JP7371322B2 - 液冷用アルミヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液冷用アルミヒートシンクに関し、さらに詳しくは、ヒートシンクに設けられているピンとケースとが後加工されることなく一体化され、ケース形状の自由度とピン形状の自由度を向上させた液冷用アルミヒートシンク及びその製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車は、モータ、インバータ、バッテリー等で構成される電動システムが利用される。こうした電動システムでは、特にインバータの役割は今まで以上に多用化し，小型化と高出力化とを同時に実現することが求められている。小型で高出力のインバータでは、熱が発生することにより能力低下が起こるため、より効果的な冷却手段の開発が検討され、特に液冷型ヒートシンクが検討されている。

液冷型ヒートシンクとして、例えば特許文献１では、電子パワーモジュール等のための、流体冷却式のヒートシンクとバックプレートの接続構造が提案されている。この技術は、バックプレートには一群の溝が形成され、ヒートシンクには上記一群の溝に対応し且つ上記一群の溝内に達して固定される一群のリブが形成され、そのバックプレートをヒートシンクに留め付けるため、上記一群のリブと上記一群の溝との間にシリコーン系接着剤等の糊若しくは接着材料、又はシリコーン製Ｏリング等が配されるというものである。

また、特許文献２では、高い冷却性能を有するヒートシンク及び冷却器並びにヒートシンクの製造方法が提案されている。この技術は、ヒートシンクはアルミニウムと炭素粒子との複合材製であり、そのヒートシンクのベースプレート部に複数のフィン部がベースプレート部に対して突出した状態に一体形成されているというものである。そして、フィン部中に存在する炭素粒子は、ベースプレート部に対するフィン部の突出方向に配向している。

特開２００７－５９８８３号公報 特願２０１７－２２０５３９号公報

上記特許文献１，２等に代表される液冷型ヒートシンクでは、冷却用液体が発熱体を十分に冷却させるため又はその液体の漏れを防ぐため、ヒートシンク部とケース部とがそれぞれ別体で作製され、接着、溶接、カシメ又は組立等の後加工により一体化させていた。しかし、こうした後加工は、低コスト化を阻害するとともに加工不良が生じるおそれがある。また、従来の液冷型ヒートシンクは、ヒートシンク部が鍛造による押し出し等で形成されており、形状の自由度に制約があり、冷却ピンの本数、密度、配置、方向の設計自由度が小さかった。また、ヒートシンク部やケース部に曲面等を形成する場合、切削加工等の後加工を実施しなければならなかった。

本発明は、上記課題を解決するためのなされたものであって、その目的は、ヒートシンクに設けられているピンとケースとが後加工（接着、溶接、切削、カシメ、組立等）されることなく一体化され、ケース形状の自由度とピン形状の自由度（密度、太さ、配置、方向性）を向上させてなる液冷用アルミヒートシンク及びその製造方法を提供する。

本発明に係る液冷用アルミヒートシンクは、複数のピンとケースとが一体鋳造されてなるヒートシンクであって、前記ケースは液体の出入口となる開口を有し、前記複数のピンは前記ケースに一体鋳造されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、ピンとケースとが一体鋳造されているので、中子の形状により、ケース形状の自由度とピン形状の自由度（密度、太さ、配置、方向性）をもたせることができる。そのため、後加工（接着、溶接、切削、カシメ、組立等）の必要もなく、低コスト化と加工不良の発生を防ぐことができる。

