(57)【要約】  光電子装置当の電子部品を冷却するための方法並びに装置に関する。方法は、電子部品からの熱を受け取ることができる多孔性部材を配置し、多孔性部材に供給された冷却剤の気化の結果として、多孔性部材から熱を除去する工程を含む。この方法では、電子装置から多孔性部材への熱流を引き起こす温度勾配が形成され、これにより電子装置が冷却される。
2007527619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却すべき電子部品を用意し、
電子部品からの熱を受容可能な多孔性部材を配置し、
当該多孔性部材からの冷却剤の気化の結果として多孔性部材から熱を除去することで、電子部品から多孔性部材への熱流を起こすための温度勾配を生じさせ、それにより電子部品を冷却するステップを含む電子部品の冷却方法。
【請求項２】
冷却剤を多孔性部材の外表面上に直接供給するステップを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
冷却剤の供給ステップは冷却剤を噴流することで実現されることを特徴とする請求項１もしくは２記載の方法。
【請求項４】
冷却剤を多孔性部材の内部へ供給するステップを有することを特徴と先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項５】
冷却剤の供給は、制御ユニットにより受け取られた温度依存信号に依存して制御ユニットにより制御されることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項６】
冷却剤は、電子部品の駆動電力に応じて、制御ユニットにより制御されることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項７】
冷却剤が常温、常圧で気体であることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
冷却剤が常温以下の温度で供給されることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項９】
冷却剤が加圧下で貯蔵されていることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１０】
多孔性部材と冷却剤とは、多孔性部材が冷却剤を保持することができるような特性を有することを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１１】
多孔性部材は、単位センチメートル当たり、気孔が４個乃至４０個である気孔率を有することを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１２】
多孔性部材は固体発泡体であることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１３】
多孔性部材は、少なくとも一方向において５０Wm−１K−１よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１４】
電子部品は、電子装置の一部であり、電子装置の少なくとも一部は多孔性であり、当該多孔性部材の少なくとも一部を形成することを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１５】
電子部品は半導体装置であることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１６】
半導体装置は基板を有し、当該基板は気孔を含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
電子部品は、２００ｎｍ乃至１００００ｎｍの範囲の波長を有する電磁波を放射するように構成された放射素子であることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１８】
電子部品の少なくとも一部は常温以下の温度に冷却されていることを特徴とする先のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１９】
多孔性部材と、冷却剤源と、使用中に、冷却剤を冷却剤源から多孔性部材と接触するようにパルス状に供給するように構成されたディスペンサーとを備え、使用中に多孔性部材は電子部品から熱を受け取ることができ、さらに、使用中にこのような電子部品が、多孔性部材からの冷却材の気化の結果として冷却されるように構成された、電子部品を冷却するための装置。
【請求項２０】
電子部品から多孔性部材へ熱を伝導するための熱スプレッダーをさらに有することを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記装置の使用期間中、電子部品の冷却を制御するための制御ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１９もしくは２０記載の装置。
【請求項２２】
感知温度が閾温度以上であった場合に、制御ユニットは電子部品の動作を抑えるように構成されたことを特徴とする請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
多孔性部材と、使用中に、冷却剤を冷却剤源から多孔性部材と接触するようにパルス状に供給することができるように構成されたディスペンサーとを備え、使用中に多孔性部材は電子部品から熱を受け取ることができ、さらに、使用中にこのような電子部品が、多孔性部材からの冷却材の気化の結果として冷却されるように構成された、電子部品を冷却するための装置。
【請求項２４】
請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法または請求項１９乃至２３のいずれかに記載の装置により冷却されるように構成された電子部品を含む電子装置。
