(57)【要約】熱交換器及びその製造方法は、熱源を冷却する接触層（１０２）を備える。接触層は、熱源に連結され、流体が流されるように構成される。更に、熱交換器は、接触層に連結されるマニホルド層（１０６）を備える。マニホルド層は個別化された孔の第１の組に連結され、第１の組を介して、流体を流通させる少なくとも１つの第１のポートを備える。更に、マニホルド層は、個別化された孔の第２の組（１１８Ｅ）に連結され、第２の組を介して流体を流通させる少なくとも１つの第２のポートを備える。第１の組の孔及び第２の組の孔は、熱源を適切に冷却するために、第１及び第２のポートの間で最短の流路距離を実現するように配置される。好ましくは、第１の組の各孔は、第２の組の各孔に対して、最も近い最適の距離に配置される。
2006506603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．熱源に接触し、流体が流されて該熱源を冷却する接触層と、
ｂ．上記接触層に連結され、該接触層に流体を流す個別化された流路の第１の組を有するマニホルド層とを備え、
上記マニホルド層は、
上記第１の組の個々の流路は、熱交換器内の圧力降下を最小化するよう配置されている熱交換器。
【請求項２】
上記マニホルド層は、上記接触層から流体を受け取る個別化された流路の第２の組を備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記マニホルド層は、上記個別化された流路の第１の組に流体を供給する第１のポートと、上記個別化された流路の第２の組から流体を取り除く第２のポートと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】
上記流路の第１の組は、上記熱源の所定の領域を所望の温度に冷却するために、接触層に沿って、最短の流路距離を提供するよう構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５】
上記流路の第１の組及び第２の組は、上記熱源の所定の領域を所望の温度に冷却するために、第１及び第２のポートの間で最短の流路距離を提供するよう構成されていることを特徴とする請求項３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１記載の熱交換器。
【請求項８】
上記流体の少なくとも一部は、上記接触層において、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１記載の熱交換器。
【請求項９】
上記マニホルド層は、上記第１及び第２の流路を内部に有する循環レベルを備え、該循環レベルは、接触層に連結され、該流路の第１及び第２の組を介して、上記接触層に及び上記接触層から流体を独立して流すように構成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項１０】
上記第１の組内の各流路には、筒状の突起が接続され、該各筒状の突起は、上記循環レベルから、所定の高さに延びることを特徴とする請求項９記載の熱交換器。
【請求項１１】
上記マニホルド層は、
ａ．上記第１のポート及び上記流路の第１の組の間で流体を流すよう構成された第１のレベルと、
ｂ．上記第１のレベルに連結され、上記第２のポート及び上記流路の第２の組の間で流体を流すよう構成された第２のレベルとを備え、
上記マニホルド層において、上記第１のレベルを介して流される流体は、上記第２のレベルを介して流される流体から分離されていることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
【請求項１２】
上記第１のレベルは、上記第１のポート及び上記流路の第１の組に接続された第１のコリダを備え、該第１のコリダ内の流体は、上記流路の第１の組に直接流れることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１３】
上記第２のレベルは、上記第２のポート及び上記流路の第２の組に接続された第２のコリダを備え、上記流路の第２の組内の流体は、該第２のコリダに直接流れることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１４】
上記流路の第１の組は、上記流路の第２の組から熱的に絶縁され、該流路の第１の組及び該流路の第２の組間での熱輸送が行われないことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項１５】
上記流路の第１の組及び流路の第２の組は、少なくとも１つの寸法に沿って、均等に配設されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項１６】
上記流路の第１の組及び流路の第２の組は、少なくとも１つの寸法に沿って、非均等に配設されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項１７】
上記第１の組の各流路は、互いに最適な最短距離に配設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１８】
上記流路の第１の組及び第２の組は、上記熱源における少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するように配設されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項１９】
上記第１の流路の少なくとも１つのは、複数の第１の孔を介して流れ、該複数の第１の孔の少なくとも１つのは、実質的に上記流路の第２の組の少なくとも１つの孔の第２の寸法に実質的に等しい第１の寸法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２０】
上記第１の流路の少なくとも１つのは、複数の第１の孔を介して流れ、該複数の第１の孔の少なくとも１つのは、実質的に上記流路の第２の組の少なくとも１つの孔の第２の寸法とは異なる第１の寸法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２１】
上記接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する材料から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２２】
上記接触層は、該接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項２３】
上記複数のピラーの少なくとも１つのは、所定の方向に沿って、少なくとも１つの変化する寸法を有することを特徴とする請求項２２記載の熱交換器。
【請求項２４】
上記接触層に沿って、所定の領域に適切な数の上記ピラーが配設されていることを特徴とする請求項２２記載の熱交換器。
【請求項２５】
上記接触層の少なくとも一部は、粗面化された表面を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項２６】
上記接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項２２記載の熱交換器。
【請求項２７】
上記接触層に沿って配設された、微孔構造を更に備える請求項１記載の熱交換器。
【請求項２８】
上記微孔構造は、所定の方向に沿って様々な寸法を有する少なくとも１つの孔を備えることを特徴とする請求項２７記載の熱交換器。
【請求項２９】
上記接触層に沿って、所定の構成に配設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３０】
上記接触層は、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３１】
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３２】
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３３】
熱源を冷却するように構成された熱交換器において、
ａ．熱源に接触し、流体が流されるよう構成された接触層と、
ｂ．上記接触層に連結されたマニホルド層とを備え、
上記マニホルド層は、
１．上記接触層に流体を流すよう構成され、互いの間で最適な流体移動距離を実現するように配置された複数の実質的に垂直なインレット流路を有する第１のレベルと、
２．上記接触層から流体を取り除く少なくとも１つのアウトレット流路を有する第２のレベルとを有する熱交換器。
【請求項３４】
上記第１のレベルは、上記インレット流路に流体を流すように構成された少なくとも１つの第１のポートを備えることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項３５】
上記第２のレベルは、上記少なくとも１つのアウトレット流路からの流体を流すように構成された少なくとも１つの第２のポートを備え、該第２のレベルの流体は、上記第１のレベルを流体とは分離されて流れることを特徴とする請求項３４記載の熱交換器。
【請求項３６】
上記第２のレベルは、上記接触層から流体を取り除く複数の実質的に垂直なアウトレット流路を有し、上記複数のインレット及びアウトレット流路は、互いの間で最適な流体移動距離を実現するように配置されていることを特徴とする請求項３５記載の熱交換器。
【請求項３７】
上記マニホルド層は、上記接触層に連結され、内部に垂直に延び、上記インレット流路に沿って接触層に流体を流す複数の第１のアパーチャと、内部に垂直に延び、上記アウトレット流路に沿って上記接触層から流体を受け取る複数の第２のアパーチャとを有する循環レベルを備えることを特徴とする請求項３６記載の熱交換器。
【請求項３８】
上記第１のレベルは、上記第１のポートから上記第１のアパーチャに水平に流体を流すインレット流体コリダを備えることを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項３９】
上記第２のレベルは、上記第２のアパーチャから上記第２のポートに水平に流体を流すアウトレット流体コリダを備えることを特徴とする請求項３８記載の熱交換器。
【請求項４０】
上記第１及び第２のアパーチャは、少なくとも１つの寸法に沿って、均等に配設されていることを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項４１】
上記第１及び第２のアパーチャは、少なくとも１つの寸法に沿って、非均等に配設されていることを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項４２】
上記インレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路は、上記マニホルド層において、互いに密閉されていることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項４３】
上記接触層は、熱源に連結されていることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項４４】
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３３記載の熱交換器。
【請求項４５】
上記熱源は、集積回路であることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項４６】
上記第１及び第２のアパーチャは、上記熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するよう構成されていることを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項４７】
上記第１のアパーチャの少なくとも１つのは、上記複数の第２のアパーチャの少なくとも１つのアウトレット寸法に実質的に等しいインレット寸法を有することを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項４８】
上記第１のアパーチャの少なくとも１つのは、上記複数の第２のアパーチャの少なくとも１つのアウトレット寸法とは異なるインレット寸法を有することを特徴とする請求項３７記載の熱交換器。
【請求項４９】
上記接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する材料から形成されていることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項５０】
上記接触層は、該接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備えることを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項５１】
上記複数のピラーの少なくとも１つのは、所定の方向に沿って、少なくとも１つの変化する寸法を有することを特徴とする請求項５０記載の熱交換器。
【請求項５２】
上記接触層に沿って、所定の領域に適切な数の上記ピラーが配設されていることを特徴とする請求項５０記載の熱交換器。
【請求項５３】
上記接触層の少なくとも一部は、粗面化された表面を有することを特徴とする請求項３３記載の熱交換器。
【請求項５４】
上記接触層は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えることを特徴とする請求項５０記載の熱交換器。
【請求項５５】
上記接触層に沿って配設された、微孔構造を更に備える請求項３３記載の熱交換器。
【請求項５６】
上記微孔構造は、所定の方向に沿って様々な寸法を有する少なくとも１つの孔を備えることを特徴とする請求項５５記載の熱交換器。
【請求項５７】
上記微孔構造の平均孔寸法は、３０ミクロン以上３００ミクロン以下の範囲内であることを特徴とする請求項５５記載の熱交換器。
【請求項５８】
上記微孔構造の少なくとも１つの領域は、０．３以上０．８以下の多孔度を有することを特徴とする請求項５５記載の熱交換器。
【請求項５９】
上記接触層は、適切なパターンで配設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３３記載の熱交換器。
【請求項６０】
上記循環レベルから適切な高さに延び、上記第１のアパーチャに接続された複数の筒状の突起を更に備える請求項３７記載の熱交換器。
【請求項６１】
接触層と連結されてマイクロチャネル熱交換器を形成するマニホルド層において、
ａ．第１の温度の流体を提供するインレットポートと、
ｂ．インレット流路上記インレットポートに接続され、上記第１の温度の流体を接触層に流すインレット流路と、
ｃ．当該マニホルド層内で、上記第１の流路から独立して設けられ、上記接触層から第２の温度の流体を取り除くアウトレット流路と、
ｄ．上記アウトレット流路に接続され、上記第２の温度の流体を当該マニホルド層から排出するアウトレットポートとを備えるマニホルド層。
【請求項６２】
ａ．上記アウトレットポート及びアウトレット流路に接続された流体流出コリダを有する第１の層と、
ｂ．上記第１の層に連結され、上記インレットポート及びインレット流路に接続された流体流入コリダを有する第２の層とを更に備える請求項６１記載のマニホルド層。
【請求項６３】
上記第１の温度の流体を流す実質的に垂直な一連のインレット流路と、上記第２の温度の流体を流す実質的に垂直な一連のアウトレット流路とを有する第３の層を更に備え、各インレット流路は、インレットフロー経路に接続され、各アウトレット流路は、アウトレットフロー経路に接続され、該インレット及びアウトレット流路は、該インレット及びアウトレット流路間の圧力降下を最小化するように構成されていることを特徴とする請求項６２記載のマニホルド層。
【請求項６４】
上記インレット及びアウトレット流路は、少なくとも１つの寸法に沿って、均等に配設されていることを特徴とする請求項６３記載のマニホルド層。
【請求項６５】
上記インレット及びアウトレット流路は、少なくとも１つの寸法に沿って、非均等に配設されていることを特徴とする請求項６３記載のマニホルド層。
【請求項６６】
上記インレット流路及びアウトレット流路は、互いに密閉されていることを特徴とする請求項６３記載のマニホルド層。
【請求項６７】
上記インレット流路の少なくとも１つのは、上記アウトレット流路の少なくとも１つのアウトレット寸法に実質的に等しいインレット寸法を有することを特徴とする請求項６３記載のマニホルド層。
【請求項６８】
上記インレット流路の少なくとも１つのは、上記アウトレット流路の少なくとも１つのアウトレット寸法とは異なるインレット寸法を有することを特徴とする請求項６３記載のマニホルド層。
【請求項６９】
熱源を冷却するように構成された熱交換器の製造方法において、
ａ．熱源に接触し、流体が流されるよう構成された接触層を形成する工程と、
ｂ．上記接触層に沿って最適な最短距離で流体を流すように構成された少なくとも１つのインレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路を有するマニホルド層を形成する工程と
ｃ．上記接触層に上記マニホルド層に連結する工程とを有する熱交換器の製造方法。
【請求項７０】
ａ．上記流体を熱交換器に受け入れる少なくとも１つのインレット流体ポートを上記少なくとも１つのインレット流路に配設する工程と、
ｂ．上記流体を熱交換器から排出する少なくとも１つのアウトレット流体ポートを上記少なくとも１つのアウトレット流路に配設する工程とを更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７１】
上記マニホルド層を形成する工程は、該マニホルド層の内部に垂直に延び、上記インレット流路に沿って接触層に流体を流す複数のインレットアパーチャと、該内部に垂直に延び、上記アウトレット流路に沿って上記接触層から流体を受け取る複数のアウトレットアパーチャとを有する循環レベルを形成する工程を更に有することを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７２】
