(57)【要約】【課題】グラファイトシートをフィンに用いた冷却器において冷却性能を高める。【解決手段】冷却器２は、本体２０と、本体２０の表面に固定されている複数のフィン１０ａ、１０ｂを備えている。フィン１０ａ、１０ｂは、面内方向の熱伝導率が面外方向（厚み方向）の熱伝導率よりも高い複数のグラファイトシート１２を積層したものである。複数のグラファイトシート１２の端面１２１が本体２０に固定されている。所定の列のフィン１０ａのグラファイトシートの積層方向と、別の列のフィン１０ｂ記積層方向が直交している。また、フィン１０ａ、１０ｂには、積層方向に対して直交する方向に当該フィンを貫通しているスリット１４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体の表面に複数のフィンが固定されている冷却器であり、
前記フィンは、面内方向の熱伝導率が面外方向の熱伝導率よりも高い複数のグラファイトシートの積層体で構成されており、
複数の前記グラファイトシートの端面が前記本体に固定されており、
所定の列の前記フィンの前記グラファイトシートの積層方向と、別の列の前記フィンの前記積層方向が直交しており、
前記フィンに、前記積層方向に対して直交する方向に当該フィンを貫通しているスリットが設けられている、冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、冷却器に関する。特に、本体に複数のフィンが固定されている冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却器は、冷却性能を高めるために、複数のフィンを備えることがある（例えば、特許文献１、２）。特許文献１の冷却器は、複数のフィンを千鳥格子状に配置する。特許文献２の冷却器は、フィンにスリットを設けている。また、面内方向の熱伝導率が面外方向の熱伝導率よりも高いグラファイトシートにフィンを取り付けることが、特許文献３で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−２５２０６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４４２５号公報
【特許文献３】特開２００３−９２３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書は、フィンの素材にグラファイトシートを利用し、冷却性能を高めた冷却器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、本体の表面に複数のフィンが固定されている冷却器を開示する。冷却器の本体は、例えば、冷却対象が取り付けられるヒートシンクである。本体は、冷媒が流れる流路管であってもよい。フィンは、面内方向の熱伝導率が面外方向（グラファイトシートの厚み方向）の熱伝導率よりも高い複数のグラファイトシートの積層体で構成されている。フィンを構成する複数のグラファイトシートの端面が本体に固定されている。所定の列のフィンのグラファイトシートの積層方向と、別の列のフィンの前記積層方向が直交している。また、フィンに、グラファイトシートの積層方向に対して直交する方向にフィンを貫通しているスリットが設けられている。
【０００６】
本明細書が開示する冷却器では、グラファイトシートの積層方向が所定方向を向いている第１フィンと、積層方向が所定方向と交差する方向（交差方向）を向いている第２フィンが混在している。第１フィン群は交差方向に高い熱伝導率を有しており、第２フィン群は所定方向に高い熱伝導率を有している。従って、フィンの集合体は、本体の表面の面内方向に高い熱伝導率を有することになる。熱が効率的に本体の面内方向に拡がるので、冷却性能が向上する。一方、グラファイトシートの積層体で作られたフィンは厚みが比較的に大きくなり、冷媒流のフィン下流側で冷媒が滞留しがちであることが判明した。そこで、フィンにスリットを設けた。スリットを流れる冷媒流により、フィン下流側の冷媒滞留が少なくなり、冷却性能が向上する。スリットによりフィンの表面積が増えることも、冷却性能向上に貢献する。
【０００７】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の冷却器の斜視図である。
【図２】ＸＺ平面でフィンをカットした断面図である。
【図３】本体の表面の法線方向からみた冷却器の平面図である（比較例／スリットなし）。
