(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達面と、
熱伝達流体を、前記熱伝達流体が前記熱伝達面に熱接触して通過する間に、入口から出口まで導く通路と、を備え、
前記通路が、第１らせん状流路と、第２らせん状流路と、前記第１らせん状流路および第２らせん状流路を接続して前記熱伝達流体が前記第１らせん状流路から前記第２らせん状流路まで流れることを可能にする接続チャネルと、を含み、
前記第１らせん状流路および第２らせん状流路の各々が、前記熱伝達面に直接接触している端部を各々が有するそれぞれの第１熱伝導ポストおよび第２熱伝導ポストによって前記第１らせん状流路および第２らせん状流路の内側の境界を定められ、かつ、それぞれの壁によって外側の境界を定められ、前記第１らせん状流路および第２らせん状流路は、前記熱伝達流体が前記第１らせん状流路および第２らせん状流路の長さに沿って強制的に流されるように境界を定められ、前記第１らせん状流路および第２らせん状流路は、前記第１らせん状流路および第２らせん状流路内の熱伝達流体が前記第１熱伝導ポストおよび第２熱伝導ポストに接触するように配置され、
前記入口から、前記通路を通って、前記第１らせん状流路の長さに沿って前記第１熱伝導ポストの前記端部まで、かつ、前記接続チャネルまで、その後、前記接続チャネルに沿って前記第２熱伝導ポストの前記端部の前記第２らせん状流路まで、その後、前記第２らせん状流路の長さに沿って、その後、前記出口までの前記熱伝達流体の流れの経路を形成する、熱伝達装置。
【請求項２】
前記通路が封止されている、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項３】
前記経路が本質的に中断されない、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項４】
前記第１熱伝導ポストおよび第２熱伝導ポストの各々が、前記第１らせん状流路および前記第２らせん状流路のうちのそれぞれ一方を形成する少なくとも１つのらせん状溝によって包囲された、中心略円柱状ポストを有する溝付きロッドとして形成されている、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項５】
前記第１らせん状流路および前記第２らせん状流路のうちの少なくとも一方が、その外側において略円柱状壁によって境界を定められている、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項６】
前記略円柱状壁が、熱伝導性であり、前記熱伝達面に熱伝導接触している、請求項５に記載の熱伝達装置。
【請求項７】
前記接続チャネルが、前記熱伝達面に熱伝導接触している、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項８】
前記熱伝達面が第１熱伝達面であり、前記接続チャネルが第１接続チャネルであり、前記経路が第１経路であり、前記熱伝達装置が、
第２熱伝達面と、
第３らせん状流路および第４らせん状流路であって、各々が、前記第２熱伝達面に直接接触している第２端部を各々が有するそれぞれの前記第１熱伝導ポストおよび第２熱伝導ポストによって前記第３らせん状流路および第４らせん状流路の内側の境界を定められ、かつ、それぞれの壁によって外側の境界を定められ、前記第３らせん状流路および第４らせん状流路は、前記熱伝達流体が前記第３らせん状流路および第４らせん状流路の長さに沿って強制的に流されるように境界を定められる、第３らせん状流路および第４らせん状流路と、
前記第３らせん状流路および前記第４らせん状流路を接続する第２接続チャネルと、をさらに備え、
前記通路を通って、前記第３らせん状流路の長さに沿って前記第１熱伝導ポストの前記第２端部まで、かつ、前記第２接続チャネルまで、その後、前記第２接続チャネルに沿って前記第２熱伝導ポストの前記第２端部の前記第４らせん状流路まで、その後、前記第４らせん状流路の長さに沿って、前記熱伝達流体の流れの第２経路を形成する、請求項１に記載の熱伝達装置。
【請求項９】
前記熱伝達流体が前記第１熱伝達面および前記第２熱伝達面に熱接触して通過し、
