(57)【要約】【課題】ジッターを低減又は実質的に排除するために改良された層流を有する、より小さな能動的冷却方法及びシステムを提供する。【解決手段】マイクロチャネル熱交換器のための熱交換コアにおいて、少なくとも１つの伝熱板１００が、該伝熱板の第１の側と第２の側との間に形成された少なくとも１つのチャネル１０２を有しており、該少なくとも１つのチャネルが、１００未満のチャネル長さＬ対水力直径比を有しており、チャネル長さＬが、伝熱板の第１の側と第２の側との間の距離として規定されている。【選択図】図１
2006054456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネル熱交換器のための熱交換コアにおいて、
少なくとも１つの伝熱板が設けられており、該伝熱板が、該伝熱板の第１の側と第２の側との間に形成された少なくとも１つのチャネルを有しており、該少なくとも１つのチャネルが、１００未満のチャネル長さ対水力直径比を有しており、チャネル長さが、伝熱板の第１の側と第２の側との間の距離として規定されていることを特徴とする、マイクロチャネル熱交換器のための熱交換コア。
【請求項２】
少なくとも１つのチャネルが１０ｍｍ未満の長さを有する、請求項１記載の熱交換コア。
【請求項３】
チャネルが、約１の平均チャネル長さ対水力直径比を有する、請求項１記載の熱交換コア。
【請求項４】
チャネルが、約２の平均チャネル長さ対水力直径比を有する、請求項１記載の熱交換コア。
【請求項５】
伝熱板が、該伝熱板の第１の縁部に沿って形成されたチャネルの第１のセットと、伝熱板の第２の縁部に沿って形成されたチャネルの第２のセットとを有する、請求項１記載の熱交換コア。
【請求項６】
熱交換器において、
キャビティを形成したハウジングが設けられており、該ハウジングが、キャビティに接続された入口及び出口を有しており、
入口と出口との間においてキャビティ内に熱交換コアが配置されており、該熱交換コアが少なくとも１つの伝熱板を有しており、該伝熱板にチャネルが形成されており、該チャネルが、１００未満の平均チャネル対水力直径比を有することを特徴とする、熱交換器。
【請求項７】
熱交換コアが、複数の前記伝熱板を含んでいる、請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】
複数の伝熱板が互いに結合されている、請求項６記載の熱交換器。
【請求項９】
複数の伝熱板がアコーディオン状の領域を形成している、請求項８記載の熱交換器。
【請求項１０】
複数の伝熱板が端部板と結合されており、端部板を貫通して水抜き穴が形成されている、請求項９記載の熱交換器。
【請求項１１】
入口及び出口がハニカム状挿入体を有する、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１２】
ボディ及びコアが、
セラミックマトリックス複合材料、金属マトリックス複合材料、炭素−炭素複合材料、又はポリママトリックス複合材料のうちの少なくとも１つから形成されている、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１３】
熱交換コアが少なくとも１００個のチャネルを有する、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１４】
熱交換コアが少なくとも１０００個のチャネルを有する、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１５】
熱交換コアが少なくとも４０００個のチャネルを有する、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１６】
熱交換コアが少なくとも５０００個のチャネルを有する、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１７】
作動中の入口と出口との間の圧力降下が、１平方インチ当たり１０ポンド未満である、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１８】
作動中の入口と出口との間の圧力降下が、１平方インチ当たり１ポンド未満である、請求項６記載の熱交換器。
【請求項１９】
ハウジングが第２の出口を有しており、熱交換器がさらに、
第１の熱交換コアと同様に構成された第２の熱交換コアを有しており、該第２の熱交換コアが、キャビティ内に配置されており、第１の熱交換コアが入口と第１の出口との間に配置されており、第２の熱交換コアが入口と第２の出口との間に配置されている、請求項６記載の熱交換器。
【請求項２０】
互いに隣接したマイクロチャネル熱交換器のアレイにおいて、各前記マイクロチャネル熱交換器が、
キャビティを形成したハウジングを有しており、該ハウジングが、キャビティに接続された入口及び出口を有しており、
入口と出口との間においてキャビティ内に熱交換コアが配置されており、該熱交換コアが、チャネルが形成された少なくとも１つの伝熱板を有しており、チャネルが、１００未満の平均チャネル長さ対水力直径比を有していることを特徴とする、マイクロチャネル熱交換器のアレイ。
【請求項２１】
チャネルが、１０未満の平均チャネル長さ対水力直径比を有する、請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
