JP4098288B2 - 蒸気チャンバを有する高性能冷却装置 - Google Patents

蒸気チャンバを有する高性能冷却装置 Download PDF

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Description

本発明は包括的には、冷却装置であって、その冷却装置に連結した構成部品(component)から熱を除去するための蒸気チャンバを有する冷却装置に関する。特に、本発明は、複数のフィン（ひれ部）及びベーン（羽根部）を取付けられたヒートマス(heat mass、受熱台とも呼ぶ)と、構成部品からの廃熱によって沸点まで加熱された時に蒸気に変わる相変化する液体を低圧で収容している蒸気チャンバとを備えた冷却装置であって、ヒートマスは、相変化する液体の沸騰によって冷却されると共に、ベーン及びフィンを通る空気流によって対流冷却される、冷却装置に関する。
電子機器技術分野では、ヒートシンクを電子装置と接触させて配置し、それにより、電子装置の動作によって発生した廃熱をヒートシンクに熱伝導して、電子装置を冷却することは、既知である。マイクロプロセッサ（μＰ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）及び特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの高クロック速度電子装置の登場により、それらの電子装置によって発生する廃熱の量、及びそれらの電子装置の動作温度は、クロック速度に正比例する。したがって、クロック速度が高くなると、廃熱の発生が増加し、それにより、電子装置の動作温度が上昇する。しかし、電子装置の有効動作には、廃熱を常に効果的に除去することが必要である。
ヒートシンク装置は、上記形式などの電子装置から廃熱を放散させる手段として一般的になっている。典型的な用例では、冷却すべき構成部品が、ＰＣボードに取り付けられたコネクタによって担持される。たとえば、クリップまたは締結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、ヒートシンクが構成部品に取り付けられる。変更例として、電子装置を担持しているＰＣボードにヒートシンクを取り付ける。締結具などを使用して、ＰＣボードに穿孔された穴を介してヒートシンクをＰＣボードに連結する。
ヒートシンクをＰＣボードに接続するために使用される締結具または他の取り付けハードウェアは、通常は導電性であって、ＰＣボードトレース及び取り付けハードウェア間の接触によってショートを発生する危険性があるため、穿孔が必要であることは、締結具の使用にとって１つの欠点になる。さらに、ショートを回避するために、ＰＣボードトレースは、穴の周囲を通ることができるが、この経路設定は、トレースの経路設定を複雑にする可能性がある立ち入り禁止区域を必要とする。
一般的に、最近の高クロック速度電子装置と組み合わせて使用されるヒートシンクは、ヒートシンクの上部か、またはヒートシンクの冷却フィン／ベーンによって形成されたキャビティ（空洞）内に取り付けられる電気ファンを使用するであろう。冷却フィンは、ヒートシンクの表面積を増加させ、ヒートシンクから、その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、冷却フィンの上方及び周囲に空気を循環させ、それにより、熱を冷却フィンから周囲空気に伝達する。
上述したように、クロック速度の増加が続くのに伴って、電子装置が発生する廃熱の量も増加してきた。したがって、それらの電子装置を十分に冷却するために、より大型のヒートシンク及び／またはより大容量（ＣＦＭ単位）のファンが必要である。ヒートシンクの寸法を増加させる結果として、熱質量(thermal mass)又は熱容量が大きくなり、熱を放散させることができる表面積が大きくなる。ファン容量の増加は、冷却フィンを通る空気流を増加させる。
ファン及びヒートシンクの大型化には問題がある。第１に、ヒートシンクの寸法が垂直方向に（すなわち、ＰＣボードを横切る方向に）増加する場合、ヒートシンクの背が高くなって、デスクトップコンピュータのシャシなどの多くの用例の垂直空間に収まらないであろう。第２に、ＰＣボードが縦置きである場合、重く背が高いヒートシンクが、ＰＣボード及び／または電子装置に機械的応力を加え、結果的に装置またはＰＣボードが故障する可能性がある。
第３に、十分な空気流がファンに対して流入または流出できるようにするために、背が高いヒートシンクは、ヒートシンクと、ヒートシンクを収容しているシャシとの間に追加的な垂直方向隙間を必要とするであろう。第４に、ヒートシンクの寸法が水平方向に増加する場合、他の電子装置の取り付け用にＰＣボード上で使用可能な面積の量が制限される。第５に、ヒートシンクが、フィンによって形成された円筒形である時、そのようなヒートシンクを幾つか、互いに近接させて取り付けることができない場合が多く、それは、フィンに流出入する空気流が隣接のヒートシンクによって妨害され、結果的に冷却効率が低下するからである。
最後になるが、冷却能力を高めるためにファン寸法を大きくすると、ファンによって発生する騒音が増大する場合が多い。デスクトップコンピュータまたはポータブルコンピュータなどの多くの用途では、騒音発生を最小限に抑えることが非常に望ましい。電力供給をバッテリに依存するポータブル機の用例では、大容量ファンの電力消費量の増加は、許容される廃熱除去策ではない。
フィンを冷却する上記ヒートシンクでは、フィンによって形成されたキャビティ内にファンを取り付けることによるさらなる不都合がある。第１に、ファンがヒートマスに直接的に取り付けられるので、ヒートシンクのヒートマスのかなりの部分が、ファンによって部分的に塞がれ、したがって、ファンからの空気がヒートマスの閉塞部分上を循環しないため、ヒートマスからの熱放散用の潜在的な経路が塞がれる。
第２に、ファンがなければ、フィンの深さは、ヒートマスの中心に達するまで伸びることができるであろうが、ファンブレード用の隙間を設けるために、ファンの直径よりわずかに大きい直径のキャビティ内にファンを取り付けるので、フィンの深さ及び表面積が、ファンの直径によって減少する。したがって、フィンの表面積の減少を補償するために、ヒートシンクのヒートマスの幅を広くしなければならない。ヒートマスの幅が広いほど、ヒートシンクの寸法、コスト及び重量が増加する。
第３に、フィンの深さが浅くなることによって、破損の際にフィンが折れ曲がりやすくなる。折れ曲がったフィンによる１つの予想される結果として、それがファンブレードと接触してそれを破損させ、かつ／またはファンを停止させ、それにより、ファンが破損するか、ファンが故障する。第４に、ファンが、フィンによって形成されたキャビティ内に取り付けられているため、ファン用の電力線が、フィンの間の隙間を通らなければならない。フィンの鋭利な縁部が電力線を切断するか、またはショートを引き起こす可能性がある。いずれの場合も、結果的にファンが故障するであろう。第５に、ファンをヒートシンクに取り付けるために、通常は糊が使用され、その糊がファンに入り込んで、ファンを故障させる可能性がある。ファンによって発生する空気循環が、電子装置からの廃熱を効果的に放散させるために必須であるため、以上のファン故障モードのいずれも、ヒートシンクが冷却する予定であった電子装置を故障させるであろう。
一部の従来型ヒートシンクは、低圧で相変化する液体（以下、相変化液体と呼ぶ）を充填した蒸気チャンバを使用することによって、ヒートマスの大型化またはフィン面積の増加の上記欠点を克服しようとしている。通常、相変化液体は沸点が低く、そのため、ヒートマスに熱的に接続されている構成部品からの廃熱に応じて、それが沸騰して気相に変化するであろう。蒸気チャンバは、ヒートシンクの胴部にプレス嵌めされる。一部の例では、蒸気チャンバ及びヒートシンク間をより密着接触させるために、蒸気チャンバの外側ケーシングが拡大している。蒸気チャンバを密封するために、通常はろう付けまたははんだ付けなどの金属接合処理が使用される。
蒸気チャンバを有する従来型ヒートシンクの１つの欠点は、蒸気チャンバが垂直軸又は鉛直軸から傾斜して、それにより相変化液体への熱伝達が減少した時、それらの性能（すなわち、廃熱を放散する効率）が大幅に低下することである。
別の欠点として、蒸気チャンバ（蒸気室）及びヒートシンク間に微細空隙及び／またはもっと大きいギャップが存在し、その結果、ヒートシンク及び蒸気チャンバ間の熱抵抗が増加する。したがって、蒸気チャンバからヒートシンクへの熱伝達が低下する。
