(57)【要約】運動熱シンクが、その間に熱を伝導させるために第１の熱伝導表面と、第２の熱伝導表面とを伴う、固定部を有する。熱を生成するデバイスを冷却するために、固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、そこから延在する第１の複数のフィンを有する。運動熱シンクはまた、固定部と回転可能に結合される回転構造も有する。回転構造は、第２の熱伝導表面から受容される熱を、回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成される。回転構造は、第１の複数のフィンに向かって延在する第２の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有する。第１の複数のフィンの少なくとも一部は、好ましくは、第２の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その間に熱を伝導させるために第１の熱伝導表面と、第２の熱伝導表面とを有する、固定部であって、前記固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、前記第２の熱伝導表面は、そこから延在する第１の複数のフィンを有する、固定部と、
前記固定部と回転可能に結合される回転構造であって、前記回転構造は、前記第２の熱伝導表面から受容される熱を、前記回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成され、
前記回転構造は、前記第１の複数のフィンに向かって延在する第２の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有し、前記第１の複数のフィンの少なくとも一部は、前記第２の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する、回転構造と
を備える、運動熱シンク。
【請求項２】
前記第１の複数のフィンの一部は、少なくとも２の高さ幅比を有する、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項３】
前記第２の複数のフィンの一部は、少なくとも２の高さ幅比を有する、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項４】
前記第１の複数のフィンのセットは、前記第２の複数のフィンのセットと半径方向間隙を形成し、前記半径方向間隙は、約２５ミクロン〜２００ミクロンである、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項５】
前記交互嵌合するフィンは、半径方向において、軸方向におけるよりも少なくとも２倍大きな重複する表面積を有するように構成される、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項６】
前記固定部および回転構造は、その間に少なくとも２５ミクロンの軸方向間隙を形成する接面を有する、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項７】
前記第１および第２の複数のフィンの一部は、均一な断面積を有する、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項８】
前記第１および第２の複数のフィンの一部は、三角形の断面積を有する、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項９】
前記第１の複数のフィンは、第１の厚さを有する第１の固定フィンと、第２の厚さを有する第２の固定フィンとを含み、前記第１の厚さは、前記第２の厚さと異なる、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１０】
前記第１の複数のフィンは、第１の高さを有する第１の固定フィンと、第２の高さを有する第２の固定フィンとを含み、前記第１の高さは、前記第２の高さと異なる、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１１】
前記第２の複数のフィンは、第１の厚さを有する第１の回転フィンと、第２の厚さを有する第２の回転フィンとを含み、前記第１の厚さは、前記第２の厚さと異なる、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１２】
前記第２の複数のフィンは、第１の高さを有する第１の回転フィンと、第２の高さを有する第２の回転フィンとを含み、前記第１の高さは、前記第２の高さと異なる、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１３】
前記半径方向間隙は、第１の半径方向位置における第１の半径方向間隙と、第２の半径方向位置における第２の半径方向間隙とを含み、前記第１の半径方向間隙は、前記第２の半径方向間隙と異なる、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１４】
前記第１の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１５】
前記第２の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項１に記載の運動熱シンク。
【請求項１６】
前記固定部および前記回転構造は、複数の熱伝導材料を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記固定部および前記回転構造は、銅、アルミニウム、銀、ニッケル、鉄、亜鉛、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、熱伝導材料を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記回転構造は、熱が前記固定部から前記回転構造に容易に伝達するのに十分な速度で、前記固定部に対して回転可能に移動する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
