JP6671227B2 - ヒートシンクの製造方法 - Google Patents
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そこで、このような問題を解決したヒートシンクとして、放熱フィンとベース板を一体成形せずに、ダイキャストによりベース板を成形する際に、予め配列した複数の放熱フィンの端部を鋳ぐるむことで一体化して、薄肉で狭ピッチなフィン配列を実現したものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、ベース板に溝を形成した後に板状の放熱フィンを挿入し、フィンの両端のベース板表面を垂直方向から加圧することで、フィンをかしめ固定したものがある(例えば、特許文献2参照)。
図1は本発明の実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法を概念的に説明する図、図2は本発明の実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法の他の例を示す図である。図1において、実施の形態1の製造方法により製造されるヒートシンクは、材料として磁性材層2aと非磁性材層2bの2層のクラッド材から成るベース部材2と、板状の所定数のフィンを予め整列させた放熱フィン5を用い、加工装置として誘導加熱コイルである加熱コイル1を用いて、ベース部材2における非磁性材層2bの表面部を溶融させ、予め整列させた放熱フィン5を非磁性材層2bの表面部に溶接により接合したものである。
本実施の形態1に係るヒートシンクの製造方法では、ベース部材2が磁性材層2aを有するために、その磁性材層2aに磁束が集中し、ベース部材2の表面上に高密度の誘導電流が流れ、ベース部材2が表面側から急速に昇温する。このとき、ベース部材2において、非磁性材層2bの材料の融点が磁性材層2aの融点よりも低いために、非磁性材層2bの表面部が先に溶融する。
次に、前述の本発明の実施の形態1によるヒートシンクの製造方法及びヒートシンクの効果を確認するために行った実施例について図3及び下記の表1を参照して具体的に説明する。なお、図3は本発明の実施の形態1に係るヒートシンクの熱抵抗特性を従来のものと比較したテスト試料の形状を説明する斜視図である。図3において、(a)は図1に示す前述の実施の形態1の製造方法と同様に製造されたヒートシンクであって、製造時の磁性材層2aを残したもの(実施例Aとする)、(b)は図3(a)の磁性材層2aを切削によって除去したもの(実施例Bとする)、(c)は従来の押出成形によって、実施例Aと同等寸法でフィンの肉厚については極力薄くなるように製造した、ベース部材2が非磁性材層のみからなるもの(比較例とする)を示す。
表1の材料欄におけるA1050、A6030はJIS規格におけるアルミニウム系材料の番号を、SPCCは一般的な冷間圧延鋼板を示している。材料欄と寸法欄における、2aは磁性材層2aを、2bは非磁性材層2bを、2はベース部材2を、それぞれ省略して示している。また、溝幅は隣り合う放熱フィン5相互の間隙の寸法を示す。
実験条件:
・自然対流環境、周囲温度30℃。
・ベース部材2の底面に、寸法が60mm×60mm×10mmのヒータを、熱伝導シートを介して固定。発熱量13Wを与えたときの、ヒータ上昇温度からヒートシンクの熱抵抗を導出。
・ヒータの周囲は断熱材で被覆することにより、ヒータからヒートシンク以外への熱移動はゼロと仮定。
図4は本発明の実施の形態2に係るヒートシンクの製造方法を概念的に説明する図、図5は実施の形態2の動作を説明するための図4のA−A線における断面を模式的に示す図、図6は図5に示すヒートシンクの配置姿勢が異なる場合の動作を説明する図、図7は本発明の実施の形態2に係るヒートシンクの製造方法の他の例を示す図である。なお、同一または相当部分については同一の符号を付し、説明を省略する。
実施の形態2は、予め整列させた複数の放熱フィン5をベース部材2の表面部に設置した後、加熱コイル1によって囲まれる空間内で誘導加熱を行う。即ち、実施の形態2は、前述の放熱フィン接触過程を先に行い、その後、前述の表面部溶融過程を行うようにしたものである。
このとき、ベース部材2の非磁性材層2b側の表面部に、放熱フィン5を最初から配置しておくことで、誘導加熱により溶融したベース部材2の非磁性材層2bの表面と、放熱フィン5の下端部である根元部とが接触しているために、両者を溶接接合することが可能となる。更に、整列部材4を用いて、予め放熱フィン5を整列して配置していることで、実施の形態1と同様の効果をより簡単な構成で得ることが可能となる。
ここで、誘導電流は、表面を集中して流れてループを形成することが知られており、誘導電流が集中して流れる深さは電流浸透深さδとして表される(式(1)参照)。
δ[mm]=5.03×105(ρ/μsf)0.5 ・・・・式(1)
ここで、ρ:被加熱部材の電気抵抗率[Ωm]、μs:被加熱部材の比透磁率[‐]、f:発振周波数[Hz]である。
なお、放熱フィン5は板状のものに限定されるものではなく、図7に示すような、棒状の放熱フィン5Aを板状の整列部材4Aを用いて整列させたものであっても、板状の放熱フィン5で示したような、薄肉部に誘導電流が流れることにより、放熱フィン5が急速加熱されることが無いため、棒状の放熱フィン5Aであっても差し支えない。また、実施の形態1と同様に、放熱フィン5の整列手法についても特に限定されない。
図8は本発明の実施の形態3に係るヒートシンクの製造方法の要部を示す図、図9は図8の製造方法における動作を説明するための図8のB−B線における断面を示す図、図10は本発明の実施の形態3に係るヒートシンクの製造方法の他の例を示す図である。なお、本実施の形態3は、ベース部材2を構成する非磁性材層2bの表面部に、図8の例は放熱フィン5の形状に合わせた複数の互いに平行な溝部10を設け、または、図10の例は複数の穴部11をマトリックス状に設けるようにしたものである。製造過程で用いる加熱コイルなど、その他の構成は、実施の形態1、または2と同様であるので図示及び説明を省略する。
