JP2017143094A

JP2017143094A - ヒートシンク、熱電変換モジュール、ヒートシンクの製造方法

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Publication number: JP2017143094A
Application number: JP2016021657A
Authority: JP
Inventors: 近藤　義広; Yoshihiro Kondo; 義広近藤; 博之越田; Hiroyuki Koshida
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2017-08-17

Abstract

【課題】生産性および放熱性が高いヒートシンクや、これを利用した熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】ヒートシンク４０Ａは、それぞれ多孔質金属からなるベース部１０と放熱フィン２３とが一体化された構造を有している。ヒートシンク４０Ａにおいて、ベース部１０を構成する多孔質金属には、気孔率が比較的低いものが用いられる。一方、放熱フィン２３を構成する多孔質金属には、空気や水などの流体３０を冷媒として内部に流すことができるように、気孔率が比較的高いものが用いられる。すなわち、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率は、ベース部１０における多孔質金属の気孔率よりも高い。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートシンクおよびこれを用いた熱電変換モジュールと、ヒートシンクの製造方法とに関する。

近年、半導体デバイス等の発熱素子を用いた様々な装置や機器において、高性能化や小型化が進み、それに伴い、装置や機器の発熱密度が増大している。装置や機器内の半導体デバイス等の発熱素子は、一般に、所定の温度を超えると、その性能の維持を図れなくなるだけではなく、場合によっては、破損することもある。このため、冷却等による適切な温度管理が必要であり、処理性能の向上に伴って発熱量が増大する半導体デバイス等の発熱素子を効率的に冷却する技術が強く求められている。

このような技術背景において、半導体デバイス等の発熱素子を効率よく冷却する方法として、拡大伝熱面であるヒートシンクを搭載することが広く行われている。このヒートシンクに冷却媒体である空気や水等を流すことで、半導体デバイス等の発熱素子を効率的に除熱することができる。

ヒートシンクの製法としては、放熱フィンとベース部をそれぞれ別個に製造し、これらをロウ付け接合するのが一般的である。しかし、このような製法では、放熱フィンとベース部をロウ付け接合する工程が必要であるため、生産性が低いという問題がある。そこで、こうした問題点を解消するため、放熱フィンとベース部が一体化されたヒートシンクが提案されている。たとえば、以下の特許文献１に記載の従来技術では、伝熱方向に気孔率が変化するセラミック焼結体に金属を含浸させることで、基板とフィンが一体化し、高熱伝導率と低熱膨張率を具備した放熱基板を一工程で製造できるとしている。

特開２００１−１０５１２４公報

上述の従来技術では、ベース部に相当する半導体素子の搭載面がセラミックス単一層で構成されているため、金属に比べて熱伝導率が低い。したがって、一般的な金属製のヒートシンクに比べて、熱交換性能が低いという問題がある。

本発明によるヒートシンクは、多孔質金属により構成されたベース部と、前記ベース部と同一の金属を用いた多孔質金属により構成された放熱フィンと、を備え、前記放熱フィンにおける前記多孔質金属の気孔率は、前記ベース部における前記多孔質金属の気孔率よりも高い。
本発明による熱電変換モジュールは、上記のヒートシンクと、前記ヒートシンクが取り付けられた熱電素子と、を備える。
本発明によるヒートシンクの製造方法は、所定の気孔率を有する第１の基体と、前記第１の基体よりも高い気孔率を有する第２の基体と、を準備し、前記第１の基体および前記第２の基体に金属粉末をそれぞれ付着させ、前記金属粉末が付着された前記第１の基体および前記第２の基体を、互いに接触させた状態で前記金属粉末の融点以上の温度まで加熱させることにより、前記第１の基体および前記第２の基体を除去すると共に前記金属粉末の各粒子を結合させ、これにより、互いに異なる気孔率を有する同一の多孔質金属同士が一体化されたヒートシンクを製造する。

