JP2008140831A - Heat-sink structure - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a heat dissipation structure, and more specifically to a heat dissipation structure for suppressing a temperature increase of a cooling target such as various semiconductor devices.
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。 Many semiconductor devices are used in high-speed data processing arithmetic devices, communication devices, automobiles, and the like, and a lot of heat is generated from these semiconductor devices due to power loss. In these apparatuses, the problem of temperature rise in semiconductor devices has become serious as the processing speed increases, the capacity of the apparatus increases (large current), and the size of the apparatus decreases. If sufficient heat dissipation is not performed, the temperature of the semiconductor device rises and normal operation cannot be performed.
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。
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。 In the above data processing arithmetic device, communication device, etc., when a fan or pump that forcibly circulates fluid is used, the power consumed by the fan or pump cannot be ignored and is added to the power lost in the semiconductor device. Energy efficiency is reduced. However, in a large-scale data processing arithmetic unit or the like, many semiconductor devices are arranged. Therefore, the temperature distribution becomes non-uniform unless the fluid is circulated, and the semiconductor device at a location where the temperature is locally high does not operate normally. This will cause trouble. For this reason, development of the heat radiating device which can circulate a fluid, without reducing energy efficiency has been desired.
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。 An object of this invention is to provide the thermal radiation structure which can circulate a fluid, without reducing energy efficiency.
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。 The heat dissipating structure of the present invention is located in the base, the first heat dissipating part located in the first region of the base and dissipating heat, and the base in the second region adjacent to the first region. And a second heat dissipating part that dissipates heat. The heat dissipation amount per base unit area in the first heat dissipating part is larger than the heat dissipating amount per base unit area in the second heat dissipating part.
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。 According to said structure, in each of the 1st and 2nd thermal radiation part, when fins are arrange | positioned, for example, heat transfer is performed between the fin surface (heat transfer surface) and the fluid, and the fluid is a natural convection. However, natural convection heat transfer occurs on the heat transfer surface. In addition, since the heat dissipation amount per base unit area in the first heat radiating portion is larger than that in the second heat radiating portion, the fluid temperature in the first heat radiating portion is higher than the fluid temperature in the second heat radiating portion. become. As a result, a driving force for fluid movement is generated between the areas of the heat dissipation structure due to the temperature difference, and circulation is performed within the range of the heat dissipation structure without arranging a fan or pump, thus reducing energy efficiency. Without this, the heat radiation amount in the heat radiation structure can be increased. How the fluid moves varies greatly depending on the surrounding boundary conditions, the direction of gravity, etc., but within the range of the heat dissipation structure for the above fluid without a pump or fan due to the above driving force. Therefore, a driving force for circulation is generated. When forced circulation is performed in the region of the heat dissipation structure, the amount of heat transfer is greatly improved, so that the amount of heat dissipation to the fluid can be increased without sacrificing energy efficiency.
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。 The first heat radiating part and the second heat radiating part may have any form as long as the heat radiating amount per substrate unit area is high in the first heat radiating part. A form with a continuous gradient of the heat radiation amount per area may be used, or a form in which the heat radiation amount per unit area of the substrate is changed stepwise. Further, within the range of the heat dissipation structure, the discharge per unit area of the substrate is intermediate between the first heat dissipation portion and the second heat dissipation portion, or higher than any of these, or lower than any of these. It goes without saying that there may be other regions having a calorific value.
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。 Another heat dissipating structure of the present invention has a base, a first heat dissipating part having a fin standing in the first region of the base, and a fin standing in the second region adjacent to the first region in the base. A second heat radiating section. And the surface area of the fin per base unit area in a 1st thermal radiation part and the surface area of the fin per base unit area in a 2nd thermal radiation part was made larger, It is characterized by the above-mentioned.
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。 According to said structure, it becomes possible to make the temperature of the fluid in a 1st thermal radiation part higher than the temperature of the fluid in a 2nd thermal radiation part. For this reason, as described above, a driving force for fluid movement within the range of the heat dissipation structure due to the temperature difference is generated, and forced circulation is performed in the region of the heat dissipation structure without arranging a fan or a pump. The amount of heat radiation can be increased without reducing the energy efficiency.
