(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、該本体の表面に積層された被覆金属層とによって形成される放熱フィンであって、少なくとも前記被覆金属層を構成する金属材料が、ニッケル、クロム、亜鉛及びこれらを含む合金からなる群から選択され、かつ該被覆金属層の膜厚が０．０３〜３．８９３μｍであることを特徴とする、放熱フィン。
【請求項２】
前記被覆金属層の熱容量が、前記本体の熱容量よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の放熱フィン。
【請求項３】
前記本体が、アルミニウムからなることを特徴とする、請求項１又は２記載の放熱フィン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の放熱フィンの表面に、冷却用流体として空気を接触させながら放熱させることを特徴とする、放熱方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電気製品、電子機器等の発熱体の放熱フィンに関し、詳しくは、放熱効果が格段に向上した放熱フィン及びそれを用いた放熱方法に関する。
背景技術
テレビジョン、コンピュータ、モータ等の電気製品・電子機器や、自動車のエンジン、ラジエーター、各種機械装置などには、発熱に伴う誤作動や機能低下を防止するために、放熱手段として各種多様なヒートシンク（放熱フィン）が使用されている。放熱フィンの構成材料としては、一般的に熱伝導性の大きいアルミニウムや銅などの金属材料が用いられている。
このようなヒートシンクの放熱効果を向上させる方法として、従来から種々のものが提案されている。例えば、その放熱面積を大きくさせる方法としてアルマイト加工やブラスト加工、及びフィンの数量を多くする方法（特開平１１−２３８８３７）、放熱フィンの包絡面を湾曲させて放熱フィンを通り抜ける冷却風の速度と量を増加させる方法（特開平１０−２４２３５７）、放熱フィンの熱容量を小さくさせる方法（特開平１０−１１６９４２）などが行われている。
さらに、放熱効果をより高めるために、放熱フィンにファンを組み合わせ送風により冷却する空冷方式、冷却水を用いた水冷方式、及び放熱フィン側にペルチェ素子を用いた冷却方法（特開平１０−３１８６２４）などがある。
上述した従来技術は、いずれも様々な問題を有している。例えば、フィンの数を増やして放熱フィンの表面積を大きくする方法では、フィンの数を多くしすぎると空気の流れが悪くなり逆に放熱性が低下する。また、放熱フィンの熱容量を小さくさせる方法では、熱容量を小さくするためにフィンの厚みを小さくしすぎると、機械的な強度が低下し、破損しやすくなる傾向がある。
アルマイト加工やブラスト加工は、微細な孔が経年変化により目づまりを起こし、放熱効果が低下する問題がある。
前記した空冷方式は構造が簡単であるが、空気−フィン間の熱コンダクタンスが小さいため、放熱面積を広くしたりファンを用いて風量を大きくしたりする必要がある。そのため、装置の大型化、送風に伴う騒音などの問題が発生する。
一方、水冷方式は、水の比熱が大きく熱コンダクタンスが大きいため、冷却効果は大きい。しかし、水冷方式は、水を循環させるための循環系統とポンプ及び外気への放熱のためのラジエーターとファンが必要になり、構造が複雑化し、装置が大型化する。そして、装置のコスト及び消費電力が大きくなり、経済的に不利となる。
ペルチェ素子を用いた冷却方法は、ペルチェ素子及び放熱フィン、ファンが必要となり、ペルチェ素子の消費電力も大きいため経済的に不利となる。
発明の開示
本発明は、上記従来技術の欠点を解消して、高い冷却効果を有する安価な放熱フィンを提供することを課題とする。
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、次のような知見に基づき本発明を完成するにいたった。
すなわち、水−金属間の熱コンダクタンスに対し、空気−金属間の熱コンダクタンスが小さい原因の一つに、空気の熱容量が水の熱容量に対し小さいことが挙げられる。さらに、放熱フィンの金属表面には、空気中の各分子が電子の交換のない物理吸着や電子の授受のある化学吸着等により吸着して該金属表面を被覆し、これらの吸着層が断熱層を構成して放熱を妨げている。
化学吸着は、共有結合、静電引力、イオン交換作用等の結合によるものであり、特定の吸着サイトに選択的に吸着し、酸化物層等の形成を除けば単分子吸着層を形成する。
また、物理吸着は、ファン・デル・ワールス力、静電気的相互作用等により、分子の凝縮又は類似した力で起こるので、表面の特定サイトでなく、全界面に均一に吸着する。そして、物理吸着の一つの特徴は多分子層吸着であることである。
