(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有するフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、
前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、
を備えるヒートパイプ。
【請求項２】
前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
ホット・プレートと、
カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有し、前記ホット・プレートと熱的に接触するフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、
前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、
を備える伝熱装置。
【請求項６】
前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である請求項５に記載の伝熱装置。
【請求項７】
前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である請求項５に記載の伝熱装置。
【請求項８】
前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である請求項５に記載の伝熱装置。
【請求項９】
前記ホット・プレートは、熱電冷却機へ熱的に接続される請求項５に記載の伝熱装置。
【請求項１０】
コンポーネントと、
前記コンポーネントへ熱的に接続されるコールド・プレートとホット・プレートとを有する冷却装置と、
前記ホット・プレートへ熱的に接続される近位の端部と遠位の端部とを有し、カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有するフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、
前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、
を備えるデータ処理システム。
【請求項１１】
前記冷却装置は、熱電冷却機である請求項１０に記載のデータ処理システム。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である請求項１０に記載のデータ処理システム。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である請求項１０に記載のデータ処理システム。
【請求項１４】
前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である請求項１０に記載のデータ処理システム。
【請求項１５】
前記コンポーネントはプロセッサである請求項１０に記載のデータ処理システム。
【請求項１６】
前記コンポーネントは、無線周波数回路である請求項１０に記載のデータ処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を輸送する装置，方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷却は、温度を下げるために、囲われた空間または物質から熱を取除くプロセスである。冷却システムは、現代生活の多くの側面にとって重要である。冷却システムの一般的な用途は、食糧を保存する冷蔵庫，自宅およびオフィスの内部の気候を操作する空気調和システム，自動車等のエンジンを冷却するシステム，そして電子機器が最適条件で作動するように電子機器を冷却する装置等である。
【０００３】
典型的には、冷却システムは、例えば多くのコンピュータで用いられ、熱せられた空気を冷却すべき領域から引き離すための簡単なファン、あるいは多くの家庭用冷蔵庫および空気調和システムについて使用される蒸気−圧縮冷却のような機械式システムである。蒸気−圧縮型冷却においては、フレオンのようなガス冷却液が一般的にはピストンによって最初に圧縮され、管の中を通って液化装置へ押し出される。液化装置内では、蒸気を収容するらせん形管が圧縮されたガスの熱エネルギーを取り除く循環空気あるいはウォーター・バス（bath of water）を通過する。冷却された蒸気は、膨張弁を通ってはるかに低い圧力の領域へ送られ、蒸気が膨張するとき、蒸気はその膨張エネルギーを自身の周囲あるいは自身と接触している媒体から得る。蒸発器は、蒸気を冷却されるべき領域と接触させることによって空間を直接冷却でき、あるいは蒸発器は、水のような第二の媒体を冷却することによって間接的に作用することができる。大部分の家庭用冷蔵庫においては、蒸発器を含むコイルが食糧室内の空気に直接接触している。プロセスの最後に、熱いガスが圧縮装置の方へ引きつけられる。
【０００４】
