JP4386799B2 - heatsink - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンクに関する。 The present invention relates to a heat sink.
従来、放熱フィン付きのヒートシンクは知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種のヒートシンクは、一般に、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属によって形成され、複数の平板状の放熱フィンが並列に配置された構造になっている。
Conventionally, a heat sink with a radiation fin is known (see, for example, Patent Document 1).
This type of heat sink is generally formed of a metal having high thermal conductivity such as aluminum, and has a structure in which a plurality of flat plate-like heat radiation fins are arranged in parallel.
このような構造のヒートシンクを発熱源に接するように配置すれば、発熱源からの熱を放熱フィンへと伝達し、放熱フィンから空気中へ熱を放出することにより、発熱源の冷却を図ることができる。
しかしながら、上記従来のヒートシンクは、発熱源から奪った熱を、単に空気中に放出・廃棄しているだけで、熱の有効利用については、何ら考慮されていなかった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発熱源の冷却を行うことができ、しかも、発熱源から奪った熱を有効利用することもできるヒートシンクを提供することにある。
However, the above-mentioned conventional heat sink merely releases and discards the heat taken from the heat source into the air, and no consideration is given to the effective use of heat.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a heat sink that can cool a heat generation source and can also effectively use heat taken from the heat generation source. There is.
以下、本発明において採用した特徴的構成について説明する。
本発明のヒートシンクは、請求項１に記載の通り、
放熱フィンを備えており、一部が発熱源に接するとともに、前記放熱フィンが空気にさらされるように配置されて、前記発熱源から前記放熱フィンへと伝わる熱を前記放熱フィンから空気中へと放出するヒートシンクであって、
ｐ型熱電材料からなる複数の第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる複数の第２の薄膜が、前記放熱フィンの表面に形成されており、前記第１，第２の薄膜を交互に直列に接続して熱電変換素子が構成されている
ことを特徴とする。
また、請求項２に記載のヒートシンクは、請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
複数の前記放熱フィンが設けられ、各放熱フィンの表面に構成された前記熱電変換素子が並列に接続されている
ことを特徴とする。
さらに、請求項３に記載のヒートシンクは、請求項１または請求項２に記載のヒートシンクにおいて、
前記熱電変換素子に電力を供給可能に構成され、当該電力の供給により、前記放熱フィンによる放熱と前記熱電変換素子のペルチェ効果による熱電冷却とを併用して発熱源を冷却可能となっている
ことを特徴とする。
The characteristic configuration employed in the present invention will be described below.
The heat sink of the present invention is as described in
A heat dissipating fin is provided , a part of the heat dissipating fin is in contact with the heat generating source and the heat dissipating fin is exposed to the air, and heat transmitted from the heat generating source to the heat dissipating fin is transferred from the heat dissipating fin to the air. A heat sink that emits ,
p-type thermoelectric first plurality of materials consisting of a thin film and n-type thermoelectric plurality of second thin film made of material, the is formed on the surface of the heat radiating fins, the first series alternating second film This is characterized in that a thermoelectric conversion element is formed by connecting to
The heat sink according to claim 2 is the heat sink according to
A plurality of the radiation fins are provided, and the thermoelectric conversion elements configured on the surface of each radiation fin are connected in parallel.
It is characterized by that.
Furthermore, the heat sink according to claim 3 is the heat sink according to
It is configured to be able to supply power to the thermoelectric conversion element, and by supplying the power, the heat source can be cooled by using both heat radiation by the radiation fin and thermoelectric cooling by the Peltier effect of the thermoelectric conversion element.
It is characterized by that.
このヒートシンクにおいて、放熱フィンの表面に形成される熱電変換素子は、ゼーベック効果による熱電発電を行う素子である。また、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行う素子としても利用できるものである。 In this heat sink, the thermoelectric conversion element formed on the surface of the radiation fin is an element that performs thermoelectric power generation by the Seebeck effect. Further, it can also be used as an element for performing thermoelectric cooling (electronic cooling) by the Peltier effect.
このように構成されたヒートシンクは、一般的な放熱フィン付きヒートシンクと同様に、一部が発熱源に接するとともに、放熱フィンが空気にさらされるように配置される。放熱フィンは、単に空気にさらされるだけでも構わないが、ファンなどを併用して強制的に空冷するように構成されていてもよく、この点も一般的な放熱フィン付きヒートシンクと同様である。 The heat sink configured as described above is arranged such that a part of the heat sink is in contact with the heat source and the heat dissipating fin is exposed to air, as in a general heat sink with a heat dissipating fin. The heat dissipating fins may be simply exposed to air, but may be configured to be forced to air-cool using a fan or the like, and this is also the same as a general heat sink with heat dissipating fins.
