(57)【要約】  流体ポンピング冷却システム及び冷却方法を提供する。流体ポンピング冷却システム及び冷却方法は、新たな相対振幅を有する移流抵抗、対流抵抗及び流体ポンピングシステムの抵抗を拡散する拡散抵抗を含む。また、流体ポンピング冷却システム及び冷却方法は、作動流体の化学的組成の調整を含み、具体的には、単位質量当たりの流体熱容量への感度が高まるに従って、組成及び粘性を調整する。
2008511995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムにおいて、
ａ．上記デバイスに接触する接触層を有し、該デバイスを冷却する熱交換器と、
ｂ．インレット温度及びアウトレット温度を有し、上記熱交換器の接触層をポンピングする流体とを備え、
上記アウトレット温度とインレット温度との間の差は、上記熱交換器内の流体の最高温度と、上記インレット温度との間の差の３０％以上であることを特徴とする流体ポンピング冷却システム。
【請求項２】
上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを更に備える請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３】
上記複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項２記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項４】
上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを更に備える請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項５】
上記複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項４記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項６】
上記接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を更に備える請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項７】
上記微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項６記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項８】
上記デバイスに接触する接触層の第１の表面積は、上記接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項９】
上記熱交換器の平均温度における上記流体の粘性は、水の粘性の１５０％未満であることを特徴とする請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項１０】
上記熱交換器の平均温度における上記流体の単位質量当たりの熱容量は、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上であることを特徴とする請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項１１】
上記流体は、質量の少なくとも９０％が水からなることを特徴とする請求項１記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項１２】
流体ポンピング冷却システムによってデバイスを冷却する冷却方法において、
ａ．熱交換器の接触層とデバイスとの間で拡散抵抗を低減するステップと、
ｂ．接触層をポンピングし、インレット温度及びアウトレット温度を有する流体と、上記熱交換器の接触層との間で対流抵抗を低減するステップと、
ｃ．移流抵抗を増加させるステップと、
ｄ．上記流体の組成を、単位質量当たりの熱容量を増加させ、粘性を低減するように調整するステップとを有し、
上記アウトレット温度とインレット温度との間の差は、上記熱交換器内の流体の最高温度と、上記インレット温度との間の差の３０％以上であることを特徴とする冷却方法。
【請求項１３】
上記対流抵抗を低減するステップは、上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを形成するステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項１４】
上記複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項１３記載の冷却方法。
【請求項１５】
上記対流抵抗を低減するステップは、上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを形成するステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項１６】
上記複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項１５記載の冷却方法。
【請求項１７】
上記対流抵抗を低減するステップは、上記接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を形成するステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項１８】
上記微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項１７記載の冷却方法。
【請求項１９】
上記拡散抵抗を低減するステップは、上記デバイスに接触する接触層の第１の表面積を、上記接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下に縮小するステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項２０】
上記流体の組成を調整するステップは、上記熱交換器の平均温度における上記流体の粘性を、水の粘性の１５０％未満に低減するステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項２１】
