(57)【要約】【課題】  エネルギー効率を低下させずに流体を循環させることができる放熱構造体を提供する。【解決手段】  基部１と、基部の第１の領域に位置して熱を放熱する第１の放熱部Ａ１と、基部において、第１の領域の隣の第２の領域に位置して熱を放熱する第２の放熱部Ａ２とを備え、第１の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量を、第２の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量より大きくしたことを特徴とする。【選択図】        図１
2008140831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部の第１の領域に位置して熱を放熱する第１の放熱部と、
前記基部において、前記第１の領域の隣の第２の領域に位置して熱を放熱する第２の放熱部とを備え、
前記第１の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量を、前記第２の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量より大きくしたことを特徴とする、放熱構造体。
【請求項２】
基部と、
前記基部の第１の領域に立つフィンを有する第１の放熱部と、
前記基部において、前記第１の領域の隣の第２の領域に立つフィンを有する第２の放熱部とを備え、
前記第１の放熱部における基部単位面積当たりのフィンおよび基部の表面積を、前記第２の放熱部における基部単位面積当たりのフィンおよび基部の表面積より大きくしたことを特徴とする、放熱構造体。
【請求項３】
前記第１の放熱部のフィン高さと前記第２の放熱部のフィン高さとが、揃っていることを特徴とする、請求項２に記載の放熱構造体。
【請求項４】
前記第１の放熱部のフィンの全ておよび一部のフィン高さが、前記第２の放熱部のフィン高さよりも高いことを特徴とする、請求項２に記載の放熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱構造体に関し、より具体的には、各種の半導体デバイス等の冷却対象の温度上昇を抑えるための放熱構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速のデータ処理演算装置、通信装置、自動車等には多くの半導体デバイスが用いられており、これらの半導体デバイスからは損失電力に起因する多くの熱が発生する。これら装置では、処理の高速化、装置の大容量化（大電流化）、小型化などに伴い、半導体デバイスにおける温度上昇の問題が深刻化している。十分な放熱をしない場合には、半導体デバイスの温度が上昇し、正常な動作を遂行することができなくなる。
【０００３】
上記半導体デバイスの温度上昇は、古くから問題とされ、多くの取り組みがなされてきた。たとえば、半導体デバイスの放熱に用いられる並列状の放熱フィンの放熱性を向上させるために、空気流が直線状に放熱フィン間隙を通過しないように、乱流発生用の邪魔板を取り付けた構造、または千鳥配列の円柱状フィンの構造が開示されている（特許文献１）。この構成によれば、斜めに取り付けた邪魔板または千鳥配列の円柱状フィンにより乱流が発生して放熱効果を高めることができる。また、多数の半導体デバイスを搭載して鉛直配置された複数の基板の冷却において、下部から上部へと冷却媒体の空気を流す際、下部では未昇温の空気による放熱が効くが、上部では熱交換の結果、昇温するため、冷却能力が低下して、上部の半導体デバイスの動作に問題を生じることがある。これを解決するため、上記複数の基板の間のスペースを下広（したがって上狭）になるように、基板位置に応じて異なる傾斜を付けて配置して、流路の断面積を上部で狭くすることにより、上部での流速を高めて冷却能力を確保するという方策の提案がなされている（特許文献２）。この方策によれば、上部で基板間のスペースを通り抜ける空気の流速は上部で大となり、空気の温度上昇があっても上部での放熱能力を確保することができる。なお、上記の放熱構造体では、熱媒体の流体が流れる流路のいずれかの場所に、強制的に流体を循環させるファン等を配置することを前提としており、上記の邪魔板等または基板間の上狭スペースは、流動抵抗を増大させるものの、これらファン等により強制的に循環駆動されるので、上記のように、放熱効果を高めることができるのである。
【特許文献１】特開２００１−３４５５８５号公報
