JP6864346B2 - heatsink - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関する。 The present invention relates to a heat sink and a method for manufacturing a heat sink.
パワーデバイスは、電気自動車、風力発電、家電などのインバータ技術に必要不可欠なものである。一方で、パワーデバイスは動作温度に制限があるため、熱設計の最適化が求められている。一般的に、パワーデバイスの放熱にはヒートシンクが用いられており、熱源から発せられる熱がヒートシンクにより外気へ放熱されている。 Power devices are indispensable for inverter technologies such as electric vehicles, wind power generation, and home appliances. On the other hand, power devices have a limited operating temperature, so optimization of thermal design is required. Generally, a heat sink is used to dissipate heat from a power device, and heat generated from a heat source is dissipated to the outside air by the heat sink.
従来のヒートシンクは、ベース上に板状フィンや棒状フィンが間隔をあけて複数設けられた構造のものが一般的である。しかし、近年、発熱密度の高いパワーデバイスに対応するため、ヒートシンクの高効率化が求められており、より効率的に放熱を行うために、多孔質金属(例えば特許文献1〜4を参照。)や金属繊維(例えば特許文献5,6を参照。)を用いたヒートシンクの研究が行われている。
The conventional heat sink generally has a structure in which a plurality of plate-shaped fins or rod-shaped fins are provided on the base at intervals. However, in recent years, there has been a demand for higher efficiency of heat sinks in order to support power devices having a high heat generation density, and in order to dissipate heat more efficiently, porous metals (see, for example,
多孔質金属や金属繊維は伝熱面積が大きく、これらをヒートシンクに用いると優れた熱伝達性を示す。しかしながら、多孔質金属や金属繊維を用いたヒートシンクは、有効熱伝導率が低く、また、圧力損失も大きいことから、これらの点で課題がある。 Porous metals and metal fibers have a large heat transfer area, and when they are used as a heat sink, they exhibit excellent heat transfer properties. However, a heat sink using a porous metal or a metal fiber has a low effective thermal conductivity and a large pressure loss, and thus has problems in these respects.
本発明は、上記した課題に着目してなされたもので、圧力損失の大幅な増大を抑えつつ伝熱性能の高いヒートシンクを提供することを目的とする。 The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heat sink having high heat transfer performance while suppressing a significant increase in pressure loss.
本発明の上記目的は、ベースと、前記ベース上の一方向に整列するとともに前記一方向と直交する他方向に間隔をあけて複数列をなすように配置された複数の棒状フィンと、前記一方向及び前記他方向の少なくともいずれかの方向に並ぶ複数の前記棒状フィンを連結する複数の横架材であって、上下方向及びこれに直交する方向に複数配置された複数の横架材と、を備えるヒートシンクにより達成される。 An object of the present invention is to use a base, a plurality of rod-shaped fins arranged in one direction on the base and arranged in a plurality of rows at intervals in the other direction orthogonal to the one direction, and the above-mentioned one. A plurality of horizontal members for connecting a plurality of the rod-shaped fins arranged in at least one direction and the other direction, and a plurality of horizontal members arranged in the vertical direction and in a direction orthogonal to the plurality of horizontal members. Achieved by a heat sink equipped with.
本発明に係るヒートシンクの好ましい実施態様においては、複数の前記横架材は、前記一方向に延びて前記一方向に整列する複数の前記棒状フィンを連結する複数の第1横架材であって、上下方向及び前記他方向に複数配置された複数の第1横架材と、前記他方向に延びて前記他方向に並ぶ各列の近接する前記棒状フィン同士を順次連結する複数の第2横架材であって、上下方向及び前記一方向に複数配置された複数の第2横架材と、で構成されることを特徴としている。 In a preferred embodiment of the heat sink according to the present invention, the plurality of horizontal members are a plurality of first horizontal members extending in one direction and connecting the plurality of rod-shaped fins aligned in the one direction. , A plurality of first horizontal members arranged in the vertical direction and the other direction, and a plurality of second horizontal members extending in the other direction and sequentially connecting the adjacent rod-shaped fins of each row arranged in the other direction. It is a frame member, and is characterized in that it is composed of a plurality of second horizontal frame members arranged in the vertical direction and in the one direction.
本発明に係るヒートシンクのさらに好ましい一実施態様においては、複数の前記棒状フィンは、上方向から視て格子状に配置されており、複数の前記第2横架材は、前記他方向に整列する複数の前記棒状フィンを連結することを特徴としている。なお、この実施態様においては、複数の前記第1横架材と複数の前記第2横架材とが交差することがより好ましい。 In a more preferred embodiment of the heat sink according to the present invention, the plurality of rod-shaped fins are arranged in a grid pattern when viewed from above, and the plurality of second horizontal members are aligned in the other direction. It is characterized in that a plurality of the rod-shaped fins are connected. In this embodiment, it is more preferable that the plurality of the first horizontal members and the plurality of the second horizontal members intersect with each other.
本発明に係るヒートシンクのさらに好ましい他の実施態様においては、複数の前記棒状フィンは、上方向から視て千鳥状に配置されるとともに、複数の前記第1横架材は、前記一方向から視て千鳥状に配置されており、複数の前記第2横架材は、前記他方向に並ぶ各列の前記棒状フィンをジグザグ状に連結して複数の前記第1横架材とトラスを形作ることを特徴としている。 In a still more preferred embodiment of the heat sink according to the present invention, the plurality of rod-shaped fins are arranged in a staggered manner when viewed from above, and the plurality of first horizontal members are viewed from the one direction. The second horizontal members are arranged in a staggered manner, and the rod-shaped fins in each row arranged in the other direction are connected in a zigzag shape to form a truss with the first horizontal members. It is characterized by.
上述した実施態様のヒートシンクにおいては、複数の前記棒状フィン、複数の前記第1横架材及び複数の前記第2横架材のうちの少なくともいずれかは、流線形の断面形状を有することがさらに好ましい。 In the heat sink of the above-described embodiment, at least one of the plurality of rod-shaped fins, the plurality of first horizontal members, and the plurality of second horizontal members may further have a streamlined cross-sectional shape. preferable.
また、上述した実施態様のヒートシンクにおいては、複数の前記棒状フィンは、前記ベース側に向かって次第に大きくなる断面形状を有し、複数の前記第1横架材及び複数の前記第2横架材は、前記ベース側に向かうに連れて断面形状が大きいことがさらに好ましい。 Further, in the heat sink of the above-described embodiment, the plurality of rod-shaped fins have a cross-sectional shape that gradually increases toward the base side, and the plurality of the first horizontal members and the plurality of the second horizontal members. It is more preferable that the cross-sectional shape becomes larger toward the base side.
また、上述した実施態様のヒートシンクにおいては、複数の前記第2横架材は、外気が流れる方向に向かって次第に大きくなる断面形状を有し、複数の前記棒状フィン及び複数の前記第1横架材は、外気が流れる方向に向かうに連れて断面形状が大きいことがさらに好ましい。 Further, in the heat sink of the above-described embodiment, the plurality of the second horizontal members have a cross-sectional shape that gradually increases in the direction in which the outside air flows, and the plurality of the rod-shaped fins and the plurality of the first horizontal members. It is more preferable that the material has a larger cross-sectional shape in the direction in which the outside air flows.
また、上述した実施態様のヒートシンクにおいては、アルミニウム、銅、鉄及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも1つを主成分として含有する金属を構成材料とすることがさらに好ましい。 Further, in the heat sink of the above-described embodiment, it is more preferable to use a metal containing at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, iron and titanium as a main component as a constituent material.
また、上述した実施態様のヒートシンクにおいては、空隙率が50%以上であることがさらに好ましい。 Further, in the heat sink of the above-described embodiment, the porosity is more preferably 50% or more.
