(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放散されるべき熱の源と接触することを意図する第1の面(4)と、冷却液と接触することを意図する第2の面(6)とを含む熱交換装置であって、前記装置が、その全体を通して前記第1の面(4)と前記第2の面(6)の間に平均半径(D1)の複数の空洞(8)を含み、
前記空洞(8)が壁(13)によって流体的に互いから隔離され、各空洞(8)が少なくとも1つのダクト(10)を介して前記第2の面(6)に現出し、各ダクト(10)の長さ(H)が前記ダクトの前記平均半径(D2)より大きく、前記空洞(8)との接続領域内の前記ダクトの横方向寸法が、前記空洞(8)と前記ダクト(10)の間に制限を形成するように選択され、前記第2の面(6)には、前記ダクト(10)によって形成されたアパーチャ(11)があけられ、
前記第2の面(6)が、前記液体の接触角が90°未満で、前記液体と前記ダクト(10)および前記空洞(8)の内表面の接触角が前記液体と前記第2の面(6)の接触角以上であるように、前記冷却液に対する良好な濡れ性という特性を有する、熱交換装置。
【請求項２】
前記ダクト(10)が、0.1D1からD1の間の最大部直径(D2)を有し、前記ダクト(10)の数(n)が、n > 0.5  ×  (D1/D2)2であるように定められる、請求項1に記載の熱交換装置。
【請求項３】
V全ダクト  > (B/P大気)×V空洞であり、
式中、V全ダクトが、空洞(8)に貫入する前記ダクト(10)のそれぞれの容積の合計によって形成された容積であり、
式中、V空洞が空洞(8)の容積であり、
式中、Pが前記冷却液の絶対圧であり、
式中、P大気が大気圧力である、
請求項1または2に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記空洞(8)を離隔する前記壁(13)が、前記空洞の平均直径(D1)の0.1倍から0.2倍の間の最小厚さを有し、前記第2の面(6)内に形成された前記アパーチャ(11)が、前記アパーチャ(11)の前記直径に比べて小さな距離(L2)だけ離隔される、請求項1から3の一項に記載の装置。
【請求項５】
前記ダクト(10)がテーパ形状を有し、小さい方の基部が、前記空洞(8)との前記接続領域内に位置する、請求項1から4の一項に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記空洞(8)および前記ダクト(10)がその中に作製されるマトリックスと、前記第2の面(6)上に堆積される層(32)とを含み、前記マトリックスが前記液体に対する低い濡れ性を有し、前記層(32)が前記液体に対する良好な濡れ性を有する、請求項1から5の一項に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記ダクト(10)によって形成されたアパーチャ(11)が前記第2の面(6)に現出する、構造化領域(16)と呼ばれる領域と、アパーチャ(11)のない、非構造化領域(18)と呼ばれる領域とを含む、請求項1から6の一項に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記構造化領域(16)が、10μmから50μmの間の辺を有し、前記領域(16)が50μmから500μmの間の距離だけ互いから離隔される、請求項7に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記個別要素(26)に達するまでダクト(10)のマトリックス内に作製するために、および前記個別要素(26)を除去するために、前記熱交換装置のマトリックスを形成する材料の層(28)内での前記個別要素(26)を埋設することによる基板上へのこれらの個別要素の堆積によって空洞(8)が得られる、請求項1から8の一項に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１０】
a)基板(22)上へのバリア層(24)の堆積段階と、
b)前記空洞を画定することを意図した、平均直径の大きな方の個別要素(26)の層の堆積段階と、
c)前記平均直径の大きな方の個別要素(28)上への、および前記平均直径の大きな方の個別要素(28)間の、層(28)の堆積段階であって、前記層(28)が、前記装置のマトリックスを形成することを意図した段階と、
d)前記マトリックス(26)を形成する前記層上への平均直径の小さな方の個別要素(30)の堆積段階と、
e)前記平均直径の小さな方の個別要素(30)上への、および前記平均直径の小さな方の個別要素(30)の間の連続層(32)の堆積段階と
f)前記マトリックス(28)を形成する層が露出される前記領域内のアパーチャ(34)を見せる、前記平均直径の小さな方の個別要素(30)の取り外し段階と、
g)前記平均直径の大きな方の個別要素(28)に達するまで、前記アパーチャ(34)の前記領域において前記マトリックス(32)を形成する前記層内でのダクト(10)の作製段階と、
h)前記平均直径の大きな方の個別要素(28)の除去段階と
を含む、請求項9に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１１】
