(57)【要約】  本発明は、熱伝達流体を有する電子基板用冷却システムに関する。熱伝達流体は、毛管力により通路に沿って流れるように配設される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達流体を有する電子基板用冷却システムにおいて、前記熱伝達流体は毛管力により通路に沿って流れるように配設されることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記熱伝達流体の表面張力を変えるため前記熱伝達流体に電圧を印加するための電極をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
少なくとも１つのマイクロチャネルが熱伝達流体リザーバに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。  
【請求項４】
前記電極は加熱される領域外に置かれることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項５】
流体システムはクローズドシステムであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の冷却システム。
【請求項６】
２つの非混和性流体を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記流体は双方向に作動することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の冷却システム。
【請求項８】
流れが逆の関係で配設される２セットのマイクロチャネルを有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の冷却システム。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載のシステムを用いる電子基板を冷却する方法であって、熱伝達流体を有するマイクロチャネルに該熱伝達流体の表面張力が変わるように電圧を印加する工程を有する方法。
【請求項１０】
脈動電圧が印加されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝達流体(heat transfer fluid)を有する電子基板用冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
部品の温度及び温度勾配の制御は、電子回路等の電子製品の満足の行く動作及び信頼性のために不可欠である。より高い熱除去の継続的な必要性を伴って民生機器が小さくなっていくに連れ、熱の管理が極めて重要な役割を果たすであろう。斯くして、新規の冷却法が、市場の要求と向き合うために必要とされる。より小さな部品に向かう傾向は、電力密度の増加を課す。このことは、例えばファンを用いた純粋な放射又は対流冷却よりも洗練された冷却法を必要とする。雑音及び信頼性としての重要な側面が、ファン冷却の使用を制限する。それ故、進歩した冷却法の必要性がある。
【０００３】
液体冷却は、ラップトップ等のポータブルコンピュータに既に用いられている方法である。冷却を必要とする特定のアプリケーションはソリッドステートライティングである。白色光ソリッドステートライティング又は色制御ソリッドステートライティングは、幾つかのＬＥＤが点光源を規定するために互いに非常に近接して配置されるマルチチップモジュールを用いる必要がある。このデザインは、シリコンサブマウント内に100W/cm2オーダーの高い電力密度をもたらす。液体は、空気よりも極めて優れた熱伝達媒体である。なぜなら、それらの熱伝導率(thermal conductivity)及び熱容量がより高い（10乃至1000倍優れている）からである。強制対流マイクロチャネル液体冷却が、工業界（金属マイクロチャネル構造）及び工業研究（シリコンマイクロチャネルデバイス）において極めて効率的であることが分かっている。この技術の主として不都合な点は、液体がポンプによりチャネルを介して汲み上げられることであり、このことが、小型及び集積された民生機器及び電子機器に対してそれ程相応しくないものにしている。
【０００４】
O'Connor等が、米国特許出願公開第US 2002/0039280 A1号公報においてポンプを用いる冷却システムの例を開示している。O'Connor等による発明は、コンピュータ等のデバイス内部の電子部品を冷却するためのマイクロ流体熱交換システムに関する。熱交換デバイスは、熱を発生する電子部品と実質的に界面接触し、内部作動液(internal operating fluid)を熱交換区域に供給する。作動液は、部品の温度よりも低い第１の流体温度で熱交換区域に流れ込み、その後、該第１の流体温度よりも高い第２の流体温度で該区域を出る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ポンプを利用しない電子部品用冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に記載の冷却システムにより達成される。好ましい実施例が従属請求項に示されている。
