JP2006517728A - マイクロチャネル熱交換器における圧力降下を低減するための互いに組み合うマニホルド - Google Patents
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Abstract
熱源に連結され、熱源を冷却するマイクロチャネル熱交換器は、マイクロチャネル熱交換器は、熱交換領域に第1の温度の流体を供給するフィンガの第1の組を備える。熱交換領域内の流体は、フィンガの第2の組に向かって流れ、第2の温度で熱交換器から排出される。各フィンガは、隣接フィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な距離だけ離間して、平行に配設される。マイクロチャネル熱交換器は、熱交換領域を有する接触層を備える。マニホルド層内には、熱源のホットスポットを冷却するためのフィンガの第1の組及びフィンガの第2の組が形成される。これに代えて接触層は、熱交換領域に沿って構成されたフィンガの第1の組及び第2の組を備えていてもよい。
Description
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。
本発明は、発熱デバイスを冷却するための方法及び装置に関し、詳しくは、マイクロチャネル熱交換器での圧力降下を低減するための、組み合わされたマニホルド(interwoven manifold)に関する。
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。
図1Aは、従来の熱交換器10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。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。
図1B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、一様に流れる場合もあり、一様に流れない場合もある。なお、熱交換器20に流入する流体は、熱交換器20の長手方向に拡散するが、この設計では、熱交換器20のより熱い領域及びより多くの流体循環を必要とする熱源に多くの流体を供給するわけではない。
更に、従来の熱交換器は、熱交換器の熱膨張率が熱源99の熱膨張率に一致するように、底面において高い熱抵抗を有する材料で形成されている。このような熱交換器の高い熱抵抗のために、熱源99との熱交換を十分行うことはできなかった。また、従来の熱交換器では、このような高い熱抵抗を考慮して、熱交換器10と熱源99の間でより効果的な熱交換が行われるように、より大きなチャネル横断面積が選択されている。更に、熱交換器のチャネルの寸法を縮小し、チャネル壁及び水力半径の間の距離をより小さくすることによって、熱交換器の熱抵抗を低下させることができる。但し、狭いマイクロチャネルを用いると、チャネルに沿った圧力降下の問題が生じる。圧力降下が高まると、熱交換器を介して流体を循環させるためのポンプの負担が大きくなる。更に、マイクロチャネル寸法を大きくすると、単相流又は二相流が移動すべき距離が長くなるために、インレット及びアウトレットポートの間でより大きな圧力降下が生じる。更に、マイクロチャネル熱交換器おいて流体が沸騰すると、液体及び蒸気の混合、並びに液相から気相への遷移によって生じる加速のために、所定の流量に関する圧力降下が大きくなる。これらの原因によって、1単位長あたりの圧力降下が高くなる。周知のマイクロチャネル熱交換器内で発生する大きな圧力降下のために、より高い圧力に対応できるより大きなポンプを必要となり、このため、マイクロチャネルを用いることは困難である。
そこで、本発明の目的は、熱源において適切な温度均一性を実現するマイクロチャネル熱交換器を提供することができる。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。また、本発明の目的は、比較的、高い熱伝導率を有し、熱源と適切な熱交換を行う熱交換器を提供することである。更に、本発明の目的は、インレット及びアウトレット流体ポートの間の圧力降下を低減できる熱交換器を提供することである。
本発明に係るマイクロチャネル熱交換器は、熱源を冷却する接触層を備える。接触層は、流体が流されるように構成され、熱源に連結される。また、熱交換器は、第1の組のフィンガと、第2の組のフィンガとを有するマニホルド層を備える。フィンガの第1の組は、所定の位置の第1の組において、接触層に流体を提供し、フィンガの第2の組は、所定の位置の第2の組において、接触層から流体を取り除く。第1の組の特定のフィンガは、第2の組の特定のフィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な距離だけ離間して設けられ、互いに組み合うアレイ状の構成に配置されている。熱交換器は、フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第1のポートを介して熱交換器に入る。更に、熱交換器は、フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第2のポートを介して熱交換器から排出される。マニホルド層は、好ましくは、接触層の上に配設され、流体は、フィンガの第1の組を介して下方に流れる。第1の組のフィンガは、好ましくは、第2の組のフィンガと交互に配置される。フィンガは、好ましくは、平行であり、一定の寸法を有する。これに代えて、フィンガは、平行ではなく、様々な寸法を有していてもよい。熱交換器は、更に、第1のポート及びフィンガの第1の組に接続された第1のポート流路を備える。第1のポート流路は、第1のポートからフィンガの第1の組に流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、第2のポート及びフィンガの第2の組に接続された第2のポート流路を更に備える。第2のポート流路は、フィンガの第2の組から第1のポートに流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、中間層を備え、中間層は、少なくとも1つの所定の接触層ホットスポット領域において、マニホルド層から接触層に最適に流体を流通させる。中間層は、接触層及びマニホルド層に連結され、或いは、接触層及びマニホルド層に一体に形成される。接触層は、少なくとも20W/m−K、好ましくは、少なくとも100W/m−kの熱伝導率を有する。これに代えて、接触層は、少なくとも20W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えていてもよい。接触層は、所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備えていてもよい。複数のマイクロチャネルは、接触層に連結してもよく、接触層と一体に形成してもよい。接触層は、第1及び第2の組のフィンガに揃えられた複数のマイクロチャネルに隣接して配設された少なくとも1つの溝を備えていてもよい。マイクロチャネルの熱伝導率は、少なくとも20W/m−Kであり、或いは、ここに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、接触層は、所定のパターンで構成された複数のピラーを備えていてもよい。接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。接触層は、表面上に微孔構造を備えていてもよい。
