(57)【要約】  熱交換器に使用されるマイクロ構造を作成する構造及び方法を開示する。熱交換器は、マニホルド層及びマイクロ構造領域を備える。マニホルド層は、マイクロ構造領域に流体を供給する構造を有する。マイクロ構造領域は、ウェットエッチングプロセスによって複数のマイクロスケールアパーチャが開設された熱伝導層から形成される複数の窓化された層から形成される。そして、複数の窓化された層を連結して、複合マイクロ構造を形成する。
2008530482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ構造を有する熱交換器を製造する熱交換器製造方法において、
ａ．材料除去プロセスを用いて、複数の熱伝導層を介して複数のマイクロスケールアパーチャを形成し、複数の窓化された層を形成する工程と、
ｂ．上記複数の窓化された層を連結し、複合マイクロ構造を形成する工程と
を有する熱交換器製造方法。
【請求項２】
上記熱伝導層は、銅を含むことを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項３】
上記複数の窓化された層は、硬ろう付けによって連結されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項４】
上記硬ろう付けは、銀を含む硬ろう付け材料によって行われることを特徴とする請求項３記載の熱交換器製造方法。
【請求項５】
上記硬ろう付けの前に上記複数の窓化された層の１つ以上が硬ろう付け材料によってメッキされることを特徴とする請求項３記載の熱交換器製造方法。
【請求項６】
上記複数の窓化された層を連結する前に、該複数の窓化された層のそれぞれのアパーチャを揃える工程を更に有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項７】
上記材料除去プロセスは、等方性ウェットエッチングプロセスであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項８】
上記等方性ウェットエッチングプロセスは、光化学マッチング、マスクを用いた化学エッチング、マスクを用いた電気化学エッチング、電気エッチング及び微細電解加工からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項９】
上記複合マイクロ構造は、マイクロメッシュを含むことを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項１０】
上記材料除去プロセスを用いて、複数の熱伝導層を介して複数のマイクロスケールアパーチャを形成する工程は、各上記熱伝導層の第１の側に第１のマイクロパターンを形成する工程と、各上記熱伝導層の第２の側に第２のマイクロパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項１１】
上記第１及び第２のマイクロパターンは、相補的な関係を有し、上記熱伝導層内に連続するマイクロチャネルを形成することを特徴とする請求項１０記載の熱交換器製造方法。
【請求項１２】
上記第１及び第２のマイクロパターンは、上記熱伝導層内で重なり合うマイクロメッシュ構造を有することを特徴とする請求項１０記載の熱交換器製造方法。
【請求項１３】
上記複合マイクロ構造は、複数のマイクロチャネルを含むことを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項１４】
上記熱伝導層は、約５０μｍ乃至約２５０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項１５】
上記熱伝導層内に形成されたマイクロスケールアパーチャは、約５０μｍ乃至約３００μｍの寸法を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器製造方法。
【請求項１６】
熱伝導性高表面積対体積比材料（ＨＳＶＲＭ）構造を有するマイクロ熱交換器を製造するマイクロ熱交換器製造方法において、
ａ．第１の材料から形成された蓋構造を準備する工程と、
ｂ．上記蓋構造を、第２の材料から形成され、冷却用流体を輸送するように構成されたマニホルド構造に連結する工程と、
ｃ．材料除去プロセスを用いて、熱伝導性材料からなる熱伝導体に、複数の熱伝導層を介して、複数のマイクロスケールアパーチャを形成し、複数の窓化された層を形成する工程と、
ｄ．上記複数の熱伝導層のそれぞれに形成されるＨＳＶＲＭ構造が、該熱伝導層を連結すると、複合ＨＳＶＲＭ構造が形成され、上記複数の窓化された層を連結し、上記熱伝導体を含む複合ＨＳＶＲＭ構造を形成する工程と、
ｅ．上記マニホルド層が上記ＨＳＶＲＭ構造に流体を供給するように、上記複合ＨＳＶＲＭ構造に、上記マニホルド構造及び上記蓋構造を連結する工程と、
ｆ．第３の材料から構成される平台構造に、上記複合ＨＳＶＲＭ構造、上記マニホルド構造及び上記蓋構造を連結してマイクロ熱交換器を形成する工程とを有するマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項１７】
上記熱伝導体は、銅であることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項１８】
上記蓋構造、上記マニホルド構造、上記複数の窓化された層及び上記平台構造は、全て硬ろう付けによって連結されることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項１９】
上記硬ろう付けは、銀を含む硬ろう付け材料によって行われることを特徴とする請求項１８記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２０】
上記複数の窓化された層を連結する前に、該複数の窓化された層のそれぞれのアパーチャを揃える工程を更に有することを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２１】
上記マイクロスケールアパーチャは、等方性ウェットエッチングプロセスによって上記熱伝導層内に形成されることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２２】
上記等方性ウェットエッチングプロセスは、光化学マッチング、マスクを用いた化学エッチング、マスクを用いた電気化学エッチング、電気エッチング及び微細電解加工からなるグループから選択されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２３】
上記複合ＨＳＶＲＭ構造は、マイクロメッシュを含むことを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２４】
上記材料除去プロセスを用いて、複数の熱伝導層を介して複数のマイクロスケールアパーチャを形成する工程は、各上記熱伝導層の第１の側に第１のマイクロパターンを形成する工程と、各上記熱伝導層の第２の側に第２のマイクロパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする請求項２３記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２５】
上記第１及び第２のマイクロパターンは、相補的な関係を有し、上記熱伝導層内に連続するマイクロチャネルを形成することを特徴とする請求項２４記載の熱交換器製造方法。
【請求項２６】
上記第１及び第２のマイクロパターンは、上記熱伝導層内で重なり合うマイクロメッシュ構造を有することを特徴とする請求項２４記載の熱交換器製造方法。
【請求項２７】
上記複合ＨＳＶＲＭ構造は、複数のマイクロチャネルを含むことを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２８】
上記平台構造を微細研磨する工程を更に有する請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項２９】
上記蓋構造に複数の流体ポートを形成する工程を更に有する請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項３０】
上記複合ＨＳＶＲＭ構造を構成する複数の熱伝導層の数及び厚さは、上記マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択されることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項３１】
上記熱伝導層は、約５０μｍ乃至約２５０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項３２】
上記熱伝導層内に形成されたマイクロスケールアパーチャは、約５０μｍ乃至約３００μｍの寸法を有することを特徴とする請求項１６記載のマイクロ熱交換器製造方法。
【請求項３３】
それぞれが材料除去プロセスによって形成された複数の細長いマイクロスケールアパーチャを有する複数の熱伝導層を含むマイクロ構造熱交換器において、
上記複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、揃えられており、上記複数の熱伝導層は、連結されてＨＳＶＲＭ構造を構成し、一の上記熱伝導層の各細長いアパーチャは、少なくとも１つの隣接する他の熱伝導層の３つ以上の細長いアパーチャと連結されていることを特徴とするマイクロ熱交換器。
【請求項３４】
上記熱伝導層は、銅を含むことを特徴とする請求項３３記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３５】
上記窓化された層は、硬ろう付けによって連結されていることを特徴とする請求項３３記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３６】
上記材料除去プロセスは、等方性エッチングプロセスであることを特徴とする請求項３３記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３７】
上記複数の熱伝導層の数及び厚さは、当該マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択されていることを特徴とする請求項３３記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３８】
それぞれが材料除去プロセスによって形成された複数の細長いマイクロスケールアパーチャを有する複数の熱伝導層を含むマイクロ構造熱交換器において、
上記複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、揃えられており、上記複数の熱伝導層は、連結されてＨＳＶＲＭ構造を構成し、一の上記熱伝導層の各細長いアパーチャは、隣接する他の全ての熱伝導層の１つのみの細長いアパーチャと連結されていることを特徴とするマイクロ熱交換器。
【請求項３９】
上記複数の熱伝導層のそれぞれにおいて、上記複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、同一であることを特徴とする請求項３８記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４０】
上記材料除去プロセスは、等方性エッチングプロセスであることを特徴とする請求項３８記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４１】
上記窓化された層は、硬ろう付けによって連結されていることを特徴とする請求項３８記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４２】
上記複数の熱伝導層の数及び厚さは、当該マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択されていることを特徴とする請求項３８記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４３】
マイクロ構造を有する熱交換器を製造する熱交換器製造方法において、
ａ．材料蒸着プロセスを用いて、熱伝導体を含み、及び複数のマイクロスケールアパーチャを有する複数の窓化された層を形成する工程と、
