JP7835005B2 - Heat sink and method for manufacturing a heat sink - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関する。 This invention relates to a heat sink and a method for manufacturing a heat sink.
ヒートシンクとして、板状のベース部と、このベース部の一方の表面に設けられた複数のピンフィンとを含む構造のものが知られている。このような構造のヒートシンクを製造する方法として、鍛造法が知られている。鍛造法としては、複数の孔を有するダイスの上に、ヒートシンクの原料である金属材料を配置し、パンチを用いて金属材料をダイスに向けて加圧することによって、金属材料をダイスの外周方向に延伸させてベース部を形成させると共に、複数の孔のそれぞれに流入させてピンフィンを形成させる方法が知られている。ダイスを用いた鍛造法には、バリ出し工法（半密閉工法ともいう）と密閉工法とが知られている。バリ出し工法は、パンチとダイスとの間に隙間が設けられていて、複数の孔に流入しなかった金属材料をその隙間から外部に流出させる工法である。密閉工法は、パンチとダイスとの間に隙間を設けずに、金属材料をパンチとダイスとの間に密閉する工法である。 A known heat sink structure includes a plate-shaped base and multiple pin fins on one surface of the base. Forging is a known method for manufacturing such heat sinks. In this forging method, a metal material, the raw material for the heat sink, is placed on a die with multiple holes. A punch is used to pressurize the metal material towards the die, stretching it outwards to form the base and allowing it to flow into each of the holes to form the pin fins. Two types of forging using dies are known: the deburring method (also called the semi-sealed method) and the sealed method. The deburring method involves a gap between the punch and the die, allowing any metal material that did not flow into the holes to escape. The sealed method involves sealing the metal material between the punch and the die without any gap.
ピンフィンの高さが均一なヒートシンクを、鍛造法を用いて製造するためには、ダイスの複数の孔に均一に金属材料を流入させることが必要となる。バリ出し工法を用いて、ダイスの複数の孔に金属材料を均一に充填させる方法として、ダイスの中央側に位置する孔の金属材料の流入抵抗を、外側に位置する孔の金属材料の流入抵抗よりも大きくすることが検討されている（特許文献１）。特許文献１には、ダイスの中央側に位置する孔の金属材料の流入抵抗を高める方法としては、ダイスの中央側に位置する孔の金属材料の流入口（肩部）の表面に凹凸を設ける方法が記載されている。また、密閉工法を用いて、ダイスの複数の孔に金属材料を均一に充填させる方法として、ピン先端に背圧を付与することが行われている（非特許文献１）。 To manufacture a heat sink with uniformly shaped pin fins using a forging method, it is necessary to uniformly fill the multiple holes of the die with metal material. As a method for uniformly filling the multiple holes of the die with metal material using a deburring process, it has been considered to increase the resistance of metal material flow to the holes located towards the center of the die compared to the holes located towards the outside (Patent Document 1). Patent Document 1 describes a method for increasing the resistance of metal material flow to the holes located towards the center of the die by creating irregularities on the surface of the metal material inlet (shoulder) of the holes located towards the center of the die. Furthermore, as a method for uniformly filling the multiple holes of the die with metal material using a sealing process, back pressure is applied to the pin tips (Non-Patent Document 1).
密閉工法は、バリ出し工法と比較して、金属材料のロスが低減されるため、金属材料の使用量を低減できる点で有利な方法である。しかしながら、密閉工法では、中央側から外側に流れた金属材料が、ダイスの内壁にあたって中央側に戻るため、外側の孔に金属材料が流れ込みやすくなる傾向がある。このため、ダイスの中央側と外側とで金属材料を均一に充填させることが難しくなる。また、ピン先端に背圧を付与する場合は、鍛造装置に背圧を付与するための設備を設置することが必要となり、製造コストが高くなる。特に、ピンの本数が増加するほど（ピン先端の表面積が増加するほど）、高圧の背圧を不要することが必要となるため、製造コストが高くなる。さらに、背圧が高圧になると、鍛造時の荷重も高くすることが必要となるため、ダイスへの負荷が増え、ダイスが短寿命になり易くなるおそれがある。 The sealed die method is advantageous because it reduces metal material loss compared to the deburring method, thus reducing the amount of metal used. However, in the sealed die method, metal material flowing from the center outwards tends to flow back towards the center after hitting the inner wall of the die, making it easier for metal material to flow into the outer holes. Therefore, it becomes difficult to uniformly fill the die with metal material in both the center and the outside. Furthermore, applying back pressure to the pin tips requires the installation of equipment for applying back pressure in the forging apparatus, increasing manufacturing costs. In particular, as the number of pins increases (and thus the surface area of the pin tips increases), the need for high-pressure back pressure becomes necessitated, further increasing manufacturing costs. Moreover, high back pressure necessitates higher loads during forging, increasing the load on the die and potentially shortening its lifespan.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、密閉工法において背圧機構を用いなくてもピンフィンの高さを均一にしやすい構造のヒートシンク、及び背圧機構を用いずに、ピンフィンの高さが均一なヒートシンクを長期間にわたって継続的に製造することができる方法を提供することを目的とする。 This invention was made in view of the circumstances described above, and aims to provide a heat sink with a structure that facilitates uniform pin fin height without using a back pressure mechanism in a sealed manufacturing method, and a method for continuously manufacturing heat sinks with uniform pin fin height over a long period of time without using a back pressure mechanism.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 To solve the above problems, the present invention provides the following means.
（１）板状のベース部と、前記ベース部の一方の表面に設けられた複数のピンフィンとを含み、複数の前記ピンフィンはそれぞれ、第１方向と、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔をあけて配置されていて、前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置する前記ピンフィンの断面積よりも、外側に位置する前記ピンフィンの断面積が大きいことを特徴とするヒートシンク。 (1) A heat sink comprising a plate-shaped base portion and a plurality of pin fins provided on one surface of the base portion, wherein each of the plurality of pin fins is spaced apart in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and in at least one of the first and second directions, the cross-sectional area of the pin fins located on the outer side is larger than the cross-sectional area of the pin fins located on the central side.
