JP2006019402A

JP2006019402A - ヒートシンク

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Publication number: JP2006019402A
Application number: JP2004194125A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Sakai; 三佳酒井
Original assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP4386799B2

Abstract

【課題】発熱源の冷却を行うことができ、しかも、発熱源から奪った熱を有効利用することもできるヒートシンクを提供すること。
【解決手段】ヒートシンク１は、一方の面が発熱源に接するように配置される基部１０と、基部１０の発熱源に接する面とは反対側の面に立設された５枚の放熱フィン１２とを備えた構造になっている。放熱フィン１２の表面には、熱電変換素子１６が形成されている。このヒートシンク１を使用すれば、発熱源の冷却を行うことができるのはもちろんのこと、単に発熱源から熱を奪うだけではなく、発熱源から奪った熱を利用して電力を得ることができるので、発熱源から奪った熱を有効利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクに関する。

従来、放熱フィン付きのヒートシンクは知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種のヒートシンクは、一般に、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属によって形成され、複数の平板状の放熱フィンが並列に配置された構造になっている。

このような構造のヒートシンクを発熱源に接するように配置すれば、発熱源からの熱を放熱フィンへと伝達し、放熱フィンから空気中へ熱を放出することにより、発熱源の冷却を図ることができる。
特開平５−２１６６５号公報

しかしながら、上記従来のヒートシンクは、発熱源から奪った熱を、単に空気中に放出・廃棄しているだけで、熱の有効利用については、何ら考慮されていなかった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発熱源の冷却を行うことができ、しかも、発熱源から奪った熱を有効利用することもできるヒートシンクを提供することにある。

以下、本発明において採用した特徴的構成について説明する。
本発明のヒートシンクは、
放熱フィンを備えたヒートシンクであって、
ｐ型熱電材料からなる第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる第２の薄膜が、前記放熱フィンの表面に形成されており、前記第１，第２の薄膜を直列に接続して熱電変換素子が構成されている
ことを特徴とする。

このヒートシンクにおいて、放熱フィンの表面に形成される熱電変換素子は、ゼーベック効果による熱電発電を行う素子である。また、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行う素子としても利用できるものである。

このように構成されたヒートシンクは、一般的な放熱フィン付きヒートシンクと同様に、一部が発熱源に接するとともに、放熱フィンが空気にさらされるように配置される。放熱フィンは、単に空気にさらされるだけでも構わないが、ファンなどを併用して強制的に空冷するように構成されていてもよく、この点も一般的な放熱フィン付きヒートシンクと同様である。

このように配置されたヒートシンクにおいて、発熱源の発する熱がヒートシンク側へと伝わると、その熱は放熱フィンに伝わり、放熱フィンから空気中へ熱が放出される。このとき、放熱フィンの局部局部は、発熱源からの距離や形状により、熱の伝わりやすさや熱の放出しやすさに違いがあるため、この違いに起因した温度差が生じる。

そこで、本発明のヒートシンクにおいては、放熱フィンに生じる温度差を考慮して、上述のｐ型熱電材料からなる第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる第２の薄膜が形成され、これにより、これら第１，第２の薄膜を直列に接続してなる熱電変換素子に、ゼーベック効果による起電力が生じるように構成してある。

そのため、従来のヒートシンクとは異なり、単に発熱源から熱を奪うだけではなく、発熱源から奪った熱を利用して電力を得ることができる。熱電変換素子によって得た電力は、どのような方法で利用しても構わないが、例えば、コンピュータ内部の発熱源であるＣＰＵや各種ＩＣチップに本発明のヒートシンクを装着する場合であれば、コンピュータ内蔵の充電池に電力を供給して充電を行うなどの利用方法を考えることができる。

したがって、本発明のヒートシンクによれば、発熱源の冷却を行うことができ、しかも、発熱源から奪った熱を有効利用することもできる。
また、この熱電変換素子に電力を供給することにより、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うことも可能である。すなわち、本発明のヒートシンクにおいては、放熱フィンに生じる温度差を考慮して、ゼーベック効果による起電力が生じるように熱電変換素子が形成されているので、この温度差とは高低が逆になる温度差が生じるような向きで熱電変換素子に電流を流すことにより、発熱源からの放熱を促すことができる。