ｂ．上記複数の窓化された層を連結し、複合マイクロ構造を形成する工程とを有する熱交換器製造方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この特許出願は、２００２年１１月１日に出願され、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の冷却方法（METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS）」、２００３年１月２４日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４４２，３８２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２００３年３月１７日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔構成を有するマイクロチャネル熱交換器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した、２００３年３月１６日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４３９，６３５号、発明の名称「発熱デバイスにおいて必要なホットスポットを冷却するための柔軟な流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY FOR COOLING DESIRED HOT SPOTS IN A HEAT PRODUCING DEVICE）」の一部継続出願である、２００３年１０月６日に出願された、米国特許出願番号第１０／６８０，５８４号、発明の名称「発熱デバイスを冷却するための効率的な垂直流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE）」の一部継続出願であり、これらの特許文献は全て引用により本願に援用される。また、この特許出願は、２００２年１１月１日に出願され、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の冷却方法（METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS）」、２００３年１月２４日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４４２，３８２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２００３年３月１７日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔構成を有するマイクロチャネル熱交換器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した、２００３年５月１６日に出願された係属中の米国特許出願第１０／４３９，９１２号、発明の名称、「マイクロチャネル熱交換器での圧力降下減少のための互いに絡み合うマニホルド（INTERWOVEN MANIFOLDS FOR PRESSURE DROP REDUCTION IN MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS）」の一部継続出願でもあり、これらの特許文献は、全て引用によって本願に援用される。また、この特許出願は、２００３年３月１７日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔構成を有するマイクロチャネル熱交換器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した、２００３年７月１日に出願された、係属中の米国特許出願番号第１０／６１２，２４１号、発明の名称「多層マイクロチャネル熱交換器（MULTI-LEVEL MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS）」の一部継続出願であり、これらの特許文献は、何れも引用によって本願に援用される。更に、この特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００５年１月７日に出願された、係属中の米国仮特許出願番号第６０／６４２，２８４号、発明の名称「高表面積対体積比構造の作成及び液体冷却装置のマイクロ熱交換器への統合（FABRICATION OF HIGH SURFACE TO VOLUME RATIO STRUCTURES AND THEIR INTEGRATION TN MICRO-HEAT EXCHANGES FOR LIQUID COOLING SYSTEMS）」の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、熱交換器に関する。詳しくは、本発明は、複数の層から高表面積対体積比材料構造（high surface to volume ratio material structures）を作成する熱交換器製造方法及び液体冷却装置における効果的な除熱のために、マイクロ構造熱交換器デバイスにこの高表面積対体積比材料構造を組み込む熱交換器製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
液体冷却装置において効果的な熱輸送を実現するためには、液体が、冷却されたデバイスから熱を除去するために熱伝導可能に連結された材料のできるだけ多くの表面積に接触するように、液体を流す必要がある。信頼性が高く効率的な、したがって、効果的なマイクロ熱交換器を実現するためには、高表面積対体積比材料（High Surface to Volume Ratio Material：ＨＳＶＲＭ）構造の作成が非常に重要となる。先に本発明の譲受人によって提案されている液体冷却装置では、１つの集熱器構造として、シリコンマイクロチャネルを用いている。この技術は、例えば、２００３年８月１８日に出願された係属中の米国特許出願番号第１０／６４３，６８４号、発明の名称「熱交換デバイスにおけるチャネルを形成する装置及び方法」に開示されている。
【０００４】
高アスペクト比のチャネルは、マイクロ加工及びＭＥＭＳにおいて広く採用されているシリコンの異方性エッチングによって作成される。ここで、シリコンは、他の多くの材料、特に純金属に比べて、熱伝導率が低い。導電率がより高い材料からマイクロ熱交換器を作成及び設計する技術も提案されているが、これらは、高価な製造技術を用い、又は複雑な構造のために、安価に製造することができない。
【０００５】
例えば、ケー・ダブリュー・ケリー（K. W. Kelly）他による米国特許番号第６，４１５，８６０号には、ＬＩＧＡから形成されたマイクロチャネルを採用したクロスフローマイクロ熱交換器（cross-flow micro-heat exchanger）が開示されている。引用によって本願に援用されるケリーらの特許文献に開示されている手法は、高アスペクト比マイクロ加工（High Aspect Ratio Micromachining：ＨＡＲＭ）の一種である周知のＬＩＧＡを用いる。ＬＩＧＡは、リソグラフィー、電気メッキ及びマイクロ成形を含む多段階プロセスであり、これによりＨＳＶＲＭ構造が得られるが、この手法は特殊な材料を使用し、及び放射光が必要であるため、高コストである。
【０００６】
ジェイ・エー・マシューズ（J. A. Matthews）に付与されている米国特許番号第５，２７４，９２０号には、複数のプレートを、窪んだ領域を介して互いに積層することによって、マイクロ熱交換器を作成するプロセスが開示されている。これにより、複数の微細なスロットを有するマイクロ構造が作成される。引用によって本願に援用されるマシューズの特許文献には、各プレートの構造については開示されているが、これらのプレートを低コストで、スケーラブルに作成する手法については開示されていない。
【０００７】
ジェイ・シュルツ−ハルダー（J. Schulz-Harder）他に付与されている米国特許番号第６，０１４，３１２号には、それぞれが開口を有する一組の層によって構成されたヒートシンクが開示されている。各層は、互いに積層され、流路を形成する。引用によって本願に援用されるシュルツ−ハルダーの特許文献には、多角形リングの開口構造が開示されているが、各層をどのように作成するかについては、開示も示唆もされていない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
熱交換器は、熱源から熱を吸収し、熱源から熱を取り除くことによって熱源を冷却する流体等の冷却剤を循環させる。このように、熱交換器を用いて、例えば、半導体デバイス、バッテリ、モータ、プロセスチャンバの壁及びこの他の熱を発生するあらゆる熱源を含む様々な熱源を冷却することができる。
【０００９】
本発明は、マイクロ構造を有する熱交換器を作成する熱交換器製造方法を提供する。一実施の形態においては、熱交換器製造方法は、材料除去プロセスを用いて、複数の熱伝導層を介して複数のマイクロスケールアパーチャを形成し、複数の窓化された層を形成する工程と、複数の窓化された層を連結し、複合マイクロ構造を形成する工程とを有する。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態では、熱伝導層は、銅を含み、熱伝導層から形成された複数の窓化された層は、硬ろう付けプロセスによって連結される。硬ろう付けは、真空下又はフォーミングガス又は高純度水素ガス等の還元雰囲気が満たされた炉で行うことが好ましい。また、硬ろう付けは、銀を含む硬ろう付け材料を用いて行うことが好ましい。銀を用いる場合、炉は、約８５０℃に加熱することが好ましい。この温度において、銀は、銅に拡散し、Ｃｕ−Ａｇ金属間化合物合金が形成され、この合金が溶融することによって、良好な熱的及び機械的接合が実現する。
【００１１】
熱伝導層内には、マイクロスケールのアパーチャが形成されているため、硬ろう付け材料がこれらのアパーチャを完全又は部分的に塞がないように、硬ろう付けプロセスを慎重に制御する必要がある。好ましくは、硬ろう付けの前に、熱伝導層に銀をメッキする。厚さ約１５０μｍの熱伝導層に対しては、銀メッキ層は、約０．２５乃至約２μｍの範囲の厚さとすることが好ましい。
【００１２】
更に、熱交換器製造方法は、好ましくは、複数の窓化された層を連結する前に、複数の窓化された層のそれぞれのアパーチャを揃える工程（アラインメント）を有する。このアラインメントによって、複数の熱伝導層の組合せとして形成される複合マイクロ構造の特性を所望の特性にすることができる。例えば、マイクロチャネル構造を形成する場合、このアラインメントによって、マイクロチャネル構造のアスペクト比は、主に、互いに接着される熱伝導層の数に依存することが確実となる。
【００１３】
本発明では、窓化された層を形成するために、材料除去に基づくプロセス及び材料蒸着に基づくプロセスを含む様々なプロセスを用いることができる。例示的なプロセスとしては、以下に限定されるものではないが、レーザ穿孔、レーザ切削、ウェットエッチング、ＬＩＧＡ、高周波リソグラフィー、イオンビームエッチング、化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）、スパッタリング、蒸着、分子線エピタキシー、無電解メッキ及び電解メッキ等が含まれる。これらの多くは、ＨＡＲＭプロセスであるが、本発明は、必ずしもＨＡＲＭプロセスを必要としない。
【００１４】
マイクロスケールアパーチャは、好ましくは、ウェットエッチングプロセスによって形成される。好適なウェットエッチングプロセスは、等方性ウェットエッチングプロセスである。熱伝導層が銅を含む好ましい実施の形態では、マイクロスケールアパーチャを形成するプロセスは、マスクを用いた化学エッチング、光化学マッチング（photo chemical machining：ＰＣＭ）、マスクを用いた電気化学エッチング（電気エッチング又は微細電解加工）又はこの他の適切なウェットエッチングプロセスであってもよい。
【００１５】
複数の熱伝導層を互いに連結することによって形成される複合マイクロ構造は、マイクロメッシュ、複数のマイクロチャネル又は他の高表面積対体積比材料構造を含む。好適な実施の形態においては、材料除去プロセスを用いて、複数の熱伝導層を介して複数のマイクロスケールアパーチャを形成する工程は、好ましくは、各熱伝導層の第１の側に第１のマイクロパターンを形成する工程と、各熱伝導層の第２の側に第２のマイクロパターンを形成する工程とを含む。第１及び第２のマイクロパターンは、相補的に、熱伝導層内に連続するマイクロチャネルを形成してもよい。これに代えて、第１及び第２のマイクロパターンは、熱伝導層内で重なり合うマイクロメッシュ構造を形成するように設計してもよい。
【００１６】
複数の熱伝導層は、好ましくは、約５０μｍ乃至約２５０μｍの厚さを有する。更に、熱伝導層内に形成されたマイクロスケールアパーチャは、約５０μｍ乃至約３００μｍの寸法を有する。
【００１７】
また、本発明は、更なる側面として、熱伝導性高表面積対体積比材料（high surface to volume ratio material：ＨＳＶＲＭ）構造を有するマイクロ熱交換器を作成するマイクロ熱交換器製造方法を提供する。マイクロ熱交換器製造方法は、第１の材料から形成された蓋構造を準備する工程と、蓋構造を、第２の材料から形成され、冷却用流体を輸送するように構成されたマニホルド構造に連結する工程と、材料除去プロセスを用いて、熱伝導体を材料とする複数の熱伝導層を介して、複数のマイクロスケールアパーチャを形成し、複数の窓化された層を形成する工程とを有する。更に、マイクロ熱交換器製造方法は、複数の熱伝導層のそれぞれに形成されるＨＳＶＲＭ構造が、熱伝導層を連結すると、複合ＨＳＶＲＭ構造を形成するように設計されており、複数の窓化された層を連結し、熱伝導体を含む複合ＨＳＶＲＭ構造を形成する工程を有する。更に、マイクロ熱交換器製造方法は、マニホルド層がＨＳＶＲＭ構造に流体を供給するように、複合ＨＳＶＲＭ構造に、マニホルド構造及び蓋構造を連結する工程と、第３の材料から構成される平台構造に、複合ＨＳＶＲＭ構造、マニホルド構造及び蓋構造を連結してマイクロ熱交換器を形成する工程とを有する。
【００１８】