（２）前記第１方向および前記第２方向の二つの方向において、中央側に位置する前記ピンフィンの断面積よりも、外側に位置する前記ピンフィンの断面積が大きい上記（１）に記載のヒートシンク。 (2) The heat sink according to (1) above, wherein, in both the first and second directions, the cross-sectional area of the pin fins located on the outer side is larger than the cross-sectional area of the pin fins located on the central side.
（３）複数の前記ピンフィンは、隣り合う前記ピンフィンの中心間距離がそれぞれ同一となるように配置されている上記（１）または（２）に記載のヒートシンク。 (3) The heat sink according to (1) or (2) above, wherein the plurality of pin fins are arranged such that the distance between the centers of adjacent pin fins is the same.
（４）中央側に位置する前記ピンフィンから外側に位置する前記ピンフィンに向かって、前記ピンフィンの断面積が段階的に大きくなる上記（１）～（３）に記載のヒートシンク。 (4) The heat sink described in (1) to (3) above, wherein the cross-sectional area of the pin fins increases in stages from the pin fin located in the center toward the pin fin located toward the outer side.
（５）中央側に位置する前記ピンフィンから外側に位置する前記ピンフィンに向かって、前記ピンフィンの断面積が連続的に大きくなる上記（１）～（３）に記載のヒートシンク。 (5) The heat sink according to (1) to (3) above, wherein the cross-sectional area of the pin fins increases continuously from the pin fin located in the center toward the pin fin located outwards.
（６）複数の前記ピンフィンの断面形状がそれぞれ相似形である上記（１）～（５）に記載のヒートシンク。 (6) The heat sink described in (1) to (5) above, wherein the cross-sectional shapes of the multiple pin fins are similar.
（７）複数の前記ピンフィンの断面形状がそれぞれ円である上記（１）～（６）に記載のヒートシンク。 (7) The heat sink according to (1) to (6) above, wherein the cross-sectional shape of each of the multiple pin fins is circular.
（８）鍛造品である上記（１）～（７）に記載のヒートシンク。 (8) A heat sink described in (1) to (7) above, which is a forged product.
（９）複数の孔を有し、複数の前記孔は、第１方向と、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔をあけて配置されていて、前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置する前記孔の断面積よりも、外側に位置する前記孔の断面積が大きいダイスを用意する工程と、金属材料を前記ダイスの前記第１方向および前記第２方向の中央側に配置し、前記金属材料を密閉した状態で前記ダイスに向けて加圧することによって、前記金属材料を前記ダイスの外周方向に延伸させると共に、前記孔に流入させる工程と、を含むヒートシンクの製造方法。 (9) A method for manufacturing a heat sink, comprising the steps of: preparing a die having a plurality of holes, wherein the plurality of holes are spaced apart in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and in at least one of the first and second directions, the cross-sectional area of the outer holes is larger than the cross-sectional area of the central holes; and placing a metal material on the central side of the die in the first and second directions, and applying pressure toward the die while the metal material is sealed, thereby stretching the metal material toward the outer circumference of the die and causing it to flow into the holes.
本発明によれば、ピンフィンの高さを均一にしやすい構造のヒートシンク及びピンフィンの高さが均一なヒートシンクを長期間にわたって継続的に製造することができる方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat sink with a structure that facilitates uniform pin fin height, and a method for continuously manufacturing heat sinks with uniform pin fin height over a long period of time.
以下、本発明の実施形態に係るヒートシンク及びヒートシンクの製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 The following describes in detail a heat sink and a method for manufacturing a heat sink according to an embodiment of the present invention, with appropriate reference to the drawings. The drawings used in the following description may show enlarged portions of key features for ease of understanding the features of the present invention, and the dimensional ratios of each component may differ from those of the actual components. The materials, dimensions, etc., exemplified in the following description are examples only, and the present invention is not limited to them. It can be implemented with appropriate modifications without altering the essence of the invention.
［ヒートシンク］
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートシンクの斜視図であり、図２は、図１に示すヒートシンクの平面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態のヒートシンク１は、板状のベース部２と、ベース部２の一方の表面に設けられた複数のピンフィン３とを含む。
[heat sink]
Figure 1 is a perspective view of a heat sink according to one embodiment of the present invention, and Figure 2 is a plan view of the heat sink shown in Figure 1.
As shown in Figures 1 and 2, the heat sink 1 of this embodiment includes a plate-shaped base portion 2 and a plurality of pin fins 3 provided on one surface of the base portion 2.
ベース部２は、ピンフィン３の土台となる部分である。ベース部２の形状は特に制限はない。ベース部２の平面形状は、例えば、円や楕円形などの丸みを有する形状であってもよいし、四角形（長方形、正方形）、六角形、八角形などの多角形状あってもよい。ベース部２の厚さは、例えば、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。ベース部２のピンフィン３側の面は平坦であることが好ましい。ベース部２のピンフィン３側と反対側の面は、平坦であってもよいし、段差があってもよい。例えば、ベース部２のピンフィン３側と反対側の面は、中央に凸部あるいは凹部を設けてもよい。 The base portion 2 is the part that serves as the base for the pin fin 3. There are no particular restrictions on the shape of the base portion 2. The planar shape of the base portion 2 may be, for example, a rounded shape such as a circle or ellipse, or a polygonal shape such as a square (rectangle, square), hexagon, or octagon. The thickness of the base portion 2 may be, for example, within the range of 0.5 mm to 20 mm. The surface of the base portion 2 facing the pin fin 3 is preferably flat. The surface of the base portion 2 opposite to the pin fin 3 may be flat or have a step. For example, the surface of the base portion 2 opposite to the pin fin 3 may have a convex or concave portion in the center.