ここで、このようなペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うペルチェ素子としては、従来、ｐ型熱電材料やｎ型熱電材料と同一組成の原料組成物を加熱して熔解または焼結したものから、機械的加工（切削加工）によってブロック状の成形体を切り出し、それらを基板上に配列して直列に接続したものであれば、既に実用化されている。

しかし、このような従来のペルチェ素子は、熱電冷却による冷却効果しかなく、ペルチェ素子に電力を供給しない状態で発熱源からの放熱を促す効果は、ほとんど期待することができないものであった。

これに対し、本発明のヒートシンクは、放熱フィンの表面に薄膜状の熱電変換素子を形成するという特徴的構成を採用しているので、熱電変換素子に電力を供給しない状態でも発熱源からの放熱を促す効果があり、より一層冷却効果を高めたい場合にのみ、熱電変換素子に電力を供給すればよい。

したがって、例えば、通常は、放熱フィンによる放熱能力を利用して発熱源の冷却を図り、それと並行して発熱源からの熱を利用した熱電発電を行う一方、発熱源の発熱量が増大した場合には、熱電変換素子に電流を流し、放熱フィンによる放熱能力とペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）とを併用するかたちで、発熱源に対する冷却能力の向上を図る、といった運用が可能となる。

なお、本発明のヒートシンクは、さらに次のように構成されていてもよい。
まず、本発明のヒートシンクにおいては、前記第１，第２の薄膜のうち、いずれか一方または両方が、物理的蒸着技術によって形成されていると望ましい。

ここでいう物理的蒸着技術としては、例えば、スパッタリング、イオンビームスパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着、レーザー蒸着、電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを挙げることができる。

また、第１，第２の薄膜は、十分な熱電性能が得られるのであれば、その厚さが限定されるものではないが、上記物理的蒸着技術によって薄膜を形成する場合であれば、厚さ０．１〜１００μｍの薄膜状に形成されていると、十分に満足な熱電性能が得られるとともに、十分に省スペースな素子を構成できるので望ましい。厚さが０．１μｍを下回ると十分に満足な熱電性能を発現させることが難しくなる一方、厚さが１００μｍ以上あっても大幅な熱電性能の改善は期待できないので無駄である。

また、第１，第２の薄膜を形成するために用いるｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料についても、十分な熱電性能が得られるのであれば、特に限定されるものではないが、いくつか具体例を挙げれば、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料、カルコゲナイト系熱電材料、スクッテルダイト系熱電材料、フィルドスクッテルダイト系熱電材料、または炭化ホウ素系熱電材料などを用いることができる。

例えば、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料の場合、その構成元素の組成比を制御するか少量の第４元素を添加することにより、ｐ型熱電材料とすることもｎ型熱電材料とすることもできる。より具体的には、例えば、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料をｐ型熱電材料としたい場合は、その組成比を制御して一部のＦｅサイトやＶサイトをＡｌで置換したり、第４元素として少量のＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏ等を加えることにより、これら第４元素で一部のＶサイトを置換するとよい。また、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料をｎ型熱電材料としたい場合は、第４元素として少量のＳｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、希土類（例えばＹ）等を加えることにより、これら第４元素で一部のＡｌサイトを置換するとよい。

また、上記のような物理的蒸着技術により熱電材料の薄膜を形成する際には、放熱フィンの温度条件を最適化した状態で薄膜を形成することで、熱電変換素子の熱電性能を改善できる場合がある。例えば、上記のようなＦｅ₂ＶＡｌ系熱電材料の場合であれば、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されているとよい。５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されたＦｅ₂ＶＡｌ系熱電材料の熱電性能が高い理由は、種々の要因が重なっている可能性があり、それらの要因すべてを特定することは困難であるが、例えば、５００℃以上とすることで、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料に含まれる構成元素の規則性、結晶性、あるいは緻密性が上記温度条件下では最適化される、１０００℃以下とすることで基材側から受ける悪影響を抑制できる、といった要因があるのではないかと推察される。そして、その結果、物理的蒸着技術により形成されたＦｅ₂ＶＡｌ系熱電材料の薄膜であっても、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に形成された薄膜と、５００℃未満までしか加熱されていない基材の表面に形成された薄膜や１０００℃超過まで加熱された基材の表面に形成された薄膜とでは、薄膜内における構成元素の規則性、結晶性、緻密性などの微視的構造が異なった薄膜となり、熱電性能に差が現れるのではないかと推察される。さらに、上記以外の要因も存在するかもしれないが、いずれにしても、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されたＦｅ₂ＶＡｌ系熱電材料であれば、実用上十分に満足な熱電性能を得ることができる。

