(57)【要約】【課題】  本発明は、より複雑な構造のヒートシンク、及びより複雑な構造のヒートシンクを製造する方法を提供することを目的とする。【解決手段】  ヒートシンクが、ベースと、ベースにモノリシックに接続された熱交換素子とを含む。熱交換素子は、熱交換素子を通る第１及び第２の経路の境界を少なくとも部分的に画する表面を有する。表面は、第１及び第２の経路の上部境界を形成し、第１と第２の経路をそれを通して接続する開口部を含む。【選択図】図２
2014064035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクであって、
ベースと、
該ベースに接続された発泡体構造を含む熱交換素子とを含むヒートシンク。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
該熱交換素子が該ベースにモノリシックに接続されているヒートシンク。
【請求項３】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
該熱交換素子が、フィン発泡体構造を形成する複数の垂直フィンを含むヒートシンク。
【請求項４】
請求項３に記載のヒートシンクにおいて、
２つの隣接するフィンの間の距離が、該発泡体構造の単位セルの幅と等しいヒートシンク。
【請求項５】
請求項３に記載のヒートシンクにおいて、
該発泡体構造の単位セルの幅は、２つの隣接するフィンの間の距離よりも小さいヒートシンク。
【請求項６】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
該発泡体構造は、構造化されない（擬似乱数である）ヒートシンク。
【請求項７】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
該発泡体構造は、該ヒートシンクを通る気流の経路を提供するように構成され、該経路は、蛇行した経路であるヒートシンク。
【請求項８】
請求項７に記載のヒートシンクにおいて、
該蛇行した経路の平均径路は、該ベースにおよそ平行であるヒートシンク。
【請求項９】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
該発泡体構造は、該ヒートシンクを通る気流の複数の経路を提供するように構成され、該複数の経路が、少なくとも、１つの妨げられていない経路と１つの蛇行した経路の組合せを含むヒートシンク。
【請求項１０】
方法であって、
ベース形状と、
該ベース形状に接続された発泡体構造を含む熱交換素子形状と
を含む犠牲ヒートシンク・パターンを提供するステップと、
モノリシック・ヒートシンクを形成するためにインベストメント鋳造プロセスに該犠牲ヒートシンク・パターンを提供するステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、本出願と同一出願人による米国特許出願第１２／１６５，０６３号、Ｈｅｒｎｏｎ他、「Ａｃｔｉｖｅ  Ｈｅａｔ  Ｓｉｎｋ  Ｄｅｓｉｇｎｓ」、及び米国特許出願第１２／１６５，１９３号、Ｈｅｒｎｏｎ他、「Ｆｌｏｗ  Ｄｉｖｅｒｔｅｒｓ  ｔｏ  Ｅｎｈａｎｃｅ  Ｈｅａｔ  Ｓｉｎｋ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」に関し、両特許を、その全体が本明細書に再現されるかのように参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、一般には、ヒートシンクを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
ヒートシンクは一般に、電子デバイスの対流表面積を増加させて、デバイスと冷却媒体（たとえば空気）の間の熱抵抗を減少させるために用いられる。押出し、機械加工及びダイカストを含めて、様々な製造方法が用いられる。これらの方法は、比較的単純なヒートシンクに適している。しかし、ヒートシンクの性能を向上させるには、より複雑な構造が必要である。ヒートシンクを製造する従来の方法は、こうした複雑な構造を作るのに適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１２／１６５，０６３号
