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JP3527516B2 - 車両用交流発電機及びそれに組み込まれるヒートシンク - Google Patents

車両用交流発電機及びそれに組み込まれるヒートシンク

Info

Publication number
JP3527516B2
JP3527516B2 JP54233499A JP54233499A JP3527516B2 JP 3527516 B2 JP3527516 B2 JP 3527516B2 JP 54233499 A JP54233499 A JP 54233499A JP 54233499 A JP54233499 A JP 54233499A JP 3527516 B2 JP3527516 B2 JP 3527516B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fins
fin
base
heat sink
inner peripheral
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP54233499A
Other languages
English (en)
Inventor
淑人 浅尾
伸治 中島
克巳 足立
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP3527516B2 publication Critical patent/JP3527516B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • H02K11/049—Rectifiers associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H02K11/05—Rectifiers associated with casings, enclosures or brackets
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
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    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、車両のエンジンに取り付けられる車両用
交流発電機およびその整流器に組み込まれるヒートシン
クに関するものである。
背景技術 図12は従来の車両用交流発電機の一例を示す側断面図
である。図12において、交流発電機は、アルミニウム製
のフロントブラケット１とリヤブラケット２とから構成
されたケース３と、このケース３内にベアリング20を介
して回転自在に配設され、プーリ４が一端に固定された
シャフト６と、このシャフト６に固定されてケース３内
に収容されたランドル型の回転子７と、この回転子７の
両側面に固定されたファン５と、回転子７を囲繞するよ
うにケース３の内壁面に固定された固定子８と、シャフ
ト６の他端側に固定され、回転子７に電流を供給するス
リップリング９と、スリップリング９に摺動するように
ケース３内に配設された一対のブラシ10と、このブラシ
10を収納するブラシホルダ11と、固定子８に電気的に接
続され、固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器
12と、ブラシホルダ11に嵌着されたヒートシンク17と、
このヒートシンク17に接着され、固定子８で生じた交流
電圧の大きさを調整するレギュレータ18とを備えてい
る。
レギュレータ18は、回転子７への励磁電流を制御する
ためのパワートランジスタとその他の制御回路とがセラ
ミック基板に実装されて構成されている。そして、セラ
ミック基板の裏面（パワートランジスタ及び制御回路が
実装されていない側の面）には、複数のフィンを有する
ヒートシンク17が装着され、パワートランジスタの発熱
を放熱するようになっている。
整流器12は、図13および図14に示されるように、一方
向導通素子としての正極側のダイオード23が複数接合さ
れた正極側のヒートシンク24と、一方向導通素子として
の負極側のダイオード25が複数接合された負極側のヒー
トシンク26と、サーキットボード27とから構成されてい
る。正極側および負極側のヒートシンク24、26は、それ
ぞれ、シャフト６と直角方向に突出され、かつ、シャフ
ト６と平行に延びる直線状のフィン24a、26aを複数枚有
している。これらのフィン24a、26aは、例えば厚みが突
出方向に平均で1.3mm、ピッチが2.5mm、突出高さが14mm
で、20枚設けられている。また、ヒートシンク24、26の
フィン24a、26aが設けられた面と反対側のシャフト６と
平行な面には、それぞれ、複数個のダイオード23、25が
所定間隔をおいて半田付けにて接合されている。そし
て、ヒートシンク24、26は、各ダイオード23、25の背面
が径方向で対向するように組み合わされている。正極側
および負極側のダイオード23、25の対をなすリード23
a、25aは、サーキットボード27の接続端子27aと一個所
にまとめられ、それぞれ固定子コイル16の出力端子16a
に接続されて、三相交流を直流に整流するようになって
