(57)【要約】  具体的には電子構成部品を冷却するように意図された、特に効率的な微細構造化された冷却器をもたらすために、以下のようにこの冷却器を組み立てる手順が提案された、即ち、冷媒用の複数のチャンネル（２）及び熱接触表面（６）を介して電子構成部品（４）と熱接触するように用いられる一つのベースプレート（５）を備えて構成する少なくとも二つの金属箔（１）の積層物を備えること、金属箔（１）とベースプレート（５）は、一体成型材料を形成するように互いに結合され、チャンネル（２）は、１００〜３５０μｍの幅ｂ、３０〜１５０μｍの深さｔ、３０〜３００μｍの平均間隔ｓを有し、チャンネル（２）形成後、残りの箔厚みｒは３０〜３００μｍの範囲で金属箔（１）内に残り、ベースプレート（５）は１００〜１０００μｍの厚みｇを有し、また冷却器は、概ね熱接触表面（６）の領域において金属箔（１）を横断する少なくとも一つの分割室（１０）を有し、分割室は全ての又は選択されたチャンネル（２）の各入口側末端とチャンネル入口孔を介して連通し、少なくとも一つの入口室（２０）は冷媒を冷却器（３）内へ入れ、入口室は少なくとも一つの分割室（１０）と連通し、少なくとも一つの集水室（１１）は金属箔（１）を横断し、かつ、全ての又は選択されたチャンネル（２）の各出口側末端とチャンネル出口孔を介して連通し、少なくとも一つの出口室（２１）は冷却器（３）から冷媒を排出し、出口室は少なくとも一つの集水室（１１）と連通する、ベースプレート（５）に隣接するチャンネル層内のチャンネル（２）の深さは、ベースプレート（５）と反対の側の積層物に配置されたチャンネル層内のチャンネル（２）の深さよりも深い。
2009501439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のａ〜ｅ，即ち、
ａ．少なくとも二つの金属箔（１）及び一つのベースプレート（５）の、積層物、
ｂ．少なくとも一つの分割室（１０）、
ｃ．少なくとも一つの入口室（２０）、
ｄ．少なくとも一つの集水室（１１）、
ｅ．少なくとも一つの出口室（２１）、
を備えて構成される、冷却されるべき物品（４）用の微細構造化された冷却器（３）にして、
上記金属箔（１）は、冷媒用の複数のチャンネル（２）を有し、
上記ベースプレート（５）は、熱接触表面（６）を介して上記物品（４）と熱接触するように使用され、
上記金属箔（１）及び上記ベースプレート（５）は、一体成型材料を形成するように互いに結合され、
上記複数のチャンネル（２）は１００〜３５０μｍの幅ｂ、３０〜１５０μｍの深さｔ、３０〜３００μｍの平均間隔ｓを有し、
上記チャンネル（２）の成形後、上記金属箔（１）内に３０〜３００μｍの、残りの箔厚みｒが残り、かつ、
上記ベースプレート（５）は１００〜１，０００μｍの厚みｇを有し、
上記分割室（１０）は、上記金属箔（１）を、概ね上記熱接触表面（６）の範囲において横断し、かつ、全ての又は選択されたチャンネル（２）の各入口側末端と、チャンネル入口孔を介して通じており、
上記入口室（２０）は、上記冷却器（３）内に冷媒を入れるためのものであって、上記少なくとも一つの分割室（１０）と通じ、
上記集水室（１１）は金属箔（１）を横断し、かつ、全ての又は選択されたチャンネル（２）の各出口側末端とチャンネル出口孔を介して通じており、
上記出口室（２１）は、上記冷却器（３）から冷媒を排出するためのものであって、上記少なくとも一つの集水室（１１）と通じている、冷却器において、
ベースプレート（５）に隣接するチャンネル層内のチャンネル（２）の断面積が、ベースプレート（５）とは反対側の積層物に配置されたチャンネル層内のチャンネル（２）の断面積よりも大きいことを特徴とする、冷却器。
【請求項２】
ベースプレート（５）に隣接するチャンネル層内のチャンネル（２）の深さが、ベースプレート（５）とは反対側の積層物に配置されたチャンネル層内のチャンネル（２）の深さよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
ベースプレート（５）に隣接する第一金属箔（１’）及び上記ベースプレート（５）には複数のチャンネル（２’）が備えられ、チャンネルを含む第一金属箔（１’）の表面とチャンネルを含む上記ベースプレート（５）の表面とが、互いに向き合うように、かつ、上記第一金属箔（１’）内の上記チャンネル（２’）と、上記ベースプレート（５）内の上記チャンネル（２’）とがぴったり合うように、互いに結合されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却器。
【請求項４】
第一金属箔（１’）とベースプレート（５）を結合することによって形成された、チャンネルの深さｔが、１００〜２５０μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項３に記載の冷却器。
【請求項５】
少なくとも一つの入口室（２０）が少なくとも一つの分割室（１０）に向かって先細りになり、かつ、少なくとも一つの出口室（２１）が少なくとも一つの集水室（１１）に向かって先細りになることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項６】
少なくとも一つの入口室（２０）が出口側幅ｘまで先細りになり、少なくとも一つの分割室（１０）は幅ｂ10を有し、ｘ≧ｂ10であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項７】
少なくとも一つの出口室（２１）が入口側幅ｙまで先細りになり、少なくとも一つの集水室（１１）は幅ｂ11を有し、ｙ≧ｂ11であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項８】
上記冷却器は更に冷却器（３）内に冷媒を入れるための、少なくとも一つの入口首（１５）を有し、少なくとも一つの入口室（２０）は入口側幅ｍを有し、ｍは、少なくとも一つの入口首（１５）の断面幅と、大きくても同一となることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項９】
冷却器は更に、冷却器（３）から冷媒を排出するための出口首（１６）を有し、少なくとも一つの出口室（２１）は出口側幅ｎを有し、ｎは、少なくとも一つの出口首（１６）の断面幅を超えないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１０】
少なくとも一つの分割室（１０）は、金属箔（１）を横断し、かつ、幅ｂ10を有するギャップとなるように構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１１】
少なくとも一つの集水室（１１）が、金属箔（１）を横断し、かつ、幅ｂ11を有するギャップとなるように構成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１２】
入口側に配置され、かつ、長さEに渡って延びる各末端領域において、チャンネル（２）が少なくとも一つの分割室（１０）に向かって拡張されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１３】
チャンネル幅ｂに対する、チャンネル入口孔間の間隔ｋの比が、１．１〜３の範囲に存在することを特徴とする、請求項１２に記載の冷却器。
【請求項１４】
チャンネル幅ｂに対する、チャンネル入口孔間の間隔ｋの比が、１．２〜１．８の範囲に存在することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の冷却器。
【請求項１５】
長さEが、１００〜２，０００μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１６】
長さEが、２００〜４００μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１７】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、冷却器（３）のベースプレート（５）の熱抵抗Rth_cが圧力損失１３０mbarにおいて0.05K/Wよりも小さいか同一となるように、最適化されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１８】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、熱抵抗Rth_cが与えられた圧力損失において最小化するように、最適化されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項１９】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、少なくとも１０W/cm3の、冷却器（３）の体積に対する冷却器（３）の冷却能力の比が成し遂げられるようにセットされることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２０】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、少なくとも１W/(cm3・K)の、冷却器（３）の体積辺り、及び、冷却器（３）内の平均冷媒温度と熱接触表面（６）の温度との温度差ΔT辺りの冷却能力が成し遂げられるようにセットされることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２１】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、少なくとも０．１W/(cm3・K・l/min) の、圧力損失標準化冷却能力が成し遂げられるようにセットされることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２２】
チャンネル幅ｂ、チャンネル深さt、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレート厚みｇは、熱接触表面（６）の温度と冷却器（３）内に流れる冷媒の温度との差が１０Kを超えず、冷却器（３）を通る冷媒に対する流量が１．２l/minであり、かつ、圧力損失が１５０mbarを超えない時に、２００Watt/cm2の熱伝導能力が成し遂げられるようにセットされることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２３】
