(57)【要約】【課題】断面が紡錘（あるいは、ラグビーボールの様な）形状をした紡錘状フィンを有するヒートシンクを用いた冷却部材および冷却装置等を提供することにある。【解決手段】長手方向に一端と他端をなし、その長手方向の中央部分の幅が、その他の部位における幅より長く、かつ前記長手方向に平行な断面形状が略紡錘形である紡錘状フィン２を、発熱体３の表面において、前記長手方向と直角をなす方向に、単一の列をなすように複数枚立設した冷却部材と、前記発熱体３の表面と前記複数枚立設した紡錘状フィン２の隣り合う壁面とからなる表面を含む間隙を、前記紡錘状フィンの前記長手方向の何れかの端部から他方の端部に向かって空気が沿って流れるように送風する送風手段とを備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に一端と他端をなし、該長手方向の中央部分の幅が、その他の部位における幅より長く、かつ前記長手方向に平行な断面形状が略紡錘形である紡錘状フィンを、発熱体の表面において、前記長手方向と直角をなす方向に、単一の列をなして複数枚立設したことを特徴とする冷却部材。
【請求項２】
前記発熱体と、前記紡錘状フィンとの間に、所定の面積と厚さ、および所定の熱伝導率を有するベースプレートを有し、該ベースプレートおよび前記紡錘状フィンは、同一もしくは同等の熱伝導率で、一体もしくは一体的に形成されたヒートシンクをなすことを特徴とする請求項１に記載の冷却部材。
【請求項３】
請求項１に記載の前記冷却部材と、前記発熱体の表面と、前記複数枚立設した紡錘状フィンの隣り合う壁面とからなる表面を含む間隙である通風流路を、前記紡錘状フィンの前記長手方向の何れかの端部から他方の端部に向かって空気が沿って流れるように送風する送風手段とを備えることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
前記送風手段は、前記ヒートシンクを載置する前記発熱体を含む複数種類の発熱体を搭載する電子機器の制御基板の全体に対して、所定の風量および風速で送風する際に、前記ヒートシンクが有する前記通風流路を、前記紡錘状フィンの前記長手方向の何れかの端部から他方の端部に向かって空気が沿って流れるように送風することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記送風手段は、前記電子機器の制御基板に搭載する前記ヒートシンクを載置する前記発熱体を含む複数種類の発熱体が、それぞれ所定の動作温度範囲内になるように、前記電子機器の制御基板の全体に対して所定の風量と風速で送風することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記ヒートシンクは、前記送風手段からの送風が、前記通風流路を通過する際に、送風する空気が、前記紡錘状フィンの開放端部から溢れ出ないように、前記ヒートシンクのいずれかの部材と同じ材質で、前記ヒートシンクのいずれの部材に係止した前記開放端部を閉塞する開放端部閉塞蓋を適用することを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記ベースプレートと、該ベースプレートに立設する各々の前記紡錘状フィンの付け根部分は、裾野の形状をしていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
長手方向に一端と他端をなし、該長手方向の中央部分の幅が、その他の部位における幅より長く、かつ前記長手方向に平行な断面形状が略紡錘形である紡錘状フィンを、発熱体の表面において、前記長手方向と直角をなす方向に、単一の列をなすように複数枚立設し、
前記複数枚立設した紡錘状フィンの前記長手方向の何れかの端部から他方の端部に向かって送風手段によって送風することにより、前記発熱体を冷却する
ことを特徴とする、発熱体の冷却方法。
【請求項９】
前記複数枚立設した紡錘状フィンの隣り合う壁面が凸湾曲状に対向していることによって間隙が狭くなる箇所において、前記送風手段から送風した空気の流速が増加することを利用して、その箇所における前記紡錘状フィンによる冷却効率を、他の箇所と比較して向上させる
ことを特徴とする請求項８に記載の発熱体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の発熱部を冷却する技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、企業での情報処理や、社会でのインターネット利用の進展により、利用者端末との間で情報をやりとりをするたとえば、サーバやワークステーションなどの情報処理装置を含む情報通信関連の電子機器が数多く用いられている。
