JP2015226058A - 電子機器システムのためのサーマルクランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器システムのためのサーマルクランプ装置を提供する。【解決手段】電子デバイスは、外側ケースと、第１及び第２の表面を有している回路基板と、回路基板の第１の表面上に装着されているアクティブコンポーネントと、アクティブコンポーネントを冷却する熱管理システムとを含む。熱管理システムは、アクティブコンポーネントに熱的接触する第１のヒートスプレッダと、回路基板の第２の表面に熱的接触する第２のヒートスプレッダと、第１および第２のヒートスプレッダに連結され、それらから熱的エネルギーを除去するサーマルキャリアと、サーマルキャリアに連結され、サーマルキャリアから熱的エネルギーを受け取り、熱的エネルギーを消散させる熱交換器とを含み、一方のサーマルキャリアは、第１のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されており、他方のサーマルキャリアは、第２のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、概して、電子デバイスに関し、より具体的には、バランスのとれた方式で、複数の熱的経路を介して、電子デバイスの熱管理を提供するためのシステムに関する。

ハンドヘルドコンピューティングデバイス（たとえば、スマートフォン、タブレットコンピュータ、電子書籍リーダなど）および埋め込み式のコンピューティングシステムなどのような小型の電子デバイスは、重要な熱管理の課題を提示する。より高い可搬性のために、より小さいフォームファクタであるだけでなく、ビデオおよび他のコンピューティング集約型のタスクを扱うのに十分にパワフルなデバイスに対する継続的なユーザーの要求が存在している。比較的に小型のデバイスの中にかなりの演算能力を提供することは、熱消散デバイスの重要な熱管理に対する必要性につながることが多い。

小型のデバイスの中のプロセッサから熱を伝達させるために使用される１つの一般的な解決策は、プロセッサまたはアクティブデバイス／コンポーネントに熱的接触するヒートスプレッダの使用を含む。そして、ヒートスプレッダは、ヒートパイプまたは他の構造体を介して、熱交換器に熱的接触しており、熱交換器は、小さいベントによって外部環境へ空気をベントする、ファンなどのようなエアムーバを含むことが多い。

しかし、上記に説明されているもののような従来の熱管理システムは、それに関連付けされる公知の限界および欠点を有するということが認識されている。１つの例として、そのような従来の熱管理システムにおいて、１つだけのメカニズムが、熱を除去するために適切な場所に置かれ、それは、プロセッサ／アクティブデバイスの表面に接続されているヒートパイプおよび熱交換器であるということが認識される。したがって、ヒートパイプまたは熱交換器のコンポーネントが故障した場合には（たとえば、熱交換器の中のファンがダストによって閉塞する）、潜在的な熱暴走が発生する可能性があり、それは、デバイスに対する過熱および／または損傷を生じさせる。

別の例として、従来の熱管理システムの通常動作の間でも、プロセッサまたはアクティブコンポーネントによって発生させられる熱の一部分は、ヒートパイプに伝達されず、プロセッサの後面（すなわち、ヒートパイプに接続されていない表面）を通して、プロセッサが装着されているプリント回路基板（ＰＣＢ）へ進行するということが認識される。したがって、プロセッサからＰＣＢへ進むこの熱の部分は、熱管理が不十分であり、この熱は、近傍のデバイスに熱的影響を有する可能性があり、その上ＰＣＢの上に局部的なホットスポットを生成させる可能性があり。多くの用途において、ＰＣＢが、コンピューティングデバイスのケース／スキンに極めて接近しているという事実を考慮すると、ＰＣＢに伝達される熱は、したがって、ユーザーが接触する可能性があるケース／スキンの上にホットスポットを生じ得る。

今説明された従来の熱管理システムに関連付けされるさらなる別の潜在的な危険は、冷却ファンに関連付けされる音響的なノイズおよび電気的なノイズの両方の問題である。そのような問題は、適当なノイズフィルタリング回路の使用、ならびに、ファンおよびベント設計を通して、完全に排除されるわけではないが、低減させることが可能である。しかし、ファンを稼働させるための電力消費の問題が、存在しているままである。

したがって、上述の欠点を克服する小型の電子デバイスのための熱管理システムを提供することが望ましいこととなり、そのようなシステムは、複数の熱的経路、より高い信頼性、ならびに、電力消費および音響ノイズ発生の低減を提供する。

米国特許出願公開第２０１３／０１４１８６６号公報

本発明の１つの態様によれば、電子デバイスは、全体的に内部体積を画定している外側ケースと、内部体積の中に位置付けされ、第１の表面および第２の表面を有している回路基板と、回路基板の第１の表面の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネントと、１つまたは複数のアクティブコンポーネントのために冷却を提供するように構成されている熱管理システムとを含む。熱管理システムは、１つまたは複数のアクティブコンポーネントの少なくとも１つのアクティブコンポーネントに熱的接触する第１のヒートスプレッダと、回路基板の第２の表面に熱的接触する第２のヒートスプレッダと、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダのそれぞれに連結され、それらから熱的エネルギーを除去するサーマルキャリアと、サーマルキャリアに連結され、サーマルキャリアから熱的エネルギーを受け取り、熱的エネルギーを消散させる熱交換器とをさらに含み、一方のサーマルキャリアは、第１のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されており、他方のサーマルキャリアは、第２のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されている。

