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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6864346
(24)【登録日】2021年4月6日
(45)【発行日】2021年4月28日
(54)【発明の名称】ヒートシンク
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20210419BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20210419BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 Z
H05K7/20 B
【請求項の数】8
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2017-40796(P2017-40796)
(22)【出願日】2017年3月3日
(65)【公開番号】特開2018-147997(P2018-147997A)
(43)【公開日】2018年9月20日
【審査請求日】2020年2月17日
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （その１） 発行年月日 ２０１６年９月６日 刊行物名 ２０１６年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集 （ＣＤ−ＲＯＭ） 発行者名 公益社団法人日本冷凍空調学会 （その２） 開催日 ２０１６年９月６日から２０１６年９月９日（公開日は２０１６年９月９日） 集会名 ２０１６年度日本冷凍空調学会年次大会 主催者 公益社団法人日本冷凍空調学会
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、科学技術振興機構、研究成果展開事業 マッチングプランナー プログラム、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】517132810
【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪産業技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000796
【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】四宮 徳章
(72)【発明者】
【氏名】中本 貴之
(72)【発明者】
【氏名】菅原 貴広
(72)【発明者】
【氏名】片桐 一彰
(72)【発明者】
【氏名】山口 真平
【審査官】
川原 光司
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１６／００６９６２２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０００−３３２１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０３−２２２３５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−０２１２１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−０９３３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−２２０３６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−１１６９４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−１８５１７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第０６８０７０５９（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２３／２９
Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６
Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７
Ｈ０１Ｌ ２３／４４
Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３
Ｈ０５Ｋ ７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
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。
【請求項2】
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請求項１に記載のヒートシンク。
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。
【請求項3】
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請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項4】
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請求項１に記載のヒートシンク。
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。
【請求項5】
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請求項１〜４のいずれかに記載のヒートシンク。
【請求項6】
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請求項１〜５のいずれかに記載のヒートシンク。
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。
【請求項7】
複数の前記棒状フィン及び複数の前記第１横架材は、外気が流れる前記他方向に向かうに連れて断面形状が大きい請求項１〜６のいずれかに記載のヒートシンク。
【請求項8】
空隙率が５０％以上である請求項１〜７のいずれかに記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Y. Kondo and H. Koshita, Heat transfer characteristics of porous metal fins, Proc. 2015 JSME Thermal Engineering Conference, F112, (2015.10).
【非特許文献2】K. Ando, Y. Imai, H. Hirai and A. Nakayama, Heat transfer enhancement using a pin fin heat sink filled with metal foams, Transactions of the JSME, Series B, 77(782) (2011), pp. 1958-1967.
【非特許文献3】E.Takegoshi, Y. Hirasawa, J. Matsuo and K. Okui, A study on effective thermal conductivity of porous metals, Transactions of the JSME, Series B, 58(547) (1992), pp.879-884.
【非特許文献4】S. Tzeng and T. Jeng, Convective heat transfer in porous channels with 90-deg turned flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(2006), pp. 1452-1461.
【非特許文献5】Y. Komatsu, M. Sugawara, K. Sato and T. Fujita, Thermal performance experiment for sintered aluminum fibrous heat sink, Transactions of the JSRAE, 26(3) (2009), pp.217-224.
【非特許文献6】K. Okazaki, K. Yamamoto, M. Sakagami, M. Senda and K. Inaoka, Heat transfer and pressure loss characteristics of a channel flow with fibrous aluminum layer, Transactions of the JSME, Series B, 79(800) (2013), pp.649-659.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【発明の効果】
【0019】
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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。
【図4】本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの変形例の斜視図である。
【図6】本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの変形例の斜視図である。
【図8】本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの変形例の斜視図である。
【図10】本発明の第２実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。
【図13】本発明の第２実施形態に係るヒートシンクの変形例の斜視図である。
【図15】本発明の一実施形態に係るヒートシンクの製造方法の工程を説明する工程図である。
【図24】比較例のヒートシンクの一列を拡大して示す斜視図である。
【図25】伝熱性能の数値解析の境界条件を示す説明図である。
【図26】伝熱量の数値解析の結果を示すグラフである。
【図27】圧力損失の数値解析の結果を示すグラフである。
【図28】フィン効率の数値解析の結果を示すグラフである。
【図29】基板面積基準の有効熱伝達率の数値解析の結果を示すグラフである。
【図30】伝熱性能の実験装置を示す説明図である。
【図31】伝熱量及び圧力損失の数値解析と実験との比較結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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）。
【0057】
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。
【0058】
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）。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【実施例1】
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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
【0076】
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。
【0077】
【表1】
【0078】
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。
【0079】
【表2】
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【符号の説明】
【0087】
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