JP2007273930A

JP2007273930A - 冷却部材

Info

Publication number: JP2007273930A
Application number: JP2006118709A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hiiragidaira; 啓柊平; Masuhiro Natsuhara; 益宏夏原; Tomoyuki Awazu; 知之粟津; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】被冷却体に隙間なく密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができ、従って従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクやフィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率が高い新たな冷却機構を提供する。
【解決手段】基材１の少なくとも被冷却体と接触する側の表面に、多数の柱状体２の集合した構造などからなる凸状構造を備えた冷却部材である。この冷却部材は、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び／又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、テレビ、プロジェクタ、コンピュータなどの電子機器の発熱箇所を冷却するための冷却部材に関するものである。

テレビ（ＴＶ）で画面に映像を投影する手法として、従来からブラウン管を用いた電子銃方式が一般的であった。しかし、この方式のテレビは１台の電子銃を用いてブラウン管上に走査するため、画面を大型化すると外周に対する角度がきつくなり、画面が歪むことから大型化には限界があった。この画面の歪みを防ぐためには、画面を湾曲させて電子銃からブラウン管までの距離を一定に保つ方法があるが、特に大型テレビにおいては平面画面の方が見やすいうえ、最近では小型テレビでさえ平面画面の人気が高いため、湾曲画面が大画面のテレビで採用されることはない。また、ブラウン管テレビは、画面の大型化に伴い厚みが非常に増大してしまうため、一般家庭のリビングに設置する大画面のテレビとしては相応しくない。

そのため、テレビの大画面化、薄型化を達成できる方式として、リアプロジェクション（リアプロ）テレビ、液晶テレビ、プラズマテレビ（ＰＤＰ：ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）等が脚光を浴び、従来のブラウン管テレビに置き換わりつつある。また、ホームシアタ用として、大画面スクリーンにプロジェクタを用いて画像を投影する方式も普及しつつある。しかも、画面やスクリーンは迫力を得るために大型化が進行しながら、画面やスクリーン以外の装置は室内スペースを占有しないように薄型化、軽量化が求められる。また、大画面になった分、光が広がって画面が暗くなると鑑賞し難いため、高輝度化に対する要求も高い。

上記のリアプロテレビも背面からプロジェクタを用いて画面へ投射する方式だが、反射鏡を１枚あるいは複数枚用いることにより、薄型の筐体内でプロジェクタと画面間の距離を稼ぐことができるため薄型化が可能である。リアプロも従来はＣＲＴ方式で背面からスクリーンに投影していたが、薄型化、軽量化、高画質化のために、最近ではＭＤ（ＭｉｃｒｏＤｉｓｐｌａｙ）方式に切り替わりつつある。ＭＤ方式には、光学デバイスとして透過型の液晶方式（ＨＴＰＳ：ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｏｌｉ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いたものと、反射型のＤＬＰ（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式及びＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）方式とがある。

液晶方式やＰＤＰ方式は、スクリーン自体に、画素数に応じた数の小型シャッターとしての液晶素子や、小型のプラズマ電極を画面上に並べて形成するため、投影用の距離を必要とせず薄型のまま大型化が容易である。そのため、リアプロテレビを含めて、上記液晶テレビ、プラズマテレビが大画面テレビの本命として急速に広がりつつある。その一方、このような画面の大型化に伴い、素子や画面からの発熱量や発熱密度が大きくなっている。また、同じ出力で大画面を映し出すと単位面積当たりの光量が不足してしまうため、一般に大画面ほど消費電力は上がり、それに伴う発熱量も増大する。その結果、効率的に熱を系外に排出しないと、素子やその周辺機器が熱劣化してしまうため、排熱を効率よく行う必要性が高まってきている。

また、コンピュータについても、デスクトップパソコン、ノートパソコン、サーバを初め、大型のメインフレームコンピュータ等は、大容量の情報を高速で処理するために、その中心となるＭＰＵはますます高集積化され、高速処理のためのクロック数の増大が求められ、年々ＭＰＵの発熱量は増大する傾向にある。しかしながら、あまりの発熱量の増加に多さに、排熱技術が追いついていない現状である。そのため、ＭＰＵ素子が自身の発熱で誤動作を起こしてしまうため、クロック数増大の開発を一時ストップせざるを得ない状況も生まれつつあり、より効率的な排熱技術に対する必要性が高まっている。

尚、最近の冷却技術として、特開２００４−３１９９４２号公報には、放熱部に金属発泡体を用いたヒートシンクが開示されている。しかし、金属発泡体は内部に無数の空孔を持つため、その使用方法を誤れば、放熱特性が得られるどころか、内部の気孔により断熱性能が高い発泡スチロールなどのように断熱層の働きをする恐れがある。また、特開２００５−０３２８８１号公報には、低気孔率部と高気孔率部を有する多孔質放熱体が開示されている。しかしながら、この凸状構造部は、例として多孔質焼結体やセラミックス繊維が列挙されているように変形しないため、放熱部に直接隙間なく接触させることが難しい。

特開２００４−３１９９４２号公報特開２００５−０３２８８１号公報

最近のテレビの排熱技術として、液晶テレビやプラズマテレビでは、例えば、Ａｌシートを画面背面に貼り、熱をＡｌシート背面に逃がしてから、ファンでエアをＡｌシート背面に当てて大気に放熱し、筐体の隙間から外部に熱を逃がす方式を採っている。また、リアプロテレビやプロジェクタの反射方式では、光学チップの背面にＡｌフィン付きのＡｌヒートシンクを押し付け、ファンでエアを送り込んで空冷し、同じように筐体の隙間から外部に熱を逃がしている。

リアプロテレビやプロジェクタでは、大画面化に伴い総熱量も多いうえ、１０〜２０ｍｍ角程度の小型素子（ＭｉｃｒｏＤｉｓｐｌａｙ）に光を集約して画像化し、それを大画面のスクリーンに投影するため、素子に集中する熱密度は非常に大きい。そのため、特に熱を効率よく排出する必要があるが、透過型のＨＴＰＳ方式では、液晶チップは光が透過するため、上記のごとく冷却モジュール面を押し付けて冷却することはできない。そこで、液晶チップの外周フレームをＡｌやＭｇのような高熱伝導金属で構成して熱を伝え、これをファンで空冷し、更に外周フレームにフィンを付けて空冷効果を上げる等の手法が採られている。

また、ＤＬＰ方式では、特に熱が大きく掛かるシアタ用の大画面用プロジェクタにおいて、ＤＬＰチップ背面を水冷することも行われている。しかし、電気装置内に水を回すことは、水漏れによるショートや電気部品の劣化等の危険を常にはらんだ状態で稼動することになるため、出来るだけ空冷方式が望ましい。しかも、素子の部分で水冷しても、通常その液体を使い捨てにすることは稀であり、循環させて使用するため、別の場所で熱は熱交換器を通じて大気放出せざるをえず、効率的な空冷構造は不可欠である。

