(57)【要約】  構成部品（２４）の冷却装置は、構成部品の高温領域を冷却するように設計された第１冷却流体が流れる、少なくとも１つのチャネル（１８）を含む。これはさらに、構成部品の高温領域とチャネルとの間の温度差を測定するように構成された熱電モジュール（２０）と、温度差に応じてチャネル内の第１冷却流体の流量を調節するように構成された制御回路（３２）と、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品（２４）の高温領域（２２）を冷却するように設計された第１冷却流体（１２）が流れる少なくとも１つのチャネル（１８）を含む構成部品の冷却装置であって、
前記構成部品の高温領域と前記チャネルとの間の温度差を測定するように構成された熱電モジュール（２０）と、
前記温度差に応じて前記チャネル内の前記第１冷却流体の流量を調節するように構成された制御回路（３２）と、を含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記第１冷却流体（１２）と接触している前記チャネル（１８）の表面は、第１励起条件の下で第１表面エネルギーを呈し、第２励起条件の下で第２表面エネルギーを呈するポリマー材料層（３４）によって被覆されており、前記第１および第２励起条件は前記制御回路（３２）によって固定されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ポリマー材料層（３４）はメルカプト−ヘキサデカン酸の粒子を含む自己組織化単分子層（ＳＡＭ）であり、前記熱電モジュール（２０）は、前記第１および第２励起条件を呈する前記自己組織化単分子層に温度変動を付与するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ポリマー材料層（３４）はイソプロピルアクリルアミドモノマーを含み、前記制御回路（３２）は、前記第１および第２励起条件を呈する前記ポリマー材料層に電位変動を付与するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第１冷却流体とは異なる熱容量を有する第２冷却流体のタンクと、前記制御回路（３２）によって制御される前記チャネル（１８）への前記第２冷却流体の入口弁とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記熱電モジュール（２０）は、前記構成部品（２４）の前記高温領域（２２）と前記チャネル（１８）との間に、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続された、複数の熱電対によって形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
複数のチャネル（１８）を含む、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構成部品の熱管理、より具体的には流動冷却流体が設けられた冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子システム内の構成部品の大規模な集積は、必然的に冷却の問題を引き起こす。実際、所定空間内の構成部品の数が多いほど、より多くの電子システムが加熱され、過剰な熱による損傷のリスクが増大する。
【０００３】
異なる冷却の解決策が存在する。受動的冷却装置は、構成部品から外部に熱を除去するために、ヒートシンクまたはサーマルビアを使用する。ヒートシンクの使用は、例えば携帯電話など小型の機器における電子システムの集積を制約する。例えばカーボンナノチューブで作られた、高性能サーマルビア（ｔｈｅｒｍａｌ  ｖｉａ）は、製造が困難であってシステムのアーキテクチャを複雑化する。
【０００４】
受動的装置は、冷却性能を向上するために、換気と関連付けられることが可能である。自然または強制空気対流がもはやシステムによって消散されるエネルギーを除去するのに十分ではないとき、冷却流体の流れが使用されなければならない。
【０００５】
図１は、米国特許出願公開第２０１０／０２９０１８８号明細書に記載されるような、冷却流体の流れによって冷却される電子システムを模式的に示す。
【０００６】
電子システムは、集積回路２のスタックによって形成される。スタックは、溶接ビード６によってプリント回路４に固定されている。回路２は、シリコンバンプ１に形成された金属ビア８によって相互接続されている。
【０００７】
スタックの集積回路２は、相互接続バンプ１０によって互いに離間されている。これらの分離は、冷却流体１２の流れを可能にする。流体１２はまた、上部回路２と、流体用の閉じ込め構造の役割を果たすエンクロージャ１４の壁との間も流れる。エンクロージャ１４は、スタックの両側に配置された、冷却流体の入口開口部１６ａおよび出口開口部１６ｂを含む。ポンプによって発生した流体１２の流れはこれにより、エンクロージャ１４の一端から他端へ、回路２と接触しながら流れる。
