(57)【要約】実質的に平面に揃えられている熱交換器の熱交換面に接触する熱源の温度を制御する熱源温度制御方法を開示する。熱源温度制御方法は、第１の温度の流体を熱交換面に流し、第１の温度の流体が熱交換面に沿って、熱源と熱交換を行う工程を有する。更に、熱源温度制御方法は、熱交換面から第２の温度の流体を流し、第２の温度の流体が熱源に沿って、温度差を最小化する工程を有する。熱交換器における流体抵抗及び熱抵抗を最適化し及び制御することによって熱源における温度差が最小化される。流体への抵抗は、熱輸送構造体のサイズ、体積及び表面積、多連ポンプ、固定又は可変のバルブ、流路内のフロー規制要素、流体の圧力及び流量制御及びこの他の要素によって制御される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に平面に揃えられている熱交換器の熱交換面に接触する熱源の温度を制御する熱源温度制御方法において、
ａ．第１の温度の流体を上記熱交換面に流し、該第１の温度の流体が該熱交換面に沿って、上記熱源と熱交換を行う工程と、
ｂ．上記熱交換面から第２の温度の流体を流し、該第２の温度の流体が熱源に沿って、温度差を最小化する工程とを有する熱源温度制御方法。
【請求項２】
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記載の熱源温度制御方法。
【請求項３】
上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項１記載の熱源温度制御方法。
【請求項４】
上記流体の少なくとも一部は、上記熱交換器において、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記載の熱源温度制御方法。
【請求項５】
上記第１の温度の流体及び第２の温度の流体は、上記平面に対して実質的に垂直に流されることを特徴とする請求項１記載の熱源温度制御方法。
【請求項６】
上記流体に所望の流体抵抗を加えて、該流体を所望の温度に制御するように構成された少なくとも１つの流路に沿って該流体を流す工程を更に有する請求項１記載の熱源温度制御方法。
【請求項７】
上記流体は、１つ以上の流路に沿って流され、該各流路は、フロー長寸法及び流体接触寸法を有していることを特徴とする請求項６記載の熱源温度制御方法。
【請求項８】
上記流路の流体接触寸法は、フロー長寸法に対して変化することを特徴とする請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項９】
上記流体接触寸法は、上記熱交換器における１又は複数の動作条件に対応して調整可能に適応化され、該調整可能な流体接触寸法は、流体抵抗を制御するように調整されることを特徴とする請求項８記載の熱源温度制御方法。
【請求項１０】
上記流路に沿った所定の位置における所望の特徴を検出する検出器を接続する工程を更に有する請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項１１】
ａ．上記流体の第１の部分を上記熱交換面の第１の所望の領域に沿う第１の循環流路に流す工程と、
ｂ．上記流体の第２の部分を上記熱交換面の第２の所望の領域に沿う第２の循環流路に流す工程とを有し、
上記第１の循環流路は、上記第２の循環流路から独立し、上記熱源における温度差を最小化することを特徴とする請求項１記載の熱源温度制御方法。
【請求項１２】
上記熱交換面の１つ以上の選択された領域を所望の熱伝導率に適応化し、局所的な熱抵抗を制御する工程を更に有する請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項１３】
上記熱交換面に複数の熱輸送構造体を配設する工程を有し、上記熱は、上記流体及び該複数の熱輸送構造体の間で輸送されることを特徴とする請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項１４】
上記熱交換面の少なくとも一部を所望の粗さに粗くし、上記流体及び熱抵抗の少なくとも１つのを制御する工程を更に有する請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項１５】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、ピラーを含むことを特徴とする請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項１６】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、マイクロチャネルを含むことを特徴とする請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項１７】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、微孔構造を含むことを特徴とする請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項１８】
上記ピラーの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項１５記載の熱源温度制御方法。
【請求項１９】
上記ピラーの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１５記載の熱源温度制御方法。
【請求項２０】
上記ピラーの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項１５記載の熱源温度制御方法。
【請求項２１】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項１６記載の熱源温度制御方法。
【請求項２２】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１６記載の熱源温度制御方法。
【請求項２３】
上記マイクロチャネルの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項１６記載の熱源温度制御方法。
【請求項２４】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の幅寸法を有することを特徴とする請求項１６記載の熱源温度制御方法。
【請求項２５】
上記微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有することを特徴とする請求項１７記載の熱源温度制御方法。
【請求項２６】
上記微孔構造は、１０ミクロン以上２００ミクロン以下の範囲内の平均孔寸法を有することを特徴とする請求項１７記載の熱源温度制御方法。
【請求項２７】
上記微孔構造は、０．２５ミリメートル以上２．００ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１７記載の熱源温度制御方法。
【請求項２８】
単位面積あたり所望の数の上記熱輸送構造体が配設され、流体抵抗が制御されることを特徴とする請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項２９】
上記流体抵抗は、上記微孔構造における適切な孔寸法及び適切な孔−体積率を選択することによって最適化されることを特徴とする請求項２８記載の熱源温度制御方法。
【請求項３０】
上記流体抵抗は、単位面積あたりのピラーの数及び適切なピラー−体積率を選択することによって最適化されることを特徴とする請求項２８記載の熱源温度制御方法。
【請求項３１】
上記流体抵抗は、少なくとも１つの上記マイクロチャネルの適切な水力半径を選択することによって最適化されることを特徴とする請求項２８記載の熱源温度制御方法。
【請求項３２】
上記流体抵抗は、上記微孔構造の適切な多孔度を選択することによって最適化されることを特徴とする請求項１７記載の熱源温度制御方法。
【請求項３３】
上記流体抵抗は、少なくとも２つの上記ピラー間の適切な間隔寸法を選択することによって最適化されることを特徴とする請求項１５記載の熱源温度制御方法。
【請求項３４】
上記熱輸送構造体の長さ寸法を最適化して、上記流体への流体抵抗を制御する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項３５】
上記熱輸送構造体の少なくとも一部の少なくとも１つの寸法を最適化して、上記流体への流体抵抗を制御する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項３６】
上記２つ以上の熱輸送構造体間の距離を最適化して、上記流体への流体抵抗を制御する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法
【請求項３７】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体の少なくとも一部にコーティングを施し、熱抵抗及び流体抵抗の少なくとも１つのを制御する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項３８】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体の表面積を最適化して、上記流体への流体抵抗を制御する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項３９】
上記流路に沿って、少なくとも１つのが上記流体抵抗を制御する少なくとも１つのフロー規制要素を配設する工程を更に有する請求項１３記載の熱源温度制御方法。
【請求項４０】
上記流路に沿う所定の位置における上記流体の圧力を調整し、該流体の一時的な温度を制御する工程を更に有する請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項４１】
上記流路に沿う所定の位置における上記流体の流量を調整し、該流体の一時的な温度を制御する工程を更に有する請求項７記載の熱源温度制御方法。
【請求項４２】
熱源の温度を制御する熱交換器において、
ａ．第１の平面に揃えられ、上記熱源に実質的に接触し、流体と熱交換を行うように構成された第１の層と、
ｂ．上記第１の層に連結され、該第１の層に流体を流し、及び該第１の層から流体を受け取る第２の層とを備え、
上記熱源に沿って、温度差を最小化する熱交換器。
【請求項４３】
上記第２の層は、
ａ．上記第１の平面に実質的に垂直な複数のインレット流路と、
ｂ．上記第１の平面に実質的に垂直な複数のアウトレット流路とを備え、
上記インレット及びアウトレット流路は、互いに平行に構成されることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４４】
上記第２の層は、
ａ．上記第１の平面に実質的に垂直な複数のインレット流路と、
ｂ．上記第１の平面に実質的に垂直な複数のアウトレット流路とを備え、
上記インレット及びアウトレット流路は、互いに非平行に構成されることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４５】
上記第２の層は、
ａ．第１の層に流体を流す少なくとも１つの第１のポートを有する第１の層と、
ｂ．少なくとも１つの第２のポートを有する第２の層とを備え、
上記第２の層は、第１の層から第２のポートに流体を流し、上記第１の層の流体は、上記第２の層の流体から独立して流れることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４６】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４７】
上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４８】
上記流体の少なくとも一部は、当該熱交換器において、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４２記載の熱交換器。
【請求項４９】
上記流体に所望の流体抵抗を加えて、該流体を所望の温度に制御するように適応化された少なくとも１つの流路を更に備える請求項４２記載の熱交換器。
【請求項５０】
