みがその周辺部の厚みと同じかそれ以上の大きさで形成されていることを特徴とする。
板状部材に薄肉部が設けられておらず、板状部材の厚みを所定値以上に確保しているので、放熱性能を良好に維持することができる。

本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材を用いて、ヒートシンク全体で薄肉部を形成することなくピン状フィンが部分的に立設されたヒートシンクを形成することができる。したがって、コスト低減及び軽量化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持することができる。

本発明の第１実施形態のヒートシンク製造方法により製造されたヒートシンクの斜視図である。 図１に示すヒートシンクの断面図である。 図１に示すヒートシンクの背面を上側とした斜視図である。 押出成形により形成した板状部材の斜視図である。 図４に示す板状部材の縦断面図である。 図５に示す板状部材の要部断面図である。 横溝部を形成した板状部材の斜視図である。 本発明の第１実施形態のヒートシンク製造方法を説明するための成形金型の縦断面図であり、ピン状フィンの成形前の板状部材を配置した状態を示す。 図８に示す成形金型において、上ダイプレートの下降状態を示す。 図９に示す成形金型において、パンチの下降状態を示す。 板状部材の一例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態のヒートシンク製造方法を説明するための成形金型の縦断面図であり、（ａ）がピン状フィンの成形前の状態、（ｂ）がピン状フィン成形後の状態を示す。 本発明の第３実施形態のヒートシンク製造方法を説明するための成形金型の縦断面図であり、ピン状フィンの成形前の状態を示す。 本発明のその他の実施形態のヒートシンクを示す図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明のヒートシンクは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材１の一部に複数のピン状フィン２が一体に形成されてなる。
図１から図３は、第１実施形態のヒートシンクを示しており、このヒートシンク１００の板状部材１は、天板部１１と、天板部１１の両端に接続された立壁部１２，１３と、一方側の立壁部１３に接続された平板部１４とを有し、箱形状の両端部を開放状態とした形状に形成されている。

ヒートシンク１００の天板部１１には、複数のピン状フィン２が一体に成形されている。また、天板部１１には、その表面の周縁部に、立壁部１２，１３の高さを延長するように天板部１１の表面から突出する凸条部１５が形成されている。
ピン状フィン２は、円柱状に形成されており、例えば直径が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、高さが３．０ｍｍ〜２０ｍｍに形成される。そして、各ピン状フィン２は、千鳥配列となるように天板部１１の表面にピッチ２．０ｍｍ〜１０ｍｍで配置されている。
また、ピン状フィン２の立設部１６の厚みｔ１は、その周辺部の厚みｔ０と同じかそれ以上の大きさで形成されている。また、厚みｔ０は、例えば０．５ｍｍ〜５．０ｍｍ程度とされる。
なお、図１から図３に示す符号５は、発光素子を光源とする照明等の発熱部材である。

次に、本発明のヒートシンク製造方法について説明する。
（押出工程）
まず、押出成形により、図４及び図５に示す板状部材１ａを形成する。この際、押出方向に沿って、板状部材１ａの天板部１１、立壁部１２，１３、平板部１４が、接続される各部の面方向と直交する方向に曲げて形成されるとともに、天板部１１に、その表面を肉増した厚肉部１７及び凸条部１５が形成される。また、天板部１１には、厚肉部１７と凸条部１５との間の部分が、板状部材１ａの立壁部１２，１３や平板部１４とほぼ同じ厚みｔ０に設けられ、厚肉部１７と凸条部１５とにより縦溝部１８が形成されている。

（溝加工工程）
次に、板状部材１ａの天板部１１に、図７に示すように、押出方向に間隔を空けて、縦溝部１８と直交する横溝部１９を形成する。横溝部１９は、切削加工やプレス加工により、厚肉部１７及び凸条部１５の一部に加工を施すことにより形成することができる。
そして、これら縦溝部１８及び横溝部１９により厚肉部１７が囲まれた状態とされ、厚肉部１７及び凸条部１５が、天板部１１の表面の横溝部１９で分断され、３つの領域に部分的に形成された構成とされる。