加熱される物体から熱を伝達する方法において、
加熱される物体の近くに熱交換器ボディを配置し、
熱交換器ボディに冷媒流体を提供し、
冷媒を、熱交換器ボディ内の複数の板を貫通して形成された複数のチャネルに通過させ、該チャネルが、１００未満の平均チャネル長さ対水力直径比を有しており、板がボディと熱接触しており、
流体がチャネルを通過する時に熱を板から冷媒流体へ伝達し、
冷媒流体をリフレッシュし、
提供、通過、伝達、及びリフレッシュのステップを繰り返すことを特徴とする、加熱される物体から熱を伝達する方法。
【請求項２３】
チャネルが、１０未満の平均チャネル長さ対水力直径比を有する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１つのチャネルが、１０ｍｍよりも大きな長さを有する、請求項１記載の熱交換コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換、特にコンパクトなマイクロチャネル式層状熱交換のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
受動的冷却技術、例えば自由空気対流及び放射冷却、は何十年かの間用いられている。しかしながら、多くの用途にとって受動的冷却技術は不十分である。例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）チップは、受動的冷却が扱うには大きすぎる熱負荷を生ぜしめる。
【０００３】
ＳＬＭは、例えば、イメージング光源に選択的にパターンを提供するために、テレビ及びリソグラフィツールにおいて使用される可変コントラスト装置である。慣用のＳＬＭ、例えばデジタルミラー装置、は１平方インチの領域に１００万個以上の微小ミラーを有している。
【０００４】
ＳＬＭを含む多くの用途は、流体、例えば水を使用する能動的冷却技術を利用する。事実上、我々は、様々なタイプのエレクトロニクスの能動的液体冷却が自由及び強制空気対流及び放射冷却の慣用的な使用に取って代わる“ナノテクノロジー”時代の入口にいる。
【０００５】
しかしながら、慣用的な流体冷却技術は多くの用途にとって大きすぎて扱いにくい。ガスに対する液体を使用する慣用の流体冷却技術も、ジッター問題（数十から数百ナノメートルのオーダの慣性変位を誘発する流体妨害）を生ぜしめる傾向があり、このジッター問題は、ＳＬＭの光学素子等の構成部材に不都合な影響を与えるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、より小さな能動的冷却方法及びシステムが必要とされている。また、ジッターを低減又は実質的に排除するために改良された層流を有する、より小さな能動的冷却方法及びシステムも必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、より小さな能動的冷却方法及びシステムと、ジッターを低減又は実質的に排除するために改良された層流を有する、より小さな能動的冷却方法及びシステムとに関する。
【０００８】
本発明の実施態様によれば、マイクロチャネル式熱交換器のための熱交換コアは少なくとも１つの伝熱板を有しており、この伝熱板は、伝熱板の第１の側と第２の側との間に形成された少なくとも１つのチャネルを有している。少なくとも１つのチャネルは、分数から数ミクロンまでの水力直径と、１００未満のチャネル長さ対水力直径比とを有しており、チャネル長さは、伝熱板の第１の側と第２の側との間の距離として規定されている。
【０００９】
本発明の実施態様によれば、マイクロチャネル式熱交換器には、キャビティを規定したハウジングが設けられており、このハウジングは、キャビティに接続された入口及び出口を有しており、流体入口と流体出口との間においてキャビティ内に位置決めされた熱交換コアが設けられている。熱交換コアは、上述のように少なくとも１つの伝熱板を有している。
【００１０】
本発明は、他の特徴の中で、改良された熱伝達、減少した圧力降下、減少したジッターを提供する。本発明は、層流及び／又は乱流環境のために実施されることができる。
【００１１】
発明の付加的な実施態様、特徴及び利点は以下の説明に示される。さらに別の特徴及び利点は、ここに示された説明に基づいて当業者に明らかになるか、発明の実施によって学習されることができる。発明の利点は、特に記述において指摘された構造と、請求の範囲と、添付図面とによって実現及び達成される。
【００１２】
前記概略及び以下の詳細な説明は、典型的であり、請求項に記載された発明の非限定的説明を提供しようとするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を添付図面を参照して説明する。図面において同じ参照符号は同一の又は機能的に類似のエレメントを示している。また、参照符号の左側の数字は、関連するエレメントが最初に紹介された図面を表している。
【００１４】
Ｉ．導入部
本発明は、ジッターを低減又は排除するための改良された層流を有する減じられた流れのマイクロチャネル式熱交換器を含む、マイクロチャネル式熱交換器に関する。