上記少なくとも１つの流路は、上記第１の層に配設されていることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５１】
上記少なくとも１つの流路は、上記第２の層に配設されていることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５２】
上記少なくとも１つの流路は、上記第１の層と上記第２の層の間に設けられた第３の層に配設されていることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５３】
上記流路は、フロー長寸法及び流体接触寸法を有することを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５４】
上記流体接触寸法は、所望の位置において、フロー長寸法に対して変化し、流体への流体抵抗が制御されることを特徴とする請求項５３記載の熱交換器。
【請求項５５】
上記流路の壁に連結され、１又は複数の動作条件に応じて、流体抵抗を可変に制御するよう調整される少なくとも１つの拡張可能バルブを更に備える請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５６】
上記流路に沿う所定の位置に配設され、上記熱源の温度に関する情報を提供する１つ以上のセンサを更に備える請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５７】
上記流路の一部は、上記第１の層に沿う第１の循環流路に向けられ、該第１の循環流路内の流体は、該第１の層の第２の循環流路内の流体とは独立して流れることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５８】
上記第１の層の１つ以上の選択された領域は、所望の熱伝導率を有し、上記流体への熱抵抗を制御することを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項５９】
上記第１の層は、複数の熱輸送構造体を備えることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項６０】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、ピラーを含むことを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項６１】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、マイクロチャネルを含むことを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項６２】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、微孔構造を含むことを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項６３】
上記ピラーの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項６０記載の熱交換器。
【請求項６４】
上記ピラーの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項６０記載の熱交換器。
【請求項６５】
上記ピラーの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項６０記載の熱交換器。
【請求項６６】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項６１記載の熱交換器。
【請求項６７】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項６１記載の熱交換器。
【請求項６８】
上記マイクロチャネルの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項６１記載の熱交換器。
【請求項６９】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の幅寸法を有することを特徴とする請求項６１記載の熱交換器。
【請求項７０】
上記微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有することを特徴とする請求項６２記載の熱交換器。
【請求項７１】
上記微孔構造は、１０ミクロン以上２００ミクロン以下の範囲内の平均孔寸法を有することを特徴とする請求項６２記載の熱交換器。
【請求項７２】
上記微孔構造は、０．２５ミリメートル以上２．００ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項６２記載の熱交換器。
【請求項７３】
上記第１の層の少なくとも一部は、所望の粗さを有し、流体抵抗を制御することを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７４】
単位面積あたり所望の数の上記熱輸送構造体が配設され、流体抵抗が制御されることを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７５】
上記熱輸送構造体の長さ寸法は、上記流体への流体抵抗を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７６】
上記熱輸送構造体の高さ寸法は、上記流体への流体抵抗を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７７】
上記１又は複数の熱輸送構造体は、隣接する熱輸送構造体から適切な距離に配設され、上記流体への流体抵抗を制御することを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７８】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体の少なくとも一部は、上記流体への熱抵抗を制御するコーティングを有することを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項７９】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体は、上記流体への流体抵抗を制御する適切な表面積を有することを特徴とする請求項５９記載の熱交換器。
【請求項８０】
上記流路は、上記流路に拡張し、上記流体への流体抵抗を制御する少なくとも１つのフロー規制要素を備えることを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項８１】
上記流路は、所定の位置で流体の圧力を調整し、上記流体の温度を制御することを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項８２】
上記流路は、所望の位置で流体の圧力を調整し、上記流体の一時的な温度を制御することを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項８３】
上記流路は、上記流体の少なくとも一部の流量を調整し、上記流体の温度を制御することを特徴とする請求項４９記載の熱交換器。
【請求項８４】
熱源の温度を制御する封水循環システムにおいて、
ａ．上記熱源における温度差を最小化するように構成され、上記熱源の温度を制御する少なくとも１つの熱交換器と、
ｂ．上記熱交換器の少なくとも１つのに連結され、当該封水循環システム内に流体を循環させる少なくとも１つのポンプと、
ｃ．上記少なくとも１つのポンプ及び少なくとも１つの熱交換器に連結された少なくとも１つの除熱器とを備える封水循環システム
【請求項８５】
上記少なくとも１つの熱交換器は、
ａ．第１の平面に沿って構成され、上記熱源に実質的に接触し、少なくとも１つの熱交換流路に沿って流体を流すように構成された接触層と、
ｂ．少なくとも１つのインレット流路に沿ってインレット流体を供給し、少なくとも１つのアウトレット流路に沿ってアウトレット流体を取り除くマニホルド層とを備えることを特徴とする請求項８４記載の封水循環システム。
【請求項８６】
上記マニホルド層は、
ａ．上記インレット流路に接続され、第１の平面に実質的に垂直に構成された複数のインレットフィンガと、
ｂ．上記アウトレット流路に接続され、上記第１の平面に実質的に垂直に構成された複数のアウトレットフィンガとを備え、
上記インレット及びアウトレットフィンガは、互いに平行に構成されていることを特徴とする請求項８５記載の封水循環システム。
【請求項８７】
上記マニホルド層は、
ａ．上記インレット流路に接続され、第１の平面に実質的に垂直に構成された複数のインレットフィンガと、
上記インレット及びアウトレットフィンガは、互いに非平行に構成されていることを特徴とする請求項８５記載の封水循環システム。
【請求項８８】
上記マニホルド層は、
ａ．互いに最適な距離に配設された複数の流路を有する第１の層と、
ｂ．上記アウトレット流路から上記第２のポートに流体を流すように構成された第２の層とを有し、
上記第１の層の流体は、上記第２の層を流体から独立して流れることを特徴とする請求項８５記載の封水循環システム。
【請求項８９】
上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項８４記載の封水循環システム。
【請求項９０】
上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項８４記載の封水循環システム。
【請求項９１】
上記流体の少なくとも一部は、上記熱交換器において、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８４記載の封水循環システム。
【請求項９２】
上記熱交換器は、該熱交換器内の所望の位置において、上記流体に所望の流体抵抗を加えて、該流体の流量を制御することを特徴とする請求項８５記載の封水循環システム。
【請求項９３】
上記インレット流路及びアウトレット流路は、それぞれフロー長寸法及び流体接触寸法を有することを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項９４】
上記流体接触寸法は、上記フロー長寸法に対して変化し、流体への流体抵抗が制御されることを特徴とする請求項９３記載の封水循環システム。
【請求項９５】
上記熱交換器内の壁に沿って連結され、１又は複数の動作条件に応じて、上記流体への流体抵抗を可変に制御するように調整される少なくとも１つの拡張可能バルブを更に備える請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項９６】
上記熱交換器の所定の位置に配設され、上記熱源の冷却に関する情報を提供する１つ以上のセンサを更に備える請求項８４記載の封水循環システム。
【請求項９７】
上記流路の一部は、上記第１の層に沿う第１の循環流路に向けられ、該第１の循環流路内の流体は、上記接触層の第２の循環流路内の流体とは独立して流れることを特徴とする請求項８５記載の封水循環システム。
【請求項９８】
上記接触層の１つ以上の選択された領域は、上記流体への熱抵抗を制御する所望の熱伝導率を有することを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項９９】
上記接触層は、複数の熱輸送構造体を備えることを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項１００】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、ピラーを含むことを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１０１】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、マイクロチャネルを含むことを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１０２】
