(57)【要約】  単位設置面積当たりの発熱量が異なる複数の発熱体がその全面に搭載され、かつ放熱性能が改善されたヒートシンクの放熱性能を改善する。  ヒートシンク１は、主面２ａと主面２ａの裏面２ｂとを有し、第１の発熱体３が設置される第１の設置面と第２の発熱体４が設置される第２の設置面とが主面２ａに設けられたベースプレート２と、裏面２ｂの第１の設置面と対向する位置に設けられた複数の第１のフィン５と、裏面２ｂの第２の設置面と対向する位置に第１のフィン５から分離して設けられた複数の第２のフィン８と、を有している。第１の発熱体３は単位設置面積当たりの発熱量が第２の発熱体４より大きい。ヒートシンクは第１の設置面が第２の設置面の上方に位置し、第１及び第２のフィン５，８の長手方向が鉛直方向を向くように設置される。
2015198642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面と前記主面の裏面とを有し、第１の発熱体が設置される第１の設置面と第２の発熱体が設置される第２の設置面と、が前記主面の全体に設けられたベースプレートと、
前記裏面の前記第１の設置面と対向する位置に設けられた複数の第１のフィンと、
前記裏面の前記第２の設置面と対向する位置に前記第１のフィンから分離して設けられた複数の第２のフィンと、を有し、
前記第１の発熱体は単位設置面積当たりの発熱量が前記第２の発熱体より大きく、
前記第１の設置面が前記第２の設置面の上方に位置し、前記第１及び第２のフィンの長手方向が鉛直方向を向くように設置される、ヒートシンク。
【請求項２】
前記複数の第１のフィンは第１の中心間間隔で互いに平行に設けられ、前記複数の第２のフィンは前記第１の中心間間隔よりも大きい第２の中心間間隔で互いに平行に設けられ、
前記複数の第２のフィンは前記複数の第１のフィンと同じ方向に延び、前記複数の第２のフィンからなる第２のフィン群は、前記第１及び第２のフィンの長手方向において、前記複数の第１のフィンからなる第１のフィン群と対向している、請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記複数の第２のフィンのそれぞれの中央面を含む面は、前記それぞれの第２のフィンに最も近接する２つの前記第１のフィンの間に位置している、請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記第２のフィンの前記第２の中心間間隔は前記第１のフィンの前記第１の中心間間隔の整数倍であり、前記複数の第２のフィンのそれぞれの中央面を含む面は、前記それぞれの第２のフィンに最も近接する２つの前記第１のフィンから等距離に位置している、請求項３に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記ベースプレートの前記裏面は、前記第１のフィンを前記第１及び第２のフィンの前記長手方向において前記第２のフィンから分離する分離帯を有している、請求項２から４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記第１のフィンの前記第２のフィンと対向する縁部は、前記第２のフィンから離れる方向に前記ベースプレートの前記裏面から斜めに延びている、請求項２から５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記第２のフィンの前記第１のフィンと対向する縁部は、前記第１のフィンから離れる方向に前記ベースプレートの前記裏面から斜めに延びている、請求項２から６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
主面と前記主面の裏面とを有し、複数の第１のフィンと前記複数の第１のフィンから分離した複数の第２のフィンとが前記裏面に設けられたベースプレートの前記主面に、前記複数の第１のフィンと対向する位置に第１の発熱体を、前記複数の第２のフィンと対向する位置に第２の発熱体を設置することと、
前記第１の発熱体が前記第２の発熱体の上方に位置し、前記第１及び第２のフィンの長手方向が鉛直方向を向くようにするように前記ベースプレートを設置することと、を有し、