（鍛造工程）
ピン状フィン２を成形するための製造装置はプレス装置により構成され、図８から図１０に示す成形金型６Ａにより、ピン状フィン２が一体に立設された板状部材１（図１から図３参照）を成形するものである。
成形金型６Ａは、固定側が、プレス装置の基台に固定された下ダイプレート６１により構成される。また、可動側が、上ダイプレート６２と、その上ダイプレート６２内にスライド可能に設けられたパンチ６３とにより構成される。
上ダイプレート６２の成形面６２ａには、板状部材１ｂの厚肉部１７の側面１７ａに接触するとともに、縦溝部１８及び横溝部１９と嵌合する凸型部６４が設けられている。また、この成形面６２ａには、板状部材１ｂの表面形状に沿って、凸条部１５と係合する凹型部６５が設けられている。
そして、パンチ６３には、ピン状フィン２を形成するための複数のフィン成形孔部２１が設けられており、各フィン成形孔部２１内には、ノックアウトピン６６が上下移動可能に設けられている。
なお、図示は省略するが、板状部材１ｂの押出方向の両端部１０（図７参照）は、下ダイプレート６１に接触して配置される。

このように構成された成形金型６Ａにおいて、まず図８に示すように、上ダイプレート６２及びパンチ６３を上昇させた状態で、下ダイプレート６１上に板状部材１ｂを装着する。
次に、図９に示すように、上ダイプレート６２を白抜き矢印で示す閉方向に下降させると、下ダイプレート６１と上ダイプレート６２との間に板状部材１ｂの周辺部（縦溝部１８及び横溝部１９）がその厚み方向に挟持されることにより加圧される。この際、上ダイプレート６２の凸型部６４が板状部材１ｂの縦溝部１８及び横溝部１９に嵌合し、厚肉部１７の側面１７ａに接触した状態で配置されるとともに、板状部材１ｂの両端部１０が下ダイプレート６１に接触した状態で配置され、厚肉部１７の四方の側面位置が拘束された状態とされる。

続いて、板状部材１ｂの周辺部を下ダイプレート６１と上ダイプレート６２との間に挟んだ状態で、図１０に示すようにパンチ６３を閉方向に下降させると、パンチ６３が板状部材１ｂの厚肉部１７の上面を押圧し、材料をパンチ６３のフィン成形孔部２１内に流動して、いわゆる後方押出によりピン状フィン２が成形される。
なお、ノックアウトピン６６は、各ピン状フィン２が成形されるとともに、これらピン状フィン２の先端に押されて上方位置に移動する。

このとき、パンチ６３により押圧された材料は、フィン成形孔部２１内だけでなく外方にも流動しようとするが、板状部材１ｂの縦溝部１８及び横溝部１９を下ダイプレート６１と上ダイプレート６２との間で厚さ方向に押圧しているので、材料が厚肉部１７からその周辺部に流出することが抑制される。また、下ダイプレート６１と上ダイプレート６２とを厚肉部１７の四方の側面１７ａに接触させて、厚肉部１７の側面位置を拘束した状態で厚肉部１７を押圧することにより、厚肉部１７の側面１７ａを拘束した状態でピン状フィン２の成形が行われる。これにより、厚肉部１７とその周辺部との間で材料の流動を制限する拘束力を高めることができ、ピン状フィン２を高く形成することができる。

さらに、板状部材１ｂは、厚肉部１７の両側（縦溝部１８の外側）に、天板部１１の面方向と直交する方向に立壁部１２，１３が形成されており、天板部１１と立壁部１２，１３との屈曲部によっても、面方向の材料流動が制限され、厚肉部１７とその周辺部との間の材料の流動を制限する効果をより一層高めることができる。
また、予め天板部１１の表面の周縁部に凸条部１５を設けておくことで、材料の流れが凸条部１５と立壁部１２，１３とで分岐され、凸条部１５によっても立壁部１２，１３への材料の流れが防止される。したがって、ピン状フィン２の成形時に面方向の材料流動が制限され、材料がフィン成形孔部２１内に流れ易くなることから、板状部材１にピン状フィン２を高く形成することが可能となる。

なお、材料がフィン成形孔部２１内に流入する際に、ノックアウトピン６６により背圧がかけられるので、各ピン状フィン２の高さを揃えて成形することができる。

そして、ピン状フィン２の成形後、パンチ６３及び上ダイプレート６２を開方向に移動させて、板状部材１の拘束状態を解除すると、ノックアウトピン６６が下降して初期位置に復帰することにより、ヒートシンク１００が上ダイプレート６２から取り出される。

本発明によれば、ヒートシンク１００の板状部材１ｂの必要な部分だけに肉増した厚肉部１７を形成しておくことで、その厚肉部１７の材料を利用してピン状フィン２を形成することができる。板状部材１と一体にピン状フィン２を形成することができるので、別部材のフィンを接合した場合と比べて、コスト低減及び軽量化を図ることができ、また、放熱性能を良好に維持することができる。
また、厚肉部１７の周囲の少なくとも一部を厚さ方向に加圧した状態で、その厚肉部１７を押圧してピン状フィン２を成形することにより、成形時に厚肉部１７とその周辺部との間の材料の流動を制限することができ、材料がピン状フィン２の成形型内に流れ易くなることから、ピン状フィン２を高く形成することができる。

