WO2012114955A1 - ヒートシンク及びヒートシンクの使用方法 - Google Patents

ヒートシンク及びヒートシンクの使用方法 Download PDF

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WO2012114955A1
WO2012114955A1 PCT/JP2012/053498 JP2012053498W WO2012114955A1 WO 2012114955 A1 WO2012114955 A1 WO 2012114955A1 JP 2012053498 W JP2012053498 W JP 2012053498W WO 2012114955 A1 WO2012114955 A1 WO 2012114955A1
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pin
heat sink
pin fin
fins
rows
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Application number
PCT/JP2012/053498
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Inventor
哲郎 秦
幹雄 大高
Original Assignee
古河スカイ株式会社
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Publication date
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/467—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing gases, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a heat sink used for cooling an object to be cooled such as various models including electronic devices such as a CPU, an integrated circuit, and a semiconductor element, and a method of using the heat sink.
  • Heat sinks are used for heat dissipation in various devices including electronic devices such as CPUs, integrated circuits, and semiconductor elements.
  • electronic devices such as CPUs, integrated circuits, and semiconductor elements.
  • the amount of heat generated by these devices and the heat generation density tend to increase. Therefore, high-performance heat sinks with better cooling performance have been demanded.
  • Patent Document 4 Conventional heat sinks for natural air cooling have often used plate-like fins as shown in Patent Documents 1 to 4.
  • Patent Document 4 labeled “Pin-type heat sink” a large number of radiating fins are disposed on a heat receiving plate that transmits heat from the object to be cooled, but each pin has a thick cross-sectional shape. It is a thin, wide flat or ribbon-shaped flat pin (see paragraph 0008 of Patent Document 4), and it can be said that a plate-like fin is used. Since the plate-like fin has a large heat radiation area, the cooling performance is good. However, since the plate-like fin is plate-like, it has a corresponding weight.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to obtain a heat sink that is lightweight and has excellent cooling performance.
  • the present invention uses pin fins instead of plate fins in order to obtain a lightweight heat sink.
  • the heat radiation area is reduced as compared with plate fins, so that the cooling performance is lowered.
  • placing pin fins at a high density to the same heat radiation area as the plate fins not only does not reduce the weight, but also increases the resistance to the flow of cooling air. In other words, the cooling performance is lowered, which is not realistic at all.
  • the present invention in order to have a heat dissipation performance comparable to that of plate fins even if pin fins are used, it is devised so that the flow of cooling air is accelerated and enhanced. It is important to improve the function of the fins so that the heat exchange efficiency between the air and the fins increases.
  • the present invention made as a result of intensive studies from this viewpoint is specifically as follows.
  • the heat sink according to the first aspect of the present invention is: A heat sink used to cool a cooling object, A base plate erected so that an updraft generated by heat generated from the object to be cooled flows along the plate surface; A pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate; With The pin fin group has a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other, and the pair of pin fin rows gradually spreads vertically between the rows. Arranged opposite to the horizontal direction, It is characterized by that.
  • the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical.
  • the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be a circle or an ellipse with an aspect ratio of 1.0 to 5.0.
  • cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be an ellipse that is long from the vertically lower side toward the vertically inner side of the pair of pin fin rows.
  • the pair of pin fin rows may be repeatedly provided in two or more pairs in the horizontal direction.
  • an angle formed by pin fin arrangement directions in each pin fin row may be 40 ° or less.
  • the method of using the heat sink according to the second aspect of the present invention is as follows: A base plate and a pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate, the pin fin group having a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other
  • the pair of pin fin rows is a method of using a heat sink disposed so as to face each other so as to gradually spread between the rows, Ascending airflow generated by the heat generated from the cooling target flows along the plate surface of the base plate, and the pair of pin fin rows face each other in the horizontal direction so that the space between the rows gradually spreads vertically upward.
  • the heat sink is arranged and used for natural air cooling, It is characterized by that.
  • the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical.
  • the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical with an aspect ratio of 1.0 to 5.0.
  • the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be an ellipse that is long in the direction crossing the direction in which the pin fins are arranged in the pin fin row.
  • the heat sink may be disposed so that the pair of pin fin rows are repeatedly disposed in two or more pairs in the horizontal direction.
  • an angle formed by pin fin arrangement directions in each pin fin row may be 40 ° or less.
  • the base plate is erected so that the updraft generated by the heat generated from the cooling target flows along the plate surface” or “the upflow generated by the heat generated from the cooling target along the plate surface of the base plate “Flowing” means “the base plate is erected substantially vertically”.
  • the inclination of the base plate surface may be within a range of + 45 ° to ⁇ 45 ° from the vertical direction, and +30 Good cooling performance can be obtained if it is within the range of from -30 ° to -30 °.
  • particularly good cooling performance can be obtained within the range of + 10 ° to ⁇ 10 °.
  • the pin fin group has a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other, and the pair of pin fin rows is gradually moved vertically upward between the rows.
  • it is arranged on the base plate so as to form a substantially V shape in which the pair of pin fin rows opens upward. It is a structure.
  • substantially V-shaped does not necessarily mean that the tip of the V-shape is completely closed as it is as the shape of “V”. For the reason, it is meant that the tip of the V shape may be appropriately vacated. To that end, the word “abbreviated” was prefixed.
  • the heat sink and the method of using the heat sink of the present invention it is possible to obtain a heat sink that is lightweight and has a high cooling performance, particularly a natural heat-cooling heat sink.
  • heat sink of the present invention shown in each of the following examples is desirably manufactured using a material having good thermal conductivity such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
  • the surface of the heat sink of the present invention may be subjected to a surface treatment that enhances heat radiation.
  • a surface treatment that enhances heat radiation.
  • the convective heat transfer coefficient is inevitably relatively small and tends to stop, so it can be said that the contribution of the radiant heat transfer coefficient is relatively large. Therefore, it is considered to be particularly effective to increase the radiant heat transfer coefficient.
  • the material of the heat sink is aluminum or an aluminum alloy
  • a method for increasing the radiant heat transfer rate a method in which alumite treatment such as black alumite treatment is simple and possible even for complicated shapes is possible. It is preferable.
  • FIG. 20A to 20D are schematic front views of the heat sink according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 20E is a schematic front view of the heat sink of the comparative example
  • FIG. 21 is a perspective view of the heat sink according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 20D.
  • the heat sink 10 of the first embodiment is for transferring heat to the cooling air on the plate surface of the base plate 1 (width 61 mm, length (height) 70 mm, plate thickness 3 mm) placed substantially vertically.
  • a plurality of pin fins 2 (columnar shape having a diameter of 2.5 mm and a height of 25 mm) are provided upright, and the plurality of pin fins 2 are arranged in a straight line at a predetermined interval (1.8 mm).
  • a pair of (pin fin rows) (a pair of pin fin rows) is formed so as to form an approximately V shape that opens upward, that is, between the pin fins at the row end portions of the pin fin rows vertically below each other.
  • a plurality of pin fins 2 are erected on the plate surface of the base plate 1 so that the distance between the pin fins at the row end portions vertically above the distance is larger than the distance.
  • a pair of pin fin rows are arranged on the base plate 1 so as to face each other so that the space between the rows gradually expands vertically upward.
  • three pairs (that is, six pin fin rows) of a pair of pin fin rows forming a substantially V shape are arranged in the horizontal direction.
  • the opening angle of the approximately V-shape (referred to as the apex angle at the tip of the approximately V-shape) ⁇ was gradually increased to 0 to 10 °.
  • the example in which the opening angle ⁇ in FIG. 1E is 0 ° is shown for comparison and does not belong to the embodiment of the present invention.
  • the opening angle ⁇ corresponds to the angle formed by the pin fin arrangement directions in the pin fin row.
  • the opening angle ⁇ is increased from a state in which two pin fin rows in each of three pairs (three pairs) of pin fin rows are arranged parallel to each other along the vertical direction (see FIG. 20E). This is done by rotating the pin fin rows slightly in opposite directions.
  • each pin fin row is rotated around the center position in the vertical direction of the pin fin row. I made it.
  • the distance between the centers of the pair of pin fin rows in the vertical direction is 8.3 mm.
  • the heat generating component 3 is connected across the entire back side of the base plate 1 (the side opposite to the side where the pin fins 2 are erected).
  • the pin fin rows are arranged in parallel to each other in the vertical direction, so that the rising airflow of the warmed air flows upward as it is.
  • the pin fin row is inclined ( ⁇ / 2) with respect to the vertical direction. It extends to.
  • This obliquely arranged pin fin row has an angle of attack that is half the opening angle ( ⁇ / 2) for a rising air flow rising in the vertical direction, so that the rising air flow of warmed air collides with the pin fin row.
  • a part passes through the pin fin row and reaches the opposite side (inside the pair of pin fin rows).
  • attack angle impact effect when the opening angle ⁇ is small as shown in FIGS. 20A to 20D, this effect is expected to be insignificant.
  • FIG. 22 shows a perspective view for explaining a calculation model used for the simulation calculation.
  • the simulation calculation was performed for the state where the wind tunnel 3 was attached to the heat sink 10.
  • the wind tunnel 3 has a rectangular parallelepiped shape penetrating in the vertical direction.
  • the front, rear, left and right four surfaces are walls, and the upper and lower surfaces are open surfaces.
  • FIG. 22 also shows one half of the heat sink 10.
  • FIG. 23A to FIG. 23E show the results of air velocity distribution obtained by simulation calculation for each structure of FIG. 20A to FIG. 20E.
  • an air velocity distribution in a vertical plane in this embodiment, a position 12.5 mm away from the base plate 1) at a position that is 1/2 the height of the pin fin 2 is shown.
  • the larger the air velocity the darker the black color.
  • the figure also shows the base plate maximum temperature rise value ⁇ T in each case.
  • simulation calculation conditions were a calorific value of 10 W at the heat generating part, the wind tunnel material was resin, the heat sink material was an aluminum alloy, and the boundary condition at the bottom of the wind tunnel was an atmospheric pressure of 25 ° C.
  • this effect does not occur when the opening angle ⁇ is 0 °, but only occurs when the opening angle ⁇ is greater than 0 °. This will be called the “difference effect”.
