JP2019029574A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの熱交換性能を向上させる。【解決手段】ヒートシンクは、基板部と、該基板部の表面に一体に立設して相互に平行に配置された多数のフィン部と、前記フィン部間の溝部内に充填された三次元網目構造を有する多孔体とを有しており、前記基板部と前記フィン部とはアルミニウムのバルク体からなり、前記多孔体はアルミニウム繊維の焼結体からなり、前記フィン部及び前記基板部と前記多孔体とは焼結接合部を介して接合されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、熱を放散するために用いられるヒートシンクに関する。

パワー素子等の半導体素子を搭載したパワーモジュール等のように、発熱を伴う電子部品においては、これを正常に動作させるために、発熱素子からの熱を放散するためのヒートシンクが設けられる。このヒートシンクとしては、熱伝導性が高いアルミニウムや銅が用いられる。また、平板状の基板部の片面に多数のプレート状、ピン状等のフィンを立設させた構造のものが多く用いられ、このようなヒートシンクは、パワーモジュール等の被冷却体と基板部とを密着させ、フィンを熱媒流路に配置することにより、被冷却体を冷却する。

例えば、特許文献１には、押出成形により、基板部に板状のフィンが高さ方向の中間位置を横リブにより連結された形状に形成されている。
また、特許文献２では、フィンの比表面積を高めるために、立体網状材料からなるフィンが用いられており、基板部にろう付け等により接合されている。立体網状材料としては、銅、ニッケル、ステンレス、アルミニウム等の金属を発泡させた連続気孔を有する発泡金属が挙げられている。
また、特許文献３には、基板部に立設したピン又はプレート状のフィンの間に、連通細孔を有する多孔質体を充填した構造のものが開示されており、基板部から多孔質体への熱移動はバルク体のフィンにより広い面積で行われ、多孔質体から空気への熱伝達は多孔質体によって行われるため、熱交換性能を高めることができると記載されている。

特開平６−２４４３２７号公報 特開２００７−１８４３６６号公報 特開２０１２−９４８２号公報 特開２０１６‐１４５０８号公報

しかしながら、特許文献１記載のヒートシンクでは、フィンがバルク体であるため表面積が小さく、高い熱交換性能が期待できない。特許文献２記載のものでは、ろう材が母材と反応し、接合界面の熱抵抗が大きくなることが懸念される。また、ろう材が多孔質体（立体網状材）内に浸透して比表面積が低下するおそれがあるとともに、接合に必要なろう材およびフラックスがコスト高となる傾向にある。さらに、特許文献３記載の構造では、多孔質体としてオープンセル構造の発泡アルミニウム（金属多孔質体）を使用しているが、このような発泡金属は、一般に、金属粉末に共晶元素を混ぜ、液相焼結させることで製造される。このため、発泡金属内に共晶元素が散りばめられることで、熱伝導率が低くなる。
一方、本出願人は、特許文献４にて、フィンをバルク体の芯部の表面に多孔質体を接合した構造とすることを提案しており、その多孔質体として、アルミニウム繊維を焼結して一体化したものを用いている。これにより、多孔質体の焼結強度が高められ熱伝導性が向上するため、効率的に熱交換を行うことができるが、さらなる熱交換性能の向上が望まれる。

本発明は、ヒートシンクの熱交換性能を向上させることを目的とする。

本発明のヒートシンクは、基板部と、該基板部の表面に一体に立設して相互に平行に配置された多数のフィン部と、前記フィン部間の溝部内に充填された三次元網目構造を有する多孔体とを有しており、前記基板部と前記フィン部とはアルミニウムのバルク体からなり、前記多孔体はアルミニウム繊維の焼結体からなり、前記フィン部及び前記基板部と前記多孔体とは焼結接合部を介して接合されている。

このヒートシンクは、バルク体のフィン部間の溝部内に多孔体が充填されており、フィン部及び基板部と多孔体とを併せた広い面積で熱移動が行われる。また、フィン部及び基板部と多孔体とは焼結接合部を介して接合されているので、フィン部及び基板部と多孔体との接合界面の熱抵抗が小さく、基板部及びフィン部から多孔体への熱移動が円滑に促進される。そして、熱媒は多孔体内の空隙を通って多孔体、フィン部及び基板部の表面との間で熱交換される。この場合、ヒートシンクには多孔体により大きな表面積が形成されているので、多孔体が受けた熱が熱媒に効率的に移動することにより、優れた熱交換性能が得られる。また、多孔体（アルミニウム繊維）は熱媒の流れの障害となり、流れを乱すこと（かく乱効果）ができるため、バルク体のみからなるヒートシンクと比較して、比表面積が大きくなる以上に熱交換が促進される効果がある。