本発明の別の態様によれば、電子デバイスは、全体的に内部体積を画定している外側ケースと、内部体積の中に位置付けされ、第１の表面および第２の表面を有している回路基板と、回路基板の第１の表面の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネントと、１つまたは複数のアクティブコンポーネントのために冷却を提供するように構成されている熱管理システムとを含む。熱管理システムは、１つまたは複数のアクティブコンポーネントの少なくとも１つのアクティブコンポーネントに熱的接触する第１のヒートスプレッダと、回路基板の第２の表面に熱的接触する第２のヒートスプレッダとをさらに含み、第２のヒートスプレッダは、外側ケースにも熱的接触しており、熱的エネルギーが、ケースに伝達され、ケースを横切って広がるようになっており、熱的エネルギーを消散させるようになっている。

本発明のさらなる別の態様によれば、電子デバイスから熱を除去するための方法は、回路基板の第１の表面の上に装着されている少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネントに、第１のヒートスプレッダを熱的に連結するステップと、回路基板の第１の表面の反対側にある回路基板の第２の表面に、第２のヒートスプレッダを熱的に連結するステップとを含み、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダは、少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネントおよび回路基板の周りにサーマルクランプを形成し、それらから両面の熱除去を行うようになっている。また、この方法は、電子デバイスの外側ケースに第２のヒートスプレッダを熱的に連結するステップと、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダのそれぞれにサーマルキャリアを連結し、少なくとも１つのアクティブコンポーネントによって発生させられる熱をそこから除去するステップと、第１および第２のサーマルキャリアを単一の熱交換器に連結するステップであって、熱交換器が、サーマルキャリアから熱を受け取り、熱を消散させるようになっている、ステップとを含む。

様々な他の特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかにされることとなる。

図面は、本発明を実施するために現在検討されている好適な実施形態を図示している。

本発明の実施形態を組み込むことができる小型の電子デバイスの絵画図である。 本発明の実施形態による、電子デバイスの熱管理システムを図示する、断面２−２から見た図１の断面図である。 本発明の実施形態による、電子デバイスの熱管理システムを図示する、その一部分が除去されている図１の絵画図である。 本発明の実施形態とともに使用可能なシンセティックジェットアッセンブリの図である。 本発明の実施形態とともに使用可能なシンセティックジェットアッセンブリの図である。

本発明の実施形態は、概して、冷却電子機器システムに関し、より具体的には、複数の熱的経路を利用し、そのような電子機器システムの中のアクティブコンポーネントおよび他のデバイスに冷却を提供する熱管理システムに関する。

本明細書で議論されているように、スマートフォン、タブレットコンピュータ、および電子書籍リーダなどのようなハンドヘルドコンピューティングデバイスを含む、様々なタイプの小型の電子機器システムまたはデバイスが、本発明の実施形態の組み込みから利益を受けることが可能である。しかし、本発明の実施形態は、そのようなハンドヘルドコンピューティングデバイスとともに使用することだけに限定されず、本発明の実施形態は、埋め込み式のコンピューティングシステムなどのような他の電子機器システムの中で用いることが可能であるということが認識される。したがって、本発明の範囲は、以下に本明細書で述べられている特定の実施形態によって限定されることを意味していない。

図１を参照すると、小型の電子デバイス１０の例示的な実施形態の絵画図が示されており、それとともに、本発明の実施形態を用いることが可能である。電子デバイス１０は、ハンドヘルドコンピュータ、スマートフォン、タブレット、電子書籍リーダ、または、事実上任意の他のポータブルコンピューティングデバイスなどのような、多数の異なるタイプのデバイスのいずれかとすることが可能である。この例示目的の実施形態では、電子デバイス１０は、ケース１２と、ケース１２に接続されているスクリーンまたはディスプレイ１４とを含む。示されているように、ケース１２およびスクリーン１４は、丸い角部を備える概して長方形の形状を有している。しかし、当業者は、ケース１２およびディスプレイ１４のフットプリントが、事実上無限の数の構成をとることが可能であるということを理解することとなる。ケース１２は、周知のプラスチック、アルミニウム、ステンレス鋼などのような金属、または、そのような材料の組み合わせから構築することが可能である。ディスプレイ１４は、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ表示装置（ｒｅａｄｏｕｔ）、または、事実上任意の他のタイプのディスプレイデバイスとすることが可能である。

電子デバイス１０の追加的な詳細は、図２および図３を参照することによって理解することが可能であり、図２および図３は、図１の断面２−２における電子デバイスの断面図、および、ケース１２の一部分がそこから除去されている電子デバイスの図を、それぞれ提供している。図２および図３に示されているように、ケース１２は、全体的に、電子デバイスの様々なコンポーネントをその中に保持するための内部スペースまたは内部体積１６を画定している。ケース１２は、ディスプレイ１４および周囲棚部２０を収容するために前面開口部１８を含むことが可能であり、周囲棚部２０は、開口部１８を囲み、ディスプレイ１４のためのシーティング領域を提供している。

回路基板２２が、内部体積１６の中に位置付けされており、１つまたは複数のスクリュー（図示せず）または他の締結具によって、周囲棚部２０の裏側に固定することが可能である。回路基板２２は、システムボード、ドーターボード、または、他のタイプのプリント回路基板とすることが可能であり、周知のセラミック、１つもしくは複数のエポキシ層などのような有機材料、または他の材料などのような、様々な材料から構成することが可能である。回路基板２２は、複数の表面および／または内部導体トレース（見ることはできない）を含み、内部導体トレースは、所望に応じて、バイアスによって、前面２４および後面２６を有する回路基板に相互接続されている。電子デバイス１０の複雑性に応じて、回路基板２２には、多数のコンポーネントが装着され得る。