本発明に基づく他の側面では、熱源を冷却するための熱交換器は、第1の構成のフィンガの第1の組を有するマニホルド層を備える。第1の組の各フィンガは、第1の温度で流体を流通させる。マニホルド層は、更に、第2の構成のフィンガの第2の組を備え、第2の組の各フィンガは、第2の温度で流体を流通させる。フィンガの第1及び第2の組は、互いに組み合うパターンで配置される。また、熱交換器は、熱源に連結され、複数の第1の位置で、第1の温度の流体を受け取るように構成された接触層を備える。それぞれの第1の位置は、第1の組の対応するフィンガに関連しており、接触層は、複数の所定の流路に沿って、複数の第2の位置に流体を流す。それぞれの第2の位置は、第2の組の対応するフィンガに関連している。第1の組の特定のフィンガは、第2の組の特定のフィンガから、熱交換器の圧力降下を最小化するために適切な寸法だけ離間して配設されている。フィンガは、好ましくは、平行であり、一定の寸法を有する。これに代えて、フィンガは、平行ではなく、様々な寸法を有していてもよい。熱交換器は、フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第1のポートを介して熱交換器に入る。更に、熱交換器は、フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第2のポートを介して熱交換器から排出される。マニホルド層は、好ましくは、接触層の上に配設され、流体は、フィンガの第1の組を介して下方に流れる。好ましくは、第1の組のフィンガは、第2の組のフィンガと交互に配置されている。熱交換器は、第1のポート及びフィンガの第1の組に接続された第1のポート流路を更に備える。第1のポート流路は、第1のポートからフィンガの第1の組に流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、第2のポート及びフィンガの第2の組に接続された第2のポート流路を更に備える。第2のポート流路は、フィンガの第2の組から第1のポートに流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、中間層を備え、中間層は、少なくとも1つの所定の接触層ホットスポット領域において、マニホルド層から接触層に最適に流体を流通させる。中間層は、接触層及びマニホルド層の間に配設され、接触層において、少なくとも1つの所定の接触層ホットスポット領域に最適に流体を流通させる。中間層は、接触層及びマニホルド層に連結され、或いは、接触層及びマニホルド層に一体に形成される。接触層は、少なくとも20W/m−Kの熱伝導率を有し、或いは、少なくとも20 W/m−K、好ましくは、少なくとも100W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備える。接触層は、所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備えていてもよい。複数のマイクロチャネルは、接触層に連結してもよく、接触層と一体に形成してもよい。接触層は、第1及び第2の組のフィンガに揃えられた複数のマイクロチャネルに隣接して配設された少なくとも1つの溝を備えていてもよい。マイクロチャネルの熱伝導率は、少なくとも20W/m−Kであり、或いは、ここに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、接触層は、所定のパターンで構成された複数のピラーを備えていてもよい。接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。接触層は、表面上に微孔構造を備えていてもよい。
本発明の他の側面として示すマイクロチャネル熱交換器は、熱源に連結され、熱源を冷却するよう構成される。マイクロチャネル熱交換器は、熱交換領域に第1の温度の流体を供給するフィンガの第1の組を備える。熱交換領域内の流体は、フィンガの第2の組に向かって流れ、第2の温度で熱交換器から排出される。各フィンガは、隣接フィンガから、熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な距離だけ離間して配設され、互いに組み合う又は噛み合うパターンで配置される。マイクロチャネル熱交換器は、更に、接触層を備え、接触層は、熱交換領域を有し、流体は、この熱交換領域に沿って、熱源と熱交換を行う。これに代えて接触層は、熱交換領域に沿って構成された、フィンガの第1の組及びフィンガの第2の組を備えていてもよい。好ましくは、マイクロチャネル熱交換器は、接触層に流体を提供するマニホルド層を備え、マニホルド層内には、フィンガの第1の組及びフィンガの第2の組が形成されている。熱交換器は、フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第1のポートを介して熱交換器に入る。更に、熱交換器は、フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを更に備え、流体は、少なくとも1つの第2のポートを介して熱交換器から排出される。マニホルド層は、好ましくは、接触層の上に配設され、流体は、フィンガの第1の組を介して下方に流れる。好ましくは、第1の組のフィンガは、第2の組のフィンガと交互に配置されている。熱交換器は、第1のポート及びフィンガの第1の組に接続された第1のポート流路を更に備える。第1のポート流路は、第1のポートからフィンガの第1の組に流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、第2のポート及びフィンガの第2の組に接続された第2のポート流路を更に備える。第2のポート流路は、フィンガの第2の組から第1のポートに流体を流すよう構成され、これにより熱交換器内の圧力降下が低減される。更に、熱交換器は、中間層を備え、中間層は、少なくとも1つの所定の接触層ホットスポット領域において、マニホルド層から接触層に最適に流体を流通させる。中間層は、接触層及びマニホルド層の間に配設され、接触層において、少なくとも1つの所定の接触層ホットスポット領域に最適に流体を流通させる。中間層は、接触層及びマニホルド層に連結され、或いは、接触層及びマニホルド層に一体に形成される。接触層は、少なくとも20W/m−Kの熱伝導率を有し、或いは、少なくとも20 W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備える。接触層は、所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備えていてもよい。複数のマイクロチャネルは、接触層に連結してもよく、接触層と一体に形成してもよい。接触層は、第1及び第2の組のフィンガに揃えられた複数のマイクロチャネルに隣接して配設された少なくとも1つの溝を備えていてもよい。マイクロチャネルの熱伝導率は、少なくとも20W/m−Kであり、或いは、ここに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、接触層は、所定のパターンで構成された複数のピラーを備えていてもよい。接触層は、粗面化された表面を有していてもよい。接触層は、表面上に微孔構造を備えていてもよい。
本発明の他の側面である熱源を冷却する冷却方法は、第1の構成のフィンガの第1の組を介して第1の温度で流体を熱交換領域に供給する工程を有する。また、冷却方法は、熱交換領域に沿う複数の所定の流路に沿って、第2の構成のフィンガの第2の組に流体を流す工程を有する。各組のフィンガは、圧力降下を最小化するように構成され、及び互いに組み合う又は噛み合うパターンで配置される。また、冷却方法は、フィンガの第2の組を介して、熱交換領域から第2の温度の流体を取り除く工程を有する。フィンガの第1の組及び第2の組は、好ましくは、熱交換領域の上に配置される。これに代えてフィンガの第1の組及び第2の組は、熱交換領域に沿って配置してもよい。
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。
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。
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流体の柔軟な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。
図2Aは、本発明に基づく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。
