分離型の対流フィンを有する多層ヒートスプレッダアセンブリ

著者らは特許

H05K7/20 - 冷却,換気または加熱を容易にするための変形

の所有者の特許 JP2016528736:

トムソン ライセンシングThomson Licensing

 

2つ以上のヒートスプレッダのアセンブリは、小型電子エンクロージャ内のプリント回路基板に取り付けられる。ヒートスプレッダは、通気口を介して上記エンクロージャの外への熱の対流を補助するフィンを有する。上記プリント回路基板は、上記ヒートスプレッダによって外側のケースからシールドされている。

 

 

関連出願の相互参照
本出願は、2013年8月16日に出願された米国特許仮出願第61/866,776号明細書、および2014年5月15日に出願された米国特許仮出願第61/993,601号明細書の利益を主張し、これらは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本原理は、一般に、電子デバイスに関し、より詳細には、電子デバイスのためのヒートシンク取付け装置および方法に関する。
小型電子エンクロージャ内の熱を管理することは困難である。なぜなら、顧客からの美的要求および性能上の要求により、エンクロージャが電子構成要素にフォームフィット(form fit)され、自然対流で熱を放散するための余地がほとんどないからである。通常、大量の熱を生成する集積回路(IC)は、エンクロージャの中央に位置し、多数の顧客は、エンクロージャ内の、プリント回路基板(PCB)真上に通気開口があることを嫌う。これにより、熱はエンクロージャ内にトラップされ、敏感な構成要素にダメージを与える可能性がある。また、エンクロージャの外側表面が、顧客が触れるのに許容される温度限界を超える可能性もある。
熱を管理するための多数の方法がある。いくつかは、複数の通気開口を使用し、排熱の助けとなるエンクロージャ内の十分な空間を提供することを含む。しかし、多数の顧客は、大きなエンクロージャサイズ、および過度の開口を嫌う。小型電子エンクロージャでは、一般にヒートスプレッダが使用され、熱をエンクロージャの壁内に放射するが、それらの熱消費は制限される。より大きなエンクロージャでは、通気口を通る空気の移動を可能にする、フィン付きヒートシンクが使用されている。フィン付きヒートシンクを有するシステムでは、空気が循環するために十分な余地がなければならず、したがって、この要件は、一般に、より大きなエンクロージャを必要とさせる。ファンおよびブロワが広く使用されているが、それらは多数の顧客に嫌われ得る騒音を生成する。流体が充填されたヒートパイプがエンクロージャの中央から熱を伝達するために使用されているが、そのような方法は高価である。
最も典型的なセットトップボックスでは、PCBには、構成要素およびコネクタがPCBの一方の側に装着されており、そこには、エンクロージャを構成要素にフォームフィットするための美的動機付けがある。これは、通常、エンクロージャの一方の側をPCBに近接して配置し、他方を比較的離して配置する。これは、伝導を通じていくつかの方向で熱を引き、他の方向でエンクロージャからの放射を遮へいすることができることを有用なものにするが、これは、セットトップボックスが追加の高さを有する必要を引き起こす。
したがって、熱を効率的に除去し、小型、静寂、かつコスト効果的であるセットトップボックス設計することがさらに求められていることが理解される。
プリント回路基板4と、第1のプレート部分30および上記第1のプレート部分の2つの側部に沿った第1のフィン8Tを有する第1のヒートスプレッダ1であって、上記第1のプレート部分が上記プリント回路基板の上方にある、第1のヒートスプレッダ1と、第2のプレート部分31および上記第2のプレート部分の2つの側部に沿った第2のフィン8Bを有する第2のヒートスプレッダ3であって、上記第2のプレート部分が上記プリント回路基板の下方にある、第2のヒートスプレッダ3とを備える電子デバイス10が提供される。上記電子デバイスは、上記ヒートスプレッダの1つが、対応するプレート部分内に切込み部分を有するスマートカードアセンブリ5を含むことができ、上記スマートカードアセンブリは、上記切込み部分内に位置決めされる。上記電子デバイスは、第3のプレート部分を有する第3のヒートスプレッダ1aをさらに含むことができ、上記第3のプレート部分は、上記第3のプレート部分の一方の側に沿って追加のフィン8TTを有し、上記第3のプレート部分は、上記切込み部分内に位置決めされる。上記電子デバイスは、外側部16をさらに含むことができ、上記外側部の少なくとも1つは、上記フィンの少なくとも1つに隣接して位置決めされた少なくとも1つの通気口15を有することができる。
