JP2023502141A - マイクロチャネル脈動型ヒートパイプ - Google Patents
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Abstract
マイクロチャネル脈動型ヒートパイプ、好ましくは閉ループのものは、表面積を増加させ、作動流体の気化のための核形成部を追加し、かつ、そうでなければ流体の移動および熱伝達を高めるために、内壁に沿って障害物を備えたマイクロチャネルを備えるプレートを含む。様々な形状の障害物が、チャネルの下壁、側壁、および上壁のうちの１つ以上に考慮される。強度および熱伝達を高めるために、めっきがプレートの上部または周囲に取り付けられてもよい。熱伝導性材料のリブは、表面積を増加させて熱伝達を促進するためにプレートおよび／またはめっきの外面に設置されてもよく、かつ外面を横切る空気の移動を容易にするように配置されてもよい。【選択図】図１２
Description
優先権の主張
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、本発明の発明者による「Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ」と題され、２０１９年１２月２４日に出願された米国特許仮出願第６２／９５３，４３５号に開示された主題を含み、同出願の優先権を主張する。
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、本発明の発明者による「Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ」と題され、２０１９年１２月２４日に出願された米国特許仮出願第６２／９５３，４３５号に開示された主題を含み、同出願の優先権を主張する。
本発明は、熱除去および熱管理に関する。本発明は、より具体的には、パッシブマイクロチャネル脈動型ヒートパイプ装置および関連する方法に関する。
背景技術
熱除去は、高密度マイクロエレクトロニクス、光学デバイス、計装、およびその他の電気／電子デバイスの適切な性能のために不可欠になっている。熱制御システムは、機器、通信システム、電力システム、およびその他の電子デバイスが指定された温度範囲内で動作することを許容する。簡潔には、温熱源からラジエータまたは熱交換器への熱エネルギーの伝導、次に放散されることによって冷却が提供される。これは、デバイスの小型および軽量の性質により、特に携帯型電子機器の分野において着目されている。
熱除去は、高密度マイクロエレクトロニクス、光学デバイス、計装、およびその他の電気／電子デバイスの適切な性能のために不可欠になっている。熱制御システムは、機器、通信システム、電力システム、およびその他の電子デバイスが指定された温度範囲内で動作することを許容する。簡潔には、温熱源からラジエータまたは熱交換器への熱エネルギーの伝導、次に放散されることによって冷却が提供される。これは、デバイスの小型および軽量の性質により、特に携帯型電子機器の分野において着目されている。
熱は、アルミニウム、銅、酸化ベリリウム、またはそれらの組み合わせなどの高熱伝導率金属、金属に埋め込まれた焼鈍された熱分解グラファイト（ＡＰＧ）、金属内に埋め込まれたウィック作用ヒートパイプ、または金属のヒートパイプのうちの１つ以上から形成されたヒートシンクおよび熱拡散カバーを使用して放散される。アルミニウムよりも熱伝導率が高い金属は、通常、重量、コスト、および／または製造上の問題を増やす。ウィック作用ヒートパイプは、平坦化しても、所望の最大板厚を超えられる最小直径を必要とすることが多い。銅、インコネル、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、銀など、多種の材料が拡散接合されることができる。ＰＨＰを電子機器に適合させる場合、ＵＳ２０１８／０２９９２０６は、固体銅を超える熱伝達特性を生成した柔軟性の高い軽量ポリマーベースのＰＨＰの使用を提案した。
当技術分野で知られているように、脈動型ヒートパイプ（ＰＨＰ）は、基板に組み込まれたマイクロチャネル埋込脈動型ヒートパイプを含み得る。平面形状の場合、基板はプレートの形をとる。埋め込まれたマイクロチャネルの使用は、一体型の埋め込まれたヒートパイプを介して、アルミニウムおよび銅などの従来の材料の熱伝導率が１桁以上向上することを許容する。ＰＨＰは、熱伝達を高めるために相変化および流体運動の両方を利用する。ある量の作動流体が、好ましくは真空中で、マイクロチャネルに導入され、作動流体が広がって、蒸気ポケットによって分離された液体のスラグになる。蒸発器領域（熱源）でのマイクロチャネルの内容物の加熱は、マイクロチャネル内でのさらなる気化を誘発し、一方で、ヒートシンクでの冷却は、マイクロチャネル内でのさらなる凝縮を誘発する。加熱および冷却の両方が、マイクロチャネル内で、流体の流れを駆動し、または、脈動をさせ、および、熱を効率的に伝達するように作用する。