多分子吸着層の分子を表面に引きつけている力（分散力）は、第１層目が最大であり、第２層目以上では段階的に減少する。例えば、金属の上に吸着される場合、第１層目と金属との吸着力は大きいが、その上にかなりの層数が付着してくると、吸着される気体の上に同じ気体が凝集していく。このときの吸着力は、第１層目と金属との間の吸着力に対し、かなり小さいものとなる。
したがって、熱伝導率の小さい空気中の分子が金属に吸着すると、その上に同じ分子による多層化が進行する。そして、この分子の層が厚くなるにしたがい断熱層となり、金属からの放熱を妨げると考えられる。よって、金属表面に物理吸着している気体の分子層を脱離させて取り除けば、放熱効果を向上させることができると考えられる。
ここで、一般的に化学吸着では、吸着のための活性化エネルギーの山を越えるのに時間がかかり、吸着速度は遅い。これに対し、吸着の活性化エネルギーを必要としない物理吸着では、その吸着速度は速い。したがって、分子はまず金属表面に物理吸着される。そして、活性化エネルギーの山を越えるのに充分なエネルギーを得ると、化学吸着を起こして大量のエネルギーを放出する。金属表面への化学吸着による発熱は、１０〜１００ｋｃａｌ／ｍｏｌである。また、物理吸着の発熱は、数ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下であり、化学吸着に比べて小さい。一方、吸着された分子は、表面に滞留している間に吸着時と同じエネルギーを受けると表面から脱離して空間に戻る。
ところで、空気中に多く存在する窒素は、化学的な活性が小さく、多くの場合、金属と物理吸着する。一方、化学的な活性が大きい酸素は、多くの場合、低圧下においても金属と特異的な化学反応を伴う化学吸着をする。そして、その吸着熱は常に発熱となる。
以上述べた事柄から、金属に物理吸着している気体を脱離させるには、物理吸着よりも大きいエネルギーを発生させる化学吸着を起こすことが有効であると考えられ、さらに具体的には、酸素の化学吸着を促進させれば、物理吸着している分子が脱離し、放熱効果を向上させることができると考えられる。
この点について、本発明者らは、酸素の金属表面への化学吸着に該金属のイオン化傾向が重要な役割を果たしていることを見いだした。すなわち、通常、金属表面には、酸素ガスや水分子が吸着している（大気中において、金属表面に生成する水の層の厚さは、湿度の状態により異なるが、吸着水は１０〜１００Åで、細かい水の粒子が付着する湿った大気中では１００Åから１μｍと測定されている）。化学的に活性な酸素ガスの金属表面への化学吸着はきわめて速く、その酸化速度は、水の層が厚くなるにつれて速くなる（１μｍ以上になると逆に酸化速度は遅くなる場合がある）。また、金属表面に水分子があるとイオン交換作用が起こり、金属のイオン化傾向が大きいほど、金属と酸素との吸着速度も速くなる。そして、大気中には、亜硫酸ガスなどの汚染物質が多く存在するため、さらに金属と酸素の吸着は促進される。
ここで、金属のイオン化傾向とは、金属単体が水中でカチオンになる傾向をいい、金属は水中で、Ｍ→Ｍｎ＋＋ｎｅ−となる。空気中の酸素は、電子をもらって酸化物陰イオンとなり、次のように表される。
１／２Ｏ２（空気中）＋Ｈ２Ｏ（水溶液）＋２ｅ−（金属）＝２ＯＨ−（水溶液）
上記の反応における標準電極電位は、＋０．４０１と熱力学的データから計算される。したがって、金属の標準電極電位が小さいほど酸素との電位差が大きくなりイオン化反応が起こりやすい。すなわち、金属のイオン化傾向が大きいほど酸素とのイオン化反応が起こりやすい。
イオン化列は、酸化還元反応の立場から見ると、金属単体のｅ−の出し易さ、つまり、還元力の序列である。そして、酸素は非常に酸化力の大きい物質である。また、金属と酸素との反応は、水環境下でなくても起こる発熱反応である。
上記の理由から、放熱フィンの表面にイオン化傾向の大きい金属を配することによって酸素の金属表面への化学吸着を促進させることができ、これにより金属表面に物理吸着している分子を脱離させ、放熱効果を向上させることができると考えられる。
次に、放熱効果に影響を与える因子として、放熱フィンの熱容量と空気の熱容量の差が挙げられる。
次に、熱流を考えると、温度が高い物体からの放熱は、対流、放射により外気へ伝達される。そして、同一面積の場合、放射により伝達される熱は、その物体の放射率により決まるが、対流による熱伝達は、その物体に接する流体の状態に大きく影響される。
物体の温度が高く、流体に放熱される場合の熱伝達は、次式で表される。
ｑ＝λ／Ｌ（Ｔ１−Ｔ２）
＝α（Ｔ２−Ｔ０）
ただし、ｑ＝熱流（ｋｃａｌ／ｈ・ｍ２）、λ＝物体の熱伝導率（ｋｃａｌ／℃・ｈ・ｍ）、Ｌ＝物体の厚さ（ｍ）、Ｔ１＝物体の温度（℃）、Ｔ２＝低温側の物体の表面温（℃）度、Ｔ０＝流体の温度（℃）、α＝流体の熱伝達率（ｋｃａｌ／℃・ｈ・ｍ２）
上式から明らかなように、同じ条件の流体中に置かれた物体の熱伝達は、熱伝導率が大きく、厚さが薄いほど外気中に放熱される量が多い。
