JP2017508278A - 高出力ポータブルデバイス及びドッキングシステム - Google Patents

Abstract

システムは、高性能でありながら、極めてコンパクトなデバイス及び関連するドッキングステーションを含んでいる。デバイスは、プロセッサ及び他の発熱コンポーネントに熱的に結合される熱伝達面を画成するハウジング内部に含まれるプロセッサを含んでもよい。ドッキングステーションは、デバイスのハウジングを受けるための部分、受熱面を画成する熱伝導性基板、及び、熱伝達面を受熱面に熱的に結合する伝導性ファイバのアレイを含んでいる。これは、繰返しの熱的結合及び切離を可能にする乾式の低圧熱的結合インターフェースを形成する。これは、高圧、又は、信頼できない繰返し熱的結合及び切離を必要とする従来の半液体又は液体サーマルコンパウンド又はコンプライアントサーマルパッドに対して有利である。熱分散機構は、従って、デバイスから大きく分離され、従って、極めてコンパクトになる。

Description

関連出願の相互参照
この非仮特許出願は、２０１４年１月８日出願の米国仮特許出願第６１／９２４，８５８号明細書、発明の名称「コンピュータドッキングステーション及び方法」に対する優先権を主張し、米国特許法第１１９条（ｅ）の利益の下で引用して本明細書中に組み込む。

本発明は、一般に、サーバ用のポータブル処理モジュールを含むことができるポータブルコンピュータ等の高出力ポータブルデバイスに関する。より詳細には、今まで高性能なラップトップ、デスクトップ、サーバ、及びワークステーションコンピュータにのみ用いられていた処理チップを利用する極めてコンパクトなハンドヘルドコンピュータに関する。

パーソナルコンピュータの昨今の進歩は、性能の向上と可搬性の向上との間に二分化している。性能は、通常、極めて高性能なマルチコア及びマルチスレッドプロセッサを必要とする「デスクトップ」及び「ラップトップ」コンピュータによって追求されている。これらのプロセッサは、動作中に大量の熱を発し、大規模な冷却システムを必要とする。かかる冷却システムは、冷却フィンアレイを通って空気を運ぶファン等の能動的対流冷却システムに結合されるプロセッサから熱を除去するための熱導体を含んでいる。

同時に、可搬性に対する要望は、結果として、いっそう薄型で軽量の演算デバイスをもたらしてきた。これは、超薄型ラップトップ、タブレット演算デバイス、及びスマートフォンにより極度に達成されてきた。かかるシステムは、概して、能動的冷却システムと共に設計することができない。更に同時に、性能を向上させたこれらの高度なポータブルデバイスに対する要望が存在する。

プロセッサの設計者は、性能及び低いワット損の両方の並行の目標を達成するよう試みることによって、この二分化に対処するよう努力している。これは、結果として、いくつかのラップトップコンピュータにとって許容できるいくつかの高性能プロセッサをもたらしている。これらの進歩にもかかわらず、まだ、妥協が行われている。これらのラップトップのうちのいくつかは、アルミニウム製で設計され、能動冷却を有しているが、未だ、動作中に高い温度上昇を呈し、これにより結果として、動作中の著しく高温の外装をもたらす。

加えて、通常のラップトップコンピュータよりも更に薄型で小型のコンピュータを利用できるようになる要望が存在する。これは、能動冷却システムの使用を除外するものと考えられ、ひいては、低出力のプロセッサにかかるコンピュータを委ねている。

これまでに、冷却を提供するドッキングステーションを用いて、性能と可搬性との間のこの分極化を成立させる試みが存在した。「’５０６号特許」と呼ぶ特許第５，４７３，５０６号明細書は、１つのかかるシステムを説明している。’５０６号特許は、廃熱を生じるマイクロプロセッサを有する機能モジュールを受けるためのドッキングベイを有するモジュール型コンピュータを説明している。ベイは、機能モジュールと係合して廃熱を除去する冷却構造を有して示されている。かかるシステムによる１つの課題は、プロセッサの熱をドックに伝達し、廃熱を除去することにおける有効性である。

この課題の一態様を、図１に示す。先行技術の熱除去システムは、発熱部４からの熱を受熱部６に伝えるための境界面２を含むことができる。発熱部４及び受熱部６は、アルミニウム等の比較的高い熱伝導率有する材料から形成されるのが好ましい。これにもかかわらず、まだ、重要な困難が境界面２にある。ミクロレベルにおいて、発熱部４は、通常、表面うねりも含んでいる極めて粗い表面８を画成している。同様に、受熱部１０も、表面うねりも含んでいる極めて粗い表面１０を画成している。これらの表面８及び１０が共に押圧される場合、それらは点接触のみを行う傾向があり、結果として、それらの間で大きな熱抵抗をもたらす。それらの間には、表面積の大部分の上にエアギャップ１２がある。部分４及び６は、４００ワット毎メートル毎ケルビン度の熱伝導率を有する銅製であってもよい。しかし、エアギャップ１２は、約０．０２ワット毎メートル毎ケルビン度の熱伝導率を有するため、熱抵抗に著しく影響を及ぼす。従って、部分８及び１０の高い伝導率は、境界面２における効果的な伝熱を可能にしない。

