JP2014110426A - 一時的な熱管理のための相変化ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】一時的な加熱状況において付加的な放熱要素なしで高度の放熱を実現することができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】放熱させるための放熱組立体１０は、少なくとも１つの発熱構成要素１４と、少なくとも１つの発熱構成要素１４に伝導式に結合された相変化材料３６を有するヒートシンク２０とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクとを備える放熱組立体およびクラムシェル組立体に関する。

プリント回路基板などの発熱装置は、プロセッサまたは電圧調整器などの発熱構成要素を収容することが多い。熱面が発熱装置と組み合わせて設けられることで１つの組立体を形成し、典型的には追加の伝導経路を設けて熱を消散させることによって熱を除去するのを助けることができる。典型的には、空気冷却および液体冷却システムは開放した環境で使用され、この場合熱は周辺に放散させることができる。いくつかの例では、発熱構成要素は、発熱が増大した一時的な状態で作動する場合もあり、この場合短い期間にわたる高い放熱が期待される。冷却システムが最悪の場合の一時的な反応に合わせて大きさが決められていなければ、この一時的な状態は、冷却システムの能力を超える可能性があり、これにより定常状態で作動する能力を超えることになる。

米国特許第８０８１４６５号明細書

一態様において、放熱組立体は、少なくとも１つの発熱構成要素と、少なくとも１つの発熱構成要素に伝導式に結合された相変化材料を有するヒートシンクとを含んでおり、相変化材料は、発熱構成要素から相変化材料への熱の伝導性の移動に反応して少なくとも２つの相の間で変化する。

本発明の一実施形態による、発熱構成要素がヒートシンクと間接的に伝導接触するプリント回路基板組立体の概略断面図である。 ヒートシンクを示す図１の線２−２に沿って切り取られた概略断面図である。 本発明の第２の実施形態による、発熱構成要素がヒートシンクと直接伝導接触するプリント回路基板組立体の概略断面図である。 代替の発熱構成要素の配置を示すプリント回路基板組立体の概略断面図である。 本発明の一実施形態による、発熱構成要素がヒートシンクと間接的に伝導接触するシャシ組立体の概略断面図である。

本発明の実施形態は、少なくとも１つの発熱構成要素を備える放熱組立体に関する。図１の実施形態では、プリント回路基板（ＰＣＢ）組立体１０が示されており、これはパルスレーザ制御基板（ＰＬＣＢ）１２として例示されており、パルスレーザ装置（図示せず）を作動させるＰＣＢを備え、ＰＬＣＢの頂部面１６にマイクロプロセッサとして示される発熱構成要素１４を有する。パルスレーザは、高出力要件で作動することが知られており、短い期間で（数秒程で）ＰＣＢ構成要素内に高度の発熱を引き起こす。マイクロプロセッサが示されているが、出力調整器、抵抗、インダクタ、キャパシタなどの追加の発熱構成要素１４がＰＣＢに設けられる場合もある。

ＰＣＢ組立体１０はさらに、ヒートシンク２０を有する熱面２４、２６と、発熱構成要素を熱面２４、２６の少なくとも一方に伝導式に結合する熱パッド２２とを備える。熱面は、上部熱面２４と下部熱面２６として示されており、各々が少なくとも部分的にＰＬＣＢ１２の頂部面１６と底部面１８をそれぞれ取り囲んでおり、ＰＬＣＢ１２に装着するように構成されている。熱面２４、２６は、アルミニウムとして示されており、これは熱の伝達および放散に効果的である。あるいは熱面２４、２６は、効果的に熱を伝達および放散することができるいずれの材料でもよい。上部熱面２４および下部熱面２６が共に示されているが、別の実施形態は、少なくとも１つの発熱構成要素に近接して、あるいは設計の問題点が必要とする放熱要求に最も近い単独の熱面のみを有する場合もある。

ＰＣＢ組立体１０はさらに、上部熱面２４および下部熱面２６をＰＬＣＢ１２に装着するのを助けるために設けられる締結構成要素を画定する。示されるように、締結構成要素は締め具であり、ねじ２８として示されており、上部熱面２４、ＰＬＣＢ１２および下部熱面２６において開口３０を貫通して受け留められる。任意の好適な締結構成要素が使用されてよい。例えば他の機械的な締め具、例えばボルト、くぎ、ピンなどを非機械的な締め具、溶接または接着剤などと同様に使用することもできる。あるいは、ねじ２８は、上部熱面２４および下部熱面２６を互いに対して直接結合させる場合もあり、この場合ＰＬＣＢ１２は、一部または全体が面２４、２６の中に収容されることになる。

