(57)【要約】      （修正有）【課題】熱源において適切な温度均一性を実現するマイクロチャンネル熱交換器、インレット及びアウトレット流体ポートの間の圧力降下を低減できる熱交換器を提供する。【解決手段】熱源に連結され、熱源を冷却するマイクロチャネル熱交換器は、熱交換領域に第１の温度の流体を供給するフィンガの第１の組１１８Ｂ，１１８Ｃを備える。熱交換領域内の流体は、フィンガの第２の組１１８Ｅ，１１８Ｆに向かって流れ、第２の温度で熱交換器から排出される。各フィンガは、隣接フィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な距離だけ離間して、平行に配設される。マニホルド層内１０６には、熱源のホットスポットを冷却するためのフィンガの第１の組及びフィンガの第２の組が形成される。フィンガ１１８の構成及び寸法は、冷却する必要がある電子デバイス９９である熱源のホットスポットに応じて決定される。【選択図】図３Ｂ
2006049861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．熱源に連結され、流体を流されることによって該熱源を冷却するように構成され、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚さを有する接触層と、
ｂ．熱交換器内での圧力降下を減少させるように構成されたフィンガの第１の組及び該フィンガの第１の組に平行に配置されたフィンガの第２の組を有し、上記接触層に／から流体を循環させるマニホルド層とを備える熱交換器。
【請求項２】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
上記流体の少なくとも一部は、上記接触層において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
上記第１の組の特定のフィンガは、上記第２の組の特定のフィンガから、当該熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な寸法だけ離間して配設されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項６】
上記各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
上記フィンガの少なくとも１つは、他のフィンガとは異なる寸法を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項８】
上記複数のフィンガは、上記マニホルド層の少なくとも１つの寸法において、不規則的に配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項９】
上記複数のフィンガの少なくとも１つは、上記マニホルド層の長さに沿って少なくとも１つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１０】
上記マニホルド層は、３個より多く１０個より少ない平行なフィンガを有していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１１】
上記フィンガの第１の組及び第２の組は、マニホルド層の一寸法に沿って、交互に配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１２】
上記マニホルド層は、少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１３】
上記フィンガの第１の組に接続された少なくとも１つの第１のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも１つの第１のポートを介して当該熱交換器に入ることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１４】
上記フィンガの第２の組に接続された少なくとも１つの第２のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも１つの第２のポートを介して当該熱交換器から排出されることを特徴とする請求項１３記載の熱交換器。
【請求項１５】
上記マニホルド層は、上記接触層の上に配設され、上記流体は、上記フィンガの第１の組を介して下方に流れ、及び上記フィンガの第２の組を介して上方に流れることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１６】
上記第１のポート及び上記フィンガの第１の組に接続され、該第１のポートから該フィンガの第１の組に流体を流すよう構成された第１のポート流路を更に備える請求項１３記載の熱交換器。
【請求項１７】
上記第２のポート及び上記フィンガの第２の組に接続され、該フィンガの第２の組から該第２のポートに流体を流すよう構成された第２のポート流路を更に備える請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１８】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１９】
上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項２０】
上記接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも１つの導管を介して上記接触層内の１又は複数の所定の位置に／から流体を流す中間層を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項２１】
上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に連結されていることを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２２】
上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に一体に形成されていることを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２３】
上記導管の少なくとも１つは、上記中間層に沿って、少なくとも１つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２４】
上記接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項２５】
上記接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項２６】
上記接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項２７】
上記複数のピラーの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項２６記載の熱交換器。
【請求項２８】
上記複数のピラーの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項２６記載の熱交換器。
【請求項２９】
上記少なくとも２つの複数のピラーは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設されていることを特徴とする請求項２６記載の熱交換器。
【請求項３０】
上記複数のピラーは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項２６記載の熱交換器。
【請求項３１】
上記接触層は、粗面化された表面を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３２】
上記接触層は、表面上に微孔構造を備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３３】
上記微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有することを特徴とする請求項３２記載の熱交換器。
【請求項３４】
上記微孔構造の平均孔寸法は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項３２記載の熱交換器。
【請求項３５】
上記微孔構造は、０．２５ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項３２記載の熱交換器。
【請求項３６】
上記接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項３７】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項３８】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項３９】
上記少なくとも２つの複数のマイクロチャネルは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設されていることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４０】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の幅寸法を有することを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４１】
上記複数のマイクロチャネルは、上記接触層に連結されていることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４２】
上記複数のマイクロチャネルは、上記接触層に一体に形成されていることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４３】
上記複数のマイクロチャネルは、対応するフィンガに揃えられた少なくとも１つの溝が間に配設されたセグメントアレイに分割されることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４４】
上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項４５】
０ｍｍ以上１５ｍｍ以内の範囲内の張り出し寸法を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４６】
熱源を冷却する熱交換器において、
ａ．互いに平行に配設された、各フィンガが第１の温度の流体を流す第１の構成を有するフィンガの第１の組と、各フィンガが第２の温度の流体を流す第２の構成を有するフィンガの第２の組とを含むマニホルド層と、
ｂ．０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚さを有し、それぞれが上記第１の組内の対応するフィンガに関連している複数の第１の位置において、上記第１の温度の流体を受け取り、複数の所定の流路に沿ってそれぞれが第２の組内の対応するフィンガに関連している複数の第２の位置に流体を流す接触層とを備える熱交換器。
【請求項４７】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項４８】
上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項４９】
上記流体の少なくとも一部は、上記接触層において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５０】
上記第１の組の特定のフィンガは、上記第２の組の特定のフィンガから、当該熱交換器における圧力降下を最小化する適切な寸法だけ離間して配設されていることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５１】
上記フィンガの第１の組に接続された少なくとも１つの第１のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも１つの第１のポートを介して当該熱交換器に入ることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５２】
上記フィンガの第２の組に接続された少なくとも１つの第２のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも１つの第２のポートを介して当該熱交換器から排出されることを特徴とする請求項５１記載の熱交換器。
【請求項５３】
上記マニホルド層は、上記接触層の上に配設され、上記流体は、上記フィンガの第１の組を介して下方に流れ、及び上記フィンガの第２の組を介して上方に流れることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５４】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５５】
上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５６】
上記第１の組のフィンガは、上記第２の組のフィンガと交互に配置されていることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５７】
上記各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５８】
上記フィンガの少なくとも１つは、他のフィンガとは異なる寸法を有することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項５９】
上記複数のフィンガは、上記マニホルド層の少なくとも１つの寸法において、不規則的に配置されていることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項６０】
上記複数のフィンガの少なくとも１つは、上記マニホルド層の長さに沿って少なくとも１つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項６１】
上記マニホルド層は、３個より多く１０個より少ない平行なフィンガを有していることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項６２】
上記第１のポート及び上記フィンガの第１の組に接続され、該第１のポートから該フィンガの第１の組に流体を流すよう構成された第１のポート流路を更に備える請求項５２記載の熱交換器。
【請求項６３】
上記第２のポート及び上記フィンガの第２の組に接続され、該フィンガの第２の組から該第２のポートに流体を流すよう構成された第２のポート流路を更に備える請求項６２記載の熱交換器。
【請求項６４】
上記接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも１つの導管を介して上記接触層内の１又は複数の所定の位置に／から流体を流す中間層を更に備える請求項４６記載の熱交換器。
【請求項６５】
上記導管は、上記接触層内の１又は複数の接触層ホットスポット領域に流体を流すように所定の構成に配置されることを特徴とする請求項６４記載の熱交換器。
【請求項６６】
上記導管は、上記接触層内の１又は複数の接触層ホットスポット領域から流体を流すように所定の構成に配置されることを特徴とする請求項６４記載の熱交換器。
【請求項６７】
上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に連結されていることを特徴とする請求項６４記載の熱交換器。
【請求項６８】