【請求項２５】
高強度発光半導体部品を有し、当該半導体部品が請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法または請求項１９乃至２３のいずれかに記載の装置により冷却されるように構成されたことを特徴とする発光装置。
【請求項２６】
多孔性部材と熱スプレッダーとを含んだ部品キットであって、当該部品キットは、請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法または請求項１９乃至２３のいずれかに記載の装置に適宜使用されるように構成されたことを特徴とする部品キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の冷却方法、および、このような方法を実現するための装置に関する。また、本発明は、特にではあるが、排他的ではなく、高輝度発光ダイオードや半導体レーザ等のオプトエレクトロニクス装置の冷却に適応するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品はその動作中に冷却することが望ましい。冷却により、効率が向上し、実用上取得可能な最大の出力、例えば電力出力を得ることができ、さらに・もしくは電子部品の動作状態での寿命も長くすることができる。多数の電子部品は、それらの使用中、冷却を目的としてヒートシンク上に設置されている。このようなヒートシンクは、電子部品からヒートシンクへの熱伝導、さらにその後のヒートシンクから周辺部への熱伝導により電子部品を冷却するのが一般的である。いくつかの応用分野では、ファンを利用してヒートシンクに空気を通すことで冷却効果を高めている。他方、例えば循環冷媒を含んだ冷凍ループと、凝縮器および・または拡張弁を利用した従来の冷凍技術を用いたより複雑な冷却システムが提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、電子部品の動作中に当該電子部品を冷却するための、改良された冷却方法並びに装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、ｉ）冷却すべき電子部品を用意し、ｉｉ）電子部品からの熱を受容可能な多孔性部材を配置し、ｉｉｉ）当該多孔性部材からの冷却剤の気化の結果として多孔性部材から熱を除去することで、電子部品から多孔性部材への熱流を起こすための温度勾配を生じさせ、それにより電子部品を冷却するステップを含む電子部品冷却方法を提供する。
【０００５】
このように多孔性部材を設けたことにより、冷却剤が蒸発可能な比較的大きな表面積が与えられる。表面積を増やせば、一般的にはより多くの冷却剤の蒸発が容易となり、したがってより多くの熱の除去も可能となる。ある一定の容積に対して、多孔性部材は、固体物に比較して極めて大きな表面積を有している。
【０００６】
従って、ヒートシンクと接触した冷却剤の気化を利用して、従来の固体ヒートシンクを冷却する冷却システムと比較して、多孔性部材を利用した本発明では、より大きな熱除去速度を得ることができる。
【０００７】
液体から蒸気あるいは気体へ変化する冷却剤や様々な機構のどれかによって、多孔性部材から熱が除去されると理解されている。例えば、潜熱を与えることで蒸発が生じ、これにより冷却剤が蒸気または気体状態に変わることで多孔性部材から熱が除去されることになる。冷却剤は、沸騰させることでも気体に変えることができる。従って、当然の事として、用語“気化”は、その意味内において、蒸発や沸騰を限定することなく含んだ熱除去に対するすべての機構を含むのである。ここで利用する他の関連用語、例えば、“気化する”も同様な意味を含むものである。
【０００８】
さらに、この方法は冷却剤を多孔性部材に供給するステップを含むことが好ましい。冷却剤は吹き付けることで有効に供給することができる。例えば、冷却剤を多孔性部材の表面に直接供給してもよい。冷却剤と多孔性部材との利点は、多孔性部材の表面上の冷却剤が多孔性部材により吸着されるという特性を有することである。冷却剤が供給される表面は（当該表面と多孔性部材の外部とが自由にコミュニケーションができるように）、外部表面、すなわち、多孔性部材もしくは他の任意の手段によりその全体が囲まれてはいない表面であってもよい。もしくは、当該表面は、多孔性部材の内部にあり、全体が囲まれた表面であってもよい。例えば、冷却剤は多孔性部材の内部に注入してもよい。
【０００９】
冷却剤の供給速度を実質的に周期的に変化させてもよい。冷却剤はパルス状に供給してもよい。比較的低流速ではそうであるが、比較的高流速のパルスとパルスの間においても、多孔性部材への冷却剤の供給が幾分あるようにパルス状に冷却剤を供給してもよい。冷却剤をパルス化した冷却パルスを電子部品に加える手段を設けてもよい。この場合、冷却剤のパルスを、電子部品に加える入力エネルギーパルス（例えば、電子部品の駆動電力パルス）に対して相対的に所定の時間供給してもよい。各冷却パルスは各エネルギーパルスを加える前に供給することが好ましい。
【００１０】
冷却剤の供給は、制御ユニットにより制御されることが好ましい。
制御ユニットは、冷却剤の気化速度を制御するように構成することが望ましい。冷却剤の供給は、制御ユニットに受信される温度依存信号に基づいて制御されてもよい。温度依存信号は、例えば、電子部品の一部の温度測定値もしくは当該部品と熱接触している部材の温度測定値であってもよい。冷却剤の供給は、電子部品が動作する態様に依存してもよい。例えば、冷却剤の供給は、電子部品の駆動電力に基づいて制御してもよい。この場合、冷却剤がパルス状に供給される場合、パルスのタイミングは制御ユニットにより制御されてもよい。パルスのタイミングは、例えば、電子部品への電力パルスのタイミングにより決まる。例えば、冷却剤パルスを電力パルスと同期させてもよい。このよう場合において、冷却剤パルスと電力パルスとが同時である必要はない。例えば、電力パルスを冷却パルスの後に遅らせてもよい。従って、制御ユニットは、このような冷却効果を得るために必要となるエネルギー、もしくは冷却剤を相対的に低く抑えながら冷却速度を制御することで、冷却効率を高めることができるであろう。制御ユニットは、初期時間経過後に、熱の除去速度が装置の動作により発生する熱生成速度と大まかに等しくなるような安定状態に達するように、気化速度を制御させるように構成することが望ましい。