本発明によれば、生産性および熱交換性能が高いヒートシンクや、これを利用した熱電変換モジュールを提供できる。

本発明の一実施形態に係るヒートシンクの製造工程を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの概要を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクを流体の流れ方向から見た側面図である。本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクの概要を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクを流体の流れ方向から見た側面図である。本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクの概要を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態に係るヒートシンクの概要を示す斜視図である。本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの概要を示す斜視図である。本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るヒートシンクについて、詳細に説明する。まず、本実施形態のヒートシンクを構成するために用いられる多孔質金属（ポーラス金属）の製法を説明する。本実施形態のヒートシンクにおいて用いられる多孔質金属は、以下で説明するように、基体と呼ばれる構造体に金属粉末を付着し、これを加熱して金属粉末を溶融すると共に基体を除去することによって製造される。

図１は、本発明の一実施形態に係るヒートシンクの製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、多孔質金属の製造に用いられる基体と金属粉末を準備し、それぞれを不図示の製造装置における所定の位置に設置する。

［基体］
ステップＳ１０で設置される基体には、微細な網目状の骨格が三次元状に連結されており、内部に多数の気孔（空隙）を有する構造体が用いられる。この基体は、骨格表面に金属粉末を付着させて担持するためのものである。なお、基体は加熱されることで分解および消失すべきものであることから、たとえば樹脂により構成されることが好ましい。具体的には、基体としてポリウレタンフォームが最も一般的に用いられるが、他にシリコーン樹脂やポリエステル樹脂のフォームなどを用いることもできる。あるいは、上記のような構造を有すると共に、加熱により除去されるものであれば、他の材料を用いて基体を構成してもよい。

なお、後述するようにステップＳ１０では、本発明のヒートシンクにおけるベース部と放熱フィンをそれぞれ構成する多孔質金属を形成するために、互いに気孔率が異なる複数種類の基体を準備して設置する必要がある。これらの基体の気孔率は、製造すべきヒートシンクを構成する多孔質金属の気孔率に合わせて選定される。

［金属粉末］
ステップＳ１０で設置される金属粉末は、基体の樹脂骨格に付着させるためのものである。この金属粉末には、熱伝導率および比重のバランスを考慮して、たとえばアルミニウム粉末を用いることが好ましい。あるいは、アルミニウム粉末に替えて、アルミニウムを強化する成分を加えて予め合金化したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。たとえば、ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を加えて合金化したアルミニウム合金粉末を用いた場合には、多孔質金属であるアルミニウム系多孔質体の骨格がアルミニウム合金で形成されるため、アルミニウム粉末を用いた場合よりも強度を向上させることができる。なお、ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を添加することにより、熱伝導率はＡｌ単体の場合よりも若干低下するものの、ヒートシンクを構成するのに充分に高い熱伝導率を維持することができる。アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末には、たとえば表面に１０Å程度の酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）を有するものなど、一般的に市販されている粉末を利用することができる。あるいは、他の種類の金属粉末を用いてもよい。

上記のアルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末などの金属粉末は、基体の微細な樹脂骨格表面に密に付着させるために、なるべく微細なものを用いるのが好ましい。金属粉末の粒径が大きくなると、各粒の質量が増加することにより、基体の樹脂骨格表面に密に付着させることが難しくなるとともに、付着後にも基体から脱落し易くなる。このような観点から、本実施形態による多孔質金属の製造では、基体の樹脂骨格に付着させる金属粉末として、たとえば平均粒径が５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が５０μｍ以下であるとともに、粒径が１００μｍを超える粉末を含まないものであることが好ましい。ただし、Ａｌは活性な金属であるため、あまりに微細な粉末は取扱いが難しくなる。この観点から、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末を用いる場合は、たとえば平均粒径が１μｍ以上のものを用いることが好ましい。

［付着工程］
ステップＳ２０の付着工程では、基体の樹脂骨格へアルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末などの金属粉末を付着させる。この付着工程では、従来から行われている各種方法を適用することができる。以下にその代表的な方法を記載する。

