(57)【要約】  熱交換器は、圧力降下を低減し、凍結の際の流体の膨張を制御する。熱交換器は、熱が表面を有する熱源から流体に輸送される接触層を備える。接触層には、マニホルド層が連結される。マニホルド層は、表面に実質的に垂直であり、接触層に流体を向ける第１の流路の組を備える。更に、マニホルド層は、表面に実質的に平行であり、第１の流路の組に対して垂直であり、接触層から流体を取り除く第２の流路の組を備える。好ましくは、マニホルド層に／から流体を循環させる上位層を更に備える。上位層は、複数の突起要素及び多孔構造を備えていてもよい。多孔構造は、好ましくは、接触層に沿って配置される。
2008501926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．熱が表面を有する熱源から流体に輸送される接触層と、
ｂ．上記表面に実質的に垂直であり、上記接触層に流体を向ける第１の流路の組と、該表面に実質的に平行であり、上記第１の流路の組に対して垂直であり、上記接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備え、該接触層に連結されたマニホルド層とを備える熱交換器。
【請求項２】
上記マニホルド層に／から流体を循環させる上位層を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記上位層は、複数の突起要素を備えることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
上記上位層は、多孔構造を有することを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項５】
上記上位層は、当該熱交換器のインレットポートから流体が輸送される中央のリザーバを備えることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項６】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
上記流体の少なくとも一部は、二相流状態にあることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】
上記流体の少なくとも一部は、当該熱交換器内において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
【請求項９】
上記各流路は、熱源の少なくとも１つの接触面ホットスポット領域を冷却する位置に配設されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１０】
上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１１】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１２】
上記熱源は、集積回路であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項１３】
上記接触層に沿って配置された多孔構造体を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項１４】
流体を流通させ、熱輸送を促進するように形成された複数のマイクロチャネルを更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項１５】
上記接触層に沿って配置された複数のマイクロピンを更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項１６】
ａ．熱が表面を有する熱源から流体に輸送される接触層と、
ｂ．上記表面に実質的に垂直であり、上記接触層に流体を向ける第１の流路の組と、該表面に実質的に平行であり、上記第１の流路の組に対して垂直であり、上記接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備え、該接触層に連結されたマニホルド層と、
ｃ．上記マニホルド層に／から流体を循環させる上位層とを備える熱交換器。
【請求項１７】
上記上位層は、複数の突起要素を備えることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１８】
上記上位層は、多孔構造を有することを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１９】
上記上位層は、当該熱交換器のインレットポートから流体が輸送される中央のリザーバを備えることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２０】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２１】
上記流体の少なくとも一部は、二相流状態にあることを特徴とする請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２２】
上記流体の少なくとも一部は、当該熱交換器内において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項２１記載の熱交換器。
【請求項２３】
上記各流路は、熱源の少なくとも１つの接触面ホットスポット領域を冷却する位置に配設されることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２４】
