(57)【要約】【課題】熱伝達装置を提供する。【解決手段】  熱伝達装置はマニホールドを有して記載される。マニホールドは、流体出口開口及び流体入口開口を有する表面を有する。流体は、流体出口開口からそして流体入口開口の中に流れることになる。マニホールドは、流体出口開口と流体入口開口との間の表面から生じる突出部を有する。装置は、熱伝導性溝付き構造を有して記載される。熱伝導性溝付き構造は、第１及び第２の流体流路を形成するための第１及び第２の空洞を有する表面を有する。熱伝導性溝付き構造は、空洞の間から生じる突出部を有する。突出部は、第１及び第２の流体流路の一部を形成するための側部表面を有する。【選択図】図４ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって：
流体出口開口及び流体入口開口を有し、流体が前記流体出口開口から前記流体入口開口の中に流れることになる、表面と；
前記流体出口開口と前記流体入口開口との間の前記表面から生じる突出部と；を有する、マニホールドを有する、
装置。
【請求項２】
前記突出部の幅は、前記流体出口開口から前記流体入口開口への方向に延びる前記突出部の側部表面に沿って前記表面に向かって狭まる、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記突出部の頂面は丸くされる、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記マニホールドは、
熱伝導性；
断熱性：
の一方である、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記マニホールドは、
導電性；
電気絶縁性：
の一方である、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
装置であって：
第１及び第２の流体流路を形成するための第１及び第２の空洞を有する表面と；
前記空洞の間から生じる突出部であって、前記第１及び前記第２の流体流路の一部を形成するための側部表面を有する、突出部と；を有する、
熱伝導性溝付き構造を有する、
装置。
【請求項７】
前記突出部の反対側のそれぞれの端部で前記第１の空洞及び前記第２の空洞は、
前記表面に実質的に垂直でない側部表面を有する、
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記それぞれの端部の前記側部表面は、前記突出部の前記側部表面より長い、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ａ）マニホールドであって：
流体出口開口及び流体入口開口を有する第１の表面と；
前記流体出口開口と前記流体入口開口との間の前記第１の表面から生じる第１の突出部と；を有する、
マニホールドと；
ｂ）熱伝導性溝付き構造であって：
前記第１の表面に面し且つ前記第１の突出部の周りに第１の流体流路を形成するための空洞を有する第２の表面であって、前記流体出口開口及び前記流体入口開口は前記空洞に面する、第２の表面；を有する、
熱伝導性溝付き構造と；を有する、
装置。
【請求項１０】
前記溝付き構造は、第２の流体流路を形成するための第２の空洞を含み、前記第２の空洞は、前記マニホールドの前記第１の表面の他の流体開口の上に形成され、前記流体出口開口及び前記流体入口開口の一方は、前記第２の流体流路の流体を輸送することになる、
請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記マニホールドは第２の突出部を含み、前記第２の突出部は、前記第２の流体流路が前記第２の突出部の周りを流れるように、前記第２の空洞内にある、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記溝付き構造は、前記空洞の間に第３の突出部を含み、前記第３の突出部は、前記第１及び前記第２の流体流路のそれぞれの部分を形成する側部表面を有する、
請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１及び前記第２の突出部の少なくとも一方は、流体の流れ方向に沿って見るとき、前記第１の表面に向かって狭くされる幅を有する、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の突出部は、流体の流れ方向に沿って見るとき、前記第１の表面に向かって狭くされる幅を有する、