上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に一体に形成されていることを特徴とする請求項６４記載の熱交換器。
【請求項６９】
上記導管は、上記中間層において、少なくとも１つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項６４記載の熱交換器。
【請求項７０】
上記接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項７１】
上記接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項７２】
上記接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備える請求項４６記載の熱交換器。
【請求項７３】
上記複数のピラーの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項７２記載の熱交換器。
【請求項７４】
上記複数のピラーの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項７２記載の熱交換器。
【請求項７５】
上記少なくとも２つの複数のピラーは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設されていることを特徴とする請求項７２記載の熱交換器。
【請求項７６】
上記複数のピラーは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項７２記載の熱交換器。
【請求項７７】
上記接触層は、粗面化された表面を有することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項７８】
上記接触層は、表面上に微孔構造を備えることを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【請求項７９】
上記微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有することを特徴とする請求項７８記載の熱交換器。
【請求項８０】
上記微孔構造の平均孔寸法は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項７８記載の熱交換器。
【請求項８１】
上記微孔構造は、０．２５ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項７８記載の熱交換器。
【請求項８２】
上記接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを更に備える請求項４６記載の熱交換器。
【請求項８３】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８４】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８５】
上記少なくとも２つの複数のマイクロチャネルは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設されていることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８６】
上記複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の幅寸法を有することを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８７】
上記マイクロチャネルは、上記接触層に連結されていることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８８】
上記マイクロチャネルは、上記接触層に一体に形成されていることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項８９】
上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも１つの溝が間に配設されたセグメントに分割されることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項９０】
上記マイクロチャネルは、接触層の一寸法に沿って連続していることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項９１】
上記少なくとも１つの溝は、対応するフィンガに揃えられていることを特徴とする請求項８９記載の熱交換器。
【請求項９２】
上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項８２記載の熱交換器。
【請求項９３】
０ｍｍ以上１５ｍｍ以内の範囲内の張り出し寸法を有することを特徴とする請求項４６記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この特許出願は、引用により本願に援用される、２００２年１１月１日に出願された、係属中の米国仮特許出願第６０／４２３，００９号、発明の名称「柔軟な流体輸送及びマイクロチャネルヒートシンクによるホットスポット冷却のための方法（METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS）」、引用により本願に援用される、２００３年１月２４日に出願された、継続中の米国仮特許出願第６０／４４２，３８３号、発明の名称「ＣＰＵ冷却用に最適化されたプレートフィン熱交換器（OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING）」、及び引用により本願に援用される、２００３年３月１７日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔質構造を有するマイクロチャネル熱交換装置及びその製造方法（MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF）」について、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張する、引用により本願に援用される、２００３年５月１６日に出願された、米国特許出願第１０／４３９，９１２号、発明の名称「マイクロチャネル熱交換器における圧力降下を低減するための互いに組み合うマニホルド（INTERWOVEN MANIFOLDS FOR PRESSURE DROP REDUCTION IN MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS）」の一部継続出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、発熱デバイスを冷却するための方法及び装置に関し、詳しくは、マイクロチャネル熱交換器での圧力降下を低減するための、組み合わされたマニホルド（interwoven manifold）に関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロチャネルヒートシンクは、１９８０年代前半に登場して以来、高い熱流束の冷却用途への適用可能性を示し、産業分野において使用されてきた。しかしながら、既存のマイクロチャネルでは、従来型の平行チャネル構成（parallel channel arrangements）が用いられており、これは、熱負荷が空間的に変化する発熱デバイスの冷却には適していない。このような発熱デバイスは、他の領域より多くの熱を発生する領域を有する。このような発熱デバイスは、他の領域より多くの熱を発生する領域を有する。本明細書では、このような、より熱い領域を「ホットスポット（hot spot）」と呼び、ホットスポットより発熱量が少ない領域を「ウォームスポット（warm spot）」と呼ぶ。
【０００４】
図１Ａは、従来の熱交換器１０を示している。熱交換器１０は、サーマルインターフェイス材料（thermal interface material）９８を介して、例えば、マイクロプロセッサ等の電子デバイス９９に連結されている。図１Ａに示すように、流体は、通常、矢印によって示すように、単一のインレットポート１２から流れ込み、平行なマイクロチャネル１４を底面１１に沿って流れ、アウトレットポート１６から流れ出る。熱交換器１０は、電子デバイス９９を冷却するが、流体は、インレットポート１２からアウトレットポート１６まで、均一に流れる。換言すれば、流体は、熱交換器１０の底面１１の全体に沿って実質的に一様に流れ、電子デバイス９９のホットスポットに対応する底面１１の領域により多くの流体が供給されることはない。更に、通常、インレットポート１２から流入した液体の温度は、熱交換器１０の底面１１に沿って流れるにつれて、高くなる。したがって、電子デバイス９９である熱源の下流側、すなわちアウトレットポート１６に近い領域には、冷たい流体は供給されず、実際には、上流側で加熱された流体又は二相流体が供給される。このように、加熱された流体は、熱交換器１０の底面１１の全体と電子デバイス９９である熱源の領域に亘って熱を輸送し、アウトレットポート１６の近傍では、流体が非常に熱くなり、電子デバイス９９である熱源を冷却する効力がなくなる。更に、１つのインレットポート１２と１つのアウトレットしか有さない熱交換器１０では、流体は、熱交換器１０の全長に亘って、底面１１の長い平行なマイクロチャネル１４に沿って移動し、この結果、流体が移動する長さのために大きな圧力降下が生じる。
【０００５】
図１Ｂは、従来のマルチレベル熱交換器２０の側面図である。流体は、ポート２２を通ってマルチレベル熱交換器２０に流入し、中間層２６の複数の噴出口２８を通って下方向に進み、底面２７及び排出ポート２４から排出される。更に、噴出口２８に沿って底面２７に移動する流体は、一様に流れる場合もあり、一様に流れない場合もある。なお、マルチレベル熱交換器２０に流入する流体は、マルチレベル熱交換器２０の長手方向に拡散するが、この設計では、マルチレベル熱交換器２０のより熱い領域及びより多くの流体循環を必要とする熱源に多くの流体を供給するわけではない。
【０００６】
更に、従来の熱交換器は、熱交換器の熱膨張率が電子デバイス９９である熱源の熱膨張率に一致するように、底面において高い熱抵抗を有する材料で形成されている。このような熱交換器の高い熱抵抗のために、電子デバイス９９である熱源との熱交換を十分行うことはできなかった。また、従来の熱交換器では、このような高い熱抵抗を考慮して、熱交換器１０と電子デバイス９９である熱源の間でより効果的な熱交換が行われるように、より大きなチャネル横断面積が選択されている。更に、熱交換器のチャネルの寸法を縮小し、チャネル壁及び水力半径の間の距離をより小さくすることによって、熱交換器の熱抵抗を低下させることができる。但し、狭いマイクロチャネルを用いると、チャネルに沿った圧力降下の問題が生じる。圧力降下が高まると、熱交換器を介して流体を循環させるためのポンプの負担が大きくなる。更に、マイクロチャネル寸法を大きくすると、単相流又は二相流が移動すべき距離が長くなるために、インレット及びアウトレットポートの間でより大きな圧力降下が生じる。更に、マイクロチャネル熱交換器おいて流体が沸騰すると、液体及び蒸気の混合、並びに液相から気相への遷移によって生じる加速のために、所定の流量に関する圧力降下が大きくなる。これらの原因によって、１単位長あたりの圧力降下が高くなる。周知のマイクロチャネル熱交換器内で発生する大きな圧力降下のために、より高い圧力に対応できるより大きなポンプを必要となり、このため、マイクロチャネルを用いることは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、熱源において適切な温度均一性を実現するマイクロチャネル熱交換器を提供することである。更に、本発明の目的は、熱源のホットスポットの観点から適切な温度均一性を実現する熱交換器を提供することである。また、本発明の目的は、比較的、高い熱伝導率を有し、熱源と適切な熱交換を行う熱交換器を提供することである。更に、本発明の目的は、インレット及びアウトレット流体ポートの間の圧力降下を低減できる熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱交換器は、熱源に連結され、流体を流されることによって該熱源を冷却するように構成され、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚さを有する接触層と、熱交換器内での圧力降下を減少させるように構成されたフィンガの第１の組及びフィンガの第１の組に平行に配置されたフィンガの第２の組を有し、接触層に／から流体を循環させるマニホルド層とを備える。流体は、単相流状態であってもよい。また、流体は、二相流状態であってもよい。流体の少なくとも一部は、接触層において、単層流状態と二相流状態の間で遷移してもよい。第１の組の特定のフィンガは、第２の組の特定のフィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な寸法だけ離間して配設してもよい。各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有していてもよい。フィンガの少なくとも１つは、他のフィンガとは異なる寸法を有していてもよい。複数のフィンガは、マニホルド層の少なくとも１つの寸法において、不規則的に配置してもよい。複数のフィンガの少なくとも１つは、マニホルド層の長さに沿って少なくとも１つの可変の寸法を有していてもよい。マニホルド層は、３個より多く１０個より少ない平行なフィンガを有していてもよい。フィンガの第１の組及び第２の組は、マニホルド層の一寸法に沿って、交互に配置してもよい。マニホルド層は、少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するよう構成してもよい。フィンガの第１の組に接続された少なくとも１つの第１のポートを更に備え、流体は、少なくとも１つの第１のポートを介して熱交換器に入るようにしてもよい。フィンガの第２の組に接続された少なくとも１つの第２のポートを更に備え、流体は、少なくとも１つの第２のポートを介して熱交換器から排出してもよい。マニホルド層は、接触層の上に配設され、流体は、フィンガの第１の組を介して下方に流れ、及びフィンガの第２の組を介して上方に流れるようにしてもよい。熱交換器は、第１のポート及びフィンガの第１の組に接続され、第１のポートからフィンガの第１の組に流体を流すよう構成された第１のポート流路を更に備えていてもよい。熱交換器は、第２のポート及びフィンガの第２の組に接続され、フィンガの第２の組から第２のポートに流体を流すよう構成された第２のポート流路を更に備えていてもよい。接触層は、熱源と一体に形成してもよい。接触層は、熱源に連結してもよい。熱交換器は、接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも１つの導管を介して接触層内の１又は複数の所定の位置に／から流体を流す中間層を更に備えていてもよい。中間層は、接触層及びマニホルド層に連結してもよい。中間層は、接触層及びマニホルド層に一体に形成してもよい。導管の少なくとも１つは、中間層に沿って、少なくとも１つの可変の寸法を有していてもよい。接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えていてもよい。接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有していてもよい。熱交換器は、接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備えていてもよい。