(57)【要約】　　　（修正有）【課題】電子デバイスの形状に適合した形状を有し、且つ冷却性能の高い冷却器を提供する。【解決手段】冷却すべき物品４用ミクロ構造冷却器３に関し、冷却器３には、少なくとも２つの金属膜１と、熱接触表面６を介して物品４と熱接触させることができる１つのベース・プレート５とのスタックが含まれる。金属膜１およびベース・プレート５は、金属ばめにおいて互いに接合され、金属膜１には、冷却媒体用チャネル２が存在し、チャネル２は、１００から２，０００μｍの範囲の幅と、２５から１，０００μｍの範囲の深さと、５０から１，０００μｍの範囲の平均間隔とを有し、金属膜１のチャネル２から得られる残りの膜の厚さは、５０から３００μｍの範囲にあり、ベース・プレート５は、２００から２，０００μｍの範囲の厚さを有する。【選択図】図２
2004128457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却すべき物品（４）用のミクロ構造冷却器（３）であって、前記冷却器（３）が、少なくとも２つの金属膜（１）と、熱接触表面（６）を介して前記物品（４）と熱接触させることができる１つのベース・プレート（５）とのスタックを含み、前記金属膜（１）および前記ベース・プレート（５）が、材料ばめにおいて互いに接合され、前記金属膜（１）において、冷却媒体用チャネル（２）が存在し、前記チャネル（２）が、１００〜２０００μｍの範囲の幅ｂと、２５〜１０００μｍの範囲の深さｔと、５０〜１０００μｍの範囲の平均間隔ｓとを有し、前記金属膜（１）の前記チャネル（２）から得られる残りの膜の厚さｒが、５０〜３００μｍの範囲にあり、前記ベース・プレート（５）が、２００〜２０００μｍの範囲の厚さｇを有するミクロ構造冷却器（３）。
【請求項２】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、前記冷却器（３）における冷却媒体の圧力損失を最小限に抑えるように最適化されることを特徴とする請求項１に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項３】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、前記熱接触表面（６）と前記冷却器（３）に流れ込む冷却媒体との温度差を最小限に抑えるように最適化されることを特徴とする請求項１に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項４】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、少なくとも２ワット／ｃｍ３の、冷却器（３）の冷却能力の体積に対する比、すなわち「コンパクト性」を達成するように調節されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項５】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、少なくとも０．１Ｗ／（ｃｍ３・Ｋ）の「単位体積およびΔＴあたりの冷却能力」を達成するように調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項６】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、少なくとも０．１Ｗ／（ｃｍ３・Ｋ・Ｌ／分）の固有の圧力損失正規化冷却能力を達成するように調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項７】
前記チャネル幅ｂと、前記チャネル深さｔと、前記チャネル間隔ｓと、前記残りの膜の厚さｒと、前記ベース・プレートの厚さｇとが、２００ワット／ｃｍ２の熱伝達能力が、前記熱接触表面（６）と１０Ｋの、前記冷却器（３）に流れ込む冷却媒体との最大温度差と、０．０１〜３Ｌ／分の範囲にある前記冷却器（３）を通る冷却媒体の流量と、多くとも１００ｍｂａｒの圧力損失とにおいて達成されるように調節されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項８】
チャネル幅ｂのチャネル平均間隔ｓに対する比が、１．５：１〜２．５：１の範囲にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項９】
チャネル幅ｂの残りの膜の厚さｒに対する比が、２：１〜５：１の範囲にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１０】
前記チャネルの前記幅ｂが、２００〜５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１１】
前記チャネルの前記深さｔが、５０〜４００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１２】
前記チャネルの前記平均間隔ｓが、１５０〜３００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１３】
前記残りの膜の厚さｒが、８０〜１２０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１４】
前記ベース・プレートの前記厚さｇが、５００〜１５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１５】
前記チャネル（２）によって記述された熱交換表面が、前記熱接触表面（６）より大きいことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１６】
前記金属膜（１）における前記チャネル（２）が、互いに概ね平行に延びることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１７】
少なくとも１つの入口分配空間（１０）および少なくとも１つの出口分配空間（１１）が、冷却媒体のために設けられることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１８】
すべてのチャネル（２）が、入口側面上で前記入口分配空間（１０）に接続され、出口側面上で前記出口分配空間（１１）に接続されることを特徴とする請求項１７に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの入口分配空間（１０）に接続された少なくとも１つの第１コネクタを備え、前記少なくとも１つの出口分配空間（１１）に接続された少なくとも１つの第２コネクタを備えることを特徴とする請求項１７、１８のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項２０】
前記金属膜（１）が、少なくとも１つの分配室（２０）によって前記熱接触表面（６）のほぼ高さにおいて中断され、すべてのチャネル（２）が、一端において前記少なくとも１つの分配室（２０）に接続され、さらに、少なくとも１つの収集室（２１）が、すべてのチャネル（２）が他端において接続された前記冷却室（３）を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項２１】
互いにほぼ平行に延びるチャネル（２）の２つのグループを備え、少なくとも１つの収集室（２０）が、前記２つのグループの間のギャップとして実現されることを特徴とする請求項２０に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項２２】
前記ギャップ（２０）の幅が、５０〜２０００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２１に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの分配室（２０）に接続された少なくとも１つの第１コネクタを備え、前記少なくとも１つの収集室（２１）に接続された少なくとも１つの第２コネクタを備えることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器。
【請求項２４】
