特表 2023-532502 ヒート・シンク・アレイおよび使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-28

(54)【発明の名称】ヒート・シンク・アレイおよび使用方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20230721BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20230721BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 A

H01L23/36 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022580542

(86)(22)【出願日】2021-02-03

(85)【翻訳文提出日】2023-01-31

(86)【国際出願番号】 SG2021050056

(87)【国際公開番号】W WO2021262086

(87)【国際公開日】2021-12-30

(31)【優先権主張番号】10202006107T

(32)【優先日】2020-06-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SG

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517435434

【氏名又は名称】ナショナル ユニバーシティー オブ シンガポール

【氏名又は名称原語表記】Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リー、ポー セン

(72)【発明者】

【氏名】ゼン、シー

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322BA01

5E322BA05

5E322BC05

5E322EA11

5F136BA02

5F136BA22

5F136CA17

(57)【要約】

本発明は、上流領域、下流領域、および上流領域と下流領域との中間の混合領域を含む少なくとも１つの流路を備え、上流領域が、上流領域への流入流を複数の上流副流に分離するように配置された上流分離構成体を含み、混合領域が、少なくとも２つの上流副流を混合領域に集束して一次混合流を形成するように配置された集束構成体を含む、伝熱装置を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

上流領域、下流領域、および該上流領域と該下流領域との中間の混合領域を含む少なくとも１つの流路を備え、
該上流領域が、該上流領域への流入流を複数の上流副流に分離するように配置された上流分離構成体を含み、
該混合領域が、少なくとも２つの上流副流を該混合領域に集束して一次混合流を形成するように配置された集束構成体を含む、伝熱装置。

【請求項2】

前記上流分離構成体が、前記上流領域への流入流を第１および第２の上流副流に分離するように配置された上流分離フィンを含む、請求項１に記載の伝熱装置。

【請求項3】

前記下流領域が、前記一次混合流を複数の下流副流に分離するように配置された下流分離構成体を含む、請求項１または２に記載の伝熱装置。

【請求項4】

前記下流分離構成体が、前記一次混合流を第１および第２の下流副流に分離するように配置された下流分離フィンを含む、請求項３に記載の伝熱装置。

【請求項5】

前記集束構成体が、すべての上流副流を混合して前記一次混合流にするように前記流路の壁と連続している、請求項１～４のいずれか一項に記載の伝熱装置。

【請求項6】

前記分離構成体が、前記集束構成体の集束フィンから空間的にずらされている、請求項１～５のいずれか一項に記載の伝熱装置。

【請求項7】

前記上流または下流分離構成体および前記集束構成体のすぐ近くに転向構成体をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の伝熱装置。

【請求項8】

前記転向構成体が、前記集束構成体および／または前記分離構成体から空間的にずらされた転向フィンを備える、請求項７に記載の伝熱装置。

【請求項9】

上流領域、下流領域、および該上流領域と該下流領域との中間の混合領域を含む少なくとも１つの流路を含む伝熱装置を提供するステップと、
該上流領域への流入流を複数の上流副流に分離するステップと、
少なくとも２つの上流副流を該混合領域に集束して一次混合流を形成するステップと
を含む伝熱方法。

【請求項10】

前記一次混合流を複数の下流副流に分離するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

１つの副流を転向させて別の副流と混合して二次混合流を形成するステップをさらに含む、請求項９または１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝熱装置のフィン・アレイに関する。特に、本発明は、熱流束の高い様々な冷却条件において使用することができる。

【背景技術】

【0002】

最も一般的なヒート・シンク・フィン設計は直線フィンである。これは伝熱効率が低く圧力降下が大きく、フィン設計に改良の余地がある。ピン・フィン（ｐｉｎ ｆｉｎ）、オフセット・ストリップ・フィン（ｏｆｆｓｅｔ ｓｔｒｉｐ ｆｉｎ）、ステップ・フィン（ｓｔｅｐ ｆｉｎ）、および傾斜フィン（ｏｂｌｉｑｕｅ ｆｉｎ）は、比較的改良された設計の例である。しかしながら、それらの冷却性能は直線フィンの冷却性能よりもわずかに良いだけである。

【0003】

したがって、ヒート・シンクの設計を改良する必要性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、既存のフィン設計よりも性能が優れた改良されたフィン・アレイを有する伝熱装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様では、上流領域、下流領域、および上流領域と下流領域との中間の混合領域を含む少なくとも１つの流路を備え、上流領域が、上流領域への流入流を複数の上流副流に分離するように配置された上流分離構成体を含み、混合領域が、少なくとも２つの上流副流を混合領域に集束（合流）して一次混合流を形成するように配置された集束構成体を含む、伝熱装置が提供される。分離構成体は、少なくとも１つの副流の流れ方向を変えることによって流体をいくつかの副流に分離する。このヒート・シンク装置の配置により、流れの効果的な混合が可能になり、したがって、同じポンプ動力において、フィンを、直線流路よりも低い平均ジャンクション温度にすることができる。したがって、改良された本ヒート・シンク装置での熱伝達はより効率的である。流路は、任意の数の分離構成体を２つの集束構成体(「合流構成体」とも称する。)の間に含むことができる。

