JP2007227902A - マイクロチャンネルヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】熱源からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク及びその作動方法を提供する。
【解決手段】マニホールドの入口縁部３２内に延びる入口マニホールドチャンネル４４にクーラントを流入し、ここで、マニホールドチャンネル４４、４６と交差して延びる平行であり且つ間隔が隔てられたマイクロチャンネル２８内に流れを下方に押し込み、マニホールドの出口縁部３２内に延び且つ入口マニホールドチャンネル４４と交互になった出口マニホールドチャンネル４６にクーラントを入れてここから出すことによって、熱源２２からクーラント流体に熱を伝達する。マイクロチャンネル２８のベース幅（ｂｗ）、マイクロチャンネル２８のベース高さ（ｂｔ）等の寸法を規定することによって、効率を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱源からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク及びその作動方法を提供する。

集積回路等の電気部品は熱を発生する。こうした熱は、熱が電気部品に悪影響を及ぼすため、放散したり冷却したりしなければならない。熱を放散するため、ヒートシンクが使用されてきた。ヒートシンクは、熱を発生する電子部品が配置される低温プレート即ちベースの上に、重なったチャンネルの連続した層を含む。このようなヒートシンクは、グルーバー等に付与された米国特許第５，３８８，６３５号に開示されている。代表的には、平らな低温プレート即ちベースは、平行な通路即ちチャンネルを有し、これらのチャンネルは全て、低温プレートで同じ距離に亘って延びており、マニホールドプレートが低温プレートと重ねられる。電子部品を低温プレートの反対側の面に取り付け、通路を通してクーラントを流し、熱を電子部品から引き出す。
米国特許第５，３８８，６３５号

製造費が少ないが、熱を引き出す性能が高く、質量が小さいヒートシンクを製造することが常に求められている。

本発明は、熱源からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク及びその作動方法を提供する。これは、マニホールドの入口縁部内に延びる入口マニホールドチャンネルにクーラントを流入し、ここで、クーラントの流れを、マニホールドチャンネルと交差して延びる平行であり且つ間隔が隔てられたマイクロチャンネル内に下方に押し込み、そして、クーラントの方向を上方に変え、マニホールドの出口縁部内に延び且つ入口マニホールドチャンネルと交互になった出口マニホールドチャンネルに入れてここから出すことによって、行われる。マイクロチャンネルのベース幅を４０μｍ乃至１００μｍの範囲内に維持し、マイクロチャンネルのベース高さを２００μｍ乃至４００μｍの範囲内に維持し、マニホールドチャンネルを通るマニホールド高さを１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲内に維持し、マニホールドチャンネルのマニホールド幅を３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲内に維持することによって、効率を向上する。

従って、本発明は、クーラントの流れ及び熱伝達に影響を及ぼすパラメータの作動的関係を最適にすることによって熱伝達を最大にするヒートシンクを提供する。

本発明のこの他の利点は、容易に理解されるであろう。これは、以下の詳細な説明を添付図面と関連して読むことにより、更によく理解されるためである。

添付図面を参照すると、幾つかの図に亘り、同じ参照番号が対応する部品を示す。熱源２２即ち電子部品からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク２０を概略に示す。

ヒートシンク２０は、蓋２４及びベース２６を含むハウジングによって形成されている。ベース２６は平らな低温プレート（コールドプレート）であり、上面と、下面と、平行なマイクロチャンネル２８を有する。これらのマイクロチャンネルは全て、同じ距離に亘って延びており、各マイクロチャンネルは、ベースの上面内に、ベース幅ｂｗと、ベース高さｂｈとを有する。

マニホールド厚さｍｔを形成する上面及び下面を持つマニホールドプレート３０が、下面をマイクロチャンネル２８と重ねて配置される。マニホールドプレートは、両端部３４間を延びる間隔が隔てられた縁部３２を有する。蓋２４は、ベース２６と係合する周囲と、内肩部３６とを有する。内肩部３６は、マニホールドプレート３０の端部３４と係合して、マニホールドプレート３０の上面と係合した凹所をなした表面３８を周囲内に形成する。マニホールドプレート３０の縁部３２は、入口縁部３２（図の右側）及び出口縁部３２（図の左側）を形成する。これらの縁部の各々は、肩部３６から間隔が隔てられており、入口縁部３２と肩部３６との間に入口プレナムを形成し、出口縁部３２と肩部３６との間に出口プレナムを形成する。流体を入口プレナムに流入するため、入口導管４０が蓋２４内に延びており、流体を出口プレナムから流出するため、出口導管４２が蓋２４内に延びている。