上記熱輸送構造体の少なくとも１つは、微孔構造を含むことを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１０３】
上記ピラーの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項１００記載の封水循環システム。
【請求項１０４】
上記ピラーの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１００記載の封水循環システム。
【請求項１０５】
上記ピラーの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項１００記載の封水循環システム。
【請求項１０６】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、（１０ミクロン）２以上（１００ミクロン）２以下の範囲内の面積寸法を有することを特徴とする請求項１０１記載の封水循環システム。
【請求項１０７】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、５０ミクロン以上２ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１０１記載の封水循環システム。
【請求項１０８】
上記マイクロチャネルの少なくとも２つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の間隔寸法で互いに離間されていることを特徴とする請求項１０１記載の封水循環システム。
【請求項１０９】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つは、１０ミクロン以上１５０ミクロン以下の範囲内の幅寸法を有することを特徴とする請求項１０１記載の封水循環システム。
【請求項１１０】
上記微孔構造は、５０パーセント以上８０パーセント以下の範囲内の多孔度を有することを特徴とする請求項１０２記載の封水循環システム。
【請求項１１１】
上記微孔構造は、１０ミクロン以上２００ミクロン以下の範囲内の平均孔寸法を有することを特徴とする請求項１０２記載の封水循環システム。
【請求項１１２】
上記微孔構造は、０．２５ミリメートル以上２．００ミリメートル以下の範囲内の高さ寸法を有することを特徴とする請求項１０２記載の封水循環システム。
【請求項１１３】
上記接触層の少なくとも一部は、所望の粗さを有し、流体抵抗を制御することを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１４】
単位面積あたり所望の数の上記熱輸送構造体が配設され、流体抵抗が制御されることを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１５】
上記熱輸送構造体の長さ寸法は、上記流体への流体抵抗を制御するように構成されていることを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１６】
上記熱輸送構造体の高さ寸法は、上記流体への流体抵抗を制御するように構成されていることを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１７】
上記１又は複数の熱輸送構造体は、隣接する熱輸送構造体から適切な距離に配設され、上記流体への流体抵抗を制御することを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１８】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体の少なくとも一部は、上記流体への熱抵抗を制御するコーティングを有することを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１１９】
上記少なくとも１つの熱輸送構造体は、上記流体への流体抵抗を制御する適切な表面積を有することを特徴とする請求項９９記載の封水循環システム。
【請求項１２０】
上記少なくとも１つの流路は、上記流路に拡張し、上記流体への流体抵抗を制御する少なくとも１つのフロー規制要素を備えることを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項１２１】
上記インレット及びアウトレット流路の少なくとも１つは、流路に沿う所定の位置に沿って上記流体の圧力を調整し、該流体の温度を制御することを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項１２２】
上記インレット及びアウトレット流路の少なくとも１つは、所望の位置で上記流体の圧力を調整し、該流体の温度を制御することを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【請求項１２３】
上記インレット及びアウトレット流路の少なくとも１つは、上記流体の少なくとも一部の流量を調整し、該流体の温度を制御することを特徴とする請求項９２記載の封水循環システム。
【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、２００３年４月１１日に出願された、係属中の米国仮特許出願第６０／４６２，２４５号、発明の名称「リング補強プロテクタ及びリムーバブルスプレッダリッド（RING STIFFENER PROTECTOR AND REMOVEABLE SPREADER LID）」について、米国特許法第１１９条（ｅ）項３５米国連邦法規類集１１９に基づく優先権を主張する。また、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日に出願された、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）」について、米国特許法第１１９条（ｅ）項３５米国連邦法規類集１１９に基づく優先権を主張する。また、この特許出願は、引用により本願に援用される、２００３年１月２４日に出願された、継続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）」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。更に、この特許出願は、引用により本願に援用される、２００３年３月１７日に出願された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、発熱デバイスを冷却する方法及び装置に関し、詳しくは、熱源における温度差を低減し、熱源のホットスポットを冷却する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。最も単純なケースでは、ホットスポットは、熱源の他の領域に比べて実質的により高い熱流束を有する例えば、マイクロプロセッサ等の熱源の領域である。更に、熱源の表面に亘って実質的に異なる熱流束が発生すると、熱源の表面に沿って温度差が生じ、複数のホットスポットが出現する。
【０００４】
図１Ａは、複数のホットスポットを有する熱源９９の斜視図である。図１Ａに示すように、ホットスポットは、熱源の他の領域より高い熱流束を有するが、熱源の材料を介する熱の伝播のために、ホットスポットに近い周囲の領域も、非ホットスポット領域に比べて温度が高くなっている。すなわち、図１Ａにおいて破線で囲まれたホットスポットの周囲の領域も、この破線の外側の領域に比べて高い温度を有する。そこで、ホットスポット領域及びこれに隣接する領域をホットスポットと定義し、ここでは、接触層ホットスポット領域と呼ぶ
また、熱源９９は、図１Ｂに示すように、如何なるホットスポットも有さない場合もある。図１Ｂは、ホットスポットを全く有さない熱源９９の斜視図と、Ｘ及びＹ方向における距離の関数として温度の変動を表すグラフを示している。図１Ｂの熱源９９は、ホットスポットを有していないが、材料における熱伝播の原理に従い、熱源９９の中央は、熱源９９の周囲又はエッジに比べて、より高い熱流束を発生する。この現象は、図１Ｂのグラフに示されている。従来の熱交換器は、熱源の冷却のみを目的とし、その結果、従来の熱交換器では、ホットスポット冷却又は総合的な温度均一性が考慮されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、様々な設計管理及び冷却法を用いて、熱源における温度均一性を実現する熱交換器を有する流体冷却循環システムを提供することである。更に、本発明の目的は、様々な設計管理及び冷却法を用いて、熱源のホットスポットを効果的に冷却する熱交換器を有する流体冷却循環システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱源温度制御方法は、実質的に平面に揃えられている熱交換器の熱交換面に接触する熱源の温度を制御する。熱源温度制御方法は、第１の温度の流体を熱交換面に流し、第１の温度の流体が熱交換面に沿って、熱源と熱交換を行う工程を有する。更に、熱源温度制御方法は、熱交換面から第２の温度の流体を流し、第２の温度の流体が熱源に沿って、温度差を最小化する工程を有する。
【０００７】
更に、本発明は、熱源の温度を制御する熱交換器を提供する。熱交換器は、熱源に実質的に接触する第１の層を備える。第１の層は、第１の平面に揃えられ、流体と熱交換を行うように構成されている。更に、熱交換器は、第１の層に連結され、第１の層に流体を流し、及び第１の層から流体を受け取る第２の層を備える。熱交換器は、熱源に沿って、温度差を最小化するよう構成されている。
【０００８】
更に、本発明は、熱源の温度を制御する封水循環システム（hermetic closed loop system）を提供する。封水循環システムは、熱源の温度を制御する少なくとも１つの熱交換器を備える。熱交換器は、第１の平面に沿って構成され、熱源に実質的に接触し、少なくとも１つの熱交換流路に沿って流体を流すように構成された接触層を備える。更に、熱交換器は、少なくとも１つのインレット流路に沿ってインレット流体を供給し、少なくとも１つのアウトレット流路に沿ってアウトレット流体を取り除くマニホルド層を備える。熱交換器は、熱源における実質的な温度均一性を実現するように構成される。更に、封水循環システムは、封水循環システム内に流体を循環させる少なくとも１つのポンプを備える。少なくとも１つのポンプは、少なくとも１つの熱交換器に連結される。封水循環システムは、更に、少なくとも１つのポンプ及び少なくとも１つの熱交換器に連結された少なくとも１つの除熱器を備える。
【０００９】
一実施形態においては、第２の層は、第１の平面に実質的に垂直な複数のインレット流路を備える。更に、第２の層は、第１の平面に実質的に垂直な複数のアウトレット流路を備え、インレット及びアウトレット流路は、互いに平行に構成される。他の実施形態においては、第２の層は、第１の平面に実質的に垂直な複数のインレット流路を備える。更に、第２の層は、第１の平面に実質的に垂直な複数のアウトレット流路を備え、インレット及びアウトレット流路は、互いに非平行に構成される。更に他の実施形態においては、第２の層は、第１の層に流体を流す少なくとも１つの第１のポートを有する第１の層と、少なくとも１つの第２のポートを有する第２の層とを備える。第２の層は、第１の層から第２のポートに流体を流し、第１の層の流体は、第２の層の流体から独立して流れる。
【００１０】
