(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジェット衝突熱交換器であって、入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口とを含んでおり、
前記入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能であり、
前記ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでおり、前記複数のターゲット層マイクロチャネルは前記衝突領域から半径方向に延びており、前記冷却剤流体ジェットが前記衝突領域で前記ターゲット層に衝突し、前記冷却剤流体は、前記ターゲット層の周囲に向かって前記複数のターゲット層マイクロチャネルを貫流し、
前記第２層は複数の第２層マイクロチャネルを含んでおり、
前記移行チャネルは、前記ターゲット層と前記第２層との間に位置していて、前記第２層を前記ターゲット層に流体的にカップリングしており、前記冷却剤流体は、前記移行チャネルと前記複数の第２層マイクロチャネルとを貫流し、
前記流体出口は、前記第２層に流体的にカップリングされており、前記冷却剤流体は前記複数の第２層マイクロチャネルから前記流体出口を貫流する、ジェット衝突熱交換器。
【請求項２】
前記流体出口は前記入口噴射口と同心的である、請求項１に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項３】
前記入口噴射口は実質的に円筒形であり、前記第２層と一体である、請求項１に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項４】
さらに、前記第２層にカップリングされた流体出口板を含んでおり、前記流体出口は前記流体出口板内に配置されている、請求項１に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項５】
前記移行チャネルは、前記ジェット衝突熱交換器の周囲で、前記ターゲット層と前記第２層との間に配置されており、前記複数のターゲット層マイクロチャネル、及び前記複数の第２層マイクロチャネルに対して垂直である、請求項１に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項６】
ジェット衝突熱交換器であって、入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口板とを含んでおり、
前記入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能であり、
前記ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでおり、前記複数のターゲット層マイクロチャネルは前記衝突領域から半径方向に延びており、前記冷却剤流体ジェットが前記衝突領域で前記ターゲット層に衝突し、前記冷却剤流体は、前記ターゲット層の周囲に向かって前記複数のターゲット層マイクロチャネルを貫流し、
前記第２層は複数の第２層マイクロチャネルを含んでおり、前記入口噴射口が前記第２層と一体であり、
前記移行チャネルは、前記ジェット衝突熱交換器の周囲で、前記ターゲット層と前記第２層との間に配置されており、前記移行チャネルは、前記複数のターゲット層マイクロチャネル、及び前記複数の第２層マイクロチャネルに対して垂直であり、
前記移行チャネルは、前記第２層を前記ターゲット層に流体的にカップリングしており、前記冷却剤流体は、前記移行チャネルと前記複数の第２層マイクロチャネルとを貫流し、
前記流体出口板は前記第２層にカップリングされていて、前記流体出口板は、前記第２層に流体的にカップリングされた、前記入口噴射口と同心的な流体出口を含んでおり、前記冷却剤流体は前記複数の第２層マイクロチャネルから前記流体出口を貫流する、ジェット衝突熱交換器。
【請求項７】
前記ターゲット層は、１つ又は２つ以上の湾曲壁を有する複数のターゲット層構成物を含んでおり、前記複数のターゲット層マイクロチャネルは、前記複数のターゲット層構成物の間に配置されており、
前記第２層は、１つ又は２つ以上の湾曲壁を有する複数の第２層構成物を含んでおり、前記複数の第２層マイクロチャネルは、前記複数の第２層構成物の間に配置されている、請求項１または請求項６に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項８】