電子デバイスからの熱を放熱する方法であって、前記方法は、
第１および第２の熱伝導表面を有する固定構造を提供するステップであって、前記固定構造は、前記電子デバイスからの熱を受容するために、前記第１の熱伝導表面において前記電子デバイスに熱的に結合され、前記固定構造は、受容した熱を、前記第１の熱伝導表面から前記第２の熱伝導表面に伝導し、前記第２の熱伝導表面は、第１の複数のフィンを備える、ステップと、
前記第２の熱伝導表面に接する熱抽出表面を有する回転構造を回転させるステップであって、前記熱抽出表面は、前記第１の複数のフィンと交互嵌合する第２の複数のフィンを備え、前記回転させるステップの作用は、少なくとも部分的かつ実質的に、熱を、前記第２の熱伝導表面から、前記回転構造と連通する熱リザーバに伝達する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記固定構造と前記回転構造との間の電気モータを通電するステップであって、前記電気モータは、（ｉ）前記固定構造に固定可能に取り付けられる固定部と、（ｉｉ）前記回転構造に固定可能に取り付けられる回転部とを有し、前記通電するステップの作用は、前記回転構造を回転させる、ステップ
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記固定部および回転性構造は、半径方向間隙を形成し、
前記方法は、
前記第２の複数のフィンと、前記第１の複数のフィンとの間の半径方向間隙内に不連続的流体フローを生成するステップであって、前記不連続的流体フローは、流体が前記半径方向間隙内で流れることを促す、ステップ
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の複数のフィンおよび第２の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権）
本願は、発明者Ｌｉｎｏ  Ａ．  ＧｏｎｚａｌｅｚおよびＳｔｅｖｅｎ  Ｊ．  Ｓｔｏｄｄａｒｄの  “ＫＩＮＥＴＩＣ  ＨＥＡＴ−ＳＩＮＫ  ＷＩＴＨ  ＣＯＮＣＥＮＴＲＩＣ  ＩＮＴＥＲＤＩＧＩＴＡＴＥＤ  ＨＥＡＴ−ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＦＩＮＳ，”と題され、２０１３年８月２１日に出願された、米国特許出願第６１／８６８，３６２からの優先権を主張するものであり、その開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本発明は、概して、回転式熱抽出および放熱デバイスに関し、より具体的には、本発明は、電子部品とともに使用するための運動熱シンクに関する。
【背景技術】
【０００３】
動作中、電子回路およびデバイスは、廃熱を生成する。適切に動作するために、電子回路およびデバイスの温度は、典型的には、ある制限内でなければならない。そのために、電子デバイスの温度は、多くの場合、電子デバイス付近またはその上に物理的に搭載される熱シンクを使用して調整される。
【０００４】
「運動熱シンク」（ＫＨＳ）として知られる、熱シンクアセンブリの比較的新しい１つのタイプは、発熱した電子デバイス上またはその付近に搭載される固定基盤に対して回転する、統合された流体指向構造とともに熱質量を有する。運動熱シンクは、固定熱シンクよりも良好な冷却を提供する潜在性を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者の知る限りでは、運動熱シンクの固定構成要素および回転部の種々のトポロジーが、開発されている。しかしながら、本発明者は、そのようなトポロジー間のインターフェースが、多くの場合、望ましい熱抽出および放熱性能を得るために、精密な公差（多くの場合、マイクロメートルスケール）における表面特徴を要求することを認識した。そのような要件は、多くの場合、標準製造機器に対して適合可能ではない精密な製造技法を要求する。本発明者は、それにもかかわらず、標準製造機器を用いた使用を促進する、引き上げられた公差限界を可能にする技術を発見した。
【０００６】
例証的実施形態によると、運動熱シンクは、その間に熱を伝導させるために、第１の熱伝導表面と、第２の熱伝導表面とを伴う、固定部を有する。熱を生成するデバイスを冷却するために、固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、そこから延在する第１の複数のフィンを有する。運動熱シンクはまた、固定部と回転可能に結合される回転構造も有する。回転構造は、第２の熱伝導表面から受容される熱を、回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成される。回転構造は、第１の複数のフィンに向かって延在する第２の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有する。第１の複数のフィンの少なくとも一部は、好ましくは、第２の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する。
【０００７】
固定基盤および／または回転構造は、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための構造的特徴を含み得る。構造は、例えば、回転構造の定常回転に起因して形成されるであろう、望ましくない完全に発達したフローの形成を阻害する、またはそれを行うためにデバイスの動作速度において局所的二次フローを形成し得る。特徴は、交互嵌合するフィンによって形成されるチャネルの壁、天井、または床面内に位置する突起、陥凹、間隙、またはそれらの組み合わせであり得る。
【０００８】