マニホールドプレート３０は、入口縁部３２内に延びる入口マニホールドチャンネル４４と、出口縁部３２内に延びる出口マニホールドチャンネル４４とを有し、これらのマニホールドチャンネルの各々は、反対側の縁部３２に対して間隔が隔てられた関係で終端する。入口マニホールドチャンネル４４は、出口マニホールドチャンネル４４と交互になっており、矩形のセルを形成する。図４に示すように、Ｘは、チャンネル４４、４６内への流れを示し、Ｏは、チャンネル４４、４６の外への流れを示す。この流れ構成のため、圧力降下が小さい。というのは、流れがマイクロチャンネル２８に進入するときに収縮し、流れが逆転しマイクロチャンネル２８から流出するときに膨張するためである。壁厚ｗｔがマニホールドチャンネル４４、４６間に形成され、即ちマニホールドチャンネル４４、４６間に存在し、入口マニホールドチャンネル４４は、出口縁部３２から出口マニホールドチャンネル４６と交互になっている。マニホールドチャンネル４４、４６は、マニホールド幅ｍｗと、マニホールド厚さｍｔと等しいマニホールド高さｍｈとを備えている。

蓋２４及びベースは、外形が円形であり、半径方向に延びる耳部４８を備えている。これらの耳部４８は、かみ合い係合するため、径方向に延びて設けられており、マニホールドを間に挟んだ状態で蓋２４をベースにシールするためにボルトを受け入れるボルト穴を形成している。適当なガスケットを、かみ合う部品間に挟む。

理解されるように、マニホールドチャンネル４４、４６は、ベースのマイクロチャンネル２８と交差して横断方向に延びている。これによって、クーラントは、ベースの外部と係合した熱源２２から熱を運び去るため、図４及び図５に示すように、入口導管４０から入口プレナムに、そして入口マニホールドチャンネル４４に流入し、ここで流れをマイクロチャンネル２８内に下方に強制的に押し込み、ここでクーラントは、出口マニホールドチャンネル４６内に上方に方向を変え、出口導管４２から出るために出口プレナムに入る。
最大の作動効率を得るため、マイクロチャンネル２８のベース幅ｂｗは、４０μｍ乃至１００μｍの範囲に維持され、マイクロチャンネル２８のベース内へのベース高さｂｈは、２００μｍ乃至４００μｍの範囲に維持され、マニホールドチャンネル４４、４６のマニホールド厚さを通るマニホールド高さは、１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲に維持され、マニホールドチャンネル４４、４６のマニホールド幅ｍｗは、３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲に維持される。更に、マイクロチャンネル２８の壁厚は、５０μｍである。理解を完全にするため、熱源２２の発熱面積は、マイクロチャンネル２８が設けられたベースの下面の有効熱伝達面積に対し、０．７乃至１の所定の比を有する。

従って、本発明は、熱源２２からクーラント流体に熱を伝達する方法を提供する。この熱伝達方法は、マニホールドの入口縁部３２内に延びる入口マニホールドチャンネル４４にクーラントを流入させ、ここで、流れを、マニホールドチャンネル４４、４６と交差して延びる平行であり且つ間隔が隔てられたマイクロチャンネル２８内に下方（図４にＸによって示す）に押し込み、クーラントの方向を上方に変え（図４にＯによって示す）て、マニホールドの出口縁部３２内に延び且つ入口マニホールドチャンネル４４と交互になった、出口マニホールドチャンネル４６に入れてここから出すことによって行われる。また、前記熱伝達方法は、マイクロチャンネル２８のベース幅ｂｗを４０μｍ乃至１００μｍの範囲に維持し、マイクロチャンネル２８のベース内へのベース高さｂｈを、２００μｍ乃至４００μｍの範囲に維持し、マニホールドチャンネル４４、４６のマニホールド高さｍｈを１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲に維持し、マニホールドチャンネル４４、４６のマニホールド幅ｍｗを３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲に維持することによって、行われる。