本発明に係る液冷型ヒートシンクにおいて、前記ケースの形状が、矩形、円盤形、円筒形、球形及び略球形から選ばれる。

本発明に係る液冷型ヒートシンクにおいて、前記ピンが、平行状、交差状、格子状、傾斜平行状、傾斜交差状、及び相互い状から選ばれる。

本発明に係る液冷型ヒートシンクにおいて、前記ピンが、間隔、太さ及び配置から選ばれる１又は２以上を変えている。

本発明に係る液冷型ヒートシンクの製造方法は、複数のピンとケースとが一体鋳造され、前記ケースは液体の出入口となる開口を有し、前記複数のピンは前記ケースに一体鋳造されている液冷型ヒートシンクの製造方法であって、溶融金属が鋳込まれて前記ピンが形成される複数の貫通穴部と、溶融金属が鋳込まれずに前記ケースに前記開口が形成される開口型部とを備えた水溶性中子を準備する工程と、前記水溶性中子を鋳型内の一部に配置した後に、前記鋳型内に溶融金属を鋳込んで前記水溶性中子と前記金属とを一体化した中間構造物を鋳造する工程と、前記中間構造物を構成する前記水溶性中子を溶解させる工程と、をその順で有することを特徴とする。

この発明によれば、ピン用の貫通穴部と開口用の開口型部とを備えた水溶性中子を準備し、その水溶性中子を鋳型内の一部に配置した後に溶融金属を鋳込むので、水溶性中子と金属とが一体化した中間構造物を鋳造することができる。さらに、この中間構造物を構成する水溶性中子を溶解させるので、ケースには液体の出入口となる開口が形成され、ケースには一体鋳造された複数のピンが形成される。

本発明に係る液冷型ヒートシンクの製造方法において、前記水溶性中子が塩中子である。

本発明によれば、複数のピンとケースとが後加工（接着、溶接、切削、カシメ、組立等）されることなく一体化され、ケース形状の自由度とピン形状の自由度（密度、太さ、配置、方向性）を向上させてなる液冷用アルミヒートシンク及びその製造方法を提供することができる。特に、後加工による一体化では、熱伝達が加工部で不完全になるおそれがあるが、この発明では、鋳造により一体化しているので、そのような問題が生じない。さらに、鋳造で一体化しているので、曲面を必要とする部品にも容易に応用でき、冷却用ピンの密度、太さ、配置、方向性等の自由度を向上させることができる。

本発明に係る液冷型ヒートシンクの使用例の一例を示す説明図である。 本発明に係る液冷型ヒートシンクの一例を示す説明図である。 本発明で使用する水溶性中子の一例を示す説明図である。 液冷型ヒートシンクのケースの外形形状を示す例である。 液冷型ヒートシンクのピンの形態を示す例である。 液冷型ヒートシンクのピンの形態を示す他の例である。

本発明に係る液冷型ヒートシンク及びその製造方法について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

［液冷型ヒートシンク］
本発明に係る液冷型ヒートシンク１は、熱交換ユニットの一部や衝撃緩衝部材の一部として利用されるものである。近年では、ハイブリッド自動車や電気自動車の電動システムにおいて、特に小型で高出力のインバータの液冷型ヒートシンクとして好ましく利用可能で、低損失化を実現するために好ましく利用可能なものである。そして、その特徴は、図１及び図２に示すように、複数のピン３とケース２とが一体鋳造されてなるものであって、ケース２は液体の出入口となる開口６を有し、複数のピン３はケース２に一体鋳造されている。

こうした液冷型ヒートシンク１は、ピン３とケース２とが一体鋳造されているので、水溶性中子１１の形状により、ケース形状の自由度とピン形状の自由度（密度、太さ、配置、方向性）をもたせることができる。そのため、後加工（接着、溶接、切削、カシメ、組立等）の必要もなく、低コスト化と加工不良の発生を防ぐことができる。一体型で設計自由度の高い液冷型ヒートシンク１は、図１に示すように、発熱体８に接触して高い放熱性を実現することができる。図１中、符号７は冷却用液体の配管である。

以下、各構成要素を詳しく説明する。なお、以下で、上、下、左、右の語は、図面を平面視したときの位置関係で説明しているものである。

ケース２は、液冷型ヒートシンク１の外形を構成する部分である。ケース２には、図１及び図２に示すように、液体の出入口となる開口６が設けられている。実際の使用時は、図１に示すように、開口６に配管７が接続され、液冷型ヒートシンク内部の冷却水路５に液体が流れる。図１では、ケース２の一方の面に発熱体８が接触している。本発明に係る液冷型ヒートシンク１は、複数のピン３とケース２とが一体鋳造されて一体化しているので、従来のように発熱体８がヒートシンク側に設けられるという制限はなく、ピン３の両端が一体化しているケース２の両面のうちいずれの面であってもよい。例えば、図１では、発熱体８はケース２の上面に接触又は接合しているが、ケース２の下面に接触又は接合していてもよい。ただし、図１の例では、ケース２の左右両面は、ピン３が接続されていないので、発熱体８は設けられない。