いる。また、発電によるダイオード23、25の発熱は、ヒ
ートシンク24、26に設けられたフィン24a、26aから放熱
される。
回転子７は、電流を流して磁束を発生する回転子コイ
ル13と、この回転子コイル13を覆うように設けられ、磁
束によって磁極が形成されるポールコア14とから構成さ
れている。このポールコア14は、一対の交互に噛み合っ
た第１のポールコア体21と第２のポールコア体22とから
構成されている。
固定子８は、固定子コア15と、この固定子コア15に導
線が巻回されてなり、回転子７の回転に伴って回転子コ
イル13からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル16
とから構成されている。
このように構成された従来の車両用交流発電機では、
バッテリ（図示せず）からブラシ16、スリップリング９
を通じて回転子コイル13に電流が供給されて磁束が発生
し、一方、エンジンの回転トルクがプーリ４を介してシ
ャフト６に伝達されて回転子７が回転される。その結
果、回転磁界が固定子コイル16に与えられ、固定子コイ
ル16には起電力が生じる。この交流の起電力が、整流器
12を通って直流に整流されるとともに、その大きさがレ
ギュレータ18により調整されて、バッテリに充電され
る。
ここで、回転子コイル12、固定子コイル16、整流器12
およびレギュレータ18は、発電中、常に発熱している。
定格出力電流が100Aクラスの発電機の温度的に高い回転
ポイントで、回転子コイル12、固定子コイル16、整流器
12およびレギュレータ18は、それぞれ、60W、500W、120
Wおよび6Wの発生熱量がある。
フロントブラケット１とリヤブラケット２には、回転
子７に設けられたファン５による風を流通させる吸気孔
1a、2aおよび排気孔1b、2bが穿設されている。そこで、
リヤ側においては、ファン５（回転子７）が回転するこ
とにより、外部の空気がヒートシンク17、24、26に対向
して設けられた吸気孔2aからケース３内に流入され、ヒ
ートシンク17、24、26を流通して整流器12およびレギュ
レータ18を冷却する。そして、該空気は、ファン５によ
り遠心方向に曲げられ、リヤ側の固定子コイルエンドを
冷却した後、排気孔2bから外部に吐出される。フロント
側においては、ファン５が回転することにより、外部の
空気が吸気孔1aからケース３内に軸方向に流入され、フ
ァン５により遠心方向に曲げられ、フロント側の固定子
コイルエンドを冷却した後、排気孔1bから外部に吐出さ
れる。
ヒートシンク17、24、26に設けられたフィンは、セラ
ミック基板およびダイオードとヒートシンク17、24、26
との接合面に対して垂直に形成されており、フィン間を
流通する空気との熱交換により、整流器12のダイオード
23、25およびレギュレータ18のパワートランジスタの温
度上昇が抑えられる。温度上昇値dtは、発熱量、物性を
一定とすると、ヒートシンクを流通する空気の速度ｖ
と、フィン表面積Ａとに大きく依存し、その関係式は式
（１）で表わされる。
dt∝Q/（Ａ・Ｖα） ・・・（式１） なお、αはヒートシンク間を流れる空気の状態によっ
て決まり、流れが層流状態の場合は0.5、乱流状態の場
合は0.8である。
この関係式（１）から、フィン表面積Ａを増せば温度
上昇dTを抑えられることがわかり、限られたスペースの
中では、フィンの厚さを薄くして、フィンの本数を増す
ことになる。しかし、フィンの厚さを薄くしてフィンの
本数を増すと、フィンの表面積を増やすことができるも
のの、通風風量が減少して空気の速度ｖが小さくなり、
結果的に、温度上昇を抑えられなくなる。
図15は例えば特開平８−182279号公報に記載された従
来の車両用交流発電機の他の例を示す側断面図、図16は
図15に示される車両用交流発電機のリアブラケット平面
透斜図、図17および図18はそれぞれ図15に示される車両
用交流発電機に適用される整流器を示す斜視図および平
面図である。
この従来の車両用交流発電機は、整流器30を用いてい
る点を除いて、図12に示された従来の車両用交流発電機
と同様に構成されている。
この従来の車両用交流発電機に適用される整流器30
は、正極側のダイオード23が複数接合された正極側のヒ
ートシンク31と、負極側のダイオード25が複数接合され
た負極側のヒートシンク32と、サーキットボード33とか
ら構成されている。ヒートシンク31、32およびサーキッ
トボード33は、それぞれ馬蹄形状に形成されている。そ
して、複数のフィン31aが、正極側のヒートシンク31の
一面に放射状に設けられている。また、ヒートシンク31
のフィン31aが設けられた面と反対側の面には、複数個
のダイオード23が所定間隔をおいて半田付けにて接合さ
れている。一方、負極側のヒートシンク32にはフィンが
設けられておらず、その主面に複数個のダイオード25が
所定間隔をおいて半田付けにて接合されている。ヒート
シンク31、32は、ダイオード23、25の実装面が同一面と
なり、かつ、各ダイオード23、25の対をなすリード23
a、25aが径方向で対向するように同軸に組み合わされて
いる。そして、ダイオード23、25の対をなすリード23
a、25aは、サーキットボード33の接続端子33aと一個所
にまとめられ、それぞれ固定子コイル16の出力端子16a
に接続されている。