しかしながら、上記したヒートシンクやフィンにより熱を素子等から奪ってファンで空冷する方法では、大画面化に伴って増大する発熱を十分に冷却するには限界があった。即ち、素子等からヒートシンクに伝わった熱は、ヒートシンク背面に伝わる前に周辺部材に広がって温度が低下してしまうため、そのヒートシンク背面をファンで冷却しても低い冷却効率しか得られなかった。しかも、ファンによる空冷は、筐体内に熱を撒き散らしてしまうため、他の部品に影響を及ぼしやすいという問題があった。更に、筐体の隙間から出てくる熱風は、装置の傍にいる人に熱風を吹きかけ、また室内の温度を上げてしまうため、不快な面が多々あった。また、ファンの風切り音は、静かなリビングで映像を楽しむ際の最大の不快要因でもあった。

また、素子を搭載するセラミックスの基板やパッケージ等には必ず焼結時の反りが存在し、例えば０.１〜０.１５ｍｍ程度反っているため、ヒートシンク等を押し付けると隙間ができ、この隙間に残った空気は非常に大きな熱抵抗になる。そこで、基板やパッケージ等とヒートシンクとの間に、厚さ１〜２ｍｍの柔軟性のある熱伝導性のシートやコンパウンド樹脂を挟み込み、隙間をなくして取り付ける方法が採られていた。熱伝導性のシートやコンパウンドは出来るだけ熱伝導率の高いものが選ばれるが、それでも数Ｗ／ｍ・Ｋから１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるため、せっかく２３７Ｗ／ｍ・Ｋという高熱伝導率のアルミニウムや４０３ｗ／ｍ・Ｋの銅をヒートシンクに用いても、その界面層の低熱伝導性が律速になって効率的な熱の排出が行えなかった。

デスクトップパソコンやサーバ等においても、ＭＰＵの冷却技術は、リアプロテレビやプロジェクタの素子冷却技術とほぼ同じ空冷技術が採用されている。即ち、ＭＰＵ背面に設けた熱伝導シートや熱伝導樹脂を介してＡｌヒートシンクに熱を伝え、背面からファンで大気をあてて放熱している。あるいはヒートパイプを用いてＭＰＵから熱を筐体近傍まで運び、そこで大型のフィンとファンで熱を筐体外へ排出している。しかし、冷却効率が低い問題は依然としてあり、ＭＰＵの発熱量増大に伴って放熱が追いつかなくなってきている現状である。また、ヒートパイプは熱を運搬する装置でしかないため、熱の運搬先で大型のフィンとファンによって大気放熱し、筐体外へ熱を排出する必要があるのは同じであり、小型化の妨げになっている。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、高分子や有機系のシートやグリースを用いることなく、且つ熱抵抗となる隙間も生じさせることなく、セラミックス等の被冷却体に密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができ、従って従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクやフィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率が高い、新たな冷却機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供する冷却部材は、被冷却体に接触して冷却を行う冷却部材であって、少なくとも被冷却体と接触する表面に、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、その複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び／又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことを特徴とするものである。

本発明によれば、素子やそれを搭載する基板等の被冷却体に反りや面粗さ等があっても、従来のように高分子や有機系のシートやグリースを用いず、熱抵抗となる隙間を生じさせることなく、弾性変形能及び／又は塑性変形能を有する凸状構造部によって被冷却体に密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができる。

従って、本発明の冷却部材を用いることによって、従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクや、フィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率を高めることができるため、例えばテレビ、プロジェクタ、パソコンなどの電子機器における最近の発熱量の増大に対応することができる。

被冷却体には完全に抑えきれない反り、うねり、面粗さ等があり、そのため冷却部材との接触面に隙間が発生し、その隙間は熱伝導率がほぼゼロになってしまうため、熱伝導を大きく妨げる要因となる。例えば、剛性の高い部品同士を面接触させる場合、平面度を上げ且つ面粗度をいくら小さくしても、微視的に見て完全にフラットな面はできない。その結果、最も突き出た３点で接触して他の部分は浮いてしまうため、部品同士の間に生じた隙間は熱伝導に寄与せず、冷却能力は低くならざるを得なかった。

そこで従来はやむなく、空間を埋める効果の高い高分子や有機系のシートやグリースを用いて、部品同士の隙間を埋めていた。しかし、これらの高分子や有機系のシートやグリースは熱伝導率が非常に低く、高熱伝導率タイプでもせいぜい５Ｗ／ｍ・Ｋ程度しかない。従って、隙間が埋められて熱伝導率ゼロの部分はなくなるが、これらの高分子や有機系のシートやグリースからなる熱伝導率の低い層が部品間に介在することになるため、その層が大きな熱抵抗となり、冷却能力向上の妨げになっていた。

これに対し、本発明の冷却部材は、少なくとも被冷却体と接触する表面に複数の凸状構造が形成され、この複数の凸状構造は被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する。そのため、本発明の冷却部材は、複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び／又は塑性変形することにより、高分子や有機系のシートやグリースを用いなくても、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことができる。被冷却体から奪った熱は、凸状構造部を介して放熱部へ速やかに伝えるため、熱が被冷却体側にこもることがない。

本発明の冷却部材における凸状構造部としては、その構造自体に特に制限はないが、好ましい凸状構造部の一つとして、例えば図１に示すように、冷却部材の基材１上に多数の柱状体２が集合した構造がある。この多数の柱状体の集合した凸状構造部は、柱状体の形状や配置を設計することにより、内部に空間を有し、クッション性や熱を奪う構造を作製しやすいため好ましい。図２に示すように、柱状体２の先端につば部３を設けることもできる。また、個々の柱状体の径を５００μｍ以下とし、アスペクト比を５以上とすることにより、十分な変形能と放熱特性とを兼ね備えることができるため好ましい。更に、柱状体上に枝状体を形成することにより、放熱面積を大きくでき、且つ流体の流れを乱して放熱しやすくできるため好ましい。

また、上記柱状体の一部あるいは全体が曲線を含む形状であれば、被冷却体に柱状体の先端でなく側面で接触することができるため接触面積を大きくでき、しかも柱状体の曲線部による弾性を活用でき、被冷却体により高いクッション性をもって押付けすことが可能となるため好ましい。例えば、図３に示すように、曲線部の片側だけ柱状体の保持板に固定した形状であっても良いが、図４に示すように、両側を保持板に固定してアーチ状にすることにより、安定した高いクッション性をもって被冷却体に押し付けることが可能となるため好ましい。また、柱状体の一部あるいは全体が、図５に示すように曲線を複数含む形状や、らせん形状、あるいは図６に示すようにＳ字状であっても良い。

他の好ましい凸状構造部としては、金属多孔体やハニカム構造体があり、保持板で被冷却体に押し付けて接触させる。金属多孔体は、例えば樹脂の発泡体にめっきした後、樹脂発泡体を焼き飛ばすことにより安価に製造することができ、しかも比較的均一な空間を有する構造が得やすいため好ましい。また、ハニカム構造体は、そのハニカムの軸を被冷却体との接触面に対し平行に配置することにより、比較的均一で安定した剛性とクッション性を有し、且つ内部に空間を有する構造が得やすいため好ましい。

