JP5711468B2 - 分散型及び一体型の噴流冷却機能を有する熱管理システム - Google Patents

Description

本発明は、概して熱管理システムに関し、特に埋込環境において用いられる熱管理システムに関する。

埋込式電子システムを有する環境（以下、埋込環境又は被加熱環境）では、熱管理が問題となる。このようなシステムでは、通常運転の一環として、埋込式電子機器の適正な性能と信頼性とを得るために除去しなければならない廃熱が発生する。埋込式電子機器の冷却を行なう熱管理システムの設計は、空間が制限されるため、非常に難しい問題がある。埋込式電子システムには、シングルボードコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、オペレータインタフェースコンピュータ、ラップトップコンピュータ、携帯電話、携帯型情報端末（ＰＤＡ）、パーソナルポケットコンピュータ及びその他の小型電子装置等が挙げられ、熱管理システムに利用できる空間の大きさは限られている。熱管理システムとして受動冷却式ヒートシンク又は強制空冷を用いて、電子部品からの熱除去を補助する方法は周知である。更に、電子部品によって生じる熱を、電子部品が取り付けられているプリント回路板に伝達することにより、より小さい面積からより大きい面積への熱の移動が達成されることも周知である。しかし、このような技術では、熱除去能力は限られている。

米国特許第７，２６９，４７１Ｂ２号

従って、埋込式電子システムの熱管理システムの改良が求められている。

本発明の一態様は、分散型噴流冷却機能を有するヒートシンクである。ヒートシンクは、少なくとも１つの被加熱体に熱接続するベースを含む。ヒートシンクは更に、ベースに熱結合する配列状のフィンを含む。少なくとも１つの多オリフィス型シンセティックジェット又は多数の単一オリフィス型ジェットが配列状のフィンの側部に設けられる。

本発明のまた他の態様は、分散型及び一体型噴流冷却機能を有するヒートシンクである。ヒートシンクは、少なくとも１つの被加熱体に熱接続するベースを含む。ヒートシンクは更に、ベースに熱結合する配列状のフィンを含む。少なくとも１組のフィンのそれぞれのフィンは、周囲流体をフィンとベースの周囲環境中に噴射するように構成されるシンセティックジェットからなる。

本発明の更に他の態様は、分散型及び一体型噴流冷却機能を有するヒートシンクである。ヒートシンクは、少なくとも１つの被加熱体に熱接続するベースと、ベースに熱結合する配列状のフィンとを含む。ヒートシンクは更に、それぞれのフィンに結合し、周囲流体をフィンとベースとの周囲環境中に噴射するように構成される多数のシンセティックジェットを含む。これらのシンセティックジェットは、少なくとも１組のフィンに設けられる。

上記及びその他の利点と特徴は、添付図面と関連して示される本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明により、より容易に理解されよう。

分散型噴流冷却機能を有するヒートシンクと、このヒートシンクのシンセティックジェットの部分拡大図である。 図１のヒートシンクに用いられる多オリフィス型シンセティックジェットの例示的な構成の図である。 図１のヒートシンクに用いられる例示的な多積層型シンセティックジェット組立体の図である。 可撓性チャンバ壁の収縮に呼応したチャンバからの周囲空気の放出を示す図である。 可撓性チャンバ壁の膨張に呼応したチャンバ内への空気の吸込みを示す図である。 本発明の実施形態のヒートシンクの第１のファン位置を示す図である。 本発明の実施形態のヒートシンクの第２のファン位置を示す図である。 分散型及び一体型噴流冷却機能を有する本発明のまた他の実施形態のヒートシンクの図と、このヒートシンクのシンセティックジェットにおける部分拡大図である。 図８のヒートシンクに用いられる一体型シンセティックジェットを有する単一板型フィンの略図である。 分散型及び一体型噴流冷却機能を有する本発明の他の実施形態のヒートシンクの図であると、このヒートシンクのいくつかのシンセティックジェットを示す部分拡大図である。 図１０のヒートシンクに用いられる、シンセティックジェットの例示的な構造を示す断面図である。 図１〜５のヒートシンクのＶ溝構成を示す図である。 Ｖ溝板型フィン構成を示す図である。 ヒートシンクのベースへの熱結合が高められる図８〜９のフィンの具体的な構成を示す図である。