上記流体の組成を調整するステップは、上記熱交換器の平均温度における上記流体の単位質量当たりの熱容量を、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上に増加させるステップを有することを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項２２】
上記流体は、質量の少なくとも９０％が水からなることを特徴とする請求項１２記載の冷却方法。
【請求項２３】
デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムにおいて、
ａ．熱交換器の接触層とデバイスとの間で拡散抵抗を低減する拡散抵抗低減手段と、
ｂ．接触層をポンピングされ、インレット温度及びアウトレット温度を有する流体と、上記熱交換器の接触層との間で対流抵抗を低減する対流抵抗低減手段と、
ｃ．移流抵抗を増加させる移流抵抗増加手段と、
ｄ．上記流体の組成を、単位質量当たりの熱容量を増加させ、粘性を低減するように調整する流体組成調整手段とを備え、
上記アウトレット温度とインレット温度との間の差は、上記熱交換器内の流体の最高温度と、上記インレット温度との間の差の３０％以上であることを特徴とする流体ポンピング冷却システム。
【請求項２４】
上記対流抵抗低減手段は、上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを形成するマイクロチャネル形成手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項２５】
上記複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項２４記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項２６】
上記対流抵抗低減手段は、上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを形成するピラー形成手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項２７】
上記複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項２６記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項２８】
上記対流抵抗低減手段は、上記接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を形成する微孔構造形成手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項２９】
上記微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有することを特徴とする請求項２８記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３０】
上記拡散抵抗低減手段は、上記デバイスに接触する接触層の第１の表面積を、上記接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下に縮小する面積縮小手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３１】
上記流体組成調整手段は、上記熱交換器の平均温度における上記流体の粘性を、水の粘性の１５０％未満に低減する粘性低減手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３２】
上記流体組成調整手段は、上記熱交換器の平均温度における上記流体の単位質量当たりの熱容量を、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上に増加させる単位質量増加手段を備えることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３３】
上記流体は、質量の少なくとも９０％が水からなることを特徴とする請求項２３記載の流体ポンピング冷却システム。
【請求項３４】
集積回路を冷却するための集積回路冷却装置において、
ａ．上記集積回路に接触する接触層であって、該集積回路に接触する該接触層の表面積は、該接触層と該集積回路との間の拡散抵抗が低減されるように該接触層に接触する該集積回路の第２の表面積の１５０％以下である、該集積回路を冷却する熱交換器と、
ｂ．上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさと、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比とを有し、対流抵抗を低減する複数のマイクロチャネルと、
ｃ．流体が移流抵抗を増加させるように上記熱交換器をポンピングされる流体とを備え、
上記流体は、質量の少なくとも９０％が水からなる集積回路冷却装置。
【請求項３５】
上記熱交換器の平均温度における上記流体の粘性は、水の粘性の１５０％未満であることを特徴とする請求項３４記載の集積回路冷却装置。
【請求項３６】
上記熱交換器の平均温度における上記流体の単位質量当たりの熱容量は、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上であることを特徴とする請求項３４記載の集積回路冷却装置。
【請求項３７】
デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムにおいて、
ａ．接触層を含む熱交換器がデバイスに接触し、該デバイスに接触する接触層の第１の表面積が、該接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下であることによって低減される拡散抵抗と、
ｂ．上記接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有し、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有する複数のマイクロチャネルを形成することによって低減される対流抵抗と、
