(57)【要約】本出願は、半導体デバイス用ヒートシンクの多様な実施形態、並びにその使用方法及び構築方法を開示する。本開示の少なくとも１つの態様によれば、半導体デバイスを冷却するためのヒートシンクは、第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、ベースプレートの第２の面から延出するレッグであって、ベースプレートとは反対側の遠位端と、ベースプレートと遠位端との間に延在する対向壁と、を備えるレッグと、レッグの遠位端に隣接して配置されたレッグプレートと、レッグの遠位端とレッグプレートとの間に配置された複数のフィンと、レッグの遠位端、複数のフィン、及びレッグプレートによって規定される複数のマイクロチャネルと、を備える。
2015529396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス用ヒートシンクであって、
第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、
前記ベースプレートの前記第２の面から延出するレッグであって、前記ベースプレートとは反対側の遠位端と、前記ベースプレートと前記遠位端との間に延在する対向壁と、を備えるレッグと、
前記レッグの前記遠位端に隣接して配置されたレッグプレートと、
前記レッグの前記遠位端と前記レッグプレートとの間に配置された複数のフィンと、
前記レッグの前記遠位端、前記複数のフィン、及び、前記レッグプレートによって規定される複数のマイクロチャネルと、
を備えるヒートシンク。
【請求項２】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートの前記第１の面の表面積は、前記レッグの前記遠位端の表面積より大きいヒートシンク。
【請求項３】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートの前記第１の面は、半導体デバイスを受容して前記半導体デバイスと熱接触するように構成された部分を更に備えるヒートシンク。
【請求項４】
請求項３記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートは、前記第１の面に前記部分と流体連通して形成された１以上の流動チャネルを更に備えるヒートシンク。
【請求項５】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記半導体デバイスは発光ダイオードであるヒートシンク。
【請求項６】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記レッグは、前記ベースプレートと一体に形成されているヒートシンク。
【請求項７】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記複数のフィンは、前記レッグと一体に形成されているヒートシンク。
【請求項８】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記レッグプレートは、断熱性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項９】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレート及び前記レッグは、熱伝導性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項１０】
請求項９記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレート及び前記レッグは、金属で形成されているヒートシンク。
【請求項１１】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記遠位端又はその近傍において前記レッグの前記対向壁のそれぞれに形成された１以上のヘッダであって、各ヘッダが前記複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上のヘッダを更に備えるヒートシンク。
【請求項１２】
請求項１記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約１０ミクロンと約５００ミクロンとの間の幅を有するヒートシンク。
【請求項１３】
請求項１２記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約４００ミクロンの幅を有するヒートシンク。
【請求項１４】
請求項１記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約５００ミクロンと約５，０００ミクロンとの間の深さを有するヒートシンク。
【請求項１５】
請求項１４記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約２，０００ミクロンの深さを有するヒートシンク。
【請求項１６】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記レッグは、前記ベースプレートから前記遠位端までの長さが約３０ミリメートルと約４５ミリメートルとの間であるヒートシンク。
【請求項１７】
請求項１６記載のヒートシンクであって、
前記レッグは、前記ベースプレートから前記遠位端までの長さが約３８ミリメートルであるヒートシンク。
【請求項１８】
請求項１記載のヒートシンクであって、
