JP2011054647A - 放熱器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む放熱器であって、放熱特性の良好な放熱器の製造方法を提供する。
【解決手段】放熱部材の少なくとも一部を遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬し、析出した遷移金属被膜を溶解することを備えた、放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化する工程２０１と、粗化された表面を含む、放熱部材の少なくとも一部を水酸化ナトリウム溶液に浸漬１０９することを備えた、粗化された表面を溶解処理する工程２０２と、溶解処理された表面を含む、放熱部材の表面の少なくとも一部を陽極酸化することを備えた、被膜を形成する工程２０３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ユニットなどの発熱体から発せられる熱を効率よく放散させることが要求される装置などに好適に用いることができる放熱器に関するものである。

照明装置や電子機器などの分野では、発熱体から発せられる熱を効率良く放散させるために、しばしば放熱器（ヒートシンク）が用いられる。放熱器に含まれる放熱部材としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金などにより形成されているものが知られている。

特許文献１には、照明装置が開示されている。この照明装置は、発光装置が配置される給電板と、給電板が熱的に接合される放熱部材と、放熱部材を収納する筐体と、筐体に取り付けられ発光装置に電源供給する電源供給部材とを有している。

また、特許文献２には、アルミニウム材又はアルミニウム合金材の粗化面を形成する方法が開示されている。この方法は、遷移金属被膜を形成する工程と、粗化面を形成する工程とを含んでいる。遷移金属被膜を形成する工程では、遷移金属を含む表面加工溶液とアルミニウム材又はアルミニウム合金材を接触させることにより遷移金属成分とアルミニウム材又はアルミニウム合金材の構成成分との置換反応を起こさせて、アルミニウム材又はアルミニウム合金材表面に遷移金属被膜を形成している。粗化面を形成する工程では、析出した遷移金属被膜を溶解すると同時にアルミニウム材又はアルミニウム合金材の表面を浸食処理し、粗化面を形成している。

特開２００８−２０４６７１号公報（段落番号０００７） 特開２００７−１３８２２４号公報（段落番号００１７）

ＬＥＤ（発光ダイオード）などを発光源（発光装置、発光ユニット）とする照明装置の分野において、発光ユニットは発熱体でもあり、高出力の発光ユニットの性能の劣化を抑制するためには放熱を促進することが好ましい。プロセッサなどの電子機器などにおいても、小型化・高集積化が進むにつれてより効率よく放熱できることが好ましい。したがって、放熱器（ヒートシンク）の需要は高まっており、放熱器のさらなる放熱特性の向上が求められている。

本発明の一態様は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む放熱器（ヒートシンク）の製造方法である。この製造方法は、以下の工程（プロセス）を含む。
（ａ）放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化すること（粗化する工程、放熱部材の少なくとも一部に粗化面を形成する工程）。
（ｂ）粗化された表面を溶解処理すること（溶解処理する工程）。
（ｃ）放熱部材の表面の少なくとも一部に被膜を形成すること（被膜を形成する工程）。
上記粗化する工程（（ａ）の工程）は、放熱部材の少なくとも一部を、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬し、析出した遷移金属被膜を溶解すること（表面加工溶液に浸漬し、析出した遷移金属被膜を溶解する工程）を含む。
上記溶解処理する工程（（ｂ）の工程）は、粗化された表面を含む、放熱部材の少なくとも一部を水酸化ナトリウム溶液に浸漬すること（水酸化ナトリウム溶液に浸漬する工程）を含む。
上記被膜を形成する工程（（ｃ）の工程）は、溶解処理された表面を含む、放熱部材の少なくとも一部を陽極酸化すること（陽極酸化する工程）を含む。

本願発明者の実験により、上記の製造方法により形成した放熱器は、良好な放熱特性を有することがわかった。

上記被膜を形成する工程（（ｃ）の工程）は、さらに、陽極酸化により形成された被膜を染色すること（染色する工程）を含むことが好ましい。陽極酸化により形成された被膜を染色することにより、より良好な放熱特性を有する放熱器を得ることができる。好ましくは、染色により、いわゆるブラックアルマイトを形成するとよい。

上記粗化する工程（（ａ）の工程）は、さらに、表面加工溶液に浸漬した部分を含む、放熱部材の少なくとも一部を硝酸溶液に浸漬させながら超音波を加えることを含むことが好ましい。硝酸溶液により析出した遷移金属被膜を溶解でき、硝酸溶液に超音波を加えることにより、放熱部材の少なくとも一部からさらに良好に遷移金属被膜を除去することができる。

粗化する工程（（ａ）の工程）は、さらに、放熱部材の表面のうち、熱源となる部材を取り付ける領域を除いた放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化すること（取り付ける領域を除いて粗化する工程）を含むことが望ましい。熱源となる部材を取り付ける領域を除いた放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化することにより、より良好な放熱特性を有する放熱器を得ることができる。

本発明の他の態様は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む放熱器（ヒートシンク）である。この放熱器は、放熱部材の表面の少なくとも一部が、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬することを含むプロセスにより粗化され、水酸化ナトリウム溶液に浸漬することを含むプロセスにより溶解処理され、さらに、放熱部材の表面の少なくとも一部に、陽極酸化することを含むプロセスにより被膜が形成されている。本発明の他の態様によれば、放熱効率の高い放熱器を提供できる。