少しの例示的なコンポーネントが、回路基板２２の前面２４において、回路基板２２に表面実装されているものとして、図２および図３に示されており、そのようなコンポーネントは、少なくとも１つのアクティブコンポーネント２８、および、アクティブデバイスまたはパッシブデバイスとすることができる追加的なコンポーネント３０を含む。アクティブコンポーネントは、たとえば、マイクロプロセッサ、グラフィックプロセッサ、複合型マイクロプロセッサ／グラフィックプロセッサ、特定用途向け集積回路、またはメモリーデバイスなどのような、電子機器の中で使用される多数の異なるタイプの回路デバイスのいずれかとすることが可能であり、それは、シングルコアまたはマルチコアとすることが可能であり、または、追加的なダイス（ｄｉｃｅ）によって積み重ねられるか、もしくは、追加的なダイスによって同伴される。アクティブコンポーネントは、シリコンまたはゲルマニウムなどのようなバルク半導体から、または、シリコン−オン−インシュレータ材料などのような半導体−オン−インシュレータ材料から構築することが可能である。アクティブコンポーネントは、公知のパッキング構造体の中にパッケージ化することが可能であり、ボールグリッドアレイ、ランドグリッドアレイ、コンプレッションフィット、または事実上任意の他のタイプの相互接続構造体によって、回路基板２２に接続することが可能である。パッシブコンポーネントは、抵抗器、コンデンサーなどとして提供することが可能である。

また、熱管理システム３２はまた、アクティブ（および、パッシブ）コンポーネント２８、３０、ならびに、ケース１２の外部表面（すなわち、スキン３４）の温度を、許容可能な／快適な限界値の中に維持するように設計されたデバイス１０の中に含まれている。熱管理システム３２は、複数の熱的経路を提供することによって、バランスのとれた熱管理を電子デバイス１０に提供し、アクティブコンポーネント２８から、ならびに、他のコンポーネント３０および回路基板２２から、熱を除去するように機能する。

図２および図３に示されているように、熱管理システム３２は、複数のサーマルキャリア３６、３８を含み、複数のサーマルキャリア３６、３８は、アクティブコンポーネント２８から、ならびに、他のコンポーネント３０および回路基板２２から、熱を除去するように提供されている。サーマルキャリア３６、３８は、一般的に、「メイン」サーマルキャリア３６および「二次的」サーマルキャリア３８として特徴付けることが可能である。メインサーマルキャリア３６および二次的サーマルキャリア３８のそれぞれは、一方の端部４０において、共通の熱交換器４２に連結されており、一方、それぞれのサーマルキャリア３６、３８の他方の端部４４、４６は、互いに分離されている。メインサーマルキャリア３６の端部４４は、アクティブコンポーネント２８に熱的接触／連通しており、一方、二次的サーマルキャリア３８の端部４６は、回路基板２２の後面２６（すなわち、アクティブコンポーネント２８の反対側の表面）において、回路基板２２に熱的接触／連通している。

本発明の例示的な実施形態によれば、メインサーマルキャリアおよび二次的サーマルキャリア３６、３８は、ヒートパイプの形態をしている。それぞれのヒートパイプ３６、３８の高温側インターフェースにおいて（そこでは、ヒートパイプが、アクティブコンポーネント２８または回路基板２２に熱的接触している）、熱伝導性の固体表面に接触しているヒートパイプ３６、３８の中の液体が、その表面から熱を吸収することによって、蒸気に変化する。次いで、蒸気は、ヒートパイプ３６、３８に沿って低温側インターフェース（そこでは、ヒートパイプ３６、３８が、熱交換器４２に接続されている）へ進行し、凝縮して液体へ戻り、それによって、潜熱を放出する。次いで、液体は、毛細管作用、遠心力、または重力のいずれかによって、高温側インターフェースに戻り、サイクルが繰り返す。沸騰および凝縮に関する非常に高い熱伝達係数に起因して、ヒートパイプは、極めて効率的な熱的導体である（たとえば、効果的な熱伝導率は、１００，０００Ｗ／ｍＫに達することが可能である）。

しかし、メインサーマルキャリアおよび二次的サーマルキャリア３６、３８を、他の形態で、および、他のデバイスとして、提供することが可能であるということが認識される。すなわち、ヒートパイプとして提供されるというよりも、サーマルキャリアは、蒸気チャンバ（すなわち、二相流移動を有する金属コンテナ）、または、金属もしくは高熱伝導性キャリアの形態をとることが可能である。

図２および図３に示されているように、メインサーマルキャリア３６は、たとえば、はんだ結合などを介して、端部４４において、ヒートスプレッダ４８（たとえば、金属プレート）に連結され、または、ヒートスプレッダ４８と一体化されている。ヒートスプレッダ４８は、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）５０によって、アクティブコンポーネント２８に熱的接触している状態で設置されており、ヒートスプレッダ４８は、ＴＩＭの固有の粘着性、または、締結具（図示せず）のいずれかを介して、ＴＩＭ５０に固定されている。ヒートスプレッダ４８は、有利には、アクティブコンポーネント２８のサイズと比較して相対的に大きい表面積を備えるシートとして製作され、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、これらの材料または他の同様の材料の積層品などのような、様々な熱伝導性材料から製作されている。ＴＩＭ５０は、銀またはナノ粒子などのような熱伝導性フィラーの有無に関係なく、シリコーンベースのグリースもしくはジェル、相変化材料（ＰＣＭ）、またはその他などのような、様々なインターフェースマテリアルから構成することが可能である。例は、たとえば、Ｓｈｉｎ Ｔｕ Ｓｕ Ｇ７５０、およびＬａｉｒｄ ＰＣＭ ７８０ＳＰ、またはインジウムを含む。しかし、目標は、ヒートスプレッダ４８とアクティブコンポーネント２８との間に十分な熱抵抗を提供することであり、アクティブコンポーネント２８の接合部温度が、損傷するレベルよりも低いままであり、さらに、アクティブコンポーネント２８からヒートスプレッダ４８へ、熱がいくらかゆっくりと伝達されるように十分に高いままであるようになっているので、ＴＩＭ５０は、完全に最適とは言えない熱伝導率を有するように選択されるということが認識される。このように、熱は、単に、速く通過し、アクティブコンポーネント２８の近位にあるヒートスプレッダ４８の中央部分に集中するというのではなく、その代わりに、ヒートスプレッダ４８の広がりを横切って横方向に広がる。

