(57)【要約】【課題】熱管理のための流体ポンプ【解決手段】熱発生デバイスは、流体ポンプに流体的に結合される熱交換器に接触させて配置される。流体ポンプは、熱交換器と熱が放散される箇所との間の閉じた流体システムを通して流体をポンプ作用で注入するように作動する。一態様では、アクチュエータは、ポンプの壁を通過せずに流体をポンプ作用で注入するように作用する。一態様では、ポンピング要素としてインピーダンスポンプを使用する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に作動するデバイスと、
前記熱発生デバイスの少なくとも一部と熱的に接触し、且つ内部に流体を含む、流体が充填された導管と、
前記導管を通して前記流体をポンプ作用で注入する方式のポンプであるが、前記導管の外壁を貫通して前記導管の内側にまで延びないポンプと、を備える装置であって、
前記流体が充填された導管は前記熱的接触を形成する第１部分と、熱を放散する第２部分とを含む、装置。
【請求項２】
前記電気的に作動するデバイスは電子デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記導管は、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントから形成され、
前記ポンプは、前記導管の異なる機械セグメント間の流体インピーダンスの差に基づいて流体を流すインピーダンスポンプであり、前記流体を流すために前記導管の少なくとも１つの領域の内部面積を低減するアクチュエータを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記アクチュエータは、電磁式、圧電式、強誘電式、静電気式、形状記憶合金の作動に基づく、または電導性ポリマーの作動に基づくうちの１つである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記流体が充填された導管は、前記第１部分に、前記電気的に作動するデバイスと熱交換する熱交換器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記流体が充填された導管は、前記第２部分に、熱を解放するように動作する放熱器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記放熱器は能動的放熱器である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ポンピングの特性を制御するために、前記アクチュエータによる前記低減の少なくとも１つの形状を制御する制御器をさらに備える、請求項３に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの温度センサをさらに備え、前記制御器は前記温度センサから受け取る情報に基づいて動作する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの電気的に作動するデバイスを搭載した基板から形成されるチップと、
前記チップ上に形成され、前記電気的に作動するデバイスの少なくとも１つの部分と熱的に接触している第１部分、および熱放散部分を形成する少なくとも別の部分を有する、流体が充填された導管と、
前記流体が充填された導管の内壁に延びる部分を有することなく、前記チップ内に流体をポンプ作用で注入するように動作するポンピング部分と、を備える装置。
【請求項１１】
前記ポンピング部分はバースト的に動作する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記導管は、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントから形成され、前記ポンピング部分は、前記導管を形成する異なる機械セグメント間の流体インピーダンスの差に基づいて流体をポンプ作用で注入する、インピーダンスベースのポンプを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記インピーダンスポンプは、前記機械セグメントの少なくとも１つの、少なくとも１つの領域内の圧力上昇を引き起こすアクチュエータをさらに含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
ポンピングの特性を変えるために、前記アクチュエータの特性を制御する制御器をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
温度センサをさらに備え、この温度センサは、いくつかの電気的に作動するデバイスと関連する温度を感知し、前記温度が上昇するとポンピングの量を増加する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの部分が熱発生デバイスと接触する、流体が充填された導管を形成することと、
前記導管の内壁に延びるいずれの部分も使用することなく、前記導管を通して流体をポンプ作用で注入することにより、前記少なくとも１つの部分から熱を引き出し、前記熱を少なくとも１つの第２部分にポンプ作用で注入することと、
前記第２部分において前記流体を冷却することと、
を備える方法。
【請求項１７】