また、本発明のヒートシンクにおいて、放熱フィンの形成材料は特に限定されないが、少なくとも前記第１，第２の薄膜の形成されている面が、絶縁材料によって形成されていると好ましい。より具体的には、放熱フィン全体を絶縁材料によって形成するか、導電材料によって形成された基材の表面に絶縁処理（例えば、絶縁材料からなる被膜を形成する処理）を施したものを放熱フィンとして利用するとよい。このような構成にすると、熱電変換素子に温度差を与えた際に発生する電気が基板側に流れるのを防止できるので、良好な熱電発電性能を確保することができる。

このような絶縁材料からなる放熱フィンの一例を挙げれば、前記放熱フィンが、セラミックス製であると好ましい。セラミックスとしては、例えば、ジルコニア系、アルミナ系、シリカ系、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化アルミ系、ムライト系、ステアタイト系、コージライト系、サファイア系、チタニア系、またはフォルステライト系などのセラミック材料を用いることができる。

さらに、本発明のヒートシンクにおいて、熱電変換素子は、前記ｐ型熱電材料と前記ｎ型熱電材料が、導電材料を介して直列に接続された構造になっていてもよく、この場合、導電材料が、前記放熱フィンの表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されているとよい。

導電材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属を用いることができる。導電材料の条件としては、電気抵抗率が低い材質のものであればどのようなものでもよい。このような導電材料を用いれば、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との接合性が低い場合でも、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料それぞれとの接合性が高い導電材料を介在させることで、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とをより確実に電気的に接続することができる。

なお、熱電材料および導電材料を設ける順序については特に限定されず、ｐ型熱電材料→導電材料→ｎ型熱電材料、またはｎ型熱電材料→導電材料→ｐ型熱電材料の順序で形成することにより、重ねて物理的蒸着技術により成膜されるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に導電材料を挟み込んでもよいし、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを重ねず、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように導電材料を物理的蒸着技術により成膜してもよい。ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように導電材料を物理的蒸着技術により成膜する場合は、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料、導電材料をどの順序で物理的蒸着技術により成膜しても、導電材料をｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように設けることができる。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
まず、ヒートシンクの全体構造について説明する。
図１（ａ）に示すように、ヒートシンク１は、一方の面が発熱源に接するように配置される基部１０と、基部１０の発熱源に接する面とは反対側の面に立設された５枚の放熱フィン１２とを備えた構造になっている。

基部１０は、長さ３０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのジルコニア製の単層基板で、図１（ｂ）に示すように、表面に２本の金電極１４が形成されている。なお、この金電極１４は、蒸着法により形成された薄膜である。

放熱フィン１２は、長さ３０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのジルコニア製の単層基板で、図１（ａ）に示すように、表面に熱電変換素子１６が形成されている。
そして、基部１０と放熱フィン１２は、エポキシ樹脂系接着剤（商品名：アラルダイト）によって接着され、金電極１４と熱電変換素子１６は、図１（ｃ）に示すように、インジウム接合部１８を介して電気的に接続された構造になっている。

次に、熱電変換素子１６について、より詳しく説明する。
図２（ａ）に示すように、熱電変換素子１６は、ｐ型熱電材料からなる第１の薄膜２１と、ｎ型熱電材料からなる第２の薄膜２２とを、放熱フィン１２の表面に形成し、これら第１の薄膜２１および第２の薄膜２２を、交互に直列に接続した構造になっている。

第１の薄膜２１は、厚さ約５μｍで、本実施形態においては、ｐ型熱電材料として、Ｆｅ−Ｖ−ＡｌのＡｌ配合比を増大させてｐ型熱電材料としたもの（組成比Ｆｅ_49.3Ｖ_24.7Ａｌ₂₆）が使用されている。