前記第１の発熱体は単位設置面積当たりの発熱量が前記第２の発熱体より大きく、前記第１及び第２の発熱体は前記主面の全面に設けられる、ヒートシンクを用いた放熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンクとそれを用いた放熱方法に関し、特に複数の発熱体からの熱を放熱するヒートシンクの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器を組み込んだ情報装置や通信装置の冷却にヒートシンクが用いられている。情報装置や通信装置の小型化の要求から、近年ではこれらの装置の筺体内にモジュールが高密度で実装されている。高密度実装に伴って、モジュールの単位設置面積当たりの消費電力が増加し、単位設置面積当たりの発熱量である発熱密度も増加している。装置の筐体も小型化しているため、冷却に使用するヒートシンクの放熱性能の向上が要求されている。【０００３】
ヒートシンクには複数の発熱体が設置されることがある。特許文献１には複数の発熱体が設置されたヒートシンクが開示されている。ベースプレートの主面には部分的に発熱体が設置されている。ベースプレートの裏面の、発熱体が設置された領域と対向する領域及びその近傍には、フィン長さが短くフィン間隔が狭いフィンが設置されている。ベースプレートの裏面の、発熱体が設置されていない領域には、フィン長さが長くフィン間隔が広いフィンが設置されている。これによって、ヒートシンク全体の圧力損失が低減され、ヒートシンク全体の放熱性能が向上する。【０００４】
特許文献２にも複数の発熱体が設置されたヒートシンクが開示されている。ベースプレートの主面には部分的に発熱体が設置されている。ベースプレートの裏面の、発熱体が設置された領域と対向する領域には、フィン間隔が狭いフィンが設置されている。この領域に近接して、上記フィンと同じ向きで不均一なフィン間隔で配置されたフィンが設置されている。これによって、ヒートシンク全体の圧力損失が低減され、ヒートシンク全体の放熱性能が向上する。【０００５】
特許文献３にも複数の発熱体が設置されたヒートシンクが開示されている。ベースプレートの主面には動作可能温度の異なる発熱体が部分的に設置されている。ベースプレートの裏面の、動作可能温度が低い発熱体が設置された領域と対向する領域には、フィン間隔が狭いフィンが設置されている。ベースプレートの裏面の、動作可能温度が高い発熱体が設置された領域と対向する領域には、フィン間隔が広いフィンが設置されている。これによって、動作可能温度が高い発熱体の温度が上昇することを許容することで、フィン間隔が疎の領域と密の領域の両領域を合せたヒートシンク全体の圧力損失を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許文献１：特開２００３−１４２６３７号公報
特許文献２：特開２００３−４６２７９号公報
特許文献３：特開２０１２−４４１４０号公報
【発明の概要】
【０００７】
特許文献１、２では、ベースプレートの全体面積に比べて十分小さい発熱体が、ベースプレートの主面上に分散して複数設置されている。従って、特許文献１、２に記載された手法は複数の発熱体がベースプレート主面の全体に設置された場合には適用できない。また、特許文献１〜３には複数の発熱体の単位設置面積当たりの発熱量について何ら記載されていない。このため、単位設置面積当たりの発熱量が異なる複数の発熱体がベースプレート主面の全体に配置された場合の放熱性能、特に単位設置面積当たりの発熱量が大きい発熱体に対する放熱性能を改善するため、別の手段を講じる必要がある。
【０００８】
本発明は、単位設置面積当たりの発熱量が異なる複数の発熱体がその全面に搭載され、かつ放熱性能が改善されたヒートシンクと、このようなヒートシンクを用いた放熱方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明のヒートシンクは、主面と主面の裏面とを有し、第１の発熱体が設置される第１の設置面と第２の発熱体が設置される第２の設置面と、が主面の全体に設けられたベースプレートと、裏面の第１の設置面と対向する位置に設けられた複数の第１のフィンと、裏面の第２の設置面と対向する位置に第１のフィンから分離して設けられた複数の第２のフィンと、を有している。第１の発熱体は単位設置面積当たりの発熱量が第２の発熱体より大きい。ヒートシンクは、第１の設置面が第２の設置面の上方に位置し、第１及び第２のフィンの長手方向が鉛直方向を向くように設置される。
【００１０】
本発明の放熱方法は、主面と主面の裏面とを有し、複数の第１のフィンと複数の第１のフィンから分離した複数の第２のフィンとが裏面に設けられたベースプレートの主面に、複数の第１のフィンと対向する位置に第１の発熱体を、複数の第２のフィンと対向する位置に第２の発熱体を設置することと、第１の発熱体が第２の発熱体の上方に位置し、第１及び第２のフィンの長手方向が鉛直方向を向くようにするようにベースプレートを設置することと、を有している。第１の発熱体は単位設置面積当たりの発熱量が前記第２の発熱体より大きく、第１及び第２の発熱体は主面の全面に設けられる。