二次的サーマルキャリア３８の端部４６は、たとえば、はんだ結合などを介して、別個のヒートスプレッダ５２（たとえば、金属プレート）に連結され、または、別個のヒートスプレッダ５２と一体化されており、二次的サーマルキャリア３８およびヒートスプレッダ５２は、回路基板２２の後面２６に隣接して位置付けされている。ヒートスプレッダ５２は、ヒートスプレッダ５２と回路基板２２との間に位置付けされている、電気絶縁する比較的に柔軟なサーマルパッド５４を介して、回路基板２２に熱的接触している状態で設置されており、ヒートスプレッダの表面は、サーマルパッド５４の固有の粘着性、または、締結具（図示せず）のいずれかを介して、サーマルパッドに固定されている。サーマルパッド５４は、Ｌａｉｒｄ製のＴＦｌｅｘ７４０もしくは３４０などのような比較的に柔軟な熱伝達材料、または、Ｃｈｏｍｅｒｉｃｓ製のＴ５７０もしくはＴ６３０などのような無くても済む（ｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ）ポリマー材料から構成することが可能である。このように、熱は、アクティブコンポーネント２８からだけでなく、回路基板２２の表面２４の上に存在し得る他の熱発生コンポーネント３０から伝達される。

熱は、二次的サーマルキャリア３８およびヒートスプレッダ５２を介して、回路基板２２の後側２６から除去されるが、また、熱は、電子デバイス１０のケース１２への回路基板２２の熱的連結を介して、回路基板２２の後側から除去される。図２および図３に示されているように、ヒートスプレッダ５２は、ヒートスプレッダ５２とケース１２との間に位置付けされているサーマルパッド５６を介して、ケース１２に熱的に連結されており、サーマルパッド５６は、ヒートスプレッダ５２の表面およびケース１２の内側表面に接触することとなるように位置付けされている。サーマルパッド５６は、ヒートスプレッダ５２の他方の表面の上に、サーマルパッド５４と同様に形成させることが可能であり、したがって、Ｌａｉｒｄ製のＴＦｌｅｘ７４０もしくは３４０などのような比較的に柔軟な熱伝達材料、または、Ｃｈｏｍｅｒｉｃｓ製のＴ５７０もしくはＴ６３０などのような無くても済むポリマー材料から構成することが可能である。サーマルパッド５６は、（回路基板２２、すなわち、その上のコンポーネント２８、３０によって発生させられる）熱を、ヒートスプレッダ５２からケース１２へ伝達させるように作用し、熱は、電子デバイス１０のケース１２を横切って横方向に広げられるように、分散された方式で、サーマルパッド５６を通して伝達される。

組み合わせて、ヒートスプレッダ４８およびヒートスプレッダ５２は、回路基板２２およびその上のコンポーネント２８、３０の周りに「サーマルクランプ」を形成し、そこからの両面の熱除去を提供する。サーマルクランプ４８、５２によって回路基板２２およびコンポーネント２８、３０から除去される熱を消散させるために、ヒートスプレッダ４８および５２と熱交換器４２との間に接続されているサーマルキャリア３６、３８、ならびに、ヒートスプレッダ５２とケース１２との間に接続されているサーマルパッド５６を含む、複数の熱的経路が、ヒートスプレッダ４８、５２から提供されている。

さらに図２および図３を参照すると、メインサーマルキャリア３６および二次的サーマルキャリア３８のそれぞれは、端部４０において、熱管理システム３２の熱交換器４２に連結されているということが見られる。熱交換器４２は、電子デバイス１０のアクティブコンポーネント２８（および、コンポーネント３０）から、発生された熱を消散させるように連動して働くヒートシンク５８およびエアムーバ６０を含み、熱交換器４２は、ケース１２の中に、ケース１２のベント６２（図２）に隣接して位置付けされており、熱交換器４２が、外部環境へ空気をベントすることを可能にするようになっている。

熱交換器４２のヒートシンク５８は、標準的な構築のものであり、したがって、たとえば、アルミニウムから、または、銅もしくは銅−アルミニウムの組み合わせなどのような比較的に高い熱伝導率を有する別の金属から、構築することが可能である。図３に示されているように、ヒートシンク５８は、一般的に、ベース６４と、複数のチャネルを画定するようにベース６４から延在する複数のフィン６６（たとえば、プレート、ピン）とを有するように形成されている。メインサーマルキャリア３６および二次的サーマルキャリア３８は、ベース６４に取り付けられており、熱的エネルギーが、キャリアからベース６４へ伝達されるようになっており、一連のフィン６６が、ヒートシンク５８によって吸収された熱的エネルギーをより効果的に消散させるために、ベース６４から突出している。エアムーバ６０は、空気フローを発生させ、空気フローは、フィン６６によって形成されているチャネルを通過させられ、フィンの中の熱／熱的エネルギーを消散させる。