ｃ．上記流体の流量が減少するように熱交換器を介して流体をポンピングすることによって増加される移流抵抗とを有し、
上記流体は、質量の少なくとも９０％が水からなる流体ポンピング冷却システム。
【請求項３８】
上記流体は、水であることを特徴とする請求項３７記載の流体ポンピング冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置の分野に関する。詳しくは、本発明は、流体ポンピング冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の流体ポンピング冷却システムでは、図１に示すように、「温度バジェット」の合計、すなわちピークデバイス温度（ＴＤｅｖｉｃｅ，ｐｅａｋ）と、冷却流体インレットの温度（Ｔｆｌｕｉｄ，ｉｎｌｅｔ）との間の差分が、４個の個別の抵抗を介して流れる流体の総熱エネルギ（q(W)）として消費される。
【０００３】
図１は、例示的な流体ポンピング冷却システムの抵抗モデルを示している。デバイス／取付抵抗（ＲＤｅｖｉｃｅ ａｎｄ ａｔｔａｃｈ）は、かなりの量ｑ（Ｗ）の熱エネルギを消散する。なお、デバイス／取付抵抗は、本発明に関連しないため、ここでは、詳細には説明しない。拡散抵抗（Ｒｓｐｒｅａｄ）は、小さいデバイスからより大きい熱交換器（ｈｘ）に熱が拡散する際の抵抗である。Ｒｓｐｒｅａｄは、熱交換器ｈｘの面積とデバイスの面積との比に従って増加する。対流抵抗（Ｒｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）は、熱交換器ｈｘの壁面から流体に熱を伝導する際の抵抗である。この値は、対流係数をｈとし、熱交換器ｈｘ内の総濡れ面積をＡとして、１／ｈＡに等しい。この抵抗は、水力直径（ｄ）の最小箇所の寸法の値が増加すると大きく増加する。
【０００４】
また、図１の移流抵抗（Ｒａｄｖｅｃｔｉｏｎ）は、流体が熱交換器ｈｘを流れる際の流体の加熱を考慮した抵抗であり、流量をｍとし、単位質量当たりの比熱容量をｃとし、定数０．５をＣとして、Ｃ／ｍｃによって表される。既知の熱交換器は、冷却されるデバイスの面積の２倍から４倍の比較的大きい寸法に設計される。これらの寸法によって、Ｒｓｐｒｅａｄ値が比較的大きくなる。また、既知の熱交換器は、通常０．３ｍｍ以上の大きい内部部品を備える。これらの寸法によって、Ｒｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎの値が比較的大きくなる。ここで、Ｒｓｐｒｅａｄ及びＲｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎの値が大きいと、流体ポンピングシステムの効率が悪くなる。
【０００５】
図２は、現在の流体ポンピングシステム２０の抵抗モデルを示している。上述したように、現在の流体ポンピングシステム２０は、冷却されるデバイスの２〜４倍の寸法を有する熱交換器を用いる。したがって、この設計は、拡散抵抗２２が大きく、又は、拡散抵抗２２は、表面積比率（熱交換器ｈｘ／冷却されるデバイス）の増加に伴って増加する。更に、現在の流体ポンピングシステム２０は、水力直径（ｄ）が大きい。熱交換器ｈｘのｄが増加すると、総濡れ面積Ａは減少し、この結果、Ｒｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎの式１／ｈＡに基づき、対流抵抗２４が大きくなる。
【０００６】
現在の流体ポンピングシステム２０は、ｄの値が大きいので（且つ、Ａの値が非常に小さいので）、抵抗連鎖のこの部分で多くの温度バジェットが消費される。この点で、総温度バジェットの範囲内に収めるためには、現在の流体ポンピングシステム２０は、移流抵抗２６を非常に小さくする必要がある。したがって、Ｒａｄｖｅｃｔｉｏｎの式Ｃ／ｃｍに基づき、流量ｍを非常に大きくすることによって、Ｒａｄｖｅｃｔｉｏｎを大幅に低減できる。勿論、このためには、流体ポンピングシステム２０のポンプに対する要求が厳しくなる。
【０００７】
また、従来の流体ポンピング冷却システムは、有効に作動するために、例えば、低温での凍結を回避するために、特定の流体を必要とする。このような流体としては、高濃度のエチレングリコール、プロピレングリコール又はこれに類する流体がある。このような流体は、熱容量が小さく、粘性が高いという特性を有し、流量が低減されたシステムでは十分に機能しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、流体ポンピング冷却システム及び冷却方法を提供する。流体ポンピング冷却システム及び冷却方法は、新たな相対振幅を有する移流抵抗、対流抵抗及び流体ポンピングシステムの抵抗を拡散する拡散抵抗を含む。また、流体ポンピング冷却システム及び冷却方法は、作動流体の化学的組成の調整を含み、具体的には、単位質量当たりの流体熱容量への感度が高まるに従って、組成及び粘性を調整する。
【０００９】
本発明の一側面においては、デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムは、デバイスに接触する接触層を有し、デバイスを冷却する熱交換器と、インレット温度及びアウトレット温度を有し、熱交換器の接触層をポンピングする流体とを備え、アウトレット温度とインレット温度との間の差は、熱交換器内の流体の最高温度と、インレット温度との間の差の３０％以上である。
【００１０】
流体ポンピング冷却システムは、更に、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを備えていてもよい。複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。流体ポンピング冷却システムは、更に、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを備えていてもよい。複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。
【００１１】