【０００３】
また、最近、処理する業務データや、音声および動画像などのデータの量が急速に増加するとともに、利用者の利便のために常時稼動するなどに応じて、これらの情報処理装置等が内部に有する各種半導体やデバイスの処理負荷は増え、それとともにこれらの半導体やデバイスは熱を生じる。
【０００４】
したがって、係る情報処理装置等は、その内蔵する各種半導体やデバイスの発熱を適切に冷却するかが、これらを安定的に稼動させるために重要となっている。
【０００５】
また、係る情報処理装置等は、企業の各種データを処理する基幹システムであったり、各種サービスを常時提供したりする社会のいわばインフラになっているので、関連する情報処理装置を含む電子機器が安定的に稼動することによる信頼性がいっそう重要となっている。
【０００６】
また、上述したような、たとえば情報処理装置等を収容するサーバルームなどでは、省電力化の社会的な要請に伴って、空調温度が多少高めの設置環境にあっても安定的に稼動することが期待される場合もあるので、その収容する個々の情報処理装置等の内部の効果的な冷却が必要となっている。
【０００７】
具体的には、サーバやワークステーションなどの情報処理装置が有する中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ；以下、ＣＰＵと称する）や、グラフィック（描画）機能、記憶機能、データ入出力機能、ネットワーク通信機能などの各種の周辺機能を制御する大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ；以下、ＬＳＩと称する）は、動作する際に、上述した機能を制御するＣＰＵやＬＳＩ（以降、ＬＳＩと総称する場合がある）などの半導体および、各種周辺機能デバイスの動作保障温度を越えないように冷却しつつ運用している。
【０００８】
係る情報処理装置の内部を冷却する方法には、空冷、水冷などの技術があるが、装置内部に有するＬＳＩなどからの発熱や、コスト、筐体構造およびメンテナンス性などから、熱を空気中に放散するヒートシンクおよび、その熱を送風によって熱交換するためのモータを使ったファンとを用いることにより冷却する強制空冷を用いる場合が多い。
【０００９】
上述したようなヒートシンクとファンを用いた強制冷却では、たとえば、ヒートシンク自身の表面積を増やしたり、ファンの風量を増やしたり、風速を増速したり、あるいはヒートシンク材料の熱伝導性を向上させるなどにより、冷却効率を改善してきた。
【００１０】
しかしながら、筐体サイズが標準化されていたり、あるいは特定用途向けであったりすることで、その実装容積が限られる情報処理装置を含む電子機器では、冷却効率改善のためのヒートシンクの面積の増大や、ファン口径の増大は、物理的に限界がある。
【００１１】
また、単に、ヒートシンクの面積を増大したとしても、熱伝導による伝熱ロスのために、必ずしも全ての部分が放熱に寄与するとは限らない。
【００１２】
また、ファン口径の増大や、ファン回転数を増加することができたとしても、筐体サイズが大きくなったり、消費電力や、騒音が増加する要因となる。
【００１３】
さらに、熱伝導率がよいヒートシンク材料の適用や、情報処理装置等の装置全体を冷却するファンの他にたとえば、ＬＳＩなどを個別に冷却するファンを追加するのは、一般的に装置を高価にしてしまう。
【００１４】
そこで、たとえばサーバやワークステーションなどの情報処理装置では、装置全体を送風によって冷却しつつ、その送風元の風量は増やすことなしに、その送風を利用してＬＳＩなどの稼動に伴う発熱の増加が顕著なデバイスも含めて安定的に動作する温度範囲に収まるように、効率的に冷却することが期待されるケースがある。
【００１５】
ここで、特許文献１に記載の技術は、ノート型パーソナルコンピュータ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ;以下、ＰＣと称する）が有する小型処理装置（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ；以下、ＭＰＵと称する）の発熱部に面で接触するヒートシンクの反対側の面にファンを搭載することにより、その送風によって発熱部から伝わる熱を強制的に冷却する、発熱素子の冷却装置を開示する。
【００１６】