また、板状部材１の一部に他の部分よりも薄肉の部分があると、その部分が熱抵抗となって放熱が阻害されることがあるが、本発明においては、予めピン状フィン２が立設される板状部材１ｂの一部を肉増して厚肉部１７を設けておくことで、その厚肉部１７によってピン状フィン２の成形に使用される材料を確保することができ、板状部材１に薄肉部が形成されることが回避される。このため、板状部材１の厚みを所定値以上に確保することができるので、放熱性能を良好に維持することができる。

なお、上記実施形態では、板状部材１ｂの押出方向に間隔を空けて縦溝部１８と直交する横溝部１９を設けることにより、厚肉部を３つの領域に分けて小区画の厚肉部１７を形成している。このため、ピン状フィン２の立設部と厚肉部１７の周囲の加圧部とを近い位置に配置することができる。したがって、ピン状フィン２の成形時において厚肉部１７周囲の拘束力を高めることができ、ピン状フィン２を高く形成できるとともに、ピン状フィン２の高さを揃えて形成し易くなる。

また、横溝部１９の加工は、上記実施形態のように、鍛造工程前の溝加工工程で行う他、鍛造工程時に行うこともできる。鍛造工程時に横溝部１９の加工を行う場合、ピン状フィン２成形前において厚肉部１７の周囲を押圧する横溝部１９を形成することができる。そして、形成された横溝部１９と縦溝部１８とを厚み方向に加圧することで、ピン状フィン２の成形時に厚肉部１７とその周辺部との間の材料の流動を制限することができる。

なお、横溝部１９は必ず設けなければならないものではない。例えば図１１に示すように、板状部材１ｃの押出方向の長さが比較的短い場合には、横溝部を設ける必要はなく、板状部材１ｃの押出方向の両端部１０を成形金型（図示略）に接触させた状態で配置するとともに、縦溝部１８を厚み方向に加圧することで、厚肉部１７とその周辺部との材料の流動を制限することができる。

また、上述したように、予め天板部１１の表面の周縁部に凸条部１５を設けておくことで、立壁部１２，１３への材料の流れが防止され、ピン状フィン２を高く形成することができるが、この凸条部１５の高さＨ及び幅Ｗの寸法の大きさを調整することでピン状フィン２の成形高さをより高く形成することができる。
例えば凸条部１５は、図６に示すように、高さＨが板厚ｔ０の１／２倍の大きさに設定され、幅Ｗが板厚ｔ０と同じ大きさに設定されているが、破線で示す凸条部１５ａのように、高さＨを増して板厚ｔ０と同じ大きさ（１倍）に設定した場合は、凸条部１５とした場合よりもピン状フィンを高く成形することができる。また、二点鎖線で示す凸条部１５ｂのように、幅Ｗを増して板厚ｔ０の２倍の大きさに設定した場合も、凸条部１５とした場合よりもピン状フィンを高く成形することができる。そして、凸条部１５を基準とした場合、同じ体積の増加分であっても幅Ｗの方がピン状フィンの成形高さに与える影響が大きく、高さＨを２倍に設定した凸条部１５ａとするより、幅Ｗを２倍に設定した凸条部１５ｂとする方が、よりピン状フィンを高く成形することができる。

さらに、本実施形態においては、図８から図１０に示すように、立壁部１２の先端１２ａと平板部１４の先端１４ａを下ダイプレート６１に接触させて拘束した状態でピン状フィン２の成形を行うことにより、先端１２ａ，１４ａを拘束しない場合と比べてピン状フィン２をより高く成形することができる。しかし、板状部材の形状等によってピン状フィン２成形時の先端の移動を小さくできる場合には、必ずしも先端の拘束をする必要はない。

次に、本発明の第２実施形態のヒートシンク製造方法について説明する。
上記第１実施形態においては、後方押出によりピン状フィン２を成形する構成としたが、第２実施形態では、押出工程において、図１２（ａ）に示す板状部材１ｄのように、天板部１１の厚肉部１７をピン状フィン２の立設方向とは反対側の面（裏面）に肉増しさせて形成する。そして、鍛造工程では、いわゆる前方押出によってピン状フィン２を成形する構成とされる。