本発明は、したがって、蒸気チャンバを有する冷却装置であって、垂直軸から傾斜しても、相変化液体への熱伝達を維持することができる冷却装置を提供する。また、蒸気チャンバを有する冷却装置であって、蒸気チャンバ及び冷却装置間の微細ギャップをなくし、それにより、蒸気チャンバ及び冷却装置間の熱抵抗を低くした冷却装置を提供する。
以上を鑑みて、本発明の例示的な実施形態の幾つかの簡単な要約をここに示す。ここでは、ある程度の簡略化または省略を行うが、それは、本発明の幾つかの態様を強調して紹介するためであり、本発明の範囲を決して制限することはない。当該技術分野の専門家であれば、本発明の理解、製造及び使用を行うことができるのに十分な好適な実施形態を以下に詳細に説明する。
広範には、本発明は、冷却すべき構成部品から廃熱を放散させる冷却装置で具現される。冷却装置は、ベース、このベースの内部に延在するチャンバ穴、及び突起部（boss、ボス）を有する受熱台を備えており、突起部は、受熱台の軸を中心にして対称配置されている。突起部は、平面（land、ランド）、及び突起部に貫設されてチャンバ穴まで延在するねじ付き内孔（ねじ付きボア）を有する。芯材(thermal core、サーマルコア)が、ベースに連結されており、チャンバ穴内に延出した段差面、及び芯材及び受熱台を冷却すべき構成部品に熱的に接続させることができる取り付け表面を有する。栓部材（plug、プラグ）が、段差面、及び段差面から延出したねじ付き首部（ねじ付きネック）を有する。ねじ付き首部は、突起部のねじ付き内孔にねじ込まれる。栓部材はまた、ねじ付き首部内に形成された栓部材空洞（プラグキャビティ）、及び複数の栓部材フィン（プラグフィン）を有し、栓部材フィンは離間配置されて、隣接した栓部材フィン間に栓部材スロット（プラグスロット）が画定されている。蒸気チャンバが、栓部材空洞、チャンバ穴及び段差面によって画定又は形成されている。相変化液体が、蒸気チャンバ内に低圧で封入されて、段差面の一部と接触している。
複数の羽根部（vane、ベーン）が、受熱台に連結されており、離間配置されて、受熱台まで延在する主スロットを隣接羽根部間に画定している。羽根部は、受熱台の軸から半径方向外側方向に増加する表面積を有しており、さらに、羽根部の各々の一部分に貫設されて、羽根部の各々に複数のフィンを画定する少なくとも１つの補助スロットを有する。羽根部は、上面と、空力的輪郭の内壁とを有し、内壁は、突起部から延出した第１部分、及び第１部分の終端から羽根部の上面まで延在する第２部分を有する。羽根部の内壁は、突起部を包囲するチャンバを画定する。羽根部はまた、受熱台のベースから上面まで拡大する表面輪郭を有する外壁を備えており、外壁は、ベース及び上面間に、滑らかな湾曲部分、ドラフト部分及び滑らかな半径方向外側部分を有する。
構成部品の廃熱は、芯材及び受熱台に熱伝達されて、チャンバ、主スロット、補助スロット及び栓部材スロットを通る空気流によって、受熱台から放散される。廃熱はまた、芯材に熱伝達されて、相変化液体を沸騰させて液相から気相に変化させることによっても放散される。蒸気は、上昇して蒸気チャンバに入り、栓部材空洞及びチャンバ穴と接触し、そこで、接触時に冷却されて、液相に戻る。
本発明の冷却装置の１つの利点は、芯材の段差面により、冷却装置が垂直軸から傾斜しても、相変化液体への熱伝達を維持することができ、それにより、相変化液体が沸騰して気相に変換されて、廃熱を芯材から放散させることである。
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示的に説明する、添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
以下の詳細な説明及び図面の幾つかの図において、同様な要素は同様の参照番号を付けて示す。
説明のために図面に示すように、本発明は、冷却装置であって、冷却装置のサーマルコア及びヒートマスと熱伝達状態にある構成部品から熱を放散させる冷却装置で具現される。ヒートマスとは、構成部品から熱を受け、それに取付けられたベーンから放熱する受熱台を意味する。熱伝達は、サーマルコア及び構成部品間の直接的接触によるか、または、後述するように、サーマルコア及び構成部品間に中間材料（たとえば、熱接続材(thermal interface material、サーマルインターフェース材)）を配置することによって行うことができる。ヒートマスのベースの一部分を、構成部品と直接的または間接的熱接触させることもできる。構成部品は、限定的ではないが、たとえば、電気部品を含む任意の熱源にすることができる。
冷却装置５０は、ベース、及びベースの内部に延在するチャンバボア（チャンバ穴）を有するヒートマスを備えている。ボス（突起部）が、ヒートマスの軸を中心にして対称配置されており、ランド（平面）と、ボスからチャンバボアまで延在するねじ付きボアとを有し、それにより、ねじ付きボアが、ボスからチャンバボアまでに貫通穴を画定している。サーマルコアが、ベースに連結されており、チャンバボア内に延出した段差面と、サーマルコア及びヒートマスを構成部品に熱的に接続させることができる取り付け表面とを有する。プラグ（栓部材）が、ねじ付きネックを有し(A plug including)、プラグの段差面がボスのランドと接触するまで、このねじ付きネック（ねじ付き首部）をヒートマスのねじ付きボアにねじ込むことができる。プラグは、ねじ付きネック内に形成されたプラグキャビティ（栓部材の空洞）と、複数のプラグフィンとを有する。プラグフィンは、離間配置され、それにより、隣接したプラグフィン間にプラグスロットが画定される。プラグキャビティ、チャンバボア及び段差面が、蒸気チャンバを画定している。相変化液体が、蒸気チャンバ内に低圧で封入され、相変化液体は、段差面の一部と接触している。
ヒートマスにはさらに複数のベーンが連結されており、これらは互いに離間配置されて、隣接ベーン間に主スロットを画定する。主スロットは、ヒートマスまで延在している。ベーンは、ヒートマスの軸から半径方向外側方向に増加する表面積を有する。各ベーンの一部分に貫設された少なくとも１つの補助スロットが、各ベーン内に複数のフィンを画定する。補助スロットも、ヒートマスまで延在している。各ベーンはさらに、上面と、空力的輪郭の内壁とを有し、この内壁は、ボスから延出した第１部分、及びこの第１部分の終端から上面まで延在する第２部分を有する。ベーンの内壁は、ボスを包囲するチャンバを画定する。ベーンの外壁は、ベースから上面まで拡大する表面輪郭を有し、ベース及び上面間に、滑らかな湾曲部分、ドラフト部分及び滑らかな半径方向外側部分を有する。
構成部品からの廃熱は、チャンバ、ベーンの主スロット、フィンの補助スロット及びプラグフィンのプラグスロットを通る空気流によって、ヒートマスから放散される。さらに、サーマルコアの廃熱は、段差面と接触している相変化液体を液相から気相に変換する（すなわち、廃熱が相変化液体を沸騰させる）ことによって放散される。
チャンバに流入する空気流は、冷却装置から熱を放散させる三次元空気流を生じる。第１に、空気流は、ベーン、フィン及びプラグフィンから熱を放散させる排気流で、主スロット、及び補助スロットの底部分から流出する。第２に、排気流は、チャンバ内に低圧領域を発生させ、これが、補助スロットの主要部分及び主スロットの上部分を通ってチャンバに入る吸入空気流を誘発し、それにより、フィン及びベーンから熱が放散される。第３に、低圧領域は、内壁の第１及び第２部分に沿った表面流を誘発し、その結果、表面流がボス上を通過する時にボスを濡らして、ヒートマスから熱を放散させる。空気流は、チャンバに流入する積極空気流か、またはチャンバから流出する消極空気流にすることができる。
図１〜図５ａにおいて、構成部品（図示せず）から熱を放散させる冷却装置１０は、ヒートマス（受熱台）１１、ベース１７（台座部）、ベース１７の内部に延在するチャンバボア１４ａ、ボス１３、及びランド１３Ｌを備えている。ボス１３は、ヒートマス１１の軸Ｚを中心にして対称配置されている。ねじ付きボア１３ｂが、ボア１３を貫通してチャンバボア１４ａまで延在し、それにより、ねじ付き内孔１３ｂは、ボス１３及びチャンバボア１４ａ間に貫通穴を画定する。サーマルコア４０（芯材）が、ベース１７に連結されており、チャンバボア１４ａ内に延在する段差面１４ｓと、サーマルコア４０及びヒートマス１１が冷却すべき構成部品と熱的に接続させることができる取り付け表面１９とを備えている。段差面１４ｓは、その表面の一部分に沿って複数の段差部分１４ｃを有し、段差部分は、図５ｂ、図８ａ及び図９に示されているように、頂部１４ｄで終了するか、又は、段差面１４ｓは、図８ｂに示されているように、その表面のほぼ全体に沿って複数の段１４ｃを有することができる。