複数のピンフィン３はそれぞれ、ベース部２の表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）に延びている。複数のピンフィン３はそれぞれ、ベース部２の表面に沿う第１方向（Ｘ方向、行方向ともいう）と、第１方向に対して垂直な第２方向（Ｙ方向、列方向ともいう）に間隔をあけて配置されている。本実施形態では、第１方向には１１個のピンフィン３が配置され、第２方向には１０個のピンフィン３が配置されている。複数のピンフィン３は第１方向に交互にずれた千鳥状に配置されている。 Each of the multiple pin fins 3 extends in a direction perpendicular to the surface of the base portion 2 (the Z-direction). Each of the multiple pin fins 3 is arranged with spacing in a first direction (also called the X-direction or row direction) along the surface of the base portion 2, and in a second direction (also called the Y-direction or column direction) perpendicular to the first direction. In this embodiment, 11 pin fins 3 are arranged in the first direction, and 10 pin fins 3 are arranged in the second direction. The multiple pin fins 3 are arranged in a staggered pattern, alternately offset in the first direction.
第２方向に配列されたピンフィン３は、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも、外側に位置するピンフィン３の断面積が大きくなるようにされている。また、第２方向に配列された複数のピンフィン３中の最大の断面積は、第１方向における中央側よりも、外側の方が大きくなるようにされている。すなわち、第１方向および第２方向の二つの方向において、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも、外側に位置するピンフィン３の断面積が大きくなるようにされている。なお、本明細書において「ピンフィン３の断面」は、特に断らない限り、ピンフィン３をベース部２の表面に沿って切断したときに現れる面であり、「ピンフィン３の断面積」は、その断面の面積を意味する。複数のピンフィン３の中で、断面積が最大のものは、断面積が例えば、１ｍｍ２以上３０ｍｍ２以下の範囲内にあってもよい。例えば、ピンフィン３の断面形状が円の場合、断面積が最大のピンフィンは、直径が１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。中央側に位置するピンフィン３とその中央側のピンフィン３に隣り合う外側のピンフィン３の断面積の比は、外側のピンフィン３の断面積に対する中央側のピンフィン３の断面積の比として７０／１００以上９０／１００以下の範囲内にあってもよい。また、中央側に位置するピンフィン３とその中央側のピンフィン３に隣り合う外側のピンフィン３の直径の比は、外側のピンフィン３の直径に対する中央側のピンフィン３の直径の比として８５／１００以上９５／１００以下の範囲内にあってもよい。 The pin fins 3 arranged in the second direction are configured such that the cross-sectional area of the pin fins 3 located on the outer side is larger than that of the pin fins 3 located on the central side. Furthermore, the largest cross-sectional area among the multiple pin fins 3 arranged in the second direction is larger on the outer side than on the central side in the first direction. In other words, in both the first and second directions, the cross-sectional area of the pin fins 3 located on the outer side is larger than that of the pin fins 3 located on the central side. In this specification, unless otherwise specified, "cross-section of pin fin 3" refers to the surface that appears when the pin fin 3 is cut along the surface of the base portion 2, and "cross-sectional area of pin fin 3" refers to the area of that cross-section. Among the multiple pin fins 3, the one with the largest cross-sectional area may have a cross-sectional area within the range of, for example, 1 mm² to 30 mm² . For example, if the cross-sectional shape of the pin fin 3 is a circle, the pin fin with the largest cross-sectional area may have a diameter within the range of 1 mm to 6 mm. The ratio of the cross-sectional area of the central pin fin 3 to the outer pin fin 3 adjacent to the central pin fin 3 may be within the range of 70/100 to 90/100 as the ratio of the cross-sectional area of the central pin fin 3 to the cross-sectional area of the outer pin fin 3. Also, the ratio of the diameter of the central pin fin 3 to the outer pin fin 3 adjacent to the central pin fin 3 may be within the range of 85/100 to 95/100 as the ratio of the diameter of the central pin fin 3 to the diameter of the outer pin fin 3.
ピンフィン３の断面積の変化は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。段階的とは、中央側に位置するピンフィン３から外側に向かってピンフィン３が複数個（例えば、２～３個）の間隔で断面積が大きくなることを意味する。連続的とは、中央側から外側に向かってピンフィン３の断面積が１個ずつ大きくなることを意味する。ピンフィン３の断面積は、段階的に変化する部分と連続的に変化する部分とがあってもよい。 The change in the cross-sectional area of pin fin 3 may be gradual or continuous. Gradual means that the cross-sectional area increases at intervals of multiple pin fins (e.g., 2-3 fins) from the central pin fin 3 outwards. Continuous means that the cross-sectional area of pin fin 3 increases by one fin at a time from the central side outwards. The cross-sectional area of pin fin 3 may have both gradual and continuous changes.
複数のピンフィン３は、１つのピンフィン３が最大で６つのピンフィン３と隣り合うように構成されている。隣り合うピンフィン３は、中心間距離がそれぞれ同一となるように配置されている。中心間距離は、ピンフィン３の断面における中心と中心の間の距離である。例えば、ピンフィン３ａとピンフィン３ｂの距離Ｌａｂと、ピンフィン３ａとピンフィン３ｃの距離Ｌａｃと、ピンフィン３ａとピンフィン３ｄの距離Ｌａｄとは、それぞれ同一である（図２参照）。中心間距離は、例えば、断面積が最大のピンフィンの直径に対して１．２倍から２倍の範囲内にある。中心間距離は、例えば、１．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。 The multiple pin fins 3 are configured such that each pin fin 3 is adjacent to a maximum of six other pin fins 3. The adjacent pin fins 3 are arranged so that their center-to-center distances are the same. The center-to-center distance is the distance between the centers in the cross-section of the pin fins 3. For example, the distance L ab between pin fin 3a and pin fin 3b, the distance L ac between pin fin 3a and pin fin 3c, and the distance L ad between pin fin 3a and pin fin 3d are all the same (see Figure 2). The center-to-center distance is, for example, within the range of 1.2 to 2 times the diameter of the pin fin with the largest cross-sectional area. The center-to-center distance may also be, for example, within the range of 1.2 mm to 10 mm.