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。 The first heat radiating portion and the second heat radiating portion may have any form as long as the surface area is high in the first heat radiating portion, and a continuous gradient to the surface area in the first and second heat radiating portions. It may be a form with a mark, or a form in which the surface area changes stepwise. In addition, within the range of the heat dissipation structure, the intermediate surface between the first heat dissipating part and the second heat dissipating part, or higher than any of these, or lower than any of these, has the above surface area. It goes without saying that there may be areas.
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。 Moreover, it can comprise so that the fin height of said 1st thermal radiation part and the fin height of the 2nd thermal radiation part may be arrange | equalized. Thereby, the fluid temperature in the 1st heat radiating part can be reliably made higher than the fluid temperature in the 2nd heat radiating part, and manufacture of a heat radiating structure provided with a base and a fin can be facilitated.
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。 Moreover, it is good also as a structure where the fin height of all or one part of the fin of a 1st thermal radiation part is higher than the fin height of a 2nd thermal radiation part. Thereby, the structure which makes it possible to make the heat radiation amount per base unit area of the first heat radiation portion larger than that of the second heat radiation portion can be easily obtained.
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。 Another heat dissipating structure of the present invention is a structure that conducts heat in contact with a fluid, and includes a base, a first heat dissipating part that is located in a first region of the base and dissipates heat, and a base. And a second heat dissipating part located in a second region adjacent to the first region to dissipate the heat. And the temperature of the fluid in a 1st thermal radiation part was made to become higher than the temperature of the fluid in a 2nd thermal radiation part, It is characterized by the above-mentioned.
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。 According to said structure, in each of the 1st and 2nd thermal radiation part, when fins are arrange | positioned, for example, heat transfer is performed between the fin surface (heat transfer surface) and the fluid, and the fluid is a natural convection. However, natural convection heat transfer occurs on the heat transfer surface. In addition, since a temperature difference is generated between the fluid in the first heat radiating portion and the fluid in the second heat radiating portion, a driving force is generated that breaks the stationary balance of the fluid that is retained during natural convection at each position.
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。 According to the heat dissipation structure of the present invention, the fluid that is the cooling medium can be circulated without reducing the energy efficiency.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a
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。
In
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。
Assuming that the height of the standing wall-
<Surface area of (base + fin) per base unit area>
First radiating portion A 1: {1+ (18H × L + 9W × H) / S}
Second heat radiation part A 2 : {1+ (10H × L + 5W × H) / S}
In the above description, the number of
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。
The surface area of the base and the fin per unit area of the base is not strictly proportional to the temperature of the fluid in the heat radiating portion or the amount of heat radiated, but the temperature of the fluid in the heat radiating portion is high or low, or The amount of heat release can be used as a rough reference. In the
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。
The
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。
What kind of fluid driving force is generated when the
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。
The driving force naturally occurs between the fluid in the heat dissipation structure close to the flow path inlet and the fluid in the flow path, but the area of the
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。
4, the
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。
5, the
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。
The
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。 The above description of the configuration shown in FIG. 5 is valid even when the flow path is open and wide, or when the flow path is narrowly defined by a housing (not shown). However, when the flow path is open, in the arrangement shown in FIG. 5, a replenishment flow driving force f is further generated, and the fluid is drawn into the upper heat radiating portion from the flow path having a relatively small temperature rise. . For this reason, a relatively low-temperature fluid is added to the upper heat radiating section, and the amount of heat radiated can be more reliably ensured.