また、多孔体はアルミニウム繊維の焼結体からなることから、発泡金属のように共晶元素が散りばめられることがなく、発泡金属と比べて高い熱伝導率が得られる。また、この多孔体は、アルミニウム繊維の太さや充填方法を変えるだけで、気孔率の大きさや、内部開口する気孔の開口径の大きさ等を自在に制御できるため、製品設計の自由度が高い。さらに、多孔体の外形形状は、目的形状に形成した成形型を用いることにより、容易に成形可能である。
なお、フィン部及び基板部と多孔体とは焼結接合部によって接合され、ろう材を用いていないので、ろう材の浸透による多孔体の気孔率の低下が生じない。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態は、前記フィン部の配列方向と平行な前記多孔体の横断面において、断面が観察される前記アルミニウム繊維の全体断面数に対し、長径と短径とのアスペクト比が１．２以上である前記アルミニウム繊維の断面数の比率が４０％以上７０％以下であるとよい。

多孔体の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維の断面数の比率を４０％以上とすることで、熱媒の流れる方向（フィン部の長さ方向）に対抗する面、すなわち、熱媒の流れの障害となる面を増加させることができる。これにより、多孔体において熱媒の流れを乱すかく乱効果を生じやすくでき、熱媒との熱交換をさらに促進させることができる。この長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維の断面数の比率は、５０％以上６０％以下とするのがより好ましい。
なお、多孔体の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維の断面数の比率が４０％未満では、かく乱効果に寄与するアルミニウム繊維が少なくなることで熱媒のかく乱効果の促進を図ることが難しくなり、熱交換性能が低下するおそれがある。一方、長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維の断面数の比率が７０％を超えると、熱媒の流動抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなりすぎる。

また、本発明のヒートシンクでは、前述したように、多孔体にアルミニウム繊維の焼結体を用いたので、アルミニウム繊維の方向を意図的に揃えたり、ばらけさせたりすることが容易であり、多孔体の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維の断面数の比率を容易に制御できる。また、アルミニウム繊維の方向を容易に制御できるので、フィン部の長さ方向（長手方向）に対し垂直なアルミニウム繊維を多く配置させることもできる。この場合には、多孔体の厚さ方向（フィン部の配列方向）への伝熱経路において熱抵抗となるアルミニウム繊維間の界面が少なくなり、フィン部と周辺空間との間の熱伝達を促進できる。また、フィン部の長さ方向に対し平行なアルミニウム繊維を多く配置させることで、多孔体の内部を熱媒が通過する際の圧力損失を抑制できる。
なお、例えば発泡金属は骨格の向きが必然的に等方的になることから、本願発明のように多孔体の骨格を意図的に変更し、かく乱効果の促進や圧力損失の抑制を図ることはできない。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態は、前記基板部の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積と前記フィン部の高さとの積で求められる全体体積のうち、前記フィン部及び前記多孔体の金属部分を除く空間体積の比率である空隙率が、４０％以上７０％以下であるとよい。

空隙率が４０％未満であると、熱媒の流通に対する圧力損失が大きくなる。一方、空隙率が７０％を超えると、熱交換性能（熱伝達率）が低くなる。したがって、空隙率を４０％以上７０％以下にすることで、熱交換性能を高めることができるとともに、圧力損失を低く抑えられる。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態は、前記フィン部及び前記多孔体の比表面積が１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下であるとよい。

フィン部及び多孔体の比表面積が１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３未満であると、熱媒との熱交換面積が少なくなり、熱伝達率が低下し、熱交換性能が低下するおそれがある。一方、この比表面積が１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３を超えると、圧力損失が大きくなる。したがって、フィン部及び多孔体の比表面積を１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下とすることで、熱交換性能を高めることができ、さらに圧力損失を低く抑えられる。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態は、前記基板部の表面と平行な縦断面における前記溝部の面積に対する前記アルミニウム繊維の面積の比率を縦断面繊維密度Ｄｌ［％］とし、前記縦断面に直交する前記フィン部の配列方向と平行な横断面における前記溝部の面積に対する前記アルミニウム繊維の面積を横断面繊維密度Ｄｃ［％］とすると、前記縦断面繊維密度Ｄｌが１０％以上４０％以下であり、前記横断面繊維密度Ｄｃが１０％以上４０％以下であるとよい。

縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが１０％未満であると、熱媒との熱交換面積が少なくなり、熱伝達率が低下し、熱交換性能が低下するおそれがある。一方、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが４０％を超えると、圧力損失が大きくなる。したがって、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃを共に１０％以上４０％以下とすることで、熱交換性能を高めることができ、さらに圧力損失を低く抑えられる。