複数のピンフィン３の断面形状はそれぞれ、相似形であることが好ましい。また、ピンフィン３の断面形状に制限はない。ピンフィン３の断面形状は、円形や楕円形などの丸みを有する形状であってもよいし、四角形（長方形、正方形、ひし形）、六角形、八角形などの多角形状あってもよいし、羽翼形状のような異形状であってもよい。 It is preferable that the cross-sectional shapes of the multiple pin fins 3 are similar. Furthermore, there are no restrictions on the cross-sectional shape of the pin fins 3. The cross-sectional shape of the pin fins 3 may be a rounded shape such as a circle or ellipse, a polygonal shape such as a quadrilateral (rectangle, square, rhombus), hexagon, or octagon, or even an irregular shape such as a feather shape.
複数のピンフィン３の高さはそれぞれ、同じであってもよい。ピンフィン３の高さは、例えば、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。 The heights of the multiple pin fins 3 may be the same. The heights of the pin fins 3 may also be within a range of, for example, 3 mm to 10 mm.
ヒートシンク１の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金などを用いることができる。また、ヒートシンク１の材料として、２種類以上の金属を貼り合わせたクラッド材（複合材）を用いることができる。ただし、ヒートシンク１の材料は、これらの金属や合金に限定されるものではなく、ヒートシンクの材料として利用されている各種の金属材料を用いることができる。 The heat sink 1 can be made from materials such as aluminum, aluminum alloys, copper, copper alloys, iron, or iron alloys. Alternatively, a clad material (composite material) made by bonding two or more metals together can be used as the heat sink 1 material. However, the material of the heat sink 1 is not limited to these metals or alloys; various metal materials commonly used for heat sinks can be used.
［ヒートシンクの製造方法］
本実施形態のヒートシンクの製造方法は、ダイスを用意する用意工程と、金属材料を密閉した状態でダイスに向けて加圧する加圧工程とを有する。加圧工程は鍛造装置を用いて実施することができる。
[Method of manufacturing a heat sink]
The heat sink manufacturing method of this embodiment includes a preparation step of preparing a die and a pressurizing step of applying pressure to the die while the metal material is sealed. The pressurizing step can be carried out using a forging apparatus.
用意工程で用意するダイスは、複数の孔を有する。この複数の孔に金属材料を流入させることによって、ヒートシンクのピンフィンが形成される。よって、ダイスの複数の孔は、製造目的であるヒートシンクのピンフィンに対応する位置に配置されている。すなわち、ダイスの複数の孔は、第１方向と、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔をあけて配置されていて、第１方向および第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置する孔の断面積よりも、外側に位置する孔の断面積が大きくなるように形成されている。 The die prepared in the preparation process has multiple holes. By flowing metal material into these holes, the pin fins of the heat sink are formed. Therefore, the multiple holes in the die are positioned to correspond to the pin fins of the heat sink, which is the purpose of manufacturing. Specifically, the multiple holes in the die are spaced apart in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and are formed such that in at least one of the first and second directions, the cross-sectional area of the outer holes is larger than that of the central holes.
図３は、本実施形態のヒートシンクの製造方法で用いることができる鍛造装置の断面図である。
図３に示すように、鍛造装置１０は、パンチ１１と、ダイス１２と、ダイスホルダ１４とを有する。ヒートシンクの材料である金属材料１００は、パンチ１１とダイス１２との間に配置される。
Figure 3 is a cross-sectional view of a forging apparatus that can be used in the heat sink manufacturing method of this embodiment.
As shown in Figure 3, the forging apparatus 10 includes a punch 11, a die 12, and a die holder 14. The metal material 100, which is the material for the heat sink, is placed between the punch 11 and the die 12.
パンチ１１は、金属材料１００をダイス１２に向けて加圧する。ダイス１２は、用意工程で用意されたダイスである。ダイス１２は、複数の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有する。複数の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、中央側に位置する孔の断面積よりも、外側に位置する孔の断面積が大きくなるように配置されている。すなわち、孔１３ｃが最も断面積が小さく、孔１３ｂが次に断面積が大きく、孔１３ａが最も断面積が大きい。パンチ１１は、ダイス１２の内壁に沿って上下に移動可能とされている。パンチ１１とダイス１２との間隔は金属材料１００が流出しない間隔とされていて、金属材料１００を密閉した状態で鍛造できるようにされている。 The punch 11 presses the metal material 100 toward the die 12. The die 12 is a die prepared in the preparation process. The die 12 has multiple holes 13a, 13b, and 13c. The holes 13a, 13b, and 13c are arranged such that the cross-sectional area of the outer holes is larger than that of the central holes. That is, hole 13c has the smallest cross-sectional area, hole 13b has the next largest, and hole 13a has the largest cross-sectional area. The punch 11 is movable vertically along the inner wall of the die 12. The distance between the punch 11 and the die 12 is set to prevent the metal material 100 from flowing out, allowing for forging in a sealed state.