上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２５】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２６】
上記熱源は、集積回路であることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２７】
上記接触層に沿って配置された多孔構造体を更に備える請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２８】
流体を流通させ、熱輸送を促進するように形成された複数のマイクロチャネルを更に備える請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２９】
上記接触層に沿って配置された複数のマイクロピンを更に備える請求項１６記載の熱交換器。
【請求項３０】
熱交換器内の接触層に／から流体を輸送するマニホルド層において、
上記表面に実質的に垂直であり、上記接触層に流体を向ける第１の流路の組と、
上記表面に実質的に平行であり、上記第１の流路の組に対して垂直であり、上記接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備えるマニホルド層。
【請求項３１】
熱交換器のインレットポートから流体が輸送される中央のリザーバを備え、当該マニホルド層に／から流体を循環させる上位層に連結されることを特徴とする請求項３０記載のマニホルド層。
【請求項３２】
上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項３０記載のマニホルド層。
【請求項３３】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項３０記載のマニホルド層。
【請求項３４】
上記流体の少なくとも一部は、二相流状態にあることを特徴とする請求項３３記載のマニホルド層。
【請求項３５】
上記流体の少なくとも一部は、当該熱交換器内において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項３４記載のマニホルド層。
【請求項３６】
上記各流路は、熱源の少なくとも１つの接触面ホットスポット領域を冷却する位置に配設されることを特徴とする請求項３２記載のマニホルド層。
【請求項３７】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項３２記載のマニホルド層。
【請求項３８】
上記熱源は、集積回路であることを特徴とする請求項３２記載のマニホルド層。
【請求項３９】
上記接触層に沿って配置された多孔構造体を更に備える請求項３０記載のマニホルド層。
【請求項４０】
流体を流通させ、熱輸送を促進するように形成された複数のマイクロチャネルを更に備える請求項３０記載のマニホルド層。
【請求項４１】
熱交換器の接触層に連結された熱源を冷却する冷却方法において、
ａ．中央のリザーバに流体を循環させる工程と、
ｂ．上記接触層に対して実質的に垂直の第１の流路の組を介して流体を流す工程と、
ｃ．上記接触層に実質的に平行であり、上記第１の流路の組に対して垂直な第２の流路を介して、該接触層から流体を取り除く工程とを有する冷却方法。
【請求項４２】
各流路に／から流体を循環させる上位層を提供する工程を更に有する請求項４１記載の冷却方法。
【請求項４３】
上記上位層に複数の突起要素を連結する工程を更に有する請求項４２記載の冷却方法。
【請求項４４】
上記上位層に多孔構造を連結する工程を更に有する請求項４２記載の冷却方法。
【請求項４５】
上記上位層は、当該熱交換器のインレットポートから流体が輸送される中央のリザーバを備えることを特徴とする請求項４３記載の冷却方法。
【請求項４６】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【請求項４７】
上記流体の少なくとも一部は、二相流状態にあることを特徴とする請求項４６記載の冷却方法。
【請求項４８】
上記流体の少なくとも一部は、上記熱交換器内において、単層流状態と二相流状態の間で遷移することを特徴とする請求項４７記載の冷却方法。
【請求項４９】
上記各流路は、熱源の少なくとも１つの接触面ホットスポット領域を冷却する位置に配設されることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【請求項５０】
上記接触層は、上記熱源と一体に形成されていることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法
【請求項５１】
上記熱源は、集積回路であることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【請求項５２】
上記接触層は、該接触層に沿って配置される多孔性の発泡銅を含むことを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【請求項５３】
上記接触層は、流体を流通させ、熱輸送を促進するように形成された複数のマイクロチャネルを備えることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【請求項５４】