熱面はさらに、各々の上部熱面２４および下部熱面２６の２つの対向する側端部２９、３１においてねじ式クランプを使用して留められる場合もある。上部熱面２４が下部熱面２６にクランプ留めされることで、低い圧縮力（例えば０．０２３から０．０６９ｍ−ｋｇ)がＰＬＣＢ１２の構成要素上で実現される。

ある概念において、このようなクランプは、ＰＬＣＢ１２の周りに上部熱面２４および下部熱面２６をクラムシェル設置することを可能にする。上部熱面２４および下部熱面２６の結合作業により、結合のやり方に関わらず、ＰＬＣＢ１２をクラムシェルと同様のやり方で収容する筐体構造体が生じることになる。必須ではないが、上部熱面２４および下部熱面２６を一方の縁部に沿ってヒンジ留めさせることで真のクラムシェル構成を有することが企図されている。しかしながら本記載で使用されるように、用語クラムシェルは、ヒンジ留め結合に限定されるものではない。このようなクラムシェル構成によってＰＬＣＢ１２のメンテナンス時の容易な組立ておよび分解が可能になる。

熱パッド２２は、伝導性のパテとして示されており、示されるように発熱構成要素１４と上部熱面２４間の物理的接触および確実な熱伝導を実現する。熱パッドの代替の実施形態は、好適な伝導特性を備えた熱ペースト、または接着剤タイプの材料を含む場合もある。

次に図２に注目すると、ヒートシンク２０の詳細が記載されている。ヒートシンク２０は、内壁３２によって画定されており、相変化材料３６を受け入れる複数の小室３５を画定する伝導性のフレーム３４を含んでいる。示されるように、フレーム３４は、相互に接続された壁の格子として示されており、これは図らずも蜂の巣状の断面を画成するが、他の断面も企図される。しかしながら他のタイプのフレーム構造、すなわち格子および格子以外のものも共に企図される。フレーム３４は、ヒートシンク２０内の相変化材料３６への熱伝導、およびそこからの熱伝導を強化する。内壁３２は、相変化材料３６を保持することを目的としたエラストマ材料として例示されているが、熱伝導に適した任意のタイプの材料であってよい。

示されるフレーム３４は、相変化材料を別々の小室３５内に隔離するように働きをし、その一方で上部熱面２４から相変化材料の内側の幾何学的な小室３５への相互に接続された熱伝導路を形成している。例えば銅、スチール、ニッケルまたは銅タングステンなどの他の材料もフレーム３４の同様の構造的な熱伝導性質の機能を実現することができ、設計の柔軟性を与えることで、電磁干渉（ＥＭＩ）保護、重量または熱膨張／収縮などの懸念される問題を盛り込むまたは対処している。このような上記に言及した格子材料のリストは、排他的なものとみなすべきではなく、むしろ特定の用途に適した広範囲の材料の例とみなすべきである。

相変化材料３６は、パラフィンワックス(ＣａＣｌ₂*６Ｈ₂Ｏ)として例示されており、十分な熱が吸収されたとき、その固体が相を液体に変化させ、十分な熱が放出されたとき、液体から固体に戻るようにさらに相を変化させる。パラフィンワックスの典型的な溶融点は、摂氏４６℃から６８℃の間である。相が固体から液体に変化した後、パラフィンワックスはさらに、相の変化を生じさせる熱以上に追加の熱を吸収することができる。パラフィンワックスは、繰り返されるサイクルに対して固体から液体におよび液体から固体に戻るように確実に繰り返し相を変化させるように構成されている。

材料が熱の伝導性の移動に反応して開始相から少なくとも１つの異なる相に相を変化させる限り、他の相変化材料、例えばアンモニアが想像される。開始相および少なくとも１つの異なる相は、固体、液体および気体のうちの１つであってよい。現行の実施形態では、パラフィンワックスもまた、カーボンブラックなどの追加材料を含むことで熱伝達放射率を高めることができる。