ダイスホルダ１４は、アンビル１５と、ノックピン１８と、ノックアウトプレート１９と、エジェクタ２０と、を有する。アンビル１５は、底板１６と、底板１６の周囲に配置された筒状のダイス支持体１７とを有する。底板１６は中央にエジェクタ２０が挿入される開口を有する。ノックピン１８は、ダイス１２の複数の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃに挿入されている。ノックピン１８はノックアウトプレート１９に支持されている。ノックアウトプレート１９は底板１６とエジェクタ２０との上に配置されている。エジェクタ２０は上下方向に移動可能とされている。エジェクタ２０の上下方向の移動に合わせて、ノックアウトプレート１９を介してノックピン１８が上下方向に移動する。 The die holder 14 comprises an anvil 15, knock pins 18, a knockout plate 19, and an ejector 20. The anvil 15 has a base plate 16 and a cylindrical die support 17 positioned around the base plate 16. The base plate 16 has an opening in the center into which the ejector 20 is inserted. The knock pins 18 are inserted into multiple holes 13a, 13b, and 13c of the die 12. The knock pins 18 are supported by the knockout plate 19. The knockout plate 19 is positioned on top of the base plate 16 and the ejector 20. The ejector 20 is movable in the vertical direction. As the ejector 20 moves vertically, the knock pins 18 move vertically via the knockout plate 19.
鍛造装置１０を用いたヒートシンクの製造は次のようにして行われる。
まず、ダイス１２を、ダイスホルダ１４のダイス支持体１７の上に配置する。次いで、ダイス１２の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃに、ノックピン１８を挿入し、ノックピン１８をノックアウトプレート１９の接触するまでに押し込む。次いでノックアウトプレート１９の位置を調整して、ノックピン１８の上側端部の位置、すなわち孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃの深さを設定する。
The heat sink is manufactured using the forging apparatus 10 as follows.
First, the die 12 is placed on the die support 17 of the die holder 14. Next, the knock pins 18 are inserted into the holes 13a, 13b, and 13c of the die 12 and pushed in until the knock pins 18 make contact with the knockout plate 19. Then, the position of the knockout plate 19 is adjusted to set the position of the upper end of the knock pins 18, i.e., the depth of the holes 13a, 13b, and 13c.
次に、金属材料１００をダイス１２の中央（第１方向および第２方向の中央）に配置する。金属材料１００は、ダイス１２のキャビティに収納可能であれば、その形状に制限はない。金属材料１００の形状は、角板形状(六面体)であってもよいし、丸板形状であってもよいし、異形状であってもよい。金属材料１００は、ダイス１２のキャビティ内での位置ずれを抑えるために、キャビティの形状に近い形状であることが好ましい。また、金属材料１００は面取りがなされていてもよい。金属材料１００は、圧延材からトリミングや機械加工にて切出されたものであってもよい。また、金属材料１００は、フラット形状や丸形状の押出材あるいは角形状や丸形状の連鋳棒を切断あるいは切出して製造したものであってもよい。金属材料１００は、展延性を向上させるために、焼きなまし処理（Ｏ処理）が施されていてもよい。また、金属材料１００は表面に潤滑剤を付着させる潤滑処理が施されていてもよい。 Next, the metal material 100 is placed in the center of the die 12 (center in the first and second directions). The shape of the metal material 100 is not restricted as long as it can be housed in the cavity of the die 12. The shape of the metal material 100 may be a rectangular plate (hexahedron), a round plate, or an irregular shape. It is preferable that the metal material 100 has a shape close to the cavity shape to minimize displacement within the cavity of the die 12. The metal material 100 may also be chamfered. The metal material 100 may be cut from rolled material by trimming or machining. Furthermore, the metal material 100 may be manufactured by cutting or shaping flat or round extruded material or rectangular or round continuous casting rods. The metal material 100 may be annealed (O-treatment) to improve its ductility. The metal material 100 may also be lubricated by applying a lubricant to its surface.
次に、パンチ１１を用いて、金属材料１００を密閉した状態でダイス１２に向けて加圧して鍛造する。鍛造よって金属材料１００をダイス１２の外周方向に延伸させると共に、孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流入させる。ダイス１２の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、内側から外側に向けて断面積が大きく、内部に充填できる金属材料１００の量が多くなるようにされているので、ダイス１２の中央側から外側に流れた金属材料１００がダイスの内壁にあたって中央側に戻った場合でも、孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃの金属材料１００の充填率は同等なる。このため、均一な高さのピンフィンを形成することができる。 Next, the metal material 100 is forged by applying pressure to the die 12 using the punch 11 while it is sealed. Forging stretches the metal material 100 in the outer direction of the die 12 and causes it to flow into the holes 13a, 13b, and 13c. The holes 13a, 13b, and 13c of the die 12 have a larger cross-sectional area from the inside outwards, allowing for a larger amount of metal material 100 to be filled inside. Therefore, even if the metal material 100 that flows from the center outwards hits the inner wall of the die and returns to the center, the filling rate of the metal material 100 in the holes 13a, 13b, and 13c remains the same. This allows for the formation of pin fins of uniform height.
鍛造中、金属材料１００を加熱してもよい。例えば、金属材料１００がアルミニウムあるいはアルミニウム合金の場合、金属材料１００を４００℃以上６００℃以下の温度で加熱してもよい。また、金属材料１００を加熱せずに鍛造（冷間鍛造）してもよい。 During forging, the metal material 100 may be heated. For example, if the metal material 100 is aluminum or an aluminum alloy, the metal material 100 may be heated to a temperature between 400°C and 600°C. Alternatively, the metal material 100 may be forged (cold forging) without heating.
鍛造によって、複数のピンフィンを有するヒートシンクが形成された後は、エジェクタ２０を上方に移動して、ノックアウトプレート１９を介して、ノックピン１８を上方に移動させ、ヒートシンクのピンフィンを押しさせる。これによって、ダイス１２からヒートシンクが取り出される。 After the heat sink with multiple pin fins is formed by forging, the ejector 20 is moved upward, causing the knock pins 18 to move upward via the knockout plate 19, pushing the pin fins of the heat sink. This removes the heat sink from the die 12.
