JP2005236156A

JP2005236156A - 放熱機能を持つ筐体

Info

Publication number: JP2005236156A
Application number: JP2004045650A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Takahashi; 潔高橋
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【目的】放熱能力の増大が可能なダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体を提供する。
【構成】この発明による放熱機能を持つ筐体１は、直方体状の外形の有底筒状体でその底部部分に壁部２１が形成されている筐体部２、壁部２１の中央部に鋳込み法により配設された放熱体３、複数の放熱フィン９９および８を備え、放熱体３を除いてはＡＤＣ１２材を用いて一体にダイキャスト成形されている。放熱体３は６０６３材を用いて押出し成形により製作され、一体に形成された基部と複数の放熱フィン３３とを有している。放熱フィン３３では放熱フィン高さを従来例よりも高く、放熱フィン厚さＴ_１を従来例よりも薄くし、放熱フィンピッチＰ_１を従来例の場合の１／２にしている。
【選択図】図１

Description

この発明は、放熱部が形成されたダイキャスト成形用材製の壁部を有して半導体素子などの発熱体を収容する放熱機能を持つ筐体に関するものである。

半導体素子などの発熱体が発生した熱を発熱体から除去するための部材として、放熱フィンなどを一体に備えた金属材製の放熱体（ヒートシンクなどと呼ばれる場合もある。）が良く知られているが、この放熱体にはしばしばアルミニウム合金材が用いられている。そうして従来のアルミニウム合金材製の放熱体は、ダイキャスト成形または押出し成形によって全体を構成している（例えば、特許文献１参照。)。
以下、図６〜図８により従来例の放熱機能を持つ筐体を説明する。ここで図６は従来例の放熱機能を持つ筐体を示す斜視図であり、図７は図６におけるＰ―Ｐ断面図であり、図８は図７におけるＲ―Ｒ断面図である。図６〜図８において、９は、筐体部９１と複数の放熱フィン９９とを備えた従来例の放熱機能を持つ筐体である。筐体部９１は直方体状の外形を持つ有底筒状体としての形状を有し、その底部に当たる壁部９２と四周を巡る側壁部９４とで囲まれた収容空間９５に半導体素子などの発熱体（不図示）や、発熱体が半導体素子の場合には、この半導体素子の制御用などの関連部材（不図示）などが収容される。壁部９２の収容空間９５側の面には発熱体を装着する装着面９３が形成されており、壁部９２の収容空間９５に対する反対側の面には複数の放熱フィン９９が一体に形成されている。

また、筐体部９１の四隅部には、収容空間９５を覆う蓋体（不図示）の取付けや、筐体９をその取付け対象物に固定する際などに用いられる座部９６が形成され、この座部９６には、この事例の場合には貫通孔９７が形成されている。筐体９では、放熱フィン９９と壁部９２の大部分とが、前記放熱体と同等の機能を担っている。この筐体９はその形状から押出し成形によって製作することができないことからダイキャスト成形によって製作され、その用材としては、複雑な形状を持つ筐体９を製作するのに必要な鋳造性，放熱フィン９９の放熱性能の見地からの熱伝導性あるいは製造原価などを総合的に考慮して、一般的にアルミニウム合金ダイキャスト成形用材｛例えば、ＡＤＣ１２（ＪＩＳＨ５３０２）｝が用いられている。
特開２００３−１７６３６号公報（第３頁）

前述した従来技術による放熱機能を持つ筐体９はインバータ装置などの筐体として用いられているが、この筐体９をより大容量のインバータ装置などに適用しようとすると、次記するような問題がありその解決が望まれている。すなわち、（イ）ＡＤＣ１２材の熱伝導率値（２５℃）は９２Ｗ／ｍ・℃程度であり、アルミニウム合金押出し成形用材である６０６３（ＪＩＳＨ４１００）材の熱伝導率値の２００Ｗ／ｍ・℃程度よりも大幅に小さいので、熱伝導による温度降下量が大きい。このために、同一形状・寸法の放熱フィンで比較した場合に、その放熱能力は６０６３材を用いたものに対してかなり劣る。
（ロ）壁部９２などの壁部の単位面積当たり放熱能力を増大させるには、壁部に形成する放熱フィン（放熱フィン９９など）の相互間隔（ピッチ）の短縮化による放熱フィン枚数の増加や放熱フィンの高さの増大により放熱面積の増大を図る必要がある。しかし、アルミニウム合金ダイキャスト成形により製作される壁部では、放熱フィンピッチ（Ｎ）と放熱フィン高さ（Ｌ）との間には、トング比（Ｌ／Ｎ）≦５を満足しなければならないとの制約条件が有り、また、抜き勾配（θ）を１度以上にする必要が有るとの制約もある｛Ｎ，Ｌおよびθについては図９（図７のＳ部と同等部位を示した説明図）を参照。｝。