前記バックプレートの前記第１の面の表面積が約３，０００平方ミリメートルであり、前記第１の面から前記第２の面までの前記バックプレートの厚さが約１０ミリメートルであるヒートシンク。
【請求項１９】
発光ダイオードを冷却するためのマイクロチャネルヒートシンクであって、
第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、
前記第１の面に形成された複数のマイクロチャネルと、
前記ベースプレートの前記第２の面に隣接して配置されたバックプレートと、
を備え、
前記ベースプレートは、発光ダイオードを受容して前記発光ダイオードと熱接触するように構成されており、前記複数のマイクロチャネルが前記発光ダイオードと流体連通しているマイクロチャネルヒートシンク。
【請求項２０】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記発光ダイオードと前記複数のマイクロチャネルとの間で前記ベースプレートの前記第１の面に隣接して配置された中間プレートであって、前記複数のマイクロチャネルが前記中間プレートを介して前記発光ダイオードと熱接触する中間プレートを更に備えるヒートシンク。
【請求項２１】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレート内への１以上の流入口であって、前記複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上の流入口と、
前記ベースプレートからの１以上の流出口であって、前記複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上の流出口と、
少なくとも前記１以上の流入口に流体接続されたポンプと、
を更に備え、
前記ポンプは、前記複数のマイクロチャネルの少なくとも一部に強制的に流体を流すことが可能であるヒートシンク。
【請求項２２】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートの前記第１の面は、
発光ダイオードを受容して前記発光ダイオードと熱接触するように構成された部分と、
前記第１の面に、前記部分と流体連通して形成された１以上の流動チャネルと、
を更に備えるヒートシンク。
【請求項２３】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記バックプレートは、断熱性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項２４】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートは、熱伝導性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項２５】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートは、前記ベースプレートの対向側壁のそれぞれに形成された１以上のヘッダであって、各ヘッダが前記複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上のヘッダを更に備えるヒートシンク。
【請求項２６】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約１０ミクロンと約５００ミクロンとの間の幅を有するヒートシンク。
【請求項２７】
請求項２６記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約４００ミクロンの幅を有するヒートシンク。
【請求項２８】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約５００ミクロンと約５，０００ミクロンとの間の深さを有するヒートシンク。
【請求項２９】
請求項２８記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約２，０００ミクロンの深さを有するヒートシンク。
【請求項３０】
請求項１９記載のヒートシンクであって、
前記バックプレートの表面の表面積は、約９００平方ミリメートルであり、前記第１の面から前記第２の面までの前記バックプレートの厚さは、約１０ミリメートルであるヒートシンク。
【請求項３１】
車両用ランプであって、
ハウジングに取り付けられたレンズであって、前記レンズ及び前記ハウジングが容積を規定するレンズと、
前記容積内に配置されたヒートシンクであって、
第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、
前記ベースプレートの前記第２の面から延出するレッグであって、前記ベースプレートとは反対側の遠位端と、前記ベースプレートと前記遠位端との間に延在する対向壁と、を備えるレッグと、
前記レッグの前記遠位端に隣接して配置されたレッグプレートと、
前記レッグの前記遠位端と前記レッグプレートとの間に配置された複数のフィンと、
前記レッグの前記遠位端、前記複数のフィン、及び前記レッグプレートによって規定される複数のマイクロチャネルと、
を備えるヒートシンクと、
前記ベースプレートの前記第１の面に取り付けられて前記第１の面と熱接触している発光ダイオードと、
を備え、
前記複数のマイクロチャネルは、前記容積と流体連通しているランプ。
【請求項３２】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートの前記第１の面の表面積は、前記レッグの前記遠位端の表面積より大きいヒートシンク。
