JP2006132840A

JP2006132840A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2006132840A
Application number: JP2004321955A
Authority: JP
Inventors: Koji Kichise; 幸司吉瀬; Tetsuro Ogushi; 哲朗大串; Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Taijo Murakami; 泰城村上; Yasuhiro Yoshida; 育弘吉田; Teruhiko Kumada; 輝彦熊田; Hajime Yoshiyasu; 一吉安; Hide Yamashita; 秀山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】熱交換器の熱交換効率を向上させることである。
【解決手段】本発明の熱交換器は、熱伝導部材１８、２４間で熱伝達が行われる熱交換器１０であって、熱伝導部材１８、２４同士が接触しており、熱伝導部材１８、２４の少なくとも一方の接触面にナノポーラス層３０が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来、冷却装置などの熱交換器は、熱伝達性を高めるために大きい表面積を有する。小型の熱交換器においては、熱を伝達する熱伝導部材を複雑な形状にすることによって大きい表面積を得ている。発熱体（例えば、ＣＰＵなど）に熱的に接続されるヒートシンクなどが挙げられる。複雑な形状の熱伝導部材は、異なる複数の熱伝導部材を組み立てることによって作製される。

また、流体に熱伝達する伝熱面に１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の孔（ナノオーダの大きさの孔）を有する多孔質層（以下、「ナノポーラス層」と称する。）を形成すると、流体と伝熱面の熱伝達性が、ナノポーラス層が存在しない場合に比べて向上することが報告されている（非特許文献１参照。）。
功刀、芝原、他「ナノ・ミクロン−スケール多孔質構造による超高伝熱促進」，日本機械学会熱工学コンファレンス２００３講演論文集、ｐ３０９

しかしながら、組み立てられて接触し合う熱伝導部材の間で高い熱抵抗が発生することがある。理由は、接触し合う熱伝導部材の接触面の間に空間が形成されるためである。これは、接触し合う各熱伝導部材の接触面が高精度に形成されておらず、隙間なく接触できないことが原因とする場合もあれば、ろう材によって複数の熱伝導部材を接合したときに空気が抜けずに生じる場合もある。この空間の存在によって熱交換器の熱交換効率が低下する。

そこで、本発明は、接触し合う各熱伝導部材の接触面の間に空間が存在する場合において、接触面と流体との熱抵抗を小さくするとともに、接触し合う熱伝導部材の接触面間の熱抵抗を小さくすることにより、熱交換効率が向上した熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の態様の熱交換器は、
熱伝導部材間で熱伝達が行われる熱交換器であって、
熱伝導部材同士が接触しており、
熱伝導部材の少なくとも一方の接触面にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る第２の態様の熱交換器は、
熱伝導部材と流体で熱伝達が行われる熱交換器であって、
熱伝導部材が流体と接触しており、
熱伝導部材の流体との接触面にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、接触し合う各熱伝導部材の接触面の間に空間が存在する場合において、接触面と空間（空気）との熱抵抗を小さくするとともに、接触し合う熱伝導部材の接触面間の熱抵抗を小さくすることが可能になり、熱交換効率が向上した熱交換器の提供が可能になる。

以下、実施の形態として、ヒートシンクを挙げるが、本発明はこれに限定するものではなく、異なる熱伝導部材間で熱交換が行われる熱交換器であれば実施可能である。

図１は、本発明に係る熱交換器の一例であるヒートシンクの断面図である。ヒートシンク１０は、パワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）１２を冷却するものであって、グリース１４を介してパワー半導体素子１２と熱的に接続されている。

ヒートシンク１０は、パワー半導体素子１２とグリース１４を介してパワー半導体素子１２と熱的に接続されている表面１６を有する板状のベース部１８と、ベース部１８の表面１６と対向する表面２０に一定の間隔２２をあけて並設されている板状の複数のフィン２４とを有する。

図２は、ベース部１８とフィン２４との接合状態を示す図１の部分拡大図である。ベース部１８とフィン２４は、ベース部１８のテーパ形状の溝２６にフィン２４の異なるテーパ形状（溝２６のテーパ形状より小さいテーパ角のテーパ形状）の先端２８が差し込まれることによって係合されている（以下、「カシメ接合」と称する。）。本実施の形態において、テーパ溝２６の表面とテーパ端２８の表面が、接触面を構成する。

ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面それぞれには、ナノポーラス層３０が形成されている。ナノポーラス層３０は、ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面の少なくとも一方に形成されていればよく、可能であれば両方に形成されているのが好ましい。

ナノポーラス層３０の形成方法は、例えば、ヒートシンク１０（ベース部１８とフィン２４）が銅製である場合、ナノポーラス層を形成するベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面を濃硫酸で洗浄し、次に、水で洗浄する。水をふき取った後、ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面に濃硫酸を膜状に塗布し、その上に粒子径がナノサイズ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）の酸化銅粒子を吹き付ける。ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面に酸化銅粒子が十分に固着した後、水で洗浄することにより、ナノポーラス層の形成が完了する。ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面に固着した酸化銅粒子の間隙によってナノポーラス層の孔が形成される。

