JP2016195202A - ヒートシンク及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱伝導率が低い蓄熱材料を用いた場合も、発熱体からの熱を速やかに吸収し冷却することが可能なヒートシンクを提供することを目的とする。【解決手段】筐体と、三次元網目状構造を有する金属多孔体と、蓄熱材料と、を有し、前記金属多孔体は前記筐体の内部に収容されて前記筐体と熱的に接続しており、前記蓄熱材料は前記筐体の内部及び前記金属多孔体の気孔部に充填されているヒートシンク。【選択図】なし

Description

本発明はヒートシンクに関し、より詳しくは、パーソナルコンピュータやモバイル電子機器などに用いられる半導体素子や、自動車の電気系統における電子部品などを冷却するために用いられるヒートシンク及びこれを用いた電子機器に関する。

パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵやＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。発熱源を冷却するための手段としては、例えば、発熱源の表面にヒートシンクや放熱シートなどを貼り付けることが行われている。

前記ヒートシンクとしては、熱伝導率が高い金属製のブロックや、多数の放熱フィンを有するブロック状のものが使用されている。また、放熱性を高めるために冷却ファンが用いられる場合もあるが、そうすると電子機器が大型化してしまうという問題が生じる。特に近年は小型化したモバイル電子機器の需要が高まっており、小スペースでの冷却が可能な自然対流冷却方式によるヒートシンクの放熱性能を高めるため、種々の改良が検討されている。

例えば、特開平１０−１３５３８１号公報（特許文献１）には、自然冷却式のヒートシンクとして、蓄熱材料を利用した潜熱利用型のヒートシンクが提案されている。この特許文献１に記載のヒートシンクは、金属筐体の内部に蓄熱材料が充填された構成を有している。これにより、発熱体からの熱が伝わった金属筐体に近い部分から蓄熱材料が徐々に融解し始め、発熱体からの熱は潜熱として吸収される。

特開平１０−１３５３８１号公報

前記特許文献１に記載のヒートシンクは、蓄熱材料として硫酸アンモニウムアルミニウム１２水和物（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）₂・１２Ｈ_２Ｏ）が用いられている。一般に、蓄熱材料は他にも水やパラフィンなどがあるが、このような蓄熱材料は熱伝導率が低いために、蓄熱材料全量が融解するのには長時間を有するという問題がある。

そこで本発明は、熱伝導率が低い蓄熱材料を用いた場合も、発熱体からの熱を速やかに吸収し冷却することが可能なヒートシンクを提供することを課題とする。

本発明の一実施形態に係るヒートシンクは、
（１）筐体と、三次元網目状構造を有する金属多孔体と、蓄熱材料と、を有し、
前記金属多孔体は前記筐体の内部に収容されて前記筐体と熱的に接続しており、
前記蓄熱材料は前記筐体の内部及び前記金属多孔体の気孔部に充填されているヒートシンク、である。

本発明により、熱伝導率が低い蓄熱材料を用いた場合も、発熱体からの熱を速やかに吸収し冷却することが可能なヒートシンクを提供することができる。

実施例においてヒートシンクの冷却性能を評価する際に用いた装置構成の概略を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係るヒートシンクは、
筐体と、三次元網目状構造を有する金属多孔体と、蓄熱材料と、を有し、
前記金属多孔体は前記筐体の内部に収容されて前記筐体と熱的に接続しており、
前記蓄熱材料は前記筐体の内部及び前記金属多孔体の気孔部に充填されているヒートシンク、である。
上記（１）に記載の発明により、熱伝導率が低い蓄熱材料を用いた場合も、発熱体からの熱を速やかに吸収し冷却することが可能なヒートシンクを提供することができる。

（２）上記（１）に記載のヒートシンクは、前記金属多孔体の金属率が２体積％以上、１５体積％以下であることが好ましい。
上記（２）に記載の発明により、蓄熱材料全体へより素早く熱を伝えることが可能なヒートシンクを提供することができる。

（３）上記（１）又は上記（２）に記載のヒートシンクは、前記金属多孔体の比表面積が２５０ｍ²/ｍ³以上、５８００ｍ²/ｍ³以下であることが好ましい。
上記（３）に記載の発明により、金属多孔体から蓄熱材への伝熱特性がより良好なヒートシンクを提供することができる。

（４）上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載のヒートシンクは、前記蓄熱材料の７０℃における潜熱量が２００ｋＪ/ｋｇ以上であることが好ましい。
上記（４）に記載の発明により、蓄熱量がより大きく、冷却特性がより良好なヒートシンクを提供することができる。

