ヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板
【課題】本発明は、耐久性や信頼性を損なうことなく、基体における温度勾配を効果的に低減することで、発熱体の温度上昇を低減する（すなわち、発熱体の冷却効果を高める）ヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板を提供する。
【解決手段】 本発明のヒートシンク１０は、発熱体１４と対向し、発熱体１４から熱を奪う基体１１を備え、基体１１において、発熱体１４と対向する対向部分１２の熱抵抗が、対向部分１２の周囲である周囲部分１３の熱抵抗よりも高い。
【解決手段】 本発明のヒートシンク１０は、発熱体１４と対向し、発熱体１４から熱を奪う基体１１を備え、基体１１において、発熱体１４と対向する対向部分１２の熱抵抗が、対向部分１２の周囲である周囲部分１３の熱抵抗よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの発熱体を冷却するヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、産業機器および自動車などには、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの種々の発熱性の高い素子や電子部品が使用されている。これらの素子や電子部品内部を流れる電流が、これらの素子や電子部品を発熱させるからである。
【０００３】
素子や電子部品は、その発熱が一定温度以上となると、動作保証ができなくなる問題もあり、他の部品や筐体へ悪影響を及ぼし、結果として電子機器や産業機器そのものの性能劣化を引き起こす可能性がある。
【０００４】
このような発熱体の冷却のために、複数のフィンを有するヒートシンクを用いることが従来より行われ、種々の形状や工夫を有するヒートシンクが提案されている。
【０００５】
ここで、ヒートシンクは発熱体から放熱される熱を奪いとり、その上でフィンから空気中に放熱して発熱体を冷却すると把握されている。この観点に基づき、種々のヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【０００６】
特許文献１は、フィンのそれぞれの高さは、軸流ファンの回転軸を含む側板に対して垂直な面と交わる部分が最も低い（請求項４、段落００１４、００１９、００２３、００２５など）ヒートシンクを開示している。あるいは、特許文献１は、軸流ファンの回転軸を含み側板に対して垂直な面と交わる部分から離れるに従って、フィンのそれぞれの高さが高くなるヒートシンク（段落００２１、００２７、００３２など）を開示している。
【０００７】
特許文献２は、発熱体が接する中央付近に設けられている放熱フィンを集中的に冷却することで、全体としての冷却効果を高めるヒートシンクを開示している。すなわち、発熱体は基体の裏側の面の中央部に取り付けられやすく、基体から放熱フィンに熱が伝導する際に、対応する中央部付近の放熱フィンの熱分布率が高まることを利用したヒートシンクが開示されている。
【０００８】
特許文献３は、基体の中央から放射線状に所定間隔でフィンを配置した放熱板を開示している。加えて、特許文献３は、フィン毎に高低差をつけた放熱板を開示している。
【０００９】
特許文献４は、ヒートシンクを構成する基体が、中央ほど低くなる凹面を形成する放熱器を開示している。凹面の基体により、放熱フィンの基体からの突出高さは、基体中央の方が高くなり、周辺部のフィンとの間に圧力損失の差分が生じる。この圧力損失の差分により、冷却ファンから創出された冷却風が、ヒートシンクの中央部に集中して、発熱量の高い中央部が効率的に冷却されることになる。
【００１０】
特許文献５は、基体にスリットを設けたヒートシンクを開示している。特に、受熱面の反対側に突出する伝熱プレート上に受熱面に沿うように第１のスリットが設けられ、伝熱プレートの側面に受熱面と直交する方向に第２のスリットが設けられているヒートシンクが開示されている。加えて、特許文献５は、第１のスリットと第２のスリットの深さを変えることにより、冷却効果を高めるヒートシンクを開示している。
【００１１】
特許文献６は、軸流ファンの中心軸線上にコア部が設けられ、コア部に対して放射方向に薄板状フィンが設けられたヒートシンクを開示している。
【特許文献１】特開２００６−２３７３６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１８９２号公報
【特許文献３】特開平８−１９５４５３号公報
【特許文献４】特許第２７４４５６６号公報
【特許文献５】特開２００３−０８６９８４号公報
【特許文献６】特開２００５−２７７１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これら従来技術はいずれも、発熱体の熱をヒートシンクの基体からフィンに効率よく伝導させて冷却効率を高めることに主眼が置かれている。特に、発熱体は、ヒートシンク裏面の中央部に接することが多い。このため、従来では、この中央部を中心に冷却することで、全体としての冷却効果を高める技術的視点に立った技術が多い。
【００１３】
ここで、発熱体が生じさせる発熱温度の詳細について説明する。
【００１４】
発熱体の冷却というと、発熱体が放熱した温度からの低減量の程度を考えてしまいがちである。しかし発熱体による発熱の問題は、温度の低減量で解決の度合いを測るのではなく、環境温度（室温）に対して発熱体がどの程度の温度差を有し、その結果発熱体の温度が基準値を超える問題を生じさせるかどうかで測るべきである。すなわち、発熱体が生じさせている温度を基準に冷却を論じるのではなく、室温を基準に発熱体の温度を論じるべきである。言い換えると、発熱体の温度をどの程度冷却できるかというよりも、発熱体の温度上昇をどの程度抑えることができるかという、積算的な考え方でヒートシンクの性能を論じるべきである。
【００１５】
図２０は、ヒートシンクと発熱体との温度変化を示す模式図である。
【００１６】
ヒートシンクは、基体２０１とフィン２０２を備える。発熱体２００は、基体２０１の裏面（受熱面）の中央部に接している。ここで、発熱体２００の温度は、室温を基準にすると次のように算出される。図２０に示されるように、フィン２０２の外部は、室温と同じ温度である。発熱体２００の熱は、基体２０１に伝導する。基体２０１の熱は、フィン２０２に伝導する。フィン２０２の熱は、外部環境へ放熱される。
【００１７】
ここで、室温を基準に発熱体２００の温度を考えると、外部環境からフィン２０２の間で生じている温度勾配（発熱体２００からの熱を放熱しているということは、外部環境に対してフィン２０２の根元までの温度差を考慮することでも発熱体２００の温度を測ることができる）はΔＴ１である。同様に、フィン２０２の根元から基体２０１の受熱面までの温度勾配は、ΔＴ２である。更に、基体２０１の受熱面から発熱体２００までの温度勾配はΔＴ３である。すなわち、室温を基準とした場合の発熱体温度は、ΔＴ１＋ΔＴ２＋ΔＴ３で定まる。このΔＴ１からΔＴ３までの合計により定まる発熱体温度が、所定値を超えると、発熱体たる電子部品や素子の動作不良などが生じる。
【００１８】
特許文献１〜６に代表される従来の技術は、方針（１）発熱体の熱を基体がフィンに伝導する伝導速度を高める、方針（２）発熱体が接する基体の中央部付近の冷却効果を高める、ことに注力していたと考えられる。
【００１９】
しかしながら、方針（１）に注力すると、発熱体の熱は、基体の厚み方向に単一に伝導しやすくなり、基体における厚み方向の熱流束の低減効果が弱まる問題が生じる。この厚み方向の熱流束の低減効果が弱まると、基体における温度勾配の低減効果も弱まる問題がある。基体における温度勾配は、熱の伝導しやすさを示す熱流束と基体の熱抵抗の乗算で決定されるからである。
【００２０】
従来の技術では、この熱抵抗を下げるために、特許文献２のように基体の形状に着目したり、特許文献１や３のようにフィンの高さに着目したりしていた。この結果、基体の厚み方向の熱抵抗は小さくなるが、熱抵抗が小さくなることで熱流束が大きくなり、結果として温度勾配が大きくなってしまう。
【００２１】
一方、方針（２）は、特許文献４のように中央部付近を集中的に冷却する技術として現れている。この場合でも、基体の厚み方向のみの熱移動に注力されているので、厚み方向に熱抵抗が小さくなる。しかしながら、熱流束が大きくなり、結果として温度勾配が大きくなってしまう。図２０から明らかな通り、発熱体の温度上昇を抑えるには、基体とフィンの両方に対する考慮が必要であるのに、従来の技術では、基体における温度勾配に対する考慮が低かったと考えられる。
【００２２】
更に、たとえば特許文献４では、基体を凹面にすることで、耐久性が悪くなるという問題も生じさせていた。
【００２３】
すなわち、従来の技術では、基体の厚み方向の熱流束低減が阻害されると同時に、ヒートシンク自体の耐久性や信頼性を損なうという二重の問題を有していた。
【００２４】
そこで本発明は、耐久性や信頼性を損なうことなく、基体における温度勾配を効果的に低減することで、発熱体の温度上昇を低減する（すなわち、発熱体の冷却効果を高める）ヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板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】
【００２５】
本発明のヒートシンクは、発熱体と対向し、発熱体から熱を奪う基体を備え、基体において、発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、基体における温度勾配が低減するので、室温を基準とした発熱体の温度上昇が抑えられる。
【００２７】
更に、本発明のヒートシンクによれば、構造上における耐久性や信頼性を損なうことも少ない。
【００２８】
また、発熱体となりうる電子部品や素子の温度上昇が抑えられることで、これらを実装する電子基板、電子機器、産業機器や自動車などへの悪影響も抑えられる。結果として、これら電子機器や産業機器などの性能および信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の第１の発明に係るヒートシンクは、発熱体と対向し、発熱体から熱を奪う基体を備え、基体において、発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高い。
【００３０】
この構成により、基体内部で熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体内部の熱流束ｑｘが低減され、基体における温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００３１】
本発明の第２の発明に係るヒートシンクでは、第１の発明に加えて、対向部分は、周囲部分よりも熱抵抗の高い素材で形成されている。
【００３２】
本発明の第３の発明に係るヒートシンクでは、第１から第２のいずれかの発明に加えて、対向部分は、複数の孔を備える。
【００３３】
これらの構成により、基体の対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。
【００３４】
本発明の第４の発明に係るヒートシンクでは、第１から第３のいずれかの発明に加えて、基体は発熱体と対向する受熱面と、受熱面と対向する放熱面を有し、放熱面は、複数のフィンを備え、対向部分に対応する放熱面の領域である第１領域に備えられたフィンの熱抵抗は、周囲部分に対応する放熱面の領域である第２領域に備えられたフィンの熱抵抗よりも高い。
【００３５】
この構成により、基体およびフィンにおける対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体およびフィン内部の熱流束ｑｘが低減され、基体およびフィンにおける温度勾配を低減できる。
【００３６】
本発明の第５の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられた単位面積あたりのフィンの個数は、第２領域に備えられた単位面積あたりのフィンの個数よりも少ない、
本発明の第６の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられたフィンの総体積は、第２領域に備えられたフィンの総体積よりも小さい。
【００３７】
これらの構成により、基体およびフィンにおける対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体およびフィン内部の熱流束ｑｘが低減され、基体およびフィンにおける温度勾配を低減できる。
【００３８】
本発明の第７の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられているフィンの個数は、０個である。
【００３９】
この構成により、対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも非常に高くなる。また、ヒートシンクの製造も容易となる。
【００４０】
本発明の第８の発明に係るヒートシンクでは、基体において放熱面と交差する基体の側面が、更にフィンを備える。
【００４１】
この構成により、対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。加えて、側面のフィンにより、基体が発熱体からの熱を面方向に積極的に拡散するようになる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列かつ面方向に構成され、熱流束が低減できる。熱流束が低減できることで、基体およびフィンでの温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００４２】
本発明の第９の発明に係る冷却モジュールは、受熱面と放熱面を有する平板型の基体と、受熱面に対向して配置された平板型ヒートパイプを備え、基体において、平板型ヒートパイプと対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高く、平板型ヒートパイプは、内部に封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却する。
【００４３】
この構成により、平板型ヒートパイプと相まって発熱体の温度上昇を更に抑制できる。特に、基体内部で熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体内部の熱流束ｑｘが低減され、基体における温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００４４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００４５】
なお、本発明の各実施の形態の説明に先立ち、発明者により発明された本発明の概念を、従来技術との比較により説明する。
【００４６】
（本発明の概念）
発熱体が周囲環境の温度である室温よりも高くなることの算出について説明する。図２０で説明したとおり、発熱体の室温に対する温度差は、室温とフィンとの間で生じる温度勾配ΔＴ１、フィンと基体との間で生じる温度勾配ΔＴ２、基体と発熱体との間で生じる温度勾配ΔＴ３の積算により定まる。
【００４７】
ここで、温度勾配の算出について説明する。
【００４８】
外部環境とフィンとの間の温度勾配は、対流伝熱によって定まり、フィンからの放熱速度Ｑは、ニュートンの冷却の法則に基づいて（数１）で算出される。
【００４９】
【数１】
【００５０】
ここで、ｈは熱伝達係数［Ｗ／ｍ２・Ｋ］、Ａは、フィン面積［ｍ２」、ΔＴは、フィン表面温度と室温との温度差［Ｋ］（すなわち温度勾配）である。
【００５１】
（数１）から明らかな通り、熱伝達係数ｈを増加させるか、フィン面積Ａを大きくすることで、加熱速度Ｑが向上する。