また、熱容量を含む系の熱平衡は、次の式で表される。
Ｑ＝Ｃ・Δθ／Δｔ＋Ｗ（θ−θ０）
ここで、Ｑ＝供給熱量、θ＝内部温度、θ０＝外気温度、ｔ＝時間、Ｗ＝比例定数、Ｃ＝熱容量である。熱容量は、Ｃ（熱容量）＝Ｑ（熱量）／ΔＴ（温度差）と定義され、ΔＴ＝Ｑ／Ｃで表される。
上式から、供給熱量が一定であると、熱容量が小さいほど外気への放熱は増加することがわかる。したがって、熱容量の小さい物体を放熱板に使用すると、内部の蓄熱が小さくなり、外気への放熱量を増加させることができる。
また、熱容量の異なる物体が接触したときの平衡温度は、下記の式で表される。
Ｔｅ（平衡温度）＝（Ｃ１・Ｔ１＋Ｃ２・Ｔ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）
上式から、平衡温度は熱容量の大きい物体の温度に影響され、熱容量の大きい物体の温度に近い温度で平衡になる。
空気−放熱フィン間の熱コンダクタンスが水−放熱フィン間に対し小さい原因は、空気の熱容量が小さいことである。熱容量は、Ｃ＝Ｖ（体積；ｃｍ３）×Ｄ（密度；ｇ／ｃｍ３）×ｃ（比熱；ｃａｌ／ｇ・℃）で表される。同量の水と空気では、水の比熱、密度が空気に対し大きいため熱容量が大きくなり、水−放熱フィン間の熱コンダクタンスが空気−放熱フィン間の熱コンダクタンスに対し大きくなる。
つまり、放熱フィンに接する空気の量を多くすることにより空気の熱容量を大きくさせ、空気−放熱フィン間の熱コンダクタンスを大きくすることができる。空気の風量を大きくしてその放熱効果を大きくすることは、放熱板の付近に滞留している高温の空気を除去して、低温の空気を放熱板に接触させることにより、放熱板の熱を奪うことであるが、放熱フィンに対し空気の熱容量を大きくすることでもある。
上記のことから、逆に言えば、放熱板の熱容量を小さくすることは、放熱フィンに接する空気の量が同じでも放熱板の熱容量に対して空気の熱容量を大きくすることと同じになる。したがって、熱容量の小さい物体を放熱フィンに使用すると空気中への放熱量は増加する。なお、熱容量の小さい空気を冷却媒体として使用する場合、空気の風量を多くしなければ熱容量の大きい水に比較して冷却効果は小さくなる。
通常、放熱フィンとして使用される金属の熱抵抗より金属表面から空気中に伝達されるときの熱抵抗が大きいので、金属表面から空気中への熱抵抗を小さくしなければ放熱効果を向上できない。
上記から、放熱フィンの表面に熱容量の小さい物体を被覆し、空気の熱容量に対し空気に接する物体の熱容量を小さくさせ、その差を大きくすることにより放熱効果の向上が図れると考え、実験により見いだした。
以上の知見に基づき研究を重ねた結果、放熱フィンとなる金属の表面に、イオン化傾向の大きい金属を被覆させること、及び、さらに該被覆金属層を放熱フィンとなる金属に対し熱容量が小さくなるように薄く形成させ、その被膜を空気に接触させることにより、放熱効果を促進させられることを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、本体と、該本体の表面に積層された被覆金属層とによって形成される放熱フィンであって、少なくとも前記被覆金属層を構成する金属材料（Ｓｎを除く）のイオン化傾向が銀より大きいことを特徴とする、放熱フィンに関する。
また、本発明は、前記被覆金属層を構成する金属材料が、銅、ニッケル、コバルト、クロム、亜鉛、マンガン、及びこれらを含む合金からなる群から選択されることを特徴とする、前記放熱フィンに関する。
また、本発明は、前記被覆金属層を構成する金属材料が、ニッケル、クロム、亜鉛及びこれらを含む合金からなる群から選択されることを特徴とする、前記放熱フィンに関する。
また、本発明は、前記被覆金属層の熱容量が、前記本体の熱容量よりも小さいことを特徴とする、前記いずれかの放熱フィンに関する。
また、本発明は、前記被覆金属層の膜厚が、０．０３〜１０μｍであることを特徴とする、前記いずれかの放熱フィンに関する。
また、本発明は、前記本体が、アルミニウムからなることを特徴とする、前記いずれかの放熱フィンに関する。
前記いずれかの放熱フィンの表面に、冷却用流体として空気を接触させながら放熱させることを特徴とする、放熱方法に関する。
以下、本発明を詳細に説明する。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面にしたがって説明する。図１及び図２は本発明の放熱フィンの構造の一例を示す斜視図である。図３は、図１及び図２の放熱フィンの断面図を示すものであり、図３（ａ）は図１の、図３（ｂ）は図２の放熱フィンの断面図である。
（１）放熱フィンの構成材料
本発明の放熱フィン（図１又は図２中、１）は、本体（図３中、２）と、該本体の表面に積層された被覆金属層（図３中、３）とによって形成されている。