本発明の上記目的は、上記構成のヒートシンクの製造方法であって、前記ヒートシンクを構成する材料粉末を敷き詰めて材料粉末層を形成する第1工程と、前記材料粉末層の所定領域の材料粉末を溶融及び凝固、又は焼結させることで、ブロック体を造形する第2工程と、を備え、前記第1工程による前記材料粉末層の形成及び前記第2工程による前記ブロック体の造形を繰り返し、複数の前記ブロック体が積層一体化されることで前記ヒートシンクが製造されるヒートシンクの製造方法によっても達成される。 The object of the present invention is a method for manufacturing a heat sink having the above structure, wherein a first step of spreading the material powder constituting the heat sink to form a material powder layer and a material powder in a predetermined region of the material powder layer are provided. A second step of forming a block body by melting, solidifying, or sintering is provided, and the formation of the material powder layer by the first step and the molding of the block body by the second step are repeated, and a plurality of steps are performed. It is also achieved by the method of manufacturing a heat sink in which the heat sink is manufactured by laminating and integrating the block bodies.
本発明に係るヒートシンクの製造方法の好ましい実施態様においては、前記材料粉末は、アルミニウムを主成分として60質量%以上含有することを特徴としている。 In a preferred embodiment of the method for producing a heat sink according to the present invention, the material powder is characterized by containing 60% by mass or more of aluminum as a main component.
本発明に係るヒートシンクの製造方法のさらに好ましい実施態様においては、前記材料粉末は、アルミニウムを主成分とし、さらに珪素、マグネシウム、銅、亜鉛、マンガン、スカンジウム及びリチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種以上を含有することを特徴としている。 In a more preferred embodiment of the method for producing a heat sink according to the present invention, the material powder is at least one selected from the group consisting of aluminum as a main component and silicon, magnesium, copper, zinc, manganese, scandium and lithium. It is characterized by containing the above.
本発明によれば、圧力損失の大幅な増大を抑えつつ伝熱性能の高いヒートシンクを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat sink having high heat transfer performance while suppressing a significant increase in pressure loss.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は、機械加工や鋳造加工では製造することが困難な複雑形状を有するヒートシンク及び当該ヒートシンクを製造可能な積層造形技術に関する。本発明のヒートシンクは、例えば自動車(電動車両)、電車、鉄道車両、航空機、航空エンジン、各種産業機械、電子機器、電力設備などに用いられる電子制御機器における発熱体・素子の冷却に好適に使用される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention relates to a heat sink having a complicated shape that is difficult to manufacture by machining or casting, and a laminated molding technique capable of manufacturing the heat sink. The heat sink of the present invention is suitably used for cooling a heating element / element in an electronic control device used in, for example, an automobile (electric vehicle), a train, a railroad vehicle, an aircraft, an aircraft engine, various industrial machines, electronic devices, electric power equipment, and the like. Will be done.
図1は、本発明の第1実施形態に係るヒートシンク1の外観を示しており、図2は図1のヒートシンク1の一部分を拡大して示している。ヒートシンク1は、ベース2と、ベース2上に一体に形成されたフィンユニット10とを備えている。なお、以後、ベース2に対してフィンユニット10が取り付けられた側(Z方向)を上方向として説明する。また、外気がY方向に流れるものとし、X方向を左右方向、Y方向を前後方向として説明する。
FIG. 1 shows the appearance of the
ベース2は、所定の厚みを有する矩形板状に形成されており、上面がフィンユニット10の取付面とされるとともに下面が受熱面とされる。ベース2が発熱源上に固定されることで、発熱源において発生した熱がベース2を介してフィンユニット10へと伝わる。ベース2の幅W、長さL、厚みtは、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。
The
フィンユニット10は、ベース2の上面に対して鉛直に設けられる複数の棒状フィン3と、ベース2の上方で一方向(左右方向)に延びる複数の第1横架材4と、ベース2の上方で前記一方向(X方向)と直交する他方向(Y方向)に延びる複数の第2横架材5とで構成されている。
The
棒状フィン3は、ベース2上の一方向(左右方向)に間隔をあけて複数が整列することで列をなすとともに、前記他方向(Y方向)に間隔をあけて複数の列をなすようにして、配置されている。本実施形態では、棒状フィン3は、図3に示すように、ベース2の上面に、上方向から視て格子状(並列配列)となるように配置されている。つまり、上方向から視て前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の近接する棒状フィン3が前記一方向(X方向)に位置ずれすることなく一列に並んで整列している。なお、「近接」とは、最も近くに位置することを意味する。また、本実施形態では、図3(a)に示すように、前記一方向(X方向)の間隔P´と前記他方向(Y方向)の間隔Pとが同一で棒状フィン3が均一に並んでいるが、図3(b)に示すように、前記一方向(X方向)の間隔P´と前記他方向(Y方向)の間隔Pとが相違して棒状フィン3が均一に並んでいてもよい。また、棒状フィン3は、本実施形態では円柱状に形成されている。棒状フィン3の直径や高さH、間隔P,P´は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。
The rod-shaped
第1横架材4は、前記一方向(X方向)に直線状に延びており、前記一方向(X方向)に整列する複数の棒状フィン3を連結している。第1横架材4は、前記一方向(X方向)から視て格子状(並列配列)となるように上下方向及び前記他方向(Y方向)に複数が並行配置されており、前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の複数の棒状フィン3と直交して格子をなしている。第1横架材4は、本実施形態では円柱状に形成されている。第1横架材4の直径や長さ、間隔は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。本実施形態では、第1横架材4の直径は、棒状フィン3の直径と同じである。
The first
第2横架材5は、前記他方向(Y方向)に直線状に延びており、前記他方向(Y方向)に整列する複数の棒状フィン3を連結している。第2横架材5は、前記他方向(Y方向)から視て格子状(並列配列)となるように上下方向及び前記一方向(X方向)に複数が並行配置されており、前記一方向(X方向)に並ぶ各行の複数の棒状フィン3と直交して格子をなしている。第2横架材5は、本実施形態では円柱状に形成されている。第2横架材5の直径や長さ、間隔は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。本実施形態では、第2横架材5の直径は、棒状フィン3の直径と同じである。
