JP3987054B2 - 熱スプレッダを備えた高性能冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、冷却装置と接続された部品から熱を除去する熱スプレッダを含む冷却装置に関する。より具体的には、本発明は、冷却装置と接続された部品内の熱が効率的に除去されるように、冷却装置のヒートマスの材料よりも高い熱伝導率を有する異種材料からなる熱スプレッダを含む冷却装置に関する。

電子技術において、電子装置の動作によって生成された廃熱がヒートシンクに熱的に伝えられ、それにより電子装置が冷却されるように、ヒートシンクを電子装置と接触した状態で配置することは周知である。マイクロプロセッサ（μＰ）、ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）などのクロック速度の高い電子装置が出現したが、そのような電子装置によって生成される廃熱の量とそのような電子装置の動作温度は、クロック速度に正比例している。したがって、クロック速度が高くなるほど、廃熱の生成も多くなり、電子装置の動作温度を高める。しかしながら、電子装置の効率的な動作には、廃熱を連続かつ有効に除去することが必要である。

前述のタイプのような電子装置から廃熱を放散させる手段として、ヒートシンク装置が一般的になった。代表的な応用例では、冷却される部品が、ＰＣ基板に取り付けられたコネクタによって支持されている。例えばクリップや留金具を使用してヒートシンクをコネクタに取り付けることによって、ヒートシンクが部品に取り付けられる。代替として、ヒートシンクは、電子装置を支持するＰＣ基板に取り付けられ、ヒートシンクをＰＣ基板に空けられた穴を介してＰＣ基板に接続するために、金具などが使用される。

ヒートシンクをＰＣ基板に接続するために使用される留金具や他の取付け金具は、通常、導電性であり、ＰＣ基板トレースと取り付け金具の間の接触による電気的短絡の危険性があるため、穴を開けなければならないことは、留金具を使用する１つの欠点となる可能性がある。さらに、電気的短絡を防ぐために、ＰＣ基板のトレースが穴のまわりに引き回されることがあるが、引き回すことができない領域があるためにトレースの引き回しを複雑にする可能性がある。

一般に、最新のクロック速度の高い電子装置と共に使用されるヒートシンクは、ヒートシンクの上あるいはヒートシンクの冷却フィン／羽根によって形成される空所内に取り付けられる電気ファンを使用する。冷却フィンは、ヒートシンクの表面積を大きくし、ヒートシンクから、ヒートシンクを取り囲む周囲空気への熱伝達を最大にする。ファンは、空気を冷却フィンの上とまわりに循環させ、それにより冷却フィンからの熱が周囲空気に移る。

前述のように、クロック速度が高くなり続けているため、電子装置によって生成される廃熱の量も増えた。したがって、そのような電子装置を十分に冷却するには、より大きいヒートシンクおよび／またはより大きな容量のファン（すなわち、ＣＦＭ（立方フィート／分）において）が必要とされる。ヒートシンクのサイズが大きくなると、熱を放散することができるヒートマスと表面積が大きくなる。ファン能力が高くなると、冷却フィン内の空気流が多くなる。

ファンとヒートシンクのサイズが大きくなることには欠点がある。まず、ヒートシンクのサイズが、垂直方向（すなわち、ＰＣ基板と交差する方向）に大きくなると、ヒートシンクの高さが高くなり、デスクトップ・コンピュータのシャーシなどの多くの応用例では、縦方向のスペースに収まらないことがある。第２に、ＰＣ基板が、縦向きの場合は、重くて高さの高いヒートシンクによって、ＰＣ基板および／または電子装置に力学的な応力がかかり、その結果、装置またはＰＣ基板が故障することがある。

第３に、ヒートシンクの高さが高いと、ファンへまたはファンからの十分な空気流を可能にするために、ヒートシンクとヒートシンクを収容するシャーシとの間にさらに大きな垂直方向の隙間が必要になる。第４に、ヒートシンクのサイズが水平方向に大きくなると、他の電子装置を取り付けるためにＰＣ基板上で使用可能な領域の大きさが制限される。第５に、ヒートシンクが、フィンによって構成された円筒形状を有するときは、フィンへのまたはフィンからの空気流が隣り合ったヒートシンクによって遮られて、その結果冷却効率が低下するため、そのようないくつかのヒートシンクを互いに接近させて取り付けることができないことが多い。

最後に、冷却能力を高めるためにファンを大きくすると、ファンによって生成される騒音が大きくなることが多い。デスクトップ・コンピュータや携帯型コンピュータなどの多くの応用例では、騒音の発生を最小にすることがきわめて望ましい。電力の供給をバッテリに依存する携帯可能な応用例では、より高い能力のファンのより高い排出能力は、廃熱を除去するために許容できる解決策ではない。

冷却フィンを備えた前述のヒートシンクにおいて、フィンによって構成された空所内にファンを取り付けることは、さらに他の欠点がある。まず、ファンがヒートマスに直接取り付けられているために、ヒートシンクのヒートマスの大部分は、ファンによって部分的に遮られ、したがって、ファンからの空気がヒートマスの遮られた部分に循環しないため、ヒートマスからの熱放散の潜在的経路を遮る。

第２に、ファンがない場合は、フィンの深さが、ヒートマスの中心までずっと延びることができるが、ファンは、ファン羽根用の隙間を設けるためにファンの直径よりも少し大きい直径を有する空所内に取り付けられるので、フィンの深さと表面積は、ファンの直径によって小さくなる。したがって、フィンの小さい表面積を補うために、ヒートシンクのヒートマスを幅広く作成しなければならない。ヒートマスの幅を大きくすると、ヒートシンクのサイズ、コストおよび重量が大きくなる。

第３に、フィンの深さが小さいと、破損した場合にフィンが曲がりやすい。フィンが曲がることによる１つの考えられ結果は、フィンがファン羽根と接触して破損しかつ／またはファンを停止させ、それによりファンが破損したりファンが故障したりすることである。第４に、ファンが、フィンによって構成された空所内に取り付けられているため、ファンの電力線をフィンとフィンの隙間に通さなければならない。フィンの鋭い縁によって、電力線が切断されたり電気的短絡が起きたりすることがある。いずれにしても、結果的に、ファンが故障することになる。第５に、ファンをヒートシンクに取り付けるために、一般に接着剤が使用され、この接着剤が、ファンの中に入りファンを故障させることがある。ファンによって生成される空気の循環は、電子装置からの廃熱を効果的に放散するのに不可欠であるため、前述のファン故障の形態はどれも、冷却するようにヒートシンクが設計された電子装置の故障の原因となることがある。

これまでのヒートシンクには、ヒートシンクと接合された金属熱スプレッダを使用することにより、大きいヒートマスまたは大きいフィン面積の前述の欠点を解決しようとするものがあった。熱スプレッダをヒートシンクと接合する代表的な方法には、ろう付け、はんだ付け、焼きばめ、真空ろう付け、マイクロ鍛造および焼きばめが含まれる。

それらの方法の１つの欠点は、これらの方法がきわめて高価であり、その結果ヒートシンクのコストが高くなることである。もう１つの欠点は、特に、熱スプレッダ用の金属がヒートシンク用の金属よりも高い熱伝導特性を持つ場合に、前述の方法が、ヒートシンク用と熱スプレッダ用の異種の金属を接合する能力において制限されることである。焼きばめ法の欠点は、熱スプレッダとヒートシンクの間の微小ギャップのために、熱スプレッダとヒートシンク間の熱抵抗が大きいことである。最後に、応用例によって、以上の方法のもう１つの考えられる欠点は、接合した後で、修理のためあるいは現場で熱スプレッダ用のもっと優れた材料に改善するために、ヒートシンクと熱スプレッダを簡単に取り外すことができないことである。

したがって、熱伝導と熱放散が効率的になるように最適化された異種材料の使用を可能にする熱スプレッダを備えた冷却装置が必要である。また、熱スプレッダと冷却装置の間の熱抵抗が小さくなるように熱スプレッダとヒートマス間の微小ギャップをなくす熱スプレッダを備えた冷却装置が必要である。熱スプレッダを冷却装置と接合するための安価な方法を提供する熱スプレッダを備えた冷却装置が必要である。熱スプレッダとヒートマスが互いに離れるのを防ぐために熱スプレッダをヒートマスと固定して接続できるようにするヒートマスおよび熱スプレッダ用の異種材料による冷却装置が必要である。最後に、容易な分解と現場での修理を可能にする熱スプレッダを備えた冷却装置が必要である。