１つの可能性のある解決法は、表面８及び１０をミクロ的に完全なものにするよう試みることがある。これは残念ながら、高いコストの観点から、及び実際の使用において実現不可能である。更に、これらコンポーネントの使用中に、表面８及び１０は、汚染され、引っ掻き傷が付く可能性があり、従って、粗い表面の悪影響を再現してしまう。完全な表面への依存は、表面完全性が損なわれた場合に散々たる結果をもたらす可能性がある。

他の可能性のある解決法は、エアギャップ１２に跨がるゴム材料等のコンプライアンスを持ったポリマーの使用を含んでいる。これによる困難は、ポリマーにとって両方の表面１０及び１２に一致するよう十分なコンプライアンス有するために、厚さが大きい熱抵抗を生じるような程度でなければならないことである。いわゆる「熱伝導性」ポリマーは、より低い熱伝導率のオーダーを有し、それらが充填材で充填されるために、より剛性がある。ポリマー層をこれらの表面に一致させるために必要なクランプ力は、熱抵抗損失を許容できるものにするよう十分薄くできるのであれば、現実的ではないかもしれない。ゴム材料は、また、熱伝導性充填材で充填されてもよい。ポリマーパッド及びグラファイトパッドを含むいわゆる「サーマルインターフェースパッド」は、それぞれ、ドッキング及びドッキング解除中の、繰り返されて信頼性のある熱的結合及び切離サイクルには適さない機械的性質を呈している。

更に他の可能性のある解決法は、エアギャップ１２に跨がる熱グリースの使用を含む。これは、繰り返される熱的結合及び切離サイクルが、熱グリースの効果を激減させるか、低下させ、その再塗布を必要とする傾向があるという不利を有している。多くのユーザは、かかる熱グリースを所持することや、それを適切に塗布することを予想できない。

従って、高性能ポータブルコンピュータ等の高出力ポータブルデバイスの使用を可能にするために、良好な熱的解決法を見出すニーズが存在している。

表面粗さに起因して生じる点接触を示す、共に押圧される２つの面の略図である。 本発明による例示的なシステムの略図である。 ドッキングステーションにまもなく取り付けられようとしている高性能ポータブルコンピュータの例示の実施形態の等角図である。 ドッキングステーションに取り付けられた高性能ポータブルコンピュータの例示の実施形態の等角図である。 コンプライアント面に係合する熱伝導性ファイバを利用する低力熱カプラーの第１の実施形態の略図である。 粗面に衝突する単一の伝導性ファイバの略図である。 コンプライアント層を含む粗面に衝突する単一の伝導性ファイバの略図である。 熱伝導性ファイバの相互係合重なりを利用する低力熱カプラーの略図である。 図６よりも詳細な伝導性ファイバの相互係合重なりを利用する低力熱カプラーの略図である。 張り出し端部寸法形状を有する熱伝導性ファイバを利用するシステムの略図である。 高性能ポータブルコンピュータが、動作制御、整列、及び安定性を提供するよう、取り付け中に相互作用する機械的特徴に関して特定して強調したドッキングステーションのレセプタクルに取り付けられようとしているシステムを図示する。 ドッキングステーションに取り付けられた高性能ポータブルコンピュータを有するシステムの代替寸法形状の等角図である。 高性能ポータブルコンピュータが、ドッキングステーションに取り付けられずに低出力レベルで機能できる、システムの別の代替実施形態の等角図である。

この説明において、上、上方、下、下方、前、後、頂部、上側、底部、下側、左、右等の何らかの方向的な前置詞及び他のかかる用語は、図面に表されるように説明される方向に向けられてもよく、ただ都合上のために用いられるようなデバイス又は描写を指す。方向及び位置のかかる用語は、本明細書中のデバイス又は方法が、何らかの特定の向きで図により用いられるか、位置決めされることを制限又は含蓄する意図はない。更に、ネットワーク、サーバ、コンピュータ、ポータブル、デバイス、データベース、ブラウザ、媒体、デジタルファイル等のコンピュータ及びネットワーク用語、及び他の用語は、説明する目的のためだけであり、専門家がそれらを採用することによって決まるかかる用語に関して、当該技術における幅広い自由度により、制限するものと見なすべきではない。本明細書中のシステムは、それらが説明されるような何らかの方法で当業者に生じるような、ソフトウェア、ファームウェア、オペレーティングシステム、実行可能プログラム、ファイル及びファイル形式、データベース、コンピュータ言語等のいずれか及びすべての方式を含むと見なすべきである。

図２は、本発明による例示的なシステム２０の略図である。図示及び説明をわかりやすくするために、詳細を省略している。システム２０は、一般に、高性能ポータブルコンピュータ（「モジュール」）２２及びドッキングステーション２４として本明細書中に例示する高出力ポータブルデバイスを含んでいる。Ｘ及びＺ軸は、それぞれ、横及び縦軸と呼ばれ、概して、互いに直交する。ドッキングステーションは、スタンドアローンであってもよく、サーバ、金銭登録機、販売時点情報管理システム、キオスク、デジタルサイネージ、車両、表示システム、ロボット、及び産業システムを含む別のシステムの一部を形成することができる。