【特許文献２】米国特許出願第１２／１６５，１９３号
【特許文献３】米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ２）
【特許文献４】米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ３）
【特許文献５】米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ１）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態は、ベースと、ベースにモノリシックに接続された熱交換素子とを含むヒートシンクである。熱交換素子は、熱交換素子を通る第１及び第２の経路の境界を少なくとも部分的に画する表面を有する。この表面は、第１及び第２の経路の上部境界を形成し、第１の経路と第２の経路を接続するそれを通る開口部を含む。
【０００６】
別の実施形態は、ベース形状と、ベース形状に接続された熱交換素子形状とを備える犠牲ヒートシンク・パターンを提供するステップを含む方法である。熱交換素子形状は、ヒートシンク・パターンを通る第１及び第２の経路の境界を少なくとも部分的に画する表面を有する。この表面は、第１及び第２の経路の上部境界を形成し、第１の経路と第２の経路を接続するそれを通る開口部を含む。このパターンは、モノリシック・ヒートシンクの形成のためにインベストメント鋳造プロセスに提供される。
【０００７】
添付の図と併せ読めば、下記の詳細な記述から様々な実施形態が理解されよう。様々な特徴は、一定の縮尺で描かれていないことがあり、議論を明瞭にするためにサイズを任意に増加又は減少させることがある。図中の様々な特徴は、それらの特徴への言及の便宜上、「垂直」又は「水平」として述べられ得る。こうした説明は、こうした特徴の向きを自然の地平線又は重力に対して制限するものではない。次に、添付の図面と併せ読まれる下記の説明について言及する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術のヒートシンクを示す図である。
【図２】本発明によるヒートシンクの素子を示す図である。
【図３】方法を示す図である。
【図４】周期的なフィン発泡体ヒートシンクを示す図である。
【図５Ａ】最小表面構造のヒートシンクを示す図である。
【図５Ｂ】断面積が変化する経路を示す図である。
【図６】スロット型のハチの巣状ヒートシンク示す図である。
【図７Ａ】図４の実施形態の素子を示す図である。
【図７Ｂ】図５Ａの実施形態の素子を示す図である。
【図７Ｃ】図６の実施形態の素子を示す図である。
【図８】ヒートシンクの性能特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に述べられた実施形態は、３次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）レンダリング及びインベストメント鋳造を使用して、従来技術の方法によっては達成不可能な構造上の複雑さを有するモノリシック・ヒートシンクを製造できるという認識を反映している。モノリシック・ヒートシンク設計におけるこうした複雑さによって、ヒートシンク形成手段に、従来技術のヒートシンクに比べてこうしたヒートシンクの性能を向上させる新規の構造的特徴が備わる。述べられた実施形態によって、これまでは達成不可能であった構造要素をヒートシンク設計者が使用できるようになる。これらの要素が使用できると、下記に定義された「単純な」ヒートシンクを用いるよりも、流動力学及び熱放散物理学をよりよく利用できる能力が設計者に与えられる。本明細書では、構造的に複雑なヒートシンクの伝熱特性が単純なヒートシンクと比べて著しい向上をもたらす実施形態について述べられる。
【００１０】