この場合、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、成形金型６Ｂの下ダイプレート６１にピン状フィン２を形成するためのフィン成形孔部２１が設けられる。また、立壁部１２，１３と厚肉部１７との間に設けられた縦溝部１８に上ダイプレート６２の凸型部６４を嵌合し、下ダイプレート６１と上ダイプレート６２との間で厚肉部１７の周囲を挟んで厚み方向に加圧した状態で、図１２（ｂ）に示すようにパンチ６３で厚肉部１７を押圧することにより、材料がフィン成形孔部２１内に流動して、ピン状フィン２を成形することができる。

なお、図示は省略するが、板状部材１ｄの押出方向の両端部は、下ダイプレート６１に接触した状態で配置され、下ダイプレート６１により厚肉部１７の四方の側面位置が拘束された状態とされる。これにより、厚肉部１７とその周辺部との間で材料の流動を制限する拘束力を高めることができ、ピン状フィン２を高く形成することができる。
また、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、板状部材１ｄの押出方向に間隔を空けて縦溝部１８と直交する横溝部を形成した構成としてもよい。

図１３は、本発明の第３実施形態のヒートシンク製造方法を説明するものである。
第３実施形態のヒートシンク製造方法も、第２実施形態のヒートシンク製造方法と同様に、前方押出によってピン状フィン２を成形する構成とされる。第３実施形態では、押出工程において、図１３に示す板状部材１ｅのように、厚肉部１７をピン状フィン２が立設される位置の直下に形成する。これにより、鍛造工程においてピン状フィン２を比較的小さな加圧力で成形することができる。したがって、プレス装置の最大加工力を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

また、上記実施形態では、ヒートシンクの片面にピン状フィン２を形成したが、本発明によれば、図１４に示すように、ヒートシンク２００の上下面にピン状フィン２を成形することもできる。

さらに、上記実施形態において形成されたヒートシンクの表面に、酸液又はアルカリ液を用いたエッチング処理やショットブラスト処理、あるいはこれらを組み合わせて表面を粗面化した後にアルマイト処理を施すことにより、ヒートシンク表面積を拡大することができ、放射率を向上させることができる。
また、高熱伝導率の純アルミニウムによりヒートシンクを形成することにより、より一層放熱性能を向上させることができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ピン状フィン２の形状は円柱状に設けたが、台形円錐状や角柱状その他種々のピン形状を採用することができる。また、ピン状フィン２の配列は千鳥配列に限定されるものではなく、正目配列（マトリクス状の配列）にすることや、その他種々の配列を採用することができる。

１，１ａ〜１ｅ 板状部材
２ ピン状フィン
５ 発熱部材
６Ａ〜６Ｃ 成形金型
１０ 端部
１１ 天板部
１２，１３ 立壁部
１２ａ，１４ａ 先端
１４ 平板部
１５ 凸条部
１６ 立設部
１７ 厚肉部
１７ａ 側面
１８ 縦溝部
１９ 横溝部
２１ フィン成形孔部
６１ 下ダイプレート
６２ 上ダイプレート
６３ パンチ
６４ 凸型部
６５ 凹型部
６６ ノックアウトピン
１００，２００ ヒートシンク

Claims (6)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材によりヒートシンクを製造する方法であり、前記板状部材を押出成形により形成する押出工程と、該押出工程後に前記板状部材の一部を厚さ方向に押圧して該板状部材から立設するピン状フィンを一体に成形する鍛造工程とを備え、前記押出工程において前記ピン状フィンが立設される前記板状部材の一部に厚肉部を形成しておき、前記鍛造工程において前記厚肉部の周囲の少なくとも一部を厚さ方向に加圧して前記厚肉部とその周辺部との間で面方向の材料流動を抑制した状態で前記厚肉部を押圧することにより前記ピン状フィンを形成することを特徴とするヒートシンク製造方法。
2. 前記鍛造工程は、前記厚肉部の側面位置を拘束した状態で行うことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク製造方法。
3. 前記押出工程において、前記厚肉部の両側に、該厚肉部の面方向と直交する方向に曲げた状態に設けられる立壁部を形成しておくことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシンク製造方法。
4. 前記押出工程において、前記立壁部の屈曲部に、該立壁部の高さを延長するように前記板状部材の表面から突出する凸条部を形成することを特徴とする請求項３記載のヒートシンク製造方法。
5. 前記押出工程において、前記厚肉部は、前記板状部材の前記ピン状フィンの立設方向とは反対側の面に肉増して設けるとともに、前記ピン状フィンの直下に設けることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートシンク製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートシンク製造方法により形成されたヒートシンクであり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材の表面の一部に複数のピン状フィンが一体に成形されるとともに、前記ピン状フィンの立設部の厚みがその周辺部の厚みと同じかそれ以上の大きさで形成されていることを特徴とするヒートシンク。

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