【００１１】
本発明によれば、単位設置面積当たりの発熱量が異なる複数の発熱体がその全面に搭載され、かつ放熱性能が改善されたヒートシンクと、このようなヒートシンクを用いた放熱方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。
【図２Ａ】図１に示すヒートシンクのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図２Ｂ】図１に示すヒートシンクの裏面（フィン設置面）の正面図である。
【図２Ｃ】図１に示すヒートシンクのＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の第二の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
【図４Ａ】図３に示すヒートシンクのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図４Ｂ】図３に示すヒートシンクの裏面（フィン設置面）の正面図である。
【図４Ｃ】図３に示すヒートシンクのＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図５Ａ】実施例のヒートシンクの正面図である。
【図５Ｂ】実施例のヒートシンクの発熱密度の分布を示す。
【図６Ａ】実施例の第１のフィンの放熱性能を示すグラフである。
【図６Ｂ】実施例、選択されたフィン間隔による第１のフィンの正面図である。
【図６Ｃ】実施例の、選択されたフィン間隔による第１のフィンの側面図である。
【図７Ａ】実施例の第２のフィンの放熱性能を示すグラフである。
【図７Ｂ】実施例の、選択されたフィン間隔による第２のフィンの正面図である。
【図７Ｃ】実施例の、選択されたフィン間隔による第２のフィンの側面図である。
【図８】実施例のヒートシンク全体の放熱性能を説明する熱等価回路である。
【図９】比較例のヒートシンクの斜視図である。
【図１０Ａ】比較例のヒートシンクの正面図である。
【図１０Ｂ】比較例のヒートシンクの発熱密度の分布を示す。
【図１１】比較例のヒートシンクの様々な寸法を説明する斜視図である。
【図１２Ａ】比較例のフィンの放熱性能を示すグラフである。
【図１２Ｂ】比較例の、選択されたフィン間隔によるフィンの正面図である。
【図１２Ｃ】比較例の、選択されたフィン間隔によるフィンの側面図である。
【符号の説明】
【００１３】
１，１１  ヒートシンク
２  ベースプレート
２ａ  主面
２ｂ  裏面
３  第１の発熱体
４  第２の発熱体
５，１５  第１のフィン
６，１６  第１のフィン群
８，１８  第２のフィン
９，１９  第２のフィン群
１０  分離帯
Ｐ１  第１のフィンの第１の中心間間隔
Ｐ２  第２のフィンの第２の中心間間隔
Ｐｏｐｔ  フィンの最適中心間間隔
Ｓｏｐｔ  フィンの最適面間間隔
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。図２Ａは図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図、図２Ｂはヒートシンクの裏面（フィン設置面）の正面図、図２Ｃは、図１のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。図１はヒートシンクの使用時の状態を示している。
【００１５】
ヒートシンク１はベースプレート２を有している。ベースプレート２は主面２ａと、主面２ａの裏面２ｂと、を有している。主面２ａの第１の設置面２ｃには第１の発熱体３が設けられている。主面２ａの第２の設置面２ｄには第２の発熱体４が設けられている。第１の発熱体３と第２の発熱体４はベースプレート２の主面２ａのほぼ全面を覆っている。第１の発熱体３と第２の発熱体４は主面２ａに接着剤（図示せず）で固定されている。ヒートシンク１の使用時には第１の設置面２ｃ（第１の発熱体３）が第２の設置面２ｄ（第２の発熱体４）の上方に位置する。第１の発熱体３と第２の発熱体４は情報装置や通信装置のモジュールであり、動作中に発熱する。第１の発熱体３と第２の発熱体４の単位設置面積当たりの発熱量（以下、発熱密度ともいう）は互いに異なっている。本実施形態では第１の発熱体３の単位設置面積当たりの発熱量が第２の発熱体４の単位設置面積当たりの発熱量より大きい。単位設置面積当たりの発熱量とは、第１の発熱体３（または第２の発熱体４）が発生する熱量を、第１の設置面２ｃ（または第２の設置面２ｄ）の面積で割った値である。本実施形態では２つの発熱体３，４がヒートシンク１に搭載されているが、３つ以上の発熱体がヒートシンク１に搭載されていてもよい。その場合、少なくとも一つの発熱体の単位設置面積当たりの発熱量が他の発熱体の単位設置面積当たりの発熱量と異なっている。
