JP2015002302A - ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減、軽量化及び小型化を図るとともに、放熱性能を良好に維持することができ、かつ板状部材の中央部に高いフィンを形成することが容易なヒートシンクの製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材の一部を厚み方向に押圧して絞り加工を施すことによりテーパ部を有するドーム部を成形する絞り工程と、テーパ部１４を押圧して減肉しつつ該テーパ部１４の内側のドーム部の中央部に向けて材料を流動させることにより、ドーム部の中央部を増肉して厚肉部１６を形成する増肉工程と、厚肉部１６を厚み方向に押圧して中央部にフィンを一体に立設するフィン成形工程とを備える。【選択図】 図６

Description

本発明は、発光素子を光源とする照明等の発熱部材が取り付けられるヒートシンクの製造方法に関する。

近年、ＬＥＤ素子等の発光素子を光源とする照明器具が様々な場所で使用されるようになってきている。このような照明器具においては、その使用時に発光素子から発生する熱を放熱するためにヒートシンクが備えられている。
また、ヒートシンクの放熱性能の向上のために、平板状のヒートシンク表面に一体にフィンを形成することが行われており、例えば特許文献１に開示されるように、鍛造技術により金属板の表面全域にフィン状突起を成形することが行われている。
ところが、部品の一部にフィンを立設させるような場合は、鍛造加工では部分的にフィンを成形することが難しいため、ヒートシンクの表面に別部品のフィンを取り付けることが行われる。しかし、この場合にはヒートシンク表面とフィンとの設置面で熱抵抗が生じることから放熱が阻害されて効果が得られ難いことや、コスト及び重量が増加することが懸念される。また、アルミダイカストによりフィンを一体に形成したヒートシンクにおいては、材料内の不純物による放熱性能の低下が懸念される。

ところで、ヒートシンク以外の分野においては、特許文献２及び特許文献３に開示されるように、鍛造により平板状の金属材に増肉部を形成しておき、その増肉部をさらに鍛造成形することによって所望の形状を一体に成形することが行われている。
特許文献２では、平板状の金属素材の一部を絞り加工やバーリング加工といったプレス加工により、その表裏面から突出させてフランジ部を形成し、そのフランジ部を加圧して押し潰すことで金属素材の元の肉厚よりも増肉させた後、その増肉部に窪みや突起、凹凸、ギア、切欠き、切起し片等を成形することが記載されている。
また、特許文献３では、中央部に穴を有する円板状鋼板の外周端を押さえながら、その中央部を加圧することにより、孔の周囲を増肉させた円錐凹状を成形し、さらに、その円錐凹状を縮径させるとともに高さを延ばして、ハブ部とヨーク部とを一体に成形したローターを形成することが記載されている。

特開平６‐２２４３３５号公報 特開２００９‐０６１５０３号公報 特開２０１１‐１０４６０７号公報

ところが、特許文献２又は特許文献３に示すように、金属板の外周端を押し潰したり、押さえる方法では、金属板の大きさや成形可能な部品形状が制限され、板状部材の中央部に高いフィンを部分的に有するようなヒートシンクの成形に応用することが難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、コスト低減、軽量化及び小型化を図るとともに、放熱性能を良好に維持することができ、かつ板状部材の中央部に高いフィンを形成することが容易なヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のヒートシンクの製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材の一部を厚み方向に押圧して絞り加工を施すことによりテーパ部を有するドーム部を成形する絞り工程と、前記テーパ部を押圧して減肉しつつ該テーパ部の内側の前記ドーム部の中央部に向けて材料を流動させることにより、前記ドーム部の中央部を増肉して厚肉部を形成する増肉工程と、前記厚肉部を厚み方向に押圧して前記中央部にフィンを一体に立設するフィン成形工程とを備えることを特徴とする。

ドーム部を形成した後に、ドーム部のテーパ部を押圧して減肉しながら中央部を増肉することで、板状部材の外周端を抑えることなく板状部材の必要な部分に厚肉部を形成することができる。そして、その厚肉部の材料を利用して一体にフィンを形成することができ、ヒートシンクに部分的にフィンを形成することが可能となる。このように、板状部材の外周端を拘束することなく板状部材の必要な部分にフィンを形成することができるので、板状部材の大きさや部品形状の自由度が広がり、ヒートシンクの種々の形状に対応することが可能となる。そして、フィンが一体に形成されたヒートシンクは、別部品のフィンを接合した場合と比べて、コスト低減、軽量化及び小型化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持することができる。
この場合、ドーム状に形成されるので、ヒートシンクに取り付けられる発熱部材がＬＥＤ素子等の発光素子とされる場合は、ヒートシンク自体をカバー部材として構成することも可能である。

