CN110998833A - 散热器 - Google Patents

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幸俊彦
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Abstract

本发明可提高散热器的热交换性能。本发明的散热器具有：基板部；多个板状的散热片部，一体地竖立设置于该基板部的表面且彼此平行配置而在彼此之间形成槽部；及多孔体部，填充于所述散热片部之间的所述槽部内且由具有三维网眼结构的至少一个多孔体构成，所述基板部和所述散热片部由铝的实心非多孔材构成，所述多孔体部由铝纤维的烧结体构成，所述多孔体部经由烧结接合部接合于所述散热片部及所述基板部。

Description

散热器
技术领域
本发明涉及一种用于释放热量的散热器。
本申请主张基于2017年8月2日申请的日本专利申请2017-149843号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
如搭载有功率元件等半导体元件的功率模块等那样伴有发热的电子组件中，为了使电子组件正常运行，设置用于释放来自发热元件(功率元件)的热量的散热器。作为该散热器，大多使用由导热性高的铝或铜形成且在平板状的基板部的一面竖立设置有多个板状、销状等散热片的结构的散热器。这种散热器通过将功率模块等被冷却体与基板部紧贴在一起并将散热片配置于传热介质流路，由此冷却被冷却体。
例如，对于专利文献1中所记载的散热器来说，通过挤压成型且利用横肋连结高度方向的中间位置而成的板状的散热片形成于基板部。
专利文献2中所记载的散热器中，为了提高比表面积，由立体网状材料构成的散热片通过钎焊等接合于基板部。作为立体网状材料，可列举将铜、镍、不锈钢、铝等金属进行发泡而形成的具有连续气孔的发泡金属。
专利文献3中公开有一种在竖立设置于基板部的针状或板状的散热片之间填充具有连通细孔的多孔体而成的结构。专利文献3中记载有如下内容：在该结构中，从基板部向多孔体的热移动通过没有气孔的非多孔材(致密固体即铸锭材或实心材)的散热片在广阔的面积上进行，且从多孔体向空气中的热传递通过多孔体进行，因此能够提高热交换性能。
专利文献1：日本特开平6-244327号公报
专利文献2：日本特开2007-184366号公报
专利文献3：日本特开2012-9482号公报
专利文献4：日本特开2016-14508号公报
专利文献1中所记载的散热器中，由于散热片为非多孔材，因此比表面积较小，无法指望很高的热交换性能。专利文献2中所记载的散热器中，将散热片与基板接合的钎料与母材进行反应，有可能使接合界面的热阻变大。并且，钎料渗透到多孔体(立体网状材)内而有可能使比表面积减少，并且具有因接合所需的钎料及助焊剂而使成本变高的倾向。
专利文献3中所记载的结构中，作为多孔体使用开孔结构的发泡铝(金属多孔体)。这种发泡金属通常在金属粉末中混合共晶元素并进行液相烧结而制造，因此共晶元素分散于发泡金属内，从而使导热率变低。
另一方面，本申请人在专利文献4中提出一种具有将经铝纤维烧结而成为一体的多孔体接合于基板(非多孔材)的表面而成的散热片的热交换部件。由此，多孔体的烧结强度增强且导热性提高，因此能够有效地进行热交换，但要求热交换性能更进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提高散热器的热交换性能。
本发明的散热器具有：基板部，由铝的非多孔材(实心材)构成；多个板状的散热片部，由铝的非多孔材构成且一体地竖立设置于所述基板部的表面，该散热片部彼此隔着间隔平行地配置而在彼此之间形成槽部；及多孔体部，由至少一个多孔体构成，该多孔体由铝纤维的烧结体构成且具有三维网眼结构，并且填充于所述散热片部之间的槽部内且经由烧结接合部接合于所述散热片部及所述基板部。
该散热器在非多孔材的散热片部之间填充有多孔体，在包括散热片部、基板部及多孔体在内的广阔的面积上进行热移动。散热片部及基板部与多孔体经由烧结接合部而接合，因此散热片部及基板部与多孔体的接合界面的热阻较小，可促进基板部及散热片部与多孔体之间的顺畅的热移动。传热介质通过多孔体内的空隙，在多孔体、散热片部及基板部的表面与传热介质之间进行热交换。
该散热器具有基于多孔体的较大的表面积，因此多孔体所受到的热量能够有效地移动到传热介质，可获得优异的热交换性能。并且，多孔体(铝纤维)成为传热介质流动的阻碍，能够扰乱流动(干扰效果)，因此与仅由非多孔材构成的散热器相比，除了比表面积的大小之外，促进热交换的效果也较大。