このように配置されたヒートシンクにおいて、発熱源の発する熱がヒートシンク側へと伝わると、その熱は放熱フィンに伝わり、放熱フィンから空気中へ熱が放出される。このとき、放熱フィンの局部局部は、発熱源からの距離や形状により、熱の伝わりやすさや熱の放出しやすさに違いがあるため、この違いに起因した温度差が生じる。 In the heat sink arranged in this manner, when the heat generated by the heat generation source is transmitted to the heat sink side, the heat is transmitted to the heat radiating fin, and the heat is released from the heat radiating fin into the air. At this time, the local localities of the radiating fins are different in the ease of heat transfer and the ease of heat release depending on the distance and shape from the heat source, and therefore a temperature difference due to this difference occurs.
そこで、本発明のヒートシンクにおいては、放熱フィンに生じる温度差を考慮して、上述のｐ型熱電材料からなる複数の第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる複数の第２の薄膜が形成され、これにより、これら第１，第２の薄膜を交互に直列に接続してなる熱電変換素子に、ゼーベック効果による起電力が生じるように構成してある。
Therefore, in the heat sink of the present invention, in consideration of the temperature difference generated radiation fins, a plurality of second thin film composed of a plurality of first thin film and n-type thermoelectric material comprising a p-type thermoelectric material described above is formed Thus, an electromotive force due to the Seebeck effect is generated in the thermoelectric conversion element in which the first and second thin films are alternately connected in series.
そのため、従来のヒートシンクとは異なり、単に発熱源から熱を奪うだけではなく、発熱源から奪った熱を利用して電力を得ることができる。熱電変換素子によって得た電力は、どのような方法で利用しても構わないが、例えば、コンピュータ内部の発熱源であるＣＰＵや各種ＩＣチップに本発明のヒートシンクを装着する場合であれば、コンピュータ内蔵の充電池に電力を供給して充電を行うなどの利用方法を考えることができる。 Therefore, unlike a conventional heat sink, electric power can be obtained not only by taking heat from the heat source but also by using heat taken from the heat source. The power obtained by the thermoelectric conversion element may be used by any method. For example, if the heat sink of the present invention is attached to a CPU or various IC chips that are heat sources inside the computer, the computer A method of using such as charging by supplying power to the built-in rechargeable battery can be considered.
したがって、本発明のヒートシンクによれば、発熱源の冷却を行うことができ、しかも、発熱源から奪った熱を有効利用することもできる。
また、本発明のヒートシンクにおいて、請求項３に記載の如く熱電変換素子に電力を供給する場合には、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うことも可能である。すなわち、本発明のヒートシンクにおいては、放熱フィンに生じる温度差を考慮して、ゼーベック効果による起電力が生じるように熱電変換素子が形成されているので、この温度差とは高低が逆になる温度差が生じるような向きで熱電変換素子に電流を流すことにより、発熱源からの放熱を促すことができる。
Therefore, according to the heat sink of the present invention, the heat source can be cooled, and the heat taken away from the heat source can be used effectively.
Further, in the heat sink of the present invention, when supplying power to the thermoelectric conversion element as claimed in claim 3, it is also possible to perform thermoelectric cooling by the Peltier effect (thermoelectric cooling). That is, in the heat sink of the present invention, the thermoelectric conversion element is formed so as to generate an electromotive force due to the Seebeck effect in consideration of the temperature difference generated in the radiating fin. By passing a current through the thermoelectric conversion element in such a direction as to cause a difference, heat dissipation from the heat generation source can be promoted.
ここで、このようなペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うペルチェ素子としては、従来、ｐ型熱電材料やｎ型熱電材料と同一組成の原料組成物を加熱して熔解または焼結したものから、機械的加工（切削加工）によってブロック状の成形体を切り出し、それらを基板上に配列して直列に接続したものであれば、既に実用化されている。 Here, as a Peltier element that performs such thermoelectric cooling (electron cooling) by the Peltier effect, conventionally, a raw material composition having the same composition as that of a p-type thermoelectric material or an n-type thermoelectric material is heated to be melted or sintered. From this, a block-shaped formed body is cut out by mechanical processing (cutting), and these are already put into practical use if they are arranged on a substrate and connected in series.