複数のピラーの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有していてもよい��複数のピラーの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。少なくとも２つの複数のピラーは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設してもよい。複数のピラーは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えていてもよい。接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。接触層は、表面上に微孔構造を備えていてもよい。微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有していてもよい。微孔構造の平均孔寸法は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であってもよい。微孔構造は、０．２５ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。熱交換器は、接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備えていてもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有していてもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。少なくとも２つの複数のマイクロチャネルは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設してもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の幅寸法を有していてもよい。複数のマイクロチャネルは、接触層に連結してもよい。複数のマイクロチャネルは、接触層に一体に形成してもよい。複数のマイクロチャネルは、対応するフィンガに揃えられた少なくとも１つの溝が間に配設されたセグメントアレイに分割してもよい。複数のマイクロチャネルは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有するコーティングを備えていてもよい。熱交換器は、０ｍｍ以上１５ｍｍ以内の範囲内の張り出し寸法を有していてもよい。
【０００９】
更に、本発明に係る熱交換器は、熱源を冷却する熱交換器において、互いに平行に配設された、各フィンガが第１の温度の流体を流す第１の構成を有するフィンガの第１の組と、各フィンガが第２の温度の流体を流す第２の構成を有するフィンガの第２の組とを含むマニホルド層と、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚さを有し、それぞれが第１の組内の対応するフィンガに関連している複数の第１の位置において、第１の温度の流体を受け取り、複数の所定の流路に沿ってそれぞれが第２の組内の対応するフィンガに関連している複数の第２の位置に流体を流す接触層とを備える。流体は、単相流状態であってもよい。流体は、二相流状態であってもよい。流体の少なくとも一部は、接触層において、単層流状態と二相流状態の間で遷移してもよい。第１の組の特定のフィンガは、第２の組の特定のフィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化する適切な寸法だけ離間して配設してもよい。熱交換器は、フィンガの第１の組に接続された少なくとも１つの第１のポートを更に備え、流体は、少なくとも１つの第１のポートを介して熱交換器に入るようにしてもよい。熱交換器は、フィンガの第２の組に接続された少なくとも１つの第２のポートを更に備え、流体は、少なくとも１つの第２のポートを介して熱交換器から排出されるようにしてもよい。マニホルド層は、接触層の上に配設され、流体は、フィンガの第１の組を介して下方に流れ、及びフィンガの第２の組を介して上方に流れるようにしてもよい。接触層は、熱源と一体に形成してもよい。接触層は、熱源に連結してもよい。第１の組のフィンガは、第２の組のフィンガと交互に配置してもよい。各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有していてもよい。フィンガの少なくとも１つは、他のフィンガとは異なる寸法を有していてもよい。複数のフィンガは、マニホルド層の少なくとも１つの寸法において、不規則的に配置してもよい。複数のフィンガの少なくとも１つは、マニホルド層の長さに沿って少なくとも１つの可変の寸法を有していてもよい。マニホルド層は、３個より多く１０個より少ない平行なフィンガを有していてもよい。熱交換器は、第１のポート及びフィンガの第１の組に接続され、第１のポートからフィンガの第１の組に流体を流すよう構成された第１のポート流路を更に備えていてもよい。熱交換器は、第２のポート及びフィンガの第２の組に接続され、フィンガの第２の組から第２のポートに流体を流すよう構成された第２のポート流路を更に備えていてもよい。接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも１つの導管を介して接触層内の１又は複数の所定の位置に／から流体を流す中間層を更に備えていてもよい。導管は、接触層内の１又は複数の接触層ホットスポット領域に流体を流すように所定の構成に配置してもよい。導管は、接触層内の１又は複数の接触層ホットスポット領域から流体を流すように所定の構成に配置してもよい。中間層は、接触層及びマニホルド層に連結してもよい。中間層は、接触層及びマニホルド層に一体に形成してもよい。導管は、中間層において、少なくとも１つの可変の寸法を有していてもよい。接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えていてもよい。接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有していてもよい。熱交換器は、接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備えていてもよい。複数のピラーの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有していてもよい。複数のピラーの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。少なくとも２つの複数のピラーは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設してもよい。複数のピラーは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えていてもよい。接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。接触層は、表面上に微孔構造を備えていてもよい。微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有していてもよい。微孔構造の平均孔寸法は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であってもよい。微孔構造は、０．２５ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。熱交換器は、接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを更に備えていてもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０μｍ）２以上（１００μｍ）２以下の範囲内の面積寸法を有していてもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の高さ寸法を有していてもよい。少なくとも２つの複数のマイクロチャネルは、１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間して配設してもよい。複数のマイクロチャネルの少なくとも１つは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内の幅寸法を有していてもよい。マイクロチャネルは、接触層に連結してもよい。マイクロチャネルは、接触層に一体に形成してもよい。複数のマイクロチャネルは、少なくとも１つの溝が間に配設されたセグメントに分割してもよい。マイクロチャネルは、接触層の一寸法に沿って連続していてもよい。少なくとも１つの溝は、対応するフィンガに揃えられていてもよい。複数のマイクロチャネルは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有するコーティングを備えていてもよい。熱交換器は、０ｍｍ以上１５ｍｍ以内の範囲内の張り出し寸法を有していてもよい。
【００１０】
本発明のこの他の特徴及び利点は、以下に示す好適な実施形態の詳細によって明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
熱交換器は、包括的に言えば、好ましくは熱源と連結された接触層の選択的な領域に流体を通過させることによって、熱源から発生した熱エネルギを捕捉する。詳しくは、流体は、熱交換器内の圧力降下を小さく保ちながら、熱源に亘って、温度均一性を実現するように、ホットスポット及びホットスポットの周囲の領域を冷却するために接触層に特定の領域に流される。後述する様々な実施形態で説明するように、熱交換器は、マニホルド層内で複数のアパーチャ、チャネル及び／又はフィンガを用いて、並びに中間層内の導管を用いて、接触層の選択されたホットスポット領域に及びこの領域から流体を流通及び循環させる。これに代えて、熱交換器は、ホットスポットに流体を直接流入させ、及びホットスポットから流体を排出させることによって、効果的に熱源を冷却するために所定の位置に特別に配置された幾つかのポートを備えていてもよい。
【００１２】
ここでは、デバイスのホットスポット位置を冷却するために流体を柔軟に輸送するマイクロチャネル熱交換器を説明するが、これに代えて、本発明の熱交換器は、デバイスのコールドスポット位置を加熱するための流体の柔軟な輸送に用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、本発明は、マイクロチャネル熱交換器として説明するが、本発明は、この説明に制限されず、他の用途にも用いることができる。
【００１３】
図２Ａは、本発明に基づく好適な柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器（flexible fluid delivery microchannel heat exchanger）１００を備える循環型冷却装置３０の概略を示している。更に、図２Ｂは、本発明に基づく複数の流体ポート１０８、１０９を有する他の柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００を備える循環型冷却装置３０の概略を示している。
【００１４】
図２Ａに示すように、流体ポート１０８、１０９は、流体ライン３８に連結され、流体ライン３８は、ポンプ３２及び熱コンデンサ３６に連結されている。ポンプ３２は、循環型冷却装置３０内で流体をポンピングし、循環させる。一実施形態においては、流体を流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００に供給するために、１つの流体ポート１０８を用いることが好ましい。更に、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００から流体を排出するために、１つの流体ポート１０９を用いてもよい。好ましくは、各流体ポート１０８、１０９を介して、均一で一定の流量の流体が流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００に流入し、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００から排出される。これに代えて、所定の時刻に、各流体ポート１０８、１０９を介して、流量の異なる流体を流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００に流入させ及び流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００から排出してもよい。これに代えて、図２Ｂに示すように、１つのポンプが複数の指定された流体ポート１０８であるインレットポートに流体を提供してもよい。これに代えて、複数のポンプ（図示せず）がそれぞれの対応する流体ポート１０８、１０９に流体を提供してもよい。更に、これに代えて、このシステムにおいて、様々なホットスポット又はホットスポット位置の熱量の変化、及びホットスポットの位置に応じて、動的感知及び制御モジュール３４を用いて好適な又は代替の熱交換器に出入りする流体の流量を動的に変化させ、及び制御してもよい。
【００１５】
好適な実施形態として示す熱交換器４００である三層式熱交換器は、接触層４０２と、少なくとも１つの中間層４０４と、少なくとも１つのマニホルド層４０６とを備える。好適なマニホルド層４０６及び好適な接触層４０２は、図７に示されており、中間層４０４は、図３Ｂに示されている。これに代えて、後述するように、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００は、図７に示すように、接触層４０２とマニホルド層４０６を含む２層の装置であってもよい。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、熱交換器４００は、例えば、これらに限定されるのではないが、マイクロチップ又は集積回路等の電子デバイスである電子デバイス９９である熱源に連結され、電子デバイス９９である熱源及び熱交換器４００の間には、好ましくは、サーマルインターフェイス材料９８が挟み込まれるこれに代えて、熱交換器４００は、電子デバイス９９である熱源の表面に直接連結してもよいまた、これに代えて、熱交換器４００を電子デバイス９９である熱源に一体に形成し、すなわち、熱交換器４００及び電子デバイス９９である熱源を１つの部品として形成してもよいことは当業者にとって明らかであるこの場合、接触層４０２は、電子デバイス９９である熱源及び一体に設けられ、電子デバイス９９である熱源及び同じ部品に含まれるように形成される。
【００１６】
好ましくは、本発明に基づく熱交換器４００は、図に示すように、長方形状の電子デバイス９９である熱源に直接又は間接的に、接触するように構成される。但し、熱交換器４００が電子デバイス９９である熱源の形状に応じた他の如何なる形状を有していてもよいことは、当業者にとって明らかである例えば、本発明に基づく熱交換器４００は、半円状の形状を有するように構成してもよく、これにより、熱交換器（図示せず）は、対応する半円状の熱源（図示せず）に直接又は間接的に接触することができる。更に、熱交換器４００は、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲で、熱源より僅かに大きい寸法を有していることが好ましい。
【００１７】