  • the air flows more slowly as it goes upward in the opposite direction. It is considered that the fluid friction resistance increases as the air rises because the flow path narrows in a tapered shape as it goes upward. Moreover, the degree of the narrowing is proportional to the size of the opening angle ⁇ . As a result, as shown in FIGS. 23A to 23D, it is considered that the air velocity gradually decreases as the opening angle ⁇ increases.
  • the “chimney effect” is mainly related to the air movement in the vertical direction (the direction along the pin fin array), while the “open angle pressure difference effect” is mainly the air movement in the horizontal direction (the direction across the pin fin array). It can be said that.
  • FIG. 24A to 24D are schematic front views of the heat sink according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 24E is a schematic front view of the heat sink of the comparative example.
  • the distance between the pin fins in the pin fin row is larger than that of the first embodiment.
  • other points are almost the same as those of the heat sink of the first embodiment.
  • the heat sink according to the second embodiment includes a plurality of heat exchangers for transferring heat to the cooling air on the plate surface of the base plate 1 (width 85 mm, length (height) 70 mm, plate thickness 3 mm) placed substantially vertically.
  • the pin fins 2 (columnar shape with a diameter of 4.2 mm and a height of 25 mm) are erected, and the plurality of pin fins are arranged in rows (9 mm) at a predetermined interval (9 mm).
  • a pair of pin fin rows) (a pair of pin fin rows) is formed so as to form a substantially V-shape that opens upward, that is, the distance between the pin fins at the row end portions of the pair of pin fin rows vertically below each other.
  • a plurality of pin fins 2 are erected on the base plate 1 so that the distance between the pin fins at the end of the row in the vertical upper direction is larger than that of the base plate 1.
  • three pairs of pin fin rows that form a substantially V-shape are arranged in the horizontal direction (that is, six pin fin rows).
  • each pin fin row is rotated around the center position of the pin fin row as in the first embodiment.
  • the pair of pin fin rows is assumed to have a distance of 10 mm between the centers in the vertical direction.
  • FIG. 25A to FIG. 25E show the results of air velocity distribution obtained by simulation calculation for each structure of FIG. 24A to FIG. 24E.
  • the figure also shows the base plate maximum temperature rise value ⁇ T in each case.
  • the simulation calculation conditions are the same as in the first embodiment.
  • the “opening angle pressure difference effect” occurs even when the opening angle ⁇ is slightly increased from 0 °.
  • There is a clear change in ⁇ T at °, and the change in ⁇ T is obvious when ⁇ 10 °.
  • FIGS. 20D and 20E are the same as FIGS. 20D and 20E described above, and the opening angle ⁇ is 10 ° and 0 °, respectively.
  • FIG. 27A to FIG. 27C show the results of air velocity distribution obtained by simulation calculation for each structure of FIG. 26A to FIG. 26C.
  • the figure also shows the base plate maximum temperature rise value ⁇ T in each case.
  • the simulation calculation conditions are the same as in the first embodiment.
  • FIGS. 28A to 28C and FIGS. 29A to 29C are shown in FIGS. 28A to 28C and FIGS. 29A to 29C.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a front view showing a heat sink according to a third embodiment of the present invention.
  • a plurality of pin fins 2 (columnar shape with a diameter of 2.5 mm and a height of 25 mm) are erected, and the plurality of pin fins are arranged linearly at predetermined intervals of 1.8 mm.
  • the pair of rows is erected on the plate surface of the base plate 1 so as to form a substantially V-shape that opens upward.
  • the plurality of pin fins 2 may be provided in a complete V shape with the V-shaped tips closed.
  • the space between the pin fins 2 is about 2 mm, and as shown in FIG. May be easier to manufacture if there is a little (for example, 2 mm).
  • the lower ends of the two pin fin rows are separated from each other in this way, it is possible to perform a simulation on a region on one side with respect to the symmetry line, and the design of the heat sink becomes easy. For this reason, in this embodiment, the lower ends of the two pin fin rows are assumed to be slightly separated from each other. Further, the opening angle ⁇ of the substantially V-shape formed by the pair of pin fin rows was 20 °.
  • FIG. 3 is a perspective view for explaining the calculation model used for the simulation calculation.
  • the simulation calculation was performed for the state where the wind tunnel 3 was attached to the heat sink 10.
  • the wind tunnel 3 has a rectangular parallelepiped shape, only the four surfaces on the front, rear, left, and right sides are walls, and the two upper and lower surfaces are hollow.
  • the wind tunnel 3 was attached to positions 15 mm (a and b in FIG. 3) from the upper and lower ends of the heat sink 10 and 5 mm (c in FIG. 3) from the tip of the pin fin.
  • FIG. 3 also shows one half of the heat sink.
  • the simulation calculation conditions were a calorific value of 10 W in the heat generating part, the wind tunnel material was resin, the heat sink material was an aluminum alloy, and the boundary condition of the lower part of the wind tunnel was an atmospheric pressure of 25 ° C.
  • the simulation calculation results are as follows.
  • the maximum temperature rise ⁇ T of the base plate is 75.3 ° C. in the heat sink of the comparative example, whereas it is 72.4 ° C. in the heat sink of the third embodiment of the present invention, which is the third embodiment of the present invention. It can be seen that the cooling performance is excellent.
  • FIGS. 4A and 4B show the air velocity distribution in the vertical plane at a position 1/2 of the pin fin height.
  • the larger the air velocity the darker the black color. From FIG. 4A, it can be seen that in the pin fin arrangement of the comparative example, the air flow is blocked by the pin fins scattered vertically and horizontally, the resistance is large, and the speed does not increase.
  • the inside of the substantially V shape is a free space, there is no flow resistance due to the pin fins scattered vertically and horizontally as in the comparative example. Furthermore, the inner side of the substantially V-shape is opened as a free space above and the left and right sides are guarded by linearly arranged pin fins constituting the substantially V-shape. Therefore, it is considered that a kind of “chimney effect” occurs, and the flow of air that rises due to buoyancy is accelerated further and flows upward at high speed.
  • the V-shaped tip of the heat sink is substantially closed, air mainly flows through the gap between the pin fins.
  • the air velocity is larger on the inner side of the substantially V shape than on the outer side, the aforementioned “opening angle pressure difference effect” also acts. That is, the momentum of the air passing through the gap between the pin fins arranged linearly so as to form a substantially V shape is further increased. Due to the presence of these effects, air can pass better even if the distance between the pin fins is narrow. Therefore, in the third embodiment of the present invention, the heat is efficiently exchanged between the pin fins and the air for cooling. It is thought that the performance will be excellent.
  • the "chimney effect" is generated inside the substantially V-shape based on the guard effect of the linearly arranged pin fin as described above, it is considered that the effectiveness of the guard effect is determined.
  • the size of the substantially V-shaped opening angle ⁇ is considered to have a great influence on the cooling performance of the heat sink of the present invention.
  • the case where ⁇ is changed from 10 ° ⁇ 15 ° ⁇ 20 ° ⁇ 25 ° ⁇ 30 ° ⁇ 40 ° ⁇ 50 ° is examined by simulation calculation.
  • the given conditions for the simulation calculation were the same as those in FIGS.
  • FIG. 5 The obtained results are shown in FIG. 5 as the relationship between the opening angle ⁇ and the maximum temperature rise value ⁇ T of the base plate.
  • the air velocity distribution at each opening angle ⁇ is shown in FIGS.
  • the opening angle ⁇ of the substantially V-shape is preferably 10 ° ⁇ ⁇ 40 °.
  • the opening angle ⁇ is selected as 15 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °, the air velocity is generally high and ⁇ T can be kept low, which is preferable.
  • ⁇ is small, when the substantially V-shape is arranged, for example, at the center of the base plate, there will be regions where no pin fins are present on both sides of the base plate. In such a case, in order to further improve the cooling performance, the substantially V-shaped shape is also arranged side by side on both side regions so that the substantially V-shaped pin fin arrangement is repeatedly provided twice or more in the horizontal direction. Is preferred.
  • the flow of air passing through the gap between the pin fins arranged linearly so as to form the substantially V shape is important.
  • the opening angle ⁇ was set to 20 °, which was the best cooling performance in the above examination. When the opening angle ⁇ is set to 20 °, a region where no pin fins exist in the base plate having the above dimensions is generated.
  • FIG. 13 and FIGS. 14A to 14C show the examination results.
  • FIG. 13 shows the relationship between the pin fin gap and the maximum temperature rise value ⁇ T of the base plate. From now on, there is an appropriate size in the gap between the pin fins, and the cooling performance is good even if it is too large or too small. You can see that it is inferior. Here, when the gap is 2.5 mm, ⁇ T is 46.8 ° C., which is the highest characteristic.
  • the air velocity is clearly slower in both the pin fin gap and the inner side of the V shape in the case of the gap of 1.25 mm shown in FIG. 14A. I understand.
  • the gap between the pin fins becomes smaller in this way, it is difficult for air to pass through the gap, so that the cooling performance may be deteriorated.
  • the reason why the cooling performance becomes inferior when the pin fin interval is increased is that the total number of pin fins that can be erected on the base plate of a predetermined size is reduced and the total heat radiation area This is thought to be due to the decrease in
  • the pin fin gap is preferably as small as possible.
  • the cooling performance becomes inferior because air becomes difficult to pass through. Therefore, if the total number of pin fins to be erected on the base plate of a predetermined dimension, for example, the pin fin erection position, is maintained and the difficulty of air passage can be improved, the cooling performance can be improved. It becomes possible to raise.
  • each pin fin (the cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction) is a circle, compared to the case where it is a quadrangle, Air becomes easier to pass through the gap between the pin fins more smoothly. In this way, even if the arrangement position of each pin fin and the size of the cross-sectional area of each pin fin are the same, that is, the total number and the total weight of the entire pin fin are the same, the cooling performance is further improved.
  • each pin fin it is conceivable to change the cross-sectional shape of each pin fin from a circular shape to an elliptical shape extending along the air flow direction while maintaining the pin fin standing position. That is, the shape is changed to an ellipse in which the direction connecting the outer side and the inner side of the substantially V-shaped is the major axis and the direction along the substantially V-shaped pin fin row is the minor axis. Then, compared with the case where it is circular, the gap between the pin fins is further widened so that air can pass more easily, and the contact distance between the air and the pin fin when the air passes through the gap between the pin fins That is, since the contact area is increased, the cooling performance is further improved.