由铝纤维的烧结体构成的多孔体不像发泡金属那样分散有共晶元素，并且为实心的骨架，因此具有比发泡金属更高的导热率。仅通过改变铝纤维的粗细和填充方法，便能够自如地控制气孔率的大小和向内部开口的气孔的开口直径的大小(内部的空隙的大小)等，因此该多孔体的产品设计的自由度较高，通过使用形成为目标形状的成型模，能够轻松地成型出所希望的外形形状。
散热片部及基板部与多孔体通过烧结接合部而接合，未使用钎料，因此不会产生因钎料的渗透而引起的多孔体的气孔率的下降。
本发明的散热器的优选实施方式可为如下：在所述多孔体的与所述散热片部的排列方向平行的横截面中，长径与短径的纵横比为1.2以上的所述铝纤维的截面的个数相对于所观察到的所述铝纤维的截面的总数的比率为40％以上且70％以下。
通过将多孔体的横截面中的长径与短径的纵横比为1.2以上的铝纤维的截面的个数的比率设为40％以上，能够增加与传热介质的流动方向(散热片部的长度方向)抗衡的面即成为传热介质的流动的阻碍的面。由此，多孔体中容易产生扰乱传热介质的流动的干扰效果，能够进一步促进多孔体与传热介质的热交换。而且，可为如下：更优选长径与短径的纵横比为1.2以上的铝纤维的截面的个数的比率设为50％以上且60％以下，进一步优选设为52％以上且58％以下。
若多孔体的横截面中的长径与短径的纵横比为1.2以上的铝纤维的截面的个数的比率不足40％，则有助于干扰效果的铝纤维较少，难以促进传热介质的干扰效果，有可能使热交换性能下降。另一方面，若长径与短径的纵横比为1.2以上的铝纤维的截面的个数的比率超过70％，则传热介质的流动阻力变大而压力损失变得过大。
本发明的散热器中，如上所述，在多孔体中使用了铝纤维的烧结体，因此可轻松而有意识地对齐或拆散铝纤维的方向，由此能够轻松地控制多孔体的横截面中的长径与短径的纵横比为1.2以上的铝纤维的截面的个数的比率。
并且，能够轻松地控制铝纤维的方向，因此通过大量配置与散热片部的长度方向垂直的铝纤维，能够减少在沿多孔体的厚度方向(散热片部的排列方向)的传热路径上成为热阻的铝纤维之间的界面并促进散热片部与传热介质之间的热传递，另一方面，通过大量配置与散热片部的长度方向平行的铝纤维，能够抑制传热介质通过多孔体的内部时的压力损失。
例如发泡金属的骨架的朝向通常为各向同性，因此无法像本申请发明这样有意识地改变多孔体的骨架并实现干扰效果的促进和压力损失的抑制。
本发明的散热器的优选实施方式可为如下：除去所述散热片部及所述多孔体部的金属部分(实体部分)的空间体积在由传热介质在所述基板部的表面流通的区域的平面面积与所述散热片部的高度之积求出的整体体积中所占的比率即空隙率为40％以上且70％以下。空隙率更优选设为45％以上且65％以下，进一步优选为50％以上且60％以下。
若空隙率不足40％，则相对于传热介质的流通的压力损失变大。另一方面，若空隙率超过70％，则热交换性能(热传递率)变低。因此，将空隙率设为40％以上且70％以下，由此能够提高热交换性能，并且将压力损失抑制得较低。
本发明的散热器的优选实施方式可为如下：所述散热片部及所述多孔体部的整体的每单位体积的比表面积为1.0×103[m2/m3]以上且10.0×103[m2/m3]以下。比表面积更优选设为2×103[m2/m3]以上且9×103[m2/m3]以下，可进一步优选设为4×103[m2/m3]以上且7×103[m2/m3]以下。
若散热片部及多孔体部整体的比表面积(散热片部的总表面积+多孔体的总表面积)/(散热片部的体积+多孔体的堆体积)不足1.0×103[m2/m3]，则与传热介质的热交换面积减少，散热器的热传递率下降，有可能使热交换性能下降。另一方面，若该比表面积超过10.0×103[m2/m3]，则压力损失增加。因此，将散热片部及多孔体部整体的比表面积设为1.0×103[m2/m3]以上且10.0×103[m2/m3]以下，由此能够提高热交换性能，并且将压力损失抑制得较低。
本发明的散热器的优选实施方式可为如下：在与所述基板部的表面平行的纵截面中所述铝纤维的截面积相对于所述槽部的面积的比率即纵截面纤维密度D1[％]为10％以上且40％以下，在与所述纵截面正交且与所述散热片部的排列方向平行的横截面中所述铝纤维的截面积相对于所述槽部的面积的比率即横截面纤维密度D2[％]为10％以上且40％以下。纵截面纤维密度及横截面纤维密度更优选设为15[％]以上且35[％]以下，可进一步优选设为20[％]以上且30[％]以下。