本発明の実施形態によれば、熱交換器４２のエアムーバ６０は、いくつかの形態のうちの１つをとることが可能である。１つの例として、エアムーバ６０は、ヒートシンク５８を横切って空気フローを方向付けするように動力を与えられる標準的なタイプのファンとすることが可能である。別の例として、および、好適な実施形態では、エアムーバ６０は、ヒートシンク５８を横切って空気フローを方向付けするように動力を与えられる１つまたは複数のシンセティックジェットアクチュエータから形成されている。熱交換器４２のエアムーバ６０として利用され得るシンセティックジェット（および、シンセティックジェットを装着するためのメカニズム）の一般的な構造が、そのような実施形態をより良好に理解する目的のために、図４および図５に示されて説明されている。特定のシンセティックジェットアッセンブリが図４〜図５に図示されているが、シンセティックジェットスタックまたはジェットパックの中のシンセティックジェットの配置を含む、様々な構築のシンセティックジェットアッセンブリを、熱交換器４２のエアムーバ６０として使用することが可能であり、したがって、シンセティックジェットアッセンブリは、本発明の範囲を限定することを意味していないということが認識される。例として、シンセティックジェットを固定／位置付けするための装着ブラケットを含まないシンセティックジェットアッセンブリは、本発明の範囲の中にあると考えられる。

最初に図４を参照すると、シンセティックジェットアッセンブリ６２は、シンセティックジェット６４および装着ブラケット６６を含むものとして示されており、シンセティックジェット６４の断面は、図５に図示されている。一実施形態では、装着ブラケット６６は、ｕ字形状の装着ブラケットであり、それは、１つまたは複数の場所において、シンセティックジェット６４の本体部またはハウジング６８に付着されている。回路ドライバ７０を、外部に位置付けするか、または、装着ブラケット６６に付着させることが可能である。代替的に、回路ドライバ７０を、シンセティックジェットアッセンブリ６２から遠隔に位置付けすることが可能である。

ここで図４および図５を一緒に参照すると、および、図４および図５に示されているように、シンセティックジェット６４のハウジング６８は、ガスまたは流体をその中に有する内部チャンバまたはキャビティ７２を画定し、部分的に包囲している。ハウジング６８および内部チャンバ７２は、本発明の様々な実施形態にしたがって事実上任意の幾何学的構成をとることが可能であるが、議論および理解の目的のために、ハウジング６８は、第１のプレート７４および第２のプレート７６（代替的に、ブレードまたはフォイルと称される）を含むものとして、図２に断面で示されており、それらは、それらの間に位置付けされているスペーサーエレメント７８によって間隔を離して配置された関係に維持されている。一実施形態では、スペーサーエレメント７８は、第１および第２のプレート７４、７６の間で、おおよそ１ｍｍの分離を維持している。内部チャンバ７２を、周囲の外部環境に流体連通している状態に置くために、１つまたは複数のオリフィス８０が、第１および第２のプレート７４、７６とスペーサーエレメント７８の側壁部との間に形成されている。代替的な実施形態では、スペーサーエレメント７８は、前面（図示せず）を含み、前面には、１つまたは複数のオリフィス８０が形成されている。

アクチュエータ８２、８４は、それぞれの第１および第２のプレート７４、７６に連結され、第１および第２の複合構造体または可撓性のダイヤフラム８６、８８を形成しており、それらは、制御装置アッセンブリまたは制御ユニットシステム９０を介して、ドライバ７０によって制御される。たとえば、それぞれの可撓性のダイヤフラム８６、８８は、金属層を装備することが可能であり、金属電極を、金属層に隣接して配設させることが可能であり、電極と金属層との間に与えられる電気的なバイアスを介して、ダイヤフラム８６、８８を移動させることができるようになっている。図４に示されているように、一実施形態では、制御装置アッセンブリ９０は、ドライバ７０に電子的に連結されており、ドライバ７０は、シンセティックジェット６４の装着ブラケット６６に直接的に連結されている。代替的な実施形態では、制御ユニットシステム９０は、シンセティックジェット６４から遠隔に位置付けされているドライバ７０の中に一体化されている。その上、制御システム９０は、たとえば、コンピュータ、論理プロセッサ、または信号発生器などのような、任意の適切なデバイスによって、電気的なバイアスを発生させるように構成させることが可能である。

一実施形態では、アクチュエータ８２、８４は、圧電型駆動（圧電駆動）デバイスであり、それは、圧電駆動デバイスを急速に膨張および収縮させる、調和した交流電圧の適用によって作動させることが可能である。動作の間に、制御システム９０は、ドライバ７０を介して、圧電型アクチュエータ８２、８４に電荷を送り、圧電型アクチュエータ８２、８４は、電荷に応答して、機械的な応力および／または歪みを受ける。圧電駆動アクチュエータ８２、８４の応力／歪みは、それぞれの第１および第２のプレート７４、７６の撓みを引き起こし、時間調和したまたは周期的な運動が実現されるようになっており、それは、プレート７４、７６の間の内部チャンバ７２の体積を変化させる。結果として生じる内部チャンバ７２の中の体積変化は、内部チャンバ７２と外部体積との間でのガスまたは他の流体の交換を引き起こし、第１および第２のプレート７４、７６が外向きに移動し、内部チャンバ７２の体積が増加させられるときに、ガスは、オリフィス８０を通して内部チャンバ７２の中へ引き込まれ（全体的に、９２によって線で示されている）、第１および第２のプレート７４、７６が内向きに移動し、内部チャンバ７２の体積が減少させられるときに、ガスは、オリフィス８０を通して内部チャンバ７２から冷却ジェットとして排出される（全体的に、９４によって線で示されている）。

