(57)【要約】【課題】ゼロ電力自動熱調節のためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】一実施形態では、パッシブな熱管理方法は、自己発熱電子デバイスと流体容器に保持される冷却流体との間の熱インタフェースを介した熱伝導率を確立するステップと、冷却流体の熱的に制御された膨張を用いて、流体容器から少なくとも１つのチャネルに延出する冷却流体の柱の長さを制御するステップであって、チャネルが、冷却流体が入り込んで膨張する、再循環しない経路を提供し、冷却流体の柱の長さが、冷却流体によって自己発熱電子デバイスから吸収された熱を使用して、熱的に制御される、ステップと、チャネルの中の冷却流体の柱の長さに応じて、外部環境に熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと電子デバイスとの間の１次熱経路を選択的に確立するステップとを含む。【選択図】図１
2019087728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己発熱電子デバイス（１１０）と結合するように構成される熱インタフェース（１１２）と、
外部環境（１５０）と熱的に結合されるヒートシンクインタフェース（１４０）と、
流体容器（１１４）に保持される冷却流体（１２０）であって、前記流体容器（１１４）の少なくとも１つの面が、前記熱インタフェース（１１２）を備え、前記冷却流体（１２０）が、前記熱インタフェース（１１２）を介して前記電子デバイス（１１０）に熱的に伝導するように結合され、前記電子デバイス（１１０）が、前記ヒートシンクインタフェース（１４０）への伝導性の経路から概ね熱的に隔離される、冷却流体（１２０）と、
再循環しない流体で前記流体容器（１１４）と通じた状態の少なくとも１つのチャネル（１３０）であって、前記冷却流体（１２０）が、前記電子デバイス（１１０）によって加熱されるとき、前記冷却流体（１２０）が、前記冷却流体（１２０）の熱膨張係数の関数である長さにわたり、前記流体容器（１１４）から出て前記少なくとも１つのチャネル（１３０）に入るように膨張する、少なくとも１つのチャネル（１３０）とを備え、
少なくとも部分的には、前記冷却流体（１２０）が熱膨張により前記少なくとも１つのチャネル（１３０）に入り込んで膨張する前記長さの関数として、前記電子デバイス（１１０）と前記ヒートシンクの間の伝導性の熱経路が、前記冷却流体（１２０）を介して確立される、
パッシブな熱管理システム。
【請求項２】
第２の流体容器（５２０）に収容され、前記ヒートシンクを介して前記外部環境（１５０）と熱的に伝導できるように結合される第２の冷却流体（５２２）と、
前記第２の流体容器（５２０）と流体連通する状態である少なくとも１つの第２のチャネル（５３１）であって、前記第２の冷却流体（５２２）が前記外部環境（１５０）によって加熱されるとき、前記第２の冷却流体（５２２）が、前記第２の冷却流体（５２２）の第２の熱膨張係数の関数である第２の長さにわたり、前記第２のチャネル（５３１）に入るように膨張する、少なくとも１つの第２のチャネル（５３１）と、
第１のチャネル（５１１）との第１の表面領域インタフェース、および前記第２のチャネル（５３１）との第２の表面領域インタフェースを有する熱伝達導体（５１５）とをさらに備え、
前記電子デバイス（１１０）と前記ヒートシンクインタフェース（１４０）の間の伝導性の熱経路が、１）前記第１の冷却流体（１２０）が前記第１のチャネル（５１１）に入り込んで膨張する第１の長さ、および２）前記第２の冷却流体（５２２）が第２のチャネル（５３１）に入り込んで膨張する第２の長さの関数として、前記第１の冷却流体（１２０）および前記第２の冷却流体（５２２）を介して確立される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのチャネル（１３０）が、長さが均一でない複数のチャネル（１３０）を備え、その結果、前記電子デバイス（１１０）の所与の温度において、前記複数のチャネル（１３０）のうちの少なくとも１つの第１のチャネルが、前記ヒートシンクインタフェース（１４０）と接触している冷却流体（１２０）の柱を含み、前記複数のチャネル（１３０）のうちの少なくとも１つの第２のチャネルが、前記ヒートシンクインタフェース（１４０）と接触していない冷却流体（１２０）の柱を含む、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照により本明細書に全体として援用される、「ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＺＥＲＯ  ＰＯＷＥＲ  ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ」と題する、２０１７年１１月８日出願の米国仮特許出願第６２／５８３，２２２号の利益を主張し、かつその優先権を主張する米国特許出願である。
米国政府の実施権
[0002]本発明は、ＤＡＲＰＡ  ＣＭＯによって与えられた政府契約第ＨＲ００１１−１６−Ｃ−０１２２号の下で、米国政府の助成を受けてなされたものである。米国政府は、本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
[0003]多くの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、正確に動作するために、一定温度で動作する必要がある。それと同時に、ＭＥＭＳデバイスは、非常に動的な周囲温度条件におかれるシステムにしばしば配置される。たとえば、たとえＭＥＭＳデバイスが動作している環境が、摂氏−４０度から摂氏＋８０度の間で変化することがあるとしても、ＭＥＭＳデバイスは、一定動作温度を保つ必要がある場合がある。デバイスの環境温度が変化しているとき、通常、このようなデバイスの温度を調節するために、アクティブな加熱冷却構成要素が、デバイスに熱的に結合され、周期的に繰り返し動作されて、所望のデバイス温度を実現し、それを保つことができる。たとえば、ＭＥＭＳ構成要素、水晶発振器、レーザ光源、または原子蒸気安定化用化合物の広い動作温度範囲にわたる熱安定化は、通常、アクティブな加熱／冷却フィードバックに基づいており、これには電力を要する。しかし、小さい電力の適用では、アクティブな温度管理構成要素を動作させるのに利用可能な、十分な余剰の電力リソースが得られない場合がある。
【０００３】
[0004]上に述べた理由で、かつ本明細書を読んで理解すると、当業者にとって明らかになるであろう以下に述べる別の理由で、当技術分野では、ゼロ電力自動熱調節のためのシステムおよび方法が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0005]一実施形態では、パッシブな熱管理方法は、自己発熱電子デバイスと流体容器の中に保持される冷却流体との間の熱インタフェースを介した熱伝導率を確立するステップと、冷却流体の熱的に制御された膨張を用いて、流体容器から、流体容器から延出する少なくとも１つのチャネルに延出する冷却流体の柱の長さを制御するステップであって、少なくとも１つのチャネルが、冷却流体が入り込んで膨張する、再循環しない経路を提供し、冷却流体の柱の長さが、冷却流体によって自己発熱電子デバイスから吸収された熱を使用して、熱的に制御される、ステップと、少なくとも１つのチャネルの中の冷却流体の柱の長さに応じて、外部環境に熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと電子デバイスとの間の１次熱経路を選択的に確立するステップとを含む。
【０００５】