複数のチャンネル（２）の平均間隔ｓに対するチャンネル幅ｂの比が、１．５：１〜２．５：１の範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２４】
残りの箔厚みｒに対するチャンネル幅ｂの比が、２：１〜５：１の範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２５】
チャンネル（２）の幅ｂが２００〜３００μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２６】
チャンネル（２）の深さｔが、５０〜１２０μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２７】
チャンネル（２）間の平均間隔ｓが１５０〜３００μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２８】
残りの箔厚みｒが、５０〜１２０μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項２９】
ベースプレート（５）の厚みｇが、３００〜５００μｍの範囲に存在することを特徴とする、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項３０】
金属箔（１）内のチャンネル（２）が、熱接触表面（６）よりも大きな熱交換表面を形成することを特徴とする、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項３１】
金属箔（１）内のチャンネル（２）が、互いに対して概ね平行に走ることを特徴とする、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項３２】
冷却されるべき物品（４）の方を向いたベースプレート（５）側において、冷却器（３）と冷却されるべき物品（４）との間に入れられる、熱伝導中間層（７）のためのドレインが設けられることを特徴とする、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項３３】
電子構成部品（４）を冷却するための、請求項１〜３２のいずれが一項に記載の微細構造化された冷却器（３）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物を冷却するための、微細構造化された冷却器、及び、プロセッサ、より具体的には中央処理装置（ＣＰＵ）ならびにパワーエレクトロニクス構成部品のような、電子構成部品を冷却するための、そのような冷却器の使用に関している。
【背景技術】
【０００２】
電子構成部品性能の絶え間ない上昇、例えばマイクロプロセッサにおける、クロック周波数の上昇は、これら構成部品内での熱蓄積の上昇に関係している。構成部品の小型化は、尚いっそうこの蓄積を高めている。プロセッサにおける動力損失を最小にするために用いられた手段にもかかわらず、熱に関する問題は増加している。また、一般的なシステム、例えばサーバー内の様々な構成部品のパッケージング密度の増加は、実に小さくなっている体積から、実により多くの熱が散逸されなければならないという結果をもたらす。電子構成部品の性能と耐久性は、しかしながら、稼動温度に対する最高値とその変動範囲に依存する。このことは、十分な局所的熱散逸を確実にするために、高性能の小型冷却システムを用いることが必要という結果をもたらす。
【０００３】
【特許文献１】WO 98/41076 A2
【特許文献２】WO 04/032231 A
【特許文献３】US 6,409,072
【非特許文献１】「伝熱工学（Heat Transfer Engineering）」、２００４年発行、２５（３）巻、ｐ３〜１２
【非特許文献２】ダブリュ  ボール(W. Bohl)著、フォーゲル出版(Vogel Verlag)、「工業の流体力学（工業的流体力学）」、カンプラーシリーズ(Kamprath-Reihe)、第１１版、ｐ１３１
【非特許文献３】インクロペラ,フランク  ピー（Incropera, Frank P）、デウィット,デビット  ピー(Dewitt, David P)著、ジョン  ウィリー＆サンズ（ニューヨーク）出版、「熱及び物質移動の基礎」、第４版、１９９６年発行、ｐ４４９
【０００４】
一般的に、現代のプロセッサは、例えば、１cm2面積あたり、１５０Wattを熱の状態で放出する。これは、台所の料理用レンジの燃焼装置（約１０Watt/cm2）によって発生されるものよりも、より多くの熱である。この量の熱を散逸するために、使用される最も重要な冷却システムは、ヒートシンク、ファン、ヒートシンクと組み合わせて、ヒートパイプ、ペルチェ配列（Peltier arrays）及び液冷却システムである。将来、散逸すべき熱量は、更にいっそう増加するということが予想される。
【０００５】
現在のところ、最も頻繁に使用されている電子構成部品用冷却技術は、環境空気冷却である。多くの用途において、この技術が単純で費用効率が良いものと認められてきた。より高い冷却性能を要求するシステムにとって、この原理は非常に不経済である、というのは、それらが、結果的に投資及び稼動の費用を上昇するだけでなく、エネルギーと環境政策に関しても問題のある、付随する高い出力を伴う空気調節システムを必要とするからである。
【０００６】
非常に高い熱出力を有するプロセッサの新しい種類に伴い、空気冷却もその限界に達している。大抵の場合、ファンの出力を増大することによって熱散逸がまだ確保されうるが、しかしながらこれは、稼動騒音を増大している。今日では、５５dBが既にビジネス及び家庭用途において、既に多すぎる。
【０００７】
他の冷却システムと直接比較して、金属又はセラミック材料で作られた液冷却システムが、最も高い冷却出力を提供している。これは主に、冷却媒体、例えば水の高い熱容量、かつ、その低い粘度によるものである。近年、銅、アルミニウム、及びセラミックから作られた、マイクロプロセッサ用水冷却器が、市場において売られてきた。今日、これら全ての製品は、非工業的な高い製造費用によって、小さなスケールの製品と特徴付けられている。
【０００８】
IBMパワーチップ用の液冷却器は、非特許文献１において例示されている。この冷却器は、微小チャンネル（溝）構造を有するが、それは、完全に珪素から作られており、CPUに直接接合されている。
【０００９】
特許文献１は、電子構成部品を冷却するための装置を記載しており、その容量は、ヒートシンクによって公知の冷却器よりも著しく増大され、かつその結果、それにおける伝熱係数、及び、その全熱伝導率は実質的に改善されたと記載されている。この文面において、該文書には、微細構造化されたヒートシンクを冷却液が通過することに伴って生じる大きな圧力損失が、配水構造及び結合しているチャンネルの領域において発生すると述べられている。その問題を解決するために、多数の別々の層を有し、かつ、多くの微細チャンネルを有する少なくとも一つのプレートと一つの配水チャンネルとから成り、更に、複数の接合チャンネルと、集水チャンネルを備えた一つの集水プレートを有する中間プレート、共通のカバープレートに一旦これらプレートが備えられることによって得られる、閉じられた冷却チャンネル、及び、ベースプレートを有する冷却器をもたらすことが提案されている。冷却チャンネル内の冷媒は、入口孔を通って微細構造ヒートシンク内へ導入され、かつ、出口孔を通ってそこから出る。冷媒用の中間プレートは、階段状の及び／または傾斜したトランジション構造を形成し、それを通って、全ての別々の層を通る表面に関する垂直断面によって表される入口及び／または出口孔の断面積は、微細チャンネルの断面積と、連続して結合する。０．３×１０mmの流れ断面を有する冷却チャンネルを備えた冷却器が、例として述べられている。この冷却器において、５００ml/minの体積流量において、８．５Watt/cm2・Kの伝熱係数及び０．５barの圧力損失が成し遂げられた。これら出力データに関して、この非常に複雑な冷却器は、平均的なCPUに対して要求された冷却能力の約１０％を成し遂げただけである。
【００１０】
研究及び開発プロジェクトにおいて、並びに、最も初期の工業プロセスにおいて既に使われている、マイクロリアクター及びマイクロ熱交換器と比較して、電子冷却器を設計する問題は、大部分まだ解決されないで残っている、というのは、マイクロリアクター又はマイクロ熱交換器における「熱管理」は、表面から熱を散逸しなくてはならない冷却器におけるものとは、根本的に異なっているからである。
【００１１】
リアクターにおいて、恒温プロセスの最高水準にできるだけ近づくように近似したい場合、流れている媒体、即ち、リアクター内で発生した熱は、できるだけ速く散逸しなければならない。この理由で、反応方法の技術的制限内において、チャンネルの断面及び、チャンネル間の壁厚みをできるだけ低く保つ試みが成された。実際に、リアクターはまた、その設計、例えば、流体抵抗、流量などに関して最適化されなくてはならない。しかし、基本的な熱管理原則は比較的簡単である。
【００１２】
より近づいた検討が、この課題、即ち、局所的に強くかねるされた表面からの熱の散逸が非常に複雑な問題であるということを明らかにする。直面した難点は、実際の熱源が、冷却器の外側に存在しているということである。従って、液体が循環されるヒートシンクの三次元構造内の耐熱性は、もっと考慮に入れる必要がある。
【００１３】
この問題の解決法を見つけ出すことは、電子工学における（例えばCPU構成部品を冷却するための）更なる特定の要求によってなおいっそう難しくなっている、というのは、冷却器内で、最少量の冷却水と最低の圧力損失で熱が散逸される必要があるからである。というのは、より細かい構造体、即ち、より小さなチャンネル断面を用いることによって、その結果生じる流体抵抗における過度の増加という理由で、冷却能力を制限された範囲にのみ増加することが可能である、ということが見い出されたからである。
【００１４】
流体抵抗があまり増大することなく、小さな表面を介して、大量の熱が散逸されるように意図された場合に、この効果は問題点となる。この場合、増加された圧力差を介して冷却媒体の流体速度を単に増加することによって、期待されたように、冷却能力を増加することができない。PC、サーバー及びワークステーションにおける用途に対し、例えば約２５０mbarまでの圧力を生じる低い圧力ポンプが典型的に用いられている。例えば、５barかそれ以上増大された予備圧力下で稼動する、現在のマイクロリアクター用の高性能冷媒ポンプシステムが、費用を理由として許容可能ではない。