この側面においては、ＨＳＶＲＭ構造は、好ましくは、上述した手法に基づいて形成され、熱伝導層は、好ましくは、銅であり、硬ろう付けプロセスによって連結することが好ましい。更に、蓋構造、マニホルド構造、複数の窓化された層及び平台構造は、全て、銀を含む硬ろう付け材料によって硬ろう付けによって連結することが好ましい。蓋構造、マニホルド構造及び平台構造には、好ましくは、約１μｍ乃至約１０μｍの間の厚さで銀をメッキする。ＨＳＶＲＭ構造を構成する熱伝導層には、好ましくは、約１μｍの厚さで銀をメッキし、マニホルド構造、蓋構造及び平台構造には、好ましくは、約４μｍの厚さで銀をメッキする。硬ろう付けプロセスの他の実施の形態では、マニホルドには、約４μｍの厚さで銀をメッキし、熱伝導性のＨＳＶＲＭ構造には、約１μｍの厚さで銀をメッキし、蓋構造及び平台構造には、メッキを施さない。
【００１９】
マイクロ熱交換器の作成の後に、平台構造を微細研磨することが好ましい。更に、組み立てられたマイクロ熱交換器は、好ましくは、蓋構造又はマニホルド構造に形成され、外部の流体ネットワークから流体が流入する複数のポートを除いて、流体による熱交換のための液密構造を提供する。
【００２０】
本発明の好適な実施の形態においては、複合ＨＳＶＲＭ構造を構成する複数の熱伝導層の数及び厚さは、マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択される。
【００２１】
本発明の更なる側面として提供されるマイクロ熱交換器は、それぞれが複数の細長いマイクロスケールアパーチャを有する複数の熱伝導層を含むマイクロ構造熱交換器において、複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、揃えられており、複数の熱伝導層は、連結されてＨＳＶＲＭ構造を構成し、第１の熱伝導層の各細長いアパーチャは、少なくとも１つの隣接する熱伝導層の４つ以上の細長いアパーチャと連結されている。
【００２２】
マイクロ構造熱交換器は、好ましくは、硬ろう付けプロセスによって互いに連結された、銅を含む熱伝導層を備える。更に、マイクロスケールアパーチャは、如何なる手法で形成してもよいが、先に説明した本発明の実施の形態と同様に、等方性ウェットエッチングプロセスによって形成することが好ましい。複数の熱伝導層の数及び厚さは、好ましくは、マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択されている。
【００２３】
本発明の更に他の側面として提供されるマイクロ熱交換器は、それぞれが複数の細長いマイクロスケールアパーチャを有する複数の熱伝導層を含むマイクロ構造熱交換器において、複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、揃えられており、複数の熱伝導層は、連結されてＨＳＶＲＭ構造を構成し、第１の熱伝導層の各細長いアパーチャは、隣接する全ての熱伝導層の１つのみの細長いアパーチャと連結されている。
【００２４】
複数の熱伝導層のそれぞれにおいて、複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、同じであることが好ましい。ここでも、マイクロスケールアパーチャは、好ましくは、銅を含む複数の熱伝導層に対する等方性ウェットエッチングプロセスによって形成され、これらの熱伝導層は、後に、銀を含む硬ろう付け材料を用いて、硬ろう付けプロセスによって互いに連結される。複数の熱伝導層の数及び厚さは、マイクロ熱交換器の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択することが好ましい。
【００２５】
本発明の変形例においては、複数の窓化された層は、材料蒸着プロセス、例えば、化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）、スパッタリング、蒸着又はメッキ等によって形成され、上述した手法によって連結される。
【００２６】
本発明を用いて、様々な熱交換構造を形成することができる。例えば、本発明は、親出願に開示され、上述し、後に詳しく説明する手法によって形成された構成を含んでいてもよい。これらの構成には、２００３年３月１６日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４３９，６３５号、発明の名称「発熱デバイスにおいて必要なホットスポットを冷却するための柔軟な流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY FOR COOLING DESIRED HOT SPOTS IN A HEAT PRODUCING DEVICE）」に開示されている構造、２００３年５月１６日に出願された係属中の米国特許出願第１０／４３９，９１２号、発明の名称、「マイクロチャネル熱交換器での圧力降下減少のための互いに絡み合うマニホルド（INTERWOVEN MANIFOLDS FOR PRESSURE DROP REDUCTION IN MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS）」に開示されている構造、２００３年１０月６日に出願された、米国特許出願番号第１０／６８０，５８４号、発明の名称「発熱デバイスを冷却するための効率的な垂直流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE）」に開示されている構造、及び２００３年７月１日に出願された、係属中の米国特許出願番号第１０／６１２，２４１号、発明の名称「多層マイクロチャネル熱交換器（MULTI-LEVEL MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS）」に開示されている構造が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、熱伝導層を形成し、及び複数の熱伝導層を連結して、三次元マイクロ構造領域を形成する熱交換器製造方法を提供する。本発明に基づくマイクロ構造領域は、マイクロメッシュ、マイクロチャネル又は他の何らかのマイクロ構造を含む。図１Ａは、マイクロメッシュ領域の第１の実施の形態を示している。図２Ａは、マイクロメッシュ領域の第２の実施の形態を示している。図１Ｃは、本発明の実施の形態に基づくマイクロチャネルを作成するために形成及び連結される複数の層を示している。
【００２８】
図１Ａは、本発明に基づいて形成された、２つの熱伝導層から構成される２つの窓化された層１００、１５０を示している。２つの熱伝導層は、好ましくは、ウェットエッチングプロセスを用いて形成され、窓化された層１００、１５０のマイクロスケールアパーチャ１２０、１７０の位置及びパターンの決定には、写真技術（photo tools）が用いられる。２つの窓化された層は、マイクロスケールアパーチャ１２０、１７０を形成する複数の厚い中実バー（solid bar）１１０、１６０及び薄い中実バー１３０、１８０を有する。
【００２９】
図１に示す実施の形態では、窓化された層１００のマイクロスケールアパーチャ１２０と、窓化された層１５０のマイクロスケールアパーチャ１７０とは、互いに重なり合い、窓化された層１００の各マイクロスケールアパーチャ１２０が、窓化された層１５０の４つ以上のマイクロスケールアパーチャ１７０と繋がるように、構成されている。この実施の形態では、窓化された層１００は、第１のマイクロパターンを用いて形成され、窓化された層１５０は、第２のマイクロパターンを用いて形成される。第１及び第２のマイクロパターンは、層１００と層１５０とが連結されると、図１Ａに示す重なり合うマイクロメッシュ構造が形成されるように設計されている。
【００３０】
図１Ｂは、本発明に基づき、熱伝導層から形成された単一の窓化された層２００を示している。層２００は、マイクロスケールアパーチャ２２０を形成するマイクロスケールの厚い中実バー２１０及び薄い中実バー２３０の第１の副層と、マイクロスケールアパーチャ２５０を形成するマイクロスケールの厚い中実バー２６０及び薄い中実バー２４０の第２の副層とを備える。
【００３１】
図１Ｂに示す実施の形態では、マイクロスケールアパーチャ２２０及びマイクロスケールアパーチャ２５０は、細長い形状を有し、互いに重ねられて、各マイクロスケールアパーチャ２２０が、４つ以上のマイクロスケールアパーチャ２５０と繋がるように形成されている。この実施の形態では、マイクロスケールアパーチャ２２０は、第１のマイクロパターンを用いて、熱伝導層の第１の側に形成され、マイクロスケールアパーチャ２５０は、熱伝導層の第２の側に形成され、この熱伝導層から、窓化された層２００は、第２のマイクロパターンを用いて形成される。窓化された層２００の形成において用いられる第１及び第２のマイクロパターンは、図１Ｂに示す重なり合うマイクロメッシュ構造が、単一の窓化された層２００内に形成されるように設計される。
【００３２】
図１Ｃに示すマイクロ構造を有する材料構造３００は、複数の窓化された層３１０が連結されて形成された複数の高アスペクト比マイクロチャネル３２０を備える。各窓化された層３１０は、厚い中実バー３３０及び薄い中実バー３４０を含むマイクロ構造領域を有する。窓化された層３１０が材料構造３００として組み立てられると、厚い中実バー３３０及び薄い中実バー３４０は、マイクロチャネル３２０を形成する。本発明では、複数の窓化された層３１０を連結する前に各窓化された層３１０のマイクロチャネル３２０を揃える（アラインする）。このアラインメントによって、複数の熱伝導層の組合せとして形成される複合マイクロ構造の特性を所望の特性にすることができる。このアラインメントのために、マイクロチャネル構造３２０のアスペクト比は、主に、互いに連結される窓化された層３１０の数に依存する。
【００３３】
本発明の好ましい実施の形態においては、窓化された層３１０は、銅を含み、硬ろう付けプロセスによって連結される。硬ろう付けは、真空下又はフォーミングガス又は高純度水素ガス等の還元雰囲気が満たされた炉で行うことが好ましい。また、硬ろう付けは、銀を含む硬ろう付け材料を用いて行うことが好ましい。銀を用いる場合、炉は、約８５０℃に加熱することが好ましい。この温度において、銀は、銅に拡散し、Ｃｕ−Ａｇ金属間化合物合金が形成され、この合金が溶融することによって、良好な熱的及び機械的接合が実現する。
【００３４】
熱伝導層内には、マイクロスケールのアパーチャが形成されているため、硬ろう付け材料がこれらのアパーチャを完全又は部分的に塞がないように、硬ろう付けプロセスを慎重に制御する必要がある。好ましくは、硬ろう付けの前に、窓化された層３１０銀をメッキする。窓化された層３１０の厚さが約１５０μｍの場合、銀メッキ層は、約０．２５乃至約２μｍの範囲の厚さとすることが好ましい。
【００３５】
図２Ａは、本発明に基づく熱伝導性高表面積対体積比材料（ＨＳＶＲＭ）を備えるマイクロ熱交換器４００の分解図である。マイクロ熱交換器４００は、マニホルド構造４２０、複数の窓化された層４３０（以下熱伝導層４３０とも言う）及び平台構造４４０に連結された蓋構造４１０を備える。マニホルド構造４２０は、冷却用流体を輸送するように構成されている。マイクロ熱交換器４００の全ての部品は、硬ろう付けによって連結することが好ましい。複数の窓化された層４３０のそれぞれは、マイクロスケールアパーチャ領域４３５を含む。複数の窓化された層４３０が連結されると、窓化された層４３０の材料である熱伝導体を含む複合ＨＳＶＲＭ構造が形成される。
【００３６】
蓋構造４１０、マニホルド構造４２０及び平台構造４４０は、好ましくは、銀を主体とする硬ろう付け材料を用いた硬ろう付けプロセスによって、窓化された層４３０を連結することによって形成されたＨＳＶＲＭ構造に連結される。蓋構造４１０、マニホルド構造４２０及び平台構造４４０には、好ましくは、約１μｍ乃至約１０μｍの間の厚さで銀をメッキする。より好ましくは、ＨＳＶＲＭ構造を構成する熱伝導層４３０には、約１μｍの厚さで銀をメッキし、マニホルド構造４２０、蓋構造４１０及び平台構造４４０には、好ましくは、約４μｍの厚さで銀をメッキする。他の実施の形態では、マニホルド構造４２０には、約４μｍの厚さで銀をメッキし、蓋構造４１０及び平台構造４４０には、メッキを施さない。
【００３７】
平台構造４４０は、マイクロ熱交換器４００の組立の後に、微細研磨することが好ましい。更に、組み立てられたマイクロ熱交換器４００は、好ましくは、蓋構造４１０に形成され、マニホルド構造４２０の要素４２５からＨＳＶＲＭ構造に流体を流すための複数のポート４１５を除いて、流体による熱交換のための液密構造を提供する。流体は、好ましくは、外部の流体ネットワークから流入する。
【００３８】
本発明の好適な実施の形態においては、複合ＨＳＶＲＭ構造を構成する複数の窓化された層４３０の数及び厚さは、マイクロ熱交換器４００の圧力降下及び熱抵抗特性を最適化するように選択される。
【００３９】
図２Ｂは、本発明に基づくマイクロ熱交換器５００の斜視図である。マイクロ熱交換器５００は、蓋構造５１０と、マニホルド構造５２０と、基底構造５４０と、それぞれ複数の細長いマイクロスケールアパーチャが開設された複数の熱伝導層５３０とを備える。複数の細長いマイクロスケールアパーチャは、揃えられ、複数の熱伝導層は、連結され、ＨＳＶＲＭ構造が形成される。更に、蓋構造５１０は、複数の流体ポート５６０、５７０を備え、これにより、マニホルド構造５２０及びＨＳＶＲＭ構造を介して流体が流通する。
【００４０】
本発明の実施の形態では、図１Ａ〜図２Ｂに示す窓化された層は、好ましくは、ウェットエッチングプロセスによって形成される。ウェットエッチングプロセスとしては、等方性ウェットエッチングプロセスを用いることが好ましい。熱伝導層が銅を含む好ましい実施の形態では、マイクロスケールアパーチャを形成するプロセスは、マスクを用いた化学エッチング、光化学マッチング（photo chemical machining：ＰＣＭ）、マスクを用いた電気化学エッチング（電気エッチング又は微細電解加工）又はこの他の適切なウェットエッチングプロセスであってもよい。