【特許文献２】特開平３−８５７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のデータ処理演算装置、通信装置等では、流体を強制循環させるファンまたはポンプを用いると、これらファンまたはポンプが消費する電力が無視できず、半導体デバイスでロスされる電力に加算されるため、エネルギー効率が低下する。しかしながら、大型のデータ処理演算装置等では、多くの半導体デバイスが配置されるため、流体を循環させないと温度分布が不均一になり、局所的に高温になった位置の半導体デバイスが正常動作しなくなり、トラブル発生を招くことになる。このため、エネルギー効率を低下させずに流体を循環させることができる放熱装置の開発が望まれてきた。
【０００５】
本発明は、エネルギー効率を低下させずに流体を循環させることができる放熱構造体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】
【０００６】
本発明の放熱構造体は、基部と、基部の第１の領域に位置して熱を放熱する第１の放熱部と、基部において、第１の領域の隣の第２の領域に位置して熱を放熱する第２の放熱部とを備える。そして、第１の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量を、第２の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量より大きくしたことを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、第１および第２の放熱部のそれぞれにおいて、たとえばフィンを配置した場合にはフィン表面（伝熱面）と流体との間に熱伝達が行われ、流体は自然対流し、伝熱面において自然対流熱伝達が起こる。それに加えて、第１の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量が、第２の放熱部におけるそれより大きいので、第１の放熱部における流体温度は、第２の放熱部における流体温度より高温になる。その結果、温度差に起因する、放熱構造体の領域間に流体移動の駆動力を生じ、ファンやポンプを配置しなくても放熱構造体の範囲内で循環が行われるので、エネルギー効率を低下させずに放熱構造体における放熱量を大きくすることができる。流体が、どのように移動するかは周囲の境界条件、重力方向などに依存して大きく変わるが、上記の駆動力により、ポンプやファンなしで、上記の流体に対して放熱構造体の範囲内に循環のための駆動力が発生することになる。放熱構造体の領域内で強制的な循環が行われると熱伝達量は大きく向上するので、エネルギー効率を犠牲にすることなく流体への放熱量を増大させることができる。
【０００８】
上記の第１の放熱部と第２の放熱部とは、基板単位面積当たりの放熱量が第１の放熱部で高ければどのような形態でもよく、第１および第２の放熱部内で基板単位面積当たりの放熱量の連続的な勾配がついた形態でもよく、またステップ状に基板単位面積当たりの放熱量が変化した形態であってもよい。また、上記の放熱構造体の範囲内に、第１放熱部と、第２の放熱部との中間の、もしくはこれらのいずれよりも高い、またはこれらのいずれよりも低い、基板単位面積当たりの放熱量を有するほかの領域があってもよいことは言うまでもない。
【０００９】
本発明の別の放熱構造体は、基部と、基部の第１の領域に立つフィンを有する第１の放熱部と、基部において、第１の領域の隣の第２の領域に立つフィンを有する第２の放熱部とを備える。そして、第１の放熱部における基部単位面積当たりのフィンおよび基部の表面積を、第２の放熱部における基部単位面積当たりのフィンおよび基部の表面積より大きくしたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、第１の放熱部における流体の温度を、第２の放熱部における流体の温度より高くすることが可能となる。このため、上述のように温度差に起因する放熱構造体の範囲内における流体移動の駆動力を生じ、ファンやポンプを配置しなくても放熱構造体の領域内で強制循環が行われるので、エネルギー効率を低下させずに放熱量を大きくすることができる。
【００１１】
上記の第１の放熱部と第２の放熱部とは、上記表面積が第１の放熱部で高ければどのような形態でもよく、第１および第２の放熱部内で上記表面積に連続的な勾配がついた形態でもよく、またステップ状に上記表面積が変化する形態であってもよい。また、上記の放熱構造体の範囲内に、第１放熱部と、第２の放熱部との中間の、もしくはこれらのいずれよりも高い、またはこれらのいずれよりも低い、上記表面積を有するほかの領域があってもよいことは言うまでもない。