図３ａ及び図３ｂにおいて、冷却装置１０はさらに、プラグ４５を有し、プラグ４５は、互いに離間配置されて隣接するプラグフィン４２の間にプラグスロット４２ｓを画定する複数のプラグフィン４２と、段差面４８と、段差面４８から延出したねじ付きネック４９であって、段差面４８がボス１３のランド１３Ｌと接触するまで、ねじ付きボア１３ｂにねじ込むことができるねじ付きネック４９とを有する。プラグ４５はさらに、ねじ付きネック４９内に形成されたプラグキャビティ１４ｂを有する。図５ａ及び図９において、プラグキャビティ１４ｂ、チャンバボア１４ａ及び段差面１４ｓが、蒸気チャンバ４１を画定している。図１０ｂ、図１０ｃ及び図１０ｄにおいて、相変化液体４１Ｌが、蒸気チャンバ４１内に低圧で封入されて、段差面１４ｓの一部分と接触している。例として、サーマルコア４０をベース１７に連結した後、相変化液体４１Ｌをねじ付きボア１３ｂから注ぎ込むことによって、蒸気チャンバ４１に相変化液体４１Ｌを充填し、次に、プラグ４５のねじ付きネック４９をねじ付きボア１３ｂにねじ込むことによって、蒸気チャンバ４１を密封することで、蒸気チャンバ４１を密封することができる。別の例として、最初にプラグ４５をねじ付きボア１３ｂにねじ込んだ後、相変化液体４１Ｌをベース１７から注ぎ込むことによって、蒸気チャンバ４１に相変化液体４１Ｌを充填し、次に、サーマルコア４０をベース１７に密接させ、それによって蒸気チャンバ４１を密封することで、蒸気チャンバ４１を密封することができる。密封処理は、真空状態下で行うことができ、それにより、相変化液体４１Ｌが蒸気チャンバ内に低圧で（すなわち、大気圧より低い圧力で）封入される。
必要な真空は、用途に応じて決まり、相変化液体４１Ｌ用に選択された材料及び使用する真空ポンプの容量によっても決まるであろう。一例として、放散すべき廃熱の大きさ、及び相変化液体を液相（４１Ｌ）から気相（４１Ｖ）に変換する温度が、必要な真空度を決定するであろう。通常、液体４１Ｌから蒸気４１Ｖへの相変化を行うために必要な温度が低いほど、冷却装置１０の性能が良好である。必要な相変化に求められる真空度(magnitude of vacuum)を決定するために、標準蒸気表(standard steam table)を使用することができる。たとえば、相変化液体４１Ｌ用に水（Ｈ2Ｏ）を使用した場合、蒸気チャンバ４１の内部が約９．５９ＫＰａ圧力の真空である時、約４５．０°Ｃで液体４１Ｌから蒸気４１Ｖへの相変化が生じた。
図３ｃにおいて、本発明の１つの実施形態では、相変化液体４１Ｌの漏出を完全に防止できるように、蒸気チャンバ４１を確実に密封するために、ねじ付きボア１３ｂ及び／またはねじ付きネック４９にシーラント材４４ｓを塗布することができる。図３ｃでは、ボス１３及びプラグ４５の一部分だけを示して、冷却装置１０のこれらの要素に対するシーラント材４４ｓ及びガスケット４４ｇの位置を示していることに留意されたい。シーラント材４４ｓは、ボア及びネック１３ｂ、４９のねじの間の密封を向上させ、それにより、ねじの間に考えられる漏出路を封止する。
たとえば、シーラント材４４ｓは、ＡＮＡＢＯＮＤ（登録商標）またはＬＯＣＴＩＴＥ（登録商標）で作製することができる。シーラント材４４ｓは、ディスペンサやブラシを用いるか、または、ねじ付きネック４９をシーラント材４４ｓに浸漬することによって、ボア及びネック１３ｂ、４９のねじに塗布することができる。シーラント材４４ｓを塗布した後、ねじ付きネックをねじ付きボア１３ｂにねじ込む。シーラント材４４ｓを段差面４８にも塗布することができる。
本発明の別の実施形態では、シーラント材４４ｓは、プラグ４５をヒートマス１１から熱絶縁する。プラグ４５の熱絶縁のため、プラグフィン４２を通過する空気流Ｆ（図１０ａを参照）により、プラグ４５がヒートマス１１より低温である。したがって、プラグキャビティ１４ｂと接触する蒸気４１Ｖは、プラグ４５がヒートマス１１から熱絶縁されていない場合より、効率的に冷却されて、高率で凝縮液４１Ｃになって液相４１Ｌに戻る。シーラント材４４ｓ用に使用される材料は、所望の熱絶縁特性を与えるように選択することができる。
プラグ４５をヒートマス１１から熱絶縁するのに適したシーラント材料４４ｓには、限定的ではないが、ＲＴＶシーラント、ＨｉＴａｃ（登録商標）テープ及びシーラント、エポキシベースのＦＲＰタイプのシーラントが含まれる。実質的に、プラグ４５をヒートマス１１から熱絶縁する作用がある任意の非熱伝導性シーラント材を使用することができる。
本発明のさらに別の実施形態では、相変化液体４１Ｌの漏出を完全に防止するように蒸気チャンバ４１を確実に密封するために、ランド１３Ｌ及び段差面４８間にガスケット４４ｇが配置されている。ガスケット４４ｇは、ランド１３Ｌ及び段差面４８間に考えられる漏出路を封止する。ガスケット４４ｇは、プラグ４５をねじ付きボア１３ｂにねじ込む前に、ランド１３Ｌ上か、または段差面４８上に配置される。ガスケットは、たとえば、適当な寸法の金属ワッシャか、または適当な形状に切断されたガスケット材料にすることができる。
ガスケット４４ｇに適した材料には、限定的ではないが、ＨｉＴａｃ（登録商標）ガスケット、ＲＦＩガスケット及びゴムガスケットがある。好ましくは、ゴムガスケットは、非熱伝導性材料で作製される。ガスケットをねじ付きネック４９に装着した後、プラグを、たとえば、約２１．０ｉｎ−ｌｂのトルクで締め付けることができる。
図１３において、複数のベーン２１が、ヒートマス１１と接触しており、ベーン２１は、互いに離間配置されて、隣接ベーン２１間に主スロットＰ（図４ａ、図４ｃ及び図４ｄを参照）を画定している。ベーン２１は、一点鎖線矢印ｒで示された、軸Ｚから半径方向外側方向（半径方向外向き方向）に増加する表面積を有する。ベーン２１の少なくとも一部分は、点線矢印ｙで示された、軸Ｚに沿った方向に増加する表面積を有する。
好ましくは、主スロットＰは、ヒートマス１１まで延在しており、また、主スロットＰ（主溝）は、ヒートマス１１に沿って第１円弧形表面輪郭２１ａを有する。第１円弧形輪郭２１ａは、平面Ｈ−Ｈ（図１３を参照）で終端している。ベーン２１を互いに等間隔に設けることも、好都合である。主スロットＰをヒートマス１１まで延在させることにより、主スロットＰを通る空気流が、さらにヒートマス１１を濡らして（すなわち、空気がヒートマス１１上を流れて）、それから熱を放散させる。第１円弧形表面輪郭２１ａは、半径が約３８．０ｍｍ〜約４５．０ｍｍの円弧にすることができる。
冷却装置１０の１つの利点は、空気流を発生するファン（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、ベーン２１は、（矢印ｅで示されているように）ヒートマス１１内の奥まで延在することができ、ベーン２１の奥行きは、廃熱の効果的な放散用に大きい表面を提供すると共に、ボス１３を濡らす空気流（図４ｅ及び図４ｆを参照）にヒートマス１１を露出させ、それにより、追加的な廃熱をヒートマス１１から放散させることができる。
ベーン２１はさらに、上面２９と、空力的輪郭（空力的特性を考慮して形成される空気流を低抵抗化するための輪郭）の内壁２６とを有し、内壁２６は、ボス１３から延在する第１部分２５、及びこの第１部分２５の終端から上面２９まで延在する第２部分２７を含む。第１部分２５は、一点鎖線ｂで示されているように、ボス１３の円弧形輪郭（図１３を参照）または傾斜輪郭（図４ｆを参照）につながり、また、第１部分２５は、一点鎖線ｃ示されているように、第２部分２７につながる。第２部分２７は、一点鎖線ｄで示されているように、上面２９につながる。内壁２６は、追加的な部分を含むことができ、本発明は、第１及び第２部分２５、２７に制限されないものと解釈されるべきである。内壁２６は、ボス１３を包囲するチャンバ３０を画定する。
本発明の１つの実施形態では、図１３及び図４ｃに示されているように、内壁２６の第１部分２５が傾斜表面であり、内壁２６の第２部分２７が凹状の円弧形表面である。傾斜及び凹状円弧形表面は、チャンバ３０に流入する空気流と空力的に相互作用し、それにより、空気は内壁２６の第１及び第２部分２５、２７に沿って流れて、ボス１３を濡らし、それにより、図４ｅ及び図４ｆを参照しながら後述するように、ヒートマス１１から熱を放散させる。
第１部分２５は、図１３に示されているように、軸Ｚに関して角度Ψをなして傾斜することができる。角度Ψは、約１５．０度〜約７５．０度の範囲にすることができる。図４ｄを参照しながら後述するように、ベーン２１が軸Ｚを中心にした円の接線方向である場合、第１部分２５は、ボス１３に対して接線方向になるであろう。角度Ψは主に、ファン（図示せず）の立方フィート／分（ＣＦＭ）単位の出力に基づいて変化するであろう。
図１３では、ベーン１２はさらに、ヒートマス１１の底部１１ａから上面２９まで拡がる表面輪郭を有する外壁３２を備え、表面輪郭は、滑らかな湾曲部分３３、滑らかな湾曲部分３３及び半径方向外側部分３７間のドラフト部分３５（略直線状の部分）、及び滑らかな半径方向外側部分３７（半径方向最外側に位置する末広がり形状の湾曲部分）を有する。ドラフト部分３５は、軸Ｚにほぼ平行でもよく、または角度λで傾斜させることもできる。