この放熱器において、放熱部材の表面の一部は、被膜を形成するプロセスであって、陽極酸化の後に染色することを含むプロセスにより被膜が形成されていることが好ましい。
また、この放熱器において、放熱部材の表面が、熱源となる部材を取り付ける領域を含む場合、取り付ける領域を除いた放熱部材の表面の少なくとも一部が粗化されていることが好ましい。

本発明のさらに他の態様は、上述した放熱器と、この放熱器の放熱部材に熱が伝達されるように取り付けられた発光ユニットとを有する照明装置である。発光ユニットの熱を効率よく放出できるので、発光特性の劣化を抑制でき、明るさ（照度）の低下を抑制でき、耐久性の高い照明装置を提供できる。この照明装置において、発光ユニットは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むものであり、高輝度のＬＥＤは発熱量も大きいので、放熱効率の高い放熱器と組み合わせて用いることが有効である。

放熱器の製造方法の一例を説明するためのフローチャート。 実施例および比較例の温度測定方法を説明するための図であって、（ａ）はサンプルの正面図、（ｂ）はサンプルの側面図。 放熱部材に関する図であって、実施例および比較例の放熱特性測定結果を示す図。 異なる放熱部材に関する図であって、実施例および比較例の放熱特性測定結果を示す図。 さらに異なる放熱部材に関する図であって、実施例および比較例の放熱特性測定結果を示す図。 実施例および比較例の温度測定結果をまとめて示す図。 実施例および比較例の表面積と温度との関係を示す図。 他の実施例および他の比較例の放熱特性測定結果を示す図。 照明装置の一例の概略構成を示す断面図。

図１は、本発明に係る放熱器の製造方法の一例を示している。本例の製造方法は、大きく分けて、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材の表面を粗化（粗面化）する工程（粗化面を形成する工程）２０１と、粗化された表面を溶解処理する工程２０２と、溶解処理された表面に被膜を形成する工程２０３とを有している。溶解処理された表面に被膜を形成する工程２０３は、溶解処理された表面をアルマイト処理する工程とも言える。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材の一例は、ＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ２５−２５、ＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ３５−１０、ＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ４５−１０（ともに、（株）アルファ製）である。粗化する工程２０１は、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に放熱部材２０を浸漬する工程１０４と、放熱部材２０に析出した遷移金属被膜を溶解する工程１０６とを含む。粗化する工程２０１は、例えば、特開２００７−１３８２２４号公報に開示されている技術を用いて行うことができるが、これに限定されるものではない。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む表面を、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬することを含むプロセスにより粗化すると、その粗化面には直径０．２μｍ〜５．０μｍ、深さが０．２μｍ〜５．０μｍの複数のマイクロポアが形成されやすく、さらに、それらのマイクロポアは、表面から蛇行経路を持って深さ方向に分布し蟻の巣状（蛇行浸食形状）になり易いことが報告されている（特開２００７−１３８２２４号公報段落番号００５９および００６０など）。このような粗化面は、同公報に記載されているように、アンカー効果が得られやすく、接着対象とできる樹脂類の範囲を広げるのに適している。

本願の発明者は、このような粗化面は表面積が大きく、放熱効果も優れている可能性があることを見出した。さらに、本願の発明者は、このような粗化面と、多孔質被膜であるアルマイトと組み合わせることにより、さらに表面積を増加でき、放熱効果が非常に優れた放熱器を提供できる可能性があることを見出した。アルマイトの孔径は、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度であり、硫酸浴アルマイトでは孔径が１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度、リン酸浴アルマイトでは孔径が３０ｎｍ〜４０ｎｍ程度であると言われている。アルマイトが含む多孔（ハニカム）構造は封孔処理を行うことにより孔が埋まるとしても多孔に対応した凹凸が形成され表面積は大きい。さらに、封孔処理によって孔が完全に埋まるわけではなく、アルマイトの外側の孔径が小さくなり、染色剤が取れにくくなるという報告もある。

したがって、蟻の巣状に加工された表面に沿って多孔質被膜を形成することにより、放熱部材の表面が、孔径が１桁または２桁程度異なる層が組み合わさった状態となり、放熱効率を向上できる可能性がある。そのためには、蟻の巣状に加工された表面に沿ってほぼ均一に多孔質被膜を形成することが望ましい。しかしながら、蟻の巣状に加工された表面にアルマイト加工する技術を開示した文献はない。遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬することを含むプロセスにより粗化された表面に、直にアルマイト加工することは可能であるが、多孔質被膜を均一に形成することは難しい。本願の発明者の実験によると、粗化面に直にアルマイト加工した後、アルマイト被覆を染色すると色むらが大きく、多孔の分布にむらがあることが予見された。

そこで、本願の発明者は、粗化面に均一なアルマイト被覆を形成すべく実験を繰り返したところ、粗化された表面を含む部材を水酸化ナトリウム溶液に浸漬し溶解処理することにより、ほぼ均一な孔分布を持ち、ほぼ均一な色に染色できるアルマイト被覆を形成できることを見出した。また、後述するように、その製造方法により製造された放熱器は、面が粗化された（蟻の巣状に加工された）だけのものより放熱効果が高い。したがって、溶解処理を含む製造方法により、粗化された面のメリットをほとんど失うことなく、多孔質被膜であるアルマイトとの相乗効果が得られる放熱器を製造できることが判明した。