しかし、このような従来のペルチェ素子は、熱電冷却による冷却効果しかなく、ペルチェ素子に電力を供給しない状態で発熱源からの放熱を促す効果は、ほとんど期待することができないものであった。 However, such a conventional Peltier element has only a cooling effect by thermoelectric cooling, and the effect of promoting heat dissipation from the heat generation source without supplying power to the Peltier element could hardly be expected.
これに対し、本発明のヒートシンクは、放熱フィンの表面に薄膜状の熱電変換素子を形成するという特徴的構成を採用しているので、熱電変換素子に電力を供給しない状態でも発熱源からの放熱を促す効果があり、より一層冷却効果を高めたい場合にのみ、熱電変換素子に電力を供給すればよい。 On the other hand, the heat sink of the present invention employs a characteristic configuration in which a thin-film thermoelectric conversion element is formed on the surface of the radiation fin, so that heat can be radiated from the heat source even when power is not supplied to the thermoelectric conversion element. It is only necessary to supply electric power to the thermoelectric conversion element only when there is an effect of promoting the cooling effect and it is desired to further enhance the cooling effect.
したがって、例えば、通常は、放熱フィンによる放熱能力を利用して発熱源の冷却を図り、それと並行して発熱源からの熱を利用した熱電発電を行う一方、発熱源の発熱量が増大した場合には、熱電変換素子に電流を流し、放熱フィンによる放熱能力とペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）とを併用するかたちで、発熱源に対する冷却能力の向上を図る、といった運用が可能となる。 Therefore, for example, when the heat source is usually cooled by using the heat radiation capability of the heat radiation fin, and thermoelectric power generation using the heat from the heat source is performed in parallel with it, the heat generation amount of the heat source increases. Therefore, it is possible to improve the cooling capacity of the heat source by supplying a current to the thermoelectric conversion element and using both the heat radiation ability by the radiation fin and the thermoelectric cooling (electronic cooling) by the Peltier effect.
なお、本発明のヒートシンクは、さらに次のように構成されていてもよい。
まず、本発明のヒートシンクにおいては、前記第１，第２の薄膜のうち、いずれか一方または両方が、物理的蒸着技術によって形成されていると望ましい。
The heat sink of the present invention may be further configured as follows.
First, in the heat sink of the present invention, it is preferable that one or both of the first and second thin films are formed by a physical vapor deposition technique.
ここでいう物理的蒸着技術としては、例えば、スパッタリング、イオンビームスパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着、レーザー蒸着、電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを挙げることができる。 Examples of the physical vapor deposition technique herein include sputtering, ion beam sputtering, ion plating, vacuum vapor deposition, laser vapor deposition, and electron beam epitaxial growth (MBE).
また、第１，第２の薄膜は、十分な熱電性能が得られるのであれば、その厚さが限定されるものではないが、上記物理的蒸着技術によって薄膜を形成する場合であれば、厚さ０．１〜１００μｍの薄膜状に形成されていると、十分に満足な熱電性能が得られるとともに、十分に省スペースな素子を構成できるので望ましい。厚さが０．１μｍを下回ると十分に満足な熱電性能を発現させることが難しくなる一方、厚さが１００μｍ以上あっても大幅な熱電性能の改善は期待できないので無駄である。 In addition, the thickness of the first and second thin films is not limited as long as sufficient thermoelectric performance can be obtained. However, if the thin film is formed by the physical vapor deposition technique, the thickness of the first and second thin films is not limited. A film thickness of 0.1 to 100 μm is desirable because sufficiently satisfactory thermoelectric performance can be obtained and a sufficiently space-saving element can be formed. If the thickness is less than 0.1 μm, it will be difficult to achieve sufficiently satisfactory thermoelectric performance. On the other hand, even if the thickness is 100 μm or more, it cannot be expected that significant improvement in thermoelectric performance can be expected.