前記複数のターゲット層マイクロチャネルによって画定されたターゲット層マイクロチャネル・パターンが、前記複数の第２層マイクロチャネルによって画定された第２層マイクロチャネル・パターンとは異なる、請求項１または請求項６に記載のジェット衝突熱交換器。
【請求項９】
ジェット衝突熱交換器と、基層と、パワーエレクトロニクス・デバイスとを含むパワーエレクトロニクス・モジュールであって、
前記ジェット衝突熱交換器は入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口とを含んでおり、
前記入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能であり、
前記ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでおり、前記複数のターゲット層マイクロチャネルは前記衝突領域から半径方向に延びており、前記冷却剤流体ジェットが前記衝突領域で前記ターゲット層に衝突し、前記冷却剤流体は、前記ターゲット層の周囲に向かって前記複数のターゲット層マイクロチャネルを貫流し、
前記第２層は複数の第２層マイクロチャネルを含んでおり、
前記移行チャネルは、前記ターゲット層と前記第２層との間に位置していて、前記第２層を前記ターゲット層に流体的にカップリングしており、前記冷却剤流体は、前記移行チャネルと前記複数の第２層マイクロチャネルとを貫流し、
前記流体出口は、前記第２層に流体的にカップリングされていて、前記入口噴射口と同心的であり、前記冷却剤流体は前記複数の第２層マイクロチャネルから前記流体出口を貫流し、
前記基層は、前記ターゲット層の裏側にカップリングされており、
前記パワーエレクトロニクス・デバイスは前記基層にカップリングされており、前記パワーエレクトロニクス・デバイスによって生じた熱は、少なくとも前記基層及び前記ターゲット層を通る前記ジェット衝突熱交換器内部の冷却剤流体に伝達される、パワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１０】
さらに、付加的なジェット衝突熱交換器を含み、前記ジェット衝突熱交換器は、前記パワーエレクトロニクス・デバイスの第１の側にカップリングされており、前記付加的なジェット衝突熱交換器は、前記パワーエレクトロニクス・デバイスの第２の側にカップリングされている、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１１】
前記入口噴射口は実質的に円筒形であり、前記第２層と一体である、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１２】
さらに、前記第２層にカップリングされた流体出口板を含んでおり、前記流体出口は前記流体出口板内に配置されている、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１３】
前記移行チャネルは、前記ジェット衝突熱交換器の周囲で、前記ターゲット層と前記第２層との間に配置されており、前記複数のターゲット層マイクロチャネル、及び前記複数の第２層マイクロチャネルに対して垂直である、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１４】
前記ターゲット層は、１つ又は２つ以上の湾曲壁を有する複数のターゲット層構成物を含んでおり、前記複数のターゲット層マイクロチャネルは、前記複数のターゲット層構成物の間に配置されており、
前記第２層は、１つ又は２つ以上の湾曲壁を有する複数の第２層構成物を含んでおり、前記複数の第２層マイクロチャネルは、前記複数の第２層構成物の間に配置されている、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【請求項１５】
前記複数のターゲット層マイクロチャネルによって画定されたターゲット層マイクロチャネル・パターンが、前記複数の第２層マイクロチャネルによって画定された第２層マイクロチャネル・パターンとは異なる、請求項９に記載のパワーエレクトロニクス・モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、熱発生デバイス、例えばパワーエレクトロニクス・デバイスを冷却するための装置、より具体的には、半径方向に延びる複数のマイクロチャネル（微小流路）を通るマルチパス流体流を利用した、ジェット衝突熱交換器(jet impingement heat exc-hangers)及びパワーエレクトロニクス・モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートシンクデバイスを熱発生デバイス、例えばパワーエレクトロニクス・デバイスにカップリング（連結）することにより、熱を除去し、熱発生デバイスの最大動作温度を低くすることができる。