  • the directions of the major axis and the minor axis described above do not necessarily exactly coincide with the “direction connecting the outer side and the inner side of the substantially V-shaped” and the “direction along the substantially V-shaped pin fin row”.
  • the long axis is obliquely crossing the “direction along the substantially V-shaped pin fin row”, that is, substantially V-shaped. It can be said that it is more preferable to be arranged so as to be inclined from the outer vertical lower side toward the inner vertical upper side.
  • the case where the aspect ratio was changed by changing the cross-sectional shape of the pin fin from a circular shape to a gradually elongated elliptical shape was examined by simulation calculation.
  • the standing position (cross-sectional center position) of each pin fin is maintained and the cross-sectional shape of each pin fin is gradually changed from a circular shape to an elongated elliptical shape so that only the change accompanying the ovalization can be grasped as purely as possible.
  • the size of the cross-sectional area itself was kept the same so that the total number and weight of the entire pin fins were kept the same.
  • FIG. 15 shows the results obtained by the above simulation calculation as the relationship between the aspect ratio and the maximum temperature rise value ⁇ T of the base plate.
  • FIG. 16 shows the air velocity distribution when the aspect ratio is 3.26 and 4.82.
  • ⁇ T 43.5 ° C. obtained with an aspect ratio of 3.26 (major axis 4.5 mm, minor axis 1.4 mm) is the highest characteristic, and thereafter the characteristic gradually increases. Decreases.
  • 16A and 16B show the state of air velocity distribution when the aspect ratio is 3.26 and 4.82, but the latter (aspect ratio 4.82) is compared to the former (aspect ratio 3.26). It can be seen that there are many lighter portions near the fins, that is, the air velocity is slower. Thus, as the aspect ratio increases, the pin fins gradually become plate-like fins, and the contact distance between the air and the pin fins when the air passes through the gaps between the pin fins becomes too long, resulting in cooling. It is considered that the flow rate of the working air is lowered and the cooling performance is lowered.
  • the pin fin has an elliptical cross-sectional shape.
  • the gap between the pin fins is widened to facilitate the passage of air and the pin fins when the air passes through the gap between the pin fins.
  • it may have a shape that is expected to increase the contact area between the air and the air, for example, streamline, leaf shape, or egg shape.
  • Patent Document 1 is different from the present invention using pin fins in that plate fins are used first.
  • FIG. 4 of Patent Document 1 shows a shape like a substantially V-shape that opens upward, and at first glance, the bag may be mistaken as if it is similar to the embodiment of the present invention.
  • the substantially V-shape shown in Patent Document 1 actually relates to the direction of each individual plate-like fin, and is arranged as an assembly of fins as in the embodiment of the present invention. In the first place, they are completely different.
  • Patent Document 1 adopts such a direction of the fin in that the rising air collides with the fin and a turbulent flow is generated there. This is fundamentally different from the embodiment of the present invention which is intended to produce a “open angle pressure differential effect” or “chimney effect” by making the body substantially V-shaped.
  • Patent Documents 2 to 4 differ from the embodiment of the present invention using pin fins in that plate fins are used first. Further, Patent Documents 2 to 4 have no description or suggestion that the arrangement of the fins as an aggregate is a substantially V-shape that opens upward as in the embodiment of the present invention. It is fundamentally different from the embodiment of the invention.
  • the heat sink of Patent Document 4 has an inclination angle so that the fin group is closed upward, whereas the heat sink according to the embodiment of the present invention has the fin group directed upward.
  • the two have an opening angle so that the two are completely opposite in concept and structure.
  • FIG. 8 shows a heat exchanger (heat sink) in which a plurality of plate-like fins are arranged in a square shape at predetermined intervals in the vertical direction on the base plate portion. .
  • Patent Document 5 also differs from the embodiment of the present invention using pin fins in that plate fins are used. That is, Patent Document 5 has a “fin portion” as an indispensable constituent element as can be seen from the description in each claim. "Part” means the whole of a plurality of "plate fins" 3 arranged in a row in the vertical direction as shown in FIG. 1. " Yes, Patent Document 5 relates to “plate fins”.
  • Patent Document 5 describes that “to increase heat dissipation efficiency, the distance between the plate fins, the plate, It is necessary to appropriately regulate the relationship between the length of the fins and the flow velocity of the cooling air flowing between the plate fins "(paragraph 0008), and” lowering the flow velocity of the cooling air flowing between the plate fins, In order to achieve the "temperature boundary layer ... overlap” (paragraph 0007), the plate-like fins “so that the cooling air” decelerates "between the fins and flows almost uniformly” (Each claim).
  • Patent Document 5 is “to reduce the flow velocity of cooling air” flowing between “plate fins”, and the cooling air is “decelerated” between the fins so that it flows almost uniformly. It is a heat sink.
  • all the embodiments described and “Best Mode for Carrying Out the Invention” are all described for “plate-like fins”, and cooling between the fins is performed. It is just what the working air "decelerates” and flows almost uniformly.
  • Patent Document 5 and the embodiment of the present invention have a face that seems to be equivalent at first glance, their essence is quite different in many respects. There are even aspects in which they are different and the direction in which they are directed is rather reversed.
  • FIG. 17 is a front view showing a heat sink according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the substantially V-shaped shape that opens upward is composed of a pair of rows in which pin fins are arranged in a convex curve shape toward the left and right outer sides.
  • the linear arrangement of the pin fins forming the substantially V shape does not necessarily have to be linear, and may be curved.
  • a curved shape convex toward the left and right outer sides is preferable because the inner side of the substantially V shape matches the “chimney effect”.
  • the cross-sectional shape of the pin fin is circular.
  • FIG. 18 is a front view showing a heat sink according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the point that the substantially V-shape opening upward is composed of a pair of rows in which pin fins are arranged in a convex curve shape toward the inside of the V-shape and the third embodiment of the present invention. Compared to different.
  • the cross-sectional shape of the pin fin is also circular here.
  • FIG. 19 is a front view showing a heat sink according to a sixth embodiment of the present invention, in which the substantially V-shaped pin fin arrangement of the third embodiment is arranged twice in the horizontal direction.
  • the cross-sectional shape of the pin fin is an ellipse. From the results of FIG. 5 described above, it has been found that the opening angle ⁇ of the substantially V shape is preferably 10 ° ⁇ ⁇ 40 °, and preferably 15 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °. For example, when the angle is large, the base plate cannot be entirely covered with such an acute V-shaped arrangement.
  • the substantially V-shaped pin fin arrangement that opens upward is repeatedly arranged in the horizontal direction.
  • the V-shaped pin fin arrangements are not immediately adjacent to each other, but different V-shaped pin fin arrangements different from each other may be adjacent to each other, or one V-shaped pin fin arrangement and another V-shaped pin fin arrangement.
  • An arrangement in which a parallel row of pin fins (i.e., corresponding to a substantially V-shaped opening angle ⁇ 0 °) is sandwiched between the U-shaped pin fin arrangements.
  • a substantially V-shaped pin fin arrangement that opens upward may be repeatedly provided twice or more in the vertical direction.
  • the heat sink according to the present invention can be used to cool the heating elements of various devices including electronic devices by natural air cooling. Since high cooling performance can be realized only by natural air cooling without using a cooling fan, it is particularly suitable for use in applications where there is a strong demand for weight reduction such as for automobiles.

