JP2014187355A - 異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置及びその製造方法 - Google Patents

異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱エネルギ案内装置と、熱エネルギ案内装置を製造するための方法とを提供すること。
【解決手段】熱エネルギ案内装置は、熱エネルギ源と、熱エネルギ源の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆とを有する。異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有する。第一層は第一熱伝導率を有し、第二層は第二熱伝導率を有する。複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために熱エネルギ源の表面に不均一に配置される。
【選択図】図１

Description

本明細書は概して、熱エネルギ案内装置に関するものであり、より詳細には、異方性熱案内被覆(anisotropic thermal guiding coating)を有する熱エネルギ案内装置と、異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置を製造するための方法とに関する。
多くの装置が、様々な量及び種類の熱エネルギを発する。例えば、電子構成部品、内燃機関、モータ、及び、電気機械装置などは、周囲へ散逸させられる熱エネルギを発するであろう。このように発せられた熱エネルギを、周囲への散逸を制御すること、及び、熱エネルギの可能な受け入れのための所望位置へ発せられた熱エネルギを案内することの少なくとも一方によるように管理することが望まれるであろう。
従って、異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置、及び、異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置を製造するための方法に対して、必要性が存在する。
一実施形態において、熱エネルギ案内装置は、熱エネルギ源と、熱エネルギ源の表面と熱的連通(thermal communication：熱的関係をもって接続)する異方性熱案内被覆とを有している。異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有している。第一層は第一熱伝導率を有し、第二層は第二熱伝導率を有している。複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために熱エネルギ源の表面に不均一に配置される。
もう一つの実施形態において、熱エネルギ案内装置を製造するための方法は、熱エネルギ源を準備することと、異方性熱エネルギ案内被覆が熱エネルギ源の表面と熱的連通するように、不均一なように異方性熱案内被覆により熱エネルギ源の表面を覆うこと、とを有している。異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有している。第一層は第一熱伝導率を有し、第二層は第二熱伝導率を有している。複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために熱エネルギ源の表面に不均一に配置される。
さらにもう一つの実施形態において、熱エネルギ案内装置は、熱エネルギ源と、熱エネルギ源の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆とを有している。異方性熱案内被覆は、熱エネルギ源の形状に合致する同形被覆である。異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有している。第一層は第一熱伝導率を有し、第二層は第二熱伝導率を有している。第一層は、複数の熱伝導性粒子を含むシリコンから形成される。第二層は、シリコンから形成され、熱伝導性粒子を含まない。
本開示の実施形態により提供されるこれらの及び追加的な特徴は、図面に関しての以下の詳細な記述を考慮して、より完全に理解されるであろう。
本特許又は出願は、色彩が施された少なくとも一つの図面を含んでいる。色彩図面を備える本特許又は特許出願公開のコピーは、請求及び必要費用の支払い時に特許庁により提供されるであろう。
図面に示されている実施形態は、実例であり、本質的な例示であり、開示に限定されることを意図されていない。実例の実施形態の以下の詳細な記述は、同じ要素が同じ参照番号により示される以下の図面に関して読まれるときに、理解されることができる。
ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による熱エネルギ源と異方性熱案内被覆とを有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による電子装置と熱エネルギ取り込み装置と均一熱案内被覆とを有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図２Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による電子装置と熱エネルギ取り込み装置と不均一異方性熱案内被覆とを有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図３Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図２Ａの熱エネルギ案内装置及び図３Ａの熱エネルギ案内装置にための電子装置に沿う距離に対する温度の表示を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による半径方向に延在する層を有する異方性熱案内被覆により覆われた熱エネルギ源を有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図５Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による周方向に延在する層を有する異方性熱案内被覆により覆われた熱エネルギ源を有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図６Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による半径方向に延在する層と周方向に延在する層との両方を有する異方性熱案内被覆により覆われた熱エネルギ源を有する熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図７Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による熱案内装置を製造するための方法を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による図８Ａに描かれた方法により製造された熱エネルギ案内装置を概略的に描いている図である。 ここに図示及び開示された一つ以上の実施形態による熱エネルギ案内装置を製造するための方法を概略的に描いている図である。
