(57)【要約】熱交換器などの基体上に非晶質炭素層を堆積させる方法、及び、そのように形成された被覆された基体。例えば、アルミニウムフィンを有する熱交換器など。熱交換器は、硬度が少なくとも２０００Ｋｇ／ｍｍ２、比抵抗が少なくとも１０８Ω・ｃｍ、及び、絶縁耐力が少なくとも１０６Ｖ／ｃｍである非晶質炭素被膜（ＤＬＣ）の層をその拡張表面上に堆積させたヒートシンクを含む。
2006526075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクの拡張表面上に、
硬度が少なくとも２０００Ｋｇ／ｍｍ２、
比抵抗が少なくとも１０８Ω・ｃｍ、及び、
絶縁耐力が少なくとも１０６Ｖ／ｃｍである
非晶質炭素被膜（ＤＬＣ）の層を堆積させた、ヒートシンクを含む熱交換器。
【請求項２】
前記熱交換器が、拡張フィンを有し、前記フィンの少なくとも一部が非晶質炭素層で被覆されており、前記フィンが、アルミニウムから成る、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記非晶質炭素層が、約２０００から約９０００Ｋｇ／ｍｍ２の硬度、約１０８から約１０１３Ω・ｃｍの比抵抗、及び１０６Ｖ／ｃｍ超の絶縁耐力を有し、非晶質炭素の厚さが、約１から約６μｍであり、前記熱交換器が、アルミニウム、チタン、モリブデン、シリコン及びゲルマニウムからなる群から選択される、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
中間層が前記熱交換器の表面と前記非晶質炭素層との間に配置され、前記中間層が、前記非晶質炭素層を前記表面に密着させる基体であり、前記非晶質炭素層が、約２０００から約９０００Ｋｇ／ｍｍ２の硬度、約１０６から約１０１４Ω・ｃｍの比抵抗、及び１０６Ｖ／ｃｍ超の絶縁耐力を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
少なくとも表面の一部上に、硬度が少なくとも２０００Ｋｇ／μｍ２、比抵抗が少なくとも１０５Ω１０８ｃｍ、及び絶縁耐力が少なくとも１０５Ｖ／ｃｍである非晶質炭素層の被膜層を有する基体。
【請求項６】
前記基体の材料が、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、チタン、モリブデン、プラスチック類及びガラス類からなる群から選択される、請求項５に記載の基体。
【請求項７】
中間層が前記基体の表面と前記非晶質炭素層との間に配置され、前記中間層が、前記非晶質炭素層を前記表面に密着させる炭化物である、請求項５に記載の基体。
【請求項８】
前記非晶質炭素層が、約２０００から約９０００Ｋｇ／ｍｍ２の硬度、約１０６から約１０１４Ω・ｃｍの比抵抗、及び１０６Ｖ／ｃｍ超の絶縁耐力を有する、請求項５に記載の基体。
【請求項９】
非晶質炭素層を基体上に堆積させる方法であって、
（ａ）プラズマ蒸着チャンバを準備する段階と、
（ｂ）前記チャンバ内に、約１０−２から１０−５ｍｂａｒの範囲の圧力の炭素含有ガスを送り込む段階と、
（ｃ）少なくとも１ｋＶの電圧を供給し、前記ガスを着火して前記ガス内に自己持続グロー放電を提供する段階と、
前記基体上に、前記炭素含有ガスから、硬度が少なくとも２０００Ｋｇ／ｍｍ９、比抵抗が少なくとも１０８Ω・ｃｍ、及び絶縁耐力が少なくとも１０６Ｖ／ｃｍである、非晶質炭素層を堆積させる段階と
を含む、方法。
【請求項１０】