上記マニホルド層を形成する工程は、
ａ．上記インレットコリダを介して、上記インレットポートからインレットアパーチャに流体を流すように構成されたインレットレベルを形成する工程と、
ｂ．上記インレットレベルを上記循環レベルに連結する工程とを有し、
上記インレットアパーチャは、封水的に上記インレットコリダに連結されることを特徴とする請求項７１記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７３】
上記マニホルド層を形成する工程は、
ａ．上記アウトレットコリダを介して、上記アウトレットポートからアウトレットアパーチャに流体を流すように構成されたアウトレットレベルを形成する工程と、
ｂ．上記アウトレットレベルを上記循環レベルに連結する工程とを有し、
上記アウトレットアパーチャは、封水的に上記アウトレットコリダに連結されることを特徴とする請求項７２記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７４】
上記少なくとも１つのインレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路は、熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するように配設されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７５】
上記マニホルド層において、少なくとも１つのインレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路を熱的に絶縁し、該インレット流路及びアウトレット流路間の熱輸送を最小化する工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７６】
上記接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する材料から形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７７】
上記接触層に熱伝導性を有するコーティングを施す工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７８】
上記熱伝導性を有するコーティングは、電鋳法プロセスによって施されることを特徴とする請求項７７記載の熱交換器の製造方法。
【請求項７９】
上記接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを形成する工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８０】
上記複数のピラーの少なくとも１つのは、所定の方向に沿って、少なくとも１つの変化する寸法を有することを特徴とする請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８１】
上記接触層の表面の少なくとも一部を粗面化する工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８２】
上記接触層上に微孔構造を形成する工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８３】
上記接触層上に複数のマイクロチャネルを形成する工程を更に有する請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８４】
上記複数のピラーに熱伝導性のコーティングを施す工程を更に有する請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８５】
上記複数のピラーは、電鋳法プロセスによって形成されることを特徴とする請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８６】
上記複数のピラーは、エッチングプロセスによって形成されることを特徴とする請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８７】
上記エッチングプロセスは、ウエットエッチングプロセスを含むことを特徴とする請求項８６記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８８】
上記エッチングプロセスは、プラズマエッチングプロセスを含むことを特徴とする請求項８７記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８９】
上記エッチングプロセスは、光化学エッチングプロセスを含むことを特徴とする請求項８７記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９０】
上記エッチングプロセスは、化学エッチングプロセスを含むことを特徴とする請求項８７記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９１】
上記エッチングプロセスは、レーザを用いた化学エッチングプロセスを含むことを特徴とする請求項８７記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９２】
上記接触層は、レーザを用いた化学エッチングプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９３】
上記電鋳法プロセスは、熱エンボシング法と組み合わせて実行されることを特徴とする請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９４】
上記電鋳法プロセスは、ソフトリソグラフィ技術を利用することを特徴とする請求項７９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９５】
上記マニホルド層は、レーザ穴あけプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９６】
上記マニホルド層は、ソフトリソグラフィプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９７】
上記マニホルド層は、射出成形法によって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９８】
上記マニホルド層は、切削加工によって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９９】
上記マニホルド層は、放電加工プロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１００】
上記マニホルド層は、スタンピングプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０１】
上記マニホルド層は、金属射出成形プロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０２】
上記マニホルド層は、クロスカッティングプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０３】
上記マニホルド層は、のこ引きプロセスによって形成されることを特徴とする請求項６９記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１０４】
熱を発生する電子デバイスにおいて、
ａ．集積回路と、
ｂ．上記集積回路と一体に形成され、流体が流されるように構成され、上記電子デバイスが発生した熱を冷却する接触層と、
ｃ．上記接触層に流体を供給する少なくとも１つのインレット流路と、上記接触層から流体を取り除く少なくとも１つのアウトレット流路とを有し、該少なくとも１つのインレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路が流体を最適な最短距離で移動させるような間隔で配設されており、上記接触層に流体を循環させるマニホルド層とを備える電子デバイス。
【請求項１０５】
少なくとも１つの集積回路を冷却する循環システムにおいて、
ａ．
１．流体が流されるように構成され、上記集積回路に接触する接触層と、
２．上記接触層に流体を供給する少なくとも１つのインレット流路と、上記接触層から流体を取り除く少なくとも１つのアウトレット流路とを有し、該少なくとも１つのインレット流路及び少なくとも１つのアウトレット流路が流体を最適な最短距離で移動させるような間隔で配設されており、上記接触層に連結されるマニホルド層とを備え、
上記集積回路が発生した熱を吸収する少なくとも１つの熱交換器と、
ｂ．上記少なくとも１つの熱交換器に連結され、当該循環システムに流体を循環させる少なくとも１つのポンプと、
ｃ．上記ポンプ及び熱交換器に連結され、上記熱交換器から排出された加熱された液体を冷却する除熱器とを備える循環システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この特許出願は、引用により本願に援用される、２００２年１１月１日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４２３，００９号、発明の名称「柔軟な流体輸送及びマイクロチャネルヒートシンクによるホットスポットの冷却方法（METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS）」、引用により本願に援用される、２００３年１月２４日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４４２，３８３号、発明の名称「ＣＰＵ冷却用に最適化されたプレートフィン熱交換器（OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING）」及び引用により本願に援用される、２００３年３月１７日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔構成を有するマイクロチャネル熱交換器装置及びその製造方法」ＣＰＵ冷却用に最適化されたプレートフィン熱交換器（MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF）」について、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張した、引用により本願に援用される、２００３年３月１６日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４３９，６３５号、発明の名称「発熱デバイスにおいて必要なホットスポットを冷却するための柔軟な流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY FOR COOLING DESIRED HOT SPOTS IN A HEAT PRODUCING DEVICE）」の一部継続出願である。更に、この特許出願は、引用により本願に援用される、２００２年１１月１日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４２３，００９号、発明の名称「柔軟な流体輸送及びマイクロチャネルヒートシンクによるホットスポット冷却のための方法（METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS）」、引用により本願に援用される、２００３年１月２４日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４４２，３８３号、発明の名称「ＣＰＵ冷却用に最適化されたプレートフィン熱交換器（OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING）」、及び引用により本願に援用される、２００３年３月１７日に出願され、係属中の米国仮特許出願第６０／４５５，７２９号、発明の名称「多孔質構造を有するマイクロチャネル熱交換装置及びその製造方法（MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF）」について、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張する。
【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）のため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、サーマルインターフェース材料（thermal interface material）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及び排出ポート２４から排出される。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、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、熱源における適切な温度均一性を実現するよう構成されたマイクロチャネル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】
本発明に係る熱交換器は、熱源を冷却する接触層を備える。接触層は、熱源に接触し、流体が流されるように構成されている。また、熱交換器は、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、接触層に流体を供給するための個別化された孔の第１の組と、接触層からチャネル流体を取り除くための個別化された孔の第２の組とを備える。更に、マニホルド層は、個別化された孔の第１の組に流体を供給する第１のポートと、個別化された孔の第２の組から流体を受け取る第２のポートとを備える。孔の第１の組及び孔の第２の組は、第１及び第２のポートの間で熱源を適切に冷却するための最短の流路距離を実現するように配設される。好ましくは、第１の組の各孔は、第２の組の隣接する孔に最も近い最適の距離に配設される。熱交換器を流れる流体は、単相流であっても二相流であっても、或いはこれらの組合せであってもよい。更にマニホルド層は、内部に延びる第１及び第２の孔を有する循環レベルを備える。循環レベルは、接触層に連結され、第１及び第２の組の孔を介して接触層に／から流体を個別に流通させるように構成される。第１の組及び第２の組の孔は、それぞれ筒状の突起が接続され、各筒状の突起は、循環レベルに対して実質的に垂直に延びる。更に、マニホルド層は、循環レベル及び第１のポートに連結される第１のレベルを備える。第１のレベルは、第１のポート及び第１の組の孔の間で流体を流通させるように構成される。第２のレベルは、第１のレベル及び第２のポートに連結される。第２のレベルは、第２のポート及び第２の組の孔の間で流体を流通させるように構成され、第１のレベルを介して流れる流体は、第２のレベルを介して流れる流体とは分離される。第１のレベルは、第１のポートに連結された第１のコリダを備え、第１の組の孔は、第１のコリダに封水的に連結される。更に、第１のレベルは、第２のポートに連結された第２のコリダを備え、第２の組の孔は、第２のコリダに封水的に連結される。第１の組及び第２の組の孔は、互いに熱的に絶縁され、これらの間の熱輸送が防がれる。一実施形態では、第１の組及び第２の組の孔は、循環レベルの少なくとも１つの寸法に沿って均等に配置される。他の実施形態では、第１の組及び第２の組の孔は、循環レベルの少なくとも１つの寸法に沿って非均等に配置される。第１の組及び第２の組の孔は、好ましくは、互いに封水的に分離される。これに代えて第１の組及び第２の組の孔は、熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するように配置してもよい。一実施形態においては、第１の組の孔の少なくとも１つのは、第２の組の少なくとも１つの孔の第２の寸法に実質的に等しい第１の寸法を有する。他の実施形態においては、第１の組の孔の少なくとも１つのは、第２の組の少なくとも１つの孔の第２の寸法とは異なる第１の寸法を有する。接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有することが好ましい。接触層は、好ましくは、接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備える。これに代えて接触層に沿う所定の領域に適切な数のピラーを配置してもよい。これに代えてピラーに少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを施してもよい。これに代えて、接触層上には、微孔構造を設けてもよい。これに代えて、接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。これに代えて接触層には、適切な構成を有する複数のマイクロチャネルを形成してもよい。
【０００８】