【００４１】
更に、図１Ａ〜図２Ｂに示す窓化された層は、好ましくは、約５０μｍ乃至約２５０μｍの厚さを有する。更に、窓化された層を作成するために熱伝導層内に形成されたマイクロスケールアパーチャは、約５０μｍ乃至約３００μｍの寸法を有する。
【００４２】
なお、本発明に基づき、接触層及びマニホルド層をこの他の手法で形成及び連結してもよい。例えば、窓化された層は、材料蒸着に基づく手法、材料除去に基づく手法、材料変形に基づく手法を含む様々なプロセスの何れかを用いて形成できる。本発明では、ＨＡＲＭプロセスを用いてもよいが、各層の作成にＨＡＲＭプロセスを用いなくても、窓化された層から高アスペクト比構造を形成することができる。例示的なプロセスとしては、以下に限定されるものではないが、レーザ穿孔、レーザ切削、ウェットエッチング、ＬＩＧＡ、高周波リソグラフィー、イオンビームエッチング、化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）、スパッタリング、蒸着、分子線エピタキシー、無電解メッキ及び電解メッキ等が含まれる。またスタンピングを用いてもよい。これに代えて、金属射出成形（metal injection molding：ＭＩＭ）、プラスチック射出成形、この他のモールディング又は他の様々な手法を用いて上述した構造を形成してもよい。
【００４３】
本発明に基づく熱交換器は、滑らかな流路を提供し、冷却剤が流通する多岐に分岐するフローパターンを実現する。このような構造は、熱交換器を介して冷却剤をポンピングするポンプの負荷を減少させる。また、本発明に基づく熱交換器は、比較的安価に製造できる。ウェットエッチングとは、好ましくは、湿式化学法（wet chemistries）を用いて、最終的に流路となるトレンチを形成する化学エッチングプロセスである。湿式化学法は、他のデバイス製造プロセスに比べて、安価で迅速なプロセスである。このように、本発明を用いて、様々なデバイス、例えば、半導体処理装置、モータ、発光デバイス、バッテリ、プロセスチャンバの壁、ＭＥＭＳ及び熱を発する他の何らかのデバイスを冷却するために用いられる熱交換器を安価に製造できる。この熱交換器を介して、多くの形式の冷却剤、例えば、以下に限定されるものではないが、水等の液体、空気及び他の気体、蒸気、フレオン等の冷媒、又は効率的に熱を吸収して輸送できる材料及びこれらの任意の組合せを輸送することができる。
【００４４】
図３Ｂは、本発明に基づくマニホルド層を備える代替の三層式熱交換器１００の分解図である。図３Ｂに示す変形例では、三層式熱交換器１００は、接触層１０２と、少なくとも１つの中間層１０４と、少なくとも１つのマニホルド層１０６とを備える。これに代えて、後述するように、熱交換器１００は、接触層１０２とマニホルド層１０６を含む２層の装置であってもよい。
【００４５】
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、流路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。インレット及びアウトレット流路１１６、１２０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。
【００４６】
図３Ａに示すように、流体は、インレットポート１０８を介してマニホルド層１０６に入り、インレットチャネル１１６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、時間的に変化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、熱源９９のホットスポットを冷却し、及び／又は熱交換器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、図５の具体例に示すように、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。
【００４７】
フィンガ１１８、１２０の構成及び寸法は、冷却する必要がある熱源９９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、好ましくは、熱交換器１００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。
【００４８】
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。一実施の形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、同じ幅寸法を有する。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、０．２５ミリメートル以上０．５０ミリメートル以下の範囲とする。一実施の形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０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。他の実施の形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０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。インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０の長さ寸法は、０．５ミリメートル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、０．２５ミリメートル以上０．５０ミリメートル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、１センチメートルあたり１０個未満又は３０個より多くのフィンガを配設してもよい。但し、マニホルド層において、１センチメートルあたり、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。
【００４９】
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。熱源９９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、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、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、熱源９９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、この実施の形態に制限されず、後に説明する他の実施の形態にも同様に適用することができる。
【００５２】
これに代えて、図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、インレットフィンガ１１８内に１以上のアパーチャ１１９を備えていてもよい。三層式熱交換器１００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、二層式熱交換器１００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。三層式熱交換器１００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、二層式熱交換器１００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。
【００５３】
変形例では、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０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、三層式熱交換器１００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、三層式熱交換器１００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。
【００５４】
図３Ｂは、変形例として示すマニホルド層を有する好適な三層式熱交換器１００を示しているが、これに代えて、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。
【００５５】
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。同様にアパーチャ１０５は、接触層１０２からアウトレットポート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に連結されたアウトレットポート１０９への流体の輸送を提供している。
【００５６】
導管１０５は、多くの因子に基づいて、所定のパターンで接触層１０２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熱源９９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、最大で数ミリメートルに設計されるが、導管１０５は、数百ミクロン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、この実施の形態に代えて、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。
【００５７】
中間層１０４は、好ましくは、導管１０５が垂直になるように、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、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、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、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。
【００５８】
図３Ｂは、本発明に基づく接触層１０２の変形例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、熱源９９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、流路に沿って、マイクロチャネル壁１１０間を流れる。
【００５９】
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、粗い表面、例えば、焼結金属及びシリコン泡（silicon foam）等の微孔構造等、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。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。
【００６０】
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、その位置で熱源９９を冷却する。マイクロチャネル壁１１０は、好ましくは、熱源９９の熱量に応じて、２０〜３００ミクロンの範囲内の幅寸法と、１００ミクロン〜１ミリメートル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、１００ミクロンから数センチメートル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、熱源９９の熱量に応じて、５０〜５００ミクロンの範囲内の間隔で区切られるが、この間隔は、他の如何なる値に設定してもよい。
【００６１】
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、高い熱を発生する熱源９９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熱源９９の位置をウォームスポットとする。図３Ｂに示すように、熱源９９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。
【００６２】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、流体は、まず、好ましくは、１つのインレットポート１０８を介して、熱交換器１００に流入する。そして、流体は、好ましくは１つのインレットチャネル１１６に流入する。これに代えて、熱交換器１００は、２つ以上のインレットチャネル１１６を備えていてもよい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、インレットポート１０８からインレットチャネル１１６に沿って流れる流体は、まず、フィンガ１１８Ｄに分岐する。更に、インレットチャネル１１６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。
【００６３】
