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【発明の名称】 |
アルミダイカスト製吸放熱部品 |
| 【発明者】 |
【氏名】冨士田 義夫
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会社豊田自動織機内
【氏名】平井 秀敏
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会社豊田自動織機内
【氏名】岡本 好司
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会社豊田自動織機内
【氏名】記伊 雅之
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内
【氏名】大西 謙一
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内 |
【課題】より吸熱性又は放熱性に優れたアルミダイカスト製吸放熱部品を提供する。
【解決手段】ダイカストにより鋳造されたアルミニウム合金からなり、放熱性が要求されるインバータケース１において、アルミニウム合金はＳｉの含有量が９．６質量％未満である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】ダイカストにより鋳造されたアルミニウム合金からなり、吸熱性又は放熱性が要求されるアルミダイカスト製吸放熱部品において、前記アルミニウム合金はＳｉの含有量が９．６質量％未満であることを特徴とするアルミダイカスト製吸放熱部品。
【請求項２】アルミニウム合金はＳｉの含有量が５．５質量％未満であることを特徴とする請求項１記載のアルミダイカスト製吸放熱部品。
【請求項３】アルミニウム合金はＳｉの含有量が２．５質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミダイカスト製吸放熱部品。
【請求項４】アルミニウム合金は０．０５質量％以上のＦｅを含むことを特徴とする請求項１、２又は３記載のアルミダイカスト製吸放熱部品。
【請求項５】アルミニウム合金は０．２質量％以下でＭｇを含むことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のアルミダイカスト製吸放熱部品。
【請求項６】アルミニウム合金はＣｕを実質的に含まないことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載のアルミダイカスト製吸放熱部品。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミダイカスト製吸放熱部品に関する。このアルミダイカスト製吸放熱部品は、電気自動車やハイブリッド車等のインバータケース等に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】現在のハイブリッド車では、高電圧のバッテリとともにインバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータが用いられており、バッテリで得られた電力がコンバータにより降圧され、これが補機類に供給されたり、インバータにより交流に変換されて走行用モータを駆動するようになっている。この間、インバータやコンバータを構成する内部の電子部品には大電流が流れるため、それらは高温になりやすく、インバータの外郭を構成するインバータケースやコンバータの外郭を構成するコンバータケースには、これら電子部品を冷却すべく、高い放熱性が要求される。このため、それらインバータケース等は、軽量性と、多くの放熱フィンを有する必要性とから、アルミニウム合金をダイカストにより鋳造することにより製造されていた。
【０００３】かかるインバータケース等、吸熱性又は放熱性が要求される従来のアルミダイカスト製吸放熱部品を構成するアルミニウム合金は、機械的性質や鋳造性の観点から、自動車部品等のダイカスト材としてよく用いられるＡＤＣ１２（ＪＩＳ５３０２）であった。
【０００４】このＡＤＣ１２は、規格上、Ｓｉが９．６〜１２．０質量％、Ｃｕが１．５〜３．５質量％、Ｍｇが０．３質量％以下、Ｚｎが１．０質量％以下、Ｆｅが１．３質量％以下、Ｍｎが０．５質量％以下、Ｎｉが０．５質量％以下、Ｓｎが０．２質量％以下及びＡｌが残部の組成を有している。
【０００５】また、ＡＤＣ１２は、文献上、引張試験による引張強さが３２０Ｎ／ｍｍ2、引張試験による耐力が１７０Ｎ／ｍｍ2、引張試験による伸びが１％、せん断強さが２１０Ｎ／ｍｍ2、疲れ強さが１４０Ｎ／ｍｍ2、擬弾性係数が７０．６ｋＮ／ｍｍ2、導電率が２３％ＩＡＣＳ、熱伝導率が９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、２０〜１００°Ｃにおける熱膨張係数が２０．５×１０-6／Ｋ、比重が２．７０、凝固温度範囲が液相で５８０°Ｃ、固相で５１５°Ｃである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、さらに吸熱性又は放熱性に優れたアルミダイカスト製吸放熱部品が求められている。