図４ａ〜図４ｃにおいて、各ベーン２１の一部分に貫設されて各ベーン２１に複数の（図面では２つの）フィン２３を画定する少なくとも１つの補助スロットＳ（補助溝）が、ベーン２１に設けられている。各ベーン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り、廃熱の放散に利用可能な表面積が増加し、補助スロットＳは、フィン２３間に追加の空気流路を提供し、それが廃熱放散をさらに向上させる。
本発明の別の実施形態では、補助スロットＳは、ヒートマス１１まで延在し、補助スロットＳは、ヒートマス１１に沿って第２円弧形輪郭２３ａ（図１３の点線を参照）を有する。第２円弧形輪郭２３ａは、平面Ｈ−Ｈで終端している。補助スロットＳがヒートマス１１まで延在することにより、フィン２３を通る空気流もヒートマス１１を濡らして、それから熱を放散させる。第２円弧形輪郭２３ａは、半径が約３１．０ｍｍ〜約３８．０ｍｍの円弧にすることができる。
上記半径（すなわち、２１ａ及び２３ａ用）の中心に当たる基準点は、冷却装置１０の外側に位置し、中心の実際の場所は、円弧半径によって決まる。しかし、冷却装置１０を製造するための機械加工処理に使用される切断工具を収容するために、半径の中心位置は、冷却装置１０から少なくとも約５．０ｍｍ、外側にあるであろう。半径の中心位置は、ベーン２１及びフィン２３を形成するために切断ホィール(cutting wheel)を使用する機械加工処理によって課せられる制限である。ベーン２１及びフィン２３をダイカストまたは衝撃鍛造することができる場合、円弧半径を小さくして、半径の中心位置を冷却装置１０の内側に置くことができるであろう。ベーン２１の数を減少させることによって、ダイカストまたは衝撃鍛造処理を行うことができるように、冷却装置１０を変更することができる。
図１０ａ及び図１０ｂにおいて、構成部品５０（又は電子部品）の廃熱Ｈｗは、対流冷却効果及び蒸発冷却効果によって放散される。図１０ａにおいて、廃熱Ｈｗは、ヒートマス１１及びサーマルコア４０に熱伝導される。廃熱Ｈｗは、ベーン２１、フィン２３及びプラグフィン４２に熱伝導される。チャンバ３０、主スロットＰ、補助スロットＳ及びプラグスロット４２ｓを通る空気流Ｆが、ヒートマス１１から廃熱Ｈｗを放散させる。図１０ｂにおいて、廃熱Ｈｗは、サーマルコア４０に熱伝導されて、相変化液体４１Ｌを沸騰させ、液相（やはり４１Ｌ）から気相４１Ｖに変化する。相変化液体４１Ｌの沸騰により、廃熱Ｈｗがサーマルコア４０から放散される。蒸気４１Ｖが上昇して蒸気チャンバ４１に入ると、蒸気４１Ｖが、蒸気チャンバ４１の一部を形成している表面１４ａ、１４ｂと接触する。ヒートマス１１の上記対流冷却により、これらの表面１４ａ、１４ｂは、蒸気４１Ｖの温度より低温である。その結果、蒸気４１Ｖは、表面１４ａ、１４ｂと接触した時、凝縮液４１Ｃになり(condenses 41C)（すなわち、蒸気４１Ｖが冷却されて）、液相４１Ｌに戻る。廃熱Ｈｗが、相変化液体４１Ｌを沸騰させるのに十分な大きさ（たとえば、ワット数または温度）である限り、相変化液体４１Ｌの沸騰、蒸発及び凝縮のサイクルが継続する。
図８ａ及び図８ｂにおいて、サーマルコア４０の段差面１４ｓは、限定的ではないが、円弧形状（図８ａ）または傾斜形状（図８ｂ及び図９）を含む形状（すなわち、表面形状）を有することができる。図１０ｃ及び図１０ｄにおいて、本発明の１つの利点は、冷却装置１０が、図１０ｃに示されたほぼ水平位置から、軸Ｚが軸Ｚ’に対して角度Δをなす図１０ｄに示された非水平位置へ傾斜した時でも、段差面１４ｓは、相変化液体４１Ｌを段差面１４ｓの大部分と接触させておくことができることである。その結果、図１０ｄの傾斜状態でも、相変化液体４１Ｌは、段差面１４ｓの大部分と接触しており、沸騰して気相４１Ｖに変換され続けるであろう。
好ましくは、相変化液体４１Ｌを低沸点の液体にして、構成部品５０から放散された廃熱Ｈｗが、液体の相変化液体４１Ｌを沸騰、蒸発させて４１Ｖにするのに十分であるようにする。相変化液体に適した材料には、限定的ではないが、水（Ｈ2Ｏ）、フルオロカーボン、四塩化炭素、誘電性の流体、及びエチレンがある。誘電性の流体の例には、限定的ではないが、ＦＣ１６がある。
上に列記した液体の各々は、蒸気チャンバ４１内の圧力に基づいたさまざまな温度で、液相４１Ｌから気相４１Ｖに相変化するであろう。たとえば、蒸気チャンバ４１の圧力が約８４．６ＫＰａである時、水は約９５°Ｃで沸騰し、蒸気チャンバ４１の圧力が約９．６ＫＰａである時、水は約４５°Ｃで沸騰する。別の例として、水の場合、蒸気チャンバ４１の圧力が約４．２５ＫＰａである時、同じ結果を約３０°Ｃで得ることができる。Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ（登録商標）から発行された蒸気表が、真空下でさまざまな液体の沸点を計算する際の好適な参考になる。
図１２ａ及び図１２ｂにおいて、ベーン２１は、軸Ｚに対してある角度で傾斜することができる。図１２ａでは、ベーン２１は、線２１ｃ及び軸Ｚ間で測定した角度βで傾斜している。線２１ｃは、フィン２３の主スロットＰに沿っている。角度βの傾斜は、限定的ではないが、約０度〜約２５．０度の範囲である。図１２ｂでは、ベーン２１が軸Ｚに対して傾斜する角度が、線２１ｄ及び軸Ｚ間で測定した第１角度δ1と、線２１ｅ及び軸Ｚ間で測定した第２角度δ2とを有する。第１角度δ1は、フィン２３の滑らかな半径方向外側部分３７に沿って測定されている。第１角度δ1の傾斜は、限定的ではないが、約０度〜約２５．０度の範囲である。第２角度δ2は、フィン２３の滑らかな湾曲部分３３に沿って測定されている。第２角度δ2の傾斜は、限定的ではないが、約５．０度〜約１８．０度の範囲である。フィン２３はベーン２１によって画定されているので、フィン２３及びベーン２１は、上述したように、角度（β、δ1及びδ2）で傾斜している。
図４ｄにおいて、ベーン２１は、（「＋」で示された）軸Ｚを中心にし、所定直径を有する（点線で示された）円Ｃtに対して接線方向にある。図４ｄにおいて、ベーン２１の接線方向の一例が、主スロットＰを通って円Ｃtの円周に正接する接線ｔを有する複数のベーン２１で示されている。（「＋」で示された）軸Ｚを通る線Ｍと、やはり円Ｃtに正接する平行線Ｎとの間に半径Ｒが画定される。円Ｃtの所定直径は、その半径Ｒの２倍である（すなわち、Ｃt＝２・Ｒ）。所定直径は、限定的ではないが、約３．０ｍｍ〜約１２．０ｍｍの範囲である。
図２、図４ａ、図４ｃ、図４ｄ、図１２ａ、図１２ｂ及び図１３には、ベーン２１の上面２９の少なくとも一部分が、（点線で示された）略平面部分２９ａを有する。好ましくは、図４ｄに示されているように、略平面部分２９ａが、上面２９の全体に及ぶ。上面２９の略平面部分２９ａの１つの利点は、ファンを略平面部分２９ａに取り付けることができることである。
図４ｆ、図５ａ、図６ａ及び図６ｂには、サーマルコア４０の取り付け表面１９が、ヒートマス１１のベース１７とほぼ同一平面上にあるように示されている。しかし、取り付け表面１９は、ベース１７と同一平面上にある必要はない。たとえば、取り付け表面１９をベース１７より引っ込めることや、取り付け表面１９をベース１７から外に延出させることができる。図５ａ及び図６ａでは、ベース１７が、サーマルコア４０を挿入するための開口１７ａを有する。しかし、図６ｂに示されているように、サーマルコア４０がベース１７の幅全体にわたることができ、それにより、開口１７ａは、サーマルコア４０の外縁部に一致する。
図７において、テーパボア１４ａは、ねじ付きボア１３ｂに向かう方向に徐々に狭くすることができる。テーパボア１４ａは、制限的ではないが、図７に示されたような円弧形輪郭、図４ｆ、図１３及び図１５に示されたような傾斜輪郭、または傾斜及び円弧形輪郭の組み合わせを含む輪郭を有することができる。
図１４及び図１５では、ファン７０が、上面２９の略平面部分２９ａに取り付けられた位置にある。ファン７０は、冷却装置１０のチャンバ３０内へ点線矢印ａｆで示された方向に流入する空気流（図４ｆの参照文字Ｆを参照されたい）を発生する。シュラウド（囲い板）７３が、複数のファンブレード７７（ファンの羽根）を有するロータハブ７９（ブレードが取付けられる中心部分）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、ファンブレード７７は、矢印ｒｒで示された方向に回転することができる。シュラウド７７に貫設された幾つかの穴７５に締結具８９をはめ込むことができる。ファン７０は、矢印ａｆで示されているように、上縁部２９からベース１７に向かう方向にチャンバ３０内へ空気を吹き込む場合と反対に、冷却装置１０内でベース１７から上縁部２９に向かう方向に空気を吸い出すように、空気流Ｆを矢印ａｆと逆の方向に流すこともできる。