【請求項３３】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートの前記第１の面は、発光ダイオードを受容して前記発光ダイオードと熱接触するように構成された部分を更に備えるヒートシンク。
【請求項３４】
請求項３３記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレートは、前記第１の面に、前記部分と流体連通して形成された１以上の流動チャネルを更に備えるヒートシンク。
【請求項３５】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記レッグは、前記ベースプレートと一体的に形成されているヒートシンク。
【請求項３６】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記複数のマイクロフィンは、前記レッグと一体的に形成されているヒートシンク。
【請求項３７】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記レッグプレートは、断熱性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項３８】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記ベースプレート及び前記レッグは、熱伝導性材料で形成されているヒートシンク。
【請求項３９】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記遠位端又はその近傍において前記レッグの前記対向壁のそれぞれに形成された１以上のヘッダであって、各ヘッダが前記複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上のヘッダを更に備えるヒートシンク。
【請求項４０】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約４００ミクロンの幅を有するヒートシンク。
【請求項４１】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
各マイクロチャネルは、約２，０００ミクロンの深さを有するヒートシンク。
【請求項４２】
請求項３１記載のヒートシンクであって、
前記レッグは、前記ベースプレートから前記遠位端までの長さが約３８ミリメートルであるヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１２年８月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／６９２，１９６号に関連し、その優先権を主張するものであり、その全体を参照により本開示に援用する。
【０００２】
［背景］
半導体材料の向上、並びに、集積回路及び発光ダイオード（「ＬＥＤ」）などのマイクロ電子デバイスのパッケージングの向上は、これらのデバイスの多数の新しい適用を可能にしたが、新たな技術的課題が生じる結果にもなっている。例えば、ＬＥＤの効率は、ヘッドランプのような高い光出力機能を含む外部自動車照明にＬＥＤを用いることが技術的及び経済的に実現可能となるところまで向上している。しかしながら、１つの課題は、絶えず増加する電力密度を有する、より新しいこれらのＬＥＤによって発生する、相当な量の熱を放熱する必要があることである。ＬＥＤの性能は、特に熱に敏感である。なぜならば、接合部の過度の温度がＬＥＤの光出力を制限するだけでなく、その動作寿命を著しく短縮する可能性もあるからである。したがって、ＬＥＤを備える異なる半導体材料間の境界面（すなわち接合部）を許容動作温度範囲内に維持するのに十分な大きな割合で、ＬＥＤによって発生する熱がＬＥＤから伝達されていくことが非常に重要である。
【０００３】
自動車用ヘッドランプにおけるＬＥＤの利用では、自動車用ヘッドランプの動作環境によって、熱放散の問題は更に悪化する。この動作環境は、エンジンルームからの高温にさらされることと、自動車のフロントエンドでの空間的制約に起因する限られたパッケージング容積と、埃や湿気によるヘッドランプの性能低下を防止するのに必要な密閉パッケージと、を一般的に併せ持つ。大型のフィン又はアクティブな冷却機構を備えた従来のヒートシンクなどの周知の解決手段は、コストがかかる上にかさばり、ＬＥＤヘッドランプへの適用に実用的な解決手段ではない。冷却ファンを使用することで、ヘッドランプに質量、体積、及びコストが加わり、追加の電力消費が必要となり、ＬＥＤを使用する主な利点を少なくとも部分的に打ち消すことになる。同様に、ヘッドランプの密閉パッケージに一部起因して、従来のヒートシンクは、ＬＥＤを効率よく冷却するために、重くてかさばるものにならざるを得ない。したがって、質量、体積、及び追加の電力要求の必要性を低減する、車両用ヘッドランプのＬＥＤに用いるためのヒートシンク装置が必要とされている。
【０００４】
［概要］