第２の薄膜２２は、厚さ約５μｍで、本実施形態においては、ｎ型熱電材料として、Ｆｅ−Ｖ−Ａｌに少量のＳｉを添加してｎ型熱電材料としたもの（組成比Ｆｅ₅₀Ｖ₂₅Ａｌ_23.5Ｓｉ_1.5）が使用されている。

これら第１の薄膜２１および第２の薄膜２２は、いずれも物理的蒸着技術の一つであるスパッタリングによって形成されており、具体的には、次のような手順で製造されたものである。

まず、第２の薄膜２２のパターンと同形状の開口部が開けられた第１のマスキング治具を、放熱フィン１２上に載置して１回めのマスキングを行い、それを周知のスパッタ装置に入れて、１回めのスパッタリングを実施する。

より詳しくは、本実施形態においては、ＲＦスパッタ装置を使用し、ターゲットには上述したＦｅ₅₀Ｖ₂₅Ａｌ_23.5Ｓｉ_1.5を用いる。そして、チャンバー内を真空で３．０×１０^-3Ｐａ以下まで減圧した後、基板温度を６００℃まで上昇させるため、放熱フィン１２の下にあるランプヒーターを入れる。ヒーターを入れた後、真空度が３．０×１０^-3Ｐａ以下まで減圧されるのを待ち、減圧後、スパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、出力：３００Ｗ、Ａｒガス圧：１．０×１０^-1Ｐａのスパッタ条件で、１回目のスパッタリングを実施する。１回目のスパッタリングを終えたら、第１のマスキング治具を放熱フィン１２から取り除く。このような加工を行うことにより、放熱フィン１２の表面上には、図２（ｂ）に示すように、第２の薄膜２２が形成されることになる。

次に、第１の薄膜２１のパターンと同形状の開口部が開けられた第２のマスキング治具を、放熱フィン１２上（上記第２の薄膜２２が形成された面上）に載置して２回めのマスキングを行い、それを再びスパッタ装置に入れて、２回めのスパッタリングを実施する。

より詳しくは、本実施形態においては、ＲＦスパッタ装置を使用し、ターゲットには上述したＦｅ_49.3Ｖ_24.7Ａｌ₂₆を用いる。そして、チャンバー内を真空で３．０×１０^-3Ｐａ以下まで減圧した後、基板温度を６００℃まで上昇させるため、放熱フィン１２の下にあるランプヒーターを入れる。ヒーターを入れた後、真空度が３．０×１０^-3Ｐａ以下まで減圧されるのを待ち、減圧後、スパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、出力：３００Ｗ、Ａｒガス圧：１．０×１０^-1Ｐａのスパッタ条件で、２回目のスパッタリングを実施する。２回目のスパッタリングを終えたら、第２のマスキング治具を放熱フィン１２から取り除く。このような加工を行うことにより、放熱フィン１２の表面上には、図２（ａ）に示したように、先に形成されていた第２の薄膜２２に加えて、第１の薄膜２１が形成されることになる。

第２のマスキング治具の開口部は、上記第２の薄膜２２の端部が露出するような形状に開けられており、当該第２の薄膜２２の露出部分には、２回目のスパッタリングを実施した際、図２（ｃ）に示すように、第１の薄膜２１が重ねて形成される。この重なり部分において、第１の薄膜２１および第２の薄膜２２は電気的に接続され、８本の略帯状の第１の薄膜２１と８本の略帯状の第２の薄膜２２とが、交互に直列に接続された構造になる。

なお、第１の薄膜２１と第２の薄膜２２との接続部は、上記の通り、両薄膜が重なって形成されるようにスパッタリングを行うことで、電気的に接続された構造を形成してもよいが、別の導電性物質を介在させてあってもよい。

次に、上記ヒートシンク１の熱電性能を試験するため、図３に示すように、発熱源３１にヒートシンク１を取り付けるとともに、放熱フィン１２側には冷却ファン３３を取り付けた。また、ヒートシンク１の金電極１４に電圧計を接続した。本試験において、発熱源３１は１５０℃に加熱したステンレス製のブロックである。