対流熱伝達によって熱発生デバイスにより生じた熱を受容し、そしてこのような熱を熱発生デバイスから除去するために、冷却流体を使用することができる。例えば冷却流体ジェット（噴流）を、これが熱発生デバイスの表面に衝突するように導くことができる。熱発生デバイスから熱を除去する別の方法は、熱伝導性材料、例えばアルミニウムから形成されたフィン付きヒートシンクにデバイスをカップリングすることである。
【０００３】
しかしながら、新たに開発される電気システムの要求に基づき、パワーエレクトロニクスが、高められた電力レベルで動作し、高められた相応の熱流束を発生させるように設計されるのに伴って、コンベンショナルなヒートシンクは、パワーエレクトロニクスの動作温度を許容し得る温度レベルに効果的に低下させるように十分に熱流束を除去することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、熱発生デバイスを冷却するための、これに代わるジェット衝突熱交換器及び方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態の場合、ジェット衝突熱交換器が入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネル（流路）と、流体出口とを含んでいる。入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能である。ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでいる。ターゲット層マイクロチャネルは衝突領域から半径方向に延びている。冷却剤流体ジェットは衝突領域でターゲット層に衝突し、ターゲット層の周囲に向かって、半径方向に延びるターゲット層マイクロチャネルを貫流する。第２層は、半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルを含んでいる。移行チャネルは、第２層をターゲット層に流体カップリングするように、ターゲット層と第２層との間に位置しており、冷却剤流体は、移行チャネルと半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルとを貫流する。流体出口は、冷却剤流体が半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルから流体出口を貫流するように、第２層に流体カップリングされている。
【０００６】
別の実施形態の場合、パワーエレクトロニクス・モジュールがジェット衝突熱交換器と、基層と、パワーエレクトロニクス・デバイスとを含んでいる。ジェット衝突熱交換器が入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口とを含んでいる。入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能である。ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでいる。ターゲット層マイクロチャネルは衝突領域から半径方向に延びている。冷却剤流体ジェットは衝突領域でターゲット層に衝突し、ターゲット層の周囲に向かって、半径方向に延びるターゲット層マイクロチャネルを貫流する。第２層は、半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルを含んでいる。移行チャネルは、第２層をターゲット層に流体カップリングするように、ターゲット層と第２層との間に位置しており、冷却剤流体は、移行チャネルと半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルとを貫流する。流体出口は、冷却剤流体が半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルから流体出口を貫流するように、第２層に流体カップリングされている。基層は、ターゲット層の裏側にカップリングされており、パワーエレクトロニクス・デバイスは基層にカップリングされている。パワーエレクトロニクス・デバイスによって生じた熱は、少なくとも基層及びターゲット層を通るジェット衝突熱交換器内部の冷却剤流体に伝達される。