本出願は、半導体デバイス用ヒートシンクの多様な実施形態、並びに、その使用方法及び構築方法を開示する。本開示の少なくとも１つの態様によれば、半導体デバイスを冷却するためのヒートシンクは、第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、ベースプレートの第２の面から延出するレッグであって、ベースプレートとは反対側の遠位端と、ベースプレートと遠位端との間に延在する対向壁と、を備えるレッグと、レッグの遠位端に隣接して配置されたレッグプレートと、レッグの遠位端とレッグプレートとの間に配置された複数のフィンと、レッグの遠位端、複数のフィン、及び、レッグプレートによって規定される複数のマイクロチャネルと、を備える。ベースプレートの第１の面の表面積は、レッグの遠位端の表面積より大きい。ベースプレートの第１の面は、半導体デバイスを受容して半導体デバイスと熱接触するように構成された部分を更に備える。ベースプレートは、第１の面に、上記部分と流体連通して形成された１以上の流動チャネルを更に備える。
【０００５】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、半導体デバイスは、発光ダイオードである。レッグは、ベースプレートと一体的に形成される。複数のフィンは、レッグと一体的に形成される。レッグプレートは、断熱性材料で形成される。ベースプレート及びレッグは、金属など、熱伝導性材料で形成される。少なくとも１つの実施形態では、ヒートシンクは、遠位端又はその近傍において、レッグの対向壁のそれぞれに形成された１以上のヘッダであって、各ヘッダが複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上のヘッダを備える。
【０００６】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、各マイクロチャネルは、例えば約４００ミクロンなど、約１０ミクロンと約５００ミクロンとの間の幅を有する。各マイクロチャネルは、例えば約２，０００ミクロンなど、約５００ミクロンと約５，０００ミクロンとの間の深さを有する。レッグは、ベースプレートから遠位端までの長さとして、例えば約３８ミリメートルなど、約３０ミリメートルと約４５ミリメートルとの間の長さを有する。バックプレートの第１の面の表面積は、約３，０００平方ミリメートルであり、第１の面から第２の面までのバックプレートの厚さは、約１０ミリメートルである。
【０００７】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、発光ダイオードを冷却するためのマイクロチャネルヒートシンクは、第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、第１の面に形成された複数のマイクロチャネルと、ベースプレートの第２の面に隣接して配置されたバックプレートと、を備え、ベースプレートは、発光ダイオードを受容して発光ダイオードと熱接触するように構成され、複数のマイクロチャネルが発光ダイオードと流体連通している。少なくとも１つの実施形態では、ヒートシンクは、発光ダイオードと複数のマイクロチャネルとの間でベースプレートの第１の面に隣接して配置された中間プレートであって、複数のマイクロチャネルが中間プレートを介してＬＥＤと熱接触する中間プレートを備える。少なくとも１つの実施形態では、ヒートシンクは、ベースプレート内への１以上の流入口であって、複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上の流入口と、ベースプレートからの１以上の流出口であって、複数のマイクロチャネルと流体連通している１以上の流出口と、少なくとも１以上の流入口に流体接続されたポンプと、を更に備え、ポンプは、複数のマイクロチャネルの少なくとも一部に強制的に流体を流すことが可能である。バックプレートは、断熱性材料で形成される。バックプレートの表面の表面積は、約９００平方ミリメートルであり、第１の面から第２の面までのバックプレートの厚さは、約１０ミリメートルである。
【０００８】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、車両用ランプは、ハウジングに取り付けられたレンズであって、レンズ及びハウジングが容積（ｖｏｌｕｍｅ）を規定するレンズと、容積内に配置されたヒートシンクと、を備える。ヒートシンクは、第１の面と第２の面とを備えるベースプレートと、ベースプレートの第２の面から延出するレッグであって、ベースプレートとは反対側の遠位端と、ベースプレートと遠位端との間に延在する対向壁と、を備えるレッグと、レッグの遠位端に隣接して配置されたレッグプレートと、レッグの遠位端とレッグプレートとの間に配置された複数のフィンと、レッグの遠位端、複数のフィン、及びレッグプレートによって規定される複数のマイクロチャネルと、を備える。ランプは、ベースプレートの第１の面に取り付けられ第１の面と熱接触している発光ダイオードを更に備え、複数のマイクロチャネルは、容積と流体連通している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
記述された実施形態、並びに、本明細書に含まれる他の特徴、利点、及び開示、並びに、それらを達成する方法は、添付図面と併せて本開示の多様な例示的実施形態の以下の記述を参照することにより明らかになり、本開示はよりよく理解されるであろう。
【図１】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクの側面図である。
【図２】ミクロン（μｍ）を単位とするチャネルのサイズに対する、ワット／平方メートルケルビン（Ｗ／ｍ２Ｋ）を単位とする対流熱伝達係数の変化を表す。
【図３】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクの分解側面図である。