前記個別要素(26、30)が、シリカまたはポリマーたとえばポリスチレンから作製され、前記個別要素(26、30)が、化学攻撃によるそれらの溶解によって除去される、請求項9または10に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１２】
前記平均直径の小さな方の個別要素(30)が、前記直径の大きな方の個別要素(26)の前記平均直径以下の平均直径を有する、請求項10または11に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１３】
たとえばドライエッチングによる、段階c)堆積の前に前記平均直径の大きな方の個別要素(26)の前記サイズの縮小段階を、および/または段階e)の前に前記平均直径の小さな方の個別要素(30)の前記サイズの縮小段階を含む、請求項10、11、または12に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１４】
段階e)で堆積された前記層が、前記冷却液たとえばシリカに対する良好な濡れ性を有する、請求項10から13の一項に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１５】
前記マトリックスを形成する前記材料が水素化アモルファスカーボンである、請求項10から14の一項に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１６】
段階b)の前に、前記マトリックスを形成する材料の準備層の堆積段階を含む、請求項10から15の一項に記載の熱交換装置の作製方法。
【請求項１７】
前記平均直径の小さな方の個別要素(30)を非マスク領域の領域でのみ取り外すことができるように、前記直径の小さな方の個別要素(30)の取り外し段階f)の前に前記積層上へのマスクの設置段階を含む、請求項10から16の一項に記載の熱交換装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換係数の増加をもたらす表面の作製方法に関する。これらの表面は、熱交換器で使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
電子部品、特に電力部品の小型化にあたって、これらの部品によって放射される熱を放散するための装置の統合という問題が提起される。マイクロエレクトロニクスおよびパワーエレクトロニクスの分野では、放散されなければならない熱流は増加し続け、熱抵抗を低下させる必要がますます大きくなっている。放散されるべき熱流は、約150〜200W/cm2の平均値を有することが多いが、1000W/cm2に達することがある。これらのレベルの熱流密度では、フィン付きの放散器または単相液体システムなどの「受動的な」方法として知られる冷却方法によって、取り出し可能な最大電力にすばやく達する。
【０００３】
したがって、液体/水蒸気二相熱伝達(liquid/vapour diphasic heat transfer)などの他の解決策が考案された。これらの伝達を使用する技術は、ヒートパイプ、熱サイホン、毛細管ループ、または二相ポンプループである。冷却されるべき部品は、冷却装置の冷却される領域内に位置する、すなわち蒸発器である。
【０００４】
ヒートパイプは、放熱器の熱伝導率を増加させることができる。ヒートパイプを使用すると、所与の領域から取り出された熱出力を二次領域に伝達させることができ、この二次領域は、よりアクセスしやすいかまたは放散を目的としたより優れた熱交換を行うことが多い。ヒートパイプは、蒸気と平衡状態にある液流体(liquid fluid)が配されるクローズドシステムである。ヒートパイプは、電子部品側に蒸発器を形成する領域を含み、蒸発器では、蒸気形成によって放散されるべき熱が吸収される。蒸発器で発生された蒸気は、ヒートパイプの中心部を通って凝縮領域まで移動し、凝縮領域では、吸収された熱が蒸気の液化によって解放され、したがって熱が放散される。凝縮液は、毛細管力の効果で蒸発領域に戻る。
【０００５】
ヒートパイプは、電子部品に追加することもできるし、部品に組み込むこともできる。超小型電子チップ(microelectronic chip)の場合、ヒートパイプは、シリコン基板上にチャネルのネットワークを直接設置することに存し、したがって熱抵抗を減少させる。
【０００６】
さらに別の解決策は、モータシステム、凝縮器、および蒸発器を使用する二相ポンプループのシステムである。
【０００７】
したがって、これらの解決策はすべて、冷却されるべき部品上に追加されるかまたは冷却されるべき部品の基板内に形成された、部品と接触する熱交換表面を使用する。この表面は、部品内部で生成された熱を取り出すことを目的とする。この取り出しは、前述したように、液体の蒸発による相の変化によって生じる。
【０００８】
所望の冷却は、好ましくは、小さな温度差により生じる。
【０００９】
次に、伝達される熱流密度を増加させるためには、熱交換領域を増加させるか、または熱交換係数を増加させるという2つの可能性がある。小型化および生産コストのたゆまぬ追求に関連する厄介な問題により、熱交換係数の増加がますます注目されている。
【００１０】
