WO2019163313A1 - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

基板部、及び前記基板部の表面に立設されて相互に平行に配置された２以上のフィン部を有する金属成形体と、前記金属成形体のフィン部間に形成された１以上の溝部内に充填された複数のコイル状金属線材からなる充填体とを有し、前記コイル状金属線材の外径は、一端部側の第１外径と他端部側の第２外径とで異なっており、前記コイル状金属線材はそれぞれ一部が金属成形体の溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合されているヒートシンク。

Description

ヒートシンク

　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。
　本願は、２０１８年２月２１日に出願された特願２０１８－０２８３５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　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、電子部品を正常に動作させるために、発熱する半導体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。このヒートシンクは、熱伝導性が高いアルミニウムや銅から形成され、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が多く用いられる。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に基板部を密着させ、フィンを熱媒流路に配置されることにより、被冷却体を冷却する。

　例えば、特許文献１には、中実材のフィンがベース板に立設されたヒートシンクが記載されている。特許文献２では、中実材のフィンの間に多孔質材が充填されるヒートシンクが記載されており、フィンの比表面積が拡大することで高い熱伝達率が得られる。特許文献３には、ベース板上にコイルが配置されたヒートシンクが記載されており、中実材で構成されるフィンと比べ、比表面積が高く、高い熱伝達率を有する。

特開２００３－１１９５３６号公報 特開２０１２－９４８２号公報 特開平６－２７５７４６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、フィンが中実材であるため表面積が小さく、高い熱伝達率が期待できない。特許文献２記載のヒートシンクでは、多孔質体の比表面積が高いため熱伝達率が高いが、熱媒が流れる空間が小さいので圧力損失が高くなりすぎてしまう。特許文献３記載の構造では、コイルは線材であり、断面積が小さく、熱抵抗が高くなるため、コイル全体に熱が行き渡りにくい。

　一方、本出願人は特願２０１７－１４９８４３号にて、中実材の芯部の表面に繊維多孔質体を接合した構造のストレートフィンを提案している。このヒートシンクは、ストレートフィンの溝を埋める繊維多孔質体の繊維が圧力損失を低減する配向を有するため、発泡金属より圧力損失が低いと想定される。しかしながら、圧力損失が更に低いヒートシンクが求められる。

　本発明は、ヒートシンクの熱伝達率をさらに向上させ、圧力損失をさらに低下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、及び前記基板部の表面に立設されて相互に平行に配置された２以上のフィン部を有する金属成形体と、前記金属成形体の前記フィン部間に形成された１以上の溝部内に充填された複数のコイル状金属線材からなる１以上の充填体とを有し、前記コイル状金属線材の外径は、一端部側の第１外径と他端部側の第２外径とで異なっており、前記コイル状金属線材はそれぞれ一部が前記金属成形体の前記溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合されている。

　このヒートシンクは、中実材のフィン部間の溝部内に複数のコイル状金属線材からなる充填体が充填されており、フィン部及び基板部と充填体とを合わせた広い面積で熱移動が行われる。充填体は金属成形体の溝部内面に冶金的接合部を介して接合され、コイル状金属線材も冶金的接合により金属成形体又は他のコイル状金属線材に接合されているので、接合界面の熱抵抗が小さく、金属成形体と充填体との間の熱移動が円滑に促進される。

　熱媒は充填体内の空隙を通って、コイル状金属線材及び金属成形体（フィン部及び基板部）の表面と熱媒との間で熱交換される。充填体におけるコイル状金属線材は、そのコイルの外径が一端部側と他端部側とで異なっているため、溝部の長さ方向に沿う熱媒の流れに対して、コイル状金属線材の各部が流れに対して交差するように配置され、熱媒からの熱を確実に受けることができるとともに、熱媒の流れの障害となって、流れを乱すこと（かく乱効果）ができるため、熱交換を促進することができる。

　充填体はコイル状金属線材からなるので、空隙の開口径が大きくなり、発泡金属や繊維多孔体と比べ圧力損失は低下する。また、充填体は、コイル状金属線材の太さや巻き数等を変えるだけで、溝部内への充填率等を自在に制御できるため、製品設計の自由度が高い。コイル状金属線材は、線材をコイル状に巻いた形状であり、容易に成形可能である。コイル状金属線材はタンデムロールなどで成形した線材を巻く以外に、中実材を切削して得られる切削片も利用できる。

