JP2019096702A - 冷却器 - Google Patents

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直是 高橋
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諒 横澤
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Shuichi Nakayama
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Abstract

【課題】フィンにグラファイトシートを用いた冷却器に関し、基部からフィンへの伝熱性を高める。【解決手段】冷却器２は、冷却対象（発熱体９０）が取り付けられる基部２０と、基部２０の表面に固定されているフィン１０を備えている。フィン１０は、面内方向の熱伝導率が面外方向（厚み方向）の熱伝導率よりも高い複数のグラファイトシート１２を積層したものである。フィン１０は、複数のグラファイトシート１２の端面１２１が基部２０に固定されている。冷却器２は、基部２０とフィン１０の境界において、グラファイトシート１３の高熱伝導率を有する方向（面内方向）が基部２０の表面と直交する。従って、基部２０からフィン１０への熱伝導が従来の冷却器よりも向上する。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、冷却器に関する。特に、基部にフィンが固定されたヒートシンクに関する。
グラファイトシートをフィンに用いたヒートシンク（冷却器）が知られている。特許文献１、２に、そのような冷却器が開示されている。
特開２００９−０９９８７８号公報 特開２０１７−０８４８８３号公報
特許文献１、２の冷却器は、グラファイトシートを直角に曲げ、グラファイトシートの面が基部に固定されている。グラファイトシートは、面内方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い。従って、グラファイトシートの面が基部に接している特許文献１、２の冷却器は、基部とフィン（グラファイトシート）の境界における熱伝導については、グラファイトシートの特性を十分に活かしきれていなかった。
本明細書が開示する冷却器は、冷却対象が取り付けられる基部と、基部の表面に固定されているフィンを備えている。フィンは、面内方向の熱伝導率が面外方向（グラファイトシートの厚み方向）の熱伝導率よりも高い複数のグラファイトシートを積層したものである。フィンは、複数のグラファイトシートの端面が基部に固定されている。本明細書が開示する冷却器は、基部とフィンの境界において、グラファイトシートの高熱伝導率を有する方向（面内方向）が基部の表面と直交する。別言すれば、フィンの基部に対する立設方向がグラファイトシートの面内方向と略平行となる。従って、本明細書が開示する冷却器は、基部からフィンへの熱伝導が従来の冷却器よりも良い。
本明細書が開示する冷却器では、基部の表面の露出している領域（フィンが接していない領域）が耐水性を有しているとよい。そのような冷却器は、液体の冷却液を用いても劣化し難い。
本明細書が開示する冷却器の基部は、金属板と、金属板の表面を覆っており熱伝導率が金属板よりも高い熱伝導層を備えており、フィンの複数のグラファイトシートの端面が熱伝導層に固定されているとよい。グラファイトシートの端面は、グラファイトシートの表面よりも接着性が良く、熱伝導部において剥離が発生し難い。そのような構造によって、基部からフィンへの熱伝導率がさらに高まる。
また、基部に固定されるグラファイトシートの端面にメッキが施されているとよい。端面にメッキを施すことにより、フィンの基部との接着性と伝熱性がさらに高まる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
第１実施例の冷却器の斜視図である。 第１実施例の冷却器の断面図である。 第１実施例の冷却器の解析結果を示す図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 比較例の冷却器の解析結果を示す図である。 第２実施例の冷却器の断面図である。 冷却器の製造方法を説明する図である。
（第１実施例）図１と図２を参照して第１実施例の冷却器２を説明する。図１に、冷却器２の斜視図を示す。図２に、冷却器２の断面図を示す。冷却器２は、発熱体９０の熱を放出するヒートシンクである。発熱体９０が、冷却器２の冷却対象である。冷却器２は、基部２０と、複数のフィン１０を備えている。基部２０の裏面に発熱体９０が取り付けられる。基部２０の表面に複数のフィン１０が固定されている。基部２０の表面とフィン１０は、冷媒に晒される。発熱体９０の熱は、基部２０からフィン１０へと伝わり、基部２０の表面とフィン１０の表面から冷媒へ放出される。図２は、図１の座標系におけるＸＺ平面と平行な平面であって、フィン１０を横断する平面でカットした断面を示している。
