(57)【要約】【課題】電子デバイスを冷却するための熱サイホンを提供すること。【解決手段】頂部表面（３３）を有し、かつ、頂部表面（３３）から上に向かって突出した複数のピラミッド形フィン（４０）を備えたボイラプレート（３０）を備えた、平均の幅が寸法「ｂ」（９）の電子デバイス（８）を冷却するための熱サイホン（１２）である。ボイラプレート（３０）は、さらに、冷却する電子デバイス（８）を受け入れるための底部表面（３２）を有している。間隔を隔てて配置された複数の復水器管（４２）が、ボイラプレート（３０）の上方に取り付けられ、ボイラプレート（３０）および復水器管（４２）が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバ（５４）をそれらの間に画定している。復水器管（４２）の隣接する各々の対の間を、複数の回旋フィン（５８）が延びている。【選択図】　　　図２
2004056121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均の幅が寸法「ｂ」（９）の電子デバイス（８）を冷却するための熱サイホン（１２）であって、
上に向かって突出した複数のピラミッド形フィン（４０）を備えた頂部表面（３３）を有し、かつ、冷却する電子デバイス（８）を受け入れるための底部表面（３２）をさらに有するボイラプレート（３０）と、
前記ボイラプレート（３０）の上方に、間隔を隔てて取り付けられた複数の復水器管（４２）であって、前記ボイラプレート（３０）および前記復水器管（４２）が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバ（５４）をそれらの間に画定する複数の復水器管（４２）と、
前記復水器管（４２）の隣接する各々の対の間を延びた複数の回旋フィン（５８）とを備えた熱サイホン（１２）。
【請求項２】
前記ピラミッド形フィン（４０）が複数の階段（７４）を備えた、請求項１に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項３】
前記階段（７４）が、前記蒸気チャンバ（５４）内に保持されている動作流体の沸騰を促進する核形成サイトとして機能する複数のコーナ領域（８０）を画定する、請求項２に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項４】
前記ピラミッド形フィンの前記階段（７４）が複数の面（６８）を備え、さらに前記面（６８）が粗構造を有する、請求項３に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項５】
前記粗構造がサンドブラストによって形成される、請求項４に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項６】
前記階段の各々が、高さ「ｓ」（７６）および幅「ｔ」（７８）を有し、かつ、前記階段（７４）が、比率ｓ／ｔが式１≦ｓ／ｔ≦２の範囲内に入るように形成された、請求項２に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項７】
前記ピラミッド形フィン（４０）の各々が、高さ「ｋ」（７０）および基底寸法「ｇ」（７１）を有し、かつ、前記ピラミッド形フィン（４０）が、比率ｋ／ｇが式１≦ｋ／ｇ≦４の範囲内に入るように形成された、請求項２に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項８】
前記ボイラプレート（３０）が、前記ピラミッド形フィン（４０）が配置されるフィン付き部分（３８）を画定する、請求項１に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項９】
前記フィン付き部分（３８）が、冷却する電子デバイス（８）を受け入れるべく画定された前記底部表面（３２）上の領域と垂直方向に整列した、請求項８に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１０】
前記ピラミッド形フィン（４０）が、幾何学的格子状パターンに配列された、請求項９に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１１】