【００１２】
また、上記の第１の放熱部のフィン高さと第２の放熱部のフィン高さとを、揃えるように構成することができる。これにより、第１の放熱部における流体温度を、確実に第２の放熱部における流体温度よりも高くでき、かつ、基部とフィンとを備える放熱構造体の製造を容易化することができる。
【００１３】
また、第１の放熱部のフィンの全てまたは一部のフィン高さが、第２の放熱部のフィン高さよりも高い構成としてもよい。これにより、第１の放熱部の基部単位面積当たりの放熱量を、第２の放熱部のそれより大きくすることを可能にする構造を、容易に得ることができる。
【００１４】
本発明の別の放熱構造体は、流体と接触して熱を伝える構造体であって、基部と、基部の第１の領域に位置して熱を放熱する第１の放熱部と、基部において、第１の領域の隣の第２の領域に位置して前記熱を放熱する第２の放熱部とを備える。そして、第１の放熱部における流体の温度が、第２の放熱部における流体の温度より高くなるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、第１および第２の放熱部のそれぞれにおいて、たとえばフィンを配置した場合にはフィン表面（伝熱面）と流体との間に熱伝達が行われ、流体は自然対流し、伝熱面において自然対流熱伝達が起こる。それに加えて、第１の放熱部における流体と第２の放熱部における流体との間に温度差が生じるので、各位置において自然対流しながら停留する流体の停留均衡を破る駆動力が発生する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の放熱構造体によれば、エネルギー効率を低下させることなく、冷却媒体である流体を循環させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における放熱構造体１０を示す斜視図である。また、図２は、図１の放熱構造体１０の平面図である。この放熱構造体１０は、基部１と、その基部１の上に立つ立壁状のフィン３，５とによって構成される。基部１０およびフィン３，５と接触する流体が流れる流路は、流体が基部およびフィンに接触する限り、どのように形成されてもよく、放熱構造体１０が配置される装置に応じて、適宜、設定することができる。
【００１８】
本実施の形態における放熱構造体１０では、立壁状のフィン３が第１の放熱部Ａ１および第２の放熱部Ａ２にわたって連続して配置されているのに対して、立壁状のフィン５は第１の放熱部Ａ１にのみに限定され、第２の放熱部Ａ２には延在していない。このため、第１の放熱部Ａ１における基部単位面積当たりの（基部＋立壁状のフィン）の表面積は、第２の放熱部Ａ２における基部単位面積当たりの（基部＋立壁状のフィン）の表面積より大きくなる。
【００１９】
立壁状のフィン３，５の高さをＨ、幅をＷとし、フィン３の長さＬ１、第１の放熱部Ａ１の基部の面積をＳ１とすれば、図１および図２を参照して、第１の放熱部Ａ１における基部単位面積当たりの（基部＋立壁状のフィン）の表面積は、｛（Ｓ１＋２×Ｈ×Ｌ１×９＋Ｗ×Ｈ×９）／Ｓ１｝となる。Ｈ×Ｌ１はフィンの側面３Ｓ，５Ｓの面積であり、両側面あるので２がかかり、Ｗ×Ｈは端面３Ｅ，５Ｅの面積である。またフィン３，５は、第１の放熱部に全部で９本配置されるので、９が掛かる。第２の放熱部Ａ２の基部の面積をＳ2とし、その領域の長さをＬ２とすれば、同様の見積りを行うと、｛（Ｓ２＋２×Ｈ×Ｌ２×５＋Ｗ×Ｈ×５）／Ｓ２｝となる。フィン３のみが配置されているので、側面および端面の面積には、フィンの本数５が掛かる。比較の便宜上、たとえば第２の放熱部Ａ２の基部の面積Ｓ2をＳ１（＝Ｓ）に等しくし、その領域の長さＬ２をＬ１（＝Ｌ）に等しくとることとすれば、次のようになる。算式で比較するまでもなく、基部単位面積当たりの、基部およびフィンの表面積は、第１の放熱部Ａ１のほうが第２の放熱部Ａ２より大きいのであるが、算式によりどれだけ大きいかなどの程度を明らかにすることができる。
<基部単位面積当たりの（基部＋フィン）の表面積>
第１の放熱部Ａ１：｛１＋（１８Ｈ×Ｌ＋９Ｗ×Ｈ）／Ｓ｝
第２の放熱部Ａ２：｛１＋（１０Ｈ×Ｌ＋５Ｗ×Ｈ）／Ｓ｝
上記の説明は、図１の例示に基づきフィン３の本数を５本とし、フィン５の本数を４本として説明したが、フィン３または５の本数は、これに限定されるものではない。
【００２０】