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Abstract

　ヒートシンク（１０）は、冷却対象を冷却するのに用いられる。ヒートシンク（１０）は、発熱部品が熱的に接続されて実質的に鉛直に置かれたベースプレート（１）と、このベースプレート（１）の板面に配設され、冷却用空気への伝熱を行うための複数のピンフィン（２）とを備える。複数のピンフィン（２）は、所定の間隔を空けてピンフィン（２）が線状に配置されてなるピンフィン列の対が、上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するようにベースプレート（１）上に立設されている。

Description

ヒートシンク及びヒートシンクの使用方法
　本発明は、ＣＰＵ、集積回路、半導体素子等の電子機器を始めとする各種機種などの冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンク及びヒートシンクの使用方法に関する。
　ＣＰＵ、集積回路、半導体素子などの電子機器を始めとする各種機器において放熱のためにヒートシンクが用いられる。近年、例えば電子機器の高密度化などに伴いこれらの機器の発熱量、発熱密度が増大する傾向にあることから、より冷却性能に優れた高性能のヒートシンクが求められるようになってきた。
　更に、特にこれらの機器が自動車に搭載されて用いられる場合等には軽量化に対する要望も極めて強い。そのためには、冷却ファンを用いることなく、自然空冷のみによっても所望の性能を実現し得るようなヒートシンクが好ましい。
　また、近年の各種機器は小型化が進み、そのために、例えば発熱体であるＣＰＵ、集積回路、半導体素子などの電子機器にヒートシンクを装着することができても、冷却ファンを装着する空間的な余裕を確保することは困難な場合も少なくない。この観点からも、自然空冷のみによって所望の性能を実現し得るようなヒートシンクが望まれる。
　そして、冷却ファンを用いなくても所望の性能を示すようなヒートシンクが実現出来るならば、製造コストが低減される点からも好ましいことはいうまでもない。上記したような理由から、冷却ファンを用いることなく自然空冷のみによっても所望の性能を実現し得るようなより高性能なヒートシンクが強く求められている。
　自然空冷のみによるヒートシンクとしては、これまでに特許文献１～特許文献４のようなヒートシンクが提案されている。
　また、必ずしも自然空冷に適したものとはいえないが、特許文献５のようなヒートシンクが提案されている。
特開平０８―８８３０１号公報 特開平０６―１０４５８３号公報 特開２０１０―２５１７３０号公報 特開平０５－１０２３５７号公報 特開２００８－２０５４２１号公報
　これまでの自然空冷用のヒートシンクは、特許文献１～特許文献４に示されるように板状フィンを用いるものが多かった。なお、「ピン型ヒートシンク」と銘打たれている特許文献４は、冷却対象からの熱が伝わる受熱板上に多数の放熱フィンが配設されているが、各々のピンはその横断面形状が厚さの薄い広幅の平角形状か又はリボン形状の平形ピンであり（特許文献４の段落０００８参照）、板状フィンが用いられているといえる。
　板状フィンは、放熱面積が大きいので、冷却性能が良いのであるが、しかしながら、板状であることから相応の重量となってしまう。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、軽量で且つ冷却性能の優れたヒートシンクを得ることを目的とする。
　本発明は、軽量なヒートシンクを得るために板状フィンでなくピンフィンを用いる。一般的に、ピンフィンを用いると板状フィンに比べて放熱面積が減少するので、冷却性能は低下する。かと言って、板状フィンと同じ放熱面積になる程に高密度にピンフィンを配置することは、そもそもの目的である軽量化を果たせないばかりでなく、冷却用空気の流れに対する抵抗が大きくなり過ぎて反って冷却性能が低下してしまうので、全く現実的でない。
　本発明の目的に適うよう、ピンフィンを用いても板状フィンに比べて遜色ない程度の放熱性能を持たせるようにするためには、冷却用空気の流れがより加速・増進されるように工夫することと、空気とフィンとの熱交換効率がより高まるようにフィンの機能をより向上させることが重要である。 
　この観点から鋭意検討した結果としてなされた本発明は、具体的には次の通りである。
　即ち、本発明の第１の観点に係るヒートシンクは、
　冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンクであって、
　前記冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるように立設されるベースプレートと、
　前記ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群と、
　を備え、
　前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される、
　ことを特徴とする。
　前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であってもよい。
　また、前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比１．０以上５．０以下の円形又は楕円形であってもよい。
　また、前記複数のピンフィンの断面形状は、前記一対のピンフィン列の外側鉛直下方から内側鉛直上方に向けて長い楕円形であってもよい。
　前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が水平方向に二対以上繰り返して設けられていてもよい。
　前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が４０°以下であってもよい。
　本発明の第２の観点に係るヒートシンクの使用方法は、
　ベースプレートと、ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群とを備え、前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が徐々に広がるように対向して配設されるヒートシンクの使用方法であって、
　冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が前記ベースプレートの板面に沿って流れるとともに、前記一対のピンフィン列が、水平方向に対向して、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように、前記ヒートシンクを配設して自然空冷に用いる、
　ことを特徴とする。
　前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であってもよい。
　前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比１．０以上５．０以下の円形又は楕円形であってもよい。
　前記複数のピンフィンの断面形状は、前記ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向を横切る方向に長い楕円形であってもよい。
　前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が二対以上設けられており、
　前記一対のピンフィン列が、水平方向に二対以上繰り返して配設されるように前記ヒートシンクを配設してもよい。
　前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が４０°以下であってもよい。
　ここで、「冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるようにベースプレートが立設される」や「冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流がベースプレートの板面に沿って流れる」とは、「ベースプレートが実質的に鉛直に立設される」ということであり、具体的にはベースプレート面の傾きが鉛直方向から＋４５°から－４５°の範囲内であればよく、＋３０°から－３０°の範囲内であれば良好な冷却性能が得られる。さらに＋１０°から－１０°の範囲内であれば特に良好な冷却性能が得られる。
　また、「前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される」とは、端的に言えば、前記ピンフィン列の対が上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するように、前記ベースプレート上に立設されている構造である。
　ここで、「略Ｖの字形」と記したのは、必ずしも「Ｖ」の字形そのままの如くにＶの字形の先端部が完全に閉じたものである必要はなくて、例えば製造の便宜上その他の理由からＶの字形の先端部が適宜空いたものであっても良いとの意である。そのために「略」なる語を頭に冠した。
　本発明のヒートシンク及びヒートシンクの使用方法によれば、軽量でかつ冷却性能が高いヒートシンク、特に自然空冷によっても冷却性能の優れたヒートシンクを得ることができる。
本発明の第３実施形態のヒートシンクを示す斜視図である。 第３実施形態のヒートシンクを示す正面図である。 比較例のヒートシンクを示す斜視図である。 比較例のヒートシンクを示す正面図である。 シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図である。 比較例のヒートシンクについてシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 第３実施形態のヒートシンクについてシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 シミュレーション計算で得られた、略Ｖの字形の開き角αとベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係を示す図である。 開き角αが１０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが１５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが２０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが２５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが３０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが４０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが５０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 シミュレーション計算で得られた、ピンフィン間隙とベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係を示す図である。 間隙が１．２５ｍｍのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 間隙が２．５ｍｍのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 間隙が３．５ｍｍのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 シミュレーション計算で得られた、アスペクト比とベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係を示す図である。 アスペクト比３．２６のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 アスペクト比４．８２のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 本発明の第４実施形態のヒートシンクを示す正面図である。 本発明の第５実施形態のヒートシンクを示す正面図である。 本発明の第６実施形態のヒートシンクを示す正面図である。 本発明の第１実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが２°である例を示す。 第１実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが３°である例を示す。 第１実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが５°である例を示す。 第１実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが１０°である例を示す。 開き角αが０°である比較例のヒートシンクを示す概略正面図である。 開き角αが１０°のときの第１実施形態のヒートシンクを示す斜視図である。 シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図である。 開き角αが２°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが３°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが１０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 第２実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが２°である例を示す。 第２実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが３°である例を示す。 第２実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが５°である例を示す。 第２実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが１０°である例を示す。 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが０°である例を示す。 開き角αが２°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが３°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが１０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 本発明の第３実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが１０°である例を示す。 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが０°である例を示す。 比較のヒートシンクを示す概略正面図であり、ピンフィン列が一様に迎え角βが５°で設けられている例を示す。 開き角αが１０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 迎え角βが５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 本発明の第４実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが１０°である例を示す。 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが０°である例を示す。 比較のヒートシンクを示す概略正面図であり、ピンフィン列が一様に迎え角βが５°で設けられている例を示す。 開き角αが１０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 開き角αが０°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。 迎え角βが５°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。
　この発明を実施するための形態の例を、以下に図面を参照しながら説明する。
　なお、以下の各例に示す本発明のヒートシンクは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金など熱伝導性が良好な材料を用いて作製することが望ましい。
　また、冷却性能向上のために本発明のヒートシンクの表面に、熱放射を高める表面処理を施しても良い。特に、ヒートシンクを自然空冷に用いる場合、必然的に対流熱伝達率が比較的小さく止まりがちであることから放射熱伝達率の寄与が相対的に大きいといえるので、熱放射を高める表面処理を施して放射熱伝達率を高めることは特に有効と考えられる。例えば、ヒートシンクの材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合には、放射熱伝達率を高めることができる方法として、黒色アルマイト処理をはじめとするアルマイト処理が簡便であると共に複雑形状に対しても可能な方法であり好適である。
（第１実施形態）
　図２０Ａ～図２０Ｄに、本発明の第１実施形態のヒートシンクの概略正面図を示し、図２０Ｅに比較例のヒートシンクの概略正面図を示す。
また、図２１に、図２０Ｄに対応する本発明の第１実施形態のヒートシンクの斜視図を示す。
　第１実施形態のヒートシンク１０は、実質的に鉛直に置かれたベースプレート１（幅６１ｍｍ、長さ（高さ）７０ｍｍ、板厚３ｍｍ）の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン２（直径２．５ｍｍ、高さ２５ｍｍの円柱状）が立設されており、前記複数のピンフィン２は、所定の間隔（１．８ｍｍ）を空けて直線状に配置されてなる列（ピンフィン列）の対（一対のピンフィン列）が上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するように、即ち、それぞれに対となっているピンフィン列の鉛直下方の列端部のピンフィン同士の距離に比して鉛直上方の列端部のピンフィン同士の距離が大きくなるように、前記ベースプレート１の板面に複数のピンフィン２が立設されている。更に換言すれば、ヒートシンク１０では、一対のピンフィン列が、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように対向してベースプレート１に配設されている。この実施形態では、略Ｖの字形を構成する対となるピンフィン列が水平方向に並んで三対（つまり、ピンフィン列が６列）設けられている。
　略Ｖの字形の開き角（略Ｖの字形の先端における頂角を指すものとする。）αを少しずつ増して０～１０°に変化させた。但し、図１Ｅの開き角αが０°の例は、比較のために示しおり、本発明の実施形態には属さない。なお、開き角αは、ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士が成す角度に相当する。
　図２０Ａ～図２０Ｅにおいて開き角αを増すやり方は、３組（三対）のピンフィン列の各々２つのピンフィン列が互いに平行に鉛直方向に沿って配置された状態から（図２０Ｅ参照）、各々のピンフィン列を互いに反対向きに僅かずつ回転させることにより行なっている。ここで、開き角αを変化させてもベースプレート１に配置されるピンフィン２の総数が変わらないようにするために、ピンフィン列の鉛直方向の中央の位置を中心として各々のピンフィン列を回転させるようにした。この実施形態では、一対のピンフィン列は、鉛直方向の中央同士の距離が８．３ｍｍ離れているものとした。
　なお、発熱部品３は、図２０Ａ～図２０Ｅには図示されていないが、ベースプレート１の裏側（ピンフィン２が立設されている側の反対側）の全面に渡り接続されている。
　図２０Ｅに示す比較例のピンフィン型ヒートシンク（α＝０°）では、ピンフィン列が互いに平行に鉛直方向に並んでいるので、暖められた空気の上昇気流はそのまま上方に流れる。
　それに対して、開き角αが０°より大となって或る開き角を有している図２０Ａ～図２０Ｄに示す例では、ピンフィン列が鉛直方向に対して斜め（α／２）の方向に延在している。この斜めに配設されたピンフィン列は、鉛直方向に上昇する上昇気流にとっては開き角の半分（α／２）の迎え角となるので、暖められた空気の上昇気流は前記ピンフィン列に衝突し、そして、一部はそのピンフィン列を通り抜けて反対側（一対のピンフィン列の内側）に到ることが考えられる。ここでは、これを仮に“迎え角衝突効果”と呼んでおく。しかしながら、図２０Ａ～図２０Ｄに示すように開き角αが小さい場合、この効果は微々たるものであると予想される。
　ところが、以下に詳しく説明する通り、上記“迎え角衝突効果”とは別の理由が存在して、開き角αが小さくとも、一対のピンフィン列が鉛直上方に０°より大きい開き角αを有するようにすると（図２０Ａ～図２０Ｄ参照）、ピンフィン列が鉛直方向に並べられているときに比して（図２０Ｅ参照）、予想より多量の空気がピンフィン列を通り抜けて反対側に到ることが分った。
　第１実施形態のヒートシンクの冷却性能が優れていることを確認するために、シミュレーション計算を行なった。
　シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図を、図２２に示す。シミュレーション計算は、ヒートシンク１０に風洞３を取り付けた状態について行った。風洞３は、鉛直方向が貫通する直方体状であって、前後左右の４面が壁からなり、上下の２面は開口面になっている。この風洞３をヒートシンク１０の上下端から各々１５ｍｍ（図２２中、ａ，ｂ＝１５ｍｍ）、ピンフィン２の先端部から５ｍｍ（（図２２中、ｃ＝５ｍｍ）となる位置に取り付けた状態とした。
　また、ヒートシンク１０は鏡映対称（図２０Ａ～図２０Ｅ中、左右対称）をなしているので、計算時間を短縮するためにシミュレーション計算は鏡映対称面から片側半分について行なった。このため、図２２についても、ヒートシンク１０の片側半分を示している。
　図２０Ａ～図２０Ｅの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図２３Ａ～図２３Ｅに示す。空気速度分布の結果としては、ピンフィン２の高さの１／２の位置の鉛直平面（この実施形態では、ベースプレート１から１２．５ｍｍ離れた位置）における空気速度分布を示した。図２３において、空気速度が大であるほど濃い黒色で示されている。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔＴをも示す。
　なお、シミュレーション計算条件は、発熱部の発熱量１０Ｗ、風洞材料は樹脂、ヒートシンク材料はアルミニウム合金とし、風洞下部の境界条件は大気圧２５℃とした。
　図２３Ａ～図２３Ｅから分かるように、各ピンフィン列に挟まれた領域のいずれにおいても、上方に行くほど速度が大きくなっているが、これは、上昇気流として移動する間にも空気は暖められ続けて一層大きな浮力を受けることにより次第に加速されるためであると考えられる。なお、各ピンフィン列に挟まれた領域はいずれも、左右両側をピンフィン列によりガードされていることから、其処にはいわば一種の“煙突効果”が生じていると考えられる。
　そして、注意深く観察すると、図２３Ｅから図２３Ａ～図２３Ｄへと開き角αが０°から次第に増すに従って、上方に向けて開く略Ｖの字形（即ち、上に行くほど広くなる。）の内側の空間の空気速度は次第に大となり、逆に、上方に向けて開く略Ｖの字形の外側の空間である、下方に向けて開く略Ｖの字形（即ち、上に行くほど狭くなる。）の内側の空間の空気速度は次第に小となっていることが分かる。
　即ち、開き角αが０°でない場合、上方に向けて開く略Ｖの字形の内側と外側とで空気速度が異なる。一般に空気が高速で流れると圧力低下が生じる（ベルヌーイの定理）。従って、空気が高速で流れることに基づく圧力低下の度合いも異なって、上方に向けて開く略Ｖの字形の内側の方がその外側よりも圧力低下が著しくなる。この結果、略Ｖの字形の内外で圧力差が生じて、外側から内側に向かって空気が引き込まれるような力が作用する。
　この効果は、上記の説明から明らかなように、開き角αが０°のときは生じることがなく、開き角αが０°より大となってはじめて生じるものなので、これを、“開き角圧力差効果”と呼ぶことにする。
　なお、上に記した通り、上方に向けて開く略Ｖの字形の内側の空間部分において上方に行くほど空気がより高速で流れるようになるのは、煙突効果に加えて、上方に行くほど末広がり状に流路が広くなることから空気が上昇するに従って流体摩擦抵抗が小となるためであると考えられる。しかも、その末広がりの程度は開き角αの大きさに比例する。その結果、図２３Ａ～図２３Ｄに示すように、開き角αが増すに従って空気速度が大になっているものと考えられる。
　一方、上方に向けて開く略Ｖの字形の外側部分（即ち、下方に向けて開く略Ｖの字形の内側部分）において、上記とは全く逆に上方に行くほど空気がより低速で流れるようになるのは、上方に行くほど先すぼまり状に流路が狭くなることから空気が上昇するに従って流体摩擦抵抗が大となるためであると考えられる。しかも、その先すぼまりの程度は開き角αの大きさに比例する。その結果、図２３Ａ～図２３Ｄに示すように、開き角αが増すに従って空気速度が次第に小になっているものと考えられる。
　第１実施形態においては、上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するピンフィン列の対が水平方向に三対設けられている場合を示したが、上記の説明から理解出来るように、“開き角圧力差効果”は、上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するピンフィン列の対が１組のみの場合であっても生じる。即ち、上方に向けて開く略Ｖの字形の内側の空間部分では、上記の通り上方に行くほど末広がり状に流路が広くなり空気がより高速で流れるようになるのに対して、前記略Ｖの字形の外側の空間部分ではそのような効果が特には無いので、略Ｖの字形の外側に比較して内側の方が空気速度がより大きくなる。
