JP2019041076A - 放熱装置用フィン及び放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で且つ高い放熱性能を有する放熱装置用フィン及び放熱装置を提供すること。【解決手段】放熱装置用フィン１１は発熱性素子１８などの発熱体の熱を放散するものである。フィン１１はアルミニウム−炭素粒子複合板で形成されている。フィン１１の面方向ｈの熱伝導率はフィン１１の厚さ方向ｔの熱伝導率よりも高い。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱性素子（例：電子素子）などの発熱体の熱を放散する放熱装置用フィン及び放熱装置に関する。

なお、本明細書及び特許請求の範囲では、特に文中に示した場合を除いて、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられる。

また、本発明に係る放熱装置の上下方向は限定されるものではないが、本明細書では、放熱装置の構成を理解し易くするため、発熱体が搭載される放熱装置の搭載面側を放熱装置の上側、及び、その反対側を放熱装置の下側とそれぞれ定義する。

発熱体として例えば電子素子の熱を放散する放熱装置用のフィンは、特開２００７−１２８９３５号公報（特許文献１）、特開２００７−１４１９３２号公報（特許文献２）、国際公開番号Ｗ２００７／１０５５８０号（特許文献３）等に開示されているように、銅やアルミニウムからなる。

特開２００７−１２８９３５号公報 特開２００７−１４１９３２号公報 国際公開番号Ｗ２００７／１０５５８０号

しかるに、フィンが銅からなる場合、銅の密度が８．９３ｇ／ｃｍ^３であることから、放熱装置の軽量化を図ることが困難であった。

また近年、電子素子からの発熱密度は高くなってきている。そのような電子素子の熱を放散する放熱装置には高い放熱性能が要求される。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、軽量化を図ることができ且つ高い放熱性能を有する放熱装置用フィン及び放熱装置を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 発熱体の熱を放散する放熱装置用フィンであって、
アルミニウム−炭素粒子複合板で形成されており、
フィンの面方向の熱伝導率がフィンの厚さ方向の熱伝導率よりも高い、放熱装置用フィン。

［２］ 前記複合板は、アルミニウムマトリックスと前記アルミニウムマトリックス中に分散した多数の炭素粒子とを含むものであり、
前記炭素粒子の配向方向がフィンの面方向に設定されている前項１記載の放熱装置用フィン。

［３］ 前項１又は２記載のフィンを備えた放熱装置。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１では、フィンがアルミニウム−炭素粒子複合板で形成されていることにより、フィンの軽量化を図り得る。

さらに、フィンの面方向の熱伝導率がフィンの厚さ方向の熱伝導率よりも高いことにより、フィンの放熱性能を高めることができる。

前項２では、炭素粒子の配向方向が複合材の面方向に設定されていることにより、フィンの放熱性能を確実に高めることができる。

前項３では、放熱装置の軽量化を図ることができるし放熱装置の放熱性能を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱装置の概略断面図である。 図２は、図１中のＡ部分の拡大断面図である。 図３は、放熱装置のフィンをロールフィン加工装置により製作する場合の概略側面図である。 図４は、図３中のＢ部分の拡大断面図である。 図５は、同フィンの斜視図である。 図６ａは、フィン素板をプレスフィン加工装置の一対のプレス型間に配置した状態を示す概略側面図である。 図６ｂは、同フィン素板を両プレス型間で挟圧する途中の状態を示す概略側面図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る放熱装置用フィンの斜視図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る放熱装置用フィンの斜視図である。 図９は、実施例で製造した放熱装置の概略断面図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１〜５は、本発明の第１実施形態に係る放熱装置１０を説明するための図である。なお、図１及び２では、放熱装置１０の構成を理解し易くするため、放熱装置１０の構成部材（フィン１１を含む）の断面には斜線等のハッチングは描かれていない。

図１に示すように、放熱装置１０は、発熱体として例えば発熱性素子（二点鎖線で示す）１８の熱を放散して発熱性素子１８を冷却するためのものであり、放熱装置１０を構成する複数の部材として、配線層１７、絶縁層１６、緩衝層１５及び放熱器１３を具備している。そして、これら（１７、１６、１５及び１３）が上から下へこの記載順に積層状に配置されるとともにろう付け等の接合手段により積層状に接合一体化され、これにより放熱装置１０が形成されている。

発熱性素子１８としては、パワーモジュール用素子等の電子素子が挙げられる。

配線層１７は、その表面（詳述すると上表面）からなる搭載面１７ａに発熱性素子１８がはんだ層（二点鎖線で示す）１９を介して接合されるものであり、電気伝導性を有しており、金属（例：アルミニウム、銅）、金属−炭素粒子複合材などからなる。

