JP4746521B2 - 放熱プレート及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば各種の電子部品等の発熱体の熱制御を行うのに用いられる放熱プレート及びその製造方法に関する。

一般に、放熱プレートには、電子部品等の発熱体が熱を受熱する受熱部に対して例えばフィン構造の放熱部が、熱的に結合されて設けられ、受熱部で受熱した発熱体の熱を放熱部に熱移送して放熱することにより、発熱体の熱制御を実行する。

このような放熱プレートは、放熱特性の向上を図ったうえで、小型化の要請が強く、その放熱部を構成する放熱フィンを、エッチング等の微細加工技術を用いて微細加工することにより、充分な放熱面（熱交換面）を形成する方法が採用されている。

ところが、この微細加工による方法では、加工技術上、放熱部を微細加工によりフィン構造に形成する場合、この放熱部を、発熱体より熱伝達される受熱部と一体形成することが困難なために、放熱フィンを微細加工技術により製作して、この放熱部を、別体に形成した受熱部にろう付け等の接合手段により接合することにより、一体的に製作する方法が採られる。

しかし、上記微細加工技術を用いて接合する製作方法では、放熱フィンと受熱部を接合する際、その接合材が微細加工した放熱フィンに流れ込んだり、接合部位に空間が残ってしまったりして、放熱特性が低下される虞があり、その製作が非常に面倒なものとなっている。

また、放熱特性を高める手段としては、微細加工技術を用いることなく、ハニカム成形金属等の多孔質体を容器内に収容配置して、その容器の蓋体に発熱体を熱的に結合して配置し、冷却流体を容器内の多孔質体に通過させることにより、充分な放熱面（熱交換面）を得るように構成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１２３４９６号公報

しかしながら、上記特許文献１の熱交換手段では、多孔質体を収容配置した容器の蓋体に発熱体を熱的に結合して熱交換する構成上、熱交換面積を充分に採ることが可能であるが、発熱体からの熱伝達特性が劣るために、放熱特性（熱交換特性）が低下されるという問題を有する。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡便にして容易な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性を実現し得るようにした放熱プレート及びその製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、金属材料に該金属材料に比して熱伝導率の大きい繊維が多数に分散されて埋設された発熱体の熱を受熱する受熱部と、この受熱部と一体形成されて熱的に結合されるもので、多数の孔が穿設された金属材料製の放熱部とを備えて放熱プレートを構成した。

上記構成によれば、受熱部は、その繊維により、熱伝導特性が高められて発熱体の熱が高効率に受熱され、放熱部は、その多数の孔の表面積が放熱面として機能されて充分な熱交換量が得られることにより、簡易な構成を確保したうえで、優れた放熱特性を得ることが可能となる。

従って、発熱体の熱は、受熱部に効率よく熱移送され、この受熱部から充分な熱交換量を有した放熱部に熱移送されて、該放熱部により効率よく放熱され、発熱体の高精度な熱制御が実現される。

また、この発明は、金属材料に該金属材料に比して熱伝導率の大きい繊維が多数に分散されて埋設された金属材料ブロックを形成するブロック形成工程と、このブロック形成工程で形成した金属材料ブロックを加工して、前記繊維が多数に分散されて埋設された前記受熱部及び放熱部を一体形成するブロック加工工程と、このブロック加工工程で形成した前記受熱部及び放熱部のうち放熱部に埋設される前記繊維を除去し、該放熱部に多数の孔を形成する孔形成工程とを備えて放熱プレート製造方法を構成した。

上記構成によれば、受熱部及び放熱部は、繊維が多数、分散されて埋設された金属材料ブロックから一体形成して、その放熱部に埋設される繊維を除去して該放熱部に多数の孔を形成していることにより、優れた熱伝導特性、及び充分な放熱面を有して形成することができる。

従って、微細加工技術による微細孔加工処理を施すことなく、高精度な孔形成が可能となり、放熱特性に優れた放熱プレートを、簡便にして容易に製作することが可能となる。

以上述べたように、この発明によれば、簡便にして容易な加工製作を実現したうえで、高効率な放熱特性を実現し得るようにした放熱プレート及びその製造方法を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態に係る放熱プレート及びその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る放熱プレートの外観構成を示すもので、プレート本体１０は、例えば銅、銅合金、アルミニウム等の金属材料で一体形成される略台状の受熱部１１と、この受熱部１１の一方面に突設される略フィン状の放熱部１２とで構成される。

このうち受熱部１１には、金属材料より熱伝導率の優れた微細径の炭素繊維（カーボン繊維）１３が、多数、所定の間隔を有して略平行に分散されて埋設されている。これにより、受熱部１１は、その埋設された多数の炭素繊維１３の作用により、その全体としての熱伝導率が高められる。この受熱部１１には、その他方面に電子部品等の発熱体１４が熱的に結合されて搭載され、該発熱体１４が駆動されて発熱されると、その熱が、効率よく熱伝導されて上記放熱部１２に熱移送する。