（５）上記（１）から上記（４）のいずれか一項に記載のヒートシンクは、前記金属多孔体を構成する金属がアルミニウム、銅、又はニッケルであることが好ましい。
上記（５）に記載の発明により、金属多孔体の熱伝導率が高く、蓄熱材料全体により素早く熱を伝えることが可能なヒートシンクを提供することができる。

（６）本発明の実施形態に係る電子機器は、上記（１）から上記（５）のいずれか一項に記載のヒートシンクを用いた電子機器、である。
上記（６）に記載の発明により、発熱源を速やかに冷却することが可能な電子機器を提供することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るヒートシンクについての具体例を以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態に係るヒートシンクは、筐体と、三次元網目状構造を有する金属多孔体と、蓄熱材料と、を有している。そして、前記金属多孔体は前記筐体の内部に収容されて前記筐体と熱的に接続しており、また、前記蓄熱材料は前記筐体の内部及び前記金属多孔体の気孔部に充填されている。
前記金属多孔体は、三次元網目状構造を有する骨格が金属製であるため熱伝導率に優れており、筐体から金属多孔体の端部に伝わった熱は速やかに金属多孔体全体へと伝わる。このため本発明の実施形態に係るヒートシンクにおいては、発熱体からの熱を、金属多孔体の気孔部に充填されている蓄熱材料全体に素早く伝えることができる。これにより蓄熱材料が一斉に融解することから、短時間で発熱体を冷却することができる。なお、筐体の内部全体に金属多孔体が接触していると、筐体から金属多孔体、そして蓄熱材料へと熱が伝わるため好ましいが、筐体の一部の面に金属多孔体が接触する構造となっていても構わない。
以下に、前記ヒートシンクの各構成を詳述する。

（筐体）
前記筐体は熱伝導性に優れるものであればよく、金属製のものを好ましく用いることができる。金属多孔体を構成する金属と同じ金属を用いて熱膨張係数を揃えることにより、筐体と金属多孔体との間の熱的接触性を高め、熱抵抗を下げることができる。前記筐体としては、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、銀、金、クロム、スズあるいはこれらの合金などを用いることができる。
筐体の大きさや厚さは、ヒートシンクを接触させて用いる冷却対象品に応じて適宜設計すればよい。

（金属多孔体）
金属多孔体は三次元網目状構造を有している。前記金属多孔体の骨格は、三次元的に絡み合う交差部分において、線状の骨格が折り重なって接触した構造となっているのではなく、交差部分が一体となった構造を有している。このため熱伝導性が非常に高く、更に、空隙率を高くすることが可能となっている。
金属多孔体は、例えば、発泡ウレタン等の三次元網目状構造を有する樹脂成形体の骨格の表面に金属めっきを施し、その後、燃焼等の方法によって樹脂成形体を除去することで得ることができる。金属めっきの基材となる樹脂成形体は、発泡樹脂だけでなく、不織布状の樹脂成形体を用いることもできる。また、前記三次元網目状構造を有する金属多孔体としては、このようなめっき法によるもののみならず、焼結法や鋳造法によるものも用いることができる。

また、前記金属多孔体は、金属率が２体積％以上、１５体積％以下であることが好ましい。金属多孔体の金属率を２体積％以上とすることにより、金属多孔体の骨格の金属量を充分に確保し、金属多孔体全体に素早く熱を伝えることができる。また、金属多孔体の金属率を１５体積％以下とすることにより、金属多孔体の軽量性を損なったり、製造コストが高くなり過ぎたりすることを抑制することができる。これらの観点から、金属多孔体の金属率は３体積％以上、１０体積％以下であることがより好ましく、４体積％以上、８体積％以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の金属率は、例えば、めっき膜の厚さを調整して骨格の太さを調整したり、金属多孔体を作製後に圧縮したりするなどの方法によって調整することができる。
なお、金属率とは、金属多孔体のみかけの体積において金属多孔体を構成する金属が実際に占める体積の割合のことをいう。

前記金属多孔体は気孔径が、０．４５ｍｍ以上、３．２０ｍｍ以下であることが好ましい。気孔径が０．４５ｍｍ以上であることにより、金属多孔体の気孔部に蓄熱材料を充填し易くなる。また、気孔径が３．２０ｍｍ以下であることにより、金属多孔体の骨格の表面と蓄熱材料との接触面積を大きくし、蓄熱材料に速やかに熱を伝達させることが可能となる。これらの観点から前記金属多孔体の気孔径は、０．４５ｍｍ以上、１．３０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．４５ｍｍ以上、０．９０ｍｍ以下であることが更に好ましい。
なお、前記金属多孔体の気孔径は、樹脂成形体表面を顕微鏡写真等で拡大し、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりの気孔数をセル数として計数して、平均孔径＝２５．４ｍｍ/セル数として平均的な値を求めるものとする。