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、熱源９９と熱交換を行う。上述のように、接触層１０２のマイクロチャネルは、如何なる方向に配設してもよい。例えば、接触層ホットスポット領域Ａのマイクロチャネル１１１は、接触層１０２の他のマイクロチャネル壁１１０に直交する方向に配設されている。これにより、インレット導管１０５Ａからの流体は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル１１１に沿って移動し、接触層１０２の他の領域では、流体は異なる方向に移動する。そして、加熱された流体は、アウトレット導管１０５Ｄを介してアウトレットフィンガ１２０Ａに流れ上がる。
【００６４】
同様に、流体は、フィンガ１１８Ｅ及び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。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、好ましくは、１つのアウトレットポート１０９を介して、熱交換器から排出される。
【００６５】
また、一実施の形態においては、流入及び流出導管１０５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、熱源９９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各インレットフィンガ１１８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、熱源９９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。
【００６６】
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１つの可能な構成として、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。
【００６７】
図４は、本発明に基づく熱交換器の他のマニホルド層４０６の斜視図である。図４のマニホルド層４０６は、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（以下単にフィンガ４１１、４１２とも言う）を備え、これにより、マイクロ熱交換器４００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、インレットフィンガ４１１とアウトレットフィンガ４１２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。
【００６８】
流路又はインレットフィンガ４１１は、熱交換器に流入する流体を接触層４０２に供給し、アウトレットフィンガ又は流路４１２は、マイクロ熱交換器４００から排出される流体を接触層４０２から取り出す。ここに示すマニホルド層４０６の構成により、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、アウトレット流路４１２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、マイクロ熱交換器４００における圧力降下を実質的に低減することができる。
【００６９】
図４及び図５に示すように、変形例として示すマニホルド層４０６は、２つのインレット流路４１１に連結され、ここに流体を供給するためのインレット流路４１４（以下単に流路４１４とも言う）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つのアウトレット流路４１２を備える。マニホルド層４０６の流路４１４は、フィンガ４１１、４１２に流体を流通させる平らな底面を有する。これに代えて、選択された流体流路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、インレット流路４１４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、選択されたアウトレットポート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２ミリメートルとする。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。
【００７０】
流路４１４、４１８は、ポート４０８、４０９に連結され、ポート４０８、４０９は、冷却システムの流体ライン（fluid lines）に連結される。マニホルド層４０６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、ポート４０８からフィンガ４１１に直接供給される。更に、これに代えて、マニホルド層４１１は、流路４１８を備えていなくてもよく、この場合、フィンガ４１２内の流体は、ポート４０８を介して、マイクロ熱交換器４００から直接排出される。ここでは、２つのポート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。
【００７１】
インレット流路４１１は、流路４１１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。インレット流路４１１の幅寸法は、例えば、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲とする。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。更に、インレット流路４１１の長さ寸法は、０．５ミリメートル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。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、インレット流路４１１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。インレット流路４１１の高さ寸法は、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲内とするとよい。なお、流路４１１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、インレット流路４１１は、同じ寸法を有しているが、インレット流路４１１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、インレット流路４１１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、流路４１１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。
【００７２】
更に、アウトレット流路４１２は、流路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。このアウトレット流路４１２は、０．２５ミリメートル以上５．００以下ミリメートル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、アウトレット流路４１２の長さ寸法は、０．５ミリメートル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、流体がマイクロチャネル４１０に沿って水平に流れた後に、アウトレット流路４１２に容易に流れ上がるように、アウトレット流路４１２は、マイクロチャネル４１０の高さまで下方に延びている。アウトレット流路４１２の幅寸法は、例えば、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲とする。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。また、ここでは、アウトレット流路４１２は、同じ寸法を有しているが、アウトレット流路４１２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、アウトレット流路４１２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。
【００７３】
図４及び５に示すように、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２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つのアウトレット流路４１２は、マニホルド層４０６の外側のエッジ側に設けられ、１つのアウトレット流路４１２は、マニホルド層４０６の中央に設けられている。更に、２つのインレット流路４１１は、中央のアウトレット流路４１２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、アウトレット流路４１２を介して接触層４０２から流れ出る前に接触層４０２内で最短距離を移動する。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内のインレットフィンガ４１１及びアウトレットフィンガ４１２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１センチメートルあたり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。
【００７４】
マニホルド層４０６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、これにより三層式のマイクロ熱交換器４００が形成される。この中間層は、図３Ｂに示す実施の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、二層式のマイクロ熱交換器４００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に沿ったマイクロ熱交換器４００の断面図である。更に、図６Ｂは、図５の線Ｂ−Ｂに沿ったマイクロ熱交換器４００の断面図であり、図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿ったマイクロ熱交換器４００の断面図である。上述のように、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２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、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２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、インレット流路４１１からの流体は、マイクロチャネル４１０を介してインレット流路４１１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、アウトレット流路４１２に容易に流れ上がる。
【００７５】
図には示さないが、変形例として、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、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、熱源９９における温度を均一にすることができる。インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２は、必ずしも必要ではないが、適切にホットスポットを冷却するために、熱源９９のホットスポット上又はその近傍に配設される。
【００７６】
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、流体フィンガ又は流路４１１に向かう。流体は、インレットフィンガ４１１の開口（opening）に流入し、矢印によって示すように、Ｘ方向に、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、熱源９９と熱交換を行う。加熱された流体は、アウトレットフィンガ４１２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、アウトレットフィンガ４１２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。
【００７７】
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、流路４１１、４１２へ流れ込み及び流路４１１、４１２から流れ出る。詳しくは、溝４１６Ａは、他のマニホルド層４０６のインレット流路４１１の真下に位置し、これにより、接触層４０２に入る流体は、インレット流路４１１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、インレット流路４１１から特定の指定された流路に直接流される。同様に接触層４０２は、Ｚ方向に、アウトレット流路４１２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の上のアウトレット流路４１２に垂直に流れる。
【００７８】