上記接触層は、該接触層に沿って配置された複数のマイクロピンを備えることを特徴とする請求項４１記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００４年６月４日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５７７，２６２号、発明の名称「マルチプル冷却技術（MULTIPLE COOLING TECHNIQUES）」の優先権を主張する。２００４年６月４日に出願された係属中の米国仮特許出願第６０／５７７，２６２号、発明の名称「マルチプル冷却技術」は、引用により本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、包括的には、発熱デバイスを冷却する方法及び装置に関し、詳しくは、熱交換器内における圧力降下を最小限に抑えながら、電子デバイス内の所望のホットスポットを冷却するための効率的な垂直流体輸送（vertical fluid delivery）の方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロチャネルヒートシンクは、１９８０年代前半に登場して以来、高い熱流束の冷却用途への適用可能性を示し、産業界において使用されてきた。しかしながら、既存のマイクロチャネルでは、従来の平行チャネル構成（parallel channel arrangements）が用いられており、これは、熱負荷が空間的に変化する発熱デバイスの冷却には適していない。このような発熱デバイスは、他の領域よりも多くの熱を発生する領域を有する。本明細書では、このような、より熱い領域を「ホットスポット（hot spot）」と呼び、ホットスポットより発熱量が少ない領域を「ウォームスポット（warm spot）」と呼ぶ。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、従来の熱交換器１０の側面図及び平面図を示している。熱交換器１０は、サーマルインタフェースマテリアル（thermal interface material：以下、ＴＩＭという。）９８を介して、例えば、マイクロプロセッサ等の電子デバイス９９に連結されている。図１Ａ及び１Ｂに示すように、流体は、通常、矢印によって示すように、単一のインレットポート１２から流れ込み、平行なマイクロチャネル１４を底面１１に沿って流れ、アウトレットポート１６から流れ出る。熱交換器１０は、電子デバイス９９を冷却するが、流体は、インレットポート１２からアウトレットポート１６まで、均一に流れる。換言すれば、流体は、熱交換器１０の底面１１の全体に沿って実質的に一様に流れ、デバイス９９のホットスポットに対応する底面１１の領域により多くの流体が供給されることはない。更に、通常、インレットポート１２から流入した液体の温度は、熱交換器１０の底面１１に沿って流れるにつれて、高くなる。したがって、熱源９９の下流側、すなわちアウトレットポート１６に近い領域には、冷たい流体は供給されず、実際には、上流側で加熱された、より温かい流体又は二相流体が供給される。このように、加熱された流体は、熱交換器１０の底面１１の全体と熱源９９の領域に亘って熱を輸送し、アウトレットポート１６の近傍では、流体が非常に熱くなり、熱源９９を冷却する効力がなくなる。このような温度の上昇によって、底面１１に流れる液体が沸騰することにより、最も多くの熱が発生している領域から流体が離れる二相流不安定性（two-phase flow instabilities）が生じる。更に、１つのインレットポート１２と１つのアウトレットしか有さない熱交換器１０では、流体は、熱交換器１０の全長に亘って、底面１１の長い平行なマイクロチャネル１４に沿って移動し、この結果、流体が移動する長さのために大きな圧力降下が生じる。熱交換器１０において大きな圧力降下が生じると、熱交換器１０に流体をポンピングすることが困難になり、不安定性が高まる。
【０００５】
図１Ｃは、従来のマルチレベル熱交換器２０の側面図である。流体は、ポート２２を通ってマルチレベル熱交換器２０に流入し、中間層２６の複数の噴出口２８を通って下方向に進み、底面２７及び流出ポート２４から流出される。更に、噴出口２８に沿って底面２７に移動する流体は、一様には流れない。更に、この図１Ｃに示すマルチレベル熱交換器２０は、図１Ａ及び図１Ｂの熱交換器１０に関して説明した問題と同じ問題を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、熱源を効率的に冷却しながら、インレットポートとアウトレットポートの間の圧力降下を小さくできる熱交換器を提供することである。更に、本発明の目的は、熱源のホットスポットの観点から適切な温度均一性を実現する熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施の形態として、本発明は、熱交換器を提供する。熱交換器は、熱が表面を有する熱源から流体に輸送される接触層を備える。熱交換器は、更に、接触層に連結されたマニホルド層を備える。マニホルド層は、表面に実質的に垂直であり、接触層に流体を向ける第１の流路の組と、表面に実質的に平行であり、第１の流路の組に対して垂直であり、接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備える。
【０００８】
熱交換器は、好ましくは、マニホルド層に／から流体を循環させる上位層を更に備える。上位層は、フロー制御を改善し、流体が凍結する条件下で、熱交換器内における凍結方向を制御する複数の突起要素又は多孔構造を備えていてもよい。上位層は、好ましくは、熱交換器のインレットポートから流体が輸送される中央のリザーバを備える。熱交換器は、好ましくは、接触層に沿って配置される多孔性の発泡銅（porous copper structure）を備えていてもよい。熱交換器は、好ましくは、流体を流通させ、熱輸送を促進するように形成された複数のマイクロチャネル及び／又はマイクロピンを備える。