本発明の他の側面である熱交換器は、熱源に連結されるように構成される。熱交換器は、熱源に接触し、流体が流される接触層を備える。流体は、熱源から発生した熱を熱交換によって受け取る。更に、熱交換器は、接触層に連結され、少なくとも１つの流体インレットポートを有するマニホルド層を備える。流体インレットポートは、流体を接触層に供給する実質的に垂直なインレット流路に連結される。熱交換器は、接触層から流体を取り除く実質的に垂直なアウトレット流路に連結される少なくとも１つの流体アウトレットポートを更に備える。インレット流路及びアウトレット流路は、流体を最適な最短距離で移動させるような間隔で配設されている。マニホルド層は、更に、接触層に連結された循環レベルを備える。循環レベルは、循環レベル内で垂直に延び、インレット流路に沿って接触層に流体を供給するための複数のインレットアパーチャを有する。更に、循環レベルは、循環レベル内で垂直に延び、アウトレット流路に沿って接触層から流体を受け取るための複数のアウトレットアパーチャを有する。マニホルド層は、循環レベル及びインレットポートに連結されたインレットレベルを備える。インレットレベルは、インレットポートからインレットアパーチャに流体を流通させるように構成される。また、マニホルド層は、循環レベル及びアウトレットポートに連結されたアウトレットレベルを備える。アウトレットレベルは、アウトレットアパーチャからアウトレットポートに流体を流通させるように構成される。インレットレベルを介して流れる流体は、アウトレットレベルを介して流れる流体とは別個に流通する。更に、インレットレベルの流路は、インレットポートからインレットアパーチャに水平に流体を流通させるインレットコリダを備える。更に、アウトレットレベルの流路は、アウトレットアパーチャからアウトレットポートに水平に流体を流通させるアウトレットコリダを備える。一実施形態では、インレット及びアウトレットアパーチャは、循環レベルの少なくとも１つの寸法に沿って、均等に配設される。他の実施形態では、インレット及びアウトレットアパーチャは、循環レベルの少なくとも１つの寸法に沿って、非均等に配設される。インレット及びアウトレット流路は、好ましくは、互いに封水的に分離することが望ましい。これに代えて、インレット及びアウトレットアパーチャは、熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するよう構成してもよい。一実施形態においては、インレットアパーチャの少なくとも１つのは、少なくとも１つのアウトレットアパーチャのアウトレット寸法に実質的に等しいインレット寸法を有する。他の実施形態においては、インレットアパーチャの少なくとも１つのは、少なくとも１つのアウトレットアパーチャのアウトレット寸法とは異なるインレット寸法を有する。接触層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有することが好ましい。接触層は、接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを更に備え、この場合、接触層に沿って、所定の領域に適切な数のピラーが配設される。これに代えて、接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。複数のピラーは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するコーティングを備えていてもよい。更に、接触層は、接触層に沿って配設された、微孔構造を備えていてもよい。熱交換器は、好ましくは、循環レベルから適切な高さに延びる複数の筒状の突起を備え、各突起は、第１の組及び第２の組のアパーチャに接続される。好ましくは、筒状の突起は、筒状の突起間の熱輸送を防ぐために、熱的に絶縁される。
【０００９】
本発明の他の側面においては、接触層に連結され、マイクロチャネル熱交換器を形成するマニホルド層は、第１の温度の流体を提供するインレットポートを備える。また、マニホルド層は、インレットポートに接続されたインレット流路を備え、インレット流路は、第１の温度の流体を接触層に流す。マニホルド層は、接触層から第２の温度の流体を受け取るアウトレット流路を備え、マニホルド層内では、第１の温度の流体及び第２の温度の流体は分離される。マニホルド層は、アウトレット流路に接続されたアウトレットポートを備える。第２の温度の流体は、アウトレットポートを介してマニホルド層から排出される。各インレット流路は、第１のポートから接触層に直接的なインレット流路を提供し、各アウトレット流路は、接触層から第２のポートに直接的なアウトレット流路を提供する。インレット及びアウトレット流路は、インレット及びアウトレット流路間の流体の移動距離を最短化するように配置される。インレット及びアウトレット流路は、第３の層の少なくとも１つの寸法に沿って、均等に配置するとよい。これに代えて、インレット及びアウトレット流路は、第３の層の少なくとも１つの寸法に沿って、非均等に配置してもよい。インレット及びアウトレット流路は、好ましくは、互いに封水的に分離される。これに代えて、インレット及びアウトレット流路は、第３の層において、熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するように配置してもよい。インレット流路の少なくとも１つのは、アウトレット流路の少なくとも１つのアウトレット寸法に実質的に等しいインレット寸法を有する。これに代えて、インレット流路の少なくとも１つのは、アウトレット流路の少なくとも１つのアウトレット寸法とは異なるインレット寸法を有していてもよい。更に、マニホルド層は、循環レベルから適切な高さに延びる複数の筒状の突起を備え、各突起は、インレット及びアウトレット流路に個別に接続される。好ましくは、筒状の突起は、筒状の突起間の熱輸送を防ぐために、熱的に絶縁される。インレット流路に接続された突起は、流体流入コリダに封水的に連結され、アウトレット流路に接続された突起は、流体流出コリダに封水的に連結される。
【００１０】
本発明の他の側面として、本発明は、熱源を冷却するように構成された熱交換器の製造方法を提供する。熱交換器の製造方法は、熱源に接触し、流体が流されるよう構成された接触層を形成する工程を有する。更に、熱交換器の製造方法は、実質的に垂直な複数のインレット流路と、実質的に垂直な複数のアウトレット流路とを備えるマニホルド層を形成する工程を有する。インレット及びアウトレット流路は、接触層に沿って、インレット及びアウトレット流路の間を流体が最適な最短距離で流れるように構成されている。更に、熱交換器の製造方法は、接触層にマニホルド層を連結する工程を有する。更に、この製造方法は、インレット流体ポートを介して流体が熱交換器に入る少なくとも１つのインレット流体ポートをインレット流路に連結する工程を有する。更に、この製造方法は、アウトレット流体ポートを介して流体が熱交換から排出される少なくとも１つのアウトレット流体ポートをアウトレット流路に連結する工程を有する。更に、マニホルド層を形成するステップは、接触層に垂直に延びる複数のインレットアパーチャを内部に有する循環レベルを形成する工程を有し、インレットアパーチャは、インレット流路を介してインレット流体を流通させる。循環レベルは、更に、接触層に垂直に延びる複数のアウトレットアパーチャを内部に備え、アウトレットアパーチャは、アウトレット流路を介して、アウトレット流体を流通させる。マニホルド層を形成する工程は、更に、インレットコリダを介してインレットポートからインレットアパーチャに流体を流通させるインレットレベルを形成する工程を有する。更に、マニホルド層を形成する工程は、インレットレベルを循環レベルに連結する工程を有し、ここでは、インレットアパーチャは、インレットコリダに封水的に連結される。更に、マニホルド層を形成する工程は、アウトレットコリダを介してアウトレットアパーチャからアウトレットポートに流体を流通させるアウトレットレベルを形成する工程を有する。また、マニホルド層を形成する工程は、アウトレットレベルを循環レベルに連結する工程を有し、ここでは、アウトレットアパーチャは、アウトレットコリダに封水的に連結される。インレットレベルを介して流れる流体は、アウトレットレベルを介して流れる流体から分離される。インレット流路及びアウトレット流路は、熱源の少なくとも１つの接触層ホットスポット領域を冷却するように配設される。更に、この製造方法は、マニホルド層において、インレット流路と、アウトレット流路とを熱的に絶縁し、これらの流路間の熱輸送を最小化する工程を有する。接触層は、好ましくは、１００Ｗ／ｉｎ−Ｋの熱伝導率を有する。更に、製造方法は、接触層に熱伝導性を有するコーティングを施す工程を有していてもよい。更に、製造方法は、接触層に沿って所定のパターンで構成された複数のピラーを形成する工程を有していてもよい。これに代えて、製造方法は、接触層の表面を粗面化する工程を有していてもよい。これに代えて、製造方法は、接触層上に微孔構造を形成する工程を有していてもよい。これに代えて、製造方法は、接触層上に複数のマイクロチャネルを形成する工程を有していてもよい。更に、複数のピラーに熱伝導性のコーティングを施してもよい。複数のピラーは、電鋳法プロセスによって形成してもよく、例えば、ウエットエッチング、プラズマエッチング、光化学エッチング、化学エッチング、レーザで補助された化学エッチング等のエッチングプロセスによって形成してもよい。電鋳法プロセスは、熱エンボシング法又はソフトリソグラフィパターニング技術と組み合わせて実行してもよい。マニホルド層は、レーザ穴あけプロセス（laser drilling process）によって形成してもよい。また、マニホルド層は、ソフトリソグラフィプロセスによって形成してもよい。マニホルド層は、切削加工によって形成してもよい。これに代えて、マニホルド層は、射出成形、放電加工（electrical discharge machining：ＥＤＭ）、スタンピング、金属射出成形（metal injection molding：ＭＩＭ）、クロスカッティング、のこ引きプロセス等によって形成してもよい。
【００１１】
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】
【００１２】
熱交換器は、包括的に言えば、好ましくは熱源と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に特定の領域に流される。後述する様々な実施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排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。
【００１３】
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、これに代えて、本発明の熱交換器は、デバイスのコールドスポット位置を加熱するために用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、本発明は、マイクロチャネル熱交換器として説明するが、本発明は、この説明に制限されず、他の用途にも用いることができる。
【００１４】
図２Ａは、本発明に基づく、封水的に密閉された好適な柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器（flexible fluid delivery microchannel heat exchanger）１００を備える循環型冷却装置３０の概略を示している。更に、図２Ｂは、本発明に基づく複数のポート１０８、１０９を有する他の柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器１００を備える循環型冷却装置３０の概略を示している。なお、システムは、ここに示す熱交換器１００に制限されず、他の熱交換器の実施形態を備えていてもよい。
【００１５】
図２Ａに示すように、流体ポート１０８、１０９は、流体ライン３８に連結され、流体ライン３８は、ポンプ３２及び熱コンデンサ３０に連結されている。ポンプ３２は、循環型冷却装置３０内で流体をポンピングし、循環させる。一実施形態においては、流体を熱交換器１００に供給するために、１つの流体ポート１０８を用いる。更に、熱交換器１００から流体を排出するために、１つの流体ポート１０９を用いる。一実施形態に置いては、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から排出される。これに代えて、所定の時刻に、各流体ポート１０８、１０９を介して、流量の異なる流体を熱交換器１００に流入させ及び熱交換器１００から排出してもよい。これに代えて、図２Ｂに示すように、１つのポンプが複数の指定されたインレットポート１０８に流体を提供してもよい。これに代えて、複数のポンプ（図示せず）がそれぞれの対応するインレット及びアウトレットポート１０８、１０９に流体を提供してもよい。更に、これに代えて、このシステムにおいて、様々なホットスポット又はホットスポット位置の熱量の変化、及びホットスポットの位置に応じて、動的感知及び制御モジュール３４を用いて好適な又は代替の熱交換器に出入りする流体の流量を動的に変化させ、及び制御してもよい。
【００１６】
図３Ｂは、本発明に基づく好適なマニホルド層を備える好適な三層式熱交換器１００の分解図である。図３Ｂに一実施形態として示す三層式熱交換器１００は、接触層１０２と、少なくとも１つの中間層１０４と、少なくとも１つのマニホルド層１０６とを備える。これに代えて、後述するように、熱交換器１００は、接触層１０２とマニホルド層１０６を含む２層の装置であってもよい。図２Ａ及び図２Ｂ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、サーマルインターフェイス材料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。この場合、接触層１０２は、熱源９９と一体に設けられ、熱源９９と同じ部品に含まれるように形成される。
【００１７】
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５．０ミリメートル以下の範囲で、熱源より僅かに大きい寸法を有していることが好ましい。
【００１８】
図３Ａは、本発明に基づく好適なマニホルド層１０６の平面図である。詳しくは、マニホルド層１０６は、図３Ｂに示すように、上面１３０及び底面１３２に加えて、４つの側面を備えている。但し、図３Ａでは、マニホルド層１０６の機能を適切に表し、説明するために、上面１３０を取り除いて示している。図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、一連のチャネル又は流路１１６、１１８、１２０、１２２と、これらの流路内に形成されたポート１０８、１０９とを備える。図３Ｂに示すように、フィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６のボディを完全に貫通して、Ｚ−方向に延びている。これに代えて、図３Ａに示すように、フィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６の一部に形成され、Ｚ−方向に延び、アパーチャを有していてもよい。更に、流路１１６、１２２を、マニホルド層１０６の一部に延びるように形成してもよい。インレット及びアウトレット流路１１６、１２０の間の残りの領域１０７は、上面１３０から底面１３２まで延び、マニホルド層１０６のボディを構成する。
【００１９】
図３Ａに示すように、流体は、インレットポート１０８を介してマニホルド層１０６に入り、インレットチャネル１１６に沿って流れ、チャネル１１６からＸ方向及びＹ方向として示す幾つかの方向に分岐する幾つかのフィンガ１１８に流れ込み、これにより、接触層１０２の選択された領域に流体が供給される。フィンガ１１８は、異なる所定の方向に形成され、熱源のホットスポット及びその近傍の領域に対応する接触層１０２の位置に流体を提供する。接触層１０２のこれらの位置を、以下では、接触層ホットスポット領域（interface hot spot regions）と呼ぶ。フィンガは、静止した接触層ホットスポット領域を冷却するとともに、時間的に変換する接触層ホットスポット領域をも冷却するよう構成される。図３Ａに示すように、チャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０は、マニホルド層１０６において、Ｘ方向及びＹ方向に配設される。このようにチャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０を様々な方向に形成することにより、流体を輸送し、熱源９９のホットスポットを冷却し、及び／又は熱交換器１００内の圧力降下を最小化することができる。これに代えて、図４及び図５の具体例に示すように、マニホルド層１０６内でチャネル１１６、１２２、フィンガ１１８、１２０を一定の間隔で配置し、所定のパターンを形成してもよい。
【００２０】
フィンガ１１８、１２０の構成及び寸法は、冷却する必要がある熱源９９のホットスポットに応じて決定される。マニホルド層１０６は、ホットスポットの位置及び各ホットスポット又はその近傍で発生する熱量に基づき、フィンガ１１８、１２０が接触層１０２内の接触層ホットスポット領域上又はその近傍に配置されるように構成される。マニホルド層１０６は、熱交換器１００とシステム３０（図２Ａ）内で実質的な圧力降下を生じさせることなく、単相流体及び／又は二相流体を接触層１０２に循環させる。接触層ホットスポット領域に流体を輸送することにより、接触層ホットスポット領域に隣接した熱源の領域と同様に、接触層ホットスポット領域の温度が均一になる。
【００２１】
チャネル１１６とフィンガ１１８の数及び寸法は、多くの要因に基づいて決定される。一実施形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、同じ幅寸法を有する。これに代えて、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、異なる幅寸法を有していてもよい。フィンガ１１８、１２０の幅寸法は、好ましくは、０．２５ミリメートル以上０．５０ミリメートル以下の範囲とする。一実施形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、同じ長さ及び深さ寸法を有する。これに代えて、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、異なる長さ及び深さ寸法を有していてもよい。他の実施形態においては、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、フィンガの長さに沿って様々な幅寸法を有していてもよい。インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０の長さ寸法は、０．５ミリメートル以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成するとよい。更に、フィンガ１１８、１２０は、０．２５ミリメートル以上０．５０ミリメートル以下の範囲内の高さ又は深さ寸法を有するように形成するとよい。更に、マニホルド層１０６内では、１センチメートルあたり１０個未満又は３０個より多くのフィンガを配設する。但し、マニホルド層において、１センチメートルあたり、１０個〜３０個のフィンガを設けてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００２２】