【００１５】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）において実施されたものとしてここでは説明される。しかしながら、本発明はＳＬＭ環境に限定されない。ここでの説明に基づき、当業者は発明が熱交換が望まれる様々な環境において実施されることができることを理解するであろう。
【００１６】
マスクレスリソグラフィにおいて、多くのＳＬＭチップを所望の光学パターンに配列するために高密度電子パッケージング技術が使用される。ＳＬＭは通常、付属の駆動装置と、増幅器と、デジタル／アナログボードと、過多の接続及び配線とを必要とする。その結果、パッケージング設計密度を最適化することは困難である。さらに、ＳＬＭパッケージング密度が高まるに連れて、冷却要求を管理することの複雑さが比例して増大する。
【００１７】
本発明は、コンパクトなマイクロチャネル式の液体冷却式熱交換器概念を採用することにより冷却ソリューションを提供する。しかしながら、あらゆる流体（液体又は気体）が本発明によって使用されることができる。
【００１８】
早期のマイクロチャネル層状熱交換器概念は、D.B.Tuckerman 及びR.F.W.Pease著“High-Performance Heat Sinking for VLSI”,IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-2, No.5, May 1981（以下“タッカーマン”という）に示されており、この出版物は引用により全体が本明細書に記載されたことになる。タッカーマンは、微細にエッチングされたシリコンマイクロチャネルから形成されたコンパクトな熱交換器システムを使用して比較的高い熱除去率を生ぜしめる能力を実証している。タッカーマンは、これらのマイクロチャネルが、層状の流れる流体を使用して熱の従来にはない大きな量を吸収することができることを示している。この前に、乱流を使用する、マクロスコピック熱交換技術のみが、タッカーマンによって実証された熱流束密度のレベルを吸収することができた。
【００１９】
タッカーマンは、マイクロチャネルを形成するようにシリコン材料をエッチングする新たな能力を、流体の層流に提供されるような“ｊ因子”の秘密の伝熱原理と組み合わせることを思い描いている。このことは、マイクロチャネルにおいて完全に発展した層流を使用する場合に高性能な熱流束吸収能力を生ぜしめる。
【００２０】
“ｊ因子”は伝熱及び熱力学の技術分野の当業者にはよく知られている。“ｊ因子”は、３つの無次元化された伝熱パラメータが掛け合わされたものの組合せを表す。各パラメータは、それを開発したエンジニア／科学者の名前を取って栄誉名が与えられた。“ｊ因子”は、表面と流体との間で熱を伝達するための能力の“無次元化された”数値である。ｊ因子が大きくなるほど、熱を伝達するためのポテンシャルが大きくなる。
【００２１】
ｊ因子＝スタントン数×コルバーンのｊ因子×粘性補正率であり、この場合、
スタントン数＝ヌッセルト数をレイノルズ数及びプラントル数で割ったもの；
コルバーンのｊ因子＝プラントル数が“２／３”パワーまで上昇された；
粘性修正率＝流体の内部温度での値に対する、壁温で測定された値の、伝熱流体（気体又は液体）の粘性の比。次いで、この比は古典的には０．１４パワーに上昇させられる。
【００２２】
図１１は、タッカーマンから再現された慣用の熱交換器１１００の斜視図である。我々の発明の利点及び性能を説明及び比較するために、我々はこの熱交換器の特性を使用する。熱交換器１１００は、長さ１０ｍｍ（ｌ）と、幅１０ｍｍ（ｗ）と、高さ０．６ｍｍ（ｈ）との全体寸法を有している。熱交換器１１００は複数の流体案内チャネル１１０２を有している。各チャネルは、長さ１０ｍｍ、幅５７μｍ、高さ３６５μｍであり、各チャネル１１０２の間には５７μｍの基板材料が存在している。タッカーマンの寸法は、彼らの一般的な熱交換器において８８個の冷却流れチャネルのみを許容する。
【００２３】
タッカーマンにおけるマイクロチャネル１１０２は、比較的大きな特性アスペクト比、例えば６〜１０のオーダにおける高さ／幅の比と、約１００のチャネル長さ（Ｌ）対水力直径（Ｄ）の比とを有している。Ｌ／Ｄ比の重要性は以下で説明する。タッカーマンのマイクロチャネルは、熱負荷吸収のための十分な表面積を形成するために、熱交換器の全長（すなわち数センチメートル）に亘って延びている。
【００２４】
本発明は、タッカーマンのマイクロチャネル熱交換器の全体形状及び性質を変更するために、幾何学的に引き出されたパラダイムシフトを適用する。その結果、本発明は、より少ない流れを使用しかつ圧力降下の比較的劇的な減少を示しながら、熱吸収能力をオーダだけ増大させる。本発明は、一定のレイノルズ数を維持しながら、層状伝熱率のファクタ１０向上を得るために、もともとタッカーマンによって識別された秘密の層流をも改良する。
【００２５】
本発明は、熱交換器の伝熱特性におけるチャネル長さ（Ｌ）対水力直径（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）の重要性を認識している。このことは、図１２を参照することにより技術的に評価されることができ、この場合、“ｊ因子”は、比“Ｌ／Ｄ”が層状範囲レイノルズ数（Ｒｅ＜２１００）に亘って１に接近するに従って数オーダだけ増大し、物理的に以下のように説明される。流体（気体又は液体）がチャネルを流過すると、流体分子がチャネル表面と接触する。この接触は、チャネル表面から液体への熱伝導又は熱交換を可能にする。