（１）湿式法
この方法は、金属粉末を分散媒中に分散させた分散液を作成し、この分散液中に基体を浸漬した後に基体を乾燥させることで、基体の骨格表面に金属粉末を付着させる方法である。分散媒としては、たとえばアルコール等の揮発性を有する液体や水を溶媒とし、これに結着剤を溶解した液を用いることができる。この場合、分散液中で金属粉末が沈降しないように、分散媒に分散剤を添加してもよい。また、分散媒としては、フェノール樹脂等の高分子有機物の溶液を用いてもよい。

（２）乾式法
この方法は、基体に粘着性を付与し、この基体を金属粉末の粉体中で揺動させるか、あるいは基体に金属粉末をスプレイすることにより、基体の骨格表面に金属粉末を付着させる方法である。この方法では、たとえば基体表面にアクリル系、ゴム系等の粘着剤溶液や、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等の接着性の樹脂溶液を塗布することにより、基体に粘着性を付与することができる。

なお、後述するようにステップＳ２０では、本発明のヒートシンクにおけるベース部と放熱フィンをそれぞれ構成する多孔質金属を形成するために、ステップＳ１０で設置された複数種類の基体を互いに接触させた状態で、これらの基体に金属粉末を付着させる必要がある。または、ステップＳ２０で金属粉末を付着させた後、これらの基体を互いに接触状態としてもよい。

［加熱工程］
ステップＳ３０の加熱工程では、ステップＳ２０の付着工程により骨格表面にアルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末などの金属粉末を付着させた基体を、非酸化性雰囲気中で、金属粉末の融点以上の温度まで加熱する。この融点までの昇温過程において、樹脂製の基体は分解され、除去されて消失する。

金属粉末にアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を用いた場合、加熱温度がアルミニウムの融点（６６０．４℃）またはアルミニウム合金の融点を超えると、これらの金属粉末の各粒子の内部が溶融する。すなわち、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末の表面は、前述のように酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）で覆われている。アルミナの融点は２０７２℃であり、アルミニウムやアルミニウム合金の融点よりも高いため、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末の各粒子は、表面の酸化被膜は溶融せずに、内部のアルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融する。このようにして各粒子の内部で溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金は、表面の酸化被膜を破って粉末表面に濡れて覆うとともに、粒子間で混ざり合って結合する。このとき、粉末表面に形成されていた酸化被膜が代用骨格となり、基体骨格の形状が維持される。また、粒子間で互いに結合した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金の表面張力により、骨格表面が比較的滑らかとなるため、ネック部が消失して連続する金属表面となる。その結果、基体と同様の構造を有する多孔質金属が生成される。

一方、加熱温度がアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点未満の場合には、これらの金属粉末の表面に形成された強固な酸化被膜が障壁となり、粉末の各粒子間の拡散による接合が阻害されるため、焼結が進行しない。したがって、加熱温度はアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以上である必要がある。

ここで、加熱工程における雰囲気が大気等の酸化性の雰囲気であると、酸化被膜を破って露出した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が直ちに酸化され、これが粉末表面に濡れて覆う。これにより、粉末の各粒子から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金同士が混ざり合うことが阻止され、粒子間の結合が阻害される。このため、加熱工程における雰囲気は、窒素ガスや不活性ガス等の非酸化性の雰囲気とすることが望ましい。また、上記の加熱工程では、アルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜を除去することが目的ではないため、水素ガスや水素混合ガス等の還元性の雰囲気である必要はない。しかし、還元性の雰囲気は非酸化性の雰囲気でもあるため、加熱工程における雰囲気を還元性の雰囲気としてもよい。さらに、圧力が所定値、たとえば１０^−３Ｐａ以下の減圧雰囲気（真空雰囲気）としてもよい。

なお、加熱温度の上限は、基体に付着させたアルミニウム粉末やアルミニウム合金粉末の融点を超える温度であればよい。しかし、融点を大きく超える温度で加熱すると、その分だけ余分なエネルギーが必要となるとともに、溶融したアルミニウムやアルミニウム合金の粘度が低下して型崩れが生じ易くなる。そのため、加熱温度は融点を大きく超えない温度として、たとえば融点＋１００℃までとすることが好ましい。