　フィン部及び基板部と充填体とは、焼結や固相接合、あるいははんだ付けやろう付けなどによって接合される。すなわち、機械的接合とは異なり、金属原子間の化学結合を界面に有する冶金的接合とする。

　本発明のヒートシンクの好ましい実施形態として、前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する方向の横断面形状は五角形以下の多角形に形成されているとよい。

　コイル状金属線材の横断面形状は円形や楕円でもよいが、円形や楕円の場合は、コイル状金属線材が熱媒の流れに交差する方向に配置されると、流れがコイル状金属線材の両側面（円弧面）に沿って滑らかに分かれて下流側に移動する。これに対して、コイル状金属線材の横断面形状が三角形、四角形、五角形のいずれかであると、複数の平面又は曲率半径の大きい湾曲面により外形が形成される。その平面又は湾曲面が熱媒の流れに対して交差すると、その交差する表面に衝突した流れが、コイル状金属線材の後方で渦を発生する。その結果、流れがより乱されてかく乱効果が高められ、熱交換をさらに促進できる。なお、横断面形状が四角形とは、薄板状の線材も含む。

　本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、前記コイル状金属線材は、単コイル全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上であるとよい。

　Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１未満では、流れの乱される機会が少なく、かく乱効果において所期の効果を得ることが難しい。

　また、本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、前記コイル状金属線材の最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍ、単コイル全長をＬｍｍとしたとき、（ＤＡ－ＤＢ）／Ｌが０．０５以上であるとよい。

　本発明のヒートシンクの好ましい実施態様として、切削加工により生じる切削片を用いることができる。

　切削片であれば、特別な加工は必要なく、そのまま用いることが可能であり、入手も容易である。

　本発明のヒートシンクは、前記金属成形体の平面積をＳ１×Ｓ２、前記フィン部の高さをｈ１として設定した全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１に対して、空間の体積が占める空隙率が５０％以上６５％以下であると好ましい。コイル状金属線材の冶金的接合にはんだ材やろう材を用いた場合も、空隙率がこの範囲であれば熱媒の流量を適切に確保でき、効率のよい熱伝達が可能である。

　本発明によれば、コイル状金属線材を使用することによるフィン表面積拡大効果、及び熱媒の流れを乱すかく乱効果を促進できるので、ヒートシンクの熱伝達率を向上させることができ、空隙の径が大きいので圧力損失も低下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の平面図に相当する外観観察画像である。 図１のヒートシンクの側面図に相当する外観観察画像である。 図１の実施形態のヒートシンクを模式化して示す斜視図である。 図３の一部を拡大した平面図である。 図３の一部を拡大した側面図である。 金属成形体の溝部に充填された充填体を模式的に示す平面図である。 充填体を構成するコイル状金属線材の模式図である。 充填体を構成するコイル状金属線材の模式図である。 コイル状金属線材として用いられる切削片の写真である。 切削片の断面写真である。 図１に示す実施形態のヒートシンクの製造方法を模式的に示す側面図である。 図１に示す実施形態のヒートシンクの製造方法を模式的に示す側面図である。

　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及び図２の観察画像と、図３～図５に示すように、金属成形体１０と複数のコイル状金属線材２１からなる充填体２０とを組み合わせた複合構造とされている。

　金属成形体２１は、平板状の基板部１１と、その基板部１１の片面に立設されて相互に平行に配置された多数の帯板状（プレート状）のフィン部１２と、これらフィン部１２間に形成された溝部１３内に充填された複数のコイル状金属線材２１からなる充填体２０とを有している。

　金属成形体１０はアルミニウム成形体であり、基板部１１とフィン部１２とがアルミニウム（アルミニウム合金を含む。）の中実材によって一体に形成されている。充填体２０は、図６及び図７に示すように、基板部１１及びフィン部１２（金属成形体１０）と同じ材質のアルミニウムからなる複数のコイル状金属線材２１により形成され、１個の溝部１３内に充填された複数のコイル状金属線材２１により構成されている。

　金属成形体１０及び充填体２０は、熱伝導性が良好であれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものに限られるものではない。後述するように焼結により接合されるので、焼結できる金属であれば金属成形体１０と充填体２０とが異なる金属からなるものでもよい。あるいは、はんだ付けやろう付けにより金属成形体１０と充填体２０とを接合する場合も、熱伝導性が良好ではんだ付けやろう付けが可能な金属であればよい。