【００２６】
古典的な理論から、発明者たちは、チャネルへの入口の比較的短い距離の中で多数の分子がチャネル表面と接触することを決定した。換言すれば、チャネル入口の近くにおいて、流体分子は、より劇的に自由に移動し、迅速に位置を交換し、これにより、分子の大部分は、チャネル入口の比較的短い距離の中で表面に接触しこの表面と熱を交換する。しかしながら、臨界距離を超えると、当然ながら境界層が生じ、この境界層により、位置を交換する分子が少なくなり、これにより、この“早期”ダイナミック作用が維持されるのを妨げる。これは“入口効果”と呼ばれる。その結果、チャネルのさらに下流では比較的少ない熱交換が生じる。
【００２７】
その結果、発明者たちは、チャネル長さ対水力直径の比（Ｌ／Ｄ）を減じることが、図１２に分析的に示されたようなマイクロチャネル熱交換器の伝熱特性（より大きなｊ因子）を改良するということを決定した。しかしながら、より小さなＬ／Ｄは、熱交換器チャネル長さの減少を必要とし、このことは、“プレートレット積層”によって取り戻されなければならない。タッカーマンの熱交換器は、約１００のＬ／Ｄ比を有していた。彼らは、慣用のマイクロチャネル熱交換器装置の空間的及び概念的ビジョンの制限に基づき、これを許容できる値であると考えた。我々の発明に従って幾何学的パラダイムシフトを加えることにより、１００以下のＬ／Ｄ比でもうまくいき、制限なしに、２のＬ／Ｄ比及び１以下のＬ／Ｄ比を含む。“プレートレット積層”の本発明の独特な特徴は、我々が、所望のあらゆる長さの熱交換器にあらゆる値のＬ／Ｄ比を適用することを許容する。
【００２８】
前記のように、熱交換器のＬ／Ｄ比が１に近い場合、本発明は、匹敵する伝熱性能を維持しながら、所要の流量及びレイノルズ数を１０以上のファクタだけ減じるように実施されることができる。このような流量の減少は、システムの圧力損失をも減じる。タッカーマンの熱交換器の場合の圧力損失は、１平方インチ当たり１５〜３０ポンド（ｐｓｉ）のオーダであった。損失の減少は、速度法則の二乗をたどる。したがって、タッカーマンの熱交換器に対して流れが１０分の１では、例えば本発明は、圧力降下において１００のファクタの減少、又は０．１５〜０．３０ｐｓｉの値を生じる
幾何学的パラダイムシフトは、我々の“プレートレット積層”特徴をほめ、熱交換器寸法の与えられたセット内により多くのチャネルが存在することを許容する。チャネルは、今や通常は、タッカーマンによって教えられたよりも短く、与えられた空間内に劇的により多くのチャネルを取り付けることを許容する。文字通り、数百から数千のチャネルが、タッカーマンの全体寸法によって規定されるような我々の熱交換器概念内で実施されることができる。チャネルの数は、所望の伝熱特性に依存する。例示的な寸法を有する例示的な実施が以下に提供される。しかしながら、本発明は、本明細書に提供された実施例及び寸法例には限定されない。本明細書の開示に基づき、当業者は、その他の実施及び／又はその他の寸法が達成されることができることを理解するであろう。
【００２９】
ＩＩ．実施例
本発明は、１つ以上のチャネルが形成された伝熱板を用いて実施されることができ、この場合、チャネルは比較的低いＬ／Ｄ比を有している。我々は、Ｌ／Ｄ比が減少すると、板の数及び製造コストが上昇し、コストを計算に入れる最適性能の熱交換器が、常に、１に近いＬ／Ｄを備えるものであるわけではないため、“比較的低い”と言っている。我々の発明の付加的な利点、及びコストによって制御されるような最適なシステムを提供するためのその能力が気づかれる。本発明による熱交換器は、“プレートレット積層”によって表された１つ以上の伝熱板を含んでいる。チャネルの数（例えば伝熱板ごとのチャネルの数及び／又は熱交換器における伝熱板の数）が増大すると、表面積及びｊ因子の増大によりシステムの伝熱能力が向上する。
【００３０】
図１〜図１０は本発明の典型的な態様を示している。図１〜図１０の例は、１に近いＬ／Ｄ比を生じるための幾何学的冷却概念を装飾し、伝熱性能を増大するためにどのようにこれらの幾何学的原理を適用するかを実証している。例としての熱交換器は、通常、側部において２５〜２５０ｍｍであり、厚さが６〜２５ｍｍであり、高い熱伝達率を提供するために比較的複雑な中央構造若しくは中央領域を有している。しかしながら、本発明は、ここに提供された寸法例に限定されない。
【００３１】
図１は、チャネル１０２が形成された、例としての伝熱板１００の斜視図である。図２は、チャネル２０２が形成された伝熱板２００の斜視図である。伝熱板１００，２００は、前記のように、様々な材料のいずれか及び／又はその組合せから製造されている。
【００３２】
作動中、流体がチャネル１０２及び／又は２０２を流過すると、液体分子がチャネル表面と接触する。分子がチャネル表面と接触すると、熱が伝熱板から流体へ交換される。
【００３３】
図１及び図２の例において、チャネル１０２，２０２は、幅（Ｗ）と、高さ（Ｈ）と、長さ（Ｌ）とを有している。幅、高さ及び長さは、所望のＬ／Ｄ比を得るように寸法決めされており、この場合、Ｄは、直径の液体的規定を表している。典型的なマイクロチャネルの場合、Ｄは以下のように与えられる：
Ｄ＝２・Ｗ・Ｈ／（Ｗ＋Ｈ）                              （方程式１）