ステップＳ３０の加熱工程を終えたら、生成された多孔質金属をステップＳ４０で冷却した後、図１の製造工程を完了する。

上記の製造方法によって製造した多孔質金属（アルミニウム系多孔質体）の三次元網目状構造は、基体の三次元網目状構造がそのまま維持されたものとなる。したがって、基体の三次元網目状構造を変更することで、多孔質金属の三次元網目状構造を変更することができ、多孔質金属全体での気孔率や気孔の大きさを所望のものに調整することが可能である。具体的には、気孔率を８５〜９５％、気孔の大きさを３０〜４０００μｍとすることで、６〜８０ｐｐｉ（セル数／２５．４ｍｍ）の多孔質金属を容易に製造することができる。

なお、アルミニウム合金によりアルミニウム系多孔質体を構成する場合には、アルミニウム粉末と他の金属の粉末とを混合した混合粉末を原料粉末として用いる方法も考えられる。たとえば、Ａｌと共晶液相を発生する成分（Ｃｕ、Ｍｇ等）を単味粉末またはアルミニウム合金粉末としてアルミニウム粉末に添加したアルミニウム系混合粉末を、原料粉末として用いることができる。このアルミニウム系混合粉末を、三次元網目状構造を有する基体の表面に付着させ、共晶液相が発生する温度で焼結を行うことにより、アルミニウム系多孔質体を製造することができる。しかし、このような製造方法では、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が不均一となり、また骨格内部にアルミニウムの酸化物が分散しないため、所望の強度を得ることが難しい。

一方、こうした混合粉末ではなく、上述のように予め成分元素をＡｌ中に合金化させたアルミニウム予合金粉末を原料粉末として用いることにより、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が均一となる。また、製法に起因するアルミニウムの酸化物が骨格内部に分散する。このため、上記のアルミニウム系混合粉末を用いて共晶液相により焼結する方法に比して、高い強度を得ることができる。

また、上記の加熱工程時に、多孔質金属に比較的高速なガスを吹き付けたり、遠心力や多孔質金属自身の自重を利用したりすることで、多孔質金属の形状を任意に変化させることができる。たとえば、前面部に曲面を設け、後面部を長細い形状に変化させることができる。

次に、以上説明したような製法により製造される多孔質金属を用いて構成される本発明のヒートシンクについて説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク４０Ａの概要を示す斜視図である。図２に示すように、本実施形態のヒートシンク４０Ａは、それぞれ多孔質金属からなるベース部１０と放熱フィン２３とが一体化された構造を有している。

ヒートシンク４０Ａは、前述のような製法を利用して、ベース部１０を構成する多孔質金属と放熱フィン２３を構成する多孔質金属とを一体的に形成することで製造される。具体的には、図１のステップＳ１０において、ベース部１０となる多孔質金属を形成するための基体と、放熱フィン２３となる多孔質金属を形成するための基体とを準備し、これらを互いに接触させた状態で製造装置にそれぞれ設置する。その後、ステップＳ２０の付着工程において、好ましくはアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末である金属粉末をそれぞれの基体に付着させる。または、金属粉末を付着させた後にこれらの基体を互いに接触状態としてもよい。この接触状態のまま、これらの基体に対してステップＳ３０の加熱工程を施すことで、基体を除去すると共に金属粉末の各粒子を結合させる。これにより、互いに異なる気孔率を有する同一の多孔質金属同士が互いの界面で接合された一体化構造の多孔質金属体として、図２のようにベース部１０と放熱フィン２３が一体化したヒートシンク４０Ａを製造することができる。