筐体９はすでに前記制約条件を考慮した放熱フィンの形状・寸法としているので、これ以上に単位面積当たりの放熱フィン枚数の増加や放熱フィン高さ（Ｌ）の増大を図ることは困難である。（ハ）前記（イ），（ロ）項に記述したことから、筐体９のより大容量のインバータ装置などへの適用は不可能であった。したがってこの発明の目的は、放熱能力の増大が可能なダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体を提供することにある。

この発明では前述の目的は、
１）発熱体を収容しこの発熱体で発生した熱を除去する放熱部が形成されたアルミニウム合金ダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体において、前記壁部の前記発熱体の装着部と前記放熱部の少なくとも主要部とを含む部位に、アルミニウム合金ダイキャスト成形用材よりも高い熱伝導率を持つアルミニウム系材料が用いられた放熱体を備え、この放熱体は前記壁部がダイキャスト成形される際に一体に鋳込まれること、または、
２）前記１項に記載の手段において、前記放熱体に用いられるアルミニウム系材料はアルミニウム合金押出し成形用材であり、前記放熱体は押出し成形により形成されること、または、
３）発熱体を収容しこの発熱体で発生した熱を除去する放熱部が形成されたアルミニウム合金ダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体において、前記壁部の前記発熱体の装着部が形成される部位にこの発熱体を装着するための装着面および放熱体を取付けるための取付面とを有してアルミニウム合金押出し成形用材と同等もしくはそれよりも高い熱伝導率を持つアルミニウム系材料が用いられた取付用部材を備えると共に、この取付用部材の取付面に取付けられた前記放熱体とを備え、前記取付用部材は前記壁部がダイキャスト成形される際に一体に鋳込まれ、前記放熱体は前記壁部に鋳込まれた取付用部材に取付けられること、さらにまたは、
４）前記３項に記載の手段において、前記放熱体に用いられる材料はアルミニウム合金押出し成形用材であり、前記放熱体は押出し成形により形成されることにより達成される。

この発明による放熱機能を持つ筐体では、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記の効果を得られる。
（１）前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（２）項による構成とすることで、放熱体は、例えば、押出し成形によって製作され、その用材としては６０６３材などのアルミニウム合金押出し成形用材が用いられる。押出し成形によって製作された放熱体の放熱フィンは、ダイキャスト成形によって製作される放熱フィンの場合とは異なってトング比や抜き勾配による制約を受けないことから、そのフィン形状としては放熱フィン高さを従来例の放熱フィンの場合よりも高く、放熱フィン厚さを従来例の放熱フィンの場合よりも薄くできる。さらに、この発明による放熱フィンでは、放熱フィン厚さを従来例の放熱フィンの場合よりも薄く，抜き勾配無しでできることから、放熱フィンピッチを、例えば、従来例の放熱フィンの場合の１／２にできる。これ等のことにより、放熱体の放熱面積を従来例の場合よりも大幅に増大することが可能になる。