ここに開示された実施形態は、異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置と、異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置を製造するための方法とを含んでいる。全体的に図面を参照すると、ここに開示されたような熱エネルギ案内装置は、熱エネルギ源と、熱エネルギ源の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆とを有しても良い。ここに開示された異方性熱案内被覆は、異なる熱伝導率を有する複数の層を有し、これら複数の層は、これらの複数の層が熱エネルギ源の表面に不均一に配置されるときに、周囲環境への熱エネルギ源からの均一熱流を最大化し、周囲環境への熱エネルギ源からの均一熱流を最小化し、一つ以上の位置への不均一熱流を最適化し、又は、熱エネルギ取り込み装置へ熱を案内するなどのように、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源からの熱エネルギを案内する。このように案内された熱エネルギは、さらなる使用のために、取り込まれ、又は、受け入れられても良い。異方性熱案内被覆を有する様々な熱エネルギ案内装置及び異方性熱案内被覆を有する熱エネルギ案内装置を製造するための方法が、対応する図面を特に参照してここにより詳細に述べられるであろう。
図１を参照すると、熱エネルギ案内装置１００が概略的に描かれている。熱エネルギ案内装置１００は、熱エネルギ源１１０と、熱エネルギ源１１０の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆１２０とを有している。熱エネルギ源１１０は、熱エネルギを発する任意の装置であっても良い。例えば、幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、集積回路のような電子構成要素又は電子構成部品であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、化学エネルギを電気エネルギへ変換する副次的結果として熱エネルギを発する電池であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、熱エネルギを発するモータ又は内燃機関であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、熱エネルギを発する電気機械装置であっても良い。熱エネルギ源１１０は、任意の形状であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、矩形又は円形に形成されても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、奇異に形状されても良い。さらに、幾つかの実施形態において、熱エネルギ源１１０は、熱エネルギを発する一つの構成部品を有しても良く、一方、他の実施形態において、熱エネルギ源１１０は、熱エネルギを発する複数の構成部品を有しても良い。
依然として図１を参照すると、異方性熱案内被覆１２０が、熱エネルギ源１１０の表面と熱的連通する。幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆１２０は、熱エネルギ源１１０の形状と合致する同形被覆である。幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆１２０は、異方性熱案内被覆１２０が堅くて熱エネルギ源１１０の形状に適合しない実施形態におけるように、熱エネルギ源１１０の形状に合致しない。
異方性熱案内被覆１２０は、複数の層を有する。複数の層は、第一層１２２と第二層１２４とを有する。図１に描かれた異方性熱案内被覆１２０が二つの層を有する一方で、幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆１２０が二つの層より多くを有することが理解されるべきである。二つの層より多くを有する幾つかの実施形態において、一つ以上の追加層が第一層１２２と同じ材料から形成されても良い。同様に、二つの層より多くを有する幾つかの実施形態において、一つ以上の追加層が第二層１２４と同じ材料から形成されても良い。例えば、幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆１２０は、第一層１２２及び第二層１２４の材料を交互に繰り返す熱エネルギ源１１０の表面に積層された複数の層を有しても良い。幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆１２０は、三つ以上の層構造を交互に繰り返す熱エネルギ源１１０の表面に積層された複数の層を有しても良い。図１に描かれた実施形態において、第一層１２２は、第二層１２４と熱エネルギ源１１０との間に配置されている。しかしながら、他の実施形態において、第二層１２４は、第一層１２２と熱エネルギ源１１０との間に配置されている。
図１を依然として参照すると、第一層１２２は第一熱伝導率Ｋ1を有し、第二層１２４は第二熱伝導率Ｋ2を有する。第一熱伝導率Ｋ1は、第二熱伝導率Ｋ2と異なっている。幾つかの実施形態において、第一熱伝導率Ｋ1は、第二熱伝導率Ｋ2より大きい。他の実施形態において、第一熱伝導率Ｋ1は、第二熱伝導率Ｋ2より小さい。第一層及び第二層の熱伝導率は、第一層１２２及び第二層１２４の異なる物理組成のために異なるかもしれない。例えば、幾つかの実施形態において、第一層１２２は複数の熱伝導性粒子を有しているかもしれず、一方、第一層１２２の第一熱伝導率Ｋ1が第二層１２４の第二熱伝導率Ｋ2より大きくなるように、第二層１２４は熱伝導性粒子を有していないかもしれない。熱伝導性粒子は、金属粒子（例えば、銅、アルミニウム、銀、金、その他）、グラファイト粒子、繊維複合粒子、セラミック粒子、又は、これらの組み合わせを含んでいるかもしれない。