本特許文献１に記載の技術によれば、ヒートシンクの上面に、鳥の翼の断面形状をしたフィン（以下、翼状フィンと称する）を、垂直に複数枚設けて、その翼状フィンの形状に沿って空気が流れるように、ヒートシンクに組み込んだファンから送風する。
【００１７】
そして、翼状フィンを用いて空気抵抗を減らすことによって、風量の低下を抑制することができるので、放熱効率を高めることができるとともに、空気の流れを円滑にすることによって、乱流を抑制することができるので、翼状フィン部分で発生する騒音を低減することができることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２０００−３３２１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術によれば、フィンの形状を翼状にすることで、風量の低下を抑制することはできるとしても、空気の流速を向上させ、放熱効率をさらに向上させることはできない可能性がある。
【００２０】
その理由は、空気の流れる方向に沿って翼状フィンが延びる長さが短く分断されており、個々の表面積が小さいので、翼状フィンを通して流れる空気に熱を十分伝えにくく、また複数枚の翼状フィンを等間隔で縦横に配置しているので、空気の流れる下流方向に直列的に配置している翼状フィンに、流れる空気が衝突する機会が多く、空気の流速の向上が期待できないからである。
【００２１】
また、上述した特許文献１に記載の技術によれば、複数枚の翼状フィンを等間隔で縦横に一様に配置しているが、必ずしも効率的ではない可能性がある。
【００２２】
その理由は、熱源であるＬＳＩなどが面的に接触するヒートシンクの当該接触箇所（以下、授熱面と称する）からの伝導熱によるヒートシンクの反対面（以下、放熱面と称する）における熱の分布は、伝熱ロスによって、一様ではなく、授熱面の授熱箇所に対応する放熱面の放熱箇所の中央部分が最も温度が高く、当該箇所を中心に周辺部分に行くに従って、温度は下がってゆくため、中央部分から、周辺部分まで、縦横に分散配置する翼状フィンは、放熱効率が悪いためである。
【００２３】
さらに、複数の翼状フィンと、それらに送風するファンとを一体化したヒートシンクを用いることによって、ＬＳＩなどの当該箇所を冷却することはできるとしても、ＬＳＩやＬＳＩを搭載するサブボード、あるいはメモリやストレージなどのその他の熱源を有する装置全体を同時に冷却することは必ずしもできない。
【００２４】
また、ＣＰＵなどを個別に冷却するヒートシンクに搭載した特許文献１に示すようなファンの他に、装置全体を冷却するファンを追加で設けるような場合には、装置サイズが大きくなったり、装置コストが上がる可能性がある。
【００２５】
本発明の主たる目的は、上述した課題を解決するために、断面が紡錘（あるいは、ラグビーボールの様な）形状をした紡錘状フィンを有するヒートシンクを用いた冷却部材および冷却装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記の課題を解決すべく、本発明に係る冷却装置は、長手方向に一端と他端をなし、その長手方向の中央部分の幅が、その他の部位における幅より長く、かつ前記長手方向に平行な断面形状が略紡錘形である紡錘状フィンを、発熱体の表面において、前記長手方向と直角をなす方向に、単一の列をなすように複数枚立設した冷却部材と、前記発熱体の表面と前記複数枚立設した紡錘状フィンの隣り合う壁面とからなる表面を含む間隙を、前記紡錘状フィンの前記長手方向の何れかの端部から他方の端部に向かって空気が沿って流れるように送風する送風手段とを備える。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ヒートシンクの複数枚の紡錘状フィンの間の通風流路を空気が通過する際に、局所的に冷却効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態における冷却部材の構造の概略を示す側面図である。
【図２】図１に示す冷却部材のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクの構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクの構造を示す上面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクを通過する空気の流れを模式的に示す上面図である。