【図４】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクの等角図である。
【図５】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクの、図４の面５−５で切断された断面等角図である。
【図６】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクの、図４の面６−６で切断された部分断面背面図である。
【図７】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクを備える車両用ヘッドランプの部分縦断面図である。
【図８】本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクを備えるランプサブアセンブリの背面等角図である。
【図９】本開示に係るマイクロチャネルヒートシンクの様々な実施形態の、分（ｍｉｎ．）を単位とする時間にわたる、摂氏（℃）を単位とする、グラフによる動作温度データを表す。
【００１０】
類似した参照番号は、複数の図面を通して同一又は類似の部分を示している。
様々な図面に描かれた部品の特徴、機能、及び構成の概略を以下に示す。図面の部品の特徴の全てが必ずしも説明されるわけではないことを理解されたい。多様なカプラ等、論じられないこれらの特徴のいくつかには、論じられる特徴と同様、図面から自明ものもある。その他の論じられない特徴は、部品の形状又は構成に固有のものであってもよい。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［詳細な説明］
本出願は、半導体デバイス用ヒートシンクの多様な実施形態、並びに、その使用方法及び構築方法を開示する。本開示の一態様によれば、車両用ヘッドランプ内のＬＥＤを冷却するためのマイクロチャネルヒートシンクが開示される。本開示の原理の理解を促進する目的で、図面に例示される実施形態が参照され、それらを説明するために特定の用語が使用される。それにもかかわらず、本開示の範囲がそれにより限定されることを意図していないことが理解されるであろう。
【００１２】
構築の詳細は製造者によって異なるが、一般的にＬＥＤは、時にスラグと称される熱伝導性基板に実装されるが電気的には絶縁される発光ダイオードチップ又はダイを備える。スラグの熱キャパシタンスは、供給電流及び周囲温度の通常の動作条件下でさえ、ダイから熱を伝導するための追加手段なしには、ダイの接合部温度を安全な動作範囲内に維持することには適していない。したがって、スラグを外部ヒートシンクに熱的に接続して、ＬＥＤダイの潜在的な伝熱速度を向上させ、それによりＬＥＤダイを冷却することは有利である。
【００１３】
本開示のマイクロチャネルヒートシンクは、車両用ヘッドランプ内で光源として用いられる１以上のＬＥＤの冷却に使用するのに特に適した、改良型ヒートシンクを提供する。例えば自動車用ヘッドランプ内の１以上のＬＥＤから熱を除去するのに有用であるが、このマイクロチャネルヒートシンクは、あらゆるタイプの車両用ランプ又は照明製品内に一般に実装されるＬＥＤからの熱を除去するのにも有用であり得る。更に、このマイクロチャネルヒートシンクは、マイクロ電子集積回路チップ、レーザダイオード等を含むが、これらに限定されないあらゆる発熱電子部品の冷却にも有用であり得る。
【００１４】
本開示の少なくとも１つの実施形態に係るマイクロチャネルヒートシンクが、図１に示される。図１に示されるように、マイクロチャネルヒートシンク１０は、ベースプレート１２と、そこに形成された幅Ｈを有する複数のマイクロチャネル１６と、を備える。マイクロチャネル１６は、マイクロフィン１５によって互いに隔てられてもよく、マイクロフィン１５は、マイクロチャネル１６を通じた自由な対流を可能にするために、重力に対して垂直に配向されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、複数のマイクロチャネル１６のそれぞれは、同じ幅Ｈを有する。あるいは、マイクロチャネル１６は、異なる幅であってもよい。ベースプレート１２は、アルミニウム及び銅などの金属、並びに、ポリアニリン、ポリピロール、及びポリチオフェンなどの混合重合体を含むが、これらに限定されない熱伝導性材料で形成されてもよい。
【００１５】
図１には、マイクロチャネルヒートシンク１０が電子デバイスに実装されて示されており、電子デバイスは、例えばＬＥＤであり、マイクロチャネル１６はＬＥＤ４０に隣接して直接接触する。別の実施形態では、マイクロチャネル１６は、ＬＥＤ４０に隣接するが直接接触しないように、ベースプレート１２に形成されてもよい。いずれにしろ、マイクロチャネル１６は、熱伝達流体（図示せず）がマイクロチャネル１６を通って流れることを可能にするために形成され、それにより、ヒートシンク１０と流体との間の対流熱伝達が可能になる。熱伝達流体は、非限定的な例として、周囲空気などの気体、又は、水、プロピレングリコール、もしくは他の適切な冷却剤流体などの液体を含み得る。図１に示される構成では、熱伝達流体が、ＬＥＤ４０の少なくとも一部分に直接接触する一方、ＬＥＤ４０の他の部分が、ベースプレート１２及び／又は複数のマイクロフィン１５の少なくとも一部と直接接触している。その結果、ヒートシンク１０は、ＬＥＤ４０から直接の伝導熱伝達及び対流熱伝達の両方を可能にする。ヒートシンク１０は、ベースプレート１２を周囲環境から絶縁する絶縁プレート３０を更に備えていてもよい。
【００１６】