この熱交換係数の増加は、蒸気泡の核生成と、熱の放散を引き起こす多数の蒸気泡の出現とを促進することによって得られる。核生成は、冷却されるべき部品が損傷するのを回避するために、好ましくは、表面を少し過熱することにより試みられる。蒸気泡の形成は、低い濡れ性を持つ表面を有することによって促進される。逆に、蒸気泡の離隔は、良好な濡れ性を持つ表面を有することによって促進される。したがって、良好な濡れ性および低い濡れ性という同じ表面特性を両立させることが求められる。
【００１１】
好ましい解決策は、表面と液体の間にある空洞内に気体を捕捉することによって核生成部位を作り出すことである。これらの気体セルは、気泡核の出現を容易にする。気泡核は、成長するにつれて蒸気泡に変わる。
【００１２】
文献「Designing Superoleophobic Surfaces」、Anish Tutejaら、Science 318、1618 (2007、1619〜1622頁)には、くぼみ形空洞(reentrants cavity)と呼ばれる空洞の、表面内での作製について記載されている。これらの空洞は相互接続される。
【００１３】
文献「Nucleate Pool Boiling on Structured Enhanced Tubes having Pores with Connecting Gaps」、Nae-Hyun Kim、Kuk-Kwang Cjoi、Int. J. Heat and Mass Transfer、Second Edition、Taylor & Francis、2005も、相互接続されたくぼみ形空洞について記載している。
【００１４】
空洞は相互接続されているので、空洞が水で満たされるというかなりのリスクがある。この場合、空洞は溢流し(flooded)、気泡核の出現を防ぐ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】「Designing Superoleophobic Surfaces」、Anish Tutejaら、Science 318、1618 (2007、1619〜1622頁)
【非特許文献２】「Nucleate Pool Boiling on Structured Enhanced Tubes having Pores with Connecting Gaps」、Nae-Hyun Kim、Kuk-Kwang Cjoi、Int. J. Heat and Mass Transfer、Second Edition、Taylor & Francis、2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明の1つの目的は、熱交換係数が改善された熱交換表面を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、このような熱交換表面の作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前述の目的は、放散されるべき熱の源と接触することを意図する第1の面と、冷却液と接触することを意図する第2の面とを含む熱交換装置によって達成され、前記装置は、その全体を通して第1の面と第2の面の間に、互いから離隔された複数の空洞を含み、複数の空洞は、少なくとも1つのダクトを介し第2の面に現出する。各ダクトの寸法は、長手方向寸法と横方向寸法の両方に関して、液体に対するバリアを形成するようなものであり、メニスカスがダクト内で位置決めされる。したがって、液体が空洞に浸入することは防がれる。さらに、液体と接触する表面は親水性性質を有し、ダクトおよび空洞の内表面は、液体と接触する表面の親水性性質より低い親水性性質を有する。
【００１９】
したがって、空洞は溢流せず、空洞内に捕捉された気体によって気泡核が形成することができる。さらに、別個の空洞の作製、すなわち空洞間における、気体より熱伝導率の高い固形物の存在によって、熱障壁として作用する連続した蒸気層の出現が防がれ、したがって構造を加熱するのが防がれる。
【００２０】
言い換えれば、熱交換表面は層化される。熱交換表面は、蒸気が捕捉される空洞を有する、熱の源に近い第1の層と、空洞を外部に接続するダクトがあけられる、冷却液と接触する第2の層とを含む。気泡核が出現し、成長して、空洞を出て、表面で蒸気泡を形成し、蒸気泡が成長して、表面が親水性なので表面から離隔するようになる。
【００２１】
ダクトは、制限を形成するために、小さい方の直径が空洞を横切るテーパの付いた幾何学的形状を有してもよいし、直径が空洞の直径より小さい管状の幾何学的形状を有してもよい。
【００２２】
したがって、本発明の主な主題は、放散されるべき熱の源と接触することを意図する第1の面と、冷却液と接触することを意図する第2の面とを含む熱交換装置であって、前記装置は、その厚さを通して第1の面と第2の面の間に、平均半径の複数の空洞を含み、
-  前記空洞は、壁によって流体的に互いから隔離され、各空洞は少なくとも1つのダクトを介して第2の面に現出し、各ダクトの長さはダクトの平均半径より大きく、空洞との接続領域内のダクトの横方向寸法は、空洞とダクトの間に制限を形成するように選択され、第2の面には、ダクトによって形成されたアパーチャがあけられ、
-  前記第2の面は、液体の接触角が90°未満で、液体とダクトおよび空洞の内表面の接触角が液体と第2の面の接触角以上であるように、冷却液に対する良好な濡れ性という特性を有する。
【００２３】
有利には、ダクトは0.1D1からD1の間の最大部直径を有し、ダクト(10)の数は、n > 0.5  ×  (D1/D2)2であるように定められる。
