JP7828680B1 - ヒートシンク用ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】単一の板状体を用いることで複数部品間の精度のばらつきに起因した問題を回避し、板状体に設けられた挿通穴の内周面にパイプを密着させることができるヒートシンク用ベース材とこれを用いたユニット並びに製造方法を提供する。
【解決手段】上面１１Ａと下面１１Ｂを有する板状体１１の端面間を開通するように円管状パイプ１３の挿通穴１２を設けてヒートシンク用ベース材１０が提供される。このベース材の挿通穴１２にパイプ１３を挿通した状態で板状体１１に押圧力を付与することで、挿通穴１２とパイプ１３を変形させて相互接触面が密着される。挿通穴１２の円弧状内周面１５に連なる左右一対の溝部１６を上面１１Ａ寄りにシフトした位置に設けることで、パイプ１３が変形する際に溝部１６内に一部が逃げるように作用して過大な押圧力を必要とすることなく挿通穴１２とパイプ１３の変形が促進される。
【選択図】図４

Description

本発明はヒートシンク用ユニットに係り、更に詳しくは、板状体の内外に液体を流通させるためのパイプ用の挿通穴を備えたヒートシンク用ベース材を用いて挿通穴とパイプとを密着させたヒートシンク用ユニットに関する。

ＣＰＵやレーザダイオードなどの高熱を発する半導体部品を冷却するためのヒートシンクとして、放熱性能の高い液冷式のヒートシンクが知られている。この液冷ヒートシンクは冷媒を流通させるための円管状のパイプをアルミ材等で形成されたプレートに取付けることによって構成されている。プレートへのパイプの取り付けは、ロウ付けやかしめによって行われていたが、ロウ付けは製造コストがかかり、かしめはパイプとプレート、又は分割されたプレート同士の公差に起因した嵌合に問題があった。

特許文献１には溝が形成された一対のプレートによりパイプを挟み込む構造の液冷ヒートシンクが提案されている。同文献における一方のプレートには凸部が設けられ、当該凸部に対応した凹部が他方のプレートに設けられている。この液冷ヒートシンクを製造するには、パイプを溝に位置するように配置し、凸部と凹部とが結合するように両プレートを押圧するだけでよいので、ロウ付けや、かしめによる方法に比べて生産性、及びパイプとプレートとの嵌合性が向上する。

また、特許文献２は、プレートのパイプ用溝をパイプ外周面の半径よりも大きい曲率半径の底面を有する湾曲溝にて構成する一方、各パーツを重ね合わせたときに対向する湾曲溝の最大底面間距離が冷却パイプ外径よりも小さくなるように構成することで、パイプをパーツの湾曲溝間で挟圧せしめることによって変形させて、湾曲溝の少なくとも底面に密着させることで、パイプとプレートの精度のばらつきを吸収する構成となっている。

特許文献３は、開口する断面矩形の蓋溝を有し、更に蓋溝の底面に開口する凹溝を有するベース材と、ベース材の凹溝に挿入されるパイプと、ベース材の蓋溝に嵌合する蓋板とを備え、蓋溝における両側壁と蓋板の両側面との各突き合わせ面に沿って摩擦攪拌接合による接合部を形成する伝熱素子が開示されている。

特許文献４は、固定プレート本体内にパイプ挿通用の挿通穴が穿設され、当該プレートの挿通穴にパイプを挿通させた後、固定プレートに設けられた突出部に対して押圧力を付与することで挿通穴内でパイプを圧接させたヒートシンクが開示されている。ここで、前記挿通穴の２箇所には逃げ溝が設けられた例も開示されており、適度な押圧力で挿通穴をつぶれやすくするという示唆も含まれている。