また、本発明においては、熱源のホットスポットの冷却効率を最適化するために、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２を不規則な構成に形成してもよい。熱源９９に亘る均一な温度を実現するために、流体への熱輸送の空間的分布は、熱の発生の空間的分布に一致させるとよい。流体は、接触層に沿って、マイクロチャネルを流れるにつれて、温度が高くなり、二相条件の下で、蒸気に変化し始める。したがって、流体は、著しく膨張し、この結果、流速が著しく速くなる。接触層から流体への熱輸送の効率は、通常、流体の流速が速くなると向上する。したがって、熱交換器１００における流体の流入及び排出のためのフィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の横断面の寸法を調整することによって、流体への熱輸送効率を調整することができる。
【００２３】
例えば、インレットの近傍でより高い熱が発生する熱源のために特定のフィンガを設計してもよい。更に、液体と蒸気の混合が予想される領域については、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の断面を大きくした方が有利である場合がある。図には示さないが、フィンガの断面をインレット側で小さくすることによって、流体の流速を速めることもできる。また、特定のフィンガ又はチャネルの断面を下流のアウトレット側で大きくすることにより、流体の流速を遅めることもできる。フィンガ又はチャネルをこのように設計することにより、熱交換器内の、二相流における液体から蒸気への変化のために、流体の体積、加速度及び速度が増加する領域において、圧力降下を最小化でき、及びホットスポット冷却効率を最適化できる。
【００２４】
更に、フィンガ１１８、１２０、及びチャネル１１６、１２２をそれらの長さに沿って、一時的に広く、続いて再び狭くすることにより、マイクロチャネル熱交換器１００内の異なる所望の位置で流体の流速を速めることができる。これに代えて、フィンガとチャネルの寸法を大から小、小から大と幾度も変化させることで、熱源９９に亘る予想された熱消散分布に応じて、熱輸送効率を調整することが適切である場合もある。なお、フィンガとチャネルの寸法の変化に関する説明は、この実施形態に制限されず、後に説明する他の実施形態にも同様に適用することができる。
【００２５】
これに代えて、図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、インレットフィンガ１１８内に１以上のアパーチャ１１９を備えていてもよい。三層式熱交換器１００では、フィンガ１１８に沿って流れる流体は、アパーチャ１１９を介して、中間層１０４に流れ込む。これに代えて、二層式熱交換器１００では、フィンガ１１８に沿って流れる流体は、アパーチャ１１９から接触層１０２に直接流れ込む。更に、図３Ａに示すように、マニホルド層１０６は、アウトレットフィンガ１２０内にアパーチャ１２１を備えている。三層式熱交換器１００では、中間層１０４から流れ出る流体は、アパーチャ１２１を介して、アウトレットフィンガ１２０に流れ込む。これに代えて、二層式熱交換器１００では、接触層１０２から流れ出る流体は、アパーチャ１２１を介して、アウトレットフィンガ１２０に直接流れ込む。
【００２６】
変形例では、インレット及びアウトレットフィンガ１１８、１２０は、アパーチャを有さないオープンチャネルである。マニホルド層１０６の底面１０３は、三層式熱交換器１００では、中間層１０４の上面に当接し、二層式熱交換器では、接触層１０２に当接する。このようにして、三層式熱交換器１００では、流体は、中間層１０４とマニホルド層１０６の間を自由に行き来することができる。流体は、中間層１０４の導管１０５によって、適切な接触層ホットスポット領域に適切に出入りするように流される。当業者にとって明らかであるが、導管１０５は、後述するように、フィンガに直接整列するように配設してもよく又は三層式システム内の他の場所に配設してもよい。
【００２７】
図３Ｂは、変形例として示すマニホルド層を有する三層式熱交換器１００を示しているが、これに代えて、熱交換器１００は、マニホルド層１０６と接触層１０２からなる二層構造を有していてもよく、この場合、流体は、中間層１０４を介さず、マニホルド層１０６と接触層１０２の間を直接行き来する。ここに示すマニホルド層、中間層及び接触層の構成は、例示的なものであり、実際の構成は、ここに示した構成に制限されないことは当業者にとって明らかである。
【００２８】
図３Ｂに示すように、中間層１０４は、好ましくは、中間層１０４自体を貫通して延びる複数の導管１０５を備えている。流入導管（inflow conduit）１０５は、マニホルド層１０６から接触層１０２の指定された接触層ホットスポット領域に流体を流通させる。同様にアパーチャ１０５は、接触層１０２から流体排出ポート１０９に流体を流通させる。このようにして、中間層１０４は、接触層１０２から、マニホルド層１０６に連結された流体排出ポート１０９への流体の輸送を提供している。
【００２９】
導管１０５は、多くの因子に基づいて、所定のパターンで中間層１０４内に配設される。これらの因子とは、以下に限定されるものではないが、接触層ホットスポット領域の位置、接触層ホットスポット領域において熱源９９を適切に冷却するために必要な流量、流体の温度等である。他の部分の幅寸法は、最大で数ミリメートルに設計されるが、導管１０５は、数百ミクロン程度の幅寸法を有することが好ましい。但し、導管１０５は、少なくとも上述した因子に基づいて、この他の寸法に形成してもよい。中間層１０４の各導管１０５は、同じ形状及び／又は寸法を有しているが、この条件は、必ずしも必要ではないことは当業者にとって明らかである。例えば、上述したフィンガと同様、導管は、この実施形態に代えて、様々に変化する長さ及び／又は幅寸法を有していてもよい。或いは、導管１０５は、中間層１０４を通して一定の深さ又は高さ寸法を有していてもよい。これに代えて、導管１０５は、異なる深さ寸法を有していてもよく、例えば、中間層１０４の厚さ方向において、台形又はノズル形の形状を有していてもよい。導管１０５の水平方向の形状は、図２Ｃでは、長方形として示しているが、この導管１０５の水平方向の形状は、円形（図３Ａ）、曲線を含む形状、楕円形等、他の如何なる形状であってもよい。これに代えて、１又は複数の導管１０５を上部の１又は複数のフィンガの一部又は全体の形状に応じた形状に成形してもよい。
【００３０】
中間層１０４は、好ましくは、導管１０５が垂直になるように、熱交換器１００内で水平に配置される。これに代えて、中間層１０４は、以下に限定されるものではないが、斜めに又は湾曲させる等、熱交換器１００内で他の如何なる方向に配置してもよい。これに代えて、導管１０５は、中間層１０４内で、水平に、斜めに、湾曲させて、又は他の如何なる方向に配設してもよい。更に、中間層１０４は、好ましくは、熱交換器１００の全長に沿って、水平に延び、中間層１０４は、接触層１０２をマニホルド層１０６から完全に分離し、これにより流体を強制的に導管１０５に流通させてもよい。これに代えて、熱交換器１００の一部は、マニホルド層１０６と接触層１０２の間に中間層１０４を含まず、これにより、マニホルド層１０６と接触層１０２の間で流体を自由に行き来させるようにしてもよい。更に、これに代えて、中間層１０４は、マニホルド層１０６と接触層１０２の間で垂直に延び、独立した、個別の中間層領域を形成するようにしてもよい。これに代えて、中間層１０４は、マニホルド層１０６から接触層１０２までに完全には延びていなくてもよい。
【００３１】
図１０Ａは、本発明に基づく接触層３０２の好適な実施形態の斜視図である。図１０Ａに示すように、接触層３０２は、接触層３０２の底面３０１から上方に延びる一連のピラー３０３を備える。更に、図１０Ａは、接触層３０２の底面に設けられた微孔構造３０１を示している。なお、接触層３０２は、微孔構造３０１のみを備えていてもよく、この微孔構造と共に、他の如何なる接触層構造体（例えば、マイクロチャネル、ピラー等）を備えていてもよいことは明らかである。
【００３２】
好適な接触層３０２は、好適なマニホルド層３０２’（図１２Ａ）におけるインレットアパーチャから周囲のアウトレットアパーチャへの流体のフローのために、マイクロチャネルではなく、ピラー３０３を備える。後により詳細に説明するように、流体は、一連のインレットアパーチャを介して接触層３０２に移動し、インレットアパーチャに対して最適な距離だけ離間して配設されている一連のアウトレットアパーチャを介して接触層３０２から排出される。換言すれば流体は、各インレットアパーチャから、最も近いアウトレットアパーチャに向かって流れる。好ましくは、各インレットアパーチャは、アウトレットアパーチャに取り囲まれている。このようにして接触層３０２に入る流体は、周囲のアウトレットアパーチャに向かう方向に流れる。したがって、流体に十分な熱を輸送するとともに、流体がインレットアパーチャからアウトレットアパーチャに流れる際の流体の圧力降下を最小化するために、接触層３０２には、ピラー３０３を設けることが好ましい。
【００３３】
接触層３０２は、好ましくは、底面３０１から垂線に延び、マニホルド層の底面に接触する、高くて幅狭のピラー３０３の高密度なアレイを備える。これに代えてピラー３０３は、マニホルド層の底面に接触していなくてもよい。更に、ピラー３０３の少なくとも１つのは、接触層３０２の底面３０１に対して所定の角度で延びてもよい。また、ピラー３０３は、好ましくは、接触層３０２に沿って互いから等距離の間隔で配設され、これにより、底面３０１に亘って、接触層３０２の熱輸送能力を一定にするとよい。これに代えて、ピラー３０３は、非等間隔に配置してもよく、例えば図１０Ｂに示す具体例では、接触層３０２の中央のピラー３０３は、周縁のピラー３０３より間隔を広く空けて配設されている。ピラー３０３の間隔は、熱源９９の寸法、流体への抵抗、ホットスポットのサイズ及び位置、並びに熱源９９からの熱流束密度等に基づいて決定される。例えば、ピラー３０３の密度を下げると、流体抵抗は小さくなるが、接触層３０２から流体への熱輸送のための表面積は小さくなる。なお、非等間隔に配設されたピラー３０３の構成は、図１０Ｂの実施形態には制限されず、熱源に関する条件及び冷却装置３０（図２Ａ）の必要な動作に応じて、他の如何なる構成としてもよい。
【００３４】
更に、ピラー３０３は、図１０Ａに示すように、円筒状に形成することが好ましく、これにより、流体は、最小限の抵抗でインレットアパーチャからアウトレットアパーチャに流れる。但し、ピラー３０３は、以下に限定されるものではないが、方形３０３Ｂ（図１０Ｂ）、ダイヤモンド形、楕円形３０３Ｃ（図ｌ０Ｃ）、六角形３０３Ｄ（図１０Ｄ）又は他の如何なる形状を有していてもよい。更に、接触層３０２は、底面３０１に沿って、異なる形状のピラーの組合せを備えていてもよい。
【００３５】
例えば、図１０Ｅに示すように、接触層３０２は、矩形フィン３０３Ｅの幾つかの組を備え、各組内の矩形フィン３０３Ｅを互いに放射状に配置してもよい。更に、接触層３０２は、一組の矩形フィン３０３Ｅの間に配置された複数のピラー３０３Ｂを備えていてもよい。一実施形態においては、放射状に構成された矩形フィン３０３Ｅ内の開いた円形の領域を各インレットアパーチャの下に配置し、フィン３０３Ｅによって、流体をアウトレットアパーチャに誘導することを助けてもよい。このように、放射状に構成されたフィン３０３Ｅは、接触層３０２において、冷却用の流体の略々均一な供給を実現しながら圧力降下を最小化することに寄与する。インレット及びアウトレットアパーチャのサイズ及び相対的な位置に応じて、ピラー及び／又はフィンの構成は様々に選択でき、及び流体が単相流であるか二相流であるかに応じて、接触層３０２の最適の構成を選択できる。ここに説明する如何なる実施形態及びその変形例にも、様々なピン３０３構成を組み合わせることができることは当業者にとって明らかである。
【００３６】
図３Ｂは、本発明に基づく接触層１０２の変形例の斜視図を示している。図３Ｂに示すように、接触層１０２は、底面１０３と、好ましくは、複数のマイクロチャネル壁１１０とを備え、マイクロチャネル壁１１０の間の領域は、流体の流路に沿って、流体を流し、又は流通させる。底面１０３は、平坦であり、熱源９９からの十分な熱輸送を実現する高い熱伝導率を有している。これに代えて、底面１０３は、特定の位置に流体を集め、又は特定の位置から流体を退けるために設計された凹面（troughs）及び／又は凸面（crests）を備えていてもよい。マイクロチャネル壁１１０は、図３Ｂに示すように、平行に形成され、これにより、流体は、流路に沿って、マイクロチャネル壁１１０間を流れる。
【００３７】
また、これに代えて、上述した因子に基づき、他の如何なる適切な構成でマイクロチャネル壁１１０を構成してもよいことは、当業者にとって明らかである。例えば、図８Ｃに示すように、接触層１０２では、マイクロチャネル壁１１０のセクションの間に溝を設けてもよい。更に、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２内の圧力降下又は圧力差を最小化するための寸法を有していてもよい。また、以下に限定されるものではないが、粗い表面、例えば、焼結金属及びシリコン泡（silicon foam）等の微孔構造等、マイクロチャネル壁１１０以外の他の構造を用いてもよいことは明らかである。但し、ここでは、例示的に、図３Ｂに示す平行なマイクロチャネル壁１１０を用いて、本発明における接触層１０２を説明する。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、非平行な構成を有していてもよい。
【００３８】
マイクロチャネル壁１１０により、流体は、接触層ホットスポット領域の選択されたホットスポット位置に沿って、熱交換を行い、その位置で熱源９９を冷却する。マイクロチャネル壁１１０は、好ましくは、熱源９９の熱量に応じて、２０〜３００ミクロンの範囲内の幅寸法と、１００ミクロン〜１ミリメートルの範囲内の高さ寸法とを有する。マイクロチャネル壁１１０は、熱源の寸法及びホットスポットのサイズ及び熱源からの熱流束密度に応じて、１００ミクロンから数センチメートルの範囲内の長さ寸法を有する。これに代えて、他の如何なるマイクロチャネル壁寸法を用いてもよい。マイクロチャネル壁１１０は、熱源９９の熱量に応じて、５０〜５００ミクロンの範囲内の間隔で区切られるが、この間隔は、他の如何なる値に設定してもよい。
【００３９】
図３Ｂでは、マニホルド層１０６のボディ内のチャネル１１６、１２２及びフィンガ１１８、１２０を示すために、マニホルド層１０６の上面を切り取って示している。ここでは、高い熱を発生する熱源９９の位置をホットスポットとし、これより低い熱を発生する熱源９９の位置をウォームスポットとする。図３Ｂに示すように、熱源９９は、ホットスポット領域である位置Ａと、ウォームスポット領域である位置Ｂとを有する。ホットスポット及びウォームスポットに当接する接触層１０２の領域は、接触層ホットスポット領域として示されている。すなわち、図３Ｂに示すように、接触層１０２は、位置Ａ上の接触層ホットスポット領域Ａと、位置Ｂ上の接触層ホットスポット領域Ｂとを含む。
【００４０】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、流体は、まず、好ましくは、１つのインレットポート１０８を介して、熱交換器１００に流入する。そして、流体は、好ましくは１つのインレットチャネル１１６に流入する。これに代えて、熱交換器１００は、２つ以上のインレットチャネル１１６を備えていてもよい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、インレットポート１０８からインレットチャネル１１６に沿って流れる流体は、まず、フィンガ１１８Ａに分岐する。更に、インレットチャネル１１６の残りの部分に沿って流れる流体は、フィンガ１１８Ｂ及びフィンガ１１８Ｃ等の個々のフィンガに注ぎ込まれる。
【００４１】
図３Ｂに示す具体例では、流体をフィンガ１１８Ａに注ぎ込むことによって、接触層ホットスポット領域Ａに流体を供給する。すなわち、流体は、フィンガ１１８Ａを介して、中間層１０４に流れ下る。流体は、フィンガ１１８Ａの下に配設されたインレット導管１０５Ａを介して、接触層１０２に流れ込み、熱源９９と熱交換を行う。上述のように、接触層１０２のマイクロチャネルは、如何なる方向に配設してもよい。例えば、接触層領域Ａのマイクロチャネル１１１は、接触層１０２の他のマイクロチャネル壁１１０に直交する方向に配設されている。これにより、導管１０５Ａからの流体は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル１１１に沿って移動し、接触層１０２の他の領域では、流体は異なる方向に移動する。そして、加熱された流体は、アウトレット導管１０５Ｄを介してアウトレットフィンガ１２０Ａに流れ上がる。
【００４２】
同様に、流体は、フィンガ１１８Ｅ及び１１８Ｆを介して、中間層１０４に、Ｚ−方向に流れ下る。次に、流体は、Ｚ−方向に、インレット導管１０５Ｃを介して、接触層１０２に流れ下る。そして、加熱された流体は、接触層１０２からアウトレット導管１０５Ｄを介してアウトレットフィンガ１２０Ｅ、１２０Ｆに、Ｚ−方向に流れ上がる。熱交換器１００は、アウトレットフィンガ１２０を介して、マニホルド層１０６で加熱された流体を取り除き、アウトレットフィンガ１２０は、アウトレットチャネル１２２に連結されている。アウトレットチャネル１２２により、流体は、好ましくは、１つのアウトレットポート１０９を介して、熱交換器から排出される。