更に他の好ましい凸状構造部としては、金属線を絡み合わせたもの又はカーボンファイバを絡み合わせたものがあり、これらは安価に保持板で凸状構造部を被冷却体に押し付ける構造が得られるため好ましい。金属線を絡み合わせた凸状構造部はほぼあらゆる金属に適用可能であるし、カーボンファイバは製造条件次第でｃ軸方向の熱伝導率が５００〜８００Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を有する材料が可能であり、比較的安価であるため容易に凸状構造部を被冷却体に押し付けた構造が得られるため好ましい。また、コイルや波形の金属線を保持板上に形成した溝に並べてクッション性を持たせた構造、あるいはコイルや波形の金属線を保持板上に半田やロウ材等の接合材を用いて接合してクッション性を持たせた構造を、被接合体との間に挟み込んで凸状構造部材を形成することも可能である。コイルや波形は安価に量産することが可能であり、またクッション性も安定しているので、簡便に凸状構造体として適用できるため好ましい。

上記した多数の柱状体が集合した凸状構造部は、ワイヤー放電加工、ナノインプリント、ＬＩＧＡ（ＬｉｔｈｏｇｒａｐｈＧａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇＡｂｆｏｒｍｕｇ）法、エッチング箔積層法、ＭＥＭＳなどにより形成することができる。ワイヤー放電加工は、電圧を掛けたワイヤーあるいは加工したい形状の逆パターンに加工した電極を、導電性材料に近づけることにより、放電が発生して導電性材料を揮散あるいは溶融させて加工していく方法である。また、ナノインプリント法は、例えば被加工物を加熱しながら金型を押し付けることにより、金型に沿った型を付ける方法であって、安価で大量生産に向いている。

上記エッチング箔積層法では、例えば０.１ｍｍ厚みのＣｕ箔を０.１ｍｍ間隔で残してエッチングすることで、０.１×０.１ｍｍの柱状体が得られる。例えば柱状体間隔を０.３ｍｍにする場合は、この柱状体を０.３ｍｍ間隔でエッチングし、０.３ｍｍ厚みの箔を挟んで互いの面を合わせて積層すれば、柱状体が平面状に０.３ｍｍ間隔で並んだ凸状構造が得られる。積層した箔同士は溶接等で完全に接合しても良いし、ねじ等で締め上げて安価に固定することも可能である。

また、上記ＬＩＧＡ法により、例えば図１に示す多数の柱状体２の集合した凸状構造部を製造する場合には、基材１となる金属板上にレジストを塗布乾燥した後柱状体２の断面に相当するパターンのマスクを載せ、例えば斜め４５°の方向からＸ線を照射する。現像液で洗浄してＸ線のあたった箇所のレジストを除去し、レジストが除去された空間に電気めっきで金属を柱状に埋めた後、残っているレジストを酸素プラズマで除去することによって、斜めに傾斜した多数の柱状体２の集合した凸状構造部が得られる。また、この多数の柱状体２の先端に銀ロウ等を挟んで金属箔を載せ、加熱処理して接合した後、レーザで金属箔を升目状に切り離すことによって、図２に示すように柱状体２の先端につば部３を設け、被冷却体との接触面積を増やした凸状構造部を得ることができる。

凸状構造部に樹脂を用いることにより、射出成形等で容易に凸状構造が量産化できる。樹脂は高熱伝導率の材料であるほど良いが、近年３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上という高い熱伝導率を有する樹脂も開発され、これらは凸状構造部として好ましい。しかし、樹脂はＣｕやＡｌを含む金属に比べると熱伝導率がまだ低いため、樹脂を射出成形して凸状構造部を製造した後、その表面に高熱伝導率の金属や無機物をコーティングして熱伝導率を補うことも可能である。この場合の金属化には、Ｎｉめっき、Ｃｕめっき、Ａｕめっき、あるいはＮｉやＣｕやＡｕ等の金属スパッタ、あるいは金属溶射等がある。あるいは、有機金属のスラリーを塗布して熱分解で金属を析出させたり、導電性が十分な樹脂の場合には電離誘導等で金属を析出させるなど、特に手法は限定されない。また、凸状構造部を構成する高熱伝導率の金属が耐酸化性や耐腐食性等に劣る場合、その表面に耐酸化性や耐腐食性の高い金属をコートィングして、耐酸化性や耐腐食性等を向上させ、長期信頼性を確保することも可能である。

また、上記エッチング箔積層法による場合、例えば一辺に多数の柱状体を形成した箔と、図７のように一辺に凹凸形状の溝を形成した箔とを、柱状体と溝を形成した辺を揃えて交互に互いの面を合わせて積層すると、凸状構造部の内部に凹凸形状の複数の溝が形成されるため、大気等の冷媒の流れを乱して放熱が促進されるため好ましい。凸状構造部の厚みに対する凹凸形状の溝の深さは、１０倍より深くなると作製が難しくコストも上がるうえ、冷媒の流れを乱す効果も大きくならないため、１０倍以内の深さが好ましい。

凸状構造部内の隙間に凸状構造部の厚み以内の板状体を形成することでも、大気等の冷媒の流れを乱して放熱が促進されるため好ましい。この場合、板状体の表面粗さＲａが０.０１μｍ以上であれば、冷媒との間で固体／気体間の摩擦による大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に０.１μｍ以上であるとその効果は非常に大きくなる。また、板状体の表面粗さＲｍａｘが０.１μｍ以上であることにより、冷媒との間で固体／気体間の摩擦で大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に０.５μｍ以上であるとその効果は非常に大きくなる。

冷却部材の凸状構造部の厚みは、被冷却体の接触面に垂直方向において０.０１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。この凸状構造部の厚みを０.０１ｍｍ未満に加工することは難しく、また送り精度が高精度の加工機が必要となるため、コストが高くなりすぎる。また、凸状構造部の厚みが５０ｍｍを超えると、その構造の加工コストが高くなりすぎるだけでなく、機器の薄型化に対する要求を満たせなくなるため好ましくない。

また、上記冷却部材の凸状構造部の厚みは、被冷却体の接触面に垂直方向において０.３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが更に好ましい。この凸状構造部の厚みが０.３ｍｍ未満になると変形能が十分得られず、被冷却体に隙間なく接触することができないため、冷却効率が低下する。また、凸状構造部の厚みが５ｍｍを超える場合には、凸状構造部が厚過ぎるため、背面側に設けた放熱部への熱伝達が速やかに行われなくなり、やはり冷却効率が低下する。

本発明の冷却部材は、被冷却体との接触面以外の面に放熱部を設けることができる。この放熱部は、その全体あるいは一部が上記した複数の凸状構造からなる凸状構造体放熱部、あるいは公知のフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べたフィン状放熱部であってよい。この放熱部から放熱することにより、被冷却体からの熱の排出効率を一層高めることができる。

上記放熱部の厚み、即ち、板状放熱部の厚み、あるいは複数の板状体を並べたフィン状放熱部が構成する空間の厚みは、０.０１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。上記放熱部の厚みを０.０１ｍｍ未満に加工することは難しいため、送り精度が高精度の加工機が必要となり、コストが高くなり過ぎる。また、放熱部の厚みが５０ｍｍを超えても、加工コストが高くなり過ぎるうえ、機器の薄型化に対する要求を満たせなくなるため好ましくない。