【０００９】
流体は、好ましくは、単相流状態にある。これに代えて、流体の少なくとも一部は、二相流状態にあってもよい。他の実施の形態として、流体の少なくとも一部は、熱交換器内において、単層流状態と二相流状態の間で遷移してもよい。
【００１０】
各流路は、好ましくは、熱源の少なくとも１つの接触面ホットスポット領域を冷却する位置に配設される。接触層は、熱源に連結してもよい。これに代えて、接触層は、熱源と一体に形成してもよい。熱源は、集積回路であってもよい。
【００１１】
他の実施の形態として、本発明は、熱交換器を提供する。熱交換器は、熱が表面を有する熱源から流体に輸送される接触層を備える。熱交換器は、更に、接触層に連結されたマニホルド層を備える。マニホルド層は、表面に実質的に垂直であり、接触層に流体を向ける第１の流路の組と、表面に実質的に平行であり、第１の流路の組に対して垂直であり、接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備える。熱交換器は、更に、マニホルド層に／から流体を循環させる上位層を備える。上位層は、熱交換器内におけるフロー制御を改善する複数の突起要素を備えていてもよい。
【００１２】
本発明の他の実施の形態として、本発明は、熱交換器内の接触層に／から流体を輸送するマニホルド層を提供する。マニホルド層は、表面に実質的に垂直であり、接触層に流体を向ける第１の流路の組と、表面に実質的に平行であり、第１の流路の組に対して垂直であり、接触層から流体を取り除く第２の流路の組とを備える。
【００１３】
更に他の実施の形態として、本発明は、熱交換器の接触層に連結された熱源を冷却する冷却方法を提供する。冷却方法は、中央のリザーバに流体を循環させる工程と、接触層に対して実質的に垂直の第１の流路の組を介して流体を流す工程と、接触層に実質的に平行であり、第１の流路の組に対して垂直な第２の流路を介して、接触層から流体を取り除く工程とを有する。更に、冷却方法は、各流路に／から流体を循環させる上位層を提供する工程を有していてもよい。更に、冷却方法は、熱交換器内のフロー制御を改善するために、上位層に複数の突起要素を連結する工程を有していてもよい。
【００１４】
本発明のこの他の特徴及び利点は、以下に示す好適な実施形態の詳細によって明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
熱交換器は、包括的に言えば、好ましくは熱源に連結された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、熱交換器内の圧力降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の特定の領域に流される。後述する様々な実施の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。
【００１６】
ここでは、デバイスのホットスポット位置を冷却するためのマイクロチャネル熱交換器を説明するが、本発明は、他の応用例に適用してもよく、ここに説明する実施の形態に限定されないことは明らかである。
【００１７】
図２は、密閉型の循環冷却装置３０の概略を示すブロック図であり、循環冷却装置３０は、本発明に基づいた高適応性の流体輸送マイクロチャネル熱交換器（flexible fluid delivery microchannel heat exchanger）１００を備える。図２に示すように、流体ポート１０８、１０９は、流体ライン又は管状部材３８に連結され、管状部材３８は、ポンプ３２及び除熱器３６に連結されている。ポンプ３２は、循環冷却装置３０内で流体をポンピングし、流体を循環させる。一実施の形態においては、流体を熱交換器１００に流入させるために、１つの流体ポート１０８を用いる。更に、熱交換器１００から流体を流出させるために、１つの流体ポート１０９を用いる。一実施の形態においては、各流体ポート１０８、１０９を介して、均一で一定の流量の流体が熱交換器１００に流入し、熱交換器１００から流出される。これに代えて、インレット及びアウトレットポートである流体ポート１０８、１０９を介して流れる流体の流量を時間的に変化させてもよい。
【００１８】
図２に示すように、熱交換器１００は、例えば、これらに限定されるのではないが、マイクロチップ又は集積回路等の電子デバイスである熱源９９に連結され、熱源９９と熱交換器１００の間には、好ましくは、サーマルインタフェースマテリアル９８が挟み込まれる。これに代えて、熱交換器１００は、熱源９９の表面に直接連結してもよい。また、これに代えて、熱交換器１００を熱源９９に一体に形成し、すなわち、熱交換器１００と熱源９９を１つの部品として形成してもよいことは当業者にとって明らかである。
【００１９】
好ましくは、本発明に基づく熱交換器１００は、図に示すように、長方形状の熱源９９に直接又は間接的に接触するように構成される。但し、熱交換器１００が熱源９９の形状に応じた他の如何なる形状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。例えば、本発明に基づく熱交換器は、半円状の形状を有するように構成してもよく、これにより、熱交換器（図示せず）は、対応する半円状の熱源（図示せず）に直接又は間接的に接触することができる。更に、熱交換器１００は、０．５ミリメートル以上１０．０ミリメートル以下の範囲で、熱源より僅かに大きい寸法であることが好ましい。
【００２０】