【００２４】
特定の方法では、V全ダクト  > (P/P大気)  ×  V空洞が選択され、式中、
- V全ダクトは、空洞に貫入するダクトのそれぞれの容積の合計によって形成される容積であり、
- V空洞は空洞の容積であり、
- Pは冷却液の絶対圧であり、
- P大気は大気圧力である。
【００２５】
たとえば、空洞を離隔する壁は、空洞の平均直径の0.1倍から0.2倍の間の最小厚さを有し、第2の面内に形成されたアパーチャは、アパーチャの直径に比べて小さな距離だけ離隔される。
【００２６】
特に有利な方法では、ダクトはテーパ形状を有し、その小さい方の基部は、空洞との接続の領域内に位置する。
【００２７】
たとえば、熱交換装置は、空洞およびダクトがその中に作製され、かつ層が第2の面上に堆積されるマトリックスを含み、前記マトリックスは液体に対する低い濡れ性を有し、前記層は液体に対する良好な濡れ性を有する。
【００２８】
熱交換装置が、ダクトによって形成されたアパーチャが第2の面に現出する、構造化領域と呼ばれる領域と、アパーチャのない、非構造化領域と呼ばれる領域とを含むように構成されてもよい。たとえば、構造化領域は、10μmから50μmの間の辺(side)を有し、前記領域は50μmから500μmの間の距離だけ互いから離隔される。
【００２９】
本発明の別の主題は、空洞が、個別要素に達するまでダクトのマトリックス内に作製するために、および前記個別要素を除去するために、熱交換装置のマトリックスを形成する材料の層内での個別要素の埋設による基板上へのこれらの個別要素の堆積によって得られる、本発明による熱交換装置の作製方法である。
【００３０】
この方法は、
a)基板上へのバリア層の堆積段階と、
b)空洞を画定することを意図した、平均直径の大きな方の個別要素の層の堆積段階と、
c)平均直径の大きな方の個別要素上への、および平均直径の大きな方の個別要素間の、層の堆積段階であって、前記層が装置のマトリックスを形成することを意図した、段階と、
d)マトリックスを形成する層上への平均直径の小さな方の個別要素の堆積段階と、
e)平均直径の小さな方の個別要素(30)上への、および平均直径の小さな方の個別要素(30)の間への連続層の堆積段階と、
f)マトリックスを形成する層が露出される領域内のアパーチャを見せる、平均直径の小さな方の個別要素の取り外し段階と、
g)平均直径の大きな方の個別要素に達するまで、アパーチャの領域においてマトリックスを形成する層内でのダクトの作製段階と、
h)平均直径の大きな方の個別要素の除去段階と
を含むことができる。
【００３１】
個別要素は、たとえば、シリカから作製されてもよいし、ポリマーたとえばポリスチレンから作製されてもよく、これらの個別要素は、化学攻撃(chemical attack)によるそれらの溶解によって除去される。
【００３２】
平均直径の小さな方の個別要素は、たとえば、直径の大きな方の個別要素の平均直径以下の平均直径を有する。
【００３３】
本発明による熱交換装置の作製方法は、たとえばドライエッチングによる、段階c)堆積の前に平均直径の大きな方の個別要素のサイズの縮小段階を、および/または段階e)の前に平均直径の小さな方の個別要素のサイズの縮小段階を含むことができる。
【００３４】
有利には、段階e)で堆積された層は、冷却液たとえばシリカに対する良好な濡れ性を有する。
【００３５】
マトリックスを形成する材料は、たとえば水素化アモルファスカーボンである。
【００３６】
本発明による熱交換装置の作製方法は、段階b)の前に、マトリックスを形成する材料の準備層の堆積段階を含むことができる。
【００３７】
本発明による熱交換装置の作製方法は、平均直径の小さな方の個別要素を非マスク領域の領域でのみ取り外すことができるように、直径の小さな方の個別要素の取り外し段階f)の前に積層上へのマスクの設置段階も含むことができる。
【００３８】
本発明は、以下の説明および添付の図面を使用することによってさらに良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】本発明による熱交換装置の一部分の例示的な一実施形態の長手方向斜視断面図である。
【図１Ｂ】図1Aの詳細図である。
【図２】本発明による熱交換装置の一部分の別の例示的な実施形態の長手方向斜視断面図である。
【図３Ａ】本発明による熱交換装置の挙動(operation)の概略図である。
【図３Ｂ】本発明による熱交換装置の挙動の概略図である。
【図３Ｃ】本発明による熱交換装置の挙動の概略図である。
【図４】部分的な構造を持つ、本発明による装置の上面図である。
【図５Ａ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｂ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｃ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｄ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｅ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｆ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｇ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｈ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｈ−２】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図５Ｉ】本発明による熱交換装置の作製の異なる段階の概略図である。