若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2不足10％，则与传热介质的热交换面积减少，热传递率下降，有可能使热交换性能下降。另一方面，若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2超过40％，则压力损失增加。因此，将纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2均设为10％以上且40％以下，由此能够提高热交换性能，并且将压力损失抑制得较低。
作为本发明的散热器的优选实施方式可为如下：所述散热片部中的配置于所述排列方向的最外侧的各外侧散热片部与所述基板部的两侧边缘相比配置于内侧，所述多孔体接合于所述外侧散热片部的外侧面和所述基板部的所述表面的比所述外侧散热片部更靠外侧的位置。
不仅在各散热片部之间的槽部填充多孔体，而且在彼此平行配置的散热片部中的配置于排列方向的最外侧的各外侧散热片部的外侧面和基板部的表面的比外侧散热片部更靠外侧的位置接合多孔体，由此与将外侧散热片部配置于基板部的两侧边缘上的情况相比，能够通过多孔体在散热器上形成较大的表面积。因此，能够有效地使多孔体所受到的热量移动到传热介质，从而能够更进一步提高热交换性能。
根据本发明，能够促进扰乱传热介质的流动的干扰效果，因此能够提高散热器的热交换性能。
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式所涉及的散热器的立体图。
图2为表示图1所示的散热器的一部分的放大俯视图。
图3为表示图1所示的散热器的一部分的放大侧视图。
图4为表示图1所示的散热器的外观的照片。
图5为表示图4所示的散热器的主要部分截面的照片。
图6为表示另一实施方式所涉及的多孔体的主要部分截面的照片。
图7A为表示图1的散热器的制造途中的状态的侧视图。
图7B为表示图1的散热器的制造途中的状态的侧视图。
图8为表示比较例的板式散热片型散热器的立体图。
图9为表示比较例的针式散热片型散热器的立体图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。如图1～图4所示，表示本发明的一实施方式的散热器101具有：平板状的基板部11；多个(本实施方式中为七片)板状的散热片部12，竖立设置于基板部11的表面(一面)且彼此隔着间隔平行配置；及多孔体部200，由至少一个多孔体20构成，该多孔体20具有三维网眼结构且填充于在各散热片部12之间形成的槽部13内。
基板部11和散热片部12为通过铝(包括铝合金。)的非多孔材(实心材)形成为一体的铝成型体10。如图4及图5所示，各多孔体20通过由与基板部11及散热片部12相同材质的铝制成的铝纤维21的烧结体形成。各多孔体20通过烧结接合于基板部11及散热片部12的表面，在各多孔体20的表面与基板部11及散热片部12的表面之间形成有烧结接合部22。
例如，如图1～图3所示，基板部11具有矩形形状的平面形状，各散热片部12以距离基板部11的表面为规定的高度h1且规定的厚度为t1的方式竖立设置。图1所示的例子中，各散热片部12在与基板部11的表面平行的面方向上，遍及基板部11的纵向的总长而设置，在基板部11的横向上隔着规定的间隔c1彼此平行排列。由此，在各散热片部12之间形成宽度c1的槽部13。这些散热片部12中的配置于最外侧的两侧部上的外侧散热片部12A与基板部11的两侧边缘相比配置于内侧。
在此，散热器101或基板部11中的“纵向”是指沿图1所示的基板部11的纵向尺寸S1的方向，换言之是指各散热片部12的长度方向或多孔体20的长度方向，散热器101或基板部11中的“横向”是指沿图1所示的基板部11的横向尺寸S2的方向，换言之是指各散热片部12的排列方向(厚度方向)或多孔体20的厚度方向。
各多孔体20填充于各散热片部12之间的槽部13。各多孔体20以填满各散热片部12的间隔的方式沿散热片部12的长度方向形成，如图5所示，经由烧结接合部22接合于散热片部12及基板部11。在比外侧散热片部12A更外侧的基板部11的表面上也沿基板部11的两侧边缘配置有多孔体20，该多孔体20经由烧结接合部22接合于外侧散热片部12A的外侧面和基板部11的表面。