【０００７】
本発明によれば、電子基板用冷却システムが熱伝達流体を有し、この熱伝達流体が毛管力により通路に沿って流れるように配設される。斯くして、この冷却システムは、熱伝達流体以外に動く部分を持たず、電力消費がかなり低いという利点がある。これは、信頼性及びフレキシビリティを高めると共に、機械的ポンプ又はピエゾ作動ポンプを必要とするシステムと比べて構造を強固にする。
【０００８】
本発明の本質的な特徴は、電子部品、例えば、チップサブマウントの集積されたコンパクトな冷却を達成するためにマイクロスケールで流体を動かす技術を用いることにある。
【０００９】
この技術の理解を容易にするため、100W/cm2を90℃の温度降下で放散することを望む例を用いる。一対の平行板を介す水の速度がどうあるべきかについての推定を以下続ける。システムの熱流速(heat flux)は、
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により与えられる。ここで、ｋは水の熱伝導率(0.628 Wm-1K-1)であり、Dは水力直径(hydraulic diameter)(10-3m)であり、Nuはヌッセルト数(Nusselt number)である。ヌッセルト数は、
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により与えられる。ここで、Reはレイノルズ数(Reynolds number)であり、
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により与えられ、Prはプラントル数(Prandtl number)であり、
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により与えられる。C=1.85、m=1/3、n=1/3、K=0.368、Cp=4178Jkg-1K-1、(=995kg/m3、(=651(10-6kgm-1s-1である。vavは、1m/sのオーダーと推定される。これは、断面積に依存して、10乃至100 (l/sのオーダーの流量(volumetric flow)を与える。
【００１０】
本発明の好ましい実施例においては、当該システムがさらに、前記熱伝達流体の表面張力を変えるため前記熱伝達流体に電圧を印加するための電極を有する。エレクトロウェッティング原理(electrowetting principle)は、液滴のシーケンスで数百(l/s動かすことを可能にする。違った言い方をすれば、エネルギトランスポートレート(energy transport rate)Ｐ(J/s)は、
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により与えられる。ここで、(V/(tは、熱源を通る流体の体積流量(volumetric flow rate)である。P=30W及び(T= 50℃の場合、流量(flow rate)は140(l/sとなる。エレクトロウェッティングは、帯電による表面張力の変化を伴い、その結果、流体／流体メニスカスの移動をもたらす。この移動は、少なくとも２つの異なるやり方、すなわち、（ｉ）１つ若しくは幾つかのチャネル若しくはスリット内で流体／流体メニスカスを動かすことにより、または（ｉｉ）表面上で液滴を移送することにより与えられ得る。
【００１１】
エレクトロウェッティングにより実証された最大メニスカス速度は、0.1m/s又はそれより多少高いものである。エレクトロウェッティングにより発生され得る最大圧力変調は、2Δγ/Rにより与えられる。ここで、Δγは、表面張力の変化であり、Rは、メニスカスの曲率である。Δγは、0.1N/mのオーダーであり得る。100μmの曲率の場合、最大圧力は約2000Paである。
【００１２】
エレクトロウェッティングデバイスの配向の自由を保証するため、当該システム内の静水圧降下(gravitational pressure drop)は、エレクトロウェッティング圧力の最大変調度よりも低くなければらない。静水圧降下は、ΔρgLに等しい。ここで、Ｌは、投影長さ(projected length)である。最大の配向の自由は、同様の質量密度(mass density)を持つ流体を用いることにより、流体のうちの１つのカラム高(column heights)を最小にすることにより、及び平衡のとれたジオメトリ(balanced geometries)を用いることにより保証され得る。