前記ピラミッド形フィン（４０）の各々が、基底寸法「ｇ」（７１）を有する底面を備え、かつ、前記ピラミッド形フィンの隣接するファンが、比率ｆ／ｇが式０．２≦ｆ／ｇ≦０．４の範囲内に入る寸法「ｆ」（７２）だけ互いに間隔を隔てた底面をそれぞれ有する、請求項１０に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１２】
前記フィン付き領域（３８）の平均の幅が、寸法「ａ」（３９）であり、比率ａ／ｂが式１≦ａ／ｂ≦２の範囲内に入る、請求項１１に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１３】
前記ピラミッド形フィン（４０）が、不規則パターンに配列された、請求項９に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１４】
前記ピラミッド形フィン（４０）が、最大５０フィン／ｃｍ２の密度で前記ボイラプレート（３０）上に配置された、請求項１３に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１５】
前記ボイラプレート（３０）が、前記ボイラプレート（３０）の中央部分（３４）の厚さより分厚い末端部分（３６）を備えた、請求項１に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１６】
前記末端部分（３６）の頂部表面が、前記蒸気チャンバ（５４）内に保持されている動作流体を中央部分（３４）に向けて導くための凹表面を画定する、請求項１５に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１７】
平均の幅が寸法「ｂ」（９）の電子デバイス（８）を冷却するための熱サイホン（１２）であって、
上に向かって突出した複数のピラミッド形フィン（４０）を備えた頂部表面（３３）を有し、かつ、冷却する電子デバイス（８）を受け入れるための底部表面（３２）をさらに有するボイラプレート（３０）と、
前記ボイラプレート（３０）の上方に、間隔を隔てて取り付けられた複数の復水器管（４２）であって、前記復水器管（４２）の各々が、対向する側壁（４４）、前記対向する側壁（４４）の間を延びた少なくとも１つの横方向隔壁（４８）、および前記復水器管（４２）の中間端部（４７）を有し、前記ボイラプレート（３０）および前記復水器管（４２）が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバ（５４）をそれらの間に画定する複数の復水器管（４２）と、
前記復水器管（４２）の隣接する各々の対の間を延びた複数の回旋フィン（５８）とを備えた熱サイホン（１２）。
【請求項１８】
前記復水器管（４２）の各々が、複数の前記横方向隔壁（４８）を備えた、請求項１７に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項１９】
前記横方向隔壁（４８）の頂部が、前記復水器管（４２）の頂部（４６）と共に、それらの間に隙間（５２）を画定する、請求項１８に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２０】
前記複数の回旋フィン（５８）が、前記ボイラプレート（３０）に実質的に平行な空気通路を画定するべく配向された、請求項１９に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２１】
前記複数の横方向隔壁（４８）が、寸法「ｗ」（４９）だけ互いに間隔を隔て、かつ、前記復水器管（４２）が、寸法「ｗ」（４９）に平行に、比率ｗ／Ｄが式０．１≦ｗ／Ｄ≦０．５の範囲内に入る寸法「Ｄ」の深さを有する、請求項１８に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２２】
最も外側の復水器管（４２）の各々の最も外側の壁（４４）に固定された第２の回旋フィン（６０）をさらに備えた、請求項１７に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２３】
前記ピラミッド形フィン（４０）が複数の階段（７４）を備えた、請求項１７に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２４】
前記ピラミッド形フィン（４０）の前記階段（７４）が複数の面（６８）を備え、さらに前記面（６８）が粗構造を有する、請求項２３に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２５】