流体ポンピング冷却システムは、更に、接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を備えていてもよい。微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。デバイスに接触する接触層の第１の表面積は、接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下であってもよい。熱交換器の平均温度における流体の粘性は、水の粘性の１５０％未満であってもよい。熱交換器の平均温度における流体の単位質量当たりの熱容量は、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上であってもよい。流体は、質量の少なくとも９０％が水からなっていてもよい。
【００１２】
本発明の他の側面として、流体ポンピング冷却システムによってデバイスを冷却する冷却方法は、熱交換器の接触層とデバイスとの間で拡散抵抗を低減するステップと、接触層をポンピングし、インレット温度及びアウトレット温度を有する流体と、熱交換器の接触層との間で対流抵抗を低減するステップと、移流抵抗を増加させるステップと、流体の組成を、単位質量当たりの熱容量を増加させ、粘性を低減するように調整するステップとを有し、アウトレット温度とインレット温度との間の差は、熱交換器内の流体の最高温度と、インレット温度との間の差の３０％以上である。
【００１３】
対流抵抗を低減するステップは、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを形成するステップを有していてもよい。複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。対流抵抗を低減するステップは、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを形成するステップを有していてもよい。複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。
【００１４】
対流抵抗を低減するステップは、接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を形成するステップを有していてもよい。微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。拡散抵抗を低減するステップは、デバイスに接触する接触層の第１の表面積を、接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下に縮小するステップを有していてもよい。流体の組成を調整するステップは、熱交換器の平均温度における流体の粘性を、水の粘性の１５０％未満に低減するステップを有していてもよい。流体の組成を調整するステップは、熱交換器の平均温度における流体の単位質量当たりの熱容量を、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上に増加させるステップを有していてもよい。流体は、質量の少なくとも９０％が水から構成されていてもよい。
【００１５】
本発明の更なる側面として、デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムは、熱交換器の接触層とデバイスとの間で拡散抵抗を低減する拡散抵抗低減手段と、接触層をポンピングされ、インレット温度及びアウトレット温度を有する流体と、熱交換器の接触層との間で対流抵抗を低減する対流抵抗低減手段と、移流抵抗を増加させる移流抵抗増加手段と、流体の組成を、単位質量当たりの熱容量を増加させ、粘性を低減するように調整する流体組成調整手段とを備え、アウトレット温度とインレット温度との間の差は、熱交換器内の流体の最高温度と、インレット温度との間の差の３０％以上である。
【００１６】
対流抵抗低減手段は、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のマイクロチャネルを形成するマイクロチャネル形成手段を備えていてもよい。複数のマイクロチャネルは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。対流抵抗低減手段は、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数のピラーを形成するピラー形成手段を備えていてもよい。複数のピラーは、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。
【００１７】
対流抵抗低減手段は、接触層上に配設され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有する複数の孔を有する微孔構造を形成する微孔構造形成手段を備えていてもよい。微孔構造の複数の孔は、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有していてもよい。拡散抵抗低減手段は、デバイスに接触する接触層の第１の表面積を、接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下に縮小する面積縮小手段を備えていてもよい。
【００１８】
流体組成調整手段は、熱交換器の平均温度における流体の粘性を、水の粘性の１５０％未満に低減する粘性低減手段を備えていてもよい。流体組成調整手段は、熱交換器の平均温度における流体の単位質量当たりの熱容量を、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上に増加させる単位質量増加手段を備えていてもよい。流体は、質量の少なくとも９０％が水から構成されていてもよい。
【００１９】
本発明の更なる側面として、集積回路を冷却するための集積回路冷却装置は、集積回路に接触する接触層であって、集積回路に接触する接触層の表面積は、接触層と集積回路との間の拡散抵抗が低減されるように接触層に接触する集積回路の第２の表面積の１５０％以下である、集積回路を冷却する熱交換器と、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさと、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比とを有し、対流抵抗を低減する複数のマイクロチャネルと、流体が移流抵抗を増加させるように熱交換器をポンピングされる流体とを備え、流体は、質量の少なくとも９０％が水からなる。熱交換器の平均温度における流体の粘性は、水の粘性の１５０％未満であってもよい。熱交換器の平均温度における流体の単位質量当たりの熱容量は、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上であってもよい。