また、上記板状放熱部の厚みは、０.３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが更に好ましい。放熱部の厚みが０.３ｍｍ未満になると、十分な放熱面積が得られず、冷却効率が低下してしまう。逆に、放熱部の厚みが５ｍｍを超えると、放熱の距離が長くなり過ぎるため、放熱部全体への熱伝達が速やかに行われなくなり、またフィン状放熱部では各フィンの根元まで大気が入り込み難くなるため、冷却効率が低下する。

上記した凸状構造部は、例えば４０３Ｗ／ｍ・Ｋの銅や２３６Ｗ／ｍ・Ｋのアルミニウムのような高い熱伝導率を有する材料で構成できるため、従来のような熱伝導率がせいぜい５Ｗ／ｍ・Ｋ程度しかないため熱抵抗の大きな熱伝導シートに比べて熱抵抗を小さくできる。従って、従来の熱伝導シートに代えて本発明の凸状構造部を用い、凸状構造部の保持板の背面から気体などの冷媒を送って冷却することにより、高い冷却効果を有することが可能である。また、保持板の背面を放熱フィンとしたり、背面を凸状構造にしたりして、薄型の冷却デバイスとすることも可能である。

凸状構造部の保持体の背面及び凸状構造部の両方に大気等の冷媒を送って冷却すれば、放熱する面積を増加させることが可能であるため、冷却効率が向上して好ましい。例えば、凸状構造部の保持体に大気等の冷媒を通す穴を形成し、背面側から大気等の冷媒を凸状構造部に流すと、特に大きな付加設備を設けることなく冷却効率が向上するため好ましい。冷却効率を上げるために、発熱体などの被冷却体に接している凸状構造部にはポンプやコンプレッサ等で大気等の冷媒を流通させ、背面にはファンで大気等の冷媒を送り込むことを行っても良い。

凸状構造部内の圧力損失が大きくなり、真空引きや加圧の際に大気等の冷媒の圧力が下がった箇所が生ずると、その箇所では熱を受け取る分子密度が減少することになるので、冷却効率が低下してしまう。そのため、凸状構造部内部の圧力損失が大きくならないような冷媒の流れを作ることによって、冷却効率を上げることができる。例えば、中央１点で背面からポンプ引きすると、中央の出口付近の圧力が最も低くなり、中央部の冷却効率は低下する。そのため、例えば、その周囲に圧力を分散するための補助穴を開けると、圧力損失が低下して冷却効率は向上する。更に、大気の導入部とポンプ引き部を交互に形成する等の手段によって、圧力損失が一層低下して冷却効率が向上するため好ましい。

本発明の冷却部材では、凸状構造部と被冷却体の接触状態での対向面積に対して、凸状構造部の複数の凸状構造が被冷却体と接触している部分が占める接触面積の割合が０.０１％以上であることが好ましい。上記対向面積に対して上記接触面積の割合が０.０１％以上であることにより、被冷却体から接触で熱を奪う効率を高く保持することができるからである。しかし、上記対向面積に対して上記接触面積の割合が０.０１％未満になると、接触熱抵抗が大きくなり過ぎるため好ましくない。

冷却部材における凸状構造部の空隙率は、５０％以上であることが好ましい。凸状構造部の空隙率が５０％以上であれば、その凸状構造部からの放熱も利用できるため、より一層冷却効率が向上して好ましい。また、凸状構造部の弾性変形量及び／又は塑性変形量は、被冷却体の接触面に対する垂直方向において５０μｍ以上であることが好ましい。上記弾性変形量と塑性変形量の両方又は片方が５０μｍ以上であることにより、被冷却体の反りやうねりを十分吸収できる能力を有するため好ましい。

冷却部材における凸状構造部は、ヤング率１５０ＧＰａ以下の材料で構成されていることが好ましい。凸状構造部のヤング率が１５０ＧＰａ以下であれば、その凸状構造部を被冷却体に押し付けたとき、被冷却体の反りやうねり等に沿って自由に変形して隙間無く接触できる。また、凸状構造部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料で構成されていることが好ましい。凸状構造部の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、その凸状構造部に伝わった熱を素早く背面側に伝えることができるからである。

冷却部材における凸状構造部の構成材料の純度は、９０％以上であることが好ましい。１０％以上の不純物を含むと、その材料が本来有する熱伝導率が急激に低下し、且つ被冷却体に押し付けた際に実質の接触面積を広げるための延展性も低下するため、接触熱抵抗が増加してしまうためである。

凸状構造部の表面粗さＲａは、０.０１μｍ以上であれば冷媒との間で固体／気体間の摩擦により大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に０.１μｍ以上であるとその効果は非常に大きくなる。また、凸状構造部の表面粗さＲｍａｘは、０.１μｍ以上であれば冷媒との間で固体／気体間の摩擦により大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に０.５μｍ以上であるとその効果は非常に大きくなる。

また、凸状構造部と被冷却体との接触部の表面粗さＲａは、１０μｍ以上になると被冷却体と凸状構造部の接触面積が小さくなり、熱抵抗が大きくなってしまうため、できれば１μｍ以下に抑えることが好ましい。尚、凸状構造部及びその接触部の表面粗さの測定は、例えば柱状体などでは触針式の粗さ計では難しが、表面粗さやうねりを測定できる三次元ＳＥＭ（３Ｄ-ＳＥＭ）によれば、非接触にて高倍率で表面粗さを測定できるため好ましい。

凸状構造部の強度が３５０ＭＰａより高いと、クッション性が低下するうえ、被冷却体に押し付けた際に実質の接触面積を広げるための延展性が低下し、接触熱抵抗が増加してしまうため好ましくない。

また、被冷却体に対して凸状構造部を押し付ける応力は、凸状構造部１本当たり１ｇ以上掛けるのが好ましい。１ｇ未満では凸状構造部が十分に被冷却体に押し付けられず、クッション性や表面の変形による接触が不十分となってしまうためである。押し付け量の最大値は、被冷却体が破損する総応力の８０％以内にする必要があり、それを越えると被冷却体が破損する確率が高くなってしまうためである。

冷却部材における凸状構造部は、少なくとも銅又はアルミニウム若しくはこれらを含む材料からなることが好ましい。例えば、ヤング率は銅が１２０ＧＰａ及びアルミニウムが８０ＧＰａであって十分な変形能を有し、熱伝導率は銅が４０３Ｗ／ｍ・Ｋ及びアルミニウムが２３７Ｗ／ｍ・Ｋと高いため好ましい。金や銀も高い熱伝導率と変形能を有するため材料特性的には好ましいが、コスト的にかなり高価になるため、工業的見地からは好ましくない。