The second
複数の第2横架材5は、複数の第1横架材4と互いに交差しており、各第2横架材5は、棒状フィン3及び第1横架材4の交差部を順次連結するように直線状に延びている。なお、複数の第2横架材5は、複数の第1横架材4と必ずしも互いに交差している必要はなく、複数の第1横架材4に対して、上下方向に位置ずれしていてもよい。
The plurality of second
上記構成の第1実施形態のヒートシンク1においては、複数の棒状フィン3、複数の第1横架材4及び複数の第2横架材5が格子構造のような複雑形状で組み立てられているため、ヒートシンク1の伝熱面積が従来の板状フィンや棒状フィンを間隔をあけて複数設けた構造と比較して大きくなる。また、詳細は後述するが、ヒートシンク1の圧力損失の大幅な増大を抑えたまま、後述する有効熱伝達率を高めることができるので、伝熱性能の高いヒートシンク1とすることができる。
In the
ここで、上述した第1実施形態のヒートシンク1において、棒状フィン3、第1横架材4及び第2横架材5は、いずれも円柱状に形成されているが、角柱状の他、種々の断面形状を有する棒状体とすることができる。例えば、図4及び図5に示すように、棒状フィン3、第1横架材4及び第2横架材5のうちの少なくともいずれかは、流線形の断面形状を有することができる。なお、流線形とは、一端が丸くかつ他端が尖った全体として細長く先細った形である。図4及び図5に示すように、棒状フィン3、第1横架材4及び第2横架材5のうちの少なくともいずれかを断面視流線形状に形成し、外気の流れる前後方向(Y方向)において、後側に向けて先細るように向きを設定することで、ヒートシンク1を通過する外気の圧力損失を低減することが可能である。
Here, in the
また、上述した第1実施形態のヒートシンク1において、外気の流れる前後方向(Y方向)に延びる第2横架材5は、軸方向(長さ方向)の全長にわたり断面形状(直径)が一定であるが、軸方向に一端から他端に向けて次第に断面形状(直径)を大きくすることができる。例えば、図6及び図7に示すように、第2横架材5は、上流側は小さい断面形状を有し、下流側(外気が流れる方向)に向かって次第に大きくなる断面形状を有することができる。これにより、開放系の使用環境(開放系空間)ではヒートシンク1を通過する外気の流量が多くなるので、ヒートシンク1の有効熱伝達率をより高めることができ、伝熱性能をさらに向上させることが可能である。なお、この場合には、図6及び図7に示すように、棒状フィン3及び第1横架材4は、第2横架材5の断面形状に合わせて、下流側(外気が流れる方向)に向かうに連れて断面形状(直径)を大きくすることが好ましい。これにより、ヒートシンク1の有効熱伝達率をさらに高めることができる。
Further, in the
また、上述した第1実施形態のヒートシンク1において、棒状フィン3は、軸方向(高さ方向)の全長にわたり断面形状(直径)が一定であるが、軸方向に一端から他端に向けて次第に断面形状(直径)を大きくすることができる。例えば、図8及び図9に示すように、棒状フィン3は、上端側は小さい断面形状を有し、ベース側2(下方向)に向かって次第に大きくなる断面形状を有することができる。これにより、発熱源からベース2を介して伝達される熱が棒状フィン3の下端から上端まで良好に伝わるので、ヒートシンク1のフィン効率が高められ、棒状フィン3の全表面で効率よく放熱させることが可能である。その結果、ヒートシンク1の熱伝導性を高めることができ、伝熱性能をさらに向上させることが可能である。なお、この場合には、図8及び図9に示すように、第1横架材4及び第2横架材5は、棒状フィン3の断面形状に合わせて、ベース2側(下方向)に向かうに連れて断面形状(直径)を大きくすることが好ましい。これにより、ヒートシンク1のフィン効率をさらに高めることができる。
Further, in the
また、上述した第1実施形態のヒートシンク1において、第1横架材4及び第2横架材5のいずれか一方を省いてヒートシンクを形作ることも可能である。
Further, in the
次に、図10は、本発明の第2実施形態に係るヒートシンク1の外観を示しており、図11は図10のヒートシンク1の一部分を拡大して示している。第2実施形態のヒートシンク1も、ベース2と、ベース2上に一体に形成されたフィンユニット10とを備えている。ベース2は、第1実施形態のヒートシンク1のベース2と同構成であるので、ここでは説明を省略する。
Next, FIG. 10 shows the appearance of the
フィンユニット10は、ベース2の上面に対して鉛直に設けられる複数の棒状フィン3と、ベース2の上方で前記一方向(左右方向)に延びる複数の第1横架材4と、ベース2の上方で前記他方向(Y方向)に延びる複数の第2横架材5とで構成されている。
The
棒状フィン3は、ベース2上の一方向(左右方向)に間隔をあけて複数が整列することで列をなすとともに、前記他方向(Y方向)に間隔をあけて複数の列をなすようにして、配置されている。本実施形態では、棒状フィン3は、ベース2の上面に、上方向から視て千鳥状(千鳥配列)となるように配置されている。つまり、上方向から視て前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の近接する棒状フィン3が前記一方向(X方向)に位置ずれした状態、例えば図12に示すように、前記一方向(X方向)に隣り合う棒状フィン3の間隔の半分の位置に隣り合う列の棒状フィン3が位置するように、互い違いにずれた状態で並んでいる。なお、「近接」とは、最も近くに位置することを意味する。また、千鳥配列としては、いわゆる45度千鳥配列(棒状フィン3の中心間を線で結ぶと二等辺三角形を描く)、60度千鳥配列(棒状フィン3の中心間を線で結ぶと正三角形を描く)などを例示することができるが、特に限定されるものではない。また、棒状フィン3は、本実施形態では円柱状に形成されている。棒状フィン3の直径や高さ、間隔は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。
The rod-shaped
第1横架材4は、前記一方向(X方向)に直線状に延びており、前記一方向(X方向)に整列する複数の棒状フィン3を連結している。第1横架材4は、前記一方向(X方向)から視て千鳥状(千鳥配列)となるようよう上下方向及び前記他方向(Y方向)に複数が並行配置されており、前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の複数の棒状フィン3と直交して格子をなしている。第1横架材4は、本実施形態では円柱状に形成されている。第1横架材4の直径や長さ、間隔は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。本実施形態では、第1横架材4の直径は、棒状フィン3の直径と同じである。
The first
第2横架材5は、前記他方向(Y方向)にジグザグ状に延びており、前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の近接する棒状フィン3を交互に向きを変えながら斜めに延びることで順次連結して、複数の前記第1横架材とトラスを形作っている。具体的には、第2横架材5は、前記他方向(Y方向)に並ぶ各列の近接する棒状フィン3の第1横架材4との交差部同士を順次連結するように延びており、棒状フィン3の第1横架材4との各交差部においては、前列の近接する上下それぞれ2つ(計4つ)の交差部よりそれぞれ第2横架材5が放射状に集束するとともに、後列の近接する上下それぞれ2つ(計4つ)の交差部に向けてそれぞれ第2横架材5が放射状に発散している。これにより、複数の第2横架材5は、前記他方向(Y方向)に延びながら前記一方向(X方向)に隣り合う第2横架材5と各列の第1横架材4とで複数の三角形を組むことで、トラスが形成される。
The second
第2横架材5は、本実施形態では円柱状に形成されている。第2横架材5の直径や長さ、間隔は、放熱に用いられる対象に応じて適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。本実施形態では、第2横架材5の直径は、棒状フィン3の直径と同じである。
The second
上述した第2実施形態のヒートシンク1においては、第1実施形態のヒートシンク1と同様、複数の棒状フィン3、複数の第1横架材4及び複数の第2横架材5がトラス構造のような複雑形状で組み立てられているため、ヒートシンク1の伝熱面積が従来の板状フィンや棒状フィンを間隔をあけて複数設けた構造と比較して大きくなるうえ、外気が迂回するように流れるため熱伝達特性が高くなる。また、詳細は後述するが、ヒートシンク1の圧力損失の大幅な増大を抑えたまま有効熱伝達率を高めることができるので、伝熱性能の高いヒートシンク1とすることができる。
In the
上述した第2実施形態のヒートシンク1においても、棒状フィン3、第1横架材4及び第2横架材5は、いずれも円柱状に形成されているが、第1実施形態と同様に、角柱状の他、種々の断面形状を有する棒状体とすることができる。例えば、図示は省略するが、棒状フィン3、第1横架材4及び第2横架材5のうちの少なくともいずれかを断面視流線形状に形成し、外気の流れる前後方向(Y方向)において、後側に向けて先細るように向きを設定することで、ヒートシンク1を通過する外気の圧力損失を低減することが可能である。
In the
