一体化された熱伝達フィンを伴う運動熱シンク

著者らは特許

F28F5/04 - 中空羽根車,例.かきまぜ羽根
F28F13/12 - 乱流を起こすことによるもの,例.かきまぜによるもの,循環力の増加によるもの(F28F13/08が優先)
F28F13/14 - 導管の壁に熱伝導度の異なる帯域をつけることによるもの
G06F1/20 - 冷却手段
H01L - 半導体装置,他に属さない電気的固体装置(測定のための半導体装置の使用G01;抵抗一般H01C;磁石,インダクタ,トランスH01F;コンデンサー一般H01G;電解装置H01G9/00;電池,蓄電池H01M;導波管,導波管の共振器または線路H01P;電線接続器,集電装置H01R;誘導放出装置H01S;電気機械共振器H03H;スピーカー,マイクロフォン,蓄音機ピックアップまたは類似の音響電気機械変換器H04R;電気的光源一般H05B;印刷回路,ハイブリッド回路,電気装置の箱体または構造的細部,電気部品の組立体の製造H05K;特別な応用をする回路への半導体装置の使用は,応用サブクラスを参照)
H01L23/367 - 装置の形状により容易になる冷却
H01L23/373 - 装置用材料の選択により容易になる冷却
H01L23/467 - 気体,例.空気,を流すことによるもの

の所有者の特許 JP2016528743:

クールチップ テクノロジーズ, インコーポレイテッド

 

運動熱シンクが、その間に熱を伝導させるために第1の熱伝導表面と、第2の熱伝導表面とを伴う、固定部を有する。熱を生成するデバイスを冷却するために、固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、そこから延在する第1の複数のフィンを有する。運動熱シンクはまた、固定部と回転可能に結合される回転構造も有する。回転構造は、第2の熱伝導表面から受容される熱を、回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成される。回転構造は、第1の複数のフィンに向かって延在する第2の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有する。第1の複数のフィンの少なくとも一部は、好ましくは、第2の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する。

 

 