【図６】図5Cに示す段階の変形の概略図である。
【図７Ａ】構造化領域と非構造化領域とを有する、本発明による熱交換装置の断面概略図である。
【図７Ｂ】構造化領域と非構造化領域とを有する、本発明による熱交換装置の上面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図1A、図1B、および図2は断面図である。ただし、ハッチングは示されていない。
【００４１】
図1Aおよび図1Bには、本発明による熱交換装置Dの第1の例示的な実施形態が示されている。
【００４２】
このような装置は、一般に熱交換表面と呼ばれ、プレート2の形を取る。プレート2は、平坦でもよいし、冷却されるべき領域に適した輪郭を有してもよい。
【００４３】
説明のために、平坦なプレートに限定するものとするが、あらゆる形状のプレートが本発明の範囲に含まれることが十分理解されよう。
【００４４】
プレート2は、放散されるべき熱の源と接触することを意図する第1の面4と、沸騰することによって熱を放散できる液体と接触することを意図する第2の面6とを含む。
【００４５】
第1の面4および第2の面6は、プレートの厚さeを形成する距離eだけ離隔される。
【００４６】
本発明によれば、プレート2は空洞8を含むが、空洞8は熱の源に近い第1の面4側にあり、したがって第2の面6からある距離のところにあり、各空洞8は少なくとも1つのダクト10によって第2の面6に接続される。ダクト10は、液体の空洞への浸入に対する障壁を形成する。
【００４７】
空洞8のサイズは、成長を促進するために、気泡核の臨界サイズ以上であるように選択される。
【００４８】
ダクトは、面6を空洞8から離隔する、Hで示される長手方向寸法または長さを有する。ダクト10は、面6内の直径D2の開口11から現出する。
【００４９】
長さHは、長手方向の濡れに比べてダクトの横方向の濡れを促進するために、直径に沿って対向するアパーチャ11の2つの端部の間で液体が移動する距離が長さHより長くなるように選択され、それによって空洞8を溢流させるリスクが減少する。したがって、長さHは直径D2より大きい。
【００５０】
空洞の溢流を完全に防止することが求められている。ただし、空洞の一部分が溢流し、気泡核を形成するのに十分な自由体積を残すことは許容可能である。
【００５１】
有利には、ダクトおよび空洞は、ダクト10が液体の空洞への浸入に対する障壁を形成し、液体の所与の絶対圧Pの場合に液体が空洞に入るのを防ぐような寸法にされる。この場合、空洞に現出するダクトの全容積は、空洞の部分的な溢流すら防ぐために、空洞の容積より大きくなるように以下の式によって選択される。
V全ダクト  > (P/P大気)  ×  V空洞
-  式中、V全ダクトは、空洞8に貫入するダクト10のそれぞれの容積の合計によって形成される容積であり、
-  式中、V空洞は空洞8の容積であり、
-  式中、Pは液体の絶対圧であり、
-  式中、P大気は大気圧である。
【００５２】
これは、容積が気泡核の臨界サイズにほぼ等しい、より小さな空洞を作製できるという利点を有する。
【００５３】
図1Aおよび図1Bに示される例では、ほぼ4つのダクトが各空洞を第2の面6に接続する。実際、空洞を横切るのは、必ずしも各ダクトの断面全体ではない。
【００５４】
また、本発明によれば、各空洞8は、他の空洞8から物理的に離隔される。すなわち、空洞8の間には流体接続はない。ダクト10を有する空洞は、空洞8の間に厚さL1を有しアパーチャ11の間に厚さL2を有する壁13によって互いから離隔される。
【００５５】
空洞8は、蒸気で満たされることを意図する。したがって、ダクトを有する各空洞は、蒸気セルを形成する。各蒸気セル間に壁13が存在することによって、蒸気層の出現を防ぐことができ、それによって熱放散が起こるのを防ぐ。壁によって、伝導による連続的な熱放散が可能になる。
【００５６】
さらに、各ダクト10とそれに関連する空洞8の間の接続領域12は、ボトルネックになる。このために、ダクトが空洞の壁を横切る部分の直径は、空洞の直径より小さい。
【００５７】
さらに、表面6は、冷却液に対する良好な濡れ性という特性を有する。すなわち、接触角αは90°未満である。水の場合、その表面は親水性と言われる。空洞8の内表面およびダクト10の内表面は、せいぜい表面6の濡れ性特性と同一の濡れ性特性を有する。すなわち、空洞およびダクトの内表面上の濡れ角はα以上である。
【００５８】
したがって、親水性材料を使用して、表面6ならびに空洞およびダクトの内表面が同じ濡れ性を有する装置を製造することが可能である。特に有利な代替方法では、疎水性材料を使用して、装置を製造し、面6の表面での親水性処理を含めることが可能である。面6は良好な濡れ性を有し、空洞およびダクトの内表面は、これより低い疎水性を有し、したがって、これより低い濡れ性を有する。後者の場合、泡の核生成および離隔が特に促進される。
【００５９】