図３は、本発明に基づく熱交換器１００の（図２）の上位層（upper layer）２００の斜視図である。上位層２００は、上位層２００のリザーバ２２５（図５）に連結されたマニホルド層３５０（図５〜図７）に／から流体を循環させる。上位層２００は、インレットポート２１０及びアウトレットポート２３０を備える。インレットポート２１０は、循環冷却装置３０（図２）のインレット側の管状部材（図２）から上位層２００に流体を導入する。アウトレットポート２３０は、接触層４００（図５）及び発泡銅（図５）からアウトレット側の管状部材３８（図２）に流体を流出する。
【００２１】
図４は、本発明の一実施の形態に基づき、熱交換器１００（図２）内で凍結を制御する複数の突起要素２２０を含み、マニホルド層３５０（図５〜図７）に／から流体を循環させる上位層２００の底面図である。図４に示すように、インレットポート２１０は、システム３０の管状部材（図２）のインレット側（図２）から上位層２００に流体を導入する複数のインレット開口を備える。同様に、アウトレットポート２３０は、上位層２００から管状部材３８のアウトレット側（図２）に流体を流出する複数のアウトレット開口を備える。流体は、突起要素２２０の周囲及び下を循環及び移動する。突起要素２２０は、フロー方向付けチャネルとしては機能しない。
【００２２】
一実施の形態においては、上位層２００は、独立した構造体を備えていてもよい。独立した構造体の一部又は全部は、例えば、流体が流通する多孔構造であってもよい。これに代えて、蓋を中空にしてもよい。
【００２３】
図５は、本発明に基づく、上述した上位層２００と、マニホルド層３５０と、接触層４００とを含む熱交換器３００の側部の断面図である。上位層２００は、複数の任意の突起要素２２０と、リザーバ２２５とを備える。マニホルド層３５０は、複数のインレットフローチャネル３６０と、アウトレットフローチャネル３７０とを含む。接触層４００は、好ましくは、熱源９９（図２）とマニホルド層３５０との間に配設される。熱源９９は、好ましくは、集積回路である。接触層４００は、好ましくは、接触層４００の底面に沿って配置された多孔性の銅構造体４１０を含む。上位層２００、マニホルド層３５０及び接触層４００は、好ましくは、接着技術（例えば、エポキシ樹脂接着、ろう付け、溶接、はんだ付け等）を用いて互いに接着される。
【００２４】
また、図５に示すように、流体は、インレットポート２１０を介して上位層２００に流入し、複数の開口及びチャネルを含むインレットフローチャネル３６０を介して、マニホルド層３５０から接触層４００に流入する。そして、流体は、多孔性の銅構造体４１０のアパーチャ（図示せず）を介して流れ、接触層４００からアウトレットフローチャネル３７０に流出され、アウトレットフローチャネル３７０を介して流れるアウトレットフローチャネル３７０は、複数の開口及びチャネルを含み、インレットフローチャネル３６０のフロー方向に対して垂直なフロー方向を有する。そして、流体は、アウトレットフローチャネル３７０から流出し、上位層２００に戻り、アウトレットポート２３０から流出される（図３、図４）。多孔性の銅構造体４１０を流れる流体の速度は、多孔性の銅構造体４１０を介して生じるフローの総合的な圧力降下を減少させるインレットフローチャネル３６０のインレット開口及び流路を用いて低減でき、これにより、集積回路を効率的に冷却することができる。インレットフローチャネル３６０は、集積回路の表面に対して実質的に垂直であり、アウトレットフローチャネル３７０は、集積回路の表面に対して実質的に平行である。
【００２５】
図６は、本発明に基づく上位層２００、マニホルド層３５０及び接触層４００を含む熱交換器３００の側部の断面図である。上位層２００は、複数の突起要素２２０を備える。図６の断面図には、オプションである突起要素２２０の半分の端部が示されている。上述のように、流体は、オプションである突起要素２２０の周囲及び下を流れる。マニホルド層３５０は、複数のインレットフローチャネル（インレットスロット）３６０と、アウトレットフローチャネル（アウトレットスロット）３７０とを備える。インレットフローチャネル３６０は、実質的に熱源９９（図２）に対して垂直であり、接触層４００に流体を流す流路である。アウトレットフローチャネル３７０は、熱源９９（図２）に実質的に平行であり、インレットフローチャネル３６０に対して垂直な流路である。なお、変形例として、流体の流れ方向を反対にしてもよい。接触層４００は、好ましくは、熱源９９（図２）とマニホルド層３５０との間に配置される。接触層４００は、好ましくは、接触層４００の底面に沿って配置された多孔性の銅構造体４１０を含む。インレットフローチャネル３６０により、流体は、多孔性の銅構造体（発泡体）４１０に流れ込む。また、流体は、多孔性の銅構造体４１０からアウトレットフローチャネル３７０を介して流出される。上位層２００、マニホルド層３５０及び接触層４００は、好ましくは、接着技術（例えば、エポキシ樹脂接着、ろう付け、溶接、はんだ付け等）を用いて互いに接着される。
【００２６】
図７は、本発明に基づくインレットポート２１０からアウトレットポート２３０へのフロー流路を示す熱交換器３００の長手方向の断面図である。熱交換器３００は、上位層２００、マニホルド層３５０及び接触層４００を備える。上位層２００は、複数の任意の突起要素２２０を備える。流体は、任意の突起要素の間及び下を流れる。図７のマニホルド層は、流体を接触層４００に流し込む複数のインレットスロットを有している。多孔性の銅構造体４１０は、接触層４００の底面に沿って配置されている。これに代えて、接触層４００は、流体を流通させ、熱輸送を促進するための複数のマイクロチャネル（図示せず）を備えていてもよい。更に、接触層４００は、流体を流通させ、熱輸送を促進するための複数のマイクロピン（図示せず）を備えていてもよい。