前記ボイラプレート（３０）が、前記ボイラプレートの中央部分（３４）の厚さより分厚い末端部分（３６）を備えた、請求項１７に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２６】
前記末端部分（３６）の頂部表面（３３）が、前記蒸気チャンバ（５４）内に保持されている動作流体を中央部分（３４）に向けて導くための凹表面を画定する、請求項２５に記載の熱サイホン（１２）。
【請求項２７】
電子デバイス（８）を冷却するためのヒートシンクアセンブリ（１０）であって、前記ヒートシンクアセンブリ（１０）が、
シュラウド（１６）内に収納された、前記シュラウド（１６）を通して空気流を軸方向に導くための空気移動装置（１４）と、
一方の端部に前記シュラウド（１６）が取り付けられ、前記シュラウド（１６）と流体連絡しているダクト（１８）と、
前記ダクト（１８）の第２の端部に取り付けられ、前記ダクト（１８）と流体連絡している熱サイホン（１２）とを備え、
前記熱サイホン（１２）が、
上に向かって突出した複数のピラミッド形フィン（４０）を備えた頂部表面（３３）を有し、かつ、冷却する電子デバイス（８）を受け入れるための底部表面（３２）をさらに有するボイラプレート（３０）と、
前記ボイラプレート（３０）の上方に、間隔を隔てて取り付けられた複数の復水器管（４２）であって、前記ボイラプレート（３０）および前記復水器管（４２）が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバ（５４）をそれらの間に画定する複数の復水器管（４２）と、
前記復水器管（４２）の隣接する各々の対の間を延びた複数の回旋フィン（５８）とを備えることを特徴とする、ヒートシンクアセンブリ（１０）。
【請求項２８】
前記ダクト（１８）が、長さ「Ｘ」（２０）を有し、
前記熱サイホン（１２）が、幅「Ｌ」（２６）および高さ「Ｈ」（２４）を有し、さらに前記ダクト（１８）の長さ「Ｘ」が、０．１≦Ｘ／√（ＬＨ）≦０．３の関係によって決定される、請求項２７に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にヒートシンクに関し、より詳細には電気部品または電子部品およびアセンブリによって生成される廃熱を散逸させるために使用されるヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロプロセッサおよびコンピュータチップなど、高度に集中した熱源から効果的に熱を散逸させるための開発活動は、ヒートシンクの開発に集中している。通常、これらの熱源の出力密度の範囲は、約５〜３５ワット／ｃｍ２（４〜３１イギリス熱単位／ｆｔ２）であり、また、ファン、熱交換器、ヒートシンク等を配置するための有効空間は比較的狭い。
【０００３】
部品レベルでは、自然対流または強制対流、あるいは他の冷却方式を利用した様々なタイプの熱交換器およびヒートシンクが使用されている。最も広く使用されている、マイクロエレクトロニクスを冷却するための既存のヒートシンクは、通常、空気を使用して、熱源から熱を直接除去しているが、空気の熱容量は比較的小さい。このようなヒートシンクは、出力密度の範囲が約５〜１５ワット／ｃｍ２（４〜１３イギリス熱単位／ｆｔ２）の比較的出力の小さい熱源からの熱の除去に適している。計算速度の高速化に伴う熱源の２０〜３５ワット／ｃｍ２（１８〜３１イギリス熱単位／ｆｔ２）に及ぶ出力密度の増加により、より有効なヒートシンクが必要である。このようなタイプの高出力密度熱源からの熱を除去するためには、水および水−グリコール溶液のように熱容量の大きい流体を使用した液体冷却ヒートシンクが特に適している。あるタイプの液体冷却ヒートシンクは、冷却液を循環させることにより、液体に熱源からの熱を吸収させ、吸収した熱を、流れている空気流中に液体−空気熱交換器を使用して容易に放熱することができる遠隔位置に伝達している。このようなタイプのヒートシンクは、間接ヒートシンクとして特徴付けられている。
【０００４】