本発明のヒートシンクの好ましい実施形態として、前記フィン部のうち、前記配列方向の最も外側に配置された外側フィン部は、前記基板部の両側縁よりも内側に配置されており、前記外側フィン部の外側面と該外側フィン部よりも外側の前記基板部の表面とに前記多孔体が接合されているとよい。

各フィン部の間の溝部に多孔体を充填するだけでなく、相互に平行に配置されたフィン部のうち、配列方向の最も外側に配置された外側フィン部の外側面とその外側フィン部よりも外側の基板部の表面とに多孔体を接合しておくことで、外側フィン部を基板部の両側縁上に配置した場合と比較して、ヒートシンクに多孔体により大きな表面積を形成できる。したがって、多孔体が受けた熱を熱媒に効率的に移動させることができ、熱交換性能をより一層向上できる。

本発明によれば、熱媒の流れを乱すかく乱効果を促進できるので、ヒートシンクの熱交換性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態のヒートシンクを示す斜視図である。 図１のヒートシンクの一部を拡大した平面図である。 図１のヒートシンクの一部を拡大した側面図である。 図１に示すヒートシンクの外観観察画像である。 図４に示すヒートシンクの要部断面画像であり、繊維径０．３ｍｍのアルミニウム繊維の焼結体からなる多孔体のフィン部の配列方向と平行な横断面の観察画像である。 繊維径０．５ｍｍのアルミニウム繊維の焼結体からなる多孔体のフィン部の配列方向と平行な横断面の観察画像である。 図１のヒートシンクの製造途中の状態を示す側面図である。 比較例のプレートフィン型ヒートシンクを示す斜視図である。 比較例のピンフィン型ヒートシンクを示す斜視図である。

以下に、本発明の実施形態を説明する。
本発明の一実施形態を示すヒートシンク１０１は、図１〜図３の模式図及び図４の観察画像に示すように、平板状の基板部１１と、その基板部１１の片面に立設した多数の帯板状（プレート状）のフィン部１２と、これらフィン部１２間の溝部１３内に充填された三次元網目構造を有する多孔体２０とを有している。
基板部１１とフィン部１２とは、アルミニウム（アルミニウム合金を含む。）のバルク体によって一体に形成されたアルミニウム成形体１０である。また、多孔体２０は、図４及び図５に示すように、基板部１１及びフィン部１２と同じ材質のアルミニウムからなるアルミニウム繊維２１の焼結体で形成され、基板部１１及びフィン部１２の表面に焼結によって接合されており、これらの表面との間に焼結接合部２２を形成している。

この場合、基板部１１は、例えば矩形状の平面形状を有しており、図１〜図３に示すように、フィン部１２は、基板部１１の表面から所定の高さｈ１、所定の厚さｔ１で立設されている。図１に示す例では、フィン部１２は、基板部１１の表面と平行な面方向において、縦方向（奥行方向、長さ方向）の全長にわたって設けられ、基板部１１の横方向（幅方向）に所定の間隔ｃ１をおいて相互に平行に並べられている。そして、各フィン部１２の間に間隔ｃ１の開口幅を有する溝部１３が設けられている。また、これらのフィン部１２のうち、最も外側の両側部に配置される外側フィン部１２ｏは、基板部１１の両側縁よりも内側に配置されている。

一方、多孔体２０は、各フィン部１２間の溝部１３に充填されている。この場合、多孔体２０は、前述したフィン部１２の間隔ｃ１を埋めるように、フィン部１２の長さ方向に沿って形成され、図５に示すように、フィン部１２及び基板部１１に焼結接合部２２を介して接合されている。また、外側フィン部１２ｏよりも外側の基板部１１の表面上にも、基板部１１の両側縁に沿って多孔体２０が配置されており、その多孔体２０は、外側フィン部１２ｏの外側面と基板部１１の表面とに焼結接合部２２を介して接合されている。

この多孔体２０は、前述したように、アルミニウム繊維２１の焼結体からなり、この場合、多数のアルミニウム繊維２１の集合体を焼結させることにより形成されている。アルミニウム繊維２１としては、例えば、その外径（繊維径）Ｄが２０μｍ以上３０００μｍ以下で、長さＬが０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下に形成されたものを用いることができる。なお、図４及び図５は、繊維径Ｄが０．３ｍｍのアルミニウム繊維２１により形成された多孔体２０である。そして、多孔体２０は、図４及び図５に示すように、アルミニウム繊維２１を屈曲させて複数の接点２１ａを有するように重ねた状態で、これらの接点２１ａにおいてアルミニウム繊維２１を焼結することにより三次元網目構造が形成されている。
なお、図６は、多孔体２０の他の実施形態である、繊維径０．５ｍｍのアルミニウム繊維の焼結体からなる多孔体のフィン部の配列方向と平行な横断面の観察画像を示す。