【００１５】
他の要求は、冷却器が電子構成部品の形状に合った形状を有する必要がある、即ち、冷却器の表面積は構成部品上の装着表面積と同じ大きさを有するべきである、ということである。
【００１６】
最後に、大きなスケールの用途に対し、液体冷却器及び冷却システム用製造費用は、空気冷却用よりも、顕著に高くはないということを確実にしなければならない。
【００１７】
上記問題を解決するために、特許文献２は、微細構造化された冷却器を組立て、設計し、構成するための解決方法を初めて提案する。
【００１８】
ここに記載された冷却器は、少なくとも二つの金属箔と、冷却されるべき物と熱接触表面を介して熱接触するようにもたらされる一つのベースプレートの積層物を備えて構成される。金属箔とベースプレートは、適した結合技術によって、好ましくは半田付けによって、材料はめこみにおいて互いに接合される。金属箔内には、冷媒流れチャンネルが存在し、そこを通って流れる冷媒によって熱が散逸される。金属箔内のチャンネルは、１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜５００μｍの範囲の横幅を有する。残っている全ての他のパラメーターに関して、８００μｍかそれ以上のチャンネル幅から、冷却能力は大きく下がり、高性能用途に対してもはや有利ではなくなるということを、試験は立証した。チャンネル深さは、２５〜１０００μｍ、好ましくは５０〜４００μｍの範囲にある。二つの幾何学的可変要素である、チャンネル幅とチャンネル深さのうちの一つは、好ましくはマイクロメーターの範囲内にあり、かつ、水力直径、即ち４・A/U、A＝断面表面積、U＝円周（非特許文献２及び非特許文献３に従って定義された）は、好ましくは、２００〜５００μｍの範囲で変動すべきである。金属箔内のチャンネル間の平均間隔は、５０〜１０００μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍの範囲にある。更に、チャンネルの断面が長方形乃至ほぼ長方形である場合、箔内のチャンネル間にウェブが形成するので、この間隔は「ウェブ幅」と参照される。更に、チャンネルの底部における、残りの箔厚みは、５０〜３００μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍの範囲にある。冷却器のベースプレートは、２００〜２０００μｍ、好ましくは５００〜１５００μｍの範囲の厚みを有する。特に、出力密度が非常に高いことを要求される場合、上記全てのパラメーターは、それらが好ましい範囲内にある場合はこれら要求を特定の範囲に合わせる。更に、特にCuがベース材料として使用される場合は、パラメーター領域として示された範囲が当てはまる。
【００１９】
特許文献２において示された様々な設計の一つにおいて、およそ熱接触表面の高さで、ギャップの形状をしている少なくとも一つの分割室によって金属箔が分断されており、それによって、金属箔は前記ギャップによって分割されている。この配列は、上部から分割室内へ流れ込む冷媒が、熱接触表面が存在しているおよそ中央領域のベースプレートと接触することを可能にする。一方の末端において、全てのチャンネルがギャップと連通して（通じて）いる。その結果、平行に配向したチャンネルの二つの群がもたらされる。更に、その反対側の末端において全てのチャンネルと連通している二つの集水室（収集室、collecting chamber）は、例えば冷却器内部に備えられる。集水室は、分割室からの冷媒が交差された流体チャンネル内に流れ込み、かつそこから出て、連通している集水室内へ流れ込むように連通していることが好ましい。
【００２０】
しかしながら、この設計は、幾何学の点からみて、製造方法によって制限されている。チャンネル幅、チャンネル深さ、及びチャンネル間隔（ウェブ幅）に対する、より低い範囲の制限が、製造プロセスに据えられた現在の要求によって実質的に強いられている。即ち、これら幾何パラメータに対して選択された値が非常に小さいのならば、大きなスケールで冷却器を製造することが困難になるだろう、というのは、そのような場合、必要とされた耐性を遵守することが、もはや可能でなくなるからである。製造可能性は用いられた技術に依存するので、製造技術が改善されれば、より低い範囲の制限が、むしろより低くなるかもしれない。
【００２１】
現在のところ、改良された冷却能力に据えられた要求は、しかしながら、範囲制限をより狭くすることによって、冷却器の容量増加への製造可能性よりも速く増大している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、本発明の課題は、冷却されるべき物品用の微細構造冷却器をもたらすことであり、その冷却能力は、大きなスケールの製造可能性を保持しながら、更に最適化される。
【００２３】
本発明のもう一つの課題は、従来の冷却器と比較して、冷却器を通る冷媒の流れにおいて流体抵抗が過度に増加しないような、最少の冷却水、及び／または、冷却器内の最少の圧力損失を受け入れられる、微細構造冷却器をもたらすことである。
【００２４】
本発明の更にもう一つの課題は、製造コストが、従来の冷却器のものと同等か、なおいっそう低い、微細構造冷却器をもたらすことである。
【００２５】
本発明の更にもう一つの課題は、形状が、冷却されるべき電子構成部品に適している、微細構造冷却器をもたらすことである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
これら課題の解決は、請求項１の微細構造化された冷却器によって、及び、請求項３３の微細構造化された冷却器の使用によって成し遂げられる。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項において示されている。
【００２７】
本発明は、熱伝導接触を介して物品を冷却するために用いられる、微細構造化された冷却器に関する。本発明は、より具体的には、プロセッサーのような電子構成部品、例えば、中央処理装置（CPU）及び、パワーエレクトロニクス構成部品を冷却するような冷却器の使用に関する。構成／設計、構造及び結合方法に関して、本発明の微細構造化された冷却器は、大きなスケールの製造に合っており、それゆえに、微細構造化された冷却器の低コストで大きなスケールの製造を可能にしている。
【００２８】
本発明の冷却器は、少なくとも二つの金属箔（金属シート）の積層物、及び、冷却されるべき物品と熱接触表面（冷却されるべき物品が冷却器と接触している範囲に制限されている）を介して熱接触するようにもたらされたベースプレートを備えて構成される。金属箔とベースプレートは、適した結合技術用いて、好ましくは半田付け／蝋付けによって、一体部品材料を形成するように互いに結合される。金属箔内には、冷媒流れチャンネルが存在し、水のような冷媒は熱を散逸するように働きながらその中を流れる。好ましくは、金属箔内のチャンネルは互いに平行に走る。
【００２９】
特許文献２とは対照的に、本発明によると、特徴的な範囲は、チャンネル幅ｂ、チャンネル深さｔ、及び、チャンネル間隔（ウェブ幅）ｓで選択される（これら及び他のパラメータの定義には、読者は図１を参照される）。これらパラメータの実現は、冷却器に対して有利な特性を得ることができる。
【００３０】
金属箔内のチャンネルは、１００〜３５０μｍ、好ましくは、２００〜３００μｍの範囲の幅ｂを有する。試験は、残っている他の全てのパラメータと共に、冷却器の冷却能力はチャンネル幅３５０μｍ及びそれ以上から著しく減少し、高性能用途に対してもはや有利ではなくなるということを証明した。
【００３１】
チャンネル深さｔは、３０〜１５０μｍ、好ましくは、５０〜１２０μｍの範囲にある。
【００３２】
水力直径（定義は上記に示した）は、好ましくは７０〜２５０μｍの範囲にあるべきである。
【００３３】
チャンネル間の平均間隔ｓは、３０〜３００μｍ、好ましくは、１５０〜３００μｍの範囲にある。チャンネル間の間隔は、「ウェブ」と参照されるので、チャンネル間の平均間隔ｓは、「ウェブ幅」としても参照される。
【００３４】
更に、チャンネルの底における、残りの箔厚みｒは、３０〜３００μｍ、好ましくは、５０〜２５０μｍ、より好ましくは、５０〜１２０μｍの範囲にある。
【００３５】
冷却器のベースプレートは、１００〜１０００μｍ、好ましくは、３００〜５００μｍの範囲にある、厚みｇを有する。
【００３６】
示された全てのパラメータに対し、上記値が好ましい範囲内にある場合、特に、所望の出力密度が非常に高い場合に、上記課題はある程度成し遂げられる。更に、パラメータに対して示された範囲は、特に、銅が金属箔とベースプレート用ベース材料として使用される場合に当てはまるが、その代わりに他の材料が用いられている場合でも有効である。
【００３７】
チャンネル幅ｂ、チャンネル間隔ｓ、及び、残りの箔厚みｒの最も有利な組み合わせの選択に対し、次の、パラメータ間の好ましい比が当てはまる。
チャンネル間の、チャンネル幅ｂ：平均間隔ｓの比は、１．５：１〜２．５：１、好ましくは、１．０：１〜２．０：１
チャンネル幅ｂ：残りの箔厚みｒの比は、１：１〜５：１、好ましくは、２：１〜５：１
【００３８】
他の影響する変数は、チャンネルのアスペクト比である、即ち、チャンネル深さｔ：チャンネル幅ｂの比である。同一のチャンネル断面において、深いチャンネル（高いアスペクト比ｔ／ｂ）が冷却器の熱伝達でより明らかに有望な効果を有する。本発明の冷却器について、アスペクト比は各エッチングプロセスの制限に依存し、その際、成し遂げられ得る最高値ｔ／ｂはその結果、１：２〜１：５の範囲にある。
【００３９】
上記寸法規則を考慮に入れながら、上記パラメータ値、即ち、チャンネル幅ｂ、チャンネル深さｔ、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ、及びベースプレート厚みｇは、与えられた流量、圧力損失、熱接触表面積のサイズ、及び冷媒温度において、冷却器の熱抵抗Rth_c（その定義は後述する）が最小となるように示された範囲内で、好ましくは最適化されても良い。
【００４０】
更に、上記パラメータ値は、１３０mbarの圧力損失における冷却器の熱抵抗Rth_cが０．０５K/W（ケルビン／ワット）よりも小さい乃至等しくなるように、最適化されても良い。冷媒温度は約５０℃であること、かつ、CPU表面積、その結果、熱接触表面積は、１２mm×１２mmとなる。