請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の流体流路はポンプに結合される、
請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記ポンプが動作中、前記第１の流体流路は流体で満たされない、
請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記溝付き構造は導電性である、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記溝付き構造は導電性ではない、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記マニホールドは導電性である、
請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記マニホールドは導電性ではない、
請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は概して、温度制御システム、より具体的には、向上した熱伝達効率のための流体流路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来技術の流体熱制御アセンブリを示す。図１に見られるように、アセンブリは、熱を発生する熱発生要素１０１（例えば、動作している半導体デバイス）を含む。熱発生要素１０１は、その中に形成された流路１０３を有する溝付き構造１０７に熱−機械的に結合される。溝付き構造は、熱発生要素から流路１０３への熱の伝達を促進するために熱伝導性である。ポンプ１０４は、マニホールド１０２を通ってそして流路１０３の中に流体１０５を送り込む。送り込まれた流体１０５は、それが流路１０３を通過しその後マニホールド１０２の中に流れて戻るとき、要素１０１によって発生した熱を捕える。
【０００３】
加熱された流体は、次に、マニホールド１０２から、流体１０５から熱を取り出す熱交換器１０６に送り込まれる。冷却された流体は、次に、熱発生要素からより多くの熱を除去するためにマニホールド１０２に送り返される。
【０００４】
図２は、図１の溝付き構造１０７及びマニホールド１０２によって形成される流路１０３のより詳細な図を示す。図２に見られるように、多数の流体が、マニホールド出口開口２１０を通って単一の流路に入り、マニホールド入口開口２１１を通って流路から引き出される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明は、例としてであって限定ではなく、添付の図面の図に説明され、この図の中では、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【図１】冷却システムを示す。
【図２】従来技術の流体流路を示す。
【図３】図２の従来技術の流体流路に関連付けられる非効率性を示す。
【図４ａ】改良された流体流路の第１の透視図を示す。
【図４ｂ】改良された流体流路の第２の透視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
全体のアセンブリの冷却／熱伝達効率が溝付き構造のより大きい表面積を通過する流体のより高い表面流速で向上することを認めることは適切である。流体体積が加熱された溝付き構造のより多くの表面積を早く通過できるほど、システムはより効率的になる。ここでは、より高い速度の流体は、同じ表面積を横断するより遅く移動する流体より、単位時間当たりのより多い熱を除去することができる。加えて、溝付き構造のより広い表面積にわたる流体の範囲は、溝付き構造からのより大きい全体的な熱の除去に対応する。また、より少ない流体でより高い熱伝達を利用することは、より小さい及び／又はより安価なポンプの使用を可能にする。
【０００７】
図３は、図２の従来技術の流路に関して発見されている幾つかの非効率性を詳しく述べる。
【０００８】
第１に、構造は、流体が最初に溝付き構造３０７に入るマニホールド３０２の出口開口３１０の上に直角角部３２０を有する。直角角部３２０は、流体を垂直流体流から水平流体流に「急に」転換させる効果を有する。この急な転換は、流体を溝付き構造３０７の表面に渡って接触して速く動かし続ける原理から外れる渦３２１又は他の循環する／停滞した流れを作る。このようなものとして、流体流の部分３２１は、熱除去プロセスに貢献せず、代わりに流路の全体の流体抵抗を増加させる。両方の因子はシステム効率を減少させる。