このように構成された整流器30は、ヒートシンク31、
32のダイオード23、25の実装面がシャフト６の軸心方向
と直交し、かつ、シャフト６と同軸にリヤブラケット２
に取り付けられている。ここで、負極側のヒートシンク
32がリヤブラケット２の座面に直付け、アース接地され
ている。また、フィン31aは、ヒートシンク31の一方の
面から直角にシャフト６の軸心方向と平行に突出し、か
つ、シャフト６の軸心に向かって延びた放射状をなして
いる。
この従来の車両用交流発電機においては、ヒートシン
ク31のダイオード実装面がシャフト６の軸心に対して直
交しているので、ファン５の回転によりフィン31aと対
向する吸気孔2aから流入された空気は、フィン31a間を
流通した後、ヒートシンク31とシャフト６との間を通っ
てファン５に流入する。このヒートシンク31は、馬蹄形
状に形成されているので、フィン31a間の隙間はシャフ
ト６側ほど狭くなっている。そこで、フィン31aの厚さ
を薄くして本数を増やすと、空気の流れがシャフト６側
でチョークして、冷却性能を損ねることになる。
これらのヒートシンク24、26、31、32は、通常ダイキ
ャスト製法により作製されており、フィンの厚さを薄く
しすぎると、湯回りや型抜きの問題が生じて、ヒートシ
ンクを作製できなくなる。逆に、フィンの厚さに対する
フィン間距離に相当する型の厚みが薄すぎると、通常の
金型が20万ショット成形可能なのに対し、型寿命を著し
く低下させてしまうことになる。
発明の開示 この発明は、優れた冷却性能を確保して、量産性の高
いヒートシンクを得ることを目的とする。
また、整流器のダイオードおよび固定子の温度上昇を
抑え、安定して駆動できる車両用交流発電機を得ること
を目的とする。
この発明によるヒートシンクは、一面側を発熱部品の
実装面とする略直方形の平面形状をなす平板状のベース
と、このベースの他面上に該ベースの長手方向にピッチ
（Ｐ）で設けられ、それぞれがベースの他面から垂直
に、かつ、該ベースの長手方向に突設されている複数の
フィンとを有し、該フィンのベースからの突出高さ
（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト
製のヒートシンクにおいて、上記複数のフィンは、フィ
ン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）およびピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1m
m、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されて
いるものである。
また、この発明によるヒートシンクは、一面側を発熱
部品の実装面とする馬蹄形の平面形状をなす平板状のベ
ースと、このベースの他面上に該ベースの周方向に等角
ピッチで放射状に設けられ、それぞれが該ベースの他面
から垂直に突設されている複数のフィンとを有し、該フ
ィンのベースからの突出高さ（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の
５倍以上とするダイキャスト製のヒートシンクにおい
て、上記複数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）
および内周端のフィンピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、か
つ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されているも
のである。
また、この発明による車両用交流発電機は、ケースの
内部に収容され、回転軸を介して回転自在に支持された
回転子と、ケースの内部にこの回転子の外周を取り囲む
ように配設された固定子と、正極側および負極側の一方
向導通素子をそれぞれ支持する正極側および負極側のヒ
ートシンクを有し、上記固定子で発生する交流電流を整
流する整流器とを備えた車両用交流発電機において、上
記両ヒートシンクは、それぞれ内径の異なる馬蹄形の平
面形状をなす平板状のベースから構成され、各馬蹄形の
平面が上記回転軸と直交するほぼ同じ平面上にあって、
かつ、両ベースが径方向に重なるように配設され、両ベ
ースの一面上に上記正極側および負極側の一方向導通素
子をそれぞれ支持させ、内周側に配設された上記ヒート
シンクは、上記ベースの他面上に該ベースの周方向に等
角ピッチで放射状に複数設けられ、それぞれが該ベース
の他面から垂直に突設されている複数のフィンを有し、
該フィンのベースからの突出高さ（Ｈ）をフィン厚
（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト製であり、上記複
数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）および内周
端のフィンピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、かつ、0.35≦T/P
≦0.6を満足する形状に形成されているものである。
図面の簡単な説明 図１はこの発明の実施例１に係るヒートシンクを示す
平面図、 図２はこの発明の実施例１に係るヒートシンクを示す