上記の基部単位面積当たりの、基部およびフィンの表面積は、当該放熱部における流体の温度、または放熱量と、厳密に比例関係にあるわけではないが、当該放熱部における流体の温度の高低、または放熱量の大小を、大まかに判断する基準にすることはできる。上記の放熱構造体１０は、フィン３，５の高さは、揃っている場合を例示したが、広くは、フィンの高さが不揃いであってもよい。とくに第１の放熱部Ａ１の基部単位面積当たりの放熱量を第２の放熱部Ａ２のそれより大きくする場合、製造上の容易性という点から、第１の放熱部Ａ１のフィンの全てまたは一部の高さを、第２の放熱部Ａ２のフィンの高さより高くするのがよい。フィンの高さが不揃いの場合、フィンおよび基部の表面積の大小と、当該放熱部の放熱量、または流体温度の大小とは、傾向的にも一致しない場合があるが、本発明の技術思想の根本は、放熱部における単位面積当たりの放熱量に大小が生じればよく、フィンおよび基部の表面積の大小と、当該放熱部の放熱量、または流体温度の大小とが、通常の場合（フィン高さが揃っている場合など）とは逆転する場合があってもかまわない。
【００２１】
上記の放熱構造体１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を押し出し加工により、基部１およびフィン３，５を一体成形加工することができる。また、基部１の上にフィン３，５をはんだ接合、溶着、溶接、接着等により取り付けてもよいし、機械加工で基部平行方向へのフィン長さを短くしてもよい。本発明において、基部とフィンとの間に面接触を確保することが、良好な熱伝導を確保する上で重要である。
【００２２】
上記の放熱構造体１０を用いた場合、どのような流体駆動力を発生するかについて、以後に説明する。図３は、流体の流路２１が筐体２３と基部１との間に、重力方向に交差するように、平面配置され、放熱構造体１０がその流路２１内に沿うように平置きされた場合を示す図である。図３において、冷却対象物たとえば半導体デバイス１５が基部１の裏面にわたって配置されている。半導体デバイス１５は熱を生じており、基部１を伝って熱がフィン３，５から流体へと放熱されている。第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２の境目の部分において、第１の放熱部Ａ１における流体温度Ｔ１は、第２の放熱部Ａ２における流体温度Ｔ２より高くなる。流路２１は筐体壁２３によって画されるため、高温にされた第１の放熱部Ａ１における流体は、第２の放熱部Ａ２における流体よりも圧力が上昇し、流体に対して第１の放熱部Ａ１から第２の放熱部Ａ２に向かう駆動力が働く。
【００２３】
流路入口に近い放熱構造体における流体と、流路内の流体との間に駆動力は、当然、発生するが、基部１の面積または放熱構造体の面積が、流路断面に比べてある程度以上広い場合、基部１の範囲内でほとんど均一な温度分布となっていると、放熱構造体１０の基部１の中で流体を循環させる駆動力は小さいものとしかならない。しかし、上記のように、広い放熱構造体１０の基部１の範囲内に放熱量の小さい領域と大きな領域とが隣り合って位置する場合、その間に圧力の高低が生じ、流体に対して駆動力を発生する。この結果、強制循環用のファンを配置しなくても、放熱構造体１０の基部１の範囲内に流体を循環させる駆動力を得ることができ、放熱におけるエネルギー効率を高めることができる。
【００２４】
図４は、放熱構造体１０を、図３と同様に水平配置しているが、流体の流路２１が開放されているか、または基部１の面からの距離に対応する高さのスペースが大きい流路の場合に生じる駆動力の説明図である。この場合には、温度Ｔ１の高温部である第１の放熱部Ａ１から重力方向と反対に上昇流が生じ、温度Ｔ２の低温部である第２の放熱部Ａ２からその上昇流の流体を補充する基部の面に沿うような流れが生じる。このため、ファンやポンプを作動しなくても、放熱構造体１０の範囲内で自然に循環が起きて、放熱量を向上させることができ、効率よく放熱量を向上させることができる。
【００２５】
図５は、重力方向に沿うように放熱構造体１０の基部１を、第１の放熱部Ａ１を上にして鉛直配置した場合の説明図である。図５のように放熱構造体１０を鉛直配置した場合には、第１および第２の放熱部Ａ１，Ａ２で基部単位面積当たりの放熱量に差をつけるようにしなくても、下側の放熱部（第２の放熱部Ａ２）を経由して上側の放熱部（第１の放熱部Ａ１）に到達した流体は、すでに下側の放熱部で熱交換をして熱が伝達されているので、上側で高温、また下側でそれより低温という温度差が自ずと生じる。このため、特許文献２における課題のように、上側の放熱部における放熱量が低下して、上側の半導体デバイス１５の動作に支障をきたすことがある。このような問題を解決するために、たとえば上記特許文献２では、フィンを有する複数の基部を、上部より下部の基部間の間隔を広くして、すなわち上部での基部間隙を小さくするように配置して、上部での基部単位面積当たりの放熱量を大きくする方策をとっている。