この議論では、熱交換素子をヒートシンクのベースにモノリシックに取り付けることができるヒートシンクを形成するための犠牲パターンの３Ｄプリントの使用、及びその後のインベストメント鋳造の概念について述べる。本明細書では、モノリシックは、ヒートシンクの要素に関して、素子及びベースが単一の連続的なエンティティであることを意味するものと定義される。換言すると、素子及びベースは、単一の鋳造ユニットの一部であり、接着剤、ねじ、溶接、圧着、又は任意の類似の化学的もしくは機械的手段によって残りの部分に固定されない。しかし、熱交換素子及びベースは、それらが多結晶質である場合、別の素子をモノリシック部分に取り付け、又はヒートシンクを回路もしくはアセンブリに取り付けるのにこれらの固定手段のいずれかが使用される場合には、依然としてモノリシックに接続される。
【００１１】
典型的な３Ｄプリンタは、一連の固体層によって３Ｄ形状を作成するためにレーザ及び液体フォトポリマを使用する。一例は、光造形ラピッドプロトタイピング・システムである。当業者は、こうしたシステム、及びそこで使用されるフォトポリマについてよく知っている。たとえば、あるタイプのプリンタは、転写可能な段階で、液体フォトポリマの薄層内に固体パターンを作成するためにレーザを使用する。この段階は進行し、別の層が、第１の層上に形成される。一連の層によって、ほとんど任意の複雑さの物体の３Ｄ形状が、約１００μｍの特徴の潜在解像度で形成され得る。一部のシステムでは、３Ｄ形状の脆弱な部分を機械的にサポートするために、ワックス又は可溶性フォトポリマも使用される。３Ｄ形状は、下記にさらに述べられる従来のインベストメント鋳造プロセス内でパターンとして直接使用することができる。
【００１２】
３Ｄプリントによって生成されたパターンを使用して形成されたヒートシンクは、構造上の複雑さの潜在性を反映するために、「構造的に複雑な」ヒートシンクと本明細書では呼ばれる。しかし特定の物理的特徴が存在することは、本明細書に定義された複雑なヒートシンクのクラスのヒートシンクを含むことへの前提条件ではないことが理解されよう。
【００１３】
図１は、従来技術のヒートシンク１００を示している。ヒートシンク１００の特徴は、ベース１１０とフィン１２０とを含む。フィン１２０は、構造上一様であり、たとえば、特定の製造方法に典型的な表面の粗さ以外は、フィン１２０の表面からの突起又は表面内のくぼみはない。ヒートシンク１００は、金属塊又は犠牲形状の押出し、砂型鋳造、ダイ鋳造、接着、折曲げ、鍛造、スカイビング及び機械加工を含めて、従来の方法によって形成されるヒートシンクのクラスを表す。機械加工は、機械的な手段によって塊から材料を取り除くことと定義される。フィンの最大アスペクト比、すなわちフィン高さＨとフィン厚さＴの比は一般に、製造方法に応じて約８：１から約２０：１の範囲に制限される。このクラスのヒートシンクは、本明細書では「単純な」ヒートシンクと定義され、明示的に権利放棄される。
【００１４】
図２は、３Ｄプリント及び鋳造を使用して形成され得る構造的に複雑なヒートシンク２００の様々な構造的特徴を示している。下記の議論で参照するために、座標軸が示されている。ベース２０５は、示された様々な熱交換素子のための土台を提供する。ベースは平面として示されているが、所望の任意の形状であってよい。たとえば、ベースは、回路基板又は電子デバイスの基礎となるトポグラフィに一致する形状で形成されてよい。熱交換素子のいくつかの例が、図２に示されている。これらの例は排他的なものではなく、ヒートシンク２００は、単独の又は他の素子と組み合わされた各タイプの素子を含んでよいことに留意されたい。
【００１５】
フィン２１０は、ベース２０５から突き出る矩形の固体素子である。フィンは、約２０：１未満の従来のアスペクト比（高さと厚さの比）を有してもよいし、又はより大きいアスペクト比を有してもよい。フィン２１０は、フィンから、たとえばフィン２１０に隣接した気流への伝熱を増加させるために、たとえば水や空気などの冷却剤を循環させるための冷却剤チャネル２１５を含んでよい。冷却剤チャネルは、たとえばＸ−Ｚ面の任意の経路でヒートシンクを形成する従来の方法によっては達成不可能なやり方で経路指定されてよい。所望であれば、こうしたチャネルをベース２０５内に設けることもできる。フィン２１０のアスペクト比は、たとえば材料強度、鋳造の間に高アスペクト比の空隙を満たす能力、及びフィンがサービスの間の負荷に耐えるのに必要とされる機械的強度などの要因によって制限されることがある。フィンは、控えめに見積もって、１００：１を超えるアスペクト比で構築され得る。
【００１６】