【０００７】この点、特開昭６４−４２５４９号公報や特開平２−１２２５４８号公報に記載されているように、半導体素子のヒートシンク等に用いられるＳｉを非常に多く含有するアルミニウム合金をそのアルミダイカスト製吸放熱部品に採用することも考えられる。
【０００８】しかしながら、これらのアルミニウム合金は熱伝導率が低く、かつそれらの技術ではそれらのアルミニウム合金を鍛造することによりヒートシンク等を製造していた実績があるにすぎないことから、多くの吸熱又は放熱フィンを有する必要性のあるインバータケース等のアルミダイカスト製吸放熱部品にそれらの技術をそのまま採用することはできない。
【０００９】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より吸熱性又は放熱性に優れたアルミダイカスト製吸放熱部品を提供することを解決すべき課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、ＡＤＣ１２中のＳｉの含有量を減少させていくことにより、より吸熱性又は放熱性に優れたアルミダイカスト製吸放熱部品が得られることを発見し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】すなわち、本発明のアルミダイカスト製吸放熱部品は、ダイカストにより鋳造されたアルミニウム合金からなり、吸熱性又は放熱性が要求されるアルミダイカスト製吸放熱部品において、前記アルミニウム合金はＳｉの含有量が９．６質量％未満であることを特徴とする。
【００１２】発明者らの試験結果によれば、Ｓｉの含有量が９．６質量％未満のアルミニウム合金の熱伝導率はＡＤＣ１２のそれより高くなる。
【００１３】したがって、本発明のアルミダイカスト製吸放熱部品はさらに優れた吸熱性又は放熱性を発揮することができる。
【００１４】なお、Ｓｉの含有量が９．６〜１２．０質量％のＡＤＣ１２の熱伝導率は、文献上９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であったが、発明者らの試験結果によれば、１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。このため、この明細書においては、後述するように、発明者らの試験結果によって評価を行なうこととする。
【００１５】アルミニウム合金はＳｉの含有量が５．５質量％未満であることがより好ましい。発明者らの試験結果によれば、Ｓｉの含有量が５．５質量％未満のアルミニウム合金の熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える。このため、こうして得られるアルミダイカスト製吸放熱部品は確実に優れた吸熱性又は放熱性を発揮することができる。
【００１６】アルミニウム合金はＳｉの含有量が２．５質量％以上であることが好ましい。発明者らの試験結果によれば、Ｓｉの含有量が少ないアルミニウム合金程、熱伝導率は高くなり、９９．９９〜１００質量％のアルミニウム（Ａｌ）の熱伝導率は２４７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。しかし、アルミニウム合金中のＳｉを減量させることは、こうして熱伝導性の点では良好な結果をもたらすものの、溶湯の湯回りを示す流動性（ダイカスト性）、凝固時の引け性及びアルミダイカスト製吸放熱部品の強度の点では好ましくない結果をもたらす。アルミダイカスト製吸放熱部品は、上述のように、高い吸熱性又は放熱性が要求されることから、多くの吸熱フィンや放熱フィンを有する必要性が高いため、ダイカスト性や引け性が重要な要素となるとともに、実用的な引張強さが重要な要素となる。Ｓｉの含有量が２．５質量％未満のアルミニウム合金では、それらダイカスト性及び引け性が十分でないとともに、実用的な引張強さ１５０Ｎ／ｍｍ2が得られない。なお、アルミニウム合金中のＳｉを減量させることは、アルミダイカスト製吸放熱部品の耐焼付き性、耐食性及び切削性にさほどの影響を与えない。
【００１７】アルミニウム合金は０．０５質量％以上のＦｅを含むことが好ましい。発明者らの試験結果によれば、Ｆｅの含有量が少ないアルミニウム合金程、Ｓｉ以上に熱伝導率は高くなる。しかし、アルミニウム合金中のＦｅを減量させることは、こうして熱伝導性の点では良好な結果をもたらすものの、耐焼付き性の点では好ましくない結果をもたらす。従って、アルミニウム合金を低コストで量産するため、アルミニウム合金は０．０５質量％以上のＦｅが含まれていることが好ましい。なお、アルミニウム合金中のＦｅを減量させることは、ダイカスト性、引け性、強度、耐食性及び切削性にさほどの影響を与えない。
【００１８】アルミニウム合金は０．２質量％以下でＭｇを含むことが好ましい。発明者らの試験結果によれば、アルミニウム合金中のＭｇを減量させれば、熱伝導率、ダイカスト性及び引け性の点では良好な結果をもたらす。しかし、アルミニウム合金中のＭｇを減量させることは、強度及び耐食性の点では好ましくない結果をもたらす。０．２質量％以下でＭｇを含まないアルミニウム合金では、実用的な強度及び耐食性が得られない。これはＭｇの固溶体強化作用が低下したためと考えられる。なお、アルミニウム合金中のＭｇを減量させることは、耐焼付き性及び切削性にさほどの影響を与えない。