示された例では、ダクト10はテーパ形状を有し、その大きい方の基部10.1はアパーチャ11を形成し、小さい方の基部10.2は空洞に接続される。
【００６０】
しかし、直径の一定な管状形状を有するダクトは本発明の範囲を超えない。
【００６１】
さらに、球形形状の空洞が示されている。しかし、本発明は任意の形状の空洞に適用される。示された直径は平均直径である。
【００６２】
空洞8とダクト10の間にこの制限があることと、関連する容積比(V全ダクト/V空洞)によって、冷却液が空洞8に浸入することを防ぐことができる。面6とダクト10の濡れ性の差、および液体と蒸気の圧力差に起因する力は両方とも、有利には、液体の空洞への浸入を妨害する。
【００６３】
空洞8の平均直径はD1と示される。アパーチャ11の平均直径はD2と示される。
【００６４】
図1Aおよび図1Bの例では、D2は0.5D1に等しい。
【００６５】
図2では、本発明による熱交換装置の別の例示的な実施形態が示されている。図2において、空洞8を第2の面6に接続するダクト10の直径は、図1Aおよび図1Bの装置に比べてかなり小さく、その数はかなり多い。この例では、D2は01D1にほぼ等しい。
【００６６】
有利には、D2は0.1D1からD1の間である。L2はゼロではないが、D2より非常に小さく、優先的には0.25D2未満である。長さHはD2より大きい。D2 = D1の場合、ダクト10は、ボトルネックを効率的に画定するために、好ましくはテーパが付けられている。
【００６７】
50%を超える面6のアパーチャの率を有する、すなわち穴11の面積と面6の総面積の比が0.5を超えることも優先的に求められる。このアパーチャ率はダクト10の数に直接関係する。有利には、数nは次のように選択される。
n > 0.5  ×  (Dl/D2)2
【００６８】
一例として、D1は0.5μmから5μmの間であってよい。したがって、D2は0.1μmから5μm間であってよく、L2は0.1μmから1μmの間であってよく、L1は0.1μmから0.5μmの間であってよく、Hは、0.2μmから30μmの間であり、D2より大きい。
【００６９】
本発明による空洞は、熱交換装置の表面全体にわたって作製可能である。したがって、面6全体がアパーチャ11を含む。その場合、この構造は数cm2とすることができる。
【００７０】
また、たとえば取り出されるべき熱の量がより大きいことが知られている局所的な領域にのみ空洞を作製するように決定してもよい。
【００７１】
蒸気泡のサイズにほぼ等しい、すなわち約1mm未満の構造化領域16を作製することが好ましい場合がある。構造化領域16は、すべての空洞によって形成された各構造化領域16が一度に1つの泡を生成するように、非構造化領域18によって囲まれる。非構造化領域18は良好な濡れ性を有する。したがって、非構造化領域18は泡の解放を容易にする。逆に、生成される泡の数は少なくなる。このような表面の一例を図4に示す。2つの構造化領域16の間の距離d1はたとえば50μmから500μmの間であり、正方形形状の構造化領域16の幅d2はたとえば10μmから50μmの間である。
【００７２】
表面全体が構造化されている場合、構造化された泡の数は非常に多い。逆に、それらの泡を離隔することは難しくなることがある。いずれの場合にも、面6に現出するダクト10のアパーチャは常に、穴のない領域によって囲まれ、これによって、泡の解放を促進する液体の存在および表面の再度の濡れが確実になり、重要な沸騰流が損なわれるのを防ぐことに留意されたい。この領域は、実施形態に応じて、サイズを変化させることができる。
【００７３】
次に、本発明による装置の挙動について、図3A〜図3Cを用いて説明するものとする。
【００７４】
図3A〜図3Cでは、本発明による熱交換装置Dは、冷却されるべき要素14と第1の面4によって接触し、さらに液体Lたとえば水と第2の面6によって接触して示すことができる。
【００７５】
装置Dは、図1Aおよび図1Bまたは図2によって示される構造化領域16と、非構造化領域18すなわち空洞のない領域とを含む。
【００７６】
熱は、伝導によってプレート2を横断する。面6と接触する液体は、一部分は蒸発され、蒸気は空洞8内で捕捉される。ダクトの構成により、液体は空洞に浸入せず、メニスカスはダクト10内部にある。気泡核が空洞内で生じる。空洞内の圧力が増加し、空洞のサイズは核生成の臨界サイズより大きく、核は増大し、ダクト10内で表面6まで上昇する。表面で、核は再組織化して泡20を形成し、泡20は成長し続ける。次に、泡20は、図3Aに示されるように、構造化領域全体を覆う。
【００７７】
図3Bに示されるように、蒸気泡と接触する液体は蒸発され、それによって泡が成長する。この泡は、成長することによって、濡れていない構造化領域16を越えて延び、逆に非常に濡れている非構造化領域18と接触する。非構造化領域18の液体に対する濡れ性が高いことによって、蒸気泡と第2の面6の接触角が減少し、泡の軸に向けての液体の前進が加速し、この効果は、蒸気泡が離隔するようにさせることである。
【００７８】
したがって、本発明により、核生成を活性化するのに必要なエネルギーが大きく減少し、次に蒸気泡の生成が促進される。泡の離隔も、ダクトのまわりに濡れ領域が存在することによって促進される。
【００７９】