(優先権)
本願は、発明者Lino A. GonzalezおよびSteven J. Stoddardの “KINETIC HEAT−SINK WITH CONCENTRIC INTERDIGITATED HEAT−TRANSFER FINS,”と題され、2013年8月21日に出願された、米国特許出願第61/868,362からの優先権を主張するものであり、その開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
本発明は、概して、回転式熱抽出および放熱デバイスに関し、より具体的には、本発明は、電子部品とともに使用するための運動熱シンクに関する。
動作中、電子回路およびデバイスは、廃熱を生成する。適切に動作するために、電子回路およびデバイスの温度は、典型的には、ある制限内でなければならない。そのために、電子デバイスの温度は、多くの場合、電子デバイス付近またはその上に物理的に搭載される熱シンクを使用して調整される。
「運動熱シンク」(KHS)として知られる、熱シンクアセンブリの比較的新しい1つのタイプは、発熱した電子デバイス上またはその付近に搭載される固定基盤に対して回転する、統合された流体指向構造とともに熱質量を有する。運動熱シンクは、固定熱シンクよりも良好な冷却を提供する潜在性を有する。
本発明者の知る限りでは、運動熱シンクの固定構成要素および回転部の種々のトポロジーが、開発されている。しかしながら、本発明者は、そのようなトポロジー間のインターフェースが、多くの場合、望ましい熱抽出および放熱性能を得るために、精密な公差(多くの場合、マイクロメートルスケール)における表面特徴を要求することを認識した。そのような要件は、多くの場合、標準製造機器に対して適合可能ではない精密な製造技法を要求する。本発明者は、それにもかかわらず、標準製造機器を用いた使用を促進する、引き上げられた公差限界を可能にする技術を発見した。
例証的実施形態によると、運動熱シンクは、その間に熱を伝導させるために、第1の熱伝導表面と、第2の熱伝導表面とを伴う、固定部を有する。熱を生成するデバイスを冷却するために、固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、そこから延在する第1の複数のフィンを有する。運動熱シンクはまた、固定部と回転可能に結合される回転構造も有する。回転構造は、第2の熱伝導表面から受容される熱を、回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成される。回転構造は、第1の複数のフィンに向かって延在する第2の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有する。第1の複数のフィンの少なくとも一部は、好ましくは、第2の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する。
固定基盤および/または回転構造は、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための構造的特徴を含み得る。構造は、例えば、回転構造の定常回転に起因して形成されるであろう、望ましくない完全に発達したフローの形成を阻害する、またはそれを行うためにデバイスの動作速度において局所的二次フローを形成し得る。特徴は、交互嵌合するフィンによって形成されるチャネルの壁、天井、または床面内に位置する突起、陥凹、間隙、またはそれらの組み合わせであり得る。
本発明の別の実施形態によると、電子デバイスからの熱を放熱する方法は、第1および第2の熱伝導表面を有する固定構造を提供する。固定構造は、電子デバイスから熱を受容するために、第1の熱伝導表面において電子デバイスに熱的に結合され、受容した熱を、第1の熱伝導表面から第2の熱伝導表面に伝導する。第2の熱伝導表面は、第1の複数のフィンを含む。本方法はまた、第2の熱伝導表面に接する熱抽出表面を有する回転構造を回転させる。熱抽出表面は、第1の複数のフィンと交互嵌合する第2の複数のフィンを有する。回転させるステップの作用は、少なくとも部分的かつ実質的に、熱を、第2の熱伝導表面から、回転構造と連通する熱リザーバに伝達する。
前述の実施形態の特徴は、以下の付随の図面を参照して検討される、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
図1は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合する熱伝達フィンを伴う運動熱シンクの断面図を図式的に示す。 図2は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンクの交互嵌合するフィンの平面図を図式的に示す。 図3は、本発明の例証的実施形態による、熱を放熱するための運動熱シンクの動作を図式的に例証する。 図4は、交互嵌合するフィンの幾何特徴を図式的に示す。 図5は、従来技術の運動熱シンクを例証する。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図6A−6Gは、本発明の種々の代替実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図7Aは、本発明の例証的実施形態による、循環ポートを伴う交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を例証的に示す。 図7Bは、本発明の例証的実施形態による、直線フィンを伴う運動熱シンクの回転構造を例証的に示す。 図8A−8Dは、交互嵌合するフィンおよび循環ポートの種々の実施形態を伴う、図7Bの運動熱シンクの一部を例証的に示す。 図9Aは、本発明の代替実施形態による、運動熱シンクを図式的に示す。 図9Bは、回転構造において丸型循環ポートを伴う、図9Aの運動熱シンクの一部を図式的に示す。 図9Cは、本発明の別の例証的実施形態による、固定フィンを伴う運動熱シンクを図式的に示す。 図10Aは、本発明の別の実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクを図式的に示す。 