多孔体２０は、図５又は図６に示すように、フィン部１２の配列方向（長さ方向と直交する方向）と平行な横断面において、断面が観察されるアルミニウム繊維２１の全体断面数に対し、長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率が４０％以上７０％以下に設けられる。なお、アルミニウム繊維２１の断面の長径と短径とは、最も長い（大きい）寸法を長径とし、この長径に直交する寸法を短径とした。

このように、多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率を４０％以上とすることで、熱媒の流れに対抗する、すなわち、熱媒の流れの障害となる面を増加させることができる。これにより、多孔体２０において熱媒の流れを乱すかく乱効果を生じやすくしている。

なお、多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率が４０％未満では、かく乱効果に寄与するアルミニウム繊維２１が少なくなることで、熱媒のかく乱効果の促進を図ることが難しくなり、熱交換性能が低下する。一方、長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率が７０％を超えると、多孔体２０が障害となり、熱媒の流動抵抗が大きくなることで、圧力損失が大きくなりすぎる。

なお、この多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比は、アルミニウム繊維２１の太さ（繊維径Ｄ）や成形型への充填方法を変えることで、容易に制御できる。具体的には、アルミニウム繊維２１の方向を意図的に揃えたり、ばらけさせたりすることが容易であるので、多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率を容易に制御できる。また、同時に、多孔体２０の気孔率の大きさや、多孔体２０の内部に開口する気孔の開口径の大きさも制御できる。さらに、多孔体２０の外形形状は、目的形状の成形型を用いることにより、容易に成形可能である。

また、前述したように、多孔体２０を製造するにあたって、アルミニウム繊維２１の方向を容易に制御できるので、フィン部１２の長さ方向（長手方向）に対し垂直なアルミニウム繊維２１を多く配置させることもできる。この場合には、多孔体２０の厚さ方向（フィン部１２の配列方向）への伝熱経路において熱抵抗となるアルミニウム繊維２１間の界面が少なくなり、フィン部１２と周辺空間との間の熱伝達を促進できる。また、フィン部１２の長さ方向に対し平行なアルミニウム繊維２１を多く配置させることで、多孔体２０の内部を熱媒が通過する際の圧力損失を抑制できる。なお、発泡金属は骨格の向きが必然的に等方的になることから、多孔体２０のように骨格を意図的に変更し、かく乱効果の促進や圧力損失の抑制を図ることはできない。

そして、ヒートシンク１０１では、基板部１１の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積とフィン部１２の高さｈ１との積で求められる全体体積のうち、フィン部１２及び多孔体２０の金属（アルミニウム）部分を除く空間体積の比率（以下、空隙率と称す）が、４０％以上７０％以下とされる。
このうち、空隙率を計算するための全体体積は、図１に示す例のように、フィン部１２が立設されている基板部１１の表面の全体が大気等に露出し、その表面全体で熱媒（例えば空気や水）と熱交換する場合は、基板部１１の全体の平面積（Ｓ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積とすればよい。

したがって、縦Ｓ１ｍｍ×横Ｓ２ｍｍの基板部１１の上に、その全長にわたって厚さｔ１ｍｍ×高さｈ１ｍｍのフィン部１２がＩ個設けられている場合、全体体積Ｖは、Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１［ｍｍ^３］となる。そして、その間隔ｃ１の溝部１３内に、気孔率がＸ％の多孔体２０を接合してヒートシンク１０１を形成する場合、空間体積ＶｐはＶｐ（ｍｍ^３）＝Ｖ−［Ｉ×ｔ１＋｛２×ｃ３＋（Ｉ−１）×ｃ１｝×（１−Ｘ／１００）］×Ｓ１×ｈ１となり、空隙率はＶｐ／Ｖで求められる。
また、フィン部１２及び多孔体２０の比表面積（単位体積当たりの表面積）は、１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下に設定される。

また、多孔体２０は、基板部１１の表面と平行な縦断面（図１のＡ−Ａ線に沿う断面）における溝部１３の面積に対するアルミニウム繊維２１の比率を縦断面繊維密度Ｄｌ［％］とし、この縦断面に直交するフィン部１２の配列方向と平行な横断面（図１のＢ−Ｂ線に沿う断面）における溝部１３の面積に対するアルミニウム繊維の比率を横断面繊維密度Ｄｃ［％］とすると、縦断面繊維密度Ｄｌが１０％以上４０％以下、横断面繊維密度Ｄｃが１０％以上４０％以下で、横断面繊維密度Ｄｃと縦断面繊維密度Ｄｌとが共に１０％以上４０％以下とされる。