１． 製造方法の概要の説明
本発明に係る製造方法２００は、粗化する工程２０１に加え、溶解処理する工程２０２と、被膜を形成する工程２０３と有し、溶解処理する工程２０２は、放熱部材２０を水酸化ナトリウム溶液に浸漬する工程１０９を含み、被膜を形成する工程２０３は、放熱部材２０の表面を陽極酸化する工程１１３を含む。

この製造方法２００においては、粗化する工程（（ａ）の工程）を行うことより、放熱部材の表面積を増大させることができ、その後、溶解処理する工程（（ｂ）の工程）を行うことにより、粗面化された表面の一部、特に、アルマイト加工する際に均一な被膜が形成されにくい部分がゆるやかになるように表面が変形すると考えられる。これにより、蟻の巣状の表面形状はさほど変化させず、バリのような急激な形状変化が緩和でき、被膜を形成する工程（（ｃ）の工程）において、より良好に多孔質被膜を形成できると考えられる。したがって、この本発明の一態様の製造方法により、放熱特性のより高い放熱器を提供できる。

２． 製造方法の具体例
以下に各工程を詳しく説明する。

＜粗化（粗面化）＞
ステップ１０１において、放熱部材の脱脂を行う。後述する実施例の１つのように、粗化しない部分を設けるためには事前に粗化しない部分をマスキングなどにより覆うことができる。ステップ１０１においては、５０℃〜６０℃、濃度３０ｇ／Ｌ〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液に、放熱部材を３０秒〜１分浸漬させる。その後、ステップ１０２において、放熱部材を水洗する。水洗は、放熱部材を、水道水で１５秒〜３０秒洗った後、純水でさらに１５秒〜３０秒洗う。以下の水洗の工程においても同様である。

次に、ステップ１０３において、放熱部材の表面に形成されている酸化被膜を除去する。ステップ１０３においては、５０℃〜６０℃、濃リン酸水溶液（濃度７５〜８５％）を水１リットルに希釈した濃度１５０ｍｌ／Ｌ〜２００ｍｌ／Ｌのリン酸溶液に、放熱部材を３０秒〜１分浸漬させる。

その後、ステップ１０４において、放熱部材の表面を粗化する。ステップ１０４においては、塩酸（濃度３５〜３８％）を水１リットルに希釈した濃度８０ｍｌ／Ｌ〜１２０ｍｌ／Ｌの塩酸溶液と、濃度３ｇ／Ｌ〜５ｇ／Ｌの硫酸銅溶液との混合液を、５５℃〜６０℃に維持し、放熱部材をその混合液に２分〜３分浸漬させる。この工程（ステップ１０４）は、アルミニウムと銅との置換反応であり、このようにすることにより、放熱部材を構成するアルミニウムの一部が溶け出して粗化（粗面化）され、これと置換して、放熱部材の表面に銅（金属）が析出する。その後、ステップ１０５において、放熱部材を水洗する。

ステップ１０６において、置換反応（ステップ１０４）により析出した銅を除去する。２０℃〜３０℃、濃度５０ｖｏｌ％の硝酸溶液に、周波数２８ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの超音波を加えながら放熱部材を１分〜２分浸漬させる。ステップ１０６においては、超音波を加えることにより、析出した遷移金属（本例では銅）をより良好に除去することができる。超音波の効果は、物理的な振動を加えることにより硝酸溶液との接触効率を高めることと、圧力変化により化学反応を促進することが考えられる（たとえば、特開２００８−２２９４２７号公報）。

その後、ステップ１０７において、放熱部材を水洗する。ステップ１０７においても、超音波を加えた超音波洗浄としてもよい。そして、ステップ１０８において、放熱部材２０を乾燥させる。乾燥は、８０℃〜９０℃の雰囲気下で行う。なお、粗化する工程２０１から溶解処理する工程２０２に進む上で時間があく場合には、ステップ１０８を設けることが好ましいが、粗化する工程２０１から溶解処理する工程２０２に続けて進む場合には、ステップ１０８は省略することができる。

＜溶解処理＞
ステップ１０９において、５０℃〜６０℃、濃度３０ｇ／Ｌ〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液に、放熱部材を５秒〜１５秒浸漬させる。これにより、放熱部材２０の粗化された表面の一部が溶解し、急激な形状変化が緩和されると考えられる。その後、ステップ１１０において、放熱部材２０を水洗する。なお、浸漬時間が長すぎると粗化された表面の特性を有効活用できない可能性がある。したがって、水酸化ナトリウム溶液の濃度にもよるが、浸漬時間は、上記範囲に制御することが好ましい。

＜被膜形成（アルマイト処理）＞
ステップ１１１において、放熱部材２０を酸洗する。２０℃〜２５℃、濃度２５ｖｏｌ％〜３５ｖｏｌ％の硝酸溶液に、放熱部材２０を３０秒〜１分浸漬させる。その後、ステップ１１２において、放熱部材を水洗する。ステップ１１１の酸洗処理は、付着物（スマット）を除去する役目と、アルカリを用いた溶解処理の直後であればアルカリを中和する役目とを含む。