フィン２３０は、Ｙ−Ｚ面で形成された曲げ２３５を含む。こうした曲げは、たとえばベース２０５上のフィンの高さを増加させずにフィン表面積を増加させるのに好ましいことがある。複雑さによっては、曲げ２３５は、特に図２に示された他の特徴と組み合わされる場合には、上記方法によって製造するのが難しいことがある。たとえば、曲げは、Ｙ−Ｚ面とＸ−Ｙ面の両方で形成されてよい。従来の製造方法は、こうした構造的に複雑な特徴に適していない。
【００１７】
別の実施形態では、フィン２４０は、拡張部分２４５を含む。拡張部分２４５は、Ｘ方向の厚さであり、この場合、最小の厚さは、ヒートシンクに使用される材料を含めた要因に依存する。Ｘ方向の厚さは、この最小値から、Ｘ方向のフィン２４０の最大長より大きい値に及び得る。Ｘ方向の厚さは、たとえば拡張部分２４５が、ヒートシンク２００の風上に置かれたボーテックス・ジェネレータの一部を形成する場合には、フィン２４０の長さを超えることがある。たとえば米国特許出願第                    号を参照されたい（Ｈｅｒｎｏｎ  ２）。Ｚ方向の拡張部分２４５の高さは、形成可能な最小の厚さから、フィン２４０の高さより大きい値の範囲に及び得る。一部の実施形態では、拡張部分は、フィン２４０から、フィン２４０を通り過ぎて流れる気流内へと突き出た平板、たとえば薄い平面の特徴を形成する。このように構成された拡張部分２４５は、たとえば、      出願（Ｈｅｒｎｏｎ  ２）に記載されたような分流器であってよい。他の実施形態では、拡張部分は、円形、楕円形又はピラミッド形などであってよい隆起を形成する。
【００１８】
フィン２５０は、くぼみ２５５を含む。くぼみ２５５は、たとえばＸ−Ｚ面で円形又は楕円形の断面を有するへこみであってよい。Ｙ−Ｚ面のくぼみ２５５のプロファイルは、たとえば（図示されたような）円形、三角形、四角形、さらにはリエントラント型空胴など、任意の所望のプロファイルであってよい。拡張部分２４５について述べられたように、くぼみ２５５は、フィン２５０の全長をＸ方向に、又はフィン２５０の高さ全体についてはＺ方向に拡張することもできる。
【００１９】
フィン２６０は、開口部２６５を含む。開口部２６５は、フィン２６０の両方の対向面を横断する。開口部２６５は、任意の所望の形状、たとえば円形、三角形、四角形又は六角形であってよく、フィン２６０は、任意の所望の数の開口部２６５を含んでよい。もちろん、開口部２６５の構成は、使用される材料の機械的強度、フィン厚さ、及びフィン２６５の物理的保全性を保つためのサービス環境による制約を受けることがある。
【００２０】
フィン２７０は、ブリッジング素子２７２、２７４、２７６を含む。こうしたブリッジング素子は、主要表面が、たとえばブリッジング素子２７２などがＹ−Ｚ面に、ブリッジング素子２７４などがＸ−Ｙ面に配置されるように向きを定めることができる。ブリッジング特徴は、ブリッジング素子２７６など、開口部を含むこともできる。ブリッジング素子は、ヒートシンクのある部分から別の部分に空気を向けるようにダクトを形成するのに使用することもできる。たとえば米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ  ３）を参照されたい。
【００２１】
フィン２８０は、リエントラント型空隙２８５を含む。空隙２８５は、空隙の最大断面積より小さい開口部を通して達することができるへこんだ容積を有する。こうした特徴は、フィン２８０と周囲との間の熱抵抗を減少させるためにフィン２８０の表面積を著しく増加させる手段を提供する。下記に述べられるように、最小領域表面など新規なヒートシンク構造を作ることもできる。
【００２２】
一部の場合では、フィンを使用すらしない。ハチの巣状チャネル２９０は、１つのこうした熱交換素子である。この実施形態では、互いに、またベース２０５に並行に延びるハチの巣によって形成されたチャネル２９５である。チャネル２９５は、閉じたチャネルであり、各チャネルの断面が、チャネルに沿って何らかの点において閉じた多角形であることを意味する。チャネル２９５の壁は、たとえば開口部２９７、拡張部分、くぼみを含めて、既述の他の特徴を含んでよい。本明細書では用語「閉じたチャネル」が使用されるとき、チャネルは、チャネル壁内に開口部２９７など、開口部を含み、依然として閉じていると見なされ得る。