チャネルのコストが問題ではない多くの実施形態において、最適なＬ／Ｄ比は１に近く、所要のチャネルの数を最大化する。しかしながら、本発明は、１つのＬ／Ｄ比に限定されない。１よりも高いＬ／Ｄ比及び１よりも低いＬ／Ｄ比を用いることができる。
【００３４】
図１及び図２の例において、チャネル１０２及び２０２は矩形である。択一的に、又は付加的に、チャネルは、その他の形状、例えば円形、楕円形又は多角形であることができる。
【００３５】
伝熱能力を高めるために、複数のチャネル１０２及び／又は２０２を使用することができる。例えば、図３は、伝熱板１００の縁部に沿って形成された複数のチャネル１０２を有する伝熱板１００の斜視図である。図４は、伝熱板１００の２つの向き合った縁部に沿って形成された複数のチャネル１０２を有する伝熱板１００の斜視図である。図８は、図４に示された伝熱板１００の別の斜視図である。図５は、伝熱板２００を貫通して形成された複数のチャネル２０２を有する伝熱板２００の斜視図である。しかしながら、本発明は、これらの多数のチャネルの例に限定されない。ここでの記述に基づき、当業者は、多数のチャネル１０２及び／又は２０２はあらゆる様々なパターンで実施されることができることを理解するであろう。
【００３６】
図１〜図５及び図８の例において、伝熱板は正方形又は矩形の面を備えて示されている。プレートレット積層は、我々の図８の伝熱板が数千個複製されることを必要とする。この伝熱板はいくらかくしのような形状であり、そのフィンガの間の間隔は冷却チャネルを形成している。しかしながら、本発明はこの形状に限定されない。ここでの説明に基づき、当業者は、伝熱板（くし）があらゆる様々な形状で実施されることができることを理解するであろう。例えば、制限なしに、伝熱板１００及び／又は２００は円形又は楕円形であってよく、チャネル１０２は伝熱板の外縁に沿って形成される及び／又は伝熱板にチャネル２０２が形成される。１つ以上のこのような円形又は楕円形の伝熱板は、管状の熱伝導体内に配置されることができ、この熱伝導体を冷媒流体が流過する。
【００３７】
伝熱能力をさらに高めるために、複数の伝熱板が使用される。例えば、図６及び図７は、熱交換器６００の斜視図であり、この熱交換器は、ハウジング６０２と、入口６０４と、出口６０６と、熱交換器コア６０８とを含んでいる。熱交換器コア６０８は、図９を参照して以下に説明するように、アコーディオン形式で互いに結合された複数の伝熱板１００を有している。アコーディオン形式の実施は、多数の伝熱板が比較的小さな空間に配置されることを許容する。しかしながら、本発明はアコーディオン形式の実施に限定されない。ここでの説明に基づき、当業者は、その他の多数の伝熱板の配列が実施されることができることを理解するであろう。本発明の利点と、性能及びコストに関して伝熱板（くし）の数に影響するためのＬ／Ｄ比の柔軟性とがすぐに認められるであろう。熱交換器長さも、全体的な幾何学的形状も、必ずしも全体的な伝熱能力を制限するわけではない。この結果は我々の幾何学的パラダイムシフトによるものであり、この幾何学的パラダイムシフトにおいて、我々が全体的熱交換器寸法及び長さから慣用のＬ／Ｄ比知識を分離するのに成功した。
【００３８】
図６及び図７において、チャネル１０２の上部を取り囲むためにハウジングカバー（図示せず）が伝熱板１００の縁部に接触している。コア６０８、及びハウジング６０２内のキャビティ全体は、選択的に、熱安定性のための冷媒流体に浸漬されている。
【００３９】
図９は、熱交換器６００の上面図であり、伝熱板１００は端部板９０２によって互いに結合されている。矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
【００４０】
熱交換器モジュールから出る前に冷媒がより高温の流体と混合されこの流体を冷却するために、端部板９０２には選択的な水抜き穴が形成されている。選択的な水抜き穴は、以下で説明する図１０に例示されている。
【００４１】
図６に戻ると、実質的にジッターを生じない層状入口条件を維持するために、入口６０４及び／又は出口６０６は選択的にハニカム流量レギュレータを有している。
【００４２】
図１０は、熱交換器６００の斜視図であり、この熱交換器はさらに２つのコア６０８ａ及び６０８ｂを有している。この例において、冷媒流体は、入口６０４を通って中央キャビティ１００２に流入し、次いで、コア６０８ａ及び６０８ｂを通り、第１及び第２の出口６０４ａ及び６０４ｂから流出する。
【００４３】
上の例は、壁／くしの迷路を示しており、これらの迷路は、冷媒を微小なチャネルを介して分配するために案内する。熱的要求に応じて、チャネルの数は数百から何万であることができる。集合的に、チャネルは、市場に出回っている慣用のマクロ熱交換器又はその他の形式のマイクロ熱交換器よりも、伝熱接触面積の数オーダの増大を提供する。
【００４４】
あらゆる流体との有効に大きな表面積接触を考えると、この“熱交換器”概念は、流体ろ過システムとして二倍になることもできる。当業者は、血液ろ過／吸収の分野における適用を容易に考えることができる。場合によっては、より大きなより慣用的な透析フィルタを交換する。
【００４５】
外部供給／戻しペリメータ及び熱交換器コアは、選択的に、熱的安定性のために、リフレッシュされた冷媒に浸漬されている。
【００４６】
ＩＩＩ．寸法の例