【００１６】
ベースプレート２の裏面２ｂの、第１の設置面２ｃと対向する位置には、複数の第１のフィン５が設けられている。複数の第１のフィン５は第１の中心間間隔Ｐ１で互いに平行に設けられ、第１のフィン群６を形成している。ベースプレート２の裏面２ｂの、第２の設置面２ｄと対向する位置には、複数の第２のフィン８が設けられている。複数の第２のフィン８は第２の中心間間隔Ｐ２で互いに平行に設けられ、第２のフィン群９を形成している。中心間間隔とは互いに隣接するフィンの中央面同士の離隔距離である。中央面はフィンの厚さ方向の中点を結ぶ面である。複数の第２のフィン８は複数の第１のフィン５と同じ方向に延びている。第２のフィン群９は、第１及び第２のフィン５，８の長手方向Ｎにおいて、第１のフィン群６と対向している。第１及び第２のフィン５，８は概ね矩形の平板であり、同じ高さと厚さを有している。ヒートシンク１の使用時には第１のフィン群６が第２のフィン群９より上方に位置し、第１及び第２のフィン５，８は鉛直方向Ｚに延びている。すなわち、第１及び第２のフィン５，８の長手方向Ｎは鉛直方向Ｚと一致する。
【００１７】
ベースプレート２の裏面２ｂは、第１のフィン５（第１のフィン群６）を第１及び第２のフィン５，８の長手方向Ｎにおいて第２のフィン８（第２のフィン群９）から分離する分離帯１０を有している。第１のフィン５の第２のフィン８と対向する下側縁部５ａは、第２のフィン８の第１のフィン５と対向する上側縁部８ａより上方にあり、全ての第１のフィン５はいずれの第２のフィン８からも分離されている。後述するように、フィンの表面には、フィンの表面から離れるに従って空気の温度が低下する温度境界層が形成される。温度境界層ではフィンから空気への熱伝達率が低下して放熱性能が低下する。従って、第１のフィン５の放熱性能を高めるためには、第２のフィン８で発達する温度境界層が第１のフィン５で発達する温度境界層と重複しないことが望ましい。第１のフィン５の下側縁部５ａと第２のフィン８の上側縁部８ａの間に分離帯１０を設けることで、第２のフィン８の温度境界層の第１のフィン５の温度境界層への熱的干渉または影響が抑制される。
【００１８】
第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２は第１のフィン５の中心間間隔Ｐ１よりも大きい。第２のフィン８の中央面を含む鉛直面８ｂは、当該第２のフィン８に最も近接する２つの第１のフィン５の間を延びている。本実施形態では第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２は第１のフィン５の中心間間隔Ｐ１の２倍である。第２のフィン８の中央面を含む鉛直面８ｂは、当該第２のフィン８に最も近接する２つの第１のフィン５から等距離の位置にある。これによって、第１のフィン５が第２のフィン８から水平方向Ｈに最大限離隔され、第２のフィン８で発達した温度境界層が第１のフィン５の温度境界層に干渉することで生じる熱伝達特性の低下を防ぐことができる。第１のフィン５の中心間間隔Ｐ１と第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２は第１の発熱体３と第２の発熱体４の単位設置面積当たりの発熱量に応じて変えることができる。第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２は第１のフィン５の中心間間隔Ｐ１の整数倍（整数は２以上）とすることができる。
【００１９】
図３，４Ａ〜４Ｃには本発明の第二の実施形態に係るヒートシンク１１を示す。図３は、本発明の第二の実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。図４Ａは図３のＸ−Ｘ線に沿った断面図、図４Ｂはヒートシンクの裏面（フィン設置面）の正面図、図４Ｃは、図３のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。図３はヒートシンクの使用時の状態を示している。第１のフィン１５の第２のフィン１８と対向する下側縁部１５ａは、ベースプレート２の裏面２ｂから斜め上方、あるいは第２のフィン１８から離れる方向に延びている。第２のフィン１８の第１のフィン１５と対向する上側縁部１８ａは、ベースプレート２の裏面２ｂから斜め下方、あるいは第１のフィン１５から離れる方向に延びている。すなわち、第１のフィン１５の下側縁部１５ａと第２のフィン１８の上側縁部１８ａは斜めに切欠かれている。このような切欠により、第１のフィン群１６と第２のフィン群１９の間の分離帯１０における通風抵抗が抑えらえれ、図４Ｃの矢印に示すように、第１のフィン１５の間を通過する空気の流速が増加する。これによって、第１のフィン１５の対流熱伝達率が向上し、第２のフィン１８の温度境界層による影響が緩和され、第１のフィン１５の熱伝達特性が改善される。変形例として、第１のフィン１５の下側縁部１５ａと第２のフィン１８の上側縁部１８ａのいずれか一方だけが切り欠かれていてもよい。
