JP2009535598A - カーボンナノチューブウィック構造の方法、装置、およびシステム - Google Patents

Abstract

カーボンナノチューブウィック構造の方法、装置、およびシステムが開示される。システムは、フレームおよび装置を含む。装置は、熱交換器、冷却板内部容量を有する冷却板、および冷却板内部容量内にヒートパイプを含む。幾らかの実施形態においては、ヒートパイプは、ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材、壁材上に堆積される触媒層、触媒層上に形成されるカーボンナノチューブアレイ、および作業流体を含む。他の実施形態も開示される。
【選択図】 図１

Description

本発明の幾らかの実施形態は、概して冷却システムに関する。より具体的には、幾らかの実施形態は、冷却システムにおけるカーボンナノチューブウィック構造の利用に関する。

ヒートパイプを他の部材とともに利用して、集積回路（ＩＣ）などの構造から熱が除去される。ＩＣダイは、しばしばプロセッサなどのマイクロエレクトロニックスデバイスへと製造される。この分野でプロセッサが利用される際、プロセッサの電力消費量が増加するにつれて、加熱溶液デザインへの熱予算は収縮する傾向にある。故に、ヒートパイプにより効率的にＩＣからの熱を伝送させるには、加熱溶液あるいは冷却溶液がしばしば必要となる。

ＩＣからの熱を伝送するのに様々な技術が利用されてきた。これら技術には、受動的および能動的構成が含まれる。ある受動的構成は、ＩＣと熱的に接触する導電性材料に関する。

当業者が以下の明細書および添付請求項を読み、以下の図面を参照することで、本発明の実施形態の様々な利点が明らかになる。

本システムの幾らかの実施形態によるヒートパイプの断面図である。

本発明の幾らかの実施形態によるヒートパイプの断面図である。

本発明の幾らかの実施形態によるカーボンナノチューブ形成プロセスの概略図である。

本発明の幾らかの実施形態による装置の概略図である。

本発明の幾らかの実施形態によるコンピュータシステムの概略図を含む。

本発明の幾らかの実施形態によるコンピュータシステムの概略図を含む。

本発明の幾らかの実施形態によるヒートパイプあるいは気化チャンバのカーボンナノチューブウィック構造を形成するプロセスのフローチャートを含む。

添付図面で例示する本発明の幾らかの実施形態について以下に言及する。本発明が実施形態との関係で記載される場合、これら実施形態に本発明を限定する意図はないことを理解されたい。そうではなくて、本発明は、添付請求項が定義する本発明の精神および範囲に含まれうる代替例、変形例、および均等物を網羅する意図がある。さらには、以下に記す本発明の詳細な記載においては、幾らもの特定の詳細を述べて、本発明の完全な理解を提供する。しかし、本発明はこれら特定の詳細なしに実施することもできる。他の場合においては、公知の方法、手順、部材、および回路を詳細には記載しないことで、本発明の態様を曖昧に不当に曖昧にしない。

明細書において、本発明の「一実施形態」あるいは「幾らかの実施形態」として、本発明の少なくとも幾らかの実施形態に含まれる実施形態に関して特定のフィーチャ、構造、あるいは特徴を示している。故に、明細書全体にわたり見られる「幾らかの実施形態においては」あるいは「幾らかの実施形態によっては」などの表現は、同様の実施形態全てのことを言及している訳では必ずしもない。

幾らかの実施形態においては、ヒートパイプあるいは気化チャンバは、熱エネルギーが伝導しやすくなるようにカーボンナノチューブウィック構造を含む。ヒートパイプは、熱交換器および冷却板内部容量を有する冷却板を有する装置の内部に実装されうる。幾らかの実施形態においては、ヒートパイプは冷却板内部容量の内部に位置してよい。幾らかの実施形態においてヒートパイプは、ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材、壁材に堆積される触媒層、触媒層上に形成されるカーボンナノチューブアレイ、および作業流体を含む。

幾らかの実施形態によっては、装置はコンピューティングシステム内に実装されうる。システムは、フレーム、一以上の電子部材、および一以上の電子部材を冷却するよう実装されうる装置を含みうる。