【図４】本体の表面の法線方向からみた冷却器の平面図である（実施例／スリットあり）。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例の冷却器２を説明する。図１に、冷却器２の斜視図を示す。図２に、冷却器２の断面図を示す。冷却器２は、発熱体９０の熱を放出するヒートシンクである。発熱体９０が、冷却器２の冷却対象である。冷却器２は、冷却器２（ヒートシンク）の本体２０と、複数のフィン１０ａ、１０ｂを備えている。本体２０の裏面２０２に発熱体９０が取り付けられる。本体２０の表面２０１に複数のフィン１０ａ、１０ｂが固定されている。本体２０の表面２０１の側は、冷媒の流路になっている。すなわち、本体２０の表面２０１とフィン１０ａ、１０ｂは、冷媒に晒される。発熱体９０の熱は、本体２０からフィン１０ａ、１０ｂへと伝わり、本体２０の表面２０１とフィン１０ａ、１０ｂの表面から冷媒へ放出される。フィン１０ａとフィン１０ｂは、同じ構造を有している。フィン１０ａとフィン１０ｂは、いずれも、グラファイトシートの積層体である。フィン１０ａとフィン１０ｂは、グラファイトシートの積層方向が異なる方向を向くように配置されている。詳しくは後述するが、列Ａ１、列Ａ３、列Ａ５のフィン１０ａは、グラファイトシートの積層方向が、図中の座標系のＸ方向を向くように配置されている。列Ａ２、列Ａ４のフィン１０ｂは、グラファイトシートの積層方向がＹ方向を向くように配置されている。図１では、一部のフィンに対して符号を省略している。
【００１０】
本体２０とフィン１０ａの構造を説明する。図２は、図１の座標系におけるＸＺ平面と平行な平面であって、フィン１０ａを横断する平面でカットした断面を示している。
【００１１】
本体２０は、銅やアルミニウムなど、熱伝導率の高い金属で作られた金属板２１と、金属板２１のフィン側の表面に形成されているサーマルインターフェイスマテリアル層２２と、固定層２３を有している。以下、説明を簡単にするため、サーマルインターフェイスマテリアル層２２をＴＩＭ層２２と表記する。ＴＩＭ層２２は、金属板２１よりも熱伝導率の低い物質で作られている。ＴＩＭ層２２と固定層２３の合計の厚みは、概ね、１〜５００［μｍ］である。
【００１２】
フィン１０ａは、複数のグラファイトシート１２を積層し、隣り合うグラファイトシート１２をシート結着層１３で密着させたものである。グラファイトシート１２は、熱伝導率の極めて高いシートである。グラファイトシート１２は、面内方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い。例えば、面内方向の熱伝導率は、２００〜２０００［Ｗ／ｍＫ］であるのに対して、厚み方向の熱伝導率は、５［Ｗ／ｍＫ］程度である。図２の座標系において、ＹＺ平面に平行な方向が、フィン１０ａのグラファイトシート１２の面内方向に相当し、Ｘ軸方向が厚みの方向に相当する。
【００１３】
フィン１０ａは、隣接するグラファイトシート１２の幅広面が対向するように、積層されている。図２によく示されているように、フィン１０ａは、複数のグラファイトシート１２の端面１２１（幅広面と交差する面）が、本体２０のＴＩＭ層２２に固定されている。先に述べたように、グラファイトシート１２は、面内方向の熱伝導率が面外方向（グラファイトシート１２の厚み方向）の熱伝導率よりも高い。冷却器２では、本体２０とフィン１０ａの境界において、グラファイトシート１２の熱伝導率の高い方向（面内方向）が、本体２０の表面２０１と交差する。別言すれば、フィン１０ａの本体２０から延びる方向が、グラファイトシート１２の面内方向と略平行となる。従って、本体２０からフィン１０ａへ熱が良く伝わる。冷却器２では、さらに、フィン１０ａは、本体２０の表面２０１のＴＩＭ層２２に固定されている。この点も、本体２０からフィン１０ａへ熱を良く伝えることに貢献する。
【００１４】
フィン１０ａは、その先端に、グラファイトシート１２の積層方向の概ね中央にスリット１４を備えている。スリット１４は、グラファイトシート１２の積層方向（図中のＸ方向）に直交する方向でフィン１０ａを貫通している。
【００１５】
フィン１０ｂは、フィン１０ａと同じ構造を有しており、複数のグラファイトシートが積層された構造を有しているとともに、その先端に、グラファイトシートの積層方向と交差する方向にフィン１０ｂを貫通するスリット１４が設けられている。先に述べたように、フィン１０ａとフィン１０ｂは、構造は同一であり、グラファイトシートの積層方向が異なる向きとなるように配置されている点が相違するだけである。
【００１６】
冷却器２は、グラファイトシート１２の端面１２１が本体２０に固定されていることと、本体２０の表面のＴＩＭ層２２にフィン１０ａ、１０ｂが固定されていること、の２つの特徴が、本体２０からフィン１０ａ、１０ｂへの伝熱に大きく貢献する。
【００１７】
また、先に述べたように、図１の列Ａ１、列Ａ３、列Ａ５のフィン１０ａは、Ｘ方向にグラファイトシートが積層されており、列Ａ２、列Ａ４のフィン１０ｂは、Ｙ方向にグラファイトシートが積層されている。すなわち、所定の列（Ａ１、Ａ３、Ａ５）のフィン１０ａのグラファイトシートの積層方向と、別の列（Ａ２、Ａ４）のフィン１０ｂのグラファイトシートの積層方向が直交している。複数のフィン１０ａは、図中の座標系のＹ方向に高い熱伝導率を有しており、複数のフィン１０ｂはＸ方向に高い熱伝導率を有している。従って、フィン１０ａ、１０ｂの集合体は、本体２０の面内方向に（二次元的に）高い熱伝導率を有することになる。熱は、フィン１０ａ、１０ｂの根元から先端へも拡がる。結果、フィン１０ａ、１０ｂの集合体の中で、熱は三次元的に拡がることになる。冷却器２では、熱は、フィン１０ａ、１０ｂの集合体のなかで効果的に三次元的に拡がって冷媒へ拡散されるので、冷却性能が向上する。