脈動型ヒートパイプは、パイプの熱源蒸発区分およびヒートシンク凝縮区分を使用して、二相ヒートパイプに影響を与えるパッシブ熱制御装置である。脈動型ヒートパイプは、平行または織り交ぜられた構造を形成するために湾曲した構造に曲げられた１つ以上の毛細管寸法の管からなる。管の蒸発器領域／区分に熱が加えられると、その結果、蒸気圧が上昇し、システムの平衡が崩れる。蒸気圧が上昇すると、より大きな蒸気泡が作り出され、この高圧領域から脈動する。アセンブリのもう一方の端には、凝縮器を備えた凝縮器区分がある。凝縮器区分では、外部ヒートシンクなどによって熱が除去され、それによって蒸気が減少され、気泡を収縮させ、圧力を低下させる。
閉ループ脈動型ヒートパイプ（ＣＬＰＨＰ）は、蛇行形状のチャネルとして構成され得る（ＣＬＰＨＰはウィックなしで機能するように意図されている）。ＣＬＰＨＰ内の流体は、蛇行形状内に非常に不安定な二相流を作り出し、蒸発器区分と凝縮器区分との間での振動運動を伴って前後または一方向に移動する。ＰＨＰは、垂直、傾斜、水平、および反転の方位など、様々な方位で作動し得、革新的な幾何学的配置を許容する。振動運動は重力に依存しない（または非常に弱く依存する）ため、ＰＨＰは真空でも作動する。蛇行形状内の細長の気泡および液体スラグの脈動する流体の流れの運動は、蒸発器区分での蒸気泡の核形成および成長、ならびに凝縮器区分における蒸気泡の凝縮および崩壊によって引き起こされる複雑な二相流の不安定性によるものである。十分に設計された脈動型ヒートパイプは、従来のヒートパイプまたは蒸気チャンバ（「マルチフィンガー」扁平管ヒートパイプ）よりも高い「時間平均」流量を作り出し、および、より多くの潜熱を蒸発器から凝縮器に伝達し、一方で、前後の流れがドライアウトの発生を抑制する。
マイクロチャネル埋込脈動型ヒートパイプ（ＭＥ－ＰＨＰ）は、単純に、プレートの中央に配置された蛇行形状の構成のマイクロチャネルからなる。液体から蒸気へ、およびその逆への相変化は、凝縮器と蒸発器との間のウィックを備えない流路を通る蒸気泡／液体スラグの脈動と相まって、熱伝達および冷却を容易にする。流路は、プレートよりも薄い直径（または横断面積）を有し、流路の中心経路は、実質的に二次元平面領域内に在る。ＣＬＰＨＰは、ＭＥ－ＰＨＰの候補の１つである。
脈動型ヒートパイプには、蒸発器区分、凝縮器区分、および潜在的に断熱領域を含む、明確な領域が有る。脈動型ヒートパイプが静止していて、熱が全く導入されておらず、熱が全く助去されていない場合、システムは平衡状態である。蒸発器に熱が加えられると、システムの均衡が崩れる。次に、熱が作動流体の多くを蒸気に変換し、脈動型ヒートパイプのその部分内で蒸気泡がより大きくなる。同様に、凝縮器では、ＰＨＰから熱が除去され、気泡のサイズが小さくなっている。気化による体積膨張および凝縮による収縮は、チャネル内での振動運動を引き起こす。蒸発器と凝縮器との間の温度勾配およびマイクロチャネルの蛇行形状のパターンから導入された摂動の正味の効果は、非平衡圧力条件の作成である。これをＰＨＰ全体に分散された蒸気／流体の充填と組み合わせると、振動の自立した駆動力が得られ、熱流体輸送が提供される。これらの圧力脈動は完全に熱的に駆動され、ＰＨＰの固体構造により、ＰＨＰを動作させるために温熱源からの熱入力以外の外部電力またはエネルギーは必要ない。
脈動型ヒートパイプの概念は、当技術分野でよく知られている。例えば、ＵＳ６，６７２，３７３は、脈動するヒートパイプ内の熱伝達を改善するためのパイプの形状の改善を記載している。例えば、パイプの直径を変えることは、熱伝達を容易にするために熱／物質伝達係数に熱水力学的差を提供する方法と考察された。ＵＳ８，９１９，４２６は、気化による熱伝達を可能にするより広い区分の側壁に沿った環状の流れを促進するために、直径が変化する丸みを帯びたおよび／または長方形などの運ばれた断面を組み込むことができる薄いマイクロチャネルＰＨＰの概念を考察した。ＣＮ１０２６９１９９９（Ｂ）は、三角形の断面をさらに検討した。ＣＮ１０４７９２２００（Ａ）は、ＰＨＰチャネルの壁への熱交換を高めるために、ＰＨＰの内壁に親液性コーティングを追加した。
ＰＨＰは、ＣＮ１０２９４４０５２に示されているように、空調ユニットでの使用など、より大規模な実装でも検討されている。ＰＨＰを手持ち式の電子デバイスに適合させる場合、ＰＨＰの熱伝達力の不十分さは、ＵＳ９，７５０，１６０が説明している電子モジュール内およびその周囲のマルチレベル振動ヒートパイプに導かれた。
熱放散は、モバイルデバイスに電力を供給するハイエンドチップの制限要因である。様々なプロセッサ／モデムチップおよびパッケージの過熱は、これらのデバイスの性能低下、さらには障害につながる。次世代の高出力密度の電子機器および通信技術（５Ｇ以降）は、現在の既存のソリューション（Ａｌ／Ｃｕヒートスプレッダおよびヒートシンク、ウィック駆動ヒートパイプおよび蒸気チャンバ）と比較して優れた冷却ソリューションを必要とする。
高密度電子機器の冷却を強化し、マイクロプロセッサによって放散されるエネルギーを削減するために、新しい二相閉ループ脈動型ヒートパイプ（ＣＬＰＨＰ）技術および形状が開発されている／最適化されている／構築されている。
現時点では、パッシブＰＨＰは、ヒートシンクまたは電子デバイスの熱伝達機構を使用した熱管理にまだ広く採用されておらず、電子製品の熱勾配を維持するために大きく依存していない。ＰＨＰの設計および機能の改善は、ＰＨＰの採用および適用の成長を促進し得る。