【００１９】アルミニウム合金はＣｕを実質的に含まないことが好ましい。発明者らの試験結果によれば、Ｃｕの含有量が少ないアルミニウム合金程、Ｓｉ以上に熱伝導率は高くなるからである。また、アルミニウム合金中のＣｕを減量させることは、ダイカスト性の点で良好な結果をもたらすからである。なお、アルミニウム合金中のＣｕを減量させることは、強度、耐食性及び切削性の点では好ましくない結果をもたらすが、これらはアルミダイカスト製吸放熱部品としてさほどの影響を生じない。また、アルミニウム合金中のＣｕを減量させることは、引け性及び耐焼付き性にさほどの影響を与えない。
【００２０】
【発明の実施の形態】（試験）Ｓｉ等の含有量を種々異ならせたアルミニウム合金の特性について試験を行なう。
【００２１】（１）本試験では導電率（％ＩＡＣＳ）を測定することにより熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を推定しているため、初めに、ＪＩＳ金属データブックに記載されている導電率及び熱伝導率と、実際に測定した導電率及び熱伝導率とを図１に示す。図中、■がＪＩＳデータであり、◆が実測値である。
【００２２】図１より、導電率をｘ、熱伝導率をｙとした場合、ＪＩＳデータではｙ＝３．５１０ｘ＋１４．３８の関係があり、実測値ではｙ＝３．０９１ｘ＋５１．２３の関係があることがわかる。このようにＪＩＳデータと実測値とで関係式に相違があるのは、ＪＩＳデータではＳｉの含有量にも幅があることと、測定機器にもバラツキがあり得ることとによるものと思われる。このため、発明者らはＡＤＣ１２の熱伝導率を実測値の１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と評価した。
【００２３】（２）Ｓｉを２．０〜４．５質量％の範囲で変化させ、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ａｌ合金を用意する。また、Ｓｉを２．５〜５．５質量％の範囲で変化させ、Ｍｇが０．２質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金を用意する。
【００２４】これらアルミニウム合金におけるＳｉの含有量（質量％）と熱伝導率との関係を求めた。結果を図２に示す。図中、◆がＳｉ−Ａｌ合金であり、■がＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金である。
【００２５】図２より、Ｓｉの含有量が少なくなれば、アルミニウム合金の熱伝導率が大きくなることがわかる。このため、Ｓｉの含有量が９．６質量％未満のアルミニウム合金であれば、熱伝導率がＡＤＣ１２のそれより高くなることがわかる。
【００２６】また、Ｓｉの含有量が５．５質量％未満のアルミニウム合金であれば、熱伝導率は優れた吸熱性又は放熱性の期待できる１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えることがわかる。このため、アルミニウム合金はＳｉの含有量が５．５質量％未満であることがより好ましいことがわかる。
【００２７】さらに、アルミニウム合金中のＭｇを減量させれば、アルミニウム合金は熱伝導率の点で良好な結果をもたらすことがわかる。また、アルミニウム合金中のＭｇを減量させれば、ダイカスト性及び引け性の点でも良好な結果をもたらした。
【００２８】（３）Ｓｉを１．８〜５．５質量％の範囲で変化させるとともに、Ｆｅを０．０５〜０．９５質量％の範囲で変化させ、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｆｅ−Ａｌ合金を用意する。また、Ｓｉを１．８〜５．５質量％の範囲で変化させ、Ｍｇが０．２質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金を用意する。
【００２９】これらアルミニウム合金におけるＳｉの含有量とＦｅの含有量とＭｇの添加の有無における熱伝導率との関係を求めた。結果を図３に示す。図中、◆がＳｉ−Ａｌ合金であり、■がＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金である。また、図中の数字が熱伝導率である。また、ハッチングの範囲はダイカスト性及び凝固時の引け性が悪いことを示す。
【００３０】図３より、アルミニウム合金はＳｉの含有量が５．５質量％未満であれば、熱伝導率は優れた吸熱性又は放熱性の期待できる１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えることがわかる。また、Ｆｅの含有量が少ないアルミニウム合金程、Ｓｉ以上に熱伝導率は高くなることがわかる。さらに、アルミニウム合金中のＳｉを減量させることは、熱伝導性の点では良好な結果をもたらすものの、ダイカスト性及び引け性の点では好ましくない結果をもたらすこともわかる。そして、Ｓｉの含有量が２．５質量％未満のアルミニウム合金では、ダイカスト性及び引け性が十分でない。なお、アルミニウム合金中のＦｅを減量させることは、ダイカスト性及び引け性にさほどの影響を与えない。
【００３１】（４）（３）と同一のアルミニウム合金について、Ｓｉの含有量とＦｅの含有量とＨｖ硬度との関係を求めた。結果を図４に示す。図中の数字がＨｖ硬度である。なお、ＡＤＣ１２のＨｖ硬度は９０である。また、ハッチングの範囲はダイカスト性及び凝固時の引け性が悪いことを示す。