広義には、本発明は、冷却される部品から廃熱を放散するための冷却装置において実施される。冷却装置は、第１の材料からなり、ベースと、弧状の溝で取り囲まれた弧状のボスと、ベースからボスまで延在するテーパ穴と、ボスからテーパ穴まで延在する開口とを含むヒートマスを含む。開口には、ヘッドとねじ付きシャフトを含む留金具が、ヘッドがボスと接した状態で差し込まれる。第１の材料と異なる第２の材料からなる熱スプレッダは、ヒートマスのテーパ穴を補完するテーパ壁と、部品と熱的に接続するように適合された取付け面と、留金具のねじ付きシャフトを受けるように適合されたねじ穴とを含む。必要に応じて、サーマル・シーラントは、テーパ壁および／またはテーパ穴と接続される。

熱スプレッダは、テーパ穴に差し込まれ、ねじ付きシャフトは、ねじ穴にねじ込まれ、留金具のヘッドは、テーパ壁をテーパ穴と接触させるように回転される。任意のサーマル・シーラントは、テーパ穴とテーパ壁の間の微小ギャップを封止するはたらきをし、それにより、ヒートマスと熱スプレッダの間の熱抵抗が減少する。

ヒートマスから、隣り合った羽根の間にヒートマスまで延在する主スロットを画定するために互いに離間された複数の羽根が延在している。羽根は、ヒートマスの軸から半径方向外方に増大する表面積を有し、羽根の表面積の一部分も、軸に沿った方向に増大する。羽根は、ファンを取り付けることができる上面と、ボスと溝を取り囲むチャンバを画定する空気力学的形状の内壁と、ベースから上面まで広くなり、滑らかな湾曲部分、通風部分および滑らかな放射状外側部分を含む表面形状を含む外壁とを含む。さらに、羽根の表面積は、羽根の一部分に延在する副スロットによって各羽根に形成された複数のフィンによって増大する。

チャンバに入る空気流は、冷却装置から熱を放散させる三次元の空気流を作り出す。最初に、空気流は、羽根とフィンの一部分から、羽根とフィンから熱を放散する排気流として出る。第２に、排気流は、チャンバ内に、フィンの大部分と羽根の上部を通ってチャンバ内に吸込み流を誘導して、それによりフィンと羽根から熱を放散させる低圧領域を作り出す。第３に、低圧領域は、内壁に沿って表面流を誘導し、その結果、表面流が溝とボスの上を通るときにヒートマスから熱を放散させる。

本発明の冷却装置は、前述の従来のヒートシンクの欠点を解決する。冷却装置は、クリップを使って、部品を支持するコネクタに冷却装置を接続することによって、冷却される部品に取り付けることができる。したがって、ＰＣ基板に冷却装置を取り付ける穴を開ける必要がない。冷却装置は、ヒートマス内に深く延在する羽根を使用し、羽根の表面積は、冷却装置の下部から冷却装置の上部まで、ヒートマスから半径方向外方に大きくなる。さらに、各羽根は、少なくとも２つのフィンに分割され、したがって、冷却に利用可能な表面積が大きくなる。その結果、冷却装置は、羽根の表面積を大きくするために高さを大きくする必要がなくなり、冷却装置は、ヒートマスのサイズを大きくするために幅を大きくする必要がなくなる。

冷却装置の上部は、ヒートマスがファンによって遮られず、また空気がヒートマスの上を循環することができ、それにより冷却装置の熱がさらに放散されるようにファンを取り付けるように適合される。ファンは、従来のヒートシンク装置のフィンによって構成された空所内に取り付けられたファンと違い、ブレードを取り囲む囲い板を含むことができる。しかしながら、冷却装置は、また、クリップまたは立体骨組を使って冷却装置の上部にファンを取り付けることによって、囲い板なしにファンを取り付けることもできる。ファンが、冷却装置の上部に取り付けられるので、ファンの電力線の配線は、羽根やフィンの中に通されず、それにより配線が切断されたり短絡したりする危険がなくなる。

冷却装置の形状（下部より上部の幅が広い）によって、羽根とフィンに入る空気流または羽根とフィンから出る空気流を遮ることなく、いくつかの冷却装置を互いに隣り合わせて配置することができる。

冷却装置の羽根は、ヒートマスの軸を中心とする円の接線方向に向けることができ、羽根は、傾斜角度が、ファンの羽根のピッチ角と実質的に一致するかまたは近くなるような軸に対する角度で傾斜させることができる。接線の向きと羽根の傾斜により、空気衝突損失によるファン騒音が減少する。

留金具などを使って熱スプレッダをヒートマスに取り付けることができ、それにより、従来の互いに異種金属の溶接またはろう付けと関連する問題およびコストがなくなる。さらに、留金具を使用するので、冷却装置を現場で整備、修理、および増強することが容易になる。さらに、必要に応じて、留金具が外れるのを防ぎかつ／または熱スプレッダをヒートマスに溶接、ろう付け、はんだ付けすることによって、熱スプレッダをヒートマスと固定して接続することができる。

さらに、熱スプレッダの取付け面と接続された部品から廃熱を効率的に伝達し放散するために、熱伝導特性が優れたの熱スプレッダ用の第２の材料を選択することができる。さらに、本発明の任意のサーマル・シーラントは、従来の熱スプレッダとヒートシンクの間の微小ギャップによって生じる前述の問題を、その微小ギャップを封止し、それにより熱スプレッダとヒートマスの間の熱抵抗を小さくすることによって解決する。

本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と共に行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

以下の詳細な説明と図面のいくつかの図において、類似の要素は、類似の参照数字で示されている。

例示のために図面に示したように、本発明は、冷却装置の熱スプレッダと熱的に接続した部品から熱を放散するための冷却装置において実施される。熱的な接続は、熱スプレッダと部品の間の直接接触によるものでもよく、後で説明するように冷却装置と部品の間に配置された中間材料（例えば、熱接続材料）によるものでもよい。部品は、例えば電気部品などの任意の熱源でよい。

冷却装置は、第１の材料からなりかつベースを含むヒートマスと、溝とボスがヒートマスの軸に関して対称的に配置された状態で溝に取り囲まれたボスと、ベースからボスまで延在するテーパ穴と、ボスからテーパ穴まで延在する開口とを含む。ボスは、凸弧状表面形状を有し、溝は、凹弧状表面形状を有する。

ヘッドとねじ付きシャフトを含む留金具は、ヘッドがボスと接した状態で開口に差し込まれている。第１の材料と異種の第２の材料からなる熱スプレッダは、ヒートマスのテーパ穴を補完するテーパ壁と、部品と熱的に接続するように適合された取付け面と、留金具のねじ付きシャフトを収容するように適合されたねじ穴とを含む。後で説明するように、必要に応じて、テーパ壁、テーパ穴またはテーパ壁とテーパ穴の両方と熱シーラントを接続することができる。

熱スプレッダは、テーパ穴に差し込まれ、ねじ付きシャフトは、ねじ穴に嵌め込まれ、留金具のヘッドは、テーパ壁を押してテーパ穴と接触させるように回転される。任意の熱シーラントは、ヒートマスと熱スプレッダの間の熱抵抗が小さくなるように、テーパ穴とテーパ壁の間の微小ギャップを封止する働きをする。

複数の羽根が、ヒートマスと接触した状態でヒートマスを取り囲んでいる。羽根は、互いに離間され、隣り合った羽根の間にヒートマスまで延在する主スロットを画定する。羽根は、軸からの半径方向外方と軸方向に増大する表面積を有する。各羽根の一部分に延在する副スロットによって、それぞれの羽根に複数のフィンが形成されている。

羽根は、上面と、溝から延在し、上面まで延在する第２の部分で終わる第１の部分とを含む空気力学的外形の内壁を含む。内壁は、溝を取り囲むチャンバを画定する。また、羽根は、ベースから上面まで広くなる表面形状を有する外壁を含む。表面形状は、滑らかな湾曲部分と、通風部分と、滑らかな放射状外側部分とを含む。

チャンバに入る空気流は、冷却装置から熱を放散する三次元の空気流を作り出す。最初に、空気流は、羽根とフィンから熱を放散する排気流として、主スロットと副スロットの下部から出る。第２に、排気流は、副スロットの大部分と主スロットの上部を通るチャンバ内への吸込み流を発生させ、それによりフィンと羽根から熱を放散するチャンバ内の低圧領域を作り出す。第３に、低圧領域は、内壁の第１と第２の部分に沿った表面流を発生させ、それにより、表面流は、溝とボスの上を通るときにヒートマスから熱を放散する
熱スプレッダは、廃熱を部品からヒートマス上のさらに大きい表面領域に効果的に拡散させて熱スプレッダとヒートマスの界面における熱集中を小さくすることによって、冷却装置の熱伝導率を高める働きをする。熱スプレッダの第２の材料は、ヒートマスの第１の材料と異なり、ヒートマスの第１の材料の類似の特性よりも高い熱伝導と熱放散の特性を基準として選択される。