前記金属多孔体の比表面積は２５０ｍ²/ｍ³以上、５８００ｍ²/ｍ³以下であることが好ましい。金属多孔体の比表面積が２５０ｍ²/ｍ³以上であることにより、金属多孔体の骨格の表面と蓄熱材料との接触面積をより大きくすることができる。また、金属多孔体の比表面積が５８００ｍ²/ｍ³以下であることにより、蓄熱材の充填を容易に行うことが可能になる。これらの観点から金属多孔体の比表面積は、８５０ｍ²/ｍ³以上、５８００ｍ²/ｍ³以下であることがより好ましく、１２５０ｍ²/ｍ³以上、５８００ｍ²/ｍ³以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の比表面積は、金属多孔体の気孔径を変更することによって適宜調整することが可能である。

金属多孔体の比表面積は静電容量法によって測定することができる。
静電容量法とは、下記理論式に示されるように金属材料の静電容量が表面積に比例するということを利用する測定方法である。即ち、まず、試料となる金属多孔体と同純度で表面積が既知の金属板を複数枚用意し、それぞれの静電容量を測定する。そして、「静電容量」対「面積」の検量線を作成することで、試料の表面積を検量法により求めることができる。
（理論式）
Ｃ＝ε×（Ａ／ｄ）
Ｃ：静電容量、ε：誘電率、ｄ：２極間の距離、Ａ：試料の表面積

前記金属多孔体を構成する金属としては、熱伝導性に優れるものを用いればよく、例えば、アルミニウムや銅、ニッケル、銀、金、クロム、スズなどを挙げることができる。アルミニウムを用いる場合にはヒートシンクを軽量化することができ、銅を用いる場合にはヒートシンクをより軽量化することができる。
前記三次元網目状構造を有する金属多孔体としては、例えば、住友電気工業株式会社製のアルミセルメット（アルミニウム製）やニッケルセルメット（ニッケル製）などを好ましく用いることができる。

（蓄熱材料）
前記蓄熱材料は、加熱されることによって溶融し、潜熱を利用して熱エネルギーを蓄積するための材料であり、融解と凝固の繰り返し性の良いものを用いることが好ましい。このような蓄熱材料としては、例えば、パラフィン、有機酸、糖アルコール、水、硫酸ナトリウム１０水和物、水酸化バリウム８水和物、及び硫酸アンモニウムアルミニウム１２水和物などを用いることができる。

また、蓄熱材料は潜熱量が大きいほど蓄熱できる熱エネルギーが大きくなる。このため前記蓄熱材料は、７０℃における潜熱量が、２００ｋＪ/ｋｇ以上であることが好ましい。７０℃における潜熱量が２００ｋＪ/ｋｇ以上であることにより、高温になった発熱体の熱を充分に吸収して冷却することができる。これらの観点から、前記蓄熱材料の潜熱量は、７０℃において、２５０ｋＪ/ｋｇ以上であることがより好ましく、３００ｋＪ/ｋｇ以上であることが更に好ましい。蓄熱材料の潜熱量は大きければ大きいほど好ましい。

（筐体と金属多孔体との熱的接続）
本発明の実施形態に係るヒートシンクにおいて前記筐体と前記金属多孔体とは熱的に接続されていればよい。このような接続方法としては、例えば、筐体の内部に金属多孔体が収容されるように配置し、筐体と金属多孔体とをろう付けや半田付けなどによって熱的に接続する方法が挙げることができる。

本発明の実施形態に係るヒートシンクの大きさは、冷却の対象となる部材の大きさによって適宜設計すればよい。モバイル電子機器などに用いられる小さな部品を冷却するために用いる場合には、金属多孔体の加工は、必要に応じてレーザー光照射などの方法によって加工することで加工精度を上げることができる。

＜電子機器＞
本発明の実施形態に係る電子機器は、本発明の実施形態に係るヒートシンクを用いた電子機器である。前述の本発明の実施形態に係るヒートシンクは電子機器における発熱源に接触させることで優れた冷却効果を発揮することができる。
電子機器は特に限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータやモバイル電子機器などを挙げることができ、また、自動車における電気系統の電子機器などに対しても用いることができる。前記電子機器の種々の発熱源に、前記ヒートシンクの筐体を接触させて用いればよい。発熱源と筐体との接触は、例えば、高熱伝導率の接着剤などを介在させて行えばよい。
このような本発明の実施形態に係るヒートシンクを用いた電子機器は、発熱源を速やかに冷却することが可能である。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、これらの実施例は例示であって、本発明のヒートシンクはこれらに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