機械式冷却機に加えて、熱電冷却機のようなソリッドステート装置もまたデバイスを冷却するために用いられる。現在の技術上および経済上の制約のために、これらの冷却機は典型的に電子機器に対してのみ用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、現在の全ての冷却機に関する問題は、システムが熱を効率的に輸送して離れた場所で排出することができないことである。一般的に、熱は、ヒート・フィン（heat fin），ヒートパイプ（heat piper），あるいは熱交換器を通って、上述したような流体システム（例えば空気または循環水）へ排出される。これらのシステムは、流体漏出，音響雑音，重力依存の性能，および有限の輸送距離のような多くの限界を有している。したがって、既存の技術で現在可能なものよりも、より効率的に熱を長距離輸送でき、より離れた場所で排出できる熱輸送システムを得ることが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱エネルギーを輸送して排出する装置および方法を提供する。一態様において、熱輸送装置は、フォトニック・マイクロヒートパイプと光子源とを有する。フォトニック・マイクロヒートパイプは、顕著なラマン効果を示し、熱源へ熱的に接続されるフォトニック結晶である。フォトニック結晶は、一定周波数の光を結晶を通って伝播させない。光子が結晶内でフォノン（格子振動）によって散乱するとき、反射スペクトルの特性がラマン効果によって支配される。反射スペクトルは、２つの際立った構成要素、すなわち、ストークス線と反ストークス線とを有する。ストークス線は、入射光子の周波数とフォノンの周波数との差である周波数に相当し、一方、反ストークス線は、入射光子の周波数とフォノンの周波数との和である周波数に相当する。本発明によれば、ストークス線が抑制される一方で、反ストークス線が弱められないようにフォトニック結晶が選択される。したがって、フォトニック結晶から反射された光子は、入射光子よりも高い周波数（およびエネルギー）を有する。このようにして、音響型フォノンとして表される熱エネルギーが光子へ伝達される。反ストークス線に該当する光子は、フォトニック・マイクロヒートパイプを通って熱源から離れ熱エネルギーを排出するのに適した場所へ伝播する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、熱電冷却（ＴＥＣ）装置３００のハイレベル・ブロック図が従来技術に従って示される。ＴＥＣ装置をデータ処理システムへ組み込み、例えばプロセッサ、またはプロセッサ・チップの選択された領域のようなコンポーネントを冷却することができる。周知の原理である熱電冷却はペルティエ効果に基づき、それによって電源３０２からのＤＣ電流が２つの異種の物質を渡って流され、２つの異種の物質の接合部において熱が吸収される。典型的な熱電冷却装置は、優れた熱伝導特性を有する低導電率の導電体３０８の間に挟まれたｐ型半導体３０４とｎ型半導体３０６とを用いる。ｎ型半導体３０６は過剰電子を有し、一方ｐ型半導体３０４は電子が不足している。
【０００８】
電子が導電体３１０からｎ型半導体３０６へ移動するとき、熱源３１２から吸収された熱エネルギーのために電子のエネルギー状態が高められる。このプロセスは、電子流を介して、熱源３１２からｎ型半導体３０６および導電体３１４を通ってヒートシンク３１６へ熱エネルギーを伝達する効果を有する。電子は、導電体３１４において低いエネルギー状態になり熱エネルギーを解放する。ｐ型半導体３０４において相補的（complementing）効果が生じ、熱流３３０および３３１の２つの経路を与える。
【０００９】
多くの場合、ヒートシンク３１６の位置は、熱源３１２から取除かれた熱を放散させるために都合のよい位置ではない。例えば、ヒートシンク３１６の近くに熱に敏感な他のコンポーネントがあることもある。したがって、熱の放散にさらに適した領域へ熱を輸送するために、フォトニック・ヒートパイプ３１８がヒートシンク３１６へ熱的に接続される。離れた（物理的に遠く離れて存在する）光子源３２０は、光子をフォトニック・ヒートパイプ３１８へ供給する。光子からのエネルギーは、離れた光子ヒートシンク３２１において吸収される。フォトニック・ヒートパイプ３１８はフォトニック結晶であり、散乱光が一定平面内のあらゆる方向に進む二次元結晶であってもよく、あるいはフォトニック結晶は、光が結晶に合わせて強制され、相互に離れた２つの端部のどちらかにおいてのみ出射可能な２．５次元結晶であってもよい。フォトニック結晶は、当業者に周知のように、一定周波数の光（または光子）を伝播させない。フォトニック・ヒートパイプ３１８を用いることにより、光子がフォトニック・ヒートパイプ３１８内部の格子点（lattice point）から散乱するとき、周知の現象であるラマン効果は、入射光子と同一の周波数を有する弾性的散乱光子に加えて、２つの追加的な周波数の散乱光子を生じさせる。これらの周波数のうちの１つは、入射周波数から、入射光子によって結晶内のフォノンへ解放されたエネルギーに関連した周波数を引いた周波数に等しい（ストークス・プロセス）。光子の他の周波数は、入射周波数に、結晶内のフォノンから光子によって吸収されたエネルギーに関連した周波数を加えた周波数に等しい（反ストークス・プロセス）。しかしながら、適切なフォトニック結晶にマッチした適切な入射光子の周波数を選択することにより、ストークス・プロセスの周波数を許容しない（伝播させない）かあるいは著しく抑制して、非弾性的散乱中に優位を占める反ストークス・プロセスをもたらすことができる。このようにして、結晶を熱するよりもむしろ、フォノンからの熱を、フォトニック・ヒートパイプ３１８を通って離れたヒートシンク３２１へ伝播可能な光子へ転換でき、ヒートシンク３２１において、光子によって運ばれた高いエネルギーを解放すなわち熱エネルギーへ転換し放散させることができる。