【００１１】
冷却剤がパルス状に与えられる場合、その冷却パルスもしくは各冷却パルスは、一吹き出しの二酸化炭素（ＣＯ２）等の冷却ガスであってもよく、また、これらの冷却ガスは加圧されたガスカートリッジ等の適当な発生源から供給されてもよい。このシステムは、例えば、上述した制御ユニットの一部を構成し、電子部品への冷却パルスの印加を、電子部品へのエネルギーパルスの印加タイミングに関連して制御する制御機構を備えることが好ましい。また、この制御機構は、冷却パルスの大きさ及び・又は印加時間を制御するように構成されることが好ましい。また、制御機構は、電子部品への一エネルギパルスの印加の後、一冷却パルスを電子部品に印加する前に遅延制御を行うように構成されていてもよい。さらにまた、制御機構は、冷却パルスの印加と電子部品への次のエネルギーパルスの印加との間にも遅延制御を行うように構成されていてもよい。連続した電子部品へのパルス印加の間に、二つ以上の冷却パルスを加えてもよい。
【００１２】
電子部品は、動作中熱を発する能動部分を含んでいてもよい。能動部分はヒートシンクの一端に配置してもよく、当該ヒートシンクは反対側の他端が冷却されるように構成されている。多孔性部材の設置が任意である本発明のさらなる態様によれば、冷却パルスをヒートシンクの当該反対側の他端もしくはその近辺に印加することで、ヒートシンクを冷却してもよい。本発明のこの態様は、特に、電気エネルギーパルスにより駆動される電子部品の冷却に関連して適用される。従って、電子部品の能動部分にパルスが加えられる前の所定時間に冷却パルスを加えると、能動部分からヒートシンクを経由して当該ヒートシンクの冷却端（ヒートシンクの反対側の他端）へ熱伝導が生じることになる。これにより、電子部品の能動部分を冷却し、実際に能動部分にパルスが加えられたときに生じるのと実質的に同じ方向に、装置内に温度勾配が生成する効果が得られる。引き続いて電気パルスを電子部品の能動部分に印加すると、熱が発生するが、冷却パルスにより装置内に温度勾配が形成されており、また、低温度部分が能動部分とヒートシンクとの組み合わせ中に必須に存在するので、上述した冷却パルスの印加効果により、熱の除去が高められる。
【００１３】
（冷却剤をパルス的に与えることに関しての）本発明のこのような態様に応じて、電子部品（例えば、光電子部品）に対して冷却システムも設けられている。この冷却システムは、電子部品に加えられる入力エネルギーパルス（例えば、電子部品を駆動する電力のパルス）に対して、所定の時刻に当該電子部品に冷却パルスを印加するための手段（例えば、冷却剤源と制御可能弁とを備える）を備えている。冷却パルスは、例えば、電子部品、又はその一部や、ヒートシンク、あるいは電子部品と熱的に連通している他の装置（例えば、本発明に関してここで述べるような多孔性部材）に直接印加する。本態様の冷却システムは、エネルギー（加熱）パルスに関して適当に時間調整された適当な大きさの冷却パルスを導入することができ、これによりエネルギーパルスにより生じる電子部品のある領域での温度上昇が低減され（本態様の冷却システムを利用していない、もしくは接続されていない電子部品に比べて）、さらに、当該領域から（例えば、ここで述べる本発明の他の態様に従って、多孔性部材という形態でも可能なヒートシンクへの）熱移動速度が増加する。ここで述べたいかなる特徴、特に、冷却剤をパルス状に供給することに関連した特徴は、本発明の本態様において組み込むことができ、さらに、本発明の本態様に関して述べた特徴は、ここで述べる本発明の他の態様において組み込むことができる。
【００１４】
冷却剤は常温、常圧において気体であることが望ましい。しかしながら、冷却剤は常温、常圧において液体であってもよく、このとき、例えば蒸発を通して冷却剤が任意の有意義な速度で気化するためには、多孔性部材が大気温度よりも高い温度である必要がある。冷却剤は、−３０℃以下の凝固点を有することが望ましい。また、冷却剤は、常温以下の温度で、多孔性部材に供給されることが望ましい。ここで、常温を室温としてもよく、また、常温を、単純に摂氏25度としてもよい。冷却剤は加圧下で保管してもよく、また、冷却剤は冷媒であることが望ましい。冷却剤は、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）であってもよく、また、冷却剤は、例えば、テトラフルオロエタン及び・又はヘプタフルオロプロパンであってもよい。大気圧下での冷却剤の沸点は、摂氏１００度未満であることが望ましく、摂氏１００度よりも極めて低いことが好ましい。例えば、沸点は摂氏５０度未満であってもよく、また、沸点は摂氏３０℃以下であることが望ましい。さらに、多孔性部材の温度を、特に通常の動作温度未満の温度に維持できることが好ましい。また、特に電子部品の非冷却動作温度未満の温度に維持できることがより好ましく、もちろん、電子部品から固形の多孔性部材への熱の流れを生じる温度勾配を形成できるのに充分な温度に維持できることが望ましい。大気圧下での冷却剤の沸点は摂氏零度未満であってもよい。沸点は、摂氏マイナス２０度未満であってもよい。
【００１５】
多孔性部材並びに冷却剤は、多孔性部材が冷却剤を保持できるような特性を有するものであってもよい。例えば、冷却剤は、多孔性部材内に形成される気孔もしくは自由空間に保持されてもよい。従って、冷却剤を連続的に供給する必要はない。それどころか、多孔性部材を固体金属ヒートシンクで置き換えた場合、当該固体金属ヒートシンクはいかなる液体も吸着できず、液体は固体金属ヒートシンクの外表面とのみ接触するだけになる。従って、このような固体ヒートシンクに供給された過剰の液体は、ただ周辺へ失われるだけか、又は、廃材として貯留部へ回収されるだけとなる。
