(57)【要約】【課題】面方向の熱伝導性に優れると共に、更に層方向の熱伝導性にも優れる熱拡散体およびそれを用いた発熱体の冷却装置を提供する。【解決手段】熱拡散体において、板厚方向に比べて、長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有する短冊状の熱伝導性板材１１１が、板厚方向に複数積層された積層体として形成された熱拡散体であって、積層体において、熱伝導性板材１１１の長手方向の辺１１１ａによって積層方向に形成される面が、板状に拡がる板面１１０ａとなるように形成されると共に、板面１１０ａに対して直交する方向が、厚さ方向となるように形成されるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚方向に比べて、長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有する短冊状の熱伝導性板材（１１１）が、前記板厚方向に複数積層された積層体として形成された熱拡散体であって、
前記積層体において、前記熱伝導性板材（１１１）の前記長手方向の辺（１１１ａ）によって前記積層方向に形成される面が、板状に拡がる板面（１１０ａ）となるように形成されると共に、
前記板面（１１０ａ）に対して直交する方向が、厚さ方向となるように形成されたことを特徴とする熱拡散体。
【請求項２】
前記積層体を複数備え、
複数の前記積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）は、前記厚さ方向に積層され、複数の前記積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）の間に介在される無機物の層（１１２）によって接合されており、
隣り合う前記積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）において、前記熱伝導性板材（１１１）の前記積層方向が互いに異なるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱拡散体。
【請求項３】
前記互いに異なる前記熱伝導性板材（１１１）の前記積層方向の成す角度が、８５〜９０度の角度を成すことを特徴とする請求項２に記載の熱拡散体。
【請求項４】
前記無機物の層（１１２）は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、および金（Ａｕ）のうち少なくとも１つを含んだ層であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱拡散体。
【請求項５】
前記積層体は、前記板面（１１０ａ）の拡がる方向に複数配置されると共に、複数の前記積層体のそれぞれの前記板面（１１０ａ）の一部が、発熱体（１２０）を接続するための接続用領域に含まれるようになっており、
それぞれの前記積層体において、
それぞれの前記積層体の前記熱伝導性板材（１１１）の前記長手方向は、
前記接続用領域内の任意の一点（Ａ）と、
それぞれの前記積層体の外周部のうち、複数の前記積層体によって形成される全体の外周部に含まれる外周部上の任意の点（Ｂ）とを結ぶ仮想線に対して平行となるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱拡散体。
【請求項６】
複数の前記積層体は、前記板面（１１０ａ）が四角形状を成す４つの積層体（１１０Ｃ〜１１０Ｆ）から成り、
それぞれの前記積層体（１１０Ｃ〜１１０Ｆ）の四角形状の１つの角部が前記接続用領域に含まれるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換板。
【請求項７】
前記積層体の前記厚さ方向の熱伝導率が、６００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の熱拡散体。
【請求項８】
前記熱伝導性板材（１１１）は、グラファイト材料、またはグラファイトと金属との複合材料であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の熱拡散体。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の熱拡散体（１１０）と、
前記熱拡散体（１１０）の一方の前記板面（１１０ａ）に配設された発熱体（１２０）と、
前記熱拡散体（１１０）の他方の前記板面（１１０ａ）に配設された絶縁板（１３０）と、
前記絶縁板（１３０）の前記熱拡散体（１１０）とは反対側の面に配設された冷却器（１４０）とを備えることを特徴とする発熱体の冷却装置。
【請求項１０】
前記発熱体（１２０）は、半導体素子（１２０）であり、
前記熱拡散体（１１０）と、前記絶縁板（１３０）との間に、金属板（１５０）が配設されたことを特徴とする請求項９に記載の発熱体の冷却装置。
【請求項１１】
前記発熱体（１２０）は、半導体素子（１２０）であり、
前記発熱体（１２０）と、熱拡散体（１１０）との間に、金属板（１５０）が配設されたことを特徴とする請求項９に記載の発熱体の冷却装置。
【請求項１２】
請求項３に記載の熱拡散体（１１０）であって、前記積層体を２つ備える熱拡散体（１１０）と、
前記熱拡散体（１１０）の一方の前記板面（１１０ａ）に配設された発熱体（１２０）と、
前記熱拡散体（１１０）の他方の前記板面（１１０ａ）に配設された絶縁板（１３０）と、
前記絶縁板（１３０）の前記熱拡散体（１１０）とは反対側の面に配設された冷却器（１４０）とを備え、
前記熱拡散体（１１０）における２つの前記積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）のうち、一方の積層体（１１０Ａ）の前記厚さ方向の寸法をｔ１、他方の積層体（１１０Ｂ）の前記厚さ方向の寸法をｔ２とし、
前記一方の積層体（１１０Ａ）の前記熱伝導性板材（１１１）の長手方向において、前記発熱体（１２０）の中心位置から前記熱拡散体（１１０）の端までの距離をｒ１、前記他方の積層体（１１０Ｂ）の前記熱伝導性板材（１１１）の長手方向において、前記発熱体（１２０）の中心位置から前記熱拡散体（１１０）の端までの距離をｒ２としたとき、
前記寸法ｔ１、ｔ２、および前記距離ｒ１、ｒ２の間に、
０．５≦（ｔ１／ｔ２）／（ｒ１／ｒ２）≦２
という関係が成立つことを特徴とする発熱体の冷却装置。
【請求項１３】