ステップ１１３において、陽極酸化処理（電解）を行う。１９℃〜２３℃の酸性硫酸浴（硫酸濃度２００ｇ／Ｌ〜２３０ｇ／Ｌ中に放熱部材を浸漬し、陽極酸化電流（たとえば、１５Ｖ、０．９Ａ／ｄｍ^２〜１．５Ａ／ｄｍ^２）を４０分〜４５分程度の間供給し、放熱部材の表面を陽極酸化する。この際、エアを導入し、エア攪拌（バブリング）を行いながら、陽極酸化することが好ましい。これにより、粗化された放熱部材の表面に、多孔構造（ハニカム構造）を有するアルミニウムの陽極酸化被膜（いわゆるアルマイト）が形成される。

その後、ステップ１１４において、放熱部材を水洗する。そして、ステップ１１５において、放熱部材を２５ｖｏｌ％程度の硝酸溶液に浸漬して酸洗する。さらに、ステップ１１６において、放熱部材を水洗する。ステップ１１５において放熱部材を酸洗することにより、後のステップ１１７の染色の工程において、陽極酸化被膜に染色剤をより良好に吸着できる。

ステップ１１７において、染色を行う。染色剤としては、例えば、奥野製薬工業（株）製のＴＡＣブラック４１３を用いることができる。温度５０℃〜５５℃、染色剤濃度８ｇ／Ｌ〜１２ｇ／Ｌ、ｐＨ５〜ｐＨ６の染色液に、放熱部材を３０秒〜１０分浸漬させる。この際、エアを導入し、エア攪拌（バブリング）を行いながら、染色することが好ましい。その後、ステップ１１８において、放熱部材２０を水洗する。なお、染色は省略することもできる。染色を省略する場合、ステップ１１５〜ステップ１１８を省略する。

ステップ１１９において、封孔処理を行い、多孔質構造の陽極酸化被膜の空隙（多孔）を塞ぐ、または多孔の外側の孔径を狭くする。封孔処理剤としては、例えば、奥野製薬工業（株）製のトップシールＤＸ２００を用いることができる。温度８０℃〜９０℃、封孔処理剤濃度５ｇ／Ｌ〜１０ｇ／Ｌ、ｐＨ５．３〜ｐＨ５．８の封孔溶液に、放熱部材を１分〜１０分浸漬させる。その後、ステップ１２０において、放熱部材を水洗する。続けて、ステップ１２１において、放熱部材を純水で湯洗する。８０℃〜１００℃の湯に放熱部材を１５秒〜３０秒浸漬させる。そして、ステップ１２２において、放熱部材を乾燥させる。乾燥は、８０℃〜９０℃の雰囲気下で行う。以上により、表面が粗化され、さらにアルマイト処理が施された放熱部材が製造される。

３． 放熱特性の測定（ケース１）
放熱特性測定用のサンプルについて説明する。図２は、放熱特性を測定するためのサンプルを示している。図２（ａ）はサンプルの正面図を示しており、図２（ｂ）はサンプルの側面図を示している。

これらの図に示すように、サンプルＳｍは、エポキシ基板５２および発光ダイオード（素子）５１を含む発光ユニット５０と、放熱器５３とを備えている。このサンプルＳｍでは、発光ユニット５０の基板５２の底面を、放熱器５３の上面に、熱導電性の高い接着剤（たとえばエポキシ樹脂）または熱伝達フィルム（たとえばシリコン系のエラストマー）５４を介して固定している。符号Ｐは、放熱特性の測定（温度測定）の際、熱電対を設置した部分を示している。

このサンプルＳｍの発光ユニット５０は、ＧＲＥＥ社製ＸＲＥＷＨ−Ｌ１−ＷＤ−Ｑ５を用いた。また、放熱器（放熱部材）５３は、全体がアルミニウムまたはアルミニウム合金製の放熱部材であり、以下においては、ＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ２５−２５（表面積８４ｃｍ^２、（株）アルファ製、以降においては放熱部材＃１）、ＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ３５−１０（表面積６７ｃｍ^２、（株）アルファ製、以降においては放熱部材＃２）およびＡＬＰＨＡ ＬＰＤ ４５−１０（表面積１０５ｃｍ^２、（株）アルファ製、以降においては放熱部材＃３）の３種類を基材（ベース）として加工したものを用いた。なお、以降では、粗化およびアルマイトを形成する前および後においても放熱部材と呼ぶことがある。

（実施例１）
実施例１として、放熱部材＃１〜＃３の表面を粗化し、粗化された表面を溶解処理し、陽極酸化被膜を形成し、さらに、陽極酸化被膜を黒色に染色したものを製造した。すなわち、以下に説明する実施例１のサンプルＳｍの放熱器（放熱部材）５３は、表面が粗化され、粗化された表面が溶解処理され、その後、放熱部材５３の表面にいわゆるブラックアルマイトが形成されたものである。なお、実施例１において製造されたいずれの放熱部材５３も、表面が艶消しされた黒色となり、粗化による微細な模様が見えることを除けば色むらはほぼなく、ほぼ均質なアルマイトが粗化された面に沿って形成されたと判断できる。

具体的には、ステップ１０１において、放熱部材＃１〜＃３（以降においては放熱部材）を、温度５５℃、濃度３０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液に１分浸漬させた。ステップ１０２において、これを水洗し、ステップ１０３において、温度５５℃、濃度２００ｍｌ／Ｌのリン酸溶液に放熱部材を１分浸漬させた。ステップ１０４において、濃度１２０ｍｌ／Ｌの塩酸溶液と濃度５ｇ／Ｌの硫酸銅溶液との混合液（５５℃）に放熱部材を３分浸漬し、ステップ１０５において、水洗した。ステップ１０６において、濃度５０ｖｏｌ％の硝酸溶液（常温）に、超音波を加えながら、放熱部材を１．５分浸漬し、さらにステップ１０７において、水洗した。