フレーム８１及び幾つかの固定具８３を有する取り付けリング（環状部材）８０が、滑らかな半径方向外側部分３７の表面３７ａに当接している。滑らかな半径方向外側部分３７の表面３７ａの直径は、取り付けリング８０のフレーム８１の内径より大きく、そのため、ベーン及びフィン２１、２３から滑り落ちることなく、滑らかな半径方向外側部分３７に適切に面接触する位置にフレーム８１を押し進めることができる。取り付けリング８０がベーン及びフィン２１、２３から滑り落ちるのは、ベース１７の方向だけであり、それは、ベーン及びフィン２１、２３の直径がその方向に狭くなっているからである。
固定具８３は、締結具８９と、任意であるが追加の締結具８７とを受け取り、それにより、図１４に示されているように、ファン７０が上面２９に固定連結される。締結具８７、８９は、図示のようなナット及びボルトか、別の形式の締結具にすることができる。好ましくは、ファン７０を取り付けリング８０で連結した時、ファン７０の回転軸Ｂが、冷却装置１０の軸Ｚと同一線上にある。取り付けリング８０に適した材料には、限定的ではないが、金属、プラスチックまたはセラミックがある。取り付けリング８０は、機械加工、鋳込み、成形及び圧力ダイカストによって製造することができる。
以上の説明では、取り付けリング８０をファン７０に連結する１つの手段として締結具に注目しているが、本発明は、締結具だけに制限されないと解釈されるべきである。たとえば、ファンのラッチ（掛け金）を取り付けリング８０の相補形ラッチ輪郭と組み合わせることができるであろう。取り付けリング８０は射出成形プロセスで形成することができるので、ファン７０を取り付けリング８０に取り付ける多くの可能手段が存在し、締結具は、それらの多くの可能手段の一例である。
図１４では、ファン７０が、上面２９の略平面部分２９ａに取り付けられた状態に示されている。説明のため、１組の締結具８７、８９だけが、穴７５及び固定具８３に通して取り付けられた状態に示されている。ファン７０の電力線７２が、ベーンまたはフィン２１、２３を通る、またはそれと接触する必要がないように配置される。２本のワイヤ（＋及び−）だけが図示されているが、電力線７２は、ファン７０を操作する（たとえば、ファン７０のオンまたはオフ、ファン速度制御）回路との通信用、またはファン７０が適切に動作中であるかの決定用の１本または複数本の追加ワイヤなどの追加ワイヤを含むことができる。
図１４には１つのファン７０だけが示されているが、２つ以上のファン７０を積み上げることができ、その場合、穴７５を整合させて、もっと長い締結具８９を穴７５に通して、取り付けリング８０の固定具８３にはめ込むことができる。したがって、本発明の冷却装置１０の別の利点は、チャンバ３０に流入する空気流Ｆを発生させるために複数のファン７０を使用することができることである。複数のファン７０を使用することにより、１つまたは複数のファンが故障した場合の冗長冷却が可能になる。反対に、フィンで形成されたキャビティ内にファンが取り付けられている従来型のファン援用ヒートシンクでは、複数のファンをキャビティ内に取り付けることが非常に困難である。さらに、ファン７０は、チャンバ３０内に取り付けられないで、ファン７０を上面２９に取り付けることにより、電力線７２がベーン２１を通ることに伴う危険がなくなる。
ファン７０を上面に取り付けるさらなる利点として、ベーン及びフィン２１、２３の１つまたは複数が破損した場合、ファンブレード７７がチャンバ３０内に配置されていないので、ブレード７７が破損ベーンまたはフィン２１、２３と接触することはなく、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くなる。図４ａ、図４ｂ、図４ｄ及び図４ｅにおいて、フィン２３にノッチ３１を形成することができる。ノッチ３１は、シュラウド７３側の位置合わせタブ（図示せず）にとって相補的な形状を有することができ、それにより、ファン７０を上面２９に取り付けた時、位置合わせタブがノッチ３１と組み合わされる。ノッチ３１を利用して、ファン７０を冷却装置１０に対して適切な向きに置くこと、及び／またはシュラウド７３及び冷却装置１０間の相対移動の防止を確実に行うことができる。
図１５において、図４ｄを参照しながら上述したように、ベーン２１の接線方向付けは、２つの要因によって決定することができる。第１要因は、ランド１３Ｌの上部から上面２９までの高さｈ1である。たとえば、高さｈ1が約７．５ｍｍである時、ベーン２１は、直径が約６．５ｍｍの円Ｃtに正接することができる。他方、第２要因は、ランド１３Ｌの上部からファンブレード７７の底部７６までの高さｈ2である。たとえば、高さｈ2が約２．０ｍｍ〜約８．５ｍｍの範囲で変化する時、円Ｃtの直径は、約３．０ｍｍ〜約１２．０ｍｍにすることができる。以上は例示にすぎず、高さｈ1、ｈ2が上記範囲に制限されることはないと解釈されるべきである。上述したように、ファンブレード７７は、チャンバ３０内に配置されないで、ベーン及びフィン２１、２３の上面２９の上方に位置し、そのため、ファンブレード７７がベーンまたはフィン２１、２３と接触しないであろう。
上述したようにベーン２１が軸Ｚに対して傾斜する角度（β、δ1及びδ2）は、図１５に示されているファンブレード７７のピッチ角θ（傾斜角：Ｚ軸との角度）にほぼ一致するか、それにかなり近いように設定することができる。反対に、角度（β、δ1及びδ2）をピッチ角θの所定範囲内にあるように設定することもできる。たとえば、ピッチ角θが約１５．０度で、角度βが約１７．０度であるか、または、ピッチ角θが約１２．０度で、角度δ1が約１７．０度、角度δ2が約８度であるようにすることができる。
本発明の冷却装置１０の別の利点として、ベーン２１の上記接線方向及び傾斜と、内壁２６の空力的輪郭の第１及び第２部分２５、２７とによって、空気流Ｆに低抵抗路が与えられ、それにより、空気流の衝撃騒音が低下する。また、低抵抗路であるため、ファン７０を低ＲＰＭファンにすることができ、これは、高回転速度で動作するファンより発生騒音レベルが低く、また、低電力で動作することができる。
図１５の冷却装置１０の断面図は、ボス１３、第２部分２７、第１円弧形表面輪郭２１ａ及び第２円弧形表面輪郭２３ａの円弧形状の半径も示している。
ボス１３の円弧形輪郭は、１つにはボス１３に望まれる熱質量によって決まる半径ｒBを有することができる。たとえば、約５０．０グラムの熱質量（約５０．０グラム相当の熱容量）の場合、ボス１３の円弧形輪郭の半径ｒBは、約２．５ｍｍである。ｒBの実際の値は、用途に応じて決まり、上記値は例示にすぎない。本発明は、上記値に制限されないものと解釈されたい。
さらに、第１及び第２円弧形表面輪郭２１ａ、２３ａの円弧形表面輪郭は、半径がそれぞれｒV及びｒFである。たとえば、半径ｒVは約３８．０ｍｍ〜約４５．０ｍｍ、半径ｒFは約３１．０ｍｍ〜約３８．０ｍｍにすることができる。内壁２６の第２部分２７は、半径ｒCを有する。半径ｒCは、たとえば、約２０．０ｍｍにすることができる。ｒV、ｒC、ｒF及びｒBの実際の値は、用途に応じて決まり、上記値は例示にすぎない。本発明は、上記値に制限されないものと解釈されたい。
上記半径は、冷却装置１０を形成するために使用される機械加工処理によって決定することができる。半径用の基準点は、冷却装置１０上の点に対応させる必要はない。半径ｒB及びｒCは、鍛造処理によって形成することができる。それらは、ダイカスト処理を使用して加工または製造することもできる。半径ｒV及びｒFは、冷却装置１０を材料ブランクから鍛造した後に機械加工することによって形成することができる。
図１６に示された本発明の１つの実施形態では、シュラウドを備えていないファン７４（すなわち、図１４及び図１５のシュラウド７３がない）が、スペースフレーム(space frame)９０によって冷却装置１０の上面２９の上方に配置されている。ファン７４のステータ７１が、スペースフレーム９０に連結され、複数のアーム９１が、上面２９の幅方向にわたり、アーム９１の端部のフィンガ９３（指状部材）が、スペースフレーム９０を冷却装置１０に、それの滑らかな半径方向外側部分３７の表面３７ａ付近に固定している。したがって、上述したように、ファン７４からの空気流がチャンバ３０に流入することができるように、ファン７４のハブ７９及びブレード７７が、チャンバ３０の上方に配置される。さらに、ファン７４からの電力線７２は、冷却装置１０のフィン及びベーン２１、２３を避けて、又、ファンブレード７７を避けて通すことができる。スペースフレーム９０は、ステータ７１と一体成形することができ、あるいは、スペースフレーム９０は、金属またはプラスチック材料で、非導電性であることから好ましくはプラスチックで作製することができる。スペースフレーム９０は、ファン７４をチャンバ３０の上方に配置し、そのため、ファンブレード７７は、チャンバ３０内に位置しないで、ベーンまたはフィン２１、２３と接触しないであろう。