したがって、本発明の目的は、脈動型ヒートパイプの熱伝達能力を改善することである。
本発明の別の目的は、軽量の携帯型ヒートパイプを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、電子機器および電子デバイスで有用な脈動型ヒートパイプシステムを提供することである。
ＰＨＰの熱伝達係数は、流体スラグ、蒸気ポケットの流れを促進し、パイプ内の作動流体の気化をさらに促すことによって改善できる。縁に沿った場合を除いてスラグが有効にならないＰＨＰの欠点を克服するために、追加の核形成部を使用してスラグの潜在的な気化および分解を増加させることができる。核形成を促進するためにパイプ内に規則的またはランダム化された障害物の含有物を介して、パイプの様々な形状が使用され得る、および改善され得る。核形成は、蒸気圧および表面張力の操作によって鋭い境界部で発生し得る。作動流体を液体の形で含むスラグを伸ばすことにより、薄い液体層はより多くの蒸気圧力を受け、表面積が増加し、気化する可能性がより高くなる。核形成部は、チャネル内の障害物として構造を追加することによって達成され得る。障害物は、１つ以上の側面に、様々な形状で規則的に配置され得る。これらのマイクロチャネルサイズでは、チャネル外部の形状を変更するのではなく、障害物を導入することも可能である。
様々な障害物の形状および配置が含まれ、例えば、側壁および／または天井ならびに下壁への半球形のアタッチメントの使用、半円筒形のアタッチメントの使用、（好ましくは中央を通って）チャネル全体を横断する立ち上がり円筒形または長方形の支柱の使用、チャネルを横切る半円筒形のアタッチメントの使用、または各壁および上部／下部の半円筒形の支柱の使用などである。
また、ＰＨＰプレートは、外部に構造またはめっきを組み込み得る。例えば、薄いシート銅フィルムまたはめっきが、プレートの一部または全てに使用され得る。めっきは、蒸発器および／または凝縮器区分上に提供され得る。同様に、追加の表面積を提供するために、めっき内でリブが使用され得る。リブは、縦方向の配管に沿って、対角線上または横方向に設定され得る。幅またはリブは、チャネルの幅またはチャネル間の間隔と一致し得る。
本発明は、以下の図面を参照して、より具体的かつ明確に説明される。
電子機器の冷却の分野では、ヒートシンクおよび熱エネルギー放散装置が、コンポーネントから熱エネルギーを引き出して排出するために使用されてきた。脈動型ヒートパイプ（ＰＨＰ）は、気泡およびスラグが交互に流れる蛇行形状の経路を利用して、エネルギーを熱源（蒸発器）から冷却（凝縮）領域に移動するため、そうでなければ熱を拡散する、および放散するために他者によって考案された。蛇行形状の経路は、多数の形、方位、寸法、複製などで開発されてきた。これまでの蛇行形状の経路は、作動流体がシステム内を移動すること／互い違いになることを許容するために単純な断面を利用してきた。作動流体は当技術分野で知られており、好ましくは地球温暖化の可能性が低い流体であり、好ましくは低蒸気圧で機能する。従来の断面は、円形、半円筒形、長方形、正方形などである。好ましくは、プレートは、機械加工、レーザー加工、またはその他の方法で形成された管部を備えた（側壁および下壁を備えた）底部シート、およびプレートを完成させるための上壁を形成する上部シートから構築される。上部シートの特徴は、管部の配置と形状に一致し得、上壁はチャネルを形成するように上部シートで形成される。好ましくは、プレートは、当技術分野で知られている材料で作られているか、そうでなければ開発され得る。現在の技術は、Ａｌ－Ｎｉ、Ａｌ－Ｃｕ、Ｃｕ、Ｃ（例えば、グラファイト）などのセラミックを提案している。プレートのサイズは、好ましくはタブレット、携帯電話、サーバなどのモバイル技術用に設定される。マイクロチャネルは、好ましくは、５００マイクロ程度のプレートに従ったサイズにされ、サイズは１０ミクロン～１ｍｍである。例えば、電話の実施形態では、プレートは、２５０～５００ミクロンサイズのチャネルを備え、高さ４００～８００ミクロンであり得る。
経路に障害物を配置したり、経路の形状を変更して高度な冷却を実現したりすることを提案した解決策はまだない。本発明は、複数の障害物の形状および配置を含む、代替の経路断面を対象とする。１つ以上の障害物が、流体を障害物の周りに移動させるために、チャネルの左側、右側、上部、および／または底部に結合され得る。様々な経路ならびに障害物の角部および係合点および線が通路に作り出される。繰り返しパターンおよびランダムパターンは、調整されたパターン、平行なパターン、および／または千鳥状のパターンで使用され得る。通路を横断するために柱が使用され得、もしくは縦方向の膨出部、または障害物が単独で、または代替の障害物配置と組み合わせて使用され得る。障害物のサイズは、流れの抵抗を減少させ、および熱伝達を高めるために、熱流束と表面との流体の強制的な係合との間の適切なバランスを提供するように変更され得る。障害物はチャネル内に表面積を追加し、作動流体とプレートとの間の熱伝達を高めるために追加の核形成部を作り出し得る。