本体を形成する材料としては、放熱フィンの材料として従来公知の金属材料及びそれらの合金の中から適宜選択することができる。そのようなものとしては、例えば鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、白金、銀、金、タングステン、亜鉛などの単体金属やステンレス鋼、黄銅、青銅、クロム・ニッケル合金、アルミニウム・ケイ素合金、アルミニウム・マンガン合金、ニッケル・銅合金、チタン・鉄合金、チタン・アルミニウム合金などの合金を挙げることができる。その上にさらにメッキ蒸着などにより保護膜が設けられたものであってもよいし、酸化処理などの表面加工が施されたものでもよい。これらのうち、コスト面、軽量性、加工性などの点から、アルミニウム、銅等が好ましく用いられる。
本体の形状は特に制限はなく、板状、棒状など用途に応じて種々の形状が選択される。また、その大きさや厚みも特に制限されるものではない。例えば、本体が金属板により構成されている場合、その金属板の厚さは、大型の装置などの寸法の大きいものに用いる場合は厚くすることもできるし、また、小型のものの場合には薄くすることもできるが、０．０１〜１０ｍｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜８．０ｍｍの範囲である。
かかる放熱フィン本体の形状については、図１及び図２にその一例を示したが、これらに限定されるものではなく、例えば板状、方形状、円形状、筒状、半球状、球状など任意の形状に形成することができるし、またその表面形状は、波形表面、凹凸表面、突起状表面などに加工されていてもよい。
（２）被覆金属層
本発明においては、上述した放熱フィン本体の表面に、イオン化傾向が銀より大きい金属からなる層（被覆金属層）を、好ましくはその熱容量が前記放熱フィン本体の熱容量に対し小さくなるように薄く積層して、該放熱フィン本体を被覆する。
ここでいうイオン化傾向とは、２極の電位差の測定から得た結果をいい、室温で、通常の酸化還元電位計（電子電圧計）を用いて得た測定値を使用する。また、２極の電位差の測定が難しいものは、熱力学的データから計算された数値を使用する。
本発明で被覆金属層に用いることができる金属材料としては、このような測定により得られるイオン化傾向が銀より大きいものを選択することが必要である。さらには、その熱容量が放熱フィン本体の熱容量より小さいものを選択するのが好ましい。
具体的には、銅、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、及びこれらの酸化物、合金等が挙げられる。これらうち、イオン化傾向があまり高すぎると、空気による酸化速度が速まって被覆された金属が速く酸化物になってしまい、結果としてイオン化傾向の低下も速まり、放熱効果の低減を招く場合がある。よって、より好ましくは、銅、ニッケル、コバルト、クロム、亜鉛、及びマンガン並びにこれらを含む合金からなる群から選択される材料を用いるのがよい。なお、合金としては、例えばニッケルフェライト、ニッケル・クロム、ニッケル・銅、ニッケル・亜鉛、ニッケル・銅・亜鉛、ニッケル・ボロン等が挙げられる。
これらのうち、放熱効果が高く空気に酸化される速さが比較的遅い金属であること、及びコスト面、加工性、耐久性等を考慮し、さらに好ましいものとして亜鉛、クロム、ニッケル又はこれらを含む合金を挙げることができる。さらに、これらのうち最も好ましいものとして、イオン化傾向が一番低く、酸化速度が遅く、耐久性に優れているニッケルを挙げることができる。
本発明においては、放熱フィン本体を構成する金属材料と、被覆金属層を構成する金属材料とは、必ずしも異なる材料である必要はないが、被覆金属層の熱容量が放熱フィン本体の熱容量に対し小さくなるように形成すると、放熱効果がよりいっそう向上することから、被覆金属層を構成する金属材料は、上述した中から放熱フィン本体の金属材料との組み合わせを考慮し、該放熱フィン本体の金属材料と重複しない材料を選択することができる。
被覆金属層は、放熱フィン本体の表面全体に積層されていてもよく、また、該本体表面の一部のみに積層されていてもよく、必要に応じて適宜被覆場所等を選択し積層することができる。例えば、図１又は図２に示すような形状の放熱フィンにおいては、底面は必ずしも被覆金属層を積層させる必要はない。
被覆金属層の厚み（膜厚）は、空気との熱容量の差を大きくさせ、空気中の分子との化学吸着を促進するような膜厚を選択するのが望ましい。具体的には、０．０３〜１０μｍ、好ましくは０．０３７〜７．５μｍ、より好ましくは０．１〜５μｍ、特に好ましくは０．５〜５μｍの範囲とするのが望ましい。膜厚が厚すぎると放熱フィン本体からの放熱が妨げられる傾向にある。一方、膜厚が薄すぎると、被覆金属層の金属の量が少ないため、化学吸着して放熱効果を高める被覆金属層が、速く酸化物に変わり易くなる。そして、被覆金属層の金属がほとんど無くなり、放熱効果が低下するという欠点が生じる場合がある。