放熱フィン１２に形成された熱電変換素子１６は、第１の薄膜２１と第２の薄膜２２との接合部分が交互に発熱源３１側と冷却ファン３３側に存在するようなパターンになっており、冷却ファン３３を作動させると、熱電変換素子１６に３０℃以上の温度差を与えることができる。この温度差に応じて電圧が発生するので、この電圧を上記電圧計で測定した。なお、温度の測定には、サーモビジョンを使用した。結果を下記表１に示す。

表１から明らかなように、このヒートシンク１を使用すれば、発熱源３１の冷却を行うことができるのはもちろんのこと、単に発熱源３１から熱を奪うだけではなく、発熱源３１から奪った熱を利用して電力を得ることができるので、発熱源３１から奪った熱を有効利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、ヒートシンク１において熱電発電を行う例を示したが、熱電変換素子１６に電力を供給することにより、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うことも可能である。特に、上記ヒートシンク１の場合、放熱フィン１２の表面に薄膜状の熱電変換素子１６を形成してあり、熱電変換素子１６に電力を供給しない状態でも発熱源３１からの放熱を促す効果があるので、より一層冷却効果を高めたい場合にのみ、熱電変換素子１６に電力を供給すればよい。

すなわち、通常は、放熱フィン１２による放熱能力を利用して発熱源３１の冷却を図り、それと並行して発熱源３１からの熱を利用した熱電発電を行う一方、発熱源３１の発熱量が増大した場合には、熱電変換素子１６に電流を流し、放熱フィン１２による放熱能力とペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）とを併用するかたちで、発熱源３１に対する冷却能力の向上を図る、といった運用が可能である。

また、上記実施形態では、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料について特定の組成比を示したが、この組成比は一例であり、ｐ型またはｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、適宜組成比を変更しても構わない。また、上記実施形態では、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料に第４元素としてＳｉを添加する例を示したが、これもｐ型またはｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、任意の第４元素を添加することができる。

また、上記実施形態では、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、他の熱電材料を利用してもよい。そのような熱電材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料、カルコゲナイト系熱電材料、スクッテルダイト系熱電材料、フィルドスクッテルダイト系熱電材料、炭化ホウ素系熱電材料などを挙げることができる。

さらに、上記実施形態では、薄膜状の熱電変換素子を形成するために、物理的蒸着技術の一つであるスパッタリングを利用していたが、本発明においては、他の物理的蒸着技術を利用することもできる。他の物理的蒸着技術としては、例えば、イオンビームスパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着、レーザー蒸着、電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを挙げることができる。これらの中でも、特にイオンプレーティングおよび電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）は、結晶性の高い薄膜を形成可能な物理的蒸着技術なので、熱電性能の高い熱電変換素子を製造するためには好適である。

（ａ）は本発明の実施形態として説明したヒートシンクの斜視図、（ｂ）は基部に形成された金電極を示す斜視図、（ｃ）はヒートシンクの側面図。（ａ）は放熱フィンに形成された熱電変換素子を示す正面図、（ｂ）は熱電変換素子を構成する第２の薄膜を示す正面図、（ｃ）は第１の薄膜と第２の薄膜の接合部分を示すＡ−Ａ線断面図。ヒートシンクの熱電発電性能の測定方法を説明するための斜視図。

符号の説明

１・・・ヒートシンク、１０・・・基部、１２・・・放熱フィン、１４・・・金電極、１６・・・熱電変換素子、１８・・・インジウム接合部、２１・・・第１の薄膜、２２・・・第２の薄膜、３１・・・発熱源、３３・・・冷却ファン。

Claims

放熱フィンを備えたヒートシンクであって、
ｐ型熱電材料からなる第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる第２の薄膜が、前記放熱フィンの表面に形成されており、前記第１，第２の薄膜を直列に接続して熱電変換素子が構成されている
ことを特徴とするヒートシンク。
前記第１，第２の薄膜のうち、いずれか一方または両方が、物理的蒸着技術によって形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
前記放熱フィンは、少なくとも前記第１，第２の薄膜の形成されている面が、絶縁材料によって形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
前記放熱フィンが、セラミックス製である
ことを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク。