(57)【要約】本発明は、冷却システム、特に、強制対流のガスフローを生じさせる冷却システムに関する。一態様によれば、冷却システムは、コロナ風、若しくは、マイクロスケールのコロナ風、若しくは、一時的に制御されたイオンの発生技術のようなＥＨＤポンピングメカニズムと組み合わされた熱シンクを使用している。チャネルアレイ構造体は、熱シンクを実施するのに使用されることができる。ＥＨＤポンプは、熱シンクのチャネルの入口若しくは出口のところに配設されている。システム全体が、既知の熱シンクと同様、若しくはそれより良好な性能を有するが、容積と重量とが１/１０であり、静かに動作し得ることを含む多くの効果が、本発明の冷却システムにより達成される。本発明は、また、ＥＨＤガスフローを用いたマイクロチャネルの熱シンクを製造する方法に関する。
2008529284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネルと、
このチャネル中にガスの流れを生じさせるようにチャネルにカップリングされたＥＨＤ（電気流体力学）ポンプとを具備している冷却装置。
【請求項２】
前記ＥＨＤポンプは、第1並びに第２の電極を有し、また、前記チャネルは、互いに分離されたフィンにより規定され、前記電極の少なくとも一方は、これらフィンと一体的に形成されている請求項１の冷却装置。
【請求項３】
前記チャネルは、熱シンクの互いに分離されたフィンにより規定されている請求項１の冷却装置。
【請求項４】
前記熱シンクと熱的に接触した熱パイプを更に具備している請求項３の冷却装置。
【請求項５】
前記ＥＨＤポンプは、第１並びに第２の電極を有し、これら電極の少なくとも一方は、前記フィンと一体的に形成され、前記熱パイプは、前記フィンと電気接触している請求項４の冷却装置。
【請求項６】
前記ＥＨＤポンプは、ガスギャップにより互いに分離された第１並びに第２の電極と、これら第１並びに第２の電極間を流れるイオンを発生させるように、第１並びに第２の電極間に電界を確立させる電圧源とを有している請求項１の冷却装置。
【請求項７】
前記イオンは、コロナ風の技術を使用して発生される請求項６の冷却装置。
【請求項８】
前記イオンは、マイクロスケールのコロナ風の技術を使用して発生される請求項６の冷却装置。
【請求項９】
前記イオンは、一時的に制御された誘電体のブレークダウン技術を使用して発生される請求項６の冷却装置。
【請求項１０】
前記第１の電極は、所定の横断面形状を有するワイヤーからなっている請求項６の冷却装置。
【請求項１１】
前記横断面形状は、円形である請求項１０の冷却装置。
【請求項１２】
前記チャネルは、熱シンクの互いに分離されたフィンにより規定され、前記第２の電極は、フィンと一体的に形成されている請求項１０の冷却装置。
【請求項１３】
前記第１の電極は、１ｍｍ未満の有効径を有している請求項１０の冷却装置。
【請求項１４】
前記第１の電極が取着されている基体を更に具備している請求項６の冷却装置。
【請求項１５】
前記第１の電極は、主部材と、この主部材から突出している複数の二次のチップとからなっている請求項６の冷却装置。
【請求項１６】
前記第１の電極が取着されている基体を更に具備している請求項１５の冷却装置。
【請求項１７】
前記第１の電極は、前記チャネル中でのガスフローの方向において、前記基体の上流側に取着されている請求項１６の冷却装置。
【請求項１８】
前記第１の電極は、前記チャネル中でのガスフローの方向において、前記基体の下流側に取着されている請求項１６の冷却装置。
【請求項１９】
前記第１の電極は、前記チャネル中でのガスフローの方向において、前記基体の上流側と下流側との両方に対して垂直な側壁に取着されている請求項１６の冷却装置。
【請求項２０】
前記第１の電極は、前記チャネル中でのガスフローの方向において、前記基体の上流壁と下流壁との両方に対して傾斜角をなした側壁に取着されている請求項１６の冷却装置。
【請求項２１】
前記二次のチップは、前記基体のエッジまでそれぞれ延びている請求項１６の冷却装置。
【請求項２２】
前記二次のチップは、前記基体のエッジを越えてそれぞれ延びている請求項１６の冷却装置。
【請求項２３】
前記二次のチップは、前記基体のエッジを越えている部分が、前記エッジを越えていない他の部分に対して角度付けられている請求項２２の冷却装置。
【請求項２４】
前記電圧源は、ＡＣ電流を流す請求項６の冷却装置。
【請求項２５】
前記ＡＣ電流は、１ないし１００ｋＨｚの周波数範囲にある請求項２４の冷却装置。
【請求項２６】
前記電圧源は、ＤＣ電流を流す請求項６の冷却装置。
【請求項２７】
前記ガスギャップを少なくとも部分的に囲んでいるスペーサを更に具備している請求項６の冷却装置。
【請求項２８】
前記スペーサは、導電体からなっている請求項２７の冷却装置。
【請求項２９】
前記スペーサは、誘電体からなっている請求項２７の冷却装置。
【請求項３０】
前記第１の電極は、前記スペーサに取着されている請求項２９の冷却装置。
【請求項３１】
前記ＥＨＤポンプは、第１並びに第２の電極を有し、前記チャネルは、第１並びに第２のフィンにより規定され、前記第２の電極は、前記第２のフィンと一体的に形成され、前記チャネルの入口近くの第１のギャップにより前記第１の電極から分離され、この冷却装置は、前記第１のフィンと第３のフィンとにより規定された第２のチャネルを更に具備し、前記第１の電極と、前記第３のフィンと一体的に形成され、かつ前記第２のチャネルの入口近くの第２のギャップにより第１の電極から分離された他の第２の電極とを有する第２のＥＨＤポンプを更に具備している請求項１の冷却装置。
【請求項３２】
前記第１の電極は、１ｃｍ未満のガスギャップにより、前記第２の電極から分離され、前記第１の電極は、所定の有効径を有し、この有効径に対する前記ガスギャップの比は、６：１よりも大きい請求項２の冷却装置。
【請求項３３】
前記第１の電極は、所定の横断面形状を有するワイヤーからなっている請求項３２の冷却装置。
【請求項３４】
前記横断面形状は、円形である請求項３３の冷却装置。
【請求項３５】
前記有効径は、１００ミクロン未満である請求項３２の冷却装置。