例えば、３０．０ｍｍ×３０．０ｍｍの面を有する部品は、部品と熱スプレッダの間に３０．０ｍｍ×３０．０ｍｍ＝９００．０ｍｍ²の熱接触領域が確立されるように熱スプレッダの取付け面と接触している。熱スプレッダの第２の材料は、熱スプレッダをヒートマスよりも優れた熱導体にするので、部品からの廃熱は、熱スプレッダに伝導され、次にヒートマスに移動される。しかしながら、ヒートマスのテーパ穴と熱スプレッダのテーパ壁の接触領域は、取付け面における前述の熱接触領域９００．０ｍｍ²よりも大きい。したがって、熱は、大きい方の表面領域に拡散され、単位面積当りの熱集中は、熱接触領域における熱集中と比べて小さい。

部品が、８０．０Ｗの廃熱を生成する場合は、表面の熱集中は、８０．０÷９００．０ｍｍ^２＝０．０８８９Ｗ／ｍｍ^２である。この廃熱が、第２の材料の高い熱伝導率によって、熱スプレッダ内により効率的に伝達される場合は、熱スプレッダは、ヒートマスよりも多くの熱を吸収することができる。この例のために、熱スプレッダが、部品からのすべての熱を伝達すると仮定すると、熱スプレッダが、直径４０．０ｍｍの取付け面、直径２５．０ｍｍの上部、２０．０ｍｍの高さを有する場合は、ヒートマスと接触している熱スプレッダの表面積は、
（３．１４）×（ｓ）×（Ｒ＋ｒ）
＝３．１４×２１．３１×（２０＋１２．５）＝２１７４．６８ｍｍ²
である。したがって、ヒートマスの熱集中は、８０．０Ｗ÷２１７４．６８＝０．０３６７８Ｗ／ｍｍ^２になる。したがって、ヒートマスの０．０３６７８Ｗ／ｍｍ^２は、熱スプレッダの取付け面の０．０８８９Ｗ／ｍｍ^２よりも少ない。

図１ａ、図１ｂ、および図２ａから図２ｃにおいて、部品（図示せず）からの熱を放散する冷却装置１０は、ヒートマス１１、ボス１３、およびボス１３のまわりを完全に囲む溝１５を含む。ボス１３と溝１５は、ヒートマス１１の軸Ｚ−Ｚに関して対称的に配置されている。ボス１３は、凸弧状表面形状を有し、溝１５は、凹弧状表面形状を有する。ボスと溝（１３、１５）の弧状形状は、破線ａで示したように互いに融合する。冷却装置１０は、さらに、ベース１７を含む。また、ヒートマス１１は、ベース１７からボス１３まで延在するテーパ穴１４と、ボス１３からテーパ穴１４まで延在する穴１４ａとを含む。穴１４ａは、後で説明するように留金具（図１ｂを参照）のシャフトを受けるように適合された貫通穴である。ヒートマス１１は、第１の材料からなる。必要に応じて、破線矢印４４で示したように、熱シーラントがテーパ穴１４に付着されることがある。

図１ｂにおいて、冷却装置１０は、熱スプレッダ４０を部品（図示せず）と熱的に接続するように適合された取付け面１９と、ヒートマス１１のテーパ穴１４を補完する形状（図７ａと図７ｂの参照数字４１ｐを参照）を有するテーパ壁４１と、ねじ穴４３とを含む熱スプレッダ４０を含む。ヘッド４７とねじ付きシャフト４９を有する留金具４５が、ヘッド４７がボス１３と接触した状態で穴１４ａに差し込まれている。ねじ付きシャフト４９は、ねじ穴４３にねじ込まれ、ヘッド４７が回転されて（例えば、スパナ、ナット・ドライバ、アレンレンチ、六角ドライバ、ＴＯＲＸ（登録商標）ドライバなどを使って）、留金具４５が熱スプレッダ４０内にねじ込まれ、それによりテーパ壁４１が押されてテーパ穴１４と接触する。

熱スプレッダ４０は、ヒートマス１１の第１の材料と異なる第２の材料からなる。熱スプレッダ４０は、ヒートマス１１よも優れた熱導体でなければならない。したがって、第１と第２の材料の相違は、ヒートマス１１と熱スプレッダ４０に異なる材料を使用することによって、あるいはヒートマス１１と熱スプレッダ４０に同じ材料の様々な合金（例えば、ヒートマス１１に銅（Ｃｕ）と熱スプレッダ４０に銅合金）を使用することによって達成することができる。もう１つの例として、ヒートマス１１にアルミニウム（Ａｌ）またはアルミ合金を使用し、熱スプレッダ４０に銅（Ｃｕ）または銅合金を使用することができる。

ヒートマス１１の第１の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミ合金、銅（Ｃｕ）、銅合金、およびセラミック材料を含むがこれらに限定されない材料でよい。

熱スプレッダ４０の第２の材料は、銅（Ｃｕ）、銅合金、銀（Ａｇ）、銀合金、シリコン（Ｓｉ）、金（Ａｇ）、グラファイト、炭素繊維材料、炭素繊維強化材料、金合金を含むがこれらに限定されない材料でよい。

留金具４５は、ヘッド４７の締め付けによる引張り荷重によって留金具４５やねじ付きシャフト４９が破損しないように、引張り強さの高い材料で作成されることが好ましい。さらに、留金具４５の材料が、さびにくいことが好ましい。例えば、引張り強さ要件と防さび要件を達成するために、ステンレス鋼材料を使用することができる。ヘッド４７は、留金具４５を締め付けるのに必要な組立てトルクに耐えるように、アレンキー用の穴または六角／四角ヘッド用の穴を有することが好ましい。留金具４５を十分に締め付けるために必要なトルクは、応用例と材料によって決まるが、トルクは、６．０ポンド・インチ〜約５００．０ポンド・インチを含むがこれに限定されない範囲でよい。

応用例によっては、締め付けた後で留金具４５が外れないようにすることが望ましい場合がある。例えば、テーパ壁４１がテーパ穴１４としっかりと熱接触されなくなるために、熱スプレッダ４０のテーパ壁４１とヒートマス１１のテーパ穴１４の間の熱抵抗が大きくなる留金具４５の緩みを防ぐために、１例として、留金具４５は、差し込んで締め付ける前に、ねじ付きシャフト４９にＬＯＣＴＩＴＥ（登録商標）などのシーラント／接着剤を塗布することができる。したがって、シーラント／接着剤を塗布した後で、留金具４５は、ヒートマス１１、熱スプレッダ４０、あるいはヒートマス１１と熱スプレッダ４０の両方と固定され接続される。

代替として、例えば、ヘッド４７への溶接、摩擦攪拌接合、はんだ付け、またはろう付けを含むがこれらに限定されない方法を使用して、留金具４５をヒートマス１１のボス１３に固定して接続することができる。

図４ａにおいて、ヘッド４７とボス１３の継目Ｓを溶接、はんだ付け、またはろう付けして、熱スプレッダ４０をヒートマス１１に固定して接続し、かつ／または留金具４５が外れるのを防ぐことができる。もう１つの代替として、ばね座金または止め座金を使用して、留金具４５を固定して外れるのを防ぐことができる。以上は単なる例であり、本発明は、ねじ穴４３に差し込まれた後で留金具４５が外れるのを防ぐ前述の手段に限定されない。

熱スプレッダ４０の第２の材料に選択される材料の種類によって、留金具４５の材料は、第２の材料と同じになるように選択することもでき、あるいは第２の材料の合金でもよく、それにより、熱スプレッダ４０のヒートマスが大きくなり、また、留金具４５が、ねじ穴４３、開口１４ａ、およびボス１３と熱接触しているので、熱スプレッダ４０とヒートマス１１の間の接触領域が大きくなる。本明細書に示したように、ヘッド４７および／またはねじ付きシャフト４９にサーマル・シーラントを塗布して、微小ボイドを封止し、留金具４５とヒートマス１１と熱スプレッダ４０の間の熱抵抗を小さくすることができる。

