(57)【要約】【課題】熱源から排出される熱をヒートシンクで制御しながら冷却することにより、廃熱を再利用できるようにした蓄熱性ヒートシンクを提供する。【解決手段】繊維とパイプを高密着性で接合してなるヒートシンクであって、パイプ内を流れる流体の量あるいは繊維やパイプの材質や大きさなどを調整することによって、ヒートシンクから排出される熱量を制御することを可能とした蓄熱機能を有するヒートシンク。【効果】本ヒートシンクは、冷却効果と保温の効果を併せ持っており、ヒートシンクから排出される熱を再利用することを可能とするものである。【選択図】図１   
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維の成形体から成る多孔質体と該多孔質体と接合したパイプで構成されることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
パイプ内を流れる流体の流量で熱流束を制御する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
繊維及び／又はパイプを熱伝導性材料で構成して熱流束を制御する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項４】
高温側あるいは低温側の少なくとも一方に金属板をつけて熱流束を制御する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項５】
繊維及び／又はパイプを銅あるいは銅合金で構成して熱流束を制御する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項６】
繊維とパイプを材質が異なる材料で構成して熱流束を制御する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項７】
繊維の成形体から成る多孔質体とパイプが通電により接合されている請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項８】
板状多孔質体の間にパイプを配置して接合した請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項９】
導電性の繊維材料の成形体からなる多孔質体の間に、導電性のパイプを挟み、通電によってこれらを接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項１０】
多孔質体とパイプの間にパルス電流を通電することにより、これらを溶接する請求項９に記載のヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱の流れを制御するヒートシンクに関するものであり、更に詳しくは、繊維とパイプで構成されるヒートシンクにおいて、繊維から作製される多孔質体の断熱性及びパイプ内を流れる流体の熱伝導性を制御することによって熱流束を制御することを可能とするヒートシンクに関するものである。本発明の熱流束を制御するヒートシンクは、１）高温の熱源を冷却する機能と一定の温度を保持する機能があり、廃熱などを安定した熱源として再利用することができる、２）また、多孔質体を冷却媒を流したパイプで冷却することにより、多孔質体が有する空隙を利用した断熱構造を作ることができる、３）また、金属繊維を利用することで、多孔質体でありながら冷却機能を維持することが可能である、等の特徴を有するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートシンクは、例えば、高速演算処理や画像処理のための半導体素子から発生する熱で装置が誤動作することを防止するために利用されるものであり、熱を放出する機能を有するものである。材質としては、熱伝導性に優れる材料が利用されており、例えば、アルミニウムや銅などの金属材料が利用されている。ヒートシンクは、表面から効率的に熱を放散する構造であるため、熱流束は一方向になっている。そのため、ヒートシンクから排出される熱の温度は一定ではなく、従来、この熱を再度利用することは困難であった。
【０００３】
一方、工業炉や内燃機関のような高温の熱源では、該熱源から発生する熱量は大きく、ヒートシンクだけでは熱を放散できないため、冷却水が利用されている。しかし、冷却水では、高熱源と水との温度差が大きく、廃熱の温度制御が行えないため、廃熱を再度エネルギー源として利用することが難しい状況になっている。
【０００４】
従来、先行文献において、半導体素子の発熱の放熱を効果的に行うことができる電子機器のヒートシンクが提案されている（特許文献１）。また、アルミニウムや銅製のヒートシンクとして、例えば、銅製又はアルミニウム製のベースにアルミニウム製又は銅製のフィンを付けたヒートシンク（例えば、特許文献２，３、及び４）、また、バルク状の銅上に金属線からなる多孔質材料を接合することにより、熱発生源からの熱をよく伝導し、フィン間の輻射伝熱を低減した軽量のヒートシンク（特許文献５）、が提案されている。これらの先行技術では、例えば、軽量で熱放散性に優れるヒートシンク等が提案されているが、従来、ヒートシンクから排出される熱を再利用することを可能とするヒートシンクは報告例がなく、当技術分野においては、例えば、廃熱を再度エネルギー源として利用することができるようなヒートシンクの開発が強く要請されていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８９１８９号公報