特開平９－２７１８６３号公報 特開２００７－１８００９１号公報 特開２００４－３１４１１５号公報 特開２００２－１２００３３号公報

しかしながら、特許文献１記載のものにあっては、各パーツの溝部によって形成される円形の穴直径とパイプの外径とを精密に一致させることは製作難易度が高くコストアップの要因になり、また、精度のばらつきによりパイプとプレートの間やプレート同士の間に隙間が生じ、接触熱抵抗を高めてしまう、という問題がある。
また、特許文献２記載のものにあっては、プレート同士の間で発生する接触熱抵抗については、平面度、表面粗さ等の影響もあるため、ゼロにすることは困難である。
更に、特許文献３記載のものにあっては、部品点数が増えることや摩擦攪拌接合を要することで、かしめのみでの製法に比べて製造コストがかかるといった問題がある。
特許文献１～３記載のヒートシンクは、パイプを収容するプレート若しくは板状体が、複数の部材からなるものであり、それぞれの公差は避けがたく、個々の部品の精度管理に負担が伴うほか、精度のばらつきに起因してパイプ外周面と板状体の内周面との密着性を高めることが難しくなる、という不都合もある。
なお、特許文献４は、プレート材が１部材からなるが、前記逃げ溝が、挿通穴の周方向１８０度対応位置に設けられた構成とされているだけで、逃げ溝の空間を残すようにプレート材を押圧してパイプを変形させることについての考察はなされていない。また、プレート材に付与する押圧力の軽減に大きく貢献するものとは言い難い。

[発明の目的]
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、複数部品を用いることなく単一の部材からなる板状体に挿通穴を設けることで部品間の精度のばらつきに起因した問題を回避し得るヒートシンク用ベース材を用いたヒートシンク用ユニットを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、押圧力が過大に要求されることのないヒートシンク用ベース材を用いたヒートシンク用ユニットを提供することにある。
更に、本発明の目的は、ベース材の挿通穴にパイプを配置して押圧力を付与することで両者を容易に変形させることのできるヒートシンク用ユニットを提供することにある。
また、本発明の更に他の目的は、パイプの外周面と挿通穴の内周面との接触部位における密着度を高めて接触熱抵抗を抑制することが期待できるヒートシンク用ユニットを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、特許請求の範囲記載の構成を採用したものである。具体的には、
相互に平行に設けられた上面及び下面と、前後及び左右の各端面とを有する単一の板状体と、当該板状体の前後端面に開通する円弧状内周面を備えた挿通穴とを含むベース材と、前記挿通穴内に配置される円管状のパイプとを備え、
前記挿通穴は、前記円弧状内周面に連なる溝部を備え、当該溝部は、前記挿通穴の中央部を通る前記上面及び下面間方向の仮想線に対して対称配置されており、
前記板状体の上面に設けられた凸部、又は、プレス機械の金型側に形成された凸部により溝部と溝部間に押圧力を付与することで挿通穴とパイプを変形させて板状体とパイプが密着した一体化されたヒートシンク用ユニットであって、
前記溝部は前記板状体の上面及び下面のいずれか一方に沿って外側に向けられた形状に設けられているとともに、前記上面及び下面のいずれか一方と、当該一方の面と平行であって円弧状内周面の中央を通る平面との中間位置に設けられており、
前記押圧力を付与することにより前記溝部にパイプの一部を逃がした状態で、前記挿通穴とパイプとの相互接触面が密着して一体化される、という構成を採っている。

前記ヒートシンク用ユニットにおいて、前記パイプが半円形以上の長さを有する略蹄鉄形状部を前記仮想線に対して左右対称形状に形成して前記挿通穴に密着している。

また、前記略蹄鉄形状部の開放側間のパイプ部分が平坦に変形した形状に設けられている。

更に、前記溝部にパイプの一部が逃げた状態で、前記溝部に空間が残されている。

本発明によれば、挿通穴にパイプを配置して押圧力を付与した際に、溝部にパイプの一部が入り込むようになって、パイプの変形と溝部での部品公差吸収によって挿通穴とパイプとの密着性が確保でき、パイプの外周面と挿通穴の内周面との接触面を確実に密着させて接触熱抵抗の低下に寄与することができる。しかも、ベース材を単一の部材により構成したことにより、この点からも、接触熱抵抗を軽減することができる。
また、押圧力を過大にすることなく板状体とパイプの変形を促進することが期待できる。
更に、溝部が仮想線を中間に挟む対称位置に配置されている構成のため、押圧力が作用する分布に偏りを生じさせることがなく、変形後のパイプ形状について、バランスがとれた形態を確保することができる。
また、凸部を設けた構成により、溝部及び溝部間に押圧力を集中的に及ばせて挿通穴とパイプとの相互接触面が密着するように一体化させることができる。