本発明の１つの実施形態において、熱スプレッダ４０がヒートマス１１から外れるのを防ぐために、熱スプレッダ４０の一部分をヒートマス１１にろう付け、はんだ付け、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）、または溶接することを含むがこれらに限定されない方法を使用して、熱スプレッダ４０が、ヒートマス１１と固定され接続される。例えば、図１ｂと図４ｂにおいて、取付け面１９とベース１７の継目Ｓを、溶接、はんだ付け、ろう付けして、熱スプレッダ４０をヒートマス１１に固定して接続することができる。熱スプレッダ４０をヒートマス１１に固定して接続するもう１つの利点は、テーパ壁４１とテーパ穴１４が互いに熱接触した状態で保持され、それにより熱抵抗が減少することである。また、留金具４５は、前述のように固定して接続することもできる。

溶接、はんだ付け、またはろう付けに使用される方法と化合物は、ヒートマス１１と熱スプレッダ４５の材料に依存する。例えば、銅（Ｃｕ）をアルミニウム（Ａｌ）にはんだ付けするには、ＥＮめっきが不可欠である。

図１２ｄにおいて、任意のサーマル・シーラント４４が、テーパ壁４１と接続されており、図７ａと図７ｂの破線円４４で示したようにテーパ壁４１の上面と側面を覆うことができる。サーマル・シーラント４４は、熱スプレッダ４０をテーパ穴１４に差し込み留金具４５を締め付ける前述の段階の前に、テーパ壁４１と接続される。代替として、サーマル・シーラント４４をテーパ穴１４（図１ａを参照）と接続してもよく、テーパ穴１４とテーパ壁４１の両方と接続してもよい。しかしながら、サーマル・シーラント４４をテーパ壁４１に被覆、付着、または接続する方が容易なことがある。

サーマル・シーラント４４の適切な材料は、熱伝導性ペースト、熱伝導性グリース、シリコン、パラフィン、相転移材料、グラファイト、被覆アルミニウム箔、および炭素繊維を含むがこれらに限定されない。サーマル・シーラント４４は、熱スプレッダ４０のテーパ壁４１に、例えば、スクリーン印刷するか、貼り付けるか、浸漬被覆するか、工具で分配するか、あるいはブラシで塗布することができる。

図１ａにおいて、複数の羽根２１が、ヒートマス１１と接しており、羽根２１は、隣り合った羽根２１の間に主スロットＰ（図２ａと図２ｃを参照）を画定するように互いに離間されている。羽根２１は、破線矢印ｒで示したように、軸Ｚ−Ｚから半径方向外方に大きくなる表面積を有する。羽根２１の少なくとも一部分は、破線矢印ｙで示したように、軸Ｚ−Ｚに沿った方向に大きくなる表面積を有する。

主スロットＰは、ヒートマス１１まで延在し、主スロットＰは、ヒートマス１１に沿った第１の弧状表面形状２１ａを含むことが好ましい。第１の弧状形状２１ａは、平面Ｈ−Ｈで終わる（図１ａを参照）。また、羽根２１が、互いに等距離で離間されていることが好ましい。また、主スロットＰをヒートマス１１まで延在させることによって、羽根２１を通る空気流が、ヒートマス１１から熱を放散させる。第１の弧状表面形状２１ａは、約３８．０ミリメートル〜約４５．０ミリメートルの半径を有する円弧でよい。

冷却装置１０の１つの利点は、空気流を生成するファン（図示せず）が、ヒートマス１１に取り付けられていないことである。したがって、羽根２１は、ヒートマス１１に深く延在することができ（矢印ｅで示したように）、この羽根２１の深さが、廃熱を効率的に放散させるための大きな表面積を実現し、ヒートマス１１を、ボス１３と溝１５の上を流れる空気流（図３ａと図３ｂを参照）にさらし、それによりヒートマス１１からさらに多くの廃熱を放散させることができる。

また、羽根２１は、上面２９と、溝１５から延在し、上面２９まで延在する第２の部分２７で終わる第１の部分２５を含む空気力学的形状の内壁２６とを含む。第１の部分２５は、破線ｂで示したような溝１５の弧状形状と融合し、第１の部分２５は、破線ｃで示したような第２の部分２７と融合する。第２の部分２７は、破線ｄで示したように上面２９と融合する。内壁２６は、その他の部分を含むことができ、本発明は、第１と第２の部分（２５、２７）に限定されるように解釈されるべきでない。内壁２６は、溝１５を取り囲むチャンバ３０を画定する。

図１ａ、図１ｂおよび図２ｃに示したような本発明の１つの実施形態において、内壁２６の第１の部分２５は、傾斜面であり、内壁２６の第２の部分２７は、凹弧状形面である。図３ａと図３ｂに関して後で説明するように、傾斜面と凹弧状形面は、チャンバ３０内への空気流と空気力学的に干渉し、それにより、空気は、内壁２６の第１と第２の部分（２５、２７）に沿って流れ、溝とボス（１５、１３）の上を流れてヒートマス１１から熱を放散させる。

第１の部分２５は、図１ａに示したように、軸Ｚ−Ｚに対して角度Ψで傾斜させることができる。角度Ψは、約１５．０度〜約７５．０の範囲でよい。図６に関して後で検討するように、羽根２１が、軸Ｚ−Ｚを囲む円の接線の向きを有する場合は、第１の部分２５が、溝１５の接線の向きを有することになる。角度Ψは、主に、立方フィート／分（ＣＦＭ）で表したファン（図示せず）の出力によって変化する。

図１ｂにおいて、羽根２１は、さらに、ヒートマス１１の下面１１ａから上面２９に向かって幅が広くなり、かつ滑らかな湾曲部分３３、通風部分３５および滑らかな放射状外側部分３７を含む表面形状を有する外壁３２を含む。通風部分３５は、実質的に軸Ｚ−Ｚと平行でもよく、通風部分３５は、角度λで傾斜していてもよい。

図２ａ〜図２ｃにおいて、羽根２１は、各羽根２１の一部分に延在して各羽根２１内に複数のフィン２３（２つ示した）を画定する少なくとも１つの副スロットＳを含む。各羽根２１の少なくとも一部分を複数のフィン２３に分割することによって、廃熱を放散させるために使用できる表面積が大きくなり、副スロットＳは、廃熱の放散をさらに高めるフィン２３間の追加の空気流路を提供する。

本発明のもう１つの実施形態において、副スロットＳは、ヒートマス１１まで延在し、副スロットＳは、ヒートマス１１に沿った第２の弧状形状２３ａ（図１ａの破線を参照）を含む。第２の弧状形状２３ａは、平面Ｈ−Ｈで終わる。副スロットＳをヒートマス１１まで延在させることによって、フィン２３を通る空気流が、ヒートマス１１から熱を放散させる。第２の弧状形状２３ａは、約３１．０ミリメートル〜約３８．０ミリメートルの半径を有する円弧でよい。

前述の丸み部（すなわち、２１ａと２３ａ）の中心の基準点は、冷却装置１０の外側に位置決めされ、実際の中心位置は、丸み部の半径に依存する。しかしながら、丸み部の中心の位置は、冷却装置１０を作成する機械加工プロセスに使用される切削ツールに対応するように、冷却装置１０より少なくとも約５．０ミリメートル外側になる。丸み部の中心の位置は、切削ホイールを使って羽根２１とフィン２３を形成する機械加工プロセスによって課される制限である。羽根２１とフィン２３を圧力鋳造または衝撃鍛造することができる場合は、円弧半径を小さくすることができ、丸み部の中心の位置は、冷却装置１０の内側になってもよい。羽根２１の数を減らすことによって、圧力鋳造または衝撃鍛造プロセスで冷却装置１０を修正することができる。

図３ａと図３ｂに、チャンバ３０に入る空気流Ｆによる熱放散を示す。空気流Ｆの一部は、チャンバ３０から出て、排気流Ｅとして主スロットＰと副スロットＳ（図示せず）の下部を通る。排気流Ｅは、羽根２１とフィン２３の上を通り、そこから熱を放散させる。排気流Ｅによって、チャンバ３０内に低圧領域ΔＰができる。その結果、低圧領域ΔＰは、副スロットＳの大部分と主スロットＰ（図示せず）から吸込み流Ｉをチャンバ３０内に誘導し、それによりフィン２３と羽根２１から熱が放散される。また、低圧領域ΔＰは、内壁２６の空気力学的形状の第１と第２の部分（２５、２７）に沿って表面流Ｂを誘導する。表面流Ｂは、溝とボス（１５、１３）の弧状形状の上を通り、それにより表面流Ｂが低圧領域ΔＰの方に戻る（すなわち、これは釣り合わせるための空気流である）ときにヒートマス１１から熱が放散される。したがって、冷却装置１０のもう１つの利点は、羽根２１とフィン２３を通り、溝とボス（１５、１３）の上を通る三次元空気流（Ｅ、ＩおよびＢを含む）によって廃熱が効率的に放散されることである。

