(57)【要約】【課題】アルマイト処理しても信頼性の高いねじ締結ができる冷却デバイス用ヒートシンクを提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり、ねじ孔１０が形成されて、ねじ孔１０を利用して冷却デバイスにねじ締結される冷却デバイス用ヒートシンク５において、ヒートシンク５の表面に酸化アルミニウム被膜１５が形成され、ヒートシンク５の引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり、ねじ孔が形成されて、前記ねじ孔を利用して冷却デバイスにねじ締結される冷却デバイス用ヒートシンクにおいて、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜が形成され、前記ヒートシンクの引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンク。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却デバイス用ヒートシンクにおいて、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンク。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷却デバイス用ヒートシンクにおいて、
前記ねじ孔が有底状のねじ孔であることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンク。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却デバイス用ヒートシンクにおいて、
前記アルミニウム合金組成が、Ｍｇを０．４５重量％〜０．９重量％、Ｓｉを０．２重量％〜０．６重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物であることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンク。
【請求項５】
アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり、ねじ孔が形成されて、前記ねじ孔を利用して冷却デバイスにねじ締結される冷却デバイス用ヒートシンクの製造方法において、
前記ヒートシンクの引張強度を１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に調整する熱処理工程と、
前記ヒートシンクに前記ねじ孔を形成するねじ孔形成工程と、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜を形成するアルマイト処理工程を備え、
前記アルマイト処理工程が前記ねじ孔形成工程後に行われることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンクの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却デバイス用ヒートシンクの製造方法において、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする冷却デバイス用ヒートシンクの製造方法。
【請求項７】
熱電変換素子群と、前記熱電変換素子群の一方の面に密着させた放熱側熱導体を、前記熱電変換素子群の他方の面に密着させた吸熱側熱導体と、アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり前記放熱側熱導体にねじ締結されたヒートシンクを備えた電子冷却装置において、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜が形成され、前記ヒートシンクの引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする電子冷却装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電子冷却装置において、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とする電子冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、例えば電子冷却装置などの冷却デバイスに用いるヒートシンク、およびそのヒートシンクの製造方法、ならびにそのヒートシンクを用いた電子冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  冷却デバイス用ヒートシンクは、電子冷却装置などの放熱部や冷熱伝熱部に熱的に接続して、発熱部から出た熱を装置外に放熱したり、冷熱部で庫内側から吸熱するのに使用されている。【０００３】  このようなヒートシンクとして、基板部と、その基板部の片面に形成された多数枚のフィンを備えたものが用いられている。フィンはヒートシンク素材を削り起こして形成するため、ヒートシンク素材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金組成が通常用いられている。またヒートシンクを電子冷却装置などに取り付けるための複数個のねじ孔が、基板部の四隅に形成されている。【０００４】  従来、ヒートシンク素材として、ビッカース硬度が４０〜６５のアルミニウムまたはアルミニウム合金組成物の押出成形材を使用することが提案されている（特開２００１−１５６２２４号公報  特許文献１）。