【請求項３６】
前記両電極間にコロナ放電を確立させるように、前記第１並びに第２の電極にカップリングされた電圧源を更に具備している請求項３２の冷却装置。
【請求項３７】
前記電圧源は、１ないし１００ｋＨｚの周波数範囲のＡＣ電流を流す請求項３６の冷却装置。
【請求項３８】
前記電圧源は、ＤＣ電流を流す請求項３６の冷却装置。
【請求項３９】
複数のチャネルを有する熱シンクと、
前記チャネルにカップリングされ、これらチャネル中にガスの流れをそれぞれ生じさせる複数のＥＨＤ（電気流体力学）ポンプとを具備している冷却装置。
【請求項４０】
前記ＥＨＤポンプは、複数の第１の電極と複数の第２の電極とからなっており、これら電極間には、電界が、ガスフローを促進させるイオンを発生するようにそれぞれ確立され、前記第１の電極の幾らかは、２つ以上のＥＨＤポンプにより一般に使用される請求項３９の冷却装置。
【請求項４１】
前記第２の電極は、前記熱シンクと一体的に形成されている請求項４０の冷却装置。
【請求項４２】
前記ＥＨＤポンプは、複数の第１の電極と、複数の第２の電極とからなっており、これら電極間には、電界が、ガスフローを促進させるイオンを発生するようにそれぞれ確立され、前記ＥＨＤポンプの幾らかは、２つ以上の第１の電極を有している請求項３９の冷却装置。
【請求項４３】
前記第２の電極は、前記熱シンクと一体的に形成されている請求項４２の冷却装置。
【請求項４４】
前記ＥＨＤポンプは、複数の第１の電極と複数の第２の電極とからなっており、この装置は、前記第１の電極がカップリングされた電気バスを更に具備している請求項３９の冷却装置。
【請求項４５】
前記第２の電極は、前記熱シンクと一体的に形成されている請求項４４の冷却装置。
【請求項４６】
前記チャネルの各々は、幅が５ｍｍ未満であり、長さが１００ｍｍ未満である請求項３９の冷却装置。
【請求項４７】
前記ＥＨＤポンプは、コロナ風の技術を使用してイオンを発生させる請求項３９の冷却装置。
【請求項４８】
前記ＥＨＤポンプは、マイクロスケールのコロナ風の技術を使用してイオンを発生させる請求項３９の冷却装置。
【請求項４９】
前記ＥＨＤポンプは、一時的に制御された誘電体のブレークダウン技術を使用してイオンを発生させる請求項３９の冷却装置。
【請求項５０】
前記電気流体力学ポンプの構造体と、前記熱シンクの構造体とを一般に形成するために単一のプロセスを使用することを具備する、請求項３９の冷却装置を製造する方法。
【請求項５１】
前記プロセスは、
ウェハを準備する工程と、
このウェハの表面上に誘電体層を加える工程と、
この誘電体層に、前記電気流体力学ポンプの構造体用の電極をパターニング形成する工程と、
前記熱シンクの構造体と、前記電気流体力学ポンプの構造体との両方のためのチャネルを形成するように、前記ウェハと、パターニング形成された前記誘電体層とを切断する工程とを含む、請求項５０の方法。
【請求項５２】
前記誘電体層を加える工程は、前記ウェハ上に酸化膜を成長させることを含む請求項５１の方法。
【請求項５３】
前記誘電体層を加える工程は、前記ウェハ上に誘電体を堆積させることを含む請求項５１の方法。
【請求項５４】
前記誘電体層を加える工程は、前記ウェハ上に誘電体のシートを結合させることを含む請求項５１の方法。
【請求項５５】
前記誘電体層をパターニング成形する工程は、フォトリソグラフィの技術を使用することを含む請求項５１の方法。
【請求項５６】
前記切断する工程は、ダイヤモンドをダイスカットする鋸を使用して果たされる請求項５１の方法。
【請求項５７】
前記切断する工程は、ワイヤー式の静電気放電マシンを使用して果たされる請求項５１の方法。
【請求項５８】
前記切断する工程は、ドライ若しくはウェットエッチングを含む請求項５１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本譲受人により一般に所有され、かつ２００５年１月２４日に出願された米国特許仮出願第６０/６４６，７５０号に基づき、この仮出願から優先権を請求する。この仮出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、冷却システム、より詳細には、熱シンク中での強制対流のガスフローを用いた冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
熱が多くの環境において問題であり、過熱が集積回路（例えば、コンピュータの中央処理ユニット（ＣＰＵ））のような部品、並びに、他の電子部品の故障をもたらし得ることは、良く知られている。熱シンクは、このような過熱を防止するのに使用される一般的なデバイスである。熱シンクは、空気を使用することによるデバイスからの熱の放散に、主に依存している。しかし、空気のような気体を使用して熱を放散することは、気体の乏しい熱的性質のために、困難である。気体は、熱伝導性が低く、かくして、熱吸収を抑制する。気体は、また、熱容量が低く、従って、ほんの少量の熱を吸収した後に気体をすぐに温める。これは、気体と熱シンクとの間の温度差を小さくすることにより、熱吸収の速度と量とを減じる。
【０００４】
既知の熱シンクは、所定の容積に与えられ得る表面積の量が限られている。この結果、これら熱シンクは、熱源並びに基体に対して垂直方向に大きい。さらに、これら熱シンクのデザインは、ある種の流体ポンプのデザインと十分に一体的ではない。
【０００５】
２００５年７月１３日に出願され、内容が参照により本明細書に組み込まれる、"Micro-Channel Heat Sink"というタイトルの米国特許出願第１１/１８１，１０６号に開示されている斬新な熱シンクは、最先端の熱シンクを劇的に進歩させたものである。これは、熱が、低い熱抵抗の短いパスを通って比較的容易に送られ得る相対的に短いマイクロチャネルの大きなアレイからなる構造体を説明している。この結果、この概要に基づいた熱シンクは、高性能の冷却を維持しつつ、従来の熱シンクの体積分率を有する。
【０００６】
米国特許出願第１１/１９１，１０６号に開示されている熱シンクと、他の従来の熱シンクとのデザインは、代表的に、これらの構造体中でガスフローを促進するファン並びに送風機に依存している。一方、電気を流体フローに直接かえる他の技術が、開発されている。これら方法は、電気流体力学（ＥＨＤ）ポンプとして総称されている。ガスをポンピングするこれら方法の１つは、コロナ風と呼ばれている。これは、一方が鋭く、他方が鈍い２つの電極間に高電圧が印加されたときに、これら電極間に確立されるガスフローのことを言う。このガスは、鋭い電極近くの高電界領域で部分的にイオン化される。比較的遠隔の鈍い電極に吸引されたイオンは、途中で中性分子と衝突し、ポンプ動作を起こす。
【０００７】
他のタイプのＥＨＤポンプは、２００５年１１月１０日に出願された"Ion Generation by the Temporal Control of Gaseous Dielectric Breakdown"というタイトルの米国特許出願第１１/２７１，０９２号に開示され、この内容は、参照により本明細書に組み込まれる。この方法では、イオンが、ガスの一時的に制御されたブレークダウンにより発生され、そして、ポンピング動作を起こすように、反対の極性に帯電している電極に吸引される。
【０００８】
"Ion-Driven Air Flow Device and Method,"というタイトルの米国特許出願第２００５/０００７７２６Ａ１は、イオンによる駆動力を用いて流体フローを発生させるマイクロスケールのポンプデバイスと、固体物を冷却する目的のためにガス状流体を発生させるための方法とに関する。イオン発生には、電子トンネルプロセスを含み、ＥＨＤポンピングは、移動電界の概念を使用する。この発明の出願の概念は、利益追求であるが、多くの点で非現実的であり複雑である。
【０００９】
"Electro-hydrodynamic heat exchanger"というタイトルの米国特許第６，６５９，１７２号は、ＥＨＤを用いて向上された熱伝達を有する逆フローの熱交換器に関する。このフローは、最初、ＥＨＤポンプではなく、ある種の外部デバイスにより駆動される。ＥＨＤ動作が、システムの伝熱率を向上し、かつシステムの性能を改善する第２の流れを形成するだろう。
【００１０】
"Electric wind generator"というタイトルの米国特許第４，２１０，８４７号は、伝熱目的のためにガスフローを生じさせるコロナ風のポンプを開示している。しかし、熱シンクの一体化の記載はない。
【００１１】
"Apparatus for producing a directed flow of a gaseous medium utilizing the electric wind principle"というタイトルの米国特許第４，３８０，７２０号は、空気を移動させるためのコロナ風のデバイスを開示している。このデバイスは、電気流体力学を用いたカップリングを向上させるエアロゾルの追加(aerosol addition)を含み、即ち、ポンピング動作の効率を向上させる。
【００１２】
"Ion drag air flow meter"というタイトルの米国特許出願第５，２３７，２８１号と、"Ion-drag flow meter"というタイトルの米国特許第４，９５３，４０７号とは、空気フローの速度を決定するようにイオン電流を測定する逆コロナ風デバイスを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の従来技術は、興味深い概要を教示しているが、これら概要を効率的な熱シンクの構造体に適用するには、問題が残る。改良されたガスフロー技術を支持並びに効果的に使用し得る構造体に加えて、従来のファン、若しくは、受動的な技術のガスフローをよりも改善されたガスフローの特徴を有する熱シンクのデザインを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、冷却システム、特に、強制対流のガスフローを生じさせる冷却システムに関する。一態様に従えば、冷却システムは、コロナ風、若しくは、マイクロスケールのコロナ風、若しくは、一時的に制御されたイオン発生技術のようなＥＨＤポンプメカニズムと組み合わされた熱シンクを使用している。チャネルアレイ構造体が、熱シンクを実施するのに使用されることができる。ＥＨＤポンプは、熱シンクのチャネルの入口若しくは出口のところに配設されている。システム全体が、既知の熱シンク並びにファンシステムと同様、若しくは、それより良好な性能を有し得ることを含む多くの効果が、本発明の冷却システムにより達成される。
【００１５】
一態様に従えば、本発明に従った冷却装置は、チャネルと、このチャネル中にガスフローを生じさせるようにカップリングされた電気流体力学（ＥＨＤ）ポンプとを有している。
【００１６】
他の態様に従えば、本発明に従った冷却装置は、複数のチャネルと、これらチャネル中にガスフローをそれぞれ生じさせるようにカップリングされた複数の電気流体力学（ＥＨＤ）ポンプとを有するシートシンクを備えている。
【００１７】
他の態様に従えば、本発明に従った冷却装置を製造する方法は、電気流体力学ポンプの構造体と、熱シンクの構造体とを一般に形成するために単一のプロセスを使用することを有している。
【００１８】
他の態様に従えば、本発明に従ったマイクロスケールのコロナ風を発生させるための電気流体力学（ＥＨＤ）ポンプは、１ｃｍ未満のガスギャップにより第２の電極から離間された第１の電極を有している。この第１の電極は、有効径を有し、この有効径に対するガスギャップの比は、６：１よりも大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、当業者が本発明を実施することができるように、本発明の図示の例として与えられる図面を参照して詳細に説明される。特に、以下の図並びに例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定するように意味するものではなく、他の実施形態が、説明若しくは図示される部材の幾つか若しくは全てを交換することにより、可能である。さらに、本発明のある部材が、知られた部品を使用して部分的若しくは全体的に実施され得る場合、本発明を理解するために必要なこのような知られた部品の一部分のみが説明され、このような知られた部品の他の部分の詳細な説明は、本発明を不明瞭にしないように、省略される。この明細書において、単一の部品を示す一実施形態は、そのように限定される必要はなく、本発明の原理は、むしろ、この明細書で明確に述べられていない限り、複数の同じ部品を含む他の実施形態に、またこの逆に、拡張されることができる。さらに、適用例は、明細書若しくは請求項のいずれの用語が、そのようなものとして明確に説明されない限り、一般的でない、即ち特別な意味を持つと見なされるように意図されていない。さらに、本発明は、図示の例により参照される知られた部品と同等の、現存の若しくは更に知られた部品を含む。