【００２６】
図５に示す放熱構造体１０は、複数の層からなる基部ではなく、単一の基部とそこに立つフィンを備える放熱構造体であるが、フィンの構造を上部で放熱量が大きくなるように構成しているので、結果的に、上記特許文献２に開示された内容と同様に、上部でも下部と同様な放熱量を確保できる。すなわち、図５では、上部の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量を下部の放熱部のそれよりも大きくしているので、上部の放熱部における放熱量が下部に比べて大きく低下することはなく、上部放熱部の裏面に位置する半導体デバイス１５は、その熱を下部放熱部と同じ程度の速度で放熱され、したがって温度上昇が大きくなるのを防ぐことができる。
【００２７】
上記の図５の構成に対する説明は、流路が開放的に広い場合でも、また図示していない筐体で狭く画されている場合でも成り立つことである。しかし、流路が開放的な場合には、図５の配置において、さらに補充流の駆動力ｆが生じて、比較的温度上昇が小さい範囲の流路から流体を上部の放熱部に引き込んでいる。このため、上部の放熱部では比較的低温の流体を加えられて、放熱量をより一層確実に確保することができる。
【００２８】
図６は、図５と同様の放熱構造体１０を鉛直配置した場合であるが、放熱量が大きい第１の放熱部Ａ１を下部に、また放熱量がそれより小さい第２の放熱部Ａ２を上部に配置した点で相違している。この場合、下部の放熱部Ａ１における基部単位面積当たりの放熱量は、上部の放熱部Ａ２におけるそれよりも大きいので、下方から流体を押し上げる力Ｆが作用する。このため、上部の放熱部Ａ２における流体の上向きの流速は加速され、上部の放熱部Ａ２では、基部単位面積当たりの放熱量の相違がない場合（放熱量が均一な場合）よりも、基部単位面積当たりの放熱量は加速される。この結果、図６のように、基部単位面積当たりの放熱量が下部側で大きい配置の場合でも、上部の放熱部Ａ２の裏面に位置する半導体デバイス１５の温度上昇は、放熱量分布が均一な場合よりも、抑制される。
【００２９】
図５および図６の放熱構造体の鉛直配置の場合において、放熱量の密度に差がある領域があることによって得られる上記の作用効果は、図３および図４の水平配置において得られる作用効果と同じ理由に基づいている。すなわち、どちらも放熱量密度に差がある領域が隣り合うことによって、放熱構造体１０の範囲の内部において流体を駆動する駆動力が生じることに起因している。
【００３０】
上記のように、放熱構造体１０の放熱量の密度に差があることによって、流体に対して駆動力が生じ、自然に循環力が生じる作用に加えて、上記の放熱構造体１０において流体の流れが乱流化しやすいという作用効果を得ることができる。すなわち、図１および図２に示す放熱構造体１０では、フィン３，５の配置に疎密があるために、流体は、フィンの高密度配置の領域と、それより低密度配置の領域との間を経由する際に、それまで層流の状態にあったものが乱流状態にされやすい。それは流体が、フィン疎配置域からフィン密配置域に移動する場合であっても、フィン密配置域からフィン疎配置域に移動する場合であっても、同じであり、どちらの場合も乱流化しやすい。流体による放熱部からの抜熱（放熱）は、周知のように、層流よりも乱流のほうが固体表面での流速小の層をなす流れが剥がされ新しい流体と入れ代わるため、非常に大きいからである。
【００３１】
以上をまとめると、図１および図２に示す放熱構造体１０による上記の基部領域内に生じる駆動力は、基部単位面積当たりの放熱量を第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２とで異なるようにするために、フィンの配置密度を異なるようにした結果得られる。さらに、上記の放熱構造体１０は、上記放熱量の密度差の要因に加えて、乱流発生要因の上からも効果的な放熱量の向上に寄与することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における放熱構造体１０を示す斜視図である。この放熱構造体１０は、基部１と、その基部１の上に立つ棒状のフィン７とによって構成される。基部１０およびフィン７と接触する流体が流れる流路は、流体が基部およびフィンに接触する限り、どのように形成されてもよく、放熱構造体１０が配置される装置に応じて、適宜、設定することができる。