各多孔体20由多个(例如20～4,000条/cm3)铝纤维21的集合体的烧结体构成。作为铝纤维21，例如能够使用粗细(外径、纤维直径)d形成为20μm以上且3000μm以下且长度形成为0.2mm以上且50mm以下的铝纤维。
图4及图5所示的各多孔体20由纤维直径d为0.3mm的铝纤维21形成。如图4及图5所示，关于各多孔体20，在使铝纤维21弯曲而重叠以具有多个切点21a的状态下进行烧结，在这些切点21a处将铝纤维21彼此接合，由此形成三维网眼结构。
图6表示多孔体20的另一实施方式中与散热片部12的排列方向平行的横截面的观察图像。图6所示的多孔体20由纤维直径d为0.5mm的铝纤维21的烧结体构成。
如图5或图6所示，关于多孔体20，在与散热片部12的排列方向平行的横截面中观察到的铝纤维21中，观察到与散热片部12的长度方向平行的纤维的截面为圆形。另一方面，观察到相对于散热片部12的长度方向倾斜取向的纤维为椭圆形。形成为长径与短径的纵横比为1.2以上的相对为椭圆的铝纤维21的截面的个数相对于铝纤维21的截面的总数(总体截面数)的比率(以下，称为“椭圆纤维比率”)成为40％以上且70％以下。在此，在铝纤维21的截面中，将最长(大)的尺寸作为“长径”，将与该长径正交的尺寸作为“短径”。
如此，将多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率设为40％以上，由此能够增加与传热介质的流动抗衡的面即成为传热介质的流动的阻碍的面。由此，容易在多孔体20中产生扰乱传热介质的流动的干扰效果。
若多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率不足40％，则有助于传热介质的干扰效果的铝纤维21变少，由此难以促进干扰效果，致使热交换性能下降。另一方面，若椭圆纤维比率超过70％，则多孔体20成为阻碍，致使传热介质的流动阻力变大，由此压力损失变得过大。椭圆纤维比率更优选为45％以上且65％以下，进一步优选为50％以上且60％以下。
多孔体20的横截面中的铝纤维21的长径与短径的纵横比能够通过改变铝纤维21的粗细(纤维直径d)或对成型模进行填充的填充方法而轻松地进行控制。具体而言，可轻松而有意识地对齐或拆散铝纤维21的方向，因此能够轻松地控制多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率。同时，也能够控制多孔体20的气孔率(除去铝纤维21的实体部分的空隙部分相对于填充多孔体20的槽部13的内部空间的体积比率)的大小和向多孔体20的内部开口的气孔的开口直径的大小。通过使用目标形状的成型模，能够轻松地将多孔体20成型为所希望的外形形状。
如上所述，制造多孔体20时，能够轻松地控制铝纤维21的方向，因此也能够大量配置与散热片部12的长度方向垂直(即与散热片部12的厚度方向平行)的铝纤维21。此时，在沿多孔体20的厚度方向(散热片部12的厚度方向)的传热路径上成为热阻的铝纤维21之间的界面变少，能够促进散热片部12与传热介质之间的热传递。并且，大量配置与散热片部12的长度方向平行的铝纤维21，由此能够抑制传热介质通过多孔体20的内部时的压力损失。另外，发泡金属的骨架的朝向通常为各向同性，因此无法像多孔体20这样有意识地变更骨架，无法实现干扰效果的促进和压力损失的抑制。
散热器101中，除去散热片部12及多孔体20的铝部分(实体部分)的空间体积Vp在由包括多孔体20和散热片部12整体的平面面积与散热片部12的高度h1之积求出的整体体积V中所占的比率(以下，称为空隙率Vp/V)为40％以上且70％以下。空隙率Vp/V更优选设为45％以上且65％以下，进一步优选为50％以上且60％以下。
如图1所示，用于计算空隙率Vp/V的整体体积V设为基板部11的整体的平面面积(S1×S2)与散热片部12的高度h1之积即可。
在纵向尺寸S1[mm]×横向尺寸S2[mm]的基板部11上，遍及其总长设置有n个厚度t1[mm]×高度h1[mm]的散热片部12时，整体体积V[mm3]成为V＝S1×S2×h1。其中，满足S2＝t1×n+c1×(n-1)+c3×2的关系。另外，将各内部多孔体20设为宽度c1[mm]，各外侧散热片部12A的外侧设为宽度c3[mm]。
各多孔体20的气孔率X为除去铝纤维21的部分(实体部分)的空隙部分相对于填充各多孔体20的槽部13内的空间的体积比率。将气孔率为X％的各多孔体20接合于宽度c1[mm]、深度h1[mm]的各槽部13内及各外侧散热片部12A的外侧(宽度c3[mm])而形成散热器101时，空间体积Vp[mm3]成为Vp＝V-[n×t1+{2×c3+(n-1)×c1}×(1-X/100)]×S1×h1。空隙率由Vp/V求出。