したがって、有益なことには、本発明の実施形態は、たとえば、スマートフォン、タブレットコンピュータ、電子書籍リーダリーダ、または、埋め込み式のコンピューティングシステムなどのような、小型の電子デバイスのための熱管理システム３２を提供する。熱管理システム３２は、複数のサーマルキャリア３６、３８およびヒートスプレッダ４８、５２の使用を介して、異なる方向から、電子デバイスのバランスのとれた熱管理を提供する。サーマルキャリア３６、３８は、大気環境へ消散させるために、回路基板２２の様々な表面、および、その上のコンポーネント２８、３０から、熱交換器４２へ熱を伝導させる。追加的に、熱的経路が、回路基板２２から電子デバイスのケース１２へ設けられ、回路基板２２からの熱が、高温の局部的なデバイスのスキン温度を低減させるような方式で、ケース１２を横切って広げられる。

熱管理システム３２の中の複数の熱的経路およびバランスのとれた熱的経路は、サーマルキャリア３６、３８または熱交換器４２（たとえば、熱交換器の中のエアムーバ６０）が故障する場合でさえ、コンポーネント２８、３０によって発生させられる熱の消散を提供し、それによって、サーマルキャリアまたは熱交換器が故障した場合に典型的な冷却システムの中に起こり得る潜在的な熱暴走を防止する。また、熱管理システム３２の中の複数の熱的経路およびバランスのとれた熱的経路は、熱交換器のエアムーバ６０が低減された負荷で動作すること、および／または、エアムーバ６０が少ない頻度で動作することを可能にする。このエアムーバ６０の動作の低減は、熱交換器４２の中のより低い音響ノイズおよび機械的な振動を低減させることが可能である。

したがって、一実施形態によれば、電子デバイスは、全体的に内部体積を画定している外側ケースと、内部体積の中に位置付けされ、第１の表面および第２の表面を有している回路基板と、回路基板の第１の表面の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネントと、１つまたは複数のアクティブコンポーネントのために冷却を提供するように構成されている熱管理システムとを含む。熱管理システムは、１つまたは複数のアクティブコンポーネントの少なくとも１つのアクティブコンポーネントに熱的接触する第１のヒートスプレッダと、回路基板の第２の表面に熱的接触する第２のヒートスプレッダと、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダのそれぞれに連結され、それらから熱的エネルギーを除去するサーマルキャリアと、サーマルキャリアに連結され、サーマルキャリアから熱的エネルギーを受け取り、熱的エネルギーを消散させる熱交換器とをさらに含み、一方のサーマルキャリアは、第１のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されており、他方のサーマルキャリアは、第２のヒートスプレッダと熱交換器との間に通されている。

別の実施形態によれば、電子デバイスは、全体的に内部体積を画定している外側ケースと、内部体積の中に位置付けされ、第１の表面および第２の表面を有している回路基板と、回路基板の第１の表面の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネントと、１つまたは複数のアクティブコンポーネントのために冷却を提供するように構成されている熱管理システムとを含む。熱管理システムは、１つまたは複数のアクティブコンポーネントの少なくとも１つのアクティブコンポーネントに熱的接触する第１のヒートスプレッダと、回路基板の第２の表面に熱的接触する第２のヒートスプレッダとをさらに含み、第２のヒートスプレッダは、外側ケースにも熱的接触しており、熱的エネルギーが、ケースに伝達され、ケースを横切って広がるようになっており、熱的エネルギーを消散させるようになっている。

さらなる別の実施形態によれば、電子デバイスから熱を除去するための方法は、回路基板の第１の表面の上に装着されている少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネントに、第１のヒートスプレッダを熱的に連結するステップと、回路基板の第１の表面の反対側にある回路基板の第２の表面に、第２のヒートスプレッダを熱的に連結するステップとを含み、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダは、少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネントおよび回路基板の周りにサーマルクランプを形成し、それらから両面の熱除去を行うようになっている。また、この方法は、電子デバイスの外側ケースに第２のヒートスプレッダを熱的に連結するステップと、第１のヒートスプレッダおよび第２のヒートスプレッダのそれぞれにサーマルキャリアを連結し、それらから、少なくとも１つのアクティブコンポーネントによって発生させられる熱を除去するステップと、第１および第２のサーマルキャリアを単一の熱交換器に連結するステップであって、熱交換器が、サーマルキャリアから熱を受け取り、熱を消散させるようになっている、ステップとを含む。

この書面による説明は、本発明を開示するために、また、任意の当業者が本発明を実施（任意のデバイスまたはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む）することができるように、例（最良の形態を含む）を使用している。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者が考え付く他の例を含むことが可能である。そのような他の例が、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含んでいる場合には、または、特許請求の範囲の文言とわずかに異なる、均等な構造的要素を含んでいる場合には、そのような他の例は、特許請求の範囲内に含まれるということが意図されている。