電子要素を冷却するための請求項１〜２３のいずれか一項に記載のミクロ構造冷却器の使用法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ミクロ構造（ミクロ構造冷却器）を特徴とし、かつ熱伝導接触によって物品を冷却するために使用される冷却器に関する。本発明は、特に、具体的には中央処理ユニット（ＣＰＵ）などのプロセッサおよびパワー・エレクトロニクスの要素である、電子要素を冷却するために使用されるミクロ構造冷却器の使用法に関する。製造プロセスに関して、本発明によるミクロ構造冷却器は、設計、構造、および接合の方法の点で、大量生産に適しており、したがって、ミクロ構造冷却器は、経済的に大量製造することができる。
【０００２】
マイクロプロセッサのクロック周波数の増大など、電子構成要素の能力が絶えず増強されていることにより、これらの構成要素における熱も増大する。構成要素の小型化により、さらにこの状況は悪化する。プロセッサが出す熱の量を低減するように対策がとられているが、熱の問題は、深刻化している。さらに、サーバなど、システム全体の内部における個々の構成要素の実装密度が増大しているために、ますますより多くの熱をますます狭くなっている空間から除去しなければならない。しかし、電子構成要素の性能と寿命は、動作温度の最大値とその揺らぎの範囲とに依存する。このため、効率的な局所熱除去を保証するために、非常に高性能でコンパクトな冷却システムを使用する必要がある。
【０００３】
現在、最新のプロセッサは、たとえば１ｃｍ２の面積に熱の形態で７０ワットを放出する。これは、台所周りの加熱要素が発生する（〜１０ワット／ｃｍ２）熱より著しく多い。この熱量を除去するために、使用される最も重要な冷却システムは、冷却本体、冷却本体と組み合わされたファン、熱パイプ、ペルティエ・ユニット、および液体冷却である。将来除去される熱量は、さらにいっそう増大することが予期される。
【０００４】
現在、最も頻繁に使用される電子要素用冷却技術は、周囲空気による冷却である。これは、多くの用途にとって、簡単で費用効果の高いことが証明されている。この原理は、より高い熱除去能力には非常に不経済であるが、その理由は、対応して高い出力を有する空気調節システムが必要なためであり、このために、資本支出と動作コストが高騰するだけでなく、エネルギーと環境政策の点でも問題があるからである。
【０００５】
大量の熱を発生する新世代のプロセッサでは、空気冷却も、能力の点で限界を課している。熱除去は、ファンのパワーを増強することによって依然として一般に保証することができるが、これにより、運転雑音が増大する。今日、５５ｄＢは、商業用および家庭用の用途では、もはや許容可能ではない。
【０００６】
プロセッサおよび他の熱発生構成要素をサーバなどの最小可能空間に高密度で実装することにより、ハウジングにおける熱交換がより困難になり、熱の集中の問題は悪化し、電子構成要素がオーバーヒートして故障する危険性が増大することになる。しかし、信頼性と低保全要件とは、サーバおよびワークステーションにとって主要な性能考慮事項である。さらに、ギガヘルツの領域で動作するＣＰＵと電子的に動作されるファンとは、相互的な電磁作用を有することがあり、これは、ＣＰＵに関する機能的な問題をもたらす。
【０００７】
空気の冷却効率を向上させるために、大量の熱を発生する要素は、一般に冷却本体を備えなければならない。冷却本体は、一般に、銅またはアルミニウムで作製された大きな金属コアまたは金属プレートを備え、その上面は、たとえば表面積の拡大としたがってより良好な熱分布のための複数部材構造を特徴とする。ファンを冷却本体の上に取り付けることができる。そのような冷却システムのレイアウトは、必要な空間と重量のために、幾何学的形状についていくらかのみ適合可能であり、さらに、通常４０ｄＢと６０ｄＢ（ｃ’ｔ、１８、１２２頁、２００２）の間の大きな運転雑音を伴う。同文献は、試験した空気冷却器における最大ＣＰＵ温度と最大内部ＰＣ温度との間で測定された３０と４０℃の間の比較的小さいΔＴについて記載している。これらの理由で、技術的欠点と経済的欠点の両方を必然的に伴う空気冷却器を使用するとき、頻繁に妥協する必要がある。
【０００８】
熱パイプは、１９６０年代から市販されてきたが、この数年、エレクトロニクス産業用の高性能冷却システムとしてますます使用されるようになっている。熱パイプは、受動閉鎖冷却システムによって形成され、このシステムにより、冷却媒体における２段階機構によって、非常に良好な熱伝達が達成される。冷却される電子要素から熱吸収することにより、閉鎖システムの冷却媒体は蒸発し、次いで、冷却媒体は、熱パイプの凝縮部分にあるいわゆる断熱中間空間を通って移動する。そこで、熱は、追加の熱シンクによって除去される。凝縮液が形成されて、次いで中間多孔性エッジ層を経て蒸発領域に戻る。この２段階機構を設定することは、特有の冷却媒体を有する非常に制限された温度範囲においてのみ可能であり、熱パイプを使用する選択肢を極度に制限する。さらに、水冷却などと比較したこれらのシステムの冷却能力は低い。
【０００９】
ペルティエ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）冷却ユニットは、電子機器、空気調節技術、および医療用および実験室用エンジニアリングなどにおいて熱ポンプとして使用される。ペルティエ冷却ユニットは、非常にコンパクトであるが、非常に高価であり、大量の熱を局所的かつ費用効果が高いように除去すべきであるときには、一般に適していない。ペルティエ冷却ユニットは、逆冷却用熱シンクと、電源用電力ユニットとをさらに必要とする。エネルギー消費は、必要とされる追加のエネルギー量によって増大する。このため、これらのユニットの電力要件は、冷却能力の割に高く、したがって、大規模な用途で使用するのは不経済である。
【００１０】
金属材料またはセラミック材料で作製された水冷却システムは、上述した冷却システムと直接比較して、最高の冷却能力を有する。これは、主に、水の熱能力が高く、その粘性が低いためである。このため、最近、銅、アルミニウム、およびセラミックで作製された、マイクロプロセッサ冷却用の冷却器が市販されている。これらの製品のすべては、今日、非産業用少量生産の高い製造コストの影響を受けている。市販されている従来の冷却器の通常の性能データと価格は、せいぜい、ＣＰＵと冷却水入口の間における１２．５から１６℃の温度差ΔＴ（ＴＣＰＵ−Ｔｃｏｏｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｉｎｌｅｔ）についてであり、この場合、３Ｌ／分の冷却媒体流量と、たとえばＡＭＤ２０００＋と、１〜２０Ｌ／分の流量と、２５から最高で２５０ｍｂａｒの圧力損失と、約２００〜４００ｇの重量と、３０と１００ｃｍ３の間の構成要素体積と、５０〜１００ユーロの現在価格とが完全に課されている。この冷却器は、１３０〜１４０ｍｂａｒの圧力損失において１〜３Ｌ／分の通常のポンプ能力を有する水槽ポンプの使用を対象として設計されている。
【００１１】
イノヴェイティック・カンパニー（Ｉｎｎｏｖａｔｉｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ）は、現在、水冷却器を販売しており、イノヴァクール（ｉｎｎｏｖａＣＯＯＬ）ｒｅｖ３．０モデルは、現在、約８０ユーロの価格で市販されているあらゆる冷却器の中で最高の性能を有すると評価されている（たとえば、Ｃｈｉｐ、２００２年１０月、４８頁）。
【００１２】
例として（付録参照）イノヴァクール（ｉｎｎｏｖａｃｏｏｌ）ｒｅｖ３．０の性能データとデザインＢの最適ミクロ構造冷却器とについて、以下の表にまとめる。
【００１３】
【表１】
2004128457.tif 000003
【００１４】
比較試験は、ＡＭＤ２０００＋ＣＰＵの冷却と同一の条件下で実施された。
【００１５】
出力半導体用冷却器では、ミクロ熱交換器およびマイクロリアクタの場合のように、１ｍｍ２より小さいチャネル断面積を使用することが当初試行された。
【００１６】
Ｊ．　Ｓｃｈｕｌｚ−Ｈａｒｄｅｒ　による　ＢＰＣＩＭ　Ｅｕｒｏｐｅ、２００２年３月、２７〜４２頁の「Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｃｈｉｐ−Ｌｅｖｅｌ　Ｃｏｏｌｉｎｇ」は、出力半導体回路用水冷却システムについて記載している。冷却器は、銅層から作製され、共融によるはんだ付けプロセスを使用して、セラミック層を有する半導体担体に接合される。冷却器を製造するために、銅層の冷却チャネルは、印刷回路板を製造する場合のように、エッチングによって作製される。液体が通過する冷却本体が形成され、冷却本体は、その内部構造に、６角形のベース構造を有する８から１０の銅層（各層の厚さは０．３ｍｍ）と、１．５ｍｍの直径を有するカラムとを有する。４００ワット／ｃｍ２の熱量を除去することができることが想定されている。１分あたり５Ｌの水の流量では、６４０ｍｂａｒの圧力損失となる。これは、高価な高性能構成要素であることが、この記載から明らかである。