散热器101中，散热片部12及多孔体20整体的每单位体积的比表面积(散热片部12的总表面积+多孔体20的总表面积)/(散热片部12的体积+多孔体20的堆体积)被设定为1.0×103[m2/m3]以上且10.0×103[m2/m3]以下。比表面积可以更优选设为2.0×103[m2/m3]以上且9.0×103[m2/m3]以下，进一步优选设为3.0×103[m2/m3]以上且8.0×103[m2/m3]以下。
若将在与基板部11的表面平行的纵截面(沿图1的A-A线剖切的截面)中铝纤维21的截面积相对于槽部13的面积(散热片部12之间的面积)的比率作为纵截面纤维密度D1[％]，且将在与该纵截面正交且与散热片部12的厚度方向平行的横截面(沿图1的B-B线剖切的截面)中铝纤维21相对于任一个槽部13的截面积(散热片部12之间的面积)的比率作为横截面纤维密度D2[％]，则多孔体20的纵截面纤维密度D1为10％以上且40％以下，横截面纤维密度D2为10％以上且40％以下。
纵截面纤维密度及横截面纤维密度可以更优选设为15[％]以上且35[％]以下，进一步优选设为20[％]以上且30[％]以下。
如上所述，纤维密度为各截面中所占的铝纤维21的面积比率。具体而言，横截面纤维密度D2通过在图5所示的多孔体20的横截面(沿图1所示的B-B线剖切的截面)中计算如下的比例来求出：即，该比例为铝纤维21部分的截面积在由散热片部12的高度h1与各散热片部12的间隔c1(槽部13的宽度)之积(h1×c1)求出的整体面积中所占的比例。
虽然省略了图示，但纵截面纤维密度D1通过在多孔体20的纵截面(沿图1所示的A-A线剖切的截面)中计算如下的比例来求出：即，该比例为铝纤维21部分的截面积在由散热片部12的长度(基板部11的纵向尺寸S1)与各散热片部12的间隔c1之积(S1×c1)求出的整体面积中所占的比例。
存在纤维密度越高则传热介质的流动阻力越大且压力损失越大的趋势，但同时也容易产生干扰效果，热交换性能也容易提高。若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2不足10％，则多孔体20的气孔率变高，由此与传热介质的热交换面积减少。因此，有可能使热传递率下降且使散热器101的热交换性能下降。若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2超过40％，则传热介质的流动阻力变大且压力损失变大。
从该观点考虑，纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2更优选设为15％以上且35％以下。各多孔体20的气孔率X为除去铝纤维21的部分(实体部分)的空间体积在由传热介质在槽部13内流通的区域的平面面积(纵向尺寸S1×间隔c1)与散热片部12的高度h1之积求出的整体体积中所占的比率。
制造如此构成的散热器101时，例如通过铝的挤压成型，将具有基板部11和散热片部12的非多孔材的铝成型体10形成为一体，并使用图7A、7B所示的模具51在散热片部12之间的槽部13内接合多孔体20。
模具51例如由碳等不易与铝成型体10及多孔体20的铝进行反应的材料构成，如图7A所示，形成为在一面形成有用于容纳散热片部12的矩形形状的凹部52的板状。如图7B所示，若将模具51与基板部11以对置的方式重叠在一起，则在铝成型体10与模具51之间形成用于形成多孔体20的空间53。
预先将铝纤维21的各集合体23配置于形成各空间53的各散热片部12之间的槽部13内，并将铝成型体10与模具51重叠在一起，从而在各空间53内填充铝纤维21的各集合体23。之后，例如在惰性气氛下以600℃～660℃的温度加热0.5分钟～60分钟，由此形成铝纤维21在彼此之间的接点21a烧结而成的多孔体20，并且将铝纤维21与铝成型体10(散热片部12及基板部11)进行烧结而形成烧结接合部22。由此，可获得多孔体20与铝成型体10经由烧结接合部22而接合为一体的散热器101。
如此构成的散热器101中，在铝成型体10的各散热片部12之间的各槽部13内填充有各多孔体20，且在包括各散热片部12及基板部11(铝成型体10)和各多孔体20在内的广阔的面积内进行热移动。并且，由于各散热片部12及基板部11与各多孔体20经由烧结接合部22而接合，因此各散热片部12及基板部11与各多孔体20的接合界面的热阻较小，可促进基板部11及散热片部12与多孔体20之间的顺畅的热移动。