さらに、プリント回路基板4と、第1のプレート部分30および上記第1のプレート部分の2つの側部に沿った第1のフィン8Tを有する第1のヒートスプレッダ1であって、上記第1のプレート部分30が上記プリント回路基板の上方にある、第1のヒートスプレッダ1と、第2のプレート部分31および上記第2のプレート部分の2つの側部に沿った第2のフィン8Bを有する第2のヒートスプレッダ3であって、上記第2のプレート部分が上記プリント回路基板の下方にある、第2のヒートスプレッダ3と、上記第1のプレート部分内の切込み部分内で位置決めされる第3のプレート部分を有する第3のヒートスプレッダ1aとを備える電子デバイス10が提供される。上記電子デバイスは、上記第3のプレート部分の一方の側に沿った追加のフィン8TTをさらに含むことができる。
本発明の実施形態では、上記第1のフィンおよび/または第2のフィンは、垂直に向けられ、および互いに平行に向けられ得る。そのような向きの場合、複数の上記第1のフィンおよび第2のフィンが第1のプレート部分および第2のプレート部分の両側に沿って互いに交互することができる。
実施形態では、上記電子デバイスは、上記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも1つの通気口15を有する複数の上記垂直の外側部16を有することができ、上記通気口は、上記フィンに対して直角に向けられる。これらの実施形態は、上記電子デバイスの上部29および底部2を含むことができ、2つの対向する外部垂直側部と、これらの上記対向する外部垂直側部に隣接する上記上部および底部のエッジ部分とは、通気口が上記フィンに対して直角に向けられるように上記フィンに隣接して位置決めされた複数の上記通気口15を有する。さらに、上記底部2は、上記第1の通気口間に第2の通気口17を有することができ、上記第1の通気口15は、細長いものとすることができ、フィンに対して直角となるようにすることができ、第2の通気口は、細長いものとすることができ、フィンに対して平行となるようにすることができる。
本発明について、実施形態を参照し、添付の図面を参照してより詳細に述べる。
本発明によるセットトップボックス10の内部上部正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス10の内部底面正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス10の内部上面図である。 本発明によるセットトップボックス10の内部底面図である。 本発明による内部上面図である。 本発明による内部断面図である。 本発明によるセットトップボックス10の内部上部正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックス10の内部底面正面斜視図である。 セットトップボックスの底部またはベースフレーム2のない内部中実底面図である。 本発明によるセットトップボックスの正面斜視図である。 本発明によるセットトップボックスの底面図である。
実施形態は、一般に、小型電子エンクロージャ内のPCBに取り付けられた2以上のヒートスプレッダのアセンブリを含み、アルミニウムなど、より高い伝導性を有するヒートスプレッダ用の材料を選択することが好ましい。
必要に応じて、ヒートスプレッダが取り付けられる特定の構成要素については、熱伝導性の弾性パッドが使用され得る。
次に、本発明についてより詳細に述べるが、本発明の実施形態は添付の図面に示されている。ヒートスプレッダおよびヒートシンクという表現は、本明細書を通じて代替可能に使用されること、ならびに本発明の実施形態は、ヒートスプレッダおよび/またはヒートシンクを使用することができることを理解されたい。ヒートスプレッダは、高温の構成要素から熱伝導によって熱を抽出し、次いで拡散するように対流および放射によって熱を解放させる、および/または広げる構造であると理解される。ヒートシンクは、ヒートシンクが高温の構成要素から効果的に吸収するように、やはり高温の構成要素から熱伝導によって熱を抽出する十分な量を有する構造であると理解される。
図1は、本発明によるセットトップボックスなど電子デバイス10のいくつかの透視の特徴を有する上部正面斜視図である。上部、正面側、左側、および右側が除去され、内部の特徴をより明瞭に示す。電子デバイス10は、プリント回路基板4と、第1のプレート部分30および第1のプレート部分の2つの側部またはエッジに沿った第1のフィン8Tを有する第1のヒートスプレッダ1であって、第1のプレート部分30がプリント回路基板の上方にある、第1のヒートスプレッダ1と、第2のプレート部分31および第2のプレート部分の2つの側部またはエッジに沿った第2のフィン8Bを有する第2のヒートスプレッダ3であって、第2のプレート部分がプリント回路基板の下方にある、第2のヒートスプレッダ3とを含む。この実施形態および他の実施形態では、ヒートスプレッダ内のエンボスおよびPCB内の穴をねじが通され得る。ねじ山は、ヒートスプレッダエンボス内に、またはエンクロージャ内のプラスチックボス内に押し込まれ得る。特定の場所では、必要とされる熱の伝導に応じて、1つのヒートスプレッダだけ、または他のヒートスプレッダの組合せがPCBに取り付けられ得る。
図2は、本発明によるセットトップボックス10などのいくつかの透視の特徴を有する底面正面斜視図である。底部、上部、正面側、左側、および右側が除去され、内部の特徴をより明瞭に示す。この図では、主な熱生成構成要素、スマートカード/スマートカードアセンブリ5が示されている。ここでは、ヒートスプレッダ3の1つが、対応するプレート部分31内に切込み部分を有し、スマートカードアセンブリ5は、切込み部分内に位置決めされる。