図10Bは、電気モータアセンブリを伴う、図10Aの運動熱シンクを図式的に示す。 図11Aは、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンクの断面図を図式的に示す。 図11Bは、本発明の例証的実施形態による、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための特徴を伴う、交互嵌合するフィンを図式的に示す。 図11Cは、本発明の別の例証的実施形態による、半径方向間隙の熱伝達特性を改良するための他の特徴を伴う、交互嵌合するフィンを図式的に示す。 図12は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィン内の例示的流体フローを図式的に示す。 図13は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンクを動作させるプロセスを示す。
例証的実施形態では、運動熱シンクは、軸方向熱伝達に加えて、またはその代わりに、半径方向熱伝達を生成するために、その固定および回転構成要素の間に交互嵌合するフィンを有する。本発明者は、驚くべきことに、そのような運動熱シンクが、主として軸方向熱伝達に依拠する従来技術の運動熱シンクの精密かつ複合的公差を要求しないことが分かった。具体的には、交互嵌合するフィンは、単一軸方向表面より多くの臨界面を導入するが、交互嵌合するフィンは、より大きな間隙を可能にする。有利には、これらのより大きな間隙は、概して、半径方向の振れが軸方向の振れよりも制御可能であるため、より制御しやすい。故に、多くのそのような実施形態では、標準製造機器および技法が、より効率的な運動熱シンクをもたらし得る。加えて、本革新を用いて、固定および回転部は、全体的なデバイスの占有面積を増加することなく、より効率的に廃熱を伝達し得る。したがって、例証的実施形態を実装する運動熱シンクは、多くの場合、同じ占有面積を有する従来技術の熱運動熱シンクよりも多くの廃熱を放熱し得る。
交互嵌合するフィンはまた、粉塵が固定および回転構成要素間の領域に進入することを防止するラビリンス型シールを形成し得る。これは、特に、内部構成要素(例えば、モータまたはスピンドル)を粉塵汚染から保護する際に効果的である。
図1は、本発明の例証的実施形態による、交互嵌合するフィン102を伴う運動熱シンク100を図式的に例証する。具体的には、運動熱シンク100は、第1の熱伝導表面108と、第2の熱伝導表面110とを伴う、基盤構造106を有する固定部104を含む。第1の熱伝導表面108は、熱生成構成要素112(例えば、電子デバイス、マイクロプロセッサ、チップ等)に固定可能に搭載するように構成される。第2の熱伝導表面110は、交互嵌合するフィン102の一部を形成する、固定フィン114のセットを形成する。
運動熱シンク100はまた、実質的に平面内で回転するために、シャフト117を介して固定部104と回転可能に結合する、回転構造116も含む。回転構造116は、回転基盤118と、流体指向構造120(例えば、付加的フィンまたはブレード)とを含む。回転基盤118は、回転フィン124のセットを形成する、熱抽出表面122を有し、これは、フィン114の第1のセットとともに交互嵌合するフィン102を形成する。固定フィン114および回転フィン124は、回転構造116の回転軸と同心円上にあり得る。他の実施形態は、固定フィン114が回転フィン124と同心円上にあることを要求しない。しかしながら、簡易化の目的のために、本議論の多くは、同心円フィンに関するが、種々の原理が非同心円フィンに適用され得る。固定部104および回転構造116は、同じまたは異なる熱伝導材料から作製され得る。例えば、構造104および116は、銅、アルミニウム、銀、ニッケル、鉄、亜鉛、およびそれらの組み合わせから形成され得る。
故に、交互嵌合するフィン102は、重複する固定フィン114および回転フィン124から、例えば、図に示される様式で形成される。換言すると、フィン114、124は、それらが長軸方向に相互に重複し、それらの半径方向に隣接する表面間で、それらが、無視できないほど熱を伝達することを可能にするため、交互嵌合すると見なされる。
同心円状に交互嵌合するフィンは、動作中の不整合からのバッファを提供する。例えば、固定部104と回転構造116との間の不整合は、それらの対応する交互嵌合するフィン102間の可変半径方向間隙310(図示せず−図3を参照されたい)をもたらし得る。例えば、固定フィン114aは、その面のうちの1つの隣にある第1の回転性フィン124aにより近く位置し得るが、その面の他方の隣にある第2の回転性フィン124bからはより離れ得る。オフセットは、その結果、第1のフィン124aとの局所的熱抵抗を減少させる一方、第2のフィン124bとの熱抵抗への対応する増加をもたらす。半径方向間隙310は、約10〜100ミクロンであり、より具体的には、約25〜50ミクロンであり得る。好ましい実施形態では、半径方向間隙は、約100〜200ミクロン程度の大きさであり、より好ましくは、約125〜150ミクロン程度の大きさであり得る。
図2は、図1の運動熱シンク100の同心円状の交互嵌合するフィン102の平面図を図式的に示す。固定フィン114のセットは、基盤構造106の第2の熱伝導表面110から、同心円状に延在する。対応する様式において、回転フィン124のセットは、回転基盤118の熱抽出表面122から、同心円状に延在する。当然ながら、交互嵌合するために、固定フィン114のセットの半径は、回転フィン124のセットの半径と異なる。
図3は、図1の運動熱シンク100の動作を図式的に例証する。動作中、熱が熱生成構成要素112によって生成される間、流体指向構造120が、とりわけ、熱302を熱リザーバ304(例えば、運動熱シンク100周囲の空気)に放熱する。そのために、熱生成構成要素112からの熱は、基盤構造106を横断して同心円フィン114に拡散される(矢印306を参照されたい)。固定フィン114のセットからの熱は、次いで、主として、半径方向間隙δ310を横断して近傍回転フィン124の対応する重複する表面に伝達される308。熱は、回転フィン124のセットから、回転基盤118および流体指向構造120を含む、回転構造116の他の部分に拡散し、したがって、熱リザーバ304に排除される。