図２は、液冷型ヒートシンク１の説明図である。図２（Ａ）に示すように、この液冷型ヒートシンク１は、矩形のものであり、その一方の面（上面）には、配管７を接続可能な開口６が設けられている。この例では、４つ設けられているが、液体の入口と出口となる形態で開口６が設けられていれば、その形態や個数は特に限定されない。液体の出入りを配管７で行う場合は、出口配管と入口配管が接続する２つ以上の開口６を有すればよく、３つでも４つでもよい。また、液体の出入りをケース面で行う場合は、開口６をいずれか１以上の面として液体の出入りを行ってもよい。開口６は、液体が冷却水路５を流れやすくするように、ケース２のコーナーに好ましく設けられる。その開口の形状や大きさも特に限定されず、配管と接続し易い形状と大きさであればよく、矩形でも円形でも構わない。また、開口と配管の接合は、螺合でも溶接でも接着でもよく、特に限定されない。

ケース形状は、図２に示す矩形の他、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すような円盤形（円柱形）、円筒形（開口部２１を中心に有する）、球形、略球形等のいずれであってもよく、特に限定されない。本発明の液冷型ヒートシンク１は、水溶性中子１１を用いて一体鋳造し、その後に水溶性中子１１を溶解除去して得られるので、ケース外形をどのような形状にもできる点で、ケース形状の自由度を著しく向上させることができる。なお、図示しないが、こうした種々の形状のケース２には、冷却水路５を流れる液体による液冷作用を発揮しやすい位置に開口６が設けられていることが望ましい。

ピン３は、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ケース２の対向する面（上下面）に一体鋳造されて一体化している。図２はケース２が矩形の場合であり、ピンは規則的に一定間隔で設けられている。ピンの設置態様は特に限定されず、冷却性能、液抵抗、作りやすさ、製造コスト等を考慮して自由に設計することができる。本発明は、水溶性中子１１を用いた方法で一体鋳造して一体的に得られるので、自由な設計で低コストで製造できる点が従来の液冷型ヒートシンクとは顕著に異なる点である。ピン形状の自由度とは、例えば、ピン３の設置密度、ピン３の太さ、ピン３の配置、ピン３の方向性等を挙げることができるが、これら以外であってもよい。

ピン３の形態は、図２に示すように平行状に設けたものの他、図５（Ａ）に示すように、ピン３を斜めに交差させた傾斜交差状に設けたものであってもよいし、図５（Ｂ）に示すように、上下面から櫛状に延びて相互い状に設けられたものであってもよい。また、図５（Ａ）とは異なり、一方だけの傾斜形態で傾斜平行状に設けられたものであってもよい。また、図５（Ｃ）に示すように、ケース２が段差状になっている場合に、そのケース２の上下面にピン３の両端が接合するように平行状になっているものであってもよい。また、図６（Ａ）に示すように、ピン３が相互に接続して縦横の格子状になっているものであってもよいし、前後左右又は上下左右の格子状であってもよい。また、図６（Ｂ）に示すように、縦横の交差状になっているものであってもよいし、前後左右又は上下左右の交差状（図示しない）であってもよい。こうした形態からなるピン３は、冷却水路５を流れる液体による液冷作用を考慮し、ピン３の設置密度、太さ、方向性等が設計される。

液冷型ヒートシンク１を構成する素材は、アルミニウム材料であることが望ましく、特に、ＡＣ材（鋳造成形材）、ＡＤＣ材（ダイキャスト鋳造材）、Ａ材（鍛造成形材）等を好ましく選択することができる。後述の製造方法では、この素材を溶融して溶融金属として使用する。