本発明の別の実施形態によると、電子デバイスからの熱を放熱する方法は、第１および第２の熱伝導表面を有する固定構造を提供する。固定構造は、電子デバイスから熱を受容するために、第１の熱伝導表面において電子デバイスに熱的に結合され、受容した熱を、第１の熱伝導表面から第２の熱伝導表面に伝導する。第２の熱伝導表面は、第１の複数のフィンを含む。本方法はまた、第２の熱伝導表面に接する熱抽出表面を有する回転構造を回転させる。熱抽出表面は、第１の複数のフィンと交互嵌合する第２の複数のフィンを有する。回転させるステップの作用は、少なくとも部分的かつ実質的に、熱を、第２の熱伝導表面から、回転構造と連通する熱リザーバに伝達する。
【０００９】
前述の実施形態の特徴は、以下の付随の図面を参照して検討される、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合する熱伝達フィンを伴う運動熱シンクの断面図を図式的に示す。
【図２】図２は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンクの交互嵌合するフィンの平面図を図式的に示す。
【図３】図３は、本発明の例証的実施形態による、熱を放熱するための運動熱シンクの動作を図式的に例証する。
【図４】図４は、交互嵌合するフィンの幾何特徴を図式的に示す。
【図５】図５は、従来技術の運動熱シンクを例証する。
【図６Ａ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｂ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｃ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｄ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｅ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｆ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図６Ｇ】図６Ａ−６Ｇは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の例証的実施形態による、循環ポートを伴う交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の例証的実施形態による、直線フィンを伴う運動熱シンクの回転構造を例証的に示す。
【図８】図８Ａ−８Ｄは、交互嵌合するフィンおよび循環ポートの種々の実施形態を伴う、図７Ｂの運動熱シンクの一部を例証的に示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の代替実施形態による、運動熱シンクを図式的に示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、回転構造において丸型循環ポートを伴う、図９Ａの運動熱シンクの一部を図式的に示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の別の例証的実施形態による、固定フィンを伴う運動熱シンクを図式的に示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の別の実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクを図式的に示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、電気モータアセンブリを伴う、図１０Ａの運動熱シンクを図式的に示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を図式的に示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の例証的実施形態による、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための特徴を伴う、交互嵌合するフィンを図式的に示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の別の例証的実施形態による、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための他の特徴を伴う、交互嵌合するフィンを図式的に示す。
【図１２】図１２は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィン内の例示的流体フローを図式的に示す。
【図１３】図１３は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンクを動作させるプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例証的実施形態では、運動熱シンクは、軸方向熱伝達に加えて、またはその代わりに、半径方向熱伝達を生成するために、その固定および回転構成要素の間に交互嵌合するフィンを有する。本発明者は、驚くべきことに、そのような運動熱シンクが、主として軸方向熱伝達に依拠する従来技術の運動熱シンクの精密かつ複合的公差を要求しないことが分かった。具体的には、交互嵌合するフィンは、単一軸方向表面より多くの臨界面を導入するが、交互嵌合するフィンは、より大きな間隙を可能にする。有利には、これらのより大きな間隙は、概して、半径方向の振れが軸方向の振れよりも制御可能であるため、より制御しやすい。故に、多くのそのような実施形態では、標準製造機器および技法が、より効率的な運動熱シンクをもたらし得る。加えて、本革新を用いて、固定および回転部は、全体的なデバイスの占有面積を増加することなく、より効率的に廃熱を伝達し得る。したがって、例証的実施形態を実装する運動熱シンクは、多くの場合、同じ占有面積を有する従来技術の熱運動熱シンクよりも多くの廃熱を放熱し得る。
【００１２】
交互嵌合するフィンはまた、粉塵が固定および回転構成要素間の領域に進入することを防止するラビリンス型シールを形成し得る。これは、特に、内部構成要素（例えば、モータまたはスピンドル）を粉塵汚染から保護する際に効果的である。
【００１３】