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を用いることが好ましい。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を用いてもよい。好ましくは、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。
好適な実施形態として示す三層式熱交換器400は、接触層402と、少なくとも1つの中間層404と、少なくとも1つのマニホルド層406とを備える。好適なマニホルド層406及び好適な接触層402は、図7に示されており、中間層404は、図3Bに示されている。これに代えて、後述するように、熱交換器100は、図7に示すように、接触層402とマニホルド層406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400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及び熱交換器400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400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400を熱源99に一体に形成し、すなわち、熱交換器400及び熱源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402は、熱源99及び一体に設けられ、熱源99及び同じ部品に含まれるように形成される
好ましくは、本発明に基づく熱交換器400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400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400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400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
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。
好ましくは、本発明に基づく熱交換器400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400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400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400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
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。
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、好適な実施形態に示すように、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図3Aに示す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、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。
図3Bは、変形例として示すマニホルド層を有する本発明に基づく三層式熱交換器100を示している。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。
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。
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100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。
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。
図3Bは、本発明に基づく接触層102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、好ましくは、流路に沿って、マイクロチャネル壁110間を流れる。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。
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、ピラー(図10)、粗い表面、例えば、焼結金属及びシリコン泡(silicon foam)(図10)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。
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。
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。
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。
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。流体は、図3Bに示すように、マイクロチャネル壁110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。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。
一実施形態においては、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。
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の好ましい構成として、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。
図4は、本発明に基づく熱交換器の好ましいマニホルド層406の斜視図である。図4のマニホルド層406は、好ましくは、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。
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。マニホルド層406の好ましい構成により、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。
図4及び図5に示すように、好ましいマニホルド層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とが好ましい。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。
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、好ましくは、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。
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、好ましくは、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ことが好ましい。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ことが好ましい。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。
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とが好ましい。このアウトレット流路412は、好ましくは、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ことが好ましい。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ことが好ましい。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。