【００３３】
本実施の形態における放熱構造体１０では、棒状のフィン７が第１の放熱部Ａ１において、第２の放熱部Ａ２よりも密に、およそ倍の密度で配置されている。このため、第１の放熱部Ａ１における基部単位面積当たりの（基部＋棒状のフィン）の表面積は、第２の放熱部Ａ２における基部単位面積当たりの（基部＋棒状のフィン）の表面積より大きくなる。
【００３４】
上記の基部単位面積当たりの、基部およびフィンの表面積は、当該放熱部における流体の温度、または放熱量と、厳密に比例関係にあるわけではないが、当該放熱部における流体の温度の高低、または放熱量の大小を、大まかに判断する基準にすることはできる。上記の放熱構造体１０は、フィン７の高さは、揃っている場合を例示したが、広くは、フィンの高さが不揃いであってもよい。フィンの高さが不揃いの場合、フィンおよび基部の表面積の大小と、当該放熱部の放熱量、または流体温度の大小とは、傾向的にも一致しない場合があるが、本発明の技術思想の根本は、放熱部における単位面積当たりの放熱量に大小が生じればよく、フィンおよび基部の表面積の大小と、当該放熱部の放熱量、または流体温度の大小とが、通常の場合（フィン高さが揃っている場合など）とは傾向が逆転する場合があってもかまわない。
【００３５】
上記の放熱構造体１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を冷間鍛造の一種であるフレクションプレス(Flection Press)によって、基部１およびフィン７を一体成形加工することができる。このフレクションプレスによれば、フラットタイプのフィンは別にして、通常、ピン径１ｍｍ〜５ｍｍ、ピン高さ５ｍｍ〜１０ｍｍ、ピンのピッチ１ｍｍ〜５ｍｍ、基部厚み２ｍｍ〜４ｍｍの基部＋フィンの放熱構造体を冷間で一体成型加工することができる。
【００３６】
図８は、流体の流路２１が筐体２３と基部１との間に、重力方向に交差するように、平面配置され、放熱構造体１０がその流路２１内に沿うように平置きされた場合を示す図である。図８において、冷却対象物たとえば半導体デバイス１５が基部１の裏面にわたって配置されている。半導体デバイス１５は熱を発しており、基部１を伝って熱がフィン７から流体へと放熱されている。第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２の境目の部分において、第１の放熱部Ａ１における流体温度Ｔ１は、第２の放熱部Ａ２における流体温度Ｔ２より高くなる。流路２１は筐体壁２３によって画されるため、高温にされた第１の放熱部Ａ１における流体は、第２の放熱部Ａ２における流体よりも圧力が上昇し、流体に対して第１の放熱部Ａ１から第２の放熱部Ａ２に向かう駆動力が働く。
【００３７】
流路入口に近い放熱構造体における流体と、流路内の流体との間に駆動力は、当然、発生するが、基部１の面積または放熱構造体の面積が、流路断面に比べてある程度以上広い場合、基部１の範囲内でほとんど均一な温度分布となっていると、放熱構造体１０の基部１の範囲内に流体を循環させる駆動力は限定され、小さいものでしかない。しかし、上記のように、広い放熱構造体１０の基部１の範囲内に放熱量の小さい領域と大きな領域とが隣り合って位置する場合、その間に圧力の高低が生じ、放熱構造体１０の中で流体に対して駆動力を発生する。この結果、強制循環用のファンを配置しなくても、放熱構造体１０の基部１の範囲内に流体を循環させる駆動力を得ることができ、放熱におけるエネルギー効率を高めることができる。
【００３８】
図９は、放熱構造体１０を、図８と同様に水平配置しているが、流体の流路２１が開放されているか、または基部１の面からの距離に対応する高さのスペースが大きい流路の場合に生じる駆動力の説明図である。この場合には、温度Ｔ１の高温部である第１の放熱部Ａ１から重力方向と反対に上昇流が生じ、温度Ｔ２の低温部である第２の放熱部Ａ２からその上昇流の流体を補充する水平流が生じる。このため、ファンやポンプを作動しなくても、放熱構造体１０の範囲内において自然に循環が起きて、放熱量を向上させることができ、効率よく放熱量を向上させることができる。
【００３９】