【００２０】
次に、実施例と比較例を用いて、本発明のヒートシンクにおいて放熱性能が向上する理由を説明する。図５Ａは第一の実施形態による実施例のベースプレートの裏面（フィン設置面）の正面図であり、図５Ｂは、ベースプレートに実装された発熱体の設置範囲と発熱量を示している。なお、第１のフィン群６と第２のフィン群９の間に分離帯１０は設けられていない。図９は比較例のヒートシンク１０１の斜視図である。図１０Ａは、比較例のヒートシンクのベースプレートの裏面（フィン設置面）の正面図である。図１０Ｂは、ベースプレートに実装された発熱体の設置範囲と発熱量を示している。発熱体の設置範囲と発熱量は実施例と比較例で同一である。実施例のヒートシンク１のフィン５，８は第１の発熱体３と第２の発熱体４の設置領域に応じて、第１のフィン群６と第２のフィン群９とに分割され、それぞれのフィン群６，９が発熱体の設置領域に対応したフィン長さ（フィンの鉛直方向長さ）Ｌを有している。これに対し比較例のヒートシンク１０１は、フィンが発熱体の設置領域に応じて分割されておらず、同一のフィン２１からなる単一のフィン群２２が設けられている。実施例、比較例ともフィンは鉛直方向に延び、矩形の形状と同一のフィン高さ（５０ｍｍ）と同一のフィン厚さ（２ｍｍ）を有している。実施例の第１のフィン群６に属する第１のフィン５、第２のフィン群９に属する第２のフィン８及び比較例のフィン２１はそれぞれ一様な中心間間隔を有している。
【００２１】
図１１に、ベースプレートとフィンの主要な寸法を示している。ベースプレート２を鉛直に設置したときのヒートシンク幅をＷ、フィン長さをＬ、ベースプレート２からのフィン高さをＨ、フィン厚さをｔ、フィンの中心間間隔をＰ、フィンの面間間隔（互いに対向するフィンの表面間距離）をＳとする。フィンの中心間間隔Ｐはフィンの面間間隔Ｓとフィン厚さｔの合計である。フィン長さＬに対する最適中心間間隔をＰｏｐｔ、最適面間間隔をＳｏｐｔとする。以上の定義は実施例に対しても共通に用いられる。
【００２２】
実施例と比較例のヒートシンクは同一のヒートシンク容積を有している。ヒートシンク容積は、フィン長さＬとヒートシンク幅Ｗとの積で求められる設置領域の面積にフィン高さＨを乗じた値である。実施例では、ヒートシンク容積は第１のフィン群６と第２のフィン群９のヒートシンク容積の合計である。実施例、比較例とも、ヒートシンク幅Ｗは２００ｍｍ、フィン長さＬは３００ｍｍ（実施例においては第１のフィン５のフィン長さ１００ｍｍと第２のフィン８のフィン長さ２００ｍｍの合計）、フィン高さＨは５０ｍｍであり、ヒートシンク容積は等しい。
【００２３】
まず、ヒートシンクの放熱性能についての説明に先立ち、本実施形態のヒートシンク１が有している煙突効果について説明する。ヒートシンクを用いた冷却装置では、ファンを用いる強制空冷方式と自然対流熱伝達を利用する自然空冷方式が知られている。屋外に設置される装置では、ファンを用いる強制空冷方式と比較して信頼性、静寂性に優れた自然空冷方式が望まれることが多い。自然空冷方式では自然対流熱伝達のみで放熱が行われるため、完全な無風条件ではヒートシンクが大型化する。しかし、ヒートシンク全体を煙突構造にすることで自然対流熱伝達を促進することができる。
【００２４】
具体的には、フィンを鉛直方向に延びるように配列することで、隣接するフィンの間に鉛直方向に延びる煙突構造ないし空間が形成される。煙突内部の空気は発熱体からの熱によって加熱され、比重が減少する。比重が減少した空気は煙突内を上昇し、煙突の上部から流出する。これによって煙突内部が負圧になり、外気が煙突下部から誘引され、煙突内に流入する。このようなメカニズムで煙突内に自然対流が生じ煙突内の空気流量が増大する現象を煙突効果と呼ぶ。自然空冷方式のヒートシンクであっても、煙突効果によって空気の流速を増加させ放熱効果を高めることができる。
【００２５】