図１は、システムの幾らかの実施形態によるヒートパイプの断面図である。ヒートパイプ１００は、ヒートパイプのウィッキング材料として単一のあるいは多数の壁炭素原子から形成されるナノチューブを利用してよい。幾らかの実施形態においては、ヒートパイプは気化チャンバとして考えられてもよい。ヒートパイプ１００は、ヒートパイプの部材を含む壁材１０２／１０８を含みうる。幾らかの実施形態においては、壁材１０２／１０８は、金属を含み得、この金属は銅あるいはシリコンなどであるが、それらに限定されない。幾らかの実施形態においては、壁材１０２／１０８は、大よそ１ミリメートルの厚みを有してよい。

ヒートパイプ１００はさらにウィック構造１０６を含み得、幾らかの実施形態においてウィック構造１０６は約１ミリメートルの厚みを有してよい。幾らかの実施形態においては、ウィック構造はカーボンナノチューブから形成されうる。ナノチューブがその熱特性から有用であることは、ここに提供する教示に少なくとも基づいて関連技術の当業者ならば理解する。このような次第で、ナノチューブは、メータケルビンあたり約３０００ワットの範囲の熱伝導性を有しうる。関連技術の当業者であれば理解するように、ナノチューブの組成、配置、および用途によっては他の熱伝導性を達成することもできる。

ヒートパイプ１００はさらに、気化空間１０４を含み得、これは幾らかの実施形態においては約１ミリメートルの厚みである。幾らかの実施形態においては、気化空間は部分的に作業流体で充たされており、この作業流体は水あるいはエタノールであるが、それらに限定されない。

幾らかの実施形態においては、壁材１０２／１０８は熱インタフェース材料（ＴＩＭ）１１２、およびダイあるいはＩＣ１１４と熱的に接触するよう配置されうる。幾らかの実施形態においては、ヒートパイプは、上面（Ａ）あるいは底面（Ｂ）に一以上の熱伝導性フィン１１０を含みうる。

図２は、本発明の幾らかの実施形態によるヒートパイプ２００の断面図である。ヒートパイプは、壁材１０２と熱的に接触する一以上のフィン１１０を含みうる。触媒層２０２が壁材１０２上に形成されうる。幾らかの実施形態においては、カーボンナノチューブのアレイのウィック構造は、単一壁あるいは多重壁であれ、金属により触媒層２０２に固定（anchor）されうる。幾らかの実施形態においては、金属は銅あるいはシリコンでありうる。故に、幾らかの実施形態においては、ナノチューブ２０４は触媒層２０２上に直接成長し得、いかなる他の基板にも置かれないので、接触抵抗の問題は軽減される。

図３は、本発明の幾らかの実施形態によるカーボンナノチューブ形成プロセスの概略図である。幾らかの実施形態においては、３００において、ヒートパイプ壁３０２がプラズマあるいは熱炭素蒸着（ＣＶＤ）チャンバ内に配置されうる。本発明の幾らかの実施形態においては、３２０において、複数のカーボンナノチューブ３２４が壁材３０２上に成長しうる。幾らかの実施形態において、ナノチューブは比較的垂直な配向状態に成長しうる、あるいは、壁材３０２からよりルーズな配向状態（looser orientation）に成長しうる。３４０において、壁材３４６が、ナノチューブ３２４を封入するヒートパイプのチャンバを形成すべく加えられうる。幾らかの実施形態においては、ナノチューブ３２４は、真空状態においておよびヒートパイプが封止された状態で作業流体が導入される際に、ウィック構造を形成しうる。

さらに、ここに提供する教示に少なくとも基づいて関連技術の当業者が理解するように、ナノチューブは、プラズマＣＶＤ、リソグラフィパターン、あるいは金属化壁を利用して成長した直管ナノチューブのアレイとして形成されうる。

例えば、幾らかの実施形態においては、ナノチューブはプラズマＣＶＤプロセスあるいは熱ＣＶＤを利用して成長されうる。それらはさらに、触媒の選択的堆積によりアレイ状あるいは束状に成長しうるが、この触媒は、一以上の層のニッケル、鉄、あるいはコバルトなどであるが、それらに限定されない。

図４は、本発明の幾らかの実施形態による装置４００の概略図である。装置４００は、熱交換器４０６、冷却板内部容量を有する冷却板４０４、および冷却板内部容量内にヒートパイプ４０２を含みうる。幾らかの実施形態においてヒートパイプは、ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材、壁材に堆積される触媒層、触媒層上に形成されるカーボンナノチューブのウィック、および作業流体を含む。