計算速度は、絶え間なく、より劇的に高速化しており、それに伴うデバイスの出力密度は、１００ワット／ｃｍ２に達している。高熱流束とあいまって、必要な冷却システムの小型化という制約により、熱サイホンなどの極めて有効で、コンパクトかつ単純な、信頼性の高いヒートシンクが必要である。典型的な熱サイホンは、電子デバイスが発生する熱を、ヒートシンクの沸騰表面の拘束動作流体を蒸発させることによって吸収している。このプロセスは、良く知られている核沸騰の一般理論によって制御されている。蒸気は、次に、空気冷却復水器に移送され、熱サイホンの凝縮表面上の膜状凝縮プロセスによって液化される。熱は、空気冷却復水器のフィン付き外部表面を流れている空気流中に排出される。凝縮液は、重力によってボイラに戻る。空気冷却復水器の外部空冷フィンからの熱伝達率は、熱サイホンの内部で生じる沸騰プロセスおよび凝縮プロセスの熱伝達率よりはるかに小さく、したがって対応するフィン面積は、熱を発生するチップ表面積と比較すると、必然的に相対的に大きくなっている。
【０００５】
コンピュータケースへの適合を意図したコンパクト熱サイホンの場合、沸騰プロセスおよび凝縮プロセスを互いに接近して生じさせる必要があるため、対立する熱条件を比較的小さい体積内で課さなければならない。これは、熱サイホンの性能を最適化するプロセスの重要な課題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、空気の圧力降下を押えつつ、空気冷却復水器の外部表面での沸騰プロセス、凝縮プロセスおよび対流熱伝達プロセスを促進するべく、熱サイホンのプロセスを最適化することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、幅の平均寸法が「ｂ」の電子デバイスを冷却するための熱サイホンである。熱サイホンは、頂部表面を有し、かつ、頂部表面から上に向かって突出した複数のピラミッド形フィンを備えたボイラプレートを備えている。また、ボイラプレートは、冷却する電子デバイスを受け入れるための底部表面を有している。ボイラプレート上には、間隔を隔てて配置された複数の復水器管が取り付けられ、該ボイラプレートおよび復水器管が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバをそれらの間に画定している。隣接する復水器管対の各々の間を、複数の回旋フィンが延びている。
【０００８】
本発明の他の態様は、幅の平均寸法が「ｂ」の電子デバイスを冷却するための熱サイホンである。熱サイホンは、上に向かって突出した複数のピラミッド形フィンを備えた頂部表面、および冷却する電子デバイスを受け入れるための底部表面を有するボイラプレートを備えている。ボイラプレート上には、間隔を隔てて配置された複数の復水器管が取り付けられている。復水器管の各々は、対向する複数の側壁、および該対向する複数の側壁の間を延びた、少なくとも１つの横方向隔壁を有している。この横方向隔壁は、復水器管の両端の中間に配置されている。ボイラプレートおよび復水器管は、動作流体を受け取るための蒸気チャンバをそれらの間に画定している。隣接する復水器管対の各々の間を、複数の回旋フィンが延びている。
【０００９】
本発明のさらに他の態様は、電子デバイスを冷却するためのヒートシンクアセンブリである。ヒートシンクアセンブリは、シュラウド内に収納された、シュラウドを通して空気流を軸方向に導くための空気移動装置、および一方の端部にシュラウドが取り付けられ、該シュラウドと流体連絡しているダクトを備えている。ダクトの第２の端部には熱サイホンが取り付けられ、流体連絡している。熱サイホンは、頂部表面を有し、かつ、頂部表面から上に向かって突出した複数のピラミッド形フィンを備えたボイラプレートを備えている。また、ボイラプレートは、冷却する電子デバイスを受け入れるための底部表面を有している。ボイラプレートの上方には、間隔を隔てて配置された複数の復水器管が取り付けられ、該ボイラプレートおよび復水器管が、動作流体を受け取るための蒸気チャンバをそれらの間に画定している。隣接する復水器管対の各々の間を、複数の回旋フィンが延びている。
【００１０】
本発明のこれらおよびその他の利点については、以下に記した明細書、特許請求の範囲の各請求項、および添付の図面を参照することにより、当分野の技術者にはさらに理解され、かつ、認識されよう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本明細書における説明用として、「上部」、「下部」、「左」、「後」、「右」、「前」、「垂直」、「水平」という用語、およびそれらから派生する用語は、図２を中心とする発明に関したものであるが、本発明が、対立する特別な規定を除き、様々な代替オリエンテーションおよびステップシーケンスを想定していること理解すべきである。また、添付の図面に示し、かつ、以下の明細書に記載する特定のデバイスおよびプロセスが、特許請求の範囲の各請求項で定義されている本発明の概念の単なる例示的実施形態に過ぎないことを理解すべきである。したがって、特許請求の範囲の各請求項で特記されない限り、本明細書において開示する実施形態に関連する特定の寸法およびその他の物理特性を、本発明を制限するものとして捕えてはならない。