【０００５】  この素材を用いることにより、フィンの削り起こしの際に切削負荷が小さくて、切削作業が良好であり、ねじ孔加工時にバリが出にくいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５６２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかし、このヒートシンクを電子冷却装置などの結露する恐れのある冷却デバイスに組み付けて使用する場合、ヒートシンクには防食のため、また、アルミニウム単体よりも熱輻射が高くなり熱交換性能が良くなることから、通常、アルマイト処理をして使用する。【０００８】  また、ヒートシンクの電子冷却装置への取付けは両者の接触界面の熱抵抗が小さくなるようにねじなどで機械的に締結している。このねじ孔の加工は、結露などによる腐食の可能性があるため、ねじ孔加工後にアルマイト処理を行う。【０００９】  アルミニウムのアルマイト処理は一般的な工程として、アルミニウム素材を、酸による脱脂工程と、アルカリによるエッチング工程と、酸による中和工程とをこの順序で行う前処理した後、酸の水溶液中で電解処理してアルミニウム素材の表面に陽極酸化被膜（酸化アルミニウム被膜）を形成する。【００１０】  そのため、アルマイト処理工程中での脱脂やエッチングなどの工程において、ヒートシンクに形成したねじ孔の山部の表面が溶解して、ねじ山が小さくなり、ヒートシンクと電子冷却装置の締結強度が低下する。この締結強度の低下は、ヒートシンクと電子冷却装置の接触抵抗の増加を招き、装置としての性能が低下するという問題がある。【００１１】  ヒートシンクと電子冷却装置の発熱部は伝熱性を良くするために、ねじによる締結密着がなされている。このねじ締結は、使用方法によって異なるが、例えばＭ４サイズのねじを使用する場合、ねじトルクは最大１．５Ｎ・ｍ程度で締結する。【００１２】  このとき、ヒートシンクのアルマイト処理の工程でねじ山が減っていると、製品組み立て時に所定のねじ締結力が得られず、冷却性能が低下して製品不良が発生するという問題が生じる。【００１３】  特にねじ孔がヒートシンクの基板部を貫通していない有底状のねじ孔の場合、アルマイト処理液を有底状のねじ孔から完全に排出することが難しく、そのためにねじ山が減少して、締結力が小さくなり、冷却性能が低下する。【００１４】  本発明の第１の目的は、このような従来技術の問題を解消し、冷却デバイスに対するねじ締結が確実な冷却デバイス用ヒートシンクおよびその製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、冷却性能に優れた電子冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】  前記第１の目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり、ねじ孔が形成されて、前記ねじ孔を利用して冷却デバイスにねじ締結される冷却デバイス用ヒートシンクにおいて、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜が形成され、前記ヒートシンクの引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とするものである。【００１６】  本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とするものである。【００１７】  本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、
前記ねじ孔が有底状のねじ孔であることを特徴とするものである。【００１８】  本発明の第４の手段は前記第１ないし第３のいずれかの手段において、
前記アルミニウム合金組成が、Ｍｇを０．４５重量％〜０．９重量％、Ｓｉを０．２重量％〜０．６重量％含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物であることを特徴とするものである。【００１９】  本発明の第５の手段は
アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり、ねじ孔が形成されて、前記ねじ孔を利用して冷却デバイスにねじ締結される冷却デバイス用ヒートシンクの製造方法において、
前記ヒートシンクの引張強度を１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に調整する熱処理工程と、
前記ヒートシンクに前記ねじ孔を形成するねじ孔形成工程と、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜を形成するアルマイト処理工程を備え、
前記アルマイト処理工程が前記ねじ孔形成工程後に行われることを特徴とするものである。【００２０】  本発明の第６の手段は前記第５の手段において、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とするものである。【００２１】  前記第２の目的を達成するため、本発明の第７の手段は、
熱電変換素子群と、前記熱電変換素子群の一方の面に密着させた放熱側熱導体を、前記熱電変換素子群の他方の面に密着させた吸熱側熱導体と、アルミニウムまたはアルミニウム合金組成からなり前記放熱側熱導体にねじ締結されたヒートシンクを備えた電子冷却装置において、