1つまたは複数のダクト10によって面6に接続された各空洞8が1つの蒸気泡のみを発生させるように構成される装置が考案可能である。しかし、いくつかの空洞を使用して1つの泡を発生させることが有利である。実際には、空洞が液体で満たされ、したがって気体を含有しないというリスクがある。この場合、核生成は非常に困難である。したがって、この空洞は、泡をまったくまたはほとんど発生させない。この充填は、作製後の空洞の障害による可能性がある。逆に、いくつかの空洞が1つの泡を発生させるように構成される場合、あらゆる場合において、空洞の1つが障害を有しても、他の空洞が機能的な核生成部位を形成することを確実にすることが可能である。
【００８０】
次に、このような空洞の生産方法の一例について説明する。
【００８１】
図5A〜図5Iでは、本発明による熱交換装置の本発明による製造方法の異なる段階が示されている。
【００８２】
第1の段階(図5A)では、その上に空洞が作製される基板22が選択される。この基板は、金属たとえばアルミニウム、銅、または合金から作製されてもよいし、シリコンから作製されてもよい。この基板22は要素を形成し、そこから熱が放散されなければならない。
【００８３】
図5Bに示される後続の段階では、バリア層24が基板22の一方の面の上に堆積される。この層24は、その中に空洞が作製される層の付着を可能にすることを意図する。層は、水素化アモルファスカーボン(またはDLC:ダイヤモンドライクカーボン)の形を取る炭素の層とすることができる。後で示されるように、層24を構成する材料は、後続の化学攻撃に抵抗するために、さらにそのエッチング速度が、空洞を画定することが意図されたボールのエッチング速度より非常に低いように選択される。これによって、DLCの層の泡形成(blistering)を防ぐことができる。
【００８４】
バリア層24は、たとえば、炭化ケイ素(Sic)から作製されてもよいし、ニクロム(NiCr)から作製されてもよく、化学気相成長法(chemical deposit in the vapour phase)によって、または物理気相成長法(physical deposit in the vapour phase)によって堆積される。バリア層24は、100nmから500nmの間の厚さである。
【００８５】
図5Cで示される後続の段階では、ボール26の層が層24の上に堆積され、ボールの層を形成する。これらのボールは、たとえばラングミュア-ブロジェットタイプのプロセスを用いて堆積される。ラングミュア-ブロジェットタイプのプロセスによって得られる堆積は緻密な(compact)堆積であり、すなわち各ボールが平面内で他の6つのボールと接触し、六角形のパターンを形成する。次の段階は、RIE(反応性イオンエッチング)タイプのドライエッチングによりボールのサイズを縮小させることによって、ボールの層の緻密度(compactness)を低下させることである。したがって、ボールは接触しなくなり、これによって、相互接続されていない空洞を作製することができる。ボール26の堆積によって、たとえば「シャロートレンチアイソレーション」タイプの技術を用いて、または重合体ミセルもしくは共重合体ミセルの使用によって、緻密でない積層が可能になる場合、この緻密度の低下段階は必要ではない。
【００８６】
ボールは、たとえば、シリカから作製されてもよいし、ポリマーたとえばポリスチレンから作製されてもよく、0.5μmから5μmの間の直径を有する。示した例では、これらはボールであるが、任意の形状の個別要素を使用しても本発明の範囲を超えない。
【００８７】
図5Dに示される後続の段階では、空洞8およびダクト10がその中に形成されるプレートを形成する層28が、ボール26を均一に覆うように、および除去された後で空洞8によって置き換えられるボールの間に壁13を形成するように、ボールの上およびボールの間に堆積される。層28の材料は、第一にプラズマエッチングによってエッチングできるように、第二にボール26が除去されたときに層が十分な完全性を保持するのに十分に堅固であるように、すなわちボール26の除去によって生じる多孔性により層28がそれ自体の上に圧壊しないように選択される。
【００８８】
層28の材料は、好ましくは、蒸気泡の出現を促進するために、冷却液に対して低い濡れ性を提供するように、すなわち水の場合は疎水性であるように選択される。
【００８９】
たとえば、層28は、化学気相成長法または物理気相成長法によって堆積されたDLCタイプである。DLCは親水性である。しかし、後で示されるように、DLCは、シリカに対する優れた化学選択性を有するという利点を有し、フッ化水素酸によるシリカ泡の溶解に抵抗することができる。
【００９０】
層28は、たとえば、以前に定義した高さHのダクトが作製できるような厚さを有する。ここで、HはD2より大きい。層28は、必ずしも一定の厚さでない。さらに、図5Dに示される波状の輪郭によって、熱交換領域を増加させることができる。
【００９１】
ポリマーボールの場合は、SiCから作製され100nm未満の厚さである追加のハードマスクは、有利には、層28の堆積前にボール26上に堆積され、ダクト10が層28のエッチングによって作製されるときにボールが消失するのを防ぐ。
【００９２】
図5Eに示される後続の段階では、ボール30の別の堆積が層28上で達成される。これらのボールは、ボール26の直径以下の直径を有する。堆積は、ボール26の堆積と同様に達成される。
【００９３】