本発明のヒートシンク製造方法の前記フィン成形工程において、前記厚肉部の周囲を厚み方向に加圧した状態で前記厚肉部を押圧して前記フィンを形成する。
厚肉部の周囲を厚み方向に加圧した状態とすることにより、厚肉部から周辺部への材料流動を抑制することができるので、材料をフィン成形型内に流れ易くすることができ、フィンを高く形成することができる。

本発明のヒートシンク製造方法の前記増肉工程において、前記テーパ部の外側を厚み方向に押圧することにより、前記テーパ部に連続して設けられる平面フランジ部と、該平面フランジ部に連続して設けられ前記テーパ部よりも角度が立ち上がった外側テーパ部とを成形するとともに、前記外側テーパ部は、少なくとも前記テーパ部に減肉が生じるよりも前に成形が開始される構成とされる。

平面フランジ部を設けることで、テーパ部との間に曲げ部が形成される。また、外側テーパ部を設けることで、平面フランジ部との間に曲げ部が形成される。そして、外側テーパ部がテーパ部よりも角度が立ち上がった（垂直に近い）形状とされているので、増肉加工時にそのテーパ部の外側へ材料が逃げることが防止され、厚肉部の成形を円滑に行うことができる。
また、フィンの成形時においても、予め設けられたこれら周辺部の形状により厚肉部から周辺部への材料の流動を制限でき、材料をフィン成形型内に流れ易くすることができるので、フィンを高く形成することができる。

本発明のヒートシンク製造方法の前記増肉工程において、前記外側テーパ部の外側を厚み方向に押圧して、曲げ部を成形するとよい。
外側テーパ部の外側周辺部との間に曲げ部を形成することで、増肉加工時における材料の外側への流動をより一層防止できる。また、フィンの成形時においても、厚肉部から周辺部への材料の流動を制限する効果がより一層高められ、フィンを高く形成し易くなる。

本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材を用いて、フィンが部分的に立設されたヒートシンクを形成することができる。したがって、コスト低減、軽量化及び小型化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持することができる。

本発明の実施形態のヒートシンク製造方法により製造されるヒートシンクを示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。 本発明の実施形態のヒートシンク製造方法における絞り工程を行うプレス装置の一部を断面にした正面図であり、（ａ）が成形金型を開いた状態、（ｂ）が閉じた状態を示す。 図２に示すプレス装置に備えられる成形金型及び板状部材について、絞り工程における成形状態を（ａ）（ｂ）の順で説明する要部断面図である。 本発明の実施形態のヒートシンク製造方法における増肉工程を行うプレス装置の一部を断面にした正面図であり、（ａ）が成形金型を開いた状態、（ｂ）が閉じた状態を示す。 図４に示すプレス装置に備えられる成形金型及び板状部材について、増肉工程におけるテーパ部の押圧開始までの成形状態を（ａ）から（ｃ）の順に説明する要部断面図である。 図５に示す状態から厚肉部が形成されるまでの成形状態を（ａ）（ｂ）の順に示す要部断面図である。 本発明の実施形態のヒートシンク製造方法におけるフィン成形工程を行うプレス装置の一部を断面にした正面図であり、（ａ）が成形金型を開いた状態、（ｂ）が閉じた状態を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態のヒートシンク製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材を、プレス装置に取り付けられた複数の成形金型により段階的に成形し、図１に示すようにフィン１１が一体に形成されたヒートシンク１０を製造するものである。

図１に示すヒートシンク１０は、それ自体がＬＥＤ素子等の発光素子のカバー部材として構成されるもので、円形の天板部１２の内面１２ａに発光素子が取り付けられるようになっている。そして、天板部１２の表面１２ｂに帯板状の複数のフィン１１が間隔をあけて平行に立設される。
なお、ヒートシンク１０を構成する板状部材の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、円板状に形成された厚み２〜６ｍｍ程度の板状部材を用いてヒートシンク１０の製造を行うこととしている。また、天板部１２の周囲には円錐状のテーパ部１３が形成されており、テーパ部１３の外側には平面フランジ部１７、テーパ部１３よりも垂直方向に対する角度が小さい第２テーパ部１８、外側フランジ部１９が連続して形成されている。