【図６】一般的なヒートシンクと空冷ファンを用いた冷却装置を示す上面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における冷却装置の応用例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における冷却装置による情報処理装置の部品実装基板表面の空気の流れを模式的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の以下の説明では、部材の形状や装置の説明の便宜から、図中に３次元の座標記号を用いることとする。
【００３０】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態の冷却部材について、図１および図２を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態における冷却部材の構造の概略を示す側面図である。
【００３２】
図１に示す冷却部材１は、複数枚の紡錘状フィン２からなり、図面に向かって紡錘状フィン２の下に示す発熱体３と紡錘状フィン２とが物理的および熱的に結合する構造をとっている。
【００３３】
また、図２は、図１に示す冷却部材１のＡ−Ａ断面図である。すなわち図２に示す紡錘状フィン２は、図１に示すように、紡錘状フィン２を立設する発熱体３の表面と平行なＡ−Ａ断面で、紡錘状フィン２を輪切りにした際の上面から見た図である。
【００３４】
図２に示すように、長手方向に一端と他端を有し、長手方向の中央において、長手方向とは直角方向の幅が、その他の部位と比較して長い略紡錘形状をなす板状の部材（フィン）である。
【００３５】
冷却部材１は、この紡錘状フィン２を、単一の列をなすように複数枚並列して立設する構造を有する。また、冷却部材１は、図１に示すように紙面に向かって紡錘状フィン２の下（図中に示す−（マイナス）Ｚ軸方向。以下、同様）に示す発熱体３が発する熱を、複数枚の紡錘状フィン２に伝導するとともに、冷却部材１を設置する環境の空間にその熱を放散する。
【００３６】
そして、図１に示す紡錘状フィン２の長手方向、つまり図１に示す冷却部材１の紙面に向かって手前側、もしくは紙面の向こう側かの何れか（図中に示す±（プラスマイナス）Ｙ軸方向。以下、同様）の方向から、図示していない送風手段を用いて送風することによって、その熱の放散を促進する。
【００３７】
つまり、その送風によって、図２に示す、紡錘状フィン２を立設する発熱体３の面と、複数枚の紡錘状フィン２によって囲まれる各空隙に生じる発熱体３からの伝導熱で暖められた空気を、図中に示す±Ｙ軸方向に追い出すことができる。その際に、図２に示す複数枚の紡錘状フィン２によって挟まれる空間、すなわち通風流路の形状は、紡錘状フィン２の隣り合う壁面が凸湾曲状に対向しているので、その間にある通風流路は、長手方向両端部分の断面積が大きく、中央部分の断面積は小さい形状となっている。
【００３８】
これにより、図示していない送風手段が送風する、図２中に示す±Ｙ軸方向からの空気は、通風流路の入り口と出口が広く、中央部が最も狭い空間を通過することにより、入り口から中央部にかけて、送風した空気の流速は加速する。
【００３９】
これによって、発熱体３から紡錘状フィン２へ伝導する熱の放散は促進される。
【００４０】
なお、図１に示す、複数枚の紡錘状フィン２間の通風流路は、紙面に向かって下側が発熱体３の発熱面であり、紙面に向かって上側が紡錘状フィン２の開放端部で、左右は紡錘状フィンの隣り合う壁面からなる略Ｕ字状の構造であり、紡錘状フィン２が立設する発熱体３の表面から、紡錘状フィン２の開放端部までの長さが極端に短くない限り、図中に示す±Ｙ軸方向から送風した空気によって、複数枚の紡錘状フィン２間の通風流路にある暖められた空気は、送風が流入する方向とは反対側の図中に示す±Ｙ軸方向の何れかの方向に追い出すことができる。
【００４１】
すなわち、本実施の形態に係る冷却部材によれば、複数枚の紡錘状フィンの間の通風流路を空気が通過する際に、風速が向上することにより、局所的に冷却効率を向上することができる。
【００４２】
なお、図１および２に示す、紡錘状フィン２の構造や枚数は、本実施形態の冷却部材１の構造を説明するための一例であり、本発明は係る構造や枚数に限定しているわけではない。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
次に、第１の実施形態を基本とする第２の実施形態について説明する。
【００４４】