前記ヒートシンクの表面に酸化アルミニウム被膜が形成され、前記ヒートシンクの引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とするものである。【００２２】  本発明の第８の手段は前記第７の手段において、
前記ヒートシンクの引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２〜２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】  本発明は前述のような構成になっており、冷却デバイスに対するねじ締結が確実で、信頼性の高い冷却デバイス用ヒートシンクおよびその製造方法を提供することができる。また、前述のヒートシンクを組み込むことにより、冷却性能に優れた電子冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例に係る電子冷却装置の一部を断面にした斜視図である。
【図２】その電子冷却装置でのヒートシンク締結部の一部拡大断面図である。
【図３】そのヒートシンクの一部拡大断面図である。
【図４】そのヒートシンクのアルマイト処理を説明する工程図である。
【図５】ヒートシンクの引張強度とねじ孔のねじ締結力との関係をまとめた図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】  次に本発明の実施例を図面とともに説明する。図１は本発明の実施例に係る電子冷却装置の一部を断面にした斜視図、図２はその電子冷却装置でのヒートシンク締結部の拡大断面図、図３はそのヒートシンクの一部拡大断面図である。
【００２６】  図１に示すように電子冷却装置は、熱電変換素子群１を間にして、その上下方向（積層方向）に板状の放熱側熱導体２とブロック状の吸熱側熱導体３が配置されている。
【００２７】  放熱側熱導体２の下側には、応力緩和層４を介してヒートシンク５が密着している。また吸熱側熱導体３の外周には、合成樹脂製の枠体６がインサートモールドにより一体に形成されている。
【００２８】  図２に示すように枠体６の基端部７には貫通孔８が形成され、一方、ヒートシンク５の基板部９には、貫通孔８と対応する位置に貫通していない有底状のねじ孔１０が形成されている。そして貫通孔８からねじ孔１０にかけてねじ１１を螺挿して、枠体６の基端部７とヒートシンク５の基板部９をねじ１１によって締結することにより、吸熱側熱導体３−熱電変換素子群１−放熱側熱導体２−ヒートシンク５の接触面がそれぞれ密着する。
なお、符号１２は撥水性シール剤層、１３は水蒸気遮蔽シール剤層である。
【００２９】  ヒートシンク５は、所定の厚さを有する基板部９と、その基板部９の片面に立設された多数枚の薄いフィン１４から構成されている。このフィン１４はヒートシンク素材を削り起こして形成され、図１に示すように基板部９よりも若干幅狭に設計されている。
【００３０】  図２に示すように、有底状のねじ孔１０は、基板部９のフィン１４とは反対側の片面に開口するように形成されている。
【００３１】  ヒートシンク５は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金組成から構成されており、本実施例ではＭｇを０．４５重量％〜０．９重量％、Ｓｉを０．２重量％〜０．６重量％含有し、残部がＡｌで、不可避不純物を含んだＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０６３系）アルミニウム合金組成を使用している。このアルミニウム合金組成は、引張強度や耐力などの機械強度、耐食性、押出性ならびに陽極酸化性に優れている。
【００３２】  Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金組成の他に、例えばＡｌ−Ｃｕ系合金組成、Ａｌ−Ｍｎ系合金組成、Ａｌ−Ｓｉ系合金組成、Ａｌ−Ｍｇ系合金組成、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金組成などの合金組成を用いることも可能である。
【００３３】  このヒートシンク５を電子冷却装置（冷却デバイス）に組み込むと、ヒートシンク５自体またはその周辺が結露する恐れがある。このヒートシンク５には防食のため、また、アルミニウム単体よりも熱輻射が高くなり熱交換性能が良くなることから、アルマイト処理を施す。
【００３４】  また、ヒートシンク５と放熱側熱導体２との接触界面の熱抵抗が小さくなるようにねじ１１で締結している。そしてねじ孔１０（図２参照）の加工は、結露などによる腐食の可能性があるため、ねじ孔加工後にアルマイト処理を行う。
【００３５】  図３は、ヒートシンク５の一部拡大断面図である。図３に示しているように、アルミニウムあるいはアルミニウム合金組成から構成されているヒートシンク５の全表面に、アルマイト処理により酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる緻密な酸化被膜１５が形成されている。
【００３６】  図４は、ヒートシンク５のアルマイト処理を説明する工程図である。アルマイト処理の前に、ねじ孔１０の形成ならびにフィン１４の削り起しなどの機械加工を終了しておく。そして図４に示しているように、まず、Ｓ１においてヒートシンク５の表面を酸で脱脂し、Ｓ２で水洗する。次にＳ３でアルカリによるエッチングを行い、Ｓ４で水洗する。次いでＳ５で酸による中和を行い、Ｓ６で水洗する。