図６Ａは、マニホルド層４０６及び接触層４０２を備えるマイクロ熱交換器４００の断面図である。詳しくは、図６Ａは、アウトレット流路４１２と相互に組み合わされたインレット流路４１１を示しており、これにより、流体は、インレット流路４１１に流れ下り、及びアウトレット流路４１２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、溝４１６Ａ、４１６Ｂ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、マイクロチャネル４１０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、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２の両方又は一方は、好ましくは、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、流路４１１に隣接するマイクロチャネル４１０に向かって、流路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、アウトレット流路４１２の曲面４２０によって、流体は、マイクロチャネル４１０から外側の流路４１２に向けられる。
【００７９】
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及び図９）に関して上述したように、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２を備える。変形例では、流体は、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、インレット流路４１１’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、アウトレット流路４１２’に流れ込む。次に、流体は、アウトレット流路４１２’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。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。
【００８０】
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。
【００８１】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明に基づく熱交換器の他の実施の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。
【００８２】
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、排出ポート２０８までの最短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、インレット及びアウトレットポート２０８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。
【００８３】
変形例として示すマニホルド層２０６は、接触層２０２の寸法に対応する幅寸法を有する。更に、マニホルド層２０６は、熱源９９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、熱源９９より大きくてもよい。マニホルド層２０６の垂直寸法は、０．１〜１０ミリメートル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、１ミリメートルから熱源９９の全幅又は全長の間の範囲内とするとよい。
【００８４】
図１０Ａは、本発明に基づく接触層３０２の一実施の形態の斜視図である。図１０Ａに示すように、接触層３０２は、接触層３０２の底面３０１から上方に延びる一連のピラー３０３を備える。更に、図１０Ａは、接触層３０２の底面に設けられた微孔構造３０１を示している。なお、接触層３０２は、微孔構造３０１のみを備えていてもよく、この微孔構造と共に、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。
【００８５】
接触層３０２は、接触層３０２（図１２Ａ）におけるインレットアパーチャから周囲のアウトレットアパーチャへの流体のフローのために、マイクロチャネルではなく、ピラー３０３を備える。後により詳細に説明するように、流体は、一連のインレットアパーチャを介して接触層３０２に移動し、インレットアパーチャに対して最適な距離だけ離間して配設されている一連のアウトレットアパーチャを介して接触層３０２から排出される。換言すれば、流体は、各インレットアパーチャから、最も近いアウトレットアパーチャに向かって流れる。好ましくは、各インレットアパーチャは、アウトレットアパーチャに取り囲まれている。このようにして接触層３０２に入る流体は、周囲のアウトレットアパーチャに向かう方向に流れる。したがって、流体に十分な熱を輸送するとともに、流体がインレットアパーチャからアウトレットアパーチャに流れる際の流体の圧力降下を最小化するために、接触層３０２には、ピラー３０３を設けることが好ましい。
【００８６】
接触層３０２は、好ましくは、底面３０１から垂直に延び、マニホルド層の底面に接触する、高くて幅狭のピラー３０３の高密度なアレイを備える。これに代えてピラー３０３は、マニホルド層の底面に接触していなくてもよい。更に、ピラー３０３の少なくとも１つは、接触層３０２の底面３０１に対して所定の角度で延びてもよい。また、ピラー３０３は、好ましくは、接触層３０２に沿って互いから等距離の間隔で配設され、これにより、底面３０１に亘って、接触層３０２の熱輸送能力を一定にするとよい。これに代えて、ピラー３０３は、非等間隔に配置してもよく、例えば図１０Ｂに示す具体例では、接触層３０２の中央のピラー３０３は、周縁のピラー３０３より間隔を広く空けて配設されている。ピラー３０３の間隔は、熱源９９の寸法、流体への抵抗、ホットスポットのサイズ及び位置、並びに熱源９９からの熱流束密度等に基づいて決定される。例えば、ピラー３０３の密度を下げると、流体抵抗は小さくなるが、接触層３０２から流体への熱輸送のための表面積は小さくなる。なお、非等間隔に配設されたピラー３０３の構成は、図１０Ｂの実施の形態には制限されず、熱源に関する条件及び冷却装置の必要な動作に応じて、他の如何なる構成としてもよい。
【００８７】
更に、ピラー３０３は、図１０Ａに示すように、円筒状に形成することが好ましく、これにより、流体は、最小限の抵抗でインレットアパーチャからアウトレットアパーチャに流れる。但し、ピラー３０３は、以下に限定されるものではないが、方形のピラー３０３Ｂ（図１０Ｂ）、ダイヤモンド形、楕円形のピラー３０３Ｃ（図ｌ０Ｃ）、六角形のピラー３０３Ｄ（図１０Ｄ）又は他の如何なる形状を有していてもよい。更に、接触層３０２は、底面３０１に沿って、異なる形状のピラーの組合せを備えていてもよい。
【００８８】
例えば、図１０Ｅに示すように、接触層３０２は、矩形フィン３０３Ｅの幾つかの組を備え、各組内の矩形フィン３０３Ｅを互いに放射状に配置してもよい。更に、接触層３０２は、一組の矩形フィン３０３Ｅの間に配置された複数のピラー３０３Ｂを備えていてもよい。一実施の形態においては、放射状に構成された矩形フィン３０３Ｅ内の開いた円形の領域を各インレットアパーチャの下に配置し、矩形フィン３０３Ｅによって、流体をアウトレットアパーチャに誘導することを助けてもよい。このように、放射状に構成された矩形フィン３０３Ｅは、接触層３０２において、冷却用の流体の略々均一な供給を実現しながら圧力降下を最小化することに寄与する。インレット及びアウトレットアパーチャのサイズ及び相対的な位置に応じて、ピラー及び／又はフィンの構成は様々に選択でき、及び流体が単相流であるか二相流であるかに応じて、接触層３０２の最適の構成を選択できる。ここに説明する如何なる実施の形態及びその変形例にも、様々なピラー３０３構成を組み合わせることができることは当業者にとって明らかである。
【００８９】
図１１は、本発明に基づく他のマニホルド層２０６を有する三層式熱交換器２００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、熱源９９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。熱交換器２００は、１つの以上のポンプに連結され、一方のポンプは、インレット２０８Ａに連結され、他方のポンプは、インレット２０８Ｂに連結されている。
【００９０】
図３に示すように、熱源９９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、熱源９９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。
【００９１】
これに代えて、図１１に示すように、流体は、インレット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、如何なる数のインレットポート２０８及びアウトレットポート２０９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、例えばマニホルド層２０６等の他の如何なる位置に垂直に配設に設けてもよい。
【００９２】
また、図１１に示す具体例では、熱源９９は、熱源９９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。インレット２０８Ｂを介して流入する流体は、中間層２０４Ｂに沿って流入導管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、流入導管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、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。
【００９３】
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２１４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。
【００９４】
図１２Ａは、本発明に基づく熱交換器３００の分解図である。図１２Ｂは、本発明に基づく他の熱交換器３００’の分解図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、熱交換器３００、３００’は、接触層３０２、３０２’及びこれらに連結されるマニホルド層３０６、３０６’を備える。上述のように、熱交換器３００、３００’は、熱源（図示せず）に連結されていてもよく、熱源と一体に構成されていてもよい（例えば、マイクロプロセッサに組み込まれていてもよい）。なお、接触層３０２、３０２’は、実質的に外部には露出しないが、図１２Ａでは、説明のために、接触層３０２、３０２’を露出させて示していることは当業者にとって明らかである。好ましくは、接触層３０２、３０２’は、底面３０１に沿って配設された複数のピラー３０３を備える。更に、ピラー３０３は、図１０Ａ〜図１０Ｅを用いて説明したように、如何なる形状を有していてもよく、及び／又は放射状に構成された矩形フィン３０３Ｅを設けてもよい。更に、接触層３０２は、（例えば、マイクロチャネル、粗い表面等）上述した他の如何なる特徴を有していてもよい。接触層３０２及び接触層３０２内の構造体は、好ましくは、上述したように、同じ熱伝導率特性を有し、ここでは同じ説明は繰り返さない。ここに示す具体例では、接触層３０２は、マニホルド層３０６に比べて小さな寸法を有しているが、接触層３０２及びマニホルド層３０６の寸法は、互いに及び熱源９９に対して、他の如何なる関係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。接触層３０２、３０２’は、上述した接触層と同じ特性を有しており、ここでは同じ説明は繰り返さない。
【００９５】
多くの場合、好適な熱交換器３００は、マニホルド層３０６の流体輸送チャネル（delivery channels）３２２（以下単にチャネル３２２とも言う）を用いて、熱交換器内での圧力降下を最小化する。流体輸送チャネル３２２は、マニホルド層３０６内で垂直方向に配設され、接触層３０２に垂直に流体を供給して、熱交換器３００での圧力降下を低減する。上述のように、流体が少なくない時間及び／又は距離に亘って、接触層に沿ってＸ方向及びＹ方向に流れると、熱交換器３００において圧力降下が発生又は上昇する。マニホルド層３０６は、幾つかの流体輸送チャネル３２２によって、接触層３０２に垂直に流体を流すことによって、Ｘ方向及びＹ方向におけるフローを最小化する。換言すれば、接触層３０２には、上方から、流体が個別に直接吹き付けられる。流体輸送チャネル３２２は、相互に最適な距離に配設され、これにより、Ｘ方向及びＹ方向の流体の流れを最小限にし、多くが接触層３０２に対して垂直に流れるようにする。したがって、最適に配置されたチャネル３２２からの個々の流路の力により、流体は、接触層３０２から離れる上向きの方向に流れる。更に、個々のチャネル３２２は、接触層３０２内で流量を幾つかのチャネル３２２に最大限に分割し、これにより、熱源９９を効果的に冷却しながら、熱交換器３００における圧力降下を低減させることができる。更に、好適な熱交換器３００の構成では、熱源９９を適切に冷却するために、流体が水平方向であるＸ方向及びＹ方向に移動する距離を短くできるので熱交換器３００は、他の熱交換器より小さくすることができる。
【００９６】
図１２Ａに示す好適なマニホルド層３０６は、２つの独立したレベルを有している。具体的には、マニホルド層３０６は、レベル３０８及びレベル３１２を有している。レベル３０８は、接触層３０２及びレベル３１２に連結されている。図１２Ａでは、レベル３１２は、レベル３０８の上に配設されているが、レベル３０８をレベル３１２の上に配設してもよいことは当業者にとって明らかである。また、本発明に基づいて、幾つのレベルを設けてもよいことも当業者にとって明らかである。