前記基体が、熱交換器である、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、表面積を効率的に増加させて空気への熱伝達を高める複数のフィンを有する表面ヒートシンク（熱交換器）に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器上のフィンから対流によって放散される熱は、フィンの表面に形成されるあらゆる酸化物層の熱バリアによって大きく制限される。こうした制限を克服するために、フィンの表面粗さを増強し、かつ／或いはフィンの数を増やすかフィンの長さを延ばして、空気を乱流させることによって、空気の熱伝達を高めることが提案された。空気を乱流させることの一つの問題は、物理法則のために、圧力降下の増加率が熱伝達の増加率に大きく勝ることである。従って強制対流用途では、ファン出力及びファンノイズが制限要因となる。自然対流用途では、気流を乱すと、気流が失速することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、特性がダイアモンドに近い、薄い非晶質炭素層を被覆した表面領域を提供することである。
【０００４】
本発明の別の目的は、特性がダイアモンドに近い、薄い非晶質炭素層を被覆した複数のアルミニウムフィンを有する拡張表面ヒートシンクを提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、コンピュータチップの冷却、電子キャビネットの冷却、自動車用ラジエータ、空調用コンデンサ、航空機用熱交換器などの工業的用途に使用される、薄い非晶質炭素層の被膜を有する表面ヒートシンクを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、基体の広い領域上に、薄い非晶質炭素層（ＤＬＣ）の被膜を堆積させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、少なくとも２０００Ｋｇ／ｍｍ２の硬度、少なくとも１０８Ω・ｃｍの比抵抗、及び少なくとも１０６Ｖ／ｃｍの絶縁耐力を有する非晶質炭素薄層をヒートシンクの表面の一部に有する、ヒートシンクを含む熱交換器に関する。この非晶質炭素薄層は、硬度が約２０００〜９０００Ｋｇ／ｍｍ２、比抵抗が１０８〜１０１３Ω・ｃｍ、及び絶縁耐力が１０６Ｖ／ｃｍ超など、ダイアモンドに近い特性を有することが好ましい。ＤＬＣの別の好ましい特性として、真空中で０．０２、かつ空気中で０．１未満の低い摩擦を有することが好ましい。ＤＬＣ層の厚さは１〜５μｍの範囲であることが好ましい。ＤＬＣ層は、金属及び半導体に均一に堆積させ、よく密着させることができ、安定な炭化物を形成する。事実上、金、銅、鉄上には密着させることができないが、中間層（ニッケル又は他の材料）を使用することによってこの問題を解決することができる。ＤＬＣ被膜は、セラミック、ガラス、ポリカーボネート、ポリアミド類（ナイロン）、及び１５０℃に耐えられる炭化物（つまりプラスチック）を形成する材料全ての上にも密着する。ＤＬＣ被膜は、被膜時０．０５μｍの粗さＲａを有することが好ましい。基本的に粗さは、被膜が施される基礎材料の粗さである。被覆前に、部品を超音波又は浸漬洗浄によって洗浄する必要がある。用途に応じて、溶剤又は水性洗浄剤を使用することができる。
【０００８】
好ましくは、熱交換器はアルミニウム、銅又は鋼などの拡張フィンを有し（より好ましくはアルミニウム）、このようなフィンがフィンの上に堆積されたＤＬＣ膜を有する。本発明を実施するための最もよい方法は、フィン上の酸化物層を除去し、次いでフィンの表面にＤＬＣ被膜を適用することである。
【０００９】