【０００７】
さらに別の実施形態の場合、ジェット衝突熱交換器が入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口を有する流体出口板とを含んでいる。入口噴射口は、冷却剤流体ジェットを生成するように作業可能である。ターゲット層は、衝突領域と複数のターゲット層マイクロチャネルとを含んでおり、ターゲット層マイクロチャネルは衝突領域から半径方向に延びている。冷却剤流体ジェットは衝突領域でターゲット層に衝突し、冷却剤流体はターゲット層の周囲に向かって、半径方向に延びるターゲット層マイクロチャネルを貫流する。第２層は、半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルを含んでおり、入口噴射口が第２層と一体である。移行チャネルは、ジェット衝突熱交換器の周囲で、ターゲット層と第２層との間に配置されており、そしてターゲット層マイクロチャネル及び第２層マイクロチャネルに対して垂直である。移行チャネルは、冷却剤流体が移行チャネルと半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルとを貫流するように、第２層をターゲット層に流体カップリングしている。流体出口板は第２層にカップリングされていて、流体出口は該入口噴射口と同心的である。流体出口は、冷却剤流体が半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネルから流体出口を貫流するように、第２層に流体カップリングされている。
【０００８】
本明細書中に記載された実施形態によって提供されたこれらの特徴及びさらなる特徴は、図面とともに下記詳細な説明に照らしてより十分に理解することができる。
【０００９】
図面に示した実施形態は本質的に一例に過ぎず、特許請求の範囲によって定義されるものを限定しようとするものではない。例示した実施形態の下記詳細な説明は、図面とともに読むと理解することができる。同様の構造は同じ符号で示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書中で説明される図示の１つ又は２つ以上の実施形態に基づく、ジェット衝突熱交換器を示す斜視分解図である。
【図２】本明細書中で説明される図示の１つ又は２つ以上の実施形態に基づく、パワーエレクトロニクス・デバイス、基層、ジェット衝突熱交換器を示す断面図である。
【図３Ａ】図１に示されたジェット衝突熱交換器のターゲット層内の冷却剤流体流を示す概略図である。
【図３Ｂ】図１に示されたジェット衝突熱交換器の第２層内の冷却剤流体流を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１はジェット衝突熱交換器の一実施形態を全体的に示している。ジェット衝突熱交換器は概ね、入口噴射口と、ターゲット層と、第２層と、移行チャネルと、流体出口とを含んでいる。ターゲット層は衝突領域を有しており、この衝突領域は、入口噴射口並びに複数のターゲット層マイクロチャネルを介して、冷却剤流体ジェットを受容するように形成されている。ターゲット層マイクロチャネルは、衝突領域からターゲット層の周囲へ冷却剤流体を最適に辿らせる。移行チャネルはターゲット層を第２層に流体カップリングしている。冷却剤流体は移行チャネルを通って、そして複数の第２層マイクロチャネル内に流入する。第２層マイクロチャネルは、冷却剤流体を流体出口に向かって最適に導く。次いで、流体出口で、冷却剤流体はジェット衝突熱交換器から出る。ジェット衝突熱交換器の２つの層は、冷却剤流体が、熱発生デバイスによって加熱された表面全体にわたって２つの方向で移動するマルチパス熱交換器を可能にする。冷却剤流体がより大きい表面積と接触し、移行チャネルで流体混合させられるので、マルチパス構成物は冷却の増強を可能にする。実施形態は、衝突ジェット構造の構成物とチャネルに基づく構造の構成物とを組み合わせることにより、片面又は両面冷却のための多層熱交換器構造を形成する。ジェット衝突熱交換器、パワーエレクトロニクス・モジュール及びこれらの動作の種々の実施形態を、より詳細にここに説明する。
【００１２】