【００２０】
一般に、本発明は、好ましくはＥＨＤの技術を用いて、熱シンク構造体を通る強制対流のガスフローを使用した冷却システムに関する。このＥＨＤのフローは、以下に詳細に説明される３つのメカニズムのうちの１つ、即ち、（１）コロナ風(corona wind)、（２）マイクロスケールのコロナ風、若しくは、（３）２００５年１１月１０日に出願され、"Ion Generation by the Temporal Control of Gaseous Dielectric Breakdown"というタイトルの米国特許出願第１１/２７１，０９２号に記載され、この内容が参照により本発明に組み込まれる方法により、発生されることが好ましい。しかし、ＥＨＤを用いたフローは、これら３つのメカニズムの２つ以上の組み合わせにより発生されても良いし、現存する更なる他のＥＨＤのメカニズムにより発生されても良いし、ファンのような他の既知のメカニズムと組み合わされて発生されても良く、これらは本発明の教示の範囲内である。
【００２１】
図１は、本発明に従った一例の冷却システムを示している。図１に示されているように、第１の電極１０２が、ガス（例えば、空気）のギャップ１０６により、第２の電極１０４から分離されている。本発明の一態様によれば、この第２の電極１０４は、熱シンクの一部と一体的に形成され、第１並びに第２の電極は、熱シンクのチャネル１１０の入口近くに配設されている。電圧源１０８が、電極１０２，１０４にカップリングされ、以下に詳細に説明される技術の１つに従ってイオンを発生させるガスギャップ１０６全体に渡って電界を確立する。このギャップ１０６全体に渡るイオンの発生により、ガスには運動量が与えられ、この結果、ガスは、チャネル１１０の入口から出口の方向１１２へとチャネル中を流される。このチャネル１１０中へのガスフローは、当業者によって理解されるように、熱シンクから熱を除去するのを容易にし、熱シンクに熱的にカップリングされた熱源から熱を除去する役割を果たしている。
【００２２】
例示的な一実施形態において、この熱シンクの材料は、アルミニウムのような導電性の材料であり、この熱シンクに、電圧源１０８が、当業者に知られる幾つかの接続手段により直接接続され、かくして、第２の電極１０４として機能する。幾つかの例の第１の電極１０２は、アルミニウム、銅、若しくは、他のタイプの導電性ワイヤーであっても良いし、誘電体にパターニングされた導線であっても良い。かくして、第１の電極は、以下の説明から明らかになるように、円形形状に限定されない。
【００２３】
図示されている例において、前記チャネル１１０は、他のフィン１１４−Ｂと分離された熱シンクのフィン１１４−Ａにより規定されている。図示されている部材のある様々な向き、材料、幾何学形状、並びに、ディメンションは、使用されるイオン発生技術により決定されることができ、以下の説明から明らかになるだろう。しかし、本発明に従った冷却システムは、フィン、若しくは、他の熱シンク構造体により規定される多くのチャネル１１０を含むことができ、これらチャネルの全て、若しくは、幾らかには、ガスをチャネル中に流すためのイオン発生電極が装備されることに、注意すべきである。図１に示され、かつ以下に詳細に説明されるような入口ではなく、チャネルの出口近くに電極を設けることにより、同様の結果が得られることに、更に注意すべきである。
【００２４】
コロナ風
本発明の冷却システムに使用され得る１つのＥＨＤポンピング方法、即ち、コロナ風は、幅広く研究されてきた（O. Stuetzer, "Ion Drag Pressure Generation", U. Applied Physics, V. 30, N. 7, pp. 984-994, 1959; B.L. Owsenek, J. Seyed-Yagoobi, "Theoretical and Experimental Study of Electrohydrodynamic Heat Transfer Enhancement Through Wire-Plate Corona Discharge", J. Heat Transfer, V. 119, pp. 604-610, 1997; H. Kalmen and E. Sher, "Enhancement of heat transfer by means of a corona wind created by a wire electrode and confined wings assembly", Applied thermal Eng., 21, pp. 265-282,2001を見よ）。この方法は、一方が鋭く（例えば、第１の電極１０２）、他方が鈍い（例えば、第２の電極１０４）２つの電極を含み、これら電極は、何センチメートルものギャップ（例えば、ギャップ１０６）により、互いに離間されている。高い定電圧（ＤＣ、例えば、電圧源１０８）が、これら電極間に印加されている。これは、鋭い電極近くに強電界を形成し、電極間の残りの領域に弱電界を形成する。ガスのブレークダウン(gaseous breakdown)が、鋭い電極近くの強電界領域で開始される（コロナ放電）。このゾーンで、自由電子は、中性分子と衝突するのに従って、陽イオンと更なる自由電子との対を発生させるように十分なエネルギーを得る。この反応は、多くのイオンが、小さな容積内に発生されるように、電子なだれを引き起こす。この領域に発生されたイオンは、電界の影響下で、ギャップ（例えば、ギャップ１０６）を通って鈍い電極へと移動する。この途中で、イオンは、中性分子と衝突して、大量のガスに運動量を与え、かくして、ガスの流れを生じさせる。