図３Ａは、本発明に基づく好適なマニホルド層１０６の平面図である。詳しくは、マニホルド層１０６は、図３Ｂに示すように、上面１３０及び底面１３２に加えて、４つの側面を備えている。但し、図３Ａでは、マニホルド層１０６の機能を適切に表し、説明するために、上面１３０を取り除いて示している。図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、一連のチャネル又は流路１１６、１１８、１２０、１２２と、これらの流路内に形成された流体ポート１０８、１０９とを備える。図３Ｂに示すように、フィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６のボディを完全に貫通して、Ｚ−方向に延びている。これに代えて、図３Ａに示すように、フィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６の一部に形成され、Ｚ−方向に延び、アパーチャを有していてもよい。更に、チャネル１１６、１２２を、マニホルド層１０６の一部に延びるように形成してもよい。チャネル１１６、１２２に対応するインレット及びアウトレットチャネルの間の残りの領域１０７は、上面１３０から底面１３２まで延び、マニホルド層１０６のボディを構成する。
【００１８】
図３Ａに示すように、流体は、流体ポートである１０８であるインレットポートを介してマニホルド層１０６に入り、チャネル１１６に対応するインレットチャネルに沿って流れ、チャネル１１６からＸ方向及びＹ方向として示す幾つかの方向に分岐する幾つかのフィンガ１１８に流れ込み、これにより、接触層１０２の選択された領域に流体が供給される。フィンガ１１８は、異なる所定の方向に形成され、熱源のホットスポット及びその近傍の領域に対応する接触層１０２の位置に流体を提供する。接触層１０２のこれらの位置を、以下では、接触層ホットスポット領域（interface hot spot regions）と呼ぶ。フィンガは、静止した接触層ホットスポット領域を冷却するとともに、時間的に変換する接触層ホットスポット領域をも冷却するよう構成される。図３Ａに示すように、チャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６において、Ｘ方向及びＹ方向に配設される。このようにチャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０を様々な方向に形成することにより、流体を輸送し、電子デバイス９９である熱源のホットスポットを冷却し、及び／又は流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００内の圧力降下を最小化することができる。これに代えて、好適な実施形態に示すように、マニホルド層１０６内でチャネル１１６、１２２、フィンガ１１８、１２０を一定の間隔で配置し、所定のパターンを形成してもよい。
【００１９】
フィンガ１１８、１２０の構成及び寸法は、冷却する必要がある電子デバイス９９である熱源のホットスポットに応じて決定される。マニホルド層１０６は、ホットスポットの位置及び各ホットスポット又はその近傍で発生する熱量に基づき、フィンガ１１８、１２０が接触層１０２内の接触層ホットスポット領域上又はその近傍に配置されるように構成される。マニホルド層１０６は、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００と循環型冷却装置３０（図２Ａ）内で実質的な圧力降下を生じさせることなく、単相流体及び／又は二相流体を接触層１０２に循環させる。接触層ホットスポット領域に流体を輸送することにより、接触層ホットスポット領域に隣接した熱源の領域と同様に、接触層ホットスポット領域の温度が均一になる。
【００２０】
チャネル１１６とフィンガ１１８の数及び寸法は、多くの要因に基づいて決定される。一実施形態においては、フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、同じ幅寸法を有する。これに代えて、フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、異なる幅寸法を有していてもよい。フィンガ１１８、１２０の幅寸法は、好ましくは、０．２５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲とする。一実施形態においては、フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、同じ長さ及び深さ寸法を有する。これに代えて、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、異なる長さ及び深さ寸法を有していてもよい。他の実施形態においては、フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、フィンガの長さに沿って様々な幅寸法を有していてもよい。フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガの長さ寸法は、０．５ｍｍ以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成するとよい。更に、フィンガ１１８、１２０は、０．２５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内の高さ又は深さ寸法を有するように形成するとよい。更に、マニホルド層１０６内では、１ｃｍあたり１０個未満又は３０個より多くのフィンガを配設する。但し、マニホルド層において、１ｃｍあたり、１０個〜３０個のフィンガを設けてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００２１】
また、本発明においては、熱源のホットスポットの冷却効率を最適化するために、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２を不規則な構成に形成してもよい。電子デバイス９９である熱源に亘る均一な温度を実現するために、流体への熱輸送の空間的分布は、熱の発生の空間的分布に一致させるとよい。流体は、接触層に沿って、マイクロチャネルを流れるにつれて、温度が高くなり、二相条件の下で、蒸気に変化し始める。したがって、流体は、著しく膨張し、この結果、流速が著しく速くなる。接触層から流体への熱輸送の効率は、通常、流体の流速が速くなると向上する。したがって、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００における流体の流入及び排出のためのフィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の横断面の寸法を調整することによって、流体への熱輸送効率を調整することができる。
【００２２】
例えば、インレットの近傍でより高い熱が発生する熱源のために特定のフィンガを設計してもよい。更に、液体と蒸気の混合が予想される領域については、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の断面を大きくした方が有利である場合がある。図には示さないが、フィンガの断面をインレット側で小さくすることによって、流体の流速を速めることもできる。また、特定のフィンガ又はチャネルの断面を下流のアウトレット側で大きくすることにより、流体の流速を遅めることもできる。フィンガ又はチャネルをこのように設計することにより、熱交換器内の、二相流における液体から蒸気への変化のために、流体の体積、加速度及び速度が増加する領域において、圧力降下を最小化でき、及びホットスポット冷却効率を最適化できる。
【００２３】
更に、フィンガ１１８、１２０、及びチャネル１１６、１２２をそれらの長さに沿って、一時的に広く、続いて再び狭くすることにより、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００内の異なる所望の位置で流体の流速を速めることができる。これに代えて、フィンガとチャネルの寸法を大から小、小から大と幾度も変化させることで、電子デバイス９９である熱源に亘る予想された熱消散分布に応じて、熱輸送効率を調整することが適切である場合もある。なお、フィンガとチャネルの寸法の変化に関する説明は、この実施形態に制限されず、後に説明する他の実施形態にも同様に適用することができる。
【００２４】
これに代えて、図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、フィンガ１１８に対応するインレットフィンガ内に１以上のアパーチャ１１９を備えていてもよい。流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である三層式熱交換器では、フィンガ１１８に沿って流れる流体は、アパーチャ１１９を介して、中間層１０４に流れ込む。これに代えて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である二層式熱交換器では、フィンガ１１８に沿って流れる流体は、アパーチャ１１９から接触層１０２に直接流れ込む。更に、図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、アウトレットフィンガ１２０内にアパーチャ１２１を備えている。流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である三層式熱交換器では、中間層１０４から流れ出る流体は、アパーチャ１２１を介して、アウトレットフィンガ１２０に流れ込む。これに代えて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である二層式熱交換器では、接触層１０２から流れ出る流体は、アパーチャ１２１を介して、アウトレットフィンガ１２０に直接流れ込む。
【００２５】
図３Ａに示す実施形態においては、フィンガ１１８、１２０に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、アパーチャを有さないオープンチャネルである。マニホルド層１０６の底面１０３は、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である三層式熱交換器では、中間層１０４の上面に当接し、二層式熱交換器では、接触層１０２に当接する。このようにして、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である三層式熱交換器では、流体は、中間層１０４とマニホルド層１０６の間を自由に行き来することができる。流体は、中間層１０４の導管１０５によって、適切な接触層ホットスポット領域に適切に出入りするように流される。当業者にとって明らかであるが、導管１０５は、後述するように、フィンガに直接整列するように配設してもよく又は三層式システム内の他の場所に配設してもよい。
【００２６】
図３Ｂは、変形例として示すマニホルド層を有する本発明に基づく流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００である三層式熱交換器を示している。これに代えて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００は、マニホルド層１０６と接触層１０２からなる二層構造を有していてもよく、この場合、流体は、中間層１０４を介さず、マニホルド層１０６と接触層１０２の間を直接行き来する。ここに示すマニホルド層、中間層及び接触層の構成は、例示的なものであり、実際の構成は、ここに示した構成に制限されないことは当業者にとって明らかである。
【００２７】
図３Ｂに示すように、中間層１０４は、好ましくは、中間層１０４自体を貫通して延びる複数の導管１０５を備えている。流入導管（inflow conduit）１０５である流入導管（inflow conduit）は、マニホルド層１０６から接触層１０２の指定された接触層ホットスポット領域に流体を流通させる。同様に導管１０５のアパーチャは、接触層１０２から流体ポート１０９に流体を流通させる。このようにして、中間層１０４は、接触層１０２から、マニホルド層１０６に連結された流体ポート１０９への流体の輸送を提供している。
【００２８】
導管１０５は、多くの因子に基づいて、所定のパターンで中間層１０４内に配設される。これらの因子とは、以下に限定されるものではないが、接触層ホットスポット領域の位置、接触層ホットスポット領域において電子デバイス９９である熱源を適切に冷却するために必要な流量、流体の温度等である。他の部分の幅寸法は、最大で数ｍｍに設計されるが、導管１０５は、数１００μｍ程度の幅寸法を有することが好ましい。但し、導管１０５は、少なくとも上述した因子に基づいて、この他の寸法に形成してもよい。中間層１０４の各導管１０５は、同じ形状及び／又は寸法を有しているが、この条件は、必ずしも必要ではないことは当業者にとって明らかである。例えば、上述したフィンガと同様、導管は、この実施形態に代えて、様々に変化する長さ及び／又は幅寸法を有していてもよい。或いは、導管１０５は、中間層１０４を通して一定の深さ又は高さ寸法を有していてもよい。これに代えて、導管１０５は、異なる深さ寸法を有していてもよく、例えば、中間層１０４の厚さ方向において、台形又はノズル形の形状を有していてもよい。導管１０５の水平方向の形状は、図２Ｃでは、長方形として示しているが、この導管１０５の水平方向の形状は、円形（図３Ａ）、曲線を含む形状、楕円形等、他の如何なる形状であってもよい。これに代えて、１又は複数の導管１０５を上部の１又は複数のフィンガの一部又は全体の形状に応じた形状に成形してもよい。
【００２９】
中間層１０４は、好ましくは、導管１０５が垂直になるように、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００内で水平に配置される。これに代えて、中間層１０４は、以下に限定されるものではないが、斜めに又は湾曲させる等、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００内で他の如何なる方向に配置してもよい。これに代えて、導管１０５は、中間層１０４内で、水平に、斜めに、湾曲させて、又は他の如何なる方向に配設してもよい。更に、中間層１０４は、好ましくは、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００の全長に沿って、水平に延び、中間層１０４は、接触層１０２をマニホルド層１０６から完全に分離し、これにより流体を強制的に導管１０５に流通させてもよい。これに代えて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００の一部は、マニホルド層１０６と接触層１０２の間に中間層１０４を含まず、これにより、マニホルド層１０６と接触層１０２の間で流体を自由に行き来させるようにしてもよい。更に、これに代えて、中間層１０４は、マニホルド層１０６と接触層１０２の間で垂直に延び、独立した、個別の中間層領域を形成するようにしてもよい。これに代えて、中間層１０４は、マニホルド層１０６から接触層１０２までに完全には延びていなくてもよい。
【００３０】
好ましくは、本発明に基づく流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００は、電子デバイス９９である熱源より大きな幅を有する。流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００が電子デバイス９９である熱源より大きい場合、張り出し寸法（overhang dimension）が存在する。張り出し寸法とは、電子デバイス９９である熱源の１つの外壁と、例えば、流体ポート４０８（図４）の内壁等、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００の内部の流体チャネル壁との間の最も遠い距離である。好適な実施形態では、張り出し寸法は、単相流の場合、０〜５ｍｍであり、二相流の場合０〜１５ｍｍである。