続けて、ステップ１０９において、温度５５℃、濃度３０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液に、放熱部材を１５秒浸漬させ、ステップ１１０において水洗した。

ステップ１１１において、濃度２５ｖｏｌ％の硝酸溶液（常温）に、放熱部材を３０秒浸漬させ、ステップ１１２において水洗した。ステップ１１３において、２０℃の酸性硫酸浴（硫酸濃度２３０ｇ／Ｌ）中に放熱部材を４５分間浸漬し、電流（１５Ｖ、１．０Ａ／ｄｍ^２）を流し、陽極酸化した。この際、エアを導入し、エア攪拌しながら陽極酸化した。ステップ１１４において、放熱部材を水洗した。ステップ１１５において、濃度２５ｖｏｌ％の硝酸溶液（常温）に、放熱部材を１分浸漬させ、酸洗し、さらに、ステップ１１６において水洗した。

ステップ１１７において、染色剤（奥野製薬工業（株）製のＴＡＣブラック４１３）を用意した。温度５０℃、染色剤濃度１０ｇ／Ｌ、ｐＨ５の染色液に、放熱部材を１０分浸漬させた。この際、エアを導入し、エア攪拌しながら染色した。ステップ１１８において、放熱部材を水洗した。ステップ１１９において、封孔処理剤（奥野製薬工業（株）製のトップシールＤＸ２００）を用意した。温度９０℃、封孔処理剤濃度７ｇ／Ｌ、ｐＨ５．５の封孔溶液に、放熱部材を５分浸漬させ、ステップ１２０において水洗した。ステップ１２１において、９０℃のお湯に放熱部材を３０秒浸漬させ、湯洗し、ステップ１２２において乾燥させた。以上により、放熱部材５３を製造した。

（実施例２）
実施例２においては、放熱部材＃１〜＃３の表面を粗化し、粗化された表面を溶解処理し、陽極酸化被膜を形成した。したがって、陽極酸化被膜の染色は省略し、無染色のアルマイト（以降、白アルマイトとも言う）が形成された放熱部材５３を製造した。具体的には、実施例１におけるステップ１１５〜ステップ１１８を省略した以外は、実施例１と同様にして放熱部材５３を製造した。

（比較例１）
比較例１においては、放熱部材＃１〜＃３の表面を加工せず、すなわち、粗化をせず、陽極酸化も行わず（アルマイトも形成せず）に放熱部材５３とした。

（比較例２）
比較例２においては、放熱部材＃１〜＃３の表面を粗化せず、陽極酸化被膜を形成し、さらに、陽極酸化被膜を染色して放熱部材５３を製造した。具体的には、実施例１におけるステップ１０１〜ステップ１１０を省略した以外は、実施例１と同様にして放熱部材５３を製造した。

（比較例３）
比較例３においては、放熱部材＃１〜＃３の表面を粗化して放熱部材５３を製造した。すなわち、溶解処理および陽極酸化を行わずに放熱部材５３を製造した。具体的には、実施例１におけるステップ１０９以降を省略した以外は、実施例１と同様にして放熱部材５３を製造した。

（放熱特性測定結果１）
実施例１、２および比較例１〜３において、放熱部材（ヒートシンク）＃１〜＃３を用いて放熱部材５３を製造し、さらにそれらの放熱部材５３を用いてサンプルＳｍを組み立て、発光ユニット５０を点灯後の放熱部材５３の温度変化を測定した。図３は、放熱部材＃１により製造した放熱部材５３を用いたサンプルＳｍの温度変化（室温との温度差）を示し、図４は、放熱部材＃２により製造した放熱部材５３を用いたサンプルＳｍの温度変化（室温との温度差）を示し、図５は、放熱部材＃３により製造した放熱部材５３を用いたサンプルＳｍの温度変化（室温との温度差）を示す。

図６は、温度変化がほぼ落ち着いた、点灯後１５分以降の室温との温度差の平均値を示し、図７に平均値を表にまとめて示している。

これらの図からわかるように、表面加工を何も施さない市販のヒートシンク（放熱部材＃１〜＃３）を用いたサンプルＳｍ（比較例１）に対して、ブラックアルマイトを表面に形成したものを用いたサンプルＳｍ（比較例２）および表面を粗化したものを用いたサンプルＳｍ（比較例３）の方が温度差Δｔは小さくなり、表面加工することによりヒートシンクの放熱効果が向上することが分かる。これらの比較例に対して、さらに、ヒートシンクの表面を粗化し、アルマイトを形成したものを用いたサンプルＳｍ（実施例２）の温度差は小さくなり、さらに、アルマイトを着色したもの（ブラックアルマイトを形成したもの）を用いたサンプルＳｍ（実施例１）の温度差はさらに小さくなることが分かった。