【００４３】
また、好ましくは、流入及び流出導管１０５は、適切な接触層ホットスポット領域上に直接又は略々直接、配設され、熱源９９のホットスポットに流体を直接供給する。更に、圧力降下を最小化するために、各アウトレットフィンガ１２０は、特定の接触層ホットスポット領域に対応する各インレットフィンガ１１９の近傍に配設される。このように、流体は、インレットフィンガ１１８Ａを介して接触層１０２に流入し、接触層１０２の底面１０３に沿って、接触層１０２からアウトレットフィンガ１２０Ａに最短の距離を移動する。流体が底面１０３に沿って移動する距離により、不要な量の圧力降下を発生させることなく、熱源９９から熱が適切に取り除かれることは明らかである。更に、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フィンガ１１８に沿って流れる流体の圧力降下を減少させるために、フィンガ１１８、１２０内のコーナ部分は、好ましくは、曲面となるように形成する。
【００４４】
当業者にとって明らかなように、図３Ａ及び３Ｂに示すマニホルド層１０６の構成は、例示的なものに過ぎない。マニホルド層１０６内のチャネル１１６とフィンガ１１８の構成は、以下に限定されるものではないが、接触層ホットスポット領域の位置、接触層ホットスポット領域への及び接触層ホットスポット領域からの流体の流量、接触層ホットスポット領域の熱源が発生する熱量等の多くの要因に依存する。例えば、図４〜図７Ａに示し、後述するように、マニホルド層１０６の１つの可能な構成として、平行なインレットフィンガ及びアウトレットフィンガをマニホルド層の幅に沿って交互に配置された、相互に組み合うようなパターン（interdigitated pattern）に構成してもよい。但し、チャネル１１６とフィンガ１１８は、他の如何なる構成で配設してもよい。
【００４５】
図４は、本発明に基づく熱交換器の他のマニホルド層４０６の斜視図である。図４のマニホルド層４０６は、互いに組み合う又は噛み合う複数の平行な流体フィンガ４１１、４１２を備え、これにより、熱交換器４００とシステム３０（図２Ａ）内で実質的な圧力降下を生じることなく、単相流体及び／又は二相流体を接触層４０２に循環させることができる。図４に示すように、インレットフィンガ４１１とアウトレットフィンガ４１２とは、交互に配置されている。但し、任意の数のインレットフィンガ又はアウトレットフィンガを連続して隣り合うように配置してもよく、したがって、本発明は、図４に示す交互の構成に制限されないことは、当業者にとって明らかである。更に、平行なフィンガが他の平行なフィンガから分岐し、又は平行なフィンガが他の平行なフィンガに連結されるようにフィンガを交互に配置してもよい。したがって、アウトレットフィンガより多くのインレットフィンガを設けてもよく、逆にインレットフィンガより多くのアウトレットフィンガを設けてもよい。
【００４６】
インレットフィンガ又は流路４１１は、熱交換器に流入する流体を接触層４０２に供給し、アウトレットフィンガ又は流路４１２は、熱交換器４００から排出される流体を接触層４０２から取り出す。ここに示すマニホルド層４０６の構成により、流体は、接触層４０２に流入し、接触層４０２において非常に短い距離を移動した後、アウトレット流路４１２に流入することができる。流体が接触層４０２に沿って移動する長さを実質的に短くすることにより、熱交換器４００及びシステム３０（図２Ａ）における圧力降下を実質的に低減することができる。
【００４７】
図４及び図５に示すように、変形例として示すマニホルド層４０６は、２つのインレット流路４１１に連結され、ここに流体を供給するための流路４１４を備える。また、図８及び図９に示すマニホルド層４０６は、流路４１８に連結された３つのアウトレット流路４１２を備える。マニホルド層４０６の流路４１４は、フィンガ４１１、４１２に流体を流通させる平らな底面を有する。これに代えて、選択された流体流路４１１に流体を流通させるために、流路４１４には、緩やかな斜面を設けてもよい。これに代えて、流体の一部を接触層４０２に流れ落とすために、インレット流路４１４の底面に１以上のアパーチャを設けてもよい。同様にマニホルド層の流路４１８は、流体を収容し、流体をポート４０８に流通させるフラットな底面を有していてもよい。これに代えて、選択されたアウトレットポート４０８に流体を流通させるために、流路４１８には、緩やかな斜面を設けてもよい。更に、この具体例では、流路４１４、４１８の幅を約２ミリメートルとする。但し、他の具体例では、他の如何なる幅寸法を用いてもよい。
【００４８】
流路４１４、４１８は、ポート４０８、４０９に連結され、ポート４０８、４０９は、システム３０の流体ライン（fluid lines）３８（図２Ａ）に連結される。マニホルド層４０６は、水平方向に配設された流体ポート４０８、４０９を備える。これに代えて、図４〜図７には示していないが、マニホルド層４０６は、後述するように、垂直及び／又は斜めに構成された流体ポート４０８、４０９を備えていてもよい。これに代えて、マニホルド層４０６は流路４１４を備えていなくてもよい。この場合、流体は、ポート４０８からフィンガ４１１に直接供給される。更に、これに代えて、マニホルド層４１１は、流路４１８を備えていなくてもよく、この場合、フィンガ４１２内の流体は、ポート４０８を介して、熱交換器４００から直接排出される。ここでは、２つのポート４０８が流路４１４、４１８に連結されているが、これに代えて、他の如何なる数のポートを設けてもよい。
【００４９】
インレット流路４１１は、流路４１１及びシステム３０（図２Ａ）に沿って大きな圧力降下を発生させることなく、流体が接触層に移動できるようにするための寸法を有する。インレット流路４１１の幅寸法は、例えば、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲とする。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。更に、インレット流路４１１の長さ寸法は、０．５ミリメートル以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成するとよい。これに代えて、この長さ寸法は、如何なる値としてもよい。更に、上述のように、流体がマイクロチャネル４１０に直接流れるように、インレット流路４１１は、マイクロチャネル４１０に向けて下方に延び、又はマイクロチャネル４１０の高さより僅かに高い位置に延びる。インレット流路４１１の高さ寸法は、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲内とするとよい。なお、流路４１１は、マイクロチャネル４１０に向けて下方に延びていなくてもよく、ここに示した以外の如何なる高さ寸法を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。また、ここでは、インレット流路４１１は、同じ寸法を有しているが、インレット流路４１１は、異なる寸法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。更に、これに代えて、インレット流路４１１は、幅、横断面の寸法及び／又は隣接するフィンガの間の距離を様々に変化させてもよい。特に流路４１１は、長手方向に沿って、より広い幅又はより深い深さを有する領域と、より狭い幅又はより浅い深さを有する領域とを備えていてもよい。このように寸法を変化させることにより、より広い部分を介して、接触層４０２内の所定の接触層ホットスポット領域に多くの流体を提供するとともに、狭い部分によって、ウォームスポット接触層ホットスポット領域への流量を制限することができる。
【００５０】
更に、アウトレット流路４１２は、システム３０（図２Ａ）及び流路４１２に沿って大きな圧力降下を発生させることなく、流体を接触層に移動させるために適した寸法を有する。このアウトレット流路４１２は、０．２５ミリメートル以上５．００以下ミリメートルの範囲内の幅寸法を有するが、他の如何なる幅寸法を用いてもよい。更に、アウトレット流路４１２の長さ寸法は、０．５ミリメートル以上熱源の長さ寸法の三倍以内の範囲内に形成するとよい。更に、流体がマイクロチャネル４１０に沿って水平に流れた後に、アウトレット流路４１２に容易に流れ上がるように、アウトレット流路４１２は、マイクロチャネル４１０の高さまで下方に延びている。アウトレット流路４１２の幅寸法は、例えば、０．２５ミリメートル以上５．００ミリメートル以下の範囲とする。但し、他の如何なる寸法を用いてもよい。また、ここでは、アウトレット流路４１２は、同じ寸法を有しているが、アウトレット流路４１２は、異なる寸法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。更に、これに代えて、アウトレット流路４１２は、幅、横断面の寸法及び／又は隣接するフィンガの間の距離が様々に変化する不規則な形状を有していてもよい。
【００５１】
図４及び５に示すように、インレット及びアウトレット流路４１１、４１２は、それぞれセグメント化され、互いに分離されているため、これらの流路内の流体は、混じり合うことはない。詳しくは、図４に示すように、２つのアウトレット流路４１２は、マニホルド層４０６の外側のエッジ側に設けられ、１つのアウトレット流路４１２は、マニホルド層４０６の中央に設けられている。更に、２つのインレット流路４１１は、中央のアウトレット流路４１２の両側に隣接するように設けられている。この特定の構成により、接触層４０２に入る流体は、アウトレット流路４１２を介して接触層４０２から流れ出る前に接触層４０２内で短い距離を移動する。但し、インレット流路及びアウトレット流路は、他の如何なる適切な構成に配置してもよく、したがって、これらは、ここに示し及び説明する構成に制限されないことは、当業者にとって明らかである。マニホルド層４０６内のインレット及びアウトレットフィンガ４１１、４１２の数は、３個より多いことが望ましく、マニホルド層４０６における１センチメートルあたり１０個未満であることが望ましい。また、インレット流路とアウトレット流路の数は、ここに示し、説明した構成に制限されるものではなく、他の如何なる数としてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００５２】
マニホルド層４０６は、中間層（図示せず）に連結され、中間層（図示せず）は、接触層４０２に連結され、これにより三層式熱交換器４００が形成される。この中間層は、図３Ｂに示す実施形態に関連して説明したものである。これに代えて、図７Ａに示すように、マニホルド層４０６を接触層４０２に連結し、接触層４０２上に配置して、二層式熱交換器４００を形成してもよい。二層式熱交換器の接触層４０２に連結される好適なマニホルド層４０６の断面を図６Ａ〜図６Ｃに示す。詳しくは、図６Ａは、図５の線Ａ−Ａに沿った熱交換器４００の断面図である。更に、図６Ｂは、図５の線Ｂ−Ｂに沿った熱交換器４００の断面図であり、図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿った熱交換器４００の断面図である。上述のように、インレット及びアウトレット流路４１１、４１２は、マニホルド層４０６の上面から底面に延びる。マニホルド層４０６及び接触層４０２が互いに連結される場合、インレット及びアウトレット流路４１１、４１２は、接触層４０２のマイクロチャネル４１０の高さと同じ高さか、僅かに高い高さを有する。この構成により、インレット流路４１１からの流体は、マイクロチャネル４１０を介してインレット流路４１１から容易に流れ出る。更に、この構成により、マイクロチャネル４１０を介して流れる流体は、マイクロチャネル４１０を流れた後に、アウトレット流路４１２に容易に流れ上がる。
【００５３】
図には示さないが、変形例として、中間層１０４（図３Ｂ）は、マニホルド層４０６及び接触層４０２の間に配設してもよい。中間層１０４（図３Ｂ）は、接触層４０２内の指定された接触層ホットスポット領域に流体を流通させる。更に、中間層１０４（図３Ｂ）を用いて、接触層４０２に流体の均一なフローを供給することができる。また中間層１０４を用いて、接触層４０２の接触層ホットスポット領域に流体を提供し、ホットスポットを適切に冷却し、熱源９９における温度を均一にすることができる。インレット及びアウトレット流路４１１、４１２は、必ずしも必要ではないが、適切にホットスポットを冷却するために、熱源９９のホットスポット上又はその近傍に配設される。
【００５４】
図７Ａは、本発明に基づく他の接触層１０２を備える他のマニホルド層４０６の分解図である。接触層１０２は、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル壁１１０の連続した構成を含んでいる。この構成では、概略的に言えば、図３Ｂに示す好適なマニホルド層１０６と同様に、流体は、流体ポート４０８を介してマニホルド層４０６に流入し、流路４１４を移動し、流体フィンガ又は流路４１１に向かう。流体は、インレットフィンガ４１１の開口（opening）に流入し、矢印によって示すように、Ｘ−方向に、フィンガ４１１の長さに沿って流れる。更に、流体は、Ｚ−方向に、マニホルド層４０６の下に設けられた接触層４０２に流れ下る。図７Ａに示すように、接触層４０２において、流体は、接触層４０２のＸ及びＹ方向の底面に沿って流れ、熱源９９と熱交換を行う。加熱された流体は、アウトレットフィンガ４１２を介してＺ−方向を上向きに流れ上がって接触層４０２から流出し、アウトレットフィンガ４１２は、Ｘ−方向に沿って、マニホルド層４０６の流路４１８に加熱された流体を流す。そして、流体は、流路４１８に沿って流れ、ポート４０９から流れ出ることによって熱交換器から排出される。
【００５５】
図７Ａに示すように、接触層は、一組のマイクロチャネル４１０間に配置された一連の溝４１６を備え、これらの溝４１６によって、流体は、流路４１１、４１２へ流れ込み及び流路４１１、４１２から流れ出る。詳しくは、溝４１６Ａは、他のマニホルド層４０６のインレット流路４１１の真下に位置し、これにより、接触層４０２に入る流体は、インレット流路４１１を介して、溝４１６Ａに隣接するマイクロチャネルに直接流入する。このように、溝４１６Ａにより、流体は、図５に示すように、インレット流路４１１から特定の指定された流路に直接流通される。同様に接触層４０２は、Ｚ方向に、アウトレット流路４１２の真下に設けられた溝４１６Ｂを有する。これにより、アウトレット流路に向かってマイクロチャネル４１０に沿って水平に流れる流体は、溝４１６Ｂに水平に流れ、及び溝４１６Ｂの上のアウトレット流路４１２に垂直に流れる。
【００５６】
図６Ａは、マニホルド層４０６及び接触層４０２を備える熱交換器４００の断面図である。詳しくは、図６Ａは、アウトレット流路４１２と相互に組み合わされたインレット流路４１１を示しており、これにより、流体は、インレット流路４１１に流れ下り、及びアウトレット流路４１２に流れ上がる。更に、図６Ａに示すように、流体は、インレット流路及びアウトレット流路の間に配置され、溝４１６Ａ、４１６Ｂによって分離されたマイクロチャネル４１０を介して水平に流れる。これに代えて、マイクロチャネル壁は、マイクロチャネルによって分離されず、連続していてもよい（図３Ｂ）。図６Ａに示すように、インレット及びアウトレット流路４１１、４１２の両方又は一方は、溝４１６の近くの位置の端部に曲面４２０を有する。この曲面４２０により、流体は、流路４１１に隣接するマイクロチャネル４１０に向かって、流路４１１を流れ下る。このように、接触層１０２に入る流体は、溝４１６Ａに直接流入させるより、より容易にマイクロチャネル４１０に向かって流れる。同様にアウトレット流路４１２の曲面４２０によって、流体は、マイクロチャネル４１０から外側の流路４１２に向けられる。
【００５７】
変形例では、図７Ｂに示すように、接触層４０２’は、マニホルド層４０６（図８及び図９）に関して上述したように、インレット流路４１１及びアウトレット流路４１２を備える。変形例では、流体は、ポート４０８’から接触層４０２’に直接供給される。流体は、流路４１４’に沿って、インレット流路４１１’に向けて流れる。次に、流体は、一組のマイクロチャネル４１０’を横切り、熱源（図示せず）と熱交換を行い、アウトレット流路４１２’に流れ込む。次に、流体は、アウトレット流路４１２’に沿って流路４１８’に流れ、ポート４０９’を介して、接触層４０２’から排出される。ポート４０８’、４０９’は、構成される’接触層４０２’に形成してもよく、或いはマニホルド層４０６（図７Ａ）に形成してもよい。
【００５８】
なお、本発明に基づく熱交換器は、ここでは全てが水平方向に動作するように示しているが、この熱交換器は、垂直方向に動作してもよいことは、当業者にとって明らかである。熱交換器は、垂直方向に動作する場合、各インレット流路が隣接するアウトレット流路の上に位置するように構成される。したがって、流体は、インレット流路を介して接触層に入り、アウトレット流路に自然に流れ込む。熱交換器を垂直方向に動作させるために、マニホルド層及び接触層の他の如何なる構成を用いてもよいことは明らかである。
【００５９】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明に基づく熱交換器の他の実施形態の平面図である。詳しくは、図８Ａは、本発明に基づく他のマニホルド層２０６の平面図である。また、図８Ｂ及び図８Ｃは、それぞれ中間層２０４及び接触層２０２の平面図である。更に、図９Ａは、他のマニホルド層２０６を用いた三層式熱交換器を示し、図９Ｂは、他のマニホルド層２０６を用いた二層式熱交換器を示す。
【００６０】