図4は、交互嵌合するフィン102のいくつかの幾何特徴を図式的に示す。例証的実施形態では、各フィン114または124の幾何学形状は、長さL402、幅W404、および近傍フィンまでの距離D405を有するとして特徴付けられ得る。交互嵌合するフィン102はまた、各近傍フィン間に半径方向間隙δ310(事実上、チャネルを形成する)と、基盤構造106と回転構造116との間に軸方向間隙h406と、フィン114、124の第1および第2のセットの重複部分を画定する高さH408と、フィン102によって形成されるチャネルを表す数Nとを形成すると見なされ得る。故に、熱生成構成要素112からの熱は、基盤構造106を横断して、長さL402および幅W404のフィン114の第1のセットに拡散する。
図2および4は、標準機器および技法を使用して製造され得るより大きな特徴および構造を例証する。
図2は、別個の組み立てられていない部品として、運動熱シンク100の回転構造116および固定部104の関連がある部分を示す。固定フィン114および回転フィン124は、対応するフィンの幅W404および半径方向間隙δ310に基づいた構造において製造され得る(図4を参照されたい)。構造は、例えば、フライス盤、旋盤、またはドリルを用いて製造され得る。機械は、W+2δに等しくあり得る、距離D405またはより小さいサイズのツールヘッドを有し得る。立旋盤が、例えば、1mmの間隔を伴う、各幅1.1mmの一連の溝を形成し得る。溝は、距離D405に対応し、間隔は、フィン114、124の幅W404に対応する。そのために、工具ビットは、半径方向間隙310の少なくとも半分の公差を伴う最大1.1mmのサイズを有し得る。フィン114、124は、1〜3mm等、他の幅W404または距離D405を用いて製造され得る。当然ながら、エッチング、スタンピング、鋳造、鍛造等、他の標準製造技法も、本デバイスを加工するために採用され得る。
他の実施形態では、フィンは、加工され、例えば、はんだ付け、ろう付け、溶接、および接着(糊、セメント、および接着剤等を用いて)を介して、固定部104および回転構造116の基盤領域に取り付けられ得る。
対照的に、平行または角度付けられた熱伝達表面を有する運動熱シンクは、概して、軸方向間隙を画定する寸法において製造される。図5は、1つのそのようなクラスの、当分野で公知の従来技術の運動熱シンクを例証する。固定基盤構造502は、熱生成構成要素504に搭載される。インペラ508を伴う回転構造506が、軸方向間隙510を横断するデバイスの実質的占有面積に及ぶ平行面を形成するために、固定基盤構造502に結合される。そのような精度を伴って平行面を製造するステップは、典型的には、類似するサイズの熱的解決策と比較して、このクラスの運動熱シンクのコストを増加させる。
再び図4を参照すると、種々の実施形態は、表面積に比例し、表面間の間隙厚さに反比例する、増加された効果的な熱伝達伝導性(Q/ΔT)increaseを有し得る。平行または角度付けられた表面の熱伝達伝導性と比較されるとき、増加は、
として表され得る。例えば、(i)
であるように交互嵌合し、(ii)半径方向間隙δ310=45ミクロンである同心円フィンを伴う2つの表面を有する運動熱シンクは、約10W/Cの熱伝導性を有し得る。類似熱伝導性を有するために、平行面を伴う運動熱シンクは、軸方向に15ミクロン離れて離間される間隙510を有し得、これは、半径方向間隙δ(310)よりも3倍小さい。当然ながら、他の熱伝導性も、生成され得る。
そのために、固定フィン114および回転フィン124は、少なくとも2の、より好ましくは、少なくとも3の範囲内の、さらにより好ましくは、3〜6の範囲内の高さ402/幅W404比(H/W)を有し得る。他の実施形態では、固定フィン114および回転フィン124は、少なくとも2の、より好ましくは、少なくとも3の範囲内の、さらにより好ましくは、3〜6の範囲内の長さL408/距離D405比(L/D)を有し得る。さらに他の好ましい実施形態では、半径方向410のフィン114、124間の重複する表面積は、軸方向412においてよりも、少なくとも2倍、より好ましくは、少なくとも3倍の範囲内で、さらにより好ましくは、3〜6倍の範囲内で、より大きい。
交互嵌合するフィン102は、異なる高さ、厚さ、およびテーパ角度を含む、種々の幾何学形状と適合され得る。図6A−6Gは、種々の実施形態による、同心円状に交互嵌合するフィン102を伴う運動熱シンク100を例証的に示す。
図6Aでは、運動熱シンク100は、三角形の断面積を有する、同心円状に交互嵌合するテーパ状フィン602を含む。テーパ状フィン602は、約10〜60°の内角604を有し得る。テーパ状フィン602は、より効果的な熱伝達領域を有することに起因して、より高い熱伝達密度を可能にする。
図6Bでは、同心円状に交互嵌合する勾配フィン602は、台形の断面積を有する。
図6Cでは、第2の熱伝導表面110または熱抽出表面122は、流体が、デバイスの内側半径部分から外側半径部分へ、交互嵌合するフィンの異なる段の間をより容易に流れるための溝等、表面特徴604を含み得る。
運動熱シンク100は、軸方向410に沿って変動する、半径方向および軸方向間隙(310、406)を伴って構成され得る。変動は、外側半径方向場所におけるより大きな振れおよびより高い剪断損失を補償し得る。一実施形態では、例えば、半径方向間隙δ310および軸方向間隙h406は、内側半径方向場所から外側半径方向場所にかけて増加し得る。
図6Dでは、固定部104は、角度612を有するテーパ状表面608を有し、回転構造116は、角度610を有するテーパ状表面614を有する。角度610、612は、約1〜30°であり得、同じであり得る。同心円状に交互嵌合するフィン102は、テーパ状表面608、614から延在する。
図6Eでは、同心円状に交互嵌合するフィンを伴う運動熱シンク100は、対向するまたは放射状に広がるテーパ状表面608、614から延在する。結果として、同心円状に交互嵌合するフィン102の長さL402は、半径方向410に沿って変動し、内側領域における半径方向間隙310が、デバイスの外側領域よりも大きくなる結果をもたらし得る。