　図３～図５に示すように、基板部１１は例えば矩形状の平面形状を有しており、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３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）に所定の離間間隔ｃ１をおいて相互に平行に並べられている。各フィン部１２の間に離間間隔ｃ１の開口幅を有する溝部１３が設けられている。

　このヒートシンク１０１においてこれらのフィン部１２は、ヒートシンク１０１においては両側部の最も外側に配置される外側フィン部１２Ａの外側面が基板部１１の両側縁面よりも内側に配置されているが、外側フィン部１２Ａの外側面と基板部１１の両側縁面は同一面であっても良い。この場合、外側フィン部１２Ａの外側には充填体２０は配置されない。すなわち、外側フィン部１２Ａは、基板部１１の両側縁面よりも必ずしも内側に配置しなくても良い。

　外側フィン部１２Ａの外側面から基板部１１の側縁面までの離間距離ｃ２はフィン部１２間の離間間隔ｃ１と同じか、離間間隔ｃ１より小さく形成されている。

　充填体２０を構成しているコイル状金属線材２１は、図７に模式的に示したように、全体としてはコイル状に巻回されているが、完全なコイル形状ではなく、全体にねじられるようにして形成されている。一端部（大径側端部２１ａ）側の第１外径ｄ１が他端部（小径側端部２１ｂ）側の第２外径ｄ２より大きく形成されている。

　ここで、外径の大きい側の端部を大径側端部２１ａ、小さい側の端部を小径側端部２１ｂとする。コイル状金属線材２１は略螺旋状にねじられて変形しているため、コイル状金属線材２１の外径を円の外径として測定することは困難であるので、その先端からほぼ１巻き分以上の線材において最も外側に配置され、１８０°対向する２箇所をコイルの長さ方向と直交する方向に測定したときに得られる寸法を外径とする。

　充填体２０における各コイル状金属線材２１は、単コイル全長（一つのコイル状金属線材の全長）をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上とされ、最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍとしたとき、（ＤＡ－ＤＢ）／Ｌが０．０５以上を有する。ここでいうコイル状金属線材２１の最大外径ＤＡは、コイル状金属線材２１を単体で測定した場合の第１外径ｄ１ではなく、フィン部１２間に充填されることにより径方向に押圧変形された状態のときの最大長径とその直角に対応する短径の平均値とする。

　各コイル状金属線材２１の長さ方向に直交する横断面形状は、図９に示すように、円形ではなく、三角形状に形成されている。

　充填体２０は、フィン部１２の離間間隔ｃ１を埋めるように、フィン部１２の長さ方向に沿って複数設けられ、各溝部１３の内面（フィン部１２又は基板部１１の表面）に焼結部（冶金的接合部）２２を介して接合されている。図６に示すように、充填体２０における各コイル状金属線材２１は、その全てが必ずしもフィン部１２又は基板部１１に接合されているとは限らず、コイル状金属線材２１同士に対してのみ焼結部２２を介して接合されている場合もある。ただし、溝部１３内の１個の充填体２０としては、全長のいずれかの部分でフィン部１２又は基板部１１に焼結部２２を介して接合されている。

　言い換えれば、各コイル状金属線材２１においては、金属成形体１０の溝部１３の内面と他のコイル状金属線材２１の両方に焼結部２２を介して接合されているものもあれば、金属成形体１０の溝部１３の内面には接合されずに、他のコイル状金属線材２１に焼結部２２を介して接合されたもの、あるいは、逆に、他のコイル状金属線材２１には接合されずに、金属成形体１０の溝部１３の内面に焼結部２２を介して接合されたものも混在している。図６において、ハッチングして示したコイル状金属線材２１は、金属成形体１０には接合されておらず、他のコイル状金属線材２１のみに接合されている。

　前述したように、各コイル状金属線材２１は、大径側端部２１ａと小径側端部２１ｂとで外径が異なる。各コイル状金属線材２１は、コイルの長さ方向を金属成形体１０の各フィン部１２間の溝部１３の長さ方向に沿うように配置されることにより、大径側端部２１ａから小径側端部２１ｂに向かうコイル状金属線材２１の円周方向（線材の側面）が溝部１３の長さ方向と交差するので、溝部１３内を流れる熱媒の流れを受けるようにコイル状金属線材２１が交差して配置される。コイル状金属線材２１の横断面が、複数の平面又は湾曲面を組み合わせた三角形状をなしていることから、熱媒の流れに対してその平面又は湾曲面が交差する。

