JP2004311885A - ヒートシンク及びヒートシンクの形状計算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの軽量化を目的とする。また、ヒートシンクの形状を最適化、或いはより良くするための計算手法を提供することを目的とする。
【解決手段】ベース部とフィンとを有するヒートシンクの形状計算方法において、ベース部の厚みとフィンの数とを変数として、両者の値を変化させて所定の基準により所定のベース部の厚みと所定のフィンの数とを求める計算工程と、上記計算工程により求められた所定のベース部の厚みと所定のフィンの数とを出力する出力工程とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンク、又はヒートシンクの形状計算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートシンク最適設計手法は、ヒートシンクベース厚み一定、フィンピッチ一定（等ピッチヒートシンク）の条件で行われている。（特許文献１〜３参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−６９８４４号公報
【特許文献２】
特開２００２−５７２５５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２６６０８９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱源の偏りによりヒートシンクに温度分布が発生した場合、ヒートシンクでは、放熱、受熱に十分寄与していない部分が存在している。また、ヒートシンクは、なるべく軽量化することが求められる。すなわち、放熱、受熱に十分寄与していない部分を取り除くことで、熱源の偏りによりヒートシンクに温度分布が発生した場合、更に効率化（軽量化）の余地がある。
【０００５】
ここで、近年の小型化・高性能化が進む電子機器の実装設計では、高精度かつ効率的な熱設計手法がますます重要になってきており、数値解析手法（ＣＡＥ）等が有効活用されている。また、最近のコンピュータの著しい高性能化により、形状をＣＡＤライクにモデル化した大規模熱シミュレーションによって詳細かつ高精度な温度予測が可能となっている。その一方で、解析対象が複雑で大規模であるほどモデル作成に時間を要し、設計自由度が高くパラメータ数の多い設計初期のフィージビリティスタディには適用しにくい課題もある。これらのことから、効率的な熱設計を行うためには製品設計フェーズに合わせたスケーラブル解析手法の適用・選択が必要となってくる。
例えば、初期段階の設計用解析手法として構造設計分野においては米ミシガン大学を中心にＦＯＡ（Ｆｉｒｓｔ Ｏｒｄａｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ）、熱設計分野においては中山らによるＢｕｉｌｄ−Ｕｐ Ａｐｐｒｏａｃｈ等が提唱されている。ここで、ＦＯＡは、米ミシガン大学を中心に提唱されている概念であり、設計者向けのＣＡＥであることを前提に専門知識無しにグラフィカルに基本性能と設計変数をＰＣ上で瞬時に訂正評価・改善する機能をもつものである。
【０００６】
一方、近年最適化手法と機械系ＣＡＥを組み合わせた最適化設計の自動化として、実験計画法とＣＡＥの組み合わせによるロバスト設計の自動化、応答曲面法（Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ：ＲＳＭ）を実装した近似的最適解探索手法による最適解探索時間の飛躍的な短縮が実現している。しかし、多峰性問題や離散値組み合わせ最適化では応答曲面法が適用できず、少ない変数を設定したとしても多数のメッシュに分割されるため遺伝的アルゴリズム等を利用した数千回の反復計算が必要となる。そのため、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＦｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）などの大規模シミュレーションを利用した最適化においては非常に多くの時間を費やしてしまうといった問題がある。ここで、ＣＦＤは、モデルの物理形状を微細なメッシュ（ｍｅｓｈ）に分割し、各メッシュについて運動方程式（ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｍｅｎｔｕｍ，Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）とエネルギ方程式（ｅｎｅｒｇｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）の基礎式を直接計算する数値流体力学手法である。