【０００８】
このタイプのシステムにおいて、冷却流体流量の制御はポンプによって行われる。流量は一般的に、システムの熱的条件にかかわらず、最大冷却を保証するために高い値に設定される。この制御は、構成部品レベルでの実際の冷却要件を考慮に入れていない。従って、流体消費量、およびポンプの電力消費量は、最適化されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２９０１８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
同時に低電力および低流体消費量としながら、最適化された冷却を可能にする装置を提供する需要があることが、わかる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この需要は、構成部品の高温領域を冷却するように設計された第１冷却流体が流れる少なくとも１つのチャネルを含む、構成部品の冷却装置を提供することによって、満たされる傾向がある。装置は、構成部品の高温領域とチャネルとの間の温度差を測定するように構成された熱電モジュール（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｏｄｕｌｅ）と、温度差に従ってチャネル内の第１冷却流体の流量を調節するように構成された制御回路と、を含む。
【００１２】
好適な実施形態において、第１冷却流体と接触しているチャネルの表面は、第１励起条件の下で第１表面エネルギーを呈し、第２励起条件の下で第２表面エネルギーを呈するポリマー材料の層によって被覆されており、第１および第２励起条件は制御回路によって固定されている。
【００１３】
ある開発によれば、ポリマー材料層はメルカプト−ヘキサデカン酸の粒子を含む自己組織化単分子層であり、熱電モジュールは、第１および第２励起条件を呈する自己組織化単分子層に温度変動を付与するように構成されている。
【００１４】
別の開発によれば、ポリマー材料層はイソプロピルアクリルアミドモノマーを含み、制御回路は、第１および第２励起条件を呈するポリマー材料層に電位変動を付与するように構成されている。
【００１５】
その他の利点および特徴は、非限定的な説明目的のみのために提示され、以下の添付図面によって図解される、特定の実施形態の以下の説明より、さらに明確になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】上述の、従来の電子システム冷却装置を示す図である。
【図２】本発明に係る冷却装置の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係る冷却装置の代替実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係る冷却装置のブロック図である。
【図５】本発明に係る冷却装置で使用される冷却回路の異なる構成を示す図である。
【図６】本発明に係る冷却装置の製造ステップを示す図である。
【図７Ａ】本発明に係る冷却装置の製造ステップを示す図である。
【図７Ｂ】本発明に係る冷却装置の製造ステップを示す図である。
【図８】本発明に係る冷却装置の製造ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
冷却回路内の冷却流体流量を最適化するために、冷却回路と、冷却される構成部品の高温領域との間に、熱電センサが取り付けられる。このセンサは、構成部品の熱的環境の特性、具体的には構成部品と冷却流体との間の温度差を測定する。センサは、この温度差に従って冷却流体流量を調整する制御回路に接続されている。このため流体流量は、連続的に構成部品の冷却要件に適合させられる。
【００１８】
図２は、熱電モジュールが設けられた冷却装置の実施形態を示す。
【００１９】
冷却装置は、冷却回路１８，および回路１８と構成部品の高温領域２２との間に配置された熱電モジュール２０を含む。冷却回路１８は、冷却流体が流れる少なくとも１つのチャネルまたはヒートパイプを含む。回路１８は、チャネルのネットワークによって有利に形成される。
【００２０】
モジュール２０の第１末端は、冷熱源を形成するチャネルネットワーク１８と熱的接触しており、第２末端は温熱源２２と熱的接触している。このため熱電モジュール２０は、その両端で温度差を受ける。これはさらに、制御回路（図２には示さない）と電気的に接続されている。
【００２１】
