(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属で構成された微細線材と空洞部とから成る多孔質金属の構造を有する放熱フィンであって、
前記微細線材は、各線材断面の形状が、流体が流れる方向に沿った方向を長手方向とする流線形となっている部分を有する
ことを特徴とする放熱フィン。
【請求項２】
請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
前記微細線材は、その内部に空間部を有する
ことを特徴とする放熱フィン。
【請求項３】
請求項１に記載の放熱フィンにおいて、
前記微細線材は、前記各線材の断面形状が、前記流体の流れ方向に沿った断面長さが前記流体の流れ方向と垂直な断面長さより長い
ことを特徴とする放熱フィン。
【請求項４】
請求項２に記載の放熱フィンにおいて、
前記空間部は、液体状の冷媒が封止されている
ことを特徴とする放熱フィン。
【請求項５】
金属で構成された平滑板と、
前記平滑板に対して金属結合を介して搭載された請求項１に記載の放熱フィンと、を備えた
ことを特徴とするヒートシンク。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートシンクを搭載したことを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体は空気、水等を対象とし、発熱体からの伝熱、もしくは吸熱体への伝熱を良好にできる多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したヒートシンク、モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、装置や機器の高性能化、小型化が進み、それに伴い、装置や機器の発熱密度が増大している。
【０００３】
一般的に、装置や機器内の半導体デバイス等の素子は、所定の温度を超えるとその性能の維持を図れなくなる。更に、場合によっては破損することもある。このため、冷却等による温度管理が必要とされており、処理性能の向上に伴い、発熱量の増大する半導体デバイス等の素子を効率的に冷却する技術が強く求められている。
【０００４】
このような技術としては、例えば、以下の特許文献１には、上下ヘッダと連通する複数の扁平伝熱管との間に、発泡金属から成る放熱フィンを配置し、空気（２０℃）と冷媒（冷水−５、１０℃）との熱交換を行う冷房用の熱交換器が記載されている。また、特許文献２には、ヒートシンクに設けられたピン型フィンの形状を、冷却水の流れ方向に対し、流線形状とした例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２６１３６公報
【特許文献２】特開２００２−１８５１７５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来技術において、特許文献２に記載の流線形状のフィンは冷媒流体の流れ方向の上流側、下流側で形状が同じものが記載されている。形状としては楕円形状である。しかし、この特許文献２に記載された楕円形状では、冷媒流体の圧力損失を考慮すると、入口の縮流損失、面での摩擦損失、出口の拡大膨張による圧力損失を低減することができない、との問題が生じる。
【０００７】
すなわち、特許文献１，２には、放熱フィンの流体抵抗を低減し、かつ伝熱性能を向上させる構造が明確に記載されておらず、製法を考慮した放熱フィンの形状に対する言及はない。さらに、半導体デバイス等の素子との接触を良好にする放熱フィンベースと、放熱フィンそのものの一体化製法に関して何ら配慮されていない、との問題がある。
【０００８】
本発明は、流体抵抗を低減し、かつ伝熱性能の向上を図ることができる放熱フィンやそれを搭載したヒートシンク、モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、金属で構成された微細線材と空洞部とから成る多孔質金属の構造を有する放熱フィンであって、前記微細線材は、各線材断面の形状が、流体が流れる方向に沿った方向を長手方向とする流線形となっている部分を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、流体抵抗を低減し、かつ伝熱性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態における多孔質金属を平滑板に接合したヒートシンクの側面図である。
【図２】図１に示すヒートシンクのＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態におけるヒートシンクの微細線材分の一部断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態におけるヒートシンクの微細線材分の一部断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態におけるヒートシンクの微細線材分の一部断面図である。
【図６】本発明の一実施形態における熱電変換モジュールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したヒートシンク、モジュールの実施形態を、図１乃至図６を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における多孔質金属を平滑板に接合したヒートシンクの側面図、図２は図１に示すヒートシンクのＡ−Ａ断面図、図３乃至図５は本発明の他の実施形態におけるヒートシンクの微細線材分の一部断面図、図６は本発明の一実施形態における熱電変換モジュールの側面図である。
【００１３】
図１において、本実施形態のヒートシンク４０は、冷却媒体は空気や水等を対象としており、流体抵抗を低減しかつ伝熱性能の向上を図ることで、発熱体からの伝熱あるいは吸熱体への伝熱を良好にすることが可能なヒートシンクである。このヒートシンク４０は、図１に示すように、金属で構成されたベースである平滑板１０と、この平滑板１０上に金属結合を介して搭載された放熱フィン２３とから構成されている。
【００１４】
このうち、放熱フィン２３は、図１に示すように、放熱フィン２３に流入する流体の温度を低下させ、温度が低下した流体が外部へ流出するよう、金属で構成された微細線材２０と空洞部２１とから成る多孔質金属２２の構造を有している。これにより、熱の伝わる部分は微細線材２０を通じて伝熱する。この微細線材２０の表面である空洞部２１の部分を流体３０が流れる。微細線材２０の温度より流体３０の温度が高い場合には、微細線材２０から流体３０へ熱が伝わる。一方、微細線材２０の温度より流体３０の温度が低い場合には、流体３０から微細線材２０へ熱が伝わる。これにより、微細線材２０と流体３０の間の熱伝達を行うことができる。
【００１５】
図２に、微細線材２０の部分である図１のＡ−Ａ断面を示す。図２では、空洞部２１を省略し、微細線材２０のみを記載している。
【００１６】