［製造方法］
液冷型ヒートシンク１の製造方法は、上記本発明に係る液冷型ヒートシンク１を製造する方法である。その方法は、図２及び図３に示すように、溶融金属が鋳込まれてピン３が形成される複数の貫通穴部１３と、溶融金属が鋳込まれずにケース２に開口６が形成される開口型部１２とを備えた水溶性中子１１を準備する工程と、その水溶性中子１１を鋳型内の一部に配置した後に、鋳型内に溶融金属を鋳込んで水溶性中子１１と金属とを一体化した中間構造物を鋳造する工程と、その中間構造物を構成する水溶性中子１１を溶解させる工程とをその順で有する。

こうした方法は、ピン用の貫通穴部１３と開口用の開口型部１２とを備えた水溶性中子１１を準備し、その水溶性中子１１を鋳型内の一部に配置した後に溶融金属を鋳込むので、水溶性中子１１と金属とが一体化した中間構造物（図示しない）を鋳造することができる。そして、この中間構造物を構成する水溶性中子１１を溶解させるので、ケース２には液体の出入口となる開口６が形成され、ケース２には一体鋳造された複数のピン３が形成される。こうして製造される液冷型ヒートシンク１は、その外形形状の自由度を高くすることができ、液冷型ヒートシンク１を配置する部品（例えば凹、凸、曲面等を有する部品）に対して容易にアジャスト可能な形状とすることができる。また、ピン形状の自由度を高めることができるので、ピン３の表面積等を任意に変更することも可能であり、これにより、発熱体８の冷却性を任意に調整することも可能となる。

（水溶性中子の準備工程）
準備する水溶性中子１１は、溶融金属が鋳込まれてピン３が形成される複数の貫通穴部１３と、溶融金属が鋳込まれずにケース２に開口６が形成される開口型部１２とを備えている。水溶性中子１１は、水溶性中子形成用の型に水溶性物質を充填して固化して形成することができる。この場合の型には、貫通穴部１３や開口型部１２の両方を備えたものであってもよいし、開口型部１２だけ備えたものであってもよい。開口型部１２だけ備えたものは、その後に貫通穴部１３をドリル等で開けて水溶性中子１１とすることもできる。なお、水溶性中子形成用の型は、水溶性中子を形成するための水溶性物質が影響しない酸化しにくい材質（例えば、木、樹脂、ステンレス鋼等）等の材質であればよい。

水溶性中子１１は、最終的に水で溶解除去可能な水溶性物質で構成される。水溶性物質は、溶融金属を流し入れたときに変形したり溶解したりしない物質であり、かつ、中間構造物から溶解し易い物質であることが好ましい。例えば塩化ナトリウムを好ましく挙げることができる。水溶性中子１１は、粒子状の水酸化ナトリウムを型で押し固めて形成することができる。

（鋳造工程）
水溶性中子１１は、鋳型内の一部に配置した後に、鋳型内に溶融金属を鋳込んで水溶性中子１１と金属とを一体化して、中間構造物を鋳造する。この工程では、水溶性中子１１を鋳型内に配置するが、その配置とは、鋳型内の一部に水溶性中子１１を固定することであり、鋳型内に溶融金属を流し入れることができる状態にすることをいう。水溶性中子１１の配置位置は、後工程を経て液冷型ヒートシンク１が得られる位置に配置される。具体的には、図３に示す水溶性中子１１の形状は、ケース２内の冷却水路５の形状と同じになるので、ケース２の上下面の厚さ及び左右前後の側面の厚さの分だけ隔てた位置に配置されていることが好ましい。

鋳造は、水溶性中子１１が配置されている鋳型内に、溶融金属を流し入れて、水溶性中子１１と金属７１とを一体的に凝固させることで中間構造物を形成させることをいう。中間構造物は図示しないが、図２に示す液冷型ヒートシンク内部に水溶性中子１１が充填している状態と同じである。