[0006]好ましい実施形態の説明および以下の図に鑑みて考えられるとき、本開示の実施形態はより容易に理解され、その別の利点および使用法はより容易に明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0007]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの例を示す図である。
【図１Ａ】本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの例を示す図である。
【図１Ｂ】[0008]図１のシステムを用いた時間平均されたパッシブな熱管理の一例を示す図である。
【図２】[0009]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの別の例を示す図である。
【図３】[0010]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの別の例を示す図である。
【図４】[0011]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの別の例を示す図である。
【図４Ａ】本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの別の例を示す図である。
【図５】[0012]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システムの別の例を示す図である。
【図６】[0013]本開示の一実施形態のパッシブな熱管理の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0014]一般的な実務に従って、記述される種々の特徴は、一定の縮尺では描かれておらず、本開示に関連する特徴を強調するように描かれている。図および文章の全体を通して、参照文字は同様の要素を示すものとする。
【０００８】
[0015]以下の詳細な説明では、実施形態が実施され得る特定の例示的な実施形態として示され、かつ本明細書の一部を形成する添付図面が参照される。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施することができるのに十分に詳細に記載されており、また本開示の範囲から逸脱しない限り、他の実施形態が利用されてもよく、論理的、機械的および電気的な変更が加えられてもよいことを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で理解されるべきではない。
【０００９】
[0016]本開示の実施形態は、電子デバイスによって放散される熱を利用して、デバイスのパッシブな熱管理を実施する。電子デバイスにとって適切な動作環境を保つために、デバイスによって発生する熱のうちの少なくとも一部は、外部環境に放散されて、デバイスが過熱することを防ぐ必要がある。しかし、多くの用途において、電子デバイスの温度も、一定、または少なくとも非常に狭い温度範囲に保たれる必要がある。したがって、目標とする一定温度および／または幅にデバイスを維持するために、デバイスから外部環境に流れ出ることができる熱流の量は、パッシブな熱管理によって調節される必要があることになる。熱流のパッシブな調節も、外部環境の周囲温度、および電子デバイスと外部環境の温度差に応じて変化することになる。
【００１０】
[0017]本明細書では、デバイス温度が一定温度に保たれ得るように、外部環境に流れ出る熱の量を調節する方法、およびパッシブな熱管理システムが提示される。「一定温度」という用語が本明細書で用いられることになるとき、「一定温度」は、ある特定の温度の値を指すものではなく、むしろ、温度調節されている特定の電子デバイスと関連付けられる許容可能な動作温度範囲を定めるシステム設計技術者によって選択される、既定の温度範囲を指すことを理解されたい。本明細書で提示される実施形態の例によって示されるように、温度調節されている電子デバイスによって放散される熱の力は、システムの全消費電力をほとんど、またはまったく増加させずに、所望の温度へのデバイスの自己発熱のために取り入れられる。追加的に、これらの実施形態の例は、完全にパッシブな、しかし調節可能な、環境に電子デバイスを熱伝導できるように結合する熱経路を提供する。本明細書において提示される実施形態は、電子デバイスの通常動作中、電子デバイスによって自然に放散される力以外の追加的な力を使用せずに、周囲の環境を上回る、目標とする任意の一定温度で、電子デバイスの動作温度を自動的に調節する。これらの実施形態は、水晶発振器、レーザ光源、または原子蒸気安定化用化合物などであるがこれらに限定されない、熱を発生させる要素を備えるシステムの、広い動作温度範囲にわたる電力効率のよい温度安定化を可能にする。したがって、これらの実施形態を利用して、他の使用法の中でもＭＥＭＳ技術に基づく持ち運び可能な（ｆｉｅｌｄａｂｌｅ）原子センサおよび光学センサ、加速度計、ジャイロスコープ、ならびに原子時計の新しい種類の、さらなる発展形態を可能にすることができる。本明細書において提示される実施形態は、自己発熱電子デバイスから外部環境へのパッシブな熱流を調節するので、これらの実施形態は、外部環境の周囲温度での、またはそれを上回る温度での、そのデバイスの調節を可能にすることを理解されたい。
【００１１】
[0018]図１および図１Ａは、自動熱調節をパッシブに実現する、本開示の一実施形態のパッシブな熱管理システム１００の例を示す図である。パッシブな熱管理システム１００は、一方の端部にある熱的に隔離されたデバイス構造と、他方の端部にあるヒートシンク（たとえば外部環境）との間の経路を画定する１つまたは複数の毛細管の中に保持される冷却流体を、熱的に膨張および収縮させることによって、この機能を実施する。冷却流体の熱膨張および熱収縮は、冷却流体の熱膨張係数に応じて実現されるが、これは、冷却流体が毛細管にさらに入る流れ（流体の加熱による熱膨張の場合）、または冷却流体が毛細管から出て行く流れ（流体の冷却による熱収縮の場合）を生じさせる。「冷却流体」という用語が本明細書で用いられるとき、受けている相転移サイクルによって冷却を行う冷媒とは対照的に、「冷却流体」は、熱伝導で熱を伝達することによって冷える流体であることを理解されたい。
【００１２】
[0019]図１および図１Ａの実施形態の例では、パッシブな熱管理システム１００は、熱インタフェース１１２と（たとえば物理的に接触することにより）熱的に伝導できるように結合される自己発熱電子デバイス１１０を備える。熱インタフェース１１２は、流体容器１１４に収容される冷却流体１２０と熱的に結合される。熱インタフェース１１２は、（たとえば銅などの）金属、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、またはデバイス１１０と冷却流体１２０の間の熱流経路を確立する、熱伝導率が高い他の材料から構成されてもよい。いくつかの実施形態では、流体容器１１４は、封止された容器でもよい。しかし、他の実施形態では、流体容器１１４は必ずしも封止されていなくてもよく、流体容器１１４と流体連通する（１１３で示される）１つまたは複数の排出口、または他の孔を含んでもよい。デバイス１１０はＭＥＭＳデバイスでもよいが、本明細書に記載される実施形態は、デバイス１１０がＭＥＭＳデバイスを含んでも、別のデバイス技術を含んでも、いずれでもよい実装形態を含むことを理解されたい。いくつかの実施形態では、流体容器の少なくとも１つの面が、熱インタフェースを備える。
【００１３】
[0020]パッシブな熱管理システム１００は、流体容器１１４と再循環しない流体で通じた状態の、少なくとも１つの毛細管またはチャネル１３０をさらに備え、その結果、流体容器１１４からチャネル１３０に冷却流体１２０が膨張するとき、チャネル１３０の中に冷却流体１２０の柱が生じる。複数のチャネルを備える実施形態においては、冷却流体１２０は、流体容器１１４から複数のチャネル１３０のそれぞれに膨張し、各チャネル１３０のそれぞれの中に、冷却流体１２０の柱を形成する。