【００１０】
図２を参照すると、ラマン散乱の理解を助けるために、通常のラマン散乱における散乱光の強度を説明するグラフが示される。ラマン散乱は、２つの光子、すなわち１つは入射光子，もう１つは放射光子を伴う。ラマン効果においては、付随したフォノンの発生または消滅のために結晶によって光子が非弾性的に散乱する。一次ラマン効果のための選択規則は、入射光子の搬送周波数（center frequency），ωが下記の方程式に基づいて放射光子の周波数，ω′と関係しているということを規定する。
【００１１】
ω′＝ω ±Ω
ここで、Ωは、散乱事象において消滅あるいは発生したフォノンのエネルギーと関係している。図２に示されるように、通常のラマン散乱においては、ストークス線の強度は反ストークス線の強度よりも大きい。このような状態は、結晶が熱せられる結果を生じさせる。したがって、多くの物質に関して、ラマン散乱は冷却と両立しない。
【００１２】
しかしながら、ラマン散乱が選択されたフォトニック結晶上で成され、入射光子周波数が適切に選択される場合には、図３に示されるように、反ストークス線の強度をストークス線よりも大きくすることができる。このようにして、熱エネルギーは、結晶内のフォノンから光子へ伝達され、光子はフォトニック結晶マイクロヒートパイプを通って熱放散にさらに適した場所へ伝播する。入射光子の搬送周波数ωの適切な選択とは、カットオフ周波数３７０に近いがそれより上の周波数であり、カットオフ周波数は、選択されたフォトニック結晶によって特徴付けられるフィルタの許容周波数３７１の帯域通過の一端を表す。この組合せは、フォトニック結晶によって取り除かれるすなわち伝播されない周波数の領域内にストークス線の周波数を位置させる。入射周波数の選択、したがって、ストークス線の結果的な配置に依存して、図３に示されるように、ストークス効果を完全に最小化することができ、あるいは、ストークス線の周波数が完全にフォトニック結晶の伝播されない周波数領域の範囲内であるか否か、もしくはストークス線が重なるか否かに依存して、ストークス効果を完全に除去することができる。
【００１３】
ラマン散乱は当業者に周知である。ラマン散乱およびラマン効果に関するさらに多くの情報は、Kittel, C., Introduction to Solid State Physics, 7th Edition, John Wiley and Sons, Inc., New York, (1996), pp.306, 322において得られ、これは事実上明細書の内容として引用される。
【００１４】
図４および図５を参照すると、フォトニック結晶の概念を説明する断面図および平面図が本発明に従って示される。フォトニック結晶６００は、光の一定の屈折率を有する第一物質６０２と、第一物質６０２内に周期的に配置された第二物質６０４のアレイとを含む。第二物質６０４は、第一物質６０２の光の屈折率と異なる光の屈折率を有する。最も簡単かつ基本的な条件において、一定の周波数または波長の光を伝播させないフォトニック結晶の特性は、第二物質６０４の周期的なアレイが埋め込まれる第一物質６０２の光の屈折率と異なる光の屈折率を有する第二物質６０４のこの周期的なアレイによって説明される。
【００１５】
フォトニック結晶の構造および特性は当業者に周知である。フォトニック結晶を作成する方法のより詳細な説明および記述は、事実上明細書の内容として引用される以下の参考文献において得られる。Gruning et al., “Macroporous silicon with a complete two-dimensional photonic band gap centered at 5μm,”Appl, Phys. Lett., vol.68, No.6 1996年２月５日； Leonard et al.,“Single-mode transmission in two-dimensional macroporous silicon photonic crystal wave guides,”Optics Letters, Vol.25, No.20, 2000年10月15日；Pentry, J.B., “Photonic gap materials,”Current Science, Vol.76, No.10, 1999年５月25日。
【００１６】