このシステムは、障害物、複数の障害物、またはその他の方法で、ヒートポンプの蛇行形状の経路を脈動させるための非標準的な進路の概念を導入する。このシステムは、携帯電子デバイス（１８０×８０ｍｍ程度の携帯電話、タブレット、またはラップトップ）から、小型のデバイスおよびコンポーネント、ならびに１ｍｘ０．５ｍ程度のサーバブレード、データセンターなどの大規模なシステムまで、様々な実施形態に合わせて拡大縮小され得る。蛇行形状の通路または直線通路は、現在のシステムで変更され得る。チャネルは任意のサイズであり得、好ましい実施形態は、２００ミクロン～１ｍｍの高さのチャネルおよび２００ミクロン～７００ミクロンの幅のチャネルを含む。ポータブル電子機器で使用される場合、ＰＨＰを保持するプレートは、プリント回路基板のサイズ、またはより好ましくは、他のヒートシンクおよび放散技術に関する分野で知られているように、モバイルデバイスの内部ケーシングの片側の大部分であり得ることが予期される。
例示的な目的のために、モバイルの適用では、ＰＨＰデバイスの厚さは０．３ｍｍ～２ｍｍの範囲であり得る。この場合、モバイルデバイスの場合、マイクロチャネルの高さは０．２ｍｍ～１．５ｍｍの範囲であり得る。データセンター、基地局などのより大規模な適用の場合、デバイスの厚さは１．５ｍｍ～５ｃｍの範囲であり得る。
ＰＨＰの熱伝達係数は、流体スラグ、蒸気ポケットの流れを促進し、パイプ内の作動流体の気化をさらに促進することによって改善できる。縁に沿った場合を除いてスラグが有効にならないＰＨＰの欠点を克服するために、追加の核生成部分を使用してスラグの潜在的な気化および崩壊を増加させることができる。これらのマイクロチャネルサイズでは、チャネル外部の形状を変更するのではなく、障害物を導入することも可能である。
本発明の実施形態を使用して、複数の凝縮器が最端部に配置されている一方で、蒸発器はＰＨＰの中心に配置され、および／または凝縮器が反対の端部に配置されている一方で、蒸発器はＰＨＰの端部に配置されているＰＨＰを設計し得る。断熱区分は、凝縮器区分と蒸発器区分との間に設定され得る。
新しい二相閉ループ脈動型ヒートパイプ（ＣＬＰＨＰ）は、破壊的な設計を導入して、高電力放散電子機器の冷却を強化し、マイクロプロセッサによって放散されるエネルギーを、今日のモバイルコンピューティングおよびパワーマイクロエレクトロニクス用の高度な冷却ソリューション（ウィック駆動のヒートパイプおよび蒸気チャンバ）と比較して４０～５０％超節約する。蒸発器の破壊的な核形成部（窪み、バー、柱、および円柱）、革新的な凝縮器およびマイクロチャネルの蛇行形状、および選択的な冷媒オプションを備えた、カスタマイズされたＣＬＰＨＰシステムにおいて作り出された流れの不安定性は、より高頻度で二相の液体を前後に「ポンプのように送出」して、ポンプ、配線、コントローラを必要とせずに、デバイスの熱い部分から凝縮器に潜熱を非常に効率的に運ぶ。この冷却技術は、モバイル業界（非常に多数の携帯電話、タブレット、ラップトップ）からＩｏＴ、より大きなプロセッサならびにデータセンターのキャビネットおよび通路、自動車および航空宇宙の適用など、幅広い適用に有益であるように拡大縮小できる。高電力のモバイルマイクロエレクトロニクスおよびＰＣについて、システムは強制対流なしで効率的に動作する。
ＰＨＰの提案された革新は、流れの脈動を強化して、従来技術と比較して総冷却能力を５０％以上増加させる。半球形（半球型）または半円筒形のリブを追加することは、フットプリント領域当たりの湿潤面積を増加させ、湿潤面積の熱流束を減少させるため、冷却可能な入熱流束を増加させ、１５～２０％の冷却強化に貢献することが期待されている。
熱伝達機構は、液膜を通る薄膜の蒸発（または凝縮）における細長い気泡に対して、湿潤領域を冷却することを提供する。フットプリント面積当たりの湿潤面積を増加させることによって、熱伝導率／膜厚が熱伝達係数を生むように、液膜の厚さを減少させることができ、および、局所的な熱伝達係数を増加させることができ、これは３０％の冷却強化に貢献できる。
窪み、バー、円柱、およびその他の障害物は、熱境界層を破壊すること、および再開することによって、液体スラグにおける熱伝達係数を増加させ、約２０～３０％の冷却強化に貢献する。障害物は、好ましい核形成部として良好である核形成部、つまり「角部」を作り出し、これは、熱伝達を約１５～２０％増加させ得る。
標準的な携帯型電子デバイス１の断面図が図１に示される。デバイス１は、電子部品３を備えたケース２を含む。脈動型ヒートパイプ４（ＰＨＰ）は、電子機器３に対してまたは電子機器３の近くに設置されてもよく、ヒートシンクは、凝縮区分（図示せず）、好ましくは反対側の電子機器の近くに設置する。平面図で見ると、図２に示されるように、ＰＨＰ４は充填弁または充電ポート９を有してもよい。図２～４に一般的に示されるように、ＰＨＰ４は、当技術分野で知られているように、閉ループ１０によって作動流体がループ１０内に含まれる閉ループ１０を含んでもよい。チャネル１７は、ＰＨＰプレートを通る蛇行形状の通路１２を形成する。通路１２は、単一平面内の総通路長を増加させるために、様々な屈曲部２０および直線部１８を備えた蛇行形状の設計を形成する。直線部１８の長さは、本発明の機能を容易にするために、チャネル１７において最大化され得る。各端部は、凝縮器２２の放射バー１９を含む屈曲部２０を有する。熱源は蒸発器２５の近くに配置されている。流体は液体スラグ２６を形成し、蒸気ポケット２８は液体スラグ２６の間に気泡を形成する。凝縮器２２は、ヒートシンク１１の近くに設置され、しばしば面外にあり、潜在的にチャネル１７と平行な面にある。熱は蒸発器２５でＰＨＰに入り、凝縮器２２で放出される。凝縮器２２は、いずれかの側または片側に設置することができ、一方で、蒸発器２５は、中央または一端に、または特定の電子的な設定によって必要とされるように設置することができる。