【００５２】
一方、ΔＴ２，ΔＴ３を決定するのは、フィンおよび基体の内部における熱の伝導によって定まり、フーリエの熱伝導の法則より、例えば熱伝導方向をｘとすると、ｘ方向への熱流束ｑｘは、（数２）により与えられる。
【００５３】
【数２】
【００５４】
ここで、ｋは熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。
【００５５】
（数２）を一次近似して、（数３）を得る。
【００５６】
【数３】
【００５７】
（数３）より、熱伝導経路長Δｘにおいて生じる温度勾配ΔＴは、次の（数４）で算出される。
【００５８】
【数４】
【００５９】
ｑｘは熱流束であり、Δｘ／ｋ（ｋは物質により決まる定数である）は、熱抵抗である。
【００６０】
（数４）は、電気抵抗と電流から電位差が得られるオームの法則と同等の構成となっている。例えば、左辺｜ΔＴ｜を電位差とすれば、右辺ｑｘは電流値に対応し、Δｘ／ｋは電気抵抗に対応する。電位差は、電流（数４ではｑｘが対応する）と電気抵抗（数４では、Δｘ／ｋが対応する）の乗算で決定される。電位差を小さくするためには、電流を小さくすることおよび電気抵抗を小さくすることの少なくとも一方が必要である。
【００６１】
電位差を温度勾配ΔＴに置き換えると、（数４）から明らかな通り、熱流束ｑｘおよび熱抵抗Δｘ／ｋの少なくとも一方を小さくする必要がある。
【００６２】
従来の技術においては、上述の通り、熱抵抗を低減することのみに注力されており、熱流束への着眼点が少なかったと、発明者は考えた。さらに、ヒートシンクは、フィンと基体の２つの要素を備えているが、基体は厚み方向だけで熱伝導をするのではなく、面方向にも熱伝導を行う。発明者は、従来の技術ではこの基体の面方向への熱伝導の考慮がほとんどされていないことにも着目した。
【００６３】
この着眼に基づき、本発明は、基体が発熱体からの熱を熱伝導させる際に、基体の面方向も活用する並列的な熱伝導を利用する。熱伝導の経路が基体内部で並列となることで、熱流束ｑｘは、直列的な熱伝導の場合よりも小さくなる。すなわち、（数４）における熱流束ｑｘが小さくなるので、基体における温度勾配ΔＴは小さくなる。なお、熱抵抗Δｘ／ｋは、基体を構成する物質の物性および基体の厚みのみで決まるので、熱流束ｑｘが小さくなることは、熱抵抗に影響を及ぼさない。
【００６４】
図１は、従来の技術と本発明の熱伝導の概念を示す模式図である。
【００６５】
図１（ａ）は、従来の技術における基体内部の熱伝導の概念を示し、図１（ｂ）は、本発明における基体内部の熱伝導の概念を示す。
【００６６】
図１（ａ）より明らかな通り、従来技術では、発熱体１からの熱は、基体２内部において、発熱体１の設置場所に対応してほぼ基体中央を直列的に伝導する。発熱体１からの熱は、熱伝導経路４を経由してフィン２に伝導する。熱は、熱伝導経路４を経由して、ほぼ直列的にフィン２に伝導するので、熱伝導経路４における熱流速ｑｘは大きな値となる（直列接続の場合の電流値が大きくなるのと同じ理論である）。
【００６７】
これに対して、図１（ｂ）より明らかな通り、本発明は基体２内部を、発熱体１からの熱が並列に分配されて（すなわち面方向にも分配されながら）厚み方向を移動する。熱伝導経路５は、図１（ｂ）に示されるとおり、並列に分配される。熱伝導経路５が並列に分配されることにより、分配された熱伝導経路毎の熱流束ｑｘの値は小さくなる（並列接続の場合の電流値が小さくなるのと同じ理論である）。熱抵抗は、上記の通り基体２の物性と厚みのみで定まるので、熱流束ｑｘが小さくなれば、基体２における温度勾配は小さくなる。
【００６８】
このように、基体２の面方向を活用して熱流束ｑｘの値を低減させることで、基体における温度勾配を低減させる概念は従来技術には無かった。基体における温度勾配が低減すれば、発熱体から基体、基体からフィン、フィンから外部環境のそれぞれの境界での温度勾配の積算により算出される発熱体の温度上昇が抑えられることになる。
【００６９】
発明者は、従来の技術の問題点について、論理的な検討を加えることにより、本発明を支持する理論を発明した。図１は、この理論を概念として示しており、以下に説明する種々の実施の形態により実現される。
【００７０】
以下、種々の実施の形態について説明する。
【００７１】
（実施の形態１）
実施の形態１について、図２〜図４を用いて説明する。
【００７２】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるヒートシンクを上から見た上面図である。
【００７３】
図２（ａ）に示されるヒートシンク１０は、基体１１を備えている。基体１１は、受熱面１６と放熱面１７を備え、受熱面１６は、発熱体１４と対向する。発熱体１４は、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの電子部品や素子などを含む。図２では、発熱体１４は、単体で表されているが、複数の部品や素子を含んでいても良い。
【００７４】
基体１１は、受熱面１６で発熱体１４と接し、発熱体１４からの熱を奪う。基体１１は、発熱体１４からの熱を伝導し、放熱面１７に伝達させる。
【００７５】
ここで、基体１１は、発熱体１４と対向する対向部分１２と、対向部分１２の周囲である周囲部分１３とを備える。対向部分１２における熱抵抗（数４のΔｘ／ｋ）の値は、周囲部分１３における熱抵抗よりも高い。
【００７６】
基体１１の熱抵抗が、基体１１全体で一様であると、図１（ａ）に示されるように、熱伝導経路は、直列になってしまう。しかしながら、図２に示されるように、対向部分１２の熱抵抗が、周囲部分１３の熱抵抗よりも高いことで、発熱体１４からの熱は自然と基体１１の周囲部分に分配されることになる。発熱体１４からの熱は、熱抵抗の低い周囲部分１３に逃げようとするからである。結果的に、熱伝導経路が並列になりやすい。
【００７７】
図２（ａ）には、熱伝導経路２０、２１が示されている。対向部分１２にける熱伝導経路２０は、発熱体１４から直接的に基体１１の厚み方向にかけて、熱を伝導させる。一方、周囲部分１３における熱伝導経路２１は、発熱体から面方向に分配させた上で、放熱面１７に、熱を伝導させる。このように、基体１１においては、熱伝導経路が、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１とに並列的に形成される。
【００７８】
本発明の概念での説明および（数４）から明らかな通り、熱伝導経路が並列になることで、熱流束ｑｘは小さくなる。この結果、基体１１における温度勾配は小さくなり、室温に比較した発熱体１４の温度上昇が抑えられる。
【００７９】
図３は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図である。
【００８０】
図３に示されるヒートシンク１０は、対向部分１２が、周囲部分１３よりも熱抵抗の高い素材で形成されている。基体１１は、金属や樹脂で形成されることが多いが、異なる素材で形成されたブロックが組み合わされることで、対向部分１２の熱抵抗が、周囲部分１３の熱抵抗よりも高い値となる基体１１が形成される。あるいは、一体に形成された気体１１の対向部分１２に不純物がドーピングされることで、対向部分１２の熱抵抗を、周囲部分の１３の熱抵抗よりも高くすることでも実現される。
【００８１】
図３より明らかな通り、この場合であっても、発熱体１４からの熱は強制的に周囲部分１３に分配されて、熱伝導経路が並列に形成される。すなわち、発熱体１４からの熱は、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１との並列経路に合わせて伝導する。
【００８２】
このように、熱伝導経路が並列に形成されることで、熱抵抗ｑｘが小さくなり、結果として基体１１における温度勾配も小さくなる。
【００８３】
ここで、熱抵抗の高い素材としては、ＰＥＥＫ材などのエンプラが例として挙げられる。また熱抵抗の低い素材としては、銅、アルミニウムなどの金属材料が例として挙げられる。
【００８４】
次に、基体１１における熱伝導経路を並列化するために、図４に示されるように基体１１の対向部分１２に複数の孔を備えることも好適である。
【００８５】
図４は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図である。
【００８６】
基体１１の対向部分１２には、放熱面１７および受熱面１６の両面において、複数の孔１５が設けられている。複数の孔１５が設けられることで、対抗部分１２には空気により占領される領域が含まれる。空気の熱抵抗は大きいので、結果的に対向部分１２の熱抵抗は、孔の設けられていない周囲部分１３の熱抵抗よりも大きくなる。この結果、図２，３に示されるヒートシンクと同様に、基体１１内部において並列的な熱伝導経路が形成され、熱流束ｑｘが低減される。
【００８７】
図４に示されるヒートシンクのように、対向部分１２に複数の孔１５が設けられることで、基体１１において別体成型や異なる素材での形成をせずに容易に熱抵抗を変えることができる。
【００８８】
なお、複数の孔１５は、受熱面１６および放熱面１７の一方だけに設けられても良く、一方だけに設けられても良い。また、表面からえぐられた孔でなくても、基体１１内部に形成された発砲でもよい。
【００８９】
また、基体１１は、一体で形成されても複数のブロックの組み合わせで形成されても、いずれでも良い。
【００９０】
以上のように、実施の形態１におけるヒートシンクにより、発熱体１４からの熱伝導経路が並列に分配され、基体１１内部における熱流束を低減できる。この熱流束の低減によって、基体１１における温度勾配が低減し、発熱体１４の室温に対する温度上昇が抑制される。
【００９１】
なお、基体１１は、銅、アルミニウム、タングステン、チタンなどの熱伝導性の高い金属や耐熱性に優れた樹脂が用いられることが好適である。
【００９２】
（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。
【００９３】
実施の形態２では、基体にフィンが設けられているヒートシンクであって、熱抵抗を制御することで温度勾配を低減させるヒートシンクについて説明する。
【００９４】
図５は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図である。図６は、図５に示されるヒートシンクを上から見た上面図である。
【００９５】
図５，６のうち、図２〜図４と同じ符号については説明を省略する。
【００９６】
ヒートシンク３０は、基体１１と基体１１の放熱面１７に設けられた複数のフィン３１を備えている。基体１１は、実施の形態１で説明されたとおり、対向部分１２における熱抵抗が周囲部分１３における熱抵抗よりも高いことが好適である。ただし、実施の形態２におけるヒートシンク３０は、フィン３１の工夫によって基体１１内部の熱伝導経路を並列に分配させることができるので、基体１１単体を取り出したときに一様な熱抵抗を有していてもよい。
【００９７】
放熱面１７は、対向部分１２に対応する第１領域３２と周囲部分１３に対応する第２領域３３を有し、フィン３１は、第１領域３２および第２領域３３から突出するように設けられている。
【００９８】
ここで、第１領域３２に設けられたフィン３１が有する熱抵抗は、第２領域３３に設けられたフィン３１が有する熱抵抗よりも高い。基体１１と合わせて／に代えて、対向部分１２に対応する第１領域に設けられたフィン３１についての熱抵抗が高いことで、発熱体１４の熱は、基体１１内部を面方向に分配された上で、並列的に伝導する。この結果、熱流束ｑｘが小さくなり、基体１１における温度勾配が小さくなる。加えて、基体１１の放熱面１７に設けられているフィン３１における温度勾配も小さくなる。このように、フィン３１の工夫により、実施の形態１と同じく基体１１において、熱の伝導を面方向に拡張させて熱流束を低減でき、結果として室温に対する発熱体１４の温度上昇を抑制できる。
【００９９】
第１領域３２におけるフィン３１の熱抵抗を、第２領域におけるフィン３１の熱抵抗よりも高くするには、第１領域３２と第２領域３３とで、フィン３１の素材を異ならせたり、フィン３１の個数を異ならせたり、フィン３１の総体積を異ならせたりすればよい。
【０１００】
例えば、図５に示されるように、第１領域３２におけるフィン３１の個数は、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少なくする。第１領域３２におけるフィン３１の個数が、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少ないことで、発熱体１４の熱は、熱抵抗の小さい第２領域３３にむけて移動しやすくなる。結果として、発熱体１４からの熱は、基体１１の受熱面１６で受熱された後、基体１１の面方向に移動して並列的に基体１１内部を伝導する。更に、基体１１からフィン３１に熱は伝導し、フィン３１から放熱される。このとき、基体１１およびフィン３１内部を伝導する熱の経路は分散された上で並列的であるので、熱流束ｑｘは小さくなる。そうなると、基体１１およびフィン３１における温度勾配は数４から明らかな通り小さくなる。温度勾配が小さいことは、室温に対する発熱体１４の温度上昇が低減されていることである。結果として、実施の形態２におけるヒートシンク３０は、発熱体１４の冷却効果が高いことを示している。
【０１０１】
また、図５に示されるように、第１領域３２におけるフィン３１の個数が、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少ないことは、第１領域３２におけるフィン３１の総体積が、第２領域３３におけるフィン３１の総体積よりも小さいことを示している。すなわち、発熱体１４の熱を、基体１１の面方向に分散させて、熱流束ｑｘを小さくさせるには、発熱体１４と対向する対向部分におけるフィン３１の総体積を減らすことでも実現できる。
【０１０２】
また、図７に示されるように、第１領域３２におけるフィンの個数は、０個であることも好適である。図７は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図である。
【０１０３】
図７に示されるヒートシンク３０は、第１領域３２におけるフィン３１が０個である。言い換えると、第１領域３２においては、フィン３１が設けられていない。
【０１０４】
このようにフィン３１が発熱体１４と対向する領域において、全く設けられていないことで、発熱体１４からの熱は、基体１１内部を面方向に移動しやすくなる。結果として、基体１１内部での熱伝導経路は、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１とに分かれる。熱伝導経路が並列になれば、熱流束ｑｘは当然に小さくなる。熱流束ｑｘが小さいということは、温度勾配も小さくなるということである。
【０１０５】
このように、第１領域３２においてフィン３１が全く設けられないことで、発熱体１４の温度上昇を抑制でき、発熱体１４の冷却効果を高めることができる。
【０１０６】
なお、フィン３１が設けられていないヒートシンクは、第１領域３２に設計上生じうる凹凸のあるヒートシンクを排除するものではなく、本発明の主旨を没却しない程度に第１領域にフィンを設けたヒートシンクを排除するものではない。
【０１０７】
（実施の形態３）
次に実施の形態３について説明する。
【０１０８】
実施の形態３におけるヒートシンクは、基体の側面にフィンを備えている。
【０１０９】
図８は、本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの側面図である。
【０１１０】
実施の形態３におけるヒートシンク５０は、基体１１において放熱面１７と交差する側面に、フィン５１を備えている。側面にフィン５１を備えている以外は、実施の形態１、２で説明された構成と共通している。
【０１１１】
側面にフィン５１が設けられていることで、発熱体１４からの熱が、基体１１において更に面方向に移動しやすくなる。