【００４１】
更に、上記パラメータ値は、少なくとも１０W/cm3、好ましくは、少なくとも６０W/cm3の、冷却器の冷却器体積に対する冷却器冷却能力の比、即ち、「ち密度（コンパクトネス、Compactness）」を得るように設定されても良い。
【００４２】
更に、上記パラメータ値は、少なくとも１W/(cm3・K)、好ましくは、少なくとも６W/(cm3・K)の、体積及び熱接触表面Tcsの温度と平均冷媒温度Tmとの差ΔTあたりの冷却能力を得るように設定されても良い。
【００４３】
更に、上記パラメータ値は、少なくとも０．１W/(cm3・K・l/min)、好ましくは、少なくとも０．８W/(cm3・K・l/min)、より好ましくは、少なくとも５W/(cm3・K・l/min)の、特定の圧力損失標準化冷却能力を得るように設定されても良い。
【００４４】
更に、上記パラメータ値は、熱接触表面Tcsの温度と平均冷媒温度Tmとの差ΔTが１０Kを超えない場合、冷却器を通る冷媒の流量が１．２ l/minであり、並びに、圧力損失が１５０mbarを超えない場合において、２００Wattの熱伝達容量を得るように設定されても良い。ここでまた、熱接触表面、即ち、冷却されるべきCPU表面は、１２mm×１２mmである。
【００４５】
本発明の冷却器において、更に以下のものが備えられている、
−    概ね熱接触表面の範囲において金属箔を横切る少なくとも一つの分割室、該室は、チャンネル入口孔を介して、全ての乃至選択されたチャンネルの入口側末端の各一つと連通している、
−    冷媒が冷却器内へ入るための、少なくとも一つの入口室、該室は、少なくとも一つの分割室と連通している、
−    金属箔を横切る少なくとも一つの集水室、該室は、チャンネル出口孔を介して、全ての乃至選択されたチャンネルの出口側末端の各一つと連通している、及び、
−    冷媒が冷却器を出るための、少なくとも一つの出口室、該室は、少なくとも一つの集水室と連通している。
【００４６】
本発明の冷却器は、ベースプレートに隣接するチャンネル層内のチャンネルの断面積が、ベースプレートとは反対側の積層物内に配置されたチャンネル層内のチャンネルの断面積よりも大きいことを特徴としている。より具体的には、本発明の冷却器は、ベースプレートに隣接するチャンネル層内のチャンネルの深さが、ベースプレートとは反対側の積層物内に配置されたチャンネル層内のチャンネルの深さよりも大きいことを特徴としている。このことは、ベースプレートに隣接する第一金属箔及びベースプレートにはチャンネルが施されており、かつ、チャンネルを備えて成る第一金属箔及びベースプレートの表面が互いに向き合い、第一金属箔内とベースプレート内のチャンネルがぴったり合う（同一の空間を占める）ように、互いに結合されているという事実によって実現される。その結果、ベースプレート内及び第一金属箔内で、共に結合して形成しているチャンネルは、ベースプレートとは反対側の積層物内に配置された金属箔内のチャンネルを含め、他の金属箔内のチャンネルよりもより大きな深さ、従って、より大きな断面積を有する。同様に、ベースプレートに隣接するチャンネル層内のチャンネルの幅は、ベースプレートとは反対側における積層物内に配置されたチャンネル層内のチャンネルの幅よりも大きく作られていても良い。いずれの場合でも、ベースプレートに隣接する１又は２、又は３、さらにそれ以上のチャンネル層内において、チャンネルの断面積又は深さは、それぞれ、金属箔の積層物の、他の側（サイド）に配置された、（複数の）チャンネル層内におけるチャンネルの断面積又は深さ、それぞれと比較して大きくても良い。
【００４７】
従って、本発明の冷却器は、特許文献２に記載された、微細構造化された冷却器の特定の改良である。
【００４８】
ベースプレートに隣接する第一（又は更なる）の（複数）金属箔内におけるチャンネルの断面積、具体的には深さを増すことによって、本発明の冷却器の冷却能力は、特許文献２から公知の冷却器のものよりも増加された。このことは、熱接触帳面が、第一金属箔のチャンネル内を流れる冷媒を介して冷却されるべき物品と近接していることにより、最大の冷却効果が成し遂げられたという事実によるためである。ベースプレートから更に離れて配置された金属箔内のチャンネル内を流れる冷媒は、同様の範囲に対する冷却効果には関与しないだろう。よって、第一チャンネル層内のチャンネルの断面積、より具体的には深さのみが、全ての他のチャンネル層内のチャンネルと比較して増加されることが好ましい。ベースプレートに隣接する第一チャンネル層内の、より深いチャンネル内において、冷媒に対する圧力損失が減少されうるか、又は、与えられた圧力損失において冷却能力が増加される。第一金属箔のチャンネル内におけるそのような効果が、積層物の他の金属箔のチャンネル内におけるのよりも、より強いことにより、まさにこの手段は、冷却器の冷却能力を特に効果的に最適化することを可能にするであろう。
【００４９】
ベースプレートに隣接する第一金属箔と、ベースプレートに微細チャンネルが施され、かつ、チャンネルを含んでいる第一金属箔とベースプレートの表面が互いに向かい合い、この第一金属箔とベースプレート内のチャンネルがぴったり合うように貼り合わされるために、第一チャンネル層のチャンネル深さは、ベースプレートと、一体構造化材料を形成するようにベースプレートと結合されている第一金属箔の、チャンネルの深さを足し合わせることによって得られる。チャンネル深さを倍にすることによって、第一微細チャンネル層の深さは、好ましくは、１００〜２５０μｍの範囲にあっても良い。
【００５０】
チャンネルを施された、ベースプレート、並びに、該ベースプレートに隣接する第一金属箔を有することによって、及び、両者の貼り合わせによってより深いチャンネル構造が得られるようにこれらを貼り合わせることによって、本発明の冷却器は製造し易く、かつ、費用効率が良い。というのは、このことは、ベースプレートの範囲内の第一チャンネル層に対し、他のチャンネル層と全く同様の製造方法を利用することが可能となるからである。より大きな深さを有するチャンネルは、それから、単にベースプレートと第一金属箔を適切に積み重ねることによって作られる。
【００５１】
本発明の特に好ましい実施形態において、少なくとも一つの入口室は、少なくとも一つの分割室に向かって、かつ、少なくとも一つの出口室は、少なくとも一つの集水室に向かって先細りになる。
【００５２】
本発明の冷却器の、この開発された実施はまた、特許文献２から公知の冷却器より優れた改良を構成している。この公知の冷却器と比較して、入口室と出口室の特別に新規な構成が認められる、この新規な構成が、大きなスケールでの製造可能性を保持しながら、既に立証された効果を有する本発明の冷却器の冷却能力を著しく増加する。
【００５３】
特別に作られた入口室と特別に作られた出口室の使用は、圧力損失を最小限可能にとどめながら、冷却器の冷却能力を著しく上昇することを可能にする。圧力損失は、ポンプの能力に依存して設定されうる。
【００５４】
少なくとも一つの入口室は、少なくとも一つの分割室の幅ｂ10と少なくとも等しい出口側の幅ｘに先細る（ｘ≧ｂ10）。更に、少なくとも一つの出口室も、少なくとも一つの集水室の幅ｂ11と少なくとも等しい入口側の幅ｙに先細る（ｙ≧ｂ11）。製造許容差を保有するため、幅ｘ及びｙは、好ましくは、ｂ10及びｂ11よりも、それぞれ僅かに大きい。このことは、分割室及び集水室の各一つに移行することにおいて、入口室及び出口室によって、各々作られた、各空いている断面を、分割室及び集水室の各一つの一致する空いている断面と、完全にぴったり合うことを防ぐために、必須であっても良い。製造許容差が非常に低い場合、入口室の出口側の幅ｘが、分割室の幅ｂ10とほぼ等しいかもしれない（ｘ＝ｂ10）。同様に、そのような場合、出口室の入口側の幅ｙが、集水室の幅ｂ11と殆んど等しいかもしれない（ｙ＝ｂ11）。このことは、突き出た端の形成をできるだけ抑えることを成し遂げるかもしれない、というのは、突き出た端は乱流を生じ、その結果、圧力損失を生むのである。
【００５５】
従って本発明の設計において、好ましくは金属箔が、概ね熱接触表面の範囲において、少なくとも一つの入口側の分割室（分割チャンネルデザイン）によって、分断される。この分割室は、例えば金属箔をギャップの形状で分割することができ、その際、該金属箔は、好ましくはその平坦面に対して垂直に分割される。
【００５６】
分割室のギャップ幅ｂ10は、例えば、５０〜２０００μｍの範囲にあっても良い。分割室は、実質的に全断面に渡って、金属箔に対して垂直に、冷却器を横切っても良い。熱接触表面が概ねベースプレートの中央部に配置される場合、分割室も概ね中央部において金属箔を分割するであろう。この配列を介して、上部から分割室内へ流れ込む冷媒（ベースプレートが底にある場合）はまた、熱接触表面が配置された、中央領域において、ベースプレートと接触するようになる。その結果、この領域において、熱伝達を増加するような結果となる流れ形式が達成される。
【００５７】
少なくとも一つの入口室は、少なくとも一つの入口首及び複数の路と連通しており、冷媒液が分割室内の入口首を介して冷却器へ入る。入口室は、分割室内へ直接続いている。入口室が分割室に向かって先細りになっているため、冷却器内の圧力損失は著しく減少され得、それによって、冷却能力は著しく上昇する。
【００５８】
金属箔の面内においてチャンネルが平行に走っているため、全てのチャンネルは、その入口側末端において、分割室の方へ向けられており、その上連通している。好ましい実施形態において、入口側末端において分割室と連通している実質的に平行に延びるチャンネルがもたらされる。
【００５９】
更に、冷却器内部に、（全てのチャンネルの）出口側末端において全てのチャンネルと連通する少なくとも一つの出口側の集水室が備えられている。上記のとおり、更に少なくとも一つの出口室が備えられている。集水室は、好ましくは、冷却器の対峙している側の面の領域において配置され、かつ、冷却器側面の各一つの全幅に渡って実質的に延在している。従って集水室は、分割室のように、金属箔を横切ることができる。集水室は、好ましくは、ギャップ幅ｂ11を備えたギャップ構造に形成されうる。集水室は、好ましくは互いに、例えば出口室を介して連通する。集水室は、少なくとも一つの出口室内に通じる。出口室は出口首と連通しており、冷媒はそこを通って冷却器から排出される。
【００６０】