【0006】

一実施形態では、上流分離構成体は、上流領域への流入流を第１および第２の上流副流に分離するように配置された上流分離フィンを含んでもよい。分離フィンの滑らかな縁は、抵抗を低減し、滑らかな流体流を促進する。非連続なフィンのパターンは、厚い境界層が形成することを防止する。各フィンの後縁には小さな渦が形成されて、熱伝達をさらに高める。フィンは、平行四辺形など二対の平行な壁を有してもよい。

【0007】

一実施形態では、下流領域は、一次混合流を複数の下流副流に分離するように配置された下流分離構成体を含んでもよい。この特徴により、伝熱装置全体で効率的な熱伝達を維持しながら、伝熱装置を通して開始プロセス（混合領域での副流の集束）を繰り返すことができる。

【0008】

一実施形態では、下流分離構成体は、一次混合流を第１および第２の下流副流に分離するように配置された下流分離フィンを含んでもよい。上流分離フィンと同様に、下流分離フィンは、滑らかな流体流を可能にし、厚い境界層が形成することを防止し、したがって効率的な熱伝達を可能にする。

【0009】

一実施形態では、集束構成体は、すべての上流副流を混合して一次混合流にするように流路の壁と連続していてもよい。

【0010】

一実施形態では、分離構成体は、集束構成体の集束フィンから空間的にずらされてもよい。分離フィンと同様に、集束フィンは、滑らかな流体流を可能にし、厚い境界層が形成することを防止し、したがって効率的な熱伝達を可能にする。集束フィンは、台形など一対の平行な辺を有してもよい。

【0011】

一実施形態では、熱伝達は、上流または下流分離構成体および集束構成体のすぐ近くに転向構成体をさらに備えてもよい。ここで、転向構成体は、１つの上流副流を転向させて別の上流副流と混合して二次混合流を形成するように配置される。転向構成体は、１つの副流を転向させて別の上流副流と混合して二次混合流を形成するように配置されてもよい。そのため、分離構成体が２つの副流の方向を変える場合には、分離構成体は転向構成体になることができるという点で、転向構成体は分離構成体の特別な場合である。

【0012】

転向構成体はまた、流体を副流に分離することもできるが、両方の副流の方向を変えるという点で分離構成体とは異なる。転向構成体は、流体をさらに混合し、その結果、熱伝達はより均一に分布される。フィンの後縁には、流体の残りの部分よりも高い温度を有する小さな渦があるので、流体のこれらの小さなポケットは、二次混合流で再分布され得る。流路は、２つの集束構成体の間、または集束構成体と分離構成体との間に任意の数の転向構成体を含んでもよい。

【0013】

一実施形態では、転向構成体は、集束構成体および／または分離構成体から空間的にずらされた転向フィンを備えてもよい。転向フィンは、平行四辺形など二対の平行な辺を有してもよい。転向フィンは、製造時にフィンの切り取りを容易にするために、分離フィンと同じ形状のものであってもよい。

【0014】

第２の態様では、本発明は、上流領域、下流領域、および上流領域と下流領域との中間の混合領域を含む少なくとも１つの流路を含む伝熱装置を提供するステップと、上流領域への流入流を複数の上流副流に分離するステップと、少なくとも２つの上流副流を混合領域に集束して一次混合流を形成するステップとを含む伝熱方法を提供する。本装置に対して上で説明したように、この伝熱方法は、伝熱流体の効果的な混合を可能にして、従来の伝熱装置と比較するとより均一な熱の分布を可能にする。

【0015】

一実施形態では、本方法は、一次混合流を複数の下流副流に分離するステップをさらに含んでもよい。このステップにより、流体の均一な混合を維持しながら、伝熱装置を通して副流を繰り返し集束および分離することができる。

【0016】

一実施形態では、本方法は、１つの副流を転向させて別の副流と混合して二次混合流を形成するステップをさらに含んでもよい。フィンの後縁には、流体の残りの部分よりも高い温度を有する小さな渦があるので、流体のこれらの小さなポケットは、二次混合流で再分布され得る。