モジュール２２は、プリント回路基板（ＰＣ基板）２８に実装されるプロセッサ（ＣＰＵ）２６を含んでいる。ＰＣ基板２８は、発熱装置の実例である。モジュール２２は、また、ハウジング３０も含み、図示するその一部は、高い熱伝導性金属又は金属合金等の熱伝導性材料から形成される。ハウジング３０に適切な材料は、アルミニウム、銅、及びマグネシウム合金を含む。伝熱エレメント３２は、プロセッサ２６をハウジング３０に熱的に結合している。伝熱エレメント３２は、１つ以上のコンポーネントを含むことができる。図示の実施形態において、伝熱エレメント３２は、熱伝導性接着剤３４、銅製ヒートスプレッダ３６，及び熱伝導性ゲル３８を含んでいる。熱伝導性ゲル３８は、衝撃及び振動を吸収する助けとなり、機械的公差のバラツキに起因する間隙を充填する。ハウジング３０は、また、伝熱を最大にするためにプロセッサ２６に対して大まかに整列されるのが好ましい、ハウジング３０の一部上の熱伝達面４０を画成する。いくつかの実施形態において、サーマルインターフェースエレメント（図示せず）は、熱伝達面４０上に配設される。かかる伝熱エレメントの実施例は、コンプライアント層、又は、後で検討する熱伝導性ファイバのアレイを含むことができる。

ドッキングステーション２４は、熱伝達面積４０からの熱を受けるための受熱面４４を画成する熱伝導性基板４２を含んでいる。熱伝達面４０及び受熱面４４は、伝熱面積４５の上で部分的に重なり合っている。好ましい実施形態において、熱伝導性基板４２は、高い熱伝導性金属又は金属合金等の熱伝導性材料から形成される。外側の熱伝導性基板４２に適した材料は、いくつかの実施例を示すよう、アルミニウム、銅、及びマグネシウム合金を含む。熱伝導性基板４２は、熱伝導経路４６に熱的に結合される。熱伝導経路４６は、ヒートパイプ、又は、金属又は金属合金等の固形熱導体であってもよい。一実施形態において、熱伝導性基板４２及び熱伝導経路４６は、１つの材料から一体形成される。熱伝導経路は、一組のアルミニウムフィン等の熱交換器４８に熱的に結合される。ファン５０は、対流熱除去を提供するように、熱交換器４８を通る空気を送風するよう構成される。

熱伝達面積４０と受熱面積４４との間には、その横方向の大きさが伝熱面積４５を規定する複数の熱伝導ファイバを含む低力熱カプラー５２がある。熱伝導性ファイバは、一般に、縦軸Ｚに沿った熱伝達に極めて効果的である。ファイバは、面４０及び４４との、少なくとも約３０度の平均角度を概して画成するよう配向される。熱伝導ファイバは、直線でも、湾曲していてもよい。通常、それらは、非線形に湾曲している。ファイバは、面４０及び４４のいずれか一方又は両方から突出していてもよい。ファイバが一方の面４０又は４４から突出する場合、反対側の面は、突出するファイバと反対側の面との間の効果的な熱的結合を可能にするコンプライアンスな特徴を含んでいてもよい。かかるコンプライアント層の材料は、シリコーン又はウレタンゴムを含んでいてもよい。かかる層が通常１ワット毎メートル毎ケルビン未満の極めて低い熱伝導率を有している場合、それらの厚さは、１００ミクロン未満であってもよく、一実施形態において、２５ミクロン未満であってもよい。コンプライアント層は、従って、その薄い厚さにより適度な熱抵抗を加えるだけでありながら、接触熱抵抗を著しく低減させる助けとなる。第１の実施形態において、ファイバはカーボンファイバである。第２の実施形態において、ファイバはポリマーファイバである。第３の実施形態において、各ファイバは、ファイバの長軸に対して横断する横方向の伝熱を向上させる薄い熱伝導性コーティングを有するポリマーファイバである。

好ましい実施形態において、低力熱カプラー５２は、繰り返される熱的結合及び切り離しにより激減する傾向がある熱グリース等の何らかの「湿式」コンポーネントを用いることなく、間の伝熱を提供する。従って、ハウジング３０と熱伝導性基板４２との間の熱的接続は、熱伝導性グリース又は他の熱伝導性流体を用いない「乾式」接続であるのが好ましい。この「乾式」態様は、ユーザのメンテナンスなしに、より長期の境界面寿命を促進する。

例示の実施形態において、伝熱面積４５は、少なくとも約１０平方センチメートルの面積である。１つの特定の実施形態において、面積は約４０平方センチメートルである。面積４５は、伝達されるよう必要な熱量、及び、面４０及び４４の間で望まれる許容温度降下に基づいて選択することができる。

使用中、余剰の熱が、モジュール２２の動作中にプロセッサ２６によって生成される。伝熱エレメント３２を介して、熱はハウジング３０に伝えられる。熱は、次いで、熱カプラー５２の少なくとも一部を形成するファイバによって、伝熱面４０から受熱面４４に伝達される。熱は、次いで、伝導性基板４２及び熱伝導経路４６を通って熱交換器４８に伝えられ、ファン５０を用いて対流的に除去される。