マイクロチャネルヒートシンク１０は、放射型、伝導型、及び対流型の熱伝達を可能にするが、最初にＬＥＤ４０から熱を奪って伝導し、続いて伝導された熱を対流によって周囲環境に放散するように主に作用する。ヒートシンク１０からの熱の一部分は、周囲環境における表面及び物体に放射される。ＬＥＤ４０からヒートシンク１０への熱伝導は、非限定的な例として熱伝導性のグリース又は接着剤の使用によりＬＥＤ４０とヒートシンク１０との間の境界面の熱抵抗を最小化することによって、促進され得る。ヒートシンク１０の表面から周囲環境への対流熱伝達は、多くの要因に依存する。ヒートシンク１０からの対流伝熱速度は、次式で与えられる：
ｑ＝ｈＡ（Ｔｓ−Ｔａ）
式中、ｑは伝熱速度を表し、ｈは熱伝達係数を表し、Ａはヒートシンクの表面積を表し、Ｔｓはヒートシンク１０の温度を表し、Ｔａは周囲環境の温度を表す。所定の周囲温度での対流熱伝達は、表面積、熱伝達係数、又は、その両方を増加させることで増大し得る。しかしながら、ヒートシンク１０の表面積がインクリメンタルに増加する毎に、サイズ及び質量が加算される可能性があり、車両の重量感度及びランプのコンパクトさが増していることを考えるとそれは望ましくない。一方、熱伝達係数を増加させることによれば、ヒートシンク１０全体の伝熱容量は、そのサイズ及び質量を増大させることなく、向上し得る。
【００１７】
チャネル内の空気流について、対流熱伝達係数は次式のように表し得る：
ｈ＝（Ｎｕ ｋ）／Ｈ
式中、Ｎｕはヌッセルト数を表し、ｋは空気の熱伝導率を表し、Ｈはチャネル幅を表す。ヌッセルト数は、ヒートシンク１０の表面と周囲環境との間の境界における、対流熱伝達と伝導熱伝達との割合を表す無次元パラメータである。したがって、チャネル幅Ｈの変化が熱伝達係数に与える影響は、チャネル幅Ｈが減少するにつれて熱伝達係数が増加するということである。管を通る十分発達した流動の類似条件でのこの関係の例は、図２に図示されている。更に、マイクロチャネル１６を通る流体流動の重要な無次元パラメータは、クヌーセン数であり、それは、分子の平均自由行程長さλのチャネル幅Ｈに対する割合で定義される。すなわち、次式の通りである：
Ｋｎ＝λ／Ｈ
約４００μｍより大きいチャネル幅Ｈのクヌーセン数は、０．００１未満であり、従来の流体力学が適用可能な連続流の領域に対応する。マイクロチャネル１６の幅が減少してクヌーセン数が０．００１を超えて増加すると、分子流及び壁面スリップ効果が流体流動の力学に影響を与え始め、熱伝達係数が増加する。更に、マイクロチャネル１６に沿った熱の軸方向の伝導は大きな影響となり、ヒートシンク１０全体の伝熱速度を更に向上させる。ヒートシンク１０は、熱伝達係数の増加を結果としてもたらす、連続流メカニズム及び壁面スリップ流メカニズムの両方を利用するために、この流動レジーム内で動作するように構成されてもよい。しかしながら、マイクロチャネル１６の幅Ｈが更に減少してクヌーセン数が０．１を超えて増加すると、流動における希薄化効果が著しくなり、熱伝達係数は減少する。このため、０．１より大きいクヌーセン数に対応する流動レジーム及びチャネル幅Ｈは好ましくない。
【００１８】
結果として、マイクロチャネルヒートシンク１０に含まれるチャネル幅Ｈの好ましい範囲は、１０〜４００μｍである。この範囲内で、連続流メカニズム、分子流メカニズム、及び壁面スリップ流メカニズムの有益性は、希薄流効果がマイクロチャネル１６内で熱伝達特性に与える悪影響を上回り、結果として熱伝達係数の増加をもたらす。更に、ヒートシンク１０の製造コストは、この範囲のチャネル幅Ｈにおいて妥当である。したがって、本開示のマイクロチャネルヒートシンク１０は、周囲環境への対流熱伝達を増加させることが可能であり、それにより、ＬＥＤを用いた車両用ランプの熱負荷輸送能力を、ヒートシンク１０の質量又はサイズを増加させることなく、増加させることが可能である。ヒートシンク１０の熱負荷輸送能力の向上は、ヒートシンク１０を使用する技術者及び設計者の設計自由度を更に高める。
【００１９】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、マイクロチャネルヒートシンク１０１は、強制対流によってヒートシンク１０１の伝熱容量を更に向上させるために、ポンプ（図示せず）を備えていてもよい。このポンプは、従来のポンプ又は角度付き回転ブレードを有するファンであってもよく、あるいは、このポンプは、磁気ポンプ又は誘導性ポンプであってもよい。誘導性ポンプは、円筒状のスリーブ内に浮かぶ磁気駆動式ピストンを使用する。ヒートシンク１０１全体の対流熱伝達係数を更に増加させることになる強制対流レジームを創出することによって、タイプに関わらず、ポンプは、ヒートシンク１０１の伝熱容量を向上させ得る。図３に示されるような実施形態では、マイクロチャネルヒートシンク１０１は、「流れ」と表示された矢印で示されるような、ヒートシンク１０１に出入りする熱伝達流体の流れを可能にするために、ベースプレート１２に形成されて複数のマイクロチャネル１６と流体連結している、１以上の流入口３２及び１以上の流出口３４を備えていてもよい。このような実施形態では、マイクロチャネル１６は垂直に配向される必要はない。なぜならば、強制流はいかなる自由対流効果にも勝ることになるからである。図３は、ヒートシンク１０１の分解側面図であり、この図において、マイクロチャネル１６は、図１の実施形態と同様、ＬＥＤ４０に直接隣接して配置されている。少なくとも１つの実施形態では、マイクロチャネル１６は、ＬＥＤ４０と直接流体接触していなくてもよく、間に配置された中間プレートによって分離されてもよい。