煙突の断面積をＡ（ｍ2）、流量係数をＣ（＝０．６５）、重力加速度をｇ（＝９．８０６６５ｍ／ｓ2）、煙突の高さ（フィン長さ）をＬ（ｍ）、外気の絶対温度をＴo（Ｋ）、煙突内の空気の平均温度をＴi（Ｋ）とすると、煙突効果によって生じる体積流速Ｑ（ｍ3／ｓ）は式１で表すことができる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
式１を用いて、ヒートシンクのベースプレートを鉛直に設置した場合の煙突効果による流速を求める。フィン長さＬは３００ｍｍ、ヒートシンク幅Ｗは２００ｍｍ、フィン高さＨは５０ｍｍとする。煙突の断面積Ａはヒートシンク幅Ｗとフィン高さＨの積であり、煙突の高さはフィン長さＬであるので、式１より、体積流速Ｑは約０．００５（ｍ3／ｓ）となる。風速はＱ／Ａで求められ、約０．５（ｍ／ｓ）となる。
【００２８】
冷却系の容積を決定するヒートシンク容積を同一に保ちつつ放熱性能を向上させるためには、フィンの面間間隔Ｓを狭くしてフィンの枚数を増加させ、フィン全体の表面積を大きくすることが有効である。しかしながら、フィンの面間間隔Ｓが狭すぎる場合、フィン表面周辺に発生する空気の境界層の影響によってフィン表面周辺の空気の流速が小さくなり、フィンから空気への熱伝達特性が低下して放熱性能が低下する。従って、ヒートシンクの設計においてはフィンの最適面間間隔Ｓｏｐｔを決定することが重要である。フィンの表面温度と等しいフィン表面近傍の流体（空気）温度が、フィン表面から離れるに従って一様流温度、すなわちヒートシンクに流入する空気の温度（ヒートシンク外気温度）と等しくなるまでの領域を温度境界層と呼ぶ。最も放熱効率が高くなるフィンの最適面間間隔Ｓｏｐｔは温度境界層の厚さδｔに比率係数αを掛けた距離の２倍として求められ、式２で表すことができる。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
ここで、比率係数αは、最適面間間隔の半値Ｓｏｐｔ／２と温度境界層の厚さδｔとの比率である。経験的に比率係数αは約０．３から約０．５の範囲の値であり、式２によって求められる最適面間間隔Ｓｏｐｔは、最大流速発生位置のフィン表面からの距離の２倍に等しい。
【００３１】
温度境界層の厚さδｔを求めるため、まず、鉛直に置かれた平板の温度境界層厚さを算出する。長さＬの平板における層流条件でのヌセルト数Ｎｕは、平板のレイノルズ数Ｒｅとプラントル数Ｐｒを用いて式３で表すことができる。
【００３２】
【数３】
2015198642.tif 000005
【００３３】
鉛直平板のレイノルズ数Ｒｅは、風速をＶ（ｍ／ｓ）、フィン長さをＬ（ｍ）、動粘性係数をν（ｍ2／ｓ）とすると、式４で表すことができる。
【００３４】
【数４】
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【００３５】
式４と、空気のプラントル数Ｐｒ（＝０．７１）を代入すると、ヌセルト数Ｎｕは式５で表すことができる。
【００３６】
【数５】
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【００３７】
空気の熱伝達率をｈ（Ｗ／ｍ2Ｋ）、フィン長さをＬ（ｍ）、空気の熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）、温度境界層の厚さをδｔ（ｍ）とすると、ヌセルト数Ｎｕは式６で表すことができる。
【００３８】
【数６】
2015198642.tif 000008
【００３９】
式５，６から、温度境界層の厚さδｔは式７で表すことができる。
【００４０】
【数７】
2015198642.tif 000009
【００４１】
一例として、外気温度が５０℃、ヒートシンク温度が８５℃である場合、１気圧、相対湿度７５％で８５℃の空気の動粘性係数νは約２．１×１０-5（ｍ2／ｓ）となる。フィン長さＬが３００ｍｍ、風速Ｖが０．５（ｍ／ｓ）の場合の温度境界層の厚さδｔは約６ｍｍとなる。
【００４２】
式７より、風速Ｖが一定の条件下においては、温度境界層の厚さδｔは、フィン長さＬの２分の１乗に比例する。フィン長さＬが長くなるにつれて、式２で求められるフィンの最適面間間隔Ｓｏｐｔは広くなり、より広いフィンの面間間隔が必要となる。
【００４３】
次に、ヒートシンクの放熱性能について説明する。図１２Ａは比較例におけるフィンの中心間間隔Ｐと熱抵抗Ｒｔｈの関係を求めたものである。フィンの各寸法は上述の通りとし、風速Ｖは式１より０．５（ｍ／ｓ）とした。フィンの最適中心間間隔Ｐｏｐｔは７．９２ｍｍ（最適面間間隔Ｓｏｐｔは５．９２ｍｍ）である。このときの熱抵抗Ｒｔｈは０．３０５（Ｋ／Ｗ）である。また、ヒートシンク全体のフィン表面積は８００８ｃｍ2である。図１２Ｂ，１２Ｃはそれぞれ、中心間間隔７．９２ｍで構成されるフィンの平面図と側面図を示している。ヒートシンク１０１の最大温度上昇は、熱抵抗Ｒｔｈに第１及び第２の発熱体３，４の総発熱量１４０Ｗを乗算することで得られ、４２．７度となる。すなわち、ヒートシンク１０１はヒートシンク１０１への流入空気の温度に対して最大４２．７度上昇し、例えば外気５０℃の条件下で、ヒートシンク１０１の最高温度は９２．７℃に達する。