前記ポンピングは、前記ポンピングがバースト的に発生するパルスモードでポンピングすることを備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポンピングは、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントを有する導管を使用することと、前記異なる機械セグメント間に流体を流すように前記機械セグメントの少なくとも１つを作動することと、を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱発生デバイスと関連する熱を感知することと、
前記感知した情報に基づいて前記ポンピングの量を制御することと、をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記導管の形成は、前記熱発生デバイスと接触する熱交換器を形成することを備える、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年１２月２８日出願の米国仮特許出願６０／６３９，６８２号の優先権を主張する。この仮出願の全開示内容は本出願の開示の一部（および参照により組み込まれる）と見なされる。
【背景技術】
【０００２】
チップベースのデバイスは冷却を必要とすることが多い。現代のマイクロプロセッサおよび他の種類のデバイスは、他の位置より高温になる特定の過熱点を有する。例えば、マイクロプロセッサでは、この過熱点は算術演算または信号処理を実行する高密度回路部分の位置であるか、またはプロセッサのコア自体の位置である。チップ上の他の箇所は熱の影響に対する感度が低いおよび／または熱の発生が少ない。他のデバイスも類似の過熱点の位置を含むことがある。例えば、メモリチップ、携帯電話電子回路などにも過熱点が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本出願は、デバイスのある部分が冷却される必要があり、他の部分の冷却はあまり重要ではない、電子デバイス内の熱の管理に使用できるマイクロ熱交換器を定義する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
一般的な構造および技術、およびより一般的な目的を実行する様々な方法を達成するのに使用できるより具体的な実施形態を、本明細書において説明する。
【０００６】
一実施形態は電子デバイスに組み込まれるマイクロ熱交換器を示す。一実施形態では、熱交換器は実際にはマイクロチップに組み込まれる。別の実施形態は、デバイスに熱的に結合できる別個のモジュラユニットとして熱交換器を実装する。
【０００７】
図１はマイクロ流体システムを示す。流体は、電子デバイス上または電子デバイス内のどちらかに形成される導管内に形成される閉システム１０５内に維持される。
【０００８】
特殊な固体ポンプ１００は流体を駆動するポンプである。第１位置１２０は、熱がある電子デバイスから収集される、熱収集領域を形成する。これは、チップ上に形成される１２０として示された熱交換器を使用することができる。第２熱送出領域１３０は、熱を放散する放熱器に熱が送り出される領域を形成する。このように、熱伝達デバイスは局所的な熱を過熱領域１２０から移動させて、この熱を下流の１３０の放熱器に蓄積する。放熱器は受動的放熱器であるかまたは、強制対流を使用するファン、流体冷却システム、またはペルティエ冷却器などの、より能動的な放熱器であってもよい。
【０００９】
ポンプ１００は最小数の可動部分を備え、および流体導管の内部に延びる部分のない、小型ポンプでなければならない。好ましいポンプは、米国特許第６，２５４，３５５号（その内容は、参照により本明細書に組み込まれる）に記載されている種類のいわゆるインピーダンスポンプである。インピーダンスポンプは、流体チャンバの異なる機械セグメント間のインピーダンス差を利用する。ポンプは異なる機械インピーダンスセグメント内の流体が受ける圧力差を利用する。弾性容器の内部の圧力に変化が生じると、異なる流動性特性を有する異なるセグメント内に圧力変化を生じる。セグメントの収縮は、異なるセグメント内の圧力が全体システム圧力に等しくなることを防止するために、十分な高速で発生しなければならない。このようにして、ポンピング効果が発生し、これにより、より高い圧力が生成される部分から、より低い圧力部分に流体を駆動する。
【００１０】
このポンプの利点は、比較的小型に製造できることであり、マイクロ流体導管および圧縮部分は、例えば、締付け器または絞り器を必要とするだけである。圧縮部分は機械的または電子的であってもよい。流体チャンバの内部に延びる部分は存在しない。
【００１１】
ポンプは、電子回路と同一の基板上に、マイクロマシニングを含む任意の種類のマイクロ流体技術により形成できる。あるいは、ポンプは電子回路に熱的に結合できる。インピーダンスポンプの起動は、例えば、電磁式、圧電式、強誘電式、静電気式、形状記憶合金の作動、または電導性ポリマーに基づく作動のうちの１つであってもよい。いずれの方式の動作も、流体導管の起動に使用できる。
【００１２】
動作中、図１のデバイスは熱収集領域１２０から熱を収集する。インピーダンスポンプによるポンピング動作は、この熱を熱送出領域１３０に送る。図２は、どのように熱収集領域１２０が熱源２００の領域内に存在するかを示している。これは、例えば、チップ上の過熱点に隣接して配置された熱交換器である。熱送出領域１３０は、例えば、上述の種類の放熱器２１０である。
【００１３】