【００２３】
上記の物理的特徴は、上記方法によって形成され得る可能な特徴を網羅するものではない。さらに、述べられた素子は、これまで得られなかった伝熱特性を達成するために革新的なやり方で組み合わせることができる。素子の可能な組合せによってもたらされる利点は、これらの素子がモノリシック・ヒートシンク２００に一体化されるという事実によって拡大される。したがって、素子は、熱グリース又は接着剤によってヒートシンクから部分的に隔離されず、ヒートシンク全体の熱伝導率が向上される。さらに、ヒートシンクの熱伝導率が均一であることよって、ヒートシンクの熱性能のモデリングのためのより一貫した環境が提供され、設計上の負担が緩和され得る。追加の構造要素が非モノリシックにヒートシンクに取り付けられる場合、素子及びベースをモノリシック構造として形成することの利点は失われない。
【００２４】
述べられた諸実施形態によって形成されたヒートシンクは、複雑なヒートシンクの特徴の機械加工が非実用的、非経済的又は不可能である応用例のためのものである。したがって、対象の応用例は、ヒートシンクの特徴の物理的な寸法が、機械加工が経済的かつ実用的に使用され得るサイズより小さいものに限定される。確かに、１ｍｍ未満だけ分離されたヒートシンクの表面上の特徴の機械加工は、非実用的又は非経済的又は不可能と見なされる。表面が５ｍｍだけ分離された場合のこうした機械加工もやはり、少なくとも非実用的又は非経済的と見なされ、実行不可能であり得る。１ｃｍ超では、最も要求の多い応用例において多大な費用がかかるとしても、実現可能であり得る。したがって、約１ｃｍ超だけ分離された対向表面を有するヒートシンクは、明示的に権利放棄される。
【００２５】
図３は、構造的に複雑なヒートシンクを形成するための方法３００を示している。ステップ３１０で、設計者は、概念を設計にする。ヒートシンクは、設計データを後に３Ｄレンダリング・システムに転送できる任意のやり方で設計されてよい。特に有用な１つの技法は、構造的に複雑なヒートシンクの構造を定義するために３Ｄコンピュータ支援設計及び製造（ＣＡＤ／ＣＡＭ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムを使用することを含む。ステップ３２０で、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって提供されたデータが、３Ｄレンダリング・システムに直接提供されてよい。データは有利には、風速、熱負荷及び最大熱流束など、様々な条件下でヒートシンク設計の性能を予測し最適化するために熱モデリングシステムにも提供されてよい。ヒートシンクの設計段階の間、熱モデリングが有利であり得るが、方法３００は、こうしたモデリングを必要としないことを理解されたい。
【００２６】
ステップ３２０で、ステップ３１０の結果生じる設計は、犠牲材料でヒートシンク形状としてレンダリングされる。材料は、たとえば、ステレオリソグラフィ・ラピッド・プロトタイピング・システムで使用されるフォトポリマであってよい。ベース形状及び熱交換形状が、モノリシック・パターンとして作られてよい。結果として生じるパターンは、ほとんど任意の複雑さのものであってよい。単一のパターンが所望の設計をキャプチャできない場合には、最終的な所望のパターンを作るために、２つ以上の形状が結合されてよい。
【００２７】
ステップ３３０で、ヒートシンクは、インベストメント鋳造プロセスにおいてステップ３２０で犠牲形状として作られたパターンを使用して、所望の金属でレンダリングされる。インベストメント鋳造の当業者は、インベストメント鋳造の様々な方法についてよく知っている。好ましい一実施形態では、リン酸接着プラスタ鋳造方法が使用される。
【００２８】
ステップ３４０で、ヒートシンクは、電子アセンブリなどのシステムに組み込まれる。一部の場合では、ヒートシンクは、電子部品、たとえばマイクロプロセッサや電力増幅器、光増幅器などの集積回路、又は類似の熱放散デバイスに結合される。一部の場合では、ヒートシンクは、デバイスを加熱するのに熱電気デバイスの暖かい側が使用されるときは、冷たい側に取り付けられてよい。熱グリース又は熱伝導パッドが、デバイス・パッケージとヒートシンクの間の熱伝導を向上させるために使用されてよい。他の場合では、ヒートシンク内に冷却剤チャネル２４５などの液体冷却剤チャネルが設けられる場合、冷却管がヒートシンクに取り付けられてよい。