【０１１２】
フィン５１が側面に備えられていることで、フィン５０が備えられていない第１領域３２よりも熱抵抗が小さくなり（フィン５１という物体が備わっていることで、熱が引き寄せられやすくなるので）発熱体１４の熱は、第１領域３２に向かう厚み方向よりも、側面に向けて（すなわち面方向に）移動する。
【０１１３】
これは、基体１１の対向部分の熱抵抗が周囲部分の熱抵抗よりも小さくなることに加えて、側面に設けられたフィン５１が、発熱体１４からの熱を積極的に面方向に分散させることにもよる。すなわち、基体１１の側面にフィン５１が設けられることで、発熱体１４からの熱は、基体１１内部において積極的に面方向に分散される。これは、基体１１の放熱面にフィン３１が設けられず、側面のフィン５１だけが設けられても同様の熱分散の作用を示す。
【０１１４】
このため、発熱体１４からの熱は、基体１１において分散して並列な熱伝導経路で伝導する。熱伝導経路が並列になることで、基体１１の厚み方向の熱流束ｑｘは小さくなる。熱流束ｑｘが小さいことで、熱流束と熱抵抗の積分で算出される基体１１での温度勾配も小さくなる。発熱体１４の温度は、室温からフィン、フィンから基体、基体から発熱体のそれぞれの間での温度勾配の積算により算出される。つまり、温度勾配が小さければ、発熱体１４の温度上昇が小さくなる。
【０１１５】
実施の形態３におけるヒートシンク５０は、基体１１の側面にフィン５１を設けることで、基体１１での熱流束ｑｘを低減する。結果として、実施の形態３におけるヒートシンク５０は、発熱体１４の温度上昇を抑制できる。すなわちヒートシンク５０は、高い冷却効果を有する。
【０１１６】
（実施の形態４）
次に実施の形態４について説明する。
【０１１７】
実施の形態４では、封入された冷媒の気化と凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプと実施の形態１〜３で説明したヒートシンクが組み合わされた冷却モジュールについて説明する。
【０１１８】
図９、図１０は、本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図である。図９においては、第２領域３２だけにフィン３１が形成されているヒートシンク６１が示され、図１０においては、側面にもフィン５１が形成されているヒートシンク６１が示されている。
【０１１９】
冷却モジュール６０は、ヒートシンク６１および平板型ヒートパイプ６２を備える。平板型ヒートパイプ６２は、ヒートシンク６１の受熱面１６に対向して配置される。このとき、相互の対向面では、サーマルグリースなどの熱的接合剤が塗布されている。
【０１２０】
図９、１０から明らかな通り、発熱体１４は、まず平板型ヒートパイプ６２に接しており、ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２と接している。このため、発熱体１４からの熱伝導は、平板型ヒートパイプ６２を介してヒートシンク６１に進む。すなわち、実施の形態４における冷却モジュール６０は、平板型ヒートパイプ６２とヒートシンク６１が一緒になって、発熱体を冷却する。
【０１２１】
ヒートシンク６１は、実施の形態１〜３で説明したのと同様のヒートシンクである。
【０１２２】
ヒートシンク６１だけの場合に比べて、冷媒による受熱が可能な平板型ヒートパイプ６２を加えることで、さらに効果の高い発熱体１４の冷却が可能となる。
【０１２３】
（平板型ヒートパイプ）
平板型ヒートパイプ６２は、複数の板材が積層されて内部に空間を有するように形成されている。形状は、平板型である。内部空間には、冷媒が封入されている。冷媒は通常は液体であって、平板型ヒートパイプ６２の底面（発熱体１４と接する受熱面である）に滞留している。発熱体１４の熱がこの底面に伝導すると液体であった冷媒は気化し、平板型ヒートパイプ６２の上面（ヒートシンク６１と接する放熱面である）に移動する。この気化した冷媒の移動により、発熱体１４からの熱が運ばれる。気化した冷媒が放熱面に移動すると、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の温度があがる。すなわち、実施の形態４の冷却モジュール６０では、ヒートシンク６１は、この平板型ヒートパイプ６２と一体となって発熱体１４を冷却する。
【０１２４】
ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の熱を受熱面１６で受熱して、実施の形態１〜３で説明したメカニズムにより熱伝導する。ヒートシンク６１により放熱されると、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の温度は低下し、気化していた冷媒は凝縮して再び液体に戻る。液体に戻った冷媒は、その重みにより滴下して再び平板型ヒートパイプ６２の底面（受熱面）に還流する。還流した液体の冷媒は、再び発熱体１４からの熱により気化して熱移動を行う。この冷媒の気化と凝縮の繰り返しにより、平板型ヒートパイプ６２は、発熱体１４を冷却できる。
【０１２５】
平板型ヒートパイプ６２は冷媒を用いて発熱体１４の熱を奪うので、ヒートシンク６１だけの場合よりも、冷却モジュール６０は、高い冷却効果を有する。勿論、ヒートシンク６１が加えられることで、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の熱が効率的に放熱されるので、平板型ヒートパイプ６２だけの場合よりも、冷却モジュール６０は、高い冷却効果を有する。
【０１２６】
言い換えると、平板型ヒートパイプ６２は、ヒートシンク６１の基体１１と一体の基体であると考えればよい。
【０１２７】
（ヒートシンク）
冷却モジュール６０では、平板型ヒートパイプ６２が伝導した発熱体１４の熱を、ヒートシンク６１が放熱する。すなわち、平板型ヒートパイプ６２とヒートシンク６１が一体となって、発熱体１４を冷却する（発熱体１４の室温に対する温度上昇を抑制する）。
【０１２８】
ヒートシンク６１において、受熱面１６の平板型ヒートパイプ６２と対向する部分を対向部分６５とし、対向部分６５以外の部分を周囲部分６６とする。実施の形態１〜３においては、ヒートシンクが発熱体１４と直接接していたので、発熱体１４との対向する部分を対向部分１２としていたが、実施の形態４では、ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２の熱を奪い取るので、平板型ヒートパイプ６２を基準に対向部分６５および周囲部分６６を定義している。なお、対向部分６５および周囲部分６６は、平板型ヒートパイプ６２との対向する部分に基づいて決めているだけで、詳細に分けられている必要はない。おおまかに把握されれば十分である。これは、実施の形態１〜３における対向部分１２および周囲部分１３についても同様である。いずれも、受熱面１６が発熱体１４や平板型ヒートパイプ６２と対向する大体の領域が、対向部分として把握されればよい。
【０１２９】
実施の形態４における冷却モジュール６０においても、基体１１の対向部分６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高い。これは、基体１１の素材や構造（対向部分６５に複数の孔や発砲を有することなど）により実現される。あるいは、図９、図１０に示されるとおり、フィン３１、５１の形成により実現される。
【０１３０】
例えば、対向部分６５を形成する素材が、周囲部分６６を形成する素材と異なることで、それぞれにおける熱抵抗の値は相違する。熱抵抗の値は素材の物性で定まるからである。このため、対向部分６５は、熱抵抗の高い物性を有する素材で形成され、周囲部分６６は、熱抵抗の低い物性を有する素材で形成されればよい。この場合は別体を組み合わせることで製造される。
【０１３１】
あるいは、同一素材で一体形成された後で、対向部分６５に不純物がドーピングされることで、対向部分６５の熱抵抗を周囲部分６６の熱抵抗よりも高くしても良い。
【０１３２】
また、図４に示されるのと同様に、対向部分６５の表面に複数の孔を設けたり内部に発砲孔を設けたりして、対向部分６５の熱抵抗を高くしても良い。
【０１３３】
あるいは、対向部分６５に形成されるフィンの数が少ないことやフィンが設けられないことで、対後部部６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。
【０１３４】
このように対向部分６５の熱抵抗が高くなることで、平板型ヒートパイプ６２を介して伝導された発熱体１４の熱は、基体１１を並列に伝導する。この結果、基体１１における熱流束ｑｘは小さくなってヒートシンク６１における温度勾配も低減する。発熱体１４の温度は、室温に対する温度勾配の積算で算出されるので、ヒートシンク６１における温度勾配が低減すれば発熱体１４の温度上昇が抑制される。
【０１３５】
放熱面１７における対向部分６５に対応する第１領域３２におけるフィン３１の個数や総体積を、第２領域３３におけるフィン３１の個数や総体積よりも小さくすることでもよい。更には、図９に示されるように、第１領域３２においてはフィン３１を設けないことでもよい。なおフィン３１が設けられていないとは、製造上で生じる凸凹や本発明の主旨を没却しない程度の些末なフィンを設けることを排除するものではない。
【０１３６】
また、図１０に示されるように、基体１１の側面にフィン５１が設けられても良い。
【０１３７】
このように、ヒートシンク６１に備えられるフィンの工夫により、対向部分６５における熱抵抗が、周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。基体１１そのものの素材や構造が異ならなくても、フィン３１、５１が平板型ヒートパイプ６２の熱を引き寄せる効果を有するので、対向部分６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。すなわち、フィン３１、５１の構成により、平板型ヒートパイプ６２からの熱は基体１１を並列に分配して伝導する。すなわち、基体１１における熱伝導経路が並列になり、ヒートシンク６１での熱流束ｑｘが小さくなる。この結果、ヒートシンク６１における温度勾配が低減できる。
【０１３８】
以上のように、実施の形態４における冷却モジュールも、熱流束ｑｘを低減できることで、高い効率で発熱体１４を冷却できる。
【０１３９】
なお、実施の形態１〜４のいずれにおいても、熱伝導経路の並列化のために、基体そのものの素材や構造の工夫とフィンの構成の工夫のいずれか一方だけが用いられてもよく、両者が組み合わされて用いられてもよい。
【０１４０】
また、冷却モジュール６０は、ヒートシンク６１と平板型ヒートパイプ６２が組み合わされて構成されたものでも良く、ヒートシンク６１で構成されたものでも良い。
【０１４１】
（実施の形態５）
次に実施の形態５について説明する。
【０１４２】
実施の形態５では、実施の形態４で説明した冷却モジュール６４、６５が装着された冷却可能な電子基板について説明する。
【０１４３】
なお、この電子基板は、家電品やコンピュータなどの電子機器、切削機械などの産業機器、産業用ロボット、自動車、航空機など様々なアプリケーションに用いることができる。
【０１４４】
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の側面図であり、図１１（ｂ）は、本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の上面図である。図１１（ａ）と図１１（ｂ）は相互に対応する。
【０１４５】
冷却可能な電子基板８０は、発熱性を有する電子部品８２、８３、８４が装着された電子基板８１と、電子部品８２、８３に対向して配置される冷却モジュール６４と、電子部品８４に対向して配置された冷却モジュール６５を備える。なお、図１１に示される通り、部品８２、８３に配置された冷却モジュール６４は、ヒートシンク６１と平板型ヒートパイプ６２が組み合わされたものであり、部品８４に配置された冷却モジュール６５は、ヒートシンク６１で構成されたものである。部品の発熱度合いや冷却モジュール６４、６５の装着に必要となる容積余裕度によって、ヒートシンク６１だけの冷却モジュール６５、もしくはヒートシンク６１に平板型ヒートパイプ６２が組み合わされた冷却モジュール６４が使い分けられれば良い。使い分け方は任意に定まる。
【０１４６】
電子部品８２、８３、８４は、それぞれ発熱性を有している。ＬＳＩやＩＣなどの半導体集積回路であったり、ＬＥＤ素子であったり、パワーデバイスであったりする。
【０１４７】
冷却モジュール６４は、電子部品８２、８３の両方に対向するように配置されている。冷却モジュール６４は、２つの電子部品を同時に冷却する。一方、冷却モジュール６５は、１つの電子部品８４に対向するように配置されている。冷却モジュール６５は、単体の電子部品を冷却する。
【０１４８】
冷却モジュール６４が備えるヒートシンク６１は、ヒートシンク６１の放熱面であって電子部品８２、８３に対向する部分に対応する領域以外にフィン３１を備えている。これは実施の形態１〜４で説明したのと同様である。同様に、冷却モジュール６５が備えるヒートシンク６１も、電子部品８４と対向する部分に対応する領域以外にフィン３１を備えている。
【０１４９】
このようなフィンの構造により、ヒートシンク６１を構成する基体１１において、熱伝導経路が並列化されて熱流束ｑｘが低減する。熱流束ｑｘが低減することにより、ヒートシンク６１における温度勾配も低減するので、室温に対する電子部品８２〜８４の温度上昇が抑制できる。
【０１５０】
このように実施の形態５における冷却可能な電子基板８０は、装着されている発熱性を有する電子部品を、高い効率で冷却できる。冷却モジュール６４、６５が装着されていることで、電子基板８０が電子機器や産業機器などに実装された場合でも、電子部品の温度上昇が抑制できるからである。
【０１５１】
なお、図１１に示される冷却モジュール６４、６５は一例であり、実施の形態１〜４で説明された他の形態や構成を有する冷却モジュールが使用されてもいいのは言うまでもない。
【０１５２】
なお、実施の形態１〜５で説明されたヒートシンク、冷却モジュールは、ヒートシンクでの温度勾配を低減することによって、接触する発熱体や平板型ヒートパイプの温度勾配も低減する。
【０１５３】
次に、実際にシミュレーションを行った実験例について説明する。
【０１５４】
（実施例）
（実施例１と比較例１による実験）
ここでは、実施例１を、比較例１との比較に基づいて説明する。
【０１５５】
なお、ここでは、ヒートシンクと平板型ヒートパイプを組み合わせた冷却モジュールについて実験を行った。ヒートシンクと平板型ヒートパイプが一体となって（平板型ヒートパイプとヒートシンクとが複合された基体であるとみなせばよい）、発熱体を冷却する。ヒートシンクは、本発明の実施の形態１から５で説明したヒートシンクであり、平板型ヒートパイプとの組み合わせの有無にかかわらず、従来のヒートシンクに比べて温度勾配を小さくできる。
【０１５６】
図１２、図１３は、本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図である。図１３は、図１２に示されるヒートシンクの図中Ａ−Ａ’断面に沿った断面を見せている。
【０１５７】
図１２、図１３に示される実施例１は、発熱体と対向する対向部分として一般的に考えられる基体の中央部においてフィンが設けられておらず、周囲部分のみにフィンが設けられている。また、周辺部に行くにつれて、フィンの高さが高くなる。
【０１５８】
図１４、図１５は、本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図である。図１５は、図１４に示されるヒートシンクの図中Ａ−Ａ’断面に沿った断面を見せている。比較例１のヒートシンクは、基体の放熱面の全面に一様にフィンを備えている。
【０１５９】