本発明の１つの実施形態において、ボス１３の弧状表面形状は、球形、球台、円錐、および円錐台を含むがこれらに限定されない。図１ａにおいて、ボス１３は、錐面形状を有する。一方、表面形状は、球状でもよい。図１ｂにおいて、ボス１３は、留金具４５の実質的に平らなヘッド４７により、円錐台の表面形状を有する。しかしながら、ヘッド４７の形状によって、ヘッド４７とボス１３を組み合わされた形状が、錐面形状になってもよい。また、ボス１３は、球台の表面形状を有することもできる。

本発明のもう１つの実施形態において、溝１５の弧状表面形状は、図１ａと図１ｂに示したような半円形状を含むがこれに限定されない。ボス１３は、ファン７０のハブ７９の直径よりも小さい直径ｄ_B（図１ａを参照）を有することが好ましい（図９を参照）。溝１５は、表面流Ｂが第１の部分２５から溝１５まで移行するときに表面流Ｂの空気流の方向が滑らかに変化し、それにより表面流Ｂが溝１５の上をボス１３まで流れるようにする半径ｒ_G（図９を参照）でなければならない（図３ａを参照）。前述のように、ボス１３、溝１５、および内壁２６（すなわち、２５と２７）は、鍛造、機械加工または圧力鋳造によって形成することができる。

図５ａと図５ｂにおいて、羽根２１は、軸Ｚ−Ｚに関して傾斜していてもよい。図５ａにおいて、羽根２１は、線２１ｃと軸Ｚ−Ｚの間で測定された角度βで傾斜している。線２１ｃは、フィン２３の主スロットＰに沿って測定される。角度βの傾斜は、約０（ゼロ）度〜約２５．０度の範囲を含むがこれに限定されない。図５ｂに示したような本発明のもう１つの実施形態において、羽根２１が軸Ｚ−Ｚに対して傾斜している角度は、線２１ｄと軸Ｚ−Ｚの間で測定された第１の角度δ₁と、線２１ｅと軸Ｚ−Ｚの間で測定された第２の角度δ₂とを含む。第１の角度δ₁は、フィン２３の滑らかな放射状外側部分３７に沿って測定される。第１の角度δ₁の傾斜は、約０（ゼロ）度〜約２５．０度の範囲を含むがこれに限定されない。第２の角度δ₂は、フィン２３の滑らかな湾曲部分３３に沿って測定される。第２の角度δ₂の傾斜は、約５．０度〜約１８．０度の範囲を含むがこれに限定されない。フィン２３は、羽根２１によって画定されるので、フィン２３と羽根２１は、前述のような角度（β、δ₁、およびδ₂）で傾斜している。

図６に示したような本発明の１つの実施形態において、羽根２１は、軸Ｚ−Ｚ（「＋」と示した）を中心としかつ所定の直径を有する円Ｃ_t（破線で示した）の接線の向きを有する。図６において、羽根２１の接線の向きの例は、主スロットＰ内を通り円Ｃ_tの周囲と接線の向きに交差する接線ｔを有する複数の羽根２１によって示されている。
軸Ｚ−Ｚ（「＋」として示した）を通る線Ｍと、円Ｃ_tの接線の向きの平行線Ｎが、これらの間に半径Ｒを定義し、円Ｃ_tの所定の直径は、半径Ｒの２倍である（すなわち、Ｃ_t＝２＊Ｒ）。所定の直径は、約３．０ミリメートル〜約１２．０ミリメートルの範囲を含むがこれらに限定されない。

図５ａ、図５ｂ、および図６において、羽根２１の上面２９の少なくとも一部分は、実質平坦部分２９ａ（破線として示した）を含む。実質平坦部分２９ａは、図６に示したように上面２９の全体を覆うことが好ましい。上面２９の実質平坦部分２９ａの１つの利点は、実質平坦部分２９ａにファンを取り付けることができることである。

図４ａと図４ｂにおいて、冷却装置１０は、熱スプレッダ４０が既にテーパ穴１４と接続されており、留金具４５が開口１４ａに差し込まれてヘッド４７がボス１３と接触した状態で示されている。留金具のヘッド４７は、例示したように実質的に平坦でもよく、ヘッド４７は、チャンバ３０を通る空気流Ｆの効率を高めるようにボス１３の形を補完する形状を有することもできる。

図４ｂにおいて、熱スプレッダ４０の取付け面１９は、ヒートマス１１のベース１７と実質的に同一平面になるように示されている。しかしながら、取付け面１９は、ベース１７と同じ高さでなくてもよい。例えば、取付け面１９は、ベース１７よりも入り込んでいてもよく、取付け面１９は、ベース１７から外方に延在してもよい。

図４ｃと図４ｄにおいて、熱スプレッダは、ヒートマス１１のテーパ穴１４に取り付けられていない。テーパ穴１４は、開口１４ａが終わる１４ｔとして示された上部を含む。例示したように、部分１４ｔは、実質平坦（すなわち、平面）であるが、熱スプレッダ４０をテーパ穴１４に嵌合し易くしかつ熱スプレッダ４０とヒートマス１１の接触面積を大きくするために、テーパ穴１４と熱スプレッダ４０のテーパ壁４１の形状が補完的でなければならないので、部分１４ｔは、弧状でもよくまたは傾斜していてもよく、部分１４ｔの実際の形状は、熱スプレッダ４０の形状によって決まる。接触面積が大きいと、熱スプレッダ４０からヒートマス１１への熱伝達が増え、伝達された熱が分散する表面積が大きくなる。

図７ａと図７ｂにおいて、熱スプレッダ４０は、熱スプレッダが円錐形状を有するように傾斜形状である形状４１ｐを有するテーパ壁４１を含む。図１ｂと図７ｂにおいて、熱スプレッダ４０の形状は、上面４１ｔが平らなので円錐台の形状である。上面４１ｔは、テーパ穴１４の一部分１４ｔを補完し、テーパ壁４１は、テーパ穴１４を補完する（図を４ｃ参照）。

しかしながら、熱スプレッダ４０とテーパ穴１４の形状は、本明細書に示した形状に限定されない。図７ｃにおいて、熱スプレッダ４０は、弧状形状のテーパ壁４１と、平らな上面４１ｔとを含む。図７ｄにおいて、熱スプレッダ４０は、弧状形状のテーパ壁４１を含む。いずれの場合も、テーパ穴１４は、補完的な弧状形状を含む。

図８において、ファン７０が、上面２９の実質平坦部分２９ａに取り付けられるように位置決めされている。ファン７０は、冷却装置１０のチャンバ３０内に、破線矢印ａｆで示した方向の空気流（図３ａの参照文字Ｆを参照）を生成する。囲い板７３が、複数のファン羽根７７を有するロータ・ハブ７９を収容している。ロータ・ハブ７９は、ステータ７１に回転可能に取り付けられており、ファン羽根７７は、矢印ｒｒで示した方向に回転する。囲い板７７内のいくつかの穴７５は、留金具８９を収容するように適合されている。

フレーム８１といくつかの取付け具８３とを含む取付けリング８０が、滑らかな放射状外側部分３７の面３７ａに当接される。滑らかな放射状外側部分３７の面３７ａにおける直径は、取付けリング８０のフレーム８１の内径よりも大きく、その結果、羽根とフィン（２１、２３）をずらして外すことなく、フレーム８１を滑らかな放射状外側部分３７に接触させることができる。羽根とフィン（２１、２３）の直径がベース１７の方向に狭くなるので、羽根とフィン（２１、２３）から取付けリング８０をずらして外す方向は、ベース１７の方向だけである。

取付け具８３は、留金具８９を受け、必要に応じてさらに別の留金具８７を受けて、その結果、ファン７０は、図８に示したように上面２９としっかりと接続される。留金具（８７、８９）は、示したようなナットとボルトでもよく、別のタイプの留金具でもよい。ファン７０が取付けリング８０と接続されたとき、ファン７０の回転軸Ｂ−Ｂは、冷却装置１０の軸Ｚ−Ｚと同一線上にあることが好ましい。取付けリング８０の適切な材料の例には、金属、プラスチック、セラミックスが含まれるがこれらに限定されない。取付けリング８０は、機械加工、キャスティング、成形、圧力鋳造によって作成することができる。