第一層１２２及び第二層１２４の合成の状況において依然として図１を参照すると、幾つかの実施形態において、第一層１２２は複数の熱伝導性粒子を含む第一絶縁材料から形成され、第一層１２２の第一熱伝導率Ｋ1が第二層１２４の第二熱伝導率Ｋ2より大きくなるように、第二層は熱伝導性粒子を含まない第二絶縁材料から形成される。このような幾つかの実施形態において、第一絶縁材料は第二絶縁材料と同じであり、一方、他のこのような実施形態においては、第一絶縁材料が第二絶縁材料と異なっている。第一絶縁材料及び第二絶縁材料の少なくとも一方は、シリコンを含んでいても良い。幾つかの実施形態において、第一絶縁材料及び第二絶縁材料の少なくとも一方は、ナイロン又はエポキシのようなシリコン以外の絶縁材料であっても良い。一つの非限定の例において、第一絶縁材料は熱伝導性粒子を含むシリコンであり、第一層１２２が複数の銅粒子を含むシリコンから形成されて第二層１２４が実質的に熱伝導性粒子のないシリコンから形成されるときのように、第二絶縁材料は熱伝導性粒子を含まないシリコンである。
第一層１２２及び第二層１２４の合成の状況において依然として図１を参照すると、幾つかの実施形態において、第一層１２２は第一の複数の熱伝導性粒子を含む第一絶縁材料から形成され、第一層１２２の第一熱伝導率Ｋ1が第二層１２４の第二熱伝導率Ｋ2より大きくなるように、第二層は第二の複数の熱伝導性粒子を含む第二絶縁材料から形成される。第一の複数の熱伝導性粒子の熱伝導性粒子は、第二の複数の熱伝導性粒子の熱伝導性粒子と異なっている。幾つかの実施形態において、第一絶縁材料は、第二絶縁材料と同じであり、一方、他の実施形態において、第一絶縁材料は、第二絶縁材料と異なっている。
第一層１２２及び第二層１２４の合成の状況において依然として図１を参照すると、幾つかの実施形態において、第一層１２２は第一濃度(first concentration)を有して第一の複数の熱伝導性粒子を含む第一絶縁材料から形成され、第二層は第二濃度(second concentration)を有して第二の複数の熱伝導性粒子を含む第二絶縁材料から形成される。第一層１２２における第一の複数の熱伝導性粒子の第一濃度は、第一層１２２の第一熱伝導率Ｋ1が第二層１２４の第二熱伝導率Ｋ2より大きくなるように、第二層１２４における第二の複数の熱伝導性粒子の第二濃度を上回っている。幾つかのこのような実施形態において、第一絶縁材料は第二絶縁材料と同じであり、一方、他のこのような実施形態においては、第一絶縁材料が第二絶縁材料と異なっている。上述したように、第一絶縁材料及び第二絶縁材料の少なくとも一方は、シリコンを含んでも良い。幾つかの実施形態において、第一絶縁材料及び第二絶縁材料の少なくとも一方は、ナイロン又はエポキシのようなシリコン以外の絶縁材料であっても良い。幾つかの実施形態において、第一の複数の熱伝導性粒子の熱伝導性粒子は、第二の複数の熱伝導性粒子の同じ熱伝導性粒子であり、一方、他の実施形態において、第一の複数の熱伝導性粒子の熱伝導性粒子は、第二の複数の熱伝導性粒子の熱伝導性粒子と異なっている。
図１を依然として参照すると、複数の層（第一層１２２及び第二層１２４を含む）は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源１１０からの熱エネルギを案内するために、熱エネルギ源１１０の表面に不均一に配置されている。幾つかの実施形態において、複数の層は、複数の層の厚さが熱エネルギ源１１０の表面に沿って変化するように、熱エネルギ源１１０の表面に不均一に配置される。例えば、図１に描かれたように、第一位置１３０における異方性熱案内被覆１２０の第一厚さ１３１は、第一層１２２の第一厚さ１３２と第二層１２４の第一厚さ１３４とを含んでいる。第二位置１４０における異方性熱案内被覆１２０の第二厚さ１４１は、第一層１２２の第二厚さ１４２と第二層１２４の第二厚さ１４４とを含んでいる。図１に図示されたように、第一層１２２の第一厚さ１３２は、第一層１２２の第二厚さ１４２より薄い。図１が熱エネルギ源１１０の表面に沿って不均一な厚さを有する複数の層を描く一方で、幾つかの実施形態においては、図３Ａから３Ｂを参照して以下にさらに詳細に述べられるであろうように、様々な層の向き及び方向の少なくとも一方が互いに関して不均一であるよう複数の層が熱エネルギ源１１０の表面に不均一に配置されるときのように、複数の層は、異なるように又は追加的なように不均一に配置される。
図１を依然として参照すると、異方性熱案内被覆１２０の複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源１１０からの熱エネルギを案内するために、熱エネルギ源１１０の表面に不均一に配置されている。幾つかの実施形態において、熱エネルギ管理目標は、周囲環境への熱エネルギ源１１０からの均一熱流を最大化することであるかもしれない（例えば、図５Ａから５Ｂを参照して以下にさらに詳細に述べられるであろうように）。幾つかの実施形態において、熱エネルギ管理目標は、周囲環境への熱エネルギ源１１０からの均一熱流を最小化することであるかもしれない（例えば、図６Ａから６Ｂを参照して以下にさらに詳細に述べられるであろうように）。幾つかの実施形態において、熱エネルギ管理目標は、一つ以上の位置への不均一熱流を最適化することであるかもしれない（例えば、図７Ａから７Ｂを参照して以下にさらに詳細に述べられるであろうように）。幾つかの実施形態において、熱エネルギ管理目標は、異方性熱案内被覆１２０と熱的連通する吸熱装置のような熱エネルギ取り込み装置へ熱を案内することであるかもしれない。異方性熱案内被覆１２０は、これらのここで特に述べられた以外の多くの熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源１１０からの熱エネルギを案内するかもしれないことが、理解されるべきである。