また、第１，第２の薄膜を形成するために用いるｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料についても、十分な熱電性能が得られるのであれば、特に限定されるものではないが、いくつか具体例を挙げれば、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料、カルコゲナイト系熱電材料、スクッテルダイト系熱電材料、フィルドスクッテルダイト系熱電材料、または炭化ホウ素系熱電材料などを用いることができる。 Further, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material used for forming the first and second thin films are not particularly limited as long as sufficient thermoelectric performance can be obtained. Examples include Fe 2 VAl thermoelectric materials, Bi—Te thermoelectric materials, Mg—Si thermoelectric materials, Mn—Si thermoelectric materials, Fe—Si thermoelectric materials, Si—Ge thermoelectric materials, Pb—Te. A thermoelectric material, a chalcogenite thermoelectric material, a skutterudite thermoelectric material, a filled skutterudite thermoelectric material, a boron carbide thermoelectric material, or the like can be used.
例えば、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料の場合、その構成元素の組成比を制御するか少量の第４元素を添加することにより、ｐ型熱電材料とすることもｎ型熱電材料とすることもできる。より具体的には、例えば、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料をｐ型熱電材料としたい場合は、その組成比を制御して一部のＦｅサイトやＶサイトをＡｌで置換したり、第４元素として少量のＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏ等を加えることにより、これら第４元素で一部のＶサイトを置換するとよい。また、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料をｎ型熱電材料としたい場合は、第４元素として少量のＳｉ、Ｎｉ、Ｇｅ、希土類（例えばＹ）等を加えることにより、これら第４元素で一部のＡｌサイトを置換するとよい。 For example, in the case of an Fe 2 VAl-based thermoelectric material, a p-type thermoelectric material or an n-type thermoelectric material can be obtained by controlling the composition ratio of its constituent elements or adding a small amount of a fourth element. More specifically, for example, when the Fe 2 VAl thermoelectric material is to be a p-type thermoelectric material, the composition ratio is controlled to replace some Fe sites or V sites with Al, or as the fourth element. By adding a small amount of Ti, Ni, Mo or the like, it is preferable to replace some V sites with these fourth elements. If the Fe 2 VAl-based thermoelectric material is to be an n-type thermoelectric material, a small amount of Si, Ni, Ge, rare earth (eg, Y), etc. is added as the fourth element, so that a part of Al is added to the fourth element. Replace the site.
また、上記のような物理的蒸着技術により熱電材料の薄膜を形成する際には、放熱フィンの温度条件を最適化した状態で薄膜を形成することで、熱電変換素子の熱電性能を改善できる場合がある。例えば、上記のようなＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料の場合であれば、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されているとよい。５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されたＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料の熱電性能が高い理由は、種々の要因が重なっている可能性があり、それらの要因すべてを特定することは困難であるが、例えば、５００℃以上とすることで、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料に含まれる構成元素の規則性、結晶性、あるいは緻密性が上記温度条件下では最適化される、１０００℃以下とすることで基材側から受ける悪影響を抑制できる、といった要因があるのではないかと推察される。そして、その結果、物理的蒸着技術により形成されたＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料の薄膜であっても、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に形成された薄膜と、５００℃未満までしか加熱されていない基材の表面に形成された薄膜や１０００℃超過まで加熱された基材の表面に形成された薄膜とでは、薄膜内における構成元素の規則性、結晶性、緻密性などの微視的構造が異なった薄膜となり、熱電性能に差が現れるのではないかと推察される。さらに、上記以外の要因も存在するかもしれないが、いずれにしても、５００℃以上且つ１０００℃以下に加熱された基材の表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されたＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料であれば、実用上十分に満足な熱電性能を得ることができる。 In addition, when forming a thin film of thermoelectric material by the physical vapor deposition technique as described above, the thermoelectric performance of the thermoelectric conversion element can be improved by forming the thin film with the temperature condition of the radiation fins optimized. There is. For example, in the case of the Fe 2 VAl thermoelectric material as described above, it is preferable that the surface of the base material heated to 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less is formed into a thin film by a physical vapor deposition technique. The reason why the Fe 2 VAl thermoelectric material formed in a thin film on the surface of the substrate heated to 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less by physical vapor deposition technology is high may be due to various factors overlapping. However, it is difficult to specify all of these factors. For example, by setting the temperature to 500 ° C. or higher, the regularity, crystallinity, or denseness of the constituent elements contained in the Fe 2 VAl-based thermoelectric material is as described above. It is presumed that there are factors that are optimized under temperature conditions and that adverse effects from the substrate side can be suppressed by setting the temperature to 1000 ° C. or lower. As a result, even a thin film of Fe 2 VAl thermoelectric material formed by physical vapor deposition technology, a thin film formed on the surface of the substrate heated to 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less, and 500 ° C. In the thin film formed on the surface of the base material that has been heated to less than or less than 1000 ° C., the regularity, crystallinity, and compactness of the constituent elements in the thin film It is speculated that there will be a difference in thermoelectric performance due to thin films with different microscopic structures. In addition, although there may be factors other than the above, in any case, the Fe 2 VAl system formed into a thin film by a physical vapor deposition technique on the surface of the substrate heated to 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less. If it is a thermoelectric material, practically sufficiently satisfactory thermoelectric performance can be obtained.