図２において、微細線材２０は碁盤配列となっている。この図２に示すように、微細線材２０は、その断面形状が流体３０が流れる方向に沿った方向を長手方向とする流線形の部分を有するものである。すなわち、微細線材２０は、流体３０の流れ方向に対して流体３０が当る前面部は曲面形状であり、後面部は流体３０の流れのはく離を生じにくいように細長い形状となっている。また、流体流れ方向に沿った断面長さ２０２は、流体流れ方向と垂直な断面長さ２０３より長くなっている。このような形状により、微細線材２０を通る際の前面での絞りによる圧力損失を低減することができる。また、微細線材２０の伝熱面積を拡大でき、伝熱性能を向上することができる。
【００１７】
また、平滑板１０は、その多孔質金属２２側は微細線材２０と金属結合を介して接合されている。平滑板１０の多孔質金属２２側の反対側は、ヒートシンクとして使用する際にモジュールと接合されるモジュール側であり、モジュールとの熱伝導効率を高めるために、平滑な面となっている。
【００１８】
この平滑板１０の材質は、多孔質金属２２の微細線材２０と同じ材質である。しかし、同じ材質である必要は必ずしもなく、微細線材２０を構成する金属より融点が高い金属板や熱伝導率の高い材質からなる板を使用することができる。
【００１９】
図３に図１のＡ−Ａ断面の他の実施形態の一例を示す。図３においても、図２と同様に空洞部２１を省略し、微細線材２０のみを記載している。
【００２０】
図３において、微細線材２０は千鳥配列となっている。図２の実施形態と同様に、図３における実施形態の微細線材２０は流体３０が当る前面部は曲面形状であり、後面部は流体３０の流れのはく離を生じにくいように長い形状である。また、流体流れ方向に沿った断面長さ２０２は、流体流れ方向と垂直な断面長さ２０３より長い形状となっている。
【００２１】
このような断面形状，配列によっても、微細線材２０を通る際の前面での絞りによる圧力損失を低減することができる。また、微細線材２０の伝熱面積を拡大でき、伝熱性能を向上することができる。
【００２２】
図４に図１のＡ−Ａ断面の更に他の実施形態の一例を示す。図４においても、図２と同様に空洞部２１を省略し、微細線材２０のみを記載している。
【００２３】
図４において、微細線材２０は碁盤配列である。この実施形態が図２の実施形態と異なる箇所は、微細線材２０の内部に空間部２０１を有しているところである。これは、詳しくは後述するが、多孔質金属２２を形成するための加熱工程時に、基体の樹脂が消失し、そこが金属によって穴埋めされずに空間部２０１になったものである。更に、この空間部２０１には液体状の冷媒が注入され、封止されている。この冷媒の封入により、液冷媒の相変化による熱伝導効率がさらに向上し、伝熱性能を更に良好にすることができる。
【００２４】
図５に図１のＡ−Ａ断面の更に他の実施形態の一例を示す。図５においても、図２と同様に空洞部２１を省略し、微細線材２０のみを記載している。
【００２５】
図６に多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を、熱電変換モジュール５０に搭載した実施形態を示す。
【００２６】
図６において、熱電変換モジュール５０は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するモジュールである。Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子が配置されており、その両端に温度差を生じさせると、電流が流れる仕組みである。この熱電変換モジュール５０の一面には、上記の多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０が、熱伝導グリス６０等の伝熱エラストマを介して取り付けられている。熱電変換モジュール５０のもう一面には、水冷システムの水冷ジャケット等の冷温源７０が取り付けられている。
【００２７】
例えば、自動車等から発生する高温の排気ガスと、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部を利用することで、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。自動車等から発生する高温の排気ガス側に多孔質金属２２を用いた放熱フィン２３のヒートシンク４０を、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部側に冷温源７０を取り付けることで、冷却システムを構成できる。
【００２８】
上記本発明の構成によって、多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したモジュールは、放熱フィンに多孔質金属を用いてフィンを生成する際に、母材である樹脂に金属粉末を塗布し、その後高温に放置して、母材の樹脂を飛ばし、金属を固化させる。また、金属を固化する際には、ガスの吹き付け等の方法により、金属形状の前面部を曲面に、後面部を長細い形状に変化させる。さらに、ベースである金属板と接合する場合は、上記の金属を固化する際に多孔質金属フィンとベース金属板を一体化する。
【００２９】
これらにより、半導体デバイス等の素子に多孔質金属を用いた放熱フィンを熱伝導グリス等の伝熱部材を介して取り付けることができ、半導体デバイス等の素子から放熱フィン、またはその逆の放熱フィンから半導体デバイス等の素子に熱を良好に伝えることができる。また、多孔質金属の放熱フィンの流体抵抗を低減することができ、冷媒である空気、水等の流体を流す際に必要なファン、ポンプ等の駆動エネルギーを少なくすることができる。更に、放熱フィンを微細化することで、熱伝達率が向上し、さらに放熱フィンを流線形状にすることで、放熱フィンの突起物等による冷媒の流れのはく離がなくなる。これにより、はく離後の冷媒流れのよどみ領域がなくなり、放熱フィン全体を伝熱面積とすることができ、多孔質金属を用いた放熱フィンおよびそれを搭載したモジュールの高性能化を図ることができる。
【００３０】
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
【００３１】
例えば、モジュールとして熱電変換モジュールを例示したが、モジュールは熱交換を必要とする一般的な電子部品とすることができる。また、本発明の放熱フィンは、空調機等の熱交換器にも用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０…平滑板、
２０…微細線材、
２１…空洞部、
２２…多孔質金属、
２３…放熱フィン、
３０…流体、
４０…ヒートシンク、
５０…熱電変換モジュール、
６０…熱伝導グリス、
７０…冷温源、
２０１…空間部、
２０２…流体流れ方向に沿った断面長さ、
２０３…流体流れ方向と垂直な断面長さ。
【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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【図６】
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