传热介质通过各多孔体20内的空隙，并在传热介质与多孔体20、散热片部12及基板部11的各表面之间进行热交换。此时，散热器101通过多孔体20形成较大的表面积，因此多孔体20所受到的热量有效地向传热介质移动，由此可获得优异的热交换性能。并且，多孔体20成为传热介质流动的阻碍，能够扰乱传热介质的流动。因此，与仅由非多孔材构成的散热器相比，在因比表面积较大而获得的效果基础上具有促进热交换的效果。
如上所述，多孔体20由铝纤维21的烧结体构成，因此无需像发泡金属那样使降低导热率的共晶元素分散，便可获得比发泡金属更高的导热率。并且，仅通过改变铝纤维21的粗细和填充方法，便能够自如地控制气孔率的大小和向内部开口的气孔的开口直径的大小等，因此多孔体20的产品设计的自由度较高。而且，使用形成为目标形状的成型模，由此能够将多孔体轻松地成型为所希望的外径形状。
散热片部12及基板部11与多孔体20通过烧结接合部22而接合，未使用钎料，因此不会因钎料的渗透而产生多孔体20的气孔率的下降。
本实施方式的散热器101中，将多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率设为40％以上且70％以下，以增加与传热介质流动的方向(散热片部12的长度方向)抗衡的面即成为传热介质流动的阻碍的面。由此，多孔体20中容易产生扰乱传热介质的流动的干扰效果，且能够进一步促进与传热介质的热交换。
并且，如上所述，对于构成多孔体20的铝纤维21来说，可轻松而有意识地对齐或拆散纤维的方向，且能够轻松地控制多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率。
并且，本实施方式的散热器101中，如上所述将空隙率设定为40％以上且70％以下，因此能够抑制压力损失的增加并且提高热交换性能。若空隙率不足40％，则相对于传热介质的流通的压力损失变大，另一方面，若空隙率超过70％，则热交换性能下降。
并且，如上所述，散热片部12及多孔体20整体的比表面积设定为1.0×103[m2/m3]以上且10.0×103[m2/m3]以下，因此具有提高热交换性能和减少压力损失的效果。若比表面积不足1.0×103[m2/m3]，则因热交换面积减少而使热交换性能下降，若超过10×103[m2/m3]，则导致压力损失增大。
并且，如上所述，将纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2均设为10％以上且40％以下，因此能够提高热交换性能，并且将压力损失抑制得较低。若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2不足10％，则有可能与传热介质的热交换面积减少，热传递率下降，从而使热交换性能下降。另一方面，若纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2超过40％，则压力损失变大。
实施例
作为本发明例(试样编号1～8)，制作出具有图1所示的上述实施方式的板状的散热片部12的散热器101。关于基板部11，设为纵向尺寸S1：55mm×横向尺寸S2：38mm、板厚h0：4mm，遍及基板部11的总长而形成有散热片部12。形成有六片散热片部12，各散热片部12的高度h1设为6mm。各散热片部12与基板部11的两侧边缘相比配置于内侧。将散热片部12的厚度t1设为2.3mm，并将散热片部12的间隔c1设为4mm。外侧散热片部12A的外侧面与基板部11的侧边缘之间的间隔c3设为2.1mm。
作为比较例(试样编号9)，如图8所示制作出未设置多孔体而仅由具有基板部11和多个板状的散热片部12的铝成型体10构成的散热器201。该散热器201以与本发明例(试样编号1～8)的铝成型体10相同的尺寸形成。
作为比较例(试样编号10)，如图9所示制作出具有多个针状的散热片部15的针式散热片型散热器202。该散热器202也未设置多孔体，而仅通过由散热片部15和基板部14构成的铝成型体16形成。基板部14以与本发明例(试样编号1～8)的铝成型体10的基板部11相同的尺寸形成。各散热片部15以直径：2.3mm、高度h2：6mm、相隔间隔c5：6.8mm且相邻的散热片成为正三角形的顶点的方式进行了配置。各散热片部15的高度h2与本发明例(试样编号1～8)的铝成型体10的板状的散热片部12的高度h1相同。