【０００９】
第２に、異なる加熱流体流３３１、３３２が、マニホールド３０２の中に引き戻される前にマニホールド３０２の入口開口３１１の上で「衝突する」。この場合もやはり、より多くの渦／停滞流体流３３３が作られ、ここでは流体は溝付き構造３０７の表面に渡って速く動かない。この場合もやはり、システムの効率は減少する。
【００１０】
第３に、マニホールド３０２の上方表面３４０の全体の面は平坦であり、ここではそれは溝付き構造３０７と接合する。結果として、溝付き構造３０７の大きい表面積の上に流体流も誘導する低流体抵抗を有する流路を作ることは難しい。前述の他の方法では、流路の高さ３４１が（そこを通って流体が流れる断面積を増加させることによって）流路の流体抵抗を減少させるために増加される場合、流体の最も早い部分は、溝付き構造３０７の表面と非接触に描かれるように、流路の中央を通って流れる。
【００１１】
それに反して、流路の高さ３４１が、主流流体流を強制的に溝付き構造３０７の表面に近づけるために減少する場合、流路の流体抵抗は（そこを通って流体が流れる断面積が減少しているため）増加する。したがって、同じ流体速度に対して、前者のアプローチは、早く流れる流体が溝付き構造３０７の表面と十分接触しないため、効率が減少する一方、後者のアプローチは、より強力なポンプを必要とするため、効率が減少する。したがって、その寸法に関わりなく、図３の単純化した流路設計は、固有の非効率性を有する。
【００１２】
図４ａ及び４ｂは、図２の従来技術のアプローチに対する幾つかの改良を含む改良された流路設計の実施形態を描く。
【００１３】
図４ａに見られるように、改良された流路設計は：１）流体流がマニホールド出口開口４１０を通り抜ける垂直流から溝付き構造４０７の表面を横切って流れる水平流に転換する直角角部を取り除き；２）マニホールド入口開口４１１に近い衝突流を取り除くように溝付き構造４０７から生じる突出部４１６を含み；３）向上した流体表面積適用範囲を可能にする一方でそれと同時に流路の全体の流体抵抗を低く保つように、マニホールド４０２の表面から生じる突出部４１５を含む。
【００１４】
直角角部の排除に関して、より滑らかな流入ゾーン４５０が、マニホールド出口開口４１０より上の溝付き構造４０７とマニホールド４０２との間の接合部分に作られる、ことに留意されたい。滑らかな流路流入ゾーン４５０の表面４５１、４５２は、垂直（＋ｙ）方向から（ｘ軸に沿った）水平方向への乱暴な転換を避けるために、ｘ及びｙ軸と平行以外の角度で配向される。乱暴な垂直から水平流体流転換を避けることによって、流体は、それがマニホールド４０２から流路に注入されるとき、渦又は他の停滞流を形成しない傾向を持つ。
【００１５】
代わりに、マニホールド出口開口４１０から出る上方垂直流の運動量は、流体に流入ゾーン４５０の一部を形成する溝付き構造４０７の表面４５１に沿って流れることを強いる。流体は、ポンプの作用のためにある速度で流入ゾーン４５０の中に放出され且つ渦又は他の停滞流無しに溝付き構造４０７の表面４５１に沿って流れているので、流体流は、より効率的なシステムの特性（限られた流体抵抗で溝付き構造４０７の大きい表面積を横切って速く動く流体）を満たす。
【００１６】
同様に、溝付き構造４０７に形成された突出部４１６の使用を通じて、滑らかな流体流出ゾーン４６０が、マニホールド入口開口４１１より上の溝付き構造４０７とマニホールド４０２との間の接合部に、流路を離れマニホールドに入る流体の衝突を取り除くために、作られる。ここでは、それぞれの独立した流れは、それ自身の専用の出口流路を有するように想定されることができ、その流れが同じマニホールド入口開口４１１に入る流路は、マニホールド開口４１１の真上で一緒に合流する。
【００１７】
流入ゾーン４５０の形態と同様に、特定の流れのためにそれぞれの専用出口流路は、水平流から垂直流への乱暴な転換を避けるために、ｘ及びｙ軸と平行以外の角度で配向される表面を有する。同様に、水平から垂直転換の運動量は、流体に、マニホールド４０２の表面よりむしろ溝付き構造４０７の表面に沿って流れることを強いる。このようなものとして、この場合もやはり、渦及び他の効率的でない乱れが回避される。代わりに、流体は、溝付き構造４０７のより大きい表面積上を動くことを強いられ、それによって、システムの効率を増大させる。
【００１８】