絶縁層１６は、電気絶縁性を有するものであり、通常、窒化アルミ（ＡｌＮ）等のセラミックからなる。

緩衝層１５は、放熱装置１０に作用する熱応力等の応力を緩和するための層であり、金属（例：アルミニウム、銅）、金属−炭素粒子複合材などからなる。

放熱器１３は、発熱性素子１８から下方向に配線層１７、絶縁層１６、緩衝層１５及び放熱器１３を順次伝導してきた熱を放散する空冷式又は液冷式のものであり、中空状のケース１２と本発明の第１実施形態に係る放熱フィン１１とを備えている。

ケース１２はアルミニウム等の金属製であり、フィン１１とは別体に形成されたものである。

フィン１１はコルゲート状に形成されたものであり、いわゆるコルゲートフィンである。そして、フィン１１がケース１２内に配置されており、これによりケース１２の内部がフィン１１によって複数の冷却流体用流路１３ａに仕切られている。さらに、フィン１１がケース１２の内面に所定の固着手段（例えばろう付け）により固着（接合）されている。符号「１４」は、フィン１１をケース１２の内面に固着（接合）したろう材のフィレットである。流路１３ａを流れる冷却流体は例えば冷却液（冷却水など）である。

フィン１１は次のようにして製作されたものである。

図３及び４に示すように、フィン１１はアルミニウム−炭素粒子複合板３で形成されたものであり、詳述すると、フィン１１はアルミニウム−炭素粒子複合板３の曲げ加工品からなるものであり、更に詳述すると、フィン１１はアルミニウム−炭素粒子複合板３が所定の曲げ加工装置として例えばロールフィン加工装置２０によりコルゲート状に屈曲されて製作（形成）されたものである。

すなわち、ロールフィン加工装置２０に備えられた互いに噛合する一対の歯車状ロール２１、２１間にアルミニウム−炭素粒子複合板３からなる長尺な平板状のフィン素板１１Ａをその長さ方向に通すことにより、当該フィン素板１１Ａをコルゲート状に屈曲する。次いで、当該フィン素板１１Ａを所定の長さに切断することにより、図５に示したフィン１１が得られる。

図４に示すように、フィン素板１１Ａ（フィン１１）を形成する複合板３は、アルミニウムマトリックス２とアルミニウムマトリックス２中に分散した多数の炭素粒子１とを含むものであり、アルミニウム基炭素粒子複合板とも呼ばれているものである。そして、複合板３の面方向ｈ及び厚さ方向ｔがそれぞれフィン１１の面方向ｈ及び厚さ方向ｔになるようにフィン１１が複合板３で形成されている。

アルミニウムマトリックス２中の炭素粒子１は、フィン１１の厚さ方向ｔ（即ち複合板３の厚さ方向ｔ）ではなくフィン１１の面方向ｈ（即ち複合板３の面方向ｈ）に配向している。これにより、フィン１１の面方向ｈの熱伝導率λ_ｈは、フィン１１の厚さ方向ｔの熱伝導率λ_ｔよりも高くなっている（即ち、λ_ｈ＞λ_ｔ）。特にλ_ｈはλ_ｔの２倍超である（即ち、λ_ｈ／λ_ｔ＞２）ことが望ましく、更にλ_ｈはλ_ｔの３倍超である（即ち、λ_ｈ／λ_ｔ＞３）ことが非常に望ましい。

ここで、炭素粒子１の配向方向がフィン１１の面方向ｈに設定されているとは、フィン１１のその面方向ｈに垂直な断面を観察した場合に、炭素粒子１の最長軸とフィン１１の面方向ｈとのなす角度が２５°以下である炭素粒子１が、観察された炭素粒子１の総数に対して８５％以上存在していることを意味する。なお、フィン１１の断面の観察は、通常、光学顕微鏡によって倍率１００倍で行われる。

炭素粒子１の種類は限定されるものではないが、炭素繊維、天然黒鉛、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群より選択される一種又は二種以上のものを用いることが望ましい。その理由は、このような炭素粒子１は熱伝導率が高く且つアルミニウムマトリックス２との複合化をし易いからである。

炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが好適に用いられる。

天然黒鉛としては、鱗片状黒鉛粒子（特に、高熱伝導性鱗片状黒鉛粒子）などが好適に用いられる。

グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェンなどが好適に用いられる。

カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブなどが好適に用いられる。なお、カーボンナノチューブは気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標））を含む。