铝成型体10、16及多孔体20是通过将A1050(Al成分为99.50％以上的纯铝)用作材料而制作的。多孔体20是以表1及表2所示的各种要素(纤维直径、气孔率、纤维密度等)进行制作的。
关于多孔体20的气孔率X，将铝纤维21在填充于任一个槽部13的多孔体20中的纤维重量设为m[g]、纤维比重设为ρ[g/cm3]，通过气孔率X＝{c1×h1×S1-(m/ρ)}/(c1×h1×S1)的计算公式进行了计算。
关于各散热器的空隙率，设为在竖立设置有散热片部12、15的基板部11、14的表面整体(整体体积V＝S1×S2×h1或V＝S1×S2×h2)与传热介质进行热交换，并以该多孔体20的气孔率X为基础进行了计算。
多孔体20的纵截面纤维密度D1及横截面纤维密度D2以如下方式进行了计算。将在固定有多孔体20的各槽部13内即各散热片部12之间(多孔体20内的空隙)用无色透明的树脂(具体而言，环氧树脂)填满，并对在离散热片部12的前端为4mm的位置纵向切断的多孔体20的纵截面及在沿长度方向分割成四个的三处位置横向切断的多孔体20的横截面分别进行研磨，并利用显微镜拍摄了各截面的图像。关于各图像，使用图像分析软件(MITANICORPORATION制WinROOF)，将多孔体20的铝纤维21和空隙部分进行二值化，由此测定了纤维密度[％]。
在多孔体20的三处横截面的图像中数出所观察到的铝纤维21的截面的总数(整体截面数)，并且利用量尺测定了各铝纤维21截面的长径和短径。计算各铝纤维21的长径与短径的纵横比，并数出纵横比成为1.2以上的相对为椭圆的铝纤维21的截面的个数，并求出了其比例(椭圆纤维比率)。
关于长径与短径的纵横比不足1.05的铝纤维21，求出各铝纤维21的长径的平均值，并作为构成多孔体20的铝纤维21的纤维直径d(粗细)。
散热器101的散热片部12及多孔体20整体的比表面积、散热器201的散热片部12的比表面积及散热器202的散热片部15的比表面积分别通过以下计算公式进行了计算。
散热片部12的表面积
A1＝S1×{(12×h1)+(5×c1)+(2×c3)}
散热片部15的表面积
A2＝S1×S2-π×(2.3×10-3)2×N+π×(2.3×10-3)h2×N
(在此N为针的数量)
多孔体20的表面积
A3＝4×[{(5×c1)+(2×c3)}×h1×S1×{1-(X/100)}]/d
散热器101(试样编号1～8)：
体积V1＝S1×S2×h1
散热片部12及多孔体20整体的比表面积(A1+A3)/V1
散热器201(试样编号9)：
体积V1＝S1×S2×h1
散热片部12的比表面积A1/V1
散热器202(试样编号10)：
体积V2＝S1×S2×h2
散热片部15的比表面积A2/V2
使用传热介质(水)向一个方向流动的冷却性能测定装置以如下方式对压力损失进行了测定。在测定装置嵌入各散热器101、201、202，使30℃的传热介质以体积流量4L/min(恒定)在各散热片部12、15流动，并测定散热器101、201、202前后的差压，并将该差压作为压力损失。使传热介质沿基板部11、14的纵向(板状散热片型的散热器101、201时为散热片部12的长度方向)流通。
关于各散热器的热传递率(热交换性能)H，使用在压力损失测定中使用的冷却性能装置如下进行了测定。在散热器101、201、202的基板部11、14上(与散热片部12、15相反的面上)的中央部依次重叠具有柔软性的散热膏、被冷却体(发热元件)及绝热材，并通过压制夹具以50cm·N的转矩将被冷却体进行了压接。
在被调整为恒定温度(30℃)的实验室中，在散热片部12、15使30℃的传热介质(水)以4L/min(恒定)流动5分钟，确认到被冷却体的温度(发热前温度)稳定之后，以450W的电力将被冷却体进行15分钟发热，并测定了粘接于基板部11、14中央部的被冷却体与基板部11、14的界面的温度Tb1和水温Tw。之后，利用温度Tb1，通过Tb2＝[Tb1-{450×h0/(A×k)}]的计算公式计算出了传热介质(水)与基板部11、14的界面的温度Tb2。在此，h0为基板部11、14的厚度，A为被冷却体安装于基板部11、14的安装面积，k为A1050(铝)的导热率。
利用所计算出的温度Tb2，通过H＝[450/{A×(Tb2-Tw)}]的计算公式计算各散热器的热传递率H，并作为散热器101、201、202的热交换性能指标进行了评价。即，能够评价为是热传递率H越大则热交换性能越优异的散热器。
