JP2014216655A - 伝熱管理装置及び複合薄板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギの流れに影響を与える温度管理装置を提供する。
【解決手段】伝熱管理装置１００であって、絶縁基板１４０及び絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体１４２を有する複合薄板１２０と、複合薄板に結合された耐熱性の低い部品１１２と、複合薄板に結合され且つ耐熱性の低い部品から遠位に配置された耐熱性の高い部品１１４であって動作中に発熱する耐熱性の高い部品と、を具備する伝熱管理装置であって、導熱体及び絶縁基板が、耐熱性の低い部品近傍にある目的とする伝熱領域１３０内及び耐熱性の高い部品近傍にあるバルク領域１３２内に構成され、且つ、目的とする伝熱領域及びバルク領域が、互いに熱的導通状態にある伝熱管理装置による。
【選択図】図１

Description

本願は、２０１３年４月２９日に出願された米国仮出願シリアル番号６１／８１６９１７号の利益を主張し、その全開示は、参照により本願に組み込まれる。

本明細書は、概して温度管理装置に関し、より詳細には、温度管理機能を有する複合薄板（composite lamina）を組み込む温度管理装置に関する。

概して、電気部品は、電気部品の動作に起因する熱を生じる。

しかしながら、概して発熱の増加は、電気部品の性能及び動作に有害となり得る。従って、電気部品の動作による発熱は、周囲環境へと放出される（rejected）。いくつかの用途において、耐熱性の低い（heat-sensitive）電気部品は、他の電気部品からの熱が耐熱性の低い電気部品の動作に悪影響を与える位置に配置され得る。

従って、熱エネルギの流れに影響を与える温度管理装置が必要とされる。

１つの実施形態において、伝熱管理装置は、絶縁基板及び絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体（thermal conductor）を有する複合薄板と、複合薄板に結合された耐熱性の低い部品と、複合薄板に結合され且つ耐熱性の低い部品から遠位に配置された耐熱性の高い部品と、を有する。耐熱性の高い部品は、動作中に発熱する。導熱体及び絶縁基板は、耐熱性の低い部品の近傍にある、目的とする伝熱領域、及び、耐熱性の高い部品の近傍にある、バルク領域（bulk region）に構成される。目的とする伝熱領域及びバルク領域は、互いに熱的導通状態（thermal continuity）にある。

別の実施形態において、伝熱を方向付けるための複合薄板は、絶縁基板と、絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた熱伝導体（thermal conductor）と、耐熱性の低い部品の設置領域と、耐熱性の高い部品の設置領域と、を有する。導熱体及び絶縁基板は、耐熱性の低い部品の設置領域近傍にある、目的とする伝熱領域、及び、耐熱性の高い部品の設置領域近傍にある、バルク領域に構成される。目的とする伝熱領域及びバルク領域は、互いに熱的導通状態にある。

ここで説明された実施形態によって提供されるこれらの付加的な機能は、図面と共に以下の詳細な説明によって、より詳細に理解される。

図中で説明された実施形態は、本質的には概略的且つ例示にすぎず、請求の範囲により定義される主題を限定しようとするものではない。例示的実施形態に係る以下の詳細な説明は、以下の図面と共に参照することにより理解されることができ、同等の構造は、同等の参照符号で示される。

本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の側面斜視図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の側面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による図３の線Ａ−Ａに沿って示された複合薄板を有する伝熱管理装置の正面断面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合積層板組立体（composite laminate assembly）の詳細な上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合積層板組立体の詳細な上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合積層板組立体の詳細な上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の側面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による図９の線Ｂ−Ｂに沿って示された複合薄板を有する伝熱管理装置の正面断面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の上面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の正面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による複合薄板を有する伝熱管理装置の側面図を概略的に示す。 本願で示され又は説明される１又は複数の実施形態による図１３の線Ｃ−Ｃに沿って示された複合薄板を有する伝熱管理装置の詳細な正面断面図を概略的に示す。

ここで、伝熱管理装置に沿って熱流を方向付ける構造的な機能を有する、伝熱管理装置の実施形態について詳細に説明する。伝熱管理装置は、絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた絶縁基板及び導熱体を備える複合薄板を有する。導熱体は、複合薄板に配置された電子部品に対して構成される。導熱体は、熱エネルギを、等方性の基板（isotropic substrate）に沿った熱流（heat flux）の方向及び／又は流速とは異なる方向及び／又は流速で、複合薄板に沿って送る（directs）。等方性の構成で複合薄板を設けることによって、熱エネルギは、複合薄板に結合された電気部品の動作を向上させる方向及び／又は流速で送られ得る。ここで、伝熱管理装置の様々な実施形態をより詳細に説明する。

ここで図１を参照すると、伝熱管理装置１００の１つの実施形態が示される。この実施形態において、伝熱管理装置１００は、複合薄板１２０と、複合薄板１２０に結合された耐熱性の高い部品１１２と、複合薄板１２０に結合された耐熱性の低い部品１１４と、を有する回路基板組立体１１０である。ある実施形態において、複合薄板１２０は、プリント基板であってもよい。

本開示による実施形態は、複合薄板１２０に結合された複数の電気部品１１６を含んでもよい。伝熱管理装置１００は、熱エネルギを周囲環境へと放出するように構成され、複合薄板１２０に結合されたヒートシンク１１８を有してもよい。