【００１４】
[0021]冷却流体１２０が流れ出すことができるチャネル１３０の経路は、流体容器１１４から熱伝導性のヒートシンクインタフェース１４０に向かって延出する。ヒートシンクインタフェース１４０を使用して、チャネルが終端する、チャネル１３０の遠位端部を封止してもよい。冷却流体１２０がデバイス１１０から十分な熱を吸収し、その結果、冷却流体１２０がチャネル１３０の全長に完全に膨張すると、デバイス１１０からヒートシンクインタフェース１４０までの熱経路が完成され、ヒートシンクインタフェース１４０は、完成された熱経路によって提供される熱エネルギーを吸収することになる。ヒートシンクインタフェース１４０の少なくとも１つの面は、外部環境１５０に露出されており、その結果、ヒートシンクインタフェース１４０が、冷却流体１２０によってヒートシンクインタフェース１４０に運ばれた熱を吸収するとき、ヒートシンクインタフェース１４０は、その熱を（熱伝導、対流、または放射によって）外部環境１５０に放散することができる。
【００１５】
[0022]一実施形態では、ヒートシンクインタフェース１４０は、（たとえば銅などの）金属、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、または冷却流体１２０と外部環境１５０の間の熱流経路を確立する、熱伝導率が高い他の材料から構成されてもよい。一実施形態では、流体容器１１４および１つまたは複数のチャネル１３０は、熱絶縁材料１１６の中で、熱的に隔離されるように製作される。いくつかの実施形態では、熱絶縁材料１１６は、（限定はされないが）多孔質化シリコンなどの材料から構成されてもよく、流体容器１１４および１つまたは複数のチャネル１３０は、特徴として、熱絶縁材料１１６の中に形成されるように製作されてもよい。理解されるであろうように、電気化学的プロセスを用いて結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）材料を多孔質化することにより、材料の処理された領域の熱伝導率は、１０００倍を超えて低減され得る。さらに、多孔質化シリコン材料は、標準的なリソグラフ技法および処理技法を使用してシリコン基板の熱伝導率を調整することができる、知られている処理を用いて得ることができる。その結果得られる材料は、構造体の、異なる区域において、多孔質化の程度を変化させることにより、異なる熱伝導率係数を有する領域にパターン形成され得る。別法として、熱絶縁材料１１６は、限定はされないがガラスやポリイミド（ＰＩ）材料などの、本質的に熱伝導率が低い他の材料から構成されてもよい。
【００１６】
[0023]１つまたは複数のチャネル１３０は、切削、エッチング、またはその他の方法で熱絶縁材料１１６に形成される、冷却流体１２０のための通路として実施されてもよい。同様に、流体容器１１４は、切削、エッチング、またはその他の方法で熱絶縁材料１１６の中に形成される、冷却流体１２０を保持するための容積を備えてもよい。いくつかの実施形態では、パッシブな熱管理システム１００は、ウエハまたは基板にｃ−Ｓｉ層を堆積させることによって形成されてもよい。流体容器１１４および少なくとも１つのチャネル１３０を備えることになるこれらの部分は、堆積されたｃ−Ｓｉから切削またはエッチングされる。熱インタフェース１１２および／またはヒートシンクインタフェース１４０を備えることになる堆積されたｃ−Ｓｉの層は非多孔質化ｃ−Ｓｉとして残されるが、熱絶縁材料１１６になることになる堆積されたｃ−Ｓｉの層は多孔質化シリコンに加工される。いくつかの実施形態では、熱インタフェース１１２および／またはヒートシンクインタフェース１４０は、メタライゼーション層として所定の位置に堆積される。いくつかの実施形態では、パッシブな熱管理システム１００が動作して温度を安定化するデバイス１１０は、熱インタフェース１１２に接着されるか、またはその他の方法で熱インタフェース１１２に取り付けられる。他の実施形態では、デバイス１１０自体が、本開示を検討した当業者が実施することができるはずの堆積技法を用いて、１つまたは複数の層の中で熱インタフェース１１０上に製作されてもよい。
【００１７】
[0024]特定の用途において使用するための特定の冷却流体１２０の選択は、流体の熱伝導率、熱膨張係数、ならびに沸点および凝固点などの基準に基づいて、本開示を検討した当業者の技能の範囲内でなされるはずである。一例として、いくつかの実施形態では、冷却流体１２０は、限定はされないが水銀やガリンスタンなどの液体金属を含んでもよい。他の実施形態では、冷却流体１２０は、アルコール、グリセロール、または他の熱伝導性の液体を含んでもよい。冷却流体１２０は、冷却流体１２０がさらされることになる、予想される温度の幅の範囲内において流体の形態のままであり、かつ／または沸騰または凝固しないことを基準として、利用可能な冷却流体から選択されてもよい。水銀を含む冷却流体１２０は、シリコンと組み合わせて使用されるとき、凸状のメニスカスを形成するという利点をもつことになり、これは、冷却流体１２０が、ヒートシンクインタフェース１４０との接触点から離れてチャネル１３０の中で熱的に収縮している場合を除いて、１つまたは複数のチャネル１３０および流体容器１１４の中の熱伝導性の冷却流体１２０は、途切れずに連続したままであり、１つまたは複数のチャネル１３０の中に間隙が形成されるのを防止するであろうことを意味する。
【００１８】
[0025]通常動作中、流体容器１１４の中の冷却流体１２０は、デバイス１１０と密に熱接触した状態であるので、冷却流体１２０は、そのデバイス１１０と熱平衡に達することになる。熱膨張により、冷却流体１２０の柱は容器１１４から１つまたは複数のチャネル１３０に延出することになる。冷却流体１２０のこの柱は、熱伝導性の熱経路がデバイス１１０と外部環境１５０の間で確立される点で冷却流体１２０のこの柱がヒートシンクインタフェース１４０と接触するまで、１つまたは複数のチャネル１３０に入り込んで膨張し続けることになる。１つまたは複数のチャネル１３０の中の冷却流体１２０の長さは、熱膨張が原因で流体容器１１４の中の冷却流体１２０が膨張することによって生じる、冷却流体１２０の流体容器１１４からの超過容積を表す。
【００１９】
[0026]流体容器１１４および１つまたは複数のチャネル１３０は、熱絶縁材料１１６に収容されており、その結果、全体を図１に１４２で示されているように、冷却流体１２０がチャネル１３０に完全に延出し、ヒートシンクインタフェース１４０と接触するとき、デバイス１１０と外部環境１５０の間の伝導性の熱の経路（伝導性の熱のリンクと称されてもよい）が、冷却流体１２０を介して確立される。１つまたは複数のチャネル１３０の中で柱の冷却流体１２０が十分に膨張してヒートシンクインタフェース１４０と接触すると、熱絶縁材料１１６は、柱の冷却流体１２０がデバイス１１０と外部環境１５０の間の１次熱経路になるのに十分な程度に、流体容器１１４および１つまたは複数のチャネル１３０を無給電（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）熱経路から本質的に熱的に隔離する。つまり、冷却流体１２０の柱を通る伝導性の熱の経路は、デバイス１１０と外部環境１５０の間の１次熱経路であり、任意の代替の無給電経路よりも熱伝導率が大きい。パッシブな熱管理システム１００は、冷却流体１２０を介したこの伝導性の熱の経路が任意の無給電経路よりも優勢になればなるほど、より効率的になるということを理解されたい。したがって、電子デバイス１１０は、冷却流体１４０を介した伝導性の経路を除き、ヒートシンクインタフェース１４０および／または外部環境１５０へ向かう伝導性の経路から、概ね熱的に隔離されていると考えられ得る。
