真空レオキャスティングによる大幅に性能が向上したヒートシンク

1. 概要

• 論文タイトル: 真空レオキャスティングによる大幅に性能が向上したヒートシンク
• 著者: M. Hartlieb, J.-C. Tawil, S. Bergeron, F. Niklas
• 発行年: 2023年
• 発行誌/学会: NADCA（北米ダイカスト協会）ダイカスト会議＆テーブルトップ

2. 研究背景

電気自動車、通信、電子機器など様々な産業において、ヒートシンクの需要と性能要求が大幅に増加している。ヒートシンクの主要な要求事項は熱伝導率であるが、純アルミニウムは熱伝導率が高いものの、鋳造が難しく強度が低いという限界がある。一般的なダイカスト合金は100～130 W/mKの熱伝導率しか示さず、永久鋳型（PM）合金A356-T6は約150 W/mK、6000シリーズ押出材は160～200 W/mKである。シリコン含有量を低減すると熱伝導率は向上するが、高圧ダイカスト（HPDC）による薄肉で複雑な形状（冷却フィンなど）の鋳造能力が低下する。熱伝導率に加え、熱放散を最大化するには、冷却媒体への熱伝達のための最大限の表面積が必要である。そのため、設計者は、冷却媒体内の乱流を最大化し、ヒートシンク表面からの熱排出を促進するために、可能な限り長く薄いフィンを最大限に配置した構成を望んでいる。ダイカストは、単一の鋳造部品として薄肉で複雑な形状を経済的に製造できるため、このようなヒートシンク設計において、PM鋳造や押出よりも重要な利点をもたらす。

3. 研究目的と研究課題

• 研究目的: 高真空レオキャスティング（Comptechプロセス）を用いて、性能を大幅に向上させたヒートシンクのダイカスト方法を示し、多くの現在のそして将来の用途に適用可能な、改善された経済的で持続可能なソリューションを提供すること。
• 主要な研究課題: 高真空レオキャスティング（Comptechプロセス）を用いて、180 W/mKを超える熱伝導率と80 MPaを超える降伏強度を達成するヒートシンクを製造できるか？
• 研究仮説: 高真空レオキャスティングプロセスと最適化された合金組成および熱処理により、従来のダイカストヒートシンクよりも熱伝導率と機械的特性が向上したヒートシンクを製造できる。

4. 研究方法

• 研究計画: 実験計画法（DOE）を用いて、Rheocool®合金仕様内でSi、Mg、Fe、Mnの含有量と熱処理が機械的特性と熱伝導率に及ぼす影響を調査した。
• データ収集方法: 25～45％の固相分率を用いたComptechレオキャスティング技術を用いて試料を作製した。150～300℃で熱処理を行い、室温、50℃、100℃で熱伝導率を測定した。降伏強度、引張強度、伸びなどの機械的特性も測定した。
• 分析方法: 実験結果を統計的に分析し、最適な合金組成と熱処理条件を導き出した。
• 研究対象と範囲: Rheocool®合金を用いて、様々なSi、Mg、Fe、Mn含有量と熱処理条件における熱伝導率と機械的特性を分析した。

5. 主要な研究結果

• 主要な発見: Si含有量を低減（1.8％）し、適切な量のMg（0.26％）を添加し、T5熱処理を行うことで、100℃で180 W/mKを超える熱伝導率と80 MPaを超える降伏強度を達成した。Sr添加は高温での熱伝導率向上に寄与しなかった。Mn添加は熱伝導率を低下させた。鋳造プロセスにおけるゲートからの距離も熱伝導率に影響を与えた（図2）。
• 統計的/定性的分析結果: 図3と図4は、Si含有量、Mg添加、熱処理が熱伝導率と降伏強度に及ぼす影響を示している。図5は、様々な合金組成の降伏強度を比較している。実験結果は、固相分率、設計、ゲートの位置、熱処理など、様々な要因によって変化する。
• データ解釈: 低シリコン合金（1.8％Si）を用い、Mgを適切に添加し、熱処理を行うことで、100℃で180 W/mKを超える熱伝導率と80 MPaを超える降伏強度を満たすヒートシンクの製造が可能である。より高いSi含有量（最大3.5％）の合金も、最適化された熱処理と組成により、要求される性能を満たすことができる。
• 図表リストと説明: （元のOCRで提供された説明を参照し、具体的な図表とその内容を記述）

6. 結論と考察

本研究は、高真空レオキャスティング（Comptechプロセス）を用いて、熱伝導率と機械的特性が優れたヒートシンクを製造する方法を示した。最適化された合金組成（低Si、適切なMg含有量）と熱処理により、100℃で180 W/mKを超える熱伝導率と80 MPaを超える降伏強度を達成できることを確認した。これらのヒートシンクは、複雑な形状と薄いフィンを含めることができ、100％リサイクルアルミニウムで製造可能である。本研究は、ヒートシンクの設計と製造に関する重要な示唆を与え、特に高性能ヒートシンクが必要な様々な産業分野に適用できる。しかし、ゲートの位置などの鋳造プロセス変数と熱処理条件が熱伝導率と機械的特性に影響を与えるため、最適化された設計と製造プロセスを実現するには、設計者と鋳造専門家間の緊密な協力が必要である。

7. 今後の研究提案

本研究は特定の合金組成と製造プロセスに焦点を当てているため、様々な合金組成と製造プロセス変数に関する追加研究が必要である。また、長期使用環境におけるヒートシンクの耐久性と信頼性に関する研究が必要である。様々な冷却媒体（空気、液体）に対するヒートシンクの性能評価も今後の研究課題である。最後に、様々な用途に最適化されたヒートシンクの設計と製造プロセスに関する追加研究が必要である。

References:

1. I. Belov, M. Payandeh, A. E. W. Jarfors, P. Leisner and M. Wessén, "Effect of fillets on heat transfer in a Rheocast aluminum heatsink," 2016 17th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), Montpellier, France, 2016, pp. 1-6, doi:10.1109/EuroSimE.2016.7463320.
2. A. Lafors, J. Zheng, L. Chen, J. Yang, Recent advances in Commercial Applications of the Rheometal Process in China and Europe M. Hartlieb, P. Jansson, S. Zetterström, High Vacuum Rheocasting for the Production of Large, Ultra-Thin-Walled Telecom Castings with High Thermal Conductivity, NADCA Transactions 2021.
3. M. Payandeh, I. Belov, A.E.W. Jarfors, and M. Wessen, “Effect of Material Inhomogeneity on Thermal Performance of a Rheocast Aluminum Heatsink for Electronics Cooling,” Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 25, Number 5, 2016, ISSN 1059-9495
4. P. Olafsson, R. Sandstrom, Å. Karlsson, Comparison of experimental, calculated and observed values for electrical and thermal conductivity of aluminum alloys, Journal of materials science, 32 (1997) 4383-4390.2.

著作権と参考文献

本要約は、M. Hartliebらの論文「真空レオキャスティングによる大幅に性能が向上したヒートシンク」に基づいて作成されました。
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