図１に示された実施形態において、耐熱性の高い部品１１２は、その動作に起因して発熱するパワーエレクトロニクスデバイスであってもよい。耐熱性の高い部品１１２は、例えばコンピュータ処理ユニット、グラフィカル処理ユニット及びチップセット等の集積回路を含む様々な電子デバイスであってもよい。ある実施形態において、耐熱性の高い部品１１２は、パワーインバータ、電圧整流器及び電圧調整器等において使用されるようなパワー半導体デバイスであってもよい。限定されるものではないが、例示的なパワー半導体デバイスは、パワー絶縁ゲートバイポーラトランジスタ及び金属酸化膜電界効果トランジスタ等を含む。別の実施形態において、耐熱性の高い部品１１２は、電気モーター又は発電器（generator）を含んでもよい。動作中、概して耐熱性の高い部品１１２は、耐熱性の高い部品１１２の設計された動作機能に起因する排熱として熱を生じる。電気部品は従来、温度過上昇の状態となった場合の温度誤動作又は温度による非一時的障害の影響を受けやすいため、伝熱管理装置において耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱は、概して望ましいものではない。それにもかかわらず、耐熱性の高い部品１１２は、広い温度範囲に亘り動作し続ける。

更に、図１で示された実施形態において、耐熱性の低い部品１１４は、例えば平面的なカプラ、インダクタ／変圧器、Ｑ値の高い共振回路、検出器、電流検知レジスタ、水晶発振器、配列された光学的部品又はヒューマンインタフェース制御ボタン等を含む様々な耐熱性の低い電子デバイスから選択され得る。耐熱性の低い部品１１４の動作は、耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱エネルギによって悪い影響を受け得る。逆に、他の実施形態において、耐熱性の低い部品１１４は、例えば熱電発電器又は圧電ファン等の、上昇した熱エネルギで向上した効率で動作する耐熱性の低い電子デバイスであってもよい。更に別の実施形態において、耐熱性の低い部品１１４は、例えば多相ヒートパイプ及び対流ヒートシンク等の、上昇した温度で向上した効率で動作する熱機械デバイスであってもよい。こうした耐熱性の低い部品１１４へと流された上昇した熱エネルギは、耐熱性の低い部品１１４の性能を向上させ得る。従って、複合薄板１２０に結合された耐熱性の低い部品１１４の温度を管理するため、複合薄板１２０は、複合薄板１２０に沿って流れる熱流の方向及び／又は強度を変更する複数の伝熱管理機能を有する。

ここで図２から図４を参照すると、示された伝熱管理装置１００の実施形態は、絶縁基板１４０と、絶縁基板１４０に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体１４２と、絶縁基板１４０に少なくとも部分的に組み込まれた導電体１４４と、を備える複合薄板１２０を有する。複合薄板１２０は、少なくとも１つの電子部品取付モジュール１２２、１２４を更に有し、それぞれ複合薄板１２０に取付けられる。電子部品取付モジュール１２２、１２４は、耐熱性の高い部品１１２又は耐熱性の低い部品１１４のそれぞれと、複合薄板１２０に組み込まれた導電体１４４と、の間の電気接続部を提供する。複数の電子リードは、絶縁基板１４０を通って、電子部品取付モジュール１２２、１２４から従来知られているような、一連のビア内の（in a series of vias）導電体１４４へと延びる。電子部品取付モジュール１２２、１２４は、耐熱性の高い部品１１２又は耐熱性の低い部品１１４のそれぞれを、スナップインフィット又はロック保持カラー又はサーマルパッド（図示せず）によるアタッチメントによって固定してもよい。他の実施形態において、耐熱性の高い部品及び／又は耐熱性の低い部品１１２、１１４は、複合薄板１２０に結合されてもよく、且つ、例えば、はんだ又は溶接によって、導電体１４４と電気的導通状態で配置されてもよい。

図２から図４に示された実施形態において、複合薄板１２０は、絶縁基板１４０内に少なくとも部分的に組み込まれるように配置された導熱体１４２及び導電体１４４を含む。導熱体１４２は、例えば銅、銀、金及びこれらの合金を含む、高い熱伝導特性を有する任意の様々な材料から選択されてもよい。導熱体１４２は、絶縁基板の熱伝導率の係数ｋ_iよりも大きな熱伝導率の係数ｋ_cを有してもよく、ｋ_cが少なくともｋ_iよりも大きな強度のオーダーであることを含んでもよい。同様に、導電体１４４は、例えば銅、銀、金及びこれらの合金等を含む、高い電子伝導特性を有する任意の様々な材料から選択されてもよい。絶縁基板１４０は、例えばカーボン強化材又はガラス強化材と結合され得るポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン及びエポキシ等のようなプラスチックを含む、低い電子伝導性を有する任意の様々な材料から選択されてもよい。１つの実施形態において、絶縁基板１４０は、ガラス強化エポキシであるＦＲ−４から作られてもよい。絶縁基板１４０は、熱伝導率の係数ｋ_iを有するが、これは、導熱体の熱伝導率の係数ｋ_cより小さい。

図２から図４に示されたように、複合薄板１２０の実施形態は、絶縁基板１４０の一方の側部に沿って少なくとも部分的に組み込まれた導熱体１４２の内部接続された、より線（strand）の格子（lattice）を有するバルク領域１３２を含む。バルク領域１３２における導熱体１４２の格子は、概して耐熱性の高い部品１１２において生成された熱をヒートシンク１１８へと流す配向で配置される。示された実施形態において、格子は、導熱体１４２によって形成される複数の正方形のセルを有する。当然のことながら、様々な多角形形状、幅、深さ及び長さを有することを含むこうした格子の様々な構成は、本開示の範囲から逸脱することなく複合薄板１２０へと組み込まれ得る。示された実施形態において、導熱体１４２の格子は、耐熱性の高い部品１１２からヒートシンク１１８へと主方向（principal direction）９０に延び、且つ、耐熱性の高い部品１１２からヒートシンク１１８へと主方向９０に対して横断する交差方向９２に延びるより線を含む。熱エネルギを交差方向９２へと方向付けることによって、導熱体１４２の向上した比率は、熱エネルギをヒートシンク１１８へと方向付けるのに使用されてもよく、耐熱性の高い部品１１２からヒートシンク１１８及び周囲環境へと排出される熱の複合薄板１２０の効率を向上させ得る。