この実施形態において、冷却装置は冷却される構成部品に組み込まれている。説明目的のため、構成部品は、各集積回路が高温領域２２を有する、集積回路２４のスタックによって形成される。集積回路２４は、従来は金属ビアを含む配線層２６によって分離されている。これらのビアは集積回路２４を電気的に接続する。冷却回路１８および熱電モジュール２０は、好ましくは配線層２６内に形成される。
【００２２】
図２に示されるように、同じチャネルネットワーク１８がいくつかの高温領域２２の冷却に関与することができ、各領域２２は熱電モジュール２０によってネットワーク１８から分離されている。
【００２３】
冷却装置は有利なことに、スタックの異なる階層に配置された、いくつかの冷却回路およびいくつかの熱電モジュールを含む。すると、スタックの各集積回路を個別に冷却することが可能となる。冷却回路は独立していてもよく、あるいは単一の冷却流体分配ネットワークを形成するために接続されてもよい。
【００２４】
冷却流体は、高温領域における構成部品の温度よりも低温の気体または液体である。これは好ましくは水、窒素、およびアルコールから選択される。
【００２５】
図３は、冷却回路が構成部品から離れている、冷却装置の代替実施形態を示す。
【００２６】
装置は、チャネル１８が形成される冷却層２８と、層２８上に形成された少なくとも１つの熱電モジュール２０とを含む。冷却される少なくとも１つの構成部品２４は、層２８およびモジュール２０の上に重ねて配置される。
【００２７】
図３の例において、構成部品２４は２つの高温点２２を含み、その各々は１組のチャネル１８およびモジュール２０に関連付けられている。各モジュール２０の一端は、チャネル１８と熱的接触している。他方の末端は、好ましくはサーマルビア３０（熱橋（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｒｉｄｇｅ）とも称される）によって、高温点２２と熱的接触している。
【００２８】
サーマルビア３０は、好ましくは構成部品２４を形成する材料の熱伝導率よりも高い、高熱伝導率を有する材料によって形成される。ビア３０は、例えば金属によって形成される。この場合、ビア３０は、例えば構成部品２４の上または構成部品２４と同じ基板上に位置する、制御回路との熱電モジュール２０の電気的接続を実行することができる。
【００２９】
層２８は、流体回路が形成される支持体を構成する。この支持体は例えばシリコンから作られ、制御回路を形成するためにさらに利用されることが可能である。層２８はまた、ガラスなどの断熱性材料で作られることも可能である。
【００３０】
この構成において、熱電モジュール２０によって被覆された冷却層２８は、いくつかの積層構成部品２４を冷却する目的に役立つことができる。後にさらに記載されるように、冷却装置のこの変形例は、実施することが特に簡単である。冷却装置および構成部品は個別に製造されることが可能であり、構成部品はその後冷却装置に取り付けられる。
【００３１】
図４は、構成部品２４に接続された、図２および３の冷却装置のブロック図を示す。黒い矢印は、装置の異なる要素によって送受信された電気信号を表し、その一方で白い矢印は熱流束を表す。
【００３２】
熱電モジュール２０（ＴＥ）は、構成部品２４と冷却回路１８との間の温度差を測定する。例えばモジュール２０の末端の電圧など、この差を表す電気信号は、制御回路３２に送られる。制御回路３２は、温度差に応じて流体の流れを修正するように、冷却回路１８を制御する。
【００３３】
構成部品の熱は、チャネルネットワーク１８によって大部分が除去される。この熱伝達は、高温領域２２およびチャネルネットワーク１８を分離する異なる層の熱的条件によって実行される。
【００３４】
熱電モジュール２０はまた、構成部品の冷却にも関与する。熱流束の一部は実際に温熱源２２から冷熱源１８まで熱電材料内を通過する。しかしながらこの伝達は、熱電モジュールによって占有される小さい体積、およびこれを形成する材料の低熱伝導率のため、制限される。
【００３５】
制御回路３２は例えば、熱電センサ２０からの出力における測定信号増幅器、マイクロプロセッサの形態の処理アルゴリズム、および制御信号発生回路を含む。いくつかの熱電モジュールが使用されるとき、制御回路は全ての測定信号を、例えば同時に、受信および処理する。
【００３６】
図５は、冷却流体流量が調節されることを可能にする冷却回路の例を示す。これらの例において、冷却回路は簡素化されている。これは、台形型断面の単一チャネル１８によって形成されている。
【００３７】
好適な実施形態において、冷却流体１２の流量は、チャネル１８と流体１２との間の表面エネルギーを変化させることによって、調節される。このために、流体と接触しているチャネルの表面は、ポリマー材料層３４によって被覆されている。
【００３８】
制御回路は、層３４に電気的または熱的刺激を送る。これはポリマー層の内部構造を変更し、従ってその表面エネルギーを変更する。冷却流体としての水の場合、これは実際にはチャネルの表面の水和性、すなわちその親水性または疎水性の変更を伴う。