【００１６】
供給された冷却剤のすべてが多孔性部材に保持される必要はなく、また、冷却剤は無期限に保持されるものではない。供給された冷却剤の、例えば、少なくとも１０％（より好ましくは、少なくとも２５％）が液体として多孔性部材中に保持されてはいるが、多孔性部材中の液体冷却剤の大部分、例えば、好ましくは少なくとも５０％（より好ましくは７５％）が、液体として漏れるのではなく、気化により多孔性部材から離脱する。多孔性部材の内部構造は、局所レベル（例えば、顕微鏡レベル）において、その配向によって冷却方法の実効性能に顕著に影響を与えることがないように構成されているのが好ましい。例えば、この内部構造としては、軸対象とならないように構成されていてもよい。この冷却方法としては、その方法の実施期間中の平均として、多孔性部材内部の自由空間の少なくとも１０％に保持された液状冷却剤が充填されるように実施されることが好ましい。多孔性部材中への冷却剤の保持は、キャピラリ作用(毛管作用)もしくはウィッキング作用(灯心作用)により行われてもよい。また、多孔性部材中への冷却剤の保持は、多孔性部材と相互作用する液表面張力によって行われてもよい。本発明の実施形態によれば、多孔性部材はその内部構造内に冷却剤を保持することができるので、この冷却方法の実施中、多孔性部材の外部表面のいかなる部分も、供給される冷却剤と直接並びに連続して接触する必要はない。
【００１７】
冷却剤は多孔性部材にウィッキング作用により供給してもよい。例えば、冷却剤を、多孔性部材の上側及び・又は外側の領域で主に気化させ、さらに、多孔性部材の下側及び・又は内側で液状冷却剤を貯留するとよい。前記貯留領域が冷却剤で満たされていない場合は、多孔性部材に供給された過剰の冷却剤を単に多孔性部材の当該貯留領域に集めてもよい。従って、ウィッキング作用とは、気化速度に依存した速度で貯留領域から液状冷却剤を吸引するものであるといえる。従って、液状冷却剤の消費速度は、少なくとも限られた程度に自動制御されたものであり、その全消費量は、結果的に、このようなウィッキング作用により低減されであろう。また、冷却剤がパルス状に供給される場合、本発明の本態様による多孔性部材を用いたときの利点を、固体金属ヒートシンクを用いた場合と比較して説明する。固体金属ヒートシンクを一定の温度に維持するためには、冷却剤を短くて精密に制御された一連のパルスとして吹き付ける必要があるが、本発明の本態様によれば、多孔性部材は、冷却剤が表面までウィッキング作用をうけて蒸発するまで冷却剤を保持しているので、パルス間に長い保持期間を設定することができ、また、冷却剤をパルス化するのに細かな制御を必要としない。あるいは、又は、それに加えて、液状冷却剤の貯留体は、多孔性部材と接触させているが、外部ではそれに関連付けて形成してもよい。
【００１８】
多孔性部材は、気孔を規定する固体材料から構成されていてもよく、また、多孔性部材は、多数の互いに連結した気孔を規定する固体材料から構成されていてもよい。気孔は、隣接する気孔に対して液体を介して連通するという利点がある。多孔性部材は、その気孔率が、1センチメートル当たり４乃至４０００個の気孔を有するものであることが好ましく、また、１センチメートル当たり４乃至４０個の気孔を有することがより好ましい。これらの気孔は、材料中に実質的にランダムに分布していてもよい。多孔性部材は、平均直径が５０ミクロン以上、好ましくは２０００ミクロン以下の気孔を有することが好ましい。また、各気孔の形状は、細長くないのが一般的である。例えば、気孔の形状はほぼ近似的に球形としてもよい。各気孔の長尺部分の短尺部分に対する平均比は2未満であってもよい。また、多孔性部材の単位容積により取り囲まれた空間に対する自由空間（の容積）の比率は、５０％よりも大きいことが好ましく、また、６０％よりも大きいことがより好ましい。さらに、自由空間の比率は８５％未満であってもよい。多孔性部材は焼結金属の形態でもよいが、固体発泡体の形態、例えば、金属発泡体構造であることが好ましい。固体発泡体は、焼結金属よりも著しく高い気孔率を有するように作られている。
【００１９】
多孔性部材は、少なくとも一方向において、５０Ｗｍ−１Ｋ−１よりも高い熱伝導率を有する材料からなることが好ましく、１００Ｗｍ−１Ｋ−１よりも高いことがより好ましい。多孔性部材は金属材料、例えば銅からなるか、もしくは銅を含んで構成されていてもよい。多孔性部材は非金属材料からなるか、もしくは非金属材料を含んで構成されていてもよい。非金属材料は炭素であってもよい。多孔性部材は、例えば、グラファイトからなるか、もしくは、グラファイトを含んで構成されていてもよい。非金属材料はシリコンでもよい。多孔性部材は金属と非金属との混合体、例えば、アルミニウムとシリコンとの混合体からなっていてもよい。多孔性部材の組成は、その熱膨張特性が、多孔性部材が使用中に配置または固定される部材の熱膨張特性と合致するように選択することが有利である。例えば、電子部品が、多孔性部材が直接接合された半導体である場合、多孔性部材の熱膨張が電子部品の半導体材料の熱膨張に合致し、さらに、熱膨張のミスマッチにより生じる好ましくないストレスの可能性を低減することができるように、混合体が選択される。多孔性部材の熱伝導率は、多孔性部材の構造内でＣＶＤダイアモンド（化学気相蒸着ダイアモンド）を組み合わせることで効果的に高めることができる。
【００２０】
多孔性部材は相対的に硬いことが好ましい。例えば、多孔性部材は、冷却剤で満たされたときに、目に見える変形を起こすことなくそれ自身の重さを支えることができることが好ましい。
【００２１】