複合薄板１２０は、耐熱性の低い部品１１４近傍に配置された目的とする伝熱領域１３０を更に含む。目的とする伝熱領域１３０は、耐熱性の低い部品１１４を包囲する導熱体１４２の構成を有する。目的とする伝熱領域１３０の導熱体１４２は、バルク領域１３２の導熱体１４２と熱的導通状態であってもよく、これによって、熱流は、バルク領域１３２と目的とする伝熱領域１３０との間の導熱体１４２に沿って容易に流れる。導熱体１４２は、導電性も有するため、バルク領域１３２及び目的とする伝熱領域１３０の導熱体１４２間の熱的導通性は、バルク領域１３２及び目的とする伝熱領域１３０間の評価する（evaluating）電気的導通性によって変化し得る。これらの実施形態において、バルク領域１３２及び目的とする伝熱領域１３０は、熱流を、耐熱性の低い部品１１４から離れた方へと導いて（steer）もよい。目的とする伝熱領域１３０は、目的とする伝熱領域１３０近傍の位置において、複合薄板１２０の熱伝導率及び／又は熱容量を変化させる一方で、目的とする伝熱領域１３０から遠位に配置された位置において概して伝導性の伝熱（conductive heat transfer）を維持する。複合薄板１２０の熱伝導率を変更することによって、複合薄板１２０に沿った伝熱の安定状態が制御され得る。同様に、複合薄板１２０の熱容量を変更することによって、複合薄板１２０の、熱流の変化に対する一時的な（transient）熱的応答が制御され得る。

目的とする伝熱領域１３０、２３０、３３０の様々な実施形態は、図５から図７により詳細に示される。ここで示された目的とする伝熱領域１３０、２３０、３３０は、略円形であったが、当然のことながら、本開示に係る目的とする伝熱領域１３０、２３０、３３０の実施形態は、幾何学的形状によって限定されるべきものではない。従って、目的とする伝熱領域１３０、２３０、３３０の様々な実施形態は、様々な形状及び構成を呈してもよい。図５に示された実施形態において、目的とする伝熱領域１３０は、導熱体１４２及び絶縁基板１４０の複合構造によって形成される温度管理機能を有し、導熱体１４２は、耐熱性の低い部品の設置領域１３８を包囲する同心状のリング１５０で構成され、ここに、第２の電子部品取付モジュール１２４がある。目的とする伝熱領域１３０のリング１５０は、互いに交差しておらず、絶縁基板１４０によって互いに分離される。最も外側のリング１５０は、絶縁基板１４０に沿ってバルク領域１３２に配置された導熱体１４２の格子と熱的導通状態であってもよい。

目的とする伝熱領域１３０のリング１５０は、目的とする伝熱領域１３０を通して熱流を低減させつつ熱エネルギをリング１５０に沿って送る。従って、目的とする伝熱領域１３０は、耐熱性の低い部品１１４へと流れる熱エネルギの量を低減させ得る。こうして、目的とする伝熱領域１３０は、耐熱性の低い部品１１４を、複合薄板１２０に沿って流れ得る熱流から覆って（mask）もよい。目的とする伝熱領域１３０の使用（Incorporation）は、耐熱性の低い部品１１４が動作する温度に対してセンシティヴであり、且つ／又は温度の時間変化によって耐熱性の低い部品１１４の寸法を横断する用途において有用となり得る。目的とする伝熱領域１３０のリング１５０は、熱流の主方向９０において目的とする伝熱領域１３０に亘り評価される温度降下を低減してもよい。温度降下の低減及び目的とする伝熱領域１３０に亘り方向付けられた関連する熱流の低減は、耐熱性の低い部品１１４の、耐熱性の高い部品１１２からの熱的絶縁性を提供する一方で、複合薄板１２０内における電気的導通性を維持する。

図５に示された目的とする伝熱領域１３０は、概して耐熱性の低い部品の設置領域１３８に亘り一定の温度を維持することによって、複合薄板１２０に等温領域を形成してもよい。従って、等温領域は、目的とする伝熱領域１３０内の温度変化の低減を示し、温度勾配にさらされるときに悪影響を受ける耐熱性の低い電気部品にとって有益となり得る。

目的とする伝熱領域１３０、ここではリング１５０の温度管理機能は、目的とする伝熱領域１３０の有効熱伝導率（effective thermal conductivity）がバルク領域１３２の有効熱伝導率と同等となるように選択され得る。これは、低減された目的とする伝熱領域１３０及びバルク領域１３２の熱伝導率の係数の平均の比較によって評価されてもよく（すなわち、ｋ_b＝ｆ・ｋ_c＋（１−ｆ）・ｋ_s）、ここで、ｋ_bは、低減されたバルク領域１３２の熱伝導率の係数の平均であり、ｋ_cは、導熱体１４２の熱伝導率の係数であり、ｋ_sは、絶縁基板１４０の熱伝導率の係数であり、ｆは、バルク領域１３２内の導熱体１４２の体積分率（volume fraction）である。更に、ある実施形態において、リング１５０の幅及び深さは、目的とする伝熱領域１３０の熱容量を変化させるため、互いに対して変化し、且つ／又は、それらの長さに沿って変化してもよい。ある実施形態において、目的とする伝熱領域１３０の有効熱伝導率は、バルク領域１３２の有効熱伝導率の約１０％の範囲内にある。他の実施形態において、目的とする伝熱領域１３０の有効熱伝導率は、バルク領域１３２の有効熱伝導率の約５％の範囲内にある。更に別の実施形態において、目的とする伝熱領域１３０の有効熱伝導率は、バルク領域１３２の有効熱伝導率に略等しい。目的とする伝熱領域１３０とバルク領域１３２との間の有効熱伝導率間の差の最小化は、目的とする伝熱領域１３０から離された位置における熱流の中断（disruption）を低減する。