図１は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィン１０２を伴う運動熱シンク１００を図式的に例証する。具体的には、運動熱シンク１００は、第１の熱伝導表面１０８と、第２の熱伝導表面１１０とを伴う、基盤構造１０６を有する固定部１０４を含む。第１の熱伝導表面１０８は、熱生成構成要素１１２（例えば、電子デバイス、マイクロプロセッサ、チップ等）に固定可能に搭載するように構成される。第２の熱伝導表面１１０は、交互嵌合するフィン１０２の一部を形成する、固定フィン１１４のセットを形成する。
【００１４】
運動熱シンク１００はまた、実質的に平面内で回転するために、シャフト１１７を介して固定部１０４と回転可能に結合する、回転構造１１６も含む。回転構造１１６は、回転基盤１１８と、流体指向構造１２０（例えば、付加的フィンまたはブレード）とを含む。回転基盤１１８は、回転フィン１２４のセットを形成する、熱抽出表面１２２を有し、これは、フィン１１４の第１のセットとともに交互嵌合するフィン１０２を形成する。固定フィン１１４および回転フィン１２４は、回転構造１１６の回転軸と同心円上にあり得る。他の実施形態は、固定フィン１１４が回転フィン１２４と同心円上にあることを要求しない。しかしながら、簡易化の目的のために、本議論の多くは、同心円フィンに関するが、種々の原理が非同心円フィンに適用され得る。固定部１０４および回転構造１１６は、同じまたは異なる熱伝導材料から作製され得る。例えば、構造１０４および１１６は、銅、アルミニウム、銀、ニッケル、鉄、亜鉛、およびそれらの組み合わせから形成され得る。
【００１５】
故に、交互嵌合するフィン１０２は、重複する固定フィン１１４および回転フィン１２４から、例えば、図に示される様式で形成される。換言すると、フィン１１４、１２４は、それらが長軸方向に相互に重複し、それらの半径方向に隣接する表面間で、それらが、無視できないほど熱を伝達することを可能にするため、交互嵌合すると見なされる。
【００１６】
同心円状に交互嵌合するフィンは、動作中の不整合からのバッファを提供する。例えば、固定部１０４と回転構造１１６との間の不整合は、それらの対応する交互嵌合するフィン１０２間の可変半径方向間隙３１０（図示せず−図３を参照されたい）をもたらし得る。例えば、固定フィン１１４ａは、その面のうちの１つの隣にある第１の回転性フィン１２４ａにより近く位置し得るが、その面の他方の隣にある第２の回転性フィン１２４ｂからはより離れ得る。オフセットは、その結果、第１のフィン１２４ａとの局所的熱抵抗を減少させる一方、第２のフィン１２４ｂとの熱抵抗への対応する増加をもたらす。半径方向間隙３１０は、約１０〜１００ミクロンであり、より具体的には、約２５〜５０ミクロンであり得る。好ましい実施形態では、半径方向間隙は、約１００〜２００ミクロン程度の大きさであり、より好ましくは、約１２５〜１５０ミクロン程度の大きさであり得る。
【００１７】
図２は、図１の運動熱シンク１００の同心円状の交互嵌合するフィン１０２の平面図を図式的に示す。固定フィン１１４のセットは、基盤構造１０６の第２の熱伝導表面１１０から、同心円状に延在する。対応する様式において、回転フィン１２４のセットは、回転基盤１１８の熱抽出表面１２２から、同心円状に延在する。当然ながら、交互嵌合するために、固定フィン１１４のセットの半径は、回転フィン１２４のセットの半径と異なる。
【００１８】
図３は、図１の運動熱シンク１００の動作を図式的に例証する。動作中、熱が熱生成構成要素１１２によって生成される間、流体指向構造１２０が、とりわけ、熱３０２を熱リザーバ３０４（例えば、運動熱シンク１００周囲の空気）に放熱する。そのために、熱生成構成要素１１２からの熱は、基盤構造１０６を横断して同心円フィン１１４に拡散される（矢印３０６を参照されたい）。固定フィン１１４のセットからの熱は、次いで、主として、半径方向間隙δ３１０を横断して近傍回転フィン１２４の対応する重複する表面に伝達される３０８。熱は、回転フィン１２４のセットから、回転基盤１１８および流体指向構造１２０を含む、回転構造１１６の他の部分に拡散し、したがって、熱リザーバ３０４に排除される。
【００１９】
図４は、交互嵌合するフィン１０２のいくつかの幾何特徴を図式的に示す。例証的実施形態では、各フィン１１４または１２４の幾何学形状は、長さＬ４０２、幅Ｗ４０４、および近傍フィンまでの距離Ｄ４０５を有するとして特徴付けられ得る。交互嵌合するフィン１０２はまた、各近傍フィン間に半径方向間隙δ３１０（事実上、チャネルを形成する）と、基盤構造１０６と回転構造１１６との間に軸方向間隙ｈ４０６と、フィン１１４、１２４の第１および第２のセットの重複部分を画定する高さＨ４０８と、フィン１０２によって形成されるチャネルを表す数Ｎとを形成すると見なされ得る。故に、熱生成構成要素１１２からの熱は、基盤構造１０６を横断して、長さＬ４０２および幅Ｗ４０４のフィン１１４の第１のセットに拡散する。
【００２０】
図２および４は、標準機器および技法を使用して製造され得るより大きな特徴および構造を例証する。
【００２１】
図２は、別個の組み立てられていない部品として、運動熱シンク１００の回転構造１１６および固定部１０４の関連がある部分を示す。固定フィン１１４および回転フィン１２４は、対応するフィンの幅Ｗ４０４および半径方向間隙δ３１０に基づいた構造において製造され得る（図４を参照されたい）。構造は、例えば、フライス盤、旋盤、またはドリルを用いて製造され得る。機械は、Ｗ＋２δに等しくあり得る、距離Ｄ４０５またはより小さいサイズのツールヘッドを有し得る。立旋盤が、例えば、１ｍｍの間隔を伴う、各幅１．１ｍｍの一連の溝を形成し得る。溝は、距離Ｄ４０５に対応し、間隔は、フィン１１４、１２４の幅Ｗ４０４に対応する。そのために、工具ビットは、半径方向間隙３１０の少なくとも半分の公差を伴う最大１．１ｍｍのサイズを有し得る。フィン１１４、１２４は、１〜３ｍｍ等、他の幅Ｗ４０４または距離Ｄ４０５を用いて製造され得る。当然ながら、エッチング、スタンピング、鋳造、鍛造等、他の標準製造技法も、本デバイスを加工するために採用され得る。
【００２２】