【０００７】
本発明は、ヒートシンクの軽量化を目的とする。
【０００８】
本発明は、ヒートシンクの形状を最適化、或いはより良くするための計算手法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒートシンクは、複数の熱源と接続されるヒートシンクにおいて、
上記複数の熱源の各熱源と接続される各位置の厚みが他の位置の厚みより厚いベース部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるヒートシンクを示す図である。
図１において、ヒートシンク２は、フィンベース３（ベース部の一例である）、フィン４を備えている。ヒートシンク２は、複数の熱源３１，３２と接続されている。
フィンベース３は、上記複数の熱源３１，３２の各熱源と接続される側の面が平板状になっていて、各熱源と接続される各位置の厚みが他の位置の厚みより厚くなるように形状が構成されている。後述するように、熱源の直上あるいは近傍のベース厚みが熱源が無い部分の厚みより厚い方が最適化されたヒートシンク形状を得ることができる。
【００１１】
複数のフィン４は、放熱面積拡大のために、上記フィンベース３に等間隔と異なるピッチで配置されている。すなわち、ヒートシンク２は、不等ピッチヒートシンクを構成している。上記複数のフィン４は、複数の領域に分割され、上記複数の領域の少なくとも１つの領域で他のいずれかの領域と異なるフィン数が上記フィンベース３に配置されている。図１では、領域１から領域６の６つの領域に分割され、各領域毎にフィン４の設置するピッチが異なっている。ここでも後述するように、熱源直上あるいは近傍のフィン４のフィンピッチが熱源が無い部分のフィン４のフィンピッチより密度が高いように構成することで、最適化されたヒートシンク形状を得ることができる。
【００１２】
図２は、実施の形態１における別のヒートシンクを示す図である。
図２において、ヒートシンク２は、図１の構成に対し、さらに、上記フィンベース３に配置された遮蔽部５０を備えている。遮蔽部５０は、ヒートシンク２が熱交換する気体の流れを遮蔽する。遮蔽部５０は、気体の流れを遮蔽すればよいので、ヒートシンク２の他の構成より軽い材質を用いることができる。例えば、アクリル板で外表面だけ覆ったものでも構わない。図２では、熱源が無い部分である領域４，６に遮蔽部５０を設けることで、フィン４の重量分を削減し、ヒートシンク２を軽量化することができる。また、遮蔽部５０の位置に位置するフィンベース３の厚みを小さくすることで、その分の重量を削減し、さらにヒートシンク２を軽量化することができる。
【００１３】
以下、回路網法（ＮＮＭ：Ｎｏｒｄａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍｅｔｈｏｄ）と最適化手法を組み合わせ、設計初期のフィージビリティスタディに適した最適化熱設計手法を説明する。本稿では回路網法を用いた最適化熱設計事例として、ヒートシンクの形状計算手法としてのヒートシンクの最適化事例を説明する。ここで、ＮＮＭ（回路網法）は、モデル要素を集中定数であるノード（ｎｏｄｅ）で代表させ、ノード間を実験定数等からなるマクロ熱抵抗によりネットワーク接続することで熱モデルを構築する。このネットワークについてエネルギ保存の式を解き、温度等を求める手法である。
【００１４】
図３は、ＣＦＤ、回路網法の２種類の特徴をまとめた表を示す図である。
図３では、電子機器熱設計に適用されている主な手法であるＣＦＤ、回路網法の２種類の特徴についてまとめている。また、以下に溝形ヒートシンクにおける熱回路網とＣＦＤの計算結果と実測値の比較例を示す。
【００１５】
図４は、実測の条件を模擬したダクトとヒートシンクの３Ｄモデルを示す図である。
図５は、図４のモデルに対し、ＣＦＤソフトウェアにてメッシュを作成した図である。
図６は、ＣＦＤソフトウェアによる計算結果表示例としてのヒートシンク温度分布を示す図である。
図７は、ＣＦＤソフトウェアによる計算結果表示例としての水平断面の流速分布図である。
【００１６】
図８は、図４のヒートシンクモデルを回路網法でモデル化した場合の図である。