板厚方向に比べて、平面方向に良好な熱伝導性を有する板状の熱伝導性板材（１１１）を、前記板厚方向に複数積層することで、積層体を形成し、
前記積層体を、前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）に沿って前記積層方向に板状に切断して板状体を形成し、
前記板状体において、前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）によって前記積層方向に形成される面を、板状に拡がる板面（１１０ａ）とし、
前記板面（１１０ａ）に対して直交する方向を、厚さ方向とすることを特徴とする熱拡散体の製造方法。
【請求項１４】
板厚方向に比べて、平面方向に良好な熱伝導性を有する板状の熱伝導性板材（１１１）を、前記板厚方向に複数積層することで、積層体を形成し、
前記積層体を、前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）に沿って前記積層方向に板状に切断して、１次板状体を形成し、
前記１次板状体において、前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）によって前記積層方向に形成される面を、板状に拡がる板面（１１０ａ）とし、
前記板面（１１０ａ）に対して直交する方向を、厚さ方向とし、
前記１次板状体の４隅を切り落とすことで四角形状に形成して、前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）の方向が、前記切り落としによって形成される四角形状の各辺に対して斜めになるようにした２次板状体を形成し、
前記２次板状体を、複数準備して、
複数の前記２次板状体を、前記板面（１１０ｂ）の拡がる方向に配置すると共に、それぞれの前記板面（１１０ａ）の一部が、発熱体（１２０）を接続するための接続用領域に含まれるようにし、
それぞれの前記２次板状体において、
それぞれの前記２次板状体の前記熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）の方向が、
前記接続用領域内の任意の一点（Ａ）と、
それぞれの前記２次板状体の外周部のうち、複数の前記２次板状体によって形成される全体の外周部に含まれる外周部上の任意の点（Ｂ）とを結ぶ仮想線に対して平行となるように配置することを特徴とする熱拡散体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の発熱体の熱を効果的に伝導させる熱拡散体、およびそれを用いた発熱体の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体を冷却するための熱拡散体（高熱伝導性部材）として、例えば特許文献１に示されるように、銅やアルミニウム等の金属材料に代えて、グラファイト構造体が用いられたものが知られている。グラファイト構造体単独のａ−ｂ軸方向と同一となる面方向の熱伝導率は、１０００Ｗ／ｍＫを超え、銅の熱伝導率（３５０〜４００Ｗ／ｍＫ）の２倍以上、アルミニウムの熱伝導率（２００〜２５０Ｗ／ｍＫ）の４倍以上の熱伝導性を有している。しかしながら、グラファイト構造体単独の層方向（厚さ方向）の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以下であり、これを改善するために特許文献１では、板面に対して平行な面（面方向）にａ−ｂ軸が配向したグラファイト構造体の内部に、カーボン構造体が配置されたものが提案されている。
【０００３】
これにより、母材となるグラファイト構造体が有する面方向の高熱伝導性を維持しつつ、グラファイト構造体内部に適宜配置されたカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体によって、層方向にもこのカーボン構造体を介した効率的な熱の伝播を可能としている。その結果、グラファイト構造体単独の場合と比較して、層方向熱伝導率を向上させることが可能となると共に、部材の引張り強度や厚さも増すことにも貢献できる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７２１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１中の記載（段落番号００７７、００８３、００８６、００９３）によれば、層方向熱伝導率を向上させたといっても、層方向熱伝導率は、２０〜１００Ｗ／ｍＫ程度となっており、グラファイト構造体単独の層方向熱伝導率（１０Ｗ／ｍＫ）の数倍〜１０倍程度であり、銅やアルミニウム等の金属材料と比べると、未だに低いレベルにある。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、面方向の熱伝導性に優れると共に、更に層方向の熱伝導性にも優れる熱拡散体およびそれを用いた発熱体の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、板厚方向に比べて、長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有する短冊状の熱伝導性板材（１１１）が、板厚方向に複数積層された積層体として形成された熱拡散体であって、
積層体において、熱伝導性板材（１１１）の長手方向の辺（１１１ａ）によって積層方向に形成される面が、板状に拡がる板面（１１０ａ）となるように形成されると共に、
板面（１１０ａ）に対して直交する方向が、厚さ方向となるように形成されたことを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、熱拡散体（１１０）を構成する熱伝導性板材（１１１）は、その板厚方向に比べて長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有しており、熱拡散体（１１０）は、この熱伝導性板材（１１１）が板厚方向に積層されることで形成されている。よって、熱伝導性板材（１１１）の長手方向の辺（１１１ａ）によって積層方向に形成される板面（１１０ａ）においては、熱伝導性板材（１１１）の長手方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。また、熱拡散体（１１０）の板面（１１０ａ）に直交する厚さ方向は、熱伝導性板材（１１１）の幅方向と一致することになり、熱拡散体（１１０）の厚さ方向にも良好な熱伝導性を持たせることができる。よって、熱拡散体（１１０）の板面（１１０ａ）即ち面方向と、厚さ方向即ち層方向との両方向において熱伝導性に優れる熱拡散体（１１０）とすることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、前記積層体を複数備え、