【００２０】
[0027]動作中、冷却流体１４０によって吸収された熱エネルギーのうちの十分な量がヒートシンクインタフェース１４０に流れ始めるとき、それに従って、冷却流体１４０の温度は下がることになる。冷却流体１２０が冷えるとき、図１Ａに１４４で全体を示されているように、冷却流体１２０は、チャネル１３０に戻るように収縮し、ヒートシンクインタフェース１４０から物理的に分離し、それによってデバイス１１０と外部環境１５０の間の伝導性の熱の経路を遮断することができる。伝導性の熱経路が遮断されると、冷却流体１４０の温度は再び上がり始めることになり、冷却流体１４０の熱膨張により、流体が再びヒートシンクインタフェース１４０と物理的に再結合することになり、それによってデバイス１１０と外部環境１５０の間の伝導性の熱の経路を再び確立する。この形態の「バンバン」制御が、熱膨張により流体１２０の柱がチャネル１３０に十分に延出する時間１６０で起きる、デバイス１１０から環境１５０への熱伝導と、流体１２０の柱の、部分的な収縮と完全な延出との間の繰り返しによって実現される（１６２で示される）時間平均熱伝導レベルとを示す、図１Ｂに示されている。流体１２０の柱がチャネル１３０の中で膨張および収縮し、冷却流体１２０から受けた任意の熱を環境１５０に放散するヒートシンクインタフェース１４０と物理的に接触し、その次には接触しないことにより、取り出される力（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｏｗｅｒ）は、低い値と高い値の間で変化する。熱経路がオンとオフで切り替わるデューティ比が、環境１５０への熱流の制御を自己調節することになり、システムは、最終的に、デバイス１１０の温度を安定させる平衡状態に収束することができる。
【００２１】
[0028]冷却流体１２０の容積の大部分が、安定化されることになるデバイス１１０と熱平衡状態である場合、冷却流体１２０の柱の、ヒートシンクインタフェース１４０と接触するような延出は、本来の連続波（ＣＷ）において、または時間平均された意味において、環境に向かう伝導性の熱のリンクを中程度にして、デバイス１１０において所望の温度を保つ値に到達することになる。いかなる要素のアクティブな監視および操作も、システム１００が熱管理を実現することには必要とされず、システム１００は完全にパッシブである。
【００２２】
[0029]外部環境１５０の周囲温度が比較的高く、その結果、デバイス１１０と環境１５０の間の全体的な温度差が小さい場合であって、伝導性の熱の経路がアクティブである（すなわち流体１２０の柱が完全に延出し、ヒートシンクインタフェース１４０と接触した状態にある）ときであっても、伝導性の熱の経路が、比較的長い時間にわたってアクティブなままであるように、熱の流れはごく中程度でもよい。反対に、外部環境１５０の周囲温度が比較的冷涼であり、その結果、デバイス１１０と環境１５０の全体的な温度差が著しい場合、伝導性の熱の経路は、より短い時間、外部環境１５０と結合し続けることになる。冷却流体１２０の柱が時折膨張して環境中に熱を流し、その結果、時間平均した意味で、デバイス１１０の温度が所望の温度に保たれることになるので、熱調節はこのようにして実現される。したがって、センサまたはアクティブ電子装置を利用する必要なしに、デバイス１１０から放散されるエネルギーだけを使用して、調節可能な熱の経路は制御されて、熱の自己調節を確立することができる。パッシブな熱管理システム１００は、流体を運ぶ１つまたは複数のチャネル１３０の長さおよび直径、冷却流体１２０の熱膨張特性および熱伝導特性、ならびにヒートシンクインタフェース１４０と冷却流体１２０の間のインタフェースの区域の選択に基づき、デバイス１１０で所望の温度を保つように設計され得る。
【００２３】
[0030]図２は、エンクロージャまたはハウジング２１０に組み込まれるデバイス１１０と共に使用されるパッシブな熱管理システム１００の、代替の実装形態を備えるデバイス２００を示す図である。ここでは、ヒートシンクインタフェース１４０は、ハウジング２１０と物理的に結合され（またはハウジング２１０と一体化されてもよい）、その結果、冷却流体１２０は、チャネル１３０に完全に延出されるとき、デバイス１１０とハウジング２１０の間に伝導性の熱の経路を確立することになる。パッシブな熱管理システム１００のこの実装形態の例では、電子デバイス１１０は、ハウジング２１０の中の、はっきりと認められる唯一の熱源でもよく、ハウジングの内部容積２１２は、真空に保たれる。また、ハウジング２１０の温度は、外部環境１５０の温度と平衡でもよい。容器１１４の流体の容積は、チャネル１３０の流体の容積よりずっと大きい。たとえば、容器１１４の容積が数１０〜数１００立方ミリメートル程度である場合、チャネル１３０は、わずか数ミリメートル（たとえば２〜５ｍｍ）の長さ、１００ミクロン程度の直径でもよい。
【００２４】
[0031]前述のように、１つまたは複数のチャネル１３０の中の冷却流体１２０の長さは、流体容器１１４の中の冷却流体１２０が熱膨張により膨張し始めたとき流体容器１１４から流れ出る、冷却流体１２０の超過容積である。冷却流体１２０の柱の長さは、冷却流体１２０によってデバイス１１０から吸収された熱の量とも比例することになる。流体容器１１４の中の冷却流体１２０は、デバイス１１０によって加熱されるとき、その正の膨張係数のために膨張することになり、かつ流体容器１１４から抜け出すことはできない。したがって、冷却流体１２０は、１つまたは複数のチャネル１３０に入り込んで膨張する。さらに、上に述べられた効果的な熱的な隔離のために、１つまたは複数のチャネル１３０の中の冷却流体１２０の長さは、冷却流体１２０がヒートシンクインタフェース１４０と接触するまで伸び続けることになる。次いで、冷却流体１２０に吸収された熱は、冷却流体１２０が、長さが収縮してヒートシンクインタフェース１４０との接触を断つのに十分な熱を放出する時点まで、外部環境１５０に流れ出ることになる。熱がこの経路を通って流れ出る流量は、外部環境１５０に関する、周囲温度条件同士の間の差の関数であり、このシステムのパッシブな性質のために、この差は、冷却流体１２０によってヒートシンクインタフェース１４０に送達される熱を吸収する、外部環境１５０の容量に影響を与えることになる。同様に、デバイス１１０の温度は、冷却流体１２０が、ヒートシンクインタフェース１４０に伝達される必要がある熱を吸収する量に影響を及ぼすことになる。したがって、冷却流体１２０が特定のチャネル１３０の中でヒートシンクインタフェース１４０と結合および分離する、循環的な周期性も、前記差の関数になることになる。したがって、定常状態のデバイス動作において、チャネル１３０の中の冷却流体１２０の柱の長さは、デバイス１１０の温度の関数であることになる。デバイス１１０の温度は、システム１００により、一定値を保つように調節されているので、チャネル１３０の中の冷却流体１２０の長さは、時間が経つにつれて、デバイス１３０の温度に対応する平均的な長さをもつことが期待され得るが、長さのリアルタイムな変動は、外部環境１５０の温度の動的な変化に応じて起きる。しかし、時間平均された意味では、冷却流体１２０の柱の時間平均された長さは、デバイス１１０の温度の関数になる（かつそれに比例する）ことになる。
【００２５】
[0032]図３は、上述のパッシブな熱管理システム１００の代替の実装形態の一例を備える、パッシブな熱管理システム３００の図である。図１に関連して本明細書に記載される特徴および要素は、図３の要素、および本明細書で述べられる他の実施形態のうちの任意のものと共に、またはそれと組み合わせて、またはそれと置換されて使用されてもよく、逆もまた同様であることを理解されたい。さらに、本明細書で述べられる実施形態においての機能、構造、および他の要素の説明は、任意の図において、同じように名前がつけられた、または記載された要素に適用することができ、逆もまた同様であることを理解されたい。