アルミニウムフィンを使用するいかなる冷却拡張表面熱交換器の熱伝達性能は、自動車用ラジエータ／空調用コンデンサ、トラック用ラジエータ、航空機用熱交換器などに使用することができる。こうしたタイプの熱交換器のほとんどはフィン上でタービュレータを使用するので、こうしたタービュレータをフィン上のＤＬＣ膜で置き換えることができる。これにより、ＤＬＣ膜に起因する空気圧降下の増大は事実上ゼロであるため、ノイズを低減する効果が得られる。アルミニウムフィンへの熱伝導のみに依存するヒートシンク、つまり小型チップ又は電子デバイスのヒートシンクも、この発明の利益を享受するであろう。というのは、この発明は、（パイプ内の非常に高粘度な流体、又はパイプ内の空気によって作動させない限り）フィンから空気への熱伝達が最も乏しい領域、つまりこうした熱伝達に対して最も大きな抵抗となる領域である拡張表面熱交換器を有する熱交換器の設計に基づいているからである。
【００１０】
新規な非晶質炭素（ＤＬＣ）層又は被膜は、ＰＥＣＶＤ被膜であり下記の特性を有する。
【００１１】
密着  ＤＬＣは一般に、安定な炭化物を形成する金属及び半導体によく密着する。アルミニウム、チタン及びモリブデンを含む金属が、半導体、シリコン及びゲルマニウムのように、被覆に成功している。炭化物を形成しない銅、金又は他の金属には実際密着することはできないが、炭化物を形成するアルミニウム、亜鉛、シリコン、ゲルマニウムや他の材料などの中間層を導入することができる。密着性のよいＤＬＣ膜は、シリカ、様々なガラス、窒化チタン及びアルミナ上にも堆積されている。ＤＬＣの様々なプラスチックへの結合強度は、炭化物形成によって化学結合する膜の結合強度に類似している。しかし、プラスチックへの密着は、別のメカニズムによらなければならない。より厚いＤＬＣ膜（６μｍ超）は、約１０９Ｐａの高圧縮力が原因で密着に問題があることがある。例えば、ゲルマニウム上の厚さ２μｍ超の膜は、スポーリングの問題を生じることがあるが、アルミニウム上の膜は、基体内のプラスチック流のために、何の問題もなく５０μｍ以上の厚さがある。
【００１２】
硬度、摩擦及び磨耗  ＤＬＣ被膜は、硬質の材料であるため、凝集エネルギーが高く、結合長が短く、共有結合度が高い。ＤＬＣの硬度は、ＴｉＮ、ＳｉＣや炭化ホウ素など従来のＰＶＤ及びＣＶＤに典型的な材料に匹敵する。硬度は、最高９０００Ｋｇ／ｍｍ２以上とすることができる。ＤＬＣの鋼球に対する滑り摩擦係数は、真空条件下では０．００５〜０．０２の範囲であるが、湿度１００％では０．２に上がる。摩擦に関しては、乾燥酸素雰囲気より乾燥窒素雰囲気がよい。ＤＬＣ被膜は通常、磨耗に対する高い耐性がある。ＤＬＣ層の典型的な特性は、硬質であること、摩擦が低いこと、総じて化学的に不活性であること、疎水性であること、及び非晶質構造であるため硬材料の磨耗耐性が増幅されることである。
【００１３】
電気特性  ＤＬＣは、１０７〜１０１３Ω・ｃｍの比抵抗を有する絶縁体である。温度が上がると、その値が下がる。ＤＬＣには、一般に１０６Ｖ／ｃｍ超の絶縁耐力がある。
【００１４】
光学特性  ガラス上の厚さ１μｍのＤＬＣ膜は、透過の面から見るとこげ茶色に見える。この色は、スペクトルの青端における高吸収率及び赤における低吸収率から生まれる。
【００１５】
ＤＬＣ被膜はヒートシンク上に使用することができるが、この使用は固体／固体熱伝達、つまりヒートシンクのベースと電子部品との間の熱伝達向上に限られる。アルミニウムフィンの酸化物層を高熱伝導層（ＤＬＣ）で置き換えて熱伝達に対する全体的な抵抗を低減することができるようにすること、つまりより効果的に、アルミニウムフィン（シート）が熱を空気に放出するようにすることが好ましい。
【００１６】
ＤＬＣ被膜の他の用途は、下記の通りである。
織物関係：摩擦を改善するための筬、シャットル、ヘルド、機械織機用針、糸案内（セラミック、クロムめっき、鋼）、及び全織物作業上でのクロム代替品、
化学関係：小型ポンプ用ピストン、リング、ギアポンプ部品、軸受、
プラスチック及びガラス関係：成型用型、
自動車関係：クラッチピストン、クラッチリング、クロム代替部品、
弁関係：ソフトシート弁上での乾式潤滑用ボール弁、