次に、このようなヒートシンク１０を製造する方法について詳細な説明を行う。
（絞り工程）
まず、図２に示すように、プレス装置１０１に組み込んだ成形金型２により、円板状の板状部材１Ａに絞り加工を施す。成形金型２は、固定側（下側）が、プレス装置１０１の基台に固定されたパンチ２１と、パンチ２１の周囲にスライド可能に設けられた環状のホルダ２２とにより構成され、昇降移動する可動側が、上ダイプレート２３とにより構成される。上ダイプレート２３の下面には凹面部２４が形成され、パンチ２１の上端部には、上ダイプレート２３の凹面部２４に対向するように凸面部２５が形成されている。

このように構成された成形金型２において、まず図２（ａ）に示すように、上ダイプレート２３を上昇させた状態で、パンチ２１及びホルダ２２上に板状部材１Ａを装着する。そして、図３（ａ）に示すように、上ダイプレート２３を下降させ、板状部材１Ａの周縁部を上ダイプレート２３とホルダ２２とで挟んだ状態とし、この状態で、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、さらに上ダイプレート２３を下降させることで、パンチ２１の凸面部２５により板状部材１Ａが上ダイプレート２３の凹面部２４内に押し込まれて変形し、上ダイプレート２３側（上側）に絞り出される。これにより、板状部材１Ａの一部が上ダイプレート２３とパンチ２１との間で厚み方向に押圧され、上ダイプレート２３側に突出して根元側にテーパ部１４を有するドーム部１５が成形される。
そして、上ダイプレート２３を上昇させ、成形金型２から板状部材１Ｂを取り出し、次工程へ搬送する。
なお、この絞り工程においては、板状部材１Ａの板厚は、絞りによるわずかな変化はあるものの、大きな変化は生じない。

（増肉工程）
次に、ドーム部１５を形成した板状部材１Ｂに、図６（ｂ）に示すように最大厚みｔ１が加工前（板状部材１Ａ）の厚みの２倍程度の厚肉部１６を成形する。厚肉部１６の成形は、図４に示すように、プレス装置１０２に組み込んだ成形金型３により行われる。成形金型３は、固定側がプレス装置１０２の基台に固定された下ダイプレート３１により、可動側が上ダイプレート３２により構成され、この下ダイプレート３１と上ダイプレート３２との間で板状部材１Ｂを挟持することにより、図４（ｂ）に示すように、板状部材１Ｃに厚肉部１６を成形するものとされる。なお、上ダイプレート３２には、ノックアウトピン３３が上下移動可能に設けられている。

この増肉工程における成型金型３では、図５（ａ）に示すように上ダイプレート３２の下面に凹面部３４が形成され、下ダイプレート３１の上面に、上ダイプレート３２の凹面部３４に対向するように凸面部３５が形成されており、これら凹面部３４及び凸面部３５の一部に、ドーム部１５のテーパ部１４を成形する傾斜面部３６，３７が周方向に沿ってリング状に形成されるとともに、その傾斜面部３６，３７の外側に平面部３８，３９、その平面部３８，３９の外側に傾斜面部３６，３７よりも垂直方向に対する角度が小さい第２傾斜面部４０，４１、その第２傾斜面部４０，４１の外側に第２平面部４２，４３がそれぞれ周方向に沿ってリング状に形成されている。
この場合、後述するように、型締めされたときに凹面部３４と凸面部３５との間の隙間が一様ではなく、図６（ｂ）に示すように、板状部材１Ｃのテーパ部１３を成形する両傾斜面部３６，３７の間が最も小さく、板状部材１Ｂのテーパ部１４の厚さよりも小さく設定され、一方、ドーム部１５の中央部を成形する部分が最も大きく、板状部材１Ｂのドーム部１５の中央部の厚さよりも大きく設定されている。

このように構成された成形金型３において、まず図４（ａ）に示すように、上ダイプレート３２を上昇させた状態で、下ダイプレート３１上に板状部材１Ｂを装着する。次いで、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）（ｂ）に順に示すように、上ダイプレート３２を白抜き矢印で示す閉方向に下降させると、まず、板状部材１Ｂのテーパ部１４が下ダイプレート３１と上ダイプレート３２との傾斜面部３６，３７間で挟持され、さらに上ダイプレート３２を下降させることにより、テーパ部１４が両傾斜面部３６，３７の間で押圧され、上ダイプレート３２の傾斜面部３６によってドーム部１５の中央部に向かってしごかれるように押し潰される。これにより、テーパ部１４が減肉し、一方、その内側のドーム部１５の中央部においては、凹面部３４と凸面部３５との上下方向の間隙が板状部材１Ｂの板厚よりも大きく広がっているので、テーパ部１４にて減肉した分の材料がドーム部１５の中央部に流動し、凹面部３４と凸面部３５との間隙内に充満する。このため、ドーム部１５の中央部が増肉されて厚肉部１６が形成されるとともに、テーパ部１４の厚さが薄くなってほぼ製品形状のテーパ部１３に成形される。

