JP2012009482A - 冷却フィン - Google Patents

Abstract

【課題】従来のピンフィンよりも優れた放熱特性を持つ冷却フィンを提供する。
【解決手段】フィンベース１の表面に立設したピン２又はプレートの間に、連通細孔を有する多孔質体３を充填した冷却フィンである。多孔質体がアルミニウム合金または銅合金のような金属質の多孔質体であることが好ましい。フィンベース１から多孔質体３への熱移動は、主としてピン２又はプレートを介して行われるので、冷却風速を高めることにより、放熱特性の向上を図ることができる。ペルチェ素子の高温側のヒートシンクからの放熱促進、コンピュータのＣＰＵからの放熱促進のために用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ素子の高温側のヒートシンクや、コンピュータのＣＰＵからの放熱を促進するために用いられる冷却フィンに関するものである。

ペルチェ素子を各種機器の冷却用のために使用する場合、高温側のヒートシンクからの放熱を効率よく行わせることが望ましい。このために、特許文献１に示されるようなピンフィンと呼ばれる放熱器が従来から用いられている。このピンフィンはフィンベース上に多数のピン状突起を形成した剣山状のものであり、その表面に冷却風を吹きつけて放熱を促進している。

ペルチェ素子を用いたペルチェクーラーの性能は、放熱に使用されるピンフィンの性能に支配される。このピンフィンの性能は主としてピン表面と空気との間の熱伝達率の大小によって定まるが、その逆数に比例する熱抵抗を用いて表現することもでき、ピンフィンの熱抵抗が小さいほど放熱性能は向上し、ペルチェクーラーの冷却性能も向上することとなる。

ピンフィンの熱抵抗を低下させるため、すなわち熱伝達率を向上させるためには、冷却風の風速を高めることが有効である。ところがピンフィンの熱伝達率は風速の１／２乗に比例することが知られており、風速がある程度以上に達すると熱伝達率の増加はごく僅かとなってほぼ飽和状態に近くなる。従って熱抵抗も風速の増加によって最初のうちは低下するが、風速がある程度以上に達すると飽和状態に近くなり下がりにくくなる。

このように冷却風速の増加による熱抵抗の低下には限界があり、それ以上の冷却性能が求められる場合には、ピンフィンを大型化してピンの表面積を拡大しなければならなった。しかしこのような内部機器の大型化は好ましくない。また、ピンの長さを増加させることも考えられるが、余り長くするとピンフィンのフィン効率が悪くなるうえ、やはり大型化につながるので好ましくない。

なお非特許文献１には、発泡金属、焼結金属、多孔質セラミック、セラミックフォームのような多孔質体を放熱体として用いることが記載されている。この文献によれば、放熱性能は冷却風速の約１乗に比例して増加するので、熱抵抗も風速に反比例して低下し、ピンフィンを用いた場合のように飽和状態に近い状態となることはない。

しかし本発明者らの実験によれば、多孔質体の開口率が大きくなると冷却風の流動抵抗が低下して熱抵抗は減少するが、開口率が大きくなるほど多孔質体とフィンベースとの有効接触面積が小さくなり、フィンベースから多孔質体への熱移動が悪くなる。このため多孔質体を用いても熱抵抗は期待したほどには低下しないことが確認された。

特開２００５−５７０３３号公報

HEAT MASS TRANSFER(2009) 45：(1365−1372）

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、従来のピンフィンよりも優れた放熱特性を持つ冷却フィンを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、フィンベースの表面に立設したピン又はプレートの間に、連通細孔を有する多孔質体を充填したことを特徴とするものである。なお、多孔質体が金属質の多孔質体であることが好ましく、特にアルミニウム合金または銅合金からなるものが好ましい。

本発明の冷却フィンは、フィンベースの表面に立設したピン又はプレートの間に多孔質体を充填した構造であるから、フィンベースから多孔質体への熱移動はピン又はプレート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。このため冷却風速の増加に伴い放熱性能を高めることができ、ピン又はプレートのフィン単独の冷却フィンよりも、また多孔質体単独の冷却フィンよりも優れた放熱特性を得ることができる。

本発明の冷却フィンの模式的な断面図である。 多孔質体単独の冷却フィンの模式的な断面図である。 実施例における冷却風速と熱伝達率との関係を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態を示す断面図であり、１はフィンベース、２はフィンベース１の表面に立設された多数のピン、３はピンフィン２の間に充填された多孔質体である。フィンベース１及びピン２は熱伝導率の大きい金属により構成されたもので、熱伝導率とコストとを考慮するとアルミニウム合金または銅合金が好ましい。フィンベース１はペルチェ素子の高温側のヒートシンクや、コンピュータのＣＰＵの放熱部に密着させて用いられる。図１では簡略化のためにピン２の本数を５本としたが、実際には数十本以上の多数のピン２が立設される。フィンベース１からピン２への熱移動を妨げないように、金属製のブロックに縦横方向にスリット加工を施してピン２の部分を残すことにより、フィンベース１とピン２とを一体のものとすることが好ましい。また、フィンベース１に列状のプレートを立設するようにしてもよいし、この列状のプレートにある間隔でスリット加工を施すようにしてもよい。しかしフィンベース１に多数のピン２を植設しても差し支えない。なおピン２の断面形状は円形、楕円形、四角形、六角形などの任意形状とすることができる。