特に、表面加工をなにも施さない市販のヒートシンクを用いたサンプルＳｍ（比較例１）の温度差Δｔに対して、ヒートシンクの表面を粗化し、ブラックアルマイトを形成したものを用いたサンプルＳｍ（実施例１）の温度差Δｔは、ヒートシンクの種類にかかわらずのほぼ６℃程度（平均６．４℃、１５〜２０％程度）低下している。いずれの例も、熱源である発光ユニット５０は同じなので熱源の熱量は同じであり、上記の結果より、市販のヒートシンクに対して、本発明の製造方法に従って表面加工を行うことによりヒートシンクの熱抵抗を１５〜２０％程度は改善できることを示している。

また、表面加工をなにも施さない市販のヒートシンクを用いたサンプルＳｍ（比較例１）の温度差Δｔに対して、ヒートシンクの表面を粗化し、ホワイトアルマイトを形成したものを用いたサンプルＳｍ（実施例２）の温度差Δｔは、ヒートシンクの種類に依存する結果となっているがほぼ５℃程度（平均４．７℃、１２〜１４％程度）低下している。したがって、粗化とアルマイト（ホワイトアルマイト）とにより表面を加工することによりヒートシンクの熱抵抗を１２〜１４％程度は改善できることを示している。

ヒートシンクの放熱効果を改善することにより、発光ユニット５０の過熱を抑制でき、発光ユニット５０の所定の性能を長期間にわたり安定して得ることができる。それとともに、ヒートシンクを小型化できる。たとえば、図６において、最も表面積の小さいヒートシンク（放熱部材＃２、表面積６７ｃｍ^２）を本発明の製造方法に従って表面加工した実施例１により、最も表面積の大きなヒートシンク（放熱部材＃３、表面積１０５ｃｍ^２）の市販状態と同等の放熱効果を得ることができることが示されている。なお、ここで示している表面積は、ヒートシンクの形状から求められる表面積であり、表面を粗化したり、アルマイトを形成したりすることによる表面積の増加は含まれていない。

数１０℃程度の領域での色の差による輻射率の相違はそれほど大きくないとも考えられる。しかしながら、上記の測定結果では、ホワイトアルマイトの実施例２に対してブラックアルマイトの実施例１はほとんどのケースで１．５℃前後の改善がみられており、ホワイトアルマイトに対してブラックアルマイトの方が、放熱効果が高いことを示している。

アルマイト（アルミナ、酸化アルミニウム）の光の吸収率はアルミニウムよりも大きいため放射による放熱効率はアルマイトを形成することにより若干向上すると思われる。しかしながら、この温度領域では放射による放熱量はそれほど大きくないのではないかとも想定される。市販のヒートシンクであっても表面にはアルミナが形成されており、アルマイトと物質的な熱伝達性能に差はそれほどないとも思われる。しかしながら、比較例１と比較例２とを比較すると、アルマイト、特にブラックアルマイトを形成することにより放熱効果が高くなることが示されている。

この温度領域においては対流による放熱が主であるとすると、対流伝熱量は、（熱伝達係数×表面積×温度差）で表現されることが知られている。詳細は解析している途上であるが、比較例１と比較例３とを比較すると、表面を粗化することにより放熱効果が高くなることが示されている。また、比較例１と実施例１とを比較すると、表面を本発明に従って粗化することに加えて、アルマイト（ブラックアルマイト）を形成することにより放熱効果が高くなることが示されている。たとえば、比較例１と実施例１とで表面の熱伝達係数が変わりないとすると、測定された温度差Δｔより、同じタイプのヒートシンクでは１５〜２０％程度の表面積の増加が本発明の製造方法による粗化とアルマイト（ブラックアルマイト）とにより得られたと考えることも可能である。また、本発明の製造方法による粗化とアルマイト（ホワイトアルマイト）とにより、同じタイプのヒートシンクでは１２〜１４％程度の表面積の増加が得られたと考えることも可能である。

一方、同程度の温度差Δｔが得られるヒートシンクのタイプを比較すると５０％程度の表面積の増加が本発明の製造方法による粗化とアルマイト（ブラックアルマイト）とにより得られたと考えられる。ただし、今回の温度測定は代表点が限定されており、また、ヒートシンク５３の形状、発光ユニット５０のヒートシンク５３の取り付け位置などの要素により具体的な値は変化すると考えられる。しかしながら、これらの測定結果により、本発明の製造方法によりヒートシンクの表面を粗化し、アルマイトを形成することにより大幅に放熱効果を向上できることは認められる。

４． 放熱特性の測定（ケース２）
上記の放熱特性の測定において、幾つかのサンプルでは、特に、点灯初期において放熱特性にほとんど差が見られないことがあった。このため、さらに実験を行った。

（実施例３）
放熱部材５３として一辺が１６０ｍｍの正方形で厚みが３ｍｍのアルミニウム製の板（放熱部材＃４）を用意した。放熱部材＃４の発光ユニット５０を取り付ける領域（板材のほぼ中央）にマスキングを施した。他の工程は、実施例１と同様にして放熱部材５３を製造した。したがって、この実施例３の放熱部材５３は、発光ユニット５０を取り付ける領域を除いた表面が、粗化され、溶解処理され、さらに、発光ユニット５０を取り付ける領域を除いた表面に、ブラックアルマイトが形成されている。なお、実施例３において製造された放熱部材５３は、マスキングされた領域を除き表面が艶消しされた黒色となり、粗化による微細な模様が見えることを除けば色むらはほぼなく、ほぼ均質なアルマイトが粗化された面に形成されたと判断できる。