パルスレーザの作動中、ＰＬＣＢ１２上の発熱構成要素１４は、短期間（数秒程）にわたって電力を使用し、低出力消費状態の間に割り込む高出力消費状態を生み出し、結果として高出力消費状態における一時的な高度の放熱が必要となる。このような一時的な期間において、発熱構成要素１４によって生成された熱は、熱パッド２２への伝導によって移動され、その後に上部熱面２４および下部熱面２６が続く。この熱はその後、内壁３２によってヒートシンク２０に移動され、フレーム３４が熱を相変化材料３６へと伝導し、ここで熱が吸収される。この概念において、相変化材料３６は、一時的な期間におけるＰＣＢの放熱時に熱を蓄積するための物理的材料を提供する。一時的な期間が完了すると、ＰＣＢ組立体１０はこのとき、フレーム３４を介して相変化材料から熱面へ戻る伝導によって相変化材料に蓄えられた熱を放射によって時間の経過につれて周辺環境に発散する。

例外的に高熱の状況または長引く一時的な熱の状況において、相変化材料３６は溶解し、相が固体から液体に、または液体から気体に変化する。このような相の変化によって、相変化材料３６が、高熱の一時的なサイクルにおいて追加の熱を吸収しその後放散することが可能になる。このようなシナリオでは、液相変化材料３６は、それに続いて作動サイクルの低い熱の部分において熱の放出が行なわれると、相が固体に戻るように変化させる。

非制限的な例という目的で、低出力の、より長い期間の放熱状況の典型的な例では、０．１２７ｍ掛ける０．１７７８ｍのＰＣＢ組立体は、熱面と、０．００５１ｍの厚さのパラフィンワックスを有する蜂の巣構造を備えたヒートシンクとを備え、該ＰＣＢ組立体は、外部から冷却する必要なしに、一定の温度の１０．７ワットの熱負荷を３０分間維持することができる。

空気冷却フィンまたは液体冷却チャネルなどの付加的な放熱装置が例示の実施形態と併せて使用されることで、より増大した熱の解放を実現させる場合もある。さらにＰＣＢ組立体１０全体の構造体が、黒色の放射率が高く光沢度の低い材料で被覆または塗装されることで、周辺環境に対する効果的な放射作用の熱伝達を確実にする場合もある。

上記に言及した実施形態は、発熱構成要素１４と間接的に伝導接触するように構成された（熱パッド２２および熱面２４、２６を介して）ヒートシンク２０の一例である。あるいはヒートシンク２０は、少なくとも１つの発熱構成要素と直接伝導接触するように構成される場合もあり、この場合ヒートシンク２０と発熱構成要素は、熱を伝達するための共通のプラットフォームを有することが想像される。

図３は、本発明の第２の実施形態による代替のＰＣＢ組立体１１０を示している。第２の実施形態は、第１の実施形態と同様であるため、同じ部品は、１００だけ大きくした同じ数字によって特定され、第１の実施形態の同じ部品は、そうでないことが指摘されない限り、第２の実施形態に適用されることが理解される。第１の実施形態と第２の実施形態の違いは、示されるように上部熱面１２４が単独の発熱構成要素のみを受けるように構成されており、全面的なＰＬＣＢ１１２の有効範囲および第１の実施形態の間接的な伝導接触の代わりに、ヒートシンク１２０を発熱構成要素１１４に直接伝導接触するように配置することである。示されるように、第２の実施形態にはさらに、第１の実施形態の熱パッドが欠けている。

この実施形態では、上部熱層１２４およびヒートシンク１２０は、発熱構成要素１１４の上に直接嵌合するように正確な公差を有する突起または***を備えるように構成または形成される。

上記の図面に示されるもの以外に多くの他の可能な実施形態および構成が、本開示によって企図される。例えば本発明の一実施形態は、全体のＰＬＣＢ面１６、１８またはＰＬＣＢ１６、１８の一部のみとの間接的にまたは直接伝導接触する熱面２４、２６を企図している。同様に熱面２４、２６は、全体の発熱構成要素１４の面または発熱構成要素１４の面の一部と間接的にまたは直接伝導接触する場合もある。直接接触構成では、熱パッドは必要とされない。但し熱パッドまたは同様の材料を設けることで、熱面および発熱構成要素との完全な接触を確実にすることができる。