複数の積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）は、厚さ方向に積層され、複数の積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）の間に介在される無機物の層（１１２）によって接合されており、
隣り合う積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）において、熱伝導性板材（１１１）の積層方向が互いに異なるように配置されたことを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、複数の積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）のうち、隣り合う一方の積層体（１１０Ａ）の板面（１１０ａ）における熱伝導性に優れる方向と、隣り合う他方の積層体（１１０Ｂ）の板面（１１０ａ）における熱伝導性に優れる方向とが異なるものとすることができる。よって、厚さ方向に積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）が複数積層された熱拡散体（１００Ｂ）の全体で見たときに、板面（１１０ａ）において、一方向だけではなく、異なる方向にも良好な熱伝導性を持たせることができる。つまり、板面（１１０ａ）の２方向において良好な熱伝導性を有すると共に、厚さ方向にも良好な熱伝導性を有する熱拡散体（１１０）とすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、互いに異なる熱伝導性板材（１１１）の積層方向の成す角度が、８５〜９０度の角度を成すことを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、隣り合う一方の積層体（１１０Ａ）の板面（１１０ａ）における熱伝導性に優れる方向と、隣り合う他方の積層体（１１０Ｂ）の板面（１１０ａ）における熱伝導性に優れる方向との成す角度を８５〜９０度の角度とすることができるので、厚さ方向に積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）が複数積層された熱拡散体（１１０）の全体で見たときに、厚さ方向に良好な熱伝導性を持たせることに加えて、板面（１１０ａ）において、ほぼ直交する２方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。つまり、熱拡散体（１１０）の３軸方向に良好な熱伝導性を有する熱拡散体（１１０）とすることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、無機物の層（１１２）は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、および金（Ａｕ）のうち少なくとも１つを含んだ層であることを特徴としている。
【００１５】
この発明によれば、複数の積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）を積層し、無機物の層（１１２）によって接合することで熱拡散体（１１０）を形成する場合に、熱伝導性および電気伝導性に優れ、且つ接合性に優れる接合層とすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、積層体は、板面（１１０ａ）の拡がる方向に複数配置されると共に、複数の積層体のそれぞれの板面（１１０ａ）の一部が、発熱体（１２０）を接続するための接続用領域に含まれるようになっており、
それぞれの積層体において、
それぞれの積層体の熱伝導性板材（１１１）の長手方向は、
接続用領域内の任意の一点（Ａ）と、
それぞれの積層体の外周部のうち、複数の積層体によって形成される全体の外周部に含まれる外周部上の任意の点（Ｂ）とを結ぶ仮想線に対して平行となるように配置されたことを特徴としている。
【００１７】
この発明によれば、それぞれの積層体においては、接続用領域内の任意の一点（Ａ）から外周部上の任意の点（Ｂ）に向かう仮想線に平行となるように熱伝導性板材（１１１）の長手方向を設定しているので、板面（１１０ａ）上にて仮想線に平行となる方向、および厚さ方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。更に、複数の積層体によって形成される熱拡散体（１１０）においては、接続用領域内の任意の一点（Ａ）から熱拡散体（１１０）の外周部に向けて拡がる方向、および厚さ方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。つまり、発熱体（１２０）を熱拡散体（１１０）に接続した際に、発熱体（１２０）の熱を接続用領域から熱拡散体（１１０）の外周部に向けて拡がるように、且つ厚さ方向に良好に伝導させることのできる熱拡散体（１１０）とすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、複数の積層体は、板面（１１０ａ）が四角形状を成す４つの積層体（１１０Ｃ〜１１０Ｆ）から成り、
それぞれの積層体（１１０Ｃ〜１１０Ｆ）の四角形状の１つの角部が接続用領域に含まれるようになっていることを特徴としている。
【００１９】
この発明によれば、材料を無駄にすることなく、実現性の高い熱拡散体（１１０）を容易に形成することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明では、積層体の厚さ方向の熱伝導率が、６００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴としている。
【００２１】
この発明によれば、良好な熱伝導を必要とする広い分野での利用を可能とする熱拡散体（１１０）とすることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明では、熱伝導性板材（１１１）は、グラファイト材料、またはグラファイトと金属との複合材料であることを特徴としている。
【００２３】