他の実施形態では、フィンは、加工され、例えば、はんだ付け、ろう付け、溶接、および接着（糊、セメント、および接着剤等を用いて）を介して、固定部１０４および回転構造１１６の基盤領域に取り付けられ得る。
【００２３】
対照的に、平行または角度付けられた熱伝達表面を有する運動熱シンクは、概して、軸方向間隙を画定する寸法において製造される。図５は、１つのそのようなクラスの、当分野で公知の従来技術の運動熱シンクを例証する。固定基盤構造５０２は、熱生成構成要素５０４に搭載される。インペラ５０８を伴う回転構造５０６が、軸方向間隙５１０を横断するデバイスの実質的占有面積に及ぶ平行面を形成するために、固定基盤構造５０２に結合される。そのような精度を伴って平行面を製造するステップは、典型的には、類似するサイズの熱的解決策と比較して、このクラスの運動熱シンクのコストを増加させる。
【００２４】
再び図４を参照すると、種々の実施形態は、表面積に比例し、表面間の間隙厚さに反比例する、増加された効果的な熱伝達伝導性（Ｑ／ΔＴ）ｉｎｃｒｅａｓｅを有し得る。平行または角度付けられた表面の熱伝達伝導性と比較されるとき、増加は、
【化１】
2016528743.tif 000003
として表され得る。例えば、（ｉ）
【化２】
2016528743.tif 000004
であるように交互嵌合し、（ｉｉ）半径方向間隙δ３１０＝４５ミクロンである同心円フィンを伴う２つの表面を有する運動熱シンクは、約１０Ｗ／Ｃの熱伝導性を有し得る。類似熱伝導性を有するために、平行面を伴う運動熱シンクは、軸方向に１５ミクロン離れて離間される間隙５１０を有し得、これは、半径方向間隙δ（３１０）よりも３倍小さい。当然ながら、他の熱伝導性も、生成され得る。
【００２５】
そのために、固定フィン１１４および回転フィン１２４は、少なくとも２の、より好ましくは、少なくとも３の範囲内の、さらにより好ましくは、３〜６の範囲内の高さ４０２／幅Ｗ４０４比（Ｈ／Ｗ）を有し得る。他の実施形態では、固定フィン１１４および回転フィン１２４は、少なくとも２の、より好ましくは、少なくとも３の範囲内の、さらにより好ましくは、３〜６の範囲内の長さＬ４０８／距離Ｄ４０５比（Ｌ／Ｄ）を有し得る。さらに他の好ましい実施形態では、半径方向４１０のフィン１１４、１２４間の重複する表面積は、軸方向４１２においてよりも、少なくとも２倍、より好ましくは、少なくとも３倍の範囲内で、さらにより好ましくは、３〜６倍の範囲内で、より大きい。
【００２６】
交互嵌合するフィン１０２は、異なる高さ、厚さ、およびテーパ角度を含む、種々の幾何学形状と適合され得る。図６Ａ−６Ｇは、種々の実施形態による、同心円状に交互嵌合するフィン１０２を伴う運動熱シンク１００を例証的に示す。
【００２７】
図６Ａでは、運動熱シンク１００は、三角形の断面積を有する、同心円状に交互嵌合するテーパ状フィン６０２を含む。テーパ状フィン６０２は、約１０〜６０°の内角６０４を有し得る。テーパ状フィン６０２は、より効果的な熱伝達領域を有することに起因して、より高い熱伝達密度を可能にする。
【００２８】
図６Ｂでは、同心円状に交互嵌合する勾配フィン６０２は、台形の断面積を有する。
【００２９】
図６Ｃでは、第２の熱伝導表面１１０または熱抽出表面１２２は、流体が、デバイスの内側半径部分から外側半径部分へ、交互嵌合するフィンの異なる段の間をより容易に流れるための溝等、表面特徴６０４を含み得る。
【００３０】
運動熱シンク１００は、軸方向４１０に沿って変動する、半径方向および軸方向間隙（３１０、４０６）を伴って構成され得る。変動は、外側半径方向場所におけるより大きな振れおよびより高い剪断損失を補償し得る。一実施形態では、例えば、半径方向間隙δ３１０および軸方向間隙ｈ４０６は、内側半径方向場所から外側半径方向場所にかけて増加し得る。
【００３１】
図６Ｄでは、固定部１０４は、角度６１２を有するテーパ状表面６０８を有し、回転構造１１６は、角度６１０を有するテーパ状表面６１４を有する。角度６１０、６１２は、約１〜３０°であり得、同じであり得る。同心円状に交互嵌合するフィン１０２は、テーパ状表面６０８、６１４から延在する。
【００３２】
図６Ｅでは、同心円状に交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンク１００は、対向するまたは放射状に広がるテーパ状表面６０８、６１４から延在する。結果として、同心円状に交互嵌合するフィン１０２の長さＬ４０２は、半径方向４１０に沿って変動し、内側領域における半径方向間隙３１０が、デバイスの外側領域よりも大きくなる結果をもたらし得る。
【００３３】
図６Ｆでは、同心円状に交互嵌合するフィン１０２は、より大きく効果的な熱伝達表面積を有する、複合的形状６１６を有し得る。例えば、各交互嵌合するフィン１０２は、そこから延在する二次フィン６１８のセットを含み得る。二次フィン６１８は、長さＬ４０２に沿って各交互嵌合するフィンの幅Ｗ４０４を変動し得る。いくつかの実施形態は、二次フィン６１８の一部を交互嵌合させる。
【００３４】
図６Ｇでは、フィン１１４、１２４は、可変幅Ｗ４０４または可変高さＨ４０２を有し得る。示されるように、回転フィン１２４間の高さＨ４０２および幅Ｗ４０４は、固定フィン１１４間と同様に異なる。加えて、フィン間の間隔は、異なる半径方向場所の間で変動し得る。例えば、デバイスの中心付近の半径方向位置における半径方向間隙δ３１０は、周囲付近の半径方向位置における半径方向間隙δ３１０と比較してより小さくなり得る。異なる半径方向場所の間の半径方向間隙δ３１０における変化は、線形関数、多項式関数、または指数関数に基づき得る。
【００３５】
図７Ａは、同心円状に交互嵌合するフィン１０２および循環ポート７０２を伴う運動熱シンク１００の別の実施形態を、例証的に示す。ポート７０２は、流体指向構造１２０から交互嵌合するフィン１０２中への流体フローを可能にし、逆の場合も同じである。循環ポート７０２は、回転構造１１６内に、具体的には、流体指向構造１２０間の回転基盤１１８に位置し得る。循環ポート７０２は、円形、弧状形状、または角度付けられ得る。
【００３６】