その結果要約すると、図２の従来技術の流路構造を図４ａの改良された流路構造と比べると、従来技術のアプローチは、溝付き構造２０７とマニホールド２０２との間に単純化した接合部分を有することに留意されたい。マニホールド２０２は本質的に平らな表面を有し、溝付き構造２０７は、空洞の中に流れ込む流れのマニホールド流れ入口及び出口開口２１０、２１１を覆う空洞を提供するのみである。
【００１９】
対照的に、図４ａの改良されたアプローチの溝付き構造４０７とマニホールド４０２との間の接合部分は、より複雑であり、多数の突出部４１５、４１６及びそこに突出部が「適合する」対応する空洞を含む。上述のこれらの突出部４１５、４１６及び対向する空洞は、溝付き構造４０７の拡大された表面積領域の上に速い流体流を強制するように意図的に設計されることによって、より効率的な流体流をもたらす。このようなものとして、流路を通る流体の流れの効率を減少させる渦及び他の停滞した運動は、従来技術のアプローチと比べて実質的に減少する。
【００２０】
追加の改良が図４ｂに見られる。図４ｂは、図４ａの流路構造の断面を示し、視点は図４ａの面４１７から＋ｘ方向に見ている。図４ａに関して上述された改良の他に、流路内の流体は、より多くの流体が溝付き構造４０７の表面に沿って拡げられることができるように、マニホールド４０２から出る突出部４１５を囲むように設計されることに留意されたい。
【００２１】
実施形態では、簡単に図４ａに戻って参照すると、流路の中に注入される流体は、突出部４１５の頂部と溝付き構造４０７の底部との間の狭い開口４１８を通って上方に向けられる。しかし、狭い開口４１８は、より高い抵抗の流体流路に対応する。
【００２２】
ｚ軸に沿って測定される突出部４１５の幅はしたがって、突出部の幅が連続的に狭くなりマニホールド４０２に向かって進むように、先細にされる。突出部の減少する幅４７０は、マニホールド４０２に近い突出部４１５の側部に沿ったより広い開口を作り、これは、突出部４１５の頂部と比べて突出部４１５の側部に沿った空洞内の減少した流体抵抗に対応する。
【００２３】
突出部４１５の側部に沿ったより低い流体抵抗及び流体がマニホールド出口開口を通って垂直に流れる力の結果として、流体は、流体が（突出部４１５の頂部に沿ってではなく）流路を流下するとき、流体は、（マニホールド４０２の表面に沿った）側部流路の外壁に沿って流れる運動量を有する。側部流路の外壁を横切る流体流は、流体流による溝付き構造４０７のより大きい表面積適用範囲に対応し、それによって、除去される熱の量を増加させる。このようなものとして、高効率な全体的な解決法が実現される。
【００２４】
より低い流体抵抗流路に沿った溝付き構造４０７のより大きい表面積の上に分散される流体流のほかに、システムが、システムの効率をさらに高めるより低い流体流量を使用できることを再び強調することが適切である。特に、流路を形成するために使用される構造４１５、４１６、４５０、４６０、４７０は、溝付き構造４０７の様々な表面に沿って流れることを流体に強いることに重点を置いて設計される。ここでは、理想的には、効率的な熱伝達に必要とされるものより多くの流路内の流体体積は必要ない。そして、（流れが（壁面における）ゼロ速度から表面から離れた完全に発達した流れに発達する）いわゆる「境界層」がより薄いとき、（表面４０７のような）表面から流体への熱伝達はより効率的に生じる。（与えられた流量に対して）より狭い流路がより薄い境界層をもたらすとすると、流れを方向付ける特徴の欠如は、薄い境界層を達成するためにより高い全体的な流体の流量を必要とする。より高い流れは、ポンプに追加的な負荷を加え、これはシステムの効率を減少させ、また、より大きく、より高価な配管設備（増加した直径のホース、配管、コネクタ、バルブ、等）も必要とする。
【００２５】
図４ｂはまた、厳密な長方形構造ではなく、滑らかな、湾曲断面を示す。滑らかな湾曲構造の使用は、（長方形構造又は配向の急激な変化が渦等を作り得るので、）流体抵抗を低減するのに役立つ。
【００２６】
したがって、要約すると、溝付き構造４０７の拡大された表面積に沿った低抵抗流路を通る流体流を促進するように設計される構造の使用は、より高い速度の、より低い体積の流体流を提供し、これらの全ては組み合わせて低性能ポンプを用いても、かなりの熱の除去を提供する。より低い体積の流体流が実質的に流体流路を満たさない流体体積さえ含み得ることに留意されたい。実際の流体体積は、元の流体流路体積の２５％以下であり得る。
【００２７】
図４ａ及び４ｂの特徴は例示的であることを指摘することが適切である。図４ａ及び４ｂの図と構造的に異なるが依然として本議論の教示を包含する代替実施形態が存在し得る。
【００２８】