多孔性部材は相対的に柔軟であることが望ましい。例えば、多孔性部材は、使用中にそれが配置もしくは固定される部材に関して膨張及び・又は収縮できることが望ましい。例えば、電子部品が多孔性部材が直接接合される半導体であった場合、多孔性部材は、半導体と多孔性部材との界面において発生する好ましくないストレスの可能性を低減する程度に、半導体の熱膨張によるその動きを吸収できるほどの充分な柔軟性を有することが好ましい。このような望ましくないストレスは、例えば、多孔性部材と電子部品（もしくは、例えばヒートシンク）との界面での部分的又は総合的な破損を引き起こすことになり、これにより当該界面における熱伝導率の低下をきたすことになる。多孔性部材が好ましく相対的に硬い場合は、多孔性部材の硬さに関しては、その構造的な安定性を与えるのに必要な程度にのみ（全使用期間中、多孔性部材がその一般的な形状、形態を保持するように）、硬いことが好ましく、また、ある程度の柔軟性を有することでの利益を損なうことがない程度に硬くないことが望ましい。
【００２２】
電子部品が、多孔性部材が直接接続される半導体である場合、半導体装置の基板は気孔を有するものでもよく、これにより冷却剤は半導体装置のアクティブな熱発生部にできるだけ接近することができる。これは、例えば、通常の半導体基板を多孔性基板に置き換えることで達成できる。
【００２３】
本発明の方法は、開ループシステムにおける多孔性部材に冷却剤を供給するように実施されることが好ましい。開ループ冷却システムは、冷却剤が閉ループ中を循環する閉ループシステムとは異なるものである。本発明によれば、多孔性部材は外気に直接通気されるように配置されている。このようにして、少なくとも冷却剤の一部が気化により周辺へ離脱することができる。このような開ループシステムを用いる利点としては、液状冷却液をシステムに戻すための凝縮機構が不要となることである。しかしながら、本発明で述べた原理を利用した閉ループ冷却システムを設けることもできる。
【００２４】
冷却方法は、多孔性部材を介して冷却剤を汲み上げるステップを不要とするように行われることが好ましい。
【００２５】
電子部品から多孔性部材への熱伝導は熱スプレッダーを介して行われてもよい。電子部品はヒートシンク上に配置されていてもよい。ヒートシンクはこのような熱スプレッダーに接続されていてもよい。しかしながら、電子部品は多孔性部材に直接接続されているのが好ましい。例えば、多孔性部材はヒートシンクとして作用することが望ましい。多孔性部材は、電子部品の熱発生部に直接隣接して、好ましくは直接接触するように配置されてもよい。この場合、熱を極端に迅速に取り除くことができるので、例えば、高出力パルス発光ダイオードやレーザダイオード素子の場合のように、電子部品を短い期間に極端に高電力レベルで駆動することができる。このような場合、冷却剤は電子部品の熱発生部に直接隣接させた多孔性部材のある領域に供給することが好ましい。多孔性部材を電子部品の熱発生部に直接接触して配置することに加えて、さらに、電子装置が基板を有する場合は、基板それ自身に気孔を設けることで、冷却剤を電子装置の熱発生部へできるだけ近づけることができる。
【００２６】
電子部品は半導体装置であってもよい。半導体装置は多孔性基板を有してもよい。
電子部品は、例えば、２００ｎｍ乃至１００００ｎｍ範囲、より好ましくは２００ｎｍ乃至２０００ｎｍ範囲の波長を有する電磁波を放射するように構成された放射素子であってもよい。電子部品は可視光を放射するように構成された放射素子であってもよい。また、電子部品は、高出力装置、例えば高出力半導体装置であってもよい。本発明の本態様に関わる記載中、“高出力”とは、装置が有効または効率的に動作することが可能なように、装置が積極的に冷却される必要があるほどの高電気パワーや、または、通常の動作出力以上の出力において、装置が動作することができるためには冷却を必要とするほどの高出力を意味している。装置が電気通信回路で利用される装置である場合、例えば、装置がトランジスタの場合、高出力は１０ワットよりも大きなパワーを意味する。もし装置が、レーザダイオードや、高出力発光ダイオード等の発光装置である場合は、高出力は単位発光装置に対して５０ミリワットよりも大きなパワーを意味している。電子部品はより大きな回路の一部を構成するものであってもよい。
【００２７】
この方法は、好ましくは電子部品の少なくとも一部が摂氏１００度以下、より好ましくは常温以下に冷却されるように実施される。また、この方法は、多孔性部材の少なくとも一部が常温以下、より好ましくは摂氏ゼロ度以下、さらにより好ましくは摂氏マイナス１０度以下に冷却されるように実施してもよい。
【００２８】
本発明は、特に電子部品の冷却に応用されるものであり、この場合、電子部品の動作中に、電子部品の主に発熱に関わる部分は相対的に大きな熱エネルギー密度を与えるものではなるが、大きさ的には相対的に小さい。電子部品の発熱部分は、例えば、１立方センチメートル未満の体積を持つものである。電子部品それ自体は、例えば、１００立方センチメートル未満の体積を有するものである。
【００２９】
本発明は、本発明の方法を実現するための装置をも与えるものである。本発明の電子部品冷却用装置は、多孔性部材と、冷却剤源と、その使用中に、冷却剤を多孔性部材と接触するように冷却剤源から供給するように構成されたディスペンサーとを備え、さらに、装置は、使用中に多孔性部材が電子部品から熱を受け取ることができ、さらに、使用中、多孔性部材からの冷却剤の気化の結果として、このような電子部品を冷却することができるように構成されている。
【００３０】
装置は、電子部品から多孔性部材へ熱を伝導する熱スプレッダーを備えていてもよい。熱スプレッダーは、例えば、電子部品上の相対的に小さな領域から相対的に大きな領域に熱を伝達するように構成された適当に成形された金属装置という形態であってもよい。熱スプレッダーは、銅金属からなる、もしくは、銅金属を含んで構成されていてもよい。熱スプレッダーは、好ましくは、電子部品から離れた熱伝達路に対しては高い熱抵抗を与えないように配置もしくは構成されている。