図７Ｂは、例証的実施形態による、運動熱シンクの流体指向構造１２０を例証的に示す。本実施例では、回転構造１１６は、流体指向構造１２０の一部として相互の間に介在される、９０個の長い直線フィン７０４と、９０個の短い直線フィン７０６とを含む、１８０個のフィンのセットを含む。長いフィン７０４のセットは、回転基盤１１８の、例えば、直径の５０パーセントを超える、実質的な部分に及び得る。一実施形態では、回転構造１１６は、例えば、１０５０ｃｍ２の表面積を提供するために、８．８９ｃｍの外径と、１．２７ｃｍの高さとを有する。長いフィンのみを有する匹敵する占有面積の運動熱シンク（例えば、５９ｃｍ２の表面積を有する）と比較されるとき、回転構造１１６の表面積は、２２パーセント近く大きい。ここでは、回転構造１１６は、図示されないが、回転かつ交互嵌合するフィン１２４を含む。当然ながら、他の直線フィンおよびインペラの構成も、採用され得る。
【００３７】
図８Ａ−８Ｄは、交互嵌合するフィン１０２および循環ポート７０２の種々の実施形態を伴う、図７Ｂの運動熱シンク１００の一部を例証的に示す。具体的には、図８Ａは、丸型循環ポート７０２を伴う回転構造１１６の一部の上面図を示す。循環ポート７０２は、交互嵌合するフィン１０２との関連で示される。循環ポート７０２は、流体指向構造１２０間の回転基盤１１８内に配置され得る。循環ポート７０２は、回転フィン１２４および固定フィン１１４等、フィンの１セットにわたって配置され得る。循環ポート７０２ａは、固定および回転式の交互嵌合するフィン１１４、１２４間の半径方向間隙δ３１０にわたって配置され得る。
【００３８】
図８Ｂは、交互嵌合するフィン１０２の対を横断して延在する循環ポート７０２を伴う、回転構造１１６の一部の上面図を示す。循環ポート７０２は、流体指向構造１２０間に配置される細長のストリップとして示される。循環ポート７０２は、異なる半径方向場所に位置し得る。当然ながら、循環ポート７０２は、回転構造１１６内で半径方向に延在する他の長さを有し得る。
【００３９】
図８Ｃは、回転フィン１２４において切れ目８０２を伴う、図８Ｂの回転構造１１６を図式的に示す。循環ポート７０２は、切れ目８０２に配置され得る。切れ目８０２は、同じ半径方向に沿って（示されるように）、または異なる半径方向場所に沿って位置し得る。切れ目８０２の幅はまた、異なる切れ目８０２の間で変動し得る。回転フィン１２４もまた、切れ目８０２においてテーパ状または丸型であり得る。
【００４０】
図８Ｄは、固定フィン１１４において切れ目８０２を伴う、図８Ｂの回転構造１１６を図式的に示す。循環ポート７０２は、切れ目８０２に配置され得る。循環ポート７０２ｂの別のセットが、固定フィン１１４および回転フィン１２４の切れ目８０２に配置される。切れ目８０２は、同じ半径方向に沿って（示されるように）、または異なる半径方向場所に沿って位置し得る。切れ目の幅はまた、異なる切れ目の間で変動し得る。固定フィン１１４もまた、切れ目８０２においてテーパ状または丸型であり得る。
【００４１】
図９Ａおよび９Ｃは、本発明の実施形態による、交互嵌合するフィン１０２と、二次固定フィン９０２とを伴う、運動熱シンク１００を例証的に示す。二次固定フィン９０２の実施例は、「Ｋｉｎｅｔｉｃ  Ｈｅａｔ  Ｓｉｎｋ  Ｗｉｔｈ  Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｆｉｎｓ」と題され、２０１３年４月２６日に出願された、米国仮出願第６１／８１６，４５０号と、２０１４年３月１７日に出願され、前述の仮特許出願の優先権を主張する、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１４／３０１６２号とに説明され、両方とも、その全体が、本明細書に参照することによって本明細書に組み込まれる。二次固定フィン９０２は、基盤構造１０６から延在し、熱排除のための付加的表面積を提供する。二次固定フィン９０２は、流体指向構造１２０と、囲繞する熱リザーバ３０４との間の経路９０４（図９Ｃを参照されたい）に存在する。本実施形態では、流体指向構造１２０は、運動熱シンク１００の占有面積の８６％近くに及ぶ、４２個の曲線矩形フィンのセットを含む。二次固定フィン９０２のセットは、運動熱シンク１００の占有面積の１２パーセント近くに及ぶ、２００個の直線半径方向フィンを含む。
【００４２】
ある実施形態では、運動熱シンクの占有面積は、例えば、合計８．８９ｃｍの外径を有し得る。流体指向構造１２０のセットは、４３ｃｍ２の表面積を有する、７．６２ｃｍの半径方向長さを有する。０．５ｍｍ幅のチャネルを形成する、１．０１６ｃｍの長さと、０．５ｍｍの断面積とを有する二次固定フィン９０２のセットの追加は、２８ｃｍ２だけ表面積を増加させ得る。当然ながら、他の寸法およびフィン数も、採用され得る。
【００４３】
図９Ｂは、回転構造１１６において丸型循環ポート７０２、７０２ａを伴う、図９Ａの運動熱シンク１００の一部の上面図を例証的に示す。循環ポート７０２、７０２ａは、交互嵌合するフィン１０２との関連で示される。
【００４４】
図１０Ａは、本発明の別の実施形態による、交互嵌合するフィン１０２を伴う運動熱シンク１００を図式的に例証する。具体的には、運動熱シンク１００は、回転構造１１６と固定部１０４との間に軸方向軸受１００２を含む。とりわけ、スラストころ軸受と、ブッシングと、転動体軸受と、流体軸受と、空気軸受とを含む、種々のタイプの軸受が、採用され得る。軸方向軸受１００２は、回転構造１１６と固定部１０４との間の軸方向間隙ｈ４０６を維持するように適合される。代替実施形態では、軸方向軸受１００２は、運動熱シンク１００の外側半径部分内に存在し得る。
【００４５】
運動熱シンク１００は、半径方向間隙δ３１０を維持し、２つの表面１０４、１１６を整合するために、回転構造１１６と固定部１０４との間に半径方向軸受１００４を含み得る。回転構造１１６は、半径方向軸受１００４と連通するように構成される、シャフト部１００６を含み得る。シャフト部１００６は、回転構造１１６の一部として統合され得るが、半径方向軸受１００４は、固定部１０４に取り付けられる。
【００４６】