【００４４】
ベースプレートに実装される発熱体の発熱密度が一様（単位面積当たりの発熱量が同一）である場合は、上述の方法でフィンの最適中心間間隔Ｐｏｐｔと最適面間間隔Ｓｏｐｔを求めることができる。しかし通常は、実装される発熱体の発熱密度は一様ではない。実施例及び比較例では、第１の発熱体３の単位面積当たりの発熱量は０．５（Ｗ／ｃｍ2）、第２の発熱体４の単位面積当たりの発熱量は０．１（Ｗ／ｃｍ2）である。従って、第１の発熱体３が第２の発熱体４の５倍の熱量を発生している。比較例では、第１の発熱体３と第２の発熱体４の発熱密度を平均化し、発熱体の単位面積当たりの発熱量を０．２３３（Ｗ／ｃｍ2）の均一値としてフィンの最適中心間間隔Ｐｏｐｔと最適面間間隔Ｓｏｐｔを求めている。このため、発熱量の多い第１の発熱体３に対し最適な放熱構造が実現されていない。
【００４５】
図６Ａは、実施例における第１のフィン５の中心間間隔Ｐ１と熱抵抗Ｒｔｈの関係を示すグラフである。第１のフィン５の最適中心間間隔Ｐｏｐｔは５．０８ｍｍである。このときの熱抵抗Ｒｔｈは０．２５１（Ｋ／Ｗ）である。図６Ｂ，６Ｃはそれぞれ、最適中心間間隔Ｐｏｐｔで構成される第１のフィン５の平面図と側面図を示している。図７Ａは、実施例における第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２と熱抵抗Ｒｔｈの関係を示すグラフである。第２のフィン８の最適中心間間隔Ｐｏｐｔは６．８９ｍｍであるが、後述する理由から第１のフィン５の最適中心間間隔Ｐｏｐｔの２倍の１０．１６ｍｍとしている。熱抵抗Ｒｔｈは０．３２２（Ｋ／Ｗ）である。図７Ｂ，７Ｃはそれぞれ、中心間間隔１０．１６ｍｍで構成される第２のフィン８の平面図と側面図を示している。
【００４６】
第１のフィン群６と第２のフィン群９を合せたヒートシンク１全体のフィン表面積の合計は８２８０ｃｍ2となり、比較例におけるフィン表面積の８００８ｃｍ2より増加している。これは、複数の第２のフィン８が複数の第１のフィン５から分離して設けられた結果フィン長さＬが短くなることで、式７と式２から導出されるフィンの最適面間間隔Ｓｏｐｔが小さくなるためである。同一のヒートシンク幅に対してより多くのフィンを設置することが可能となり、比較例のヒートシンク１０１よりも放熱性能が向上している。第２のフィン８が第１のフィン５から分離した構成は、第２のフィン８が第１のフィン５に対しフィンの長手方向Ｎ及び水平方向Ｈに分離している構成と、水平方向Ｈのみに分離している構成の両者を含む。すなわち、第１のフィン５と第２のフィン８が一体構成でなく分離構成であることが重要である。
【００４７】
放熱性能はフィンの熱抵抗によって説明することができる。具体的には、第１のフィン群６の熱抵抗Ｒｔｈは０．２５１（Ｋ／Ｗ）、第２のフィン群９の熱抵抗Ｒｔｈは０．３２２（Ｋ／Ｗ）であり、第１のフィン群６と第２のフィン群９を合せた総合等価熱抵抗は０．２５８（Ｋ／Ｗ）となる。これに対し比較例の熱抵抗Ｒｔｈは０．３０５（Ｋ／Ｗ）であり、実施例は比較例に対して放熱性能が１８％以上向上している。特に、発熱密度が大きい第１の発熱体３に対して放熱性能が改善されており、比較例に対して放熱性能が２０％以上向上している。実施例では発熱密度が高い第１の発熱体３に対応する第１のフィン５の放熱性が、発熱密度が低い第２の発熱体４に対応する第２のフィン８の放熱性より重視されており、それによってヒートシンク１全体の放熱性が高められている。特に、発熱密度が高い第１の発熱体３に対応した第１のフィン群６の熱抵抗が、発熱密度が低い第２の発熱体４に対応した第２のフィン群９の熱抵抗よりも小さいことが好ましい。ヒートシンクの最大温度上昇は比較例の４２．７度に対し実施例では３６．１度であり、６．６度の低減が実現できる。
【００４８】