図3は、上部ヒートシンク1およびフィン8Tがどのように接続されるかを示すデバイス10の内部上面図である。この図は、底部ヒートシンク3に接続されるフィン8Bをさらに示し、フィン8Bがどのようにフィン8T間にあり得るかを示す。電子デバイスは、後部壁6上にコネクタを有するパネルジャック7を含むことができる。上部ヒートシンク1は、スマートカードアセンブリなど構成要素を収容するために、切込み部分をも含むことができる。
図4は、底部ヒートシンク3およびフィン8Bがどのように接続するかを示す内部底面図である。
図5Aは、セットトップボックスの内部上面図を示し、図5Bは内部断面図を示す。これらの図は、スマートカードアセンブリ5など主な熱生成構成要素からの熱が他の構成要素によって生成される熱とは別々に少なくとも部分的に抽出され得るように上部ヒートシンク1がセグメント化され得ることを示す。スマートカードアセンブリ領域は、図のように小さい方の上部ヒートシンク1aを有することができ、「小さい方」という表現は、上部ヒートシンクより小さいヒートシンクであることを意味し、または特定の内部構成要素専用であるヒートシンクであることを意味する。これらの図は、PCBから熱を抽出するために、PCB4またはその上の熱接触パッド19に接触する上部ヒートシンク1の中央のくぼみ9を示す。同様に、これらの図は、小さい方の上部ヒートシンク1aの小さい方の平面部分32から下に延びる小さい方の上部ヒートシンク1aのためのくぼみ9aを示す。くぼみ9aは、スマートカードアセンブリ5などに接触し、くぼみ9aまたはくぼみの一部を囲む小さい方の上部ヒートシンクの平面周辺部分32に熱を伝達する。くぼみ9aは、くぼみ9を囲む平面周辺部分(第1のプレート部分30)にどのように熱を伝達するかにおいてくぼみ9と同様に働く。図5Bもまた、セットトップボックスの底部から熱が除去されることを可能にするセットトップボックス上のフット11を示す。これらのフットもまた、コンベンションを通じた空気循環が生じることを可能にする。これらの図は、ねじくぼみ12内のねじがどのように上部ヒートシンク1をPCB4または底部2に対して保持することができるか、また中央のくぼみがどのようにPCB4に接触することができるかを示す。本発明の好ましい実施形態の1つについてのいくつかの寸法は、以下の通りである。
底部2と底部ヒートシンク3の間の間隙は、3mmに等しい。
底部ヒートシンク3の厚さは2mmに等しい。
電子デバイスの上部から底部までの寸法は、38mmに等しい。
回路基板寸法は、215mm×150mmに等しい。
底部ヒートシンク3と回路基板の間の間隙は、6mmに等しい。
図6は、本発明によるセットトップボックス10などの上部正面斜視図である。ここでは、フィン8Bが底部ヒートシンク3に接続され、フィン8Tが上部ヒートシンク1に接続されている。一方の側では、8Bフィンと8Tフィンを交互にすることによって熱が効果的に抽出される。フィンの間隔は、一般に、空気の対流を促進する、すなわちフィンの近くで通気口を出る熱せられた空気の対流を促進するようなものである。フィンは、セットトップボックスの中央部分から遠くへ、熱伝導によって熱をヒートシンクから抽出することになる。セットトップボックスの一方の側では、フィン8Bとフィン8Tは交互とすることができる。場合によって、交互にすることは必要でないことがある。また、小さい方の上部ヒートシンク1aは、端部フィン8TTを有することができる。これらのフィンを垂直に向け、互いに平行にすることが好ましいことを述べておくべきである。
図7は、セットトップボックスの底部またはベースフレーム2のない底面正面斜視図である。この図は、底部ヒートシンク3のための可能なパターンを示す。ここでは、底部ヒートシンクの周辺平面部分は、図のように、PCB4に取り付けられ得るスマートカード5Aおよびスマートカードリーダ5Bを含むことができるスマートカード/スマートカードアセンブリ5を囲む。底部ヒートシンクの機能は、セットトップボックス10の底部に熱を伝達することによって回路基板から熱をさらに抽出し、セットトップボックスの中央部分から熱をさらにより均等に広げ、セットトップボックスから消費し、セットトップボックスから離すことである。
図8は、底部またはベースフレーム2のない中実底面図である。底部ヒートシンクに回路基板および/またはその上の熱生成構成要素から熱をさらに抽出させるのを助けることは、底部ヒートシンク内に位置するねじアセンブリ接点13である。ねじアセンブリ接点13は、ねじ、ボルトなどによる上部ヒートシンクと、PCBと、底部ヒートシンクとの間の接続を容易にする。これらのねじアセンブリ接点13は、中央からの熱の移動を向上させるように周辺周りに点在され得る。これらのねじアセンブリ接点を通じて、上部ヒートシンク、PCB、底部ヒートシンクは、機械的および熱的にベース2に接続することができる。すべての、または任意の熱接触点が熱パッド19を使用することができることに留意されたい。セットトップボックスはまた、他の内部構成要素またはベース2に対する内部構成要素のいずれかのための(ねじ、ボルト、リベット、クリップなどを通じた)機械的支持に機会を提供するために、内部構成要素のいずれかを通る追加のスルーホール14を有することができる。