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、好ましくは、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。
マニホルド層406は、好ましくは、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。
図には示さないが、好適な実施形態として、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、好ましくは、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、好ましくは、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、好ましくは、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。
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。好ましくは、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、好ましくは、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、好ましくは、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。
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。
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、マイクロチャネル410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、溝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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
また、本発明に基づくマイクロチャネル熱交換器は、上述した構成とは異なる構成を有していてもよい。例えば、熱交換器は、接触層に通じる個別にシールされたインレット及びアウトレットアパーチャを有することによって熱交換器内の圧力降下を最小化するマニホルド層を備えていてもよい。この場合、流体は、インレットアパーチャを介して接触層に直接流れ込み、接触層と熱交換を行う。流体は、インレットアパーチャに隣接して配設されたアウトレットアパーチャを介して、接触層から流出する。マニホルド層のこのような多孔構成により、インレットポート及びアウトレットポートの間で流体が流れる距離を最短化でき、及び接触層に通じる幾つかのアパーチャに亘って、流量の分割を最大化できる。
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。
接触層102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102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102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102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102を形成してもよい。
熱交換器100の接触層102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102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102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102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。
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102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。
図12に示すように、接触層102は、接触層102の材料を保護し、及び接触層102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ことが好ましい。具体的には、コーティング材料層112は、流体及び接触層102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102は、これに接触する流体によって削られ、接触層102は、時間が経つにつれて劣化する虞がある。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102の表面に電気メッキすることにより、接触層102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102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。
更に、図12に示すように、接触層102の熱伝導率を向上させ、熱源99と十分な熱交換を行うために、コーティング材料層112を接触層102に適用してもよい。例えば、プラスチックで被覆された金属ベースを有する接触層102は、プラスチック上にニッケルコーティング材料層112を設けることによって熱的に補強できる。このニッケルコーティング材料層112は、接触層102及び熱源99の寸法に応じて、少なくとも25ミクロンの厚さに形成するとよい。接触層102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。これに代えて、既に高い熱伝導率特性を有する材料上に、更に、コーティング材料層112を設け、材料の熱伝導率を向上させてもよい。コーティング材料層112は、好ましくは、図12に示すように、接触層102のマイクロチャネル壁110だけではなく、底面103に適用してもよい。これに代えて、コーティング材料層112は、底面103及びマイクロチャネル壁110の何れか一方のみに適用してもよい。コーティング材料層112は、好ましくは、以下に限定されるものではないが、ニッケル及びアルミニウム等の金属を材料とする。但し、これに代えて、コーティング材料層112は、他の如何なる熱伝導性材料から形成してもよい。
接触層102は、好ましくは、接触層102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102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102は、接触層102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102の底面103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102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102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102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。
マイクロチャネル壁110は、好ましくは、シリコンから形成される。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することが好ましいが、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。