以上の考察は、取付けリング８０をファン７０と接続する１つの手段として留金具に焦点を当てたが、本発明は、留金具のみに限定されるように解釈されるべきでない。例えば、ファン上のラッチは、取付けリング８０上の補完的なラッチ形状と嵌合することができる。取付けリング８０は、射出成形プロセスによって形成することができるので、取付けリング８０へのファン７０の取り付けを行う多数の可能性が存在し、留金具は、そのような多数の可能性のうちの１つの例である。

図８において、ファン７０は、上面２９の実質平坦部分２９ａに取り付けられて示されている。例示のために、穴７５と取付け具８３内に１組の留金具（８７、８９）だけが取り付けられて示されている。ファン７０の電力線７２は、電力線７２を羽根またはフィン（２１、２３）の中に通したりそれらと接触させたりする必要がないように位置決めされる。２本の配線（＋と−）だけで示したが、電力線７２は、ファン７０を制御する（例えば、ファン７０の電源をオン・オフしたりファンの速度を制御したりする）回路と通信するため、あるいはファン７０が適切に動作しているかを判定するための１つまたは複数の追加の配線のような追加の配線を含むことができる。

図８に１つのファン７０だけを示したが、もっと長い留金具８９を穴７５から取付けリング８０の取付け具８３に差し込むことができるように穴７５を位置合わせた状態で、複数のファン７０を積み重ねることができる。したがって、本発明の冷却装置１０のさらにもう１つの利点は、チャンバ３０内へ空気流Ｆを生成するために複数のファンを使用できることである。複数のファン７０を使用すると、１つまたは複数のファンが故障した場合に冗長な冷却が可能である。これと対照的に、フィンによって構成された空所内にファンが取り付けられる従来のファン利用型ヒートシンクは、空所内に複数のファンを取り付けることがきわめて困難である。さらに、ファン７０がチャンバ３０内に取り付けられず、ファン７０が上面２９に取り付けられるので、羽根２１内に電力線７２を通すことと関連した危険性がなくなる。

ファン７０を上面に取り付けるさらにもう１つの利点は、羽根とフィン（２１、２３）の１つまたは複数が破損した場合に、ブレード７７が、破損した羽根やフィン（２１、２３）と接触することがなく、したがって、ブレード７７またはファン７０が破損する可能性がないことである。図２ａ、図２ｂおよび図３ｂにおいて、フィン２３に切欠き３１が形成されることがある。切欠き３１は、ファン７０を上面２９に取り付けたときに割出しタブが切欠き３１と嵌合するように、囲い板７３上の割出しタブ（図示せず）を補完する形状を有することができる。切欠き３１を使用して、冷却装置１０に対するファン７０の適切な向きを保証しかつ／または囲い板７３と冷却装置１０の間の相対的な動きを防ぐことができる。

図９において、図６に関して前に説明したような羽根２１の接線の向きは、２つの因子によって決定することができる。第１の因子は、ボス１３の上部から上面２９までの高さｈ₁である。例えば、高さｈ₁が約７．５ミリメートルのとき、羽根２１は、直径約６．５ミリメートルの円Ｃ_tに対する接線の方向である。一方、第２の因子は、ボス１３の上部からファン羽根７７の下部７６までの高さｈ₂である。例えば、高さｈ₂が、約２．０ミリメートルから約８．５ミリメートルまで変化するとき、円Ｃ_tの直径は、約３．０ミリメートル〜約１２．０ミリメートルである。以上は単なる例であり、高さ（ｈ₁，ｈ₂）は、前述のような範囲に限定されるように解釈されるべきでない。

前述のように、羽根２１が軸Ｚ−Ｚに対して傾いている角度（β、δ₁、およびδ₂）は、図９に示したように、ファン羽根７７のピッチ角θと実質的に一致するかまたはきわめて近くなるように設定することができる。一方、角度（β、δ₁、およびδ₂）は、所定のピッチ角θの範囲内にあるように設定することができる。例えば、ピッチ角θが約１５．０度で、角度βが約１７．０度であり、あるいはピッチ角θが約１２．０度で、角度δ₁が約１０．０度であり、角度δ₂が約８．０度である。

本発明の冷却装置１０のもう１つの利点は、羽根２１の前述の接線の向きと傾きならびに内壁２６の空気力学的形状の第１と第２の部分（２５、２７）が、空気流Ｆの経路の抵抗を小さくし、それにより空気流衝撃騒音が減少することである。さらに、経路の抵抗が小さいので、ファン７０は、騒音レベルを低くする低回転速度ファンでよく、高回転速度ファンよりも少ない電力損失で動作することができる。

また、図９の冷却装置１０の断面図は、ボス１３、溝１５、第２の部分２７、第１の弧状表面形状２１ａ、および第２の弧状表面形状２３ａの弧状形状の丸み部を示す。

ボス１３の弧状形状は、ボス１３の所望のヒートマスにある程度依存する半径ｒＢを有することができる。例えば、約５０．０グラムのヒートマスの場合、ボス１３の半径ｒＢは、約１５．０ミリメートルである。同様に、溝１５の弧状形状は、約２．５ミリメートルの半径ｒ_Gを有する。ｒ_Bとｒ_Gの実効値は、応用例に依存し、前述の値は単なる例に過ぎない。本発明は、前述の値に限定されるように解釈されるべきではない。

さらに、第１と第２の弧状表面形状（２１ａ、２３ａ）の弧状表面形状はそれぞれ、半径ｒ_Vとｒ_Fを有する。例えば、半径ｒ_Vは、約３８．０ミリメートル〜約４５．０ミリメートルであり、半径ｒ_Fは、約３１．０ミリメートル〜約３８．０ミリメートルである。内壁２６の第２の部分２７は、半径ｒ_Cを有する。半径ｒ_Cは、例えば、約２０．０ミリメートルである。ｒ_V、ｒＦおよびｒ_Gの実効値は、応用例に依存し、前述の値は、単なる例に過ぎない。本発明は、前述の値に限定されるように解釈されるべきでない。

冷却装置１０を形成するために使用される機械加工プロセスによって、前述の半径を決定することができる。丸み部の基準点は、冷却装置１０上の点と関連していなくてもよい。半径ｒ_B、ｒ_Gおよびｒ_Cは、鍛造プロセスによって形成することができる。また、これらは、機械加工することもでき、あるいは圧力鋳造プロセスを使用して作成することもできる。半径ｒ_Vおよびｒ_Fは、素材ないし材料から冷却装置１０を鍛造した後で、機械加工することにより形成することができる。

図１０に示したような本発明の１つの実施形態において囲い板のない（すなわち、図７と図８の囲い板７３がない）ファン７４が、立体骨組９０によって冷却装置１０の上面２９に配置される。ファン７４のステータ７１が立体骨組９０と接続され、複数のアーム９１が上面２９の幅をまたがり、アーム９１の両端にあるフィンガ９３が、立体骨組９０を、滑らかな放射状外側部分３７の表面３７ａ近くで冷却装置１０に固定する。したがって、前述のように、ファン７４のハブ７９とブレード７７は、ファン７４からの空気流がチャンバ３０に入ることができるようにチャンバ３０の上に位置決めされる。さらに、ファン７４からの電力線７２を、冷却装置１０のフィンと羽根（２１、２３）から離しまたファン羽根７７から離して引き回すことができる。

立体骨組９０をステータ７１と一体形成することができ、あるいは立体骨組９０を、金属またはプラスチック材料から、好ましくは非導電性なのでプラスチックから作成することができる。

図１３に示したような本発明のもう１つの実施形態において、冷却装置１０のベース１７は、ベース１７の外方に延在する少なくとも２つの突出部２２を含む。熱接続材料２４は、熱スプレッダ４０の取付け面１９と接しており、突出部２２の間に位置決めされる。突出部２２は、取付け面１９が部品５０と接しているときに熱接続材料２４が破損するのを防ぐ。突出部２２は、また、製造、輸送および／または取扱い中に熱接続材料が破損するのを防ぐ。熱接続材料２４は、部品５０の部品面５１と接しており、熱接続材料２４は、取付け面１９を通りヒートマス１１に入るように伝達する部品面５１からの廃熱の熱伝導経路を提供する。突出部２２は、冷却装置１０が部品５０に取り付けられたときおよび／または製造中、輸送中および取り扱い中に、熱接続材料２４が、破砕したり変形したり破損したりするのを防ぐ。