【００２６】
[0033]図３に示されるように、いくつかの実施形態では、パッシブな熱管理システムは、長さが均一でない複数のチャネル１３０（図３にチャネル３３０として示される）を備えることができ、その結果、デバイス１１０の所与の温度（したがって冷却流体１２０の、対応する所与の温度）において、チャネル３３０には、ヒートシンクインタフェース１４０と接触した状態の冷却流体１２０の柱を含むものもあれば、含まないものもある場合がある。したがって、環境１５０への熱流の調節は、冷却流体１２０がヒートシンクインタフェース１４０と接触している時間の長さではなく、ヒートシンクインタフェース１４０と接触している冷却流体１２０を有するチャネル１３０の数に応じて経時変化する。ヒートシンクと接触している冷却流体１２０を有するチャネル１３０の数が増えるほど、システムがもつ、デバイス１１０から環境１５０に熱を送達する容量が大きくなる。
【００２７】
[0034]図３に示されるように、複数のチャネル１３０と接触して機能するヒートシンクインタフェース１４０の形は、湾曲していても、その他の形で（３４０で示されるように）細工されてもよく、その結果、膨張している冷却流体１２０とヒートシンクとの間の接触が様々な長さで起こり、（３２２で示される）短い方のチャネルでの接触は、（３２４で示される）長い方のチャネルよりも早く（すなわちより低い冷却流体１２０の温度で）起きる。長い方のチャネルの冷却流体１２０は、短い方のチャネルに比べて、ヒートシンクインタフェース１４０と接触するまでに、より長い距離を膨張しなければならないことになる。したがって、図３の実施形態は、単一のチャネル１３０のみを有する実施形態より、または複数のチャネル１３０が均一な寸法をもつ実施形態より、デバイス１１０と外部環境１５０の間を流れる熱の量を調整する、より連続的な方式を実現する。
【００２８】
[0035]動作中のパッシブな熱管理システム３００では、冷却流体１２０がデバイス１１０から熱を吸収するとき、冷却流体１２０は、すべてのチャネル１３０において、同じ量だけ膨張することになり、短い方のチャネル３２２の中の流体は、長い方のチャネル３２４の中の流体より先に、ヒートシンクインタフェース１４０に達し、外部環境１５０に熱を伝達し始めることになる。冷却流体１２０がヒートシンクインタフェース１４０との各接触点に到達するチャネル１３０の数が多くなればなるほど、デバイス１１０から吸収された熱が通って環境１５０に移ることができる熱経路の幅を、効果的に増加させることになる。したがって、定常状態の動作では、いくつかのチャネル１３０（すなわち３２２の短い方のチャネル）は、冷却流体１２０で満たされたままで一定の熱経路を提供することになり、一方、他のチャネル１３０（すなわち３２４の長い方のチャネル）は、デバイス１１０から環境１５０に向けて起きる熱伝達の量を調節するために、周期的に繰り返し動作するようになることが期待され得る。取り出される力は、任意の所与の時間において、環境１５０へ向かう熱の経路を提供するチャネル１３０の数を変化させることにより、低い値と高い値の間で変動する。これは、環境１５０の温度が変化するときであっても、システム３００がデバイス１１０の所望の温度を保つ一手段を提供する。複数のチャネル１３０それぞれの特定の長さは、ヒートシンクインタフェース１４０との表面領域インタフェースの所望の量、および所与の企図された熱条件に関する所望の温度伝達特徴を提供するように設計され、細工され得る。
【００２９】
[0036]図４および図４Ａは、冷却流体１２０が調節可能な、または非線形の幅をもつチャネル１３０で延出または格納することにより、伝導の区域を変化させることによって、取り出される力が低い値と高い値の間で変動する、システム４００のさらに別の例示的な実施形態の実例を提供する。これは、環境１５０の温度が変化するときであっても、システムがデバイス１１０の所望の温度を保つ、別の手段を提供する。図４および４Ａに関連して本明細書に記載される特徴および要素は、図１および図３の要素、ならびに本明細書で述べられる他の実施形態のうちの任意のものと共に、またはそれと組み合わせて、またはそれと置換されて使用されてもよく、逆もまた同様であることを理解されたい。さらに、本明細書で述べられる実施形態においての機能、構造および他の要素の説明は、任意の図において、同じように名前がつけられた、または記載された要素に適用することができ、逆もまた同様であることを理解されたい。
【００３０】
[0037]具体的には、図４は、熱絶縁材料１１６の中に形成されて、流体容器１１４をヒートシンクインタフェース１４０と結合する少なくとも１つのチャネル１３０（４３０で示される）を備える、パッシブな熱管理システム４００の実施形態の例の図を示す。この実施形態の例では、チャネル４３０は、チャネル４３０の中で流体が膨張する長さの関数として、冷却流体１２０とヒートシンクインタフェース１４０の間の熱接触区域の変化を提供するように形作られる。つまり、冷却流体１２０が最初にヒートシンクインタフェース１４０に到達すると、冷却流体１２０がチャネル４３０に膨張すればするほど、冷却流体１２０は、ヒートシンクインタフェース１４０とより接触することになる。
【００３１】
[0038]いくつかの実施形態では、チャネル４３０は、チャネル４３０の長さと共に増加する、均一でない幅をもつように作られてもよい。たとえば、図４は、４３２でトランペットの形をもつチャネル４３０を示す。他の実施形態では、チャネル４３０は、チャネル４３０の長さに対して均一な幅を保つように作られてもよい。どちらの場合でも、冷却流体１２０が、ヒートシンクインタフェース１４０に到達するのに十分に膨張すると、チャネル４３０およびヒートシンクインタフェース１４０は、冷却流体１２０がさらに膨張すればするほど、冷却流体１２０とヒートシンクインタフェース１４０の間のインタフェースの表面領域（したがって外部環境１５０）が、連続的に増加するように合わせられる。その結果、冷却流体１２０が膨張および収縮するとき、デバイス１１０から外部環境１５０まで熱を伝達する熱経路の容量は、それに対応して増加または減少する。チャネル４３０の特定の形状は、ヒートシンクインタフェース１４０との表面領域インタフェースの所望の量、および所与の企図された熱条件に関する所望の温度伝達特徴を提供するように設計され、細工され得る。
【００３２】
[0039]図５は、パッシブな熱管理システム５００が、１組の相補的な流体容器およびチャネルを備える、システム５００のさらに別の例示的な実施形態の実例を示す。図５に関連して本明細書に記載される特徴および要素は、図１〜４Ａの要素、および本明細書で述べられる他の実施形態のうちの任意のものと共に、またはそれと組み合わせて、またはそれと置換されて使用されてもよく、逆もまた同様であることを理解されたい。さらに、本明細書で述べられる実施形態においての機能、構造および他の要素の説明は、任意の図において、同じように名前がつけられた、または記載された要素に適用することができ、逆もまた同様であることを理解されたい。
【００３３】
[0040]この実施形態では、第１の流体容器５１０は、デバイス１１０と（熱インタフェース１１２を介して）熱接触した状態の第１の冷却流体５１２を備える。冷却流体５１２は、先に開示された任意の実施形態において、上に述べたのと同じやり方で加熱されるとき、少なくとも１つのチャネル５１１に入り込んで膨張する。パッシブな熱管理システム５００に導入された違いは、ヒートシンクインタフェース１４０への熱経路を直接形成する冷却流体５１２とは対照的に、冷却流体５１２は、ヒートシンクインタフェース１４０を介して外部環境１５０と熱的に通じた状態の第２の流体容器５２０から膨張する第２の冷却流体５２２に、熱を伝導して伝達するということである。