なお、図４の回路網モデルでは、Ｓｔｅｐｈａｎの実験整理式（Ｓｈａｈ，Ｒ．Ｋ．，Ｌｏｎｄｏｎ，Ａ．Ｌ．：Ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ ｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９０，ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ（１９７８）参照）（熱抵抗計算）およびＳｈａｈの実験整理式（Ｓｈａｈ，Ｒ．Ｋ．：Ｊ．Ｆｌｕｉｄｓ Ｅｎｇ．，１００，１７７（１９７８）参照）（圧損計算）を用いているため、フィンの熱抵抗および流体抵抗はそれぞれ１要素でモデル化することができる。
【００１７】
図９は、ＣＦＤ・回路網法による熱抵抗の計算値と実験値を比較したグラフを示す図である。
図１０は、ＣＦＤ・回路網法による圧損の計算値と実験値を比較したグラフを示す図である。
図９に示すように、熱抵抗においては、ＣＦＤと回路網法の計算結果はほぼ一致した。また、図１０に示すように、圧損においては回路網法（ＮＮＭ）と実測値は良く一致し、ＣＦＤは実測値よりやや小さめの値となった。
以上の結果より、ダクト内の溝形ヒートシンクの熱設計においては、回路網法でもＣＦＤと同等以上の精度が得られることがわかる。
【００１８】
図１１は、ＣＦＤと回路網法における要素数および計算時間の比較を示す図である。
図１１では、節点数と要素数とは、回路網法のほうが、かなり少なく、計算時間においても回路網法のほうが、かなり短いことがわかる。
【００１９】
【数１】

【００２０】
最適化問題とは、式（１）に示すように、目的関数ｆ（ｘ）が最小となる変数ベクトルｘを求める問題である。ただし、式（１）のｇ（ｘ）は不等式制約条件、ｈ（ｘ）は等式制約条件である。不等式制約条件ｇ（ｘ）は、”発熱しているノードの温度＜制約温度”となり、複数の不等式制約条件が存在する。等式制約条件ｈ（ｘ）はなくても良い。
以上のような最適化問題を解く手法としては、勾配法である逐次２次計画法（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ：ＳＱＰ）（「製品開発、技術開発のための最適設計技術と応用，日本機械学会関西支部第２４７回講習会，２００１−５」、「柏村・白鳥・于：実験計画法による非線形問題の最適化−統計的設計支援システム−，朝倉書店，１９９８−１０」参照）や、メタヒューリスティクスに基づく方法である遺伝的アルゴリズム（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ：ＧＡ）（上記「製品開発、技術開発のための最適設計技術と応用」参照）や焼きなまし法（Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＳＡ）（上記「製品開発、技術開発のための最適設計技術と応用」参照）を用いることができる。ただし、ＳＱＰは応答曲面法（上記「製品開発、技術開発のための最適設計技術と応用」、上記「実験計画法による非線形問題の最適化−統計的設計支援システム−」参照）と組み合わせて使用される。
遺伝的アルゴリズムを用いることにより、全検索をしなくても最適解を求めることができる。
【００２１】
図１２は、ヒートシンク形状最適化のためのフローチャートである。
Ｓ（ステップ）１０１において、計算工程として、各変数ベクトルｘ（後述する例えば、Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ））を設定する。目的関数ｆ（ｘ）、不等式制約条件ｇ（ｘ）、等式制約条件ｈ（ｘ）を設定する。また、解法を選択する。
Ｓ１０２において、計算工程として、図示していないが計算機は、回路網法を用いて、回路網計算を実行する。
Ｓ１０３において、計算工程として、計算機は、目的関数ｆ（ｘ）の値を計算する。
Ｓ１０４において、計算工程として、計算機は、不等式制約条件ｇ（ｘ）、等式制約条件ｈ（ｘ）を満たすかどうかを計算する。不等式制約条件ｇ（ｘ）、或いは等式制約条件ｈ（ｘ）を満たさない場合、目的関数ｆ（ｘ）の値が収束したと次ステップで判定されないように所定の値を加算する。
Ｓ１０５において、計算工程として、計算機は、遺伝的アルゴリズムに基づいて、目的関数ｆ（ｘ）の値が収束したか判定する。目的関数ｆ（ｘ）の値が収束したと判定された場合は、最適解が得られたとして計算を終了し、Ｓ１０８に進む。目的関数ｆ（ｘ）の値が収束していないと判定された場合は、Ｓ１０７に進む。
Ｓ１０７において、計算工程として、計算機は、遺伝的アルゴリズムに基づいて、各変数ベクトルｘの値を更新し、Ｓ１０２に戻る。
Ｓ１０８において、出力工程として、図示していないが出力装置は、最適解としての各変数を出力する。