【００２０】
本発明の更なる側面として、デバイスを冷却する流体ポンピング冷却システムは、接触層を含む熱交換器がデバイスに接触し、デバイスに接触する接触層の第１の表面積が、接触層に接触するデバイスの第２の表面積の１５０％以下であることによって低減される拡散抵抗と、接触層に沿って所定のパターンで構成され、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有し、１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を有する複数のマイクロチャネルを形成することによって低減される対流抵抗と、流体の流量が減少するように熱交換器を介して流体をポンピングすることによって増加される移流抵抗とを有し、流体は、質量の少なくとも９０％が水からなる。この流体は、水であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態を図３に示す。本発明の好ましい実施の形態は、新たな相対振幅（relative magnitude）を有する移流抵抗３６、対流抵抗３４及び流体ポンピングシステム（pumped fluidic system：ＰＦＳ）３０の抵抗を拡散する拡散抵抗３２を含み、拡散抵抗３２により、ポンプの流量を低減し、この結果、ポンプの消費電力を削減することができる。これらの抵抗の新たな相対振幅は、後述するように、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有するマイクロ熱交換器ｈｘによって実現される。更に、図３に示すように、本発明の好ましい実施の形態のＰＦＳ３０のマイクロ熱交換器ｈｘは、拡散抵抗３２及び対流抵抗３４を低減し、この結果、温度バジェットの消費を抑制する。この抑制によって、移流抵抗３６を高くすることができる。
【００２２】
移流の式Ｃ／ｍｃにおいて、ｍは、流量を表し、流量ｍを減少させると、移流抵抗３６が高くなる。ここで、この移流抵抗３６は、総温度バジェットが費やされるまで高められる。このように、実際には、拡散抵抗３２及び対流抵抗３４を小さくすることにより、流量ｍが小さいマイクロ熱交換器ｈｘを用いることができ、これにより、移流抵抗３６を大きくでき、この結果、ポンプの仕事量を低減し、したがって、より効率的なＰＦＳ３０を実現できる。
【００２３】
本発明のマイクロ熱交換器ｈｘは、マイクロ熱交換器ｈｘの冷却面のサイズが、マイクロ熱交換器ｈｘによって冷却されるデバイスの表面のサイズの１５０％以下となるように、マイクロ熱交換器ｈｘの冷却面のサイズを縮小することによって拡散抵抗３２を低減する。上述したように、対流抵抗３４は、１／ｈＡで表され、ｈは、対流係数であり、Ａは、マイクロ熱交換器ｈｘの総濡れ面積である。この対流抵抗３４は、現在の流体ポンピングシステムに対してマイクロ熱交換器ｈｘの濡れ面積が広くなるにつれて減少する。マイクロ熱交換器ｈｘの濡れ面積は、１５〜３００μｍの範囲の大きさを有するピラー、孔及び／又はチャネルを組み込み、及び１０００ｍ−１以上の表面積対体積の比を実現することによって増加する。以下、マイクロ熱交換器ｈｘの構造について、更に詳細に説明する。
【００２４】
上述した本発明の実施の形態を明確にするために、本発明の実施の形態に基づくマイクロ熱交換器ｈｘの構造及び動作を説明する。なお、以下に示す熱交換器の説明は、本発明が適用される設計の一例を示しているに過ぎず、本発明に基づくシステム及び方法は、本発明の好ましい実施の形態に必要な寸法を有する如何なる熱交換器にも適用できることは明らかである。
【００２５】
熱交換器は、包括的に言えば、好ましくは熱源に接触する接触層の選択的な領域に流体を通過させることによって、熱源から発生した熱エネルギを捕捉する。詳しくは、流体は、熱交換器内の圧力低下を小さく保ちながら、熱源に亘って、温度均一性を実現するように、ホットスポット及びホットスポットの周囲の領域を冷却するために接触層に特定の領域に流される。後述する様々な実施形態で説明するように、熱交換器は、マニホルド層内で複数のアパーチャ、チャネル及び／又はフィンガを用いて、並びに中間層内の導管を用いて、接触層の選択されたホットスポット領域に及びこの領域から流体を流通及び循環させる。これに代えて、熱交換器は、ホットスポットに流体を直接流入させ、及びホットスポットから流体を流出させることによって、効果的に熱源を冷却するために所定の位置に特別に配置された幾つかのポートを備えていてもよい。
【００２６】
図４Ａは、本発明に基づく好ましいマニホルド層１０６の平面図である。詳しくは、マニホルド層１０６は、図４Ｂ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。なお、図４Ａ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４Ａに示すように、マニホルド層１０６は、一連のチャネル又は流路１１６、１１８、１２０、１２２と、これらの流路内に形成された流体ポート１０８、１０９とを備える。図４Ｂ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４Ａ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。インレットの流路（以下、インレットチャネル又は単にチャネルともいう）１１６とアウトレットの流路（以下、アウトレットチャネル又は単にチャネルともいう）１２０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のボディを構成している。
【００２７】