上述の実施形態において、流体は、単相流であっても二相流であってもよく、又は、単相流及び二相流の間で遷移してもよい。流体は、流体に所望の流体抵抗を加える少なくとも１つの流路に沿って流される。各流路は、フロー長寸法及び流体接触寸法を有し、流路の流体接触寸法は、フロー長寸法に対して変化する。流体接触寸法は、熱交換器の１又は複数の動作条件に応じて調整することができる。本発明は、流路に沿った所定の位置における所望の特徴を検出する検出器を含む。流体は、熱交換面の第１の所望の領域に沿う第１の循環流路に流される。更に、流体は、熱交換面の第２の所望の領域に沿う第２の循環流路にも流され、第１の循環流路は、第２の循環流路から独立している。熱交換面の１つ以上の選択された領域は、熱抵抗を制御するための所望の熱伝導率を有する。熱交換面には、複数の熱輸送構造体が配設され、熱は、流体及び複数の熱輸送構造体の間で輸送される。熱交換面の少なくとも一部を所望の粗さに粗くすることによって、流体及び熱抵抗の少なくとも１つのを制御してもよい。更に、熱輸送構造体の少なくとも１つは、ピラー、マイクロチャネル及び／又は微孔構造を含む。熱交換面には、単位面積あたり所望の数の熱輸送構造体が配設され、流体抵抗が制御される。一実施形態においては、流体抵抗は、微孔構造における適切な孔寸法及び適切な孔−体積率を選択することによって最適化される。他の実施形態においては、流体抵抗は、単位面積あたりのピラーの数及び適切なピラー−体積率を選択することによって最適化される。更に他の実施形態においては、流体抵抗は、少なくとも１つのマイクロチャネルの適切な水力半径を選択することによって最適化される。熱輸送構造体は、流体への流体抵抗を制御するために最適化された長さ寸法を有する。熱輸送構造体の少なくとも一部の少なくとも１つの寸法は、流体への流体抵抗を制御するように最適化される。これに代えて、２つ以上の熱輸送構造体間の距離を最適化して、流体への流体抵抗を制御してもよい。これに代えて、少なくとも１つの熱輸送構造体の少なくとも一部にコーティングを施し、熱抵抗及び流体抵抗の少なくとも１つのを制御してもよい。また、少なくとも１つの熱輸送構造体の表面積を最適化することによって、流体への熱抵抗及び流体抵抗を制御してもよい。流路に沿って、少なくとも１つのが流体抵抗を制御する少なくとも１つのフロー規制要素を配設してもよい。更に、流路に沿った所定の位置で流体の圧力を調整して、流体の一時的な温度を制御してもよい。或いは、更に、流路に沿った所定の位置で流体の流量を調整して、流体の一時的な温度を制御してもよい。
【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】
本発明に基づく流体循環システムは、包括的に言えば、熱交換器と協働して、熱源に接触する接触層の選択領域（selective areas）を介して流体を流通させることによって、熱源からの熱エネルギを捕捉する。具体的には、単層流又は二相流で流体を接触層の特定の領域に流すことにより、熱交換器内における最適な圧力降下を維持しながら、ホットスポットを冷却し、及び／又は熱源に亘る温度差を低減することができる。この温度均一性の実現とは、熱源に自動的に生じる温度勾配を最小化することである。更に、熱源における温度均一性の実現は、図１Ｂのようにホットスポットがない場合の温度勾配を最小化することを含む。すなわち、温度均一性の実現とは、熱源におけるより熱い領域、暖かい領域及び冷たい領域の間の温度の差異を減少させることを含む。後述するように、本発明に基づく循環システム及び熱交換器異なる設計条件及び制御手法を用いて、熱源における温度均一性を実現する。
【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に流体を柔軟に輸送する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の柔軟な流体輸送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、本発明に基づくマイクロチャネル熱交換器１００を備える封水的に密閉された循環冷却装置３０の概略を示している。更に、図２Ｂは、変形例として、多連ポンプ３２’及び分流バルブ３３’に連結された複数のポート１０８、１０９を有するマイクロチャネル熱交換器１００’を備える、封水的に密閉された循環冷却装置３０’の概略を示している。分流バルブ３３’及び多連ポンプ３２’は、２つ以上の流体のストリームを熱交換器１００’に供給する。なお、システム３０、３０’は、図２Ａ、図２Ｂに示す以外の更なる部品を備えていてもよく、ここに示す構成によっては制限されない。
【００１５】
図２Ａに示すように、流体ポート１０８、１０９は、ポンプ３２及び熱コンデンサ３０に連結された流体ライン３８に連結されている。ポンプ３２は、流体をポンピングし、循環システム３０内で循環させる。一実施形態においては、各流体ポート１０８’、１０９’を介して、一定の均一な流量の流体が熱交換器１００に出入りする。これに代えて、インレット及びアウトレットポート１０８、１０９を介して熱交換器１００’に出入りする流量を時間的に変化させてもよい。これに代えて図２Ｂに示すように、１又は複数のバルブ３３’を介して、２つ以上のポンプ３２’が複数の指定されたインレットポート１０８に流体を提供するような構成としてもよい。なお、図２Ａ及び図２Ｂに示す構成は、例示的なものである。ポンプ及び流体ポートの数は、幾つであってもよい。
【００１６】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、熱交換器１００及び／又は熱源９９には、１つ以上のセンサ１３０が連結され、センサ１３０は、熱交換器１００の動作状態に関する情報を動的感知及び制御モジュール３４に提供する。制御モジュール３４は、ポンプ３２’及び／又は熱交換器１００’に連結され、１つ以上のセンサ１３０から受け取った温度、ホットスポット位置、流量、液体の温度、流体の圧力、システム３０内の包括的な動作等に関する情報に対応して熱交換器１００’を出入りする流体の量及び流量を動的に制御する。例えば、制御モジュール３４は、ホットスポット位置の熱量の増加に応じて、２つのポンプ３２’を始動する。なお、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、感知及び制御モジュール３４は、両方の冷却装置に適用可能である。
【００１７】
本発明の設計概念及び方法をより明瞭に示すために、流体循環システム３０、３０’においては、幾つかの熱交換器を用いてもよく、これらの熱交換器は、以下に説明する本発明のあらゆる側面を備えるように構成することができる。以下に示す熱交換器の特徴及び詳細については、引用により本願に援用される、２００３年１０月６日に出願された、係属中の米国特許出願代理人整理番号Ｃｏｏｌ−０１３０１、発明の名称「発熱デバイスを冷却するための効率的な垂直流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE）」にも開示されている。本発明は、この代理人整理番号Ｃｏｏｌ−０１３０１に開示されている熱交換器には制限されず、本発明は、他の如何なる適切な熱交換器又はヒートシンクにも適用できることは当業者にとって明らかである。
【００１８】
接触層１０２（図の３Ａ及び４Ａ）は、好ましくは、熱源に接触し、熱源９９を適切に冷却する熱交換能力を提供する。これに代えて接触層１０２は、１つの全体の部品として、熱源と一体に形成してもよい。これに代えて接触層１０２は、ヒートスプレッダ（図示せず）に組み込んでもよく、このヒートスプレッダは、熱源に連結してもよく、又は熱源内に一体に形成してもよい。熱交換器１００の接触層１０２は、流体が流されるように構成される。接触層１０２によって、熱伝導及び対流により、熱源９９から流体に熱を輸送することができる。接触層１２０は、類似する又は異なる熱輸送構造体を幾つ含んでいてもよく、これらの構造体の幾つかについては、後に説明する。熱輸送構造体は、以下に説明する形状には制限されず、他の適切な如何なる形状及び設計を用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００１９】
図３Ａは、本発明に基づく複数のマイクロチャネル壁１１０が形成された接触層１０２の斜視図である。マイクロチャネル壁１１０により、流体は、接触層１０２の全体に沿って及び／又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対して熱交換を行うことができ、これにより熱源９９を冷却することができる。マイクロチャネル壁１１０は、図３Ａに示すように、接触層の底面から垂直に立ち上がり、好ましくは、互いに平行になるように構成される。これに代えてマイクロチャネル壁１１０は、非平行に構成してもよい。
【００２０】
図３Ｂは、接触層に沿って配置された幾つかの異なる熱輸送構造体を有する本発明に基づく接触層３０２の斜視図である。接触層１０２’は、複数のマイクロチャネル１０９を備え、そのうち、２つのマイクロチャネルは、同じ形状を有し、１つのマイクロチャネル１１１は、自らの他の部分より高く突きだしている部分を有する。更に、接触層１０２’上には、本発明に基づく様々な高さ寸法を有する複数のピラー１３２、１３４が設けられている。図２Ｂに示すように、ピラー１３４は、接触層１０２’の底面から所定の高さに垂直に延び、この高さは、潜在的に接触層１０２’の全体の高さであってもよい。ピラー１３２は、マイクロピラー１３４より低く垂直に延びている。ピラー１３４は、如何なる形状を有していてもく、例えば、以下に限定されるものではないが、ピン（図３Ｂ）、正方形（図示せず）、ダイヤモンド形（図示せず）、楕円形（図示せず）、六角形（図示せず）、円形の又は他の如何なる形であってもよい。或いは、接触層１０２’上には、異なる形状のマイクロピラーを併設してもよい。更に、図１Ｂには、接触層１０２’上に配設された微孔構造１３６が示されている。
【００２１】
本発明の熱交換器１００は、熱源９９より大きい幅を有することが望ましい。熱交換器１００が熱源９９より大きい場合、張り出し寸法（overhang dimension）が存在する。張り出し寸法とは、熱源９９の１つの外壁と、熱交換器１００の内部の流体チャネル壁との間の最も遠い距離である。好適な実施形態では、張り出し寸法は、単相流の場合、０〜５ミリメートルであり、二相流の場合０〜１５ミリメートルである。更に、本発明の接触層１０２の厚さ寸法は、好ましくは、単相流の場合、０．３〜０．７ミリメートルであり、二相流の場合、０．３〜１．０ミリメートルである。
【００２２】
本発明の実施形態における熱交換器１００は、接触層１０２上に設けられた微孔構造１３６を用いる。微孔構造１３６は、単層流の場合も二相流の場合も、１０〜２００ミクロンの範囲内の平均孔寸法を有する。更に、微孔構造１３６の多孔度は、単層流の場合も二相流の場合も、５０〜８０パーセントの範囲内とすることが望ましい。微孔構造１３６の高さは、単層流の場合も二相流の場合も、０．２５〜２．００ミリメートルの範囲内とすることが望ましい。
【００２３】
接触層１０２に沿ってピラー１３２、１３４（以下、１３２で代表させる。）及び／又はマイクロチャネル１０９、１１１、１１３（以下、１０で代表させる。）を用いる実施形態では、本発明に基づく接触層１０２は、単相流の場合、０．３〜０．７ミリメートルの範囲内の厚さ寸法を有し、二相流の場合、０．３〜１．０ミリメートルの範囲内の厚さ寸法を有する。更に、単相流の場合も、二相流の場合も、少なくとも１つのピラー１３２は、（１０ミクロン）２〜（１００ミクロン）２の範囲内の面積を有する。更に、ピラー１３２及び／又はマイクロチャネル１０９の少なくとも２つの間の離間寸法は、単相流の場合も、二相流の場合も、１０〜１５０ミクロンの範囲内とする。マイクロチャネル１０９の幅寸法は、単層流の場合も、二相流の場合も、１０〜１００ミクロンの範囲内とする。マイクロチャネル１０９及び／又はピラー１３２の高さ寸法は、単相流の場合、５０〜８００ミクロンの範囲内とし、二相流の場合、５０ミクロン〜２ミリメートルの範囲内とする。但し、上述した以外の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。
【００２４】
例えば、図３Ｄに示すように、接触層１０２”は、矩形フィン１３６の幾つかの組を備え、各組内の矩形フィン１３６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１３６の間に配置された複数のピラー１３４を備えていてもよい。接触層１０２は、１つの種類の熱輸送構造体を備えていてもよく、又は異なる種類の熱輸送構造体（例えば、マイクロチャネル、ピラー、微小孔構造）の任意の組合せを備えていてもよいことは明らかである。
【００２５】