【００２２】
図１３は、複数の熱源と各変数Ｗｂ，Ｈｆ，Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）からヒートシンク温度分布を計算する回路網モデルを示す図である。
発熱密度が一定なヒートシンクの設計においては図８の単純な熱回路網で設計可能であるが、たとえば通信機器などの基地局やパワーデバイスで使用されるヒートシンクは、複数の発熱量の異なる素子を一つのヒートシンクで冷却するため、ヒートシンク内に温度分布が発生し、図８の１次元の簡易モデルでは十分な精度が得られない。そこで、図１３のような２次元的な熱拡散を考慮した回路網モデルを使用する。
【００２３】
図１３において、ノード１はフィンベースを表し、任意の発熱量が設定される。また、物理量として温度を持つ。ノード２は流体ノードであり、物理量として温度・圧力を持つ。ノード３は流体の入口または出口ノードである。入口ノードは温度一定かつ、圧力一定または流入量が設定される。出口ノードは圧力一定が設定され、物理量として温度、圧力を持つ。要素４は、フィンベースの熱伝導抵抗を表しており、Ｗｂ，Ｈｆ，Ｆｂ（ｉ），Ｌｆ（ｉ）およびフィン熱伝導率の関数として定義される。要素５は、フィンの熱抵抗を表しており、Ｗｂ，Ｈｆ，Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），流体の物性値及び本モデルの計算値である流速の関数として定義される。要素６は、流体の熱移動及び圧力損失を表す抵抗であり、Ｗｂ，Ｈｆ，Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ），流体の物性値及び本モデルの計算値である流速の関数として定義される。溝形ヒートシンクの場合、要素５の熱伝達率の計算式として、例えばＳｔｅｐｈａｎの実験整理式を用いることができ、要素６の圧損抵抗の計算式として、例えばＳｈａｈの実験整理式を用いることができる。７は領域の範囲を表す。図１３のノード分割数は５×５の例であるが、分割数に制限はない。
【００２４】
図１、図２は、６つの領域に分割している例である。図１３のモデルを上記図１〜３のヒートシンク２に合わせると、ノード分割数は、６×αのモデルとなる。αは、任意で構わない。図１３のモデルに対し、ベルヌーイの運動量保存式およびエネルギ保存式を解くことにより、各ノードの温度・圧力が求まる。
【００２５】
図１４は、ヒートシンクの設計条件及び最適計算条件の一例を示す図である。
高実装密度化する基地局などで使用されるヒートシンクは大型となりモジュールの重量の大部分を占めるため、低コスト化・小型軽量化が求められている。例えば、そのようなヒートシンクの設計問題を想定としたヒートシンク設計条件および最適計算条件の一例を図１４に示す。図１４の条件においては、ヒートシンク圧損を一定（ファン能力一定）かつヒートシンク実装体積（幅，高さ，長さ）を一定とし、目的関数はヒートシンク断面積としている。これは、一定の材料を用いた場合のヒートシンク重量の最小化を目的関数にすることと同じ意味である。ここでは、例えば、変数はフィン数とフィンベース厚みの２つであり、制約条件は各素子の温度を７０℃以下としている。
【００２６】
図１４の最適化条件は等ピッチヒートシンクの最適化手法である。しかし、ヒートシンク内の温度差が大きい場合や各ＩＣの許容温度が大きく異なる場合、熱的条件が厳しい領域に対してはフィン数増加・フィンベースの厚肉化、熱的条件が緩い領域に対してはフィン数削減・フィンベースの薄肉化により、等ピッチヒートシンクより更に軽量化する余地が残っている。このような部分的にフィンピッチが異なるヒートシンクを不等ピッチヒートシンクと呼ぶ。図１５に不等ピッチヒートシンクの最適化条件を示す。
図１５は、図１のヒートシンクの断面図である。
通風ダクト１の中に不等ピッチヒートシンク２があり、通風ダクト１には強制的あるいは自然的に流れが生じていると想定する。不等ピッチヒートシンク２は、フィンベース３、フィン４を備えている。不等ピッチヒートシンクの最適設計においては、図１５のヒートシンク２を複数の領域に分割し、各領域毎にフィン数Ｎｆ（あるいはフィンピッチ）、フィンベース厚みＦｂ、フィン厚みＦｔ、フィン長さＬｆ、遮蔽板の有無Ｆを設定する。例えば、領域ｉのフィン数はＮｆ（ｉ）と表記する。ここでは、フィン全体の幅Ｗｂ、フィン全体の高さＨｆ、Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）を一定、遮蔽板無しとして、各変数Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ）が、熱源の分布および熱源の制約温度によって、ある最適な値を持つ。ここでは、条件を単純化すめために、フィン全体の幅Ｗｂ、フィン全体の高さＨｆ、Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）を一定、遮蔽板無しとしているが、Ｗｂ、フィン高さＨｆ（ｉ）、Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，…，Ｎ、Ｎ：領域数）を変数として用いても良いし、遮蔽板の有無を条件としてもよい。