また、本発明のヒートシンクにおいて、放熱フィンの形成材料は特に限定されないが、少なくとも前記第１，第２の薄膜の形成されている面が、絶縁材料によって形成されていると好ましい。より具体的には、放熱フィン全体を絶縁材料によって形成するか、導電材料によって形成された基材の表面に絶縁処理（例えば、絶縁材料からなる被膜を形成する処理）を施したものを放熱フィンとして利用するとよい。このような構成にすると、熱電変換素子に温度差を与えた際に発生する電気が基板側に流れるのを防止できるので、良好な熱電発電性能を確保することができる。 In the heat sink of the present invention, the material for forming the radiation fin is not particularly limited, but it is preferable that at least the surface on which the first and second thin films are formed is formed of an insulating material. More specifically, the radiating fin is formed by forming the entire radiating fin from an insulating material or by subjecting the surface of a base material formed from a conductive material to an insulating process (for example, a process of forming a film made of an insulating material). It is good to use as. With such a configuration, it is possible to prevent electricity generated when a temperature difference is given to the thermoelectric conversion element from flowing to the substrate side, and thus it is possible to ensure good thermoelectric power generation performance.
このような絶縁材料からなる放熱フィンの一例を挙げれば、前記放熱フィンが、セラミックス製であると好ましい。セラミックスとしては、例えば、ジルコニア系、アルミナ系、シリカ系、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化アルミ系、ムライト系、ステアタイト系、コージライト系、サファイア系、チタニア系、またはフォルステライト系などのセラミック材料を用いることができる。 If an example of the radiation fin which consists of such an insulating material is given, it will be preferable if the said radiation fin is a product made from ceramics. Examples of ceramics include zirconia, alumina, silica, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, mullite, steatite, cordierite, sapphire, titania, and forsterite. Ceramic materials can be used.
さらに、本発明のヒートシンクにおいて、熱電変換素子は、前記ｐ型熱電材料と前記ｎ型熱電材料が、導電材料を介して直列に接続された構造になっていてもよく、この場合、導電材料が、前記放熱フィンの表面に物理的蒸着技術により薄膜状に形成されているとよい。 Furthermore, in the heat sink of the present invention, the thermoelectric conversion element may have a structure in which the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are connected in series via a conductive material. The surface of the radiating fin may be formed into a thin film by a physical vapor deposition technique.
導電材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属を用いることができる。導電材料の条件としては、電気抵抗率が低い材質のものであればどのようなものでもよい。このような導電材料を用いれば、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との接合性が低い場合でも、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料それぞれとの接合性が高い導電材料を介在させることで、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とをより確実に電気的に接続することができる。 As the conductive material, for example, a metal such as gold, silver, copper, or aluminum can be used. As a condition of the conductive material, any material may be used as long as the material has a low electrical resistivity. By using such a conductive material, even when the bonding property between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is low, the conductive material having a high bonding property with the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is interposed. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material can be more reliably electrically connected.
なお、熱電材料および導電材料を設ける順序については特に限定されず、ｐ型熱電材料→導電材料→ｎ型熱電材料、またはｎ型熱電材料→導電材料→ｐ型熱電材料の順序で形成することにより、重ねて物理的蒸着技術により成膜されるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に導電材料を挟み込んでもよいし、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを重ねず、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように導電材料を物理的蒸着技術により成膜してもよい。ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように導電材料を物理的蒸着技術により成膜する場合は、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料、導電材料をどの順序で物理的蒸着技術により成膜しても、導電材料をｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との間に架け渡すように設けることができる。 The order in which the thermoelectric material and the conductive material are provided is not particularly limited. By forming in the order of p-type thermoelectric material → conductive material → n-type thermoelectric material or n-type thermoelectric material → conductive material → p-type thermoelectric material. In addition, a conductive material may be sandwiched between a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material that are stacked by physical vapor deposition technology, or the p-type thermoelectric material is not overlapped with the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material. The conductive material may be deposited by physical vapor deposition technology so as to span between the material and the n-type thermoelectric material. When a conductive material is deposited by physical vapor deposition technology so as to span between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, the physical vapor deposition of the p-type thermoelectric material, the n-type thermoelectric material, and the conductive material in any order. Even if the film is formed by a technique, the conductive material can be provided so as to span between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material.