【００３１】
図１０は、本発明に基づく接触層２０２’の一実施形態の斜視図である。図１０Ａに示すように、接触層２０２’は、接触層２０２’の上面から上方に延びる一連のピラー２０３を備える。更に、図１０Ａ、接触層２０２’の底面に設けられた微孔構造２１３を示している。なお、接触層２０２’は、微孔構造２１３のみを備えていてもよく、この微孔構造２１３と共に、他の如何なる接触層構造体（例えば、マイクロチャネル、ピラー等）を備えていてもよいことは明らかである。更に、本発明の接触層２０２’の厚さ寸法は、好ましくは、単相流の場合、０．３〜０．７ｍｍであり、二相流の場合、０．３〜１．０ｍｍである。
【００３２】
本発明の実施形態における熱交換器は、接触層２０２’上に設けられた微孔構造２１３を用いる。微孔構造２１３は、単層流の場合も二相流の場合も、１０〜２００μｍの範囲内の平均孔寸法を有する。更に、微孔構造２１３の多孔度は、単層流の場合も二相流の場合も、５０〜８０パーセントの範囲内とすることが望ましい。微孔構造２１３の高さは、単層流の場合も二相流の場合も、０．２５〜２．００ｍｍの範囲内とすることが望ましい。
【００３３】
接触層２０２’に沿ってピラー及び／又はマイクロチャネルを用いる実施形態では、本発明に基づく接触層２０２’は、単相流の場合、０．３〜０．７ｍｍの範囲内の厚さ寸法を有し、二相流の場合、０．３〜１．０ｍｍの範囲内の厚さ寸法を有する。更に、単相流の場合も、二相流の場合も、少なくとも１つのピラー又はマイクロチャネルは、（１０μｍ）２〜（１００μｍ）２の範囲内の面積を有する。更に、ピラー及び／又はマイクロチャネルの少なくとも２つの間の離間寸法は、単相流の場合も、二相流の場合も、１０〜１５０μｍの範囲内とする。マイクロチャネルの幅寸法は、単層流の場合も、二相流の場合も、１０〜１００μｍの範囲内とする。マイクロチャネル及び／又はピラーの高さ寸法は、単相流の場合、５０〜８００μｍの範囲内とし、二相流の場合、５０μｍ〜２ｍｍの範囲内とする。但し、上述した以外の寸法を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００３４】
図３Ｂは、本発明に基づく接触層１０２の斜視図を示している。図３Ｂに示すように、接触層１０２は、底面１０３と、好ましくは、複数のマイクロチャネル壁１１０とを備え、マイクロチャネル壁１１０の間の領域は、流体の流路に沿って、流体を流し、又は流通させる。底面１０３は、平坦であり、電子デバイス９９である熱源からの十分な熱輸送を実現する高い熱伝導率を有している。これに代えて、底面１０３は、特定の位置に流体を集め、又は特定の位置から流体を退けるために設計された凹面（troughs）及び／又は凸面（crests）を備えていてもよい。マイクロチャネル壁１１０は、図３Ｂに示すように、平行に形成され、これにより、流体は、好ましくは、流路に沿って、マイクロチャネル壁１１０間を流れる。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、非平行な構成を有していてもよい。
【００３５】
また、これに代えて、上述した因子に基づき、他の如何なる適切な構成でマイクロチャネル壁１１０を構成してもよいことは、当業者にとって明らかである。例えば、図８Ｃに示すように、接触層１０２では、マイクロチャネル壁１１０のセクションの間に溝を設けてもよい。更に、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２内の圧力降下又は圧力差を最小化するための寸法を有していてもよい。また、以下に限定されるものではないが、ピラー（pillars）（図１０）、粗い表面、例えば、焼結金属及びシリコン泡（silicon foam）（図１０）等の微孔性構造等、マイクロチャネル壁１１０以外の他の構造を用いてもよいことは明らかである。但し、ここでは、例示的に、図３Ｂに示す平行なマイクロチャネル壁１１０を用いて、本発明における接触層１０２を説明する。
【００３６】
マイクロチャネル壁１１０により、流体は、接触層ホットスポット領域の選択されたホットスポット位置に沿って、熱交換を行い、その位置で電子デバイス９９である熱源を冷却する。マイクロチャネル壁１１０は、電子デバイス９９である熱源の熱量に応じて、１０〜１００μｍの範囲内の幅寸法と、５０μｍ〜２ｍｍの範囲内の高さ寸法とを有する。マイクロチャネル壁１１０は、熱源の寸法及びホットスポットのサイズ及び熱源からの熱流束密度に応じて、１００μｍから数ｃｍの範囲内の長さ寸法を有する。これに代えて、他の如何なるマイクロチャネル壁寸法を用いてもよい。マイクロチャネル壁１１０は、ここでは、電子デバイス９９である熱源の熱量に応じて、５０〜５００μｍの範囲内の間隔で区切るが、この間隔は、他の如何なる値に設定してもよい。
【００３７】
図３Ｂでは、マニホルド層１０６のボディ内のチャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０を示すために、マニホルド層１０６の上面を切り取って示している。ここでは、高い熱を発生する電子デバイス９９である熱源の位置をホットスポットとし、これより低い熱を発生する電子デバイス９９である熱源の位置をウォームスポットとする。図３Ｂに示すように、電子デバイス９９である熱源は、ホットスポット領域である位置Ａと、ウォームスポット領域である位置Ｂとを有する。ホットスポット及びウォームスポットに当接する接触層１０２の領域は、接触層ホットスポット領域として示されている。すなわち、図３Ｂに示すように、接触層１０２は、位置Ａ上の接触層ホットスポット領域Ａと、位置Ｂ上の接触層ホットスポット領域Ｂとを含む。
【００３８】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、流体は、まず、１つの流体ポート１０８であるインレットポートを介して、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００に流入する。そして、流体は、好ましくは１つのチャネル１１６インレットチャネルに対応するに流入する。これに代えて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００は、２つ以上のチャネル１１６に対応するインレットチャネルを備えていてもよい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、流体ポート１０８であるインレットポートからチャネル１１６に対応するインレットチャネルに沿って流れる流体は、まず、フィンガ１１８Ａに分岐する。更に、チャネル１１６に対応するインレットチャネルの残りの部分に沿って流れる流体は、フィンガ１１８Ｂ及びフィンガ１１８Ｃ等の個々のフィンガに注ぎ込まれる。
【００３９】
図３Ｂに示す具体例では、流体をフィンガ１１８Ａに注ぎ込むことによって、接触層ホットスポット領域Ａに流体を供給する。すなわち、流体は、フィンガ１１８Ａを介して、中間層１０４に流れ下る。流体は、フィンガ１１８Ａの下に配設されたインレット導管１０５Ａを介して、接触層１０２に流れ込み、電子デバイス９９である熱源と熱交換を行う。流体は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル壁１１０に沿って移動するが、流体は、接触層１０２に沿って、他の如何なる方向に移動してもよい。次に、加熱された流体は、導管１０５Ｂを介して、アウトレットフィンガ１２０Ａに流れ上がる。同様に、流体は、フィンガ１１８Ｅ、１１８Ｆを介して、中間層１０４に、Ｚ−方向に流れ下る。次に、流体は、Ｚ−方向に、インレット導管１０５Ｃを介して、接触層１０２に流れ下る。そして、加熱された流体は、接触層１０２からアウトレット導管１０５Ｄを介してアウトレットフィンガ１２０Ｅ、１２０Ｆに、Ｚ−方向に流れ上がる。流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００は、アウトレットフィンガ１２０を介して、マニホルド層１０６で加熱された流体を取り除き、アウトレットフィンガ１２０は、アウトレットチャネル１２２に連結されている。アウトレットチャネル１２２により、流体は、１つの流体ポート１０９であるアウトレットポートを介して、熱交換器から排出される。
【００４０】
一実施形態においては、導管１０５である流入及び流出導管は、適切な接触層ホットスポット領域上に直接又は略々直接、配設され、電子デバイス９９である熱源のホットスポットに流体を直接供給する。更に、圧力降下を最小化するために、各アウトレットフィンガ１２０は、特定の接触層ホットスポット領域に対応するアパーチャ１１９の近傍に配設される。このように、流体は、インレットフィンガ１１８Ａを介して接触層１０２に流入し、接触層１０２の底面１０３に沿って、接触層１０２からアウトレットフィンガ１２０Ａに最短の距離を移動する。流体が底面１０３に沿って移動する距離により、不要な量の圧力降下を発生させることなく、電子デバイス９９である熱源から熱が適切に取り除かれることは明らかである。更に、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フィンガ１１８に沿って流れる流体の圧力降下を減少させるために、フィンガ１１８、１２０内のコーナ部分は、好ましくは、曲面となるように形成する。
【００４１】
当業者にとって明らかなように、図３Ａ及び３Ｂに示すマニホルド層１０６の構成は、例示的なものに過ぎない。マニホルド層１０６内のチャネル１１６とフィンガ１１８の構成は、以下に限定されるものではないが、接触層ホットスポット領域の位置、接触層ホットスポット領域への及び接触層ホットスポット領域からの流体の流量、接触層ホットスポット領域の熱源が発生する熱量等の多くの要因に依存する。例えば、図４〜図７Ａに示し、後述するように、マニホルド層１０６の好ましい構成として、平行なインレットフィンガ及びアウトレットフィンガをマニホルド層の幅に沿って交互に配置された、相互に組み合うようなパターン（interdigitated pattern）に構成してもよい。但し、チャネル１１６とフィンガ１１８は、他の如何なる構成で配設してもよい。
【００４２】
図４は、本発明に基づく熱交換器の好ましいマニホルド層４０６の斜視図である。図４のマニホルド層４０６は、好ましくは、互いに組み合う又は噛み合う複数の平行な流体フィンガ４１１、４１２を備え、これにより、熱交換器４００と循環型冷却装置３０（図２Ａ）内で実質的な圧力降下を生じることなく、単相流体及び／又は二相流体を接触層４０２に循環させることができる。図４に示すように、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガと流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガとは、交互に配置されている。但し、任意の数のインレットフィンガ又はアウトレットフィンガを連続して隣り合うように配置してもよく、したがって、本発明は、図４に示す交互の構成に制限されないことは、当業者にとって明らかである。更に、平行なフィンガが他の平行なフィンガから分岐し、又は平行なフィンガが他の平行なフィンガに連結されるようにフィンガを交互に配置してもよい。したがって、アウトレットフィンガより多くのインレットフィンガを設けてもよく、逆にインレットフィンガより多くのアウトレットフィンガを設けてもよい。
【００４３】
流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、熱交換器に流入する流体を接触層４０２に供給し、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、熱交換器４００から排出される流体を接触層４０２から取り出す。マニホルド層４０６の好ましい構成により、流体は、接触層４０２に流入し、接触層４０２において非常に短い距離を移動した後、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガに流入することができる。流体が接触層４０２に沿って移動する長さを実質的に短くすることにより、熱交換器４００及び循環型冷却装置３０（図２Ａ）における圧力降下を実質的に低減することができる。
【００４４】
図４及び図５に示すように、好ましいマニホルド層４０６は、２つの流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガに連結され、ここに流体を供給するための流路４１４を備える。また、図８及び図９に示すマニホルド層４０６は、流路４１８に連結された３つの流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガを備える。マニホルド層４０６の流路４１４は、流体フィンガ４１１、４１２に流体を流通させる平らな底面を有することが好ましい。これに代えて、選択された流体フィンガ４１１に流体を流通させるために、流路４１４には、緩やかな斜面を設けてもよい。これに代えて、流体の一部を接触層４０２に流れ落とすために、流路４１４に対応するインレット流路の底面に１以上のアパーチャを設けてもよい。同様にマニホルド層の流路４１８は、流体を収容し、流体を流体ポート４０８に流通させるフラットな底面を有していてもよい。これに代えて、選択された流体ポート４０８に流体を流通させるために、流路４１８には、緩やかな斜面を設けてもよい。更に、この具体例では、流路４１４、４１８の幅を約２ｍｍとする。但し、他の具体例では、他の如何なる幅寸法を用いてもよい。
【００４５】
流路４１４、４１８は、流体ポート４０８、４０９に連結され、流体ポート４０８、４０９は、循環型冷却装置３０の流体ライン（fluid lines）３８（図２Ａ）に連結される。マニホルド層４０６は、好ましくは、水平方向に配設された流体ポート４０８、４０９を備える。これに代えて、図４〜図７には示していないが、マニホルド層４０６は、後述するように、垂直及び／又は斜めに構成された流体ポート４０８、４０９を備えていてもよい。これに代えて、マニホルド層４０６は流路４１４を備えていなくてもよい。この場合、流体は、流体ポート４０８から流体フィンガ４１１に直接供給される。更に、これに代えて、流体フィンガ４１１は、流路４１８を備えていなくてもよく、この場合、流体フィンガ４１２内の流体は、流体ポート４０８を介して、熱交換器４００から直接排出される。ここでは、２つの流体ポート４０８が流路４１４、４１８に連結されているが、これに代えて、他の如何なる数のポートを設けてもよい。
【００４６】