例示の実施形態において、プロセッサ２６は、少なくとも８ワットの余剰熱を生じる。他の実施形態において、プロセッサ２６は、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２０、少なくとも２５、約２５、又は２５ワットを超える余剰熱を生じる。５０ワットの廃熱を生じるプロセッサ２６が用いられてもよい。コンピュータにおけるプロセッサの性能を進歩させ続ける希望を考えると、より多くの量の余剰熱が生成されるかもしれない。

平方センチメートルあたりに伝えられる廃熱は、伝えられる熱の力をセンチメートルで測定した伝熱面積４５の面積で除算することによって定義することができる。例えば、４０ワットの廃熱を生成し、４０平方センチメートルの面積のプロセッサを考える。これは結果として、面積４５を横断し、熱カプラー５２を介して伝えられる１ワット毎平方センチメートルのワット毎平方センチメートルをもたらす。

システム２０を用いれば、熱伝達面から受熱面までの温度降下は、伝熱面積４５を横断して伝達される各ワット毎平方センチメートルに対して１０℃未満まで最小化される。他の実施形態において、温度降下は、伝熱面積４５を横断して伝達される各ワット毎平方センチメートルに対して６℃未満、５℃未満、４℃未満、又は３℃未満である。いくつかの実施形態において、温度降下は、伝熱面積４５を横断して伝達される各ワット毎平方センチメートルに対して２〜３℃の間であってもよい。

図３は、モジュール２２及びドッキングステーション２４が分離したシステム２０の例示の実施形態の等角図である。軸は、横軸Ｘ及びＹと縦軸Ｚを含んで示されている。＋Ｘの方向は、ドック２４へのモジュール２２の取り付け方向である。＋Ｚの方向は、モジュール２２からドック２４への伝熱方向である。

図２に関して略図示された様々な特徴は、ここで、より詳細な例示の実施形態の形で図示する。示すように、伝熱エレメント３２は、モジュール２２内部にあり、その下にプロセッサ２６（図示せず）がある。伝熱エレメント３２は、銅又はアルミニウム製シート又はヒートシンクを含んでもよい。伝熱エレメント３２は、熱伝達面４０を画成するハウジング３０の一部に熱を伝達する。

ドッキングステーション２４は、受熱面４４、熱伝導性経路４６、熱交換器４８、及びファン５０を含んで示されている。ドッキングステーション２４は、モジュール２２を受け、整列し、固定し、それに結合するためのレセプタクル５４を含んでいる。レセプタクル５４は、＋Ｘ方向に沿ってモジュール２２を受けるための開口を画成する。レセプタクル５４へのモジュール２２の取り付けは、スライド式係合取付を含むことができる。モジュール２２は、Ｘ、Ｙ、及びＺにおいてモジュール２２をレセプタクル５４に適切に整列させる目的に適うレセプタクル５４の一部である補完的な整列機能（図示せず）によって係合される、縁部又はハウジング３０の頂部に沿った基準面５６を含むことができる。この整列は、３つすべての軸において熱伝達面４０を受熱面４４に適切に整列させるために重要であってもよい。レセプタクル５４は、また、モジュール２２を適切な整列状態に固定するためのラッチ又は摩擦機能を含んでいてもよい。最後に、レセプタクル５４は、モジュール２２をドッキングステーション２４に電気的に結合するための電気コネクタ（図示せず）を含むことができる。

図３は、モジュール２２の一部を受けるためのキャビティ又は開口としての例示のレセプタクル５４を示している。代替の実施形態において、ドッキングステーション２４は、キャビティ又は開口ではない受け部５４を含んでいてもよい。例えば、かかる受け部５４は、ドッキングステーション２４の上面に形成されてもよく、それによって、モジュール２２が受け部５４上に載置されてもよい。他の変形例は、受け部５４に対して可能である。

図４は、モジュール２２がレセプタクル５４に取り付けられたシステム２０の例示の実施形態の等角図である。熱伝達面４０及び受熱面４４は、伝熱面積４５を画成するよう重なり合っている。伝熱面積４５は、熱伝達面４０と受熱面４４との間の重なり合った面積であり、その上で、面同士が低力熱カプラー５２によって接合される。

廃熱は、プロセッサ２６において生成され、＋Ｚに沿った垂直方向の熱の動きが、図３及び４に示されている。廃熱は、それによって、プロセッサから、伝熱エレメント３２を通り、ハウジング３０の一部を通り、低力熱カプラー５２を通って、熱伝導性基板４２に垂直に伝導される。廃熱は、次いで、Ｘ及びＹ軸に沿って熱伝導経路４６沿いに熱交換器４８へ横方向に伝導される。廃熱は、次いで、ファン５０により強制対流を介して熱交換器４８から周囲空気に伝えられる。

熱除去を容易にするドッキングステーション２４の特徴に重点を置いたが、ドッキングステーションは、電力をモジュール２２に提供し、モジュール２２と他のシステム及びデバイスとの間の接続性を提供する等の様々な他の機能を提供できることは言うまでもない。かかる接続性は、モニター又はプリンターへの接続性、ワイヤレス接続性、及びコンピュータネットワークへの接続性を含むことができる。図３及び４は、いくつかの例のみを列挙するように、電源ポート、カメラカードポート、ヘッドセットポート、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）ポート、Ｆｉｒｅｗｉｒｅポート、及び／又はイーサネット（登録商標）ポートを含むことができる様々なポート５７を示している。ドッキングステーション２４は、また、いくつかの例のみを列挙するように、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１等の１つ以上のプロトコルを利用するワイヤレス通信及びセルラー方式通信用の１つ以上のアンテナを含んでいてもよい。