【００１７】
さらに、ＷＯ９８／４１０７６Ａ２は、冷却電子要素用装置について記載しており、この装置の能力は、熱シンクによって、既知の冷却器と比較して著しく向上させることができ、熱伝達係数と、したがって全体の熱伝導とは、著しく向上することになる。この文献では、冷却流体がミクロ構造熱シンクを通過するときに生成する最大圧力損失が、分配構造の領域と接続チャネルとにおいて生じることが想定されている。この問題を解決するために、冷却器が示唆されており、この冷却器は、複数の個々の層を有し、多数のミクロチャネルと１つの分配チャネルとを有する少なくとも１つのプレートを備え、さらに接続チャネルを有する中間プレートと収集チャネルを有する収集プレートとを有する。これにより、これらのプレートが、カバー・プレートおよびベース・プレートと共に提供されるとき、閉鎖冷却チャネルとなる。冷却チャネルの冷却媒体は、入口開口を通ってミクロ構造熱シンクの中へ導入され、出口開口を通ってシンクから除去される。冷却媒体用中間プレートは、傾斜移行構造および／またはベベル移行構造を形成し、入口開口および／または出口開口の断面表面領域は、その構造を通り、領域のそれぞれは、すべての個々の層を通って表面に対して垂直に切断され、ミクロチャネルの断面に連続的に移行する。流れ断面積が０．３ｍｍ×１０ｍｍである冷却チャネルを有する冷却器が、例として挙げられている。この冷却器では、たとえば、５００ｍＬ／分の流れにおいて、８．５ワット／ｃｍ２・Ｋの熱伝達係数と、０．５ｂａｒの圧力損失とが達成される。これらの性能データによれば、この比較的高価な冷却器では、平均的なＣＰＵに必要な冷却能力のわずかに約１０％しか達成されない。
【００１８】
研究開発プロジェクトと、さらには初期の産業プロセスにおいてすでに使用されているマイクロリアクタおよびミクロ熱交換器とは対照的に、電子冷却器のレイアウトの問題は、依然として完全には解決されていないが、その理由は、マイクロリアクタまたはミクロ熱交換器における「熱管理」は、表面領域から熱を除去しなければならない冷却器とは本質的に異なるからである。
【００１９】
リアクトルでは、流れ媒体、すなわちリアクトルの内側に生じる熱は、等温プロセスの理想に可能な限り近くなるように、可能な限り迅速に除去または交換されなければならない。このため、チャネルの断面積と壁の厚さをチャネル間で可能な限り小さく維持するために、反応のプロセス・エンジニアリング制限の範囲内で、試行が行われている。当然、リアクトルは、たとえば流れ抵抗、流量などについてなど、レイアウトについても最適化されなければならないが、基本的な熱管理原理は、比較的簡単である。
【００２０】
たとえば、ミクロ構造構成要素は、微細な構造であるミクロ構造（たとえば米国特許第４５１６６３２号を参照のこと）を有する個々の薄い金属シート（膜）から製造することができることが報告されている。対照的に、電子構成要素用冷却器では、熱を強力な局所外部熱源から除去しなければならない。
【００２１】
より精密に調査すると、この目的、すなわち局所的な高温表面から熱を除去することは、非常に複雑な問題であることが判明する。難点は、実際の熱源が冷却器の外部に配置されていること、すなわち、流体が流れる冷却本体の３次元構造内にある熱抵抗によりいっそう注意しなければならないことである。
【００２２】
この問題に対する解決法は、冷却器の冷却水に対する用件を最小にし、かつ圧力損失を最小にして、熱を除去しなければならないという点で、電子機器におけるさらなる特定の要件によって、さらに複雑化する（たとえば、ＣＰＵ要素を冷却するとき）。
【００２３】
すなわち、よりいっそう微細な構造、すなわちより小さいチャネル断面積を使用することによって冷却能力を向上させることは、流れ抵抗が過度に大きくなるので、限定された方式でのみ可能であることが判明している。
【００２４】
この影響は、流れ抵抗を過度に大きくさせずに、大量の熱を小さい表面積を介して除去するとき、常に問題になる。この場合、冷却能力は、先行技術では通例であるように、冷却媒体の流れ速度はより大きな圧力差によって増大するという点で、簡単に向上させることができない。
【００２５】
ＰＣ、サーバ、およびワークステーションの用途では、たとえば最高で約２５０ｍｂａｒの圧力を生成する低圧力ポンプが通常使用される。たとえば約５ｂａｒ以上に上昇させた初期圧力の下で機能する従来のマイクロリアクタ用強力冷却媒体ポンプ・システムは、コストのためにこの場合では許容可能ではない。
【００２６】
他の要件は、冷却器が、電子要素の形状に適合された形状を有することである。すなわち、冷却器の表面積と要素上の取付け面積とは、同じサイズであるべきである。
【００２７】
最後に、大量生産のために、流体冷却器と冷却システムの製造コストは、空気冷却より著しく高くないことが保証されなければならない。
【００２８】
要約すると、先行技術は、これらの要件を満たさないか、または部分的にのみ満たすと言うことができる。これは、具体的には、ミクロ構造構成要素の費用効果の高い大量生産とこれらの構成要素における大きな流抵抗の低減とに対する要件に関する。この他には、ミクロ構造冷却器の設計またはレイアウトには、規則はない。
【００２９】
したがって、本発明の目的は：
１．まず、本質的な規則と特徴、すなわち、一平面局所熱源用ミクロ構造冷却本体の最適なレイアウトと設計に対し、特有の幾何学的形状データを提供する。
２．電子コンピュータのマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）と他の高温構成要素を冷却することに関連する特有のさらなる問題を解決する。特に、これまで未解決の流れ抵抗と圧力損失の問題を解決する。さらに、冷却器のレイアウトは、大規模にスケーラブルであるべきである。すなわち、簡単な方式で要件に対し即座に適合可能であるべきである。したがって、電力消費は、７０ワット／ｃｍ２から５００ワット／ｃｍ２に増大し、冷却器は、レイアウト、サイズ、体積、組立てなどの点で、システム全体に最適に適合可能であるべきである。
【００３０】
以上の目的は、請求項１に記載のミクロ構造冷却器と、請求項２４に記載のミクロ構造冷却器の使用法とによって達成される。本発明の好適な実施形態は、従属請求項において提供される。
【００３１】
特に電子構成要素における冷却器には、少なくとも２つの金属膜（金属シート）と、冷却される製品と熱接触表面を介して熱接触させることができる１つのベース・プレートとのスタックが含まれる。金属膜とベース・プレートは、好適にははんだ付けである適切な接合技術によって材料ばめにおいて互いに接合される。金属膜にはチャネルが存在し、冷却媒体がチャネルを流れて、熱を除去する。
【００３２】
金属膜のチャネルは、１００から２，０００μｍの範囲の幅を有し、２００から５００μｍの範囲であることが好適である。実験では、すべての他のパラメータが維持されたとき、伝導性は、８００μｍ以上のチャネル幅から急速に降下し始め、もはや高性能用途にとって利点ではない。チャネルの深さは、２５から１，０００μｍの範囲にあり、５０から４００μｍの範囲にあることが好適である。２つの幾何学的変数の少なくとも１つであるチャネル幅またはチャネル深さは、好適にはマイクロメータの範囲にあるべきであり、水力直径４−Ａ／Ｕは、好適には２００〜５００μｍであるべきである。Ａ＝断面積、Ｕ＝周長である（Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ　Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｌｅｈｒｅ、Ｋａｍｐｒａｔｈ　ｓｅｒｉｅｓ、Ｖｏｇｅｌ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｗ．　Ｂｏｈｌ、第１１版、１３１頁；Ｉｎｃｒｏｐｅｒａ、Ｆｒａｎｋ　Ｐ．およびＤｅｗｉｔｔ，　Ｄａｖｉｄ　Ｐ．、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　ａｎｄ　Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ、第４版、Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎｓ、ＮＹ、１９９６年、４４９頁により定義される）。金属膜におけるチャネル間の平均間隔は、５０から１，０００μｍの範囲にあり、１５０から３００μｍの範囲にあることが好適である。さらに、チャネルの断面が矩形またはほぼ矩形であり、その結果、バーが金属膜のチャネル間に形成される場合、この間隔は、「バー幅」として特徴付けられる。さらに、チャネルのフロアの上にある残りの膜の厚さは、５０から３００μｍの範囲にあり、８０から１２０μｍの範囲にあることが好適である。冷却器のベース・プレートは、２００から２，０００μｍの範囲の厚さを有し、５００から１，５００μｍの範囲にあることが好適である。以上のパラメータのそれぞれについて、パラメータは、好適な範囲内にあるとき、具体的には非常に高い出力密度が必要とされるとき、これらの要件を特によく満たす。さらに、上述した範囲は、具体的にはＣｕがベース材料として使用されるときのパラメータに適用される。