図１に、分散型噴流冷却機能を有するヒートシンク１０を示す。例えば図１に示すように、ヒートシンクは、少なくとも１つの被加熱体２０に熱接続するベース１２を含む。被加熱体２０は、冷却を必要とするいかなる物であって良く、その非限定的な例には、高性能処理装置及びパワーエレクトロニクス等を挙げられる。ベース１２（底板又はシンク板）は、当該技術分野において周知の様々な熱伝導材料により形成される。ヒートシンク１０は更に、ベースに熱結合する配列状のフィン１４を含む。これらのフィンは、例えば図１に示すように、「ピン型フィン」の二次元配列体として構成される。その他の構成において、フィン１４は、例えば図６及び７に示すように、フィンの間にスロットを形成する「板型フィン」の一次元配列体の形態をとる。簡潔に言えば、被加熱体２０からの熱はベース１２に伝達され、更に、ベースがフィン１４に熱を伝達する。フィン１４により、熱伝達のための表面積が拡大されて、被加熱体２０が冷却される。

図の例において、ヒートシンク１０は更に、配列状のフィンの側部１５、１６に設けられる少なくとも１つの多オリフィス型シンセティックジェット３０を含む。その他の例示的な構成では、多数の単一ジェットが、配列状のフィンのそれぞれの側部１５、１６に設けられる。これらの多数の単一ジェットは、単一のオリフィスを含むことを除いて、本明細書に記載の多オリフィス型シンセティックジェットと同様である。図２に示す例では、多オリフィス型シンセティックジェット３０の各々は、第１の可撓構造３２と、第２の可撓構造３４と、第１及び第２の可撓構造の少なくとも一方に結合する少なくとも１つの活物質３６と、第１及び第２の可撓構造間に配置されてチャンバを形成する弾性壁３８とからなる。図２に示すように、弾性壁は多数のオリフィス３９を形成して、チャンバとフィン１４の周囲環境との間における流体連通を容易にする。図２に示すオリフィスの数は例示にすぎず、これに限定されるわけではないことに注意されたい。非限定的な一例において、弾性壁３８はエラストマーからなる。弾性壁３８のその他の例示的な材料には、ポリマー、にかわ、接着剤、金属及び複合材料等を挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

図２の例示的な構成において、活物質３６は、第１及び第２の可撓構造３２、３４の両方に配置される。図示の可撓構造３２、３４上における活物質３６の位置は、純粋に例示的なものであって、本発明は活物質のいかなる特定の位置にも限定されないことに注意されたい。具体的な実施形態において、活物質はそれぞれの可撓構造と同一の広がりを持つ。その他の実施形態において、活物質は可撓構造の単に一部分の上に延在する。活物質は、単一の連続部分の形態をとる。あるいは、多数の不連続部分状の活物質を用いて、それぞれの可撓構造を作動させることもできる。適切な活物質は、電気刺激によって応力を生成することができる物質である。

適切な活物質の例として、圧電材料、磁わい材料（コイルによる磁場が互いに引き付け合う／反発し合う）、形状記憶合金及びモータ不平衡（質量不平衡を有するモータは揺動運動を生成する）等が挙げられる。組をなす圧電材料において、適切な活物質は、２つの圧電層が位相外れで付勢されて屈曲が生じるバイモルフ圧電構成、１つの圧電層が予応力ステンレス鋼シムの上に設けられるサンダー構成、１つの圧電層が黄銅シムの上に設けられるブザー素子構成、及びフレキシブル回路上の圧電繊維複合材料がシムに接合されるＭＦＣ構成を含む。活物質には、セラミック材料が組み込まれる。