前記第１らせん状流路が、前記通路の第１側にあり、前記通路から前記熱伝達流体の流れを受け取るように形成された第１端部と、前記第１らせん状流路の前記第１端部と反対側の第２端部と、を有しており、
前記第２らせん状流路が、前記通路の前記第１側にあり、前記熱伝達流体の前記流れを受け取るように形成された第１端部と、前記第２らせん状流路の前記第１端部と反対側の第２端部と、を有しており、
前記第１接続チャネルが、前記第１らせん状流路の前記第２端部から前記熱伝達流体を受け取り、前記熱伝達流体を前記第２らせん状流路の前記第１端部まで導くように配置され、前記第１熱伝達面に熱接触しており、
前記第３らせん状流路が、前記通路の前記第１側とは反対側の前記通路の第２側にあり、前記通路から前記熱伝達流体の流れを受け取るように形成された第１端部と、前記第３らせん状流路の前記第１端部と反対側の第２端部と、を有しており、
前記第４らせん状流路が、前記通路の前記第２側にあり、前記熱伝達流体の前記流れを受け取るように形成された第１端部と、前記第４らせん状流路の前記第１端部と反対側の第２端部と、を有しており、
前記第２接続チャネルが、前記第３らせん状流路の前記第２端部から前記熱伝達流体を受け取り、前記熱伝達流体を前記第４らせん状流路の前記第１端部まで導くように配置され、前記第２熱伝達面に熱接触しており、
前記入口から、前記通路を通って、前記第１らせん状流路および前記第３らせん状流路までの前記熱伝達流体の流れの前記経路を形成し、そこでは、前記熱伝達流体の第１部分が、前記第１らせん状流路に沿って前記第１接続チャネルまで、その後前記第１接続チャネルに沿って前記第２らせん状流路まで、その後、前記通路まで流れることができ、前記熱伝達流体の第２部分が、前記第３らせん状流路に沿って前記第２接続チャネルまで、その後前記第２接続チャネルに沿って前記第４らせん状流路まで、その後前記通路まで流れることができ、その後、前記熱伝達流体の前記第１部分および前記第２部分が結合して前記出口まで流れ、
前記熱伝達流体の前記流れが、前記第１熱伝達面および前記第２熱伝達面の各々に熱伝達を提供することができる、請求項８に記載の熱伝達装置。
【請求項１０】
前記第１らせん状流路および前記第３らせん状流路が、前記第１らせん状流路および前記第３らせん状流路に隣接する前記通路の一部分において前記通路に沿って前記熱伝達流体の流れる方向に対して横切る、請求項９に記載の熱伝達装置。
【請求項１１】
第１熱伝達面と、
前記第１熱伝達面に熱接触する第１熱伝導層であって、第１の複数の接続チャネルを含む第１熱伝導層と、
第１の複数の穴が貫通して延在している第１支持層と、
熱伝達流体の入口から出口への流れを提供する中心層と、
第２の複数の穴が貫通して延在している第２支持層であって、前記第２の複数の穴が前記第１の複数の穴と位置合せされている、第２支持層と、
第２の複数の接続チャネルを含む第２熱伝導層と、
前記第２熱伝導層と熱接触している第２熱伝達面と、
複数の溝付きロッドであって、各々が、前記第１の複数の穴のうちのそれぞれ１つに前記第１熱伝導層に熱接触して配置され、前記第１の複数の接続チャネルのうちの１つから前記第１の複数の穴のうちの前記それぞれ１つを通って前記中心層を通って前記第２の複数の穴のうちのそれぞれ１つまでかつ前記第２の複数の接続チャネルのうちの１つまで延在している、複数の溝付きロッドと、を備え、
前記第１の複数の接続チャネルの各々１つおよび前記第２の複数の接続チャネルの各々１つが、前記溝付きロッドのうちの２つの端部の間における前記熱伝達流体の流れを提供するように配置され、
前記溝付きロッドの各々の外側が、前記第１の複数の穴および前記第２の複数の穴の前記それぞれ１つの内側と協働して、内部を通る前記熱伝達流体の前記流れを可能にするように、前記溝付きロッドの前記外側と前記第１の複数の穴および前記第２の複数の穴の前記内側との間に一対の対向するらせん状流路を形成し、
前記入口において開始する、前記中心層に沿って前記溝付きロッドまで、その後、分岐して、前記対向するらせん状流路に沿って、それぞれ前記第１の複数の接続チャネルおよび前記第２の複数の接続チャネルまで、その後前記出口まで前記熱伝達流体が流れるようにする通路が設けられている、熱伝達装置。