正面図、 図３はこの発明の実施例１によるヒートシンクを組み
込んだ車両用交流発電機における固定子および整流器の
ダイオードの温度上昇を示す図、 図４は収縮モデルの抵抗系を示す図、 図５はこの発明の実施例１によるヒートシンクのT/P
と冷却性との関係を示す図、 図６はこの発明の実施例２に係るヒートシンクを示す
平面図、 図７はこの発明の実施例２によるヒートシンクを組み
込んだ車両用交流発電機のリヤブラケット平面透視図、 図８は比較例のヒートシンクを組み込んだ車両用交流
発電機のリヤブラケット平面透視図、 図９はこの発明の実施例３によるヒートシンクを組み
込んだ車両用交流発電機のリヤブラケット平面透視図、 図10はこの発明の実施例４に係るヒートシンクを示す
平面図、 図11はこの発明の実施例４に係るヒートシンクの作用
効果を説明する図、 図12は従来の車両用交流発電機を示す側断面図、 図13は従来の整流器を示す斜視図、 図14は従来のヒートシンクアッセンブリを示す斜視
図、 図15は従来の他の車両用交流発電機を示す側断面図、 図16は従来の他の車両用交流発電機のリヤブラケット
平面透視図、 図17は図15に示される従来の車両用交流発電機に用い
られる整流器を示す斜視図、 図18は図15に示される従来の車両用交流発電機に用い
られる整流器を示す平面図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、この発明の好適な形態について図面を参照して
説明する。
実施例1. 図１および図２はそれぞれこの発明の実施例１に係る
車両用交流発電機に適用される整流器のヒートシンクを
示す平面図および正面図である。
図１および図２において、ヒートシンク40は、ADC10
を材料としたダイキャスト製で、一面側を発熱部品であ
るダイオードの実装面とする略長方形の平面形状をなす
平板状のベース41と、このベース41の他面に所定の厚み
（Ｔ）で所定高さ（Ｈ）にベース41の長手方向と直交す
るように突出され、かつ、所定のピッチ（Ｐ）でベース
41の長手方向に並設された複数のフィン42とを備えてい
る。
このヒートシンク40を用いて整流器を組み立てるに
は、まず正極側のダイオードをベース41の一面にベース
41の長手方向に複数接合してなるヒートシンク40と、負
極側のダイオードをベース41の一面にベース41の長手方
向に複数接合してなるヒートシンク40とを用意する。そ
して、正極側のダイオードの背面と負極側のダイオード
の背面とが径方向で対向するように両ヒートシンク40を
組み合わせ、さらにサーキットボードを両ヒートシンク
40上に重ね合わせ、正極側および負極側のダイオードの
対をなすリードをサーキットボードの接続端子と一個所
にまとめて、整流器が組み立てられる。なお、ダイオー
ドおよびサーキットボードには、従来のものが用いられ
る。
このように組み立てられた整流器は、従来の整流器12
に代えて車両用交流発電機に取り付けられる。
ここで、厚み（Ｔ）が0.8mm、かつ、高さ（Ｈ）が14m
mのフィン42をピッチ（Ｐ）1.6mmで39枚形成してなるヒ
ートシンク40を用いて整流器を作製し、固定子コア15の
外径（φ）が128mm、定格出力が12V/100Aの車両用交流
発電機に該整流器を組み込んで、ダイオードおよび固定
子のリヤ側コイルの温度上昇を測定した結果を図３に示
す。なお、比較のために、厚み（Ｔ）が高さ平均で1.3m
m、かつ、高さ（Ｈ）が14mmのフィン24a、26aをピッチ
（Ｐ）2.5mmで20枚形成してなるヒートシンク23、25を
用いた従来の整流器12についても、同様に、ダイオード
の温度上昇を測定した。
図３から、この実施例１による整流器を用いた車両用
交流発電機では、ダイオードの温度が87℃、固定子温度
が165℃であるのに対し、従来の整流器を用いた車両用
交流発電機では、ダイオードの温度が101℃となり、ヒ
ートシンク40を用いることにより温度低減効果が得られ
ることがわかった。
ついで、フィン厚み（Ｔ）を0.8mmとし、ピッチ
（Ｐ）に対するフィン厚み（Ｔ）の割合（T/P）を変え
たヒートシンク40を用いて整流器を作製し、車両用交流
発電機に該整流器を組み込んで、ダイオードおよび固定
子のリヤ側コイルの温度上昇を測定した結果を図３に示
す。
図３から、T/Pが大きくなるほどダイオードの温度上
昇値は下がるが、固定子の温度は増加傾向となる。これ
は、T/Pが大きくなるにつれ、フィン間隔が狭くなり、
ヒートシンク部での圧力損失が増加して吸入風量が減少
するためと考えられる。ただし、ダイオードについて
は、吸入風量が減少することにより、冷却に寄与するフ
ィン間の空気の速度が遅くなるが、それ以上に、ピッチ
が小さくなることにより、形成できるフィンの枚数が増
加して、冷却に寄与するフィン表面積Ａが増加するため
と考えられる。図３から、ダイオードおよび固定子の温
度の両立を考慮すると、T/Pを0.3以上、かつ、0.7以下
とすることが望ましい。
冷却効果を上げるためにはフィンを薄くして枚数を増
やす必要がある。通常、ヒートシクはダイキャスト製法
により作製されており、フィンの高さがフィン厚みの５
倍以上あるような背の高いフィンにおいて、フィン厚み
を1mm以下に薄くすると、湯回りや型抜きの問題が生
じ、例えば0.4mmより薄くするとヒートシンクの作製が
不可能となる。この実施例１のように、フィン厚みを0.