【００９７】
図１２Ｂに変形例として示すマニホルド層３０６’は、３つの独立したレベルを有する。具体的には、マニホルド層３０６’は、循環レベル３０４’、レベル３０８’及びレベル３１２’を有している。循環レベル３０４’は、接触層３０２’及びレベル３０８’に連結されている。レベル３０８’は、循環レベル３０４’及びレベル３１２’に連結されている。図１２Ｂでは、レベル３１２’は、レベル３０８’の上に配設されているが、レベル３０８’をレベル３１２’の上に配設してもよいことは当業者にとって明らかである。また、本発明に基づいて、幾つのレベルを設けてもよいことも当業者にとって明らかである。
【００９８】
図１２Ｃは、本発明に基づく循環レベル３０４’の斜視図である。循環レベル３０４’は上面３０４Ａ’及び底面３０４Ｂ’を有する。また、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すように、循環レベル３０４’内には、幾つかのアパーチャ３２２’が開設されている。一実施の形態においては、アパーチャ３２２’の開口は、底面３０４Ｂ’と同一平面に設けられる。これに代えてアパーチャ３２２’は、底面３０４Ｂ’を超えて突出し、より近くから接触層３０２’に流体を供給するようにしてもよい。更に、循環レベル３０４’は、上面３０４Ａ’から底面３０４Ｂ’に垂直に貫通する幾つかのアパーチャ３２４’有していてもよく、アパーチャ３２４’は、Ｚ方向に、所定の距離だけ突出していてもよい。或いは、アパーチャ３２２’、３２４’は、循環レベルにおいて、所定の角度で延びていてもよく、完全に垂直である必要はないことは当業者にとって明らかである。上述のように、一実施の形態では、接触層３０２’（図１２Ｂ）は、循環レベル３０４’の底面３０４Ｂ’に連結される。このように、流体は、Ｚ方向にアパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に流入し、Ｚ方向にアパーチャ３２４’のみを介して、接触層３０２’から排出される。後述するように、アパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に入る流体は、循環レベル３０４’のアパーチャ３２４’を介して接触層３０２’から排出される流体とは分離される。
【００９９】
図１２Ｃに示すように、アパーチャ３２４’の一部は、好ましくは、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’から、Ｚ方向に延びる筒状の部材を有し、これにより、流体は、アパーチャ３２４’を介して、レベル３１２’のコリダ３２６’（図１２Ｆ及び図１２Ｇ）に直接流れる。筒状の突起の断面は、図１２Ｃのように円形であることが好ましいが、この形状は如何なる形状であってもよい。なお、流体は、接触層３０２’に沿って各アパーチャ３２２’から隣接するアパーチャ３２４’に水平方向及び垂直方向に流れる。アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’は、互いに熱的に絶縁することが好ましく、これにより、マニホルド層３０６’を介して接触層３０２’から排出された加熱された流体からの熱は、マニホルド層３０６’を介して接触層３０２’に注ぐ冷却された流体に伝播しない。
【０１００】
図１２Ｄは、本発明に基づくレベル３０８の好適な実施の形態を示している。図１２Ｄに示すように、レベル３０８は、上面３０８Ａ及び底面３０８Ｂを有している。好ましくは、レベル３０８の底面３０８Ｂは、図１２Ａに示すように、接触層３０２に直接連結される。レベル３０８は、窪んだコリダ３２０を備え、コリダ３２０は、好ましくは、流体を接触層３０２に供給する数個の流体輸送チャネル３２２を備える。窪んだコリダ３２０は、接触層３０２に封水的に接触し、接触層３０２から排出される流体は、コリダ３２０内のチャネル３２２の周り及びチャネル３２２間を流れ、ポート３１４を介して外に排出される。なお、接触層３０２から排出される流体は、流体輸送チャネル３２２には流入しない。
【０１０１】
図１２Ｅは、本発明に基づくレベル３０８’の裏面の斜視図である。レベル３０８’は、上面３０８Ａ’及び底面３０８Ｂ’を有し、レベル３０８’の底面３０８Ｂ’は、循環レベル３０４’（図１２Ｃ）に直接連結される。レベル３０８’は、好ましくは、ポート３１４’、コリダ３２０’及び底面３０８Ｂ’側の複数のアパーチャ３２２’、３２４’を有する。レベル３０８’に幾つのポート及びコリダを設けてもよいことは当業者にとって明らかである。図１２Ｅに示すアパーチャ３２２’、３２４’は、循環レベル３０４’に面するように構成される。具体的には、図１２Ｅに示すように、アパーチャ３２２’は、コリダ３２０’に流入する流体を接触層３０２’に流し、アパーチャ３２４’は、接触層３０２’からの流体をレベル３１２’に流す。アパーチャ３２４’は、レベル３０８’のコリダ３２０’を貫通して延びている。アパーチャ３２４’は、個別に分離され、これにより、アパーチャ３２４’を介して流れる流体は、アパーチャ３２４’に関連するシリンダを介して流れる流体に接触したり混じり合ったりすることはない。また、各アパーチャ３２４’を分離することにより、各アパーチャ３２４’を介して流れ込む流体が、アパーチャ３２４’によって提供される流路に沿って流れることを確実にすることができる。アパーチャ３２４’は、垂直に構成することが好ましい。これにより、流体は、マニホルド層３０６’の大部分において、垂直に流れる。特に、接触層及びレベルの間にアパーチャ３２２’を設ける場合、アパーチャ３２２’にも同様の手法を適用できることは明らかである。
【０１０２】
この具体例では、各孔又はアパーチャ３２２’は、同じサイズを有しているが、各アパーチャ３２２’は、長さに沿って異なる又は変化する径を有していてもよい。例えば、ポート３１４に近いアパーチャ３２２’の径を小さくし、ここを通る流量を制限してもよい。アパーチャ３２２’を小さくすると、流体は、ポート３１４から遠い、アパーチャ３２２’の下側に流れやすくなる。アパーチャ３２２’の径をこのように変化させることにより、流体を接触層３０２に、より一様に供給することができる。接触層３０２における既知の接触層ホットスポット領域を効果的に冷却するためにアパーチャ３２２’の径を変更してもよいことは当業者にとって明らかである。上の説明は、アパーチャ３２４’にも適用でき、アパーチャ３２４’の寸法を異ならせ又は変化させて、接触層３０２から流出する流体を一定にしてもよいことは当業者にとって明らかである。
【０１０３】
好適な実施の形態では、ポート３１４は、レベル３０８及び接触層３０２に流体を提供する。図１２Ｄに示すポート３１４は、好ましくは、上面３０８Ａから、レベル３０８のボディの一部を介してコリダ３２０に延びる。これに代えてポート３１４は、レベル３０８の側面又は底面からコリダ３２０に接続されてもよい。好ましくは、ポート３１４は、レベル３１２（図１２Ａ、図１２Ｂ）においてポート３１５に連結される。ポート３１４は、図１２Ｃに示すように、密閉され、又は図１２Ｄに示すように、窪みとして形成されたコリダ３２０に接続される。コリダ３２０は、好ましくは、接触層３０２からポート３１４に流体を流す役割を果たす。或いは、コリダ３２０は、ポート３１４から接触層３０２に流体を流す。
【０１０４】
図１２Ｆ及び図１２Ｇに示すように、レベル３１２のポート３１５は、好ましくは、ポート３１４に揃えられ、接続される。図１２Ａに示すように、流体は、好ましくは、ポート３１６を介して熱交換器３００に流入し、コリダ３２８を介して、レベル３０８の流体輸送チャネル３２２、そして最終的に接触層３０２に流れ下る。或いは、図１２Ｂに示すように、流体は、好ましくは、ポート３１５’を介して、熱交換器３００’に流入し、レベル３０８’のポート３１４’を介して、接触層３０２’に流れる。図１２Ｆに示すポート３１５は、好ましくは、上面３１２Ａからレベル３１２のボディに延びる。これに代えてポート３１５は、レベル３１２の側面から延ばしてもよい。これに代えて、レベル３１２は、ポート３１５を有していなくてもよく、この場合、流体は、ポート３１４（図１２Ｄ及び図１２Ｅ）を介して熱交換器３００に入る。更に、レベル３１２は、ポート３１６を備え、ポート３１６は、好ましくは、コリダ３２８’に流体を流す。このレベルは、幾つのポート及びコリダを含んでいてもよいことは当業者にとって明らかである。コリダ３２８は、好ましくは、流体輸送チャネル３２２から、最終的に接触層３０２に流体を流通させる。
【０１０５】
図１２Ｇは、本発明に基づくレベル３１２’の変形例の裏面の斜視図である。レベル３１２’は、好ましくは、図１２Ｅに示すレベル３０８’に連結される。図１２Ｆに示すように、レベル３１２’は、底面３１２Ｂ’に沿って露出する窪んだコリダ３２８’をボディ内に備えている。窪んだコリダ３２８’は、ポート３１６’に接続され、流体は、窪んだコリダ３２８’からポート３１６’に直接移動する。窪んだコリダ３２８’は、レベル３０８’の上面３０８Ａ’の上に配設され、これにより、流体は、アパーチャ３２４’からコリダ３２８’に自由に移動することができる。窪んだコリダ３２０’及び底面３１２Ｂ’の周囲はレベル３１２’の上面３０８Ａ’に対して密封されており、これにより、アパーチャ３２４’からの流体の全てがコリダ３２８’を介してポート３１６’に流入する。底面３１２Ｂ’の各アパーチャ３３０’は、レベル３０８’（図１２Ｅ）のアパーチャ３２１’に揃えられ、接続され、アパーチャ３３０’は、レベル３０８’の上面３０８Ａ’（図１２Ｅ）と同一平面に設けられる。これに代えてアパーチャ３３０’は、対応するアパーチャ３２４’の直径より僅かに大きい直径を有していてもよく、これにより、アパーチャ３２４’は、アパーチャ３３０’を貫いてコリダ３２８’に延びる。
【０１０６】
図１２Ｈは、本発明に基づく図１２Ａの好適な熱交換器の線Ｈ−Ｈにおける断面を示している。図１２Ｈに示すように、接触層３０２は、熱源９９に連結される。上述のように、熱交換器３００は、１つのコンポーネントとして熱源９９と一体に形成してもよい。接触層３０２は、レベル３０８の底面３０８Ｂに連結される。更に、レベル３１２は、好ましくは、レベル３０８に連結され、レベル３０８の上面３０８Ａは、レベル３１２の底面３１２Ｂに対して密封されている。レベル３０８のコリダ３２０の周縁は、接触層３０２に接続されている。更に、レベル３１２のコリダ３２８は、レベル３０８のアパーチャ３２２’に連結されている。レベル３１２の底面３１２Ｂは、流体が２つのレベル３０８、３１２間で漏れないように、レベル３０８の上面３０８Ａに対して密封されている。
【０１０７】
図１２Ｉは、本発明に基づく図１２Ｂに示す熱交換器の変形例の線Ｉ−Ｉにおける断面を示している。図１２Ｉに示すように、接触層３０２’は、熱源９９’に連結されている。接触層３０２’は、循環レベル３０４’の底面３０４Ｂ’に連結されている。また、循環レベル３０４は、レベル３０８’に連結され、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’は、レベル３０８’の底面３０８Ｂ’に対して密封されている。更に、レベル３１２’は、好ましくは、レベル３０８’に連結され、レベル３０８’の上面３０８Ａ’は、レベル３１２’の底面３１２Ｂ’に対して密封されている。流体が２つのレベル３０８’、３０４’間で漏れないように、レベル３０８’のコリダ３２０’の周縁は、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’のアパーチャに接続されている。更に、流体が２つのレベル３１２’、３０８間で漏れないように、レベル３１２’のコリダ３２８’の周縁は、循環レベル３０８’の上面３０８Ａ’のアパーチャに接続されている。
【０１０８】
好適な動作では、図１２Ａ及び図１２Ｈの矢印で示すように、冷却された流体は、レベル３１２’のポート３１６を介して熱交換器３００に入る。冷却された流体は、ポート３１６からコリダ３２８に流れ下り、更に流体輸送チャネル３２２を介して接触層３０２に注ぎ込まれる。コリダ３２０内の冷却された流体は、熱交換器３００から排出される加熱された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。接触層３０２に入る流体は、熱源９９と熱交換を行い、熱源９９から発生した熱を吸収する。アパーチャ３２２’の構成は、熱源９９を効果的に冷却するとともに、接触層３０２において、流体がＸ方向及びＹ方向で最短距離を移動し、熱交換器３００における圧力降下を最小化するように最適化される。加熱された流体は、接触層３０２からレベル３０８のコリダ３２０に、Ｚ方向に流れ上がる。マニホルド層３０６から排出される加熱された流体は、マニホルド層３０６に流入する冷却された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。加熱された流体は、コリダ３２０に流入し、ポート３１４、３１５を介して、熱交換器３００から排出される。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、図１２Ａ及び図１２Ｈに示す方向とは反対の方向に流体を流してもよいことは当業者にとって明らかである。
【０１０９】