【特許文献２】特開２００２−２５２４８５号公報
【特許文献３】特開２００２−２３７５５５号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０８７４号公報
【特許文献５】特開２００４−３１１７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、熱源から発生する熱を冷却するとともに、廃熱を一定温度の熱源として再利用することを可能とするヒートシンクを開発することを目標として鋭意研究した結果、冷却水を流すパイプを繊維から作製した多孔質体の中に埋め込み、両者を高い密着性で接合することで、多孔質体の断熱性及び冷却水による冷却効果により、排出される熱の温度を制御できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、多孔質体の中に冷却水を流すことで熱流束を制御することにより、蓄熱効果のあるヒートシンクを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）繊維の成形体から成る多孔質体と該多孔質体と接合したパイプで構成されることを特徴とするヒートシンク。
（２）パイプ内を流れる流体の流量で熱流束を制御する前記（１）に記載のヒートシンク。
（３）繊維及び／又はパイプを熱伝導性材料で構成して熱流束を制御する前記（１）に記載のヒートシンク。
（４）高温側あるいは低温側の少なくとも一方に金属板をつけて熱流束を制御する前記（１）に記載のヒートシンク。
（５）繊維及び／又はパイプを銅あるいは銅合金で構成して熱流束を制御する前記（１）に記載のヒートシンク。
（６）繊維とパイプを材質が異なる材料で構成して熱流束を制御する前記（１）に記載のヒートシンク。
（７）繊維の成形体から成る多孔質体とパイプが通電により接合されている前記（１）に記載のヒートシンク。
（８）板状多孔質体の間にパイプを配置して接合した前記（１）に記載のヒートシンク。
（９）導電性の繊維材料の成形体からなる多孔質体の間に、導電性のパイプを挟み、通電によってこれらを接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
（１０）多孔質体とパイプの間にパルス電流を通電することにより、これらを溶接する前記（９）に記載のヒートシンクの製造方法。
【０００８】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明のヒートシンクは、ヒートシンクの構造として、繊維の成形体から成る多孔質体と該多孔質体とを接合したパイプで構成されることを特徴とするものであり、好適には、例えば、上記繊維及び／又はパイプを銅あるいは銅合金で構成して、板状の多孔質体の間にパイプを挟み、通電によってこれらを一体的に接合した構造を有することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のヒートシンクは、繊維とパイプを含む構造になっている。パイプは冷却水を流すためのものであり、繊維は熱をヒートシンク内に均一に伝導するとともに、含有される気孔の効果により断熱性を有する。そのため、繊維やパイプには、熱伝導性に優れた材料が好ましく、金属材料は最も適した材料であると考えられる。しかし、使用される温度域によっては、金属材料が酸化しやすくなるため、本発明では、特に、材料は指定せず、使用される温度域や雰囲気に適した材料を適宜選定することが好ましい。
【００１０】
熱源から排出される熱は、繊維から作製された多孔質成形体に伝わる。多孔質成形体の中にはパイプが配置されており、該パイプの中には流体が循環する。この循環する流体の速度を制御することにより、多孔質体の温度が制御できる。流体の種類も使用温度域を考慮して選定する必要があるが、一般的には、水が好適に利用できる。また、パイプの材質は特に指定しないが、流体による冷却効果をあげるためには、熱伝導性に優れた材料を選定することが好ましく、金属材料などが好適に利用できる。しかし、これらに制限されるものではない。
【００１１】
多孔質体の構造については、多孔質体の空隙率は特に指定しないが、熱を伝導するとともに断熱性も要求されるため、空隙率が２０％から８０％が好ましい。空隙率の多い多孔質体を用いると断熱性が良くなるため、ヒートシンク内の温度が比較的均一になりやすい。また、空隙率の小さな多孔質体を用いると熱伝導性が良くなり、パイプを流れる冷却水による温度低下を反映しやすいヒートシンクにすることができる。どちらのヒートシンクも、熱流束による温度制御が可能であり、前者では、熱源の温度変動の影響を受けにくい温度供給が可能となり、後者では、冷却水によって供給する温度を微妙に変化させることができるものとなる。
【００１２】
本発明において、流体の流量の調整は、パイプの太さやポンプの吐出量などによって任意に制御することができる。また、流路の中に抵抗をつけることや、バルブで絞ることによって、流量を制御することができる。なお、流体の温度を変えて冷却能力を変化させることも可能である。
【００１３】
高熱源と接触する部分には、熱の伝導性を改善するため、金属板などを取りつけることが可能である。また、低温側で熱を利用するために、金属板をつけて、熱の伝導性を改善することも可能である。これは、多孔質成形体を直接熱源に接触させても気孔が熱伝達を阻害するため、これを改善するためにとられる措置である。