8mm、高さを14mmとした場合、T/Pが0.6を超えると、フ
ィン間の型厚が高さ14mmに対して約0.5mmと小さくな
る。その結果、型が強度的に弱くなり、ショット数が５
万回程度で、型のこの部位に表面クラックが生じ、成形
不良を起こしたり、型のエッジ部より摩耗が生じ、これ
以上の成形ができなくなる。
以下に、上述の傾向について、定性的に論ずる。
温度上昇値を決定する因子は、前述の（式１）からＡ
・ｖαであり、これを冷却性Ｋとする。なお、（式１）
において、Ｑは同一出力電流を整流すると考えるので、
一定と考える。
Ｋ＝Ａ・ｖα ここで、フィンを形成するスペースは一定、つまりヒ
ートシンクのベースのフィン形成面の面積は一定なの
で、フィン表面積Ａは、 Ａ∝（フィンの枚数）・（フィンの効率） ∝（W/P）・ξ と表わされる。なお、Ｗはベースのフィン形成面の長手
方向の長さ、ξはフィンの効率である。
同様に、通風断面A'は、 A'∝（フィンの枚数）・（フィンピッチ−フィン厚）
／（フィンピッチ） ∝（Ｐ−Ｔ）・Ｐ と表わされる。
また、抵抗係数∂は、一般的な収縮の場合、図４に示
されるように、収縮前の通過断面積をAi、収縮後の通過
断面積をAoとすると、 ∂＝ｋ・｛１−（Ao/Ai）２｝ と表わされる。なお、ｋは定数である。
本ヒートシンクの緒言に置き換えると、 ∂＝ｋ・〔１−｛A'/（Ｗ・Ｈ）｝２〕 ∝１−｛A'/（Ｗ・Ｈ）｝２ となる。
圧力損失ΔＰと速度ｖとの関係は、 ΔＰ＝∂・（空気密度）/2・v2 ∝∂・v2 より、速度ｖは、 ｖ＝（ΔP/∂）1/2 となる。
ここで、冷却ファンは同一であり、圧力損失変動がわ
ずかで無視できるとすると、 ｖ∝∂−1/2 となる。
よって、冷却性Ｋは、 Ｋ＝Ａ・ｖα ∝（W/P）・ξ・（∂−1/2）α と表わせられる。
ここで、Ｗ＝60mm、Ｈ＝15mmのヒートシンクにおい
て、フィン厚みを0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm
とした場合のT/Pと冷却性Ｋとの関係を図５に示す。
図５から、フィン厚みが一定の場合、T/Pが大きいほ
ど、冷却性Ｋが向上しており、先の実験結果と同傾向で
ある。これは、T/Pが大きくなると、形成できるフィン
の枚数を増加でき、冷却に寄与するフィン表面積Ａが増
加されることによる。また、フィン厚みが薄いほど、冷
却性Ｋが向上している。そして、冷却性Ｋから、フィン
厚みは1mm以下であることが望ましい。
また、図５から、空気の流れが層流状態の場合におけ
る冷却性Ｋの曲線と空気の流れが乱流状態の場合におけ
る冷却性Ｋの曲線との間に、T/P＝0.3近傍にクロスポイ
ントが存在していることがわかる。冷却性能は空気の流
れの状態で変化する。これは、流れが層流状態の場合、
熱伝達面と空気との間の熱伝達率が空気の速度の0.5乗
に、乱流状態の場合は0.8乗に依存するためである。流
れの状態は、主流のレイノルズ数によって決定される
が、干渉物との衝突や流れの屈曲などでミクロ的には乱
流現象と層流現象との中間領域もある。この結果による
と、αが0.5から0.8に変化する場合、T/Pが0.3近傍にク
ロスポイントがあり、T/Pが0.3近傍以外では、流れの状
態変化による冷却性の逆転現象は生じない。
従って、空気の流れの状態が、発電機のサイズや回転
数によって変化するため、ヒートシンクを設計するに際
しては、T/Pを0.3近傍から外して設定することにより、
流れの状態に影響されない安定した冷却性能のヒートシ
ンクを得ることができる。
このように、この実施例１によれば、H/T≧５とした
背の高いフィンを有するヒートシンクにおいて、Ｔ≦1m
m、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足するフィン形状とした
ので、固定子温度に悪影響を与えずにダイオード温度を
低く抑えることができ、かつ、量産性の高いヒートシン
クを得ることができる。また、このフィン形状の関係
は、空気の流れの状態に影響されない安定した冷却性能
のヒートシンクを得る設計指標となる。
なお、この実施例１では、フィン厚みが高さ方向に一
定として論じているが、ダイキャスト製法で作製される
場合は、実際には１度程度のぬき勾配が必要となる。し
かし、上記のフィン厚みＴに、フィンの先端と根元との
平均厚を適用しても、フィン表面積および空気通過断面
積はほどんど変わらないので、上記設計指標による効果
は変わらない。
また、この実施例１では、ヒートシンクが車両用交流
発電機の整流器に用いられるものとして説明している
が、本ヒートシンクは車両用交流発電機の整流器用に限
定されるものではなく、強制空冷される他の用途に適用
しても、同様の効果が得られる。
実施例2. 図６はこの発明の実施例２に係るヒートシンクを示す
平面図である。
図６において、ヒートシンク43は、ADC10を材料とし
てダイキャストで製法により作製され、馬蹄形の平面形
状をなす平板状のベース44と、このベース44の一面から
それぞれ垂直に突出されて点Ｏを中心とする放射状に設
けられた複数のフィン45とを有している。そして、複数
のフィン45の内周端部は、１本おきに径方向の長さが2m
m短く形成され、隣接するフィン間隔を0.8mmに確保して
いる。
このヒートシンク43は、正極側のヒートシンクとして
用いられる。このヒートシンク43を用いた整流器は、図
７に示されるように、ベース44の主面がシャフト６の軸
心に対して直交し、かつ、放射状のフィン45の中心（点
Ｏ）がシャフト６の軸心と略一致するようにリヤブラケ
ット２に取り付けられる。そして、ファン５の回転によ
り、空気がフィン45と対向する部位に設けられた吸入孔
2aおよびフィン45の径方向外側の部位に設けられた吸入