図１５において、冷却装置１０のベース１７は、ベース１７の外へ延出する少なくとも２つの突起２２を有する。図１７において、熱接続材２４が、熱拡散器４０(heat spreader 40)の取り付け表面１９と接触しており、突起２２の間に位置している。突起２２は、取り付け表面１９が構成部品５０と接触している時の熱接続材２４の破損を防止する。突起２２はまた、製造時、移送時及び／または取り扱い時の熱接続材２４の破損を防止することができる。熱接続材２４は、構成部品５０の構成部品表面５１と接触しており、熱接続材２４は、構成部品表面５１からの廃熱を取り付け表面１９を介してサーマルコア４０及びヒートマス（図１０ａを参照）に伝達する熱伝導路を提供する。突起２２は、冷却装置１０を構成部品５０に取り付ける時の熱接続材２４の圧潰、変形または他の破損を防止する。
突起２２は、ベース１７の外へ距離ｄPだけ延出している。距離ｄPは、用途に応じて決まり、とりわけ、熱接続材２４の厚さによって決まる。距離ｄPは、約０．２ｍｍ〜約１．０ｍｍにすることができる。好ましくは、取り付け表面１９は、略平面表面であり（すなわち、ほぼ平坦であり）、取り付け表面１９は、軸Ｚに対してほぼ垂直である（すなわち、約９０．０度、図１６の角αを参照）。
また、熱接続材２４は、取り付け表面１９及び構成部品表面５１間の微細空隙（すなわち、ギャップ）を封止し、それによって、構成部品５０から冷却装置１０への熱伝導を高める。熱接続材２４に適した材料には、限定的ではないが、熱伝導性ペースト、熱伝導性グリース、シリコーン、パラフィン、相転移材料、グラファイト、コーティッドアルミニウム箔、及び炭素繊維がある。熱接続材２４は、たとえば、熱拡散器４０の取り付け表面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。
本発明の別の実施形態では、図８ａ、図８ｂ及び図９に示されているように、サーマルコア４０の取り付け表面１９は、上記突起２２を有することができ、これらの突起は、取り付け表面１９の外へ距離ｄPだけ延出して、上述したように、熱接続材２４の破損を防止する機能を有する。好ましくは、ベース１７または取り付け表面１９のいずれか一方が、突起２２を有する。
図１８において、熱放散システム１００は、上述の冷却装置１０と、上述したように上面２９に連結されたファン７０と、冷却装置１０によって冷却すべき構成部品５０と、ベース取り付け部(base mount)３００とを備えている。構成部品５０の構成部品表面５１が、取り付け表面１９と接触している。他方、図１０ａを参照しながら上述したように、熱接続材２４を、構成部品表面５１及び取り付け表面１９間に配置してもよい。
いずれの場合も、廃熱は、構成部品表面５１及び取り付け表面１９間の直接的接触によるか、熱接続材２４を介して、構成部品表面５１から取り付け表面１９に熱伝達される。ベース取り付け部３００は、取り付け表面１９及び構成部品表面５１を押し付けて互いに接触させ、それにより、構成部品５０の廃熱が冷却装置１０に熱伝達される。
図４ｆでは、サーマルコア４０の取り付け表面１９が、取り付け表面１９の外へ延出する突起２２を有し、上述したように、熱接続材２４が、突起２２の間に配置されている。変更例として、図１７では、ベース１７が、ベース１７の外へ延出する突起２２を有し、上述したように、熱接続材２４を取り付け表面１９に接続させて、突起２２の間に配置することができる。
本発明の別の実施形態では、構成部品５０が、支持装置９９で担持されている。支持装置は、限定的ではないが、ソケット、基板及びＰＣボードを備えている。ソケットは、電子機器の技術分野では既知の方法でＰＣボードに取り付けることができる。たとえば、構成部品は、ＰＣボードにはんだ付けされたソケットに挿入されるマイクロプロセッサにすることができる。ベース取り付け部３００は、支持装置９９に取り外し可能に連結される。
他方、支持装置は、構成部品５０をはんだ付けまたは他の方法で電気接続されたＰＣボードにすることができる。本発明は、電子構成部品から廃熱を放散させる有用性に関して冷却装置１０を説明してきたが、冷却装置１０及びシステム１００は、電子機器の冷却だけに制限されないと解釈されるべきである。したがって、構成部品５０は、熱の除去が望まれる任意の発熱装置にすることができる。そのため、支持装置９９は、ＰＣボードまたはソケットでなくてもよい。支持装置９９は、構成部品５０を担持する基板にすることができる。構成部品５０は、基板と電気接続していても、そうでなくてもよい。
図１８において、ベース取り付け部３００は、ヒートシンクをＰＣボードに取り付けるために使用される形式などのベースプレートである。ベース取り付け部３００に設けられた複数の穴３００ａ及び支持装置９９に設けられた複数の穴９９ａに締結具８７、８９がはめ込まれ、これらの締結具が、ベース取り付け部３００を支持装置９９に取り外し可能に連結する。ナット及びボルトが図示されているが、他の締結具及び他の締結方法を使用して、ベース取り付け部３００を支持装置９９に取り外し可能に連結することができる。
システム１００は、図１６を参照しながら上述したシュラウドなしのファン７４を有することができる。シュラウドなしファン７４は、ファン７４を支持するスペースフレーム９０を有し、スペースフレーム９０はさらに、空気流ａｆがチャンバ３０に流入するように、シュラウドなしファン７４をチャンバ３０の上方で上面２９に隣接させて配置する。上述したように、スペースフレーム９０は、上面２９の幅方向にわたる複数のアーム９１を有し、アーム９１上のフィンガ９３が、スペースフレーム９０を外壁３２の滑らかな半径方向外側部分３７に固定する。
好ましくは、ヒートマス１１、ベース１７及びベーン２１は、均質に形成されている。ヒートマス１１、ベース１７及びベーン２１を均質に形成するために、押し出し加工処理を使用することができる。ヒートマス１１は、限定的ではないが、銅（Ｃｕ）、銅合金、電解銅、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、セラミック、金（Ａｕ）、金合金及びシリコン（Ｓｉ）基板などのさまざまな熱伝導性材料で作製することができる。冷却装置１０用の材料の例は、アルミニウム１０６０、またはアルミニウム６０６３である。たとえば、ヒートマス１１、ベース１７及びベーン２１は、押し出し棒から、または鍛造ナッツシェル(forged nutshell)から均質に形成することができる。
同様に、サーマルコア４０は、限定的ではないが、銅（Ｃｕ）、銅合金、銀（Ａｇ）、銀合金、シリコン（Ｓｉ）、金（Ａｕ）、金合金、グラファイト、炭素繊維材、及び炭素繊維強化材を含めたさまざまな材料から作製することができる。
好ましくは、ヒートマス１１及びサーマルコア４０は、互いに固定的に連結される。さらに、相変化液体４１Ｌが蒸気チャンバ４１から漏出するのを防止するために、ヒートマス１１及びサーマルコア４０間の連結を液漏れ防止形にしなければならない。限定的ではないが、ろう付け、溶接及び摩擦攪拌溶接(friction stir welding)（ＦＳＷ）を含めた処理を使用して、ヒートマス１１及びサーマルコア４０を固定的に連結することができる。
図１１ａ〜図１１ｃにおいて、サーマルコア４０をヒートマスのベース１７に取り付けるためのさまざまな構造の例が、点線４０ｄで示されている。図１１ａでは、サーマルコア４０が、ベース１７に直接的に取り付けられている。図１１ｂでは、サーマルコア４０が、ベース１７の開口１７ａに挿入されている（図６ａを参照）。図１１ｃでは、サーマルコア４０が、ベース１７に直接的に取り付けられているが、サーマルコア４０の一部分４０ｃが、ベース１７の形状１７ｃと相補的な形状を有し、これらの相補的形状１７ｃ、４０ｃによって、サーマルコア４０をベース１７に容易に組み合わせることができる。
冷却装置１０は、限定的ではないが、以下に列記するものを含めたさまざまな処理によって製造することができる。第１に、冷却装置１０は、押し出しバーストック（押し出し棒材）から完全に機械加工することができる。第２に、ダイカスト、鍛造またはプレス加工処理を使用して、冷却装置１０の内部及び外部機構２６、３２のいずれか一方または両方を形成した後、機械加工によってベース１７、取り付け表面１９及び突起２２を形成することができる。次に、切断ホィールを使用して、それぞれベーン２１及び２３用の主Ｐ及び補助Ｓスロットを形成した後、ばり取り及び脱脂を行うことができる。第３に、ベーン２１及びフィン２３を含めた冷却装置１０全体を衝撃鍛造する。第４に、ベーン２１及びフィン２３を含めた冷却装置１０全体を圧力ダイカスト(pressure diecasting) する。