図２Ａを参照すると、熱エネルギ案内装置２００が概略的に描かれている。熱エネルギ案内装置２００は、電子装置２１０ａ、２１０ｂ、熱エネルギ取り込み装置２２０、及び、均一熱案内被覆２３０を有している。熱エネルギ取り込み装置２２０は、電子装置２１０ａ、２１０ｂと熱的連通する。均一熱案内被覆２３０は、電子装置２１０ａ、２１０ｂと熱的連通し、熱エネルギ取り込み装置２２０と熱的連通する。
図２Ａを依然として参照すると、電子装置２１０ａ、２１０ｂは、マイクロプロセッサ、集積回路、又は、他の電子構成部品のように、作動において熱エネルギを発生するかもしれない。幾つかの実施形態において、電子装置２１０ａ、２１０ｂは、作動中に同じ熱エネルギ量を発生するかもしれず、一方、他の実施形態において、電子装置２１０ａ、２１０ｂは、作動中に異なる熱エネルギ量を発生するかもしれない。図２Ａは二つの電子装置２１０ａ、２１０ｂを描いている一方で、幾つかの実施形態は、一つだけの電子装置又は二つの電子装置より多くを有しても良い。
図２Ａを依然として参照すると、熱エネルギ取り込み装置２２０は、電子装置２１０ａ、２１０ｂからの熱エネルギが向けられるかもしれない任意の装置であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ取り込み装置２２０は、アルミニウム熱発散装置のような吸熱装置であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ取り込み装置２２０は、アルミニウム熱発散装置以外の吸熱装置であっても良い。
上述したように、均一熱案内被覆２３０は、電子装置２１０ａ、２１０ｂと熱的連通し、熱エネルギ取り込み装置２２０と熱的連通する。均一熱案内被覆２３０は、電子装置２１０ａ、２１０ｂによって発せられた熱エネルギの少なくとも一部を熱エネルギ取り込み装置２２０へ向かわせるように機能するかもしれない。幾つかの実施形態において、均一熱案内被覆２３０は、熱エネルギ案内装置２００の幅を横断する同じ厚さを有するシリコンの均一層である。他の実施形態において、均一熱案内被覆２３０は、シリコン以外の材料から形成されても良い。
図２Ｂを参照すると、図２Ａの熱エネルギ案内装置２００の等温線図が概略的に描かれている。熱エネルギ案内装置２００内の各点の温度は色によって表され、濃青色は描かれた最低温度であり、濃赤色は描かれた最高温度である。熱エネルギ案内装置２００の色は、等温線図のために公知の方法で各位置の温度を表すために、熱エネルギ案内装置２００内の様々な位置において濃青色から濃赤色へ変化する。さらに、図２Ｂは、熱エネルギ案内装置２００内の様々な位置における正規化された熱流ベクトルを描いている。熱流ベクトルのそれぞれは、ベクトルが始まる位置における熱エネルギの移動方向を描いている。
図２Ｂに描かれた実施形態において、電子装置２１０ａは第一熱量を発生し、電子装置２１０ｂは第一熱量の三分の二の第二熱量を発生する。電子装置２１０ａの最高温度は１５２．６５℃（４２５．８Ｋ）である。図２Ｂに描かれた熱流ベクトルによって図示されたように、熱エネルギは、方向的に均一に電子装置２１０ａ、２１０ｂから散逸される。
図３Ａを参照すると、電子装置３１０ａ、３１０ｂ、熱エネルギ取り込み装置３２０、及び、不均一異方性熱案内被覆３３０を有する熱エネルギ案内装置３００が、概略的に描かれている。熱エネルギ取り込み装置３２０は、電子装置３１０ａ、３１０ｂと熱的連通する。不均一異方性熱案内被覆３３０は、電子装置３１０ａ、３１０ｂと熱的連通し、熱エネルギ取り込み装置３２０と熱的連通する。
依然として図３Ａを参照すると、電子装置３１０ａ、３１０ｂは、マイクロプロセッサ、集積回路、又は、他の電子構成部品のように、作動において熱エネルギを発生するかもしれない。幾つかの実施形態において、電子装置３１０ａ、３１０ｂは、作動中に同量の熱エネルギを発生するかもしれず、一方、他の実施形態において、電子装置３１０ａ、３１０ｂは、作動中に異なる量の熱エネルギを発生するかもしれない。図３Ａは二つの電子装置３１０ａ、３１０ｂを描いている一方で、幾つかの実施形態は、一つだけの電子装置又は二つの電子装置より多くを有しても良い。比較のために、図３Ａの電子装置３１０ａ、３１０ｂは、図２Ａの電子装置２１０ａ、２１０ｂと同じである。しかしながら、他の実施形態において、図３Ａの電子装置３１０ａ、３１０ｂは、図２Ａの電子装置２１０ａ、２１０ｂと異なっていても良い。
図３Ａを依然として参照すると、熱エネルギ取り込み装置３２０は、電子装置３１０ａ、３１０ｂからの熱エネルギが向けられるかもしれない任意の装置であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ取り込み装置３２０は、アルミニウム熱発散装置のような吸熱装置であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ取り込み装置３２０は、アルミニウム熱発散装置以外の吸熱装置であっても良い。比較のために、図３Ａの熱エネルギ取り込み装置３２０は、図２Ａの熱エネルギ取り込み装置２２０と同じである。しかしながら、他の実施形態において、図３Ａの熱エネルギ取り込み装置３２０は、図２Ａの熱エネルギ取り込み装置２２０と異なっていても良い。
上述したように、不均一異方性熱案内被覆３３０は、電子装置３１０ａ、３１０ｂと熱的連通し、熱エネルギ取り込み装置３２０と熱的連通する。不均一異方性熱案内被覆３３０は、電子装置３１０ａ、３１０ｂから離れる熱を案内する。幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、電子装置３１０ａの温度勾配を最小化するような熱管理目標を達成するために、熱エネルギ取り込み装置３２０の表面に設置されても良い。ここで使用されるような装置の「温度勾配」は、装置内の任意の位置での最低温度と、装置内の任意の位置での最高温度との間の差である。
依然として図３Ａを参照すると、幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、以下にさらに詳細に述べられるであろう図９に描かれた方法によるように、電子装置３１０ａ、３１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置３２０上に積層噴出されても良い。幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、三次元プリンタによって電子装置３１０ａ、３１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置３２０上に三次元プリントされても良い。他の実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、別の構成部品として形成されて、電子装置３１０ａ、３１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置３２０上に後に固定されても及び熱的に結合されても良い。