孔2aからケース３内に流入し、フィン45間を流通した
後、ヒートシンク43とシャフト６との間を通ってファン
５に流入する。
この実施例２によるヒートシンク43を組み込んだ車両
用交流発電機で、整流器のダイオードおよび固定子の温
度上昇を測定したところ、ダイオードの温度上昇が88℃
に抑えられ、固定子の温度上昇が165℃に抑えられた。
ここで、比較のために、複数のフィン37がベース36の
一面に放射状に設けられたヒートシンク35を作製し、図
８に示されるように、このヒートシンク35を用いた整流
器を組み込んだ車両用交流発電機で、整流器のダイオー
ドおよび固定子の温度上昇を測定したところ、ダイオー
ドの温度が99℃に上昇し、固定子の温度が180℃に上昇
していた。なお、比較例としてのヒートシンク35は、フ
ィンの内周端部の形状を除いて、ヒートシンク43と同形
状に形成され、内周端部におけるフィン間隔は0.5mmと
なっている。
このように、実施例２によるヒートシンク43は比較例
のヒートシンク35に比べて冷却性能が向上する結果が得
られた。
これは、実施例２では、内周端部でのフィン間隔が0.
8mmと広くなっているので、フィン間を流通する空気の
流れが内周端部側でチョークせず、吸入風量の減少を抑
えることができることに起因する。つまり、比較例で
は、内周端部でのフィン間隔が0.5mmと狭くなっている
ので、フィン37間を流通する空気の流れが内周端部側で
チョークして吸入風量が減少し、冷却性能を損なうこと
になる。
また、この実施例２では、複数のフィン45の内周端部
を１本おきに径方向の長さを短く形成しているので、比
較例に対して内周端部側における隣接するフィン間隔を
広くできる。つまり、実施例２と比較例とにおいて、内
周端部側における隣接するフィン間隔を等しくすると、
実施例２は比較例に比べてフィンの枚数を多くでき、冷
却性能を向上させることができる。
実施例3. 上記実施例２では、リヤブラケット２のフィン対向部
に設けられた吸入孔2aは、その内周縁部がフィン45の内
周端部に略一致するように設けられているが、この実施
の形態３では、図９に示されるように、吸入孔2aの内周
縁部が径方向長を短くしたフィン45の内周端部から径方
向外側に2mmずれた位置に位置するようにリヤブラケッ
ト２に設けられている。
この車両用交流発電機で、整流器のダイオードおよび
固定子の温度上昇を測定したところ、ダイオードの温度
上昇が79℃に抑えられ、固定子の温度上昇が165℃に抑
えらる結果が得られた。
これは、吸入孔2aの内周縁部を径方向の長さを短くし
たフィン45の内周端部から径方向外側に2mmずらすこと
により、吸入孔2aからフィン45の内周端部に直接流入し
ていた空気がフィン45の外周側に流入して冷却に寄与す
るようになり、ダイオードの温度上昇が一層抑制される
ためである。
実施例4. 図10はこの発明の実施例４に係るヒートシンクを示す
平面図である。
図10において、ヒートシンク43は、複数本のフィン45
の外周端部側に厚肉部46が形成されている。さらに、厚
肉部46と隣のフィン45との隙間が内周端部のフィン間隔
と同等もしくはそれ以上としている。なお、他の構成は
上記実施例２と同様に構成されている。
ヒートシンク43は、ベース44が馬蹄形の平面形状に形
成されているので、外周側のフィン間隔が広くなってい
る。このようなヒートシンク43を成形後、対として箱に
入れて運搬する場合、図11に示されるように、フィン間
隔の広い外周側同士が互いに食い付き（図11のＢ部）、
フィン45の欠損やひび割れを発生させていた。この実施
例４によるヒートシンク43では、一部のフィン45の外周
端部側に厚肉部46が設けられているので、一対のヒート
シンク43の外周側からの重なりがなく、フィン45の欠損
やひび割れを防止できる。
また、厚肉部46と隣のフィン45との隙間が内周端部の
フィン間隔と同等もしくはそれ以上とされているので、
空気の流れが厚肉部46周りでチョークすることもなく、
冷却性を損なうこともない。
実施例5. 上記実施例２〜４および実施例２における比較例で
は、フィンの高さＨ、厚みＴ、配列ピッチＰについて言
及していないが、この実施例５では、ヒートシンク43、
35をH/T≧５とした背の高いフィンを有するヒートシン
クとし、その内周端部におけるフィン形状を、Ｔ≦1m
m、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状とするものと
する。
ヒートシンク43、35は、ベース44の馬蹄形の平面形状
に起因してフィン間隔が狭くまっている内周端部におけ
るフィン形状を、Ｔ≦1mm、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満
足する形状としているので、固定子温度に悪影響を与え
ずにダイオード温度を低く抑えることができ、かつ、量
産性の高いヒートシンクを得ることができる。
以上述べたように、この発明によれば、一面側を発熱
部品の実装面とする略直方形の平面形状をなす平板状の
ベースと、このベースの他面上に該ベースの長手方向に
ピッチ（Ｐ）で設けられ、それぞれがベースの他面から
垂直に、かつ、該ベースの長手方向に突設されている複
数のフィンとを有し、該フィンのベースからの突出高さ
（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト
製のヒートシンクにおいて、上記複数のフィンは、フィ
ン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）およびピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1m