１０ 電子デバイス
１２ ケース
１４ スクリーン、ディスプレイ
１６ 内部スペース、内部体積
１８ 前面開口部
２０ 周囲棚部
２２ 回路基板
２４ 前面
２６ 後面
２８ アクティブコンポーネント
３０ 熱発生コンポーネント
３２ 熱管理システム
３４ スキン
３６ メインサーマルキャリア
３８ 二次的サーマルキャリア
４０ 端部
４２ 熱交換器
４４ 端部
４６ 端部
４８ ヒートスプレッダ、サーマルクランプ
５０ サーマルインターフェースマテリアル
５２ ヒートスプレッダ、サーマルクランプ
５４ サーマルパッド]
５６ サーマルパッド
５８ ヒートシンク
６０ エアムーバ
６２ ベント、シンセティックジェットアッセンブリ
６４ ベース、シンセティックジェット
６６ フィン、装着ブラケット
６８ ハウジング
７０ 回路ドライバ
７２ 内部チャンバ、キャビティ
７４ 第１のプレート
７６ 第２のプレート
７８ スペーサーエレメント
８０ オリフィス
８２ 圧電型アクチュエータ
８４ 圧電型アクチュエータ
８６ ダイヤフラム
８８ ダイヤフラム
９０ 制御システム、制御ユニットシステム、制御装置アッセンブリ

Claims (20)