よって、本発明の好ましい実施形態において、冷媒は入口首から入口室内へ、入口室から分割室内へ、分割室から、分割室と集水室によって交わっているチャンネル内へ、及び、そこから集水室へ、集水室から出口室へ、及び、出口室から出口首へと流れる。その結果、冷媒は外部冷却ラインから入口首を介して分割室へ供給され得、冷媒流れチャンネル内へ流れる。それから、冷媒は集水室へ供給され、そこから出口首を通って排出されて外部冷却ラインへ入る。
【００６１】
特に好ましい変形において、特に箔が薄い厚みを有する場合に金属シートを安定化させるために、チャンネル間のウェブを延長することがもたらされ、それによって、それら（ウェブ）は分割室、及び／または集水室の少なくとも一つを通って延在する。その結果、分割室と集水室はこれらウェブによって分断される。
【００６２】
本発明の他の好ましい実施形態によると、少なくとも一つの入口室は入口側の幅ｍを有し、その際、ｍは入口首の断面を越えない。同様に、少なくとも一つの出口室は出口側の幅ｎを有し、その際、ｎは少なくとも一つの出口首の断面を超えない。
【００６３】
本発明のより進歩した手段（方法）では、チャンネルはチャンネル入口の領域において、分割室へ向かって拡張しており、その際、チャンネル入口の形状は具体的には円錐形（「漏斗形状」）となるように選択される。拡張部は、長さEに渡って延在している。チャンネルの幅は、チャンネル入口孔から、平均チャンネル幅ｂまで先細りになる。
【００６４】
分割室から出てチャンネルに入るように流れる冷媒の抵抗が減少されるため、この設備は、冷却機内を流れる冷媒の圧力損失を更に減少することにも役立つ。
【００６５】
チャンネル幅ｂに対する二つのチャンネル位置口孔間の間隔ｋの比が、１．１〜３の範囲に存在することが、特に有利であることが判明した。ｂが１．２〜１．８の範囲に存在することが、特に好ましい。
【００６６】
チャンネルの拡張部が延在している長さEは、１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜４００μｍの範囲に存在する。
【００６７】
本発明のチャンネル設計は、稼動条件下でチャンネル内に層流が生じるように、チャンネルの断面をある程度小さくすることに基いている。乱流は、流れ断面が高い、即ち、流体抵抗が低い場合に許容される。このようにして、冷却器の圧力損失は、各アプリケーションに速やかに適応されうる。原則として、形状寸法（チャンネル幅、深さ及び間隔）は、最初に、流体チャンネルの体積（容積）に対する表面積比を調節することによって示された範囲内で粗く最適値を求めるように、方法が進行する。例えば３，０００m2/m3の、低い体積に対する表面積の比は、原則として、低い流体抵抗だけでなく、低い熱伝達という結果になる。体積に対する表面積の比が、例えば１０，０００〜３０，０００m2/m3のように非常に高い場合、最適値が平均的な、体積に対する表面積の比に好ましくは相当するように流体抵抗は大きく増加する。その能力を最適化するために、流体抵抗と体積に対する表面積の比とを単に最適化するだけでは十分ではないということが判明した。本発明の微細構造化された冷却器において、熱源は構成要素の外側に配置されており、熱は熱伝導性金属構造体及び冷媒を介して散逸される。従って、流体条件を最適化するほか、冷却器の空間構造を最適化することも必要である。よって、本発明の課題は、最適な流体条件の原因となる「流体力学的因子」及び、冷却器の設計によって課される「構造因子」の両者を最適化することによって解決される。
【００６８】
本発明の設計パラメータ及び冷却能力におけるそれらの効果が以下に議論される。
【００６９】
チャンネル間隔（ウェブ幅）ｓに対するチャンネル幅ｂの比を、所謂、冷却器内の圧力損失及び、冷却器のベースプレート上の熱接触表面における温度と冷却器内の平均冷媒温度との差ΔT又は熱抵抗Rth_cという、上記最適化判断基準に関して最適化することが特に有利であることが判明した。大きすぎる比は、熱伝達の低下の原因となる。従って、この比（幅ｂ／平均間隔ｓ）は、好ましくは1.5：1〜2.5：1の範囲内に好ましくは存在すべきである。残りの箔厚みｒに対するチャンネル幅ｓの大きすぎる比は、同様の効果を有するであろう。チャンネル幅／残りの箔厚み比は、１：１〜５：１の範囲内に存在すべきである。また、残りの箔厚みｒを最小化することにより、個々の層間の熱伝達は改善される。
【００７０】
従って、チャンネル形状寸法パラメータ（チャンネル幅ｂ、チャンネル深さｔ、チャンネル長さ）は圧力損失、即ち、流体力学的因子に影響し、他方で、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ、及びベースプレート厚みｇは三次元構造体内部、並びにベースプレート上（冷却表面の領域内における）の熱接触表面の外側に向かう熱伝達、即ち、構造因子に影響する。更に後者は、以降に議論される設計例において示されるように、チャンネルの空間的な配列及び流れ方向、即ち、設計に強く依存する。
【００７１】
上記のように、チャンネル長さIは圧力損失へ効果を及ぼす。チャンネルが長くなればなるほど、圧力損失は大きくなる、その結果、与えられた圧力損失において冷却能力は低下する。チャンネル長さIはできるだけ、分割室によるチャンネルの分断によって形成された二つのチャンネルセグメントにおける各チャンネルの長さの合計を意味する、熱接触表面の横方向の拡張範囲よりも１〜５mm大きくされるべきである。金属箔内のチャンネルによって定義された、熱交換表面も、好ましくは熱接触表面よりも大きい。ベースプレート上の熱接触表面からチャンネル内の冷媒への効果的な熱伝達は、かようにして成し遂げられる。
【００７２】
入口領域内、及び、熱接触表面における熱源の直上での渦流／乱流によって発生する圧力損失、並びに、両側面のチャンネル内へ分割及び流れ込む間に生じた圧力損失は、チャンネルを短くすること、及びその数を倍にすることによって相殺される。このことは、ハーゲン‐ポアズイユの法則によると冷媒の流体速度は圧力損失（Δp）に比例し、流体速度はチャンネルの数を二倍にすることによって半分にされるという事実、及び、圧力損失はまた、チャンネルの長さを半分にすることによっても減少される、すなわち最大７５％まで減少されるという事実によるものである。
【００７３】
チャンネルは、「臨界長さ」と呼ばれる、層流が完全に形成する長さを有する。流入領域において、速度分布はほぼ長方形の分布で記載され得る。最後に述べた場合において、ハーゲン−ポアズイユの法則に従う圧力損失がより大きくなると、しかしながら、熱伝達はより高くなる。その結果、流入領域と層流が完全に形成される領域との間の変換点は、熱伝達が更に増加される間、圧力損失が更にその最小値で残るように制御されるように、「流入効果」によって最適化される必要がある。しかしながら原則的に、チャンネル長さはいかなる構成においても短くあるべきである。
【００７４】
最小値とする「臨界圧力損失Δp」から、冷却器の冷却能力は低下する。記載された設計寸法によって、この最小値は更に意図的に低下され得る。
【００７５】
ベースプレート上の熱接触表面よりもより大きい、冷却器内のチャンネルによって範囲を決められた熱変換表面は、更に利点であると判明した。冷却器内の流体チャンネルは、例えば、金属箔に於いてより密な又は疎なパターンを形成しても良く、それによって、熱変換表面を金属箔上のチャンネルによって占められた表面として範囲を決め、その中の表面で冷却器内に流れ込む熱は冷媒によって吸収される。この熱交換表面は、冷却されるべき物品が冷却器と直接熱的に接触する、ベースプレート上の表面よりも大きくあるべきである。この更なる最適化方法によって、熱は冷却されるべき物品から、できるだけ直接かつ完全に熱接触表面を通って、流体チャンネルへ導かれる、そしてその結果、例えば冷却器の側壁内ではなく冷媒液の中へ導かれる。
【００７６】
他の影響を与える可変部は、チャンネルのアスペクト比である、即ち、チャンネル幅ｂに対するチャンネル深さｔの比である。同じチャンネル断面において、深いチャンネル（高アスペクト比ｔ／ｂ）は冷却器の熱伝達において明らかに正の効果を有する。本発明の冷却器に関し、アスペクト比は各エッチングプロセスの制限に依存する、その際、ｔ／ｂに対する最大値は現在のところ１：２〜１：５の範囲で成し遂げられうる。
【００７７】
本発明の冷却器は、流体チャンネルを備えた少なくとも二つの金属箔を含む。チャンネルは、好ましくはチャンネル面内に組織化され、チャンネル面は、好ましくは金属箔内に延在する。一つの単金属箔、並びにそれに加えて、流体チャンネルを形成するためにトレンチ（深溝）を備えられた一つのペースプレートが、二つの金属箔よりもむしろ使用され得る。従って、チャンネルを有するのならば、二つの金属箔のうちの一つが、ベースプレートとして参照されるだろう。
【００７８】
微細構造化された冷却器は、好ましくはチャンネル用に２〜１０面を有する。上記記載に関して、このことは、１〜９金属箔のいずれか、及びそれに加えて、チャンネル又は２〜１０の金属箔を備えられた一つのベースプレート、及びそれに加えて、チャンネルを備えていない一つのベースプレートが備えられることを意味している。少なくとも二つのチャンネル面がいずれの場合にも備えられるべきである。
【００７９】
冷却されるべき物品から冷媒への熱伝達能力は、チャンネル面の数に従って増加する。しかし、同様の形状寸法を有する１０以上の層が存在する場合、熱伝導能力は、もはやそれ以上増加しない、少なくとも顕著な広がりはないということが判明した。構成部品の異なる能力範囲が設定され得、かつ、製造コストが単に層の数を変化することによって更に目的をもって影響された。各チャンネル面は費用を増加するので、冷却器は所望のアプリケーションに対応した費用／能力比に従って、好ましくは設計されるであろう。ガルバノ技術的製造方法(galvanotechnical manufacturing method)を用いて、アプリケーションに応じて冷却器の設計を最適化することにより、冷却器能力を十分確保しながら、表面積又は体積を減少することによって、費用が著しく削減されることが可能である。
【００８０】
上記設計パラメータ及び構造原理の目的をもった選択は、微細構造の発明設計によって圧力損失を十分に削減し、かつ、冷却器によって十分な熱散逸を可能とする、最小限可能な熱抵抗を十分に得ることを可能にする。
【００８１】
特許文献２から公知の冷却器と比較して、熱散逸能力に課せられた、及び、実際のプロセッサシステムによって要求された高い要求に合致するために、ほぼ１５０mbarの圧力損失が、許容されるかもしれない。特に重要なことが、熱抵抗を最小化することに対して置かれた。熱抵抗は、物品からの熱散逸に対して生じた抵抗の量を構成する。減少された熱抵抗は、電気抵抗と同様に、構成部品の効率と効果を増加する。