m、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されて
いるものとしているので、優れた冷却性能を有し、か
つ、量産性の高いヒートシンクを得ることができる。
また、一面側を発熱部品の実装面とする馬蹄形の平面
形状をなす平板状のベースと、このベースの他面上に該
ベースの周方向に等角ピッチで放射状に設けられ、それ
ぞれが該ベースの他面から垂直に突設されている複数の
フィンとを有し、該フィンのベースからの突出高さ
（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト
製のヒートシンクにおいて、上記複数のフィンは、フィ
ン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）および内周端のフィンピッチ
（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する
形状に形成されているので、優れた冷却性能を有し、か
つ、量産性の高いヒートシンクを得ることができる。
また、上記複数のフィンは、１本おきのフィンの内周
端が、隣り合うフィンの内周端に対して径方向の外側に
位置するように形成されているので、優れた冷却性能を
有し、かつ、量産性の高いヒートシンクを得ることがで
きる。
また、厚肉部が一部のフィンの外周端側に設けられ、
該厚肉部と隣り合うフィンとの間隙を内周端でのフィン
間隔と同等以上としたので、ヒートシンク同士の噛み合
いがなくなり、運搬時のフィンの欠損やひび割れの発生
を防止することができる。
また、ケースの内部に収容され、回転軸を介して回転
自在に支持された回転子と、ケースの内部にこの回転子
の外周を取り囲むように配設された固定子と、正極側お
よび負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正極側
および負極側のヒートシンクを有し、上記固定子で発生
する交流電流を整流する整流器とを備えた車両用交流発
電機において、上記ヒートシンクは、一面側を上記一方
向導通素子の実装面とする略直方形の平面形状をなす平
板状のベースと、このベースの他面上に該ベースの長手
方向にピッチ（Ｐ）で設けられ、それぞれがベースの他
面から垂直に、かつ、該ベースの長手方向に突設されて
いる複数のフィンとを有し、該フィンのベースからの突
出高さ（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキ
ャスト製であり、上記複数のフィンは、フィン厚
（Ｔ）、高さ（Ｈ）およびピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、
かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されている
ので、固定子温度および一方向導通素子の温度上昇を低
く抑えることができ、安定に駆動できる車両用交流発電
機が得られる。
また、ケースの内部に収容され、回転軸を介して回転
自在に支持された回転子と、ケースの内部にこの回転子
の外周を取り囲むように配設された固定子と、正極側お
よび負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正極側
および負極側のヒートシンクを有し、上記固定子で発生
する交流電流を整流する整流器とを備えた車両用交流発
電機において、上記両ヒートシンクは、それぞれ内径の
異なる馬蹄形の平面形状をなす平板状のベースから構成
され、各馬蹄形の平面が上記回転軸と直交するほぼ同じ
平面上にあって、かつ、両ベースが径方向に重なるよう
に配設され、両ベースの一面上に上記正極側および負極
側の一方向導通素子をそれぞれ支持させ、内周側に配設
された上記ヒートシンクは、上記ベースの他面上に該ベ
ースの周方向に等角ピッチで放射状に複数設けられ、そ
れぞれが該ベースの他面から垂直に突設されている複数
のフィンを有し、該フィンのベースからの突出高さ
（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト
製であり、上記複数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ
（Ｈ）および内周端のフィンピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1m
m、かつ、0.35≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されて
いるので、固定子温度および一方向導通素子の温度上昇
を低く抑えることができ、安定に駆動できる車両用交流
発電機が得られる。
また、上記複数のフィンは、１本おきのフィンの内周
端が、隣り合うフィンの内周端に対して径方向の外側に
位置するように形成されているので、固定子温度および
一方向導通素子の温度上昇を低く抑えることができ、安
定に駆動できる車両用交流発電機が得られる。
また、空気を取り入れるための吸入孔が、上記ケース
の上記複数のフィンと相対する部位に、上記複数のフィ
ンの配列方向に沿って馬蹄形の孔形状に設けられ、該吸
入孔の内周縁部が、隣り合うフィンの内周端に対して径
方向の外側に位置する上記１本おきのフィンの内周端よ
り径方向の外側に位置しているので、一方向導通素子の