この発明によれば、グラファイト材料、またはグラファイトと金属との複合材料は、通常使用される銅材やアルミニウム材よりも良好な熱伝導性を有することから、本願発明に用いることで熱伝導性に優れる熱拡散体（１１０）を実現することができる。
【００２４】
請求項９に記載の発明では、冷却装置において、請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の熱拡散体（１１０）と、
熱拡散体（１１０）の一方の板面（１１０ａ）に配設された発熱体（１２０）と、
熱拡散体（１１０）の他方の板面（１１０ａ）に配設された絶縁板（１３０）と、
絶縁板（１３０）の熱拡散体（１１０）とは反対側の面に配設された冷却器（１４０）とを備えることを特徴としている。
【００２５】
この発明によれば、板面（１１０ａ）および厚さ方向に良好な熱伝導率を有する熱拡散体（１００）を用いた、発熱体（１２０）の効果的な冷却が可能となる。
【００２６】
請求項１０に記載の発明では、発熱体（１２０）は、半導体素子（１２０）であり、
熱拡散体（１１０）と、絶縁板（１３０）との間に、金属板（１５０）が配設されたことを特徴としている。
【００２７】
この発明によれば、絶縁板（１３０）によって冷却器（１４０）側への漏電を阻止して、金属板（１５０）を半導体素子（１２０）の電力取出し部として活用することができる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では、発熱体（１２０）は、半導体素子（１２０）であり、
発熱体（１２０）と、熱拡散体（１１０）との間に、金属板（１５０）が配設されたことを特徴としている。
【００２９】
この発明によれば、半導体素子（１２０）と金属板（１５０）とを直接的に接触させることができるので、半導体素子（１２０）が大電流を使用するような場合では、請求項１０に記載の発明に比べて、熱拡散体（１１０）による電気抵抗を受けないようにして、金属板（１５０）を半導体素子（１２０）の電力取出し部として活用することができる。
【００３０】
請求項１２に記載の発明では、冷却装置において、請求項３に記載の熱拡散体（１１０）であって、積層体を２つ備える熱拡散体（１１０）と、
熱拡散体（１１０）の一方の板面（１１０ａ）に配設された発熱体（１２０）と、
熱拡散体（１１０）の他方の板面（１１０ａ）に配設された絶縁板（１３０）と、
絶縁板（１３０）の熱拡散体（１１０）とは反対側の面に配設された冷却器（１４０）とを備え、
熱拡散体（１１０）における２つの積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）のうち、一方の積層体（１１０Ａ）の厚さ方向の寸法をｔ１、他方の積層体（１１０Ｂ）の厚さ方向の寸法をｔ２とし、
一方の積層体（１１０Ａ）の熱伝導性板材（１１１）の長手方向において、発熱体（１２０）の中心位置から熱拡散体（１１０）の端までの距離をｒ１、他方の積層体（１１０Ｂ）の熱伝導性板材（１１１）の長手方向において、発熱体（１２０）の中心位置から熱拡散体（１１０）の端までの距離をｒ２としたとき、
寸法ｔ１、ｔ２、および距離ｒ１、ｒ２の間に、
０．５≦（ｔ１／ｔ２）／（ｒ１／ｒ２）≦２
という関係が成立つことを特徴としている。
【００３１】
この発明によれば、一方の積層体（１１０Ａ）において、距離ｒ１が大きいほど、発熱体（１２０）の熱を距離ｒ１側に伝導させるのが好ましいと言える。同様に、他方の積層体（１１０Ｂ）においても、距離ｒ２が大きいほど、発熱体（１２０）の熱を距離ｒ２側に伝導させるのが好ましいと言える。そして、各積層体（１１０Ａ、１１０Ｂ）の厚さ方向の寸法は、伝導される熱の大小に応じて、厚くすべき、あるいは薄くすべきものとなる。つまり、距離ｒ１（ｒ２）が大きければ、寸法ｔ１（ｔ２）を大きくすることができ、逆に距離ｒ１（ｒ２）が小さければ、寸法ｔ１（ｔ２）を小さくする必要がある。よって、熱拡散体（１１０）において良好な熱伝導を考えると、理論上は、（ｒ１／ｒ２）と、（ｔ１／ｔ２）とを同じ値にするのが好ましく、（ｔ１／ｔ２）／（ｒ１／ｒ２）＝１とするのが良い、ということになる。この理論値１に対して、実際的には、０．５〜２．０の範囲で熱伝導させることで、熱拡散体（１１０）における良好な熱伝導が得られ、良好な発熱体（１２０）の冷却が可能となる。
【００３２】
請求項１３に記載の発明では、熱拡散体の製造方法において、板厚方向に比べて、平面方向に良好な熱伝導性を有する板状の熱伝導性板材（１１１）を、板厚方向に複数積層することで、積層体を形成し、
積層体を、熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）に沿って積層方向に板状に切断して板状体を形成し、
板状体において、熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）によって積層方向に形成される面を、板状に拡がる板面（１１０ａ）とし、
板面（１１０ａ）に対して直交する方向を、厚さ方向とすることを特徴としている。
【００３３】
この発明によれば、請求項１に記載の熱拡散体（１１０）を製造する方法として提供することができる。
【００３４】
請求項１４に記載の発明では、熱拡散体の製造方法において、板厚方向に比べて、平面方向に良好な熱伝導性を有する板状の熱伝導性板材（１１１）を、板厚方向に複数積層することで、積層体を形成し、
積層体を、熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）に沿って積層方向に板状に切断して、１次板状体を形成し、
１次板状体において、熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）によって積層方向に形成される面を、板状に拡がる板面（１１０ａ）とし、
板面（１１０ａ）に対して直交する方向を、厚さ方向とし、
１次板状体の４隅を切り落とすことで四角形状に形成して、熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）の方向が、切り落としによって形成される四角形状の各辺に対して斜めになるようにした２次板状体を形成し、
２次板状体を、複数準備して、
複数の２次板状体を、板面（１１０ｂ）の拡がる方向に配置すると共に、それぞれの板面（１１０ａ）の一部が、発熱体（１２０）を接続するための接続用領域に含まれるようにし、
それぞれの２次板状体において、
それぞれの２次板状体の熱伝導性板材（１１１）の一辺（１１１ｂ）の方向が、