図１及び２をここで参照すると、模範的なジェット衝突熱交換器１００、及びジェット衝突熱交換器１００を利用したパワーエレクトロニクス・モジュール１７０がそれぞれ示されている。図１は、ジェット衝突熱交換器１００の一実施形態の分解図であり、図２は、ジェット衝突熱交換器１００を含むパワーエレクトロニクス・モジュール１７０の断面図である。本明細書中に使用される「パワーエレクトロニクス・モジュール」という用語は大まかに言えば、１つ又は２つ以上の熱発生デバイス１４０（例えばパワーエレクトロニクス・デバイス）がカップリングされたジェット衝突熱交換器を意味する。図１に示されたジェット衝突熱交換器１００は概ね、入口噴射口１１７と、ターゲット層１１２と、第２層１１４と、流体出口１２６とを含んでいる。下でより詳細に説明するように、冷却剤流体をジェット衝突熱交換器１００内に導入することにより、パワーエレクトロニクス・デバイスの動作温度を低下させることができる。
【００１３】
一実施形態の場合、入口噴射口１１７は、第２層１１４内に円筒体として一体的に形成されていてよい。入口噴射口１１７は種々様々な形態を成していてよく、図１に示された形態に限定されるのでないことは言うまでもない。別の実施形態では、入口噴射口１１７は第２層１１４とは別個の構成部分であってもよい。例えば、入口噴射口１１７は、第２の層１１４の開口内に嵌め込まれたノズルとして形成されてよい。入口噴射口１１７は、熱発生デバイス１４０（図２参照）によって発生する熱エネルギーの伝達を助けるために、熱伝導性材料から形成されてよい。
【００１４】
入口噴射口１１７内に、矢印１５０によって示すように冷却剤流体を導入することができる。冷却剤流体ライン（図示せず）を（例えば流体継ぎ手を介して）入口噴射口１１７に流体カップリングすることができる。冷却剤流体ラインは、冷却剤流体源（図示せず）、例えば自動車のラジエータ又はその他の類似の冷却剤流体リザーバに接続されていてよい。冷却剤流体は、熱交換用途に使用される任意のタイプの流体、例えばラジエータ流体及び水であってよい。
【００１５】
ターゲット層１１２は、衝突領域１３４と、ターゲット層壁１１３と、半径方向に延びる複数のターゲット層マイクロチャネル１２０とを含んでいる。衝突領域１３４は、冷却剤流体が衝突するターゲット層部分である。衝突領域１３４に衝突後、冷却剤流体は矢印１５１によって示されているように、ターゲット層マイクロチャネル１２０を通って外向きに、ターゲット層壁１１３に向かって流れる。ターゲット層壁１１３は、ターゲット層１１２内部に冷却剤流体を維持する。図３Ａを参照すると、ターゲット層冷却剤流体流のパターン１６０が示されている。ターゲット層冷却剤は、ターゲット層１１２の中心から周囲に流れる。
【００１６】
図１に示されているように、半径方向に延びるターゲット層マイクロチャネル１２０は、種々異なる形状及びサイズの複数のターゲット層構成物１３０によって画定されている。ターゲット層構成物１３０は湾曲壁を有しており、圧力降下を低減し、熱伝達を増強し、そしてターゲット層１１２の周囲に向かって冷却剤流体を導くように幾何学的に最適化されている。本明細書中に使用される「最適化」という用語は、構成物の幾何学的形態及び結果として形成されるマイクロチャネルが、流体流を増強し、圧力降下を低減し、そして冷却剤流体への熱伝達を増大させるように構成されていることを意味する。換言すれば、マイクロチャネルは単純に直線的なチャネルではなく、マイクロチャネルを画定する構成物は湾曲壁を有しており、サイズ及び形状は種々様々である。ターゲット層構成物１３０の幾何学的形態を選択することにより、冷却剤流体は、ターゲット層マイクロチャネル１２０内でより効率的に流れることができる。湾曲壁はまた、冷却流体がターゲット層１１２と接触する表面積を多くし、これにより、ターゲット層１１２から冷却剤流体への熱伝達を増大させる。ターゲット層構成物１３０、及び結果としてこれらの構成物１３０間に位置するターゲット層マイクロチャネル１２０の幾何学的形態は、例えばコンピュータ・シミュレーションによって割り出すことができる。ターゲット層マイクロチャネル１２０のために利用される幾何学的形態は、例えば流れ抵抗、冷却剤流体のタイプ、及びパワーエレクトロニクス・デバイスの所望の最大動作温度のようなパラメータに依存することができる。
【００１７】
ターゲット層１１２は、ターゲット層１１２から冷却剤流体への熱エネルギーの伝達を可能にする熱伝導性材料から形成されていてよい。模範的な材料の一例としては、銅、アルミニウム、熱的に強化された複合材料、及びポリマー複合材料が挙げられる。ターゲット層１１２及び相応の構成部分は、モールディング法、機械加工法、又は所望の形状及び形態を達成するための同様の方法によって形成されてよい。
【００１８】