図５ならびに５Ａおよび５Ｂに示されるように、標準的なウィッキングされたヒートパイプを区別するために、チャネル１７は、側壁表面に沿った特徴またはテクスチャとしてウィック２９を含み得る。流体２６はウィック内に設定され、蒸気２８が中心を通過することを許容する。ＰＨＰとは対照的に、蒸気パケットは液体スラグによって結合される。従来技術のヒートパイプとは対照的に、図６は、標準的な閉ループＰＨＰの通路および凝縮区分を図形で導入しており、凝縮器区分２２は、一端に放射バー１９が設置され、蒸発器区分が反対側に設置される。
図７～９９において見られるように、チャネルに焦点を当てると、上面、側面、および横方向の断面図を表示することは有用である。従来技術のＰＨＰループはかなり滑らかであったが、本発明は、従来技術のヒートパイプにおけるウィッキングとは異なる、障害物５０の概念を導入する。障害物は、チャネル１７内の障害物５０の外面５８に沿った核形成部５５を許容する。作動流体液体スラグは、チャネル１７内の１つ以上の障害物５０の一部を通過し得る、または完全に覆い得ることが予期される。障害物は一般に障害物５０と呼ばれるが、半球形５２、半円筒形の特徴部５６、柱５８などとして実証されるように、様々な形状を含む。実際の障害物の特定の形状は、幾何学的に記述された形状に容易に適合しない場合がある。本明細書において、半球形という用語は、一般に、壁から発する部分として、半球形の物体、球形の断面、実質的に円形である形状、スパイク、または窪みを指し得る。半円筒形区分は、半円筒、円筒の一部、または壁の少なくとも大部分から、好ましくは対向する壁にまたがるバーを指し得る。柱は円筒形であり得るが、隣接する壁に触れずに対向する壁にまたがる任意の形状を指す。同様の概念は、ここで説明されているすべての障害を指す。好ましくは、障害物は蒸発器区分に限定されるが、断熱区分および／または凝縮器区分にも含まれ得る。
チャネル１７は、側壁４１、下壁４２および上壁４３を含む。今日の技術的な制限により、ＰＨＰの構築中に上壁は好ましくは下壁および側壁の上に据え付けられる。第１の実施形態に示されるように、図７～９は、チャネル内の障害物５０としての半円筒形５６の閉塞を実証している。ここで、半円筒５６は側壁４１に取り付けられている。半円筒は、片方または両方の側壁に取り付けられてもよく、側壁に底から上壁またはその大部分に延びてもよい。半円筒は、互いに反対に設置されてもよく、オフセットしてもよい。規則的なパターンが採用されてもよく、または障害物がランダムに組み込まれてもよい。図１０～１２に示されるように、半球形の障害物５２は、障害物５０の外面５７上に核形成部５５を生じさせるように機能してもよく、および側壁に沿って設置されてもよい。好ましくは、半球形５２は、上壁と下壁との間の中間壁に設置されるが、球形の四分の一は、下壁と側壁、および／または上壁と側壁との交点に沿って設置されてもよい。
図１３～１７に示されるように、オフセットパターンを実証するために、障害物５０はオフセットパターンで側壁に設置されてもよい。障害物は、千鳥状に配置されてもよく、またはオフセットされていてもよく、側壁４１上に半球形５２および／または半円筒形５６のいずれかであり得る。
いくつかの実施形態では、障害物５０は、側壁４１および下壁４２の両方に形成する。図１８～２２に示されるように、下壁４２は半球形５２を含んでもよく、一方で側壁は半球形５２および／または半円筒形体５６を含んでもよい。図２３～２７に示される代替の実施形態では、半円筒形の本体５６は、チャネル１７を横断して、両方の側壁４１に結合してもよい。側壁はまた、半球形５２および／または半円筒形の物体５６を特徴としてもよい。図３３～３７に示されるように、側壁４１の特徴から下壁４２上の下部半円筒形５６を千鳥状に配置されることが好ましい場合がある。図２８～３２に示されるように、物体は千鳥状に配置されてもよい。
さらなる構成は、半球形５６および半円筒形の障害物の組み合わせを含む。例えば、図３８～４２に示されるように、半円筒形区分は、４つすべての側壁４１、下壁４２および上壁４３に据え付けられてもよい。図３８～３９に示されるように一致して配置されると、半円筒形区分はチャネル１７を厳しく制限する。図４１～４２に示されるように、千鳥状またはオフセットパターンで配置された場合、半円筒形区分は、流体が垂直方向の制限（下壁および／または上壁が制限されている場合）と横方向の制限（側壁が遮られている場合）を交互に行うことを必要とする。図４３～４７に示されるように、側壁４１に沿って上壁４３および下壁４２を接合する半円筒形のバーを利用する場合、半球形５２は上壁４３および下壁４２に据え付けられてもよい。障害物は、図４３～４４に示されるように整列されてもよく、図４６～４７に示されるように千鳥配列でオフセットされてもよい。