好ましくは、マイクロチャネル壁110は、少なくとも20W/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、20W/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、20W/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12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。
少なくとも20W/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12)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。
マイクロチャネル壁110は、好ましくは、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。
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。好ましくは、中間層104は、プラズマエッチング技術を用いて形成される。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。
マニホルド層106は、様々な手法で作成することができる。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。
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、好ましくは、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。
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。
本発明に基づく熱交換器の他の製造方法を図13に示す。図13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。
本発明に基づく熱交換器の変形例を図14に示す。図14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。
図14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の両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14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14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14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。
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(図2A及び図2B)を備える。
詳しくは、図14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。
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14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。
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。
Claims (98)
- a.熱源に連結され、流体を流されることによって該熱源を冷却する接触層と、
b.熱交換器内での圧力降下を減少させるように構成されたフィンガの第1の組及び該フィンガの第1の組に平行に配置されたフィンガの第2の組を有し、上記接触層に/から流体を循環させるマニホルド層とを備える熱交換器。 - 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。
- 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記載の熱交換器。
- 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。
- 上記第1の組の特定のフィンガは、上記第2の組の特定のフィンガから、当該熱交換器における圧力降下を最小化するために適切な寸法だけ離間して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。
- 上記各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記フィンガの少なくとも1つは、他のフィンガとは異なる寸法を有することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記複数のフィンガは、上記マニホルド層の少なくとも1つの寸法において、不規則的に配置されていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記複数のフィンガの少なくとも1つは、上記マニホルド層の長さに沿って少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記マニホルド層は、3個より多く10個より少ない平行なフィンガを有していることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記フィンガの第1の組及び第2の組は、マニホルド層の一寸法に沿って、交互に配置されていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記マニホルド層は、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1記載の熱交換器。
- 上記フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも1つの第1のポートを介して当該熱交換器に入ることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも1つの第2のポートを介して当該熱交換器から排出されることを特徴とする請求項13記載の熱交換器。
- 上記マニホルド層は、上記接触層の上に配設され、上記流体は、上記フィンガの第1の組を介して下方に流れ、及び上記フィンガの第2の組を介して上方に流れることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記第1のポート及び上記フィンガの第1の組に接続され、該第1のポートから該フィンガの第1の組に流体を流すよう構成された第1のポート流路を更に備える請求項13記載の熱交換器。
- 上記第2のポート及び上記フィンガの第2の組に接続され、該フィンガの第2の組から該第2のポートに流体を流すよう構成された第2のポート流路を更に備える請求項16記載の熱交換器。
- 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。
- 上記接触層は、上記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。
- 上記接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも1つの導管を介して上記接触層内の1又は複数の所定の位置に/から流体を流す中間層を更に備える請求項1記載の熱交換器。
- 上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に連結されていることを特徴とする請求項20記載の熱交換器。
- 上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に一体に形成されていることを特徴とする請求項20記載の熱交換器。