【００３１】
装置には制御ユニットを設けることが好ましい。制御ユニットは、例えば、マイクロプロセッサであってもよい。制御ユニットとしては、装置の使用期間中、電子部品の冷却を制御するように構成されていることが有用である。また、制御ユニットは、感知温度が閾温度以上であった場合に、電子部品の動作を抑えるように構成されていてもよい。感知温度は、例えば、電子部品のある領域の温度を表すものであってもよい。あるいは、感知温度は電子部品の温度に依存するようにしてもよい。例えば、感知温度は、電子部品に接続した熱スプレッダー又は他の装置の温度を表すものであってもよい。
【００３２】
また、装置を、単純に電子部品を連続して冷却するように構成してもよい。しかしながら、好ましくは、装置を、光源の一部の温度もしくはその領域内での温度を予め設定した範囲内に維持するように構成してもよい。制御ユニットを、例えば、熱電対装置からなるような温度センサから、感知温度に関わる入力信号を得るように構成してもよい。温度センサは、できるだけ電子部品に近接するように配置することが好ましい。また、制御ユニットを、温度センサからの入力信号に依存して、装置の少なくとも一部が動作するように構成することが好ましい。例えば、装置を、電子部品の温度を制御するためにフィードバック構成で動作させることができる。また、制御ユニットは、感知温度を摂氏１５度未満の温度、より好ましくは摂氏０度未満の温度に維持するように構成されていてもよい。また、このときの温度を、実質的に摂氏マイナス４０度からマイナス１０度の範囲内、便宜的には実質的に摂氏マイナス２５度からマイナス１０度の範囲内に維持してもよい。温度が所望温度範囲外であると制御ユニットが検出した場合に、温度が所望温度外であることを制御ユニットが警告するように当該制御ユニットを構成してもよい。このような動作は、視覚的或いは聴覚的報知のような警告を行うものでもよく、また、単に、少なくとも一時的に電子部品の動作を停止するようにしたものでもよい。
【００３３】
本発明の装置は、冷却剤から分離して設けてもよい。従って、本発明では、さらに、電子部品を冷却する装置であって、当該装置は、多孔性部材と、使用中、冷却剤源から冷却剤を多孔性部材に接触するように供給することが可能なように構成されたディスペンサーとを備え、使用中に多孔性部材が電子部品から熱を受けることができ、さらに、多孔性部材からの冷却剤の気化の結果として電子部品を冷却することができるように構成されているものである。本発明の一態様による装置は、さらに、冷却剤源を有してもよい。
【００３４】
本発明では、さらに、ここで述べる本発明の任意の態様による方法、もしくは装置によって冷却されるように構成された電子部品を含む電子装置を与えるものである。
本発明によれば、高強度の発光半導体素子を含む発光装置であって、半導体素子はここで述べた本発明の任意の態様による方法、もしくは、装置によって冷却されるように構成されたものである。
【００３５】
さらに、本発明は、多孔性部材と熱スプレッダーとを有するパーツキットを与えるものであり、これらのパーツキットはここで述べた穂院発明の任意の態様による方法、もしくは装置に適宜使用されるように構成されたものである。
【００３６】
上述した本発明の様々な態様は、互いに密接に関連したものであり、一つの態様に関して述べた特徴は、本発明の他の態様に容易に組み入れることができるものである。例えば、本発明の装置は、ここで述べた本発明の方法を実現するのに適するように構成並びに配置されるものである。従って、本装置は、ここで述べた本発明の任意の態様による方法の任意の特徴を組み込んでもよい。また、本方法は、ここで述べた本発明の任意の態様による装置の任意の特徴を組み込んでもよい。さらに、本発明の方法は、例えば、本発明の装置を用いることで実現することができる。従って、本発明の装置で利用される多孔性部材を、本発明の方法の一態様に関してここで述べた金属発泡構造体から構成することも理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
ここで、本発明の実施形態を、以下の概略図面を参照して、単に一例としてのみ説明する。
図１は金属発泡構造体からなる、高出力ＬＥＤを冷却するための第一の実施例である冷却システムを示す。
図２は図１で示される金属発泡構造の側断面図である。
図３は時間に対する、冷却システムの一部の温度を示したグラフである。
図４は第二の実施例である冷却システムで使用される金属発泡構造体の側断面図である。
図５ａは第三実施例である冷却システムで使用される金属発泡構造体の側断面図である。
図５ｂは図５ａで示される金属発泡構造体の平面図である。
【００３８】
図１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）２としての、高出力、高強度の発光半導体装置に付設した冷却システム１を示している。この冷却システムは１は、ＬＥＤ２と熱的関係にある熱スプレッダー３からなる。熱スプレッダー３は、金属発泡構造体４に貼り付けられており、使用中は、熱がＬＥＤ２から熱スプレッダー３を介して金属発泡構造体４へ移動する。流体ディスペンサー５は、マイクロディスペンサーバルブ５ａにより流体を金属発泡構造体４へ噴出すように構成されている。流体ディスペンサー５は、供給パイプ６を介して加圧された液状冷媒げんへ接続されている。温度監視回路９とバルブ制御回路１０とを備えた制御ユニット８は、冷却システムの動作を制御する。温度監視回路９は、熱電対装置（図示せず）によって、熱スプレッダーの所定部分の温度を感知、監視するように構成されている。バルブ制御回路１０は、温度監視回路９により感知された温度に依存して、流体の配分を制御するように構成されている。制御ユニット８が図１では二つの別体のユニットからなるように示されているが、実際の制御ユニット８は、システムの動作を制御する単一のマイクロプロセッサを有した単一のユニットとして与えられる。