　充填体２０を構成するコイル状金属線材２１は、精密に加工して得られる形状のものだけでなく、フライス盤等による切削加工によって生じた切削片（図８及び図９参照）が好適に用いられる。切削片は、切削工具の切れ刃の形状、特に切れ刃における逃げ面の形状や、被削材の切削特性、切削条件等によって横断面形状を特定できるが、その形状は一定ではなく、不定形である。図８，９に示す切削片のように、コイル状金属線材２１の横断面形状は複数の角部を有しており、その角部間の面は前述した平面、湾曲面の他、若干の凹凸のある曲面等によって構成される。

　本発明において、コイル状金属線材の横断面形状は三角形に限るものではなく、四角形、五角形のものも用いることができる。

　このヒートシンク１０１において、熱媒が流通可能な空隙の大きさ（空隙率）が、熱媒の圧力損失や熱伝達量に影響する。空隙率は、基板部１１の表面で熱媒が流通させられる領域の平面積（金属成形体１０の平面積、図３ではＳ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積を全体体積Ｖとして、全体体積Ｖに対する空隙の体積（フィン部１２及び充填体２０の金属（アルミニウム）部分を除く空間の体積）の比率として求める。ヒートシンク１０１における空隙率は、５０％以上６５％以下とするのが好ましい。

　図３に示す例のように、フィン部１２が立設されている金属成形体１０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。空隙率を計算するための全体体積Ｖは、金属成形体１０の平面積（Ｓ１×Ｓ２）とフィン部１２の高さｈ１との積とする。

　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、鍛造成形、鋳造成形、あるいは基板部１１とフィン部１２とを接合するろう接などにより、基板部１１とフィン部１２とを一体に有する中実材の金属成形体１０を形成する。金属成形体１０に対して、各フィン部１２間の溝部１３内に、図１０Ａに示す型５１を用いてコイル状金属線材２１（充填体２０）を接合する。

　コイル状金属線材２１の接合には、マグネシウムとシリコンの混合粉末を用いる。ＭｇおよびＳｉはＡｌの共晶元素であり、アルミニウム合金製の線材表面に付着させて加熱することにより、線材の付着部分だけを溶融させ、接合させることができる。混合粉末におけるマグネシウムとシリコンの好適な混合比率は、例えば重量比でマグネシウム１に対してシリコン１．５であり、これによりコイル状金属線材２１の接合強度を十分に確保できる。この混合粉末は、高温で焼失する性質を有するバインダーを用いてコイル状金属線材２１の表面に付着させる。

　型５１は、金属成形体１０及び充填体２０のコイル状金属線材２１と反応しにくい材料（例えばカーボン等）からなり、図１０Ａに示すように、フィン部１２を収容するための矩形状の凹部５２を片面に有する板状に形成されている。型５１を図１０Ｂに示すように基板部１１（金属成形体１０）に対向するように重ね合わせると、金属成形体１０（基板部１１および各フィン部１２）と型５１との間に充填体２０を形成するための空間５３が形成される。

　コイル状金属線材２１は、フライス盤等の切削加工で生じた切削片を用意する。図１０Ａに示すように、複数個のコイル状金属線材２１の長さ方向を金属成形体１０の各フィン部１２間の溝部１３の長さ方向に沿うように、溝部１３上に並べて配置する。

　コイル状金属線材２１の大径側端部２１ａは、フィン部１２の離間間隔ｃ１より大きい外径のものも、離間間隔１ｃと同程度のものも、離間間隔ｃ１より小さい外径のものも存在する。小径側端部２１ｂも離間間隔ｃ１より大きいもの、同程度のもの、小さいものが存在する。そこでまず、コイル状金属線材２１の大径側端部２１ａの第１外径ｄ１が各フィン部１２の離間間隔ｃ１よりも大きいものを溝部１３上部のフィン部１２間に並べる。その後、大径側端部２１ａの第１外径ｄ１が離間間隔ｃ１よりも小さいものは、フィン部１２間に配置したコイル状金属線材２１に重ねるようにして配置する。このように配置すると、各コイル状金属線材２１は図１０Ａに示すように溝部１３内に落下せず、互いに接触した状態で各フィン部１２の上端部に保持される。