重要な特徴は、弁がなく、流体システム内に延びる部分がない超小型ポンプが、閉じたマイクロ流体システムと共に使用できることである。閉システムにより、多くの構成要素を一緒に密閉することが可能となる。ポンプは、密閉されたシステム内に延びる必要のある部分を有していない。ポンピング部分が全体に密閉されたシステムを形成するため、冷却液により引き起こされる電子回路に対する損傷を特に懸念することなく、ポンプを電子的に作動されるおよび作動可能なデバイスと接触させて配置できる。ポンピングは、いずれのポンプ部分も流体導管内に延びることなく発生するため、流体の漏れに対する封止をより簡単にする。
【００１４】
さらに、ポンプにより発生する流体の運動は間欠的でありパルスとして発生する。流体のパルス的運動は動作流体内における対流混合を強化し、これにより、大きな熱エネルギーを熱源から取り除くことができる。これにより、例えば、沸騰などといった、流体の温度過昇状態の発生する可能性を最小化できる。対流混合を最大にすることにより、放熱器２１０における熱の放散を増加できる。
【００１５】
この実施形態では、マイクロ流体混合器は、熱源の上の１２０に置かれる。これにより、熱交換流体内の最大量の熱混合を生成できる。拡散領域は１３０に置かれ、この領域では、流れの範囲が拡張された範囲全体に拡大し、放熱器と接触して最大量の熱を保有する。
【００１６】
第１熱電対１３５および第２熱電対１３６はチップおよび流体の温度の監視を可能にし、例えば、制御器１４０に接続される。制御器を使用して、温度に基づいてポンピングの量を自動的に調節できる。例えば、温度が一定のしきい値を超えると、制御器はより多量にポンピングするように制御する。別の代替形態では、１５０で示されている手動制御を設けることもできる。
【００１７】
手動制御を利用してインピーダンスポンプを調整し、チップの特定の特性に対して最大の動作レベルで動作させることができる。例えば、チップを共振状態にして、最大量のポンピングを生成できる。加えて、制御器または手動制御により、熱管理デバイスは、チップ動作の様々なレベルにおいて最適に作動できる。例えば、チップ動作の１つのレベルは最大のポンピング（例えば、共振におけるまたは共振寸前のポンピング）を生成し、チップ動作の別のレベルは、より少ない量のポンピングを生成できる。
【００１８】
これらの実施形態では、システムはマイクロマシニングにより、または従来のエッチングを利用して製造できる。ソフトリソグラフィもまたそれぞれの特性に応じて利用できる。
【００１９】
これまで、ごく少数の実施形態を詳細に述べてきたが、他の実施形態も可能であり、これらの実施形態も本明細書内に含まれるものとする。本明細書は、より一般的な目的を達成するための特定の例を述べているが、これらの例は、他の方法でも達成できる。本開示は、例示を目的とし、特許請求の範囲は、当業者が予測可能なすべての変更形態または代替形態を範囲に含むものとする。例えば、他の種類の制御が考えられる。
【００２０】
また、用語「〜のための手段」を使用するこれらの請求項のみ、米国特許法第１１２条第６項により解釈されるものとする。さらに、これらの制限が請求項に明白に含まれていない限り、明細書からの制限はいずれの請求項にも読み込まれていないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】システムのブロック図を示す。
【図２】熱の流れを表す側面図を示す。
【図１】
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【図２】
2008525721.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月19日(2007.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に作動するデバイスと、
前記熱発生デバイスの少なくとも一部と熱的に接触し、且つ内部に流体を含む、流体が充填された導管と、
前記導管を通して前記流体をポンプ作用で注入する方式のポンプであるが、前記導管の外壁を貫通して前記導管の内側にまで延びないポンプと、備える装置であって、
前記流体が充填された導管は、前記熱的接触を形成する第１部分と、熱を放散する第２部分とを含み、
前記導管は、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントから形成され、
前記ポンプは、前記導管の異なる機械セグメント間の流体インピーダンスの差に基づいて流体を流すインピーダンスポンプであり、前記流体を流すために前記導管の少なくとも１つの領域の内部面積を低減するアクチュエータを含む、装置。
【請求項２】
前記電気的に作動するデバイスは電子デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アクチュエータは、電磁式、圧電式、強誘電式、静電気式、形状記憶合金の作動に基づく、または電導性ポリマーの作動に基づくうちの１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流体が充填された導管は、前記第１部分に、前記電気的に作動するデバイスと熱交換する熱交換器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記流体が充填された導管は、前記第２部分に、熱を解放するように動作する放熱器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記放熱器は能動的放熱器である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