また、板状の放熱フィン5に代えて棒状の放熱フィン5Aを用いる場合には、図10に示すように、非磁性材層2bの表面に、棒状の放熱フィン5Aの配列と同じ配列の複数の穴部11を有するベース部材2を用いることで、同様に実施でき、放熱フィン5の形状や配列は特に限定されるものではない。
図11は本発明の実施の形態4に係るヒートシンクの製造方法の要部を示す図、図12は図11に示す放熱フィンの濡れ性が悪い場合の例を概念的に示す参考図、図13は図11に示す放熱フィンの濡れ性が良い場合の例を概念的に示す図である。
なお、実施の形態4に係るヒートシンクの製造方法の主な構成は、実施の形態1または2と同様であるため、実施の形態2の図4も参照して説明する。本実施の形態4に係るヒートシンクの製造方法はめっき処理を施した放熱フィン、または、フラックスを塗布した放熱フィンを用いる点にある。その他の構成については実施の形態2と同様であるので、同一の作用をする部分については同一の符号を付し、説明を省略する。
放熱フィン5がアルミニウムから成る場合、通常、アルミニウムの表面には大気中の酸素により、緻密で強固な酸化皮膜が形成されている。この酸化皮膜は表面エネルギーが小さく安定であるため、アルミニウムは接触する液体に対して濡れが悪いことが知られている。そのため、アルミニウムから成る放熱フィン5を、ベース部材2の溶融した非磁性材層2bに接触させた場合に、放熱フィン5が濡れないために、図12に示すように溶融した非磁性材層2bの表面部が押しこまれ、隣り合う放熱フィン5の間に盛り上がり部12が発生し、放熱フィン5と非磁性材層2bが接合され難い。
また、後述するフラックスが塗布されている場合においては、誘導加熱による非磁性材層2bの表面部溶融過程において、ベース部材2の非磁性材層2bからの伝熱によって放熱フィン5のフラックスが昇温し、昇温したフラックスにより放熱フィン5上の酸化皮膜が破壊、除去されることで放熱フィン5の濡れ性が改善され、溶融したベース部材2の非磁性材層2bと良く濡れることで接合することが可能となる。
4 整列部材、5 放熱フィン、5a 小口面、5b 長手面、6 高周波電流、
7 搬送方向、8 挿入方向、9a ベース部材誘導電流、9b フィン部誘導電流、
10 溝部、11 穴部、12 盛り上がり部、13 めっき皮膜、
14 濡れ上がり部。
Claims (11)
- 磁性材層に対してその磁性材層よりも融点の低い非磁性材層が一体的に接合されたベース部材を加熱コイルの内側に配設し、前記加熱コイルに高周波電流を通流して誘導加熱することにより前記非磁性材層における前記磁性材層とは反対側の表面部を溶融させる表面部溶融過程と、予め整列させた複数の放熱フィンを前記非磁性材層の表面部に接触させる放熱フィン接触過程とを含み、前記放熱フィンと前記ベース部材とを溶融接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
- 前記表面部溶融過程が行われた後、前記ベース部材を前記加熱コイルの外側に移動させ、しかる後、表面部が溶融された前記ベース部材に対して前記放熱フィン接触過程を行うようにしたことを特徴とする請求項1記載のヒートシンクの製造方法。
- 予め整列させた複数の放熱フィンを前記ベース部材の前記非磁性材層の表面部上に配置することによって前記放熱フィン接触過程を行った後、該複数の放熱フィンが前記非磁性材層の表面部上に配置された前記ベース部材を前記加熱コイルの内側に配設し、前記表面部溶融過程を行うことを特徴とする請求項1記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記加熱コイルとしてトンネル型加熱コイルを用い、前記トンネル型加熱コイルの横断面方向に対して、板状の前記放熱フィンの長手面方向が直交するように配置することを特徴とする請求項3記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記放熱フィンの板厚が、前記放熱フィンに発生する誘導電流における電流浸透深さの2倍の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項4記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記非磁性材層または前記放熱フィンとして、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記ベース部材における前記非磁性材層の表面に、予め整列させた複数の前記放熱フィンの下端部を個々に挿入するための凹所を、予め形成することを特徴とする請求項1から請求項6までの何れか1項に記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記放熱フィンにおける、前記ベース部材に接触させる側の端部もしくは全面に、濡れ性を改善するめっき皮膜を形成したアルミニウム材を使用することを特徴とする請求項1から請求項7までの何れか1項に記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記めっき皮膜が、前記ベース部材における前記非磁性材層の材料よりも融点が高い材料から成ることを特徴とする請求項8記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記放熱フィンにおける、前記ベース部材に接触させる側の端部もしくは全面に、フラックスを塗布したアルミニウム材を使用することを特徴とする請求項1から請求項7までの何れか1項に記載のヒートシンクの製造方法。
- 前記フラックスの活性化開始温度と、前記ベース部材の非磁性材層の材料の融点との温度差が100℃以下であることを特徴とする請求項10記載のヒートシンクの製造方法。
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