実施形態に係るベース材の一部を示す端面図。 前記ベース材の挿通穴にパイプを挿通させた、押圧力付与前の状態を示すヒートシンク用ユニットの端面図。 図２に示すユニットの概略斜視図。 （Ａ）は図２のＡ部拡大図、（Ｂ）は挿通穴とパイプが変形する途中の端面図。 押圧力を付与した後の状態を示す、図２と同様の端面図。 図５のＢ部拡大図。 押圧力を付与した後のヒートシンク用ユニットの概略斜視図。 （Ａ）は板状体の凸部側を切削した後の完成状態を示すヒートシンク用ユニットの端面図、（Ｂ）は、図８（Ａ）のＣ部拡大図。 図８に示すユニットの概略斜視図。 （Ａ）～（Ｄ）は、変形例を示す要部端面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、本明細書における方向もしくは位置を示す用語は、特に明示しない限り、図１に示されるベース材を、見る者の正面において見た状態を基準とし、紙面手前側は「前」、奥行側は「後」となる。また、「幅」は左右方向に沿い、「厚み」は上下方向に沿うものとして用いられる。これらの基準は、説明の便宜上定義されるものであり、ベース材の姿勢やこれを見る者の位置に応じて変わり得るものである。また、「上」、「下」は、図１を基準として見た場合であって、位置を特定するものではない点に留意すべきである。

図１にはヒートシンク用ユニットを形成するためのベース材１０が示され、図２～図４には、ベース材１０の前後方向に沿って、冷媒の通路を構成するパイプ１３が挿通されたヒートシンク用ユニットが示されている。これらの図において、ベース材１０は、例えば、アルミニウムを成形素材とした押出成形品により構成されている。このベース材１０は、本実施形態では、例えば、約１５ｍｍ厚で、第１及び第２の面を構成する上面１１Ａ及び下面１１Ｂが実質的に相互に平行となる板状体１１を用いて形成されている。板状体１１の内部には、その前後端面間に開通して円管状のパイプ１３を挿し込むための異形穴となる挿通穴１２が形成されている。挿通穴１２の形成数は、特に限定されるものではないが、要求される冷却能力に応じて任意に決定されるものであり、本実施形態では、相互に等大、等間隔で４列の挿通穴１２が設けられている。
なお、パイプ１３としては、銅管、ステンレス管、ステンレスの回りをアルミで被覆したクラット材等を用いることができる。

前記挿通穴１２は、板状体１１の厚み内に収まる大きさでパイプ１３を挿し込みできる開口形状に設けられている。具体的には、パイプ１３の外周面形状に沿う円弧状内周面１５と、この円弧状内周面１５の左右両側に連なる一対の溝部１６と、これら溝部１６間に位置する直線状部１７とを備えた形状に設けられている。溝部１６は板状体１１の上面１１Ａに沿って外側に向けられた形状に設けられているとともに、前記上面と平行であって円弧状内周面１５の中央を通る平面との中間位置に設けられている。円弧状内周面１５の半径は、本実施形態では、５ｍｍ程度とされている。
各溝部１６は、図１に示されるように、溝の側面となる上辺部１６Ａ、下辺部１６Ｂと、溝の底部１６Ｃとを備え、上辺部１６Ａと下辺部１６Ｂは、底部１６Ｃに向って相互間隔を次第に狭くするようなっており、底部１６Ｃは湾曲した形状に設けられている。なお、溝部１６は、図１に示されるように、挿通穴１２の中央部を通る板厚方向の仮想線Ｃを中間に挟む対称位置に配置されている。

挿通穴１２において、前記直線状部１７は、溝部１６の上辺部１６Ａとの間の段差Ｓを介して上辺部１６Ａの内方端よりも低くなる凹状に設けられ、その直線状部１７の中央にパイプ１３の図２、図４（Ａ）中最も上端位置となる外周面部分が近接するように設けられている。

前記直線状部１７に相対する板状体１１の上面１１Ａ部分には、凸部２１が設けられている。この凸部２１は、挿通穴１２に沿って当該挿通穴１２と平行に前後に延び、その両端面は板状体１１の端面と同一面内に位置するように形成されている。凸部２１は、上端平面部２１Ａと、当該上端平面部２１Ａの左右両端と板状体１１の上面１１Ａとの間に連なる傾斜面部２１Ｂとからなる。傾斜面部２１Ｂは、その中間部から下の裾野部分の傾斜角度が中間部より上方の傾斜角度とは異なる角度に設けられている。