なお、ここでいう膜厚とは、例えばフィン上部、中央部、及び底面に被覆金属層が形成されているとすると、これら三カ所の膜厚を膜厚計を用いて測定したときの平均値をいう。膜厚の測定は任意の方法でよく、例えば蛍光Ｘ線装置等により測定することができる。
本発明における被覆金属層の積層方法（被覆方法）は、特に制限はなく、電気メッキ、無電界メッキ、溶融金属からの溶融メッキ等の液相法、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理蒸着（ＰＶＤ）、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ等の気相法など、薄膜を形成するのに慣用されている方法から任意に選ぶことができる。また、これらの技術を任意に組み合わせて積層することもできる。
また、被覆金属層を形成させるタイミングについても任意である。例えば、金属材料を各種形状に加工して放熱フィン本体を形成したあと被覆金属層を形成させてもよく、また加工前の板状、棒状等の金属材料に被覆金属層を積層させた後に各種形状に加工してもよく、必要なときに被覆することができる。
また、図１及び図２には、放熱フィン本体及び被覆金属層が各々単一体の場合の例を示したが、本発明においては、放熱フィン本体又は被覆金属層あるいはその両方を２種以上の材料からなる複合体とすることもできる。たとえば、放熱フィン本体を多層構造にすることも可能であり、また被覆金属層を多層構造とし表面層と内層とに分けて各々異なる材料で構成することもできる。その場合は、空気層に接する層に上述したイオン化傾向が銀より大きい金属材料を使用し、その膜厚を好ましくは０．０３〜１０μｍ、より好ましくは０．０３７〜７．５μｍ、さらに好ましくは０．１〜５μｍの範囲とするのが望ましい。
（３）放熱方法
本発明の放熱方法は、上述した本発明の放熱フィンの表面に、冷却用流体として空気を接触させながら放熱させることを特徴とする。本発明の放熱フィンは、その表面に熱容量が放熱フィン本体のそれより小さくなるように薄く積層させた被覆金属層を有するので、相対的に空気の熱容量が大きくなり、放熱フィンの熱容量との差が拡大するので、冷却用流体として空気を使用した場合の放熱効果を格段に向上させることができる。
なお、この場合、放熱を促進させるために従来から採られていた手段、例えば表面を凹凸にする方法、アルマイト加工やブラスト加工等の放熱面積を大きくさせる方法、フィンの数量を多くする方法、放熱フィンの包絡面を湾曲させ放熱フィンを通り抜ける冷却風の速度と量を増加させる方法、及び放熱フィンの熱容量を小さくさせる方法などと併用することもできる。そして、被膜金属層にブラスト加工等の物理的処理や化学的処理を施すことにより表面積を大きくさせ、さらに、その放熱効果を向上させることもできる。また、化学吸着を促進するため被覆金属層の表面にさらに触媒等を積層することもできる。
発明を実施するための最良の形態
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。なお、本実施例における膜厚は、蛍光Ｘ線装置を用いてフィン上部、中央部、底面の三カ所の膜厚を測定し、これらの平均値を求めて膜厚とした。
実施例１
図１に示すような形状の放熱フィンであって、縦１００ｍｍ横１００ｍｍ高さ４０ｍｍ、フィンの高さ３０ｍｍ、フィンの厚さ上２ｍｍ下５ｍｍ、重量４８０ｇのアルミニウム製の放熱フィン本体（図１中、ａ＝１００ｍｍ、ｂ＝１００ｍｍ、ｃ＝４０ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍ、ｅ＝２ｍｍ、ｆ＝５ｍｍ）に、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕをメッキにより被覆したもの、及び、メタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体をコーティングしたもの、そして、なにも処理しないアルミニウム製の同一放熱フィン（以下、単に「フィン」という）を用意した。なお、各被覆層の膜厚は表１に示す通りである。
図４に示すように、ベークライト製の板（図４中、４；以下同様）、ヒーター５、厚さ１０ｍｍ縦５０ｍｍ横５０ｍｍで横に温度測定用の孔７をあけた温度測定用アルミニウム板６、及びフィン１と順番に重ねた構成とし、フィン１とベークライト製の板４をボルトで閉め、密着させて試験装置を作製した。そして、ベークライト製の板４を下側にして発泡スチロール製の板８の上に置いた。アルミニウム板６とフィン１との間及びアルミニウム板６とヒーター５との間は、各々放熱グリスを塗布した。
ヒーター５は、１００Ｖ・１５０Ｗのものを用い、キクスイ株式会社製の整流器により９．５Ｗ（２５Ｖ・０．３８Ａ）の電力を印加して発熱させ、発熱開始時の温度及び９０分後の温度を比較した。結果を表１に示す。なお、このときのイオン化傾向は、Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞処理なしアルミ製フィン＞Ｃｕの順番であった。