ターゲット層１１２には第２層１１４がカップリングされている。この第２層１１４は、ジェット衝突熱交換器１００内部の冷却剤流体の第２パスを可能にする。第２層１１４は、ターゲット層壁１１３と第２層壁１１５との界面で、適宜のカップリング方法によってターゲット層１１２にカップリングされていてよい。例えば、第２層１１４は、薄い金属合金を使用して２つの構造間をろう付けすることにより、ターゲット層１１２に熱カップリングされていてよい。はんだ付けを利用してもよい。拡散接合を用いて第２層１１４とターゲット層１１２とをカップリングしてもよい。第２層１１４とターゲット層１１２とをカップリングするために選ばれる方法は、２つの層がシーリングされ、冷却剤流体がジェット衝突熱交換器１００内部に残ることを保証するべきである。シーラント及び／又はオーバーモールディングを利用することもできる。
【００１９】
図２を参照すると、第２層１１４とターゲット層１１２との間に移行チャネル１２２が配置されている。移行チャネル１２２はジェット衝突熱交換器１００の周囲に配置されており、第２層１１４の底面１２３と第２層壁１１５との間の１つ又は２つ以上のギャップによって形成されていてよい。このギャップは、矢印１５２によって示されているように、冷却剤流体がターゲット層１１２から第２層１１４に流れるのを可能にする。移行チャネル１２２内部の冷却剤流体の流れは、ターゲット層１１２内の冷却剤流体の流れに対して垂直である。
【００２０】
冷却剤流体は移行チャネル１２２を貫流し、そして第２層１１４内を流れるのに伴って、ターゲット層マイクロチャネル１２０内部の流動方向から１８０度旋回する。図１に示すように、第２層１１４は、半径方向に延びる複数の第２層マイクロチャネル１２４を含む。第２層マイクロチャネルは、複数の第２層構成物１３２によって画定されている。冷却剤流体は、第２層１１４の周囲（第２層壁１１５）から、第２層マイクロチャネル１２４を通って、第２層１１４の中心に向かって流れる。ターゲット層マイクロチャネル１２０及びターゲット層構成物１３０に関して上述したように、第２層マイクロチャネル１２４及び第２構成物１３２は、種々異なる幾何学的な形状及びサイズを有している。
【００２１】
第２層構成物１３２は湾曲壁を有しており、圧力降下を低減し、熱伝達を増強し、矢印１５３によって示されているように、第２層１１４の中心に向かって冷却剤流体を効率的に導くように、幾何学的に最適化される。第２層構成物１３２の幾何学的形態を操作することにより、冷却剤流体は第２層マイクロチャネル１２４内部でより効率的に流れることができる。ターゲット層構成物に関して上述したように、第２層構成物１３２の湾曲壁はまた、冷却流体が第２層１１４と接触する表面積を多くし、これにより、第２層１１４から冷却剤流体への熱伝達を増大させる。第２層構成物１３２、及び結果としてこれらの構成物１３２間に位置する第２層マイクロチャネル１２４の幾何学的形態は、例えばコンピュータ・シミュレーションによって割り出すこともできる。第２層マイクロチャネル１２４のために利用される幾何学的形態は、例えば流れ抵抗、冷却剤流体のタイプ、及びパワーエレクトロニクス・デバイスの所望の最大動作温度のようなパラメータに依存することができる。
【００２２】
図３Ｂは、第２層の冷却剤流体の流れパターン１６２を示している。なお、ターゲット層マイクロチャネル１２０によって画定されたパターンは、第２層マイクロチャネル１２２によって画定されたパターンとは異なる。異なるパターンは、２つの層内部の流体流の方向が異なることから生じる。ターゲット層１１２内では、冷却剤流体は、中心からターゲット層１１２の周囲へ流れる。第２層１１４内では、冷却剤流体は、周囲から第２層１１４の中心に流れる。また、第２層構成物１３２はターゲット層構成物１３０とはサイズ及び幾何学的形態が異なる。言うまでもなく、図１に示されたものとは異なるターゲット層マイクロチャネル及び第２層マイクロチャネルを利用してもよい。
【００２３】
第２層１４４も、ターゲット層１１２からの冷却剤流体への熱エネルギー伝達を可能にする熱伝導性材料から形成されていてよい。ターゲット層１１２に関して記載したように、模範的な材料の一例としては、銅、アルミニウム、熱的に強化された複合材料、及びポリマー複合材料が挙げられる。第２層１１４及び相応の構成部分は、モールディング法、機械加工法、又は所望の形状及び形態を達成するための同様の方法によって形成されてよい。
【００２４】