- 上記導管の少なくとも1つは、上記中間層に沿って、少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項20記載の熱交換器。
- 上記接触層は、少なくとも20W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記接触層は、少なくとも20W/m−Kの熱伝導率を有することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 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更に備える請求項1記載の熱交換器。
- 上記接触層は、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。
- 上記接触層は、表面上に微孔構造を備えることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 上記接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備える請求項1記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、上記接触層に連結されていることを特徴とする請求項29記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、上記接触層に一体に形成されていることを特徴とする請求項29記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、対応するフィンガに揃えられた少なくとも1つの溝が間に配設されたセグメントアレイに分割されることを特徴とする請求項29記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも20W/m−Kの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29記載の熱交換器。
- 熱源を冷却する熱交換器において、
a.互いに平行に配設された、各フィンガが第1の温度の流体を流す第1の構成を有するフィンガの第1の組と、各フィンガが第2の温度の流体を流す第2の構成を有するフィンガの第2の組とを含むマニホルド層と、
b.それぞれが上記第1の組内の対応するフィンガに関連している複数の第1の位置において、上記第1の温度の流体を受け取り、複数の所定の流路に沿ってそれぞれが第2の組内の対応するフィンガに関連している複数の第2の位置に流体を流す接触層とを備える熱交換器。 - 上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 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34記載の熱交換器。
- 上記第1の組の特定のフィンガは、上記第2の組の特定のフィンガから、当該熱交換器における圧力降下を最小化する適切な寸法だけ離間して配設されていることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも1つの第1のポートを介して当該熱交換器に入ることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを更に備え、上記流体は、該少なくとも1つの第2のポートを介して当該熱交換器から排出されることを特徴とする請求項39記載の熱交換器。
- 上記マニホルド層は、上記接触層の上に配設され、上記流体は、上記フィンガの第1の組を介して下方に流れ、及び上記フィンガの第2の組を介して上方に流れることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 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34記載の熱交換器。
- 上記接触層は、上記熱源に連結されていることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記第1の組のフィンガは、上記第2の組のフィンガと交互に配置されていることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有することを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記フィンガの少なくとも1つは、他のフィンガとは異なる寸法を有することを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記複数のフィンガは、上記マニホルド層の少なくとも1つの寸法において、不規則的に配置されていることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記複数のフィンガの少なくとも1つは、上記マニホルド層の長さに沿って少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記マニホルド層は、3個より多く10個より少ない平行なフィンガを有していることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記第1のポート及び上記フィンガの第1の組に接続され、該第1のポートから該フィンガの第1の組に流体を流すよう構成された第1のポート流路を更に備える請求項40記載の熱交換器。
- 上記第2のポート及び上記フィンガの第2の組に接続され、該フィンガの第2の組から該第2のポートに流体を流すよう構成された第2のポート流路を更に備える請求項50記載の熱交換器。
- 上記接触層及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも1つの導管を介して上記接触層内の1又は複数の所定の位置に/から流体を流す中間層を更に備える請求項34記載の熱交換器。
- 上記導管は、上記接触層内の1又は複数の接触層ホットスポット領域に流体を流すように所定の構成に配置されることを特徴とする請求項52記載の熱交換器。
- 上記導管は、上記接触層内の1又は複数の接触層ホットスポット領域から流体を流すように所定の構成に配置されることを特徴とする請求項52記載の熱交換器。
- 上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に連結されていることを特徴とする請求項52記載の熱交換器。
- 上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に一体に形成されていることを特徴とする請求項52記載の熱交換器。
- 上記導管は、上記中間層において、少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項52記載の熱交換器。
- 上記接触層は、少なくとも20W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記接触層は、少なくとも20W/m−Kの熱伝導率を有することを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 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更に備える請求項34記載の熱交換器。
- 上記接触層は、粗面化された表面を有することを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記接触層は、表面上に微孔構造を備えることを特徴とする請求項34記載の熱交換器。
- 上記接触層に沿った所定のパターンで構成された複数のマイクロチャネルを備える請求項34記載の熱交換器。
- 上記マイクロチャネルは、上記接触層に連結されていることを特徴とする請求項63記載の熱交換器。
- 上記マイクロチャネルは、上記接触層に一体に形成されていることを特徴とする請求項63記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも1つの溝が間に配設されたセグメントに分割されることを特徴とする請求項63記載の熱交換器。