なお、繊維密度は、前述したように各断面におけるアルミニウム繊維の面積比率である。具体的には、横断面繊維密度Ｄｃは、図５に示す多孔体２０の複数箇所の横断面において、フィン部１２の高さｈ１と各フィン部１２の間隔ｃ１との積（ｈ１×ｃ１）で求められる全体面積のうち、アルミニウム繊維２１部分の面積が占める割合を算出することにより求められる。また、図示は省略するが、縦断面繊維密度Ｄｌは、多孔体２０の複数箇所の縦断面において、フィン部１２の長さ（基板部１１の縦Ｓ１）と各フィン部１２の間隔ｃ１との積（Ｓ１×ｃ１）で求められる全体面積のうち、アルミニウム繊維２１部分の面積が占める割合を算出することにより求められる。

繊維密度が上がる程、熱媒の流動抵抗が大きくなり圧力損失が大きくなる傾向があるが、同時にかく乱効果も発生しやすくなり、熱交換性能も向上しやすくなる。なお、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが１０％未満では、多孔体２０の気孔率が高くなることで、熱媒との熱交換面積が少なくなる。このため、熱伝達率が低下し、ヒートシンク１０１の熱交換性能が低下するおそれがある。一方、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが４０％を超えると、熱媒の流動抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなる。なお、この観点から、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃは、１５％以上３５％以下とするのがより好ましい。なお、気孔率は、溝部１３内で熱媒が流通させられる領域の平面積（縦Ｓ１×間隔ｃ１）とフィン部１２の高さｈ１との積で求められる全体体積のうち、アルミニウム繊維２１部分を除く空間体積の比率である。

このように構成したヒートシンク１０１を製造する場合、例えばアルミニウムの押出成形により、基板部１１とフィン部１２とを有するバルク体のアルミニウム成形体１０を一体に形成し、そのフィン部１２間の溝部１３内に、図７に示す型５１を用いて多孔体２０を接合する。その型５１は、例えばカーボン等、アルミニウム成形体１０及び多孔体２０のアルミニウムと反応しにくい材料からなり、図７（ａ）に示すように、片面に、フィン部１２を収容するための矩形状の凹部５２が形成された板状に形成され、その型５１を図７（ｂ）に示すように基板部１１に対向するように重ね合わせると、アルミニウム成形体１０と型５１との間に多孔体２０を形成するための空間５３が形成される。そこで、予めアルミニウム繊維２１の集合体２３を、空間５３が形成される各フィン部１２間の溝部１３内に配置した後、アルミニウム成形体１０と型５１とを重ね合わせて、その空間５３内にアルミニウム繊維２１の集合体２３を充填する。そして、例えば不活性雰囲気で６００℃〜６６０℃の温度で０．５分〜６０分間、加熱することにより、アルミニウム繊維２１相互間の接点２１ａで焼結させた多孔体２０を形成するとともに、アルミニウム繊維２１をアルミニウム成形体１０（フィン部１２及び基板部１１）と焼結させて焼結接合部２２を形成する。これにより、多孔体２０とアルミニウム成形体１０とが焼結接合部２２を介して一体に接合されたヒートシンク１０１を得ることができる。

このように構成されるヒートシンク１０１においては、アルミニウム成形体１０の各フィン部１２間の溝部１３内に多孔体２０が充填されており、フィン部１２及び基板部１１（アルミニウム成形体１０）と多孔体２０とを併せた広い面積で熱移動が行われる。また、フィン部１２及び基板部１１と多孔体２０とは焼結接合部２２を介して接合されているので、フィン部１２及び基板部１１と多孔体２０との接合界面の熱抵抗が小さく、基板部１１及びフィン部１２から多孔体２０への熱移動が円滑に促進される。そして、熱媒は多孔体２０内の空隙を通って多孔体２０、フィン部１２及び基板部１１の表面との間で熱交換される。この場合、ヒートシンク１０１には多孔体２０により大きな表面積が形成されているので、多孔体２０が受けた熱が熱媒に効率的に移動することにより、優れた熱交換性能が得られる。また、多孔体２０は熱媒の流れの障害となり、熱媒の流れを乱すことができるため、バルク体のみからなるヒートシンクと比較して、比表面積が大きくなる以上に熱交換が促進される効果がある。