ここで図６を参照すると、目的とする伝熱領域２３０の別の実施形態が示される。目的とする伝熱領域２３０は、導熱体１４２及び絶縁基板１４０の複合構造を有し、導熱体１４２は、耐熱性の低い部品の設置領域１３８、ここでは、第２の電子部品取付モジュール１２４、を包囲するリング１５０と、複数のスポーク１５２であって同心円状のリング１５０を互いに熱的導通状態となるように配置するために同心円状のリング１５０間で径方向に延びる複数のスポーク１５２と、で構成される。図６に示されたスポーク１５２は径方向の配向で配置されるが、当然のことながら、スポーク１５２は、用途の要求に基づいた様々な構成で配置されてもよい。最も外側のリング１５０は、絶縁基板１４０に沿って配置された導熱体１４２の格子と熱的導通状態であってもよい。

目的とする伝熱領域２３０の同心円状のリング１５０及びスポーク１５２は、熱流を、スポーク１５２に沿って、リング１５０間で流し、それによって、目的とする伝熱領域２３０を通る熱流は、格子のような構成に導熱体１４２及び絶縁基板１４０を組み込む複合薄板１２０のバルク領域１３２と比較して増加する。この実施形態において、格子のような構成の導熱体１４２が複合薄板１２０の耐熱性の高い部品の設置領域１３６の周りに配置される一方で、目的とする伝熱領域２３０は、耐熱性の低い部品の設置領域１３８を包囲する。従って、目的とする伝熱領域２３０は、耐熱性の低い部品１１４へと流れる熱流を増加させ得る。こうして、目的とする伝熱領域２３０は、耐熱性の低い部品１１４へと熱エネルギを集中させる。目的とする伝熱領域２３０の使用は、例えば熱電部品を備え、上昇した温度勾配において向上した効率で耐熱性の低い部品１１４が動作する用途において有益となり得る。目的とする伝熱領域２３０の同心円状のリング１５０間のスポーク１５２は、熱流の主方向９０において目的とする伝熱領域２３０に亘り評価される温度降下を増し得る。温度降下の増加及び目的とする伝熱領域２３０に亘り流れる熱流の同様な増加は、複合薄板１２０内の電気的導通が維持される一方で、耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱から、耐熱性の低い部品１１４の熱量増幅を生じさせ得る。

ここで図７を参照すると、目的とする伝熱領域３３０の更に別の実施形態が示される。目的とする伝熱領域３３０は、導熱体１４２及び絶縁基板１４０の複合薄板を有し、導熱体１４２は、耐熱性の低い部品の設置領域１３８、ここでは第２の電子部品取付モジュール１２４を包囲するために螺旋状の配向で延びる複数のスポーク１５４で構成される。図７で示されたスポーク１５４は、スポーク１５４の半径が格子のような領域からの距離の増加につれて減じられる螺旋状の配向で構成される一方で、当然のことながら、スポーク１５４は、用途の要求によって様々な構成で構成されてもよい。

目的とする伝熱領域３３０のスポーク１５４は、スポーク１５４に沿って且つ目的とする伝熱領域３３０を通る線形方向の移動（travelling）から離れるように熱エネルギを送り、それによって、目的とする伝熱領域３３０に案内された熱エネルギは、スポーク１５４の方向に従って回転させられる。こうして、目的とする伝熱領域３３０は、熱エネルギを耐熱性の低い部品１１４の周りに方向付けてもよく、これによって、目的とする伝熱領域３３０内の熱エネルギの輸送方向を回転させる。ある実施形態において、目的とする伝熱領域３３０は、耐熱性の低い部品の設置領域１３８近傍の、目的とする伝熱領域３３０の内部に沿って評価された温度降下が目的とする伝熱領域３３０の外部に沿って評価された温度降下とは逆となるように（inverted）熱流を回転させてもよい。目的とする伝熱領域３３０の使用は、熱が特定の方向に流れるときに、耐熱性の低い部品１１４が向上した効率で動作する用途において有益となり得る。温度降下及び目的とする伝熱領域３３０に亘り流れる同様な熱流の減少は、耐熱性の低い部品１１４の、耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱からの熱的絶縁性を提供し得る一方で、複合薄板１２０内の電気的導通を維持する。

本開示に係る目的とする伝熱領域１３０、２３０、３３０の、複合薄板１２０における使用は、複合薄板１２０の表面に沿った伝導性の伝熱の変化を可能とする。上述したように、回路基板組立体の実施形態が、上昇した温度又は高い温度勾配にさらされるときに悪影響を被る電気部品を有するとき、電気部品を熱流から覆い（shield）、又は、部品に対する熱エネルギの流入を低減するために熱流を回転させる、目的とする伝熱領域が望まれる。これらの実施形態において、目的とする伝熱領域の使用は、耐熱性の低い部品が電気的導通のため複合薄板へと取り付けられることを可能とする一方で、耐熱性の低い電気部品における上昇した温度のいかなる影響も最小化する。更に、上述したように、目的とする伝熱領域は、熱的環境を形状化するため（to provide shape the thermal environment）、耐熱性の低い部品を包囲する複合薄板に沿った別の幾何学的形状で構成されてもよい。

同様に、上昇した温度において向上した効率で動作する電気部品のため、回路基板組立体の実施形態は、電気部品へと熱流を集める目的とする伝熱領域を組み込んでもよく、これによって、電気部品周りの温度を上昇させる。これらの実施形態において、温度の上昇は、耐熱性の低い電子部品の性能を向上させ得る。従って、熱エネルギを耐熱性の低い電子部品に集めることによって、耐熱性の低い電子部品の向上した性能が実現され得る。