さらに、放熱体のアルミニウム合金押出し成形用材が６０６３材である場合を例に採ると、その熱伝導率値が、前述したところにより、従来例に用いられているＡＤＣ１２材の熱伝導率値よりも大幅に大きいので、熱伝導による温度降下量はＡＤＣ１２材が用いられた場合よりも大幅に低減される。すなわち、アルミニウム合金押出し成形用材を用いて押出し成形によって製作されたこの発明による放熱体を適用することにより、筐体は放熱面積の増大と熱伝導率値の増大とを同時に獲得することができ、これによって筐体の放熱能力が大幅に増大されるので、従来例の筐体を適用したインバータ装置の最大出力値が５ｋＷ前後程度であるのに対して、この発明による筐体を適用したインバータ装置の場合には、従来例の筐体を適用したインバータ装置の最大出力値が同一体積で５０％程度大きくすることが可能になる。また、
（２）前記課題を解決するための手段の項の第（３）項，第（４）項による構成とすることで、放熱体が筐体部のダイキャスト成形工程に直接に関わらずに済むのでその形状・寸法・用材・構成などの自由な設定が可能になる。このことにより、例えば、６０６３材などを用いて押出し成形によって製作された放熱体を採用する場合には、前記（１）項の場合よりも放熱体の放熱能力が増大されるように、その放熱フィン高さ，放熱フィン厚さ，放熱フィンピッチや、放熱フィン枚数，放熱フィン長さを設定することができる。また、用材にアルミニウム材や銅材などを用い、その構成に冷却技術分野では周知の冷却液循環式，沸騰冷却式，ヒートパイプ式などを適用した放熱体を採用する場合には、その放熱能力のさらなる増大が可能になる。こうしたことにより、この発明が対象とする放熱機能を持つ筐体を適用可能なインバータ装置などの最大出力値を、前記（１）項の場合よりも増大することが可能になる。

以下この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図６〜図８に示した従来例の放熱機能を持つ筐体９と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
『実施の形態１』図１はこの発明の実施の形態の一例による放熱機能を持つ筐体を示す斜視図であり、図２は図１におけるＡ―Ａ断面図であり、図３は図２におけるＢ―Ｂ断面図である。図１〜図３において、１は、筐体部２，放熱体３と複数の放熱フィン９９および８とを備えたこの発明による放熱機能を持つ筐体である。筐体部２は直方体状の外形を持つ有底筒状体としての形状を有し、その底部に当たる壁部２１と四周を巡る側壁部９４とによって収容空間９５が形成されていることは、従来例の筐体９の場合と同様である。筐体部２の壁部２１のほぼ中央部には、この発明による筐体１の特徴的な構成要素である放熱体３が鋳込み法によって配設されている。

放熱体３は基部３１と複数の放熱フィン３３とを有し、基部３１の収容空間９５側の面には発熱体（不図示）を装着するための装着面３２が形成されており、放熱フィン３３は基部３１の収容空間９５に対する反対側の面に一体に形成されている。装着面３２の形状・寸法は、例えば、従来例の筐体９の装着面９３と同等である。放熱フィン８は放熱フィン９９と同一のフィン形状・寸法およびフィンピッチを持っており、放熱体３が配設されたことによって、放熱フィン９９の長さ方向の中央部が欠如されたものとみなすこともできる。筐体１では、筐体部２と放熱フィン９９および８とには、筐体９の場合と同様に、ＡＤＣ１２材などのアルミニウム合金ダイキャスト成形用材が用いられる。
また放熱体３は押出し成形によって製作され、その用材としては６０６３材などのアルミニウム合金押出し成形用材が用いられる。押出し成形によって製作された放熱体３の放熱フィン３３は、ダイキャスト成形によって製作される放熱フィン９９の場合とは異なって前記トング比や抜き勾配による制約を受けないことから、そのフィン形状としては放熱フィン高さＬ_１を放熱フィン９９の場合よりも高く、放熱フィン厚さＴ_１を放熱フィン９９の場合よりも薄くしている。そうして放熱フィン３３では、放熱フィン厚さＴ_１を放熱フィン９９の場合よりも薄くしていることから、放熱フィンピッチＰ_１を放熱フィン９９の場合の１／２程度にしている。