【００１４】
繊維から多孔質体を作製する技術やパイプを接合する技術は特に指定しないが、例えば、文献（特開２００４−３１１７１１号公報）に記載の技術を利用することができる。また、繊維やパイプに導電性の材料を用いた場合、通電による成形が最も効率的である。従来の技術では、多孔質体とパイプの間に空隙が残存するため、冷却媒を流したパイプによる冷却効果が小さくなったり、多孔質体の熱容量が小さく、効率的な冷却ができなかったが、パイプと多孔質体の密着性及び多孔質成形体の接合強度を改善することによって、目的の冷却能力と蓄熱性能を同時に発現することができる。
【００１５】
本発明では、上記多孔質体としては、例えば、バルク状の銅の上にコイル状の金属線を載置し、該コイル状の金属線の中心軸に押え棒を挿入し、該押え棒を介して上記コイル状の金属線を上記バルク状の銅に押圧しながら、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅との間にパルス電流を通電することにより、上記コイル状の金属線と上記バルク状の銅とを接合することで作製した多孔質体成形体が使用されるが、これに制限されるものではなく、これと同効の多孔質体の成形体であれば同様に使用することができる。また、本発明では、上記多孔質体の成形体を多層に積層して使用することができ、それにより、多孔質体とパイプで構成されるヒートシンク間の接触抵抗の低減化と、ヒートシンクの大型化を実現することが可能となる。
【００１６】
本発明では、上記多孔質体の成形体の作製工程、及び繊維とパイプの接合工程で通電による接合を行うことが可能であるが、この通電方法としては、例えば、通常の溶接などで利用されている直流のパルス電流による通電が好ましい。このパルス電流による通電を利用することにより、電気抵抗の高い部位での過剰な発熱を防止しながら接合を行うことが可能となる。また、本発明では、ヒートシンクを作製する際に、任意の型を使用することができる。型の材料としては、非導電性の材料が好適に使用される。また、通電時の雰囲気は、真空又は不活性ガス雰囲気が好ましい。
【００１７】
従来材として、例えば、軽量化された多孔質体から成るヒートシンクで高い冷却効率を有する冷却機能を有するものは知られていたが、ヒートシンクから排出される熱を再利用できる製品は提案されていないのが実情であった。これに対して、本発明では、ヒートシンクを繊維の成形体から成る多孔質体と該多孔質体と接合したパイプで構成したので、例えば、熱源から排出される熱をヒートシンクで制御しながら冷却することにより、パイプ内を流れる流体を介して熱流束を制御するとともに、ヒートシンクの廃熱を再利用することが可能となる。本発明では、繊維とパイプの材質、パイプの配置形態、パイプ内を流れる流体の流量及び流速を制御することにより、ヒートシンクから排出される熱を任意の温度に調節して再利用することができる。
【００１８】
本発明のヒートシンクは、特に、高熱源から排出される熱に対して多段にエネルギーを抽出するシステムとして有用であり、例えば、本発明のヒートシンクを利用することにより、高温用熱電変換モジュールから排出される熱を中温用あるいは低温用変換モジュールに利用できる温度域にまで下げ、高効率な熱電変換システムを構築することが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、（１）これまで冷却の効果しかなかったヒートシンクに対して、一定の温度を保持する機能を付与した蓄熱性ヒートシンクを提供することができる、（２）このヒートシンクは、高温熱源から排出される熱に対して多段にエネルギーを抽出するシステムに応用することができる、（３）具体的には、高温用熱電変換モジュールから排出される熱を中温用あるいは低温用熱電変換モジュールに利用できる温度域にまで下げ、高効率な熱電変換システムを提供することが可能となる、（４）その結果、同じ熱源から得られる総電力量を大きくすることができる、という効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
繊維径１００ミクロンの銅繊維から予備成形して作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍで成形体密度が３ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に、５ｍｍ径の銅パイプ２本を挟み、通電によってパイプと多孔質体を接合した。予備成形した多孔質体は、パイプを挟んで加圧することにより、多孔質体内の空隙が均等につぶれるため、予備成形体の形状を維持した状態でパイプと多孔質体の密着性を向上することができた。
【００２２】
加熱したホットプレートの上に本ヒートシンクを設置し、銅パイプ内に３ｌ／分で水を流した。室温が２５℃において、ホットプレートの表面温度を２５０℃にした場合、ヒートシンクの表面温度は３５℃で一定となった。
【００２３】
上記ヒートシンクをホットプレートの上に設置することにより、ヒートシンクの銅繊維は加熱により表面がやや黒色になったが、繊維とパイプとの剥離も発生せず、安定した冷却が実現できた。
【実施例２】
【００２４】