接触層１０２は、熱源９９と、接触層３０２に沿って流れる流体との間の温度差を最小化するために、高い熱伝導率を有することが好ましい。接触層は、１００Ｗ／ｍ−Ｋ程度の高い熱伝導率を有する材料から形成することが好ましい。熱輸送構造体は、好ましくは、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率特性を有する。但し、接触層１０２及び熱輸送構造体は、上述した値より高い又は低い熱伝導率を有していてもよく、好適な値として上述した値に制限されないことは当業者にとって明らかである。接触層及び熱輸送構造体に関するその他の詳細は、引用により本願に援用される、２００３年１０月６日に出願された、係属中の米国特許出願代理人整理番号Ｃｏｏｌ−０１３０１、発明の名称「発熱デバイスを冷却するための効率的な垂直流体輸送のための方法及び装置（METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE）」にも開示されている。
【００２６】
本発明に基づく冷却装置３０（図２Ａ）及び熱交換器１００は、ここに開示する方法及び設計を用いて、温度均一性を実現し、熱源９９’のホットスポットを空間的且つ時間的に、効果的に冷却する。図４Ａは、本発明に基づく熱交換器１００の一実施形態の分解図である。図４Ａ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。上述のように、高い熱を発生する熱源９９’の位置及びその位置の周囲の領域は、ここでは、接触層ホットスポット領域と呼び、これより低い熱を発生する熱源９９’の位置は、ここでは、ウォームスポット領域と呼ぶ図４Ａでは、熱源９９’のホットスポット領域を位置Ａ及び位置Ｂとして示している。更に、図４Ａに示すように、接触層１０２は、ホットスポット位置Ａの上に位置する接触層ホットスポット領域Ａと、ホットスポット位置Ｂの上に位置する接触層ホットスポット領域Ｂとを有している。
【００２７】
図４Ａ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４Ａ及び図４Ｂ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。この具体例では、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、Ｚ方向に、フィンガ１１８Ａを介して、中間層１０４に流れ下る。次に、流体は、フィンガ１１８Ａの下に配設された中間層１０４のインレット導管１０５Ａを介して、接触層１０２に流れ込む。流体は、好ましくは、図４Ｂに示すように、マイクロチャネル１１０に沿って移動し、熱源９９’に対して熱交換を行う。次に、加熱された流体は、導管１０５Ｂを介して、アウトレットフィンガ１２０Ａに流れ上がる。
【００２８】
同様に、流体は、フィンガ１１８Ｅ、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１００から排出される。
【００２９】
図５は、本発明の他の実施形態である熱交換器２００の一部を切欠いて示す斜視図である。図５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カロリーに基づいて、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内のマイクロチャネル壁構造体２１０によって分割される。これに代えて図５の破線によって示すように、接触層２０２の領域は、接触層及び中間層２０４の間に延びる垂直な壁によって分割してもよい。但し、図５に示すアセンブリは、例示的なものであり、ここに示す構成に制限されるものではないことは、当業者にとって明らかである。
【００３０】
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。したがって、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。一実施形態においては、熱交換器２００は、図５に示すように、２個以上のポンプに連結され、各ポンプ３２’（図２Ｂ）は、熱交換器２００内において、それ自身の又は複数の流体循環を提供する。これに代えて各ポンプ３２’（図２Ｂ）がバルブ３３’によって制御される１つの流体循環に寄与してもよい。変形例として、熱交換器２００を１つのポンプ３２（図２Ａ）に連結してもよい。
【００３１】
図５に示すように、流体は、流体ポート２０８Ａを介して熱交換器２００に入り、中間層２０４Ａから流入導管２０５Ａに流れることによって、接触層ホットスポット領域Ａに供給される。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。
【００３２】
また、図５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、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、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を流れ上がる。そして、流体は、排出ポート２０９Ｂを介して、熱交換器２００から排出される。
【００３３】
一実施形態においては、熱交換器２００は、循環システム３０（図２Ａ）に示すように、１つのポンプ３２に連結される。他の実施形態においては、熱交換器２００は、２つ以上のポンプ３２’に連結され、一方のポンプ３２’（ポンプ１）には、一組の流入ポート２０８Ａ及び流出ポート２０９Ａが連結され、他方のポンプ３２’（ポンプ２）には、他の一組の流入ポート２０８Ｂ及び流出ポート２０９Ｂが連結される。これに代えて、バルブ３３’（図２Ｂ）は、ポート２０８Ａ、２０８Ｂに対し、それぞれ異なる流量を供給してもよい。
【００３４】
一実施形態では、熱交換器２００は、流体のフローを適切に区別し、あるポンプからの流体と、他のポンプからの流体が混ざらないように設計してもよい。これにより、熱交換器２００内を循環する２つ以上の独立した流体循環路が形成される。具体的には、図５に示す熱交換器２００は、接触層ホットスポット領域Ａ’への独立した流体循環路と、接触層ホットスポット領域Ｂ’への他の独立した流体循環路とを含んでいる。以下に詳細に説明するように、熱交換器２００の独立したループを用いることにより、温度均一性を実現でき、及び熱源９９”のホットスポットを効果的に冷却することができる。独立した流体循環路を用いることにより、１つ以上の接触層ホットスポット領域及び接触層の残りの部分に一定量の流体を供給することができる。
【００３５】
図６は、本発明の他の実施形態である熱交換器３００の分解図である。図６に示すマニホルド層３０６は、３個の個別のレベルを含んでいる。詳しくは、マニホルド層３０６は、循環レベル３０４、インレットレベル３０８及びアウトレットレベル３１２を有している。これに代えて循環レベル３０４を設けず、接触層３０２をインレットレベル３０８に直接連結してもよい。図６の矢印で示すように、冷却された流体は、アウトレットレベル３１２のインレットポート３１５を介して熱交換器３００に入る。冷却された流体は、インレットポート３１５からインレットレベル３０８のインレットポート３１４に流れ下る。次に、流体は、コリダ（corridor）３２０から循環レベル３０４のインレットアパーチャ３２２を介してＺ−方向に流れ下り、接触層３０２に至る。なお、インレットコリダ３２０の冷却された流体は、熱交換器３００から排出される如何なる加熱された流体と混合されることも、接触することもない。接触層３０２に入る流体は、固体材料と熱交換を行い、熱源９９に発生した熱を吸収する。インレットアパーチャ３２２及びアウトレットアパーチャ３２４は、流体が、接触層３０２に沿って、各インレットアパーチャ３２２から隣接するアウトレットアパーチャ３２４までの最適な最も近い距離を移動するように構成される。インレット及びアウトレットアパーチャの間の距離を最適化することにより、熱源９９を効果的に冷却することができる。加熱された流体は、インレットレベル３０８を介して、接触層３０２から幾つかのアウトレットアパーチャ３２４を介してアウトレットレベル３１２のアウトレットコリダ３２８にＺ方向に流れ上がる。或いは、加熱された流体は、接触層３０２からアウトレットレベル３１２内のアウトレットコリダ３２８に直接、Ｚ−方向に流れ上がる。加熱された流体は、アウトレットレベル３１２のアウトレットコリダ３２８に入り、アウトレットポート３１６を介して、熱交換器３００から排出される。加熱された流体は、熱交換器３００から排出されるので、マニホルド層３０６に供給される他の如何なる冷却された流体とも混合されず、接触もしない。なお、図６の矢印で示すフローの方向は、正反対にしてもよいことは明らかである。
【００３６】
図７Ａは、本発明の他の実施形態である熱交換器の斜視図である。図７Ａのマニホルド層４０６は、互いに絡み合う又は組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及びシステム３０、３０’（図２Ａ、図２Ｂ）内で実質的な圧力降下を発生させることなく、単層流及び／又は二相流が接触層４０２に循環される。一実施形態においては、インレットフィンガ４１１及びアウトレットフィンガ４１２は、熱交換器４００で交互に配設される。
【００３７】
この構成では、概略的に言えば、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−方向及びＹ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。
【００３８】
上述のように、流体循環システム３０、３０’（図２Ａ、図２Ｂ）及び熱交換器１００は、熱源９９のホットスポットを冷却し及び／又は熱源９９における全体的な温度均一性を実現する。一実施形態においては、本発明は、より高い流量の流体及び／又はより冷たい流体を接触層ホットスポット領域に供給することによってホットスポットを効果的に冷却する。これについては、図４〜図７Ａに示す熱交換器１００、２００、３００、４００を用いて上述した通りである。説明を簡潔に行うために、以下の説明では、上述した全ての熱交換器を熱交換器１００に代表させる。但し、特定の熱交換器に関する特定の言及が必要である場合は、その熱交換器を対応する参照符号とともに示す。
【００３９】
熱源９９の温度均一性を実現するとともに、ホットスポットを有効に冷却する一手法として、熱交換器１００における流体抵抗及び熱抵抗を制御するとよい。また、温度差を低減し、ホットスポットを有効に冷却する他の手法として、マニホルド層１０６、接触層１０２及び／又は中間層１０４に沿って可変の流体抵抗を有するように熱交換器１００を構成してもよい。また、熱源９９における温度の変動を低減し、温度均一性を実現するための他の手法として、多連ポンプを用いて、又は１つ以上のポンプから、流量が異なる流体を流すことによって、接触層１０２の特定の所望の領域を個別に冷却するようにしてもよい。
【００４０】
図８Ａは、流体が熱交換器を介して循環する際に受ける水圧又は流体抵抗を示している。図４Ａに示す具体例では、熱交換器１００には、図面の左側の経路として示す１つの接触層ホットスポット領域と、図面の右側の経路として示す１つの接触層ウォームスポット領域とがある。なお、図８Ａに示す抵抗は、図４Ａの熱交換器１００に制限されず、他の如何なる熱交換器にも適用可能であることは当業者にとって明らかである。また、図８Ａには、それぞれ１つのホットスポット及びウォームスポット抵抗経路のみを示しているが、ホットスポット及びより温度が低いスポットの経路をそれぞれ幾つ設けてもよいことは、明らかである。
【００４１】