次に、本実施形態におけるヒートシンク用ユニットの製造方法について、図４（Ｂ）、図５～図９をも参照しながら説明する。
先ず、前述した内周面形状を備えた異形穴の挿通穴１２と、凸部２１を備えたベース材１０を準備する。このベース材１０は、押出成形機を用いて公知の方法で成形することができる。

次いで、所定長さに設けられたパイプ１３を挿通穴１２内に挿し込む。これにより、パイプ１３の図４中下端から中央部よりやや上方までの外周面が挿通穴１２の円弧状内周面１５に接するとともに、パイプ１３の上端中央部が挿通穴１２の直線状部１７に近接した状態で位置するようになる。

このようにしてベース材１０の挿通穴１２にパイプ１３を挿通した後に、図示しないプレス機の下型にベース材１０をセットし、押圧面が平坦とされた上型を備えたスライドを下降させて凸部２１により溝部１６と溝部１６間に押圧力を付与する。
凸部２１により押圧力が付与されると、図４（Ｂ）中矢印で示されるように、凸部２１と直線状部１７との間に集中した押圧力が付与されるようになり、凸部２１がその面位置を低くするように圧縮力を受けて板状体１１を変形させる。これと同時に、左右の溝部１６の開放側を内方に引き込みつつ直線状部１７が下方に押し込まれてパイプ１３の上端中央部に押圧力が付与されて当該パイプ１３が直線状部１７に沿うように平坦に変形する。溝部１６下におけるパイプ１３は、左右に拡がる力と下方に押し込まれる力を受けて外周面が挿通穴１２の円弧状内周面１５に強く押圧されて密着する。挿通穴１２とパイプ１３が変形する際には、溝部１６の開口側に位置するパイプ１３部分は上記の押圧力の作用を受けて溝部１６内に逃げて挿通穴１２とパイプ１３の上記変形を支援するように作用することとなり、これにより、パイプ１３は、図５、図６に示されるように、半円形以上の円周長さを有する蹄鉄形状部と、その開放側間が直線状に変形した部分とを備えた形状に変形してパイプ１３と挿通穴１２の内周面との接触面が確実に密着するようになる。
なお、変形させるために必要な押圧力は、板状体の厚み、挿通穴の大きさ、パイプの本数、長さ、肉厚等に応じて決定されるものである。

このようにしてベース材１０の押圧を行った後は、凸部２１は面位置を下げつつも、依然として板状体１１の上面１１Ａより高い位置に残るため、必要に応じてフライス盤にて上面１１Ａの切削加工を行って全体をフラットな面に仕上げることができ、これにより、高熱を発する半導体部品に対して、冷却面として利用できる面が下面１１Ｂだけでなく上面１１Ａも接触面として当該部品の冷却に利用することができる。
なお、ヒートシンク用ユニットは、図９に示されるように、ベース材の端面から露出したパイプの端部間を継手３０、Ｕ字パイプ３１等を介して接続し、図示しない冷却液の循環ポンプ等に接続することでヒートシンクを完成させることができる。

従って、このような実施形態によれば、挿通穴１２にパイプ１３を挿通して押圧力を付与したときに、その押圧力によって挿通穴１２の上部が押し込まれてパイプ１３の上部を平坦にしつつ両側が溝部１６に逃げる作用を受け、且つ、溝部１６より下の円弧状となっているパイプ１３を押し拡げつつ下方に押し込むような変形を促進するようになる。これにより、パイプ１３の外周面と挿通穴１２の内周面とを密着させることができる。しかも、部品状態における板状体１１と、パイプ１３の避け難い公差により挿通穴１２の内面とパイプ１３の外面との接触面に微視的な隙間若しくは空間が存在していても、それを消失せしめることが可能となることで、接触熱抵抗を抑制、低下させることが期待できるヒートシンクの提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、特定の実施の形態に関して特に図示し、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上に述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