【００２７】
上述の実施の形態では、流体は、単相流（すなわち、液体）であっても二相流（すなわち、液体／蒸気混合物）であっても、或いはこれらの組合せであってもよい。ここでは、流体は、単相流であることが好ましい。このシステムでは、上述した設計を用いて、接触層４００のホットスポット領域に、より冷たい流体を高い流速で流すことができる。例えば、蒸気及び液体の混合物等の二相流体の場合、流体をホットスポットで沸騰させることによって、ホットスポットを効果的に冷却できる。二相流体の温度及び沸点は、流体の圧力に正比例することが知られている。具体的には、流体の圧力は、流体の温度及び沸点が増加するに従って増加する。逆に流体の圧力が小さくなると、流体の温度及び沸点が低下する。熱交換器３００は、単相流又は二相流の下で流体のこの圧力／温度現象を利用して、ホットスポットを効果的に冷却し、熱源９９（図２）の温度を均一にする。
【００２８】
単相流の場合、熱交換器３００は、温度が比較的高い接触層４００の様々な部分に温度が比較的低い流体を流通させるように構成される。温度がより低い流体をホットスポットに曝すことによって、ホットスポットを所望の温度に効果的に冷却でき、ホットスポットより温度が低いワームスポット又はコールドスポットを温度がより高い流体で冷却することによって、これらを同じ所望の温度に冷却できる。すなわち、単相流によって、接触層４００内の所望の位置に適切な温度の流体を流し、この位置を所望の温度に冷却することによって、熱源９９（図２）における温度均一性が実現される。
【００２９】
二相流の場合、本発明の熱交換器３００は、上述と同様の手法を用いて流体を流通させるように構成される。具体的には、本発明の熱交換器３００は、接触層４００のホットスポット領域に圧力が低い流体を供給し、ホットスポット領域において意図的に沸騰を引き起こす。二相流体を沸騰させることによって、二相流体の加速度が大幅に増加し、著しい圧力降下が生じることが知られている。圧力と温度の関係に関して上述したように、流体圧が大幅に低下すると、低減した圧力に応じて、温度が大幅に低下する。したがって、熱交換器３００は、予め圧力が低減された二相流体を接触面ホットスポット領域に流通させるように構成することができる。更に、熱交換器３００は、接触層４００上の温度がより低い領域に対しては、比較的高い圧力で、流体を流通させるように構成することができる。圧力が比較的低い流体は、接触面ホットスポット領域に接触すると、著しく温度が上昇し、遙かに低い沸点で沸騰を開始し、この結果、圧力降下を生じさせる。この圧力の低下の結果、沸騰した二相流体の温度は効果的に低下する。この結果、二相流体は、より冷たくなり、ホットスポットをより効果的に冷却することができる。同様の理論は、二相流体を単相流体に置き換えても適用できることは明らかであり、この場合も、熱源９９（図２）における温度均一性が実現される。
【００３０】
本発明の熱交換器３００は、複数の流体状態を利用し、熱源９９（図２）における温度均一性を効果的に実現する。熱交換器３００は、所望の領域（図２）において１個のポンプを用いることによって、流体の流量及び／又は流体の圧力を調整することにより、各所望の領域で流体の冷却効果を制御するように構成できる。これに代えて、熱交換器３００は、所望の領域で多連ポンプを用いて、流体流量及び／又は流体の圧力を調整することによって、各所望の領域における流体の冷却効果を制御してもよい。
【００３１】
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例を用いて本発明を説明した。このような特定の実施例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例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】
【００３２】
【図１Ａ】従来の熱交換器の側面図である。
【図１Ｂ】従来の熱交換器の平面図である。
【図１Ｃ】従来のマルチレベル熱交換器の側面図である。
【図２】本発明に基づく熱交換器の実施の形態を適用した循環冷却装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施の形態に基づき、熱交換器内で凍結を制御する複数の突起要素を含み、マニホルド層に／から流体を循環させる上位層の斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態に基づき、熱交換器内で凍結を制御する複数の突起要素を含み、マニホルド層に／から流体を循環させる上位層の底面図である。
【図５】本発明に基づく、上述した上位層、マニホルド層及び接触層を含む熱交換器の側部の断面図である。
【図６】本発明に基づく上位層、マニホルド層及び接触層を含む熱交換器の変形例の側部の断面図である。
【図７】本発明に基づくインレットポートからアウトレットポートへのフロー流路を示す熱交換器の長手方向の断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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７】
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【国際調査報告】
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