（実施例４）
放熱部材＃４を実施例１と同様に加工して放熱部材５３を製造した。したがって、この実施例４の放熱部材５３は、表面の全域が、粗化され、溶解処理され、さらに、表面の全域に、ブラックアルマイトが形成されている。

（実施例５）
放熱部材＃４を実施例２と同様に加工して放熱部材５３を形成した。したがって、この実施例５の放熱部材５３は、表面の全域が、粗化され、溶解処理され、さらに、表面の全域に、アルマイト（ホワイトアルマイト）が形成されている。

（比較例４）
放熱部材＃４に、比較例２と同様に加工して放熱部材５３を製造した。すなわち、粗化および溶解処理を省略した以外は、実施例１と同様に放熱部材５３を製造した。したがって、この比較例４の放熱部材５３は、表面の全域にブラックアルマイトが形成されている。

（放熱特性測定結果２）
図８は、実施例３ないし実施例５、および比較例４により製造された放熱部材（ヒートシンク）５３を用いて図２に示すようなサンプルＳｍ（ヒートシンクの形状は異なるが）を形成し、その放熱特性を測定した結果を示している。図８に示すように、実施例３ないし実施例５により製造されたヒートシンク５３を用いたサンプルＳｍにおいて測定された温度差Δｔは、いずれも、比較例４により製造されたヒートシンク５３を用いたサンプルＳｍにおいて測定された温度差Δｔよりも小さい。したがって、このケースにおいても、本発明の製造方法によりアルミニウム製のヒートシンクの表面を粗化し、アルマイトを形成することにより大幅に放熱効果を向上できることが分かる。

さらに、実施例３により製造されたヒートシンク５３を用いたサンプルＳｍにおいて測定された温度差Δｔが、実施例４および５により製造されたヒートシンク５３を用いたサンプルＳｍにおいて測定された温度差Δｔよりもさらに小さく、特に、点灯直後の温度差Δｔが小さいことがわかる。したがって、ヒートシンク５３の表面のうち、発光ユニット５０を取り付ける領域は、粗化せず、アルマイトを形成しないことにより、ヒートシンク５３の放熱特性をさらに改善できる可能性があることを示している。特に、点灯直後の放熱特性を改善できる可能性が高く、実施例３により製造されたヒートシンク５３は、オンオフを比較的頻繁に繰り返す用途のヒートシンクに適していることを示唆している。

この現象は、ヒートシンク５３の表面のうち、発光ユニット５０を取り付ける領域は、粗化せず、アルマイトを形成しない方が、発光ユニット５０とヒートシンク５３とを熱的に効率よく接続しやすいことを示していると考えられる。本発明の製造方法により表面を粗化すると、蟻の巣状の凹凸が表面に形成される可能性が高いので、発光ユニット５０とヒートシンク５３との表面の接触面積が低下する可能性があり、接触面積の低下により発光ユニット５０からヒートシンク５３への熱伝達率が低下する可能性がある。ただし、熱伝達率が高く、流動性の高い樹脂（たとえば、エポキシ樹脂）などを用いて発光ユニット５０とヒートシンク５３とを接続することにより、蟻の巣状の凹凸を活かし、アンカー効果と熱伝達効果とが相乗的に得られる可能性があり、その場合は、実施例４または５により製造されたヒートシンク５３を用いることが望ましい可能性がある。

なお、ケース２の実施例３においては発光ユニット１１を取り付ける領域には処理を施さない。このため、粗化する工程の前に、発光ユニット１１を取り付ける領域にマスキングを施す工程をさらに設けることが好ましい。

５． 照明装置
図９に、ヒートシンクを用いた製品の一例として照明装置の概要を示している。この照明装置１は、筐体１０と、複数の発光ユニット（発光装置）１１と、発光ユニット１１と熱的に接続された放熱器（ヒートシンク）１２と、発光ユニット１１のオンオフを含む制御を行う制御回路１３と、発光ユニット１１に電源を供給する電源供給部材（口金）１４と、発光ユニット１１を覆うように筐体１０に取り付けられた透光性のカバー１５とを有している。放熱器１２および制御回路１３は、筐体１０の内部に収納されている。

筐体１０は、例えば、耐熱性に優れた部材、例えば、耐熱性が良好であって熱伝導率の比較的小さい樹脂などにより好適に形成できる。このような樹脂としては、例えは、ポリカーボネートや、ポリブチレンテレフタレートなどが挙げられる。本例の筐体１０は、放熱器収納部Ａ１を形成する略円筒状の第１の部分１０ａと、回路収納部Ａ２を形成する第２の部分１０ｂとを有し、上面視において、略円形に形成されている。第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂとは、一体成型されていてもよく、ネジなどによって接続されていてもよい。第２の部分１０ｂの端部（図１において下端部）には、電源供給部材である口金１４が取り付けられる。口金１４として、一般に知られた適当な規格の口金を使用することにより、本例の照明装置１は、現在用いられている蛍光ランプなどの代替品として使用することができる。