【００１３】
2cmの長さ及び300μmの径を持つチャネルにおいて0.1m/sの流速(flow velocities)に達し得ることが知られている。これは、マイクロチャネル毎7(l/sの体積流量を与える。言い換えると、140(l/sの体積流量が、約20個のマイクロチャネルを持つ作動した作動システム(actuated-actuated system)において達成される。
【００１４】
少なくとも１つのマイクロチャネルが熱伝達流体リザーバに接続されていることが好ましい。流体リザーバが熱源の周りに配置され、これらリザーバの適宜のヒートシンキング(heat sinking)を備えることにより、熱が効率よく除去される。
【００１５】
本発明の一実施例においては、前記電極が加熱される領域外に置かれる。作動した作動流(actuated-actuated flow)は、当該デバイスにおいて、集中した発熱領域(concentrated heating region)からより大きな冷却領域へのエネルギの移送を引き起こす。作動電極(actuated electrodes)は、加熱される領域外に置かれることが好ましい。なぜなら、これは、当該デバイスの寿命を改善するからである。さらに、流体システムはクローズドシステムであることが好ましい。これは、流体の蒸発及び漏れの危険性を減らす。
【００１６】
他の実施例においては、冷却システムが、異なる導電率を持つ２つの非混和性流体、例えば、水／空気、水／油等を有する。作動(actuated actuation)には、電極が流体／流体メニスカス付近に存することを必要とする。電極は一般に、絶縁層で被覆された、金属コンダクタンス(metallic conductance)を持つ材料からなる。絶縁被覆は、例えば、1μm−10μmのパリレン(parylene)、10nm−1μmのフッ素重合体層(fluoropolymer layer)、または斯かる層の組み合わせであり得る。
【００１７】
別個のマイクロチャネルは、互いに流体静力学的に(hydrostatically)分離されることができ、ある接合部又はチャネル（例えば共通チャネル又はリザーバ）において接合することもできる。マイクロチャネル内におけるメニスカスの完全さ(integrity)を保証するため、例えば、あるタイプの流体が第２のタイプの流体用のリザーバに入り込むことを回避するために注意が払われるべきである。
【００１８】
さらに他の実施例においては、前記流体が双方向に作動するように当該システムが構成される。流体の流れは、一方向又は双方向であり得る。加熱されている領域と接触する流体が１つのタイプの流体のみに限られるように、流体が双方向に作動することが好ましい。これは、当該デバイスの寿命を改善する。双方向の流れは、熱伝達流体の往復する流れをもたらすことになる脈動電圧を印加することにより達成される。
【００１９】
冷却されるべきデバイス両端間の温度勾配を低減させるため、当該システムは、流れが逆の関係(counter flow relationship)で配設される２セットのマイクロチャネルを有することが好ましい。
【００２０】
本発明を、本発明の種々の実施例を示す図面を参照してさらに述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、９個のＬＥＤ(light emitting diodes)１を備えるマルチチップモジュールの全体図を示す。白色光ソリッドステートライティング又は色制御ソリッドステートライティングは、幾つかのＬＥＤ１が点光源を規定するために互いに非常に近接して配置されるマルチチップモジュールの必要性を要する。このデザインは、シリコンサブマウント２上で高い電力密度をもたらす。アクティブな液体冷却液滴ベースの作動ポンプをシリコンサブマウント２内に集積することにより、所要の冷却が達成される。図１に示される例において、シリコンサブマウントのサイズは、5mm×6mmであり、サブマウント２は、リザーバ／コレクタ３に隣接して配設される。リザーバ／コレクタ３は、ＬＥＤ１により生じた熱エネルギを除去するための熱伝達流体を有する。
【００２２】
図２において、液滴移送の原理が示されている。熱伝達流体液滴４は、リザーバ／コレクタ３からチャネル内５を流れる。これら液滴は、電極６により流体に印加される電圧により動かされる。このようにして、熱が、シリコンサブマウント２から液滴４に移される。その後、液滴４は、リザーバ／コレクタ３において冷却される。その後、リザーバ／コレクタ３により吸収されたエネルギは、別個の冷却システム（図示せず）の助けを借りて該リザーバ／コレクタ３から移されるであろう。加熱されるチップは、例えばプリント回路基板材料、ＭＩＤ(moulded-interconnect-device)、ガラス、金属デバイス等からなるより大きなデバイスの一部である。これら材料の各々は、電極及びチャネル構造を含むことができる。孔(hole)が、シリコンチップが電気的に相互接続されると共に熱伝達流体に曝され得るよう設けられ得る。