説明のために本発明の詳細な説明を提供してきた。また、この詳細な説明は、開示した形態に本発明を限定することを意図するものではない。多くの変更および変形を当業者に対して明らかにすることができる。本発明の原理，有用な実用例を最も良く説明するため、そして、意図された特定の利用法に適した様々な変更に関する様々な実施例について当業者が本発明を理解できるようにするために、実施の形態が選択され述べられる。
【００１７】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有するフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、を備えるヒートパイプ。
（２）前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である上記（１）に記載のヒートパイプ。
（３）前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である上記（１）に記載のヒートパイプ。
（４）前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である上記（１）に記載のヒートパイプ。
（５）ホット・プレートと、カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有し、前記ホット・プレートと熱的に接触するフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、を備える伝熱装置。
（６）前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である上記（５）に記載の伝熱装置。
（７）前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である上記（５）に記載の伝熱装置。
（８）前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である上記（５）に記載の伝熱装置。
（９）前記ホット・プレートは、熱電冷却機へ熱的に接続される上記（５）に記載の伝熱装置。
（１０）コンポーネントと、前記コンポーネントへ熱的に接続されるコールド・プレートとホット・プレートとを有する冷却装置と、前記ホット・プレートへ熱的に接続される近位の端部と遠位の端部とを有し、カットオフ周波数を有し光子帯域フィルタ特性を有するフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶から離れて配置され、搬送周波数とストークス線周波数との間に前記フォトニック結晶のカットオフ周波数を位置させる前記搬送周波数で前記フォトニック結晶へ光子を供給する光子源と、前記フォトニック結晶によって散乱した光子のための離れた光子ヒートシンクと、を備えるデータ処理システム。
（１１）前記冷却装置は、熱電冷却機である上記（１０）に記載のデータ処理システム。
（１２）前記フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶である上記（１０）に記載のデータ処理システム。
（１３）前記フォトニック結晶は、２．５次元フォトニック結晶である上記（１０）に記載のデータ処理システム。
（１４）前記フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶である上記（１０）に記載のデータ処理システム。
（１５）前記コンポーネントはプロセッサである上記（１０）に記載のデータ処理システム。
（１６）前記コンポーネントは、無線周波数回路である上記（１０）に記載のデータ処理システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に従って、熱電冷却（ＴＥＣ）装置のハイレベル・ブロック図を示す図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態に従って、通常のラマン散乱における散乱光の強度を説明するグラフである。
【図３】本発明の好適な実施の形態に従って、フォトニック結晶からのラマン散乱における散乱光の強度を説明するグラフである。
【図４】本発明に従ってフォトニック結晶の概念を説明する断面図である。
【図５】本発明に従ってフォトニック結晶の概念を説明する平面図である。
【符号の説明】
３００  熱電冷却（ＴＥＣ）装置
３０２  電源
３０４  ｐ型半導体
３０６  ｎ型半導体
３０８  低導電率の導電体
３１０  導電体
３１２  熱源
３１４  導電体
３１６  ヒートシンク
３１８  フォトニック・ヒートパイプ
３２０  光子源
３２１  光子ヒートシンク
３３０，３３１  熱流
６００  フォトニック結晶
６０２  第一物質
６０４  第二物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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