図５、５Ａ、５Ｂ、６、６Ａ、及び７は、低力カプラー５２の実施形態を示す略図である。これらの設計のいずれかにおいて、特定の実施形態によって、熱伝達面４０、受熱面４４のどちらか一方から、又は、両面４０及び４４から突出するファイバが存在する。一般的に言えば、これらのファイバは、Ｚに沿って概して垂直に延在する長軸を有している。先に示したように、これらのファイバは、Ｚに対して鋭角を画成するか、Ｚと略一致してもよく、通常、ある程度の曲率を有している。

各ファイバは、長軸に対して横切る方向におけるよりもその長軸に沿って多くの熱を伝導する材料から形成される。適切な材料の一例は、カーボンファイバである。代替として、ファイバは、その長軸に沿って優先的に熱を伝達するポリマーファイバであってもよい。一実施形態において、ファイバは、伝導性コーティングで被覆されて、横方向におけるファイバの面積から別の面積へ、ファイバ間、又は、ファイバから隣接面への熱の横方向伝達を向上させる。例示の実施形態において、ファイバは、蒸着、スパッタ堆積、又はその他の適切な方法によって、ファイバ上に堆積されてもよい薄い金属コーティングで被覆される。

一例として、ファイバは、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から形成されてもよい。かかるファイバのうちのいくつかは、長軸に沿って約２０Ｗ／ｍＫ（２０ワット毎メートル毎ケルビン度）及び長軸に直交する横軸に沿って約０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。これらのファイバは、熱が、より大きい有効断面積を通る長手方向における更なる伝達のために、横方向においてより効果的に分散されるように、薄い金属コーティングで被覆されてもよい。

ファイバは、特定の実施形態によって、熱伝達面４０、受熱面４４のどちらか一方又は両面４０及び４４に恒久的に取り付けられる。機械的連結、マイクロエッチングプロセスを用いる基板へのエッチング、化学的又は物理的プロセスを用いる基板上への成長、及び／又は、３Ｄプリンティングを用いる表面上への形成を含む、かかるファイバを形成するための様々な方法が存在する。

ファイバは、一般に、０．３〜２ミリメートルの範囲にある長さを有している。別の実施形態において、長さは、０．３〜１．０ミリメートルの範囲にあってもよい。更に別の実施形態において、長さは、０．４と０．８ミリメートルの範囲にあってもよい。更に別の実施形態において、ファイバ長さは、約０．５ミリメートルであってもよい。

ファイバは、約５〜２５μｍ（マイクロメートル又はミクロン）の範囲内のファイバの長軸を横切る断面直径又は寸法を有してもよい。一実施形態において、断面直径は、５〜１０μｍの範囲又は１０μｍであってもよい。

ファイバ密度は、極めて高くても−平方センチメートルあたり約１００，０００〜３００，０００ファイバと等しいか、それより高くてもよい。従って、それらは、平均２５μｍ未満であってもよい極めて接近した横方向間隔を有している。

図５は、ハウジング３０の一部を伝熱面積４５の上の熱伝導性基板４２に熱的に結合する低力熱カプラー５２の例示の第１の実施形態の略図である。ハウジング３０は、熱伝達面４０を画成する上面を有する極めて薄いコンプライアント層５８を含んでいる。熱伝導性ファイバ６０は、受熱面４４に恒久的に取り付けられる。熱伝導性ファイバは、熱伝達面４０に衝突するよう下方（−Ｚ方向）に延在する。

図５Ａ及び５Ｂは、薄いコンプライアント層５８の作用を示している。図５Ａは、ミクロレベルにおいてコンプライアント層５８の無い面４０への熱伝導性ファイバ６０の衝突を示している。見て取れるように、面４０は平滑ではない。また、ファイバ６０は、小さい表面積を有する面４０と概して接触することも明らかである。ファイバ６０は、湾曲し、面に対して一致し、従って、点接触よりも良好に提供するいくつかの傾向がある。

図５Ｂは、ハウジング３０の上の極めて薄いコンプライアント層５８の使用を示している。コンプライアント層５８は、ファイバ６０の先端が面４０とのより大きい接触表面積を有することを可能にする。これにより、何オーダーかの開きで接触表面積が増加する。コンプライアント層５８は、垂直方向で測定すると厚さ１００μｍ（ミクロン又はマイクロメートル）未満である。他の実施形態において、コンプライアント層５８の厚さは、７５μｍ未満、５０μｍ未満、又は２５μｍ未満であってもよい。一実施形態において、コンプライアント層は、約１０〜２０μｍの厚さを有する。コンプライアント層は、極めて低い弾性率を有するゴム又はエラストマーから形成されてもよい。接触表面積の増加は、ファイバ６０とゴム面４０との間の衝突領域におけるゴム変形及びファイバの湾曲の結果である。