ヒートシンク２０は、熱面２４、２６の各々の中に少なくとも部分的に埋め込まれて示されているが、他の構成も企図される。ヒートシンク２０は、熱面２４、２６の一方または双方の中に完全に埋め込まれる場合もある。ヒートシンク２０は、熱面２４、２６の一方または双方の上部または下部面の一方または両方に備わっている場合もある。ヒートシンク２０は、熱面２４、２６の少なくとも一方と一体式に形成される場合もある。あるいはヒートシンク２０は、熱面２４、２６の少なくとも一方に設置される場合もある。

これに加えて、種々の構成要素の設計および配置が再編成され得ることで、いくつかの異なる構成が実現される可能性もある。例えば図４は、ＰＬＣＢ２１２の代替の組立体を示しており、これはＰＬＣＢの底部面２１８上のまたはさらにはＰＬＣＢ２１２内に一体化されたマイクロプロセッサなどの発熱構成要素２１４の配置を含んでおり、この代替の組立体は本発明の一実施形態によって包含される。示されるようにヒートシンク２２０は、下部熱面２２６を介して各々の発熱構成要素２１４と間接的に接触している。

さらにＰＣＢ以外の組立体も含まれる。例えば図５は、放熱を必要とする異なるタイプの組立体を示している。図５では、パルスレーダシャシ組立体３４０が示されており、これは発熱構成要素３１４と、シャシ３３８と、ヒートシンク３２０とを備える。パルスレーダシャシ組立体３４０が示されているが、高出力のマイクロ波シャシ、無線送信シャシなどの放熱を必要とする発熱構成要素を有するいずれのシャシも想像される。パルスレーダシャシ組立体３４０は、発熱構成要素３１４と間接的に接触するヒートシンク３２０を有するように示されているが、本明細書に記載されるように代替の構成も想像される。

任意の実施形態が組み合わされる場合もあることが企図されている。例えば図１および図４の実施形態を組み合わせて、ＰＣＢの上部面および下部面の両方に発熱構成要素を配置する場合もある。１つまたは複数のこのような発熱要素が、図３の実施形態による個々のヒートシンクを有する場合もあり、残りの発熱要素は、図１の実施形態によるヒートシンクに接続される。図１および図３の実施形態のヒートシンクはさらに、組み合わせることで「積み重なった」ヒートシンクとなり得ることが企図されている。

本明細書に開示される実施形態は、相変化材料を備えたヒートシンクを有するＰＣＢ組立体を提供する。上記の実施形態において実現され得る１つの利点は、上記に記載される実施形態が、空気冷却フィンまたは液体冷却構成要素を有する従来式のＰＣＢ組立体に対して優れた重量およびサイズの利点を有することである。提案される相変化材料のヒートシンク構成によって、相変化材料の信頼できる熱吸収が固有のものであるため、一時的な加熱状況において付加的な放熱要素なしで高度の放熱を実現することができ、より低い発熱状況でのその後の放出に備えてこの物理的な材料によって熱を蓄積することができる。

さらに、構成要素に高熱の一時的な状況がないときですら、より高度のＰＣＢの信頼性を実現することが可能であり、これは相変化材料が、定常作動において、または高い太陽熱設定の下での環境温度に対する変化などの環境的な冷却条件が緩和された状況において例外的な放熱特性を実現するためである。これに加えて、本発明の一態様は、一時的な熱サイクルにおいて電子機器を冷却するのに必要な液体または空気熱交換器の必要とされるエンタルピーを下げ、これは、エンタルピーは、一時的な負荷のために設計されるのではなく、むしろ定常の負荷に対して設計されるためである。

ＰＣＢ組立体を設計する際、対処すべき重要な要因は、サイズ、重量および信頼性である。上記に記載されるＰＣＢ組立体は、空気または液体冷却装置を有するＰＣＢ組立体と比べて部品の数を減らし、電気製図を簡略化させることで、総合的なシステムを本質的により信頼できるものにする。これにより重量が減少し、サイズが小さくなり、性能が向上し、信頼性が向上したシステムとなる。部品の数が減少し、メンテナンスが少なくなることで、製造コストがより安くなり、作動コストも安くなることになる。重量およびサイズの減少は、競争力の利点と相互に関連している。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ ＰＣＢ組立体
１２ パルスレーザ制御基板（ＰＬＣＢ）
１４ 発熱構成要素
１６ ＰＬＣＢの頂部面
１８ ＰＬＢＣの底部面
２０ ヒートシンク
２２ 熱パッド
２４ 上部熱面
２６ 下部熱面
２８ ねじ
２９ 熱面の対向する側端部１
３０ ねじの開口
３１ 熱面の対向する側端部２
３２ 内壁
３４ フレーム
３５ 小室
３６ 相変化材料
１１０ ＰＣＢ組立体
１１２ パルスレーザ制御基板（ＰＬＣＢ）
１１４ 発熱構成要素
１２０ ヒートシンク
１２４ 上部熱面
１２６ 下部熱面
２１２ パルスレーザ制御基板（ＰＬＣＢ）
２１４ 発熱構成要素
２２０ ヒートシンク
２２６ 熱面
３１４ 発熱構成要素
３２０ ヒートシンク
３３８ シャシ
３４０ パルスレーダシャシ組立体