今一度図１を参照すると、ジェット衝突熱交換器１００から、加熱された冷却剤流体が流出するのを可能にするために流体出口１２６が設けられている。冷却剤流体は、ターゲット層１１２及び第２層１１４の熱伝達表面に対して垂直に流出してよい。図示した実施形態の場合、流体出口１２６は、第２層１１４にカップリングされた流体出口板１１６内部の開口として形成されている。流体出口板１１６は、第２層１１４をターゲット層１１２にカップリングすることに関して上述したろう付け、はんだ付け、及び拡散接合カップリング方法（又は他の方法）を介して、第２層１１４に熱カップリングされていてよい。流体出口板１１６は、熱伝導性材料から形成されていてもよい。
【００２５】
流体出口１２６は、流体出口板１１６内部の円形開口として図示されてはいるが、他の形態も可能である。例えば、流体出口に流体継ぎ手装置（図示）が設けられていてよい。流体継ぎ手装置は、加熱された冷却剤流体を冷却剤流体リザーバ（図示せず）に戻す流体ライン（図示せず）と係合するように形成されている。冷却剤流体リザーバでは、冷却剤流体は冷却され、ジェット衝突熱交換器１００及び／又は他のシステムに戻るように再循環されてよい。
【００２６】
図１及び２に示されているように、流体出口１２６は、所要スペースを最小限に抑え、そしてよりコンパクトなデバイスにするために、入口噴射口１１７と同心的であってよい。入口噴射口１１７と同心的な流体出口１２６を使用すると、ターゲット層１１２及び第２層１１４内部の冷却剤流体の対称的な流れも可能になる。
【００２７】
ここで図２を具体的に参照すると、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０とジェット衝突熱交換器１００とを含むパワーエレクトロニクス・モジュール１７０が示されている。ジェット衝突熱交換器１００は、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０によってその動作中に発生する熱流束を除去するために使用されてよい。パワーエレクトロニクス・デバイス１４０は、１つ又は２つ以上の半導体デバイスであってよい。このような半導体デバイスの一例としては、ＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、トランジスタ、及び／又はこれらの組み合わせ（例えばパワーカード）が挙げられる。一例としては、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０は例えばハイブリッド電気車両、又は電気車両における車両電気系統（例えばインバータ・システム）に使用されてよい。このようなパワーエレクトロニクス・デバイスは、車両を推進するときに顕著な熱流束を発生させることがある。言うまでもないが、本明細書中に記載されたジェット衝突熱交換器は、他の用途に利用されてもよく、車両用途に限定されるものではない。
【００２８】
ジェット衝突熱交換器１００はさらに、基層１０２を含んでいてよい。この基板１０２には、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０がカップリングされてよい。基層１０２は熱伝導性層であってよい。熱伝導性層は、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０によって生じた熱エネルギーを、ジェット衝突熱交換器１００のターゲット層１１２及び第２層１１４に伝達するのを助ける。基層１０２は、直接接合されたアルミニウム基板、直接接合された銅基板、又は同様の基層を含んでよい。
【００２９】
パワーエレクトロニクス・デバイス１４０は、任意の適宜のカップリング方法を用いて、基層１０２にカップリングされてよい。一実施形態の場合、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０を基層１０２／ジェット衝突熱交換器１００にカップリングするために、接合層１０３を使用する。非限定的な一例として、接合層は、はんだ層、ナノ銀焼結層、又は過渡液相層を含んでよい。
【００３０】
一実施形態の場合、パワーエレクトロニクス・モジュールが両面冷却構造を含むように、上記カップリング方法によって、パワーエレクトロニクス・デバイスに付加的なジェット衝突熱交換器がカップリングされてもよい。パワーエレクトロニクス・デバイスの第１の側（例えば頂面）に第１のジェット衝突熱交換器がカップリングされてよく、そして、パワーエレクトロニクス・デバイスの第２の側（例えば底面）に、付加的なジェット衝突熱交換器がカップリングされてよい。
【００３１】