また、上述した第2実施形態のヒートシンク2においても、外気の流れる前後方向(Y方向)に延びる第2横架材5は、軸方向(長さ方向)の全長にわたり断面形状(直径)が一定であるが、第1実施形態と同様に、軸方向に一端から他端に向けて次第に断面形状(直径)を大きくすることができる。例えば、図示は省略するが、第2横架材5は、上流側は小さい断面形状を有し、下流側(外気が流れる方向)に向かって次第に大きくなる断面形状を有することができる。これにより、開放系の使用環境(開放系空間)ではヒートシンク1を通過する外気の流量が多くなるので、ヒートシンク1の有効熱伝達率をより高めることができ、伝熱性能をさらに向上させることが可能である。なお、この場合には、棒状フィン3及び第1横架材4は、第2横架材5の断面形状に合わせて、下流側(外気が流れる方向)に向かうに連れて断面形状(直径)を大きくすることが好ましい。これにより、ヒートシンク1の有効熱伝達率をさらに高めることができる。
Further, also in the
また、上述した第2実施形態のヒートシンク1においても、棒状フィン3は、軸方向(高さ方向)の全長にわたり断面形状(直径)が一定であるが、軸方向に一端から他端に向けて次第に断面形状(直径)を大きくすることができる。例えば、図13及び図14に示すように、棒状フィン3は、上端側は小さい断面形状を有し、ベース側2(下方向)に向かって次第に大きくなる断面形状を有することができる。これにより、発熱源からベース2を介して伝達される熱が棒状フィン3の下端から上端まで良好に伝わるので、ヒートシンク1のフィン効率が高められ、棒状フィン3の全表面で効率よく放熱させることが可能である。その結果、ヒートシンク1の熱伝導性を高めることができ、伝熱性能をさらに向上させることが可能である。なお、この場合には、第1横架材4及び第2横架材5は、図13及び図14に示すように、棒状フィン3の断面形状に合わせて、ベース2側(下方向)に向かうに連れて断面形状(直径)を大きくすることが好ましい。これにより、ヒートシンク1のフィン効率をさらに高めることができる。
Further, also in the
また、上述した第2実施形態のヒートシンク1において、第1横架材4及び棒状フィン3のいずれか一方を省いてヒートシンクを形作ることも可能であり、さらには両方を省いて第2横架材のみでヒートシンクを形作ることも可能である。
Further, in the
上述した第1実施形態及び第2実施形態のヒートシンク1は、熱伝達性及び圧力損失を考慮して、空隙率εが50%以上95%以下であることが好ましく、60%以上95%以下であることがより好ましい。また、ヒートシンク1の熱伝達性をより高めたい場合には、空隙率εは60%〜80%であることが好ましく、ヒートシンク1の圧力損失をより減少させたい場合には、空隙率εは80%〜95%であることが好ましく、88%〜95%であることがより好ましい。
The
なお、ヒートシンク1の空隙率εは、フィンユニット10を含む仮想空間中の空隙の占める割合であり、ε(%)={1−(V/V´)}×100で表される。なお、Vは、フィンユニット10の体積であり、V´は前記仮想空間の体積(フィンユニット10の最大幅W×長さL×高さH)である。
The porosity ε of the
次に、上述した第1実施形態及び第2実施形態のヒートシンク1の製造方法について、図15〜図23を用いて説明する。なお、以下の説明では、図1に示される形態のヒートシンク1を例にして製造方法を説明しているが、製造方法の各工程はいずれの形態のヒートシンクであっても同じである。
Next, the method of manufacturing the
本発明に係るヒートシンク1の製造方法は、ヒートシンク1の構成材料となる材料粉末を、例えば基材102上に敷き詰めて所定厚みの材料粉末層Mを形成する第1工程と、材料粉末層Mの所定領域の材料粉末を溶融及び凝固、又は焼結させることでブロック体Bを造形する第2工程とを備え、このブロック体B上に、新たな材料粉末層Mの形成及びブロック体Bの造形を繰り返して行うことにより、複数のブロック体Bを上下方向に積層一体化させて、ヒートシンク1を製造するものである。
The method for manufacturing the
ヒートシンク1の製造装置は、例えば、周囲が囲まれたチャンバ100の内部に平板状の基材102を備えている。この基材102上に材料粉末が供給される。基材102の素材としては、鉄、炭素鋼・合金鋼・ステンレス鋼などの鋼、アルミニウム、チタン、銅などの汎用金属材料、又は、ガラス、ポリイミドなどの耐熱性を有するプラスチック材料、セラミックス材料などを用いることができるが、特に、アルミニウム、チタン、銅、鉄、鋼、ステンレス鋼など、耐熱性、熱容量、熱伝導性、耐食性の高い金属材料を好ましく用いることができる。基材102には、必要に応じてヒーターなどの加熱装置(図示せず)、水冷ヒートシンクやペルチェ素子などの冷却装置(図示せず)を接続し、基材102を常時加熱又は冷却してもよい。また、基材102の表面は、造形されるヒートシンク1との接合性を高めるために、ブラスト処理などの公知の方法により粗面化処理が施されていることが好ましい。なお、基材102を必要としない材料を用いる場合は、基材102を使用しなくてもよい。また、基材102上に放熱対象の発熱体・素子などを設置しておき、この発熱体・素子上に材料粉末を敷き詰めてヒートシンク1を一体に造形するようにしてもよい。さらに、基材102をそのままヒートシンク1のベース2として用い、基材102にフィンユニット10のみを造形してもよい。
The apparatus for manufacturing the
チャンバ100の内部には、基材102の上方にチャンバ100内を水平方向に往復動可能な幅板状のスキージ103が配備されている。スキージ103は、基材102の表面よりも所定の高さ上方でスライド移動することにより、基材102上に供給された材料粉末を均して、全体の厚みがほぼ一定の平坦な材料粉末の層(材料粉末層M)を形成する。
Inside the
チャンバ100の内部には、チャンバ100内を上下方向に往復動可能なステージ101が配備されている。基材102はステージ101上に取り付けられており、ステージ101の上下動により基材102の上下位置を調整可能である。基材102の上下位置を調整することで、材料粉末層Mの厚みを適宜変更できる。材料粉末層Mの厚みは、製造されるヒートシンク1の寸法精度を向上させるには、薄い方が好ましい。
Inside the
また、製造装置は、材料粉末層Mにレーザ光を照射するレーザ光走査装置104を備えている。材料粉末層Mにレーザ光を照射すると、照射部分の材料粉末が加熱されて溶融する。これを急冷して固化させることにより、照射部分の材料粉末がブロック体Bに造形される。レーザ光走査装置104は、図示は省略するが、レーザ光を出射するレーザ光源とガルバノミラーなどの光学機器とを有しており、ガルバノミラーなどによってレーザ光を材料粉末層M上の任意の領域に所定のパターン形状で走査可能である。よって、材料粉末層Mの特定領域だけを選択して局所的に材料粉末をレーザ光により加熱できるので、レーザ光の照射部分の材料粉末だけを固化させて所望の形状及び大きさのブロック体Bを造形可能である。レーザ光源から出射するレーザ光としては、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、半導体レーザ、グリーンレーザ、UVレーザなどの種々のレーザを使用することが可能である。
Further, the manufacturing apparatus includes a laser
なお、本実施形態では、材料粉末を溶融して固化させる方法として、粉末床溶融結合法を利用し、材料粉末を固化させる手段としてレーザ光を用いているが、当該手段としては、レーザ光に限定されるものではなく、例えば電子ビームやプラズマなどを用いてもよい。また、材料粉末を固化させる方法としては、粉末床溶融結合法以外の3Dプリンティング法(付加製造法)を利用してもよく、例えば、指向性エネルギー堆積法を利用することができる。さらに、造形中に切削加工やレーザトリミングを実施してもよく、造形中や造形後にレーザや電子ビーム、化学エッチング、物理エッチングによる表面改質を行ってもよい。 In the present embodiment, the powder bed fusion bonding method is used as a method for melting and solidifying the material powder, and laser light is used as a means for solidifying the material powder. The present invention is not limited, and for example, an electron beam or plasma may be used. Further, as a method for solidifying the material powder, a 3D printing method (additional manufacturing method) other than the powder bed fusion bonding method may be used, and for example, a directed energy deposition method can be used. Further, cutting or laser trimming may be performed during modeling, or surface modification may be performed by laser, electron beam, chemical etching, or physical etching during or after modeling.