外科用器械、製造用器械、及び窓／ガラス被膜。
【００１７】
本発明は、少なくとも２０００Ｋｇ／ｍｍ２の硬度、少なくとも１０８Ω・ｃｍの比抵抗、及び少なくとも１０６Ｖ／ｃｍの絶縁耐力を有する非晶質炭素薄膜を基体上に堆積させる方法にも関し、プラズマ蒸着チャンバを準備する段階と、そのチャンバ内に圧力が約１０−２〜１０−５ｍｂａｒ（好ましくは１０−３〜１０−４ｍｂａｒ）の範囲の炭素含有ガスを送り込む段階と、ガス着火時にグロー放電を自己持続するために少なくとも１ｋＶの電圧（ＲＦ）を供給する段階と、チャンバ内で基体上にガスから非晶質炭素を堆積させる段階と、被覆した基体をチャンバから取り除く段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、ＤＬＣ被膜の被覆システムを示す。具体的には、ＤＬＣ薄層堆積のための被覆システムは、炭化水素ガス（又は極めて揮発性のある炭化水素溶剤）の解離を含むプラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法である。図面は、ＰＥＣＶＤ法全体の概略図である。このシステムは、真空排気系４を有する真空チャンバ２、複数のガスマニホルド６及びＲＦ発生器８から成る。１０−３〜１０−４ｍｂａｒの好ましい圧力でガスを導入し、１千から数千のＲＦ電圧を印加すると、自己持続グロー放電が着火する。通常は直流を供給することにより、この小さい方の電極が負極１０に接続される。この電極１０とプラズマ１２との間に、暗黒スペースが形成され、それを横切って主な電位降下があり、プラズマはアノードに近い電位を呈する。従って、負極は高エネルギーイオンの衝突を受ける。カソード上に絶縁層が形成される場合（ＤＬＣの場合のように）は、一般に直流の供給は使用することができない。イオンと電子の移動度が異なることから、ＲＦによって小さな方の電極は負に荷電する。サイクル中に正味ゼロ電流が流れるように、小さな方の電極は、サイクル中に平均して負に荷電し、再びエネルギーイオンの衝突を受ける。炭素含有キャリアガスにより、水素又はある程度のハロゲンがイオン化し、電極上に固体膜が堆積される。これがＰＥＣＶＤプロセスである。成長膜にイオンが衝突し、ＰＥＣＶＤ層からなる、大部分が非晶質の準安定構造が生じるはずである。弱く結合した原子が再スパッタリングされるため、層は高密度で硬質となる。この技法により、炭化水素ガスから硬質で非晶質の水素化した炭素膜が得られる。様々なプロセスパラメータを考慮する必要がある。ガスのタイプ、ガス圧、ガス混合比、基体温度、電極及び基体の幾何形状、並びに電場周波数である。調整すべき最も重要なパラメータは、自己バイアス電位、ガス圧及びガス混合比である。硬質なＤＬＣ層を生成するための好ましい手順は、まずアルゴンを約１ｋＶのＲＦ電圧により１０−２〜１０−３ｍｂａｒの圧力で導入して部品を洗浄することである。次いで１０−１〜１０−２ｍｂａｒの圧力でアルゴンを炭化水素溶剤（低圧において高揮発性がある）で置き換え、先に論じたように別の炭化水素ガスと後で混合する。
【００１９】
当業者であれば、添付の特許請求の範囲においてより詳細に定義する本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく変更を加えることができることが分かるであろう。例えば、方法が２００℃を越える温度を必要とする場合は、ＰＶＤ法を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】基体上にＤＬＣ被膜を適用する際に使用されるプラズマ促進化学蒸着システム（ＰＥＣＶＤ）を示す概略図である。
【図１】
2006526075.tif 000003
【国際調査報告】
2006526075.tif 000004