【００３３】
図１および２は、幾何学的パラメータの定義を提供する（チャネル幅、チャネル深さ、チャネル間の間隔（バー幅）、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さ）。
【００３４】
チャネル幅、チャネル深さ、およびチャネル間隔（バー幅）の下限範囲限度は、当該生産プロセスの要件によってほぼ決定される。非常に小さい値が、これらの幾何学的パラメータに対して設定されるとき、必要な許容度を保証することができないので、冷却器の大量生産は困難である。しかし、生産選択肢は、適用される技術に依拠し、したがって、下限範囲限度は、産物エンジニアリングが改善されれば、さらにより低い下限値を許容することができる。
【００３５】
ミクロ構造方法を使用することにより、従来の技術よりはるかに微細なチャネル構造を作製することが可能になる。本発明によれば、ミクロ構造エンジニアリングという用語は、マイクロメータについて高度に解明された構造が形成される製造方法を意味するが、その理由は、マイクロメータは、印刷回路板技術で作製することができるからである。そのような方法には、たとえば写真平板処理ステップなど、高分解能構造ピクチャの生産が含まれる。たとえば、チャネルは、使用するマスクに応じて、ドライ・エッチング法を使用して、または湿式化学強腐食を使用して、作製することができる。機械によるマイクロ生産も可能であり（マイクロミリング、マイクロスタンピング、改質など）、それにより、印刷回路板の方法と同様の方法が好適である。
【００３６】
チャネル幅、チャネル深さ、チャネル間隔（バー幅）、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さが、所与の範囲内において選択されるという点で、ミクロ構造の本発明の設計を使用して、圧力損失を効果的に低減し、冷却される物品と所与の冷却能力（熱伝達能力）の冷却媒体との間において、最小可能性の温度差を達成することが可能である。最少可能性の温度差は、冷却能力が高いときでも、達成することができる。冷却器の圧力損失を最適化することにより、冷却媒体を供給するために、磨耗がより少なく、したがってより長い耐用期間を達成するポンプを使用することが可能になる。さらに、冷却媒体を循環させるために、低いポンプ能力のみが必要であり、したがって、冷却回路を動作するコストを最小限に抑えることができ、冷却システム全体（逆冷却器、流体線、ポンプ、ポンプ用電源を含む冷却器）のコストも最小限に抑えることができる。
【００３７】
これはまた、冷却器を安価に産業的に大量生産することができ、かつ冷却能力の広範な範囲を網羅することができることを意味する。
【００３８】
本発明の構成要素の寸法は、本質的に、現在の冷却システムに対する従来の産業用生産方法では獲得することができない。
【００３９】
以下の特性は、冷却器の製造に本発明のミクロ構造エンジニアリングを適用することにより獲得される。
１．全面的な完全金属結合を使用して熱伝達を最適化するための、環境に対してであるが、ミクロチャネル間においてでもある、構成要素の非常に高い、信頼性のある、絶対封止（最高で１０−９ｍｂａｒ・Ｌ／ｓの真空封止）
２．冷却器の優れた圧力抵抗と、金属膜とカバーおよびベース・プレートとの間の接合の強度
３．電気化学的に施された防食層を使用する、適用領域に適合された、腐食に対する非常に良好な耐性
４．高温抵抗
５．沈殿物がなく、幾何学的にうまく確定された均質チャネル
６．冷却器における冷却媒体の最小圧力損失
【００４０】
チャネル幅、チャネル深さ、チャネル間隔、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さは、特に、冷却能力と、ミクロ構造冷却器の体積との関係に関して設計することができ、たとえば、ＡＭＤ２０００＋ＣＰＵに対して最適化することができる。
【００４１】
冷却器の性能を説明する様々な特性数を確定することができる。
【００４２】
重要なファクタは、以下の通りである。
ＣＰＵの電力　［ワット］
ＣＰＵの電力／表面積：［ワット／ｃｍ２］
ポンプ送達の特性線：圧力関数としての流れ
システムの圧力損失の特性線：［ｍｂａｒ］
【００４３】
冷却器について、以下の特性パラメータを表すことができる。
冷却器の体積（接続なし）：［ｃｍ３］
冷却媒体の流量：［Ｌ／分］
ＣＰＵと冷却媒体入口との温度差ΔＴ：［Ｋ］
ΔＴ＝ＴＣＰＵ−Ｔｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　ｉｎｌｅｔ　［Ｋ］
温度差（所与のＣＰＵに対する）／電力：［Ｋ／ワット］
コンパクト性（冷却能力／体積）：［ワット／ｃｍ３］
単位体積およびΔＴあたりの冷却能力：［ワット／（ｃｍ３・Ｋ）］
単位体積、ΔＴ、および流れあたりの冷却能力：［ワット／（ｃｍ３・Ｋ／Ｌ／分）］
【００４４】
様々なパラメータは、サイズ、性能、効率、およびシステムの要件など、重要な適用関連特性を説明する。
【００４５】
特性数を決定するために、通常のコンピュータ・システムに対して計算された特性データを使用する。このシステムでは、２つの異なる冷却器を、それ以外では同一の条件（ＰＣ、ＣＰＵ、配管システム、ポンプ、ラジエータ、測定の問題など）下で測定する。
【００４６】
重要な影響ファクタは、以下の通りである。
ＣＰＵの電力：約７０ワット
ＣＰＵの電力／表面積：６０ワット／ｃｍ２
ポンプ送達の特徴線：Ｅｈｅｉｍポンプ
システムにおける圧力損失の特徴線：１０〜１００ｍｂａｒ
【００４７】
例：イノヴァクール（ｉｎｎｏｖａｃｏｏｌ）ｒｅｖ３．０と本発明の冷却器の設計Ａとの比較
イノヴァクールｒｅｖ３．０
冷却器の体積（接続なし）：
Ｗ×Ｌ×Ｈ（５×５×３．５）　８７．５ｃｍ３
冷却媒体の流量：２．７Ｌ／分
ＣＰＵと冷却媒体入口の温度差ΔＴ：１３Ｋ
ΔＴ＝ＴＣＰＵ−Ｔｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　ｉｎｌｅｔ［Ｋ］
温度差（所与のＣＰＵに対する）／電力：０．１８６Ｋ／ワット
コンパクト性（冷却能力／体積）：０．８ワット／ｃｍ３
単位体積およびΔＴあたりの冷却能力：０．０６２ワット／（ｃｍ３・Ｋ）
単位体積、ΔＴ、および流れあたりの冷却能力：０．０２３ワット／（ｃｍ３・Ｋ・Ｌ／分）
内表面積／体積：約１．１３ｃｍ２／ｃｍ３
【００４８】
設計Ａによる本発明の冷却器：
冷却器は、ベース・プレート（厚さ：１ｍｍ）、８つの構造フィルム、およびはんだ付け接続担体を有するカバー・プレート（厚さ：１ｍｍ）から構築される。
構造フィルムの幾何学的形状：
チャネル長：１６ｍｍ
チャネル幅：５００μｍ
バー幅：２００μｍ
チャネル深さ：２３０μｍ
残りのフロアの厚さ：７０μｍ
チャネルの数：３１チャネル／膜（構造幅：２１．５ｍｍ）
膜の数：８
冷却器の体積（接続なし）
Ｗ×Ｌ×Ｈ（４．９×４．９×０．５ｃｍ３）：１２ｃｍ３
冷却媒体の流量：１．２５Ｌ／分
ＣＰＵと冷却媒体入口の温度差ΔＴ：
ΔＴ＝ＴＣＰＵ−Ｔｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　ｉｎｌｅｔ［Ｋ］　１１ｋ
温度差（所与のＣＰＵに対する）／電力：０．１５７Ｋ／ワット
コンパクト性（冷却能力／体積）：５．８ワット／ｃｍ３
単位体積およびΔＴあたりの冷却能力：０．５３ワット／（ｃｍ３・Ｋ）
単位体積、ΔＴ、および流れあたりの冷却能力：０．４２ワット／（ｃｍ３・Ｋ・Ｌ／分）
内表面積／体積：４．８ｃｍ２／ｃｍ３
【００４９】
【表２】
2004128457.tif 000004
【００５０】
特性数は、本発明の冷却器が、すべての領域において有意な利点を提供することを明瞭に示す。
【００５１】