プラグ４５は、冷却装置１０について上述したものと同一方法で作製することができ、また、ヒートマス１１及びプラグ４５の両方に、同様または同一材料を使用することができる。
一例として、ヒートマス１１用のナットシェル形を鍛造することができる。次に、ベース１７、１７ａ、チャンバボア１４ａ、ねじ付きボア１３ｂ及びランド１３Ｌを旋盤で丸く削る、すなわち、フライス加工することができる。次に、ねじ付きボア１３ｂにねじを付ける。すりわりのこ（slitting saw）を使用して、ベーン及びフィン２１、２３を形成することができる。ベース取り付け部３００は、ヒートマス１１のベース１７、１７ａにプレス嵌めしてから、ヒートマスにかしめて、冷却装置１０を構成部品５０に取り付ける時に生じる取り付け負荷に耐えるようにする。サーマルコア４０をベース１７にはんだ付けすることができ、それによって蒸気チャンバ４１を形成した後、蒸気チャンバ４１を洗浄してから、蒸気チャンバ４１に相変化液体４１Ｌを充填する。次に、冷却装置１０を真空室に入れて、プラグ４５にシーラント材４４ｓを塗布し、ガスケット４４ｇをねじ付きネック４９に装着する。次に、プラグ４５を約２１(ｉｎ−ｌｂｓ)のトルクで締め付けて、蒸気チャンバ４１を密封する。好ましくは、シーラント材４４ｓを硬化させるために、冷却装置を約５．０分以上にわたって真空室に入れておかなければならない。硬化後、冷却装置１０を真空室から取り出すことができ、相変化液体４１Ｌが低圧で蒸気チャンバ４１内に封入されているであろう。
上面２９での直径を７０ｍｍ、ヒートマス１１の底面１１ａでの直径を６０ｍｍにして、冷却装置１０の例示的モデルを作製した。ベース１７は、直径が５２ｍｍ、底面１１ａからの高さが６．５ｍｍであった。冷却装置１０は、取り付け表面１９から上面２９までの全高が約４９ｍｍであった。ヒートマス１１は、取り付け表面１９からボス１３の上部までの全高が約２５ｍｍであった。滑らかな湾曲部分３３は、半径が約２０ｍｍであり、ドラフト部分３５は、直径が約６５ｍｍであった。
さらに、ファン７０として、長さ、幅及び高さが６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍの寸法のＤｅｌｔａ（登録商標）ファン、型番ＥＦＢ０６１２ＶＨＢを、図１４に示されているように、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ているＰＧＡ４７８コネクタによって担持されているプロセッサに、冷却装置１０を取り付けた。プロセッサは、上面が約３３ｍｍ×３３ｍｍであり、熱出力が３６ワットであった。本段落に記載した冷却装置１０は、周囲温度３０．０°Ｃにおいてプロセッサのケース温度(case temperature)を４５°Ｃに維持することができた。上記温度に基づいて、７０ワットの熱出力の場合の１５．０°Ｃの温度差から、冷却装置１０の予想熱抵抗：
０．２１４３°Ｃ／ワット；（１５．０°Ｃ／７０ワット＝０．２１４３°Ｃ／ワット
が求められる。
本発明の幾つかの実施形態を開示して図示してきたが、本発明は、そのように説明して図示した部品の特定形状または配置に制限されない。本発明は、特許請求の範囲だけによって制限される。
本発明は、以下の実施態様を含んでいる。
構成部品５０から熱を放散させる冷却装置１０であって、
（ａ）ベース１７と、該ベース１７の内部に延在するチャンバ穴１４ａと、及び突起部１３を有する受熱台１１であって、前記突起部１３は、該受熱台１１の軸Ｚを中心にして対称配置され、平面１３Ｌ、及び前記突起部１３に貫設されて前記チャンバ穴１４ａまで延在するねじ付き内孔１３ｂを有する、受熱台１１と、
（ｂ）前記ベース１７に連結された芯材４０であって、前記チャンバ穴１４ａ内に延出した段差面１４ｓ、及び該芯材４０及び前記受熱台１１を前記構成部品５０に熱的に接続させることができる取り付け表面１９を有する芯材４０と、
（ｃ）離間配置される複数の栓部材フィン４２であって、隣接した該栓部材フィン４２間に栓部材スロット４２ｓを画定する複数の栓部材フィン４２と、段差面４８と、該段差面４８から延出したねじ付き首部４９であって、前記段差面４８が前記平面１３Ｌと接触するまで、前記ねじ付き内孔１３ｂにねじ込むことができるねじ付き首部４９、及び該ねじ付き首部４９内に形成された栓部材空洞１４ｂとを有する栓部材４５と、
（ｄ）前記栓部材空洞１４ｂと、前記チャンバ穴１４ａ及び前記段差面１４ｓとによって形成された蒸気チャンバ４１と、
（ｅ）該蒸気チャンバ４１内に低圧で封入されて、前記段差面４８の一部と接触している相変化する液体４１Ｌと、
（ｆ）前記受熱台１１に連結された複数の羽根部２１であって、離間配置されて、前記受熱台１１まで延在する主スロットＰをその間に画定しており、また、前記軸Ｚから半径方向外側方向ｒに増加する表面積を有しており、さらに、該羽根部２１の各々の一部分に貫設されて、該羽根部２１の各々に複数のフィン２３を画定する少なくとも１つの補助スロットＳを有する羽根部２１と、
を備えており、
（ｇ）前記羽根部２１は、上面２９と、空力的輪郭の内壁２６であって、前記突起部１３から延出した第１部分２５、及び該第１部分の終端から前記上面２９まで延在する第２部分２７を有して、前記突起部１３を包囲するチャンバ３０を画定する該羽根部２１の内壁２６と、前記ベース１７から前記上面２９まで拡大する表面輪郭を有する外壁３２であって、前記ベース１７及び前記上面２９間に、滑らかな湾曲部分３３、ドラフト部分３５及び滑らかな半径方向外側の部分３７を有する外壁３２とを含み、
（ｈ）前記芯材内の熱が前記相変化する液体４１Ｌを液相から気相４１Ｖに変換することと、前記チャンバ３０、前記主スロットＰ、前記補助スロットＳ及び前記栓部材スロット４２ｓを通る空気流Ｆとによって、熱Ｈｗが前記構成部品５０から放散されることを特徴とする冷却装置。
本発明の冷却装置は、マイクロプロセッサ等の電子部品の冷却に利用可能である。
本発明に従った冷却装置の斜視図（profile）である。 本発明に従ったチャンバボアまで延在したねじ付きボアを示す冷却装置の上部斜視図である。 本発明に従ったプラグの上部斜視図である。 本発明に従ったプラグの底部斜視図である。 本発明に従ったガスケット及びシーラント材と共にボス及びプラグを示す断面図である。 本発明に従った冷却装置のフィン及びベーンの上部平面図である。 本発明に従った冷却装置のフィン及びベーンの上部平面図である。 図４ｂのＥ−Ｅ部分の詳細図である。 本発明に従った接線に沿ったベーンを有する冷却装置を示す上部平面図である。 本発明に従った冷却装置を通る空気流の上部平面図である。 本発明に従った冷却装置を通る空気流の、図４ｅのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明に従った冷却装置の、図４ｅのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明に従ったサーマルコアの段差面の上部平面図である。 本発明に従ったサーマルコアの取り付け表面の底部斜視図である。 本発明に従ったサーマルコアの取り付け表面の底部斜視図である。 本発明に従ったヒートマスのチャンバボアの底部斜視図である。 本発明に従った円弧形輪郭を有する段差面の断面図である。 本発明に従った傾斜輪郭を有する段差面の断面図である。 本発明に従った蒸気チャンバ、及び取り付け表面上に突起を有するサーマルコアの断面図である。 本発明に従った対流冷却を説明する断面図である。 本発明に従った蒸発冷却を説明する断面図である。 本発明に従った冷却装置の傾斜していない蒸気チャンバを示す断面図である。 本発明に従った冷却装置の傾斜している蒸気チャンバを示す断面図である。 本発明に従ったサーマルコア及びヒートマスの連結状態を示す断面図である。 本発明に従ったサーマルコア及びヒートマスの連結状態を示す断面図である。 本発明に従ったサーマルコア及びヒートマスの連結状態を示す断面図である。 本発明に従った、一定角度で傾斜したベーンを有する冷却装置の側面図である。 本発明に従った、一定角度で傾斜したベーンを有する冷却装置の側面図である。 本発明に従ったヒートマス及びチャンバボアを有する冷却装置の、図４ａのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明に従った冷却装置に取り付けられたファンの側面図である。 ファン、ファンブレード及び本発明に従った冷却装置間のさまざまな寸法関係を示す断面図である。 本発明に従った冷却装置にファンを取り付けるためのスペースフレームの側面図である。 本発明に従った、熱接続材を保護する突起を設けたベースを有する冷却装置の側面図である。 本発明に従った熱放散システムの側面図である。