図６は、ハウジング３０の一部を伝熱面積４５の上の熱伝導性基板４２に熱的に結合する低力熱カプラー５２の例示の第２の実施形態の略図である。ファイバ６０Ｔ（Ｔは伝達（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の略）は、概して、縦＋Ｚ方向に沿って、ハウジング３０の一部によって画成される熱伝達面４０から突出している。ファイバ６０Ｒ（Ｒは受け取り（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ）の略）は、概して、−Ｚ方向に沿って、熱伝導性基板４２によって画成される受熱面４４から突出している。重なり６２の垂直領域は、横方向に画成される伝熱面積４５上に突出するファイバ６０Ｔ及び６０Ｒの間のＺ軸に沿った重なりによって画成される。

図６Ａは、寸法の詳細を図示するよう、ファイバ６０Ｔ及び６０Ｒの例示の重なりを示している。各ファイバの長軸は、Ｚ軸に対して概して垂直又は平行であるよう示されている。実際には、もちろん、ファイバは、湾曲していてもよく、及び／又は、Ｚ軸に関して鋭角を画成することができる。ファイバ長軸を横切って測定される各ファイバの有効直径は、約５〜１０μｍの範囲にあるよう示されている。交互に配置されるか、介在するファイバ同士間の間隔は、約２〜５μｍの範囲にあるよう示されている。縦Ｚ軸に沿った６０Ｔ及び６０Ｔファイバ同士間の重なりは、図示の実施形態によれば、約５０〜１００μｍである。

図示の縦方向（Ｚ）のファイバ間の重なりは、それらの間の横方向（Ｘ及び／又はＹ）間隔の約１０〜５０倍の間の範囲にある。この寸法形状は、６０Ｔ伝達ファイバから６０Ｒ受取ファイバに渡される熱に対する熱抵抗を最小化する助けとなる。この熱抵抗は、更に、この横方向の伝熱を向上するよう、ファイバを金属又は他の熱伝導性フィルムで被覆することによって低減することができる。ファイバ全長と比較した重なり長さは、それでも極めて小さく、従って、重なりを生じるために必要な力は極めて小さく、結果として、ドッキング及びドッキング解除にとって有利な、容易な結合及び切離しをもたらす。

図７は、低力熱カプラー５２の第３の実施形態を利用するシステム２０を示している。図７は、ドッキングステーション２４のレセプタクル５４に摺動して取り付けられるモジュール２２を示す。モジュールは、熱伝達面４０を画成する伝熱エレメント３２を含んでいる。ファイバ６０は、熱伝達面４０から垂直に、上方に（＋Ｚ）突出している。各ファイバ６０は、張り出した端部寸法形状を有する末端部６４を含んでいる。

レセプタクル２４は、受熱面４４を画成する熱伝導性基板を含んでいる。モジュール２２がレセプタクル５４に摺動して取り付けられる場合、張り出した末端部６４は、受熱面４４と係合する。張り出した端部は、ファイバ６０から受熱面４４への伝熱を最大化するよう機能する。一実施形態において、受熱面４４は、薄いコンプライアント層によって画成されて、張り出し端部６４と受熱面４４との間の接触表面積を更に増加させる。更に別の実施形態において、各張り出し端部６４は、蒸着金属等の薄い伝導性材料で被覆されて、伝熱を更に向上させてもよい。

図８は、モジュール２２がドッキングステーション２４のレセプタクル５４にまもなく取り付けられようとしている例示のシステム２０を示している。モジュール２２は、レセプタクル５４内を摺動するにつれて垂直位置決めモジュール２２を制御するよう、レセプタクル５４の一部と係合するハウジング３０の少なくとも一部又は基準面５６を含んでいる。モジュール２２が横Ｘ軸に沿ってレセプタクル５４内を摺動するにつれて、ばね６６は、モジュール２２を上方に付勢する。レセプタクル５４の一部と係合する基準面５６の動作は、基準面５６がウェル６８に到達するまで、ばね６６の力に対抗する。次いで、基準面５６はウェル６８へ上方に押圧されて、低力カプラーが熱伝達面４０を受熱面４４に熱的に結合することを可能にする。同時に、電気コネクタ７０及び７２同士が結合し、それによって、モジュラー２２をドッキングステーション２４に電気的に結合する。

図８の実施例は、大幅に簡略化され、モジュール２２がレセプタクル５４内に横方向から挿入された場合に、レセプタクル５４に対するモジュール２２の垂直及び角度の位置決めを制御するよう、基準面５６等のハウジング３０の面の使用を示すことを意味している。取り付けている間のモジュール２２とレセプタクル５４との相互作用は、面４０及び４４の間の短い摺動動作を提供できる。図６に示す低力カプラー５２の実施形態を考える。短い摺動動作は、ファイバ６０Ｔが、モジュール２２とドッキングステーション２４との間の極めて小さい力及び圧力要件により、ファイバ６０Ｒの間隙の間に留まることを可能にする。