【００２５】
マイクロスケールのコロナ風
図１に示されているような冷却システムに使用されることができ、また、自身が本発明の更なる態様であるＥＨＤポンピングの他の方法が、マイクロスケールのコロナ風として以下に言及される。マイクロスケールのコロナは、メソスケール(meso-scale)の下端を通ってマイクロスケール中に下りるコロナ風現象の斬新な拡張範囲である。マイクロスケールのコロナは、本明細書では、電極間のコロナ放電として規定される。これら電極間のスペースは、１ｃｍ未満であり、通常のコロナに対して報告される最小のギャップのサイズよりも小さい。
【００２６】
通常のコロナ風と類似したマイクロスケールのコロナ風は、一方が鈍く（例えば、第２の電極１０４）、他方が鋭い（例えば、第１の電極１０２）２つの電極間にコロナ放電として確立される。しかし、通常のコロナにおいて、鋭い電極の特徴的なディメンション（有効径）に対するガスギャップ（例えば、１０６）のサイズの比は、唯一、６：１を超える必要がある（Gaseous Electronics, Editors: Merle N. Hirsh & H.J. Oskam, Academic Press, New York, 1978を見よ）。本発明は、マイクロスケールのコロナには、この最小の比がもはや適用しないことを認識している。このマイクロスケールのコロナに関して、イオン化領域は、鋭い電極の比較的近くに限定されなければならない。これは、ギャップと径との比を大きくすることにより達成される。これは、本発明の更なる認識が効果的であるように、イオン化が生じる領域のサイズを制限し、ガスの一般的なブレークダウンと、破壊的なアーク若しくは火花の形成とを防止する。
【００２７】
より詳細には、本発明は、ギャップのサイズが小さくなるにつれて、このギャップと径との比の要求が６：１を超えて大きくなることを、更に認識している。例えば、１．２５ｍｍのガスギャップは、比が２５：１を超えることを必要とし、より小さなギャップにおいては、要求は、１００：１を超え得る。この要求は、代表的なマイクロスケールのコロナの電極が、直径約１０μｍ未満(sub-microns)、しかし一般的には１００ミクロン未満の範囲になければならないことを意味している。大径の電極は、マイクロスケールのコロナのレジームを示さず、代わりに、電極間の電圧が上昇するにつれて、絶縁状態からアーク状態に直接移行するだろう。サイズの要求は、電極の構成のために、微細加工技術（例えば、フォトリソグラフィ、イオンミリング、並びに、レーザ誘起フォワードトランスファ(laser induced forward transfer)等を含む）の使用を必要とし得る。
【００２８】
マイクロスケールのコロナ風は、マイクロスケールのコロナ用に必要とされるサイズが、通常のコロナに比べて非常に減じられているために、効果的である。これによって、ポンピング部分のサイズを減じることができ、個々のポンプ、従って熱シンクのチャネル（例えば、チャネル１１０）を互いに接近させることができる。マイクロスケールのコロナの第２の効果は、動作(turn-on)電圧が低いことである。代表的な通常のコロナは、数十キロボルトで動作、即ち、電気伝導が始まるが、マイクロスケールのコロナは、１０００ボルト未満で動作することができる。減じられた電圧は、比較的小さく安い部品により発生されることができ、システムを比較的競争に有利にしている。
【００２９】
ブレークダウンを制御することによるイオン発生
本発明に従った冷却システムに使用されることができるＥＨＤポンプの更なる方法は、２００５年１１月１０日に出願され、かつ"Ion Generation by the Temporal Control of Gaseous Dielectric Breakdown,"というタイトルの米国特許出願第１１/２７１，０９２号に詳細に記載され、この内容は、参照により本明細書に組み込まれる。この方法は、ＥＨＤ電極（例えば、電極１０２，１０４）近くに、近接したガスのブレークダウンを生じさせる更なる電極（図１に示されず）を加えることを有している。このブレークダウンプロセスは、イオンを発生させる電極間のガスに短い持続時間の（メガヘルツ範囲の周波数）パルスを印加することを有している。このパルスは、アークが形成される前に停止される。結果的にもたらされたブレークダウンは、イオンを発生させ、これらイオンは、ＥＨＤポンプのために使用される。
【００３０】
この技術の効果は、動作が、上の２つのコロナ方法のどちらよりも低い電圧で起こり得ることである。さらに、この技術は、１００μｍ未満の電極ギャップでは確立されることが難しく、従って、コロナ風の方法よりも小さな容積で効果的であり得る電子なだれに依存しない。最後に、この技術は、鋭い電極を必要としないので、サイズは、製造を容易にするように大きくされることができる。
【００３１】
冷却システム：ＥＨＤポンプと熱シンクとの一体化
上述され、かつ図１に示されているように、本発明に従った冷却システムは、ＥＨＤガスフローのメカニズムと熱シンク構造体とを一体的にしている。この一体化の様々な構造並びに形状が、詳細に説明される。
【００３２】
図１は、上述された３つのＥＨＤメカニズムの全てに適した好ましい第１の実施形態を示しているが、更なる電極並びに部材（図示されず）は、特定のＥＨＤメカニズム用に含まれることができる。図１に示されているように、第１の電極１０２は、熱シンクのチャネル１１０の入口に位置されている。このチャネルは、マルチチャネルの冷却システムの代表である。第１の電極１０２は、細いワイヤーからなる鋭い電極であり、また、第２の電極１０４は、アルミニウムのような熱シンクのフィンの材料からなる鈍い電極であり得る。
【００３３】
コロナ風の一例において、ギャップ１０６は、約３０ｍｍであり、ワイヤー１０２は、約０．５ｍｍの直径を有し、電圧源１０８は、約２０ｋＶであり、フィン１１４は、約１ｍｍの厚さ（ｔ）を有し、そして、チャネル１１０は、約５ｍｍの幅（Ｗ）と、約１００ｍｍの長さ（Ｌ）とを有している。