この方法は、更に、マニホールドチャンネル４４、４６及びマイクロチャンネル２８を通るクーラントの流量を、毎分０．２ガロン（約０．７５７リットル）乃至０．３ガロン（約１．１３５リットル）に維持することを特徴とする。

図６を参照し、液冷式システム５０に組み込んだヒートシンク２０の作動を概略に示す。ポンプ５２等の作動流体移動装置が、通常は液体である冷却流体の流れを、余分な冷却流体を貯蔵する冷却流体貯蔵タンク５４を通して移動する。ポンプ５２は、冷却流体を熱交換器を通して移動させ、冷却流体から熱を放散する。熱交換器は、ファン５６及びラジエータ５８を備えている。ラジエータ５８は、チューブを含み、これらのチューブ間に冷却フィンが設けられた周知の種類のラジエータであってもよく、チューブを通過する冷却流体と、ファン５６によってラジエータ５８を通して圧送された空気との間で熱交換を行う。

明らかに、以上の教示に照らして、本発明の多くの変形及び変更を行うことができる。本発明は、具体的に説明した以外の態様で、特許請求の範囲の範囲内で実施できる。

図１は、本発明のヒートシンクの好ましい実施例の、組み立てた状態の、蓋を仮想線で示す図である。 図２は、一部を除去した部分断面斜視図である。 図３は、分解図である。 図４は、様々な流れチャンネル間の関係を示す概略平面図である。 図５は、様々な流れチャンネル間の関係を示す概略断面図である。 図６は、本発明のヒートシンクを通してクーラントを移動するためのシステムの概略図である。

符号の説明

２０ ヒートシンク
２２ 熱源
２４ 蓋
２６ ベース
２８ マイクロチャンネル
３０ マニホールドプレート
３２ 縁部
３４ 端部
３６ 肩部
３８ 凹所をなした表面
４０ 入口導管
４２ 出口導管
４４ 入口マニホールドチャンネル
４６ 出口マニホールドチャンネル
４８ 耳部
５０ 液体冷却システム
５２ ポンプ
５４ 貯蔵タンク
５６ ファン
５８ ラジエータ
ｂｈ ベース高さ
ｂｗ ベース幅
ｍｈ マニホールド高さ
ｍｔ マニホールド厚さ
ｍｗ マニホールド幅
ｗｔ 壁厚

Claims (6)