【００１２】
図面を参照すると、図１に、本発明の好ましい実施形態の１つである空冷熱サイホンヒートシンク１０およびその様々な構成要素が示されている。
【００１３】
図１に示すように、ここでは単軸ファン１４として示されている空気移動装置は、シュラウド１６内に収納され、ダクト１８を介して熱サイホン１２に結合されている。ファン１４は、プルまたはプッシュのいずれのタイプのファンであっても良いが、ファンハブ１５による熱サイホン１２の陰影化を最小化するためには、プルタイプのファンであることが好ましい。プッシュタイプのファンの場合、陰影化効果によってハブの背後の空気流が減少し、そのために熱サイホン１２から冷却空気流への熱伝達が妨害される。空気の吐出を最大化し、かつ、空気を確実に混合するためには、Ｘで示すダクトの長さ２０は、０．１≦Ｘ／√（ＬＨ）≦０．３の関係から最適決定されることが分かっている。この決定式では、Ｌは、熱サイホン１２の全体の幅２６であり、Ｈは、熱サイホン１２の全体の高さ２４である。
【００１４】
図７は、二重ファン構造を組み込んだ熱サイホンヒートシンクアセンブリ１００の代替実施形態を示したものである。この実施形態では、シュラウド１１６ａ内に収納されているファン１１４ａは、プルタイプのファンであり、ダクト１１８ａを介して熱サイホン１１２の一方の端部に結合されている。熱サイホン１１２の反対側の端部は、シュラウド１１６ｂ内に収納された第２の軸ファン１１４ｂであり、ダクト１１８ｂを介して熱サイホン１１２の反対側の端部に結合されている。１２０ａおよび１２０ｂで示すダクトの長さＸは、同じく０．１≦Ｘ／√（ＬＨ）≦０．３の関係に従って見出されている。Ｌは、熱サイホン１１２の全体の幅１２６であり、Ｈは、熱サイホン１１２の全体の高さ１２４である。図７の熱サイホン１１２は、以下でさらに説明するように、図１の熱サイホン１２と実質的に同じである。動作に関しては、軸ファン１１４ｂが周囲から空気を引き込み、引き込んだ空気を強制的にダクト１１８ｂを通過させ、それにより、熱サイホン１１２を介して所望の空気流を提供する軸ファン１１４ａの動作を補助している。
【００１５】
次に図２〜６を参照すると、熱サイホン１２およびその様々な特徴が、より詳細に示されている。図２は、概ね、複数の復水器管４２と結合したボイラプレート３０を備えた熱サイホン１２の横断面を示したものである。復水器管４２は、ボイラプレート３０の上方に取り付けられ、復水器管４２とボイラプレート３０の間に蒸気チャンバ５４を画定している。蒸気チャンバ５４は、寸法「ｊ」で示す高さ５５を有し、中には冷却流体（図示せず）が入っている。隣接する復水器管４２の間を、空冷回旋フィン５８が延び、側面４４（図３）に取り付けられている。フィン５８は、隣接する復水器管４２の横方向の間隔に対応する、寸法「δ」で示す高さ５９を有している。追加空冷回旋フィン６０が、熱サイホン１２の各側面に取り付けられており、最も外側の復水器管４２の最も外側の壁４４の冷却を容易にしている。冷却を必要とする電子デバイス８または他の電源は、ボイラプレート３０の底部表面３２に取り付けられる。デバイス８は、正方形であっても、あるいは長方形であっても良く、その平均の幅９は、寸法「ｂ」で示されている。デバイス８と熱接触する底部表面３２領域は、熱抵抗を小さくし、かつ、ボイラプレート３０とデバイス８の間の最大熱伝達を促進するために、研磨されていることが好ましい。
【００１６】
内側では、ボイラプレート３０は、平らな中央部分３４を備えた上部表面３３を有している。上部表面３３は、底部表面３２と共に、「ｅ」で示す厚さ３５を画定している。中央部分３４は、さらに、寸法「ａ」で示す平均幅３９のフィン付き領域３８を備えている。フィン付き領域３８には、階段状ピラミッドフィン４０のアレイが配置されている。階段状ピラミッドフィン４０については、以下でさらに詳細に説明する。上に向かって湾曲している凹部分３６は、寸法「ｃ」で示す高さ３７を有し、中央部分３４を取り囲むべく、ボイラプレート３０の外周部に配置され、それによりボイラプレート３０を鉢状の構造に形成している。上に向かって湾曲した部分３６により、熱サイホン１０内の凝縮冷却流体を中央部分３４に容易に導くことができ、かつ、デバイス８の真上の平らな中央部分３４に生成される熱を容易に分散させることができる。