繊維径１００ミクロンの銅繊維から作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍで成形体密度が３ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に、３ｍｍ径の銅パイプ２本を挟み、通電によって実施例１と同様に銅パイプと多孔質体の接合を行った。
【００２５】
加熱したホットプレートに上に本ヒートシンクを設置し、銅パイプ内に３ｌ／分で水を流した。室温が２５℃の環境において、ホットプレート表面温度を２５０℃にした場合、ヒートシンク表面温度は５０℃で一定となった。
【００２６】
ヒートシンクをホットプレートの上に設置することにより、ヒートシンクの銅繊維は加熱により表面がやや黒色になったが、繊維とパイプの剥離、水のもれなども観察されず、安定した冷却が実現できた。
【実施例３】
【００２７】
繊維径１００ミクロンの銅繊維から作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍで成形体密度が３ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に、３ｍｍ径の銅パイプ２本を挟み、パルス状の電流を印加することによって実施例１と同様に接合を行った。
【００２８】
加熱したホットプレートの上に本ヒートシンクを設置し、銅パイプ内に３ｌ／分で水を流した。室温が２５℃の環境において、ホットプレート表面温度が２５０℃にした場合、ヒートシンク表面温度は３８℃で一定となった。
【実施例４】
【００２９】
繊維径１００ミクロンの銅繊維から作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍで成形体密度が３ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に３ｍｍ径の銅パイプ２本を挟み、通電によって実施例１と同様に銅パイプと多孔質体の接合を行った。
【００３０】
加熱したホットプレートに上に本ヒートシンクを設置し、銅パイプ内に０．９ｌ／分で水を流した。室温が２５℃の環境において、ホットプレート表面温度を２５０℃にした場合、ヒートシンク表面温度は５６℃で一定となった。
【００３１】
上記ヒートシンクをホットプレートの上に設置することにより、ヒートシンクの銅繊維は加熱により表面がやや黒色になったが、繊維とパイプの剥離、水のもれなども観察されず、安定した冷却が実現できた。
【実施例５】
【００３２】
繊維径３５ミクロンのステンレス繊維から作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×２．５ｍｍで成形体密度が２．５ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に、３ｍｍ径のステンレス製パイプ１本を挟み、パルス状の電流を印加することによってパイプと多孔体の接合を行った。
【００３３】
加熱したホットプレートの上に本ヒートシンクを設置し、ステンレス製パイプ内に０．９ｌ／粉で水を流した。室温が２５℃の環境において、ホットプレート表面温度を２５０℃にした場合、ヒートシンク表面温度は８１℃で一定となった。
【００３４】
上記ヒートシンクをホットプレートの上に設置したが、ヒートシンクのステンレス繊維は加熱による色の変化もなく、繊維とパイプの剥離、水のもれなども観察されず、安定した冷却が実現できた。
【実施例６】
【００３５】
繊維径３５ミクロンのステンレス繊維から作製した２５ｍｍ×２５ｍｍ×２．５ｍｍで成形体密度が２．５ｇ／ｃｍ３の多孔質体２個の間に、３ｍｍ径の銅パイプ２本を挟み、パルス状の電流を印加することによって実施例１と同様に接合を行った。
【００３６】
加熱したホットプレートの上に本ヒートシンクを設置し、ステンレス製パイプ内に０．９ｌ／粉で水を流した。室温が２５℃の環境において、ホットプレート表面温度を２５０℃にした場合、ヒートシンク表面温度は７０℃で一定となった。
【００３７】
上記ヒートシンクをホットプレートの上に設置したが、ヒートシンクのステンレス繊維は加熱による色の変化もなく、繊維とパイプの剥離、水のもれなども観察されず、安定した冷却が実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上詳述したように、本発明は、熱流束を制御するヒートシンク及びその作製方法に係るものであり、本発明により、蓄熱性を有するヒートシンクを提供することができ、該ヒートシンクを利用することにより、高温の熱源から発生する熱を多段の熱電変換システムにより効率的にエネルギー変換できる。例えば、内燃機関や工業炉で発生する熱を高温用の熱電変換モジュールで変換したのち、本発明のヒートシンクで中温用あるいは低温用熱電変換モジュールに適した温度にして再利用することができる。これにより、熱電変換システムとしての効率を高めることが可能となり、実用に適した熱電変換システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】水冷パイプ2本の入った銅製ヒートシンクの例（実施例１）を示す。
【図２】水冷パイプ1本の入ったステンレス製ヒートシンクの例（実施例２）を示す。
【図１】
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【図２】
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