【００３７】  これらの一連の前処理を終了した後、Ｓ７においてヒートシンク５を酸の水溶液からなる電解液中に浸漬して、電解装置の陽極に接続し、所定の電流を流して電解処理を行い、ヒートシンク５の全表面に酸化被膜１５（Ａｌ２Ｏ３被膜）を形成する。図示していないが、このアルマイト処理でねじ孔１０の内周面にも酸化被膜１５が形成される。
【００３８】  最後にＳ８で水洗して、アルマイト処理を終了する。有底状のねじ孔１０はアルマイト処理液をねじ孔１０から完全に排出することが難しいから、水洗は丁寧に行う必要がある。
【００３９】  なお、ヒートシンク５にねじ孔１０を形成する際にその周辺部には、除去作業を必要とする程度のバリが若干生じるが、アルマイト処理時のエッチング工程（Ｓ３）や陽極酸化工程（Ｓ７）時に自動的に溶解するため、ねじ孔１０を形成した後のバリの除去作業は不要となる。
【００４０】  このヒートシンク５のアルマイト処理時、例えばアルカリによるエッチング工程（Ｓ３）や、酸の水溶液を使用する陽極酸化工程（Ｓ７）時にヒートシンク５の表面が溶出し、ねじ山が減少して締結強度が低下する問題がある。
【００４１】  図５は、ヒートシンク５の引張強度とねじ孔１０のねじ締結力との関係をまとめた図表である。ヒートシンク５の引張強度は、ヒートシンク素材に対する熱処理条件を変えることによって調整することができる。また、この試験でねじ孔１０のねじ締結力は、所謂「ねじバカ」の発生率（％）で示している。
【００４２】  本試験は、まず、直径３．３ｍｍで有底状のねじ孔１０を形成したヒートシンク５に、図４に示す工程で標準的なアルマイト処理を施した。ねじ孔１０の深さはねじが４ｍｍ入り込んだ所で停止するように設定されており、ねじ孔１０にＭ４サイズのねじ（ねじピッチ：０．７ｍｍ）を規定のトルクよりもねじバカが発生し易い１．５Ｎ・ｍのトルクでねじ締結を行い、ねじ山が潰れてねじが空回りする個数を調べて、それを試験個数（各１０００個）中のねじバカ発生率として示したものである。
【００４３】  図４に示すように、ヒートシンク素材は全て同じＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０６３系）アルミニウム合金組成を使用した。図５に記載されているヒートシンク素材の熱処理条件の代表的なものについて、以下簡単に説明する。
【００４４】  Ｔ１：押出材のように高温の製造過程から冷却後積極的に冷間加工を行わないで、十分安定な状態まで自然放置したもの。このヒートシンク素材の引張強度は、１５０Ｎ／ｍｍ２であった。
【００４５】  Ｔ５：押出材のように高温の製造過程から冷却後積極的に冷間加工を行わないで、人工時効硬化処理したもの。このヒートシンク素材の引張強度は、１８５Ｎ／ｍｍ２であった。
【００４６】  Ｔ６：溶体化処理後積極的に冷間加工を行わないで、人工時効硬化処理したもの。このヒートシンク素材の引張強度は、２４０Ｎ／ｍｍ２であった。
【００４７】  Ｔ８（Ｔ８３１，Ｔ８３２）：溶体化処理後強さを増加させるため冷間加工を行い、更に人工時効硬化処理したもの。Ｔ８３１のヒートシンク素材の冷間加工による断面減少率は略１％であり、引張強度は２０５Ｎ／ｍｍ２であった。またＴ８３２のヒートシンク素材の冷間加工による断面減少率は略２％であり、引張強度は２９０Ｎ／ｍｍ２であった。
【００４８】  図５の結果から明らかなように、１５０Ｎ／ｍｍ２以下のものは機械的強度が低く、アルマイト処理による悪影響が出て、ねじバカの発生率が高い。そのため強いねじ締結が得られず、電子冷却装置を組み立てた後の信頼性に問題がある。
【００４９】  これに対して、ヒートシンク素材の引張強度が１８５Ｎ／ｍｍ２以上のものは機械的強度が高く、アルマイト処理による悪影響が出にくく、ねじバカの発生率が２％以下と低く、強いねじ締結が得られることが判明した。特にヒートシンク素材の引張強度が２０５Ｎ／ｍｍ２以上のものはねじバカの発生率が０％であり、アルマイト処理による悪影響をヒートシンク５の引張強度でカバーすることができる。
【００５０】  なお、引張強度が２９０Ｎ／ｍｍ２を超える高引張強度のアルミニウム合金組成も存在するが、せん断力が大きいため、ねじ孔を形成するバイトなどによる切削性が低下し、生産性が下がり、バイトの耐用寿命が短いなどの問題がある。
【００５１】  そのため、ヒートシンク素材の引張強度は１８５Ｎ／ｍｍ２から２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲、特に２０５Ｎ／ｍｍ２から２９０Ｎ／ｍｍ２の範囲に規制すると、信頼性の高いねじ締結が得られ、冷却デバイスの性能を向上することができる。
【００５２】  なお、冷却デバイスが図１に示すような電子冷却装置の場合、放熱側熱導体２ならびに吸熱側熱導体３の素材として、前述したヒートシンク５と同じものを使用しても構わない。
【００５３】  前記実施例では電子冷却装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、結露する恐れのある他の冷却デバイスにも適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】  １：熱電変換素子群、
２：放熱側熱導体、
３：吸熱側熱導体、
５：ヒートシンク、
９：基板部、
１０：ねじ孔、
１１：ねじ、
１４：フィン、
１５：酸化被膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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