ヒートシンク４０Ａにおいて、ベース部１０を構成する多孔質金属には、気孔率が比較的低いものが用いられる。そのため、ベース部１０はほぼ中実な金属体とみなすことができる。一方、放熱フィン２３を構成する多孔質金属には、空気や水などの流体３０を冷媒として内部に流すことができるように、気孔率が比較的高いものが用いられる。すなわち、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率は、ベース部１０における多孔質金属の気孔率よりも高い。ヒートシンク４０Ａをこのような構成とすることで、熱伝導シート、熱伝導グリス、接着剤等を介して、放熱対象である半導体モジュール等の発熱体にヒートシンク４０Ａのベース部１０を容易に固定できる。そして、流体３０の中に放熱フィン２３を配置することで、発熱体と流体３０の間で熱交換を行い、発熱体を効率的に除熱することができる。なお、上記とは反対に、ヒートシンク４０Ａを吸熱対象に取り付け、ヒートシンク４０Ａを介して流体３０の熱を吸熱対象に取り込むようにしてもよい。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク４０Ａを流体３０の流れ方向から見た側面図である。この側面図は、ベース部１０と放熱フィン２３の内部構造を示している。

図３に示すように、放熱フィン２３は、微細な金属による網目構造２０と、この網目構造２０の隙間に存在する空洞２１とを有する多孔質金属によって構成される。空洞２１に流体３０が流れることで、網目構造２０の温度よりも流体３０の温度が高い場合には、網目構造２０から流体３０へと熱が伝わる。一方、網目構造２０の温度よりも流体３０の温度が低い場合には、流体３０から網目構造２０へと熱が伝わる。これにより、放熱フィン２３と流体３０の間で効率的に熱交換を行うことができる。なお、放熱フィン２３の伝熱面積を確保するために、放熱フィン２３を構成する多孔質金属は、比較的高い気孔率を有することが好ましい。たとえば、気孔率９５％程度の多孔質金属を放熱フィン２３として用いることができる。

ベース部１０も放熱フィン２３と同様に、網目構造と空洞を有する多孔質金属によって構成される。ここで、図３に示すように、ベース部１０における網目構造は、放熱フィン２３における網目構造２０よりも密であり、隙間に存在する空洞が少ない。すなわち、ベース部１０を構成する多孔質金属は、放熱フィン２３を構成する多孔質金属よりも低い気孔率を有する。たとえば、気孔率５０％程度の多孔質金属をベース部１０として用いることができる。これにより、ベース部１０の伝熱性能として、中実な金属体に匹敵する伝熱性能を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態のヒートシンク４０Ａは、多孔質金属により構成されたベース部１０と、ベース部１０と同一の金属を用いた多孔質金属により構成された放熱フィン２３とを備える。そして、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率は、ベース部１０における多孔質金属の気孔率よりも高い。これにより、生産性および熱交換性能が高いヒートシンク４０Ａを実現できる。

なお、以上説明した本実施形態のヒートシンク４０Ａにおいて、ベース部１０の厚さ、すなわち図の上下方向の高さは、図２および図３に示すように、放熱フィン２３の厚さよりも小さいことが好ましい。これにより、ベース部１０から放熱フィン２３への伝熱を効率的に行うと共に、放熱フィン２３の伝熱面積を向上させ、さらに熱交換性能が高いヒートシンク４０Ａとすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク４０Ｂの概要を示す斜視図である。図４に示す本実施形態のヒートシンク４０Ｂは、第１の実施形態で説明した図２のヒートシンク４０Ａと比べて、３つの放熱フィン層２３１、２３２および２３３を積層して接合することで放熱フィン２３が構成されている点が異なっている。放熱フィン層２３１〜２３３には、それぞれ異なる密度の多孔質金属がそれぞれ用いられる。すなわち、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率は、放熱フィン２３の厚さ方向に沿って変化するように構成されている。

一般に、空気や水などの冷媒を流体３０として放熱フィン２３に流すと、放熱フィン２３の放熱量は、受熱部であるベース部１０から離れるほど少なくなる。このことは放熱フィンのフィン効率と呼ばれる。本実施形態のヒートシンク４０Ｂでは、放熱フィン２３のフィン効率を考慮して、図４に示すように、密度が異なる多孔質金属を用いた放熱フィン層２３１〜２３３を積層させることで、放熱フィン２３における多孔質金属の密度を鉛直方向に沿って変化させている。ここで、ベース部１０から離れるほど放熱フィン２３の密度が低くなるように、すなわち気孔率が高くなるように、放熱フィン層２３１〜２３３に用いる多孔質金属を選定することが好ましい。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク４０Ｂを流体３０の流れ方向から見た側面図である。この側面図は、ベース部１０の内部構造と、放熱フィン２３の放熱フィン層２３１〜２３３の内部構造を示している。

