JP6419513B2

JP6419513B2 - 伝熱ばね

Info

Publication number: JP6419513B2
Application number: JP2014201452A
Authority: JP
Inventors: 秀雅伊藤; 潤冨永
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016070408A

Description

本発明は、発熱対象と放熱部材との間に介在し、発熱対象が発した熱を放熱部材に伝える伝熱ばねに関する。

従来、自動車分野や精密機器産業分野において、構成部品には、高い放熱性や、高温環境下における耐久性、振動に対する追従性が求められている。構成部品が高い放熱性を有するためには、発熱部材と冷却部材との間に高い熱伝導性を有する伝熱ばねを使用する必要があった。他方、発熱部材で発生する振動を放熱部材などの部材に伝えないようにするためには、発生した振動に伝熱ばねが追従する必要があった。

上述した要求を満たす伝熱ばねとして、熱伝導性を有する金属を用いて形成され、突起体を有する金属板が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１によれば、金属板を半導体チップと外装キャップとの間に配置することで、半導体チップが発した熱を外装キャップに伝えて、外装キャップにより外部に熱を放出する。また、熱により発生した応力や、発熱部材と冷却部材との間で生じた振動が加わった場合であっても突起体の弾性変形により吸収することができる。

特開平１０−３０３３４０号公報

しかしながら、熱伝導性を高めるために接触対象に対する突起体の接触面を大きくすると弾性変形して作用する部位が小さくなる。一方で、振動追従性を高めるために弾性変形して作用する部位を大きくすると接触面が小さくなって接触熱抵抗が大きくなる。このように、伝熱ばねにおいて熱伝導性と振動追従性とを両立させることは難しかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱伝導性および振動追従性に優れた伝熱ばねを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる伝熱ばねは、略帯状の部材を用いて形成され、一端が第１の曲率半径で湾曲してなる基端部と、他端が前記一端に対して逆の湾曲態様、かつ第２の曲率半径で湾曲してなる先端部とを有し、該基端部および該先端部で接触対象とそれぞれ接触する接触部と、前記基端部を保持する平板状の保持部と、を備え、前記第１および第２の曲率半径は、各々の接触対象に対する接触熱抵抗に応じて定まる値を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる伝熱ばねは、上記の発明において、前記第１および第２の曲率半径は、曲率半径と接触熱抵抗との関係を示す曲線の極値または該極値の近傍領域の値に応じてそれぞれ定まることを特徴とする。

また、本発明にかかる伝熱ばねは、上記の発明において、前記接触部は、前記連結部の主面と直交する方向からみて矩形をなすことを特徴とする。

また、本発明にかかる伝熱ばねは、上記の発明において、前記第１および第２の曲率半径は、同一であることを特徴とする。

また、本発明にかかる伝熱ばねは、上記の発明において、複数の前記接触部を備え、前記保持部は、マトリックス状に設けられた複数の開口部を有し、前記開口部は、複数の前記接触部の各基端部を保持することを特徴とする。

本発明によれば、優れた熱伝導性および振動追従性を有する伝熱ばねを実現することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの構成を模式的に示す側面図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を示す側面図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を模式的に示す部分断面図であって、外部から荷重が加わった場合を説明する図である。図５は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねにおける接触部の湾曲形状に対する接触面圧および接触面積をそれぞれ示すグラフである。図６は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねにおける接触部の湾曲形状に対する接触熱抵抗および接触面積をそれぞれ示すグラフである。図７は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの製造方法の一例を説明する図である。図８は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの製造方法の一例を説明する図である。図９は、本発明の実施の形態の変形例１にかかる伝熱ばねの構成を示す平面図である。図１０は、本発明の実施の形態の変形例２にかかる伝熱ばねの構成を示す斜視図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、伝熱ばねについて説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの構成を模式的に示す側面図である。本発明の実施の形態１にかかる伝熱ばね１は、対向する発熱部材と放熱部材との間に配置される。伝熱ばね１は、弾性力により、発熱部材と放熱部材との双方に対して圧力を加えるとともに、発熱部材が発した熱を放熱部材に伝達する。伝熱ばね１は、弾性特性を有する材料、例えば銅系の合金（例えばコルソン系銅合金）などからなる平板状の部材を用いて形成される。

伝熱ばね１は、マトリックス状に設けられた開口部１０ａを有する平板状の枠部１０と、枠部１０の開口部１０ａの内周面から枠部１０に対して立ち上がる方向に帯状をなして延在し、接触対象と接触する接触部１１とを備える。枠部１０は、複数の接触部１１を所定の配列で保持する保持部としての機能を有する。