【００２７】
また、フィン体積とした目的関数ｆ（ｘ）は、
【００２８】
【数２】

【００２９】
としても表すことができる。図１５に表された目的関数ｆ（ｘ）と実質同一の関数を示している。上記目的関数ｆ（ｘ）では、不等ピッチヒートシンク２において、発熱分布、ヒートシンク熱伝導率、流体、出入り口条件、フィン全体の幅Ｗｂ、フィン全体の高さＨｆが一定とすると、Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，…，Ｎ、Ｎ：領域数）が変数ベクトルｘとなる。
【００３０】
図１６は、等ピッチヒートシンクおよび不等ピッチヒートシンクにおける最適化計算結果を示す図である。
図１６において、領域毎に最適化変数値が得られている。図１５では、熱源の直上あるいは近傍のベース厚みが熱源が無い部分の厚みより厚い方が最適化されたヒートシンク形状であることを示している。また、熱源直上あるいは近傍のフィン４のフィンピッチが熱源が無い部分のフィン４のフィンピッチより密度が高いように構成する方が最適化されたヒートシンク形状であることを示している。
【００３１】
図１７は不等ピッチヒートシンク最適解における領域とフィン数およびフィンベース厚みの関係を示したグラフである。
等ピッチヒートシンクは変数の数が２と少ないため、非常に短時間で最適解が得られた。不等ピッチヒートシンクにおいては計算時間は増大したが、従来の不等ピッチヒートシンク最適解計算に比べ短時間で最適解が得られ、さらに、期待通りに等ピッチヒートシンクよりも約２０％軽量化した解が得られた。
【００３２】
図１８は、等ピッチヒートシンクの最適化計算後のフィンベース温度分布を示す図である。
図１９は、不等ピッチヒートシンクの最適化計算後のフィンベース温度分布を示す図である。
図１９の不等ピッチヒートシンクにおいて、ＩＣ１，ＩＣ２温度が共に制約条件の７０℃まで上昇しており、最適な解が得られていることが分かる。
【００３３】
回路網法はＣＦＤに比べて計算時間が圧倒的に短いという特長を生かし、回路網法と最適化手法の組み合わせによる溝形ヒートシンク最適設計手法を説明した。また、本手法を等ピッチおよび不等ピッチの溝形ヒートシンク最適化問題に適用してその有効性を示し、フィンの不等ピッチ化による低コストで軽量なヒートシンクが実現可能であることを示した。
不等ピッチヒートシンクにおいては、今回変数としたフィン数・フィンベース厚みの他にも、フィン長さ、フィン厚み、フィン形状（コルゲート，ピンフィン等）を変数とした最適設計手法についても同様に最適化することができる。
【００３４】
図２０は、図２のヒートシンクの断面図である。
通風ダクト１の中に不等ピッチヒートシンク２があり、通風ダクト１には強制的あるいは自然的に流れが生じていると想定する。不等ピッチヒートシンク２は、フィンベース３、フィン４、遮蔽板５を備えている。遮蔽板５は、フィンが放熱に対し有効に寄与して無い場合、余計な風を流さない目的で設置する。
上述した例では、２つの変数Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ）以外は、一定としているが、不等ピッチヒートシンクの最適設計においては、図２０のヒートシンク２を複数の領域に分割し、各領域毎に、例えば、フィン数Ｎｆ（あるいはフィンピッチ）、フィンベース厚みＦｂ、フィン厚みＦｔ、フィン長さＬｆ、遮蔽板の有無Ｆを設定する。上述したように、領域ｉのフィン数はＮｆ（ｉ）と表記する。フィン全体の幅Ｗｂ、フィン全体の形さＨｆを含め、各変数Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）は、変数ベクトルｘとして、式（１）の目的関数ｆ（ｘ），不等式制約条件ｇ（ｘ），等式制約条件ｈ（ｘ）において、目的関数ｆ（ｘ）が最小となる変数ベクトルｘを求めることで、上記同様に熱源の分布および熱源の制約温度によって、ある最適な値を持ち、この解を得ることができる。