また、この増肉工程においては、厚肉部１６の形成とともに、テーパ部１３の外側に平面部３８，３９、第２傾斜面部４０，４１及び第２平面部４２，４３により曲げ加工を施すこととしており、テーパ部１３に連続して設けられる平面フランジ部１７と、その平面フランジ部１７に連続して設けられテーパ部１３よりも角度が立ち上がった外側テーパ部１８と、その外側テーパ部１８に連続する外側フランジ部１９とが成形される。
これらテーパ部１３、平面フランジ部１７、外側テーパ部１８、外側フランジ部１９の連結部分では、上ダイプレート３２の押し込みに伴い曲げ加工が施されるようになっており、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、少なくともテーパ部１４が下ダイプレート３１と上ダイプレート３２との間で押圧されて減肉が生じるよりも前に、外側テーパ部１８の成形が開始されるようになっている。すなわち、厚肉部１６の成形に先立ち、ドーム部１５（テーパ部１４）の外側を下ダイプレート３１と上ダイプレート３２との間に挟み込み、厚み方向に押圧することで成形が開始されるようなっている。

このように、板状部材１Ｃには、平面フランジ部１７を設けることで、テーパ部１３との間に曲げ部５１が形成され、外側テーパ部１８を設けることで、平面フランジ部１７との間に曲げ部５２が形成され、外側テーパ部１８の外側に外側フランジ部１９を設けることで、これらの間にさらに曲げ部５３を成形することとしており、これにより、板状部材１Ｃの周辺部分は図６（ｂ）に示す形状に階段状に加工される。
この場合、ドーム部１５の周辺部に曲げ部５１〜５３や外側テーパ部１８等を設けるとともに、外側テーパ部１８が内側のテーパ部１３（成形前のテーパ部１４）よりも角度が立ち上がった（垂直に近い）形状とされているので、テーパ部１４の押し潰し加工時にそのテーパ部１４の外側へ材料が逃げることが防止され、ドーム部１５の中央に材料を確実に流動させて、厚肉部１６の成形を円滑に行うことができる。
なお、上記のように平面フランジ部１７を形成しなくとも、テーパ部１３に連続して外側テーパ部１８を設けることで、テーパ部１３との間に曲げ部が形成されるので、この場合にも平面フランジ部１７を形成した場合と同様の効果が得られる。

（フィン成形工程）
次に、板状部材１Ｃの厚肉部１６を押圧して、図７（ｂ）に示すように複数のフィン１１を一体に成形する。フィン１１の成形は、図７に示すように、プレス装置１０３に組み込んだ成形金型４により行われる。成形金型４は、固定側が、プレス装置１０３の基台に固定されたパンチ６１と、パンチ６１の周囲にスライド可能に設けられた環状のホルダ６２とにより構成され、昇降移動する可動側が、上ダイプレート６３とにより構成される。そして、上ダイプレート６３に、フィン成形用の複数のフィン成形凹部６４が形成されている。また、上ダイプレート６３には、ノックアウトピン６５が上下移動可能に設けられている。

このように構成された成形金型４において、まず図７（ａ）に示すように、上ダイプレート６３を上昇させた状態で、ホルダ６２上に板状部材１Ｃを装着する。次に、図７（ｂ）に示すように、上ダイプレート６３を白抜き矢印で示す閉方向に下降させ、板状部材１Ｃの周縁部を上ダイプレート６３とホルダ６２とで挟んだ状態とし、この状態で、さらに上ダイプレート６３を下降させることで、パンチ６１により厚肉部１６が押圧され、材料が上ダイプレート６３のフィン成形凹部６４内に流動して、いわゆる後方押出によりフィン１１が成形される。
このとき、パンチ６１により押圧された材料は、フィン成形凹部６４内だけでなく外方にも流動しようとするが、厚肉部１６の周囲を上ダイプレート６３とホルダ６２とにより挟持し、厚肉部１６とその周辺部との間で面方向の材料流動が生じるのを抑制しているので、材料が周辺部に流出することが防止される。
フィン１１の成形後、上ダイプレート６３を開方向に移動させて、板状部材１Ｄを成形金型４から取り出す。