再度図２から図４を参照すると、当然のことながら、導電体１４４及び絶縁基板１４０は、導熱体１４２によって伝えられる熱エネルギに加えて、耐熱性の高い部品１１２からヒートシンク１１８及び／又は耐熱性の低い部品１１４へと熱エネルギを伝えてもよい。しかしながら、導熱体１４２は、絶縁基板１４０及び導電体１４４の熱伝導率より大きな、（導熱体１４２の熱伝導率及び幅及び厚さに基づいた）熱伝導率を示してもよい。導熱体１４２の熱伝導率は、絶縁基板１４０及び導電体１４４より大きいため、耐熱性の高い部品１１２によって放出された熱エネルギの大部分（substantial portion）が導熱体１４２によって送られ得る。本開示に係る複合薄板１２０の詳細な設計は、導熱体１４２の位置が決定されたときに絶縁基板１４０及び導電体１４４の配置、寸法及び熱伝導率を決定し得る（may account for）。従って、複合薄板１２０の設計は、回路基板組立体１１０の様々な電気部品の熱分散（thermal dissipation）及び電気的導通要求の両方を決定し得る。

ある実施形態において、導熱体は、複合薄板においていかなる付加的な導電体も必要とせず耐熱性の高い部品を耐熱性の低い部品と電気的導通状態で配置してもよい。これらの実施形態において、導熱体は、例えば耐熱性の低い部品及び耐熱性の高い部品を含む、複合薄板に取付けられた部品間の電気導通状態を同時に維持する一方で、熱流の流れを複合薄板に沿って送るように構成される。従って、こうした実施形態において、導熱体は、熱エネルギ及び電気エネルギの両方を導通させる。

ここで図８から図１０を参照すると、伝熱管理装置４００の別の実施形態が示される。この実施形態において、伝熱管理装置４００は、複数の薄板４２２、４２４を備える複合積層板組立体４２０を有する。図８から図１０に示された実施形態において、複合積層板組立体４２０は、第１の薄板４２２及び第２の薄板４２４を有する。当然のことながら、本開示に係る複合積層板組立体４２０は、特定の用途の要求に基づいて任意の数の薄板を有してもよい。第１の薄板４２２は、耐熱性の高い部品１１２及び耐熱性の低い部品１１４がそれぞれ結合され得る、第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４を有する。複合積層板組立体４２０の第１の薄板４２２は、絶縁基板１４０に少なくとも部分的に組み込まれた複数の導電体１４４を有してもよい。示された実施形態において、導電体１４４は、第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４に対向する第１の薄板４２２の内面に沿って配置される。電子部品取付モジュール１２２、１２４は、導電体１４４と電気的導通状態で維持される。示された実施形態において、複数の電子リード４４４は、第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４から導電体１４４へと延び、第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４を、導電体１４４と電気的導通状態で配置する。

第１の薄板４２２は、組み込まれた導熱体４４２も有する。組み込まれた導熱体４４２は、絶縁基板１４０内に少なくとも部分的に組み込まれ、導電体１４４から電気的に絶縁される。図８から図１０に示された実施形態において、組み込まれた導熱体４４２は、第１の薄板４２２であってこれに沿って第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４が配置される第１の薄板４２２の、外面から離される。組み込まれた導熱体４４２は、第１の電子部品取付モジュール１２２及び第２の電子部品取付モジュール１２４に対向する第１の薄板４２２の内面に沿って配置される（exposed）。

第２の薄板４２４は、絶縁基板４４０に少なくとも部分的に組み込まれた絶縁基板４４０及び導熱体１４２を有する。図８から図１０に示された実施形態において、導熱体１４２は、第２の薄板４２４の上面に沿って配置される。導熱体１４２は、上述した図２から図４で説明したのと同様な格子内に配置されることを含む様々な構成で配置されてもよい。導熱体１４２は、導熱体１４２及び導電体１４４が互いに電気的に絶縁されたままであるように、導電体１４４から離されるように配置される。導熱体１４２は、第１の薄板４２２の組み込まれた導熱体４４２と熱的導通状態で配置される。

第２の薄板４２４は、第２の薄板４２４の絶縁基板４４０内に少なくとも部分的に組み込まれた、目的とする伝熱領域１３０を更に含む。上述した目的とする伝熱領域１３０の実施形態と同様、目的とする伝熱領域１３０は、複合積層板組立体４２０に沿って送られる熱流を形状化（shape）するため、複合積層板組立体４２０の近位の（local）熱伝導率を変更してもよい。目的とする伝熱領域１３０の実施形態は、耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱エネルギから耐熱性の低い部品１１４を保護してもよく（shield）、或いは、耐熱性の高い部品１１２から耐熱性の低い部品１１４へと熱エネルギを集めてもよい。

電気信号は、耐熱性の高い部品１１２から或いは耐熱性の高い部品１１２へと、導電体１４４を通して伝えられる。耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱は、複合積層板組立体４２０の第１の薄板４２２へと送られる。耐熱性の高い部品１１２によって生成された熱エネルギの大部分は、第１の薄板４２２の組み込まれた導熱体４４２へと送られる。熱エネルギは、複合積層板組立体４２０に沿って組み込まれた導熱体４４２から第２の薄板４２４の導熱体１４２へと、ヒートシンク１１８及び／又は耐熱性の低い部品１１４へと向かう熱的経路に沿って送られる。耐熱性の高い部品１１２からの熱エネルギは、目的とする伝熱領域１３０の構成に基づいて、選択的に耐熱性の低い部品１１４からシールドされ、耐熱性の低い部品１１４へと集められ、或いは、耐熱性の低い部品１１４に関連して案内される。

当然のことながら、複数の薄板の複合積層板組立体４２０の様々な構成は、複合積層板組立体４２０に沿った熱流の輸送が、複合積層板組立体４２０に取付けられた電気部品間の電気的導通を維持する一方で、目的の効果を提供するべく制御され得るように、互いに電気的に絶縁された導熱体１４２及び導電体１４４を組み込んでもよい。電気部品、導熱体及び／又は導電体を絶縁基板４４０へと組み込む付加的な薄板は、目的の電子的組立体が、要求に応じて、熱エネルギを周囲環境へと放熱でき、シールドし、或いは、耐熱性の低い部品電子部品へと集めることができるように回路基板組立体４１０に含まれてもよい。従って、当然のことながら、本開示に係る複合積層板組立体４２０の実施形態は、回路基板組立体４１０の電気部品の熱分散を生じさせ、且つ電気的導通要求を満たすように設計されてもよい。更に、複合積層板組立体４２０の導熱体１４２及び導電体１４４は、熱流が、導電体１４４の熱伝導の影響を最小化する導熱体１４２に沿って選択的に送られ得るように絶縁基板４４０によって互いに分離されてもよい。