モジュール２２のハウジング３０とレセプタクル５４の面との相互作用は、縦（Ｚ軸）方向に沿った熱伝達面４０と受熱面４４との間の間隔又は距離Ｄ（例えば、垂直距離）を制御する。いくつかの実施形態において、実施形態Ｄは、０．２〜２．０ミリメートルの範囲である。他の実施形態において、距離Ｄは、図６及び６Ａに示すような実施形態に対して、０．５〜１．５ミリメートルの範囲である。他の実施形態において、距離Ｄは、図６及び６Ａに示すような実施形態に対して、０．７〜１．１ミリメートルの範囲である。更に別の実施形態において、距離Ｄは、図６及び６Ａに示すような実施形態に対して、約０．９ミリメートルである。更に他の実施形態において、Ｄは、図５、５Ａ、及び５Ｂに示すような実施形態に対して、０．３〜０．７ミリメートルの範囲である。更に別の実施形態において、Ｄは、約０．５ミリメートルである。更に他の実施形態において、Ｄは、図５、５Ａ、及び５Ｂに示すような実施形態に対して、０．３〜０．７ミリメートルの範囲である。他の間隔Ｄは可能であるが、制御された間隔は、従って、熱伝導性ファイバの使用に従って最適化される。

図９は、モジュール２２がドッキングステーション２４に対して特定の寸法形状構成で取り付けられるシステム２０の代替実施形態の等角図である。機能的に異なる以外は、システム２０は、図２及び３に関して示したものと同様である。Ｘ、Ｙ、及びＺ軸は指示されている。既に述べたように、＋Ｘはドッキングステーション２４へのモジュール２２の取付方向であり、＋Ｚはモジュール２２からドッキングステーション２４への伝熱方向である。

図１０は、モジュール２２が、関連する小型ディスプレイ７４を有し、ドッキングステーション２４内に載置せずにコンピュータとして動作できる、システム２０の別の代替実施形態の等角図である。ドッキングステーション２４の外部で操作される場合、モジュールは、過度の動作温度を回避するよう、クロックを低下させるか、そうでなければ、低速にする必要がある。

一実施形態において、モジュール２２は、ドッキングにない場合、第１のプロセッサ出力レベルで動作する。モジュール２２がドッキングステーション２４に取り付けられると、ドッキングが検出される。このモジュール２２は、次いで、ドッキングされた場合に、自動的に高い出力レベルで動作する。

本明細書中の放熱システムの基本的な特徴及び機能のすべてを、その特定の実施形態に関して本明細書中で示し、説明してきたが、修正、様々な変更、及び置換の許容範囲は、上述の開示において意図され、いくつかの例において、発明のいくつかの機能は、前記のように、発明の適用範囲から逸脱することなく、他の機能を対応して使用することなく採用されてもよいことは明らかである。また、本開示の通読時、及び、開示した新規の有用なシステムの認識時に、様々な置換、修正、及び変形が、当業者に生じ、発明の精神又は適用範囲から逸脱することなく当業者によって行われてもよいことは言うまでもない。従って、当業者に生じたようなかかるすべての修正、変形、及び置換は、以下の特許請求の範囲によって定義されるように、発明の適用範囲内に含まれると見なされる。

Claims (20)