【００３４】
[0041]より具体的には、図５に示される特定の実施形態において、第１の冷却流体５１２は、第１の流体容器５１０から１つまたは複数のチャネル５１１を通って膨張する。１つまたは複数のチャネル５１１の遠位端部は、（ヒートシンクインタフェース１４０に関連して上に述べられた材料のうちの任意のものから構成されてもよい）熱伝達導体５１５と結合され、これは第２の流体容器５２０から延出する１つまたは複数のチャネル５３１の遠位端部と結合される。１つまたは複数のチャネル５１１および熱伝達導体５１５は、冷却流体５１２と熱伝達導体５１５の間で熱伝達が起きる区域が、冷却流体５１２が１つまたは複数のチャネル５１１にさらに膨張すればするほど連続的に増加し、冷却流体５１２が収縮すればするほど連続的に減少するように、合わせられてもよい。
【００３５】
[0042]第２の冷却流体５２２は、第２の冷却流体５２２の熱膨張係数に応じ、上の実施形態のうちの任意のものにおいて述べられたのと同じやり方で、第２の流体容器５２０から１つまたは複数のチャネル５３１を通って膨張する。第２の流体容器５２０は、ヒートシンクインタフェース１４０を含むか、またはそれと接触しており、ヒートシンクインタフェース１４０は、第２の冷却流体５２２を外部環境１５０と熱的に結合するように機能する。チャネル５３１および熱伝達導体５１５も、冷却流体５２２と熱伝達導体５１５の間で熱伝達が起きる区域が、冷却流体５２２が１つまたは複数のチャネル５３１にさらに膨張すればするほど連続的に増加し、冷却流体５２２が収縮すればするほど連続的に減少するように合わせられる。
【００３６】
[0043]上述の他の実施形態とは対照的に、この実施形態の例では、冷却流体５１２と冷却流体５２２が両方とも、その各チャネル５１１およびチャネル５３１の中で熱伝達導体５１５に到達するのに十分に膨張したとき、デバイス１１０と外部環境１５０の間の伝導性の熱経路が確立される。上に述べられたように、伝導性の熱の経路は、デバイス１１０と外部環境１５０の間の１次熱経路であり、任意の代替の無給電経路よりも熱伝導率が大きい。冷却流体５１２および冷却流体５２２を介したこの伝導性の熱の経路が、無給電経路より優勢になればなるほど、パッシブな熱管理システム５００は、より効率的になることを理解されたい。上に述べられた他の実施形態と同様に、電子デバイス１１０は、冷却流体５１２および冷却流体５２２を介した伝導性の経路を除いて、ヒートシンクインタフェース１４０へのすべての伝導性の経路から熱的に概ね隔離される。
【００３７】
[0044]図５に示されているような２重流体システムは、２つのタイプの摂動に、より直接的に反応する能力を有する。たとえば、このような構成は、デバイス１１０が動作時に発生させ、放散する熱の量が変動することが予想される用途に対応するために使用され得ることが企図される。構成は、デバイス１１０と環境１５０の温度差が急速に変化することが予想される用途にも対応したほうがよい場合がある。このような構成により、設計上の考慮点における柔軟性が増す。たとえば、図５の実施形態では、第１の冷却流体５１２および第２の冷却流体５２２は、同じ流体から構成される必要はない。たとえば、第１の冷却流体５１２用の流体は、デバイス１１０から期待される熱放散に対応する、第１の組の熱膨張特性に基づいて選択されてもよい。一方で、第２の冷却流体５２２用の流体は、外部環境１５０から期待される熱吸収特性に対応する、第２の異なる組の熱膨張特性に基づいて選択されてもよい。チャネル５１１で第１の冷却流体５１２が延出する長さは、デバイス１１０の温度に対応することになり、チャネル５３１で第２の冷却流体５２２が延出する長さは、外部環境の温度に対応することになる。熱伝達導体５１５に到達するためにそれぞれの流体が進まなければならない長さ、および熱伝達導体５１５と冷却流体５１２、５２２との間に提供される表面領域での重なりは、システムが、確立された熱の熱経路を通って伝達される熱の量をどのように調節するかを決定するように設計され得る。
【００３８】
[0045]図６は、本開示の一実施形態のパッシブな熱管理の方法６００を示すフローチャートである。方法６００に関連して本明細書に記載される特徴および要素は、本明細書で述べられる任意の他の実施形態の要素と共に、またはそれと組み合わせて、またはそれと置換されて使用されてもよく、逆もまた同様であることを理解されたい。方法と関連して述べられる実施形態においての機能、構造および他の要素の説明は、本明細書の任意の図と関連付けられた、同じように名前がつけられた、または記載された要素に適用することができ、逆もまた同様であることを理解されたい。
【００３９】
[0046]方法は、６１０で、自己発熱電子デバイスと流体容器に保持される冷却流体との間の熱インタフェースを介した熱伝導率を確立することから始まる。一実施形態では、自己発熱電子デバイスは、熱インタフェースと物理的に接触する。熱インタフェースは、流体容器に収容される冷却流体と熱的に結合される。熱インタフェースは、（たとえば銅などの）金属、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、または電子デバイスと冷却流体の間の熱流経路を確立する、熱伝導率が高い他の材料から構成されてもよい。流体容器は、封止された容器でもよいが、必ずしも封止されていなくてもよい。自己発熱電子デバイスは、ＭＥＭＳデバイスでもよく、別のデバイス技術を含んでもよいことを理解されたい。
【００４０】
[0047]方法は、冷却流体の熱的に制御された膨張を用いて、流体容器から少なくとも１つのチャネルに延出する冷却流体の柱の長さを制御することを含む６１２に進み、少なくとも１つのチャネルは、冷却流体が膨張する、再循環しない経路を提供し、冷却流体の柱の長さは、冷却流体によって自己発熱電子デバイスから吸収された熱を使用して、熱的に制御される。加熱されるとき、冷却流体は、流体容器からチャネルに入り込んで膨張し、チャネルの中に冷却流体の柱が生じる。複数のチャネルを備える実施形態では、冷却流体は、流体容器から複数のチャネルのそれぞれに入り込んで膨張し、各チャネルのそれぞれの中に冷却流体の柱を形成する。
【００４１】
[0048]方法は、６１４に進み、少なくとも１つのチャネルの中の冷却流体の柱の長さに応じて、外部環境に熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと電子デバイスとの間の１次熱経路を選択的に確立する。冷却流体が流れ出ることができるチャネルの経路は、流体容器から熱伝導性のヒートシンクインタフェースに向かって延出する。いくつかの実施形態では、ヒートシンクインタフェースを使用して、チャネルの遠位端部を封止してもよい。冷却流体が電子デバイスから十分な熱を吸収し、その結果、冷却流体が、ヒートシンクインタフェースに到達するのに十分なチャネルの長さを膨張すると、デバイスからヒートシンクインタフェースまでの熱経路が完成し、ヒートシンクインタフェースは、完成した熱経路によって供給される熱エネルギーを吸収することになる。ヒートシンクインタフェースの少なくとも１つの面は、外部環境に露出されており、その結果、ヒートシンクインタフェースが、冷却流体によってヒートシンクインタフェースに運ばれた熱を吸収するとき、ヒートシンクインタフェースは、その熱を（熱伝導、対流または放射によって）外部環境に放散することができる。いくつかの実施形態では、電子デバイスは、ハウジングの中に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、電子デバイスは、ハウジングの中の真空内に収容されてもよい。ヒートシンクインタフェースは、ハウジングと結合されてもよく、ハウジングと一体化された部品であってもよい。
【００４２】