図８Ａ及び図９Ａに示すように、マニホルド層２０６は、水平及び垂直に構成された複数の流体ポート２０８を備える。これに代えて、流体ポート２０８は、マニホルド層２０６に対して斜めに又は他の如何なる方向に配設してもよい。流体ポート２０８は、熱交換器２００の所定の接触層ホットスポット領域に流体を効果的に提供するよう、マニホルド層２０６内の選択された位置に配設される。複数の流体ポート２０８は、熱交換器２００に大きな圧力降下を発生させることなく、流体ポートから特定の接触層ホットスポット領域に直接流体を提供できるという重要な利点を有している。更に、流体ポート２０８は、接触層ホットスポット領域内の流体が、排出ポート２０８までの最短距離距離を移動できるように、マニホルド層２０６内に配設され、これにより、流体は、インレット及びアウトレットポート２０８の間で最小の圧力降下を維持しながら、温度均一性を実現する。更に、マニホルド層２０６を用いることにより、接触層２０２に亘って均等に均一なフローを提供しながら、熱交換器２００内の二相フローを安定化できる。なお、これに代えて、２つ以上のマニホルド層２０６を熱交換器２００に設け、一方のマニホルド層２０６が熱交換器２００へ及び熱交換器２００から流体を流通させ、他方のマニホルド層（図示せず）が熱交換器２００への流体循環の速度を制御するようにしてもよい。これに代えて、複数のマニホルド層２０６の全てが、接触層２０２内の対応する選択された接触層ホットスポット領域に流体を循環させるようにしてもよい。
【００６１】
変形例として示すマニホルド層２０６は、接触層２０２の寸法に対応する横寸法を有する。更に、マニホルド層２０６は、熱源９９と同じ寸法を有している。これに代えて、マニホルド層２０６は、熱源９９より大きくてもよい。マニホルド層２０６の垂直寸法は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内とするとよい。更に、流体ポート２０８に連結されるマニホルド層２０６内のアパーチャの寸法は、１ミリメートルから熱源９９の全幅又は全長の間の範囲内とするとよい。
【００６２】
図１１は、本発明に基づく他のマニホルド層２０６を有する三層式熱交換器２００の一部を切欠いて示す透視図である。図１１に示すように、熱交換器２００は、熱源９９のボディに沿って発生する熱量に基づいて個別の領域に分割される。これらの領域は、垂直な中間層２０４及び／又は接触層２０２のマイクロチャネル壁構造体２１０によって分離される。但し、当業者には明らかであるが、本発明の構成は、図１１に示すアセンブリに制限されず、このアセンブリは、例示的な目的のために示しているに過ぎない。熱交換器２００は、１つの以上のポンプに連結され、一方のポンプは、インレット２０８Ａに連結され、他方のポンプは、インレット２０８Ｂに連結されている。
【００６３】
図３に示すように、熱源９９は、位置Ａのホットスポットと、位置Ｂのウォームスポットとを有し、位置Ａのホットスポットは、位置Ｂのウォームスポットより高い熱を発生する。なお、熱源９９は、如何なる時刻及び如何なる位置において、２つ以上のホットスポット及びウォームスポットを有していてもよいことは明らかである。この具体例では、位置Ａがホットスポットであり、位置Ａから、より多くの熱が位置Ａ上の接触層２０２（図１１では、接触層ホットスポット領域Ａとして示している。）に輸送されるので、熱交換器２００では、位置Ａを適切に冷却するために、より多くの流体及び／又はより高い流量の流体を接触層ホットスポット領域Ａに提供する。なお、この具体例では、接触層ホットスポット領域Ｂは、接触層ホットスポット領域Ａより大きく示されているが、熱交換器２００内の接触層ホットスポット領域Ａ、Ｂ及び他のあらゆる接触層ホットスポット領域は、如何なるサイズを有していてもよく及び／又は相対的に如何なる構成を有していてもよいことは明らかである。
【００６４】
これに代えて、図１１に示すように、流体は、流体ポート２０８Ａを介して熱交換器に入り、中間層２０４に沿って流入導管２０５Ａに流れることによって接触層ホットスポット領域Ａに流入させてもよい。次に、流体は、流入導管２０５ＡをＺ−方向に流れ下り、接触層２０２の接触層ホットスポット領域Ａに至る。流体は、マイクロチャネル２１０Ａの間を流れ、これにより、位置Ａからの熱は、接触層２０２を介した熱伝導によって、流体に輸送される。加熱された流体は、接触層ホットスポット領域Ａ内の接触層２０２に沿って、アウトレットポート２０９Ａに向かって流れ、熱交換器２００から排出される。特定の接触層ホットスポット領域又は一組の接触層ホットスポット領域について、如何なる数のインレットポート２０８及びアウトレットポート２０９を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。更に、排出ポート２０９Ａは、接触層２０２Ａの近くに配設されているが、これに代えて、排出ポート２０９Ａは、以下に限定されるものではないが、例えばマニホルド層２０９Ｂ等の他の如何なる位置に垂直に配設に設けてもよい。
【００６５】
また、図１１に示す具体例では、熱源９９は、熱源９９の位置Ａより低い熱を発生するウォームスポットを位置Ｂに有している。ポート２０８Ｂを介して流入する流体は、中間層２０４Ｂに沿って流入導管２０５Ｂに流れることによって、接触層ホットスポット領域Ｂに供給される。次に、流体は、流入導管２０５ＢをＺ−方向に流れ下り、接触層２０２の接触層ホットスポット領域Ｂに至る。流体は、Ｘ方向及びＹ方向に、マイクロチャネル２１０Ａの間を流れ、これにより、位置Ｂからの熱は、接触層２０２を介した熱伝導によって、流体に輸送される。加熱された流体は、中間層２０４の流出導管２０５Ｂを介して接触層ホットスポット領域Ｂ内の全体の接触層２０２Ｂに沿って、排出ポート２０９ＢをＺ方向に流れ上がり、熱交換器２００から排出される。
【００６６】
これに代えて、図９Ａに示すように、熱交換器２００は、接触層２０２上に配設された蒸気透過膜２１４を備えていてもよい。蒸気透過膜２１４は、熱交換器２００の内壁に封水的に接触している。蒸気透過膜２１４は、幾つかの小さいアパーチャを有し、接触層２０２に沿って発生した蒸気は、このアパーチャを介してアウトレットポート２０９に流入する。また、膜２１４は、疎水性を有するように構成され、これにより、膜２１４は、接触層２０２に沿って流れる液体がアパーチャを通り抜けることを防いでいる。蒸気透過膜１１４のこの他の詳細については、２００３年２月１２日に出願された、同時に係属中である米国特許出願番号第１０／３６６，１２８号、発明の名称、「蒸気透過マイクロチャネル熱交換器（VAPOR ESCAPE MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER）」に開示されており、この文献は、引用により本願に援用されるものとする。
【００６７】
図１２Ａは、本発明に基づく好適な熱交換器３００の分解図である。図１２Ｂは、本発明に基づく他の熱交換器３００’の分解図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、熱交換器３００、３００’は、接触層３０２、３０２’及びこれらに連結されるマニホルド層３０６、３０６’を備える。上述のように、熱交換器３００、３００’は、熱源（図示せず）に連結されていてもよく、熱源と一体に構成されていてもよい（例えば、マイクロプロセッサに組み込まれていてもよい）。なお、接触層３０２、３０２’は、実質的に外部には露出しないが、図１２Ａでは、説明のために、接触層３０２、３０２’を露出させて示していることは当業者にとって明らかである。好ましくは、接触層３０２、３０２’は、底面３０１に沿って配設された複数のピラー３０３を備える。更に、ピラー３０３は、図１０Ａ〜図１０Ｅを用いて説明したように、如何なる形状を有していてもよく、及び／又は放射状に構成されたフィン３０３Ｅを設けてもよい。更に、接触層３０２は、（例えば、マイクロチャネル、粗い表面等）上述した他の如何なる特徴を有していてもよい。接触層３０２及び接触層３０２内の構造体は、好ましくは、好適な実施形態に関して上述したように、同じ熱伝導率特性を有し、ここでは同じ説明は繰り返さない。ここに示す具体例では、接触層３０２は、マニホルド層３０６に比べて小さな寸法を有しているが、接触層３０２及びマニホルド層３０６の寸法は、互いに及び熱源９９に対して、他の如何なる関係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。接触層３０２、３０２’は、上述した接触層と同じ特性を有しており、ここでは同じ説明は繰り返さない。
【００６８】
多くの場合、好適な熱交換器３００は、マニホルド層３０６の輸送チャネル（delivery channels）３２２を用いて、熱交換器内での圧力降下を最小化する。輸送チャネル３２２は、マニホルド層３０６内で垂直方向に配設され、接触層３０２に垂直に流体を供給して、熱交換器３００での圧力降下を低減する。上述のように、流体が少なくない時間及び／又は距離に亘って、接触層に沿ってＸ方向及びＹ方向に流れると、熱交換器３００において圧力降下が発生又は上昇する。マニホルド層３０６は、幾つかの輸送チャネル３２２によって、接触層３０２に垂直に流体を長くことによって、Ｘ方向及びＹ方向におけるフローを最小化する。換言すれば接触層３０２には、上方から、流体が個別に直接吹き付けられる。輸送チャネル３２２は、相互に最適な距離に配設され、これにより、Ｘ方向及びＹ方向の流体の流れを最小限にし、多くが接触層３０２に対して垂直に流れるようにする。したがって、最適に配置されたチャネル３２２からの個々の流路の力により、流体は、接触層３０２から離れる上向きの方向に流れる。更に、個々のチャネル３２２は、接触層３０２内で流量を幾つかのチャネル３２２に最大限に分割し、これにより、熱源９９を効果的に冷却しながら、熱交換器３００における圧力降下を低減させることができる。更に、好適な熱交換器３００の構成では、熱源９９を適切に冷却するために、流体が水平方向であるＸ方向及びＹ方向に移動する距離を短くできるので熱交換器３００は、他の熱交換器より小さくすることができる。
【００６９】
図１２Ａに示す好適なマニホルド層３０６は、２つの独立したレベルを有している。具体的には、マニホルド層３０６は、レベル３０８及びレベル３１２を有している。レベル３０８は、接触層３０２及びレベル３１２に連結されている。図１２Ａでは、レベル３１２は、レベル３０８の上に配設されているが、レベル３０８をレベル３１２の上に配設してもよいことは当業者にとって明らかである。また、本発明に基づいて、幾つのレベルを設けてもよいことも当業者にとって明らかである。
【００７０】
図１２Ｂに変形例として示すマニホルド層３０６’は、３つの独立したレベルを有する。具体的には、マニホルド層３０６’は、循環レベル３０４’、レベル３０８’及びレベル３１２’を有している。循環レベル３０４’は、接触層３０２’及びレベル３０８’に連結されている。レベル３０８’は、循環レベル３０４’及びレベル３１２’に連結されている。図１２Ｂでは、レベル３１２’は、レベル３０８’の上に配設されているが、レベル３０８’をレベル３１２’の上に配設してもよいことは当業者にとって明らかである。また、本発明に基づいて、幾つのレベルを設けてもよいことも当業者にとって明らかである、
図１２Ｃは、本発明に基づく循環レベル３０４’の斜視図である。循環レベル３０４’は上面３０４Ａ’及び底面３０４Ｂ’を有する。また、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すように、循環レベル３０４’は内には、幾つかのアパーチャ３２２’が開設されている。一実施形態においては、アパーチャ３２２’の開口は、底面３０４Ｂ’と同一平面に設けられる。これに代えてアパーチャ３２２’は、底面３０４Ｂ’を超えて突出し、より近くから接触層３０２’に流体を供給するようにしてもよい。更に、循環レベル３０４’は、上面３０４Ａ’から底面３０４Ｂ’に垂直に貫通する幾つかのアパーチャ３２４’有していてもよく、アパーチャ３２４’は、Ｚ−方向に、所定の距離だけ突出していてもよい。或いは、アパーチャ３２２’、３２４’は、循環レベルにおいて、所定の角度で延びていてもよく、完全に垂直である必要はないことは当業者にとって明らかである。上述のように、一実施形態では、接触層３０２’（図１２Ｂ）は、循環レベル３０４’の底面３０４Ｂ’に連結される。このように、流体は、Ｚ−方向にアパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に流入し、Ｚ−方向にアパーチャ３２４’のみを介して、接触層３０２’から排出される。後述するように、アパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に入る流体は、循環レベル３０４’のアパーチャ３２４’を介して接触層３０２’から排出される流体とは分離される。
【００７１】
図１２Ｃに示すように、アパーチャ３２４’の一部は、好ましくは、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’から、Ｚ−方向に延びる筒状の部材を有し、これにより、流体は、アパーチャ３２４’を介して、レベル３１２’のコリダ３２６’（図１２Ｆ及び図１２Ｇ）に直接流れる。筒状の突起の断面は、図１２Ｃのように円形であることが好ましいが、この形状は如何なる形状であってもよい。なお、流体は、接触層３０２’に沿って各アパーチャ３２２’から隣接するアパーチャ３２４’に水平方向及び垂直方向に流れる。アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’は、互いに熱的に絶縁することが好ましく、これにより、マニホルド層３０６’を介して接触層３０２’から排出された加熱された流体からの熱は、マニホルド層３０６’を介して接触層３０２’に注ぐ冷却された流体に伝播しない。
【００７２】
図１２Ｄは、本発明に基づくレベル３０８の好適な実施形態を示している。図１２Ｄに示すように、レベル３０８は、上面３０８Ａ及び底面３０８Ｂを有している。好ましくは、レベル３０８の底面３０８Ｂは、図１２Ａに示すように、接触層３０２に直接連結される。レベル３０８は、窪んだコリダ３２０を備え、コリダ３２０は、好ましくは、流体を接触層３０２に供給する数個の流体輸送チャネル３２２を備える。窪んだコリダ３２０は、接触層３０２に封水的に接触し、接触層３０２から排出される流体は、コリダ３２０内のチャネル３２２の周り及びチャネル３２２間を流れ、ポート３１４を介して外に排出される。なお、接触層３０２から排出される流体は、輸送チャネル３２２には流入しない。
【００７３】
図１２Ｅは、本発明に基づくレベル３０８’の裏面の斜視図である。レベル３０８’は、上面３０８Ａ’及び底面３０８Ｂ’を有し、レベル３０８’の底面３０８Ｂ’は、循環レベル３０４’（図１２Ｃ）に直接連結される。レベル３０８’は、好ましくは、ポート３１４’、コリダ３２０’及び底面３０８Ｂ’側の複数のアパーチャ３２２’、３２４’を有する。レベル３０８’に幾つのポート及びコリダを設けてもよいことは当業者にとって明らかである。図１２Ｅに示すアパーチャ３２２’、３２４’は、循環レベル３０４’に面するように構成される。具体的には、図１２Ｅに示すように、アパーチャ３２２’は、コリダ３２０’に流入する流体を接触層３０２’に流し、アパーチャ３２４’は、接触層３０２’からの流体をレベル３１２’に流す。アパーチャ３２４’は、レベル３０８’のコリダ３２０’を貫通して延びている。アパーチャ３２４’は、個別に分離され、これにより、アパーチャ３２４’を介して流れる流体は、アパーチャ３２４’に関連するシリンダを介して流れる流体に接触したり混じり合ったりすることはない。また、各アパーチャ３２４’を分離することにより、各アパーチャ３２４’を介して流れ込む流体が、アパーチャ３２４’によって提供される流路に沿って流れることを確実にすることができる。アパーチャ３２４’は、垂直に構成することが好ましい。これにより、流体は、マニホルド層３０６’の大部分において、垂直に流れる。特に、接触層及びレベルの間にアパーチャ３２２’を設ける場合、アパーチャ３２２’にも同様の手法を適用できることは明らかである。
【００７４】
この具体例では、各アパーチャ又は孔３２２は、同じサイズを有しているが、各アパーチャ３２２は、長さに沿って異なる又は変化する径を有していてもよい。例えば、ポート３１４に近いアパーチャ３２２の径を小さくし、ここを通る流量を制限してもよい。アパーチャ３２２を小さくすると、流体は、ポート３１４から遠い、アパーチャ３２２の下側に流れやすくなる。アパーチャ３２２の径をこのように変化させることにより、流体を接触層３０２に、より一様に供給することができる。接触層３０２における既知の接触層ホットスポット領域を効果的に冷却するためにアパーチャ３２２の径を変更してもよいことは当業者にとって明らかである。上の説明は、アパーチャ３２４’にも適用でき、アパーチャ３２４’の寸法を異ならせ又は変化させて、接触層３０２から流出する流体を一定にしてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００７５】
好適な実施形態では、ポート３１４は、レベル３０８及び接触層３０２に流体を提供する。図１２Ｄに示すポート３１４は、好ましくは、上面３０８Ａから、レベル３０８のボディの一部を介してコリダ３２０に延びる。これに代えてポート３１４は、レベル３０８の側面又は底面からコリダ３２０に接続されてもよい。好ましくは、ポート３１４は、レベル３１２（図１２Ａ、図１２Ｂ）においてポート３１５に連結される。ポート３１４は、図１２Ｃに示すように、密閉され、又は図１２Ｄに示すように、窪みとして形成されたコリダ３２０に接続される。コリダ３２０は、好ましくは、接触層３０２からポート３１４に流体を流す役割を果たす。或いは、コリダ３２０は、ポート３１４から接触層３０２に流体を流す。
【００７６】
図１２Ｆ及び図１２Ｇに示すように、レベル３１２のポート３１５は、好ましくは、ポート３１４に揃えられ、接続される。図１２Ａに示すように、流体は、好ましくは、ポート３１６を介して熱交換器３００に流入し、コリダ３２８を介して、レベル３０８の輸送チャネル３２２、そして最終的に接触層３０２に流れ下る。或いは、図１２Ｂに示すように、流体は、好ましくは、ポート３１５’を介して、熱交換器３００’に流入し、レベル３０８’のポート３１４’を介して、接触層３０２’に流れる。図１２Ｆに示すポート３１５は、好ましくは、上面３１２Ａからレベル３１２のボディに延びる。これに代えてポート３１５は、レベル３１２の側面から延ばしてもよい。これに代えて、レベル３１２は、ポート３１５を有していなくてもよく、この場合、流体は、ポート３１４（図１２Ｄ及び図１２Ｅ）を介して熱交換器３００に入る。更に、レベル３１２は、ポート３１６を備え、ポート３１６は、好ましくは、コリダ３２８’に流体を流す。このレベルは、幾つのポート及びコリダを含んでいてもよいことは当業者にとって明らかである。コリダ３２８は、好ましくは、輸送チャネル３２２から、最終的に接触層３０２に流体を流通させる。