ここで、第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２を第１のフィン５の最適中心間間隔Ｐｏｐｔの２倍の１０．１６ｍｍとした理由について説明する。第２のフィン８の最適中心間間隔Ｐｏｐｔは６．８９ｍｍであり（図７Ａ）、このときの熱抵抗Ｒｔｈは０．２６３（Ｋ／Ｗ）である。これは第２のフィン８の中心間間隔を１０．１６ｍｍとしたときの熱抵抗Ｒｔｈ０．３２２（Ｋ／Ｗ）よりも小さく、第２のフィン８の放熱性能は向上する。しかし、第２の発熱体４は発熱密度が小さいため、ヒートシンク１の最大温度上昇は第２のフィン８が最適中心間間隔Ｐｏｐｔ（６．８９ｍｍ）で構成された場合と比べて約２．４度の差しかない。一方、第２のフィン８の中心間間隔Ｐ２を第１のフィン５の最適中心間間隔Ｐｏｐｔの２倍の１０．１６ｍｍとすることで、第２のフィン８の中央面を含む鉛直面８ｂを第１のフィン５の間に規則的に配置することができる。これによって、下方の第２のフィン８で発達する温度境界層が上方の第１のフィン５の温度境界層に及ぼす熱的干渉ないし熱的影響を抑制し、発熱密度が大きい上方の第１のフィン５の熱伝達特性を確保することが容易となる。
【００４９】
次に、実施例におけるヒートシンク全体の総合等価熱抵抗とヒートシンクの温度上昇の算出方法について説明する。図８は、実施例のヒートシンク全体の放熱性能を説明する熱等価回路である。熱等価回路は電気回路と同様に表現することができる。発熱体は定電流源に、熱量ｑ（Ｗ）は電流に、熱抵抗Ｒｔｈ（Ｋ／Ｗ）は電気抵抗に、外気温度は接地電位（図８中のグランド）に、温度上昇（外気との温度差）は電位差に置き換えることができる。第１の発熱体３の発熱量ｑ3は１００（Ｗ）、第１のフィン群６の熱抵抗Ｒｔｈ6は０．２５１（Ｋ／Ｗ）、第２の発熱体４の発熱量ｑ4は４０（Ｗ）、第２のフィン群９の熱抵抗Ｒｔｈ9は０．３２２（Ｋ／Ｗ）である。
【００５０】
第１のフィン５の下端部と上端部の温度差が４度あることから、上端部熱抵抗Ｒｔｈ61＝０．２５１（Ｋ／Ｗ）×２＝０．５０２（Ｋ／Ｗ）、上端部下端部間熱抵抗Ｒｔｈ62＝４度／５０Ｗ＝０．０８０（Ｋ／Ｗ）、下端部熱抵抗Ｒｔｈ63＝０．５０２（Ｋ／Ｗ）−０．０８０（Ｋ／Ｗ）＝０．４２２（Ｋ／Ｗ）となる。これらを合成した第１のフィン群６の熱抵抗Ｒｔｈ6は、Ｒｔｈ6＝｛Ｒｔｈ61×（Ｒｔｈ62＋Ｒｔｈ63）｝／｛Ｒｔｈ61＋（Ｒｔｈ62＋Ｒｔｈ63）｝として表すことができる。
【００５１】
下方の第２のフィン８の上端部と上方の第１のフィン５の下端部が結合するため、結合後の熱等価回路は図８に示す通りである。２つのフィン群を結合したヒートシンク１全体の最高温度は、発熱密度が大きい第１のフィン５の上端の、図８に示す結合時最高温度点Ｐmaxで発生する。この点での外気温度に対する温度上昇は、Ｒｔｈ61（０．５０２（Ｋ／Ｗ））と、図８に示した熱等価回路から求まる当該Ｒｔｈ61に流入する熱量（６２．１５Ｗ＋９．７２Ｗ）から算出され、０．５０２（Ｋ／Ｗ）×（６２．１５Ｗ＋９．７２Ｗ）＝３６．１度となる。２つのヒートシンク部を結合したヒートシンク１全体の総合等価熱抵抗は３６．１度／１４０Ｗ＝０．２５８（Ｋ／Ｗ）となる。
【００５２】
以上、説明した通り、本発明のヒートシンクによれば、ベースプレートの裏面の第２の設置面と対向する位置に、第１のフィンから分離して設けられた複数の第２のフィンが設けられている。第２のフィンはベースプレートの裏面の第１の設置面と対向する位置に設けられた第１のフィンと分離されている。このため、第１のフィンと第２のフィンはそれぞれが短いフィン長さを有し、それによってフィンの最適中心間間隔が低減され、より多くのフィンを設けることができる。従って、ヒートシンクのベースプレートの主面の全面に複数の発熱体が実装され、複数の発熱体の発熱密度が異なる場合でも放熱性能を向上させることができる。ベースプレートの全面に一様なフィン長さと一様な中心間間隔（及び面間間隔）のフィンを有するヒートシンクと比較して、同一ヒートシンク容積条件下においても発熱密度が大きい発熱体に対する放熱性能を向上させることが可能となる。
【００５３】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明に包含されるものであることはいうまでもない。例えば、上記実施形態は自然空冷方式を対象とし、煙突効果によって発生する流速を考慮しているが、本発明はファンを使用した強制空冷方式にも適用できる。強制空冷方式は自然空冷方式と流速条件が異なるだけであり、上述した説明に基づきフィンの最適な中心間間隔を定めることができ、従来技術と比べて放熱性能を改善することができる。
【００５４】
本出願は２０１４年６月２３日出願の日本特許出願、特願２０１４−１２８０７９に基づき、かつ同出願の優先権の利益を主張し、その開示の全体が引用によって本出願に組み込まれる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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