ピン２の間に充填される多孔質体３は、連通細孔を有する金属質の多孔質体であることが好ましい。その代表的なものは発泡アルミニウムであるが、材質は必ずしもアルミニウムに限定されるものではなく、銅その他の熱伝導率に優れた金属を用いることもできる。この多孔質体３は表面に開口する連通細孔を持つことが必要であり、吹き付けられた冷却風が表面に開口する連通細孔から多孔質体３の内部に進入することにより、冷却風速の約１乗に比例する放熱特性を得ることができる。このため多孔質体であっても独立気泡型のものは、内部の気泡が放熱特性の向上に寄与せず、好ましくない。

なお多孔質体３としては、セラミック多孔質体を用いることも可能であり、例えばムライトやコージエライトからなる多孔質体を用いることもできる。セラミック多孔質体も金属質の多孔質体と同様に、冷却風速の約１乗に比例する放熱特性を得ることができることが確認されている。しかしセラミック多孔質体はそれ自体の熱伝導率が銅やアルミニウムと比較して小さいので、金属質の多孔質体３を用いることがより好ましい。

図１に示す構造の冷却フィンは、金属粉末射出成型法により、金属粉末とバインダー（結合材）とともに発泡剤を混合し、金型に射出成形した後、発泡、焼結することによりフィンと多孔質体とが一体となったオープンセル構造の金属多孔質体となる製造方法をとればよい。また、この他にも、ピンフィンを鋳造や粉末冶金にて予め製作しておき、前記ピン形状の孔部を別途製作した多孔質体に形成し、合体してアルミはんだなどで接合部を増やすようにしてもよい。

このように構成された本発明の冷却フィンは、フィンベース１をペルチェ素子の高温側のヒートシンクやコンピュータのＣＰＵの放熱部に密着させ、冷却風を当てて使用されるものである。本発明の冷却フィンはその表面に連通細孔を有する多孔質体３が露出しているため、その部分においては冷却風の風速の約１乗に比例した放熱が行われる。この点は、図２に示すように全体を多孔質体３により構成した場合にも同様である。

しかし前記したように、全体を多孔質体３により構成した図２の冷却フィンにおいては、フィンベース１と多孔質体３との有効接触面積が小さいため、フィンベース１から多孔質体３への熱移動が十分に行われなくなる。これに対して本願発明では、フィンベース１から多孔質体３への熱移動は、主としてピン２を介して行われる。ピン２は本数が多いために全体としては広い表面積を有するので、ピン２から多孔質体３への熱移動も効率よく行われる。よって冷却風速を高めることにより、放熱特性の向上を図ることができる。またピン２の先端も露出しているので、この部分からの放熱も行われる。

上記したように、本発明の冷却フィンは、従来のピンフィンの欠点である冷却風速の増加による熱抵抗の低下の効率がよくなかった点を、ピンフィンに多孔質体３を組み合わせることにより改善したものであり、次の実施例に示すように、小型でありながら優れた放熱特性を発揮することができる。本発明の冷却フィンはペルチェ素子の高温側のヒートシンクからの放熱を促進するために用いられるが、コンピュータのＣＰＵからの放熱を促進するために用いることもできる。

サイズが４０ｍｍ×４０ｍｍの従来のピンフィンと本発明の冷却フィンとを用い風洞実験を行ったところ、本発明の冷却フィンの熱伝達率は従来のピンフィンの１．７倍となり、熱抵抗が従来のピンフィンの約６０％まで低下することが確認された。また一般的に用いられているファンを用いて実験を行ったところ、本発明の冷却フィンの熱伝達率は従来のピンフィンの１．４倍となり、熱抵抗が従来のピンフィンの約７０％まで低下することが確認された。なお、実験に使用したピンフィンはアルミニウム製であり、本発明の冷却フィンもアルミニウム製である。さらに多孔質体としては連通細孔を有する発泡アルミニウムを用いた。風速を０から１５ｍ/ｓまで変化させた場合の結果を図３のグラフに示した。

１ フィンベース
２ ピン
３ 多孔質体

Claims (3)

1. フィンベースの表面に立設したピン又はプレートの間に、連通細孔を有する多孔質体を充填したことを特徴とする冷却フィン。
2. 多孔質体が金属質の多孔質体であることを特徴とする請求項１記載の冷却フィン。
3. 多孔質体を構成する金属が、アルミニウム合金または銅合金であることを特徴とする請求項１記載の冷却フィン。