符号の説明
１０ 冷却装置
１１ 受熱台
１４ａ チャンバ穴
１４ｂ 栓部材空洞
１４ｓ 段差面
１７ ベース
１９ 取り付け表面
２１ 羽根部
３０ チャンバ
４０ 芯材
４１ 蒸気チャンバ
４１ Ｌ相変化する液体
４２ 栓部材フィン
４５ 栓部材
５０ 構成部品

Claims (21)

  1. 構成部品から熱を放散させる冷却装置であって、
    ベースと、該ベースの内部に延在するチャンバ穴と、及び突起部を有する受熱台であって、前記突起部は、該受熱台の軸を中心にして対称配置され、平面、及び前記突起部に貫設されて前記チャンバ穴まで延在するねじ付き内孔を有する、受熱台と、
    前記ベースに連結された芯材であって、前記チャンバ穴内に延出した段差面、及び該芯材及び前記受熱台を前記構成部品に熱的に接続させることができる取り付け表面を有する芯材と、
    離間配置される複数の栓部材フィンであって、隣接した該栓部材フィン間に栓部材スロットを画定する複数の栓部材フィンと、段差面と、該段差面から延出したねじ付き首部であって、前記段差面が前記平面と接触するまで、前記ねじ付き内孔にねじ込むことができるねじ付き首部、及び該ねじ付き首部内に形成された栓部材空洞とを有する栓部材と、
    前記栓部材空洞と、前記チャンバ穴及び前記段差面とによって形成された蒸気チャンバと、
    該蒸気チャンバ内に低圧で封入されて、前記段差面の一部と接触している相変化する液体と、
    前記受熱台に連結された複数の羽根部であって、離間配置されて、前記受熱台まで延在する主スロットをその間に画定しており、また、前記軸から半径方向外側方向に増加する表面積を有しており、さらに、該羽根部の各々の一部分に貫設されて、該羽根部の各々に複数のフィンを画定する少なくとも１つの補助スロットを有する羽根部と、
    を備えており、
    前記羽根部は、上面と、空力的輪郭の内壁であって、前記突起部から延出した第１部分、及び該第１部分の終端から前記上面まで延在する第２部分を有して、前記突起部を包囲するチャンバを画定する該羽根部の内壁と、前記ベースから前記上面まで拡大する表面輪郭を有する外壁であって、前記ベース及び前記上面間に、滑らかな湾曲部分、ドラフト部分及び滑らかな半径方向外側の部分を有する外壁とを含み、
    前記芯材内の熱が前記相変化する液体を液相から気相に変換することと、前記チャンバ、前記主スロット、前記補助スロット及び前記栓部材スロットを通る空気流とによって、熱が前記構成部品から放散されることを特徴とする冷却装置。
  2. 冷却装置であって、前記受熱台は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、電解銅、金、金合金、シリコン基板及びセラミック材料から成る群から選択される材料で作製されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 冷却装置であって、前記芯材は、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、及び炭素繊維強化材から成る群から選択される材料で作製されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  4. 冷却装置であって、さらに、前記取り付け表面と接触している熱接続材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  5. 冷却装置であって、さらに、前記上面に隣接した位置で、前記チャンバの上方に配置された少なくとも１つのファンを備えており、それにより、該ファンによって発生した空気流が、前記チャンバ内を通る前記空気流Ｆを生じることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  6. 冷却装置であって、さらに、前記滑らかな半径方向外側の部分に当接することができる取り付けリングを備えており、該取り付けリングは、前記ファンを前記取り付けリングに連結する締結具を受け取ることができる複数の取り付け固定具を有し、それにより、前記ファンは、前記上面に固定的に連結されることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
  7. 冷却装置であって、前記上面の少なくとも一部分は、略平面部分であり、前記ファンは、前記上面に連結される時、該略平面部分に載置されることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  8. 冷却装置であって、さらに、前記ねじ付き内孔及び前記ねじ付き首部と接触状態にあって、前記相変化する液体を前記蒸気チャンバ内に封入する機能を有するシーラント材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  9. 冷却装置であって、前記シーラント材は、前記栓部材を前記受熱台から熱絶縁することを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
  10. 冷却装置であって、さらに、前記平面及び前記段差面間に配置されて、前記相変化する液体を前記蒸気チャンバ内に封入する機能を有するガスケットを備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  11. 冷却装置であって、前記相変化する液体は、水、フルオロカーボン、四塩化炭素、誘電性の流体、及びエチレンから成る群から選択される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。
  12. 冷却装置であって、前記段差面は、円弧形輪郭及び傾斜輪郭から成る群から選択される輪郭を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  13. 冷却装置であって、前記羽根部は、前記軸を中心にした所定直径の円に対して接線方向にあることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  14. 冷却装置であって、前記所定直径は、約３．０ｍｍ〜約１２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置。
  15. 冷却装置であって、前記羽根部は、前記軸に対して角度βで傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  16. 冷却装置であって、前記羽根部が傾斜する角度βは、約５．０度〜約２５．０度であることを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置。
  17. 冷却装置であって、前記羽根部が傾斜する角度は、前記滑らかな半径方向外側部分に沿って測定した角度である約１０．０度〜約２５．０度の第１角度δ1、及び前記滑らかな湾曲部分に沿って測定した角度である約５．０度〜約１８．０度の第２角度δ2を有することを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置。
  18. 冷却装置であって、前記芯材は、円弧形輪郭及び傾斜輪郭から成る群から選択された輪郭を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  19. 冷却装置であって、前記受熱台、前記ベース及び前記羽根部は、均質に形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。
  20. 冷却装置であって、前記主スロットはさらに、前記受熱台に沿った第１円弧形輪郭を有し、該第１円弧形輪郭は、半径が約３８．０ｍｍ〜約４５．０ｍｍの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。
  21. 冷却装置であって、前記補助スロットは、前記受熱台まで延在し、前記補助スロットはさらに、前記受熱台に沿った第２円弧形輪郭を有し、該第２円弧形輪郭は、半径が約３１．０ｍｍ〜約３８．０ｍｍの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。
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