Claims (23)

1. 少なくとも１つの発熱構成要素と、
   前記少なくとも１つの発熱構成要素に伝導式に結合された相変化材料を有するヒートシンクとを備える放熱組立体であって、
   前記相変化材料が、前記発熱構成要素から前記相変化材料への熱の伝導性の移動に反応して少なくとも２つの相の間で変化する放熱組立体。
2. 前記ヒートシンクが、前記少なくとも１つの発熱構成要素と直接伝導接触する、請求項１記載の放熱組立体。
3. 前記ヒートシンクと前記少なくとも１つの発熱構成要素が共通のプラットフォームを有する、請求項２記載の放熱組立体。
4. 前記ヒートシンクが、前記少なくとも１つの発熱構成要素と間接的に伝導接触する、請求項１記載の放熱組立体。
5. 前記発熱構成要素および前記ヒートシンクからの伝導路の少なくとも一部を形成する熱パッドをさらに備える、請求項４記載の放熱組立体。
6. 前記発熱構成要素の少なくとも一部に重なる熱面をさらに備え、前記熱パッドが前記熱面に当接しており、前記熱パッドが前記伝導路の一部を形成する、請求項５記載の放熱組立体。
7. 前記ヒートシンクが前記熱面に設置される、請求項６記載の放熱組立体。
8. 前記少なくとも２つの相が、固体と液体を含む、請求項１記載の放熱組立体。
9. 前記相変化材料が、パラフィンワックスとアンモニアのうちの一方である、請求項８記載の放熱組立体。
10. 前記相変化材料が、高度の放射作用の熱伝達放射率のために追加材料を含む、請求項１記載の放熱組立体。
11. 前記追加材料がカーボンブラックである、請求項１０記載の放熱組立体。
12. 前記ヒートシンクが、前記相変化材料を保持する熱伝導フレームをさらに備える、請求項１記載の放熱組立体。
13. 前記少なくとも１つの発熱構成要素が、プリント回路基板上に構成される、請求項１記載の放熱組立体。
14. 少なくとも１つの発熱構成要素を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）用のクラムシェル組立体であって、
    上部熱面と、
    前記上部熱面から離間され、前記ＰＣＢを保持するためのＰＣＢ小室を少なくとも部分的に画定する下部熱面と、
    前記上部熱面および前記下部熱面の一方に設置された相変化材料を備えるヒートシンクとを備えるクラムシェル組立体。
15. 前記相変化材料の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの発熱構成要素と位置合わせされる、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
16. 前記少なくとも１つの発熱構成要素と、前記ヒートシンクの少なくとも１つと、前記ヒートシンクが設置される前記上部熱面および下部熱面の一方と直接熱接触する熱パッドをさらに備える、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
17. 前記熱パッドが、前記ヒートシンクが設置される前記上部熱面および下部熱面の一方と直接熱接触する、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
18. 前記熱パッドおよび前記ヒートシンクが、前記ヒートシンクが設置される前記上部熱面および下部熱面の一方の対向する側にある、請求項１７記載のクラムシェル回路基板組立体。
19. 前記ヒートシンクが、前記上部熱面に設置される第１のヒートシンクと、前記下部熱面に設置される第２のヒートシンクとを備える、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
20. 前記相変化材料が、パラフィンワックスとアンモニアのうちの一方である、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
21. 前記相変化材料が、高度の放射作用の熱伝達放射率のために追加材料を含む、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
22. 前記ヒートシンクが、前記相変化材料を保持する熱伝導フレームをさらに備える、請求項１４記載のクラムシェル回路基板組立体。
23. 前記熱伝導フレームが蜂の巣として構成される、請求項２２記載のクラムシェル回路基板組立体。