ナノポーラス層３０の形成方法は、これに限定するわけでなく、ナノポーラス（ナノサイズの孔）が形成されるのであれば、どのような方法でもよい。また、ナノポーラス層３０は、約１０μｍ以下の厚さであるため、カシメ接合に影響を与えることがない。

ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８は、カシメ接合であるため、その間に空間（隙間）３２が形成されている。空間３２は、ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の表面に形成されたナノポーラス層３０によって覆われている。ナノポーラス層３０を介することにより、テーパ溝２６と空間３２内の空気との熱伝達性が向上するとともに、テーパ端２８と空間３２内の空気との熱伝達性が向上する。

ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８は、それぞれの表面に形成されたナノポーラス層３０を介して接触している。ナノポーラス層３０は、ナノポーラスを表面にも有するので表面積が大きくなる。表面積が大きいナノポーラス層３０を介するためベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８との接触面積が大きくなり、ベース部１８とフィン２４との熱抵抗が、ナノポーラス層３０がない場合に比べて小さくなる。なお、ベース部１８のテーパ溝２６とフィン２４のテーパ端２８の接触部分に形成されているナノポーラス層３０のナノポーラスは接触によって潰れてナノポーラス層による熱伝達性の向上の効果が小さくなるが、その効果は、ナノポーラス層３０によって接触面積が大きくなり熱抵抗が小さくなる効果によって補完される。

このようなヒートシンク１０によれば、パワー半導体素子１２から発生した熱は、グリース１４を介してヒートシンク１０に伝達される。ヒートシンク１０に伝達された熱は、ヒートシンク１０内を伝導し、テーパ溝２６に到達する。テーパ溝２６に到達した熱は、テーパ溝２６と接触しているフィン２４のテーパ端２８にナノポーラス層３０を介して伝達される。このとき、ナノポーラス層３０によって熱抵抗がナノポーラス層３０がない場合に比べて小さいため、より多くの熱が伝達される。それとともに、空間３２を介してテーパ溝２６からフィン２４のテーパ端２８に熱が伝達される。このとき、空間３２がナノポーラス層３０で覆われているため、テーパ溝２６の表面に形成されたナノポーラス層３０から空間３２内の空気に高い熱伝達効率で熱が伝達され、続いて、空間３２内の空気からフィン２４のテーパ端２８の表面に形成されたナノポーラス層３０に高い熱伝達効率で熱が伝達される。この間で伝達された熱量は、ナノポーラス層３０がない場合に比べて大きい。フィン２４のテーパ端２８に伝達された熱は、フィン２４内を伝導し、フィン２４の表面から外気に放熱される。

本実施形態によれば、フィンのテーパ端とベース部のテーパ溝の間に空間が生じても、テーパ端とテーパ溝の表面にナノポーラス層を形成することによって多く熱を伝達でき、フィンとベース部の熱抵抗を小さくすることができる。その結果、ヒートシンクの熱交換効率が向上する。

また、ヒートシンク１０のベース部１８の表面１６にナノポーラス層を形成してもよい。これにより、粘性を有する液体のグリース１４とベース部１８との熱伝達性が向上され、パワー半導体素子１２をより冷却することができる。また、パワー半導体素子１２のグリース１４との接触面にナノポーラス層を形成してもよく、パワー半導体素子１２とグリース１４との熱伝達性が向上される。

カシメ接合に以外の係合方法においても、本発明は使用できる。例えば、異なる熱伝導部材がロウ接着（ロウ付け接合）されて熱伝導部材間を熱が伝達される場合でも、熱伝導部材間に空間（一般的に、ボイドと呼ばれる空間）が形成されるのであれば、ナノポーラス層によって空間による熱抵抗を小さくすることができる。また、ろう材と熱伝導部材との間の熱抵抗も小さくできる。

また、接触面の形状は、実施の形態のように、一方の熱伝導部材に形成された凹形状面と他方の熱伝導部材に形成された凸形状面のような形状でなくてもよい。例えば、平板状の２つの熱伝導板を接触させて熱交換する場合にも実施可能である。極めて高い平面度で作成された熱伝導板でない限り、熱伝導板の間には空間が生じるためである。ナノポーラス層により、この空間によって増大した熱抵抗を小さくすることができる。

本発明に係る熱交換器であるヒートシンクの断面図である。ヒートシンクのベース部とフィンとの係合部を示した図１の拡大断面図である。

符号の説明

１０熱交換器（ヒートシンク）１８熱伝導部材（ベース部）、２４熱伝導部材（フィン）、３０ナノポーラス層

Claims

熱伝導部材間で熱伝達が行われる熱交換器であって、
熱伝導部材同士が接触しており、
熱伝導部材の少なくとも一方の接触面にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする熱交換器。
熱伝導部材と流体で熱伝達が行われる熱交換器であって、
熱伝導部材が流体と接触しており、
熱伝導部材の流体との接触面にナノポーラス層が形成されていることを特徴とする熱交換器。