接続用領域内の任意の一点（Ａ）と、
それぞれの２次板状体の外周部のうち、複数の２次板状体によって形成される全体の外周部に含まれる外周部上の任意の点（Ｂ）とを結ぶ仮想線に対して平行となるように配置することを特徴としている。
【００３５】
この発明によれば、請求項５に記載の熱拡散体（１１０）を製造する方法として提供することができる。
【００３６】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図２】図１における熱拡散体を示す斜視図である。
【図３】第２実施形態における熱拡散体の製造方法を示す斜視図である。
【図４】第３実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図５】図４における熱拡散体の製造方法を示す斜視図である。
【図６】図４における熱拡散体の厚さ方向熱伝導率を示すグラフである。
【図７】第４実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図８】第５実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図９】第６実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図１０】第７実施形態における発熱体の冷却装置を示す分解斜視図である。
【図１１】図１０における熱拡散体を示す斜視図である。
【図１２】図１０における熱拡散体の製造方法を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００３９】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態における発熱体の冷却装置１００Ａについて、図１、図２を用いて説明する。図１は、発熱体の冷却装置１００Ａを示す分解斜視図、図２は図１における熱拡散体１１０を示す斜視図である。
【００４０】
図１に示すように、発熱体の冷却装置（以下、冷却装置）１００Ａは、熱拡散体１１０、発熱体１２０、絶縁板１３０、および冷却器１４０を備えており、発熱体１２０の熱を熱拡散体１１０によって冷却器１４０に伝導させて、発熱体１２０を冷却するようになっている。
【００４１】
図２に示すように、熱拡散体１１０は、発熱体１２０の熱を冷却器１４０側に効率よく伝導させる板であり、複数の熱伝導性板材１１１から形成されている。熱伝導性板材１１１は、短冊状を成す極薄の板部材であり、板厚方向に比べて長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有している。熱伝導性板材１１１は、例えば、グラファイト材料、またはグラファイトと金属との複合材料が用いられて形成されている。複合材料の場合における金属としては、例えば銅やアルミニウムが使用される。特に、グラファイト材料においては、上記のように、熱伝導性板材１１１の板厚方向および幅方向、つまり、板面の２方向において熱伝導性に優れる高配向性グラファイト材料が用いられている。
【００４２】
熱伝導性板材１１１は、その板厚方向に複数積層されることで、板状の積層体を形成しており、第１実施形態では、この積層体が熱拡散体１１０となっている。即ち、この積層体では、熱伝導性板材１１１の長手方向における長辺１１１ａによって積層方向に板状に拡がる板面１１０ａが形成されており、更に、板面１１０ａに直交する方向が、板状となる積層体の厚さ方向となっている。熱拡散体１１０は、熱伝導性板材１１１の幅方向寸法よりも積層方向寸法が大きくとられて、板状になっている。板面１１０ａは、換言すると、長辺１１１ａと積層方向に形成される辺とによって囲まれる面となっている。熱拡散体１１０の厚さ方向における寸法は、熱伝導性板材１１１の幅方向の寸法に等しい。よって、熱拡散体１１０においては、板面１１０ａにおける長辺１１１ａ方向と、厚さ方向との２方向において熱伝導性に優れるものとなっている。
【００４３】
尚、熱拡散体１１０は、複数の熱伝導性板材１１１を積層した後に焼付けすることによって、あるいは、ガス状とした材料（高配向性グラファイト材料、または高配向性グラファイトと金属との複合材料）を平面の上に順次吹き付けていくことで、積層体として形成される。
【００４４】
発熱体１２０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＦＷＤ（フライホイールダイオード）等の作動時に発熱を伴う半導体素子であり、熱拡散体１１０の一方の板面１１０ａに当接するように複数（ここでは２つ）設けられている。
【００４５】
絶縁板１３０は、例えばセラミック材から形成された発熱体１２０に対する絶縁用の板部材であり、熱拡散体１１０の他方の板面１１０ａ（発熱体１２０が設けられた板面１１０ａとは反対側の面）に当接するように設けられている。
【００４６】
冷却器１４０は、発熱体１２０の熱を、内部の通路１４２を流通する冷却媒体に移動させて、発熱体１２０を冷却する熱交換器であり、絶縁板１３０の熱拡散体１１０とは反対側の面に当接するように設けられている。冷却器１４０は、板状を成す本体部１４１の内部に多数の通路１４２が設けられて形成されている。通路１４２には冷却媒体（例えば冷却用空気や、冷却水等）が流通されるようになっている。
【００４７】
以上のように構成される冷却装置１００Ａにおいては、発熱体１２０の熱が、熱拡散体１１０の板面１１０ａ（長辺１１１ａの方向）に沿って外周側に拡がるように、且つ厚さ方向に向けて伝導される。そして、この熱は、更に絶縁板１３０の板厚方向に伝導されて、冷却器１４０の本体部１４１に至る。冷却器１４０においては、上記のように伝導された発熱体１２０の熱が、内部の通路１４２を流通する冷却媒体に移動され、発熱体１２０は冷却される。
【００４８】
本実施形態においては、熱拡散体１１０を構成する熱伝導性板材１１１は、その板厚方向に比べて長手方向および幅方向に良好な熱伝導性を有しており、熱拡散体１１０は、この熱伝導性板材１１１が板厚方向に積層されることで形成されている。よって、熱伝導性板材１１１の長手方向の辺１１１ａによって積層方向に形成される板面１１０ａにおいては、熱伝導性板材１１１の長手方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。また、熱拡散体１１０の板面１１０ａに直交する厚さ方向は、熱伝導性板材１１１の幅方向と一致することになり、熱拡散体１１０の厚さ方向にも良好な熱伝導性を持たせることができる。したがって、熱拡散体１１０の板面１１０ａ即ち面方向と、厚さ方向即ち層方向との両方向において熱伝導性に優れる熱拡散体１１０とすることができ、発熱体１２０の熱を冷却器１４０に向けて効率良く伝導させることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