将这些结果示于表1～表3。试样编号9及10为未设置多孔体而仅由铝成型体10、16构成的散热器201、202，因此表1～表3中与多孔体相关的项目用“-”进行了记载。
[表1]
Figure BDA0002379479480000131
[表2]
Figure BDA0002379479480000132
[表3]
Figure BDA0002379479480000133
从这些结果可知，与不具有多孔体的比较例的试样编号9、10相比，在具有多孔体20的本发明例的试样编号1～8中获得了更高的热传递率。本发明例的试样编号1～8中，空隙率为40％以上且70％以下，散热片部12及多孔体20的整体的每单位体积的比表面积为1.0×103m2/m3以上且10×103m2/m3以下、纤维密度D1、D2为10％以上且40％以下，既维持较高的热传递率，又将压力损失抑制得较低。
本发明例1～8中，多孔体20的横截面中的椭圆纤维比率为40％以上且70％以下的试样编号1、3、5～8中，导热率与压力损失的均衡性尤其良好，且通过抑制压力损失的增加，能够有效地维持高导热率。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够加以各种变更。
例如，上述实施方式中，多孔体形成于散热片部之间的槽部，但也可以设置成也覆盖散热片部的前端。此时，散热片的高度还包括相当于散热片部的前端的多孔体的厚度的量。并且，上述实施方式中，对分别由A1050构成散热片部、基板部及多孔体的散热器进行了说明，但并不限定于此，也可以是由其他铝或铝合金构成的散热器。并且，散热片部、基板部及多孔体也可以由纯度各不相同的铝(铝合金)构成。
产业上的可利用性
本发明能够提高散热器的热交换性能。
符号说明
101、201、202 散热器
10、16 铝成型体
11、14 基板部
12、15 散热片部
12A 外侧散热片部
13 槽部
20 多孔体
200 多孔体部
21 铝纤维
22 烧结接合部
51 模具

Claims (6)

1.一种散热器，其特征在于，具有：
基板部，由铝的非多孔材构成；
多个板状的散热片部，由铝的非多孔材构成且一体地竖立设置于所述基板部的表面，该散热片部彼此隔着间隔平行配置而在彼此之间形成槽部；及
多孔体部，由至少一个多孔体构成，该多孔体由铝纤维的烧结体构成且具有三维网眼结构，并且填充于所述散热片部之间的槽部内且经由烧结接合部接合于所述散热片部及所述基板部。
2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，
在所述多孔体的与所述散热片部的排列方向平行的横截面中，长径与短径的纵横比为1.2以上的所述铝纤维的截面的个数相对于所观察到的所述铝纤维的截面的总数的比率为40％以上且70％以下。
3.根据权利要求1或2所述的散热器，其特征在于，
除去所述散热片部及所述多孔体部的金属部分的空间体积在由传热介质在所述基板部的所述表面流通的区域的平面面积与所述散热片部的高度之积求出的整体体积中所占的比率即空隙率为40％以上且70％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其特征在于，
所述散热片部及所述多孔体部的整体的每单位体积的比表面积为1.0×103m2/m3以上且10.0×103m2/m3以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的散热器，其特征在于，
在与所述基板部的所述表面平行的纵截面中所述铝纤维的截面积相对于所述槽部的面积的比率即纵截面纤维密度D1[％]为10％以上且40％以下，
在与所述纵截面正交且与所述散热片部的排列方向平行的横截面中所述铝纤维的截面积相对于所述槽部的面积的比率即横截面纤维密度D2[％]为10％以上且40％以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的散热器，其特征在于，
所述散热片部中的配置于所述排列方向的最外侧的各外侧散热片部分别与所述基板部的两侧边缘相比配置于内侧，
所述多孔体接合于所述外侧散热片部的外侧面和所述基板部的所述表面的比所述外侧散热片部更靠外侧的位置。
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