【００２０】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、マイクロチャネルヒートシンク１０１は、熱伝達流体が周囲環境と交換されない閉ループ流を備えていてもよい。例えば、ヒートシンク１０１を流れる空気は、周囲空気と混ざることなく、ヒートシンク１０１の一端にある流出口３４から、別端にある流入口３２に送られてもよい。更に、ヒートシンク１０１の伝熱容量を減少させることになり得る、埃、湿気、又は他の微粒子が入り込んでマイクロチャネル１６内に閉じ込められることを防止するために、熱伝達流体は、何らかの適切な手段により濾過されてもよい。
【００２１】
図４及び５に示される本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、ヒートシンク１０２は、ベースプレート１２、一体ベースレッグ１４、及び、複数のマイクロチャネル１６を規定する複数のマイクロフィン１５を備えていてもよい。ベースプレート１２は、おもて面２０、対向するうら面２２、及び、おもて側２０に形成されたパッド２１を備える。ＬＥＤ４０は、パッド２１又はその近傍において、おもて側２０に隣接して配置されてもよく、ベースレッグ１４は、うら面２２から延出していてもよい。ベースプレート１２は、おもて側２０に配置された１以上の流動チャネル（流路）２８を更に備えていてもよく、流動チャネル２８は、周囲環境と、ベースプレート１２とそれに実装されたＬＥＤ４０との間の境界面と、の間の流体連通を可能にする。
【００２２】
ベースレッグ１４は、ベースプレート１２のうら面２２とは反対側に遠位端２４を備えていてもよい。ベースレッグ１４は、１つの部品として、ベースプレート１２と一体で形成されてもよい。あるいは、ベースレッグ１４は、ベースプレート１２とは別に形成され、それから、ベースレッグ１４とベースプレート１２とが互いに熱接触するように、ベースプレート１２に取り付けられてもよい。ベースプレート１２及びベースレッグ１４を構成する材料のかたまりは、マイクロチャネル１６を通じて十分な対流が発達してＬＥＤ４０の定常状態冷却が可能になるまで、ＬＥＤ接合部温度の上昇を遅らせる熱キャパシタンスとして機能し得る。
【００２３】
図４〜６に示されるように、複数のマイクロフィン１５は、ベースレッグ１４の遠位端２４に隣接して配置されてもよく、それにより、それらの間に複数のマイクロチャネル１６を規定してもよい。マイクロチャネル１６は、マイクロチャネル１６を通る自由な対流を可能にするために、重力に対して垂直に配向されてもよい。更に、マイクロチャネル１６は、遠位端２４又はその近傍においてベースレッグ１４の互いに対向する側壁２６を通るヘッダ１８を介して周囲環境と流体連通していてもよい。ベースレッグ１４は、１以上のリブ３２を更に備えていてもよく、１以上のリブ３２は、図４及び５に示されるように、ベースレッグ１４の遠位端２４からマイクロフィン１５と実質的に同じ距離延出している。マイクロフィン１５、及び、ひいてはマイクロチャネル１６は、ベースレッグ１４の１つの側壁２６から、対向する側壁２６まで延在していてもよい。図６に示されるような少なくとも１つの実施形態では、マイクロフィン１５、及び、ひいてはマイクロチャネル１６は、ベースレッグ１４の１つの側壁２６と、対向する側壁２６と、の間で、部分的にのみ延在していてもよい。
【００２４】
少なくとも１つの実施形態では、図４及び５に示されるように、ヒートシンク１０２は、ベースレッグ１４の遠位端２４に隣接して配置される絶縁プレート３０を備えていてもよい。絶縁プレート３０は、図６に示されるように、リブ３２に形成された少なくとも１つのプレート取付穴３８を介して１以上のリブ３２に取り付けられてもよい。絶縁プレート３０は、マイクロフィン１５に着座するように位置付けられてもよく、それによって複数のマイクロチャネル１６をキャッピングしてもよい。そのような実施形態では、各マイクロチャネル１６は、ベースレッグ１４の遠位端２４、互いに対向するマイクロフィン１５、及び絶縁プレート３０によって規定される。絶縁プレート３０は、プラスチックポリマーを含むが、これらに限定されない非熱伝導材料で作られてもよい。絶縁プレート３０に対する非熱伝導材料の使用は、遠位端２４及びマイクロチャネル１６を、本明細書において更に論じられるような周囲環境（例えば、エンジンルーム）からの潜在的な熱伝達から遮断する。
【００２５】
本開示に係る少なくとも１つの実施形態では、マイクロチャネルヒートシンク１０、１０１、又は１０２は、車両のヘッドランプアセンブリに使用されてもよい。図７及び８に示されるように、ヘッドランプアセンブリ５０は、ヒートシンク１０２に熱的に接続されるが電気的に絶縁されたＬＥＤ４０を備えていてもよく、ヒートシンク１０２は、取付穴２４を介してベゼル５６に取り付けられ、サブアセンブリ５１を形成する。図７に示されるように、サブアセンブリ５１はハウジング５２内に配置されてもよく、サブアセンブリ５１は、ハウジング５２に対して可動的に取り付けられ、それにより、ハウジング５２に対するサブアセンブリ５１の照準調整が可能であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ヒートシンク１０２をベゼル５６に、及び／又は、サブアセンブリ５１をハウジング５２に更に取り付けるために、ランプアセンブリ５０は、サブアセンブリ５１とハウジング５２との間、及び／又は、ヒートシンク１０２とベゼル５６との間に、１以上のブラケット（図示せず）を備えてもよい。ランプアセンブリ５０は、ベゼル５６内に配置されて、ベゼル５６に取り付けられたレンズホルダ６４に支持される、光学処方が施されたレンズ６２を更に備えていてもよい。ＬＥＤ４０から放射された光がレンズ６２によって屈折されて、車両正面の車道を照らすための所望の配光パターン（すなわち、ビームパターン）となるように、レンズ６２は位置付けられてもよい。ランプアセンブリ５０は、ランプアセンブリ５０を水及び破片の侵入から保護するためにハウジング５２に取り付けられたアウターレンズ６０などの、追加のレンズを更に備えていてもよい。ヒートシンク１０２又はＬＥＤ４０の交換又は調整を可能にするために、ヒートシンク１０又はその近傍において、アクセスキャップ５８が、ハウジング５２に取り外し可能に取り付けられてもよい。