第２実施形態の熱拡散体１１０（熱拡散体１１０の製造工程）を図３に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態（図１、図２）に対して、熱拡散体１１０の製造方法を変更したものである。
【００５０】
以下、その製造方法を順に説明する。まず、板厚方向に比べて平面方向に良好な熱伝導性を有する板状の熱伝導性板材１１１を準備し（図３（ａ））、この熱伝導性板材１１１を板厚方向に複数積層して積層体を形成する（図３（ｂ））。
【００５１】
次に、上記で形成された積層体を、熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂに沿って、且つ積層方向に切断して、板状体を形成する（図３（ｃ））。そして、この板状体において、熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂによって積層方向に形成される面を板面１１０ａとし、更に、この板面１１０ａに直交する方向を厚さ方向とする熱拡散体１１０とする（図３（ｄ））。
【００５２】
これにより、上記第１実施形態で説明した熱拡散体１１０と同等の熱拡散体１１０を容易に形成することができる。
【００５３】
（第３実施形態）
第３実施形態の冷却装置１００Ｂを図４〜図６に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態（図１、図２）に対して、熱拡散体１１０を複数の熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂから形成したものとしている。
【００５４】
図４、図５に示すように、熱拡散体１１０は、２つの熱拡散体（積層体）を用いた実施例であり、第１熱拡散体１１０Ａと第２熱拡散体１１０Ｂとを備えている。各熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂは、上記第１実施形態で説明したものと同一であるが、使用形態において、熱伝導性板材１１１の積層方向が互いに異なる。
【００５５】
つまり、第１熱拡散体１１０Ａにおいては、熱伝導性板材１１１の積層方向が、図５中の奥行き方向となっている。よって、第１熱拡散体１１０Ａにおいては、図５中の板面１１０ａにおける左右方向（熱伝導性板材１１１の長手方向）と、厚さ方向に熱伝導性が優れるものとなっている。
【００５６】
一方、第２熱拡散体１１０Ｂにおいては、熱伝導性板材１１１の積層方向が、図５中の左右方向となっている。よって、第２熱拡散体１１０Ｂにおいては、図５中の板面１１０ａにおける奥行き方向（熱伝導性板材１１１の長手方向）と、厚さ方向に熱伝導性が優れるものとなっている。
【００５７】
そして、第１熱拡散体１１０Ａと第２熱拡散体１１０Ｂは、厚さ方向に積層されて、各熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂの間に介在される無機物の接合層１１２によって接合されている。接合層１１２は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、および金（Ａｕ）のうち少なくとも１つを含んだ層として形成することができる。ここでは、接合層１１２として、錫（Ｓｎ）を含む、はんだを用いている。はんだの熱伝導率は、６０Ｗ／ｍＫである。
【００５８】
上記のように形成される熱拡散体１１０は、第１熱拡散体１１０Ａおよび第２熱拡散体１１０Ｂにおいて、熱伝導性板材１１１の積層方向が異なっていることから、積層方向が交差する形となっている。具体的には、両者の積層方向の成す角度がほぼ９０度となっている。積層方向の成す角度は、板面１１０ａにおいて２軸方向に良好な熱伝導性を持たせるために、８５〜９０度とするのが好ましい。
【００５９】
本実施形態の熱拡散体１１０においては、第１熱拡散体１１０Ａの板面１１０ａにおける熱伝導性に優れる方向と、第２熱拡散体１１０Ｂの板面１１０ａにおける熱伝導性に優れる方向との成す角度を８５〜９０度の角度とすることができるので、厚さ方向に各熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂが複数積層された熱拡散体１１０の全体で見たときに、厚さ方向に加えて、板面１１０ａにおいて、ほぼ直交する２方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。よって、３軸方向に熱伝導性に優れる熱拡散体１１０とすることができ、効率的に発熱体１２０を冷却することができる。
【００６０】
図６は、接合層１１２の熱伝導率に対する、複数の熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂによって形成された熱拡散体１１０の厚み方向の熱伝導率を示すグラフである。本実施形態の１つのモデルとして、各熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂの長さを３２ｍｍ、幅を１８ｍｍ、厚さを１ｍｍとし、また接合層１１２の厚さを０．１ｍｍとして、熱拡散体１１０の厚さ方向の熱伝導率を調べた。接合層１１２（はんだ）の熱伝導率６０Ｗ／ｍＫにおいて、熱拡散体１１０の厚さ方向の熱伝導率６００Ｗ／ｍＫを得ることができた。この値は、銅やアルミニウムの熱伝導率よりもはるかに大きい。
【００６１】
尚、上記実施形態では、熱拡散体１１０を２つの熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂから形成されるものとしたが、３つ以上の熱拡散体を積層して熱拡散体１１０としても良い。この場合は、３つ以上の熱拡散体のうち、隣り合う熱拡散体において、熱伝導性に優れる方向を異なる方向（更に望ましくは熱伝導性に優れる方向の成す角度を８５〜９０度）とすると良い。
【００６２】
（第４実施形態）
第４実施形態の冷却装置１００Ｃを図７に示す。第４実施形態は、上記第３実施形態（図４）に対して、金属板１５０を追加したものである。
【００６３】
金属板１５０は、導電性に優れる例えば銅やアルミニウムの板材であり、熱拡散体１１０と絶縁板１３０との間に介在されている。