図１０は、重力方向に沿うように放熱構造体１０の基部１を、第１の放熱部Ａ１を上にして鉛直配置した場合の説明図である。図１０のように放熱構造体１０を鉛直配置した場合には、第１および第２の放熱部Ａ１，Ａ２で基部単位面積当たりの放熱量に差をつけるようにしなくても、下側の放熱部（第２の放熱部Ａ２）を経由して上側の放熱部（第１の放熱部Ａ１）に到達した流体は、すでに下側の放熱部で熱交換をして熱が伝達されているので、上側で高温、また下側でそれより低温という温度差が自ずと生じる。このため、上側の放熱部における放熱量が低下して、上側の半導体デバイス１５の動作に支障をきたすことがある。このような問題を解決するために、たとえば上記特許文献２では、フィンを有する複数の基部を、上部より下部の基部間の間隔を広くして、すなわち上部での基部間隙を小さくするように配置して、上部での基部単位面積当たりの放熱量を大きくする方策をとっている。
【００４０】
図１０に示す放熱構造体１０は、複数の層からなる基部ではなく、単一の基部とそこに立つフィン７を備える放熱構造体であるが、フィンの構造を上部で放熱量が大きくなるように構成しているので、結果的に、上記特許文献２に開示された内容と同様に、上部でも下部と同様な放熱量を確保できる。すなわち、図１０では、上部の放熱部における基部単位面積当たりの放熱量を下部の放熱部のそれよりも大きくしているので、上部の放熱部における放熱量が下部に比べて大きく低下することはなく、上部放熱部の裏面に位置する半導体デバイス１５は、その熱を下部放熱部と同じ程度の速度で放熱され、したがって温度上昇が大きくなるのを防ぐことができる。
【００４１】
上記の図１０の構成に対する説明は、流路が開放的に広い場合でも、また図示していない筐体で狭く画されている場合でも成り立つことである。しかし、流路が開放的な場合には、図１０の配置において、さらに補充流の駆動力ｆが生じて、比較的温度上昇が小さい範囲の流路から流体を上部の放熱部に引き込んでいる。このため、上部の放熱部では比較的低温の流体を加えられて、放熱量をより一層確実に確保することができる。
【００４２】
図１１は、図１０と同様の放熱構造体１０を鉛直配置した場合であるが、放熱量が大きい第１の放熱部Ａ１を下部に、また放熱量がそれより小さい第２の放熱部Ａ２を上部に配置した点で相違している。この場合、下部の放熱部Ａ１における基部単位面積当たりの放熱量は、上部の放熱部Ａ２におけるそれよりも大きいので、下方から流体を押し上げる力Ｆが作用する。このため、上部の放熱部Ａ２における流体の上向きの流速は加速され、上部の放熱部Ａ２では、基部単位面積当たりの放熱量の相違がない場合（放熱量が均一な場合）よりも、基部単位面積当たりの放熱量は加速される。この結果、図１１のように、基部単位面積当たりの放熱量が下部側で大きい配置の場合でも、上部の放熱部Ａ２の裏面に位置する半導体デバイス１５の温度上昇は、放熱量分布が均一な場合よりも、抑制される。
【００４３】
図１０および図１１の放熱構造体の鉛直配置の場合において、放熱量の密度に差がある領域があることによって得られる上記の作用効果は、図８および図９の水平配置において得られる作用効果と同じ理由に基づいている。すなわち、どちらも放熱量密度に差がある領域が隣り合うことによって、放熱構造体１０の範囲の内部において流体を駆動する駆動力が生じることに起因している。
【００４４】
上記のように、放熱構造体１０の放熱量の密度に差があることによって、流体に対して駆動力が生じ、自然に循環力が生じる作用に加えて、流体の流れが乱流化しやすいという作用効果を得ることができる。すなわち、図７に示す放熱構造体１０では、フィン７の配置に疎密があるために、流体は、フィンの高密度配置の領域と、それより低密度配置の領域との間を経由する際に、それまで層流の状態にあったものを乱流状態にされやすい。それは流体が、疎配置から密配置に移動する場合であっても、密配置から疎配置に移動する場合であっても、同じであり、どちらの場合も乱流化しやすい。流体による放熱部からの抜熱（放熱）は、層流よりも乱流のほうが固体表面での流速小の層をなす流れが剥がされ新しい流体と入れ代わるため、非常に大きいことが知られている。それは、棒状のフィン７を流体の流れ方向に沿って、並行に配置した場合でも、並行配置よりもはるかに乱流化しやすい千鳥状に配置した場合でも、フィンの疎密配置に起因する乱流化発生の促進効果は変わらない。
【００４５】