発光ユニット１１は、半導体発光素子、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでいる。本例では、発光ユニット１１は、表面実装型のＬＥＤユニット（ＬＥＤチップ）であり、放熱器（ヒートシンク）１２の表面（本例では図１における上面）にマトリクスをなすように配置され、ヒートシンク１２に熱伝導率の高い接着剤などにより固定されている。発光ユニット１１は、それぞれ、制御回路１３を介して、口金１４と電気的に接続され、制御回路１３によりオンオフが制御される。発光ユニット１１の発光色、大きさ、さらに、ヒートシンク１２に取り付けられる発光ユニット１１の個数などは適宜選択することができる。

放熱器１２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材２０を含み、典型的には、放熱器１２の全体がアルミニウムまたはアルミニウム合金製の放熱部材２０である。放熱部材２０は、発光ユニット１１が配置される円板状部分（ベース）２０ａと、この円板状部分２０ａから鉛直方向（図１において鉛直下向き）に伸びる複数の柱状部分（ピン）２０ｂとを有する。放熱部材２０のサイズ、形状は本例に限定されるものではない。

放熱器１２は、上述した実施例１または３と同様の製造方法により製造されており、表面が、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬することを含むプロセスにより粗化され、水酸化ナトリウム溶液に浸漬することを含むプロセスにより溶解処理され、さらに、陽極酸化することを含むプロセスにより被膜（ブラックアルマイト）が形成されている。放熱器１２の発光ユニット１１（熱源となる部材）を取り付ける領域を除き粗化し、ブラックアルマイトを形成することは上述したとおり有効である。

カバー１５は、透光性を有している。本例のカバー１５は、乳白色であって、略半球状（ドーム状）に形成されている。カバー１５は、他の色の着色されたものであってもよく、また、透明であってもよい。このカバー１５は、発光ユニット１１を被覆するように筐体１０の第１の部材１０ａに固定されている。本例のカバー１５は、乳白色に着色されたカバー１５であるため、発光ユニット１１を保護するだけでなく、光を拡散させ、指向性を抑制する効果を奏する。耐熱性が要求されるカバー１５を形成する材料としては、例えば、ポリカーボネート、アクリル、ガラスなどを用いることができる。また、カバー１５を形成する材料の中には、拡散剤としてチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素などを混在させたり、顔料や、波長変換部材を混在させてもよい。なお、カバー１５は省略してもよい。

この照明装置１には、本例の製造方法で形成した放熱器１２が採用されており、放熱器１２は良好な放熱特性を有する。特に、被膜（アルマイト）に染色（特にブラック）を施した放熱器は、高い放熱特性を有する。この照明装置１においては、放熱器１２の放熱効率が高いので、発光ユニット１１の温度上昇を抑制できる。したがって、発光ユニット１１を長時間にわたり高輝度で発光させることが可能であり、耐久性が高く、照度の低下の少ない照明装置を提供できる。

なお、本例では、放熱器を照明装置に適用したが、本発明の放熱器は、照明装置への適用に限定されるものではない。本発明の放熱器は、発熱体から発せられる熱を放散させることが要求される装置・機器などに広く用いることができる。

また、本例では、照明装置の発光ユニットとしてＬＥＤを含むユニットを用いたが、本発明の照明装置の発光ユニットは、ＬＥＤを含むものに限定されるものではない。

１ 照明装置、 １１ 発光ユニット
１２ 放熱器、 ２０ 放熱部材

Claims (9)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む放熱器の製造方法であって、
   前記放熱部材の少なくとも一部を、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬し、析出した遷移金属被膜を溶解することを備えた、前記放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化する工程と、
   粗化された表面を含む、前記放熱部材の少なくとも一部を水酸化ナトリウム溶液に浸漬することを備えた、前記粗化された表面を溶解処理する工程と、
   溶解処理された表面を含む、前記放熱部材の表面の少なくとも一部を陽極酸化することを備えた、被膜を形成する工程とを有する、製造方法。
2. 請求項１において、前記被膜を形成する工程は、陽極酸化により形成された被膜を染色することをさらに含む、製造方法。
3. 請求項１または２において、前記粗化する工程は、表面加工溶液に浸漬した部分を含む、前記放熱部材の少なくとも一部を硝酸溶液に浸漬させながら超音波を加えることを含む、製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記放熱部材の表面は、熱源となる部材を取り付ける領域を含み、
   前記粗化する工程は、前記取り付ける領域を除いた前記放熱部材の表面の少なくとも一部を粗化する、製造方法。
5. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる放熱部材を含む放熱器であって、前記放熱部材の表面の少なくとも一部が、遷移金属イオンを含む表面加工溶液に浸漬することを含むプロセスにより粗化され、水酸化ナトリウム溶液に浸漬することを含むプロセスにより溶解処理され、さらに、前記放熱部材の表面の少なくとも一部に、陽極酸化することを含むプロセスにより被膜が形成されている、放熱器。
6. 請求項５において、前記放熱部材の表面の一部は、前記被膜を形成するプロセスであって、陽極酸化の後に染色することを含むプロセスにより被膜が形成されている、放熱器。
7. 請求項５または６において、前記放熱部材の表面は、熱源となる部材を取り付ける領域を含み、前記取り付ける領域を除いた前記放熱部材の表面の少なくとも一部が粗化されている、放熱器。
8. 請求項５なし７のいずれかに記載の放熱器と、
   前記放熱器の前記放熱部材に熱が伝達されるように取り付けられた発光ユニットとを有する照明装置。
9. 請求項８において、前記発光ユニットは発光ダイオードを含む、照明装置。

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