実施例１および比較例１のヒートシンクは、アルミニウムで形成されていると想定している。なお、アルミニウム以外であっても熱伝導性の良い、銅、銀、金、チタンなどの種々の金属や樹脂が用いられればよい。
【０１６０】
実施例１および比較例１のヒートシンクの基体は、５ｍｍの厚み、５０ｍｍ角のサイズを有している。フィンは、３ｍｍ角であって、５ｍｍピッチで配置されて突出している。フィンの高さは、最外周部では４０ｍｍ、その内側は３０ｍｍ、更にその内側は２０ｍｍ、最内側は１０ｍｍである。フィンを設置していない領域は、基体中心の１２ｍｍ角の領域である。これは実施の形態１〜４で説明した第１領域に相当する。この１２ｍｍ角の第１領域は、発熱体のサイズによって適宜変更されて良い。
【０１６１】
また、実施例１のフィンの高さは、上述のように中央から外周に向けて直線的に増加するだけでなく、二次曲線に近い形状で増加しても良く、ルート関数曲線に近い形状で増加しても良い。
【０１６２】
なお、フィンの高さの増加パターンは、ヒートシンクと組み合わされる送風ファンからの気流に応じて定められても良い。例えば、ヒートシンク上方より風を吹きつける場合には、ヒートシンクの横断面において、フィンが凹を描くような高さ変化を有していることが、気流の導入において効果的である。逆に、ヒートシンク上方へ風を吸い込む送風ファンが用いられる場合には、ヒートシンク横断面においてフィンが凸を描くような高さ変化を有していることが、気流の導入において効果的である。図１２で示される実施例１のように、フィンの高さが直線的に変化するように攻勢されることで、送風ファンの違いによる性能変化の差分を最小限に抑えることができる。
【０１６３】
比較例１のヒートシンクの素材、基体のサイズは同じであり、高さ４０ｍｍのフィンが放熱面の全面に５ｍｍピッチで配置されていることのみが相違する。
【０１６４】
加えて、実施例１および比較例１のヒートシンクは、平板型ヒートパイプと組み合わされ使用される。このとき、ヒートシンクと平板型ヒートパイプは、サーマルグリース等の熱的接合材（以下、「ＴＩＭ」と呼ぶ。）を介して接続されている。ＴＩＭは、０．１ｍｍ程度の厚みを有するのが適当である。
【０１６５】
なお、ＴＩＭとしては、シリコン系のサーマルグリースをはじめ、銅や銀粒子などのフィラー入りのサーマルグリース、所定の温度・時間条件によって硬化するエポキシ系のサーマルグリース、ある温度異常でフェーズチェンジして流動性をもつサーマルグリース、あるいは液体金属製などの種々の素材を含む。なお、シリコン系サーマルグリースは、低コストであるメリットがある。
【０１６６】
また、平板型ヒートパイプは、銅を用いて製造した。
【０１６７】
以上のようにして、実施例１および比較例１にかかわるヒートシンクを試作した。
【０１６８】
この試作した実施例１と比較例１のそれぞれの冷却効果について、サーマルシミュレーションを実施した。
【０１６９】
シミュレーション方法として、固体内部におけるモデルに、有限体積法により３次元熱伝導方程式を離散化したモデルを採用した。また、ヒートシンク表面においては、鉛直面の熱伝達係数を２００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とし、上向き水平面における熱伝達係数を１５０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とし、下向き水平面は１０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とするモデルを採用した。計算の安定性を考慮したためである。
【０１７０】
また、平板型ヒートパイプの熱伝達係数を、１７００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）とした。これは、銅の熱伝達係数の約５倍であり、平板型ヒートパイプの性能として適当と考えられるからである。
【０１７１】
まず、実施例１でのヒートシンクの表面温度に関するシミュレーション結果を、図１６に示す。図１６は、本発明の実施例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図である。同様に、比較例１でのヒートシンクの受熱面温度に関するシミュレーション結果を、図１７に示す。図１７は、本発明の比較例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの受熱面温度に反映させた斜視図である。
【０１７２】
図１６、１７においては、色の濃い部分は温度が高く、色の薄い部分は温度が低いことを示している。図１６から明らかな通り、実施例１のヒートシンクを用いた場合には、中心部の温度と周辺部の温度の差が小さい。特に中心部の温度が周辺部に比べてそこまで高くないことが分かる。すなわち、発熱体の熱が、中心部および周辺部に分散してヒートシンクを熱伝導していることが分かる。
【０１７３】
これに対して、図１７から明らかな通り、比較例１のヒートシンクでは中心部の色が非常に濃く、中心を基本に熱が伝導している。すなわち、熱はヒートシンクで分散せず、発熱体から直にヒートシンクの厚み方向に熱伝導している。
【０１７４】
このように、シミュレーションからも実施例１のヒートシンクは、発熱体の熱をヒートシンク内部で分散させて熱伝導させることが確認された。
【０１７５】
なお、シミュレーションにおいては、ヒートシンクの受熱面の中心に発熱体があると想定している。
【０１７６】
ついで、実施例１と比較例１において、平板型ヒートパイプおよびヒートシンク内における温度平滑化効果と厚み方向の温度勾配低減効果を比較した。図１８に、実験状況が示されている。図１８は、本発明における実施例１と比較例１の温度勾配低減効果の実験を示す模式図である。
【０１７７】
図１８に示すように、平板型ヒートパイプ内の横断面Ａ−Ａ’および鉛直断面Ｂ−Ｂ’での温度分布を、３次元曲面を用いて、図１９に示す図１９（ａ）は、実施例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図であり、図１９（ｂ）は、比較例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図である。
【０１７８】
図１９（ａ）に示されるＢ−Ｂ’の傾きの大きさは、図１８におけるＢ−Ｂ’での温度勾配を示すものである。言い換えると、実施例１（本発明の主旨に対応する）のヒートシンクと接する平板型ヒートパイプにおける温度勾配を示す。図１９（ｂ）に示されるＢ−Ｂ’の傾きは、比較例１のヒートシンクと接する平板型ヒートパイプにおける温度勾配を示す。
【０１７９】
図１９（ａ）、（ｂ）を比較して分かるとおり、実施例１のヒートシンクを用いた場合には、温度勾配が小さくなっていることが分かる。温度勾配が小さいことで、室温に対する発熱体の温度上昇を低減できる。このように、実施例１のヒートシンクは、ヒートシンクと組み合わされた平板型ヒートパイプの温度分布を平滑化でき、温度勾配を低減できる。
【０１８０】
一方、図１９（ｂ）から分かるとおり、比較例１のヒートシンクを用いた場合には、温度勾配が大きくなっている。なお図１９に示されているのは、冷却モジュールの平板型ヒートパイプの部分の温度勾配であるが、平板型ヒートパイプは、ヒートシンクの一部であるので、ヒートシンク（あるいはヒートシンクの基体部分）における温度勾配を示しているとみなすことができる。
【０１８１】
このように、実験結果からも本発明の主旨である対向部分の熱抵抗が周囲部分の熱抵抗よりも高いヒートシンクは、温度勾配が小さくなり、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制できる。
【０１８２】
次に、ヒートシンクに平板型ヒートパイプを組み合わせることによる冷却効果の増加を説明する。
【０１８３】
図１２に示される実施例１のヒートシンクに、（１）平板型ヒートパイプ、（２）銅板（銅製の熱拡散部材）、（３）アルミニウム板（アルミニウム製の熱拡散部材）のいずれかを組み合わせた冷却モジュールによる、温度低下効果を実験した。なお（１）の平板型ヒートパイプは、実施の形態４で説明したとおり、封入された冷媒の気化と凝縮により冷却効果を発揮する部材であり、（２）の銅板および（３）のアルミニウム板は、ただの金属板である。
【０１８４】
（１）〜（３）が組み合わされた冷却モジュールのそれぞれにおいて、冷却モジュール内部の最高温度と最低温度を比較して、温度低下効果を算出した。算出結果は、（表１）に示される。
【０１８５】
【表１】
【０１８６】
表１から明らかな通り、（１）平板型ヒートパイプが組み合わされた冷却モジュールの温度低下効果が最も高い。このことから、平板型ヒートパイプが組み合わされることの冷却効果が高いことが分かる。
【０１８７】
図１９に示される実験結果から、本発明のヒートシンクの冷却効果が高いことが分かり、表１に示される結果から、本発明のヒートシンクに平板型ヒートパイプを組み合わせた冷却モジュールの冷却効果が高いことが分かる。
【０１８８】
以上の実験結果より、本発明のヒートシンクは、発熱体の温度上昇を抑制できる。また、冷媒の気化・凝縮を利用した平板型ヒートパイプと組み合わされることで、更に高い効果で発熱体の温度上昇を抑制できる。
【０１８９】
以上のように、実施の形態１〜５のヒートシンク、冷却モジュールによれば、発熱体からの熱が面方向に移動しやすくなるので、基体内部での熱の移動が分散されて並列移動となる。結果として、熱流束ｑｘが低減し、基体やフィンにおける温度勾配が低減する。温度勾配が低減することにより、室温に対しての発熱体の温度上昇が抑制される。
【０１９０】
なお、ヒートシンクや冷却モジュールが、発熱体と対向するのは、基体の中央付近であることが多いと考えられるので、対向部分は、基体の中央付近であると仮定されて本発明のヒートシンクや冷却モジュールが製造されることが適当である。勿論、使用上の都合によっては基体の端部で発熱体と対向することもありえるので、この場合には対向部分は、基体の端部として製造されればよい。
【０１９１】
これらのヒートシンク、冷却モジュール、冷却可能な電子基板は、電子機器、製造機械、産業機械、自動車、航空機器などの幅広い分野に適用される。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明は、電子部品や電子素子などの発熱性を有する発熱体の冷却などの分野において好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】従来の技術と本発明の熱伝導の概念を示す模式図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図 （ｂ）図２（ａ）に示されるヒートシンクを上から見た上面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図
【図６】図５に示されるヒートシンクを上から見た上面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図
【図８】本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの側面図
【図９】本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図
【図１０】本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の側面図 （ｂ）本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の上面図
【図１２】本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１３】本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１４】本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１５】本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１６】本発明の実施例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図
【図１７】本発明の比較例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図
【図１８】本発明における実施例１と比較例１の温度勾配低減効果の実験を示す模式図
【図１９】（ａ）実施例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図 （ｂ）比較例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図
【図２０】ヒートシンクと発熱体との温度変化を示す模式図
【符号の説明】
【０１９４】
１ 発熱体
２ 基体
３ フィン
４、５ 熱伝導経路
１０ ヒートシンク
１１ 基体
１２ 対向部分
１３ 周囲部分
１４ 発熱体
３１ フィン
３２ 第１領域
３３ 第２領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの発熱体を冷却するヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、産業機器および自動車などには、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの種々の発熱性の高い素子や電子部品が使用されている。これらの素子や電子部品内部を流れる電流が、これらの素子や電子部品を発熱させるからである。
【０００３】
素子や電子部品は、その発熱が一定温度以上となると、動作保証ができなくなる問題もあり、他の部品や筐体へ悪影響を及ぼし、結果として電子機器や産業機器そのものの性能劣化を引き起こす可能性がある。
【０００４】
このような発熱体の冷却のために、複数のフィンを有するヒートシンクを用いることが従来より行われ、種々の形状や工夫を有するヒートシンクが提案されている。
【０００５】
ここで、ヒートシンクは発熱体から放熱される熱を奪いとり、その上でフィンから空気中に放熱して発熱体を冷却すると把握されている。この観点に基づき、種々のヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【０００６】
特許文献１は、フィンのそれぞれの高さは、軸流ファンの回転軸を含む側板に対して垂直な面と交わる部分が最も低い（請求項４、段落００１４、００１９、００２３、００２５など）ヒートシンクを開示している。あるいは、特許文献１は、軸流ファンの回転軸を含み側板に対して垂直な面と交わる部分から離れるに従って、フィンのそれぞれの高さが高くなるヒートシンク（段落００２１、００２７、００３２など）を開示している。
【０００７】
特許文献２は、発熱体が接する中央付近に設けられている放熱フィンを集中的に冷却することで、全体としての冷却効果を高めるヒートシンクを開示している。すなわち、発熱体は基体の裏側の面の中央部に取り付けられやすく、基体から放熱フィンに熱が伝導する際に、対応する中央部付近の放熱フィンの熱分布率が高まることを利用したヒートシンクが開示されている。
【０００８】
特許文献３は、基体の中央から放射線状に所定間隔でフィンを配置した放熱板を開示している。加えて、特許文献３は、フィン毎に高低差をつけた放熱板を開示している。
【０００９】
特許文献４は、ヒートシンクを構成する基体が、中央ほど低くなる凹面を形成する放熱器を開示している。凹面の基体により、放熱フィンの基体からの突出高さは、基体中央の方が高くなり、周辺部のフィンとの間に圧力損失の差分が生じる。この圧力損失の差分により、冷却ファンから創出された冷却風が、ヒートシンクの中央部に集中して、発熱量の高い中央部が効率的に冷却されることになる。
【００１０】