【請求項１２】
前記第１熱伝達面および前記第２熱伝達面のうちの少なくとも一方が略平面である、請求項１１に記載の熱伝達装置。
【請求項１３】
前記第１の複数の接続チャネルのうちの少なくとも１つが、前記第１熱伝導層を通って完全には延在していない、または、前記第２の複数の接続チャネルのうちの少なくとも１つが、前記第２熱伝導層を通って完全には延在していない、請求項１１に記載の熱伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、冷却液を用いて物体を間接的に冷却するために使用される冷却板などの熱伝達装置と、より詳細には、冷却流体を、冷却される物体と間接的に熱接触するように効率的に導くらせん状流体経路を有する熱伝達装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
冷却板は、限定なしにコンピュータチップなど、過剰な熱を発生する物体を冷却するために使用される、周知の熱伝達装置である。冷却板は、一般に、冷却される物体と熱接触するように配置され、冷却される実際の物体から液体を分離する表面にわたって冷却液を流す。このように、流体が決して物体と直接接触することなく、流体と物体との間で熱を伝達させることができる。
【０００３】
多くの冷却流体の特性が、冷却される物体に対して有害であるか、または環境に対して有毒である場合があるため、直接接触は一般に回避され、そのため、流体が封止環境内に収容されることが好ましい。最低限でも、効率および経済性のために冷却流体を再循環させることが好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱伝達の効率を向上させるために、熱伝達流体と接触する熱伝達面の表面積の量を最大限にすることが広く知られている。しかしながら、今日までこれを達成してきた方法に関して限界がある。たとえば、熱伝達流体と相互作用する表面積の量を増大させるために、フィンなどの突出物により、熱伝達流体と接触する熱伝達面を形成することが一般的である。しかしながら、フィンの追加には、熱伝達流体の流れを妨げるという望ましくない影響があり、それにより、熱伝達の速度が低下し、熱伝達装置の全体的な効率が低下する。
【０００５】
冷却板は一般に周知であり広く使用されているが、冷却板をより効率的に、したがってより競争力があり、費用効率が高くかつ有用なものとすることが引き続き必要とされている。２つの別個の冷却板を設置する必要なしに、コンピュータで動作している２つのコンピュータチップなど、２つの物体を同時に冷却するために使用することができる、単一の冷却板を提供することが特に有用である。
【０００６】
当業者によって、「冷却板」を、用途に必要である場合は、物体を加熱するために使用することができ、それにより、熱伝達流体が、加温される物体より高温となることも理解されよう。しかしながら、参照の便宜上、同じ構造体が異なる用途で実際には物体を加熱するために使用される場合もあるが、本明細書では、熱伝達装置を「冷却板」と呼び得る。
【０００７】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、コンピュータチップなど、過熱する傾向があり得る物体の効率的かつ有効な冷却を提供する熱伝達装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、物体を冷却する熱伝達流体に晒される有効表面積を増大させ、それにより熱伝達装置をより効率的にする複数のらせん状流路（passage）を有する、改善された熱伝達装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のこれらの目的および他の目的にしたがって、熱伝達面と、熱伝達面と熱接触して通過している熱伝達流体を入口から出口まで導く通路（passageway）とを備える、熱伝達システムが提供される。通路は、少なくとも２つのらせん状またはつる巻き状（helical）流路と、少なくとも２つのらせん状流路を接続して熱伝達流体の第１らせん状流路から第２らせん状流路までの流れを可能にする接続チャネルとを有し、それにより、入口から通路を通って、第１らせん状流路に沿って接続チャネルまで、その後接続チャネルに沿って第２らせん状流路まで、その後通路までかつ出口までの熱流体の流れの経路を形成する。この構造は、熱伝達流体に対して表面積が増大した延長された流れ経路を提供し、それにより熱伝達面をより冷却する。「つる巻き状」および「らせん状」を、本明細書では同義で使用する。