図２は、本実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を示す平面図である。図３は、本実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を示す側面図であって、伝熱ばねを放熱部材上に載置した状態を示す図である。接触部１１が枠部１０に対して延在する側を枠部１０の上方とするとき、接触部１１は枠部１０の表面に対して下に凸な曲面をなす基端部１１ａと、枠部１０の表面に対して上に凸な曲面をなし、接触対象と接触する先端部１１ｂとを有する。接触部１１は、上方からみた投影形状が矩形をなす。基端部１１ａおよび先端部１１ｂは、それぞれ所定の曲率半径（第１および第２の曲率半径）で互いに逆向きの湾曲態様に湾曲した形状をなしている。なお、本実施の形態１における基端部１１ａおよび先端部１１ｂの曲率半径とは、曲率半径が最も小さくなる部位（例えば凸の頭頂部や凹の底部）における曲率半径のことをさす。

伝熱ばね１は、図３に示すように、枠部１０を放熱部材１００上に配置し、反対側から発熱部材１０１を配置する。この際、接触部１１の両端が、放熱部材１００および発熱部材１０１とそれぞれ接触する。具体的には、基端部１１ａが放熱部材１００と接触し、先端部１１ｂが発熱部材１０１と接触する。

図４は、本発明の実施の形態にかかる伝熱ばねの要部の構成を模式的に示す部分断面図であって、外部から荷重が加わった場合を説明する図である。なお、図４では、先端部１１ｂに荷重が加わっていない状態の接触部１１の形状を破線Ｑで示している。伝熱部ばね１は、放熱部材１００と発熱部材１０１との間に配置されると、基端部１１ａが放熱部材１００と接触し、先端部１１ｂが発熱部材１０１と接触する。放熱部材１００と発熱部材１０１との間の距離を小さくしていくと、伝熱ばね１に荷重が加わり始める。伝熱ばね１に荷重が加わり始めると、接触部１１は枠部１０に対して徐々に寝ていく一方、枠部１０のうち基端部１１ａに連なる部分が放熱部材１００の表面から離間してせり上がっていく。

続いて、伝熱ばね１と、放熱部材１００または発熱部材１０１との間に生じる接触熱抵抗について説明する。伝熱ばね１と放熱部材１００または発熱部材１０１との間の熱伝導を高効率とするためには、両者の間に生じる接触熱抵抗を小さくすることが好ましい。

接触面積を一定とした場合の接触熱抵抗Ｒ_ｃ（ｍ^２Ｋ／Ｗ）は、下式（１）、（２）により得ることができる（日本機械学会論文集（Ａ集）、７６巻、７６３号（２０１０−３）、論文Ｎｏ．０９−０５６９（ｐ．３４４−３５０）参照）。
接触熱抵抗Ｒ_ｃは、下式（１）に基づいて求めることができる。

ここで、ｈ_ｃ：接触熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）であり、下式（２）に基づいて求めることができる。

ここで、Ｐ：接触面圧（ＭＰａ）、λ：材料の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｈｖ：材料のビッカース硬度、Ｒａ：接触面の中心線平均粗さ（μｍ）、ｃ_１，ｃ_２，ｃ_３：定数。
式（２）において、右辺の第１項は高温側部材（例えば発熱部材）に関する項であり、第２項は低温側部材（例えば伝熱ばね）に関する項である。

式（１）および式（２）により求まる接触熱抵抗Ｒ_ｃを求めることで、単位面積あたりの接触熱抵抗Ｒ_ｃｕは、下式（３）に基づいて得ることができる。

ここで、Ａ_ｃ：接触面積、Ａ_ｓｐ：接触面と直交する方向からみた伝熱ばねの投影面積。

図５は、本実施の形態にかかる伝熱ばねにおける接触部の湾曲形状に対する接触面圧および接触面積をそれぞれ示すグラフである。図５に示すグラフは、接触部１１に対して同一の荷重を加えた場合の接触熱抵抗および接触面積をそれぞれ示し、具体的には接触部１１一つ当たりの板幅が４．０ｍｍ、ばね長（基端部１１ａから先端部１１ｂまでの板面に沿った長さ）が２．５ｍｍ、加えた荷重が１．４Ｎである場合を一例として示している。上述したように、接触対象の接触面が平面をなす場合は、接触部１１の曲率半径（ｒ）が大きくなると、接触部１１と接触対象との接触面積は大きくなる。これに対し、接触部１１の曲率半径（ｒ）が大きくなると、接触部１１が接触対象に加える接触面圧は小さくなる。