　上述したマグネシウムとシリコンの混合粉末をバインダーにより表面に付着させたコイル状金属線材２１をフィン部１２の間の溝部１３上に並べて配置した後、型５１を金属成形体１０に重ね合わせて前進させて、コイル状金属線材２１を溝部１３内に押し込み、各空間５３内にコイル状金属線材２１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、コイル状金属線材２１と金属成形体１０（フィン部１２又は基板部１１）との各接点およびコイル状金属線材２１相互間の接点に焼結部２２を形成して焼結することにより、金属成形体１０と充填体２０及び充填体２０内のコイル状金属線材２１同士が焼結部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、金属成形体１０の各フィン部１２間の各溝部１３内に各充填体２０が充填されており、各フィン部１２及び基板部１１（金属成形体１０）と充填体２０とを合わ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と充填体２０とは焼結部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と充填体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から充填体２０への熱移動が円滑に促進される。そして、熱媒が充填体２０内の空隙を通って流れることにより、充填体２０、フィン部１２及び基板部１１の表面と熱媒との間で熱交換される。ヒートシンク１０１には充填体２０により大きな表面積が形成されているので、金属成形体１０から充填体２０が受けた熱が熱媒に効率的に移動することにより、優れた熱伝達率が得られる。充填体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、中実材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、コイル状金属線材２１は空隙の開口径が大きいため、発泡金属や繊維多孔体と比べ、充填体２０は圧力損失が低い。充填体２０は、各コイル状金属線材２１の太さや外径、充填方法を変えるだけで、空隙率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。

　フィン部１２及び基板部１１と充填体２０とは焼結部２２において焼結によって接合され、ろう材を用いていないので、ろう材の浸透による充填体２０の空隙率の低下（金属密度の増加）が生じない。ただし、空隙率を低下させすぎない適量のろう材やはんだ材であれば使用してもよく、その場合も空隙率が５０％以上６５％以下であると好ましい。本発明においては、焼結部やろう接部を含めて、フィン部１２及び基板部１１と充填体２０との接合部を冶金的接合部と称す。

　各コイル状金属線材２１は、コイルの外径が一端部（大径側端部２１ａ）側と他端部（小径側端部２１ｂ）側とで異なっているため、溝部１３の長さ方向に沿う熱媒の流れに対して、その線材の各部が流れに対して交差するように配置され、熱媒からの熱を確実に受けることができる。また、各コイル状金属線材２１の横断面形状が複数の平面又は曲率半径の大きい湾曲面により三角形状に形成されているため、その平面又は湾曲面が熱媒の流れに対して交差する方向で存在する。そして、これらの相乗作用により、熱媒の流れをコイル状金属線材２１の平面又は湾曲面により受けて、熱媒からの熱を確実に受けるとともに、コイル状金属線材２１の表面に流れが衝突して、コイル状金属線材２１の後方で渦が発生し、その結果、熱媒の流れがより乱されてかく乱効果が高められ、熱交換をさらに促進することができる。

　したがって、熱伝達率が高いヒートシンク１０１が実現できる。

　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。

　本発明の実施例（試料番号１～３）として、図３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。基板部１１は、縦寸法：Ｓ１＝５５ｍｍ、横寸法：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。

　各フィン部１２の高さｈ１は６ｍｍとした。フィン部１２の数、フィン部１２の離間間隔（溝部１３の幅）ｃ１、基板部１１の横方向の最も外側にある外側フィン部１２Ａの外側面から基板部１１の側縁面まで（端溝部１３Ａ）の離間距離ｃ２、コイル状金属線材２１の最大外径ＤＡ、最小外径ＤＢ、コイル状金属線材２１単体の全長（単コイル全長）Ｌ、巻き数Ｎは表１の通りとした。

　各コイル状金属線材２１の最小外径ＤＢは、前述の小径側端部２１ｂの第２外径ｄ２であるが、最大外径ＤＡは、フィン部１２の間に充填した状態での最大長径とその直角に対応する短径の平均値である。各実施例のコイル状金属線材２１の断面はほぼ三角形状に形成されている。

　比較例（試料番号４，５）として、充填体として繊維多孔体を使用したヒートシンクを作製した。比較例の各ヒートシンクも、試料番号１～３の金属成形体１０と同様の寸法で形成した。