鋳型に流し入れる溶融金属の温度は、金属の種類によって異なるので特に限定されないが、水溶性中子１１が熱溶解する温度よりも低いことが好ましい。例えば、水溶性中子１１が溶解温度約８００℃程度の塩化ナトリウムで構成されている場合には、それよりも溶解温度が低いアルミニウム（約６６０℃程度）又はその合金（約５５０℃～５６０℃程度）であることが好ましく、鋳型に流し入れられる際のアルミニウムの温度は５９０℃～８００℃であることが好ましい。なお、鋳型に流し入れられる金属は、水溶性中子１１との関係性を満たせば特に限定されず、用途に応じて様々な金属を採用することができる。例えば、アルミニウム又はその合金に代表される様々な金属を採用することができる。こうした鋳造により、複数のピンとケースとが後加工で生じるような境界部を有することなく一体化される。

（水溶性中子の溶解工程）
中間構造物を構成する水溶性中子１１を溶解することで、本発明の液冷型ヒートシンク１が得られる。ここで、溶解とは、中間構造物を水に浸す等により、中間構造物から水溶性中子１１を溶かし出すことをいう。溶解工程では、水溶性中子１１の水溶性という性質を利用するので、水溶性中子１１と金属とが一体化した中間構造物から水溶性中子１１を容易に溶解させることができる。こうすることにより、水溶性中子１１が溶解する前に存在していた部分に冷却水路５が形成される。

以上、本発明に係る液冷型ヒートシンク１及びその製造方法について説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の事項の範囲内で考えられるその他の実施形態や変形例も含む。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 液冷型ヒートシンク
２ ケース部
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ ピン
５ 冷却水路
６ 開口
７ 配管
８ 発熱体
１１ 水溶性中子
１２ 開口型部
１３ 貫通穴部
２１ 開口

Claims (6)

1. 複数のピンとケースとが一体鋳造されて、内部の冷却水路に液体が流れてなるヒートシンクであって、前記ケースは前記液体の入口と出口となる２以上の開口を有し、前記複数のピンの両端と前記ケースの対向する面とが後加工で生じるような境界部を有することなく、前記複数のピンの両端は前記ケースの対向する面に一体鋳造されて一体化している、ことを特徴とする液冷型ヒートシンク。
2. 前記ケースの形状が、矩形、円盤形、円筒形、球形及び略球形から選ばれる、請求項１に記載の液冷型ヒートシンク。
3. 前記ピンが、平行状、交差状、格子状、傾斜平行状、傾斜交差状、及び相互い状から選ばれる、請求項１又は２に記載の液冷型ヒートシンク。
4. 前記ピンが、間隔、太さ及び配置から選ばれる１又は２以上を変えている、請求項１～３のいずれか１項に記載の液冷型ヒートシンク。
5. 複数のピンとケースとが一体鋳造され、前記ケースは液体の入口と出口となる２以上の開口を有し、前記複数のピンの両端と前記ケースの対向する面とが後加工で生じるような境界部を有することなく、前記複数のピンの両端は前記ケースの対向する面に一体鋳造されて一体化し、内部の冷却水路に前記液体が流れてなる液冷型ヒートシンクの製造方法であって、
   溶融金属が鋳込まれて前記ピンが形成される複数の貫通穴部と、溶融金属が鋳込まれずに前記ケースに前記開口が形成される開口型部とを備え、前記ケース内の前記冷却水路の形状と同じ水溶性中子を準備する工程と、
   前記水溶性中子を鋳型内の一部に配置した後に、前記鋳型内に溶融金属を鋳込んで前記水溶性中子と前記金属とを一体化した中間構造物を鋳造する工程と、
   前記中間構造物を構成する前記水溶性中子を溶解させる工程と、をその順で有し、前記複数のピンの両端と前記ケースの対向する面とが後加工で生じるような境界部を有することなく前記一体鋳造されて一体化される、ことを特徴とする液冷型ヒートシンクの製造方法。
6. 前記水溶性中子が塩中子である、請求項５に記載の液冷型ヒートシンクの製造方法。

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