【００３９】
言い換えると、制御回路３２は、ポリマー層３４を第１状態から第２状態に変化させるための励起条件を定義するが、ポリマーの表面エネルギーは２つの状態の間で異なる。
【００４０】
ポリマー層は例えば、”Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｈｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ（超親水性と超疎水性の間の可逆性切り替え）”（Ｔａｏｌｅｉら、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．，４３，３５７−３６０，２００４）という論文に記載されるような自己組織化単分子層（ＳＡＭ）である。これはメルカプト−ヘキサデカン酸（ＭＨＡ）の分子を含む。チャネルに正または負のいずれの電位が印加されるかに応じて、ポリマー層は疎水性または親水性の性質を呈する。
【００４１】
あるいは、ポリマー層は”Ａ  ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ（可逆性切り替え表面）”という論文に記載される、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＰＮＩＰＡＭ）を含む。これらのモノマーは温度感受性である。ポリマー層は、約３２℃の所定温度を超えて加熱されると、疎水性になる。反対に、この温度未満に冷却されると、親水性になる。
【００４２】
ポリ（ｎ−置換アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−（Ｌ）−（１−ヒドロキシメチル）プロピルメタクリルアミド）（Ｐ（Ｌ−ＨＭＰＮＡＡｍ））、およびポリ（Ｎ−アクリロイル−Ｎ０−アルキルピペラジン）など、その他のタイプの分子も考えられる。これらの例のポリマーは、熱的刺激に対して反応する。
【００４３】
これらの分子のいくつかは、自己組織化単分子層ＳＡＭを形成するために、特定のタイプの表面上にグラフト（ｇｒａｆｔ）する。するとチャネル１８は、例えばＭＨＡ分子の場合には金など、使用される分子のグラフトを可能にする材料で形成される。
【００４４】
このため、ポリマー材料層の特性を変更することによって、冷却回路内の流量を制御することが可能である。疎水性となった表面は、チャネルの断面を縮小することによって水の循環を制限することになる。反対に、親水性表面を有するチャネルは水の循環を促進し、従って流量を増加させる。
【００４５】
電気的刺激は、好ましくは熱電モジュールによってポリマー層に伝達される。熱電モジュールは、制御回路に電気的に接続されている。従って制御回路は、熱電モジュールを介してポリマー層に電気信号を送ることができる（図４の破線矢印）。
【００４６】
モジュールはさらに直接的に、熱流束の一部を冷却回路に取り出す。従ってこの熱伝達は、ポリマー層の構造を局所的に変更する目的に役立つことが可能である。言い換えると、チャネルと直接接触している熱電モジュールは、ポリマー層の変更を生じる熱的情報を伝送する。
【００４７】
ポリマー材料で被覆されたチャネル１８の表面は、想定される最大流量変動に依存する。例示目的のため、冷却流体の流れを完全に遮断することが望ましい場合には、ポリマー層３４はチャネル１８の表面全体に堆積されることが可能になる（図５）。すると流体は、別の構成部品から熱を除去するために、冷却回路の別の枝路に向けられることになる。ポリマー材料は、流量の変化を少なくすることが望ましいときに、チャネル１８の単一の壁上に堆積されることが可能である。
【００４８】
ポリマー層３４は好ましくは、熱電モジュール２０の近傍で、チャネル１８上に堆積される。これはまた、流体の流れ方向において熱電モジュールの上流または下流に配置されることも可能である。すると、熱電モジュールとは異なる、付加的な熱導体または導電体が、関連する信号を搬送するために設けられる。
【００４９】
図５の右側に示されるように、流体１２と接触しているチャネル１８の表面は、表面エネルギーのより正確な制御を実行するために、有利な構造になっている。
【００５０】
上述の冷却装置は、閉鎖冷却回路１８の使用を可能にする。実際、回路１８のいくつかの連続する領域において局所的に表面エネルギーを変更することによって、冷却流体の運動を発生させることが可能である。閉回路は、モバイル用途について特に興味深い。そしてポンプは実際に冷却流体の循環を強制するためにもはや必要ではなく、ポンプは消費量の利得および空間の縮小の両方を呈する。
【００５１】