本発明による熱交換器は、Ｌ／Ｄ比が１００未満、通常は１以下、であるならば、様々な寸法のうちの１つ以上を有する様々な数のチャネルを用いて実施されることができる。チャネルの数及びチャネルの寸法の例は、典型的な目的のために以下に提供される。以下の例は、タッカーマンによって教えられた１０ｍｍよりもはるかに低い、マイクロメートルの範囲の長さを有するチャネルを利用する。所望のＬ／Ｄ比を得るために、以下のチャネルの幅及び高さの例はマイクロメートルの範囲にある。他方、我々のチャネルくしの数は、タッカーマンの熱交換器モジュールの引用された寸法から独立している。我々のチャネルの数を増大することは概して熱交換器の伝熱能力を増大する。さらに、チャネルのうちの１つ以上は、互いに異なる寸法を有することができる。しかしながら、本発明は、ここに提供された寸法の例に限定されない。ここでの教えに基づき、当業者は、その他の寸法及び結果的な性能が実施されることができることを理解するであろう。
【００４７】
第１の実施態様において、熱交換器は、タッカーマンの８８と比較して５８５０個の流れチャネルを備えている。我々のチャネルの数は、チャネル寸法がナノメートル範囲まで減じられたあらゆる慣用の手段によって達成されているのではなく、我々の幾何学的パラダイムシフトを実施することによって達成されている。我々の各チャネルの長さ（板状のくしの厚さ）は約５７マイクロメートルであり、幅７５マイクロメートル×高さ（板状くしのフィンガの間隔）１５０μｍの流過断面積を有しており、これは、タッカーマンの流過面積の約半分であるが、ほぼ等しい水力寸法を有している。我々の基板材料の厚さは７５マイクロメートルであるのに対し、タッカーマンの場合は５７マイクロメートルである。タッカーマンのシステムと同じ技術水準を使用してリソグラフィ式に達成可能なこの幾何学的実施態様により、Ｌ／Ｄ比は、タッカーマンの値の１００から２まで減じられている。
【００４８】
２の値は、タッカーマンのＬ／Ｄ比をファクタ５０だけ減じ、同じレイノルズ数及び流量の場合、有効伝熱係数をファクタ７だけ増大させる。このことは、吸収される熱をファクタ７だけ増大させる。さらに、チャネルの数を、タッカーマンの数の６６倍よりも多いファクタだけ増加させることにより、熱を吸収する表面積能力は、有効にさらに５倍だけ増加される。換言すれば、この新たな概念は、この例の場合、タッカーマンの熱交換器の合計熱吸収能力を３５倍に改善している。新たな熱交換器概念は、位相変化冷却システムに匹敵する熱レベルにおいて働くが、冷媒流体を沸騰させたり位相を変化させる必要はない。
【００４９】
限定ではなく例として提供される本発明の第２の実施態様において、熱交換器は１４７０個の流れチャネルを備えており、これらの各チャネルの長さは８３マイクロメートル、幅は５７マイクロメートル、高さは１５０マイクロメートルであり、各チャネルの間に５７マイクロメートルの基板材料が存在している。この実施態様によれば、Ｌ／Ｄ比はほぼ１まで減じられている。このことは、Ｌ／Ｄ比をタッカーマンよりもファクタ１００だけ低減し、同じレイノルズ数の場合に有効伝熱係数をファクタ９だけ増大させる。全体的な生産は、吸収される熱のファクタ９の増大である。さらに、チャネルの数はファクタ１７以上増大させられ、これにより、熱を吸収するための表面積能力をさらに１．３倍増大させる。したがって、本発明は、この例において、タッカーマンの熱交換器の伝熱能力を１１．７倍に改善する。
【００５０】
しかしながら、本発明は、上に提供された典型的な寸法に限定されない。本発明の１つ以上の実施に関連した付加的な特徴が、以下に説明される。
【００５１】
本発明は、ほとんどの層流用途の場合、１０分の１のオーダのｐｓｉの、また、乱流用途の場合、数ｐｓｉのオーダの、比較的低い圧力降下を提供する。
【００５２】
本発明は、吸収される匹敵する熱負荷のための別のタイプのマイクロチャネル装置の冷却能力の約１０分の１を必要とする高効率層状冷却熱交換器として実施されることができる。低減された流量と、層状構成との組み合わせは、極めて低いジッターの装置を生じる。
【００５３】
本発明は、不均一な熱負荷を受けながら熱交換面に亘って対称的な温度分布を生じるために冷却対称性を提供するように実施されることができる。
【００５４】
本発明による熱交換器設計は、表面温度対称性を提供しながら、非対称熱負荷に適応するように調整されることができる。
【００５５】
本発明による熱交換器は、例えば、前面及び後面から２つの熱負荷を同時に吸収するように構成されることができる。
【００５６】
本発明は、シリコン又は炭化珪素複合材料、セラミックマトリックス複合材料、金属マトリックス複合材料、炭素−炭素複合材料、ポリママトリックス複合材料、及び／又はこれらの組み合わせを含む様々な半導体材料、複合材料及び／又はそれらの組み合わせから形成されることができるが、これらに限定されない。本発明は、熱膨張係数、剛性及び強度に関してシリコン及びその他のこのような材料と両立可能である。
【００５７】
本発明による熱交換器は、流体位相変化なしに層流モードで５００ワット／ｃｍ２（“Ｗ／ｃｍ２”）にほぼ等しい冷却能力を提供するように実施されることができる。層流モードは、比較的小さなジッターを生じる又は全くジッターを生じない。このような熱交換器は、多くの用途に適しており、特にＳＬＭを冷却するような光学的環境に適している。
【００５８】