　金属成形体１０及び充填体２０の材料としては、Ａ１０５０を用いた。

　空隙率は、フィン部１２が立設されている基板部１１の表面全体（全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１）で熱媒と熱交換するものとして、充填体２０の体積（充填材の重量／充填材の密度）をもとに算出した。

　圧力損失の測定には、一方向に熱媒（水）が流れる冷却性能測定装置を使用した。測定装置に各ヒートシンクをはめ込み、各フィン部１２間に３０℃の熱媒を体積流量４Ｌ／ｍｉｎ（一定）で流し、ヒートシンク前後の差圧を測定して、これを圧力損失とした。熱媒は、フィン部１２の長さ方向に流通させた。

　熱伝達率の導出には、圧力損失測定で用いた冷却性能測定装置による試験で得られた各種測定値を使用した。ヒートシンク１０１の基板部１１の裏面（フィン部１２が設けられていない面）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環境で、各フィン部１２間（各溝部１３内）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、約４５０Ｗの電力Ｑで被冷却体を１５分間発熱させ、基板部１１中央の被冷却体と基板部１１との界面の温度Ｔｂ１および熱媒の水温Ｔｗを測定した。

　熱媒（水）と基板部１１との界面の温度Ｔｂ２を、温度Ｔｂ１を用いてＴｂ２＝［Ｔｂ１－｛Ｑ×ｈ０／（Ａ×ｋ）｝］の計算式から算出した。ここで、ｈ０は基板部１１の厚み、Ａは被冷却体の基板部１１への取付面積、ｋはＡ１０５０の熱伝導率である。ヒートシンクの熱伝達率Ｈは、Ｈ＝［Ｑ／｛Ａ×（Ｔｂ２－Ｔｗ）｝］の計算式から算出し、ヒートシンクの熱伝達率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２に示す。試料番号４及び５は、充填体を設けず、金属成形体１０のみからなる比較例のヒートシンクであるから、表１～表２中、充填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、充填体２０を有する試料番号１～３では、熱伝達率が４０ｋｗ／ｍ^２Ｋ以上であり、圧力損失も小さい。これに対して試料番号４，５は、熱伝達率は高いが、圧力損失が大きくなっている。

　ヒートシンクの熱伝達率をさらに向上させ、圧力損失をさらに低下させることができる。

１０１　ヒートシンク
１０　金属成形体
１１　基板部
１２　フィン部
１２Ａ　外側フィン部
１３　溝部
１３Ａ　端溝部
２０　充填体
２１　コイル状金属線材
２１ａ　大径側端部
２１ｂ　小径側端部
２２　焼結部（冶金的接合部）
５１　型
ｃ１　離間間隔
ｃ２　離間距離
ＤＡ　最大外径
ＤＢ　最少外径
ｄ１　第１外径
ｄ２　第２外径
ｈ０　厚み
ｈ１　高さ
ｔ１　厚さ
Ｌ　単コイル全長
Ｎ　巻き数
Ｖ　全体体積

 

Claims (6)

1. 　基板部、及び前記基板部の表面に立設されて相互に平行に配置された２以上のフィン部を有する金属成形体と、
   　前記金属成形体の前記フィン部間に形成された１以上の溝部内に充填された複数のコイル状金属線材からなる１以上の充填体と
   を有し、
   　前記コイル状金属線材の外径は、一端部側の第１外径と他端部側の第２外径とで異なっており、
   　前記コイル状金属線材はそれぞれ一部が前記金属成形体の前記溝部内面および他の前記コイル状金属線材の少なくともいずれかに冶金的接合されている
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 　前記コイル状金属線材の長さ方向と直交する方向の横断面形状は五角形以下の多角形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 　前記コイル状金属線材は、単コイル全長をＬｍｍ、巻き数をＮとしたとき、Ｎ／Ｌが０．１ｍｍ^－１以上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. 　前記コイル状金属線材の最大外径をＤＡｍｍ、最小外径をＤＢｍｍ、単コイル全長をＬｍｍとしたとき、（ＤＡ－ＤＢ）／Ｌが０．０５以上であることを特徴とする１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 　前記コイル状金属線材は、切削加工により生じる切削片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. 　前記金属成形体の平面積をＳ１×Ｓ２、前記フィン部の高さをｈ１として設定した全体体積Ｖ＝Ｓ１×Ｓ２×ｈ１に対して、空間の体積が占める空隙率が５０％以上６５％以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のヒートシンク。

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