複数の薄板の複合積層板組立体の更に別の実施形態において、特定の層の導熱体は、熱的導通及び電気的導通の両方を伝熱管理装置の部品に提供してもよい。ある実施形態において、伝熱管理装置の部品間の電気的導通は、部品が取付けられたプリント基板から離された複合薄板へと方向付けられてもよい。こした実施形態において、部品間の熱的導通及び電気的導通は、複数の薄板の複合積層板組立体の別の層を通して維持されてもよい。

ここで図１１を参照すると、複合積層板組立体５１０を組み込む伝熱管理装置５００の別の実施形態が示される。この実施形態において、複合積層板組立体５１０は、複数の電子部品取付モジュール１２２を備え、且つ、少なくとも１つの、第２の電子部品取付モジュール１２４を備える複合薄板５２０を有する。耐熱性の高い部品１１２は、電子部品取付モジュール１２２及び耐熱性の低い部品１１４へとそれぞれ取り付けられ、耐熱性の低い電子部品は、第２の電子部品取付モジュール１２４に結合される。上述した実施形態と同様、複合薄板５２０は、絶縁基板５４０へと少なくとも部分的に組み込まれた導熱体５４２も有する。導熱体５４２は、その要素に沿って熱を伝えるように構成される。図１１に示された実施形態において、導熱体５４２は、互いに熱的導通状態にある複数のより線を有する格子内に構成される。更に導熱体１２は、目的とする伝熱領域５３０に構成される。目的とする伝熱領域５３０は、導熱体１４２のバルク領域５３２と比較して変形されたパターンを有し、それによって、バルク領域５３２における熱流の方向は、目的とする伝熱領域５３０における方向とは異なる。

図１１に示された実施形態において、目的とする伝熱領域５３０は、熱エネルギを、それぞれの耐熱性の高い部品１１２から、耐熱性の低い部品１１４へと送り、熱エネルギを耐熱性の高い部品１１２から耐熱性の低い部品１１４へと集める。こうした構成は、耐熱性の低い部品１１４が上昇した温度において向上した効率で動作する耐熱性の低い電子部品である用途に好適である。耐熱性の高い部品１１２、耐熱性の低い部品１１４、及び目的とする伝熱領域５３０の構成は、耐熱性の低い部品１１４へと流れる熱流を増加させ得る。

ここで図１２から図１４を参照すると、伝熱管理装置６００の別の実施形態が示される。この実施形態において、伝熱管理装置６００は、複合積層板組立体６１８を形成するために互いに結合された複数の複合薄板６２０を有する。複合薄板６２０は、電気モーター６０２の周りで組み立てられる。電気モーター６０２は、回転子の原動力を生成する固定子６０４内で回転するように構成された回転子６０６を有する。示された実施形態において、原動力の強さは、固定子６０４のコイル（図示せず）を流れる電気量、及び、回転子６０６の磁力の強さに基づく。コイルを流れる電気量が増加すると、概して回転子６０６によって提供される原動力が増加する。

しかしながら、コイルを流れる電気の増加は、概して電気モーター６０２の動作温度の増加に関連する。電気モーター６０２の固定子６０４の温度を管理するため、伝熱管理装置６００は、固定子６０４から熱流を引き出す複数の除熱装置６１０を有してもよく、これによって、固定子６０４の温度を低下させる。除熱装置６１０は、上昇した温度及び／又は上昇した温度勾配において向上した効率で駆動することができ、このため、除熱装置６１０は、耐熱性の低い部品である。ある実施形態において、除熱装置６１０は、例えば、非限定的に、ヒートパイプ、熱電クーラー及び伝導性ヒートシンク等であってもよい。

ここで図１４を参照すると、複合薄板６２０の１つが示される。複合積層板組立体６１８（図１３に示される）におけるそれぞれの複合薄板６２０は、導熱体１４２及び絶縁基板１４０の同等な層を有してもよい。図１４に示された実施形態において、複合薄板６２０は、絶縁基板１４０に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体１４２を有する。導熱体１４２は、バルク領域６３２及び複数の目的とする伝熱領域６３０に構成され、バルク領域６３２の伝導性の伝熱係数は、目的とする伝熱領域６３０の伝導性の伝熱係数より低い。図１４に示された実施形態において、目的とする伝熱領域６３０は、互いに同心の関係で構成された複数のリング１５０と、径方向の関係に構成され且つ複数のリング１５０を互いに相互連結する複数のスポーク１５２と、を有する。上述したように、目的とする伝熱領域６３０は、熱流を除熱装置６１０へと送るために、耐熱性の高い部品（ここでは固定子６０４）から熱流を集めようとする。目的とする伝熱領域６３０のそれぞれを横断する熱流を増加させることによって、固定子６０４から排出される熱エネルギは、高い効率で除熱装置６１０へと送られ得る。排熱の効率の増加は、設計包絡線（design envelope）を横断する固定子６０４の温度を維持するのに必要とされる除熱装置６１０の数を減らすことができる。更に、この実施形態において、複合薄板６２０のバルク領域６３２及び目的とする伝熱領域３６０は、熱流を除熱装置６１０（すなわち耐熱性の低い部品）へと導いてもよい。従って、目的とする伝熱領域６３０の使用は、伝熱管理装置６００のコスト及び複雑さを低減し得る。