また、製造装置は、図示は省略するが、チャンバ100に雰囲気ガスを供給するガスタンクを備えている。チャンバ100内が雰囲気ガスによって満たされることにより、材料粉末層M及びブロック体Bの酸化などが防止される。雰囲気ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガスなどを例示することができる。また、雰囲気ガスに代えて還元性ガスを用いてもよい。また、材料粉末層M及びブロック体Bの酸化などを防止するためには、チャンバ100内を真空ポンプなどにより減圧するようにしてもよい。
Further, although not shown, the manufacturing apparatus includes a gas tank that supplies atmospheric gas to the
上述した構成の製造装置において、まず、図15に示すように、材料粉末を貯蔵する材料粉末供給部(図示せず)から材料粉末を基材102上に供給した後、スキージ103を水平方向(矢印方向)に移動させることで、基材102上に材料粉末が敷き詰められて材料粉末層Mが形成される(第1工程)。このとき、基材102の上下位置を調整することで、材料粉末層Mの厚さを所望の厚さとすることができる。
In the manufacturing apparatus having the above-described configuration, first, as shown in FIG. 15, the material powder is supplied onto the
次に、図16に示すように、レーザ光走査装置104により、材料粉末層M表面の任意の領域にレーザ光を照射し、この照射部分の材料粉末を加熱する。これにより、レーザ光照射部分の材料粉末が溶融固化し、図17に示すように、レーザ光を所望の走査経路に沿って照射することによりブロック体Bが造形される(第2工程)。
Next, as shown in FIG. 16, the laser
ブロック体Bは、例えば、ヒートシンク1の3次元CADによる立体形状データから変換されたSTLデータのスライスデータに基づき造形される。スライスデータは、ヒートシンク1の立体形状データを等ピッチで上下複数の層に分割した各断面の輪郭形状データであり、スライスデータに基づいて基材102を上下動させるとともに、上下方向に複数積層される各材料粉末層Mに対してレーザ光が所定領域に照射されることで、局所的に材料粉末が溶融固化し、所望の形状を有するブロック体Bが造形される。
The block body B is modeled based on, for example, slice data of STL data converted from three-dimensional shape data by three-dimensional CAD of the
そして、図18に示すように、先に形成されたブロック体B及び残存する材料粉末層Mの上に、スキージ103を水平方向に移動させて新たに材料粉末を供給し、所望の厚さからなる新たな材料粉末層Mを形成する(第1工程)。
Then, as shown in FIG. 18, the
次いで、同様に、新たな材料粉末層Mの表面にレーザ光を走査して、材料粉末層Mの所望の範囲にレーザ光を照射する。これにより、図19及び図20に示すように、照射部分の材料粉末が局所的に加熱され、該材料粉末が溶融固化することで、新たなブロック体Bが造形される(第2工程)。材料粉末が溶融固化してブロック体Bが造形される際には、先に造形された下層のブロック体Bと接合されるので、新たに造形されるブロック体Bは下層のブロック体Bと一体化することになる。 Then, similarly, the surface of the new material powder layer M is scanned with the laser beam to irradiate the desired range of the material powder layer M with the laser beam. As a result, as shown in FIGS. 19 and 20, the material powder of the irradiated portion is locally heated, and the material powder is melted and solidified to form a new block body B (second step). When the material powder is melted and solidified to form the block body B, it is joined to the previously formed lower layer block body B, so that the newly formed block body B is integrated with the lower layer block body B. Will be transformed into.
そして、図21及び図22に示すように、上述した第1工程と第2工程とを繰り返し行ってブロック体Bを積み重ねていき、ブロック体Bの層数が所定の層数に達することで、図23に示すように、所望の三次元形状を有するヒートシンク1が得られる。
Then, as shown in FIGS. 21 and 22, the first step and the second step described above are repeated to stack the block bodies B, and when the number of layers of the block body B reaches a predetermined number of layers, the number of layers of the block body B reaches a predetermined number. As shown in FIG. 23, a
なお、第2工程において、材料粉末層Mにレーザ光を照射する際の照射条件、つまりは、レーザ光の出力、走査速度、走査ピッチなどは、例えば、出力であれば1000W以下の範囲内で、走査速度であれば7000mm/s以下の範囲内で、走査ピッチであれば0.30mm以下の範囲内で、それぞれ適宜調整可能であり、レーザ光の出力を適宜選択した上で、走査速度、走査ピッチなどを材料粉末の種類や粒径などに応じて適宜調整することにより、欠陥の少ない緻密な構成部材からなるヒートシンク1を製造することができる。
In the second step, the irradiation conditions when irradiating the material powder layer M with the laser beam, that is, the output of the laser beam, the scanning speed, the scanning pitch, etc., are within the range of 1000 W or less if the output is, for example. The scanning speed can be adjusted appropriately within the range of 7000 mm / s or less, and the scanning pitch can be adjusted within the range of 0.30 mm or less. By appropriately adjusting the scanning pitch and the like according to the type and particle size of the material powder, the
次に、上述したヒートシンク1の構成材料である材料粉末について説明する。
Next, the material powder which is the constituent material of the
材料粉末は、通常の2次元プリンタにおけるトナー、インクに相当する。材料粉末は、本実施形態では金属粉末であり、その中でも、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)及びチタン(Ti)からなる群より選ばれる少なくとも1つを主成分として含有する金属粉末である。金属粉末は、主成分以外にその他の成分として、金属、炭素、セラミックス、樹脂などのその他の材料を含有する合金粉末、複合粉末又は混合粉末であってもよい。 The material powder corresponds to toner and ink in a normal two-dimensional printer. The material powder is a metal powder in the present embodiment, and among them, contains at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe) and titanium (Ti) as a main component. It is a metal powder. The metal powder may be an alloy powder, a composite powder, or a mixed powder containing other materials such as metal, carbon, ceramics, and resin as other components in addition to the main component.
アルミニウム(Al)を主成分として含有する場合、材料粉末は、アルミニウム(Al)を60質量%以上含有し、その他の成分としては、珪素(Si)、マグネシウム(Mg)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、カルシウム(Ca)、ジルコニウム(Zr)、ナトリウム(Na)、ストロンチウム(Sr)、アンチモン(Sb)、ベリリウム(Be)、リン(P)、バナジウム(V)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、コバルト(Co)、銀(Ag)、ガリウム(Ga)、スカンジウム(Sc)、ホウ素(B)、酸素(O)などから1種又は2種以上を挙げることができるが、珪素(Si)を第2成分として含有することが好ましく、さらにマグネシウム(Mg)を第3成分として好ましく含有させることができる。これらの成分は、製造時に意図的に添加される場合もあれば、不純物として不可避的に混入する場合もある。 When aluminum (Al) is contained as a main component, the material powder contains 60% by mass or more of aluminum (Al), and other components include silicon (Si), magnesium (Mg), copper (Cu), and zinc. (Zn), Iron (Fe), Manganese (Mn), Lithium (Li), Nickel (Ni), Titanium (Ti), Chromium (Cr), Calcium (Ca), Zirconium (Zr), Sodium (Na), Strontium (Sr), antimony (Sb), beryllium (Be), phosphorus (P), vanadium (V), tin (Sn), lead (Pb), bismuth (Bi), cobalt (Co), silver (Ag), gallium One or more of (Ga), scandium (Sc), boron (B), oxygen (O) and the like can be mentioned, but it is preferable that silicon (Si) is contained as the second component, and magnesium is further contained. (Mg) can be preferably contained as the third component. These components may be intentionally added at the time of manufacture, or may be unavoidably mixed as impurities.
銅(Cu)を主成分として含有する場合、材料粉末は、銅(Cu)を50質量%以上含有し、その他の成分としては、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ベリリウム(Be)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、珪素(Si)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、テルル(Te)、リン(P)、炭素(C)、酸素(O)などから1種又は2種以上を挙げることができる。これらの成分は、製造時に意図的に添加される場合もあれば、不純物として不可避的に混入する場合もある。 When copper (Cu) is contained as a main component, the material powder contains 50% by mass or more of copper (Cu), and other components include chromium (Cr), zinc (Zn), tin (Sn), and beryllium. (Be), silver (Ag), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), silicon (Si), cobalt (Co), iron (Fe), magnesium (Mg), titanium (Ti), tellurium One or more of (Te), phosphorus (P), carbon (C), oxygen (O) and the like can be mentioned. These components may be intentionally added at the time of manufacture, or may be unavoidably mixed as impurities.
鉄(Fe)を主成分として含有する場合、材料粉末は、鉄(Fe)を60質量%以上含有し、その他の成分としては、炭素(C)、珪素(Si)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、銅(Cu)、窒素(N)、リン(P)、硫黄(S)、ホウ素(B)、酸素(O)などから1種又は2種以上を挙げることができる。これらの成分は、製造時に意図的に添加される場合もあれば、不純物として不可避的に混入する場合もある。 When iron (Fe) is contained as a main component, the material powder contains 60% by mass or more of iron (Fe), and other components include carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), and nickel. (Ni), Chromium (Cr), Cobalt (Co), Molybdenum (Mo), Tungsten (W), Titanium (Ti), Aluminum (Al), Vanadium (V), Copper (Cu), Nitrogen (N), Phosphorus One or more of (P), silicon (S), boron (B), oxygen (O) and the like can be mentioned. These components may be intentionally added at the time of manufacture, or may be unavoidably mixed as impurities.