【００３５】
以上のように、ベース部とフィンとを有するヒートシンクの形状計算方法において、計算工程として、計算機は、ヒートシンクを複数の領域に分割し、分割された各領域毎に、例えば、ベース部の厚みとフィンの数とを変数として、両者の値を変化させて、複数の領域全体として目的関数ｆ（ｘ）の収束、不等式制約条件ｇ（ｘ）、等式制約条件ｈ（ｘ）を満たすか等の所定の基準により、すべてに合致した各領域毎の１つのベース部の厚みと１つのフィンの数とを求める。以上のように、上記計算工程は、上記ベース部の厚みとフィンの数とを求めるために、回路網法を用いている。さらに、上記計算工程は、遺伝的アルゴリズムによる最適化法を用いている。
【００３６】
そして、図示していない出力装置は、出力工程として、上記計算工程により求められた各領域毎の所定のベース部の厚みと所定のフィンの数とを最適解として出力する。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態１では、変数の領域として流れに垂直な方向に領域分割をしたが、流れに水平な方向にも領域分割しても良い。
図２１は、実施の形態２におけるヒートシンクの構成を示す図である。
図２１では、上面から見てフィン４の長て方向と直角方向に領域分割をしている。このように領域分割しても同様に最適化することができる。
【００３８】
実施の形態３．
変数の領域として格子状に分割しても良い。
図２２は、実施の形態３におけるヒートシンクの構成を示す図である。
図２２では、上面から格子状に領域分割をしている。このように領域分割しても同様に最適化することができる。
図２２では、複数の熱源（ここでは、２つ）があるヒートシンクにおいて、
熱源３１，３２直上あるいは近傍のフィン長さが、熱源が無い部分のフィン長さより長いように構成している。
【００３９】
上記各実施の形態において、複数のフィンは、長さと厚さとの少なくとも１つが他と異なるように構成しても構わない。長さと厚さを変数として最適解を求めればよい。
【００４０】
また、上記各実施の形態において、各変数は、一意の最適解だけが有効ではなく、その近傍の値でも構わない。最適解に対し軽量化、或いは温度効率は悪いが、従来と比べ十分に軽量化、或いは温度効率の各効果がある。
【００４１】
以上のように、上記各実施の形態における不等ピッチヒートシンク２は、熱源の位置に合わせ、フィンベース厚み、フィンピッチ（フィン数）、フィン長さ、フィン厚み、遮蔽板が部分的に異なることを特徴とする。
【００４２】
また、上記各実施の形態における不等ピッチヒートシンクの設計手法は、ヒートシンク設計における変数の決め方において、ヒートシンクを領域分割し、各領域毎にフィンベース厚み、フィンピッチ（フィン数）、フィン長さ、フィン厚み、遮蔽板を変数とすることを特徴とする。また、遺伝的アルゴリズムＧＡなどの最適化手法で求解することを特徴とする。また、ヒートシンク温度、流体圧力計算に高速解法である回路網法を用いることを特徴とする。
【００４３】
ここで、上記各実施の形態におけるヒートシンクの形状設定手法において、分割する領域数は、熱源と同等の範囲以下であれことが望ましい。熱源より大きく設定するとヒートシンクによる受熱・放熱に寄与していない余分な部分も寄与している重要な部分と同様に扱ってしまうからである。なお、分割する領域数は、熱源に対し、３つ以上の領域が存在するように設定するとなおよい。１つでは、温度分布が点でしか表せず、２つでは、温度分布が直線でしか表せないのに対し、３つあれば、曲線として近似することができるからである。
【００４４】
上記各実施の形態におけるヒートシンクの形状設定手法によれば、特に複数の熱源を有する場合に、複雑化する温度分布を的確に捉え、効率よく最適化されたヒートシンクの形状を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒートシンクの軽量化を図ることができる。また、ヒートシンクの形状を最適化、或いはより良くするための計算手法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１におけるヒートシンクを示す図である。
【図２】実施の形態１における別のヒートシンクを示す図である。
【図３】ＣＦＤ、回路網法の２種類の特徴をまとめた表を示す図である。
【図４】実測の条件を模擬したダクトとヒートシンクの３次元モデルを示す図である。
【図５】図４のモデルに対し、ＣＦＤソフトウェアにてメッシュを作成した図である。