また、冷却部材における放熱部は、表面の輻射率が０.６以上あることが好ましい。放熱部の表面の輻射率が０.６以上であれば、対流放熱だけでなく、輻射放熱も十分活用できるため、冷却効率が一層向上する。更に、放熱部を含めた冷却部材の表面の輻射率が０.６以上であれば、被冷却体との接触部分においても、接触熱伝導だけでなく輻射を介した熱伝導が活用できるため、接触熱抵抗が小さくなって熱を伝えやすくなり、冷却効率の向上に寄与できるため好ましい。

本発明の冷却部材においては、放熱部に冷媒を強制的に流すことにより、自然対流に比べて放熱効率を大幅に向上させることができる。例えば、冷媒が気体であることにより、機器内での熱の循環が行いやすく好ましい。冷媒が気体の中でも大気であれば、気体供給用のボンベ等を設置したり交換したりする必要がなくなるうえ、機器周辺から取り込んで簡単に使用でき、漏れた際の人体に対する影響もないため特に好ましい。

また、冷媒として液体を用いることにより、熱容量が大きくなるため、特に冷却能力を上げたい場合に好ましい。冷媒である液体として冷却水を用いることによって、安価で且つ交換も容易であるため特に好ましい。尚、寒冷地等での凍結の恐れのある場合や冷却能力を更に上げたい場合には、コストは掛かるが、液体の冷媒としてガルデンを用いることも有効である。

本発明の冷却部材を被冷却材に取り付けるには、その凸状構造部を被冷却部材に対して押し付けるだけで良いが、被冷却部材がロウ付けや半田付け等に耐える場合には、押し付けた状態でロウ付けや半田付けにより完全に接合しても構わない。その際、冷却部材の凸状構造部が容易に変形して、被冷却部材との間でクッションとなって熱応力を吸収できるので、被冷却体と間の熱膨張係数を合わせるために熱膨張係数優先で熱伝導率やヤング率を犠牲にしたり、応力緩和のためのコンパウンド樹脂などを介して接合したりする必要がない。そのため、無駄な隙間や応力緩和層による熱抵抗がなくなるため、高い冷却特性を達成することができる。

従って、本発明の冷却部材を被冷却体であるテレビ、プロジェクタ、コンピュータ等の電子機器に使用することによって、従来のヒートシンクやファン等の冷却手段に比べて、被冷却体の熱を極めて効率よく放熱して冷却することができ、最近の発熱量の増大に対応することができるうえ、電子機器の薄型化を達成することができる。

［実施例１］
図８に示すように、ＤＬＰ素子の代用として縦２０×横２０×厚さ１ｍｍのＡｌＮヒータ４を用い、このＡｌＮヒータ４を純度９２％の縦４０×横４０×厚さ２.５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３基板５にＡｇグリ−ス（熱伝導率：９Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いて接着した。この被冷却体であるＡｌ_２Ｏ_３基板５の裏面中央の冷却領域は、縦２０×横２０ｍｍであり且つ凹状に０.０５ｍｍ反っていた。

一方、冷却部材として、Ｃｕ基材６の片面に多数のＣｕの柱状体が集合した凸状構造部７をワイヤー放電加工により形成し、Ｃｕ基材６の他方の面は放熱用のＣｕ板状体８とし、そのＣｕ板状体８の背面には一体加工でフィン８が形成してある。この冷却部材の凸状構造部７を上記Ａｌ_２Ｏ_３基板５の裏面中央の冷却領域に押し付け、Ａｌ_２Ｏ_３基板５とＣｕ板状体８をＳＵＳねじで締め込んで固定した。更に、Ｃｕ板状体８の背面のフィン９に、通常のごとくファン１０で大気を流すようにした。

尚、上記冷却部材における多数のＣｕの柱状体が集合した凸状構造部７は、Ｃｕ基材６のワイヤー放電加工により形成した。作製した凸状構造部７は、例えば図１に示すように、斜め４５°に傾斜した断面０.１×０.１ｍｍの多数の柱状体２が、互いに０.４ｍｍの間を空けて規則的に配列した構造を有している。また、凸状構造部７と被冷却体であるＡｌ_２Ｏ_３基板５との対向面積に対して、凸状構造部７がＡｌ_２Ｏ_３基板５と接触している接触面積（全柱状体２の先端部の合計面積に相当する）が占める割合は５％であった。

上記試料１の冷却系を、縦３００×横３００×高さ６００ｍｍの筐体内に入れ、系外の影響を受けない状態において、室温を空調で２０℃に制御し、ＡｌＮヒータ４への供給電力を７Ｗに設定して冷却実験を行った。その際、多数の柱状体の集合した凸状構造部７内には特に大気は流さず、フィン９を備えた背面側からファン１０で大気を送って冷却した。

また、上記柱状体の長さを変えることにより、試料ごとに凸状構造部の厚みを変えた。即ち、凸状構造部の厚みは、試料１が０.００５μｍ、試料２が０.０１ｍｍ、試料３が０.２８ｍｍ、試料４が０.３ｍｍ、試料５が１.０ｍｍ、試料６が３.０ｍｍ、試料７が５.０ｍｍ、試料８が６.０ｍｍ、試料９が２０.０ｍｍ、試料１０が５０.０ｍｍ、試料１１が６０.０ｍｍとした。尚、背面側のフィンの厚みは全ての試料１〜１１で１.０ｍｍとした。

上記の試料１〜１１について、上記の冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料１は４８℃、試料２は４５℃、試料３は４１℃、試料４は３９℃、試料５は３５℃、試料６は３７℃、試料７は３８℃、試料８は４２℃、試料９は４３℃、試料１０は４４℃、試料１１は４７℃であった。

［比較例１］
冷却部材として、多数のＣｕの柱状体が集合した凸状構造部を有しないＣｕ基材を用いた。即ち、上記実施例1で作製した凸状構造部７（図８参照）の代わりに、図１０に示すように、柱状体の存在しない平滑なＣｕ基材６とＡｌ_２Ｏ_３基板５の間に、熱伝導率５Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂シート（厚み１.５ｍｍ）１１を挟み込んで固定した以外は上記実施例１と同様にして比較例の試料１２を作製した。

この比較例の試料１２について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は５２℃であった。

［実施例２］
図９に示すように、上記実施例１の放熱部であるフィン９（図８参照）の代わりに、上記実施例１の凸状構造部７の場合と同様のワイヤー放電加工により、Ｃｕ板状体８の背面に多数のＣｕの柱状体が集合した凸状構造体１２の放熱部を形成し、その凸状構造体１２の厚みを試料ごとに変えた。即ち、凸状構造部１２の厚みは、試料１３が０.００５ｍｍ、試料１４が０.０１ｍｍ、試料１５が０.２８ｍｍ、試料１６が０.３ｍｍ、試料５が１.０ｍｍ、試料１７が３.０ｍｍ、試料１８が５.０ｍｍ、試料１９が６.０ｍｍ、試料２０が２０ｍｍ、試料２１が５０ｍｍ、試料２２が６０ｍｍとした。

上記本発明の試料１３〜２２について、上記実施例１と同じ条件で冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料１３は４９℃、試料１４は４５℃、試料１４は４５℃、試料１５は４２℃、試料１６は３８℃、試料５は３５℃、試料１７は３４℃、試料１８は３７℃、試料１９は４１℃、試料２０は４３℃、試料２１は４５℃、試料２２は４８℃であった。