図４８～５５に示されるように、障害物はチャネルの４つの壁のうちの３つに据え付けられてもよく、壁の全長および半球形５２に延びるかどうかにかかわらず、半円筒形のバー５６は壁に沿って設置される。図５６～６０に示されるように、４つの壁すべてが、整列した、または千鳥状の各壁から延びる半球形５２または他の同様の特徴を含んでもよい。半円筒５６としてのバーは、図６１～６５に示されるように側壁４１に接合してもよく、図６１～６５に示されるように、半球形５２は整列した、または千鳥状のパターンで他の壁に設置される。
図６６～６８に示されるように、チャネル１７が縦バー５３で囲まれている場合、核形成はチャネルの長さに沿って実行されてもよい。半球形５２は、任意選択で、１つ、２つ、または３つの側壁に追加されてもよく、または示されるように、縦バーは、下壁および上壁４２および４３を通ってもよく、側壁４１は拡張された特徴を有する。あるいは、側壁はバーを有してもよく、一方で、上壁および下壁は任意選択で半球形を有してもよく、または全く有さなくてもよい。
図６９～７１に示されるように、チャネル１７の角部４５は、縦バー５３などの障害物の特徴を含んでもよい。縦バー５３は、直線の長さを延ばしてもよく、蒸発器区分内にのみ設置されてもよく、またはチャネル１７の角部４５に沿ってチャネルの中心５１内に延びる四分円またはスパイクに、より類似した短い部材であってもよい。
図７２～７４に示されるように、自立型の支柱５８が必要である場合、図に示すように、完全な円筒が側壁から側壁に、または上壁４３から下壁４２に延びてもよい。柱５８は、実行可能であるように、円筒または長方形、あるいは上から底まで連続的な直径または幅を有する特徴であってもよい。
図７５～８６を参照すると、上壁４３および下壁４２を接合するために柱５８が使用されてもよい。半球形５２および半円筒５６を含む追加の特徴は、側壁４１上に整列または千鳥状に、または他の方法で示されるように、組み合わせて使用されてもよい。図８７～８９に示されているように、半球形５２および半円筒５６、または柱５８を参照する場合、正確な幾何学的形状は必ずしも必要ではないが、そのための創造性が必要である。これらの小規模では、これら特徴の近似が必要になり得、正確な形状が図で説明され、および実証され、アイデアが伝えられる。壁に沿った突起は半球形と見なされるが、直径が一定であるかどうかに関係なく、対向する壁の間に延びる特徴は円筒または半円筒と呼ばれる。また、２つの対向する壁の間に延びる特徴は、実際には壁の一方または両方に接触しないかもしれないが、外面５７に沿って核形成部５５を誘導するのに有用な形状の近似として見られることが予期される。
さらなるＰＨＰチャネルが図９０～９９に示され、チャネル１８内の下壁４２上の半円筒状のハンプ５９に類似した形状の中央の立ち上がりまたは縦方向のハンプ５９が示されている。ハンプ５９はいずれの壁にも採用され得る。図９１に示されるようにオフセット半球体５２が採用されてもよく、または側壁４１の特徴が整列させられてもよい（図９２に示されるそれらの側壁の特徴に、より類似する）。縦方向のハンプ５９は、図９２～９４に示されるように、例えば、下壁４２および上壁４３の対向する表面において採用されてもよい。図９２～９４に示されるように、側壁の特徴が整列されてもよく、またはより好ましくは千鳥状にされてもよい。図９５～９９に示されるように、単一のハンプは、図９６～９７に示されるように、隣接する側と反対側との２つの対向する側の間に到達する半円筒形５６などの特徴と設置されてもよく、または図９８～９９に示されるように隣接する（および潜在的に対向する）側に半球形の特徴と設置されてもよい。
ここで、ＰＨＰの一般的な形状、輪郭、および構成を参照すると、プレート１５が断面斜視図で図１００に示されている。チャネル１７は、プレート１５を通る蛇行形状１６を形成し、側壁４１が露出され、下壁４２および上壁４３が示されている。側壁の厚さは、チャネル間に均一なスパン幅を形成してもよい。プレート１５は、上面３０および下面３２を含む。好ましくは、チャネル１７は、構造を通して規則的に配列されて、直線部１８で互いに平行に整列された通路１２を備えた蛇行形状１６を形成する。各チャネル１７は、チャネル幅４４（チャネル内の側壁の間）およびチャネル高さ４７（チャネル内の上壁と下壁の間）を含み、好ましくは製造技術で近似されるように均一である。上壁４３および下壁４２の外壁厚４６は、互いに類似していてもいなくてもよい。各チャネル１７は、障害物（図示せず）によって低減されてもされなくてもよい高さ４９を含む。図１００～１０１に見られるように、ＰＨＰ４は、剛性または柔軟性であってもよい平面プレート１５を含む。熱源１１は、プレート表面３０および／または３２に沿って、隣接して、または接触して配置された電子部品の形態をとってもよい。ＰＨＰは、合計の幅１４および長さ１３を有する。
銅めっき３４などの薄い導電性シートの様々な配置は、ヒートシンクおよびＰＨＰの物理的補強の両方として機能し、プレートの不要な曲げ、ＰＨＰの機能との干渉を引き起こし得る亀裂または歪みを防止する。めっき（または箔）は、１０～５００ミクロンの厚さ、より好ましくは２０～１５０ミクロン、最も好ましくは２０～２５ミクロンの厚さであってもよい。図１０２～１０４に示されるように、めっき３４は、図１０２に示されるように、凝縮器区分上の部分的に平滑な層で、図１０３に示されるように全幅にわたって、両側の全体にわたって（図示せず）、プレート１５の上面３０上に設置されてもよい。