- 上記マイクロチャネルは、接触層の一寸法に沿って連続していることを特徴とする請求項63記載の熱交換器。
- 上記少なくとも1つの溝は、対応するフィンガに揃えられていることを特徴とする請求項66記載の熱交換器。
- 上記複数のマイクロチャネルは、少なくとも20W/m−Kの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63記載の熱交換器。
- 熱源を冷却するよう構成された熱交換器に連結されるマニホルド構造体において、
フィンガの第1の組及びフィンガの第2の組を備え、該フィンガの第1の組は、上記熱交換器の熱交換領域に第1の温度の流体を提供し、該熱交換領域の流体は、熱源と熱交換を行い、第2の温度でフィンガの第2の組に流れ、各フィンガは、一寸法に沿って互いに平行に、該熱交換器において圧力降下を減少させるために適切な距離だけ離間して配置されていることを特徴とするマニホルド構造体。 - 上記流体は、単相流状態にあることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記流体は、二相流状態にあることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 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70記載のマニホルド構造体。
- 上記熱交換領域は、熱源に一体に形成されていることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記熱交換領域は、熱源に連結されていることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記フィンガの第1の組に接続された少なくとも1つの第1のポートを備え、上記流体は、該少なくとも1つの第1のポートを介して当該マニホルド構造体に流入することを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記フィンガの第2の組に接続された少なくとも1つの第2のポートを備え、上記流体は、該少なくとも1つの第2のポートを介して当該マニホルド構造体から排出されることを特徴とする請求項76記載のマニホルド構造体。
- 当該マニホルド構造体は、上記熱交換領域の上に配設され、上記流体は、上記フィンガの第1の組を介して、該熱交換領域に下向きに流れ、上記フィンガの第2の組を介して、熱交換領域から上向きに流れることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記第1のポート及び上記フィンガの第1の組に接続され、該第1のポートから該フィンガの第1の組に流体を流すよう構成された第1のポート流路を更に備える請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記第2のポート及び上記フィンガの第2の組に接続され、該フィンガの第2の組から該第2のポートに流体を流すよう構成された第2のポート流路を更に備える請求項79記載のマニホルド構造体。
- 上記熱交換領域及びマニホルド層の間に配設され、少なくとも1つの導管を介して上記熱交換領域内の1又は複数の所定の位置に/から流体を流す中間層を更に備える請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記導管は、上記熱交換領域内の1又は複数のホットスポット領域に流体を流すように所定の構成に配置されることを特徴とする請求項81記載のマニホルド構造体。
- 上記中間層は、上記接触層及び上記マニホルド層に連結されていることを特徴とする請求項81記載のマニホルド構造体。
- 上記中間層は、当該マニホルド層に一体に形成されていることを特徴とする請求項81記載のマニホルド構造体。
- 上記導管は、上記中間層において、少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項81記載のマニホルド構造体。
- 上記熱交換領域は、少なくとも20W/m−Kの適切な熱伝導率を提供するコーティングを備えることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記少なくとも1つのフィンガは、当該マニホルド構造に沿って可変の寸法を有していることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記各フィンガは、同じ長さ寸法及び幅寸法を有することを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記フィンガの少なくとも1つは、他のフィンガとは異なる寸法を有することを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記複数のフィンガは、当該マニホルド構造体の少なくとも1つの寸法において、不規則的に配置されていることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 上記複数のフィンガの少なくとも1つは、当該マニホルド構造体の長さに沿って少なくとも1つの可変の寸法を有していることを特徴とする請求項70記載のマニホルド構造体。
- 熱源を冷却する冷却方法において、
a.第1の構成を有するフィンガの第1の組を介して、第1の温度の流体を熱交換領域に供給する工程と、
b.上記熱交換領域に沿う複数のフロー流路に沿って、上記フィンガの第1の組に平行に、圧力降下が最小限になるように配置された第2の構成を有するフィンガの第2の組に流体を流す工程と、
c.上記フィンガの第2の組を介して、上記熱交換領域から第2の温度の流体を取り除く工程とを有する冷却方法。 - 上記フィンガの第1の組及び第2の組は、上記熱交換領域に沿って配置されていることを特徴とする請求項92記載の冷却方法。
- 上記フィンガの第1の組及び第2の組は、上記熱交換領域の上に配置されていることを特徴とする請求項92記載の冷却方法。
- 上記第1の組の少なくとも1つのフィンガは、上記第2の組の少なくとも1つのフィンガに隣接して、該第1及び第2の組のフィンガ間の圧力降下を低減する適切な距離だけ離間させて配置されていることを特徴とする請求項92記載の冷却方法。
- a.集積回路と、
b.上記集積回路に一体に形成され、流体が流されるよう構成された接触層と、
c.電子デバイス内での圧力降下を減少させるように構成されたフィンガの第1の組及び該フィンガの第1の組に平行に配置されたフィンガの第2の組を有し、上記接触層に/から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。 - a.集積回路と、
b.互いに平行に配設された、各フィンガが第1の温度の流体を流す第1の構成を有するフィンガの第1の組と、各フィンガが第2の温度の流体を流す第2の構成を有するフィンガの第2の組とを含むマニホルド層と、
c.上記集積回路に接触し、それぞれが上記第1の組内の対応するフィンガに関連している複数の第1の位置において、上記第1の温度の流体を受け取り、複数の所定の流路に沿ってそれぞれが第2の組内の対応するフィンガに関連している複数の第2の位置に流体を流す接触層とを備える電子デバイス。 - 少なくとも1つの集積回路を冷却するための循環システムにおいて、
a.1.上記集積回路に接触し、流体を流される接触層と、2.上記接触層に連結され、熱交換器内での圧力降下を減少させるように構成されたフィンガの第1の組及び該フィンガの第1の組に平行に配置されたフィンガの第2の組を有し、上記接触層に/から流体を循環させるマニホルド層と、
b.少なくとも1つの上記熱交換器に連結され、ループ内に流体を循環させる少なくとも1つのポンプと、
c.上記ポンプ及び熱交換器に連結され、該熱交換器から排出された加熱された液体を冷却する少なくとも1つの放熱器とを備える循環システム。
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