堆積が緻密な場合、緻密度の低下段階が行われる。
【００９４】
図5Fに示される後続の段階では、連続層32が、ボール30の層の上およびボールの間の層28の領域の上に堆積される。この層は、たとえば後続の段階において超音波浴中でボールを取り外すことができるように、ボールの直径に対して非常に薄い。
【００９５】
層32は、層28をエッチングするために使用されるエッチング方法を用いて、層28の材料(所与の例ではDLC)に比べてかなりの選択性を有するように選択される。この場合は、エッチング方法は酸素プラズマエッチングである。
【００９６】
この層は、好ましくは、冷却液に対して良好な濡れ性を提供するように選択される。したがって、この層は最終的に冷却液と接触する層なので、この層を除去することは必要ではない。ただし、ダクト10の作製後に除去される層32が含まれてもよい。
【００９７】
たとえば、層32は、化学気相成長法または物理気相成長法によって堆積されたシリカである。
【００９８】
図5Gで示される後続の段階では、ボール30は除去され、この除去は、脱イオン水浴中で超音波を印加することによって得られる。次に、層32が得られ、ボール30の位置にアパーチャ34があけられ、これらのアパーチャ34は層28に通じる。
【００９９】
図5Hに示される後続の段階では、ダクト10が作製される。そうするために、層28は、アパーチャ34の領域内でボール26までプラズマによるドライエッチングによってエッチングされる。層28がDLCから作製され、ボール26がシリカから作製される場合、シリカボール26をエッチングしなくても層28をエッチングするのに十分な選択性をもたらす酸素プラズマを選択可能である。層28がDLCから作製され、ボール26がポリマーから作製される場合、層28を開口するためにフッ化プラズマが選択され、プロセスは酸素プラズマを用いて続行される。ボール26上に現出するダクト10もあれば、そうでないダクト10もある。
【０１００】
次に、ダクト10が得られ、面6をボール26に接続する。
【０１０１】
層32が薄い場合、テーパ形状を有するダクトを作製することが有利であり、ダクト10から形成される構造のより高い頑健さを得ることができる。
【０１０２】
図5H‐２には、この段階で得られる物体の上面図が示されており、アパーチャ34のそれぞれがダクト10によって延びる。あるダクト10の基部には、ボール26が視認できる。
【０１０３】
後続の段階では、ボール26が除去される。この除去は、浴中での溶解によって得られる。これは、シリカボールの場合はフッ化水素酸を主成分とする浴であり、ポリスチレンボールの場合は塩酸浴である。得られる最終物体を図5Iで視認できる。ダクト10の作製によって露出されたボールのみが溶解され、他のボールはアクセス不能なままである。
【０１０４】
バリア層を保護するために、図6に示されるように、ボール層の前にDLCの層28'を堆積するように構成可能である。ボールは、その場合、バリア層と接触しない。
【０１０５】
以前に説明したように、構造化領域16を置くことが望ましい場合がある。図7Aでは、このような構造の一例が示されている。構造化領域16は、非構造化領域18によって離隔される。
【０１０６】
この場所は、層32上の構造化することが望ましくない領域の上にマスクを位置決めすることによって得ることができる。マスクによって覆われないボール30は、エキシマタイプのレーザを用いて集合的かつ同時に除去される。このタイプのレーザは、数マイクロメートルのオーダーの分解能を有し、これにより、少なくとも数十マイクロメートルの構造化領域を置くことができる。
【０１０７】
ダクト10および空洞8の作製の各段階は、上述の段階に類似している。
【０１０８】
2つの領域の間の距離d1は50μmから500μmの間であり、構造化領域の幅d2は10μmから50μmの間である。
【０１０９】
図7Bでは、図7Aの構造の上面図が示されている。空洞8の外形は、埋設されたボール30の外形と共に、破線で示されている。
【０１１０】
本発明による装置は、二相性熱交換器、二相性熱サイホン、ヒートパイプに適用可能であり、より一般的には、相の変化を伴う熱交換器に適用可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
2  プレート
4  第1の面
6  第2の面、表面
8  空洞
10  ダクト
10.1  ダクトの大きい方の基部
10.2  ダクトの小さい方の基部
11  開口、アパーチャ、穴
13  壁
14  要素
16  構造化領域
18  非構造化領域
20  泡
22  基板
24  バリア層
26  シリカボール、層
28  層
28'  層
30  ボール
32  連続層、ボール
34  アパーチャ
D  熱交換装置
L  液体
D1  空洞の平均直径
D2  アパーチャの平均直径
d1  構造化領域間の距離
d2  構造化領域の幅
H  高さ
α  接触角
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
0005509318.tif 000015
【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図５Ｈ−２】
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