1. 高出力ポータブルデバイス及びドッキングステーションシステム（「システム」）であって、
   全負荷動作中に少なくとも８ワットの熱を生成する発熱装置と、
   外部冷却装置と熱的に結合するための熱伝導性面を有する面積の少なくとも一部を持つハウジングと、
   前記発熱装置からハウジングの前記伝導性面への熱の効果的な伝達のための前記ハウジングの前記熱伝導性面及び前記発熱装置に熱的に結合される熱伝導性伝熱エレメントと、
   低圧下でそれと接触し、ゲル、流体、及びグリースを使用する何の必要もなく、熱伝導性ファイバの外部アレイに伝達される熱の１０℃毎平方センチメートル毎ワットよりも低い熱抵抗を提供できる熱接続手段を含む前記ハウジングの前記熱伝導性面上に配設されるサーマルインターフェースエレメントとを含む、
   高出力ポータブルデバイスと、
   放熱手段を有し、それによって、前記高出力ポータブルデバイスを冷却することができるドッキングステーションであって、
   前記放熱手段に熱的に結合される熱伝導性基板と、
   一端部において前記熱接続手段との接触により前記熱を受け入れ、他端部において前記熱伝導性基板に恒久的に配設され、熱的に結合され、それによって、前記高出力ポータブルデバイスを冷却することができる熱伝導性コンプライアントファイバの第１のアレイとを含むドッキングステーションと、を備える、
   高出力ポータブルデバイス及びドッキングステーションシステム。
2. 高出力ポータブルデバイスであって、
   全負荷動作中に少なくとも８ワットの熱を生成する発熱装置と、
   外部冷却装置と熱的に結合するための熱伝導性面を有する面積の少なくとも一部を持つハウジングと、
   前記発熱装置からハウジングの前記伝導性面への熱の効果的な伝達のための前記ハウジングの前記熱伝導性面及び前記発熱装置に熱的に結合される熱伝導性伝熱エレメントと、
   低圧下でそれと接触し、ゲル、流体、及びグリースを使用する何の必要もない場合に、熱伝導性ファイバの外部アレイに伝達される熱の１０℃毎平方センチメートル毎ワットよりも低い熱抵抗を提供できる熱接続手段を含む前記ハウジングの前記熱伝導性面上に配設されるサーマルインターフェースエレメントとを備える、
   高出力ポータブルデバイス。
3. 放熱手段を有し、それによって、前記高出力ポータブルデバイスを冷却することができるドッキングステーションであって、
   前記放熱手段に熱的に結合される熱伝導性基板と、
   一端部において前記熱接続手段との接触により前記熱を受け入れ、他端部において前記熱伝導性基板に恒久的に配設され、熱的に結合され、それによって、前記高出力ポータブルデバイスを冷却することができる熱伝導性コンプライアントファイバのアレイとを含む、
   ドッキングステーション。
4. 前記熱接続手段は、前記サーマルインターフェースエレメントに恒久的に配設され、熱的に結合される熱伝導性ファイバの第２のアレイから構成される、請求項２に記載の高出力デバイス。
5. 前記熱接続手段は、低圧接触下でコンプライアント及び熱伝導性ファイバの外部アレイに大きな接触表面積を提供し、それによって、熱接触抵抗を低減する一方で、熱抵抗全体が１０℃毎ワット毎平方センチメートル以下であるように、十分に低い追加層による熱抵抗の増加を継続するような小さいコーティング厚を持つ、前記熱伝導性面に恒久的に配設されるコンプライアントコーティングから構成される、請求項２に記載の高出力デバイス。
6. 前記熱接続手段は、それが、低圧下で接触する場合に、前記ドッキングステーションの熱伝導性ファイバの前記第１のアレイとの重なり接触を生じるように、前記サーマルインターフェースエレメントに恒久的に配設され、熱的に結合される熱伝導性ファイバの第２のアレイから構成される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記熱接続手段は、低圧衝突接触下でコンプライアント及び前記ドッキングステーションの熱伝導性ファイバの前記第１のアレイに大きな接触表面積を提供し、それによって、熱接触抵抗を低減する一方で、熱抵抗全体が１０℃毎ワット毎平方センチメートル以下であるように、十分に低い追加層による熱抵抗の増加を継続するような小さいコーティング厚を持つ、前記熱伝導性面に恒久的に配設されるコンプライアントコーティングから構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記高出力ポータブルデバイスは、高性能ポータブルコンピュータであり、前記発熱装置は、ＣＰＵを含むＰＣ基板である、請求項４に記載の高出力ポータブルデバイス。
9. 前記高出力ポータブルデバイスは、高性能ポータブルコンピュータであり、前記発熱装置は、ＣＰＵを含むＰＣ基板である、請求項５に記載の高出力ポータブルデバイス。
10. 前記熱伝導性ファイバのそれぞれは、前記ファイバの長軸に沿って熱を最も効果的に伝導し、多くのファイバは、前記ファイバの前記長軸を横切る方向で前記ファイバへの熱伝導を向上させる外部コーティングを含む、請求項４に記載の高出力ポータブルデバイス。
11. 前記熱伝導性ファイバのそれぞれは、前記ファイバの長軸に沿って熱を最も効果的に伝導し、多くのファイバは、前記ファイバの前記長軸を横切る方向で前記ファイバへの熱伝導を向上させる外部コーティングを含む、請求項３に記載のドッキングシステム。
12. 前記熱伝導性基板との外側ハウジングの少なくとも部分的な係合は、前記ポータブルデバイスの前記サーマルインターフェースエレメントと前記ドッキングステーションの前記熱伝導性基板との間の間隔を制御する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記係合は、摺動係合を制御し、それによって、摺動動作が、前記ドッキングステーションの前記熱的に結合される熱伝導性ファイバと前記サーマルインターフェースエレメントとの間に確立される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ファイバの第１のアレイと前記熱伝導性ファイバの第２のアレイとの間の重なり長さは、ファイバのアレイのどちらか一方の長さよりも大幅に短く、それによって、重なりを生じるために低圧を必要とする一方で、ファイバのアレイ間の有効熱抵抗が著しく低減されるように、ファイバ同士の重なり合う面の間に１０ミクロン未満の平均エアギャップを持つ何オーダーかの開きでファイバのアレイの両方の間の有効接触表面積を増加させる、請求項６に記載のシステム。
15. 前記サーマルインターフェースエレメントと熱伝導性ファイバの前記アレイとの間の相互作用は、結果として、前記熱伝導性ファイバのスクラビング動作をもたらして、前記熱伝導性ファイバと前記サーマルインターフェースエレメントとの間の熱接触を向上させる、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記放熱手段は、ヒートシンク及びファン及び前記ドッキングステーションの外面を含む、請求項３に記載のドッキングステーション。
17. 前記放熱手段は、分割空気調和システムから適切に適応される冷凍サイクルシステムの熱的に結合される低温側面配管を含む、請求項３に記載のドッキングステーション。
18. 前記放熱手段は、前記ドッキングステーションの前記熱伝導性面を含む、請求項３に記載のドッキングステーション。
19. 前記放熱手段は、分割空気調和システムから適切に適応される冷凍サイクルシステムの熱的に結合される低温側面配管を含む、請求項１に記載のシステム。
20. 前記高出力ポータブルデバイスは、高性能ポータブルコンピュータであり、前記発熱装置は、ＣＰＵを含むＰＣ基板である、請求項１に記載のシステム。