特許文献５は、基体にスリットを設けたヒートシンクを開示している。特に、受熱面の反対側に突出する伝熱プレート上に受熱面に沿うように第１のスリットが設けられ、伝熱プレートの側面に受熱面と直交する方向に第２のスリットが設けられているヒートシンクが開示されている。加えて、特許文献５は、第１のスリットと第２のスリットの深さを変えることにより、冷却効果を高めるヒートシンクを開示している。
【００１１】
特許文献６は、軸流ファンの中心軸線上にコア部が設けられ、コア部に対して放射方向に薄板状フィンが設けられたヒートシンクを開示している。
【特許文献１】特開２００６−２３７３６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１８９２号公報
【特許文献３】特開平８−１９５４５３号公報
【特許文献４】特許第２７４４５６６号公報
【特許文献５】特開２００３−０８６９８４号公報
【特許文献６】特開２００５−２７７１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これら従来技術はいずれも、発熱体の熱をヒートシンクの基体からフィンに効率よく伝導させて冷却効率を高めることに主眼が置かれている。特に、発熱体は、ヒートシンク裏面の中央部に接することが多い。このため、従来では、この中央部を中心に冷却することで、全体としての冷却効果を高める技術的視点に立った技術が多い。
【００１３】
ここで、発熱体が生じさせる発熱温度の詳細について説明する。
【００１４】
発熱体の冷却というと、発熱体が放熱した温度からの低減量の程度を考えてしまいがちである。しかし発熱体による発熱の問題は、温度の低減量で解決の度合いを測るのではなく、環境温度（室温）に対して発熱体がどの程度の温度差を有し、その結果発熱体の温度が基準値を超える問題を生じさせるかどうかで測るべきである。すなわち、発熱体が生じさせている温度を基準に冷却を論じるのではなく、室温を基準に発熱体の温度を論じるべきである。言い換えると、発熱体の温度をどの程度冷却できるかというよりも、発熱体の温度上昇をどの程度抑えることができるかという、積算的な考え方でヒートシンクの性能を論じるべきである。
【００１５】
図２０は、ヒートシンクと発熱体との温度変化を示す模式図である。
【００１６】
ヒートシンクは、基体２０１とフィン２０２を備える。発熱体２００は、基体２０１の裏面（受熱面）の中央部に接している。ここで、発熱体２００の温度は、室温を基準にすると次のように算出される。図２０に示されるように、フィン２０２の外部は、室温と同じ温度である。発熱体２００の熱は、基体２０１に伝導する。基体２０１の熱は、フィン２０２に伝導する。フィン２０２の熱は、外部環境へ放熱される。
【００１７】
ここで、室温を基準に発熱体２００の温度を考えると、外部環境からフィン２０２の間で生じている温度勾配（発熱体２００からの熱を放熱しているということは、外部環境に対してフィン２０２の根元までの温度差を考慮することでも発熱体２００の温度を測ることができる）はΔＴ１である。同様に、フィン２０２の根元から基体２０１の受熱面までの温度勾配は、ΔＴ２である。更に、基体２０１の受熱面から発熱体２００までの温度勾配はΔＴ３である。すなわち、室温を基準とした場合の発熱体温度は、ΔＴ１＋ΔＴ２＋ΔＴ３で定まる。このΔＴ１からΔＴ３までの合計により定まる発熱体温度が、所定値を超えると、発熱体たる電子部品や素子の動作不良などが生じる。
【００１８】
特許文献１〜６に代表される従来の技術は、方針（１）発熱体の熱を基体がフィンに伝導する伝導速度を高める、方針（２）発熱体が接する基体の中央部付近の冷却効果を高める、ことに注力していたと考えられる。
【００１９】
しかしながら、方針（１）に注力すると、発熱体の熱は、基体の厚み方向に単一に伝導しやすくなり、基体における厚み方向の熱流束の低減効果が弱まる問題が生じる。この厚み方向の熱流束の低減効果が弱まると、基体における温度勾配の低減効果も弱まる問題がある。基体における温度勾配は、熱の伝導しやすさを示す熱流束と基体の熱抵抗の乗算で決定されるからである。
【００２０】
従来の技術では、この熱抵抗を下げるために、特許文献２のように基体の形状に着目したり、特許文献１や３のようにフィンの高さに着目したりしていた。この結果、基体の厚み方向の熱抵抗は小さくなるが、熱抵抗が小さくなることで熱流束が大きくなり、結果として温度勾配が大きくなってしまう。
【００２１】
一方、方針（２）は、特許文献４のように中央部付近を集中的に冷却する技術として現れている。この場合でも、基体の厚み方向のみの熱移動に注力されているので、厚み方向に熱抵抗が小さくなる。しかしながら、熱流束が大きくなり、結果として温度勾配が大きくなってしまう。図２０から明らかな通り、発熱体の温度上昇を抑えるには、基体とフィンの両方に対する考慮が必要であるのに、従来の技術では、基体における温度勾配に対する考慮が低かったと考えられる。
【００２２】
更に、たとえば特許文献４では、基体を凹面にすることで、耐久性が悪くなるという問題も生じさせていた。
【００２３】
すなわち、従来の技術では、基体の厚み方向の熱流束低減が阻害されると同時に、ヒートシンク自体の耐久性や信頼性を損なうという二重の問題を有していた。
【００２４】
そこで本発明は、耐久性や信頼性を損なうことなく、基体における温度勾配を効果的に低減することで、発熱体の温度上昇を低減する（すなわち、発熱体の冷却効果を高める）ヒートシンク、冷却モジュールおよび冷却可能な電子基板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】
【００２５】
本発明のヒートシンクは、発熱体と対向し、発熱体から熱を奪う基体を備え、基体において、発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、基体における温度勾配が低減するので、室温を基準とした発熱体の温度上昇が抑えられる。
【００２７】
更に、本発明のヒートシンクによれば、構造上における耐久性や信頼性を損なうことも少ない。
【００２８】
また、発熱体となりうる電子部品や素子の温度上昇が抑えられることで、これらを実装する電子基板、電子機器、産業機器や自動車などへの悪影響も抑えられる。結果として、これら電子機器や産業機器などの性能および信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の第１の発明に係るヒートシンクは、発熱体と対向し、発熱体から熱を奪う基体を備え、基体において、発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高い。
【００３０】
この構成により、基体内部で熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体内部の熱流束ｑｘが低減され、基体における温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００３１】
本発明の第２の発明に係るヒートシンクでは、第１の発明に加えて、対向部分は、周囲部分よりも熱抵抗の高い素材で形成されている。
【００３２】
本発明の第３の発明に係るヒートシンクでは、第１から第２のいずれかの発明に加えて、対向部分は、複数の孔を備える。
【００３３】
これらの構成により、基体の対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。
【００３４】
本発明の第４の発明に係るヒートシンクでは、第１から第３のいずれかの発明に加えて、基体は発熱体と対向する受熱面と、受熱面と対向する放熱面を有し、放熱面は、複数のフィンを備え、対向部分に対応する放熱面の領域である第１領域に備えられたフィンの熱抵抗は、周囲部分に対応する放熱面の領域である第２領域に備えられたフィンの熱抵抗よりも高い。
【００３５】
この構成により、基体およびフィンにおける対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体およびフィン内部の熱流束ｑｘが低減され、基体およびフィンにおける温度勾配を低減できる。
【００３６】
本発明の第５の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられた単位面積あたりのフィンの個数は、第２領域に備えられた単位面積あたりのフィンの個数よりも少ない、
本発明の第６の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられたフィンの総体積は、第２領域に備えられたフィンの総体積よりも小さい。
【００３７】
これらの構成により、基体およびフィンにおける対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体およびフィン内部の熱流束ｑｘが低減され、基体およびフィンにおける温度勾配を低減できる。
【００３８】
本発明の第７の発明に係るヒートシンクでは、第１から第４のいずれかの発明に加えて、第１領域に備えられているフィンの個数は、０個である。
【００３９】
この構成により、対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも非常に高くなる。また、ヒートシンクの製造も容易となる。
【００４０】
本発明の第８の発明に係るヒートシンクでは、基体において放熱面と交差する基体の側面が、更にフィンを備える。
【００４１】
この構成により、対向部分の熱抵抗が、周囲部分の熱抵抗よりも高くなる。加えて、側面のフィンにより、基体が発熱体からの熱を面方向に積極的に拡散するようになる。この結果、基体およびフィンにおいて熱伝導経路が並列かつ面方向に構成され、熱流束が低減できる。熱流束が低減できることで、基体およびフィンでの温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００４２】
本発明の第９の発明に係る冷却モジュールは、受熱面と放熱面を有する平板型の基体と、受熱面に対向して配置された平板型ヒートパイプを備え、基体において、平板型ヒートパイプと対向する対向部分の熱抵抗が、対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高く、平板型ヒートパイプは、内部に封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却する。
【００４３】
この構成により、平板型ヒートパイプと相まって発熱体の温度上昇を更に抑制できる。特に、基体内部で熱伝導経路が並列に構成される。熱伝導経路が並列に構成されることで、基体内部の熱流束ｑｘが低減され、基体における温度勾配を低減できる。温度勾配を低減できることで、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制される。
【００４４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００４５】
なお、本発明の各実施の形態の説明に先立ち、発明者により発明された本発明の概念を、従来技術との比較により説明する。
【００４６】
（本発明の概念）
発熱体が周囲環境の温度である室温よりも高くなることの算出について説明する。図２０で説明したとおり、発熱体の室温に対する温度差は、室温とフィンとの間で生じる温度勾配ΔＴ１、フィンと基体との間で生じる温度勾配ΔＴ２、基体と発熱体との間で生じる温度勾配ΔＴ３の積算により定まる。
【００４７】
ここで、温度勾配の算出について説明する。
【００４８】
外部環境とフィンとの間の温度勾配は、対流伝熱によって定まり、フィンからの放熱速度Ｑは、ニュートンの冷却の法則に基づいて（数１）で算出される。
【００４９】
【数１】
【００５０】
ここで、ｈは熱伝達係数［Ｗ／ｍ２・Ｋ］、Ａは、フィン面積［ｍ２」、ΔＴは、フィン表面温度と室温との温度差［Ｋ］（すなわち温度勾配）である。
【００５１】
（数１）から明らかな通り、熱伝達係数ｈを増加させるか、フィン面積Ａを大きくすることで、加熱速度Ｑが向上する。
【００５２】
一方、ΔＴ２，ΔＴ３を決定するのは、フィンおよび基体の内部における熱の伝導によって定まり、フーリエの熱伝導の法則より、例えば熱伝導方向をｘとすると、ｘ方向への熱流束ｑｘは、（数２）により与えられる。
【００５３】
【数２】
【００５４】
ここで、ｋは熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。
【００５５】
（数２）を一次近似して、（数３）を得る。
【００５６】
【数３】
【００５７】
（数３）より、熱伝導経路長Δｘにおいて生じる温度勾配ΔＴは、次の（数４）で算出される。
【００５８】
【数４】
【００５９】
ｑｘは熱流束であり、Δｘ／ｋ（ｋは物質により決まる定数である）は、熱抵抗である。
【００６０】
（数４）は、電気抵抗と電流から電位差が得られるオームの法則と同等の構成となっている。例えば、左辺｜ΔＴ｜を電位差とすれば、右辺ｑｘは電流値に対応し、Δｘ／ｋは電気抵抗に対応する。電位差は、電流（数４ではｑｘが対応する）と電気抵抗（数４では、Δｘ／ｋが対応する）の乗算で決定される。電位差を小さくするためには、電流を小さくすることおよび電気抵抗を小さくすることの少なくとも一方が必要である。
【００６１】
電位差を温度勾配ΔＴに置き換えると、（数４）から明らかな通り、熱流束ｑｘおよび熱抵抗Δｘ／ｋの少なくとも一方を小さくする必要がある。
【００６２】
従来の技術においては、上述の通り、熱抵抗を低減することのみに注力されており、熱流束への着眼点が少なかったと、発明者は考えた。さらに、ヒートシンクは、フィンと基体の２つの要素を備えているが、基体は厚み方向だけで熱伝導をするのではなく、面方向にも熱伝導を行う。発明者は、従来の技術ではこの基体の面方向への熱伝導の考慮がほとんどされていないことにも着目した。
【００６３】
この着眼に基づき、本発明は、基体が発熱体からの熱を熱伝導させる際に、基体の面方向も活用する並列的な熱伝導を利用する。熱伝導の経路が基体内部で並列となることで、熱流束ｑｘは、直列的な熱伝導の場合よりも小さくなる。すなわち、（数４）における熱流束ｑｘが小さくなるので、基体における温度勾配ΔＴは小さくなる。なお、熱抵抗Δｘ／ｋは、基体を構成する物質の物性および基体の厚みのみで決まるので、熱流束ｑｘが小さくなることは、熱抵抗に影響を及ぼさない。
【００６４】
図１は、従来の技術と本発明の熱伝導の概念を示す模式図である。
【００６５】
図１（ａ）は、従来の技術における基体内部の熱伝導の概念を示し、図１（ｂ）は、本発明における基体内部の熱伝導の概念を示す。
【００６６】
図１（ａ）より明らかな通り、従来技術では、発熱体１からの熱は、基体２内部において、発熱体１の設置場所に対応してほぼ基体中央を直列的に伝導する。発熱体１からの熱は、熱伝導経路４を経由してフィン２に伝導する。熱は、熱伝導経路４を経由して、ほぼ直列的にフィン２に伝導するので、熱伝導経路４における熱流速ｑｘは大きな値となる（直列接続の場合の電流値が大きくなるのと同じ理論である）。
【００６７】
これに対して、図１（ｂ）より明らかな通り、本発明は基体２内部を、発熱体１からの熱が並列に分配されて（すなわち面方向にも分配されながら）厚み方向を移動する。熱伝導経路５は、図１（ｂ）に示されるとおり、並列に分配される。熱伝導経路５が並列に分配されることにより、分配された熱伝導経路毎の熱流束ｑｘの値は小さくなる（並列接続の場合の電流値が小さくなるのと同じ理論である）。熱抵抗は、上記の通り基体２の物性と厚みのみで定まるので、熱流束ｑｘが小さくなれば、基体２における温度勾配は小さくなる。
【００６８】
このように、基体２の面方向を活用して熱流束ｑｘの値を低減させることで、基体における温度勾配を低減させる概念は従来技術には無かった。基体における温度勾配が低減すれば、発熱体から基体、基体からフィン、フィンから外部環境のそれぞれの境界での温度勾配の積算により算出される発熱体の温度上昇が抑えられることになる。
【００６９】