図6Fでは、同心円状に交互嵌合するフィン102は、より大きく効果的な熱伝達表面積を有する、複合的形状616を有し得る。例えば、各交互嵌合するフィン102は、そこから延在する二次フィン618のセットを含み得る。二次フィン618は、長さL402に沿って各交互嵌合するフィンの幅W404を変動し得る。いくつかの実施形態は、二次フィン618の一部を交互嵌合させる。
図6Gでは、フィン114、124は、可変幅W404または可変高さH402を有し得る。示されるように、回転フィン124間の高さH402および幅W404は、固定フィン114間と同様に異なる。加えて、フィン間の間隔は、異なる半径方向場所の間で変動し得る。例えば、デバイスの中心付近の半径方向位置における半径方向間隙δ310は、周囲付近の半径方向位置における半径方向間隙δ310と比較してより小さくなり得る。異なる半径方向場所の間の半径方向間隙δ310における変化は、線形関数、多項式関数、または指数関数に基づき得る。
図7Aは、同心円状に交互嵌合するフィン102および循環ポート702を伴う運動熱シンク100の別の実施形態を、例証的に示す。ポート702は、流体指向構造120から交互嵌合するフィン102中への流体フローを可能にし、逆の場合も同じである。循環ポート702は、回転構造116内に、具体的には、流体指向構造120間の回転基盤118に位置し得る。循環ポート702は、円形、弧状形状、または角度付けられ得る。
図7Bは、例証的実施形態による、運動熱シンクの流体指向構造120を例証的に示す。本実施例では、回転構造116は、流体指向構造120の一部として相互の間に介在される、90個の長い直線フィン704と、90個の短い直線フィン706とを含む、180個のフィンのセットを含む。長いフィン704のセットは、回転基盤118の、例えば、直径の50パーセントを超える、実質的な部分に及び得る。一実施形態では、回転構造116は、例えば、1050cmの表面積を提供するために、8.89cmの外径と、1.27cmの高さとを有する。長いフィンのみを有する匹敵する占有面積の運動熱シンク(例えば、59cmの表面積を有する)と比較されるとき、回転構造116の表面積は、22パーセント近く大きい。ここでは、回転構造116は、図示されないが、回転かつ交互嵌合するフィン124を含む。当然ながら、他の直線フィンおよびインペラの構成も、採用され得る。
図8A−8Dは、交互嵌合するフィン102および循環ポート702の種々の実施形態を伴う、図7Bの運動熱シンク100の一部を例証的に示す。具体的には、図8Aは、丸型循環ポート702を伴う回転構造116の一部の上面図を示す。循環ポート702は、交互嵌合するフィン102との関連で示される。循環ポート702は、流体指向構造120間の回転基盤118内に配置され得る。循環ポート702は、回転フィン124および固定フィン114等、フィンの1セットにわたって配置され得る。循環ポート702aは、固定および回転式の交互嵌合するフィン114、124間の半径方向間隙δ310にわたって配置され得る。
図8Bは、交互嵌合するフィン102の対を横断して延在する循環ポート702を伴う、回転構造116の一部の上面図を示す。循環ポート702は、流体指向構造120間に配置される細長のストリップとして示される。循環ポート702は、異なる半径方向場所に位置し得る。当然ながら、循環ポート702は、回転構造116内で半径方向に延在する他の長さを有し得る。
図8Cは、回転フィン124において切れ目802を伴う、図8Bの回転構造116を図式的に示す。循環ポート702は、切れ目802に配置され得る。切れ目802は、同じ半径方向に沿って(示されるように)、または異なる半径方向場所に沿って位置し得る。切れ目802の幅はまた、異なる切れ目802の間で変動し得る。回転フィン124もまた、切れ目802においてテーパ状または丸型であり得る。
図8Dは、固定フィン114において切れ目802を伴う、図8Bの回転構造116を図式的に示す。循環ポート702は、切れ目802に配置され得る。循環ポート702bの別のセットが、固定フィン114および回転フィン124の切れ目802に配置される。切れ目802は、同じ半径方向に沿って(示されるように)、または異なる半径方向場所に沿って位置し得る。切れ目の幅はまた、異なる切れ目の間で変動し得る。固定フィン114もまた、切れ目802においてテーパ状または丸型であり得る。
図9Aおよび9Cは、本発明の実施形態による、交互嵌合するフィン102と、二次固定フィン902とを伴う、運動熱シンク100を例証的に示す。二次固定フィン902の実施例は、「Kinetic Heat Sink With Stationary Fins」と題され、2013年4月26日に出願された、米国仮出願第61/816,450号と、2014年3月17日に出願され、前述の仮特許出願の優先権を主張する、国際特許出願第PCT/US14/30162号とに説明され、両方とも、その全体が、本明細書に参照することによって本明細書に組み込まれる。二次固定フィン902は、基盤構造106から延在し、熱排除のための付加的表面積を提供する。二次固定フィン902は、流体指向構造120と、囲繞する熱リザーバ304との間の経路904(図9Cを参照されたい)に存在する。本実施形態では、流体指向構造120は、運動熱シンク100の占有面積の86%近くに及ぶ、42個の曲線矩形フィンのセットを含む。二次固定フィン902のセットは、運動熱シンク100の占有面積の12パーセント近くに及ぶ、200個の直線半径方向フィンを含む。
ある実施形態では、運動熱シンクの占有面積は、例えば、合計8.89cmの外径を有し得る。流体指向構造120のセットは、43cmの表面積を有する、7.62cmの半径方向長さを有する。0.5mm幅のチャネルを形成する、1.016cmの長さと、0.5mmの断面積とを有する二次固定フィン902のセットの追加は、28cmだけ表面積を増加させ得る。当然ながら、他の寸法およびフィン数も、採用され得る。
図9Bは、回転構造116において丸型循環ポート702、702aを伴う、図9Aの運動熱シンク100の一部の上面図を例証的に示す。循環ポート702、702aは、交互嵌合するフィン102との関連で示される。