チタン(Ti)を主成分として含有する場合、材料粉末は、チタン(Ti)を70質量%以上含有し、その他の成分としては、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、スズ(Sn)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、珪素(Si)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、パラジウム(Pd)、炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などから1種又は2種以上を挙げることができる。これらの成分は、製造時に意図的に添加される場合もあれば、不純物として不可避的に混入する場合もある。 When titanium (Ti) is contained as a main component, the material powder contains 70% by mass or more of titanium (Ti), and other components include aluminum (Al), vanadium (V), niobium (Nb), and tin. (Sn), molybdenum (Mo), titanium (Ta), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silicon (Si), zirconium One or more of (Zr), hafnium (Hf), palladium (Pd), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), hydrogen (H) and the like can be mentioned. These components may be intentionally added at the time of manufacture, or may be unavoidably mixed as impurities.
さらに、これらの系以外の材料粉末として、コバルト(Co)系、ニッケル(Ni)系、モリブデン(Mo)系、ジルコニウム(Zr)系、タングステン(W系)などが例示される。 Further, examples of material powders other than these systems include cobalt (Co) -based, nickel (Ni) -based, molybdenum (Mo) -based, zirconium (Zr) -based, and tungsten (W-based).
なお、材料粉末は、必ずしも金属を主成分として含有する金属粉末(合金粉末、複合粉末又は混合粉末を含む)に限定されるものではなく、セラミックスや樹脂を主成分として含有していてもよく、さらには、セラミックスや樹脂以外にその他の成分としてその他の材料を含有する複合粉末又は混合粉末であってもよい。 The material powder is not necessarily limited to a metal powder containing a metal as a main component (including an alloy powder, a composite powder or a mixed powder), and may contain ceramics or a resin as a main component. Further, it may be a composite powder or a mixed powder containing other materials as other components other than ceramics and resins.
上述した材料粉末の粒径は、粉末製造条件、分級、篩分けなどにより適宜調整される。材料粉末の平均粒径は、特に限定されるものではなく、ヒートシンク1の製造する際の材料粉末層Mの高さに応じて調整することができ、例えば100μm〜200μmとすることができ、さらには50μm〜100μmとすることができ、さらには5μm〜50μmとすることができる。また、材料粉末の粒子形状は特に限定されるものではなく、略球状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
The particle size of the above-mentioned material powder is appropriately adjusted according to powder production conditions, classification, sieving and the like. The average particle size of the material powder is not particularly limited and can be adjusted according to the height of the material powder layer M when the
上述した材料粉末は、例えばガスアトマイズ法や水アトマイズ法によって製造することができるが、その他、回転電極法、遠心力アトマイズ法、メルトスピニング法、メカニカルアロイング法などの機械的プロセス、酸化物還元法やイオン反応法などの化学的プロセスによっても製造することもできる。 The above-mentioned material powder can be produced by, for example, a gas atomizing method or a water atomizing method, but in addition, a mechanical process such as a rotating electrode method, a centrifugal atomizing method, a melt spinning method, or a mechanical alloying method, or an oxide reduction method. It can also be produced by a chemical process such as an ion reaction method.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、上述した実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないため、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものであり、よって、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the above-described embodiments are exemplary in all respects and are not restrictive, and thus the present invention is not limited to the above-described embodiments. The technical scope of the present invention is defined by the scope of claims and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the scope of claims. Various changes can be made as long as they do not deviate from the purpose.
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
実施例1〜6として、材料粉末に平均粒径が約25μmのアルミニウム系合金粉末(Al−Si−Mg合金粉末)を用いた積層造形により、図1(Cube)、図4(Cube-Td)、図6(Cube-G)、図8(Cube-C)、図10(Truss)及び図13(Truss-C)に示す各構造のヒートシンクを製造した。また、比較例として、材料粉末に同じアルミニウム系合金粉末(Al−Si−Mg合金粉末)を用いた積層造形により、図24(Pin)に示すように、ベース110上に棒状フィン111が間隔をあけて複数設けられた構造のヒートシンクを製造した。アルミニウム系合金粉末(Al−Si−Mg合金粉末)は、ガスアトマイズ法により作製した。積層造形には、金属粉末積層造形装置(EOS社製のEOSINT M280)を用いた。
As Examples 1 to 6, FIG. 1 (Cube) and FIG. 4 (Cube-Td) were formed by laminated molding using an aluminum alloy powder (Al—Si—Mg alloy powder) having an average particle size of about 25 μm as the material powder. , FIG. 6 (Cube-G), FIG. 8 (Cube-C), FIG. 10 (Truss) and FIG. 13 (Truss-C) are manufactured. Further, as a comparative example, as shown in FIG. 24 (Pin), rod-shaped
積層造形時のアルミニウム合金粉末に対するレーザ光走査装置によるレーザ光の照射条件は以下の通りである。
・レーザの種類:Ybファイバーレーザ
・レーザの出力:400W以下
・走査速度:200mm/s〜3000mm/s
・走査ピッチ:0.08mm〜0.18mm
・積層ピッチ:0.02mm〜0.10mm
・基材:アルミニウム合金(A5083)
・雰囲気:アルゴンガス雰囲気
The conditions for irradiating the aluminum alloy powder with laser light by the laser light scanning device at the time of laminated molding are as follows.
-Laser type: Yb fiber laser-Laser output: 400 W or less-Scanning speed: 200 mm / s to 3000 mm / s
-Scanning pitch: 0.08 mm to 0.18 mm
-Laminating pitch: 0.02 mm to 0.10 mm
-Base material: Aluminum alloy (A5083)
・ Atmosphere: Argon gas atmosphere
各実施例1〜6及び比較例のヒートシンクの寸法は以下の表1に示す通りである。なお、各実施例1〜6及び比較例は、棒状フィンのX方向の間隔P´については5mmとし、棒状フィンのY方向の間隔Pについては、各実施例1,2,4〜6及び比較例では5mmとし、実施例3では1.5mm〜7mmとして、各フィンユニットの表面積がほぼ一定(0.0039m2、0.0027m2程度の二水準)になるように棒状フィン、第1横架材及び第2横架材の直径を調整した。また、各実施例1〜6及び比較例について、棒状フィン、第1横架材及び第2横架材の直径を半分にした空隙率の高い例も合わせて検討した。比較例は、角柱断面の一辺の長さを実施例1の直径と同じにして、表面積を実施例1〜6と同等にするために、ベースのY方向の長さLを長くして(0.05m→0.07m)、ベース面積を大きくした。 The dimensions of the heat sinks of Examples 1 to 6 and Comparative Examples are as shown in Table 1 below. In Examples 1 to 6 and Comparative Examples, the distance P'in the X direction of the rod-shaped fins is 5 mm, and the distance P in the Y direction of the rod-shaped fins is compared with Examples 1, 2, 4 to 6. In the example, it is set to 5 mm, and in Example 3, it is set to 1.5 mm to 7 mm, and the rod-shaped fins and the first horizontal frame are set so that the surface area of each fin unit is substantially constant (two levels of about 0.0039 m 2 and 0.0027 m 2). The diameter of the material and the second horizontal member was adjusted. In addition, for each of Examples 1 to 6 and Comparative Examples, examples having a high porosity in which the diameters of the rod-shaped fins, the first horizontal member and the second horizontal member were halved were also examined. In the comparative example, in order to make the length of one side of the prism cross section the same as the diameter of Example 1 and the surface area equal to that of Examples 1 to 6, the length L of the base in the Y direction is increased (0). .05m → 0.07m), the base area was increased.