1. 熱源（２２）からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク（２０）であって、
   平らなベース（２６）を有するハウジングを備えており、前記ベース（２６）は、平行なマイクロチャンネル（２８）が設けられた低温プレートを形成しており、前記マイクロチャンネルは、全て、同じ距離に亘って延びており、前記マイクロチャンネルの各々は、前記低温プレート内に、所定のベース幅（ｂｗ）と、所定のベース高さ（ｂｈ）とを有しており、
   前記ヒートシンク（２０）は、また、マニホールドプレート（３０）を備え、前記マニホールドプレート（３０）は、マニホールド厚さ（ｍｔ）を形成する上面及び下面を有しており、前記下面が前記マイクロチャンネル（２８）と重なっており、前記マニホールドプレート（３０）は、また、両端部（３４）間を延びる、間隔が隔てられた縁部（３２）を有しており、
   前記ハウジングは、内部肩部（３６）を有しており、該内部肩部（３６）は、前記マニホールドプレート（３０）の前記端部（３４）と係合して、前記マニホールドプレート（３０）の前記上面と係合する凹所をなした表面（３８）を形成しており、
   前記マニホールドプレート（３０）の前記縁部（３２）は、入口縁部（３２）及び出口縁部（３２）を形成し、入口縁部（３２）及び出口縁部（３２）は、各々、前記肩部（３６）から各々間隔が隔てられて、前記入口縁部（３２）と前記肩部（３６）との間に入口プレナムを形成し、前記出口縁部（３２）と前記肩部（３６）との間に出口プレナムを形成しており、
   前記マニホールドプレート（３０）は、前記入口縁部（３２）内に延びる入口マニホールドチャンネル（４４）と、前記出口縁部（３２）内に延びる出口マニホールドチャンネル（４６）とを有し、これらのマニホールドチャンネルの各々は、反対側の縁部（３２）に対して間隔が隔てられた関係で終端し、
   前記入口マニホールドチャンネル（４４）は、前記出口マニホールドチャンネル（４６）と交互になって、下側のマイクロチャンネル（２８）の壁厚（ｗｔ）を形成し、その結果、前記入口縁部（３２）からの前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、前記出口縁部（３２）からの前記マニホールドチャンネル（４４、４６）と交互になっており、前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、所定のマニホールド幅（ｍｗ）と、前記マニホールド厚さ（ｍｔ）と等しい所定のマニホールド高さ（ｍｈ）とを有しており、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、前記ベースの前記マイクロチャンネル（２８）と交差方向に延びており、これによって、クーラントは、前記入口導管（４０）から、前記入口プレナムに、そして前記入口マニホールドチャンネル（４４）に流入し、該入口マニホールドチャンネル（４４）で、流れが前記マイクロチャンネル（２８）内に下方に押し込まれ、該マイクロチャンネル（２８）で、クーラントは、前記出口マニホールドチャンネル（４６）内に上方に方向を変え、前記出口導管（４２）の外に出るため、前記出口プレナム内に出て、前記ベースの外部と係合した熱源（２２）から熱を運び去り、
   前記マイクロチャンネル（２８）の前記ベース幅（ｂｗ）は、４０μｍ乃至１００μｍの範囲にあり、
   前記マイクロチャンネル（２８）の前記ベース内への前記ベース高さ（ｂｈ）は、２００μｍ乃至４００μｍの範囲にあり、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）の前記マニホールド厚さ（ｍｔ）を通る前記マニホールド高さ（ｍｈ）は、１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲にあり、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）の前記マニホールド幅（ｍｗ）は、３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲にある、ヒートシンク。
2. 請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
   前記熱源（２２）は、前記ベースの前記下面の面積に対して０．７乃至１の所定の比を持つ面積を有する、ヒートシンク。
3. 請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
   前記壁厚（ｗｔ）は５０μｍである、ヒートシンク。
4. 熱源（２２）からクーラント流体に熱を伝達するためのヒートシンク（２０）であって、
   蓋（２４）及びベースを含むハウジングを備え、
   前記ベースは、上面と、下面と、平行なマイクロチャンネル（２８）とを持つ平らな低温プレートであり、前記マイクロチャンネルは全て、同じ距離に亘って延びており、前記マイクロチャンネルの各々は、前記ベースの前記上面内に所定のベース高さと、所定のベース幅（ｂｗ）とを有し、
   また、前記ヒートシンク（２０）は、
   マニホールド厚さ（ｍｔ）を形成する上面及び下面を有し、前記下面が前記マイクロチャンネル（２８）と重なり、間隔が隔てられた縁部が両端部（３４）間を延びる、マニホールドプレート（３０）を備え、