【００２３】
本発明の一実施例においては、熱伝達流体チャネル５に２つの流体が充填される。図３は、熱い領域７及び冷たい領域８間の流体移送用の１つのマイクロチャネル５の概略的な図である。電極は図示されていない。一方の流体のプラグ９が、熱伝達流体として主として作用する他方の流体１０を"押す"ために用いられる。プラグ９が熱い領域７に入るのを回避するため、プラグ９、ゆえに、熱伝達流体１０が双方向に作動する、すなわち、熱伝達流体の往復する流れが作動するように電極が脈動電圧をプラグ９に印加することが好ましい。これは、当該デバイスの寿命を改善する。これを機能させるため、２つの流体は非混和性の流体、例えば、油のプラグが過剰な水の中にあることが条件となる。
【００２４】
図４ａ及び４ｂは、熱伝達流体リザーバ３を有するマルチチャネルシステムを図示している。図４ａにおいては、電圧が印加されていなく、全ての熱伝達流体がリザーバ３内に残っている。図４ｂにおいては、電圧が印加されていて、熱伝達流体がマイクロチャネル１１内を流れ始めている。印加電圧がオフされると、熱伝達流体はリザーバ３に戻る。
【００２５】
"ループ"状にされているチャネル１１の例が、図５ａ及び５ｂに見られる。図５ｂは、図５ａの一部の拡大図である。この実施例は、熱伝達流体のためのヒートシンクとして２つのリザーバ３を有する。
【００２６】
図６ａは、向流(counter current)の関係で配設されるチャネル１１の別個のセットが配設された熱伝達流体の２つのリザーバ３を有する本発明による冷却システムを示している。この構成は、シリコンチップ両端間の温度勾配を減らすことに役立ち、結果として、より均一な熱負荷のためにシリコンチップの寿命が増す。図６ｂは、図６ａに示される実施例の一部の拡大図である。
【００２７】
図７ａ及び７ｂ（図７ａの実施例の一部の拡大図）において、放射状冷却を備え、中央に熱源を備えた本発明による実施例が示されている。斯くして、熱伝達流体は、リザーバ３からマイクロチャネル１１内を中央に向けて移動する。リザーバの外側にヒートシンク（図示せず）が接続される。
【００２８】
図８は、本発明によるシステムのさらに他の実施例を示している。このシステムは、チャネル１２により相互接続されている２つのリザーバ３を有する。チャネルの幅が、熱伝達流体の毛細管流動を最適化するために２つのリザーバ３間で変化している。
【００２９】
本発明の利点を生かすため、液体の充填は、当該デバイスにおける孔／チャネルにより最終段階でなされるべきである。全てのマクロチャネルが、例えばこれらマイクロチャネルに対して垂直に走る充填チャネルを介して同時に充填されることが好ましい。また、液体デバイス全体が、充填後完全に封じられるべきである。圧力ダンパ(pressure damper)が、セットアップ時に蓄積される圧力を回避するために含められてもよい。（例えば、メンブラン、又は気泡を含むポケットを備える）フレキシブルなリザーバが、流体の膨張及び収縮を許容するために含められ得る。
【００３０】
当業者は、本発明が上述した実施例に決して限定されないことを認識するであろう。それとは反対に、多くの修正及び変形が請求項の範囲内で可能である。例えば、チャネルシステムの形状は、添付図面の実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ソリッドステートライティングアプリケーション用のマルチチップモジュールの一例を示す。
【図２】液滴の流れの一例を示す。
【図３】熱い領域及び冷たい領域間の流体移送用の１つのマイクロチャネルを示す。
【図４ａ】リザーバに接続された幾つかのマイクロチャネルを備える冷却ユニットを示す。
【図４ｂ】リザーバに接続された幾つかのマイクロチャネルを備える冷却ユニットを示す。
【図５ａ】環状のジオメトリを備える本発明によるシステムを示す。
【図５ｂ】図５ａのシステムの一部の拡大図を示す。
【図６ａ】流れが逆の構成を備える本発明によるシステムを示す。
【図６ｂ】図６ａのシステムの一部の拡大図を示す。
【図７ａ】本発明による放射状システムを示す。
【図７ｂ】図７ａのシステムの一部の拡大図を示す。
【図８】不連続的な幅を持つチャネルを備える放射状システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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