【００１８】
また、それぞれのフィン１０ａ、１０ｂがスリット１４を備えることも、冷却性能の向上に寄与する。図１、図２は、グラファイトシート１２の厚みとシート結着層１３の厚みを強調して描いているが、実際にもフィン１０ａ、１０ｂは、金属フィンよりも比較的に厚くなる。図３に、スリットのないフィン１１０を備えた冷却器１０２（比較例）の平面図を示す。図３は、本体１２０の表面の法線方向から見た図である。太矢印線が冷媒の流れを模式的に示している。冷媒流のフィン下流側で冷媒が滞留する。図３において符号Ｂが示のグレーの範囲が、滞留範囲を模式的に示している。
【００１９】
図４に実施例の冷却器２の平面図を示す。図４は、本体２０の表面の法線方向から見た図である。冷媒の一部はスリット１４を通り、フィン１０ａ、１０ｂの下流側へ導かれる。それゆえ、滞留範囲（符号Ｃが示すグレーの範囲）が図３の場合と比較して小さくなる。このようにスリット１４を冷媒が流れることで、フィン下流側での冷媒の滞留が小さくなり、冷却性能が向上する。
【００２０】
スリット１４は、フィン１０ａ、１０ｂの表面積を増やす効果もある。フィン１０ａ、１０ｂの表面積が増えることも冷却性能の向上に寄与する。
【００２１】
実施例の冷却器２は、グラファイトシートの積層方向が交差する２種類のフィン１０ａ、１０ｂを備えることで、本体２０の表面の面内方向の伝熱特性を高める。その結果、冷却器２の冷却性能が向上する。また、フィン１０ａ（１０ｂ）のそれぞれは、グラファイトシートの積層方向に直交する方向でフィンを貫通するスリット１４を備えている。スリット１４は、フィン下流側における冷媒の滞留を減少させる。このことも冷却性能の向上に寄与する。さらにスリットは、フィンの表面積を増大させる。この点も冷却性能の向上に寄与する。
【００２２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器２は、１列ごとに、積層方向の異なるフィンが並んでいる。グラファイトシートの積層方向が同じフィンをＮ列並べ、その隣に、グラファイトシートの積層方向が異なるフィンをＭ列並べるように配置してもよい。図中の座標系のＸ方向のフィンの並びを「列」と定義してもよいし、Ｙ方向のフィンの並びを「列」と定義してもよい。あるいは、グラファイトシートの積層方向が異なるフィンを千鳥格子状に配置してもよい。すなわち、本明細書が開示する技術では、グラファイトシートの積層方向が直交する２種類のフィンが本体の表面に二次元的に分布していればよい。Ｘ方向に積層されているフィンと、Ｙ方向に積層されているフィンの割合は、１：１が望ましいが、そのような割合に限られない。
【００２３】
そのほかにも、実施例の冷却器２は、次の特徴を有している。ＴＩＭ層２２の表面の露出している領域（フィン１０ａ、１０ｂが接していない領域）が固定層２３で覆われている。固定層２３は、フィン１０ａ、１０ｂの根本の周囲を固めてフィン１０ａ、１０ｂの固定を補助する。また、固定層２３は、耐水性を有しており、ＴＩＭ層２２を液体の冷媒から保護する。固定層２３も、高い熱伝導率を有している。
【００２４】
複数のグラファイトシート１２とシート結着層１３で構成されるフィン１０ａ（１０ｂ）は、１個のフィン１０ａ（１０ｂ）の体積の少なくとも３０％（３０ｖｏｌ％）以上を、グラファイトシート１２が占めている。ＴＩＭ層２２と固定層２３の合計の平均厚みが１〜５００［ミクロンメートル］である。ＴＩＭ層２２は熱伝導率が５［Ｗ／ｍｋ］以上であることが望ましく、固定層２３は熱伝導率が１［Ｗ／ｍｋ］以上であることが望ましい。ＴＩＭ層２２と固定層２３には、伝熱性を高めるフィラ−が混在していてもよい。シート結着層１３にも、高い熱伝導率を有する材料が使われている。ＴＩＭ層２２と固定層２３の少なくとも一方は、絶縁性を有している。
【００２５】
グラファイトシート１２は、厚みが１〜１００［ミクロンメートル］であり、面内方向の熱伝導率が２００〜２０００［Ｗ／ｍｋ］である。１個のフィン１０ａ（１０ｂ）の端面の面積の５０％以上を、グラファイトシート１２の端面１２１が占めている。
【００２６】
グラファイトシート１２の端面１２１は、グラファイトシート１２の表面よりも接着性が良い。それゆえ、フィン１０ａ（１０ｂ）の本体２０との接合部分において、グラファイトシート１２が剥離し難い。別言すれば、フィン１０ａ（１０ｂ）は、その端面が本体２０に固定されることによって、本体２０との接合部分の強度が高くなる。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
２：冷却器
１０ａ、１０ｂ：フィン
１２：グラファイトシート
１３：シート結着層
１４：スリット
２０：本体
２１：金属板
２２：サーマルインターフェイスマテリアル層（ＴＩＭ層）
２３：固定層
９０：発熱体
１２１：端面
２０１：表面
２０２：裏面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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