あるいは、上面３０の一部は、凝縮器で熱を分散させるためのスプレッダーユニットとして外リブが取り付けられてもよい。外側リブ３６は、直線部１８と平行に延びてもよく、一方で、平滑なめっき３４は、表面３０の残りの部分の上に設置されてもよい。好ましい実施形態は、マイクロリブ３６と、プレートの上面および下面の両方にわたるめっきを、両側のマイクロリブによって設置された凝縮器と同様の方法で示すことが予期される。断面図１０５に示されるように、リブ３６は、それぞれの間に谷部３８が設置された状態で採用されてもよく、リブは、プレート１５のチャネル１７よりも多く、上面３０に最小ベース３７の方向が設定される。リブの数は、チャネルと同じ数であってもよく、または各チャネルの上に配置され得ることが予期される。各リブの幅は、チャネル幅および／または側壁幅に応じたサイズにされてもよい。外側リブおよび谷部は同等の幅であってもよいが、好ましくは、谷部は外側リブよりも幅が広い。外側リブは、凝縮器からヒートシンクへの熱の放散のための追加の表面積を提供する。例えば、めっきの厚さが２０～２５ミクロンの場合、外側リブは、チャネル間の距離よりも小さいピッチ（マイクロチャネル間の距離として定義される）を有してもよい。あるいは、外側リブは、内側のチャネルピッチ以上に整列されてもよい。ＰＨＰが垂直に設置される場合、または外側リブを垂直に整列させる場合、空気のプルームが形成されて谷部を移動し、熱放散を強化し得る。
リブの代替配置が図１０６～１０９に示される。めっき３４は、プレート１５の上面３０（および好ましくは下面（図示せず））の上に残る。リブは、図１０６に示されるように蛇行形状の直線に沿って整列されてもよく、図１０７に示されるように横断してもよく、図１０８に示されるように対角線（４５度など）でもよく、または図１０９に示されるように交差点に余分な谷部がある市松模様の配列で十字に交差してもよい。
めっきおよびリブの代替配置が図１１０～１１３に示される。図１１０に示されるように、上面と下面の両方が完全に覆われていなくてもよく、または全体がめっきされていてもよい。プレート１５の上面および下面が図１１１～１１２に示され、凝縮器区分でプレート１５の表面３０に平滑なめっき３４が設置され、残りの部分にリブ３６が設置され、一方で、プレート１５の下面３２はすべてのリブ３６を備えている。図１１３に示されるようなオープンウィンドウの実施形態は、蒸発器の表面に平滑なプレート３４、凝縮器区分にリブ３６、およびそれらの間に設置されたオープンウィンドウ３９を備えて採用されてもよい。
Claims (21)
- 二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプであって、
トレースパターンを含む蛇行形状のトレースパターンを有する第１のシートと、
前記第１のシート上に結合された第２のシートであって、前記第１のシートおよび前記第２のシートが共に結合されて結合プレートを形成するとき、前記結合プレートが、前記結合プレート内に隣接する蛇行形状のマイクロチャネルを画定し、前記チャネルが、略長方形の断面形状、下壁、前記下壁に対向する上壁、および２つの対向する側壁を備える、第２のシートと、
前記チャネルを液体および／または蒸気の形態で部分的に充填する作動流体と、を備え、
前記プレートが、ヒートシンクに接続された凝縮器領域を画定する第１の領域と、熱源に接続されたかまたは前記熱源の近くにある蒸発器領域を含む第２の領域と、を備える、二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。 - 前記マイクロチャネルが、前記上壁、前記下壁、および／または前記側壁のうちの少なくとも１つに装着された１つ以上の障害物を備える、請求項１に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記側壁の各々が、他方の側壁上の障害物に直接対向する障害物を備える、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記側壁の各々が、他方の側壁上の障害物に対して千鳥状に配置された障害物を備える、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記１つ以上の障害物が、前記下壁の２つの対向する壁、上壁、および２つの対向する側壁にまたがる半円筒形の障害物を含む、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記１つ以上の障害物が、前記上壁、前記下壁、および前記側壁のうちの少なくとも１つの中心に装着された縦方向のハンプを含む、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記１つ以上の障害物が、前記マイクロチャネル内の前記上壁と前記下壁との間に設置された円筒形の柱を含み、前記柱が、前記側壁のいずれとも接触していない、