基部２０は、銅やアルミニウムなど、熱伝導率の高い金属で作られた金属板２１と、金属板２１のフィン側の表面に形成されているサーマルインターフェイスマテリアル層２２と、固定層２３を有している。以下、説明を簡単にするため、サーマルインターフェイスマテリアル層２２をＴＩＭ層２２と表記する。ＴＩＭ層２２は、金属板２１よりも熱伝導率の高い物質で作られている。
フィン１０は、複数のグラファイトシート１２をシート結着層１３で積層したものである。グラファイトシート１２は、熱伝導率の極めて高いシートである。グラファイトシート１２は、面内方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも高い。図２の座標系において、ＹＺ平面に平行な方向がグラファイトシート１２の面内方向に相当し、Ｘ軸方向が厚みの方向に相当する。
フィン１０は、隣接するグラファイトシート１２の幅広面が対向するように、積層されている。図２によく示されているように、フィン１０は、複数のグラファイトシート１２の端面１２１（幅広面と交差する面）が、基部２０のＴＩＭ層２２に固定されている。先に述べたように、グラファイトシート１２は、面内方向の熱伝導率が面外方向（グラファイトシート１２の厚み方向）の熱伝導率よりも高い。冷却器２では、基部２０とフィン１０の境界において、グラファイトシート１２の熱伝導率の高い方向（面内方向）が、基部２０の表面と交差する。別言すれば、フィン１０の基部２０から延びる方向が、グラファイトシート１２の面内方向と略平行となる。従って、基部２０からフィン１０へ熱が良く伝わる。冷却器２では、さらに、フィン１０は、基部２０の表面のＴＩＭ層２２に固定されている。この点も、基部２０からフィン１０へ熱を良く伝えることに貢献する。
冷却器２は、グラファイトシート１２の端面１２１が基部２０に固定されていることと、基部２０の表面のＴＩＭ層２２にフィン１０が固定されていること、の２つの特徴が、基部２０からフィン１０への伝熱に大きく貢献する。
そのほかにも、実施例の冷却器２は、次の特徴を有している。ＴＩＭ層２２の表面の露出している領域（フィン１０が接していない領域）が固定層２３で覆われている。固定層２３は、フィン１０の根本の周囲を固めてフィン１０の固定を補助する。また、固定層２３は、耐水性を有しており、ＴＩＭ層２２を液体の冷媒から保護する。固定層２３も、高い熱伝導率を有している。
複数のグラファイトシート１２とシート結着層１３で構成されるフィン１０は、１個のフィン１０の体積の少なくとも３０％（３０ｖｏｌ％）以上を、グラファイトシート１２が占めている。ＴＩＭ層２２と固定層２３の合計の平均厚みが１〜５００［ミクロンメートル］である。ＴＩＭ層２２は熱伝導率が５［Ｗ／ｍｋ］以上であることが望ましく、固定層２３は熱伝導率が１［Ｗ／ｍｋ］以上であることが望ましい。ＴＩＭ層２２と固定層２３には、伝熱性を高めるフィラ−が混在していてもよい。シート結着層１３にも、高い熱伝導率を有する材料が使われている。ＴＩＭ層２２と固定層２３の少なくとも一方は、絶縁性を有している。
グラファイトシート１２は、厚みが１〜１００［ミクロンメートル］であり、面内方向の熱伝導率が２００〜２０００［Ｗ／ｍｋ］である。１個のフィン１０の端面の面積の５０％以上を、グラファイトシート１２の端面１２１が占めている。
グラファイトシート１２の端面１２１は、グラファイトシート１２の表面よりも接着性が良い。それゆえ、フィン１０の基部２０との接合部分において、グラファイトシート１２が剥離し難い。別言すれば、フィン１０は、その端面が基部２０に固定されることによって、基部２０との接合部分の強度が高くなる。
実施例の冷却器２の性能の解析結果を説明する。図３に、解析に用いた冷却器モデル１０２（実施例の冷却器モデル１０２）の平面図を示し、図４に、図３のIV−IV線に沿った断面図を示す。解析に用いた冷却器モデル１０２は、基本的に図１の冷却器２と同じである。冷却器モデル１０２の基部１２０の裏側に発熱体９０ａ、９０ｂが取り付けられており、基部１２０の表面に複数のフィン１１０が固定されている。基部１２０は、金属板１２９とＴＩＭ層１２２と固定層１２３を備えている。
図５に比較例の冷却器モデル９０２の平面図を示す。実施例の冷却器モデル１０２におけるフィン１１０はグラファイトシートの積層体であるが、比較例の冷却器モデル９０２のフィン９１０はアルミニウムの円柱とした。実施例の冷却器モデル１０２では、固定層１２３の厚みは０．８［ｍｍ］とし、その厚み方向の熱伝導率は５０［Ｗ／ｍｋ］とした。一方、比較例の冷却器モデル９０２では、固定層の厚みは０．８［ｍｍ］とし、その厚み方向の熱伝導率は２００［Ｗ／ｍｋ］とした。図３と図５において、発熱体９０ａ、９０ｂの上に、温度分布をハッチングの濃淡で示した。暗いハッチングが低い温度を示している。図３と図５を比較すると、図中の上側の発熱体９０ａの左上の部分（図中のＰ１、Ｐ２）が、比較例の冷却器モデル９０２と比較して実施例の冷却器モデル１０２の方が、温度が低くなっているのがわかる。また、下側の発熱体９０ｂにおいては、比較例の冷却器モデル９０２の場合は、最高温度が７７．９［℃］であるのに対して、実施例の冷却器モデル１０２の場合は最高温度が７７．１［℃］であった。実施例の冷却器モデル１０２が比較例の冷却器モデル９０２よりも冷却性能が高いことがわかった。