制御回路３２はまた、付加的な冷却流体タンクに接続された入口弁も制御することができる。この第２冷却流体は好ましくは、第１流体とは異なる熱容量を呈する。このため、第２流体が回路１８に流入するとき、これは第１冷却流体の冷却力（または熱量）を増加または減少させる。
【００５２】
一実施形態において、２つの流体は、これらが混合されるときに吸熱反応を引き起こすように選択される。これらは好ましくは異なるチャネルによって搬送され、その後熱電モジュール内で混合される。”Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｂｕｂｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ（マイクロ流体気泡論理）”（Ｍ．Ｐｒａｋａｓｈら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３１５，ｐｐ．８３２−８３５，２００７年２月）という論文は、このような混合の実行を可能にする流体システムの例を記載している。
【００５３】
極性分子を含有する冷却流体を使用すること、およびこれらの分子を配向するために電界を印加することも考えられる。
【００５４】
図６から図８は、図３による冷却装置の製造方法のステップを示す。
【００５５】
図６のステップは、チャネル１８を包含する冷却層２８の形成に対応する。チャネルは好ましくは、シリコン基板にエッチングされる。これらは例えば、円筒形の形状および１０μｍから１ｍｍの間の直径を有する。冷却流体と接触しているチャネル１８の表面は、ポリマー材料がその上に堆積される前に、１０ｎｍから１００μｍの厚みの、金、アルミニウム、またはチタンの薄層で被覆されてもよい。ポリマー層の厚みは、１０ｎｍから１μｍの間で変動する。
【００５６】
図７Ａのステップにおいて、熱電モジュール２０が冷却層２８の表面に形成される。モジュール２０の一端は、チャネル１８と接触して配置される。
【００５７】
図７Ｂの上面図に示されるように、熱電モジュール２０は複数の熱電対によって有利に形成される。各熱電対は、内部金属コネクタ３８によってその末端で互いに接続された、２つの熱電スタッド３６ａ、３６ｂを含む。熱電対は、金属連結コネクタ４０によって、電気的に直列接続されている。
【００５８】
スタッド３６ａおよび３６ｂは、異なる熱電特性を有する。例えば、スタッド３６ａはＰ型シリコンで作られ、スタッド３６ｂはＮ型シリコンで作られている。例えば、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、およびこれらの合金など、その他の半導体または半金属材料も考えられる。スタッド３６ａおよび３６ｂは、好ましくは同じ寸法である。これらの厚みは例えば、使用される製造方法に応じて、５ｎｍから５００μｍの間である。
【００５９】
その後構成部品２４が冷却装置上に積層される（図８）。これは好ましくは、構成部品の内部に位置する高温領域２２から熱電モジュール２０まで熱を伝導するように設計された、金属ビア３０を含む。
【００６０】
連結コネクタ４０は、短絡回路を形成しないような個別の方法で、金属ビア３０と接触している。内部コネクタ３６はチャネル１８上に配置される。このため熱電対は、構成部品によって形成される温熱源と、チャネル１８によって形成される冷熱源との間に、並列に配置される。
【００６１】
熱が構成部品から漸進的に除去されるにつれて、冷却流体の（低い）温度は上昇する。しかしながら、制御回路によって実行される流量調整（および／または流体の熱容量の調節）は、冷熱源の温度が適切な値に維持されることを可能にする。従って熱電センサによって送達される信号はいつでも、構成部品が置かれている熱的条件を反映する。
【００６２】
熱電モジュールは、構成部品の温度の変動が監視され、冷却流体流量および入口がリアルタイムで調節されることを可能にする。それにより、流体の消費量を、構造部品の要求に対して制限することができる。流体流量は一般的にポンプによって付与されるので、これは電力の節約を呈する。さらに、熱電モジュールは、ペルティエモードではなく温度センサとして動作するという事実のため、いかなる電流も消費しない。すると、従来の能動的装置よりも低い電力消費量を有する冷却装置が得られる。
【００６３】
モバイル用途では、閉冷却回路、すなわちポンプのない回路が好ましいであろう。それにより、冷却装置の電力消費量は最小となり、制御回路の電力消費量に対応することになる。
【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８】
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【国際調査報告】
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