   前記蓋（２４）は、前記ベースと係合する周囲と、前記マニホールドプレート（３０）の前記端部（３４）と係合して、前記マニホールドプレート（３０）の前記上面と係合する凹所をなした表面（３８）を前記周囲内に形成する内部肩部（３６）とを有し、
   前記マニホールドプレート（３０）の前記縁部（３２）は、入口縁部（３２）及び出口縁部（３２）を形成しており、前記入口縁部（３２）及び前記出口縁部（３２）は、各々、前記肩部（３６）から間隔が隔てられて、前記入口縁部（３２）と前記肩部（３６）との間に入口プレナムを形成し、前記出口縁部（３２）と前記肩部（３６）との間に出口プレナムを形成しており、
   また、前記ヒートシンク（２０）は、
   前記入口プレナムに流体を流入するため、前記蓋（２４）に設けられた入口導管（４０）と、
   前記出口プレナムから流体を流出するため、前記蓋（２４）に設けられた出口導管（４２）とを備えており、
   前記マニホールドプレート（３０）は、前記入口縁部（３２）内に延びる入口マニホールドチャンネル（４４）と、前記出口縁部（３２）内に延びる出口マニホールドチャンネル（４６）とを有し、これらのマニホールドチャンネルの各々は、反対側の縁部（３２）に対して間隔が隔てられた関係で終端しており、
   前記入口マニホールドチャンネル（４４）は、前記出口マニホールドチャンネル（４６）と交互になっており、その間に壁厚（ｗｔ）を形成し、その結果、前記入口縁部（３２）からの前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、前記出口縁部（３２）からの前記マニホールドチャンネル（４４、４６）と交互になっており、前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、所定のマニホールド幅（ｍｗ）と、前記マニホールド厚さ（ｍｔ）と等しい所定のマニホールド高さ（ｍｈ）とを有し、
   前記蓋（２４）及び前記ベースは、円形であり、かみ合い係合するため、及び前記蓋（２４）を前記ベースに前記マニホールドをこれらの間に挟んだ状態でシールするためのボルト穴を形成するため、半径方向に延びる耳部（４８）を有し、
   前記ベースの前記下面と接触した所定の発熱面積を持つ熱源（２２）を有し、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）は、前記ベースの前記マイクロチャンネル（２８）と交差方向に延びており、これによって、クーラントは、前記入口導管（４０）から、前記入口プレナムに、そして前記入口マニホールドチャンネル（４４）に流入し、前記入口マニホールドチャンネル（４４）で、流れを前記マイクロチャンネル（２８）内に下方に押し込み、前記マイクロチャンネル（２８）で、クーラントは、前記出口マニホールドチャンネル（４６）内に上方に方向を変え、前記出口導管（４２）を出るため、前記出口プレナム内に出て、前記ベースの外部と係合した熱源（２２）から熱を運び去り、
   前記マイクロチャンネル（２８）の前記ベース幅（ｂｗ）は、４０μｍ乃至１００μｍの範囲にあり、
   前記マイクロチャンネル（２８）の前記ベース内への前記ベース高さは、２００μｍ乃至４００μｍの範囲にあり、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）の前記マニホールド厚さ（ｍｔ）を通る前記マニホールド高さ（ｍｈ）は、１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲にあり、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）の前記マニホールド幅（ｍｗ）は、３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲にあり、
   前記壁厚（ｗｔ）は５０μｍであり、
   前記熱源（２２）の前記発熱面積は、前記マイクロチャンネル（２８）によって覆われた前記ベースの前記下面の有効熱伝達面積に対して０．７乃至１の所定の比を有する、ヒートシンク。
5. 熱源（２２）からクーラント流体に熱を伝達する方法であって、
   マニホールドの入口縁部（３２）内に延びる入口マニホールドチャンネル（４４）にクーラントを流入し、前記入口マニホールドチャンネル（４４）で、前記クーラントの流れを、前記マニホールドチャンネル（４４、４６）と交差して延びる平行であり且つ間隔が隔てられたマイクロチャンネル（２８）に下方に押し込み、前記マニホールドの出口縁部（３２）内に延び且つ前記入口マニホールドチャンネル（４４）と交互になった出口マニホールドチャンネル（４６）内に、クーラントの向きを上方に変えてここから出す、工程と、
   前記マイクロチャンネル（２８）のベース幅（ｂｗ）を４０μｍ乃至１００μｍの範囲に維持する工程と、
   前記マイクロチャンネル（２８）のベース高さ（ｂｈ）を２００μｍ乃至４００μｍの範囲に維持する工程と、
   マニホールドチャンネル（４４、４６）を通るマニホールド高さ（ｍｈ）を１０００μｍ乃至３０００μｍの範囲に維持する工程と、
   マニホールドチャンネル（４４、４６）のマニホールド幅（ｍｗ）を３５０μｍ乃至１０００μｍの範囲に維持する工程とを含む、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記マニホールドチャンネル（４４、４６）及びマイクロチャンネル（２８）を通るクーラントの流量を、毎分０．２ガロン乃至０．３ガロンに維持する、方法。

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