0004663213.tif 000002
上記の結果から、９０分後の温度は、Ｚｎ＜Ｃｒ＜Ｎｉ＜Ｃｕ＜ＭＭ＜処理なしアルミ製フィンの順番となり、処理なしアルミ製フィンに対し熱容量の小さい物体を積層させることにより１．４℃〜３．１℃低くなり、放熱効果が向上することが分かる。そして、化学的に不活性なメタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体に対しイオン化傾向の大きいＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎの温度は、０．６℃〜２．３℃低くなり、イオン化傾向が大きくなると放熱効果が向上することが分かる。
実施例２
実施例１と同様に、縦１００ｍｍ横１００ｍｍ高さ４０ｍｍ、フィンの高さ３０ｍｍ、フィンの厚さ上２ｍｍ下５ｍｍ、重量４８０ｇのアルミニウム製の放熱フィン本体に、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕをメッキにより被覆したもの、及び、メタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体をコーティングしたもの、そして、なにも処理しないアルミニウム製の同一放熱フィンを用意した。なお、各被覆層の膜厚は表２に示す通りである。
図５に示すように、ベークライト製の板４、ヒーター５、厚さ１０ｍｍ縦５０ｍｍ横５０ｍｍで横に温度測定用の孔７をあけた温度測定用アルミニウム板６、及びフィン１と順番に重ねた構成とし、フィン１とベークライト製の板４をボルトで閉め、密着させて試験装置とした。そして、ベークライト製の板４を下側にして発泡スチロール製の板８の上に置いた。そして、上側にしたフィンの上部に、冷却用のファン９（縦８０ｍｍ、横８０ｍｍ；山陽電気株式会社製；回転数２，９００ｒｐｍ、１２Ｖ・０．１３Ａ；風量＝１．０３ｍ３／ｍ）を直接取り付けて冷却した。アルミニウム板６とフィン１との間及びアルミニウム板６とヒーター５との間は、各々放熱グリスを塗布した。
ヒーター５は、１００Ｖ・１５０Ｗのものを用い、キクスイ株式会社製の整流器により８４．７５Ｗ（７５Ｖ・１．１３Ａ）の電力を印加して発熱させ、発熱開始時の温度及び９０分後の温度を比較した。結果を表２に示す。なお、このときのイオン化傾向は、Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞処理なしアルミ製フィン＞Ｃｕの順番であった。
0004663213.tif 000003
上記の結果から、９０分後の温度は、ファンにより冷却してもＺｎ＜Ｃｒ＜Ｎｉ＜Ｃｕ＜ＭＭ＜処理なしアルミ製フィンの順番となり、処理なしアルミ製フィンに対し熱容量の小さい物体を積層させることにより０．６℃〜３．７℃低くなり、放熱効果が向上することが分かる。そして、化学的に不活性なメタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体に対しイオン化傾向の大きいＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎの温度は、２．２℃〜３．１℃低くなり、ファンによる送風によりイオン化傾向の大きい物質を被覆した放熱フィンの放熱効果が向上することが分かる。
実施例３
実施例２で用いたものと同様の、アルミニウム製の放熱フィン本体にＺｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、及び、ＭＭを被覆したもの、並びになにも処理しないアルミニウム製の同一放熱フィンを用意した。なお、各被覆層の膜厚は表３に示す通りである。
実施例２で作製したものと同様の、ベークライト製の板４、ヒーター５、温度測定用アルミニウム板６、及びフィン１と順番に重ねた試験装置を作製した。そして、フィン１とベークライト製の板４をボルトで閉めて密着させ、ベークライト製の板４を下側にして発泡スチロール製の板８の上に置いた。さらに、フィンの上部に、実施例２と同様の冷却用ファン９（縦８０ｍｍ、横８０ｍｍ；山陽電気株式会社製）を取り付けた。
ヒーター５は１００Ｖ・１５０Ｗのものを用い、８４．７５Ｗ（７５Ｖ・１．１３Ａ）の印加電力を変えずに、ファン９の回転数を１８００ｒｐｍ（風量：０．９２ｍ３／ｍ）、２９００ｒｐｍ（風量：１．０３ｍ３／ｍ）、３４００ｒｐｍ（風量：１．２０ｍ３／ｍ）と変えたときの発熱開始時及び９０分後のアルミニウム中心部の温度を比較した。結果を表３に示す。なお、このときのイオン化傾向は、Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞処理なしアルミ製フィン＞Ｃｕの順番であった。