【００１０】
好適な熱伝達流体は、本技術分野において周知であり、たとえば、水、脱イオン水、水およびエチレングリコールの混合物、プロピレングリコール、誘電冷却流体ならびに石油系冷却流体を挙げることができる。
【００１１】
好ましい実施形態によれば、本発明を使用して、サイリスタ、ダイオードおよび高出力コンピュータチップなどの高出力デバイスを冷却することができる。
【００１２】
本発明の他の目的および特徴は、添付の図面に関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかしながら、図面は、本発明の範囲を定めるものではなく単に例示を目的として描かれおり、本発明の範囲については、添付の特許請求の範囲を参照するべきであることが理解されるべきである。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、特に示さない限り、本明細書に記載する構造および手続きを概念的に例示することのみを意図している、ということがさらに理解されるべきである。
【００１３】
図面の簡単な説明
本発明をさらに説明するために、同様の符号が同様の部分を指す図面に示されている例示的な実施形態について述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の熱伝達装置のさまざまな要素を示す組立分解斜視図である。
【図２】図１に示す本発明の熱伝達装置の実施形態の中心層の上面図である。
【図３】図１に示すような熱伝達装置における熱伝達流体の流れに対してらせん状流路を形成するために使用される、一対の隣接する溝付きロッドの詳細である。
【図４】図１に示す本発明の熱伝達装置の、図１の線ＩＶ−ＩＶに略沿って取り出された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に好適な実施形態の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態によれば、本発明による熱伝達装置すなわち「冷却板」が全体として１０で示されている。熱伝達装置１０は、一対の反対側の熱伝達面１２、１４を備えている。熱伝達面１２、１４は、銅、アルミニウムおよび鋼の合金などの好適な熱伝達材料から作製されている。熱伝達面１２、１４は、好ましくは略平面であり、熱伝達活動が発生する外面を形成している。各熱伝達面１２、１４は、熱伝達面１４の外面に関して円１６によって（概略的に）示すように、冷却される物体と接触する。好ましくは略平面であるが、熱伝達装置１０のあり得る最も広い有用性を提供するために、熱伝達面１２、１４を、冷却される所定の物体の形状に一致するようになど、任意の所望の形状に成形することができる。好ましい実施形態では、冷却される物体がコンピュータチップ（図示せず）である場合、平面形態が許容可能である。
【００１６】
本明細書において参照の便宜上、熱伝達装置１０における要素の相対位置に言及する時、「外（側）」という用語は、冷却される物体に向かう方向にあることを意味し、「内（側）」という用語は、その方向の反対方向にあることを意味し、それにより、熱伝達面１２の「外」面は熱伝達装置１０の底部にあり、図１では見えないが、熱伝達面１４の「外」面は図１の最上部において見えている。
【００１７】
熱伝達面１２、１４のそれぞれの内側には、それぞれの熱伝導層１８、２０が取り付けられている。熱伝導層１８、２０は、熱伝達面１２、１４に隣接するそれらの外側において略平面であり、貫通する接続チャネル２２を有している。熱伝導層１８、２０は、好ましくは、銅、アルミニウムまたは鋼の合金から作製されている。接続チャネル２２の構造については後述する。
【００１８】