【００１７】
図４〜６は、ボイラプレート３０のフィン付き部分３８および階段状ピラミッドフィン４０の様々な特徴を拡大して示したものである。好ましい実施形態では、図４に示すように、階段状ピラミッドフィン４０のアレイが、長方形の格子状パターンに配列されている。図４に示す階段状ピラミッドフィン４０の規則的なパターンは、一様な熱負荷には最適である。別法としては、図５に示すフィン付き部分３８ａで示すように、フィン４０のアレイを千鳥状に配列することもできる。
【００１８】
階段状ピラミッド４０をボイラプレート３０の表面３３に不規則なパターンで配置することにより、非一様な熱負荷に適応させることができる。不規則パターンは、熱出力の大きいデバイス８の真上の領域に、フィンがより高密度に配置され、かつ、熱出力の小さいデバイス８の真上の領域のフィンの密度がより小さくなるようなパターンにすることができる。ピラミッドフィンの不規則パターンの最大フィン密度は、５０フィン／ｃｍ２までとすることが可能である。ピラミッドフィン４０の各々は、底部層から頂部層へかけて、徐々に幾何学面積が小さくなる一連の複数の層を有する外観を有している。別法としては、熱流束の非一様性を補償するために、ピラミッドフィンの階段サイズを変更することもできる。
【００１９】
好ましい実施形態では、図４および６に示すように、ピラミッドフィン４０は、正方形の底面を有している。ピラミッドフィン４０を、本明細書の教示の範囲を逸脱することなく、円形、三角形、長方形、台形あるいは他の幾何学構成で形成することもできることについては、当分野の技術者には容易に認識されよう。また、表面６８およびボイラプレート３０の上部表面３３など、ピラミッドフィン４０の表面は、熱サイホン１２内の動作流体に露出され、さらにはそれらの個々の表面３３、６８を粗構造に形成するべく、サンドブラストされ、あるいは代替方法で処理されることが好ましい。表面３３、６８の粗さによって、フィン４０からフィン４０を覆う動作流体への沸騰熱の伝達が促進される。
【００２０】
ピラミッドフィン４０の階段状層の各々は、階段すなわち外部コーナ領域７４および隣接層の接合点に内部コーナ領域８０を画定している。コーナ領域７４および８０は、熱が集中する領域である。領域７４および８０に熱が集中する結果、その領域が核形成サイトとして作用し、それにより熱サイホン１２内の冷却流体の沸騰が促進される。
【００２１】
ピラミッドフィン４０の各々は、寸法「ｋ」で示す高さ７０を有しており、階段７４の各々は、寸法「ｓ」で示す高さ７６および寸法「ｔ」で示す階段幅７８を有している。階段状ピラミッド４０の最大基底幅７１は、寸法「ｇ」で示され、また、隣接するピラミッドの隣接基底エッジ間の距離７２は、寸法「ｆ」で示されている。
【００２２】
図４および５に示す、正方形の底面を有する階段状ピラミッドフィン以外に、長方形、三角形、台形および円形の底面を備えた他のタイプの階段状ピラミッドフィンの使用についても意図されている。様々なタイプの階段状ピラミッドフィンでは、階段と階段の間のコーナ領域が、急峻な温度勾配による液体の沸騰を促進する核形成サイトとして作用している。階段状ピラミッドのコーナ領域は、熱が集中する領域と見なすことができる。
【００２３】
理論的および実験的研究により、以下に示す階段状ピラミッドフィンの寸法が最適であることが分かっている。０．２≦ｆ／ｇ≦０．４、１≦ｋ／ｇ≦４、および１≦ｓ／ｔ≦２。ここで、「ｇ」はピラミッドの最大基底幅７１であり、「ｆ」は、隣接するピラミッド４０の基底エッジ間の距離７２、「ｋ」はピラミッドフィン４０の高さ７０、「ｓ」は階段の高さ７６であり、また、「ｔ」は、各階段７４の階段幅７８である。
【００２４】
図２および３は、熱サイホン１２上の復水器管４２の配置およびその詳細な特徴を示したものである。ボイラプレート３０の上に、複数の復水器管４２が配列されている。復水器管４２の各々は、寸法「ｄ」で示す幅４３および寸法「ｕ」で示す高さ４５を有している。また、復水器管４２の各々は、寸法「Ｄ」で示す、熱サイホン１２の全深さ２２に渡って延びている。隣接する復水器管４２は、回旋フィン５８の高さ５９に対応する寸法「δ」だけ、互いに間隔を隔てている。回旋フィン５８は、軸ファン１４によって誘導された空気流を、熱サイホン１２の前から後へ、フィン５８を通して通過させるべく整列している。