図10Aは、本発明の別の実施形態による、交互嵌合するフィン102を伴う運動熱シンク100を図式的に例証する。具体的には、運動熱シンク100は、回転構造116と固定部104との間に軸方向軸受1002を含む。とりわけ、スラストころ軸受と、ブッシングと、転動体軸受と、流体軸受と、空気軸受とを含む、種々のタイプの軸受が、採用され得る。軸方向軸受1002は、回転構造116と固定部104との間の軸方向間隙h406を維持するように適合される。代替実施形態では、軸方向軸受1002は、運動熱シンク100の外側半径部分内に存在し得る。
運動熱シンク100は、半径方向間隙δ310を維持し、2つの表面104、116を整合するために、回転構造116と固定部104との間に半径方向軸受1004を含み得る。回転構造116は、半径方向軸受1004と連通するように構成される、シャフト部1006を含み得る。シャフト部1006は、回転構造116の一部として統合され得るが、半径方向軸受1004は、固定部104に取り付けられる。
図10Bは、電気モータアセンブリ1008を有する、別の熱シンク実施形態を示す。本実施形態では、回転構造116は、モータ固定構成要素およびモータ回転構成要素を含む、モータアセンブリ1008を通して、固定部104に回転可能に結合される。モータ固定構成要素は、ステータ1010(すなわち、電気巻線および電機子)と、随意に、ハウジングとを含み得る。モータ回転構成要素は、ロータシャフトと、その上に取り付けられる、例えば、永久磁石1012を含む、構成要素とを含み得る(いくつかの実施形態では)。モータ固定構成要素は、好ましくは、固定部104に固定可能に結合され、したがって、固定部材の一部として見なされ得る。モータ回転構成要素は、回転構造116に、固定可能に結合される、またはギアを介して結合され得る。モータ固定構成要素およびモータ回転構成要素は、好ましくは、概して、回転構造116と固定部104との間に同心円状に位置する。
任意の数の異なるモータ構成が、使用され得る。例えば、運動熱シンクは、電気巻線に提供される電流または電圧を調整することによって、回転構造116の回転速度を調整するために、コントローラ1014を含み得る。例証的実施形態では、電気巻線は、モータ固定構成要素の一部である。しかしながら、モータ回転構成要素の一部である電気巻線を有する設計を含め、種々のモータトポロジーが採用され得ることが、当業者にとって明白であるはずである。コントローラ1014は、制御回路と、ドライバ回路と、対応する信号処理回路とを含み得る。コントローラ1014は、固定部104内に、またはその上に搭載され得る。制御回路は、パルス幅変調、周波数、位相、トルク、および/または振幅制御を提供するように構成され得る。
運動熱シンクはまた、コントローラ1014に対してフィードバック信号を提供するために、センサ1016も含み得る。フィードバック信号は、速度または温度に基づき得る。速度は、回転部116および/またはモータの回転速度を含み得る。温度は、熱生成要素112、固定部104、回転構造116、半径方向間隙310、および/またはモータ1008のものであり得る。とりわけ、センサ1016は、容量ベースのセンサ、サーモカップル、および/または赤外線検出器であり得、スケーリングされない、またはオフセットされる、温度値とのある相関関係を単に有する、電気信号を出力し得る。種々のコントローラおよび制御スキームが、温度、回転速度、およびクリアランス間隙に基づいて、熱放熱装置を調整するために利用され得ることが、当業者にとって明白となるはずである。また、モータ固定構成要素(例えば、電気巻線)の一部が、回転軸と同心円状の種々の場所に配置され得ることも、当業者にとって明白となるはずである。例えば、回転軸に近接する、またはその付近のモータアセンブリ1008よりも、モータ固定構成要素(電気巻線を有する)は、ロータ軸から遠位に位置し得る。同様に、モータ固定構成要素(例えば、電気巻線)の一部は、回転構造116の上部または固定部104内に位置し得ると想定される。
種々の直流および交流ベースのモータが、採用され得る。直流(DC)ベースのモータの実施例は、ブラシDCモータと、永久磁石電気モータと、ブラシレスDCモータと、スイッチ式リラクタンスモータと、コアレスDCモータと、ユニバーサルモータとを含み得る。交流(AC)ベースのモータの実施例は、単相同期モータと、多相同期モータと、AC誘導モータと、ステッパモータとを含み得る。モータアセンブリは、サーボモータ等の統合されたモータコントローラを含み得る。モータは、パルス幅変調スキームまたは直流制御に基づいて動作し得る。
本実施形態は、従来のスピンドルモータ(例えば、流体動圧スピンドルモータ)を採用し得る。流体動圧軸受スピンドルモータ等、スピンドルモータは、「Kinetic heat sink having controllable thermal gap」と題され、2013年6月6日に出願された、米国特許出願第13/911,677号に説明され、その全体が、本明細書に参照することによって組み込まれる。
他の実施形態では、交互嵌合するフィン102は、半径方向間隙δ310を横断する熱伝達特性を改良するためのトポグラフィック構造を含み得る。そのために、図11Bは、本実施形態による、半径方向間隙310の熱伝達特性を改良するための特徴を伴う、交互嵌合するフィン102を図式的に例証する。構造は、例えば、回転構造の116回転に起因して形成されるであろう、望ましくない完全に発達したフローの形成を阻害する、またはそれを行うためにデバイスの動作速度において局所的二次フローを形成し得る。図は、固定フィン114および回転フィン124を含む、図11Aを横断する中心平面Aに沿って交互嵌合するフィン102の一部の詳細な断面図を示す。
回転フィン124は、フィン壁1104から延在する、少なくとも1つの突起構造1102を含む。突起構造1102は、固定フィン114に対して移動する回転フィン124に起因して形成され得る、望ましくない完全に発達したフローを阻害する、不連続的流体フローを生成するために、半径方向間隙310中に延在する。クエット流れが、例えば、流体の移動および粘度の剪断力に起因して、半径方向間隙310内に形成され得る。約50ミクロンの半径方向間隙310に関して、突起構造1102は、半径方向間隙δ(310)の幅の50パーセント中に延在し得る。突起構造1102は、弧状に成形され得る(図11Bを参照されたい)。当然ながら、丸型、正方形、長方形、および三角形の形状を含む、他の形状も、採用され得る。