不均一異方性熱案内被覆３３０は、図１の異方性熱案内被覆１２０の厚さの変化を参照して上述されたように、複数の層の厚さが電子装置３１０ａ、３１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置３２０の表面に沿って変化するよう電子装置３１０ａ、３１０ｂの表面上に及び熱エネルギ取り込み装置３２０の表面上に不均一に配置される複数の層を有している。幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０の複数の層は、様々な層の向き及び方向の少なくとも一方が、互いに関して不均一であるように、不均一に配置されても良い。例えば、図３Ａに描かれているように、不均一異方性熱案内被覆３３０の複数の層は、熱エネルギ案内装置３００の幅を横断して、厚さを変化させ、及び、向きと方向とを変化させ、配置される。幾つかの実施形態において、図３Ａの不均一異方性熱案内被覆３３０は、図１の異方性熱案内被覆１２０又はここに述べられた任意の他の被覆を有しても良い。
依然として図３Ａを参照すると、不均一異方性熱案内被覆３３０は、複数の熱伝導性粒子を含むシリコンから形成されても良い。図３Ａに描かれた実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、４００Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含むシリコンから形成される。幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、４００Ｗ／ｍ＊Ｋ以外の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含んでも良い。幾つかの実施形態において、不均一異方性熱案内被覆３３０は、不均一異方性熱案内被覆が純粋なシリコン層と熱伝導性粒子を含むシリコン層とを有する実施形態のように、異なる熱伝導率を有する複数の層を有しても良い。
図３Ｂを参照すると、図３Ａの熱エネルギ案内装置３００の等温線図が概略的に描かれている。図２Ｂと同様に、熱エネルギ案内装置３００内の各点の温度は色によって表され、濃青色は描かれた最低温度であり、濃赤色は描かれた最高温度である。熱エネルギ案内装置３００の色は、等温線図ために公知の方法で各位置の温度を表すために、熱エネルギ案内装置３００内の様々な位置において濃青色から濃赤色へ変化する。さらに、図３Ｂは、熱エネルギ案内装置３００内の様々な位置における正規化された熱流ベクトルを描いている。熱流ベクトルのそれぞれは、ベクトルが始まる位置における熱エネルギの移動方向を描いている。
図３Ｂに描かれた実施形態において、電子装置３１０ａは第一熱量を発生し、電子装置３１０ｂは第一熱量の三分の二の第二熱量を発生する。図３Ａから３Ｂの電子装置３１０ａ、３１０ｂによって発生される熱量は、図２Ａから２Ｂの電子装置２１０ａ、２１０ｂによって発生される熱量と同じである。依然として図３Ｂを参照すると、電子装置３１０ａの最高温度は、図２Ｂの電子装置２１０ａの最高温度１５２．６５℃（４２５．８Ｋ）に比較して、１４７．０５℃（４２０．２Ｋ）である。図３Ｂに描かれた熱流ベクトルによって図示されたように、熱エネルギは、図２Ｂに描かれた熱エネルギ散逸様式に比較して、方向的に不均一なように電子装置３１０ａ、３１０ｂから散逸される。特に、図２Ｂにおけるより、電子装置３１０ａによってもたらされる熱エネルギのより大きな部分が、図３Ｂにおける熱エネルギ取り込み装置３２０へ向けられる。従って、図３Ａから３Ｂの不均一異方性熱案内被覆３３０は、均一熱案内被覆に比較して、電子装置３１０ａ、３１０ｂの少なくとも一方の最高温度を低下させる不均一様式において電子装置３１０ａ、３１０ｂからの熱エネルギを案内するかもしれないことが理解されるべきである。
図４を参照すると、図２Ａの熱エネルギ案内装置２００のための及び図３Ａの熱エネルギ案内装置３００のための電子装置に沿う距離に対する温度表示が、概略的に描かれている。図４に図示されたように、図３Ａの電子装置３１０ａの温度勾配は、図２Ａの電子装置２１０ａの温度勾配の約半分である。さらに、図３Ａの電子装置３１０ａの最高、最低、及び平均温度は、図２Ａの電子装置２１０ａの対応する最高、最低、及び平均温度より低い。従って、図３Ａから３Ｂの不均一異方性熱案内被覆３３０は、均一熱案内被覆に比較して、電子装置３１０ａ、３１０ｂの少なくとも一方の温度勾配を低下させ、電子装置３１０ａ、３１０ｂの少なくとも一方の最高、最低、及び平均温度を低下させる不均一様式において電子装置３１０ａ、３１０ｂからの熱エネルギを案内するかもしれないことが理解されるべきである。
図５Ａを参照すると、複数の半径方向に延在する層を有する異方性熱案内被覆５２０で覆われた熱エネルギ源５１０を有する熱エネルギ案内装置５００が、概略的に描かれている。図５Ａに描かれた実施形態において、熱エネルギ源５１０は、空洞５１５を取り囲む銅リングである。しかしながら、他の実施形態において、熱エネルギ源５１０は、熱エネルギを発する任意の装置であっても良い。例えば、幾つかの実施形態において、熱エネルギ源５１０は、集積回路のような電子構成要素又は電子構成部品であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源５１０は、化学エネルギを電気エネルギへ変換する副次的結果として熱エネルギを発する電池であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源５１０は、熱エネルギを発するモータ又は内燃機関であっても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源５１０は、電子機器又はモータのハウジングであっても良い。