単なる１つの例として、図４ａの描かれた流体流は逆転され得る。すなわち、流体は、マニホールド開口４１１から流路に入り、マニホールド開口４１０から流路を離れ得る。流路に流入している流れが、突出部４１６によって「分割」されるという事実以外は、上述の同じ原理が依然として当てはまる。
【００２９】
また、図４ａは、同じマニホールド入口開口４１１の中に流入する１対の流体流を描いているのに対して、他の実施形態では、単一の流体流のみが、１対のマニホールド入口開口に及び出口開口から流れる。例えば、突出部４１６は、その側部が、特徴４５０に対する設計に似ている他の側壁構造を形成するように、下に延ばされ得る。
【００３０】
さらに、急激な角度変化が図４ａの溝付き構造４０７及びマニホールド４０２の表面に見られるが、その代わりに、このような変化は、（図４ｂに見られる構造と類似して）表面が連続的に滑らかであるように、より緩やかに作られ得る。図４ａに見られる特定の角度はまた、実施形態ごとに変わり得る。さらに、単一の表面（例えば、図４ａの表面４５１又は４５２）が、図４ａに描かれているより大きい角度配向変化を示し得る。
【００３１】
上述のように、溝付き構造４０７は、熱が熱発生要素から溝付き構造４０７の底面に伝達されることができるように、熱伝導性であるべきである（又は、代替的に、熱発生要素は、加熱された流体がそれを温めるために流路の中に送り込まれる「コールドシンク（ｃｏｌｄ  ｓｉｎｋ）」と交換されることができる）。溝付き構造は、要求に応じて記載された流路４０７及び突出部４１６の特徴を作るように、溝を形成され得る、フライス加工され得る、鋳造され得る、３Ｄプリントされ得る等の材料から構成されるべきである。例は、適切な互換の機械加工プロセスとともに、アルミニウム、銅、セラミック等を含む。
【００３２】
マニホールド構造４０２は、厳密な熱伝達要件を有さず、材料の選択は決定的ではない。実際、溝付き流路構造４０７の外側の流体への如何なる熱伝達も回避されることが望ましい場合があり、マニホールド４０２のための低い熱伝導性材料が適切である。材料は、プラスチック、ポリマ、セラミック等を含む。何れの場合も、マニホールド材料の選択は、穴あけ、フライス加工、モールディング、エッチング等のようなプロセスを用いる突出部４１５及び流体経路チャンネルを製造するための検討を含むべきである。
【００３３】
溝付き構造は、熱伝導性であるが、用途に応じて導電性であってもなくてもよい（例えば、溝付き材料が導電性に作られる場合、それは接地平面として使用されることができる）。マニホールドは、用途に応じて、熱伝導性又は導電性であってもなくてもよい。また、上で議論された実施形態は、突出部の表面が曲げられた設計を含んでいるが、考えられるところでは、流体流が溝付き構造とマニホールドとの間に接合部分の表面に対して垂直にマニホールドに流入することを可能にされる（しかし、例えば、溝付き構造によって形成される流路の形状は、流体流方向における突然の変化が回避されるように、徐々に変化する）、他の設計アプローチが存在し得る。
【００３４】
ここに提供される教示は、多くの異なる種類の応用に拡張される考えられる。応用の１つの群では、熱発生要素は、半導体ダイ又はパッケージされた半導体ダイである。前者の場合、冷却アセンブリは、ダイパッケージ内にあり得る。後者の場合、冷却アセンブリは、（例えば、パッケージされた装置の下にあるＰＣＢプラットホームの一部として）ダイパッケージの外側にあり得る。他の応用では、熱発生要素は、（例えば、ソーラーパネル、エンジン、モータ、発熱反応、光源等）熱を発生する任意の装置又はユニットであり得る。
【００３５】
前述の明細書において、本発明は特定の例示的な実施形態を参照して記載されている。しかし、様々な変更及び変形が、添付の請求項に述べられるより広い本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、行われ得ることは明らかである。従って、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味として見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
2016032101.tif 000004
【図３】
2016032101.tif 000005
【図４ａ】
2016032101.tif 000006
【図４ｂ】
2016032101.tif 000007
【外国語明細書】
2016032101000001.pdf