約２０％の温度差の低減により、冷却システムのエネルギーが即座に節約され、したがって動作コストが節約される。この特性は、複数のＣＰＵを有するメインフレーム・コンピュータの場合に特に適切であるが、その理由は、この場合、数ワットの熱を冷却しなければならないからである。
【００５２】
体積、ΔＴ、および流れに対する冷却能力は、市販されている最適の先行品より２０倍優れており、これらの冷却器により、著しくより高い実装密度（ＣＰＵの数／体積の単位）を獲得することができることが実証されている。また、配管コスト（配管および結合に必要な空間とそのコスト）が、著しく低減され、これにより取扱いがより良好となる（厚い管の代わりに薄い管）ことにも留意されたい。
【００５３】
これらの特徴的な数値は、サイズが、技術上の組立ての理由で、ＣＰＵ自体ではなく、チップ単体の面積に現在は適合されており、直接統合されたとき、さらに大きくなり、したがって既存の技術とはさらに異なることがあることに特に留意されたい。
【００５４】
チャネル幅、チャネル深さ、チャネル間隔、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さも、圧力損失および／または記述した温度差に関して、流れの所与の動作条件下で、特定用途向けに設計することができ、たとえばＡＭＤ２０００＋ＣＰＵに対して最適化することができる。
ａ）最高で７０ワット／ｃｍ２のＣＰＵの面積電力
ｂ）熱接触表面上の温度と１０Ｋ未満の冷却器に流れ込む冷却媒体の温度との差
ｃ）０．０１から３Ｌ／分の範囲で冷却器を通る冷却媒体の流量
ｄ）１００ｍｂａｒ未満の圧力損失
【００５５】
同一のシステム全体において、代用品として現在市販されている水冷却器は、１〜３Ｌ／分の流量および２５〜２５０ｍｂａｒの圧力損失において、多くとも１２．５と１６Ｋの範囲のΔＴ（ＣＰＵと冷却媒体の間）を達成する。同じ条件下で、本発明の冷却器は、これまで最適の性能を有していた市販の流体冷却器と同じ熱量を除去するために、ＣＰＵと冷却媒体の間で少なくとも３０％未満のΔＴを必要とする。本発明の冷却器は、利用可能または好適なポンプの圧力損失を対象とし、また十分な能力を保証しながら、レイアウトと設計を通して、そのポンプに対して調節することができる。
【００５６】
したがって、本発明のミクロ構造冷却器は、能力は著しくより高く、ΔＴはよりいっそう小さいことを実証している。この関係は、ミクロ構造冷却器の能力について、高度な適応性に対して活用される。内表面／冷却器体積の比について、市販の基準冷却器では、この比は１．１３ｃｍ２／ｃｍ３であり、本発明の基本型では、４．８ｃｍ２／ｃｍ３であり、これにより、本発明の基本型では、現在１ｍｍであるカバー・プレートの厚さと、約１７ｍｍである側壁の厚さは、当面の生産エンジニアリングの理由により、現在まだ最適化することができない。以下の値は、産業用生産条件下で予期することができるものである：
内表面／冷却器体積：約１２〜１５ｃｍ２／ｃｍ３
側壁の厚さ：２ｍｍ未満
【００５７】
動作条件の上述した値は、特に水／アルコール混合物、具体的には水／エチレン・グリコール混合物、非常に具体的には９５体積％水と５体積％エチレン・グリコールの混合物を冷却媒体として使用するとき、さらにいっそう最適化することができる。
【００５８】
以下は、チャネル幅、チャネル深さ、チャネル間隔、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さの最適なレイアウトに対して観測されるべきである。
【００５９】
従来の冷却器のレイアウトに関する以前に獲得された知識があると、高熱伝達は、冷却器に乱流が存在しない場合（高いレイノルズ数）、獲得することができないことが想定されるが、その理由は、これらの条件下では、層流比を調節することによるよりも良好な熱伝達が、冷却媒体と冷却チャネル壁との間で達成されるからである。しかし、この最適化の措置には、圧力損失の著しい増大が含まれる。
【００６０】
構成要素の体積に対する数十倍という熱伝達の非常に著しい増大は、冷却器と熱交換器を製造するためにミクロ構造エンジニアリングを使用することによって獲得することができる。この例には、カールスルーエ・センター・フォア・リサーチ（Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ）から市販されている高性能ミクロ熱交換器がある。具体的には、ミクロ構造生産のコストが高く、流れ抵抗が現在非常に大きいために、過去、ミクロ構造技術を広く適用するこが妨げられていた。
【００６１】
周知のミクロ構造熱交換器の流れ抵抗が現在非常に高い理由は、熱伝達能力が増大することにより、一般に、より大きい冷却器と、より大きいチャネルと、したがってハーゲン・ポアズイユの法則のために、流れ抵抗の増大とをもたらすためであるが、これは、ある応用例では許容することができない。
【００６２】
熱伝達能力に対し負の影響を与えずにこの問題を解決するのは、本発明のみである。チャネル幅と、チャネル深さと、チャネル間隔と、残りの膜の厚さと、ベース・プレートの厚さとを最適化することにより、冷却器の圧力損失に関してさえ、最適化することを可能にすることによって、問題を解決する。
【００６３】
また、これらの措置により、ミクロ構造冷却器が、技術的に優れているだけでなく、経済的にも競合するように、生産コストを低減し、したがってシステムのコストも低減することが可能になる。本発明のチャネル設計の基本は、層流を動作条件下でチャネルにおいて獲得するのにちょうど十分であるように、チャネルの断面積を最小にすることである。乱流は、流れの断面積、すなわち流れ抵抗が小さい場合のみ許容され、または出現する。このようにして、産物の圧力損失は、簡単な方式で容易に応用例に対して適合することができる。一般に、第１ステップは、流れチャネルの表面積／体積比を調節することによって、所与の範囲内で、幾何学的形状（チャネル幅、チャネル深さ、およびチャネル間隔）をおおよそ最適化することである。３０００ｍ２／ｍ３などミクロ構造の小さい表面積／体積比は、一般に、流れ抵抗が低いことを示すが、熱伝達がより低いことも意味する。１０，０００〜３０，０００ｍ２／ｍ３など非常に大きい値では、最適化が、好適には平均表面積／体積比において獲得されるように、流れ抵抗は、劇的に上昇する。
【００６４】
しかし、すでに判明しているように、流れ抵抗と表面積／体積比のみを最適化することは、能力の最適化には十分ではない。すでに説明したように、本発明のミクロ構造冷却器では、熱源は、構成要素の外部にあり、熱伝導金属構造を介して、および冷却媒体によって、除去される。この結果、流れ条件の最適化の他に、冷却器の物理的な構造を最適化しなければならない。
【００６５】
したがって、本発明の目的は、最適流れ条件の役割を担う「流体力学ファクタ」と、冷却器の設計によって確立される「構造ファクタ」との両方によって達成される。
【００６６】
以下は、本発明の設計パラメータと、冷却能力に対するその影響を示す：
【００６７】
上述した最適化基準、圧力損失、および温度差について、チャネル幅とチャネル間隔（バー幅）の比を最適化することが特に有益であることが判明している。比が過度に大きいと、熱伝達能力が落ちることになる。したがって、この比（幅／間隔）は、好適には１．５〜２．５：１の範囲にあるべきである。チャネル幅と残りの膜の厚さ比が過度に大きい場合も、同様の影響を有する。チャネル幅／残りの膜の厚さの比は２：１から５：１であるべきである。
【００６８】
残りの膜の厚さを最小限に抑えることにより、個々の層間の熱伝達がさらに改善される。以下は、ベース・プレートの厚さに適用される：冷却すべき物品の温度は、一般に、表面上で一定でないので、冷却器において一様な温度分布を達成するために、ベース・プレートを厚く設計することが最初に明らかなことがある。一方、ベース・プレートの熱伝達は、使用した金属の熱抵抗のために、厚さが増大すると低減される。
【００６９】
したがって、本発明のベース・プレートの厚さには、熱伝達の上限があり、厚さは、（所望の）温度差またはレイアウトに応じて、より厚くまたはより薄くすることができる。現在市販されているすべての水冷却器において、熱は、最高に厚いベース・プレート（たとえば５ｍｍ）を使用し、したがって記載した最適化を考慮せずに、熱源から迅速に除去される。本発明の冷却器は、対応する能力の範囲に対し、最小限必要な残りのフロアの厚さを有し、それにより、冷却媒体を有するミクロ構造を可能な限り熱源に接近させる。したがって、局所的な熱除去の最適化が保証され、同時に、材料の節約と質量の低減のために、コストが著しく低減される。
【００７０】