1. 全体的に内部体積（１６）を画定している外側ケース（１２）と、
   前記内部体積（１６）の中に位置付けされ、第１の表面（２４）および第２の表面（２６）を有している回路基板（２２）と、
   前記回路基板（２２）の前記第１の表面（２４）の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）と、
   前記１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）のために冷却を提供するように構成されている熱管理システム（３２）と
   を含む、電子デバイス（１０）であって、前記熱管理システム（３２）は、
   前記１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）の少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）に熱的接触する第１のヒートスプレッダ（４８）と、
   前記回路基板（２２）の前記第２の表面（２６）に熱的接触する第２のヒートスプレッダ（５２）と、
   前記第１のヒートスプレッダ（４８）および前記第２のヒートスプレッダ（５２）のそれぞれに連結され、それらから熱的エネルギーを除去するサーマルキャリア（３６、３８）と、
   前記サーマルキャリア（３６、３８）に連結され、前記サーマルキャリア（３６、３８）から熱的エネルギーを受け取り、前記熱的エネルギーを消散させる熱交換器（４２）と
   を含み、
   一方のサーマルキャリア（３６）は、前記第１のヒートスプレッダ（４８）と前記熱交換器（４２）との間に通されており、他方のサーマルキャリア（３８）は、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記熱交換器（４２）との間に通されている、電子デバイス（１０）。
2. 前記第１のヒートスプレッダ（４８）および前記第２のヒートスプレッダ（５２）のそれぞれに連結されている前記サーマルキャリア（３６、３８）が、ヒートパイプを含む、請求項１記載の電子デバイス（１０）。
3. 前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）から前記第１のヒートスプレッダ（４８）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第１のヒートスプレッダ（４８）と前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）との間に位置付けされているサーマルインターフェースマテリアル（５０）をさらに含む、請求項１記載の電子デバイス（１０）。
4. 前記回路基板（２２）から前記第２のヒートスプレッダ（５２）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記回路基板（２２）との間に位置付けされている第１のサーマルパッド（５４）をさらに含む、請求項１記載の電子デバイス（１０）。
5. 前記第２のヒートスプレッダ（５２）が、前記外側ケース（１２）に熱的接触しており、熱的エネルギーが、前記ケース（１２）に伝達され、前記ケース（１２）を横切って広がり、前記熱的エネルギーを消散させるようになっている、請求項１記載の電子デバイス（１０）。
6. 前記第２のヒートスプレッダ（５２）から前記ケース（１２）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記外側ケース（１２）との間に位置付けされている第２のサーマルパッド（５６）をさらに含む、請求項５記載の電子デバイス（１０）。
7. 前記熱交換器（４２）を通した熱的エネルギーの消散、および、前記ケース（１２）を通した熱的エネルギーの消散が、前記電子デバイス（１０）のバランスのとれた熱管理を提供する、請求項５記載の電子デバイス（１０）。
8. 前記熱交換器（４２）が、
   前記サーマルキャリア（３６、３８）から熱的エネルギーを受け取るヒートシンク（５８）と、
   空気フローを発生させるように構成されているエアムーバ（６０）であって、前記エアムーバ（６０）は、前記サーマルキャリア（３６、３８）から受け取った前記熱的エネルギーを消散させるために、前記ヒートシンク（５８）を横切って前記空気フローを方向付けするように位置付けされている、エアムーバ（６０）と
   を含む、請求項１記載の電子デバイス（１０）。
9. 前記ケース（１２）が、その中に形成されたベント（６２）を含み、前記エアムーバ（６０）によって発生させられた空気フローが、前記ヒートシンク（５８）を横切って吹き、前記ベント（６２）を通して前記ケース（１２）から出ていき、前記熱的エネルギーを外部環境に消散させるようになっている、請求項８記載の電子デバイス（１０）。
10. 前記エアムーバ（６０）が、１つまたは複数のシンセティックジェットアクチュエータ（８２、８４）を含む、請求項８記載の電子デバイス（１０）。
11. 全体的に内部体積（１６）を画定している外側ケース（１２）と、
    前記内部体積（１６）の中に位置付けされ、第１の表面（２４）および第２の表面（２６）を有している回路基板（２２）と、
    前記回路基板（２２）の前記第１の表面（２４）の上に装着されている１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）と、
    前記１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）のために冷却を提供するように構成されている熱管理システム（３２）と
    を含む、電子デバイス（１０）であって、前記熱管理システム（３２）は、
    前記１つまたは複数のアクティブコンポーネント（２８）の少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）に熱的接触する第１のヒートスプレッダ（４８）と、
    前記回路基板（２２）の前記第２の表面（２６）に熱的接触する第２のヒートスプレッダ（５２）と
    を含み、
    前記第２のヒートスプレッダ（５２）は、前記外側ケース（１２）にも熱的接触しており、熱的エネルギーが、前記ケース（１２）に伝達され、前記ケース（１２）を横切って広がるようになっており、前記熱的エネルギーを消散させるようになっている、電子デバイス（１０）。
12. 前記回路基板（２２）から前記第２のヒートスプレッダ（５２）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記回路基板（２２）との間に位置付けされている第１のサーマルパッド（５４）と、
    前記第２のヒートスプレッダ（５２）から前記外側ケース（１２）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記外側ケース（１２）との間に位置付けされている第２のサーマルパッド（５６）と
    をさらに含む、請求項１１記載の電子デバイス（１０）。
13. 前記熱管理システム（３２）が、
    前記第１のヒートスプレッダ（４８）に連結され、前記第１のヒートスプレッダ（４８）から熱的エネルギーを除去するメインサーマルキャリア（３６）と、
    前記第２のヒートスプレッダ（５２）に連結され、前記第２のヒートスプレッダ（５２）から熱的エネルギーを除去する二次的サーマルキャリア（３８）と、
    前記メインおよび二次的サーマルキャリア（３６、３８）に連結され、それらから熱的エネルギーを受け取り、前記熱的エネルギーを消散させる熱交換器（４２）と
    をさらに含み、
    前記メインサーマルキャリア（３６）は、前記第１のヒートスプレッダ（４８）と前記熱交換器（４２）との間に通されており、前記二次的サーマルキャリア（３８）は、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記熱交換器（４２）との間に通されている、請求項１１記載の電子デバイス（１０）。
14. 前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）から前記第１のヒートスプレッダ（４８）へ熱的エネルギーを伝達させるために、前記第１のヒートスプレッダ（４８）と前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）との間に位置付けされているサーマルインターフェースマテリアル（５０）をさらに含む、請求項１３記載の電子デバイス（１０）。
15. 前記熱交換器（４２）を通した熱的エネルギーの消散、および、前記ケース（１２）を通した熱的エネルギーの消散が、前記電子デバイス（１０）のバランスのとれた熱管理を提供する、請求項１３記載の電子デバイス（１０）。
16. 前記熱交換器（４２）が、
    ベース（６４）および複数のフィンを含むヒートシンク（５８）と、
    空気フローを発生させるように構成されているエアムーバ（６０）であって、前記エアムーバ（６０）は、受け取った熱的エネルギーを消散させるために、前記複数のフィンを横切って前記空気フローを方向付けするように位置付けされている、エアムーバ（６０）と
    を含み、
    前記メインサーマルキャリア（３６）および前記二次的サーマルキャリア（３８）が、前記ヒートシンク（５８）の前記ベース（６４）に連結され、前記ヒートシンク（５８）に熱的エネルギーを伝達する、請求項１３記載の電子デバイス（１０）。
17. 前記メインサーマルキャリア（３６）および前記二次的サーマルキャリア（３８）のそれぞれが、ヒートパイプを含む、請求項１３記載の電子デバイス（１０）。
18. 電子デバイス（１０）から熱を除去するための方法であって、前記方法は、
    回路基板（２２）の上に装着されている少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネント（２８）に、第１のヒートスプレッダ（４８）を熱的に連結するステップであって、前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）は、前記回路基板（２２）の第１の表面（２４）の上に装着されている、ステップと、
    前記回路基板（２２）の前記第１の表面（２４）の反対側にある前記回路基板（２２）の第２の表面（２６）に、第２のヒートスプレッダ（５２）を熱的に連結するステップと、
    前記電子デバイス（１０）の外側ケース（１２）に前記第２のヒートスプレッダ（５２）を熱的に連結するステップと、
    前記第１のヒートスプレッダ（４８）および前記第２のヒートスプレッダ（５２）のそれぞれにサーマルキャリア（３６、３８）を連結し、それらから熱を除去するステップであって、前記熱は、前記少なくとも１つのアクティブコンポーネント（２８）から発生させられる、ステップと、
    前記第１および第２のサーマルキャリア（３６、３８）を単一の熱交換器（４２）に連結するステップであって、前記熱交換器（４２）は、前記サーマルキャリア（３６、３８）に連結され、前記サーマルキャリア（３６、３８）から熱を受け取り、前記熱を消散させる、ステップと
    を含み、
    前記第１のヒートスプレッダ（４８）および前記第２のヒートスプレッダ（５２）は、前記少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネント（２８）および前記回路基板（２２）の周りにサーマルクランプ（５２）を形成し、それらから両面の熱除去を行うようになっている、電子デバイス（１０）から熱を除去するための方法。
19. 前記回路基板（２２）の前記第２の表面（２６）および前記外側ケース（１２）に前記第２のヒートスプレッダ（５２）を熱的に連結するステップが、
    前記回路基板（２２）を前記第２のヒートスプレッダ（５２）に熱的に連結するために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記回路基板（２２）の前記第２の表面（２６）との間に第１のサーマルパッド（５４）を位置付けするステップと、
    前記第２のヒートスプレッダ（５２）を前記外側ケース（１２）に熱的に連結するために、前記第２のヒートスプレッダ（５２）と前記外側ケース（１２）との間に第２のサーマルパッド（５６）を位置付けするステップと
    を含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記電子デバイス（１０）のバランスのとれた熱管理を提供するために、前記少なくとも１つの熱発生アクティブコンポーネント（２８）によって発生させられた熱を、前記熱交換器（４２）および前記外側ケース（１２）を通して消散させるステップをさらに含む、請求項１８記載の方法。