図9は、上部29、正面17、側部16が組み立てられたセットトップボックスなどの正面斜視図である。この図では、セットトップボックスの上部29のエッジにおいて、側部16上に、また底部2のエッジにおいて水平に向けられ得る細長い通気口15が示されている。その概念は、フィンの上方に、フィンの側部に、またフィンの下になるように、通気口をフィンの近くにすることである。フィンの平面は、細長い通気口(スロットである)に対して直角とすることができる。図は、側部16がスマートカードを受け取り保持するスマートカードベイ18を含むことができることをさらに示す。
図10は、セットトップボックスの底面図であり、互いに平行かつ通気口15に対して直角とすることができる追加の通気スロット17をセットトップボックスがさらに含むことができることを示す。追加の通気スロット17は、通気口15間に位置決めされ、プリント回路基板の下に位置決めされる。
このデバイスにおける重要な特徴のいくつかは、主集積回路(IC)が主な発熱体となり得るPCB上の主ICに上部側ヒートスプレッダ1を取り付けること、スマートカードアセンブリ接点が熱的に敏感なエリア内にあり得るようにこれらの接点が位置決めされるPCBのエリアに上部側ヒートスプレッダ1が取り付けられること、および、底部側ヒートスプレッダ3が外側でPCBに取り付けられるだけであることを含むことができる。
実施形態のいくつかでは、上部側ヒートスプレッダ1がPCBの上方により多くの余地を有する。なぜなら、コネクタがPCBの上部側にあるからである。したがって、最大数または必要数のエンボスを使用し、可能な限り多くの熱をヒートスプレッダ内に引くように上部ヒートスプレッダをPCBに取り付けることができる。
いくつかの実施形態では、上部側スマートカードヒートスプレッダ1aは、最小限では、1つのねじエンボスだけでPCBに取り付けられ、1つのエンボスが熱パッドを介してPCBに接合される。
一般に、いくつかの実施形態では、底部側ヒートスプレッダは、PCBの下にあまり余地を有しておらず、その結果、このヒートスプレッダの中央は、PCBに対するエンボスを有していない。
底部ヒートスプレッダはまた、エンクロージャの底部のための放射シールドとして機能することができる。放射は、ヒートスプレッダによって吸収され、熱は、エンクロージャの底部におけるホットスポットを防止するように全体にわたって伝導される。熱があまり集中されないPCBの側部または周辺に、PCBに対する底部ヒートスプレッダ3上のいくつかのエンボスがあり得る。
実施形態の重要な特徴は、すべてのヒートスプレッダが、PCBの上に張り出す、側部上に形成された一連の垂直のフィンを有することができることである。多くはPCBのすぐ上方に通気開口がないことを好む、または必要とするので、これらのフィンは、PCBの外側寄りであり、関連の通気口15もまた、PCB水平プロファイルの外側寄りである。通気口15は、それらの外側寄りエリアにおいてエンクロージャの底部、上部、および側部にあることができる。これは、自然対流により、底部から冷却空気の取り入れを可能にし、上部を通じて熱せられた空気の排気を可能にする。
熱有限要素解析(FEA)シミュレーションが、開示されている実施形態によるセットトップボックスに対して実施された。シミュレーションは、本発明による熱管理システムが熱の消費において有効であることを示した。具体的には、最大18ワットの電力を生成するセットトップボックスが、開示されている熱管理システムを使用して、デバイスが好ましい定常状態に達し、そこに留まることを安全に可能にすることができた。具体的には、ヒートシンク/ヒートスプレッダは、(1)回路基板上のホットスポットは、熱パッドの下であり、約71.0Cであり、(2)上部ヒートシンクのホットスポットは、その中央にあり、上部ヒートシンクの中央が回路基板および/またはその上の熱パッドに接触する状態で約66.1℃であり、(3)上部ヒートシンクのフィンは、約59℃の温度に達し、そこに留まったという好ましい定常状態条件を達成し生み出すのに有効であり、その助けとなった。これらの定常状態温度値では、熱は、通気口15を通じて、フィン8を介して効果的に除去された。
本発明は、セットトップボックスの短辺の長さ全体に沿って交互する上部ヒートシンクおよび底部ヒートシンクに取り付けられたフィンの特徴を含むことができる。そのような構成は、一方の側または両側で使用され得る。
本明細書では、例示的な実施形態について、添付の図面を参照して述べたが、本原理はこれらのまさにその実施形態に制限されないこと、および本原理の範囲または精神から逸脱することなしに、様々な変更および修正が当業者によって行われ得ることを理解されたい。そのような変更および修正すべてが、添付の特許請求の範囲に記載の本原理の範囲内に含まれることが意図されている。