したがって、チャネルの幾何学的形状（チャネルの幅、深さ、および長さ）のパラメータは、圧力損失、すなわち「流体力学的ファクタ」に影響を与え、一方チャネル間隔、残りの膜の厚さ、およびベース・プレートの厚さのパラメータは、３次元構造の熱伝達、すなわち「構造ファクタ」に影響を与える。後者は、以下で提示する設計例に関して示すように、チャネルの物理的構成と流れの方向、すなわち設計にも高度に依存する。驚くべきことに、例２の流れ方向は、非常に重要な役割を担うことが確立されている。設計原理は、流体がギャップを通って導入されない場合、利点を完全には利用することができない。入口領域の適切な設計を使用して、中央流入物は、渦／乱流を生成し、これにより、流れが最終的に完全に発展する前に、熱源のすぐ上における熱伝達が増大する。この結果生じる圧力損失と、両側面からチャネル内への分配および流入中に起きる圧力損失とは、チャネルを短縮することによって、および設計Ａと比較してチャネルの数を２倍にすることによって、補償される。ハーゲン・ポアズイユの法則によれば、速度は、圧力損失（Δｐ）に比例し、チャネルの数を２倍にすることによって、流れ速度を２分の１にすることができ、Δｐは、このことと、チャネル長を２分の１にすることとによって、最大で７５％低減することができる。チャネルは、いわゆる「臨界長」を有し、この臨界長と共に、層流は完全に発展する。当初、速度分布は、ほぼ矩形のプロファイルによって記述することができる。この場合、圧力損失は、ハーゲン・ポアズイユの法則に従ってより大きいが、熱伝達もより大きい。したがって、圧力損失は、制御して依然として最小限に抑えられるが、熱伝達はさらに増大するように、遷移点を「入口効果」で最適化しなければならない。
【００７１】
しかし、基本的には、チャネル長は、各設計に対して、可能な限り短くあるべきである。
【００７２】
最小として「臨界Δｐ」から始まって、構成要素の冷却能力は、急速に減少する。この最小値は、記載した設計の変形形態を使用して、さらにより低く意図的に下げることができる。
【００７３】
さらに、冷却器の内部におけるチャネルによって記述した熱交換表面は、ベース・プレート上の熱接触表面より大きいことが有利であることが判明している。たとえば、冷却器の流れチャネルは、金属膜にある程度の密なパターンを形成して、それにより、冷却器に流れ込む熱が冷却媒体によって吸収される熱交換表面を画定することができる。この熱交換表面は、ベース・プレート上の表面より大きくあるべきであり、冷却される物品は、この熱交換表面を介して冷却器と直接熱接触する。この追加の最適化措置が達成することは、冷却すべき物品からの熱が、熱接触表面を介して、可能な限り直接的におよび完全に、たとえば冷却器の側壁の中ではなく、冷却器の中へ入る流れチャネルに伝達されることである。
【００７４】
他の影響を及ぼす変数は、チャネルのアスペクト比、すなわちチャネル深さとチャネル幅の比である。同じチャネル断面積である場合、深いチャネル（アスペクト比が大）は、明らかに、冷却器の熱伝達に対して正の効果を有する。本発明の方法のアスペクト比は、使用されるエッチング・プロセスの限度に依存する；最大達成可能な数値は、現在１：２から１：３である。
【００７５】
記載した設計の最適化を使用して、冷却すべき物品から冷却器へおよび冷却媒体内へ、熱を効果的に伝達することができる。これにより、圧力損失は、前述した流体力学的ファクタの本発明の調節で、適切な範囲に調節される。所望であれば、約２００ワット／ｃｍ２の通常の熱伝達能力で、１００ｍｂａｒ以下の圧力損失を達成することができる。冷却器の通常の特徴的なパラメータは、以下の通りである：
【００７６】
流量：０．０１〜３Ｌ／分、および絶対能力：０．０２ｋワット〜２ｋワット。電力密度は、少なくとも２０ワット／ｃｍ２の範囲にあるべきである。ＣＰＵ／流体温度差は、１０℃未満である。
【００７７】
構造ファクタに影響を与え、かつ最適化に使用すべきである追加の設計パラメータは以下の通りである：チャネルの全体数、金属膜（チャネル面）の数、膜上の表面積、チャネルの表面積（熱交換表面積）、チャネル長、金属膜を備える材料のタイプ、ベース・プレート、冷却器閉鎖用カバー・プレート、金属膜を互いに接合し、かつベース・プレートに接合する材料ばめ用接合材料、および冷却すべき物品と冷却器の熱接触を創出するために使用される材料の選択。
【００７８】
本発明の冷却器には、フローチャネルを有する少なくとも２つの金属膜が含まれる。チャネルは、チャネル面の中へ構成されることが好適である。２つの金属膜の代わりに、単一の金属膜と、追加で、流れチャネルを受けるための凹みが設けられた１つのベース・プレートとを使用することも可能である。この場合、２つの金属膜の一方は、チャネルを有するとき、ベース・プレートと呼ばれる。
【００７９】
ミクロ構造冷却器は、２〜１０のチャネルの面を有することが好適である。以上に関して、これは、１〜９の金属膜と、チャネルを備えた追加の１つのベース・プレート、または２〜１０の金属膜と、チャネルのない追加の１つのベース・プレートが提供されることを意味する。チャネルを含むベース・プレートについては、残りの膜の厚さが５０〜３００μｍの範囲にあるという条件は適用されない。冷却すべき物品から冷却媒体への熱伝達能力は、チャネル面の数と共に増大する。しかし、熱伝達能力は、同じ幾何学的形状を有する層が９つ以上存在するとき、さらに増大させることができない、またはさらに有意に増大させることは少なくともできないことが実証されている。単に層の数を変化させることにより、構成要素の熱伝達能力の様々な範囲を調節することが可能であり、製造コストに意図的に影響を与えることも可能である。各チャネル面は、コストを増大させるので、産物は、適用価格／能力比を考慮して設計されなければならない。本発明の製造プロセスを使用するとき、価格は、特定用途向けの設計が表面積または体積を低減するとき、冷却器の能力は十分な状態で、非常に大きく低減することができる。
【００８０】
金属膜と、冷却すべき物品の熱接触表面に対してスタックを閉鎖するベース・プレートの他に、本発明のミクロ構造冷却器は、カバー・プレートも有する。カバー・プレート自体は、チャネルを備えた金属膜とすることができる。しかし、カバー・プレートは、非構造化カバー・プレートとすることもできる。ミクロ構造冷却器を製造するために、構造膜は、カバー・プレートとベース・プレートを備え、コンパクトな構成要素を形成するように接合される。入口領域と出口領域を接続する複数の開口を、カバー・プレートの中へ、エッチング、パンチング、またはレーザ処理することができることが好適である。カバー・プレートは、金属、プラスチック、プラスチック／射出成型で作製されることが好適である。
【００８１】
冷却媒体を冷却器の中に導入し、冷却器から冷却媒体を除去するために、注入コネクタ、統合コネクタ、または接合コネクタなど、管を接続する装置が提供される。この管またはパイプ接続要素は、直接統合することができ、またはねじ込み、接合（はんだ付け／ろう付け）、圧締め、および／または接着によって様々に取付け可能である。これらのコネクタには、ポンプおよび／または外部逆冷却器への流体線が接続される。
【００８２】
さらに、金属膜のチャネルは、一般に、互いに平行に延びる。しかし、これは、常に直線で延びなければならないことを意味するわけではない。必ずしも互いに平行に延びない平行な「蛇行線」、曲線、または「星型」のチャネルなども有利であることがある。これにより、チャネルを互いに非常に接近させて構成することが可能になり、その結果、冷却材料（金属膜）と冷却媒体の間で非常に有効な熱伝達が達成される。また、個々の層が開口を備える、チャネルのあらゆる所望の３次元構造が考えられる。
【００８３】
さらに、ミクロ構造冷却器は、冷却媒体用の少なくとも１つの入口分配空間と、少なくとも１つの出口分配空間とを有することができる。
【００８４】
設計Ａ：分配空間は、それらが、互いに対向する側面に配置され、冷却器の側面の幅全体をほぼ横断して延びるように、構成することができる。
【００８５】
第１のチャネル設計では、チャネルは、入口側面上で入口分配空間に接続され、出口側面上で出口分配空間に接続される。したがって、このように構造化された冷却器では、冷却媒体は、第１コネクタを介して冷却器に流れ込み、次いで入口分配空間の中へ進む。この設計の入口分配空間は、一側面上のすべての流れチャネルの中に分割されるので、冷却媒体は、そこから流れチャネルに流れ込むことができる。冷却媒体は、チャネルを通って進んだ後、出口分配空間に到達する。そこから、冷却媒体は、外部冷却線に流れ込む。
【００８６】