図１０Ｂは、電気モータアセンブリ１００８を有する、別の熱シンク実施形態を示す。本実施形態では、回転構造１１６は、モータ固定構成要素およびモータ回転構成要素を含む、モータアセンブリ１００８を通して、固定部１０４に回転可能に結合される。モータ固定構成要素は、ステータ１０１０（すなわち、電気巻線および電機子）と、随意に、ハウジングとを含み得る。モータ回転構成要素は、ロータシャフトと、その上に取り付けられる、例えば、永久磁石１０１２を含む、構成要素とを含み得る（いくつかの実施形態では）。モータ固定構成要素は、好ましくは、固定部１０４に固定可能に結合され、したがって、固定部材の一部として見なされ得る。モータ回転構成要素は、回転構造１１６に、固定可能に結合される、またはギアを介して結合され得る。モータ固定構成要素およびモータ回転構成要素は、好ましくは、概して、回転構造１１６と固定部１０４との間に同心円状に位置する。
【００４７】
任意の数の異なるモータ構成が、使用され得る。例えば、運動熱シンクは、電気巻線に提供される電流または電圧を調整することによって、回転構造１１６の回転速度を調整するために、コントローラ１０１４を含み得る。例証的実施形態では、電気巻線は、モータ固定構成要素の一部である。しかしながら、モータ回転構成要素の一部である電気巻線を有する設計を含め、種々のモータトポロジーが採用され得ることが、当業者にとって明白であるはずである。コントローラ１０１４は、制御回路と、ドライバ回路と、対応する信号処理回路とを含み得る。コントローラ１０１４は、固定部１０４内に、またはその上に搭載され得る。制御回路は、パルス幅変調、周波数、位相、トルク、および／または振幅制御を提供するように構成され得る。
【００４８】
運動熱シンクはまた、コントローラ１０１４に対してフィードバック信号を提供するために、センサ１０１６も含み得る。フィードバック信号は、速度または温度に基づき得る。速度は、回転部１１６および／またはモータの回転速度を含み得る。温度は、熱生成要素１１２、固定部１０４、回転構造１１６、半径方向間隙３１０、および／またはモータ１００８のものであり得る。とりわけ、センサ１０１６は、容量ベースのセンサ、サーモカップル、および／または赤外線検出器であり得、スケーリングされない、またはオフセットされる、温度値とのある相関関係を単に有する、電気信号を出力し得る。種々のコントローラおよび制御スキームが、温度、回転速度、およびクリアランス間隙に基づいて、熱放熱装置を調整するために利用され得ることが、当業者にとって明白となるはずである。また、モータ固定構成要素（例えば、電気巻線）の一部が、回転軸と同心円状の種々の場所に配置され得ることも、当業者にとって明白となるはずである。例えば、回転軸に近接する、またはその付近のモータアセンブリ１００８よりも、モータ固定構成要素（電気巻線を有する）は、ロータ軸から遠位に位置し得る。同様に、モータ固定構成要素（例えば、電気巻線）の一部は、回転構造１１６の上部または固定部１０４内に位置し得ると想定される。
【００４９】
種々の直流および交流ベースのモータが、採用され得る。直流（ＤＣ）ベースのモータの実施例は、ブラシＤＣモータと、永久磁石電気モータと、ブラシレスＤＣモータと、スイッチ式リラクタンスモータと、コアレスＤＣモータと、ユニバーサルモータとを含み得る。交流（ＡＣ）ベースのモータの実施例は、単相同期モータと、多相同期モータと、ＡＣ誘導モータと、ステッパモータとを含み得る。モータアセンブリは、サーボモータ等の統合されたモータコントローラを含み得る。モータは、パルス幅変調スキームまたは直流制御に基づいて動作し得る。
【００５０】
本実施形態は、従来のスピンドルモータ（例えば、流体動圧スピンドルモータ）を採用し得る。流体動圧軸受スピンドルモータ等、スピンドルモータは、「Ｋｉｎｅｔｉｃ  ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ  ｈａｖｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｇａｐ」と題され、２０１３年６月６日に出願された、米国特許出願第１３／９１１，６７７号に説明され、その全体が、本明細書に参照することによって組み込まれる。
【００５１】
他の実施形態では、交互嵌合するフィン１０２は、半径方向間隙δ３１０を横断する熱伝達特性を改良するためのトポグラフィック構造を含み得る。そのために、図１１Ｂは、本実施形態による、半径方向間隙３１０の熱伝達特性を改良するための特徴を伴う、交互嵌合するフィン１０２を図式的に例証する。構造は、例えば、回転構造の１１６回転に起因して形成されるであろう、望ましくない完全に発達したフローの形成を阻害する、またはそれを行うためにデバイスの動作速度において局所的二次フローを形成し得る。図は、固定フィン１１４および回転フィン１２４を含む、図１１Ａを横断する中心平面Ａに沿って交互嵌合するフィン１０２の一部の詳細な断面図を示す。
【００５２】
回転フィン１２４は、フィン壁１１０４から延在する、少なくとも１つの突起構造１１０２を含む。突起構造１１０２は、固定フィン１１４に対して移動する回転フィン１２４に起因して形成され得る、望ましくない完全に発達したフローを阻害する、不連続的流体フローを生成するために、半径方向間隙３１０中に延在する。クエット流れが、例えば、流体の移動および粘度の剪断力に起因して、半径方向間隙３１０内に形成され得る。約５０ミクロンの半径方向間隙３１０に関して、突起構造１１０２は、半径方向間隙δ（３１０）の幅の５０パーセント中に延在し得る。突起構造１１０２は、弧状に成形され得る（図１１Ｂを参照されたい）。当然ながら、丸型、正方形、長方形、および三角形の形状を含む、他の形状も、採用され得る。
【００５３】
回転フィン１２４は、フィンの各側に複数の突起構造１１０２を含み得る。図は、例えば、段（例えば、第１の段１１０２ａおよび第２の段１１０２ｂ）に位置する突起構造１１０２のセットを示す。突起構造１１０２は、フィン１１０２ｃに示されるように角度付けられる、またはフィン１１０２ｂに関して示されるように垂直であり得る。
【００５４】
突起構造１１０２は、両方の近傍半径方向間隙３１０におけるクエット流れの形成を阻害するために、回転フィン１２４の両側に位置し得る。