【００３４】
マイクロスケールのコロナ風の一例において、ギャップ１０６は、約２ｍｍであり、ワイヤー１０２は、約２ミクロンの直径を有し、電圧源１０８は、約１５００Ｖであり、フィン１１４は、約０．２ｍｍの厚さ（ｔ）を有し、そして、チャネル１１０は、約０．５ｍｍの幅（Ｗ）と、約５ｍｍの長さ（Ｌ）とを有している。
【００３５】
イオンを発生させるブレークダウンの一例において、ギャップ１０６は、約２ｍｍであり、ワイヤー１０２は、約５０ミクロンの直径を有し、電圧源１０８は、約１０００Ｖであり、フィン１１４は、約０．２ｍｍの厚さ（ｔ）を有し、そして、チャネル１１０は、０．５ｍｍの幅（Ｗ）と、約５ｍｍの長さ（Ｌ）とを有している。
【００３６】
本発明は、第１の電極（例えば、電極１０２）の電界強度を強化することが、特にマイクロスケールのコロナの確立において重要であることを、認識している。上述されているように、第１の電極での電界強度が、公称値を超えて十分に強化されない場合、コロナは形成されない。この問題に対処するために、他の好ましい実施形態が、図２に示されている。図２では、第１の電極２０２は、この電極の両側から複数の電極２１４が突出した主部材からなっている。これら二次のチップ２１４の各々は、主部材２１６に確立された電界を強化する。これら二次の電極のデザイン（長さ、スペース、並びに、有効径）は、動作電圧と電力消費を最小にしつつ、電界の強化とガスフローとを最大にするように、最適にされることができる。ギャップ１０６が約２ｍｍであり、電圧１０８が、約１５００Ｖである一例において、チップ２１４は、約１００ミクロンの長さであり、約２００ミクロンほど互いに離間され、約２ミクロンの直径をそれぞれ有している。
【００３７】
図３は、第２の電極２１４の方向が、流れ方向であることを除いて、図２に類似した他の好ましい実施形態を示している。
【００３８】
図４は、単一のチャネル用の複数の第１の電極と、１つの第２の電極とを使用している他の好ましい実施形態を示している。図４に示されているように、対応した第２の電極（例えば、フィン１１４）に関連した熱シンク構造体に対して平行な平行方向に向けられた単一の第１の電極ではなく、２つ以上の第１の電極４０２が、（例えば、熱シンクのフィン１１４と一体的である）第２の電極の方向において垂直に向けられている。
【００３９】
図５は、別の第１の電極の幾何学形状体を有する他の好ましい実施形態を示している。図５に示されているように、この第１の電極５０２は、六角形の断面形状を有し、本発明に従った第１の電極が、円形の断面形状に限定されないことと、他の幾何学形状体が、様々な要因をベースにして設計され得ることとを示している。この例において、この六角形状は、鋭いエッジ５１６を与えている。
【００４０】
上の実施形態において、ＥＨＤを用いたポンピングは、熱シンクと第１の電極との間の領域に起こる。本発明は、ポンピングされた流体を熱シンクのチャネルに通すように制限することが効果的であり得ることを、認識している。従って、図６に示されている他の好ましい実施形態は、ポンピングゾーンを部分的若しくは完全に囲む手段を有している。図６に示されているように、冷却システムは、第１の電極と第２の電極との間にギャップ中で狭持されたスペーサ６２０を更に有している。このスペーサ６２０は、誘電体、若しくは、導電体であり得る。スペーサが導電性を有している場合、このスペーサは、第２の電極の一部であり得る。この場合、第１の電極と第２の電極との間のギャップは、以下に詳細に説明されるように、第１の電極を支持するための基体のような手段により確立されることができる。このスペーサは、また、熱シンクを増大若しくは交換するように、熱源からの熱を移行することができる。スペーサの他の可能な機能は、第１の電極素子(electrode element)に機械的な支持を与えることである。
【００４１】
幾つかの実施形態において、第１の電極は、機械的に強くない。これは、マイクロスケールのコロナ電極に特に関係がある。これら電極を取り付け、安定性を与え、信頼性のある動作を確実にするように、電極は、基体のような適切な構造体により支持されることができる。図７Ａ，７Ｂ，並びに７Ｃは、電極が、基体７３０の上流壁(upstream wall)、側壁、並びに、下流壁(downstream wall)にそれぞれ配設されている場合の、好ましい実施形態を示している。流れ方向に対する基体と電極との他の方向と角度とが可能であることは、明らかであろう。
【００４２】
第１の電極が基体に直接接触している実施形態において、電極は、基体面のエッジのところで終端されているか、この面を所定の距離越えて延びていることが、好ましい。図７Ｂ並びに７Ｃにおいて、同じ効果が、電極の端部が基体に対して所定の角度で延びることにより、達成されることができる。図７Ｄは、基体７３０に対する第１の電極の様々な構造を示している。図７Ｄに示されているように、電極のチップ７１４Ａは、基体７３０と接触するが、基体７３０のエッジまで延びないように構成されている。電極のチップ７１４Ｂは、基体７３０のエッジと同じように延びるように構成されている。電極のチップ７１４Ｃは、基体７３０のエッジを越えて延びるように構成され、電極のチップ７１４Ｄは、基体７３０に対して所定の角度で延びるように構成されている。
【００４３】
他の実施形態において、電極のチップは、基体に直接接触しない。これら実施形態は、改善された電界強化を果たしている。
【００４４】
図８は、この他の機械的に不安定な第１の電極の構造に、機械的に安定性のある構造を与えるのに有用であり得る別の好ましい実施形態を示している。図８に示されているように、第１の電極は、スペーサと基体とを単一の部材に効果的に組み込んだ基体８２０上に設けられている。さらに、この実施形態は、第１の電極素子が、チャネル１１０の中央に配設されているときにもたらされ得る流れの遮断を除去している。
【００４５】
ＡＣ電圧