また、前述したように、多孔体２０はアルミニウム繊維２１の焼結体からなることから、発泡金属のように共晶元素が散りばめられることがなく、発泡金属と比べて高い熱伝導率が得られる。また、この多孔体２０は、アルミニウム繊維２１の太さや充填方法を変えるだけで、気孔率の大きさや、内部開口する気孔の開口径の大きさ等を自在に制御できるため、製品設計の自由度が高い。さらに、多孔体の外形形状は、目的形状に形成した成形型を用いることにより、容易に成形可能である。
なお、フィン部１２及び基板部１１と多孔体２０とは焼結接合部２２によって接合され、ろう材を用いていないので、ろう材の浸透による多孔体２０の気孔率の低下が生じない。

また、本実施形態のヒートシンク１０１では、多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率を４０％以上７０％以下とし、熱媒の流れる方向（フィン部１２の長さ方向）に対抗する面、すなわち、熱媒の流れの障害となる面を増加させている。これにより、多孔体２０において熱媒の流れを乱すかく乱効果を生じやすくでき、熱媒との熱交換をさらに促進させることができる。
また、前述したように、多孔体２０を構成するアルミニウム繊維２１は、繊維の方向を意図的に揃えたり、ばらけさせたりすることが容易であり、多孔体２０の横断面における長径と短径とのアスペクト比が１．２以上であるアルミニウム繊維２１の断面数の比率を容易に制御できる。

また、本実施形態のヒートシンク１０１では、前述したように空隙率を４０％以上７０％以下に設定しているため、圧力損失の増大を抑制しつつ熱交換性能を高めることができる。その空隙率が４０％未満であると、熱媒の流通に対する圧力損失が大きくなり、一方、空隙率が７０％を超えると熱交換性能が低くなる。

また、フィン部１２及び多孔体２０の比表面積は、前述したように１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下に設定されているため、熱交換性能の向上と圧力損失の低減に効果がある。比表面積が１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３未満であると、熱交換面積が少なくなることによる熱交換性能の低下がおき、１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３を超えていると圧力損失の増大を招く。

また、前述したように、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃを共に１０％以上４０％以下としたので、熱交換性能を高めることができ、さらに圧力損失を低く抑えられる。縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが１０％未満であると、熱媒との熱交換面積が少なくなり、熱伝達率が低下し、熱交換性能が低下するおそれがある。一方、縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃが４０％を超えると、圧力損失が大きくなる。

本発明例（試料番号１〜８）として、図１に示す上記実施形態の帯板状（プレート状）のフィン部１２を有するヒートシンク１０１を作製した。この場合、基板部１１は、縦Ｓ１：５５ｍｍ×横Ｓ２：３８ｍｍ、板厚ｈ０：４ｍｍとし、フィン部１２を基板部１１の全長にわたって形成した。フィン部１２は６枚形成し、各フィン部１２の高さｈ１は６ｍｍとした。各フィン部１２は、基板部１１の両側縁よりも内側に配置した。また、フィン部１２の厚みｔ１を２．３ｍｍ、フィン部１２の離間間隔ｃ１を４ｍｍとした。なお、外側フィン部１２ｏの外側面と基板部１１の側縁との離間間隔ｃ３は、２．１ｍｍとした。

また、比較例（試料番号９）として、図８に示すように、多孔体を設けず、帯板状のフィン部１２を有するアルミニウム成形体１０のみからなるヒートシンク２０１を作製した。このヒートシンク２０１は、本発明例（試料番号１〜８）のアルミニウム成形体１０と同様の寸法で形成した。
また、比較例（試料番号１０）として、図９に示すように、ピン状のフィン部１５を有するピンフィン型ヒートシンク２０２を作製した。このヒートシンク２０１も、多孔体を設けず、フィン部１５と基板部１４とで構成されるアルミニウム成形体１６のみで形成した。基板部１４の寸法は、本発明例（試料番号１〜９）のアルミニウム成形体１０の基板部１１と同様の寸法で形成した。また、各フィン部１５は、直径：２．３ｍｍ、高さｈ２：６ｍｍ、離間間隔ｃ５：６．８ｍｍで平面視三角形の頂点に配置されるように設けた。なお、各フィン部１５の高さｈ２は、本発明例（試料番号１〜８）のアルミニウム成形体１０の帯板状のフィン部１２と同じ高さで形成した。