【００２５】
復水器管４２の各々は、概ね、対向する側面４４、対向する側面４４の間を延びた複数の横方向隔壁４８、および側面４４の頂部エッジと相互接続した頂部４６で構築されている。端壁４７は、復水器管４２の前面および後面に配置され、底部から頂部４６へ延びている。復水器管４２は、流体蒸気がチャンバ５４から復水器管４２中へ立ち昇ることができ、さらには冷却された復水がチャンバ５４内へ流れて戻ることができるよう、底部で開口し、かつ、蒸気チャンバ５４と流体連絡している。隔壁４８は、側壁４４には結合されているが、頂部表面５０には結合されていない。隔壁４８は、頂部４６まで延びていないため、隔壁４８と頂部４６の間に隙間５２が画定され、それにより流体蒸気は、復水器管４２のすみずみまで容易に循環することができる。
【００２６】
隔壁４８は、複数の機能を果たしている。第１に、隔壁４８は、復水器管４２の内部の蒸気から、復水器管４２の側壁４４の外部に結合された空冷フィン５８への熱伝達を促進する補助フィンとして作用している。また、隔壁４８は、Ｒ−１３４ａのようなハロゲン化炭素などの動作流体の高蒸気圧に耐えることができるよう、復水器管４２を補強している。さらに、隔壁４８は、復水器管の内壁４４上の復水液が、隔壁４８と側壁４４の内部との境界部分に形成されたコーナ５６に、表面張力によって引っ張られる際の復水の排水を促進している。表面張力によって復水液がコーナ５６に引っ張られると、復水器管の内部表面が露出し、それにより内部表面の熱抵抗が小さくなり、内部表面の熱抵抗が小さくなることにより、動作流体蒸気の復水化が促進される。
【００２７】
広範囲の試験により、以下に示す復水器管の寸法関係が最適であることが確認されている。復水器管４２の高さ４５（ｕ）に対する隔壁４８の高さ５０（ｖ）の比率は、０．９０≦ｖ／ｕ≦０．９７の関係によって表され、熱サイホン１２の全体深さ２２（Ｄ）に対する隔壁間隔４９（ｗ）の比率は、０．１≦ｗ／Ｄ≦０．５の関係によって表される。
【００２８】
熱サイホン１２に最適の動作流体としては、脱塩水およびＲ−１３４ａのようなハロゲン化炭素流体がある。動作流体の量は、通常、復水器管４２の内部体積および蒸気チャンバ５４の体積からなる熱サイホン１２の内部体積の３０％である。安定した動作状態下における蒸気チャンバ５４内の凝縮動作流体の好ましいレベルは、ピラミッドフィン４０の先端が、液体プールの頂部表面下すれすれに水没するレベルである。
【００２９】
理論的および実験的研究により、以下に示す熱サイホン１２の寸法関係が最適であることが分かっている。デバイス８の平均幅９（ｂ）に対するフィン付き領域３８の平均幅３９（ａ）の比率は、１≦ａ／ｂ≦２の関係によって表され、熱サイホン１２の高さ２４（Ｈ）に対する蒸気チャンバ５４の高さ５５（ｊ）の比率は、０．１≦ｊ／Ｈ≦０．３の関係で表され、また、復水器管４２の幅４３（ｄ）に対する回旋フィン５８の高さ５９（δ）の比率は、１≦δ／ｄ≦２の範囲内であることが好ましい。
【００３０】
使用に際しては、デバイス８が出力を生成し、したがって熱を発生すると、発生した熱がボイラプレート３０のフィン付き部分３８に伝達される。ボイラプレート３０、詳細にはフィン付き部分３８の温度が上昇すると、表面３３およびピラミッドフィン４０のコーナ領域７４および８０が十分に熱くなり、ピラミッドフィン４０を覆っている動作流体が核形成すなわち沸騰する。動作流体蒸気が発生し、復水器管４２に入る。発生した蒸気は、復水器管４２の側壁４４および隔壁４８と接触し、蒸気から側壁４４および隔壁４８へ熱エネルギーが伝達され、かつ、伝導によって回旋フィン５８へ伝達される。軸ファン１４によって、冷却空気が寸法「Ｄ」に沿って回旋フィン５８を通過し、熱を対流吸収する。蒸気から熱エネルギーを除去することにより、凝縮温度未満に蒸気が冷却され、側壁４４および隔壁４８に凝縮する。次に、表面張力効果によって、復水器管４２内のコーナ領域５６に復水液が引き出される。復水液は集まって小滴になり、滴下して蒸気チャンバ５４内の動作流体のプール中に戻る。以上のプロセスが繰り返される。
【００３１】