放熱フィン層２３１〜２３３は、微細な金属による網目構造２０と、この網目構造２０の隙間に存在する空洞２１とを有する多孔質金属によってそれぞれ構成される。図５に示すように、ベース部１０から最も近い１層目の放熱フィン層２３１には、密度が最も高い、すなわち気孔率が最も低い多孔質金属が用いられる。一方、ベース部１０から最も遠い３層目の放熱フィン層２３３には、密度が最も低い、すなわち気孔率が最も高い多孔質金属が用いられる。たとえば、気孔率７５％、８５％、９５％程度の多孔質金属を放熱フィン層２３１、２３２、２３３としてそれぞれ用いることができる。これにより、放熱フィン２３と流体３０の間で良好に熱交換を行うことができる。

あるいは、上記とは反対に、ベース部１０から離れるほど密度が高くなるように、すなわち気孔率が低くなるように、放熱フィン層２３１〜２３３に用いる多孔質金属を選定してもよい。上記のようにベース部１０から離れるほど放熱フィン２３の密度が低くなるようにすると、放熱フィン２３の刃先側、すなわちベース部１０よりも離れた側において、より多くの流体３０が放熱フィン２３内を流れる。そのため、流体３０が放熱フィン２３内を通過する途中で上部に流出してしまい、放熱フィン２３と流体３０の間で適切に熱交換を行うことができなくなる懸念がある。これを抑制するためには、図５の例とは反対に、ベース部１０から離れるほど放熱フィン２３の密度が高くなるように、すなわち気孔率が低くなるように、放熱フィン層２３１〜２３３において多孔質金属の密度を設定すればよい。

以上説明したように、本実施形態のヒートシンク４０Ｂでは、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率が放熱フィン２３の厚さ方向に沿って変化するようにした。これにより、フィン効率や伝熱性を考慮して、放熱フィン２３の構造を最適化することができる。なお、上記の例では、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率が放熱フィン２３の厚さ方向に沿って３段階に変化することとしたが、本発明はこれに限定されない。放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率を、放熱フィン２３の厚さ方向に沿って任意の段数で、または連続的に変化させることができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク４０Ｃの概要を示す斜視図である。図６に示す本実施形態のヒートシンク４０Ｃは、第１の実施形態で説明した図２のヒートシンク４０Ａと比べて、４つのベースブロック１０１、１０２、１０３および１０４を水平方向に重ねて接合することでベース部１０が構成されている点が異なっている。ベースブロック１０１〜１０４には、それぞれ異なる密度の多孔質金属がそれぞれ用いられる。すなわち、ベース部１０における多孔質金属の気孔率は、ベース部１０の面方向に沿って変化するように構成されている。

ヒートシンク４０Ｃが取り付けられる発熱体がＣＰＵなどの半導体素子である場合、その直上に搭載されるヒートシンク４０Ｃの外形寸法は、放熱面積を拡大させるため、一般に発熱体の外形寸法よりも大きい。このため、ヒートシンク４０Ｃのベース部１０において発熱体からの拡大熱抵抗が生じ、ベース部１０の端部や四隅まで熱が伝わらない懸念がある。この課題を解決するために、本実施形態のヒートシンク４０Ｃでは、図６に示すように、密度が異なる多孔質金属を用いたベースブロック１０１〜１０４を流体３０の流れ方向に沿って並べることで、ベース部１０における多孔質金属の密度を流体３０の流れ方向に沿って変化させている。ここで、発熱体に接する位置にあるベースブロック１０２、１０３における多孔質金属の密度を、ベースブロック１０１、１０４よりも高くすることで、発熱体から受けた熱をベース部１０の幅方向に十分に伝えることができる。また、上記とは反対に、流体３０の入口側に位置するベースブロック１０１や流体３０の出口側に位置するベースブロック１０４における多孔質金属の密度を、ベースブロック１０２、１０３よりも高くしてもよい。これにより、発熱体で生じた熱をベース部１０の端部や四隅まで十分に伝えることができる。