当然のことながら、本開示に係る伝熱管理装置は、少なくとも、基板において少なくとも部分的に組み込まれた絶縁基板及び導熱体を備える複合薄板を有してもよい。導熱体は、目的とする伝熱領域及びバルク領域において構成される。プリント回路基板の熱伝導率は、複合薄板に沿った熱流の流れが目的とする伝熱領域においてバルク領域と比較して変化するように、導熱体によって局所的に変化する。目的とする伝熱領域における熱エネルギの流れの変化は、耐熱性の低い部品が複合薄板に配置され、且つ、バルク領域に配置される耐熱性の低い部品と比較して、向上した効率で動作することを可能とする。

４つのサンプルが上述した目的とする伝熱領域によって提案された伝熱特性を評価する試験のため準備された。標準の試験片（coupons）は、０．６９Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率の係数を有する絶縁基板としてＲＯ４３５０Ｂ材を用いて作られる。試験片は、１１５ｍｍの全長と、５０ｍｍの幅を有する。絶縁基板は、５０８μｍの厚さを有する。４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率の係数を有する銀めっきされた銅は、化学的エッチングによって、絶縁基板の上面及び底面に沿った３５μｍの厚さでバルク領域へと形成され、プリント回路基板試験片の全体厚さを５７８μｍとする。銀めっきされた銅は、２．５ｍｍの長さ及び幅寸法を有した複数の正方形のセルを備える２００μｍの厚さを有してバルク領域において構成された。絶縁基板の両端から３７．５ｍｍ延びる完全に銀めっきされた銅の熱的ブスバー（thermal bus bars）は、内部流れ及び外部流れの熱を目的の領域、試験片の中心における４０ｍｍの所へと提供するためにも組み込まれる。正確な熱画像を容易とするため、高い放射率（emissivity）（ε＝０．９６〜０．９８）の薄い一様なコーティング、平面的な黒いペイント、クライロン１６１８が、それぞれの試験片の目的の領域に塗布された。それぞれの複合構造の露出された上側の熱的輪郭は、試験装置の上方に直接配置された、校正されたＩＲカメラ（ＦＬＩＲ ＳＣ７６５０）によって得られる。１０ｍｍの径を有する同心円状のリングの内径に対応して横断する温度勾配が計測される。

最大動力５０Ｗを有する１つの１２０Ｖのカートリッジヒーターを受け入れるように縦に機械加工された中心孔を有する３０ｍｍ×３０ｍｍ×５０ｍｍの銅製のブロックヒーターでそれぞれの試験片に動力が付与される。１１Ｗの最大冷却動力を有する直空（direct-to-air）熱電クーラーは、ヒーターに対向して配置され、ヒートシンクとして使用される。試験装置は、目的の領域以外絶縁部によって覆われ、大気環境に露出される。

コンピュータシミュレーションモデルは、それぞれのテストケースの安定状態の伝熱をシミュレーションするように構成される。

ベースライン。ベースライン試験片は、バルク領域が目的の領域に沿って延びる複数の正方形セルを有するように目的とする伝熱領域なく準備される。

目的の領域を横断する３５Ｋの温度差を形成するため、動力をベースライン試験片に付与すると、他の試験片の同心円状のリングの内径に相当する距離で評価された温度勾配は、∇Ｔ≒８．３Ｋ／ｃｍで評価される。比較において、シミュレーションモデルは、温度勾配が∇Ｔ≒９Ｋ／ｃｍであることを示した。

サンプル１。複数の同心円状のリングを備えた図５に対応する、目的とする伝熱領域を有する試験片は、９つの２５０μｍ幅の同心の銅リングを有して生成され、それぞれのリングは、均一に互いに離して配置され、同心円状のリングの外径は、１８．５ｍｍとなり、内径は１０ｍｍとなった。

目的の領域を横断する３５Ｋの温度差を形成するために動力をベースライン試験片に付与すると、同心円状のリングの内径を横断する、評価された温度勾配は、∇≒０．２２Ｋ／ｃmと評価された。比較において、シミュレーションモデルは、温度勾配が∇Ｔ≒０．８６Ｋ／ｃmであることを示した。

サンプル２。目的とする伝熱領域を有する試験片は、同心円状のリングを相互に連結する径方向のスポークを備えて複数の同心円状のリングを有する図６に対応し、２つの２５０μｍ幅の同心の銅リング、１８．５ｍｍの外径を有する外部のリング、及び、１０ｍｍの内径を有する内部のリングが形成される。サンプルは、同心円状のリング周りに一様に配列され且つ外部リング及び内部リングを接続する９０の径方向スポークを有する。

目的の領域を横断する３５Ｋの温度差を形成するために動力をベースライン試験片へと付与すると、同心円状のリングの内径を横断して評価される温度勾配は、∇Ｔ≒１６．７Ｋ／ｃｍと評価された。比較において、シミュレーションモデルは、温度勾配が∇Ｔ≒１９．５Ｋ／ｃｍであることを示した。

サンプル３。複数のスポークを備えた、図７に相当する目的とする伝熱領域を有する試験片は、２５ｍｍの外径を有し、且つ、１０ｍｍの内径を有して形成された。サンプルは、１６の同等に配置された対数螺旋状の（logarithmic spiral）銅スポークを有し、内径周りで略３００°覆われる。それぞれの螺旋状スポークは、テーパー状であり、１７７μｍの内径幅及び４１４μｍの外径幅を有する。

目的の領域を横断する３５Ｋの温度差を形成するためにベースライン試験片に動力付与すると、同心円状のリングの内径を横断して評価された温度勾配は、∇Ｔ≒１．１Ｋ／ｃｍと評価し、温度勾配は、負であり、熱流が目的とする伝熱領域を横断して逆に流れることを示し、熱流は効果的に回転されることを示した。比較において、シミュレーションモデルは、負の温度勾配が∇Ｔ≒１．９Ｋ／ｃｍとなることを示した。

任意の定量比較、値、計測値又は他の代表値に元々備わり得る不確かさの本来の程度（inherent degree）を示すために「概して」という語がここで使用されてきたことに留意されたい。ここで、この語は、本主題の基本的機能の変更なく、言及された参照から定量的代表値が変化し得る程度を示すためにも使用される。