突出部２２は、ベース１７から距離ｄ_Pだけ外側に延在している。距離ｄ_Pは、応用例に依存し、特に、熱接続材料２４の厚さに依存する。距離ｄ_Pは、約０．２ミリメートル〜約１．０ミリメートルでよい。取付け面１９は、実質的に平面（すなわち、実質的に平坦）であることが好ましく、取付け面１９は、実質的に軸Ｚ−Ｚと垂直（すなわち、約９０．０度。図１０の角度αを参照）であることが好ましい。

さらに、熱接続材料２４は、取付け面１９と部品面５１の間の微小ボイド（すなわち、ギャップ）を封止し、それにより部品５０から冷却装置１０への熱伝導を強化する。熱接続材料２４の適切な材料は、熱伝導性ペースト、熱伝導性グリース、シリコン、パラフィン、相転移材料、グラファイト、被覆アルミニウム箔および炭素繊維を含むがこれらに限定されない。熱接続材料２４は、例えば、熱スプレッダ４０の取付け面１９にスクリーン印刷するかまたは貼り付けることができる。

図１１と図１２ｄに示したような本発明のもう１つの実施形態において、熱スプレッダ４０の取付け面１９は、取付け面１９から外方に距離ｄ_Pだけ延在しかつ前述のように熱接続材料２４の破損を防ぐ役割をする前述の突出部２２を含むことができる。ベース１７と取付け面１９のどちらかが突出部２２を含むことが好ましい。

図１３において、熱を放散するシステム１００は、前述のような冷却装置１０と、前述のような上面２９と接続されたファン７０と、冷却装置１０によって冷却される部品５０と、ベース・マウント３００とを含む。部品５０の部品面５１は、取付け面１９と接しているか、図１１に関して前に説明したように、熱接続材料２４を、部品面５１と取付け面１９の中間に位置決めすることができる。

いずれの場合も、廃熱は、部品面５１と取付け面１９との直接接触によって、あるいは熱接続材料２４を介して、部品面５１から取付け面１９に熱的に伝達される。ベース・マウント３００は、取付け面１９と部品面５１を互いに押し付けて接触させ、それにより、部品からの熱が、冷却装置１０に熱的に伝達される。

本発明の１つの実施形態において、熱スプレッダの取付け面１９は、取付け面１９から外方に延在する突出部２２を含み、熱接続材料２４は、図１１と図１２ｄに関して前に示したように、突出部２２の中間に位置決めされる。代替として、ベース１７は、ベース１７から外方に延在する突出部２２を含むことができ、熱接続材料２４は、取付け面１９と接続し、前述のように突出部２２の中間に位置決めすることができる。

本発明のもう１つの実施形態において、部品５０は、支持ユニット９９によって支持される。支持ユニットは、ソケット、基板およびＰＣ基板を含むがこれらに限定されない。ソケットは、電子工学技術分野でよく理解されているようにＰＣ基板に取り付けることができる。例えば、部品は、ＰＣ基板にはんだ付けされたソケットに差し込まれたマイクロプロセッサでよい。ベース・マウント３００は、支持ユニット９９に取り外し可能に接続される。

一方、支持ユニットは、部品５０がはんだ付けあるいは電気的に接続されたＰＣ基板でよい。本発明は、冷却装置１０を、電子部品から廃熱を放散させる有効性に関して説明してきたが、冷却装置１０とシステム１００は、電子装置の冷却に排他的に限定されるように解釈されるべきでない。したがって、部品５０は、熱を除去することが望ましい任意の発熱装置でよい。そのために、支持ユニット９９は、ＰＣ基板やソケットでなくてもよい。支持ユニット９９は、部品５０を支持する基板でよい。部品５０は、基板と電気的に連通していてもよくしていなくてもよい。

図１３において、ベース・マウント３００は、ヒートシンクをＰＣ基板に取り付けるために使用されるタイプのようなベース・プレートである。ベース・マウント３００に形成された複数の穴３００ａと、支持ユニット９９に形成された複数の穴９９ａは、ベース・マウント３００を支持ユニット９９と取り外し可能に接続する留金具（８７、８９）を収容する。ナットとボルトを示しているが、ベース・マウント３００を支持ユニット９９に取り外し可能に接続するために、他の留金具や他の締め金具を使用することができる。

本発明の１つの実施形態において、システム１００は、図１０に関して前に説明したように、囲い板のないファン７４を含むことができる。囲い板のないファン７４は、ファン７４を支持し、かつ囲い板のないファン７４を、空気流ａｆがチャンバ３０に入るように上面２９の隣でかつチャンバ３０の上に位置決めする立体骨組９０を含む。前述のように、立体骨組９０が、上面２９の幅をまたぐ複数のアーム９１をみ、アーム９１のフィンガ９３が、立体骨組９０を、外壁３２の滑らかな放射状外側部分３７に固定する。

ヒートマス１１、ベース１７、および羽根２１は、同質のもので形成されることが好ましい。押出しプロセスを使用して、ヒートマス１１、ベース１７および羽根２１を同質のもので形成することができる。冷却装置１０は、銅、電気銅、アルミニウム、アルミニウムと銅の合金、セラミックス、およびシリコン（Ｓｉ）基板を含むがこれらに限定されない様々な熱伝導性材料から作成することができる。冷却装置１０の例示的な材料は、アルミニウム１０６０またはアルミニウム６０６３である。例えば、ヒートマス１１、ベース１７、および羽根２１は、押出し成形したロッドまたは鍛造したナットシェルから同質のもので形成することができる。

冷却装置１０は、後で列挙するものを含むがそれらに限定されない様々なプロセスによって製造することができる。まず、冷却装置１０は、押し出し成形した棒材から完全に機械加工することができる。第２に、圧力鋳造、鍛造、または加圧成形プロセスを使用して、冷却装置１０の内部と外部の特徴形状（２６、３２）の一方または両方を形成し、次に、機械加工プロセスを使用して、ベース１７、取付け面１９、突出部２２、円筒形ネック１８、およびアタッチメント溝１８ｇを形成することができる。次に、切削ホイールを使用して、それぞれ羽根２１とフィン２３の主スロットＰと副スロットＳを形成し、次に、ばり取りと脱脂を行うことができる。第３に、羽根２１とフィン２３を含む完全な冷却装置１０を衝撃鍛造する。第４に、羽根２１とフィン２３を含む完全な冷却装置１０を圧力鋳造する。

冷却装置１０の例示的なモデルは、上面２９が直径６５ｍｍと、ヒートマス１１の底面１１ａが直径５０ｍｍで作成された。ベース１７は、直径が４０ｍｍ、底面１１ａからの高さが６．５ｍｍであった。冷却装置１０は、取付け面１９から上面２９までの全高さが約３８ｍｍであった。ヒートマス１１は、取付け面１９からボス１３の上部までの全高さが約２２ｍｍであった。滑らかな湾曲部分３３は、半径が約３３ｍｍ、通風部分３５は、直径が約６３ｍｍであった。

さらに、ファン７０に関して、図１４に示したように、長さと幅と高さが６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍを有する型番ＥＦＢＯ６１２ＶＨＢのＤｅｌｔａ（登録商標）ファンを冷却装置１０に取り付けた。次に、マザーボード上にはんだ付けされたＰＧＡ３７０コネクタによって支持されたプロセッサ上に、冷却装置１０が取り付けられた。プロセッサは、上面が約９ｍｍ×１１ｍｍ、熱出力が３６ワットであった。この段落に示したような冷却装置１０は、摂氏２５．０度の周囲温度において、プロセッサのケース温度を摂氏３８．０度に維持することができた。上記の温度に基づいて、熱出力３６ワットの場合に摂氏１３．０度の温度差があると、冷却装置１０の推定熱抵抗は１ワット当たり摂氏０．３６１１度になる（摂氏１３．０度／３６ワット＝０．３６１１）。