【００７７】
図１２Ｇは、本発明に基づくレベル３１２’の変形例の裏面の斜視図である。レベル３１２’は、好ましくは、図１２Ｅに示すレベル３０８’に連結される。図１２Ｆに示すように、レベル３１２’は、底面３１２Ｂ’に沿って露出する窪んだコリダ３２８’をボディ内に備えている。窪んだコリダ３２８’は、ポート３１６’に接続され、流体は、窪んだコリダ３２８’からポート３１６’に直接移動する。窪んだコリダ３２８’は、レベル３０８’の上面３０８Ａ’の上に配設され、これにより、流体は、アパーチャ３２４’からコリダ３２８’に自由に移動することができる。窪んだコリダ３２０’及び底面３１２Ｂ’の周囲はレベル３１２’の上面３０８Ａ’に対して密封されており、これにより、アパーチャ３２４’からの流体の全てがコリダ３２８’を介してポート３１６’に流入する。底面３１２Ｂ’の各アパーチャ３３０’は、レベル３０８’（図１２Ｅ）のアパーチャ３２１’に揃えられ、接続され、アパーチャ３３０’は、レベルレベル３０８’の上面３０８Ａ’（図１２Ｅ）と同一平面に設けられる。これに代えてアパーチャ３３０’は、対応するアパーチャ３２４’の直径より僅かに大きい直径を有していてもよく、これにより、アパーチャ３２４’は、アパーチャ３３０’を貫いてコリダ３２８’に延びる。
【００７８】
図１２Ｈは、本発明に基づく図１２Ａの好適な熱交換器の線Ｈ−Ｈにおける断面を示している。図１２Ｈに示すように、接触層３０２は、熱源９９に連結される。上述のように、熱交換器３００は、１つのコンポーネントとして熱源９９と一体に形成してもよい。接触層３０２は、レベル３０８の底面３０８Ｂに連結される。更に、レベル３１２は、好ましくは、レベル３０８に連結され、レベル３０８の上面３０８Ａは、レベル３１２の底面３１２Ｂに対して密封されている。レベル３０８のコリダ３２０の周縁は、接触層３０２に接続されている。更に、レベル３１２のコリダ３２８は、レベル３０８のアパーチャ３２２に連結されている。レベル３１２の底面３１２Ｂは、流体が２つのレベル３０８、３１２間で漏れないように、レベル３０８の上面３０８Ａに対して密封されている。
【００７９】
図１２Ｉは、本発明に基づく図１２Ｂに示す熱交換器の変形例の線Ｉ−Ｉにおける断面を示している        図１２Ｉに示すように、接触層３０２’は、熱源９９’に連結されている。接触層３０２’は、循環レベル３０４’の底面３０４Ｂ’に連結されている。また、循環レベル３０４は、レベル３０８’に連結され、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’は、レベル３０８’の底面３０８Ｂ’に対して密封されている。更に、レベル３１２’は、好ましくは、レベル３０８’に連結され、レベル３０８’の上面３０８Ａ’は、レベル３１２’の底面３１２Ｂ’に対して密封されている。流体が２つのレベル３０８’、３０４’間で漏れないように、レベル３０８’のコリダ３２０’の周縁は、循環レベル３０４’の上面３０４Ａ’のアパーチャに接続されている。更に、流体が２つのレベル３１２’、３０８間で漏れないように、レベル３１２’のコリダ３２８’の周縁は、循環レベル３０８’の上面３０８Ａ’のアパーチャに接続されている。
【００８０】
好適な動作では、図１２Ａ及び図１２Ｈの矢印で示すように、冷却された流体は、レベル３１２’のポート３１６を介して熱交換器３００に入る。冷却された流体は、ポート３１６からコリダ３２８に流れ下り、更に輸送チャネル３２２を介して接触層３０２に注ぎ込まれる。コリダ３２０内の冷却された流体は、熱交換器３００から排出される加熱された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。接触層３０２に入る流体は、熱源９９と熱交換を行い、熱源９９から発生した熱を吸収する。アパーチャ３２２の構成は、熱源９９を効果的に冷却するとともに、接触層３０２において、流体がＸ方向及びＹ方向で最短距離を移動し、熱交換器３００における圧力降下を最小化するように最適化される。加熱された流体は、接触層３０２からレベル３０８のコリダ３２０に、Ｚ−方向に流れ上がる。マニホルド層３０６から排出される加熱された流体は、マニホルド層３０６に流入する冷却された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。加熱された流体は、コリダ３２０に流入し、ポート３１４、３１５を介して、熱交換器３００から排出される。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、図１２Ａ及び図１２Ｈに示す方向とは反対の方向に流体を流してもよいことは当業者にとって明らかである。
【００８１】
変形例における動作では、図１２Ｂ及び図１２Ｉの矢印で示すように、冷却された流体は、レベル３１２’のポート３１６’を介して熱交換器３００’に入る。冷却された流体は、ポート３１５’からレベル３０８’のポート３１４’に流れ下る。次に、流体は、コリダ３２０’に流れ込み、循環レベル３０４’のアパーチャ３２２’を介して接触層３０２’に流れ下る。但し、コリダ３２０’の冷却された流体は、熱交換器３００’から排出される加熱された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。接触層３０２’に入る流体は、熱源９９と熱交換を行い、熱源９９から発生した熱を吸収する。後述するように、アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’の構成は、熱源９９を効果的に冷却するとともに、接触層３０２’に沿って流体が各アパーチャ３２２’から隣接するアパーチャ３２４’まで、最短距離を移動し、この間の圧力降下を最小化するように最適化される。するように最適化される。加熱された流体は、レベル３０８’を介して、接触層３０２’からＺ方向に流れ上がり、幾つかのアパーチャ３２４’を介してレベル３１２’のコリダ３２８’に至る。加熱された流体は、アパーチャ３２４’を流れ上がる際、マニホルド層３０６’に流入する冷却された流体に接触したり混じり合ったりすることはない。加熱された流体は、レベル３１２’のコリダ３２８’に入り、ポート３１６’を介して熱交換器３００’から排出される。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、図１２Ｂ及び図１２Ｉに示す方向とは反対の方向に流体を流してもよいことは当業者にとって明らかである。
【００８２】
好適なマニホルド層３０６では、アパーチャ３２２は、熱源９９を適切に冷却しながら、流体が接触層３０２を流れる距離を最短にするように構成される。変形例として示すマニホルド層３０６’では、アパーチャ３２２’及びアパーチャ３２４’は、流体が接触層３０２’を流れる距離を最短にするように構成される。具体的には、アパーチャ３２２’及び３２４’は、実質的に垂直な流路を提供し、熱交換器３００’における流路の長さは、水平方向であるＸ方向及びＹ方向において最短にされる。これにより、熱交換器３００、３００’は、熱源９９を適切に冷却するとともに、流体が流れる距離を大幅に短縮し、したがって、熱交換器３００、３００’及びシステム３０、３０’（２Ａ−２Ｂについて計算する）内における圧力降下を大幅に低減させることができる。アパーチャ３２２及び／又はアパーチャ３２４の特定の構成及び断面寸法は、以下に限定されるものではないが、例えば、フロー条件、温度、熱源９９から発生する熱量、流体の流量等の様々な要素に基づいて決定される。なお、以下、アパーチャ３２２、３２４に関する説明を行うが、この説明は、アパーチャ３２２又はアパーチャ３２４の何れか一方のみに適用してもよい。
【００８３】
アパーチャ３２２、３２４は、熱源９９を所望の温度に適切に冷却するとともに、圧力降下を最小化するように、互いから最適な距離だけ離間して配設される。アパーチャ３２２及び／又はアパーチャ３２４の構成及び最適な距離の好適な実施形態では、個々のアパーチャの寸法及び位置を変えることによって、アパーチャ３２２、３２４及び多くの場合接触層３０２を介した流路を個別に最適化できる。更に、好適な実施形態におけるアパーチャの構成により、接触層に入る流体の全流量及び各アパーチャ３２２を介して流入する流体によって冷却される面積を最適化することができる。
【００８４】
一実施形態においては、アパーチャ３２２、３２４は、図１３及び１４に示すように、マニホルド層３０６において、交互の構成、すなわち市松模様状のパターンで構成してもよい。アパーチャ３２２、３２４は、それぞれ流体が市松模様状のパターン内で移動する必要がある最短距離だけ離間して配設される。但し、アパーチャ３２２、３２４は、十分な時間、接触層３０２に冷却液を供給するために十分な距離だけ、互いから離間している必要がある。図１３及び図１４に示すように、接触層３０２に入る流体が接触層３０２から排出される前に、接触層３０２に沿って最短距離を移動するために、１つの以上のアパーチャ３２２を対応する数のアパーチャ３２４に隣接させ、またこの逆も成立するような構成とすることが好ましい。このため、図１３及び図１４に示すように、アパーチャ３２２、３２４は、互いの周囲に放射状に配置され、流体が全てのアパーチャ３２２から最も近いアパーチャ３２４に、最短距離を移動するようにするとよい。例えば、図１３に示すように、１つの特定のアパーチャ３２２を介して接触層３０２に入る流体は、隣接するアパーチャ３２４までに、最小の抵抗を受けることになる。更に、アパーチャ３２２、３２４の断面は円形であることが好ましいが、この断面は、他の如何なる形状であってもよい。
【００８５】
更に、上述のように、先に説明した図に示すアパーチャ３２４は、筒状の部材として、循環レベル３０４又はレベル３０８、３１２から突出しているが、アパーチャは、マニホルド層３０６の何れのレベルからも突出していなくてもよい。また、マニホルド層３０６は、流体が方向を変える領域の付近に丸められた表面を有していることが好ましく、これにより、熱交換器３００における圧力降下の低減の効果を高めることができる。
【００８６】
アパーチャ３２２、３２４の寸法及び最適な距離構成は、流体が接触層３０２に沿って晒される温度の高さに依存する。また、アパーチャ３２２、３２４における流路の断面寸法は、熱交換器３００での圧力降下を低減させるために十分な大きさを有する必要がある。接触層３０２に沿って流体が単相流の状態のみである場合、各アパーチャ３２２は、好ましくは、図１３に示すように、対称性を有する六角形の構成で複数の隣接するアパーチャ３２４に囲まれる。更に、単相流の場合、循環レベル３０４におけるアパーチャの数は、略々等しいことが望ましい。更に、単相流の場合、アパーチャ３２２、３２４は、好ましくは、同じ直径を有することが好ましい。但し、アパーチャ３２２、３２４の構成及び比率は、これに上述の実施形態に限定されないことは当業者にとって明らかである。
【００８７】
接触層３０２に沿って、流体が二相流状態となる場合、アパーチャ３２２、３２４は、二相流の加速度に対応するために、非対称構成にすることが望ましい。但し、二相流の場合であってもアパーチャ３２２、３２４を対称的な構成としてもよい。例えば、循環レベル３０４において、アパーチャ３２２、３２４を対称的に配置し、アパーチャ３２４の開口をアパーチャ３２２の開口より大きくしてもよい。これに代えて二相流について、循環レベル３０４において、図１３に示す六角形の対称的の構成を用いて、循環レベル３０４において、アパーチャ３２４の数をアパーチャ３２２より多くしてもよい。
【００８８】
なお、循環レベル３０４のアパーチャ３２２、３２４を交互に配置して、熱源９９のホットスポットを冷却してもよい。すなわち、例えば、循環レベル３０４において、２つのアパーチャ３２２を互いに隣接させて交互に配置し、両方のアパーチャ３２２を接触層ホットスポット領域又は接触層ホットスポット領域近傍の上に位置するように構成してもよい。両方のアパーチャ３２２に適切な数のアパーチャ３２４を隣接して配置し、接触層３０２での圧力降下を減少させることは言うまでもない。したがって、２つのアパーチャ３２２は、接触層ホットスポット領域に冷たい流体を供給し、上述のように、接触層ホットスポット領域を均一で実質的に等しい温度に冷却する。
【００８９】
上述のように、好適な熱交換器３００は、他の熱交換器に対して重要な利点を有している。好適な熱交換器３００の構成では、垂直な流路を用いるために、圧力降下が低減されるため、比較的性能が低いポンプを用いることができる。更に、好適な熱交換器３００の構成により、接触層３０２に沿ってインレット及び流路を個別に最適化することができる。更に、個別のレベルによって、カスタマイズ可能な設計が実現され、熱輸送の均質性、圧力降下の低減、及び個々のコンポーネントの寸法を最適化することができる。また、好適な熱交換器３００の構成により、流体が二相流状態となるシステムにおける圧力降下を低減することができ、したがって、この構成は、単相流システム及び二相流システムの何れでも用いることができる。更に、後述するように、好適な熱交換器は、多くの異なる製造方法に対応し、公差を補正するためにコンポーネントの幾何学的構造を調整することができる。
【００９０】
以下、熱交換器１００及び熱交換器１００の個々の層を製造及び組立方法を説明する。以下では、説明を簡潔にするために、本発明に基づく好適な及び代替の熱交換器について、図３Ｂの熱交換器１００及びその個々の層を用いて説明する。また、以下では、本発明に関連して組立／製造の詳細を説明するが、この組立及び製造の詳細は、図１Ａ−図１Ｃに示すような１つの流体インレットポートと、１つの流体アウトレットポートとを用いる二層式熱交換器及び三層式熱交換器、並びに従来の熱交換器にも同様に適用されることは、当業者にとって明らかである。
【００９１】
接触層は、好ましくは、熱源９９に等しい又は近似する熱膨張率（coefficient of thermal expansion：以下、ＣＴＥという。）を有する。これにより、接触層は、好ましくは、熱源９９の伸縮に応じて同様に伸縮する。これに代えて、接触層３０２の材料は、熱源９９の材料のＣＴＥとは異なるＣＴＥを有していてもよい。シリコン等の材料から作成された接触層３０２は、熱源９９のＣＴＥに対応するＣＴＥを有し、及び熱源９９から流体に適切に熱を輸送するために十分な熱伝導率を有している。但し、これに代えて、熱源９９のＣＴＥに一致するＣＴＥを有する他の材料を用いて接触層３０２を形成してもよい。
【００９２】
接触層３０２は、熱源９９がオーバーヒートしないように、熱源９９と、接触層３０２に沿って流れる流体との間で十分な熱伝導を実現する高い熱伝導率を有することが好ましい。接触層３０２は、好ましくは、１００Ｗ／ｍ−Ｋ程度の高い熱伝導率を有する材料から形成される。但し、接触層３０２の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ−Ｋ以上でも以下でもよく、この値に制限されないことは当業者にとって明らかである。
【００９３】
好適な高い熱伝導率を達成するために、接触層１０２は、好ましくは、シリコン等の半導体基板から形成される。これに代えて、接触層は、これらに限定されるものではないが、単結晶誘電材料、金属、アルミニウム、ニッケル銅、コバー（Ｋｏｖａｒ：商標）、黒鉛、ダイヤモンド、これらの複合体及びあらゆる適切な合金を含む他の如何なる材料から作成してもよい。接触層３０２の他の材料としては、パターン化され又は成型された有機メッシュ（patterned or molded organic mesh）がある。
【００９４】
図１５に示すように、接触層３０２は、接触層３０２の材料を保護し、及び接触層３０２の熱交換特性を向上させるために、コーティング材料層１１２でコーティングする。具体的には、コーティング材料層１１２は、流体及び接触層３０２の間の化学的相互作用を防ぐ化学保護を提供する。例えば、アルミニウムから形成された接触層３０２は、これに接触する流体によって削られ、接触層３０２は、時間が経つにつれて劣化する虞がある。
【００９５】
ここで、約２５ミクロンのニッケル薄膜によるコーティング材料層１１２を接触層３０２の表面に電気メッキすることにより、接触層３０２の熱的性質を大幅に変化させることなく、化学的な如何なる潜在的反応も防止することができる。なお、接触層３０２の材料に応じて、適切な層厚を有する他の如何なるコーティング材料を用いてもよいことは明らかである。Ｐ３８接触層３０２は、好ましくは、接触層３０２を保護するために、ニッケル薄膜でコーティングされた銅材をエッチング加工することによって形成される。これに代えて、接触層３０２は、アルミニウム、シリコン基板、プラスチック又は他の如何なる適切な材料から形成してもよい。また、熱伝導率が低い材料から形成されている接触層３０２は、接触層３０２の熱伝導率を向上させるために、適切なコーティング材料でコーティングするとよい。接触層を電気鋳造する一手法として、クロム又は他の適切な材料のシード層を接触層３０２の底面に沿って適用し、このシード層に適切な電圧の電気的接続を適用してもよい。この電気的接続により、接触層３０２上に熱伝導性コーティング材料層１１２の層が形成される。また、電気鋳造法によって、１０〜１００ミクロンの範囲の様々な構造体を形成することができる。接触層３０２は、パターン化された電気メッキ等の電気鋳造法によって形成できる。更に、これに代えて、接触層は、光化学エッチング又は化学切削を単独で、又はこれと電気鋳造法とを組み合わせて形成してもよい。化学切削のための標準リゾグラフィセットを用いて、接触層３０２内の構造を加工してもよい。更に、レーザで補助された化学切削処理を用いることで、アスペクト比を変更し及び公差の精度を高めることができる。
【００９６】