特定の実施形態がここで示され且つ説明されてきたが、当然のことながら、特許請求された主題の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な他の変形例及び変更がなされ得る。更に、請求された主題の様々な態様がここで説明されてきたが、こうした態様は、組合せて使用される必要はない。従って、添付の請求の範囲は、特許請求の範囲内の主題のこうした全ての変形例及び変更を包含する。

９０ 主方向
９２ 交差方向
１００ 伝熱管理装置
１１０ 回路基板組立体
１１２ 耐熱性の高い部品
１１４ 耐熱性の低い部品
１１６ 電気部品
１１８ ヒートシンク
１２０ 複合薄板
１２２ 電子部品取付モジュール
１２４ 電子部品取付モジュール
１３０ 目的とする伝熱領域
１３２ バルク領域
１３６ 耐熱性の高い部品の設置領域
１３８ 耐熱性の低い部品の設置領域
１４０ 絶縁基板
１４２ 導熱体
１４４ 導電体
１５０ リング
１５２ スポーク
１５４ スポーク
２３０ 目的とする伝熱領域
３３０ 目的とする伝熱領域
４００ 伝熱管理装置
４１０ 回路基板組立体
４２０ 複合積層板組立体
４２２ 第１の薄板
４２４ 第２の薄板
４４０ 絶縁基板
４４２ 導熱性
４４４ 電子リード
５００ 伝熱管理装置
５１０ 複合積層板組立体
５２０ 複合薄板
５３２ バルク領域
６００ 伝熱管理装置
６０２ 電気モーター
６０４ 固定子
６０６ 回転子
６１０ 除熱装置
６１８ 複合積層板組立体
６２０ 複合薄板
６３０ 目的とする伝熱領域
６３２ バルク領域

Claims (20)

1. 伝熱管理装置であって、
   絶縁基板及び該絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体を有する複合薄板と、
   該複合薄板に結合された耐熱性の低い部品と、
   前記複合薄板に結合され且つ前記耐熱性の低い部品から遠位に配置された耐熱性の高い部品であって動作中に発熱する耐熱性の高い部品と、を具備する伝熱管理装置であって、
   前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の低い部品近傍にある目的とする伝熱領域内及び前記耐熱性の高い部品近傍にあるバルク領域内に構成され、且つ、前記目的とする伝熱領域及び前記バルク領域が、互いに熱的導通状態にある伝熱管理装置。
2. 複合積層板組立体を形成するために互いに結合された複数の複合薄板を更に具備する請求項１に記載の伝熱管理装置。
3. 前記耐熱性の低い部品が、熱電発電器を具備する請求項１に記載の伝熱管理装置。
4. 前記耐熱性の低い部品が、ヒートシンクを具備する請求項１に記載の伝熱管理装置。
5. 前記複合薄板が、前記耐熱性の低い部品の近傍に配置された耐熱性の低い部品の設置領域を更に具備する請求項１に記載の伝熱管理装置。
6. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域を包囲する複数の導熱性リングを有する複合構造を具備する請求項５に記載の伝熱管理装置。
7. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域の周りで螺旋状の、複数の導熱性スポークを有する複合構造を具備する請求項５に記載の伝熱管理装置。
8. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域の周りで径方向に配列された複数の導熱性スポークを有する複合構造を具備する請求項５に記載の伝熱管理装置。
9. 前記バルク領域が、前記絶縁基板において少なくとも部分的に組み込まれた導熱体の格子を具備する請求項１に記載の伝熱管理装置。
10. 前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の高い部品から前記耐熱性の低い部品へと熱流を導くために前記バルク領域及び前記目的とする伝熱領域に配置された請求項１に記載の伝熱管理装置。
11. 前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の高い部品から、前記耐熱性の低い部品から離れた方へと熱流を導くために前記バルク領域及び前記目的とする伝熱領域に配置された請求項１に記載の伝熱管理装置。
12. 前記複合薄板が、前記耐熱性の低い部品及び前記耐熱性の高い部品を互いに熱的導通状態で配置する請求項１に記載の伝熱管理装置。
13. 伝熱を方向付けるための複合薄板であって、
    絶縁基板と、
    前記絶縁基板に少なくとも部分的に組み込まれた導熱体と、
    耐熱性の低い部品の設置領域と、耐熱性の高い部品の設置領域と、を具備する複合薄板であって、
    前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の低い部品の設置領域近傍にある目的とする伝熱領域及び前記耐熱性の高い部品の設置領域近傍にあるバルク領域に配置され、且つ、前記目的とする伝熱領域及び前記バルク領域が、互いに熱的導通状態にある複合薄板。
14. 前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の高い部品の設置領域から前記耐熱性の低い部品の設置領域へと熱流を導くために前記バルク領域及び前記目的とする伝熱領域に配置された請求項１３に記載の複合薄板。
15. 前記導熱体及び前記絶縁基板が、前記耐熱性の高い部品の設置領域から、前記耐熱性の低い部品の設置領域から離れた方へと熱流を導くために前記バルク領域及び前記目的とする伝熱領域に配置された請求項１３に記載の複合薄板。
16. 前記目的とする伝熱領域の有効熱伝導率が前記バルク領域の前記有効熱伝導率の約１０％の範囲内である請求項１３に記載の複合薄板。
17. 前記導熱体が、前記耐熱性の高い部品の設置領域、前記バルク領域及び前記目的とする伝熱領域を互いに熱的導通状態で配置する請求項１３に記載の複合薄板。
18. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域を包囲する複数の導熱性リングを具備する請求項１３に記載の複合薄板。
19. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域の周りで螺旋状の、複数の導熱性スポークを具備する請求項１３に記載の複合薄板。
20. 前記目的とする伝熱領域が、前記絶縁基板に組み込まれ且つ前記耐熱性の低い部品の設置領域の周りで径方向に配列された複数の導熱性スポークを具備する請求項１３に記載の複合薄板。

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