【００３９】
図２は、金属発泡構造体４と、熱スプレッダー３とＬＥＤ２とを断面で示したものである。金属発泡構造体４は、約６０ｐｐｉの気孔率を有する銅発泡体である（各気孔は平均直径が約４００ミクロンであり、直線にして１インチ当たり６０個の気孔があるが、これは一立方センチメートル当たり約１．３×１０４個の気孔に相当する。このような金属発泡構造体は、商標“メトポア（Metpore）”のもとで販売されている、ポルバイアフューエルセル（Porvair Fuel Cells）（英国会社ポルバイアPLCの一部）から入手可能な金属発泡構造体であってもよい。この金属発泡構造体４の熱伝導率は３００W/mkである。
【００４０】
加圧源に保持されている冷媒は、ＨＦＣ１３４ａ（１，１，１，２テトラフルオロエタン）である。常圧でのＨＦＣ１３４ａの沸点は、摂氏マイナス２６度である。すなわち、沸点は、冷却システム１が通常利用される環境の周辺温度（例えば室温）である摂氏２５度以下であることは明白である。冷媒は、常温加圧下（冷媒を常温で液状態とするに充分な圧力）で保持されている。
【００４１】
ここで、冷却システム１の動作について説明する。ＬＥＤ２は、パルス状の電力をＬＥＤ２に供給する電力供給器（図示せず）により駆動されている。電力パルスは、各々のパルスは約１秒間持続するが、約０．５Hzの周波数で供給されている。ＬＥＤ２の能動部分の温度は、熱スプレッダー３の温度を測定することで、間接的に温度監視回路９により継続的に監視する。仮に、監視温度が摂氏マイナス１２度の予め設定された閾温度を超えた場合、制御ユニット８は、バルブ制御回路１０に流体ディスペンサー５のバルブを動作させる。バルブにより、約２００ミリ秒間パルスが持続する間、金属発泡構造体４に小規模の流体噴流１１が吹き付けられる。この流体は加圧された冷媒源から与えられるものである。冷却パルスは、各電力パルスの印加が始まる直前に終了する（１電力パルスの印加が終了して約８００ミリ秒後に始める）ように同期がとられている。
【００４２】
冷媒は、それが開放された状態では、圧力低下が生じ、膨張、冷却し、さらに部分的に蒸発し、さらには噴流が冷却される。気化潜熱により冷媒流体から熱が奪われるので、バルブから開放された流体の温度は、液体の沸点辺り、もしくは、直下の温度まで下げられる。金属発泡構造体４により受け止められた冷媒流体は、従って、摂氏マイナス２６度以下の温度を有する気体と液体の混合物である。
【００４３】
図２を参照にして、冷却剤の噴流１１は、金属発泡構造体４中に形成される空洞内へもあるが、金属発泡構造体４の外表面上へ向けられる。金属発泡構造体４は発泡体のウィキング特性により（毛細管現象等により）液冷媒を吸着、保持する。従って、金属発泡構造体４の温度は低下し、冷媒の温度は金属発泡構造体４から冷媒へ熱が移動するにつれて上昇することになる。それ故に、ＬＥＤ２と金属発泡構造体４との間には温度勾配が形成されることになる。このような熱はＬＥＤ２から熱スプレッダー３を介して金属発泡構造体へ移動するので、ＬＥＤ２の温度が低下することになる。
【００４４】
液体冷媒は、金属発泡構造体４の温度にかなり依存した速度で気化する。仮に金属発泡構造体４の温度が冷媒流体の沸点以上であった場合（ありえることだが）、この液体は急速に沸騰し、気化する。液体が気化すれば、金属発泡構造体４からさらに熱が奪われ、従って、ＬＥＤ２の温度もさらに下がることになる。図２の金属発泡構造体４から遠ざかる方向の矢印１２は、もっとも蒸発が生じている領域を示している。重要な点は、液体の温度が摂氏マイナス２６度以上に上昇することがないということである。ひとたび液体が摂氏マイナス２６度まで温まると、表面からの気化か、あるいは、冷却剤バルク内の液体の沸騰を通して、液体の気化によりＬＥＤによって供給される熱が急速に除去される。冷却剤は液体なので、冷却作用は高効率で行われ、気化した成分はウィッキング作用を通して更なる冷却剤により迅速に補給されることになる。
【００４５】
冷却システムは開ループシステムであり、このシステムでは、冷媒は大気に蒸発し、従って失われる。従って、装置の動作中、冷媒は消費されることになる。
【００４６】
冷媒パルスは、温度監視回路９により監視されている温度が閾温度以下に低下するまで、金属発泡構造体４へ吹き付けられる。一般的に、冷却パルスは、動作中効率よく温度を維持するように時間調節されており、それ故に、ＬＥＤへの電流パルスに比べて冷却パルスは極めて短い。冷却パルスは、ＬＥＤ２を駆動する電力パルスと同じ周波数、すなわち、０．５Hzで印加されている。その結果、冷却パルスと電力パルスとは、一定の時間遅延はあるが、互いに同期している（上述参照）。冷却システム１が連続して冷却方法を実施するように、ＬＥＤ２及び冷却システム１の動作期間中は監視温度を閾温度以上に維持するようにしてもよい。
【００４７】
動作中は、熱除去速度（もちろん冷却剤の気化速度に依存する）と、ＬＥＤ２による熱発生速度とが等しくなる平衡状態に達してもよい。仮にこのような平衡状態に達した場合、装置の様々なパーツの温度は実質的に一定にとどまる。
【００４８】
使用される冷却機構を明らかにするために、図３で示されるグラフには、冷却システム１の起動から冷媒流体の単一パルスの期間中での、時間に対するシステム１の温度変化が概略されている。グラフの縦軸は熱スプレッダーの温度であり、横軸は時間である。時刻ｔ０では、熱スプレッダーの温度はT０である。時刻ｔ１で一つの冷却パルスを金属発泡構造体４に吹き付ける。金属発泡構造体４の温度は急速に冷媒の沸点TBの温度まで低下する。また、次には熱スプレッダー３の温度が急速に温度TBに到達する。時刻ｔ１後では、金属発泡構造体４の温度が冷媒の気化により低下するので、熱スプレッダー３の温度は低下し続ける。
【００４９】