[0049]冷却流体を介して確立される熱経路を除き、電子デバイス、ならびに流体容器、チャネル、および熱インタフェースは、外部環境への無給電熱経路から本質的に熱的に隔離される。つまり、冷却流体の柱を通る伝導性の熱の経路は、デバイスと外部環境の間の１次熱経路であり、任意の代替の無給電経路よりも熱伝導率が大きい。したがって、既に上に述べたように、チャネルは、切削、エッチング、またはその他の方法で熱絶縁材料の中に形成される、冷却流体のための通路として実施されてもよい。一実施形態では、流体容器は、切削、エッチング、またはその他の方法で熱絶縁材料の中に形成される、冷却流体を保持するための容積を備えてもよい。いくつかの実施形態では、流体容器、１つまたは複数のチャネルおよびヒートシンクインタフェースは、ウエハまたは基板にｃ−Ｓｉ層を堆積させることによって形成されてもよい。流体容器および少なくとも１つのチャネル１３０を備えることになるこれらの部分は、堆積されたｃ−Ｓｉから切削またはエッチングされる。いくつかの実施形態では、熱インタフェースおよび／またはヒートシンクインタフェース１４０を備えることになる堆積されたｃ−Ｓｉの層は非多孔質化ｃ−Ｓｉとして残されるが、熱絶縁材料になることになる堆積されたｃ−Ｓｉの層は、多孔質化シリコンに加工されてもよい。いくつかの実施形態では、熱インタフェースおよび／またはヒートシンクインタフェースは、メタライゼーション層として所定の位置に堆積される。いくつかの実施形態では、電子デバイスは、熱インタフェースに接着されるか、またはその他の方法で熱インタフェースに取り付けられてもよい。他の実施形態では、電子デバイス自体が、本開示を検討した当業者が実施することができるはずの堆積技法を用いて、１つまたは複数の層の中で熱インタフェース上に製作されてもよい。
【００４３】
[0050]いくつかの実施形態では、方法６００は、長さが均一でない複数のチャネル１３０を含んでもよく、その結果、電子デバイス１１０の所与の温度において、チャネルには、ヒートシンクインタフェースと接触した状態の冷却流体の柱を含むものもあれば、含まないものもある場合がある。したがって、外部環境への熱流の調節は、冷却流体がヒートシンクインタフェースと接触している時間の長さではなく、ヒートシンクインタフェースと接触している冷却流体を有するチャネルの数に応じて経時変化し得る。ヒートシンクと接触している冷却流体を有するチャネルの数が増えるほど、システムがもつ、デバイスから環境に熱を送達する容量が大きくなる。いくつかの実施形態では、複数のチャネルと接触して機能するヒートシンクインタフェースの形は、湾曲していても、その他の形で細工されてもよく、その結果、膨張している冷却流体とヒートシンクとの間の接触が様々な長さで起こり、短い方のチャネルでの接触は、長い方のチャネルよりも早く起きる。長い方のチャネルの冷却流体は、短い方のチャネルに比べて、ヒートシンクインタフェースと接触するまでに、より長い距離を膨張しなければならないことになる。
【００４４】
[0051]いくつかの実施形態では、冷却流体が、調節可能な、または非線形の幅をもつチャネルで延出または格納することにより、伝導の区域を変化させることによって、熱経路を通る取り出される力が低い値と高い値の間で変動する。つまり、チャネルは、チャネルの中で流体が膨張する長さの関数として、冷却流体とヒートシンクインタフェースの間の熱接触区域の変化を提供するように形作られてもよい。冷却流体が最初にヒートシンクインタフェースに到達すると、冷却流体がチャネルに膨張すればするほど、冷却流体は、ヒートシンクインタフェースとより接触することになる。
【００４５】
[0052]いくつかの実施形態では、ブロック６１０の流体容器および冷却流体は、第１の流体容器および第１の冷却流体を備えてもよく、方法は、たとえば図５に示されているような第２の流体容器および第１の冷却流体を使用することを含んでもよい。このような代替的な一実施形態では、ヒートシンクインタフェースへの熱経路を直接形成する第１の冷却流体とは対照的に、第１の冷却流体は、第２の流体容器から膨張する第２の冷却流体に、熱を伝導して伝達する。第２の流体容器は、ヒートシンクインタフェースを介して、外部環境と熱的に通じた状態である。いくつかの実施形態では、第１のチャネルの遠位端部は、熱伝達導体と結合され、これは第２の流体容器から延出する第２のチャネルの遠位端部と結合される。いくつかの実施形態では、第１のチャネルおよび第２のチャネル、ならびに熱伝達導体は、冷却流体と熱伝達導体の間で熱伝達が起きる区域が、各冷却流体が各チャネルにさらに膨張すればするほど連続的に増加するように合わせられ得る。
【００４６】
[0053]この実施形態では、両方の冷却流体が、それらの各チャネルの中で熱伝達導体に到達するのに十分に膨張したとき、電子デバイスと外部環境の間の伝導性の熱経路が確立される。この伝導性の熱経路は、デバイスと外部環境の間の１次熱経路であり、任意の代替の無給電経路よりも熱伝導率が大きい。２重流体を使用する方法６００の一実装形態は、２つのタイプの摂動に、より直接的に反応する能力を有する。たとえば、このような構成は、電子デバイスが動作時に発生させ、放散する熱の量が変動することが予想される用途に対応するために使用され得ることが企図される。構成は、電子デバイスと環境の温度差が急速に変化することが予想される用途にも対応したほうがよい場合がある。このような構成により、設計上の考慮点における柔軟性が増す。第１の冷却流体および第２の冷却流体は、同じ流体材料から構成される必要はないことを理解されたい。たとえば、第１の冷却流体用の流体は、デバイスから期待される熱放散に対応する、第１の組の熱膨張特性に基づいて選択されてもよく、第２の冷却流体は、外部環境から期待される熱吸収特性に対応する、第２の異なる組の熱膨張特性に基づいて選択されてもよい。熱伝達導体に到達するためにそれぞれの流体が進まなければならない長さ、および熱伝達導体と冷却流体の間に提供される表面領域での重なりは、方法が、確立された熱の熱経路を通って伝達される熱の量をどのように調節するかを決定するように設計され得る。
実施形態例
[0054]例１は、自己発熱電子デバイスと流体容器の中に保持される冷却流体との間の熱インタフェースを介した熱伝導率を確立するステップと、冷却流体の熱的に制御された膨張を用いて、流体容器から、流体容器から延出する少なくとも１つのチャネルに延出する冷却流体の柱の長さを制御するステップであって、少なくとも１つのチャネルが、冷却流体が入り込んで膨張する、再循環しない経路を提供し、冷却流体の柱の長さが、冷却流体によって自己発熱電子デバイスから吸収された熱を使用して、熱的に制御される、ステップと、少なくとも１つのチャネルの中の冷却流体の柱の長さに応じて、外部環境に熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと電子デバイスとの間の１次熱経路を選択的に確立するステップとを含む、パッシブな熱管理方法を含む。
【００４７】
[0055]例２は、ヒートシンクインタフェースの少なくとも１つの面が、外部環境に露出される、例１の方法を含む。
[0056]例３は、ヒートシンクインタフェースが、電子デバイスが配置されるハウジングの中に一体化される、例１または２に記載の方法を含む。
【００４８】
[0057]例４は、自己発熱電子デバイスが、熱インタフェースと物理的に接触する、例１から３のいずれかに記載の方法を含む。
[0058]例５は、熱インタフェースが、金属から構成されてもよい、例１から４のいずれかに記載の方法を含む。
【００４９】
[0059]例６は、ヒートシンクインタフェースが、少なくとも１つのチャネルを封止する、例１から５のいずれかに記載の方法を含む。
[0060]例７は、電子デバイス、流体容器、少なくとも１つのチャネル、および熱インタフェースが、冷却流体を介して確立される１次熱経路を除いて、外部環境への無給電熱経路から本質的に熱的に隔離される、例１から６のいずれかに記載の方法を含む。