図１〜図３に示すこの発明の実施の形態の一例による放熱機能を持つ筐体１では前述の構成としたので、壁部２１などの壁部の単位面積当たりの放熱体３の放熱面積は、従来例の筐体９の場合よりも大幅に増大される。また、放熱体３は用材にアルミニウム合金押出し成形用材が用いられており、この用材に６０６３材が用いられた場合にはその熱伝導率値が、前述したところにより、従来例に用いられているＡＤＣ１２材の熱伝導率値よりも大幅に大きいので、熱伝導による温度降下量は従来例のＡＤＣ１２材が用いられた場合よりも大幅に低減される。
すなわち、アルミニウム合金押出し成形用材を用いて押出し成形によって製作される放熱体３を適用することにより、筐体１は放熱面積の増大と熱伝導率値の増大とを同時に獲得することができ、これによって筐体１の放熱能力が大幅に増大されるので、放熱部が形成されたダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体を、より大容量のインバータ装置などに適用することができるようになる。発明者の検討結果によれば、従来例の筐体９を適用したインバータ装置の最大出力値は５ｋＷ前後程度であるのに対して、この発明による筐体１を適用したインバータ装置の場合には最大出力値を数十ｋＷ級にすることができる。
『実施の形態２』図４はこの発明の実施の形態の異なる例による放熱機能を持つ筐体を示すその縦断面図であり、図５は図４におけるＣ―Ｃ断面図である。図４，図５において、４は、筐体部５，取付用部材６および放熱体７を備えたこの発明による放熱機能を持つ筐体である。筐体部５は直方体状の外形を持つ有底筒状体としての形状を有し、その底部に当たる壁部５１と四周を巡る側壁部９４とによって収容空間９５が形成されていることは、従来例の筐体９の場合と同様である。筐体部５の壁部５１のほぼ中央部には、放熱体７と共にこの発明による筐体４の特徴的な構成要素である取付用部材６が鋳込み法によって配設されている。

取付用部材６はこの事例の場合には平板状の矩形状体であり、その収容空間９５側の面には発熱体（不図示）を装着するための装着面６１が、収容空間９５に対する反対側の面には放熱体７を取付けるための取付面６２がそれぞれ形成されている。装着面６１の形状・寸法は、例えば、従来例の筐体９の装着面９３と同等である。放熱体７は筐体部５に鋳込まれた状態の取付用部材６の取付面６２に取付けられる。この放熱体７は基部７１と複数の放熱フィン７２とを有し、基部７１の取付用部材６側の面には取付面６２と当接される装着面７３が形成されており、放熱フィン７２は基部７１の装着面７３に対する反対側の面に一体に形成されている。
筐体４では、筐体部５には筐体９の場合と同様に、ＡＤＣ１２材などのアルミニウム合金ダイキャスト成形用材が用いられる。取付用部材６には、例えば、Ａ１０５０Ｐ材（ＪＩＳＨ４０００）などの商用純アルミニウム材製の板材や条材などが用いられる。Ａ１０５０Ｐ材の熱伝導率値（２５℃）は２３４Ｗ／ｍ・℃程度であり、６０６３材の熱伝導率値の２００Ｗ／ｍ・℃程度に対しても１７％程度大きい。また、放熱体７はこの発明の筐体１の放熱体３と同様に押出し成形によって製作され、その用材としては６０６３材などのアルミニウム合金押出し成形用材が用いられる。

放熱体７の放熱フィン高さＬ_２，放熱フィン厚さＴ_２および放熱フィンピッチＰ_２は、この事例の場合には放熱体３の放熱フィン高さＬ_１，放熱フィン厚さＴ_１および放熱フィンピッチＰ_１と同一値にしている。ただし放熱体７では、放熱体７が筐体部５のダイキャスト成形工程に直接に関わらずに済むのでその形状・寸法を自由に設定できることから、図４，図５からも分かるように、その放熱フィン７２の枚数および長さを放熱体３の場合よりも大きく設定している。
図４，図５に示すこの発明の実施の形態の異なる例による放熱機能を持つ筐体４では前述の構成としたので、放熱体７の放熱能力はこの発明の筐体１の放熱体３の場合よりも増大される。そうして発熱体で発生した熱は、発熱体→装着面６１→取付用部材６→取付面６２→装着面７３→放熱体７（基部７１→放熱フィン７２）→外気の経路で外気に放散される。取付用部材６内を流れる熱は、大きな熱伝導率値を持つＡ１０５０Ｐ材などで作製された取付用部材６中では僅かな温度降下によって取付面６２に伝わる。また、放熱体７ではこの発明の筐体１の放熱体３と同様の熱伝導率値の大きな材料が用いられているので、放熱体７に伝えられた熱は、従来例の筐体９の冷却フィン９９の場合よりも小さい温度降下によって放熱フィン７２の放熱面まで伝えられる。放熱フィン７２に伝えられた熱は、冷却フィン９９の場合より広いことは勿論のこと、放熱体３の放熱フィン３３よりも広い放熱面積を持つ放熱フィン７２から外気に放散される。このことにより、筐体４はこの発明の筐体１の場合よりもさらに大容量のインバータ装置などに適用することができるようになる。