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記１つ以上の障害物が、前記上壁および前記下壁のうちの少なくとも１つに設置された半球形の障害物を含む、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半球形の障害物が、前記下壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物と一直線上に設置されている、請求項８に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半球形の障害物が、前記下壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物に対して千鳥状に配置されている、請求項８に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半球形の障害物が、前記上壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物と一直線上に設置されている、請求項８に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半球形の障害物が、前記上壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物に対して千鳥状に配置されている、請求項８に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記１つ以上の障害物が、前記上壁および前記下壁のうちの少なくとも１つに設置された半円筒形の障害物を含み、前記半円筒形の障害物が、前記側壁間にまたがる、請求項２に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半円筒形の球形の障害物が、前記下壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物と一直線上に設置されている、請求項１３に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半円筒形の障害物が、前記下壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物に対して千鳥状に配置されている、請求項１３に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半円筒形の球形の障害物が、前記上壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物と一直線上に設置されている、請求項１３に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記半円筒形の障害物が、前記上壁に設置されており、かつ前記側壁のうちの少なくとも１つに沿って設置された少なくとも１つの障害物に対して千鳥状に配置されている、請求項１３に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプであって、
内部に設置されたチャネルを備えたプレートであって、前記チャネルが、作動流体と、上面および下面と、前記上面または前記下面のいずれかの上に設置された少なくとも１つのリブと、を備え、
前記チャネルが複数の屈曲部を形成する、プレートと、
結合されたシートの少なくとも１つの縁上の少なくとも１つの充填管であって、前記蛇行形状のマイクロチャネルへの流体の導入を許容する、充填管と、を備える、二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。 - 二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプであって、プレートであって、前記プレート内に蛇行形状の隣接する蛇行形状のマイクロチャネルを備える、プレートと、
前記チャネルを液体および／または蒸気の形態で部分的に充填する作動流体と、を備え、
前記プレートが、ヒートシンクに接続された凝縮器領域を画定する第１の領域と、熱源に接続されたかまたは前記熱源の近くにある蒸発器領域を含む第２の領域と、を備え、
前記二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプが、前記プレートの外側の少なくとも一部の上部に延びる導電性めっきをさらに備える、二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。 - 前記外側のさらなる部分に沿った少なくとも２つの整列されたリブの第１のセットをさらに備える、請求項１９に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
- 前記第１のセットに垂直に設置された少なくとも２つの整列されたリブの第２のセットをさらに備える、請求項２０に記載の二相マイクロチャネル埋込閉ループ脈動型ヒートパイプ。
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