アルミニウム成形体１０，１６及び多孔体２０の材料としては、Ａ１０５０を用いた。また、多孔体２０は、表１又は表２に示す諸元（繊維径、気孔率、繊維密度等）のものとした。
多孔体２０の気孔率は、溝部１３に充填したアルミニウム繊維２１の繊維重量をｍ［ｇ］、繊維比重をρ［ｇ／ｃｍ^３］とし、気孔率＝｛ｃ３×ｈ１×Ｓ１−（ｍ／ρ）｝／（ｃ３×ｈ１×Ｓ１）の計算式により算出した。また、空隙率は、フィン部１２，１５が立設されている基板部１１，１４の表面全体（全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１）で熱媒と熱交するものとし、多孔体２０の気孔率をもとに算出した。

また、多孔体２０の縦断面繊維密度Ｄｌ及び横断面繊維密度Ｄｃは、各フィン部１２の間を無色透明な樹脂（具体的には、エポキシ樹脂）で樹脂埋めした後、縦方向、横方向に切断した切断面を研磨し、各縦断面及び横断面の画像を顕微鏡で撮影して行った。縦断面はフィン部１２の先端から４ｍｍの位置で測定し、横断面はフィン部１２の長さ方向に４分割して３箇所の位置で測定した。そして、各画像について、画像解析ソフト（ＷｉｎＲＯＯＦ）を使用して、アルミニウム繊維２１と空隙部分とを二値化することにより、繊維密度［％］を測定した。そして、繊維密度Ｄｌ，Ｄｃから比率（Ｄｃ／Ｄｌ）を算出した。

また、多孔体２０の３箇所の横断面の画像から、観察されるアルミニウム繊維２１の断面の数（全体断面数）を数えるとともに、各アルミニウム繊維２１断面の長径と短径とをスケールを用いて測定した。そして、各アルミニウム繊維２１の長径と短径とのアスペクト比を算出し、アスペクト比が１．２以上となるアルミニウム繊維２１の断面数を数え、全体断面数に対するアスペクト比が１．２以上の断面数の割合（比率）を求めた。また、長径と短径とのアスペクト比が１．０５未満のアルミニウム繊維２１について、各アルミニウム繊維２１の長径の平均値を求め、多孔体２０を構成しているアルミニウム繊維２１の直径（繊維径Ｄ）とした。

フィン部１２、１５及び多孔体２０の比表面積は、それぞれ、比表面積（フィン部１２）＝Ｓ１×｛（１２×ｈ１）＋（５×ｃ１）＋（２×ｃ３）｝、比表面積（フィン部１５）＝Ｓ１×Ｓ２−π×（２．３×１０^−３）^２×Ｎ＋π×（２．３×１０^−３）ｈ２×Ｎ，ここでＮはピン数である，比表面積（多孔体２０）＝４×［｛（５×ｃ１）＋（２×ｃ３）｝×ｈ１×Ｓ１×｛１−（Ｘ／１００）｝］／Ｄの計算式により算出した。
圧力損失は、一方向に熱媒（水）が流れる冷却性能測定装置を使用した。その測定装置に各ヒートシンク１０１，２０１，２０２をはめ込み、フィン部１２，１５に３０℃の熱媒を体積流量４Ｌ／ｍｉｎ（一定）で流し、ヒートシンク１０１，２０１，２０２前後の差圧を測定して、これを圧力損失とした。熱媒は、基板部１１，１４の縦方向（プレートフィン型のヒートシンク１０１，２０１の場合はフィン部１２の長さ方向）に流通させた。

熱交換性能（熱伝達率）については、圧力損失測定で用いた冷却性能装置を使用した。そして、ヒートシンク１０１，２０１，２０２の基板部１１，１４上（フィン部１２，１５とは反対面上）に柔軟性のある放熱グリス、被冷却体（発熱素子）、断熱材の順で重ね、押さえ治具により被冷却体を５０ｃｍ・Ｎのトルクで圧着した。２５℃の一定の温度に調整された試験室の下、フィン部１２，１５に３０℃の熱媒（水）を４Ｌ／ｍｉｎ（一定）で５分間流し、被冷却体の温度（発熱前温度）が安定していることを確認した後、４５０Ｗの電力で被冷却体を１５分間発熱させ、基板部１１，１４と、これら基板部１１，１４中央の被冷却体との界面の温度Ｔｂ１と水温Ｔｗとを測定した。そして、温度Ｔｂ１から、熱媒（水）と基板部１１，１４との界面の温度Ｔｂ２を、Ｔｂ２＝［Ｔｂ１−｛４５０×ｈ０／（Ａ×ｋ）｝］の計算式から算出した。ここで、ｈ０は基板部１１，１４の厚み、Ａは被冷却体の基板部１１，１４への取付面積、ｋはＡ１０５０の熱伝導率である。また、熱伝達率Ｈを、Ｈ＝［４５０／｛Ａ×（Ｔｂ２−Ｔｗ）｝］の計算式から算出し、ヒートシンク１０１，２０１，２０２の熱交換性能指標として評価した。すなわち、熱伝達率Ｈが大きいほど熱交換性能に優れたヒートシンクである。
これらの結果を表１〜表３に示す。なお、試料番号９及び１０は、多孔体を設けず、アルミニウム成形体１０，１６のみからなるヒートシンク２０１，２０２であるから、表１〜表３中、多孔体に関係する項目は「―」で記載した。