流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、流体フィンガ４１１及び循環型冷却装置３０（図２Ａ）に沿って大きな圧力降下を発生させることなく、流体が接触層に移動できるようにするための寸法を有する。流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガの幅寸法は、好ましくは、０．２５ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の範囲とする。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。更に、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガの長さ寸法は、０．５ｍｍ以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成することが好ましい。これに代えて、この長さ寸法は、如何なる値としてもよい。更に、上述のように、流体がマイクロチャネル４１０に直接流れるように、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、マイクロチャネル４１０に向けて下方に延び、又はマイクロチャネル４１０の高さより僅かに高い位置に延びる。流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガの高さ寸法は、０．２５ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、マイクロチャネル４１０に向けて下方に延びていなくてもよく、ここに示した以外の如何なる高さ寸法を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。また、ここでは、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、同じ寸法を有しているが、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、異なる寸法を有していてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、これに代えて、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、幅、横断面の寸法及び／又は隣接するフィンガの間の距離を様々に変化させてもよい。特に流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、長手方向に沿って、より広い幅又はより深い深さを有する領域と、より狭い幅又はより浅い深さを有する領域とを備えていてもよい。このように寸法を変化させることにより、より広い部分を介して、接触層４０２内の所定の接触層ホットスポット領域に多くの流体を提供するとともに、狭い部分によって、ウォームスポット接触層ホットスポット領域への流量を制限することができる。
【００４７】
更に、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、循環型冷却装置３０（図２Ａ）及び流体フィンガ４１２に沿って大きな圧力降下を発生させることなく、流体を接触層に移動させるために適した寸法を有することが好ましい。この流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、好ましくは、０．２５ｍｍ以上５．００以下ｍｍの範囲内の幅寸法を有するが、他の如何なる幅寸法を用いてもよい。更に、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガの長さ寸法は、０．５ｍｍ以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成することが好ましい。更に、流体がマイクロチャネル４１０に沿って水平に流れた後に、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガに容易に流れ上がるように、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、マイクロチャネル４１０の高さまで下方に延びている。流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガの幅寸法は、例えば、０．２５ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。また、ここでは、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、同じ寸法を有しているが、流体フィンガ４１２に対応するあうｔは、異なる寸法を有していてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、これに代えて、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、幅、横断面の寸法及び／又は隣接するフィンガの間の距離が様々に変化する不規則な形状を有していてもよい。
【００４８】
図４及び５に示すように、流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、好ましくは、それぞれセグメント化され、互いに分離されているため、これらの流路内の流体は、混じり合うことはない。詳しくは、図４に示すように、２つの流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、マニホルド層４０６の外側のエッジ側に設けられ、１つの流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、マニホルド層４０６の中央に設けられている。更に、２つの流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガは、中央の流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガの両側に隣接するように設けられている。この特定の構成により、接触層４０２に入る流体は、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガを介して接触層４０２から流れ出る前に接触層４０２内で短い距離を移動する。但し、インレット流路及びアウトレット流路は、他の如何なる適切な構成に配置してもよく、したがって、これらは、ここに示し及び説明する構成に制限されないことは、当業者にとって明らかである。マニホルド層４０６内のフィンガ流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガの数は、３個より多いことが望ましく、マニホルド層４０６における１ｃｍあたり１０個未満であることが望ましい。また、インレット流路とアウトレット流路の数は、ここに示し、説明した構成に制限されるものではなく、他の如何なる数としてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００４９】
マニホルド層４０６は、好ましくは、中間層（図示せず）に連結され、中間層（図示せず）は、接触層４０２に連結され、これにより熱交換器４００である三層式熱交換器が形成される。この中間層は、図３Ｂに示す実施形態に関連して説明したものである。これに代えて、図７Ａに示すように、マニホルド層４０６を接触層４０２に連結し、接触層４０２上に配置して、熱交換器４００である二層式熱交換器を形成してもよい。二層式熱交換器の接触層４０２に連結される好適なマニホルド層４０６の断面を図６Ａ〜図６Ｃに示す。詳しくは、図６Ａは、図５の線Ａ−Ａに沿った熱交換器４００の断面図である。更に、図６Ｂは、図５の線Ｂ−Ｂに沿った熱交換器４００の断面図であり、図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿った熱交換器４００の断面図である。上述のように、流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、マニホルド層４０６の上面から底面に延びる。マニホルド層４０６及び接触層４０２が互いに連結される場合、流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、接触層４０２のマイクロチャネル４１０の高さと同じ高さか、僅かに高い高さを有する。この構成により、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガからの流体は、マイクロチャネル４１０を介して流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガから容易に流れ出る。更に、この構成により、マイクロチャネル４１０を介して流れる流体は、マイクロチャネル４１０を流れた後に、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガに容易に流れ上がる。
【００５０】
図には示さないが、好適な実施形態として、中間層１０４（図３Ｂ）は、マニホルド層４０６及び接触層４０２の間に配設してもよい。中間層１０４（図３Ｂ）は、接触層４０２内の指定された接触層ホットスポット領域に流体を流通させる。更に、好ましくは、中間層１０４（図３Ｂ）を用いて、接触層４０２に流体の均一なフローを供給することができる。また、好ましくは、中間層１０４を用いて、接触層４０２の接触層ホットスポット領域に流体を提供し、ホットスポットを適切に冷却し、電子デバイス９９である熱源における温度を均一にすることができる。流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガは、必ずしも必要ではないが、好ましくは、適切にホットスポットを冷却するために、電子デバイス９９である熱源のホットスポット上又はその近傍に配設される。
【００５１】
図７Ａは、本発明に基づく他の接触層１０２を備える他のマニホルド層４０６の分解図である。好ましくは、接触層１０２は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル壁１１０の連続した構成を含んでいる。この構成では、概略的に言えば、図３Ｂに示す好適なマニホルド層１０６と同様に、流体は、流体ポート４０８を介してマニホルド層４０６に流入し、流路４１４を移動し、流体フィンガ４１１に向かう。流体は、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガの開口（opening）に流入し、好ましくは、矢印によって示すように、Ｘ−方向に、流体フィンガ４１１の長さに沿って流れる。更に、流体は、Ｚ−方向に、マニホルド層４０６の下に設けられた接触層４０２に流れ下る。図７Ａに示すように、接触層４０２において、流体は、接触層４０２のＸ及びＹ方向の底面に沿って流れ、電子デバイス９９である熱源と熱交換を行う。加熱された流体は、好ましくは、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガを介してＺ−方向を上向きに流れ上がって接触層４０２から流出し、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガは、Ｘ−方向に沿って、マニホルド層４０６の流路４１８に加熱された流体を流す。そして、流体は、流路４１８に沿って流れ、ポート４０９から流れ出ることによって熱交換器から排出される。
【００５２】
図７Ａに示すように、接触層は、一組のマイクロチャネル４１０間に配置された一連の溝４１６を備え、これらの溝４１６によって、流体は、流体フィンガ４１１、４１２へ流れ込み及び流体フィンガ４１１、４１２から流れ出る。詳しくは、溝４１６Ａは、他のマニホルド層４０６の流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガの真下に位置し、これにより、接触層４０２に入る流体は、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガを介して、溝４１６Ａに隣接するマイクロチャネルに直接流入する。このように、溝４１６Ａにより、流体は、図５に示すように、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガから特定の指定された流路に直接流通される。同様に接触層４０２は、Ｚ方向に、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガの真下に設けられた溝４１６Ｂを有する。これにより、アウトレット流路に向かってマイクロチャネル４１０に沿って水平に流れる流体は、溝４１６Ｂに水平に流れ、及び溝４１６Ｂの上の流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガに垂直に流れる。
【００５３】
図６Ａは、マニホルド層４０６及び接触層４０２を備える熱交換器４００の断面図である。詳しくは、図６Ａは、流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガと相互に組み合わされた流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガを示しており、これにより、流体は、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガに流れ下り、及び流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガに流れ上がる。更に、図６Ａに示すように、流体は、インレット流路及びアウトレット流路の間に配置され、マイクロチャネル４１０によって分離されたマイクロチャネル４１０を介して水平に流れる。これに代えて、マイクロチャネル壁は、溝によって分離されず、連続していてもよい（図３Ｂ）。図６Ａに示すように、流体フィンガ４１１、４１２に対応するインレット及びアウトレットフィンガの両方又は一方は、溝４１６の近くの位置の端部に曲面４２０を有する。この曲面４２０により、流体は、流体フィンガ４１１に隣接するマイクロチャネル４１０に向かって、流体フィンガ４１１を流れ下る。このように、接触層１０２に入る流体は、溝４１６Ａに直接流入させるより、より容易にマイクロチャネル４１０に向かって流れる。同様に流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガの曲面４２０によって、流体は、マイクロチャネル４１０から外側の流体フィンガ４１２に向けられる。
【００５４】
変形例では、図７Ｂに示すように、接触層４０２’は、マニホルド層４０６（図８及ぶ図９）に関して上述したように、流体フィンガ４１１に対応するインレットフィンガ及び流体フィンガ４１２に対応するアウトレットフィンガを備える。変形例では、流体は、流体ポート４０８’から接触層４０２’に直接供給される。流体は、流路４１４’に沿って、流体フィンガ４１１’に対応するインレットフィンガに向けて流れる。次に、流体は、一組のマイクロチャネル４１０’を横切り、熱源（図示せず）と熱交換を行い、流体フィンガ４１２’に対応するアウトレットフィンガに流れ込む。次に、流体は、流体フィンガ４１２’に対応するアウトレットフィンガに沿って流路４１８’に流れ、ポート４０９’を介して、接触層４０２’から排出される。流体ポート４０８’、４０９’は、接触層４０２’に形成してもよく、或いはマニホルド層４０６（図７Ａ）に形成してもよい。
【００５５】
なお、本発明に基づく熱交換器は、ここでは全てが水平方向に動作するように示しているが、この熱交換器は、垂直方向に動作してもよいことは、当業者にとって明らかである。熱交換器は、垂直方向に動作する場合、各インレット流路が隣接するアウトレット流路の上に位置するように構成される。したがって、流体は、インレット流路を介して接触層に入り、アウトレット流路に自然に流れ込む。熱交換器を垂直方向に動作させるために、マニホルド層及び接触層の他の如何なる構成を用いてもよいことは明らかである。
【００５６】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明に基づく熱交換器の他の実施形態の平面図である。詳しくは、図８Ａは、本発明に基づく他のマニホルド層２０６の平面図である。また、図８Ｂ及び図８Ｃは、それぞれ中間層２０４及び接触層２０２の平面図である。更に、図９Ａは、他のマニホルド層２０６を用いた三層式熱交換器を示し、図９Ｂは、他のマニホルド層２０６を用いた二層式熱交換器を示す。
【００５７】