本発明の第２の実施形態の冷却装置であるヒートシンクについて、図３乃至図６を参照して説明する。なお、以下の説明においては、本実施形態に係る特徴的な部分を中心にさらに詳しく説明するとともに、第１の実施形態の構成と同一の部分には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
図３は、本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクの構造を示す斜視図である。また、図４は、本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクの構造を示す上面図である。
【００４６】
図３に示すヒートシンク５は、ＬＳＩなどの発熱体と、図示していない授熱面で接触する所定の熱伝導率および縦と横と厚さとを有するベースとなる矩形平板であるベースプレート４と、そのベースプレート４の授熱面とは反対側の面である放熱面に垂直に、紡錘状フィン２を、複数枚、所定の間隔で、ベースプレート４に一体的に設けている。
【００４７】
また、図４に示すように、紡錘状フィン２は、ベースプレート４の放熱面と平行な面で切った断面形状が、上面視略紡錘形状をした板状の部材である。
【００４８】
また、紡錘状フィン２とベースプレート４は、同じかもしくは同等の材質および熱伝導率を有する。
【００４９】
なお、図３および４に示す、紡錘状フィン２の構造や枚数は、本実施形態のヒートシンク５の構造を説明するための一例であり、本発明は係る構造や枚数に限定しているわけではない。
【００５０】
ここで、上述したベースプレート４が発熱体と面で接触する図示していない授熱面は、たとえば、図示していないＬＳＩを構成するとともに、そのＬＳＩなどが動作することによって熱を生じる発熱部である半導体チップのシリコンのダイもしくは、そのダイを物理的な破損から保護するように覆うとともに、ダイの熱を伝導する、ダイの面積より広い金属製などのケース（いわゆる、ＣＰＵやＬＳＩのヒートスプレッダ。以下、同様）の表面に、面で接触する。
【００５１】
その際に、熱伝導率が良好なシリコングリスなどを介して所定の押圧で当接することにより、低い熱抵抗で熱的に結合する。
【００５２】
また、ベースプレート４およびベースプレート４の放熱面に立設する紡錘状フィン２の材質は、たとえば、熱伝導率、加工性、コストなどの観点から金属性の材料を用いることができる。
【００５３】
その種類としては、アルミニウム、銅、あるいは、これらを主成分とした合金などである。
【００５４】
ただし、上述の材質に限定しているわけではなく、図３および図４には図示していない、後述する空気を送風するファンによって冷却対象をその動作保障温度の範囲に維持しうる材料であれば、他のたとえば、セラミック、石材等の既存の材料であってもよい。
なお、説明の都合上、代表的な送風手段としてファンを記載するが、送風できる送風手段であればファン以外の送風手段でもよい（以下の説明においても同様である）。
【００５５】
また、ベースプレート４と、紡錘状フィン２を一体的にする工法については、たとえば金属性の材料であれば、鋳造（いわゆる、ダイキャスト）、削り出しなどの既存の一体的に成型する工法を用いることが可能であり、目的とするヒートシンク５のサイズ、コストおよび製造数量などの条件に応じて、選択すればよい。
【００５６】
たとえば、多数個を製造するのであれば、コストを安価にすることができる金型を用いた鋳造の工法を採用することができる。
【００５７】
また、ベースプレート４と紡錘状フィン２の部材が別々であって、組み合わせる場合の、接合工法としては、ベースプレート４の放熱面に、図示していない、紡錘状フィン２の断面形状より僅かに小さい形状と、所定の深さからなる溝を、紡錘状フィン２の枚数分掘っておき、そこに紡錘状フィン２を圧入する勘合技術、あるいは、上述の勘合技術を用いて勘合した後、ベースプレート４と紡錘状フィン２との付け根部分を、たとえば金属性の材料であれば溶接可能な、たとえばアルミハンダなどの合金材料を溶かしてベースプレート４と紡錘状フィン２とを接合する蝋付け技術などの既存の技術を用いてもよい。
【００５８】
なお、熱伝導性の観点から、上述したような熱伝導性の良好な同一の材料で一体的に成型することが望ましいが、部材を接合する場合は、接合によりベースプレート４の部材から紡錘状フィン２の部材への熱伝導率の低下が顕著でなく、後述するファンからの送風による冷却によって、冷却対象が動作保障温度範囲を維持できるような工法を選べばよい。
【００５９】