図３に示すように、ヒートシンク１０は、単一又は多オリフィス型シンセティックジェット３０の積層体６０を含む。図１を参照して説明した構成と同様に、積層体６０は、配列状のフィン１４の側部１５、１６の一方に設けられる。図３では、２つの多オリフィス型シンセティックジェットの積層体を示すが、積層体６０は、冷却用途（例えばフィン１４の高さ）によって、いかなる数のシンセティックジェットを含んでも良い。シンセティックジェット３０は、図３に示すように、スペーサ４２によって分離される。非限定的な一例において、スペーサ４２はプラスチックからなる。

図１に概略的に示すように、シンセティックジェット駆動装置４０を設けて、少なくとも１つの活物質３６に電流を印加して、周囲空気流を生じさせる。シンセティックジェット駆動装置４０は、例えば電線又は可撓性相互接続部を用いて活物質１３６に電気的に結合する。簡潔に言えば、シンセティックジェット駆動装置４０からの電流を活物質により受け、機械エネルギーに変換される。例えば図４に示すように、活物質３６は、可撓壁３２、３４に対する応力を生成して、該可撓壁を内方に撓ませて、チャンバ容積の変化とチャンバ７０内への周囲空気の流入とを引き起こすと共に、該可撓壁を外方に撓ませて、周囲空気をチャンバ７０からオリフィス３９を介して噴射する。同様に、図５に示すように、活物質３６が可撓性チャンバ壁３２、３４に対する応力を生成して該可撓性チャンバ壁を膨張させ、その結果チャンバ容積のまた別の変化を引き起こすと、周囲空気はチャンバ７０内にオリフィス３９を介して引き込まれる。このような態様で、駆動装置４０はジェット３０を作動させる。

シンセティックジェット駆動装置４０は、その他のヒートシンク要素と同じ位置に配置されても良く、又は離れて配置されても良い。電流は、正弦波、方形波、山形波又は何らかのその他の適切な波形として供給され、この電流は、いかなる特定の波形にも限定されないことを理解されたい。しかし、例えば正弦波等のより低い調波を有する電流を用いると、より静かなシンセティックジェット３０が得られることが分かった。電流の電圧レベルは、１〜１５０ボルトの範囲内とされるが、これに限定されるわけではない。電流の周波数は、騒音の低減を要する実施形態では２〜３００ヘルツの範囲内、騒音レベルの低減を要さない実施形態では３００ヘルツ〜１５キロヘルツの範囲内とされる。

図１に示す例示的な構成では、ヒートシンク１０は、配列状のフィン１４のそれぞれの側部１５、１６に設けられる多数の多オリフィス型シンセティックジェット３０を含む。特に、図１の構成では、配列状のフィン１４のそれぞれの側部１５、１６に設けられる、２つの多オリフィス型シンセティックジェット３０がある。図１の矢印で示すように、この例示的な構成において、オリフィスは、空気をフィン１４間で誘導し、且つ空気をフィン１４間から引き込むように設けられる。

オリフィス３９は、所望の冷却流及び配列状のフィン１４の構成によって、様々な配置に構成される。一つの例示的な構成では、少なくとも１組のオリフィス３９は、周囲流体を直接フィン１４に噴射するように配置される。また他の例示的な構成では、少なくとも１組のオリフィス３９は、フィン１４の対向面１１に対して横向きの角度をなして配向される。ある一定の構成では、周囲流体は、例えば図４に示すように、フィン１４の平面に対して垂直に噴射される。

例えば図６に示すように、具体的な実施形態において、ヒートシンク１０は更に、配列状のフィン１４の入口及び出口側２１、２３の一方に設けられるファン５０を含む。ファン５０はフィン１４を介して周囲流体を引き込むように構成され、ファン５０によって引き込まれる周囲流体は、多オリフィス型シンセティックジェット又は多数の単一ジェットから噴射される周囲流体と相互作用して、冷却作用を無噴流状態と比べて更に少なくとも１０％高める。フィン１４の入口側２１にファン５０を設ける構成では、ファン５０は、流れを配列状のフィンの方へと付勢するように構成される。同様に、配列状のフィンの出口側２３に設けられるファン５０は、配列状のフィンを介して流れを引き寄せるように構成される。図７では、ファン５０が配列状のフィン１４の上に設けられ、周囲流体をフィン１４に吹き付けるように構成されるまた他の構成を示す。