プロトタイプのデバイスが、図８に示されているデバイスと同様に、本発明のマイクロスケールのコロナ技術のディメンションに従って構成された。このデバイスは、ＤＣ電圧により空気中で動作された。このデバイスのテストは、電極が定電位で維持されているとき、チャネルを通るガスの流量が、時間と共に徐々に減少されることを示した。ＤＣ動作において、表面電荷が、全てのタイプのポンピングで、あらゆる誘電体の表面に形成されることが、判った。この電荷は、第１の電極のところで電界強化を遅らせ、コロナ放電とイオンの形成とを抑制する。
【００４６】
本発明は、この問題に対処する１つの方法が、ＥＨＤを用いた交流（ＡＣ）バスの電位(potential)を電圧源（例えば、電圧源１０８）として使用することであると、認識している。交流バスの電位の形状は、正弦形状(sinusoidal)に限定されず、方形(square)またはパルス形状であっても良く、様々な形状である。交流は、電極間で二極性のイオンを移動させる。正電荷と負電荷との両方が、チャネル中に存在するので、どの種も、誘電体の表面に形成されることができない。これら表面は、必然的に中性に保たれ、従って、第１の電極のところで電界を抑制しない。図１１は、図８に示されているような構造体に、マイクロスケールのコロナ風のＥＨＤポンピング技術を使用して与えられた周波数に対する熱抵抗の標準的な依存性を示すグラフである。この例に示されているように、熱抵抗は、冷却システムが、１ないし１００ｋＨｚの周波数範囲で動作しているときに、最も低い。かくして、ＡＣ電流の最適な動作周波数は、この範囲にある。
【００４７】
大きなマイクロチャネルのアレイを有する冷却システム
本発明に従ったＥＨＤポンプメカニズムと一体的な好ましいタイプの熱シンク構造体は、比較的短いマイクロチャネルの大きな並列アレイを有するものであるが、多くの他のタイプの熱シンクが使用されることもできる。しかし、熱シンクのフィンの幅とチャネルの幅とに応じて、互いに隣接したフィンに第１の電極素子を位置させることは、電界強化と、かくして、ポンプ動作の性能とを低減させる。この問題を解決する好ましい実施形態が、図９に示され、単一の第１の電極素子９０２が、複数のチャネル１１０Ａ，１１０Ｂにポンプ動作を与えるのに使用されている。これは、互いに隣接した電極間の利用可能なスペースを増加し、冷却性能を向上させる。
【００４８】
好ましい１つの熱シンク構造体が、"Micro-Channel Heat Sink,"というタイトルの先願の米国特許出願第１１/１８１，１０６号に記載され、この内容は、参照により本明細書に組み込まれる。ＥＨＤ電極は、このタイプの構造のチャネルの上側若しくは下側に配設されることができる。図１０は、先願の米国特許出願第１１/１８１，１０６号に記載されているような熱シンク構造全体を有する本発明の好ましい実施形態を示している。図１０に示されているように、第１の電極素子１００２のアレイは、チャネル１１０のアレイの入口全体に渡って配設されている。第１の電極のアレイは、中央のコロナバス１０４０に電気的に結合され、このコロナバスに、電圧が印加される。
【００４９】
図１０は、熱源から熱シンクのチャネルの壁部へと熱を送る手段として、熱パイプ１０５０を使用した冷却システムの一実施形態を示していることに注意すべきである。コロナタイプのＥＨＤポンプシステムを含む実施形態において、熱パイプ１０５０は、また、第２の電極としての役割を果たすことができる。他の実施形態において、熱シンク構造体は、熱パイプに遠隔的にカップリングされるのではなく、熱源に直接熱的にカップリングされ得ることに、注意すべきである。
【００５０】
制御されたブレークダウンのイオン発生による冷却システム
上述されたように、熱シンク構造体とイオン発生電極とが使用され得るが、図１ないし１０に示されている実施形態は、先願の米国特許出願第１１/２７１，０９２号に記載されているＥＨＤポンピング方法を達成するように、更なる電極と構造とを必要とすることができる。図１２Ａは、本発明の様々な実施形態が、実際の適用例でどのように実現され得るのかを概略的に示している。図１２Ａ並びに１２Ｂの実施形態は、コロナ風の実施形態に類似した第１の電極１２０２と第２の電極１２０４とを有している。更に、この実施形態は、第３の電極１２０６を有している。（識別用の「第２」並びに「第３」の電極は、この実施形態と先願の適用例との間で逆にされていることに、注意すべきである。）図１２Ａは、代表的な冷却チャネルの断面図を示している。図１２Ｂは、更なる電極１２０６が、前の図８に関連して説明されたような熱シンク構造体内にどのように実現され得るのかの一例を示している。
【００５１】
前記第３の電極１２０６のための材料は、約５００ｍｍの厚さを有するアルミニウムであっても、いずれの導体であっても良く、例えば約１ミクロンの厚さを有するポリイミドの薄い誘電体によりカバーされることができる。電圧源１２１０は、１０００Ｖのオーダーであり、最初に電極１２０２，１２０６間のガスギャップを破壊させ始める先願の適用例に記載されているように一時的に制御される。このプロセスは、電荷が、電極１２０６をカバーしている誘電体１２０８の表面に堆積されたとき、停止される。かくして、誘電体のコーティングは、キャパシターの役割を果たしている。しかし、薄い誘電体１２０８は、電荷が表面から電極へとゆっくりと漏洩するのを可能にしている。かくして、誘電体のコーティングは、また、電荷を漏洩させてコンデンサを帯電させ得ることにより、抵抗器としての役割を果たしている。イオンは、チャネルの入口１２１２のところに形成され、大地電位に維持された第２の電極１２０４により確立された二次の電界により吸引される。
【００５２】
遠隔式の熱放散を有する冷却システム
図１０に示されている冷却システムは、熱源から離れて位置されることができる本発明に従ったシステムの一実施形態である。上述されたように、このデバイスは、１つ以上の熱パイプにより熱源に熱的にカップリングされている。図１０に示されている例において、この熱パイプは、熱シンクの中央線に沿って延びているが、様々な他の構造が実施可能である。熱は、熱パイプから、熱シンクのチャネルを形成している各フィンの基部に送られる。シンプルな伝導パスは、熱パイプなしでも可能な薄さに熱シンクを形成することを可能にしている。短い伝導パスは、また、高い熱伝導性が、必要な材料の要件ではないので、熱シンク用の多くの異なる材料（アルミニウム、ケイ素、炭素繊維、スチール、アルミナ等）を使用可能にしている。