また、ベースプレート４のサイズ、紡錘状フィン２の中央部分の厚みを含むサイズ、隣り合う紡錘状フィン２間の間隔の各寸法および、ベースプレート４と紡錘状フィン２の熱伝導率、冷却ファンの送風する風量、風速、紡錘状フィン２の枚数、紡錘状フィン２の表面の平滑度などは、装置を設置する環境において、冷却対象の熱源の発熱量と、その熱源からの伝導熱を後述するファンからの送風によって冷却することで、その冷却対象を動作保障温度の範囲内に維持するように決めればよい。
【００６０】
また、ベースプレート４の放熱面から、紡錘状フィン２の開放端までの長さ（図４中に示す＋（プラス）Ｚ軸方向。以下、同様）は、上述した諸条件のほかに、紡錘状フィン２の開放端部から空気が流出しにくい、紡錘状フィン２の長手方向の長さ程度の長さがあればよく、もしその長さを確保できない場合は、後述する応用例で説明する紡錘状フィン２の上部を閉塞する構造を適用することにより、開放端部からの空気の流出を抑制することが可能である。
【００６１】
また、ベースプレート４の放熱面から、垂直に立ち上がる紡錘状フィン３との付け根部分は、反対側の授熱面からの伝導熱を、より伝達しやすくするために、図示していない裾野（ベースプレート４の放熱面の表面から立設する紡錘状フィン２の側壁への移行が、境界部分を中心に丸みを帯びて立ち上がるような）形状に紡錘状フィン２の付け根部分を太くする既存の手法を用いて、放熱性能をさらに向上するようにしてもよい。
【００６２】
続いて本実施形態における動作について説明する。
【００６３】
図５は、本発明の第２の実施形態におけるヒートシンクを通過する空気の流れを模式的に示す上面図である。
【００６４】
図５は、一般的なフィンとの相違点を判り易くするため、紡錘状フィン２と、一般的なフィン（図６の２３）とをベースプレート４の放熱面と平行な面で切った断面を上下に有する、形状比較用フィン３０を用いて対比している。つまり、形状比較用フィン３０の紙面に向かって上半分は紡錘状であり、下半分は一般的な平坦形状のフィンを示している。
【００６５】
また、図５に示す、上下の点線は、形状比較用フィン３０の上半分の紡錘状フィンとの間、または、下半分の平坦形状のフィンとの間で空気の流れを閉塞する仮想的な壁であり、すなわち実際の隣り合うフィンの壁面にそれぞれ対応する。これらの壁面に挟まれてフィンの入り口に向かって、図示していないファンからの空気が、一定の風量ｍおよび一定の風速ｖで流入する場合で比較する。
【００６６】
図５の上半分に示す紡錘状フィン側は、長手方向の入り口と出口に比べて、中央部分は、壁との距離が短いので、ここを空気が通過する際の通風流路の断面積は小さくなる。これによって、通風流路の入り口から中央部分にかけて局所的に風速が増加し、選択的に冷却効率を高めることが出来る。
【００６７】
一方で、図５の下半分に示す一般的な平板形状のフィン側は、入り口、出口、中央部分の壁との距離が一定であるため、風速は増加しない。
【００６８】
これについて、数式を用いて、以下にさらに詳しく説明する。
【００６９】
つまり、一般的な平板形状のフィン（図５に示す形状比較用フィン３０の下半分。以下、同様）で、単位時間当たりに与えられた平面を通過する物質の質量は、質量流量（Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ；単位はＫｇ／ｓ）の法則から、以下の式が成り立つ。
【００７０】
質量流量  ｍ＝ρ×Ｓ×ｖ      ・・・・・・（式１）、
ここで、ρは流体の密度、Ｓは流体経路の面積、ｖは流体の速度である。
【００７１】
係る式１において図示していないファンから送風する空気の流量ｍ、密度ρ、速度ｖが一定である場合、フィンの中心から閉塞する壁までの距離が等しい領域で、式１が成り立つ。
【００７２】
つまりフィンが平坦な形状であれば、どの通風流路の位置においても、流体経路の面積Ｓは一定なので、速度ｖも一定である。
【００７３】
しかしながら、本実施形態で述べるフィンの長手方向の途中にフィンの中心から閉塞する壁までの距離が異なる領域を有する場合は、次式で説明される。
【００７４】
ｍ＝ρ×Ｓ×ｖ＝ρ×Ｓ’×ｖ’      ・・・・・・（式２）、
ここで、Ｓ’はフィン中央部分の通風流路が狭くなった部分の面積、ｖ’は同じくフィン中央部分の通風流路が狭くなった部分の流体の速度である。
【００７５】
係る式２は、空気が通過する断面積が異なることにより風速ｖを変化させることができることを示している。つまり、紡錘状フィン（図５に示す形状比較用フィン３０の上半分。以下、同様）側を通過する際の通風流路の断面積ＳをＳ’に小さくすることは、当該箇所の流体速度をｖ’に高めることが可能となることを示している。