幾らかの実施形態においては、導管（conduit of tubing）（図５に示す）が、冷却板および熱交換器に連結されうる。さらに、ポンプ（図５に示す）が、導管に連結され得、ポンプは冷却流体を、冷却板と熱交換器との間の管内で循環させうる。

幾らかの実施形態においては、冷却板４０４はマニフォールドプレートを含み得、このマニフォールドプレートはヒートパイプ４０２を含む。

図５は、本発明の幾らかの実施形態によるコンピュータシステム５００の概略図を含む。コンピュータシステム５００はフレーム５０１を含みうる。幾らかの実施形態においては、フレーム５０１は、モバイルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、サーバコンピュータ、あるいはハンドヘルドコンピュータに含まれていてよい。幾らかの実施形態においてフレーム５０１は、電子部材５０４と熱的に接触していてよい。幾らかの実施形態によると、電子部材５０４は、中央処理装置、メモリコントローラ、グラフィックコントローラ、チップセット、メモリ、電源、電源アダプタ、ディスプレイ、あるいはディスプレイグラフィックアクセラレータを含みうる。

装置４００は、フレーム５０１に全体が集積されてよく、故に、フレーム５０１は熱交換器５１０、冷却板内部容量を有する冷却板（あるいはマニフォールドプレート）５０２、および冷却板内部容量内にヒートパイプ５１６を含みうる。幾らかの実施形態においてヒートパイプ５１６は、ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材、壁材に堆積される触媒層、触媒層上に形成されるカーボンナノチューブのウィック、および作業流体を含みうる。

幾らかの実施形態においては、冷却板５０２および熱交換器５１０に導管５０６が連結されてよい。幾らかの実施形態においては、ポンプ５０８は導管５０６に連結され得、ポンプ５０８は冷却流体を、冷却板５０２と熱交換器５１０との間の導管５０６内で循環させうる。

本発明の幾らかの実施形態においては、フレーム部材５１２がコンピュータシステム５００に含まれうる。フレーム部材５１２は熱交換器５１０から熱エネルギーを受け取り得る。システム５００はさらに、ブロワー５１４を含み得、ブロワー５１４はファンあるいは空気移動器などであるが、それらに限られない。

図６は、本発明の幾らかの実施形態によるコンピュータシステムの概略図を含む。コンピュータシステム６００は、フレーム６０２および電源アダプタ６０４を含み、電源アダプタ６０４は例えば、コンピューティングデバイス６０２に対して給電する。コンピューティングデバイス６０２は、ラップトップ（ノートブック）コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デスクトップコンピューティングデバイス（例えば、ワークステーションあるいはデスクトップコンピュータ）、ラックマウント式のコンピューティングデバイスなどの任意の適切なコンピューティングデバイスであってよい。

コンピューティングデバイス６０２の様々な部材に、以下で述べる電源から（例えばコンピューティングデバイス電源６０６を介して）給電されてよい。電源は、一以上のバッテリパック、交流（ＡＣ）コンセント（変換器および／または電源アダプタ６０４などのアダプタを介して）、自動車用電源、航空機用電源などを含む。幾らかの実施形態においては、電源アダプタ６０４は、電源出力（例えば約１１０ＶＡＣ〜２４０ＶＡＣのＡＣ出力電圧）を、約７ＶＤＣ〜１２．６ＶＤＣの間の範囲の直流（ＤＣ）電圧へと変換してよい。よって、電源アダプタ６０４は、ＡＣ／ＤＣアダプタであってよい。

コンピューティングデバイス６０２はさらに、バス６１０に連結される一以上の中央処理装置（ＣＰＵ）６０８を含みうる。幾らかの実施形態においては、ＣＰＵ６０８は、カリフォルニア州サンタクララのＩｎｔｅｌ（登録商標）コーポレーションから入手できるＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＩプロセッサファミリー、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＩＩプロセッサ、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）ＩＶプロセッサを含むＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサファミリーの一以上のプロセッサであってよい。その代わりに、ＩｎｔｅｌのＩｔａｎｉｕｍ（登録商標）、ＸＥＯＮ（登録商標）、およびＣｅｌｅｒｏｎ（登録商標）プロセッサなどの他のＣＰＵを利用してもよい。さらに、他の製造業者からの一以上のプロセッサを利用してもよい。さらに、プロセッサは、単一のコアデザインあるいは多数のコアデザインを有してもよい。