図１２は工学グラフであり、本発明の伝熱能力及び、どのように伝熱値が、層流レイノルズ数領域範囲で“ｊ因子”を利用することによって達成されるか、を示している。本発明の重要なファクタは、比較的小さな、長さ対水力直径比（Ｌ／Ｄ）、例えばほぼ１の比を有する形式で熱交換器ジオメトリを構成する独特な能力である。これは、“ｊ因子”が、高い吸収熱負荷を生じる、伝熱係数のための大きな値を生じるために最大に近い場合である。
【００５９】
図１３は、本発明による熱交換器が、沸騰した流体と匹敵する冷却性能を提供するように実施されることができることを示すグラフであり、５０〜１００Ｗ／ｍ２−Ｋのオーダの層流伝熱係数を生じる。
【００６０】
ＩＶ．リソグラフィ実施例
本発明による熱交換器は、光学的、電気的及び／又は機械的装置、及び／又はこれらの組み合わせを含む、様々な形式の装置から熱を伝達するために利用されることができる。例えば、本発明による熱交換器は、限定することなく、空間光変調器（ＳＬＭ）チップ等の個々に制御可能なエレメントのアレイを冷却するためにリソグラフィシステムにおいて実施される。
【００６１】
図１４は、熱交換器が実施されることができるリソグラフィ装置１４００の例のブロック図である。装置１４００は、放射系１４０２と、個々に制御可能なエレメントのアレイ１４０４（例えばＳＬＭのアレイ）と、物体テーブル１４０６（例えば基板テーブル）と、投影系（レンズ）１４０８とを有している。
【００６２】
動作中、光源１４１２（例えばエキシマレーザ）は放射のビーム１４２２を生ぜしめる。放射のビーム１４２２は放射系１４０２に提供され、この放射系は放射の投影ビーム１４１０（例えばＵＶ放射）を出力する。
【００６３】
より具体的には、放射のビーム１４２２は、直接に又は、例えばビーム拡大器１４２６等のコンディショニング装置を横切った後に、照明系（照明装置）１４２４へ送られる。照明装置１４２４は選択的に調整装置１４２８を有しており、この調整装置は、ビーム１４２２の強度分布の外部及び／又は内部の放射範囲を設定する。照明装置１４２４は通常、インテグレータ１４３０及びコンデンサ１４３２等の様々なその他の構成部材を有している。結果的な投影ビーム１４１０は、横断面で見て所望の均一性及び強度分布を有している。
【００６４】
ビーム１４１０は次いでビームスプリッタ１４１８によって方向付けられた後、個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイ（例えばプログラム可能なミラーアレイ）をインターセプトする。個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイは投影ビーム１４１０にパターンを提供する。
【００６５】
個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイの位置は選択的に投影系１４０８に対して固定される。択一的に、個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイは、個々に制御可能なエレメント１４０４を投影系１４０８に対して位置決めする位置決め装置（図示せず）に結合されている。ここに示されているように、個々に制御可能なエレメント１４０４は、空間光変調器等の反射型である（例えば、個々に制御可能なエレメントの反射アレイを有している）。
【００６６】
個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイは、パターン付けされたビーム１４１０をビームスプリッタ１４１８を介して投影系１４０８へ方向付ける。投影系１４１８はパターン付けされたビーム１４１０を物体テーブル１４０６へ方向付ける。
【００６７】
物体テーブル１４０６は通常、レジストコーティングされたシリコンウェハ又はガラス基板等の基板１４１４を保持する基板ホルダ（図示せず）を有している。物体テーブル１４０６は選択的に位置決め装置１４１６に結合されており、この位置決め装置は、基板１４１４を投影系１４０８に対して調整可能に位置決めする。
【００６８】
投影系１４０８は、ビームスプリッタ１４１８から受け取られたパターン付けされたビーム１４１０を基板１４１４のターゲット部分１４２０（例えば１つ以上のさいの目）に投影する。投影系１４０８は選択的に、個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイの像を基板１４１４上に投影する。択一的に、投影系１４０８は、二次光源の像を投影し、この二次光源のために、個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイのエレメントはシャッターとして作用する。
【００６９】
個々に制御可能なエレメント１０４のアレイの付加的な詳細がここで説明される。図１５は、個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイを実施するために使用される空間光変調器の例としてのアレイ１５００の上面図である。個々に制御可能なエレメント１４０４のアレイは、１つ以上のアレイ１５００を含んでいる。空間光変調器は例えば米国特許第５３１１３６０号明細書に記載されており、この米国特許明細書は引用により本明細書に全体が記載されたものとする。
【００７０】