以上説明したように、本実施形態のヒートシンク４０Ｃでは、ベース部１０における多孔質金属の気孔率がベース部１０の面方向に沿って変化するようにした。これにより、ベース部１０の面方向における熱流を調整し、ベース部１０の構造を最適化することができる。なお、上記の例では、ベース部１０における多孔質金属の気孔率がベース部１０の面方向に沿って４段階に変化することとしたが、本発明はこれに限定されない。ベース部１０における多孔質金属の気孔率を、ベース部１０の面方向に沿って任意の段数で、または連続的に変化させることができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク４０Ｄの概要を示す斜視図である。図７に示す本実施形態のヒートシンク４０Ｄは、第１の実施形態で説明した図２のヒートシンク４０Ａと比べて、３つの放熱フィンブロック２３５、２３６および２３７を水平方向に重ねて接合することで放熱フィン２３が構成されている点が異なっている。放熱フィンブロック２３５〜２３７には、それぞれ異なる密度の多孔質金属がそれぞれ用いられる。すなわち、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率は、放熱フィン２３の面方向に沿って変化するように構成されている。

一般に、流体３０の入口側に近いほど放熱フィン２３の熱交換性能は高く、放熱フィン２３からの放熱を受けて流体３０の温度が上昇することにより、流体３０の出口側に行くほど放熱フィン２３の熱交換性能は低下する。この課題を解決するために、本実施形態のヒートシンク４０Ｄでは、図７に示すように、密度が異なる多孔質金属を用いた放熱フィンブロック２３５〜２３７を流体３０の流れ方向に沿って並べることで、放熱フィン２３における多孔質金属の密度を流体３０の流れ方向に沿って変化させている。ここで、流体３０の入口側に位置する放熱フィンブロック２３５における多孔質金属の密度を最も高くし、そこから流体３０の出口側に向けて、放熱フィンブロック２３６、２３７における多孔質金属の密度を順次低くする。これにより、流体３０の入口側に向かう熱流を増加させ、放熱フィン２３の熱交換性能を向上させることができる。また、上記とは反対に、流体３０の入口側に位置する放熱フィンブロック２３５における多孔質金属の密度を最も低くし、そこから流体３０の出口側に向けて、放熱フィンブロック２３６、２３７における多孔質金属の密度を順次高くしてもよい。これにより、流体３０の流れ方向に対して放熱フィン２３からの放熱量を平準化し、ヒートシンク４０Ｄが取り付けられるＣＰＵなどの発熱体内の温度分布を均一化することができる。

以上説明したように、本実施形態のヒートシンク４０Ｄでは、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率が放熱フィン２３の面方向に沿って変化するようにした。これにより、放熱フィン２３の面方向における熱流を調整し、放熱フィン２３の構造を最適化することができる。なお、上記の例では、放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率が放熱フィン２３の面方向に沿って３段階に変化することとしたが、本発明はこれに限定されない。放熱フィン２３における多孔質金属の気孔率を、放熱フィン２３の面方向に沿って任意の段数で、または連続的に変化させることができる。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュール５０の概要を示す斜視図である。図８に示す本実施形態の熱電変換モジュール５０は、第１〜第４の実施形態でそれぞれ説明したヒートシンク４０Ａ〜４０Ｄのいずれかを熱電素子５１と組み合わせることで構成されるものである。

熱電素子５１は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。熱電素子５１は、たとえばＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを接触して配置することで構成され、これらの両端の温度差に応じた熱電効果により電流が流れる仕組みを利用して、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を行う。熱電変換モジュール５０では、前述のような多孔質金属をそれぞれ用いたベース部１０と放熱フィン２３から構成されるヒートシンク４０Ａ〜４０Ｄのいずれかが、伝熱エラストマである熱伝導グリス６０を介して熱電素子５１の一面側に取り付けられている。熱電素子５１のもう一面側には、冷温源７０が取り付けられている。冷温源７０としては、水冷システムの水冷ジャケット等を利用することができる。