【００６４】
本実施形態では、絶縁板１３０によって冷却器１４０側への漏電を阻止して、金属板１５０を発熱体（半導体素子）１２０の電力取出し部として活用することができる。
【００６５】
（第５実施形態）
第５実施形態の冷却装置１００Ｄを図８に示す。第５実施形態は、上記第４実施形態（図７）に対して、金属板１５０の位置を変更したものである。
【００６６】
第４実施形態（図７）では、金属板１５０は熱拡散体１１０と絶縁板１３０との間に介在されるものとしたが、本実施形態（図８）では、金属板１５０は、発熱体１２０と熱拡散体１１０との間に介在されている。
【００６７】
本実施形態では、発熱体（半導体素子）１２０と金属板１５０とを直接的に接触させることができるので、発熱体１２０が大電流を使用するような場合では、上記第４実施形態（図７）に比べて、熱拡散体１１０による電気抵抗を受けないようにして、金属板１５０を発熱体１２０の電力取出し部として活用することができる。
【００６８】
（第６実施形態）
第６実施形態の冷却装置１００Ｅを図９に示す。第６実施形態は、上記第３実施形態（図４）に対して、熱拡散体１１０における発熱体１２０の位置に対する、好適な熱拡散体１１０の厚さ方向の寸法を規定したものである。
【００６９】
熱拡散体１１０を構成する第１熱拡散体１１０Ａ（２つのうちの一方の積層体）において、熱伝導性板材１１１の長手方向は、図９中の左右方向となっている。つまり、第１熱拡散体１１０Ａの板面１１０ａにおける高熱伝導方向は、厚さ方向に加えて図９中の左右方向となっている。また、熱拡散体１１０を構成する第２熱拡散体１１０Ｂ（２つのうちの他方の積層体）において、熱伝導性板材１１１の長手方向は、図９中の奥行き方向となっている。つまり、第２熱拡散体１１０Ｂの板面１１０ａにおける高熱伝導方向は、厚さ方向に加えて図９中の奥行き方向となっている。そして、第１熱拡散体１１０Ａの厚さ方向寸法はｔ１、第２熱拡散体１１０Ｂの厚さ方向寸法はｔ２となっている。
【００７０】
発熱体１２０は、熱拡散体１１０（第１熱拡散体１１０Ａ）の板面１１０ａに１つ設けられている。発熱体１２０の図９中の上方（板面１１０ａに対して直交する方向）から見た場合の中心位置をａとしている。第１熱拡散体１１０Ａの板面１１０ａにて、高熱伝導方向（左右方向）において、中心位置ａから第１熱拡散体１１０Ａの端部までの距離のうち、長い方をｒ１としている。また、第１熱拡散体１１０Ａの板面１１０ａにて、第２熱拡散体１１０Ｂの高熱伝導方向（奥行き方向）において、中心位置ａから第１熱拡散体１１０Ａの端部までの距離のうち、長い方をｒ２としている。
【００７１】
そして、本実施形態では、上記の厚さ方向寸法ｔ１、ｔ２、および距離ｒ１、ｒ２の間には、
（数１）
０．５≦（ｔ１／ｔ２）／（ｒ１／ｒ２）≦２
の関係が成立つようにしている。
【００７２】
本実施形態においては、第１熱拡散体１１０Ａにおいて、距離ｒ１が大きいほど、発熱体１２０の熱を距離ｒ１側に伝導させるのが好ましいと言える。同様に、第２熱拡散体１１０Ｂにおいても、距離ｒ２が大きいほど、発熱体１２０の熱を距離ｒ２側に伝導させるのが好ましいと言える。そして、各熱拡散体１１０Ａ、１１０Ｂの厚さ方向の寸法は、伝導される熱の大小に応じて、厚くすべき、あるいは薄くすべきものとなる。つまり、距離ｒ１（ｒ２）が大きければ、寸法ｔ１（ｔ２）を大きくすることができ、逆に距離ｒ１（ｒ２）が小さければ、寸法ｔ１（ｔ２）を小さくする必要がある。よって、熱拡散体１１０において良好な熱伝導を考えると、理論上は、（ｒ１／ｒ２）と、（ｔ１／ｔ２）とを同じ値にするのが好ましく、（ｔ１／ｔ２）／（ｒ１／ｒ２）＝１とするのが良い、ということになる。この理論値１に対して、実際的には、０．５〜２．０の範囲で熱伝導させることで、熱拡散体１１０における良好な熱伝導が得られ、良好な発熱体１２０の冷却が可能となる。
【００７３】
尚、本実施形態においては、金属板１５０は、上記第４実施形態（図７）、あるいは第５実施形態（図８）と同様に配置することができる。
【００７４】
（第７実施形態）
第７実施形態の冷却装置１００Ｆを図１０〜図１２に示す。第７実施形態は、上記第１、第２実施形態（図１〜図３）に対して、熱拡散体１１０を複数の熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆから形成し、更に熱拡散体１１０と絶縁板１３０との間に上記第４実施形態（図７）で説明した金属板１５０を介在させたものとしている。また、発熱体１２０は、熱拡散体１１０の板面１１０ａに１つ設けられるものとしている。
【００７５】
図１０に示すように、熱拡散体１１０は、本実施形態では、４つの熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆから形成されている。各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆは、複数の熱伝導性板材１１１が積層された積層体であり、四角形に板面１１０ａが拡がる板状を成している。各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆは、各板面１１０ａが同一面上となって拡がるように、且つ、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆの１つの角部が同一位置となって隣り合う各辺が互いに当接するように配置されている。
【００７６】
そして、上記同一の位置の周囲は、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆの一部（各角部）が含まれる形となり、発熱体１２０を接続するための接続用領域となっている。この接続用領域に発熱体１２０が接続されており、発熱体１２０は各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆの一部（各角部）と接続されている。
【００７７】
図１１に示すように（熱拡散体１１０Ｃを代表にして説明）、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆは、上記第１、第２実施形態（図１〜図３）の熱拡散体１１０に対して、熱伝導性板材１１１の長手方向、あるいは一辺１１１ｂの方向が異なっている。以下、「熱伝導性板材１１１の長手方向、あるいは一辺１１１ｂの方向」については、後述する図１２に準じて「熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向」と表現する。