図８Ａ及び図９Ａに示すように、マニホルド層２０６は、水平及び垂直に構成された複数の流体ポート２０８を備える。これに代えて、流体ポート２０８は、マニホルド層２０６に対して斜めに又は他の如何なる方向に配設してもよい。流体ポート２０８は、熱交換器２００の所定の接触層ホットスポット領域に流体を効果的に提供するよう、マニホルド層２０６内の選択された位置に配設される。複数の流体ポート２０８は、熱交換器２００に大きな圧力降下を発生させることなく、流体ポートから特定の接触層ホットスポット領域に直接流体を提供できるという重要な利点を有している。更に、流体ポート２０８は、接触層ホットスポット領域内の流体が、流体ポート２０８までの最短距離距離を移動できるように、マニホルド層２０６内に配設され、これにより、流体は、流体ポート２０８に対応するインレット及びアウトレットポートの間で最小の圧力降下を維持しながら、温度均一性を実現する。更に、マニホルド層２０６を用いることにより、接触層２０２に亘って均等に均一なフローを提供しながら、熱交換器２００内の二相フローを安定化できる。なお、これに代えて、２つ以上のマニホルド層２０６を熱交換器２００に設け、一方のマニホルド層２０６が熱交換器２００へ及び熱交換器２００から流体を流通させ、他方のマニホルド層（図示せず）が熱交換器２００への流体循環の速度を制御するようにしてもよい。これに代えて、複数のマニホルド層２０６の全てが、接触層２０２内の対応する選択された接触層ホットスポット領域に流体を循環させるようにしてもよい。
【００５８】
変形例として示すマニホルド層２０６は、接触層２０２の寸法に対応する横寸法を有する。更に、マニホルド層２０６は、電子デバイス９９である熱源と同じ寸法を有している。これに代えて、マニホルド層２０６は、電子デバイス９９である熱源より大きくてもよい。マニホルド層２０６の垂直寸法は、０．１〜１０ｍｍの範囲内とするとよい。更に、流体ポート２０８に連結されるマニホルド層２０６内のアパーチャの寸法は、１ｍｍから電子デバイス９９である熱源の全幅又は全長の間の範囲内とするとよい。
【００５９】
図１１は、本発明に基づく他のマニホルド層２０６を有する熱交換器２００である三層式熱交換器の一部を切欠いて示す透視図である。図１１に示すように、熱交換器２００は、電子デバイス９９である熱源のボディに沿って発生する熱量に基づいて個別の領域に分割される。これらの領域は、垂直な中間層２０４及び／又は接触層２０２のマイクロチャネル壁構造体２１０によって分離される。但し、当業者には明らかであるが、本発明の構成は、図１１に示すアセンブリに制限されず、このアセンブリは、例示的な目的のために示しているに過ぎない。
【００６０】
図３に示すように、電子デバイス９９である熱源は、位置Ａのホットスポットと、位置Ｂのウォームスポットとを有し、位置Ａのホットスポットは、位置Ｂのウォームスポットより高い熱を発生する。なお、電子デバイス９９である熱源は、如何なる時刻及び如何なる位置において、２つ以上のホットスポット及びウォームスポットを有していてもよいことは明らかである。この具体例では、位置Ａがホットスポットであり、位置Ａから、より多くの熱が位置Ａ上の接触層２０２（図１１では、接触層ホットスポット領域Ａとして示している。）に輸送されるので、熱交換器２００では、位置Ａを適切に冷却するために、より多くの流体及び／又はより高い流量の流体を接触層ホットスポット領域Ａに提供する。なお、この具体例では、接触層ホットスポット領域Ｂは、接触層ホットスポット領域Ａより大きく示されているが、熱交換器２００内の接触層ホットスポット領域Ａ、Ｂ及び他のあらゆる接触層ホットスポット領域は、如何なるサイズを有していてもよく及び／又は相対的に如何なる構成を有していてもよいことは明らかである。
【００６１】
これに代えて、図１１に示すように、流体は、インレットポート２０８Ａを介して熱交換器に入り、中間層２０４に沿って流入導管２０５Ａに流れることによって接触層ホットスポット領域Ａに流入させてもよい。次に、流体は、流入導管２０５ＡをＺ−方向に流れ下り、接触層２０２の接触層ホットスポット領域Ａに至る。流体は、マイクロチャネル２１０Ａの間を流れ、これにより、位置Ａからの熱は、接触層２０２を介した熱伝導によって、流体に輸送される。加熱された流体は、接触層ホットスポット領域Ａ内の接触層２０２に沿って、アウトレットポート２０９Ａに向かって流れ、熱交換器２００から排出される。特定の接触層ホットスポット領域又は一組の接触層ホットスポット領域について、如何なる数の流体ポート２０８に対応するインレットポート及び流体ポート２０９に対応するアウトレットポートを用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、アウトレットポート２０９Ａは、接触層２０２Ａの近くに配設されているが、これに代えて、アウトレットポート２０９Ａは、以下に限定されるものではないが、例えばアウトレットポート２０９Ｂ等の他の如何なる位置に垂直に配設に設けてもよい。
【００６２】
また、図１１に示す具体例では、電子デバイス９９である熱源は、電子デバイス９９である熱源の位置Ａより低い熱を発生するウォームスポットを位置Ｂに有している。アウトレットポート２０８Ｂを介して流入する流体は、中間層２０４Ｂに沿って流出導管２０５Ｂに流れることによって、接触層ホットスポット領域Ｂに供給される。次に、流体は、流出導管２０５ＢをＺ−方向に流れ下り、接触層２０２の接触層ホットスポット領域Ｂに至る。流体は、Ｘ方向及びＹ方向に、マイクロチャネル２１０Ａの間を流れ、これにより、位置Ｂからの熱は、接触層２０２を介した熱伝導によって、流体に輸送される。加熱された流体は、中間層２０４の流出導管２０５Ｂを介して接触層ホットスポット領域Ｂ内の全体の接触層２０２Ｂに沿って、アウトレットポート２０９ＢをＺ方向に流れ上がり、熱交換器２００から排出される。
【００６３】
これに代えて、図９Ａに示すように、熱交換器２００は、接触層２０２上に配設された蒸気透過膜２１４を備えていてもよい。蒸気透過膜２１４は、熱交換器２００の内壁に封水的に接触している。蒸気透過膜２１４は、幾つかの小さいアパーチャを有し、接触層２０２に沿って発生した蒸気は、このアパーチャを介してアウトレットポート２０９に流入する。また、蒸気透過膜２１４は、疎水性を有するように構成され、これにより、蒸気透過膜２１４は、接触層２０２に沿って流れる液体がアパーチャを通り抜けることを防いでいる。蒸気透過膜１１４のこの他の詳細については、２００３年２月１２日に出願された、同時に係属中である米国特許出願番号第１０／３６６，１２８号、発明の名称、「蒸気透過マイクロチャネル熱交換器（VAPOR ESCAPE MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER）」に開示されており、この文献は、引用により本願に援用されるものとする。
【００６４】
また、本発明に基づくマイクロチャネル熱交換器は、上述した構成とは異なる構成を有していてもよい。例えば、熱交換器は、接触層に通じる個別にシールされたインレット及びアウトレットアパーチャを有することによって熱交換器内の圧力降下を最小化するマニホルド層を備えていてもよい。この場合、流体は、インレットアパーチャを介して接触層に直接流れ込み、接触層と熱交換を行う。流体は、インレットアパーチャに隣接して配設されたアウトレットアパーチャを介して、接触層から流出する。マニホルド層のこのような多孔構成により、インレットポート及びアウトレットポートの間で流体が流れる距離を最短化でき、及び接触層に通じる幾つかのアパーチャに亘って、流量の分割を最大化できる。
【００６５】
以下、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００及び流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００の個々の層を製造及び組立方法を説明する。以下では、説明を簡潔にするために、本発明に基づく好適な及び代替の熱交換器について、図３Ｂの流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００及びその個々の層を用いて説明する。また、以下では、本発明に関連して組立／製造の詳細を説明するが、この組立及び製造の詳細は、図１Ａ−図１Ｃに示すような１つの流体インレットポートと、１つの流体アウトレットポートとを用いる二層式熱交換器及び三層式熱交換器、並びに従来の熱交換器にも同様に適用されることは、当業者にとって明らかである。
【００６６】
接触層１０２は、好ましくは、電子デバイス９９である熱源に等しい又は近似する熱膨張率（coefficient of thermal expansion：以下、ＣＴＥという。）を有する。これにより、接触層１０２は、好ましくは、電子デバイス９９である熱源の伸縮に応じて同様に伸縮する。これに代えて、接触層１０２の材料は、電子デバイス９９である熱源の材料のＣＴＥとは異なるＣＴＥを有していてもよい。シリコン等の材料から作成された接触層１０２は、電子デバイス９９である熱源のＣＴＥに対応するＣＴＥを有し、及び電子デバイス９９である熱源から流体に適切に熱を輸送するために十分な熱伝導率を有している。但し、これに代えて、電子デバイス９９である熱源のＣＴＥに一致するＣＴＥを有する他の材料を用いて接触層１０２を形成してもよい。
【００６７】
流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００の接触層１０２は、電子デバイス９９である熱源がオーバーヒートしないように、電子デバイス９９である熱源と、接触層１０２に沿って流れる流体との間で十分な熱伝導を実現する高い熱伝導率を有することが好ましい。接触層１０２は、好ましくは、１００Ｗ／ｍ−Ｋ程度の高い熱伝導率を有する材料から形成される。但し、接触層１０２の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ−Ｋ以上でも以下でもよく、この値に制限されないことは当業者にとって明らかである。
【００６８】
好適な高い熱伝導率を達成するために、接触層１０２は、好ましくは、シリコン等の半導体基板から形成される。これに代えて、接触層は、これらに限定されるものではないが、単結晶誘電材料、金属、アルミニウム、ニッケル銅、コバー（Ｋｏｖａｒ：商標）、黒鉛、ダイヤモンド、これらの複合体及びあらゆる適切な合金を含む他の如何なる材料から作成してもよい。接触層１０２の他の材料としては、パターン化され又は成型された有機メッシュ（patterned or molded organic mesh）がある。
【００６９】
図１２に示すように、接触層１０２は、接触層１０２の材料を保護し、及び接触層１０２の熱交換特性を向上させるために、コーティング材料層１１２でコーティングすることが好ましい。具体的には、コーティング材料層１１２は、流体及び接触層１０２の間の化学的相互作用を防ぐ化学保護を提供する。例えば、アルミニウムから形成された接触層１０２は、これに接触する流体によって削られ、接触層１０２は、時間が経つにつれて劣化する虞がある。ここで、約２５μｍのニッケル薄膜によるコーティング材料層１１２を接触層１０２の表面に電気メッキすることにより、接触層１０２の熱的性質を大幅に変化させることなく、化学的な如何なる潜在的反応も防止することができる。なお、接触層１０２の材料に応じて、適切な層厚を有する他の如何なるコーティング材料を用いてもよいことは明らかである。
【００７０】
更に、図１２に示すように、接触層１０２の熱伝導率を向上させ、電子デバイス９９である熱源と十分な熱交換を行うために、コーティング材料層１１２を接触層１０２に適用してもよい。例えば、プラスチックで被覆された金属ベースを有する接触層１０２は、プラスチック上にニッケル製のコーティング材料層１１２を設けることによって熱的に補強できる。このニッケル製のコーティング材料層１１２は、接触層１０２及び電子デバイス９９である熱源の寸法に応じて、少なくとも２５μｍの厚さに形成するとよい。接触層１０２の材料に応じて、適切な層厚を有する他の如何なるコーティング材料を用いてもよいことは明らかである。これに代えて、既に高い熱伝導率特性を有する材料上に、更に、コーティング材料層１１２を設け、材料の熱伝導率を向上させてもよい。コーティング材料層１１２は、好ましくは、図１２に示すように、接触層１０２のマイクロチャネル壁１１０だけではなく、底面１０３に適用してもよい。これに代えて、コーティング材料層１１２は、底面１０３及びマイクロチャネル壁１１０の何れか一方のみに適用してもよい。コーティング材料層１１２は、好ましくは、以下に限定されるものではないが、ニッケル及びアルミニウム等の金属を材料とする。但し、これに代えて、コーティング材料層１１２は、他の如何なる熱伝導性材料から形成してもよい。
【００７１】
接触層１０２は、好ましくは、接触層１０２を保護するために、ニッケル薄膜でコーティングされた銅材をエッチング加工することによって形成される。これに代えて、接触層１０２は、アルミニウム、シリコン基板、プラスチック又は他の如何なる適切な材料から形成してもよい。また、熱伝導率が低い材料から形成されている接触層１０２は、接触層１０２の熱伝導率を向上させるために、適切なコーティング材料でコーティングするとよい。接触層を電気鋳造する一手法として、クロム又は他の適切な材料のシード層を接触層１０２の底面１０３に沿って適用し、このシード層に適切な電圧の電気的接続を適用してもよい。この電気的接続により、接触層１０２上に熱伝導性のコーティング材料層１１２の層が形成される。また、電気鋳造法によって、１０〜１００μｍの範囲の様々な構造体を形成することができる。接触層１０２は、パターン化された電気メッキ等の電気鋳造法によって形成できる。更に、これに代えて、接触層は、光化学エッチング又は化学切削を単独で、又はこれと電気鋳造法とを組み合わせて形成してもよい。化学切削のための標準リゾグラフィセットを用いて、接触層１０２内の構造を加工してもよい。更に、レーザで補助された化学切削処理を用いることで、アスペクト比を変更し及び公差の精度を高めることができる。
【００７２】
マイクロチャネル壁１１０は、好ましくは、シリコンから形成される。また、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、以下に限定されるものではないが、パターン化されたガラス、ポリマ及び成型されたポリマメッシュを含む他の如何なる材料で形成してもよい。マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２の底面１０３の材料と同じ材料から形成することが好ましいが、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２の他の部分の材料とは異なる材料から形成してもよい。
【００７３】
好ましくは、マイクロチャネル壁１１０は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率特性を有する。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、１０Ｗ／ｍ−Ｋより大きい熱伝導率特性を有していてもよい。当業者にとって明らかであるが、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、１０Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率特性を有していてもよく、この場合、図１２に示すように、マイクロチャネル壁１１０の熱伝導率を向上させるために、マイクロチャネル壁１１０にコーティング材料層１１２を適用するとよい。また、既に高い熱伝導率を有する材料から形成されたマイクロチャネル壁１１０に対して、マイクロチャネル壁１１０の表面を保護する少なくとも２５μｍの厚さのコーティング材料層１１２を適用してもよい、熱伝導率が低い材料から形成されたマイクロチャネル壁１１０については、少なくとも５０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率と、２５μｍ以上の厚さを有するコーティング材料層１１２を適用するとよい。他の種類及び他の厚さのコーティング材料を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００７４】