【００３２】図４より、アルミニウム合金中のＳｉを減量させることは、強度の点では好ましくない結果をもたらすことがわかる。なお、アルミニウム合金中のＳｉを減量させることは、耐焼付き性、耐食性及び切削性にさほどの影響を与えない。また、アルミニウム合金中のＦｅを減量させることは、耐焼付き性の点では好ましくない結果をもたらすことがわかる。０．０５質量％以下でＦｅを含まないアルミニウム合金では、耐焼付き性が極端に低下してしまう。なお、アルミニウム合金中のＦｅを減量させることは、強度、耐食性及び切削性にさほどの影響を与えない。
【００３３】（５）Ｓｉを１．５０質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ａｌ合金（Ｂ−１１）と、Ｓｉを２．８０質量％、Ｍｇが０．２質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金（Ｂ−５）と、Ｓｉを３．４０質量％、Ｍｇが０．２質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金（Ａ−２）と、Ｓｉを３．５０質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ａｌ合金（Ａ−９、Ｂ−９）との各溶湯を用意する。これらの溶湯で舟型又はダイカストにより幅４ｃｍ、厚さ３ｃｍ、長さ２７ｃｍの試料を鋳造する。Ａ−２及びＡ−９のアルミニウム合金の溶湯では舟型を採用し、Ｂ−５、Ｂ−９及びＢ−１１のアルミニウム合金の溶湯ではダイカストを採用した。
【００３４】これらのアルミニウム合金におけるＳｉの含有量と引張強さ（ＭＰａ）との関係を求めた。結果を図５に示す。図中、■がＢ−１１のアルミニウム合金であり、▲がＢ−５のアルミニウム合金であり、◆がＡ−２のアルミニウム合金であり、★がＡ−９のアルミニウム合金であり、☆がＢ−９のアルミニウム合金である。Ａは舟型試験片を意味し、Ｂはダイカスト製品を意味する。
【００３５】図５より、Ｓｉの含有量が２．５質量％未満のアルミニウム合金では、実用的な引張強さ１５０Ｎ／ｍｍ2が得られないことがわかる。また、アルミニウム合金中にＭｇを添加すれば、強度の点で好ましいことがわかる。０．２質量％でＭｇを含むアルミニウム合金では、実用的な引張強さ１５０Ｎ／ｍｍ2が得られる。
【００３６】また、Ｃｕの含有量が少ないアルミニウム合金程、Ｓｉ以上に熱伝導率は高くなり、アルミニウム合金中のＣｕを減量させることは、ダイカスト性の点で良好な結果をもたらすことから、アルミニウム合金はＣｕを実質的に含まないことが好ましい。
【００３７】（実施形態）次に、本発明のアルミダイカスト製吸放熱部品をハイブリッド車のインバータケースに具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３８】図６に示す実施形態のインバータケース１は、Ｓｉを３．４０質量％、Ｍｇが０．２質量％、Ａｌが残部とした組成のＳｉ−Ｍｇ−Ａｌ合金をダイカストにより鋳造することにより製造した。
【００３９】得られたインバータケース１は、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ2であった。また、このインバータケース１は、多くの放熱フィン１ａを有するにもかかわらず、優れたダイカスト性及び引け性を有していた。なお、このインバータケース１の耐焼付き性、耐食性及び切削性に問題はなかった。
【００４０】ハイブリッド車において、得られたインバータケース１は、図７に示すように、下方のコンバータケース２上に固定され、各放熱フィン１ａがコンバータケース２に当接される。各放熱フィン１ａ及びコンバータケース２により、冷却水路が形成される。そして、インバータケース１内にはシリコングリス３、銅製の放熱板４及び樹脂製の絶縁体５を介して電子部品としてのパワー素子（ＩＧＢＴ）６が固定される。こうして、このインバータケース１はさらに優れた放熱性を発揮する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２１８
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地
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| 【出願日】 |
平成１３年９月１８日（２００１．９．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０９０６９
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 敬
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| 【公開番号】 |
特開２００３−８９８３８（Ｐ２００３−８９８３８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年３月２８日（２００３．３．２８） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−２８３１４２（Ｐ２００１−２８３１４２） |
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