熱電変換モジュール５０は、様々なシステムにおける温度差を利用して、電気エネルギーを発生することができる。たとえば、自動車等から発生する高温の排気ガスと、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部とを利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。この場合、自動車等から発生する高温の排気ガス側に放熱フィン２３を取り付け、自動車等のラジエータ水冷システムの低温部側に冷温源７０を取り付けることで、熱電変換モジュール５０から電気エネルギーを発生させ、これを利用して冷却システムを構築することができる。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュール５０の側面図である。図８では、第１の実施形態によるヒートシンク４０Ａを熱電素子５１と組み合わせた場合の例を示している。

図８に示すように、放熱フィン２３は、微細な金属による網目構造２０と、この網目構造２０の隙間に存在する空洞２１とを有する、図３と同様の多孔質金属によって構成される。この放熱フィン２３には流体が流れる隙間があり、網目構造２０と流体の間で熱伝達が行われる。また、ベース部１０も同様に、網目構造と空洞を有する多孔質金属によって構成されている。ベース部１０における網目構造は、図３と同様に放熱フィン２３における網目構造２０よりも密であり、隙間に存在する空洞が少ない。そのため、ベース部１０は中実な金属体とほぼ同等の伝熱性能を有しており、熱電素子５１と放熱フィン２３の間で効率液に熱を伝えることができる。

以上説明したように、本実施形態の熱電変換モジュール５０は、ヒートシンク４０Ａ〜４０Ｄのいずれかと、このヒートシンクが取り付けられた熱電素子５１とを備える。これにより、簡単な構造で高性能な熱電変換モジュール５０を実現できる。

なお、以上説明した各実施形態は、それぞれ単独で実施してもよいし、任意に組み合わせてもよい。また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１０：ベース部、１０１，１０２，１０３，１０４：ベースブロック、２０：網目構造、２１：空洞、２３：放熱フィン、２３１，２３２，２３３：放熱フィン層、２３５，２３６，２３７：放熱フィンブロック、３０：流体、４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ：ヒートシンク、５０：熱電変換モジュール、５１：熱電素子、６０：熱伝導グリス、７０：冷温源

Claims

多孔質金属により構成されたベース部と、
前記ベース部と同一の金属を用いた多孔質金属により構成された放熱フィンと、を備え、
前記放熱フィンにおける前記多孔質金属の気孔率は、前記ベース部における前記多孔質金属の気孔率よりも高いヒートシンク。
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
前記ベース部の厚さは、前記放熱フィンの厚さよりも小さいヒートシンク。
請求項１または２に記載のヒートシンクにおいて、
前記放熱フィンにおける前記多孔質金属の気孔率は、前記放熱フィンの厚さ方向に沿って変化するヒートシンク。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、
前記ベース部における前記多孔質金属の気孔率は、前記ベース部の面方向に沿って変化するヒートシンク。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、
前記放熱フィンにおける前記多孔質金属の気孔率は、前記放熱フィンの面方向に沿って変化するヒートシンク。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のヒートシンクと、
前記ヒートシンクが取り付けられた熱電素子と、を備える熱電変換モジュール。
所定の気孔率を有する第１の基体と、前記第１の基体よりも高い気孔率を有する第２の基体と、を準備し、
前記第１の基体および前記第２の基体に金属粉末をそれぞれ付着させ、
前記金属粉末が付着された前記第１の基体および前記第２の基体を、互いに接触させた状態で前記金属粉末の融点以上の温度まで加熱させることにより、前記第１の基体および前記第２の基体を除去すると共に前記金属粉末の各粒子を結合させ、これにより、互いに異なる気孔率を有する同一の多孔質金属同士が一体化されたヒートシンクを製造する、ヒートシンクの製造方法。