　なお、開き角αが０°であっても、いわゆる“煙突効果”は生じると考えられる。簡単に説明すると、“煙突効果”は主として鉛直方向（ピンフィン列に沿った方向）への空気移動に関するが、“開き角圧力差効果”は主として水平方向（ピンフィン列を横切る方向）への空気移動に関するといえる。
　この“開き角圧力差効果”が存在することにより、前記ピンフィン列を構成しているピンフィン同士間の狭い間隔であっても、空気が予想以上により良く通過する。そのためピンフィンと空気との間で効率良く熱交換されて冷却性能が優れることとなる。
　図２３Ａ～図２３Ｅに示した空気速度分布から、この“開き角圧力差効果”は、開き角αが０°から僅かに増しただけでもその兆候が現われ始め、開き角αが増すに従って次第に顕著な効果となることが分かる。
　また、図２３Ａ～図２３Ｅに示したベースプレート１の最高温度上昇値ΔＴの結果から、図２０に示すピンフィン２の配置では、α＝２°になると明らかにΔＴに変化が見られ、そして、α＝５°になるとΔＴの変化が歴然とすることが分かる。
（第２実施形態）
　図２４Ａ～図２４Ｄに、本発明の第２実施形態のヒートシンクの概略正面図を示し、図２４Ｅに、比較例のヒートシンクの概略正面図を示す。
　第２実施形態のヒートシンクは、第１実施形態よりもピンフィン列におけるピンフィン同士の間隔が大きい。ただし、その他の点に関しては第１実施形態のヒートシンクにほぼ準じる。
　第２実施形態のヒートシンクは、実質的に鉛直に置かれたベースプレート１（幅８５ｍｍ、長さ（高さ）７０ｍｍ、板厚３ｍｍ）の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン２（直径４．２ｍｍ、高さ２５ｍｍの円柱状）が立設されており、前記複数のピンフィンは、所定の間隔（９ｍｍ）ずつを空けてピンフィンが直線状に配置されてなる列（ピンフィン列）の対（一対のピンフィン列）が上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するように、即ち、それぞれの対となっているピンフィン列の鉛直下方の列端部のピンフィン同士の距離に比して鉛直上方の列端部のピンフィン同士の距離が大きくなるように、前記ベースプレート１上に複数のピンフィン２が立設されている。第２実施形態では、第１実施形態と同様に、略Ｖの字形を構成する対となるピンフィン列が水平方向に並んで三対（つまり、ピンフィン列が６列）設けられている。
　図２４Ａ～図２４Ｅにおいて開き角αを増すやり方も、第１実施形態と同様に、ピンフィン列の中央の位置を中心として各々のピンフィン列を回転させるようにした。この実施形態では、一対のピンフィン列は、鉛直方向の中央同士の距離が１０ｍｍ離れているものとした。
　図２４Ａ～図２４Ｅの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図２５Ａ～図２５Ｅに示す。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔＴをも示す。なお、シミュレーション計算条件は、第１実施形態のときに準じる。
　図２５Ａ～図２５Ｅから分かるように、第２実施形態のヒートシンクでは、図２３Ａ～図２３Ｅを用いて説明した第１実施形態のヒートシンクと同様に、各ピンフィン列に挟まれた領域のいずれにおいても上方に行くほど速度が大きくなり、そして、開き角αが０°から次第に増すに従って、上方に向けて開く略Ｖの字形（即ち、上に行くほど広くなる。）の内側の空間の空気速度は次第に大となり、逆に、下方に向けて開く略Ｖの字形（即ち、上に行くほど狭くなる。）の内側の空間（上方に向けて開く略Ｖの字形の外側の空間）の空気速度は次第に小となっている。
　図２５Ａ～図２５Ｅに示した空気速度分布の遷移状況から、“開き角圧力差効果”は、開き角αが０°から僅かに増しただけでもその兆候が現われ始め、開き角αが増すに従って次第に顕著な効果となることが分かる。
　また、図２５Ａ～図２５Ｅに示したベースプレート１の最高温度上昇値ΔＴの結果から、図２４に示すピンフィン２の配置の場合で言えば、α＝５°になると明らかにΔＴに変化が見られ、そして、α＝１０°になるとΔＴの変化が歴然とすることが分かる。
　以上述べたように、第１実施形態でも第２実施形態でも、開き角αが０°から僅かに増しただけでも“開き角圧力差効果”が生じている。
　そして、第１実施形態では既にα＝２°でも明らかにベースプレート１の最高温度上昇値ΔＴに変化が見られ、α＝５°になるとΔＴの変化が歴然とし、第２実施形態ではα＝５°で明らかにΔＴに変化が見られ、α＝１０°になるとΔＴの変化が歴然とする。
　上記した図２０Ａ～図２０Ｅに示すヒートシンク１０と、図２４Ａ～図２４Ｅに示すヒートシンク１０からも分かる通り、ΔＴの変化が歴然とする開き角αの値は、各々の具体的なヒートシンク（即ち、ピンフィン列）の構造に依存して変わり得る。但し、上記した結果から、少なくとも、α＝２°でヒートシンクの性能向上が見られ、α＝５°では一層向上し、α＝１０°では更に向上しているといえる。
　なお、上に説明して来た通り、“開き角圧力差効果”はピンフィン列が「開き角」を有するからこそ生じる点に留意する必要が有る。従って、例えば、各々のピンフィン列が鉛直方向に対して角度（以下、「迎え角」という）βを以って斜め方向に配置されていようとも、隣のピンフィン列も同様に迎え角βを以って斜め方向に配置されて、両ピンフィン列が互いに平行（即ち、開き角α＝０°）であれば、“開き角圧力差効果”は生じないものと予想される。
　このことを確認した結果を、以下に示す。
　図２６Ａ及び図２６Ｂは、上記した図２０Ｄ及び図２０Ｅと同一であり、開き角αが各々１０°及び０°である。図２６Ａは、見方を変えれば、迎え角β＝５°とβ＝－５°のピンフィン列が交互に配置されていると見ることも出来る。
　これに対して、図２６Ｃは、図２６Ａにおけるβ＝－５°のピンフィン列を＋β側に１０°回転させてβ＝５°側に配置したものである。つまり、全てのピンフィン列が迎え角β＝５°を以って互いに平行に配置されたものに該当する。
　図２６Ａ～図２６Ｃの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図２７Ａ～図２７Ｃに示す。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔＴをも示す。なお、シミュレーション計算条件は、第１実施形態に準ずる。
　図２７Ａ～図２７Ｃから分かるように、図２７Ｃに示す全てのピンフィン列の迎え角βが５°のものでは、空気速度もΔＴも、図２７Ｂに示すピンフィン列が鉛直方向に沿っているもの（α＝０°）と殆んど等しい。即ち、上述したように、このような場合には“開き角圧力差効果”は生じないことが分かる。
　また、図２７Ｃに示す全てのピンフィン列の迎え角βが５°のものと、図２７Ｂに示すピンフィン列が鉛直方向に沿っているものとが殆んど等しいということは、前記した“迎え角衝突効果”は、大して影響していない、又は、影響していたとしても極めて微々たるものであることを意味している。
　また第２実施形態のヒートシンクに対して同様に検討したものを、図２８Ａ～図２８Ｃ及び図２９Ａ～図２９Ｃに示す。図２９Ａ～図２９Ｃに示すように、第２実施形態のヒートシンクについても、図２７Ａ～図２７Ｃで示す上記した第１実施形態のヒートシンクに対して検討したものと全く同様の結果が得られ、全てのピンフィン列が迎え角β＝５°を以って互いに平行に配置された図２９Ｃでは“開き角圧力差効果”は認められないことが確認された。
（第３実施形態）
　図１Ａ、図１Ｂは、本発明の第３実施形態のヒートシンクを表わす斜視図、正面図である。
本発明の第３実施形態のヒートシンクは、実質的に鉛直に置かれたベースプレート１（幅３５ｍｍ、長さ（＝高さ）７０ｍｍ、板厚３ｍｍ）の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン２（直径２．５ｍｍ、高さ２５ｍｍの円柱状）が立設されており、前記複数のピンフィンは、所定の間隔１．８ｍｍずつを空けてピンフィンが直線状に配置されてなる列の対が上方に向けて開く略Ｖの字形を構成するように前記ベースプレート１の板面に立設されている。
　ここで、複数のピンフィン２は、Ｖの字形の先端が閉じた完全なＶの字形に設けられてもよい。しかし、例えばピンフィン２をベースプレート１上に立設する方法としてダイカスト法を用いるには、ピンフィン２同士の間隔が２ｍｍ程度空いている必要があり、図１に示すように２つのピンフィン列の下端同士が少し（例えば２ｍｍなど）空いている方が製造しやすくなる場合がある。また、このように２つのピンフィン列の下端同士が離れていると、対称線を境に片側の領域についてシミュレーションを行うことができ、ヒートシンクの設計が容易になる。このため、この実施形態では、２つのピンフィン列の下端同士が少し離れているものとした。また、ピンフィン列の対が構成する略Ｖの字形の開き角度αは、２０°とした。
　なお、発熱部品３（幅２０ｍｍ、長さ（＝高さ）２０ｍｍ）は、図１Ａ及び図１Ｂには図示されていないが、ベースプレート１の裏側（ピンフィン２が立設されている側の反対側）のほぼ中央部に接続されている。
　第３実施形態のヒートシンクの冷却性能が優れていることをシミュレーション計算により確認した。その結果について具体的に説明する。
　比較のために、図２Ａ、図２Ｂに斜視図、正面図を示すようにピンフィンを均一に分散させて立設したヒートシンクについてもシミュレーション計算を行った。比較のために、これらのヒートシンクには同一の断面形状で同一のフィン高さのピンフィンを同じ総本数だけ立設するようにして、重量が等しくなるようにした。
　シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図を、図３に示す。シミュレーション計算は、ヒートシンク１０に風洞３を取り付けた状態について行なった。風洞３は、直方体状ではあるが、前後左右の４面のみが壁からなり、上下の２面は筒抜け状になっている。この風洞３をヒートシンク１０の上下端から各々１５ｍｍ（図３のａ，ｂ）、ピンフィン先端部から５ｍｍ（図３のｃ）となる位置に取り付けた状態とした。
　また、ヒートシンク１０は鏡映対称をなしているので、計算時間を短縮するためにシミュレーション計算は鏡映対称面から片側半分について行なったので、図３もヒートシンクの片側半分を示している。
　シミュレーション計算の条件は、発熱部の発熱量１０W、風洞材料は樹脂、ヒートシンク材料はアルミニウム合金とし、風洞下部の境界条件は大気圧２５℃とした。
　シミュレーション計算結果は、次の通りである。ベースプレートの最高温度上昇値ΔＴが、比較例のヒートシンクでは７５．３℃であるのに対して、本発明の第３実施形態のヒートシンクでは７２．４℃となり、本発明の第３実施形態の方が冷却性能が優れていることが分る。
　この理由を考察する。図４Ａ及び図４Ｂに、ピンフィン高さの１/2の位置の鉛直平面における空気速度分布を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、空気速度が大であるほど濃い黒色で示されている。図４Ａから、比較例のピンフィン配置では、空気の流れは縦横に林立散在するピンフィンに遮られてしまって抵抗が大きく、速度が上がらないことが分かる。
　それに対して、図４Ｂから、本発明第３実施形態のヒートシンクにおいては、前記略Ｖの字形の内側を速い速度で空気が流れていることが分る。これは、次のようなことに起因していると考えられる。即ち、裏側に発熱部品が接続されている辺りのベースプレート１から熱が放出されることにより、ベースプレート１の周りの空気が暖められて上昇気流が発生する。この上昇気流はまず前記ピンフィン２に衝突し、次いでピンフィン２同士の間隙を通過した後、略Ｖの字形の内側へと到り、其処の空間を上昇する。上昇気流は浮力を受けて次第に速度が上がる。更に、前記略Ｖの字形の内側は自由なスペースとなっているので、比較例のようにピンフィンが縦横に林立散在することによる流れ抵抗が無い。更にそれのみに止まらず、前記略Ｖの字形の内側は、その上方は自由なスペースとして開放されていると共に、左右両側は前記略Ｖの字形を構成する線状配置ピンフィンによりガードされていることから、いわば一種の“煙突効果”が生じて、浮力を受けて上昇する空気の流れは一段と加速されて高速で上方に流れるところとなるものと考えられる。
　そして、其処の空間（前記略Ｖの字形の内側）の空気が高速で上方に流れると圧力が低下するので、略Ｖの字形の外側の空気は、略Ｖの字形の内側に向かって引き込まれることとなる。ここで、このヒートシンクはＶの字形の先端がほぼ閉じていることから、空気は主として前記ピンフィン同士の間隙を通過して流れ込む。略Ｖの字形の内側の方が外側よりも空気速度がより大きいことから、前記した“開き角圧力差効果”も作用することはもちろんである。即ち、略Ｖの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが一段と強くなる。これらの効果が存在することにより、狭いピンフィン同士間隔であっても空気がより良く通過し得るところとなり、そのため、本発明第３実施形態ではピンフィンと空気との間で効率良く熱交換されて冷却性能が優れることとなるものと考えられる。