変形例における動作では、図１２Ｂ及び図１２Ｉの矢印で示すように、冷却された流体は、レベル３１２’のポート３１６’を介して熱交換器３００’に入る。冷却された流体は、ポート３１５’からレベル３０８’のポート３１４’に流れ下る。次に、流体は、コリダ３２０’に流れ込み、循環レベル３０４’のアパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に流れ下る。但し、コリダ３２０’の冷却された流体は、熱交換器３００’から排出される加熱された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。接触層３０２’に入る流体は、熱源９９と熱交換を行い、熱源９９から発生した熱を吸収する。後述するように、アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’の構成は、熱源９９を効果的に冷却するとともに、接触層３０２’に沿って流体が各アパーチャ３２２’から隣接するアパーチャ３２４’まで、最短距離を移動し、この間の圧力降下を最小化するように最適化される。加熱された流体は、レベル３０８’を介して、接触層３０２’からＺ方向に流れ上がり、幾つかのアパーチャ３２４’を介してレベル３１２’のコリダ３２８’に至る。加熱された流体は、アパーチャ３２４’を流れ上がる際、マニホルド層３０６’に流入する冷却された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。加熱された流体は、レベル３１２’のコリダ３２８’に入り、ポート３１６’を介して熱交換器３００’から排出される。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、図１２Ｂ及び図１２Ｉに示す方向とは反対の方向に流体を流してもよいことは当業者にとって明らかである。
【０１１０】
マニホルド層３０６では、アパーチャ３２２’は、熱源９９を適切に冷却しながら、流体が接触層３０２を流れる距離を最短にするように構成される。変形例として示すマニホルド層３０６’では、アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’は、流体が接触層３０２’を流れる距離を最短にするように構成される。具体的には、アパーチャ３２２’及び３２４’は、実質的に垂直な流路を提供し、熱交換器３００’における流路の長さは、水平方向であるＸ方向及びＹ方向において最短にされる。これにより、熱交換器３００、３００’は、熱源９９を適切に冷却するとともに、流体が流れる距離を大幅に短縮し、したがって、熱交換器３００、３００’内における圧力降下を大幅に低減させることができる。
【０１１１】
アパーチャ３２２’及び／又はアパーチャ３２４の特定の構成及び断面寸法は、以下に限定されるものではないが、例えば、フロー条件、温度、熱源９９から発生する熱量、流体の流量等の様々な要素に基づいて決定される。なお、以下、アパーチャ３２２’、３２４に関する説明を行うが、この説明は、アパーチャ３２２’又はアパーチャ３２４の何れか一方のみに適用してもよい。
【０１１２】
アパーチャ３２２’、３２４は、熱源９９を所望の温度に適切に冷却するとともに、圧力降下を最小化するように、互いから最適な距離だけ離間して配設される。アパーチャ３２２’及び／又はアパーチャ３２４の構成及び最適な距離の好適な実施の形態では、個々のアパーチャの寸法及び位置を変えることによって、アパーチャ３２２’、３２４及び多くの場合、接触層３０２を介した流路を個別に最適化できる。更に、好適な実施の形態におけるアパーチャの構成により、接触層に入る流体の全流量及び各アパーチャ３２２’を介して流入する流体によって冷却される面積を最適化することができる。
【０１１３】
一実施の形態においては、アパーチャ３２２’、３２４は、図１３及び１４に示すように、マニホルド層３０６において、交互の構成、すなわち市松模様状のパターンで構成してもよい。アパーチャ３２２’、３２４は、それぞれ流体が市松模様状のパターン内で移動する必要がある最短距離だけ離間して配設される。但し、アパーチャ３２２’、３２４は、十分な時間、接触層３０２に冷却液を供給するために十分な距離だけ、互いから離間している必要がある。図１３及び図１４に示すように、接触層３０２に入る流体が接触層３０２から排出される前に、接触層３０２に沿って最短距離を移動するために、１つの以上のアパーチャ３２２’を対応する数のアパーチャ３２４に隣接させ、またこの逆も成立するような構成とすることが好ましい。このため、図１３及び図１４に示すように、アパーチャ３２２’、３２４は、互いの周囲に放射状に配置され、流体が全てのアパーチャ３２２’から最も近いアパーチャ３２４に、最短距離を移動するようにするとよい。例えば、図１３に示すように、１つの特定のアパーチャ３２２’を介して接触層３０２に入る流体は、隣接するアパーチャ３２４までに、最小の抵抗を受けることになる。更に、アパーチャ３２２’、３２４の断面は円形であることが好ましいが、この断面は、他の如何なる形状であってもよい。
【０１１４】
更に、上述のように、先に説明した図に示すアパーチャ３２４は、筒状の部材として、循環レベル３０４又はレベル３０８、３１２から突出しているが、アパーチャは、マニホルド層３０６の何れのレベルからも突出していなくてもよい。また、マニホルド層３０６は、流体が方向を変える領域の付近に丸められた表面を有していることが好ましく、これにより、熱交換器３００における圧力降下の低減の効果を高めることができる。
【０１１５】
アパーチャ３２２’、３２４の寸法及び最適な距離構成は、流体が接触層３０２に沿って晒される温度の高さに依存する。また、アパーチャ３２２’、３２４における流路の断面寸法は、熱交換器３００での圧力降下を低減させるために十分な大きさを有する必要がある。接触層３０２に沿って流体が単相流の状態のみである場合、各アパーチャ３２２’は、好ましくは、図１３に示すように、対称性を有する六角形の構成で複数の隣接するアパーチャ３２４に囲まれる。更に、単相流の場合、循環レベル３０４におけるアパーチャの数は、略々等しいことが望ましい。更に、単相流の場合、アパーチャ３２２’、３２４は、好ましくは、同じ直径を有することが好ましい。但し、アパーチャ３２２’、３２４の構成及び比率は、これに上述の実施の形態に限定されないことは当業者にとって明らかである。
【０１１６】
接触層３０２に沿って、流体が二相流状態となる場合、アパーチャ３２２’、３２４は、二相流の加速度に対応するために、非対称構成にすることが望ましい。但し、二相流の場合であってもアパーチャ３２２’、３２４を対称的な構成としてもよい。例えば、循環レベル３０４において、アパーチャ３２２’、３２４を対称的に配置し、アパーチャ３２４の開口をアパーチャ３２２’の開口より大きくしてもよい。これに代えて二相流について、循環レベル３０４において、図１３に示す六角形の対称的の構成を用いて、循環レベル３０４において、アパーチャ３２４の数をアパーチャ３２２’より多くしてもよい。
【０１１７】
なお、循環レベル３０４のアパーチャ３２２’、３２４を交互に配置して、熱源９９のホットスポットを冷却してもよい。すなわち、例えば、循環レベル３０４において、２つのアパーチャ３２２’を互いに隣接させて交互に配置し、両方のアパーチャ３２２’を接触層ホットスポット領域又は接触層ホットスポット領域近傍の上に位置するように構成してもよい。両方のアパーチャ３２２’に適切な数のアパーチャ３２４を隣接して配置し、接触層３０２での圧力降下を減少させることは言うまでもない。したがって、２つのアパーチャ３２２は、接触層ホットスポット領域に冷たい流体を供給し、上述のように、接触層ホットスポット領域を均一で実質的に等しい温度に冷却する。
【０１１８】
上述のように、好適な熱交換器３００は、他の熱交換器に対して重要な利点を有している。好適な熱交換器３００の構成では、垂直な流路を用いるために、圧力降下が低減されるため、比較的性能が低いポンプを用いることができる。更に、好適な熱交換器３００の構成により、接触層３０２に沿ってインレット及び流路を個別に最適化することができる。更に、個別のレベルによって、カスタマイズ可能な設計が実現され、熱輸送の均質性、圧力降下の低減、及び個々のコンポーネントの寸法を最適化することができる。また、好適な熱交換器３００の構成により、流体が二相流状態となるシステムにおける圧力降下を低減することができ、したがって、この構成は、単相流システム及び二相流システムの何れでも用いることができる。更に、後述するように、好適な熱交換器は、多くの異なる製造方法に対応し、公差を補正するためにコンポーネントの幾何学的構造を調整することができる。
【０１１９】
以下、熱交換器１００及び熱交換器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。
【０１２０】
接触層は、好ましくは、熱源９９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、接触層は、好ましくは、熱源９９の伸縮に応じて同様に伸縮する。これに代えて、接触層３０２の材料は、熱源９９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３０２は、熱源９９のＣＴＥに対応するＣＴＥを有し、及び熱源９９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、熱源９９のＣＴＥに一致するＣＴＥを有する他の材料を用いて接触層３０２を形成してもよい。
【０１２１】
接触層３０２は、熱源９９がオーバーヒートしないように、熱源９９と、接触層３０２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３０２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３０２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。
【０１２２】
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３０２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。
【０１２３】
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の形態を用いて本発明を説明した。このような特定の実施の形態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の形態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】
【０１２４】
【図１Ａ】本発明の実施の形態に基づく２つのマイクロパターンを用いて形成された２つの熱伝導層の部分断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態に基づく２つのマイクロパターンを用いて形成された熱伝導層の斜視図である。
【図１Ｃ】本発明に基づく複数の熱伝導層から形成されるＨＳＶＲＭ構造の斜視図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態に基づくマイクロ熱交換器の分解図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態に基づく組み立てられたマイクロ熱交換器の斜視図である。
【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】本発明に基づくマニホルド層の変形例を備える熱交換器の分解図である。
【図４】本発明に基づく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式熱交換器の変形例の側面図である。
【図１０Ａ】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１０Ｂ】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１０Ｃ】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１０Ｄ】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１０Ｅ】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１２Ａ】本発明に基づく好適な熱交換器の分解図である。
【図１２Ｂ】本発明に基づく熱交換器の変形例の分解図である。
【図１２Ｃ】本発明に基づく循環レベルの変形例の斜視図である。
【図１２Ｄ】本発明に基づく好適なインレットレベルの底面側からの斜視図である。
【図１２Ｅ】本発明に基づくインレットレベルの変形例の底面側からの斜視図である。
【図１２Ｆ】本発明に基づく好適なアウトレットレベルの底面側からの斜視図である。
【図１２Ｇ】本発明に基づくアウトレットレベルの変形例の底面側からの斜視図である。
【図１２Ｈ】本発明に基づく好適な熱交換器の断面図である。
【図１２Ｉ】本発明に基づく熱交換器の変形例の断面図である。
【図１３】単相流フローのための本発明に基づくインレット及びアウトレットアパーチャの好適な構成を有する循環レベルの平面図である。
【図１４】二相流フローのための本発明に基づくインレット及びアウトレットアパーチャの好適な構成を有する循環レベルの平面図である。
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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