［実施例１］
下記のようにしてヒートシンク１を作製し、図１に示すようにしてヒートシンク１内の蓄熱材料が融解するのに要した時間を測定することで冷却性能を評価した。
（本体部）
特開２０１１−２２５９５０号公報に記載の方法により、三次元網目状構造を有するアルミニウム製の金属多孔体１（以下、アルミニウム多孔体１という）を用意した。
アルミニウム多孔体１は、金属率が５．０体積％、気孔径が０．５５ｍｍ、アルミニウム純度が９９．９質量、厚さが５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム多孔体１を３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに切断した。
（筐体）
アルミニウムの純度が９９．９質量％で、収容部と蓋部とを有するアルミニウム製の筐体（容積：３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍｔ）を用意した。筐体の収容部と蓋部の厚さは、それぞれ１ｍｍとした。
（蓄熱材料）
蓄熱材料として、パラフィン（融点が７０℃で、そのときの潜熱量が２５０ｋＪ/ｋｇ）を用意した。

＜ヒートシンクの作製＞
前記筐体の収容部（２）に前記アルミニウム多孔体１を入れて上面以外の５面をろう付け接合した。アルミニウム多孔体１が接合された筐体の収容部（２）に、溶融した前記パラフィンを流し込んだ。そして、パッキン（４）と固定ネジ（５）を用いて筐体の収容部（２）の上面に筐体の蓋部（３）を固定し、ヒートシンク１を作製した。
ヒートシンク１を２５℃に冷却し、パラフィンを凝固させた。

＜評価＞
（冷却性能評価）
発熱源として、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１．７５ｍｍｔのヒーターを用意した。
図１に示すように、前記ヒーター（６）上に前記ヒートシンク１を載せて、ヒーターを１ｋＷの出力で加熱し、ヒートシンク１内のパラフィンが完全に融解するまでの時間を計測した。
結果を表１に示す。
（比表面積）
ヒートシンク１における金属多孔体１の比表面積を静電容量法によって測定したところ、２８００ｍ²/ｍ³であった。

［実施例２］
金属率が２．５体積％であり、気孔径が３．２ｍｍである以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体２を用意した。アルミニウム多孔体２を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク２を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体２の比表面積とヒートシンク２の冷却性能を評価した。結果を表１に示す。

［実施例３］
金属率が１２．０体積％であり、気孔径が３．２ｍｍである以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体３を用意した。アルミニウム多孔体３を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク３を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体３の比表面積とヒートシンク３の冷却性能を評価した。結果を表１に示す。

［実施例４］
金属率が２．５体積％であり、気孔径が０．４５ｍｍである以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体４を用意した。アルミニウム多孔体４を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク４を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体４の比表面積とヒートシンク４の冷却性能を評価した。結果を表１に示す。

［実施例５］
金属率が１２．０体積％であり、気孔径が０．４５ｍｍである以外はアルミニウム多孔体１と同じ構成のアルミニウム多孔体５を用意した。アルミニウム多孔体５を用いた以外は実施例１と同様にしてヒートシンク５を作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にして、アルミニウム多孔体５の比表面積とヒートシンク５の冷却性能を評価した。結果を表１に示す。

［比較例］
アルミニウム多孔体１を用いなかった以外は実施例１と同様にして、筐体の内部にパラフィンを充填したのみのヒートシンクＡを作製した。
＜評価＞
実施例１と同様にしてヒートシンクＡの冷却性能を評価した。結果を表１に示す。

１ 金属多孔体及び蓄熱材料
２ 筐体の収容部
３ 筐体の蓋部
４ パッキン
５ 固定ネジ
６ ヒーター

Claims (6)

1. 筐体と、三次元網目状構造を有する金属多孔体と、蓄熱材料と、を有し、
   前記金属多孔体は前記筐体の内部に収容されて前記筐体と熱的に接続しており、
   前記蓄熱材料は前記筐体の内部及び前記金属多孔体の気孔部に充填されているヒートシンク。
2. 前記金属多孔体の金属率が２体積％以上、１５体積％以下である請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記金属多孔体の比表面積が２５０ｍ²/ｍ³以上、５８００ｍ²/ｍ³以下である請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記蓄熱材料の７０℃における潜熱量が２００ｋＪ/ｋｇ以上である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記金属多孔体を構成する金属がアルミニウム、銅、ニッケル、鉄、銀、金、クロム、又はスズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンクを用いた電子機器。

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