【００５３】
ラップトップコンピューター用の、本発明に従った冷却システム全体の１つの可能な適用例が、図１３に示されている。このシステム全体は、中央処理ユニット１３０４から、ＥＨＤガスフローの熱シンク１３０６へと熱を送る熱パイプ１３０２を有している。この熱パイプは、２つの位相の流体とチューブ内の芯性戸からなる、標準的で、商業的に利用可能なデバイスであり得るが、このような特定のデバイスに限定されない。この熱パイプのデバイスは、チューブの一端部から流体を蒸発させて、流体を他端部に凝縮させることにより、熱を効果的に送る。熱シンクは、熱いガスが、この例のコンピュータから外部に排出されるように、通気口１３０８が形成された側壁近くに配設されている。電源１３１０が、ＥＨＤガスフローのユニットを駆動させるように、交流を与える。
【００５４】
本発明の冷却システムは、また、デスクトップコンピュータ、サーバー、通信機器、ケーブルのセットトップボックス、テレビゲーム機、デジタル並びにアナログのテレビ並びにディスプレイ、手持ちサイズの携帯端末、携帯電話等の他の電子機器に適用されることもできる。
【００５５】
構造
ＥＨＤガスフローを有するマイクロチャネルの熱シンクを構成するための製造プロセスは、それだけで独特であり、図１４Ａないし１４Ｄに示されている好ましい実施形態に関連して詳細に説明されるように、本発明の他の態様である。
【００５６】
図１４Ａに示されているように、プロセスは、ケイ素、アルミニウム、ドープ(doped)ＳｉＣ、炭素繊維、若しくは、銅からなる導電性のウェハのような基体部材１４０２から始まる。次に、図１４Ｂで、誘電体が、表面１４０４上に堆積若しくは成長される（例えば、熱酸化物が、ケイ素上に成長されても良いし、アルミニウムが、陽極酸化されても良いし、厚膜のフォトレジストが堆積されても良い）。誘電体のシートは、また、基体に結合されることができる（例えば、ガラス、石英、ホウ素フロート(borofloat)、若しくは、プレキシグラス（登録商標）のシートが、基体に取着されることができる）。次に，図１４Ｃでは、フォトリソグラフィの技術が、第１の電極１４０６とバス１４０８とを誘電体の表面にパターニングするのに使用されることができる。図１４Ｄに示されている最終の工程は、ダイヤモンドをダイスカットする鋸若しくはワイヤー式の静電気放電マシン（ＥＤＭ）でマイクロチャネル１４１０を機械的にカットするか、ドライ並びにウェットエッチングの技術で余分な材料を化学的にエッチングする。また、機械並びに化学的な技術の組み合わせが、利用されることもできる。
【００５７】
本発明は、特に、好ましい実施形態を参照して説明されているが、形態並びに細部の変更並びに変形が、本発明の精神並びに範囲から逸脱することなく果たされ得ることは、当業者にとって容易に明らかであろう。添付の請求項は、このような変更並びに変形を含むように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に従ったＥＨＤガスフローの冷却システムの好ましい一実施形態の斜視図である。
【図２】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図３】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図４】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図５】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図６】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図７Ａ】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の様々な構成の斜視図である。
【図７Ｂ】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の様々な構成の斜視図である。
【図７Ｃ】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の様々な構成の斜視図である。
【図７Ｄ】本発明の冷却システムで実施され得る電極チップの様々な構成の斜視図である。
【図８】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図９】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図１０】本発明に従った冷却システムの他の好ましい実施形態の斜視図である。
【図１１】冷却システムの熱抵抗の動向を、本発明に従って構成されたプロトタイプに印加された電圧の周波数の関数として示しているグラフである。
【図１２Ａ】本発明に従った冷却装置の電流パルスイオン発生技術の好ましい実施形態を示している。
【図１２Ｂ】本発明に従った冷却装置の電流パルスイオン発生技術の好ましい実施形態を示している。
【図１３】モバイルコンピュータの適用例でのＥＨＤガスフローの冷却システムの好ましい実施形態を示す図である。
【図１４Ａ】本発明に従ったマイクロスケールのＥＨＤ冷却システムを形成するための１つの可能な微細加工プロセスのシーケンスを示している。
【図１４Ｂ】本発明に従ったマイクロスケールのＥＨＤ冷却システムを形成するための１つの可能な微細加工プロセスのシーケンスを示している。
【図１４Ｃ】本発明に従ったマイクロスケールのＥＨＤ冷却システムを形成するための１つの可能な微細加工プロセスのシーケンスを示している。
【図１４Ｄ】本発明に従ったマイクロスケールのＥＨＤ冷却システムを形成するための１つの可能な微細加工プロセスのシーケンスを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【国際調査報告】
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