0004663213.tif 000004
上記の結果から、ファンの回転数を変えても９０分後の温度は、Ｚｎ＜Ｃｒ＜Ｎｉ＜Ｃｕ＜ＭＭ＜処理なしアルミ製フィンの順番となり、処理なしアルミ製フィンに対し熱容量の小さい物体を積層させることにより、１８００ｒｐｍのときには０．２℃〜２．６℃、２９００ｒｐｍのときには０．６℃〜３．７℃、３４００ｒｐｍのときには０．１℃〜４．１℃低くなり放熱効果が向上することが分かる。そして、化学的に不活性なメタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体に対しイオン化傾向の大きいＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎの温度は、１８００ｒｐｍのときには１．７℃〜２．４℃、２９００ｒｐｍのときには２．２℃〜３．１℃、３４００ｒｐｍのときには２．８℃〜４．０℃低くなり、ファンの回転数を多くさせることによりイオン化傾向の大きい物質を被覆した放熱フィンの放熱効果が向上することが分かる。
実施例４
実施例３で用いたものと同様の、アルミニウム製の放熱フィン本体にＺｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、及び、ＭＭを被覆したもの、並びになにも処理しないアルミニウム製の同一放熱フィンを用意した。なお、各被覆層の膜厚は表４に示す通りである。
実施例３で作製したものと同様の、ベークライト製の板４、ヒーター５、温度測定用アルミニウム板６、及びフィン１と順番に重ねた試験装置を作製した。そして、フィン１とベークライト製の板４をボルトで閉めて密着させ、ベークライト製の板４を下側にして発泡スチロール製の板８の上に置いた。さらに、フィンの上部に、実施例３と同様の冷却用ファン９（縦８０ｍｍ、横８０ｍｍ；山陽電気株式会社製）を取り付けた。
ヒーターは１００Ｖ・１５０Ｗのものを用い、ファン９の回転数を２９００ｒｐｍ（風量：１．０３ｍ３／ｍ）にしたまま、印加電力を３７．５Ｗ、８４．７５Ｗ、１５０Ｗと変えたときの発熱開始時及び９０分後のアルミニウム中心部の温度を比較した。結果を表４に示す。なお、このときのイオン化傾向は、Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞処理なしアルミ製フィン＞Ｃｕの順番であった。
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上記の結果から、印加電力を変えても９０分後の温度は、Ｚｎ＜Ｃｒ＜Ｎｉ＜Ｃｕ＜ＭＭ＜処理なしアルミ製フィンの順番となり、処理なしアルミ製フィンに対し熱容量の小さい物体を積層させることにより、３７．５Ｗのときには０．３℃〜１．２℃、８４．７５Ｗのときには０．６℃〜３．７℃、１５０Ｗのときには０．５℃〜４．２℃低くなり放熱効果が向上することが分かる。そして、化学的に不活性なメタクリル酸メチル−アクリル酸エチル−スチレン共重合体に対しイオン化傾向の大きいＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎの温度は、３７．５Ｗのときには１．６℃〜１．９℃、８４．７５Ｗのときには２．２℃〜３．１℃、１５０Ｗのときには２．８℃〜３．７℃低くなり、印加電力が大きくなるとイオン化傾向の大きい物質を被覆した放熱フィンの放熱効果が向上することが分かる。
実施例５
実施例１と同じアルミニウム製のフィンに、Ｚｎの厚さを０．０３７μｍ、０．１０６μｍ、０．５０３μｍ、１．４５５μｍ、２．８８３μｍ、３．７８７μｍ、４．９９３μｍ、６．１１２μｍ、７．５６８μｍ、１０．２３１μｍ積層したフィンを用いて、実施例２と同じ方法により９０分後の温度を比較した。結果を表５に示す。
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上記の結果から、亜鉛の厚さが０．０３７μｍ〜１０μｍ、さらに０．１μｍ〜７．５μｍ、特に０．５μｍ〜５μｍ程度の範囲において、放熱効果の向上が著しいことが分かる。
実施例６
実施例１と同じアルミニウム製のフィンに、Ｎｉの厚さを０．０３１μｍ、０．５８７μｍ、０．９９８μｍ、１．４８６μｍ、２．９９９μｍ、３．８９３μｍ、４．８７５μｍ、５．６６９μｍ、７．６６５μｍ、１０．０２６μｍ積層したフィンを用いて、実施例２と同じ方法により９０分後の温度を比較した。結果を表６に示す。
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上記の結果から、ニッケルの厚さが０．０３μｍ〜１０μｍ、さらに０．５μｍ〜７．５μｍ、特に０．５μｍ〜６μｍ程度の範囲において、放熱効果の向上が著しいことが分かる。
実施例７