［実施例３］
上記実施例１の試料５における凸状構造部のＡｌ_２Ｏ_３基板との接触面積比（凸状構造部７とＡｌ_２Ｏ_３基板５の接触状態での対向面積に対して、凸状構造部７の複数の柱状体がＡｌ_２Ｏ_３基板５と接触している部分が占める接触面積の割合）は５％であるが、柱状体の先端形状を絞ったり広げたりして上記接触面積比を変えた試料２３〜２６を作製した。即ち、各試料の接触面積比は、試料２３が０.００５％、試料２４が０.０１１％、試料２５が１％、試料２６が５％とした。

これらの試料２３〜２６について、上記実施例1と同じ条件冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料２３は４７℃、試料２４は３９℃、試料２５は３４℃、試料２６は３３℃であった。

［実施例４］
上記実施例１の試料５における凸状構造部の空隙率は９５％であるが、柱状体の配置ピッチを変えて形成することにより、空隙率の異なる試料２７〜３０を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の空隙率は、試料２７が３０％、試料２８が４０％、試料２９が５５％、試料３０が８０％とした。

これらの試料２７〜３０について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料２７は４４℃、試料２８は４１℃、試料２９は４０℃、試料３０は３７℃であった。

［実施例５］
上記実施例１の試料５における凸状構造部の変形能は１５０μｍであるが、変形能の異なる試料３１〜３３を作製した。即ち、各試料の変形能は、試料３１が５０μｍ、試料３２が１００μｍ、試料５が１５０μｍ、試料３３が２００μｍとした。

これらの試料３１〜３３について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料３１は４２℃、試料３２は４０℃、試料５は３５℃、試料３３は３３℃であった。

［実施例６］
上記実施例１の試料５における凸状構造部の表面の輻射率は０.１であるが、表面状態を変えて輻射率が異なる試料３４〜３８を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の輻射率は、試料３４が０.４、試料３５が０.５５、試料３６が０.６５、試料３７が０.８、試料３８が０.９５とした。

これらの試料３４〜３８について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料３４は３６℃、試料３５は３０℃、試料３６は２９℃、試料３７は２８.５℃、試料３８は２８℃であった。

［実施例７］
上記実施例１の試料５において凸状構造部を構成する柱状体の径は１００μｍであるが、柱状体の径が異なる試料３９〜４２を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料３９が２００μｍ、試料４０が５００μｍ、試料４１が６００μｍ、試料４２が１０００μｍとした。ただし、柱状体の傾斜角度を変えることにより、全ての試料で凸状構造部の厚みは１ｍｍに統一した。

これらの試料３９〜４２について、上記実施例1と同じ方法で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料３９は３６℃、試料４０は４０℃、試料４１は４２℃、試料４２は４５℃であった。

［実施例８］
上記実施例１の試料５において凸状構造部を構成する柱状体のアスペクト比は１０であるが、柱状体の長さを調整してアスペクト比が異なる試料４３〜４５を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料４３が２、試料４４が５、試料４５が２０とした。

これらの試料４３〜４５について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料４３は４５℃、試料４４は４１℃、４５は３０℃であった。

［実施例９］
上記実施例１の試料５における凸状構造部の柱状体の材質は銅であり、熱伝導率は４０３Ｗ／ｍ・Ｋあるが、その柱状体の材質が異なる試料４６〜４８を作製した。即ち、各試料の材質は、試料４６がアルミニウム(熱伝導率：２３６Ｗ／ｍ・Ｋ)、試料４７がステンレス(熱伝導率：１５Ｗ／ｍ・Ｋ)、試料４８がニッケル(熱伝導率：９４Ｗ／ｍ・Ｋ)である。

これらの試料４６〜４８について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料４６は３８℃、試料４７は４５℃、試料４８は４３℃であった。

［実施例１０］
上記実施例１の試料５においは冷媒として大気を用いたが、試料４９〜５２では異なる冷媒を用いた。即ち、各試料の冷媒は、試料４１が窒素ガス、試料４９がアルゴンガス、試料５０が冷却水、試料５１がガルデンであり、全て２０℃に制御して冷媒として用いた。

これらの試料４９〜５２について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料４９は３５℃、試料５０は３５℃、試料５１は２９℃、試料５２は２８℃であった。

［実施例１１］
上記実施例１の試料５において冷却はファンによる強制空冷であるが、ファンによる強制空冷の代わりに、試料５３では２０℃の大気中で自然空冷を行った。

この試料５３について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は４９℃であった。

［実施例１２］
上記実施例１の試料５においては凸状構造部をねじ締めにてＡｌ_２Ｏ_３基板に固定したが、Ａｌ_２Ｏ_３基板にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを各０.１μｍ厚ずつ真空チャンバ内で積層すると共に、凸状構造部もＮｉめっきし、両者の間に厚み０.１ｍｍのＡｇ−Ｃｕロウ箔を挟み込んで、水素炉中にて８５０℃で接合することにより試料５４を作製した。

この試料５４について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３２℃であった。

［実施例１３］
上記実施例1の凸状構造部と同じ多数の柱状体の集合した構造をＬＩＧＡ法で形成し、この凸状構造部を有する以外は上記実施例１の試料５と同じ試料５５を作製した。

この試料５５について上記実施例１と同じ条件で冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３５℃であった。

［実施例１４］
上記実施例１の凸状構造部の代わりに厚み１ｍｍの市販のＣｕ製金属多孔体（ＰＰＩ＝５０）を用い、このＣｕ製金属多孔体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例１の試料５と同じ試料５６を作製した。

この試料５６について上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３６℃であった。

［実施例１５］
上記実施例１の凸状構造部の代わりに厚み１ｍｍのＣｕ製ハニカム構造体（ハニカム径：０.１ｍｍ）を用い、このＣｕ製ハニカム構造体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例１の試料５と同じ試料５７を作製した。

この試料５７について上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、ＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３８℃であった。

［実施例１６］
２０×６ｍｍで厚さ０.１ｍｍのＣｕ箔をエッチングして、Ｃｕ箔の向かい合った二辺に１００×１００×１０００μｍの柱状体が辺に対し６０°の角度で傾斜し且つ３５０μｍ間隔で並んだＣｕ箔Ａを作製した。このＣｕ箔Ａと、２０×４ｍｍで厚さ０.１ｍｍのＣｕ箔Ｂを、交互に互いの面を重ね合わせて溶接し、外形２０×２０×６ｍｍの試料５８の凸状構造部を作製した。

得られた試料５８の凸状構造部を、上記実施例1と同じ方法でＡｌＮヒータとＡｌ_２Ｏ_３基板にセットして冷却系を構成し、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法によりＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３４℃になった。