次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
まず、ヒートシンクの全体構造について説明する。
図１（ａ）に示すように、ヒートシンク１は、一方の面が発熱源に接するように配置される基部１０と、基部１０の発熱源に接する面とは反対側の面に立設された５枚の放熱フィン１２とを備えた構造になっている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with an example.
First, the overall structure of the heat sink will be described.
As shown in FIG. 1A, the
基部１０は、長さ３０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのジルコニア製の単層基板で、図１（ｂ）に示すように、表面に２本の金電極１４が形成されている。なお、この金電極１４は、蒸着法により形成された薄膜である。
The
放熱フィン１２は、長さ３０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのジルコニア製の単層基板で、図１（ａ）に示すように、表面に熱電変換素子１６が形成されている。
そして、基部１０と放熱フィン１２は、エポキシ樹脂系接着剤（商品名：アラルダイト）によって接着され、金電極１４と熱電変換素子１６は、図１（ｃ）に示すように、インジウム接合部１８を介して電気的に接続された構造になっている。
The radiating
And the
次に、熱電変換素子１６について、より詳しく説明する。
図２（ａ）に示すように、熱電変換素子１６は、ｐ型熱電材料からなる第１の薄膜２１と、ｎ型熱電材料からなる第２の薄膜２２とを、放熱フィン１２の表面に形成し、これら第１の薄膜２１および第２の薄膜２２を、交互に直列に接続した構造になっている。
Next, the
As shown in FIG. 2 (a), the
第１の薄膜２１は、厚さ約５μｍで、本実施形態においては、ｐ型熱電材料として、Ｆｅ−Ｖ−ＡｌのＡｌ配合比を増大させてｐ型熱電材料としたもの（組成比Ｆｅ49.3Ｖ24.7Ａｌ26）が使用されている。
The first
第２の薄膜２２は、厚さ約５μｍで、本実施形態においては、ｎ型熱電材料として、Ｆｅ−Ｖ−Ａｌに少量のＳｉを添加してｎ型熱電材料としたもの（組成比Ｆｅ50Ｖ25Ａｌ23.5Ｓｉ1.5）が使用されている。
The second
これら第１の薄膜２１および第２の薄膜２２は、いずれも物理的蒸着技術の一つであるスパッタリングによって形成されており、具体的には、次のような手順で製造されたものである。
The first
まず、第２の薄膜２２のパターンと同形状の開口部が開けられた第１のマスキング治具を、放熱フィン１２上に載置して１回めのマスキングを行い、それを周知のスパッタ装置に入れて、１回めのスパッタリングを実施する。
First, a first masking jig having an opening having the same shape as the pattern of the second
より詳しくは、本実施形態においては、ＲＦスパッタ装置を使用し、ターゲットには上述したＦｅ50Ｖ25Ａｌ23.5Ｓｉ1.5を用いる。そして、チャンバー内を真空で３．０×１０-3Ｐａ以下まで減圧した後、基板温度を６００℃まで上昇させるため、放熱フィン１２の下にあるランプヒーターを入れる。ヒーターを入れた後、真空度が３．０×１０-3Ｐａ以下まで減圧されるのを待ち、減圧後、スパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、出力：３００Ｗ、Ａｒガス圧：１．０×１０-1Ｐａのスパッタ条件で、１回目のスパッタリングを実施する。１回目のスパッタリングを終えたら、第１のマスキング治具を放熱フィン１２から取り除く。このような加工を行うことにより、放熱フィン１２の表面上には、図２（ｂ）に示すように、第２の薄膜２２が形成されることになる。
More specifically, in this embodiment, an RF sputtering apparatus is used, and the above-described Fe 50 V 25 Al 23.5 Si 1.5 is used as a target. Then, after the pressure in the chamber is reduced to 3.0 × 10 −3 Pa or less by vacuum, a lamp heater under the
次に、第１の薄膜２１のパターンと同形状の開口部が開けられた第２のマスキング治具を、放熱フィン１２上（上記第２の薄膜２２が形成された面上）に載置して２回めのマスキングを行い、それを再びスパッタ装置に入れて、２回めのスパッタリングを実施する。