【００５０】
[0061]例８は、少なくとも１つのチャネルが、長さが均一でない複数のチャネルを備え、その結果、電子デバイスの所与の温度において、複数のチャネルのうちの少なくとも１つの第１のチャネルが、ヒートシンクインタフェースと接触している冷却流体の柱を含み、複数のチャネルのうちの少なくとも１つの第２のチャネルが、ヒートシンクインタフェースと接触していない冷却流体の柱を含む、例１から７のいずれかに記載の方法を含む。
【００５１】
[0062]例９は、複数のチャネルと接触して機能するヒートシンクインタフェースの形が、膨張している冷却流体とヒートシンクインタフェースとの間の接触が、様々な長さで起きるような形状に細工される、例８に記載の方法を含む。
【００５２】
[0063]例１０は、少なくとも１つのチャネルが、少なくとも１つのチャネルの中で流体が膨張する長さに応じて、冷却流体とヒートシンクインタフェースの間の熱接触区域が異なるように形作られる、例１から９のいずれかに記載の方法を含む。
【００５３】
[0064]例１１は、第２の流体容器に保持される第２の冷却流体とヒートシンクインタフェースとの間の熱伝導率を確立するステップと、熱的に制御された膨張を用いて、第２の流体容器から少なくとも第２のチャネルに延出する第２の冷却流体の柱の長さを制御するステップであって、第２のチャネルが、第２の冷却流体が入り込んで膨張するための再循環しない経路を提供し、第２の冷却流体の第２の柱の長さが、第２の冷却流体によってヒートシンクインタフェースから吸収された熱を使用して、熱的に制御され、第２の流体容器から延出する第２のチャネルの遠位端部が、熱伝達導体によって、流体容器から延出する少なくとも１つのチャネルの遠位端部と結合される、ステップと、少なくとも１つのチャネルの中の冷却流体の柱の長さ、および第２の流体容器から延出する第２の冷却流体の柱の長さに応じて、外部環境に熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと電子デバイスとの間の１次熱経路を選択的に確立するステップとをさらに含む、例１から１０のいずれかに記載の方法を含む。
【００５４】
[0065]例１２は、自己発熱電子デバイスと結合するように構成される熱インタフェースと、外部環境と熱的に結合されるヒートシンクインタフェースと、流体容器に保持される冷却流体であって、流体容器の少なくとも１つの面が、熱インタフェースを備え、冷却流体が、熱インタフェースを介して、電子デバイスと熱を伝導できるように結合され、電子デバイスが、ヒートシンクインタフェースへ向かう伝導性の経路から概ね熱的に隔離される、冷却流体と、再循環しない流体で流体容器と通じた状態の少なくとも１つのチャネルであって、冷却流体が電子デバイスによって加熱されるとき、冷却流体が、冷却流体の熱膨張係数の関数である長さにわたり、流体容器から出て少なくとも１つのチャネルに入るように膨張する、少なくとも１つのチャネルとを備え、少なくとも部分的には、冷却流体が熱膨張により少なくとも１つのチャネルに入り込んで膨張する長さに応じて、電子デバイスとヒートシンクの間の伝導性の熱経路が、冷却流体を介して確立される、パッシブな熱管理システムを含む。
【００５５】
[0066]例１３は、第２の流体容器に収容され、ヒートシンクを介して外部環境に熱を伝導できるように結合される第２の冷却流体と、第２の流体容器と流体連通する状態である少なくとも１つの第２のチャネルであって、第２の冷却流体が外部環境によって加熱されるとき、第２の冷却流体が、第２の冷却流体の第２の熱膨張係数の関数である第２の長さにわたり、第２のチャネルに入るように膨張する、少なくとも１つの第２のチャネルと、第１のチャネルとの第１の表面領域インタフェース、および第２のチャネルとの第２の表面領域インタフェースを有する熱伝達導体とをさらに備え、電子デバイスとヒートシンクインタフェースの間の伝導性の熱経路が、１）第１の冷却流体が第１のチャネルに入り込んで膨張する第１の長さ、および２）第２の冷却流体が第２のチャネルに入り込んで膨張する第２の長さに応じて、第１の冷却流体および第２の冷却流体を介して確立される、例１２に記載のシステムを含む。
【００５６】
[0067]例１４は、少なくとも１つのチャネルおよび流体容器が、切削、エッチング、またはその他の方法で熱絶縁材料の中に形成される、例１２または１３に記載のシステムを含む。
【００５７】
[0068]例１５は、冷却流体を介して確立される１次熱経路を除き、電子デバイス、流体容器、少なくとも１つのチャネル、および熱インタフェースが、多孔質化シリコンから構成される熱絶縁材料により、外部環境への無給電熱経路から本質的に熱的に隔離される、例１２から１４のいずれかに記載のシステムを含む。
【００５８】
[0069]例１６は、ヒートシンクインタフェースが、電子デバイスが配置されるハウジングの中に一体化される、例１２から１５のいずれかに記載のシステムを含む。
[0070]例１７は、ヒートシンクインタフェースの少なくとも１つの面が、外部環境に露出される、例１２から１６のいずれかに記載のシステムを含む。
【００５９】
[0071]例１８は、少なくとも１つのチャネルが、長さが均一でない複数のチャネルを備え、その結果、電子デバイスの所与の温度において、複数のチャネルのうちの少なくとも１つの第１のチャネルが、ヒートシンクインタフェースと接触している冷却流体の柱を含み、複数のチャネルのうちの少なくとも１つの第２のチャネルが、ヒートシンクインタフェースと接触していない冷却流体の柱を含む、例１２から１７のいずれかに記載のシステムを含む。
【００６０】
[0072]例１９は、複数のチャネルと接触して機能するヒートシンクインタフェースの形が、膨張している冷却流体とヒートシンクインタフェースとの間の接触が、様々な長さで起きるような形状に細工される、例１８に記載のシステムを含む。
【００６１】
[0073]例２０は、少なくとも１つのチャネルが、少なくとも１つのチャネルの中で流体が膨張する長さに応じて、冷却流体とヒートシンクインタフェースの間の熱接触区域が異なるように形作られる、例１２から１９のいずれかに記載のシステムを含む。
【００６２】
[0074]特定の実施形態が本明細書で説明され、記載されてきたが、同じ目的を達成するように計算される任意の構成が、示されている特定の実施形態の代わりに用いられてもよいことが、当業者によって理解されよう。本出願は、提示される実施形態の任意の改変形態または変形形態を含むことを意図されるものである。したがって、実施形態が、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるべきであることは、明らかに意図されている。
【符号の説明】
【００６３】
１００  パッシブな熱管理システム、システム
１１０  デバイス
１１２  熱インタフェース
１１３  排出口
１１４  流体容器
１１６  熱絶縁材料
１２０  冷却流体、流体
１３０  チャネル
１４０  ヒートシンクインタフェース
１５０  外部環境、環境
１６０  時間
１６２  時間平均熱伝導レベル
２００  デバイス
２１０  ハウジング
２１２  内部容積
３００  パッシブな熱管理システム、システム
３２２  短い方のチャネル
３２４  長い方のチャネル
３３０  チャネル
４００  パッシブな熱管理システム、システム
４３０  チャネル
５００  パッシブな熱管理システム、システム
５１０  第１の流体容器
５１１  チャネル
５１２  第１の冷却流体、冷却流体
５１５  熱伝達導体
５２０  第２の流体容器
５２２  第２の冷却流体
５３１  チャネル
６００  方法
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2019087728000001.pdf