図４Ａ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ており、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の位置に流体を供給する。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１１８、１２０は、時間的に動かない及び変動する接触層ホットスポット領域を冷却するように構成されている。図４Ａ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方向に配置される。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／又はマイクロチャネル熱交換器（以下、単に熱交換器ともいう）１００内の圧力低下を最低限とすることができる。
【００２８】
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、熱交換器１００と循環冷却装置３０内で実質的な圧力低下を生じさせることなく、単相流の流体及び／又は二相流の流体を接触層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。
【００２９】
チャネル１１６及びフィンガ１１８の数及び寸法は、多くの要因に基づいて決定される。一実施形態においては、インレットフィンガ１１８とアウトレットフィンガ１２０は、同じ幅を有する。これに代えて、インレットフィンガ１１８及びアウトレットフィンガ１２０は、異なる幅を有していてもよい。フィンガ１１８、１２０の幅は、好ましくは、０．２５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲とする。一実施の形態においては、インレットフィンガ１１８とアウトレットフィンガ１２０は、同じ長さ及び深さを有する。これに代えて、インレットフィンガ１１８及びアウトレットフィンガ１２０は、異なる長さ及び深さを有していてもよい。他の実施形態においては、インレットフィンガ１１８及びアウトレットフィンガ１２０は、フィンガの長さに沿って様々な幅を有していてもよい。インレットフィンガ１１８及びアウトレットフィンガ１２０の長さ寸法は、０．５ｍｍ以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成するとよい。更に、フィンガ１１８、１２０は、０．２５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内の高さ又は深さを有するように形成するとよい。更に、マニホルド層１０６内では、１ｃｍ当たり１０本未満又は３０本以上のフィンガを設ける。なお、マニホルド層において、１ｃｍ当たり、１０本〜３０本のフィンガを設けてもよいことは、当業者には明らかである。
【００３０】
また、本発明においては、熱源のホットスポットの冷却を最適化するために、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の形状を不等間隔の配置としてもよい。熱源９９全体に亘って均一な温度を実現するためには、流体への熱伝達の空間的分布を、熱発生の空間的分布に一致させる。流体は、接触層に沿って、マイクロチャネル熱交換器１００内を接触層１０２に沿って流れるにつれて、その温度は上昇し、二相流の条件の下では、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１０２から流体への熱伝達率は、通常、流体の流速が速くなると高くなる。したがって、熱交換器１００に流体を流入し及び流出させるフィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の断面の寸法を調整することによって、流体への熱伝達率を調整することができる。この効果は、単相流でも得られる。
【００３１】
例えば、インレットの近傍でより高い熱が発生する熱源に対しては、特別なフィンガを設計することもできる。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の断面積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、フィンガの断面積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、特別なフィンガ又はチャネルの断面積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による流体の体積、加速度及び速度が増加する領域において、圧力低下を最小化でき、及びホットスポットの冷却を最適化できる。
【００３２】
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、続いて再び狭く設計することにより、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、熱源９９全体に亘って予想される熱放散分布に熱伝達率を合わせるために、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の寸法を大から小、小から大と幾度も変化させることが適切である。調整することが適切である場合もある。なお、フィンガとチャネルの寸法の変化に関する説明は、この実施形態に限定されず、後に説明する他の実施形態にも同様に適用することができる。
【００３３】
これに代えて、図４Ａ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つ以上のアパーチャ１１９を備えている。３層の熱交換器１００では、インレットフィンガ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。更に、図４Ａ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。２層の熱交換器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。
【００３４】