Next, a second masking jig having an opening having the same shape as the pattern of the first
より詳しくは、本実施形態においては、ＲＦスパッタ装置を使用し、ターゲットには上述したＦｅ49.3Ｖ24.7Ａｌ26を用いる。そして、チャンバー内を真空で３．０×１０-3Ｐａ以下まで減圧した後、基板温度を６００℃まで上昇させるため、放熱フィン１２の下にあるランプヒーターを入れる。ヒーターを入れた後、真空度が３．０×１０-3Ｐａ以下まで減圧されるのを待ち、減圧後、スパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、出力：３００Ｗ、Ａｒガス圧：１．０×１０-1Ｐａのスパッタ条件で、２回目のスパッタリングを実施する。２回目のスパッタリングを終えたら、第２のマスキング治具を放熱フィン１２から取り除く。このような加工を行うことにより、放熱フィン１２の表面上には、図２（ａ）に示したように、先に形成されていた第２の薄膜２２に加えて、第１の薄膜２１が形成されることになる。
More specifically, in this embodiment, an RF sputtering apparatus is used, and the above-described Fe 49.3 V 24.7 Al 26 is used as a target. Then, after the pressure in the chamber is reduced to 3.0 × 10 −3 Pa or less by vacuum, a lamp heater under the
第２のマスキング治具の開口部は、上記第２の薄膜２２の端部が露出するような形状に開けられており、当該第２の薄膜２２の露出部分には、２回目のスパッタリングを実施した際、図２（ｃ）に示すように、第１の薄膜２１が重ねて形成される。この重なり部分において、第１の薄膜２１および第２の薄膜２２は電気的に接続され、８本の略帯状の第１の薄膜２１と８本の略帯状の第２の薄膜２２とが、交互に直列に接続された構造になる。
The opening of the second masking jig is opened in such a shape that the end of the second
なお、第１の薄膜２１と第２の薄膜２２との接続部は、上記の通り、両薄膜が重なって形成されるようにスパッタリングを行うことで、電気的に接続された構造を形成してもよいが、別の導電性物質を介在させてあってもよい。
Note that, as described above, the connection portion between the first
次に、上記ヒートシンク１の熱電性能を試験するため、図３に示すように、発熱源３１にヒートシンク１を取り付けるとともに、放熱フィン１２側には冷却ファン３３を取り付けた。また、ヒートシンク１の金電極１４に電圧計を接続した。本試験において、発熱源３１は１５０℃に加熱したステンレス製のブロックである。
Next, in order to test the thermoelectric performance of the
放熱フィン１２に形成された熱電変換素子１６は、第１の薄膜２１と第２の薄膜２２との接合部分が交互に発熱源３１側と冷却ファン３３側に存在するようなパターンになっており、冷却ファン３３を作動させると、熱電変換素子１６に３０℃以上の温度差を与えることができる。この温度差に応じて電圧が発生するので、この電圧を上記電圧計で測定した。なお、温度の測定には、サーモビジョンを使用した。結果を下記表１に示す。
The
表１から明らかなように、このヒートシンク１を使用すれば、発熱源３１の冷却を行うことができるのはもちろんのこと、単に発熱源３１から熱を奪うだけではなく、発熱源３１から奪った熱を利用して電力を得ることができるので、発熱源３１から奪った熱を有効利用することができる。
As can be seen from Table 1, if the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、ヒートシンク１において熱電発電を行う例を示したが、熱電変換素子１６に電力を供給することにより、ペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うことも可能である。特に、上記ヒートシンク１の場合、放熱フィン１２の表面に薄膜状の熱電変換素子１６を形成してあり、熱電変換素子１６に電力を供給しない状態でも発熱源３１からの放熱を促す効果があるので、より一層冷却効果を高めたい場合にのみ、熱電変換素子１６に電力を供給すればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said specific one Embodiment, In addition, it can implement with a various form.