また、他方の放熱部１２には、微細な多数の孔１５が所定の間隔に穿設される（図２参照）。この放熱部の多数の微細な孔１５は、後述するように一旦、所定の間隔に多数、分散して埋設した炭素繊維（図１及び図２中では、図示せず、受熱部１１の炭素繊維１３を参照）を、例えば焼成等の手法により、除去することにより形成される。これにより、放熱部１２は、その周壁面と微細な多数の孔１５の表面積により、その外形形状に比して非常に大きな放熱面（熱交換面）が得られ、大きな熱交換量を得られて効率よく放熱することができる。

また、上記放熱部１２には、例えば冷却液等の冷却流体が循環供給される図示しない流体供給部が組付けられる。これにより、放熱部１２には、上記流体供給部（図示せず）を介して冷却流体が循環供給されると、その熱交換量がさらに大きくなり、放熱特性を高めることができる。

上記炭素繊維１３は、その材質、繊維径、繊維間隔が設定されて受熱部に分散して多数、埋設されることにより、プレート本体１０における受熱部１１の金属材料自体の持つ熱伝導特性を高めて、受熱部１１における発熱体１４からの高効率な受熱を実現している。そして、このプレート本体１０は、その放熱部１２に設けられる多数の微細な孔１５の表面積により大きな放熱面が得られることで、大きな熱交換量が得られて、受熱部１１から熱移送される熱の高効率な放熱を実現している。

ここで、上記プレート本体１０の製造方法について、図３を参照して説明する。
即ち、上記プレート本体１０を製作するには、先ず、ステップＳ１のブロック形成工程において、上述したように炭素繊維１３の繊維径、熱伝導特性等が設定され、その炭素繊維１３が多数、分散されて所定の間隔に埋設された銅、銅合金等の金属材料で形成した金属材料ブロックが形成される。

この金属材料ブロックの製法としては、例えば本願出願人が、平成１８年４月２６日付けで、特許出願した特願２００６−１２１７３０号に開示されている溶湯鍛造法が用いられる。

即ち、この溶湯鍛造法においては、先ず、炭素繊維１３の繊維径や、その熱伝導特性等を選択して、該炭素繊維１３の充填密度（開孔率）を設定し、この充填密度（開孔率）に基づいて繊維間の距離を設定した、いわゆる炭素繊維プリフォームを製作する。そして、この炭素繊維プリフォームを、例えば金型内に収容して銅、銅合金、アルミニウム等の溶融金属を金型内に注入して、固化させることで、多数の炭素繊維１３が、所定の間隔に埋設された上記金属材料ブロックが製作される。

次に、ステップＳ２のブロック加工工程に移行して、上記金属材料ブロックを、切削機等を用いて機械加工処理を施し、先ず、多数の炭素繊維１３が分散して埋設される受熱部１１及び放熱部１２（図中では、図の都合上、炭素繊維１３を図示せず）が一体形成される。

その後、ステップＳ３の孔形成工程に移行して、この受熱部１１及び放熱部１２のうち放熱部１２に埋設される炭素繊維１３が、例えば金属融点以下の温度で焼成されて除去され、放熱部１２に上記受熱部１１に埋設される炭素繊維１３の埋設方向と例えば、略平行な多数の微細な孔１５が所定の間隔に形成される。

ここで、炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設され、発熱体１４の熱を受熱する受熱部１１に対して多数の孔１５が穿設された放熱部１２が一体形成されたプレート本体１０の製作が終了される。

この放熱部１２は、炭素繊維１３が多数、分散されて埋設された状態で、所望の形状に切削加工され、その後、炭素繊維１３が除去されて、多数の孔１５が形成されることにより、切削機械による切削加工時、炭素繊維１３が孔１５に充填された状態にあることで、その孔１５が潰れたり、崩れたりすることなく、極めて容易に所望の形状に加工することができる。これにより、微細な多数の孔１５を有し、膨大な放熱面を持つ熱交換量が非常に大きな放熱部１２を、微細加工技術を用いることなく、上記受熱部１１と一体的に製作することが可能となる。

このように、上記放熱プレートは、炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設され、発熱体１４の熱を受熱する受熱部１１に対して多数の孔１５が穿設された放熱部１２を熱的に結合して一体形成するように構成した。

これによれば、受熱部１１の熱伝導特性が炭素繊維１３の作用により高められ、該受熱部１１で、発熱体１４の熱が高効率に受熱及び拡散され、その熱が、多数の孔１５の表面積を含む膨大な放熱面を有する熱交換量の大きな放熱部１２で放熱される。この結果、プレート本体１０の小型化を実現したうえで、高効率な放熱特性が得られて、発熱体１４の高精度な熱制御を実現することが可能となる。

また、上記放熱プレート製造方法は、炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設された金属材料ブロックを形成し、この金属材料ブロックを加工して、炭素繊維１３が多数に分散されて埋設される受熱部１１及び放熱部１２を一体形成し、この受熱部１１及び放熱部１２のうち放熱部１２に埋設される炭素繊維１３を除去し、該放熱部１２に多数の孔１５を形成してプレート本体１０を製作するように構成した。