炭素粒子１の大きさは限定されるものではなく、通常、炭素粒子１の最長軸方向の平均長さは１μｍ〜１ｍｍである。

マトリックス２として用いられるアルミニウムの種類は限定されるものではなく、通常、アルミニウムとして純度９９％以上の純アルミニウム、３０００系合金(例えばＡ３００３合金)又は６０００系合金(例えばＡ６０６３合金)が用いられる。

複合板３の製造方法については限定されるものではないが、特開２０１５−２５１５８号公報などに記載のように、アルミニウム箔上に炭素粒子層が塗工された塗工箔が複数積層された状態の積層体を塗工箔の積層方向に加圧しながら板状に加熱焼結することにより複合板を製造する方法か、あるいは、アルミニウム粉末と炭素粒子としての炭素粉末との混合物を一方向に加圧しながら板状に加熱焼結することにより複合板を製造する方法であることが望ましい。その理由は、アルミニウムマトリックス２中の炭素粒子１が複合板３の面方向ｈ（即ちフィン１１の面方向ｈ）に配向した複合板３を確実に製造できるからである。

本第１実施形態の放熱装置１０では、図１に示すように、発熱性素子１８の熱は、発熱性素子１８から下方向に配線層１７、絶縁層１６、緩衝層１５及び放熱器１３に順次伝導する。図１及び２中の矢印「Ｆ」は、放熱装置１０における、発熱性素子１８の熱の流れを示している。

ここで、上述したように、フィン１１の面方向ｈの熱伝導率λ_ｈがフィン１１の厚さ方向ｔの熱伝導率λ_ｔよりも高いことから、放熱器１３に伝導してきた熱は図２に示すようにフィン１１をその面方向ｈに良好に流れるとともに、その際に熱が流路１３ａを流れる冷却流体（例えば冷却液）に放散される。したがって、フィン１１の放熱性能は高く、すなわち放熱装置１０は高い放熱性能を有している。

フィン１１の厚さは限定されるものではないが、フィン１１の放熱性能を確実に高めるためにフィン１１はなるべく薄いことが望ましく、特に２ｍｍ以下であることが望ましい。一方、フィン１１が薄くなり過ぎることによるフィン１１の機械的強度の低下を確実に抑制するため、フィン１１の厚さは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。

もとより、本第１実施形態の放熱装置１０では、フィン１１はアルミニウム−炭素粒子複合板３で形成されているので、放熱装置１０の軽量化を図ることができる。

本第１実施形態では、フィン１１は、図３に示したようにロールフィン加工装置２０により製作されたものであることに限定されるものではなく、その他に例えば図６ａ及び６ｂに示すようにプレスフィン加工装置３０により製作されたものであっても良い。この場合のフィン１１の製作方法を以下に説明する。

図６ａ及び６ｂは、アルミニウム−炭素粒子複合板からなる平板状のフィン素板１１Ａをプレスフィン加工装置３０によりコルゲート状に屈曲することによりフィン１１を製作する場合を示すものである。

プレスフィン加工装置３０は、互いに対向状に配置された一対のプレス型３１、３１を備えている。両プレス型３１、３１の両押圧面３１ａ、３１ａは、両プレス型３１、３１間でフィン素板１１Ａを挟圧することによりフィン素板１１Ａがコルゲート状に屈曲しうるように互いに噛合する略波状に形成されている。

この場合では、図６ａに示すようにフィン素板１１Ａを両プレス型３１、３１間に配置し、次いで図６ｂに示すようにフィン素板１１Ａを両プレス型３１、３１間で挟圧することによりコルゲート状に屈曲する。これにより、図５に示したフィン１１が得られる。

本発明に係る放熱装置用フィンは、上記第１実施形態に示したものであることに限定されるものではない。その他の幾つかの実施形態を以下に示す。

図７に示した本発明の第２実施形態に係る放熱装置は、互いに平行に且つ離間して配置された複数のプレート型フィン（平板状フィン）１１１を備えた空冷式又は液冷式の放熱器１１３を具備するものである。

各フィン１１１はアルミニウム−炭素粒子複合板からなるものであって、フィン１１１の面方向ｈ（即ち複合板の面方向）の熱伝導率λ_ｈはフィン１１１の厚さ方向ｔ（即ち複合板の厚さ方向）の熱伝導率λ_ｔよりも高くなっている。そして、各フィン１１１が連結棒１２１にかしめ固定されており、これにより、複数のフィン１１１が互いに平行に且つ離間した状態に連結棒１２１を介して連結されている。連結棒１２１はアルミニウム等の金属製である。なお、各フィン１１１の縁部にはフィン１１１を連結棒１２１にかしめ固定するための略円弧状の切欠き部１１１ａが形成されている。