  1. 電子デバイス(10)であって、
    プリント回路基板(4)と、
    第1のプレート部分(30)および前記第1のプレート部分の2つの側部に沿った第1のフィン(8T)を有する第1のヒートスプレッダ(1)であって、前記第1のプレート部分が前記プリント回路基板の上方にある、前記第1のヒートスプレッダ(1)と、
    第2のプレート部分(31)および前記第2のプレート部分の2つの側部に沿った第2のフィン(8B)を有する第2のヒートスプレッダ(3)であって、前記第2のプレート部分が前記プリント回路基板の下方にある、前記第2のヒートスプレッダ(3)と、
    を備える、前記電子デバイス。

  2. スマートカードアセンブリ(5)をさらに備え、前記ヒートスプレッダの1つが、前記スマートカードアセンブリを収容するための、対応するプレート部分内に切込み部分を有する、請求項1に記載の電子デバイス。

  3. 第3のプレート部分(32)の一方の側部に沿って追加のフィン(8TT)を有する前記第3のプレート部分(32)を有する第3のヒートスプレッダ(1a)をさらに備え、前記第3のプレート部分は、前記切込み部分内に位置決めされる、請求項2に記載の電子デバイス。

  4. 前記第1のヒートスプレッダは前記第1のプレート部分内に切込み部分と、前記切込み部分内に位置決めされている第3のプレート部分を有する第3のヒートスプレッダ(la)とを有する、請求項1に記載の電子デバイス。

  5. 前記第3のプレート部分の一方の側部に沿った追加のフィン(8TT)をさらに備える、請求項4に記載の電子デバイス。

  6. 外側部(16)をさらに備え、前記外側部の少なくとも1つは少なくとも1つの前記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも1つの通気口(15)を有する、請求項1に記載の電子デバイス。

  7. 前記第1のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項1に記載の電子デバイス。

  8. 前記第2のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項1に記載の電子デバイス。

  9. 前記第1のフィンおよび第2のフィンは垂直に向けられ、互いに平行である、請求項1に記載の電子デバイス。

  10. 複数の前記第1のフィンおよび第2のフィンは前記第1のプレート部分および第2のプレート部分の両側部に沿って互いに交互に並んでいる、請求項1に記載の電子デバイス。

  11. 前記フィンに隣接して位置決めされた少なくとも1つの通気口 (15)を有する複数の外側部(16)をさらに備え、前記通気口は前記フィンに対して直角に向けられている、請求項9に記載の電子デバイス。

  12. 複数の垂直な外側部(16)、上部(29)、および底部(2)をさらに備え、2つの前記垂直な外側部および前記上部および底部のエッジ部分は前記フィンに隣接して位置決めされた複数の通気口(15)を有し、前記通気口は前記フィンに対して直角である、請求項9に記載の電子デバイス。

  13. 底部(2)の対向するエッジ部分において、前記フィンに隣接して位置決めされた第1の通気口(15)を有する前記底部と、
    前記第1の通気口の間の第2の通気口(17)と、
    をさらに備える、請求項9に記載の電子デバイス。

  14. 前記第1の通気口は細長く、かつ前記フィンに直角であり、前記第2の通気口は細長く、かつ前記フィンに平行である、請求項14に記載の電子デバイス。

  15. 前記第1の通気口(15)は、前記底部の対向するエッジ部分において、前記フィンに隣接して位置決めされており、第2の通気口(17)は前記第1の通気口の間にある、請求項14に記載の電子デバイス。

 

 

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