【００２９】
以下の実施形態は、モノリシック・ヒートシンクを形成する上記方法の非限定的な応用例である。これらの応用例は、上記に述べられ、図２に示された様々な構造的特徴の使用について示している。しかし、他に特に権利放棄されておらず、また図２に示され、上記方法によって形成されたものなどの構造上の特徴を含むどんなヒートシンク設計もが、本開示の範囲内に含まれることが理解されよう。
【００３０】
図４に移ると、フィン発泡体ヒートシンク４００の一実施形態が示されている。フィン発泡体ヒートシンク４００は、ベース４３０上に垂直フィン４１０と発泡体構造４２０とを含む。発泡体構造４２０は、ヒートシンク内の空間を埋める多孔質構造を有する伝熱素子が集まった構造的に複雑な集合体である。発泡体構造がヒートシンク・フィンと組み合わされる場合、組み合わされた構造は、フィン発泡体と呼ばれる。
【００３１】
一部の場合では、発泡体構造は、構造化されない（偽似乱数）。他の場合では、発泡体構造は、２次元又は３次元周期性を有する単位セルで構成された１つ又は複数の伝熱素子を有する。図４で、たとえばＸ−Ｙ素子４４０は、ＸＹＺ座標系で示されたＸ−Ｙ面におよそ並行である主要の表面を有しており、Ｙ−Ｚ素子４５０は、Ｙ−Ｚ面におよそ並行である主要の表面を有する。単位セル４６０は、この非限定的な例では、１つのＹ−Ｚ素子と２つのＸ−Ｚ素子とを含む。
【００３２】
伝熱素子は、ヒートシンク４００を通る気流のための経路４７０を提供するように構成される。一部の場合では、経路４７０は、妨げられていない経路であり、経路４７０が、ベース４３０にさらに並行であり得るヒートシンク４００を通る気流のための直線経路を提供することを意味する。他の場合では、経路４７０は陀行した経路であり、ヒートシンク４００を通る気流の経路は、曲げを含むことを意味する。陀行した経路の平均経路は、ベース４３０におよそ並行である。図示されたフィン発泡体設計などの特定のヒートシンク設計は、妨げられていない経路と蛇行した経路との組合せを含んでよい。
【００３３】
フィン発泡体ヒートシンク４００では、垂直フィン４１０間の距離は単位セル幅に等しいが、他の実施形態では、単位セル幅は、この距離より小さいことがある。たとえば、フィン４１０間の空間は、２つ以上の単位セルを含んでよい。一部の実施形態では、フィン４１０は完全に省かれ、したがって、ヒートシンクは、ベース４３０上の発泡体構造４２０だけからなる。周期的な発泡体構造が望まれる場合、発泡体構造は、たとえば体心立方結晶（ＢＣＣ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）、面心立方（ＦＣＣ：ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）、Ａ１５格子配列、又は他の任意の所望の格子配列で生成されてよい。発泡体は、熱交換の表面積を増加させるために、フラクタル幾何学的形状、あるいは板、又は水平又は垂直の板から突き出る釘を含んでよい。
【００３４】
発泡体構造は、フィン通路内の発泡体空隙の下流で有益な流量特性をもたらすように設計することもできる。こうした構造は、フィン発泡体ヒートシンク４００と周囲との間で伝熱を増加させる、たとえば流れの不安定性、不安定な層流、遷移流、乱流、カオス流及び共振流をもたらすように構成されてよい。たとえば、米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ  ２）を参照されたい。
【００３５】
フィン４１０及び発泡体構造４２０は、上述の鋳造プロセスによって単一のモノリシック鋳造構造として形成されてよい。こうした設計は、たとえば接着性により追加の熱障壁を有することに付随する熱抵抗の不利益がないという点で、別個のサブアセンブリから組み立てられたヒートシンクに優る重要な利点をもたらす。フィン発泡体の実施形態によって、単純なヒートシンク設計と比べて、フィン発泡体ヒートシンク４００への、又はそこからの伝熱に使用できる表面積が著しく増加することになる。たとえば、フィン発泡体ヒートシンク４００上の伝熱に使用可能な表面積は、同一の長さ、高さ及び幅寸法を有する並行フィンのヒートシンクの表面積よりおよそ１５％大きい。