発明者は、従来の技術の問題点について、論理的な検討を加えることにより、本発明を支持する理論を発明した。図１は、この理論を概念として示しており、以下に説明する種々の実施の形態により実現される。
【００７０】
以下、種々の実施の形態について説明する。
【００７１】
（実施の形態１）
実施の形態１について、図２〜図４を用いて説明する。
【００７２】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるヒートシンクを上から見た上面図である。
【００７３】
図２（ａ）に示されるヒートシンク１０は、基体１１を備えている。基体１１は、受熱面１６と放熱面１７を備え、受熱面１６は、発熱体１４と対向する。発熱体１４は、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの電子部品や素子などを含む。図２では、発熱体１４は、単体で表されているが、複数の部品や素子を含んでいても良い。
【００７４】
基体１１は、受熱面１６で発熱体１４と接し、発熱体１４からの熱を奪う。基体１１は、発熱体１４からの熱を伝導し、放熱面１７に伝達させる。
【００７５】
ここで、基体１１は、発熱体１４と対向する対向部分１２と、対向部分１２の周囲である周囲部分１３とを備える。対向部分１２における熱抵抗（数４のΔｘ／ｋ）の値は、周囲部分１３における熱抵抗よりも高い。
【００７６】
基体１１の熱抵抗が、基体１１全体で一様であると、図１（ａ）に示されるように、熱伝導経路は、直列になってしまう。しかしながら、図２に示されるように、対向部分１２の熱抵抗が、周囲部分１３の熱抵抗よりも高いことで、発熱体１４からの熱は自然と基体１１の周囲部分に分配されることになる。発熱体１４からの熱は、熱抵抗の低い周囲部分１３に逃げようとするからである。結果的に、熱伝導経路が並列になりやすい。
【００７７】
図２（ａ）には、熱伝導経路２０、２１が示されている。対向部分１２にける熱伝導経路２０は、発熱体１４から直接的に基体１１の厚み方向にかけて、熱を伝導させる。一方、周囲部分１３における熱伝導経路２１は、発熱体から面方向に分配させた上で、放熱面１７に、熱を伝導させる。このように、基体１１においては、熱伝導経路が、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１とに並列的に形成される。
【００７８】
本発明の概念での説明および（数４）から明らかな通り、熱伝導経路が並列になることで、熱流束ｑｘは小さくなる。この結果、基体１１における温度勾配は小さくなり、室温に比較した発熱体１４の温度上昇が抑えられる。
【００７９】
図３は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図である。
【００８０】
図３に示されるヒートシンク１０は、対向部分１２が、周囲部分１３よりも熱抵抗の高い素材で形成されている。基体１１は、金属や樹脂で形成されることが多いが、異なる素材で形成されたブロックが組み合わされることで、対向部分１２の熱抵抗が、周囲部分１３の熱抵抗よりも高い値となる基体１１が形成される。あるいは、一体に形成された気体１１の対向部分１２に不純物がドーピングされることで、対向部分１２の熱抵抗を、周囲部分の１３の熱抵抗よりも高くすることでも実現される。
【００８１】
図３より明らかな通り、この場合であっても、発熱体１４からの熱は強制的に周囲部分１３に分配されて、熱伝導経路が並列に形成される。すなわち、発熱体１４からの熱は、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１との並列経路に合わせて伝導する。
【００８２】
このように、熱伝導経路が並列に形成されることで、熱抵抗ｑｘが小さくなり、結果として基体１１における温度勾配も小さくなる。
【００８３】
ここで、熱抵抗の高い素材としては、ＰＥＥＫ材などのエンプラが例として挙げられる。また熱抵抗の低い素材としては、銅、アルミニウムなどの金属材料が例として挙げられる。
【００８４】
次に、基体１１における熱伝導経路を並列化するために、図４に示されるように基体１１の対向部分１２に複数の孔を備えることも好適である。
【００８５】
図４は、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図である。
【００８６】
基体１１の対向部分１２には、放熱面１７および受熱面１６の両面において、複数の孔１５が設けられている。複数の孔１５が設けられることで、対抗部分１２には空気により占領される領域が含まれる。空気の熱抵抗は大きいので、結果的に対向部分１２の熱抵抗は、孔の設けられていない周囲部分１３の熱抵抗よりも大きくなる。この結果、図２，３に示されるヒートシンクと同様に、基体１１内部において並列的な熱伝導経路が形成され、熱流束ｑｘが低減される。
【００８７】
図４に示されるヒートシンクのように、対向部分１２に複数の孔１５が設けられることで、基体１１において別体成型や異なる素材での形成をせずに容易に熱抵抗を変えることができる。
【００８８】
なお、複数の孔１５は、受熱面１６および放熱面１７の一方だけに設けられても良く、一方だけに設けられても良い。また、表面からえぐられた孔でなくても、基体１１内部に形成された発砲でもよい。
【００８９】
また、基体１１は、一体で形成されても複数のブロックの組み合わせで形成されても、いずれでも良い。
【００９０】
以上のように、実施の形態１におけるヒートシンクにより、発熱体１４からの熱伝導経路が並列に分配され、基体１１内部における熱流束を低減できる。この熱流束の低減によって、基体１１における温度勾配が低減し、発熱体１４の室温に対する温度上昇が抑制される。
【００９１】
なお、基体１１は、銅、アルミニウム、タングステン、チタンなどの熱伝導性の高い金属や耐熱性に優れた樹脂が用いられることが好適である。
【００９２】
（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。
【００９３】
実施の形態２では、基体にフィンが設けられているヒートシンクであって、熱抵抗を制御することで温度勾配を低減させるヒートシンクについて説明する。
【００９４】
図５は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図である。図６は、図５に示されるヒートシンクを上から見た上面図である。
【００９５】
図５，６のうち、図２〜図４と同じ符号については説明を省略する。
【００９６】
ヒートシンク３０は、基体１１と基体１１の放熱面１７に設けられた複数のフィン３１を備えている。基体１１は、実施の形態１で説明されたとおり、対向部分１２における熱抵抗が周囲部分１３における熱抵抗よりも高いことが好適である。ただし、実施の形態２におけるヒートシンク３０は、フィン３１の工夫によって基体１１内部の熱伝導経路を並列に分配させることができるので、基体１１単体を取り出したときに一様な熱抵抗を有していてもよい。
【００９７】
放熱面１７は、対向部分１２に対応する第１領域３２と周囲部分１３に対応する第２領域３３を有し、フィン３１は、第１領域３２および第２領域３３から突出するように設けられている。
【００９８】
ここで、第１領域３２に設けられたフィン３１が有する熱抵抗は、第２領域３３に設けられたフィン３１が有する熱抵抗よりも高い。基体１１と合わせて／に代えて、対向部分１２に対応する第１領域に設けられたフィン３１についての熱抵抗が高いことで、発熱体１４の熱は、基体１１内部を面方向に分配された上で、並列的に伝導する。この結果、熱流束ｑｘが小さくなり、基体１１における温度勾配が小さくなる。加えて、基体１１の放熱面１７に設けられているフィン３１における温度勾配も小さくなる。このように、フィン３１の工夫により、実施の形態１と同じく基体１１において、熱の伝導を面方向に拡張させて熱流束を低減でき、結果として室温に対する発熱体１４の温度上昇を抑制できる。
【００９９】
第１領域３２におけるフィン３１の熱抵抗を、第２領域におけるフィン３１の熱抵抗よりも高くするには、第１領域３２と第２領域３３とで、フィン３１の素材を異ならせたり、フィン３１の個数を異ならせたり、フィン３１の総体積を異ならせたりすればよい。
【０１００】
例えば、図５に示されるように、第１領域３２におけるフィン３１の個数は、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少なくする。第１領域３２におけるフィン３１の個数が、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少ないことで、発熱体１４の熱は、熱抵抗の小さい第２領域３３にむけて移動しやすくなる。結果として、発熱体１４からの熱は、基体１１の受熱面１６で受熱された後、基体１１の面方向に移動して並列的に基体１１内部を伝導する。更に、基体１１からフィン３１に熱は伝導し、フィン３１から放熱される。このとき、基体１１およびフィン３１内部を伝導する熱の経路は分散された上で並列的であるので、熱流束ｑｘは小さくなる。そうなると、基体１１およびフィン３１における温度勾配は数４から明らかな通り小さくなる。温度勾配が小さいことは、室温に対する発熱体１４の温度上昇が低減されていることである。結果として、実施の形態２におけるヒートシンク３０は、発熱体１４の冷却効果が高いことを示している。
【０１０１】
また、図５に示されるように、第１領域３２におけるフィン３１の個数が、第２領域３３におけるフィン３１の個数よりも少ないことは、第１領域３２におけるフィン３１の総体積が、第２領域３３におけるフィン３１の総体積よりも小さいことを示している。すなわち、発熱体１４の熱を、基体１１の面方向に分散させて、熱流束ｑｘを小さくさせるには、発熱体１４と対向する対向部分におけるフィン３１の総体積を減らすことでも実現できる。
【０１０２】
また、図７に示されるように、第１領域３２におけるフィンの個数は、０個であることも好適である。図７は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図である。
【０１０３】
図７に示されるヒートシンク３０は、第１領域３２におけるフィン３１が０個である。言い換えると、第１領域３２においては、フィン３１が設けられていない。
【０１０４】
このようにフィン３１が発熱体１４と対向する領域において、全く設けられていないことで、発熱体１４からの熱は、基体１１内部を面方向に移動しやすくなる。結果として、基体１１内部での熱伝導経路は、対向部分１２における熱伝導経路２０と周囲部分１３における熱伝導経路２１とに分かれる。熱伝導経路が並列になれば、熱流束ｑｘは当然に小さくなる。熱流束ｑｘが小さいということは、温度勾配も小さくなるということである。
【０１０５】
このように、第１領域３２においてフィン３１が全く設けられないことで、発熱体１４の温度上昇を抑制でき、発熱体１４の冷却効果を高めることができる。
【０１０６】
なお、フィン３１が設けられていないヒートシンクは、第１領域３２に設計上生じうる凹凸のあるヒートシンクを排除するものではなく、本発明の主旨を没却しない程度に第１領域にフィンを設けたヒートシンクを排除するものではない。
【０１０７】
（実施の形態３）
次に実施の形態３について説明する。
【０１０８】
実施の形態３におけるヒートシンクは、基体の側面にフィンを備えている。
【０１０９】
図８は、本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの側面図である。
【０１１０】
実施の形態３におけるヒートシンク５０は、基体１１において放熱面１７と交差する側面に、フィン５１を備えている。側面にフィン５１を備えている以外は、実施の形態１、２で説明された構成と共通している。
【０１１１】
側面にフィン５１が設けられていることで、発熱体１４からの熱が、基体１１において更に面方向に移動しやすくなる。
【０１１２】
フィン５１が側面に備えられていることで、フィン５０が備えられていない第１領域３２よりも熱抵抗が小さくなり（フィン５１という物体が備わっていることで、熱が引き寄せられやすくなるので）発熱体１４の熱は、第１領域３２に向かう厚み方向よりも、側面に向けて（すなわち面方向に）移動する。
【０１１３】
これは、基体１１の対向部分の熱抵抗が周囲部分の熱抵抗よりも小さくなることに加えて、側面に設けられたフィン５１が、発熱体１４からの熱を積極的に面方向に分散させることにもよる。すなわち、基体１１の側面にフィン５１が設けられることで、発熱体１４からの熱は、基体１１内部において積極的に面方向に分散される。これは、基体１１の放熱面にフィン３１が設けられず、側面のフィン５１だけが設けられても同様の熱分散の作用を示す。
【０１１４】
このため、発熱体１４からの熱は、基体１１において分散して並列な熱伝導経路で伝導する。熱伝導経路が並列になることで、基体１１の厚み方向の熱流束ｑｘは小さくなる。熱流束ｑｘが小さいことで、熱流束と熱抵抗の積分で算出される基体１１での温度勾配も小さくなる。発熱体１４の温度は、室温からフィン、フィンから基体、基体から発熱体のそれぞれの間での温度勾配の積算により算出される。つまり、温度勾配が小さければ、発熱体１４の温度上昇が小さくなる。
【０１１５】
実施の形態３におけるヒートシンク５０は、基体１１の側面にフィン５１を設けることで、基体１１での熱流束ｑｘを低減する。結果として、実施の形態３におけるヒートシンク５０は、発熱体１４の温度上昇を抑制できる。すなわちヒートシンク５０は、高い冷却効果を有する。
【０１１６】
（実施の形態４）
次に実施の形態４について説明する。
【０１１７】
実施の形態４では、封入された冷媒の気化と凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプと実施の形態１〜３で説明したヒートシンクが組み合わされた冷却モジュールについて説明する。
【０１１８】
図９、図１０は、本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図である。図９においては、第２領域３２だけにフィン３１が形成されているヒートシンク６１が示され、図１０においては、側面にもフィン５１が形成されているヒートシンク６１が示されている。
【０１１９】
冷却モジュール６０は、ヒートシンク６１および平板型ヒートパイプ６２を備える。平板型ヒートパイプ６２は、ヒートシンク６１の受熱面１６に対向して配置される。このとき、相互の対向面では、サーマルグリースなどの熱的接合剤が塗布されている。
【０１２０】
図９、１０から明らかな通り、発熱体１４は、まず平板型ヒートパイプ６２に接しており、ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２と接している。このため、発熱体１４からの熱伝導は、平板型ヒートパイプ６２を介してヒートシンク６１に進む。すなわち、実施の形態４における冷却モジュール６０は、平板型ヒートパイプ６２とヒートシンク６１が一緒になって、発熱体を冷却する。
【０１２１】
ヒートシンク６１は、実施の形態１〜３で説明したのと同様のヒートシンクである。
【０１２２】
ヒートシンク６１だけの場合に比べて、冷媒による受熱が可能な平板型ヒートパイプ６２を加えることで、さらに効果の高い発熱体１４の冷却が可能となる。
【０１２３】
（平板型ヒートパイプ）
平板型ヒートパイプ６２は、複数の板材が積層されて内部に空間を有するように形成されている。形状は、平板型である。内部空間には、冷媒が封入されている。冷媒は通常は液体であって、平板型ヒートパイプ６２の底面（発熱体１４と接する受熱面である）に滞留している。発熱体１４の熱がこの底面に伝導すると液体であった冷媒は気化し、平板型ヒートパイプ６２の上面（ヒートシンク６１と接する放熱面である）に移動する。この気化した冷媒の移動により、発熱体１４からの熱が運ばれる。気化した冷媒が放熱面に移動すると、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の温度があがる。すなわち、実施の形態４の冷却モジュール６０では、ヒートシンク６１は、この平板型ヒートパイプ６２と一体となって発熱体１４を冷却する。