【００２６】
図９は、ＬＥＤに熱接続された様々なヒートシンクを用いた、分（ｍｉｎ）を単位とする動作時間にわたる、摂氏（℃）を単位とするＬＥＤ４０の動作温度の上昇を比較するテスト試験の結果を、グラフにより表し、ここでは、ＬＥＤは、ランプアセンブリ５０と同様のランプアセンブリ内で、１２ボルト（Ｖ）、３００ミリアンペア（ｍＡ）で電力供給された。図９では、データ系列８１は、当該分野で公知の従来の大型フィンヒートシンクに熱接続されたＬＥＤの動作温度の上昇を表す。データ系列８２は、概ね図１に従う実施形態のマイクロチャネルヒートシンク１０に熱接続された、同じＬＥＤの動作温度の上昇を表す。特定の理論に縛られないが、データ系列８２において２００分の目盛り付近に示される変曲点は、高温での流量増加によって、マイクロチャネル１６を通るチョーク流又は希薄流の結果であり得る。データ系列８３は、概ね図４〜７に従う実施形態のマイクロチャネルヒートシンク１０２に熱接続された、同じＬＥＤの動作温度の上昇を表す。データ系列８４は、概ね図３に従い、ヒートシンク１０１を通る強制対流を発生させるポンプ（図示せず）を更に備える実施形態のマイクロチャネルヒートシンク１０１に熱接続された、同じＬＥＤの動作温度の上昇を表す。
【００２７】
図９に示されるように、ヒートシンク１０２の実施形態は、従来のヒートシンクより３０℃以上低い定常状態動作温度を有し、それにより、ヒートシンク１０２の優れた伝熱容量が実証された。更に、ヒートシンク１０１の実施形態は、ヒートシンク１０２の実施形態より２０℃近く低い定常状態動作温度を有し、強制対流を使用したことによる伝熱容量の増加が実証された。
【００２８】
マイクロチャネルヒートシンク１０、１０１、及び１０２は、従来のフィン付きヒートシンクと比較して、質量の削減を可能にする。例えば、データ系列８１の従来のヒートシンクが３８５グラム（ｇ）の質量であったところ、データ系列８３のヒートシンク１０２は２００ｇの質量であり、データ系列８４のヒートシンク１０１は１６ｇの質量であった。本開示に係る少なくとも１つの実施形態において、各マイクロチャネル１６は、幅が約４００μｍ、深さが約２０００μｍであってもよい。別の実施形態では、マイクロチャネル１６は、約１０μｍと５００μｍとの間の幅であってもよく、約５００μｍから５０００μｍの深さであってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ベースプレート１２のおもて側２０は、約３０００平方ミリメートル（ｍｍ２）の表面積であってもよく、おもて側２０からうら面２２までの距離は、約１０ｍｍであってもよい。別の実施形態では、ベースプレート１２は、表面積が約９００ｍｍ２であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ベースレッグ１４は、うら面２２から約３８ｍｍ延出していてもよく、側壁２６は、約２０ｍｍの幅であってもよい。別の実施形態では、ベースレッグ１４は、うら面２２から約３０ｍｍと４５ｍｍとの間で延出していてもよく、側壁２６は、約１０ｍｍと４０ｍｍとの間の幅であってもよい。ヒートシンク１０、１０１、及び１０２の特定の寸法及び所与の実施形態は、ＬＥＤ４０の所定の電力要件及び熱放散要件によって定められてもよい。
【００２９】
車両用ＬＥＤヘッドランプのためのマイクロチャネルヒートシンクの様々な実施形態を、かなり詳細に本明細書にて説明してきたが、それらの実施形態は、本明細書で説明される開示の非限定的な例として提供されているだけである。したがって、本開示の範囲から逸脱することなく、多様な変更及び変形がなされてもよいこと、均等物がそれらの構成要素と置き換えられてもよいこと、及び、それらが、後に添付する特許請求の範囲のいずれかを包含することを意図している、ということが理解されるであろう。実際、本開示は、網羅的であることも、本開示の範囲を限定することも意図していない。
【００３０】
更に、代表的な実施形態を説明するにあたり、本開示は、特定のステップ・シーケンスとして方法及び／又はプロセスを示したかもしれない。しかしながら、この方法又はプロセスが本明細書に記載のステップの特定の順序に依拠しない限りにおいて、この方法又はプロセスは、説明された特定のステップ・シーケンスに限定されるべきではない。他のステップ・シーケンスが可能であり得る。したがって、本明細書にて説明されるステップの特定の順序は、本開示の限定と解釈されるべきではない。更に、ある方法及び／又はプロセスを対象とする開示は、記載されている順序でそれらのステップを行うことに限定されるべきではない。そのようなシーケンスは多様であってもよく、それでも本開示の範囲内にとどまるものである。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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