本明細書における教示の妥当性を検証するべく、アルミニウム製復水器管４２およびピラミッドフィン４０を備えたアルミニウム製および銅製ボイラプレート３０を備えた、いくつかのプロトタイプの熱サイホン１２が構築され、試験された。熱サイホンの全体寸法は、高さＨ＝８０ｍｍ、幅Ｌ＝７０ｍｍ、深さＤ＝５０ｍｍである。２２０ワットの熱負荷を発生することができる、辺の寸法ｂ＝４０ｍｍの正方形の電源が使用された。復水器管４２の寸法は、高さｕ＝７０ｍｍ、深さＤ＝５０ｍｍ、幅ｄ＝６ｍｍである。復水器管４２の各々は、高さｖ＝６５ｍｍ、間隔ｗ＝１５ｍｍの２つの隔壁４８を備えている。ピラミッドフィン４０のサイズは、幅ｇ＝４ｍｍ、高さｋ＝５ｍｍ、ピラミッド間の間隔ｆ＝３ｍｍである。ピラミッドの階段は、高さｓ＝０．６ｍｍであり、幅ｔ＝０．６ｍｍである。空気の入口温度は、２５〜３５℃の範囲で変更された。熱サイホンには、動作流体として３０ｇのＲ−１３４ａが充填された。熱サイホンの性能は、銅製ボイラプレート３０に対しては、ｑ＝１００、１５０および２００ワットの３つの熱負荷で、また、アルミニウム製ボイラプレート３０に対しては、ｑ＝２００ワットの熱負荷で測定された。ヒートシンク１０の効率は、表面−空気熱抵抗ＲＳＡとして表され、前述の値の熱負荷ｑに対する、復水器管のフィン付き表面上を流れる空気の体積流量の関数である。
【００３２】
前述のＲＳＡを定義するために、対流冷却熱サイホンの熱負荷ｑが、
【００３３】
【数１】
2004056121.tif 000003
【００３４】
で与えられるニュートンの冷却法則の形で表されることに言及しておく。上式でｈは、熱伝達係数Ｗ／ｍ２℃（イギリス熱単位／ｈｒｆｔ２Ｆ）、Ｔｓは、熱源におけるボイラプレートの最大温度℃（Ｆ）、Ｔａは、フィン付き凝縮表面を冷却するために使用される吸込み空気温度℃（Ｆ）である。
【００３５】
オームの法則からの類推により、式（１）は、慣例上、
【００３６】
【数２】
2004056121.tif 000004
【００３７】
として書き直すことができる。上式でＲＳＡは、ヒートシンクの表面−空気熱抵抗として定義される。
【００３８】
式（２）から、ＲＳＡが、熱源の熱負荷ｑに対する、最大熱源温度Ｔｓと入口空気温度Ｔａの温度差の比率であることは明らかである。
【００３９】
好ましい実施形態による熱サイホンの試験の結果によれば、試験した熱サイホンのＲＳＡは、３０ＣＦＭを超える体積空気流量に対して０．１℃／ワット未満である。このようなＲＳＡの値は、エレクトロニクス産業で典型的に使用されている従来の空冷ヒートシンクおよび液体冷却ヒートシンクのＲＳＡ値のコンテキストから見た場合、極めて良好であると見なすことができる。典型的な空冷ヒートシンクが示すＲＳＡは、３０ＣＦＭを超える体積空気流量に対して約０．２℃／ワットであり、また、典型的な液体冷却ヒートシンクのＲＳＡは、約０．１２℃／ワットである。また、試験の結果によれば、試験に使用する熱負荷が大きくなると、熱サイホンが示すＲＳＡ値が小さくなり、したがって、高熱負荷条件下では、本発明を使用した熱サイホンのＲＳＡ値は、従来技術による典型的な空冷ヒートシンクおよび液体冷却ヒートシンクのＲＳＡ値より、はるかに小さくなることを立証している。したがって本明細書において説明した好ましい実施形態のような熱サイホンヒートシンクは、従来技術に対する明確な改善を示しており、核沸騰レジームで動作する高熱負荷アプリケーションのための好ましい選択肢である。
【００４０】
以上の説明により、本明細書において開示した概念を逸脱することなく、本発明に改変を加えることができることは、当分野の技術者には容易に認識されよう。特許請求の範囲の各請求項に特記されていない限り、このような改変は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却空気を強制的に熱サイホンを通すべくファンが配置された、本発明を使用した熱サイホンおよび冷却ファンの斜視図である。
【図２】図１に示す熱サイホンの、線２−２に沿って取った正面横断面図である。
【図３】図１の熱サイホンに利用される復水器管の部分破断斜視図である。
【図４】ボイラプレート上に形成されたピラミッドフィンアレイの拡大斜視図である。
【図５】ボイラプレート上の非一様ピラミッドフィンアレイの拡大斜視図である。
【図６】図４に示すアレイのピラミッドの１つを示す拡大正面図である。
【図７】２つの冷却ファンを利用した熱サイホン冷却アセンブリの代替実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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