熱伝導層１８、２０のそれぞれの内側には、それぞれの第１穴２８および第２穴３０があるそれぞれの支持層２４、２６が取り付けられている。支持層２４、２６は、好ましくは、銅、アルミニウムまたは鋼の合金から作製されている。
【００１９】
両支持層２４、２６の内側には中心層３２が取り付けられており、中心層３２は、貯蔵器（図示せず）から熱伝導流体（同様に図示せず）を受け取る入口３４と、熱伝導流体を貯蔵器に戻す出口３６とを有している。中心層３２は、好ましくは、銅、アルミニウムまたは鋼の合金から作製されているが、この構成要素に対して、複合材料またはプラスチックを使用することができる。この構成要素に対して複合物またはプラスチックなどの非導電材料を使用することは、材料コストおよび製造コストに関して有利となり得、また、用途に必要である場合、冷却または加熱されている構成要素から流体接続を電気的に絶縁する役割も果たす。中心層３２の構造については、図２を参照することにより最もよく分かる。
【００２０】
一実施形態では、入口３４および出口３６の一部を、支持層２４、２６に形成してもよい。こうした実施形態では、特に層２４および２６は金属から構成される場合があるため、流体接続部が冷却される構成要素から電気的に絶縁されなくなることが理解されよう。
【００２１】
図２に見られるように、中心層３２は、略「Ｕ」字型開放チャネル４０を有しており、開放チャネル４０は、チャネル４６によって接合された第１脚部４２および第２脚部４４を有している。脚部４２および４４の内側に２つのランド４８が配置されており、それらには溝穴５０がある。溝穴５０は、それら溝穴５０の端部が支持層２４の穴２８および支持層２６の穴３０のそれぞれと整列するように、ランド４８に配置されており、それにより、熱装置１０が組み立てられた時（図３）、連続的な略円柱状のチャンバ５２を形成する。
【００２２】
ランド４８は、出口３６に通じる開放チャネル５４によって分離されている。
【００２３】
ここまで説明した構成要素は、ねじ、ろう付け、溶接または接着接合など、何らかの好都合な手段によって、サンドウィッチ状に層として合わせて組み立てられる。完成した熱伝達装置は、好ましくは、上述した理由で使用中に熱伝達流体の漏れがないように、緊密に組み立てられるということを留意することが重要である。好ましい実施形態では、熱伝達装置１０の構成要素は、ろう付けによって接続される。
【００２４】
当業者により、熱伝達装置１０が、本質的に互いの鏡像である２つの半体、すなわち上部半体および下部半体を有していることも理解されよう。
【００２５】
すでに説明したさまざまな層に加えて、熱伝達装置１０は、複数の溝付きロッド５８をさらに備えている。溝付きロッド５８を、あらゆる好適な熱伝導性材料から形成することができ、溝付きロッド５８は、ねじまたはボルトとして形成されるが、好ましくは、それらの外側円柱状面につる巻き状溝またはねじ切りがある銅製のロッドとして形成されている。
【００２６】
ここで図３を参照すると、溝付きロッド５８は、長さＬと、略円柱状中心ポスト６２を包囲する単一のらせん状ねじ切りまたは溝６０とを有している。溝付きロッド５８は直径Ｄを有し、溝またはねじ山は、図示するように幅Ｗ、高さＨおよびピッチＰを有している。ロッド５８は、熱伝導層１８の接続チャネル２２から、チャンバ５２に沿って熱伝導層２０の接続チャネル２２まで延在するように寸法が決められている。溝付きロッド５８の寸法公差は、溝付きロッド５８がチャンバ５２内に十分に密接に（snugly）嵌合し、熱伝導性流体が溝６０の隣接する部品の間から漏れる空間がほとんどないようなものであることが好ましい。この構成により、溝付きロッド５８と接触する熱伝達流体を、双頭矢印６４によって示すようにらせん状溝６０の全長にわたって上方または下方に移動し、そこから接続チャネル２０、２２に沿って隣接する溝付きロッド５８まで移動させることができ、隣接する溝付きロッド５８において方向が反転され、熱伝達流体は、矢印６６によって示すように、隣接するチャンバ５２’から出ることができる。したがって、この構造は、熱伝達装置１０内の熱伝達流体の流れに対して実質的に連続しかつ中断しない通路を形成する。
【００２７】