【００７６】
具体的には、通風流路の断面積が入り口と出口で同じとし、通風流路の中央付近の断面積が、入り口と出口に比べて半分であれば、当該部分を通過する空気の流速は２倍となる。
【００７７】
なお、ベースプレート４の放熱面から紡錘状フィン２の開放端部までの長さが極端に短くなければ、紡錘状フィン２開放端部から溢れる空気はそれほど多くないので上述のように流速を上げることができる。もし、紡錘状フィン２の開放端部から溢れる空気が多い場合は、後述するような開放端部を塞ぐような機構を設ければよい。
【００７８】
これによって、複数枚の紡錘状フィンは、表面からの熱の放出を促進することができる。
【００７９】
また、発熱に伴う流体の温度上昇（ΔＴ）は、次の式３で表され、流体速度の増加によって温度上昇が抑制されることが分かる。
【００８０】
ΔＴ＝Ｑ／（Ｃ×Ａ×ｖ×ρ）      ・・・・・・（式３）、
ここで、Ｑは流体の発熱量、Ｃは流体の比熱、Ａは流体が沿って流れる物体の熱交換部分の面積である。つまり、Ｑ、Ｃ、Ａ、ρを一定とすると、式２において、面積Ｓを半分にすると、流速ｖは２倍になるので、式３から、温度上昇（ΔＴ）は、半分に抑制される。
【００８１】
ここで、図６は、一般的なヒートシンクとファンを用いた冷却装置を示す上面図である。
【００８２】
図６に示すように、一般的なヒートシンク２１は、一般的なヒートシンクのベースプレート２２に、一般的なヒートシンクのフィン２３が複数枚、立設している。一般的なヒートシンク２１が、ＬＳＩなどの発熱体から授熱面で受けて伝導する熱は、反対側の放熱面の対応する箇所に、一般的なヒートシンクの放熱領域２４となって現れる。
【００８３】
しかしながら、一般的なヒートシンク２１のフィン２３では、ヒートシンク２１の放熱領域２４において、その放熱領域２４は平坦形状であるため、風速ｖは増速しない。つまり、一般的なヒートシンク２１では、複数枚のフィンのピッチを狭くするだけでは風速を向上することはできない。
【００８４】
また、高い温度は、一般的なヒートシンクの放熱領域２４の中央部を中心に分布するケースが多く、一般的なフィン２３の場合は、中央部分でも容積は一定であるので、紡錘状フィン２に比べて熱伝導への寄与は少ない。
【００８５】
すなわち、本実施形態におけるヒートシンクは、ヒートシンクのフィンを紡錘状にすることで空気の速度を局所的に向上することができる。その際にファン１４からの空気は、紡錘状フィン２に入る瞬間から空気を加速し、紡錘状フィン２の中央部分で速度を最も早くすることができる。その結果、複数枚の紡錘状フィン２の中央部付近での冷却効率を向上させることができる。
【００８６】
また、ＬＳＩなどの発熱体は、一般的にヒートシンクの中央付近の授熱面において接触するので、熱交換はフィンの中央付近で局所的におこなわれる。したがって、長手方向の中央部分の幅が厚くて容積が大きい紡錘状フィン２は、ヒートシンクの周辺部分を含めて表面積を単に増やすよりも、ヒートシンクの熱交換の効率を上げるのに効果的である。
【００８７】
また、システム全体の風速は変更することなく、発熱体に対して選択的に冷却効率を向上することができる。
【００８８】
また、変形例として、図７に示す、本実施形態における冷却装置の応用例の斜視図のように、装置筐体の構造面の制約などから、ベースプレート４の放熱面から、紡錘状フィン２の開放端までの長さが短い場合に、紡錘状フィン２の開放端部から空気が流出しにくいように規制する図７に示すようなベースプレート４もしくは紡錘状フィン２と同じ材質の蓋、すなわち開放端部閉塞蓋１５を紡錘状フィン２の開放端部に適用することにより、開放端部からの空気の流出を抑制することが可能である。
【００８９】
これにより、紡錘状フィン２の開放端部までの長さが短い場合でも、空気はベースプレート４、隣り合う紡錘状フィン２、および上述の開放端部閉塞蓋１５によって囲まれるトンネルの様なほぼ閉塞された通風流路を通過するので、紡錘状フィン２の中央部にかけて流速は加速しやすくなるという効果を得ることができる。その際に、開放端部閉塞蓋１５は、たとえばベースプレート４と閉塞蓋止具１６を用いて、紡錘状フィン２の開放端部を塞ぐ位置に固定すればよい。
【００９０】
なお、上述した開放端閉塞蓋１５は、ヒートシンク５の開放端部に近接する図示していない装置筐体の一部であるカバー等によって代用してもかまわない。その際、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【００９１】