回転フィン124は、フィンの各側に複数の突起構造1102を含み得る。図は、例えば、段(例えば、第1の段1102aおよび第2の段1102b)に位置する突起構造1102のセットを示す。突起構造1102は、フィン1102cに示されるように角度付けられる、またはフィン1102bに関して示されるように垂直であり得る。
突起構造1102は、両方の近傍半径方向間隙310におけるクエット流れの形成を阻害するために、回転フィン124の両側に位置し得る。
突起1102の代替として、またはそれに加えて、交互嵌合するフィン102は、半径方向間隙310の熱伝達特性を改良するために、陥凹1106を含み得る。
図11Cは、別の実施形態による、半径方向間隙310の熱伝達特性を改良するための他の特徴を伴う、交互嵌合するフィン102を図式的に例証する。フィン114、124は、回転フィン124の壁1104に沿って、陥凹1106中に流体フローとして渦を形成するために、陥凹1106を含む。陥凹1106は、半径方向間隙310内の流体フローと概して垂直方向にフローを指向させる。このフローは、クエット流れの形成を阻害する渦を形成するために、合流点における壁1104に沿って流れる流体と合流する。陥凹1106は、弧状に成形され得る(図11Cを参照されたい)。当然ながら、丸型、正方形、長方形、および三角形の形状を含む、他の形状も、採用され得る。
図12は、ある実施形態による、交互嵌合するフィン102内の例示的流体フローを例証的に示す。流体は、デバイス100の中心付近の循環ポート702において半径方向間隙310aに進入し、外向きに流れる。回転フィン124の移動の剪断力は、流体を、半径方向間隙310内で移動させる。回転フィン124の切れ目802が、流体を通過するにつれて、フローは、分岐し、そこで、一部は、半径方向間隙310に沿って継続して流れ、別の部分は、切れ目802を通して流れる。分岐は、望ましくないフロー(例えば、クエット流れ)の形成が完全に発達することを阻害し得る。流体はまた、交互嵌合するフィン102間のクリアランスh406を通して流れる。流体が半径方向間隙310内を流れるにつれて、固定フィン114からの熱が、回転フィン124に伝達される。
間隙およびトポグラフィック特徴の数は、回転速度および半径方向間隙δ310のサイズに基づいて選択され得る。
図13は、本発明の例証的実施形態による、運動熱シンク100を動作させるプロセスを示す。概して、プロセスは、運動熱シンク100を、例えば、電子デバイスまたはプリント回路基板のパッケージであり得る、熱生成構成要素112に固着することによって開始する(ステップ1302)。当分野で公知の種々のタイプの固着および搭載機構が、これらの目的に対して使用され得る。とりわけ、それらの機構は、ねじと、クリップ(例えば、zクリップ、クリップ留め)と、押しピンと、ねじ山付きスタンドオフと、糊と、サーモテープと、サーマルエポキシとを含み得る。
静止時、回転構造116は、シャフト117を介して、固定部104上に着座され、軸受1002(機械式または動圧式)によって保持される。回転構造116は、フィン114、124間に半径方向間隙310(例えば、およそ50ミクロン)を形成するために、固定部の固定フィン114と交互嵌合する回転フィン124を含む。
冷却を開始するために、コントローラ1014は、モータアセンブリ1008を通電し(ステップ1304)、モータ1008の回転部を、回転構造116と併せて回転させる。例えば、電力は、DC電圧VDC(例えば、12V、5V等)、AC電圧VAC、またはパルス幅変調電圧から導出され得る。回転構造116が回転するにつれて、半径方向間隙310内の流体が、例えば、図12に示されるように、移動を開始する。回転構造116または固定部104上の、またはそのトポグラフィック特徴は、望ましくない完全に発達したフロー(例えば、クエット流れ)の形成を阻害するか、またはそれを行うために局所的二次フローを生成する。トポグラフィック特徴は、それによって、半径方向間隙310の熱伝達特性を向上させ、熱が、固定フィン114から回転フィン124へ、より容易に伝達することを可能にする。
回転している間、流体指向構造120(例えば、インペラ)もまた、回転し、流体指向構造120間のチャネル内の流体を移動させる。流体が移動するにつれて、流体指向構造120からの熱は、移動する流体に排除され、熱リザーバ304中に一掃される。具体的には、熱は、熱生成構成要素112から引き込まれ、基盤構造106を横断して、その固定フィン114に拡散される。次に、熱は、半径方向間隙310を横断して回転フィン124に、次いで、回転基盤118を横断して流体指向構造120に伝達する。
ブロック1306において、コントローラ1014は、熱生成構成要素112を継続して冷却するかどうかを判定する。これは、運動熱シンクに印加されている制御信号または電力に基づき得る。また、コントローラ1014は、センサ1016から導出される温度(例えば、熱生成構成要素112または運動熱シンクの種々の構成要素における)に基づいて、モータの回転速度またはそれへの電力出力を変動し得る。冷却を継続すべき場合、プロセスは、運動熱シンクに継続して通電するために、ステップ1304にループバックする。冷却をそれ以上継続しないと判定される(例えば、冷却されている構成要素が通電解除される)と、プロセスは、ステップ1308で終了し、運動熱シンクは、通電解除される。そのために、コントローラ1014は、モータへの電力を減少させ、運動熱シンク100への電力を除去し得る。
前述の本発明の実施形態は、単に、例示的であることが意図され、多数の変形例および修正が、当業者にとって明白となるであろう。全てのそのような変形例および修正は、任意の添付される請求項に定義されるように、本発明の範囲内であることが意図される。例えば、突起および陥凹は、クエット流れの形成を同様に阻害するために、固定フィン上に位置し得る。