【００３６】
図５に移ると、１つの内部表面５１０及び１つの外部表面５２０だけを有するヒートシンク素子５００の一実施形態が示されている。図示された実施形態は、Ｓｃｈｗａｒｚ‘  Ｐ  Ｓｕｒｆａｃｅと呼ばれ、表面の曲率を円滑に変化させることによって特徴付けられる。形式上、Ｓｃｈｗａｒｚ’  Ｐ構造は、ゼロ平均曲率を有することによって特徴付けられ、「最小表面」構造と呼ばれることがある。もちろん、Ｓｃｈｗａｒｚ’  Ｐ構造に加えて他の構造が使用されてよく、面積を最小化するものである必要はなく、平ら又は角のある特徴を含んでよい。
【００３７】
素子５００は、連続的に接続された表面、たとえばＳｃｈｗａｒｚ’  Ｐ構造によって分離された内部及び外部容積を含む単位セルの任意の形状及びサイズを備えてよい。素子５００は、空間を２つの合同なラビリンスに分割する。素子５００は、妨げられていない経路５３０をも提供する。一部の実施形態では、素子５００内の内部流れは、内部流路内の断面積の変化に起因した分離効果、又は単純な加速及び減速効果による一般的な不安定性によって中断される。また、単位セルは、対称である必要はないが、たとえば流れの自励発振を維持し得る構造体の任意の配列であってよい。
【００３８】
内部表面５１０は、内部領域を定義し、外部表面５２０は外部領域を定義する。素子５００は、強制空気型の応用例で使用されてよく、その場合、冷却のために内部と外部の両表面上を空気が流れる。他の場合では、素子５００は、液体冷却型の応用例で使用されてよく、その場合、液体冷却剤が内部領域を通って流れるようになる。所望であれば、１つ又は複数のキャップ５４０を使用して、流体の流れの向きを定め、又は流体の流れを制限してよい。キャップ５４０は、たとえば、米国特許出願第                    号（Ｈｅｒｎｏｎ  １）で開示されたような能動素子であってよい。一実施形態では、さらなる空気又は冷却液が、デバイスの他の領域より大きい電力を放散する電子デバイスの領域の近くの素子の一部に向けられてよい。空気又は液体の流れを優先的に向けるために、素子５００を通る通路の最小又は最大直径の変更を使用することもできる。
【００３９】
図５Ｂに移ると、チャネル断面５６０を通る空気などの冷却液の経路５５０が示されている。Ｓｃｈｗａｒｔｚ’  Ｐ構造の非限定的なケースが、一例として示されている。こうした構造の１つの態様は、液体がヒートシンクを通って移動するチャネルの幅が、流れの経路に沿って変化するということである。一部の実施形態では、構造は、層流域内の自立的な流動発振の助けとなるように構成される。こうした発振を使用して、耐流動性を大きく増加させずに伝熱を向上させることができる。こうした構造は、Ｔｏｌｌｍｉｅｎ−Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇ波やＫｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不安定性などの不安定性を引き起こすこともあり、又は乱流への遷移を引き起こし得る。
【００４０】
次に図６に移ると、モノリシック・ヒートシンク素子６００の一実施形態が示されている。素子６００は、たとえばフィンなしのヒートシンク、又はフィン間の伝熱素子（図示せず）として使用されてよい。素子６００は、ベース６１０と、並行チャネル６２０と、開口部６３０とを含む。チャネル６２０は、六角形の断面を有し、ハチの巣状のパターンを集合的に形成する。たとえば四角形、三角形又は円形チャネルなど、閉じた多角形の断面を形成する他の形状、を使用することもできる。並行チャネル６２０は、ヒートシンク素子６００を通る、妨げられていない経路を提供する。
【００４１】