これによれば、炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設された金属材料ブロックを機械加工して上記受熱部１１及び放熱部１２を一体形成し、その放熱部１２に埋設される炭素繊維１３を除去して該放熱部１２に膨大な放熱面を構成する多数の孔１５を形成している。

この結果、炭素繊維１３が埋設されて優れた熱伝導特性を有する受熱部１１、及び多数の微細な孔１５が設けられて膨大な放熱面を有する放熱部１２を、加工時に、孔潰れ等の発生する虞があり、非常に煩雑な微細加工技術による微細孔加工処理を施すことなく、極めて容易に製作することが可能となる。

また、これによれば、受熱部１１及び放熱部１２を一体形成することができることにより、従来のような接合工程が無いため、接合不良等による放熱特性の低下が無いことで、信頼性の高い高精度な製作が容易に実現される。

なお、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、例えば図４及び図５に示すように放熱部１２ａを構成することも可能で、さらに、放熱特性の向上を図ることができる。但し、この図４及び図５の実施の形態においては、上記図１及び図２と同一部分について同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、この実施の形態では、プレート本体１０として、上記受熱部１１の一方面に壁面２０を複数重に折り返して複数の対設する並設面の形成された放熱部１２ａを一体形成して、この放熱部１２ａの壁面２０の対設される並設面に微細な多数の孔１５が所定の間隔に穿設される。この放熱部１２ａは、例えば冷却流体が循環供給されると、その壁面２０の折返し部位にぶつかり、その後、壁面２０の孔１５から隣の壁面２０に導かれて排出される。

この結果、放熱部１２ａは、その放熱面が、実質的に広くなり、さらに熱交換量の増加が図れて、上記受熱部１１からの熱を高効率に放熱することが可能となり、放熱特性の向上が図れる。

このプレート本体１０を製造する場合には、先ず、上述した実施の形態と同様に炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散して埋設した金属材料ブロックを形成し、この金属材料ブロックを機械加工して、上記炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設された所定形状を有する受熱部１１及び放熱部１２ａが一体形成される。ここで、放熱部１２ａは、上記炭素繊維１３が多数、所定の間隔に分散されて埋設される壁面２０が、複数重に折り返されて複数の並設面が所定の間隔に対設された、いわゆる折り返し形状のフィン構造に加工形成される。

次に、この受熱部１１及び放熱部１２ａのうち放熱部１２ａに埋設される炭素繊維１３を上述したように焼成等の手法により除去して、該放熱部１２ａの複数重に折り返し形成された壁面２０の並設面に微細な多数の孔１５が設けられたプレート本体１０が製作される。これにより、上述したように放熱部１２ａの熱交換量の増加を図ったうえで、同様に簡便にして容易な加工製作を実現することができる。

また、この発明は、上記各実施の形態における受熱部１１及び放熱部１２，１２ａの形状に限ることなく、その他、各種の形状のものを構成することが可能で、同様に有効な効果が期待される。

さらに、この発明は、上記各実施の形態では、受熱部１１を、金属材料に、該金属材料に比して熱伝導率の高い炭素繊維１３を多数分散させて埋設して形成した場合について説明したが、これに限ることなく、その他、金属材料に比して熱伝導率の大きな炭素繊維以外の繊維を金属材料に多数に分散させて埋設するように構成してもよく、同様に有効な効果が期待される。

よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の一実施の形態に係る放熱プレートの外観構成を示した斜視図である。 図１のプレート本体の一部を断面して示した斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る放熱プレート製造方法を説明するために示したフローチャートである。 この発明の他の実施の形態に係る放熱プレートを受熱部側から見た状態を示した斜視図である。 図４の放熱プレートを放熱部側から見た状態を示した斜視図である。

符号の説明

１０…プレート本体、１１…受熱部、１２…放熱部、１２ａ…放熱部、１３…炭素繊維、１４…発熱体、１５…孔、２０…壁面。

Claims (4)

1. 金属材料に該金属材料に比して熱伝導率の大きい繊維が多数に分散されて埋設された発熱体の熱を受熱する受熱部と、
   この受熱部と一体形成されて熱的に結合されるもので、多数の孔が穿設された金属材料製の放熱部と
   を具備することを特徴とする放熱プレート。
2. 前記受熱部の多数の繊維と前記放熱部の多数の孔は、略平行に配置されることを特徴とする請求項１記載の放熱プレート。
3. 金属材料に該金属材料に比して熱伝導率の大きい繊維が多数に分散されて埋設された金属材料ブロックを形成するブロック形成工程と、
   このブロック形成工程で形成した金属材料ブロックを加工して、前記繊維が多数に分散されて埋設された前記受熱部及び放熱部を一体形成するブロック加工工程と、
   このブロック加工工程で形成した前記受熱部及び放熱部のうち放熱部に埋設される前記繊維を除去し、該放熱部に多数の孔を形成する孔形成工程と、
   を具備することを特徴とする放熱プレート製造方法。
4. 前記孔形成工程は、前記放熱部に多数に分離して埋設された繊維を焼き飛ばして、該放熱部に多数の孔を形成することを特徴とする請求項３記載の放熱プレート製造方法。

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