【００７８】
各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆにおける熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向は、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆにおける四角形状の外周部となる各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の４辺に対して、斜めになるように配置されている。更に具体的には、本実施形態では、熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向は、発熱体１２０が接続される接続用領域内の任意の一点（Ａ）と、それぞれの熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆの各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のうち、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆによって形成される熱拡散体１１０全体の外周部に含まれる辺、つまり、辺Ｌ１、Ｌ２上の任意の点（Ｂ）とを結ぶ仮想線に対して平行となるようにしている。
【００７９】
本実施形態では、接続用領域内の任意の一点（以下、Ａ点）を、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆの角部が当接する位置としており、また、辺Ｌ１、Ｌ２上の任意の点（以下、Ｂ点）を、Ｌ１とＬ２との交点（角部）としており、仮想線は、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆにおいて、Ａ点から延びる１つの対角線と等しくなるようにしている。よって、熱拡散体１１０における熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向は、Ａ点から外方に向けて拡がるように配置されている（図１０）。上記構成によって、熱拡散体１１０における各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆのうち、互いに対角の位置となる熱拡散体１１０Ｃと熱拡散体１１０Ｅは、実質同一のものとなっており、また、熱拡散体１１０Ｄと熱拡散体１１０Ｆは、実質同一のものとなっている。
【００８０】
上記の各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆは、例えば、図１２に示すように、製造することができる。即ち、第２実施形態（図３）で説明したように、熱伝導性板材１１１を準備し（図１２（ａ））、この熱伝導性板材１１１を板厚方向に複数積層して積層体を形成し（図１２（ｂ））、熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂに沿って、且つ積層方向に切断して、積層体から１次板状体を形成する（図１２（ｃ））。更に、この１次板状体の４つの角部を切り落とし、１次板状体に内接する新たな四角形状の２次板状体とする（図１２（ｃ）、（ｄ））ことで、２次板状体の各辺に対して熱伝導部材１１１の一辺１１１ｂが斜めとなる熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆを製造することができる。
【００８１】
あるいは、短冊状の熱伝導性板材１１１において、長手方向の寸法が順次大きくなるように板厚方向に順次積層し、途中から長手方向の寸法が順次小さくなるように更に積層し、熱伝導性板材１１１の長手方向の辺によって積層方向に形成される板面１１０ａが四角形状となるようにすることでも本実施形態の熱拡散体１１０を製造することが可能である。
【００８２】
本実施形態では、それぞれの熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆにおいては、Ａ点からＢ点に向かう仮想線に平行となるように熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向を設定しているので、板面１１０ａ上にてＡ点〜Ｂ点間の仮想線に平行となる方向、および厚さ方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。更に、熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆによって形成される熱拡散体１１０においては、Ａ点から熱拡散体１１０の外周部に向けて拡がる方向、および厚さ方向に良好な熱伝導性を持たせることができる。
【００８３】
よって、発熱体１２０の熱は、熱拡散体１１０において、発熱体１２０（Ａ点）を中心として熱拡散体１１０の外周部に向けて拡がるように伝導すると共に、熱拡散体１１０の厚さ方向にも良好に伝導することができるので、良好な発熱体１２０の冷却が可能となる。
【００８４】
本実施形態では、熱拡散体１１０の形成にあたり、４つの熱拡散体１１０Ｃ〜１１０Ｆを用いたが、これに限らず、３つの場合、５つ以上の場合等さまざまな組合せでの対応が可能である。
【００８５】
また、各熱拡散体１１０Ｃ〜１１０ＦにおけるＡ点〜Ｂ点間の仮想線は、対角線にすることに限定される訳ではなく、Ａ点を発熱体１２０の接続用の領域内の任意の点とし、Ｂ点を辺Ｌ１、Ｌ２上の任意の点として、このＡ点とＢ点とを結ぶ仮想線として設定することができる。要は、熱伝導性板材１１１の一辺１１１ｂの方向が、発熱体１２０の接続用領域内から、熱拡散体１１０外周部に向けて拡がるような方向とすれば良い。
【符号の説明】
【００８６】
１００Ａ〜１００Ｆ  発熱体の冷却装置
１１０  熱拡散体
１１０Ａ  第１熱拡散体
１１０Ｂ  第２熱拡散体
１１０Ｃ〜１１０Ｆ  熱拡散体
１１１  熱伝送性板材
１１２  無機物の接合層（無機物の層）
１２０  発熱体
１３０  絶縁板
１４０  冷却器
１５０  金属板
【図１】
2011258755.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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