溝付きロッド５８の直径Ｄの寸法を、３ｍｍから２０ｍｍまで妥当に変化させることができ、高さＨを、０．５ｍｍから８ｍｍまで変化させることができ、幅Ｗを、０．５ｍｍから５ｍｍまで変化させることができ、ピッチＰを、１．５ｍｍから９ｍｍまで変化させることができる。以下の寸法は、２つの目下好ましい実施形態に対するものである。
Ｄ＝１０ｍｍ、Ｗ＝１ｍｍ、Ｐ＝３ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ、
Ｄ＝８ｍｍ、Ｗ＝１ｍｍ、Ｐ＝３ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ。
【００２８】
長さＬは、ピッチＰの値の２倍より大きく、範囲２Ｄ＜Ｌ＜１０Ｄ内にあることも好ましい。意図する用途に基づいて、装置の所望の熱放散特性を実施するために、さらに他の寸法および構成を容易に採用することができる。
【００２９】
つる巻き状溝またはねじ切りを上に開示し説明しているが、本技術分野において既知であるように、台形、三角形、錐台などの他のねじ山形形態を使用することができることは理解されよう。
【００３０】
流体流の経路を、図３および図４において矢印６４、６６によって示す。
【００３１】
したがって、熱伝達装置１０は、図３および図４に示すように熱伝達流体の入口３４から出口３６への流れに対して、複数の内部流路を有する単一の本質的に中断しない通路を使用することによって、熱を伝達するための好都合かつより効率的な方法を提供する。熱伝達流体は、入口３４に入り、開放チャネル４０に沿って流れる。脚部４４（図２）の閉鎖端によって制約されて、流体は、入ることができる開口部、すなわち支持層２４の穴２８および支持層２６の穴３０内に強制的に入れられる。その後、流体は、らせん状溝６０およびチャンバ５２の相互作用によって形成されたらせん状流路内に流れ込む。溝付きロッド５８が、第１脚部４２および第２脚部４４において熱伝導性流体の流れに対して横切っているため、流体の流れは、ここで、矢印６４によって示すようにすでに画定されたらせん状流路を辿るように再度導かれる。
【００３２】
熱伝達流体は、溝付きロッド５８に沿って（図３および図４において上下両方に）、接続チャネル２２に沿って、かつ隣接する溝付きロッド５２’（図３）に沿って、本質的に蛇行パターンで移動し、そこでは、熱伝達流体は、溝穴５０を辿って、中心開放チャネル５４（図２）に達するまで溝付きロッド５８を上下に進む移動を繰り返し、中心開放チャネル５４から、出口３６を通って熱伝達装置１０から出る。
【００３３】
熱伝達流体の移動の経路は、熱伝達流体と接触する熱伝達表面積が大幅に増大した、画定されたらせん状流路を使用することによって、大幅に長くなり、それにより、従来技術と比較した場合に、熱伝達装置１０の全体的な効率が向上する。
【００３４】
当業者によって、熱伝達面１２、１４を、本明細書における本発明の範囲または教示から逸脱することなく、それぞれの熱伝導層１８、２０と一体的に形成することができ、それらの要素を単一部片としてまたは２つの部片として作製することは、単なる設計選択事項であることが理解されよう。
【００３５】
したがって、本発明の基本的な新規の特徴を、その好ましい実施形態に適用されるように図示し説明しかつ指摘したが、本発明の趣旨から逸脱することなく、当業者により、例示した装置の形態および詳細において、かつそれらの動作においてさまざまな省略および置換および変更を行うことができることが理解されよう。たとえば、実質的に同じ方法で、実質的に同じ機能を行って同じ結果を達成する要素のすべての組合せが、本発明の範囲内にあることが明示的に意図されている。さらに、本明細書において示しかつ／または説明した構造および／または要素を、一般的な設計選択事項として、他の任意の開示または説明または示唆した形態あるいは実施形態で組み込むことができることが理解されるべきである。したがって、本明細書に添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図されている。
【図１】
0005946476.tif 000002
【図２】
0005946476.tif 000003
【図３】
0005946476.tif 000004
【図４】
0005946476.tif 000005