以上をまとめると、図７に示す放熱構造体１０による基部領域内での駆動量は、基部単位面積当たりの放熱量を第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２とで異なるようにするために、フィンの配置密度を異なるようにした結果得られる。さらに、上記の放熱構造体１０は、上記放熱量の密度差の要因に加えて、乱流発生要因の上からも効果的な放熱量の向上に寄与することができる。
【００４６】
（実施の形態３）−基部単位面積当たりの放熱量（フィンおよび基部の表面積）の分布−
基部単位面積当たりの放熱量、または基部単位面積当たりのフィンおよび基部の表面積の分布は、どのような形態であってもよく、たとえば図１２に示すように、連続的に勾配がついた形態でもよいし、ステップ状に変化する形態であってもよい。また、図１２における第１の放熱部Ａ１および第２の放熱部Ａ２の設定の仕方から分かるように、第１の放熱部Ａ１の基部単位面積当たりの放熱量が第２の放熱部Ａ２のそれより大きければ、これら放熱部はどのように区分けしてもよい。また、放熱構造体の範囲内に、第１放熱部と、第２の放熱部との中間の、もしくはこれらのいずれよりも高い、またはこれらのいずれよりも低い、基板単位面積当たりの放熱量を有するほかの領域があってもよい。
【００４７】
本発明の実施の形態１および２では、放熱構造体の領域が、第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２とで２つに区分けされる形態を例示した。しかし、本発明においては、図１３に示すように、たとえば第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２とが交互に入り組んだパターンにしてもよい。または、図示はしないが、本発明においては、矩形の第１の放熱部Ａ１と第２の放熱部Ａ２とが、市松模様に配列したパターンであってもよい。
【００４８】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の冷却構造体では、隣り合う放熱部に放熱量密度の差をつけることにより、放熱構造体内に位置する流体に駆動力を付与することができ、ファンなどを用いることなく、放熱構造体内に循環力を付与することができるので、高いエネルギー効率で高レベルの放熱を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における放熱構造体の斜視図である。
【図２】図１の放熱構造体の平面図である。
【図３】図１の放熱構造体を、水平の狭い流路に配置した状態を示す断面図である。
【図４】図１の放熱構造体を、水平の開放流路または高さスペース大の流路に配置した状態を示す断面図である。
【図５】図１の放熱構造体を、鉛直の流路に、高放熱部を上部にして配置した状態を示す断面図である。
【図６】図１の放熱構造体を、鉛直の流路に、高放熱部を下部にして配置した状態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２における放熱構造体の斜視図である。
【図８】図７の放熱構造体を、水平の狭い流路に配置した状態を示す断面図である。
【図９】図７の放熱構造体を、水平の開放流路または高さスペース大の流路に配置した状態を示す断面図である。
【図１０】図７の放熱構造体を、鉛直の流路に、高放熱部を上部にして配置した状態を示す断面図である。
【図１１】図７の放熱構造体を、鉛直の流路に、高放熱部を下部にして配置した状態を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３における基部単位面積当たりの放熱量または上記表面積の分布形態を例示する図である。
【図１３】基部単位面積当たりの放熱量または上記表面積の分布パターンを例示する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  基部、３，５  立壁状のフィン、７  棒状のフィン、１０  放熱構造体、１５  半導体デバイス、２１  流路、２６  筐体、Ａ１  第１の放熱部（高放熱部）、Ａ２  第２の放熱部（低放熱部）。
【図１】
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【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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【図１３】
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