各実施例1〜6及び比較例の伝熱性能について数値解析により調べた結果を以下に示す。伝熱性能の数値解析には、非構造格子系熱流体解析ソフトSCRYU/Tetra(ソフトウェアクレイドル製)を用いた。乱流モデルには、壁近傍領域での強い粘性応力作用と乱れの減衰作用を再現できる線形低レイノルズ数型乱流モデルのAKNk-εモデルを使用し、流体及び固体内格子総数は約400万点にした。解析条件及び境界条件を図25及び表2に示す。なお、空気の温度変化に伴う浮力の影響は考慮していない。なお、数値解析では、各ヒートシンクの伝熱性能について、ヒートシンクの全幅W(=50mm)ではなく、図2、図5、図7、図9、図11及び図14などで示されるように、列幅W´を5mmとして一列でモデル化して計算している。 The results of numerical analysis of the heat transfer performance of Examples 1 to 6 and Comparative Examples are shown below. The unstructured grid thermo-fluid analysis software SCRYU / Tetra (manufactured by Software Cradle) was used for the numerical analysis of the heat transfer performance. For the turbulence model, the AKNk-ε model, which is a linear low Reynolds number type turbulence model that can reproduce strong viscous stress action and turbulence damping action in the region near the wall, is used, and the total number of lattices in fluid and solid is about 4 million. I made a point. The analysis conditions and boundary conditions are shown in FIG. 25 and Table 2. The effect of buoyancy due to changes in air temperature is not taken into consideration. In the numerical analysis, the heat transfer performance of each heat sink is not the total width W (= 50 mm) of the heat sink, but a column as shown in FIGS. 2, 5, 7, 7, 9, 11, 14 and the like. The width W'is set to 5 mm and modeled in a row for calculation.
各実施例1〜6及び比較例の伝熱量Q及び圧力損失Δpについて、図26及び図27にそれぞれ示す。なお、いずれの図も(a)が低空隙率の場合、(b)が高空隙率を示している。図26より、入口風速が高いほど各例とも伝熱量Qが大きいことが分かる。また、(a)低空隙率では、実施例6(Truss-C)の伝熱量Qが最も大きく、次いで実施例5(Truss)、実施例3(Cube-G)が大きく、全ての実施例1〜6で比較例(Pin)よりも大きいことが分かった。一方で、(b)高空隙率でも、実施例6(Truss-C)の伝熱量Qが最も大きく、次いで実施例6(Cube-C)、実施例5(Truss)、実施例3(Cube-G)が大きい。なお、比較例(Pin)との比較では、フィンユニットの表面積を各実施例1〜6及び比較例でほぼ一定としたため、実施例6(Truss-C)以外の各実施例1〜5では伝熱量Qが比較例よりも小さいが、比較例のベース面積を各実施例1〜6のベース面積に合わせると、伝熱量Qは5/7程度になると予想される。そうすると、全ての実施例1〜6で比較例(Pin)よりも伝熱量Qが大きくなることが分かる。このように、各実施例1〜6では、比較例(Pin)よりも、伝熱性能が高いことが確認された。 The heat transfer amount Q and the pressure loss Δp of Examples 1 to 6 and Comparative Examples are shown in FIGS. 26 and 27, respectively. In each figure, when (a) is a low porosity, (b) is a high porosity. From FIG. 26, it can be seen that the higher the inlet wind speed, the larger the heat transfer amount Q in each example. Further, in (a) low porosity, the heat transfer amount Q of Example 6 (Truss-C) was the largest, followed by Example 5 (Truss) and Example 3 (Cube-G), and all of Examples 1 It was found that ~ 6 was larger than the comparative example (Pin). On the other hand, even in (b) high porosity, the heat transfer amount Q of Example 6 (Truss-C) was the largest, followed by Example 6 (Cube-C), Example 5 (Truss), and Example 3 (Cube-). G) is large. In the comparison with the comparative example (Pin), since the surface area of the fin unit was made substantially constant in each of Examples 1 to 6 and Comparative Example, it was transmitted in each of Examples 1 to 5 other than Example 6 (Truss-C). Although the calorific value Q is smaller than that of the comparative example, when the base area of the comparative example is adjusted to the base area of each of Examples 1 to 6, the heat transfer amount Q is expected to be about 5/7. Then, it can be seen that the heat transfer amount Q is larger than that of the comparative example (Pin) in all the examples 1 to 6. As described above, it was confirmed that the heat transfer performance of each of Examples 1 to 6 was higher than that of Comparative Example (Pin).
また、図27より、入口風速が高いほど圧力損失Δpは大きくなり、また、比較例(Pin)と比較して各実施例1〜6とも圧力損失Δpは大きいが、実施例1(Cube)、実施例2(Cube-Td)、実施例4(Cube-C)では圧力損失Δpの大幅な増大を抑制でき、実施例2(Cube-Td)では比較例(Pin)と同程度の圧力損失Δpに抑えられることが確認された。 Further, from FIG. 27, the higher the inlet wind velocity, the larger the pressure loss Δp, and the pressure loss Δp is larger in each of Examples 1 to 6 as compared with Comparative Example (Pin), but in Example 1 (Cube), In Example 2 (Cube-Td) and Example 4 (Cube-C), a significant increase in pressure loss Δp can be suppressed, and in Example 2 (Cube-Td), the pressure loss Δp is similar to that of Comparative Example (Pin). It was confirmed that it could be suppressed to.
次に、各実施例1〜6及び比較例のフィン効率ηについて調べた結果を図28に示す。図28より、(a)低空隙率及び(b)高空隙率ともに、比較例(Pin)のフィン効率ηが最も高いが、実施例1〜4についてはフィン効率ηの大幅な低下を抑制でき、実施例4(Cube-C)では比較例(Pin)に近いフィン効率ηとすることができる。 Next, the results of examining the fin efficiency η of Examples 1 to 6 and Comparative Examples are shown in FIG. 28. From FIG. 28, both (a) low porosity and (b) high porosity have the highest fin efficiency η in Comparative Example (Pin), but in Examples 1 to 4, a significant decrease in fin efficiency η can be suppressed. In Example 4 (Cube-C), the fin efficiency η can be set to be close to that of Comparative Example (Pin).
最後に、各実施例1〜6及び比較例のベース面積基準の有効熱伝達率hに関して、圧力損失との関係を図29に示す。なお、当該有効熱伝達率hは、h=q/(Tw−Tin)で算出され、qは、q=Q/(W´×L)で表される。(a)低空隙率では、圧力損失に対して、実施例3(Cube-G)以外のいずれの実施例1,2,4〜6についても良好な有効熱伝達率が得られ、特に実施例6(Truss-C)の有効熱伝導率が最も高く、実施例2(Cube-Td)、実施例5(Truss)、実施例6(Truss-C)についても有効熱伝導率が比較例(Pin)よりも高いことが分かった。これは、図25及び図26に示したように、実施例2(Cube-Td)では伝熱性能を下げることなく圧力損失を抑えられたこと、また、実施例5(Truss)、実施例6(Truss-C)では圧力損失は大きいものの、三次元的な千鳥配列特有の高い熱伝達性を得られたことが理由として考えられる。一方、(b)高空隙率では、圧力損失に対して、いずれの実施例1〜6についても良好な有効熱伝達率が得られ、特に実施例6(Truss-C)の有効熱伝導率が最も高く、実施例4(Cube-C)、実施例6(Truss-C)についても有効熱伝導率が比較例(Pin)よりも高いことが分かった。実施例4(Cube-C)については、図28に示したように、実施例4(Cube-C)のフィン効率が高いことが理由として考えられる。また、実施例3(Cube-G)は、(a)低空隙率よりも(b)高空隙率の場合において、圧力損失に対する有効熱伝達率が向上していることが分かった。なお、実施例3(Cube-G)については、気流方向(Y方向)に対して、下流側に向かって棒状フィン、第1横架材及び第2横架材が太くなる構造であるため、上述した非開放系空間で用いられる場合では、圧力損失の影響で有効熱伝達率が大きく低減したと考えられるが、開放系空間で用いられる場合には、ヒートシンク内での静圧は上流と下流で大きく異なる、つまり、上流側では静圧が低く下流側で高いため、流量は上流側で大きく、下流に向かうに従って流れと直角方向にベクトルが変化する。よって、ヒートシンク内での流量は比較的大きくなり、有効熱伝達率が高められると想定されるため、伝熱量が大きくなると考えられる。 Finally, FIG. 29 shows the relationship between the effective heat transfer coefficient h based on the base area of Examples 1 to 6 and the comparative example and the pressure loss. Note that the effective heat transfer coefficient h is calculated by h = q / (T w -T in), q is expressed by q = Q / (W'× L ). (A) With a low void ratio, good effective thermal conductivity was obtained for all of Examples 1, 2, 4 to 6 other than Example 3 (Cube-G) with respect to pressure loss, and in particular, Examples. The effective thermal conductivity of 6 (Truss-C) is the highest, and the effective thermal conductivity of Example 2 (Cube-Td), Example 5 (Truss), and Example 6 (Truss-C) is also Comparative Example (Pin). ) Was found to be higher. This is because, as shown in FIGS. 25 and 26, the pressure loss was suppressed in Example 2 (Cube-Td) without lowering the heat transfer performance, and in Example 5 (Truss) and Example 6. Although the pressure loss of (Truss-C) is large, it is considered that the reason is that the high heat transfer characteristic peculiar to the three-dimensional staggered arrangement was obtained. On the other hand, in (b) high void ratio, good effective heat transfer coefficient was obtained in each of Examples 1 to 6 with respect to pressure loss, and in particular, the effective thermal conductivity of Example 6 (Truss-C) was high. It was found that the effective thermal conductivity was the highest in Example 4 (Cube-C) and Example 6 (Truss-C) as well as in Comparative Example (Pin). The reason for Example 4 (Cube-C) is considered to be that the fin efficiency of Example 4 (Cube-C) is high, as shown in FIG. 28. Further, it was found that in Example 3 (Cube-G), the effective heat transfer coefficient with respect to the pressure loss was improved in the case of (a) low porosity and (b) high porosity. In Example 3 (Cube-G), the rod-shaped fins, the first horizontal member, and the second horizontal member become thicker toward the downstream side with respect to the airflow direction (Y direction). When used in the above-mentioned non-open system space, it is considered that the effective heat transfer coefficient is greatly reduced due to the influence of pressure loss, but when used in the open system space, the static pressure in the heat sink is upstream and downstream. That is, since the static pressure is low on the upstream side and high on the downstream side, the flow rate is large on the upstream side, and the vector changes in the direction perpendicular to the flow toward the downstream side. Therefore, it is assumed that the flow rate in the heat sink becomes relatively large and the effective heat transfer coefficient is increased, so that the amount of heat transfer is considered to be large.