チップセット６１２はバス６１０に連結されうる。チップセット６１２はメモリコントロールハブ（ＭＣＨ）６１４を含みうる。ＭＣＨ６１４は、メインシステムメモリ６１８に連結されるメモリコントローラ６１６を含みうる。メインシステムメモリ６１８は、ＣＰＵ６０８あるいはシステム６００に含まれる任意の他のデバイスが実行するデータおよび命令列を記憶する。幾らかの実施形態においては、メインシステムメモリ６１８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むが、メインシステムメモリ６１８は、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）などの他のメモリ種類を利用して実装されうる。多数ＣＰＵおよび／または多数システムメモリなどの、さらなるデバイスをさらにバス６１０に連結することもできる。

ＭＣＨ６１４はさらに、グラフィックアクセラレータ６２２に連結されるグラフィックインタフェース６２０を含みうる。幾らかの実施形態においては、グラフィックインタフェース６２０は、アクセラレートグラフィックポート（ＡＧＰ）を介してグラフィックアクセラレータ６２２に連結される。一実施形態においては、フラットパネルディプレイなどのディスプレイ６４０が、例えばビデオメモリあるいはシステムメモリなどの記憶デバイスに記憶されているデジタル形式の画像をディプレイが解釈および表示する際のディプレイ信号に翻訳する信号変換器を介して、グラフィックインタフェース６２０に連結されてもよい。ディプレイデバイスが生成するディプレイ６４０用の信号は、ディプレイが解釈および表示する前に、様々なコントロールデバイスを通過しうる。

ハブインタフェース６２４はＭＣＨ６１４を入力／出力コントロールハブ（ＩＣＨ）６２６に連結する。ＩＣＨ６２６はコンピュータシステム６００に連結される入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスのインタフェースとなる。ＩＣＨ６２６は周辺部材相互接続（ＰＣＩ）バスに連結されうる。故に、ＩＣＨ６２６は、ＰＣＩバス６３０のインタフェースとなるＰＣＩブリッジ６２８を含む。ＰＣＩブリッジ６２８は、ＣＰＵ６０８と周辺デバイスとの間のデータパスとなる。さらに、カリフォルニア州サンタクララのＩｎｔｅｌ（登録商標）コーポレーションから入手できるＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ（登録商標）アーキテクチャなどの他の種類のＩ／Ｏ相互接続トポロジーを利用してもよい。

ＰＣＩバス６３０は、音声デバイス６３２および一以上のディスクドライブ６３４に連結されてよい。他のデバイスがＰＣＩバス６３０に連結されてよい。さらに、ＣＰＵ６０８とＭＣＨ６１４とは組み合わせられて単一のチップを形成してよい。さらに、他の実施形態においてグラフィックアクセラレータ６２２はＭＣＨ６１４に含まれてもよい。また別の代替例においては、ＭＣＨ６１４とＩＣＨ６２６とは、グラフィックインタフェース６２０とともに単一の部材に集積されてもよい。

さらに、様々な実施形態において、ＩＣＨ６２６に連結される他の周辺機器は、集積ドライブエレクトロニクス（ＩＤＥ）あるいはスカジー（ｓｍａｌｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（ＳＣＳＩ）ハードドライブ、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート、キーボード、マウス、パラレルポート、シリアルポート、フロッピーディスクドライブ、デジタル出力支援機器（デジタルビデオインタフェース（ＤＶＩ））などを含みうる。故に、コンピューティングデバイス６０２は揮発性および／または不揮発性メモリを含みうる。

図７は、本発明の幾らかの実施形態によるヒートパイプあるいは気化チャンバのカーボンナノチューブウィック構造を形成するプロセスのフローチャートを含む。幾らかの実施形態において、プロセスは７００から始まり、すぐに７０２に進み、触媒層を壁材に堆積する。そしてプロセスは７０４へ進み、壁材および触媒層をある温度範囲に加熱しうる。
幾らかの実施形態において温度範囲は、熱ＣＶＤについては約摂氏５００〜１０００度でありってよく、プラズマＣＶＤについては約摂氏２５００〜４０００度であってよい。そしてプロセスは７０６へ進み、一以上のキャリアガスに触媒層上を通過させ得、一以上のキャリアガスが触媒層上を通過した結果、カーボンナノチューブが成長しうる。

幾らかの実施形態においては、その後プロセスは７０８へ進み、ここでプロセスは壁材、触媒層、およびカーボンナノチューブをヒートパイプ内に封止してよい。そしてプロセスは７１０に進み、ヒートパイプを作業流体で充たしてよい。そしてここに提供する教示に少なくとも基づいて関連技術の当業者が理解するようにプロセスは７１２へ進んで終了して、７００‐７１０の任意のものから再開してよい。