例えば、前記実施形態では、板状体１１の上面１１Ａ側に凸部２１を設けて当該凸部２１を押圧する場合を図示、説明したが、板状体１１の上面全体を平坦面としておき、当該板状体１１を押圧するプレス機械の金型側に凸部を設けて押圧する構成としてもよい。

また、溝部１６は、図示例において左右対称配置となる場合を示したが、挿通穴１２の変形を通じてパイプ１３との接触面を密着させることができる限り、片側配置とすることも可能である。但し、外観上の体裁等を考慮した場合には、前記実施形態で示した形態とすることが通常であり、且つ、有利である。
更に、左右の溝部１６間に凹状に段落ちした直線状部１７を設けた場合を図示、説明したが、段差Ｓを設けることなく左右の溝部１６の上辺部１６Ａ間を直線状につなげてもよい。
また、溝部１６は、板状体１１の上面１１Ａを押圧した際に、挿通穴１２の中央に向って変形し易く、且つ、強度を維持できる形状であれば、図示構成例以外の形状、向きについても変更することができる。
また、図１０（Ａ）に示されるように、押圧力を受ける部分が直線形状ではなく、中央部が幾分低くなるように湾曲した形状となるもの、図１０（Ｂ）に示されるように挿通穴の円弧状部分がＵ字状となるもの、図１０（Ｃ）に示されるように、押圧力を受ける挿通穴の上部が溝の上辺部１６Ａと同一平面上に位置して平坦面となっているもの、更に、図１０（Ｄ）に示されるように、押圧力を受ける部分が直線状とせずに溝部１６間を円弧状としたもの等、種々の形状を採用することができる。
要するに、本発明は、挿通穴とパイプとの密着性が確保でき、パイプの外周面と挿通穴の内周面との接触面を確実に密着させて接触熱抵抗の低下若しくは軽減することができるものであれば足りる。
更に、実施形態の説明に含まれる数値は、発明を理解し易くするために例示的に示したものであって、ヒートシンクに要求される冷却能力に応じて、異なる厚み若しくは大きさとなる板状体を採用し、当該板状体に応じて決定される大きさの挿通穴にパイプを挿通して押圧、変形させるものであってもよい。

１０ ベース材
１１ 板状体
１１Ａ 上面（第１の面）
１１Ｂ 下面（第２の面）
１２ 挿通穴
１３ パイプ
１５ 円弧状内周面
１６ 溝部
１６Ａ 上辺部
１６Ｂ 下辺部
１６Ｃ 底部
１７ 直線状部
２１ 凸部
２１Ａ 上端平面部
２１Ｂ 傾斜面
Ｃ 仮想線

Claims (4)

1. 相互に平行に設けられた上面及び下面と、前後及び左右の各端面とを有する単一の板状体と、当該板状体の前後端面に開通する円弧状内周面を備えた挿通穴とを含むベース材と、前記挿通穴内に配置される円管状のパイプとを備え、
   前記挿通穴は、前記円弧状内周面に連なる溝部を備え、当該溝部は、前記挿通穴の中央部を通る前記上面及び下面間方向の仮想線に対して対称配置されており、
   前記板状体の上面に設けられた凸部、又は、プレス機械の金型側に形成された凸部により溝部と溝部間に押圧力を付与することで挿通穴とパイプを変形させて板状体とパイプが密着した一体化されたヒートシンク用ユニットであって、
   前記溝部は前記板状体の上面及び下面のいずれか一方に沿って外側に向けられた形状に設けられているとともに、前記上面及び下面のいずれか一方と、当該一方の面と平行であって円弧状内周面の中央を通る平面との中間位置に設けられており、
   前記押圧力を付与することにより前記溝部にパイプの一部を逃がした状態で、前記挿通穴とパイプとの相互接触面が密着して一体化されていることを特徴とするヒートシンク用ユニット。
2. 前記パイプが半円形以上の長さを有する略蹄鉄形状部を前記仮想線に対して左右対称形状に形成して前記挿通穴に密着していることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク用ユニット。
3. 前記略蹄鉄形状部の開放側間のパイプ部分が平坦に変形した形状に設けられていることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク用ユニット。
4. 前記溝部にパイプの一部が逃げた状態で、前記溝部に空間が残されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のヒートシンク用ユニット。