各フィン１１１は、各フィン１１１とは別体に形成された中空状のケース（１２、図１参照）内に配置されてケースの内面に所定の固着手段（例えばろう付け）により固着（接合）されるか、又は、各フィン１１１とは別体に形成されたベース板（図示せず）にベース板に対して突出状に固着（接合）される。

図８に示した本発明の第３実施形態に係る放熱装置では、放熱器２１３の各フィン２１１は略三角波状に折曲したものであり、いわゆる波プレート型フィンである。その他の構成は上記第２実施形態と同じである。なお、同図中の符号「２２１」は連結棒であり、符号「２１１ａ」はフィン２１１を連結棒２２１にかしめ固定するための略円弧状の切欠き部である。

以上で本発明の幾つかの実施形態について示したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

例えば、上記第１実施形態では、フィン１１は、フィン１１とは別体に形成されたケース１２内に配置されてケース１２の内面に固着（接合）されるものであるが、本発明ではその他に例えば、フィン１１とは別体に形成されたベース板（図示せず）にベース板に対して突出状に固着（接合）されるものであっても良い。

次に、本発明の具体的な実施例を以下に示す。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

以下の実施例では、図９に示した放熱装置３１０を製造した。この放熱装置３１０は、上記第１実施形態の放熱装置１０の放熱器１３においてケース１２内に複数のプレート型フィン３１１が互いに平行に且つ離間して配置されることでケース１２の内部が複数のフィン３１１によって複数の冷却流体用流路１３ａに仕切られているものである。符号「３１３」は実施例の放熱装置３１０の放熱器である。その他の構成は上記第１実施形態の放熱装置１０と同じである。

なお、同図では、放熱装置３１０の構成を理解し易くするため、放熱装置３１０の構成部材（フィン３１１を含む）の断面には斜線等のハッチングは描かれていない。

＜実施例１＞
本実施例１で製造した放熱装置３１０では、プレート型フィン３１１をアルミニウム−炭素粒子複合板で形成した。複合板に含まれる炭素粒子は鱗片状黒鉛粒子であり、複合板に対する鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は２５体積％であった。また、フィン３１１の面方向ｈの熱伝導率λ_ｈは３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、フィン３１１の厚さ方向ｔの熱伝導率λ_ｔは７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、及びフィン３１１の厚さは０．３ｍｍであった。

なお、熱伝導率の測定はレーザーフラッシュ測定法により常温で行った。

この放熱装置３１０の放熱性能を調べたところ、この放熱装置３１０は、プレート型フィン３１１をアルミニウム板で形成した放熱装置よりも高い放熱性能を有していた。

＜実施例２＞
本実施例２で製造した放熱装置３１０では、プレート型フィン３１１をアルミニウム−炭素粒子複合板で形成した。複合板に含まれる炭素粒子は鱗片状黒鉛粒子であり、複合板に対する鱗片状黒鉛粒子の体積含有率は４０体積％であった。また、フィン３１１の面方向ｈの熱伝導率λ_ｈは５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、フィン３１１の厚さ方向ｔの熱伝導率λ_ｔは４０ｗ／（ｍ・Ｋ）、及びフィン３１１の厚さは０．３ｍｍであった。

この放熱装置３１０の放熱性能を調べたところ、この放熱装置３１０は、プレート型フィン３１１を銅板（その熱伝導率：３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ））で形成した放熱装置よりも高い放熱性能を有していた。

本発明は、発熱性素子などの発熱体の熱を放散する放熱装置用フィン及び放熱装置に利用可能である。

１：炭素粒子
２：アルミニウムマトリックス
３：アルミニウム−炭素粒子複合板
１０：放熱装置
１１、１１１、２１１、３１１：フィン
１３、１１３、２１３、３１３：放熱器
１８：発熱性素子（発熱体）

Claims (3)

1. 発熱体の熱を放散する放熱装置用フィンであって、
   アルミニウム−炭素粒子複合板で形成されており、
   フィンの面方向の熱伝導率がフィンの厚さ方向の熱伝導率よりも高い、放熱装置用フィン。
2. 前記複合板は、アルミニウムマトリックスと前記アルミニウムマトリックス中に分散した多数の炭素粒子とを含むものであり、
   前記炭素粒子の配向方向がフィンの面方向に設定されている請求項１記載の放熱装置用フィン。
3. 請求項１又は２記載のフィンを備えた放熱装置。

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