依然として図５Ａを参照すると、異方性熱案内被覆５２０は、熱エネルギ源５１０の表面と熱的連通する。上記したように、異方性熱案内被覆５２０は、複数の半径方向に延在する層を有する。図５Ａに描かれているように、異方性熱案内被覆５２０の複数の層は、第一層５２１と第二層５２２とを有する。第一層５２１は、熱エネルギ源５１０の表面と接触する。第二層５２２は、熱エネルギ源５１０と接触する。第一層５２１は、さらに、熱エネルギ源５１０の表面と接触する層境界面に沿って第二層５２２と接触する。層境界面は、層境界面が熱エネルギ源５１０の表面と接触する位置において、熱エネルギ源５１０の表面と実質的に非平行であっても良い。幾つかの実施形態において、図５Ａのように、層境界面は、層境界面が熱エネルギ源の表面と接触する位置において、熱エネルギ源５１０の表面と実質的に垂直であっても良い。幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆５２０は、熱エネルギ源５１０の形状と合致する同形被覆である。
依然として図５Ａを参照すると、第一層５２１は第一熱伝導率を有し、第二層５２２は第一熱伝導率と異なる第二熱伝導率を有する。幾つかの実施形態において、第一層５２１は、図１を参照して上述されたような第一層１２２であっても良く、第二層５２２は、図１を参照して上述されたような第二層１２４であっても良い。幾つかの実施形態において、第一層５２１は複数の熱伝導性粒子を含むシリコンから形成され、第二層５２２は、シリコンから形成され、熱伝導性粒子を含まない。
異方性熱案内被覆５２０は、熱管理目標を達成するために、熱エネルギ源５１０の表面に被覆される。図５Ａに描かれた実施形態において、異方性熱案内被覆５２０の熱管理目標は、周囲環境への均一熱流を最大化することである。
図５Ｂを参照すると、図５Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図が概略的に描かれている。熱エネルギ源５１０の最高温度は５８．８５℃（３３２Ｋ）であり、熱エネルギ源５１０の最低温度は３１．８５℃（３０５Ｋ）である。図５Ｂに図示したように、熱エネルギは、熱エネルギ源５１０の内部から均一様式で半径方向外側へ流れる。こうして、複数の半径方法に延在する層を有する異方性熱案内被覆５２０は、周囲環境への均一熱流を最大化する。熱エネルギは、異方性熱案内被覆５２０によって熱エネルギ源５１０内に案内されても良いことが理解されるべきである。
図６Ａを参照すると、複数の周方向に延在する層を有する異方性熱案内被覆６２０で覆われた熱エネルギ源５１０を有する熱エネルギ案内装置６００が、概略的に描かれている。異方性熱案内被覆６２０は、熱エネルギ源５１０の表面と熱的連通する。上記したように、異方性熱案内被覆６２０は、複数の周方向に延在する層を有している。図６Ａに描かれたように、異方性熱案内被覆６２０の複数の層は、第一層６２１及び第二層６２２を有している。第一層６２１は、熱エネルギ源５１０の表面と接触する。第一層６２１は、第二層６２２と熱エネルギ源５１０の表面との間に配置される。幾つかの実施形態において、異方性熱案内被覆６２０は、熱エネルギ源５１０の形状と合致する同形被覆である。
依然として図６Ａを参照すると、幾つかの実施形態において、第一層６２１は第一熱伝導率を有し、第二層６２２は第一熱伝導率と異なる第二熱伝導率を有する。幾つかの実施形態において、第一層６２１は、図１を参照して上述されたような第一層１２２であっても良く、第二層６２２は、図１を参照して上述されたような第二層１２４であっても良い。幾つかの実施形態において、第一層６２１は複数の熱伝導性粒子を含むシリコンから形成され、第二層６２２は、シリコンから形成され、熱伝導性粒子を含まない。
異方性熱案内被覆６２０は、熱管理目標を達成するために、熱エネルギ源５１０の表面に被覆される。図６Ａに描かれた実施形態において、異方性熱案内被覆６２０の熱管理目標は、周囲環境への均一熱流を最小化することである。
図６Ｂを参照すると、図６Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図が概略的に描かれている。熱エネルギ源５１０の最高温度は１４１．８５℃（４１５Ｋ）であり、熱エネルギ源５１０の最低温度は３４．８５℃（３０８Ｋ）である。図６Ｂに図示したように、熱エネルギは、熱エネルギ源５１０の内部から均一様式で半径方向外側へ流れる。しかしながら、図６Ｂの熱エネルギ源５１０の最高温度は、図５Ｂの熱エネルギ源５１０の最高温度より８３℃（８３Ｋ）高く、これは、複数の周方向に延在する層を有する図６Ａから６Ｂの異方性熱案内被覆６２０が、周囲環境への均一熱流を最小化することを示している。熱エネルギは、異方性熱案内被覆６２０によって熱エネルギ源５１０内に案内されても良いことが理解されるべきである。
図７Ａを参照すると、複数の半径方向に延在する層７２４と複数の周方向に延在する層７２２との両方を有する異方性熱案内被覆７２０で覆われた熱エネルギ源５１０を有する熱エネルギ案内装置７００が、概略的に描かれている。異方性熱案内被覆７２０は、熱エネルギ源５１０の表面と熱的連通する。上記したように、異方性熱案内被覆７２０は、複数の半径方向に延在する層７２４と複数の周方向に延在する層７２２とを有している。複数の半径方向に延在する層７２４は、図５Ａから５Ｂの異方性熱案内被覆５２０の半径方向に延在する層に関して上述されたように形成されても良い。同様に、複数の周方向に延在する層７２２は、図６Ａから６Ｂの異方性熱案内被覆６２０の周方向に延在する層に関して上述されたように形成されても良い。
異方性熱案内被覆７２０は、熱管理目標を達成するために、熱エネルギ源５１０の表面に被覆される。図７Ａに描かれた実施形態において、異方性熱案内被覆７２０の熱管理目標は、異方性熱案内被覆７２０の層を適当に配置することによって特定位置への不均一熱流を最適化することである。特に、異方性熱案内被覆７２０の熱管理目標は、複数の周方向に延在する層７２２により熱エネルギ源５１０の上側半分からの周囲環境への均一熱流を最小化し、複数の半径方向に延在する層７２４により熱エネルギ源５１０の下側半分からの周囲環境への均一熱流を最大化することである。
図７Ｂを参照すると、図７Ａの熱エネルギ案内装置の等温線図が概略的に描かれている。熱エネルギ源５１０の最高温度は６７．８５℃（３４１Ｋ）であり、熱エネルギ源５１０の最低温度は２３．８５℃（２９７Ｋ）である。図７Ｂの熱エネルギ源５１０の最高温度は、図５Ｂの熱エネルギ源５１０の最高温度より９℃（９Ｋ）高い。図７Ｂに図示したように、熱エネルギ源５１０の上側半分からの周囲環境への均一熱流は、複数の周方向に延在する層７２２により低減され、熱エネルギ源５１０の下側半分からの周囲環境への均一熱流は、複数の半径方向に延在する層７２４により増大される。熱エネルギは、異方性熱案内被覆７２０によって熱エネルギ源５１０内に案内されても良いことが理解されるべきである。