インレットフィンガ１１８及びアウトレットフィンガ１２０は、アパーチャを有さない開流路となっている。マニホルド層１０６の底面１３２は、３層の熱交換器１００では、中間層１０４の上面に当接し、２層の熱交換器１００では、接触層１０２に当接する。したがって、３層の熱交換器１００では、流体は、中間層１０４とマニホルド層１０６の間を自由に流れる。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。当業者には明らかなように、導管１０５は、後述するように、フィンガ１１８、１２０に直接整列するように配設してもよく又は３層の熱交換器１００内の他の場所に配設してもよい。
【００３５】
図４Ｂは、マニホルド層１０６を有する３層の熱交換器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とからなる２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１０６、中間層１０４及び接触層１０２の構成は、例示的なものであり、本発明の構成は、ここに示す構成に限定されないことは当業者には明らかである。
【００３６】
図４Ｂ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、導管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。
【００３７】
導管１０５は、多くの因子に基づいて、所定のパターンで中間層１０４内に配設される。これらの因子とは、以下に限定されるものではないが、接触層ホットスポット領域の位置、接触層ホットスポット領域において熱源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。他の部分の幅は、最大で数ｍｍに設計されるが、導管１０５は、１００μｍの幅を有することが好ましい。なお、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、当業者には明らかである。例えば、上述したフィンガ１１８、１２０と同様に、導管１０５は、この実施形態に代えて、様々に変化する長さ及び／又は幅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を有していてもよい。これに代えて、導管１０５は、異なる深さ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。
【００３８】
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置してもよい。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、これにより、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。
【００３９】
図４Ｂは、本発明に基づく接触層１０２の好ましい実施形態の斜視図である。図４Ｂ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、好ましくは、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、好ましくは、平行に形成され、これにより、流体は、好ましくは、流路に沿って、マイクロチャネル壁１１０間を流れる。これに代えて、各マイクロチャネル壁１１０を非平行に構成してもよい。
【００４０】
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、当業者には明らかである。更に、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２内の圧力低下又は圧力差を最低限とするための寸法を有していてもよい。また、以下に限定されるものではないが、ピラー（pillars）２０３（図５）、粗い表面、例えば、焼結金属及びシリコン泡（silicon foam）２１３（図４）等の微孔性構造又はこれらの組合せ等、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。図５は、変形例として、ピラー２０３及び多孔構造としての泡２１３の両方が形成された接触層２０２を示している。なお、ここでは、例示的に、図４Ｂ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。
【００４１】
図４Ｂ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４Ｂ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。
【００４２】
図４Ａ及び図４Ｂ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４Ａ及び図４Ｂ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。
【００４３】
図４Ｂ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、好ましくは、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。流体は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル壁１１０に沿って移動するが、流体は、接触層１０２に沿って、他の如何なる方向に移動してもよい。次に、加熱された流体は、導管１０５Ｂを介して、アウトレットフィンガ１２０Ａに流れ上がる。同様に、流体は、フィンガ１１８Ｅ、１１８Ｆを介して、中間層１０４に、Ｚ方向に流れ下る。次に、流体は、Ｚ方向に、インレット導管１０５Ｃを介して、接触層１０２に流れ下る。そして、加熱された流体は、接触層１０２からアウトレット導管１０５Ｄを介してアウトレットフィンガ１２０Ｅ、１２０Ｆに、Ｚ方向に流れ上がる。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、熱交換器から流出される。
【００４４】