本発明のいくつかの実施形態を開示し示したが、本発明は、説明し例示したような部分の特定の形態または構成に限定されない。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明によるヒートマスとテーパ穴を備えた冷却装置の図２ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 熱スプレッダが本発明によるヒートマスのテーパ穴に差し込まれた状態の冷却装置の図２ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 本発明による冷却装置の上面図である。 本発明による冷却装置の上面図である。 本発明による冷却装置のフィンと羽根のより詳細な特徴を示す図２ｂの上面図の部分Ｅ−Ｅの詳細図である。 本発明による冷却装置へのまたは冷却装置からの空気流の図３ｂの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 本発明による冷却装置へのまたは冷却装置からの空気流の上面図ではある。 本発明による冷却装置のチャンバならびにヒートマスのボスと接続された留金具の上概要図である。 本発明によるヒートマスのベースならびに熱スプレッダの取付け面の下概要図である。 本発明によるヒートマスのベースおよびテーパ穴の下概要図である。 本発明による留金具を収容する開口を備えたボスを含むヒートマスの上概要図である。 本発明による角度で傾けられた羽根を備えた冷却装置の側面図である。 本発明による角度で傾けられた羽根を備えた冷却装置の側面図である。 本発明による接線の向き羽根を有する冷却装置を示す上面図である。 本発明による熱スプレッダの取付け面の下概要図である。 本発明によるねじ穴を含む熱スプレッダの上概要図である。 本発明による弧状形状を有する熱スプレッダを示す断面図である。 本発明による弧状形状を有する熱スプレッダを示す断面図である。 本発明による冷却装置に取り付けられたファンの側面図である。 本発明によるファンとファン羽根と冷却装置の間の様々な寸法関係を示す断面図である。 本発明による冷却装置にファンを取り付ける立体骨組の側面図である。 本発明による熱接続材料を保護する突出部を含む取付け面を備えた冷却装置の側面図である。 本発明による冷却装置の側面図である。 図１２ａの線Ａ−Ａに沿った断面図であり、本発明による留金具によってテーパ穴と接続された熱スプレッダを示す。 本発明によるヒートマスのボスと接続された留金具のヘッドの上面図である。 本発明による、テーパ壁と接続されたサーマル・シーラントと、熱接続材料と、取付け面と接続された突出部とを備えた熱スプレッダに断面図である。 本発明による熱を放散するシステムの側面図である。

符号の説明

１０ 冷却装置
１１ ヒートマス
１３ ボス
１４ テーパ穴
１４ａ 開口
１５ 溝
２１ 羽根
２６ 内壁
２９ 上面
３０ チャンバ
３２ 外壁
３３ 湾曲部分
３５ 通風部分
３７ 放射状外側部分
４０ 熱スプレッダ
４３ ねじ穴
４７ ヘッド
４９ ねじ付きシャフト
５０ 部品

Claims (24)

1. 部品から熱を放散する冷却装置において、
   第１の材料からなるヒートマスであって、ベースと、凸弧状表面形状を含むボスと、前記ボスを取り囲み凹弧状表面形状を有する溝とを有し、前記溝と前記ボスがヒートマスの軸のまわりに対称的に配置されており、前記ベースから前記ボスまで延在するテーパ穴と、前記ボスから前記テーパ穴まで延在する開口とを有するヒートマスと、
   ヘッドとねじ付きシャフトとを有し、前記ヘッドが前記ボスと接触している状態で前記開口に差し込まれる留金具と、
   第１の材料と異なる第２の材料からなる熱スプレッダであって、前記テーパ穴を補完する形状を有するテーパ壁と、前記熱スプレッダを前記部品に熱的に接続するように構成された取付け面と、前記ねじ付きシャフトを収容するように構成されたねじ穴とを有する熱スプレッダと、
   前記ヒートマスと接触し、前記ヒートマスまで延在する主スロットを間に画定するように離間され、前記軸から放射状外側方向に増大する表面積を有する複数の羽根と、
   を備え、
   前記羽根が、上面と、内壁であって、前記溝から延在し、前記上面まで延在する第２の部分で終わる第１の部分を有し、前記溝を取り囲むチャンバを画定する空気力学的形状の内壁と、外壁であって、前記ヒートマスの前記ベースから前記上面の方に拡がり、滑らかな湾曲部分と、通風部分と、滑らかな放射状外側部分とを含む表面形状を有する外壁と、を含んでおり、
   前記羽根が、各羽根の一部分に延在して、各羽根に複数のフィンを画定する少なくとも１つの副スロットを有しており、
   前記チャンバに入る空気流は、前記主スロットと前記副スロットの下部から、前記羽根と前記フィンから熱を放散させる排気流として出て、前記排気流は、前記副スロットと前記主スロットの上部から吸込み流をチャンバ内に誘導し前記フィンと前記羽根から熱を放散させるチャンバ内の低圧領域を作り出し、前記低圧領域は、前記内壁の前記第１の部分と第２の部分に沿った表面流を誘導して前記溝と前記ボスに流れるようにし、前記ヒートマスから熱を放散させる、
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記ヒートマス、前記ベース、および前記羽根が、同質のもので形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ヒートマスの前記第１の材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、およびセラミックからなるグループから選択された材料であり、
   前記熱スプレッダの前記第２の材料が、銅、銅合金、銀、銀合金、シリコン、金、金合金、グラファイト、炭素繊維材料、および炭素繊維強化材料からなるグループから選択された材料であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記取付け面と接している熱接続材料をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
5. ファンによって生成された空気流が前記チャンバ内に前記空気流を発生させるように前記上面の隣かつ前記チャンバの上に位置決めされた少なくとも１つのファンをさらに備える請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記滑らかな放射状外側部分で終わるように構成され、前記ファンが前記上面と固定され接続されるように前記ファンを前記取付けリングと接続する留金具を受けるように構成された複数の取付け具を有する取付けリングをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記上面の少なくとも一部分が平坦部分であり、前記ファンは、前記ファンが前記上面と接続されたときに前記平坦部分に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記羽根が、前記軸を中心とする所定の直径の円の接線方向に向けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記所定の直径が、約３．０ミリメートル〜約１２．０ミリメートルの間の値であることを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
10. 前記羽根が、前記軸に対して所定の角度で傾けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
11. 前記羽根が傾けられている前記所定の角度が、約５．０度〜約２５．０度の間の値であることを特徴とする請求項１０に記載の冷却装置。
12. 前記羽根が傾けられている角度が、前記滑らかな放射状外側部分に沿って測定された約１０．０度〜約２５．０度の間の値である第１の角度と、前記滑らかな湾曲部分に沿って測定された約５．０度〜約１８．０度の間の値である第２の角度とを有することを特徴とする請求項１０に記載の冷却装置。
13. 前記ボスの前記弧状表面形状が、球、球台、円錐、および円錐台からなるグループから選択された形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
14. 前記溝の前記弧状表面形状が半円形形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
15. 前記主スロットが前記ヒートマスに沿った第１の弧状形状をさらに有し、前記第１の弧状形状が約３８．０ミリメートル〜約４５．０ミリメートルの間の半径を有する円弧の一部分であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
16. 前記副スロットが前記ヒートマスまで延在し、前記副スロットが前記ヒートマスに沿った第２の弧状形状をさらに有し、前記第２の弧状形状が約３１．０ミリメートル〜約３８．０ミリメートルの間の半径を有する円弧の一部分であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
17. 前記内壁の前記第１の部分が傾斜面であり、前記内壁の前記第２の部分が凹弧状形面であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
18. 前記ファンによって生成された空気流が前記チャンバへの空気流を生成するように、前記ファンを支持しかつ前記ファンを前記上面の隣りの前記チャンバの上に位置決めする立体骨組を有する、囲い板なしのファンをさらに備え、
    前記立体骨組が前記上面をまたぐ複数のアームを有し、前記アームは端にフィンガを有し、前記フィンガが前記立体骨組を前記外壁の前記滑らかな放射状外側部分に固定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
19. 前記熱スプレッダの前記テーパ壁が、弧状形状と傾斜形状からなるグループから選択された形状を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
20. 前記熱スプレッダが円錐台を含む形状を有する請求項１に記載の冷却装置。
21. 前記熱スプレッダの前記取付け面または前記ヒートマスの前記ベースの選択された一方に接続し、そこから外方に延在する複数の突出部と、
    前記取付け面と接触しており、前記突出部の間に位置決めされた熱接続材料とを含む請求項１に記載の冷却装置。
22. 前記留金具が、前記ヒートマス、前記熱スプレッダのいずれか、または前記ヒートマスと前記熱スプレッダの両方と固定され接続されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
23. 前記熱スプレッダと前記ヒートマスが互いに固定され接続されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
24. 前記テーパ穴および前記テーパ壁と接触しており、前記テーパ穴と前記テーパ壁１４の間の微小ギャップを封止する働きをするサーマル・シーラントとをさらに含む請求項１に記載の冷却装置。
    

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