また、上記試料５８のＣｕ箔Ａと一辺は同じ柱状体であるが、他の一辺の柱状体は側面に０.０５×０.１ｍｍの枝状体を左右それぞれ４本ずつ追加した形状にエッチングしたＣｕ箔Ａ１を作製した。その際、柱状体及び枝状体の表面のエッチング条件を変えて、その表面粗さＲａを試料５９で０.０８μｍ、試料６０で１μｍ、試料６１で０.５μｍに仕上げ、それぞれ上記Ｃｕ箔Ｂと交互に積層して溶接し、凸状構造部を作製した。

これらの試料５９〜６１の凸状構造部を、枝状体が背面に来るようにして、上記実施例1と同じ方法でＡｌＮヒータとＡｌ_２Ｏ_３基板にセットして冷却系を構成し、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５９が３１℃、試料６０が２９℃、試料６１が２８℃であった。

［実施例１７］
上記実施例１６の試料５７のＣｕ箔Ａと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図３に示すような幅１００μｍ、外径（Ｒ）１ｍｍの曲線状体で、片端が保持板と一体化し且つ他端が保持板から０.８ｍｍの位置にある半円弧状の曲線形状体を０.３５ｍｍ間隔で形成した。このＣｕ箔Ａ２を、上記実施例１６で用いたＣｕ箔Ｂと交互に積層して溶接し、試料６２の凸状構造部を作製した。

また、上記Ｃｕ箔Ａと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図４に示すような幅１００μｍ、外径（Ｒ）１ｍｍの曲線形状体で、両端が保持板と一体化したアーチ状の曲線状体を０.２ｍｍ間隔で形成した。このＣｕ箔Ａ３を、上記Ｃｕ箔Ｂと交互に積層して溶接し、試料６３の凸状構造部を作製した。

また、上記Ｃｕ箔Ａと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図５に示すような幅１００μｍ、両端間距離１ｍｍで、外径（Ｒ）２５０μｍの曲線を複数含む曲線形状体を中心間ピッチ７００μｍで形成した。このＣｕ箔Ａ４を、上記Ｃｕ箔Ｂと交互に積層して溶接し、試料６４の凸状構造部を作製した。

更に、上記Ｃｕ箔Ａとの片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図６に示すように幅１００μｍ、両端間距離１ｍｍのＳ字形状の曲線形状体を中心間ピッチ７００μｍで形成した。このＣｕ箔Ａ５を、上記Ｃｕ箔Ｂと交互に積層して溶接し、試料６５の凸状構造部を作製した。

上記した試料６２〜６５の凸状構造部を、上記実施例1と同じ方法で、ただし新たに形成した曲線形状体がＡｌ_２Ｏ_３基板側に来るように配置して、ＡｌＮヒータ及びＡｌ_２Ｏ_３基板にセットして冷却系を構成した。背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法によりＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料６２が３１℃、試料６３が３１℃、試料６４が３０℃、試料６５が２９℃であった。

［実施例１８］
上記実施例１の試料５において、Ａｌ_２Ｏ_３基板に押し付ける柱状体の集合した凸状構造部の代わりに、直径０.０５ｍｍＣｕ線０.１ｇを絡み合わせた凸状構造部を用い、上記実施例１と同様に、背面に放熱部を形成した２０×２０×５ｍｍのＣｕ基板とＡｌ_２Ｏ_３基板の間に挟み込んで、試料６６の冷却系を構成した。

また、直径０.０５ｍｍのカーボンファイバ０.１ｇを絡み合わせた凸状構造部を用い、上記実施例１と同様に、背面に放熱部を形成した２０×２０×５ｍｍのＣｕ基板とＡｌ_２Ｏ_３基板の間に挟み込んで、試料６７の冷却系を構成した。

これらの試料６６〜６７について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料６６が３８℃、試料６７が３９℃であった。

［実施例１９］
樹脂ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）中にＦｅ粒子を混練して均一分散したスラリーをペレット状にし、これを射出成形機に投入して金型から押し出して射出成形し、上記実施例１の試料５と同じ寸法並びに形状の樹脂製の凸状構造部を作製した。この樹脂の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。この樹脂製の凸状構造部上にＣｕめっきを５μｍ施して、試料６８の凸状構造部とした。

この試料６８について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３９℃であった。

［実施例２０］
上記実施例１の試料５において、その凸状構造部の表面にＮｉめっきを５μｍ施した試料６９作製した。この試料６９について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は３６℃であった。

次に、上記試料５と試料６９の各凸状構造部を、温度８０℃、湿度８０％の高温加湿試験機で１００時間暴露した後、同じ評価を行ったところ、試料５は３７℃であったが、試料６９は３６℃と特性に変化は無かった。

［実施例２１］
上記実施例１６と同様に、２０×２１ｍｍで厚さ０.１ｍｍのＣｕ箔をエッチングして、Ｃｕ箔の向かい合う二辺に１００×１００×１０００μｍの柱状体が保持体に対し６０°の角度で傾斜して、３５０μｍ間隔で並んだＣｕ箔Ａ６を作製した。また、２０×１９ｍｍで厚さ０.３５ｍｍのＣｕ箔をエッチングして、図７に示すように、その一辺に凹凸形状を形成したＣｕ箔Ａ７を作製した。その際、Ｃｕ箔Ａ７の凹凸の半径（Ｒ）を変え、試料７０で１ｍｍ、試料７１で９ｍｍ、試料７２で１０ｍｍとした。

これらのＣｕ箔Ａ６とＣｕ箔Ａ７を、Ｃｕ箔Ａ７の凹凸形状が背面側に来るように交互に互いの面を重ね合わせて溶接し、試料７０〜７２の冷却系を構成した。これらの試料６９〜７１について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料７０が２９℃、試料７１が３０℃、試料７２が３５℃であった。

［実施例２２］
上記実施例１の試料５において、背面側のＡｌ_２Ｏ_３基板に接触している凸状構造部内に、０.１×２０×１.０ｍｍの板状体を５枚挿入してロウ付けした。その際に、板状体の表面粗さＲａを変えて、試料７３で０.０８μｍ、試料７４で０.１μｍ、試料７５で０.５μｍとした。

これらの試料７３〜７５について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料７３が３１℃、試料７４が３０℃、試料７５が２９℃であった。

［実施例２３］
上記実施例１における試料５の凸状構造部の中央に、直径２ｍｍの穴を１個開けた試料７６を作製した。この凸状構造部を用いて上記実施例１と同様に冷却系を構成し、背面側から中央の穴を通してポンプで５リッター／分で大気を引きながら、背面側からファンで大気を送り、大気が凸状構造部内にも大気が流れ込んで両面で空冷できるようにした。この試料７６について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は２７℃であった。

また、上記実施例１における試料５の凸状構造部の中央に、直径３ｍｍの穴を１個開けた試料７７を作製した。この凸状構造部を用いて上記実施例１と同様に冷却系を構成し、中央穴はポンプに繋がず開放状態にし、背面側からファンで送った大気が背面だけでなく凸状構造部内へも大気が流れ込んで、両面で空冷できるようにした。この試料７７について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は２８℃であった。

［実施例２４］
上記実施例１における試料５の凸状構造部及び保持板に用いたＣｕは、純度９９.９６％のものである。この試料５と製法並びに形状は同じであるが、試料７８では純度９２.５％のＣｕ、試料７９では純度８８％のＣｕを使用して、それぞれ凸状構造部を作製した。