【００８２】
冷媒の平均温度Tmに基いて、冷却器の熱抵抗Rth_cは、以下のように定義される。
Rth_c=(Tcs−Tm)／P
ここで、
Tm=(Tinlet+Toutlet)/2=Tinlet+0.5・P/(Cp・mflow)
Tcpu=Tm+P・（Rth_c+Rth_TIM2）
ここで、
Tcsは、CPUに対する接触表面における、冷却器の表面温度、
Tmは、冷却器内の冷媒の平均温度、
Pは、冷却されるべき物品に供給された冷却出力（パワー）、
Tinletは、冷却器への入口における冷媒の温度、
Toutletは、冷却器からの出口における冷媒の温度、
Rth_TIM2は、冷却されるべき物品と熱的に接触するための、TIM2-中間層の熱抵抗、例えば、冷却器（TIM：熱境界面材料（Thermal Interface Material））上のCPU、
Cpは、冷媒の熱容量、
ｍflowは、冷媒の質量流量、
【００８３】
図７は、熱抵抗を定義するために必要な、関係のあるパラメータを備えた、冷却器とCPUの間の、接合部の概念図である。
【００８４】
まさにそのCPUの内部熱抵抗と、境界面材料TIM2のそれとが、材料の特定の性質に依存し、かつ、本発明のサブジェクトマターではない一方で、冷却器の熱抵抗Rth_c及びそれと結合状態にある、CPU表面に対する接触抵抗は、最少するように予定されている。
【００８５】
層厚みｄを有する層の熱伝導比抵抗（Rth_TIM2/d）は、材料固有の定数である。しかし、結果として生じる抵抗Rth_TIM2は、層TIM2の固有抵抗と厚みを有する製品から得られ、よって、成し遂げられうる最少の層厚みに大きく依存している。原則的に、TIM2中間層は、熱伝導ペーストからなっている。そのようなペーストの熱伝導性は、熱接触表面の冷却器ベースプレートのベース材料が作られる、金属のものよりも、何倍も低い。この理由から、CPUと冷却器のベースプレートとの間のTIM2層は、できるだけ薄くなるように選択されるべきである。構成という点から見て、これは、熱伝導TIM2中間層用のドレインが、冷却されるべき物品の方を向けられているベースプレートの側面に備えられるように実現されても良い。ベースプレートがCPU（冷却表面）に固定されている側で、上記ベースプレートは、より具体的にはチャンネル形状をした構造を有し、チャンネルはベースプレートの末端において開かれており、その結果、熱接触表面を越えて突き出ている。熱接触表面の領域において、CPU上にベースプレートを押すことによって、ペーストは全表面に渡って非常に均一に延ばされ、ベースプレートとCPUとの間にできるだけ薄い層を形成する。それによって、チャンネルは、「ドレイン効果」を出し、かつ、ペーストが特定の範囲に蓄積するのを防ぐ。このようにして、CPUと冷却器のベースプレートとの間の熱伝導は最適化される。
【００８６】
これら更なる設計寸法により、更にTIM2中間層の熱抵抗Rth_TIM2は、公知の冷却器に渡って強く減少され得、CPUからの熱除去はその結果著しく改善され得る。
【００８７】
より具体的に、本発明の冷却器は、微細構造技術の方法を用いて製造され得る。ここで用いられるように、微細構造技術は、プリント回路基板技術において製造され得るような、マイクロメーター範囲において高解像度(high-resolution)構造体が形成されるような製造方法と参照されると理解されている。そのような方法は、光リソグラフィ・プロセスステップのようなものによって、高解像度画像を製造することを含む。使用されるマスクによって、例えばドライエッチング方法又は湿式化学強腐食を用いてチャンネルが製造され得る。機械的な微細製造（マイクロ粉砕、マイクロスタンピング、再構成技術など）も可能であり、方法は、参照されるプリント回路基板用に用いられるものと同様である。そのような方法は実際に知られている。例えば、読者は特許文献３において示されているもの、より具体的には、エッチングや金属めっき方法によって、及び、エッチングや金属めっきの間にこの目的で用いられる構造化方法によって金属箔内にチャンネルや穿孔が形成される、ガルバノ技術方法と参照される。例えば、特許文献３において記載された方法を用いることによって、従来技術を用いるよりも、より細かなチャンネル構造体が作られ得る。
【００８８】
ガルバノ技術は、好ましくはプリント回路基板製造において用いられるものと同様の方法であって、個々のプロセスステップ、即ち、光リソグラフィ、構造をあたえる（好ましくはエッチング）、金属めっき及び結合、好ましくは半田／蝋付け、を含む。一方で、プリント回路基板を製造する方法との類似性は、複雑な三次元構造体の個々の層が、プリント回路基板を製造するために用いられるものと同様の方法に従って製造されるという点にある。従って、製造された微細構造化された箔は、次に、プリント回路基板技術において多層に対するのと同様の方法で積層されて結合される。構成部品の設計、構造化、及び、半田／蝋付けシステムは、大きなスケールにおいて製造可能であるようなこの方法に合致しており、従って、微細構造化された冷却器の費用効率の良い大量生産が可能となる。大抵の場合、変更の必要の無い、又は、ごく僅かな程度のみの変更が必要な、現存のラインが用いられ得る。記載された本製造方法の利点は、工業的大量生産のための拡張性及び非常に低い費用で、現存の微細構造化方法の使用をすることにある。他方で、これは、本発明の冷却器の新しい適用における、大量生産の既に改良された技術を用いることを可能にし、かつ、方法ステップの簡単な組み合わせ及び統合を可能にするという大きな利点をもたらす。従って、力を最小化した取り付けを保証するために、冷却器は直接CPUに、例えば、いかなる追加の保持クランプ、好ましくは半田／蝋付け又は糊付なしで取り付けられることが可能である。
【００８９】
構成部品を結合するために、半田／蝋付けシステムの層厚み及びプロセスパラメータは、現在のところプリント回路基盤技術において用いられているラミネートプレスにおける半田／蝋付けを可能にするために、厳密に合致される。可能な結合方法に対し、読者は特許文献３を参照される。
【００９０】
冷却器を製造するために、本発明に係る微細構造技術を用いることによって、以下の特性が得られる、
【００９１】
１．熱抵抗に対する与えられた値（既知）での、冷却器内の冷媒に対する最少の圧力損失、
２．従来技術における冷却器と比較して、圧力損失に対して課された値との小さな差異、
３．完成した、完全な金属結合を介して熱伝達を最適化するために、周囲に抗する構成部品の、また微細チャンネル間においても、非常に高い、信頼できる完全な気密度（10-9mbar-l/sまでの真空気密度）、
４．冷却器の優れた耐圧性、又は、金属箔と、トップ並びにベースプレート間の結合の優れた剛率、
５．使用分野に適合された非常に良好な耐食性、電気化学的に耐食層を析出することの可能性、
６．高温耐性、
７．堆積物の無い、形状寸法的（幾何学的）に良く定義された、均一なチャンネル。
【００９２】
本発明の微細構造化された冷却器は、金属箔と、冷却されるべき物品に対する熱接触表面の方へ向いた側において、その積層の終点となる付随する薄いベースプレートを有するのみである。離れたトッププレートは、もはや必要ではない。通常のチャンネルプレートがそれ自身、上部に対して冷却器を閉鎖している。その上部において存在しているものは、分割及び接合要素であって、原則的に、冷却器用の台に統合されても良い（保持メカニズム）。安定性を先ずために、僅かに厚いチャンネルプレート箔であっても良い。微細構造化された冷却器を製造するために、構造化箔が、ベースプレートに備えられ、かつ、完全連続する構成部品を形成するように結合される。
【００９３】
冷却器内に冷媒を供給するため、及び、冷却器から冷媒を排出するために、ホースを接続するための装置、例えば、射出成形、半田／蝋付け又は組み込みによって一体部品として形成された接続部（入口首、出口首）が備えられる。ホース又はチューブ接続要素は、直接統合されても、又は、変化可能に、ねじ込み、半田付け、プレス及び／又は糊付けされても良い。ポンプ及び／又は外部カウンタ冷却器に続く液ラインは、これら接続部に接続される。
【００９４】
本発明のより良い理解のために、読者は図を参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９５】
同様の構成部品及び要素は、図を通して同様の参照番号をつける。読者は、添付の数字リストも参照される。
【００９６】
図１は、金属箔１における個々のパラメータを示し、その最適化は、冷却器内の出力損失の最小化、並びに、熱接触表面と冷却器内部へ流入する冷媒との間の、温度差の最小化、又は、冷却能力の最大化という結果をもたらす。まだ金属箔１を半田／蝋付けしていないので、チャンネルは凹部２として表される。パラメータは、チャンネル幅ｂ、チャンネル深さｔ、チャンネル間隔（ウェブ幅）ｓ及び残りの箔厚みｒである。また、構造化された領域の幅ｆが、金属箔１上に示されている。
【００９７】
図１ａは、構造化されたベースプレート５及び三つの構造化された金属箔１が互いに接合された一つの積層物を表している。厚みｇを有するベースプレート５は、その内部に形成された凹部を有するが、（当該凹部は）隣接する金属箔内に形成された各凹部と一緒に、ベースプレート５における熱接触表面に隣接する第一チャンネル層内にチャンネル２’を形成する。第一チャンネル層内のチャンネル２’は、深さｔ’を有する。また、二つの金属箔１は、チャンネル２を有する更なるチャンネル層を形成するために、ベースプレート５と第一金属箔の積層物に結合される。これらチャンネル２は、第一チャンネル層内の深さｔ’よりも浅い深さｔを有する。
【００９８】
図２は、熱的に接触したCPUプロセッサ４を有する冷却器３を表す。この場合、冷却器３は４つの金属箔１から成り、これら箔の各々は、例えば４つの冷却チャンネル２を有している。チャンネル間に配置されたウェブは図中には見ることができない。各金属箔１のチャンネル２は、それらの末端において閉鎖されている。CPUプロセッサ４に向かって、最も下にある金属箔１’の冷却チャンネルは、ベースプレート厚みｇを有するベースプレート５によって閉鎖されている。ベースプレートには、隣接する金属箔１’のチャンネルとぴったり合うように意図されているチャンネルも備えられており、それによって、共同の構造体であるチャンネル２’がそこに形成される。
【００９９】