図６は、本実施の形態にかかる伝熱ばねにおける接触部の湾曲形状に対する単位面積あたりの接触熱抵抗および接触面積をそれぞれ示すグラフである。図６に示すグラフは、接触部１１に対して同一の荷重を加えた場合の接触熱抵抗および接触面積をそれぞれ示す。接触部１１の寸法や加えた荷重は、図５のグラフと同一である。例えば、接触対象の接触面が平面をなす場合、接触部１１（基端部１１ａまたは先端部１１ｂ）の曲率半径（ｒ）が大きくなると、接触部１１と接触対象との接触面積は大きくなる。これに対し、接触部１１と接触対象との間の単位面積あたりの接触熱抵抗は、接触部１１（基端部１１ａまたは先端部１１ｂ）の曲率半径（ｒ）に対する曲線が放物線をなす。

接触部１１（基端部１１ａまたは先端部１１ｂ）の曲率半径（ｒ）に対する単位面積あたりの接触熱抵抗は、極値を有する。図６に示すグラフでは、ｒ（ｍｍ）が１．５ｍｍ前後で極値を有する。このようにして求まる極値や極値近傍のｒの値を接触部１１（基端部１１ａまたは先端部１１ｂ）の曲率半径に設定することで、接触熱抵抗を低減した接触部１１を形成することができる。

例えば、接触部１１の曲率半径は、極値に対応するｒであってもよいし、極値を含み、該極値の５％以内の範囲を許容範囲とし、基端部１１ａおよび先端部１１ｂの湾曲形状の形成における設計上の公差（例えば、極値に対応するｒを曲率半径とした際の公差）により生じる曲率半径（ｒ）の範囲（ばらつき）を含むものであってもよい。なお、基端部１１ａおよび先端部１１ｂの湾曲形状（第１および第２の曲率半径）は、同じであってもよいし、異なるものであってもよい。基端部１１ａおよび先端部１１ｂの湾曲形状は、接触対象に応じて任意に設計することができる。

次に、本実施の形態にかかる伝熱ばねの製造方法の一例を、図面を参照して説明する。図７は、本実施の形態にかかる伝熱ばねの製造方法の一例を説明する図である。例えば、コルソン系銅合金からなる帯状の母材２００に対し、複数のスリット２０１を形成する（図７参照）。スリット２０１は、平面視で略Ｍ字状をなす中空空間を形成する。スリット２０１により、枠部２０２が形成されるとともに、該枠部２０２から矩形をなして延びる第１舌片部２０３および第２舌片部２０４が形成される。

第１舌片部２０３および第２舌片部２０４の形成後、該第１舌片部２０３および第２舌片部２０４対して、枠部に連なる側の端部と、枠部２０２に連なる側と異なる側の端部と、をそれぞれ所定の曲率半径となるように湾曲させることにより、上述した接触部１１を形成する。この曲率半径は、上述した接触熱抵抗や、接触面圧に基づいて設定される。

このように、スリット２０１を形成し、スリット２０１の形成によって生成された第１舌片部２０３および第２舌片部２０４を湾曲させることにより、上述した枠部１０と接触部１１とを有する伝熱ばね１を作製することができる。なお、スリット２０１は、平面視で略Ｍ字状をなし、開口部が二つの舌片部を有するものとして説明したが、開口部が一つの舌片部を有するものであってもよいし、三つ以上の舌片部を有するものであってもよい。

図８は、本実施の形態にかかる伝熱ばねの製造方法の一例を説明する図である。スリット２０１の形成幅（ｄ１〜ｄ４）は、設計上可能な範囲で小さいことが枠部２０２の剛性の観点から好ましい。また、スリット２０１の形成間隔は、第１舌片部２０３および第２舌片部２０４を湾曲させた際に、枠部２０２が変形しない程度に小さいことが、伝熱ばね１の小型化の観点で好ましい。上述したように、Ｍ字状をなすスリット２０１により二つの接触部１１（第１舌片部２０３および第２舌片部２０４）を形成できるため、一つ一つの接触部１１が枠部１０に囲まれる場合と比して伝熱ばね１を小型化することができる。

上述した実施の形態によれば、伝熱ばね１において、接触熱抵抗や、接触面圧に応じて定まる曲率半径（ｒ）を有する湾曲形状をなす接触部１１を形成するようにしたので、熱伝導性と振動追従性とに優れるという効果を奏する。