また、別の変形例として、紡錘状フィン２は、発熱部から放熱面への伝導熱の伝播状況、およびファンの風速に応じて、ヒートシンク５の周辺部分での配置間隔を疎にすることで、温度の高い領域が集中する中央部分は集中的に冷却を行いつつ、さほど熱が集中しない周辺部分には紡錘状フィン２を設ける必要が無くなり、フィンを含むヒートシンクの材料やコストを削減することができる。
【００９２】
また、紡錘状フィン２の長手方向の両端形状は流線型であるので、送風された空気が流入および、流出する際に、図６に示す一般的なヒートシンクのフィン２３と比較して乱流が発生しにくく、その乱流に伴う騒音は低減される。
【００９３】
図８は、本実施形態における情報処理装置の部品実装基板表面の空気の流れを示す上面図である。
【００９４】
図８に示すように、コンピュータ基板１０は、ＣＰＵ１３の上に搭載したヒートシンク５、ＬＳＩ９を搭載した拡張ボード６、メモリ７、ストレージ８などの発熱源となりうる各種デバイスを、コンピュータ基板１０の表面およびその近傍に実装している。
【００９５】
また、ＣＰＵ１３は、図示していないＣＰＵ１３の半導体シリコンのダイもしくは、そのダイと熱的に結合しているＣＰＵ表面の金属などのケースの直上に、適量のシリコングリスを介して、ヒートシンク５を適切な圧力で搭載しつつ固定している。
【００９６】
ファン１４は、コンピュータ基板１０の面と同じ水平面の位置にあって、図８に示すコンピュータ基板１０に向かって風速ｖ１１で送風する。
【００９７】
ファン１４からの送風は、コンピュータ基板１０に搭載する、たとえばＣＰＵ１３に搭載したヒートシンク５の紡錘状フィン２の長手方向（図８中に示す、−Ｙ軸方向）から所定の風量と風速で送風する。ここで、複数枚の紡錘状フィン２に図面に向って左から流入して中央部を通過する際の風速は、風速ｖ＋α１２となり、＋α分増速する。
【００９８】
また、ファン１４からの送風は、コンピュータ基板１０が搭載しているデバイスをなるべく、一定の風量を一定の風速で万遍なく送風するように、平行な風に調整されることが望ましいが、コンピュータ基板１０に搭載している各々のデバイスが、所定の風量および風速によって動作保障温度の範囲で冷却されればよい。
【００９９】
なお、コンピュータ基板１０内での送風の空気が、基板上の部品に衝突することにより流速の低下を起こすことおよび、途中の部品を冷却するのに伴って、それによる熱交換によって、空気の温度が徐々に上昇することについては、冷却対象の各デバイスが動作保障温度範囲内に冷却される目的が達成されることに対して無視しうる。
【０１００】
同様に、空気の粘性、通風流路での流入抵抗、圧力損失、空気の気体密度、および空気の圧縮や減圧に伴う温度変化などは、冷却対象のデバイスが、動作保障温度範囲内で冷却される目的が達成されることに対して無視しうる。
【０１０１】
すなわち、本実施の形態に係るヒートシンクによれば、複数枚の紡錘状フィンの間の通風流路を空気が通過する際に、風速が向上することにより、局所的に冷却効率を向上することができる。また、システム全体の風速は変更することなく、発熱体の選択的な冷却効率向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、搭載するＬＳＩなどの発熱部を、強制空冷により冷却するサーバやワークステーションおよび、ファクトリオートメーションなどの産業機器等に用いられる情報処理装置等を含む電子機器に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１    冷却部材
２    紡錘状フィン
３    発熱体
４    ベースプレート
５    ヒートシンク
６    拡張ボード
７    メモリ
８    ストレージ
９    ＬＳＩ
１０    コンピュータ基板
１１    風速ｖ
１２    風速ｖ＋α
１３    ＣＰＵ
１４    ファン
１５    開放端部閉塞蓋
１６    閉塞蓋止具
２１    一般的なヒートシンク
２２    一般的なヒートシンクのベースプレート
２３    一般的なヒートシンクのフィン
２４    一般的なヒートシンクの放熱領域
３０    形状比較用フィン
【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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