（第２実施例）図６に、第２実施例の冷却器２ａの断面図を示す。第２実施例の冷却器２ａでは、フィン１０の基部２０に固定される側の端面１２１に金属メッキ層１５が設けられている。フィン１０は、金属メッキ１５層が設けられた端面１２１が基部２０のＴＩＭ層２２に固定される。金属メッキ層１５を設けることで、フィン１０の接着性が増し、また、基部２０とフィン１０の間の伝熱性が向上する。
図７を参照して、実施例の冷却器の製造方法の一例を説明する。フィンの材料であるグラファイトシートはロール状に巻かれている。シートロール３１からグラファイトシートを引き出し、塗布器３２でシートの表面に結着剤３３を塗布する（図７のＡ）。結着剤には、エポシキなどの熱硬化性樹脂が好ましいが、これに限定されるものではない。ポリイミドなどの熱可塑性樹脂の中でも化学的安定性の高いものを結着剤として用いてもよい。結着剤には、アルミナなど、熱伝導率の高いフィラ−を混在させてもよい。
接着性や伝熱性を高めるため、結着剤を塗布前のグラファイトシートに、表面処理や端面処理、あるいは、メッキ処理が施されていてもよい。金属箔や金属メッシュがラミネートされたグラファイトシートを用いてもよい。
表面に結着剤が塗布されたグラファイトシートを再度ロール状に巻き取ってフィンの長さに切断する（図７のＢ）。結着剤３３が固化すると、図１のシート結着層１３になる。グラファイトシートのロール３４をフィンとして用いてもよい。あるいは、ロール３４の端面（基部に固定される端面）に金属メッキ層３５を設けたものをフィンとして用いてもよい（図７のＣ）。あるいは、ロール３４を縦にカットしたもの（半円ロール３６）をフィンとして用いてもよい（図７のＤ）。さらに、半円ロール３６の端面（基部に固定される端面）に金属メッキ層３７を設けてもよい（図７のＥ）。
図７は、円柱状（あるいは半円柱状）のフィンの製造方法を示しているが、結着剤が塗布された平坦なグラファイトシートを積層し、適当な大きさにカットして角柱状のフィンを得てもよい。
冷却器の製造過程の一例は次の通りである。上記した製造方法で作製した複数のフィンを振動整列機で整列させる。基部２０を構成する金属板２１の表面にＴＩＭ層２２となる伝熱材を塗布あるいは貼着し、加熱等により金属板２１に仮付けしておく。仮付けされた伝熱材に、整列させた複数のフィンを加熱しつつ押し付け、伝熱材（ＴＩＭ層）にフィンを仮固定する。フィンの根本にトランスファー成形などで固定層となる材料を流し込み、固化させることで、冷却器が完成する。
ＴＩＭ層に用いる伝熱材は、特に限定されないが、絶縁性であることが望ましい。ＴＩＭ層に用いる伝熱材は、５［Ｗ／ｍｋ］以上の熱伝導率を有していることが望ましい。材料の化学的安定性を考慮すると、熱硬化性樹脂を主体とする材料が望ましい。
フィンの基部へ固定する端面への表面処理は、スパッタリング、メッキなどで、端面に金属層が形成されることが望ましい。金属との結合力を高めるため、端面にケミカルエッチングを施した後にスパッタリングまたはメッキ処理を施してもよい。
固定層に用いる材料は、特に限定されないが、少なくとも１［ｗ／ｍｋ］以上の熱伝導率を有している接着系熱硬化系コンポジット樹脂であることが望ましい。熱可逆系の樹脂を用いてもよい。固定層の厚みは、フィンから離れるほど薄くなることが望ましい。また、固定層に用いられる材料（接着系熱硬化系コンポジット樹脂）は耐水性を有している。
フィンの形状は円柱状、角柱状に限られず。Ｕ字形状、波型、楕円型、あるいは、それらの形状の組み合わせであってよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２、２ａ：冷却器
１０：フィン
１２：グラファイトシート
１３：シート結着層
１５、３５、３７：金属メッキ層
２０：基部
２１：金属板
２２：サーマルインターフェイスマテリアル層（ＴＩＭ層）
２３：固定層
３１：シートロール
３２：塗布器
３３：結着剤
３４：ロール
３６：半円ロール
９０、９０ａ、９０ｂ：発熱体

Claims (5)

  1. 冷却対象が取り付けられる基部と、
    前記基部の表面に固定されており、面内方向の熱伝導率が面外方向の熱伝導率よりも高いグラファイトシートを複数枚積層したフィンと、
    を備えており、
    前記フィンは、複数の前記グラファイトシートの端面が前記基部に固定されている、冷却器。
  2. 前記基部の表面の露出している領域が耐水性を有している、請求項１に記載の冷却器。
  3. 前記基部は、金属板と、当該金属板の表面を覆っており前記金属板よりも熱伝導率の高い熱伝導層を備えており、前記グラファイトシートの端面が前記熱伝導層に固定されている、請求項１又は２に記載の冷却器。
  4. 前記基部に固定される前記端面にメッキ層が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器。
  5. 前記フィンが前記基部に固定された状態で、前記グラファイトシートの前記面内方向と前記フィンの立設方向が略平行である、請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却器。
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