ベースプレート５は、CPUプロセッサ４によって生じた熱を、熱接触表面６を介して吸収するように作用する。この目的でCPUプロセッサ４は、ベースプレート５をゆする熱接触表面６の範囲において、良好な熱伝導性を有する結合剤７（熱伝導ペースト、半田、熱伝導糊など）を介して接触される。CPUプロセッサ４は、CPU支持プレート８に据え付けられる。
【０１００】
垂直方向に向けられた分割室１０は、金属箔１のほぼ中央部において金属箔１を横切る。分割室は、チャンネル２を区分し、かつ横断する面直角を成して延びるギャップとなるように構成される。また、二つの集水室１１も、ほぼ直角に金属箔を横切る。チャンネルも、これら集水室内に開けられている。
【０１０１】
金属箔１とベースプレート５の積層物は、その上部に配置されたカバープレート１３によって終結されている。また、分割要素１４が備えられ、別の要素となるように、又は、カバープレート１３内に統合されて構成されても良い。分割要素内には、一つの入口室２０並びに二つの出口室２１が備えられる。入口室は分割室１０と連通しており、かつ、集水室１１は出口室と連通している。図から、入口室と出口室は、本発明に係るように、各々分割室及び出口室に向かって先細りになっているのが明らかである。カバープレートには、結合部、即ち、入口首１５と出口首１６が備えられる。入口首は入口室と連通し、出口首は出口室と連通する。
【０１０２】
外部冷却回路から、冷媒が入口首１５を介して冷却器３へ入り、該首を通って入口室２０へ達する。入口室から、冷媒は分割室１０内へ供給され、そこから全てのチャンネル２，２’内へ直接流れ込む。図から、分割室内に流れ下りる冷媒が、著しい冷却効果が成し遂げられるベースプレート５に直接達することを見ることができる。それがチャンネルを通り過ぎた後、冷媒は集水室１１内へ流れ込み、そこから出口室２１を通って出口首１６へ流れる。そこから、冷媒は外部冷却回路へ再度流れ込む。
【０１０３】
図３ａ〜３ｄは、金属箔の上面概念図であるが、その中に含まれたチャンネル２及びその間に置かれたウェブ９を備える。チャンネルは互いに平行に配列され、熱交換表面と参照される領域内に配置される。この領域は、チャンネル２によって覆われた範囲によって定義される。
【０１０４】
分割室１０は、微細構造化されたチャンネル内での圧力損失を最小化するために作用し、その結果、冷却器及び、冷媒ポンプ及び液ホースを含む全冷却システムのサイズを減少し、並びにそれらを最適化することに関連して、所望の冷媒の流量を最小化するために作用する。ほぼ熱接触表面の範囲内で、金属箔１は分割室によって分断される（「分割チャンネル設計」）。
【０１０５】
図３ａ〜３ｄにおいて、一つの冷却面内の分割室１０は、チャンネル２と、該チャンネル間のウェブ９を横断するギャップとして示されている。
【０１０６】
全てのチャンネル２は、分割室１０と連通する。チャンネル２は図３ａに表された金属箔１から、残りの箔厚みが金属箔内に残るように、部分的に凹んでいるだけである場合、ギャップ１０は金属箔１を通って延びているスロットを構成する。そのようなタイプの金属箔を間に置くことによって、冷媒を受け入れるためのチャンネル２が、金属箔面内に延びるように形成される。ギャップによって形成された分割室は、対照的に、冷却器の全内部領域に渡って延びる。
【０１０７】
また、図３ａ〜３ｄは、チャンネル２がその外側の末端において集水室内に開いていることを表す。チャンネル２に存在する冷媒は集水室に入り、そこから、出口室及び出口首を通って排出される（図２）。出口室は、集水室のうちの一つの上部に配置される。冷媒を循環するこの方法は、優れた冷却能力を成し遂げることを可能にする。
【０１０８】
図３ａにおいて、分割室１０及び集水室１１は完全に貫通されている。その上、チャンネル２は一直線に互いに相対して配置されている。
【０１０９】
本発明の分割チャンネル設計の変形が図３ｂに表されている。図３ａに示されたデザインとの相違は、チャンネル２の間にあるウェブ９の毎二番目が、分割室１０及び集水室１１を超えて延びており、それによって、分割室と集水室は分断される。これは、デザインの機械的安定度を増し、金属箔が少ない厚みを有する場合に特に好ましい。
【０１１０】
冷却器から冷媒を排出するために、冷媒が通って排出される、二つの結合部を備えても良い（図２）。チャンネル２を通り過ぎた後、冷媒は出口側の集水室１１を通って出口室内へ流れ込み、そこから冷却器の外へ流出する。
【０１１１】
チャンネル２及びその間に延びるウェブ９を備えた金属箔１の他の変形は、図３ｃに表される。この場合も、チャンネルが枝分かれする分割室１０、及びチャンネルがその内部に開かれる集水室１１は、全冷却器に渡って大体において横断しており、それによって、冷媒は分割室からチャンネル内へ、かつ、そこから集水室を通って戻る、再循環することができる。
【０１１２】
熱交換表面における、チャンネル２とウェブ９の配列は、図３ａに示されたものとは、分割室１０によって多大から分離された、二つのチャンネル範囲のチャンネルとウェブが、互いに対してオフセットになっている（少しずれている）という事実によって異なっている。その結果、衝突する流体の挙動が改善され、圧力損失の減少という結果をもたらし、それによって熱伝導が尚一層改善される。
【０１１３】
更なる変形において、チャンネル２間の全てのウェブ９は、図３ｄに表されるように、分割室１０及び集水室１１の両方を通って延在する。これは、毎二番目のウェブのみが分割室及び集水室を通って延在する図３ｂに示されたものから、この実施形態を区別している。この実施形態は、図３ｂに示されたものよりも尚一層堅固である。
【０１１４】
図４ａにおいて、本発明の微細構造化された冷却器３が、透視図で示されている。CPUの熱接触のための熱接触表面が、底面側に配置されるが、当該図中では見ることができない。上部側で、入口首１５及び出口首１６は見ることができる。
【０１１５】
分割要素及びカバー要素の詳細図が図４ｂ〜４ｅに表されている。様々な図において、分割要素及びカバー要素は、別々に図式的に示されていない。
【０１１６】
図４ｂはこの分割要素及びカバー要素１３、１４の透視図である。カバー要素において、入口室２０と出口室２１を表す凹部が見える。入口室は、冷却器の概ね中央領域において延在しており、それによって、それは分割室と連通し得る。出口室はＵの形状に構成され、その二つの枝は冷却器の脇範囲において配置され、従って、そこにまた配置された集水室と連通することができる。出口室は、冷却器のいずれか側面上の全チャンネル長さに渡って延びる、二つの出口孔を有する。複数の集水室は、出口室のＵ-形状をした構造体を介して連通する。
【０１１７】
入口室２０から分割室１０へ及び出口室２１から集水室１１への移行部は、分割室及び集水室に向かってそれぞれが先細りになるように設計される。この場合、それらは円錐形を有する。このことは図４ｃに表されている。この図は、図４ｄの線A-Aに沿った、分割要素及びカバー要素１３，１４の断面を表す。
【０１１８】
入口室２０は、好ましくは冷媒用入口首の断面と一致する（図５）、この場合は７mmの、上部幅ｍを有する。入口室は、分割室に向かって幅ｘまで、この場合は３mmまで先細る。出口室２１も先細る孔を有する。これら孔は、好ましくは冷媒用出口首の断面と一致する、この場合は７mmの、上部幅ｎを有する。出口室の穴は、集水室に向かって幅ｙまで、この場合は３mmまで先細る。概ね垂直な側壁を有する、入口室及び出口室の当該領域は、高さｈ2を有し、一方で、上記の先細りになった室における領域は、高さｈ1を有する。
【０１１９】
そのような分割及びカバー要素１３は、０．７mmの幅ｂ10を有する分割室、及び１．５mmの幅ｂ11を有する集水室を有する冷却器においてしようされ得る。そのような場合、チャンネル幅ｂは３mmであり得る。
【０１２０】
図４ｄは分割要素及びカバー要素１３，１４の上面図である。概ね中央領域において、入口室２０は、分割室１０に向かって円錐形の先細りによって表されている。入口室の左端は、カバー要素１３の範囲においてオーバーラップによってカバーされており、まさにこの理由のみのために破線によって表されている。分割及びカバー要素内の凹部としても見ることのできる、出口室２１のU-形状をした範囲も表されている。出口室の足において、集水室１１に向かって先細る円錐形を見ることができる。
【０１２１】
図４ｅは、分割及びカバー要素１３，１４を通る、この場合は図４ｄの線Ｂ−Ｂに沿った、他の断面を表している。この断面の右の領域において、垂直へ木によって定義される入口室２０が表されており、当該室は分割室内に開く（図示されず）下方に向かって先細りになっている。断面図の左領域において、Ｕ-形状をした出口室２１の接続部分が表されている。
【０１２２】
図５は、分割及びカバー要素１３，１４並びに、前記要素とその下で接合し、分割及びカバー要素から所定の距離を置いて、さいぞ断面図にて図示されたチャンネル層を表す。様々な要素は既に議論された。
【０１２３】
この図から、入口室２０が、入口首１５の断面と同じ幅ｍから、同様に分割室１０の幅ｂ10と同じ幅ｘまで先細っているのを見ることができる。同様に、出口室２１が、出口首１６の断面と同じ幅ｎから、同様に集水室１１の幅ｂ11と同じ幅ｙまで先細っているのが、この図からまた見ることができる。
【０１２４】
幅ｘは、少なくとも分割室１０のギャップ幅ｂ10と同等であることに、ここで注目されたい。入口室２０と分割室が厳密に重ねあわされていない場合に、置いている許容交差内を通っている溶媒流を妨害しないように、幅ｘは、好ましくは幅ｂ10よりも僅かに大きい。
【０１２５】
同様に、幅ｙは、集水室１１のギャップ幅ｂ11と少なくとも同等である。集水室１１と出口室２１が厳密に重ねあわされていない場合に、置いている許容交差内を通っている溶媒流を妨害しないように、幅ｙは、好ましくは幅ｂ11よりも僅かに大きい。
【０１２６】
分割室１０、及び、入口室２０と出口室２１の形状に加え、図６に示された、及び、製造プロセスにおいて特別に実現化された、漏斗形状をしたチェンネル入口の円錐形は、圧力損失を減少するのに寄与する。
【０１２７】
この目的で、図６は、図３ａにおいて既に図示された、複数のチャンネル２とその間に介在されたウェブ９、ならびに、分割室１０と集水室１１を備えた金属箔１を示している。矢印は、チャンネルを通って流れる冷媒の方向を補足的に示している。図の下部における、拡大された詳細図は、チャンネル入口開口部を備えたチャンネル入口の漏斗形状を表している。黒で示された領域は、チャンネル２間のウェブ９を表す。この詳細図の下部に、分割室１０が見える。この場合、冷媒は底部からチャンネルへ入る。