【0017】

本発明の可能な配置を示す添付図面に関して、本発明をさらに説明することは好都合であろう。本発明の他の配置も可能であり、したがって、添付図面の特徴が、本発明の上記説明の一般性に取って代わるものとして理解すべきではない。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の傾斜－台形フィン・アレイの概略図である。図１（ａ）は、新しい傾斜－台形フィン・アレイの概念を示す。図１（ｂ）は、改良された伝熱装置の流路を通る伝熱流体の流れを示す。図１（ｃ）は、別の改良された伝熱装置の流路を通る伝熱流体の流れを示す。

【図2】３つの可能な構成を示す概略図であり、（ａ）は３つの傾斜フィン構成、（ｂ）は２つの傾斜フィン構成、（ｃ）は１つの傾斜フィン構成である。

【図3】ヒート・シンク設計の流れ場を示す概略図であり、（ａ）は、直線流路、（ｂ）～（ｄ）は、１つの傾斜フィン構成である。

【図4】１周期のフィン構造内の局所流れ場を示す概略図であり、（ａ）は、流れ方向に沿った異なる位置（流路入口位置からｘ軸方向、単位：ｍｍ）での速度コンター、（ｂ）は、ｘ＝７．７５ｍｍの断面での流線、（ｃ）は、ｘ＝１０．４５ｍｍの断面での流線である。

【図5】温度コンターを示す概略図であり、（ａ）は、直線流路、（ｂ）は、新しいフィン設計、（ｃ）は、フィンの後縁周りの速度ベクトルを示す。

【図6】設計形状の概略図であり、（ａ）は傾斜フィン、（ｂ）はピン・フィン、（ｃ）はオフセット・ストリップ・フィン、（ｄ）はステップ・フィンである。

【図7】新しいフィン設計（ＮＦＤ：ｎｅｗ ｆｉｎ ｄｅｓｉｇｎ）、オフセット・ストリップ・フィン（ＯＳＦ）、ピン・フィン（ＰＦ）、ステップ・フィン（ＳＦ）、傾斜フィン（ＯＢ）、および直線流路（ＳＣ：ｓｔｒａｉｇｈｔ ｃｈａｎｎｅｌ）に対する、様々なポンプ動力の下での平均ジャンクション温度のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、ヒート・シンクの熱伝達を効率的に高める新規のヒート・シンク・フィン・アレイを開示する。これは、高熱流束熱源用のヒート・シンクまたはコールド・プレートの設計に使用することができる。ＣＰＵまたはＧＰＵは、この設計を使用することができる最も可能性のある構成部品である。チップ・パッケージがより小さくなり、電力消費が高くなるにつれて、その熱流束は急速に増加し、通常設計の冷却能力を超えようとしている。この新しいフィン設計は、伝熱能力を高めることにより、より高い熱流束の冷却問題を解決することができる。同じ熱流束の下では、チップをより低い温度に冷却することができ、これは、チップの動作の安全性および寿命に対して有利である。加えて、ポンプ動力を節約することができる。特に、数百のコールド・プレートがあり得るデータセンターの運営にとっては、これは重要な利点である。

【0020】

レーザは、我々の新しいフィン設計を使用することができる別の例である。半導体構成部品として、その動作効率と寿命はその温度に大きく依存する。この新しいフィン設計では、レーザはより低温で動作することができ、それはより良い性能に寄与する。

【0021】

本発明は、ヒート・シンクに適した新しいフィン・アレイを提示する。新しいフィン・アレイは、傾斜フィンと台形フィンの２つのタイプのフィンから構成される。

【0022】

図１（ａ）は、新しい傾斜－台形フィン・アレイの概念を示す。フィンは、２つの台形フィンを折り返し点として、半波状に配置されている。傾斜フィンはスパン方向にずらされている。最初の台形フィンの後、傾斜フィンの角度およびずらし方向は逆になる。１周期の終わりには、別の台形フィンがある。このパターンを流れ方向に繰り返すと、単一片のヒート・シンク構造が形成される。次いで、この単一片を両側面の周りに複数回ひっくり返すことによって、完全なヒート・シンクを得ることができる。

【0023】

図１（ｂ）は、改良された伝熱装置の流路を通る伝熱流体の流れを示す。流入流は、図示のような上流分離フィンなどの上流分離構成体によって上流副流に分離される。集束フィンなどの集束構成体は、混合領域において副流を混合して一次混合流を形成する。下流分離フィンなどの下流分離構成体は、この混合流を下流副流に分離する。

【0024】

図１（ｃ）は、別の改良された伝熱装置の流路を通る伝熱流体の流れを示す。この実施形態は、転向フィンなどの上流転向構成体を含む。上流転向構成体は、副流を転向させて別の副流と混合して二次混合流を形成し、それは、混合領域の外側で生じる。下流転向フィンなどの下流転向構成体は、下流分離フィンによる分離のために混合流を転向させる。転向フィンは、この目的のために、集束構成体および分離構成体からずらされている。