【図６】ＣＦＤソフトウェアによる計算結果表示例としてのヒートシンク温度分布を示す図である。
【図７】ＣＦＤソフトウェアによる計算結果表示例としての水平断面の流速分布図である。
【図８】図４のヒートシンクモデルを回路網法でモデル化した場合の図である。
【図９】ＣＦＤ・回路網法による熱抵抗の計算値と実験値を比較したグラフを示す図である。
【図１０】ＣＦＤ・回路網法による圧損の計算値と実験値を比較したグラフを示す図である。
【図１１】ＣＦＤと回路網法における要素数および計算時間の比較を示す図である。
【図１２】ヒートシンク形状最適化のためのフローチャートである。
【図１３】複数の熱源と各変数Ｗｂ，Ｈｆ，Ｎｆ（ｉ），Ｆｂ（ｉ），Ｆｔ（ｉ），Ｌｆ（ｉ），Ｆ（ｉ）からヒートシンク温度分布を計算する回路網モデルを示す図である。
【図１４】ヒートシンクの設計条件及び最適計算条件の一例を示す図である。
【図１５】図１のヒートシンクの断面図である。
【図１６】等ピッチヒートシンクおよび不等ピッチヒートシンクにおける最適化計算結果を示す図である。
【図１７】不等ピッチヒートシンク最適解における領域とフィン数およびフィンベース厚みの関係を示したグラフである。
【図１８】等ピッチヒートシンクの最適化計算後のフィンベース温度分布を示す図である。
【図１９】不等ピッチヒートシンクの最適化計算後のフィンベース温度分布を示す図である。
【図２０】図２のヒートシンクの断面図である。
【図２１】実施の形態２におけるヒートシンクの構成を示す図である。
【図２２】実施の形態３におけるヒートシンクの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 通風ダクト、２ 不等ピッチヒートシンク、３ フィンベース、４ フィン、５ 遮蔽板、３１，３２ 熱源、５０ 遮蔽部。

Claims (10)

1. 複数の熱源と接続されるヒートシンクにおいて、
   上記複数の熱源の各熱源と接続される各位置の厚みが他の位置の厚みより厚いベース部を備えたことを特徴とするヒートシンク。
2. 熱源と接続される位置の厚みが他の位置の厚みより厚いベース部と、
   上記ベース部に等間隔と異なるピッチで配置された複数のフィンと
   を備えたことを特徴とするヒートシンク。
3. 上記複数のフィンは、複数の領域に分割され、上記複数の領域の少なくとも１つの領域で他のいずれかの領域と異なるフィン数が上記ベース部に配置されたことを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
4. 上記ヒートシンクは、さらに、上記ベース部に配置された遮蔽部を備えたことを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
5. 上記複数のフィンは、長さと厚さとの少なくとも１つが他と異なるフィンを有することを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
6. ベース部とフィンとを有するヒートシンクの形状計算方法において、
   ベース部の厚みとフィンの数とを変数として、両者の値を変化させて所定の基準により所定のベース部の厚みと所定のフィンの数とを求める計算工程と、
   上記計算工程により求められた所定のベース部の厚みと所定のフィンの数とを出力する出力工程と
   を備えたことを特徴とするヒートシンクの形状計算方法。
7. 上記計算工程は、ヒートシンクを複数の領域に分割し、分割された各領域毎に１つのベース部の厚みと１つのフィンの数とを求めることを特徴とする請求項６記載のヒートシンクの形状計算方法。
8. 上記計算工程は、遺伝的アルゴリズムによる最適化法と焼きなまし法による最適化法との内、少なくとも１つを用いて、上記ベース部の厚みとフィンの数とを求めることを特徴とする請求項６記載のヒートシンクの形状計算方法。
9. 上記計算工程は、回路網法を用いて、上記ベース部の厚みとフィンの数とを求めることを特徴とする請求項６記載のヒートシンクの形状計算方法。
10. ベース部とフィンとを有するヒートシンクの形状計算方法において、
    遺伝的アルゴリズムによる最適化法と焼きなまし法による最適化法との内、少なくとも１つを用いて、上記ベース部の厚みと、上記ベース部に配置するフィンの数とを求める計算工程と、
    上記計算工程により求められたベース部の厚みとフィンの数とを出力する出力工程と
    を備えたことを特徴とするヒートシンクの形状計算方法。

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