図８Ａに示すように、流体は、インレット５００から流れ込み、マニホルド層１０６（図４Ａ）を流れる。マニホルド層１０６内の流路は、その特性及び構成により、ＲＨＯＴ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５０２及びＲＷＡＲＭ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ３０４として示される、流体抵抗を生来的に有する。換言すれば流体は、接触層１０２に流れる際に、マニホルド層１０６において抵抗ＲＨＯＴ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５０２及びＲＷＡＲＭ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５０４を受ける。同様に、流体は、中間層１０４（図４Ａ）を流れ、中間層１０４は、その流路の特性及び構成により、ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５０６及びＲＷＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５０８として示される流体抵抗を生来的に有する。したがって、流体は、中間層１０４を流れる際に、抵抗ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５０６及びＲＷＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５０８を受ける。流体は、接触層１０２（図４Ａ）に沿って流れ、接触層１０２は、その流路の特性及び構成により、ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１０及びＲＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１２として示される抵抗を生来的に有し、したがって、流体は、接触層１０２において、抵抗ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１０及びＲＷＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１２を受ける。加熱された流体は、中間層１０４及びマニホルド層１０６を介して流れ上がり、したがって、加熱された流体は、中間層１０４及びマニホルド層１０６において、それぞれ抵抗ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５１４、ＲＷＡＲＭ ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５１６及びＲＨＯＴ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５１８、ＲＷＡＲＭ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５２０を受ける。そして、加熱された流体は、アウトレット５２２を介して熱交換器１００から排出される。
【００４２】
図８Ａは、流体が熱交換器を介して循環する際に受ける水圧又は流体抵抗を示している。また、図８Ｂには、それぞれ１つのホットスポット及びウォームスポット抵抗経路のみを示しているが、ホットスポット及びより温度が低いスポットの経路をそれぞれ幾つ設けてもよいことは、明らかである。図８Ｂの抵抗図は、図８Ａに示す抵抗図と基本的に同じであるが、図８Ｂでは、２個の流体ポンプが熱交換器１００に連結されている。図８Ｂに示すように、ポンプ１は、ホットスポットに流体を循環させ、接触層ホットスポット領域に／から流れる流体は、熱交換器において、個々の抵抗を受ける。同様にポンプ２は、より温度が低い領域（例えば、ウォームスポット）に流体を循環させ、より温度が低い領域に／から流れる流体は、熱交換器において、個々の抵抗を受ける。
【００４３】
図８Ａに示す実施形態では、本発明に基づく熱交換器１００は、熱源９９における温度差を低減し、温度均一性を実現するとともに、ホットスポットを冷却するように、流体抵抗及び熱抵抗が個別に又は一括して制御できるように構成される。例えば、システム３０’（図２Ｂ）において、２つ以上のポンプを用いて、より多くの及び／又はより温度が低い流体をホットスポット領域に流し、より少ない及び／又はより温度が高い流体をウォームスポット領域に流すようにしてもよい。したがって、熱交換器１００は、ホットスポット経路に沿って、ＲＨＯＴ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５０２、ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５０６、ＲＨＯＴ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１０で示される流体抵抗が低くなり、及びウォームスポット経路に沿って、ＲＷＡＲＭ＿ＭＡＮＩＦＯＬＤ５０４、ＲＷＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＭＥＤＩＡＴＥ５１６、ＲＷＡＲＭ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ５１２で示される流体抵抗が高くなるように構成される。また、後に詳細に説明するように、ホットスポットに流された流体が、より温度が低い領域に流された流体に比べて、より良好な熱交換を行い及びより多くの熱を吸収するように熱抵抗を制御してもよい。
【００４４】
これは、特に図５の熱交換器２００及び図８Ｂの抵抗図に示すように、一方のポンプ（ポンプ１）が領域Ａに流体を循環させ、他方のポンプ（ポンプ２）が領域Ｂに流体を循環させることによって実現してもよい。多連ポンプからの流体は、熱交換器２００の任意の点で混合してもよいが、熱交換器２００内では、２つ流体経路を互いに完全に分離してもよい。この場合、熱交換器２００には、複数の独立した冷却ループが形成され、熱源の冷却及び流量の特性を制御して、熱源を効果的に冷却し、及び温度差を低減させることができる。
【００４５】
流体抵抗及び熱抵抗を制御又は変更する方法及び設計については、後に更に詳細に説明する。なお、流体抵抗は、熱交換器内の何れの層又はレベルでも制御でき、熱抵抗は、接触層において制御できる。更に、システム及び熱交換器に複数の設計及び方法の任意の組合せを適用して、熱源９９における温度差を低減し、温度均一性を実現してもよいことは当業者にとって明らかである。
【００４６】
熱交換器１００の流体抵抗を制御するために、マニホルド層１０６及び中間層１０４の個々の特性及び設計は、個別に変更してもよく、一括して変更してもよい。マニホルド層１０６では、特定の流体抵抗を実現するために、フィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の形状及び横断面寸法を調整する。中間層１０４では、特定の必要な流体抵抗を実現するために、導管１０５の形状及び横断面寸法を調整する。例えば、好ましくは、接触層ホットスポット領域上の位置に沿って、マニホルド層１０６の特定のフィンガ１１８、１２０の断面寸法を大きくし、接触層ウォームスポット領域上の位置に沿っては、フィンガ１１８、１２０の断面寸法を小さくするとよい。このように断面寸法を変化させることにより、ホットスポットに対する冷却能力を高めることができる。また、図４Ｂに示すように、マニホルド層１０６の長さに沿って、チャネル１１６、１２２の幅又は流体接触寸法（流体の寸法→hydraulic dimension）を変更してもよい。一実施形態においては、チャネル１１６、１２２の流体接触寸法を、接触層ホットスポット領域上では大きくし、温度が低い領域上では小さくする。これにより、所定の時間における流量は、ウォームスポットよりホットスポットの方が大きくなる。一実施形態においては、図４Ｂ及び図７Ｂに示すように、チャネル及び／又はフィンガの流体接触寸法は、一定に又は変化するように、マニホルド層１０６の設計に永久的に組み込まれる。これに代えて、後述するように、チャネル及び／又はフィンガの流体接触寸法を動的に変更してもよい。
【００４７】
また、ホットスポットの冷却及び熱源９９の温度均一性のために、フィンガ１１８、１２０及び／又はチャネル１１６、１２２の垂直寸法を変化させてもよい。マニホルド層１０６内のチャネル１１６、１２２及び／又はフィンガ１１８の側壁をより高くすることにより、より多くの流体を、垂直に接触層１０２に直接供給することができる。対照的に、接触層１０２にまで延びる垂直壁を有さないマニホルド層１０６のフィンガの場合、より多くの流体が、接触層１０２に直接当たらず、接触層上を水平に移動する。例えば、フィンガ１１８、１２０の、接触層ホットスポット領域上のセクションは、その特定のフィンガ１１８、１２０の他のセクションより長い側壁を有する。側壁が高い部分では、より多くの流体が接触層ホットスポット領域に集中して提供され、側壁が低い部分では、流体は、接触層のより広い面積に流される。なお、上述したフィンガ１１８、１２０及びチャネル１１６、１２２の様々な寸法は、ここに示す実施形態に制限されず、他の実施形態にも適用できる。
【００４８】
これに代えて、熱交換器１００は、接触層１０２における流体抵抗ＲＩＮＴＥＲＦＡＣＥを制御することによって、熱源９９の温度均一性を実現し、及びホットスポットを冷却するように設計してもよい。好ましくは、接触層１０２の、接触層ホットスポット領域上又は接触層ホットスポット領域近傍に位置する熱輸送構造体は、接触層１０２の他の領域の熱輸送構造体より低い流体抵抗を有する。接触層ホットスポット領域の流体抵抗を低くすることにより、接触層の他の領域に対して、一定時間あたり、より多くの流体を接触層ホットスポット領域に供給することができる。
【００４９】
接触層１０２の流体チャネルの流体抵抗は、熱輸送構造体の流体接触寸法を最適化することによって制御できる。例えば、マイクロチャネル１１０の水力半径を調整することによって、マイクロチャネル１１０の長さに沿って流体の流量を制御することができる。したがって、接触層１０２の１つ以上のマイクロチャネルの接触層ホットスポット領域上の直径をマイクロチャネル１１０の他の部分の直径より大きくしてもよい。これにより、大きな直径のマイクロチャネル１１０は、より高い抵抗を有する小さな直径のマイクロチャネル１１０に比べて、より多くの流体を接触層ホットスポット領域に流通させる。これに代えてピラー１３４間の距離を変更することによって、接触層１０２に沿って流れる流体の流体抵抗の高さを制御してもよい。したがって、ウォームスポット領域の上のピラー１３４より、接触層ホットスポット領域のそれぞれのピラー１３４の間隔が広くなるように配設することにより、所定の時間について、ウォームスポット領域より接触層ホットスポット領域に多くの流体を流すことができる。なお、接触層１０２における圧力降下の大きさと、熱輸送構造体によって提供される熱伝導のための表面積の大きさとを考慮して水力半径の寸法を最適化するべきであることは言うまでもない。
【００５０】
また、流路の長さを最適化することによって、接触層１０２に沿って、流路の流体抵抗を変更することもできる。流路の長さが長くなるほど、流体抵抗が高くなることが知られている。したがって、流路の長さを最適化することによって、流体の圧力特性を維持しながら、接触層１０２に沿って、流体抵抗を最小化することができる。一具体例においては、接触層ホットスポット領域に位置するマイクロチャネル１１０を、ウォームスポット領域のマイクロチャネル１１０に比べて、より短くする。これにより、マイクロチャネル１１０流路に沿って接触層ホットスポット領域を流れる流体が移動する距離は短く、したがって、この流体が接触層から流れ出るまでに受ける流体抵抗は低く、一方、より長いマイクロチャネル１１０を流れる流体は、接触層に沿って流れている間、徐々に暖まる。なお、流路の長さは、単相流用に最適化されているが、後に詳細に説明するように、これに代えて、二相流を誘導するために、マイクロチャネル１１０の流路の長さをより長くしてもよい。
【００５１】
他の実施形態においては、熱源の温度均一性を実現し、ホットスポットを冷却するために、接触層１０２での熱伝導率特性を制御するように熱交換器１００を構成する。詳しくは、上述した熱輸送構造体は、熱輸送構造体から流体に熱を輸送する能力を制御するように構成される。すなわち、接触層１０２が、接触層１０２内の他の部分に比べて、より高い熱伝導率を有する１つ以上の部分を有するように熱輸送構造体及び接触層１０２自体を構成してもよい。
【００５２】
接触層１０２及び／又は熱輸送構造体１１０における熱伝導率を制御する１つの手法として、所望の熱伝導率値を有する適切な材料から接触層１０２及び／又は熱輸送構造体１１０を形成してもよい。例えば、図１Ｂに示すように、如何なるホットスポットも有さない熱源９９は、その中心でより強い熱流束を発生させる。図１Ｂに示すような熱源９９での温度均一性を実現するために、接触層１０２及び／又は熱輸送構造体は、接触層１０２の中心でより高い熱伝導率を実現するように形成される。更に、接触層１０２及び／又は熱輸送構造体１１０の熱伝導率を中心から周辺に向けて徐々に低下させることによって、熱源９９の全体を実質的に均一な温度に冷却することができる。
【００５３】