図４は本発明の更なる実施例による金属発泡構造体の幾何形状示したものであり、これは図２で示されるものと同様なものである。図４の冷却システムと図１及び２で示されている冷却システムとの違いについてこれから説明する。金属発泡体１０４はＬＥＤの半導体金型に直接接合されており、熱スプレッダーを設けていない。冷却剤は、発泡体の三個の穴１１３を封止している３個の注入パイプ(図示せず)により、金属発泡体１０４の内部に供給される（矢印１１１参照）。従って、冷却剤はＬＥＤ１０２の能動的（アクティブな）発熱部に直接近接する領域に供給されている。従って、この場合、ＬＥＤ１０２の半導体金型と冷却剤が供給される領域とが非常に近接されていることから、冷却剤の印加と、ＬＥＤ１０２からの熱除去との間の時間差は比較的短くなる。本実施例は、非常に短い高出力パルスを利用する分野に極めて適したものである。金属発泡体１０４からの冷却ガスの蒸発は、矢印１１２で表されている。本発明の他の利点としては、冷却システムの応答時間を改良し、さらに、冷却流体の消費を低減する発泡体の大きさが小さいということである。
【００５０】
図５ａ及び５ｂは本発明の他の実施例による金属発泡構造体２０４の幾何形状を示したものであり、これは図４で示されるものと同様である。この場合もやはり、別体としての熱スプレッダーはなく、また、発泡体２０４はＬＥＤ２０２に直接接続されている。金属発泡体２０４の幾何形状が図４のそれと異なるところは、大きな中央穴２１４が吹き付けられた冷却剤を受け取るために設けられていることと、発泡体の中央（上側から見たとき、図５b参照）から放射状に延びる８個の小さな穴２１５が、発泡体２０４からの冷却剤の気化を補助するために設けられていることである。小さな穴２１５により発泡体の単位堆積あたりの外表面積が効果的に高められている。発泡体への冷却剤の供給は矢印２１１で示されており、金属発泡体２０４からの冷却ガスの蒸発は矢印２１２で示されている。発泡体とその中の穴の詳細な大きさ並びに形状は、金型の大きさと冷却要求に依存している。
【００５１】
ＬＥＤ２０２が基板を備えているという本発明の更なる変形は、基板それ自体が気孔を有するということである。
【００５２】
本発明の趣旨を逸脱することなく、上述した実施例に対して様々な変形を行うことができることは理解できるであろう。例えば、電子部品は、積極的に冷却されることで利点が得られるいかなる部品であってもよい。冷却システムの分野に応じて、冷却装置に対してたくさんの変形を行うことができる。金属発泡構造体の形状、大きさ及び構造を変えてもよい。金属発泡構造体から金属発泡構造体内の冷媒への熱伝達速度は、冷媒に接触する金属発泡構造体の表面積に部分的に依存するものであり、これは、金属発泡構造体の幾何形状及び・又は構造、例えば、気孔率を変更することで変えることができる。
【００５３】
強制的に空気を金属発泡構造体にわたって通過させるためのファンが設けられており、これにより冷却剤の気化速度を高めることができる。ファンのスピード制御により空気の流速が制御され、さらに流体の気化速度が制御されることになり、これにより冷却速度が制御可能となる。
【００５４】
さらに、ウィッキング作用の特性は、必要であれば、金属発泡構造体の構造を変更することで変えることができる。例えば、金属発泡構造体の気孔の大きさと数、並びに、気孔を形成する金属構造体の幾何形状（例えば、隣接気孔が互いに接続される程度に）を変更し、ウィッキング特性および液体保持能力を変えることができる。所定の冷媒供給速度で得られる最大冷却速度という観点から、冷却システムの効率は金属発泡構造体のウィッキング特性に依存している。
【００５５】
冷却パルスの長さは可変であり、熱除去速度を変えることができる。異なる周波数並びにパルス長を有した印加電力を用いることができる（例えば、０．１から１０Hzの周波数で１００乃至２０００００mｓのパルス）。電力パルスと冷却パルスとはもちろん重なり合うこともできる。
【００５６】
金属発泡構造体は、銅以外の材料から作られていてもよい。例えば、当該材料としては、グラファイト、多孔性シリコン、アルミニウムとシリコンとの多孔性スプレー形成混合物、もしくは、固体発泡体もしくは他の多孔性構造体として形成することが可能な他の高熱伝導率材料であってもよい。アルミニウムとシリコンとの多孔性スプレー形成混合物を用いる場合は、シリコンに対するアルミニウムの比を変えることで、電子部品(例えば、半導体)との熱膨張を合致させることができるので、金属発泡構造体を、熱膨張のミスパッチという大きなリスクを伴うことなく、電子部品に直接接続することができる。もちろん、金属発泡体が相対的に高い圧縮率を有する（すなわち、相対的に柔軟である）場合は、熱膨張が、発泡構造体の機械的圧縮又は膨張により吸収されることになるので、熱膨張の合致要求はあまり重要ではない。
【００５７】
金属発泡構造体内にCVDダイアモンドを組み合わせることで金属発泡体の熱伝導率を改良することができる。
【００５８】
冷媒は他の適当なＨＦＣ、例えば、１，１，１，２，３，３，３、−ヘプタフルオロプロパンや、例えば、二酸化炭素ガスを含む他の適当な冷却剤に置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は金属発泡構造体からなる、高出力ＬＥＤを冷却するための第一の実施例である冷却システムを示す、
【図２】図２は図１で示される金属発泡構造の側断面図である、
【図３】図３は時間に対する、冷却システムの一部の温度を示したグラフである、
【図４】図４は第二の実施例である冷却システムで使用される金属発泡構造体の側断面図である、
【図５ａ】図５ａは第三実施例である冷却システムで使用される金属発泡構造体の側断面図である、
【図５ｂ】図５ｂは図５ａで示される金属発泡構造体の平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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