多数の異なるフィンの構成が、図１〜５のヒートシンクに用いられる。図１に示す構成では、フィン１４はピン型フィンであり、規則的な配列で配置される。図１２では、フィン１４が千鳥配置されて（偏移して）Ｖ溝冷却構成をなす、図１〜５のヒートシンクのまた他のピン型フィン構成を示す。図１３はＶ溝板型フィン構成を示す。特定の状況下において、コンピュータシミュレーションの結果から、Ｖ溝構成は、例えば図６及び７に示す従来の板型フィン構成と比べて、性能が３０パーセント向上することが分かった。冷却作用が向上するのは、主に、ヒートシンクのＶ溝フィン配列では渦流がより効率的に制限されるからである。ファンからの空気流とは異なり、渦双極子を取り巻く流れ場は、一般的にヒートシンクのフィンの隙間に対して平行ではない速度ベクトルによって構成される。その結果、これらの渦流が従来の（溝を有さない）ヒートシンクに接近する時、その局所接近速度がフィンの隙間と十分に整合せず、隙間における空気への運動量の不完全な伝達が引き起こされる。Ｖ溝形成は、双極子内に含まれる運動量の取り込みを向上させると共に、ヒートシンクからの熱伝達を高める。図１２及び１３では、対称なＶ溝を有するＶ溝構成を示すが、本発明はこれらの構成に限定されるわけではなく、非対称のＶ溝構成も用いられ得ることに注意されたい。同様に、図１２及び１３では、ジェットのそれぞれの中心線と整合する中心線を有するＶ溝を示すが、Ｖ溝の中心線がジェットの中心線から偏移する偏移構成も用いられ得る。同様に、これらの構成を組み合わせたもの（それぞれのジェットに関して偏移する非対称のＶ溝）も用いられ得る。

図８〜９に、分散型及び一体型噴流冷却機能を有する本発明の実施形態のまた他のヒートシンク１００を示す。例えば図８に示すように、ヒートシンク１００は、少なくとも１つの被加熱体２０に熱接続するベース１２を含む。上述のように、本発明は特定の種類の被加熱体の冷却に限定されるのではなく、むしろ様々な被加熱体の冷却に用いられる。ヒートシンク１００は更に、ベース１２に熱結合する配列状のフィン１１４を含む。図８に示す例示的な構成では、「板型フィン」の二次元配列体が用いられる。少なくとも１組のそれぞれのフィンは、周囲流体をフィンとベースとの周囲環境中に噴射するように構成されるシンセティックジェット１０２を含む。特定の実施形態において、シンセティックジェット１０２はフィン１１４の各々に組み込まれる。シンセティックジェット１０２を図８により詳細に示す。

図１１に、図８のヒートシンクに用いられる一体型シンセティックジェットを有する単一板型フィン１１４を概略的に示す。図９に示すように、一体型ジェット１０２を有するフィン１１４の各々は、第１の可撓構造１３２と、第２の構造１３４と、第１の可撓構造１３２に結合する少なくとも１つの活物質１３６とからなる。活物質１３６については、ヒートシンク１０を参照して上述している。図８〜９の一体型の実施形態において、可撓構造１３２、１３４の例示的な材料には、アルミニウム及び銅等の金属を基本とする材料、複合構造、例えば炭素繊維充填材料、及び熱伝導性ポリマーを基本とする材料が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。弾性壁１３８は、第１及び第２の構造１３２、１３４間に配置されることで、チャンバを形成する。弾性壁１３８は、チャンバと周囲環境との間における流体連通を容易にする少なくとも１つのオリフィス１３９を形成する。

より具体的な実施形態によれば、第２の構造１３４は可撓性であり、活物質１３６は第１及び第２の可撓構造１３２、１３４の少なくとも一方に結合する。より具体的な実施形態において、活物質１３６は両方の可撓構造１３２、１３４にも結合し、これらの両方の壁が作動する。上述のように、活物質は単一の連続部分の形態をとり得る。あるいは、多数の不連続部分状の活物質を用いて、それぞれの可撓構造を作動させても良い。