少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するマイクロチャネル壁１１０を形成するためには、マイクロチャネル壁１１０は、例えば、ニッケル又は上述した他の金属のコーティング材料層１１２（図１２）によって電気鋳造される。また、少なくとも５０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するマイクロチャネル壁１１０を形成するためには、マイクロチャネル壁１１０は、薄膜金属フィルムシード層上に銅を電気メッキすることによって形成される。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０をコーティング材料でコーティングしなくてもよい。なお、マイクロチャネル壁１１０及びコーティング材料層１１２の熱伝導率特性は、適切であれば、ピラー２０３（図１０）及びピラー２０３上の適切なコーティングにも適用される。
【００７５】
マイクロチャネル壁１１０は、好ましくは、熱エンボシング法によって形成され、これにより、接触層１０２の底面１０３に沿ってマイクロチャネル壁１１０の高アスペクト比が実現される。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、ガラス表面に蒸着されたシリコン構造体として形成してもよく、この構造体は、ガラス上で所望の構成にエッチングされる。また、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、標準リゾグラフィ法、スタンピング又は鋳造法、又は他の如何なる適切な技術によって形成してもよい。また、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２とは別に作成し、陽極結合又はエポキシ樹脂接着によって接触層１０２に連結してもよい。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、電気メッキ等の従来の電鋳技術によって接触層１０２に連結してもよい。
【００７６】
中間層１０４は、様々な手法を用いて形成できる。中間層は、好ましくは、シリコンによって形成される。また、中間層には、以下に限定されるものではないが、ガラス又はレーザでパターン化されたガラス、ポリマ、金属、ガラス、プラスチック、成形された有機材料又はこれらの複合体を含む他の如何なる適切な材料を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。好ましくは、中間層１０４は、プラズマエッチング技術を用いて形成される。これに代えて、中間層１０４は、化学エッチング法を用いて形成してもよい。他の手法として、機械加工、エッチング、押出及び／又は鍛造等によって金属を所望の構成に形成してもよい。また、これに代えて、中間層１０４は、プラスチックメッシュの射出成形によって所望の構成に形成してもよい。これに代えて、中間層１０４は、ガラス板に対するレーザドリルによって所望の構成に形成してもよい。
【００７７】
マニホルド層１０６は、様々な手法で作成することができる。マニホルド層１０６は、プラスチック、金属、ポリマ複合体又は他の何らかの適切な材料を用いた射出成形法によって形成され、ここで、各層は、同じ材料から形成することが好ましい。これに代えて、上述したように、各層は、異なる材料から形成してもよい。マニホルド層１０６は、機械加工又はエッチング等の金属加工技術を用いて形成してもよい。マニホルド層１０６を他の如何なる適切な手法により形成してもよいことは当業者にとって明らかである。
【００７８】
中間層１０４は、様々な手法で接触層１０２及びマニホルド層１０６に連結され、これにより、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００が形成される。接触層１０２、中間層１０４及びマニホルド層１０６は、好ましくは、陽極結合、接着材又は共晶結合法等によって互いに連結される。或いは、中間層１０４は、マニホルド層１０６及び接触層１０２の構造体内に一体に形成してもよい。中間層１０４は、化学結合処理によって接触層１０２に連結させてもよい。これに代えて、中間層１０４は、熱エンボシング又はソフトリソグラフィ技術によって形成してもよく、ここで、ワイヤ放電加工機ＥＤＭ又はシリコンマスタを用いて中間層１０４をスタンプしてもよい。更に、必要であれば、中間層１０４を金属又は他の適切な材料で電気メッキし、中間層１０４の熱伝導率を向上させてもよい。
【００７９】
これに代えて、中間層１０４は、射出成形法によって、接触層１０２内のマイクロチャネル壁１１０の作成と同時に形成してもよい。これに代えて、他の何らかの適切な手法によって、マイクロチャネル壁１１０の作成と共に中間層１０４を形成してもよい。熱交換器を形成する他の手法としては、以下に限定されるものではないが、はんだ付け、融接、共晶接合、金属間接合（intermetallic bonding）及び各層で用いられる材料の種類に応じた他の如何なる適切な技術を用いてもよい。
【００８０】
本発明に基づく熱交換器の他の製造方法を図１３に示す。図１３に示すように、この熱交換器の他の製造方法は、接触層として、シリコン基板から形成されたハードマスクを製造する工程（ステップ５００）を有する。ハードマスクは、酸化シリコン又はスピンオンガラスから形成される。一旦、ハードマスクを形成した後、ハードマスク内に複数のアンダーチャネル（under-channels）を形成する。これらのアンダーチャネルは、マイクロチャネル壁１１０間で流路を形成する（ステップ５０２）。アンダーチャネルは、以下に限定されるものではないが、ＨＦエッチング技術、化学切削、ソフトリソグラフィ、二フッ化キセノンエッチング等の如何なる適切な手法によって形成してもよい。更に、隣接するアンダーチャネルが互いにブリッジされないように、各アンダーチャネル間には、十分な間隔を設ける必要がある。次に、何らかの周知の手法を用いて、ハードマスクの上面上に、スピンオンガラスを設け、中間体及びマニホルド層を形成する（ステップ５０４）。続いて、橋かけ法（curing method）によって、中間層及びマニホルド層を強化する（ステップ５０６）。中間層及びマニホルド層を完全に形成し、強化した後に、この強化された層に１又は複数の流体ポートを形成する（ステップ５０８）。流体ポートは、マニホルド層をエッチングし又は穿孔することによって形成される。以上、接触層１０２、中間層１０４及びマニホルド層１０６を作成するための特定の手法を説明したが、当分野で周知の他の手法を用いて流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００を製造してもよい。
【００８１】
本発明に基づく熱交換器の変形例を図１４に示す。図１４に示す変形例では、２つの熱交換器２００、２００’が１つの電子デバイス９９である熱源に連結されている。詳しくは、電子デバイス等の電子デバイス９９である熱源は、回路板９６に連結され、垂直に配設され、電子デバイス９９である熱源の両面は、必然的に外部に晒される。本発明に基づく熱交換器２００、２００’は、それぞれ、電子デバイス９９である熱源の晒された面に連結され、この熱交換器２００、２００’によって、電子デバイス９９である熱源の冷却効率が最大化される。これに代えて、熱源が水平に回路板に連結されている場合、２つ以上の熱交換器（図示せず）を電子デバイス９９である熱源上にスタックし、各熱交換器を電子デバイス９９である熱源に電気的に連結してもよい。この実施形態に関するこの他の詳細は、２００２年２月７日に出願された、同時に係属中である米国特許出願第１０／０７２，１３７号、発明の名称「電力調整モジュール（POWER CONDITIONING MODULE）」に開示されており、この文献は、引用により本願に援用される。
【００８２】
図１４に示す具体例では、２つの層を有する熱交換器２００が電子デバイス９９である熱源の左側に連結され、３つの層を有する熱交換器２００’が電子デバイス９９である熱源の右側に連結されている。電子デバイス９９である熱源の何れの面に好適な又は代替の熱交換器を連結してもよいことは当業者にとって明らかである。また、変形例として、他の熱交換器２００’を電子デバイス９９である熱源の両面に連結してもよいことは当業者にとって明らかである、図１４に示す変形例では、電子デバイス９９である熱源の厚さに沿って存在するホットスポットを冷却するように流体を供給することによって、電子デバイス９９である熱源のホットスポットをより正確に冷却することができる。すなわち、図１４に示す実施形態では、電子デバイス９９である熱源の両面で熱交換を行うことによって、電子デバイス９９である熱源の中心でホットスポットを適切に冷却することができる。なお、図１４に示す実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂの循環型冷却装置３０を用いているが、他の循環システムを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００８３】
上述のように、電子デバイス９９である熱源は、電子デバイス９９である熱源において実行する必要がある異なるタスクのために、１又は複数のホットスポットの位置が変化する場合がある。電子デバイス９９である熱源を適切に冷却するために、循環型冷却装置３０（図２Ａ及び図２Ｂ）は、ホットスポットの位置の変化に応じて、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００に入る流体の流量及び／又は流速を動的に変更する感知及び制御モジュール３４を備える。
【００８４】
詳しくは、図１４に示すように、熱交換器２００内の各接触層ホットスポット領域に及び／又は電子デバイス９９である熱源の各潜在的なホットスポット位置に１つ以上のセンサ１２４を配設する。これに代えて、熱源及び熱交換器の間で及び／又は熱交換器自体の中に、複数のセンサを均等に配置してもよい。また、制御モジュール３４（図２Ａ及び図２Ｂ）を流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００への流体のフローを制御する循環型冷却装置３０内の１又は複数のバルブに連結してもよい。この具体例では、これらの１つ以上のバルブは、流体ライン内に配設されるが、これに代えて、他の如何なる箇所に配設してもよい。複数のセンサ１２４は、制御モジュール３４に連結され、制御モジュール３４は、好ましくは、図２に示すように、流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００のアップストリーム側に配設される。これに代えて、制御モジュール３４は、循環型冷却装置３０内の他の如何なる位置に配設してもよい。
【００８５】
センサ１２４は、以下に限定されるものではないが、例えば、接触層ホットスポット領域を流れる流体の流量、接触層１０２及び／又は電子デバイス９９である熱源のホットスポット領域の温度、流体の温度等の情報を制御モジュール３４に提供する。例えば、図１４に示す具体例では、接触層上に配設されたセンサ１２４は、熱交換器２００の特定の接触層ホットスポット領域の温度が高くなり、熱交換器２００’の特定の接触層ホットスポット領域の温度が低くなっているといった情報を制御モジュール３４に提供する。これに応じて、制御モジュール３４は、熱交換器２００への流体の流量を増加させ、熱交換器２００’への流体の流量を減少させる。これに代えて、制御モジュール３４は、フィンガ１１８であるセンサから受け取った情報に応じて、１又は複数の熱交換器内の１又は複数の接触層ホットスポット領域への流体の流量を変更してもよい。図１４に示す具体例では、フィンガ１１８であるセンサを２つの熱交換器２００、２００’に接続しているが、これに代えて、フィンガ１１８であるセンサを１つの熱交換器だけに接続してもよいことは明らかである。
【００８６】
本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施例を用いて本発明を説明した。このような特定の実施例の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではない。本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、例示的に選択された実施例を変更できることは、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】従来の熱交換器の側面図である。
【図１Ｂ】従来の熱交換器の平面図である。
【図１Ｃ】従来のマルチレベル熱交換器の側面図である。
【図２Ａ】本発明に基づく柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器の好適な実施形態を組み込んだ循環型冷却装置の概略図である。
【図２Ｂ】本発明に基づく柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器の変形例を組み込んだ循環型冷却装置の概略図である。
【図３Ａ】本発明に基づく熱交換器のマニホルド層の変形例の平面図である。
【図３Ｂ】本発明に基づく好適なマニホルド層を有する好適な熱交換器の分解図である。
【図４】本発明に基づく好適な互いに組み合うマニホルド層の斜視図である。
【図５】本発明に基づく接触層及び好適な互いに組み合うマニホルド層の平面図である。
【図６Ａ】本発明に基づく接触層及び好適な互いに組み合うマニホルド層の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６Ｂ】本発明に基づく接触層及び好適な互いに組み合うマニホルド層の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６Ｃ】本発明に基づく接触層及び好適な互いに組み合うマニホルド層の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図７Ａ】本発明に基づく接触層及び好適な互いに組み合うマニホルド層の分解図である。
【図７Ｂ】本発明に基づく接触層の変形例の斜視図である。
【図８Ａ】本発明に基づくマニホルド層の変形例の平面図である。
【図８Ｂ】本発明に基づく接触層の平面図である。
【図８Ｃ】本発明に基づく接触層の平面図である。
【図９Ａ】本発明に基づく三層式熱交換器の変形例の側面図である。
【図９Ｂ】本発明に基づく二層熱交換器の変形例の側面図である。
【図１０】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１１】本発明に基づく熱交換器の変形例の一部切欠透視図である。
【図１２】コーティング材料が適用された本発明に基づく熱交換器の接触層の側面図である。
【図１３】本発明に基づく熱交換器の製造手順を示すフローチャートである。
【図１４】熱源に２つの熱交換器を連結する本発明の他の実施形態を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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2006049861000002.pdf
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