  1. その間に熱を伝導させるために第1の熱伝導表面と、第2の熱伝導表面とを有する、固定部であって、前記固定部は、熱生成構成要素に搭載可能であり、前記第2の熱伝導表面は、そこから延在する第1の複数のフィンを有する、固定部と、
    前記固定部と回転可能に結合される回転構造であって、前記回転構造は、前記第2の熱伝導表面から受容される熱を、前記回転構造と熱連通する熱リザーバに伝達するように構成され、
    前記回転構造は、前記第1の複数のフィンに向かって延在する第2の複数のフィンを伴う、移動可能な熱抽出表面を有し、前記第1の複数のフィンの少なくとも一部は、前記第2の複数のフィンの少なくとも一部と交互嵌合する、回転構造と
    を備える、運動熱シンク。

  2. 前記第1の複数のフィンの一部は、少なくとも2の高さ幅比を有する、請求項1に記載の運動熱シンク。

  3. 前記第2の複数のフィンの一部は、少なくとも2の高さ幅比を有する、請求項1に記載の運動熱シンク。

  4. 前記第1の複数のフィンのセットは、前記第2の複数のフィンのセットと半径方向間隙を形成し、前記半径方向間隙は、約25ミクロン〜200ミクロンである、請求項1に記載の運動熱シンク。

  5. 前記交互嵌合するフィンは、半径方向において、軸方向におけるよりも少なくとも2倍大きな重複する表面積を有するように構成される、請求項1に記載の運動熱シンク。

  6. 前記固定部および回転構造は、その間に少なくとも25ミクロンの軸方向間隙を形成する接面を有する、請求項1に記載の運動熱シンク。

  7. 前記第1および第2の複数のフィンの一部は、均一な断面積を有する、請求項1に記載の運動熱シンク。

  8. 前記第1および第2の複数のフィンの一部は、三角形の断面積を有する、請求項1に記載の運動熱シンク。

  9. 前記第1の複数のフィンは、第1の厚さを有する第1の固定フィンと、第2の厚さを有する第2の固定フィンとを含み、前記第1の厚さは、前記第2の厚さと異なる、請求項1に記載の運動熱シンク。

  10. 前記第1の複数のフィンは、第1の高さを有する第1の固定フィンと、第2の高さを有する第2の固定フィンとを含み、前記第1の高さは、前記第2の高さと異なる、請求項1に記載の運動熱シンク。

  11. 前記第2の複数のフィンは、第1の厚さを有する第1の回転フィンと、第2の厚さを有する第2の回転フィンとを含み、前記第1の厚さは、前記第2の厚さと異なる、請求項1に記載の運動熱シンク。

  12. 前記第2の複数のフィンは、第1の高さを有する第1の回転フィンと、第2の高さを有する第2の回転フィンとを含み、前記第1の高さは、前記第2の高さと異なる、請求項1に記載の運動熱シンク。

  13. 前記半径方向間隙は、第1の半径方向位置における第1の半径方向間隙と、第2の半径方向位置における第2の半径方向間隙とを含み、前記第1の半径方向間隙は、前記第2の半径方向間隙と異なる、請求項1に記載の運動熱シンク。

  14. 前記第1の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項1に記載の運動熱シンク。

  15. 前記第2の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項1に記載の運動熱シンク。

  16. 前記固定部および前記回転構造は、複数の熱伝導材料を備える、請求項1に記載の装置。

  17. 前記固定部および前記回転構造は、銅、アルミニウム、銀、ニッケル、鉄、亜鉛、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、熱伝導材料を備える、請求項1に記載の装置。

  18. 前記回転構造は、熱が前記固定部から前記回転構造に容易に伝達するのに十分な速度で、前記固定部に対して回転可能に移動する、請求項1に記載の装置。

  19. 電子デバイスからの熱を放熱する方法であって、前記方法は、
    第1および第2の熱伝導表面を有する固定構造を提供するステップであって、前記固定構造は、前記電子デバイスからの熱を受容するために、前記第1の熱伝導表面において前記電子デバイスに熱的に結合され、前記固定構造は、受容した熱を、前記第1の熱伝導表面から前記第2の熱伝導表面に伝導し、前記第2の熱伝導表面は、第1の複数のフィンを備える、ステップと、
    前記第2の熱伝導表面に接する熱抽出表面を有する回転構造を回転させるステップであって、前記熱抽出表面は、前記第1の複数のフィンと交互嵌合する第2の複数のフィンを備え、前記回転させるステップの作用は、少なくとも部分的かつ実質的に、熱を、前記第2の熱伝導表面から、前記回転構造と連通する熱リザーバに伝達する、ステップと、
    を含む、方法。

  20. 前記固定構造と前記回転構造との間の電気モータを通電するステップであって、前記電気モータは、(i)前記固定構造に固定可能に取り付けられる固定部と、(ii)前記回転構造に固定可能に取り付けられる回転部とを有し、前記通電するステップの作用は、前記回転構造を回転させる、ステップ
    をさらに含む、請求項19に記載の方法。

  21. 前記固定部および回転性構造は、半径方向間隙を形成し、
    前記方法は、
    前記第2の複数のフィンと、前記第1の複数のフィンとの間の半径方向間隙内に不連続的流体フローを生成するステップであって、前記不連続的流体フローは、流体が前記半径方向間隙内で流れることを促す、ステップ
    をさらに含む、請求項20に記載の方法。

  22. 前記第1の複数のフィンおよび第2の複数のフィンは、同心円状に配列される、請求項19に記載の方法。

 

 

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