図１４に、ヒートシンクのベースへの熱結合が高まる、図８〜９のフィン１１４の具体的な構成を示す。図１４の例示的な構成において、一体型ジェットを有するフィン１１４の各々は更に、第１及び第２の構造１３２、１３４間に延在すると共にフィンをベース１２に熱結合させるように設けられる少なくとも１つの熱伝導部１４０を含む。図１４に示す例示的な例において、フィン１１４は２つの熱伝導部１４０を含む。熱伝導部１４０の材料の非限定的な例として、銅等の金属が挙げられる。例示的な構成において、熱伝導部１４０は、例えばろう付けによって底板に取り付けられる。

図９に示す例では、１つ以上のシンセティックジェット１０２を作動させるために、少なくとも１つのシンセティックジェット駆動装置４０が設けられる。シンセティックジェット駆動装置４０は、例えば電線又は可撓性相互接続部を用いて活物質１３６に電気的に結合する。上述のように、シンセティックジェット駆動装置４０は、その他のヒートシンク要素と同じ位置に配置されても良く、又は離れて配置されても良い。シンセティックジェット１０２の作用は、図４及び５を参照して上述した多オリフィス型シンセティックジェット３０の作用と同様である。

図８〜９及び１４を参照して説明した実施形態のヒートシンク１００の利点には、より大きい表面積を有する小型で比較的軽量の設計であることが挙げられる。また、この設計は、活物質が本質的にフィンによって保護されるという点において、丈夫である。

更に、シンセティックジェット１０２は、用途によって、単独で、又は１つ以上のファン５０と組み合わせて用いられる。図６を参照して上述したように、ファン５０は、配列状のフィン１１４の入口及び出口側１２１、１２３の一方に設けられる。ファンはフィン１１４を介して周囲流体を引き込むように構成され、ファン５０によって引き込まれる周囲流体がシンセティックジェット１０２から噴射される周囲空気と相互作用して、冷却作用が更に高められるようになっている。同様に、図７を参照して上述したように、ファン５０は、配列状のフィン１１４の上に設けられ、周囲流体をフィン１１４に吹き付けるように構成される。

図１０〜１１に、分散型及び一体型噴流冷却機能を有する本発明のまた他のヒートシンク２００の実施形態を示す。例えば図１０に示すように、ヒートシンク２００は、少なくとも１つの被加熱体２０に熱接続するベース１２を含む。上述のように、被加熱体２０は、冷却を必要とするいかなる物であって良い。ヒートシンク２００は更に、ベース１２に熱結合する配列状のフィン２１４を含む。少なくとも１組のフィンは、周囲流体をフィン２１４とベース１２との周囲環境中に噴射するように構成されるシンセティックジェット２０２を含む。図１０に示す例示的な構成において、フィン２１４の各々は、シンセティックジェット２０２に結合する。しかし、その他の構成（図示せず）では、シンセティックジェット２０２は、１組のフィン２１４に関してのみ設けられる。

図１１に、図１０のヒートシンクに用いられるシンセティックジェット２０２の例示的な構成の断面図を示す。図１１に示す例示的な構成において、シンセティックジェット２０２は、少なくとも１つの可撓構造２３２と、第２の構造２３４と、可撓構造２３２に結合する少なくとも１つの活物質２３６とからなる。弾性壁２３８は、可撓構造２３２と第２の構造２３４との間に配置されることで、チャンバを形成する。弾性壁は、参照符号２３９で示される少なくとも１つのオリフィスを形成して、チャンバと周囲環境との間における流体連通を容易にする。例示的な活物質と弾性壁の材料については上述している。可撓構造２３２、２３４の例示的な材料には、金属、導電性ポリマー及びプラスチックが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