【０１２４】
ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の熱を受熱面１６で受熱して、実施の形態１〜３で説明したメカニズムにより熱伝導する。ヒートシンク６１により放熱されると、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の温度は低下し、気化していた冷媒は凝縮して再び液体に戻る。液体に戻った冷媒は、その重みにより滴下して再び平板型ヒートパイプ６２の底面（受熱面）に還流する。還流した液体の冷媒は、再び発熱体１４からの熱により気化して熱移動を行う。この冷媒の気化と凝縮の繰り返しにより、平板型ヒートパイプ６２は、発熱体１４を冷却できる。
【０１２５】
平板型ヒートパイプ６２は冷媒を用いて発熱体１４の熱を奪うので、ヒートシンク６１だけの場合よりも、冷却モジュール６０は、高い冷却効果を有する。勿論、ヒートシンク６１が加えられることで、平板型ヒートパイプ６２の放熱面の熱が効率的に放熱されるので、平板型ヒートパイプ６２だけの場合よりも、冷却モジュール６０は、高い冷却効果を有する。
【０１２６】
言い換えると、平板型ヒートパイプ６２は、ヒートシンク６１の基体１１と一体の基体であると考えればよい。
【０１２７】
（ヒートシンク）
冷却モジュール６０では、平板型ヒートパイプ６２が伝導した発熱体１４の熱を、ヒートシンク６１が放熱する。すなわち、平板型ヒートパイプ６２とヒートシンク６１が一体となって、発熱体１４を冷却する（発熱体１４の室温に対する温度上昇を抑制する）。
【０１２８】
ヒートシンク６１において、受熱面１６の平板型ヒートパイプ６２と対向する部分を対向部分６５とし、対向部分６５以外の部分を周囲部分６６とする。実施の形態１〜３においては、ヒートシンクが発熱体１４と直接接していたので、発熱体１４との対向する部分を対向部分１２としていたが、実施の形態４では、ヒートシンク６１は、平板型ヒートパイプ６２の熱を奪い取るので、平板型ヒートパイプ６２を基準に対向部分６５および周囲部分６６を定義している。なお、対向部分６５および周囲部分６６は、平板型ヒートパイプ６２との対向する部分に基づいて決めているだけで、詳細に分けられている必要はない。おおまかに把握されれば十分である。これは、実施の形態１〜３における対向部分１２および周囲部分１３についても同様である。いずれも、受熱面１６が発熱体１４や平板型ヒートパイプ６２と対向する大体の領域が、対向部分として把握されればよい。
【０１２９】
実施の形態４における冷却モジュール６０においても、基体１１の対向部分６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高い。これは、基体１１の素材や構造（対向部分６５に複数の孔や発砲を有することなど）により実現される。あるいは、図９、図１０に示されるとおり、フィン３１、５１の形成により実現される。
【０１３０】
例えば、対向部分６５を形成する素材が、周囲部分６６を形成する素材と異なることで、それぞれにおける熱抵抗の値は相違する。熱抵抗の値は素材の物性で定まるからである。このため、対向部分６５は、熱抵抗の高い物性を有する素材で形成され、周囲部分６６は、熱抵抗の低い物性を有する素材で形成されればよい。この場合は別体を組み合わせることで製造される。
【０１３１】
あるいは、同一素材で一体形成された後で、対向部分６５に不純物がドーピングされることで、対向部分６５の熱抵抗を周囲部分６６の熱抵抗よりも高くしても良い。
【０１３２】
また、図４に示されるのと同様に、対向部分６５の表面に複数の孔を設けたり内部に発砲孔を設けたりして、対向部分６５の熱抵抗を高くしても良い。
【０１３３】
あるいは、対向部分６５に形成されるフィンの数が少ないことやフィンが設けられないことで、対後部部６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。
【０１３４】
このように対向部分６５の熱抵抗が高くなることで、平板型ヒートパイプ６２を介して伝導された発熱体１４の熱は、基体１１を並列に伝導する。この結果、基体１１における熱流束ｑｘは小さくなってヒートシンク６１における温度勾配も低減する。発熱体１４の温度は、室温に対する温度勾配の積算で算出されるので、ヒートシンク６１における温度勾配が低減すれば発熱体１４の温度上昇が抑制される。
【０１３５】
放熱面１７における対向部分６５に対応する第１領域３２におけるフィン３１の個数や総体積を、第２領域３３におけるフィン３１の個数や総体積よりも小さくすることでもよい。更には、図９に示されるように、第１領域３２においてはフィン３１を設けないことでもよい。なおフィン３１が設けられていないとは、製造上で生じる凸凹や本発明の主旨を没却しない程度の些末なフィンを設けることを排除するものではない。
【０１３６】
また、図１０に示されるように、基体１１の側面にフィン５１が設けられても良い。
【０１３７】
このように、ヒートシンク６１に備えられるフィンの工夫により、対向部分６５における熱抵抗が、周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。基体１１そのものの素材や構造が異ならなくても、フィン３１、５１が平板型ヒートパイプ６２の熱を引き寄せる効果を有するので、対向部分６５の熱抵抗が周囲部分６６の熱抵抗よりも高くなる。すなわち、フィン３１、５１の構成により、平板型ヒートパイプ６２からの熱は基体１１を並列に分配して伝導する。すなわち、基体１１における熱伝導経路が並列になり、ヒートシンク６１での熱流束ｑｘが小さくなる。この結果、ヒートシンク６１における温度勾配が低減できる。
【０１３８】
以上のように、実施の形態４における冷却モジュールも、熱流束ｑｘを低減できることで、高い効率で発熱体１４を冷却できる。
【０１３９】
なお、実施の形態１〜４のいずれにおいても、熱伝導経路の並列化のために、基体そのものの素材や構造の工夫とフィンの構成の工夫のいずれか一方だけが用いられてもよく、両者が組み合わされて用いられてもよい。
【０１４０】
また、冷却モジュール６０は、ヒートシンク６１と平板型ヒートパイプ６２が組み合わされて構成されたものでも良く、ヒートシンク６１で構成されたものでも良い。
【０１４１】
（実施の形態５）
次に実施の形態５について説明する。
【０１４２】
実施の形態５では、実施の形態４で説明した冷却モジュール６４、６５が装着された冷却可能な電子基板について説明する。
【０１４３】
なお、この電子基板は、家電品やコンピュータなどの電子機器、切削機械などの産業機器、産業用ロボット、自動車、航空機など様々なアプリケーションに用いることができる。
【０１４４】
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の側面図であり、図１１（ｂ）は、本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の上面図である。図１１（ａ）と図１１（ｂ）は相互に対応する。
【０１４５】
冷却可能な電子基板８０は、発熱性を有する電子部品８２、８３、８４が装着された電子基板８１と、電子部品８２、８３に対向して配置される冷却モジュール６４と、電子部品８４に対向して配置された冷却モジュール６５を備える。なお、図１１に示される通り、部品８２、８３に配置された冷却モジュール６４は、ヒートシンク６１と平板型ヒートパイプ６２が組み合わされたものであり、部品８４に配置された冷却モジュール６５は、ヒートシンク６１で構成されたものである。部品の発熱度合いや冷却モジュール６４、６５の装着に必要となる容積余裕度によって、ヒートシンク６１だけの冷却モジュール６５、もしくはヒートシンク６１に平板型ヒートパイプ６２が組み合わされた冷却モジュール６４が使い分けられれば良い。使い分け方は任意に定まる。
【０１４６】
電子部品８２、８３、８４は、それぞれ発熱性を有している。ＬＳＩやＩＣなどの半導体集積回路であったり、ＬＥＤ素子であったり、パワーデバイスであったりする。
【０１４７】
冷却モジュール６４は、電子部品８２、８３の両方に対向するように配置されている。冷却モジュール６４は、２つの電子部品を同時に冷却する。一方、冷却モジュール６５は、１つの電子部品８４に対向するように配置されている。冷却モジュール６５は、単体の電子部品を冷却する。
【０１４８】
冷却モジュール６４が備えるヒートシンク６１は、ヒートシンク６１の放熱面であって電子部品８２、８３に対向する部分に対応する領域以外にフィン３１を備えている。これは実施の形態１〜４で説明したのと同様である。同様に、冷却モジュール６５が備えるヒートシンク６１も、電子部品８４と対向する部分に対応する領域以外にフィン３１を備えている。
【０１４９】
このようなフィンの構造により、ヒートシンク６１を構成する基体１１において、熱伝導経路が並列化されて熱流束ｑｘが低減する。熱流束ｑｘが低減することにより、ヒートシンク６１における温度勾配も低減するので、室温に対する電子部品８２〜８４の温度上昇が抑制できる。
【０１５０】
このように実施の形態５における冷却可能な電子基板８０は、装着されている発熱性を有する電子部品を、高い効率で冷却できる。冷却モジュール６４、６５が装着されていることで、電子基板８０が電子機器や産業機器などに実装された場合でも、電子部品の温度上昇が抑制できるからである。
【０１５１】
なお、図１１に示される冷却モジュール６４、６５は一例であり、実施の形態１〜４で説明された他の形態や構成を有する冷却モジュールが使用されてもいいのは言うまでもない。
【０１５２】
なお、実施の形態１〜５で説明されたヒートシンク、冷却モジュールは、ヒートシンクでの温度勾配を低減することによって、接触する発熱体や平板型ヒートパイプの温度勾配も低減する。
【０１５３】
次に、実際にシミュレーションを行った実験例について説明する。
【０１５４】
（実施例）
（実施例１と比較例１による実験）
ここでは、実施例１を、比較例１との比較に基づいて説明する。
【０１５５】
なお、ここでは、ヒートシンクと平板型ヒートパイプを組み合わせた冷却モジュールについて実験を行った。ヒートシンクと平板型ヒートパイプが一体となって（平板型ヒートパイプとヒートシンクとが複合された基体であるとみなせばよい）、発熱体を冷却する。ヒートシンクは、本発明の実施の形態１から５で説明したヒートシンクであり、平板型ヒートパイプとの組み合わせの有無にかかわらず、従来のヒートシンクに比べて温度勾配を小さくできる。
【０１５６】
図１２、図１３は、本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図である。図１３は、図１２に示されるヒートシンクの図中Ａ−Ａ’断面に沿った断面を見せている。
【０１５７】
図１２、図１３に示される実施例１は、発熱体と対向する対向部分として一般的に考えられる基体の中央部においてフィンが設けられておらず、周囲部分のみにフィンが設けられている。また、周辺部に行くにつれて、フィンの高さが高くなる。
【０１５８】
図１４、図１５は、本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図である。図１５は、図１４に示されるヒートシンクの図中Ａ−Ａ’断面に沿った断面を見せている。比較例１のヒートシンクは、基体の放熱面の全面に一様にフィンを備えている。
【０１５９】
実施例１および比較例１のヒートシンクは、アルミニウムで形成されていると想定している。なお、アルミニウム以外であっても熱伝導性の良い、銅、銀、金、チタンなどの種々の金属や樹脂が用いられればよい。
【０１６０】
実施例１および比較例１のヒートシンクの基体は、５ｍｍの厚み、５０ｍｍ角のサイズを有している。フィンは、３ｍｍ角であって、５ｍｍピッチで配置されて突出している。フィンの高さは、最外周部では４０ｍｍ、その内側は３０ｍｍ、更にその内側は２０ｍｍ、最内側は１０ｍｍである。フィンを設置していない領域は、基体中心の１２ｍｍ角の領域である。これは実施の形態１〜４で説明した第１領域に相当する。この１２ｍｍ角の第１領域は、発熱体のサイズによって適宜変更されて良い。
【０１６１】
また、実施例１のフィンの高さは、上述のように中央から外周に向けて直線的に増加するだけでなく、二次曲線に近い形状で増加しても良く、ルート関数曲線に近い形状で増加しても良い。
【０１６２】
なお、フィンの高さの増加パターンは、ヒートシンクと組み合わされる送風ファンからの気流に応じて定められても良い。例えば、ヒートシンク上方より風を吹きつける場合には、ヒートシンクの横断面において、フィンが凹を描くような高さ変化を有していることが、気流の導入において効果的である。逆に、ヒートシンク上方へ風を吸い込む送風ファンが用いられる場合には、ヒートシンク横断面においてフィンが凸を描くような高さ変化を有していることが、気流の導入において効果的である。図１２で示される実施例１のように、フィンの高さが直線的に変化するように攻勢されることで、送風ファンの違いによる性能変化の差分を最小限に抑えることができる。
【０１６３】
比較例１のヒートシンクの素材、基体のサイズは同じであり、高さ４０ｍｍのフィンが放熱面の全面に５ｍｍピッチで配置されていることのみが相違する。
【０１６４】
加えて、実施例１および比較例１のヒートシンクは、平板型ヒートパイプと組み合わされ使用される。このとき、ヒートシンクと平板型ヒートパイプは、サーマルグリース等の熱的接合材（以下、「ＴＩＭ」と呼ぶ。）を介して接続されている。ＴＩＭは、０．１ｍｍ程度の厚みを有するのが適当である。
【０１６５】
なお、ＴＩＭとしては、シリコン系のサーマルグリースをはじめ、銅や銀粒子などのフィラー入りのサーマルグリース、所定の温度・時間条件によって硬化するエポキシ系のサーマルグリース、ある温度異常でフェーズチェンジして流動性をもつサーマルグリース、あるいは液体金属製などの種々の素材を含む。なお、シリコン系サーマルグリースは、低コストであるメリットがある。
【０１６６】
また、平板型ヒートパイプは、銅を用いて製造した。
【０１６７】
以上のようにして、実施例１および比較例１にかかわるヒートシンクを試作した。
【０１６８】
この試作した実施例１と比較例１のそれぞれの冷却効果について、サーマルシミュレーションを実施した。
【０１６９】
シミュレーション方法として、固体内部におけるモデルに、有限体積法により３次元熱伝導方程式を離散化したモデルを採用した。また、ヒートシンク表面においては、鉛直面の熱伝達係数を２００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とし、上向き水平面における熱伝達係数を１５０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とし、下向き水平面は１０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の定数とするモデルを採用した。計算の安定性を考慮したためである。
【０１７０】
また、平板型ヒートパイプの熱伝達係数を、１７００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）とした。これは、銅の熱伝達係数の約５倍であり、平板型ヒートパイプの性能として適当と考えられるからである。
【０１７１】
まず、実施例１でのヒートシンクの表面温度に関するシミュレーション結果を、図１６に示す。図１６は、本発明の実施例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図である。同様に、比較例１でのヒートシンクの受熱面温度に関するシミュレーション結果を、図１７に示す。図１７は、本発明の比較例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの受熱面温度に反映させた斜視図である。