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。
Figure 6 is a case where the vertically arranged
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。
In the case of the vertical arrangement of the heat dissipating structure in FIGS. 5 and 6, the above-described operational effect obtained by the presence of a region having a difference in the amount of heat radiation is the operational effect obtained in the horizontal arrangement of FIGS. 3 and 4. Is based on the same reason. That is, both are caused by the fact that a driving force for driving a fluid is generated within the range of the
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。
As described above, due to the difference in the density of the heat dissipation amount of the
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。
In summary, the driving force generated in the base region by the
(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。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a perspective view showing the
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。
In the
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。
The surface area of the base and the fin per unit area of the base is not strictly proportional to the temperature of the fluid in the heat radiating portion or the amount of heat radiated, but the temperature of the fluid in the heat radiating portion is high or low, or The amount of heat release can be used as a rough reference. In the
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。
In the
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。
In FIG. 8, the
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。
The driving force naturally occurs between the fluid in the heat dissipation structure close to the flow path inlet and the fluid in the flow path, but the area of the
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。
9, the
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。
10, a
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。
The
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。 The above description of the configuration of FIG. 10 is valid even when the flow path is open and wide, or when the flow path is narrowly defined by a housing (not shown). However, when the flow path is open, in the arrangement shown in FIG. 10, a replenishment flow driving force f is further generated, and the fluid is drawn into the upper heat radiating portion from the flow path in a range where the temperature rise is relatively small. . For this reason, a relatively low-temperature fluid is added to the upper heat radiating section, and the amount of heat radiated can be more reliably ensured.
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。
Figure 11 is a case where the vertically arranged
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。
In the case of the vertical arrangement of the heat dissipating structure of FIGS. 10 and 11, the above-described operational effect obtained by the presence of a region having a difference in the amount of heat radiation is the operational effect obtained in the horizontal arrangement of FIGS. Is based on the same reason. That is, both are caused by the fact that a driving force for driving a fluid is generated within the range of the
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。
As described above, due to the difference in the density of the heat dissipation amount of the
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。
In summary, the driving amount in the base region by
(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。
(Embodiment 3) -Distribution of heat dissipation amount (surface area of fin and base) per base unit area-
The heat dissipation amount per base unit area, or the distribution of the fin and base surface area per base unit area may be any form, for example, as shown in FIG. It may be a form that changes stepwise. As can be seen from the way of the first heat radiation member A 1 and the second heat radiation member A 2 set at 12, the heat radiation amount per base unit area of the first heat radiation member A 1 and the second heat radiation member greater than that of a 2, it may be divided how these heat radiating portion. In addition, within the range of the heat dissipation structure, a heat dissipation amount per unit area of the substrate that is intermediate between the first heat dissipation portion and the second heat dissipation portion, or higher than any of these, or lower than any of these. There may be other areas to have.
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。 In the first and second embodiments of the present invention, the area of the heat dissipation structure is illustrated an embodiment which is divided into two by the first heat radiation member A 1 and the second and the heat radiating portion A 2. However, in the present invention, as shown in FIG. 13, for example, a pattern in which the first heat radiating portion A 1 and the second heat radiating portion A 2 are alternately arranged may be used. Or, although not shown, in the present invention, the first heat radiation member A 1 of the rectangle and the second heat radiating portion A 2 may be a pattern arrayed in a checkered pattern.
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。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
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。 In the cooling structure of the present invention, it is possible to apply a driving force to the fluid located in the heat dissipation structure by making a difference in heat dissipation density between adjacent heat dissipation portions, and without using a fan or the like, Therefore, a high level of heat dissipation can be realized with high energy efficiency.
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)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 The base,
A first heat dissipating part located in the first region of the base and dissipating heat;
A second heat dissipating part located in a second region adjacent to the first region to dissipate heat;
A heat dissipation structure characterized in that a heat dissipation amount per base unit area in the first heat dissipation portion is larger than a heat dissipation amount per base unit area in the second heat dissipation portion.
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。 The base,
A first heat dissipating part having fins standing in the first region of the base part;
A second heat dissipating part having fins standing in a second region adjacent to the first region in the base;
A heat radiating structure characterized in that the surface area of the fins and the base portion per base unit area in the first heat radiating portion is larger than the surface area of the fins and the base portion per base unit area in the second heat radiating portion.
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