以上のような構成とされた本実施形態のヒートシンク１は、第１方向（行方向）および第２方向（列方向）の二つの方向において、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも外側に位置するピンフィン３の断面積が大きくなる構造とされている。すわなち、単位空間あたりのピンフィン３の体積が中央側よりも外側の方が大きくなる構造とされている。本実施形態のヒートシンク１を、密閉工法を用いて製造する場合は、ダイスの中央側に位置する孔の断面積よりも、外側に位置する孔の断面積を大きくすることができる。こうすることによって、ダイスの中央側から外側に流れた金属材料がダイスの内壁にあたって中央側に戻った場合には、その戻った金属材料をダイスの外側の孔に流入させることができ、これにより、孔全体に均一に金属材料を充填できるようになる。よって、本実施形態のヒートシンク１は、背圧機構を用いなくても、ピンフィンの高さが均一となり易くなる。また、本実施形態のヒートシンク１は、熱の伝導量が多い断面積が大きいピンフィン３が外周側に配置されているため、熱を外部に放出させやすい。 The heat sink 1 of this embodiment, configured as described above, has a structure in which the cross-sectional area of the pin fins 3 located on the outer side is larger than the cross-sectional area of the pin fins 3 located on the central side in both the first direction (row direction) and the second direction (column direction). In other words, the volume of the pin fins 3 per unit space is larger on the outer side than on the central side. When the heat sink 1 of this embodiment is manufactured using a sealed manufacturing method, the cross-sectional area of the holes located on the outer side of the die can be made larger than the cross-sectional area of the holes located on the central side of the die. This allows the metal material that flows from the central side of the die to the outside to return to the central side after hitting the inner wall of the die, and this returned metal material can flow into the holes on the outside of the die, thereby uniformly filling the entire hole with metal material. Therefore, the height of the pin fins in the heat sink 1 of this embodiment tends to be uniform even without using a back pressure mechanism. Furthermore, because the pin fins 3 with a large cross-sectional area and high heat conductivity are arranged on the outer periphery of the heat sink 1 of this embodiment, heat can be easily released to the outside.
また、本実施形態のヒートシンク１は、複数のピンフィン３は、隣り合うピンフィン３の中心間距離がそれぞれ同一となるように配置されているので、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも、外周側に位置するピンフィン３の断面積を大きくなることよって、単位空間あたりのピンフィン３の体積が、中央側よりも外周側の方が多い構造となる。このため、中央側と比較して外周側の方が、熱の伝導量が多くなるため、熱を外部に放出させやすくなる。 Furthermore, in this embodiment, the heat sink 1 is arranged so that the distance between the centers of adjacent pin fins 3 is the same. Therefore, the cross-sectional area of the pin fins 3 located on the outer periphery is larger than that of the pin fins 3 located on the central side. This results in a structure where the volume of pin fins 3 per unit space is greater on the outer periphery than on the central side. Consequently, heat conduction is greater on the outer periphery compared to the central side, making it easier to dissipate heat to the outside.
本実施形態のヒートシンク１において、中央側に位置するピンフィン３から外側に位置するピンフィン３に向かって、ピンフィンの断面積が段階的に大きくなる場合は、断面積が同じピンフィン３が複数あり、ヒートシンク１を製造する鍛造装置１０において、ノックピン１８を共用できるので鍛造装置１０を管理しやすくなる。 In the heat sink 1 of this embodiment, if the cross-sectional area of the pin fins increases in stages from the central pin fin 3 to the outer pin fin 3, there are multiple pin fins 3 with the same cross-sectional area. This allows the forging apparatus 10 used to manufacture the heat sink 1 to share the knock pins 18, making the forging apparatus 10 easier to manage.
本実施形態のヒートシンク１において、中央側に位置するピンフィン３から外側に位置するピンフィン３に向かって、ピンフィンの断面積が連続的に大きくなる場合は、ヒートシンク１のピンフィン３を伝導する熱量が、中央側から外側に向かって連続的に多くなるので、熱を外部に放出させやすくなる。 In the heat sink 1 of this embodiment, if the cross-sectional area of the pin fins increases continuously from the central pin fin 3 to the outer pin fin 3, the amount of heat conducted through the pin fins 3 of the heat sink 1 increases continuously from the center to the outside, making it easier to release heat to the outside.
複数の前記ピンフィンの断面形状がそれぞれ相似形である場合は、ピンフィン３の間に冷却水を流して冷却する場合、冷却水が均一に流れやすく、また冷却水の流れを調整しやすいため、ピンフィン３をより均一に冷却することができる。 If the cross-sectional shapes of the multiple pin fins are similar, then when cooling water is flowed between the pin fins 3, the cooling water flows more uniformly and the flow of the cooling water is easier to adjust, thus allowing for more uniform cooling of the pin fins 3.