図１５の例において、アレイ１５００は、ミラー付きエレメント１５０４の８×８のアレイを有しており、ミラー付きエレメントは、領域１５０２に配置された駆動装置によって個々に制御される。その他のアレイ寸法を使用することもできる。例えば、制限することなく、５１２×５１２又は１０２４×１０２４のアレイを使用することができる。実施形態において、アレイ１５００のそれぞれのミラー付きエレメント１５０４は、一連の細長い変位可能部材１６０２（図１６）を有している。変位可能部材１６０２は、例えば、変位可能部材１６０２に隣接したサンプル及び保持回路１７０２（図１７）によって制御されることができる。
【００７１】
動作中、アレイ１５００において方向付けられたビーム１４１０（図１４）はアレイ１５００内で熱を発生する。したがって、本発明による熱交換器がアレイ１５００と物理的に接触するように配置される。熱交換器は、アレイ１５００の後面に取り付けられることができる。この後面は、ミラーエレメント１５０４が取り付けられている前面とは反対側に位置している。択一的に、又は付加的に、熱交換器はアレイ１５００の１つ以上の側面に取り付けられる。個々に制御可能なエレメント１４０４が多数のアレイ１５００を有している場合、１つ以上の熱交換器が、個々に制御可能なエレメント１４０４の１つ以上の面に取り付けられる。
【００７２】
図１８は、ＳＬＭ１８０４を冷却するための第１の熱交換器１８０２と、ＳＬＭ１８０４に関連した回路を冷却するための第２の熱交換器１８０６とを使用するＳＬＭ／熱交換器システム１８００のブロック図である。熱交換器１８０２及び１８０６は本発明に従って実施されている。
【００７３】
図１９は、ＳＬＭ１８０４及び第１及び第２の熱交換器１８０２及び１８０４を含む、ＳＬＭ／熱交換器システム１８００の別のブロック図である。
【００７４】
結論
本発明の様々な実施態様が上に説明されたが、それらは単なる例であって、限定ではないことが理解されるべきである。したがって、本発明の広さ及び範囲は、上記の典型的な実施態様のいずれによって限定されるべきではなく、請求項及びその均等物のみに従って定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】発明の実施態様による、チャネル１０２を有する例示的な伝熱板１００の斜視図である。
【図２】発明の実施態様による、チャネル２０２を有する伝熱板２００の斜視図である。
【図３】伝熱板１００の縁部に沿って形成された複数のチャネルを有する、伝熱板１００の斜視図である。
【図４】伝熱板の２つの向き合った縁部に沿って形成された複数のチャネルを有する伝熱板１００の斜視図である。
【図５】伝熱板２００を貫通して形成された複数のチャネル２０２を有する伝熱板２００の斜視図である。
【図６】発明の実施態様による、ハウジング６０２と、入口６０４と、出口６０６と、熱交換器コア６０８とを有する熱交換器６００の斜視図である。
【図７】熱交換器６００の別の斜視図である。
【図８】図４に示された伝熱板１００の別の斜視図である。
【図９】熱交換器の上面図であり、伝熱板１００は端部プレート９０２に結合されている。
【図１０】熱交換器６００の斜視図であり、さらに２つのコア６０８ａ及び６０８ｂを有している。
【図１１】慣用のマイクロ熱交換器１１００の斜視図である。
【図１２】どのように本発明の伝熱能力値が達成されるかを示したグラフである。
【図１３】本発明の伝熱能力を慣用の能力に対して示したグラフである。
【図１４】我々の熱交換器の概念を形成するために使用される例示的なリソグラフィ装置のブロック図である。
【図１５】空間光変調器の例示的な配列の上面図である。
【図１６】空間光変調器の配列の例示的なエレメントの斜視図である。
【図１７】空間光変調器の配列の例示的なエレメントの別の上面図である。
【図１８】本発明の態様による、ＳＬＭ１８０４を冷却するための第１の熱交換器１８０６と、ＳＬＭ１８０４に関連した回路を冷却するための第２の熱交換器１８０６とを利用するＳＬＭ／熱交換器システム１８００のブロック図である。
【図１９】発明の実施態様による、ＳＬＭ／熱交換器システム１８００の別のブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００，２００  伝熱板、  １０２，２０２  チャネル、  ６００  熱交換器、  ６０２  ハウジング、  ６０４  入口、  ６０６  出口、  ６０８  熱交換器コア、  ９０２  端部板、  １４００  リソグラフィ装置、  １４０２  放射系、  １４０４  ＳＬＭ、  １４０６  物体テーブル、  １４０８  投影系、  １４１０  投影ビーム、  １４１２  光源、  １４１４  基板、  １４２０  ターゲット部分、  １４２２  ビーム、  １４２４  照明系、  １４２６  ビーム拡大器、  １４２８  調整装置、  １４３０  インテグレータ、  １４３２  コンデンサ、  １５００  アレイ、  １５０２  領域、  １５０４  ミラー付きエレメント、  １６０２  変位可能部材、  １７０２  サンプル及び保持回路、  １８００  ＳＬＭ／熱交換器システム、  １８０２，１８０６  熱交換器、  １８０４  ＳＬＭ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
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