第２の変形形態である設計Ｂでは、金属膜は、少なくとも１つの入口側分配室によって、ほぼ熱接触表面の高さにおいて中断される。たとえば、この分配室は、ギャップとして金属膜を分離することができ、それにより、金属膜は、その面に対して垂直に分離されることが好適である。ギャップ幅は、たとえば、５０から２，０００μｍの範囲とすることができる。ギャップの形状の分配室は、金属膜に対して垂直な断面全体にほぼわたって、冷却器を通過することができる。熱接触表面が、ベース・プレート上のほぼ中央に構成された場合、分配室も、金属膜をほぼ中央で分離する。この構成により達成されることは、上から分配室に流れ込む冷却媒体（ベース・プレートが下にあるとき）も、熱接触表面が位置するほぼ中央領域においてベース・プレートと接触することである。これにより、この領域に流れが生成され、熱伝達が増大される。
【００８７】
チャネルは、金属膜の面において延びることが好適であるので、すべてのチャネルは、その一端において分配室に接続される。好適な一実施形態では、本質的に互いに平行に延びる２つのグループのチャネルが提供される。さらに、冷却器の内部に少なくとも１つの収集室が提供され、すべてのチャネルが、他端において収集室に接続される。たとえば第１設計Ａの場合のように、２つの収集室を提供して、互いに対向する側面上に配置し、冷却器の各側面の幅全体を本質的に横断して延びるようにすることができる。収集室は、冷却媒体が、分配室から切込み流れチャネルの中に進み、そこから、互いに接合された収集室の中に進むことができるように、互いに接続されることが好適である。
【００８８】
第２設計Ｂの場合、同様に、収集室に接続された少なくとも１つの第１コネクタと、ならびに分配室に接続された少なくとも１つの第２コネクタとが提供される。したがって、冷却媒体は、外部冷却線から出て、第１コネクタを介して分配室の中に伝達することができ、さらにそこから流れチャネルの中へ進む。次いで、冷却媒体は、収集室の中へ向けられ、そこから第２コネクタを介して出て、再び外部冷却線の中に向かう。
【００８９】
ミクロ構造冷却器を製造するために、印刷回路板作製方法と同様の方法を使用することができる。これらの方法は、フォトリソグラフィ、構造化（好適にはエッチング）、めっき、および好適にははんだ付け（ＤＥ１９７０８４７２Ａ１）である接合の個々の処理ステップを備える。類似性は、ミクロ構造膜をスタックおよび接合することによって、複雑な３次元構造が作製されることである。構成要素の設計、構造、および接合（はんだ付け）システムは、大量生産能力の点について、この方法に対して最適化され、したがって、ミクロ構造冷却器を大量に高い費用効果で製造することが可能になり、これにより、全体的に修正する必要のない、または些少な修正のみを必要とする既存のシステムを使用することができる。記載した製造方法の利点は、既存のミクロ構造プロセスの使用、産業用大量生産に対する適応性、および非常に低いコストである。これにより、すでにそれ自体は大量生産用に証明されている技術を、本発明の冷却器の新しい応用に使用することができ、さらに処理ステップを簡単に組み合わせかつ統合することができるという、優れた利点が提供される。これにより、たとえば追加の保持クリップを必要とせずに、最小限の力で組み立てることを補償するために、冷却器は、好適にははんだ付けまたは接着によって、ＣＰＵの上に直接取り付けることができる。
【００９０】
構成要素を接合するために、はんだ付けシステムの層の厚さと処理パラメータとは、互いに関して慎重に調節して、やはり積層プレスにおいてはんだ付けを可能にするようにしなければならない。可能な接合方法については、ＤＥ１９７０８４７２Ａ１を参照されたい。
【００９１】
本発明の以下の説明のために、図を参照されたい。
【００９２】
同一の参照符号は、すべての図において同じ意味を有する。添付の手がかりも参照されたい。
【００９３】
図１は、金属膜１に関する個々の最適化パラメータを示す。これらのパラメータにより、冷却器の圧力損失が最小限に抑えられ、熱接触表面と、冷却器に流れ込む冷却媒体との温度差が最小限に抑えられ、または冷却能力が最大になる。チャネルは、金属膜１の凹み２として示されており、まだはんだ付けされていない。
【００９４】
チャネル幅ｂ、チャネル深さｔ、チャネル間隔（バー幅）ｓ、および残りの膜の厚さｒが示されている。また、金属膜１上の領域の幅ｆも示されている。図２は、追加の最適化パラメータｇ（ベース・プレートの厚さ）を示す。
【００９５】
図２は、ＣＰＵプロセッサ４が熱接触している冷却器３を示す。この場合の冷却器３は、４つの金属膜１を備え、金属膜のそれぞれは、４つの冷却チャネル２と、チャネル間に位置するバー９とを有する。各金属膜１のチャネル２は、隣接する金属膜１によって閉鎖される。最下金属膜１の冷却チャネル２は、ベース・プレート５によって、ＣＰＵプロセッサ４に対して閉鎖される。ｊベース・プレート５はまた、熱接触表面６を介して、ＣＰＵプロセッサ４が出す熱を吸収する。このために、ＣＰＵプロセッサ４は、良好な熱伝導率を有する接合手段を７介して（熱伝達化合物、はんだ、伝導接着など）、熱接触表面６の領域にあるベース・プレート５に結合される。ＣＰＵプロセッサ４は、ＣＰＵ担持プレート８の上に取り付けられる。金属膜１とベース・プレート５のスタックは、上端に位置するカバー・プレート９によって閉鎖される。ベース・プレートの厚さｇも示されている。
【００９６】
ミクロ構造冷却器におけるチャネリングの異なる設計を以下に示す：
【００９７】
設計Ａ：
図３は、金属膜１の高さにおいてミクロ構造冷却器を通る断面を示す。金属膜１の個々のチャネル２が示されている。チャネル２は、互いに平行に構成される。平行構成は、幅ｆとチャネル長とによって決定され、かつ電子要素の熱接触表面より大きい熱交換表面を記述する。これは、チャネル２に対して十分に長い長さを選択することによって獲得される。チャネル２は、入口分配空間１０と、出口分配空間１１とに対して開いている。一方チャネル２は、１つの金属膜１の面にのみ配置されるが、入口分配空間１０と出口分配空間１１は、冷却器における全金属膜１のチャネル２が、２つの分配空間１０および１１に接続されるように、冷却器の内部の高さ全体にわたって延びる。
【００９８】
複数のそのような金属膜１は、構造膜１のバー９と膜１の縁１２との両方を介して、互いにはんだ付けされる。さらに、これらの膜１の１つは、バー９と縁１２を介してベース・プレートにはんだ付けされる。チャネル２の長さは、冷却するＣＰＵプロセッサの表面積が１０ｍｍ×１０ｍｍであるとき、たとえば約２０ｍｍである。したがって、チャネル２が、各側面上にあるＣＰＵプロセッサの熱接触表面の上に５ｍｍ張出していることにより、チャネル長は２０ｍｍになり、チャネル２によって覆われている熱交換表面の幅ｆも、２０ｍｍである。
【００９９】
図５ａは、ミクロ構造冷却器３の断面を示し、この場合、冷却器３の内外に伝達される冷却媒体のコネクタが示されている。入口スリーブ１５と出口スリーブ１６が存在する。迅速で費用高価の高い組立てのために、迅速プラグイン・コネクタ１７がスリーブ１５および１６の中に押し込まれる、またはねじ込まれる。これにより、たとえば４または８ｍｍの直径を有する管を取り付けることが可能になる。
【０１００】
図５ｂは、他のミクロ構造冷却器３の断面を示す。この場合、接続スリーブ１５と、スリーブに押し込まれた迅速プラグイン・コネクタ１７とは、カバー・プレート９の領域に位置する。迅速プラグイン・コネクタ１７が押し込まれている他の接続スリーブ１６は、チャネル領域に突出しているカバー・プレート９の側面に位置する。
【０１０１】
この場合、分配空間１０、１１を含まない冷却チャネル２を有する金属膜１が使用される。対照的に、金属膜１は、互いに平行に配置された冷却媒体チャネル２を排他的に有する。チャネル２を有する複数の金属膜１を冷却ブロックに接合することによって、冷却チャネルは、冷却ブロックの端部において開いている。この冷却ブロックは、ベース・プレート５およびカバー・プレート９で組み立てられ、それにより、冷却ブロックの端部に隣接し、かつチャネル２が中に開いている中空空間が形成される。これらの中空空間は、入口分配空間１０と出口分配空間１１を形成する。迅速プラグイン・コネクタを有する接続スリーブ１５、１６は、分配空間１０、１１の中に直接開いている。カバー・プレート９は、プラスチックで作製された成型部品として、高い費用効果で製造することができる。冷却ブロックは、ＣＰＵ４のサイズまで大きく低減されるので、冷却器３の製造コストを著しく下げることができる。
【０１０２】