図８Ａから９を参照すると、熱エネルギ案内装置１００を製造するための方法が概略的に描かれている。本方法は、熱エネルギ源を準備することと、異方性熱エネルギ案内被覆が熱エネルギ源の表面と熱的連通するように、不均一なように異方性熱案内被覆で熱エネルギ源の表面を覆うこと、とを有している。異方性熱案内被覆は、第一層と第二層とを含む複数の層を有する。第一層は第一熱伝導率を有し、第二層は第二熱伝導率を有する。複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために、熱エネルギ源の表面に不均一に配置される。図８Ａから９に描かれた特別な方法のそれぞれが、引き続き述べられるであろう。
図８Ａを特に参照すると、熱エネルギ案内装置を製造するための方法が概略的に描かれている。先ずは、熱エネルギ源８１０が準備される。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源８１０は、電子装置、電子構成要素、電池、モータ、内燃機関、又は、ここで述べられた任意の熱エネルギ源であっても良い。次いで、熱エネルギ源８１０の表面は、異方性熱エネルギ案内被覆が熱エネルギ源の表面と熱的連通するように、不均一なように異方性熱案内被覆で覆われる。図８Ａに描かれた実施形態において、熱エネルギ源８１０の表面は、異方性熱案内被覆を有する熱収縮管８２０（例えば、マイラチューブなど）を準備し、熱収縮管８２０内に熱エネルギ源８１０を設置し、熱収縮管８２０へ熱を与えることによって被覆される。熱が熱収縮管８２０へ与えられるときに、熱収縮管８２０は、図８Ｂの製造された熱案内装置に描かれたように、異方性熱案内被覆が熱エネルギ源８１０の表面と熱的連通するよう熱エネルギ源８１０の形状に合致する。熱収縮管８２０の異方性熱案内被覆は、ここで述べられた熱案内被覆の任意の構成を有しても良い。
図９を特に参照すると、熱エネルギ案内装置９００を製造するための方法が概略的に描かれている。先ずは、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂが準備される。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂは、マイクロプロセッサ、集積回路、又は、他の電子構成部品のような電子構成要素であっても良い。次いで、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂの表面は、異方性熱案内被覆９６０が熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂの表面と熱的連通するように、不均一なように異方性熱案内被覆９６０で覆われる。図９に描かれた実施形態において、熱エネルギ取り込み装置９２０（例えば、吸熱装置、又は、アルミニウム熱発散装置など）の表面もまた、異方性熱案内被覆９６０で覆われる。図９に描かれた実施形態において、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂの表面及び熱エネルギ取り込み装置９２０の表面は、第一供給ノズル９５２から第一層９６２を噴出し、第二供給ノズル９５４から第二層９６４を噴出することによって被覆される。第一供給ノズル９５２によって供給される材料の多数の層及び第二供給ノズル９５４によって供給される材料の多数の層の少なくとも一方が、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置９２０の少なくとも一方を覆うために提供されても良い。幾つかの実施形態において、熱エネルギ源９１０ａ、９１０ｂ及び熱エネルギ取り込み装置９２０は、望まれるように異方性熱案内被覆９６０を製造するために、材料が供給ノズルから供給されるときに、前後に動かされても良い（例えば、コンベアベルトによって）。幾つかの実施形態において、供給ノズルは、望まれるように異方性熱案内被覆９６０を製造するために、材料が供給されるときに動かされても良い。図９に描かれた実施形態が二つの供給ノズルを有する一方で、他の実施形態は、二つの供給ノズルより多くを有しても良く、これらの供給ノズルのそれぞれが、第一供給ノズル９５２及び第二供給ノズル９５４と同じ又は異なる材料を供給しても良い。異方性熱案内被覆９６０は、ここで述べられた熱案内被覆の任意の構成を有しても良い。
ここに述べられた被覆を製造するための特別な方法が図８Ａから９を参照して提供されている一方で、ここに述べられた被覆は、三次元プリンタなどのような様々な他の方法によって製造されても良いことが理解されるべきである。
ここで述べられた異方性熱案内被覆は、熱エネルギ源によって発せられる熱エネルギが様々な熱エネルギ管理目標に応じて熱エネルギ装置内に案内されることを可能としても良いことが理解されるべきである。さらに、このように案内された熱エネルギは、さらなる使用のために取り込まれ、又は、受け入れられても良いことが理解されるべきである。最後に、ここで述べられた異方性熱案内被覆を熱エネルギ源に提供することは、特別に設計された微小構造を有する大きな合成体から熱エネルギ源を形成することによって熱エネルギを熱エネルギ源内に案内することを試みるときに生じるかもしれない複雑性を避ける一方で、熱エネルギが熱エネルギ源自身の構造内へ案内されることを可能とする。
用語「実質的に」及び「約」は、任意の定量的な比較、値、寸法、又は、他の表現に帰するかもしれない不確定の固有の程度を表すために、ここで利用されているかもしれないことが注記される。これらの用語は、さらに、定量的な表現が、未解決の課題の基本目的の変更を結果として生じないで述べられた参照から変化しないかもしれない程度を表すために、ここで利用される。
特定の実施形態がここで例示されて述べられた一方で、様々な他の変更及び変形が特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱することなく成されても良いことが理解されるべきである。さらに、特許請求の範囲の様々な態様がここで述べられたが、このような態様は、組み合わされて利用される必要はない。それにより、添付された特許請求の範囲は、特許請求の範囲内の全てのこのような変更及び変形を網羅することが意図されている。
１００ 熱エネルギ案内装置
１１０ 熱エネルギ源
１２０ 異方性熱案内被覆