【０１７２】
図１６、１７においては、色の濃い部分は温度が高く、色の薄い部分は温度が低いことを示している。図１６から明らかな通り、実施例１のヒートシンクを用いた場合には、中心部の温度と周辺部の温度の差が小さい。特に中心部の温度が周辺部に比べてそこまで高くないことが分かる。すなわち、発熱体の熱が、中心部および周辺部に分散してヒートシンクを熱伝導していることが分かる。
【０１７３】
これに対して、図１７から明らかな通り、比較例１のヒートシンクでは中心部の色が非常に濃く、中心を基本に熱が伝導している。すなわち、熱はヒートシンクで分散せず、発熱体から直にヒートシンクの厚み方向に熱伝導している。
【０１７４】
このように、シミュレーションからも実施例１のヒートシンクは、発熱体の熱をヒートシンク内部で分散させて熱伝導させることが確認された。
【０１７５】
なお、シミュレーションにおいては、ヒートシンクの受熱面の中心に発熱体があると想定している。
【０１７６】
ついで、実施例１と比較例１において、平板型ヒートパイプおよびヒートシンク内における温度平滑化効果と厚み方向の温度勾配低減効果を比較した。図１８に、実験状況が示されている。図１８は、本発明における実施例１と比較例１の温度勾配低減効果の実験を示す模式図である。
【０１７７】
図１８に示すように、平板型ヒートパイプ内の横断面Ａ−Ａ’および鉛直断面Ｂ−Ｂ’での温度分布を、３次元曲面を用いて、図１９に示す図１９（ａ）は、実施例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図であり、図１９（ｂ）は、比較例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図である。
【０１７８】
図１９（ａ）に示されるＢ−Ｂ’の傾きの大きさは、図１８におけるＢ−Ｂ’での温度勾配を示すものである。言い換えると、実施例１（本発明の主旨に対応する）のヒートシンクと接する平板型ヒートパイプにおける温度勾配を示す。図１９（ｂ）に示されるＢ−Ｂ’の傾きは、比較例１のヒートシンクと接する平板型ヒートパイプにおける温度勾配を示す。
【０１７９】
図１９（ａ）、（ｂ）を比較して分かるとおり、実施例１のヒートシンクを用いた場合には、温度勾配が小さくなっていることが分かる。温度勾配が小さいことで、室温に対する発熱体の温度上昇を低減できる。このように、実施例１のヒートシンクは、ヒートシンクと組み合わされた平板型ヒートパイプの温度分布を平滑化でき、温度勾配を低減できる。
【０１８０】
一方、図１９（ｂ）から分かるとおり、比較例１のヒートシンクを用いた場合には、温度勾配が大きくなっている。なお図１９に示されているのは、冷却モジュールの平板型ヒートパイプの部分の温度勾配であるが、平板型ヒートパイプは、ヒートシンクの一部であるので、ヒートシンク（あるいはヒートシンクの基体部分）における温度勾配を示しているとみなすことができる。
【０１８１】
このように、実験結果からも本発明の主旨である対向部分の熱抵抗が周囲部分の熱抵抗よりも高いヒートシンクは、温度勾配が小さくなり、室温に対する発熱体の温度上昇が抑制できる。
【０１８２】
次に、ヒートシンクに平板型ヒートパイプを組み合わせることによる冷却効果の増加を説明する。
【０１８３】
図１２に示される実施例１のヒートシンクに、（１）平板型ヒートパイプ、（２）銅板（銅製の熱拡散部材）、（３）アルミニウム板（アルミニウム製の熱拡散部材）のいずれかを組み合わせた冷却モジュールによる、温度低下効果を実験した。なお（１）の平板型ヒートパイプは、実施の形態４で説明したとおり、封入された冷媒の気化と凝縮により冷却効果を発揮する部材であり、（２）の銅板および（３）のアルミニウム板は、ただの金属板である。
【０１８４】
（１）〜（３）が組み合わされた冷却モジュールのそれぞれにおいて、冷却モジュール内部の最高温度と最低温度を比較して、温度低下効果を算出した。算出結果は、（表１）に示される。
【０１８５】
【表１】
【０１８６】
表１から明らかな通り、（１）平板型ヒートパイプが組み合わされた冷却モジュールの温度低下効果が最も高い。このことから、平板型ヒートパイプが組み合わされることの冷却効果が高いことが分かる。
【０１８７】
図１９に示される実験結果から、本発明のヒートシンクの冷却効果が高いことが分かり、表１に示される結果から、本発明のヒートシンクに平板型ヒートパイプを組み合わせた冷却モジュールの冷却効果が高いことが分かる。
【０１８８】
以上の実験結果より、本発明のヒートシンクは、発熱体の温度上昇を抑制できる。また、冷媒の気化・凝縮を利用した平板型ヒートパイプと組み合わされることで、更に高い効果で発熱体の温度上昇を抑制できる。
【０１８９】
以上のように、実施の形態１〜５のヒートシンク、冷却モジュールによれば、発熱体からの熱が面方向に移動しやすくなるので、基体内部での熱の移動が分散されて並列移動となる。結果として、熱流束ｑｘが低減し、基体やフィンにおける温度勾配が低減する。温度勾配が低減することにより、室温に対しての発熱体の温度上昇が抑制される。
【０１９０】
なお、ヒートシンクや冷却モジュールが、発熱体と対向するのは、基体の中央付近であることが多いと考えられるので、対向部分は、基体の中央付近であると仮定されて本発明のヒートシンクや冷却モジュールが製造されることが適当である。勿論、使用上の都合によっては基体の端部で発熱体と対向することもありえるので、この場合には対向部分は、基体の端部として製造されればよい。
【０１９１】
これらのヒートシンク、冷却モジュール、冷却可能な電子基板は、電子機器、製造機械、産業機械、自動車、航空機器などの幅広い分野に適用される。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明は、電子部品や電子素子などの発熱性を有する発熱体の冷却などの分野において好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】従来の技術と本発明の熱伝導の概念を示す模式図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図 （ｂ）図２（ａ）に示されるヒートシンクを上から見た上面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの側面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図
【図６】図５に示されるヒートシンクを上から見た上面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの側面図
【図８】本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの側面図
【図９】本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図
【図１０】本発明の実施の形態４における冷却モジュールの側面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の側面図 （ｂ）本発明の実施の形態５における冷却可能な電子基板の上面図
【図１２】本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１３】本発明の実施例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１４】本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１５】本発明の比較例１におけるヒートシンクの斜視図
【図１６】本発明の実施例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図
【図１７】本発明の比較例１についてのシミュレーション結果をヒートシンクの表面温度に反映させた斜視図
【図１８】本発明における実施例１と比較例１の温度勾配低減効果の実験を示す模式図
【図１９】（ａ）実施例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図 （ｂ）比較例１の場合のＡ−Ａ’における鉛直断面の温度分布を示す説明図
【図２０】ヒートシンクと発熱体との温度変化を示す模式図
【符号の説明】
【０１９４】
１ 発熱体
２ 基体
３ フィン
４、５ 熱伝導経路
１０ ヒートシンク
１１ 基体
１２ 対向部分
１３ 周囲部分
１４ 発熱体
３１ フィン
３２ 第１領域
３３ 第２領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と対向し、前記発熱体から熱を奪う基体を備え、
前記基体において、前記発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、前記対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高いヒートシンク。
【請求項２】
前記対向部分は、前記周囲部分よりも熱抵抗の高い素材で形成されている請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記対向部分は、複数の孔を備える請求項１から２のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記基体は前記発熱体と対向する受熱面と、前記受熱面と対向する放熱面を有し、
前記放熱面は、複数のフィンを備え、
前記対向部分に対応する前記放熱面の領域である第１領域に備えられた前記フィンの熱抵抗は、前記周囲部分に対応する前記放熱面の領域である第２領域に備えられた前記フィンの熱抵抗よりも高い請求項１から３のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記第１領域に備えられた単位面積あたりの前記フィンの個数は、前記第２領域に備えられた単位面積あたりの前記フィンの個数よりも少ない請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記第１領域に備えられた前記フィンの総体積は、前記第２領域に備えられた前記フィンの総体積よりも小さい請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記第１領域に備えられている前記フィンの個数は、０個である請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記基体において前記放熱面と交差する前記基体の側面が、更にフィンを備える請求項４から７のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項９】
受熱面と放熱面を有する平板型の基体と
前記受熱面に対向して配置された平板型ヒートパイプを備え、
前記基体において、前記平板型ヒートパイプと対向する対向部分の熱抵抗が、前記対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高く、
前記平板型ヒートパイプは、内部に封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却する冷却モジュール。
【請求項１０】
前記周囲部分に対応する前記放熱面の領域である第２領域には、複数のフィンが備えられ、前記対向部分に対応する前記放熱面の領域である第１領域には、０個の前記フィンが備えられている請求項９記載の冷却モジュール。
【請求項１１】
前記基体において前記放熱面と交差する前記基体の側面が、更にフィンを備える請求項９から１０のいずれか記載の冷却モジュール。
【請求項１２】
電子基板と、
前記電子基板に装着された発熱性を有する電子部品と、
前記電子部品に対向して配置された請求項９から１１のいずれか記載の冷却モジュールを備える冷却可能な電子基板。
【請求項１】
発熱体と対向し、前記発熱体から熱を奪う基体を備え、
前記基体において、前記発熱体と対向する対向部分の熱抵抗が、前記対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高いヒートシンク。
【請求項２】
前記対向部分は、前記周囲部分よりも熱抵抗の高い素材で形成されている請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記対向部分は、複数の孔を備える請求項１から２のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記基体は前記発熱体と対向する受熱面と、前記受熱面と対向する放熱面を有し、
前記放熱面は、複数のフィンを備え、
前記対向部分に対応する前記放熱面の領域である第１領域に備えられた前記フィンの熱抵抗は、前記周囲部分に対応する前記放熱面の領域である第２領域に備えられた前記フィンの熱抵抗よりも高い請求項１から３のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記第１領域に備えられた単位面積あたりの前記フィンの個数は、前記第２領域に備えられた単位面積あたりの前記フィンの個数よりも少ない請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記第１領域に備えられた前記フィンの総体積は、前記第２領域に備えられた前記フィンの総体積よりも小さい請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記第１領域に備えられている前記フィンの個数は、０個である請求項１から４のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記基体において前記放熱面と交差する前記基体の側面が、更にフィンを備える請求項４から７のいずれか記載のヒートシンク。
【請求項９】
受熱面と放熱面を有する平板型の基体と
前記受熱面に対向して配置された平板型ヒートパイプを備え、
前記基体において、前記平板型ヒートパイプと対向する対向部分の熱抵抗が、前記対向部分の周囲である周囲部分の熱抵抗よりも高く、
前記平板型ヒートパイプは、内部に封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却する冷却モジュール。
【請求項１０】
前記周囲部分に対応する前記放熱面の領域である第２領域には、複数のフィンが備えられ、前記対向部分に対応する前記放熱面の領域である第１領域には、０個の前記フィンが備えられている請求項９記載の冷却モジュール。
【請求項１１】
前記基体において前記放熱面と交差する前記基体の側面が、更にフィンを備える請求項９から１０のいずれか記載の冷却モジュール。
【請求項１２】
電子基板と、
前記電子基板に装着された発熱性を有する電子部品と、
前記電子部品に対向して配置された請求項９から１１のいずれか記載の冷却モジュールを備える冷却可能な電子基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−１８８３２９（Ｐ２００９−１８８３２９Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９１５１（Ｐ２００８−２９１５１）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（５９１２４５１４１）株式会社渕上ミクロ (26)
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（５９１２４５１４１）株式会社渕上ミクロ (26)
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
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