これらの結果からわかるように、多孔体２０を有する本発明例の試料番号１〜８では、多孔体を有しない比較例の試料番号９，１０と比較して、高い熱伝達率が得られた。また、本発明例の試料番号１〜８では、空隙率が４０％以上７０％以下、フィン部１２及び多孔体２０の比表面積が１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下、繊維密度Ｄｌ，Ｄｃが１０％以上４０％以下であり、高い熱伝達率を維持しながら、圧力損失を低く抑えることができた。また、本発明例のうち、多孔体２０の横断面におけるアスペクト比１．２以上のアルミニウム繊維数の比率が４０％以上７０％以下とされる試料番号１，３，５〜８では、特に熱伝導率と圧力損失とのバランスが良く、圧力損失の増加を抑制して、効率的に高い熱伝導率を維持できた。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態では、多孔体はフィン部間の溝部に形成されているが、フィン部の先端も覆うように設けてもよく、その場合は、フィンの高さは、フィン部の先端の多孔体の厚さ分も含む。また、上記の実施形態では、フィン部、基板部、多孔体を、それぞれＡ１０５０で構成したものを用いて説明したが、これに限定されることはなく、その他のアルミニウム、アルミニウム合金で構成されたものであってもよい。また、フィン部、基板部、多孔体が、それぞれ異なる純度のアルミニウム（アルミニウム合金）で構成されていてもよい。

１０１，２０１，２０２ ヒートシンク
１０，１６ アルミニウム成形体
１１，１４ 基板部
１２，１５ フィン部
１３ 溝部
２０ 多孔体
２１ アルミニウム繊維
２２ 焼結接合部
５１ 型

本発明のヒートシンクは、基板部と、該基板部の表面に一体に立設して相互に平行に配置された多数のプレート状のフィン部と、前記フィン部間の溝部内に充填された三次元網目構造を有する多孔体とを有しており、前記基板部と前記フィン部とはアルミニウムのバルク体からなり、前記多孔体はアルミニウム繊維の焼結体からなり、前記フィン部及び前記基板部と前記多孔体とは焼結接合部を介して接合されており、
前記フィン部の配列方向と平行な前記多孔体の横断面において、断面が観察される前記アルミニウム繊維の全体の断面の数に対し、長径と短径とのアスペクト比が１．２以上である前記アルミニウム繊維の断面の数の比率が４０％以上７０％以下である。

Claims (6)

1. 基板部と、
   該基板部の表面に一体に立設して相互に平行に配置された多数のフィン部と、
   前記フィン部間の溝部内に充填された三次元網目構造を有する多孔体とを有しており、
   前記基板部と前記フィン部とはアルミニウムのバルク体からなり、
   前記多孔体はアルミニウム繊維の焼結体からなり、
   前記フィン部及び前記基板部と前記多孔体とは焼結接合部を介して接合されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記フィン部の配列方向と平行な前記多孔体の横断面において、
   断面が観察される前記アルミニウム繊維の全体断面数に対し、
   長径と短径とのアスペクト比が１．２以上である前記アルミニウム繊維の断面数の比率が４０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記基板部の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積と前記フィン部の高さとの積で求められる全体体積のうち、前記フィン部及び前記多孔体の金属部分を除く空間体積の比率である空隙率が、４０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. 前記フィン部及び前記多孔体の比表面積が、１．０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以上１０×１０^３ｍ^２／ｍ^３以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記基板部の表面と平行な縦断面における前記溝部の面積に対する前記アルミニウム繊維の面積の比率を縦断面繊維密度Ｄｌ［％］とし、前記縦断面に直交する前記フィン部の配列方向と平行な横断面における前記溝部の面積に対する前記アルミニウム繊維の面積を横断面繊維密度Ｄｃ［％］とすると、
   前記縦断面繊維密度Ｄｌが１０％以上４０％以下であり、
   前記横断面繊維密度Ｄｃが１０％以上４０％以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 前記フィン部のうち、前記配列方向の最も外側に配置された外側フィン部は、前記基板部の両側縁よりも内側に配置されており、
   前記外側フィン部の外側面と該外側フィン部よりも外側の前記基板部の表面とに前記多孔体が接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートシンク。

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