１２２ 第一層
１２４ 第二層

Claims (20)

  1. 熱エネルギ源と、前記熱エネルギ源の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆とを具備する熱エネルギ案内装置において、前記異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有し、前記第一層は第一熱伝導率を有し、前記第二層は第二熱伝導率を有し、前記複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて前記熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために前記熱エネルギ源の表面に不均一に配置される、熱エネルギ案内装置。
  2. 第一位置における前記異方性熱案内被覆の第一厚さは、前記第一層の第一厚さと前記第二層の第一厚さとを有し、第二位置における前記異方性熱案内被覆の第二厚さは、前記第一層の第二厚さと前記第二層の第二厚さとを有し、前記第一層の前記第一厚さは、前記第一層の前記第二厚さより薄い、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  3. 前記第一層は、複数の熱伝導性粒子を含んでいる、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  4. 前記複数の熱伝導性粒子は、金属粒子、グラファイト粒子、繊維複合粒子、セラミック粒子、又は、これらの組み合わせを含んでいる、請求項３に記載の熱エネルギ案内装置。
  5. 前記第一層は複数の熱伝導性粒子を含む第一絶縁材料から形成され、
    前記第二層は第二絶縁材料から形成され、前記第二層は熱伝導性粒子を含まない、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  6. 前記第一層が複数の前記熱伝導性粒子を含むシリコンであり、前記第二層が熱伝導性粒子なしのシリコンであるように、第一絶縁材料はシリコンであり、前記第二絶縁材料はシリコンである、請求項５に記載の熱エネルギ案内装置。
  7. 前記第一層は第一の複数の熱伝導性粒子を含む第一絶縁材料から形成され、前記第一層は熱伝導性粒子の第一濃度を有し、
    前記第二層は第二の複数の熱伝導性粒子を含む第二絶縁材料から形成され、前記第二層は熱伝導性粒子の第二濃度を有し、前記第一濃度は前記第二濃度を上回っている、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  8. 前記異方性熱案内被覆は、前記熱エネルギ源の形状に合致する同形被覆である、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  9. 前記熱エネルギ源は、電子構成要素又はモータである、請求項１に記載の熱エネルギ案内装置。
  10. さらに、前記異方性熱案内被覆と熱的連通する熱エネルギ取り込み装置を具備し、前記熱エネルギ管理目標は、前記熱エネルギ取り込み装置へ前記熱エネルギ源からの熱を案内することを有する、請求項１に熱エネルギ案内装置。
  11. 熱エネルギ源を準備することと、
    異方性熱エネルギ案内被覆が前記熱エネルギ源の表面と熱的連通するように前記異方性熱案内被覆によって不均一なように前記熱エネルギ源の表面を覆うこと、とを有する熱エネルギ案内装置を製造するための方法において、前記異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有し、前記第一層は第一熱伝導率を有し、前記第二層は第二熱伝導率を有し、前記複数の層は、熱エネルギ管理目標に応じて前記熱エネルギ源からの熱エネルギを案内するために前記熱エネルギ源の表面に不均一に配置される、熱エネルギ案内装置を製造するための方法。
  12. 前記異方性熱案内被覆によって前記熱エネルギ源の表面を覆う段階は、
    前記異方性熱案内被覆を有する熱収縮管を準備することと、
    前記熱収縮管内に前記熱エネルギ源を設置することと、
    前記異方性熱案内被覆が前記熱エネルギ源と熱的連通するように前記熱収縮管へ熱を与えることとを有する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記熱エネルギ源は電気機械装置である、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記異方性熱案内被覆によって前記熱エネルギ源の表面を覆う段階は、
    第一供給ノズルから前記第一層を噴出することと、
    第二供給ノズルから前記第二層を噴出することと、を有する請求項１１の方法。
  15. 前記熱エネルギ源は電子構成要素である、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記異方性熱案内被覆によって前記熱エネルギ源の表面を覆うことは、前記熱エネルギ源の表面の前記被覆を三次元プリントすることを有する、請求項１１に記載の方法。
  17. 第一位置における前記異方性熱案内被覆の第一厚さは、前記第一層の第一厚さと前記第二層の第一厚さとを有し、第二位置における前記異方性熱案内被覆の第二厚さは、前記第一層の第二厚さと前記第二層の第二厚さとを有し、前記第一層の前記第一厚さは、前記第一層の前記第二厚さより薄い、請求項１１に記載の方法。
  18. 熱エネルギ源と、前記熱エネルギ源の表面と熱的連通する異方性熱案内被覆とを具備する熱エネルギ案内装置において、
    前記異方性熱案内被覆は、前記熱エネルギ源の形状に合致する同形被覆であり、
    前記異方性熱案内被覆は、第一層及び第二層を含む複数の層を有し、
    前記第一層は第一熱伝導率を有し、前記第二層は第二熱伝導率を有し、
    前記第一層は複数の熱伝導性粒子を含むシリコンから形成され、
    前記第二層は、シリコンから形成され、熱伝導性粒子を含まない、熱エネルギ案内装置。
  19. 前記第一層は前記熱エネルギ源の表面と接触し、前記第二層は前記熱エネルギ源と接触し、前記第一層は前記第二層と接触する、請求項１８に記載の熱エネルギ案内装置。
  20. 前記第一層は、前記第二層と前記熱エネルギ源の表面との間に配置される、請求項１８に記載の熱エネルギ案内装置。
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