（仕上げ工程）
最後に、図１に示すヒートシンク１０の形状とするために、図示は省略するが別の成形金型によって板状部材１Ｄの周縁部の表面を平らに加工し、外側フランジ部１９を整形する。また、外側フランジ部１９の一部を打ち抜いて穴部１９ａの形成を行い、ヒートシンク１０を仕上げる。

本発明によれば、絞り加工としごき加工とを組み合わせることで、板状部材１Ａの外周端を抑えることなく板状部材１Ａの必要な部分に厚肉部１６を形成することができる。そして、その厚肉部１６の材料を利用して一体にフィン１１を形成することができ、ヒートシンク１０に部分的にフィン１１を形成することが可能となる。このため、板状部材１Ａの大きさや部品形状の自由度が広がり、ヒートシンク１０の種々の形状に対応することが可能となる。

この場合、増肉工程において、テーパ部１４の周辺部に平面フランジ部１７や外側テーパ部１８、複数の曲げ部５１〜５３を設けるとともに、外側テーパ部１８をテーパ部１４よりも角度が立ち上がった形状としているので、増肉加工時にテーパ部１４の外側へ材料が逃げることが防止され、厚肉部１６の成形を円滑に行うことができる。
また、フィン成形工程において、厚肉部１６の周囲を厚み方向に加圧し、厚肉部１６から周辺部への材料流動を抑制しているので、材料をフィン成形型内に流れ易くすることができ、フィン１１を高く形成することができる。
そして、フィン１１が一体に形成されたヒートシンク１０は、別部品のフィンを接合した場合と比べて、コスト低減、軽量化及び小型化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持することができる。
また、本実施形態の場合、ヒートシンク１０に取り付けられる発熱部材がＬＥＤ素子等の発光素子であり、ヒートシンク１０自体をカバー部材として構成しているため、さらに部品点数の削減に寄与することができる。
さらに、アルミダイカストによるヒートシンクと比べて、材料内の不純物が無い分、放熱性能を良好に維持することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、図１に示すように、帯板状のフィン１１を間隔をあけて平行に立設する構成としたが、これに限定されるものではなく、ピン状のフィン等の種々のフィン形状を形成する場合にも、本発明のヒートシンク製造方法を活用することができる。
また、実施形態では、成形金型２〜４を別々のプレス装置に取り付けたが、一つのプレス装置により取り付けて、そのプレス装置内で板状部材をトランスファーするようにしてもよい。

１０ ヒートシンク
１１ フィン
１２ 天板部
１２ａ 内面
１２ｂ 表面
１３ テーパ部
１４ テーパ部
１５ ドーム部
１６ 厚肉部
１７ 平面フランジ部
１８ 外側テーパ部
１９ 外側フランジ部
１９ａ 穴部
１０１ プレス装置
１Ａ〜１Ｄ 板状部材
２ 成形金型
２１ パンチ
２２ ホルダ
２３ 上ダイプレート
２４ 凹面部
２５ 凸面部
１０２ プレス装置
３ 成形金型
３１ 下ダイプレート
３２ 上ダイプレート
３３ ノックアウトピン
３４ 凹面部
３５ 凸面部
３６，３７ 傾斜面部
３８，３９ 平面部
４０，４１ 第２傾斜面部
４２，４３ 第２平面部
５１〜５３ 曲げ部
１０３ プレス装置
４ 成形金型
６１ パンチ
６２ ホルダ
６３ 上ダイプレート
６４ フィン成形凹部
６５ ノックアウトピン

Claims (4)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状部材の一部を厚み方向に押圧して絞り加工を施すことによりテーパ部を有するドーム部を成形する絞り工程と、前記テーパ部を押圧して減肉しつつ該テーパ部の内側の前記ドーム部の中央部に向けて材料を流動させることにより、前記ドーム部の中央部を増肉して厚肉部を形成する増肉工程と、前記厚肉部を厚み方向に押圧して前記中央部にフィンを一体に立設するフィン成形工程とを備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
2. 前記フィン成形工程において、前記厚肉部の周囲を厚み方向に加圧した状態で前記厚肉部を押圧して前記フィンを形成する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。
3. 前記増肉工程において、前記テーパ部の外側を厚み方向に押圧することにより、前記テーパ部に連続して設けられる平面フランジ部と、該平面フランジ部に連続して設けられ前記テーパ部よりも角度が立ち上がった外側テーパ部とを成形するとともに、前記外側テーパ部は、少なくとも前記テーパ部に減肉が生じるよりも前に成形が開始されることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシンクの製造方法。
4. 前記増肉工程において、前記外側テーパ部の外側を厚み方向に押圧して、曲げ部を成形することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のヒートシンクの製造方法。

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