For example, in the above-described embodiment, an example in which thermoelectric power generation is performed in the
すなわち、通常は、放熱フィン１２による放熱能力を利用して発熱源３１の冷却を図り、それと並行して発熱源３１からの熱を利用した熱電発電を行う一方、発熱源３１の発熱量が増大した場合には、熱電変換素子１６に電流を流し、放熱フィン１２による放熱能力とペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）とを併用するかたちで、発熱源３１に対する冷却能力の向上を図る、といった運用が可能である。
That is, normally, the
また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料について特定の組成比を示したが、この組成比は一例であり、ｐ型またはｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、適宜組成比を変更しても構わない。また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料に第４元素としてＳｉを添加する例を示したが、これもｐ型またはｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、任意の第４元素を添加することができる。 In the above embodiment, although the specific composition ratio for Fe 2 VAl-based thermoelectric material, the composition ratio is an example, within a range which can maintain the performance of a p-type or n-type thermoelectric material, appropriately composition The ratio may be changed. Further, in the above embodiment, an example in which Si is added as the fourth element to the Fe 2 VAl-based thermoelectric material has been described. However, this may be performed as long as the performance as the p-type or n-type thermoelectric material can be maintained. Four elements can be added.
また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、他の熱電材料を利用してもよい。そのような熱電材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料、カルコゲナイト系熱電材料、スクッテルダイト系熱電材料、フィルドスクッテルダイト系熱電材料、炭化ホウ素系熱電材料などを挙げることができる。 In the above embodiment, the Fe 2 VAl-based thermoelectric material is exemplified, but other thermoelectric materials may be used. Such thermoelectric materials include, for example, Bi—Te based thermoelectric materials, Mg—Si based thermoelectric materials, Mn—Si based thermoelectric materials, Fe—Si based thermoelectric materials, Si—Ge based thermoelectric materials, and Pb—Te based thermoelectrics. Examples include materials, chalcogenite-based thermoelectric materials, skutterudite-based thermoelectric materials, filled skutterudite-based thermoelectric materials, and boron carbide-based thermoelectric materials.
さらに、上記実施形態では、薄膜状の熱電変換素子を形成するために、物理的蒸着技術の一つであるスパッタリングを利用していたが、本発明においては、他の物理的蒸着技術を利用することもできる。他の物理的蒸着技術としては、例えば、イオンビームスパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着、レーザー蒸着、電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などを挙げることができる。これらの中でも、特にイオンプレーティングおよび電子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）は、結晶性の高い薄膜を形成可能な物理的蒸着技術なので、熱電性能の高い熱電変換素子を製造するためには好適である。 Furthermore, in the above embodiment, sputtering, which is one of physical vapor deposition techniques, is used to form a thin film thermoelectric conversion element. However, in the present invention, other physical vapor deposition techniques are used. You can also. Examples of other physical vapor deposition techniques include ion beam sputtering, ion plating, vacuum vapor deposition, laser vapor deposition, and electron beam epitaxial growth (MBE). Among these, ion plating and electron beam epitaxial growth (MBE) are physical vapor deposition techniques that can form a thin film with high crystallinity, and are therefore suitable for producing a thermoelectric conversion element with high thermoelectric performance.
１・・・ヒートシンク、１０・・・基部、１２・・・放熱フィン、１４・・・金電極、１６・・・熱電変換素子、１８・・・インジウム接合部、２１・・・第１の薄膜、２２・・・第２の薄膜、３１・・・発熱源、３３・・・冷却ファン。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
ｐ型熱電材料からなる複数の第１の薄膜とｎ型熱電材料からなる複数の第２の薄膜が、前記放熱フィンの表面に形成されており、前記第１，第２の薄膜を交互に直列に接続して熱電変換素子が構成されている
ことを特徴とするヒートシンク。 A heat dissipating fin is provided , a part of the heat dissipating fin is in contact with the heat generating source and the heat dissipating fin is exposed to the air, and heat transmitted from the heat generating source to the heat dissipating fin is transferred from the heat dissipating fin to the air. A heat sink that emits ,
p-type thermoelectric first plurality of materials consisting of a thin film and n-type thermoelectric plurality of second thin film made of material, the is formed on the surface of the heat radiating fins, the first series alternating second film A heat sink, characterized in that a thermoelectric conversion element is configured by connecting to the heat sink.
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。 The heat sink according to claim 1, wherein a plurality of the heat radiating fins are provided, and the thermoelectric conversion elements configured on the surface of the heat radiating fins are connected in parallel .
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。 It is configured to be able to supply electric power to the thermoelectric conversion element, and by supplying the electric power, the heat source can be cooled by using both heat radiation by the radiation fin and thermoelectric cooling by the Peltier effect of the thermoelectric conversion element. The heat sink according to claim 1 or 2, wherein
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