更に、これに代えて、接触層１０２の熱輸送構造体の表面積対体積の比を選択的に調整することによって、熱交換器１００の熱抵抗を制御してもよい。熱輸送構造体又は接触層１０２自体の表面積対体積の比を高めることによって、熱輸送構造体及び／又は接触層１０２の熱抵抗は低下する。接触層１０２内での表面積対体積の比を高める１つの手法として、１単位面積あたりの熱輸送構造体の密度を高めるように接触層１０２を構成してもよい。例えば、図３Ｂに示すように、マイクロチャネル１１０、１１１を互いに近くに配設し、マイクロチャネル１１３を、マイクロチャネル１１０、１１１から遠ざけて配設してもよい。マイクロチャネル１１０、１１１は、より離れて配設されているマイクロチャネル１１３に比べて、接触層１０２’における熱輸送構造体の表面積対体積の比が高いために、流体への熱抵抗が低い。接触層１０２’に微孔構造１３６（図３Ｂ）を設ける実施形態では、微孔の寸法をより小さくすることによって、微孔構造の熱抵抗を下げることができる。
【００５４】
図３Ｃに示す他の具体例では、熱源９９は、各コーナにホットスポットを有する。したがって、図３Ｃに示すように、接触層１０２”は、各コーナにおいて、対応する接触層ホットスポット領域を有している。この場合、接触層１０２”の外周のコーナに沿って熱抵抗を減少させるように接触層１０２”を構成することによって、熱源９９の温度均一性を実現することができる。すなわち、図３Ｃに示すように、底面１０１の外側の端部の近傍により多くのピラー１３４を設け、中心付近では、ピラー１３４の密度が低くなるように、接触層１０２”を構成する。この結果、接触層１０２”の外周のコーナにおける、密度の高いピラー１３４は、より高い表面積対体積の比を実現し、したがって、より低い熱抵抗を実現する。なお、図３Ｃに示す設計は、一具体例にすぎず、この実施形態はこのような設計に制限されるものではない。また、ピラー１３４の寸法及び体積は、接触層に沿った流体抵抗が熱抵抗より大きくならないように最適化される。
【００５５】
接触層１０２における表面積対体積の比を高める他の手法として、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の近傍において、接触層１０２’の他の領域の熱輸送構造体１１０より高い垂直寸法を有する熱輸送構造体１１０を設けてもよい。図３Ｂに示すように、熱源９９は、ボディの前半分に亘る大きなホットスポットを有する。この場合、熱源９９を有効に冷却するために、マイクロチャネル１１１及びピラー１３４は、接触層１０２’の前半分の付近では、高い垂直寸法を有し接触層１０２’の後半分の付近では、低い垂直寸法を有するように構成するとよい。
【００５６】
二相流の場合、熱輸送構造体の形状を変更し、流体に接触する表面積を大きくすることによって、熱輸送構造体の表面積対体積の比を高めてもよい。例えば、図９に示す具体例では、マイクロチャネル６００は、壁の側面に食い込むような縦のスロット６０４を備えている。更に、ピラー６０２は、ピラー６０２のボディを切り込んで形成されたノッチ６０６を有している。マイクロチャネル６００のスロット６０２は、流体が接触する表面積を増加させる。同様にピラー６０２のノッチ６０６は、流体が接触する表面積を増加させる。表面積を増加させると、熱を流体に輸送する空間が増え、この結果、接触層での熱抵抗が低下する。スロット６０４及びノッチ６０６の表面積を増加させることによって、ホットスポットの近傍における過熱が抑制されるとともに、二相流における流体の安定した沸騰が促進される。なお、熱輸送構造体は、流体に接触する表面積を増加させるために如何なる構成を有していてもよく、図９のマイクロチャネル６００及びピラー６０２について示した表面積を増加させるための手法は、例示的なものに過ぎないことは明らかである。
【００５７】
二相流を用いる場合、更に、より多くの熱輸送が望まれる位置において、熱輸送構造体の表面がある程度粗くなるように熱輸送構造体を構成してもよい。粗い面は、液体からの気泡のポケットを形成し、すなわち、表面に沿った表面張力によって、粗い面に気泡が保持される。例えば、マイクロチャネル壁１１０の粗さを変更することによって、マイクロチャネル壁１１０に沿った表面張力を変更することができ、これにより、液体の沸騰を開始するために必要な蒸気圧を高める又は低めることができる。すなわち、表面を実質的に粗くすることにより、沸騰を開始するための蒸気圧が低くなり、表面を実質的に滑らかにすることにより、沸騰を開始するための蒸気圧が高くなる。二相流を用いる場合、後に詳細に説明するように、ホットスポットを有効に冷却するために、接触層ホットスポット領域における沸騰が望まれる。したがって、熱輸送構造体１１０及び接触層１０２の表面を適切に粗くすることによって、ホットスポットを有効に冷却することができる。
【００５８】
接触層１０２の所望の１又は複数の表面は、周知の表面加工技術を用いて粗くすることができる。これに代えて、所望の表面にコーティングを適用することによって、接触層１０２の所望の１又は複数の表面を粗くしてもよい。接触層１０２及び／又は熱輸送構造体１１０に表面コーティングを適用することによって、表面張力を変更することができる。更に、これに代えて、二相流が表面に接触する接触角度を変更するために表面コーティングを適用することもできる。表面コーティングは、接触層１０２及び／又は熱輸送構造体１１０の熱伝導率を変更するために適用された材料と同じ材料であることが好ましく、コーティングの熱伝導率は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋであることが望ましい。これに代えて表面コーティングの材料として、接触層１０２の材料とは異なる材料を用いてもよい。
【００５９】
熱抵抗及び流体抵抗を変更することによって熱交換器１００の冷却能力を制御することに加えて、熱交換器１００は、流体の温度に依存する粘性を利用することによって、ホットスポットを効果的に冷却し、及び熱源９９における温度均一性を実現する。当分野において周知であるように、殆どの流体は、温度が上昇すると粘性が低下し、したがって、流体温度が高くなると、流体抵抗は低くなる。したがって、接触層１０２のより温度が高い領域は、このような流体抵抗及び粘性の低下のために、より温度が低い領域に比べて、より多くの流体を流す。
【００６０】
一実施形態においては、本発明に基づく熱交換器１００は、設計において、流体のこの性質を利用する。詳しくは、熱交換器１００は、まず、接触層ホットスポット領域に流体を流し、ホットスポットからの熱輸送により、流体の温度は、自然に上昇する。流体の温度が上昇すると、流体自体の粘性が低下する。例えば、先に接触層１０２内のより熱い領域に流体を流通させ、流体温度を高めるように熱交換器１００を構成することができる。この加熱された、より粘性が低い流体は、より速い流速で、接触層１０２の残りの領域を流れる。粘性を低くするために流体を加熱すると、流体が沸騰し、蒸気として加速する場合があり、この結果、接触層１０２に沿って大きな圧力降下が生じることがある。一実施形態においては、熱交換器１００は、流れを制限し、流体が加速することを防止することによって潜在的な圧力降下の発生を防いでいる。これは、様々な手法で実現でき、例えば、非常に狭い孔、チャネル及び／又は熱輸送構造体間の間隔を有する流路を設計し、又は上述したように、多連ポンプを利用することによって実現してもよい。他の実施形態においては、後述するように、流体を意図的に沸騰させ、接触層１０２の所望の領域の冷却を促進してもよい。
【００６１】
他の実施形態においては、本発明の熱交換器１００は、熱源９９における温度均一性を実現し、及びホットスポットを有効に冷却するための内部バルブメカニズムを備える。具体的には、熱交換器１００の内部バルブメカニズムは、接触層１０２の選択された領域への流量を制御する。熱交換器１００の内部バルブメカニズムは、システム３０、３０’（図２Ａ、図２Ｂ）において必要な冷却効果を実現するために、流路に沿って流体抵抗及び熱抵抗を動的に制御する。熱交換器１００の内部バルブメカニズムによって、システム３０、３０’は、流体の流量と、熱交換器１００に流れる流体の量とを制御できることは当業者にとって明らかである。更に、内部バルブメカニズムを用いて、流体の圧力に依存する特性及び粘性に依存する特性に加えて、熱交換器１００内の流体の相特性を制御することもできる。
【００６２】
図４Ｂ及び図７Ｂは、内部に複数のバルブが構成されたマニホルド層１０６’、４０６’の変形例を示している。図４Ｂに示すように、マニホルド層１０６’は、チャネル１１６’に沿って、インレットポート１０８’の近傍において、拡張可能バルブ１２４’を備え、及びインレットチャネル１１６’に沿って、コーナの周りで拡張する他の拡張可能バルブ１２６’を備える。更に、マニホルド層１０６’は、アウトレットフィンガ内に拡張可能バルブ１２８’を備えている。図４Ｂでは、バルブ１２４’、１２８’は、拡張され、バルブ１２６’は、収縮されている。流体は、バルブ１２４’、１２８’において、流体が流れる流路寸法が小さくなっているために、より高い流体抵抗を受ける。拡張バルブ１２４’は、流れを制限することに加えて、インレットチャネル１１６’の残りの部分に流される流体の流速及び流量を制御する。例えば、バルブ１２４’が収縮すると、バルブ１２４’の流路の寸法が大きくなるので、アパーチャ１１９’を通過する流体の量が多くなる。また、アウトレットフィンガ１２０’の拡張バルブ１２８’は、流れを制限することに加えて、アウトレットフィンガ１２０’残りの部分に流される流体の流速及び流量を制御する。バルブ１２６’は、図４Ｂに示すように、バルブ１２４’より流体の流体抵抗を低くするよう動作しているが、必要に応じて、バルブ１２６’を拡張して、流体への流体抵抗を高めてもよい。
【００６３】
図７Ｂに示すように、マニホルド層４０６’は、インレットフィンガの内壁４１１’に連結された拡張可能バルブ４２４’、４２８’を備える。更に、マニホルド層４０６’は、アウトレットフィンガ４１２’の片面に連結された拡張可能バルブ４２６’を備える。図４Ｂ及び図７Ｂでは、完全に拡張又は収縮した幾つかのバルブを示しているが、これに代えて、バルブ４２４’の一部を、他の部分とは独立して拡張及び／又は収縮させることもできる。例えば、図形７Ｂでは、バルブ４２４’の片面が拡張され、バルブ４２４’の反対の片面は、収縮されている。一方、図形７Ｂのバルブ４２６’は、全体的に拡張され、バルブ４２８’は、全体的に収縮されている。なお、図には示さないが、マニホルド層の如何なるチャネル又は流路に沿って拡張可能バルブを配設してもよい。また、図には示さないが、図６に示す熱交換器３００のアパーチャ３２２、３２４内に１つ以上の拡張可能バルブを配設してもよい。これに代えて、拡張可能バルブは、中間層１０４の導管１０５に設けてもよい。これに代えて、接触層１０２に沿って拡張可能バルブを配設してもよい。更に、図７Ｂのバルブ４２８’のように、壁の表面に沿って、均一にバルブを配設してもよい。これに代えて、壁面に対して非一様にバルブを配設してもよく、例えば、個別に伸長及び収縮可能な複数の隆起又は突起を形成してもよい。或いは、接触層１０２における表面積対体積の比を選択的に変更するために、個々の突起状のバルブを用いてもよい。また、図には示さないが、図６に示す実施形態において、固定の又は可変のバルブを設けてもよい。
【００６４】
一実施形態においては、拡張可能バルブは、形状記憶合金又は熱膨張率が異なる要素の組合せによって形成してもよい。他の実施形態として、拡張可能バルブは、周知の又はＭＥＭＳ型のバルブを用いてもよい。これに代えて、拡張可能バルブは、温度によって駆動される２つの材料から作成してもよく、このバルブは、温度差を検知し、温度差に対応して自動的に収縮又は拡張する。また、これに代えて、拡張可能バルブを熱空圧材料から形成してもよい。或いは、バルブは、高い膨張係数を有する拡張可能な有機材料を含むブラダ（bladder）を用いて形成してもよい。他の実施形態においては、拡張可能バルブは、収縮状態と拡張状態との間で能動的に偏位し、所望の領域への流体の量を制御又は規制するキャパシティブバルブ（capacitive valve）であってもよい。
【００６５】