これらの試料について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５が３５℃であったのに対し、試料７８は３７℃、試料７９は４０℃であった。

［実施例２５］
上記実施例１における試料５の凸状構造部及び保持板に用いたＣｕは、引張強度が２８０ＭＰａのものである。この試料５と製法並びに形状は同じであるが、引張強度が試料８０では３４０ＭＰａ、試料８１では３８０ＭＰａ、試料８２では４２０ＭＰａの材質を選択して、それぞれ凸状構造部試料を作製した。

これらの試料について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５が３５℃であったのに対し、試料８０は３６℃、試料８１は４０℃、試料８２は４１℃であった。

［実施例２６］
上記実施例１における試料５の柱状体は、表面粗さＲａ＝０.１μｍである。この試料５と同じ形状であるが、表面のエッチング条件を変えることにより表面粗さＲａを変化させて、試料８３では０.０８μｍ、試料８４では０.５μｍ、試料８５では１.０μｍに仕上げた。その際、被冷却体との接触面はエッチングで面粗度が変化しないようにマスキングして、各先端面の表面粗さＲａを０.１μｍに揃えた。

これらの試料について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５が３５℃であったのに対し、試料８３は３６℃、試料８４は３２℃、試料８５は３０℃であった。

［実施例２７］
上記実施例１における試料５の柱状体の先端面は、表面粗さＲａ＝０.１μｍである。この試料５と製法並びに形状は同じであるが、ワイヤー放電加工前のＣｕ板上面の研磨砥粒条件を変えることにより、先端面の表面粗さＲａを変化させ、試料８６では１μｍ、試料８７では５μｍ、試料８８では７μｍ、試料８９では９μｍに仕上げた。

これらの試料について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５が３５℃であったのに対し、試料８６は３６℃、試料８７は３７℃、試料８８は４０℃、試料８９は４２℃であった。

[実施例２８]
上記実施例１における試料５では、凸状構造部の締め付け力は柱状体１本当たり２０ｇであった。この試料５と製法並びに形状は同じであるが、締付け力を試料９０では０.８ｇ、試料９１では１ｇ、試料９２では５ｇ、試料９３では５０ｇ、試料９４では１００ｇとした。

これらの試料について、上記実施例１と同じ方法でＡｌＮヒータにＲＴＤ素子を埋込んで測定した温度は、試料５が３５℃であったのに対し、試料９０は４１℃、試料９１は３９℃、試料９２は３５℃、試料９３は３０℃、試料９４は２８℃であった。

本発明の冷却部材における凸状構造部の一具体例を示す概略の断面図である。本発明の冷却部材における凸状構造部の他の具体例を示す概略の断面図である。本発明に係る曲線を含む形状の柱状体の一具体例を示す概略の断面図である。本発明に係る曲線を含む形状の柱状体の別の具体例を示す概略の断面図である。本発明に係る曲線を含む形状の柱状体の別の具体例を示す概略の断面図である。本発明に係る曲線を含む形状の柱状体の別の具体例を示す概略の断面図である。本発明に係る凸状構造部の凹凸形状の形成に用いる箔の一具体例を示す概略の断面図である。本発明の冷却部材を用いた冷却実験装置を示す概略の断面図である。本発明の冷却部材を用いた他の冷却実験装置を示す概略の断面図である。比較例による冷却実験装置を示す概略の断面図である。

符号の説明

１基材
２柱状体
３つば部
４ＡｌＮヒータ
５Ａｌ_２Ｏ_３基板
６Ｃｕ基材
７凸状構造部
８Ｃｕ板状体
９フィン
１０ファン
１１樹脂シート
１２凸状構造体

Claims

被冷却体に接触して冷却を行う冷却部材であって、少なくとも被冷却体と接触する表面に、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、その複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び／又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことを特徴とする冷却部材。
前記凸状構造部が多数の柱状体の集合した構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却部材。
前記柱状体の径が５００μｍ以下であり、且つアスペクト比が５以上あることを特徴とする、請求項２に記載の冷却部材。
前記柱状体上に枝状体が形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の冷却部材。
前記柱状体の一部あるいは全体が、曲線を含む形状になっていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の冷却部材。
前記柱状体の一部あるいは全体が、曲線を複数含む形状、らせん形状あるいはＳ字形状であることを特徴とする、請求項５に記載の冷却部材。
前記凸状構造部が金属多孔体からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却部材。
前記凸状構造部が被冷却体との接触面に対し平行な軸を有するハニカム構造体からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却部材。
前記凸状構造部が、金属線を絡み合わせた構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却部材。
前記凸状構造部が、カーボンファイバを絡み合わせた構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却部材。
前記凸状構造部が、樹脂の表面に金属化処理がなされた構造をしていることを特徴とする、請求項１〜６、８のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部が、金属表面に金属化処理がなされた構造をしていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部内に複数の凹凸形状が形成されていることを特徴とする、請求項１〜８、１１、１２のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部内に板状体が形成されていることを特徴とする、請求項１〜８、１１、１２のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部の被冷却体との接触面に対し垂直方向における厚みが０.０１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部の被冷却体との接触面に対し垂直方向における厚みが０.３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の冷却部材。
前記被冷却体と接触する表面以外の面に、全体又は一部が複数の凸状構造からなる放熱部、あるいはフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べた放熱部を有することを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載の冷却部材。
前記放熱部の厚みが０.０１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１７に記載の冷却部材。
前記放熱部の厚みが０.３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１８に記載の冷却部材。
前記被冷却体と接触する表面以外の面に、全体又は一部が複数の凸状構造からなる放熱部、あるいはフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べた放熱部と共に、被冷却体と接触する凸状構造部も放熱部とすることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部と被冷却体の接触状態での対向面積に対し、該凸状構造部の複数の凸状構造が被冷却体と接触している部分が占める接触面積の割合が０.０１％以上であることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部の空隙率が５０％以上であることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部の弾性変形量及び／又は塑性変形量が、被冷却体の接触面に対する垂直方向において５０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部がヤング率１５０ＧＰａ以下の材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２３のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２４のいずれかに記載の冷却部材。
前記凸状構造部が少なくとも銅又はアルミニウムを含む材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜９、１２〜２５のいずれかに記載の冷却部材。
前記放熱部の表面の輻射率が０.６以上あることを特徴とする、請求項１７〜２６のいずれかに記載の冷却部材。
前記放熱部に冷媒を流すことにより放熱することを特徴とする、請求項１７〜２７のいずれかに記載の冷却部材。
前記冷媒が気体であることを特徴とする、請求項２８に記載の冷却部材。
前記気体が大気であることを特徴とする、請求項２９に記載の冷却部材。
前記冷媒が液体であることを特徴とする、請求項２８に記載の冷却部材。
前記液体が冷却水であることを特徴とする、請求項３１に記載の冷却部材。
請求項１〜３２のいずれかに記載した冷却部材を備えることを特徴とする、テレビ、プロジェクタあるいはコンピュータなどの電子機器。