温度上昇をさらに抑えることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−102683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−97169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−232699（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−4784（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−149078（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 7/20 H02K 9/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一面側を発熱部品の実装面とする略直方形
    の平面形状をなす平板状のベースと、このベースの他面
    上に該ベースの長手方向にピッチ（Ｐ）で設けられ、そ
    れぞれがベースの他面から垂直に、かつ、該ベースの長
    手方向に突設されている複数のフィンとを有し、該フィ
    ンのベースからの突出高さ（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５
    倍以上とするダイキャスト製のヒートシンクにおいて、 上記複数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）およ
    びピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、かつ、0.35≦T/P≦0.6を
    満足する形状に形成されていることを特徴とするヒート
    シンク。
  2. 【請求項２】一面側を発熱部品の実装面とする馬蹄形の
    平面形状をなす平板状のベースと、このベースの他面上
    に該ベースの周方向に等角ピッチで放射状に設けられ、
    それぞれが該ベースの他面から垂直に突設されている複
    数のフィンとを有し、該フィンのベースからの突出高さ
    （Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイキャスト
    製のヒートシンクにおいて、 上記複数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）およ
    び内周端のフィンピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、かつ、0.3
    5≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されていることを特
    徴とするヒートシンク。
  3. 【請求項３】厚肉部が一部のフィンの外周端側に設けら
    れ、該厚肉部と隣り合うフィンとの間隙を内周端でのフ
    ィン間隔と同等以上としたことを特徴とする請求項２記
    載のヒートシンク。
  4. 【請求項４】上記複数のフィンは、１本おきのフィンの
    内周端が、隣り合うフィンの内周端に対して径方向の外
    側に位置するように形成されていることを特徴とする請
    求項２記載のヒートシンク。
  5. 【請求項５】厚肉部が一部のフィンの外周端側に設けら
    れ、該厚肉部と隣り合うフィンとの間隙を内周端でのフ
    ィン間隔と同等以上としたことを特徴とする請求項４記
    載のヒートシンク。
  6. 【請求項６】ケースの内部に収容され、回転軸を介して
    回転自在に支持された回転子と、ケースの内部にこの回
    転子の外周を取り囲むように配設された固定子と、正極
    側および負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正
    極側および負極側のヒートシンクを有し、上記固定子で
    発生する交流電流を整流する整流器とを備えた車両用交
    流発電機において、 上記両ヒートシンクは、それぞれ内径の異なる馬蹄形の
    平面形状をなす平板状のベースから構成され、各馬蹄形
    の平面が上記回転軸と直交するほぼ同じ平面上にあっ
    て、かつ、両ベースが径方向に重なるように配設され、
    両ベースの一面上に上記正極側および負極側の一方向導
    通素子をそれぞれ支持させ、 内周側に配設された上記ヒートシンクは、上記ベースの
    他面上に該ベースの周方向に等角ピッチで放射状に複数
    設けられ、それぞれが該ベースの他面から垂直に突設さ
    れている複数のフィンを有し、該フィンのベースからの
    突出高さ（Ｈ）をフィン厚（Ｔ）の５倍以上とするダイ
    キャスト製であり、 上記複数のフィンは、フィン厚（Ｔ）、高さ（Ｈ）およ
    び内周端のフィンピッチ（Ｐ）が、Ｔ≦1mm、かつ、0.3
    5≦T/P≦0.6を満足する形状に形成されていることを特
    徴とする車両用交流発電機。
  7. 【請求項７】上記複数のフィンは、１本おきのフィンの
    内周端が、隣り合うフィンの内周端に対して径方向の外
    側に位置するように形成されていることを特徴とする請
    求項６記載の車両用交流発電機。
  8. 【請求項８】空気を取り入れるための吸入孔が、上記ケ
    ースの上記複数のフィンと相対する部位に、上記複数の
    フィンの配列方向に沿って馬蹄形の孔形状に設けられ、
    該吸入孔の内周縁部が、隣り合うフィンの内周端に対し
    て径方向の外側に位置する上記１本おきのフィンの内周
    端より径方向の外側に位置していることを特徴とする請
    求項７記載の車両用交流発電機。
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