図５ｃは、他の冷却器の変形形態を示す。この場合、図５ａに示した変形形態とは対照的に、入口スリーブ１５用と出口スリーブ１６用の迅速プラグイン・コネクタ１７は、ねじ込みコネクタとして実現される。その他の点については、変形形態は、図５ａの実施形態に相当する。
【０１０３】
図５ｄは、他の冷却器の変形形態を示す。この場合、図５ｃに示した実施形態とは対照的に、入口スリーブ１５用と出口スリーブ１６用の迅速プラグイン・コネクタ１７は、傾斜した形状で実現される。これにより、側面から管コネクタを交互に組み立てることが可能になり、その結果構成要素の高さをより低くすることができる。追加の利点は、より厳しい空間制約下においても、力を必要とせずに管を接続することができ、管がより容易に取り付けられることである。その他の点については、この変形形態は、図５ｃの実施形態に相当する。
【０１０４】
本発明の冷却器３の他の実施形態では、図５ｅによれば、カバー・プレート９は、たとえばプラスチックで作製された、カバーの形態で実現される。このカバー９は、射出成型によって製造することができることが好適である。カバーには、金属膜１の冷却チャネル２によって形成された冷却ブロックの領域が含まれる。また、カバー９の中には、入口スリーブ１５および出口スリーブ１６が一体化されており、これらのスリーブは、押し込むことができる迅速プラグイン・コネクタ１７を受ける。
【０１０５】
冷却チャネル２を備えた金属膜１を備える冷却ブロックは、ＣＰＵ４とほぼ同じサイズを有する。金属膜１の冷却チャネル２は、入口分配空間１０と出口分配空間１１の中に開いている。分配空間１０、１１は、それぞれ、入口スリーブ１５および出口スリーブ１６に直接接続される。
【０１０６】
冷却ブロックの最下金属膜１は、ベース・プレートでもある。この場合、ベース・プレートの厚さｇは、本発明の条件を満たす。すなわち、ベース・プレートの厚さｇは、２００〜２，０００μｍの範囲にある。対照的に、冷却チャネル２も配置されるこの最下金属膜１の残りの膜の厚さｒは、必ずしも本発明の範囲である５０から３００μｍの範囲内に設定される必要はない。しかし、他の金属膜の残りの膜の厚さｒは、本発明の範囲である５０から３００μｍの範囲内にある。
【０１０７】
ＣＰＵ４自体は、担持プレート８の上に取り付けられ、熱接触表面６を介して冷却器３と接触する。ＣＰＵ４は、担持プレート８の上に配置されて、たとえば保護エナメルである電気絶縁層１８の凹みの中へ据え付けられ、凹みによって囲まれ、それにより、冷却器３は、ＣＰＵ４を外部に対して密封式に封止する。
【０１０８】
設計Ｂ：
冷却媒体ポンプと流体管とを含めて、冷却器と冷却システム全体を最適化し、かつより小さくすることに関して、ミクロ構造チャネル２内の圧力損失を最小限に抑え、したがって、冷却媒体の必要な流量を最小限に抑えるために、金属膜１は、少なくとも１つの分配室２０によって、熱接触表面のほぼ高さにおいて中断される（「分割チャネル設計」）。図４では、この分配室２０は、チャネル２とバー９の中に切り込んでいるギャップとして、１つのミクロ構造冷却器平面において示されている。チャネル２は、図４に示した金属膜１から部分的にのみ取り出されているが、ギャップ２０は、金属膜１を完全に通過して延びるスリットである。複数のそのような金属膜１を重ね合わせることにより、金属膜平面内において延びる冷却媒体を受けるチャネル２が形成される。一方、ギャップによって形成された分配室２０は、冷却器の内部全体にわたって延びる。
【０１０９】
図４は、チャネル２が、収集室２１の中へ開いていることをさらに示す。収集室２１には、３つの側面上のチャネル表面が含まれ、それにより、図では、冷却媒体は、分配室２０から上方チャネル２と下方チャネル２に入ることができる。チャネル２を出る冷却媒体は、再びＵ型収集室２１の中に進む。冷却媒体を伝達するこの方式により、優れた冷却能力が可能になる。著しくより悪い冷却能力は、冷却媒体が反対に伝達されるとき、すなわち、冷却媒体が、収集室２１からチャネル２の中へ伝達され、そこから分配室２０の中へ進むときに生じる。
【０１１０】
分配室２０とまったく同様に、収集室２１は、連続的な凹みとして金属膜１に形成され、それにより、複数のそのような膜１が交互に配置された後、この室２１は、冷却器の内部の高さ全体にわたって延びる。分配室２０の場合と全く同様に、これにより達成されることは、冷却媒体が、すべてのチャネル２にわたって均質に分布することである。
【０１１１】
冷却器の外部へ冷却媒体を伝達するために、２つのコネクタを提供することができ、このコネクタを介して、冷却媒体は、分配室２０から除去される。冷却媒体は、チャネル２を通過した後、収集室２１の２つのレッグの中に進み、そこから冷却器の外部に伝達される。
【０１１２】
図６は、冷却媒体接続を有するミクロ構造冷却器３の概略的な断面である。この場合も、参照符号は、上記と同じ意味を有する。
【０１１３】
図５ｂと同様に、この場合、内部に構成された金属膜１と冷却チャネル２とで作製された冷却ブロックを有する冷却器３の構造が示されている。冷却ブロック自体は、ＣＰＵ４の熱接触表面とほぼ同じサイズである。収集室２１を形成する２つの室は、カバー・プレート９から得られ、このカバー・プレートは、冷却ブロックのチャネル領域の上に突出し、かつプラスチックで作製された射出形成部品として製造することができることが好適である。これらの室２１は、互いに接続される。さらに、金属膜は、図４の構成に対応して中央で中断され、それにより、冷却チャネル２の中へ切り込む分配室２０を形成する。
【０１１４】
迅速プラグイン・コネクタ１７を受ける２つの接続スリーブ１５および１６は、カバー・プレート９にある。接続スリーブ１５にある迅速プラグイン・コネクタ１７は、冷却媒体を冷却器３の中に導入し、迅速プラグイン・コネクタ１６は、冷却器３から冷却媒体を除去する。管を迅速プラグイン・コネクタ１７に接続することができる。接続スリーブ１５は、分配チャネル２２の中へ開いており、分配チャネル２２自体は、分配室２０の中へ開いている。
【０１１５】
添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱せずに、上記の実施例と図面とによって説明したものに、技術的な手段による様々な修正と代用を応用することが可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】構造金属膜の断面図である。
【図２】電子要素と熱接触したミクロ構造冷却器の断面図である。
【図３】第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器平面の概略図である。
【図４】第２設計Ｂにおけるミクロ構造冷却器平面の概略図である。
【図５ａ】冷却媒体コネクタが押し込まれている第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【図５ｂ】冷却媒体コネクタが押し込まれ、ずれた分配空間を有する第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【図５ｃ】ねじ込まれた冷却媒体コネクタを有する第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【図５ｄ】ねじ込まれた傾斜冷却媒体コネクタを有する第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【図５ｅ】ずれた分配空間と、カバーの形状の成型カバー・プレートと、ねじ込まれた冷却媒体コネクタと、冷却チャネルを有するベース・プレートとを備える第１設計Ａにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【図６】冷却媒体コネクタを有する第２設計Ｂにおけるミクロ構造冷却器の概略図である。
【符号の説明】
１　金属膜
２　チャネル
３　ミクロ構造冷却器
４　ＣＰＵプロセッサ
５　ベース・プレート
６　熱接触表面
７　熱伝導接着
８　ＣＰＵ担持プレート
９　カバー・プレート
１０　入口分配空間
１１　出口分配空間
１２　金属膜１の縁
１５　入口スリーブ
１６　出口スリーブ
１７　迅速プラグイン・コネクタ
２０　分配チャネル
２１　収集室
２２　分配室
ｂ　チャネル幅
ｔ　チャネル深さ
ｓ　チャネル間隔
ｒ　残りの膜の厚さ
ｆ　金属膜１上の構造領域の幅
ｇ　ベース・プレートの厚さ
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図６】
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