【０１２８】
冷媒流れ方向に、チャンネル２内の入口領域が先細りになっていることは（k＞l＝b）、冷媒が微細チャンネルに入るに従って、流体抵抗を減少する。この、平均幅ｂまでのチャンネルの絞りは、長さEに渡ってチャンネル内に延在する。
【０１２９】
このチャンネル入口の形状は、例えば構成するためのエッチング条件の特別な選択によって成し遂げられ得る。チャンネル２は、例えば、市販のシステム、例えばケムカット（Chemcut：USA製）によってエッチングすることによって形成され得る。この目的で、銅ブランク（寸法：６１０mm×４８０mm）が、温度５０℃、２barの噴霧圧力、かつ、コンベア速度０．６m/min、の３mol/lの塩化銅（II）溶液によって構成され、その際、エッチングされるべきでない（ウェブ、金属箔の縁）部位は、エッチングの間エッチングレジストによってマスクされる。
【０１３０】
チャンネル内の入口の形状は、比k/lが好ましくは１．１〜３まで、より好ましくは１．２〜１．８の範囲に存在するように設定される。入口領域の長さEは、好ましくは１００〜２，０００μｍ、より好ましくは２００〜４００μｍの範囲に存在する。この状況において、読者は、図６の概念図を参照される。
【０１３１】
図７は、冷却器３とCPU４との間の接合部、並びに、その間に介在された、熱抵抗の範囲を決めるために必要な、適切なパラメータを有する、伝導性糊層７の概念図である。
【０１３２】
それについて、Tinlet及びToutletは各々、冷却器に流れ込む、及び流れ出る溶媒の温度、Tmは冷却器内の冷媒の平均温度、Tcsは冷却器の熱接触表面の表面温度、TcpuはCPUの表面温度、及び「出力：Power」はCPUに供給される出力と解釈される。
【０１３３】
従来の冷却器に対する、本発明の冷却器の性能を試験するために、以下の試験が実施された。
【実施例】
【０１３４】
実施例／比較例：
本発明の冷却器の性能を最適化するために、チャンネル幅、チャンネル深さ、チャンネル間隔、残りの箔厚み、及びベースプレート厚みは、特定の用途に従って、より具体的には、例えば、12.0×12.0mmの底面積、及び、200Wの出力アウトプットを有するリファレンスCPU用の微細構造化された冷却器の体積比に対する冷却能力に関して設計され得、かつ、最適化され得る。冷却器の冷却能力を記載する様々な要点図は、この結果として定義され得る。
【０１３５】
重要な作用因子が表１に示されている。
【表１】
2009501439.tif 000003
冷却器に対する特徴は、例えば特許文献１において表されたものである。
【０１３６】
比較用に用いられた従来の冷却器（アルデックスP（登録商標Ardex：アトテックドイツ））は、本発明の冷却器のように、平行に配列されたチャンネルが複数のチャンネル層に含まれたものを有する微細構造Cu−シートによって作られ、かつ、チャンネル幅ｂ、チャンネル深さｔ、チャンネル間隔ｓ、残りの箔厚みｒ及びベースプレートの厚みｇのパラメータに関して最適化された。
【０１３７】
出力データは表２にまとめられており、一例として相対する冷却器アルデックスP、及び、最適化された微細構造化された本発明の冷却器を示す。
【表２】
2009501439.tif 000004
比較試験は、表１に記載されたリファレンスCPUを冷却するための同一の条件下において全負荷で成された。条件は次の表３に載せる。
【表３】
2009501439.tif 000005
【０１３８】
本発明の冷却器：
冷却器は、構造化されたベースプレート（厚み：0.3mm）及び８つの構造化された箔（厚み：0.2mm）から作られた。
【表４】
2009501439.tif 000006
【表５】
2009501439.tif 000007
【表６】
2009501439.tif 000008
要点図は、全ての領域（分野）において、本発明の冷却器は顕著な利点をもたらすことが明らかに示している。
【０１３９】
約37.5%の熱抵抗の減少は、明らかに改善された熱散逸及び、改善された冷却器の効率という結果である。この性質は、コンピュータが高性能CPU又は多くのCPUを備えたメインフレームコンピュータである場合に、特に適切である、というのは、ここでは、幾らかkWの熱出力が冷却されなければならないからである。
【０１４０】
約６℃の温度の減少は、直接、冷却システムにおけるエネルギー削減という結果になり、その結果、稼動費用における削減という結果になる。冷却水の流入温度は、例えば、この値だけ増加され得、よって、冷却システムの効率において極端な影響を有する。
【０１４１】
体積、ΔT及び流量に基く冷却能力は、従来の冷却器よりも10.9倍大きく、このことは、これら冷却器によって、著しく高いパッケージ密度（CPUs/体積ユニットの数）が得られうるということを示している。
【０１４２】
図８は、本発明の冷却器、及び比較冷却器（アルデックスP）の熱抵抗Rth_cを、予めセットされた流量の関数として表している。図８から、予めセットされた周辺条件（図２も参照）下で、本発明の冷却器が、全流れ範囲において著しく減少された熱抵抗を有することが見られ得る。1.2 l／minの流量において、熱抵抗は37.5%だけ減少され得た。
【０１４３】
図９は本発明の冷却器及び比較冷却器（アルデックスP）の熱抵抗Rth_cを、与えられた圧力損失の関数として表している。ここでも、熱抵抗は、比較冷却器に対し、全範囲において改善されている。
【０１４４】
冷却システム概念に依存して、及び、相当するポンプの性質に従って、熱抵抗は、図８（流量が予めセットされる）又は図９（圧力損失が予めセットされる）のいずれかによって特徴付けられ得る。
【０１４５】
本発明の冷却器は、冷却器内部において与えられた圧力損失において、熱抵抗に対する最善値を有していることが明らかである。
【０１４６】
例えば１３０mbarの許容された圧力損失において、本発明の冷却器の熱抵抗は、0.050K/Wよりも低い一方、従来技術の冷却器に関しては、圧力損失は0.08K/Wを殆んど下回らない。
【０１４７】
上記実施例及び実施形態は、図示を目的するのみであって、その見地における様々な改良や変更、並びに、当明細書に記載された特徴の組み合わせは所謂当業者に示唆され、かつ、記載された発明の精神及び範囲の内、及び添付の請求項の範囲内に含まれるであろうということが理解される。ここに引用された、全ての出版物、特許及び特許明細書はここにリファレンスとして包含する。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】構造化された金属箔の断面概念図である。
【図１ａ】構造化されたベースプレート及び三つの構造化された金属箔の積層物の断面概念図である。
【図２】熱的に接触した電子部品を備えた、微細構造化された冷却器の断面概念図である。
【図３ａ】微細構造化された冷却器面の上面概念図である。
【図３ｂ】分割室と集水室を超えて延びることによって要素を安定化するように、チャンネル間の各二番目のウェブが延長された、微細構造化された冷却器面の上面概念図である。
【図３ｃ】図３ａと同様の、ジグザグに配置されたチャンネルの上面図である。
【図３ｄ】図３ｂと同様の、チャンネル間の全てのウェブが分割室と集水室を超えて延びるように延長されている、上面図である。
【図４ａ】微細構造化された冷却器の透視図である。
【図４ｂ】入口室及び出口分割室を有する冷却器カバーの透視図である。
【図４ｃ】図４ｄの線Ａ−Ａに沿って切られた、冷却器カバーの断面図である。
【図４ｄ】冷却器カバーの上面図である。
【図４ｅ】図４ｄの線Ｂ−Ｂに沿って来たれた、冷却器カバーの断面図である。
【図５】チャンネル層の詳細を表す、冷却器の入口及び出口領域の断面図である。
【図６】微細チャンネルの漏斗形状をした入口領域の詳細を表す、微細構造化された冷却器面の上面概念図である。
【図７】熱抵抗の定義に関するパラメータを備えた、冷却器とCPUとの結合の概念図である。
【図８】従来技術冷却器と比較した、本発明の冷却器用流量への、熱抵抗の依存性の図である。
【図９】従来技術冷却器と比較した、本発明の冷却器用圧力損失への、熱抵抗の依存性の図である。
【符号の説明】
【０１４９】
１  金属箔
２，２’  チャンネル
３  微細構造化された冷却器
４  CPUプロセッサ
５  ベースプレート
６  熱接触表面
７  TIM2（熱境界面材料：Thermal Interface Material）
８  CPU支持プレート
９  ウェブ
１０  分割室
１１  集水室
１２  金属箔１の境界
１３  カバープレート
１４  分割要素
１５  入口首
１６  出口首
１７  クイックコネクタ
２０  入口室
２１  出口室
ｂ  チャンネル幅
ｂ10  分割室１０のギャップ幅
ｂ11  集水室１１のギャップ幅
ｔ，ｔ’  チャンネル深さ
ｓ  チャンネル間隔（ウェブ幅）
ｒ  残りの箔厚み
ｆ  金属箔１の構造化された領域の幅
ｇ  ベースプレート厚み
ｘ  入口室２０の最小幅
ｍ  入口室２１の最大幅
ｙ  出口分割室２１の最少幅
ｎ  出口分割室２１の最大幅
ｋ  チャンネル入口孔における漏斗幅
ｌ  平行なチャンネル壁の領域における漏斗幅
Ｅ  漏斗形状をしたチャンネル入口の深さ
【図１】
2009501439.tif 000009
【図１ａ】
2009501439.tif 000010
【図２】
2009501439.tif 000011
【図３ａ】
2009501439.tif 000012
【図３ｂ】
2009501439.tif 000013
【図３ｃ】
2009501439.tif 000014
【図３ｄ】
2009501439.tif 000015
【図４ａ】
2009501439.tif 000016
【図４ｂ】
2009501439.tif 000017
【図４ｃ】
2009501439.tif 000018
【図４ｄ】
2009501439.tif 000019
【図４ｅ】
2009501439.tif 000020
【図５】
2009501439.tif 000021
【図６】
2009501439.tif 000022
【図７】
2009501439.tif 000023
【図８】
2009501439.tif 000024
【図９】
2009501439.tif 000025
【国際調査報告】
2009501439.tif 000026
2009501439.tif 000027