開口部６３０は、たとえばオフセットされた（ずらして配置された）長方形又は円形であってよく、あるいはそれらは、素子６００の伝熱及び圧力特性に有益なやり方でチャネル６２０の長さに沿って別のやり方で配置されてよい。一部の場合では、開口部６３０は、ベース６１０から離れた対流又は気流を改善できると考えられる。一部の場合では、開口部６３０は、チャネル６２０の壁に隣接した境界層領域を再開することによってヒートシンクと冷却液の間の熱抵抗を減少させることができる。境界層は、断熱材として働くチャネル壁に隣接した比較的静的な空気の領域である。境界層を再開すると、自由流の空気がチャネル壁のより近くで流れるようになり、それによって伝熱を増加させることができる。こうした流れの効果をもたらす、図６に示されたものなどの複雑な幾何学形状は、上述された従来のプロセスを使用した構成ヒートシンクの規模では達成不可能である。
【００４２】
図７は、述べられた実施形態によって共有された幾何学的特徴を示している。図７Ａは、発泡体構造４２０の細部７１０を示している。図７Ｂは、ヒートシンク素子５００のＳｃｈｗａｒｔｚ’  Ｐ構造の細部７３５を示している。図７Ｃは、ヒートシンク素子６００のチャネル６２０の細部７３５を示している。それぞれの細部７１０、７３５、７５５は、それぞれの熱交換素子を通る隣接経路の境界を少なくとも部分的に画する表面を有する。隣接しているにせよ、隣接していないにせよ、ヒートシンクの表面は、そのすべての表面積を含む。
【００４３】
まず細部７１０に注目すると、発泡体素子７１５の下側は、発泡体構造４２０を通る経路７２０の上部の境界を少なくとも部分的に画し、形成する表面である。発泡体素子７２５の下側は、経路７２０に隣接している発泡体構造４２０を通る経路７３０の上部境界を部分的に画し、形成する表面である。視界から隠れた開口部は、経路７２０と経路７３０を接続する。細部７３５に関して、ヒートシンク素子５００の一部７４０の下側は、ヒートシンク素子５００を通る経路７４５及び経路７５０の上部の境界を部分的に画し、形成する表面である。頸部７５２は、経路７４５と経路７５０の間の開口部を形成する。細部７５５に関して、ヒートシンク素子６００の一部７６０の下側は、経路７６５の上部の境界を部分的に画し、形成する表面である。ヒートシンク素子６００の一部７７０の下側は、経路７７５の上部境界を部分的に画し、形成する表面である。開口部７８０は、経路７６０と経路７６５を接続する。
【００４４】
図８に移ると、ヒートシンク６００などのハチの巣状ヒートシンク、及びヒートシンク４００などのフィン発泡体ヒートシンクの実験的性能をヒートシンク１００など標準のフィン付きヒートシンクと比較するグラフである。性能曲線は、３つのケースの熱抵抗を、ヒートシンクの直接上流の空気速度の関数として示している。ヒートシンクは、ヒートシンク幅、高さ、長さ及びヒートシンクのベースについて制御される。すべての設計は、各ヒートシンクによる速度が一定となるように、完全にダクトで送られる流れに置かれる。
【００４５】
テストされた構成では、フィン発泡体ヒートシンクとハチの巣状ヒートシンクの両方がフィン付きヒートシンクより性能が優れており、フィン発泡体ヒートシンクは、ハチの巣状設計よりも性能が優れている。特定のヒートシンク性能は多くの要因に依存するが、性能特性は、フィン発泡体設計及びスロット型ハチの巣状設計が従来型フィン付きヒートシンクに優るという潜在的な利点を明確に示している。単純なヒートシンクに優るこの改良点は、予想外に大きい。改良点の大きさによって、空冷式ヒートシンクの使用を、さもなければ液体冷却などのより高価な冷却手段を必要とする高電力消費の電子部品に広げることが可能となる。
【００４６】
本発明について詳細に述べられたが、当業者には、その最も広い形で本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、本発明に様々な変更、置換及び修正を加えてよいことを理解されたい。
【図１】
2014064035.tif 000003
【図２】
2014064035.tif 000004
【図３】
2014064035.tif 000005
【図４】
2014064035.tif 000006
【図５Ａ】
2014064035.tif 000007
【図５Ｂ】
2014064035.tif 000008
【図６】
2014064035.tif 000009
【図７Ａ】
2014064035.tif 000010
【図７Ｂ】
2014064035.tif 000011
【図７Ｃ】
2014064035.tif 000012
【図８】
2014064035.tif 000013