図２を全体的に参照しながら、ジェット衝突熱交換器１００の作業についてここで説明する。パワーエレクトロニクス・デバイス１４０によって生じる熱流束が、基層１０２、ターゲット層１１２、及び第２層１１４を通ってジェット衝突熱交換器１００に伝達される。入口噴射口を介してジェット衝突熱交換器１００内に、冷却剤流体ジェット（矢印１５０によって示す）が導入される。冷却剤流体ジェットは、衝突領域１３４でターゲット層１１２に衝突する。パワーエレクトロニクス・デバイス１４０から熱流束が冷却剤流体に、衝突領域１３４で伝達される。衝撃領域１３４はパワーエレクトロニクス・デバイス１４０の局所的なホットスポット上にセンタリングされて、パワーエレクトロニクス・デバイス１４０のこの領域が冷却剤流体の衝突を受けるようになっていることが好ましい。
【００３２】
冷却剤流体は次いで、冷却剤流体１５０のジェットに対して垂直である流れ方向に方向を変える。冷却剤流体は、矢印１５１によって示されているように、半径方向に延びるターゲット層マイクロチャネル１２０を通って、ターゲット層１１２の周囲に向かって半径方向に流れる。従って、冷却剤流体はターゲット層１１２の表面全体にわたって流れ、そしてターゲット層１１２からの熱流束を冷却剤流体に伝導的に伝達するように、種々様々なターゲット層構成物１３０と接触状態にある。
【００３３】
冷却剤流体は次いでターゲット層壁１１３に達する。次いでターゲット層壁１１３で、冷却剤流体は、移行チャネル１２２内に強制的に送り込まれる。冷却剤流体は、ターゲット層１１２内の流れに対して垂直に流れるように、方向を変えて移行チャネル１２２内を流れる。移行チャネル１２２内部の冷却剤流体流は、矢印１５２によって示されている。移行チャネル内部では熱混合の増強が生じる。このことはさらに、対流熱伝達を増大させる。
【００３４】
移行チャネル１２２に対する流入及び流出後、冷却剤流体は次いで第２層１１４内に強制的に送られ、この場所で冷却剤流体は、ターゲット層１１２内の流れ方向に対して１８０度を成す方向で流れる。冷却剤流体は矢印１５３によって示されているように、ジェット衝突熱交換器１００の中心に向かって流れる。従って冷却剤流体は、第２層マイクロチャネル１２４を通って熱伝達表面全体にわたる第２パスを形成し、そしてパワーエレクトロニクス・デバイス１４０からの熱流速を受容し続ける。第２層マイクロチャネル１２４を出た後、冷却剤流体は矢印１５４によって示されているように、同心的流体出口を通ってジェット衝突熱交換器１００から出る。ジェット衝突熱交換器１００から出た、加熱された冷却剤流体は、二次再循環ループ、例えば自動車ラジエータ内で冷却されてよい。
【００３５】
言うまでもなく、本明細書中に記載されたマルチパス・ジェット衝突熱交換器及びパワーエレクトロニクス・モジュールの実施形態を利用して、熱発生デバイス、例えば半導体デバイスによって生じた熱を伝導・対流熱伝達により除去することができる。ジェット衝突熱交換器は、複数のターゲット層マイクロチャネルと第２層マイクロチャネルとを有していてよく、これらのマイクロチャネルを通って、冷却剤流体はマルチパス流パターンを成して循環することができる。熱発生デバイスによって生成された熱は、ターゲット層上の垂直なジェット衝突、幾何学的に最適化された構成物（ターゲット層及び第２層の構成物）、移行チャネルにおける流体混合、及びより大きい表面積及び拡大された熱伝達経路のための最適化されたマイクロチャネルにより、伝導・対流伝達によって除去することができる。
【００３６】
具体的な実施形態をここに例示して説明してきたが、特許請求の範囲で主張された主題の思想及び範囲を逸脱することなしに種々様々な他の変更及び改変を加え得ることは明らかである。さらに、特許請求の範囲で主張された主題の種々の態様をここに説明してきたが、これらの態様を組み合わせて利用する必要はない。従って、添付の特許請求の範囲は、特許請求の範囲で主張された主題の範囲に含まれる全てのこのような変更及び改変をも対象にするものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１００    ジェット衝突熱交換器
１１２    ターゲット層
１１４    第２層
１１７    入口噴射口
１２０    ターゲット層マイクロチャネル
１２４    第２層マイクロチャネル
１２６    流体出口
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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