本発明の実施形態を、当業者が本発明を実施できる程度の詳細を持って記載してきた。他の実施形態を利用して、本発明の範囲から逸脱しないように構造的、論理的、および知的な変更を加えることもできる。さらには、本発明の様々な実施形態は互いに異なってはいるが、必ずしも互いに排他的であるとは限らない。例えば、幾らかの実施形態で記載した特定のフィーチャ、構造、あるいは特徴が他の実施形態に含まれてもよい。当業者であれば、本発明の実施形態の技術が様々な形態で実施できることを本記載から理解するであろう。

本発明の実施形態を特定の例により記載してきたが、本発明の実施形態の真の範囲はそれに限定されるべきではない、というのも当業者であれば図面、明細書、および以下の請求項に基づいて他の変形例を想到することは明らかだからである。

Claims (20)

1. カーボンナノチューブウィック構造を有するヒートパイプであって、
   前記ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材と、
   前記壁材上に堆積される触媒層と、
   前記触媒層上に形成されるカーボンナノチューブのウィックと、
   作業流体と、を含むヒートパイプ。
2. 前記壁材は銅あるいはシリコンを含む、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記触媒層は金属を含む、請求項１に記載のヒートパイプ。
4. 前記カーボンナノチューブはパターニング技術あるいは蒸着技術を利用して形成される、請求項１に記載のヒートパイプ。
5. 前記作業流体は水あるいはエタノールである、請求項１に記載のヒートパイプ。
6. 前記カーボンナノチューブの形成を支援するのに一以上のキャリアガスが利用された、請求項１に記載のヒートパイプ。
7. 前記一以上のキャリアガスはメタンあるいはエチレンである、請求項６に記載のヒートパイプ。
8. カーボンナノチューブウィック構造を有する装置であって、
   熱交換器と、
   冷却板内部容量を有する冷却板と、
   前記冷却板内部容量内にヒートパイプと、を含み、
   前記ヒートパイプは、前記ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材と、前記壁材上に堆積される触媒層と、前記触媒層上に形成されるカーボンナノチューブのウィックと、作業流体とを含む、装置。
9. 前記冷却板と前記熱交換器とに連結される導管（conduit of tubing）と、
   前記導管に連結され、前記冷却板と前記熱交換器との間の前記管内で冷却流体を循環させるポンプと、をさらに含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記カーボンナノチューブはパターニング技術あるいは蒸着技術を利用して形成される、請求項８に記載の装置。
11. 一以上のキャリアガスを利用して前記カーボンナノチューブの形成を支援する、請求項８に記載の装置。
12. 前記冷却板は、前記ヒートパイプを含むマニフォールドプレートを含む、請求項８に記載の装置。
13. カーボンナノチューブウィック構造を有するシステムであって、
    電子部材を含むフレームと、
    熱交換器と、
    冷却板内部容量を有する冷却板と、
    前記冷却板内部容量内にヒートパイプと、を含み、
    前記ヒートパイプは、前記ヒートパイプの内のりを形成する熱伝導性壁材と、前記壁材上に堆積される触媒層と、前記触媒層上に形成されるカーボンナノチューブのウィックと、作業流体とを含む、システム。
14. 前記冷却板と前記熱交換器とに連結される導管と、
    前記導管に連結され、前記冷却板と前記熱交換器との間の前記管内で冷却流体を循環させるポンプと、をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記カーボンナノチューブはパターニング技術あるいは蒸着技術を利用して形成される、請求項１３に記載のシステム。
16. 一以上のキャリアガスを利用して前記カーボンナノチューブの形成を支援する、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記冷却板は、前記ヒートパイプを含むマニフォールドプレートを含む、請求項１３に記載のシステム。
18. 壁材に触媒層を堆積させることと、
    前記壁材および前記触媒層を、ある温度範囲に加熱することと、
    一以上のキャリアガスに前記触媒層上を通過させることでカーボンナノチューブを成長させることと、を含む方法。
19. 前記壁材と、触媒層と、カーボンナノチューブとをヒートパイプに封止することと、
    前記ヒートパイプを作業流体で充たすことと、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記堆積はパターニング技術あるいは蒸着技術を利用して行われる、請求項１８に記載の方法。

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