このように、本発明によると、圧力損失の大幅な増大を抑えつつ伝熱性能の高いヒートシンクを提供できることが確認された。 As described above, according to the present invention, it has been confirmed that a heat sink having high heat transfer performance can be provided while suppressing a significant increase in pressure loss.
最後に、材料粉末に平均粒径が約25μmのアルミニウム系合金粉末(Al−Si−Mg合金粉末)を用い、材料粉末積層造形装置(EOS社製のEOSINT M280)による積層造形により、幅50mm、長さ50mm、高さ30mmの寸法の図1(Cube)及び図10(Truss)に示す各構造のヒートシンクを製造した。そして、Cube及びTrussの各ヒートシンクの伝熱性能について実験装置(図30に示す)により実験した結果を図31に示す。実験は、室温が20℃で一定の非開放系空間で行った。送風機で吸い込まれた空気はテストセクション内でヒートシンクと熱交換して大気へ放出される。気流の流量を非開放系空間の出口で測定し風速に換算するとともに、確認のため非開放系空間の入口にて風速も測定した。ラバーヒータの制御は、ヒートシンクのベース底面の温度が373K(100℃)になるように投入電力を調整し、その時の電力が伝熱量と等しいとして結果を評価した。 Finally, an aluminum alloy powder (Al-Si-Mg alloy powder) having an average particle size of about 25 μm was used as the material powder, and the width was 50 mm by laminating with a material powder laminating molding device (EOSINT M280 manufactured by EOS). A heat sink having each structure shown in FIGS. 1 (Cube) and 10 (Truss) having dimensions of 50 mm in length and 30 mm in height was manufactured. The results of experiments on the heat transfer performance of each heat sink of Cube and Truss with an experimental device (shown in FIG. 30) are shown in FIG. 31. The experiment was carried out in a non-open system space where the room temperature was constant at 20 ° C. The air sucked by the blower exchanges heat with the heat sink in the test section and is released to the atmosphere. The flow rate of the airflow was measured at the outlet of the non-open system space and converted into the wind speed, and the wind speed was also measured at the entrance of the non-open system space for confirmation. For the control of the rubber heater, the input power was adjusted so that the temperature of the bottom surface of the base of the heat sink was 373 K (100 ° C.), and the result was evaluated assuming that the power at that time was equal to the heat transfer amount.
図31は、Cube及びTrussの各ヒートシンクの伝熱量及び圧力損失について、上述した解析結果と実験結果とを比較するグラフである。図31によると、解析値と実験値とはほぼ一致しており、解析結果が妥当であることが確認された。 FIG. 31 is a graph comparing the above-mentioned analysis results and experimental results with respect to the heat transfer amount and pressure loss of each heat sink of Cube and Truss. According to FIG. 31, the analysis value and the experimental value are almost the same, and it is confirmed that the analysis result is valid.
1 ヒートシンク
2 ベース
3 棒状フィン
4 第1横架材
5 第2横架材
1
Claims (8)
前記ベース上の一方向に整列するとともに前記一方向と直交しかつ外気が流れる方向である他方向に間隔をあけて複数列をなすように配置された複数の棒状フィンと、
前記一方向及び前記他方向の少なくともいずれかの方向に並ぶ複数の前記棒状フィンを連結する複数の横架材であって、上下方向及びこれに直交する方向に複数配置された複数の横架材と、を備え、
複数の前記横架材は、
前記一方向に延びて前記一方向に整列する複数の前記棒状フィンを連結する複数の第1横架材であって、上下方向及び前記他方向に複数配置された複数の第1横架材と、
前記他方向に延びて前記他方向に並ぶ各列の近接する前記棒状フィン同士を順次連結する複数の第2横架材であって、上下方向及び前記一方向に複数配置された複数の第2横架材と、で構成され、
複数の前記第2横架材は、外気が流れる前記他方向に向かって次第に大きくなる断面形状を有するヒートシンク。 With the base
A plurality of rod-shaped fins arranged in one direction on the base and arranged in a plurality of rows at intervals in the other direction which is orthogonal to the one direction and in which the outside air flows.
A plurality of horizontal members for connecting a plurality of the rod-shaped fins arranged in at least one of the one direction and the other direction, and a plurality of horizontal members arranged in the vertical direction and in a direction orthogonal to the rod-shaped fins. and, with a,
The plurality of the horizontal members
A plurality of first horizontal members extending in one direction and connecting a plurality of the rod-shaped fins aligned in the same direction, and a plurality of first horizontal members arranged in the vertical direction and the other direction. ,
A plurality of second horizontal members extending in the other direction and sequentially connecting the adjacent rod-shaped fins in each row arranged in the other direction, and a plurality of second members arranged in the vertical direction and in the one direction. It is composed of horizontal members and
The plurality of second horizontal members are heat sinks having a cross-sectional shape that gradually increases in the other direction through which outside air flows.
複数の前記第2横架材は、前記他方向に整列する複数の前記棒状フィンを連結する請求項1に記載のヒートシンク。 The plurality of rod-shaped fins are arranged in a grid pattern when viewed from above.
The heat sink according to claim 1 , wherein the plurality of second horizontal members are connected to the plurality of rod-shaped fins aligned in the other direction.
複数の前記第2横架材は、前記他方向に並ぶ各列の前記棒状フィンをジグザグ状に連結して複数の前記第1横架材とトラスを形作る請求項1に記載のヒートシンク。 The plurality of rod-shaped fins are arranged in a staggered pattern when viewed from above, and the plurality of first horizontal members are arranged in a staggered pattern when viewed from the one direction.
The heat sink according to claim 1 , wherein the plurality of second horizontal members are formed by connecting the rod-shaped fins in each row arranged in the other direction in a zigzag shape to form a truss with the plurality of first horizontal members.
複数の前記第1横架材及び複数の前記第2横架材は、前記ベース側に向かうに連れて断面形状が大きい請求項1〜5のいずれかに記載のヒートシンク。 The plurality of rod-shaped fins have a cross-sectional shape that gradually increases toward the base side.
The heat sink according to any one of claims 1 to 5 , wherein the plurality of the first horizontal members and the plurality of the second horizontal members have a larger cross-sectional shape toward the base side.
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