　さて、前記略Ｖの字形の内側には上記したような線状配置ピンフィンのガード効果に基づいて“煙突効果”が生じているとすれば、そのガード効果の有効性を決定付けると考えられる前記略Ｖの字形の開き角αの大きさは、本発明のヒートシンクの冷却性能に対して大きな影響を及ぼすと考えられる。
　そこで、略Ｖの字形の開き角αの影響を調べるために、αを１０°→１５°→２０°→２５°→３０°→４０°→５０°と変化させた場合を、シミュレーション計算により検討した。シミュレーション計算の所与条件は、前記図１～図４の場合に準じた。但し、略Ｖの字形の開き角αを大きくしたときでもピンフィン配置がベースプレートからはみ出してしまわないように、ベースプレート寸法は、幅７０ｍｍ、長さ（＝高さ）７０ｍｍ、板厚３ｍｍとした。
　得られた結果を、開き角αとベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係として、図５に示す。また、各々の開き角αのときの空気速度分布の様子を、図６～図１２に示す。
　図６～図８を見ると明らかなように、αが１０°→１５°→２０°と増すに従って、略Ｖの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが逐次強くなっていることが極めて顕著である。これは、“煙突効果”の生じる略Ｖの字形の内側領域の幅が次第に広くなり空気が流れ易くなって“煙突効果”自体がより強くなり、上昇気流がより高速で上方に流れてその領域の圧力が低下するので、略Ｖの字形の外側の空気がＶ字形の内側に向かって引き込まれる勢いがより強くなることを意味しているものと考えられる。それに対応して、図５から分かる通り、αが１０°→１５°→２０°と増すに従って、ΔＴが顕著に低下して冷却性能が向上している。
　一方、図５から、開き角αが２０°を超えると、逆にΔＴが次第に上昇して冷却性能が低下してくることが分かる。これに対応する図９～図１２を見ると、αが２５°以上では、略Ｖの字形の内側の上方に空気速度の遅い領域（これらの図で白っぽい部分。）が出現して来ていることが分かる。そして、２５°→３０°→４０°→５０°と増すに従って、この領域は着実に拡大し、α＝５０°では、略Ｖの字形の内側のほぼ全体を空気速度の遅い領域が占めてしまう。これは、開き角αが開き過ぎるともはや“煙突”的ではなくなり、“煙突効果”が弱まってしまうためであると考えられる。従って、αは４０°以下であることが必要である。以上から、Ｖの字形の先端が閉じたこの実施形態では、略Ｖの字形の開き角αは、１０°＜α≦４０°が好適であるといえる。
　そして、開き角αを１５°≦α≦３０°に選べば、空気速度も全般に速くてΔＴを低く抑え得ていて、好ましいことが分かる。
　なお、αが小さい場合に、前記略Ｖの字形をベースプレートの例えば中央部に配置したときにはベースプレートの両側にはピンフィンが全く存在しない領域が生じてしまう。そのようなときには、冷却性能を一層高めるために略Ｖの字形をその両側領域にも並べて配置して、前記略Ｖの字形のピンフィン配置が水平方向に２回以上繰り返して設けられるようにするのが好ましい。
　ところで、前にも説明した通り、本発明のヒートシンクにおいては前記略Ｖの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の流れが重要である。そこで、次に、本発明の第３実施形態においてピンフィン同士の間隙の大きさを変えたときに冷却性能がどう変化するかをシミュレーション計算により具体的に調べた。
　ベースプレート寸法は、上の検討と同じく幅７０ｍｍ、長さ（＝高さ）７０ｍｍ、板厚３ｍｍとした。開き角αは、上の検討で最も冷却性能が優れていた２０°とした。そして、開き角αを２０°とすると、前記寸法のベースプレートにおいてピンフィンが全く存在しない領域が生じてしまうので、略Ｖの字形のピンフィン配置を水平方向に２つ並べた形状で検討を行なった。なお、所定寸法のベースプレート上においてピンフィン同士の間隙を変えるので、ピンフィンの本数は間隙の大きさに対応して変化させた。
　図１３及び図１４Ａ～図１４Ｃに、その検討結果を示す。図１３は、ピンフィン間隙とベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係であるが、これから、ピンフィン同士の間隙には適切な大きさが存在し、それが大き過ぎても小さ過ぎても冷却性能が劣ることが分かる。ここでは、間隙２．５ｍｍのときに、ΔＴが４６．８℃であり最高特性となっている。
　図１４Ａ～図１４Ｃに示した空気速度分布のシミュレーション結果を見ると、図１４Ａに示す間隙１．２５ｍｍのものは、ピンフィン間隙においてもＶ字形の内側においても空気速度が明らかに遅くなっていることが分かる。このようにピンフィン同士の間隙が小さくなってくると、その間隙を空気が通り抜けにくくなり、そのために冷却性能が劣るようになるものと思われる。
　一方、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すように、ピンフィン間隔が大きくなった方で冷却性能が劣るようになる理由は、所定寸法のベースプレート上に立設できるピンフィンの総本数が減ってしまい放熱総面積が減少することによるものと考えられる。
　上に述べたピンフィン間隙が冷却性能に及ぼす影響についての考察から、次のようなことが言える。即ち、所定寸法のベースプレート上に立設できるピンフィンの総本数という点から言えば、ピンフィン間隙は小さいほど良い。ところが、ピンフィン間隙が小さくなるほど、空気が通り抜けにくくなることから冷却性能が劣るようになるという問題が有る。そこで、所定寸法のベースプレート上に立設するピンフィンの総本数、例えばピンフィン立設位置、は保ったままにした上で、空気の通り抜けにくさを改善することがもし出来るならば、冷却性能をより高めることが可能となる。
　このことを実現する一つの手段としては、例えば、前記各ピンフィンの断面形状（長手方向に対して垂直となる断面の形状）を円形とすれば、それが四角形である場合に比較して、前記ピンフィン同士の間隙を空気がより滑らかに通過しやすくなる。こうすれば、各ピンフィンの配置位置及び各ピンフィンの断面積の大きさを同一、即ちピンフィン全体としての総数と総重量を同一としても、冷却性能が一層優れる。
　更に、ピンフィンの立設位置は保ったまま、各ピンフィンの断面形状を、円形から、空気の流れ方向に沿って伸長したような楕円形へと変える方法が考えられる。即ち、前記略Ｖの字形の外側と内側を結ぶ方向を長軸とし、前記略Ｖの字形ピンフィン列に沿う方向を短軸とするような楕円形に変えるものである。そうすれば、それが円形である場合に比較して、ピンフィン同士の間隙がより拡がって空気がより通過しやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触距離、即ち接触面積が大きくなるため、冷却性能が更に優れるものとなる。
　ただし、上記した長軸及び短軸の方向は、必ずしも厳密に「略Ｖの字形の外側と内側を結ぶ方向」及び「略Ｖの字形ピンフィン列に沿う方向」に一致させる必要はなくて、むしろ空気（上昇気流）が略Ｖの字形ピンフィン列をスムーズに通過し易いように、むしろ長軸が「略Ｖの字形ピンフィン列に沿う方向」を斜めに横切る状態で、即ち、略Ｖの字形の外側の鉛直下方から内側の鉛直上方に向かって傾けられて配置される方がより好ましいといえる。
　そこで、次に、ピンフィンの断面形状を円形から次第に細長い楕円形へと変えて、アスペクト比を変化させた場合をシミュレーション計算により調べた。このとき、楕円化に伴う変化だけを出来るだけ純粋に把握し得るように、各ピンフィンの立設位置（断面中心位置）は保ち、且つ各ピンフィンの断面形状を円形から次第に細長い楕円形へと変える際に断面積の大きさ自体は同一に保つようにして、ピンフィン全体としての総本数と総重量を同一に保つようにした。
　また、出発点とする円形ピンフィンとしては、図１３の検討において最高特性の得られた間隙２．５ｍｍ（ΔＴ＝４６．８℃）よりも狭い側である隙間１．８ｍｍ（ΔＴ＝４７．４℃）を選んだ。
　上記のシミュレーション計算で得られた結果を、アスペクト比とベースプレートの最高温度上昇値ΔＴとの関係として、図１５に示す。また、アスペクト比３．２６と同４．８２のときの空気速度分布の様子を、図１６に示す。
　図１５から、円形（アスペクト比１．００）から出発して、アスペクト比を高めて次第に楕円化するのに伴い、ΔＴが顕著に低下して行き、冷却性能が着実に向上していることが分る。これは、アスペクト比を大きくするのに伴いピンフィン同士の間隙が拡がり空気がより通りやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触面積が大きくなったためと考えられる。
アスペクト比を１．４４（長軸３．０ｍｍ、短軸２．１ｍｍ）にしただけでも、ΔＴ＝４５．６℃となり、図１３で得られた最高特性（ΔＴ＝４６．８℃）を既に大きく超えていることは驚異的である。
　しかし、特性向上度合いは徐々に緩やかとなり、そして、アスペクト比３．２６（長軸４．５ｍｍ、短軸１．４ｍｍ）で得られるΔＴ＝４３．５℃を最高特性として、以降は徐々に特性が低下する。
　図１６Ａと図１６Ｂにアスペクト比３．２６と同４．８２のときの空気速度分布の様子を示したが、後者（アスペクト比４．８２）では、前者（アスペクト比３．２６）に比べてフィン近傍に色の淡い部分が多くなっている、即ち空気速度がより遅くなっていることが分かる。このように、アスペクト比が大きくなって来ると、ピンフィンから次第に板状フィン的になって来て、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触距離が長くなり過ぎて冷却用空気の流速が落ちてしまい、そのために冷却性能が低下してくるものと考えられる。
　なお、上記の検討ではピンフィンの断面形状を楕円形としたが、楕円形以外にも、ピンフィン同士の間隙が拡がり空気がより通過しやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際のピンフィンと空気との接触面積が大きくなると期待される形状、例えば流線形、木の葉状、卵型などにしてもよいことはいうまでもない。
　さて、本発明の第３実施形態のヒートシンクにおいて冷却性能が優れる理由を上に説明したが、ここで、その要諦となっているキーポイントを吟味・考察すると共に、先に掲げた各先行技術文献との相違点を整理しておく。
　自然空冷のヒートシンクにおいては冷却用空気の流れがより加速・増進されるように工夫することが最も重要であるが、この実施形態では、そのことを、
　・ベースプレート上に（１）『略Ｖの字形』を構成するような配置に（２）『ピンフィン』を立設する、
　・及び、該ベースプレートを（３）『実質的に鉛直』に置く、
という２つの命題によって言わば一種の“煙突効果”を生ぜしめることにより、空気に上昇気流の勢いを生み出して実現している。そして、その中で要諦となっているキーポイントは、上に（１）（２）（３）と記した３つである。
　上記（１）（２）（３）がキーポイントである理由は、次の通りである。
　まず、上記（１）『略Ｖの字形配置』については、この配置こそが前記した“煙突効果”を引き起こす根源である。
　次に、上記（２）『ピンフィン』については、『自然空冷』において『板状フィン』では次のような問題点が有るからである。前記した通り“煙突効果”によりピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが強くなるとは言っても、『自然空冷』においては所詮それは暖められた空気の上昇気流のみに由来するものであるから、自ずから限界が有る。従って、例えばフィンが板状のものであったりすれば、ファンを用いる『強制空冷』とは異なり、フィン同士の間隙を通過する時の流路抵抗が大き過ぎて空気の勢いは負けてしまう。『自然空冷』であっても前記“煙突効果”を享受し得るのは、フィンが『ピンフィン』であればこそなのである。
　また、上記（３）『鉛直』については、対流による『自然空冷』を期待しようとすればベースプレートを『鉛直』に置かなければならないことの必要性については説明するまでもない。
　逆に、ベースプレートを『水平』に置くようなヒートシンクにおいては、ファン等の『強制空冷』装置を必要とするものが多く、そして、その場合にはフィンとして『ピンフィン』を用いたのでは空気流の強さに比してフィン密度が疎ら過ぎて効率が悪いので、むしろ『板状フィン』を用いる方が好適であるといえる。
　以上の通り、本発明の第３実施形態において効果的な自然空冷を生み出すことが出来たのは、上記（１）（２）（３）の３つの要因を満たしたからこそ初めて可能になったものであることを銘記しておく必要が有る。
　ここで、本発明の実施形態のヒートシンクと前記した特許文献１～特許文献５に示されているヒートシンクとの相違を説明しておく。
　特許文献１は、まず、板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明とは異なる。