上述したピラー３０３は、様々な手法で製造できる。但し、ピラー３０３は、高い熱伝導率を有するように形成する必要がある。好ましくは、ピラー３０３は、例えば、銅等の非常に熱伝導率が高い材料で形成する。但し、ここで、例えば、シリコン等の他の材料を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。ピラー３０３は、以下に限定されるものではないが、例えば、電気鋳造、放電加工ワイヤ法、スタンピング、ＭＩＭ及び機械加工を含む様々な手法で形成できる。更に、のこ盤及び／又はフライス盤を用いた切断によって、接触層３０２を所望の構成に形成してもよい。シリコン製の接触層３０２の場合、ピラー３０３は、接触層３０２におけるピラー３０３の必要なアスペクト比３０３に応じて、例えば、プラズマエッチング、ソーイング、リトグラフによるパターニング、様々なウエットエッチング等、様々な手法で形成することができる。放射状に構成された矩形フィン３０３Ｅ（図１０Ｅ）は、リトグラフによるパターニングを用いて形成でき、リトグラフによって確定された鋳型内では、プラズマエッチング又は電気メッキ法を採用することができる。
【００９７】
変形例においては、接触層３０２において用いられるマイクロチャネル壁１１０をシリコンから形成する。また、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、以下に限定されるものではないが、パターン化されたガラス、ポリマ及び成型されたポリマメッシュを含む他の如何なる材料で形成してもよい。マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２の底面１０３の材料と同じ材料から形成されているが、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２の他の部分の材料とは異なる材料から形成してもよい。
【００９８】
変形例では、マイクロチャネル壁１１０は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率特性を有する。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、１０Ｗ／ｍ−Ｋより大きい熱伝導率特性を有していてもよい。当業者にとって明らかであるが、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、１０Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率特性を有していてもよく、この場合、図１５に示すように、マイクロチャンネル壁１１０の熱伝導率を向上させるために、マイクロチャネル壁１１０にコーティング材料層１１２を適用するとよい。また、既に高い熱伝導率を有する材料から形成されたマイクロチャネル壁１１０に対して、マイクロチャネル壁１１０の表面を保護する少なくとも２５ミクロンの厚さのコーティング材料層１１２を適用してもよい、熱伝導率が低い材料から形成されたマイクロチャネル壁１１０については、少なくとも５０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率と、２５ミクロン以上の厚さを有するコーティング材料層１１２を適用するとよい。他の種類及び他の厚さのコーティング材料を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００９９】
少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するマイクロチャネル壁１１０を形成するためには、マイクロチャネル壁１１０は、例えば、ニッケル又は上述した他の金属のコーティング材料層１１２（図１５）によって電気鋳造される。また、少なくとも５０Ｗ／ｍ−Ｋの適切な熱伝導率を有するマイクロチャネル壁１１０を形成するためには、マイクロチャネル壁１１０は、薄膜金属フィルムシード層上に銅を電気メッキすることによって形成される。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０をコーティング材料でコーティングしなくてもよい。
【０１００】
マイクロチャネル壁１１０は、熱エンボシング法によって形成され、これにより、接触層１０２の底面１０３に沿ってチャネル壁１１０の高アスペクト比が実現される。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、ガラス表面に蒸着されたシリコン構造体として形成してもよく、この構造体は、ガラス上で所望の構成にエッチングされる。また、これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、標準リゾグラフィ法、スタンピング又は鋳造法、又は他の如何なる適切な技術によって形成してもよい。また、マイクロチャネル壁１１０は、接触層１０２とは別に作成し、陽極結合又はエポキシ樹脂接着によって接触層１０２に連結してもよい。これに代えて、マイクロチャネル壁１１０は、電気メッキ等の従来の電鋳技術によって接触層１０２に連結してもよい。
【０１０１】
中間層１０４は、様々な手法を用いて形成できる。中間層は、好ましくは、シリコンによって形成される。また、中間層には、以下に限定されるものではないが、ガラス又はレーザでパターン化されたガラス、ポリマ、金属、ガラス、プラスチック、成形された有機材料又はこれらの複合体を含む他の如何なる適切な材料を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。これに代えて、中間層１０４は、プラズマエッチング技術を用いて形成してもよい。これに代えて、中間層１０４は、化学エッチング法を用いて形成してもよい。他の手法として、機械加工、エッチング、押出及び／又は鍛造等によって金属を所望の構成に形成してもよい。また、これに代えて、中間層１０４は、プラスチックメッシュの射出成形によって所望の構成に形成してもよい。これに代えて、中間層１０４は、ガラス板に対するレーザドリルによって所望の構成に形成してもよい。
【０１０２】
マニホルド層１０６は、様々な手法で作成することができる。好適なマニホルド層３０６は、完全に一体に形成してもよい。これに代えて、図１２に示すように、複数の独立した部品を形成した後、これらを連結して好適なマニホルド層３０６を形成してもよい。マニホルド層１０６は、プラスチック、金属、ポリマ複合体又は他の何らかの適切な材料を用いた射出成形法によって形成され、ここで、各層は、同じ材料から形成することが好ましい。これに代えて、上述したように、各層は、異なる材料から形成してもよい。マニホルド層１０６は、機械加工又はエッチング等の金属加工技術を用いて形成してもよい。マニホルド層１０６を他の如何なる適切な手法により形成してもよいことは当業者にとって明らかである。
【０１０３】
中間層１０４は、様々な手法で接触層１０２及びマニホルド層１０６に連結され、これにより、熱交換器１００が形成される。接触層１０２、中間層１０４及びマニホルド層１０６は、陽極結合、接着材又は共晶結合法等によって互いに連結される。或いは、中間層１０４は、マニホルド層１０６及び接触層１０２の構造体内に一体に形成してもよい。中間層１０４は、化学結合処理によって接触層１０２に連結させてもよい。これに代えて、中間層１０４は、熱エンボシング又はソフトリソグラフィ技術によって形成してもよく、ここで、ワイヤ放電加工機ＥＤＭ又はシリコンマスタを用いて中間層１０４をスタンプしてもよい。更に、必要であれば、中間層１０４を金属又は他の適切な材料で電気メッキし、中間層１０４の熱伝導率を向上させてもよい。
【０１０４】
これに代えて、中間層１０４は、射出成形法によって、接触層１０２内のマイクロチャネル壁１１０の作成と同時に形成してもよい。これに代えて、他の何らかの適切な手法によって、マイクロチャネル壁１１０の作成と共に中間層１０４を形成してもよい。熱交換器を形成する他の手法としては、以下に限定されるものではないが、はんだ付け、融接、共晶接合、金属間接合（intermetallic bonding）及び各層で用いられる材料の種類に応じた他の如何なる適切な技術を用いてもよい。
【０１０５】
本発明に基づく熱交換器の他の製造方法を図１６に示す。図１６に示すように、この熱交換器の他の製造方法は、接触層として、シリコン基板から形成されたハードマスクを製造する工程（ステップ５００）を有する。ハードマスクは、酸化シリコン又はスピンオンガラスから形成される。一旦、ハードマスクを形成した後、ハードマスク内に複数のアンダーチャネル（under-channels）を形成する。これらのアンダーチャネルは、マイクロチャネル壁１１０間で流路を形成する（ステップ５０２）。アンダーチャネルは、以下に限定されるものではないが、ＨＦエッチング技術、化学切削、ソフトリソグラフィ、二フッ化キセノンエッチング等の如何なる適切な手法によって形成してもよい。更に、隣接するアンダーチャネルが互いにブリッジされないように、各アンダーチャネル間には、十分な間隔を設ける必要がある。次に、何らかの周知の手法を用いて、ハードマスクの上面上に、スピンオンガラスを設け、中間体及びマニホルド層を形成する（ステップ５０４）。続いて、橋かけ法（curing method）によって、中間層及びマニホルド層を強化する（ステップ５０６）。中間層及びマニホルド層を完全に形成し、強化した後に、この強化された層に１又は複数の流体ポートを形成する（ステップ５０８）。流体ポートは、マニホルド層をエッチングし又は穿孔することによって形成される。以上、接触層１０２、中間層１０４及びマニホルド層１０６を作成するための特定の手法を説明したが、当分野で周知の他の手法を用いて熱交換器１００を製造してもよい。
【０１０６】
本発明に基づく熱交換器の変形例を図１７に示す。図１７に示す変形例では、２つの熱交換器２００、２００’が１つの熱源９９に連結されている。詳しくは、電子デバイス等の熱源９９は、回路板９６に連結され、垂直に配設され、熱源９９の両面は、必然的に外部に晒される。本発明に基づく熱交換器２００、２００’は、それぞれ、熱源９９の晒された面に連結され、この熱交換器２００、２００’によって、熱源９９の冷却効率が最大化される。これに代えて、熱源が水平に回路板に連結されている場合、２つ以上の熱交換器（図示せず）を熱源９９上にスタックし、各熱交換器を熱源９９に電気的に連結してもよい。この実施形態に関するこの他の詳細は、２００２年２月７日に出願された、同時に係属中である米国特許出願第１０／０７２，１３７号、発明の名称「電力調整モジュール（POWER CONDITIONING MODULE）」に開示されており、この文献は、引用により本願に援用される。
【０１０７】
図１７に示す具体例では、２つの層を有する熱交換器２００が熱源９９の左側に連結され、３つの層を有する熱交換器２００’が熱源９９の右側に連結されている。熱源９９の何れの面に好適な又は代替の熱交換器を連結してもよいことは当業者にとって明らかである。また、変形例として、他の熱交換器２００’を熱源９９の側面に連結してもよいことは当業者にとって明らかである、図１７に示す変形例では、熱源９９の厚さに沿って存在するホットスポットを冷却するように流体を供給することによって、熱源９９のホットスポットをより正確に冷却することができる。すなわち、図１７に示す実施形態では、熱源９９の両面で熱交換を行うことによって、熱源９９の中心でホットスポットを適切に冷却することができる。なお、図１７に示す実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂの冷却装置３０を用いているが、他の循環システムを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【０１０８】
上述のように、熱源９９は、熱源９９において実行する必要がある異なるタスクのために、１又は複数のホットスポットの位置が変化する場合がある。熱源９９を適切に冷却するために、システム３０（図２Ａ及び図２Ｂ）は、ホットスポットの位置の変化に応じて、熱交換器１００に入る流体の流量及び／又は流速を動的に変更する感知及び制御モジュール３４を備える。
【０１０９】
詳しくは、図１７に示すように、熱交換器２００内の各接触層ホットスポット領域に及び／又は熱源９９の各潜在的なホットスポット位置に１つの以上のセンサ１２４を配設する。これに代えて、熱源及び熱交換器の間で及び／又は熱交換器自体の中に、複数のセンサを均等に配置してもよい。また、制御モジュール３４（図２Ａ及び図２Ｂ）を熱交換器１００への流体のフローを制御する循環型冷却装置３０内の１又は複数のバルブに連結してもよい。この具体例では、これらの１つの以上のバルブは、流体ライン内に配設されるが、これに代えて、他の如何なる箇所に配設してもよい。複数のセンサ１２４は、制御モジュール３４に連結され、制御モジュール３４は、好ましくは、図２に示すように、熱交換器１００のアップストリーム側に配設される。これに代えて、制御モジュール３４は、循環システム３０内の他の如何なる位置に配設してもよい。
【０１１０】
センサ１２４は、以下に限定されるものではないが、例えば、接触層ホットスポット領域を流れる流体の流量、接触層１０２及び／又は熱源９９のホットスポット領域の温度、流体の温度等の情報を制御モジュール３４に提供する。例えば、図１７に示す具体例では、接触層１２４上に配設されたセンサは、熱交換器２００の特定の接触層ホットスポット領域の温度が高くなり、熱交換器２００’の特定の接触層ホットスポット領域の温度が低くなっているといった情報を制御モジュール３４に提供する。これに応じて、制御モジュール３４は、熱交換器２００への流体の流量を増加させ、熱交換器２００’への流体の流量を減少させる。これに代えて、制御モジュール３４は、センサ１１８から受け取った情報に応じて、１又は複数の熱交換器内の１又は複数の接触層ホットスポット領域への流体の流量を変更してもよい。図１４に示す具体例では、センサ１１８を２つの熱交換器２００、２００’に接続しているが、これに代えて、センサ１１８を１つの熱交換器だけに接続してもよいことは明らかである。
【０１１１】
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】
【０１１２】
【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２Ａ】本発明に基づく柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器の好適な実施形態を組み込んだ循環型冷却装置の概略図である。
【図２Ｂ】本発明に基づく柔軟な流体輸送マイクロチャネル熱交換器の変形例を組み込んだ循環型冷却装置の概略図である。
【図３Ａ】本発明に基づく熱交換器のマニホルド層の変形例の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明に基づくマニホルド層の変形例を備える熱交換器の分解図である。
【図４】本発明に基づく互いに組み合うマニホルド層の斜視図である。
【図５】本発明に基づく接触層及び互いに組み合うマニホルド層の平面図である。
【図６Ａ】本発明に基づく接触層及び互いに組み合うマニホルド層の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６Ｂ】本発明に基づく接触層及び互いに組み合うマニホルド層の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６Ｃ】本発明に基づく接触層及び互いに組み合うマニホルド層の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図７Ａ】本発明に基づく接触層及び互いに組み合うマニホルド層の分解図である。
【図７Ｂ】本発明に基づく接触層の変形例の斜視図である。
【図８Ａ】本発明に基づくマニホルド層の変形例の平面図である。
【図８Ｂ】本発明に基づく接触層の平面図である。
【図８Ｃ】本発明に基づく接触層の平面図である。
【図９Ａ】本発明に基づく三層式熱交換器の変形例の側面図である。
【図９Ｂ】本発明に基づく二層式熱交換器の変形例の側面図である。
【図１０Ａ】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１０Ｂ】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１０Ｃ】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１０Ｄ】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１０Ｅ】本発明に基づく超小型ピンアレイを有する接触層の斜視図である。
【図１１】本発明に基づく熱交換器の変形例の一部切欠透視図である。
【図１２Ａ】本発明に基づく好適な熱交換器の分解図である。
【図１２Ｂ】本発明に基づく熱交換器の変形例の分解図である。
【図１２Ｃ】本発明に基づく循環レベルの変形例の斜視図である。
【図１２Ｄ】本発明に基づく好適なインレットレベルの底面側からの斜視図である。
【図１２Ｅ】本発明に基づくインレットレベルの変形例の底面側からの斜視図である。
【図１２Ｆ】本発明に基づく好適なアウトレットレベルの底面側からの斜視図である。
【図１２Ｇ】本発明に基づくアウトレットレベルの変形例の底面側からの斜視図である。
【図１２Ｈ】本発明に基づく好適な熱交換器の断面図である。
【図１２Ｉ】本発明に基づく熱交換器の変形例の断面図である。
【図１３】単相流フローのための本発明に基づくインレット及びアウトレットアパーチャの好適な構成を有する循環レベルの平面図である。
【図１４】二相流フローのための本発明に基づくインレット及びアウトレットアパーチャの好適な構成を有する循環レベルの平面図である。
【図１５】コーティング材料が適用された本発明に基づく熱交換器の接触層の側面図である。
【図１６】本発明に基づく熱交換器の製造手順を示すフローチャートである。
【図１７】熱源に２つの熱交換器を連結する本発明の他の実施形態を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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