本実施形態のヒートシンクの製造方法において使用するダイス１２は、複数の孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有し、中央側に位置する孔１３ｃが最も断面積が小さく、外側に位置する孔１３ａが最も断面積が大きい構造とされているので、密閉工法を用いても、孔全体に均一に金属材料１００を充填することができる。このため、本実施形態のヒートシンクの製造方法によれば、背圧機構を用いなくても、ピンフィンの高さが均一なヒートシンクを製造することが可能となる。また、ダイス１２は表面に凹凸を有しないので、長期間の継続的な使用による摩耗が起こりにくい。このため、本実施形態のヒートシンクの製造方法によれば、ピンフィンの高さが均一なヒートシンクを長期間にわたって継続的に製造することが可能となる。特に、ダイス１２の孔の断面形状が円である場合（すなわち、ヒートシンク１の複数のピンフィン３の断面形状がそれぞれ円である場合）、密閉工法でヒートシンク１を製造する際に、高荷重を負荷しても、ダイス１２の孔に局所的な応力集中が発生しにくい。このため、長期間にわたってダイス１２が破損しにくくなり、ピンフィンの高さが均一なヒートシンクをより長期間にわたって継続的に製造することが可能となる。 The die 12 used in the heat sink manufacturing method of this embodiment has multiple holes 13a, 13b, and 13c, with the central hole 13c having the smallest cross-sectional area and the outer hole 13a having the largest cross-sectional area. Therefore, even when using a sealed manufacturing method, the metal material 100 can be uniformly filled into the entire hole. For this reason, according to the heat sink manufacturing method of this embodiment, it is possible to manufacture a heat sink with uniform pin fin height without using a back pressure mechanism. In addition, since the die 12 has no irregularities on its surface, wear due to long-term continuous use is less likely to occur. For this reason, according to the heat sink manufacturing method of this embodiment, it is possible to continuously manufacture heat sinks with uniform pin fin height over a long period of time. In particular, when the cross-sectional shape of the holes in the die 12 is circular (i.e., when the cross-sectional shape of each of the multiple pin fins 3 of the heat sink 1 is circular), localized stress concentration is less likely to occur in the holes of the die 12 even when a high load is applied when manufacturing the heat sink 1 using a sealed manufacturing method. For this reason, the die 12 is less likely to break over a long period of time, and it becomes possible to continuously manufacture heat sinks with uniform pin fin height over an even longer period of time.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the invention as described in the claims.
例えば、本実施形態のヒートシンク１では、複数のピンフィン３が第１方向に交互にずれた千鳥状に配置されていたが、ピンフィン３の配置はこれに限定されるものではない。例えば、複数のピンフィン３は並列状に配置されていてもよい。また、本実施形態のヒートシンク１では、第１方向および第２方向の二つの方向において、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも、外側に位置するピンフィン３の断面積が大きい構造とされていたが、第１方向および第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置するピンフィン３の断面積よりも、外側に位置するピンフィン３の断面積が大きい構造であってもよい。さらに、本実施形態のヒートシンク１では、中央側に位置するピンフィン３から外側に位置するピンフィン３に向けて断面積が段階的あるいは連続的に変化してもよいとしたが、最外周に位置するピンフィンのみ断面積が大きくなる形状であってもよい。 For example, in the heat sink 1 of this embodiment, multiple pin fins 3 were arranged in a staggered pattern, alternately offset in the first direction, but the arrangement of the pin fins 3 is not limited to this. For example, multiple pin fins 3 may be arranged in parallel. Furthermore, in the heat sink 1 of this embodiment, the cross-sectional area of the outer pin fins 3 was larger than that of the central pin fins 3 in both the first and second directions, but the cross-sectional area of the outer pin fins 3 may be larger than that of the central pin fins 3 in at least one of the first and second directions. Moreover, in the heat sink 1 of this embodiment, the cross-sectional area may change gradually or continuously from the central pin fins 3 to the outer pin fins 3, but the shape may be such that only the outermost pin fins have a larger cross-sectional area.
また、本実施形態のヒートシンク１は、鍛造品とされているが、鋳造品であってもよい。鋳造品の場合は、金属材料の溶湯をダイス１２の中央側に供給して、金属材料の溶湯をダイス１２の外周方向に延伸させると共に、孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃに流入させる。さらに、本実施形態のヒートシンク１は、また、切削やレーザ加工によって作製されたものであってもよい。 Furthermore, although the heat sink 1 in this embodiment is a forged product, it may also be a cast product. In the case of a cast product, molten metal material is supplied to the central side of the die 12, causing the molten metal material to stretch outwards towards the outer circumference of the die 12 and flow into the holes 13a, 13b, and 13c. Moreover, the heat sink 1 in this embodiment may also be manufactured by cutting or laser processing.
［実施例１］
行方向に１０個、列方向に１１個の孔が列方向に千鳥配列となるように形成されたダイスを用意した。孔の断面形状は円形とした。隣り合う孔の中心間距離は３ｍｍと、孔の深さを７ｍｍとした。
図４に、ダイスに形成されている孔の直径を示す。図４において、四角内の数値が孔の直径（単位：ｍｍ）である。６列目（Ｘ方向の左から６個目）×５行目（Ｙ方向の上から５個目）の位置にある孔の直径は０．９６ｍｍである。６列目の１０個の孔の直径は、５行目の孔が最大で、行方向（Ｘ方向）の外側に向かって、１．１１倍ずつ連続的に大きくなっている。また、５行目の１１個の孔の直径は、６列目の孔が最大で、列方向（Ｙ方向）の外側に向かって、１．１１倍ずつ連続的に大きくなっている。さらに、６列目×５行目の位置にある孔から斜め方向に対しても１．１１倍ずつ連続的に大きくなっている。すなわち、ダイスに形成されている孔は、６列目×５行目の位置にある孔に対して放射状に直径が大きくなっている。
[Example 1]
A die was prepared with 10 holes in the row direction and 11 holes in the column direction, arranged in a staggered pattern in the column direction. The cross-sectional shape of the holes was circular. The distance between the centers of adjacent holes was 3 mm, and the depth of the holes was 7 mm.
Figure 4 shows the diameters of the holes formed in the die. In Figure 4, the numbers in the squares represent the diameters of the holes (in mm). The diameter of the hole located at the 6th column (6th from the left in the X direction) x 5th row (5th from the top in the Y direction) is 0.96 mm. The diameters of the 10 holes in the 6th column are largest at the hole in the 5th row, and increase continuously by 1.11 times outward in the row direction (X direction). Similarly, the diameters of the 11 holes in the 5th row are largest at the hole in the 6th column, and increase continuously by 1.11 times outward in the column direction (Y direction). Furthermore, the diameters also increase continuously by 1.11 times diagonally from the hole at the 6th column x 5th row position. In other words, the diameters of the holes formed in the die increase radially from the hole at the 6th column x 5th row position.