　また、特許文献１の図４には上方に向けて開く略Ｖの字形のような形状が示されており、一見したところでは恰も本発明の実施形態に類似するものであるかの如くに見紛う。しかし、特許文献１に示された略Ｖの字形は、実は一つ一つの個々の板状フィンの向き方に係るものであって、本発明の実施形態のようにフィンの集合体としての配置に係るものではなく、そもそも両者は全く異なるのである。また、特許文献１がそのようなフィンの向き方を採択する目的は、上昇する空気がフィンに衝突し、そこで乱流が発生するようにと企図する点にあり、この点も、フィンの集合体を略Ｖの字形とすることにより “開き角圧力差効果”や“煙突効果”を生み出すようにと企図する本発明の実施形態とは根本的に異なるのである。
　また、特許文献２～特許文献４は、まず、板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明の実施形態とは異なる。更に、特許文献２～特許文献４には、フィンの集合体としての配置を本発明の実施形態のように上方に向けて開く略Ｖの字形とするような記載も示唆も全く無くて、本発明の実施形態とは根本的に異なる。
　なお、特許文献４のヒートシンクは、フィン群の配設が上方に向けて閉じるように傾斜角を有するのに対して、本発明の実施形態に係るヒートシンクは、フィン群の配設が上方に向けて開くように開き角を有するものであって、両者は互いに全く逆の思想及び構造である。
　次に、特許文献５には、その図８にベースプレート部の上に複数の板状フィンが縦方向に所定の間隔でハの字形に配置されている熱交換器（ヒートシンク）が示されている。
　しかし、特許文献５も板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明の実施形態とは異なる。即ち、特許文献５は、その各請求項に記載されたところから分かる通り『フィン部』を必須の構成要件とするものであるが、この『フィン部』とは、その段落００２７に「『フィン部』とは図１に示すように『板状フィン』３が縦方向に複数個並んで一列に配置されたものの全体を言う。」と明記されている通り『板状フィン』に係るものであり、特許文献５は『板状フィン』に係る。
　また、特許文献５は、各請求項及び「課題を解決するための手段」に記載されたところから明白なように、煎じ詰めれば、「放熱効率を高めるためには、板状フィンの間隔、板状フィンの長さ、板状フィン間を流れる冷却空気の流速の関係を適切に律することが必要である」（段落０００８）として、「板状フィンの間を流れる冷却空気の流速を下げて、温度境界層・・・・が重なり合うようにする」（段落０００７）ことを達成すべく、板状フィンにつき「各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるように」（各請求項）した発明である。
　即ち、特許文献５は、『板状フィン』の間を流れる『冷却空気の流速を下げる』ものであり、各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるようにしたヒートシンクである。実際、記載されている各実施態様や「発明を実施するための最良の形態」として掲げられたところも、全て『板状フィン』について述べられたものばかりであり、且つ、各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるようにしたものばかりである。
　然るに、『自然空冷』のヒートシンクにおいては、往々にして、むしろ冷却用空気の流速が低いことこそが問題点である場合が多いのである。そこで、『自然空冷』のヒートシンクにおいては、特許文献５に示されたヒートシンクとは逆に、いかにしてその流速を上げるかということにこそ腐心しているのが実情であり、本発明の実施形態もまさにそのような目標に向かって検討を進める中から生まれたものである。即ち、本発明の実施形態と特許文献５とではそもそも目指す方向が全く逆であって、両者は本質的に異なるのである。
　付言すれば、特許文献５のヒートシンクにおいては、上記のようにフィン間を流れる冷却用空気の流速を敢えて下げるとする以上、フィンに入って来た冷却用空気の流速は元々かなり速いことを意味する。このことは、各請求項に書かれた「『冷却用空気を送り込む』入口部」という記載とも相俟って、特許文献５の発明ではファン等を用いた強制冷却ヒートシンクが想定されていることが強く示唆されるのである。
　なお、特許文献５の段落００５７には「この発明の熱交換器は『自然空冷』、水冷のいずれの熱交換器にも応用することができる。」と一応記載されてはいるものの、上記した通りであって、また、特許文献５に示された熱交換器（ヒートシンク）は『自然空冷』用のヒートシンクが目指すべき方向とは全く逆を向いていることもあって、実際には、この技術の分野における通常の知識を有する者としては、特許文献５に示された熱交換器（ヒートシンク）を『自然空冷』用のそれとして用いることには大いに懐疑的になるところである。
　また、特許文献５の中で示されるハの字形ヒートシンクの場合には、その請求項４や図９から分かるように、入口部から排出口に向かって漸次狭くなるように配置されたハの字形である。これは、その図９から明らかなように、冷却用空気を送り込むことに対応した構造となっている。
　これに対して、本発明の実施形態のヒートシンクにおいては、それとは全く逆に、上方（即ち、上記の「排出口」に相当。）に向けて開く略Ｖの字形である。これは、先に本発明の実施形態の冷却メカニズムのところで説明したように略Ｖの字形の内側における上昇気流と“煙突効果”を利用することに対応した構造となっている。
　このように、特許文献５と本発明の実施形態とでは、一見同じように見えるフィン配置（ハの字形、略Ｖの字形）であっても、その機能・作用は大いに異なるのである。
　即ち、上に詳しく検討してきた通り、特許文献５と本発明の実施形態とでは、一見したところではともすると同等であるかの如くに見紛う面が有るものの、多くの点においてそれらの本質は全く異なっており、両者の向かう方向がむしろ全く逆となっている側面さえも有るのである。
（第４実施形態）
　図１７は、本発明の第４実施形態のヒートシンクを表わす正面図である。上方に向けて開く略Ｖの字形が、左右の外側に向かって凸の曲線状にピンフィンが配置されてなる列の対から構成されるものである点が本発明の第３実施形態と比べて異なる。このように前記略Ｖの字形を成すピンフィンの線状配列は、必ずしも直線状でなければならない訳ではなくて、湾曲していてもよい。特に、図１７のように左右の外側に向かって凸の曲線状をなしている場合は、略Ｖの字形の内側が“煙突効果”にマッチしたものとなり、好適である。
　なお、ここでは、ピンフィンの断面形状は円形としている。
（第５実施形態）
　図１８は、本発明の第５実施形態のヒートシンクを表わす正面図である。上方に向けて開く略Ｖの字形が、Ｖの字の内側に向かって凸の曲線状にピンフィンが配置されてなる列の対から構成されるものである点が本発明の第３実施形態と比べて異なる。なお、ピンフィンの断面形状は、ここでも円形としている。
（第６実施形態）
　図１９は、本発明の第６実施形態のヒートシンクを表わす正面図であり、第３実施形態の略Ｖの字形のピンフィン配置を水平方向に２回繰り返して配置したものである。なお、ピンフィンの断面形状は、ここでは楕円形としている。
　前記した図５の結果から、略Ｖの字形の開き角αは１０°＜α≦４０°、好ましくは１５°≦α≦３０°であることが良いと判明しているが、例えばベースプレートの横幅が大きい場合などには、このように鋭角な略Ｖの字形配置ではベースプレートの全体をカバーすることが出来ない。そのときには、第６実施形態のように略Ｖの字形のピンフィン配置を水平方向に繰り返して複数配置するようにすれば、開き角αが上記の範囲に入るような鋭角の略Ｖの字形配置を用いてベースプレートの全体をカバーすることが出来る。
　なお、例えば第１実施形態並びに第２実施形態及び第６実施形態のように、上方に向けて開く略Ｖの字形のピンフィン配置を水平方向に繰り返して配置するやり方としては、必ずしも同じ略Ｖの字形のピンフィン配置を直ぐ隣り同士に隣接するものではなくて、お互いに異なる略Ｖの字形のピンフィン配置を隣接させても良いし、また、一つの略Ｖの字形のピンフィン配置と他の略Ｖの字形のピンフィン配置との間に平行なピンフィン列（即ち、略Ｖの字形の開き角α＝０°に相当。）が挟まれる配置でも良い。
　また、上方に向けて開く略Ｖの字形のピンフィン配置を、鉛直方向に２回以上繰り返して設けるようにしてもよい。
　本発明に係るヒートシンクは、電子機器を始めとする各種機器の発熱体を自然空冷によって冷却するために利用することができる。冷却ファンを用いることなく自然空冷のみによって高い冷却性能を実現し得るので、自動車搭載用など軽量化に対する要望が極めて強い用途への利用には特に最適である。
１　ベースプレート
２　ピンフィン
３　風洞
１０　ヒートシンク

Claims (12)

  1. 　冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンクであって、
    　前記冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるように立設されるベースプレートと、
    　前記ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群と、
    　を備え、
    　前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される、
    　ことを特徴とするヒートシンク。
  2. 　前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
  3. 　前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比１．０以上５．０以下の円形又は楕円形であることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
  4. 　前記複数のピンフィンの断面形状は、前記一対のピンフィン列の外側鉛直下方から内側鉛直上方に向けて長い楕円形であることを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートシンク。
  5. 　前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が水平方向に二対以上繰り返して設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  6. 　前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が４０°以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  7. 　ベースプレートと、ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群とを備え、前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が徐々に広がるように対向して配設されるヒートシンクの使用方法であって、
    　冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が前記ベースプレートの板面に沿って流れるとともに、前記一対のピンフィン列が、水平方向に対向して、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように、前記ヒートシンクを配設して自然空冷に用いる、
    　ことを特徴とするヒートシンクの使用方法。
  8. 　前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であることを特徴とする請求項７に記載のヒートシンクの使用方法。
  9. 　前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比１．０以上５．０以下の円形又は楕円形であることを特徴とする請求項８に記載のヒートシンクの使用方法。
  10. 　前記複数のピンフィンの断面形状は、前記ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向を横切る方向に長い楕円形であることを特徴とする請求項８又は９に記載のヒートシンクの使用方法。
  11. 　前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が二対以上設けられており、
    　前記一対のピンフィン列が、水平方向に二対以上繰り返して配設されるように前記ヒートシンクを配設することを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のヒートシンクの使用方法。
  12. 　前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が４０°以下であることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載のヒートシンクの使用方法。
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