また、好ましくは、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、圧力低下を最低限とするために、各アウトレットフィンガ１２０は、好ましくは、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１１９の近傍に配設される。このように、流体は、インレットフィンガ１１８Ａを介して接触層１０２に流入し、接触層１０２の底面１０３に沿って、接触層１０２からアウトレットフィンガ１２０Ａに最短の距離を移動する。流体が底面１０３に沿って移動する距離により、不要な量の圧力低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４Ａ及び図４Ｂに示すように、フィンガ１１８に沿って流れる流体の圧力低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。
【００４５】
当業者には明らかなように、図４Ａ及び図４Ｂ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。チャネル１１６及びフィンガ１１８は、他の如何なる構成により実現してもよい。
【００４６】
図４Ｂに示すように、本発明の好ましい実施の形態では、接触層１０２内にマイクロチャネル壁１１０を設ける。上述したように、対流抵抗を適切に低減させるために、マイクロチャネル壁１１０の大きさは、１５〜３００μｍの範囲内とし、マイクロチャネルの表面積対体積の比は、１０００ｍ−１以上とする。勿論、このような寸法範囲を有さないマイクロチャネルを備える更なる実施の形態も本発明の範囲に含まれる。
【００４７】
また、図５に示す更なる実施の形態では、好ましい実施の形態のマイクロチャネル壁１１０（図４Ｂ）に代えて、例えば、ピラー２０３又は例えば、焼結金属及びシリコン泡２０１等である粗い表面又は微小孔構造を設ける。更に、これらの代替要素は、マイクロチャネル壁１１０の代わりに用いてもよく、又は他の接触層２０２と組み合わせて用いてもよい。更に、これらの代替要素をマイクロチャネル壁１１０と組み合わせて用いてもよい。勿論、上述した代替要素又はこれらの組合せは、本発明の好ましい実施の形態において述べた大きさ及び表面積対体積の比に基づいて形成される。
【００４８】
また、所望の相対的抵抗レベルを実現するためには、本発明の好ましい実施の形態の流体ポンピングシステムで使用される流体組成が重要である。具体的には、所望の相対的抵抗レベルの達成には、熱容量及び粘性が重要になる。好ましい実施の形態として開示したマイクロ寸法を用いることによって、ポンピング圧力低下が著しく大きくなることがある。流体の流量を小さくすると、性能は、熱吸収特性に大きく影響する単位質量当たりの流体熱容量に非常に敏感になる。
【００４９】
したがって、所望の相対的抵抗レベルでシステムを適切に動作させるために、単位質量当たり熱容量が非常に大きく（熱を効率的に吸収する）、粘性が低い（マイクロ熱交換器ｈｘにおける圧力低下を低減する）流体が必要である。したがって、熱交換器の平均温度において、水の粘性の１５０％以上の粘性を有し、水の熱容量の８０％以上の熱容量を有する流体を用いることが好ましい。また、本発明の好ましい実施の形態は、流体は、質量の少なくとも９０％が水から構成することが好ましい。
【００５０】
図６は、本発明の好ましい実施の形態として、流体ポンピング冷却システムによって効率的にデバイスを冷却する方法４００のフローチャートを示している。方法４００は、ステップ４１０から開始され、このステップ４１０において、流体ポンピングシステムにおける相対的な拡散抵抗を低減する。これは、冷却されるデバイスの表面に対して、マイクロ熱交換器ｈｘの冷却面のサイズを限定することによって実現される。デバイスに接触する接触層の表面積は、好ましくは、冷却されるデバイスの表面積の１５０％以下とする。ステップ４２０では、マイクロ熱交換器ｈｘの総濡れ面積を増加させることによって流体ポンピングシステムの相対的な対流抵抗を低減する。これは、マイクロ熱交換器ｈｘ内のマイクロチャネルの大きさを、好ましくは、１５〜３００μｍの範囲に縮小し、表面積対体積の比を１０００ｍ−１とすることによって達成される。
【００５１】
図６のステップ４３０では、流体ポンピングシステムの相対的な移流抵抗を増加させる。これは、好ましくは、移流抵抗をＣ／ｍｃとして、流量ｍを低減することによって実現される。ここで、Ｃは、約０．５の定数であり、ｃは、単位質量当たりの比熱容量である。この方法４００の最後のステップ４４０では、流体が比較的、高い熱容量及び低い粘性を有するように、流体ポンピングシステム内の流体組成を調整する。熱交換器の平均温度における流体の粘性は、好ましくは、水の粘性の１５０％未満であり、熱交換器の平均温度における流体の単位質量当たりの熱容量は、好ましくは、水の単位質量当たりの熱容量の８０％以上である。これらの値は、好ましくは、流体の質量の少なくとも９０％を水から構成することによって実現される。
【００５２】
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、特許請求の範囲を限定するものではない。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、当業者には明らかである。特に、本発明のデバイスは、幾つかの異なる手法で実現でき、複数の異なる外観を有することができることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】例示的な温度バジェット抵抗モデルを示す図である。
【図２】従来の技術に基づく温度バジェット抵抗モデルを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に基づく温度バジェット抵抗モデルを示す図である。
【図４Ａ】本発明に基づく熱交換器のマニホルド層の平面図である。
【図４Ｂ】本発明に基づくマニホルド層を有する熱交換器の分解図である。
【図５】本発明に基づくマイクロピン層及び泡層を有する接触層の斜視図である。
【図６】本発明に基づく流体ポンピング冷却システムによってデバイスを効率的に冷却する方法を説明するフローチャートである。
【図１】
2008511995.tif 000003
【図２】
2008511995.tif 000004
【図３】
2008511995.tif 000005
【図４Ａ】
2008511995.tif 000006
【図４Ｂ】
2008511995.tif 000007
【図５】
2008511995.tif 000008
【図６】
2008511995.tif 000009