上記のダイスを用いて、鍛造法により、ヒートシンクを製造した。
ダイスをダイスホルダの上に設置した。次いで、ダイスの列方向と行方向の中央側に、金属材料として、縦：４０ｍｍ、横：４０ｍｍ、厚さ：２０ｍｍの立方形状のアルミニウム合金材（Ａ６０６３）を配置した。次いで、パンチを用いて金属材料を前記ダイスに向けて加圧して鍛造した。パンチとダイスには、予め水溶性潤滑剤を塗布した。ダイスの温度は３００℃とし、金属材料の温度は５００℃とした。パンチのプレス速度は２００ｍｍ／秒とした。
Using the die described above, a heat sink was manufactured by forging.
The die was placed on the die holder. Next, a cubic aluminum alloy material (A6063) with dimensions of 40 mm in length, 40 mm in width, and 20 mm in thickness was placed in the center of the die in both the column and row directions. Then, the metal material was forged by pressing it towards the die using a punch. A water-soluble lubricant was applied to the punch and die beforehand. The die temperature was set to 300°C, and the metal material temperature was set to 500°C. The punch press speed was set to 200 mm/second.
最外周の孔に形成されたピンフィンの高さが７ｍｍとなった時点で鍛造を止めて、形成されたヒートシンクをダイスから取り出した。得られたヒートシンクを室温まで放冷した後、ヒートシンクの中央のピンフィンの高さを計測した。その結果、中央のピンフィンの高さは６．９９ｍｍであり、最外周のピンフィンの高さ（７ｍｍ）と実質的に同じであった。 Forging was stopped when the height of the pin fins formed in the outermost holes reached 7 mm, and the formed heatsink was removed from the die. After the heatsink was allowed to cool to room temperature, the height of the pin fin in the center of the heatsink was measured. As a result, the height of the central pin fin was 6.99 mm, which was substantially the same as the height of the outermost pin fin (7 mm).
［比較例１］
アルミニウム合金材に、行方向に１０個、列方向に１１個の孔を、直径がすべて１．３ｍｍとなるように形成してダイスを作製した。そして、このダイスを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてヒートシンクを製造した。得られたヒートシンクの中央のピンフィンの高さを計測した。その結果、中央のピンフィンの高さは４．７９ｍｍであり、最外周のピンフィンの高さ（７ｍｍ）と比較して約２．２１ｍｍも差があった。
[Comparative Example 1]
A die was fabricated by forming 10 holes in the row direction and 11 holes in the column direction, all with a diameter of 1.3 mm, in an aluminum alloy material. Then, a heat sink was manufactured in the same manner as in Example 1, except that this die was used. The height of the central pin fin of the obtained heat sink was measured. As a result, the height of the central pin fin was 4.79 mm, which was about 2.21 mm higher than the height of the outermost pin fin (7 mm).
１ ヒートシンク
２ ベース部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ ピンフィン
１０ 鍛造装置
１１ パンチ
１２ ダイス
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 孔
１４ ダイスホルダ
１５ アンビル
１６ 底板
１７ ダイス支持体
１８ ノックピン
１９ ノックアウトプレート
２０ エジェクタ
１００ 金属材料
1 Heat sink 2 Base 3, 3a, 3b, 3c, 3d Pin fins 10 Forging apparatus 11 Punch 12 Die 13a, 13b, 13c Holes 14 Die holder 15 Anvil 16 Bottom plate 17 Die support 18 Knock pin 19 Knockout plate 20 Ejector 100 Metal material
Claims (9)
複数の前記ピンフィンはそれぞれ、第１方向と、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔をあけて配置されていて、
前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置する前記ピンフィンの断面積よりも、外側に位置する前記ピンフィンの断面積が大きく、
中央側に位置するピンフィンから放射状に、断面積が大きいピンフィンが配置しており、
断面積が同じ複数のピンフィンが、中央側に位置する前記ピンフィンを囲むように六角形の形状に配置し、その配置の外側に順に、断面積がより大きい複数のピンフィンが六角形の形状に配置する、ことを特徴とするヒートシンク。 It includes a plate-shaped base portion and a plurality of pin fins provided on one surface of the base portion,
Each of the aforementioned pin fins is arranged with spacing between them in a first direction and in a second direction perpendicular to the first direction.
In at least one of the first and second directions, the cross-sectional area of the pin fin located on the outer side is larger than the cross-sectional area of the pin fin located on the central side.
Larger pin fins are arranged radially from the central pin fin,
A heat sink characterized in that multiple pin fins with the same cross-sectional area are arranged in a hexagonal shape surrounding the pin fin located on the central side, and multiple pin fins with larger cross-sectional areas are arranged in a hexagonal shape sequentially on the outside of this arrangement.
複数の孔を有し、複数の前記孔は、第１方向と、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔をあけて配置されていて、前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一つの方向において、中央側に位置する前記孔の断面積よりも、外側に位置する前記孔の断面積が大きいダイスを用意する工程と、
金属材料を前記ダイスの前記第１方向および前記第２方向の中央側に配置し、前記金属材料を密閉した状態で前記ダイスに向けて加圧することによって、前記金属材料を前記ダイスの外周方向に延伸させると共に、前記孔に流入させる工程と、を含むヒートシンクの製造方法。
A method for manufacturing a heat sink according to any one of claims 1 to 8,
A step of preparing a die having a plurality of holes, wherein the plurality of holes are spaced apart in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and in at least one of the first and second directions, the cross-sectional area of the outer holes is larger than the cross-sectional area of the central holes.
A method for manufacturing a heat sink, comprising the steps of: placing a metal material on the central side of the die in the first and second directions; and applying pressure toward the die while the metal material is sealed, thereby stretching the metal material toward the outer circumference of the die and causing it to flow into the hole.
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