図１１に示す例示的な構成では、第２の構造２３４は第２の可撓構造２３４からなり、活物質２３６は、第１及び第２の可撓構造の少なくとも一方に結合する。図１１に示す具体的な構成では、活物質２３６は両方の可撓構造２３２、２３４に結合して、例えば電流の印加と同時に両方の構造が作動するようになっている。更に、図１１に示す構成では、第２の可撓構造２３４は、シンセティックジェット２０２が非作動状態にある時に、隙間２１６によりフィン２１４の表面２１１から分離される。

シンセティックジェット２０２の作用は、図４及び５を参照して上述したシンセティックジェット３０の作用と同様である。一般に、シンセティックジェット駆動装置４０が設けられて、少なくとも１つの活物質２３６に電流が印加されて、周囲空気流が形成される。シンセティックジェット駆動装置４０は、例えば電線又は可撓性相互接続部を用いて活物質２３６に電気的に結合する。簡潔に言えば、シンセティックジェット駆動装置４０による電流の印加と同時に、活物質２３６は、可撓壁２３２に対する応力を生成して、可撓壁２３２を内方に撓ませて、チャンバ容積の変化とチャンバ２７０内への周囲空気の流入とを引き起こすと共に、該可撓壁を外方に撓ませて、周囲空気をチャンバ２７０からオリフィス２３９を介して噴射する。同様に、活物質２３６が可撓性チャンバ壁２３２に対する応力を生成して該可撓性チャンバ壁を膨張させ、その結果チャンバ容積のまた別の変化を引き起こすと、周囲空気はチャンバ２７０内にオリフィス２３９を介して引き込まれる。このような態様で、駆動装置４０はジェット２０２を作動させる。上述のように、シンセティックジェット駆動装置４０は、その他のヒートシンク要素と同じ位置に配置されても良く、又は離れて配置されても良い。電流は、正弦波、方形波、山形波又は何らかのその他の適切な波形として供給され、この電流は、いかなる特定の波形にも限定されないことを理解されたい。

更に、シンセティックジェット２０２は、用途によって、単独で、又は１つ以上のファン５０と組み合わせて用いられる。図６を参照して上述したように、ファン５０は、配列状のフィン２１４の入口及び出口側２２１、２２３の一方に設けられ、ファンは、フィンを介して周囲流体を引き込むように構成され、ファンによって引き込まれる周囲流体がシンセティックジェットから噴射される周囲空気と相互作用して、冷却作用が更に高められる。同様に、図７を参照して上述したように、ファン５０は、配列状のフィン２１４の上に設けられ、周囲流体をフィンに吹き付けるように構成される。

限られた実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がこのような開示の実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明を改変して、上述されていないが本発明の精神及び範囲に相応するいかなる変形、改変、代替又は等価構成を組み込むことができる。また、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、上述の実施形態の一部のみを含むことを理解されたい。従って、本発明は、上述の説明に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (5)

1. 分散型噴流冷却機能を有するヒートシンク（１０）において、
   少なくとも１つの被加熱体（２０）に熱接続するベース（１２）と、
   前記ベースに熱結合する配列状のフィン（１４）と、
   前記配列状のフィンの第１の側部（１５）及び該第１の側部と対向する第２の側部（１６）に該フィンに組み込まれて設けられる一対の多オリフィス型シンセティックジェット（３０）と
   を備えるヒートシンク（１０）。
2. 前記多オリフィス型シンセティックジェットの各々は、
   第１の可撓構造（３２）と、
   第２の可撓構造（３４）と、
   前記第１及び第２の可撓構造の少なくとも一方に結合する少なくとも１つの活物質（３６）と、
   前記第１及び第２の可撓構造間に配置されてチャンバを形成する弾性壁（３８）であって、複数のオリフィス（３９）を形成して、前記チャンバと前記フィンの周囲環境との間における流体連通を容易にする弾性壁（３８）とを備える、請求項１に記載のヒートシンク（１０）。
3. 前記フィン（１４）は、ピン型フィンからなる、請求項１または２に記載のヒートシンク（１０）。
4. 前記配列状のフィン（１４）の上に設けられ、周囲流体を前記フィンに吹き付けるように構成されるファン（５０）を更に備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク（１０）。
5. 前記フィン（１４）は板型フィンからなる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク（１０）。
   

Images