【００５５】
突起１１０２の代替として、またはそれに加えて、交互嵌合するフィン１０２は、半径方向間隙３１０の熱伝達特性を改良するために、陥凹１１０６を含み得る。
【００５６】
図１１Ｃは、別の実施形態による、半径方向間隙３１０の熱伝達特性を改良するための他の特徴を伴う、交互嵌合するフィン１０２を図式的に例証する。フィン１１４、１２４は、回転フィン１２４の壁１１０４に沿って、陥凹１１０６中に流体フローとして渦を形成するために、陥凹１１０６を含む。陥凹１１０６は、半径方向間隙３１０内の流体フローと概して垂直方向にフローを指向させる。このフローは、クエット流れの形成を阻害する渦を形成するために、合流点における壁１１０４に沿って流れる流体と合流する。陥凹１１０６は、弧状に成形され得る（図１１Ｃを参照されたい）。当然ながら、丸型、正方形、長方形、および三角形の形状を含む、他の形状も、採用され得る。
【００５７】
図１２は、ある実施形態による、交互嵌合するフィン１０２内の例示的流体フローを例証的に示す。流体は、デバイス１００の中心付近の循環ポート７０２において半径方向間隙３１０ａに進入し、外向きに流れる。回転フィン１２４の移動の剪断力は、流体を、半径方向間隙３１０内で移動させる。回転フィン１２４の切れ目８０２が、流体を通過するにつれて、フローは、分岐し、そこで、一部は、半径方向間隙３１０に沿って継続して流れ、別の部分は、切れ目８０２を通して流れる。分岐は、望ましくないフロー（例えば、クエット流れ）の形成が完全に発達することを阻害し得る。流体はまた、交互嵌合するフィン１０２間のクリアランスｈ４０６を通して流れる。流体が半径方向間隙３１０内を流れるにつれて、固定フィン１１４からの熱が、回転フィン１２４に伝達される。
【００５８】
間隙およびトポグラフィック特徴の数は、回転速度および半径方向間隙δ３１０のサイズに基づいて選択され得る。
【００５９】
図１３は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンク１００を動作させるプロセスを示す。概して、プロセスは、運動熱シンク１００を、例えば、電子デバイスまたはプリント回路基板のパッケージであり得る、熱生成構成要素１１２に固着することによって開始する（ステップ１３０２）。当分野で公知の種々のタイプの固着および搭載機構が、これらの目的に対して使用され得る。とりわけ、それらの機構は、ねじと、クリップ（例えば、ｚクリップ、クリップ留め）と、押しピンと、ねじ山付きスタンドオフと、糊と、サーモテープと、サーマルエポキシとを含み得る。
【００６０】
静止時、回転構造１１６は、シャフト１１７を介して、固定部１０４上に着座され、軸受１００２（機械式または動圧式）によって保持される。回転構造１１６は、フィン１１４、１２４間に半径方向間隙３１０（例えば、およそ５０ミクロン）を形成するために、固定部の固定フィン１１４と交互嵌合する回転フィン１２４を含む。
【００６１】
冷却を開始するために、コントローラ１０１４は、モータアセンブリ１００８を通電し（ステップ１３０４）、モータ１００８の回転部を、回転構造１１６と併せて回転させる。例えば、電力は、ＤＣ電圧ＶＤＣ（例えば、１２Ｖ、５Ｖ等）、ＡＣ電圧ＶＡＣ、またはパルス幅変調電圧から導出され得る。回転構造１１６が回転するにつれて、半径方向間隙３１０内の流体が、例えば、図１２に示されるように、移動を開始する。回転構造１１６または固定部１０４上の、またはそのトポグラフィック特徴は、望ましくない完全に発達したフロー（例えば、クエット流れ）の形成を阻害するか、またはそれを行うために局所的二次フローを生成する。トポグラフィック特徴は、それによって、半径方向間隙３１０の熱伝達特性を向上させ、熱が、固定フィン１１４から回転フィン１２４へ、より容易に伝達することを可能にする。
【００６２】
回転している間、流体指向構造１２０（例えば、インペラ）もまた、回転し、流体指向構造１２０間のチャネル内の流体を移動させる。流体が移動するにつれて、流体指向構造１２０からの熱は、移動する流体に排除され、熱リザーバ３０４中に一掃される。具体的には、熱は、熱生成構成要素１１２から引き込まれ、基盤構造１０６を横断して、その固定フィン１１４に拡散される。次に、熱は、半径方向間隙３１０を横断して回転フィン１２４に、次いで、回転基盤１１８を横断して流体指向構造１２０に伝達する。
【００６３】
ブロック１３０６において、コントローラ１０１４は、熱生成構成要素１１２を継続して冷却するかどうかを判定する。これは、運動熱シンクに印加されている制御信号または電力に基づき得る。また、コントローラ１０１４は、センサ１０１６から導出される温度（例えば、熱生成構成要素１１２または運動熱シンクの種々の構成要素における）に基づいて、モータの回転速度またはそれへの電力出力を変動し得る。冷却を継続すべき場合、プロセスは、運動熱シンクに継続して通電するために、ステップ１３０４にループバックする。冷却をそれ以上継続しないと判定される（例えば、冷却されている構成要素が通電解除される）と、プロセスは、ステップ１３０８で終了し、運動熱シンクは、通電解除される。そのために、コントローラ１０１４は、モータへの電力を減少させ、運動熱シンク１００への電力を除去し得る。
【００６４】
前述の本発明の実施形態は、単に、例示的であることが意図され、多数の変形例および修正が、当業者にとって明白となるであろう。全てのそのような変形例および修正は、任意の添付される請求項に定義されるように、本発明の範囲内であることが意図される。例えば、突起および陥凹は、クエット流れの形成を同様に阻害するために、固定フィン上に位置し得る。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図５】
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【図１０Ｂ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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