図２に示すような形状の放熱フィンであって、縦１００ｍｍ横１００ｍｍ高さ４０ｍｍ、フィンの数が６２５本で、フィンの高さ３４ｍｍ、フィンの厚さ２ｍｍ×２ｍｍのアルミニウム製の放熱フィン本体に、Ｚｎを厚さ各々０．０３４μｍ、０．０９８μｍ、０．５３２μｍ、１．６１２μｍ、３．６６１μｍ、５．０５３μｍ、６．０２２μｍ、７．８８９μｍ、１０．０８８μｍとなるように積層した放熱フィンを用いた。
図６に示すような、ペルチェ素子１０に上記処理を施した放熱フィン１、及びその上に冷却用のファン９（縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ；回転数３６００ｒｐｍ；１２Ｖ・０．１７５Ａ）を順番に配置した冷却装置（フリジスター株式会社製；Ｆ４４−ＨＳ）を用いた。
放熱フィンとペルチェ素子との間は放熱グリスにより密着させた。そして、図７に示すように、冷却面１１（ペルチェ素子部；温度測定点）が上側に放熱フィンが下側になるように上記冷却装置を設置してファンを回転させ、ペルチェ素子１０に１２Ｖの電圧を印加して、９０分後の冷却面の温度を比較した。結果を表７に示す。
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上記の結果から、亜鉛の厚さが約０．０３μｍ〜１０μｍ、さらに０．０３μｍ〜８μｍ、特に０．１μｍ〜５μｍ程度の範囲において、冷却面の温度の低下が著しく、放熱効果の向上がめざましいことが分かる。
実施例８
実施例１で用いたものと同じアルミニウム製の放熱フィン（被覆金属層を施したもの及び処理なしのもの）を用いた以外は、実施例７と同様にしてペルチェ素子を用いた試験装置を作製した。７．５Ｖ及び１０Ｖの電圧を印加し、ファンの回転数を１８００ｒｐｍ、２９００ｒｐｍ、３４００ｒｐｍと変化させたときの冷却側に設置したアルミニウム板の中央の温度を比較した。結果を表８に示す。
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上記の結果から、印加電圧及び冷却用ファンの回転数を変えても、イオン化傾向の大きい物質を表面に被覆することにより放熱効果が向上して冷却面の温度が低下することが分かる。
産業上の利用可能性
本発明の放熱フィンは、その表面に、イオン化傾向の大きい金属材料からなる被覆金属層を設けてあるので、空気中の酸素の放熱フィン表面への化学吸着が促進され、該表面に物理吸着している分子が脱離して放熱効果が格段に向上する。また、熱容量が放熱フィン本体のそれより小さくなるように薄く積層させた被覆金属層を有するので、相対的に空気の熱容量が大きくなり、放熱フィンの熱容量との差が拡大し、冷却用流体として空気を使用した場合の放熱効果がさらに向上する。
本発明の放熱フィンを用いた放熱方法によれば、冷却流体として空気を使用するので、水のような冷却液体を使用する水冷方式のように循環系統やポンプ等の装置を設置しなくても高い放熱効果が得られ、装置のコンパクト化と軽量化が図られ、しかも安価な冷却装置を提供することができる。また、従来の空冷方式より放熱効率がよいため、装置の大型化や送風に伴う騒音などの問題を解消することができる。
本発明の放熱フィンは、テレビジョン、コンピュータ、プラズマディスプレイ等の表示装置、冷蔵庫、モータ等の電気製品・電子機器や、自動車のエンジン、ラジエーター、熱交換器、原子炉、発電機等の各種機械装置はもとより、スイッチ類、ＩＣチップやエレクトロニクスデバイスなどの小型集積回路の発熱体等においても、有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の放熱フィンの構造の一例を示す斜視図である。
図２は、本発明の放熱フィンの構造の一例を示す斜視図である
図３は、図１及び図２の放熱フィンの断面図を示すものであり、図３（ａ）は図１の、図３（ｂ）は図２の放熱フィンの断面図である。
図４は、実施例１の試験装置を示す概略図である。
図５は、実施例２〜６の試験装置を示す概略図である。
図６は、実施例７〜８の試験装置に用いた冷却装置を示す側面図である。
図７は、実施例７〜８の試験装置を示す概略図である。
図中、１は放熱フィン、２は放熱フィン本体、３は被覆金属層、４はベークライト製の板、５はヒーター、６は温度測定用アルミニウム板、７は温度測定用孔、８は発泡スチロール板、９はファン、１０はペルチェ素子、１１は冷却面、１２は入力端子、ａは縦寸法、ｂは横寸法、ｃは高さ、ｄはフィンの高さ、ｅはフィンの上部の厚み、ｆはフィンの下部の厚みをそれぞれ表す。
【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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【図７】
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