上述のように、冷却装置３０、３０’（図２Ａ、図２Ｂ）は、熱交換器１００内のセンサ１３０を用いて、熱交換器１００の内部又は外部の１つ以上のポンプ３２’（図２Ｂ）及び／又はバルブを動的に制御する。また、上述のように、熱源９９において実行する必要があるタスクが変わると、熱源９９のホットスポットの位置が変化することがある。更に、熱源９９において実行する必要があるタスクが変わると、熱源９９のホットスポットの１つ以上の熱流束が時間的に変化することがある。センサ１３０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。
【００６６】
効果的に熱源９９を冷却し、温度均一性を実現するために、これらの空間的及び時間的な熱流束の変化の観点から、システム３０、３０’は、センサ１３０によって提供される情報に応じて、熱交換器１００に流れ込む流体の流速及び／又は流量を動的に変更する感知及び制御モジュール３４、３４’（図２Ａ、図２Ｂ）を備える。
【００６７】
図２Ａ及び図２Ｂは、熱源９９の状態を感知し、及びこの他の情報を制御モジュール３４、３４’に供給する複数のセンサ１３０、１３０’が組み込まれた熱交換器１００を示している。一実施形態においては、１又は複数のセンサ１３０は、接触層１０２に配置してもよく、或いは、熱源９９の如何なる所望の位置に配置してもよい。図２Ａ、図２Ｂに示すように、センサ１３０、１３０’及び制御モジュール３４、３４’は、１つ以上のポンプ３２’（図２Ａ、図２Ｂ）に連結され、制御モジュール３４は、センサ１３０から提供される情報に基づき、ポンプ３２を能動的に制御する。複数のセンサ１３０’は、制御モジュール３４’に連結され、制御モジュール３４’は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、好ましくは、熱交換器１００から上流に配置される。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置してもよい。例えば、低いパワーで動作している１つのポンプ３’が、接触層１０２の特定の領域の温度が上昇したことを示す情報を受信することによって、送り出す流量を増加させ、これにより、その特定の領域により多くの流体を供給する。熱交換器１００の内部又は外部で１又は複数のバルブに連結された多連ポンプ３２’（図２Ｂ）を用いる場合、センサ１３０’及び制御モジュール３４’は、１又は複数のバルブを介して、必要な接触層ホットスポット領域への流体のフローを制御する。例えば、図７Ｂに示す拡張可能バルブ４２６’は、センサ１３０によって提供される情報に応じて拡張又は収縮するように構成してもよい。
【００６８】
本発明に基づくシステム内で用いられる上述した設計及び手法に加えて、熱交換器１００は、圧力に依存する沸点条件を用いて、熱源９９のホットスポットを有効に冷却し、温度均一性を実現してもよい。熱交換器１００の流体のフロー特性に応じて、接触層ホットスポット領域には、単相である液相又は二相の沸騰条件に晒すことが有利である。
【００６９】
例えば、液体等の単相流の場合、上述した設計を用いて、接触層ホットスポット領域により温度が低い流体を高い流速で供給することが好ましい。また、例えば、蒸気及び液体の混合である二相流の場合、流体をホットスポットで沸騰させることによって、ホットスポットを効果的に冷却することができる。二相流の温度及び沸点は、流体の圧力に正比例することが知られている。詳しくは、流体の圧力が上昇すると、流体の温度及び沸点は上昇する。一方、流体の圧力が低下すると、流体の温度と沸点も低下する。熱交換器１００は、単相流又は二相流の下での流体のこの圧力／温度の関係を利用して、効果的にホットスポットを冷却し、熱源９９における温度均一性を実現する。
【００７０】
単相流の場合、熱交換器１００は、１つ以上の必要な接触層ホットスポット領域に圧力及び温度が比較的低い流体を流し、接触層１０２の他の部分には、熱交換器１００は、圧力及び温度が比較的高い流体を流すように構成される。温度が低い流体をホットスポットに供給することによって、ホットスポットを所望の温度に効果的に冷却し、温度が比較的高い流体をウォームスポット又は温度がより低いスポットに供給することにより、これらの領域を同様の温度に冷却することができる。このように、単相流の場合、適切な温度の流体を接触層１０２の所望の領域に流し、各領域を所望の温度に効果的に冷却することによって、熱源９９における温度均一性を実現することができる。
【００７１】
二相流の場合、本発明に基づく熱交換器１００は、上述したような圧力−温度の関係を利用して、流体を流通させるように構成される。詳しくは、本発明に基づく熱交換器１００は、圧力が低い流体を接触層ホットスポット領域に供給することによって、接触層ホットスポット領域において、意図的に圧力降下を生じさせる。二相流が沸騰すると、二相流の加速度が著しく増加するため、大きな圧力降下が生じることが知られている。圧力−温度の関係に関連して上述したように、流体圧が大幅に低下すると、流体の温度は、低下された圧力に対応する温度に自然に引き下げられる。したがって、熱交換器１００は、既に圧力が低下された二相流を接触層ホットスポット領域に流通させるように構成することができる。更に、熱交換器１００は、接触層１０２の、より温度が高い領域に圧力が比較的高い流体を流通させるように構成してもよい。圧力が低い流体が接触層ホットスポット領域に接触すると、この流体は、加熱され、かなり低い沸点で沸騰を開始し、この結果、圧力降下を生じさせる。このような圧力の減少の結果、沸騰している二相流の温度は、効果的に低下する。この結果、二相流の温度がより低くなり、より効果的にホットスポットを冷却することができる。二相流を単相流に置き換えて、同じ手法を適用して、熱源９９で温度均一性を実現してもよいことは明らかである。
【００７２】
他の実施形態においては、本発明の熱交換器１００は、熱源９９の全体に沿って、単相流及び二相流の複数の動作点を用いて温度均一性を実現する。図１０は、マイクロプロセッサチップに連結される一般的な熱交換器における流体の圧力降下対流量のグラフを示している。図１０に示すように、接触層１０２に沿って流れる流体の圧力は、液体領域では、流量に対して線形に増加する。一方、流体の流量が減少すると、流体は、沸騰領域に入り、二相流となる。沸騰領域では、流体の流量が減少するに従って、流体の圧力は非線形的に高くなる。更に、かなり少ない流量では、流体の圧力が大幅に高くなり、この場合、流量が少ない流体は、乾燥し始める。
【００７３】
上述のように、流体の圧力は、流体の温度に正比例する。更に、図１０に示すように、流体の圧力は、流体の流量とも相関関係を有している。したがって、流体の流量を及び／又は圧力を制御することによって、流体の沸点及び温度を制御することができる。
【００７４】
このように、本発明に基づく熱交換器１００は、複数の流体条件を利用して、熱源９９の温度均一性を効果的に実現する。１つのポンプ３２（図２Ａ）を用いて、所望の領域における流体の流量及び／又は圧力を調整することによって、各所望の領域における流体の冷却効果を制御するように熱交換器１００を構成してもよい。これに代えて、熱交換器１００は、多連ポンプ３２’（図２Ｂ）を用いて、所望の領域における流体の流量及び／又は圧力を調整することによって、各所望の領域における流体の冷却効果を制御してもよい。
【００７５】
特に、熱交換器１００は、所望の流路における流体の圧力及び／又は流量を制御し、接触層１０２の特定の領域において、それぞれ異なる効果を生じさせてもよい。図１０に示すグラフに関連して、３０ミリリットル／分の流量で熱交換を行う流体は、二相流になる。一方、４０ミリリットル／分以上の流量の流体は、液体領域に留まり、単相流のまま流れる。例えば、図５に示す熱源９９は、位置Ａにホットスポット領域を有し、位置Ｂにウォームスポット領域を有する。この特定の具体例では、熱交換器２００は、接触層ホットスポット領域Ａに流れる流体と、接触層ホットスポット領域Ｂを流れる流体とを接触させない。但し、幾つかの流路は、分離する必要はないことは当業者にとって明らかである。このようにして、流体の流量は、熱交換器１００内の流路全体に沿って、熱交換器１００内の流体抵抗及び熱抵抗を変更することによって必要に応じて増減される。なお、ここに示した熱交換器２００に関連する説明は、例示的なものであり、上述した熱交換器の何れにも、及び熱源９９における幾つの数のホットスポット／ウォームスポットにも同様に適用可能である。
【００７６】
圧力−温度の関係に関連して上述したように、単相流と二相流の間で遷移するフローは、流体の沸騰によって発生する圧力降下のために温度が低下する。このため、熱交換器２００は、接触層ホットスポット領域Ａに二相流を流し、同時に、接触層ウォームスポット領域Ｂに単相流を流すことにより、熱源９９全体の温度を均一にすることができる。本発明に基づく熱交換器２００は、接触層ホットスポット領域Ａに、加圧された流体を低い流量で流すことによって、及び接触層ウォームスポット領域Ｂに、同じ圧力でより高い流量の流体を流すことによってこの効果を実現する。この具体例では、熱交換器２００は、接触層ホットスポット領域Ａに２０ミリリットル／分の流量で、１ｐｓｉで流体を流し、この流体は、二相流の特性を有する。同時に、熱交換器２００は、接触層ウォームスポット領域Ｂに４０ミリリットル／分の流量で、１ｐｓｉで流体を流し、この流体は、単相流の特性を有する。
【００７７】
流体抵抗に関連して上述した設計及び手法の何れかを用いることによって、流体の流量を制御することができる。例えば、接触層１０２内の熱輸送構造体は、接触層１０２に沿って流量を制御することによって異なる流量をサポートする。更に、これに代えて、フィンガ、チャネル及び／又はアパーチャの構成を最適化することによって流体の流量を制御してもよい。これに代えて、流体に対する熱抵抗の制御に関連して上述した手法及び設計の何れかを用いて、流体へのより効果的な熱輸送を実現するように熱交換器１００を構成してもよい。これに代えて熱交換器１００を１つ以上のポンプに連結し、複数のポンプ３２’が、熱交換器１００内で異なる動作条件を有する独立したループに流体を循環させるようにしてもよい。また、同じ原理を熱交換器１００に適用し、流体の流量を一定に保ち、必要な流路の圧力を変更又は制御することによっても同様の効果を得ることができる。
【００７８】
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】
【００７９】
【図１Ａ】複数のホットスポットを有する熱源の斜視図である。
【図１Ｂ】均一に加熱された熱源の温度−位置の関係を示すグラフ図である。
【図２Ａ】本発明に基づくマイクロチャネル熱交換器が組み込まれた循環冷却装置の構成を示す図である。
【図２Ｂ】本発明に基づく多連ポンプを有するマイクロチャネル熱交換器が組み込まれた循環冷却装置の構成を示す図である。
【図３Ａ】複数のマイクロチャネルが配設された接触層の斜視図である。
【図３Ｂ】異なる寸法を有する複数の異なる熱輸送構造体が配設された接触層の斜視図である。
【図３Ｃ】密度が異なる複数のマイクロピラーが配設された接触層の斜視図である。
【図３Ｄ】複数のマイクロピラー及びフィンが配設された接触層の斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、熱源に連結された、本発明に基づく熱交換器の一実施形態の分解図である。
【図４Ｂ】熱源に連結され、可変のフィンガを有する本発明に基づく熱交換器の一実施形態の平面図である。
【図５】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６】本発明に基づく熱交換器の他の実施形態の分解図である。
【図７Ａ】本発明に基づく熱交換器の他の実施形態の斜視図である。
【図７Ｂ】熱源に連結され、可変のフィンガを有する本発明に基づく熱交換器の一実施形態の平面図である。
【図８Ａ】１つのポンプによって、本発明に基づく熱交換器を循環する流体に対する熱抵抗を概略的に示す図である。
【図８Ｂ】複数のポンプによって、本発明に基づく熱交換器を循環する流体に対する熱抵抗を概略的に示す図である。
【図９】本発明に基づく、カットアウェイ構造を有するマイクロチャネル及びマイクロピラーの斜視図である。
【図１０】熱交換器を循環する流体の圧力対流量のグラフ図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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