また、上述した実施の形態によれば、接触部１１が、矩形をなして延びる舌片部を湾曲して形成するようにしたので、先細な形状、例えば錘状をなす舌片部を湾曲させて接触部を形成する場合と比して熱の伝達効率が高い。一般的に、舌片部を湾曲させて接触部を形成するような場合には、先細な形状に成形した舌片部を湾曲させるが、本実施の形態のように、矩形をなす舌片部をもとに接触部を形成することで、一層効率的な熱伝達を行うことができる。

従来用いられる伝熱部材として伝熱グリスや伝熱シートが挙げられるが、導体熱抵抗の観点から伝熱グリスや伝熱シートの厚みを薄くすると、振動に対する追従性が低下する。これに対し、伝熱グリスにおいて、振動に対する追従性の観点から伝熱部材の厚みを厚くする場合は、厚み調整が困難であるために熱抵抗の管理が難しい。また、放熱シートにおいて、振動に対する追従性の観点から伝熱部材の厚みを厚くする場合は、導体熱抵抗低減のために高熱伝導性フィラーを多く含有させる必要があり、該高熱伝導性フィラーにより硬くなって振動に対する追従性を高めることができない。これに対し、本実施の形態にかかる伝熱ばねは、上述した構成を有することで、高い熱伝導性と高い振動追従性とを両立させることができる。

なお、上述した実施の形態において、各接触部１１は、同一の形状をなすものであってもよいし、大きさや湾曲態様が異なるものであってもよい。荷重の加え方などにより、適宜設計することが好ましい。なお、同一の形状とは、設計上同一の形状をなすものであり、製造上の誤差を含む。

また、上述した実施の形態では、複数の接触部１１を有するものとして説明したが、矩形の平板状をなし、矩形の開口を有する枠部と、枠部の開口の一部から延びる一つの接触部（接触部１１）と、を有する伝熱ばねとしてもよい。この場合も、接触部の曲率半径（第１および第２の曲率半径）は、上述したように各々接触熱抵抗や接触面圧に応じて定められる。

（実施の形態の変形例１）
図９は、本実施の形態の変形例１にかかる伝熱ばねの構成を示す平面図である。上述した実施の形態では、接触部１１が矩形の舌片部を湾曲させてなるものとして説明したが、本変形例１にかかる伝熱ばね１ａの接触部１２のように、台形の舌片部を湾曲させてなるものであってもよい。接触部１２は、上方からみた投影形状が台形状をなし、枠部１０から先端に向けて延伸方向と直交する方向の長さ（幅）が大きくなっている。

（実施の形態の変形例２）
図１０は、本実施の形態の変形例２にかかる伝熱ばねの構成を示す斜視図である。上述した実施の形態では、接触部１１が平板状の舌片部を湾曲させてなるものとして説明したが、本変形例２にかかる伝熱ばね１ｂの接触部１３のように、板厚方向に貫通する貫通孔１３ａが形成されるものであってもよい。換言すれば、図１等に示す伝熱ばね１の各接触部１１に貫通孔１３ａを形成してもよい。貫通孔１３ａを形成することにより、接触部１３の剛性が低下するため、接触面圧を低下させることができる。例えば、接触部１１の高さを変えずに接触面圧を変える場合や、部分的に接触部１１の接触面圧を変える（一部の接触部１１の剛性を変える）場合などに有効である。

以上のように、本発明にかかる伝熱ばねは、優れた熱伝導性および振動追従性を有する伝熱ばねを得ることに好適である。

１，１ａ，１ｂ伝熱ばね
１０，２０２枠部
１１，１２，１３接触部
１１ａ基端部
１１ｂ先端部
１３ａ貫通孔
２０１スリット
２０３第１舌片部
２０４第２舌片部

Claims

略帯状の部材を用いて形成され、一端が第１の曲率半径で湾曲してなる基端部と、他端が前記一端に対して逆の湾曲態様、かつ第２の曲率半径で湾曲してなる先端部とを有し、該基端部および該先端部で接触対象とそれぞれ接触する接触部と、
前記基端部を保持する平板状の保持部と、
を備え、
前記第１および第２の曲率半径は、曲率半径と接触熱抵抗との関係を示す放物線の極値または該極値の５％以内の範囲に応じてそれぞれ定まる値を有する
ことを特徴とする伝熱ばね。
前記接触部は、前記保持部の表面と直交する方向からみて矩形をなすことを特徴とする請求項１に記載の伝熱ばね。
前記第１および第２の曲率半径は、同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱ばね。
複数の前記接触部を備え、
前記保持部は、マトリックス状に設けられた複数の開口部を有し、
前記開口部は、複数の前記接触部の基端部を保持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の伝熱ばね。