「実施の形態２」の項の前述の説明では、放熱体７の放熱フィン高さＬ_２，放熱フィン厚さＴ_２および放熱フィンピッチＰ_２は、放熱体３の放熱フィン高さＬ_１，放熱フィン厚さＴ_１および放熱フィンピッチＰ_１と同一値であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、放熱フィン高さＬ_２，放熱フィン厚さＴ_２および放熱フィンピッチＰ_２のそれぞれの値は、放熱フィン高さＬ_１，放熱フィン厚さＴ_１および放熱フィンピッチＰ_１のそれぞれの値とは異なったものであってもよい。
また前述の説明では、筐体４が備える放熱体７はアルミニウム合金押出し成形用材を用いて押出し成形によって製作されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、用材には銅材などを用いてもよく、またその構成は、冷却技術分野では周知の高い熱伝達性能を持つ冷却液循環式，沸騰冷却式，ヒートパイプ式などを適用したものであってもよいものである。こうしたことにより、この発明が対象とする放熱機能を持つ筐体を適用可能なインバータ装置などの最大出力値のさらなる増大が可能になる。さらにまた、前述の説明では、筐体４が備える筐体部５には放熱フィン（放熱フィン９９など）が設けられないとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、必要な場合には適宜の放熱フィンを設けてもよいことは勿論のことである。

「発明を実施するための最良の形態」の項の前述の説明では、筐体部２および筐体部５は四周を巡る側壁部９４を有して直方体状の外形を持つとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、側壁部は四周の一部のみに配設しても、または全く配設しなくてもよい。そうして、こうした場合には、蓋体（不図示）を箱状にするなどして、収容空間９５と同等の容積・形状を持つ半導体素子などの発熱体などを収容するための収容空間を確保すればよい。

この発明の実施の形態の一例による放熱機能を持つ筐体を示す斜視図である。図１におけるＡ―Ａ断面図である。図２におけるＢ―Ｂ断面図である。この発明の実施の形態の異なる例による放熱機能を持つ筐体を示すその縦断面図である。図４におけるＣ―Ｃ断面図である。従来例の放熱機能を持つ筐体を示す斜視図である。図６におけるＰ―Ｐ断面図である。図７におけるＲ―Ｒ断面図である。図８のＳ部と同等部位を示した説明図である。

符号の説明

１筐体
２筐体部
２１壁部
３放熱体
３３放熱フィン
８放熱フィン
９９放熱フィン

Claims

発熱体を収容しこの発熱体で発生した熱を除去する放熱部が形成されたアルミニウム合金ダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体において、
前記壁部の前記発熱体の装着部と前記放熱部の少なくとも主要部とを含む部位に、アルミニウム合金ダイキャスト成形用材よりも高い熱伝導率を持つアルミニウム系材料が用いられた放熱体を備え、この放熱体は前記壁部がダイキャスト成形される際に一体に鋳込まれることを特徴とする放熱機能を持つ筐体。
請求項1に記載の放熱機能を持つ筐体において、前記放熱体に用いられるアルミニウム系材料はアルミニウム合金押出し成形用材であり、前記放熱体は押出し成形により形成されることを特徴とする放熱機能を持つ筐体。
発熱体を収容しこの発熱体で発生した熱を除去する放熱部が形成されたアルミニウム合金ダイキャスト成形用材製の壁部を有する放熱機能を持つ筐体において、
前記壁部の前記発熱体の装着部が形成される部位にこの発熱体を装着するための装着面および放熱体を取付けるための取付面とを有してアルミニウム合金押出し成形用材と同等もしくはそれよりも高い熱伝導率を持つアルミニウム系材料が用いられた取付用部材を備えると共に、この取付用部材の取付面に取付けられた前記放熱体とを備え、前記取付用部材は前記壁部がダイキャスト成形される際に一体に鋳込まれ、前記放熱体は前記壁部に鋳込まれた取付用部材に取付けられることを特徴とする放熱機能を持つ筐体。
請求項３に記載の放熱機能を持つ筐体において、前記放熱体に用いられる材料はアルミニウム合金押出し成形用材であり、前記放熱体は押出し成形により形成されることを特徴とする放熱機能を持つ筐体。