ポンピングの特性を制御するために、前記アクチュエータによる前記低減の少なくとも１つの形状を制御する制御器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの温度センサをさらに備え、前記制御器は前記温度センサから受け取る情報に基づいて動作する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの電気的に作動するデバイスを搭載した基板から形成されるチップと、
前記チップ上に形成され、前記電気的に作動するデバイスの少なくとも１つの部分と熱的に接触している第１部分、および熱放散部分を形成する少なくとも別の部分を有する、流体が充填された導管と、
前記流体が充填された導管の内壁に延びる部分を有することなく、前記チップ内に流体をポンプ作用で注入するように動作するポンピング部分と、を備える装置であって、
前記導管は、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントから形成され、前記ポンピング部分は、前記導管を形成する異なる機械セグメント間の流体インピーダンスの差に基づいて流体をポンプ作用で注入する、インピーダンスベースのポンプを含む、装置。
【請求項１０】
前記ポンピング部分は間欠的およびバースト的に動作する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記インピーダンスポンプは、前記機械セグメントの少なくとも１つの、少なくとも１つの領域内の圧力上昇を引き起こすアクチュエータをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
ポンピングの特性を変えるために、前記アクチュエータの特性を制御する制御器をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
温度センサをさらに備え、この温度センサは、いくつかの電気的に作動するデバイスと関連する温度を感知し、前記温度が上昇するとポンピングの量を増加する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの部分が熱発生デバイスと接触する、流体が充填された導管を形成することと、
前記導管の内壁に延びるいずれの部分も使用することなく、前記導管を通して流体をポンプ作用で注入することにより、前記少なくとも１つの部分から熱を引き出し、前記熱を少なくとも１つの第２部分にポンプ作用で注入することと、
前記第２部分において前記流体を冷却することと、を備える方法であって、
前記ポンピングは、異なる流体特性を有する複数の機械セグメントを有する導管を使用することと、前記異なる流体特性に基づいて、前記異なる機械セグメント間に流体を流すように前記機械セグメントの少なくとも１つを作動することと、を備える、方法。
【請求項１５】
前記ポンピングは、前記ポンピングがバースト的に発生する間欠的およびパルスモードでポンピングすることを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱発生デバイスと関連する熱を感知することと、
前記感知した情報に基づいて前記ポンピングの量を制御することと、をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記導管の形成は、前記熱発生デバイスと接触する熱交換器を形成することを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記制御器は、最大のポンピング効果を生じる前記システムの共振点に前記アクチュエータを制御する、請求項７に記載の装置。
【請求項１９】
前記流体が充填された導管に流体的に結合されており、前記流体が充填された導管内の流体内での熱混合の量を最大化する、マイクロ流体混合器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記制御器は、前記ポンピング部分を間欠的およびバースト的に作動させるように、前記アクチュエータを制御する、請求項７に記載の装置。
【請求項２１】
前記制御器は、最大のポンピング効果を発生する前記システムの共振点に前記アクチュエータを制御する、請求項１２に記載の装置。
【請求項２２】
前記流体が充填された導管に流体的に結合されており、前記流体が充填された導管内の流体内の熱的な混合量を最大化する、マイクロ流体混合器をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項２３】
前記アクチュエータを、最大のポンピング効果を発生する前記システムの共振点に制御することをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記流体が充填された導管内の流体を混合することをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
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