【0025】

各半周期の傾斜フィンの数は変えることができる。新しいフィン・アレイの３つの例が図２に示されている。（ａ）は３つの傾斜フィン構成、（ｂ）は２つの傾斜フィン構成、（ｃ）は１つの傾斜フィン構成である。寸法パラメータはあらゆる用途に対して調節されるべきであることが理解される。

【0026】

この新しいフィン設計に対して詳細な数値解析が実施された。図３は、３つの異なる構成の流れ場を示す。（ａ）は、直線流路（ＳＣ）の速度コンター、（ｂ）は、新しいフィン設計の速度コンター、（ｃ）は、新しいフィン設計の一部分の流線、（ｄ）は、新しいフィン設計の局所的な流線である。図３（ａ）は、ＳＣの速度コンターが、マイクロ流路領域に入って後すぐに、十分に発達することを示している。図３（ｂ）に示すように、新しいフィン設計の流路領域は、入口から出口までの連続した壁を有する代わりに、複数の交差接続された領域に分割され、境界層の成長を妨げている。図３（ｃ）は、新しいフィン設計の内部の水流の主流を示す。両側で対称な境界条件を有する各単一片では、傾斜フィンによって分離された２つの主流がある。各主流は台形フィンにぶつかると曲がり、半波状流を生成する。

【0027】

台形フィンの千鳥配置により、２つの主流は互いの方に向かって曲がり、流れの混合を促進する。加えて、この曲がりは、図４に示すように、従来とは異なる速度場および準ディーン渦を生成する。

【0028】

図４は、１周期のフィン構造内の局所流れ場を示す。（ａ）は、流れ方向に沿った異なる位置（流路入口位置からｘ軸方向、単位：ｍｍ）での速度コンター、（ｂ）は、ｘ＝７．７５ｍｍの断面での流線、（ｃ）は、ｘ＝１０．４５ｍｍの断面での流線である。台形フィン周りの曲がりは、全く同じディーン渦パターンを生じさせないが、それでも高さ方向の流れの混合を促進することができる。

【0029】

図５は、（ａ）ＳＣの温度コンター、（ｂ）新しいフィン設計の温度コンター、および（ｃ）フィンの後縁周りの速度ベクトルを示す。ＳＣヒート・シンクでは、フィン壁の近くの流体がまず加熱され、熱は、伝導と移流によって流路の中央部へ伝達される。フィン壁の近くでは高温、流路の中央部では低温となる明らかな温度勾配が出る。一方、新しいフィン設計での流体温度は、流路横断方向にはむしろ一様である。図５（ｂ）に示すように、フィンの後縁の周りの流体の小さな領域だけが主流路よりも明らかに高い温度を有する。これは、各フィンの後側の小さな渦によるものである。この特徴により、新しいフィン設計の熱伝達をさらに高める機会が残されている。一方、フィンの温度を比較すると、ＳＣの最高温度は６６．３７℃であるが、新しいフィン設計の最高温度は約５０．３０℃である。この温度差は１６℃であり、これは、新しいフィン設計の優れた伝熱性能を証明している。

【0030】

さらに、新しいフィン設計の有効性を実証するために、いくつかの他の一般的に使用されているヒート・シンク設計（従来の直線流路（ＳＣ）、傾斜フィン（ＯＢ）、ピン・フィン（ＰＦ）、オフセット・ストリップ・フィン（ＯＳＦ）、ステップ・フィン（ＳＦ））と比較された。図６に、これらのベンチマーク設計の形状（（ａ）傾斜フィン、（ｂ）ピン・フィン、（ｃ）オフセット・ストリップ・フィン、および（ｄ）ステップ・フィン）を示す。

【0031】

これらの性能は、平均ジャンクション温度対ポンプ動力のグラフで比較されている（図７）。

【0032】

ＳＣ設計の冷却性能は十分ではなく、新しいフィン設計よりもはるかに悪いことは明らかである。例えば、５．６ｅ－４Ｗのポンプ動力では、ＳＣ設計の平均ジャンクション温度は６０．５℃であり、一方、新しいフィン設計では５０℃である。改善された温度は１０．５℃である。他の設計と比較すると、新しいフィン設計は、それでもなお、同じポンプ動力を消費して最も低い平均ジャンクション温度を維持することができる、または、同じ平均ジャンクション温度を達成するとき、必要とするポンプ動力を最も少なくすることができる。例えば、平均ジャンクション温度が４８．４６℃の場合、新しいフィン設計は、７．７ｅ－４Ｗを消費するが、他のすべての設計で最も低いポンプ動力は、傾斜フィンにおける約８．６ｅ－４Ｗである。これによって、１０．５％のポンプ動力の節約がもたらされる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】